JP4072400B2 - Capacitance detection circuit, capacitance detection device, and microphone device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量を検出する回路及び装置等に関し、特に、微小な容量を高い精度で検出する回路、装置及びマイクロホン装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
静電容量検出回路の従来例として、静電容量式変位計を挙げることができる(例えば、特許文献1参照)。図9は、この静電容量検出回路を示す回路図である。この検出回路では、電極90、91で形成される容量センサ92が、信号線93を介して演算増幅器95の反転入力端子に接続されている。そしてこの演算増幅器95の出力端子と前記反転入力端子との間にコンデンサ96が接続されるとともに、非反転入力端子に交流電圧Vacが印加されている。また信号線93はシールド線94によって被覆され、外乱ノイズに対して電気的に遮蔽されている。そしてこのシールド線94は、演算増幅器95の非反転入力端子に接続されている。出力電圧Vdは、演算増幅器95の出力端子からトランス97を介して取り出される。
【0003】
この検出回路では、演算増幅器95の反転入力端子と非反転入力端子とがイマージナリショートの状態となり、反転入力端子に接続された信号線93と非反転入力端子に接続されたシールド線94とは、互いにほぼ同電位となる。これによって、信号線93はシールド線94によってガーディングされ、つまり、両者93、94間の浮遊容量はキャンセルされ、浮遊容量に影響されにくい出力電圧Vdが得られるというものである。
【0004】
【特許文献1】
特開平9−280806号公報(第2図)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来技術によれば、確かに容量センサ92の容量がある程度に大きいときは信号線93とシールド線94との間の浮遊容量に影響されない正確な出力電圧Vdを得ることができるものの、数pFあるいはfF(フェムトファラッド)オーダー以下の微小な容量の検出においては、誤差が大きくなってしまうという問題がある。
【0006】
また、印加する交流電圧Vacの周波数によっては、演算増幅器95の内部のトラッキングエラー等により、イマージナリショートの状態にある反転入力端子と非反転入力端子の電圧間にも結果的に微妙な位相・振幅のズレが発生し、検出誤差が大きくなってしまうという問題もある。
【0007】
一方、携帯電話機等に代表される軽量・小型の音声通信機器においては、コンデンサマイクロホン等の容量センサで検出した音声を、高感度かつ忠実に電気信号に変換するコンパクトな増幅回路が求められている。数pFあるいはfFオーダー以下の微小な容量又はその変化を正確に検出することができるならば、極めて高い感度で、かつ、忠実に音声を検出することが可能な高性能なマイクロホンが実現され、携帯電話機等の音声通信機器での音声のピックアップにおける性能が飛躍的に向上される。
【0008】
そこで、この発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、微小な容量を正確に検出することができ、かつ、軽量・小型の音声通信機器に使用されるコンデンサマイクロホン等の容量センサの容量検出に適した静電容量検出回路等を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る静電容量検出回路は、被検出コンデンサの静電容量に対応する検出信号を出力する静電容量検出回路であって、入力インピーダンスが高く出力インピーダンスが低いインピーダンス変換器と、容量性の第1インピーダンス素子と、演算増幅器と、前記演算増幅器に交流電圧を印加する交流電圧発生器と、前記演算増幅器の出力に接続される信号出力端子とを備え、前記インピーダンス変換器の入力端子には前記被検出コンデンサの一端と前記第1インピーダンス素子の一端とが接続され、前記演算増幅器の負帰還路に前記第1インピーダンス素子及び前記インピーダンス変換器が含まれ、前記被検出コンデンサと前記静電容量検出回路とは隣接して設けられていることを特徴とする。
【0010】
また、本発明に係る静電容量検出回路は、被検出コンデンサの静電容量に対応する検出信号を出力する静電容量検出回路であって、入力インピーダンスが高く出力インピーダンスが低いインピーダンス変換器と、容量性の第1インピーダンス素子と、演算増幅器と、前記演算増幅器に交流電圧を印加する交流電圧発生器と、前記演算増幅器の出力に接続される信号出力端子とを備え、前記インピーダンス変換器の入力端子には前記被検出コンデンサの一端と前記第1インピーダンス素子の一端とが接続され、前記演算増幅器の負帰還路に前記第1インピーダンス素子及び前記インピーダンス変換器が含まれ、前記被検出コンデンサと前記第1インピーダンス素子と前記インピーダンス変換器とが近接して設けられていることを特徴とする。
【0011】
具体例としては、交流電圧発生器と、非反転入力端子が所定の電位に接続された演算増幅器と、インピーダンス変換器と、演算増幅器の反転入力端子とインピーダンス変換器の出力端子間に接続される抵抗と、演算増幅器の出力端子とインピーダンス変換器の入力端子間に接続されるコンデンサ(第1インピーダンス素子)とを備える静電容量検出回路を構成し、被検出コンデンサはインピーダンス変換器の入力端子と所定の電位間に接続し、静電容量検出回路と被検出コンデンサとは隣接、又は、信号線の浮遊容量が接続される素子の容量の最大の値の10倍を超えないように短く近接した位置に設けておく。ここで、所定の電位とは、ある基準電位、所定の直流電位、接地電位またはフローティング状態のいずれかを指すものであり、実施の態様にあわせて最適なものが選択される。なお、さらに交流電圧発生器と演算増幅器の反転入力端子間に接続される第2インピーダンスとしての抵抗を設けても良い。
【0012】
このような構成によって、被検出コンデンサに一定の電圧が印加されるとともに、その被検出コンデンサに流れる電流のほとんど全てがコンデンサ(第1インピーダンス素子)に流れ、信号出力端子からは、被検出コンデンサの静電容量に対応した信号が出力される。
【0013】
なお、静電容量検出回路と被検出コンデンサとを接続する信号線へのノイズの混入や、その信号線の浮遊容量の発生を低減させるために、被検出コンデンサと静電容量検出回路とは可能な限り隣接した位置に設けておく。または、被検出コンデンサと第1インピーダンス素子とインピーダンス変換器とが可能な限り近接した位置に設けておく。
