JP2011247847A - Displacement detection device and pre-amplifier - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a detection output which is in proportion to the displacement of a movable section even in case of using any of a capacitor for displacement detection whose capacity is in proportion to the displacement of the movable section and a capacitor for displacement detection whose capacity is in inverse proportion to the displacement of the movable section.SOLUTION: This pre-amplifier is provided with: a clock amplification means 3a for amplifying a first clock signal and an amplification modulation signal fed back from an operation amplifier Q1, and for outputting a first output signal, and for amplifying a second clock signal and the amplification modulation signal, and for outputting a second output signal; a capacitor C1 to which the first output signal is supplied; a capacitor C2 to which the second output signal is supplied; and an operation amplifier Q1 whose inverting input terminal is connected to a first capacitor and a second capacitor, and whose non-inverting input terminal is connected to a ground potential, and whose output terminal is connected to the input of the clock amplification means.

Description

本発明は、変位検出用コンデンサを用いた変位検出装置、及び、前置増幅器に関する。   The present invention relates to a displacement detection device using a displacement detection capacitor and a preamplifier.

固定部分と可動部分とで構成される機械システムにおいて、その相対的位置又は変位量を検出する方法として、固定部分および可動部分にそれぞれ電極を配置し、その間の静電容量又は静電容量の変化を計測する方法がとられる。   In a mechanical system composed of a fixed part and a movable part, as a method for detecting the relative position or displacement, electrodes are arranged on the fixed part and the movable part, respectively, and the capacitance or the change in capacitance between them is arranged. The method of measuring is taken.

図10は、本構造の模式図を示す。図10(a)においては、左右方向に移動する可動部分に可動電極Cが設けられ、移動しない固定部分に固定電極Aおよび固定電極Bが設けられている。固定電極Aと可動電極Cとによって変位検出用コンデンサC1が形成され、固定電極Bと可動電極Cとによって変位検出用コンデンサC2が形成されている。可動部分の左右方向の変位に応じて、電極Aと電極Cとの対向面積、電極Bと電極Cとの対向面積が変化し、コンデンサC1、C2の一方の静電容量が増加し、他方の静電容量が減少するよう動作する。電極の対向面積は可動部分の変位に比例するので、コンデンサC1、C2の静電容量の変化はそれぞれ可動部分の変位に対して直線的に変化(比例)する。   FIG. 10 shows a schematic diagram of this structure. In FIG. 10A, the movable electrode C is provided in the movable part that moves in the left-right direction, and the fixed electrode A and the fixed electrode B are provided in the fixed part that does not move. A displacement detection capacitor C1 is formed by the fixed electrode A and the movable electrode C, and a displacement detection capacitor C2 is formed by the fixed electrode B and the movable electrode C. The opposing area between the electrode A and the electrode C and the opposing area between the electrode B and the electrode C change according to the lateral displacement of the movable part, and the capacitance of one of the capacitors C1 and C2 increases. Operates to reduce capacitance. Since the opposing area of the electrodes is proportional to the displacement of the movable part, the change in the capacitance of the capacitors C1 and C2 linearly changes (proportional) to the displacement of the movable part.

図10(b)においては、左右方向に移動する可動部分に可動電極Cが設けられ、移動しない固定部分に固定電極Aおよび固定電極Bが設けられている。固定電極Aと可動電極Cによって変位検出用コンデンサC1が形成され、固定電極Bと可動電極Cによって変位検出用コンデンサC2が形成されている。可動部分の左右方向の変位に応じて、電極Aと電極Cとの間の距離、電極Bと電極Cとの間の距離が変化し、コンデンサC1、C2の一方の静電容量が増加し、他方の静電容量が減少するよう動作する。静電容量は電極間距離に反比例するので、コンデンサC1、C2の静電容量は、可動部分の変位に対して直線的な変化とならず、双曲線的な変化となる。   In FIG. 10B, the movable electrode C is provided in the movable part that moves in the left-right direction, and the fixed electrode A and the fixed electrode B are provided in the fixed part that does not move. A displacement detection capacitor C1 is formed by the fixed electrode A and the movable electrode C, and a displacement detection capacitor C2 is formed by the fixed electrode B and the movable electrode C. The distance between the electrode A and the electrode C and the distance between the electrode B and the electrode C are changed according to the lateral displacement of the movable part, and the capacitance of one of the capacitors C1 and C2 is increased. The other capacitance operates to decrease. Since the electrostatic capacity is inversely proportional to the distance between the electrodes, the electrostatic capacity of the capacitors C1 and C2 is not a linear change with respect to the displacement of the movable part, but a hyperbolic change.

図10においては、可動部分が直線的に変位する場合を示しているが、可動部分が回動する回転系システムについてもその回転角を測定するために対向面積変化型あるいは距離変化型のコンデンサを生成することができる。   FIG. 10 shows a case where the movable part is linearly displaced. However, in order to measure the rotation angle of the rotating system in which the movable part rotates, a counter area changing type or distance changing type capacitor is used. Can be generated.

変位量又は変位角を計測するためには、一般的に、図11に示すようなロックインアンプ形式の測定回路が使用される。本回路においては、前置増幅器は、測定すべき変位の周波数(例えば、数100Hz以下)よりも充分に高い周波数(例えば、数10kHz以上)のクロック信号es、es(−)が供給され、これらのクロック信号から、変位に比例した振幅変調信号を生成し、出力する。乗算器は、振幅変調信号とクロック信号esとを乗算し、変位量に比例した出力電圧を生成する。   In order to measure the displacement amount or the displacement angle, a lock-in amplifier type measurement circuit as shown in FIG. 11 is generally used. In this circuit, the preamplifier is supplied with clock signals es, es (−) having a frequency (for example, several tens of kHz or more) sufficiently higher than the frequency of the displacement to be measured (for example, several hundred Hz or less). An amplitude modulation signal proportional to the displacement is generated and output from the clock signal. The multiplier multiplies the amplitude modulation signal and the clock signal es to generate an output voltage proportional to the amount of displacement.

本回路のクロック信号には正弦波が用いられるが、アナログ回路で正弦波を生成することは、比較的困難である。また、乗算器をアナログ回路で実現することも容易ではない。   Although a sine wave is used for the clock signal of this circuit, it is relatively difficult to generate a sine wave with an analog circuit. In addition, it is not easy to implement the multiplier with an analog circuit.

図12は、図11に適用される前置増幅器の一例を示す回路図である。この前置増幅器によると、下記式のように、コンデンサC1、C2の静電容量の差に比例した出力を生成することができる。

Figure 2011247847
FIG. 12 is a circuit diagram showing an example of a preamplifier applied to FIG. According to this preamplifier, an output proportional to the difference between the capacitances of the capacitors C1 and C2 can be generated as in the following equation.
Figure 2011247847

コンデンサC1、C2が図10(a)に示すように、静電容量の変化が可動部分の変位に対して直線的である場合、コンデンサC1、C2の容量は下記式で表すことができる。

Figure 2011247847
ここで、εoは真空の誘電率、Aは電極の面積(つまり、固定電極A又はBが、可動電極Cと完全に対向する際の対向面積)、doは固定電極A又はBと可動電極Cとの間の距離、yoは基準位置(中央位置)からの最大変位(つまり、固定電極A又はBが、可動電極Cと完全に対向する際の可動部分の変位量)、yは基準位置からの可動部分の変位量である。 When the capacitors C1 and C2 are linear with respect to the displacement of the movable part as shown in FIG. 10A, the capacitances of the capacitors C1 and C2 can be expressed by the following equation.
Figure 2011247847
Here, εo is the dielectric constant of vacuum, A is the area of the electrode (that is, the facing area when the fixed electrode A or B completely faces the movable electrode C), and do is the fixed electrode A or B and the movable electrode C. , Is the maximum displacement from the reference position (center position) (that is, the amount of displacement of the movable part when the fixed electrode A or B completely faces the movable electrode C), and y is the distance from the reference position The amount of displacement of the movable part.

この式を上記Voの式に代入すると、以下の通りになる。

Figure 2011247847
Substituting this equation into the above Vo equation yields:
Figure 2011247847

従って、感度(単位変位量に対する出力電圧の変化量)Koは、次式になる。

Figure 2011247847
従って、Koは変数yを含まず、定数のみを含むので、線形な変位出力を得ることができることが分かる。 Accordingly, the sensitivity (change amount of the output voltage with respect to the unit displacement amount) Ko is expressed by the following equation.
Figure 2011247847
Therefore, Ko does not include the variable y but includes only a constant, so that it can be understood that a linear displacement output can be obtained.

