(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量の変化に対応して電気的な特性値が変化するセンサ素子と、
前記物理量の変化に対して電気的な特性値が一定の基準素子と、
前記センサ素子の電気的な特性値に基づいて決まる周波数で発振して第１の出力クロック信号を出力する第１の発振回路と、
前記基準素子の電気的な特性値に基づいて決まる周波数で発振して第２の出力クロック信号を出力する第２の発振回路と、
第１の設定回数だけ前記第２の出力クロック信号のクロック数を計数する第１の計数手段と、
前記第１の計数手段が前記第１の設定回数だけ計数動作を行っている期間に、前記第１の出力クロック信号のクロック数を計数して第１の計数結果を出力する第２の計数手段と、
前記第１の計数結果と、前記第１の設定回数に対応して設定された基準計数結果と、の差を求めて、前記物理量の変化に対応した演算結果を出力する演算手段と、
を備えたことを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
物理量の変化に対応して電気的な特性値が変化するセンサ素子と、
前記物理量の変化に対して電気的な特性値が一定の基準素子と、
前記センサ素子の電気的な特性値に基づいて決まる周波数で発振して第１の出力クロック信号を出力する第１の発振回路と、
前記基準素子の電気的な特性値に基づいて決まる周波数で発振して第２の出力クロック信号を出力する第２の発振回路と、
第１の設定回数だけ前記第１の出力クロック信号のクロック数を計数する第１の計数手段と、
前記第１の計数手段が前記第１の設定回数だけ計数動作を行っている期間に、前記第２の出力クロック信号のクロック数を計数して第１の計数結果を出力する第２の計数手段と、
前記第１の計数結果と、前記第１の設定回数に対応して設定された基準計数結果と、の差を求めて、前記物理量の変化に対応した演算結果を出力する演算手段と、
を備えたことを特徴とするセンサ装置。
【請求項３】
前記センサ素子の検出対象となる前記物理量には、温度、圧力、応力、変位、加速度、電気量が含まれていることを特徴とする請求項１又は２記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振回路を用いて物理量（例えば、温度、圧力、応力、変位、加速度、電気量等）を発振周波数の変化で検出するセンサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、発振回路を用いた発振周波数の変化で圧力や加速度を検出するセンサ装置としては、例えば、次のような文献に記載されるものがあった。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１０４２９２号公報
【０００４】
この特許文献１のセンサ装置では、静電容量素子と抵抗素子とを含み、これらの電気的な特性値によって発振周波数が定まるCR発振回路を備え、圧力測定用のセンサ素子として可変コンデンサを使用している。そして、外圧が加えられると、センサ素子の静電容量値が変化し、これによりCR発振回路の発振周波数が変化するので、この発振周波数の変化量から外圧を検出する構成になっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のセンサ装置では、これを構成する部品にばらつきがあると、発振周波数の中心値や変化幅がばらつき、検出誤差が大きくなる。そこで、検出誤差を小さくするために、発振周波数に影響を与える静電容量値や抵抗値をアナログ的に調整しているが、この調整作業が繁雑で、容易に調整精度を向上させることが困難であるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のセンサ装置では、物理量（例えば、温度、圧力、応力、変位、加速度、電気量等）の変化に対応して電気的な特性値が変化するセンサ素子が接続された第１の発振回路と、前記物理量の変化に対して電気的な特性値が一定の基準素子が接続された第２の発振回路とを用いて、前記第１及び第２の発振回路における相対的な発振周波数の変化分を算出して前記物理量を検出している。
【０００７】
即ち、本発明のうちの請求項１に係る発明のセンサ装置は、物理量の変化に対応して電気的な特性値が変化するセンサ素子と、前記物理量の変化に対して電気的な特性値が一定の基準素子と、前記センサ素子の電気的な特性値に基づいて決まる周波数で発振して第１の出力クロック信号を出力する第１の発振回路と、前記基準素子の電気的な特性値に基づいて決まる周波数で発振して第２の出力クロック信号を出力する第２の発振回路と、第１の設定回数だけ前記第２の出力クロック信号のクロック数を計数する第１の計数手段と、前記第１の計数手段が前記第１の設定回数だけ計数動作を行っている期間に、前記第１の出力クロック信号のクロック数を計数して第１の計数結果を出力する第２の計数手段と、前記第１の計数結果と、前記第１の設定回数に対応して設定された基準計数結果と、の差を求めて、前記物理量の変化に対応した演算結果を出力する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項２に係る発明のセンサ装置は、物理量の変化に対応して電気的な特性値が変化するセンサ素子と、前記物理量の変化に対して電気的な特性値が一定の基準素子と、前記センサ素子の電気的な特性値に基づいて決まる周波数で発振して第１の出力クロック信号を出力