JP3501403B2

JP3501403B2 - インピーダンス検出回路、インピーダンス検出装置、及びインピーダンス検出方法

Info

Publication number: JP3501403B2
Application number: JP2001268166A
Authority: JP
Inventors: 正巳八壁; 直樹池内; 浩一中野
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd; Hokuto Electronics Inc
Current assignee: Nippon Steel Corp; Hokuto Electronics Inc
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2004-03-02
Anticipated expiration: 2021-09-05
Also published as: JP2003075480A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、容量センサのよ
うなインピーダンス素子が有するインピーダンスを検出
するのに有用なインピーダンス検出回路、インピーダン
ス検出装置、及びインピーダンス検出方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】上記のようなインピーダンス検出回路の
従来例として、特開平９−２８０８０６号公報記載のも
のを挙げることができる。図１６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５８を、信号線５
７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５８を接続した信号線５７を電気的に遮蔽してい
る。そしてこのシールド線５６は、演算増幅器５９の非
反転入力端子に接続されている。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。

【０００３】上記従来の検出回路では、演算増幅器５９
の反転入力端子と非反転入力端子とがイマジナリ・ショ
ートの状態となる。従って反転入力端子に接続された信
号線５７と非反転入力端子に接続されたシールド線５６
とは、互いにほぼ同電位となる。そのため信号線５７を
シールド線５６で被覆しても両者５６、５７間の浮遊容
量はキャンセルされ、浮遊容量に影響されない正確な出
力電圧Ｖｄが得られるよう意図されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例によれば、
確かにセンサ５８の容量がある程度に大きいときは、信
号線５７とシールド線５６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。しかしな
がら、発明者らの試験においてセンサ５８の容量を小さ
くすると（例えば１０^−１５Ｆのオーダー）、期待され
たような正確な出力電圧Ｖｄが得られず、誤差が大きく
なるという現象が生じた。そこで発明者らは、この現象
について検討を重ねた。そしてその結果、次のような知
見を得るに至った。

【０００５】すなわち、上記従来例における演算増幅器
５９は、その入力端子に交流電圧Ｖａｃが印加されてい
る。ところが特に演算増幅器５９の非反転入力端子電圧
を高周波の交流電圧Ｖａｃによって変動させる時、演算
増幅器５９の現実の動作においては、演算増幅器５９の
内部のトラッキングエラー等により、イマジナリ・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・振幅のズレが発生する。そ
してこのズレ等により、演算増幅器５９の出力電圧に前
記交流電圧Ｖａｃの高調波が重畳されるという現象が生
じる。そしてこの高調波が、前記誤差の要因の一つにな
ることが分かった。また一方の端子がＤＣバイアスに接
続されていない状態の一つの演算増幅器５９でイマジナ
リ・ショートとゲインの２つの機能を持たせているた
め、特に高周波動作時には揺らぎが生じる。以上のこれ
らのことが、本発明に至る研究で初めて分かった。その
ため、演算増幅器５９のイマジナリ・ショートを利用し
て信号線５７とシールド線５６とを同電位にするだけで
は、容量センサ５８の容量が微小である場合に無視でき
ない浮遊容量が信号線５７とシールド線５６との間に存
在することになり、この浮遊容量の影響によって、前記
出力電圧Ｖｄに誤差が生じてしまうこともようやく分か
った。

【０００６】一方、近年のセンサ製造技術の向上に伴
い、上記のように例えば１０^−１５Ｆのオーダーという
微小インピーダンスを有するセンサが登場しつつある。
このようなセンサを用いれば、従来困難であった微小な
物理現象の監視が容易となる。そこで、このようなセン
サが有するような微小なインピーダンスを正確に検出で
きる回路及び装置の必要性が高まっている。

【０００７】この発明は、上記従来の課題を解決するた
めになされたものであって、その目的は、微小なインピ
ーダンス又は微少なインピーダンスの変化を正確に検出
するために有用なインピーダンス検出回路、インピーダ
ンス検出装置、及びインピーダンス検出方法を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願のインピーダンス検
出回路では、ボルテージフォロワと第１演算増幅器とを
含み、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、前記信号線の少なくとも一部を電気的に遮蔽する第
１シールド手段と、第１シールド手段の少なくとも一部
を電気的に包囲する第２シールド手段と、第１シールド
手段にシールド電圧を印加するシールド電圧印加手段
と、第２シールド手段に前記シールド電圧、グランド、
接地、所定の第１電圧からなる群より選ばれた１つに接
続可能にするスイッチ手段と、第１演算増幅器の出力端
子と前記信号線との間に設けられた第１インピーダンス
と、第１演算増幅器の出力端子に接続された信号出力端
子とを備えたことを特徴としている。

【０００９】ここで「インピーダンス素子」とは、部品
としての素子のほか、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形成されたインピーダ
ンスも含む。なお、第２シールド手段は、少なくとも１
層が基本であるが、２層以上（すなわち、第１シールド
とあわせて３層以上）でも勿論よい。コストと効果の比
から層数を決定すればよい。合計３層以上の中間の層
は、第１シールド、第２シールドいずれにも区分され得
る。それらの識別は、本願においては本質的ではない。

【００１０】また、本願のインピーダンス検出回路で
は、第１演算増幅器と、両入力端子がイマジナリ・ショ
ートの状態にある第２演算増幅器と、第２演算増幅器の
一方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、前記信号線の少なくと
も一部を電気的に遮蔽する第１シールド手段と、第１シ
ールド手段の少なくとも一部を電気的に包囲する第２シ
ールド手段と、第１シールド手段にシールド電圧を印加
するシールド電圧印加手段と、第２シールド手段に前記
シールド電圧、グランド、接地、所定の第１電圧からな
る群より選ばれた１つに接続可能にするスイッチ手段
と、第１演算増幅器の出力端子と前記信号線との間に設
けられた第１インピーダンスと、第１演算増幅器の出力
端子に接続された信号出力端子とを備えたことを特徴と
している。

【００１１】ここで、これらは、前記シールド電圧印加
手段が位相振幅補償手段を含んでもよいし、第１演算増
幅器の一方の入力端子が、所定の第１電圧に接続されて
いてもよい。この「所定の第１電圧」とは、予め定めら
れた電圧とも一定の電圧とも言うことができ、いずれも
インピーダンス検出中又はゼロ点等の調整中において既
知の電圧に維持されていることを指す。もちろんアース
への接続（接地）も含み、このような場合は零ボルトの
一定電圧に保たれるということと等価である。また、グ
ランドへの接続も含むが、グランドは、信号電位に対す
る基準電位（回路グランド）を示す。このグランドはア
ース（接地）とは異なるが、これらが接続された場合に
は、同電位となる。

【００１２】更に、本発明では、前記信号出力端子の出
力電圧から前記ボルテージフォロワ又は第２演算増幅器
の出力電圧を除去するキャンセル手段を設けてもよい。
この時、前記キャンセル手段は、前記両出力電圧のうち
一方の電圧を第３演算増幅器を用いて反転させる反転増
幅部と、前記両出力電圧のうち他方の電圧と前記反転増
幅部の出力電圧とを加算する加算部とを備えて成すよう
にしても良いし、前記両出力電圧のうち一方の電圧を反
転させる反転増幅部と、前記両出力電圧のうち他方の電
圧と前記反転増幅部の出力電圧とを第４演算増幅器を用
いて加算する加算部とを備えて成るようにしてもよい。
そして、これら第３演算増幅器または第４演算増幅器
は、その一方の入力端子が所定の第１電圧に接続されて
いてもよい。加えて、前記反転増幅部は、位相振幅補償
手段を備えてもよい。

【００１３】ここで、前記キャンセル手段は、前記両出
力電圧を入力とする減算部を備える構成としても良い
し、この時前記減算部が第５演算増幅器を含み、第５演
算増幅器の一方の入力端子を所定の第１電圧に接続する
ようにしてもよい。また、減算部の入力に位相振幅補償
手段を備えてもよい。

【００１４】本発明では、前記信号線に接続されたイン
ピーダンス素子に、具体的は反信号線側に、少なくとも
直流バイアス又は交流バイアスのいずれかを重畳できる
ようにしてもよい。