一方、図10(b)においては、コンデンサC1、C2の容量は次式で表される。

Figure 2011247847
On the other hand, in FIG. 10B, the capacitances of the capacitors C1 and C2 are expressed by the following equation.
Figure 2011247847

従って、C1−C2、Voは次式のようになる。

Figure 2011247847
Therefore, C1-C2 and Vo are as follows.
Figure 2011247847

従って、感度Koは、次式の通りになる。

Figure 2011247847
従って、Koは変数yを含むので、変位量に対して出力電圧は非線形となり、図10(b)においては図12の回路を適用できないことが分かる。 Therefore, the sensitivity Ko is as follows.
Figure 2011247847
Therefore, since Ko includes the variable y, the output voltage becomes nonlinear with respect to the displacement, and it can be seen that the circuit of FIG. 12 cannot be applied in FIG. 10B.

図10(a)(b)のどちらの変位検出用コンデンサも適用できる前置増幅器として図13に示す回路が考えられる。ここで、コンデンサCoは、実際のコンデンサが配線されているのではなく、オペアンプの入力容量や配線の浮遊容量成分を現している。この回路における出力電圧Voは、次式の通りになる。

Figure 2011247847
A circuit shown in FIG. 13 can be considered as a preamplifier to which either of the displacement detecting capacitors shown in FIGS. 10A and 10B can be applied. Here, the capacitor Co represents the input capacitance of the operational amplifier and the stray capacitance component of the wiring, not the actual capacitor. The output voltage Vo in this circuit is as follows.
Figure 2011247847

ここで、以下の周波数領域においては、

Figure 2011247847
Voは次式に変形される。
Figure 2011247847
Here, in the following frequency region,
Figure 2011247847
Vo is transformed into the following equation.
Figure 2011247847

ここでCo=0の場合を考えると、さらに次式に変形される。

Figure 2011247847
Here, considering the case of Co = 0, it is further transformed into the following equation.
Figure 2011247847

従って、出力電圧は(コンデンサC1、C2の容量差/コンデンサC1、C2の容量和)に比例する。この時、上記と同様にコンデンサC1、C2の容量を規定すると、感度Koは、図10(a)(b)のどちらの場合にも以下の通りとなる。

Figure 2011247847
従って、Koは変数yを含まず、定数のみを含むので、線形な変位出力を得ることができることが分かる。 Therefore, the output voltage is proportional to (capacitance difference between capacitors C1 and C2 / capacitance sum of capacitors C1 and C2). At this time, when the capacitances of the capacitors C1 and C2 are defined in the same manner as described above, the sensitivity Ko is as follows in both cases of FIGS. 10 (a) and 10 (b).
Figure 2011247847
Therefore, Ko does not include the variable y but includes only a constant, so that it can be understood that a linear displacement output can be obtained.

しかし、実際には容量Coが存在するので、次に通りとなる。つまり、図10(a)においては、感度Koは次式の通りとなるので、感度の低下はあるものの、感度Koは変数yを含まずに、線形性は保たれている。

Figure 2011247847
However, since the capacitance Co actually exists, the operation is as follows. That is, in FIG. 10A, the sensitivity Ko is expressed by the following equation, and although there is a decrease in sensitivity, the sensitivity Ko does not include the variable y and the linearity is maintained.
Figure 2011247847

一方、図10(b)においては、次式の通りとなり、感度Koは、変数yを含み、非線形な応答となってしまう。

Figure 2011247847
On the other hand, in FIG. 10B, the following equation is obtained, and the sensitivity Ko includes the variable y and becomes a non-linear response.
Figure 2011247847

これを防止するために、Coの影響をできるだけ減らす目的で、図14に示すように、ガードを用いた配線が行われることになる。ガードはCoに電流を流さないようにするための配線である。しかし、オペアンプの非反転入力端子にコンデンサC1、C2が接続されていることが原因となり、ガードの電位は接地電位ではなく、振幅変調された高周波信号であるので、ガードに流れる高周波信号が他の回路に飛び込み、他の回路を誤動作させる危険性がある。これを防止するためにはガードのさらに外側にシールドを設ける必要があり、特殊な配線が必要となる。また、ガードを用いたとしても増幅器として使用されるオペアンプには入力端子と内部正負電源間に保護ダイオードが設けられているのが普通であり、その接合容量の影響、さらにオペアンプでは非反転入力端子(3番ピン)と負側電源入力端子(4番ピン)とが隣接しており、その間にガードを設けることはできないので、Coの影響を完全に無しにすることはできない。   In order to prevent this, wiring using a guard is performed as shown in FIG. 14 in order to reduce the influence of Co as much as possible. The guard is a wiring for preventing current from flowing through Co. However, because the capacitors C1 and C2 are connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier, the guard potential is not a ground potential but an amplitude-modulated high-frequency signal. There is a risk of jumping into the circuit and causing other circuits to malfunction. In order to prevent this, it is necessary to provide a shield on the outer side of the guard, and special wiring is required. Even if a guard is used, an operational amplifier used as an amplifier usually has a protective diode between the input terminal and the internal positive / negative power supply. Since the (No. 3 pin) and the negative power input terminal (No. 4 pin) are adjacent to each other and no guard can be provided between them, the influence of Co cannot be completely eliminated.

特開2009−222654号公報JP 2009-222654 A

本発明は上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、可動部分の変位に容量が比例する変位検出用コンデンサ、及び、可動部分の変位に容量が比例しない変位検出用コンデンサのいずれを用いる場合でも、可動部分の変位に比例する検出出力を得ることができる変位検出装置を提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and its purpose is to provide a displacement detection capacitor whose capacity is proportional to the displacement of the movable part, and for displacement detection whose capacity is not proportional to the displacement of the movable part. It is an object of the present invention to provide a displacement detection device capable of obtaining a detection output proportional to the displacement of a movable part, regardless of which capacitor is used.

本発明の好ましい実施形態による変位検出装置は、第1クロック信号と、前記第1クロック信号に対して位相が反転された第2クロック信号と、第1オペアンプから出力される振幅変調信号とが供給され、前記第1クロック信号及び前記振幅変調信号に基づく信号を増幅して第1出力信号を出力し、かつ、前記第2クロック信号及び前記振幅変調信号に基づく信号を増幅して第2出力信号を出力するクロック増幅手段と、前記クロック増幅手段からの前記第1出力信号が第1電極に供給される第1コンデンサと、第2電極が前記第1コンデンサの第2電極に接続され、前記クロック増幅手段からの前記第2出力信号が第1電極に供給される第2コンデンサと、反転入力端子が前記第1コンデンサの第2電極及び前記第2コンデンサの第2電極に接続され、非反転入力端子が接地電位に接続され、出力端子が前記クロック増幅手段の入力に接続されている前記第1オペアンプとを含み、前記第1コンデンサの容量と前記第2コンデンサの容量との差を、前記第1コンデンサの容量と前記第2コンデンサの容量との和で除算した値に比例する前記振幅変調信号を前記第1オペアンプから出力する前置増幅回路と;前記振幅変調信号が供給され、前記第1クロック信号及び前記第2クロック信号の内の一方が所定値より大きい期間に前記振幅変調信号であり、それ以外の期間に接地電位である第3出力信号と、前記第1クロック信号及び前記第2クロック信号の内の他方が所定値より大きい期間に前記振幅変調信号であり、それ以外の期間に接地電位である第4出力信号との差を算出し、その低域成分を出力する同期検波回路と;を備える。   A displacement detection apparatus according to a preferred embodiment of the present invention supplies a first clock signal, a second clock signal whose phase is inverted with respect to the first clock signal, and an amplitude modulation signal output from a first operational amplifier. Amplifying the signal based on the first clock signal and the amplitude modulation signal to output a first output signal, and amplifying the signal based on the second clock signal and the amplitude modulation signal to generate a second output signal A first amplifier to which the first output signal from the clock amplifier is supplied to the first electrode, a second electrode connected to the second electrode of the first capacitor, and the clock A second capacitor to which the second output signal from the amplification means is supplied to the first electrode, and an inverting input terminal is the second electrode of the first capacitor and the second electrode of the second capacitor. And a first operational amplifier having a non-inverting input terminal connected to a ground potential and an output terminal connected to an input of the clock amplifying means, and a capacitance of the first capacitor and a capacitance of the second capacitor, A preamplifier circuit that outputs the amplitude modulation signal from the first operational amplifier in proportion to a value obtained by dividing the difference by the sum of the capacitance of the first capacitor and the capacitance of the second capacitor; A third output signal that is supplied and is the amplitude modulation signal during a period in which one of the first clock signal and the second clock signal is greater than a predetermined value and is at a ground potential in the other period; A difference between the other of the clock signal and the second clock signal is the amplitude modulation signal in a period larger than a predetermined value, and a fourth output signal which is a ground potential in the other period; It comprises; a synchronous detection circuit for outputting a low frequency component.

本実施形態によると、可動部分の変位に容量が比例する変位検出用コンデンサ、及び、可動部分の変位に容量が比例しない変位検出用コンデンサのいずれを用いる場合でも、可動部分の変位に比例する検出出力を得ることができる変位検出装置を提供することができる。   According to this embodiment, even when using either a displacement detection capacitor whose capacity is proportional to the displacement of the movable part or a displacement detection capacitor whose capacity is not proportional to the displacement of the movable part, the detection is proportional to the displacement of the movable part. A displacement detection device capable of obtaining an output can be provided.

