(57)【要約】      （修正有）【課題】静電容量センサーを通過する粉体の検出感度を向上させる為にセンサーを小型化低容量化して、容量変化比を向上させると交流ブリッジを構成する微分回路の抵抗に並列に接続される容量の為、交流ブリッジに印加する電圧の周波数を高くできず、交流ブリッジのゲインが低下する。【解決手段】交流ブリッジの出力を検出する第一の増幅器に並列に、または後段に第二の増幅器及び第三の増幅器を接続し、第二、第三の増幅器の出力は各々に抵抗により分割して負入力端に接続する。第二、第三の増幅器の出力は交流ブリッジの出力と第一の増幅器の正入力端の接続点にコンデンサーと抵抗を接続して正帰還する。このコンデンサーと抵抗の値は第一の増幅器の入力容量とガード・シールドから漏れる浮遊容量等及び微分回路の抵抗と前述の各々の抵抗の比によって決定する。これらの接続は正帰還を構成する為、これらの値は正帰還量が１以上にならないようにする。【選択図】図１
2007279007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定体の粉体量を計測する粉体計測用静電容量センサーにおいて、
交流ブリッジを構成する微分回路の出力を第一の増幅器と第二の増幅器と第三の増幅器の正入力端へ入力し、第一の増幅器の出力を負入力端へ入力するとともに正入力端に第一の容量を介して入力し、第二の増幅器と第三の増幅器の各々の出力電圧を各々に分圧する抵抗の各々の分割点から第二の増幅器と第三の増幅器の負入力端へ各々に入力し、第二の増幅器の出力から第一の増幅器の正入力端に第二の容量を介して入力し、第三の増幅器の出力から第一の増幅器の正入力端に第二の抵抗を介して入力し、第一の増幅器の出力を微分回路の出力とすることを特徴とする粉体計測用静電容量センサー。
【請求項２】
被測定体の粉体量を計測する粉体計測用静電容量センサーにおいて、
交流ブリッジを構成する微分回路の出力を第一の増幅器の正入力端へ入力し、第一の増幅器の出力を負入力端へ入力するとともに正入力端に第一の容量を介して入力し、第一の増幅器の出力を第二の増幅器と第三の増幅器の正入力端へ入力し、第二の増幅器と第三の増幅器の各々の出力電圧を各々に分圧する抵抗の各々の分割点から第二の増幅器と第三の増幅器の負入力端へ各々に入力し、第二の増幅器の出力から第一の増幅器の正入力端に第二の容量を介して入力し、第三の増幅器の出力から第一の増幅器の正入力端に第二の抵抗を介して入力し、第一の増幅器の出力を微分回路の出力とすることを特徴とする粉体計測用静電容量センサー。
【請求項３】
請求項１乃至２記載の粉体計測用静電容量センサーにおいて、
前記微分回路の微分抵抗に並列に接続される容量と前記第二の増幅器の出力から前記第一の増幅器の正入力端に接続される前記第二の容量の比と前記第二の増幅器の出力電圧を分圧する抵抗の比を乗じた値は１未満からなる事を特徴とする粉体計測用静電容量センサー。
【請求項４】
請求項１乃至は２記載の粉体計測用静電容量センサーにおいて、
前記微分回路の微分抵抗と前記第三の増幅器の出力から前記第一の増幅器の正入力端に接続される前記第二の抵抗の比と前記第三の増幅器の出力電圧を分圧する抵抗の比を乗じた値は１未満からなる事を特徴とする粉体計測用静電容量センサー。
【請求項５】
被測定体の粉体量を計測する粉体計測用静電容量センサーにおいて、
交流ブリッジを構成する微分回路の出力を第一の増幅器と第二の増幅器の正入力端へ入力し、第一の増幅器の出力を負入力端へ入力するとともに正入力端に第一の容量を介して入力し、第二の増幅器の出力電圧を分圧する抵抗の分割点から第二の増幅器の負入力端へ入力し、第二の増幅器の出力から第一の増幅器の正入力端に第二の容量又は及び第二の抵抗を介して入力し、第一の増幅器の出力を微分回路の出力とすることを特徴とする粉体計測用静電容量センサー。
【請求項６】
被測定体の粉体量を計測する粉体計測用静電容量センサーにおいて、