【００１５】また、本発明のインピーダンス検出回路
は、更に少なくとも一つの端子を持つ一次側接続端子と
少なくとも二つの端子を持つ二次側接続端子とを備えた
切替手段を含み、前記切替手段の前記一次側接続端子は
少なくともインピーダンス素子に接続され、前記二次側
接続端子は少なくとも信号線とシールド手段とに接続さ
れ、前記一次側接続端子の接続先が、前記二次側接続端
子の間で変化する切替手段を有しても良い。また、前記
二次側接続端子は、少なくともシールド手段と、少なく
とも直流又は交流のバイアス手段のいずれかとに接続さ
れるように構成してもよい。こうすることにより、イン
ピーダンス素子を信号線に接続したまま検出、非検出を
切り替えることができるようになる。この二次側接続端
子では、一つの端子電圧に対して所定の関係にある電圧
が他の端子に印加されている。ここで「所定の関係」と
は、予め定められた関係又は既知の関係のことである。
一例としては、両電圧間の位相・振幅の一方又は双方
が、一定の割合・漸次的・ランダムに変化するような関
係又は一定であるような関係をいい、回路全般の状況、
接続する素子あるいは周辺の環境等に従属している。ま
たここで、前記１次接続端子と切替接続可能な他の端子
を、さらに設けるようにすることが排除されているもの
でないのは勿論である。このとき、前記切替手段が複数
備えられてもよい。

【００１６】一方で、第１インピーダンスが、複数の抵
抗を備え、前記複数の抵抗の内少なくとも一つが選択さ
れる選択手段を備える構成を付加してもよい。この選択
手段は、前記切替手段に類似した構成で出来ており、第
１インピーダンスと信号線との間、あるいは第１インピ
ーダンスと信号出力端子との間のいずれにもしくは両方
に備えてもよい。両方に備えた方が、選択されていない
インピーダンスの影響を小さくできる。

【００１７】上記切替手段又は選択手段は、マルチプレ
クサで作られていても良い。更に、本発明の回路の増幅
特性を決めるインピーダンス部分のインピーダンス値を
変更する為の変更手段として、これらの切替手段又は選
択手段等が用いられても良い。

【００１８】インピーダンス素子が抵抗成分であるとき
は、第１インピーダンスは抵抗であり、インピーダンス
素子が容量性分であるときは、第１インピーダンスは容
量である方が、信号の位相や振幅を調整する上ではやり
やすく好ましい。

【００１９】本発明のインピーダンス検出装置では、前
記のインピーダンス検出回路と、前記信号線に外部から
インピーダンス素子を接続できる端子とを備えている。
この際、前記インピーダンス検出回路を実装した基板の
少なくとも一部を電気的に遮蔽する第３シールド手段と
を設け、この第３シールド手段に前記シールド電圧を印
加してもよい。また、前記第３シールド手段を外部に接
続できる端子や、バイアス手段に接続され外部から電圧
を印加できる端子を備えてもよい。これら端子は、測定
の精度を保持したまま、実際に使用する際の利便性を極
めて高めることができる。

【００２０】本発明のインピーダンス検出方法では、ボ
ルテージフォロワの一方の入力端子を信号線に接続し且
つ電流の出入が無い状態とし、前記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、前記信号線の少な
くとも一部をシールドする第１シールド手段に印加する
とともに、第１シールド手段の少なくとも一部を電気的
に包囲する第２シールド手段にはスイッチ手段を介し
て、前記シールド電圧、グランド、接地、所定の第１電
圧からなる群より選ばれた１つが印加可能であり、前記
信号線に接続された第１インピーダンスに流れる電流に
よってインピーダンス素子のインピーダンスを検出す
る。

【００２１】また、本発明のインピーダンス検出方法
は、第２の演算増幅器の両入力端子をイマジナリ・ショ
ートにし、一方の入力端子を信号線に接続し且つ電流の
出入が無い状態とし、他方の入力端子を、前記信号線の
少なくとも一部をシールドする第１シールド手段に接続
し、前記第１シールド手段にシールド電圧が印加される
とともに、前記第１シールド手段の少なくとも一部を電
気的に包囲する第２シールド手段には、スイッチ手段を
介して、前記シールド電圧、グランド、接地、所定の第
１電圧からなる群より選ばれた１つが印加可能であり、
前記信号線に接続された第１インピーダンスに流れる電
流によってインピーダンス素子のインピーダンスを検出
する。このとき、より好ましくは、前記第１シールド手
段にシールド電圧が印加されるとともに前記第２シール
ド手段にもスイッチ手段を介してシールド電圧が印加さ
れる。

【００２２】これらインピーダンス検出方法は、さらに
前記シールド電圧が、位相振幅補償されて第１シールド
手段及びスイッチ手段を介した第２シールド手段に印加
されてもよい。

【００２３】更に、前記ボルテージフォロワの出力又は
第２演算増幅器の出力を前記インピーダンス素子の検出
信号から差し引くようにしてもよい。

【００２４】加えて、前記信号線に接続されたインピー
ダンス素子に少なくとも直流バイアス又は交流バイアス
のいずれかを加えるようにしてもよい。

【００２５】本発明のインピーダンス検出方法では、前
記インピーダンス素子の接続先を前記信号線から前記第
１シールド手段へ切り替えて初期設定を行うことができ
る。

【００２６】同様に、第１インピーダンスの値を変えて
第１インピーダンスにかかる電位差を変化させゲインを
変える事もできる。

【００２７】上記してきたこれらのインピーダンス検出
回路、インピーダンス検出装置、又はインピーダンス検
出方法では、この様に、ボルテージフォロワ又は第２演
算増幅器によってシールドと信号線との電位を同電位と
し、第１演算増幅器によって電圧増幅を行うようにした
ことにより、回路内で、電圧増幅部分と、シールド・信
号線間の電位を同電位とする部分とを分けることがで
き、信号出力電圧に入力される交流電圧の高調波が重畳
されたり、演算増幅器の内部のトラッキングエラー等に
よる反転入力端子と非反転入力端子との間での微妙な位
相と振幅のズレを殆ど無くすことが出来、その結果とし
て、非常に微少または高精度なインピーダンスを測定す
る際の、シールドなどによる寄生容量の影響を最小限に
することができるようになる。こうしてインピーダンス
素子を流れる電流に正確に比例した信号を得ることが可
能となる。

【００２８】このとき、演算増幅器の一方の入力端子を
所定の第１電圧に接続すると、各演算増幅器の動作が安
定し、信号線とシールドとの間の浮遊容量をコントロー
ルしながら、インピーダンス素子に流れる電流に応じて
演算増幅器の出力端子に現れる電圧の高調波成分をさら
に抑制することが可能となる。

【００２９】また、第１シールド手段及び第２シールド
手段に印加する電圧を位相振幅補償すると、入力信号が
高周波であっても信号線と第１及び第２シールド手段と
の間の電位差が所望の値となるよう正確にコントロール
することが可能となり、例えば、信号線と第１及び第２
シールド手段の間の電位差をほぼ完全にゼロとすること
が出来、それによって、これらの間の浮遊容量をほぼ完
全にキャンセルすることが可能となる。なお、低周波の
場合では、位相振幅補償を用いなくとも許容誤差範囲に
なる場合もあるので、その時は、これを使用せずとも良
い。

【００３０】一方で、切替手段用いれば、本発明の回路
のリセットや初期設定等を、インピーダンス素子を接続
しながら又は切り離していずれでも正確に行うことがで
きる。これらにより、インピーダンス素子と信号線との
間の電位差を所定の関係に維持することが可能となり、
例えばこの電位差をゼロとすると、両者間の浮遊容量を
キャンセルすることが可能となり、更に精度向上を図る
ことができる。これは、マルチプレクサでも同様であ
る。

【００３１】また、選択手段を用いれば、第１インピー
ダンスの値を変えられ、第１インピーダンスに掛かる電
位差を変えることができ、そのゲインを測定精度を維持
したまま変化させることができる。

【００３２】このインピーダンス検出回路、装置、方法
では、前記した切替手段又は選択手段を用いることによ
り、選択されたインピーダンスと、選択されていないイ
ンピーダンスとの間の電位差を所定の関係に維持しつ
つ、本回路の増幅特性やゲインを変更することができ
る。従って検出対象や測定状況に応じて測定レンジ切替
を行う場合でも、その特性を正確に変化させて高精度な
検出を行うことが可能となる

【００３３】インピーダンス検出装置では、外部のイン
ピーダンス素子との接続を、測定信号が伝わる接続線と
の間の電位差が正確に制御された第１及び第２シールド
手段で遮蔽することが可能となる。例えば第１及び第２
シールド手段の電位を接続線の電位と等しいものとする
と、両者間の浮遊容量をキャンセルすることが可能とな
る。

【００３４】更に、このインピーダンス検出装置では、
インピーダンス検出回路を実装した基板自体を第３シー
ルド手段で電気的に遮蔽しているので、信号線と第３シ
ールド手段との間の電位差を正確にコントロールするこ
とが可能で、例えばこの電位差をゼロとすると、信号線
と基板外部との間の浮遊容量をキャンセルすることがで
き、微少なインピーダンス又は、微少なインピーダンス
の変化を正確に検出することが出来るようになる。

