JP3501398B2 - インピーダンス検出回路及びインピーダンス検出方法 - Google Patents
インピーダンス検出回路及びインピーダンス検出方法Info
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Description
うなインピーダンス素子が有するインピーダンス量を検
出するためのインピーダンス検出回路及びインピーダン
ス検出方法に関するものである。
従来例として、特開平9−280806号公報記載のも
のを挙げることができる。図6は、このインピーダンス
検出回路を示す回路図である。この検出回路では、電極
54、55で形成される容量センサ51を、信号線57
を介して演算増幅器59の反転入力端子に接続してい
る。そしてこの演算増幅器59の出力端子と前記反転入
力端子との間にコンデンサ60を接続するとともに、非
反転入力端子に交流電圧Vacを印加している。また前
記信号線57はシールド線56によって被覆し、容量セ
ンサ51を接続した信号線57を電気的に遮蔽してい
る。このシールド線56は、演算増幅器59の非反転入
力端子に接続されている。そして出力電圧Vdは、前記
演算増幅器59の出力端子からトランス61を介して取
り出される。
量センサ51の容量Csは、基礎容量値Cdと外部から
受けた音、圧力、光等によって変化する容量変化分ΔC
との和で表すことができる。 Cs=Cd+ΔC ところが前記出力電圧Vdは、コンデンサ60の容量と
容量センサ51の容量Csとの比に応じて交流電圧Va
cを増幅した電圧であり、容量センサ51の全体の容量
値Csの変化に応じて変化するものである。そのため前
記容量変化分ΔCが基礎容量値Cdに比べて微少である
場合には、容量変化分ΔCの検出感度がきわめて低くな
ってしまうという問題があった。この問題を解決すべく
前記回路の増幅度を上げると、今度は出力電圧Vdが飽
和してしまい、容量変化分ΔCを正確に検出できなくな
るという問題が生じる。
めになされたものであって、その目的は、微小なインピ
ーダンスの変化を高感度で正確に検出することが可能な
インピーダンス検出回路及びインピーダンス検出方法を
提供することにある。
ダンス検出回路は、ボルテージフォロワと、一方の入力
端子を所定の電圧に接続した演算増幅器と、前記演算増
幅器の出力端子と前記ボルテージフォロワの入力端子と
の間に設けられた第1のインピーダンスとを含み、第1
の増幅電圧を前記ボルテージフォロワから出力させる増
幅回路と、前記ボルテージフォロワの入力端子にその一
端が接続され他端にインピーダンス素子を接続できる信
号線と、前記演算増幅器の出力端子に接続された信号出
力端子と、前記信号線に接続され前記インピーダンス素
子に所定の電流を供給する電流路とを備えたことを特徴
としている。
ボルテージフォロワと、一方の入力端子を所定の電圧に
接続した演算増幅器と、この演算増幅器の出力端子と前
記ボルテージフォロワの入力端子との間に設けられた第
1のインピーダンスと、ボルテージフォロワの入力端子
にその一端を接続した信号線とを備えた増幅回路を準備
する第1の過程と、前記信号線の他端にインピーダンス
素子を接続する第2の過程と、前記増幅回路の第1の増
幅電圧を前記ボルテージフォロワから出力させる第3の
過程と、前記信号線に接続された電流路から前記インピ
ーダンス素子に所定の電流を供給する第4の過程と、前
記演算増幅器の出力端子から検出電圧を取り出す第5の
過程とを備えたことを特徴としている。
ことには、部品としての素子を取り付けるほか、信号線
の端部に測定電極を設け、この測定電極と測定対象との
間にインピーダンスを形成することも含む。
ダンス検出方法では、電流路を介して所定の電流をイン
ピーダンス素子に供給することができる。この電流によ
り、インピーダンス素子を流れる電流のうちインピーダ
ンス変化に応じて変化することのない電流分を、第1の
インピーダンスに流れる電流中から減殺することが可能
となる。また演算増幅器の一方の入力端子を所定の電圧
に接続しているので、特に演算増幅器を高速動作させて