好ましい実施形態においては、前記クロック増幅手段が、第1〜第8抵抗と、第2オペアンプと、第3オペアンプとを含み、前記第2オペアンプの非反転入力端子が前記第1抵抗を介して前記第1クロック信号が供給され、かつ、前記第2抵抗を介して前記第1オペアンプの出力端子に接続され、前記第2オペアンプの反転入力端子が前記第3抵抗を介して前記第2オペアンプの出力端子に接続され、かつ、前記第4抵抗を介して前記第8抵抗に接続され、前記第2オペアンプの出力端子が前記第1コンデンサの第1電極に接続され、前記第3オペアンプの非反転入力端子が前記第5抵抗を介して前記第2クロック信号が供給され、かつ、前記第6抵抗を介して前記第1オペアンプの出力端子に接続され、前記第3オペアンプの反転入力端子が前記第7抵抗を介して前記第3オペアンプの出力端子に接続され、かつ、前記第8抵抗を介して前記第4抵抗に接続され、前記第3オペアンプの出力端子が前記第2コンデンサの第1電極に接続されている。   In a preferred embodiment, the clock amplification means includes first to eighth resistors, a second operational amplifier, and a third operational amplifier, and a non-inverting input terminal of the second operational amplifier is connected to the first operational resistor via the first resistor. A first clock signal is supplied and is connected to the output terminal of the first operational amplifier via the second resistor, and the inverting input terminal of the second operational amplifier is the output of the second operational amplifier via the third resistor. And the output terminal of the second operational amplifier is connected to the first electrode of the first capacitor, and the non-inverting input of the third operational amplifier is connected to the terminal of the third operational amplifier. The terminal is supplied with the second clock signal via the fifth resistor, and is connected to the output terminal of the first operational amplifier via the sixth resistor. The inverting input terminal of the third operational amplifier The third resistor is connected to the output terminal of the third operational amplifier via the seventh resistor, and is connected to the fourth resistor via the eighth resistor. The output terminal of the third operational amplifier is connected to the first capacitor of the second capacitor. Connected to the electrode.

前記前置増幅器は、前記回路構成を有することによって、前記第1コンデンサの容量と前記第2コンデンサの容量との差を、前記第1コンデンサの容量と前記第2コンデンサの容量との和で除算した値に比例する前記振幅変調信号を前記第1オペアンプから出力することができる。   The preamplifier has the circuit configuration so that the difference between the capacity of the first capacitor and the capacity of the second capacitor is divided by the sum of the capacity of the first capacitor and the capacity of the second capacitor. The amplitude modulation signal proportional to the measured value can be output from the first operational amplifier.

好ましい実施形態においては、前記クロック増幅手段が、第1抵抗と、第2抵抗と、第5抵抗と、第6抵抗と、第2オペアンプと、第3オペアンプとを含み、前記第2オペアンプの非反転入力端子が前記第1抵抗を介して前記第1クロック信号が供給され、かつ、前記第2抵抗を介して前記第1オペアンプの出力端子に接続され、前記第2オペアンプの出力端子が前記第2オペアンプの反転入力端子と、前記第1コンデンサの第1電極に接続され、前記第3オペアンプの非反転入力端子が前記第5抵抗を介して前記第2クロック信号が供給され、かつ、前記第6抵抗を介して前記第1オペアンプの出力端子に接続され、前記第3オペアンプの出力端子が前記第3オペアンプの反転入力端子と、前記第2コンデンサの第1電極に接続されている。   In a preferred embodiment, the clock amplification means includes a first resistor, a second resistor, a fifth resistor, a sixth resistor, a second operational amplifier, and a third operational amplifier. An inverting input terminal is supplied with the first clock signal through the first resistor and is connected to an output terminal of the first operational amplifier through the second resistor, and an output terminal of the second operational amplifier is connected to the first operational amplifier. An inverting input terminal of the second operational amplifier and a first electrode of the first capacitor; a non-inverting input terminal of the third operational amplifier is supplied with the second clock signal via the fifth resistor; and 6 is connected to the output terminal of the first operational amplifier via a resistor, and the output terminal of the third operational amplifier is connected to the inverting input terminal of the third operational amplifier and the first electrode of the second capacitor.

前記前置増幅器は、前記回路構成を有することによって、前記第1コンデンサの容量と前記第2コンデンサの容量との差を、前記第1コンデンサの容量と前記第2コンデンサの容量との和で除算した値に比例する前記振幅変調信号を前記第1オペアンプから出力することができる。   The preamplifier has the circuit configuration so that the difference between the capacity of the first capacitor and the capacity of the second capacitor is divided by the sum of the capacity of the first capacitor and the capacity of the second capacitor. The amplitude modulation signal proportional to the measured value can be output from the first operational amplifier.

好ましい実施形態においては、前記第2抵抗に並列に第3コンデンサが接続されており、前記第6抵抗に並列に第4コンデンサが接続されている。   In a preferred embodiment, a third capacitor is connected in parallel with the second resistor, and a fourth capacitor is connected in parallel with the sixth resistor.

本実施形態では、第1クロック信号および第2クロック信号の立ち上がり応答性を改善することができる。   In the present embodiment, the rising responsiveness of the first clock signal and the second clock signal can be improved.

好ましい実施形態においては、前記同期検波回路が、第9〜第12抵抗と、第5、第6コンデンサと、第4オペアンプと、第1アナログスイッチと、第2アナログスイッチとを含み、前記第4オペアンプの非反転入力端子が、前記第9抵抗を介して前記第1アナログスイッチに接続され、前記第10抵抗を介して接地電位に接続され、前記第5コンデンサを介して接地電位に接続され、前記第4オペアンプの反転入力端子が、前記第11抵抗を介して前記第2アナログスイッチに接続され、前記第12抵抗を介して前記第4オペアンプの出力端子に接続され、前記第6コンデンサを介して前記第4オペアンプの出力端子に接続され、前記第1アナログスイッチが、前記第1クロック信号及び前記第2クロック信号の内の一方が所定値より大きい期間に、前記第9抵抗を前記前置増幅器の出力に接続させ、そうでない期間に前記第9抵抗を接地電位に接続させ、前記第2アナログスイッチが、前記第1クロック信号及び前記第2クロック信号の内の他方が所定値より大きい期間に、前記第11抵抗を前記前置増幅器の出力に接続させ、そうでない期間に前記第11抵抗を接地電位に接続させる。   In a preferred embodiment, the synchronous detection circuit includes ninth to twelfth resistors, fifth and sixth capacitors, a fourth operational amplifier, a first analog switch, and a second analog switch. A non-inverting input terminal of an operational amplifier is connected to the first analog switch via the ninth resistor, connected to a ground potential via the tenth resistor, and connected to a ground potential via the fifth capacitor; An inverting input terminal of the fourth operational amplifier is connected to the second analog switch via the eleventh resistor, is connected to an output terminal of the fourth operational amplifier via the twelfth resistor, and passes through the sixth capacitor. Connected to the output terminal of the fourth operational amplifier, and the first analog switch has one of the first clock signal and the second clock signal larger than a predetermined value. In the period, the ninth resistor is connected to the output of the preamplifier, and in the other period, the ninth resistor is connected to the ground potential, and the second analog switch is connected to the first clock signal and the second clock. The eleventh resistor is connected to the output of the preamplifier during a period when the other of the signals is greater than a predetermined value, and the eleventh resistor is connected to the ground potential during the other period.

本実施形態では、背景技術のようにアナログの乗算器を使用する必要がなく、安価なアナログスイッチを使用して、検出信号を出力することができる。   In this embodiment, it is not necessary to use an analog multiplier unlike the background art, and a detection signal can be output using an inexpensive analog switch.

可動部分の変位に容量が比例する変位検出用コンデンサ、及び、可動部分の変位に容量が比例しない変位検出用コンデンサのいずれを用いる場合でも、可動部分の変位に比例する検出出力を得ることができる変位検出装置を提供することができる。   Whether using a displacement detection capacitor whose capacity is proportional to the displacement of the movable part or a displacement detection capacitor whose capacity is not proportional to the displacement of the movable part, a detection output proportional to the displacement of the movable part can be obtained. A displacement detection device can be provided.

