KR100558379B1 - 임피던스-전압 변환기 - Google Patents

임피던스-전압 변환기 Download PDF

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도쿄 일렉트론 가부시키가이샤
호쿠토 덴시 고교 가부시키가이샤
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Abstract

목표물의 임피던스를 전압으로 변환하는 임피던스-전압 변환기가 설명되는 데, 이것은 연산증폭기(OP)와, 신호선 및 차폐소자로 이루어지는 동축 케이블과, 교류신호 발생기를 포함한다. 피이드백 임피던스 회로가 연산증폭기의 출력단자와 반전 입력단자 사이에 접속됨으로써, 비반전 입력단자 및 반전 입력단자가 가상의 쇼트상태로 된다. 신호선의 한 쪽 단부는 연산증폭기의 반전 입력단자에 접속되고, 다른 쪽 단부는 목표물의 한 쪽 전극에 접속되며, 교류신호 발생기는 연산증폭기의 비반전 입력단자에 접속된다. 차폐소자는 신호선을 둘러싸는 적어도 하나의 차폐층을 포함하며 연산증폭기의 비반전 입력단자에 접속되어, 연산증폭기의 입력단자들의 가상의 쇼트로 인하여 신호선과 차폐층이 동일한 전압이 되어, 결국 신호선 상의 노이즈를 감소하게 된다.

Description

임피던스-전압 변환기{IMPEDANCE-TO-VOLTAGE CONVERTER}
본 발명은 연산증폭기를 사용하여 검출대상의 임피던스 값에 대응하는 전압을 출력하기 위한 임피던스-전압 변환기(이하, 'Z/V 변환기'라 함)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 연산증폭기를 사용하는 Z/V 변환기에 관한 것으로, 이 Z/V 변환기는 신호선 상의 표유 정전용량(stray capacitances)의 영향을 제거할 수 있고, 이에 의하여 검출대상의 임피던스에 대응하는 모든 전압을 보다 정확하게 제공할 수 있다.
도 1은 일본국 톡허공개공보 제 61-14578 호에 개시된 종래기술의 정전용량-전압 변환기를 개략적으로 나타내고 있다. 이 정전용량-전압 변환기는, 미지의 정전용량을 연산증폭기의 입력단자에 접속시키는 케이블 상의 표유 정전용량에 의해서 야기되는 다음의 문제점들을 해결하기 위해서 제안되었다. 즉, 케이블 상의 표유 정전용량은 검출될 정전용량에 중첩되고, 이 표유 정전용량의 값이 케이블을 구부리는 것과 같은 움직임에 의해서 변화하기 때문에, 정전용량의 임피던스 값이 정확히 관련 전압으로 변환되지 않을 수도 있다.
종래기술에서 보여지듯이, 미지의 정전용량(Cx) 값이 더 작은 경우에는 선상 의 표유 정전용량 영향이 현저하게 되고, 이에 따라서 변환기가 정확하게 정전용량(Cx)을 전압으로 변환하는 것이 방해된다는 문제점을 일으키게 된다. 또한, 정전용량(Cx)의 한 전극이 특정 전압에 바이어스된 경우에는 이 커패시터(Cx)에 어떠한 교류신호도 인가될 수 없고, 이에 따라서 정전용량(Cx)이 전압으로 전혀 변환될 수 없다는 또 다른 문제점을 일으키게 된다.
본 발명은 도 1에 도시된 종래기술에서의 이러한 특유의 문제점들을 해결하도록 제안되었다. 따라서, 본 발명의 목적은 임피던스(Z) 값이 비교적 작은 경우에도 신호선과 차폐수단 사이에서 발생하는 임의의 표유 정전용량 영향을 받지않고 검출대상 또는 검출소자의 임피던스 값(Z)을 매우 정확하게 전압(V)으로 변환할 수 있는 임피던스-전압 변환기(Z/V 변환기)를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 목표물의 한 전극이 특정 전압으로 유지되는 경우에도 신호선과 차폐수단 사이의 표유 정전용량에 의한 영향을 받지않고 검출대상 또는 검출소자의 임피던스 값(Z)을 매우 정확하게 전압(V)으로 변환할 수 있는 Z/V 변환기를 제공하는 것이다.
위에서 언급한 목적들을 달성하기 위해서, 목표물의 임피던스를 전압으로 변환하는 임피던스/전압(Z/V) 변환기는, 그것의 출력단자와 반전 입력단자 사이에 접속되는 피이드백 임피던스 회로를 구비하는 연산증폭기와, 한 쪽 단부는 이 연산증폭기의 반전 입력단자에 접속되고 다른 쪽 단부는 목표물 임피던스의 한 쪽 전극에 접속되는 신호선과, 연산증폭기의 비반전 입력단자에 접속되는 교류신호 발생기와, 신호선의 적어도 일부분을 둘러싸며 연산증폭기의 비반전 입력단자 및 교류신호 발 생기에 접속되는 적어도 하나의 차폐층으로 구성되는 적어도 하나의 차폐를 포함하고, 반전 입력단자 및 비반전 입력단자가 가상으로 쇼트되는 것에 의하여 연산증폭기가 목표물의 임피던스 값에 대응하는 전압을 그 출력단자로부터 출력하는 교류신호 발생기를 포함한다.
