KR20040041159A - 전위 고정 장치 및 전위 고정 방법 - Google Patents

전위 고정 장치 및 전위 고정 방법 Download PDF

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KR20040041159A KR10-2004-7003365A KR20047003365A KR20040041159A KR 20040041159 A KR20040041159 A KR 20040041159A KR 20047003365 A KR20047003365 A KR 20047003365A KR 20040041159 A KR20040041159 A KR 20040041159A
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Abstract

본 발명의 전위 고정 장치는, 제 1 용량(14)과, 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량(15)의 두 용량 사이의 접속선(17)에 접속되는 전위 고정 장치로서, 제 1 고 저항(3)과, 제 1 고 저항에 직접적으로 접속되는 제 2 고 저항(4)과, 제 1 고 저항과 제 2 고 저항에 따라서 분압된 전위를 출력 단자에 출력하는 전압 분압 수단과, 적어도 제 1 고 저항 또는 제 2 고 저항 중 어느 한 쪽에 병렬로 접속된 제 3 용량(8)과, 제 1 용량과 제 2 용량의 합계 총 전하량을 유지하면서, 두 용량(14),(15) 사이의 접속선의 전위를 일정하게 유지하는 전압 공급 수단(1)을 구비하고, 전압 공급 수단의 출력 단자는 두 용량 사이의 신호선에 접속되어 있다.

Description

전위 고정 장치 및 전위 고정 방법{POTENTIAL FIXING DEVICE AND POTENTIAL FIXING METHOD}
종래, 받은 물리량(가속도, 압력, 가스, 광, 음파 등)에 따라 정전 용량이 변화되는, 콘덴서 마이크로폰 등의 용량성 센서의 용량값을 측정하는 용량 측정 장치가 알려져 있다. 도 1은 종래의 용량 측정 장치(100)를 나타낸다. 도 1에 도시하는 바와 같이 종래의 용량 측정 장치(100)는, 연산 증폭기 OP, 교류 전압 발생 장치 OSC와, 용량성 센서 Cs, 귀환 임피던스인 저항 Rf를 구비하고 있다. 교류 전압 발생기 OSC는, 용량 측정 시에, 용량성 센서 Cs에 인가되는 동작 신호 Vin을 발생시킨다. 용량성 센서 Cs와 연산 증폭기 OP의 반전 입력 단자는 신호선 L에서 접속되어 있다. 저항 Rf는 신호선 L과 연산 증폭기 OP 사이에 접속되어 있다. 또한, 센서 용량 Cs는 연산 증폭기 OP의 반전 입력 단자와 교류 전압 발생기 OSC 사이에 접속되어 있다. 교류 전압 발생기 OSC의 한 쪽 단부는 기준 전위에 접속되어 있다.
도 1에 도시한 종래의 용량 측정 장치(100)의 동작으로서는, 교류 전압 발생기 OSC로부터의 전압 Vin이 공급되면, 용량성 센서 CS에 교류 전류가 흐른다. 이 경우, 연산 증폭기 OP의 입력 임피던스는 이상적으로는 무한대이기 때문에, 용량성 센서 Cs에 흐르는 전류는 모두 저항 Rf에 흐른다.
용량 측정 장치의 출력 Vout은 이하의 방법으로 도출할 수 있다.
동작 신호의 진폭을 V, 동작 신호의 각속도를 ωin, 용량성 센서의 기준 용량을 Cd, 용량성 센서 Cs의 변화 용량의 진폭을 C, 용량 변화의 각속도를 ωc로 하면, 동작 신호 Vin및 용량성 센서의 용량 Cs는 다음 수학식 1 및 수학식 2로 표현된다.
용량성 센서를 흐르는 전류 Is는 다음 수학식 3으로 표현되고, 출력 Vout은다음 수학식 4로 표현되므로, 수학식 1 내지 수학식 4로부터 다음 수학식 5가 도출된다.
이 수학식 5로부터도 알 수 있는 바와 같이, 출력 Vout는, 용량 변화의 각속도 ωc가 계수로 되어 있는 항을 갖는다. 이것은, 귀환 임피던스가 저항인 경우에는, 용량성 센서의 용량이 주파수 ωc로 변화되면, 그 주파수 ωc에 의존한 출력 Vout이 출력되게 된다(주파수 의존성을 갖는다). 따라서, 귀환 임피던스가 저항인 경우에는, 후단에 주파수 특성을 갖지 않게 되도록 처리 회로를 구성해야만 되어, 회로 규모가 커져 버린다고 하는 문제점이 있다.
