KR100715062B1 - 정전 용량 검출 회로, 정전 용량 검출 장치 및 마이크로폰장치 - Google Patents

Abstract

교류 전압 발생기(11)와, 비반전 입력 단자가 소정의 전위(본 예에서는 접지)에 접속된 연산 증폭기(14)와, 임피던스 변환기(16)와, 교류 전압 발생기(11)와 연산 증폭기(14)의 반전 입력 단자 사이에 접속되는 저항(R1)(12)과, 연산 증폭기(14)의 반전 입력 단자와 임피던스 변환기(16)의 출력 단자 사이에 접속되는 저항(R2)(13)과, 연산 증폭기(14)의 출력 단자와 임피던스 변환기(16)의 입력 단자 사이에 접속되는 임피던스 소자(콘덴서)(15)를 구비하는 정전 용량 검출 회로(10)로서, 피검출 콘덴서(17)는 임피던스 변환기(16)의 입력 단자와 소정의 전위 사이에 접속되고, 정전 용량 검출 회로(10)와 피검출 콘덴서(17)는 인접한 위치에 마련되어 있다.

Description

정전 용량 검출 회로, 정전 용량 검출 장치 및 마이크로폰 장치{CAPACITANCE MEASURING CIRCUIT, CAPACITANCE MEASURING INSTRUMENT, AND MICROPHONE DEVICE}

본 발명은 정전 용량을 검출하는 회로 및 장치 등에 관한 것으로, 특히, 미소한 용량을 높은 정밀도로 검출하는 회로, 장치 및 마이크로폰 장치에 관한 것이다.

정전 용량 검출 회로의 종래예로서, 일본 특허 공개 평성 제 9-280806 호 공보에 기재된 것을 들 수 있다. 도 1은 이 정전 용량 검출 회로를 나타내는 회로도이다. 이 검출 회로에서는, 전극(90, 91)으로 형성되는 용량 센서(92)가 신호선(93)을 거쳐서 연산 증폭기(95)의 반전 입력 단자에 접속되어 있다. 그리고 이 연산 증폭기(95)의 출력 단자와 상기 반전 입력 단자 사이에 콘덴서(96)가 접속되고, 또한, 비반전 입력 단자에 교류 전압 Vac이 인가되어 있다. 또한 신호선(93)은 쉴드선(94)에 의해서 피복되고, 외란 노이즈에 대하여 전기적으로 차폐되어 있다. 그리고 이 쉴드선(94)은 연산 증폭기(95)의 비반전 입력 단자에 접속되어 있다. 출력 전압 Vd는 연산 증폭기(95)의 출력 단자로부터 트랜스(97)를 거쳐서 출력된다.

이 검출 회로에서는, 연산 증폭기(95)의 반전 입력 단자와 비반전 입력 단자가 이미지너리 쇼트(imaginary short)의 상태로 되고, 반전 입력 단자에 접속된 신호선(93)과 비반전 입력 단자에 접속된 쉴드선(94)은 서로 거의 동일 전위로 된다. 이것에 의해서, 신호선(93)은 쉴드선(94)에 의해서 보호되어, 즉, 양자(93, 94)간의 부유 용량은 소거되어, 부유 용량에 영향받기 어려운 출력 전압 Vd를 얻을 수 있다고 말하는 것이다.

그러나, 이러한 종래 기술에 따르면, 확실히 용량 센서(92)의 용량이 어느 정도 큰 경우는 신호선(93)과 쉴드선(94) 사이의 부유 용량에 영향받지 않는 정확한 출력 전압 Vd를 얻을 수 있지만, 수 ㎊ 또는 fF(펨토 패럿) 오더 이하의 미소한 용량의 검출에서는 오차가 커져 버린다고 하는 문제가 있다.

또한, 인가하는 교류 전압 Vac의 주파수에 따라서는 연산 증폭기(95)의 내부의 트랙킹 에러 등에 의해, 이미지너리 쇼트의 상태에 있는 반전 입력 단자와 비반전 입력 단자의 전압 사이에도 결과적으로 미묘한 위상·진폭의 어긋남이 발생하여, 검출 오차가 커져 버린다고 하는 문제도 있다.

한편, 휴대 전화기 등으로 대표되는 경량·소형의 음성 통신 기기에서는, 콘덴서 마이크로폰 등의 용량 센서로 검출한 음성을 고감도이면서 또한 충실하게 전기 신호로 변환하는 컴팩트한 증폭 회로가 요구되고 있다. 수 ㎊ 또는 fF 오더 이하의 미소한 용량 또는 그 변화를 정확히 검출할 수 있으면, 지극히 높은 감도로 또한 충실하게 음성을 검출하는 것이 가능한 고성능의 마이크로폰이 실현되어, 휴 대 전화기 등의 음성 통신 기기에서의 음성의 픽업에 있어서의 성능이 비약적으로 향상된다.