交流ブリッジを構成する微分回路の出力を第一の増幅器の正入力端へ入力し、第一の増幅器の出力を負入力端へ入力するとともに正入力端に第一の容量を介して入力し、第一の増幅器の出力を第二の増幅器の正入力端へ入力し、第二の増幅器の出力電圧を分圧する抵抗の分割点から第二の増幅器の負入力端へ入力し、第二の増幅器の出力から第一の増幅器の正入力端に第二の容量又は及び第二の抵抗を介して入力し、第一の増幅器の出力を微分回路の出力とすることを特徴とする粉体計測用静電容量センサー。
【請求項７】
請求項５乃至６記載の粉体計測用静電容量センサーにおいて、
前記微分回路の微分抵抗と微分抵抗に並列に接続される容量と前記第二の増幅器の出力から前記第一の増幅器の正入力端に接続される前記第二の容量と前記第二の抵抗の比と前記第二の増幅器の出力電圧を分圧する抵抗の比を乗じた値は両方とも１未満からなるからなる事を特徴とする粉体計測用静電容量センサー。
【請求項８】
被測定体の粉体量を計測する粉体計測用静電容量センサーにおいて、
静電容量センサーの電極はその外周と両端に遮蔽金属で覆われて、静電容量電極と外周の金属の間にガード電極を有しないで、外周と両端に遮蔽金属を各々接地電位に接続することを特徴とする粉体計測用静電容量センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は粉体を静電容量の変化として測定する静電容量型粉体計測装置に関し、特に粉体の測定を高感度、高精度化、ローコスト化する構造及び静電容量センサーと増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  静電容量センサーの対向する電極の間に粉体を通過させ、その静電容量変化を測定する静電容量型粉体計測装置は、より微小な粉体を高感度で高精度に測定が出来て、ローコスト化の装置が望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  粉体を計測する静電容量センサーは測定電極と基準電極の各々の静電容量に抵抗を直列に接続して、図３に示す交流ブリッジを構成する。測定電極側の静電容量センサーを粉体が通過する時に、その静電容量が変化する。この変化を交流ブリッジで検出、増幅して粉体量を測定する。交流ブリッジの測定電極側と基準電極側は各々微分回路である。
各々の電極の静電容量はガード電極でシールドされる。また、これらの電極と抵抗の接続点も不要な容量が接続されると所望の微分回路が得られない為、正確な粉体量を測定する事が出来ない。この問題を解決する方法は特開平８−２７８１８０に開示されている。
また、粉体量が微小になれば静電容量センサーの容量変化が微小になり、容量の変化比も微小になり、検出が困難となる。これを改善するには静電容量センサーを小型化して、例えば、０．数ｐＦとか、さらに小型化して０．０数ｐＦと静電容量センサーの容量を十分の一、百分の一にすれば、微小な粉体量に対して容量変化の比率は相対的に増加する。
しかし、この微分回路は図２に示すように抵抗Ｒ２に並列に増幅器の入力容量や僅かな浮遊容量Ｃ２（以下、入力容量）が接続される事になり、微分回路の出力は低下する。図２に示す回路の周波数特性を（１）式に示す。また、（１）式は接続ケーブルの容量Ｃ３に流れる電流はｅ２＝ｅ０とすると、電流Ｉ３はゼロとなるので省略している。
2007279007.tif 000003
（１）式の特性を静電容量センサーの容量Ｃ１を一、十分の一、百分の一にして、Ｃ２は一定としてＦ特１、Ｆ特２、Ｆ特３を図４に示す。交流発振器の周波数（ｆ１）を高くする事ができない為、当初の−Ｇ１は−Ｇ２、−Ｇ３と減衰する。
交流ブリッジの微分回路から得られる電圧が低下しても、静電容量センサーとして所望の出力電圧を得るために増幅器のゲインを増加させれば良いが、静電容量センサーの容量の温度変化や経時変化ドリフト等も同時に増幅する為、安定性が低下する事になる。
