KR20040040454A - 임피던스 검출 회로, 그 방법 및 정전 용량 검출 회로 - Google Patents

Abstract

직류 전압 발생기(11)와 비반전 입력 단자가 소정의 전위로 접속된 연산 증폭기(14)와, 임피던스 변환기(16)와, 직류 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)와, 연산 증폭기(14)의 출력 단자와 임피던스 변환기(16)의 입력 단자 사이에 접속되는 콘덴서(15)를 구비하는 정전 용량 검출 회로(10)로서, 피검출 콘덴서(17)는 임피던스 변환기(16)의 입력 단자와 소정의 전위 사이에 접속된다.

Description

임피던스 검출 회로, 그 방법 및 정전 용량 검출 회로{IMPEDANCE MEASURING CIRCUIT, ITS METHOD, AND CAPACITANCE MEASURING CIRCUIT}

정전 용량 검출 회로의 종래 예로서, 일본 특허 공개 평성 제9-280806호 공보에 기재한 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 거쳐 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 Vac가 인가되고 있다. 또한, 신호선(93)은 쉴드선(94)에 의해 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 거쳐 취출된다.

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 동 전위로 된다. 이에 따라, 신호선(93)은 쉴드선(94)에 의해 가딩되고, 즉, 신호선(93)과 쉴드선(94)간의 부유 용량은 제거되어, 부유 용량에 영향을 받기 어려운 출력 전압 Vd를 얻을 수 있다고 하는 것이다.

그러나, 이러한 종래 기술에 따르면, 확실히 용량 센서(92)의 용량이 어느 정도에 클 때에는 신호선(93)과 쉴드선(94) 사이의 부유 용량에 영향을 받지 않는 정확한 출력 전압 Vd를 얻을 수 있지만, 수 pF 또는 fF(펨토 패럿) 이하의 미소한 용량의 검출에 있어서는, 오차가 커져 버린다고 하는 문제가 있다.

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

한편, 휴대 전화기 등으로 대표되는 경량·소형의 음성 통신기기에 있어서는, 콘덴서 마이크로폰 등의 용량 센서로 검출한 음성을, 고감도이고 또한 충실하게 전기 신호로 변환하는 콤팩트한 증폭 회로가 요구되고 있다. 수 pF 또는 fF 이하의 미소한 용량 또는 그 변화를 정확히 검출할 수 있으면, 매우 높은 감도로, 또한, 충실하게 음성을 검출할 수 있는 고성능의 마이크로폰이 실현되고, 휴대 전화기 등의 음성 통신기기에서의 음성의 픽업에서의 성능이 비약적으로 향상된다.

그래서, 본 발명은, 이러한 상황을 감안해서 행해진 것으로서, 미소한 용량변화를 정확히 검출할 수 있고, 또한, 경량·소형의 음성 통신기기에 사용되는 콘덴서 마이크로폰 등의 용량 센서를 비롯한 임피던스 검출에 적합한 임피던스 검출 회로 및 정전 용량 검출 회로 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 임피던스 및 정전 용량을 검출하는 회로 및 방법에 관한 것으로, 특히, 미소한 임피던스 및 용량을 높은 정밀도로 검출하는 회로 및 방법에 관한 것이다.

도 1은 종래의 정전 용량 검출 회로의 회로도,

도 2는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 정전 용량 검출 회로의 회로도,

도 3은 도 2에 나타낸 정전 용량 검출 회로에 있어서의 임피던스 변환기의 구체적인 회로예를 나타내는 도면,

도 4는 본 발명의 실시예 2에 있어서의 정전 용량 검출 회로의 회로도,

도 5는 도 4에 나타낸 정전 용량 검출 회로의 변형예에 따른 회로도,

도 6은 도 4 및 도 5에 나타낸 가드 전압 인가 회로의 구체적인 회로예를 나타내는 도면,

도 7은 본 발명의 정전 용량 검출 회로의 전자기기에의 응용예를 나타내는 도면(마이크로폰의 단면도),

도 8은 도 7에 표시된 마이크로폰의 개략적인 외관도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도, (c)는 저면도,

도 9는 마이크로폰의 다른 일례의 단면도,

도 10은 도 9에 표시된 마이크로폰의 개략적인 외관도이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도,

