WO2001067118A1 - Circuit detecteur d'impedance, detecteur d'impedance et procede de detection d'impedance - Google Patents

Circuit detecteur d'impedance, detecteur d'impedance et procede de detection d'impedance Download PDF

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WO2001067118A1
WO2001067118A1 PCT/JP2001/001751 JP0101751W WO0167118A1 WO 2001067118 A1 WO2001067118 A1 WO 2001067118A1 JP 0101751 W JP0101751 W JP 0101751W WO 0167118 A1 WO0167118 A1 WO 0167118A1
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impedance
detection circuit
impedance detection
shield
operational amplifier
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PCT/JP2001/001751
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French (fr)
Inventor
Masami Yakabe
Toshiyuki Matsumoto
Yoshihiro Hirota
Koichi Nakano
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries, Ltd.
Hokuto Electronics, Inc.
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Filing date
Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant

Definitions

  • Impedance detection circuit impedance detection device, and impedance detection method
  • the present invention relates to an impedance detection circuit, an impedance detection device, and an impedance detection method useful for detecting the impedance of an impedance element such as a capacitance sensor.
  • FIG. 15 is a circuit diagram showing this conventional impedance detection circuit.
  • a capacitance sensor 51 formed by electrodes 54 and 55 is connected to an inverting input terminal of an operational amplifier 59 via a force signal line 57.
  • a capacitor 60 is connected between the output terminal of the operational amplifier 59 and the inverting input terminal, and an AC voltage V ac is applied to the non-inverting input terminal.
  • the signal line 57 to which the capacitance sensor 51 is connected is covered with a shield line 56 and is electrically shielded.
  • the shield wire 56 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 59.
  • the output voltage Vd is extracted from the output terminal of the operational amplifier 59 via the transformer 61. .
  • the impedance detection circuit includes a voltage follower and a first operational amplifier, one end of which is connected to an input terminal of the voltage follower and the other end of which can connect an impedance element; and at least one of the signal lines.
  • a shield for electrically shielding a part thereof, a shield voltage applying device for applying a shield voltage to the shield, a first impedance provided between an output terminal of the first operational amplifier and the signal line, And at least a signal output terminal connected to the output terminal of the first operational amplifier.
  • the first operational amplifier the second operational amplifier having both input terminals in an imaginary short state, and one end connected to one input terminal of the second operational amplifier. Signal that can be connected to the impedance element at the other end
  • the impedance detection device of the present invention includes at least the impedance detection circuit, and a terminal to which an impedance element can be externally connected to the signal line.
  • a shield that electrically shields at least a part of the substrate on which the present impedance detection circuit is mounted may be further provided, and the shield voltage may be applied to the shield.
  • one input terminal of the voltage follower is connected to the signal line and no current flows in and out, and a shield voltage based on an output voltage of the voltage follower is changed to at least a part of the signal line.
  • the impedance detection method of the present invention is characterized in that both input terminals of the second operational amplifier are imaginarily short-circuited, one input terminal is connected to a signal line and no current flows in and out, and the other input terminal is A method for detecting the impedance of an impedance element by connecting to at least a part of a shield of a signal line and amplifying a voltage applied to the impedance element by a first impedance and a first operational amplifier connected to the signal line.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of a core section of an impedance detection circuit as one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of a core section of the impedance detection circuit as one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of the impedance detection circuit as one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a partial view of an impedance detection circuit according to an embodiment of the present invention. It is a circuit diagram showing an example.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a part of the impedance detection circuit as one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of a part of the impedance detection circuit as one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of a circuit of the amplitude / phase compensation device provided in, for example, FIG. 1, FIG. 2, or FIG.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing an example of the input side of the voltage follower or the second operational amplifier provided in, for example, FIG. 1, FIG. 2 or FIG.
  • FIG. 9 is a circuit diagram showing an example of an end of a signal line provided in, for example, FIG. 1, FIG. 2, or FIG.
  • FIG. 10 is a schematic transparent perspective view showing an example of the impedance detection device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a circuit diagram showing one of the other examples of the end of the signal line.
  • FIG. 12 is a circuit diagram showing an example of a core section of the impedance detection circuit as one embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a circuit diagram showing an example of a core section of the impedance detection circuit as one embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a circuit diagram showing an example of a core section of the impedance detection circuit as one embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a circuit diagram showing an example of a conventional impedance detection circuit. Detailed description
  • sensors having a small impedance for example, on the order of 10 to 15 F as described above, and detecting a change in the order are appearing.
  • the use of such a sensor facilitates monitoring of minute physical phenomena, which has been difficult in the past. Therefore, there is an increasing need for a circuit and a device capable of accurately detecting a minute impedance or a minute impedance change as such a sensor has.
  • the present invention has been made to solve such a need and the above-mentioned problems, and is an impedance detection circuit, an impedance detection device, and an impedance detection circuit useful for accurately detecting a minute impedance or a minute change in impedance. And a method for detecting impedance.
  • One example of the present impedance detection circuit includes a voltage follower and a first operational amplifier, one end of which is connected to a human-powered terminal of the voltage follower and the other end of which can be connected to an impedance element;
  • a shield for electrically shielding at least a part thereof, and a shield voltage application for applying a shield voltage to the shield
  • At least a device a first impedance provided between an output terminal of the first operational amplifier and the signal line, and a signal output terminal connected to the output terminal of the first operational amplifier.
  • one end is connected to one input terminal of the first operational amplifier, the second operational amplifier in which both input terminals are in an imaginary short state, and one input terminal of the second operational amplifier.
  • a signal line to which an impedance element can be connected at the other end a shield for electrically shielding at least a part of the signal line, and a signal line provided between an output terminal of the first arithmetic amplifier and the signal line. It includes at least one impedance and a signal output terminal connected to the output terminal of the first operational amplifier.
  • a shield voltage applying device may be connected to the shield.
  • the shield voltage applying device may include a phase and amplitude compensation device, and one input terminal of the first operational amplifier may be connected to a predetermined first voltage.
  • a canceling device for removing the output voltage of the voltage follower or the second operational amplifier from the output voltage of the signal output terminal.
  • the canceling device it is an inverting amplification device that inverts one of these two output voltages by using a third operational amplifier, the other voltage and the output voltage of the inverting amplification device. May be included.
  • this canceling device it is an inverting amplifying device that inverts one of these two output voltages, and a fourth operational amplifier that compares the other voltage and the output voltage of the inverting amplifying device. And an adding device for adding using.
  • the third operational amplifier and / or the fourth operational amplifier may have one input terminal connected to a predetermined first voltage.
  • the inverting amplification device may include a phase and amplitude compensator.
  • the canceling device may be configured to include a subtractor having the two output voltages as input terminals, and the subtractor includes a fifth operational amplifier, and a fifth operational amplifier Is connected to a predetermined first voltage. You may make it.
  • a phase-amplitude compensator is connected to the input terminal of the subtractor.
  • the impedance element connected to the signal line is connected to the anti-signal line side.
  • An example of the impedance detection circuit may further include a switching device including a primary connection terminal having at least one terminal and a secondary connection terminal having at least two terminals.
  • the primary connection terminal is connected to at least the impedance element
  • the secondary connection terminal is connected to at least the signal line and the shield
  • the connection destination of the primary connection terminal is the secondary connection terminal. Vary between. Then, in the secondary connection terminal, a voltage having a predetermined relationship with respect to the voltage of one terminal may be applied to another terminal.
  • another switchable device is not excluded, and a plurality of the switching devices may be provided.
  • an example of the present impedance detection circuit may include one or more selection devices in which the first impedance has a plurality of resistors and at least one of the plurality of resistors can be selected.
  • This selection device has a configuration similar to the switching device described above. They may be provided either between the first impedance and the signal line, or between the first impedance and the signal output terminal, or both. In addition, the provision of both can reduce the influence of the impedance not selected.
  • the switching device or the selection device in these examples may be made of a multiplexer having a plurality of them. Further, as a changing device for changing the impedance value of the impedance portion that determines the amplification characteristic of the impedance detection circuit in these examples, these switching devices or selection devices may be used.
  • the impedance element of these examples is a resistance component
  • the first impedance is a resistance
  • the impedance element is a capacitive component
  • the first impedance is a capacitance
  • An example of the present impedance detection device includes at least an example of the present impedance detection circuit and a terminal to which an external impedance element can be connected to the signal line.
  • a shield for electrically shielding at least a part of the substrate on which the examples of the impedance detection circuits are mounted may be provided, and the above-described shield voltage may be applied to the shield.
  • an example of the impedance detection device may include a terminal to which the shield can be connected to the outside, and a bias input terminal to be connected to the bias terminal so that a bias can be superimposed on the impedance element from outside. These terminals can greatly enhance the convenience in actual use while maintaining the measurement accuracy.
  • one input terminal of the voltage follower is connected to a signal line and no current flows in and out, and a shield voltage based on an output voltage of the voltage follower is changed to at least a part of the signal line.
  • At least a method for detecting the impedance of the impedance element by applying a current to a shield and flowing through a first impedance connected to the signal line is included.
  • both input terminals of the second operational amplifier are imaginarily short-circuited, one input terminal is connected to a signal line and no current flows in and out, and the other input terminal is connected to the other input terminal.
  • At least a method of connecting to at least a part of the shield of the signal line and detecting an impedance of the impedance element by a current flowing through a first impedance connected to the signal line is included. At this time, more preferably, a shield voltage is applied to the shield.
  • the shield voltage may be further compensated for phase and amplitude and applied to the shield.
  • the output of the voltage follower or the output of the second operational amplifier may be subtracted from the detection signal of the impedance element.
  • At least one of a DC bias and an AC bias may be applied to the impedance element connected to the signal line.
  • the initial setting can be performed by switching the connection destination of the impedance element from the signal line to the shield.
  • the gain can be changed by changing the value of the first impedance to change the potential difference applied to the first impedance.
  • impedance element means not only the element as a component, but also the measurement electrode provided at the end of the signal line, and the impedance formed between this measurement electrode and the measurement target. Including.
  • the “predetermined first voltage” can also be referred to as a predetermined voltage or a constant voltage, and is a known voltage during impedance detection or during zero point adjustment or the like. Is maintained at the voltage. Of course, this includes the connection to ground or earth, etc. In such a case, it is equivalent to maintaining a constant voltage of zero volts.
  • the “predetermined relationship” is a predetermined relationship or a known relationship.
  • One example is a relationship where one or both of the phase and amplitude of the voltage between the two terminals is constant or gradual and changes randomly or is constant. It depends on the connected elements or the surrounding environment.
  • the potential of the shield and the signal line are set to the same potential by the voltage follower or the second operational amplifier, and the first Since the signal amplification is performed by the operational amplifier, it is possible to divide the voltage in the impedance detection circuit into a voltage amplification portion and a portion in which the potential between the shield and the signal line is the same.
  • the slight phase and amplitude of the voltage between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal due to the superimposition of the harmonics of the AC voltage input to the signal output voltage and the tracking error inside the operational amplifier can be almost eliminated.
  • each operational amplifier is stabilized by connecting one input terminal of the operational amplifier to a predetermined first voltage. Therefore, it is The harmonic component of the voltage appearing at the output terminal of the operational amplifier according to the current flowing through the impedance element can be further suppressed while controlling the stray capacitance between the output terminal and the impedance element.
  • the potential difference between the signal line and the shield can be accurately controlled to a desired value.
  • the potential difference between the signal line and the shield can be made almost zero, so that the stray capacitance between them can be almost eliminated.
  • the allowable error range may be obtained without using the phase and amplitude compensation. In this case, it is not necessary to use this.
  • the switching device by using the switching device, resetting, initial setting, and the like can be accurately performed either while connecting or disconnecting the impedance element.