그래서, 본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로서, 미소한 용량을 정확히 검출할 수 있고, 또한, 경량·소형의 음성 통신 기기에 사용되는 콘덴서 마이크로폰 등의 용량 센서의 용량 검출에 적합한 정전 용량 검출 회로 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명의 개시

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 정전 용량 검출 회로는, 피검출 콘덴서의 정전 용량에 대응하는 검출 신호를 출력하는 정전 용량 검출 회로로서, 입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮은 임피던스 변환기와, 용량성의 제 1 임피던스 소자와, 연산 증폭기와, 상기 연산 증폭기에 교류 전압을 인가하는 교류 전압 발생기와, 상기 연산 증폭기의 출력 에 접속되는 신호 출력 단자를 구비하되, 상기 임피던스 변환기의 입력 단자에는 상기 피검출 콘덴서의 일단(一端)과 상기 제 1 임피던스 소자의 일단이 접속되고, 상기 연산 증폭기의 부(負)귀환로에 상기 제 1 임피던스 소자 및 상기 임피던스 변환기가 포함되며, 상기 피검출 콘덴서와 상기 정전 용량 검출 회로는 인접하여 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 정전 용량 검출 회로는, 피검출 콘덴서의 정전 용량에 대응하는 검출 신호를 출력하는 정전 용량 검출 회로로서, 입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮은 임피던스 변환기와, 용량성의 제 1 임피던스 소자와, 연산 증폭기와, 상기 연산 증폭기에 교류 전압을 인가하는 교류 전압 발생기와, 상기 연산 증폭기의 출력에 접속되는 신호 출력 단자를 구비하되, 상기 임피던스 변환기의 입력 단자에는 상기 피검출 콘덴서의 일단과 상기 제 1 임피던스 소자의 일단이 접속되고, 상기 연산 증폭기의 부귀환로에 상기 제 1 임피던스 소자 및 상기 임피던스 변환기가 포함되며, 상기 피검출 콘덴서와 상기 제 1 임피던스 소자와 상기 임피던스 변환기가 근접하여 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.

구체예로서는, 교류 전압 발생기와, 비반전 입력 단자가 소정의 전위에 접속된 연산 증폭기와, 임피던스 변환기와, 연산 증폭기의 반전 입력 단자와 임피던스 변환기의 출력 단자 사이에 접속되는 저항과, 연산 증폭기의 출력 단자와 임피던스 변환기의 입력 단자 사이에 접속되는 콘덴서(제 1 임피던스 소자)를 구비하는 정전 용량 검출 회로를 구성하며, 피검출 콘덴서는 임피던스 변환기의 입력 단자와 소정의 전위 사이에 접속하고, 정전 용량 검출 회로와 피검출 콘덴서는 인접 또는 신호선의 부유 용량이 접속되는 소자의 용량의 최대의 값의 10배를 초과하지 않도록 가까이 근접한 위치에 마련해 둔다. 여기서, 소정의 전위란, 임의의 기준 전위, 소정의 직류 전위, 접지 전위 또는 플로팅 상태 중 어느 하나를 나타내는 것이며, 실시예에 맞추어 최적의 것이 선택된다. 또, 교류 전압 발생기와 연산 증폭기의 반전 입력 단자 사이에 접속되는 제 2 임피던스로서의 저항을 더 마련하더라도 된다.

이러한 구성에 의해서, 피검출 콘덴서에 일정한 전압이 인가되고, 또한, 그 피검출 콘덴서에 흐르는 전류의 거의 모두가 콘덴서(제 1 임피던스 소자)에 흐르고, 신호 출력 단자로부터는 피검출 콘덴서의 정전 용량에 대응한 신호가 출력된 다.

또, 정전 용량 검출 회로와 피검출 콘덴서를 접속하는 신호선으로의 노이즈의 혼입이나 그 신호선의 부유 용량의 발생을 저감시키기 위해서, 피검출 콘덴서와 정전 용량 검출 회로는 가능한 한 인접한 위치에 마련해 둔다. 또는, 피검출 콘덴서와 제 1 임피던스 소자와 임피던스 변환기를 가능한 한 근접한 위치에 마련해 놓는다.

여기서, 본원 명세서에 있어서, 「근접한다」라는 것은 신호선의 부유 용량이 피검출 콘덴서의 용량값 또는 용량성의 제 1 임피던스 소자의 용량값이 큰 쪽의 용량값에 대하여 10배를 초과하지 않는 상태에 있는 것을 말한다. 이것은, 신호선의 부유 용량이, 접속되어 있는 소자의 용량값의 1자리수 위의 수치를 초과하지 않는 용량값으로 했을 때에, 본 발명의 정전 용량 검출 회로는 검출 감도의 대폭적인 악화를 방지할 수 있다는 것을 알 수 있었던 것이며, 이것은 경험적으로 얻어진 것이다. 이 신호선의 부유 용량은 피검출 콘덴서와, 제 1 임피던스 소자와, 임피던스 변환기를 신호선 에 접속하지 않은 상태에서, 용량 측정을 행하면 측정할 수 있다. 그리고, 본원 명세서에서는, 상기의 근접한 조건으로 인접하여 접하고 있는 상태를 「인접」이라고 한다.

여기서, 상기 정전 용량 검출 회로에 부가하여, 신호 출력 단자에서의 신호를 반전하는 반전 증폭 회로와, 임피던스 변환기의 출력 신호와 반전 증폭 회로의 출력 신호를 가산하는 가산 회로를 부가하더라도 된다. 또한, 콘덴서(제 1 임피던스 소자)와 병렬로 저항을 접속해 두더라도 무방하다.

