WO2003023422A1 - Circuit de mesure de la capacite, instrument de mesure de la capacite et dispositif de microphone - Google Patents

Description

明 細 書 静電容量検出回路、 静電容量検出装置及びマイク ロホン装置 技術分野

本発明は、 静電容量を検出する回路及び装置等に関し、 特に、 微小な 容量を高い精度で検出する回路、 装置及びマイクロホン装置に関する。 背景技術

静電容量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 載のものを挙げることができる。 図 1 は、 この静電容量検出回路を示す 回路図である。 この検出回路では、 電極 9 0、 9 1 で形成される容量セ ンサ 9 2が、 信号線 9 3 を介して演算増幅器 9 5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 9 5の出力端子と前記反転入力端子 との間にコ ンデンサ 9 6が接続されると ともに、 非反転入力端子に交流 電圧 V acが印加されている。 また信号線 9 3 はシール ド線 9 4によって 被覆され、 外乱ノ イズに対して電気的に遮蔽されている。 そしてこのシ 一ル ド線 9 4は、 演算増幅器 9 5の非反転入力端子に接続されている。 出力電圧 V d は、 演算増幅器 9 5の出力端子から トランス 9 7 を介して 取り出される。

この検出回路では、 演算増幅器 9 5の反転入力端子と非反転入力端子 とがィマージナリ ショー トの状態となり、 反転入力端子に接続された信 号線 9 3 と非反転入力端子に接続されたシール ド線 9 4 とは、 互いにほ ぼ同電位となる。 これによつて、 信号線 9 3はシール ド線 9 4によって ガーデイ ングされ、 つまり、 両者 9 3、 9 4間の浮遊容量はキャンセル され、 浮遊容量に影響されにく い出力電圧 V dが得られるという もので ある。

しかしながら、 このような従来技術によれば、 確かに容量センサ 9 2 の容量がある程度に大きいときは信号線 9 3 とシール ド線 9 4 との間の 浮遊容量に影響されない正確な出力電圧 V d を得ることができるものの 数 p Fあるいは f F (フェム トファラッ ド） ォ一ダ一以下の微小な容量 の検出においては、 誤差が大きく なつてしまう という問題がある。 また、 印加する交流電圧 V acの周波数によっては、 演算増幅器 9 5の 内部の トラッキングエラ一等によ り、 イマ一ジナリ ショー トの状態にあ る反転入力端子と非反転入力端子の電圧間にも結果的に微妙な位相 ■ 振 幅のズレが発生し、 検出誤差が大きく なつて しまう という問題もある。 一方、 携帯電話機等に代表される軽量 ■ 小型の音声通信機器において は、 コ ンデンサマイク ロホン等の容量センサで検出した音声を、 高感度 かつ忠実に電気信号に変換するコ ンパク 卜な増幅回路が求められている 数 p Fあるいは f Fオーダ一以下の微小な容量又はその変化を正確に検 出することができるならば、 極めて高い感度で、 かつ、 忠実に音声を検 出することが可能な高性能なマイク ロホンが実現され、 携帯電話機等の 音声通信機器での音声のピックアップにおける性能が飛躍的に向上され る。

そこで、 この発明は、 このような状況に鑑みてなされたものであり、 微小な容量を正確に検出することができ、 かつ、 軽量 ■ 小型の音声通信 機器に使用されるコンデンサマイクロホン等の容量センサの容量検出に 適した静電容量検出回路等を提供することを目的とする。 発明の開示

上記目的を達成するために、 本発明に係る静電容量検出回路は、 被検 出コンデンサの静電容量に対応する検出信号を出力する静電容量検出回 路であって、 入力イ ンピーダンスが高く 電圧利得がほぼ 1 のボルテージ フォロワと、 容量性の第 1 インピーダンス素子と、 演算増幅器と、 前記 演算増幅器に交流電圧を印加する交流電圧発生器と、 前記演算増幅器の 出力に接続される信号出力端子とを備え、 前記ボルテージフォロワの入 力端子には前記被検出コ ンデンサの一端と前記第 1 イ ンピーダンス素子 の一端とが接続され、 前記演算増幅器の負帰還路に前記第 1 ィ ンビーダ ンス素子及び前記ボルテージフォロワが含まれ、 前記被検出コ ンデンサ と前記静電容量検出回路とは隣接して設けられていることを特徴とする, また、 本発明に係る静電容量検出回路は、 被検出コ ンデンサの静電容 量に対応する検出信号を出力する静電容量検出回路であって、 入力イン ピーダンスが高く電圧利得がほぼ 1 のボルテージフォロワと、 容量性の 第 1 インピーダンス素子と、 演算増幅器と、 前記演算増幅器に交流電圧 を印加する交流電圧発生器と、 前記演算増幅器の出力に接続される信号 出力端子とを備え、 前記ボルテージフォロワの入力端子には前記被検出 コンデンサの一端と前記第 1 インピーダンス素子の一端とが接続され、 前記演算増幅器の負帰還路に前記第 1 ィンピーダンス素子及び前記ポル テージフォロワが含まれ、 前記被検出コンデンザと前記第 1 イ ンピーダ ンス素子と前記ボルテージフォロワとが近接して設けられていることを 特徴とする。

