(57)【要約】圧力測定装置１０には、励起クロック２４と制御出力２６とを出力するデジタル式クロック回路２２が備わる。積分器３０は、前記制御出力で制御されるスイッチ３２と、増幅器３４と、増幅器のフィードバック経路に接続された圧力検出用キャパシタンス３６とからなる。前記スイッチ３２を、第１の圧力検出用キャパシタンス３６に接続する。圧力に対して非感応である基準キャパシタンス４７が、前記励起クロックからのクロック信号２４と前記増幅器３４の入力端の間に接続されている。前記増幅器の出力信号は、圧力値を示す。
2005535900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起クロックと制御出力を提供するデジタル式クロック回路と、
前記制御出力で制御される第１のスイッチと、第１増幅器と、産業プロセスに流体接続が可能であって、前記第１増幅器の出力端と入力端の間の増幅器フィードバック経路に接続された第１の圧力検出用キャパシタンスを有する容量性圧力変換器とで構成されており、前記第１のスイッチが第１の圧力検出用キャパシタンスの両端に接続され、前記増幅器が圧力を表す出力を提供する第１の積分器と、
前記圧力に対しては非感応であって、前記励起クロックと前記第１増幅器の入力との間に接続されている第１の基準キャパシタンスとからなる産業プロセスにおける圧力検出のための圧力測定装置。
【請求項２】
前記第１増幅器の出力および第１の基準電位を入力して、圧力を表す加算回路出力を提供する加算回路をさらに備えた請求項１の圧力測定装置。
【請求項３】
前記制御出力で制御される第２のスイッチと、第２増幅器と、前記第２増幅器の出力端と入力端との間の第２の増幅器フィードバック経路に接続された第２の圧力検出用キャパシタンスとで構成されており、前記第２のスイッチが第２の圧力検出用キャパシタンスの両端に接続され、前記第２増幅器の出力信号が前記加算回路に入力される第２の積分器と、
前記圧力に対しては非感応であって、前記励起クロックと前記第２増幅器の入力端の間に接続されている第２の基準キャパシタンスをさらに備えた請求項２の圧力測定装置。
【請求項４】
前記励起クロックと前記第１の基準キャパシタンスとの間に接続された第１の分圧器をさらに備えた請求項１の圧力測定装置。
【請求項５】
前記励起クロックと前記第２の基準キャパシタンスとの間に接続された第２の分圧器をさらに備えた請求項４の圧力測定装置。
【請求項６】
前記第１の分圧器がレーザートリム可能な抵抗器である請求項４の圧力測定装置。
【請求項７】
前記第１の分圧器が手動調整式ポテンショメータである請求項４の圧力測定装置。
【請求項８】
前記第１の基準電位を提供する可変電位回路をさらに備えた請求項２の圧力測定装置。
【請求項９】
前記可変電位回路がレーザートリム可能な抵抗器を含む請求項８の圧力測定装置。
【請求項１０】
前記可変電位回路が手動調整式ポテンショメータを含む請求項８の圧力測定装置。
【請求項１１】
前記可変電位回路がアナログ式に切替え可能な分圧器を含む請求項８の圧力測定装置。
【請求項１２】
前記可変電位回路が電圧制御抵抗器を含む請求項８の圧力測定装置。
【請求項１３】
前記可変電位回路が容量分圧器を含む請求項８の圧力測定装置。
【請求項１４】
前記可変電位回路がプログラム可能ゲイン増幅器を含む請求項８の圧力測定装置。
【請求項１５】
第１と第２の基準キャパシタンスと、
第１の圧力検出用キャパシタンスを備えており、前記第１の圧力検出用キャパシタンスに接続される第１の入力と、前記第１の圧力検出用キャパシタンスに対する前記第１の基準キャパシタンスの第１の比率の関数として変化する第１の積分器出力とを有する第１積分器と、
第２の圧力検出用キャパシタンスを備えており、前記第２の圧力検出用キャパシタンスに接続される第２の入力と、前記第２の圧力検出用キャパシタンスに対する前記第２の基準キャパシタンスの第２の比率の関数として変化する第２の積分器出力とを有する第２積分器と、
前記第１と第２の積分器出力を入力し、第１の圧力検出値と第２の圧力検出値との間の差圧を表す振幅値をもつ加算回路出力を提供する加算回路と、
前記第１と第２の基準キャパシタンスにそれぞれ第１と第２の励起クロックを供給するデジタル式クロック回路とからなり、
前記第１の比率が、その差圧測定装置の圧力範囲に亘って、第１の圧力検出値と第２の圧力検出値とがほぼ同じである場合に、前記第２の比率に整合することを特徴とする差圧測定装置。
【請求項１６】
前記第１の基準キャパシタンスが、前記第２の基準キャパシタンスと一致する請求項１５の差圧測定装置。
【請求項１７】
前記第１の圧力検知値が、前記差圧測定装置の圧力範囲に亘って、前記第２の圧力検出値とほぼ同じである場合に、前記第１の圧力検出用キャパシタンスが前記第２の基準キャパシタンスと一致する請求項１５の差圧測定装置。
【請求項１８】