또한, 본 발명의 응용으로서, 피검출 콘덴서는 용량의 변화에 따라 물리량을 검출하는 용량형 센서로 하고, 정전 용량 검출 회로는 프린트 기판 또는 실리콘 기판 상에 형성하고, 그들 용량형 센서와 기판을 고정한다, 또는, 일체 성형하고 있는 것이 바람직하다. 더 구체예로서, 보다 바람직하게는, 피검출 콘덴서로서, 콘덴서 마이크로폰을 채용하고, 정전 용량 검출 회로에서는 IC로 실현하며, 그들 콘덴서 마이크로폰과 IC를 일체화하여, 휴대 전화기 등에 사용되는 마이크로폰으로서 하나의 관체(쉴드 박스)에 수용하더라도 된다. 이 때, 콘덴서 마이크로폰과 IC는 인접한 위치에 고정하고, 도전성의 판, 배선 패턴, 와이어 본딩 등으로 접속해 둔다.

도 1은 종래의 정전 용량 검출 회로의 회로도,

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에서의 정전 용량 검출 회로의 회로도,

도 3(a)∼(e)은 본 발명에서 사용 가능한 임피던스 변환기의 예를 나타내는 도면,

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에서의 정전 용량 검출 회로의 회로도,

도 5는 본 발명의 정전 용량 검출 회로의 전자 기기로의 응용예를 나타내는 도면(마이크로폰의 단면도),

도 6은 도 4에 표시된 마이크로폰의 개략적인 외관도로서, (a)는 평면도, (b)는 정면도, (c)는 저면도,

도 7은 마이크로폰의 다른 일례의 단면도,

도 8은 도 6에 표시된 마이크로폰의 개략적인 외관도로서, (a)는 평면도, (b)는 정면도,

도 9는 본 발명의 다른 실시예에서의 정전 용량 검출 회로의 회로도이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 이용하여 상세히 설명한다.

(제 1 실시예)

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에서의 정전 용량 검출 회로(10)의 회로도이다. 또, 본 도면에서는, 이 정전 용량 검출 회로(10)에 검출 대상인 피검출 콘덴서(17)(여기서는, 콘덴서 마이크로폰 등, 정전 용량 Cs의 변화를 이용하여 각종 물리량을 검출하는 용량형 센서)가 접속되어 있다.

이 정전 용량 검출 회로(10)는 교류 전압을 발생하는 교류 전압 발생기(11), 저항(R1)(12), 저항(R2)(13), 연산 증폭기(14), 임피던스 소자(여기서는, 용량 Cf의 콘덴서)(15) 및 임피던스 변환기(16)로 구성되고, 피검출 콘덴서(17)의 정전 용량에 대응하는 검출 신호(전압 Vout)를 신호 출력 단자(20)로부터 출력한다.

교류 전압 발생기(11)는, 일단(一端)이 소정의 전위(본 예에서는 접지)에 접속되고, 타단(출력 단자)으로부터 일정한 교류 전압(전압 Vin, 각 주파수 ω)을 발생하고 있다. 교류 전압 발생기(11)의 출력 단자와 연산 증폭기(14)의 반전 입력 단자 사이에는 저항(R1)(12)이 접속되어 있다.

연산 증폭기(14)는 입력 임피던스 및 개(開)루프 이득이 매우 높은 전압 증폭기이며, 여기서는, 비반전 입력 단자가 소정의 전위(본 예에서는 접지)에 접속되고, 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자가 이미지너리 쇼트의 상태로 되어 있다. 이 연산 증폭기(14)의 부(負)귀환로, 즉, 연산 증폭기(14)의 출력 단자로부터 반전 입력 단자까지의 사이에 콘덴서(15), 임피던스 변환기(16) 및 저항(R2)(13)이 이 순서대로 직렬로 접속되어 있다.

임피던스 변환기(16)는, 입력 임피던스가 매우 높고, 출력 임피던스가 매우 낮으며, 전압 이득이 A배인 전압 증폭기이다. 이 임피던스 변환기(16)의 입력 단자(21)에는, 신호선 또는 프린트 기판 상의 배선 패턴 등의 도전체를 거쳐서 피검출 콘덴서(17)의 일단이 접속되는 한편, 피검출 콘덴서(17)의 타단은 소정의 전위(본 예에서는 접지)에 접속되어 있다. 연산 증폭기(14)의 출력 단자에는 이 정전 용량 검출 회로(10)의 출력 신호, 즉, 피검출 콘덴서(17)의 용량에 대응한 검출 신호를 출력하기 위한 신호 출력 단자(20)가 접속되어 있다. 또, 본원에서는, A배 등으로 나타내어지는 변수 A는 모두 영(0) 이외의 실수를 나타낸다.

또, 피검출 콘덴서(17)와 정전 용량 검출 회로(10)의 접속에 대하여, 불필요한 부유 용량이 검출 오차로서 가산되거나 외란 노이즈가 혼입되거나 하는 것을 피하기 위해서, 가능한 한 짧은 도전체(케이블, 구리 박(箔)의 배선 패턴, 접속 단자 등)에 의해 접속하는 것이 바람직하다. 또한, 가능하면, 외란 노이즈에 대한 차폐를 강화하기 위해서, 피검출 콘덴서(17) 및 정전 용량 검출 회로(10) 전체를 접지 된 쉴드 부재로 덮거나, 쉴드 박스 내에 수납하는 것이 바람직하다.