具体例と しては、 交流電圧発生器と、 非反転入力端子が所定の電位に 接続された第 1 演算増幅器と、 ボルテージフォ口ヮを構成する第 2演算 増幅器と、 第 1 演算増幅器の反転入力端子と第 2演算増幅器の出力端子 間に接続される抵抗と、 第 1 演算増幅器の出力端子と第 2演算増幅器の 非反転入力端子間に接続されるコ ンデンサと（第 1 イ ンピーダンス素子） を備える静電容量検出回路を構成し、 被検出コンデンサは第 2演算増幅 器の非反転入力端子と所定の電位間に接続し、 静電容量検出回路と被検 出コ ンデンサとは隣接、 又は、 信号線の浮遊容量が接続される素子の容 量の最大の値の 1 0倍を超えないように短く近接した位置に設けておく ， ここで、 所定の電位とは、 ある基準電位、 所定の直流電位、 接地電位ま たはフローティ ング状態のいずれかを指すものであり、 実施の態様にあ わせて最適なものが選択される。 なお、 交流電圧発生器と第 1 演算増幅 器の反転入力端子間に接続される第 2イ ンピーダンス素子 （抵抗） がさ らに設けられても良い。

このような構成によって、 被検出コンデンサに一定の電圧が印加され ると ともに、 その被検出コンデンサに流れる電流のほとんど全てがコ ン デンサ （第 1 インピーダンス素子） に流れ、 信号出力端子からは、 被検 出コ ンデンサの静電容量に対応した信号が出力される。

なお、 静電容量検出回路と被検出コ ンデンサとを接続する信号線への ノ イズの混入や、 その信号線の浮遊容量の発生を低減させるために、 被 検出コンデンサと静電容量検出回路とは可能な限り隣接した位置に設け ておく 。 または、 被検出コ ンデンサと第 1 インピーダンス素子とボルテ 一ジフォロワとが可能な限り近接した位置に設けておく 。

ここで、本願明細書において、「近接する」とは、信号線の浮遊容量が、 被検出コ ンデンサの容量値又は容量性の第 1 イ ンピ一ダンス素子の容量 値の大きい方の容量値に対して 1 0倍を超えない状態にあることをいう , これは、 信号線の浮遊容量が、 接続されている素子の容量の一桁上の数 値を超えない容量値と したときに、 本発明の静電容量検出回路は、 検出 感度の大幅な悪化を防ぐことができるという ことが分かったものであり これは経験的に得られたものである。 この信号線の浮遊容量は、 被検出 コ ンデンサと、 第 1 イ ンピーダンス素子と、 ボルテージフォロワとを信 号線に接続しない状態で、 容量測定を行えば測定できる。 そして、 本願 明細書では、 上記の近接した条件で隣り合って接している状態を 「隣接」 としゝぅ。

ここで、 前記静電容量検出回路に加えて、 信号出力端子での信号を反 転する反転増幅回路と、 ボルテージフォロワの出力信号と反転増幅回路 の出力信号とを加算する加算回路とを付加してもよい。 また、 コ ンデン サ （第 1 インピーダンス素子） と並列に抵抗を接続しておいてもよい。 また、 本発明の応用と して、 被検出コ ンデンサは、 容量の変化に応じ て物理量を検出する容量型センサと し、 静電容量検出回路は、 プリ ン ト 基板又はシリ コン基板上に形成し、 それら容量型センサと基板とを固定 する、 も しく は、 一体成形しているものが好ましい。 さ らに具体例と し て、 よ り好ま しく は、 被検出コンデンサと して、 コ ンデンサマイク ロホ ンを採用し、 静電容量検出回路については I Cで実現し、 それらコンデ ンサマイクと 〖 Cとを一体化し、 携帯電話機等に使用されるマイク ロホ ンと して 1 つの筐体 （シール ドボックス） に収めてもよい。 このとき、 コ ンデンサマイク ロホンと I Cとは隣接した位置に固定し、導電性の板、 配線パターン、 ワイヤボンディ ング等で接続しておく 。 図面の簡単な説明