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 있어서의 정전 용량 검출 회로의 회로도이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 임피던스 검출 회로 및 정전 용량 검출 회로는 피검출 임피던스의 임피던스에 대응하는 검출 신호를 출력하는 임피던스 검출 회로로서, 입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮은 임피던스 변환기와, 용량성의 제 1 임피던스 소자와, 제 1 연산 증폭기와, 상기 제 1 연산 증폭기에 직류 전압을 인가하는 직류 전압 발생기와, 상기 제 1 연산 증폭기의 출력에 접속되는 신호 출력 단자를 구비하고, 상기 임피던스 변환기의 입력 단자에는 상기 피검출 임피던스의 일단과 상기 제 1 임피던스 소자의 일단이 접속되고, 상기 제 1 연산 증폭기의 부귀환로에 상기 제 1 임피던스 소자 및 상기 임피던스 변환기가 포함되어 상기 피검출 임피던스와 상기 임피던스 검출 회로와는 인접하여 마련되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 임피던스 검출 회로 및 정전 용량 검출 회로는, 피검출 임피던스의 임피던스에 대응하는 검출 신호를 출력하는 임피던스 검출 회로로서, 입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮은 임피던스 변환기와, 용량성의 제1 임피던스 소자와, 제 1 연산 증폭기와, 상기 제 1 연산 증폭기에 직류 전압을 인가하는 직류 전압 발생기와, 상기 제 1 연산 증폭기의 출력에 접속되는 신호 출력 단자를 구비하고, 상기 임피던스 변환기의 입력 단자에는 상기 피검출 임피던스의 일단과 상기 제 1 임피던스 소자의 일단이 접속되고, 상기 제 1 연산 증폭기의 부귀환로에 상기 제 1 임피던스 소자 및 상기 임피던스 변환기가 포함되어, 상기 피검출 임피던스와 상기 제 1 임피던스 소자와 상기 임피던스 변환기가 근접하여 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.

여기서, 본원 명세서에서, 「근접한다」란, 신호선의 부유 용량이 피검출 콘덴서의 용량값 또는 용량성의 제 1 임피던스 소자의 용량값이 큰 쪽의 용량값에 대해 10배를 초과하지 않는 상태에 있는 것을 말한다. 이것은, 신호선의 부유 용량이, 접속되어 있는 소자의 용량값의 1자릿수 이상의 수치를 초과하지 않는 용량값으로 했을 때에, 본 발명의 정전 용량 검출 회로는 검출 감도의 대폭적인 악화를 방지할 수 있다는 것을 알 수 있다는 것이고, 이것은 경험적으로 얻어진 것이다. 이 신호선의 부유 용량은 피검출 콘덴서와, 제 1 임피던스 소자와, 임피던스 변환기를 신호선에 접속하지 않은 상태에서, 용량 측정을 행하면 측정할 수 있다. 그리고, 본원 명세서에서는, 상기한 근접한 조건으로 이웃하여 접하고 있는 상태를 「인접」이라 한다.

또한, 본 발명에 따른 임피던스 검출 방법 및 정전 용량 검출 방법은 피검출 임피던스의 임피던스 변화(정전 용량의 변화 등)에 대응하는 검출 신호를 출력하는 임피던스 검출 방법으로서, 연산 증폭기의 출력 단자와 임피던스 변환기의 입력 단자 사이에 용량성의 제 1 임피던스 소자를 접속하고, 상기 임피던스 변환기의 입력 단자와 소정의 전위 사이에 피검출 임피던스를 접속하고, 저항을 거쳐 상기 연산 증폭기의 반전 입력 단자에 직류 전압을 인가하고, 다른 쪽의 입력 단자는 소정의 전위로 하여, 상기 연산 증폭기의 출력 단자에 나타나는 전압을 검출 신호로서 출력하고, 상기 피검출 임피던스와 상기 임피던스 변환기와 상기 제 1 임피던스 소자는 근접해서 접속해 두는 것을 특징으로 한다.

구체예로서는, 직류 전압 발생기와, 비반전 입력 단자가 소정의 전위로 접속된 연산 증폭기와, 임피던스 변환기와, 연산 증폭기의 반전 입력 단자와 임피던스 변환기의 출력 단자 사이에 접속되는 저항 R2와, 연산 증폭기의 출력 단자와 임피던스 변환기의 입력 단자 사이에 접속되는 용량성의 임피던스 소자를 구비하는 임피던스 검출 회로를 구성하되, 피검출 임피던스는 이 임피던스 검출 회로에 인접하거나, 또는 신호선의 부유 용량이 접속되는 소자 용량의 최대값의 10배를 초과하지 않도록 짧게 근접시켜 두어, 임피던스 변환기의 입력 단자와 소정의 전위 사이에 접속한다. 여기서, 소정 전위란, 어떤 기준 전위, 소정의 직류 전위, 접지 전위 또는 플로팅 상태 중 어느 하나를 가리키는 것이고, 실시예에 맞춰 최적의 것이 선택된다. 또한, 직류 전압 발생기와 연산 증폭기의 반전 입력 단자 사이에 접속되는 저항 R1을 더 포함하여도 좋다.

이러한 구성에 의해, 피검출 임피던스에 일정한 전압이 인가되고, 또한 그 피검출 임피던스에 흐르는 전류의 거의 모두가 임피던스 소자에 흐르고, 신호 출력 단자로부터는, 피검출 임피던스의 임피던스에 대응한 신호가 출력된다.

또, 임피던스 소자와 병렬로 저항을 접속하여도 좋다.

