JPS6263869A - 微小静電容量検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は特に高応答性を有する、チャージアンブを利用
した微小静電容量検出回路に関する。

（従来の技術） 第１図に示すように、オペアンプ１を用いてチャージア
ンプ２を構成し、このチャージアンプ２によって被測定
静電容量（以下、被測定容量と記す。）ＣＸを測定でき
る微小静電容量測定回路（以下、測定回路と記す。）１
０は知られている。

同図路１０において、入力電圧Ｅい入力電圧の周波数ｆ
、出力電圧Ｅ。、被測定容量ｃＸ、標準コンデンサの静
電容量Ｃ２とし、さらにオペアンプ利得を理想的な高利
得及び広帯域特性と仮定すれば Ｅｏ　”　　　　　！Ｊ Ｃｆ の関係式が成立し、被測定容量Ｃつを容易に求めること
ができる。なお、第１図において、ｃｌ、　Ｃｚ、Ｃ３
はＣＸ周囲の浮遊容量、Ｒ，はバイアス調整抵抗である
。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、従来の測定回路１０はオペアンプ１の利得を
上記のように理想的特性と仮定したため、争なるコンデ
ンサ容量の測定のように静的静電容量の測定は差し支え
ないが、動的静電容量、つまり、静電容量が時間ととも
に変化し、特にぞの変化が速い場合における測定では十
分な応答性を得れないのが実情である。

なお、このような、測定対象を計測する場合としては例
えば時間とともに常に微小ストロークで変動している部
材の変位を計測する場合等があり、このように測定回路
にセンサ的機能を持たせたい場合等において応答特性の
良し悪しはきわめて重要となる。

また、このような測定回路ではオペアンプ１の高利得周
波数範囲を用いるため信号周波数は約１００Ｈｚ〜１ｋ
Ｈｚ程度の範囲で使用されていた。したがって、数十〇
Ｚのハム雑音の除去が十分に行われず実際の使用におい
てはバンドパスフィルタ等によって雑音の除去を行って
おり、このため部品コスト上昇を招いていた。

（問題点を解決するための手段） 本発明は以上の問題点を解決したもので、次に示す微小
静電容量検出回路（以下、検出回路と記す。）によって
達成することができる。

つまり、本発明に係る検出回路は第１図に示すようにオ
ペアンプ１を備え、オペアンプ１の一方の入力端子１ａ
に被検出静電容Ｎ（以下、被検出容量と記す。）Ｃ８を
介して周波数ｆの入力電圧Ｅ。

を印加するとともに、当該一方の入力端子１ａとオペア
ンプ１の出力端子ＩＣ間に抵抗値Ｒ，の抵抗と標準静電
容量Ｃｆのコンデンサの並列回路４を接続して上記出力
端子１ｃに出力電圧Ｅ０を得るチャージアンプ２を構成
し、且つ次の各条件を満たしてなることを特徴とする。

つまり、条件とは、 （１）先ず上記周波数ｆをｒ≧１０ｋＨｚ以上に設定す
る。

（２）また、標準容量となるＣｆの値を量範囲、Ｇ□１
≧（読み取り可能な出力電圧Ｅｏ／Ｅｉ、Ｇ□つ≧（Ｃ
，／　Ｃｆ　’）である。

（３）一方、Ｒ１の値　を に設定する。ここでＡ、：オペアンプ（−次特性）の直
流オーブン利得、Ｔｏ：オペアンプの実効時定数、ｅｏ
：目標とする測定相対誤差〔％〕である。

（４）さらに、ＣｆとＲ，は ＾。

のＣｒ　、　Ｒｔの組合せを選択する。

なお、本発明においては最適な実施形態により最も出力
電圧Ｅ０を大きくするようにＣ１を最小値に設定する。

（作用） 次に、本発明の作用について説明する。

本発明はチャージアンプを用いた検出回路３において、
オペアンプ１の利得として実用的な一次特性を考慮し、
且つ上記の理想的な条件を設定することにより、その検
出性能向上を達成している。