  • the potential difference between the impedance element and the signal line can be maintained in a predetermined relationship. For example, if this potential difference is made substantially zero, it becomes possible to substantially eliminate the stray capacitance between the two, and it is possible to further improve the accuracy. This is also true for multiplexers.
  • the value of the first impedance can be changed by using the selection device.
  • the potential difference applied to the first impedance can be changed, and the gain can be changed while maintaining the measurement accuracy.
  • the switching device or the selection device is used to maintain the potential difference between the selected impedance and the non-selected impedance in a predetermined relationship while maintaining the potential difference between the selected impedance and the non-selected impedance.
  • the bandwidth characteristics and gain of the circuit can be changed. Therefore, even when the measurement range is switched according to the detection target and measurement conditions, it is possible to perform accurate detection by changing the value accurately.
  • this impedance detector it is possible to shield the connection with the external impedance element with a shield whose potential difference with the connection line through which the measurement signal is transmitted is precisely controlled. For example, if the potential of the shield is equal to the potential of the connection line, it is possible to substantially eliminate the stray capacitance between the two. Furthermore, this book impedance In the detection device, since the board itself on which the impedance detection circuit is mounted is electrically shielded by the shield, the potential difference between the signal line and the shield can be accurately controlled. For example, if this potential difference is made substantially zero, the stray capacitance between the signal line and the outside of the substrate can be almost eliminated, and a minute impedance or a minute change in impedance can be accurately detected.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing the core section 1 of the impedance detection circuit of the present invention.
  • the core unit 1 includes a first operational amplifier 12 and a second operational amplifier 11.
  • the second operational amplifier 11 In the second operational amplifier 11, the inverting input terminal and the output terminal are short-circuited.
  • the voltage follower has a high input impedance, a low output impedance, an input / output gain of 1, and functions as an impedance converter.
  • the signal line 19 is connected to the non-inverting input terminal of the second operational amplifier 11.
  • a capacitance sensor can be connected to the signal line 19 as an example of the impedance element 18. This capacitance sensor changes its capacitance C s according to a received physical quantity (acceleration, pressure, gas, light, sound wave, etc.).
  • the other end of the capacitance sensor connected to the signal line 19 is connected to a bias terminal 23 or grounded.
  • the bias terminal 23 may be floating, but more accurate measurement is possible when an AC or DC bias voltage or both are applied.
  • the impedance when a bias voltage is applied to the impedance element, the impedance can be detected and the C-V measurement can be performed with high accuracy and easily.
  • the first operational amplifier 12 has a non-inverting input terminal grounded.
  • the inverting input terminal has a first resistor (resistance value R 1) 15 and a second resistor (resistance value R 2) 16 respectively. one The ends are connected.
  • the non-inverting input terminal is grounded as described above, but may be maintained at a constant voltage such as a zero potential. For example, even if a bias voltage is applied to the non-inverting input terminal, so-called electrical fluctuation of the operational amplifier can be suppressed as long as it is maintained at a constant voltage. Therefore, such a method may be adopted.
  • the other end of the first resistor 15 is connected to an AC voltage generator (generated AC voltage Vin, each frequency ⁇ ) 14, and the other end of the second resistor 16 is connected to the output of the second operational amplifier 11. Connected to the power terminal.
  • An output terminal of the first operational amplifier 12 is connected to a non-inverting input terminal of the second operational amplifier 11 via a third resistor (first impedance, resistance value R 3) 17.
  • the output terminal of the first operational amplifier 12, the non-inverting input terminal of the second operational amplifier 11, and the signal line 19 connecting the capacitance sensor to each other and the third resistor 17 are connected by a shield 20. Coated.
  • the shield 20 electrically shields the signal line 19 from the outside.
  • the shield 20 is connected to the output terminal of the second operational amplifier 11 via a shield voltage applying device including the compensation circuit 13.
  • the signal output terminal 21 is connected to the output terminal of the first operational amplifier 12, and the AC output terminal 22 is connected to the output terminal of the second operational amplifier 11. Further, although not shown in FIG.
  • the non-inverting input terminal of the second operational amplifier 11 is connected between the positive and negative power supplies as shown as an example in FIG.
  • a type MOSF 47 a and a P-type MOSFET 47 b are provided as an analog buffer 47.
  • FIG. 2 shows another example of the core section 1 of the impedance detection circuit of the present example. It is the same as FIG. 1 except that the AC voltage generator 14 is not connected to the inverting input terminal of the first operational amplifier 12. In this way, the core unit 1 can be configured as an example.
  • FIG. 9 shows in detail a connection portion between the capacitance sensor as the impedance element 18 and the signal line 19 in the core section 1.
  • a switching switch switching device
  • This switching switch 24 cuts the connection destination of the primary connection terminal 24a between the two secondary connection terminals 24b and 24c. Can be replaced.
  • the signal line 19 is connected to the secondary connection terminal 24 b of the switching switch 24, and the shield 20 is connected to 24 c.
  • One end of the capacitance sensor can be connected to the primary connection terminal 24 a of the switching switch 24.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of the compensation circuit 13 provided in the core unit 1.
  • the compensating circuit 13 includes a phase adjusting unit 48 and an amplitude adjusting unit 49.
  • the phase adjustment unit 48 is configured as an all-pass filter using the operational amplifier 71. That is, a resistor 73 is provided between the input terminal 30 and the inverting input terminal of the operational amplifier 71, and a variable resistor 74 is provided between the input terminal 30 and the non-inverting input terminal. I have.
  • a resistor 75 is provided between the output terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier 71, and a capacitor 76 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 71.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of the entire impedance detection circuit. In the core unit 1 shown in the circuit diagram of FIG.
  • the input side of the compensation circuit 13 is connected to the output terminal of the second operational amplifier 11, but in the core unit 1 shown in the circuit diagram of this example,
  • the input side of the compensation circuit 13 is connected to an AC voltage generator 14.
  • the inverting amplification device 2 including the third operational amplifier 36 is connected to the signal output terminal 21 of the core unit 1 in this example.
  • the signal output terminal 21 is connected to an inverting input terminal of a third operational amplifier 36 via a variable resistance fourth resistance (resistance R 4) 32.
  • a fifth resistor (resistance value R 5) 33 and a variable-resistance sixth resistor (resistance value R 5) are sequentially connected between the inverting input terminal and the output terminal of the third operational amplifier 36 from the inverting input terminal side. 6) 34 are connected in series, and a capacitor 35 is connected in parallel with the sixth resistor 34. Also, the non-inverting of the third operational amplifier 36 The input terminal is grounded.
  • the AC output terminal 22 of the core section 1 of the present example and the inverted output terminal 42 of the inverting amplifier section 2 are connected to an addition device 3 having a fourth operational amplifier 40.
  • the AC output terminal 22 is connected via a seventh resistor (resistance R 7) 37, and the inverted output terminal 42 is connected via an eighth resistor (resistance R 8) 38.
  • the inverting input terminal and the output terminal of the fourth operational amplifier 40 are connected by a ninth resistor (resistance value R 9) 39, and the output terminal is connected to the addition output terminal 41.
  • the non-inverting input terminal of the fourth operational amplifier 40 is grounded.
  • FIG. 10 is a schematic transparent perspective view showing an impedance detection device provided with the above-described impedance detection circuit example.
  • the substrate 44 on which the impedance detection circuit is mounted is provided in a shield case (shield) 45 for electrically shielding the inside thereof, and furthermore, it is provided in a device casing (shield) 4 for electrically shielding. It is located.
  • the device casing 4 is provided with an impedance connection terminal 5, a shield terminal 6, a bias input terminal 7, and a ground terminal 8, respectively.
  • a signal line 19 connected to the terminal 24 a of the switching switch 24 extends from the board 44 and is connected to the impedance connection terminal 5.
  • the signal line 19 is covered with a shield 20.
  • the shield 20 is further covered with a second shield (shield) 46 on the outside, and is further electrically shielded.
  • the shield 20 is connected to the shield case 45 and the shield terminal 6.
  • the device casing 4 and the second shield 46 are connected to a ground terminal 8, and the device casing 4 is also grounded.
  • the bias input terminal 7 is connected to a pass terminal 23 of the detection circuit. The bias input terminal 7 may not be provided when the bias terminal 23 is in a floating or grounding mode.
  • a capacitive sensor is connected to one end of the signal line 19 extending from the impedance connection terminal 5 as an example of the impedance element 18.
  • the axis of this cable is used for connection of the capacitance sensor, and the inner shield is connected to the shield terminal 6.
  • the outer shield may be connected to the ground terminal 8 or to the shield terminal 6 depending on the length of the cable, the type of the cable, the use environment, and the like.
  • the bias input terminal 7 is connected to the ground terminal 8 in this example.
  • V o — (R 2 / R 1) V in (1)
  • V b -V c
  • V a -R 9 ((V o / R 7) + (Vb / R 8))
  • V a -(V o + V b)
  • the inverting amplification device 2 and the addition device 3 constitute a canceling device.
  • the current flowing through the third resistor 17 toward the capacitance sensor is i
  • almost all of the current i flows through the capacitance sensor due to functions such as a voltage follower and an imaginary short. Zi
  • the voltage V c of the detection signal output from the signal output terminal 21 is
  • V c iR 3 + V o
  • the detection signal Vc includes Vo appearing at the output terminal of the second operational amplifier. If this is transformed using equations (1) and (2),
  • V a V c -V o
  • V a -(j ⁇ ⁇ s-R 3-R 2 / R 1) V in
  • the second operational amplifier 11 operates with its inverting input terminal and non-inverting input terminal in an imaginary short state.
  • the input impedance of the second operational amplifier 11 is not an ideal infinity, as described above, the small amplitude difference between the voltage V om at the inverting input terminal and the voltage V op at the non-inverting input terminal is obtained. And a phase difference occurs. The amplitude difference and the phase difference become more remarkable as the frequency of the input signal increases.
  • the phase is turned by adjusting the connected sixth resistor 34 to adjust the phase of V b to one V o.
  • the shield voltage generator includes at least the AC voltage generator 14 and the compensation circuit 13. In the circuit example shown in FIG. 1, the input side of the compensation circuit 13 is connected to the output terminal of the second operational amplifier 11.
  • the output voltage Vo of the second operational amplifier 11 is a signal synchronized with the AC voltage Vin. Then, the voltage of the non-inverting input terminal, that is, the voltage of the signal line 19 and the output voltage Vo are almost equal due to the imaginary short. Therefore, applying V in to the shield 20 with phase amplitude compensation as shown in Fig. 3 is equivalent to applying a signal in which the output voltage V o is phase amplitude compensated to the shield 20 as shown in Fig. 1.
  • V in Since the input signal Vin of the detection circuit has a smaller noise component than the output Vo of the voltage follower, V in is formed by compensating the phase and amplitude of V in and applied to the shield 20. The more accurate detection can be made. As a result, the voltage of the shield 20 becomes equal to the voltage of the signal line 19 even instantaneously, and the stray capacitance between the signal line 19 and the shield 20 can be surely canceled.
  • the compensation circuit Adjust the amplitude and phase of the AC voltage V in (or the output voltage V o of the voltage follower) in 13 to form a shield voltage V os having the same amplitude and phase as the voltage V op of the signal line 19, This is applied to the shield 20. Therefore V in is not only a low frequency of about several k H z ⁇ several hundred k H z, for example, even 1 0 9 H z or more high frequency, the stray capacitance between the signal line 1 9 and the shield 2 0 , And only the capacitance C s of the capacitance sensor can be accurately detected.
  • the second operational amplifier 11 since all terminals of the second operational amplifier 11 operate in an alternating current manner, if a large gain is to be obtained only by the second operational amplifier 11, an operational error due to fluctuation or the like becomes large. As a result, the measured value of the capacitance C s includes an error. In order to prevent this, in these examples, the inverting input terminal and the output terminal of the second operational amplifier 11 are short-circuited, and they are functioned as voltage followers with almost a gain of 1. The necessary gain is obtained by the first operational amplifier 12. Therefore, C s can be measured accurately.