바람직하게는 이 차폐가 망(mesh) 구조 또는 튜브 구조로 이루어진다. 또한, 망 구조 또는 튜브 구조로 이루어지고 연산증폭기의 비반전 입력단자 및 교류 신호 발생기 또는 기준전압에 접속되며, 제 1 차폐층의 외부표면을 둘러싸는 제 2 차폐층을 더욱 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 목표물 및 피이드백 임피던스 회로의 임피던스가 모두 동일한 특성을 갖는데, 이 특성은 저항특성, 정전용량 특성 또는 유도특성을 포함하거나 또는 이들의 임의의 조합이기도 하다. 이러한 경우에, 이 장치의 신호대 잡음비(이하, 'S/N 비율'이라 함)가 개선될 수 있다. 또 다른 조합이 수용될 수 있으며, 목표물의 임피던스가 정전용량이고 피이드백 임피던스 회로의 임피던스가 저항인 경우에는, 연산증폭기와 피이드백 임피던스 회로를 하나의 칩에 집적화하기가 쉽다.
목표물의 임피던스 값에 대응하는 직류 전압 발생기가 제공되는 경우에는 또 다른 처리가 더 쉽게된다.
피이드백 임피던스 회로가 미지의 제 2 목표물 임피던스가 되도록 Z/V 변환기를 변형하는 것도 가능하고, 이 경우에는 연산증폭기의 출력전압이 제 1 및 제 2 목표물의 임피던스에 대응하게 된다.
도 1은 종래기술의 정전용량-전압 변환기를 나타내는 회로도;
도 2는 본 발명에 따른 임피던스-전압(Z/V) 변환기의 제 1 실시예의 회로도;
도 3은 검출 목표물의 임피던스가 정전용량인 경우에 정전용량(Cx)과 출력전압(Vo) 간 관계의 테스트된 일례를 나타내는 그래프;
도 4는 본 발명에 따른 Z/V 변환기의 제 2 실시예의 회로도;
도 5(a) 및 도 5(b)는 제 1 실시예 및 제 2 실시예를 이용하여 테스트된 노이즈 영향의 결과예를 나타내는 그래프;
도 6은 본 발명에 따른 Z/V 변환기의 제 3 실시예를 나타내는 회로도;
도 7은 목표물이 그 임피던스로서 정전용량을 갖고 피이드백 회로가 저항으로 구성되는 경우의 제 1 실시예를 나타내는 회로도이다.
이하, 본 발명에 따른 Z/V 변환기가 도 2 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 Z/V 변환기의 제 1 실시예를 개략적으로 나타내는 회로도이다. 도 2에서, 도면부호 "1"은 폐쇄루프 이득보다 매우 큰 전압이득을 갖는 연산증폭기를 나타낸다. 피이드백 임피던스 회로(3)는 출력단자(2)와 연산증폭기(1)의 반전 입력단자(-) 사이에 접속되어 연산증폭기(1)를 가로지르는 네거티브 피이드백 루프를 형성한다. 이 피이드백 임피던스 회로(3)는 저항, 커패시터, 인덕터 또는 그것들의 임의의 조합과 같은 임의의 임피던스 소자이다. 연산 증폭기(1)는 교류전압을 발생시키기 위한 교류신호 발생기(4)에 접속되는 비반전 입력단자(+)를 갖는다. 또한, 연산증폭기의 반전 입력단자(-)는 신호선(5)의 한 쪽 단부에 접속된다. 이 신호선(5)의 다른 쪽 단부는 목표물 또는 목표물 소자(6)의 감지전극(61)에 접속되어, 그 임피던스 값이 계측된다. 이 목표물은 저항, 커패시터, 인덕터 또는 그것들의 임의의 조합과 같은 임의의 임피던스 소자이다. 목표물(6)의 또 다른 전극(62)은 접지되거나, 일정한 (접지레벨과 동등하지 않은)직류전압에 클램프되거나, 개방상태 또는 비접속 상태로 유지된다. 제 2전극(62)이 교류 바이어스에 인가될 지라도, 연산증폭기(1)의 출력전압에 대해서 더욱 복잡한 수학적 해석이 필요하게 된다.
노이즈 등의 원하지 않는 신호가 신호선(5)에 유입되는 것을 방지하기 위해서 차폐층을 포함하고 있는 차폐(7)가 신호선(5)을 둘러싸며 포장된다. 이 차폐(7)는 접지되지 않고 연산증폭기(1)의 비반전 입력단자(+), 즉 교류신호 발생기(4)에 접속된다.
