TWI221195B - Electrostatic capacitance measuring circuit, electrostatic capacitance measuring instrument, and microphone device - Google Patents

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1221195 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（！） 〔技術領域〕 本發明係有關一種檢出靜電容量的電路及裝置等，持 別是有關以高精度檢出微小容量的電路、裝置及麥克風_ 置。 〔背景技術〕 靜電容量檢出電路的習知例舉例爲日本特開平9-2 8 0806號公報記載的發明。第1圖係表示該靜電容量檢出 電路電路圖。該檢出電路是介著訊號線93將利用電極90、 91所形成的容量感應器92連接在運算放大器95的反轉輸 入端子。並且在該運算放大器9 5的輸出端子和前述反轉輸 入端子之間連接電容器96的同時對非反轉輸入端子施加交 流電壓Vac。而訊號線93是藉由遮蔽線94所被覆，針對 1 30雜訊遮蔽電氣。而該遮蔽線94則被連接在運算放大器 95的非反轉輸入端子。輸出電壓Vd是由運算放大器95的 輸出端子介著變壓器97被取出。 該檢出電路是令運算放大器95的反轉輸入端子和非反 轉輸入端子成爲虛短路的狀態，被連接在反轉輸入端子的 訊號線93和被連接在非反轉輸入端子的遮蔽線94則互相 略成爲同電位。藉此，訊號線93是藉由遮蔽線94被保護 ，就是兩者93、94間的浮遊容量會被取消，獲得難以影饗 浮遊容量的輸出電壓V d。 但是按照此種習知技術，確實是當容量感應器9 2的容 量爲某種程度大小時，可獲得不影響訊號線93和遮蔽線94 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2;CX 297公釐） i 衣----Γ--、玎--------0 f請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} -4 - 1221195 A7 B7 五、發明説明（2 ) 之間的浮遊容量的正確輸出電壓Vd，但就數pF或fF(毫微 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 微法位）等級以下的微小容量的檢出來看，會有誤差變大的 問題。 而且會經由所印加的交流電壓Vac的頻率，引起運算 放大器95內部的循軌錯誤等，結果也會在處於虛短路狀態 的反轉輸入端子和非反轉輸入端子的電壓間產生微妙的相 位、振幅偏移，也會有檢出誤差變大的問題。 一方面，以行動電話等爲代表的輕量、小型的聲音通 訊機器中，以電容麥克風等容量感應器所檢出的聲音，求 得轉換爲高感度且忠實的電子訊號的小型放大電路。無法 正確檢出數pF或fF等級以下微小的容量或其變化，實現 能檢出極高感度且忠實檢出聲音的高性能麥克風，行動電 話等聲音通訊機器聲音的拾波器方面的性能能飛躍性地提 昇。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於是本發明爲有鑑於此種狀況的發明，目的在於提供 能正確檢出微小的容量，且適於使用在輕量、小型的聲音 通訊機器中的電容麥克風等容量感應器的容量檢出的靜電 容量檢出電路等。 〔發明的揭示〕 爲達成上述目的，有關本發明的靜電容量檢出電路乃 屬於輸出對應被檢出電容器的靜電容量的檢出訊號的靜電 容量檢出電路，其特徵爲：具備有輸入阻抗高、輸出阻抗 低的阻抗轉換器、和容量性的第一阻抗元件、和運算放大 -5- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2:CX297公釐） 1221195 赛正1補充 A7 B7 五、發明説明（3 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 器、和對前述運算放大器施加交流電壓的交流電壓產生器 、和連接到前述運算放大器的輸出的訊號輸出端子；在前 述阻抗轉換器的輸入端子連接前述被檢出電容器的一端和 前述第一阻抗元件的一端；在前述運算放大器的負迴授電 路包括前述第一阻抗元件及前述阻抗轉換器，與前述被檢 出電容器和前述靜電容量檢出電路相鄰而設置。 而有關本發明的靜電容量檢出電路乃屬於輸出對應被 檢出電容器的靜電容量的檢出訊號的靜電容量檢出電路， 其特徵爲：具備有輸入阻抗高、輸出阻抗低的阻抗轉換器 、和容量性的第一阻抗元件、和運算放大器、和對前述運 算放大器施加交流電壓的交流電壓產生器、和連接到前述 運算放大器的輸出的訊號輸出端子；在前述阻抗轉換器的 輸入端子連接前述被檢出電容器的一端和前述第一阻抗元 件的一端；在前述運算放大器的負迴授電路包括前述第一 阻抗元件及前述阻抗轉換器，與前述被檢出電容器和前述 第一阻抗元件和前述阻抗轉換器相接近而設置。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 具體例是構成具備有：交流電壓產生器、和非反轉輸 入端子連接在所定電位的運算放大器、和阻抗轉換器、和 連接在運算放大器的反轉輸入端子及阻抗轉換器的輸出端 子間的電阻、和連接在運算放大器的輸出端子及阻抗轉換 器的輸入端子間的電容器（第一阻抗元件）的靜電容量檢出電 路，被檢出電容器是連接在阻抗轉換器的輸入端子及所定 電位間，且與靜電容量檢出電路及被檢出電容器相鄰接， 或是設在訊號線的浮遊容量不超過所連接的元件容量的最 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2;CX297公釐） Z "~ 1221195 > 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（4 ) 大値的1 0倍地短距接近的位置。