いる場合においても、その出力信号に含まれる高調波・
ゆらぎ・演算誤差を抑制することが可能となる。
て、さらに前記信号線の少なくとも一部を電気的に遮蔽
するシールド手段と、このシールド手段に前記第1の増
幅電圧に基づくシールド電圧を印加するシールド電圧印
加手段とを設けるようにすると、シールド手段と信号線
との間の浮遊容量をコントロールして、インピーダンス
素子のインピーダンス変化を高精度で検出することが可
能となる。
ピーダンス検出方法における前記電流路を、第2の増幅
電圧を出力する第2の演算増幅器の出力端子と前記信号
線との間に設け、これに第2のインピーダンスを介設す
るようにすれば、電流源等の外部接続が不要となるし、
また回路動作を安定させることが可能となる。
ンピーダンス検出方法において、前記インピーダンス素
子と第1のインピーダンスとが、交流に対して互いに同
種の性質を有するようにすれば、位相回りによる影響を
抑制して、第1のインピーダンスに流れる電流中からイ
ンピーダンス変化に応じて変化することのない電流分を
確実に減殺することが可能となる。
有する」とは、例えばインピーダンス素子と第1のイン
ピーダンスとがいずれも容量性(容量リアクタンス)で
ある等、一方が容量性であれば他方も容量性であり、ま
た一方が誘導性(誘導リアクタンス)であれば他方も誘
導性であり、さらに一方が抵抗であれば他方も抵抗であ
ることをいう。
検出回路及びインピーダンス検出方法の具体的な実施の
形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
ピーダンス検出回路の回路図である。このインピーダン
ス検出回路は、第1演算増幅器1及び第2演算増幅器2
を含む増幅回路を備えて構成されている。第1演算増幅
器1は、その出力端子と反転入力端子とが接続され、ボ
ルテージフォロワを構成している。ここでボルテージフ
ォロワとは、入力インピーダンスが高い一方、出力イン
ピーダンスが低く、入出力ゲインが理論上「1」であっ
て、インピーダンス変換器として機能するものをいう。
従って、例えばこのボルテージフォロワを演算増幅器で
構成する場合には、その入出力端子間で信号増幅を行う
ようにするための帰還回路網は設けられないということ
になる。また第1演算増幅器1の非反転入力端子には、
シールドされた信号線9の一端が接続されている。信号
線9の他端には、被測定対象となるインピーダンス素子
8として容量センサが接続できるようになっている。こ
の容量センサは、受けた物理量(加速度、圧力、ガス、
光、音波等)に応じてその有する静電容量Csを変化さ
せるものである。
地される一方、反転入力端子には第1抵抗(抵抗値R
1)5及び第2抵抗(抵抗値R2)6の一端がそれぞれ
接続されている。第1抵抗5の他端は第1交流電圧発生
器(発生交流電圧Vin、角周波数ω)4に接続され、
第2抵抗6の他端は前記第1演算増幅器1の反転入力端
子に接続されている。第2演算増幅器2の出力端子は、
第1コンデンサ(第1のインピーダンス、容量値Cf)
7を介して第1演算増幅器1の非反転入力端子(ボルテ
ージフォロワの入力端子)に接続されている。また前記
信号線9には、第2コンデンサ(容量値Cc)12を介
して第2交流電圧発生器(発生交流電圧Vc、角周波数
ω)15が接続されるとともに、第3抵抗(抵抗値R
c)14を介して第3交流電圧発生器(発生交流電圧V
r、角周波数ω)16が接続されている。そして第2演
算増幅器2の出力端子が信号出力端子13に接続されて
いる。
ンス検出回路の動作について説明する。まず上記のよう
に構成された増幅回路を準備し、信号線9の端部にイン
ピーダンス素子8の一例として他端が接地された容量セ
ンサを接続する。この容量センサの全静電容量Csは、
基礎容量値をCd、受けた物理量に応じて変化する容量
変化分をΔCとすると、 Cs=Cd+ΔC ―――(1) で表すことができる。そこで第1交流電圧発生器4から
角周波数ωの交流入力電圧Vinを与える。各演算増幅
器1、2の入力端子間がイマジナリ・ショート状態にあ
ることから、第2演算増幅器2の反転入力端子電圧V1