【００３５】

【発明の実施の形態】次に、この発明のインピーダンス
検出回路、インピーダンス検出方法、及びインピーダン
ス検出装置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。

【００３６】図１は、上記インピーダンス検出回路のコ
ア部１を取り出して示す回路図である。このコア部１
は、第１演算増幅器１２及び第２演算増幅器１１を備え
て構成されている。第２演算増幅器１１は、反転入力端
子と出力端子とが短絡され、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。また第２演算増幅器１１の非反転入
力端子には、信号線１９が接続されている。そしてこの
信号線１９に、インピーダンス素子１８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。
信号線１９に接続した前記容量センサの他端は、ＤＣバ
イアス端子（バイアス手段）２３に接続されるか、又は
グランドに接続される。そして、フローティングであっ
てもよいが、バイアス手段を接続した方がより精度よく
測定することが可能となる。また第２演算増幅器１２
は、その非反転入力端子がグランドに接続される一方、
反転入力端子には第１抵抗（抵抗値Ｒ１）１５及び第２
抵抗（抵抗値Ｒ２）１６のそれぞれ一端が接続されてい
る。好ましくはこのように非反転入力端子がグランドに
接続されるが、いってみれば機能的にはゼロ電位等に一
定に保持されればよく、例えばバイアス電圧が印加され
ても一定に保持さえされれば、いわゆる電気的なゆらぎ
を抑制できるので、そういった方法が採られてもよい。
そして第１抵抗１５の他端は交流電圧発生器（交流電圧
印加手段、発生交流電圧Ｖｉｎ、各周波数ω）１４に接
続され、第２抵抗１６の他端は前記第２演算増幅器１１
の出力端子に接続されている。

【００３７】また第１演算増幅器１２の出力端子は、第
３抵抗（第１インピーダンス、抵抗値Ｒ３）１７を介し
て前記第２演算増幅器１１の非反転入力端子に接続され
ている。さらに、第１演算増幅器１２の出力端子、第２
演算増幅器１１の非反転入力端子、及び前記容量センサ
を互いに接続するのに、２重シールドケーブルが用いら
れる。つまり、芯線である信号線１９は、内側シールド
線２０で被覆され、その内側シールド線２０は、さらに
外側シールド線４６で被覆されている。この内側シール
ド線２０は、外部から前記信号線１９を電気的に遮蔽す
るものであり、第２演算増幅器１１の出力信号を入力と
する補償回路（シールド電圧印加手段）１３の出力端子
に接続されている。外側シールド線４６は、外部から前
記信号線１９及び内側シールド線２０を電気的に遮蔽す
るものであり、切替スイッチ９５を介して、補償回路１
３の出力端子（つまり、内側シールド線２０）、グラン
ド及びアースのいずれかに選択的に接続される。

【００３８】また前記第１演算増幅器１２の出力端子に
信号出力端子２１が接続され、第２演算増幅器１１の出
力端子に交流出力端子２２が接続されている。さらに、
図が煩雑になるのを避けるため図１では図示していない
が、第２演算増幅器１１の非反転入力端子には、図８に
一例として示すように、正負電源間に接続されたＮ型Ｍ
ＯＳＦＥＴ４７ａ、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ４７ｂがアナログ
バッファ４７として設けられている。そしてこのアナロ
グバッファ４７の入力で前記信号線１９を受けることに
より、信号線１９側からみたインピーダンスをきわめて
高いものとしている。図２は、上記インピーダンス検出
回路のコア部１の他の一例である。交流電圧発生器１４
が第１演算増幅器１２に反転入力端子につながっていな
い他は図１とおなじであり、この様にしても、コア部１
を構成することが可能である。

【００３９】また図９は、前記コア部１における前記イ
ンピーダンス素子１８としての容量センサと信号線１９
との接続部分を詳細に示している。この接続部分には、
切替スイッチ（切替手段）２４が設けられている。この
切替スイッチ２４は、１次側接続端子２４ａの接続先
を、２つの２次側接続端子２４ｂと２４ｃとの間で切り
替えられるようにしたものである。この切替スイッチ２
４の２次側接続端子２４ｂに前記信号線１９が接続さ
れ、２４ｃには前記内側シールド線２０が接続されてい
る。そして切替スイッチ２４の１次側接続端子２４ａ
に、前記容量センサの一端を接続できるようになってい
る。

【００４０】図７は、前記コア部１に設けた補償回路１
３の一例を示す回路図である。この補償回路１３は、位
相調整部４８と振幅調整部４９とから構成されている。
位相調整部４８は、演算増幅器７１を用いた全域通過フ
ィルタとして構成されている。すなわち、入力端子３０
と演算増幅器７１の反転入力端子との間には抵抗７３が
設けられるとともに、前記入力端子３０と非反転入力端
子との間には可変抵抗７４が設けられている。また演算
増幅器７１の出力端子と反転入力端子との間に抵抗７５
が設けられ、さらに演算増幅器７１の非反転入力端子に
はコンデンサ７６が接続されている。抵抗７３と抵抗７
５との抵抗値は、互いに等しいものとされている。そし
てこの位相調整部４８の出力側は、振幅調整部４９の入
力側に接続されている。振幅調整部４９は、演算増幅器
７２を用いた反転増幅器として構成されている。すなわ
ち、その入力側と演算増幅器７２の反転入力端子との間
に抵抗７７が設けられ、また演算増幅器７２の出力端子
と反転入力端子との間に可変抵抗７８が設けられてい
る。そして演算増幅器７２の非反転入力端子はグランド
に接続されている。

【００４１】図３は、上記コア部１を含むインピーダン
ス検出回路の全体を示す回路図である。図１の回路図で
示すコア部１では補償回路１３の入力側を第２演算増幅
器１１の出力端子に接続していたが、この回路図に示す
コア部１では、補償回路１３の入力側は交流電圧発生器
１４に接続している。後述するように、このような接続
としても第２演算増幅器１１の出力電圧を位相振幅補償
して内側シールド線２０には印加することができる。な
お、外側シールド線４６については、図１の回路と同様
に、切替スイッチ９５を介して、補償回路１３の出力端
子（つまり、内側シールド線２０）、グランド及びアー
スのいずれかに選択的に接続される。

【００４２】上記コア部１の信号出力端子２１には、第
３演算増幅器３６を備えた反転増幅部２が接続される。
前記信号出力端子２１は、抵抗値可変の第４抵抗（抵抗
値Ｒ４）３２を介して第３演算増幅器３６の反転入力端
子に接続される。そしてこの反転入力端子と前記第３演
算増幅器３６の出力端子との間には、反転入力端子側か
ら順に第５抵抗（抵抗値Ｒ５）３３及び抵抗値可変の第
６抵抗（抵抗値Ｒ６）３４が直列に接続され、さらにこ
の第６抵抗３４と並列にコンデンサ３５が接続されてい
る。また前記第３演算増幅器３６の非反転入力端子はグ
ランドに接続されている。

【００４３】さらに上記コア部１の交流出力端子２２及
び前記反転増幅部２の反転出力端子４２は、第４演算増
幅器４０を備えた加算部３に接続されている。前記交流
出力端子２２は第７抵抗（抵抗値Ｒ７）３７を介して、
また前記反転出力端子４２は第８抵抗（抵抗値Ｒ８）３
８を介して、それぞれ第４演算増幅器４０の反転入力端
子に接続されている。そしてこの第４演算増幅器４０の
反転入力端子と出力端子とが第９抵抗（抵抗値Ｒ９）３
９で接続され、出力端子は加算出力端子４１に接続され
ている。また第４演算増幅器４０の非反転入力端子はグ
ランドに接続されている。

【００４４】図１０は、上記インピーダンス検出回路を
備えたインピーダンス検出装置を示す模式透過斜視図で
ある。インピーダンス検出回路が実装された基板４４
は、その内部を電気的に遮蔽するシールドケース（シー
ルド手段）４５内に設けられ、さらにその内部を電気的
に遮蔽する装置ケーシング（シールド手段）４内に配置
されている。この装置ケーシング４には、インピーダン
ス接続端子５、内側シールド端子６、外側シールド端子
７、バイアス入力端子８、及び接地端子９が、それぞれ
ケーシング４の外部に露出して設けられている。そして
前記基板４４からは、前記切替スイッチ２４の端子２４
ａに接続された信号線１９が延び、インピーダンス接続
端子５に接続されている。この信号線１９は内側シール
ド線２０で被覆されているが、この内側シールド線２０
はさらに外部から外側シールド線（シールド手段）４６
によって被覆され、この外側シールド線４６によって電
気的に遮蔽されている。内側シールド線２０は、前記シ
ールドケース４５及び内側シールド端子６に接続されて
いる。また、外側シールド線４６は外側シールド端子７
に接続されている。前記装置ケーシング４は、接地さ
れ、接地端子９に接続されている。バイアス入力端子８
は、前記検出回路のＤＣバイアス端子２３に接続されて
いる。なお、前記バイアス入力端子８は、前記ＤＣバイ
アス端子２３がフローティングやグランドに接続される
態様となる場合には設けられないこともある。