  • the first operational amplifier 12 that performs amplification has its non-inverting input terminal grounded.
  • the voltage V a proportional to C s can be obtained by subtracting V o from V c. That is, only the current flowing through the capacitance sensor can be detected. As a result, the subsequent signal processing circuit required to calculate C s can be simplified, and the occurrence of error factors can be greatly suppressed.
  • a direct subtractor is often used, as shown in Figures 4, 5, and 6. In this case, Vc and Vo are directly applied to the input terminals of the fifth operational amplifiers 50 and 51. At this time, as in the case of the operational amplifier 50, one terminal may be grounded or maintained at a constant voltage for stabilization.
  • a phase compensation circuit is provided on the input side of Vc
  • a phase amplitude compensation circuit may be added to any of the input terminals as in this example.
  • V o when V o is subtracted from V c, V c may be inverted and then added to V o. This is because in order to stabilize the operation of the operational amplifier with high accuracy, it is desirable to keep the non-inverting input terminal of the operational amplifier at ground or at a constant voltage. With this configuration, it is possible to apply the ground or a constant voltage to the non-inverting input terminal of the operational amplifier and maintain the state.
  • the third operational amplifier 36 constituting the inverting amplification device 2 and the non-inverting input terminal of the fourth operational amplifier 40 constituting the addition device 3 are grounded.
  • the operation of the operational amplifier is stabilized if these non-inverting input terminals are maintained at a constant voltage value. Therefore, it is preferable to connect the terminals to such a predetermined voltage. By doing so, harmonics that can be included in the output voltage Va of the operational amplifier 40 can be suppressed, and Cs can be measured with higher accuracy.
  • the second operational amplifier 11 operates with its inverting input terminal and non-inverting input terminal in an imaginary-short state.
  • phase adjustment here is not performed by an all-pass filter with a capacitor connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier, but by an inverting amplifier with the non-inverting input terminal of the operational amplifier grounded and a capacitive component provided in the feedback circuit. To do it. Therefore, also in this case, harmonics that can be included in the output signal are suppressed, thereby preventing the measurement accuracy of Cs from lowering.
  • the capacitance sensor disconnected from the signal line 19 can be connected to the shield 20 by the switching switch 24. Since the voltage V os applied to the shield 20 is equal to the voltage V op of the signal line 19, a stray capacitance is generated between the capacitance sensor separated from the signal line 19 and the signal line 19. Without the need for accurate zeroing.
  • the shield 20 for shielding the signal line 19 is further shielded by the second shield line 46.
  • the second shield 46 is grounded to prevent disturbance noise from being superimposed on the shield 20 to which the voltage V os is applied. Therefore, the signal line 19 and the shield 20 can be maintained at the same potential.
  • the substrate 44 on which the impedance detection circuit is mounted is placed in a shield case 45, and this shield case 45 is set to the same potential as the shield 20. Therefore, it is possible to shield the substrate 44 while preventing the generation of stray capacitance between the shield case 45 and the signal line 19.
  • the device casing 4 containing the single case 45 is grounded. Accordingly, disturbance noise is prevented from being superimposed on the shield case 45 to which the voltage Vos is applied, and the signal line 19 and the shield case 45 can be maintained at the same potential.
  • the floating capacitance between the signal line and the outside of the substrate can be controlled almost accurately. Therefore, with these devices, it is possible to detect impedance with higher accuracy.
  • the impedance detection circuit, the impedance detection device, and the impedance detection method of the present example are not limited to the above embodiment, and can be implemented with various modifications within the scope of the present invention.
  • a capacitive sensor was attached as an impedance element 18 to the end of the signal line 19, but a measurement electrode was formed at the end of the signal line 19, and this measurement electrode was May be detected by the above-described detection circuit or measuring device.
  • the signal line 19 and the shield line 20 are set to the same potential by the compensating circuit 13.
  • the amplitude and the phase of the AC voltage Vin may be appropriately adjusted by the compensation circuit 13.
  • the specific configuration of the detection circuit shown in FIG. 1 is an example, and it goes without saying that other circuit configurations can be adopted.
  • the first operational amplifier 12 and the second operational amplifier 11 constituting the core unit 1 may be configured as a circuit configured as a non-inverting amplifier.
  • the compensating circuit 13 is constituted by the phase adjusting unit 48 and the amplitude adjusting unit 49.
  • the compensating circuit 13 may be constituted by a circuit similar to the inverting amplification device 2. In this case, since the non-inverting input terminal of the operational amplifier is grounded, it is possible to further prevent the shield voltage from containing harmonics and causing an error.
  • a capacitive sensor is used as the impedance element 18 in the above description, an inductive element may be used.
  • the voltage When detecting the C-V (capacitance-voltage) characteristic of an element whose capacitance changes with voltage, the voltage may be applied to the bias input terminal 7 while changing the DC voltage. Since the bias voltage is applied to the opposite signal line side of the capacitance sensor, the potential V op of the signal line 19 remains an AC voltage oscillating around a constant voltage. Therefore, it is possible to prevent V c from becoming unstable and causing an error in the measurement result.
  • Such a DC bias generator may be externally connected to the measuring device, or may be connected to the bias terminal 23 of the detection circuit in advance and provided inside the measuring device. Alternatively, a generator provided inside and a generator connected from the outside may be switched so that the generator can be connected to the bias input terminal 23.
  • FIG. 11 is a diagram showing an end of the signal line 19 in such a case.
  • a switching switch 25 having the same configuration as the above-described switching switch 24 is provided for each of the elements 18 and 26. Then, the signal line 19 is connected to one of the secondary connection terminals, and the shield 20 is connected to the other one of the secondary connection terminals.
  • Each primary connection terminal has an impedance Elements 18 and 26 are connected.
  • each switching switch forms a multiplexer and can switch the measuring element.
  • this multiplexer may disconnect both elements 18 and 26 from the signal line 19 when adjusting the cross section of the detection circuit, etc., or depending on the purpose of detection and the like, both elements 18 and 26 May be connected to the signal line together.
  • This multiplexer can greatly reduce disturbance factors such as stray capacitance by connecting all the switches other than the switch to which the target element for detection or the like is connected to the shield.
  • the switching device even when the impedance element is disconnected from the signal line, the potential between the impedance element and the signal line can be maintained at a predetermined potential. For example, if this potential difference is set to zero, it becomes possible to cancel the stray capacitance between the two. Therefore, for example, in the impedance detection circuit or the like, it is possible to accurately perform circuit correction such as zero adjustment, reset, and initial setting.
  • a plurality of switching devices or multiplexers are used, even when only necessary impedance elements are selected from a plurality of primary sides and connected to the secondary side, the primary side connection terminal disconnected from the connection is connected to the primary side connection terminal. A predetermined potential can be maintained between the secondary connection terminal and the secondary side connection terminal.
  • this potential difference is set to zero, the stray capacitance between the two can be canceled.
  • an element is appropriately selected from a plurality of elements to be measured (that is, impedance elements) and the impedance value is set. Even in the case of detection, accurate detection can be performed.
  • Such a switching switch 24 can also be used for gain switching of the impedance detection circuit.
  • a plurality of resistors (impedances) having different resistance values and a switching switch 24 is provided between the signal line and the plurality of resistors as a selection device for each resistance (impedance).
  • one end of each resistor is connected to the output terminal of the first operational amplifier 12, while the other end of each resistor is connected to the primary-side connection terminal of the switching switch 24. Also, connect one terminal of the secondary connection terminal to the signal line, and connect the other terminal to the shield 20.
  • the impedances selected by these selection devices become the combined impedance, and the unselected resistances are connected to the shield 20.
  • the selection device that controls each switching switch 24 is a multiplexer. Then, the stray capacitance generated between the unconnected resistor and the signal line or the shield can be controlled. Therefore, it is possible to change the potential difference applied to the impedance element without hindering the high-accuracy detection of the capacitance Cs, and as a result, the gain can be switched. Further, as shown in FIG. 13, a switching switch may be provided between the first operational amplifier 12 and the 11 impedance 17.
  • a plurality of resistors 1 2 1 and 1 2 2 having different resistance values as shown in FIG. Switching switches 24 and 25 may be provided as selection devices in response to the above. Although not illustrated, the same applies to the first resistor 15 and the like. In this way, by using these selection devices, it is possible to select a resistor to be connected to the circuit from a plurality of resistors with different resistance values, and to connect unselected resistors to the shield so that the detection target and measurement conditions can be selected. It may be possible to perform accurate range switching according to
  • the impedance that is disconnected from unselected connections, the impedance that is selected and the connection destination terminal can be maintained at a predetermined potential. Therefore, the range can be switched according to the detection target by canceling the stray capacitance related to the unselected impedance, and as a result, the amplification characteristics of the impedance detection circuit can be accurately changed to achieve high-precision detection. Can be performed.
  • the switching switch is configured as a switching switch between a primary terminal having one terminal and a three terminal having a secondary connection terminal having two connection terminals. Case shown. However, this is The number of connection terminals may be two or more, and the number of secondary connection terminals to be switched and connected may be three or more. In such a case, at least one of the secondary connection terminals that is the switching connection destination is connected to the shield, and the connection destination of the primary connection terminal is connected between this terminal and another secondary connection terminal. What is necessary is just to be able to be switched. Although all switches are illustrated, the switching switch may be configured by other conceivable devices.
  • the shield of the signal line 19 may be double-layered or triple-layered.
  • the outer shield wire is connected to the shield terminal 6.However, the first operational amplifier 12 must take out sufficient current.
  • an outer shield of 50 c ⁇ or more can be connected to the ground terminal 8 to a length commensurate with the power.

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Description

明 細 書
インピーダンス検出回路、 インピーダンス検出装置、 及びインピーダンス検出方 法
背景技術
この発明は、 容量センサのようなインピーダンス素子が有するイシピーダンス を検出する為に有用なインピーダンス検出回路、 インピーダンス検出装置、 及び インピーダンス検出方法に関する。
インピーダンス検出回路の従来例として、 特開平 9一 2 8 0 8 0 6号公報記載 のものが挙げられる。 図 1 5は、 この従来のインピーダンス検出回路を示す回路 図である。 この検出回路では、 電極 5 4、 5 5で形成される容量センサ 5 1力 信号線 5 7を介して演算増幅器 5 9の反転入力端子に接続されている。 そしてこ の演算増幅器 5 9の出力端子と前記反転入力端子との間にコンデンサ 6 0が接続 され、 更に、 非反転入力端子に交流電圧 V a cが印加されている。 また容量セン サ 5 1が接続された前記信号線 5 7は、 シールド線 5 6によつて被覆され、 電気 的に遮蔽されている。 そしてこのシールド線 5 6は、 演算増幅器 5 9の非反転入 力端子に接続されている。 出力電圧 V dは、 前記演算増幅器 5 9の出力端子から トランス 6 1を介して取り出される。 .
