KR20050071602A - 전위 고정 장치, 전위 고정 방법 및 용량 측정 장치 - Google Patents

Abstract

제 1 용량과 제 2 용량이 직접적으로 접속되는 경우에 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선의 전위를 고정한 경우에도, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선의 합계 총전하량이 변화되는 것을 방지하는 것이 가능한 전위 고정 장치를 제공한다.

이 전위 고정 장치는 제 1 고저항(3) 및 제 2 고저항(4)을 갖고, 또한, 피측정 용량(14)과 고정 용량(15)과의 합계 총전하량을 유지하면서, 피측정 용량(14)과 고정 용량(15)을 접속하는 신호선(17)에서의 전위를 일정하게 유지하는 전압 공급 회로(1)를 구비하고 있다. 그리고, 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)는 신호선(17)에 접속되어 있다.

Description

전위 고정 장치, 전위 고정 방법 및 용량 측정 장치{POTENTIAL FIXING DEVICE, POTENTIAL FIXING METHOD, AND CAPACITANCE MEASURING INSTRUMENT}

본 발명은 전위 고정 장치, 전위 고정 방법 및 용량 측정 장치에 관한 것으로, 특히 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선의 전위를 고정하기 위한 전위 고정 장치, 전위 고정 방법 및 그러한 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치에 관한 것이다.

종래, 콘덴서 마이크로폰 등의 여러 가지의 주파수에서 정전 용량의 값이 변하는 경우의 용량을 측정하는 용량 측정 장치가 알려져 있다. 도 6은 종래의 용량 측정 장치의 일례를 나타낸 회로도이다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 종래의 용량 측정 장치는 연산 증폭기(112)와, 교류 전압 발생기(113)와, 피측정 용량(114)과, 귀환 임피던스로서의 귀환 저항(116)을 구비하고 있다. 귀환 저항(116)과, 피측정 용량(114)은 신호선(117)을 거쳐서 접속되어 있다. 연산 증폭기(112)의 한쪽 단자에는 신호선(117)이 접속되어 있다. 또한, 피측정 용량(114)의 신호선(117)에 접속되는 측과는 반대의 전극에는 교류 전압 발생기(113)의 한쪽 단이 접속되어 있다. 또한, 교류 전압 발생기(113)의 다른쪽 단은 접지되어 있다.

여기서, 피측정 용량(114)은 받은 물리량(가속도, 압력, 가스, 광, 음파 등)에 따라서 그 갖는 정전 용량 Cs를 변화시키는 것이다. 또한, 교류 전압 발생기(113)는 용량 측정시에 피측정 용량(114)에 인가되는 동작 신호 Vin을 발생하기 위한 것이다.

도 6에 나타낸 종래의 용량 측정 장치의 용량 측정 동작으로서는, 교류 전압 발생기(113)로부터 동작 신호(전압: Vin)가 발생하면, 그 동작 신호의 전압 Vin이 피측정 용량(114)의 양단에 걸린다. 이에 의해, 피측정 용량(114)에 전류가 흐른다. 이 경우, 연산 증폭기(112)의 입력 임피던스는 이상적으로는 무한대이기 때문에, 피측정 용량(114)에 흐르는 전류는 전부 귀환 저항(116)으로 흐른다. 이에 의해, 피측정 용량(114)의 정전 용량 Cs에 대응하는 출력 전압 Vout을 신호 출력 단자(118)로부터 출력할 수 있다. 그리고, 이 검출 신호의 출력 전압 Vout에 근거하여 여러 가지의 신호 처리를 실행하는 것에 의해서, 정전 용량 Cs를 얻을 수 있다.

도 6에 나타낸 종래의 용량 측정 장치에서는, 귀환 임피던스로서 귀환 저항(116)을 이용하고 있기 때문에, 신호 출력 단자(118)의 출력 전압 Vout은 다음의 수학식 1로 표현되는 바와 같이 주파수 특성을 가져 버린다.

상기 수학식 1을 참조하여, Vi는 교류 전원 발생기(113)로부터의 신호 Vin의 진폭이고, ωin은 동작 신호 Vin의 각속도이다. 또한, Cd는 피측정 용량(114)의 표준 용량값이고, ΔC 및 ωc는 각각 피측정 용량(144) 중, 용량 변화분의 용량값 및 각속도이다. 상기 수학식 1에서는, 용량 변화분의 각속도 ωc가 용량 변화분의 용량값 ΔC에 비례하는 항이 포함된다. 이 때문에, 출력 전압 Vout이 용량 변화분의 주파수(ωc/2π=fc)에 비례하게 되므로, 주파수 특성을 가져 버린다. 따라서, 후단에 주파수 특성을 가지지 못하게 하도록 처리 회로를 새롭게 마련할 필요가 있다. 그 결과, 회로 규모가 커져 버린다고 하는 불합리가 발생한다.

그래서, 귀환 임피던스를 저항이 아니라 캐패시터(용량)에 의해서 구성하는 기술이 제안되고 있다. 도 7은 그러한 용량 측정 장치를 나타낸 회로도이다. 도 7을 참조하여, 이 용량 측정 장치에서는, 귀환 임피던스를 귀환 용량(115)에 의해서 구성하고 있다. 이 회로의 출력 전압 Vout은 다음의 수학식 2로 표현된다.