그래서, 귀환 임피던스를 저항이 아니라 캐패시터(용량)에 의해서 구성하는 기술이 제안되어 있다. 도 2는 귀환 임피던스를 용량 Cf로 구성한 용량 측정 장치(101)를 나타낸다. 이 경우, 센서 용량 Cs에 축적되는 전하와 귀환 용량 Cf에축적되는 전하는 같으므로, 다음 수학식 6이 성립되기 때문에, 출력 Vout은 다음 수학식 7로 표현된다.
이 수학식으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 출력 전압 Vout에는 각속도 ωc에 비례하는 항은 포함되지 않는다. 이것은 귀환 임피던스를 캐패시터로 구성하면, 두 캐패시터에 끼워진 신호선 L의 전하가 일정하게 유지되기 때문이다.
이와 같이 회로 출력에 용량 변화 주파수에 비례하는 항이 나타나지 않기 때문에, 후단에 처리 회로를 새롭게 마련할 필요가 없다. 그 결과, 회로 규모가 커지는 것을 방지할 수 있다.
그러나, 귀환 임피던스를 용량 Cf로 구성한 경우에는, Cf와 용량성 센서를 접속하는 신호선 L은 전기적으로 부유 상태(플로팅 상태)가 된다. 이 때문에, 신호선 L의 전위가 불안정해져, 회로 출력이 전원 전압에 포화되는 등 회로 동작에 이상이 일어날 수도 있다.
이러한 회로 이상을 방지하기 위해서, 도 2에 도시하는 바와 같이, 신호선 L과 그라운드 사이에 저항 Rg를 접속함으로써, 신호선 L의 전위를 고정하는 것도 생각된다.
그러나 저항 Rg에 의해서 전위를 고정하는 경우에는, 용량 측정 시에 저항 Rg의 양단에 전위차가 발생하여, 저항 Rg에 전류가 흐르는 경우가 있다. 그 경우에는, 신호선 L의 전하량이 증감해 버리기 때문에, 용량 측정 장치(101)의 감도가 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 신호선 L의 전하량을 변화시키지 않고, 신호선 L의 전위를 고정하는 수단이 제안되기가 소망된다.
또한, 센서 용량 Cs의 기준 용량 Cd가 용량 변화 C에 비해 대단히 큰 경우에는, 출력 Vout에 용량 변화가 충분히 반영되지 않는다는 문제점이 있다.
따라서, 기준 용량 Cd가 용량 변화 C에 비해 매우 큰 경우에도 충분한 감도가 얻어지는 회로가 소망된다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 용량 측정 장치의 신호선의 전하량을 변화시키지 않고서 신호선의 전위 레벨을 고정하는 전위 고정 수단과, 용량성 센서의 기준(고정) 용량이 회로 출력에 미치는 영향을 캔슬하는 기준 용량 캔슬 수단을 구비하는 용량 측정 장치를 제공하는 것이다.
발명의 개시
본 발명의 일 국면에서의 전위 고정 장치는, 제 1 용량과, 상기 제 1 용량에직접적으로 접속되는 제 2 용량의 두 용량 사이의 접속선에 접속되는 전위 고정 장치로서, 상기 접속선에 접속되는 출력 단자와, 상기 출력 단자로부터 상기 접속선에 전압을 공급함으로써, 상기 제 1 용량과 상기 제 2 용량의 합계 총 전하량을 유지하면서, 상기 두 용량 사이의 접속선의 전위를 일정하게 유지하는 전압 공급 수단을 구비하고, 상기 전압 공급 수단은, 제 1 고 저항과, 상기 제 1 고 저항에 직접적으로 접속되는 제 2 고 저항을 포함하며, 상기 제 1 고 저항과 상기 제 2 고 저항에 따라서 분압된 전위를 상기 출력 단자에 출력하는 전압 분압 수단과, 적어도 상기 제 1 고 저항 또는 상기 제 2 고 저항 중 어느 한 쪽에 병렬로 접속된 제 3 용량을 포함한다. 여기서. 제 1 고 저항과 제 2 고 저항은 직렬로 접속되는 것이 바람직하다. 또, 본 발명에서의 고 저항은, 다이오드의 역 바이어스 특성이나, 트랜지스터의 오프 상태를 사용해서도 실현할 수 있다.