이상과 같이 구성된 정전 용량 검출 회로(10)의 동작은 이하와 같다.

저항(R1)(12), 저항(R2)(13) 및 연산 증폭기(14) 등으로 구성되는 반전 증폭 회로에 착안하면, 연산 증폭기(14)의 양 입력 단자가 이미지너리 쇼트의 상태로 되어 동(同) 전위(예컨대, 0V)이고, 또한, 그 입력 임피던스가 매우 높아, 전류가 흘러 없으므로, 저항(R1)(12)을 흐르는 전류는 Vin/R1로 되어, 그 모두가 저항(R2)(13)을 흐르기 때문에, 임피던스 변환기(16)의 출력 전압을 V2라고 하면,

이 성립된다. 이것을 정리하는 것에 의해, 임피던스 변환기(16)의 출력 전압 V2는,

로 된다. 또한, 임피던스 변환기(16)의 전압 이득은 A이기 때문에, 입력 전압(입력 단자(21)의 전압) V1과 출력 전압(출력 단자(22)에서의 전압) V2의 관계로부터, 그 입력 전압 V1은

이 성립된다. 또한, 콘덴서(15)를 피검출 콘덴서(17)를 향하여 흐르는 전류를 i라고 하면, 임피던스 변환기(16)의 입력 임피던스가 매우 높으므로, 그 전류 i의 모두가 피검출 콘덴서(17)에 흐르기 때문에, 전류 i는 jωCs·V1로 되어, 신호 출력 단자(20)로부터 출력되는 검출 신호의 전압 Vout은

로 된다.

상기 수학식 1과 수학식 2로부터 V2를 소거하면,

를 얻을 수 있고, 이 V1을 상기 수학식 3에 대입하면,

를 얻을 수 있다.

이 수학식 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 정전 용량 검출 회로(10)의 신호 출력 단자(20)로부터 출력되는 검출 신호의 전압 Vout는 피검출 콘덴서(17)의 용량 Cs에 의존한 값으로 된다. 따라서, 이 전압 Vout에 대하여 다양한 신호 처리를 실시함으로써, 용량 Cs를 특정할 수 있다. 또한, 이 수학식 5에는 각 주파수 ω가 포함되어 있지 않아 알 수 있는 바와 같이, 이 검출 신호의 전압 Vout은 교류 전압 발생기(11)로부터의 교류 신호 Vin의 주파수 및 피검출 콘덴서의 주파수의 변화에 의존하지 않는다. 이에 의해서, 피검출 콘덴서(17)에 인가되는 교류 전압의 주파수에 의존하는 일 없이, 피검출 콘덴서(17)의 용량을 검출할 수 있는(회로에서의 주파수 의존 특성을 갖지 않는) 정전 용량 검출 회로가 실현된다. 따라서, 콘덴서 마이크로폰 등, 용량값이 임의의 주파수(음성 대역)로 변화하는 피검출 콘덴서(17)에 대하여, 검출된 신호를 주파수 보정하는 일 없이, 그 전압값으로부터 직접 용량값을 특정하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시예의 정전 용량 검출 회로(10)에서는, 콘덴서(15) 및 피검출 콘덴서(17)에 전류를 공급하고 있는 연산 증폭기(14)는 그 비반전 입력 단자가 소정의 전위에 접속되고 고정화되어 있다. 따라서, 도 1에 나타내는 종래의 회로에서의 연산 증폭기(95)와 상이하며, 연산 증폭기(14)는 입력되는 교류 신호의 주파수 등에 의존하는 일 없이, 노이즈가 적은 안정한 전류를 콘덴서(15) 및 피검출 콘덴서(17)에 공급하기 때문에, 피검출 콘덴서(17)의 미소한 용량의 검출이 가능해진다.

또, 본 발명에 따른 실험에 의하면, 도 2의 정전 용량 검출 회로에서, 예컨대, Cs(피검출 콘덴서 : 본 실시예에서는 마이크로폰)의 본래의 정전 용량이 20㎊일 때에, 신호선의 부유 용량이 200㎊을 초과하면, 상당히 검출 감도가 악화되었다. 또한, 상기 Cs에 대하여, 몇 개의 별도의 정전 용량값으로 확인한 바, 동일한 경향의 결과를 얻었다.

또한, 제 1 임피던스 소자인 용량 Cf와 피검출 콘덴서 Cs는 이 회로 내에서는 모두 신호선에 접속된 용량 소자이며, 어느 소자에 대하여 보더라도 계산상으로는 상기와 같은 결과를 가져오는 것으로 생각된다.

이들 실험 결과 및 경험으로부터, 신호선의 부유 용량이 당해 Cs 또는 Cf의 용량값의 1자리수 위의 값을 초과하지 않도록, 피검출 콘덴서와 제 1 임피던스 소자와 임피던스 변환기를 근접시키면 양호한 검출 감도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.