상기 수학식 2에 나타내는 바와 같이, 귀환 임피던스를 귀환 용량(115)(용량값: Cf)에 의해서 구성하면, 정전 용량 Cs에서 축적되는 전하와 귀환 용량(115)의 용량값 Cf로 축적되는 전하가 동등해지기 때문에, 신호선(117)의 전하량을 일정하게 할 수 있다. 이에 의해, 출력 전압 Vout에는 각속도 ωc에 비례하는 항이 포함되지 않는다. 이 때문에, 회로 출력은 용량 변화 주파수에 대한 의존성이 없으므로, 후단에 주파수 특성을 가지지 못하게 하도록 처리 회로를 새롭게 마련할 필요가 없다. 그 결과, 회로 규모가 커지는 것을 방지할 수 있다.

그러나, 도 7에 나타낸 기술과 같이, 귀환 임피던스를 귀환 용량(115)에 의해서 구성한 경우에는, 귀환 용량(115)과 피측정 용량(114) 사이에 위치하는 신호선(117)에는 직류 전류가 흐르지 않기 때문에, 신호선(117)은 전기적으로 부유한 상태(플로팅 상태)로 된다. 이 때문에, 신호선(117)의 전위가 불안정해지고, 회로 출력이 전원 전압에 포화하는 등, 정상적으로 회로가 동작하지 못하게 된다고 하는 불합리가 있다.

상기한 바와 같은 불합리를 방지하기 위해서, 도 7에 도시하는 바와 같이, 신호선(117)과 GND 사이에 저항(119)을 접속하는 것에 의해서, 신호선(117)의 전위를 고정하는 것도 생각된다.

그러나, 상기한 바와 같이 저항(119)에 의해서 전위를 고정하는 경우에는, 용량 측정시에 저항(119)에 전류가 흐를 경우가 있다. 그 경우에는, 신호선(117)의 전하량이 변화해 버리기 때문에, 용량 측정 장치의 감도가 저하한다고 하는 문제점이 있었다. 이 때문에, 용량 측정을 정확히 실행하는 것은 곤란하였다.

또한, 피측정 용량(114)에 Vin이 인가될 때에, 신호선(117)을 쉴드선(도시하지 않음)에 의해서 피복하고, 또한, 가상 단락에 의해서 그 쉴드선과 신호선(117)을 동전위로 한 후에, 쉴드선 및 신호선(117)을 GND에 떨어뜨렸다고 하더라도, 현실의 오피엠프(연산 증폭기(112))에서는, 신호선(117)이 GND로 되지 않고서, 간신히 Vin의 신호가 신호선(117)에 실린다. 이 때문에, 쉴드선과 신호선(117) 사이에 기생 용량이 발생하기 때문에, 그 기생 용량의 영향에 의해서 용량 측정을 정확히 실행하는 것은 곤란하였다.

본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선에서의 전하량이 변화되는 것을 방지하는 것이 가능한 전위 고정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선의 전위를 고정한 경우에도, 감도를 저하시키는 일 없이 정확한 용량 측정을 실행하는 것이 가능한 용량 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 3 목적은, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선에서의 전하량이 변화되는 것을 방지하는 것이 가능한 전위 고정 방법을 제공하는 것이다.

발명의 개시

본 발명의 제 1 국면에서의 전위 고정 장치는, 제 1 용량과, 그 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량과의 2개의 용량간의 접속선의 전위를 고정하기 위한 전위 고정 장치로서, 적어도 2개의 고임피던스를 갖고, 또한, 제 1 용량과 제 2 용량과의 합계 총전하량을 유지하면서, 2개의 용량간의 접속선의 전위를 일정하게 유지하는 전압 공급 수단을 구비하고 있다. 그리고, 그 전압 공급 수단의 출력 단자는 2개의 용량간의 접속선에 접속되어 있다. 또한, 본 발명에서의 고임피던스는 고저항 외에, 다이오드의 역바이어스 특성이나, 트랜지스터의 오프 상태를 사용하는 것에 의해서도 실현 가능하다.

상기 제 1 국면에서의 전위 고정 장치에서는, 제 1 용량과 제 2 용량과의 합계 총전하량을 유지하면서, 2개의 용량간의 접속선의 전위를 일정하게 유지하는 전압 공급 수단을 마련하고, 또한, 그 전압 공급 수단의 출력 단자를 2개의 용량간의 접속선에 접속하는 것에 의해서, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선에서의 전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전압 공급 수단에 적어도 2개의 고임피던스를 포함하는 것에 의해서, 2개의 용량간의 접속선에 흐르는 전류의 일부가 전압 공급 수단측으로 흐르는 것을 그 고임피던스에 의해 유효하게 방지할 수 있다. 이에 의해서도, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선에서의 전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선에서의 전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 예를 들면 용량 측정 장치에서 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선에서의 전위를 고정한 경우에도, 용량 측정값의 감도가 저하하는 일이 없다. 그 결과, 정확한 용량 측정을 실행할 수 있다.

본 발명의 제 2 국면에서의 전위 고정 장치는, 제 1 용량과, 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량의 2개의 용량간의 접속선의 전위를 고정하기 위한 전위 고정 장치로서, 적어도 2개의 고임피던스를 갖고, 또한, 접속선에 인가되는 동작 신호의 전위와 동등한 전위를 출력하는 전압 공급 수단을 구비하고 있다. 그리고, 그 전압 공급 수단의 출력 단자는 2개의 용량간의 접속선에 접속되어 있다.