本発明の好ましい実施形態による変位検出装置1を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the displacement detection apparatus 1 by preferable embodiment of this invention. 変位検出用コンデンサの可動部分の変位と、変位検出装置1の各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。4 is a timing chart showing the displacement of a movable part of a displacement detection capacitor and the voltage waveform of each part of the displacement detection device 1; 本発明の好ましい実施形態による前置増幅器3の回路図である。2 is a circuit diagram of a preamplifier 3 according to a preferred embodiment of the present invention. FIG. 図3の前置増幅器3についてシールド配線を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows a shield wiring about the preamplifier 3 of FIG. 本発明の好ましい実施形態による同期検波回路4の回路図である。It is a circuit diagram of the synchronous detection circuit 4 by preferable embodiment of this invention. 本発明の別の好ましい実施形態による前置増幅器31の回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram of a preamplifier 31 according to another preferred embodiment of the present invention. 本発明の別の好ましい実施形態による前置増幅器32の回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram of a preamplifier 32 according to another preferred embodiment of the present invention. 変位検出装置1の各部の電圧波形を示すタイミングチャートであり、Voに生じるセトリングタイムと、セトリングタイムをマスキングするための第1、第2クロック信号を示す。It is a timing chart which shows the voltage waveform of each part of the displacement detection apparatus 1, and shows the 1st, 2nd clock signal for masking the settling time which arises in Vo, and a settling time. セトリングタイムをマスキングするためのクロック整形回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the clock shaping circuit for masking settling time. 変位検出用コンデンサC1、C2の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the capacitors C1 and C2 for a displacement detection. 背景技術による変位検出装置を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the displacement detection apparatus by background art. 背景技術による前置増幅器を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the preamplifier by background art. 背景技術による前置増幅器を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the preamplifier by background art. 背景技術による前置増幅器を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the preamplifier by background art.

以下、本発明の好ましい実施形態による変位検出装置について、図面を参照して具体的に説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。   Hereinafter, although the displacement detection apparatus by preferable embodiment of this invention is demonstrated concretely with reference to drawings, this invention is not limited to these embodiment.

図1は、本実施形態の変位検出装置1を示すブロック図である。変位検出装置1は、クロック発生回路2と、前置増幅器3と、同期検波回路4とを備える。図2は、変位検出装置1の各部の波形を示すタイミングチャートである。   FIG. 1 is a block diagram showing a displacement detection device 1 of the present embodiment. The displacement detection device 1 includes a clock generation circuit 2, a preamplifier 3, and a synchronous detection circuit 4. FIG. 2 is a timing chart showing waveforms of respective parts of the displacement detection device 1.

クロック発生回路2は、図2(c)に示す第1クロック信号eclkと、第1クロック信号eclkに対して位相が反転された第2クロック信号eclk(−)とを生成し、前置増幅器3および同期検波回路4に供給する。なお、クロック発生回路2は、変位検出装置1の外部に設けられてもよい。   The clock generation circuit 2 generates a first clock signal eclk shown in FIG. 2C and a second clock signal eclk (−) whose phase is inverted with respect to the first clock signal eclk. And supplied to the synchronous detection circuit 4. The clock generation circuit 2 may be provided outside the displacement detection device 1.

前置増幅器3は、図10に示すような変位検出用コンデンサC1、C2を使用し、クロック発生回路2から供給される第1クロック信号eclkと第2クロック信号eclk(−)とを振幅変調し、振幅変調信号を同期検波回路4に供給する。つまり、図2(a)に示すような変位y(図10の可動部分の基準位置からの変位)に対して、前置増幅器3は、図2(b)に示すような振幅変調信号Voを出力する。   The preamplifier 3 uses displacement detection capacitors C1 and C2 as shown in FIG. 10, and amplitude-modulates the first clock signal eclk and the second clock signal eclk (−) supplied from the clock generation circuit 2. The amplitude modulation signal is supplied to the synchronous detection circuit 4. That is, for the displacement y (displacement from the reference position of the movable part in FIG. 10) as shown in FIG. 2A, the preamplifier 3 generates the amplitude modulation signal Vo as shown in FIG. Output.

図3は、前置増幅器3を示す回路図である。前置増幅器3は、クロック増幅手段3aと、変位検出用コンデンサC1、C2と、オペアンプQ1とを含む。クロック増幅手段3aは、第1クロック信号と、第2クロック信号とが供給され、第1クロック信号を非反転増幅してコンデンサC1の固定電極に供給し、第2クロック信号を非反転増幅してコンデンサC2の固定電極に供給する。   FIG. 3 is a circuit diagram showing the preamplifier 3. Preamplifier 3 includes clock amplification means 3a, displacement detection capacitors C1 and C2, and operational amplifier Q1. The clock amplifying means 3a is supplied with the first clock signal and the second clock signal, non-inverting amplifies the first clock signal, supplies it to the fixed electrode of the capacitor C1, and amplifies the second clock signal by non-inverting amplification. Supply to the fixed electrode of the capacitor C2.

詳細には、オペアンプQ1の出力信号である振幅変調信号Voがクロック増幅手段3aの信号入力端に帰還されており、振幅変調信号Voに応じて、クロック増幅手段3aに入力される信号が変化するようになっている。つまり、クロック増幅手段3aは、第1クロック信号及び振幅変調信号に基づく信号を増幅して出力信号を出力し、かつ、第2クロック信号及び振幅変調信号に基づく信号を増幅して出力信号を出力する。詳細は後述するが、オペアンプQ1の出力信号をクロック増幅手段3aに帰還させることによって、オペアンプQ1の反転入力端子にコンデンサC1、C2の可動電極を接続させ、オペアンプの入力容量や配線の浮遊容量成分の影響を受けないようにしているにも関わらず、可動部分の変位に容量が比例する変位検出用コンデンサ、及び、可動部分の変位に容量が比例しない変位検出用コンデンサのいずれを用いる場合でも、可動部分の変位に比例する検出出力を得ることができる。   Specifically, the amplitude modulation signal Vo, which is the output signal of the operational amplifier Q1, is fed back to the signal input terminal of the clock amplification means 3a, and the signal input to the clock amplification means 3a changes according to the amplitude modulation signal Vo. It is like that. That is, the clock amplifying unit 3a amplifies the signal based on the first clock signal and the amplitude modulation signal and outputs an output signal, and amplifies the signal based on the second clock signal and the amplitude modulation signal and outputs the output signal. To do. As will be described in detail later, by feeding back the output signal of the operational amplifier Q1 to the clock amplification means 3a, the movable electrodes of the capacitors C1 and C2 are connected to the inverting input terminal of the operational amplifier Q1, and the input capacitance of the operational amplifier and the floating capacitance component of the wiring Regardless of whether or not a displacement detection capacitor whose capacity is proportional to the displacement of the movable part and a displacement detection capacitor whose capacity is not proportional to the displacement of the movable part is used. A detection output proportional to the displacement of the movable part can be obtained.

クロック増幅手段3aは、オペアンプQ2、Q3と、抵抗R1a、R1b、R2a、R2b、R3a、R3b、R4a、R4bを含む。R1aとR1bとの抵抗値は共にR1であり、R2aとR2bとの抵抗値は共にR2であり、R3aとR3bとの抵抗値は共にR3であり、R4aとR4bとの抵抗値は共にR4である。   The clock amplification means 3a includes operational amplifiers Q2 and Q3 and resistors R1a, R1b, R2a, R2b, R3a, R3b, R4a, and R4b. The resistance values of R1a and R1b are both R1, the resistance values of R2a and R2b are both R2, the resistance values of R3a and R3b are both R3, and the resistance values of R4a and R4b are both R4. is there.

オペアンプQ2の非反転入力端子(+端子)は、抵抗R1aを介して第1クロック信号が供給され、抵抗R2aを介して抵抗R2bとオペアンプQ1の出力端子とに接続されている。オペアンプQ2の反転入力端子(−端子)は、抵抗R3aを介してオペアンプQ2の出力端子に接続され、抵抗R4aを介して抵抗R4bに接続されている。オペアンプQ2の出力端子は、コンデンサC1の固定電極Aに接続されている。従って、オペアンプQ2は、非反転入力端子に第1クロック信号と、オペアンプQ1の出力信号Voが供給され、これらの信号を非反転増幅し、コンデンサC1に供給する。   The non-inverting input terminal (+ terminal) of the operational amplifier Q2 is supplied with the first clock signal via the resistor R1a, and is connected to the resistor R2b and the output terminal of the operational amplifier Q1 via the resistor R2a. The inverting input terminal (− terminal) of the operational amplifier Q2 is connected to the output terminal of the operational amplifier Q2 through the resistor R3a, and is connected to the resistor R4b through the resistor R4a. The output terminal of the operational amplifier Q2 is connected to the fixed electrode A of the capacitor C1. Therefore, the operational amplifier Q2 is supplied with the first clock signal and the output signal Vo of the operational amplifier Q1 at the non-inverting input terminal, and non-inverts and amplifies these signals and supplies them to the capacitor C1.