본 발명의 다른 국면에서의 전위 고정 장치는, 제 1 용량과, 상기 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량의 두 용량 사이의 접속선에 접속되는 전위 고정 장치로서, 상기 접속선에 접속되는 출력 단자와, 상기 접속선에 인가되는 동작 신호의 전위와 같은 전위를 상기 출력 단자로부터 상기 접속선에 출력하는 전압 공급 수단을 구비하되, 상기 전압 공급 수단은, 제 1 고 저항과, 상기 제 1 고 저항에 직접적으로 접속되는 제 2 고 저항을 포함하고, 상기 제 1 고 저항과 상기 제 2 고 저항에 따라서 분압된 전위를 출력 단자에 출력하는 전압 분압 수단과, 적어도 상기 제 1 고 저항 또는 상기 제 2 고 저항 중 어느 한 쪽에 병렬로 접속된 제 3 용량을 포함한다. 이것에 의해서, 상기 접속선에 제 1 고 저항과 제 2 고 저항으로부터의 전류의 출입이 없어지기 때문에, 접속선의 전하량이 유지된다. 이와 같이, 접속선의 전하량이 유지되기 때문에, 예컨대, 용량 측정 장치에 있어서, 제 1 용량과 제 2 용량의 접속선의 전위를 고정한 경우에도, 용량 측정 장치의 감도가 저하되지 않는다. 그 결과, 정확한 용량 측정을 행할 수 있다. 또한 제 1 고 저항, 제 2 고 저항의 저항값을 적절히 선택함으로써, 용이하게 전압 공급 수단의 출력 전위를 조정할 수 있다. 또, 제 1 고 저항과 제 2 고 저항은 직렬로 접속되는 것이 바람직하다. 여기서, 고 저항이란, 상기 제 1 용량 및 제 2 용량의 임피던스 성분과 비교하여, 충분히 큰 상대적으로 높은 저항값을 갖는 저항을 의미한다. 또한, 고 저항을 다른 면에서 보면, 접속선으로부터 본 전위 고정부의 입력 임피던스가, 접속선으로부터 본 제 1 용량 또는 제 2 용량 중 어느 한 쪽 용량을 포함하는 회로에 대한 입력 임피던스보다도 커지는 것과 같은 성질을 갖는 것이라고도 할 수 있다.
또한 상기 일 국면 또는 다른 국면에서의 전위 고정 장치에 있어서, 바람직하게는 상기 전압 공급 수단은, 증폭기와, 소정 전압 인가 수단을 더 포함하고, 상기 증폭기에는, 상기 제 1 고 저항의 한 쪽 단부가 접속되고, 상기 제 1 고 저항의 다른 쪽 단부와 상기 제 2 고 저항의 한 쪽 단부가 접속되고, 상기 제 1 고 저항의 다른 쪽 단부와 상기 제 2 고 저항의 한 쪽 단부 사이에는, 상기 출력 단자가 접속되며, 상기 제 2 고 저항의 다른 쪽 단부와 상기 소정 전압 인가 수단이 접속되어 있다.
이와 같이 구성하면, 증폭기의 증폭도와, 제 1 고정 저항, 및 제 2 고정 저항의 저항값과, 소정 전위 인가 수단의 전압값을 결정함으로써, 용이하게 전압 공급 수단의 출력 단자의 전위를, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선에 인가되는 동작 신호의 전위와 같은 전위로 제어할 수 있다. 또한, 증폭기의 증폭율과, 기준 용량 캔슬용 용량의 용량값을 결정함으로써, 용이하게 제 1 용량에 흐르는 전류중의 기준 용량 캔슬용 용량으로부터의 공급량을 제어할 수 있다.
상기 일 국면 또는 다른 국면에서의 상기 전위 고정 장치는, 또한 제 1 연산 증폭기를 포함하고, 상기 제 1 용량은 피측정 용량이고, 상기 두 용량 사이의 접속선은 신호선이며, 상기 신호선에 상기 제 1 연산 증폭기의 입력 단자가 접속되어 있다.
또한, 상기 일 국면 또는 다른 국면에서의 상기 전위 고정 장치는, 상기 전위 고정 장치는 제 2 연산 증폭기를 더 포함하고, 상기 제 2 연산 증폭기의 출력 단자는 상기 제 2 용량에 접속되어 있다.
본 발명의 일 국면에서의 전위 고정 방법은, 제 1 용량과, 상기 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량의 두 용량 사이의 접속선의 전위를 고정하기 위한 전위 고정 방법으로서, 증폭기와 제 3 용량을 적어도 한 쪽에 구비한, 전압 분압하는 적어도 두개의 고 임피던스를 포함하는 전압 공급 수단을 구비하고, 상기 전압 공급 수단의 출력을 상기 두 용량 사이의 접속선에 인가하며, 또한 상기 증폭기의 증폭도와 상기 제 3 용량의 용량값을 조정함으로써 접속선의 고정 전위를 정한다. 또 고 임피던스와 고 저항은 같은 기능이다.