또한, 피검출 임피던스의 일단과 임피던스 변환기의 입력 단자를 쉴드 부재로 덮인 신호선에 접속하여, 소정의 전압을 쉴드 부재에 인가하는 가드 전압 인가 수단을 부가하여도 좋다. 여기서, 소정 전위란, 임의의 일정 전위이고, 바람직하게는 접지이지만, 상기 신호선의 전압과 동 전위여도 좋다. 소정 전압을 쉴드 부재에 인가함으로써, 회로의 동작이 안정하게 된다.

가드 전압 인가 수단은, 예컨대, 쉴드 부재를 접지로 접속하는 수단, 직류 전압 발생기의 출력 전압 또는 임피던스 변환기의 출력 전압을 입력으로서 소정의 전압을 발생시키는 수단이다.

또한, 임피던스 변환기는, 전압 팔로워 구성하여도 좋고, 전압 이득이 1보다도 작거나, 또는 1보다도 큰 전압 증폭 회로로 구성하여도 좋다. 그리고, 그들 임피던스 변환기의 입력단을 MOSFET로 이루어지는 회로로 하면, 입력 임피던스를 더 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 응용으로서, 피검출 임피던스는 용량의 변화에 따라 물리량을 검출하는 용량형 센서로 하고, 임피던스 검출 회로로서의 정전 용량 검출 회로는 프린트 기판 또는 실리콘 기판 상에 형성하고, 그들 용량형 센서와 기판을 고정해서 이용하는 것도 바람직하다. 보다 구체적으로는, 피검출 임피던스로서, 콘덴서 마이크로폰을 채용하고, 정전 용량 검출 회로에 대해서는 IC로 실현하고, 그들 콘덴서마이크와 IC를 일체화하여, 휴대 전화기 등에 사용되는 마이크로폰으로서 하나의 통체(쉴드 박스)에 수납하여도 좋다. 이 때, 콘덴서 마이크로폰과 IC는 인접한 위치에 고정하여, 도전성의 판, 배선 패턴, 와이어 본딩 등으로 접속해 둔다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여, 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.

(실시예 1)

도 2는 본 발명의 실시예 1예에 있어서의 임피던스 검출 회로의 회로도이다. 또, 본 도면에서는, 이 임피던스 검출 회로로서의 정전 용량 검출 회로(10)에, 검출 대상인 피검출 임피던스로서의 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 직류 전압을 발생시키는 직류 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 용량의 시간적인 변화에 대응하는 검출 신호(전압 Vout)를 신호 출력 단자(20)로부터 출력한다. 여기서, 「시간적인 변화」란, 주파수적으로 변화하는 것, 펄스적으로 변화하는 것, 순차적으로 변화하는 것 및 시간과 동시에 랜덤하게 변화하는 것 등의 의미를 포함하는 것으로 하고, 반드시 주기성이 없더라도 좋은 것으로 한다.

직류 전압 발생기(11)는 일단이 소정의 전위(본 예에서는 접지)에 접속되고, 타단(출력 단자)으로부터 일정한 직류 전압 Vin을 발생시키고 있다. 직류 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 개방 루프 이득이 매우 높은 전압 증폭기이며, 여기서는 비반전 입력 단자가 소정의 전위(본 예에서는 접지)에 접속되어, 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자가 이미지너리 쇼트의 상태로 되어있다. 이 연산 증폭기(14)의 부귀환로, 즉, 연산 증폭기(14)의 출력 단자로부터 반전 입력 단자까지의 사이에, 콘덴서(15), 임피던스 변환기(16) 및 저항 R2(13)가 그 순서로 직렬 접속되어 있다.

임피던스 변환기(16)는 입력 임피던스가 매우 높고, 출력 임피던스가 매우 낮은, 전압 이득이 A배인 전압 증폭기이다. 이 임피던스 변환기(16)의 입력 단자(21)에는, 피검출 콘덴서(17)의 일단이 접속되고, 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 용량값의 변화에 대응한 검출 신호를 출력하기 위한 신호 출력 단자(20)가 접속되어 있다. 또, 본원에 있어서의 A배 등으로 나타내는 변수 A는 모두 영(0) 이외의 실수를 나타낸다.

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 전위(예컨대, 0V)이며, 또한, 그 입력 임피던스가 매우 높고, 전류가 흐르지 않는 것으로부터, 저항 R1(12)을 흐르는 전류는 Vin/R1로 되고, 그 모두가 저항 R2(13)를 흐르므로, 임피던스 변환기(16)의 출력 전압을 V2라고 하면,

Vin/R1=-V2/R2

가 성립하고, 이것을 정리함으로써, 임피던스 변환기(16)의 출력 전압 V2는,

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

로 된다.

그런데, 피검출 콘덴서(17)가 콘덴서 마이크로폰 등인 경우에는, 그 용량 Cs는 입력된 소리의 주파수로 변화한다. 여기서, 그 변화에 대응한 연산 증폭기(14)로부터 콘덴서(15), 즉, 콘덴서(15)로부터 피검출 콘덴서(17)를 향하여 흐르는 전하를 ΔQ(즉, 피검출 콘덴서(17)의 용량 변화분)라고 하면, 임피던스 변환기(16)의 입력 임피던스가 매우 높기 때문에, 그 전하 Q의 모두가 피검출 콘덴서(17)로 흐르므로, V1=ΔQ/ΔCs로 되어, 신호 출력 단자(20)로부터 출력되는 검출 신호의 전압 Vout의 변화분 ΔVout는,

이 성립한다.