図 1 は、 従来の静電容量検出回路の回路図である。

図 2は、 本発明の第 1 の実施の形態における静電容量検出回路の回路 図である。

図 3は、 本発明の第 2の実施の形態における静電容量検出回路の回路 図である。

図 4は、本発明の静電容量検出回路の電子機器への応用例を示す図（マ イク 口ホンの断面図） である。

図 5は、 図 4に示されたマイク ロホンの概略的な外観図であり、 （ a ) は平面図、 （ b ) は正面図、 （ c ) は底面図である。 図 6は、 マイク ロホンの他の一例の断面図である。

図 7 は、 図 6に示されたマイク ロホンの概略的な外観図であり、 （ a ) は平面図、 （ b ) は正面図である。

図 8は、 本発明の他の実施の形態における静電容量検出回路の回路図 である。 発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態例について、図面を用いて詳細に説明する。 (第 1 の実施の形態）

図 2は、 本発明の第 1 の実施の形態における静電容量検出回路 1 0の 回路図である。 なお、 本図では、 この静電容量検出回路 1 0に、 検出対 象である被検出コ ンデンサ 1 7 (ここでは、コ ンデンサマイクロホン等、 静電容量 Cs の変化を利用して各種物理量を検出する容量型センサ） が 接続されている。

この静電容量検出回路 1 0は、 交流電圧を発生する交流電圧発生器 1 1 、 抵抗 （ R 1) 1 2、 抵抗 （ R2) 1 3、 第 1 演算増幅器 1 4、 インピ —ダンス素子 （ここでは、 容量 Cf のコ ンデンサ） 1 5及び第 2演算増 幅器 1 6から構成され、 被検出コンデンサ 1 7の静電容量に対応する検 出信号 （電圧 V out) を信号出力端子 2 0から出力する。

交流電圧発生器 1 1 は、 一端が所定の電位 （本例では接地） に接続さ れ、 他端 （出力端子） から一定の交流電圧 （電圧 Vin、 角周波数 ω ) を 発生している。 交流電圧発生器 1 1 の出力端子と第 1 演算増幅器 1 4の 反転入力端子との間には抵抗 （ R 1) 1 2が接続されている。

第 1 演算増幅器 1 4は、 入力イ ンピーダンス及び開ループゲイ ンが極 めて高い電圧増幅器であり、 ここでは、非反転入力端子が所定の電位（本 例では接地） に接続され、 非反転入力端子及び反転入力端子がイマ一ジ ナリ ショー トの状態となっている。この第 1 演算増幅器 1 4の負帰還路、 つま り、 第 1 演算増幅器 1 4の出力端子から反転入力端子までの間に、 コ ンデンサ 1 5、 第 2演算増幅器 1 6及び抵抗 （ R 2 ) 1 3がこの順で 直列に接続されている。

第 2演算増幅器 1 6は、 その反転入力端子と出力端子とが接続され、 入力イ ンピーダンスが極めて高く 、 出力イ ンピーダンスが極めて低い、 電圧ゲイ ンがほぼ 1 のポルテ一ジフォロワを構成している。 この第 2演 算増幅器 1 6の非反転入力端子 2 1 には、 信号線又はプリ ン ト基板上の 配線パターン等の導電体を介して、 被検出コ ンデンサ 1 7の一端が接続 され、 一方、 被検出コ ンデンサ 1 7の他端は、 所定の電位 （本例では接 地） に接続されている。 第 1 演算増幅器 1 4の出力端子には、 この静電 容量検出回路 1 0の出力信号、 つまり、 被検出コ ンデンサ 1 7の容量に 対応した検出信号を出力するための信号出力端子 2 0が接続されている, なお、 被検出コ ンデンサ 1 7 と静電容量検出回路 1 0 との接続につい て、 不要な浮遊容量が検出誤差と して加算されたり、 外乱ノ イズが混入 したりすることを避けるために、 可能な限り短い導電体 （ケーブル、 銅 箔の配線パターン、 接続端子など） で接続するのが好ましい。 さ らに、 可能ならば、 外乱ノ イズに対する遮蔽を強化するために、 被検出コンデ ンサ 1 7及び静電容量検出回路 1 0全体を接地されたシール ド部材で覆 つたり、 シール ドボックス内に収納するのが好ま しい。