=0である。これにより第1演算増幅器1の反転入力端
子電圧V2は、 V2=−(R2/R1)・Vin ―――(2) =Vp とる。つまりボルテージフォロワの出力電圧(第1の増
幅電圧)V2は、入力電圧Vinに反転比例した電圧に
なるということである。
は、 Is=jωCs・Vp =jωCs・V2 ―――(3) で表される。また第2コンデンサ12を流れる電流Icは、 Ic=jωCc(Vc−V2) ―――(4) であり、第3抵抗14を流れる電流Irは、 Ir=(Vr−V2)/Rc ―――(5) である。そして第1コンデンサ7を流れる電流Ifは、 If=Is−Ic−Ir+Ip ―――(6) と表される。Ipは、第1演算増幅器1の非反転入力端
子に流れ込む電流値である。さらにインピーダンス素子
8に流れる電流Isは、容量Csのうち基礎容量値Cd
に相当する部分に流れる電流Idと、容量変化分ΔCに
相当する部分に流れる電流ΔIとに分解できる。 Is=Id+ΔI ―――(7) 従って電流Ifは、 If=Id+ΔI−Ic−Ir+Ip ―――(8) と書くことができる。一方、信号出力端子電圧Voutは、 Vout=If/jωCf+V2 ―――(9) で表される。
既知である。これをRiとすると、電流Ipは、 Ip=V2/Ri =−(R2/R1)・Vin/Ri ―――(10) となる。そこで上記インピーダンス検出回路では、 −(R2/R1)・Vin/Ri=(Vr−V2)/Rc ―――(11) となるように第3交流電圧発生器16の電圧Vr及び第
3抵抗14の抵抗値Rcを選択している。この際、式
(11)を成立させるためには電圧Vrのみを調整する
ようにしてもよいし、抵抗値Rcのみを調整するように
してもよいが、電圧Vr及び抵抗値Rcの双方を調整す
るようにしてもよい。するとIp=Irとなるので、式
(8)は、 If=Id+ΔI−Ic ―――(12) と表される。
dは既知である。そこで上記インピーダンス検出回路で
は、 jωCd・V2=jωCc(Vc−V2) ―――(13) となるように第2交流電圧発生器15の電圧Vc及び第
2コンデンサ12の容量値Ccを選択している。この
際、式(13)を成立させるためには電圧Vcのみを調
整するようにしてもよいし、容量Ccのみを調整するよ
うにしてもよいが、電圧Vc及び容量Ccの双方を調整
するようにしてもよい。するとId=Icとなるので、
式(12)は、 If=ΔI ―――(14) と表されることになる。つまり、第2交流電圧発生器1
5と信号線9との間で第2コンデンサ12が介設された
電路17が、インピーダンス素子8に所定の電流Icを
供給する電流路として機能している。また、第2交流電
圧発生器15と第2コンデンサ12の介設された前記電
路17とによって、インピーダンス素子8に所定の電流
Idを供給する電流源が構成されている。そしてΔI
は、 ΔI=jωΔC・V2 ―――(15) であるから、式(2)、式(14)及び式(15)を式
(9)に代入して、 Vout=−(1+ΔC/Cf)・Vin・R2/R1 ―――(16) が得られる。従ってこのVoutを検出することによ
り、インピーダンス素子8の容量変化分ΔCを知得する
ことができる。
では、第1コンデンサ7を流れる電流Ifに応じた値の
電圧Voutが得られる。そして第1コンデンサ7に流
れる電流Ifは式(14)に示すとおり電流ΔIに等し
いから、基礎容量値Cdの大きさに依存しない電圧Vo
utを得ることができる。従って基礎容量値Cdに比べ
て容量変化分ΔCがきわめて微少である場合にも、容量
変化分ΔCを高感度で検出することができる。また第1
コンデンサ7の容量Cfを小さくして検出感度をより高
くしても、電流Ifには電流Idの分を含まないので、
基礎容量値Cdの大きさにかかわらず電圧Voutが容
易に飽和するのを回避することができる。
は反転入力端子と出力端子とを短絡してゲイン=1のボ
ルテージフォロワとして機能させ、必要なゲインは第2
演算増幅器2でかせぐようにしている。そして電圧増幅
を行う第2演算増幅器12は、その非反転入力端子を接
地している。このようにすると非反転入力端子の電圧が
