JP2000514200A - インピーダンス−電圧変換装置及び変換方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 インピーダンス−電圧変換装置は、イマジナリ・ショートの状態の演算増幅器を利用して、浮遊容量に影響されずに、インピーダンス値を電圧へ変換する。該インピーダンス−電圧変換装置は、出力と反転入力との間をインピーダンス素子で接続したときに反転入力と非反転入力との間がイマジナリ・ショートの状態になる演算増幅器と、インピーダンス素子を反転入力に接続する線をシールドするシールド線と、非反転入力に接続された交流信号発生器と、信号線をシールドするシールド線とを具備し、シールド線は非反転入力に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】 インピーダンス−電圧変換装置及び変換方法 技術分野 この発明は、イマジナリ・ショート状態の演算増幅器を利用して高精度にイン ピーダンスを電圧に変換することができるインピーダンス−電圧変換装置及び変 換方法に関する。 背景技術 図１は、特開昭６１−１４５７８号公報に記載された静電容量−電圧変換装置 の構成を概略的に示す図である。この静電容量−電圧変換装置は、未知の静電容 量に該静電容量の接続に用いるケーブルの浮遊容量が重畳されること、及び、こ うした静電容量がケーブルの移動や折り曲げ等により変化すること等によって正 確な電圧変換ができないという従来技術の課題を解決するために提案されたもの である。図１に示すように、交流（ＡＣ）信号発生器ＯＳと演算増幅器ＯＰとは 未知の容量Ｃｘに接続され、その接続線をシールド線ｓで覆うことにより、浮遊 容量Ｃｓ１，Ｃｓ２、Ｃｓ３の影響が低減される。具体的には、演算増幅器ＯＰ の出力と反転入力との間は、抵抗ＲｆとコンデンサＣｆとの並列回路からなる帰 還回路により接続される。演算増幅器の反転入力に、シールド線ｓを介して、未 知の容量Ｃｘの一端が接続され、その他端はシールド線ｓを介して交流信号発生 器ＯＳに接続される。両方のシールド線及び演算増幅器ＯＰの非反転入力は接地 される。 上記の構成によると、演算増幅器ＯＰの２つの入力端子間にはほとんど電位差 がないため、浮遊容量Ｃｓ２は充電されず、また、浮遊容量Ｃｓ３は両シールド 線の結合容量と考えられるので、シールド線を接地することで除去することがで きる。こうして、未知の静電容量Ｃｘを接続するケーブルの浮遊容量による影響 は、シールド線を用いることによって低減されるので、未知の静電容量Ｃｘに誘 導されるのと等しい電荷が帰還回路のコンデンサＣｆに誘導され、末知の静電容 量Ｃｘに比例する出力が演算増幅器ＯＰから生成される。すなわち、交流信号発 生器ＯＳの出力電圧をＶｉとすると、演算増幅器ＯＰの出力電圧Ｖｏは−（Ｃｘ ／Ｃｆ）Ｖｉとして表されるので、図１の装置を用いて、未知の静電容量Ｃｘを 電圧Ｖｏに変換し、この電圧Ｖｏと既知の値Ｃｆ及びＶｉから、未知の静電容量 Ｃｘを求めることができる。 発明の概要 しかしながら、この公知の静電容量−電圧変換装置においては、未知の静電容 量Ｃｘが小さくなると、浮遊容量の影響が顕在化し、静電容量Ｃｘを電圧へ正確 に変換することができないという問題がある。また、演算増幅器ＯＰの帰還回路 を抵抗ＲｆとコンデンサＣｆの並列回路で構成しているため、必要な構成要素を 実際に集積化して１チップとするとき、抵抗とコンデンサを形成するプロセスが 必要であり、製造プロセスが複雑化するうえ、チップ・サイズが増大する。更に 、静電容量Ｃｘの一方の電極が或る電位にバイアスされているときには、該コン デンサに交流信号を印加することができないため、静電容量Ｃｘの電圧への変換 は不可能である。 