以上のように構成された静電容量検出回路 1 0の動作は以下の通りで め^ ) o

抵抗 （ R 1 ) 1 2、 抵抗 （ R 2 ) 1 3及び第 1 演算増幅器 1 4等から構 成される反転増幅回路に着目すると、 第 1 演算増幅器 1 4の両入力端子 がィマージナリ ショー トの状態となって同電位（例えば、 0 V ) であり、 かつ、その入力イ ンピーダンスが極めて高く 、電流が流れないことから、 抵抗 （ R 1) 1 2 を流れる電流は、 V inZ R 1 となり、 その全てが抵抗 （ R 2) 1 3 を流れるので、 第 2演算増幅器 1 6の出力電圧を V2 とすると、 VinZ R l= - V2/ R2

が成り立つ。 これを整理することによ り、 第 2演算増幅器 1 6の出力 電圧 V 2は、

V 2= - ( R 2/ R 1) - V in (式 1 )

となる。 また、 第 2演算増幅器 1 6はボルテージフォロワを構成し、 その両入力端子がィマージナリ ショー トの状態にあり、 入力電圧 （非反 転入力端子 2 1 の電圧） V I と出力電圧 （反転入力端子及び出力端子 2 2での電圧） V2 は等し く なるので、 その入力電圧 V I は、

V 1= V 2 (式 2 )

が成り立つ。 すなわち、 第 1 演算増幅器 1 4は利得を充分に取るため のものであり、 非反転入力を所定の電位に接続することにより、 その動 作の安定性を向上させている。 また第 2演算増幅器 1 6の利得は 1 であ リ、 反転入力と出力の電圧が決まっているため、 非反転入力の電圧が決 定されている。 このように、 利得を充分に獲得するためのアンプと電圧 を決定するためのアンプとを分割しているために、 それぞれの安定性が 向上し、 演算誤差の大幅な低減を実現するこ とができている。

さて、 コ ンデンサ 1 5 を被検出コ ンデンサ 1 7 に向かって流れる電流 を i とすると、 第 2演算増幅器 1 6の入力イ ンピーダンスが極めて高い ことから、 その電流 i の全てが被検出コ ンデンサ 1 7に流れるので、 電 流 i は、 j ω C s ■ V I となり、 信号出力端子 2 0から出力される検出 信号の電圧 V outは、

V out= i ■ ( 1 / j ω C f ) + V 1

= ( 1 + C sZ C f) · V 1 (式 3 )

となる。 上記式 1 と式 2 とから、 V 2 を消去すると、

V 1 = - ( R 2/ R 1 ) - V in (式 4 )

が得られ、 この V 1 を上記式 3 に代入すると、

V out = - ( 1 + C sZ C f) ■ ( R 2 R 1 ) · V in (式 5 )

が得られる。

この式 5から分かるよ うに、 静電容量検出回路 1 0の信号出力端子 2 0から出力される検出信号の電圧 V out は、 被検出コ ンデンサ 1 7の容 量 C sに依存した値となる。 従って、 この電圧 V outに対して種々の信号 処理を施すことによって、 容量 C s を特定することができる。 また、 こ の式 5には角周波数 ωが含まれていないことから分かるように、 この検 出信号の電圧 V out は、 交流電圧発生器 1 1 からの交流信号 V inの周波 数及び被検出コ ンデンサ 1 7の周波数の変化に依存しない。 これによつ て、 被検出コンデンサ 1 7 に印加される交流電圧の周波数に依存するこ となく 、 被検出コンデンサ 1 7の容量を検出することができる （回路で の周波数依存特性を有しない） 静電容量検出回路が実現される。 したが つて、 コ ンデンサマイク ロホン等、 容量値がある周波数 （音声帯域） で 変化するような被検出コ ンデンサ 1 7 に対して、 検出された信号を周波 数補正することなく 、 その電圧値から直接、 容量値を特定することが可 能となる。

また、 本実施の形態の静電容量検出回路 1 0では、 コ ンデンサ 1 5及 び被検出コンデンサ 1 7 に電流を供給している第 1 演算増幅器 1 4は、 その非反転入力端子が所定の電位に接続され、 固定化されている。 した がって、 図 1 に示される従来の回路における演算増幅器 9 5 と異なり、 第 1 演算増幅器 1 4は、 入力される交流信号の周波数等に依存すること なく 、 ノ イズの少ない安定した電流をコンデンサ 1 5及び被検出コ ンデ ンサ 1 7 に供給するので、 被検出コ ンデンサ 1 7の微小な容量の検出が 可能となる。

なお、 本発明に関する実験によれば、 図 2の静電容量検出回路におい て、 例えば、 C s (被検出コンデンサ： 本実施の形態ではマイクロホン） の元々の静電容量が 2 0 p Fのときに、 信号線の浮遊容量が 2 0 0 p F を越すと、 かなり検出感度が悪化した。 また、 前記 C sについて、 いく つかの別の静電容量値で確認したところ、 同じ傾向の結果を得た。

