JP2003075484A - 静電容量検出回路及び静電容量検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高いＳＮ比を有し、微小な容量を正確に検出
することができる静電容量検出回路を提供する。 【解決手段】 容量検出部１０と電位固定部３０とから
構成され、容量検出部１０は、交流電圧発生器１１と、
第１演算増幅器１４と、ボルテージフォロワを構成する
第２演算増幅器１６と、第１演算増幅器１４と第２演算
増幅器１６との間に接続される検出用コンデンサ１５等
を備え、電位固定部３０は、交流電圧発生器１１からの
交流信号を反転増幅する第３演算増幅器３３と、その出
力端子とグランド間に直列に接続される抵抗（Ｒ4）３
４及び抵抗（Ｒ5）３５等を備え、被検出コンデンサ１
７から静電容量検出回路４０をみた入力インピーダンス
が容量検出部１０をみたものよりも大きくなるように、
抵抗（Ｒ4）３４及び抵抗（Ｒ5）３５の回路定数（例え
ば、１０ＭΩ以上）を設定しておく。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量を検出す
る回路及び方法に関し、特に、高いＳＮ比で容量を検出
する回路及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】静電容量検出回路の従来例として、特開
平９−２８０８０６号公報記載のものを挙げることがで
きる。図５は、この静電容量検出回路を示す回路図であ
る。この検出回路では、電極９０、９１で形成される容
量センサ９２が、信号線９３を介して演算増幅器９５の
反転入力端子に接続されている。そしてこの演算増幅器
９５の出力端子と前記反転入力端子との間にコンデンサ
９６が接続されるとともに、非反転入力端子に交流電圧
Ｖacが印加されている。また信号線９３はシールド線９
４によって被覆され、外乱ノイズに対して電気的に遮蔽
されている。そしてこのシールド線９４は、演算増幅器
９５の非反転入力端子に接続されている。出力電圧Ｖｄ
は、演算増幅器９５の出力端子からトランス９７を介し
て取り出される。

【０００３】この検出回路では、演算増幅器９５の反転
入力端子と非反転入力端子とがイマージナリショートの
状態となり、反転入力端子に接続された信号線９３と非
反転入力端子に接続されたシールド線９４とは、互いに
ほぼ同電位となる。これによって、信号線９３はシール
ド線９４によってガーディングされ、つまり、両者９
３、９４間の浮遊容量はキャンセルされ、浮遊容量に影
響されない出力電圧Ｖｄが得られるというものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来技術によれば、容量センサ９２とコンデンサ９
６を接続する信号線９３には直流電流が流れず、電気的
にフローティング状態となることから、電位が不安定と
なり回路出力が電源電圧に飽和する等が生じてしまうこ
とにより、正常に回路が動作しなくなるという問題があ
る。確かに容量センサ９２の容量がある程度に大きいと
きは信号線９３とシールド線９４との間の浮遊容量に影
響されない正確な出力電圧Ｖｄを得ることができるもの
の、数ｐＦあるいはｆＦ（フェムトファラッド）オーダ
ーの微小な容量の検出においては、誤差が大きくなって
しまうという問題がある。

【０００５】また、印加する交流電圧Ｖacの周波数によ
っては、演算増幅器９５の内部のトラッキングエラー又
は演算誤差等により、イマージナリショートの状態にあ
る反転入力端子と非反転入力端子の電圧間にも結果的に
微妙な位相・振幅のズレが発生し、検出誤差が大きくな
ってしまうという問題もある。

【０００６】一方、携帯電話機等に代表される軽量・小
型の音声通信機器においては、コンデンサマイクロホン
等の容量センサで検出した音声を、高感度かつ忠実に電
気信号に変換するＳＮ比の高い増幅回路が求められてい
る。数ｐＦあるいはｆＦオーダーの微小な容量又はその
変化を正確に検出することができるならば、極めて高い
感度で、かつ、忠実に音声を検出することが可能な高性
能なマイクロホンが実現され、携帯電話機等の音声通信
機器での音声のピックアップにおける性能が飛躍的に向
上される。

【０００７】そこで、この発明は、このような状況に鑑
みてなされたものであり、高いＳＮ比を有し、微小な容
量を正確に検出することができ、コンデンサマイクロホ
ン等の容量センサの容量検出に適した静電容量検出回路
及び方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る静電容量検出回路は、被検出コンデン
サの静電容量に対応する検出信号を出力する静電容量検
出回路であって、被検出コンデンサに接続され、その静
電容量を検出する容量検出部と、前記被検出コンデンサ
と前記容量検出部との接続点に一定電位を印加する電位
固定部とを備え、前記被検出コンデンサから前記電位固
定部をみた入力インピーダンスは、前記被検出コンデン
サから前記容量検出部をみた入力インピーダンスよりも
大きいことを特徴とする。