此例，所定電位是指某基 準電位、所定直流電位、接地電位或浮動狀態的任一電位 ，配置實施形態選擇最適合的。再者，也可以設置作爲連 接在交流電壓產生器和運算放大器的反轉輸入端子間的第 二阻抗元件的電阻。 按照此種構成，對被檢出電容器施加一定的電壓-，同 時流到該被檢出電容器的電流幾近全流到電容器（第一阻 抗元件），由訊號輸出端子輸出對應被檢出電容器的靜電容 量的訊號。 再者，欲對連接靜電容量檢出電路和被檢出電容器的 訊號線混入雜訊，或減低其訊號線產生浮遊容量，而將被 檢出電容器和靜電容量檢出電路則設置在儘可能相互鄰接 的位置。或將被檢出電容器、第一阻抗元件和阻抗轉換器 設置在儘可能相互接近的位置。 此例，於本案說明書中，所謂「接近」是指訊號線的 浮遊容量相對於被檢出電容器的容量値或容量性的第一阻 抗元件的容量値大的容量値不超過1 0倍的狀態。由此可知 ，訊號線的浮遊容量不超過所連接的元件容量値的一倍以 上的數値的容量値時，本發明的靜電容量檢出電路就能防 止檢出感度大幅的惡化，此乃經驗所獲得的結果。該訊號 線的浮遊容量是在將被檢出電容器、第一阻抗元件及阻抗 轉換器連接在訊號線的狀態，施行容量測定的話就能完成 測定。而且，本案說明書中，是以在上述接近的條件互相 鄰接的狀態稱爲「鄰接」。 •本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格(2】CX 297公釐） : ' ^ ^IT. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1221195 A7 B7 五、發明説明（5 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 此例’加上前述靜電容量檢出電路，也可附加令訊號 輸出端子的反相訊號的反轉放大電路、和相加阻抗轉換器 的輸出訊號與反轉放大電路的輸出訊號的加算電路。而且 也可與電容器（第一阻抗元件）並聯連接電阻。 而本發明的應用則有被檢出電容器爲對應容量變化而 加以檢測物理量的容量型感應器，靜電容量檢出電路則形 成在印刷基板或矽基板上，加以固定該些容量型感應器和 基板，或者形成一體爲佳。更具體的例子，更好是當作被 檢出電容器，採用電容麥克風，就靜電容量檢出電路來看 ，用1C來實現，該些電容麥克風和1C加以一體化，使用 於行動電話等的麥克風可收納在一個框體（遮蔽盒）。此時， 電容麥克風和1C是固定在相鄰接的位置，用導電性的板、 配線圖案、連線銲接等加以連接。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 爲達成上述目的，有關本發明的靜電容量檢出電路乃 屬於輸出對應被檢出電容器的靜電容量的檢出訊號的靜電 容量檢出電路，其特徵爲：具備有輸入阻抗高、輸出阻抗 低的阻抗轉換器、和容量性的第一阻抗元件、和運算放大 器、和對前述運算放大器施加交流電壓的交流電壓產生器 、和連接到前述運算放大器的輸出的訊號輸出端子；在前 述阻抗轉換器的輸入端子連接前述被檢出電容器的一端和 前述第一阻抗元件的一端；在前述運算放大器的負迴授電 路包括前述第一阻抗元件及前述阻抗轉換器，與前述被檢 出電容器和前述靜電容量檢出電路相鄰而設置。 而有關本發明的靜電容量檢出電路乃屬於輸出對應被 冬 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) A4規格（2: C X 297公釐） 1221195 93. ί. -2 Α7 Β7 五、發明説明（6 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 檢出電容器的靜電容量的檢出訊號的靜電容量檢出電路’ 其特徵爲：具備有輸入阻抗高、輸出阻抗低的阻抗轉換器 、和容量性的第一阻抗元件、和運算放大器、和對前述運 算放大器施加交流電壓的交流電壓產生器、和連接到前述 運算放大器的輸出的訊號輸出端子；在前述阻抗轉換器的 輸入端子連接前述被檢出電容器的一端和前述第一阻抗元 件的一端；在前述運算放大器的負迴授電路包括前述第一 阻抗元件及前述阻抗轉換器，與前述被檢出電容器和前述 第一阻抗元件和前述阻抗轉換器相接近而設置。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 具體例是構成具備有：交流電壓產生器、和非反轉輸 入端子連接在所定電位的運算放大器、和阻抗轉換器、和 連接在運算放大器的反轉輸入端子及阻抗轉換器的輸出端 子間的電阻、和連接在運算放大器的輸出端子及阻抗轉換 器的輸入端子間的電容器（第一阻抗元件）的靜電容量檢出電 路’被檢出電容器是連接在阻抗轉換器的輸入端子及所定 電位間，且與靜電容量檢出電路及被檢出電容器相鄰接， 或是設在訊號線的浮遊容量不超過所連接的元件容量的最 大値的1 〇倍地短距接近的位置。此例，所定電位是指某基 準電位、所定直流電位、接地電位或浮動狀態的任一電位 ’配置實施形態選擇最適合的。再者，也可以設置作爲連 接在父流電壓產生器和運算放大器的反轉輸入端子間的第 二阻抗元件的電阻。 按照此種構成，對被檢出電容器施加一定的電壓，同 時流到該被檢出電容器的電流幾近全流到電容器（第一阻 本紙*尺國家標準（CNS) Λ4規格（;< 297公楚) ~ ~- 1221195 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 年'月 A7 B7 五、發明説明（7 ) 抗元件），由訊號輸出端子輸出對應被檢出電容器的靜電容 量的訊號。 再者，欲對連接靜電容量檢出電路和被檢出電容器的 訊號線混入雜訊，或減低其訊號線產生浮遊容量，而將被 檢出電容器和靜電容量檢出電路則設置在儘可能相互鄰接 的位置。