する第１の発振回路と、前記基準素子の電気的な特性値に基づいて決まる周波数で発振して第２の出力クロック信号を出力する第２の発振回路と、第１の設定回数だけ前記第１の出力クロック信号のクロック数を計数する第１の計数手段と、前記第１の計数手段が前記第１の設定回数だけ計数動作を行っている期間に、前記第２の出力クロック信号のクロック数を計数して第１の計数結果を出力する第２の計数手段と、前記第１の計数結果と、前記第１の設定回数に対応して設定された基準計数結果と、の差を求めて、前記物理量の変化に対応した演算結果を出力する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項３に係る発明のセンサ装置は、請求項１又は２記載のセンサ装置において、前記センサ素子の検出対象となる前記物理量には、温度、圧力、応力、変位、加速度、電気量が含まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、次の（ａ）〜（ｅ）のような効果がある。
（ａ）  初期状態での発振回路の発振周波数がばらついても、所定の条件に初期調整（即ち、オフセット調整）できる。
【０００９】
（ｂ）  センサ素子と発振回路の組み合わせで、所定の物理量の変化を加えたときの検出結果を所定の値に調整（即ち、フルスケール調整）できる。
【００１０】
（ｃ）  調整は、発振回路の発振周波数を調整せずに、他の構成要素のデータ等にて調整できる。即ち、発振回路の発振周波数を調整するのではなく、ばらついたままの状態で動作させて良く、発振周波数を決める電気的な特性値の調整をしないで良い。しかも、所定の最大の物理量の変化を加えたときの検出結果を所定の値に調整（即ち、フルスケール調整）できるので、発振回路との組み合わせで検出特性にばらつきがあっても、調整にて合わせられるので、コストの削減が可能である。
【００１１】
（ｄ）  設計上、要求される検出能力に応じて計数手段の設定回数を大きくしていけば、検出に要する時間は延びるが、分解能力を向上できる。
【００１２】
（ｅ）  センサ素子による発振周波数と基準素子による発振周波数との相対的な変化分（又は、第１のセンサ素子による発振周波数と第２のセンサ素子による発振周波数との相対的な変化分）を算出して物理量を検出しているので、発振回路の特性変動が原因で発振周波数が同じ割合で変化しても、キャンセルされて影響を与えないので、発振回路のばらつきや変動の影響を受け難い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１５】
（図１の基本構成）
図１は、本発明の実施例１を示すセンサ装置の基本構成図である。
このセンサ装置は、例えば、CR発振回路の発振周波数を決める静電容量素子及び抵抗素子からなる時定数回路の内の抵抗素子を用いて温度を検出する装置であり、装置全体を制御するための制御回路１０と、温度依存性の大きなサーミスタ抵抗素子からなる温度検出用のセンサ素子２１と、基準となる固定抵抗値Rrefを有する基準素子（例えば、基準抵抗素子）２２とを備えている。センサ素子２１は、温度によって抵抗値Rthが変化する。制御回路１０は、装置を制御するための各種の制御信号（例えば、切り替え制御信号Ｓ１１、発振制御信号Ｓ１２、メモリ制御信号Ｓ１３−１，Ｓ１３−２、カウンタ制御信号Ｓ１４−１，Ｓ１４−２等）を出力する制御部や、演算部、データ記憶部等を有しており、中央処理装置（以下「CPU」という。）等で構成されている。
【００１６】
センサ素子２１と基準抵抗素子２２は、切り替え回路２３を介して、発振回路２４に接続されている。切り替え回路２３は、切り替え制御信号Ｓ１１により切り替え動作を行い、センサ素子２１又は基準抵抗素子２２のいずれか一方を発振回路２４に接続する回路である。発振回路２４は、センサ素子２１及び基準抵抗素子２２と共にCR発振回路を構成し、発振制御信号Ｓ１２により動作して、センサ素子２１又は基準抵抗素子２２の抵抗値に対応した周波数で発振してクロック信号を出力する回路である。
【００１７】
又、このセンサ装置には、メモリ制御信号Ｓ１３−１により動作してカウント（計数）回数である設定回数（例えば、設定値）Ｍ１を設定する第１のメモリ２５−１と、メモリ制御信号Ｓ１３−２により動作して設定値Ｍ２を設定する第２のメモリ２５−２と、基準のクロック信号からなる基準周波数信号frefを出力する水晶発振回路等で構成された基準信号源３０とが設けられている。第１、第２のメモリ２５−１，２５−２の出力側には、第１の計数手段（例えば、第１のカウンタ）２７−１が接続されている。第１のカウンタ２７−１は、カウンタ制御信号Ｓ１４−１により動作し、第１のメモリ２５−１に設定された設定値M1の回数だけ、又は第２のメモリ２５−２に設定された設定値Ｍ２の回数だけ、発振回路２４の出力クロック信号の数をカウントするものであり、この出力側に第２の計数手段（例えば、第２のカウンタ）２７−２が接続されている。
【００１８】
第２のカウンタ２７−２は、カウンタ制御信号Ｓ１４−２により動作し、第１のカウンタ２７−１が設定値Ｍ１又はＭ２の回数だけカウント動作を行っている期間に、基準信号源３０から出力される基準周波数信号frefのクロック数をカウントし、このカウント数Ｎ１又はＮ２を制御回路１０に記憶させる。カウント数Ｎ１は、設定値Ｍ１に対応し、カウント数Ｎ２は、設定値Ｍ２に対応している。カウンタ２７−１，２７−２及び制御回路１０内の演算部により、演算手段が構成されている。
【００１９】