この発明はこうした課題を解決するために提案されたものであり、したがって 、この発明の目的は、イマジナリ・ショートの状態の演算増幅器を利用して、反 転入力端子に接続される線とそれを包囲するシールド線との間の浮遊容量による 影響を除去して高精度にインピーダンスを電圧へ変換することができるインピー ダンス−電圧変換装置及び変換方法を提供することにある。 上記の目的を達成するために、この発明は、 インピーダンス−電圧変換装置であって、 反転入力、非反転入力及び出力を有し、前記反転入力と前記非反転入力との間 がイマジナリ・ショートの状態にある演算増幅器と、 前記出力と前記反転入力との間に接続されたインピーダンス素子であって、一 端が該インピーダンス素予に接続され他端が前記反転入力に接続された接続線を 含むインピーダンス素子と、 既知のインピーダンスを有する回路素子と、 前記反転入力に一端が接続され、他端が前記回路素子に接続された信号線と、 前記信号線及び／又は前記接続線の少なくとも一部を包囲するシールドと、 前記非反転入力に接続された交流電圧発生器と、 を具備するインピーダンス−電圧変換装置、 を提供する。 また、上記の目的を達成するために、この発明は、 インピーダンス素子のインピーダンスの変化に対応する交流電圧を得るために 、インピーダンスを電圧へ変換する方法であって、 反転入力、非反転入力及び出力を有する演算増幅器を設ける段階と、 前記出力と前記反転入力との間にインピーダンス素子を接続する段階と、 前記反転入力に、既知のインピーダンスを有する回路素子を接続する段階と、 前記インピーダンス素子と前記反転入力との間に接続された接続線及び／又は 前記回路素子と前記反転入力との間に接続された信号線の少なくとも一部を包囲 するシールドを設ける段階と、 前記シールドを前記非反転入力に接続する段階と、 前記非反転入力に交流電圧を印加する段階と、 を備えるインピーダンス−電圧変換方法、 を提供する。 前記インピーダンス素子は、歪みセンサ、地磁気センサ、容量センサ等の各種 のセンサのうちの任意のものであり、そのインピーダンスは、例えば、抵抗、イ ンダクタンス、容量、トランジスタのコンダクタンスのうちの少なくとも１つで ある。 前記シールドは、前記接続線と前記信号線との全長を包囲することが望ましい 。 この発明においては、前記演算増幅器から出力される前記交流電圧を積分して 、前記インピーダンス素子のインピーダンスを表す直流電圧を出力することが可 能である。 演算増幅器の反転入力と非反転入力との間はイマジナリ・ショートの状態であ るので、インピーダンス素子を反転入力に接続する接続線とそれを包囲するシー ルド手段との間の浮遊容量、及び、信号線とそれを包囲するシールド手段との間 に形成される浮遊容量の影響は消去される。したがって、演算増幅器からは、接 続線、信号線及びシールド手段とがどのように長くとも、これらの間の浮遊容量 に影響されることなく、インピーダンス素子のインピーダンス値に対応する交流 電圧が出力される。 図面の簡単な説明 図１は、従来の静電容量−電圧変換装置の一例を示す図である。 図２は、この発明に係るインピーダンス−電圧変換装置の１つの実施の形態を 概略的に示す回路図である。 図３は、この発明に係るインピーダンス−電圧変換装置の一例の実験結果を示 す。 図４は、この発明に係るインピーダンス−電圧変換装置の他の例の実験結果を 示す。 発明を実施するための最良の形態 以下、この発明を、図面を参照しながら、１つの実施の形態に関して詳細に説 明する。図２は、この発明に係るインピーダンス−電圧変換装置の１つの実施の 形態を概略的に示す回路図である。図２を参照すると、インピーダンス−電圧変 換装置は演算増幅器１を有する。