或將被檢出電容器、第一阻抗元件和阻抗轉換器 設置在儘可能相互接近的位置。 此例，於本案說明書中，所謂「接近」是指訊號線的 浮遊容量相對於被檢出電容器的容量値或容量性的第一阻 抗元件的容量値大的容量値不超過1 0倍的狀態。由此可知 ，訊號線的浮遊容量不超過所連接的元件容量値的一倍以 上的數値的容量値時，本發明的靜電容量檢出電路就能防 止檢出感度大幅的惡化，此乃經驗所獲得的結果。該訊號 線的浮遊容量是在將被檢出電容器、第一阻抗元件及阻抗 轉換器連接在訊號線的狀態，施行容量測定的話就能完成 測定。而且，本案說明書中，是以在上述接近的條件互相 鄰接的狀態稱爲「鄰接」。 此例，加上前述靜電容量檢出電路，也可附加令訊號 輸出端子的反相訊號的反轉放大電路、和相加阻抗轉換器 的輸出訊號與反轉放大電路的輸出訊號的加算電路。而且 也可與電容器.（第一阻抗元件）並聯連接電阻。 而本發明的應用則有被檢出電容器爲對應容量變化而 加以檢測物理量的容量型感應器，靜電容量檢出電路則形 成在印刷基板或矽基板上，加以固定該些容量型感應器和 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2K: X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 、11 -10- 1221195 A7 B7 五、發明説明（8 ) 基板，或者形成一體爲佳。更具體的例子，更好是當作被 檢出電容器，採用電容麥克風，就靜電容量檢出電路來看 ’用1C來實現，該些電容麥克風和1C加以一體化，使用 於行動電話等的麥克風可收納在一個框體（遮蔽盒）。此時， 電容麥克風和1C是固定在相鄰接的位置，用導電性的板、 配線圖案、連線銲接等加以連接。 然而’容量型感應器乃對應電容之變化檢出物理量者 〇 〔用以實施發明的最佳形態〕 以下針對本發明之實施形態例應用圖面做詳細說明。 (第一實施形態） 第2圖是本發明的第一實施形態例方面的靜電容量檢 出電路10的電路圖。再者，本圖是在該靜電容量檢出電路 1〇連接屬於檢出對象的被檢出電容器17(此例乃利用電容麥 克風等、靜電容量Cs的變化來檢測各種物理量的容量型感 應器）。 該靜電容量檢出電路i 〇是由產生交流電壓的交流電壓 產生器11、電阻（Rl)12、電阻（R2)13、運算放大器14、 P且抗;元件（此例I爲容量Cf的電容器）15及阻抗轉換器16所 構成；由訊號輸出端子20輸出對應被檢出電容器1 7的靜 電容量的檢出訊號（電壓Vout)。 父流電壓產生器11乃一端連接在所定的電位（本例爲 ---~_____ 冬紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規袼（2; CX 297公漦) 7^ (请先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1221啜 ΑΊ Β7 經濟部智慧財產局員工消賁合作社印製 五、發明説明（9 ) 接地），由另一端（輸出端子）產生一定的交流電壓（電壓Vin 、角頻率ω )。在交流電壓產生器1 1的輸出端子和運算放大 器14的反轉輸入端子之間連接電阻（R1) 12。 運算放大器1 4係輸入阻抗及開環增益爲極高的電壓放 大器，此例，非反轉輸入端子是連接在所定的電位（本例 爲接地），非反轉輸入端子及反轉輸入端子則爲虛短路的 狀態。該運算放大器14的負迴授電路，就是在從運算放大 器14的輸出端子到反轉輸入端子之間按電容器1 5，阻抗轉 換器1 6及電阻（R2) 1 3的順序被串列連接。 阻抗轉換器1 6乃連接其反轉輸入端子和輸出端子，加 以構成輸入阻抗極高，輸出阻抗極低，電壓增益爲Α倍的 電壓放大器。在該阻抗轉換器1 6的輸入端子2 1介著訊號 線或印刷基板上的配線圖案等的導電體連接被檢出電容器 1 7的一端，一方面，被檢出電容器1 7的另一端則被連接在 所定的電位（本例爲接地）。在運算放大器14的輸出端子連 接該靜電容量檢出電路10的輸出訊號，就是輸出對應被檢 出電容器1 7之容量的檢出訊號的訊號輸出端子20。再者， 本案中，表示A倍等之變數A均是用零（0)以外的實數。 再者’就被檢出電容器1 7和靜電容量檢出電路1 0的 連接來看，爲了避免不必要的浮遊容量當成檢出誤差而相 加，或是混入干擾雜訊，最好使用儘可能短的導電體（電 纜、銅箔配線圖案、連接端子等）加以連接。甚至可能的話 ，爲了強化針對干擾雜訊的遮蔽，最好將被檢出電容器17 及靜電容量檢出電路1 0全體，利用接地的遮蔽構件加以包 本紙張尺度適用中國®家標準（CNS ) A4規格（2:Γχ 297公釐) 19: ' (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 1221195 A7 B7 五、發明説明（10 ) 覆或收納在遮蔽盒內。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如上構成的靜電容量檢出電路10的動作乃如下所述。 注重於由電阻（Rl)12、電阻（R2)13及運算放大器14等 構成的反轉放大電路的話，運算放大器14的兩輸入端子爲 虛短路的狀態並爲同電位（例如0V)，且其輸入阻抗極高， 未流入電流，流入電阻（Rl)12的電流則爲Vin/ R1，其全部 爲流入電阻（R 2)13，而阻抗轉換器16的輸出電壓爲V2的話

Vin/ Rl= - V2/ R2 即成立。藉由整理這個，阻抗轉換器1 6的輸出電壓V2 乃爲 V2=— (R2/ Rl) Vin (式 1) 。而阻抗轉換器1 6的電壓增益爲A，由輸入電壓（輸 入端子21的電壓）V1和輸出電壓（在輸出端子22的電壓 )V2的關係，其輸入電壓VI爲

Vl = (l/A) V2 (式 2) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

