JP2001116783A - 容量微小変化検出方法および検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 各種物理量、特に赤外線ガス分析計の赤
外検出素子として用いられるコンデンサマイクロホンの
微小な容量変化を、より高感度に測定できる容量微小変
化検出方法および検出回路を提供する。 【解決手段】 コンデンサマイクロホンＣｍとコイルＬ
からなるＬＣ並列共振回路２に、このＬＣ並列共振回路
２の周波数特性１２と交わるような周波数特性１６を有
する受動素子回路３を直列に接続して複合回路４を形成
し、この複合回路４のインピーダンスが最小になる周波
数から少しずれた交流電圧Ｖｏを複合回路４の両端に印
加し、ＬＣ並列共振回路２の両端に生じる電圧Ｖａｃの
変化を測定してコンデンサマイクロホンＣｍの容量の変
化を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外分析計の主要
なセンサとして用いられるコンデンサマイクロホンによ
る信号検出回路の低価格化と、高性能化を行なう容量微
小変化検出方法および検出回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、コンデンサマイクロホンの静
電容量の変化を用いて物理現象を測定する計測法が実用
化されている。コンデンサマイクロホンは構造が極めて
簡素である故に、堅牢性があり、コスト安に製造できる
だけでなく、それ自体がノイズの発生源になることがな
いゆえに多用されている。このようなコンデンサマイク
ロホンを用いた測定の一例として、赤外線ガス分析計の
赤外検出素子として用いられる場合がある。この場合、
赤外線検出信号は微小な静電容量値変化となって出力さ
れるので、これを電気回路を用いて増幅する必要があ
る。

【０００３】図７は従来から用いられるコンデンサマイ
クロホンの検出回路３０を示している。検出回路３０
は、コンデンサマイクロホンＣｍに抵抗Ｒ₅ を介して高
電圧を供給する直流電圧源Ｖｈと、コンデンサマイクロ
ホンＣｍの出力を抵抗Ｒ₆ およびコンデンサＣ₅ からな
るハイパスフィルタを介してゲート入力するＦＥＴ３１
と、このＦＥＴ３１に接続された抵抗Ｒ₇ とからなって
いる。すなわち、コンデンサマイクロホンＣｍに安定し
た高電圧をかけた状態でコンデンサマイクロホンＣｍの
両端に生じる電圧信号の交流成分をＦＥＴ３１によって
増幅するように構成している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記コンデ
ンサマイクの容量変化は非常に小さく、その形状にもよ
るが、１０^-4ｐＦオーダの容量変化しか得ることができ
ない。このために、コンデンサマイクロホンＣｍに接続
される増幅器は、真空管やＦＥＴ３１のように、その入
力抵抗を極めて高くする必要があるが、一般に高入力抵
抗の増幅器の出力信号には、増幅器自身が持つノイズが
加算されるので、感度に限界が生じていた。また、増幅
器３１の周りに取り付けられる抵抗Ｒ₅ 〜Ｒ₇ などに熱
雑音が発生し、これらが増幅されて測定値に影響を与え
てしまうため、コンデンサマイクロホンＣｍを用いた物
理量の測定において、そのＳ／Ｎ比を増幅器３１によっ
て悪くしてしまうという事態に至っていた。

【０００５】そこで、前記検出回路３０ではコンデンサ
マイクロホンＣｍに供給する直流電圧源Ｖｈの電圧をよ
り高くすることにより、コンデンサマイクロホンＣｍの
容量変化の検出感度を、これに比例して高く設定するこ
とが考えられる。しかしながら、この場合は安定した高
電圧を発生する回路が必要であり、これが困難であるだ
けでなく、コンデンサマイクロホンＣｍに供給する電圧
を高くするに従ってコンデンサマイクロホンＣｍの電極
間に静電吸引力が働き、放電などが生じてショートする
可能性があった。つまり、直流電圧源Ｖｈの電圧には構
造的な限界があった。

【０００６】このため検出回路３０を用いたコンデンサ
マイクロホンＣｍでは１００Ｖ程度の直流電圧源Ｖｈを
使用していた。そのため、その検出感度には所定の限界
が生じていた。

【０００７】また、前記検出回路３０の場合、感度を高
く保つためには、コンデンサマイクロホンＣｍは高絶縁
を保つ必要があるが、湿度によってコンデンサマイクロ
ホンＣｍのインピーダンスが下がったり、素材の経時的
な変化によって高絶縁を保つことができなくなることも
あるので、高い分析感度を維持するためにはメンテナン
スが必要であった。

【０００８】そこで、検出回路の精度を向上させるため
に、本出願人は平成１０年３月３１日付けで、「容量微
小変化検出方法および検出回路」（特願平１０−１０５
４１２号：以下、先願の発明という）を提案している。
この発明ではコンデンサマイクロホンの容量をＬＣ並列
共振回路を活用した検出回路で検出するものであり、そ
の基本構成回路は、共振回路を工夫して、コンデンサマ
イクロホンとコイルによる共振現象を用いて高精度の測
定を可能とするものである。