【００４５】次に、上記のように構成されたインピーダ
ンス検出回路及びインピーダンス検出装置の動作につい
て説明する。まず前記インピーダンス接続端子５から延
びる信号線１９の端部に、インピーダンス素子１８の一
例として容量センサを接続する。この接続には、２重シ
ールドケーブルを用いる。そしてこのケーブルの軸線を
当該容量センサの接続に用いるとともに、内側シールド
線を内側シールド端子６に接続し、外側シールド線を外
側シールド端子７に接続する。またバイアス入力端子８
は、ここでは接地端子９と接続する。

【００４６】前記容量センサのインピーダンスをＺとす
る。すると前記コア部１において、交流出力端子２２の
電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝−（Ｒ２／Ｒ１）・Ｖｉｎ (1) で表される。つまり、第１演算増幅器１２と第２演算増
幅器１１で構成されたボルテージフォロワ、第１抵抗１
５、第２抵抗１６によって、入力電圧Ｖｉｎを増幅した
電圧Ｖｏをボルテージフォロワの出力端子から出力させ
る増幅回路が構成されているのであるが、第２演算増幅
器１１の両入力端子がイマジナリーショート状態であ
り、第１演算増幅器１２とを含んで増幅回路が構成され
ていると言うことでもある。

【００４７】反転増幅部２のゲインが−１となるように
抵抗３２、３３、３４を設定すると、反転出力端子４２
の電圧Ｖｂは、Ｖｂ＝−Ｖｃで表される。さらに計算のために、前記加算部３のみに
注目した時、の加算出力端子４１の電圧Ｖａは、Ｖａ＝−Ｒ９・（（Ｖｏ／Ｒ７）＋（Ｖｂ／Ｒ８））となるから、各抵抗値をＲ７＝Ｒ８＝Ｒ９と等しくして
おくと、Ｖａはとなり、反転増幅部２と加算部３とによってキャンセル
手段が構成される事が分かる。

【００４８】ここで第３抵抗１７を前記容量センサに向
かって流れる電流をｉとすると、ボルテージフォロワや
イマジナリーショート等の機能によって、これらボルテ
ージフォロワや第２演算増幅器の入力端子で電流の出入
が無い状態となり、電流ｉのほぼ全量が前記容量センサ
に流れることになるからＶｏ＝Ｚ・ｉとなり、信号出力
端子２１から出力される検出信号の電圧Ｖｃは、Ｖｃ＝ｉ・Ｒ３＋Ｖｏ＝（１＋Ｒ３／Ｚ）・Ｖｏで表され、検出信号Ｖｃが第２演算増幅器の出力端子に
現れているＶｏを含んでいることが分かる。これを(1),
(2)式を用いて変形すると、Ｖａ＝Ｖｃ−Ｖｏ＝（１＋Ｒ３／Ｚ）・Ｖｏ―Ｖｏ＝（Ｒ３／Ｚ）・Ｖｏ＝−（Ｒ３・Ｒ２／（Ｚ・Ｒ１））・Ｖｉｎとなる。Ｚ＝１／（ｊωＣｓ）であるから、電圧Ｖａは結局、Ｖａ＝−（ｊωＣｓ・Ｒ３・Ｒ２／Ｒ１）・Ｖｉｎと表される。従って加算出力端子４１からは、前記容量
センサの容量値Ｃｓに比例した電圧値Ｖａが得られる。
従って、加算出力端子４１から電圧Ｖａを取り出し、そ
の後このＶａに基づいて種々の信号処理を行うことによ
り、容量値Ｃｓを得ることができる。

【００４９】前記第２演算増幅器１１は、その反転入力
端子と非反転入力端子とをイマジナリ・ショートの状態
として動作している。しかしながら第２演算増幅器１１
の入力インピーダンスも理想的な無限大ではないため、
前述のように反転入力端子の電圧Ｖｏｍと非反転入力端
子の電圧Ｖｏｐとの間には微小な振幅差及び位相差が発
生する。そしてこの振幅差及び位相差は、入力信号の周
波数が高くなるほど顕著になる。Ｖｉｎが１０^９Ｈｚの
オーダーの高周波で前記容量センサの容量Ｃｓが例えば
１０^−１５Ｆのオーダーであると、ＶｏｍとＶｏｐとの
間の振幅差及び位相差は無視することができなくなる。
そのためＣｓがゼロのときもＶｏ＝−Ｖｂとならず、測
定誤差が生じることになる。そこで前記容量センサの容
量値Ｃｓを測定する前に、前記切替スイッチ２４の１次
側接続端子２４ａを内側シールド線２０側の二次側接続
端子２４ｃに接続して第２演算増幅器１１の非反転入力
端子から前記容量センサを取り外した状態とする。そし
てこの状態で、上記のインピーダンス検出回路を動作さ
せる。そしてＶｏ＝−Ｖｂ、すなわちＶａ＝０となるよ
うに、反転増幅部２の第４抵抗３２を調整してＶｂの振
幅をＶｏと合わせ、また容量が並列に接続されている第
６抵抗３４を調整することで位相を回し、Ｖｂの位相を
−Ｖｏに合わせておく。すなわち、反転増幅部２は、ゼ
ロ調整手段としても機能するということである。

【００５０】上記のようにＶｏｍとＶｏｐとの間には僅
かに位相差・振幅差があるが、いずれも交流電圧Ｖｉｎ
に同期した信号である。そこで前記補償回路１３の位相
調整部４８に設けられた可変抵抗７４によってＶｉｎの
位相を調整するとともに、振幅調整部４９に設けられた
可変抵抗７８によってＶｉｎの振幅を調整し、Ｖｏｐと
位相及び振幅の等しいシールド電圧Ｖｏｓを形成する。
従ってこの場合には、交流電圧発生器１４及び補償回路
１３がシールド電圧発生手段として機能することにな
る。図１に示す回路においては補償回路１３の入力側を
第２演算増幅器１１の出力端子に接続していたが、これ
は第２演算増幅器１１の出力電圧Ｖｏが、その非反転入
力端子、すなわち信号線１９の電圧とイマジナリ・ショ
ートによってほぼ等しいからである。しかしながら交流
電圧Ｖｉｎも前記出力電圧Ｖｏと同期した信号であるか
ら、図３のようにＶｉｎを位相振幅補償して内側シール
ド線２０に印加することは、出力電圧Ｖｏを位相振幅補
償した信号を内側シールド線２０に印加したことと同様
なことになる。ボルテージフォロワの出力であるＶｏよ
りも検出回路の入力信号であるＶｉｎの方がノイズ成分
が少ないから、Ｖｉｎを位相振幅補償してＶｏｓを形成
し、内側シールド線２０に印加するとより高精度な検出
をすることが可能となる。これらによって内側シールド
線２０の電圧は瞬時においても信号線１９の電圧と等し
くなり、信号線１９と内側シールド線２０との間の浮遊
容量が確実にキャンセルされる。つまり、信号線１９を
流れる信号は、内側シールド線２０を流れる同電位の信
号によってガードされ、いわゆるガーディングによる測
定が実現される。

【００５１】上記インピーダンス検出回路及びインピー
ダンス検出装置では、補償回路１３で交流電圧Ｖｉｎ
（又はボルテージフォロワの出力電圧Ｖｏ）の振幅及び
位相を調整して、信号線１９の電圧Ｖｏｐと振幅及び位
相の等しいシールド電圧Ｖｏｓを形成し、これを内側シ
ールド線２０に印加している。従ってＶｉｎが数ｋＨｚ
〜数百ｋＨｚ程度の低周波は言うに及ばず、例えば１０
^９Ｈｚ以上の高周波であっても、信号線１９と内側シー
ルド線２０との間の浮遊容量を確実にキャンセルし、前
記容量センサが有する容量Ｃｓのみを正確に検出するこ
とができる。