피이드백 임피던스 회로(3)를 포함하는 회로에 의하여 연산증폭기(1)에 네거티브 피이드백이 제공되고 이 연산증폭기(1)는 그 폐쇄루프 이득보다 훨씬 큰 전압이득을 갖기 때문에, 연산증폭기(1)의 반전 입력단자(-) 및 비반전 입력단자(+)가 가상의 쇼트상태가 되어, 실질적으로는 이들 사이의 전압차가 영이 된다. 따라서, 반전 입력단자 및 비반전 입력단자에 각각 접속되는 신호선(5) 및 차폐(7)는 동일한 전압을 갖으므로, 신호선(5)과 차폐(7) 사이에서 발생할 수 있는 임의의 표유 정전용량을 제거할 수 있게 된다. 이것은 신호선(5)의 길이에 관계없이 사실이고, 또한 신호선(5)이 이동되거나, 구부려지거나 또는 뒤로 접혀지더라도 사실이다.
교류신호 발생기(4)의 교류전압 출력이 Vi 이고, 목표물(6)의 미지의 임피던스 값이 Zx, 목표물을 통하여 흐르는 전류가 i1 이고, 피이드백 임피던스 회로(3)의 알려진 임피던스 값이 Zf 이고, 피이드백 임피던스 회로(3)을 통하여 흐르는 전류가 i2 이고, 연산증폭기(1)의 반전 입력단자(-)에서의 전압이 Vm 이며, 연산증폭기(1)의 출력전압은 Vo 이라 가정한다. 또한, 목표물(6)의 제 2전극(62)이 접지된다고 가정한다. 연산증폭기(1)의 두 입력단자가 이미 언급한 바와 같이 가상으로 쇼트된 상태이므로, 반전 입력단자(-)에서의 전압(Vm)은 교류신호 발생기(4)로부터 발생된 교류전압(Vi)과 동일하다. 즉, Vi = Vm 이다.
전류(i1, i2)는 아래의 방정식으로 표현된다.
i1 = - Vm / Zx = - Vi / Zx
i2 = (Vm - Vo) / Zf = (Vi - Vo) / Zf
연산증폭기(1)의 입력 임피던스가 충분히 크기 때문에 i1 = i2가 되므로, 연산증폭기(1)의 출력전압(Vo)은 아래의 "수학식 1"로 표현된다:
Vo = Vi(1 + Zf / Zx).
위 "수학식 1"은, 연산증폭기(1)가 임피던스 값(Zx)에 의존하여 변화하는 교 류전압(Vo)을 출력한다는 것을 나타낸다.
지금까지의 설명으로부터 신호선(5), 차폐(7), 교류신호 발생기(4), 신호선에 접속되는 연산증폭기(1) 및 피이드백 임피던스 회로(3)를 포함하며 일점쇄선으로 표시된 블럭(8)이, 신호선(5)의 다른 쪽 단자에 접속되는 목표물 소자(6)의 임피던스 값(Zx)을 그것에 대응하는 전압(Vo)으로 변환하기 위한 Z/V 변환기를 구성한다는 것이 이해될 것이다.
여기서, 연산증폭기(1)의 반전 입력단자 및 비반전 입력단자가 가상의 쇼트상태이기 때문에, 신호선(5)과 차폐(7) 사이에서 발생되는 표유 정전용량이 연산증폭기(1)의 반전 입력단자에서 또는 양 입력단자 사이에서 나타나지 않을 것이라는 것에 주목하여야 한다. 따라서, 연산증폭기(1)의 출력전압(Vo)은 신호선(5)과 차폐(7) 사이에서 발생하는 표유 정전용량에 관계있는 어떠한 조건도 포함하지 않는다. 그러므로, 목표물(6)의 임피던스 값(Zx)이 작더라도 연산증폭기(1)로부터의 전압(Vo)은 이 작은 값의 임피던스(Zx)에만 대응한다.
위에서 설명한 바와 같이, 연산증폭기(1)의 출력전압(Vo)은 위의 "수학식 1"에 의해서 표현되는데, 여기서 피이드백 임피던스 회로(3)의 임피던스 값(Zf)과 교류신호(Vi)의 주파수 및 진폭은 알고있는 것이다. 또한, 연산증폭기(1)의 출력(Vo)은 교류신호(Vi)와 동일한 주파수를 갖고, 그 진폭은 증폭기(1) 출력파형의 피크치를 검출하여 얻어질 수 있다. 따라서, "수학식 1"을 풀면 임피던스 값(Zx)이 계산될 수 있다. 목표물(6)의 임피던스(Zx)가 정전용량인 경우(즉, 'Zx = 1/(j
Figure 111999011696902-pct00001
Cx) :
Figure 111999011696902-pct00002
는 교류신호 발생기(4)의 각속도'인 경우)에는, "수학식 1"로부터 명백하듯이 Vo가 Cx에 대하여 선형성을 갖으며 변화하게 된다. 한 테스트에서 Cx와 Vo의 진폭과의 관계가 도 3에 도시된 그래프와 같이 얻어졌다.