前記第１および第２の基準キャパシタンスが、それぞれ第１および第２の絶対圧力を検知する請求項１５の差圧測定装置。
【請求項１９】
デジタル式クロック回路が、リセットクロックを前記第１および第２の電荷積分器回路に接続する請求項１５の差圧測定装置。
【請求項２０】
前記加算回路出力を受信し、前記差圧を示す２線式４−２０ｍＡアナログ式送信機出力を提供する加算回路をさらに備えた請求項１５の差圧測定装置。
【請求項２１】
前記デジタル式クロック回路がサンプリングクロック位相を生成し、該サンプリングクロック位相が前記サンプリング回路に接続される請求項２０の差圧測定装置。
【請求項２２】
前記加算回路出力を受信し、前記差圧を示すデジタル式測定装置出力を提供するサンプリング回路をさらに備えた請求項１５の差圧測定装置。
【請求項２３】
前記第１の励起クロックが前記第２の励起クロックに対して反転させられる請求項１５の差圧測定装置。
【請求項２４】
前記加算回路が差動増幅器からなり、前記加算回路出力が前記第１の積分器出力と第２の積分器出力との差を示す請求項２３の差圧測定装置。
【請求項２５】
前記第２の励起クロックが前記第１の励起クロックに対して位相がずれている請求項１５の差圧測定装置。
【請求項２６】
前記加算回路が差動増幅器からなり、前記加算回路出力が前記第１および第２の積分器出力の和を示す請求項２５の差圧測定装置。
【請求項２７】
前記加算回路が、前記第１の積分器回路に接続された第１の入力抵抗器および前記第２の積分器回路に接続された第２の入力抵抗器からなり、前記第１の入力抵抗値および前記第２の入力抵抗値のグループから選択された抵抗値がトリム処理された抵抗値である請求項１５の差圧測定装置。
【請求項２８】
前記加算回路が、前記差圧を示す送信機出力を生成する２線式４−２０ｍＡアナログ式送信機出力回路に直接的に接続する請求項１５の差圧測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業分野全般での圧力測定装置に関する。特に、本発明は、容量性圧力センサを備えた圧力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
送信機や圧力検出モジュールなどの産業分野での圧力測定装置は、マイクロプロセッサ内蔵の有無を問わず製造されている。マイクロプロセッサ内蔵の送信機は、一般的に遠隔調整能力をもち、高い測定精度や高い線形特性を有すると共に、高価格である。マイクロプロセッサを内蔵しないアナログ式またはデジタル式の送信機は、通常、線形特性や測定精度は低く、低価格である。マイクロプロセッサを内蔵せずに複雑なアナログ式またはデジタル式回路を追加して送信機の線形特性や測定精度を向上させようとすると、結局は、価格の上昇、もしくは速度低下、又はその両方を来たすことがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
それゆえ、マイクロプロセッサ内蔵や回路複雑化によるコストアップなしに、線形特性や測定精度を向上させることができる圧力測定装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
圧力を検出するための圧力測定装置を開示する。本発明の圧力測定装置は、励起クロックと制御出力を供給するデジタル式クロック回路を備える。さらに、本発明の圧力測定装置は、第１の積分器も備えている。
【０００５】
前記第１の積分器は、前記制御出力で制御される第１のスイッチと、第１の増幅器と、容量性圧力変換器とからなる。容量性圧力変換器は、産業処理施設（プロセス）に流体接続されている。また、容量性圧力変換器は、第１の増幅器の出力端と入力端との間の増幅器フィードバック経路に電気的に接続されている第１の圧力検出用キャパシタンスを有する。第１のスイッチは、その第１の圧力検出用キャパシタンスの両端を接続している。第１の増幅器の出力信号は、圧力値を示す。
【０００６】
さらに、前記圧力測定装置は、圧力に対して非感応であり、前記クロック信号と前記第１の増幅器の入力端の間を接続する第１の基準キャパシタンスを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明を特徴付けるその他の特色や長所は、付随する図面を参照した下記の詳細な記述説明から明白になろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１〜１１に示す以下の実施例では、圧力測定装置において圧力を測定する方法およびその装置を開示する。本発明の圧力測定装置は、増幅器の出力端と入力端の間の増幅器フィードバック経路に電気的接続された圧力検出用キャパシタンスをもつ積分器を備えている。その圧力検出用キャパシタンスをまたいでスイッチが接続されており、そのスイッチにより、圧力検出用キャパシタンスの電荷が周期的にゼロに戻される。さらに、励起電圧と増幅器入力端の間には、圧力に感応しない別のキャパシタンスが接続されている。この圧力測定装置は、マイクロプロセッサを内蔵することなく、また、複雑な回路を設けることなく、処理速度、線形特性、測定精度を提供するものである。