（図１の動作）
図２は、図１のセンサ装置の動作を示すタイミングチャートである。
先ず、制御回路１０から出力される切り替え制御信号Ｓ１１により、切り替え回路２３がセンサ素子２１側に切り替えられ、このセンサ素子２１が発振回路２４に接続される。発振回路２４は、発振制御信号Ｓ１２により、センサ素子２１の抵抗値Rthに対応する周波数で発振する。メモリ制御信号Ｓ１３−１により、第１のメモリ２５−１内の設定値Ｍ１が第１のカウンタ２７−１にロードされ、カウンタ制御信号Ｓ１４−１により動作する第１のカウンタ２７−１によって、発振回路２４から出力されるクロック信号の数がカウントされる。
【００２０】
第１のカウンタ２７−１が設定値Ｍ１回のカウント動作を行っている期間に、カウンタ制御信号Ｓ１４−２により第２のカウンタ２７−２が動作し、基準周波数信号frefのクロック数がカウントされ、このカウント数Ｎ１が制御回路１０に記憶される。その後、カウンタ制御信号Ｓ１４−２により、第２のカウンタ２７−２がリセットされる。
【００２１】
次に、切り替え制御信号Ｓ１１により、切り替え回路２３が基準抵抗素子２２側に切り替えられ、基準抵抗素子２２が発振回路２４に接続される。発振制御信号Ｓ１２により発振回路２４が動作し、基準抵抗素子２２の抵抗値Rrefに対応した周波数で発振する。メモリ制御信号Ｓ１３−２により、第２のメモリ２５−２内の設定値Ｍ２が第１のカウンタ２７−１にロードされ、制御信号Ｓ１４−１により動作する第１のカウンタ２７−１によって、発振回路２４から出力されるクロック信号の数がカウントされる。
【００２２】
第１のカウンタ２７−１が設定値Ｍ２回のカウント動作を行っている期間に、カウンタ制御信号Ｓ１４−２により第２のカウンタ２７−２が動作し、基準周波数信号frefのクロック数がカウントされ、このカウント数Ｎ２が制御回路１０に記憶される。その後、カウンタ制御信号Ｓ１４−２により第２のカウンタ２７−２がリセットされると共に、制御回路１０においてカウント数Ｎ２からＮ１の減算が行われ、減算結果（Ｎ２−Ｎ１）である出力データＤ１０が出力される。この出力データＤ１０（＝Ｎ２−Ｎ１）は、センサ素子２１の抵抗値Rth（即ち、検出温度）に対応しているので、温度が検出されたことになる。
【００２３】
（図３の構成）
図３は、図１の第１のカウンタ２７−１が第１のメモリ２５−１に設定された設定値Ｍ１回のカウント動作を行っている期間に、第２のカウンタ２７−２で基準周波数信号frefをカウントさせる実現手段の１例を示す図である。
【００２４】
図３の構成では、発振回路２４と第１のカウンタ２７−１との間に、第１のゲート回路２６−１が設けられ、基準信号源３０と第２のカウンタ２７−２との間に、第２のゲート回路２６−２が設けられている。第１、第２のゲート回路２６−１，２６−２は、制御回路１０から出力されるゲート制御信号Ｓ１５と、デコード回路２８の反転出力信号を受けて、入力信号を通過させる機能を有している。第１のカウンタ２７−１は、例えば、クロック信号が入力される毎にカウント値が減っていくダウンカウンタにより構成されている。デコード回路２８は、第１のカウンタ２７−１のカウントデータをデコードしており、カウントデータが全桁揃って「０００・・・００」になることを検出すると、このデコード回路２８の反転出力信号が論理「L」となる。
【００２５】
（図３の動作）
図４は、図３のセンサ装置の動作を示すタイミングチャートである。
【００２６】
制御回路１０から出力されるメモリ制御信号Ｓ１３−１により、第１のメモリ２５−１内の設定値Ｍ１が第１のカウンタ２７−１にロードされる。これにより、第１のカウンタ２７−１のカウントデータが全桁揃って「０００・・・００」ではなくなるので、デコード回路２８の反転出力信号は論理「H」となる。制御回路１０から出力される発振制御信号Ｓ１２により、発振回路２４が発振動作を開始する。
【００２７】
制御回路１０から出力されるカウンタ制御信号Ｓ１４−２により、第２のカウンタ２７−２のカウントデータは事前に初期化されていて、全桁揃えて「０００・・・００」となっている。この状態で、発振回路２４の発振動作が安定するまでの待ち時間経過後に、制御回路１０から出力されるゲート制御信号Ｓ１５が立ち上がる。既に、デコード回路２８の反転出力信号は「H」となっていたので、第１、第２のゲート回路２６−１，２６−２を信号が通過する。
【００２８】
第１、第２のカウンタ２７−１，２７−２には信号が印加され始めるので、カウント動作が開始される。第１のカウンタ２７−１はダウンカウンタなので、ロードされた設定値Ｍ１の状態から、発振回路２４の出力クロック信号が第１のゲート回路２６−１を介して入力されると、その出力クロック信号数をダウンカウントしていき、最終的にカウントデータが全桁揃って「０００・・・００」になる。
【００２９】
第１のカウンタ２７−１のカウントデータが全桁揃って「０００・・・００」となると、デコード回路２８の反転出力信号が反転して「L」となるので、第１、第２のゲート回路２６−１，２６−２が閉じて信号が通過しなくなる。そのため、第１、第２のカウンタ２７−１，２７−２の動作が停止し、第２のカウンタ２７−２にカウントデータが保持される。その後、発振制御信号Ｓ１２により、発振回路２４の動作が停止し、第２のカウンタ２７−２のカウントデータが制御回路１０に記憶された後、第２のカウンタ２７−２が初期化される。
【００３０】
（図１の具体的な動作例）