【０００９】また、本発明に係る静電容量検出方法は、
被検出コンデンサの静電容量に対応する検出信号を出力
する静電容量検出方法であって、被検出コンデンサの静
電容量を検出する容量検出回路と被検出コンデンサとの
接続点に、電位固定回路を用いて一定電位を印加し、前
記被検出コンデンサから前記電位固定回路をみた入力イ
ンピーダンスは、前記被検出コンデンサから前記容量検
出回路をみた入力インピーダンスよりも大きいことを特
徴とする。

【００１０】つまり、被検出コンデンサを流れる電流の
多くが電位固定部に流れるのではなく、ほとんどが容量
検出部に流れるように回路定数を設定しておく。

【００１１】ここで、容量検出部は、電圧を発生する電
圧発生器と、その電圧を入力とする第１反転増幅回路と
で構成し、電位固定部は、電圧発生器が発生する電圧を
一定の比率で変換し、一定電位として接続点に印加して
もよい。

【００１２】具体的には、第１反転増幅回路は、入力イ
ンピーダンスが高く出力インピーダンスが低いインピー
ダンス変換器と、第１インピーダンス素子と、前記電圧
発生器が発生する電圧を反転増幅する第１演算増幅器と
前記演算増幅器の出力に接続される信号出力端子とを備
え、前記インピーダンス変換器の入力端子には前記被検
出コンデンサの一端と前記第１インピーダンス素子の一
端とが接続され、前記演算増幅器の負帰還路に前記第１
インピーダンス素子及び前記インピーダンス変換器が含
まれ、前記電位固定部は、前記電圧発生器が発生する電
圧を入力とする第２反転増幅回路と、前記第２反転増幅
回路の出力電圧を分圧することで前記一定電位を生成す
る分圧回路とを有するように構成してもよい。

【００１３】このとき、前記分圧回路は、前記第２反転
増幅回路の出力端子に直列に接続された２つの抵抗で構
成し、例えば、それぞれ１０ＭΩ以上の抵抗とする。

【００１４】なお、前記インピーダンス変換器は、出力
端子と反転入力端子とが接続された演算増幅器からなる
電圧ゲインが１のボルテージフォロワであってもよい
し、電圧ゲインが１よりも小さい（あるいは、１よりも
大きい）電圧増幅器であってもよい。

【００１５】また、電圧発生器は、直流電圧発生器であ
ってもよいし、交流電圧発生器であってもよい。被検出
コンデンサがコンデンサマイクロホン等の物理量（音
等）の変化に応じて静電容量が変化する容量型センサで
ある場合には、電圧発生器が直流電圧発生器であって
も、音に対応する交流信号が出力端子に現れるからであ
る。

【００１６】また、第１インピーダンス素子は、抵抗、
インダクタンス及びコンデンサのいずれであってもよ
い。第１インピーダンス素子としてコンデンサを用いた
場合には、電圧発生器から出力される交流信号の周波数
に依存しない検出信号を得ることができる。

【００１７】また、この静電容量検出回路と被検出コン
デンサとを接続する信号線が長くなる場合には、同軸ケ
ーブル等のシールド部材で覆われた信号線を用いればよ
い。そして、必要に応じて、そのシールド部材に、信号
線と同電位のガード電圧を印加するガード電圧印加手段
を設ければよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の実
施の形態例における静電容量検出回路４０の回路図であ
る。なお、本図では、この静電容量検出回路４０に、検
出対象である被検出コンデンサ１７（ここでは、コンデ
ンサマイクロホン等、静電容量Ｃsの変化を利用して各
種物理量を検出する容量型センサ）が接続されている。

【００１９】この静電容量検出回路４０は、大きく分け
て、被検出コンデンサ１７の容量に対応する検出信号を
出力する容量検出部１０と、被検出コンデンサ１７が容
量検出部１０に接続される信号線（図中の検出線２１）
の電位を固定する電位固定部３０とから構成される。

【００２０】この容量検出部１０は、交流電圧を発生す
る交流電圧発生器１１、抵抗（Ｒ1）１２、抵抗（Ｒ2）
１３、第１演算増幅器１４、検出用コンデンサ（容量Ｃ
f）１５及び第２演算増幅器１６から構成され、被検出
コンデンサ１７の静電容量に対応する検出信号（電圧Ｖ
out）を信号出力端子２０から出力する。

【００２１】交流電圧発生器１１は、一端が所定の電位
（本例では接地）に接続され、他端（出力端子）から一
定の交流電圧（電圧Ｖin、角周波数ω）を発生してい
る。交流電圧発生器１１の出力端子と第１演算増幅器１
４の反転入力端子との間には抵抗（Ｒ1）１２が接続さ
れている。なお、所定の電位とは、ある基準電位、所定
の直流電位、接地電位またはフローティング状態のいず
れかを指すものであり、実施の態様にあわせて最適なも
のが選択される。

【００２２】第１演算増幅器１４は、入力インピーダン
ス及び開ループゲインが極めて高い電圧増幅器であり、
ここでは、非反転入力端子が所定の電位（本例では接
地）に接続され、非反転入力端子及び反転入力端子がイ
マージナリショートの状態となっている。この第１演算
増幅器１４の負帰還路、つまり、第１演算増幅器１４の
出力端子から反転入力端子までの間に、検出用コンデン
サ１５、第２演算増幅器１６及び抵抗（Ｒ2）１３がこ
の順で直列に接続されている。