オペアンプQ3の非反転入力端子(+端子)は、抵抗R1bを介して第2クロック信号が供給され、抵抗R2bを介して抵抗R2aとオペアンプQ1の出力端子とに接続されている。オペアンプQ3の反転入力端子(−端子)は、抵抗R3bを介してオペアンプQ3の出力端子に接続され、抵抗R4bを介して抵抗R4aに接続されている。オペアンプQ3の出力端子は、コンデンサC2の固定電極Bに接続されている。従って、オペアンプQ3は、非反転入力端子に第2クロック信号と、オペアンプQ1の出力信号Voが供給され、これらの信号を非反転増幅し、コンデンサC2に供給する。   The non-inverting input terminal (+ terminal) of the operational amplifier Q3 is supplied with the second clock signal via the resistor R1b, and is connected to the resistor R2a and the output terminal of the operational amplifier Q1 via the resistor R2b. The inverting input terminal (− terminal) of the operational amplifier Q3 is connected to the output terminal of the operational amplifier Q3 through the resistor R3b, and is connected to the resistor R4a through the resistor R4b. The output terminal of the operational amplifier Q3 is connected to the fixed electrode B of the capacitor C2. Therefore, the operational amplifier Q3 is supplied with the second clock signal and the output signal Vo of the operational amplifier Q1 at the non-inverting input terminal, non-inverted and amplifies these signals, and supplies them to the capacitor C2.

変位検出用コンデンサC1、C2は、図10(a)または(b)に記載のものが採用され、詳細な構成は上記背景技術で説明した通りである。つまり、変位検出用コンデンサは、固定部分と、固定部分に対して変位する可動部分とを有する。固定部分は、固定電極A、及び、固定電極Bを含み、可動部分は、固定電極A及び固定電極Bに対向する部分に可動電極Cを含む。固定電極Aと可動電極CとによりコンデンサC1が構成され、固定電極Bと可動電極CとによりコンデンサC2が構成されている。コンデンサC1、C2の一方の容量が増加するときに、他方の容量が減少する。なお、固定部分と可動部分とが逆になっていてもよく、この場合、電極AおよびBが可動電極となり、電極Cが固定電極となる。図10(a)は、可動部分の変位に容量が比例する変位検出用コンデンサであり、図10(b)は、可動部分の変位に容量が比例しない変位検出用コンデンサである。   As the displacement detection capacitors C1 and C2, those shown in FIG. 10A or 10B are employed, and the detailed configuration is as described in the background art. In other words, the displacement detection capacitor has a fixed portion and a movable portion that is displaced with respect to the fixed portion. The fixed portion includes a fixed electrode A and a fixed electrode B, and the movable portion includes a movable electrode C at a portion facing the fixed electrode A and the fixed electrode B. The fixed electrode A and the movable electrode C constitute a capacitor C1, and the fixed electrode B and the movable electrode C constitute a capacitor C2. When the capacitance of one of the capacitors C1 and C2 increases, the other capacitance decreases. The fixed portion and the movable portion may be reversed. In this case, the electrodes A and B are movable electrodes, and the electrode C is a fixed electrode. FIG. 10A is a displacement detection capacitor whose capacitance is proportional to the displacement of the movable part, and FIG. 10B is a displacement detection capacitor whose capacitance is not proportional to the displacement of the movable part.

コンデンサC1の可動電極Cと、コンデンサC2の可動電極Cとは接続されている。オペアンプQ1の反転入力端子(−端子)は、コンデンサC1、C2の可動電極Cに接続され、抵抗Rzを介してオペアンプQ1の出力端子に接続されている。オペアンプQ1の非反転入力端子(+端子)は接地電位に接続されている。オペアンプQ1の出力端子は、抵抗R2aを介してオペアンプQ2の非反転入力端子に接続され、かつ、抵抗R2bを介してオペアンプQ3の非反転入力端子に接続されている。この接続構成によって、コンデンサC1、C2、オペアンプQ1、抵抗Rzは微分回路を構成している。詳細は後述するが、オペアンプQ1は、コンデンサC1の容量とコンデンサC2の容量との差を、コンデンサC1の容量とコンデンサC2の容量との和で除算した値に比例する振幅変調信号Vo(図2(b))を出力する。   The movable electrode C of the capacitor C1 and the movable electrode C of the capacitor C2 are connected. The inverting input terminal (− terminal) of the operational amplifier Q1 is connected to the movable electrode C of the capacitors C1 and C2, and is connected to the output terminal of the operational amplifier Q1 through the resistor Rz. The non-inverting input terminal (+ terminal) of the operational amplifier Q1 is connected to the ground potential. The output terminal of the operational amplifier Q1 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier Q2 through the resistor R2a, and is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier Q3 through the resistor R2b. With this connection configuration, the capacitors C1 and C2, the operational amplifier Q1, and the resistor Rz constitute a differentiation circuit. As will be described in detail later, the operational amplifier Q1 has an amplitude modulation signal Vo (FIG. 2) proportional to a value obtained by dividing the difference between the capacitance of the capacitor C1 and the capacitance of the capacitor C2 by the sum of the capacitance of the capacitor C1 and the capacitance of the capacitor C2. (B)) is output.

コンデンサC1の可動電極Cと、コンデンサC2の可動電極Cとは、オペアンプQ1の反転入力端子に接続され、仮想接地として動作する。つまり、オペアンプQ1の非反転入力端子が接地電位に接続され、かつ、オペアンプQ1の反転入力端子と非反転入力端子との間の電位差が0であるので、オペアンプQ1の反転入力端子に接続される信号ラインは実質的に接地電位に接続されていると見なせる。従って、図13にCoで示したようなオペアンプの入力容量や配線の浮遊容量成分が図3の前置増幅器3に存在する場合であっても、オペアンプQ1の反転入力端子に接続される信号ラインが仮想接地であるので、Coには電流が流れずに、以下でVoを計算する際にCoの影響を無視することができる。従って、図3の前置増幅器3によると、ガードが不要となり、図4に示すように、他回路の誤動作を防止するために単純なシールド線のみを使用して配線することができる。   The movable electrode C of the capacitor C1 and the movable electrode C of the capacitor C2 are connected to the inverting input terminal of the operational amplifier Q1 and operate as a virtual ground. That is, since the non-inverting input terminal of the operational amplifier Q1 is connected to the ground potential and the potential difference between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the operational amplifier Q1 is 0, the operational amplifier Q1 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier Q1. The signal line can be regarded as being substantially connected to the ground potential. Therefore, even when the input capacitance of the operational amplifier and the stray capacitance component of the wiring as shown by Co in FIG. 13 are present in the preamplifier 3 of FIG. 3, the signal line connected to the inverting input terminal of the operational amplifier Q1. Is a virtual ground, no current flows through Co, and the influence of Co can be ignored in calculating Vo below. Therefore, according to the preamplifier 3 of FIG. 3, no guard is required, and as shown in FIG. 4, wiring can be performed using only a simple shield line in order to prevent malfunction of other circuits.

図1に戻って、同期検波回路4は、前置増幅器3から振幅変調信号Voが供給され、クロック発生回路2から第1クロック信号および第2クロック信号が供給され、振幅変調信号Voを第1クロック信号および第2クロック信号を使用し、両波同期検波を実行する。つまり、第1クロック信号及び第2クロック信号の内の一方が所定値よりも大きい期間(電圧が正(ハイレベル)の期間)に振幅変調信号Voであり、それ以外の期間に接地電位である第1出力と、第1クロック信号及び第2クロック信号の内の他方が所定値より大きい期間(電圧が正(ハイレベル)の期間)に振幅変調信号Voであり、それ以外の期間に接地電位である第2出力との差をとることによって、両波同期検波信号が得られる。   Returning to FIG. 1, the synchronous detection circuit 4 is supplied with the amplitude modulation signal Vo from the preamplifier 3, is supplied with the first clock signal and the second clock signal from the clock generation circuit 2, and receives the amplitude modulation signal Vo as the first. Both-wave synchronous detection is executed using the clock signal and the second clock signal. That is, the amplitude modulation signal Vo is a period during which one of the first clock signal and the second clock signal is larger than a predetermined value (period in which the voltage is positive (high level)), and is the ground potential during the other period. The amplitude output signal Vo is a period during which the other one of the first output and the first clock signal and the second clock signal is greater than a predetermined value (a period in which the voltage is positive (high level)), and the ground potential in other periods. By taking the difference from the second output, a two-wave synchronous detection signal is obtained.

同期検波回路4を使用することによって図11のように乗算器を使用する必要がなくなる。また、同期検波回路4は、両波同期検波信号からLPFによって低周波数成分のみを抽出することによって、図2(e)に示すような検出信号Vdを出力する。同期検波回路4が単波同期検波ではなく両波同期検波することによって、前置増幅器3で生じた1/fノイズが第1出力と第2出力との差をとることによって相殺されるという効果がある。   By using the synchronous detection circuit 4, it is not necessary to use a multiplier as shown in FIG. The synchronous detection circuit 4 outputs a detection signal Vd as shown in FIG. 2 (e) by extracting only a low frequency component from the double-wave synchronous detection signal by the LPF. The effect that the 1 / f noise generated in the preamplifier 3 is canceled by taking the difference between the first output and the second output by the synchronous detection circuit 4 performing both-wave synchronous detection instead of single-wave synchronous detection. There is.