演算増幅器１は閉ループ利得よりも極めて大き い電圧利得を有する。演算増幅器１の出力２と反転入力（−）との間にインピー ダンス素子３が接続されていて演算増幅器１に負帰還がかかっている。インピー ダンス素子３の一端と演算増幅器１の反転入力（−）との間を接続する接続線４ は、外部からのノイズ等の不要信号が誘導されるのを防止するためにシールド線 ５によって包囲される。シールド線５はアースされず、演算増幅器１の非反転入 力（＋）に接続される。 インピーダンス素子３の他端と演算増幅器１の出力２との間を接続する接続線 ４’は必ずしもシールドされる必要はなく、裸線でよい。しかし、インピーダン ス素子３が演算増幅器１からある程度以上離れて配置されるときには、接続線４ ’をアースされたシールド線でシールドすることが望ましい。 演算増幅器１の非反転入力（＋）には交流信号発生器６から交流信号が供給さ れ、演算増幅器１の反転入力（−）には、信号線７の一端が接続される。信号線 ７の他端は、既知の抵抗値を持つ抵抗素子８の一端に接続される。抵抗素子８の 他端は既知の直流（ＤＣ）電圧でバイアスされる。 外部からのノイズ等の不要信号が信号線７に誘導されるのを防止するために、 信号線５はシールド線９によって包囲される。シールド線９はアースされず、演 算増幅器１の非反転入力（＋）と接続される。 以上から理解されるように、シールド線５及びシールド線９は演算増幅器１の 非反転入力（＋）と同電位にある。実際には、図２に示すとおり、シールド線５ とシールド線９とを互いに電気的に接続し、そのいずれかの部分を非反転入力（ ＋）に接続すればよい。 演算増幅器１にはインピーダンス素子３を介して負帰還がかかっており、しか も、演算増幅器１は閉ループ利得よりも極めて大きい電圧利得を有するので、演 算増幅器１はイマジナリ・ショートの状態にある。すなわち、演算増幅器１の反 転入力（−）と非反転入力（＋）との間の電圧差は実質的にゼロである。したが って、接続線４、シールド線５、信号線７及びシールド線９は同電位にあること になり、接続線４とシールド線５との間に生じる浮遊容量の影響、及び、信号線 ７とシールド線９との間に生じる浮遊容量の影響を除去することができる。この ことは、接続線４及び信号線７の長さに無関係に成立し、接続線４及び信号線７ の移動や折り曲げ、折り返し等に関係なく成立することである。 図２のインピーダンス素子３は、抵抗、インダクタンス、容量、トランジスタ のコンダクタンス等の任意のインピーダンスを持つものであればいずれの素子で もよく、例えば、歪みセンサ等の抵抗性のセンサ、地磁気センサ等の磁性センサ 及び任意の容量型センサであり得る。容量型センサには、加速度センサ、地震計 、圧カセンサ、変位センサ、変位計、近接センサ、タッチセンサ、イオンセンサ 、湿度七ンサ、雨滴センサ、雪センサ、雷センサ、位置合わせセンサ、接触不良 センサ、形状センサ、終点検出センサ、振動センサ、超音波センサ、角速度セン サ、液量センサ、ガスセンサ、赤外線センサ、放射線センサ、水位計、凍結セン サ、水分計、振動計、帯電センサ、プリント基板検査機等の公知の容量型センサ ばか りでなく、静電容量を検出する全てのデバイスが含まれる。 いま、交流信号発生器６から出力される信号電圧をｖとし、信号電圧Ｖの角周 波数をωとし、抵抗素子８の抵抗値をＲｏ、抵抗素子８を流れる電流をｉ₁、イ ンピーダンス素子３のインピーダンスをＺｓ、インピーダンス素子３を流れる電 流をｉ₂とし、演算増幅器１の反転入力（−）における電圧をＶｍ、演算増幅器 １の出力電圧をＶｏｕｔとすると、演算増幅器１は前述のとおりイマジナリ・シ ョートの状態にあるので、反転入力（−）における電圧Ｖｍは交流信号発生器６ から出力される信号電圧Ｖと同電位である。