【００２３】第２演算増幅器１６は、その反転入力端子
と出力端子とが接続され、入力インピーダンスが極めて
高く、出力インピーダンスが極めて低い、電圧ゲインが
１のボルテージフォロワを構成している。この第２演算
増幅器１６の非反転入力端子には、信号線又はプリント
基板上の配線パターン等の導電体を介して、被検出コン
デンサ１７の一端が接続され、一方、被検出コンデンサ
１７の他端は、所定の電位（本例では接地）に接続され
ている。第１演算増幅器１４の出力端子には、この容量
検出部１０の出力信号、つまり、被検出コンデンサ１７
の容量に対応した検出信号を出力するための信号出力端
子２０が接続されている。

【００２４】電位固定部３０は、交流電圧発生器１１が
発生する交流電圧を入力とし、一定の比率で電圧変換す
ることによって、容量検出部１０の第２演算増幅器１６
の非反転入力端子における電圧と同電位（振幅及び位相
が同一）の電圧を発生し、被検出コンデンサ１７と容量
検出部１０とを接続する検出線２１に印加出力する回路
であり、抵抗（Ｒ6）３１、抵抗（Ｒ7）３２、第３演算
増幅器３３、抵抗（Ｒ4）３４及び抵抗（Ｒ5）３５から
構成される。

【００２５】第３演算増幅器３３は、第１演算増幅器１
４と同様に、入力インピーダンス及び開ループゲインが
極めて高い電圧増幅器であり、ここでは、非反転入力端
子が所定の電位（本例では接地）に接続され、非反転入
力端子及び反転入力端子がイマージナリショートの状態
となり、抵抗（Ｒ6）３１及び抵抗（Ｒ7）３２と共に、
反転増幅回路を構成している。抵抗（Ｒ4）３４及び抵
抗（Ｒ5）３５は、第３演算増幅器３３の出力端子２３
と所定の電位（本例では接地）間に、この順で直列に接
続されている。これら抵抗（Ｒ4）３４と抵抗（Ｒ5）３
５との接続点２４は、第３演算増幅器３３の出力電圧を
一定比率で分圧した電圧Ｖ4を発生しており、この電位
固定部３０の出力端子２４として、容量検出部１０の検
出線２１にその電圧Ｖ4を印加している。

【００２６】このように、電位固定部３０は、容量検出
部１０における検出線２１の電位を固定するために用い
られている。つまり、検出線２１は、容量検出部１０に
おいては、検出用コンデンサ１５の一端、入力インピー
ダンスの高い第２演算増幅器１６の非反転入力端子及び
被検出コンデンサ１７の一端に接続されているだけなの
で、この電位固定部３０が容量検出部１０に接続されて
いない場合には、検出線２１はフロート状態に近い状態
となり、電位が確定的には定まらない不安定な状態とな
ってしまう。このような不安定な状態を避けるために、
電位固定部３０が容量検出部１０に接続されている。

【００２７】以上のように構成された静電容量検出回路
４０の動作は以下の通りである。まず、静電容量検出回
路４０における容量検出部１０単体の動作、即ち、電位
固定部３０が容量検出部１０に接続されていない場合
（電位固定部３０を有しない場合）における容量検出部
１０の動作を説明する。

【００２８】抵抗（Ｒ1）１２、抵抗（Ｒ2）１３及び第
１演算増幅器１４等から構成される反転増幅回路に着目
すると、第１演算増幅器１４の両入力端子がイマージナ
リショートの状態となって同電位（本例では０Ｖ）であ
り、かつ、その入力インピーダンスが極めて高く、電流
が流れないことから、抵抗（Ｒ1）１２を流れる電流
は、Ｖin／Ｒ1となり、その全てが抵抗（Ｒ2）１３を流
れるので、第２演算増幅器１６の出力電圧をＶ2とする
と、 Ｖin／Ｒ1＝−Ｖ2／Ｒ2 が成り立ち、これを整理することにより、第２演算増幅
器１６の出力電圧Ｖ2は、 Ｖ2＝−（Ｒ2／Ｒ1）・Ｖin （式１） となる。また、第２演算増幅器１６はボルテージフォロ
ワを構成し、その両入力端子がイマージナリショートの
状態にあり、入力電圧（非反転入力端子の電圧）Ｖ1と
出力電圧（反転入力端子及び出力端子での電圧）Ｖ2は
等しくなるので、その入力電圧Ｖ1は、 Ｖ1＝Ｖ2 （式２） が成り立つ。また、検出用コンデンサ１５を被検出コン
デンサ１７に向かって流れる電流をｉとすると、第２演
算増幅器１６の入力インピーダンスが極めて高いことか
ら、その電流ｉの全てが被検出コンデンサ１７に流れる
ので、Ｖ1＝ｉ・（１／ｊωＣs）となり、信号出力端子
２０から出力される検出信号の電圧Ｖoutは、 Ｖout＝ｉ・（１／ｊωＣf）＋Ｖ1 ＝（１＋Ｃs／Ｃf）・Ｖ1 （式３） となる。