【０００９】ここで、ＬＣ並列共振回路でのコンデンサ
マイクロホンの容量変化に対する検出感度を大きくする
ためには、ＬＣ並列共振回路に交流電圧を供給するため
のバイアス抵抗を大きくすることができるが、このバイ
アス抵抗を大きくしすぎると、信号源インピーダンスが
高くなり、出力される検出信号に感度劣化を起こす可能
性が生じるために好ましくなかった。

【００１０】本発明は、上述の事柄を考慮に入れてなさ
れたものであって、その目的は、各種物理量、特に赤外
線ガス分析計の赤外検出素子として用いられるコンデン
サマイクロホンの微小な容量変化を、より高感度に測定
できる容量微小変化検出方法および検出回路を提供する
点にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第１発明の容量微小変化検出方法は、コンデンサ
マイクロホンとコイルからなるＬＣ並列共振回路に、こ
のＬＣ並列共振回路の周波数特性と交わるような周波数
特性を有する受動素子回路を直列に接続して複合回路を
形成し、この複合回路のインピーダンスが最小になる周
波数から少しずれた交流電圧を複合回路の両端に印加
し、ＬＣ並列共振回路の両端に生じる電圧の変化を測定
してコンデンサマイクロホンの容量の変化を測定するこ
とを特徴としている。

【００１２】第２発明の容量微小変化検出方法は、コン
デンサマイクロホンとコイルからなるＬＣ並列共振回路
に、このＬＣ並列共振回路の周波数特性と交わるような
周波数特性を有する受動素子回路を直列に接続して複合
回路を形成し、制御電圧により周波数が変動する交流電
圧を前記複合回路の両端に印加した状態で、ＬＣ並列共
振回路にかかる電圧を前記制御電圧にフィードバックす
ることで、前記複合回路に供給する交流電圧の周波数を
そのインピーダンスが最小になる周波数から少しずれた
周波数に保つように制御し、前記フィードバックに用い
た制御電圧の電圧変動によってコンデンサマイクロホン
の容量変動を測定することを特徴としている。

【００１３】第３発明の容量微小変化検出回路は、コン
デンサマイクロホンにコイルを並列接続してなるＬＣ並
列共振回路と、このＬＣ並列共振回路の周波数特性と交
わるような周波数特性を有してＬＣ並列共振回路に直列
に接続される受動素子回路と、この受動素子回路および
ＬＣ並列共振回路からなる複合回路のインピーダンスが
最小になる周波数から少し離れた周波数を保つように調
節された交流電圧を複合回路の両端に印加する可変周波
数発振回路と、前記ＬＣ並列共振回路の両端に生じる電
圧からコンデンサマイクロホンの容量を示す信号成分を
取り出すフィルタ回路とを有することを特徴としてい
る。

【００１４】第４発明の容量微小変化検出回路は、コン
デンサマイクロホンにコイルを並列接続してなるＬＣ並
列共振回路と、このＬＣ並列共振回路の周波数特性と交
わるような周波数特性を有してＬＣ並列共振回路に直列
に接続される受動素子回路と、この受動素子回路および
ＬＣ並列共振回路からなる複合回路のインピーダンスが
最小になる周波数から少し離れた周波数を保つように調
節された交流電圧を複合回路の両端に印加する可変周波
数発振回路と、前記ＬＣ並列共振回路の両端に生じる電
圧から信号成分を取り出すフィルタ回路と、前記ＬＣ並
列共振回路の両端に生じる電圧を可変周波数発振回路に
フィードバックするフィードバック回路とからなること
を特徴としている。

【００１５】上述の各発明は何れも、コンデンサマイク
ロホンにコイルを並列接続してなるＬＣ並列共振回路
に、このＬＣ並列共振回路の周波数特性と交わるような
周波数特性を有している受動素子回路を直列に接続し
て、複合回路を形成しているので、この複合回路が並列
共振回路と直列共振回路の両方の性質を持つようにな
る。したがって、以下、本明細書では、この複合回路の
ことを直並列共振回路とも表現する。

【００１６】つまり、直並列共振回路を形成する前記複
合回路は共振時に、全体として直列共振回路が共振する
ときのように、インピーダンスが最小になり、複合回路
内に入力電圧よりも高い電圧を生じさせることができ
る。また、並列共振回路は共振するときにそのインピー
ダンスが最大となるので、この並列共振回路の両端に生
じる電圧は複合回路の共振時に大となる。