ここで、本願明細書において、「近接する」とは、信号線の浮遊容量が、被検出コンデンサの容量値又は容量性の第1インピーダンス素子の容量値の大きい方の容量値に対して10倍を超えない状態にあることをいう。これは、信号線の浮遊容量が、接続されている素子の容量値の一桁上の数値を超えない容量値としたときに、本発明の静電容量検出回路は、検出感度の大幅な悪化を防ぐことができるということが分かったものであり、これは経験的に得られたものである。この信号線の浮遊容量は、被検出コンデンサと、第1インピーダンス素子と、インピーダンス変換器とを信号線に接続しない状態で、容量測定を行えば測定できる。そして、本願明細書では、上記の近接した条件で隣り合って接している状態を「隣接」という。
【0014】
ここで、前記静電容量検出回路に加えて、信号出力端子での信号を反転する反転増幅回路と、インピーダンス変換器の出力信号と反転増幅回路の出力信号とを加算する加算回路とを付加してもよい。また、コンデンサ(第1インピーダンス素子)と並列に抵抗を接続しておいてもよい。
【0015】
また、本発明の応用として、被検出コンデンサは、容量の変化に応じて物理量を検出する容量型センサとし、静電容量検出回路は、プリント基板又はシリコン基板上に形成し、それら容量型センサと基板とを固定する、もしくは、一体成形しているものが好ましい。さらに具体例として、より好ましくは、被検出コンデンサとして、コンデンサマイクロホンを採用し、静電容量検出回路についてはICで実現し、それらコンデンサマイクとICとを一体化し、携帯電話機等に使用されるマイクロホンとして1つの筐体(シールドボックス)に収めてもよい。このとき、コンデンサマイクロホンとICとは隣接した位置に固定し、導電性の板、配線パターン、ワイヤボンディング等で接続しておく。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態例における静電容量検出回路10の回路図である。なお、本図では、この静電容量検出回路10に、検出対象である被検出コンデンサ17(ここでは、コンデンサマイクロホン等、静電容量Csの変化を利用して各種物理量を検出する容量型センサ)が接続されている。
【0017】
この静電容量検出回路10は、交流電圧を発生する交流電圧発生器11、抵抗(R1)12、抵抗(R2)13、演算増幅器14、インピーダンス素子(ここでは、容量Cfのコンデンサ)15及びインピーダンス変換器16から構成され、被検出コンデンサ17の静電容量に対応する検出信号(電圧Vout)を信号出力端子20から出力する。
【0018】
交流電圧発生器11は、一端が所定の電位(本例では、接地)に接続され、他端(出力端子)から一定の交流電圧(電圧Vin、角周波数ω)を発生している。交流電圧発生器11の出力端子と演算増幅器14の反転入力端子との間には抵抗(R1)12が接続されている。
【0019】
演算増幅器14は、入力インピーダンス及び開ループゲインが極めて高い電圧増幅器であり、ここでは、非反転入力端子が所定の電位(本例では、接地)に接続され、非反転入力端子及び反転入力端子がイマージナリショートの状態となっている。この演算増幅器14の負帰還路、つまり、演算増幅器14の出力端子から反転入力端子までの間に、コンデンサ15、インピーダンス変換器16及び抵抗(R2)13がこの順で直列に接続されている。
【0020】
インピーダンス変換器16は、入力インピーダンスが極めて高く、出力インピーダンスが極めて低く、電圧ゲインがA倍の電圧増幅器である。このインピーダンス変換器16の入力端子21には、信号線又はプリント基板上の配線パターン等の導電体を介して、被検出コンデンサ17の一端が接続され、一方、被検出コンデンサ17の他端は、所定の電位(本例では、接地)に接続されている。演算増幅器14の出力端子には、この静電容量検出回路10の出力信号、つまり、被検出コンデンサ17の容量に対応した検出信号を出力するための信号出力端子20が接続されている。なお、本願では、A倍等に示される変数Aはいずれも零(0)以外の実数を表す。
【0021】
なお、被検出コンデンサ17と静電容量検出回路10との接続について、不要な浮遊容量が検出誤差として加算されたり、外乱ノイズが混入したりすることを避けるために、可能な限り短い導電体(ケーブル、銅箔の配線パターン、接続端子など)で接続するのが好ましい。さらに、可能ならば、外乱ノイズに対する遮蔽を強化するために、被検出コンデンサ17及び静電容量検出回路10全体を接地されたシールド部材で覆ったり、シールドボックス内に収納するのが好ましい。
【0022】
以上のように構成された静電容量検出回路10の動作は以下の通りである。
抵抗(R1)12、抵抗(R2)13及び演算増幅器14等から構成される反転増幅回路に着目すると、演算増幅器14の両入力端子がイマージナリショートの状態となって同電位(例えば、0V)であり、かつ、その入力インピーダンスが極めて高く、電流が流れないことから、抵抗(R1)12を流れる電流は、Vin/R1となり、その全てが抵抗(R2)13を流れるので、インピーダンス変換器16の出力電圧をV2とすると、
Vin/R1=−V2/R2
が成り立つ。これを整理することにより、インピーダンス変換器16の出力電圧V2は、
V2=−(R2/R1)・Vin (式1)
となる。また、インピーダンス変換器16の電圧ゲインはAであるので、入力電圧(入力端子21の電圧)V1と出力電圧(出力端子22での電圧)V2との関係より、その入力電圧V1は、
V1=(1/A)・V2 (式2)
が成り立つ。また、コンデンサ15を被検出コンデンサ17に向かって流れる電流をiとすると、インピーダンス変換器16の入力インピーダンスが極めて高いことから、その電流iの全てが被検出コンデンサ17に流れるので、電流iは、jωCs・V1となり、信号出力端子20から出力される検出信号の電圧Voutは、
となる。
【0023】
上記式1と式2とから、V2を消去すると、
V1=−(R2/R1)・(Vin/A) (式4)
が得られ、このV1を上記式3に代入すると、
Vout=−(1+Cs/Cf)・(R2/R1)・(Vin/A) (式5)
が得られる。
【0024】
この式5から分かるように、静電容量検出回路10の信号出力端子20から出力される検出信号の電圧Voutは、被検出コンデンサ17の容量Csに依存した値となる。従って、この電圧Voutに対して種々の信号処理を施すことによって、容量Csを特定することができる。また、この式5には角周波数ωが含まれていないことから分かるように、この検出信号の電圧Voutは、交流電圧発生器11からの交流信号Vinの周波数及び被検出コンデンサの周波数の変化に依存しない。これによって、被検出コンデンサ17に印加される交流電圧の周波数に依存することなく、被検出コンデンサ17の容量を検出することができる(回路での周波数依存特性を有しない)静電容量検出回路が実現される。したがって、コンデンサマイクロホン等、容量値がある周波数(音声帯域)で変化するような被検出コンデンサ17に対して、検出された信号を周波数補正することなく、その電圧値から直接、容量値を特定することが可能となる。
【0025】