【０００９】
送信機や圧力検出モジュールなどの圧力測定装置は、共面フランジ、または、２つの対向フランジ、または、ネジ式やその他の周知の圧力接続材で接合できるように多様な形態にて製造可能である。その範囲は、流体アイソレータを備えた圧力測定装置から、容量性圧力センサが処理流体と直接に接することがある圧力測定装置までに及ぶ。圧力検出キャパシタンスは、金属、ガラス、セラミック、シリコン、サファイヤ、水晶など、容量性圧力センサを製造するのに利用される周知の材料を含む多様な材料で構成できる。例えば、適用例の要請に従って、圧力検出用キャパシタンスを２つの分割部分で構成するか、あるいは、必要ならば、２個の圧力センサを１枚の基板として構成することも可能である。圧力装置の電気回路に、アナログ式、デジタル式、離散式、統合式、または、カスタムＩＣなどを備えることができ、マイクロプロセッサを内蔵する必要がなくなる。好適な一つの構成として、サファイヤで形成されてＭＯＳ型ＩＣ回路に接続された回路を備えた圧力検出用キャパシタンスがあげられる。
【００１０】
図１は、実施例の圧力測定装置１０の概略図である。例えば、産業プロセス中にて圧力Ｐの絶対値、ゲージ値、あるいは、差値を検出するための圧力送信機では、１個または複数の圧力測定装置１０が備わる。圧力測定装置１０は、励起クロック２４（ＰＨ０）および制御出力２６（ＰＨ１）を生成するデジタル式クロック回路２２を備えている。デジタル式クロック回路２２は、ＭＯＳ型スイッチ回路を有する従来技術を使って構成することができ、前記２つの出力ＰＨ０とＰＨ１のそれぞれが、符号２８で示す共通ＤＣ（ゼロ）レベルと、一般的には２．５〜５Ｖの範囲の固定電圧値である、その共通ＤＣレベル２８に対する最大振幅値Ｖｅｘ（最大最低振幅）との間で切り替わる矩形波形をもつ。通常は、片方の矩形波信号ＰＨ０は、他方の矩形波信号ＰＨ１に対して位相がずれている。好ましい構成では、矩形信号ＰＨ０とＰＨ１とは、オーバーラップした矩形波形である。
【００１１】
図の第１の積分器３０は、前記制御出力２６により制御される第１のスイッチ３２と、第１の増幅器３４と、産業プロセス（完全図示しない）に流体接続可能な容量性圧力変換器とを備える。容量性圧力変換器は、第１増幅器の出力端４０と入力端４２との間の増幅器フィードバック経路３８に電気的接続された圧力検出用キャパシタンス３６（Ｃs）からなる。第１のスイッチ３２は、圧力検出用キャパシタンス３６の両端を接続している。第１のスイッチ３２は、圧力検出用キャパシタンス３６に格納されている電荷を周期的にゼロに戻すのに使われる。増幅器の非反転入力端４４は、前記共通ＤＣレベル２８に接続されている。
【００１２】
図示のように、前記圧力Ｐに対して感応しない第１の基準キャパシタンス４７が、励起信号信号２４の出力部と第１増幅器の入力端４２との間を接続している。
【００１３】
前記検出キャパシタンスＣsは、以下の式で示すことができる。
【００１４】
【数１】
2005535900.tif 000003
【００１５】
ただし、Ｃoは正規化された圧力がＰN＝０のときのセンサの残留容量であり、αはゲージ係数である。数式０において、圧力は、総圧力値の０％から１００％の範囲の値ＰNに正規化される。
【００１６】
図１の構成における積分器出力４０（ＶＯ）を数式１で示す。
【００１７】
【数２】
2005535900.tif 000004
【００１８】
ただし、ＶoとＶEXは、最大最低振幅である。それゆえ、図１の圧力測定装置１０は、圧力検出値Ｐから電気的出力Ｖoへの線形変換機能を有する。便宜的に、数式１におけるＣR／Ｃoの項が出力機能から排除されるよう、ＣR＝ＣｏとなるようＣRを選定できる。また、図１の圧力測定装置１０を一つ又は複数搭載して、圧力の絶対値、ゲージ値、差値を検出可能な大型回路を作成することも可能である。圧力測定装置１０は、特定の回路を使うことなく、検出圧力を示す最大最低振幅をもつ矩形波を圧力検出値として出力するのにも利用できる。
【００１９】
図２は、別の実施例の圧力測定装置２０の概略図である。圧力測定装置２０は、圧力測定装置１０（図１に図示）を備える。図２で示す番号は、図１と同じであり、同じかまたは同様の特徴を示すものである。
【００２０】
圧力測定装置２０は、例えば、産業プロセスにおける圧力絶対値Ｐを検出するための圧力送信機として利用できる。
【００２１】