【００２９】上記式１と式２とから、Ｖ2を消去する
と、 Ｖ1＝−（Ｒ2／Ｒ1）・Ｖin （式４） が得られ、このＶ1を上記式３に代入すると、 Ｖout＝−（１＋Ｃs／Ｃf）・（Ｒ2／Ｒ1）・Ｖin （式５） が得られる。

【００３０】この式５から分かるように、容量検出部１
０の信号出力端子２０から出力される検出信号の電圧Ｖ
outは、被検出コンデンサ１７の容量Ｃsに依存した値と
なる。従って、この電圧Ｖoutに対して種々の信号処理
を施すことによって、容量Ｃsを特定することができ
る。また、この式５には角周波数ωが含まれていないこ
とから分かるように、この検出信号の電圧Ｖoutは、交
流電圧発生器１１からの交流信号Ｖinの周波数に依存し
ない。これによって、被検出コンデンサ１７に印加され
る交流電圧の周波数に依存することなく、被検出コンデ
ンサ１７の容量を検出することができる（周波数依存特
性を有しない）静電容量検出回路が実現される。したが
って、コンデンサマイクロホン等、容量値がある周波数
（音声帯域）で変化するような被検出コンデンサ１７に
対して、検出された信号を周波数補正することなく、そ
の電圧値から直接、容量値を特定することが可能とな
る。

【００３１】また、この容量検出部１０では、検出用コ
ンデンサ１５及び被検出コンデンサ１７に電流を供給し
ている第１演算増幅器１４は、その非反転入力端子が所
定の電位（本例では接地）に接続され、固定化されてい
る。したがって、図５に示される従来の回路における演
算増幅器９５と異なり、第１演算増幅器１４は、入力さ
れる交流信号の周波数等に依存することなく、演算誤差
が低減されノイズの少ない安定した電流を検出用コンデ
ンサ１５及び被検出コンデンサ１７に供給するので、被
検出コンデンサ１７の微小な容量の検出が可能となる。

【００３２】次に、電位固定部３０の動作及び役割につ
いて説明する。抵抗（Ｒ6）３１、抵抗（Ｒ7）３２及び
第３演算増幅器３３から構成される反転増幅回路に着目
すると、第１演算増幅器１４と同様の動作により、第３
演算増幅器３３の出力端子２３での電圧Ｖ3は、 Ｖ3＝−（Ｒ7／Ｒ6）・Ｖin （式６） となる。そして、抵抗（Ｒ4）３４と抵抗（Ｒ5）３５と
の接続点の電圧（電位固定部３０の出力電圧）Ｖ4は、
第３演算増幅器３３の出力電圧Ｖ3を抵抗（Ｒ4）３４と
抵抗（Ｒ5）３５とで定まる比で分圧した値となるの
で、 Ｖ4＝Ｖ3・（Ｒ5／（Ｒ4＋Ｒ5）） （式７） となる。この式７に、上記式６で表されるＶ3を代入す
ると、 Ｖ4＝−（Ｒ7／Ｒ6）・（Ｒ5／（Ｒ4＋Ｒ5））・Ｖin （式８） が得られる。

【００３３】なお、４つの抵抗（Ｒ6）３１、抵抗（Ｒ
7）３２、抵抗（Ｒ4）３４及び抵抗（Ｒ5）３５は、上
記式８で示される電圧Ｖ4が容量検出部１０における第
２演算増幅器１６の非反転入力端子での電圧Ｖ1と等し
くなるように、予め抵抗値が決定されている。例えば、 Ｒ7／Ｒ6＝２・（Ｒ2／Ｒ1） （式９） が成り立ち、かつ、 Ｒ4＝Ｒ5 （式１０） が成り立つような抵抗値となっている。このときには、
これら式９及び式１０で示される条件を上記式８に代入
し、さらに、上記式４を代入して分かるように、 Ｖ4＝−２（Ｒ2／Ｒ1）・（１／２）・Ｖin ＝Ｖ1 （式１１） が成り立つ。つまり、電位固定部３０は、第２演算増幅
器１６の非反転入力端子（検出線２１）での電圧Ｖ1と
同一電位の電圧Ｖ4を発生し、検出線２１に印加出力し
ていることが分かる。これによって、検出線２１の電位
は固定され、フロート状態が回避されるので、静電容量
検出回路４０による検出動作が安定化される。

【００３４】次に、電位固定部３０を構成する分圧抵抗
（抵抗（Ｒ4）３４及び抵抗（Ｒ5）３５の抵抗値）の静
電容量検出回路４０への影響について説明する。

【００３５】電位固定部３０の抵抗（Ｒ4）３４及び抵
抗（Ｒ5）３５は、上記式８から分かるように、それら
の抵抗値の比については、一定条件を満たす必要がある
が、個々の抵抗値については、制約を受けないとも考え
られる。