温度依存性の大きなサーミスタ抵抗からなるセンサ素子２１を発振回路２４に接続して発振させる。基準温度での発振回路２４の発振周波数foffsetは、２MHzに設定する。検出可能な温度範囲の上限での発振周波数ffullscaleが２．３MHz、上下限間を１００ステップ以上のステップで検出する場合を例に挙げて説明する。
【００３１】
発振回路２４に基準抵抗素子２２を接続して発振させた場合の発振周波数fcenterも、発振周波数foffset（＝２MHz）と同じ２MHzになるように設定する。基準周波数信号frefを供給する基準信号源３０としては、ＩＳＭ（産業・科学・医療用）バンドの周波数１３．５６MHzの周波数信号から１／８分周して得られる信号（１．６９５MHz）を使用する。第１のメモリ２５−１に設定された設定値Ｍ１と、第２のメモリ２５−２に設定された設定値Ｍ２は、共に４０００とする。
【００３２】
切り替え回路２３により、温度依存性の大きなサーミスタ抵抗からなるセンサ素子２１を発振回路２４に接続すると、基準温度での発振回路２４の発振周波数foffsetが２MHzなので、第１のカウンタ２７−１が４０００カウントに要する時間は２msecである。そのため、第２のカウンタ２７−２で基準周波数信号frefをカウントしたときのカウント数Ｎ１は、３３９０となる。
【００３３】
切り替え回路２３によって基準抵抗素子２２を発振回路２４に接続したときは、この発振回路２４の発振周波数fcenterが２MHzなので、第１のカウンタ２７−１が４０００カウントに要する時間は、２msecである。そのため、第２のカウンタ２７−２で基準周波数信号frefをカウントしたときのカウント数Ｎ２は、３３９０となる。従って、基準温度ではカウント数Ｎ１とＮ２が等しくなっている。
【００３４】
温度依存性の大きなサーミスタ抵抗からなるセンサ素子２１が温度によって変化して、検出可能な温度範囲の上限での発振周波数ffullscaleが２．３MHzになると、第１のカウンタ２７−１が４０００カウントに要する時間は、１．７３９１３msecである。そのため、第２のカウンタ２７−２で基準周波数信号frefをカウントしたときのカウント数Ｎ２が２９４７となり、４４３カウント基準温度の場合より小さくなる。切り替え回路２３によって基準抵抗素子２２を発振回路２４に接続したときの発振周波数は、温度によって変化しないので、カウント数Ｎ２が変化しない。従って、目標の１００ステップに対して４倍以上の分解能力で温度を検出できるので、直線性が多少悪くても、十分１００ステップの分解能が得られる。
【００３５】
目標の１００ステップより大きくするのは、発振回路２４と基準信号源３０が非同期のため、カウントエラーが±１カウント出ても目標の分解能を維持するためである。
【００３６】
（ばらつきの調整方法）
上記の（図１の動作）と（図１の具体的な動作例）とにおいて大まかな動作原理と基本例を説明したが、現実のものとして再現性をよくするための部品にばらつきがある場合の調整方法を説明する。
【００３７】
例えば、切り替え回路２３によって基準抵抗素子２２を発振回路２４に接続したときに、発振周波数fcenterがばらついて２．２MHzとなり、切り替え回路２３によって温度依存性の大きなサーミスタ抵抗からなるセンサ素子２１を発振回路２４に接続したときに、基準温度での発振周波数foffsetがばらついて１．９MHzとなり、温度依存性の大きなサーミスタ抵抗からなるセンサ素子２１が温度によって変化して、検出可能な温度の上限での発振周波数ffullscaleが２．１MHzの場合の処置を説明する。
【００３８】
この例では、温度依存性の大きなサーミスタ抵抗からなるセンサ素子２１を使った発振周波数の変化幅が、設計中心の２MHz→２．３MHzに対し、１．９MHz→２，１MHz、発振周波数で約５％ダウン、周波数変化幅で３００ＫＨｚ→２００ＫＨｚ、周波数変化比で１５％→１０．５％に小さくなってしまった例である。このようなばらつきは、下記の（１）手順１、（２）手順２により調整すれば良い。
【００３９】
（１）  手順１
基準温度にて設定値Ｍ１，Ｍ２を共に設計の中心値である４０００にて動作させて、
カウント数Ｎ１＝３５６８（＝１．６９５MHz×４０００／１．９MHz）
カウント数Ｎ２＝３０８１（＝１．６９５MHz×４０００／２．２MHz）
を得る。これより、発振周波数fcenter／foffsetの比が３５６８：３０８１（２．２MHz：１．９MHz）であることが判る。従って、設計中心のカウント数３３９０に合わせるには、
設定値Ｍ１：４０００→３８００＝（４０００×３３９０／３５６８）
設定値Ｍ２：４０００→４４００＝（４０００×３３９０／３０８１）
とすればよいことが判る。
【００４０】
（２）  手順２
温度依存性の大きなサーミスタ抵抗からなるセンサ素子２１を温度によって変化させ、検出可能な温度範囲の上限で設定値Ｍ１，Ｍ２を補正した４４００，３８００にて動作させる。切り替え回路２３により、基準抵抗素子２２を発振回路２４に接続した場合の発振周波数も少し変化して、２．２MHz→２．１９MHzとなった場合を想定する。
カウント数Ｎ１−２＝３０６７（＝１．６９５MHz×３８００／２．１MHz）
カウント数Ｎ２−２＝３４０５（＝１．６９５MHz×４４００／２．１９MHz）
この場合のカウント差は３３８を得る。
【００４１】
カウント差を設計中心の４４３に合わせるために、設定値M1，Ｍ２を更に４４３／３３８倍に大きくすれば良いので、
設定値Ｍ１：４０００→３８００→４９８０
設定値Ｍ２：４０００→４４００→５７６６