또한, 출력전압(Vo)을 이 교류전압(Vo)과 관련된 직류전압(Vdd)을 얻기 위한 회로에 제공하고, 이 직류전압(Vdd)을 이용하여 임피던스 값(Zx)이 계산될 수 있다. 출력전압(Vo)에 대응하는 직류전압(Vdd)을 발생하는 회로는 정류기 및 평활회로와 같은 임의의 교류-직류 변환기에 의해서 제공될 수 있다. 필요하다면, 이러한 교류-직류 변환이 전압(Vo)을 증폭한 후에 실행되어도 좋다.
따라서, 연산증폭기(1)의 출력(Vo)으로부터 임피던스(Zx)를 계산하는 처리회로와 블럭(8)을 조합하거나, 또는 블럭(8), 교류-직류 변환기 및 상기 처리회로를 조합함으로써, 목표물(6)의 임피던스 값(Zx)을 검출하는 검출기를 구현할 수 있다.
도 2에 도시된 제 1 실시예에서, 차폐(7)가 튜브형 차폐수단이어도 좋다. 또한, 이 차폐(7)는 신호선(5)과 차폐(7)를 포함하는 가요성 동축 케이블을 제공하기 위해서 짜여진 얇은 금속띠를 포함하는 단일층 망 구조로 형성되기도 한다.
그러나, 이 단일층 망 구조의 차폐(7)에서는, 교류신호 발생기(4)로부터 고주파 신호가 발생되는 경우에 이 고주파 신호가 신호선(5)으로부터 망 구조(7)의 마이크로-홀(micro-holes)들을 통해서 누출되어, 교류 출력전압(Vo)에 영향을 줄 가능성이 있다. 또한, 고주파의 외부 노이즈도 이 마이크로-홀을 통해서 유입될 수가 있으며, 이 경우에는 교류 출력전압(Vo)이 외부 노이즈에 의해서 영향을 받게 된다. 또한, 조작자가 단일층 망 구조를 갖고 있는 동축 케이블을 손으로 만지는 경우에, 연산증폭기(1)로부터의 출력전압(Vo)이 변화할 수도 있다.
도 4는 차폐수단이 가요성을 제공하기 위해서 망 구조로 이루어지더라도 높은 정밀도로 Z/V 변환을 수행할 수 있도록 하는 본 발명에 따른 Z/V 변환기의 제 2 실시예를 나타낸다. 도 4에서, 도 2의 제 1 실시예서와 동일한 소자는 동일한 도면부호로 표시된다. 제 2 실시예는 차폐수단이, 연산증폭기(1)의 비반전 입력단자에 모두 접속되는 내부차폐(제 1 차폐층 : 71)과 외부차폐(제 2 차폐층 : 72)를 포함하는 이중층 망 구조로 이루어진다는 점에서 제 1 실시예와 다르다.
제 2 실시예에서는 차폐수단이 이중층 망 구조(내부차폐(71) 및 외부차폐(72))를 갖기 때문에, 그것의 홀들이 단일층 망 구조의 홀들과 비교하여 더 작은 직경을 가지므로, 교류신호 발생기(4)로부터 고주파 신호가 발생되더라도 신호선(5)으로부터 차폐(71, 72)로 누출되는 고주파 신호의 누출전계가 감소된다. 또한, 외부 노이즈의 영향도 감소된다. 따라서, 검출되는 임피던스 값(Zx)에 정확히 대응되는 출력전압을 제공하는 것이 가능하다. 예를 들어, 목표물(6)의 임피던스가 정전용량이고 신호(Vi)의 주파수가 대략 1 MHz 라면, 차폐수단으로서 단일 망 구조를 사용하는 경우에는 동축 케이블을 손으로 만지는 것이 출력전압(Vo)에 대략 수백 ppm의 요동을 발생시키는 반면, 이중 망 구조는 동축 케이블을 손으로 만지더라도 이러한 요동을 상당히 제거하게 된다.
제 1 실시예와 제 2 실시예를 습기센서로서 사용한 테스트가, 위 실시예에서의 단일층 구조 및 이중망 구조를 만짐으로써 발생되는 노이즈의 영향을 시험하기 위해서 실행되었는데, 각 실시예의 교류신호 발생기(4)는 1 MHz의 주파수를 갖는 교류신호를 발생하도록 설정되었고, 동축 케이블을 간헐적으로 손으로 만졌다. 도 5(A) 및 도 5(B)는, 수직축이 연산증폭기(1)의 교류전압(Vo) 출력을 나타내고 수평축이 시간(t)을 나타내며 각각 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 관계되는 위 테스트 결과의 그래프를 나타낸다. T1, T2, T3는 케이블이 손으로 만져지는 동안의 시간주기를 나타낸다.
