JP2001124807A - 静電容量−電圧変換装置及び変換方法 - Google Patents

静電容量−電圧変換装置及び変換方法

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JP2001124807A
JP2001124807A JP2000260622A JP2000260622A JP2001124807A JP 2001124807 A JP2001124807 A JP 2001124807A JP 2000260622 A JP2000260622 A JP 2000260622A JP 2000260622 A JP2000260622 A JP 2000260622A JP 2001124807 A JP2001124807 A JP 2001124807A
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JP
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capacitance
voltage
input terminal
inverting input
operational amplifier
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JP2000260622A
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English (en)
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Tatsuo Hiroshima
龍夫 廣島
Koichi Nakano
浩一 中野
Muneo Harada
宗生 原田
Toshiyuki Matsumoto
松本  俊行
Yoshihiro Hirota
良浩 廣田
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Nippon Steel Corp
Hokuto Denshi Kogyo KK
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
Hokuto Denshi Kogyo KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 イマジナリ・ショートの状態の演算増幅器
を利用して高精度に静電容量を電圧へ変換すること。 【解決手段】 反転入力端子(+)、非反転入力端子
(−)及び出力端子22を有する演算増幅器21は、出
力端子22と前記反転有力端子との間が帰還抵抗23に
よって接続され、前記反転入力端子と前記非反転入力端
子との間はイマジナリ・ショートの状態である。前記反
転入力端子に信号線25の一端が接続され、信号線25
の他端には静電容量素子26を接続することができる。
前記非反転入力端子に接続されたシールド線27が信号
線25の少なくとも一部を包囲する。前記非反転入力端
子に交流電圧を印加したとき、静電容量素子26に対応
する交流電圧が演算増幅器21の出力端子22から出力
される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、静電容量を演算
増幅器に接続するための信号線に生じる浮遊容量による
影響を除去して、該静電容量を対応の電圧へ高精度に変
換することができる静電容量−電圧変換装置及び変換方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】図2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課題を解決するために提案され
たものである。図2に示すように、交流(AC)信号発
生器OSと演算増幅器OPとの間に、未知の容量Cxを
接続し、接続ケーブルをシールド線sで覆って、浮遊容
量Cs1、Cs2、Cs3の影響を低減するものであ
る。具体的には、演算増幅器OPの出力と反転入力との
間を抵抗RfとコンデンサCfとの並列回路からなる帰
還回路により接続し、反転入力にシールド線sを介し
て、未知の容量Cxの一端を接続し、その他端をシール
ド線sを介して交流信号発生器OSに接続する。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。
【0003】上記の構成により、未知の容量Cxの両端
間にはほとんど電位差がないため、浮遊容量Cs2は充電
されない。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ゼロ
とすることができる。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
s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、未知の静電容量Cxに比例する出
力が演算増幅器OPから求まる。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2の変換装置を用いることにより、未知の静電容
量Cxは電圧Voに変換され、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。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図2に
示す静電容量−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、