図5は、同期検波回路4を示す回路図である。同期検波回路4は、オペアンプQ4と、抵抗R5a、R5b、R6a、R6b、コンデンサC3a、C3b、スイッチSW1、SW2を含む。R5aとR5bとの抵抗値は等しく、R6aとR6bとの抵抗値は等しく、C3aとC3bとの容量は等しい。スイッチSW1、SW2は安価なアナログスイッチを使用するができるので、コスト削減に寄与する。   FIG. 5 is a circuit diagram showing the synchronous detection circuit 4. The synchronous detection circuit 4 includes an operational amplifier Q4, resistors R5a, R5b, R6a, R6b, capacitors C3a, C3b, and switches SW1, SW2. R5a and R5b have the same resistance value, R6a and R6b have the same resistance value, and C3a and C3b have the same capacitance. Since switches SW1 and SW2 can use inexpensive analog switches, they contribute to cost reduction.

オペアンプQ4の非反転入力端子(+端子)は、抵抗R5aを介してスイッチSW1に接続され、抵抗R6aを介して接地電位に接続され、コンデンサC3aを介して接地電位に接続されている。オペアンプQ4の反転入力端子(−端子)は、抵抗R5bを介してスイッチSW2に接続され、抵抗R6bを介してオペアンプQ4の出力端子に接続され、コンデンサC3bを介してオペアンプQ4の出力端子に接続されている。   The non-inverting input terminal (+ terminal) of the operational amplifier Q4 is connected to the switch SW1 via the resistor R5a, connected to the ground potential via the resistor R6a, and connected to the ground potential via the capacitor C3a. The inverting input terminal (− terminal) of the operational amplifier Q4 is connected to the switch SW2 through the resistor R5b, is connected to the output terminal of the operational amplifier Q4 through the resistor R6b, and is connected to the output terminal of the operational amplifier Q4 through the capacitor C3b. ing.

スイッチSW1は、第2クロック信号によって制御される。スイッチSW1は、第2クロック信号が正の期間に、抵抗R5aを前置増幅器3の出力に接続させ、振幅変調信号Voを抵抗R5aへと供給する。一方、スイッチSW1は、第2クロック信号が負の期間に、抵抗R5aを接地電位に接続させ、振幅変調信号Voを抵抗R5aへと供給しない。(なお、スイッチSW1を第1クロック信号によって制御し、第1クロック信号が負の期間に、抵抗R5aを前置増幅器3の出力に接続させ、第1クロック信号が正の期間に、抵抗R5aを接地電位に接続させてもよい。)   The switch SW1 is controlled by the second clock signal. The switch SW1 connects the resistor R5a to the output of the preamplifier 3 and supplies the amplitude modulation signal Vo to the resistor R5a while the second clock signal is positive. On the other hand, the switch SW1 connects the resistor R5a to the ground potential and does not supply the amplitude modulation signal Vo to the resistor R5a during the negative period of the second clock signal. (Note that the switch SW1 is controlled by the first clock signal, the resistor R5a is connected to the output of the preamplifier 3 when the first clock signal is negative, and the resistor R5a is connected when the first clock signal is positive. (It may be connected to ground potential.)

スイッチSW2は、第1クロック信号によって制御される。スイッチSW2は、第1クロック信号が正の期間に、抵抗R5bを前置増幅器3の出力に接続させ、振幅変調信号Voを抵抗R5bへと供給する。一方、スイッチSW2は、第1クロック信号が負の期間に、抵抗R5bを接地電位に接続させ、振幅変調信号Voを抵抗R5bへと供給しない。(なお、スイッチSW2を第2クロック信号によって制御し、第2クロック信号が負の期間に、抵抗R5bを前置増幅器3の出力に接続させ、第2クロック信号が正の期間に、抵抗R5bを接地電位に接続させてもよい。)   The switch SW2 is controlled by the first clock signal. The switch SW2 connects the resistor R5b to the output of the preamplifier 3 and supplies the amplitude modulation signal Vo to the resistor R5b while the first clock signal is positive. On the other hand, the switch SW2 connects the resistor R5b to the ground potential while the first clock signal is negative, and does not supply the amplitude modulation signal Vo to the resistor R5b. (Note that the switch SW2 is controlled by the second clock signal, the resistor R5b is connected to the output of the preamplifier 3 when the second clock signal is negative, and the resistor R5b is connected when the second clock signal is positive. (It may be connected to ground potential.)

オペアンプQ4、抵抗R5a、R5b、R6a、R6b、コンデンサC3a、C3bによって差動型のLPF(ローパスフィルタ)が構成されており、スイッチSW1を介して抵抗R5aに供給される信号から、スイッチSW2を介して抵抗R5bに供給される信号を減算して増幅し、低周波数成分のみを抽出することで、検出信号Vdを出力する。   The operational amplifier Q4, resistors R5a, R5b, R6a, R6b, and capacitors C3a, C3b constitute a differential LPF (low-pass filter), and a signal supplied to the resistor R5a via the switch SW1 passes through the switch SW2. The detection signal Vd is output by subtracting and amplifying the signal supplied to the resistor R5b and extracting only the low frequency component.

以下、本実施形態の変位検出装置1(前置増幅器3)によると、図10(a)又は(b)のいずれの変位検出用コンデンサC1、C2を使用する場合でも、可動部分の変位に比例した出力信号が得られることを説明する。図3の前置増幅器3の各ノードにおける電圧V1〜V4および振幅変調信号Voは次式で表される。

Figure 2011247847
Hereinafter, according to the displacement detection device 1 (preamplifier 3) of the present embodiment, even when any of the displacement detection capacitors C1 and C2 in FIG. 10A or 10B is used, it is proportional to the displacement of the movable part. It will be explained that the output signal obtained is obtained. The voltages V1 to V4 and the amplitude modulation signal Vo at each node of the preamplifier 3 in FIG. 3 are expressed by the following equations.
Figure 2011247847

上式よりVoを求めると、以下の式になる。

Figure 2011247847
When Vo is obtained from the above equation, the following equation is obtained.
Figure 2011247847

ここで、次式を満足するようにクロック周波数を選択する。

Figure 2011247847
Here, the clock frequency is selected so as to satisfy the following equation.
Figure 2011247847

すると、Voは以下の式に変形される。

Figure 2011247847
Then, Vo is transformed into the following equation.
Figure 2011247847

抵抗R1〜R4は定数であるので、Voは、図13においてCo=0と仮定して説明した場合と同様に、(コンデンサC1、C2の容量差/コンデンサC1、C2の容量和)に比例する。従って、感度K0は、変数yを含まない。その結果、図10(a)の変位検出用コンデンサ、図10(b)の変位検出用コンデンサのどちらを使用しても、可動部分の変位に比例した出力信号を得ることができる。   Since the resistors R1 to R4 are constants, Vo is proportional to (capacitance difference between capacitors C1 and C2 / capacitance sum of capacitors C1 and C2) as in the case described with Co = 0 in FIG. . Therefore, the sensitivity K0 does not include the variable y. As a result, an output signal proportional to the displacement of the movable part can be obtained by using either the displacement detection capacitor in FIG. 10A or the displacement detection capacitor in FIG.

図6は、別の実施形態による前置増幅器31を示す回路図である。これは、上記式において、R3=0、R4=∞とした回路である。つまり、オペアンプQ2の反転入力端子はオペアンプQ2の出力端子に接続され、オペアンプQ3の反転入力端子はオペアンプQ3の出力端子に接続されている。ここで、R1a=R1b=R2a=R2bとすれば、V0は以下の式で表される。

Figure 2011247847
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a preamplifier 31 according to another embodiment. This is a circuit in which R3 = 0 and R4 = ∞ in the above formula. That is, the inverting input terminal of the operational amplifier Q2 is connected to the output terminal of the operational amplifier Q2, and the inverting input terminal of the operational amplifier Q3 is connected to the output terminal of the operational amplifier Q3. Here, if R1a = R1b = R2a = R2b, V0 is represented by the following equation.
Figure 2011247847

上記と同様に、Koを算出すると、以下の式になる。

Figure 2011247847
Similar to the above, when Ko is calculated, the following equation is obtained.
Figure 2011247847

従って、感度K0は、変数yを含まない。その結果、図10(a)の変位検出用コンデンサ、図10(b)の変位検出用コンデンサのどちらを使用しても、可動部分の変位に比例した出力信号を得ることができる。   Therefore, the sensitivity K0 does not include the variable y. As a result, an output signal proportional to the displacement of the movable part can be obtained by using either the displacement detection capacitor in FIG. 10A or the displacement detection capacitor in FIG.