即成立。而電容器1 5流向被檢出電容器1 7的電流爲i 的話，因爲阻抗轉換器1 6的輸入阻抗極高，所以其電流i 全流到被檢出電容器17，電流i就變成j6jCs· VI，由訊號 輸出端子20輸出的檢出訊號的電壓Vout即爲 Vout = i · (1 / j ω Cf) +VI = (1 + Cs/ Cf) · VI (式 3) 〇 由上述式1和式2消去V2的話，即得到 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2:ΓΧ 297公釐） -13- 1221195^ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ΚΊ Β7 五、發明説明（11 ) VI:— (R2/R1) · (Vin/A) (式 4) ，將該V1代入上述式3的話，即得到

Vout=- (1+ Cs/C) · (R2/R1) - Vin (式 5) ο 由該式5即可明白，由靜電容量檢出電路1 〇的訊號輸 出端子2 0輸出的檢出訊號的電壓Voiu乃爲依存在被檢出 電容器17的容量Cs的値。因而，針對該電壓Vout施以各 種訊號處理，就能藉此指定容量Cs。而且得知在該式5不 含角頻率ω，該檢出訊號的電壓Vout .並不是依存來自交流 電壓產生器11的交流訊號Vin的頻率以及被檢出電容器1 7 的頻率的變化。藉此即可實現不依存施加於被檢出電容器 1 7的交流電壓的頻率，來檢測被檢出電容器17的容量（不 具有在電路的頻率依存特性）靜電容量檢出電路。因而，對 於電容麥克風等容量値爲某一頻率（音頻帶）而變化的被檢 出電容器17而言，所檢測的訊號不用修正頻率，就能直接 從其電壓値來指定容量値。 而利用本實施形態的靜電容量檢出電路1 0將電流供應 到電容器15及被檢出電容器17的第1運算放大器14,是 將其非反轉輸入端子連接在所定電位被固定化。因而，與 第1圖所示的習知電路方面的運算放大器95相異，運算放 大器1 4不並依存輸入的交流訊號的頻率等，就能將雜訊少 且穩定的電流供應到電容器1 5及被檢出電容器1 7，所以能 檢測出被檢出電容器17的微小容量。 再者，按照有關本發明的實驗，就第2圖的靜電容量 本紙張尺度適,¾中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2;CX 297公釐） j 批衣 ：---1T------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -14 - I 212211955 9a 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（12) 檢出電路來看，例如Cs(被檢出電容器：在本實施形態爲麥 克風）原來的靜電容量爲20pF時，訊號線的浮遊容量超過 2 0 0 p F的話，檢出感度變得相當惡化。而就前述c s來看， 利用稍微不同的靜電容量値來確認時，得到相同傾向的結 果。 而屬於第一阻抗元件的容量Cf和被檢出電容器C s是 指在該電路中同時被連接在訊號線的容量元件，無論那一 個兀件’在I十算上均造成具有與前述相同的結果。 由該些實驗結果及經驗即知，訊號線的浮遊容量未超 過該Cs或Cf的容量値的一桁上的値地令被檢出電容器、 第一阻抗元件和阻抗轉換器接近的話，就能得到良好的檢 出感度。 第3圖是表示第2圖所示的靜電容量檢出電路1〇方面 的阻抗轉換器1 6的具體電路例。第3圖（a)是表示使用運算 放大器100的電壓跟隨器。運算放大器1〇〇的反轉輸入端 子和輸出端子就會短路。以該運算放大器1 〇〇的非反 輸 入端子作爲阻抗轉換器16的輸入，且以運算放大器1〇〇的 輸出端子作爲阻抗轉換器1 6的輸出，得到輸入阻抗極高、 電壓增益A爲1的阻抗轉換器1 6。 第3圖（b)是表示利用運算放大器1〇1的非反轉放大電 路。在運算放大器101的反轉輸入端子和磁軌間連接電阻 (R 10)110，在運算放大器101的反轉輸入端子和輸出端子間 連接回饋電阻（電阻（R11)33)。該運算放大器1〇1的非反轉 輸入端于爲阻抗轉換器1 6的輸入，運算放大器1 〇 1的輸出 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2;CX 297公釐） I------------Ί--IT-------Φ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -15- 1221195

,08. 1. -2 ； V A 7 I 1 ' f , · , ......…_. _B7 五、發明説明（13 ) 端子爲阻抗轉換器1 6的輸出，就可得到輸入阻抗極高、電 壓增益A爲（R10+R 11)/R10的阻抗轉換器16。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第3圖（c)是在如第3圖（a)或第3圖（b)所示的運算放大 器的輸入段附加CMOS構造的緩衝器的電路。如圖所示， 在正負電源間，N型M0SFET34和P型MOSFET35是介著電 阻1 1 2、1 1 3而串直連接的，緩衝器的輸出是連接在運算放 大器100(或1 0 1)的輸入。以該緩衝器的輸入作爲阻抗轉換 器1 6的輸入，以運算放大器的輸出端子作爲阻抗轉換器1 6 的輸出，就可得到輸入阻抗極高的阻抗轉換器1 6。 第3圖（d)是表示第3圖（c)的輸入段的緩衝器的電路。 如圖所示，在正負電源間，N型 MOSFET34和 P型 MOSFET35是串列連接的，形成由兩MOSFET的連接部輸出 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第3圖（e)是以運算放大器102的非反轉輸入作爲阻抗 轉換器的輸入，在運算放大器1 02的反轉輸入端子連接電 阻1 14的一端，運算放大器1 02的輸出和反轉輸入間則介 著電阻115而連接。