【００３６】ところが、これら抵抗（Ｒ4）３４及び抵
抗（Ｒ5）３５の抵抗値が小さい場合には、被検出コン
デンサ１７を流れる電流のほとんど全てが検出用コンデ
ンサ１５を流れることにはならず、そのために、静電容
量検出回路４０による容量の検出感度が低下する。つま
り、被検出コンデンサ１７に流れる電流の一部が電位固
定部３０に流入出することとなり、被検出コンデンサ１
７の容量あるいは容量の変化に対応する信号の一部だけ
が信号出力端子２０に伝達されることになってしまう。

【００３７】そこで、これら抵抗（Ｒ4）３４及び抵抗
（Ｒ5）３５の抵抗値の静電容量検出回路４０への影響
を調べるために、これらの抵抗値の比を一定にしたま
ま、それらの抵抗値を様々な値に変化させながら、信号
出力端子２０で観測される信号及びノイズの大きさ（レ
ベル）を計測し、Ｓ／Ｎ比を求める実験を行った。

【００３８】図２（ａ）は、その実験データを示すテー
ブルであり、抵抗（Ｒ4）３４及び抵抗（Ｒ5）３５それ
ぞれの抵抗値を１００ｋΩ、１ＭΩ、１０ＭΩ、１００
ＭΩ、１ＧΩと変化させた場合の信号の大きさ、ノイズ
の大きさ及びＳＮ比を示している。図２（ｂ）は、図２
（ａ）に示された実験データをプロットしたグラフであ
る。なお、図２（ａ）において、単位「ｄＢＶ」は、計
測値をＭ（実効電圧；volt）としたときに、２０ｌｏｇ
（Ｍ）の値が記されていることを意味し、単位「ｄＢ」
は、２０ｌｏｇ（Ｓ／Ｎ）の値が記されていることを意
味する。

【００３９】これら図２（ａ）及び（ｂ）から分かるよ
うに、抵抗（Ｒ4）３４及び抵抗（Ｒ5）３５が１００ｋ
Ωのときは、感度（ＳＮ比）低下が生じている。これ
は、検出線２１から電位固定部３０への電流の流入出が
大きいためと考えられる。また、抵抗（Ｒ4）３４及び
抵抗（Ｒ5）３５が１ＭΩのときも、１００ｋΩのとき
ほどではないが、若干電流の流入出があり、感度低下が
起きていると考えられる。抵抗（Ｒ4）３４及び抵抗
（Ｒ5）３５が、ほぼ絶縁に近い１０ＭΩ以上では、上
限に近いと思われる高い信号レベルがほとんど変わらず
一定している為に、高いＳＮ比が得られている。なお、
抵抗（Ｒ4）３４及び抵抗（Ｒ5）３５が１０ＭΩ以上
で、ノイズレベルの大幅な低減が見られる。

【００４０】このように、少なくとも、抵抗（Ｒ4）３
４及び抵抗（Ｒ5）３５が１ＧΩ程度までは、抵抗値が
大きいほどＳＮ比の向上が見られる。したがって、回路
仕様、回路内のバランス（交流信号Ｖinの周波数、検出
用コンデンサ１５の容量Ｃf等の値）、高抵抗入手の難
易等にもよるが、抵抗（Ｒ4）３４及び抵抗（Ｒ5）３５
については、１０ＭΩ以上のできるだけ高い抵抗値を使
用することが望ましい。

【００４１】なお、電位固定部３０の抵抗（Ｒ4）３４
及び抵抗（Ｒ5）３５の抵抗値が大きくなるにしがって
信号出力端子２０に現れる検出信号の信号レベルが大き
くなるのは、被検出コンデンサ１７の静電容量Ｃsが変
化したときに、その変化に伴う電流（被検出コンデンサ
１７を流れる交流電流）の多くが、電位固定部３０（抵
抗（Ｒ4）３４及び抵抗（Ｒ5）３５）に流れるのではな
く、検出用コンデンサ１５に流れるからと考えられる。
これは、被検出コンデンサ１７の容量の変化に対応する
電流が、電位固定部３０から（第３演算増幅器３３から
抵抗（Ｒ4）３４を介して）供給されるよりも、容量検
出部１０から（第１演算増幅器１４から検出用コンデン
サ１５を介して）供給される量が多くなるからである。
言い換えると、被検出コンデンサ１７から電位固定部３
０をみた入力インピーダンスＺin30と、被検出コンデン
サ１７から容量検出部１０をみた入力インピーダンスＺ
in10との比Ｚin30：Ｚin10に応じて、被検出コンデンサ
１７を流れる電流が検出用コンデンサ１５に向かって流
れるので、その比Ｚin30：Ｚin10が大きいほど、被検出
コンデンサを流れる電流の多くが検出用コンデンサ１５
を流れるので、検出信号の信号レベルが大きくなると考
えられる。

