JP2003185688A - Circuit and apparatus for detection of capacitance and microphone device - Google Patents

Circuit and apparatus for detection of capacitance and microphone device

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JP2003185688A
JP2003185688A JP2002260686A JP2002260686A JP2003185688A JP 2003185688 A JP2003185688 A JP 2003185688A JP 2002260686 A JP2002260686 A JP 2002260686A JP 2002260686 A JP2002260686 A JP 2002260686A JP 2003185688 A JP2003185688 A JP 2003185688A
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capacitance detection
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capacitor
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正巳 八壁
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a capacitance detection circuit by which a very small capacitance can be detected precisely and which is suitable for miniaturization. <P>SOLUTION: The capacitance detection circuit 10 is provided with an AC voltage generator 11, an operational amplifier 14 whose noninverting input terminal is connected to a prescribed potential (a ground in this example), an impedance converter 16, a resistance (R<SB>1</SB>) 12 which is connected across the generator 11 and the noninverting input terminal of the operational amplifier 14, a resistance (R<SB>2</SB>) 13 which is connected across the noninverting input terminal of the operational amplifier 14 and an output terminal of the impedance converter 16, and an impedance element (a capacitor) 15 which is connected across an output terminal of the operational amplifier 14 and an input terminal of the impedance converter 16. A capacitor 17 to be detected is connected across the input terminal of the impedance converter 16 and the prescribed potential, and the circuit 10 and the capacitor 17 to be detected are installed in adjacent positions. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量を検出す
る回路及び装置等に関し、特に、微小な容量を高い精度
で検出する回路、装置及びマイクロホン装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a circuit and a device for detecting electrostatic capacitance, and more particularly to a circuit, a device and a microphone device for detecting a very small capacitance with high accuracy.

【0002】[0002]

【従来の技術】静電容量検出回路の従来例として、静電
容量式変位計を挙げることができる(例えば、特許文献
1参照)。図9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9
5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94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。
2. Description of the Related Art As a conventional example of a capacitance detecting circuit, there is a capacitance type displacement meter (for example, refer to Patent Document 1). FIG. 9 is a circuit diagram showing this capacitance detection circuit. In this detection circuit, the capacitance sensor 92 formed by the electrodes 90 and 91 includes an operational amplifier 9 via a signal line 93.
5 is connected to the inverting input terminal. A capacitor 96 is connected between the output terminal of the operational amplifier 95 and the inverting input terminal, and the AC voltage Vac is applied to the non-inverting input terminal. Further, the signal line 93 is covered with a shield line 94, and is electrically shielded against disturbance noise. The shield line 94 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 95. The output voltage Vd is taken out from the output terminal of the operational amplifier 95 via the transformer 97.

【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
響されにくい出力電圧Vdが得られるというものであ
る。
In this detection circuit, the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 95 are in the state of an emergency short, and the signal line 93 connected to the inverting input terminal and the shield line connected to the non-inverting input terminal. 94 and the same potential as each other. As a result, the signal line 93 is guarded by the shield line 94, that is,
The stray capacitance between 3 and 94 is canceled, and the output voltage Vd that is not easily influenced by the stray capacitance is obtained.

【0004】[0004]

【特許文献1】特開平9−280806号公報(第2
図)
[Patent Document 1] JP-A-9-280806 (second
(Figure)

【0005】[0005]

【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、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)オーダー以下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。
However, according to such a conventional technique, when the capacitance of the capacitance sensor 92 is certainly large to some extent, the stray capacitance between the signal line 93 and the shield line 94 is not affected. Although it is possible to obtain a high output voltage Vd, there is a problem that an error becomes large in the detection of a minute capacitance of several pF or fF (femto farad) order or less.

【0006】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。
Further, depending on the frequency of the AC voltage Vac to be applied, due to a tracking error in the operational amplifier 95 or the like, the voltage between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal in the state of the immagnari short circuit may be delicate as a result. Na phase
There is also a problem that the deviation of the amplitude occurs and the detection error becomes large.

【0007】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
気信号に変換するコンパクトな増幅回路が求められてい
る。数pFあるいはfFオーダー以下の微小な容量又は
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。
On the other hand, in a lightweight and small-sized voice communication device typified by a mobile phone, a compact amplifier circuit for converting a voice detected by a capacitive sensor such as a condenser microphone into an electric signal with high sensitivity and fidelity is required. Has been. If it is possible to accurately detect a minute capacitance of several pF or fF or less or its change, a high-performance microphone capable of detecting voice with extremely high sensitivity and faithfully is realized. The performance in picking up voice in a voice communication device such as a telephone is dramatically improved.

【0008】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、微小な容量を正確に検出する
ことができ、かつ、軽量・小型の音声通信機器に使用さ
れる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等を提供することを目的とす
る。
Therefore, the present invention has been made in view of such a situation, and is capable of accurately detecting a minute capacitance, and is a condenser microphone used in a lightweight and small-sized voice communication device. It is an object of the present invention to provide a capacitance detection circuit and the like suitable for capacitance detection of the capacitance sensor.

【0009】[0009]

【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、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、容量性の第1
インピーダンス素子と、演算増幅器と、前記演算増幅器
に交流電圧を印加する交流電圧発生器と、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、前記被
検出コンデンサと前記静電容量検出回路とは隣接して設
けられていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the electrostatic capacity detection circuit according to the present invention is an electrostatic capacity detection circuit that outputs a detection signal corresponding to the electrostatic capacity of a capacitor to be detected. , An impedance converter with high input impedance and low output impedance, and a capacitive first
An impedance element, an operational amplifier, an AC voltage generator that applies an AC voltage to the operational amplifier, and a signal output terminal connected to the output of the operational amplifier, and the input terminal of the impedance converter includes the target voltage. One end of the detection capacitor and one end of the first impedance element are connected, the first impedance element and the impedance converter are included in the negative feedback path of the operational amplifier, the detected capacitor and the capacitance detection circuit. And are provided adjacent to each other.

【0010】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、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、容量性の第1インピーダンス素子と、演算増幅器
と、前記演算増幅器に交流電圧を印加する交流電圧発生
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、前記被検出コンデンサと前記第1インピー
ダンス素子と前記インピーダンス変換器とが近接して設
けられていることを特徴とする。
Further, the capacitance detection circuit according to the present invention is
An electrostatic capacitance detection circuit that outputs a detection signal corresponding to the electrostatic capacitance of a capacitor to be detected, the impedance converter having a high input impedance and a low output impedance, a capacitive first impedance element, an operational amplifier, An AC voltage generator for applying an AC voltage to the operational amplifier and a signal output terminal connected to the output of the operational amplifier are provided, and one end of the detected capacitor and the first terminal are connected to an input terminal of the impedance converter. One end of the impedance element is connected, the first impedance element and the impedance converter are included in the negative feedback path of the operational amplifier, and the detected capacitor, the first impedance element and the impedance converter are close to each other. It is characterized by being provided.