상기 제 2 국면에서의 전위 고정 장치에서는, 제 1 용량과 제 2 용량을 접속하는 접속선에 인가되는 동작 신호의 전위와 동등한 전위를 출력하는 전압 공급 수단을 마련하고, 또한, 그 전압 공급 수단의 출력 단자를 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선에 접속하는 것에 의해서, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선에 전류의 출입이 없어지기 때문에, 접속선의 합계 총전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전압 공급 수단에 적어도 2개의 고임피던스를 포함하는 것에 의해서, 접속선에 흐르는 전류의 일부가 전압 공급 수단측으로 흐르는 것을 그 고임피던스에 의해 유효하게 방지할 수 있다. 이에 의해서도, 접속선의 합계 총전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선의 전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 예를 들면, 용량 측정 장치에서 제 1 용량과 제 2 용량과의 접속선의 전위를 고정한 경우에도, 용량 측정 장치의 감도가 저하하는 일이 없다. 그 결과, 정확한 용량 측정을 실행할 수 있다.

상기 제 1 국면 또는 제 2 국면에서의 전위 고정 장치에 있어서, 바람직하게는, 전압 공급 수단은, 제 1 고저항과, 그 제 1 고저항에 직접적으로 접속되는 제 2 고저항과, 제 1 고저항과 제 2 고저항에 의해서 분압된 전위를 출력하는 전압 분압 수단을 포함한다. 또한, 본 발명에서의 「고저항」이란, 대상 용량이 1pF 정도이고 수백 ㎒ 이상일 때는, 수 ㏁ 이상이며, 대상 용량이 1pF 정도이고 수백 ㎑~1㎒ 정도일 때는, 수백 ㏁ 이상이다. 즉, 「고저항」은 제 1 용량 및 제 2 용량의 임피던스 성분에 비해서, 충분히 큰 상대적으로 높은 저항값을 갖는 저항을 의미한다. 이와 같이, 전압 공급 수단을, 제 1 고저항과 제 2 고저항에 의해서 분압된 전위를 출력하는 전압 분압 수단을 포함하도록 구성하면, 제 1 고저항 및 제 2 고저항의 저항값을 적절하게 선택하는 것에 의해, 용이하게 전압 공급 수단의 출력 전위를 조절할 수 있다.

상기 제 1 국면 또는 제 2 국면에서의 전위 고정 장치에 있어서, 바람직하게는, 전압 공급 수단은, 증폭기와, 소정 전압 인가 수단과, 제 1 고저항과, 제 2 고저항과, 출력 단자를 포함하며, 증폭기에는 제 1 고저항의 한쪽 단이 접속되고, 제 1 고저항의 다른쪽 단과 제 2 고저항의 한쪽 단이 접속되고, 제 1 고저항의 다른쪽 단과 제 2 고저항의 한쪽 단 사이에는 출력 단자가 접속되고, 제 2 고저항의 다른쪽 단과 소정 전압 인가 수단이 접속되어 있다. 이와 같이 구성하면, 증폭기의 증폭도와, 제 1 고저항 및 제 2 고저항의 저항값과, 소정 전압 인가 수단의 전압값을 결정하는 것에 의해서, 용이하게 전압 공급 수단의 출력 단자의 전위를, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선에 인가되는 동작 신호의 전위와 동등한 전위로 제어할 수 있다.

본 발명의 제 3 국면에서의 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치는, 전위 고정 장치가 제 1 연산 증폭기를 더 포함하며, 제 1 용량은 피측정 용량이고, 2개의 용량간의 접속선은 신호선이고, 그 신호선에 제 1 연산 증폭기의 입력 단자가 접속되어 있다.

상기 제 3 국면에 따른 용량 측정 장치에서는, 상술한 어느 하나의 구성을 갖는 전위 고정 장치를 포함하도록 구성하고, 또한, 그 전위 고정 장치의 제 1 용량을 피측정 용량으로 하고, 또한, 2개의 용량간의 접속선을 신호선으로 하는 것에 의해서, 신호선에 전류의 출입이 없어지기 때문에, 신호선의 합계 총전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 용량 측정 장치에서 피측정 용량을 구성하는 제 1 용량과, 제 2 용량 사이의 신호선의 전위를 고정한 경우에도, 용량 측정 장치의 감도가 저하하는 일이 없다. 그 결과, 정확한 용량 측정을 실행할 수 있다.

상기 제 3 국면에서의 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치에 있어서, 바람직하게는, 전위 고정 장치가 제 2 연산 증폭기를 더 포함하며, 그 제 2 연산 증폭기의 출력 단자는 제 2 용량에 접속되어 있다. 이와 같이 구성하면, 제 2 연산 증폭기를 전류원으로서 이용할 수 있다.

본 발명의 제 4 국면에서의 전위 고정 방법은, 제 1 용량과, 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량과의 2개의 용량간의 접속선의 전위를 고정하기 위한 전위 고정 방법으로서, 적어도 2개의 고임피던스를 이용하여 분압된 전위를 출력 전위로 하여, 그 출력 전위를 2개의 용량간의 접속선에 인가하고, 또한, 그 출력 전위가 접속선에 전류의 출입이 없는 출력 전위로 고정되어 있다.