加算回路４６には、第１増幅器の出力信号４０（Ｖo）、および、電位回路５０で作成された第１の基準電位４８が入力される。図５の回路図で下記に詳細に説明するように、電位回路５０で作成された電位は、圧力測定装置２０に入力する前に、レーザートリム処理あるいは手動調整するのが望ましい。別の例として、加算回路４６の入力端の１つを図３、図５、図６、または図７に示すような第２の積分器の電位出力端に接続することも可能である。加算回路４６は、圧力値Ｐを示す加算回路出力５２（Ｖ02）供給する。加算回路４６は、演算増幅器５４、フィードバック抵抗器５６（Ｒ2）、および入力抵抗器５８（Ｒ1）を備える。
【００２２】
前記加算回路の出力信号５２は、下記の数式２で表すことができる。
【００２３】
【数３】
2005535900.tif 000005
【００２４】
数式２から判るように、数式１の１行目の第１項は圧力検出値Ｐに依存する項を含んでいない。また、２行目の第２項は、正規化検出圧力ＰNの、都合のよい線形関数であることも判る。それゆえ、図２の圧力測定装置２０は、圧力検出値Ｐと電気信号５２との間の線形遷移関数を有する。演算の便宜のため、数式２におけるＣR／ＣO項を排除できるよう圧力センサをＣR＝ＣOに設定することも可能である。
【００２５】
図３は、さらに別の実施例の圧力測定装置６０の概略図であり、圧力値Ｐを検出する圧力検出キャパシタンス３６を備えている。図３の圧力測定装置６０は、図２の前記圧力測定装置２０を備えており、図３で示す番号は、図２の番号と同じであって、同じかまたは同様の特徴を示すものである。
【００２６】
圧力測定装置６０には、圧力に対して感応しない第２の基準キャパシタンス７８が、励起クロック２４と第２増幅器の入力端７２との間に接続されている。また圧力測定装置６０は、制御出力２６により制御される第２のスイッチ６４と、第２増幅器６６と、第３の基準キャパシタンス３７とを備えている。第３の基準キャパシタンス３７は、圧力に対して感応しない固定式で、第２増幅器の出力端７０と第２増幅器の入力端７２との間の第２増幅器フィードバック経路６８に接続されている。第２のスイッチ６４は、第３の基準キャパシタンス３７の両端を接続している。第２増幅器の出力端７０は、入力抵抗器７６経由で加算回路７４に接続されている。図３に示す第２の積分器６２は、図２の回路５０の機能と同様の機能をもつ。
【００２７】
図４に図示するのは、図３に示す前記圧力測定装置６０と同様の圧力測定装置の一部分８０であるが、この図４では、第１の電圧ドライバ８２が、励起クロック２４の出力部と第１の基準キャパシタンス４７との間に接続されている。第１の電圧ドライバ８２には、キャパシタンス４７と共通ＤＣ線との間に接続された固定抵抗器８４と、キャパシタンス４７と励起クロック２４の出力部との間に接続された可変抵抗器８６とが備わる。可変抵抗器８６は、レーザートリム式抵抗器でもよいし、あるいは、手動調整式ポテンショメータでも構わない。前記第１の電圧ドライバ８２からは、ピークピーク電圧ＶＥ１がキャパシタンス４７に供給される。
【００２８】
第２の電圧ドライバ９０が、励起クロック２４と第２の基準キャパシタンス７８との間に接続されている。第２の電圧ドライバ９０には、第２のキャパシタンス７８と共通ＤＣ線との間に接続された固定抵抗器９２と、第２のキャパシタンス７８と励起クロック２４の出力部との間に接続された可変抵抗器９４とが備わる。
【００２９】
図４における第１積分器３０の出力信号を数式３で示す。
【００３０】
【数４】
2005535900.tif 000006
【００３１】
ただし、ＣR1＝ＣO。正規化圧力値ＰＮに対する積分器出力Ｖ０１の変動速度は、以下の数式４で示す。
【００３２】
【数５】
2005535900.tif 000007
【００３３】
数式４から判るように、積分器３０の有効ゲージ係数は、−（ＶE1）（α）で表される。第１の電圧ドライバ８２にてＶE1を変化させることができるので、第１の電圧ドライバ８２の調節により、第１積分器３０の有効ゲージ係数を調整することができる。この機能により、第１積分器３０の有効ゲージ係数を第２積分器６２に整合させることが可能となる。必要に応じて、第２の電圧ドライバ９０にてＶE2を追加調整することにより、有効に整合をとることもできる。第２積分器６２のフィードバック経路のキャパシタンスが圧力センサとして選ばれた場合には、前記回路８０は差圧検出装置として機能し、電圧ドライバ８２と９０による調整操作を行って、加算器の出力信号の標準モードエラー（ライン圧に対する感度）をなくせるよう各チャンネルのゲージ係数を適性値にすることが可能となる。
【００３４】
図５には、圧力測定装置の使用前に、レーザートリム処理、あるいは手動調整可能な固定電位を発生するため、圧力測定装置内で使われる可変電位回路１００の一例を示す。電位回路１００は、例えば、図３に示す積分器６２から出力される電位と同じ電位を供給できる代わりの方法として、図３の圧力測定回路６０に適用可能である。可変電位回路１００は、加算回路１０４に入力される基準電位値１０２（Ｖz）を発生する。可変電位回路１００は、固定抵抗器１０６と可変抵抗器１０８からなる抵抗分圧器を備えている。可変抵抗器１０８は、製造過程において調整できる手動式可変ポット、あるいは、レーザートリム式抵抗器で構成可能である。抵抗分圧器から出力される電圧値Ｖ２は、バッファ増幅器１１０に入力され、バッファ増幅器１１０は基準電位１０２を作成する。図５における加算回路の出力電圧値ＶOは、数式５で表せる。