【００５２】また第２演算増幅器１１は、全ての端子が
交流動作しているため、この第２演算増幅器１１だけで
大きなゲインを得ようとすると、揺らぎ等による演算誤
差が大きくなってしまう。そしてその結果、容量値Ｃｓ
の測定に誤差が含まれることになる。そこで上記では、
第２演算増幅器１１については反転入力端子と出力端子
とを短絡し、ゲイン＝１のボルテージフォロワとして機
能させている。そして第１演算増幅器１２を用いて、必
要なゲインはこの第１演算増幅器１２でかせぐようにし
ている。従ってＣｓの測定を正確に行うことができる。
また電圧増幅を行う第１演算増幅器１２は、その非反転
入力端子をグランドに接続している。非反転入力端子を
グランドに接続するとこの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。この端子は
電圧が安定すればよいので、グランドに接続する以外に
一定の電圧が印加されていてもよい。いずれにせよ高速
で動作させる場合には、この端子が一定の電圧値に保持
されていることが好ましい。これにより従来の回路で誤
差要因となっていたＶａの高調波成分が大幅に低減され
るので、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Ｃｓの測定をすることができる。

【００５３】さらに上記では、ＶｃからＶｏを差し引く
ことにより、Ｃｓに比例した電圧Ｖａを加算出力端子４
１から取り出せるようにしている。つまり、前記容量セ
ンサに流れる電流のみを検出できる。これによってＣｓ
を算出するために必要な以後の信号処理回路を簡素化し
て誤差要因の発生を極力抑制することができる。Ｖｃか
らＶｏを差し引くにあたっては、図４、図５や図６にあ
るように、直接減算器を用いることが多い。この場合、
演算増幅器５０，５１の入力端子には、ＶｃとＶｏとが
直接印加されるが、演算増幅器５０のように、安定化の
ために一つの端子が、グランドに接続または一定の電圧
に保持されるようにしてもよい。加えて、図６では、Ｖ
ｃの入力側に位相補償回路を設けているが、この様に、
いずれかの入力端子に位相振幅補償回路が付加されても
良い。また、一方で、図３の様に、ＶｃからＶｏを差し
引くにあたっては、Ｖｃを反転してからＶｏとを加算す
るようにしてもよい。これは、演算増幅器の動作を高精
度に安定化させるためには演算増幅器の非反転入力端子
をグランドに接続又は一定の電圧で保持することが望ま
しいが、反転増幅器と加算器との構成にすれば、それぞ
れ演算増幅器の非反転入力端子をグランドに接続又は一
定の電圧が印加されそれが保持されて構成することがで
きる。この例の場合では、反転増幅部２を構成する第３
演算増幅器３６と加算部３を構成する第４演算増幅器４
０の非反転入力端子とをそれぞれグランドに接続してい
る。いずれにせよ高速で動作させる場合には、これらの
非反転入力端子が一定の電圧値に保持されていれば演算
増幅器の動作が安定するので、こうした所定の電圧に端
子を接続することが好ましいのである。こうすることに
よって演算増幅器４０の出力電圧Ｖａに含まれ得る高調
波を抑制し、さらに精度の高いＣｓの測定をすることが
できるようにしている。

【００５４】また前記第２演算増幅器１１は、その反転
入力端子と非反転入力端子とをイマジナリ・ショートの
状態として動作している。しかしながら、両入力端子電
圧Ｖｏｍ、Ｖｏｐ間に振幅差及び位相差が生じるのは上
記の通りである。そのため反転増幅部２及び加算部３の
増幅度を正確に「１」となるように設定しても、Ｃｓ＝
０のときにＶａ＝０とならない。そこで上記では反転増
幅部２においてＶｃの位相及び振幅を調整できるように
し、Ｃｓ＝０のとき確実にＶａ＝０となるようなゼロ調
整を可能としている。またここでの位相調整は、演算増
幅器の非反転入力端子にコンデンサを接続した全域通過
フィルタによるのではなく、演算増幅器の非反転入力端
子をグランドに接続するとともに帰還回路に容量成分を
設けた反転増幅器によって行うようにしている。従っ
て、ここでも出力信号に含まれ得る高調波を抑制して、
Ｃｓの測定精度が低下するのを防止している。ここでも
前記端子は、上記と同様、グランドに接続する以外に一
定の電圧が印加されるようにしてもよい。

【００５５】ゼロ調整は、前記容量センサの接続を切り
離した状態で行うが、この接続の切り離しを通常のスイ
ッチで行うと、切り離された前記容量センサと信号線１
９との間に生じる浮遊容量により、正確なゼロ調整がで
きない。そこで本例のインピーダンス検出回路では、信
号線１９から切り離された前記容量センサを切替スイッ
チ２４で内側シールド線２０と接続するようにしてい
る。この内側シールド線２０に印加されている電圧Ｖｏ
ｓは信号線１９の電圧Ｖｏｐと等しいから、信号線１９
から切り離された前記容量センサと信号線１９との間に
浮遊容量を生じさせることなく、正確なゼロ調整をする
ことができる。

【００５６】さらに上記インピーダンス検出装置では、
信号線１９をシールドする内側シールド線２０を、さら
に外側シールド線４６でシールドしている。ケーブルが
短いときはこの外側シールド線４６をグランドに接続し
て、電圧Ｖｏｓが印加された内側シールド線２０に外乱
ノイズが重畳されるのを防止できる。従って信号線１９
と内側シールド線２０との同電位性を確実に維持するこ
とができる。またインピーダンス検出回路が実装された
基板４４をシールドケース４５内に入れ、このシールド
ケース４５を前記内側シールド線２０と同電位にしてい
る。従って、このシールドケース４５と信号線１９との
間で浮遊容量が発生するのを防止しつつ基板４４をシー
ルドすることができる。さらにシールドケース４５を収
納した装置ケーシング４を接地している。従って、電圧
Ｖｏｓが印加されたシールドケース４５に外乱ノイズが
重畳されるのを防止して、信号線１９とシールドケース
４５との同電位性を確実に維持することができる。

【００５７】また、上記インピーダンス検出回路で使用
された２重シールドケーブルの外側シールド線４６は、
切替スイッチ９５を介して、補償回路１３の出力端子
（つまり、内側シールド線２０）、グランド及びアース
のいずれかに接続される。外側シールド線４６が補償回
路１３の出力端子に接続された場合には、２重シールド
ケーブルの信号線１９は、内側シールド線２０と外側シ
ールド線４６によってガードされることとなり、より確
実に浮遊容量がキャンセルされる。また、外側シールド
線４６がグランドに接続された場合には、外乱ノイズが
２重シールドケーブルに進入して信号線１９や内側シー
ルド線２０を流れる信号に重畳してしまうことが防止さ
れ、安定した測定が確保される。さらに、外側シールド
線４６がアースに接続された場合には、グランドに接続
された場合と同様に、外乱ノイズや不要な電磁界が遮蔽
されることに加え、２重シールドケーブルの外被を接地
することによる人に対する安全性が確保される。

【００５８】このような２重シールドによる効果を示す
測定結果の一例を示す。なお、ここでは、上記インピー
ダンス検出回路におけるインピーダンス素子１８と第２
演算増幅器１１等とを接続するケーブル（ここでは、１
０数ｃｍ）として、信号線１９と内側シールド線２０だ
けからなる１重シールドケーブルを用いた場合と、信号
線１９と内側シールド線２０と外側シールド線４６から
なる２重シールドケーブルを用いた場合それぞれにおけ
る信号及びノイズを計測した。（１）１重シールドケーブルを用いた場合信号：０．４ｄＢＶノイズ：−３７．８ｄＢＶよって、Ｓ／Ｎ：３８．２ｄＢが得られた。（２）２重シールドケーブルを用いた場合信号：１．３ｄＢＶノイズ：−３８．７ｄＢＶよって、Ｓ／Ｎ：４０．０ｄＢが得られた。

【００５９】このように、１重シールドケーブルを用い
た場合に比べ、２重シールドケーブルを用いた場合に
は、約２ｄＢだけＳＮ比が向上されることが確認され
た。なお、このケーブルの長さが長くなるほど、このＳ
Ｎ比の向上が顕著になると考えられ、プローバ中やクラ
イオスタット中に測定試料を入れた状態でインピーダン
スを計測する場合等、測定試料とインピーダンス検出回
路とをより長いケーブルで接続した場合には、さらに大
きなシールド効果が発揮されると考えられる。

【００６０】本例のインピーダンス検出回路は、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１
９の端部にインピーダンス素子１８として容量センサを
取り付けるようにしたが、信号線１９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を上記検出回路又は測定装置で検出するように
してもよい。