또한, 본 발명의 다른 국면에서의 전위 고정 방법은, 제 1 용량과, 상기 제1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량의 두 용량 사이의 접속선의 전위를 고정하기 위한 전위 고정 방법으로서, 증폭기와, 제 1 고 저항과 제 2 고 저항과, 적어도 제 1 고 저항 또는 제 2 고 저항 중 어느 한 쪽에 병렬로 접속되는 제 3 용량을 포함하는 전압 공급 수단을 구비하고, 제 1 고 저항과 제 2 고 저항에 의해 분압된 전압을 상기 두 용량 사이의 접속선에 출력하고, 상기 증폭기의 증폭도와 상기 두 개의 고 저항의 값과 제 3 용량의 값을 조정함으로써, 상기 두 용량 사이의 접속선에 인가되고 있는 동작 신호의 전위와 상기 전압 공급 수단의 출력 전위가 같아지도록 설정한다.
본 발명의 일 국면 및 다른 국면에서의 전위 고정 방법은, 바람직하게는, 상기 전압 공급 수단의 제 1 고 저항 또는 제 2 고 저항 중 어느 한 쪽의 단부에는, 소정 전압 인가 수단이 더 구비되고, 상기 소정 전압 인가 수단의 인가 전압을 조정함으로써, 상기 두 용량 사이의 접속선에 인가되고 있는 동작 신호의 전위와 상기 전압 공급 수단의 출력 전위가 같아지도록 설정한다.
또한, 상기 일 국면 및 다른 국면에서의 전위 고정 방법은, 또한 상기 제 1 용량 및 상기 제 2 용량 중 어느 한 쪽을 피측정 용량으로서 이용한다.
본 발명은, 받은 물리량에 따라서 정전 용량이 변화되는 용량성 센서의 용량값을 측정하기 위한 용량 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 용량 측정 장치에서의 신호선의 전위를 고정하여, 용량성 센서의 기준 용량을 캔슬하는 전위 고정/기준 용량 캔슬 회로를 구비한 용량 측정 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 용량 측정 장치를 도시한 회로도,
도 2는 비교예로서의 전위 고정 방법을 도시한 회로도,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치를 도시한 회로도,
도 4는 도 3에 도시한 실시예 1에 따른 전위 고정 장치에 포함되는 증폭기의 내부 구성의 일례를 도시한 회로도,
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치를 도시한 회로도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치를 도시한 회로도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치를 도시한 회로도이다.
우선, 도 3을 참조로 하여, 실시예 1에 따른 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치의 구성에 대하여 설명한다. 본 실시예 1에서는 이득을 얻기 위한 전류원으로 되는 연산 증폭 회로(11), 가상 쇼트의 상태에 있는 연산 증폭기(12)와, 교류 전압 발생기(13)와, 피측정 용량(14)과, 귀환 용량(15)을 구비하고 있다. 또, 연산 증폭기(12)는 본 발명의 "제 1 연산 증폭기"의 일례이며, 연산 증폭회로(11)는 본 발명의 "제 2 연산 증폭기"의 일례이다. 또한, 피측정 용량(14)은 본 발명의 "제 1 용량" 또는 "제 2 용량"의 일례이며, 그 용량값 Cs는 기준 용량 Cd와 변화 용량 Csinωct의 가산. 즉 Cs=Cd+ Csinωct로 표시된다. 기준용량이란, 제 1, 제 2 용량이 고유하게 갖고 있는 용량으로, 외력이 가해지기 전의 고정된 용량값을 말한다. 귀환 용량(15)은 본 발명의 "제 1 용량" 또는 "제 2 용량"의 일례이다. 피측정 용량(14)과 귀환 용량(15)은 신호선(17)에 의해서 접속되어 있다. 또, 이 신호선(17)은 본 발명의 "접속선"의 일례이다. 피검출 용량(14)의 신호선에 접속되어 있지 않은 단은 플로팅 상태이더라도 좋지만, 소정의 전위에 접속된 단이 고밀도의 측정이 가능하다. 신호선(17)은 연산 증폭기(12)의 한 쪽 입력 단자에 접속되어 있다. 또한, 교류 전압 발생기(13)는 연산 증폭기(12)의 다른 쪽 입력 단자에 접속되어 있다.
여기서, 실시예 1에서는, 신호선(17)의 전위를 전압 공급 회로(1)를 구비한 전위 고정 장치를 이용하여 고정한다. 또, 전압 공급 회로(1)는 본 발명의 "전압 공급 수단"의 일례이다. 전압 공급 회로(1)는 증폭도 A를 갖는 증폭기(2)와, Ra1의 저항값을 갖는 제 1 고 저항(3)과, Ra2의 저항값을 갖는 제 2 고 저항(4), Cc의 용량값을 갖는 기준 용량 캔슬용 용량(8)을 포함하고 있다. 제 1 고 저항(3)의 Ra1및 제 2 고 저항(4)의 Ra2는 함께 사용되는 주파수와 검출 용량으로부터 구해지는 일반적인 특성 임피던스값과 비교해서, 상대적으로 충분히 높은 값을 갖는 저항값이면 좋다. 또, 본원에서 A 배 등으로 표시되는 변수 A는 모두 영(0) 이외의 실수를 나타낸다.