【0011】具体例としては、交流電圧発生器と、非反
転入力端子が所定の電位に接続された演算増幅器と、イ
ンピーダンス変換器と、演算増幅器の反転入力端子とイ
ンピーダンス変換器の出力端子間に接続される抵抗と、
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
子間に接続されるコンデンサ(第1インピーダンス素
子)とを備える静電容量検出回路を構成し、被検出コン
デンサはインピーダンス変換器の入力端子と所定の電位
間に接続し、静電容量検出回路と被検出コンデンサとは
隣接、又は、信号線の浮遊容量が接続される素子の容量
の最大の値の10倍を超えないように短く近接した位置
に設けておく。ここで、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。なお、さらに交流電圧発生器
と演算増幅器の反転入力端子間に接続される第2インピ
ーダンスとしての抵抗を設けても良い。
As a concrete example, an AC voltage generator, an operational amplifier whose non-inverting input terminal is connected to a predetermined potential, an impedance converter, and an inverting input terminal of the operational amplifier and an output terminal of the impedance converter. The connected resistance,
A capacitance detection circuit is provided that includes a capacitor (first impedance element) connected between the output terminal of the operational amplifier and the input terminal of the impedance converter, and the detected capacitor is the input terminal of the impedance converter and a predetermined potential. Connected between them, the capacitance detection circuit and the capacitor to be detected are adjacent to each other, or short and close to each other so that the stray capacitance of the signal line does not exceed 10 times the maximum value of the capacitance of the connected element. Keep it. Here, the predetermined potential refers to any one of a reference potential, a predetermined DC potential, a ground potential, and a floating state, and an optimum one is selected according to the embodiment. A resistor as a second impedance connected between the AC voltage generator and the inverting input terminal of the operational amplifier may be further provided.

【0012】このような構成によって、被検出コンデン
サに一定の電圧が印加されるとともに、その被検出コン
デンサに流れる電流のほとんど全てがコンデンサ(第1
インピーダンス素子)に流れ、信号出力端子からは、被
検出コンデンサの静電容量に対応した信号が出力され
る。
With such a configuration, a constant voltage is applied to the capacitor to be detected, and almost all of the current flowing through the capacitor to be detected is the capacitor (first
The signal corresponding to the electrostatic capacity of the detected capacitor is output from the signal output terminal.

【0013】なお、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へのノイズの混入や、その信号線
の浮遊容量の発生を低減させるために、被検出コンデン
サと静電容量検出回路とは可能な限り隣接した位置に設
けておく。または、被検出コンデンサと第1インピーダ
ンス素子とインピーダンス変換器とが可能な限り近接し
た位置に設けておく。ここで、本願明細書において、
「近接する」とは、信号線の浮遊容量が、被検出コンデ
ンサの容量値又は容量性の第1インピーダンス素子の容
量値の大きい方の容量値に対して10倍を超えない状態
にあることをいう。これは、信号線の浮遊容量が、接続
されている素子の容量値の一桁上の数値を超えない容量
値としたときに、本発明の静電容量検出回路は、検出感
度の大幅な悪化を防ぐことができるということが分かっ
たものであり、これは経験的に得られたものである。こ
の信号線の浮遊容量は、被検出コンデンサと、第1イン
ピーダンス素子と、インピーダンス変換器とを信号線に
接続しない状態で、容量測定を行えば測定できる。そし
て、本願明細書では、上記の近接した条件で隣り合って
接している状態を「隣接」という。
It should be noted that in order to reduce the mixing of noise in the signal line connecting the capacitance detection circuit and the detection capacitor and the generation of stray capacitance of the signal line, the detection capacitor and the capacitance detection circuit And should be placed as close to each other as possible. Alternatively, the detected capacitor, the first impedance element, and the impedance converter are provided in positions as close to each other as possible. Here, in the present specification,
"Proximity" means that the stray capacitance of the signal line does not exceed 10 times the capacitance value of the detected capacitor or the larger capacitance value of the capacitive first impedance element. Say. This is because when the stray capacitance of the signal line is set to a capacitance value that does not exceed the numerical value of the capacitance value of the connected element by one digit, the electrostatic capacitance detection circuit of the present invention significantly deteriorates the detection sensitivity. Was found to be preventable, and this is empirically derived. The stray capacitance of the signal line can be measured by measuring the capacitance without connecting the detected capacitor, the first impedance element, and the impedance converter to the signal line. In the specification of the present application, the state of being adjacent and in contact with each other under the condition of being close to each other is referred to as “adjacent”.

【0014】ここで、前記静電容量検出回路に加えて、
信号出力端子での信号を反転する反転増幅回路と、イン
ピーダンス変換器の出力信号と反転増幅回路の出力信号
とを加算する加算回路とを付加してもよい。また、コン
デンサ(第1インピーダンス素子)と並列に抵抗を接続
しておいてもよい。
Here, in addition to the capacitance detection circuit,
You may add the inverting amplifier circuit which inverts the signal in a signal output terminal, and the addition circuit which adds the output signal of an impedance converter and the output signal of an inverting amplifier circuit. A resistor may be connected in parallel with the capacitor (first impedance element).

【0015】また、本発明の応用として、被検出コンデ
ンサは、容量の変化に応じて物理量を検出する容量型セ
ンサとし、静電容量検出回路は、プリント基板又はシリ
コン基板上に形成し、それら容量型センサと基板とを固
定する、もしくは、一体成形しているものが好ましい。
さらに具体例として、より好ましくは、被検出コンデン
サとして、コンデンサマイクロホンを採用し、静電容量
検出回路についてはICで実現し、それらコンデンサマ
イクとICとを一体化し、携帯電話機等に使用されるマ
イクロホンとして1つの筐体(シールドボックス)に収
めてもよい。このとき、コンデンサマイクロホンとIC
とは隣接した位置に固定し、導電性の板、配線パター
ン、ワイヤボンディング等で接続しておく。
As an application of the present invention, the capacitor to be detected is a capacitance type sensor which detects a physical quantity according to a change in capacitance, and the capacitance detection circuit is formed on a printed board or a silicon substrate, It is preferable that the mold sensor and the substrate are fixed or integrally molded.
As a more specific example, more preferably, a condenser microphone is used as the detected capacitor, the capacitance detection circuit is realized by an IC, and the condenser microphone and the IC are integrated to be used in a mobile phone or the like. Alternatively, it may be housed in one housing (shield box). At this time, the condenser microphone and IC
Are fixed at adjacent positions and are connected by a conductive plate, a wiring pattern, wire bonding, or the like.

【0016】[0016]

【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。 (第1の実施の形態)図1は、本発明の第1の実施の形
態例における静電容量検出回路10の回路図である。な
お、本図では、この静電容量検出回路10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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. (First Embodiment) FIG. 1 is a circuit diagram of an electrostatic capacitance detection circuit 10 according to a first embodiment of the present invention. In this figure, the capacitance detection circuit 10 includes a detected capacitor 17 to be detected (here, a capacitance sensor such as a condenser microphone that detects various physical quantities by utilizing changes in the capacitance Cs). Are connected.

【0017】この静電容量検出回路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、演算増幅器14、インピーダンス素子
(ここでは、容量Cfのコンデンサ)15及びインピー
ダンス変換器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Vout)を信号出
力端子20から出力する。
The capacitance detecting circuit 10 includes an AC voltage generator 11 for generating an AC voltage, a resistor (R1) 12, a resistor (R2) 13, an operational amplifier 14, an impedance element (here, a capacitor having a capacitance Cf). 15 and an impedance converter 16, and a detected capacitor 17
The detection signal (voltage Vout) corresponding to the electrostatic capacitance is output from the signal output terminal 20.