如第3圖（d)及第3圖（e)所示，採用此 種構成就可得到輸入阻抗極高的阻抗轉換器1 6。 (第二實施形態） 其次，針對本發明的第二實施形態例方面的靜電容量 檢出電路做說明。 第4圖是第二實施形態方面的靜電容量檢出電路30的 電路圖。該靜電容量檢出電路3 0大可分爲由相當於第2圖 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（2:C:< 297公釐） -16- 1221195 kl _ … ____B7^ 五、發明説明（14 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 所示的靜電容量檢出電路1 0的核心部3 1、輸入在其核心部 3 1的訊號輸出端子20的訊號電壓VO 1並加以反轉的反轉部 32、以及將在其反轉部32的輸出端子23的訊號電壓V03 與在核心部31的交流輸出端子22的訊號電壓V02相加， 且對輸出端子24輸出電壓V04的檢出訊號的加算部33所 構成。 核心部31乃爲與第2圖所示靜電容量檢出電路1 〇相 同的電路。因而，核心部31的訊號輸出端子20的電壓VO 1 乃由上述式5成爲 V〇l=~ (i+ Cs/Cf) · (R2/R1) · Vin (式 6) ，核心部3 1的交流輸出端子22的電壓V02乃由述式1 成爲 V02二—（R2/R1) · Vin (式 7) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 反轉部32是指具備有可變電阻（R4)40、電阻（R5)41、 可變電阻（R6)42、電容器43及運算放大器44的反轉放大電 路’電壓增益爲- 1，且在其輸出端子23的訊號V03的相 位爲與在核心部3 1的交流輸出端子22的訊號V02相同地 調整可變電阻（R4)40及可變電阻（R6)42的電阻値。因而， 該反轉部32的輸入電壓V01和輸出電壓V03理想上是以下 關係成立。 V03-- V01 (式 8) 加算部33是指電阻値相等的三個電阻（R7)45、電阻 (R 8)46及電阻（R9)47爲連接在運算放大器48的加算部。就 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（LC X 297公釐） -17 - - 212211959 a A7 B7 五、發明説明（15 ) 是兩個輸入訊號的電壓V02及V03和輸出電壓V04係以下 關係成立。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) V〇4= - (V02 + V03) (式 9) 在該式9代入上述式8並消去V03後，代入上述式6 及式7的話， V04 = V01 — V02 二-(Cs/Cf) · (R2/R1) . Vui (式 10) 即成立。就是從該靜電容量檢出電路30的輸出端子24 輸出的檢出訊號的電壓V04以容量値Cs爲比例即可明白。 因而根據該電壓V04施加各種訊號處理，就很容易指定未 知的容量値Cs或容量變化。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 將該式1 0和表示第一實施形態例方面的檢出訊號的電 壓Vout的式5做比較即知，在第二實施形態例方面的靜電 容量檢出電路30所獲得的檢出訊號與第一實施形態例相異 ’包括只以被檢出電容器1 7的容量爲比例的成份，而不包 括不必要的斷路部分（未依存在被檢出電容器1 7的電壓）。 因而’由第二實施形態例方面的檢出訊號指定被檢出電容 器1 7的容量或容量變化的訊號處理就很簡單。 再者，本例是以V03=- V01爲例所做的說明，但本發 明並不限於此。可根據容量感應器的種類，設定爲 = k · V01 (k爲反轉放大部的放大率），輸出電壓V04爲 V04={k · (Cs/Cf) + (k + l)} · (R2/R1) · Vin。 弟5圖是表不對上述第一及第二實施形態例方面的靜 電容量檢出電路的電子機器的應用例圖。此例是表示應用 本紙夂々用中國國家標準（cNS ) A4規格（2:0X 297公釐 18 1221195一

rC ;]π 補充 A7 B7 五、發明説明（16) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 電容麥克風與靜電容量檢出電路被一體化的行動電話等的 麥克風50的斷面圖。該麥克風50是由具有音孔52的蓋體 5 1、和經經由聲音而振動的振動膜5 3、和固定振動膜5 3的 環54、和間隔片55a、和介著間隔片55a而與振動膜53頂 抗而設的固定電極5 6、和支持固定電極5 6的絕緣板5 5b、 和形成固定在絕緣板55b背面的上述實施形態的靜電容量 檢出電路的1C晶片5 8、和1C片5 8加以模組化的1C封裝 59、和用連線銲接、接觸孔等與1C晶片58 —起連接的外 都電極61a、61b等所構成。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 形成電容器之其中一電極的振動膜53是連接在所定電 位（本例爲接地），另一電極的固定電極5 6是介著鋁板或連 線銲接接觸孔等導電體被連接在1C晶片58的電路。由振 動膜53和固定電極56製成的電容器的容量或其變化是介 著絕緣板55b經由相鄰接的1C晶片58內的靜電容量檢出 電路被檢測出的，可轉換爲電子訊號，並由外部電極61a、 61b等輸出。再者，蓋體51是由鋁等金屬製成的，具有與 形成在絕緣基板60上面的導電膜（圖未示）一起遮蔽侵入內 部的電容器53、56和1C晶片58的干擾雜訊的遮蔽盒的作 用。而本例是連接固定電極56和電路，且將振動膜53連 接在所定電位，但也可連接振動膜53和電路，將固定電極 56連接在所定電位。但經驗上前者爲佳。