雑音、特に問題となるハム雑音を低減するため入力電圧
Ｅ、の周波数ｆをハム雑音周波数の４０ｄＢ以上、即ち
１０ｋＨｚ以上に設定することによりハム雑音の除去を
容易にしている。他方、この条件下において、オペアン
プ１に接続する周辺回路を構成する回路素子、特にＣ，
、Ｒ，の値を有限な＾。、Ｔｏの値を用いて最適に設定
している。これにより検出回路３は性能上高応答特性を
もつことが可能となる。

（実施例） 以下には本発明に係る好適な実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。

先ず、第１図を参照して本発明に係る検出回路の構成に
ついて説明する。同図は同回路の電気回路図を示す。

同図において１はオペアンプでこのオペアンプ１の反転
入力端子１ａとアース間には未知の容量をもつ被検出容
量Ｃ８及び電源５の直列回路を接続する。この場合、電
源５の電圧、つまり入力電圧はＥｉであり、その周波数
ｆは後述する条件によって、その大きさが設定される。

なお、６．７は被検出容量Ｃ８を有する測定対象を接続
する接続端子を示している。

一方、オペアンプの非反転入力端子１ｂは接地する。

また、反転入力端子１ａとオペアンプ１の出力端子ｌｅ
間には標準静電容ｔｃｔを有するコンデンサと、抵抗値
Ｒｆを有する抵抗の並列回路４を接続する。このＣ１と
ＲｔＯ値は後述する条件式により設定される。

以上で、チャージアンプ２を構成するとともに、Ｃ８の
容量測定を行う検出回路３を構成する。なお、回路中自
は電源５及び同回路３からＣ３へ接続する接続導線間に
直接結合した場合に存在する浮遊容量、Ｃｔ　、Ｃｓは
被検出容量Ｃ８の両端子における各端子とアース間に生
ずる浮遊容量をそれぞれ示す。

次に、このような回路構成を有する検出回路３について
基本的解析を加え、最適設定条件を導く。

先ず、浮遊容量ＣＩは接続導線にシールドケーブルを使
用することによりほとんど無視できる。一方、入力電圧
Ｅ、は電圧源であり、その低インピーダンスのためにＣ
２は無視することができる。また、オペアンプ１の入力
側の仮想接地の現象によりＣ１もほとんど無視できる。

第１図において、ラプラス変換を適用しオペアンプ１の
開ループ利得Ａ　（Ｓ）を−次遅れ系、入力インピーダ
ンスを無限大とみなすことによって、次の結果を得る。

ａ） となる。これを便宜上 とし、解析を加える。

先ず、分母に注目し とすると次の３つの領域に近似できる。

（Ｉ）Ｓが非常に小さくｓ”、ｓの項が無視できる領域
（ｆが低い）。

Ｇ（ｓ）　’　＃１ （Ｉｆ）Ｓが小さくジの項と１が無視できる領域（ｆが
中間）。

Ｇ（ｓ）　”＝　２ζ５Ｔ （ＩＩＮ）　Ｓが大きくＳの項と１が無視できる領域（
ｆが高い）。

そこで、ｓ　−ｊωして角周波数ωに対するＧ’　　（
ｓ）の大きさをグラフで示すと第２図のように表される
。

ここで、領域（１）と（ＩＩ）が一致する点を（０Ｍ）
とすると であるから Ａｓ また領域（ｎ）と（ＩＩ［）が一致する点を（ωＨ）と
すると であるから となる、ここでＣｔ〉〉ｃｌｌと選ぶことによりωＮ　
−□　　　　　　　山・・・−山一（ｄ）となる。

以上のことから、角周波数ωに対する回路の利得Ｇは第
３図のようになりω、とＣ１１はそれぞれ低域及び高域
カットオフ角周波数となる。

なお、Ｃ８はオペアンプのＧＢ積（ユニティゲインとな
る角周波数）でありオペアンプによって定まる。これに
対しＣ１はＣｔ−Ｒｒに反比例するため入力電圧の周波
数として平坦特性の中心周波数を選ぶ場合、Ｃ，−Ｒ，
によって調整可能であり、またＣｘの影響がないためＣ
８が変化しても入力電圧Ｅ□の周波数は一定でよいこと
になる。