また、本実施の形態例の静電容量検出回路10では、コンデンサ15及び被検出コンデンサ17に電流を供給している演算増幅器14は、その非反転入力端子が所定の電位に接続され、固定化されている。したがって、図9に示される従来の回路における演算増幅器95と異なり、演算増幅器14は、入力される交流信号の周波数等に依存することなく、ノイズの少ない安定した電流をコンデンサ15及び被検出コンデンサ17に供給するので、被検出コンデンサ17の微小な容量の検出が可能となる。
【0026】
なお、本発明に関する実験によれば、図1の静電容量検出回路において、例えば、Cs(被検出コンデンサ:本実施の形態ではマイクロホン)の元々の静電容量が20pFのときに、信号線の浮遊容量が200pFを越すと、かなり検出感度が悪化した。また、前記Csについて、いくつかの別の静電容量値で確認したところ、同じ傾向の結果を得た。
また、第1インピーダンス素子である容量Cfと被検出コンデンサCsとは、この回路中ではともに信号線に接続された容量素子であり、どちらの素子についてみても計算上は前記と同じ結果をもたらすものと考えられる。
これらの実験結果及び経験から、信号線の浮遊容量が、当該Cs又はCfの容量値の一桁上の値を越えないように、被検出コンデンサと第1インピーダンス素子とインピーダンス変換器とを近接させると良好な検出感度が得られることが分かった。
【0027】
図2は、図1に示された静電容量検出回路10におけるインピーダンス変換器16の具体的な回路例を示す。図2(a)は、演算増幅器100を用いたボルテージフォロワを示している。演算増幅器100の反転入力端子と出力端子とが短絡されている。この演算増幅器100の非反転入力端子をインピーダンス変換器16の入力とし、演算増幅器100の出力端子をインピーダンス変換器16の出力とすることで、入力インピーダンスが極めて高く、電圧ゲインAが1となるインピーダンス変換器16が得られる。
【0028】
図2(b)は、演算増幅器101を用いた非反転増幅回路を示している。演算増幅器101の反転入力端子とグランド間に抵抗(R10)110が接続され、演算増幅器101の反転入力端子と出力端子間にフィードバック抵抗(抵抗(R11)33)が接続されている。この演算増幅器101の非反転入力端子をインピーダンス変換器16の入力とし、演算増幅器101の出力端子をインピーダンス変換器16の出力とすることで、入力インピーダンスが極めて高く、電圧ゲインAが(R10+R11)/R10となるインピーダンス変換器16が得られる。
【0029】
図2(c)は、図2(a)や図2(b)に示されるような演算増幅器の入力段にCMOS構造のバッファを付加した回路を示している。図示されるように、正負電源間にN型MOSFET34とP型MOSFET35とが抵抗112、113を介して直列に接続され、バッファの出力が演算増幅器100(又は101)の入力に接続されている。このバッファの入力をインピーダンス変換器16の入力とし、演算増幅器の出力端子をインピーダンス変換器16の出力とすることで、入力インピーダンスが極めて高いインピーダンス変換器16が得られる。
【0030】
図2(d)は、図2(c)の入力段のバッファのような回路を示している。図示されるように、正負電源間に、N型MOSFET34とP型MOSFET35とが直列に接続され、両MOSFETの接続部から出力がなされる。
【0031】
図2(e)は、演算増幅器102の非反転入力をインピーダンス変換器の入力とし、演算増幅器102の反転入力端子に抵抗114の一端を接続し、演算増幅器102の出力と反転入力間を抵抗115を介して接続したものとなっている。図2(d)及び図2(e)に示されるように、こうした構成をとることで入力インピーダンスが極めて高いインピーダンス変換器16が得られる。
【0032】
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態における静電容量検出回路について説明する。
【0033】
図3は、第2の実施の形態例における静電容量検出回路30の回路図である。この静電容量検出回路30は、大きく分けて、図1に示された静電容量検出回路10に相当するコア部31、そのコア部31の信号出力端子20での信号電圧V01を入力として反転する反転部32、及び、その反転部32の出力端子23での信号電圧V03とコア部31の交流出力端子22での信号電圧V02とを加算し、出力端子24に電圧V04の検出信号を出力する加算部33から構成される。
【0034】
コア部31は、図1に示された静電容量検出回路10と同一の回路である。したがって、コア部31の信号出力端子20の電圧V01は、上記式5より、
V01=−(1+Cs/Cf)・(R2/R1)・(Vin/A) (式6)
となり、コア部31の交流出力端子22の電圧V02は、上記式1より、
V02=−(R2/R1)・(Vin/A) (式7)
となる。
【0035】
反転部32は、可変抵抗(R4)40、抵抗(R5)41、可変抵抗(R6)42、コンデンサ43及び演算増幅器44を備えた反転増幅回路であり、電圧利得が−1で、かつ、その出力端子23での信号V03の位相がコア部31の交流出力端子22での信号V02と同一になるように、可変抵抗(R4)40及び可変抵抗(R6)42の抵抗値が調整されている。したがって、この反転部32の入力電圧V01と出力電圧V03とは、理想的には以下の関係が成り立っている。
V03=−V01 (式8)
【0036】
加算部33は、抵抗値の等しい3つの抵抗(R7)45、抵抗(R8)46及び抵抗(R9)47が演算増幅器48に接続された加算器である。つまり、2つの入力信号の電圧V02及びV03と、出力電圧V04とは、以下の関係が成り立つ。
V04=−(V02+V03) (式9)
この式9に、上記式8を代入してV03を消去した後に、上記式6及び式7を代入すると、
が成り立つ。つまり、この静電容量検出回路30の出力端子24から出力される検出信号の電圧V04は、容量値Csに比例することが分かる。よって、この電圧V04に基づいて、種々の信号処理を施すことで、未知の容量値Cs又は容量変化を容易に特定することができる。
【0037】
この式10と第1の実施の形態例における検出信号の電圧Voutを示す式5とを比較して分かるように、第2の実施の形態例における静電容量検出回路30で得られる検出信号は、第1の実施の形態例と異なり、被検出コンデンサ17の容量に比例する成分だけを含み、不要なオフセット分(被検出コンデンサ17に依存しない電圧)を含んでいない。したがって、第2の実施の形態例における検出信号から被検出コンデンサ17の容量を特定する信号処理は、簡易なもので済む。
なお、本例では、V03=−V01となる例で説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。容量センサの種類により、V03=k・V01(kは反転増幅部の増幅率)として、出力電圧V04が、