発明の開示
本発明のインピーダンス検出回路では、 ボルテージフォロヮと第 1演算増幅器 とを含み、 前記ボルテージフォロワの入力端子にその一端が接続され他端にイン ピーダンス素子を接続できる信号線と、 前記信号線の少なくとも一部を電気的に 遮蔽するシールドと、 このシールドにシールド電圧を印加するシールド電圧印加 装置と、 第 1演算増幅器の出力端子と前記信号線との間に設けられた第 1インピ 一ダンスと、 第 1演算増幅器の出力端子に接続された信号出力端子とを少なくと も含んでいる。
また、 本発明のインピーダンス検出回路では、 .第 1演算増幅器と、 両入力端 子がイマジナリ 'ショートの状態にある第 2演算増幅器と、 第 2演算増幅器の一 方の入力端子にその一端が接続され他端にインピーダンス素子を接続できる信号
差眷ぇ闬紙(規則 26) 線と、 前記信号線の少なくとも一部を電気的に遮蔽するシールドと、 第 1演算増 幅器の出力端子と前記信号線との間に設けられた第 1インピーダンスと、 第 1演 算増幅器の出力端子に接続された信号出力端子とを少なくとも含んでいる。 更に、 本発明のインピーダンス検出装置では、 前記のインピーダンス検出回路 と、 前記信号線に外部からインピーダンス素子を接続できる端子とを少なくとも 含んでいる。 この際、 本インピーダンス検出回路を実装した基板の少なくとも一 部を電気的に遮蔽するシールドとを更に設け、 このシールドに前記シールド電圧 を印加してもよい。
本発明のインピーダンス検出方法では、 ボルテージフォロワの一方の入力端子 を信号線に接続し且つ電流の出入が無い状態とし、 前記ボルテージフォロワの出 力電圧に基づくシールド電圧を前記信号線の少なくとも一部のシールドに印加し
、 前記信号線に接続された第 1インピーダンスに流れる電流によってインピーダ ンス素子のインピーダンスを検出する方法を含む。
また、 本発明のインピーダンス検出方法は、 第 2の演算増幅器の両入力端子を イマジナリ 'ショートにし、 一方の入力端子を信号線に接続し且つ電流の出入が 無い状態とし、 他方の入力端子を前記信号線の少なくとも一部のシールドに接続 し、 インピーダンス素子にかかる電圧を前記信号線に接続される第 1インピーダ ンスと第 1演算増幅器とによって増幅することによって、 インピーダンス素子の インピーダンスを検出する方法を含む。 図面の簡単な説明
図 1は、 この発明の一実施形態としてのインピーダンス検出回路のコア部の一 例を示す回路図である。
図 2は、 この発明の一実施形態としてのインピーダンス検出回路のコア部の一 例を示す回路図である。
図 3は、 この発明の一実施形態としてのインピーダンス検出回路の一例を示す 回路図である。
図 4は、 この発明の一実施形態としてのインピーダンス検出回路の一部分の一 例を示す回路図である。
図 5は、 この発明の一実施形態としてのインピーダンス検出回路の一部分の一 例を示す回路図である。
図 6は、 この発明の一実施形態としてのインピーダンス検出回路の一部分の一 例を示す回路図である。
図 7は、 例えば図 1、 図 2又は図 6に設けられた振幅位相補償デバイスの回路 の一例を示す回路図である。
図 8は、 例えば図 1、 図 2又は図 3に設けられたボルテージフォロワ又は第 2 演算増幅器の入力側の一例を示す回路図である。
図 9は、 例えば図 1、 図 2又は図 3に設けられた信号線の端部の一例を示す回 路図である。
図 1 0は、 この発明の一実施形態のインピーダンス検出装置の一例を示す模式 透過斜視図である。
図 1 1は、 信号線の端部の他の例のうちの一つを示す回路図である。
図 1 2は、 この発明の一実施形態としてのインピーダンス検出回路のコア部の 一例を示す回路図である。
図 1 3は、 この発明の一実施形態としてのインピーダンス検出回路のコア部の 一例を示す回路図である。
図 1 4は、 この発明の一実施形態としてのインピーダンス検出回路のコア部の 一例を示す回路図である。
図 1 5は、 従来のインピーダンス検出回路の例を示す回路図である。 詳細な説明
発明者らによる上記従来例に近い関連する試験において、 センサ 5 1の容量を 小さくすると (例えば 1 0— 1 5 Fのオーダー) 、 期待されたような正確な出力電 圧 V dが得られず、 誤差が大きくなるという現象が生じた。'そこで発明者らは、 この現象について検討を重ねた。 そしてその結果、 次のような知見を得るに至つ た。 上記従来例における演算増幅器 5 9は、 イマジナリー 'ショートの状態にあり 、 その入力端子に交流電圧 V a cが、 印加される。 ところが、 特に、 演算増幅器 5 9の非反転入力端子電圧が、 高周波の交流電圧 V a cによって変動させられる 時、 演算増幅器 5 9の内部のトラッキングエラー等により、 反転入力端子と非反 転入力端子の電圧の間に微妙な位相 ·振幅のズレを生ずる事が、 分かった。 そし てこのズレ等により、 演算増幅器 5 9の出力電圧に前記交流電圧 V a cの高調波 が重畳されるという現象が生じ、 これらが、 前記誤差の要因の一つになることも 分かった。 更に、 一つの演算増幅器 5 9が、 イマジナリ 'ショートとゲインの 2 つの機能を持っため、 高周波動作時には揺らぎが生じること等が分かった。
それらの結果から、 上記従来例のように、 演算増幅器 5 9のイマジナリ ·ショ 一トを利用して信号線 5 7とシールド線 5 6とを同電位にするだけでは、 容量セ ンサ 5 1の容量が非常に小さいとき、 無視できない浮遊容量が信号線 5 7とシー ルド線 5 6との間に存在するので、 この浮遊容量の影響によって、 前記出力電圧 V dに誤差が生じてしまうことが分かった。
一方、 近年のセンサ製造技術の向上に伴い、 上記のように例えば 1 0— 1 5 Fの オーダーという微小インピーダンスを持ったり、 そのオーダーの変化を検出しう るセンサが登場しつつある。 このようなセンサを用いれば、 従来困難であった微 小な物理現象の監視が容易となる。 そこで、 このようなセンサが有するような微 少なィンピ一ダンスや微少ィンピーダンス変化を正確に検出できる回路及び装置 の必要性が高まっている。
この発明は、 こうした必要性と、 上記の問題を改良するためになされたもので あり、 微小なインピーダンス又は微少なィンピーダンスの変化を正確に検出する ために有用なインピーダンス検出回路、 インピーダンス検出装置、 及びインピー ダンス検出方法を提供することにある。
本インピーダンス検出回路の一例では、 ボルテージフォロワと第 1演算増幅器 とを含み、 前記ボルテージフォロワの人力端子にその一端が接続され他端にィン ピーダンス素子を接続可能な信号線と、 前記信号線の少なくとも一部を電気的に 遮蔽するシールドと、 このシールドにシールド電圧を印加するシールド電圧印加 装置と、 第 1演算増幅器の出力端子と前記信号線との間に設けられた第 1インピ 一ダンスと、 第 1演算増幅器の出力端子に接続された信号出力端子とを少なくと も含んでいる。
また、 本インピーダンス検出回路の一例では、 第 1演算増幅器と、 両入力端 子がイマジナリ ' ショートの状態にある第 2演算増幅器と、 第 2演算増幅器の一 方の入力端子にその一端が接続され他端にインピーダンス素子を接続可能な信号 線と、 前記信号線の少なくとも一部を電気的に遮蔽するシールドと、 第 1演算增 幅器の出力端子と前記信号線との間に設けられた第 1インピーダンスと、 第 1演 算増幅器の出力端子に接続された信号出力端子とを少なくとも含んでいる。 な おこのシールドには、 シールド電圧印加装置が接続されてもよい。
これらの本例は、 前記シールド電圧印加装置が位相振幅補償デバイスを含んで もよく、 第 1演算増幅器の一方の入力端子が、 所定の第 1電圧に接続されていて あよい。
更に、 本インピーダンス検出回路の一例では、 前記信号出力端子の出力電圧か ら前記ボルテージフォロヮ又は第 2演算増幅器の出力電圧を除去するキャンセル 装置を設けてもよい。 ここで、 このキャンセル装置の例として、 それが、 これら 2つの出力電圧のうち一方の電圧を第 3演算増幅器を用いて反転させる反転増幅 デパイスと、 他方の電圧と前記反転増幅デバィスの出力電圧とを加算する加算デ バイスとを含んでも良い。 また、 このキャンセル装置の例として、 それが、 これ ら 2つの出力電圧のうち一方の電圧を反転させる反転増幅デバイスと、 他方の電 圧と前記反転増幅デバイスの出力電圧とを第 4演算増幅器を用いて加算する加算 デバイスとを含んでもよい。 この様に、 反転増幅デバイスと加算デバイスとを置 き換えることは可能である。 そして、 これら第 3演算増幅器そして または第 4 演算増幅器は、 一方の入力端子が所定の第 1電圧に接続されていてもよい。 加え て、 前記反転増幅デバイスは、 位相振幅補償装置を備えてもよい。
本インピーダンス検出回路の一例では、 キャンセル装置は、 前記 2つの出力電 圧を入力端子にもつ減算器を含む構成としてもよいし、 更にこの減算器が第 5演 算増幅器を含み、 第 5演算増幅器の一方の入力端子が所定の第 1電圧に接続され るようにしてもよい。 また加えて、 減算器の入力端子に位相振幅補償装置を接続 これらの本インピーダンス検出回路の一例では、 前記信号線に接続されたイン ピ一ダンス素子に、 具体的には反信号線側に、 直流バイアスとノ又は交流バイァ 本インピーダンス検出回路の一例は、 更に少なくとも一つの端子を持つ一次側 接続端子と少なくとも二つの端子を持つ二次側接続端子とを備えた切替デバイス を含んでもよい。 この切替デバイスの一例では、 一次側接続端子は少なくともィ ンピーダンス素子に接続され、 二次側接続端子は少なくとも信号線とシールドと に接続され、 一次側接続端子の接続先が、 二次側接続端子の間で変化する。 そし て、 この二次側接続端子では、 一つの端子の電圧に対して所定の関係にある電圧 が、 他の端子に印加されてもよい。 ここでは、 切替接続可能な他のデバイスを、 さらに設けることが排除されているものでないのは勿論であり、 前記切替デバィ スが複数備えられてもよい。
本インピーダンス検出回路の一例は、 一方で、 第 1インピーダンスが、 複数の 抵抗を持ち、 前記複数の抵抗の内、 少なくとも一つが選択可能な一つ又は複数の 選択デバイスを含んでも良い。 この選択デバイスは、 前記の切替デバイスに類似 した構成で出来ている。 それらは、 第 1インピーダンスと信号線との間、 あるい は第 1ィンピーダンスと信号出力端子との間のいずれにか若しくは両方に備えて もよい。 なお、 両方に備えた方が、 選択されていないインピーダンスの影響を小 さくできる。
これら本例における切替デバイス又は選択デバイスは、 それらを複数有するマ ルチプレクサで作られていても良い。 また、 これらの例のインピーダンス検出回 路の増幅特性を決めるインピーダンス部分のインピーダンス値を変更する為の変 更装置として、 これらの切替デバイス又は選択デバイス等が用いられても良い。 これらの本例のインピーダンス素子が抵抗成分であるときは、 第 1インピーダ ンスが抵抗であり、 インピーダンス素子が容量性分であるときは、 第 1インピー ダンスは容量である方が、 信号の位相や振幅を調整しやすく、 好ましい。 本インピーダンス検出装置の一例では、 本インピーダンス検出回路の例と、 前 記信号線に外部からインピーダンス素子を接続できる端子とを少なくとも含んで いる。 この際、 これらのインピーダンス検出回路の例を実装した基板の少なくと も一部を電気的に遮蔽するシールドを設け、 更にこのシールドに前記したシール ド電圧を印加してもよい。 またこのインピーダンス検出装置の一例では、 前記シ ールドを外部に接続できる端子や、 インピーダンス素子にバイアスを外部から重 畳できるように、 バイアス端子に接続されるバイアス入力端子を含んでもよい。 これら端子は、 測定の精度を保持したまま、 実際に使用する際の利便性を極めて 高めることができる。