【００４２】このようにして、本実施の形態例の静電容
量検出回路４０によれば、容量検出部１０に電位固定部
３０が付加されることで、検出線２１がフロート状態と
なって不安定になってしまうことが回避されるととも
に、電位固定部３０の抵抗（Ｒ4）３４及び抵抗（Ｒ5）
３５の抵抗値を一定値以上の高い値に設定しておくこと
で、信号出力端子２０に現れる検出信号に含まれるノイ
ズが低減され、センサの感度が向上し、高いＳＮ比が得
られる。

【００４３】以上、本発明に係る静電容量検出回路につ
いて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、こ
の実施の形態に限定されるものではない。

【００４４】例えば、図３に示される容量検出部１０ａ
のように、図１に示された静電容量検出回路４０の容量
検出部１０におけるボルテージフォロワ（第２演算増幅
器１６）に代えて、インピーダンス変換器１６ａを接続
してもよい。具体的には、入力インピーダンスが極めて
高く、出力インピーダンスが極めて低く、電圧ゲインが
Ａ倍の電圧増幅器等からなるインピーダンス変換器１６
ａを用いてもよい。なお、ここでのＡ倍に示される変数
Ａは零（０）以外の実数を示す。

【００４５】このとき、交流信号Ｖinと検出線２１での
電圧Ｖ1との関係、つまり、上記式４に対応する関係式
は、 Ｖ1＝−（Ｒ2／Ｒ1）・（Ｖin／Ａ） となるが、このこと自体は、被検出コンデンサ１７から
容量検出部１０ａ及び電位固定部３０をみた入力インピ
ーダンスに直接影響を与えるものではない。よって、こ
の図３に示された容量検出部１０ａを含む静電容量検出
回路も、電位固定部３０の抵抗（Ｒ4）３４及び抵抗
（Ｒ5）３５の抵抗値が大きいほど検出信号のＳＮ比を
向上させる点において、図１に示された静電容量検出回
路４０と共通する。

【００４６】また、図１に示される第２演算増幅器１６
や図３に示されるインピーダンス変換器１６ａの入力段
に、ＭＯＳＦＥＴ等からなるバッファ回路を付加するこ
とで、より高い入力インピーダンスを維持してもよい。

【００４７】また、図４に示される容量検出部１０ｂの
ように、図１に示された静電容量検出回路４０の容量検
出部１０における交流電圧発生器１１に代えて、直流電
圧を発生する直流電圧発生器１１ａを用いてもよい。例
えば、被検出コンデンサ１７がコンデンサマイクロホン
である場合には、その容量Ｃsは、入力された音の周波
数に合わせて変化するので、検出信号Ｖoutの交流成分
だけを取り出すことで、被検出コンデンサ１７の容量の
変化分ΔＣ、即ち、音に対応する信号を高い感度で得る
ことができる。このような容量検出部１０ｂを含む静電
容量検出回路も、電位固定部３０の抵抗（Ｒ4）３４及
び抵抗（Ｒ5）３５の抵抗値が大きいほど検出信号のＳ
Ｎ比を向上させる点において、図１に示された静電容量
検出回路４０と共通する。

【００４８】また、図１において、被検出コンデンサ１
７と検出用コンデンサ１５及び第２演算増幅器１６とを
信号線で接続し、その信号線が長くなる場合には、その
信号線として、シールドで覆われた同軸ケーブルを使用
し、必要に応じて、そのシールドに信号線と同電位の電
圧をガード電圧として印加するガード電圧印加回路を設
けてもよい。例えば、図１に示された容量検出部１０の
交流電圧発生器１１が発生する交流信号Ｖinを入力と
し、その信号を（−Ｒ2／Ｒ1）倍し、得られた電圧（即
ち、電圧Ｖ1に等しい電圧）を同軸ケーブルのシールド
に印加するガード電圧印加回路を設けてもよい。これに
よって、信号線への外乱ノイズの混入を遮蔽したり、信
号線とシールド間等に発生する浮遊容量をキャンセルす
ることができる。

【００４９】また、容量検出部１０においては、被検出
コンデンサ１７に流れる電流を検出するために第１演算
増幅器１４と第２演算増幅器１６との間に検出用コンデ
ンサ１５が接続されたが、これに代えて、抵抗やインダ
クタンス等のインピーダンス素子を接続してもよい。例
えば、検出用コンデンサ１５に代えて抵抗値Ｒ3の抵抗
を接続した場合には、容量検出部１０の出力端子２０か
ら出力される検出信号の電圧Ｖoutは、上記式５に代え
て、 Ｖout＝−（１＋ｊωＣs・Ｒ3）・（Ｒ2／Ｒ1）・Ｖin となる。この場合であっても、検出信号の電圧Ｖout
は、容量値Ｃsに対応する信号であることに変わりな
い。よって、この電圧Ｖoutに基づいて、種々の信号処
理を施すことで、未知の容量値Ｃｓを容易に特定するこ
とができる。なお、検出用コンデンサ等の第１インピー
ダンス素子の種類に拘わらず、電位固定部３０の抵抗
（Ｒ4）３４及び抵抗（Ｒ5）３５の抵抗値が大きいほ
ど、検出信号のＳＮ比は向上される。