상기 제 4 국면에서의 전위 고정 방법에서는, 2개의 용량간의 접속선의 전위를 고정할 때에, 2개의 용량간의 접속선에 인가하는 출력 전위를 그 접속선에 전류의 출입이 없는 출력 전위로 고정하는 것에 의해서, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선에서의 합계 총전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 적어도 2개의 고임피던스를 이용하여 분압된 출력 전위에 의해 전위 고정하는 것에 의해서, 제 1 용량과 제 2 용량과의 접속선에 흐르는 전류의 일부가 고임피던스측으로 흐르는 것을 그 고임피던스에 의해 유효하게 방지할 수 있다. 이에 의해서도, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선에서의 합계 총전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선에서의 합계 총전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 예를 들면, 용량 측정 장치에서 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선의 전위를 고정한 경우에도, 용량 측정 장치의 감도가 저하하는 일이 없다. 그 결과, 정확한 용량 측정을 실행할 수 있다.

본 발명의 제 5 국면에서의 전위 고정 방법은, 제 1 용량과, 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량과의 2개의 용량간의 접속선의 전위를 고정하기 위한 전위 고정 방법으로서, 적어도 2개의 고임피던스를 이용하여 분압된 전위를 출력 전위로 하여, 그 출력 전위를 2개의 용량간의 접속선에 인가하고, 또한, 출력 전위를 2개의 용량간의 접속선에 인가되어 있는 동작 신호의 전위와 동등하게 되도록 설정한다.

상기 제 5 국면에서의 전위 고정 방법에서는, 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선의 전위를 고정할 때에, 그 접속선에 인가하는 출력 전위를 2개의 용량간의 접속선에 인가되고 있는 동작 신호의 전위와 동등하게 되도록 설정하는 것에 의해서, 2개의 용량간의 접속선의 합계 총전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 적어도 2개의 고임피던스를 이용하여 분압된 출력 전위에 의해 전위 고정하는 것에 의해서, 접속선에 흐르는 전류의 일부가 고임피던스측으로 흐르는 것을 그 고임피던스에 의해 유효하게 방지할 수 있다. 이에 의해서도, 접속선의 합계 총전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, 2개의 용량간의 접속선의 합계 총전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 예를 들면, 용량 측정 장치에서 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선의 전위를 고정한 경우에도, 용량 측정 장치의 감도가 저하하는 일이 없다. 그 결과, 정확한 용량 측정을 실행할 수 있다.

상기 제 4 국면 또는 제 5 국면에서의 전위 고정 방법에 있어서, 바람직하게는, 제 1 용량 및 제 2 용량 중 어느 한쪽을 피측정 용량으로서 이용한다. 이와 같이 구성하면, 용이하게 용량 측정을 실행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치를 나타낸 회로도,

도 2는 도 1에 나타낸 실시예 1에 따른 전위 고정 장치에 포함되는 증폭기의 내부 구성의 일례를 나타낸 회로도,

도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치를 나타낸 회로도,

도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치를 나타낸 회로도,

도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치를 나타낸 회로도,

도 6은 종래의 귀환 임피던스로서 저항을 이용한 경우의 용량 측정 장치를 나타낸 회로도,

도 7은 도 6에서의 귀환 임피던스로서 캐패시터(용량)를 이용한 경우의 용량 측정 장치를 나타낸 회로도이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명의 실시예를 도면에 근거하여 설명한다.

(실시예 1)

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치를 나타낸 회로도이다. 도 2는 도 1에 나타낸 실시예 1의 전위 고정 장치의 증폭기의 내부 구성의 일례를 나타낸 회로도이다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여, 실시예 1에 따른 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치의 구성에 대해서 설명한다. 이 실시예 1의 용량 측정 장치는 연산 증폭 회로(12)와, 교류 전압 발생기(13)와, 정전 용량 Cs를 갖는 피측정 용량(14)과, 용량값 Cf를 갖는 귀환 임피던스로서의 고정 용량(15)을 구비하고 있다. 또한, 연산 증폭기(12)는 본 발명의 「제 1 연산 증폭기」의 일례이다. 또한, 피측정 용량(14)은 본 발명의 「제 1 용량」 또는 「제 2 용량」의 일례이고, 고정 용량(15)은 본 발명의 「제 1 용량」 또는 「제 2 용량」의 일례이다.

피측정 용량(14)과 고정 용량(15)은 신호선(17)에 의해서 접속되어 있다. 신호선(17)은 연산 증폭 회로(12)의 한쪽 단자에 접속되어 있다. 또한, 이 신호선(17)은 본 발명의 「접속선」의 일례이다. 또한, 피측정 용량(14)의 신호선(17)에 접속되는 측과는 반대의 전극에는, 교류 전압 발생기(13)의 한쪽 단이 접속되어 있다. 또한, 고정 용량(15)의 신호선(17)에 접속되는 측과는 반대의 전극에는 신호 출력 단자(18)가 접속되어 있다. 또한, 교류 전압 발생기(13)의 다른쪽 단은, 본 실시예에서는 접지되어 있지만, DC 성분에 접속되어 있더라도 무방하다. 또한, 피측정 용량(14)은 받은 물리량(가속도, 압력, 가스, 광, 음파 등)에 따라서 그 갖는 정전 용량 Cs를 변화시키는 것이다. 또한, 교류 전압 발생기(13)는, 용량 측정시에, 피측정 용량(14)에 인가되는 동작 신호 Vin을 발생하기 위한 것이다.