【0018】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の出力端子と演算増幅器14の
反転入力端子との間には抵抗(R1)12が接続されて
いる。
One end of the AC voltage generator 11 is connected to a predetermined potential (ground in this example), and a constant AC voltage (voltage Vin, angular frequency ω) is generated from the other end (output terminal). . A resistor (R1) 12 is connected between the output terminal of the AC voltage generator 11 and the inverting input terminal of the operational amplifier 14.

【0019】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。この演算増幅器1
4の負帰還路、つまり、演算増幅器14の出力端子から
反転入力端子までの間に、コンデンサ15、インピーダ
ンス変換器16及び抵抗(R2)13がこの順で直列に
接続されている。
The operational amplifier 14 is a voltage amplifier having an extremely high input impedance and open loop gain. Here, the non-inverting input terminal has a predetermined potential (ground in this example).
, And the non-inverting input terminal and the inverting input terminal are in the state of an emergency short. This operational amplifier 1
4, the capacitor 15, the impedance converter 16, and the resistor (R2) 13 are connected in series in this order between the negative feedback path of 4, that is, the output terminal of the operational amplifier 14 and the inverting input terminal.

【0020】インピーダンス変換器16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倍の電圧増幅器である。このインピ
ーダンス変換器16の入力端子21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。演算増幅器14の出力端子には、この
静電容量検出回路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。なお、本願では、
A倍等に示される変数Aはいずれも零(0)以外の実数
を表す。
The impedance converter 16 is a voltage amplifier having an extremely high input impedance, an extremely low output impedance, and a voltage gain of A times. One end of the detected capacitor 17 is connected to the input terminal 21 of the impedance converter 16 via a conductor such as a signal line or a wiring pattern on a printed circuit board, while the other end of the detected capacitor 17 is It is connected to a predetermined potential (ground in this example). The output terminal of the operational amplifier 14 is connected to the signal output terminal 20 for outputting the output signal of the electrostatic capacitance detection circuit 10, that is, the detection signal corresponding to the capacitance of the detected capacitor 17. In the present application,
The variable A indicated by A times or the like represents a real number other than zero (0).

【0021】なお、被検出コンデンサ17と静電容量検
出回路10との接続について、不要な浮遊容量が検出誤
差として加算されたり、外乱ノイズが混入したりするこ
とを避けるために、可能な限り短い導電体(ケーブル、
銅箔の配線パターン、接続端子など)で接続するのが好
ましい。さらに、可能ならば、外乱ノイズに対する遮蔽
を強化するために、被検出コンデンサ17及び静電容量
検出回路10全体を接地されたシールド部材で覆った
り、シールドボックス内に収納するのが好ましい。
Regarding the connection between the capacitor to be detected 17 and the electrostatic capacitance detection circuit 10, as short as possible in order to avoid adding unnecessary stray capacitance as a detection error and mixing in disturbance noise. Conductor (cable,
It is preferable to connect with a copper foil wiring pattern, a connection terminal, etc.). Further, if possible, it is preferable to cover the entire capacitor 17 to be detected and the electrostatic capacitance detection circuit 10 with a grounded shield member or to store the capacitor 17 and the electrostatic capacitance detection circuit 10 in a shield box, in order to enhance shielding against disturbance noise.

【0022】以上のように構成された静電容量検出回路
10の動作は以下の通りである。抵抗(R1)12、抵
抗(R2)13及び演算増幅器14等から構成される反
転増幅回路に着目すると、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(例え
ば、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、インピーダンス変換器16
の出力電圧をV2とすると、 Vin/R1=−V2/R2 が成り立つ。これを整理することにより、インピーダン
ス変換器16の出力電圧V2は、 V2=−(R2/R1)・Vin (式1) となる。また、インピーダンス変換器16の電圧ゲイン
はAであるので、入力電圧(入力端子21の電圧)V1
と出力電圧(出力端子22での電圧)V2との関係よ
り、その入力電圧V1は、 V1=(1/A)・V2 (式2) が成り立つ。また、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、インピーダン
ス変換器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、電流iは、jωCs・V1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、 となる。
The operation of the electrostatic capacitance detection circuit 10 configured as described above is as follows. Focusing on the inverting amplifier circuit composed of the resistor (R1) 12, the resistor (R2) 13, the operational amplifier 14, etc., both input terminals of the operational amplifier 14 are in the state of an emergency short and the same potential (for example, 0V). Since the input impedance is extremely high and no current flows, the resistance (R1) 12
Current flowing through the resistor becomes Vin / R1 and all of it flows through the resistor (R2) 13, so the impedance converter 16
If the output voltage of V is V2, then Vin / R1 = -V2 / R2 holds. By organizing this, the output voltage V2 of the impedance converter 16 becomes V2 =-(R2 / R1) .Vin (Equation 1). Further, since the voltage gain of the impedance converter 16 is A, the input voltage (voltage of the input terminal 21) V1
And the output voltage (voltage at the output terminal 22) V2, the input voltage V1 is: V1 = (1 / A) V2 (Equation 2) Further, when the current flowing through the capacitor 15 toward the detected capacitor 17 is i, the input impedance of the impedance converter 16 is extremely high. Therefore, all of the current i flows into the detected capacitor 17, so that the current i is jωCs · V1 and the voltage Vout of the detection signal output from the signal output terminal 20 is Becomes

【0023】上記式1と式2とから、V2を消去する
と、 V1=−(R2/R1)・(Vin/A) (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/A) (式5) が得られる。
When V2 is eliminated from the above equations 1 and 2, V1 =-(R2 / R1). (Vin / A) (equation 4) is obtained, and when this V1 is substituted into the above equation 3, Vout =-(1 + Cs / Cf). (R2 / R1). (Vin / A) (Equation 5) is obtained.

【0024】この式5から分かるように、静電容量検出
回路10の信号出力端子20から出力される検出信号の
電圧Vout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の周波数及
び被検出コンデンサの周波数の変化に依存しない。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(回路での周波数依存特性
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。
As can be seen from this equation 5, the voltage Vout of the detection signal output from the signal output terminal 20 of the electrostatic capacitance detection circuit 10 has a value depending on the capacitance Cs of the detected capacitor 17. Therefore, the capacitance Cs can be specified by performing various signal processings on the voltage Vout. Further, as can be seen from the expression 5 that does not include the angular frequency ω, the voltage Vout of this detection signal
Does not depend on changes in the frequency of the AC signal Vin from the AC voltage generator 11 and the frequency of the detected capacitor. As a result, a capacitance detection circuit that can detect the capacitance of the detected capacitor 17 (without the frequency-dependent characteristic of the circuit) without depending on the frequency of the AC voltage applied to the detected capacitor 17 is provided. Will be realized. Therefore, the capacitance value is directly specified from the voltage value of the detected capacitor 17 whose capacitance value changes at a certain frequency (voice band), such as a condenser microphone, without frequency correction of the detected signal. It becomes possible.

【0025】また、本実施の形態例の静電容量検出回路
10では、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演算増幅器14は、その非反転入力
端子が所定の電位に接続され、固定化されている。した
がって、図9に示される従来の回路における演算増幅器
95と異なり、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、ノイズの少ない安定し
た電流をコンデンサ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。
Further, in the electrostatic capacitance detection circuit 10 of the present embodiment, the non-inverting input terminal of the operational amplifier 14 supplying current to the capacitor 15 and the detected capacitor 17 is connected to a predetermined potential. , Has been fixed. Therefore, unlike the operational amplifier 95 in the conventional circuit shown in FIG. 9, the operational amplifier 14 does not depend on the frequency or the like of the input AC signal and outputs a stable current with less noise to the capacitor 15 and the detected capacitor 17. Since it is supplied to, the minute capacitance of the detected capacitor 17 can be detected.