도 3은 도 2에 나타낸 정전 용량 검출 회로(10)에서의 임피던스 변환기(16)의 구체적인 회로예를 나타낸다. 도 3(a)는 연산 증폭기(100)를 이용한 전압 팔로워를 나타내고 있다. 연산 증폭기(100)의 반전 입력 단자와 출력 단자가 단락되어 있다. 이 연산 증폭기(100)의 비반전 입력 단자를 임피던스 변환기(16)의 입력으로 하고, 연산 증폭기(100)의 출력 단자를 임피던스 변환기(16)의 출력으로 함으로써, 입력 임피던스가 매우 높고, 전압 이득 A가 1로 되는 임피던스 변환기(16)를 얻을 수 있다.

도 3(b)는 연산 증폭기(101)를 이용한 비반전 증폭 회로를 나타내고 있다. 연산 증폭기(101)의 반전 입력 단자와 그라운드 사이에 저항(R10)(110)이 접속되고, 연산 증폭기(101)의 반전 입력 단자와 출력 단자 사이에 피드백 저항(저항(R11)(33))이 접속되어 있다. 이 연산 증폭기(101)의 비반전 입력 단자를 임피던스 변환기(16)의 입력으로 하고, 연산 증폭기(101)의 출력 단자를 임피던스 변환기(16)의 출력으로 함으로써, 입력 임피던스가 매우 높고, 전압 이득 A가 (R10+R1l)/R10으로 되는 임피던스 변환기(16)를 얻을 수 있다.

도 3(c)는 도 3(a)이나 도 3(b)에 도시한 연산 증폭기의 입력단에 CM0S 구조의 버퍼를 부가한 회로를 나타내고 있다. 도시한 바와 같이, 정부(正負) 전원 사이에 N형 MOSFET(34)와 P형 MOSFET(35)가 저항(112, 113)을 거쳐서 직렬로 접속되 고, 버퍼의 출력이 연산 증폭기(100)(또는 101)의 입력에 접속되어 있다. 이 버퍼의 입력을 임피던스 변환기(16)의 입력으로 하고, 연산 증폭기의 출력 단자를 임피던스 변환기(16)의 출력으로 함으로써, 입력 임피던스가 매우 높은 임피던스 변환기(16)를 얻을 수 있다.

도 3(d)는 도 3(c)의 입력단의 버퍼와 같은 회로를 나타내고 있다. 도시한 바와 같이, 정부 전원 사이에 N형 MOSFET(34)와 P형 MOSFET(35)가 직렬로 접속되고, 양 MOSFET의 접속부로부터 출력이 이루어진다.

도 3(e)는 연산 증폭기(102)의 비반전 입력을 임피던스 변환기의 입력으로 하고, 연산 증폭기(102)의 반전 입력 단자에 저항(114)의 일단을 접속하며, 연산 증폭기(102)의 출력과 반전 입력 사이를 저항(115)을 거쳐서 접속한 것으로 되어 있다. 도 3(d) 및 도 3(e)에 나타내는 바와 같이, 이러한 구성을 취함으로써 입력 임피던스가 매우 높은 임피던스 변환기(16)를 얻을 수 있다.

(제 2 실시예)

다음에, 본 발명의 제 2 실시예에서의 정전 용량 검출 회로에 대하여 설명한다.

도 4는 제 2 실시예에서의 정전 용량 검출 회로(30)의 회로도이다. 이 정전 용량 검출 회로(30)는, 크게 나누어, 도 2에 나타낸 정전 용량 검출 회로(10)에 상당하는 코어부(31), 그 코어부(31)의 신호 출력 단자(20)에서의 신호 전압 V01을 입력으로 하여 반전하는 반전부(32), 및, 그 반전부(32)의 출력 단자(23)에서의 신 호 전압 V03과 코어부(31)의 교류 출력 단자(22)에서의 신호 전압 V02를 가산하여, 출력 단자(24)에 전압 V04의 검출 신호를 출력하는 가산부(33)로 구성된다.

코어부(31)는 도 2에 나타낸 정전 용량 검출 회로(10)와 동일한 회로이다. 따라서, 코어부(31)의 신호 출력 단자(20)의 전압 V01은 상기 수학식 5로부터

로 되고, 코어부(31)의 교류 출력 단자(22)의 전압 V02는 상기 수학식 1로부터

로 된다.

반전부(32)는 가변 저항(R4)(40), 저항(R5)(41), 가변 저항(R6)(42), 콘덴서(43) 및 연산 증폭기(44)를 구비한 반전 증폭 회로이며, 전압 이득이 -1이고, 또한, 그 출력 단자(23)에서의 신호 V03의 위상이 코어부(31)의 교류 출력 단자(22)에서의 신호 V02와 동일하게 되도록, 가변 저항(R4)(40) 및 가변 저항(R6)(42)의 저항값이 조정되어 있다. 따라서, 이 반전부(32)의 입력 전압 V01과 출력 전압 V03은 이상적으로는 이하의 관계가 성립되어 있다.

가산부(33)는 저항값이 동일한 3개의 저항(R7)(45), 저항(R8)(46) 및 저항(R9)(47)이 연산 증폭기(48)에 접속된 가산기이다. 즉, 2개의 입력 신호의 전압 V02 및 V03과 출력 전압 V04는 이하의 관계가 성립한다.

이 수학식 9에 상기 수학식 8을 대입하여 V03을 소거한 후에, 상기 수학식 6 및 수학식 7을 대입하면,

이 성립한다. 즉, 이 정전 용량 검출 회로(30)의 출력 단자(24)로부터 출력되는 검출 신호의 전압 V04는 용량값 Cs에 비례하는 것을 알 수 있다. 따라서, 이 전압 V04에 근거하여, 각종 신호 처리를 실시함으로써, 미지의 용량값 Cs 또는 용량 변화를 용이하게 특정할 수 있다.