【００１７】さらに、前記直並列共振回路はとりわけ高
いＱ値を得ることができる。したがって、複合回路が全
体的に直並列共振回路として共振する共振周波数よりも
少しずれた周波数の電圧を複合回路の両端に印加するこ
とにより、並列共振回路の両端に生じる電圧をコンデン
サマイクロホンの容量変化に伴って大きく変動させるこ
とができる。

【００１８】したがって、上述した本発明によれば、コ
ンデンサマイクロホンの検出感度を飛躍的に向上するこ
とが可能となり、入力電圧が低くてもコンデンサマイク
ロホンの容量変化を十分に捕らえることができる。ま
た、コンデンサマイクロホンとコイルによるＬＣ並列共
振回路に、交流電圧を供給するバイアス抵抗（受動素子
回路のレジスタンス分）が小さくても検出感度を向上で
きるので、信号源インピーダンスを低く抑えながら高感
度の出力を供給することができる。また、前記直並列共
振回路を構成するのに抵抗を設ける必要がないので、抵
抗の熱雑音による影響が測定値に現れないようにするこ
とができ、それだけ測定値のＳ／Ｎ比を向上することが
できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１，２は本発明の一例を示す図
であり、図１は本発明の容量微小変化検出回路１の一例
を示している。図１において、Ｃｍは赤外線ガス分析計
の赤外線検出素子として用いられるコンデンサマイクロ
ホン、ＬはこのコンデンサマイクロホンＣｍに並列に接
続されたコイルであり、これらコンデンサマイクロホン
ＣｍとコイルＬはＬＣ並列共振回路２を形成する。

【００２０】３は前記ＬＣ並列共振回路２に直列に接続
されたコイルＬ₁ および抵抗Ｒ₁ からなる受動素子回路
である。前記、ＬＣ並列共振回路２と受動素子回路３は
直列に接続されて複合回路４を形成する。この複合回路
４はいわば直並列共振回路であり、直列共振回路の特性
と、並列共振回路の特性の両方を有する。なお、本例で
は、受動素子回路３がコイルＬ₁ と抵抗Ｒ₁ によって構
成されると説明するが、抵抗Ｒ₁ は直並列共振回路の共
振周波数を決めるものではない。従って、この抵抗Ｒ₁
は、ＬＣ並列共振回路２に受動素子回路３としてコイル
Ｌ₁ を直列接続してなる直並列共振回路に、交流電圧Ｖ
ｏを供給するためのバイアス抵抗Ｒ₁ と表現することも
できる。

【００２１】５は制御電圧Ｖｃに従って前記複合回路４
に出力する出力電圧Ｖｏの周波数を調節する電圧制御発
振回路（以下、ＶＣＯ:Voltage Controlled Oscillator
と言う）、６はＶＣＯ５が複合回路４の合成インピーダ
ンスが最小になる後述の周波数ｆｒ（図２参照）より少
しずれた周波数ｆ₁ の出力電圧Ｖｏを出力するようにＶ
ＣＯ５に対して出力する前記制御電圧Ｖｃを合成するア
ンプ、Ｖｓはアンプ６に供給される基準電圧である。

【００２２】ＤおよびＣ₁ はＬＣ並列共振回路２に接続
されて、これにかかる交流電圧Ｖａｃを直流電圧Ｖｄｃ
に整流する整流回路７を構成するダイオードおよびコン
デンサである。また、Ｃ₂ およびＲ₂ は前記直流電圧Ｖ
ｄｃに含まれる信号成分ΔＶ（図２参照。以下、変動電
圧ともいう）を取出すハイパスフィルタを形成するコン
デンサおよび抵抗である。

【００２３】そして、８は前記直流電圧Ｖｄｃから出力
信号Ｏを取り出すためのアンプであり、このアンプ８に
コンデンサＣ₃ 、抵抗Ｒ₃ および分圧抵抗Ｒ_D1，Ｒ_D2を
図示するように接続する。つまり、前記コンデンサ
Ｃ₂ ，Ｃ₃ と、抵抗Ｒ₂ ，Ｒ₃ ，Ｒ_D1，Ｒ_D2と、アンプ
８によってフィルタ回路９を構成する。

【００２４】なお、前記直流電圧Ｖｄｃは制御電圧Ｖｃ
を調節するために基準電圧Ｖｓに合成されるフィードバ
ック信号Ｖｆとなる。そして、このフィードバック信号
Ｖｆによる制御の応答速度は、アンプ６に取り付けられ
た抵抗Ｒ₄ およびコンデンサＣ₄ によって、コンデンサ
マイクロホンＣｍの微小容量変化ΔＣに起因する直流電
圧Ｖｄｃの変動ΔＶに追従しない程度に遅くして、周波
数ｆ₁ が微小容量変化ΔＣにより変動しないようにして
いる。