【００５０】上記実施形態の例では、電位固定部３０の
抵抗３４、３５には、文字通り抵抗を用いていたが、本
発明はこれに限らず、たとえば、ダイオードの逆バイア
ス特性を利用しても良いし、トランジスタのオフ状態を
使用する事も可能である。

【００５１】また、被検出コンデンサ１７として接続さ
れる容量型センサは、コンデンサマイクロホンだけに限
られず、加速度センサ、地震計、圧力センサ、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、湿度センサ、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など、
静電容量の変化を利用して各種物理量を検出する全ての
トランスデューサ（デバイス）が含まれる。

【００５２】さらに、本発明に係る静電容量検出回路
は、プリント基板上に実現することができるだけでな
く、シリコン基板上に実現することもできる。例えば、
１つのシリコン基板上に、容量型センサと静電容量検出
回路とを形成することで、各種物理量を電気信号に変換
する超小型のトランスデューサが実現される。

【００５３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る静電容量検出回路及び方法は、被検出コンデンサ
の静電容量に対応する検出信号を出力するものであっ
て、被検出コンデンサの静電容量を検出する容量検出部
と被検出コンデンサとの接続点に、電位固定部を用いて
一定電位を印加し、前記被検出コンデンサから前記電位
固定部をみた入力インピーダンスは、前記被検出コンデ
ンサから前記容量検出部をみた入力インピーダンスより
も大きいことを特徴とする。つまり、被検出コンデンサ
を流れる電流の多くが、電位固定部ではなく、容量検出
部に流れるように回路定数を設定しておく。

【００５４】これによって、例えば、被検出コンデンサ
と容量検出部とが接続される接続点での電位が確定的に
固定されて不安定な動作が回避されるとともに、被検出
コンデンサを流れる電流の多くが容量検出部を流れるの
で、被検出コンデンサの静電容量に関する信号の多くが
容量検出部に伝達され、ＳＮ比が向上される。

【００５５】ここで、容量検出部は、抵抗を介して演算
増幅器に電圧を印加し、その演算増幅器の負帰還路に被
検出コンデンサを接続することで、被検出コンデンサの
容量を検出すればよい。つまり、非反転入力端子を所定
の電位（本例では接地）に接続した演算増幅器の出力端
子とインピーダンス変換器の入力端子間に第１インピー
ダンス素子を接続するとともに、インピーダンス変換器
の入力端子と所定の電位（本例では接地）間に被検出コ
ンデンサを接続する。

【００５６】これによって、被検出コンデンサに電流を
流す演算増幅器の電位（非反転入力端子の電位）が固定
化され、安定するので、演算増幅器の出力端子には被検
出コンデンサの容量に対応する正確な信号が出力される
こととなり、数ｐＦあるいはｆＦオーダーの微小な容量
の検出が可能となる。

【００５７】また、電位固定部は、前記電圧発生器が発
生する電圧を入力とする反転増幅回路と、前記反転増幅
回路の出力電圧を分圧することで前記一定電位を生成す
る分圧回路とを有するように構成し、前記分圧回路は、
前記反転増幅回路の出力端子に直列に接続された２つの
抵抗とし、例えば、それぞれ１０ＭΩ以上の抵抗とす
る。これによって、検出信号に含まれる信号レベルが増
加するとともに、ノイズが抑制され、ほぼ限界に近いと
思われる高いＳＮ比の検出信号が得られる。

【００５８】また、電圧発生器は、直流電圧発生器であ
ってもよいし、交流電圧発生器であってもよい。被検出
コンデンサがコンデンサマイクロホン等の物理量（音
等）の変化に応じて静電容量が変化する容量型センサで
ある場合には、電圧発生器が直流電圧発生器であって
も、音に対応する交流信号が出力端子に現れるからであ
る。

【００５９】また、第１インピーダンス素子として、コ
ンデンサを用いることで、電圧発生器が発生する交流信
号の周波数に依存しない検出信号が得られ、周波数を補
償するための回路等が不要となる。

【００６０】ここで、被検出コンデンサとインピーダン
ス変換器の入力端子とをシールド部材で覆われた信号線
で接続し、その信号線の電圧と同電位の電圧をシールド
部材に印加するガード電圧印加手段を付加してもよい。
これによって、信号線を同電位のシールドでガーディン
グし、信号線とシールド間に発生する浮遊容量を検出し
ないようにすることができるので、より微小の容量に対
して高い精度で検出することが可能となる。

【００６１】また、本発明に係る静電容量検出回路は、
被検出コンデンサに電流を流すことによって容量を検出
しているので、エレクトレットコンデンサマイクロホン
等のように、被検出コンデンサの電極に高分子フィルム
等を貼り付けてエレクトレット化する必要がなく、通常
の静電容量型センサに適用することができる。

【００６２】以上のように、本発明は、高いＳＮ比を有
し、微小な容量を正確に検出することができ、特に、高
感度なマイクロホンが必要とされる携帯電話機等の高機
能な音声通信機器に好適であり、その実用的価値は極め
て高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における静電容量検出回路
の回路図である。