【００３５】
【数６】
2005535900.tif 000008
【００３６】
数式５から判るように、可変電位回路１００により基準電位ＶZを調整して、加算回路の出力電圧値ＶOを有効なゼロ調整をすることができる。加算回路１０４での抵抗値は、Ｒ１Ａ＝Ｒ１Ｂ＝Ｒ１およびＲ２Ａ＝Ｒ２Ｂ＝Ｒ２であるのが好ましい。
【００３７】
別の例として、アナログ式スイッチ分圧器、電圧制御抵抗器、容量分圧器、または、プログラム可能ゲイン増幅器などで、可変電位回路１００を構成しても構わない。
【００３８】
図６〜１１に示す実施例において、差圧測定装置における差圧測定を検出するための方法および装置を開示する。２つの積分回路が設けられており、各積分回路は、２つの圧力値（Ｐ１、Ｐ２）のそれぞれを別途に測定する圧力センサを備える。２つの積分回路では、圧力入力値に対する積分回路出力値の比が同じである。両積分回路の整合は、第１回路での容量比を第２回路の容量比と一致させることにより実現できる。それゆえ、差圧測定装置は、内蔵マイクロプロセッサや複雑な追加回路を設けるためのコストを追加することなく処理速度や測定精度を確保できるのである。
【００３９】
図６は、実施例の圧力測定装置２００のブロック図である。圧力測定装置２００は、２つの圧力値Ｐ１とＰ２を検出して、圧力差（Ｐ１−Ｐ２）を表す出力信号２４２、２０２を出力する差圧測定装置である。
【００４０】
前記圧力測定装置２００は、第１の基準キャパシタンス２０４と第２の基準キャパシタンス２０６とを備えている。キャパシタンス２０４と２０６（基準キャパシタンス２０４，２０６とも呼ぶ）は、それぞれ、検出圧力に感応しない容量値を有する。基準キャパシタンス２０４、２０６ともに、出力信号２４２、２０２に対する温度感度が低くなるよう、検出キャパシタンス２１０、２３０の温度特性と同じ温度特性をもつのが好ましい。圧力測定装置２００のデジタル式クロック回路２４４は、第１と第２の励起クロック２４６と２４８を、それぞれ第１基準キャパシタンス２０４と第２基準キャパシタンス２０６に供給する。デジタル式クロック回路２４４は、リセット信号２５０を第１と第２の積分器２０８、２２８に供給するのが好ましい。
【００４１】
前記第１積分器２０８は、第１処理圧力値Ｐ１を検出するための第１圧力検出用キャパシタンス２１０を備えている。第１積分器２０８には、第１の基準キャパシタンス２０４からの第１入力信号２１２が入力され、第１積分器２０８の出力信号２１４は、第１圧力検出用キャパシタンス２１０に対する第１の基準キャパシタンス２０４の第１比率Ｋ１の関数として変化する。
【００４２】
前記第２積分器２２８は、プロセス圧力値Ｐ２を検出するための第２圧力検出用キャパシタンス２３０を備えている。第２積分器２２８には、第２の基準キャパシタンス２０６からの第２入力２３２が入力され、第２積分器２２８の出力２３４は、第２圧力検出用キャパシタンス２３０に対する第２の基準キャパシタンス２０６の第２比率Ｋ２の関数として変化する。圧力測定装置２００の圧力測定範囲に亘って第１検出圧力値Ｐ１が第２検出圧力値Ｐ２とほぼ等しい場合には、第１比率Ｋ１は第２比率Ｋ２と一致する。
【００４３】
前記積分器２０８と２２８は、入力信号２１２と２３２からの電荷を積分処理し、入力信号２１２と２３２からの電荷量や電荷パケットを示す積分器出力２１４と２３４をそれぞれ出力する。圧力検出用キャパシタンス２１０、２３０は、積算キャパシタンスとして使用される。
【００４４】
別の好適例として、前記第１と第２の圧力検出用キャパシタンス２１０と２３０を、２個の整合絶対圧力センサで構成することも可能である。しかし、前記第１と第２の圧力検出用キャパシタンス２１０と２３０を、整合ゲージ圧力センサで構成することもできる。
【００４５】
また別の好適例として、前記第１の基準キャパシタンス２０４を、第２の基準キャパシタンス２０６と整合させることも可能である。さらに別の好適例では、圧力測定装置２００の圧力測定範囲において第１検出圧力値が第２検出圧力値とほぼ等しい場合には、前記第１圧力検出用キャパシタンス２１０が第２圧力検出用キャパシタンス２３０と整合される。
【００４６】
ただし、本明細書に記載する「整合」という用語は、第１の構成部品のパラメータと、第２の同様構成部品のパラメータとの差が、０．５％を越えないことを意味する。
【００４７】