【0026】なお、本発明に関する実験によれば、図1
の静電容量検出回路において、例えば、Cs(被検出コ
ンデンサ:本実施の形態ではマイクロホン)の元々の静
電容量が20pFのときに、信号線の浮遊容量が200
pFを越すと、かなり検出感度が悪化した。また、前記
Csについて、いくつかの別の静電容量値で確認したと
ころ、同じ傾向の結果を得た。また、第1インピーダン
ス素子である容量Cfと被検出コンデンサCsとは、こ
の回路中ではともに信号線に接続された容量素子であ
り、どちらの素子についてみても計算上は前記と同じ結
果をもたらすものと考えられる。これらの実験結果及び
経験から、信号線の浮遊容量が、当該Cs又はCfの容
量値の一桁上の値を越えないように、被検出コンデンサ
と第1インピーダンス素子とインピーダンス変換器とを
近接させると良好な検出感度が得られることが分かっ
た。
According to the experiment related to the present invention, FIG.
In the electrostatic capacitance detection circuit of, for example, when the original electrostatic capacitance of Cs (capacitor to be detected: microphone in this embodiment) is 20 pF, the stray capacitance of the signal line is 200 pF.
When it exceeded pF, the detection sensitivity deteriorated considerably. Further, when the Cs was confirmed by several different capacitance values, the same tendency result was obtained. Further, the capacitance Cf, which is the first impedance element, and the detected capacitor Cs are both capacitance elements connected to the signal line in this circuit, and whichever element gives the same result as the above in calculation. it is conceivable that. From these experimental results and experience, the detected capacitor, the first impedance element, and the impedance converter are placed close to each other so that the stray capacitance of the signal line does not exceed the value of the capacitance value of Cs or Cf which is one digit higher. It was found that good detection sensitivity was obtained.

【0027】図2は、図1に示された静電容量検出回路
10におけるインピーダンス変換器16の具体的な回路
例を示す。図2(a)は、演算増幅器100を用いたボ
ルテージフォロワを示している。演算増幅器100の反
転入力端子と出力端子とが短絡されている。この演算増
幅器100の非反転入力端子をインピーダンス変換器1
6の入力とし、演算増幅器100の出力端子をインピー
ダンス変換器16の出力とすることで、入力インピーダ
ンスが極めて高く、電圧ゲインAが1となるインピーダ
ンス変換器16が得られる。
FIG. 2 shows a specific circuit example of the impedance converter 16 in the capacitance detection circuit 10 shown in FIG. FIG. 2A shows a voltage follower using the operational amplifier 100. The inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 100 are short-circuited. The non-inverting input terminal of the operational amplifier 100 is connected to the impedance converter 1
By inputting 6 and using the output terminal of the operational amplifier 100 as the output of the impedance converter 16, the impedance converter 16 having an extremely high input impedance and a voltage gain A of 1 can be obtained.

【0028】図2(b)は、演算増幅器101を用いた
非反転増幅回路を示している。演算増幅器101の反転
入力端子とグランド間に抵抗(R10)110が接続さ
れ、演算増幅器101の反転入力端子と出力端子間にフ
ィードバック抵抗(抵抗(R11)33)が接続されてい
る。この演算増幅器101の非反転入力端子をインピー
ダンス変換器16の入力とし、演算増幅器101の出力
端子をインピーダンス変換器16の出力とすることで、
入力インピーダンスが極めて高く、電圧ゲインAが(R
10+R11)/R10となるインピーダンス変換器16が得
られる。
FIG. 2B shows a non-inverting amplifier circuit using the operational amplifier 101. A resistor (R10) 110 is connected between the inverting input terminal of the operational amplifier 101 and the ground, and a feedback resistor (resistor (R11) 33) is connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 101. By using the non-inverting input terminal of the operational amplifier 101 as the input of the impedance converter 16 and the output terminal of the operational amplifier 101 as the output of the impedance converter 16,
The input impedance is extremely high, and the voltage gain A is (R
An impedance converter 16 with 10 + R11) / R10 is obtained.

【0029】図2(c)は、図2(a)や図2(b)に
示されるような演算増幅器の入力段にCMOS構造のバ
ッファを付加した回路を示している。図示されるよう
に、正負電源間にN型MOSFET34とP型MOSF
ET35とが抵抗112、113を介して直列に接続さ
れ、バッファの出力が演算増幅器100(又は101)
の入力に接続されている。このバッファの入力をインピ
ーダンス変換器16の入力とし、演算増幅器の出力端子
をインピーダンス変換器16の出力とすることで、入力
インピーダンスが極めて高いインピーダンス変換器16
が得られる。
FIG. 2C shows a circuit in which a buffer having a CMOS structure is added to the input stage of the operational amplifier as shown in FIGS. 2A and 2B. As shown, an N-type MOSFET 34 and a P-type MOSF are provided between the positive and negative power supplies.
ET35 is connected in series through resistors 112 and 113, and the output of the buffer is the operational amplifier 100 (or 101).
Connected to the input of. By using the input of this buffer as the input of the impedance converter 16 and the output terminal of the operational amplifier as the output of the impedance converter 16, the impedance converter 16 having an extremely high input impedance.
Is obtained.

【0030】図2(d)は、図2(c)の入力段のバッ
ファのような回路を示している。図示されるように、正
負電源間に、N型MOSFET34とP型MOSFET
35とが直列に接続され、両MOSFETの接続部から
出力がなされる。
FIG. 2 (d) shows a circuit such as a buffer in the input stage of FIG. 2 (c). As shown, an N-type MOSFET 34 and a P-type MOSFET are provided between the positive and negative power supplies.
35 and 35 are connected in series, and an output is made from the connection part of both MOSFETs.

【0031】図2(e)は、演算増幅器102の非反転
入力をインピーダンス変換器の入力とし、演算増幅器1
02の反転入力端子に抵抗114の一端を接続し、演算
増幅器102の出力と反転入力間を抵抗115を介して
接続したものとなっている。図2(d)及び図2(e)
に示されるように、こうした構成をとることで入力イン
ピーダンスが極めて高いインピーダンス変換器16が得
られる。
In FIG. 2E, the non-inverting input of the operational amplifier 102 is used as the input of the impedance converter, and the operational amplifier 1
One end of a resistor 114 is connected to the inverting input terminal of 02, and the output of the operational amplifier 102 and the inverting input are connected via a resistor 115. 2 (d) and 2 (e)
As shown in (1), the impedance converter 16 having an extremely high input impedance can be obtained by adopting such a configuration.

【0032】(第2の実施の形態)次に、本発明の第2
の実施の形態における静電容量検出回路について説明す
る。
(Second Embodiment) Next, the second embodiment of the present invention will be described.
The capacitance detection circuit according to the embodiment will be described.