상기 수학식 1과 수학식 2로부터, V2를 소거하면,

를 얻을 수 있고, 이 V1을 상기 수학식 3에 대입하면,

로 된다. 단,

즉, 검출 신호의 출력 전압 Vout의 변화분 ΔVout은 피검출 콘덴서(17)의 용량 Cs의 변화분 ΔCs에 비례한 값으로 된다. 따라서, 이 정전 용량 검출 회로(10)로부터 출력되는 검출 신호의 교류 성분 ΔVout 만큼을 취출함으로써, 콘덴서 마이크로폰에 입력된 소리에 대응하는 신호를 얻을 수 있다. 그리고, 소리에 대응하는 정미(正味)의 신호(ΔCs에 대응하는 전압)를 크게 증폭할 수 있어, 높은 감도의 마이크로폰이 실현된다.

또, 상기 수학식 6에 표시된 비례 정수 k는 주파수(소리의 주파수)에 의존하는 항목을 포함하지 않아, 일정 값이다. 따라서, 이 정전 용량 검출 회로(10)는 소리의 주파수에 의존하는 일없이, 일정한 이득으로 소리의 강약에 대응한 충실한 전압 신호를 출력한다. 여기서는, 피검출 콘덴서(17)의 동작을 전압으로부터 검토하여 온 것이다. 한편, 이해를 돕기 위해, 전류로부터 해석하여 보면 다음과 같이 된다.

지금, 피검출 콘덴서(17)의 용량이 시간적으로 다음과 같이 변화했다고 한다.

이 때, Cd는 피검출 콘덴서(17)가 기본적으로 원래 가지고 있는 기준 용량, ΔC는 변화의 피크값, ω_c는 피검출 콘덴서(17)가 검출하는 용량이 변화하는 주파수이다. 이 때, 피검출 콘덴서(17)를 흐르는 전류는,

이 전류 전부가 콘덴서(15)를 흐르므로,

여기서, 수학식 8, 수학식 9 각각의 전류는 같으므로,

수학식 1, 수학식 2로부터 수학식 10은,

로 되고, 역시, 피검출 콘덴서(17)의 변화분이 출력되는 것으로 되어 있다.

또한, 이 정전 용량 검출 회로(10)는 DC 구동(직류 전압 발생기(11))에 의해 동작하고 있으므로, AC 구동에 비해, 안정하게 동작하고, 노이즈 등이 억제된다고 생각된다. 또한, 교류 발신기 등의 부품이 불필요하게 되어, 회로 규모의 축소가 가능해진다.

도 3은 도 2에 표시된 정전 용량 검출 회로(10)에서의 임피던스 변환기(16)의 구체적인 회로예를 나타낸다. 도 3(a)는 연산 증폭기(30)를 이용한 전압 팔로워(16a)를 나타내고 있다. 연산 증폭기(30)의 반전 입력 단자와 출력 단자가 단락되어 있다. 이 연산 증폭기(30)의 비반전 입력 단자를 임피던스 변환기(16)의 입력으로 하고, 연산 증폭기(30)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(31)를 이용한 비반전 증폭 회로(16b)를 나타내고 있다. 연산 증폭기(31)의 반전 입력 단자와 소정의 전위 사이에 저항 R3(32)이 접속되고, 연산 증폭기(31)의 반전 입력 단자와 출력 단자 사이에 피드백 저항(저항 R4(33))이 접속되어 있다. 이 연산 증폭기(31)의 비반전 입력 단자를 임피던스 변환기(16)의 입력으로 하고, 연산 증폭기(31)의 출력 단자를 임피던스 변환기(16)의 출력으로 함으로써 입력 임피던스가 매우 높고, 전압 이득 A가(R3+R4)/R3으로 되는 임피던스 변환기(16)를 얻을 수 있다.

도 3(c)는 도 3(a)나 도 3(b)에 나타내는 바와 같은 연산 증폭기의 입력단에 CMOS 구조의 버퍼를 부가한 회로(16c)를 나타내고 있다. 도시하는 바와 같이, 정부(正負) 전원 사이에 N형 MOSFET(34)와 P형 MOSFET(35)가 저항을 거쳐 직렬로 접속되고, 버퍼의 출력이 연산 증폭기(30)(또는 31)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 회로(16d)를 나타내고 있다. 도시하는 바와 같이, 정부 전원 사이에, N형 MOSFET(34)와 P형 MOSFET(35)가 직렬로 접속되어, 양 MOSFET의 접속부로부터 출력이 이루어진다.

도 3(e)는 연산 증폭기(32)의 비반전 입력을 임피던스 변환기의 입력으로 하고, 연산 증폭기(32)의 출력과 반전 입력 사이를 저항을 거쳐 접속한 것으로 되어 있다. 도 3(d) 및 도 3(e)에 나타내는 바와 같이, 이러한 구성을 취하는 것에 의해 입력 임피던스가 매우 높은 임피던스 변환기(16)를 얻을 수 있다.