前記圧力測定装置２００の加算回路２４０は、第１と第２の積分器出力２１４、２３４を入力して、加算回路出力２４２を提供する。加算回路出力信号２４２は、第１検出圧力値Ｐ１と第２検出圧力値Ｐ２との間の圧力差を表す最大最低振幅である。加算回路出力２４２は、制御デューティ周期をもつ方形波である。加算回路出力２４２の平均ＤＣ値も、第１検出圧力値Ｐ１と第２検出圧力値Ｐ２との間の圧力差を示している。
【００４８】
別の例として、例えばシグマデルタ変調器などのサンプリング回路２５２で、加算回路出力２４２を受信し、そこから、差圧を示すデジタル送信出力２０２を発生する。デジタル信号２０２は、必要に応じて、４〜２０ｍＡのアナログ信号に変換することも可能である。さらに別の例として、サンプリング回路２５２を使わずに、加算回路出力２４２を直接に４〜２０ｍＡのアナログ送信回路（図示しない）に供給しても構わない。言い換えれば、サンプリング回路２５２の使用は、オプションである。加算回路を差圧を示す送信信号を生成する４〜２０ｍＡの２線式のアナログ送信回路に直接接続することができる。
【００４９】
好ましくは、前記サンプリング回路２５２に、デジタル式クロック回路２４４からのサンプリング用クロック２５４を供給する。サンプリング回路２５２では、加算回路出力２４２の差圧を示す振幅値に応じたサンプル時間タイミング（サンプルウィンドウともいう）にて加算回路の出力信号をサンプルするのである。
【００５０】
前記圧力測定回路２００を、図７〜１１の構成例を参照して、さらに詳細に説明する。
【００５１】
図７は、別の実施例の圧力測定装置３００の概略図である。圧力測定装置３００は、２つの検出圧力値Ｐ１とＰ２とを検出して、差圧（Ｐ１−Ｐ２）を表す出力信号（ＶＯ）３４２を出力する差圧測定装置である。圧力測定装置３００は、図６の圧力測定装置２００と同様の構成であって、第１の基準キャパシタンス３０４と第２の基準キャパシタンス３０６を備えている。図７の圧力測定装置３００には、図６で示すサンプリング回路２５２などのサンプリング処理のための回路を備わっていない。
【００５２】
前記圧力測定装置３００のデジタル式クロック回路３４４は、第１と第２の励起クロック３４６と３４８を、それぞれ第１と第２の基準キャパシタンス３０４と３０６に供給する。図７に示すように、第１と第２の励起クロック３４６、３４８は同じ信号ＰＨ０であるので、第１励起クロック３４６の位相は第２励起クロック３４８の位相にほぼ整合している。
【００５３】
また、前記デジタル式クロック回路３４４は、リセットクロックＰＨ１３５０を第１と第２の電荷積分器３０８と３２８に供給している。下記に、デジタル式クロック回路３４４およびその出力信号ＰＨ０とＰＨ１を、図８のタイミングチャートを参照して、さらに詳細に説明する。
【００５４】
前記第１積分器３０８は、圧力値Ｐ１を検出するための第１圧力検出用キャパシタンス３１０を備える。第１積分器３０８は、第１基準キャパシタンス３０４に接続された第１入力３１２と第１積分器出力３１４とを有する。前記第２積分器３２８は、第２圧力検出用キャパシタンス３３０を備える。第２積分器３２８は第２の基準キャパシタンス３０６に接続された第２入力３３２と第２積分器出力３３４とを有する。
【００５５】
前記第１と第２の積分器３０８、３２８は作動演算増幅器を備え、図７に示すように、差動演算増幅器の出力端とその反転入力端との間のフィードバック経路に圧力検出用キャパシタンス３１０、３３０がそれぞれ接続されている。また、圧力検出用キャパシタンス３１０、３３０の両端に接続されたソリッドステート式スイッチが使用されており、積分操作サイクルの動作中のリセット周期毎に圧力検出用キャパシタンスをゼロにリセットする。リセット後に励起信号ＰＨ０の状態が変化すると、電荷が基準キャパシタンス３０４と３０６を経由して積分器へ送られ、それぞれ圧力検出用キャパシタンス３１０と３３０内に蓄電される。積分処理完了後の演算増幅器の出力電圧値は、圧力検出用キャパシタンス容量に対する基準キャパシタンス容量の比率の関数である。
【００５６】
前記圧力測定装置３００の加算回路３４０は、第１と第２の積分器からの出力３１４と３３４を受信して、差圧（Ｐ２−Ｐ１）を表す振幅値の加算回路出力３４２を供給する。加算回路３４０は図示のような差動増幅器で構成され、その出力の振幅は、第１積分器の出力と第２積分器の出力との間の差を表す。
【００５７】
前記加算回路内の差動増幅器は、加算回路出力３４２を提供する演算増幅器３３５と、演算増幅器３３５の入力端に接続された２個の入力抵抗器３３７、３３９と、演算増幅器の出力端と反転入力端の間に接続されたフィードバック抵抗器３４３と、演算増幅器３３５の非反転入力端を共通ＤＣ線に接続するバイアス抵抗器３４１とからなる。
【００５８】
加算回路出力３４２と同様に、第１と第２の積分器出力３１４と３３４を、図８を参照して、さらに詳細に説明する。
【００５９】