安定するので、特に演算増幅器を高速動作させている場
合に、出力信号に含まれる高調波を抑制することができ
る。これにより第2演算増幅器2の出力電圧に含まれる
高調波成分が大幅に低減され、演算精度を顕著に向上さ
せることができる。従って一段と高精度なΔCの測定を
することができる。もっとも第2演算増幅器2の非反転
入力端子は電圧が安定していればよいので、接地以外に
所定の安定電圧(例えば一定電圧)を非反転入力端子に
印加してもよい。
発生器の接続態様が変更された上記実施形態1の変形例
を示している。ここでは、第2コンデンサ12及び第3
抵抗14に流れる電流Ic、Irの角周波数ωの2倍の
角周波数ω’を有する電流を、信号線9に供給できるよ
うにしている。すなわち信号線9に、さらに第3コンデ
ンサ24を介して第4交流電圧発生器(角周波数ω’=
2ω)26が接続されるとともに、第6抵抗25を介し
て第5交流電圧発生器(角周波数ω’=2ω)27が接
続されているということである。こうすることにより、
信号出力端子13から出力される検出信号に含まれるこ
とがある第2高調波を効果的にうち消すことがことがで
き、高調波によるノイズを確実に抑制することができ
る。
ピーダンス検出回路を示す回路図である。この検出回路
が実施形態1のものと異なるのは、ボルテージフォロワ
又はバッファ(シールド電圧印加手段)3を介して第1
演算増幅器1の反転入力端子電圧をシールド線(シール
ド手段)10に印加している点である。シールド線10
は、信号線9を電気的に遮蔽するものである。第1演算
増幅器1の両入力端子はイマジナリ・ショートしている
ので、このようにすると非反転入力端子電圧に等しいシ
ールド電圧をシールド線10に印加することができる。
これによって信号線9の電圧とシールド線10の電圧と
が等しくなり、両者間に浮遊容量が発生するのを回避す
ることができる。
てボルテージフォロワ3を用い、これによって回路構成
の簡素化を図っている。しかしながら回路規模にこだわ
らない場合には、シールド電圧印加手段として第1演算
増幅器1の反転入力端子電圧を位相・振幅補償できるよ
うな回路を用いてもよい。このような回路を用いると入
力電圧周波数ωがきわめて高いような場合にも、信号線
9とシールド線10との間を確実に同電位にして浮遊容
量の発生を防止することができる。さらにシールド電圧
印加手段として位相振幅補償回路を用いるような場合に
は、これをシールド線10と交流電圧発生器4との間に
接続し、第1交流電圧発生器4の電圧Vinを位相振幅
補償してシールド線10に印加するようにしてもよい。
ボルテージフォロワの出力電圧V2は前記電圧Vinに
基づいて形成されているので、このようにしてもボルテ
ージフォロワの出力電圧に基づくシールド電圧をシール
ド線10に印加することができるからである。
ピーダンス検出回路を示す回路図である。この検出回路
が実施形態1のものと異なるのは、第3演算増幅器(第
2の演算増幅器)20と、この第3演算増幅器20の反
転入力端子に一端が接続された第4抵抗(抵抗値R4)
21と、反転入力端子と出力端子との間に接続された第
5抵抗(抵抗値R5)22とで構成された反転増幅器を
設けている点である。そして第4抵抗21の他端を第1
交流電圧発生器4に接続するとともに、第3演算増幅器
20の出力端子に第2コンデンサ12を接続して電流I
cをインピーダンス素子8に供給するようにしている。
ここでは第3演算増幅器20の出力端子と信号線9との
間で第2コンデンサ(第2のインピーダンス)12が介
設された電路18が、インピーダンス素子8に所定の電
流Icを供給する電流路として機能している。また前記
構成の反転増幅器と、第1交流電圧発生器4と、第2コ
ンデンサ12とによって、インピーダンス素子8に所定
の電流を供給する電流源が構成されている。第3演算増
幅器20の出力端子からは、−(R5/R4)・Vin
で表される電圧(第2の増幅電圧)Voが出力される。
そしてこの検出回路では、各抵抗値を例えばR4=R
1、R5=R2・(1+Cd/Cc)となるように選択
している。すると実施形態1と同様に、電流Idのほぼ