도 5(A) 및 도 5(B)로부터 알 수 있듯이, 단일층 망 구조를 사용하는 제 1 실시예에서는 T1, T2, T3 주기 동안에 출력전압(Vo)으로 상당히 큰 노이즈가 유입되었고, 반면에 이중층 망 구조를 사용하는 제 2 실시예에서는 전압(Vo)이 제 1 실시예에서와 같은 노이즈를 포함하고 있지 않았다. 따라서, 외부로부터 출력전압으로의 노이즈 영향을 감소시키기 위해서는 이중층 망 구조가 훨씬 효과적이라는 것이 이 테스트로부터 명백하다.
도 6은 본 발명에 따른 Z/V 변환기의 제 3 실시예를 나타낸다. 차폐수단으로 이중층 망 구조가 사용되고 내부 차폐수단(71)이 연산증폭기(1)의 반전 입력단자에 접속된다는 점에서는 제 3 실시예가 제 2 실시예와 유사하지만, 제 3 실시예는 외부차폐(72)가 접지된다는 점에서 제 2 실시예와 다르다.
그러나, 제 3 실시예의 접지된 외부차폐(72)는 층간 정전용량, 즉 내부차폐(71)와 외부차폐(72) 사이에 기생(parastic) 정전용량을 발생시키기도 하는데, 이것은 1000 pF/m 이상을 갖는다. 이 기생 정전용량은 동축 케이블(신호선(5) 및 내부차폐(71)와 외부차폐(72))이 길수록 더 커진다. 또한, 교류신호 발생기(4)로부터의 신호가 높은 주파수를 가질수록 기생 정전용량의 임피던스가 감소되어, 결국 신호누출이 증가하게 된다. 따라서, 감지전극(61)이 연산증폭기(1)에 비교적 가깝게 위치되고 비교적 짧은 동축 케이블로 연산증폭기(1)에 접속되는 경우나 또는 교류신호 발생기(4)로부터의 신호의 주파수가 비교적 낮은 경우에 제 3 실시예가 바람직하게 적용된다.
본 발명에 따른 제 1 실시예 내지 제 3 실시예 각각에서, 차폐(7) 또는 내부차폐(71) 및 외부차폐(72)로 신호선(5) 전체를 차폐하는 것이 바람직하다. 감지전극(61)을 제외한 장치 전체를 차폐하는 것이 더욱 바람직할 것이다. 그러나, Z/V 변환기를 적용하는 조건에 따라서는, 신호선(5)의 일부(10% 이상)만을 커버하는 것도 가능하다. 또한, 이미 언급한 바와 같이, 목표물(6)은 저항, 커패시터, 인덕터 또는 그것들의 임의의 조합 등과 같은 임의의 임피던스 소자이어도 좋다.
정전용량 소자(Cx)가 목표물(6)로서 사용되는 경우에는, 제 1 실시예 내지 제 3 실시예가 정전용량-전압(C/V) 변환기를 제공하고, 따라서 정전용량성 센서를 구성한다. 이러한 경우에는, 정전용량성 소자(Cx)의 전극(62)이 접지되거나, 적절한 바이어스 전압에 설정되거나 또는 공간상에 남게 된다. 본 발명이 적용될 수 있는 "정전용량성 센서"는 가속센서, 지진계, 압력센서, 변위센서, 변위계, 근접센서, 접촉센서, 이온센서, 습도센서, 강우량 센서, 강설량 센서, 광센서, 정렬센서, 접촉실패 센서, 형상센서, 종점(end-point) 검출센서, 진동센서, 초음파 센서, 각속도 센서, 유량센서, 가스센서, 적외선 센서, 방사센서, 레벨센서, 결빙센서, 습기센서, 진동계, 충전센서 등과 같은 임의의 정전용량성 센서를 포함한다.
본 발명은 또한 인쇄회로보드 테스트기에도 적용될 수 있다. 특히, 인쇄회로보드에 대해서는 보드상에 기생하는 정전용량의 크기 및 균일성 등의 관점에서 그것이 사용가능한 것인지의 여부가 결정된다. 보드상에서 전극(61)이 접촉하는 각 부분으로서 목표물(6)이 다루어지는 경우에, 그 부분에서의 정전용량 값(Cx)에 대응하는 전압이 증폭기(1)로부터 제공될 수 있고, 이에 의해서 그 보드가 사용가능한 것인지의 여부를 결정하는 것을 가능하게 한다. 이 경우에, 전극(61)과, 신호선(5)과, 차폐(7) 또는 내부차폐(71) 및 외부차폐(72)와, 연산증폭기(1)와, 피이드백 임피던스 회로(3) 및 교류신호 발생기(4)를 포함하며, 도 2, 도 4 및 도 6의 일점쇄선으로 둘러싸여진 블럭(9)은 정전용량(Cx)에 의거하여 변화하는 전압(Vo)을 출력하는 정전용량-전압 변환기를 구성할 수도 있다. 또한, 블럭(9)을 출력전압(Vo) 처리수단과 조합하여 정전용량 값(Cx)을 유도하기 위한 정전용량 검출기가 구현될 수 있다.