여기서, 실시예 1의 용량 측정 장치에서는, 신호선(17)의 전위를, 전압 공급 회로(1)를 구비한 전위 고정 장치를 이용하여 고정한다. 또한, 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 고저항(3)과, Ra2의 저항값을 갖는 제 2 고저항(4)을 포함하고 있다. 제 1 고저항(3)의 Ra1 및 제 2 고저항(4)의 Ra2는 모두 1㏁ 이상의 저항값을 갖는다. 또한, 이 저항값은 사용되는 주파수와 검출 용량으로부터 구해지는 대략적인 특성 임피던스값에 비해서, 상대적으로 충분히 높은 값을 갖는 저항값이면 무방하다.

또한, 증폭기(2)의 입력측에는 교류 전압 발생기(13)와는 다른 교류 전압 발생기(별도의 전원)(7)가 접속되어 있다. 증폭기(2)의 출력측에는 제 1 고저항(3)의 한쪽 단이 접속되어 있다. 제 1 고저항(3)의 다른쪽 단과 제 2 고저항(4)의 한쪽 단 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 고저항(4)의 다른쪽 단에는 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 고저항(3) 및 제 2 고저항(4)에 의한 저항 분할에 의해 분압된 전압 Va가 출력된다.

또한, 증폭기(2)는, 예를 들면, 도 2에 나타내는 구성을 갖고 있다. 즉, 증폭기(2)는 연산 증폭 회로(21)와, R1의 저항값을 갖는 저항(22)과, R2의 저항값을 갖는 저항(23)을 포함하고 있다. 연산 증폭 회로(21)의 비반전 입력 단자에는 교류 전압 발생기(7)(도 1 참조)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 동등하게 되도록, 증폭기(2)의 증폭도 A, 제 1 고저항(3)의 저항값 Ra1, 제 2 고저항(4)의 저항값 Ra2 및 단자(6)의 전압 Vs를 결정한다. 또한, 증폭기(2)의 증폭도 A는 도 2에 나타낸 저항(22 및 23)의 저항값 R1 및 R2를 적절히 선택하는 것에 의해, 용이하게 조절 가능하다.

도 1에 나타낸 실시예 1의 용량 측정 장치의 용량 측정 동작으로서는, 교류 전압 발생기(13)로부터 동작 신호(전압: Vin)를 발생시키면, 그 동작 신호의 전압 Vin은 피측정 용량(14)의 양단에 걸린다. 이에 의해, 피측정 용량(14)에 전류가 흐른다. 이 경우, 연산 증폭기(12)의 입력 임피던스는 이상적으로는 무한대이기 때문에, 피측정 용량(14)에 흐르는 전류는 전부 고정 용량(15)으로 흐른다. 이에 의해, 피측정 용량(14)의 정전 용량 Cs에 대응하는 출력 전압 Vout이 신호 출력 단자(18)로부터 출력된다. 그리고, 이 검출 신호의 출력 전압 Vout에 근거하여 여러 가지의 신호 처리를 실행하는 것에 의해서, 피측정 용량(14)의 정전 용량 Cs를 얻을 수 있다.

실시예 1에서는, 상기한 바와 같이, 피측정 용량(14)과 고정 용량(15)을 접속하는 신호선(17)에 전위 고정을 위한 교류 전압을 인가하는 전압 공급 회로(1)를 마련하고, 또한, 그 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)의 전위를 신호선(17)에 인가되는 동작 신호의 전위 Vin과 동등하게 되도록 설정하는 것에 의해서, 신호선(17)에 전류의 출입이 없어지기 때문에, 신호선(17)의 전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 전압 공급 회로(1)에 제 1 고저항(3) 및 제 2 고저항(4)의 고임피던스를 포함하는 것에 의해서, 신호선(17)에 흐르는 전류의 일부가 전압 공급 회로(1)측으로 흐르는 것을 그 고임피던스에 의해 유효하게 방지할 수 있다. 이에 의해서도, 신호선(17)의 전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다.

실시예 1에서는, 상기한 바와 같이, 신호선(17)에 대하여 전하의 주입이나 유출은 없기 때문에, 신호선(17)의 합계 총전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 피측정 용량(14)과 고정 용량(15)과의 합계 총전하량에 대해서 설명한다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 교류 전압 발생기(13)로부터의 동작 신호(전압: Vin)는 일정하기 때문에, 피측정 용량(14)에 가해지는 전압 Vs도 일정하다. 그러나, 피측정 용량(14)은 용량 검출부이기 때문에, 피측정 용량(14)의 용량값 Cs는 변화된다. 피측정 용량(14)의 용량값 Cs의 변화는 피측정 용량(14)의 전하량 Qs의 변화로 된다. 실시예 1에서는, 상기한 바와 같이, 신호선(17)에 대하여 전하의 주입이나 유출은 없기 때문에, 고정 용량(15)에 축적되는 전하량 Qf와 피측정 용량(14)에 축적되는 전하량 Qs와의 합은 일정하다. 이 때문에, 피측정 용량(14)의 전하량 Qs의 증감은 고정 용량(15)의 전하량 Qf의 증감으로 되어서 나타난다.

고정 용량(15)의 전하량 Qf의 변화(증감)는 고정 용량(15)의 용량값 Cf가 일정하기 때문에, 고정 용량(15)에 걸리는 전압값 Vf의 변화(증감)로 되어서 나타난다. 그리고, 그 고정 용량(15)에 걸리는 전압값 Vf의 출력이 신호 출력 단자(18)로부터 Vout로서 출력된다.