図7は、さらに別の好ましい実施形態による前置増幅器32を示す回路図であり、図6と比較して、第1クロック信号および第2クロック信号の立ち上がり応答性を改善した回路である。前置増幅器32では、コンデンサC4a、C4bが追加されており、コンデンサC4aは抵抗R2aに並列接続され、コンデンサC4bは抵抗R2bに並列接続されている。コンデンサC4aとコンデンサC4bとの容量は等しい。コンデンサC4a、C4bは、第1クロック信号および第2クロック信号に対してLPFとして機能し、第1クロック信号および第2クロック信号の立ち上がりを遅らせるように機能する。また、コンデンサC4a、C4bは、オペアンプQ1の出力端子から帰還される振幅変調信号Voに対してはHPF(ハイパスフィルタ)として機能し、スピードアップの役割を果たす。なお、コンデンサC4a、C4bを図3の前置増幅器3に設けてもよい。   FIG. 7 is a circuit diagram showing a preamplifier 32 according to still another preferred embodiment, which is a circuit in which rising responsiveness of the first clock signal and the second clock signal is improved as compared with FIG. In the preamplifier 32, capacitors C4a and C4b are added, the capacitor C4a is connected in parallel to the resistor R2a, and the capacitor C4b is connected in parallel to the resistor R2b. Capacitors C4a and C4b have the same capacity. Capacitors C4a and C4b function as LPFs for the first clock signal and the second clock signal, and function to delay the rising edges of the first clock signal and the second clock signal. The capacitors C4a and C4b function as an HPF (High Pass Filter) for the amplitude modulation signal Vo fed back from the output terminal of the operational amplifier Q1, and play a role of speeding up. The capacitors C4a and C4b may be provided in the preamplifier 3 shown in FIG.

なお、上記の各前置増幅器において、オペアンプQ1の出力をクロック増幅手段3aの入力に帰還させているので、矩形波応答にある程度のセトリング時間を必要とする。このセトリング時間内の電圧は最終出力に誤差を与えることになる。従って、同期検波回路4において、図8に示すように、セトリング期間をマスキングする方が精度の点で好ましい。そのためには、同期検波回路4で使用する第1クロック信号および第2クロック信号の立ち上がりをセトリング時間だけ遅延させる必要がある(ただし立下りは遅らさない)。図9は、そのためのクロック整形回路の実施例を示し、同期検波回路4の前段に設けられる。図9ではコンデンサCdへの充放電時定数を変えることでそれを実現しているが、同様なパルス整形が実現できる限り、図9の回路に限定されない。   In each of the preamplifiers described above, since the output of the operational amplifier Q1 is fed back to the input of the clock amplification means 3a, a certain settling time is required for the rectangular wave response. The voltage within the settling time gives an error to the final output. Therefore, in the synchronous detection circuit 4, it is preferable in terms of accuracy to mask the settling period as shown in FIG. For this purpose, it is necessary to delay the rise of the first clock signal and the second clock signal used in the synchronous detection circuit 4 by the settling time (however, the fall is not delayed). FIG. 9 shows an embodiment of a clock shaping circuit for this purpose, and is provided in the preceding stage of the synchronous detection circuit 4. In FIG. 9, this is realized by changing the charge / discharge time constant of the capacitor Cd. However, the circuit is not limited to the circuit of FIG. 9 as long as similar pulse shaping can be realized.

以上のように、本実施形態によると、以下の効果が得られる。
(1)同期検波回路4を使用することで、安価なアナログスイッチを使用することができる。アナログの乗算器を使用する必要がない。
(2)オペアンプQ1の反転入力端子に変位検出用コンデンサC1、C2を接続し、非反転入力端子は接地電位に接続される。従って、図13のCoに相当する容量に電流が流れないので、Coの影響を無視できる。そして、オペアンプQ1の出力をオペアンプQ2、Q3の入力に帰還させることにより、オペアンプQ1の出力は(C1−C2)/(C1+C2)に比例する。従って、可動部分の変位に容量が比例する変位検出用コンデンサ、及び、可動部分の変位に容量が比例しない変位検出用コンデンサのいずれを用いる場合でも、可動部分の変位に比例する検出出力を得ることができる。
(3)Coの影響を無視できるので、図14のようなガードや、ガードをさらに覆うシールド等の特殊で複雑な配線を設ける必要がない。
(4)上記の前置増幅器3、同期検波回路4によると、クロック信号は正弦波だけではなく矩形波を使用することができる。従って、クロック生成回路2は、矩形波のクロック信号を生成するものであればよいので、安価、かつ、容易に構成することができる。
As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1) By using the synchronous detection circuit 4, an inexpensive analog switch can be used. There is no need to use an analog multiplier.
(2) The displacement detection capacitors C1 and C2 are connected to the inverting input terminal of the operational amplifier Q1, and the non-inverting input terminal is connected to the ground potential. Therefore, since no current flows through the capacitor corresponding to Co in FIG. 13, the influence of Co can be ignored. The output of the operational amplifier Q1 is proportional to (C1−C2) / (C1 + C2) by feeding back the output of the operational amplifier Q1 to the inputs of the operational amplifiers Q2 and Q3. Therefore, even when using either a displacement detection capacitor whose capacity is proportional to the displacement of the movable part or a displacement detection capacitor whose capacity is not proportional to the displacement of the movable part, a detection output proportional to the displacement of the movable part is obtained. Can do.
(3) Since the influence of Co can be ignored, there is no need to provide special and complicated wiring such as a guard as shown in FIG. 14 or a shield further covering the guard.
(4) According to the preamplifier 3 and the synchronous detection circuit 4, the clock signal can use not only a sine wave but also a rectangular wave. Accordingly, since the clock generation circuit 2 only needs to generate a rectangular wave clock signal, it can be configured inexpensively and easily.

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。上記の変位検出装置に適用される前置増幅器または同期検波回路という形態で提供されてもよい。   As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment. You may provide with the form of the preamplifier applied to said displacement detection apparatus, or a synchronous detection circuit.

本発明は、変位検出装置に好適に採用され得る。   The present invention can be suitably employed in a displacement detection device.

1 変位検出装置
2 クロック発生回路
3 前置増幅器
3a クロック増幅手段
4 同期検波回路
Q1 オペアンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Displacement detection apparatus 2 Clock generation circuit 3 Preamplifier 3a Clock amplification means 4 Synchronous detection circuit Q1 Operational amplifier

Claims (6)