이 수학식 10과 제 1 실시예에서의 검출 신호의 전압 Vout을 나타내는 수학식 5를 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 제 2 실시예에서의 정전 용량 검출 회로(30)에 의해 얻어지는 검출 신호는 제 1 실시예와 상이하며, 피검출 콘덴서(17)의 용량에 비례하는 성분만을 포함하고, 불필요한 오프셋분(피검출 콘덴서(17)에 의존하지 않은 전압)을 포함하고 있지 않다. 따라서, 제 2 실시예에서의 검출 신호로부터 피검출 콘덴서(17)의 용량을 특정하는 신호 처리는 간단한 것으로 끝난다.

또, 본 예에서는 V03=-V01로 되는 예로 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니다. 용량 센서의 종류에 따라, V03=k·V01(k는 반전 증폭부의 증폭율)로 하고, 출력 전압 V04가,

로 되도록 설정하더라도 된다.

도 5는, 상기 제 1 및 제 2 실시예에서의 정전 용량 검출 회로의 전자 기기로의 응용예를 나타내는 도면이다. 여기서는, 콘덴서 마이크로폰과 정전 용량 검출 회로가 일체화된, 휴대 전화기 등에 이용되는 마이크로폰(50)의 단면도가 나타내어져 있다. 이 마이크로폰(50)은 소리 구멍(52)을 갖는 덮개(51)와, 소리에 의해서 진동하는 진동막(53)과, 진동막(53)을 고정하고 있는 링(54)과, 스페이서(55a)와, 스페이서(55a)를 거쳐서 진동막(53)과 대항하여 마련된 고정 전극(56)과, 고정 전극(56)을 지지하는 절연판(55b)과, 절연판(55b)의 이면에 고정된 상기 실시예의 정전 용량 검출 회로가 형성된 IC 칩(58)과, IC 칩(58)을 몰딩하고 있는 IC 패키지(59)와, IC 칩(58)과 와이어 본딩 등으로 접속된 외부 전극(61a, 61b) 등으로 구성된다.

콘덴서를 형성하고 있는 한쪽의 전극인 진동막(53)은 소정의 전위(본 예에서는 접지)에 접속되고, 다른쪽의 전극인 고정 전극(56)은 알루미늄판이나 와이어 본딩, 콘택트 홀 등의 도전체를 거쳐서 IC 칩(58)의 회로 에 접속되어 있다. 진동막(53)과 고정 전극(56)으로 이루어지는 콘덴서의 용량 또는 그 변화는 절연판(55b)을 거쳐서 인접하는 IC 칩(58) 내의 정전 용량 검출 회로에 의해서 검 출되고, 전기 신호로 변환되어 외부 전극(61a, 61b) 등으로부터 출력된다. 또, 덮개(51)는 알루미늄 등의 금속으로 이루어지고, 절연 기판(60)의 상면에 형성된 도전막(도시하지 않음)과 함께, 내부의 콘덴서(53, 56)나 IC 칩(58)으로의 외란 노이즈의 침입을 차폐하는 쉴드 박스로서의 역활을 담당하고 있다. 또한 본 예에서는, 고정 전극(56)과 회로를 접속하고, 진동막(53)을 소정의 전위에 접속하고 있지만, 진동막(53)과 회로를 접속하고, 고정 전극(56)을 소정의 전위에 접속하더라도 된다. 단, 경험적으로는 전자쪽이 바람직하다.

도 6은 도 5에 도시한 마이크로폰(50)의 개략적인 외관도이다. 도 6(a)는 평면도, 도 6(b)는 정면도, 도 6(c)는 저면도이다. 도 6(a), (b)에 나타낸 덮개(51)의 크기는, 예컨대, 대체로 세로 5㎜ × 높이 2㎜이다. 도 6(c)에 나타낸 4개의 외부 전극(61a∼61d)은, 예컨대, 정전 용량 검출 회로의 전원용의 2개의 단자와 출력 신호용의 2개의 단자이다.

이러한 응용예에서는, 피검출 콘덴서(여기서는 콘덴서 마이크로폰)와 정전 용량 검출 회로(여기서는 IC 칩)는 인접하여 마련되고, 신호선은 매우 짧으며, 그 부유 용량이 콘덴서 마이크로폰이 회로 내의 제 1 임피던스 소자 중 어느 큰 쪽의 용량값의 10배를 초과하지 않는 길이의 도전체에 의해서 접속되어 있다. 그리고, 그들 부품은 금속제의 덮개 등의 쉴드 부재로 덮어져 있다. 따라서, 이러한 응용예에서는, 피검출 콘덴서와 정전 용량 검출 회로를 접속하는 신호선(도전체)에 혼입하는 외란 노이즈 등의 악영향에 대해서는 무시할 수 있다고 생각된다.