また、センサー電極を覆うガード・シールドは増幅器の出力に接続する為、図７（ａ）に示すように、このガード・シールドをさらにグラウンド電位のシールドで覆う必要がある。このためにシールドが二重になり構造が複雑となりコスト・アップの要因になる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  第一の増幅器（Ａ１）に並列に、または後段に第二の増幅器（Ａ２）及び第三の増幅器（Ａ３）を接続し、この第二の増幅器（Ａ２）及び第三の増幅器（Ａ３）の出力は抵抗（Ｒａ／Ｒｂ、Ｒｃ／Ｒｄ）により分割されて各々の負入力端に接続される。したがって、第二の増幅器（Ａ２）及び第三の増幅器（Ａ３）は抵抗分割の負帰還によって決定される増幅度を有している。
また、第二の増幅器（Ａ２）及び第三の増幅器（Ａ３）の出力は交流ブリッジの出力と第一の増幅器（Ａ１）の正入力端の接続点にコンデンサー（Ｃ４）及び抵抗（Ｒ４）を接続して正帰還する。このコンデンサー（Ｃ４）の値は第一の増幅器（Ａ１）の入力容量（Ｃ２）と第二の増幅器（Ａ２）の負帰還抵抗の比によって決定され、正帰還抵抗は微分回路の抵抗値と第三の増幅器（Ａ３）の負帰還抵抗の比によって決定される。
この接続は正帰還を構成する為、これらの値は正帰還量が１以上にならないように決定される。
第二の増幅器（Ａ２）の正帰還ループは第一の増幅器（Ａ１）の正入力端に接続されるコンデンサー（Ｃ４）を負性容量とする非線形回路となり、第一の増幅器（Ａ１）の入力容量（Ｃ２）を減じる効果がある。また、第三の増幅器（Ａ３）の正帰還ループは第一の増幅器の正入力端に接続される抵抗（Ｒ４）を負性抵抗とする非線形回路となり、微分回路の抵抗（Ｒ２）を大きくする効果がある。
前記、微分回路の抵抗（Ｒ２）は確かな値を有しているが、この微分抵抗に並列に加わる増幅器の入力容量（Ｃ２）は不確かな値である。この値のバラツキの範囲をある程度許容して、第三の増幅器（Ａ３）を省く事ができる。
第一の増幅器（Ａ１）に並列に、または後段に第二の増幅器（Ａ２）を接続し、この第二の増幅器（Ａ２）の出力は抵抗（Ｒａ／Ｒｂ）により分割されて負入力端に接続される。したがって、第二の増幅器（Ａ２）は抵抗分割の負帰還によって決定される増幅度を有している。第二の増幅器（Ａ２）の正帰還ループは第一の増幅器（Ａ１）の正入力端に接続されるコンデンサー（Ｃ４）と抵抗（Ｒ４）を負性容量と負性抵抗にする非線形回路となり、第一の増幅器（Ａ１）の入力容量（Ｃ２）を減じて、微分回路の抵抗（Ｒ２）を大きくする効果がある。
これにより、微分回路の抵抗に並列に接続される容量を軽減でき、微分回路のコーナー周波数を高くする事ができる為、交流発振器の周波数を高くする事が可能になる。
しかし、さらに周波数を高くすると周波数特性が高域までゲインを有する高性能なオペアンプが必要になり、周波数を高くする事による不安定要素が増加する。
さらに周波数を高くなる事を抑えるために微分抵抗を大きくすると抵抗の熱雑音及び増幅器の電流雑音による雑音電圧も増加する。これらの抵抗を大きくする事なく、適切な値を選べば、高性能なオペアンプを必要とする事なく、交流ブリッジの微分回路から十分な電圧が得られるようになる。
【発明の効果】
【０００５】  この発明によれば、交流ブリッジを構成する微分回路の抵抗に並列に接続される入力容量の影響を除去し、微分回路の時定数を任意に大きくする事ができる。従来の静電容量センサーに比べて出力電圧を大きくする事ができる。この為、静電容量センサーの出力電圧を増幅する増幅器のゲインを小さく抑える事ができる為、静電容量センサーの動作を安定にして感度を向上させる事ができる。
また、静電容量センサーの対向する電極を覆うガード・シールドとグラウンド・シールドの二重シールドを不要にする事ができる。この為、高感度、高精度及び小型でシンプルな構造が実現できる。
【第一の実施例】
【０００６】  図１（ａ）に本発明による、第一の実施例を詳細に説明する。第一の増幅器の正入力端の接続点に流入する電流を以下に示す。
2007279007.tif 000004
β１及びβ２は以下の通りである。
2007279007.tif 000005
これらの電流の関係は以下のようになる。
Ｉ２＝Ｉ１＋Ｉ３＋Ｉ４＋Ｉ５          −−−−−−−−（４）