또, 본 발명에 따른 실험에 의하면, 도 2의 임피던스 검출 회로에서, 예컨대, Cs(피검출 콘덴서 : 본 실시예에서는 마이크로폰) 본래의 정전 용량이 20pF일 때에, 신호선의 부유 용량이 200pF를 초과하면, 상당히 검출 감도가 악화했다. 또한, 상기 Cs에 대해, 몇 개인가의 별도의 정전 용량값으로 확인한 후, 같은 경향의 결과를 얻었다.

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

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

(실시예 2)

다음에, 본 발명의 실시예 2에 있어서의 임피던스 검출 회로에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예 2에 있어서의 임피던스 검출 회로로서의 정전 용량 검출 회로(40)의 회로도이다. 이 정전 용량 검출 회로(40)는 실시예 1에 있어서의 정전 용량 검출 회로(10)에 가딩 기능을 부가한 것에 상당한다. 즉, 피검출 콘덴서(17)와 정전 용량 검출 회로(40)를 접속하는 케이블로서, 쉴드선(42)으로 덮인 신호선(41)(동축 케이블)을 이용하는 것으로 하고, 또한, 그 동축 케이블의쉴드선(42)에, 신호선(41)과 동 전위인 가드 전압을 인가하기 위해 가드 전압 인가 회로(43a)를 부가하고 있다.

가드 전압 인가 회로(43a)는 직류 전압 발생기(11)의 출력 단자와 쉴드선(42) 사이에 접속되고, 직류 전압 발생기(11)의 출력 전압 Vin을 입력으로 해서, 미리 조정된 일정한 전압 이득으로 증폭하는(또는, 분압하는) 것에 따라, 신호선(41)의 전압과 동 전위인 가드 전압을 발생시켜, 쉴드선(42)으로 인가 출력하는 직류 전압 증폭기이다. 또, 이 가드 전압 인가 회로(43a)의 전압 이득은, 구체적으로는, V1/Vin, 즉, 상기 수학식 4로부터 알 수 있듯이, (-R2/R1)·(1/A)로 조정되어 있다.

이러한 구성으로 함으로써 신호선(41)과 쉴드선(42)이 항상 동 전위로 유지되고, 그 동안의 용량(부유 용량)이 제거되므로, 계측 오차로서 피검출 콘덴서(17)의 용량에 부유 용량이 가산된다는 문제가 회피되고, 또한 신호선(41)에 유입되는 외란 노이즈가 쉴드선(42)에서 차폐되게 되어, 보다 정밀도가 높고, 또한, 안정한 용량 검출이 가능해진다.

또, 쉴드선(42)에 가드 전압을 인가하는 가드 전압 인가 회로(43a)의 접속 위치는 도 4에 나타내는 바와 같은 직류 전압 발생기(11)와 쉴드선(42) 사이만큼 한정되지 않고, 예컨대, 도 5에 표시되는 정전 용량 검출 회로(45)와 같이, 임피던스 변환기(16)의 출력 단자와 쉴드선(42) 사이에 마련하여도 좋다. 이 때에는, 가드 전압 인가 회로(43b)(또는, 43c)는 임피던스 변환기(16)의 출력 전압 V2를 입력으로 하여, 일정한 전압 이득 (1/A)으로 증폭하는 것에 따라 가드 전압 V1을 발생시켜, 쉴드선(42)으로 인가하도록 조정하여 두면 좋다.

그런데, 가드 전압 인가 회로를 DC 인가로 한정하면, 부유 용량 제거 효과는 기대할 수 없게 되므로, 그와 같은 경우에는, 간단한 구성으로 외란이 들어오기 어려운 접지 접속이 효과적이다.

도 6은 도 4나 도 5에 나타낸 가드 전압 인가 회로(43a∼43c)의 구체적인 회로예를 나타낸다. 도 6(a)에 나타내는 가드 전압 인가 회로(43a)는 가변 저항을 피드백 저항으로 하는 반전 증폭 회로이다. 피드백 저항의 저항값을 조정함으로써, 상술한 전압 이득을 얻을 수 있고, 신호선(41)과 동 전위인 가드 전압을 발생시킬 수 있다. 도 6(b)에 나타내는 가드 전압 인가 회로(43b)는 두 개의 저항과 하나의 연산 증폭기로 구성되는 비반전 증폭 회로이다. 도 6(c)에 나타내는 가드 전압 인가 회로(43c)는 두 개의 저항과 하나의 연산 증폭기로 구성되는 전압 팔로워이다. 이들 도 6(b) 및 도 6(c)에 대해서도, 저항값의 조정 등을 행함으로써, 도 5에서의 신호선(41)과 동 전위인 가드 전압을 발생시킬 수 있다.