즉, 실시예 1의 용량 측정 장치에서는, 피측정 용량(14)의 용량값 Cs와 고정 용량(15)의 용량값 Cf 사이에서 전하의 수수(授受)는 있지만, 상기한 바와 같이 신호선(17)에 대하여 전하의 주입이나 유출은 없기 때문에, 피측정 용량(14)과 고정 용량(15)과의 합계 총전하량은 일정하다. 이에 의해, 피측정 용량(14)과 고정 용량(15)과의 합계 총전하량이 일정하게 유지되면서, 전압 공급 회로(1)에 의해서 신호선(17)에 고정된 전위가 인가된다. 이 때문에, 피측정 용량(14)과 고정 용량(15)을 접속하는 신호선(17)의 전위를 고정한 경우에도, 용량 측정 장치의 감도가 저하하는 일이 없다. 그 결과, 정확한 용량 측정을 실행할 수 있다.

(실시예 2)

도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 전압 분압 회로를 포함하는 전위 고정 장치를 구비한 용량 측정 장치를 나타낸 회로도이다. 도 3을 참조하여, 이 실시예 2의 전압 공급 회로(1)에서는, 상기한 실시예 1의 구성에 있어서, 증폭기(2)의 입력측에, 교류 전압 발생기(7)를 대신하여 신호선(17)에 동작 신호 Vin을 인가하기 위한 교류 전압 발생기(13)가 접속되는 경우의 예를 나타내고 있다. 또한, 실시예 2의 그 밖의 구성은 상기한 실시예 1과 마찬가지이다.

실시예 2에서는, 상기한 바와 같이, 증폭기(2)의 입력측에, 신호선(17)에 동작 신호 Vin을 인가하기 위한 교류 전압 발생기(13)를 접속하는 것에 의해서, 실시예 1의 교류 전압 발생기(7)를 생략할 수 있기 때문에, 실시예 1에 비해서 회로 구성을 간략화할 수 있다.

또한, 실시예 2에서는, 상기 실시예 1과 마찬가지로, 증폭기(2)의 증폭도 A, 제 1 고저항(3)의 저항값 Ra1, 제 2 고저항(4)의 저항값 Ra2 및 단자(6)의 전압 Vs를 조절하는 것에 의해서, 용이하게 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)에서의 전압 Va를 신호선(17)의 동작 신호의 전압 Vin과 동등하게 되도록 설정할 수 있다. 구체적으로는, 도 2에 나타낸 증폭기(2)의 저항(22 및 23)의 저항값을 R1=R2로 하는 것에 의해서, 증폭기(2)의 증폭도 A를 A=2로 하고, Vs=0V, Ra1=Ra2로 하는 것에 의해서, 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)의 전압 Va를 Va=Vin으로 할 수 있다.

이와 같이, 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)에서의 전압 Va를 신호선(17)의 동작 신호의 전압 Vin과 동등하게 되도록 설정하는 것에 의해서, 상기한 실시예 1과 마찬가지로, 신호선(17)에 전류의 출입이 없기 때문에, 신호선(17)의 전하량이 변화되는 것을 유효하게 방지할 수 있다. 그 결과, 용량 측정 장치에서 신호선(17)의 전위를 고정한 경우에도, 용량 측정 장치의 감도가 저하하는 일이 없기 때문에, 정확한 용량 측정을 실행할 수 있다.

(실시예 3)

도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치를 나타낸 회로도이다.

먼저, 도 4를 참조하여, 실시예 3에 따른 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치의 구성에 대해서 설명한다. 이 실시예 3에서는, 전류원으로 되는 연산 증폭 회로(11)와, 이미지너리ㆍ단락의 상태에 있는 연산 증폭 회로(12)와, 교류 전압 발생기(13)와, 피측정 용량(14)과, 고정 용량(15)을 구비하고 있다. 또한, 연산 증폭기(11)는 본 발명의 「제 2 연산 증폭기」의 일례이다. 피측정 용량(14)과, 고정 용량(15)은 신호선(17)에 의해서 접속되어 있다. 신호선(17)은 연산 증폭 회로(12)의 한쪽 입력 단자에 접속되어 있다. 또한, 교류 전압 발생기(13)는 연산 증폭 회로(12)의 다른쪽 입력 단자에 접속되어 있다.

여기서, 실시예 3에서는, 신호선(17)의 전위를, 전압 공급 회로(1)를 구비한 전위 고정 장치를 이용하여 고정한다. 또한, 전압 공급 회로(1)의 구성 및 그에 포함되는 증폭기(2)의 구성은 상기한 실시예 1과 마찬가지이다. 즉, 전압 공급 회로(1)는 증폭도 A를 갖는 증폭기(2)와, 제 1 고저항(3)과, 제 2 고저항(4)을 포함하고 있다. 증폭기(2)의 입력측에는 교류 전압 발생기(13)와는 다른 교류 전압 발생기(7)가 접속되어 있다. 증폭기(2)의 출력측에는 제 1 고저항(3)의 한쪽 단이 접속되어 있다. 제 1 고저항(3)의 다른쪽 단에는 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)가 마련되어 있다. 그 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)는 신호선(17)에 접속되어 있다. 제 2 고저항(4)의 다른쪽 단에는 단자(6)가 마련되어 있다. 단자(6)에는 소정의 전위 Vs가 인가된다. 또한, 출력 단자(5)로부터는 제 1 고저항(3) 및 제 2 고저항(4)에 의한 저항 분할에 의해 분압된 전압 Va가 출력된다.