即ち、 Ｖ＝Ｖｍ である。更に、下記の式が成り立つ。 ｉ₁＝−Ｖｍ／Ｒｏ （１） ｉ₂＝（Ｖｍ−Ｖｏｕｔ）／Ｚｓ （２） ｉ₁＝ｉ₂であるから、式（１）と式（２）とを用いて演算増幅器１の出力電圧 Ｖｏｕｔについて解くと、下記の式が求まる。 Ｖｏｕｔ＝Ｖ（１＋Ｚｓ／Ｒｏ） （３） 式（３）は、インピーダンス素子３のインピーダンスＺｓに対応した電圧が演算 増幅器１の出力２に生成されることを示している。 上記のように、図２に示すインピーダンス−電圧変換装置は、演算増幅器の出 力と反転入力との間に接続されたインピーダンス素子のインピーダンスに対応し た電圧を出力するので、インピーダンス検出装置として使用できる。また、図２ のインピーダンス−電圧変換装置においては、インピーダンス素子３のインピー ダンスの変化に対応して演算増幅器１の出力電圧Ｖｏｕｔも変化するので、図２ のインピーダンス−電圧変換装置はインピーダンス素子のインピーダンスの変化 を検出する装置としても用いることが可能である。 更に、式（３）においては信号電圧Ｖと抵抗値Ｒｏは既知であるから、演算増 幅器１の非反転入力（＋）に直流電圧を印加したときの演算増幅器１の出力電圧 と、非反転入力（＋）に交流信号発生器６から信号電圧Ｖを印加したときの演算 増幅器１の出力電圧Ｖｏｕｔとを測定し、これらの出力電圧の差を求めることに より、式（３）から、インピーダンス素子３のインピーダンスＺｓを得ることが できる。 演算増幅器１の出力電圧Ｖｏｕｔを積分することにより、インピーダンス素子 ３のインピーダンスＺｓに比例した直流電圧を求めることができるので、図２の インピーダンス−電圧変換装置を利用してインピーダンス測定装置を作ることも 可能である。 この発明の動作を検証するために、この発明に係るインピーダンス−電圧変換 装置の２つの例を作った。インピーダンス−電圧変換装置の１つの例は、可変の 抵抗Ｒｆ（ｋΩ）を有する抵抗であるインピーダンス素子３と、１ＭΩに等しい 抵抗値Ｒｉを有する抵抗素子８と、振幅が２Ｖでオフ七ット電圧が１Ｖである１ ｋＨｚの交流信号を出力する交流信号発生器６とを備えている。Ｒｆの値を変え ながら出力電圧Ｖｏｕｔを検出すると、図３に示すグラフが得られる。図３は、 出力電圧ＶｏｕｔがＲＦ／Ｒｉに比例することを明示している。 他の例のインピーダンス−電圧変換装置は、可変の容量Ｃｆ（ｆＦ）を有する コンデンサであるインピーダンス素子３と、振幅が０．１Ｖでオフセット電圧が ２．５Ｖである１ｋＨｚの交流信号を出力する交流信号発生器６とを備えている 。この例においては、図２に示す抵抗８の代わりに、１ｐＦに等しい容量Ｃｉを 有するコンデンサを用いている。Ｃｆの値を変えながら出力電圧Ｖｏｕｔを検出 すると、図４に示すグラフが得られる。図４は、出力電圧ＶｏｕｔがＣｉ／Ｃｆ に比例することを示している。 産業上の利用可能性 以上、実施の形態を参照しながら説明したところから明らかなように、この発 明は下記のとおりの格別な効果を奏する。 （１）イマジナリ・ショートの状態の演算増幅器を使用する結果、接続線、信号 線及びシールド線の間に生じる浮遊容量が演算増幅器の反転入力と非反転入力と の間に現れることはない。したがって、例えば、容量性のインピーダンス素予を 演算増幅器に接続した場合、その値がフェムトファラッド（ピコファラッドの１ ０００分の１）のオーダーの微小なものであっても、こうした浮遊容量に全く影 響されることなく、演算増幅器は、測定対象の微小なインピーダンス値に正確に 対応した電圧を出力することができ、インピーダンスを電圧へ高精度に変換する ことが可能になる。 （２）任意のインピーダンス素子のインピーダンスに対応した電圧を、簡単な回 路構成において高精度に求めることができる。 （３）従来の静電容量−電圧変換装置においては必要とされた帰還コンデンサＣ ｆを用いる必要がないので、装置を１チップの集積された形で製造するためのプ ロセスが複雑化すること及びチップのサイズが大きくなることが回避される。