所要のコンポーネントを実際に集積化して1チップの変
換装置とするため、抵抗とコンデンサを形成する個別の
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・サイズが増大するという欠点がある。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、静電容量の電圧への変換が不可能
であるという課題もある。
【0005】この発明は、上記の課題を解決するために
提案されたものであって、イマジナリ・ショートの状態
の演算増幅器を利用して、信号線とシールド線との間の
浮遊容量に影響されずに且つ高精度に、静電容量を電圧
へ変換することができる静電容量−電圧変換装置及び変
換方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項1の発明は、反転入力端子、非反転入力端
子及び出力端子を有する演算増幅器であって、前記反転
入力端子と前記非反転入力端子との間がイマジナリ・シ
ョートの状態である演算増幅器と、前記反転入力端子に
一端が接続され、静電容量を有する静電容量素子を他端
に接続することができる信号線と、前記信号線の少なく
とも一部を包囲し且つ前記非反転入力端子に接続された
シールド線と、を具備し、前記非反転入力端子に交流電
圧を印加したとき、前記静電容量に対応する交流電圧を
前記演算増幅器の前記出力端子から出力することを特徴
とする静電容量−電圧変換装置、を提供する。
【0007】また、請求項6の発明は、演算増幅器の反
転入力端子と非反転入力端子との間をイマジナリ・ショ
ートの状態とし、信号線を介して前記反転入力端子に静
電容量素子を接続し、前記信号線をシールドするシール
ド手段を設け、前記シールド手段を前記非反転入力端子
と同電位とし、前記非反転入力端子に交流電圧を印加
し、もって、前記演算増幅器から、前記静電容量素子の
静電容量に対応した交流電圧を取り出すことを特徴とす
る静電容量−電圧変換方法、を提供する。
【0008】これらの発明において、前記シールド手段
は、前記信号線の全長を包囲するシールド線であること
が望ましい。前記静電容量素子は例えば容量型センサで
ある。また、前記静電容量素子は、被測定対象との間に
静電容量を形成する測定電極を備えることができる。更
に、前記演算増幅器から出力される前記交流電圧を積分
して前記静電容量を表す直流電圧を出力する回路を設け
ることもできる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、この発明に係る静電容量−
電圧変換装置の一つに実施の形態を図1を参照しながら
説明する。同図において、演算増幅器21は閉ループ利
得よりも極めて大きい電圧利得を有しており、利得はほ
ぼ無限大である。演算増幅器21の出力端子22と反転
入力端子(−)との間に帰還抵抗23が接続されていて
演算増幅器21に負帰還がかかっている。演算増幅器2
1の非反転入力端子(+)には交流(AC)信号発生器
24が接続され、演算増幅器21の反転入力端子(−)
には、信号線25の一端が接続される。信号線25の他
端には、未知又は既知の静電容量を持つコンデンサ26
の一方の電極261が接続される。コンデンサ26の他
方の電極262は接地されるか、直流(DC)の一定の
バイアス電位に固定されるか、あるいは非接地である。
なお、他方の電極262に交流バイアスを加えることも
できる。この場合、交流バイアスの周波数は交流信号発
生器24から出力される交流信号の周波数とは同じで
も、異なってもよい。
【0010】外部からのノイズ等の不要信号が信号線2
5に誘導されるのを防止するために、信号線25はシー
ルド線27によって包囲される。このシールド線27は
アースされず、演算増幅器21の非反転入力端子(+)
と接続される。
【0011】演算増幅器21には帰還抵抗23を介して
負帰還がかかっており、しかも、演算増幅器21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21はイマジナリ・ショートの状態にあり、利
得はほぼ無限大である。すなわち、演算増幅器21の反
転入力端子(−)と非反転入力端子(+)との間の電圧
差は実質的にゼロである。したがって、信号線25とシ
ールド線27とは同電位にあるので、信号線25とシー
ルド線27との間に生じる浮遊容量をキャンセルするこ
とができる。このことは、信号線25の長さに無関係に
成立するし、信号線25の移動や折り曲げ、折り返し等
に関係なく成立する。
【0012】いま、交流信号発生器24の交流出力電圧
をViとし、その角周波数をωとする。また、コンデン
サ26の静電容量をCx、コンデンサ26を流れる電流
をi 1、帰還抵抗23の抵抗値をRf、帰還抵抗23を
流れる電流をi2とし、演算増幅器21の反転入力端子
における電圧をVm、演算増幅器21の出力電圧をVと
すると、演算増幅器21は前述のとおりイマジナリ・シ
ョートの状態にあるので、反転入力端子(−)における
電圧Vmは交流信号発生器24の交流信号出力電圧Vi
と同電圧である。すなわち、下記の式が満足される。
【0013】
【数1】Vi=Vm しかも、下記の式も満足される。
【0014】
【数2】i1=−Vm/(1/jωCx)=−Vi/
(1/jωCx) i2=(Vm−V)/Rf=(Vi−V)/Rf i1=i2であるから、演算増幅器21の出力電圧Vは下
式で表される。
【0015】
【数3】V=Vi(1+jωRf・Cx) この式は、演算増幅器21の出力電圧Vが静電容量Cx