また、 第 1 インピーダンス素子である容量 C f と被検出コンデンサ C s とは、 この回路中ではともに信号線に接続された容量素子であり、 ど ちらの素子についてみても計算上は前記と同じ結果をもたらすものと見 られる。

これらの実験結果及び経験から、 信号線の浮遊容量が、 当該 C s又は C f の容量値の一析上の値を越えないように、 被検出コンデンサと第 1 インピーダンス素子とボルテージフォロワとを近接させると良好な検出 感度が得られることが分かつた。

(第 2の実施の形態）

次に、 本発明の第 2の実施の形態例における静電容量検出回路につい て説明する。

図 3は、 第 2の実施の形態における静電容量検出回路 3 0の回路図で ある。 この静電容量検出回路 3 0は、 大きく分けて、 図 2に示された静 電容量検出回路 1 0に相当するコア部 3 1 、 そのコア部 3 1 の信号出力 端子 2 0での信号電圧 V 01 を入力と して反転する反転部 3 2、 及び、 そ の反転部 3 2の出力端子 2 3での信号電圧 V 03 とコア部 3 1 の交流出 力端子 2 2での信号電圧 V 02 とを加算し、 出力端子 2 4に電圧 V 04 の 検出信号を出力する加算部 3 3から構成される。

コア部 3 1 は、 図 2に示された静電容量検出回路 1 0と同一の回路で ある。 したがって、 コア部 3 1 の信号出力端子 2 0の電圧 V 01は、 上記 式 5よ り 、

V 01= - ( 1 + C s/ Cf) - ( R2/ R 1) - V in (式 6 )

となり、コア部 3 1 の交流出力端子 2 2の電圧 V 02は、上記式 1 よ り、

V 02= - ( R 2/ R 1) - Vin (式 7 )

となる。

反転部 3 2は、 可変抵抗 （ R4) 4 0、 抵抗 （ R5) 4 1 、 可変抵抗 （ R 6) 4 2、 コ ンデンサ 4 3及び演算増幅器 4 4 を備えた反転増幅回路で あり、 電圧利得が一 1 で、 かつ、 その出力端子 2 3での信号 V 03の位相 がコア部 3 1 の交流出力端子 2 2での信号 V 02 と同一になるように、可 変抵抗 （ R4) 4 0及び可変抵抗 （ R 6) 4 2の抵抗値が調整されている。 したがって、 この反転部 3 2の入力電圧 V 01 と出力電圧 V 03 とは、 理 想的に以下の関係が成り立つている。

V 03= - V 01 (式 8 )

加算部 3 3は、 抵抗値の等しい 3つの抵抗 （ R7) 4 5、 抵抗 （ R 8) 4 6及び抵抗 （ R9) 4 7が演算増幅器 4 8に接続された加算器である。 つまり、 2つの入力信号の電圧 V 02 及び V 03 と、 出力電圧 V 04 とは、 以下の関係が成り立つ。

V 04= - ( V 02+ V 03) (式 9 )

この式 9に、 上記式 8 を代入して V03 を消去した後に、 上記式 6及び 式 7 を代入すると、

V 04= V 01- V 02

=一 ( Cs/ Cf) - ( R2/ R 1) - Vin (式 1 0 )

が成り立つ。 つま り、 この静電容量検出回路 3 0の出力端子 2 4から 出力される検出信号の電圧 V04は、容量値 Csに比例することが分かる。 よって、 この電圧 V04に基づいて、 種々の信号処理を施すことで、 未知 の容量値 C s又は容量変化を容易に特定することができる。 この式 1 0 と第 1 の実施の形態例における検出信号の電圧 V out を示 す式 5 とを比較して分かるように、 第 2の実施の形態例における静電容 量検出回路 3 0で得られる検出信号は、 第 1 の実施の形態例と異なり、 被検出コンデンサ 1 7の容量に比例する成分だけを含み、 不要なオフセ ッ ト分 （被検出コ ンデンサ 1 7に依存しない電圧） を含んでいない。 し たがって、 第 2の実施の形態例における検出信号から被検出コンデンサ 1 7の容量又は容量変化を特定する信号処理は、 簡易なもので済む。 なお、 本例では、 V 03=— V 01 となる例で説明したが、 本発明は、 こ れに限定されるものではない。 容量センサの種類によ り、 V03= k ■ V 01 ( kは反転増幅部の増幅率） と して、 出力電圧 V04が、