全量を第2コンデンサ12を流れる電流Icで賄うこと
ができる。
ダンス素子8に供給する電流Icを、第3演算増幅器2
0から取り出すようにしている。従って交流電圧発生器
15、16の外部接続等は不要となり、全体をコンパク
トな回路に一体化してチップ化等を図ることができる。
またこの実施形態3においても、第2コンデンサ12と
並列に抵抗素子を設け、この抵抗素子に流れる電流によ
って第1演算増幅器1の非反転入力端子に流れ込む電流
Ip分を賄うようにしてもよい。さらに実施形態2のよ
うに、ボルテージフォロワ又はバッファ(シールド電圧
印加手段)3を介して第1演算増幅器1の反転入力端子
電圧をシールド線(信号線9を電気的に遮蔽するシール
ド手段)10に印加し、信号線9の電圧とシールド線1
0の電圧とを等しくして、両者間に浮遊容量が発生する
のを回避するようにしてもよい。
いて説明したが、この発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施す
ることができる。上記では信号線9の端部にインピーダ
ンス素子8として容量センサを取り付けるようにした
が、信号線9の端部に測定電極を形成し、この測定電極
と測定対象との間で形成される容量Csの変化分を上記
検出回路で検出するようにしてもよい。
容量センサを用いたが、これは誘導型のセンサを用いて
もよいし、抵抗型のセンサを用いてもよい。第1のイン
ピーダンスも上記のような容量素子7に限らず、抵抗素
子又は誘導性素子を用いることができる。また上記実施
形態でIcを供給するインピーダンスとして容量素子
(第2コンデンサ12)を用いたのは、インピーダンス
素子8として容量素子を用いたためであり、こうするこ
とでIdに等しいIcをインピーダンス素子8に確実に
供給できるからである。従ってインピーダンス素子8と
して誘導型のセンサを用いる場合には、Icを供給する
インピーダンスも誘導性素子とするのが望ましく、イン
ピーダンス素子8として抵抗型のセンサを用いる場合に
は、前記インピーダンスを抵抗素子とするのが望まし
い。
スとして容量素子(第1コンデンサ7)を用いたのも、
インピーダンス素子8として容量素子を用いたためであ
り、こうすることでIfとId(又はIs)との間にお
ける位相回りによる影響を抑制し、If中からIdを確
実に減殺することができるからである。従ってインピー
ダンス素子8として誘導型のセンサを用いる場合には、
第1のインピーダンスも誘導性素子とするのが望まし
く、インピーダンス素子8として抵抗型のセンサを用い
る場合には、前記第1のインピーダンスも抵抗素子とす
るのが望ましい。
を電流Icで賄うようにすれば、検出電圧Voutに対
するIdの寄与分を減少できるので、本発明の効果を得
ることができる。もっとも容量変化分ΔCを高感度で検
出するためには、上記のように電流Idのほぼ全量を電
流Icで賄ってIf=ΔIとなるようするのが好まし
い。
2を差し引いて出力する差動回路を演算増幅器等で構成
し、この差動回路を上記検出回路に含めるようにしても
よい。このようにすると差分回路の出力からはΔCに比
例した信号を得ることができ、以後の信号処理回路を簡
素化することができる。
Icと電流Irとをそれぞれ別の交流電圧発生器15、
16から取り出すようにしたが、両電流Ic、Irを単
一の交流電圧発生器から取り出すようにしてもよい。
Ω、R4=1kΩ、R5=10kΩ、Cc=2pFとし
た。インピーダンス素子8として、基礎容量値Cd=2
0pFの容量センサを使用し、容量Csを17pF〜2
3pFまで変化させた。容量センサに電流Icを供給し
ない場合を比較値とし、Cf=5pFの場合及びCf=
1pFの場合のそれぞれについて信号出力端子電圧Vo
utを測定した。
果を示し、同図(b)はCf=1pFとした場合の結果
を示している。Cf=5pFとした場合は、本発明実施
例及び比較例の双方で容量Csの変化に応じたVout
が検出されている。ただし電圧Voutの変化幅は約
0.15V程度であるので、容量Csの微少な変化を正
確に捉えるのは容易ではないと言える。一方、Cf=1