V04={k・(Cs/Cf)+(k+1)}・(R2/R1)・Vin
となるように設定してもよい。
【0038】
図4は、上記第1及び第2の実施の形態例における静電容量検出回路の電子機器への応用例を示す図である。ここでは、コンデンサマイクロホンと静電容量検出回路とが一体化された、携帯電話機等に用いられるマイクロホン50の断面図が示されている。このマイクロホン50は、音孔52を有する蓋体51と、音によって振動する振動膜53と、振動膜53を固定しているリング54と、スペーサ55aと、スペーサ55aを介して振動膜53と対抗して設けられた固定電極56と、固定電極56を支持する絶縁板55bと、絶縁板55bの裏面に固定された上記施の形態の静電容量検出回路が形成されたICチップ58と、ICチップ58をモールドしているICパッケージ59と、ICチップ58とワイヤボンディング等で接続された外部電極61a、61b等とから構成される。
【0039】
コンデンサを形成している一方の電極である振動膜53は、所定の電位(本例では、接地)に接続され、他方の電極である固定電極56は、アルミニウム板やワイヤボンディング、コンタクトホール等の導電体を介してICチップ58の回路に接続されている。振動膜53と固定電極56とからなるコンデンサの容量又はその変化は、絶縁板55bを介して隣接するICチップ58内の静電容量検出回路によって検出され、電気信号に変換されて、外部電極61a、61b等から出力される。なお、蓋体51は、アルミニウム等の金属からなり、絶縁基板60の上面に形成された導電膜(図示せず)とともに、内部のコンデンサ53、56やICチップ58への外乱ノイズの侵入を遮蔽するシールドボックスとしての役割を果たしている。また本例では、固定電極56と回路とを接続し、振動膜53を所定の電位に接続しているが、振動膜53と回路とを接続し、固定電極56を所定の電位に接続してもよい。ただし、経験的には前者の方が好ましい。
【0040】
図5は、図4に示されたマイクロホン50の概略的な外観図である。図5(a)は平面図、図5(b)は正面図、図5(c)は底面図である。図5(a)、(b)に示された蓋体51の大きさは、例えば、およそφ縦5mm×高さ2mmである。図5(c)に示された4つの外部電極61a〜61dは、例えば、静電容量検出回路の電源用の2つの端子と、出力信号用の2つの端子である。
【0041】
このような応用例においては、被検出コンデンサ(ここでは、コンデンサマイクロホン)と静電容量検出回路(ここでは、ICチップ)とは隣接して設けられ、信号線は極めて短く、その浮遊容量がコンデンサマイクロホンか回路内の第1インピーダンス素子のいずれか大きい方の容量値の10倍を超えないような長さの導電体によって接続されている。そして、それらの部品は、金属製の蓋体等のシールド部材で覆われている。したがって、このような応用例においては、被検出コンデンサと静電容量検出回路とを接続する信号線(導電体)に混入する外乱ノイズ等の悪影響については無視することができると考えられる。
【0042】
つまり、このような小型のマイクロホンにおいては、被検出コンデンサと静電容量検出回路とは極めて短い導電体で接続されるので、その間をシールド付きケーブルで接続したり、そのシールドにガード電圧を印加するための特殊な回路を設けることは、却って、回路規模を大きくし、回路のコンパクト化を妨げる。したがって、被検出コンデンサと静電容量検出回路とは、非シールドの(シールドされていない)導電板、配線パターン、ワイヤボンディング、リード線等により、最短経路を接続するのが好ましい。他のマイクロホンの例として、図6及び図7に、回路を基板にのせたものを示す。上記実施の形態例の静電容量検出回路が基板62に搭載された以外は基本的に同じである。
【0043】
以上、本発明に係る静電容量検出回路について、2つの実施の形態例及び製品への応用例に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態例及び応用例に限定されるものではない。
【0044】
例えば、静電容量検出回路10及び30において、被検出コンデンサ17に流れる電流を検出するために、演算増幅器14とインピーダンス変換器16との間に、コンデンサ15が接続されたが、抵抗やインダクタンス等のインピーダンス素子を接続することも考慮可能である。
【0045】
また、図8に示されるように、上記実施の形態における静電容量検出回路10及び30におけるコンデンサ15と並列に抵抗18を付加して接続してもよい。これによって、コンデンサ15と被検出コンデンサ17との接続点は、抵抗18を介して第1演算増幅器14の出力端子と接続されることになり、直流的にフローティング状態となることが解消され、電位が固定される。
【0046】
また、被検出コンデンサ17として接続される容量型センサは、コンデンサマイクロホンだけに限られず、加速度センサ、地震計、圧力センサ、変位センサ、変位計、近接センサ、タッチセンサ、イオンセンサ、湿度センサ、雨滴センサ、雪センサ、雷センサ、位置合わせセンサ、接触不良センサ、形状センサ、終点検出センサ、振動センサ、超音波センサ、角速度センサ、液量センサ、ガスセンサ、赤外線センサ、放射線センサ、水位計、凍結センサ、水分計、振動計、帯電センサ、プリント基板検査機等の公知の容量型センサなど、静電容量の変化を利用して各種物理量を検出する全てのトランスデューサ(デバイス)が含まれる。
【0047】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る静電容量検出回路、静電容量検出装置及びマイクロホン装置は、抵抗を介して演算増幅器に交流電圧を印加し、信号線に被検出コンデンサを接続することで、被検出コンデンサの容量を検出している。つまり、非反転入力端子を所定の電位に接続した演算増幅器の出力端子とインピーダンス変換器の入力端子間にコンデンサを接続するとともに、インピーダンス変換器の入力端子と所定の電位間に被検出コンデンサを接続している。
【0048】
これによって、被検出コンデンサに流れる電流の全てがコンデンサに流れ、演算増幅器の出力端子には被検出コンデンサの容量に対応する正確な信号が出力されることとなり、数pFあるいはfFオーダー以下の微小な容量の検出が可能となる。
【0049】
そして、演算増幅器の非反転入力端子は所定の電位に接続され、入力端子の一方の電位が固定されるので、演算増幅器は安定して動作し、演算誤差が低減し、検出信号に含まれるノイズが抑制される。
【0050】
また、演算増幅器とインピーダンス変換器との間にコンデンサが接続されているので、演算増幅器に印加される交流電圧の周波数に依存せず、被検出コンデンサの容量変化の周波数にも依存しない検出感度が確保される。さらに、演算増幅器とインピーダンス変換器との間に抵抗を接続した場合におけるその抵抗からの熱雑音によるS/N比の劣化という問題も生じない。
【0051】