또한, 증폭기(2)의 입력측에는 교류 전압 발생기(13)와는 별도의 교류 전압 발생기(별도의 전원)(7)이 접속되어 있다. 증폭기(2)의 출력측에는 제 1 고저항(3)의 한 쪽 단부가 접속되어 있다. 제 1 고 저항(3)의 다른 쪽 단부와 제 2 고 저항(4)의 한 쪽 단부 사이에 출력 단자(5)가 접속되어 있다. 그 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)는 점 P에서 신호선(17)에 접속되어 있다. 제 2 고 저항(4)의 다른 쪽 단부에는 단자(6)가 마련되어 있다. 단자(6)에는 소정의 전위 Vs가 인가된다. 이 단자(6)는 본 발명의 "소정 전압 인가 수단"의 일례이다. 또한, 출력 단자(5)로부터는 제 1 고 저항(3) 및 제 2 고 저항(4)에 의한 저항 분할에 의해 분압된 전압 Va가 출력된다.
또한, 증폭기(2)는 예컨대 도 4에 나타내는 바와 같은 구성을 갖고 있다. 즉, 증폭기(2)는, 연산 증폭기(21)와, R1의 저항값을 갖는 저항(22)과, R2의 저항값을 갖는 저항(23)을 포함하고 있다. 연산 증폭기(21)의 비반전 입력 단자에는, 교류 전압 발생기(7)(도 3참조)가 접속되어 있다. 또한, 연산 증폭 회로(21)의 출력 단자와 반전 입력 단자 사이에는 저항(22)이 접속되어 있다. 또한 연산 증폭 회로(21)의 반전 입력 단자와 GND 사이에는 저항(23)이 접속되어 있다. 이와 같이 구성하면 용이하게 증폭도 A=(R1+R2)/R2의 증폭기(2)를 얻을 수 있다.
실시예 1에 따른 용량 측정 장치의 전위 고정 방법으로서는, 신호선(17)에 흐르는 동작 신호의 전압 Vin과, 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)의 전압 Va가 같아지도록 증폭기(2)의 증폭도 A, 제 1 고 저항(3)의 저항값 Ra1, 제 2 고 저항(4)의 저항값 Ra2및 단자(6)의 전압 Vs를 결정하여, 피측정 용량(14)에 흐르는 전류의 적어도 일부를 공급하도록, 제 3 용량으로서의 기준 용량 캔슬용 용량(8)의 용량값Cc, 증폭기(2)의 증폭도 A를 결정한다.
도 3에 도시한 실시예 1의 용량 측정 장치의 용량 측정 동작으로서는, 연산 증폭기(12)가 가상 쇼트 상태에 있기 때문에, 교류 전압 발생기(13)로부터의 전압 Vin(동작 신호)이 신호선(17)에 걸린다. 이것에 의해 피측정 용량(14)의 양단에 전압이 인가되어 전류가 흐른다. 그리고, 피측정 용량(14)의 정전 용량 Cs에 대응하는 출력 Vout가 신호 출력 단자(18)로부터 출력된다. 이 출력 전압 Vout에 여러 가지의 신호 처리를 실시함으로써, 피측정 용량(14)의 정전 용량 Cs를 얻는다.
실시예 1에서는, 상기와 같이 피측정 용량(14)과 고정 용량(15)을 접속하는 신호선(17)에, 전위 고정과 기준 용량 캔슬을 위한 교류 전압을 인가하는 전압 공급 회로(1)를 접속하여, 증폭기(2)의 출력을 제 1 고 저항(3)과 제 2 고 저항(4)으로 분압하여 결정되는 그 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)의 전위를, 신호선(17)에 인가되는 동작 신호의 전위 Vin과 같아지도록 증폭기(2)의 증폭도 A, Ra1, Ra2를 설정함으로써, 신호선(17)에 제 1 고 저항(3)과 제 2 고 저항(4)으로부터의 전류의 출입을 없애, 신호선(17)의 전하량이 변화되는 것을 방지하고 있다. 또한, 전압 공급 회로(1)에 고 임피던스값을 갖는 제 1 고 저항(3) 및 제 2 고 저항(4)을 포함함으로써, 신호선(17)에 흐르는 전류의 일부가 전압 공급 회로(1) 측에 흐르는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 이것에 의해서도, 신호선(17)의 전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 덧붙여 피측정 용량(14)에 흐르는 전류의 적어도 일부를기준 용량 캔슬용 용량(8)을 거쳐서 증폭기(2)로부터 공급함으로써, 연산 증폭기(11)로부터 귀환 용량(15)을 거쳐서 피측정 용량의 기준 용량에 공급되는 전류가 저감되고, 출력 Vout에 피측정 용량 중의 용량 변화분이 충분히 반영된다. 또한 증폭기(2)로부터 기준 용량 캔슬용 용량을 거쳐서 피측정 용량에 전류를 공급함으로써, 귀환 용량(15)을 흐르는 전류가 저감되어, 바꾸어 말하면, 귀환 용량을 흐르는 전류의 오프셋분이 저감되기 때문에, Cf에서 결정되는 용량 측정 장치의 이득을 높일 수 있다.