【００２５】また、基準電圧Ｖｓは抵抗Ｒｓを介してア
ンプ６に入力されることによりＶＣＯ５が基準電圧Ｖｓ
を基準としてフィードバック制御されるように構成され
ている。なお、このＶＣＯ５に供給される制御電圧Ｖｃ
は容量微小変化検出回路１の電源投入時に高い周波数か
ら前記周波数ｆｒに近づくように、前記基準電圧Ｖｓを
変化させることにより、前記ＶＣＯ５の出力電圧Ｖｏの
周波数を確実に動作周波数ｆ₁ に収束させることができ
る。

【００２６】図２は前記複合回路４の周波数特性を示す
図である。図２において、ｆｒは平常時（コンデンサマ
イクＣｍが測定信号を検出していない状態）における複
合回路４が構成する直並列共振回路の合成インピーダン
スが最小になる周波数、すなわち直並列共振回路の直列
共振周波数である。

【００２７】前記直列共振周波数ｆｒはコンデンサマイ
クロホンＣｍの容量と、コイルＬ，Ｌ₁ のインダクタン
スによって変動するものであり、コイルＬ，Ｌ₁ のイン
ダクタンスは決定されるが、コンデンサマイクロホンＣ
ｍの容量はコンデンサマイクロホンＣｍの大きさや形状
など様々な要因で変化するので、共振周波数ｆｒは概略
的に計算できる。

【００２８】Ｆ₀ は前記平常状態で各周波数の交流電圧
が加えられた時の複合回路４にかかる電圧を示す曲線で
あり、Ｆ₁ ，Ｆ₂ はコンデンサマイクロホンＣｍの容量
が±ΔＣ変化した時の特性を示す曲線である。すなわ
ち、複合回路４全体の周波数特性を示す曲線Ｆはコンデ
ンサマイクロホンＣｍの微小容量変化ΔＣに伴ってほぼ
左右にシフトするように変化する。

【００２９】ｆ₁ は上述した平常時の直並列共振回路の
共振周波数ｆｒより少しずれた周波数（動作周波数）で
あり、この周波数ｆ₁ で発振する交流電圧Ｖｏを共振回
路２に供給し、共振回路２の両端にかかる交流電圧Ｖａ
ｃを整流した電圧は平常時でＶｄｃになる。一方、コン
デンサマイクロホンＣｍの容量が±ΔＣ変化すると、前
記電圧Ｖｄｃは±ΔＶ変動する。

【００３０】つまり、この電圧Ｖｄｃの変動ΔＶを測定
することによりコンデンサマイクロホンＣｍの微小容量
変化ΔＣを検知することができる。すなわち、変動電圧
ΔＶの大きさは共振周波数ｆｒから少しずれた周波数ｆ
₁ における曲線Ｆの傾きに比例して大きくなり、それだ
け微小容量変化ΔＣの検出精度が高くなる。したがっ
て、前記周波数ｆ₁ の位置で前記曲線Ｆの傾きが大とな
るように共振回路のＱ値は大きいことが望ましい。

【００３１】本発明では、複合回路４として直並列共振
回路を構成することにより、共振周波数ｆｒより少しず
れた動作周波数ｆ₁ における周波数特性の傾きを急峻な
ものとする（共振回路のＱを大きくする）ことができ、
それだけ、前記微小容量変化ΔＣによる電圧変動ΔＶを
大きくすることができる。加えて、複合回路４の共振に
伴ってこれに流れる電流が大きくなり、ＬＣ並列共振回
路２の両端に生じる電圧は大きくなる。つまり、コンデ
ンサマイクロホンＣｍに印加される電圧の上昇に伴って
前記微小容量変化ΔＣによる電圧変動ΔＶをより大きく
することができ、それだけ、検出感度を向上できる。

【００３２】また、本例では、図１に示した容量微小変
化検出回路１は前記直流電圧Ｖｄｃをフィードバック信
号Ｖｆとして用いているので、このフィードバック制御
によって前記電圧Ｖｄｃをほぼ一定に保つように制御し
ている。つまり、前記容量微小変化検出回路１は共振回
路２にかかる電圧Ｖｄｃの大きさをほぼ一定にするよう
にＶＣＯ５に入力する制御電圧Ｖｃを調節することによ
り、ＶＣＯ５が出力する交流電圧Ｖｏの周波数を、コン
デンサマイクロホンＣｍとコイルＬの並列共振回路２
が、その共振周波数ｆｒより少しずれた周波数ｆ₁ を動
作点として安定に動作する。

【００３３】したがって、前記容量微小変化検出回路１
によれば、コイルＬのインダクタンスを無理に調節しな
くても、共振回路２が丁度よい周波数ｆ₁ で動作する。
つまり、コイルＬに調節機能付きや鉄心入りなど不安定
要素となるものを用いる必要がなく、コイルＬとして小
型で精度のよいものを任意に使用できる。また、周波数
を選ぶことにより、コイルＬのインダクタンスに制限が
なくなり、回路全体を小型化、電子部品化するのに制約
となっていた巻線によるコイルＬを、圧電素子で代用す
ることも可能となり、回路の小型化を図ることも可能と
なる。