【手続補正書】 【提出日】平成１１年１１月５日（１９９９．１１．５） 【補正内容】 【図２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ， ＫＧ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，Ｌ Ｕ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ， ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，Ｕ Ｇ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．インピーダンス−電圧変換装置であって、 反転入力、非反転入力及び出力を有し、前記反転入力と前記非反転入力との間 がイマジナリ・ショートの状態にある演算増幅器と、 前記出力と前記反転入力との間に接続されたインピーダンス素子であって、一 端が該インピーダンス素子に接続され他端が前記反転入力に接続された接続線を 含むインピーダンス素子と、 既知のインピーダンスを有する回路素子と、 前記反転入力に一端が接続され、他端が前記回路素子に接続された信号線と、 前記信号線及び／又は前記接続線の少なくとも一部を包囲するシールドと、 前記非反転入力に接続された交流電圧発生器と、 を具備するインピーダンス−電圧変換装置。 ２．前記インピーダンス素子のインピーダンスが、抵抗、インダクタンス、容 量及びトランジスタのコンダクタンスのうちの少なくとも１つである、請求項１ に記載のインピーダンス−電圧変換装置。 ３．前記シールドが前記信号線と前記接続線との全長を包囲する、請求項１〜２ のいずれかに記載のインピーダンス−電圧変換装置。 ４．前記演算増幅器の出力における前記交流電圧を積分して直流電圧へ変換する 積分回路を更に備える、請求項１〜３のいずれかに記載のインピーダンス−電圧 変換装置。 ５．前記回路素子を既知の電圧にバイアスする装置を更に備える、請求項１〜４ のいずれかに記載のインピーダンス−電圧変換装置。 ６．インピーダンス素子のインピーダンスの変化に対応する交流電圧を得るため に、インピーダンスを電圧へ変換する方法であって、 反転入力、非反転入力及び出力を有する演算増幅器を設ける段階と、 前記反転入力と前記非反転入力との間にインピーダンス素子を接続する段階と 、 前記反転入力に、既知のインピーダンスを有する回路素子を接続する段階と 前記インピーダンス素子と前記反転入力との間に接続された接続線及び／又は 前記回路素子と前記反転入力との間に接続された信号線の少なくとも一部を包囲 するシールドを設ける段階と、 前記シールドを前記非反転入力に接続する段階と、 前記非反転入力に交流電圧を印加する段階と、 を備えるインピーダンス−電圧変換方法。 ７．前記インピーダンス素子のインピーダンスが、抵抗、インダクタンス、容量 及びトランジスタのコンダクタンスのうちの少なくとも１つである、請求項６に 記載のインピーダンス−電圧変換方法。 ８．前記シールドが前記信号線と前記接続線との全長を包囲する、請求項６〜７ のいずれかに記載のインピーダンス−電圧変換方法。 ９．前記出力における交流電圧を積分して直流電圧へ変換する段階を更に備える 、請求項６〜８のいずれかに記載のインピーダンス−電圧変換方法。 １０．前記回路素子を既知の電圧にバイアスする段階を更に備える、請求項６〜 ９のいずれかに記載のインピーダンス−電圧変換方法。