なお、この静電容量検出回路と被検出コンデンサとを隣接した位置に設けておくか、又は、信号線に接続される回路素子を近接して設けることで、この間を接続するシールドケーブルや、そのケーブルで発生する浮遊容量をキャンセルする特殊な回路等は不要となる。
【0052】
ここで、前記静電容量検出回路に、信号出力端子での信号を反転する反転増幅回路と、インピーダンス変換器の出力信号と反転増幅回路の出力信号とを加算する加算回路とを付加してもよい。これによって、静電容量検出回路の出力信号に含まれる不要なオフセット成分が除去され、被検出コンデンサの容量に対応する正味の信号を大きく増幅することができる。
【0053】
また、被検出コンデンサをコンデンサマイクロホンとし、静電容量検出回路についてはICで実現し、それらコンデンサマイクホンとICとを一体化し、携帯電話機等に使用されるマイクロホンとして1つの筐体(シールドボックス)に収めることで、コンデンサマイクロホンと静電容量検出回路とは極めて隣接した位置に配置されるので、被検出コンデンサと静電容量検出回路とを接続するための径の大きなシールドケーブルやガード電圧を印加するための特殊な回路等が不要となる。
【0054】
さらに、本発明に係る静電容量検出回路は、被検出コンデンサに電流を流すことによって容量を検出しているので、エレクトレットコンデンサマイクロホン等のように、被検出コンデンサの電極に高分子フィルム等を貼り付けてエレクトレット化する必要がなく、通常の静電容量型センサに適用することができる。
【0055】
以上のように、本発明により、使用環境の限定も少なくなり、微小な容量を正確に検出することができ、かつ、小型化に適した静電容量検出回路等が実現され、特に、携帯電話機等の軽量・小型の音声通信機器の音声性能が飛躍的に向上され、その実用的価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における静電容量検出回路の回路図である。
【図2】(a)〜(e)は、本発明で使用可能なインピーダンス変換器の例を示す図である
【図3】本発明の第2の実施の形態における静電容量検出回路の回路図である。
【図4】本発明の静電容量検出回路の電子機器への応用例を示す図(マイクロホンの断面図)である。
【図5】図3に示されたマイクロホンの概略的な外観図であり、(a)は平面図、(b)は正面図、(c)は底面図である。
【図6】マイクロホンの他の一例の断面図である。
【図7】図5に示されたマイクロホンの概略的な外観図であり、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図8】本発明の他の実施の形態における静電容量検出回路の回路図である。
【図9】従来の静電容量検出回路の回路図である。
【符号の説明】
10、30 静電容量検出回路
11 交流電圧発生器
12、13、18、41、45〜47、110〜115 抵抗
14、44、48、100〜102 演算増幅器
15 コンデンサ(インピーダンス素子)
16 インピーダンス変換器
17 被検出コンデンサ
20 信号出力端子
21 インピーダンス変換器の入力端子
22 交流出力端子
23 反転部の出力端子
24 静電容量検出回路の出力端子
31 コア部
32 反転部
33 加算部
34、35 MOSET
40、42 可変抵抗
43 コンデンサ
50 マイクロホン
51 蓋体
52 音孔
53 振動膜
54 リング
55a スペーサ
56 固定電極
55b 絶縁板
58 ICチップ
59 ICパッケージ
60 絶縁基板
61a〜61d 外部電極
62 回路基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a circuit and device for detecting capacitance, and more particularly to a circuit, device and microphone device for detecting a minute capacitance with high accuracy.
[0002]
[Prior art]
As a conventional example of the capacitance detection circuit, a capacitance displacement meter can be cited (for example, see Patent Document 1). FIG. 9 is a circuit diagram showing this capacitance detection circuit. In this detection circuit, a
[0003]
In this detection circuit, the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-9-280806 (FIG. 2)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to such a conventional technique, when the capacitance of the
[0006]
Further, depending on the frequency of the AC voltage Vac to be applied, due to a tracking error in the
[0007]
On the other hand, in light and small audio communication devices represented by cellular phones and the like, there is a demand for a compact amplifier circuit that converts sound detected by a capacitance sensor such as a condenser microphone into an electric signal with high sensitivity and high fidelity. . If it is possible to accurately detect a minute capacitance of several pF or fF order or a change thereof, a high-performance microphone capable of detecting voice with high sensitivity and high fidelity can be realized and carried. The performance of voice pickup in voice communication devices such as telephones is greatly improved.