図８は、図７に示す圧力測定装置３００の動作のタイミングチャートである。図８に示すように、水平軸３６０、３６２、３６４、３６６、３６８は、時間を表す。垂直方向は、それぞれ図７に示す信号ＰＨ０、ＰＨ１、ＶＯ１、ＶＯ２、ＶＯの振幅値を示している。
【００６０】
符号３７０で示す前記励起クロックＰＨ０は、ほぼ方形の波形をもつ。リセットクロックＰＨ１は、符号３７２で示す。励起クロックＰＨ０の立ち上がり期間３７１には、リセットクロックＰＨ１は符号３７３で示すように高位である。リセットクロックＰＨ１のパルス波形は、励起クロックＰＨ０のパルス波形の立ち上がり部分（前縁）とオーバーラップしている。
【００６１】
第１積分器出力ＶＯ１は、符号３７４で示している。図８から判るように、リセットクロックＰＨ１が高位の期間３７３に、第１積分器の出力信号ＶＯ１はゼロまで低下、つまり、符号３７５で示すようにリセットされる。励起クロックＰＨ０の立ち下がり期間３７７の後に、第１積分器出力ＶＯ１は、非ゼロレベル３７６まで立ち上がる。
【００６２】
前記第２積分器出力ＶＯ２を、符号３８４で示す。図８から判るように、リセットクロックＰＨ１が高位の期間３７３に、第２積分器出力ＶＯ２もゼロまで低下、つまり、符号３８５で示すようにリセットされる。そして、励起クロックＰＨ０の立ち下がり期間３７７の後に、第２積分器出力ＶＯ２は、非ゼロレベル３８６まで立ち上がる。
【００６３】
前記加算回路出力ＶＯを、符号３９０で示す。加算回路出力ＶＯは、必要に応じてサンプリングができ、差圧値（Ｐ２−Ｐ１）にほぼ比例する振幅値（Ｖ１−Ｖ２）をもつ。
【００６４】
図９は、さらに別の圧力測定装置４００の概略図である。本実施例の圧力測定装置４００は、圧力値Ｐ１とＰ２を検出し、差圧値(（Ｐ１−Ｐ２）を表す出力信号（ＶＯ）４４２を出力する差圧測定装置である。圧力測定装置４００は、図７の圧力測定装置３００と同様の構成である。図７で示す符号と同じ図９の参照符号は、同じか、または、同様の機能を示している。図７の圧力測定装置３００において、デジタル式クロック回路３４４の出力信号ＰＨ０は、両方の第１と第２の基準キャパシタンス３０４、３０６に送られ、その加算回路３４０からは、２つの積分器３１４と３３４との間の差値を示す加算回路出力が供給される。しかし図９に示す圧力測定装置４００では、デジタル式クロック回路４４４は、２つの論理相補出力ＰＨ０と／ＰＨ０を有する（出力信号／ＰＨは、出力信号ＰＨ０の反転形状）。図９の出力信号ＰＨ０は、第１の基準キャパシタンス３０４に入力され、他方の出力信号／ＰＨ０は、第２の基準キャパシタンス３０６に入力される。また、図９の加算回路４４０は加算増幅器で構成され、２つの積分器３１４と３３４の出力信号の和値を表す加算回路出力４４２を提供する。
【００６５】
図７の圧力測定回路３００と比較して、図９に示す圧力測定回路４００からの反転励起信号は、第２の基準キャパシタンス３０６に入力され、加算回路４００の出力信号が差信号ではなく和信号となるため、加算回路の出力信号４４２の反転効果を効果的に消去することができる。両方の回路３００と４００ともに、その出力は差信号（Ｐ２―Ｐ１）である。図９におけるデジタル式クロック回路４４４の出力ＰＨ０、／ＰＨ０、ＰＨ１および出力ＶＯ１、ＶＯ２、ＶＯの作用を、図１０を参照してさらに詳細に説明する。
図１０は、図９に示す圧力測定装置４００の動作のタイミングチャートである。図１０において、水平軸４５８、４６０、４６２、４６４、４６６、４６８は時間を示す。また垂直方向は、図９に示す出力ＰＨ０、／ＰＨ０、ＰＨ１、ＶＯ１、ＶＯ２、ＶＯの振幅値を表している。
【００６６】
符号４７０で示すのは第１励起クロックＰＨ０であって、ほぼ方形の波形をもつ。符号４６８は第２励起クロック／ＰＨ０であって、前記第１励起クロック波形４７０の論理反転したものである。第２励起クロック／ＰＨ０は、第１励起クロックＰＨ０から位相がずれている。符号４７２で示すのは、リセットクロックＰＨ１である。第１励起クロックＰＨ０の立ち上がり期間４７１および、第２励起クロック／ＰＨ０の立ち下がり期間には、リセットクロックＰＨ１は４７３で示すように高位である。
【００６７】
前記第１積分器出力ＶＯ１は、符号４７４で示している。図１０から判るように、リセットクロックＰＨ１が高位の期間４７３に、第１積分器出力ＶＯ１はゼロまで低下、つまり、符号４７５で示すようにリセットされる。そして、励起クロックＰＨ０の立ち下がり期間４７７の後に、第１積分器出力ＶＯ１は、非ゼロレベル４７６まで立ち上がる。
【００６８】
前記第２積分器出力ＶＯ２を、符号４８４で示す。図１０から判るように、リセットクロックＰＨ１が高位の期間４７３に、第２積分器出力ＶＯ２はゼロまで上昇、つまり、符号４８５で示すようにリセットされる。そして、励起クロックＰＨ０の立ち下がり期間４７７の後に、第２積分器出力ＶＯ２は、非ゼロレベル４８６まで低下する。
【００６９】