목표물(6)이 정전용량성 소자인 경우에는 피이드백 임피던스 회로(3)로서 커패시터가 사용되고, 목표물(6)이 저항성 소자인 경우에는 피이드백 임피던스 회로(3)로서 저항 또는 커패시터가 사용되며, 목표물이 유도성 소자인 경우에는 피이드백 임피던스 회로(3)로서 인덕터, 저항 및 커패시터 중에서 가장 높은 신호대 잡음비(S/N ratio)를 나타내는 소자가 사용되는 것이 바람직하다. 목표물 소자(6)와 동일한 임피던스 특성을 갖는 피이드백 임피던스 회로(3)를 제공함으로써, 보다 많은 노이즈가 감소될 수 있다.
그러나, 다른 임피던스 특성을 갖는 소자가 목표물 소자(6)와 조합되기도 한다는 것은 당연하다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 목표물(6)이 정전용량성 소자(Cx)인 경우에 피이드백 임피던스 회로(3)로서 저항이 사용될 수 있다. 피이드백 임피던스 회로로서 저항을 사용하는 것은 연산증폭기(1) 및 피이드백 저항(3)을 하나의 칩속에 형성하는 것을 용이하게 한다. 이 경우에, 교류신호 발생기(4)의 출력이 각속도
Figure 111999011696902-pct00003
를 갖고, 피이드백 저항(3)의 저항값이 Rf 라고 가정하면, "수학식 1"로부터 출력전압(Vo)이 아래의 "수학식 2"로 표현될 수 있다:
Figure 111999011696902-pct00004
Vo = Vi(1 + jRfCx).
또한, 저항 및 커패시터의 병렬회로 등이 피이드백 임피던스 회로(3)로서 사용될 수 있다. 또한, 어떠한 임의의 조합도 가능하다.
"수학식 1"로부터 명백하듯이, 피이드백 임피던스 회로(3)의 접속위치는 검출될 목표물(6)의 접속위치로 대체될 수 있다. 즉, 목표물(6)은 연산증폭기(1)의 반전 입력단자와 출력단자 사이에 접속되고, 이미 알고있는 임피던스 회로가 신호선(5)의 단부에 접속될 수도 있다. 이 경우에, 목표물(6)의 두 감지전극을 연산증폭기(1)의 반전 입력단자 및 출력단자에 접속시키는 두 개의 선을 보호하는 차폐수단이 제공될 필요가 있다.
또한, 목표물(6) 뿐만 아니라 피이드백 임피던스 회로(3)도 미지의 임피던스 소자일 수 있다. 이 경우에, "수학식 1"의 우변에 있는 Zf 및 Zx가 모두 모르는 값이므로, 출력전압(Vo)은 Zf에 대한 Zx의 비율( = Zf / Zx)에 의거한 교류전압을 나타낸다. 두 개의 미지의 임피던스 객체를 포함하는 이러한 구성을 적용하는 예로서, 2축 가속센서가 고려된다. 2축 가속센서는, 상승중인 가속에 응답하여 한 센서의 임피던스가 커짐에 따라서 다른 센서의 임피던스가 작아지도록 작동한다. 따라서, 각각의 임피던스가 작은 변화량을 나타내더라도 임피던스 비율값이 크게 변화한다. 교류 출력전압(Vo)은, 각 임피던스 값의 이러한 경미한 변화에도 크게 변화하는 임피던스 비율에 대응하여 변화하기 때문에, 2축 가속센서의 검출 감지도를 상당히 향상시키는 것이 가능하다.
예를 들어, 도 7에 도시된 Z/V 변환기에서 피이드백 임피던스 회로(또는 소자)(3)가 미지의 저항성 소자일 수도 있다. 저항성 소자(3) 및 정전용량성 소자(6)의 임피던스(Zf = Rf 및 Zx = 1/(
Figure 111999011696902-pct00005
Cx))가 압력과 같은 변수(Y)에 응답하여 변화하는 경우에, 비율값(Zf / Zx)은 변수(Y)에 의거하여 변화하여, 그 진폭이 변수(Y)에 응답하여 변화하는 출력전압(Vo)을 제공한다.
또한, 두 개의 미지의 임피던스 소자가 특정 변수(Y)에 응답하여 선형적으로 변화하지는 않더라도, 이러한 임피던스 소자의 몇몇 조합은 변수(Y)에 응답하여 선형적으로 그 진폭을 변화하는 출력전압(Vo)을 허용하기도 한다. 바꿔 말하면, 각각의 임피던스 소자가 변수(Y)에 응답하여 선형적으로 변화하는 경우에도, 출력전압(Vo)은 비선형적으로 변화하도록 만들어질 수 있다.