[0008]
Accordingly, the present invention has been made in view of such a situation, and can detect a minute capacitance accurately and can be used for a capacitive microphone or the like used in a lightweight and small audio communication device. It is an object of the present invention to provide a capacitance detection circuit and the like suitable for the detection of capacitance.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a capacitance detection circuit according to the present invention is a capacitance detection circuit that outputs a detection signal corresponding to the capacitance of a capacitor to be detected, and has a high input impedance and a high output impedance. A low impedance converter, a capacitive first impedance element, an operational amplifier, an AC voltage generator for applying an AC voltage to the operational amplifier, and a signal output terminal connected to the output of the operational amplifier, One terminal of the capacitor to be detected and one terminal of the first impedance element are connected to the input terminal of the impedance converter, and the first impedance element and the impedance converter are included in the negative feedback path of the operational amplifier, The detected capacitor and the capacitance detection circuit are provided adjacent to each other.
[0010]
The capacitance detection circuit according to the present invention is a capacitance detection circuit that outputs a detection signal corresponding to the capacitance of the capacitor to be detected, and an impedance converter having a high input impedance and a low output impedance; A capacitive first impedance element; an operational amplifier; an AC voltage generator for applying an AC voltage to the operational amplifier; and a signal output terminal connected to an output of the operational amplifier, the input of the impedance converter One end of the detected capacitor and one end of the first impedance element are connected to the terminal, and the first impedance element and the impedance converter are included in the negative feedback path of the operational amplifier. The first impedance element and the impedance converter are provided close to each other.
[0011]
As a specific example, an AC voltage generator, an operational amplifier whose non-inverting input terminal is connected to a predetermined potential, an impedance converter, and an inverting input terminal of the operational amplifier and an output terminal of the impedance converter are connected. A capacitance detection circuit comprising a resistor and a capacitor (first impedance element) connected between the output terminal of the operational amplifier and the input terminal of the impedance converter is configured, and the detected capacitor is connected to the input terminal of the impedance converter. Connected between predetermined potentials, the capacitance detection circuit and the capacitor to be detected are adjacent to each other, or short and close so that the stray capacitance of the signal line does not exceed 10 times the maximum value of the capacitance of the connected device. Keep it in place. Here, the predetermined potential refers to any one of a certain reference potential, a predetermined DC potential, a ground potential, or a floating state, and an optimum one is selected according to the embodiment. Further, a resistor as a second impedance connected between the AC voltage generator and the inverting input terminal of the operational amplifier may be provided.
[0012]
With this configuration, a constant voltage is applied to the detected capacitor, and almost all of the current flowing through the detected capacitor flows to the capacitor (first impedance element). From the signal output terminal, the detected capacitor A signal corresponding to the capacitance is output.
[0013]
Note that the capacitor to be detected and the capacitance detection circuit can be used to reduce noise from entering the signal line connecting the capacitance detection circuit and the capacitor to be detected, and to reduce the generation of stray capacitance on the signal line. Provide as close as possible. Alternatively, the capacitor to be detected, the first impedance element, and the impedance converter are provided as close as possible.
Here, in the present specification, “adjacent” means that the stray capacitance of the signal line is 10 times as large as the capacitance value of the capacitance value of the capacitor to be detected or the capacitance value of the capacitive first impedance element. It means that it is in a state not exceeding. This is because when the stray capacitance of the signal line is set to a capacitance value that does not exceed the numerical value of the connected element by one digit, the capacitance detection circuit of the present invention has a significant deterioration in detection sensitivity. It has been found that this can be prevented, and this has been obtained empirically. The stray capacitance of the signal line can be measured by measuring the capacitance without connecting the capacitor to be detected, the first impedance element, and the impedance converter to the signal line. And in this-application specification, the state which adjoins and adjoins on said close conditions is called "adjacent."
[0014]
Here, in addition to the capacitance detection circuit, an inverting amplifier circuit that inverts the signal at the signal output terminal and an adder circuit that adds the output signal of the impedance converter and the output signal of the inverting amplifier circuit are added. May be. A resistor may be connected in parallel with the capacitor (first impedance element).
[0015]
As an application of the present invention, the capacitor to be detected is a capacitive sensor that detects a physical quantity in accordance with a change in capacitance, and the capacitance detection circuit is formed on a printed circuit board or a silicon substrate. It is preferable that the substrate is fixed or integrally formed. As a specific example, more preferably, a condenser microphone is used as the capacitor to be detected, and the capacitance detection circuit is realized by an IC. The condenser microphone and the IC are integrated, and the microphone used for a mobile phone or the like. As well as a single housing (shield box). At this time, the condenser microphone and the IC are fixed at adjacent positions and connected by a conductive plate, a wiring pattern, wire bonding, or the like.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram of a
[0017]
The
[0018]
One end of the
[0019]
The
[0020]
The
[0021]
In order to avoid unnecessary stray capacitance being added as a detection error or mixing of disturbance noise in connection between the
[0022]
The operation of the
When attention is paid to an inverting amplifier circuit composed of a resistor (R1) 12, a resistor (R2) 13, an
Vin / R1 = -V2 / R2
Holds. By arranging this, the output voltage V2 of the
V2 =-(R2 / R1) · Vin (Formula 1)
It becomes. Since the voltage gain of the
V1 = (1 / A) · V2 (Formula 2)
Holds. Further, if the current flowing through the
It becomes.
[0023]
From equation 1 and equation 2, if V2 is eliminated,
V1 =-(R2 / R1). (Vin / A) (Formula 4)
And substituting this V1 into Equation 3 above,
Vout =-(1 + Cs / Cf). (R2 / R1). (Vin / A) (Formula 5)
Is obtained.
[0024]
As can be seen from Equation 5, the voltage Vout of the detection signal output from the
[0025]
Further, in the
[0026]
According to the experiment relating to the present invention, in the capacitance detection circuit of FIG. 1, for example, when the original capacitance of Cs (detected capacitor: microphone in this embodiment) is 20 pF, the signal line When the stray capacitance exceeded 200 pF, the detection sensitivity deteriorated considerably. Further, when Cs was confirmed with several different capacitance values, the same tendency was obtained.