第1クロック信号と、前記第1クロック信号に対して位相が反転された第2クロック信号と、第1オペアンプから出力される振幅変調信号とが供給され、前記第1クロック信号及び前記振幅変調信号に基づく信号を増幅して第1出力信号を出力し、かつ、前記第2クロック信号及び前記振幅変調信号に基づく信号を増幅して第2出力信号を出力するクロック増幅手段と、
前記クロック増幅手段からの前記第1出力信号が第1電極に供給される第1コンデンサと、
第2電極が前記第1コンデンサの第2電極に接続され、前記クロック増幅手段からの前記第2出力信号が第1電極に供給される第2コンデンサと、
反転入力端子が前記第1コンデンサの第2電極及び前記第2コンデンサの第2電極に接続され、非反転入力端子が接地電位に接続され、出力端子が前記クロック増幅手段の入力に接続されている前記第1オペアンプとを含み、
前記第1コンデンサの容量と前記第2コンデンサの容量との差を、前記第1コンデンサの容量と前記第2コンデンサの容量との和で除算した値に比例する前記振幅変調信号を前記第1オペアンプから出力する前置増幅回路と;
前記振幅変調信号が供給され、前記第1クロック信号及び前記第2クロック信号の内の一方が所定値より大きい期間に前記振幅変調信号であり、それ以外の期間に接地電位である第3出力信号と、前記第1クロック信号及び前記第2クロック信号の内の他方が所定値より大きい期間に前記振幅変調信号であり、それ以外の期間に接地電位である第4出力信号との差を算出し、その低域成分を出力する同期検波回路と;を備える、変位検出装置。
A first clock signal, a second clock signal whose phase is inverted with respect to the first clock signal, and an amplitude modulation signal output from the first operational amplifier are supplied, and the first clock signal and the amplitude modulation signal are supplied. A clock amplifying means for amplifying a signal based on the second clock signal and outputting a first output signal and amplifying the signal based on the second clock signal and the amplitude modulation signal and outputting a second output signal;
A first capacitor to which the first output signal from the clock amplification means is supplied to a first electrode;
A second capacitor having a second electrode connected to the second electrode of the first capacitor and the second output signal from the clock amplification means being supplied to the first electrode;
The inverting input terminal is connected to the second electrode of the first capacitor and the second electrode of the second capacitor, the non-inverting input terminal is connected to the ground potential, and the output terminal is connected to the input of the clock amplification means. Including the first operational amplifier;
The amplitude operational signal is proportional to a value obtained by dividing the difference between the capacitance of the first capacitor and the capacitance of the second capacitor by the sum of the capacitance of the first capacitor and the capacitance of the second capacitor. A preamplifier circuit which outputs from
A third output signal which is supplied with the amplitude modulation signal and is the amplitude modulation signal when one of the first clock signal and the second clock signal is larger than a predetermined value and is at the ground potential during the other period; And the fourth output signal that is the amplitude modulation signal during a period when the other of the first clock signal and the second clock signal is larger than a predetermined value and is the ground potential during the other period. A displacement detection apparatus comprising: a synchronous detection circuit that outputs the low-frequency component.
前記クロック増幅手段が、第1〜第8抵抗と、第2オペアンプと、第3オペアンプとを含み、
前記第2オペアンプの非反転入力端子が前記第1抵抗を介して前記第1クロック信号が供給され、かつ、前記第2抵抗を介して前記第1オペアンプの出力端子に接続され、前記第2オペアンプの反転入力端子が前記第3抵抗を介して前記第2オペアンプの出力端子に接続され、かつ、前記第4抵抗を介して前記第8抵抗に接続され、前記第2オペアンプの出力端子が前記第1コンデンサの第1電極に接続され、
前記第3オペアンプの非反転入力端子が前記第5抵抗を介して前記第2クロック信号が供給され、かつ、前記第6抵抗を介して前記第1オペアンプの出力端子に接続され、前記第3オペアンプの反転入力端子が前記第7抵抗を介して前記第3オペアンプの出力端子に接続され、かつ、前記第8抵抗を介して前記第4抵抗に接続され、前記第3オペアンプの出力端子が前記第2コンデンサの第1電極に接続されている、請求項1に記載の変位検出装置。
The clock amplification means includes first to eighth resistors, a second operational amplifier, and a third operational amplifier,
The non-inverting input terminal of the second operational amplifier is supplied with the first clock signal via the first resistor, and is connected to the output terminal of the first operational amplifier via the second resistor. Is connected to the output terminal of the second operational amplifier through the third resistor, and is connected to the eighth resistor through the fourth resistor. The output terminal of the second operational amplifier is connected to the second operational amplifier. Connected to the first electrode of one capacitor,
The non-inverting input terminal of the third operational amplifier is supplied with the second clock signal via the fifth resistor and connected to the output terminal of the first operational amplifier via the sixth resistor. Is connected to the output terminal of the third operational amplifier through the seventh resistor, and is connected to the fourth resistor through the eighth resistor. The output terminal of the third operational amplifier is connected to the third operational amplifier. The displacement detection device according to claim 1, wherein the displacement detection device is connected to a first electrode of two capacitors.
前記クロック増幅手段が、第1抵抗と、第2抵抗と、第5抵抗と、第6抵抗と、第2オペアンプと、第3オペアンプとを含み、
前記第2オペアンプの非反転入力端子が前記第1抵抗を介して前記第1クロック信号が供給され、かつ、前記第2抵抗を介して前記第1オペアンプの出力端子に接続され、前記第2オペアンプの出力端子が前記第2オペアンプの反転入力端子と、前記第1コンデンサの第1電極とに接続され、
前記第3オペアンプの非反転入力端子が前記第5抵抗を介して前記第2クロック信号が供給され、かつ、前記第6抵抗を介して前記第1オペアンプの出力端子に接続され、前記第3オペアンプの出力端子が前記第3オペアンプの反転入力端子と、前記第2コンデンサの第1電極とに接続されている、請求項1に記載の変位検出装置。
The clock amplification means includes a first resistor, a second resistor, a fifth resistor, a sixth resistor, a second operational amplifier, and a third operational amplifier,
The non-inverting input terminal of the second operational amplifier is supplied with the first clock signal via the first resistor, and is connected to the output terminal of the first operational amplifier via the second resistor. Are connected to the inverting input terminal of the second operational amplifier and the first electrode of the first capacitor,
The non-inverting input terminal of the third operational amplifier is supplied with the second clock signal via the fifth resistor and connected to the output terminal of the first operational amplifier via the sixth resistor. The displacement detection device according to claim 1, wherein an output terminal of the second operational amplifier is connected to an inverting input terminal of the third operational amplifier and a first electrode of the second capacitor.
前記第2抵抗に並列に第3コンデンサが接続されており、
前記第6抵抗に並列に第4コンデンサが接続されている、請求項2または3に記載の変位検出装置。
A third capacitor is connected in parallel with the second resistor;
The displacement detection device according to claim 2 or 3, wherein a fourth capacitor is connected in parallel to the sixth resistor.
前記同期検波回路が、第9〜第12抵抗と、第5、第6コンデンサと、第4オペアンプと、第1アナログスイッチと、第2アナログスイッチとを含み、
前記第4オペアンプの非反転入力端子が、前記第9抵抗を介して前記第1アナログスイッチに接続され、前記第10抵抗を介して接地電位に接続され、前記第5コンデンサを介して接地電位に接続され、前記第4オペアンプの反転入力端子が、前記第11抵抗を介して前記第2アナログスイッチに接続され、前記第12抵抗を介して前記第4オペアンプの出力端子に接続され、前記第6コンデンサを介して前記第4オペアンプの出力端子に接続され、
前記第1アナログスイッチが、前記第1クロック信号及び前記第2クロック信号の内の一方が所定値より大きい期間に、前記第9抵抗を前記前置増幅器の出力に接続させ、そうでない期間に前記第9抵抗を接地電位に接続させ、
前記第2アナログスイッチが、前記第1クロック信号及び前記第2クロック信号の内の他方が所定値より大きい期間に、前記第11抵抗を前記前置増幅器の出力に接続させ、そうでない期間に前記第11抵抗を接地電位に接続させる、請求項1〜5のいずれかに記載の変位検出装置。
The synchronous detection circuit includes ninth to twelfth resistors, fifth and sixth capacitors, a fourth operational amplifier, a first analog switch, and a second analog switch;
The non-inverting input terminal of the fourth operational amplifier is connected to the first analog switch via the ninth resistor, connected to the ground potential via the tenth resistor, and is connected to the ground potential via the fifth capacitor. And an inverting input terminal of the fourth operational amplifier is connected to the second analog switch via the eleventh resistor, connected to an output terminal of the fourth operational amplifier via the twelfth resistor, Connected to the output terminal of the fourth operational amplifier via a capacitor;
The first analog switch connects the ninth resistor to the output of the preamplifier during a period in which one of the first clock signal and the second clock signal is greater than a predetermined value, and during the period during which the first analog switch does not. Connect the ninth resistor to the ground potential;
The second analog switch connects the eleventh resistor to the output of the preamplifier during a period when the other of the first clock signal and the second clock signal is greater than a predetermined value, and during the period when the other is not The displacement detection device according to claim 1, wherein the eleventh resistor is connected to a ground potential.
第1クロック信号と、前記第1クロック信号に対して位相が反転された第2クロック信号と、第1オペアンプから出力される振幅変調信号とが供給され、前記第1クロック信号及び前記振幅変調信号に基づく信号を増幅して第1出力信号を出力し、かつ、前記第2クロック信号及び前記振幅変調信号に基づく信号を増幅して第2出力信号を出力するクロック増幅手段と、
前記クロック増幅手段からの前記第1出力信号が第1電極に供給される第1コンデンサと、
第2電極が前記第1コンデンサの第2電極に接続され、前記クロック増幅手段からの前記第2出力信号が第1電極に供給される第2コンデンサと、
反転入力端子が前記第1コンデンサの第2電極及び前記第2コンデンサの第2電極に接続され、非反転入力端子が接地電位に接続され、出力端子が前記クロック増幅手段の入力に接続されている前記第1オペアンプとを含み、
前記第1コンデンサの容量と前記第2コンデンサの容量との差を、前記第1コンデンサの容量と前記第2コンデンサの容量との和で除算した値に比例する前記振幅変調信号を前記第1オペアンプから出力する、前置増幅回路。
A first clock signal, a second clock signal whose phase is inverted with respect to the first clock signal, and an amplitude modulation signal output from the first operational amplifier are supplied, and the first clock signal and the amplitude modulation signal are supplied. A clock amplifying means for amplifying a signal based on the second clock signal and outputting a first output signal and amplifying the signal based on the second clock signal and the amplitude modulation signal and outputting a second output signal;
A first capacitor to which the first output signal from the clock amplification means is supplied to a first electrode;
A second capacitor having a second electrode connected to the second electrode of the first capacitor and the second output signal from the clock amplification means being supplied to the first electrode;
The inverting input terminal is connected to the second electrode of the first capacitor and the second electrode of the second capacitor, the non-inverting input terminal is connected to the ground potential, and the output terminal is connected to the input of the clock amplification means. Including the first operational amplifier;
The amplitude operational signal is proportional to a value obtained by dividing the difference between the capacitance of the first capacitor and the capacitance of the second capacitor by the sum of the capacitance of the first capacitor and the capacitance of the second capacitor. Output from the preamplifier circuit.
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