よって、発振周波数の中心値のばらつき、変化幅のばらつきを吸収することができる。
【００４２】
（実施例１の効果）
本実施例１では、次の（ａ）〜（ｆ）のような効果がある。
【００４３】
（ａ）  発振回路２４を用いて物理量の変化（温度）を測定するのに、センサ素子２１と発振回路２４の組み合わせ、更に、基準抵抗素子２２と発振回路２４の組み合わせで、初期状態での発振周波数がばらついても、所定の条件（カウント数Ｎ１＝Ｎ２）に初期調整（即ち、オフセット調整）できる。
【００４４】
（ｂ）  センサ素子２１と発振回路２４の組み合わせで、所定の物理量の変化（温度）を加えたときの検出データ（カウント値）を所定の値（＝Ｎ２−Ｎ１）に調整（即ち、フルスケール調整）できる。
【００４５】
（ｃ）  調整は、発振回路２４の発振周波数を調整せずに、周りのロジック回路のデータ（本実施例１の場合はメモリ２５−１，２５−２への設定値Ｍ１，Ｍ２）にて調整できる。即ち、発振回路２４の発振周波数を調整するのではなく、ばらついたままの状態で動作させて良く、発振周波数を決める抵抗Ｒの調整をしないで良い。しかも、所定の最大の物理量の変化（温度）を加えたときの検出データ（カウント値）を所定の値（＝Ｎ２−Ｎ１）に調整（即ち、フルスケール調整）できるので、発振回路２４との組み合わせで検出特性にばらつきがあっても、調整にて合わせられるので、コストの削減が可能である。
【００４６】
（ｄ）  設計上、要求される検出能力に応じて設定値Ｍ１，Ｍ２を大きくしていけば、検出に要する時間は延びるが、分解能力を向上できる。この際、ロジック回路での調整の１ステップ分が十分小さくなるように、設定値Ｍ１，Ｍ２は大きい値を選ぶことになる。
【００４７】
（ｅ）  センサ素子２１による発振と、基準抵抗素子２２による発振とに、共通の発振回路２４を使い、発振周波数の変化を相対的に検出しているので、発振回路２４の特性変動が原因で発振周波数が同じ割合で変化しても、キャンセルされて影響を与えないので、発振回路２４のばらつきや変動の影響を受け難い。
【００４８】
（ｆ）  図５は、本発明の実施例１による補正をしない場合の従来の特性図、図６は、本発明の実施例１による補正をした場合の特性図であり、横軸は温度（℃）、縦軸は出力データである。
【００４９】
従来の特性を示す図５において、系列１〜３は右上がりであるが、基準温度での値が「０」になっていない（オフセット調整がずれている）し、最大温度での値が一定の値になっていない（フルスケール調整されていない）。系列４〜５は、変化カーブが逆で右下がりになっている例である。これに対し、本実施例１の特性を示す図６において、系列１〜５のいずれも、基準温度での値が「０」になっており（オフセット調整されている）、最大温度での値が一定の値になっている（フルスケール調整されている）。系列４〜５に対しては、最後の制御回路１０での引き算の極性を反転させることで、右上がりに統一している。この図５及び図６から明らかなように、本実施例１では、従来に比べて顕著な効果がある。
【実施例２】
【００５０】
（実施例２の構成）
図７は、本発明の実施例２を示すセンサ装置の構成図であり、実施例１を示す図１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
【００５１】
本実施例２のセンサ装置では、実施例１の切り替え回路２３を省略し、実施例１の共通の発振回路２４に代えて、センサ素子２１用の第１の発振回路２４−１と基準抵抗素子２２用の第２の発振回路２４−２を設け、実施例１の第１のカウンタ２７−１に代えて、これと同一特性の第１及び第２のカウンタ２７−１，２７−２を設け、実施例１の第２のカウンタ２７−２に代えて、これと同一特性の第３及び第４のカウンタ２７−３，２７−４を設け、更に、実施例１の制御回路１０に代えて、各種の制御信号（発振制御信号Ｓ１２−１，Ｓ１２−２、メモリ制御信号Ｓ１３−１，Ｓ１３−２、カウンタ制御信号Ｓ１４−１〜Ｓ１４−４等）及び出力データＤ１０Ａを出力する制御回路１０Ａが設けられている。
【００５２】
第１及び第２の発振回路２４−１，２４−２は、同一特性の回路であり、その内、第１の発振回路２４−１は、サーミスタ抵抗からなるセンサ素子２１の抵抗値により発振周波数が決まり、第２の発振回路２４−２は、基準抵抗素子２２の抵抗値により発振周波数が決まる。第１の発振回路２４−１の出力側には、第１のカウンタ２７−１−１が接続され、更にこのカウンタ２７−１の出力側に、第３のカウンタ２７−３が接続され、第２の発振回路２４−２の出力側にも、第２のカウンタ２７−２が接続され、更にこのカウンタ２７−２の出力側に、第４のカウンタ２７−４が接続されている。
【００５３】
第１のカウンタ２７−１は、第１のメモリ２５−１内の設定値Ｍ１の回数だけ第１の発振回路２４−１の出力クロック信号数をカウントするものである。第３のカウンタ２７−３は、第１のカウンタ２７−１が設定値Ｍ１の回数だけカウント動作を行っている期間に、基準信号源３０から出力される基準周波数信号frefのクロック数をカウントし、このカウント数Ｎ１を制御回路１０Ａに記憶させるものである。同様に、第２のカウンタ２７−２は、第２のメモリ２５−２内の設定値Ｍ２の回数だけ第２の発振回路２４−２の出力クロック信号数をカウントするものである。第４のカウンタ２７−４は、第２のカウンタ２７−２が設定値Ｍ２の回数だけカウント動作を行っている期間に、基準周波数信号frefのクロック数をカウントし、このカウント数Ｎ２を制御回路１０Ａに記憶させるものである。