第6圖是第5圖所示的麥克風50的槪略外觀圖。第6 圖（a)爲平面圖、第6圖（b)爲正面圖、第6圖（c)爲底面圖。 第6圖（a)、（b)所示的蓋體51的大小，例如大致爲0 5mm X -19- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2:「X 297.公釐） 122^195 I ί ‘ \ 二:.· A7 B7 L_______一 五、發明説明（17 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 高度2mm。第6圖（c)所示的四個外部電極61a〜61d例如靜 電容量檢出電路之電源用的兩個端子、和輸出訊號用的兩 個端子。 就此種應用例來看，被檢出電容器（此例爲電容麥克風） 和靜電容量檢出電路（此例爲1C晶片）是相鄰而設置的，訊 號線極短，其浮遊容量是藉由電容麥克風不超過電路內的 第一阻抗元件的任一大的這方的容量値1 〇倍的長度的導電 體而連接的。而該些零件是用金屬製蓋體等的遮蔽構件而 覆蓋。因而，就此種應用例來看，認爲能忽視混入連接被 檢出電容器和靜電容量檢出電路的訊號線（導電體）的干擾雜 訊等不良影響。 經濟部智慧財產局貞工消費合作社印製 就是，因爲此種小型麥克風方面，被檢出電容器和靜 電容量檢出電路是用極短的導電體連接的，所以其間利用 具有遮蔽的電纜加以連接，或設置對其遮蔽施加保護電壓 的f寸殊電路’反而會造成電路規模變大，妨礙電路小型化 。因而’被檢出電容器和靜電容量檢出電路最好經由非遮 蔽的（未被遮蔽）導電板、配線圖案、連線銲接、引線等加以 連接成最短路徑。其他的麥克風例子，並於第7圖及第8 圖表不電路裝在基板上。除上述實施形態例的靜電容量檢 出電路搭載在基板6 2以外，其餘基本上是相同的。 以上針對有關本發明的靜電容量檢出電路，根據裝在 兩個實施形態例及製品的應用例加以說明，但本發明並不 限於該些實施形態例及應用例。 例如，於靜電容量檢出電路1 〇及3 0中，欲檢出流到 不紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2^297公釐) ~~ 1221195 93. 1. -2 A7 B7 五、發明説明（18 ) 被檢出電容器1 7的電流，即在運算放大器1 4和阻抗轉換 器1 6之間連接電容器1 5，但也可考慮連接電阻、電感等阻 抗元件。 而如第9圖所示，也可以與上述實施形態中的靜電容 量檢出電路1 0及30方面的電容器1 5並聯地附加連接電阻 1 8。藉此，電容器1 5和被檢出電容器1 7的連接點即成爲 介著電阻18而與運算放大器14的輸出端子連接，直流式 地解除浮動狀態，電位就會被固定。 而當作被檢出電容器17所連接的容量型感應器不光是 限於電容麥克風，還包括加速度感應器、地震儀、壓力感 應器、位移感應器、位移計、近接感應器，觸控感應器、 離子感應器、濕度感應器、雨滴感應器、雪感應器、雷感 應器、定位感應器、接觸不良感應器、形狀感應器、終點 檢出感應器、振動感應器、超音波感應器、角速度感應器 、液量感應器、氣體感應器、紅外線感應器，放射線感應 器、水位計、凍結感應器、水分測定儀、振動計、帶電感 應器、印刷基板檢査機等公知的容量型感應器等，利用靜 電容量的變化來檢測各種物理量的所有轉換器（裝置）。 由以上說明即可明白，有關本發明的靜電容量檢出電 路、靜電容量檢出裝置及麥克風裝置是介著電阻對運算放 大器施加交流電壓，且在訊號線連接被檢出電容器，來檢 測被檢出電容器的容量。就能是在非反轉輸入端子連接在 所定電位的運算放大器的輸出端子和阻抗轉換器的輸入端 子間連接電容器，同時在阻抗轉換器的輸入端子和所定電 本紙張尺度適用中國國家標準（CRS ) Λ4規格（2:; 297公釐）_ 17^ I-------Φ衣！ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1221195 Α7 Β7 五、發明説明（19 ) 位間連接被檢出電容器。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 藉此流到被檢出電容器的電流全部會流到電容器，對 運算放大器的輸出端子輸出對應被檢出電容器容量的正確 訊號，就可檢測數pF或fF等級以下的微小容量。 而且因爲運算放大器的非反轉輸入端子是連接在所定 電位，輸入端子其中一邊的電位就會被固定，所以運算放 大器會穩定的動作，減低演算誤差，且還會抑制檢出訊號 所包含的雜訊。 而且因爲在運算放大器和阻抗轉換器之間連接電容器 ’所以能確保沒有依存於施加在運算放大器的交流電壓之 頻率，也沒有依存在被檢出電容器的容量變化之頻率的檢 出感度。甚至在運算放大器和阻抗轉換器之間連接電阻的 時候，也不會發生經由來自其電阻的的熱雜音的S/N比劣 化的問題。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 再者，不需要設在鄰接該該靜電容量檢出電路和被檢 出電容器的位置，或者接近設置連接在訊號線的電路元件 ’連接該之間的遮蔽電纜，或取消因該電纜所發生的浮遊 容量的特殊電路等。 此例，在前述靜電容量檢出電路可以附加：令在訊號 輸出端子的反相訊號的反轉放大電路、和阻抗轉換器的輸 出訊號與反轉放大電路的輸出訊號相加的加算電路。藉此 可除去含在靜電容量檢出電路之輸出訊號的不必要斷路成 ί分’就可大幅放大對應被檢出電容器容量的淨訊號。 