즉, 이러한 소형의 마이크로폰에서는, 피검출 콘덴서와 정전 용량 검출 회로 는 매우 짧은 도전체로 접속되기 때문에, 그 사이를 쉴드 부착 케이블로 접속하거나, 그 쉴드에 가드 전압을 인가하기 위한 특수한 회로를 마련하는 것은 도리어 회로 규모를 크게 하여, 회로의 컴팩트화를 방해한다. 따라서, 피검출 콘덴서와 정전 용량 검출 회로는 비(非)쉴드의(쉴드되어 있지 않는) 도전판, 배선 패턴, 와이어 본딩, 리드선 등에 의해 최단 경로를 접속하는 것이 바람직하다. 다른 마이크로폰의 예로서, 도 7 및 도 8에 회로를 기판에 탑재한 것을 나타낸다. 상기 실시예의 정전 용량 검출 회로가 기판(62)에 탑재된 이외에는 기본적으로 동일하다.

이상, 본 발명에 따른 정전 용량 검출 회로에 대하여 2개의 실시예 및 제품으로의 응용예에 근거하여 설명했지만, 본 발명은 이들 실시예 및 응용예에 한정되는 것이 아니다.

예컨대, 정전 용량 검출 회로(10 및 30)에 있어서, 피검출 콘덴서(17)에 흐르는 전류를 검출하기 위해서, 연산 증폭기(14)와 임피던스 변환기(16) 사이에 콘덴서(15)가 접속되었지만, 저항이나 인덕턴스 등의 임피던스 소자를 접속하는 것도 고려할 수 있다.

또한, 도 9에 나타내는 바와 같이, 상기 실시예에서의 정전 용량 검출 회로(10 및 30)에서의 콘덴서(15)와 병렬로 저항(18)을 부가하여 접속하더라도 된다. 이에 따라, 콘덴서(15)와 피검출 콘덴서(17)의 접속점은 저항(18)을 거쳐서 제 1 연산 증폭기(14)의 출력 단자와 접속되게 되고, 직류적으로 플로팅 상태로 되는 것이 해소되어, 전위가 고정된다.

또한, 피검출 콘덴서(17)로서 접속되는 용량형 센서는 콘덴서 마이크로폰에 만 한정되지 않고, 가속도 센서, 지진계, 압력 센서, 변위 센서, 변위계, 근접 센서, 터치 센서, 이온 센서, 습도 센서, 우적(雨滴) 센서, 눈(雪) 센서, 천둥 센서, 위치 정렬 센서, 접촉 불량 센서, 형상 센서, 종점 검출 센서, 진동 센서, 초음파 센서, 각속도 센서, 액량 센서, 가스 센서, 적외선 센서, 방사선 센서, 수위계, 동결 센서, 수분계, 진동계, 대전 센서, 프린트 기판 검사기 등의 공지된 용량형 센서 등, 정전 용량의 변화를 이용하여 각종 물리량을 검출하는 모든 트랜스듀서(디바이스)가 포함된다.

이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따른 정전 용량 검출 회로, 정전 용량 검출 장치 및 마이크로폰 장치는 저항을 거쳐서 연산 증폭기에 교류 전압을 인가하고, 신호선에 피검출 콘덴서를 접속함으로써, 피검출 콘덴서의 용량을 검출하고 있다. 즉, 비반전 입력 단자를 소정의 전위에 접속한 연산 증폭기의 출력 단자와 임피던스 변환기의 입력 단자 사이에 콘덴서를 접속하고, 또한, 임피던스 변환기의 입력 단자와 소정의 전위 사이에 피검출 콘덴서를 접속하고 있다.

이것에 의해서, 피검출 콘덴서에 흐르는 전류 모두가 콘덴서에 흐르고, 연산 증폭기의 출력 단자에는 피검출 콘덴서의 용량에 대응하는 정확한 신호가 출력되게 되어, 수 ㎊ 또는 fF 오더 이하의 미소한 용량의 검출이 가능해진다.

그리고, 연산 증폭기의 비반전 입력 단자는 소정의 전위에 접속되고, 입력 단자의 한쪽의 전위가 고정되기 때문에, 연산 증폭기는 안정하게 동작하여, 연산 오차가 저감하고, 검출 신호에 포함되는 노이즈가 억제된다.

또한, 연산 증폭기와 임피던스 변환기 사이에 콘덴서가 접속되어 있기 때문 에, 연산 증폭기에 인가되는 교류 전압의 주파수에 의존하지 않고, 피검출 콘덴서의 용량 변화의 주파수에도 의존하지 않는 검출 감도가 확보된다. 또한, 연산 증폭기와 임피던스 변환기 사이에 저항을 접속한 경우에서의 그 저항으로부터의 열 잡음에 의한 S/N비의 열화라고 하는 문제도 발생하지 않는다.

또, 이 정전 용량 검출 회로와 피검출 콘덴서를 인접한 위치에 마련해 두거나, 또는, 신호선에 접속되는 회로 소자를 근접하여 마련함으로써, 이 사이를 접속하는 쉴드 케이블이나 그 케이블로 발생하는 부유 용량을 소거하는 특수한 회로 등은 불필요하게 된다.

여기서, 상기 정전 용량 검출 회로에, 신호 출력 단자에서의 신호를 반전하는 반전 증폭 회로와, 임피던스 변환기의 출력 신호와 반전 증폭 회로의 출력 신호를 가산하는 가산 회로를 부가하더라도 된다. 이것에 의해서, 정전 용량 검출 회로의 출력 신호에 포함되는 불필요한 오프셋 성분이 제거되고, 피검출 콘덴서의 용량에 대응하는 정미(正味)의 신호를 크게 증폭할 수 있다.