本インピーダンス検出方法の一例では、 ボルテージフォロワの一方の入力端子 を信号線に接続し且つ電流の出入が無い状態とし、 前記ボルテージフォロワの出 力電圧に基づくシールド電圧を前記信号線の少なくとも一部のシールドに印加し 、 前記信号線に接続された第 1インピーダンスに流れる電流によってインビーダ ンス素子のインピーダンスを検出する方法を少なくとも含む。
また、 本インピーダンス検出方法の一例では、 第 2の演算増幅器の両入力端子 をイマジナリ 'ショートにし、 一方の入力端子を信号線に接続し且つ電流の出入 が無い状態とし、 他方の入力端子を前記信号線の少なくとも一部のシールドに接 続し、 前記信号線に接続された第 1インピーダンスに流れる電流によってインピ 一ダンス素子のインピーダンスを検出する方法を少なくとも含む。 このとき、 よ り好ましくは、 前記シールドにシールド電圧が印加される。
これら本インピーダンス検出方法の例では、 さらに前記シールド電圧が、 位相 振幅補償されてシールドに印加されてもよい。
更に、 前記ボルテージフォロワの出力又は第 2演算増幅器の出力を前記ィンピ 一ダンス素子の検出信号から差し引くようにしてもよレ、。
加えて、 前記信号線に接続されたインピーダンス素子に少なくとも直流バイァ ス又は交流バイアスの少なくともいずれかを印加してもよい。
これらの本インピーダンス検出方法の例では、 前記インピーダンス素子の接続 先を前記信号線から前記シールドへ切り替えて初期設定を行うことができる。 同様に、 第 1ィンピーダンスの値を変えて第 1インピーダンスにかかる電位差 を変化させゲインを変える事もできる。 - 記載しているこれら本例において、 「インピーダンス素子」 は、 部品としての 素子のほか、 信号線の端部に測定電極を設け、 この測定電極と測定対象との間に 形成されたインピーダンス等も含む。
また記載しているこれら本例に於いて、 「所定の第 1電圧」 は、 予め定められた 電圧、 又は一定の電圧とも言うことができ、 インピーダンス検出中又はゼロ点調 整等の間、 既知の電圧に維持されていることを指す。 もちろん接地又はアース等 への接続も含み、 このような場合は零ボルトの一定電圧に保たれるということと 等価である。
更に記載しているこれら本例に於いて、 「所定の関係」 とは、 予め定められた 関係又は既知の関係のことである。 一例としては、 2つの端子の間の電圧の位相 と振幅の一方又は双方が、 一定の割合 ·漸次的 ·ランダムに変化するような関係 又は一定であるような関係をいい、 回路全般の状況、 接続する素子あるいは周辺 の環境等に依存している。
上に記載してきた本インピーダンス検出回路、 インピーダンス検出装置、 又は ィンピ一ダンス検出方法のこれらの例では、 ボルテージフォロワ又は第 2演算増 幅器によってシールドと信号線との電位を同電位とし、 第 1演算増幅器によって 信号の電圧増幅を行うようにしたことにより、 インピーダンス検出回路内で、 電 圧増幅部分と、 シールド ·信号線間の電位を同電位とする部分とに分けることが できる。 これらにより、 信号出力電圧に入力される交流電圧の高調波が重畳され たり演算増幅器の内部のトラッキングエラー等による、 反転入力端子と非反転入 力端子との間での電圧のわずかな位相と振幅のズレを殆ど無くすことが出来る。 その結果として、 非常に微少または高精度なインピーダンスを測定する際の、 シ 一ルドなどによる寄生容量の影響を最小限にすることができる。 こうしてインピ 一ダンス素子を流れる電流に正確に比例した信号を得ることが可能となる。 またこれらの本例では、 演算増幅器の一方の入力端子を所定の第 1電圧に接続 することにより、 各演算増幅器の動作が安定する。 従って、 それは、 信号線とシ ールドとの間の浮遊容量をコントロールしながら、 ィンピーダンス素子に流れる 電流に応じて演算増幅器の出力端子に現れる電圧の高調波成分を、 さらに抑制す ることができる。
これらの本例では、 シールドに位相振幅補償した電圧を印加することにより、 高周波の入力信号でも、 信号線とシールドとの間の電位差を、 所望の値となるよ う正確にコントロールすることができる。 例えば、 信号線とシールドとの間の電 位差をほぼゼロにすることが出来て、 それにより、 これらの間の浮遊容量をほぼ 無くすことができる。 なお、 低周波の場合では、 位相振幅補償を用いなくとも許 容誤差範囲になる場合もあるので、 その時は、 これを使用せずとも良い。
これらの本例では、 切替デバイスを用いる事により、 リセットや初期設定等を 、 ィンピーダンス素子を接続しながら又は切り離してのいずれでも正確に行うこ とができる。 これらにより、 インピーダンス素子と信号線との間の電位差を所定 の関係に維持することができる。 例えば、 この電位差をほぼゼロにすると、 両者 間の浮遊容量をほぼ無くすことが可能となり、 更に精度向上を図ることができる 。 これは、 マルチプレクサでも同様である。
また、 選択デバイスを用いれば、 第 1インピーダンスの値を変えられる。 よつ て第 1ィンピーダンスに掛かる電位差を変えることができ、 そのゲインを測定精 度を維持したまま変化させることができる。
これら本インピーダンス検出回路、 装置、 方法では、 前記した切替デバイス又 は選択デバイスを用いることにより、 選択されたインピーダンスと、 選択されて いないインピーダンスとの間の電位差を所定の関係に維持しながら、 本回路の增 幅特性やゲインを変更することができる。 従って検出対象や測定状況に応じて測 定レンジ切替を行う場合でも、 その値を正確に変化させて高精度な検出を行うこ とが可能となる
本インピーダンス検出装置では、 外部のインピーダンス素子との接続を、 測定 信号が伝わる接続線との間の電位差が正確に制御されたシールドで遮蔽すること が可能となる。 例えばシールドの電位を接続線の電位と等しいものとすると、 両 者間の浮遊容量をほぼ無くすことが可能となる。 更に、 この本インピーダンス 検出装置では、 本インピーダンス検出回路を実装した基板自体をシールドで電気 的に遮蔽しているので、 信号線とシールドとの間の電位差を正確にコント口ール することができる。 例えば、 この電位差をほぼゼロにすると、 信号線と基板外部 との間の浮遊容量をほぼ無くすことができ、 微少なインピーダンス又は、 微少な インピーダンスの変化を正確に検出することが出来る。 発明を実施するための形態
次に、 これらの本インピーダンス検出回路、 インピーダンス検出方法、 及ぴィ ンピーダンス検出装置の例における具体的な実施の形態について、 図面を参照し つつ詳細に説明する。
図 1は、 本^ Jのインピーダンス検出回路のコア部 1を取り出して示す回路図で ある。 このコア部 1は、 第 1演算増幅器 1 2及び第 2演算増幅器 1 1を含んでい る。 第 2演算増幅器 1 1は、 反転入力端子と出力端子とが短絡されているので、 —面ではボルテージフォロヮと言うことができる。 ここでボルテージフォロワと は、 入力インピーダンスが高い一方、 出力インピーダンスが低く、 入出力ゲイン が 1であって、 インピーダンス変換器として機能するものをいう。 第 2演算増 幅器 1 1の非反転入力端子には、 信号線 1 9が接続されている。 そしてこの信号 線 1 9に、 インピーダンス素子 1 8の一例として容量センサが接続できる。 この 容量センサは、 受けた物理量 (加速度、 圧力、 ガス、 光、 音波等) に応じてその 有する静電容量 C sを変化させるものである。 信号線 1 9に接続した前記容量セ ンサの他端は、 バイアス端子 2 3に接続されるか、 又は接地される。 バイアス端 子 2 3は、 フローティングであってもよいが、 交流又は直流あるいはその両方の バイアス電圧が印加された方が、 より精度よく測定することが可能となる。 特に 電圧によってインピーダンスが変化するインピーダンス素子の場合、 これにバイ ァス電圧が印加されると、 インピーダンスの検出及ぴ C一 V測定を高精度に、 か つ容易に行うことができる。
第 1演算増幅器 1 2は、 その非反転入力端子が接地される一^、 反転入力端子 には第 1抵抗 (抵抗値 R 1 ) 1 5及び第 2抵抗 (抵抗値 R 2 ) 1 6のそれぞれ一 端が接続されている。 好ましくはこのように非反転入力端子が接地されるが、 ゼ 口電位等の一定電圧に保持されればよい。 例えば、 バイアス電圧が、 この非反転 入力端子に印加されても、 それが一定電圧に保持さえされれば、 この演算増幅器 のいわゆる電気的なゆらぎを抑制できる。 従って、 そうした方法が採用されても よい。 そして、 第 1抵抗 1 5の他端は交流電圧発生器 (発生交流電圧 V i n、 各 周波数 ω ) 1 4に接続され、 第 2抵抗 1 6の他端は前記第 2演算増幅器 1 1の出 力端子に接続されている。
第 1演算増幅器 1 2の出力端子は、 第 3抵抗 (第 1インピーダンス、 抵抗値 R 3 ) 1 7を介して第 2演算増幅器 1 1の非反転入力端子に接続されている。 第 1 演算増幅器 1 2の出力端子、 第 2演算増幅器 1 1の非反転入力端子、 及び前記容 '量センサを互いに接続する前記信号線 1 9と第 3抵抗 1 7とは、 シールド 2 0で 被覆されている。 このシールド 2 0は、 外部から前記信号線 1 9を電気的に遮蔽 する。 そしてこのシールド 2 0は、 補償回路 1 3を含むシールド電圧印加装置を 介して第 2演算増幅器 1 1の出力端子に接続されている。 また第 1演算増幅器 1 2の出力端子に信号出力端子 2 1が接続され、 第 2演算増幅器 1 1の出力端子に 交流出力端子 2 2が接続されている。 さらに、 図が煩雑になるのを避けるため図 1では図示していないが、 第 2演算増幅器 1 1の非反転入力端子には、 図 8に一 例として示すように、 正負電源間に接続された Ν型 MO S F Ε Τ 4 7 a、 P型 M O S F E T 4 7 bがアナログバッファ 4 7として設けられている。 そしてこのァ ナログパッファ 4 7の入力で前記信号線 1 9を受けることにより、 信号線 1 9側 からみたインピーダンスをきわめて高いものとしている。 図 2は、 本例のインピ 一ダンス検出回路のコァ部 1の他の一例である。 交流電圧発生器 1 4が第 1演算 増幅器 1 2に反転入力端子につながつていない他は、 図 1と同じである。 この様 に、 コア部 1の例として構成することもできる。
図 9は、 前記コア部 1における前記インピーダンス素子 1 8としての容量セン サと信号線 1 9との接続部分を詳細に示している。 この接続部分には、 切替スィ ツチ (切替デバイス) 2 4が設けられている。 この切替スィッチ 2 4は、 1次側 接続端子 2 4 aの接続先を、 2つの 2次側接続端子 2 4 bと 2 4 cとの間で切り 替えられる。 この切替スィツチ 2 4の 2次側接続端子 2 4 bに前記信号線 1 9が 接続され、 2 4 cには前記シールド 2 0が接続されている。 そして切替スィッチ 2 4の 1次側接続端子 2 4 aに、 前記容量センサの一端を接続できる。