而以被檢出電容器當作電容麥克風，就能以1C來實現 本纸張尺度適用中周國家標準（CNS ) Α4規格（2;C X2?7公釐） -22- A7 B7 1221195 9a ί. -2 五、發明説明（20 ) 靜電容量檢出電路，該些電容麥克風和1C 一體化，當作行 動電話等使用的麥克風可收納在一個框體（遮蔽盒），因爲電 容麥克風和靜電容量檢出電路是配置在極爲相鄰的位置， 所以不需要連接被檢出電容器和靜電容量檢出電路之直徑 大的遮蔽電纜和施加保護電壓的特殊電路等。 更因爲有關本發明的靜電容量檢出電路是藉由對被檢 出電容器流入電流來檢測容量，所以像是駐極體電容麥克 風等就不需要在被檢出電容器的電極黏貼高分子薄膜等而 加以駐極體化，就能適用於一般的靜電容量型感應器。 如上，藉由本發明變成使用環境限制少，能正確檢測 出微小的容量，而且還能實現適合小型化的靜電容量檢出 電路等，特別能飛躍式地提高行動電話等輕量、小型的聲 音通訊機器的聲音性能，其實用價値極高。 〔產業上的可利用性〕 有關本發明的靜電容量檢出電路是當作容量型感應器 的檢出電路，特別是能當作配備在行動電話等小型、輕量 的機器中的麥克風裝置加以利用。 〔圖面的簡單說明〕 第1圖是習知靜電容量檢出電路的電路圖。 第2圖是本發明第一實施形態方面的靜電容量檢出電 路的電路圖。 第3圖（a)〜（e)是表示可在本發明使用的阻抗轉換器例子 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2:CX 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 Φ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -23-

五、發明説明（21 實施形態方面的靜電容量檢出電 122女士95- b:i 的圖。 第4圖是本發明第 路的電路圖。 第5圖是表示裝在本發明的靜電容量檢出電路的電子 機器的應用例圖（麥克風的斷面圖）。 第6圖是第4圖所示的麥克風的槪略外觀圖，（a)爲平 面圖，（b)爲正面圖，（c)爲底面圖。 第7圖是麥克風的其他例子的斷面圖。 第8圖是第6圖所示的麥克風的槪略外觀圖，（a)爲平 面圖，（b)爲正面圖。 第9圖表示本發明其他實施形態方面的靜電容量檢出 電路的電路圖。 〔符號說明〕 10:靜電容量檢出電路 11:交流電壓產生器 12:電阻^1) 13:電阻（R2) 14:運算放大器 1 5 :阻抗元件 16:阻抗轉換器 17:被檢出電容器 1 8:電阻 20:訊號輸出端子 本紙張.尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規袼（2:CX297公釐） I--------0^----Ί--1T-------Φ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1221195 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（22 ) 22:交流輸出端子 2 3 :輸出端子 24:輸出端子 30:靜電容量檢出電路 3 1:核心部 3 2:反轉部 33:加算部 34:N 型 M0SFET 35:P 型 MOSFET 40:可変電阻（R4) 41:電阻（R5) 42:可変電阻（R6) 43:電容器 44:運算放大器 45:電阻（R7) 4 6:電阻（R 8) 47:電阻（R9) 48:運算放大器 50:麥克風 5 1:蓋體 5 2:音孔 53:振動膜 54:環 5 5 a :間隔片 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家摞準（CNS ) A4規格（2;CX 297公釐） -25- 1221195 -~丨 9a l -2 kl B7 五、發明説明（23 ) 5 5 b :絕緣板 5 6:固定電極 58:IC晶片 59:IC封裝 6 0:絕緣基板 61a，61b:外部電極 62:基板 95:運算放大器 1〇〇:運算放大器 101:運算放大器 102:運算放大器 110:電阻（R10) 11 2〜11 5 :電阻 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2;、':< 297公釐） -26 -

Claims (1)

1221195 ' , ο > 〜 A 8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 1、 一種靜電容量檢出電路，乃屬於輸出對應被檢出電 容器的靜電容量的檢出訊號的靜電容量檢出電路，其特徵 爲 · 具備有：輸入阻抗高、輸出阻抗低的阻抗轉換器、和 容量性的第一阻抗元件、和運算放大器、和對前述運算放 大器施加交流電壓的交流電壓產生器、和連接在前述運算 放大器的輸出的訊號輸出端子； 在前述阻抗轉換器的輸入端子連接前述被檢出電容器 的一端和前述第一阻抗元件的一端； 在前述運算放大器的負迴授電路包括前述第一阻抗元 件及前述阻抗轉換器； 前述被檢出電容器和前述靜電容量檢出電路是鄰接設 置的。 之 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 2、 一種靜電容量檢出電路，乃屬於輸出對應被檢出電· 容器的靜電容量的檢出訊號的靜電容量檢出電路，其特徵 爲： 具備有：輸入阻抗高、輸出阻抗低的阻抗轉換器、和 容量性的第一阻抗元件、和運算放大器、和對前述運算放 大器施加交流電壓的交流電壓產生器、和連接在前述運算 放大器的輸出的訊號輸出端子； 在前述阻抗轉換器的輸入端子連接前述被檢出電容器 的一端和前述第一阻抗元件的一端； 在前述運算放大器的負迴授電路包括前述第一阻抗元 件及前述阻抗轉換器； 本紙張尺度適用中國國家標準（CN>S ) Α4規格（2i〇x 297公嫠) Toy - 12244 路 年. 爽正補充 A8 B8 C8 D8 一、 zy-*·UMi. ;r er ---h, Γ^Γ:.