また、平坦特性周波数帯域幅−とその中心角周波数ω。

は次のようになる。

■ 利得の大きさはＳ　−ｊωとして次のようになる。

また、中心角周波数ω。での利得は次のようになる。

τ２＋ Ａ。

Ｃｘ −一□　　　　　　　・・・−・・−・・・・・・（ｈ
）　’ｅ つまり標準静電容量Ｃｆを定めておけば利得を知ること
によって求めるＣ８は容易に測定できる。

となり、１／Ｔは非減衰固有角周波数、ζは瀘衰係数で
ある。

以上の解析結果をふまえて、さらに最適設定条件を導く
ことができる。

検出回路３の構成上入力電圧Ｅ、はオペアンプ１の最大
入力電圧によって制限され、他方出力電圧Ｅ０の最小値
は出力電圧Ｅ０を読み取る計器によって制限される。従
って検出に必要な最小利得が決まり、また、最大値もオ
ペアンプではなく、出力電圧を読み取る計器によって定
まる場合が多い。

今、必要最小利得をＧａ１ｎ、最大利得をＧ　ｍｍｘと
した場合、被検出容量が最小ＣＭｍｉｒ＋から最大Ｃ０
，８の範囲であれば標準静電容量Ｃ７は（ｈ）′式の範
囲となる。しかし上述のように計器の制約、つまり利得
の許容範囲によって検出範囲も制約を受ける。そのため
、Ｃｔ　　が定まらない場合、利得を大きくとるために
Ｃｘ＊ａｘを基準にしてｍｍｘ によりＣ２を定め、その後火のようにしてＣｘ５ｉ、Ｉ
を定める。

Ｃ０、≧Ｃｇ−Ｇ＊＝ｎ また、検出範囲が定まっていない場合も同様に、或いは
ＣＭ＊Ｌｎを基準にして以上のように設定する。

このようにして、先ず標準静電容ＭＣｆを定めるが、Ｃ
，をできる限り小さい値に選ぶことにより出力利得を大
きくとれる。ただし、この場合、実装した際の浮遊容量
の影響を受けない程度に選定する必要がある。

よって、上記（ｋ）式は本発明により設定する第１の条
件式となる。

一方、入力信号周波数が多少揺らいでも利得に影響を与
えないように入力信号周波数は平坦特性周波数帯域の中
心に選定するのが一般的である。

となり、被検出容量Ｃ，によって変化してしまうのでＣ
，＞＞Ｃ，とする必要がある。

そこで、Ｃｔ　〉〉ＣＩ＋とした場合、平坦特性周波数
帯域幅がＷ　［ｄＢ）必要であればＡ。

となり、また、このときの中心角周波数は（ｆ）式と（
ｈ）式、および（１）式から となる。このように平坦特性周波数帯域幅を決めれば入
力電圧Ｅ、の周波数ｆが定まる。逆に当該周波数ｆを定
めることによって平坦特性周波数帯域幅−とＣｒ’Ｒｔ
はそれぞれ（ｍ）弐から以上Ｃｆ〉〉ＣＸとしたが、こ
れ以外の場合にこれにより Ｃ−”（１０４−１）Ｃｒ　　−−−−−−−−’−（
０）となり入力電圧の周波数ｆからの中心周波数の偏位
の許容がｄ　（ｄＢ）であれば標準容量に対して（ｏ）
式で求められるＣ８以下の被検出容量であればよいこと
になる。

よって、上記（ｎ）式は本発明により設定する第２の条
件式となる。

次に、測定精度を設定する。なお、ここにいう精度とは
オペアンプ１のノイズ等は考えず、利得のＣ−／Ｃｔか
らの偏位をいう、したがって、中心周波数ω。において
は（ｈ）式より相対誤差ｅは八〇 となるから相対誤差をｅゆ〔％〕以下にするには３の条
件式となる。