V 04= [ k · ( CsZ Cf) + ( k + 1 )} ■ ( R2ノ R 1) · Vin

となるよ うに設定してもよい。

図 4は、 上記第 1 及び第 2の実施の形態例における静電容量検出回路 の電子機器への応用例を示す図である。 ここでは、 コ ンデンサマイク ロ ホンと静電容量検出回路とが一体化された、 携帯電話機等に用いられる マイク ロホン 5 0の断面図が示されている。 このマイク ロホン 5 0は、 音孔 5 2 を有する蓋体 5 1 と、 音によって振動する振動膜 5 3 と、 振動 膜 5 3 を固定しているリ ング 5 4 と、 スぺーサ 5 5 a と、 スぺ一サ 5 5 a を介して振動膜 5 3 と対抗して設けられた固定電極 5 6 と、 固定電極 5 6 を支持する絶縁板 5 5 b と、 絶縁板 5 5 bの裏面に固定された上記 施の形態の静電容量検出回路が形成された I Cチップ 5 8 と、 I Cチッ プ 5 8 をモ一ル ドしている I Cパッケージ 5 9 と、 I Cチップ 5 8 とヮ ィャボンディ ング、 コンタク トホール等で接続された外部電極 6 1 a 、 6 1 b等とから構成される。

コ ンデンサを形成している一方の電極である振動膜 5 3は、 所定の電 位 （本例では、 接地） に接続され、 他方の電極である固定電極 5 6は、 アルミニウム板やワイヤボンディ ングコ ンタク トホール等の導電体を介 して I Cチップ 5 8の回路に接続されている。 振動膜 5 3 と固定電極 5 6 とからなるコンデンサの容量又はその変化は、 絶縁板 5 5 b を介して 隣接する I Cチップ 5 8内の静電容量検出回路によって検出され、 電気 信号に変換されて、 外部電極 6 1 a 、 6 1 b等から出力される。 なお、 蓋体 5 1 は、 アルミニウム等の金属からなり、 絶縁基板 6 0の上面に形 成された導電膜 （図示せず） と ともに、 内部のコ ンデンサ 5 3、 5 6や I Cチップ 5 8への外乱ノ イズの侵入を遮蔽するシール ドボックスと し ての役割を果たしている。 また本例では、 固定電極 5 6 と回路とを接続 し、 振動膜 5 3 を所定の電位に接続しているが、 振動膜 5 3 と回路とを 接続し、 固定電極 5 6を所定の電位に接続してもよい。 ただし、 経験的 には前者の方が好ま しい。

図 5は、 図 4に示されたマイク ロホン 5 0の概略的な外観図である。 図 5 ( a ) は平面図、 図 5 ( b ) は正面図、 図 5 ( c ) は底面図である。 図 5 ( a )、 （ b ) に示された蓋体 5 1 の大きさは、 例えば、 およそ 0 5 m m x高さ 2 m mである。 図 5 ( c ) に示された 4つの外部電極 6 1 a 〜 6 1 d は、 例えば、 静電容量検出回路の電源用の 2つの端子と、 出力 信号用の 2つの端子である。

このような応用例においては、 被挨出コンデンサ （ここでは、 コンデ ンサマイク ロホン） と静電容量検出回路 （ここでは、 I Cチップ） とは 隣接して設けられ、 信号線は極めて短く 、 その浮遊容量がコンデンサマ イク 口ホンか回路内の第 1 イ ンピーダンス素子のいずれか大きい方の容 量値の 1 0倍を超えないような長さの導電体によって接続されている。 そして、 それらの部品は、 金属製の蓋体等のシール ド部材で覆われてい る。 したがって、 このよ うな応用例においては、 被検出コ ンデンサと静 電容量検出回路とを接続する信号線 （導電体） に混入する外乱ノ イズ等 の悪影響については無視することができると考えられる。

つまり、 このよ うな小型のマイク ロホンにおいては、 被検出コ ンデン ザと静電容量検出回路とは極めて短い導電体で接続されるので、 その間 をシール ド付きケーブルで接続した り、 そのシール ドにガー ド電圧を印 加するための特殊な回路を設けることは、却って、回路規模を大き く し、 回路のコ ンパク ト化を妨げる。 したがって、 被検出コンデンサと静電容 量検出回路とは、 非シール ドの （シール ドされていない） 導電板、 配線 パターン、 ワイヤボンディ ング、 リー ド線等によ り、 最短経路を接続す るのが好ましい。 他のマイク ロホンの例と して、 図 6及び図 7 に、 回路 を基板にのせたものを示す。 図 4の静電容量検出回路が基板 6 2に搭載 された以外は基本的に同じである。

以上、 本発明に係る静電容量検出回路について、 2つの実施の形態例 及び製品への応用例に基づいて説明したが、 本発明は、 これらの実施の 形態例及び応用例に限定されるものではない。