그 결과, 실시예 1의 용량 측정 장치에서는, 피측정 용량(14)과 고정 용량(15)을 접속하는 신호선(17)의 전위를 고정한 경우에도, 용량 측정 장치의 감도가 저하되지 않기 때문에, 정확한 용량 측정을 행할 수 있다.
이하에 수학식을 이용하여 실시예 1에 대해서 설명한다. 우선, 전압 공급 회로의 출력 Va는 다음 수학식 8로 나타낼 수 있다. 여기서는, 간단하게 하기 위해서, A=2, Vs=0, Ra1=Ra2로 한다. 이 때, Va=Vin(Va와 Vin이 동 전위)가 되도록 설정하기 때문에, 다음 수학식 9로 하면 좋다. 따라서, 기준 용량 캔슬용 용량 Cc를 흐르는 전류 Ic는 다음 수학식 10으로 표현된다.
다음에, 연산 증폭기(12)가 가상 쇼트 상태에 있기 때문에, 교류 전압 발생기(13)로부터 전압 Vin(동작 신호)이 신호선(17)에 걸린다. 이에 따라 피검출 용량(14)에 전류가 흐른다. 이 전류 Is는 다음 수학식 11로 표현된다. 여기서, Cd는 피검출 용량(14)의 기준 용량값, C은 피측정 용량(14)의 변화 용량의 진폭, ωc는 용량 변화의 각 주파수로, V는 동작 신호의 진폭, ωin은 동작 신호의 각 주파수이다.
또한 귀환 용량 Cf를 흐르는 전류 If는 다음 수학식 12로 표현된다. 여기서, 연산 증폭기(12)의 입력 임피던스는 충분히 높기 때문에, 또한, Va=Vin이 되도록 설정하고 있으며, 또한, Ra1및 Ra2는 충분히 높은 저항값으로 하고있기 때문에, Ra1및 Ra2에는 전류가 흐르지 않으므로, Ic', Is, If는 다음 수학식 13 및 수학식 14의 관계에 있다.
따라서, 신호 출력 단자(18)의 출력 Vout은 다음 수학식 15로 된다. 이 조건(A=2. Vs=0, Ra1=Ra2)하에서, Cc를 Cd와 같게 함으로써, 피검출 용량(14)의 기준 용량의 회로 출력으로의 영향을 배제할 수 있다. 바꾸어 말하면, 회로 출력에는 피검출 용량(14) 중 변화 용량에 대응하는 신호만이 출력된다. 즉, 이 경우에는, 회로 출력은 다음 수학식 16으로 표현되기 때문에, 기준 용량은 회로 출력에는 영향을 미치지 않고, 따라서 용량 변화 C를 고감도로 정확히 측정하는 것이 가능해진다.
상기에서는 전류에 착안하여 설명했지만, 이하에서는 전압에 착안하여 확인한다.
연산 증폭기(12)의 입력 임피던스는 충분히 높고, 또한 Va=Vin이 되도록 설정하고 있으며, 또한 Ra1및 Ra2는 충분히 높은 저항값으로 하고있기 때문에 Ra1및 Ra2에는 전류가 흐르지 않으므로, 신호선의 전하량은 일정이다. 따라서, 다음 수학식 17 및 수학식 18로 표현된다.
이것은 상기 Vout의 수학식과 동일하다. 따라서, 도 3에 도시한 실시예에서, 상기 조건하에서 정확한 용량 측정을 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 전압 공급 회로를 포함하는 전위 고정/기준 용량 캔슬 수단을 구비한 용량 측정 장치를 도시한 회로도이다. 이 실시예 2의 전압 공급 회로(1)에서는, 상기 한 실시예 1의 구성에서의 증폭기(2)의 입력측에, 교류 전압 발생기(7) 대신에, 신호선(17)에 동작 신호 Vin을 인가하기 위한 교류 전압 발생기(13)가 접속되어 있다. 또, 실시예 2에서의 기타 구성은 실시예 1과 마찬가지다.