一方、本発明においてはハム対策から入力電圧の周波数
ｆを次のように選定し、これが本発明の第４の条件式と
なる。

ｆ　≧１０ｋＨｚ　　　　−−−−−−−−−−−・・
Ｃｓ）なお、この条件おける１ＯｋＨｚとはハムが発生
しない周波数をいい、ハムが発生しない限度において１
０ｋＨｚ　　近傍値を含むものである。

以上で、最適設定条件が成立する。かかる条件に従って
回路を製作し、Ｃ８を時間とともに急峻に変動（例えば
パルス変動）する容量として計測した場合においてもき
わめて応答性の良いことが確認された。

（発明の効果） このように、本発明に係る検出回路はチャージアンプを
用いた測定回路において、オペアンプの利得特性を一次
特性とした上で必要な最適設定条件を導き、この条件下
で微小静電容量検出を行えるようにしたため、きわめて
高い応答性を持たせることができ、特に動的な検出対象
であっても高精度で正確に計測でき、時間的に変動する
物理的変位や圧力等の検出用センサとしても十分適用で
きる。

また、従来は入力電圧の周波数がオペアンプの高利得周
波数範囲で制限されていたが、本発明においてはその制
限条件の範囲外に周波数帯域を拡大して最適設定条件を
与えることができ、これにより特に低域のハムをきわめ
て容易に排除できる。

したがって、使用するフィルタも簡単なバイパスフィル
タで足り、低コストに実施できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る検出回路の電気回路図、第２図及
び第３図は説明用角周波数対利得特性図。 尚図面中、１・・・オペアンプ、 ｌａ・・・入力端子、　　ＩＣ・・・出力端子、３・・
−検出回路、　　　４・・・並列回路、Ｃ，・・・被検
出容量、　　Ｃｆ　　・・・標準静電容量、　Ｒｔ　　
・・・抵抗値、　Ｆ！、　　・・・入力電圧、　Ｅｏ・
・・出力電圧、　ｆ　・・・入力電圧の周波数、　ＣＸ
Ｉ””ＣＸＩ・・・被検出容量範囲、ｅｏ・・・目標と
する測定相対誤差、　　八〇・・・オペアンプの直流オ
ーブン利得、Ｔｏ・・・オペアンプの実効時定数。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、オペアンプを備え、オペアンプの一方の入力端子に
   被検出静電容量（Ｃ＿ｘ）を介して周波数（ｆ）の入力
   電圧（Ｅ＿ｉ）を印加するとともに、当該一方の入力端
   子とオペアンプの出力端子間に抵抗値（Ｒ＿ｆ）の抵抗
   と静電容量（Ｃ＿ｆ）コンデンサの並列回路を接続して
   前記出力端子に出力電圧（Ｅ＿ｏ）を得るように構成し
   、且つ次の各条件を満たしてなる微小静電容量検出回路
   。 （ａ）ｆ≧１０ｋＨｚ （ｂ）（Ｃ＿ｘ＿ｍ＿ａ＿ｘ／Ｇ＿ｍ＿ａ＿ｘ）≦Ｃ＿
   ｆ≦（Ｃ＿ｘ＿ｍ＿ｉ＿ｎ／Ｇ＿ｍ＿ｉ＿ｎ）但｛Ｃ＿
   ｘ＿ｍ＿ｉ＿ｎ〜Ｃ＿ｘ＿ｍ＿ａ＿ｘ：被検出静電容量
   範囲Ｇ＿ｍ＿ｉ＿ｎ≧（読み取り可能な出力電圧Ｅ＿ｏ
   ／Ｅ＿ｉ）Ｇ＿ｍ＿ａ＿ｘ≧（Ｃ＿ｘ／Ｃ＿ｆ）｝ （ｃ）▲数式、化学式、表等があります▼ 但｛Ａ＿ｏ：オペアンプ（一次特性）の直流オープン利
   得Ｔ＿ｏ：オペアンプの実効時定数 ｅ＿ｏ：測定相対誤差［％］｝ （ｄ）Ｃ＿ｆＲ＿ｆ＝［Ａ＿ｏ／Ｔ＿ｏ（２πｆ）＾２
   ］２、前記（ｄ）においてＣ＿ｆが最小値となる値を選
   択することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の微
   小静電容量検出回路。