例えば、 静電容量検出回路 1 0及び 3 0において、 被検出コンデンサ 1 7 に流れる電流を検出するために、 第 1 演算増幅器 1 4 と第 2演算増 幅器 1 6 との間に、 コ ンデンサ 1 5が接続されたが、 抵抗ゃィ ンダクタ ンス等のインピーダンス素子を接続することも考慮可能である。

また、 図 8 に示されるように、 上記実施の形態における静電容量検出 回路 1 0及び 3 0におけるコ ンデンサ 1 5 と並列に抵抗 1 8 を付加して 接続してもよい。 これによつて、 コンデンサ 1 5 と被検出コンデンサ 1 7 との接続点は、 抵抗 1 8 を介して第 1 演算増幅器 1 4の出力端子と接 続されることになリ、 直流的にフローティ ング状態となることが解消さ れ、 電位が固定される。

また、 被検出コンデンサ 1 7 と して接続される容量型センサは、 コ ン デンサマイク ロホンだけに限られず、 加速度センサ、 地震計、 圧力セン サ、 変位センサ、 変位計、 近接センサ、 タ ツチセンサ、 イオンセンサ、 湿度センサ、 雨滴センサ、 雪センサ、 雷センサ、 位置合わせセンサ、 接 触不良センサ、 形状センサ、 終点検出センサ、 振動センサ、 超音波セン サ、 角速度センサ、 液量センサ、 ガスセンサ、 赤外線センサ、 放射線セ ンサ、 水位計、 凍結センサ、 水分計、 振動計、 帯電センサ、 プリ ン ト基 板検査機等の公知の容量型センサなど、 静電容量の変化を利用して各種 物理量を検出する全ての トランスデューサ （デバイス） が含まれる。 以上の説明から明らかなように、 本発明に係る静電容量検出回路、 静 電容量検出装置及びマイク ロホン装置は、 抵抗を介して演算増幅器に交 流電圧を印加し、 信号線に被検出コンデンサを接続することで、 被検出 コンデンサの容量を検出している。 つま り、 非反転入力端子を所定の電 位に接続した演算増幅器の出力端子とボルテージフォ口ヮの入力端子間 にコンデンサを接続すると ともに、 ボルテージフォロワの入力端子と所 定の電位間に被検出コ ンデンサを接続している。

これによつて、 被検出コ ンデンサに流れる電流の全てがコンデンサに 流れ、 演算増幅器の出力端子には被検出コ ンデンサの容量に対応する正 確な信号が出力されること となり、 数 p Fあるいは f Fオーダー以下の 微小な容量の検出が可能となる。

そして、 演算増幅器の非反転入力端子は所定の電位に接続され、 入力 端子の一方の電位が固定されるので、 演算増幅器は安定して動作し、 演 算誤差が低減し、 検出信号に含まれるノ イズが抑制される。

また、 演算増幅器とボルテージフォロワとの間にコ ンデンサが接続さ れているので、 演算増幅器に印加される交流電圧の周波数に依存せず、 被検出コ ンデンサの容量変化の周波数にも依存しない検出感度が確保さ れる。 さ らに、 演算増幅器とポルテ一ジフォロワとの間に抵抗を接続し た場合におけるその抵抗からの熱雑音による S N比の劣化という問題 も生じない。

なお、 この静電容量検出回路と被検出コンデンサとを隣接した位置に 設けておく か、 又は、 信号線に接続される回路素子を近接して設けるこ とで、 この間を接続するシール ドケーブルや、 そのケーブルで発生する 浮遊容量をキャンセルする特殊な回路等は不要となる。

ここで、 前記静電容量検出回路に、 信号出力端子での信号を反転する 反転増幅回路と、 ボルテージフォ ロワの出力信号と反転増幅回路の出力 信号とを加算する加算回路とを付加してもよい。 これによつて、 静電容 量検出回路の出力信号に含まれる不要なオフセッ ト成分が除去され、 被 検出コ ンデンサの容量に対応する正味の信号を大きく増幅することがで きる。

また、 被検出コンデンサをコンデンサマイク ロホンと し、 静電容量検 出回路については I Cで実現し、 それらコ ンデンサマイクホンと I じと を一体化し、 携帯電話機等に使用されるマイク ロホンと して 1 つの筐体 (シール ドボックス） に収めることで、 コンデンサマイク ロホンと静電 容量検出回路とは極めて隣接した位置に配置されるので、 被検出コ ンデ ンサと静電容量検出回路とを接続するための径の大きなシール ドケ一ブ ルゃガー ド電圧を印加するための特殊な回路等が不要となる。