이상 살펴본 본 발명은 아래와 같이 긍정적 효과를 제공할 수 있다:
(1) 검출중인 임피던스 소자 또는 목표물 소자에 접속되는 신호선과 그것을 둘러싸는 차폐가 연산증폭기의 가상의 쇼트로 인하여 동일한 전압을 가지므로, 신호선과 차폐 사이에서 형성될 수 있는 기생 정전용량의 어떠한 영향도 받지 않고 목표물 소자의 임피던스 값에만 의거하는 전압을 제공하는 것이 가능하다. 따라서 , 매우 작은 임피던스 값만이 검출되더라도 매우 정확한 Z/V 변환이 달성될 수 있다.
(2) 목표물 소자의 한 전극이 특정 전압에 바이어스 되더라도, 목표물 소자의 임피던스 값에 대응하는 전압을 생성하는 것이 가능하다.
(3) 이중 망 구조로 만들어진 차폐에 의해서, 가요성 동축 케이블을 제공하는 동안 신호선으로부터의 신호누출 및 신호선으로의 외부 노이즈 유입이 감소될 수 있고, 이에 의해서 매우 정확한 Z/V 변환을 실현하는 것이 가능하다.
(4) 피이드백 임피던스 회로가 제 2의 미지의 임피던스 소자로 취급되는 경우, 신호선의 기생 정전용량의 어떠한 영향도 받지 않고서도 두 임피던스 소자의 임피던스 비율에 대응하는 출력전압이 매우 정확하게 제공될 수 있다.
(5) 신호선이 비교적 긴 경우에도, 신호선과 차폐수단 사이의 표유 정전용량이 선의 길이에 영향을 받지 않기 때문에 목표물의 임피던스 값을 정확하게 검출하는 것이 가능하고, 따라서 임피던스 값이 작은 경우에도 마찬가지이다.
특정 조건을 사용하여 바람직한 실시예가 설명되었지만, 이러한 설명은 단지 예시적인 목적에 불과하며, 이하 청구항의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고도 변화 및 변형이 가능하다는 것을 알 수 있다.

Claims (18)

  1. 목표물의 임피던스를 전압으로 변환하는 임피던스-전압(Z/V) 변환기에 있어서,
    그 출력단자와 반전 입력단자 사이에 접속되는 피드백 임피던스 회로를 구비하는 연산증폭기;
    상기 연산증폭기의 상기 반전 입력단자에 접속되는 한 쪽 단부와 목표물 임피던스의 한 쪽 전극에 접속되는 다른 쪽 단부를 구비하는 신호선;
    상기 연산증폭기의 비반전 입력단자에 접속되며 상기 목표물 임피던스에는 접속되지 않고 상기 비반전 입력단자에 정전압 신호를 독립적으로 제공하는 교류(AC) 전압 신호발생기; 및
    상기 신호선의 적어도 일부를 둘러싸며 상기 연산증폭기의 상기 비반전 입력단자 및 상기 교류신호 발생기에 접속되는 적어도 하나의 차폐를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 차폐는 망 구조 또는 튜브 구조로 이루어지는 제 1 차폐층을 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 차폐는 상기 제 1 차폐층의 외부표면을 둘러싸는 제 2 차폐층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2 차폐층은 망 구조 또는 튜브 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2 차폐층은 상기 연산증폭기의 상기 비반전 입력단자 및 상기 교류신호 발생기에 접속되는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  6. 목표물의 임피던스를 전압으로 변환하는 임피던스-전압(Z/V) 변환기에 있어서,
    그 출력단자와 반전 입력단자 사이에 접속되는 피드백 임피던스 회로를 구비하는 연산증폭기;
    상기 연산증폭기의 상기 반전 입력단자에 접속되는 한 쪽 단부와 목표물 임피던스의 한 쪽 전극에 접속되는 다른 쪽 단부를 구비하는 신호선;
    상기 연산증폭기의 비반전 입력단자에 접속되는 교류(AC)신호 발생기;
    상기 신호선의 적어도 일부를 둘러싸며 상기 연산증폭기의 상기 비반전 입력단자 및 상기 교류신호 발생기에 접속되는 제 1 차폐; 및
    상기 제 1 차폐의 외부표면을 둘러싸고 기준전압에 접속되는 제 2 차폐를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 목표물 및 상기 피드백 임피던스 회로의 임피던스는 모두 저항특성, 정전용량 특성 및 유도특성으로부터 선택된 특성과 동일한 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  8. 목표물의 임피던스를 전압으로 변환하는 임피던스-전압(Z/V) 변환기에 있어서,
    그 출력단자와 반전 입력단자 사이에 접속되는 저항을 구비하는 연산증폭기;
    상기 연산증폭기의 상기 반전 입력단자에 접속되는 한 쪽 단부와 정전용량 커패시턴스의 한 쪽 전극에 접속되는 다른 쪽 단부를 구비하는 신호선;
    상기 연산증폭기의 비반전 입력단자에 접속되며 상기 정전용량 커패시턴스에는 접속되지 않는 교류(AC) 전압 신호발생기; 및
    상기 신호선의 적어도 일부를 둘러싸며 상기 연산증폭기의 상기 비반전 입력단자 및 상기 교류신호 발생기에 접속되는 적어도 하나의 차폐를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  9. 임피던스-전압 변환기에 있어서,