【図２】（ａ）は、静電容量検出回路の抵抗（Ｒ4）及
び抵抗（Ｒ5）の抵抗値を変化させたときの検出信号に
含まれる信号の大きさ、ノイズの大きさ及びＳＮ比につ
いての実験値を示すテーブルであり、（ｂ）は、そのグ
ラフである。

【図３】図１に示された静電容量検出回路の容量検出部
におけるボルテージフォロワをインピーダンス変換器に
代えた、変形例に係る容量検出部の回路図である。

【図４】図１に示された静電容量検出回路の容量検出部
における交流電圧発生器を直流電圧発生器に代えた、変
形例に係る容量検出部の回路図である。

【図５】従来の静電容量検出回路の回路図である。

【符号の説明】

１０、１０ａ、１０ｂ 容量検出部 １１ 交流電圧発生器 １１ａ 直流電圧発生器 １２、１３ 抵抗 １４、１６、３３ 演算増幅器 １５ 検出用コンデンサ １６ａ インピーダンス変換器 １７ 被検出コンデンサ ２０、２２、２３、２４ 出力端子 ２０ 信号出力端子 ２１ 検出線 ３０ 電位固定部 ４０ 静電容量検出回路

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検出コンデンサの静電容量に対応する
   検出信号を出力する静電容量検出回路であって、 被検出コンデンサに接続され、その静電容量を検出する
   容量検出部と、 前記被検出コンデンサと前記容量検出部との接続点に一
   定電位を印加する電位固定部とを備え、 前記被検出コンデンサから前記電位固定部をみた入力イ
   ンピーダンスは、前記被検出コンデンサから前記容量検
   出部をみた入力インピーダンスよりも大きいことを特徴
   とする静電容量検出回路。
2. 【請求項２】 前記容量検出部は、 直流電圧又は交流電圧の少なくとも一方を発生する電圧
   発生器と、 前記電圧発生器が発生する電圧を入力とする第１反転増
   幅回路とを有し、 前記電位固定部は、前記電圧発生器が発生する電圧を一
   定の比率で変換し、前記一定電位として前記接続点に印
   加することを特徴とする請求項１記載の静電容量検出回
   路。
3. 【請求項３】 前記第１反転増幅回路は、 入力インピーダンスが高く出力インピーダンスが低いイ
   ンピーダンス変換器と、第１インピーダンス素子と、前
   記電圧発生器が発生する電圧を反転増幅する第１演算増
   幅器と前記演算増幅器の出力に接続される信号出力端子
   とを備え、 前記インピーダンス変換器の入力端子には前記被検出コ
   ンデンサの一端と前記第１インピーダンス素子の一端と
   が接続され、 前記演算増幅器の負帰還路に前記第１インピーダンス素
   子及び前記インピーダンス変換器が含まれ、 前記電位固定部は、 前記電圧発生器が発生する電圧を入力とする第２反転増
   幅回路と、 前記第２反転増幅回路の出力電圧を分圧することで前記
   一定電位を生成する分圧回路とを有することを特徴とす
   る請求項２記載の静電容量検出回路。
4. 【請求項４】 前記分圧回路は、前記第２反転増幅回路
   の出力端子に直列に接続された２つの抵抗からなること
   を特徴とする請求項３記載の静電容量検出回路。
5. 【請求項５】 前記２つの抵抗は、１０ＭΩ以上である
   ことを特徴とする請求項４記載の静電容量検出回路。
6. 【請求項６】 前記２つの抵抗は、同一の抵抗値である
   ことを特徴とする請求項５記載の静電容量検出回路。
7. 【請求項７】 前記インピーダンス変換器は、出力端子
   と反転入力端子とが接続された第２演算増幅器を備えた
   ボルテージフォロワであることを特徴とする請求項１〜
   ６のいずれか１項に記載の静電容量検出回路。
8. 【請求項８】 前記第１インピーダンス素子は、コンデ
   ンサであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１
   項に記載の静電容量検出回路。
9. 【請求項９】 前記被検出コンデンサは、一定範囲の周
   波数で容量が変化する容量型センサであることを特徴と
   する請求項１〜８のいずれか１項に記載の静電容量検出
   回路。
10. 【請求項１０】 前記被検出コンデンサと前記インピー
    ダンス変換器の入力端子とは少なくともその一部がシー
    ルド部材で覆われた信号線で接続され、 前記静電容量検出回路は、さらに、前記信号線の電圧と
    同電位の電圧を前記シールド部材に印加するガード電圧
    印加手段を備えることを特徴とする請求項１〜９記載の
    静電容量検出回路。
11. 【請求項１１】 被検出コンデンサの静電容量に対応す
    る検出信号を出力する静電容量検出方法であって、 被検出コンデンサの静電容量を検出する容量検出回路と
    被検出コンデンサとの接続点に、電位固定回路を用いて
    一定電位を印加し、 前記被検出コンデンサから前記電位固定回路をみた入力
    インピーダンスは、前記被検出コンデンサから前記容量
    検出回路をみた入力インピーダンスよりも大きいことを
    特徴とする静電容量検出方法。