또, 연산 오차, 트레킹 오류 등이 일어나는 경우에는, 이득 A를 1로 하면 감소시킬 가능성이 있어, A=1로 하는 것이 보다 바람직하다.

이러한 본 발명의 정전 용량 검출 회로의 전자기기에의 응용으로서, 피검출 임피던스는 임피던스의 변화에 따라 물리량을 검출하는 것과 같은 센서로 하고, 임피던스 검출 회로는 프린트 기판 또는 실리콘 기판 상에 형성하여, 그들 센서와 기판을 고정하는 일체화가 생각된다. 보다 구체적으로는, 피검출 임피던스로서, 콘덴서 마이크로폰을 채용하고, 정전 용량 검출 회로에 대해서는 IC로 실현하고, 그들 콘덴서 마이크로폰과 IC를 일체화하여, 휴대 전화기 등에 사용되는 마이크로폰으로서 하나의 통체(쉴드 박스)에 수납하여도 좋다.

도 7은 상기 실시예 1예에서의 정전 용량 검출 회로의 전자기기에의 응용예를 나타내는 도면이다. 여기서는, 콘덴서 마이크로폰과 정전 용량 검출 회로가 일체화된 휴대 전화기 등에 이용되는 마이크로폰(50)의 단면도가 표시되어 있다. 이 마이크로폰(50)은 음공(音孔)(52)을 갖는 덮개(51)와, 소리에 의해 진동하는 진동막(53)과, 진동막(53)을 고정하고 있는 링(54)과, 스페이서(55a)와, 스페이서(55a)를 거쳐 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 몰드하고 있는 IC 패키지(59)와, IC 칩(58)과 와이어 본딩, 콘택트 홀 등에 의해 접속된 외부 전극(61a, 61b) 등으로 구성된다.

콘덴서를 형성하고 있는 한쪽 전극인 진동막(53)은 소정의 전위(본 예에서는 접지)에 접속되고, 다른 쪽 전극인 고정 전극(56)은 알루미늄 판이나 와이어 본딩 등의 도전체를 거쳐 IC 칩(58)의 회로에 접속되어 있다. 진동막(53)과 고정 전극(56)으로 이루어지는 콘덴서의 용량 또는 그 변화는 절연판(55b)을 거쳐 인접하는 IC 칩(58) 내의 정전 용량 검출 회로에 의해 검출되고, 전기 신호로 변환되어, 외부 전극(61a, 61b) 등으로부터 출력된다. 또, 덮개(51)는 알루미늄 등의 금속으로 이루어져, 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 역할을 다하고 있다. 또한, 본 예에서는, 고정 전극(56)과 회로를 접속하여, 진동막(53)을 소정의 전위로 접속하고 있지만, 진동막(53)과 회로를 접속하여, 고정 전극(56)을 소정의 전위로 접속하여도 좋다. 단, 경험적으로는 전자 쪽이 바람직하다.

도 8은 도 7에 표시된 마이크로폰(50)의 개략적인 외관도이다. 도 8(a)는 평면도, 도 8(b)는 정면도, 도 8(c)는 저면도이다. 도 8(a), (b)에 표시된 덮개(51)의 크기는, 예컨대, 대략 φ5㎜×높이 2㎜이다. 도 8(c)에 표시된 네 개의 외부 전극(61a∼61d)은, 예컨대, 정전 용량 검출 회로의 전원용인 두 개의 단자와, 출력 신호용인 두 개의 단자이다.

이러한 응용예에서는, 피검출 콘덴서(여기서는, 콘덴서 마이크로폰)와 정전 용량 검출 회로(여기서는, IC 칩)는 전술한 근접 조건 하에서 서로 이웃하여 접하도록 인접하여 마련되고, 매우 짧은 길이의 도전체에 의해 접속되어 있다. 그리고, 이들 부품은 금속제의 덮개 등의 쉴드 부재로 덮여지고 있다. 따라서, 이러한 응용예에서는, 피검출 콘덴서와 정전 용량 검출 회로를 접속하는 신호선(도전체)에 혼입하는 외란 노이즈 등의 악영향에 대해서는 무시할 수 있다고 생각된다.

본 응용예에서는, 피검출 콘덴서와 정전 용량 검출 회로는, 비쉴드(쉴드되어 있지 않음)의 도전판, 배선 패턴, 와이어 본딩, 리드선 등에 의해, 최단 경로를 접속하는 것이 바람직하다. 즉, 본 응용예에서는, 신호선에 쉴드 부재가 구비되어 있지 않은 소형의 마이크로폰으로 되므로, 피검출 콘덴서와 정전 용량 검출 회로는 매우 짧은 도전체로 접속되어, 쉴드 등에 가드 전압을 인가하기 위한 특수한 회로를 마련하는 일이 없이, 회로 규모를 크게 하거나, 회로의 소형화를 방해하는 일이 없다.

다른 마이크로폰의 예로서, 도 9 및 도 10에, 회로를 기판에 장착한 것을 나타낸다. 도 7의 정전 용량 검출 회로가 기판(62)에 탑재된 이외에는 기본적으로 동일하다.