【００６１】また上記では補償回路１３によって信号線
１９と内側シールド線２０とを同電位としたが、インピ
ーダンス検出回路の使用状況等により両者１９、２０間
に所定の電位差を与えたいような場合には、前記補償回
路１３で交流電圧Ｖｉｎの振幅と位相とを適宜に調整す
ればよい。

【００６２】さらに図１で示す上記検出回路の具体的な
構成は一例であって、他の回路構成を採用することがで
きるのは勿論である。例えばコア部１を構成する第１演
算増幅器１２及び第２演算増幅器１１を、それぞれ非反
転増幅器として構成するような回路としてもよい。

【００６３】また上記では補償回路１３を位相調整部４
８と振幅調整部４９とで構成したが、反転増幅部２と同
様の回路によって補償回路１３を構成してもよい。この
ようにすると演算増幅器の非反転入力端子がグランドに
接続されることになるので、シールド電圧に高調波が含
まれてこれが誤差要因となるのをさらに防止することが
できる。

【００６４】上記ではインピーダンス素子１８として容
量センサを用いたが、これは誘導性の素子を用いてもよ
い。また電圧によって容量が変化する素子のＣ−Ｖ（容
量−電圧）特性を検出する場合には、前記バイアス入力
端子８にＤＣ電圧を変化させながら印加すればよい。バ
イアス電圧は前記容量センサの反信号線側に印加される
から、信号線１９の電位Ｖｏｐ自体は一定の電圧を中心
に振動する交流電圧のままとなる。従ってＶｃが不安定
になってこれが測定結果の誤差要因となるのを回避する
ことができる。このようなＤＣバイアスの発生器は測定
装置に外部から接続してもよいが、予め検出回路のＤＣ
バイアス端子２３に接続して測定装置の内部に設けても
よい。また内部に設けた発生器と外部から接続した発生
器とを切り替えて前記ＤＣバイアス端子２３に接続でき
るようにしてもよい。

【００６５】さらに上記では単一のインピーダンス素子
を接続する場合を説明したが、複数のインピーダンス素
子を接続し、測定する素子を切り替えられるようにして
もよい。図１１は、このような場合における信号線１９
の端部を示す図である。複数のインピーダンス素子１
８、２６を設ける場合には、各素子１８、２６に対応し
て上記した切替スイッチ２４と同構成の切替スイッチ２
５を設ける。そして信号線１９を各２次側接続端子の一
つに接続するとともに、内側シールド線２０を２次側接
続端子の他の一つに接続する。１次側接続端子には、そ
れぞれインピーダンス素子１８、２６を接続する。そし
て両切替スイッチ２４、２５を次のように制御して、マ
ルチプレクサを構成できる。すなわち、一方の素子１８
を信号線１９に接続するときには、同図に示すように素
子１８が接続された切替スイッチ２４の１次側接続端子
と信号線とが接続され、他方の切替スイッチ２５の１次
側接続端子とシールドとが接続されるように両切替スイ
ッチ２４、２５を制御する。また他方の素子２６を信号
線１９に接続するときには、素子２６が接続された切替
スイッチ２５の１次側接続端子と信号線とが接続され、
他方の切替スイッチ２４の１次側接続端子とシールドと
が接続されるように両切替スイッチ２４、２５を制御す
る。またこのマルチプレクサは、検出回路のゼロ調整を
行う場合などに信号線１９から両素子１８、２６をとも
に切り離すように制御してもよいし、検出の目的等によ
っては両素子１８、２６をともに信号線に接続するよう
に制御してもよい。このマルチプレクサは、検出等の目
的とする素子を接続した切替スイッチ以外のすべての切
替スイッチをシールド線側に接続することにより、浮遊
容量等の外乱因子を極力減少させることができる。

【００６６】またこのような切替スイッチ２４は、増幅
回路のゲイン切替にも用いることができる。例えば図１
に示す第１インピーダンス１７の代わりに、抵抗値の異
なる複数の抵抗（インピーダンス）と各抵抗（インピー
ダンス）に対する選択手段として切替スイッチ２４を信
号線を複数の抵抗との間に設ける。図１２に示されるよ
うに、各抵抗の一端が第１演算増幅器１２の出力端子に
接続される一方、各抵抗の他端が前記切替スイッチ２４
の１次側接続端子２４ａに接続される。また２次側接続
端子の２４ｂを信号線に接続し、他の端子２４ｃを内側
シールド線２０に接続する。そしてこれら選択手段によ
って選択されたインピーダンスは合成インピーダンスと
なり、選択されなかった抵抗はその接続先が内側シール
ド線２０となるようする。このように各切替スイッチ２
４を制御するマルチプレクサは選択手段となっている。
すると上記と同様に、接続しない抵抗と信号線又はシー
ルドとの間に発生する浮遊容量を制御でき、Ｃｓの高精
度な検出を妨げることなくインピーダンス素子に加えら
れる電位差を変えることが可能となり、結果として、ゲ
インの切替ができるようになる。また、図１３に示すよ
うに、切替スイッチを第１演算増幅器１２と第１インピ
ーダンス１７との間に設けても良い。

【００６７】またこのような切替スイッチ２４は、増幅
回路のゲイン切替にも用いることができる。例えば図１
に示す第２抵抗１６の代わりに、図１４で示しているよ
うな、抵抗値の異なる複数の抵抗１２１，１２２と各抵
抗に対応して切替スイッチ２４、２５を設ける。そして
各抵抗の一端を第２演算増幅器１２の反転入力端子に接
続する一方、各抵抗の他端を前記切替スイッチ２４の１
次側接続端子２４ａに接続する。また２次側接続端子の
２４ｂを第２演算増幅器１１の出力端子に接続し、２次
側接続端子の２４ｃを内側シールド線２０に接続する。
そして第２演算増幅器１１の出力端子に接続する抵抗以
外は、その接続先が内側シールド線２０となるように各
切替スイッチ２４を制御してマルチプレクサを構成す
る。すると上記と同様に、接続しない抵抗と第２演算増
幅器１１の出力端子との間に発生する浮遊容量を制御で
き、Ｃｓの高精度な検出を妨げることなく増幅回路のゲ
イン切替ができる。なお例示はしていないが、第１抵抗
１５についても同様である。これらについても切替スイ
ッチ２４を用いて抵抗値の異なる複数の抵抗から回路に
接続する抵抗を選択できるようにし、選択されない抵抗
は電圧印加端子２４ｃに接続されるようにして、検出対
象や測定状況に応じた正確なレンジ切替ができるように
してもよい。

【００６８】上記では、切替スイッチ２４を、１次側接
続端子２４ａ、２次側接続端子２４ｂ、及び２４ｃを備
えた３端子切替スイッチとして構成した場合を示した。
しかしながらこれは、１次側接続端子２４ａが２個以上
とされ、接続先となる２次側接続端子が３個以上に構成
されていてもよい。そのような場合には、接続先となる
２次側接続端子のうち少なくとも１つがシールドに接続
され、この端子と他の２次側接続端子との間で１次側接
続端子２４ａの接続先が切り替えられるように成されて
いればよい。

【００６９】また信号線１９のシールドは、２重、３重
と重ねてシールドしてもよい。上記では２重シールドケ
ーブルの長さが約５０ｃｍ以上であるときは外側シール
ド線を内側シールド端子６に接続するようにしたが、第
１演算増幅器１２が十分な電流を取り出すことのできる
パワー型であるような場合には、そのパワーに見合った
長さまで５０ｃｍ以上の外側シールド線を接地端子９に
接続することができる。

【００７０】また、本実施の形態における２重シールド
ケーブルとして、図１５（ａ）に示されるような３同軸
ケーブル９１を用いたり、信号線とシールド用単線との
撚り線を銅メッシュ等で覆った構造のシールドケーブル
を用いてもよい。さらに、２重シールドケーブルの外側
シールド線４６の接続先を決定する図１に示された切替
スイッチ９５として、図１５（ｂ）に示されるような回
路基板上に実装できるロータリースイッチ９５ａを用い
たり、図１５（ｃ）に示されるような回路基板上の配線
パターン９５ｂをジャンパ線で接続する方式を用いた
り、図１５（ｄ）に示されるような回路基板上の配線パ
ターン９５ｃをはんだ付けして接続する方式又は同軸リ
レー等を用いたりしてもよい。

【００７１】また、本実施の形態では、２重シールドケ
ーブルの外側シールド線４６は、４端子の切替スイッチ
９５を介して、３つの接続先（ガード電位、グランド及
びアース）のいずれかに接続されたが、測定試料（イン
ピーダンス素子１８）の特性や信号線１９の長さ、測定
環境等が固定され、事前の実験等によってそれらの接続
先の中からシールド効果の高いものが確認されているな
らば、切替スイッチ９５に代えて、シールド効果の高い
２つの接続先から１つを選択する３接点のスイッチを用
いたり、スイッチを介することなく、外側シールド線４
６を最もシールド効果の高い接続先に固定的に接続した
りしてもよい。