図 7は、 前記コア部 1に設けた補償回路 1 3の一例を示す回路図である。 この 補償回路 1 3は、 位相調整部 4 8と振幅調整部 4 9とから構成されている。 位相 調整部 4 8は、 演算増幅器 7 1を用いた全域通過フィルタとして構成されている 。 すなわち、 入力端子 3 0と演算増幅器 7 1の反転入力端子との間には抵抗 7 3 が設けられ、 前記入力端子 3 0と非反転入力端子との間には可変抵抗 7 4が設け られている。 また演算増幅器 7 1の出力端子と反転入力端子との間に抵抗 7 5が 設けられ、 さらに演算増幅器 7 1の非反転入力端子にはコンデンサ 7 6が接続さ れている。 この例では、 抵抗 7 3と抵抗 7 5との抵抗値は、 互いに等しい。 そし てこの位相調整部 4 8の出力側は、 振幅調整部 4 9の入力側に接続されている。 振幅調整部 4 9は、 演算増幅器 7 2を用いた反転増幅器としても構成されている 。 つまり、 この位相調整部 4 9の入力と演算増幅器 7 2の反転入力端子との間に 抵抗 7 7が設けられ、 演算増幅器 7 2の出力端子と反転入力端子との間に可変抵 抗 7 8が設けられ、 更に演算増幅器 7 2の非反転入力端子は接地されている。 図 3は、 インピーダンス検出回路の全体の一例を示す回路図である。 図 1の回 路図で示されるコア部 1では、 補償回路 1 3の入力側が第 2演算増幅器 1 1の出 力端子に接続されているが、 この例の回路図に示されるコア部 1では、 補償回路 1 3の入力側は交流電圧発生器 1 4に接続されている。 後述するように、 このよ うな接続としても第 2演算増幅器 1 1の出力電圧を位相振幅捕償してシールド 2 0に印加することができる。 この例のコア部 1の信号出力端子 2 1には、 第 3演 算増幅器 3 6を備えた反転増幅デバイス 2が接続される。 前記信号出力端子 2 1 は、 抵抗値可変の第 4抵抗 (抵抗値 R 4 ) 3 2を介して第 3演算増幅器 3 6の反 転入力端子に接続される。 そしてこの反転入力端子と第 3演算増幅器 3 6の出力 端子との間には、 反転入力端子側から順に第 5抵抗 (抵抗値 R 5 ) 3 3及び抵抗 値可変の第 6抵抗 (抵抗値 R 6 ) 3 4が直列に接続され、 さらにこの第 6抵抗 3 4と並列にコンデンサ 3 5が接続されている。 また第 3演算増幅器 3 6の非反転 入力端子は接地されている。
さらに本例コァ部 1の交流出力端子 2 2及び前記反転増幅部 2の反転出力端子 4 2は、 第 4演算増幅器 4 0を備えた加算デバイス 3に接続されている。 前記交 流出力端子 2 2は第 7抵抗 (抵抗値 R 7 ) 3 7を介して、 また前記反転出力端子 4 2は第 8抵抗 (抵抗値 R 8 ) 3 8を介して、 それぞれ第 4演算増幅器 4 0の反 転入力端子に接続されている。 そしてこの第 4演算増幅器 4 0の反転入力端子と 出力端子とが第 9抵抗 (抵抗値 R 9 ) 3 9で接続され、 出力端子は加算出力端子 4 1に接続されている。 また第 4演算増幅器 4 0の非反転入力端子は接地されて いる。
図 1 0は、 上記インピーダンス検出回路例を備えたインピーダンス検出装置を 示す模式透過斜視図である。 インピーダンス検出回路が実装された基板 4 4は、 その内部を電気的に遮蔽するシールドケース (シールド) 4 5内に設けられ、 さ らにそれは、 電気的に遮蔽する装置ケーシング (シールド) 4内に配置されてい る。 この装置ケーシング 4には、 インピーダンス接続端子 5、 シールド端子 6、 バイアス入力端子 7、 及び接地端子 8が、 それぞれ装置ケーシング 4に設けられ ている。 そして前記基板 4 4からは、 前記切替スィッチ 2 4の端子 2 4 aに接続 された信号線 1 9が延び、 インピーダンス接続端子 5に接続されている。 この信 号線 1 9はシールド 2 0で被覆されているが、 このシールド 2 0はさらに外部を 第 2シールド (シールド) 4 6によって被覆され、 更に電気的に遮蔽されている 。 シールド 2 0は、 前記シールドケース 4 5及びシールド端子 6に接続されてい る。 また前記装置ケーシング 4と第 2シールド 4 6とが接地端子 8に接続され、 装置ケーシング 4も接地されている。 バイアス入力端子 7は、 前記検出回路のパ ィァス端子 2 3に接続されている。 なお、 前記バイアス入力端子 7は、 前記パイ ァス端子 2 3がフローティングや接地の態様となる場合には設けられないことも ある。
次に、 上記の例のように構成されたインピーダンス検出回路及びインピーダン ス検出装置の動作について説明する。 まず前記インピーダンス接続端子 5から延 ぴる信号線 1 9の端部に、 インピーダンス素子 1 8の一例として容量センサを接 続する。 この接続には、 2重シールドケーブルを用いる。 そしてこのケーブルの 軸線を当該容量センサの接続に用いるとともに、 内側シールドをシールド端子 6 に接続する。 外側シールドは、 ケーブルの長さ、 ケーブル種類、 使用環境等によ つて、 接地端子 8に接続するか、 シールド端子 6に接続する等、 場合に応じて適 宜使い分ければよい。 またバイアス入力端子 7は、 この例では接地端子 8と接続 する。
前記容量センサのインピーダンスを Zとする。 すると前記コア部 1において、 交流出力端子 22の電圧 V oは、
V o =— (R 2/R 1 ) · V i n (1)
で表される。 つまり、 第 1演算増幅器 1 2と、 第 2演算増幅器 1 1を含むポルテ 一ジフォロワと、 第 1抵抗 1 5と、 第 2抵抗 1 6とによって、 入力電圧 V i nを 増幅した電圧 V oをボルテージフォロワの出力端子から出力させる増幅回路が構 成されている。 言い換えると、 第 2演算増幅器 1 1の両入力端子がイマジナリー ショート状態であり、 第 1演算増幅器 1 2とを含んで増幅回路が構成されている と言うこともできる。
反転増幅デバイス 2のゲインが一 1となるように抵抗 3 2、 3 3、 34を設定 すると、 反転出力端子 42の電圧 Vbは、
V b =- V c
で表される。
さらに計算のために、 前記加算デバイス 3のみに注目した時、 の加算出力端子 4 1の電圧 V aは、
V a =-R 9 · ( (V o/R 7) + (Vb/R 8) )
となるから、 各抵抗値を R 7=R 8 =R 9と等しく しておくと、 Vaは
V a =- (V o + V b)
=— (V o— V c )
= V c -V o (2)
となり、 反転増幅デバイス 2と加算デバイス 3とによってキャンセル装置が構成 される事が分かる。 ここで第 3抵抗 1 7を前記容量センサに向かって流れる電流を iとすると、 ポ ルテージフォロワやイマジナリーショート等の機能によって電流 iのほぼ全量が 前記容量センサに流れることになるから V o = Z · i となり、 信号出力端子 2 1 から出力される検出信号の電圧 V cは、
V c = i · R 3 +V o
= ( 1 +R 3/Z) · V 0 ,
で表され、 検出信号 V cが第 2演算増幅器の出力端子に現れている V oを含んで いることが分かる。 これを(1),(2)式を用いて変形すると、
V a = V c -V o
= ( 1 +R 3 /Z) - V o— V o
= (R 3/Z) · V o
=- (R 3 · R 2/ (Z · R 1 ) ) · V i n
となる。
Z = 1 / ( j ω C s )
であるから、 電圧 V aは結局、
V a =- ( j ω θ s - R 3 - R 2/R 1 ) · V i n
と表される。 従って加算出力端子 4 1からは、 前記容量センサの容量値 C sに比 例した電圧値 V aが得られる。 従って、 加算出力端子 4 1から電圧 V aを取り出 し、 その後この V aに基づいて種々の信号処理を行うことにより、 正確な容量値 C sを得ることができる。
第 2演算増幅器 1 1は、 その反転入力端子と非反転入力端子とをイマジナリ · ショートの状態として動作している。 しかしながら第 2演算増幅器 1 1の入カイ ンピーダンスも理想的な無限大ではないため、 前述のように反転入力端子の電圧 V o mと非反転入力端子の電圧 V o pとの間には微小な振幅差及び位相差が発生 する。 そしてこの振幅差及び位相差は、 入力信号の周波数が高くなるほど顕著に なる。 V i nが 1 09H zのオーダーの高周波で前記容量センサの容量 C sが例 えば 1 0—1 5 F程度のオーダーだと、 V o niと V o pとの間の振幅差及び位相差 は無視することができない。 そのため C sがゼロのときも V o =— V bとならず 、 測定誤差が生じる。 そこで前記容量センサの容量値 C sを測定する前に、 前記 切替スィツチ 2 4の 1次側接続端子 2 4 aをシールド 2 0に接続されている二次 側接続端子 2 4 cにスィッチして第 2演算増幅器 1 1の非反転入力端子から前記 容量センサを取り外した状態とする。 そしてこの状態で、 上記のインピーダンス 検出回路を動作させる。 ここで、 V o =— V b、 すなわち V a = 0となるように 、 反転増幅デバイス 2の第 4抵抗 3 2を調整して V bの振幅を V oと合わせ、 ま た容量が並列に接続されている第 6抵抗 3 4を調整することで位相を回し、 V b の位相を一 V oに合わせる。 これらのことは、 すなわち、 反転増幅デバイス 2が 、 ゼロ調整手段としても機能するということも示す。
これまで示してきたように、 V o mと V o pとの間には僅かに位相差 '振幅差 があるが、 いずれも交流電圧 V i nに同期した信号である。 そこで前記補償回路 1 3の位相調整部 4 8に設けられた可変抵抗 7 4によって V i nの位相を調整し 、 振幅調整部 4 9に設けられた可変抵抗 7 8によって V i nの振幅を調整するこ とにより、 V o pと位相及び振幅の等しいシールド電圧 V o sを形成する。 つま り、 シールド電圧発生器は、 少なくとも交流電圧発生器 1 4及び補償回路 1 3と を含んでいる。 図 1に示す回路例においては補償回路 1 3の入力側が、 第 2演算 増幅器 1 1の出力端子に接続されている。 図 1および図 3ともに、 第 2演算増幅 器 1 1の出力電圧 V oは交流電圧 V i nと同期した信号である。 そして、 その非 反転入力端子すなわち信号線 1 9の電圧と出力電圧 V oとはイマジナリ · ショー トによってほぼ等しい。 従って、 図 3のように V i nを位相振幅補償してシール ド 2 0に印加することは、 図 1のように出力電圧 V oを位相振幅補償した信号を シールド 2 0に印加することと機能的に同じである。 ポルテージフォロワの出力 である V oよりも検出回路の入力信号である V i nの方がノイズ成分が少ないか ら、 V i nを位相振幅補償して V o sを形成し、 シールド 2 0に印加する方が、 より高精度な検出をすることができる。 これらによってシールド 2 0の電圧は瞬 時においても信号線 1 9の電圧と等しくなり、 信号線 1 9とシールド 2 0との間 の浮遊容量は、 確実にキャンセルできる。
上記ィンピーダンス検出回路例及ぴインピーダンス検出装置例では、 補償回路 1 3で交流電圧 V i n (又はボルテージフォロワの出力電圧 V o ) の振幅及び位 相を調整して、 信号線 1 9の電圧 V o pと振幅及ぴ位相の等しいシールド電圧 V o sを形成し、 これをシールド 2 0に印加している。 従って V i nが数 k H z〜 数百 k H z程度の低周波ばかりでなく、 例えば 1 0 9 H z以上の高周波であって も、 信号線 1 9とシールド 2 0との間の浮遊容量を確実にほぼ無くし、 前記容量 センサが有する容量 C sのみを正確に検出することができる。