に比例する交流成分を含むことを示している。そこで、
出力電圧Vを適宜処理することにより、静電容量Cxに
比例した直流電圧を得ることができる。
【0016】上記のように、演算増幅器21はイマジナ
リ・ショートの状態にあり、信号線25とシールド線2
7の間に生じる浮遊容量が演算増幅器21の反転入力端
子(−)と非反転入力端子(+)の間に現れることはな
いので、演算増幅器21の出力電圧Vを表す式には、信
号線25とシールド線27との間に生じる浮遊容量に関
係する項が含まれない。このため、微小な静電容量Cx
の電圧への変換が可能になる。また、交流出力電圧Vi
の角周波数ωが低くても、静電容量Cxに正確に対応し
た電圧Vを出力することができる。
【0017】
【発明の効果】以上、この発明の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とおり、この発明は以
下の効果を奏する。 (1)信号線とそれを包囲するシールド線との間に形成
される浮遊容量に影響されることなく、信号線に接続さ
れた静電容量素子の静電容量を電圧へ変換することがで
き、該静電容量に正確に対応した電圧を求めることがで
きるので、静電容量素子の静電容量が例えばフェムトフ
ァラッド(ピコファラッドの1000分の1)のオーダ
ーの微小なものであっても、該静電容量を電圧へ高精度
に変換し、検出することが可能になる。 (2)静電容量素子の静電容量を該静電容量と交流信号
の周波数とを含む信号へ変換することができるので、交
流信号の周波数が約10MHzよりも低くても、静電容
量の電圧への変換や検出が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る静電容量−電圧変換装置の概略
回路図である。
【 図2】従来の静電容量−電圧変換装置の一例を示す
概略回路図である。
【符号の説明】
21:演算増幅器、 22:出力端子、 23:帰還抵
抗、 24:交流信号発生器、 25:信号線、 2
6:静電容量素子、 27:シールド線
フロントページの続き (72)発明者 原田 宗生 兵庫県西宮市津門宝津町2−19 (72)発明者 松本 俊行 兵庫県三田市つつじが丘南3−4−12 (72)発明者 廣田 良浩 京都府京都市左京区北白川仕伏町43

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 反転入力端子、非反転入力端子及び出力
    端子を有する演算増幅器であって、前記反転入力端子と
    前記非反転入力端子との間がイマジナリ・ショートの状
    態である演算増幅器と、 前記反転入力端子に一端が接続され、静電容量を有する
    静電容量素子を他端に接続することができる信号線と、 前記信号線の少なくとも一部を包囲し且つ前記非反転入
    力端子に接続されたシールド線と、 を具備し、前記非反転入力端子に交流電圧を印加したと
    き、前記静電容量に対応する交流電圧を前記演算増幅器
    の前記出力端子から出力することを特徴とする静電容量
    −電圧変換装置。
  2. 【請求項2】 前記シールド手段が、前記信号線の全長
    を包囲するシールド線であることを特徴とする、請求項
    1記載の静電容量−電圧変換装置。
  3. 【請求項3】 前記静電容量素子が容量型センサである
    ことを特徴とする、請求項1又は2記載の静電容量−電
    圧変換装置。
  4. 【請求項4】 前記静電容量素子が測定電極を備え、被
    測定対象と前記測定電極との間に静電容量が形成される
    ことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つに記載
    の静電容量−電圧変換装置。
  5. 【請求項5】 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静電容量を表す直流電圧を出力する
    回路を更に備えることを特徴とする、請求項1〜4のい
    ずれか一つに記載の静電容量−電圧変換装置。
  6. 【請求項6】 演算増幅器の反転入力端子と非反転入力
    端子との間をイマジナリ・ショートの状態とし、 信号線を介して前記反転入力端子に静電容量素子を接続
    し、 前記信号線をシールドするシールド手段を設け、 前記シールド手段を前記非反転入力端子と同電位とし、 前記非反転入力端子に交流電圧を印加し、 もって、前記演算増幅器から、前記静電容量素子の静電
    容量に対応した交流電圧を取り出すことを特徴とする静
    電容量−電圧変換方法。
  7. 【請求項7】 前記シールド手段が、前記信号線の全長
    を包囲するシールド線であることを特徴とする、請求項
    6記載の静電容量−電圧変換方法。
  8. 【請求項8】 前記静電容量素子が容量型センサである
    ことを特徴とする、請求項6又は7記載の静電容量−電
    圧変換方法。
  9. 【請求項9】 前記静電容量素子が測定電極を備え、被
    測定対象と前記測定電極との間に静電容量が形成される
    ことを特徴とする、請求項6〜8のいずれか一つに記載
    の静電容量−電圧変換方法。
  10. 【請求項10】 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静電容量を表す直流電圧を出力す
    る回路を更に備えることを特徴とする、請求項6〜9の
    いずれか一つに記載の静電容量−電圧変換方法。
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