【００３４】さらに、ロスの少ないコイルＬを選択する
ことによって複合回路４のＱ値を引き上げることができ
る。つまり、図２に示した特性曲線Ｆの傾きを大きくで
き、それだけ検出感度をさらに引き上げることができ
る。また、Ｑ値が上がれば動作点となる周波数ｆ₁ の調
節が厳密になるが、本例の容量微小変化検出回路１によ
ればＶＣＯ５による周波数の調整を行っており、コイル
Ｌなどの各素子の調整を一切行う必要がないので、Ｑ値
を可及的に引き上げることができる。

【００３５】さらに、上述した容量微小変化検出回路１
によれば、コンデンサマイクロホンＣｍの微小容量の変
化を共振回路２の周波数特性を用いて検出しているの
で、従来のようにコンデンサマイクロホンＣｍに高電圧
をかけなくても良好な検出感度を得ることができる。す
なわち、コンデンサマイクロホンＣｍの耐圧などに依存
せずに検出感度を上げることができると共に、コンデン
サマイクロホンＣｍのインピーダンスの低下が生じても
検出感度に影響を与えることがない。

【００３６】また、高入力抵抗の増幅回路を必要としな
いので、高入力抵抗回路に起因するノイズによる影響を
受けることがない。すなわち、直並列共振回路からレジ
スタンス分をなくすことにより、微小信号の増幅の過程
でＳ／Ｎ比の劣化を原理的になくすことも可能となり、
可及的にノイズの少ない物理量の測定を行うことができ
る。

【００３７】つまり、本発明はＬＣ並列共振回路２と受
動素子回路３とを直列に接続した複合回路４を形成する
ことにより、独特の構成としていわば”直並列”の共振
回路となる複合回路４を形成している。このことによ
り、先願の発明に加えられた独特の効果として、検出感
度のさらなる向上をなしとげることができる。

【００３８】なお、上述の例では共振回路２の動作点と
なる周波数ｆ₁ を一定にするようにして、この共振回路
２にかかる電圧の変動ΔＶを出力信号として用いている
が、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、
上述した回路のフィードバック制御をフィードバック電
圧Ｖｆに対して高速に応答するようにして、共振回路２
にかかる電圧Ｖｄｃが常に一定となるように制御し、コ
ンデンサーマイクＣｍの微小容量変化ΔＣに応じてＶＣ
Ｏの出力電圧Ｖｏの周波数を変動させ、この周波数の変
化によって微小容量変化ΔＣを測定してもよい。

【００３９】また、上述した容量微小変化検出回路１
は、本発明を実施するための一例を示すものであり、請
求項の記載から逸脱するものでなければ、様々な変形が
可能である。例えば、上述の例では電圧制御発振回路５
の一例としてＶＣＯを例示しているが本発明はこれに限
られるものではなく、そのほかの可変周波数の出力回路
を用いてもよい。

【００４０】さらに、上述の例では本発明の実施例とし
て赤外線ガス分析計の赤外線検出素子としてコンデンサ
マイクロホンＣｍを用いた例を示しているが、このコン
デンサマイクロホンＣｍをその他の物理量の測定に用い
てもよい。例えば、音波検出用として用いれば、Ｓ／Ｎ
比を可及的に引き上げた高精度のマイクロホンを形成す
ることができる。また、変位センサとして用いれば１ｎ
ｍ以下の検出も可能となり、精密秤、圧力センサとして
極めて精度を高めることができる。

【００４１】図３は本発明の特徴となる直並列共振回路
の動作を解説するための説明図であって、図３（Ａ）は
並列共振回路の共振現象を説明する図、図３（Ｂ）は直
列共振回路の共振現象を説明する図、図３（Ｃ）は図
１，２において説明した本発明の直並列共振回路の共振
現象を説明する図である。

【００４２】図３（Ａ）において、１０はコイル（誘電
性の素子）のインピーダンスの周波数特性であって周波
数ｆが大きくなるしたがって比例的にインピーダンスが
大きくなる一方、１１はコンデンサ（容量性の素子）の
インピーダンスの周波数特性であって周波数ｆの大きさ
に反比例して小さくなるように変化する。そして、１２
は前記特性のコイルとコンデンサを並列に接続した並列
共振回路の合成インピーダンスの周波数特性である。