【0033】図3は、第2の実施の形態例における静電
容量検出回路30の回路図である。この静電容量検出回
路30は、大きく分けて、図1に示された静電容量検出
回路10に相当するコア部31、そのコア部31の信号
出力端子20での信号電圧V01を入力として反転する反
転部32、及び、その反転部32の出力端子23での信
号電圧V03とコア部31の交流出力端子22での信号電
圧V02とを加算し、出力端子24に電圧V04の検出信号
を出力する加算部33から構成される。
FIG. 3 is a circuit diagram of the electrostatic capacitance detection circuit 30 according to the second embodiment. The electrostatic capacitance detection circuit 30 is roughly divided into a core portion 31 corresponding to the electrostatic capacitance detection circuit 10 shown in FIG. 1, and a signal voltage V01 at the signal output terminal 20 of the core portion 31 as an input and inverted. And the signal voltage V03 at the output terminal 23 of the inverting section 32 and the signal voltage V02 at the AC output terminal 22 of the core section 31 are added, and the detection signal of the voltage V04 is output to the output terminal 24. It is composed of an adding unit 33 for performing.

【0034】コア部31は、図1に示された静電容量検
出回路10と同一の回路である。したがって、コア部3
1の信号出力端子20の電圧V01は、上記式5より、 V01=−(1+Cs/Cf)・(R2/R1)・(Vin/A) (式6) となり、コア部31の交流出力端子22の電圧V02は、
上記式1より、 V02=−(R2/R1)・(Vin/A) (式7) となる。
The core section 31 is the same circuit as the capacitance detection circuit 10 shown in FIG. Therefore, the core part 3
The voltage V01 of the signal output terminal 20 of No. 1 becomes V01 = − (1 + Cs / Cf) · (R2 / R1) · (Vin / A) (Equation 6) from the above expression 5, and the AC output terminal 22 of the core part 31 The voltage V02 of
From the above formula 1, V02 =-(R2 / R1). (Vin / A) (formula 7).

【0035】反転部32は、可変抵抗(R4)40、抵
抗(R5)41、可変抵抗(R6)42、コンデンサ43
及び演算増幅器44を備えた反転増幅回路であり、電圧
利得が−1で、かつ、その出力端子23での信号V03の
位相がコア部31の交流出力端子22での信号V02と同
一になるように、可変抵抗(R4)40及び可変抵抗
(R6)42の抵抗値が調整されている。したがって、
この反転部32の入力電圧V01と出力電圧V03とは、理
想的には以下の関係が成り立っている。 V03=−V01 (式8)
The inverting section 32 includes a variable resistor (R4) 40, a resistor (R5) 41, a variable resistor (R6) 42, and a capacitor 43.
And an operational amplifier 44 so that the voltage gain is -1, and the phase of the signal V03 at its output terminal 23 is the same as the signal V02 at the AC output terminal 22 of the core section 31. Further, the resistance values of the variable resistor (R4) 40 and the variable resistor (R6) 42 are adjusted. Therefore,
The following relationship is ideally established between the input voltage V01 and the output voltage V03 of the inverting section 32. V03 = -V01 (Equation 8)

【0036】加算部33は、抵抗値の等しい3つの抵抗
(R7)45、抵抗(R8)46及び抵抗(R9)47が
演算増幅器48に接続された加算器である。つまり、2
つの入力信号の電圧V02及びV03と、出力電圧V04と
は、以下の関係が成り立つ。 V04=−(V02+V03) (式9) この式9に、上記式8を代入してV03を消去した後に、
上記式6及び式7を代入すると、 V04=V01−V02 =−(Cs/Cf)・(R2/R1)・(Vin/A) (式10) が成り立つ。つまり、この静電容量検出回路30の出力
端子24から出力される検出信号の電圧V04は、容量値
Csに比例することが分かる。よって、この電圧V04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又は容量変化を容易に特定することができる。
The adder 33 is an adder in which three resistors (R7) 45, resistors (R8) 46 and resistors (R9) 47 having the same resistance value are connected to an operational amplifier 48. That is, 2
The following relationships are established between the voltages V02 and V03 of the two input signals and the output voltage V04. V04 =-(V02 + V03) (Equation 9) After substituting the above Equation 8 into this Equation 9 to erase V03,
By substituting the equations 6 and 7, V04 = V01-V02 =-(Cs / Cf). (R2 / R1). (Vin / A) (Equation 10) holds. That is, it can be seen that the voltage V04 of the detection signal output from the output terminal 24 of the electrostatic capacitance detection circuit 30 is proportional to the capacitance value Cs. Therefore, an unknown capacitance value Cs or capacitance change can be easily specified by performing various signal processings based on this voltage V04.

【0037】この式10と第1の実施の形態例における
検出信号の電圧Voutを示す式5とを比較して分かるよ
うに、第2の実施の形態例における静電容量検出回路3
0で得られる検出信号は、第1の実施の形態例と異な
り、被検出コンデンサ17の容量に比例する成分だけを
含み、不要なオフセット分(被検出コンデンサ17に依
存しない電圧)を含んでいない。したがって、第2の実
施の形態例における検出信号から被検出コンデンサ17
の容量を特定する信号処理は、簡易なもので済む。な
お、本例では、V03=−V01となる例で説明したが、本
発明は、これに限定されるものではない。容量センサの
種類により、V03=k・V01(kは反転増幅部の増幅
率)として、出力電圧V04が、 V04={k・(Cs/Cf)+(k+1)}・(R2/R
1)・Vin となるように設定してもよい。
As can be seen by comparing Expression 10 with Expression 5 showing the voltage Vout of the detection signal in the first embodiment, the capacitance detection circuit 3 in the second embodiment is shown.
Unlike the first embodiment, the detection signal obtained at 0 includes only a component proportional to the capacitance of the detected capacitor 17, and does not include an unnecessary offset component (voltage that does not depend on the detected capacitor 17). . Therefore, the detected capacitor 17 is detected from the detection signal in the second embodiment.
The signal processing for specifying the capacity of is simple. In addition, in this example, the example in which V03 = −V01 is described, but the present invention is not limited to this. Depending on the type of capacitance sensor, the output voltage V04 is V04 = {k · (Cs / Cf) + (k + 1)} · (R2 / R, with V03 = k · V01 (k is the amplification factor of the inverting amplifier).
1) ・ Vin may be set.

【0038】図4は、上記第1及び第2の実施の形態例
における静電容量検出回路の電子機器への応用例を示す
図である。ここでは、コンデンサマイクロホンと静電容
量検出回路とが一体化された、携帯電話機等に用いられ
るマイクロホン50の断面図が示されている。このマイ
クロホン50は、音孔52を有する蓋体51と、音によ
って振動する振動膜53と、振動膜53を固定している
リング54と、スペーサ55aと、スペーサ55aを介
して振動膜53と対抗して設けられた固定電極56と、
固定電極56を支持する絶縁板55bと、絶縁板55b
の裏面に固定された上記施の形態の静電容量検出回路が
形成されたICチップ58と、ICチップ58をモール
ドしているICパッケージ59と、ICチップ58とワ
イヤボンディング等で接続された外部電極61a、61
b等とから構成される。
FIG. 4 is a diagram showing an example of application of the electrostatic capacitance detection circuit in the first and second embodiments to electronic equipment. Here, a cross-sectional view of a microphone 50 used in a mobile phone or the like in which a condenser microphone and a capacitance detection circuit are integrated is shown. The microphone 50 has a lid 51 having a sound hole 52, a vibrating film 53 that vibrates due to sound, a ring 54 that fixes the vibrating film 53, a spacer 55a, and a vibrating film 53 that opposes the spacer 55a. Fixed electrode 56 provided by
Insulating plate 55b supporting fixed electrode 56, and insulating plate 55b
An IC chip 58 fixed to the back surface of the IC chip, on which the capacitance detection circuit of the above-described embodiment is formed, an IC package 59 in which the IC chip 58 is molded, and an external device connected to the IC chip 58 by wire bonding or the like. Electrodes 61a, 61
b and the like.