또, 본 응용예에 실시예 2를 적용하면, 신호선의 쉴드에 걸리는 부분에서 회로 규모는 약간 커지지만, 보다 고밀도의 측정을 위해서는, 이 편이 바람직하고, 이 구성을 이용하여도 좋다.

이상, 본 발명에 따른 임피던스 검출 회로 및 정전 용량 검출 회로에 대하여, 두 개의 실시예에 근거해서 설명했지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

예컨대, 실시예 2에서는, 피검출 콘덴서(17)와 정전 용량 검출 회로(40)를 접속하는 케이블로서, 1중의 쉴드 케이블이 이용되었지만, 그 대신, 2중의 쉴드 케이블을 이용하여도 좋다. 이 때에는, 신호선을 피복하는 내측 쉴드에 가드 전압을 인가하고, 내측 쉴드를 피복하는 외측 쉴드를 소정의 전위 또는 어스(earth)에 접속하는 것으로, 외란 노이즈에 대한 차폐 효과를 높일 수 있다.

또한, 도 11에 나타내는 바와 같이, 상기 실시예에 있어서의 정전 용량 검출 회로(10, 30)에서의 콘덴서(15)와 병렬로 저항(18)을 부가해서 접속하여도 좋다. 이에 따라, 콘덴서(15)와 피검출 콘덴서(17)의 접속점은 저항(18)을 거쳐 제 1 연산 증폭기(14)의 출력 단자와 접속되게 되고, 직류적으로 플로팅 상태가 되는 것이해소되어, 전위가 고정된다.

또한, 피검출 임피던스로서 접속되는 것은 콘덴서 마이크로폰에만 한정되는 것이 아니라, 가속도 센서, 지진계, 압력 센서, 변위 센서, 변위계, 근접 센서, 터치 센서, 이온 센서, 습도 센서, 빗방울 센서, 눈 센서, 천둥 센서, 위치 정렬 센서, 접촉 불량 센서, 형상 센서, 종점 검출 센서, 진동 센서, 초음파 센서, 각속도 센서, 유량 센서, 가스 센서, 적외선 센서, 방사선 센서, 수위계, 동결 센서, 수분계, 진동계, 대전 센서, 프린트 기판 검사기 등의 각종 물리량을 검출하는 모든 장치가 포함된다.

이상의 설명으로부터 명백하듯이, 본 발명에 따른 임피던스 검출 회로, 정전 용량 검출 회로 및 그들의 방법은 연산 증폭기에 직류 전압을 인가하여, 신호선에 피검출 임피던스를 접속함으로써, 피검출 임피던스의 임피던스를 검출하고 있다. 즉, 비반전 입력 단자를 소정 전위로 접속한 연산 증폭기의 출력 단자와 임피던스 변환기의 입력 단자 사이에 콘덴서를 접속하고, 또한 임피던스 변환기의 입력 단자와 소정의 전위 사이에 피검출 임피던스를 접속하고 있다.

이에 따라, 피검출 임피던스에 흐르는 전하의 거의 모두가 임피던스 소자로 흘러, 연산 증폭기의 출력 단자는 피검출 임피던스의 임피던스에 대응하는 정확한 신호가 출력되는 것으로 되어, 매우 미소한 임피던스의 검출이 가능해진다. 특히, 각각의 임피던스가 용량성일 때에는, fF 차수 이하의 미소한 용량의 검출이 가능해진다.

그리고, 연산 증폭기의 비반전 입력 단자는 소정 전위로 접속됨과 함께, 반전 입력 단자에는 저항을 거쳐 직류 전압이 인가되므로, 연산 증폭기는 안정하게 동작하고, 검출 신호에 포함되는 노이즈가 억제된다. 그리고, 검출 회로 전체는 DC 구동으로 동작하여, 교류 신호 발신기 등을 필요로 하지 않으므로, 간소화·소형화될 수 있다.

또한, 연산 증폭기와 임피던스 변환기 사이에 콘덴서가 접속되어 있으므로, 연산 증폭기와 임피던스 변환기 사이에 저항을 접속한 경우의 그 저항으로부터의 열 잡음에 의한 S/N비의 열화라는 문제도 발생하지 않는다.

또한, 신호선에 접속되는 회로 소자를 근접해서 마련하든지, 이 임피던스 검출 회로와 피검출 임피던스를 인접한 위치에 마련하여 둠으로써, 그 사이를 접속하는 쉴드 케이블이나, 그 케이블에서 발생하는 부유 용량을 제거하는 특수한 회로 등은 불필요해진다.

또, 연산 증폭기의 출력 단자에는, 피검출 임피던스의 임피던스 변화분에 대응하는 변화 성분이 발생하므로, 출력 단자의 변화 성분만을 출력함으로써 콘덴서 마이크로폰 등의 물리량 변화에 대응하여 용량이 변화하는 용량형 센서에 바람직한 증폭 회로가 실현된다. 예컨대, 매우 높은 감도로 음성을 검출하는 마이크로폰이 실현된다.