【００５４】
（実施例２の動作・効果）
図８は、図７の動作を示すタイミングチャートである。
本実施例２では、実施例１の共通の発振回路２４に代えて、センサ素子２１用の第１の発振回路２４−１と基準抵抗素子２２用の第２の発振回路２４−２とを設け、これに伴い第２、第４のカウンタ２７−２，２７−４を追加しているので、第１の発振回路２４−１、第１のカウンタ２７−１、及び第３のカウンタ２７−３の動作と、第２の発振回路２４−２、第２のカウンタ２７−２、及び第４のカウンタ２７−４の動作とを、同時に実行できる。
【００５５】
そのため、実施例１とほぼ同様の効果がある上に、実施例１よりも測定時間が短く、且つ、第１、第２の発振回路２４−１，２４−２に印加される電源電力が不安定であっても、この電源電力が第１、第２の発振回路２４−１，２４−２に共通に同時に印加されることで、その不安定性の影響を減少できる。この際、第１、第２の発振回路２４−１，２４−２の特性が揃っていることが望ましいので、例えば、同一チップ上に隣接配置して集積回路化することが望ましい。
【実施例３】
【００５６】
（実施例３の構成）
図９は、本発明の実施例３を示すセンサ装置の構成図であり、実施例２を示す図７中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
【００５７】
本実施例３のセンサ装置では、実施例２とは異なる接続状態のセンサ素子２１、基準抵抗素子２２、第１、第２の発振回路２４−１，２４−２、第１、第２のメモリ２５−１，２５−２、第１、第２、第３、第４のカウンタ２７−１〜２７−４、及び基準信号源３０と、実施例２の制御回路１０Ａとはタイミング等が異なる制御信号（発振制御信号Ｓ１２−１，Ｓ１２−２、メモリ制御信号Ｓ１３−１，Ｓ１３−２、カウンタ制御信号Ｓ１４−１〜Ｓ１４−４等）及び出力データＤ１０Ｂを出力する制御回路１０Ｂとを有している。
【００５８】
本実施例３のセンサ素子２１、基準抵抗素子２２、第１、第２の発振回路２４−１，２４−２、第１、第２のメモリ２５−１，２５−２、第１〜第４のカウンタ２７−１〜２７−４、及び基準信号源３０では、基準信号源３０から出力される基準周波数信号frefのクロック数を第１、第２のカウンタ２７−１，２７−２でカウントし、この第１、第２のカウンタ２７−１，２７−２が第１、第２のメモリ２５−１，２５−２内の設定値Ｍ１，Ｍ２の回数だけカウントする間に、第１、第２の発振回路２４−１，２４−２の出力クロック信号数を第３、第４のカウンタ２７−３，２７−４でカウントし、このカウント数Ｎ１，Ｎ２を制御回路１０Ｂに与えるような接続状態になっている。
【００５９】
（実施例３の動作・効果）
図１０は、図９の動作を示すタイミングチャートである。
本実施例３では、実施例２とほぼ同様に、第１の発振回路２４−１、第１のカウンタ２７−１、及び第３のカウンタ２７−３の動作と、第２の発振回路２４−２、第２のカウンタ２７−２、及び第４のカウンタ２７−４の動作とを、同時に実行できる。そのため、実施例２とほぼ同様の効果がある。
【実施例４】
【００６０】
（図１１の構成）
図１１は、本発明の実施例４を示すセンサ装置の構成図であり、実施例２を示す図７中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
【００６１】
本実施例４のセンサ装置は、実施例２のサーミスタ抵抗からなるセンサ素子２１、及び基準抵抗素子２２に代えて、容量式のセンサ素子２１Ｃ、及び基準素子である基準容量素子２２Ｃを設け、そのセンサ素子２１Ｃを用いて圧力や加速度等を検出するようになっている。
【００６２】
このセンサ装置では、演算手段としての機能を有すると共に、各回路ブロックを制御するための各種の制御信号（メモリ制御信号Ｓ１３−１、Ｓ１３−３、発振制御信号Ｓ１２−１，Ｓ１２−２、カウンタ制御信号Ｓ１４−１，Ｓ１４−２等）及び出力データＤ１０Ｃを出力する制御回路１０Ｃと、発振制御信号Ｓ１２−１により動作してセンサ素子２１Ｃの容量値Csで決まる発振周波数で発振する第１の発振回路２４−１と、発振制御信号Ｓ１２−２により動作して基準容量素子２２Ｃの固定の容量値Crefで決まる発振周波数で発振する第２の発振回路２４−２と、メモリ制御信号Ｓ１３−１により動作してカウント回数である設定値Ｍ１を設定する第１のメモリ２５−１と、メモリ制御信号Ｓ１３−３により動作して設定値Ｍ３を設定し、これに対応する基準計数結果であるカウント数Ｎ３（設定値Ｍ１に対応して設定された数、例えば、設定値Ｍ１と同一の数）を制御回路１０Ｃへ与える第３のメモリ２５−３とを有している。
【００６３】
第２の発振回路２４−２及び第１のメモリ２５−１の出力側には、第１の計数手段である第２のカウンタ２７−２が接続されている。第２のカウンタ２７−２は、カウンタ制御信号Ｓ１４−２により動作し、第１のメモリ２５−１内の設定値Ｍ１の回数だけ第２の発振回路２４−２の出力クロック信号数をカウントするものであり、この出力側に第２の計数手段である第１のカウンタ２７−１が接続されている。第１のカウンタ２７−１−１は、カウンタ制御信号Ｓ１４−１により動作して、第２のカウンタ２７−２がカウント動作している間に、第１の発振回路２４−１の出力クロック信号数をカウントしてこの第１の計数結果であるカウント数Ｎ１を制御回路１０Ｃへ出力するものである。制御回路１０Ｃは、各種の制御信号を出力すると共に、第１のカウンタ２７−１及び第３のメモリ２５−３から与えられるカウント数Ｎ１からＮ３を減算し、センサ素子２１Ｃで検出される圧力や加速度等に対応した出力データＤ１０Ｃ（＝Ｎ１−Ｎ３）を出力する機能を有している。