In addition, the capacitor Cf and the capacitor Cs to be detected, which are the first impedance elements, are both capacitive elements connected to the signal line in this circuit, and both elements yield the same results as described above in terms of calculation. it is conceivable that.
From these experimental results and experience, the capacitor to be detected, the first impedance element, and the impedance converter are brought close to each other so that the stray capacitance of the signal line does not exceed the value of the capacitance value of Cs or Cf by one digit. It was found that good detection sensitivity was obtained.
[0027]
FIG. 2 shows a specific circuit example of the
[0028]
FIG. 2B shows a non-inverting amplifier circuit using the
[0029]
FIG. 2C shows a circuit in which a CMOS structure buffer is added to the input stage of the operational amplifier as shown in FIGS. 2A and 2B. As shown in the figure, an N-
[0030]
FIG. 2D shows a circuit like the input stage buffer of FIG. As shown in the figure, an N-
[0031]
2E, the non-inverting input of the
[0032]
(Second Embodiment)
Next, a capacitance detection circuit according to the second embodiment of the present invention will be described.
[0033]
FIG. 3 is a circuit diagram of the
[0034]
The
V01 =-(1 + Cs / Cf). (R2 / R1). (Vin / A) (Formula 6)
Thus, the voltage V02 of the
V02 =-(R2 / R1) (Vin / A) (Formula 7)
It becomes.
[0035]
The inverting
V03 = -V01 (Formula 8)
[0036]
The
V04 =-(V02 + V03) (Formula 9)
Substituting Equation 6 and Equation 7 after substituting Equation 8 into Equation 9 and erasing V03,
Holds. That is, it can be seen that the voltage V04 of the detection signal output from the
[0037]
As can be seen by comparing
In this example, V03 = −V01 has been described as an example, but the present invention is not limited to this. Depending on the type of capacitance sensor, V03 = k · V01 (k is the amplification factor of the inverting amplifier), and the output voltage V04 is
V04 = {k · (Cs / Cf) + (k + 1)} · (R2 / R1) · Vin
You may set so that.
[0038]
FIG. 4 is a diagram showing an application example of the capacitance detection circuit in the first and second embodiments to an electronic device. Here, a cross-sectional view of a
[0039]
The vibrating
[0040]
FIG. 5 is a schematic external view of the
[0041]
In such an application example, the capacitor to be detected (here, the condenser microphone) and the capacitance detection circuit (here, the IC chip) are provided adjacent to each other, the signal line is extremely short, and the stray capacitance is the capacitor. They are connected by a conductor having a length that does not exceed 10 times the larger capacitance value of the microphone or the first impedance element in the circuit, whichever is larger. These parts are covered with a shield member such as a metal lid. Therefore, in such an application example, it is considered that adverse effects such as disturbance noise mixed in a signal line (conductor) connecting the capacitor to be detected and the capacitance detection circuit can be ignored.
[0042]
In other words, in such a small microphone, the capacitor to be detected and the capacitance detection circuit are connected by a very short conductor, so that a shielded cable is connected between them or a guard voltage is applied to the shield. However, the provision of a special circuit for increasing the circuit scale prevents the circuit from being made compact. Therefore, it is preferable to connect the shortest path between the capacitor to be detected and the capacitance detection circuit by an unshielded (unshielded) conductive plate, wiring pattern, wire bonding, lead wire or the like. As another example of the microphone, FIGS. 6 and 7 show a circuit placed on a substrate. This is basically the same except that the capacitance detection circuit of the above embodiment is mounted on the
[0043]
As described above, the capacitance detection circuit according to the present invention has been described based on two embodiment examples and application examples to products. However, the present invention is limited to these embodiment examples and application examples. is not.
[0044]
For example, in the
[0045]
Further, as shown in FIG. 8, a
[0046]
Further, the capacitive sensor connected as the capacitor to be detected 17 is not limited to the condenser microphone, but an acceleration sensor, seismometer, pressure sensor, displacement sensor, displacement meter, proximity sensor, touch sensor, ion sensor, humidity sensor, raindrop Sensor, snow sensor, lightning sensor, alignment sensor, contact failure sensor, shape sensor, end point detection sensor, vibration sensor, ultrasonic sensor, angular velocity sensor, liquid level sensor, gas sensor, infrared sensor, radiation sensor, water level gauge, freezing sensor All transducers (devices) that detect various physical quantities using changes in capacitance, such as known capacitive sensors such as moisture meters, vibrometers, charge sensors, and printed circuit board inspection machines, are included.
[0047]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the capacitance detection circuit, the capacitance detection device, and the microphone device according to the present invention apply an AC voltage to the operational amplifier through the resistor and connect the detected capacitor to the signal line. By doing so, the capacitance of the capacitor to be detected is detected. In other words, a capacitor is connected between the output terminal of the operational amplifier with the non-inverting input terminal connected to a predetermined potential and the input terminal of the impedance converter, and a detected capacitor is connected between the input terminal of the impedance converter and the predetermined potential. is doing.
[0048]
As a result, all of the current flowing through the capacitor to be detected flows through the capacitor, and an accurate signal corresponding to the capacitance of the capacitor to be detected is output to the output terminal of the operational amplifier. The capacity can be detected.
[0049]
Since the non-inverting input terminal of the operational amplifier is connected to a predetermined potential and one potential of the input terminal is fixed, the operational amplifier operates stably, the operational error is reduced, and the noise included in the detection signal Is suppressed.
[0050]
In addition, since a capacitor is connected between the operational amplifier and the impedance converter, the detection sensitivity does not depend on the frequency of the AC voltage applied to the operational amplifier and does not depend on the frequency of the capacitance change of the detected capacitor. Secured. Further, when a resistor is connected between the operational amplifier and the impedance converter, there is no problem of deterioration of the S / N ratio due to thermal noise from the resistor.
[0051]
The electrostatic capacitance detection circuit and the capacitor to be detected are provided at adjacent positions, or by providing a circuit element connected to the signal line close to each other, a shielded cable that connects between them, A special circuit that cancels the stray capacitance generated in the cable is not necessary.