【００４３】各周波数特性１０〜１２を比較すると、コ
イルのインピーダンスの大きさが、コンデンサのインピ
ーダンスの大きさと等しくなる周波数（すなわちコイル
とコンデンサの周波数特性が交わる周波数）ｆ₀ が共振
点となり、その合成インピーダンス１２が最大になるこ
とが分かる。また、並列共振回路の合成インピーダンス
の周波数特性１２は、並列共振周波数ｆ₀ を境に、これ
より低い周波数の領域における並列共振回路の周波数特
性１２Ｌが、周波数が大きくなるにしたがってインピー
ダンスが高くなる誘導性の特性を有している。そして、
並列共振周波数ｆ₀ より高い周波数の領域における周波
数特性１２Ｃはコンデンサのような容量性の特性を有し
ている。

【００４４】同様に、図３（Ｂ）において、１３，１４
はそれぞれコイルとコンデンサのインピーダンスの周波
数特性を示しており、１５はこのコイルとコンデンサを
直列に接続した直列共振回路の合成インピーダンスの周
波数特性を示している。そして、この場合は、直列共振
周波数ｆ₀ において合成インピーダンスは０になり、こ
の周波数ｆ₀ を境に、これより低い周波数の領域におけ
る周波数特性１５Ｃが容量性、周波数ｆ₀ より高い周波
数の領域における周波数特性１５Ｌが誘導性の特性を有
している。

【００４５】次に、図３（Ｃ）は直並列共振回路の共振
現象を説明しており、前記並列共振回路の周波数特性１
２に交わるような別のコイルの周波数特性１６を示して
いる。この場合、コイルの周波数特性１６は前記並列共
振回路１２の容量性の特性を有する部分１２Ｃと交わる
ので、この交点に相当する周波数ｆｒにおいて新たな共
振点をつくることができる。

【００４６】すなわち、図３（Ｃ）は、図１，２におい
て説明した本発明における直並列共振回路を構成するコ
イルＬ，コンデンサマイクＣｍ，コイルＬ₁ が前記周波
数特性１０，１１，１６の特性を有していることによ
り、本明細書において直並列共振回路と呼ぶ、複合の共
振回路を形成することができることを示している。

【００４７】このとき、コンデンサマイクＣｍに並列に
接続されたコイルＬによって形成される並列共振回路２
の周波数特性１２は、この並列共振回路２に直列に接続
される受動素子Ｌ₁ の周波数特性と交わる周波数ｆｒに
おいて直列共振する。そして、本発明はこの複合回路４
の直列共振周波数ｆｒの近傍における周波数ｆ₁ を動作
点としてコンデンサマイクＣｍの容量の微小変化を検出
するのである。

【００４８】なお、本例では並列共振回路２の周波数特
性１２と交わるような周波数特性を有する受動素子の例
としてコイルＬ₁ を直列接続した例を開示しているが、
本発明はこの受動素子をコイルＬ₁ に限定するものでは
ない。すなわち、曲線１６’に示すように、コイルＬ₁
の代わりに、周波数特性１２Ｌと交わるような周波数特
性１６’を有するコンデンサを設けても同様のことが生
じることは言うまでもない。また、この受動素子が、別
の直列共振回路や並列共振回路や変圧器などを有してい
ても並列共振回路２の周波数特性１２と交わるような周
波数特性を有するものであれば用いることができる。

【００４９】図４は図１に示した電気回路に適当な回路
定数を定めてシミュレーションした周波数特性を示す図
である。図４において、１７は複合回路４の周波数特性
を表わしており、比較できるように、並列共振回路２の
周波数特性１２や受動素子であるコイルＬ₁ の周波数特
性１６と共に示している。

【００５０】各周波数特性１２，１６，１７を比較する
と、コイルＬ₁ の周波数特性１６が並列共振回路２の周
波数特性１２と交わる直列共振周波数ｆｒにおいて、複
合回路４のインピーダンスの大きさは最小になってお
り、その大きさがＲ₁ であるから、コンデンサマイクロ
ホンＣｍ，コイルＬ，Ｌ₁ による抵抗が０であることが
分かる。すなわち、前記共振周波数ｆｒにおいてＶＣＯ
５から複合回路４に流れる電流は最大となる。

【００５１】図５は同じく図１に示した電気回路のシミ
ュレーションにおいて以下の式（１）に示す伝達関数の
周波数特性１８を出力したものを示す図である。図５に
示すように、前記直列共振周波数ｆｒにおいて複合回路
４の伝達関数（Ｖａｃ／Ｖｏ）は最大値を有しており、
しかも、伝達関数が１よりも大きくなっている。

【００５２】つまり、図１の容量微小変化検出回路１で
は並列共振回路２に流れる電流の大きさは供給電圧Ｖｏ
を複合回路４のインピーダンスの大きさで割った大きさ
となるので、前記直列共振周波数ｆｒにおいて、最大電
流（Ｖｏ／Ｒ₁ ）が並列共振回路２の部分に流れる。そ
して、これにより出力電圧Ｖａｃを高くすることがで
き、並列共振回路２の両端に生じる電圧ＶａｃはＶＣＯ
５によって供給される電圧Ｖｏよりも高くなる。したが
って、それだけコンデンサマイクロホンＣｍの容量変化
ΔＣに対する変化を大きく検出することができ、感度を
向上できる。