    그 반전 입력단자와 출력단자 사이에 접속된 제 1 목표물을 갖는 연산증폭기;
    상기 연산증폭기의 상기 반전 입력단자에 접속되는 한 쪽 단부와 제 2 목표물의 한 쪽 단부에 접속된 다른 쪽 단부를 구비하는 신호선;
    상기 연산증폭기의 비반전 입력단자에 접속되며 상기 제 2 목표물에는 접속되지 않고 상기 비반전 입력단자에 정전압 신호를 독립적으로 제공하는 교류(AC) 전압 신호발생기; 및
    상기 신호선의 적어도 일부를 둘러싸며 상기 연산증폭기의 상기 비반전 입력단자 및 상기 교류신호 발생기에 접속되는 적어도 하나의 차폐를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 차폐는 망 구조 또는 튜브 구조로 이루어지는 제 1 차폐층을 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 차폐는 상기 제 1 차폐층의 외부표면을 둘러싸는 제 2 차폐층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제 2 차폐층은 망 구조 또는 튜브 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 제 2 차폐층은 상기 연산증폭기의 상기 비반전 입력단자 및 상기 교류신호 발생기에 접속되는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  14. 임피던스-전압 변환기에 있어서,
    그 반전 입력단자와 출력단자 사이에 접속된 제 1 목표물을 갖는 연산증폭기;
    상기 연산증폭기의 상기 반전 입력단자에 접속되는 한 쪽 단부와 제 2 목표물의 한 쪽 단부에 접속된 다른 쪽 단부를 구비하는 신호선;
    상기 연산증폭기의 상기 비반전 입력단자에 접속되는 교류(AC)신호 발생기;
    상기 신호선의 적어도 일부를 둘러싸며 상기 연산증폭기의 상기 비반전 입력단자 및 상기 교류신호 발생기에 접속되는 제 1 차폐; 및
    상기 제 1 차폐의 외부표면을 둘러싸고 기준전압에 접속되는 제 2 차폐를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 목표물 및 제 2 목표물의 임피던스는 저항특성, 정전용량 특성 및 유도특성으로부터 선택된 특성과 동일한 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  16. 임피던스-전압 변환기에 있어서,
    그 반전 입력단자와 출력단자 사이에 접속된 저항을 갖는 연산증폭기;
    상기 연산증폭기의 상기 반전 입력단자에 접속되는 한 쪽 단부와 정전용량 커패시턴스의 한 쪽 단부에 접속된 다른 쪽 단부를 구비하는 신호선;
    상기 연산증폭기의 비반전 입력단자에 접속되며 상기 정전용량 커패시턴스에는 접속되지 않는 교류(AC) 전압 신호발생기; 및
    상기 신호선의 적어도 일부를 둘러싸며 상기 연산증폭기의 상기 비반전 입력단자 및 상기 교류신호 발생기에 접속되는 적어도 하나의 차폐를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  17. 목표물의 임피던스를 전압으로 변환하는 임피던스-전압 변환기에 있어서,
    그 출력단자와 반전 입력단자 사이에 접속되는 피드백 임피던스 회로를 구비하고, 상기 반전 입력단자와 비반전 입력단자가 가상으로 쇼트되는 연산증폭기;
    상기 연산증폭기의 상기 반전 입력단자에 접속되는 한 쪽 단부와 목표물 임피던스의 한 쪽 단부에 접속되는 다른 쪽 단부를 구비하는 신호선;
    상기 신호선의 적어도 일부를 둘러싸며 상기 연산 증폭기의 상기 비반전 입력단자에 접속되는 적어도 하나의 차폐; 및
    상기 비반전 입력단자에 접속되며 상기 목표물 임피던스를 통해 상기 반전입력에는 접속되지 않고 상기 비반전 입력단자에 정전압 신호를 독립적으로 제공하는 교류(AC) 정전압 신호 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
  18. 임피던스-전압 변환기에 있어서,
    그 반전 입력단자와 출력단자 사이에 접속되는 제 1 목표물을 구비하고, 상기 반전 입력단자와 비반전 입력단자가 가상으로 쇼트되는 연산증폭기;
    상기 연산증폭기의 상기 반전 입력단자에 접속되는 한 쪽 단부와 제 2 목표물의 한 쪽 단부에 접속되는 다른 쪽 단부를 구비하는 신호선;
    상기 신호선의 적어도 일부를 둘러싸며 상기 연산증폭기의 상기 비반전 입력단자에 접속되는 적어도 하나의 차폐; 및
    상기 비반전 입력단자에 접속되며 상기 제 2 목표물 임피던스를 통해 상기 반전입력에는 접속되지 않고 상기 비반전 입력단자에 정전압 신호를 독립적으로 제공하는 교류(AC) 정전압 신호 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스-전압 변환기.
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