실시예 2에서는, 상기 한 바와 같이, 증폭기(2)의 입력측에, 신호선(17)에동작 신호 Vin을 인가하기 위한 교류 전압 발생기(13)를 접속함으로써, 실시예 1에서의 교류 전압 발생기(7)를 생략할 수 있기 때문에, 실시예 1과 비교해서 회로 구성을 간단하게 할 수 있다.
또한, 실시예 2에서는, 상기 실시예 1과 같이 증폭기(2)의 증폭도 A, 제 1 고 저항(3)의 저항값 Ra1, 제 2 고 저항(4)의 저항값 Ra2및 단자(6)의 전압 Vs를 조정함으로써, 용이하게 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)에서의 전압 Va를 신호선(17)의 동작 신호의 전압 Vin과 같아지도록 설정할 수 있고, 또한 증폭기(2)의 증폭도 A 및 기준 용량 캔슬용 용량의 용량값 Cc를 조정함으로써, 피측정 용량의 캔슬량을 설정할 수 있다. 구체적으로는, 도 4에 도시한, 증폭기(2)의 저항(22, 23)의 저항값을 R1=R2로 함에 따라, 증폭기(2)의 증폭도 A를 A=2로 하고, Vs=0V, Ra1=Ra2로 함으로써, 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)의 전압 Va를 용이하게 신호선(17)의 동작 신호의 전압 Vin과 같은 전위로 할 수 있다. 또한, 피검출 용량(14)의 기준 용량을 Cc=Cd로 하고, 증폭기(2)의 증폭도를 상술 한 바와 같이 A=2라고 하면, 피검출 용량 중 기준 용량에 흐르는 전류는, 기준 용량 캔슬 용량으로부터 모두 공급되어, 귀환 용량(15)에는 변화 용량 성분에 흐르는 전류만이 흐르게 되므로, 기준 용량값은 출력 Vout에 영향을 주지 않는다.
또, 이번 개시된 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각해야 한다. 본 발명의 범위는, 상기 한 실시예의 설명이 아니라 특허청구범위에 의해서 표시되고, 더욱이 특허청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함된다.
예를 들어, 상기 실시예에서는, 전압 공급 회로(1)의 고 임피던스로서 제 1 고 저항(3) 및 제 2 고 저항(4)을 이용했지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 고 임피던스로서, 예컨대 다이오드의 역 바이어스 특성을 이용하더라도 좋고, 트랜지스터의 오프 상태를 사용하는 것 등도 가능하다. 즉, 고 임피던스와 고 저항은 저항 성분으로서 작용하는 기능이 같다는 것이다.
도 3, 도 5에서는, 두개의 연산 증폭기로 구성하고 있지만, 도 6과 같이 1개로 해도 좋다. 또한 12를 연산 증폭기로 구성했지만 임피던스 변환기로 구성하더라도 좋다.
또한, 상기 실시예로서는, 도 3 및 도 5에 나타내는 바와 같은 회로 구성을 갖는 용량 측정 장치에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 다른 회로 구성을 갖는 용량 측정 장치에도 마찬가지로 적용할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는, 용량 측정 장치에서의 피측정 용량(14)과 고정 용량(15)을 접속하는 신호선(17)의 전위를 고정하는 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 제 1 용량과 제 2 용량이 직접적으로 접속되는 회로 구성을 포함하는 용량 측정 장치 이외의 장치의 전위를 고정하는 경우에도 널리 적용할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선의 전위를 고정하는 경우에, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선의 전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 피측정 용량에 흐르는 전류의 적어도 일부를 기준 용량 캔슬용 용량을 거쳐서 공급할 수 있기 때문에, 출력 Vout에 일어나는 용량 변화를 충분히 보충할 수 있게 된다. 그 결과, 예컨대, 용량 측정 장치에서, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선의 전위를 고정한 경우에도, 용량 측정 장치의 감도가 저하되지 않기 때문에, 고감도로 정확한 용량 측정을 행할 수 있다.
본 발명에 관한 전위 고정 장치는, 받은 물리량에 따라 정전 용량이 변화되는 용량성 센서의 용량값을 측정하기 위한 용량 측정 장치나 용량 검출 장치로서, 특히, 용량성 센서의 기준 용량을 캔슬하는 전위 고정/기준 용량 캔슬 회로를 구비한 용량 측정 장치나 휴대 전화기 등의 소형·경량의 기기에 구비되는 마이크로폰 장치용의 전위 고정 회로로서 이용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 제 1 용량과, 상기 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량의 두 용량 사이의 접속선에 접속되는 전위 고정 장치로서,
    상기 접속선에 접속되는 출력 단자와,
    상기 출력 단자로부터 상기 접속선에 전압을 공급함으로써, 상기 제 1 용량과 상기 제 2 용량의 합계 총 전하량을 유지하면서, 상기 두 용량 사이의 접속선의 전위를 일정하게 유지하는 전압 공급 수단을 구비하되,
    상기 전압 공급 수단은,
    제 1 고 저항과, 상기 제 1 고 저항에 직접적으로 접속되는 제 2 고 저항을 포함하여, 상기 제 1 고 저항과 상기 제 2 고 저항에 따라서 분압된 전위를 상기 출력 단자에 출력하는 전압 분압 수단과,
    적어도 상기 제 1 고 저항 또는 상기 제 2 고 저항 중 어느 한 쪽에 병렬로 접속된 제 3 용량을 포함하는 것을 특징으로 하는 전위 고정 장치.