また、
2007279007.tif 000006
なので、Ａ１→∞とするとｅ０＝ｅ２となり、Ｉ３は零となるので、これを消去すると
2007279007.tif 000007
となる。第一の増幅器の出力ｅ０を求めると
2007279007.tif 000008
の変動分を考慮して第二の増幅器を含む正帰還ループのゲインが１以上にならないようにこれらの抵抗値を選択する必要がある。Ｒ４＝Ｒ２、Ｒｃ＝ｋＲｄ、１＞ｋとすると
2007279007.tif 000009
となり、コーナー周波数はｎ分の一と低くなる為、高性能なオペアンプでなくても、静電容量センサーから十分な出力が得られる事になる。
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変動分を考慮して第三の増幅器を含む正帰還ループのゲインが１以上にならないようにこれらの抵抗値を選択する必要がある。
図５及び図６に改善効果を示す。前述の図４に示す、Ｆ特２、Ｆ特３のコーナー周波数は高くなり交流発振器の周波数もｆ２、ｆ３と高くする事ができ、微分回路の出力は当初の−Ｇ１を維持する事ができる。図６に点線で示すＦ特４は微分回路の時定数を等価的に大きくした場合である。交流発振器の周波数を高くすることなく、当初の−Ｇ１を維持する事ができる。
【第二の実施例】
【０００７】  図１（ｂ）に本発明による、第二の実施例を詳細に説明する。本実施例で、第一の増幅器の正入力端の接続点に流入する電流で（３）式に示すＩ３とＩ４はｅ２＝ｅ０とすると、計算式は第一の実施例と同じになる。（５）式に示すように、Ａ１→∞でなく有限な値を持つとして計算すると、第一の実施例とは異なり、第二の増幅器及び第三の増幅器の正帰還ループに第一の増幅器が含まれる周波数特性となる。この周波数特性は、本発明の静電容量センサーの性能に影響する程ではないので、詳細な計算は省略する。
第一の実施例では微分回路の抵抗に第一の増幅器、第二の増幅器及び第三の増幅器の入力端が接続されるので、入力容量は３倍になる。その為、具体的な帰還用コンデンサーと抵抗分割比が異なってくる。また、トランジスター入力段になっているオペアンプではバイアス電流が比較的大きく、これらのオペアンプ３個分となり、直流動作点が３倍と負電圧方向に移動する。動作点の移動は実際上注意を要する場合がある。本実施例の負電圧方向への移動は従来と変わらない。
第一の実施例と第二の実施例は各々長所と短所を併せ持つが、本発明の静電容量センサーの性能には影響を及ぼすものではなく、選定する回路部品によって有利な方を選べば良い。
【第三の実施例】
【０００８】  図１（ｃ）に本発明による、第三の実施例を詳細に説明する。本実施例は第三の増幅器を省略して、回路の簡略化を図るものである。第三の増幅器は増幅器の入力容量やガード・シールドから漏れる浮遊容量等のＣ２は微分回路の抵抗値に対してバラツキが大きい為、独立した正帰還ループで補正するものである。本実施例はこのバラツキを許容したものである。
（８）式のＲａ＝Ｒｃ、Ｒｂ＝Ｒｄ及び、Ｒ４＝Ｒ２とすると
2007279007.tif 000011
となる。
2007279007.tif 000012
となる。
ここで、ｋ＝０．９とするとｎ＝１０となるので、等価的な時定数は１０倍となり、交
2007279007.tif 000013
還ループが発振するため、ループのゲインが１以上にならないように、これらの素子の変動分及び誤差分を考慮して第二の増幅器を含む正帰還これらの抵抗値を選択する必要がある。
【第四の実施例】
【０００９】  図１（ｄ）に本発明による、第四の実施例を説明する。本実施例は第二の実施例と類似なもので、第二の増幅器の正帰還ループに第一の増幅器が含まれる周波数特性となる。従って、同様に、この周波数特性は、本発明の静電容量センサーの性能に影響する程ではない。第三の実施例では増幅器の入力容量とオペアンプのバイアス電流は２倍になるが、本実施例は従来と同じである。