ここで、 第 2演算増幅器 1 1は、 全ての端子が交流動作しているため、 この第 2演算増幅器 1 1だけで大きなゲインを得ようとすると、 揺らぎ等による演算誤 差が大きくなる。 その結果、 容量値 C sの測定値に誤差が含まれる。 それを防ぐ ため、 これらの本例では、 第 2演算増幅器 1 1の反転入力端子と出力端子とを短 絡し、 ほぼゲイン = 1のボルテージフォロワとして、 それらを機能させている。 そして、 必要なゲインは、 第 1演算増幅器 1 2によって得ている。 従って、 C s の測定を正確に行うことができる。 また増幅を行う第 1演算増幅器 1 2は、 その 非反転入力端子を接地している。 非反転入力端子を接地するとこの端子の電圧が 安定するので、 特にこの演算増幅器を高速動作させている場合に、 出力信号に含 まれる高調波を抑制することができる。 なお、 この端子は電圧が安定すればよい ので、 接地以外に一定の電圧が印加されていてもよい。 これらにより、 従来の回 路で誤差要因となっていた V aの高調波成分が大幅に低減され、 測定精度もまた 顕著に向上させることができる。 従って一段と高精度な C sの測定をすることが できる。
図 3〜図 6の例では、 V cから V oを差し引くことにより、 C sに比例した電 圧 V aを取り出せるようにしている。 つまり、 前記容量センサに流れる電流のみ を検出できる。 これらによって、 C sを算出するために必要な以後の信号処理回 路を簡素化でき、 誤差要因の発生を大幅に抑制することができる。 Q を差し引くにあたっては、 図 4、 図 5や図 6にあるように、 直接減算器を用いる ことが多い。 この場合、 第 5演算増幅器 5 0, 5 1の入力端子には、 V cと V o とが直接印加される。 この時、 演算増幅器 5 0のように、 安定化のために一つの 端子が、 接地または一定の電圧に保持されるようにしてもよい。 加えて、 図 6で は、 V cの入力側に位相補償回路を設けているが、 この例の様に、 いずれかの入 力端子に位相振幅補償回路が付加されても良い。 また、 一方で、 図 3の様に、 V cから V oを差し引くにあたっては、 V cを反転してから V oとを加算するよう にしてもよい。 これは、 演算増幅器の動作を高精度に安定化させるためには演算 増幅器の非反転入力端子を接地又は一定の電圧で保持することが望ましいが、 こ の例のように反転増幅器と加算器との構成にすれば、 それぞれ演算増幅器の非反 転入力端子に接地又は一定の電圧を印加し、 それ状態を保持できる。 この例の場 合では、 反転増幅デバイス 2を構成する第 3演算増幅器 3 6と加算デパイス 3を 構成する第 4演算増幅器 4 0の非反転入力端子とをそれぞれ接地している。 高速 で動作させる場合には、 これらの非反転入力端子が一定の電圧値に保持されてい れば演算増幅器の動作が安定するので、 こうした所定の電圧に端子を接続するこ とが好ましい。 こうすることによって演算増幅器 4 0の出力電圧 V aに含まれ得 る高調波を抑制し、 さらに精度の高い C sの測定をすることができる。
第 2演算増幅器 1 1は、 その反転入力端子と非反転入力端子とをイマジナリ - ショートの状態として動作している。 しかしながら上に記載しているように、 両 入力端子電圧 V o m、 V o p間に振幅差及び位相差が生じることがある。 そのた め反転増幅デバイス 2及び加算デバイス 3の増幅度を仮に正確に 「1」 となるよ うに設定できても、 C s = 0のときに V a = 0とならない場合がある。 そこで図 3の例では、 反転増幅部 2において V cの位相及び振幅を調整できるようにし、 C s = 0のときほぼ V a 0となるようにゼロ調整出来るようにしている。 また ここでの位相調整は、 演算増幅器の非反転入力端子にコンデンサを接続した全域 通過フィルタによるのではなく、 演算増幅器の非反転入力端子を接地するととも に帰還回路に容量成分を設けた反転増幅器によって行うようにしている。 従って 、 ここでも出力信号に含まれ得る高調波を抑制して、 C sの測定精度が低下する のを防止している。
ゼロ調整は、 前記容量センサの接続を切り離した状態で行う。 しかし、 この接 続の切り離しを通常のスィツチで行うと、 切り離された前記容量センサと信号線 1 9との間に生じる浮遊容量により、 正確なゼロ調整ができない。 そこで本例の インピーダンス検出回路では、 信号線 1 9から切り離された前記容量センサを切 替スィツチ 2 4でシールド 2 0と接続できるようにしている。 このシールド 2 0 に印加されている電圧 V o sは信号線 1 9の電圧 V o pと等しいから、 信号線 1 9から切り離された前記容量センサと信号線 1 9との間に浮遊容量を生じさせる ことなく、 正確なゼロ調整をすることができる。
さらに図 1 0のインピーダンス検出装置の例では、 信号線 1 9をシールドする シールド 2 0を、 さらに第 2シールド線 4 6でシールドしている。 ケーブルが短 いときはこの第 2シールド 4 6を接地して、 電圧 V o sが印加されるシールド 2 0に外乱ノイズが重畳されるのを防止できる。 従って信号線 1 9とシールド 2 0 とを同電位に維持することができる。 またこの例では、 インピーダンス検出回路 が実装された基板 4 4をシールドケース 4 5内に入れ、 このシールドケース 4 5 を前記シールド 2 0と同電位にしている。 従って、 このシールドケース 4 5と信 号線 1 9との間で浮遊容量が発生するのを防止しつつ基板 4 4をシ一ルドするこ とができる。 さらにシ一ノレドケース 4 5を収納した装置ケーシング 4を接地して いる。 従って、 電圧 V o sが印加されたシールドケース 4 5に外乱ノイズが重畳 されるのを防止して、 信号線 1 9とシールドケース 4 5とを同電位に維持するこ とができる。
この様に、 本インピーダンス検出装置の例では、 信号線と基板外部との間の浮 遊容量をほぼ正確にコントロールすることができる。 従ってこれらの装置では、 一段と高精度なインピーダンス検出を行うことが可能となる。
本例のインピーダンス検出回路、 インピーダンス検出装置及ぴインピーダンス 検出方法は、 上記実施形態に限定されるものではなく、 この発明の範囲内で種々 変更して実施することができる。 例えば、 上に記載したものでは信号線 1 9の端 部にインピーダンス素子 1 8として容量センサを取り付けるようにしたが、 信号 線 1 9の端部に測定電極を形成し、 この測定電極と測定対象との間で形成される 容量 C sを上記検出回路又は測定装置で検出するようにしてもよい。
また上記では補償回路 1 3によって信号線 1 9とシールド線 2 0とを同電位と したが、 インピーダンス検出回路の使用状況等により両者 1 9、 2 0間に所定の 電位差を与えたい場合には、 前記補償回路 1 3で交流電圧 V i nの振幅と位相と を適宜に調整すればよい。
さらに図 1で示す上記検出回路の具体的な構成は一例であって、 他の回路構成 を採用することができるのは勿論である。 例えばコア部 1を構成する第 1演算増 幅器 1 2及び第 2演算増幅器 1 1を、 それぞれ非反転増幅器として構成するよう な回路としてもよい。
また上記では補償回路 1 3を位相調整部 4 8と振幅調整部 4 9とで構成したが 、 反転増幅デバイス 2と同様の回路によって補償回路 1 3を構成してもよい。 こ のようにすると演算増幅器の非反転入力端子が接地されることになるので、 シー ルド電圧に高調波が含まれてこれが誤差要因となるのをさらに防止することがで きる。
上記ではインピーダンス素子 1 8として容量センサを用いたが、 これは誘導性 の素子を用いてもよい。 また電圧によって容量が変化する素子の C一 V (容量— 電圧) 特性を検出する場合には、 前記バイアス入力端子 7に D C電圧を変化させ ながら印加すればよい。 バイアス電圧は前記容量センサの反信号線側に印加され るから、 信号線 1 9の電位 V o p自体は一定の電圧を中心に振動する交流電圧の ままとなる。 従って V cが不安定になってこれが測定結果の誤差要因となるのを 回避することができる。 このような D Cバイァスの発生器は測定装置に外部から 接続してもよいが、 予め検出回路のバイアス端子 2 3に接続して測定装置の内部 に設けてもよい。 また内部に設けた発生器と外部から接続した発生器とを切り替 えて前記バイアス入力端子 2 3に接続できるようにしてもよい。
さらに上記では単一のィンピーダンス素子を接続する場合を説明したが、 複数 のインピーダンス素子を接続し、 測定する素子を切り替えられるようにしてもよ い。 図 1 1は、 このような場合における信号線 1 9の端部を示す図である。 複数 のインピーダンス素子 1 8、 2 6を設ける場合には、 各素子 1 8、 2 6に対応し て上記した切替スィツチ 2 4と同構成の切替スィツチ 2 5を設ける。 そして信号 線 1 9を各 2次側接続端子の一つに接続するとともに、 シールド 2 0を各 2次側 接続端子の他の一つに接続する。 1次側接続端子には、 それぞれインピーダンス 素子 1 8、 2 6を接続する。 一方の切替スィッチ 2 4で、 インピーダンス素子 1 8が信号線 1 9に接続されるときには、 同図に示すように、 他方の切替スィッチ 2 5でインピーダンス素子 2 6とシールド 2 0とが接続される。 また、 他方の切 替スィツチ 2 5でインピーダンス素子 2 6が信号線 1 9に接続されるときには、 一方の切替スィツチ 2 4でインピーダンス素子 1 8とシールド 2 0とが接続され る。 この様に、 各切替スィッチ (切替デバイス) はマルチプレクサを構成し、 測 定素子を切り替えることが出来る。 また、 このマルチプレクサは、 検出回路のゼ 口調整を行う場合などに信号線 1 9から両素子 1 8、 2 6をともに切り離しても よいし、 検出の目的等によっては両素子 1 8、 2 6をともに信号線に接続しても よい。 このマルチプレクサは、 検出等の目的とする素子を接続した切替スィッチ 以外のすべての切替スィツチをシールドに接続することにより、 浮遊容量等の外 乱因子を大きく減少できる。
この様に、 切替デバイスを用いれば、 インピーダンス素子を信号線から切り離 したときにも、 インピーダンス素子と信号線との間を所定電位に維持することが できる。 例えばこの電位差をゼロとすると、 両者間の浮遊容量をキャンセルする ことが可能となる。 従って、 例えばインピーダンス検出回路等においてゼロ調整 、 リセット、 初期設定等の回路の更正を正確に行うことが可能となる。 ここで、 複数の切替デバイス又はマルチプレクサを用いれば、 複数の 1次側から必要なィ ンピーダンス素子だけを選択して 2次側に接続する場合にも、 接続から切り離さ れた 1次側接続端子と 2次側接続端子との間を所定電位に維持することができる 。 例えば、 この電位差をゼロとすると、 両者間の浮遊容量をキャンセルすること ができるので、 例えばインピーダンス検出回路等において、 複数の被測定素子 ( 即ちインピーダンス素子) から適宜に素子を選択してインピーダンス値を検出す るような場合にも、 正確な検出を行うことが可能となる。
このような切替スィッチ 2 4は、 インピーダンス検出回路のゲイン切替にも用 いることができる。 例えば図 1に示す第 1インピーダンス 1 7の代わりに、 抵抗 値の異なる複数の抵抗 (インピーダンス) と各抵抗 (インピーダンス) に対する 選択デバイスとして切替スィッチ 2 4を信号線と複数の抵抗との間に設ける。 図 1 2に示されるように、 各抵抗の一端が第 1演算増幅器 1 2の出力端子に接続さ れる一方、 各抵抗の他端が前記切替スィツチ 2 4の 1次側接続端子に接続される 。 また 2次側接続端子の一つの端子を信号線に接続し、 他の端子をシールド 2 0 に接続する。 こうして、 これら選択デバイスによって選択されたインピーダンス は合成インピーダンスとなり、 選択されなかった抵抗はその接続先がシールド 2 0となる。 このように各切替スィッチ 2 4を制御する選択デバイスは、 マルチプ レクサとなっている。 すると、 接続しない抵抗と、 信号線又はシールドとの間に 発生する浮遊容量を制御できる。 従って、 容量 C sの高精度な検出を妨.げること なくインピーダンス素子に加えられる電位差を変えることが可能となり、 結果と して、 ゲインの切替ができるようになる。 また、 図 1 3に示すように、 切替スィ ツチを第 演算増幅器 1 2と^ 1インピーダンス 1 7との間に設けても良い。