【0039】コンデンサを形成している一方の電極であ
る振動膜53は、所定の電位(本例では、接地)に接続
され、他方の電極である固定電極56は、アルミニウム
板やワイヤボンディング、コンタクトホール等の導電体
を介してICチップ58の回路に接続されている。振動
膜53と固定電極56とからなるコンデンサの容量又は
その変化は、絶縁板55bを介して隣接するICチップ
58内の静電容量検出回路によって検出され、電気信号
に変換されて、外部電極61a、61b等から出力され
る。なお、蓋体51は、アルミニウム等の金属からな
り、絶縁基板60の上面に形成された導電膜(図示せ
ず)とともに、内部のコンデンサ53、56やICチッ
プ58への外乱ノイズの侵入を遮蔽するシールドボック
スとしての役割を果たしている。また本例では、固定電
極56と回路とを接続し、振動膜53を所定の電位に接
続しているが、振動膜53と回路とを接続し、固定電極
56を所定の電位に接続してもよい。ただし、経験的に
は前者の方が好ましい。
The vibrating film 53, which is one electrode forming the capacitor, is connected to a predetermined potential (ground in this example), and the fixed electrode 56, which is the other electrode, is an aluminum plate, wire bonding, or contact. It is connected to the circuit of the IC chip 58 via a conductor such as a hole. The capacitance of the capacitor including the vibrating film 53 and the fixed electrode 56 or its change is detected by the electrostatic capacitance detection circuit in the IC chip 58 adjacent to the external electrode 61a via the insulating plate 55b. , 61b and the like. The lid 51 is made of a metal such as aluminum, and shields disturbance noise from entering the internal capacitors 53 and 56 and the IC chip 58 together with a conductive film (not shown) formed on the upper surface of the insulating substrate 60. It plays the role of a shield box. Further, in this example, the fixed electrode 56 and the circuit are connected and the vibrating membrane 53 is connected to a predetermined potential. However, the vibrating membrane 53 and the circuit are connected, and the fixed electrode 56 is connected to a predetermined potential. Good. However, empirically, the former is preferable.

【0040】図5は、図4に示されたマイクロホン50
の概略的な外観図である。図5(a)は平面図、図5
(b)は正面図、図5(c)は底面図である。図5
(a)、(b)に示された蓋体51の大きさは、例え
ば、およそφ縦5mm×高さ2mmである。図5(c)
に示された4つの外部電極61a〜61dは、例えば、
静電容量検出回路の電源用の2つの端子と、出力信号用
の2つの端子である。
FIG. 5 shows the microphone 50 shown in FIG.
FIG. 5 (a) is a plan view, FIG.
5B is a front view and FIG. 5C is a bottom view. Figure 5
The size of the lid 51 shown in (a) and (b) is, for example, approximately φ length 5 mm × height 2 mm. FIG. 5 (c)
The four external electrodes 61a to 61d shown in FIG.
They are two terminals for the power supply of the electrostatic capacitance detection circuit and two terminals for the output signal.

【0041】このような応用例においては、被検出コン
デンサ(ここでは、コンデンサマイクロホン)と静電容
量検出回路(ここでは、ICチップ)とは隣接して設け
られ、信号線は極めて短く、その浮遊容量がコンデンサ
マイクロホンか回路内の第1インピーダンス素子のいず
れか大きい方の容量値の10倍を超えないような長さの
導電体によって接続されている。そして、それらの部品
は、金属製の蓋体等のシールド部材で覆われている。し
たがって、このような応用例においては、被検出コンデ
ンサと静電容量検出回路とを接続する信号線(導電体)
に混入する外乱ノイズ等の悪影響については無視するこ
とができると考えられる。
In such an application example, the capacitor to be detected (condenser microphone in this case) and the electrostatic capacitance detection circuit (IC chip in this case) are provided adjacent to each other, the signal line is extremely short, and its floating They are connected by a conductor whose length does not exceed 10 times the capacitance value of the condenser microphone or the first impedance element in the circuit, whichever is larger. Then, those parts are covered with a shield member such as a metallic lid. Therefore, in such an application example, a signal line (conductor) that connects the capacitor to be detected and the capacitance detection circuit
It is considered that the adverse effects of disturbance noise and the like mixed in the can be ignored.

【0042】つまり、このような小型のマイクロホンに
おいては、被検出コンデンサと静電容量検出回路とは極
めて短い導電体で接続されるので、その間をシールド付
きケーブルで接続したり、そのシールドにガード電圧を
印加するための特殊な回路を設けることは、却って、回
路規模を大きくし、回路のコンパクト化を妨げる。した
がって、被検出コンデンサと静電容量検出回路とは、非
シールドの(シールドされていない)導電板、配線パタ
ーン、ワイヤボンディング、リード線等により、最短経
路を接続するのが好ましい。他のマイクロホンの例とし
て、図6及び図7に、回路を基板にのせたものを示す。
上記実施の形態例の静電容量検出回路が基板62に搭載
された以外は基本的に同じである。
That is, in such a small microphone, the capacitor to be detected and the capacitance detecting circuit are connected by an extremely short conductor, so that a cable with a shield is connected between them and a guard voltage is applied to the shield. Providing a special circuit for applying a voltage rather increases the circuit scale and prevents the circuit from becoming compact. Therefore, it is preferable to connect the shortest path between the detected capacitor and the electrostatic capacitance detection circuit by an unshielded (unshielded) conductive plate, wiring pattern, wire bonding, lead wire, or the like. As an example of another microphone, FIGS. 6 and 7 show a circuit on which a circuit board is mounted.
It is basically the same except that the capacitance detection circuit of the above-described embodiment is mounted on the substrate 62.

【0043】以上、本発明に係る静電容量検出回路につ
いて、2つの実施の形態例及び製品への応用例に基づい
て説明したが、本発明は、これらの実施の形態例及び応
用例に限定されるものではない。
Although the capacitance detection circuit according to the present invention has been described above based on the two embodiments and the application to the product, the present invention is limited to these embodiments and the application. It is not something that will be done.

【0044】例えば、静電容量検出回路10及び30に
おいて、被検出コンデンサ17に流れる電流を検出する
ために、演算増幅器14とインピーダンス変換器16と
の間に、コンデンサ15が接続されたが、抵抗やインダ
クタンス等のインピーダンス素子を接続することも考慮
可能である。
For example, in the capacitance detection circuits 10 and 30, the capacitor 15 is connected between the operational amplifier 14 and the impedance converter 16 in order to detect the current flowing through the capacitor 17 to be detected. It is also possible to consider connecting an impedance element such as or an inductance.

【0045】また、図8に示されるように、上記実施の
形態における静電容量検出回路10及び30におけるコ
ンデンサ15と並列に抵抗18を付加して接続してもよ
い。これによって、コンデンサ15と被検出コンデンサ
17との接続点は、抵抗18を介して第1演算増幅器1
4の出力端子と接続されることになり、直流的にフロー
ティング状態となることが解消され、電位が固定され
る。
Further, as shown in FIG. 8, a resistor 18 may be added and connected in parallel with the capacitor 15 in the capacitance detection circuits 10 and 30 in the above-mentioned embodiment. As a result, the connection point between the capacitor 15 and the detected capacitor 17 is connected to the first operational amplifier 1 via the resistor 18.
4 is connected to the output terminal, the floating state in the direct current is eliminated, and the potential is fixed.

