JP2598645B2 - キャパシタンス測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は個別部品としてのキャパシタ及び容量型セン
サのキャパシタンスを精度良く測定する方法に関する。

（従来の技術） よく知られている未知容量測定法に交流ブリッヂ法が
ある。この方法では、未知容量と基準容量を交流ブリッ
ヂで比較することによって両者の差に比例する電圧を
得、この電圧を増幅，検波することによって未知容量を
測定している。

（発明が解決しようとする問題点） 上記ブリッジ法で微小容量を精度良く測定するには高
精度の差動増幅器と直線性の優れた検波器を必要とす
る。このため、この方法を固体容量型センサの信号処理
に適用し、センサーと一体で集積化して高い歩留りを実
現することは困難である。本発明はかゝる問題点を解決
するためになされたものであり、より簡単で高精度の容
量測定を可能にする方法を提供するものである。

（問題点を解決するための方法） 本発明のキャパシタンス測定方法は、第１の基準キャ
パシタ（２）で未知キャパシタ（１）の並列回路には第
１の交流電圧（５）を、第２の基準キャパシタ（３）に
は第１の交流電圧とは位相が180゜異なる第２の交流電
圧（６）を、第３の基準キャパシタ（４）には第１の交
流電圧とは位相が90゜異なる第３の交流電圧（７）をそ
れぞれ印加することによって、各キャパシタに流れる電
流を合成し、この合成電流と上記３つの交流電圧のいず
れか１つの電圧との位相差によって未知キャパシタの容
量を測定することを特徴とする。

第１図は本発明のキャパシタンス測定方法の原理を示
すブロック図であって、１は被測定容量、2,3,4は基準
容量、５は被測定容量１と第１の基準容量２に加えられ
る交流電圧源、６は第１の交流電圧源５とは180゜位相
の異る電圧を第２の基準容量３に印加するための交流電
圧源、７は第１の交流電圧源とは90゜位相の異る電圧を
第３の基準容量４に印加するための交流電圧源である。

（測定方法） 未知容量1,第1,第2,及び第３の基準容量のキャパシタ
ンスをそれぞれCx,C₁,C₂,C₃とし、交流電圧源５の電圧
υ_１をυ_１＝V₁sin ωｔとすれば、交流電圧源6,7の電
圧υ₂,υ_３はυ_２＝−V₂sin ωt,υ_３＝V₃cos ωｔとな
る。Cx,C₁,C₂,C₃を流れる電流をそれぞれix,i₁,i₂,i₃と
すると各電流は次式で与えられる。

ix＝ωCxV₁cos ωｔ （１） ix＝ωC₁V₁cos ωｔ （２） i₂＝−ωC₂V₂cos ωｔ （３） i₃＝−ωC₃V₃sin ωｔ （４） 従って、合成電流ｉは ｉ＝ix＋i₁＋i₂＋i₃ ＝ω（CxV₁＋C₁V₁−C₂V₂）cos ωｔ −ωC₃V₃sin ωｔ （５） となる。ここで、υ_１＝V₁sin ωｔを基準とする各電流
のベクトル図を第３図に示す。今、C₁V₁＝C₂V₂が成立す
るように電圧V₁あるいはV₂を設定すれば、合成電流ｉは となる。こゝで α＝V₃/V₁ （７） これにより第３図のベクトル図と合成電流は、第４図
に示したようになる。

ここで、θは第（８）式で与えられるように未知容量
Cxの関数となる。従って、sin ωｔとの位相差θ，又は
cos ωｔとの位相差ψ（＝θ−π/2），又は−sin ωｔ
との位相差φ（＝π−θ）を検出すれば未知容量Cxが測
定できる。

（実施例） 第２図は本発明のキャパシタンス測定方法を具現する
測定回路例であって、８は演算増幅器81を用いた加算回
路、９と10はコンパレータ、11はEXORゲートである。未
知容量1,第1,第2,第３の基準容量（2,3,4）は演算増幅
器81の仮想接地端子83に接続されているので、合成電流
ｉは帰還容量82を流れ、電圧に変換される。

演算増幅器81の出力電圧υ_０は、C₁V₁＝C₂V₂の条件の
下で次式で与えられる。

こゝで、Ｃは帰還容量82のキャパシタンスであり、θ
は第（８）式で与えられる。位相θを電気的に検出する
ために本実施例では、υ_０をコンパレータ９、υ_３＝V₃
cos ωｔをコンパレータ10でそれぞれ方形波に変換し、
両方形波をEXORゲート11に加えている。これによって位
相θはパルス幅に変換されるので、このEXORゲートの出
力を平滑すればθはアナログ電圧として、又、高い周波
数のクロック信号をこのパルス期間中計数すればθ、即
ち未知キャパシタンスをディジタル値として検出でき
る。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば極めて簡単な構
成で未知容量を測定できる。又、以上の説明において、
C₁を容量型センサのオフセット容量、Cxを検出しようと
する物理量によって変化するセンサ容量とすると、本発
明によればオフセット容量を打消し、Cxのみを高精度で
測定でき、しかもセンサがシリコンの場合にはセンサと
信号処理回路を一体化できる。更に、第（８）式に示さ
れるように、測定感度をα、即ち電圧によって可変でき
る。これらの特徴から明からのように、本発明は個別部
品としてのキャパシタや容量型センサのキャパシタンス
測定に極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のキャパシタンス測定方法を示すブロッ
ク図、第２図は本発明の実施例を示す回路図、第３図及
び第４図は本発明の理論を説明するための電流のベクト
ル図である。 第１図，第２図において、１は未知容量、2,3,4はそれ
ぞれ第1,第2,第３の基準キャパシタ、５は交流電圧源、
６は５と逆相の交流電圧源、７は５と90゜位相の異る交
流電圧源である。第２図において８は演算増幅器81によ
る加算器、９と10はコンパレータ、11はEXORゲートであ
る。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の基準キャパシタ（２）と未知キャパ
   シタ（１）の並列回路には第１の交流電圧（５）を、第
   ２の基準キャパシタ（３）には第１の交流電圧とは位相
   が180゜異なる第２の交流電圧（６）を、第３の基準キ
   ャパシタ（４）には第１の交流電圧とは位相が90゜異な
   る第３の交流電圧（７）をそれぞれ印加することによっ
   て、各キャパシタに流れる電流を合成し、この合成電流
   と上記３つの交流電圧のいずれか１つの電圧との位相差
   によって未知キャパシタの容量を測定することを特徴と
   するキャパシタンス測定方法。