또한, 피검출 콘덴서를 콘덴서 마이크로폰으로 하여, 정전 용량 검출 회로에 대해서는 IC로 실현하고, 그들 콘덴서 마이크로폰과 IC를 일체화하여, 휴대 전화기 등에 사용되는 마이크로폰으로서 하나의 관체(쉴드 박스)에 수용함으로써, 콘덴서 마이크로폰과 정전 용량 검출 회로는 매우 인접한 위치에 배치되기 때문에, 피검출 콘덴서와 정전 용량 검출 회로를 접속하기 위한 직경이 큰 쉴드 케이블이나 가드 전압을 인가하기 위한 특수한 회로 등이 불필요하게 된다.

또, 본 발명에 따른 정전 용량 검출 회로는, 피검출 콘덴서에 전류를 흘리는 것에 의해 용량을 검출하고 있기 때문에, 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰 등과 같이, 피검출 콘덴서의 전극에 고분자 필름 등을 붙여 일렉트렛화할 필요가 없어, 통상의 정전 용량형 센서에 적용할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의해, 사용 환경의 한정도 적어져, 미소한 용량을 정확히 검출할 수 있고, 또한, 소형화에 적합한 정전 용량 검출 회로 등이 실현되며, 특히, 휴대 전화기 등의 경량·소형의 음성 통신 기기의 음성 성능이 비약적으로 향상되고, 그 실용적 가치는 매우 높다.

본 발명에 따른 정전 용량 검출 회로는, 용량형 센서의 검출 회로로서, 특히, 휴대 전화기 등의 소형·경량의 기기에 구비되는 마이크로폰 장치로서 이용할 수 있다.

Claims (9)

1. 피검출 콘덴서의 정전 용량에 대응하는 검출 신호를 출력하는 정전 용량 검출 회로로서,

   높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 가지며 소정의 전압 이득을 갖는 임피던스 변환기와, 용량성의 제 1 임피던스 소자와, 연산 증폭기와, 상기 연산 증폭기에 교류 전압을 인가하는 교류 전압 발생기와, 상기 연산 증폭기의 출력에 접속되는 신호 출력 단자를 구비하되,

   상기 임피던스 변환기의 입력 단자에는 상기 피검출 콘덴서의 일단(一端)과 상기 제 1 임피던스 소자의 일단이 접속되고,

   상기 연산 증폭기의 부(負)귀환로에 상기 제 1 임피던스 소자 및 상기 임피던스 변환기가 포함되며,

   상기 피검출 콘덴서와 상기 정전 용량 검출 회로는 인접하여 마련되어 있는 것

   을 특징으로 하는 정전 용량 검출 회로.
2. 피검출 콘덴서의 정전 용량에 대응하는 검출 신호를 출력하는 정전 용량 검출 회로로서,

   높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 가지며 소정의 전압 이득을 갖는 임피던스 변환기와, 용량성의 제 1 임피던스 소자와, 연산 증폭기와, 상기 연산 증폭기에 교류 전압을 인가하는 교류 전압 발생기와, 상기 연산 증폭기의 출력에 접속되는 신호 출력 단자를 구비하되,

   상기 임피던스 변환기의 입력 단자에는 상기 피검출 콘덴서의 일단과 상기 제 1 임피던스 소자의 일단이 접속되고,

   상기 연산 증폭기의 부귀환로에 상기 제 1 임피던스 소자 및 상기 임피던스 변환기가 포함되며,

   상기 피검출 콘덴서와 상기 제 1 임피던스 소자와 상기 임피던스 변환기가 근접하여 마련되어 있는 것

   을 특징으로 하는 정전 용량 검출 회로.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 정전 용량 검출 회로는 상기 제 1 임피던스 소자와 병렬로 접속되는 저항 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 회로.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 교류 전압 발생기와 상기 연산 증폭기 사이에 마련된 제 2 임피던스를 더 구비한 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 회로.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 정전 용량 검출 회로는,

   상기 신호 출력 단자에서의 신호를 반전하는 반전 증폭 회로와,

   상기 임피던스 변환기의 출력 신호와 상기 반전 증폭 회로의 출력 신호를 가산하는 가산 회로를 더 구비하는 것

   을 특징으로 하는 정전 용량 검출 회로.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 피검출 콘덴서의 일단과 상기 임피던스 변환기의 입력 단자는 비(非)쉴드의 도전체로 접속되는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 회로.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 피검출 콘덴서 및 상기 정전 용량 검출 회로는 하나의 쉴드 박스 내에 수납되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 회로.
8. 용량의 변화에 따라 물리량을 검출하는 피검출 콘덴서로서의 용량형 센서와,

   프린트 기판 또는 실리콘 기판 상에 형성되고, 상기 용량형 센서에 고정하여 마련되어 있는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 정전 용량 검출 회로를 구비하는 것

   을 특징으로 하는 정전 용량 검출 장치.
9. 피검출 콘덴서로서의 콘덴서 마이크로폰과,

   청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 정전 용량 검출 회로를 구비하는 것

   을 특징으로 하는 마이크로폰 장치.

Images