【0046】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。
The capacitance type sensor connected as the detected capacitor 17 is not limited to the condenser microphone, but may be an acceleration sensor, seismograph, pressure sensor, displacement sensor, displacement meter, proximity sensor, touch sensor, ion sensor, or humidity sensor. Sensor, raindrop sensor, snow sensor, lightning sensor, alignment sensor, contact failure sensor, shape sensor, end point detection sensor, vibration sensor, ultrasonic sensor, angular velocity sensor,
Liquid volume sensor, gas sensor, infrared sensor, radiation sensor, water level meter, freezing sensor, moisture meter, vibrometer, electrification sensor, known capacitive sensor such as printed circuit board inspection machine, etc.
It includes all transducers (devices) that detect various physical quantities by utilizing changes in capacitance.

【0047】[0047]

【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、静電容量検出装置及びマイク
ロホン装置は、抵抗を介して演算増幅器に交流電圧を印
加し、信号線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している。つまり、非反転
入力端子を所定の電位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コンデンサを接
続するとともに、インピーダンス変換器の入力端子と所
定の電位間に被検出コンデンサを接続している。
As is apparent from the above description, the electrostatic capacitance detection circuit, the electrostatic capacitance detection device, and the microphone device according to the present invention apply an AC voltage to the operational amplifier via a resistor to apply the AC voltage to the signal line. The capacitance of the detected capacitor is detected by connecting the detected capacitor. That is, a capacitor is connected between the output terminal of the operational amplifier and the input terminal of the impedance converter where the non-inverting input terminal is connected to the specified potential, and a detected capacitor is connected between the input terminal of the impedance converter and the specified potential. is doing.

【0048】これによって、被検出コンデンサに流れる
電流の全てがコンデンサに流れ、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オーダー以下
の微小な容量の検出が可能となる。
As a result, all the current flowing through the capacitor to be detected flows through the capacitor, and an accurate signal corresponding to the capacitance of the capacitor to be detected is output to the output terminal of the operational amplifier, which is on the order of several pF or fF or less. It is possible to detect the minute capacitance of.

【0049】そして、演算増幅器の非反転入力端子は所
定の電位に接続され、入力端子の一方の電位が固定され
るので、演算増幅器は安定して動作し、演算誤差が低減
し、検出信号に含まれるノイズが抑制される。
Since the non-inverting input terminal of the operational amplifier is connected to a predetermined potential and one of the input terminals is fixed in potential, the operational amplifier operates stably, the operational error is reduced, and the detected signal is detected. The contained noise is suppressed.

【0050】また、演算増幅器とインピーダンス変換器
との間にコンデンサが接続されているので、演算増幅器
に印加される交流電圧の周波数に依存せず、被検出コン
デンサの容量変化の周波数にも依存しない検出感度が確
保される。さらに、演算増幅器とインピーダンス変換器
との間に抵抗を接続した場合におけるその抵抗からの熱
雑音によるS/N比の劣化という問題も生じない。
Further, since the capacitor is connected between the operational amplifier and the impedance converter, it does not depend on the frequency of the AC voltage applied to the operational amplifier nor on the frequency of the capacitance change of the capacitor to be detected. Detection sensitivity is secured. Further, when a resistor is connected between the operational amplifier and the impedance converter, there is no problem of deterioration of the S / N ratio due to thermal noise from the resistor.

【0051】なお、この静電容量検出回路と被検出コン
デンサとを隣接した位置に設けておくか、又は、信号線
に接続される回路素子を近接して設けることで、この間
を接続するシールドケーブルや、そのケーブルで発生す
る浮遊容量をキャンセルする特殊な回路等は不要とな
る。
The electrostatic capacitance detection circuit and the capacitor to be detected are provided at positions adjacent to each other, or circuit elements connected to the signal line are provided close to each other, whereby a shielded cable for connecting the two is provided. Also, a special circuit for canceling the stray capacitance generated by the cable is unnecessary.

【0052】ここで、前記静電容量検出回路に、信号出
力端子での信号を反転する反転増幅回路と、インピーダ
ンス変換器の出力信号と反転増幅回路の出力信号とを加
算する加算回路とを付加してもよい。これによって、静
電容量検出回路の出力信号に含まれる不要なオフセット
成分が除去され、被検出コンデンサの容量に対応する正
味の信号を大きく増幅することができる。
Here, an inverting amplifier circuit for inverting the signal at the signal output terminal and an adder circuit for adding the output signal of the impedance converter and the output signal of the inverting amplifier circuit are added to the capacitance detection circuit. You may. As a result, unnecessary offset components contained in the output signal of the electrostatic capacitance detection circuit are removed, and the net signal corresponding to the capacitance of the detected capacitor can be greatly amplified.

【0053】また、被検出コンデンサをコンデンサマイ
クロホンとし、静電容量検出回路についてはICで実現
し、それらコンデンサマイクホンとICとを一体化し、
携帯電話機等に使用されるマイクロホンとして1つの筐
体(シールドボックス)に収めることで、コンデンサマ
イクロホンと静電容量検出回路とは極めて隣接した位置
に配置されるので、被検出コンデンサと静電容量検出回
路とを接続するための径の大きなシールドケーブルやガ
ード電圧を印加するための特殊な回路等が不要となる。
Further, the capacitor to be detected is a condenser microphone, the electrostatic capacitance detection circuit is realized by an IC, and the condenser microphone and the IC are integrated,
Since the condenser microphone and the electrostatic capacitance detection circuit are placed very close to each other by being housed in a single casing (shield box) as a microphone used for a mobile phone or the like, the detected condenser and the electrostatic capacitance are detected. A shielded cable with a large diameter for connecting to a circuit and a special circuit for applying a guard voltage are not required.

【0054】さらに、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。
Further, since the capacitance detection circuit according to the present invention detects the capacitance by passing a current through the detected capacitor, a polymer film is attached to the electrode of the detected capacitor like an electret condenser microphone. There is no need to paste it into an electret,
It can be applied to an ordinary capacitance type sensor.

【0055】以上のように、本発明により、使用環境の
限定も少なくなり、微小な容量を正確に検出することが
でき、かつ、小型化に適した静電容量検出回路等が実現
され、特に、携帯電話機等の軽量・小型の音声通信機器
の音声性能が飛躍的に向上され、その実用的価値は極め
て高い。
As described above, according to the present invention, the limitation of the use environment is reduced, a minute capacitance can be accurately detected, and a capacitance detection circuit suitable for miniaturization is realized. The voice performance of lightweight and small voice communication devices such as mobile phones is dramatically improved, and its practical value is extremely high.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1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。
FIG. 1 is a circuit diagram of a capacitance detection circuit according to a first embodiment of the present invention.

【図2】(a)〜(e)は、本発明で使用可能なインピ
ーダンス変換器の例を示す図である
2A to 2E are diagrams showing examples of impedance converters usable in the present invention.

【図3】本発明の第2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。
FIG. 3 is a circuit diagram of a capacitance detection circuit according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の静電容量検出回路の電子機器への応用
例を示す図(マイクロホンの断面図)である。
FIG. 4 is a diagram (cross-sectional view of a microphone) showing an application example of the capacitance detection circuit of the present invention to an electronic device.