【００６４】
（図１１の動作）
図１２は、図１１のセンサ装置の動作を示すタイミングチャートである。
【００６５】
先ず、制御回路１０Ｃから出力されるメモリ制御信号Ｓ１３−１により、第１のメモリ２５−１内の設定値Ｍ１が第２のカウンタ２７−２にロードされると共に、制御回路１０Ｃから出力される発振制御信号Ｓ１２−１，Ｓ１２−２により、第１の発振回路２４−１がセンサ素子２１Ｃの容量値Csで決まる発振周波数で発振し、第２の発振回路２４−２が基準容量素子２２Ｃの容量値Crefで決まる発振周波数で発振する。制御回路１０Ｃから出力されるカウンタ制御信号Ｓ１４−２により動作する第２のカウンタ２７−２によって、第２の発振回路２４−２から出力されるクロック信号の数がカウントされる。
【００６６】
第２のカウンタ２７−２が設定値Ｍ１回のカウント動作を行っている期間に、制御回路１０Ｃから出力されるカウンタ制御信号Ｓ１４−１により第１のカウンタ２７−１が動作し、第１の発振回路２４−１から出力されるクロック信号の数がカウントされ、このカウント数Ｎ１が制御回路１０Ｃに記憶される。その後、カウンタ制御信号Ｓ１４−１により、第１のカウンタ２７−１がリセットされる。更に、制御回路１０Ｃにおいて、第３のメモリ２５−３から与えられて記憶されたカウント数Ｎ３（例えば、設定値Ｍ１と同一の数）が、カウント数Ｎ１から減算され、減算結果（Ｎ１−Ｎ３）の出力データＤ１０Ｃが出力される。この出力データＤ１０Ｃ（＝Ｎ１−Ｎ３）は、センサ素子２１Ｃの容量値Cs（即ち、圧力や加速度等）に対応しているので、圧力や加速度等が検出されたことになる。
【００６７】
（図１１の具体的な動作例）
例えば、図１１のセンサ素子２１Ｃは、圧力検出用の容量式の圧力センサであり、第１の発振回路２４−１には、容量式のセンサ素子２１Ｃが接続されて発振しており、基準圧力での発振周波数foffsetが２MHzとし、検出可能な圧力範囲の上限での発振周波数ffullscaleが２．３MHz、上下限間を１００ステップ以上のステップで検出する場合を例に挙げて説明する。
【００６８】
第２の発振回路２４−２には、基準容量素子２２Ｃが接続されて発振しており、発振周波数fcenterも、第１の発振回路２４−１の発振周波数foffset（２MHz）と同一になるように２MHzに設定する。第１のメモリ２５−１に設定された設定値Ｍ１を２９５４とすると、発振周波数fcenterは２MHzなので、第２のカウンタ２７−２においてカウントに要する時間は１．４７７msecとなる。容量式のセンサ素子２１Ｃが接続された第１の発振回路２４−１から出力されるクロック信号の数を、第１のカウンタ２７−１でカウントすると、このカウント数Ｎ１が２９５４となる。第３のメモリ２５−３に設定された設定値Ｍ３に対応するカウント数Ｎ３（＝設定値Ｍ１）は２９５４となっているので、この場合の差（Ｎ１−Ｎ３）は０である。
【００６９】
容量式のセンサ素子２１Ｃの容量値Csは物理量（圧力）によって変化し、検出可能な圧力範囲の上限での発振周波数ffullscaleが２．３MHzとなると、第１のカウンタ２７−１が１．４７７msecの間にカウントしたカウント数Ｎ１は、３３９７となって、第３のメモリ２５−３の設定値Ｍ３に対応するカウント数Ｎ３（＝２９５４）との差（Ｎ１−Ｎ３）は、４４３カウントとなる。従って、目標の１００ステップに対して４倍以上の分解能力で圧力を検出できることになる。
【００７０】
（ばらつきの調整方法）
上記の（図１１の動作）と（図１１の具体的な動作例）とにおいて大まかな動作原理と例を説明したが、現実のものとして再現性をよくするための部品にばらつきがある場合の調整方法を説明する。
【００７１】
例えば、基準容量素子２２Ｃが接続されて発振する第２の発振回路２４−２の発振周波数fcenterがばらついて２．２MHzとなり、容量式のセンサ素子２１Ｃが接続されて発振する第１の発振回路２４−１の基準圧力での発振周波数foffsetが１．９MHzとなり、容量式のセンサ素子２１Ｃが物理量（圧力）によって変化して検出可能な圧力範囲の上限での発振周波数ffullscaleが２．１MHzの場合の調整方法を説明する。
【００７２】
この例では、容量式のセンサ素子２１Ｃを使った発振周波数と変化幅が、
設計中心の２MHz  →  ２．３MHzに対し、
１．９MHz  →  ２．１MHzと、
発振周波数で約５％ダウン、
周波数変化幅で３００ＫＨｚ  →  ２００ＫＨｚ、
周波数変化変化比で１５％  →  １０．５％
に小さくなってしまった例である。このようなばらつきは、下記の（１）手順１、（２）手順２により調整すれば良い。
【００７３】
（１）  手順１
第１のメモリ２５−１の設定値Ｍ１を設計の中心値である２９５４にて動作させて、
Ｎ１−１＝２５５１
を得る。これより、発振周波数fcenterとfoffsetとの比が２９５４：２５５１（２．２MHz：１．９MHz）であることが判る。従って、設計中心の２９５４カウントに合わせるには、第１のメモリ２５−１の設定値Ｍ１を、
２９５４→３４２１＝（２９５４×２９５４／２５５１）
とすればよいことが判る。
【００７４】
（２）  手順２