또, 피검출 콘덴서의 일단과 임피던스 변환기의 입력 단자를 쉴드 부재로 덮은 신호선으로 접속하고, 그 신호선의 전압과 동 전위의 전압을 쉴드 부재에 인가하는 가드 전압 인가 수단을 부가하여도 좋다.

이에 따라, 신호선을 동 전위의 쉴드로 가딩하여, 신호선과 쉴드간에 발생하는 부유 용량을 제거할 수 있으므로, 보다 미소한 용량에 대하여 높은 정밀도로 검출하는 것이 가능해진다.

이상과 같이, 본 발명에 의해, 미소한 임피던스 및 용량을 정확히 검출할 수 있고, 또한, 소형화에 적합한 정전 용량 검출 회로 등이 실현되고, 특히, 휴대 전화기 등의 경량·소형의 음성 통신기기의 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 (15)

1. 피검출 임피던스의 임피던스에 대응하는 검출 신호를 출력하는 임피던스 검출 회로로서,

   입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮은 임피던스 변환기와, 용량성의 제 1 임피던스 소자와, 제 1 연산 증폭기와, 상기 제 1 연산 증폭기에 직류 전압을 인가하는 직류 전압 발생기와, 상기 제 1 연산 증폭기의 출력에 접속되는 신호 출력 단자를 구비하되,

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

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

   상기 피검출 임피던스와 상기 임피던스 검출 회로는 인접하여 마련되어 있는

   것을 특징으로 하는 임피던스 검출 회로.
2. 피검출 임피던스의 임피던스에 대응하는 검출 신호를 출력하는 임피던스 검출 회로로서,

   입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮은 임피던스 변환기와, 용량성의 제 1 임피던스 소자와, 제 1 연산 증폭기와, 상기 제 1 연산 증폭기에 직류 전압을인가하는 직류 전압 발생기와, 상기 제 1 연산 증폭기의 출력에 접속되는 신호 출력 단자를 구비하되,

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

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

   상기 피검출 임피던스와 상기 제 1 임피던스 소자와 상기 임피던스 변환기가 근접하여 마련되어 있는

   것을 특징으로 하는 임피던스 검출 회로.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 피검출 임피던스는, 용량성의 임피던스 소자인 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 회로.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 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.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 교류 전압 발생기와 상기 제 1 연산 증폭기 사이에 구비되는 제 2 임피던스 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 검출 회로.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 피검출 임피던스의 일단과 상기 임피던스 변환기의 입력 단자와는 쉴드 부재로 덮인 신호선에 의해 접속되고,

   상기 임피던스 검출 회로는, 소정의 전압을 상기 쉴드 부재에 인가하는 가드 전압 인가 수단을 더 구비하는

   것을 특징으로 하는 임피던스 검출 회로.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 가드 전압 인가 수단은, 상기 직류 전압 발생기의 출력 전압을 입력으로 하는 것을 특징으로 하는 임피던스 검출 회로.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 가드 전압 인가 수단은, 상기 임피던스 변환기의 출력 전압을 입력으로 하는 것을 특징으로 하는 임피던스 검출 회로.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 임피던스 변환기는, 전압 팔로워(voltage follower)인 것을 특징으로 하는 임피던스 검출 회로.
10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 임피던스 변환기는, 제 2 연산 증폭기를 포함하고, 1보다도 큰 전압 이득을 갖는 전압 증폭 회로인 것을 특징으로 하는 임피던스 검출 회로.
11. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 임피던스 변환기는, MOSFET로 이루어지는 입력 회로와 제 2 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 회로.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 피검출 임피던스는, 시간적으로 용량이 변화하는 용량형 센서이며, 상기 제 1 임피던스 소자는, 콘덴서인 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 회로.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 피검출 임피던스는, 콘덴서 마이크로폰인 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 회로.
14. 피검출 임피던스의 임피던스에 대응하는 검출 신호를 출력하는 임피던스 검출 방법으로서,

    연산 증폭기의 출력 단자와 임피던스 변환기의 입력 단자 사이에 용량성의 제 1 임피던스 소자를 접속하고,

    상기 임피던스 변환기의 입력 단자와 소정의 전위 사이에 피검출 임피던스를 접속하고,

    저항을 거쳐 상기 연산 증폭기의 한쪽 입력 단자에 직류 전압을 인가하고, 다른 쪽의 입력 단자는 소정의 전위로 하고,

    상기 연산 증폭기의 출력 단자에 나타나는 전압을 검출 신호로서 출력하며,

    상기 피검출 임피던스와 상기 임피던스 변환기와 상기 제 1 임피던스 소자와는 근접하여 접속해 두는

    것을 특징으로 하는 임피던스 검출 방법.
15. 제 11 항에 있어서,

    상기 피검출 임피던스의 일단과 상기 임피던스 변환기의 입력 단자와는 쉴드 부재로 덮인 신호선에 의해 접속되고,

    소정의 전압을 상기 쉴드 부재에 인가하는 것을 특징으로 하는 임피던스 검출 방법.