【００５３】また、前記複合回路４は直並列共振回路を
構成する部分から抵抗分を取り除くことができ、抵抗を
入れることに伴う熱雑音によって検出信号のＳ／Ｎ比を
低下させることをなくすことができると共に、共振のＱ
値を大きくすることができる。さらに、前記抵抗Ｒ₁ を
小さくすることにより、出力インピーダンスを小さくす
ることができ、それだけ、以後の信号処理を簡単にする
ことができる。これに加えて、本発明は先願の発明と同
じように共振現象を用いてコンデンサマイクロホンＣｍ
の容量変化ΔＣを検出しているので、僅かな容量変化に
対して大きな出力電圧Ｖａｃの変化ΔＶを得ることがで
き、この点でも検出感度を上げることができる。

【００５４】図６は本発明の容量微小変化検出方法およ
び検出回路を、先願の発明で説明した並列共振回路を用
いた容量微小変化検出方法やその他の方法と比較して示
す図である。

【００５５】図６において、１９は本発明のように複合
回路４が直並列共振回路を有する場合のコンデンサマイ
クロホンＣｍの容量変化に対する伝達関数の変化を表わ
す特性曲線、２０は先願の発明で説明したような並列共
振回路を形成した場合の伝達関数の変化を表わす特性曲
線、２１は直列共振回路を形成した場合の特性曲線であ
る。

【００５６】これらの特性曲線１９〜２１を比較する
と、並列共振回路による共振現象を用いてコンデンサマ
イクロホンＣｍの容量変化を検出した場合は、ゲイン１
を越えることがないので、コンデンサマイクロホンＣｍ
の容量変化に対する交流電圧Ｖａｃの大きさの変化にも
限界が生じていたことが分かる。他方、直列共振回路に
よる共振現象を用いた場合、ゲインを高くできる反面コ
ンデンサマイクロホンＣｍの容量変化に対する交流電圧
Ｖａｃの大きさの変化が緩やかであり、電圧Ｖａｃによ
る検出が困難となることが分かる。

【００５７】これらに対し、本発明のように複合回路４
が直並列共振回路を形成すると、ＶＣＯ５によって加え
られた電圧を越えた（図６の場合、６倍を越えている）
交流電圧Ｖａｃを検出電圧として検出することができ、
それだけ感度が向上する。また、コンデンサマイクロホ
ンＣｍの容量変化に対して急峻な出力電圧Ｖａｃの変化
をえることができ、それだけ、微小な容量変化を大きく
検出できることが分かる。

【００５８】つまり、本発明のように直並列共振回路を
形成することにより、前記検出感度を出力電圧Ｖａｃの
大きさ、およびコンデンサマイクロホンＣｍの容量変化
に対する出力電圧Ｖａｃの応答性の良さによって向上さ
せることができる。そして、この検出感度の調整は前記
受動素子として用いられるコイルＬ₁ の大きさを調整す
ることで、複合回路４のＱ値の大きさを変えることで達
成できる。

【００５９】したがって、本発明を用いることにより、
コンデンサマイクロホンＣｍの検出感度を自在に際限な
く調節できると共に、信号源の出力インピーダンスを低
く抑えることが可能となる。したがって、コンデンサマ
イクロホンＣｍのＳ／Ｎ比を増幅器によって悪くしてし
まうことがなく、可及的に精度の良い検出を達成する。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
コンデンサマイクロホンにコイルを並列接続してなるＬ
Ｃ並列共振回路に、このＬＣ並列共振回路の周波数特性
と交わるような周波数特性を有している受動素子回路を
直列に接続して、複合回路を形成しているので、この複
合回路が並列共振回路と直列共振回路の両方の性質を持
つようになり、直並列共振回路を形成する前記複合回路
は共振時に、全体として直列共振回路が共振するときの
ように、インピーダンスが最小になり、複合回路内に入
力電圧よりも高い電圧を生じさせることができる。ま
た、並列共振回路は共振するときにそのインピーダンス
が最大となるので、この並列共振回路の両端に生じる電
圧は複合回路の共振時に大となる。

【００６１】さらに、前記直並列共振回路はとりわけ高
いＱ値を得ることができる。したがって、複合回路が全
体的に直並列共振回路として共振する共振周波数よりも
少しずれた周波数の電圧を複合回路の両端に印加するこ
とにより、並列共振回路の両端に生じる電圧をコンデン
サマイクロホンの容量変化に伴って大きく変動させるこ
とができる。つまり、コンデンサマイクロホンの検出感
度を飛躍的に向上することが可能となり、入力電圧が低
くてもコンデンサマイクロホンの容量変化を十分に捕ら
えることができる。