[0052]
Here, an inverting amplifier circuit that inverts the signal at the signal output terminal and an adder circuit that adds the output signal of the impedance converter and the output signal of the inverting amplifier circuit may be added to the capacitance detection circuit. Good. Thereby, an unnecessary offset component included in the output signal of the capacitance detection circuit is removed, and the net signal corresponding to the capacitance of the detected capacitor can be greatly amplified.
[0053]
The capacitor to be detected is a condenser microphone, and the capacitance detection circuit is realized by an IC. The condenser microphone and the IC are integrated to form a single casing (shield box) as a microphone used in a mobile phone or the like. Since the condenser microphone and the capacitance detection circuit are placed very close to each other, a shield cable with a large diameter and a guard voltage are applied to connect the capacitor to be detected and the capacitance detection circuit. A special circuit or the like is not required.
[0054]
Furthermore, since the capacitance detection circuit according to the present invention detects the capacitance by passing a current through the capacitor to be detected, a polymer film or the like is attached to the electrode of the capacitor to be detected, such as an electret condenser microphone. There is no need to attach it to an electret and it can be applied to a normal capacitance type sensor.
[0055]
As described above, according to the present invention, there is less limitation on the use environment, and a capacitance detection circuit and the like that can accurately detect a minute capacitance and are suitable for miniaturization are realized. The voice performance of such lightweight and small voice communication devices is dramatically improved, and its practical value is extremely high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a capacitance detection circuit according to a first embodiment of the present invention.
2A to 2E are diagrams showing examples of impedance converters that can be used in the present invention. FIG. 3 is a circuit diagram of a capacitance detection circuit according to a second embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 4 is a diagram (cross-sectional view of a microphone) showing an application example of the capacitance detection circuit of the present invention to an electronic device.
5A and 5B are schematic external views of the microphone shown in FIG. 3, wherein FIG. 5A is a plan view, FIG. 5B is a front view, and FIG. 5C is a bottom view.
FIG. 6 is a cross-sectional view of another example of a microphone.
7 is a schematic external view of the microphone shown in FIG. 5, where (a) is a plan view and (b) is a front view. FIG.
FIG. 8 is a circuit diagram of a capacitance detection circuit according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a circuit diagram of a conventional capacitance detection circuit.
[Explanation of symbols]
10, 30
16
40, 42
Claims (9)
入力インピーダンスが高く出力インピーダンスが低いインピーダンス変換器と、容量性の第1インピーダンス素子と、演算増幅器と、前記演算増幅器に交流電圧を印加する交流電圧発生器と、前記演算増幅器の出力に接続される信号出力端子とを備え、
前記インピーダンス変換器の入力端子には前記被検出コンデンサの一端と前記第1インピーダンス素子の一端とが信号線で接続され、
前記演算増幅器の負帰還路に前記第1インピーダンス素子及び前記インピーダンス変換器が含まれ、
前記被検出コンデンサと前記第1インピーダンス素子と前記インピーダンス変換器とは、前記信号線の浮遊容量が、前記被検出コンデンサの容量値又は前記第1インピーダンス素子の容量値の大きい方の容量値に対して10倍を超えないほど、近接して設けられている
ことを特徴とする静電容量検出回路。A capacitance detection circuit that outputs a detection signal corresponding to the capacitance of the capacitor to be detected,
An impedance converter having a high input impedance and a low output impedance, a capacitive first impedance element, an operational amplifier, an AC voltage generator for applying an AC voltage to the operational amplifier, and an output of the operational amplifier Signal output terminal,
One end of the detected capacitor and one end of the first impedance element are connected to the input terminal of the impedance converter with a signal line ,
The negative feedback path of the operational amplifier includes the first impedance element and the impedance converter;
The detected capacitor, the first impedance element, and the impedance converter are configured such that the stray capacitance of the signal line is larger than a capacitance value of the capacitance value of the detected capacitor or the capacitance value of the first impedance element. The capacitance detection circuit is provided so as not to exceed 10 times .
ことを特徴とする請求項1記載の静電容量検出回路。 The capacitance detection circuit according to claim 1 , wherein the capacitor to be detected and the capacitance detection circuit are provided adjacent to and in contact with each other .
ことを特徴とする請求項1又は2記載の静電容量検出回路。The capacitance detection circuit according to claim 1, wherein the capacitance detection circuit further includes a resistance element connected in parallel with the first impedance element.
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の静電容量検出回路。The capacitance detection circuit according to claim 1, further comprising a second impedance provided between the AC voltage generator and the operational amplifier.
前記信号出力端子での信号を反転する反転増幅回路と、
前記インピーダンス変換器の出力信号と前記反転増幅回路の出力信号とを加算する加算回路とを備える
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の静電容量検出回路。The capacitance detection circuit further includes:
An inverting amplifier circuit for inverting the signal at the signal output terminal;
The capacitance detection circuit according to any one of claims 1 to 4, further comprising: an addition circuit that adds an output signal of the impedance converter and an output signal of the inverting amplification circuit.
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の静電容量検出回路。The capacitance detection circuit according to claim 1, wherein one end of the capacitor to be detected and the input terminal of the impedance converter are connected by an unshielded conductor.
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の静電容量検出回路。The capacitance detection circuit according to claim 1, wherein the capacitor to be detected and the capacitance detection circuit are housed in one shield box.
プリント基板又はシリコン基板上に形成され、前記容量型センサに固定して設けられている請求項1〜7のいずれか1項に記載の静電容量検出回路と
を備えることを特徴とする静電容量検出装置。A capacitive sensor as the detected capacitor for detecting a physical quantity in accordance with a change in capacitance;
An electrostatic capacitance comprising: the electrostatic capacitance detection circuit according to claim 1, wherein the electrostatic capacitance detection circuit is provided on a printed circuit board or a silicon substrate, and is fixed to the capacitive sensor. Capacity detection device.
請求項1〜7のいずれか1項に記載の静電容量検出回路と
を備えることを特徴とするマイクロホン装置。A condenser microphone as the capacitor to be detected;
A microphone device comprising: the capacitance detection circuit according to claim 1.
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