さ らに、 本発明に係る静電容量検出回路は、 被検出コ ンデンサに電流 を流すことによって容量を検出しているので、 エレク ト レッ トコ ンデン サマイク ロホン等のように、 被検出コ ンデンサの電極に高分子フィルム 等を貼り付けてエレク ト レッ ト化する必要がなく 、 通常の静電容量型セ ンサに適用することができる。

以上のように、 本発明によ り、 使用環境の限定も少なく なリ、 微小な 容量を正確に検出することができ、 かつ、 小型化に適した静電容量検出 回路等が実現され、 特に、 携帯電話機等の軽量 ■ 小型の音声通信機器の 音声性能が飛躍的に向上され、 その実用的価値は極めて高い。 産業上の利用の可能性

本発明に係る静電容量検出回路は、 容量型センサの検出回路と して、 特に、 携帯電話機等の小型 · 軽量の機器に備えられるマイク ロホン装置 と して利用するこ とができる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 被検出コ ンデンサの静電容量に対応する検出信号を出力する静 電容量検出回路であって、

入力イ ンピーダンスが高く電圧利得がほぼ 1 のポルテ一ジフォロワと 5 容量性の第 1 インピーダンス素子と、 演算増幅器と、 前記演算増幅器に 交流電圧を印加する交流電圧発生器と、 前記演算増幅器の出力に接続さ れる信号出力端子とを備え、

前記ポルテ一ジフォロワの入力端子には前記被検出コ ンデンサの一端 と前記第 1 イ ンピーダンス素子の一端とが接続され、

10 前記演算増幅器の負帰還路に前記第 1 イ ンピーダンス素子及び前記ボ , ルテ一ジフォロワが含まれ、

前記被検出コ ンデンサと前記静電容量検出回路とは隣接して設けられ ている

ことを特徴とする静電容量検出回路。

15

2 . 被検出コ ンデンサの静電容量に対応する検出信号を出力する静 電容量検出回路であって、

入力イ ンピ一ダンスが高く 電圧利得がほぼ 1 のポル亍一ジフォロワと 容量性の第 1 インピーダンス素子と、 演算増幅器と、 前記演算増幅器に 20 交流電圧を印加する交流電圧発生器と、 前記演算増幅器の出力に接続さ れる信号出力端子とを備え、

前記ボルテージフォロワの入力端子には前記被検出コ ンデンサの一端 と前記第 1 イ ンピーダンス素子の一端とが接続され、

前記演算増幅器の負帰還路に前記第 1 インピーダンス素子及び前記ポ 25 レテ一ジフォロワが含まれ、

前記被検出コンデンサと前記第 1 イ ンピーダンス素子と前記ボルテ一 ジフォロワとが近接して設けられている

ことを特徴とする静電容量検出回路。

3 . 前記静電容量検出回路は、 さ らに、 前記第 1 インピーダンス素 子と並列に接続される抵抗素子を含む

ことを特徴とする請求の範囲 1 又は 2記載の静電容量検出回路。

4 . 前記交流電圧発生器と前記演算増幅器との間に備えられる第 2 インピーダンス素子をさ らに含む

ことを特徴とする請求の範囲 1 ~ 3のいずれか 1 項に記載の静電容量 検出回路。

5 . 前記静電容量検出回路は、 さ らに、

前記信号出力端子での信号を反転する反転増幅回路と、

前記ポルテ一ジフォロワの出力信号と前記反転増幅回路の出力信号と を加算する加算回路とを備える

ことを特徴とする請求の範囲 1 ~ 4のいずれか 1 項に記載の静電容量 検出回路。

6 . 前記被検出コ ンデンサの一端と前記ポルテ一ジフォロワの入力 端子とは非シール ドの導電体で接続される

ことを特徴とする請求の範囲 1 〜 5のいずれか 1 項に記載の静電容量 検出回路。

7 . 前記被検出コ ンデンサ及び前記静電容量検出回路は、 1 つのシ

—ル ドボックス内に収納されている ことを特徴とする請求の範囲 1 〜 6のいずれか 1 項に記載の静電容量 検出回路。

8 . 容量の変化に応じて物理量を検出する前記被検出コンデンサと して容量型センサと、

プリ ン ト基板又はシリ コン基板上に形成され、 前記容量型センサに固 定して設けられている請求の範囲 1 〜 7のいずれか 1 項に記載の静電容 量検出回路と

を備えることを特徴とする静電容量検出装置。

9 . 前記被検出コンデンサと してのコ ンデンサマイク ロホンと、 請求の範囲 1 〜 7のいずれか 1 項に記載の静電容量検出回路と を備えることを特徴とするマイク ロホン装置。