前記加算回路出力ＶＯを、番号の４９０で示す。加算回路出力ＶＯは、必要に応じてサンプリングができ、差圧値（Ｐ２−Ｐ１）にほぼ比例する振幅値（Ｖ１−Ｖ２）をもつ。
【００７０】
図１１は、圧力検出用キャパシタンスのゲイン係数の整合を改善する方法を図示している。図１１に示す第１と第２の積分器５２０、５２２は、加算回路５３０に接続されている。図１１の構成は、図６、７、９に図示の回路構成とほぼ同じである。加算回路５３０には、２個の入力抵抗器５２４と５２６とが備わっている。圧力検出用キャパシタンスＣＳ１とＣＳ２とは整合センサの機能をするが、所定圧力範囲における圧力検出用キャパシタンスＣＳ１とＣＳ２のゲージ係数間の差はごくわずかである。容量性圧力センサのゲージ係数は、容量変動を起こすような圧力変化で容量変動を割った比率である。第１と第２の圧力検出用キャパシタンス間のゲージ係数の整合を改善するためには、製造校正過程において、入力抵抗器５２４と５２６の片方あるいは両方のレーザートリム処理を行う。
【００７１】
容量性圧力センサにおけるセンサ容量は、検出圧力値とは非線形関係をもち、一般的は、特性曲線の傾きは数式６で示すことができる。
【００７２】
【数７】
2005535900.tif 000009
【００７３】
しかしながら、図１〜１１により説明した上記の回路構成では、積分器出力がＣＲ／ＣＳとなる。この積分器出力に対して、特性曲線の傾きは以下の数式７で示せる。
【００７４】
【数８】
2005535900.tif 000010
【００７５】
数式７から判るように、図１〜１１にて説明した積分器回路では、圧力検出用キャパシタンスＣＳは、積分器増幅器の両端のフィードバック経路に接続されており、一方、増幅器の入力端と励起電源の間に接続されたキャパシタンスＣＲは、圧力に非感応であって所定の高い線形特性を備える。それゆえ、マイクロプロセッサなどによる線形処理を必要とせず、線形処理のための複雑なアナログ回路を追加する必要もなくなる。
【００７６】
以上、本発明の実施例の詳細な構成や機能を説明しつつ、本発明の実施例の特徴や長所を開示したが、上記の開示は例証のみであり、特に、下記の請求範囲に記載されている用語の広義の意味する範囲において、本発明の原則における構成部品の構造や配置の点にて、多様な変更が可能であるのも理解できよう。例えば、本発明の範囲や精神から逸脱することなく、同様の機能を基本的に維持しながら、特定の部品要素を圧力測定装置の適用例に応じて変更することも可能である。本発明の教示は、本発明の範囲から逸脱することなく、その他の差圧測定装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】実施例の圧力測定装置の概略図である。
【図２】別の実施例の圧力測定装置の概略図である。
【図３】さらに別の実施例の圧力測定装置の概略図である。
【図４】励起クロックと基準キャパシタンスの間に接続された分圧器を備える圧力測定装置の部分図である。
【図５】圧力測定装置に内蔵されて圧力測定装置の使用前に調整可能な固定電位を発生するための電位回路の一例の図である。
【図６】さらに別の実施例の圧力測定装置のブロック図である。
【図７】さらに別の実施例の圧力測定装置の概略図である。
【図８】図７に示す回路の動作のタイミングチャートである。
【図９】さらに別の実施例の圧力測定装置の概略回路図である。
【図１０】図９に示す回路の動作のタイミングチャートである。
【図１１】圧力センサのゲイン係数の整合を改善するための方法を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０……圧力測定装置、  ２２……デジタル式クロック回路、  ２４……励起クロック、  ２６……制御出力、  ３０……第１の積分器、  ３２……第１のスイッチ、  ３４……第１の増幅器、  ３６……圧力検出用キャパシタンス、  ３８……増幅器フィードバック経路、  ４０……第１増幅器の出力端、  ４２……第１増幅器の入力端、  ４４……増幅器の非反転入力端、  ４７……第１の基準キャパシタンス
【図１】
2005535900.tif 000011
【図２】
2005535900.tif 000012
【図３】
2005535900.tif 000013
【図４】
2005535900.tif 000014
【図５】
2005535900.tif 000015
【図６】
2005535900.tif 000016
【図７】
2005535900.tif 000017
【図８】
2005535900.tif 000018
【図９】
2005535900.tif 000019
【図１０】
2005535900.tif 000020
【図１１】
2005535900.tif 000021
【国際調査報告】
2005535900.tif 000022
2005535900.tif 000023
2005535900.tif 000024