-·2ητ:^τ7-Γ:.:Γ;;,η^Γί:1-·έί 之 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 2 前述被檢出電容器、前述第一阻抗元件和前述阻抗轉 換器是接近設置的。 3、 如申請專利範圍第1項或第2項所述的靜電容量檢 出電路，其中，前述靜電容量檢出電路更包括與前述第一 阻抗元件並聯連接的電阻元件。 4、 如申請專利範圍第1項或第2項的任一項所述的靜 電容量檢出電路，其中，更包括配備在前述交流電壓產生 器和前述運算放大器之間的第二阻抗元件。 5、 如申請專利範圍第1項或第2項的任一項所述的靜 電容量檢出電路，其中，前述靜電容量檢出電路更具備有 令在前述訊號輸出端子的反相訊號的反轉放大電路、 和將前述阻抗轉換器的輸出訊號與前述反轉放大電路 的輸出訊號相加的加算電路。 6、 如申請專利範圍第1項或第2項的任一項所述的靜 電容量檢出電路，其中，前述被檢出電容器的一端和前述 阻抗轉換器的輸入端子是用非遮蔽的導電體所連接的。 7、 如申請專利範圍第丨項或第2項的任一項所述的靜 電容量檢出電路，其中，前述被檢出電容器及前述靜電容 量檢出電路是被收納在一個遮蔽盒內。 8、 一種靜電容量檢出裝置，其特徵爲具備有： 當作對應容量變化來檢測物理量的前述被檢出電容器 的容量型感應器、 和形成在印刷基板或砂基板上，加以固定設置在前述 本&張尺度適國國家標準—（CNS ) A4規格（2】〇><297公釐） _ 28 - ---------0^—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本買) 訂 .f J

>> 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 3 容量型感應器的如申請專利範圍第1項至第7項的任一項 所述的靜電容量檢出電路。 9、一種麥克風裝置，其特徵爲具備有： 當作前述被檢出電容器的電容麥克風、 和如申請專利範圍第1項至第7項的任一項所述的靜 電容量檢出電路。 1 0、一種靜電容量檢出電路，乃屬於輸出對應被檢出 電容器的靜電容量的檢出訊號的靜電容量檢出電路，其特 徵爲： 具備有：輸入阻抗爲高、電壓增益幾近爲1的電壓輸 出器、和容量性的第一阻抗元件、和演算放大器、和對前 述演算放大器施加交流電壓的交流電壓產生器、和連接在 前述演算放大器的輸出的訊號輸出端子； 在前述電壓輸出器的輸入端子連接前述被檢出電容器 的一端和前述第一阻抗元件的一端； 在前述演算放大器的負回歸路包括前述第一阻抗元件 及前述電壓輸出器； 前述被檢出電容器和前述靜電容量檢出電路是鄰接設 置的。 1 1、一種靜電容量檢出電路，乃屬於輸出對應被檢出 電容器的靜電容量的檢出訊號的靜電容量檢出電路.，其特 徵爲： 具備有：輸入阻抗高、電壓增益幾近爲1的電壓輸出 器、和容量性的第一阻抗元件、和演算放大器、和對前述 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· 、w .曹 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210'〆 297公釐） -29- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 122 U95 A8 B8 : : C8 D8 -、申請專利範圍 4 演算放大器施加交流電壓的交流電壓產生器'和連接在前 述演算放大器的輸出的訊號輸出端子； 在前述電壓輸出器的輸入端子連接前述被檢出電谷器 的一端和前述第一阻抗元件的一端； 在前述演算放大器的負回歸路包括前述第一阻抗元件 及前述電壓輸出器； 前述被檢出電容器、前述第一阻抗元件和前述電壓輸 出器是接近設置的。 12、如申請專利範圍第10項或第11項所述的靜電容 量檢出電路，其中，前述靜電容量檢出電路更包括與前述 第一阻抗元件並聯連接的電阻元件。 1 3、如申請專利範圍第10項或第11項所述的靜電容 量檢出電路，其中，更包括配備在前述交流電壓產生器和 前述演算放大器之間的第二阻抗元件。 14、如申請專利範圍第10項或第11項所述的靜電容 量檢出電路，其中，前述靜電容量檢出電路更具備有： 令在前述訊號輸出端子的訊號反轉的反轉放大電路、 和將前述電壓輸出器的輸出訊號與前述反轉放大電路 的輸出訊號相加的加算電路。 1 5、如申請專利範圍第10項或第11項所述的靜電容 量檢出電路，其中，前述被檢出電容器的一端和前述電壓 輸出器的輸入端子是用非遮蔽的導電體所連接的。 1 6、如申請專利範圍第10項或第11項所述的靜電容 量檢出電路，其中，前述被檢出電容器及前述靜電容量檢 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ·1------訂------Φ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -30- 1221195 ABCD Γ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 煩請.#_明示 V年f月 > 日所從之 六、申請專利範圍 5 出電路是被收納在一個遮蔽盒內。 17、 一種靜電容量檢出裝置，其特徵爲具備有： 當作對應容量變化來檢測物理量的前述被檢出電容器 的容量型感應器、 和形成在印刷基板或砂基板上，加以固定設置在前述 容量型感應器的如申請專利範圍第1 〇項至第1 6項所述的 靜電容量檢出電路。 18、 一種麥克風裝置，其特徵爲具備有·· 當作前述被檢出電容器的電容麥克風、 和如申請專利範圍第10項至第16項的任一項所述的 靜電容量檢出電路。 — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇X 297公釐） -31 -