容量式のセンサ素子２１Ｃが物理量（圧力）によって変化させて検出可能な圧力範囲の上限で、第１のメモリ２５−１の設定値M1＝３４２１にて動作させると、基準容量素子２２Ｃが接続されて発振する第２の発振回路２４−２の発振周波数も少し変動して２．１９MHz（Ｍ１＝３２８０）となったので、第３のメモリ２５−３に設定された設定値Ｍ３に対応するカウント数Ｎ３（＝２９５４）とのカウント差（Ｎ１−Ｎ３）の３２６を得る。カウント差（Ｎ１−Ｎ３）を設計中心の４４３に合わせるために、Ｎ１：Ｎ３を更に、
Ｎ１：２９５４→３４２１→４６４９
Ｎ３：２９５４→４０１４
のように、４４３／３２６倍に大きくすれば良い。これにより、発振周波数の中心値のばらつきと、変化幅のばらつきを吸収することができる。
【００７５】
（実施例４の効果）
本実施例４によれば、実施例１とほぼ同様の効果がある。
【実施例５】
【００７６】
図１３は、本発明の実施例５を示すセンサ装置の構成図であり、実施例４を示す図１１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
図１４は、図１３の動作を示すタイミングチャートである。
【００７７】
本実施例５のセンサ装置は、実施例４の第１、第２の発振回路２４−１，１４−２の接続を逆にしたものであり、そのため、制御回路１０Ｃから出力データＤ１０Ｃ（＝N３−N1）が出力される。これにより、実施例４と同様の効果がある。
【実施例６】
【００７８】
本発明は上記実施例１〜５に限定されず、種々の変形や利用形態が可能である。この変形や利用形態を示す実施例６としては、例えば、次の（Ａ）、（Ｂ）のようなものがある。
【００７９】
（Ａ）  発振回路２４，２４−１，２４−２は、ＲＣ発振回路以外のＬＣ発振回路等の他の発振回路でも良く、この時定数回路あるいは共振回路に対応してセンサ素子２１，２１Ｃ、基準抵抗素子２２あるいは基準容量素子２２Ｃも、インダクタンス素子等の他の素子に変更することが可能である。
【００８０】
（Ｂ）  実施例１〜５において、センサ素子２１，２１Ｃを第１のセンサ素子とし、基準抵抗素子２２あるいは基準容量素子２２Ｃに代えて、その第１のセンサ素子の電気的な特性値とは異なる第２のセンサ素子を設け、第１のセンサ素子が接続される発振回路の発振周波数と、第２のセンサ素子が接続される発振回路の発振周波数と、の相対的な変化分を算出して物理量を検出する構成にしても良く、これにより実施例１〜５とほぼ同様の作用効果が得られる。例えば、実施例４、５を示す図１１、図１３において、基準容量素子２２Ｃに代えて、容量素子からなる第２のセンサ素子を設ける。この際、容量素子からなる第２のセンサ素子と、容量素子からなる第１のセンサ素子２１Ｃとは、例えば、検出対象となる物理量が変化した場合、一方のセンサ素子の容量値が大きくなると、他方のセンサ素子の容量値が小さくなるような構成にしておけば、良好な出力データＤ１０Ｃが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施例１を示すセンサ装置の基本構成図である。
【図２】図１のセンサ装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】図１の実現手段の１例を示す図である。
【図４】図３のセンサ装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の実施例１による補正をしない場合の従来の特性図である。
【図６】本発明の実施例１による補正をした場合の特性図である。
【図７】本発明の実施例２を示すセンサ装置の構成図である。
【図８】図７の動作を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明の実施例３を示すセンサ装置の構成図である。
【図１０】図９の動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】本発明の実施例４を示すセンサ装置の構成図である。
【図１２】図１１のセンサ装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図１３】本発明の実施例５を示すセンサ装置の構成図である。
【図１４】図１３の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００８２】
１０，１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃ      制御回路
２１，２１Ｃ      センサ素子
２２      基準抵抗素子
２２Ｃ      基準容量素子
２４，２４−１，２４−２      発振回路
２５−１，２５−２，２５−３      メモリ
２７−１〜２７−４      カウンタ
３０      基準信号源
【図１】
0004724520.tif 000002
【図２】
0004724520.tif 000003
【図３】
0004724520.tif 000004
【図４】
0004724520.tif 000005
【図５】
0004724520.tif 000006
【図６】
0004724520.tif 000007
【図７】
0004724520.tif 000008
【図８】
0004724520.tif 000009
【図９】
0004724520.tif 000010
【図１０】
0004724520.tif 000011
【図１１】
0004724520.tif 000012
【図１２】
0004724520.tif 000013
【図１３】
0004724520.tif 000014
【図１４】
0004724520.tif 000015