pFの場合、比較例では信号出力端子電圧Voutが電
源電圧に接近して飽和し、容量Csの検出がきわめて困
難となっている。本発明実施例では、この場合にも容量
Csの変化を検出でき、しかもこのときの電圧Vout
の変化幅は約0.65Vである。従って微小な容量Cs
の変化を高感度で正確に検出できることが明らかであ
る。
ンピーダンス検出方法では、インピーダンス素子のイン
ピーダンス変化に応じて変化することのない電流分を、
第1のインピーダンスに流れる電流中から減殺すること
ができる。従ってインピーダンス素子に生じた微小なイ
ンピーダンス量の変化を高感度で正確に検出することが
可能となる。また、特に演算増幅器を高速動作させてい
る場合においても出力信号に含まれる高調波を抑制する
ことができるので、高精度なインピーダンスの検出が可
能となる。
路を示す回路図である。
形例を示す回路図である。
路図である。
路図である。
の関係を、比較例と比較して示すグラフである。
である。
Claims (8)
- 【請求項1】 ボルテージフォロワと、一方の入力端子
を所定の電圧に接続した演算増幅器と、前記演算増幅器
の出力端子と前記ボルテージフォロワの入力端子との間
に設けられた第1のインピーダンスとを含み、第1の増
幅電圧を前記ボルテージフォロワから出力させる増幅回
路と、前記ボルテージフォロワの入力端子にその一端が
接続され他端にインピーダンス素子を接続できる信号線
と、前記演算増幅器の出力端子に接続された信号出力端
子と、前記信号線に接続され前記インピーダンス素子に
所定の電流を供給する電流路とを備えたことを特徴とす
るインピーダンス検出回路。 - 【請求項2】 さらに前記信号線の少なくとも一部を電
気的に遮蔽するシールド手段と、このシールド手段に前
記第1の増幅電圧に基づくシールド電圧を印加するシー
ルド電圧印加手段とを設けたことを特徴とする請求項1
のインピーダンス検出回路。 - 【請求項3】 ボルテージフォロワと、一方の入力端子
を所定の電圧に接続した演算増幅器と、この演算増幅器
の出力端子と前記ボルテージフォロワの入力端子との間
に設けられた第1のインピーダンスと、ボルテージフォ
ロワの入力端子にその一端を接続した信号線とを備えた
増幅回路を準備する第1の過程と、前記信号線の他端に
インピーダンス素子を接続する第2の過程と、前記増幅
回路の第1の増幅電圧を前記ボルテージフォロワから出
力させる第3の過程と、前記信号線に接続された電流路
から前記インピーダンス素子に所定の電流を供給する第
4の過程と、前記演算増幅器の出力端子から検出電圧を
取り出す第5の過程とを備えたことを特徴とするインピ
ーダンス検出方法。 - 【請求項4】 前記電流路は、第2の増幅電圧を出力す
る第2の演算増幅器の出力端子と前記信号線との間に設
けられ、第2のインピーダンスを介設していることを特
徴とする請求項1又は請求項2のインピーダンス検出回
路。 - 【請求項5】 前記電流路は、第2の増幅電圧を出力す
る第2の演算増幅器の出力端子と前記信号線との間に設
けられ、第2のインピーダンスを介設していることを特
徴とする請求項3のインピーダンス検出方法。 - 【請求項6】 前記インピーダンス素子と第1のインピ
ーダンスとが、交流に対して互いに同種の性質を有する
ことを特徴とする請求項1、請求項2又は請求項4のイ
ンピーダンス検出回路。 - 【請求項7】 前記インピーダンス素子と第1のインピ
ーダンスとが、交流に対して互いに同種の性質を有する
ことを特徴とする請求項3又は請求項5のインピーダン
ス検出方法。 - 【請求項8】 前記インピーダンス素子と第1のインピ
ーダンスとが、いずれも容量性であることを特徴とする
請求項6のインピーダンス検出回路。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000208902A JP3501398B2 (ja) | 2000-07-10 | 2000-07-10 | インピーダンス検出回路及びインピーダンス検出方法 |
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