【図5】図3に示されたマイクロホンの概略的な外観図
であり、(a)は平面図、(b)は正面図、(c)は底
面図である。
5A and 5B are schematic external views of the microphone shown in FIG. 3, in which FIG. 5A is a plan view, FIG. 5B is a front view, and FIG.

【図6】マイクロホンの他の一例の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of another example of a microphone.

【図7】図5に示されたマイクロホンの概略的な外観図
であり、(a)は平面図、(b)は正面図である。
7A and 7B are schematic external views of the microphone shown in FIG. 5, where FIG. 7A is a plan view and FIG. 7B is a front view.

【図8】本発明の他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。
FIG. 8 is a circuit diagram of a capacitance detection circuit according to another embodiment of the present invention.

【図9】従来の静電容量検出回路の回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram of a conventional electrostatic capacitance detection circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10、30 静電容量検出回路 11 交流電圧発生器 12、13、18、41、45〜47、110〜115
抵抗 14、44、48、100〜102 演算増幅器 15 コンデンサ(インピーダンス素子) 16 インピーダンス変換器 17 被検出コンデンサ 20 信号出力端子 21 インピーダンス変換器の入力端子 22 交流出力端子 23 反転部の出力端子 24 静電容量検出回路の出力端子 31 コア部 32 反転部 33 加算部 34、35 MOSET 40、42 可変抵抗 43 コンデンサ 50 マイクロホン 51 蓋体 52 音孔 53 振動膜 54 リング 55a スペーサ 56 固定電極 55b 絶縁板 58 ICチップ 59 ICパッケージ 60 絶縁基板 61a〜61d 外部電極 62 回路基板
10, 30 Capacitance detection circuit 11 AC voltage generators 12, 13, 18, 41, 45-47, 110-115
Resistors 14, 44, 48, 100-102 Operational amplifier 15 Capacitor (impedance element) 16 Impedance converter 17 Detected capacitor 20 Signal output terminal 21 Impedance converter input terminal 22 AC output terminal 23 Inversion section output terminal 24 Electrostatic Output terminal 31 of capacitance detection circuit 31 Core section 32 Inversion section 33 Addition section 34, 35 MOSET 40, 42 Variable resistance 43 Capacitor 50 Microphone 51 Lid body 52 Sound hole 53 Vibrating membrane 54 Ring 55a Spacer 56 Fixed electrode 55b Insulation plate 58 IC chip 59 IC package 60 Insulating boards 61a to 61d External electrodes 62 Circuit board

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G028 AA01 BB06 CG07 CG08 DH05 DH09 FK01 FK07 FK09 5D021 CC12 CC16    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 2G028 AA01 BB06 CG07 CG08 DH05                       DH09 FK01 FK07 FK09                 5D021 CC12 CC16

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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、 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、容量性の第1インピーダンス素
子と、演算増幅器と、前記演算増幅器に交流電圧を印加
する交流電圧発生器と、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、 前記被検出コンデンサと前記静電容量検出回路とは隣接
して設けられていることを特徴とする静電容量検出回
路。
1. An electrostatic capacitance detection circuit that outputs a detection signal corresponding to the electrostatic capacitance of a detected capacitor, wherein the impedance converter has a high input impedance and a low output impedance, and a capacitive first impedance element. An operational amplifier, an AC voltage generator that applies an AC voltage to the operational amplifier, and a signal output terminal connected to the output of the operational amplifier, and the input terminal of the impedance converter includes the detected capacitor One end and one end of the first impedance element are connected, the negative impedance path of the operational amplifier includes the first impedance element and the impedance converter, and the detected capacitor and the capacitance detection circuit are adjacent to each other. An electrostatic capacitance detection circuit characterized by being provided as follows.
【請求項2】 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、 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、容量性の第1インピーダンス素
子と、演算増幅器と、前記演算増幅器に交流電圧を印加
する交流電圧発生器と、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、 前記被検出コンデンサと前記第1インピーダンス素子と
前記インピーダンス変換器とが近接して設けられている
ことを特徴とする静電容量検出回路。
2. An electrostatic capacitance detection circuit that outputs a detection signal corresponding to the electrostatic capacitance of a capacitor to be detected, the impedance converter having a high input impedance and a low output impedance, and a capacitive first impedance element. An operational amplifier, an AC voltage generator that applies an AC voltage to the operational amplifier, and a signal output terminal connected to the output of the operational amplifier, and the input terminal of the impedance converter includes the detected capacitor One end and one end of the first impedance element are connected, the negative impedance path of the operational amplifier includes the first impedance element and the impedance converter, the detected capacitor, the first impedance element, and the impedance conversion A capacitance detection circuit, which is provided in close proximity to a container.
【請求項3】 前記静電容量検出回路は、さらに、前記
第1インピーダンス素子と並列に接続される抵抗素子を
含むことを特徴とする請求項1又は2記載の静電容量検
出回路。
3. The capacitance detection circuit according to claim 1, wherein the capacitance detection circuit further includes a resistance element connected in parallel with the first impedance element.
【請求項4】 前記交流電圧発生器と前記演算増幅器と
の間に設けられた第2インピーダンスをさらに備えたこ
とを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の静
電容量検出回路。
4. The electrostatic capacitance detection according to claim 1, further comprising a second impedance provided between the AC voltage generator and the operational amplifier. circuit.
【請求項5】 前記静電容量検出回路は、さらに、 前記信号出力端子での信号を反転する反転増幅回路と、 前記インピーダンス変換器の出力信号と前記反転増幅回
路の出力信号とを加算する加算回路とを備えることを特
徴とする請求項〜4のいずれか1項に記載の静電容量検
出回路。
5. The capacitance detection circuit further includes an inverting amplifier circuit that inverts the signal at the signal output terminal, and an addition that adds the output signal of the impedance converter and the output signal of the inverting amplifier circuit. A circuit is provided, The electrostatic capacitance detection circuit of any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned.
【請求項6】 前記被検出コンデンサの一端と前記イン
ピーダンス変換器の入力端子とは非シールドの導電体で
接続されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1
項に記載の静電容量検出回路。
6. The one end of the capacitor to be detected and the input terminal of the impedance converter are connected by an unshielded conductor.
Capacitance detection circuit according to item.
【請求項7】 前記被検出コンデンサ及び前記静電容量
検出回路は、1つのシールドボックス内に収納されてい
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。
7. The capacitance detection device according to claim 1, wherein the detected capacitor and the capacitance detection circuit are housed in one shield box. circuit.
【請求項8】 容量の変化に応じて物理量を検出する前
記被検出コンデンサとして容量型センサと、 プリント基板又はシリコン基板上に形成され、前記容量
型センサに固定して設けられている請求項1〜7のいず
れか1項に記載の静電容量検出回路とを備えることを特
徴とする静電容量検出装置。
8. A capacitive sensor as the detected capacitor for detecting a physical quantity according to a change in capacitance, and a capacitive sensor formed on a printed circuit board or a silicon substrate and fixed to the capacitive sensor. An electrostatic capacitance detection device, comprising: the electrostatic capacitance detection circuit according to claim 1.
【請求項9】 前記被検出コンデンサとしてのコンデン
サマイクロホンと、 請求項1〜7のいずれか1項に記載の静電容量検出回路
とを備えることを特徴とするマイクロホン装置。
9. A microphone device comprising: a condenser microphone as the detected capacitor; and the capacitance detection circuit according to claim 1.
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