—方で上記と同様に、 例えば図 1に示す第 2抵抗 1 6の代わりに、 図 1 4で示 しているような、 抵抗値の異なる複数の抵抗 1 2 1, 1 2 2と各抵抗に対応して 切替スィッチ 2 4、 2 5を選択デバイスとして設けてもよレ、。 また例示はしてい ないが、 第 1抵抗 1 5等についても同様である。 この様に、 これらの選択デパイ スを用いて抵抗値の異なる複数の抵抗から回路に接続する抵抗を選択できるよう にし、 選択されない抵抗はシールドに接続されるようにして、 検出対象や測定状 況に応じた正確なレンジ切替ができるようにしてもよい。
この様に選択デバイスやそのマルチプレクサを用いることによって、 回路中の インピーダンスを複数準備して適宜インピーダンスを選択する際に、 選択されな い接続から切り離されるインピーダンスと、 選択されるインピーダンスや接続先 端子との間を所定電位に維持することができる。 従って、 検出対象に応じてレン ジ切替を、 非選択ィンピ一ダンスにかかわる浮遊容量をキャンセルして行うこと が出来、 その結果、 インピーダンス検出回路の増幅特性を正確に変化させて高精 度な検出を行うことが可能となる。
これらの切替デバイスや選択デバイスの例では、 切替スィッチを、 一つの端子 を持つ 1次側接続端子と、 2つの接続端子を持つ 2次側接続端子を備えた 3端子 間の切替スィッチとして構成した場合を示した。 しかしながらこれは、 1次側接 続端子が 2個以上とされ、 切替接続先となる 2次側接続端子が 3個以上に構成さ れていてもよい。 そのような場合には、 切替接続先となる 2次側接続端子のうち 少なくとも 1つがシールドに接続され、 この端子と他の 2次側接続端子との間で 1次側接続端子の接続先が切り替えられるように成されていればよい。 また、 す ベてスィッチとして例示しているが、 切替スィッチは、 これ以外の想定され得る デバイスによつて構成されても良い。
ここで、 信号線 1 9のシールドは、 2重、 3重と重ねてシールドしてもよい。 本例では 2重シールドケーブルの長さが約 5 0 c m以上であるときは外側シール ド線をシールド端子 6に接続するようにしたが、 第 1演算増幅器 1 2が十分な電 流を取り出すことのできるパワー型であるような場合には、 そのパワーに見合つ た長さまで 5 0 c πι以上の外側シールドを接地端子 8に接続することができる。 本発明が、 詳細に記述され説明されてきたが、 明らかに理解されることは、 こ こに記載されている同一のものは、 説明と実例としてのものであり、 限定として 得られるものではない。 本発明の思想と範囲は、 付加されているクレームの用語 によってのみ限定される。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . インピーダンス検出回路であって、
ボルテージフォロワと第 1演算増幅器とを含み、
前記ボルテージフォロワの入力端子にその一端が接続され他端にインピーダン ス素子を接続できる信号線と、
前記信号線の少なくとも一部を電気的に遮蔽するシールドと、
前記シールドにシールド電圧を印加するシールド電圧印加装置と、
第 1演算増幅器の出力端子と前記信号線との間に設けられた第 1ィンピーダン スと、
第 1演算増幅器の出力端子に接続された信号出力端子とを
含むことを特徴とするィンピーダンス検出回路。
2 . インピーダンス検出回路であって、
第 1演算増幅器と、
両入力端子がイマジナリ ' ショートの状態にある第 2演算増幅器と、 第 2演算増幅器の一方の入力端子にその一端が接続され他端にィンピーダンス 素子を接続できる信号線と、
前記信号線の少なくとも一部を電気的に遮蔽するシールドと、
第 1演算増幅器の出力端子と前記信号線との間に設けられた第 1インピーダン スと、
第 1演算増幅器の出力端子に接続された信号出力端子とを
含むことを特徴とするインピーダンス検出回路。
3 . 請求項 2のインピーダンス検出回路であって、
前記シールドにシールド電圧印加装置が更に接続されたことを特徴とするィン ピーダンス検出回路。
4 . 請求項 1又は 3のィンピーダンス検出回路であって、
前記シールド電圧印加装置が位相振幅補償デパイスを含むことを特徴とするィ ンピーダンス検出回路。
5 . 請求項 1〜 4のいずれかのインピーダンス検出回路であって、
第 1演算増幅器の一方の入力端子が、 所定の第 1電圧に接続されていることを 特徴とするインピーダンス検出回路。
6 . 請求項 1〜 5のいずれかのインピーダンス検出回路であって、
前記信号出力端子の出力電圧から前記ボルテージフォロワ又は第 2演算増幅器 の出力電圧を除去するキャンセル装置を更に含むことを特徴とするインピーダン ス検出回路。
7 . 請求項 6のインピーダンス検出回路であって、
前記キャンセル装置は、
前記両出力電圧のうち一方の電圧を第 3演算増幅器を用いて反転させる反転増 幅部と、
前記両出力電圧のうち他方の電圧と前記反転増幅部の出力電圧とを加算する加 算部とを含み、
第 3演算増幅器は、 その一方の入力端子を所定の第 1電圧に接続していること を特徴とするインピーダンス検出回路。
8 . 請求項 6又は 7のィンピーダンス検出回路であって、
前記キャンセル装置は、
前記両出力電圧のうち一方の電圧を反転させる反転増幅部と、
前記両出力電圧のうち他方の電圧と前記反転増幅部の出力電圧とを第 4演算増 幅器を用いて加算する加算部とを含み、
第 4演算増幅器は、 その一方の入力端子を所定の第 1電圧に接続していること を特徴とするインピーダンス検出回路。
9 . 請求項 7又は 8のインピーダンス検出回路であって、
前記反転増幅部は、 位相振幅補償デバィスを含むことを特徴とするインピーダ ンス検出回路。
1 0 . 請求項 6のインピーダンス検出回路であって、
前記キャンセル装置は、 前記両出力電圧を入力とする減算部を含むことを特徴 とするインピーダンス検出回路。
1 1 . 請求項 1 0のインピーダンス検出回路であって、
前記減算部は、 第 5演算増幅器を含み、
第 5演算増幅器の一つの入力端子を所定の第 1電圧に接続していることを特徴 とするインピーダンス検出回路。
1 2 . 請求項 1〜請求項 1 1のいずれかのインピーダンス検出回路であって、 前記信号線に接続されたインピーダンス素子に少なくとも直流バイアス又は交 流パイァスのいずれかを重畳できるバイアスを設けたことを特徴とするインピー ダンス検出回路。
1 3 . 請求項 1〜1 2のいずれかのインピーダンス検出回路であって、 ボルテージフォロワ又は第 2演算増幅器の非反転入力端子と前記信号線とが接 続されていることを特徴とするインピーダンス検出回路。
1 4 . 請求項 1〜1 3のいずれかのインピーダンス検出回路であって、 更に、 少なくとも一つの端子を持つ一次側接続端子と、 少なくとも二つの端子 を持つ二次側接続端子とを含む切替デパイスを含み、
前記切替デバイスの前記一次側接続端子は少なくともィンピーダンス素子に接 続され、 前記二次側接続端子は少なくとも信号線とシールドとに接続され、 前記一次側接続端子の接続先が、 前記二次側接続端子の間で変化する事を特徴 とするインピーダンス検出回路。
1 5 . 請求項 1 4のインピーダンス検出回路であって、
複数の前記切替デバイスを備えることを特徴とするインピーダンス検出回路。
1 6 . 請求項 1〜1 5のいずれかのインピーダンス検出回路であって、 複数のインピーダンスを含む第 1ィンピーダンスと、
前記複数のィンピーダンスの内少なくとも一つが選択される選択デバイスとを 更に含み、
前記選択デバイスは、 少なくとも一つの端子を持つ一次側接続端子と、 少なく とも二つの端子を持つ二次側接続端子とを含み、
前記一次側接続端子は少なくとも前記ィンピーダンスに接続され、
前記二次側接続端子は少なくともシールドに接続され、 前記一次側接続端子の接続先が、 前記二次側接続端子の間で変化する事を特徴 とするインピーダンス検出回路。
1 7 . 請求項 1 6のインピーダンス検出回路であって、
前記選択デバイスは、
第 1インピーダンスと信号線との間、 あるいは第 1インピーダンスと信号出力 端子との間の少なくともいずれか一方に設置することを特徴とするインピーダン ス検出回路。
1 8 . 請求項 1〜1 7のいずれかのインピーダンス検出回路であって、 前記第 1インピーダンスは、 抵抗又は容量である事を特徴とするインピーダン ス検出回路。
1 9 . 請求項 1〜1 8のいずれかのインピーダンス検出回路であって、 前記シールドは 2重以上の部分を含むことを特徴とするィンピーダンス検出回 路。
2 0 . 請求項 1〜1 9のいずれかのインピーダンス検出回路と、
前記信号線に外部からインピーダンス素子を接続できる端子とを含むことを特 徴とするインピーダンス検出装置。
2 1 . 請求項 1〜 1 9のいずれかのインピーダンス検出回路と、
前記インピーダンス検出回路を実装した基板の少なくとも一部を電気的に遮蔽 するシールドとを含み、
このシールドに前記シールド電圧を印加したことを特徴とするインピーダンス 検出装置。
2 2 . インピーダンス検出方法であって、
ボルテージフォロワの一方の入力端子を信号線に接続し且つ電流の出入が無い 状態とし、
前記ボルテージフォロワの出力電圧に基づくシールド電圧を前記信号線の少な くとも一部のシールドに印加し、
前記信号線に接続された第 1ィンピーダンスに流れる電流によってインビーダ ンス素子のインピーダンスを検出する事を特徴とするインピーダンス検出方法。
2 3 . インピーダンス検出方法であって、
第 2の演算増幅器の両入力端子をイマジナリ ·ショートにし、
一方の入力端子を信号線に接続し且つ電流の出入が無い状態とし、
他方の入力端子を前記信号線の少なくとも一部のシールドに接続し、 前記信号線に接続された第 1ィンピーダンスに流れる電流によってインピーダ ンス素子のインピーダンスを検出することを特徴とするインピーダンス検出方法
2 4 . 請求項 2 3のインピーダンス検出方法であって、
前記シールドにシールド電圧が印加されることを特徴とするインピーダンス検 出方法。
2 5 . 請求項 2 2又は 2 4のインピ一ダンス検出方法であって、
前記シールド電圧が、 位相振幅補償されてシールドに印加されることを特徴と するインピーダンス検出方法。
2 6 . 請求項 2 2〜2 5のいずれかのインピーダンス検出方法であって、 前記ボルテージフォロワの出力又は第 2演算増幅器の出力を前記インピーダン ス素子の検出信号から差し引くことを特徴とするインピーダンス検出方法。
2 7 . 請求項 2 2〜2 6のいずれかのインピーダンス検出方法であって、 前記信号線に接続されたインピーダンス素子に少なくとも直流バイアス又は交 流バイアスのいずれかを加えることを特徴とするインピーダンス検出方法。
2 8 . 請求項 2 2〜 2 7のいずれかのインピーダンス検出方法であって、 前記インピーダンス素子の接続先を前記信号線から前記シールドへ切り替えて 初期設定を行うことを特徴とするインピーダンス検出方法。
2 9 . 請求項 2 2〜2 8のいずれかのインピーダンス検出方法であって、 第 1インピーダンスの値を変えて第 1インピーダンスにかかる電位差を変化さ せゲインを変える事を特徴とするインピーダンス検出方法。
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