第三の実施例と第四の実施例の長所と短所は第一の実施例と第二の実施例と殆ど同じである。本実施例も正帰還ループを構成するので、これらのループ利得が１を越えないようにする注意が必要である。これは第一の実施例から第四の実施例まで同様である。
【産業上の利用可能性】
【００１０】  以上、図を参照して実施例を説明したところから明らかなように、本発明によれば粉体の量が微小になっても、交流ブリッジからの出力を増加させるため、静電容量センサーの容量変化を相対的に減少させる事ができ、静電容量センサーの高感度、高精度が実現できる。
さらに従来の静電容量センサーに比べて簡単な構造となり、小型化で製造コストを大幅に低減する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の静電容量センサーの概略回路図である。
【図２】従来の静電容量センサーの概略回路図である。
【図３】静電容量センサーを構成する交流ブリッジを示す図である。
【図４】従来の静電容量センサーの周波数特性を示す図である。
【図５】本発明の静電容量センサーの周波数特性を示す図である。
【図６】本発明の静電容量センサーの周波数特性を示す図である。
【図７】従来の静電容量センサーと発明の静電容量センサーの概略構造を示す図である。
【符号の説明】
【００１２】１ａ、１ｂ        静電容量センサーの対向電極
２                静電容量センサーのガード電極
２ａ、２ｂ        静電容量センサーのガード電極
３                静電容量センサーのアース電極
３ａ、３ｂ        静電容量センサーのアース電極
１１              測定電極側の静電容量センサー
１１’            基準電極側の静電容量センサー
１２              入力容量
１３              寄生容量及び接続ケーブルの容量
１４              入力容量を減少させる正帰還容量
２１              測定電極側の微分回路の抵抗
２１’            基準電極側の微分回路の抵抗
２２              微分回路の抵抗を等価的に増大させる正帰還抵抗
２３              分割抵抗
２４              分割抵抗
２５              分割抵抗
２６              分割抵抗
３１              発振器
４１              第１の増幅器
４２              第２の増幅器
４３              第３の増幅器
ｅｉ              発振器の出力電圧
ｅ２              交流ブリッジを構成する測定電極側の微分回路の出力電圧
ｅ２’            交流ブリッジを構成する基準電極側の微分回路の出力電圧
ｅ０              静電容量センサーの出力電圧
ｅ４              第二の増幅器の出力電圧
ｅ５              第三の増幅器の出力電圧
Ｉ１              静電容量センサーの対向電極間を流れる電流
Ｉ２              微分回路の抵抗と並列容量に流れる電流
Ｉ３              寄生容量及び接続ケーブルの容量に流れる電流
Ｉ４              入力容量を減少させる正帰還容量に流れる電流
Ｉ５              微分回路の抵抗を等価的に増大させる正帰還抵抗に流れる電流
【図１】
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2007279007.tif 000015
【図２】
2007279007.tif 000016
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007279007.tif 000019
【図６】
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【図７】
2007279007.tif 000021