실시예 3에 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 동등하게 되도록, 증폭기(2)의 증폭도 A, 제 1 고저항(3)의 저항값 Ra1, 제 2 고저항(4)의 저항값 Ra2 및 단자(6)의 전압 Vs를 결정한다.

도 4에 나타낸 실시예 3의 용량 측정 장치의 용량 측정 동작으로서는, 연산 증폭기(12)가 이미지너리ㆍ단락의 상태에 있기 때문에, 교류 전압 발생기(13)로부터의 전압 Vin(동작 신호)이 신호선(17)에 걸린다. 이에 의해, 피측정 용량(14)의 양단에 전류가 흐른다. 그리고, 피측정 용량(14)의 정전 용량 Cs에 대응하는 출력 전압 Vout이 신호 출력 단자(18)로부터 출력된다. 이 출력 전압 Vout에 여러 가지의 신호 처리를 실시하는 것에 의해서, 피측정 용량(14)의 정전 용량 Cs를 얻는다.

실시예 3에서는, 상기한 바와 같이, 피측정 용량(14)과 고정 용량(15)을 접속하는 신호선(17)에 전위 고정을 위한 교류 전압을 인가하는 전압 공급 회로(1)를 마련하고, 또한, 그 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)의 전위를 신호선(17)에 인가되는 동작 신호의 전위 Vin과 동등하게 되도록 설정하는 것에 의해서, 신호선(17)에 전류의 출입이 없어지기 때문에, 신호선(17)의 전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전압 공급 회로(1)에 제 1 고저항(3) 및 제 2 고저항(4)의 고임피던스를 포함하는 것에 의해서, 신호선(17)에 흐르는 전류의 일부가 전압 공급 회로(1)측에 흐르는 것을 그 고임피던스에 의해 유효하게 방지할 수 있다. 이에 의해서도, 신호선(17)의 전하량이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 실시예 3의 용량 측정 장치에서는, 피측정 용량(14)과 고정 용량(15)을 접속하는 신호선(17)의 전위를 고정한 경우에도, 용량 측정 장치의 감도가 저하하는 일이 없기 때문에, 정확한 용량 측정을 실행할 수 있다.

(실시예 4)

도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 전압 공급 회로를 포함하는 전위 고정 장치를 구비한 용량 측정 장치를 나타낸 회로도이다. 도 5를 참조하여, 이 실시예 4의 전압 공급 회로(1)에서는, 상기한 실시예 3의 구성에 있어서, 증폭기(2)의 입력측에, 교류 전압 발생기(7)를 대신하여 신호선(17)에 동작 신호 Vin을 인가하기 위한 교류 전압 발생기(13)가 접속되는 경우의 예를 나타내고 있다. 또한, 실시예 4의 그 밖의 구성은 실시예 3과 마찬가지이다.

실시예 4에서는, 상기한 바와 같이, 증폭기(2)의 입력측에, 신호선(17)에 동작 신호 Vin을 인가하기 위한 교류 전압 발생기(13)를 접속하는 것에 의해서, 실시예 3의 교류 전압 발생기(7)를 생략할 수 있기 때문에, 실시예 3에 비해서 회로 구성을 간략화할 수 있다.

또한, 실시예 4에서는, 상기 실시예 3과 마찬가지로, 증폭기(2)의 증폭도 A, 제 1 고저항(3)의 저항값 Ra1, 제 2 고저항(4)의 저항값 Ra2 및 단자(6)의 전압 Vs를 조절하는 것에 의해서, 용이하게 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)에서의 전압 Va를 신호선(17)의 동작 신호의 전압 Vin과 동등하게 되도록 설정할 수 있다. 구체적으로는, 도 2에 나타낸 증폭기(2)의 저항(22 및 23)의 저항값을 R1=R2로 하는 것에 의해서, 증폭기(2)의 증폭도 A를 A=2로 하고, Vs=0V, Ra1=Ra2로 하는 것에 의해서, 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)의 전압 Va를 용이하게 신호선(17)의 동작 신호의 전압 Vin과 동전위로 할 수 있다.

이와 같이, 전압 공급 회로(1)의 출력 단자(5)에서의 전압 Va를 신호선(17)의 동작 신호의 전압 Vin과 동등하게 되도록 설정하는 것에 의해서, 상기한 실시예 3과 마찬가지로, 신호선(17)에 전류의 출입이 없기 때문에, 신호선(17)의 전하량이 변화되는 것을 유효하게 방지할 수 있다. 그 결과, 용량 측정 장치에서 신호선(17)의 전위를 고정한 경우에도, 용량 측정 장치의 감도가 저하하는 일이 없기 때문에, 정확한 용량 측정을 실행할 수 있다. 예를 들면, Cs=20pF, Cf=1pF, 증폭기의 증폭도 A=2, Vin을 500㎑이고 수십 mVrms의 입력으로 했을 때, Ra1=Ra2=1㏁일 경우에는, Cs에서의 전압 감도가 -16㏈이었던 것에 반하여, Ra1=Ra2=100㏁일 경우에는, -5㏈로 되어, 약 10㏈의 개선을 볼 수 있다.

또한, 이번에 개시된 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 실시예의 설명이 아니라 특허청구의 범위에 의해서 나타내어지고, 또한 특허청구의 범위와 균등한 의미 및 범위내에서의 모든 변경이 포함된다.

예를 들면, 상기 실시예에서는, 전압 공급 회로(1)의 고임피던스로서 제 1 고저항(3) 및 제 2 고저항(4)을 이용했지만, 본 발명은 이에 한하지 않고, 고임피던스로서, 예를 들면 다이오드의 역바이어스 특성을 이용해도 되고, 트랜지스터의 오프 상태를 사용하는 것 등도 가능하다.