【００６２】また、コンデンサマイクロホンとコイルに
よるＬＣ並列共振回路に、交流電圧を供給するバイアス
抵抗が小さくても検出感度を向上できるので、信号源イ
ンピーダンスを低く抑えながら高感度の出力を供給する
ことができる。加えて、前記直並列共振回路を構成する
のに抵抗を設ける必要がないので、抵抗の熱雑音による
影響が測定値に現れないようにすることができ、それだ
け測定値のＳ／Ｎ比を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の容量微小変化検出回路の一例を示す図
である。

【図２】前記本発明の容量微小変化検出方法を説明する
図である。

【図３】直並列共振回路の動作を説明する図であり、図
３（Ａ）は並列共振回路の共振現象を説明する図、図３
（Ｂ）は直列共振回路の共振現象を説明する図、図３
（Ｃ）は本発明の直並列共振回路の共振現象を説明する
図である。

【図４】本発明の容量微小変化検出回路の周波数特性を
シミュレーションした結果を示す図である。

【図５】前記容量微小変化検出回路の伝達関数の周波数
特性をシミュレーションした結果を示す図である。

【図６】前記容量微小変化検出回路においてコンデンサ
マイクロホンの容量変化に対する応答を示す図である。

【図７】従来の容量微小変化を検出する回路の構成を示
す図である。

【符号の説明】

１…容量微小変化検出回路、２…ＬＣ並列共振回路、４
…複合回路、５…電圧制御発振回路、Ｃｍ…コンデンサ
マイクロホン、Ｌ…コイル、ｆｒ…直列共振周波数、ｆ
₁ …共振点より少しずれた周波数、Ｖｃ…制御電圧、Ｖ
ｏ…交流電圧。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンデンサマイクロホンとコイルからな
   るＬＣ並列共振回路に、このＬＣ並列共振回路の周波数
   特性と交わるような周波数特性を有する受動素子回路を
   直列に接続して複合回路を形成し、この複合回路のイン
   ピーダンスが最小になる周波数から少しずれた交流電圧
   を複合回路の両端に印加し、ＬＣ並列共振回路の両端に
   生じる電圧の変化を測定してコンデンサマイクロホンの
   容量の変化を測定することを特徴とする容量微小変化検
   出方法。
2. 【請求項２】 コンデンサマイクロホンとコイルからな
   るＬＣ並列共振回路に、このＬＣ並列共振回路の周波数
   特性と交わるような周波数特性を有する受動素子回路を
   直列に接続して複合回路を形成し、制御電圧により周波
   数が変動する交流電圧を前記複合回路の両端に印加した
   状態で、ＬＣ並列共振回路にかかる電圧を前記制御電圧
   にフィードバックすることで、前記複合回路に供給する
   交流電圧の周波数をそのインピーダンスが最小になる周
   波数から少しずれた周波数に保つように制御し、前記フ
   ィードバックに用いた制御電圧の電圧変動によってコン
   デンサマイクロホンの容量変動を測定することを特徴と
   する容量微小変化検出方法。
3. 【請求項３】 コンデンサマイクロホンにコイルを並列
   接続してなるＬＣ並列共振回路と、このＬＣ並列共振回
   路の周波数特性と交わるような周波数特性を有してＬＣ
   並列共振回路に直列に接続される受動素子回路と、この
   受動素子回路およびＬＣ並列共振回路からなる複合回路
   のインピーダンスが最小になる周波数から少し離れた周
   波数を保つように調節された交流電圧を複合回路の両端
   に印加する可変周波数発振回路と、前記ＬＣ並列共振回
   路の両端に生じる電圧からコンデンサマイクロホンの容
   量を示す信号成分を取り出すフィルタ回路とを有するこ
   とを特徴とする容量微小変化検出回路。
4. 【請求項４】 コンデンサマイクロホンにコイルを並列
   接続してなるＬＣ並列共振回路と、このＬＣ並列共振回
   路の周波数特性と交わるような周波数特性を有してＬＣ
   並列共振回路に直列に接続される受動素子回路と、この
   受動素子回路およびＬＣ並列共振回路からなる複合回路
   のインピーダンスが最小になる周波数から少し離れた周
   波数を保つように調節された交流電圧を複合回路の両端
   に印加する可変周波数発振回路と、前記ＬＣ並列共振回
   路の両端に生じる電圧から信号成分を取り出すフィルタ
   回路と、前記ＬＣ並列共振回路の両端に生じる電圧を可
   変周波数発振回路にフィードバックするフィードバック
   回路とからなることを特徴とする容量微小変化検出回
   路。