  2. 제 1 용량과, 상기 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량의 두 용량 사이의 접속선에 접속되는 전위 고정 장치로서,
    상기 접속선에 접속되는 출력 단자와,
    상기 접속선에 인가되는 동작 신호의 전위와 같은 전위를 상기 출력 단자로부터 상기 접속선에 출력하는 전압 공급 수단을 구비하되,
    상기 전압 공급 수단은,
    제 1 고 저항과, 상기 제 1 고 저항에 직접적으로 접속되는 제 2 고 저항을 포함하고, 상기 제 1 고 저항과 상기 제 2 고 저항에 따라서 분압된 전위를 출력 단자에 출력하는 전압 분압 수단과,
    적어도 상기 제 1 고 저항 또는 상기 제 2 고 저항 중 어느 한 쪽에 병렬로 접속된 제 3 용량을 포함하는 것을 특징으로 하는 전위 고정 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전압 공급 수단은,
    증폭기와, 소정 전압 인가 수단을 더 포함하되,
    상기 증폭기에는, 상기 제 1 고 저항의 한 쪽 단부가 접속되고,
    상기 제 1 고 저항의 다른 쪽 단부와 상기 제 2 고 저항의 한 쪽 단부가 접속되고,
    상기 제 1 고 저항의 다른 쪽 단부와 상기 제 2 고 저항의 한 쪽 단부 사이에는, 상기 출력 단자가 접속되고,
    상기 제 2 고 저항의 다른 쪽 단부와 상기 소정 전압 인가 수단이 접속되어 있는 전위 고정 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치로서,
    상기 전위 고정 장치는,
    제 1 연산 증폭기를 더 포함하되,
    상기 제 1 용량은 피측정 용량이며,
    상기 두 용량 사이의 접속선은 신호선이며,
    상기 신호선에 상기 제 1 연산 증폭기의 입력 단자가 접속되어 있는,
    용량 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전위 고정 장치는,
    제 2 연산 증폭기를 더 포함하되,
    상기 제 2 연산 증폭기의 출력 단자는 상기 제 2 용량에 접속되어 있는 용량 측정 장치.
  6. 제 1 용량과, 상기 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량의 두 용량 사이의 접속선의 전위를 고정하기 위한 전위 고정 방법으로서,
    증폭기와 제 3 용량을 적어도 한 쪽에 구비한 전압 분압하는 적어도 두개의 고 임피던스를 포함하는 전압 공급 수단을 구비하고, 상기 전압 공급 수단의 출력을 상기 두 용량 사이의 접속선에 인가하고, 또한 상기 증폭기의 증폭도와 상기 제 3 용량의 용량값을 조정함으로써 접속선의 고정 전위를 정하는 전위 고정 방법.
  7. 제 1 용량과, 상기 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량의 두 용량 사이의 접속선의 전위를 고정하기 위한 전위 고정 방법으로서,
    증폭기와, 제 1 고 저항과 제 2 고 저항과, 적어도 제 1 고 저항 또는 제 2 고 저항 중 어느 한 쪽에 병렬로 접속되는 제 3 용량을 포함하는 전압 공급 수단을 구비하고, 제 1 고 저항과 제 2 고 저항에 의해 분압된 전압을 상기 두 용량 사이의 접속선에 출력하고, 상기 증폭기의 증폭도와 상기 두 고 저항의 값과 제 3 용량의 값을 조정함으로써, 상기 두 용량 사이의 접속선에 인가되고 있는 동작 신호의 전위와 상기 전압 공급 수단의 출력 전위가 같아지도록 설정하는 전위 고정 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 전압 공급 수단의 제 1 고 저항 또는 제 2 고 저항 중 어느 한 쪽의 단부에는 소정 전압 인가 수단이 더 구비되고, 상기 소정 전압 인가 수단의 인가 전압을 조정함으로써, 상기 두 용량 사이의 접속선에 인가되고 있는 동작 신호의 전위와 상기 전압 공급 수단의 출력 전위가 같아지도록 설정하는 전위 고정 방법.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 용량 및 상기 제 2 용량 중 어느 한 쪽을 피측정 용량으로서 이용하는 전위 고정 방법.
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