또한, 상기 실시예에서는, 도 1, 도 3, 도 4 및 도 5에 나타내는 회로 구성을 갖는 용량 측정 장치에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이에 한하지 않고, 다른 회로 구성을 갖는 용량 측정 장치에도 마찬가지로 적용 가능하다.

또한, 상기 실시예에서는, 용량 측정 장치에서의 피측정 용량(14)과 고정 용량(15)을 접속하는 신호선(17)의 전위를 고정하는 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이에 한하지 않고, 제 1 용량과 제 2 용량이 직접적으로 접속되는 회로 구성을 포함하는 용량 측정 장치 이외의 장치의 전위를 고정하는 경우에도 널리 적용 가능하다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 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. 그 결과, 예를 들면, 용량 측정 장치에서 제 1 용량과 제 2 용량 사이의 접속선의 전위를 고정한 경우에도, 용량 측정 장치의 감도가 저하하는 일이 없기 때문에, 정확한 용량 측정을 실행할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 전위 고정 장치, 전위 고정 방법 및 용량 측정 장치는, 정전 용량을 검출하는 회로 및 장치로서 유용하며, 특히 콘덴서 마이크로폰 등의 여러 가지의 주파수에서 정전 용량의 값이 변하는 용량형 센서의 검출 회로 및 검출 장치로서 적합하다.

Claims (9)

1. 제 1 용량과, 상기 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량과의 2개의 용량간의 접속선의 전위를 고정하기 위한 전위 고정 장치로서,

   적어도 2개의 고임피던스를 갖고, 또한, 상기 제 1 용량과 상기 제 2 용량과의 합계 총전하량을 유지하면서, 상기 2개의 용량간의 접속선의 전위를 일정하게 유지하는 전압 공급 수단을 구비하고,

   상기 전압 공급 수단의 출력 단자는 상기 2개의 용량간의 접속선에 접속되어 있는

   전위 고정 장치.
2. 제 1 용량과, 상기 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량의 2개의 용량간의 접속선의 전위를 고정하기 위한 전위 고정 장치로서,

   적어도 2개의 고임피던스를 갖고, 또한, 상기 접속선에 인가되는 동작 신호의 전위와 동등한 전위를 출력하는 전압 공급 수단을 구비하고,

   상기 전압 공급 수단의 출력 단자는 상기 2개의 용량간의 접속선에 접속되어 있는

   전위 고정 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 전압 공급 수단은,

   제 1 고저항과,

   상기 제 1 고저항에 직접적으로 접속되는 제 2 고저항과,

   상기 제 1 고저항과 상기 제 2 고저항에 의해서 분압된 전위를 출력하는 전압 분압 수단을 포함하는

   전위 고정 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 전압 공급 수단은, 증폭기와, 소정 전압 인가 수단과, 제 1 고저항과, 제 2 고저항과, 상기 출력 단자를 포함하며,

   상기 증폭기에는 상기 제 1 고저항의 한쪽 단이 접속되고,

   상기 제 1 고저항의 다른쪽 단과 상기 제 2 고저항의 한쪽 단이 접속되고,

   상기 제 1 고저항의 다른쪽 단과 상기 제 2 고저항의 한쪽 단 사이에는 상기 출력 단자가 접속되고,

   상기 제 2 고저항의 다른쪽 단과 상기 소정 전압 인가 수단이 접속되어 있는

   전위 고정 장치.
5. 청구항 1 내지 4 중 어느 하나에 기재된 전위 고정 장치를 포함하는 용량 측정 장치로서,

   상기 전위 고정 장치는 제 1 연산 증폭기를 더 포함하며,

   상기 제 1 용량은 피측정 용량이고,

   상기 2개의 용량간의 접속선은 신호선이고,

   상기 신호선에 상기 제 1 연산 증폭기의 입력 단자가 접속되어 있는

   용량 측정 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 전위 고정 장치는 제 2 연산 증폭기를 더 포함하며,

   상기 제 2 연산 증폭기의 출력 단자는 상기 제 2 용량에 접속되어 있는

   용량 측정 장치.
7. 제 1 용량과, 상기 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량과의 2개의 용량간의 접속선의 전위를 고정하기 위한 전위 고정 방법으로서,

   적어도 2개의 고임피던스를 이용하여 분압된 전위를 출력 전위로 하여, 상기 출력 전위를 상기 2개의 용량간의 접속선에 인가하고, 또한, 상기 출력 전위가 상기 접속선에 전류의 출입이 없는 출력 전위에 고정되어 있는

   전위 고정 방법.
8. 제 1 용량과, 상기 제 1 용량에 직접적으로 접속되는 제 2 용량과의 2개의 용량간의 접속선의 전위를 고정하기 위한 전위 고정 방법으로서,

   적어도 2개의 고임피던스를 이용하여 분압된 전위를 출력 전위로 하여, 상기 출력 전위를 상기 2개의 용량간의 접속선에 인가하고, 또한，상기 출력 전위를 상기 2개의 용량간의 접속선에 인가되어 있는 동작 신호의 전위와 동등하게 되도록 설정하는

   전위 고정 방법.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,

   상기 제 1 용량 및 상기 제 2 용량 중 어느 한쪽을 피측정 용량으로서 이용하는 전위 고정 방법.