【００７２】

【発明の効果】本発明のインピーダンス検出回路、イン
ピーダンス検出装置、又はインピーダンス検出方法で
は、信号線と内側及び外側シールド手段との間の浮遊容
量をコントロールしつつ、信号の出力端子に現れる電圧
に高調波等のノイズが含まれるのを抑制することができ
る。従って測定対象のインピーダンス素子が有するイン
ピーダンスを高精度で検出することが可能となる。

【００７３】また、インピーダンス素子と検出回路とを
接続する信号線は、内側及び外側シールド手段により２
重にシールドされる。そして、外側シールド手段は、切
替スイッチを介して、ガード電圧印加手段の出力端子、
グランド及びアースのいずれかに接続される。したがっ
て、測定対象となるインピーダンス素子の特性や測定環
境等に応じて、外側シールド手段を、より高いシールド
効果を発揮する接続先に接続し、外乱ノイズの信号線へ
の進入を遮断することができる。つまり、外側シールド
手段がガード電圧印加手段の出力端子に接続された場合
には、信号線は、内側シールド手段と外側シールド手段
によってガードされることとなり、より確実に浮遊容量
がキャンセルされる。また、外側シールド手段がグラン
ドに接続された場合には、外乱ノイズが信号線に進入し
て信号線や内側シールド手段を流れる信号に重畳してし
まうことが防止され、安定した測定が確保される。さら
に、外側シールド手段がアースに接続された場合には、
グランドに接続された場合と同様の効果に加え、２重シ
ールドケーブルの外被を接地することによる人に対する
安全性が確保される。

【００７４】また本発明のインピーダンス検出回路又は
インピーダンス検出方法では、信号線と内側及び外側シ
ールド手段との間の電位差を正確に所望の値とすること
ができる。例えばこの電位差をゼロとすれば、信号線と
内側及び外側シールド手段との間の浮遊容量をキャンセ
ルすることができる。また本発明のインピーダンス検出
装置では、外部のインピーダンス素子との接続線を、こ
の接続線との間の電位差が正確に制御された内側及び外
側シールド手段で遮蔽することができる。内側及び外側
シールド手段の電位を接続線の電位と等しいものとする
と、両者間の浮遊容量をキャンセルすることができる。
従ってこれらの検出回路、検出方法、又は検出装置で
は、インピーダンス素子の有するインピーダンスの値を
より正確に検出することが可能となる。

【００７５】さらに本発明のインピーダンス検出回路又
はインピーダンス検出方法では、インピーダンス素子を
流れる電流に比例した信号を得ることができるので、以
後の信号処理を簡素化して後段において含まれる誤差を
抑制することが可能となる。

【００７６】加えて本発明のインピーダンス検出回路、
インピーダンス検出装置、又はインピーダンス検出方法
では、インピーダンス素子にバイアスを印加しながらそ
のインピーダンスを検出することができるので、電圧に
よってインピーダンスが変化する素子についてインピー
ダンスの検出及びＣ−Ｖ測定を容易に行うことが可能と
なる。

【００７７】また切替手段を更に用いれば、インピーダ
ンス素子を信号線から切り離したときにも、インピーダ
ンス素子と信号線との間を所定電位に維持することがで
きる。例えばこの電位差をゼロとすると、両者間の浮遊
容量をキャンセルすることが可能となる。従って、例え
ばインピーダンス検出回路等においてゼロ調整、リセッ
ト、初期設定等の回路の更正を正確に行うことが可能と
なる。ここで、複数の切替手段又はマルチプレクサを用
いれば、複数の１次側から必要なインピーダンス素子だ
けを選択して２次側に接続する場合にも、接続から切り
離された１次側接続端子と２次側接続端子との間を所定
電位に維持することができ、例えばこの電位差をゼロと
すると、両者間の浮遊容量をキャンセルすることができ
るので、例えばインピーダンス検出回路等において、複
数の被測定素子（即ちインピーダンス素子）から適宜に
素子を選択してインピーダンス値を検出するような場合
にも、正確な検出を行うことが可能となる。

【００７８】さらにまた本発明のインピーダンス検出回
路では、選択手段やマルチプレクサを用いることによっ
て、回路中のインピーダンスを複数準備して適宜インピ
ーダンスを選択する際に、選択されない接続から切り離
されたインピーダンスと、その接続先との間を所定電位
に維持することができる。従って、検出対象に応じてレ
ンジ切替を、非選択インピーダンスにかかわる浮遊容量
をキャンセルして行うことが出来、その結果、回路の増
幅特性を正確に変化させて高精度な検出を行うことが可
能となる。

【００７９】本発明のインピーダンス検出装置では、信
号線や測定回路基板を遮蔽するシールド手段に外乱ノイ
ズが重畳するのを防止することができる。また本発明の
インピーダンス検出装置では、信号線と基板外部との間
の浮遊容量を正確にコントロールすることができる。従
ってこれらの装置では、一段と高精度なインピーダンス
検出を行うことが可能となる。

【００８０】

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態のインピーダンス検出回
路のコア部を示す回路図である。

【図２】この発明の一実施形態のインピーダンス検出回
路のコア部を示す回路図である。

【図３】上記インピーダンス検出回路を示す回路図であ
る。

【図４】上記インピーダンス検出回路の一部分を示す回
路図である。

【図５】上記インピーダンス検出回路の一部分を示す回
路図である。

【図６】上記インピーダンス検出回路の一部分を示す回
路図である。

【図７】上記コア部に設けられた補償回路を示す回路図
である。

【図８】上記コア部に設けられた第１演算増幅器の入力
側を示す回路図である。

【図９】上記コア部に設けられた信号線の端部を示す回
路図である。

【図１０】この発明の一実施形態のインピーダンス検出
装置を示す模式透過斜視図である。

【図１１】上記実施形態の変形例における信号線の端部
を示す回路図である。

【図１２】この発明のインピーダンス検出回路のコア部
の他の例を示す回路図である。

【図１３】この発明のインピーダンス検出回路のコア部
の他の例を示す回路図である。

【図１４】この発明のインピーダンス検出回路のコア部
の他の例を示す回路図である。

【図１５】（ａ）は、この発明のインピーダンス検出回
路の２重シールドケーブルの具体例を示す外観図であ
り、（ｂ）〜（ｄ）は、その２重シールドケーブルの外
側シールド線の接続先を切り替える切替スイッチの具体
例を示す外観図である。

【図１６】従来例のインピーダンス検出回路を示す回路
図である。

【符号の説明】

１コア部２反転増幅部３加算部４装置ケーシング５インピーダンス接続端子６内側シールド端子７外側シールド端子８バイアス入力端子９接地端子１１第２演算増幅器１２第１演算増幅器１３補償回路１４交流電圧発生器１５第１抵抗１６第２抵抗１７第３抵抗１８インピーダンス素子１９信号線２０内側シールド線２１信号出力端子２３ＤＣバイアス端子２４、２５、２６、９５切替スイッチ３２第４抵抗３３第５抵抗３４第６抵抗３５コンデンサ３６第３演算増幅器３７第７抵抗３８第８抵抗３９第９抵抗４０第４演算増幅器４４基板４５シールドケース４６外側シールド線５０、５１第５演算増幅器９１３同軸ケーブル９５ａロータリースイッチ９５ｂ、９５ｃ配線パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池内直樹兵庫県尼崎市扶桑町１番８号住友金属工業株式会社エレクトロニクス技術研究所内 (72)発明者中野浩一兵庫県西宮市塩瀬町名塩538番地北斗電子工業株式会社内 (56)参考文献特開平４−303775（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−82103（ＪＰ，Ａ) 特開平９−280806（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 27/00 - 27/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ボルテージフォロワと第１演算増幅器と
を含み、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、前記信号線の少なくとも一部を電気的に遮蔽する
第１シールド手段と、第１シールド手段の少なくとも一
部を電気的に包囲する第２シールド手段と、第１シール
ド手段にシールド電圧を印加するシールド電圧印加手段
と、第２シールド手段に前記シールド電圧、グランド、
接地、所定の第１電圧からなる群より選ばれた１つに接
続可能にするスイッチ手段と、第１演算増幅器の出力端
子と前記信号線との間に設けられた第１インピーダンス
と、第１演算増幅器の出力端子に接続された信号出力端
子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】第１演算増幅器と、両入力端子がイマジ
ナリ・ショートの状態にある第２演算増幅器と、第２演
算増幅器の一方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、前記信号線
の少なくとも一部を電気的に遮蔽する第１シールド手段
と、第１シールド手段の少なくとも一部を電気的に包囲
する第２シールド手段と、第１シールド手段にシールド
電圧を印加するシールド電圧印加手段と、第２シールド
手段に前記シールド電圧、グランド、接地、所定の第１
電圧からなる群より選ばれた１つに接続可能にするスイ
ッチ手段と、第１演算増幅器の出力端子と前記信号線と
の間に設けられた第１インピーダンスと、第１演算増幅
器の出力端子に接続された信号出力端子とを備えたこと
を特徴とするインピーダンス検出回路。
【請求項３】前記シールド電圧印加手段が位相振幅補
償手段を含むことを特徴とする請求項１又は２記載のイ
ンピーダンス検出回路。
【請求項４】第１演算増幅器の一方の入力端子が、所
定の第１電圧に接続されていることを特徴とする請求項
１〜３のいずれかに記載のインピーダンス検出回路。
【請求項５】前記信号出力端子の出力電圧から前記ボ
ルテージフォロワ又は第２演算増幅器の出力電圧を除去
するキャンセル手段を設けたことを特徴とする請求項１
〜４のいずれかのインピーダンス検出回路。
【請求項６】前記キャンセル手段は、前記両出力電圧
のうち一方の電圧を第３演算増幅器を用いて反転させる
反転増幅部と、前記両出力電圧のうち他方の電圧と前記
反転増幅部の出力電圧とを加算する加算部とを備えて成
り、第３演算増幅器は、その一方の入力端子を所定の第
１電圧に接続していることを特徴とする請求項５のイン
ピーダンス検出回路。
【請求項７】前記キャンセル手段は、前記両出力電圧
のうち一方の電圧を反転させる反転増幅部と、前記両出
力電圧のうち他方の電圧と前記反転増幅部の出力電圧と
を第４演算増幅器を用いて加算する加算部とを備えて成
り、第４演算増幅器は、その一方の入力端子を所定の第
１電圧に接続していることを特徴とする請求項５又は６
記載のインピーダンス検出回路。
【請求項８】前記反転増幅部は、位相振幅補償手段を
備えたことを特徴とする請求項６又は７記載のインピー
ダンス検出回路。
【請求項９】前記キャンセル手段は、前記両出力電圧
を入力とする減算部を備えることを特徴とする請求項５
記載のインピーダンス検出回路。
【請求項１０】前記減算部は、第５演算増幅器を含
み、第５演算増幅器の一つの入力端子を所定の第１電圧
に接続していることを特徴とする請求項９記載のインピ
ーダンス検出回路。
【請求項１１】前記信号線に接続されたインピーダン
ス素子に少なくとも直流バイアス又は交流バイアスのい
ずれかを重畳できるバイアス手段を設けたことを特徴と
する請求項１〜１０のいずれかに記載のインピーダンス
検出回路。
【請求項１２】請求項１〜１１のいずれかに記載のイ
ンピーダンス検出回路であって、ボルテージフォロワ又
は第２演算増幅器の非反転入力端子と前記信号線とが接
続されている事を特徴とするインピーダンス検出回路。
【請求項１３】インピーダンス検出回路は、更に少な
くとも一つの端子を持つ一次側接続端子と少なくとも二
つの端子を持つ二次側接続端子とを備えた切替手段を含
み、前記切替手段の前記一次側接続端子は少なくともイ
ンピーダンス素子に接続され、前記二次側接続端子は少
なくとも信号線と第１シールド手段とに接続され、前記
一次側接続端子の接続先が、前記二次側接続端子の間で
変化する事を特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記
載のインピーダンス検出回路。
【請求項１４】インピーダンス検出回路は、更に少な
くとも一つの端子を持つ一次側接続端子と少なくとも二
つの端子を持つ二次側接続端子とを備えた切替手段を含
み、前記切替手段の前記一次側接続端子は少なくともイ
ンピーダンス素子の信号線とは反対の端子に接続され、
前記二次側接続端子は少なくとも直流バイアス又は交流
バイアスのいずれかと第１シールド手段とに接続され、
前記一次側接続端子の接続先が、前記二次側接続端子の
間で変化する事を特徴とする請求項１〜１２のいずれか
に記載のインピーダンス検出回路。
【請求項１５】複数の前記切替手段を備えることを特
徴とする請求項１３又は１４記載のインピーダンス検出
回路。
【請求項１６】第１インピーダンスは複数のインピー
ダンスを備え、前記複数のインピーダンスの内少なくと
も一つが選択される選択手段を備え、前記選択手段は、
少なくとも一つの端子を持つ一次側接続端子と少なくと
も二つの端子を持つ二次側接続端子とを含み、前記一次
側接続端子は少なくとも前記インピーダンスに接続さ
れ、前記二次側接続端子は少なくとも第１シールド手段
とに接続され、前記一次側接続端子の接続先が、前記二
次側接続端子の間で変化する事を特徴とする請求項１〜
１５のいずれかに記載のインピーダンス検出回路。
【請求項１７】前記選択手段は、第１インピーダンス
と信号線との間、あるいは第１インピーダンスと信号出
力端子との間の少なくともいずれか一方に備えたことを
特徴とする請求項１６記載のインピーダンス検出回路。
【請求項１８】前記第１インピーダンスは、抵抗又は
容量である事を特徴とする請求項１〜１７のいずれかに
記載のインピーダンス検出回路。
【請求項１９】請求項１〜１８のいずれかのインピー
ダンス検出回路と、前記信号線に外部からインピーダン
ス素子を接続できる端子とを備えたことを特徴とするイ
ンピーダンス検出装置。
【請求項２０】請求項１〜１８のいずれか記載のイン
ピーダンス検出回路と、前記インピーダンス検出回路を
実装した基板の少なくとも一部を電気的に遮蔽する第３
シールド手段とを設け、この第３シールド手段に前記シ
ールド電圧を印加したことを特徴とするインピーダンス
検出装置。
【請求項２１】ボルテージフォロワの一方の入力端子
を信号線に接続し且つ電流の出入が無い状態とし、前記
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、前記信号線の少なくとも一部をシールドする第１シ
ールド手段に印加するとともに、第１シールド手段の少
なくとも一部を電気的に包囲する第２シールド手段には
スイッチ手段を介して、前記シールド電圧、グランド、
接地、所定の第１電圧からなる群より選ばれた１つが印
加可能であり、前記信号線に接続された第１インピーダ
ンスに流れる電流によって前記信号線に接続されたイン
ピーダンス素子のインピーダンスを検出する事を特徴と
するインピーダンス検出方法。
【請求項２２】第２の演算増幅器の両入力端子をイマ
ジナリ・ショートにし、一方の入力端子を信号線に接続
し且つ電流の出入が無い状態とし、他方の入力端子を、
前記信号線の少なくとも一部をシールドする第１シール
ド手段に接続し、前記第１シールド手段にシールド電圧
が印加されるとともに、前記第１シールド手段の少なく
とも一部を電気的に包囲する第２シールド手段には、ス
イッチ手段を介して、前記シールド電圧、グランド、接
地、所定の第１電圧からなる群より選ばれた１つが印加
可能であり、前記信号線に接続された第１インピーダン
スに流れる電流によって前記信号線に接続されたインピ
ーダンス素子のインピーダンスを検出することを特徴と
するインピーダンス検出方法。
【請求項２３】前記シールド電圧が、位相振幅補償さ
れて第１シールド手段に印加されるとともに前記スイッ
チ手段を介して前記第２シールド手段にも印加可能とす
ることを特徴とする請求項２１又は２２に記載のインピ
ーダンス検出方法。
【請求項２４】前記ボルテージフォロワの出力又は第
２演算増幅器の出力を前記インピーダンス素子の検出信
号から差し引くことを特徴とする請求項２１〜２３のい
ずれかに記載のインピーダンス検出方法。
【請求項２５】前記信号線に接続されたインピーダン
ス素子に少なくとも直流バイアス又は交流バイアスのい
ずれかを加えることを特徴とする請求項２１〜２４のい
ずれかのインピーダンス検出方法。
【請求項２６】前記インピーダンス素子の接続先を前
記信号線から前記第１シールド手段へ切り替えて初期設
定を行うことを特徴とする請求項２１〜２５のいずれか
に記載のインピーダンス検出方法。
【請求項２７】第１インピーダンスの値を変えて第１
インピーダンスにかかる電位差を変化させゲインを変え
る事を特徴とする請求項２１〜２６のいずれかに記載の
インピーダンス検出方法。