(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力の変化によって静電容量が変化するセンサ部と、
前記センサ部に所定周波数の初期電圧を印加する初期電圧印加部と、
前記初期電圧が印加された前記センサ部からの出力電圧を出力する第１オペアンプと、
前記第１オペアンプの出力電圧の変化の基準となり前記初期電圧と同一周波数の基準電圧を発生する基準電圧発生部と、
前記第１オペアンプの出力電圧及び前記基準電圧の差に基づく出力電圧を出力する第２オペアンプと、
前記第２オペアンプの出力電圧の振幅により前記外力を演算する外力演算部と、を具備する静電容量型センサ。
【請求項２】
前記基準電圧発生部が、前記基準電圧を可変としている請求項１記載の静電容量型センサ。
【請求項３】
前記センサ部が、外力の変化によって静電容量が変化する検出コンデンサと、基準静電容量を有する固定コンデンサとを互いに直列接続して構成したものであり、
前記基準電圧発生部が、インピーダンス要素から構成したものである請求項１又は２記載の静電容量型センサ。
【請求項４】
前記第１オペアンプが、前記初期電圧における前記検出コンデンサの分圧に基づく出力電圧を出力するものであり、
前記基準電圧発生部が、可変インピーダンス要素及び固定インピーダンス要素を互いに直列接続して構成したものであり、前記初期電圧が印加されるとともに、前記可変インピーダンス要素及び前記固定インピーダンス要素の接続点の電圧が前記基準電圧として前記第２オペアンプに入力されるように構成されている請求項３記載の静電容量型センサ。
【請求項５】
前記可変インピーダンス要素の抵抗値を調整することにより、前記基準電圧が、所定の外力における前記第１オペアンプの出力電圧と同一の振幅となるように調整されている請求項４記載の静電容量型センサ。
【請求項６】
前記可変インピーダンス要素の抵抗値を調整することにより、前記基準電圧が、所望の測定レンジの中間値における前記第１オペアンプの出力電圧を同一の振幅となるように調整されている請求項４記載の静電容量型センサ。
【請求項７】
前記外力演算部が、前記第２オペアンプの出力電圧における立ち上がり直後及び立ち下がり直後のリンギング部分を避けて、前記出力電圧をサンプリングする請求項１乃至６の何れか一項に記載の静電容量型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型圧力センサなどの物理量を測定する静電容量型センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の静電容量型圧力センサは、図３に示すように、圧力を受けて変形するダイアフラム及び固定電極により形成された検出コンデンサと、当該検出コンデンサと直列に接続された固定コンデンサとを有し、これらのコンデンサに矩形波電圧を印加して、前記検出コンデンサにかかる分圧を検出している。このように検出コンデンサにかかる分圧を検出することによって、ダイアフラムにかかる圧力を測定することができる。
【０００３】
具体的には、検出コンデンサにかかる分圧をオペアンプ（初段アンプ）により検出して、当該初段アンプの出力電圧を、反転・非反転回路（アナログスイッチを含む。）を用いて、前記出力電圧を直流電圧に合成し、その合成された直流電圧の大きさによって圧力を演算するように構成されている。
【０００４】
しかしながら、反転・非反転回路に、環境影響や電源電圧変動により位相や電位にずれが生じてしまい、測定誤差が生じてしまう。
また、反転・非反転回路のスイッチ切り替えにより、合成された直流電圧にノイズ成分が含まれてしまい、その結果、測定誤差が生じてしまう。
さらに、初段アンプが温度特性やドリフト等によるオフセット誤差を有する場合に、そのオフセット誤差によって測定誤差が生じてしまう。
その他、初段アンプ又は反転・非反転回路に生じたノイズがそのままノイズ成分となってしまい、測定誤差が生じてしまう。
【０００５】
なお、特許文献１に示すように、検出コンデンサの分圧と固定コンデンサ（基準コンデンサ）の分圧とをオペアンプ（差動増幅手段）に入力するものが考えられている。
ところが、この静電容量型圧力センサは、オペアンプから出力された出力電圧をバンドパスフィルタ及び検波回路を介して出力するものであり、検波回路から出力された電圧（信号）をどのように処理するか不明である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１１１２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、静電容量型センサの測定誤差を低減することをその主たる所期目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち本発明に係る静電容量型センサは、外力の変化によって静電容量が変化するセンサ部と、前記センサ部に所定周波数の初期電圧を印加する初期電圧印加部と、前記初期電圧が印加された前記センサ部からの出力電圧を出力する第１オペアンプと、前記第１オペアンプの出力電圧の変化の基準となり前記初期電圧と同一周波数の基準電圧を発生する基準電圧発生部と、前記第１オペアンプの出力電圧及び前記基準電圧の差に基づく出力電圧を出力する第２オペアンプと、前記第２オペアンプの出力電圧の振幅により前記外力を演算する外力演算部と、を具備することを特徴とする。
【０００９】
このようなものであれば、第１オペアンプの出力電圧と当該出力電圧の変化の基準となる基準電圧との差の振幅により外力を演算するように構成しているので、反転・非反転回路を不要にすることができる。これにより、反転・非反転回路による測定誤差を解消することができる。また、静電容量型センサのコストダウン及び実装面積の縮小を可能にすることができる。
また、第１オペアンプの出力電圧と基準電圧との差の振幅により外力を演算するように構成しているので、従来の直流電圧を合成する手法に比べて、検出感度を２倍にすることができる。また、第１オペアンプのオフセット誤差による測定誤差を解消することができる。さらに、振幅により外力を演算することにより、第２オペアンプの出力電圧に含まれるノイズ成分を小さくすることができ、測定誤差を低減することができる。
【００１０】
前記基準電圧発生部が、前記基準電圧を可変としていることが望ましい。
これならば、センサ部の特性に合わせて基準電圧を変更することができ、センサ部の器差を解消することができる。
【００１１】
センサ部及び基準電圧発生部の具体的な実施の態様としては、前記センサ部が、外力の変化によって静電容量が変化する検出コンデンサと、基準静電容量を有する固定コンデンサとを互いに直列接続して構成したものであり、前記基準電圧発生部が、インピーダンス要素から構成したものであることが考えられる。
これならば、基準電圧発生部のインピーダンス要素の抵抗値を調整することによって、検出コンデンサの器差及び固定コンデンサの器差を解消することができる。
【００１２】
前記第１オペアンプが、前記初期電圧における前記検出コンデンサの分圧に基づく出力電圧を出力するものであり、前記基準電圧発生部が、可変インピーダンス要素及び固定インピーダンス要素を互いに直列接続して構成したものであり、前記初期電圧が印加されるとともに、前記可変インピーダンス要素及び前記固定インピーダンス要素の接続点の電圧が前記基準電圧として前記第２オペアンプに入力されるように構成されていることが望ましい。
これならば、直列接続された可変インピーダンス要素及び固定インピーダンス要素に基準電圧を印加して、それらの接続点の電圧を基準電圧としているので、基準電圧の周波数と初期電圧の周波数を完全に一致させることができる。また、検出コンデンサの分圧に合わせて可変インピーダンス要素を調整することにより、静電容量型センサの器差を解消することができる。
【００１３】
前記可変インピーダンス要素の抵抗値を調整することにより、前記基準電圧が、所定の圧力における前記第１オペアンプの出力電圧と同一の振幅となるように調整されていることが望ましい。
これならば、所定の圧力における第２オペアンプの出力電圧を０Ｖとすることができ、所望の分解能を有するＡＤ変換器を選択し易くなる。
【００１４】
特に、前記可変インピーダンス要素の抵抗値を調整することにより、前記基準電圧が、所望の測定レンジの中間圧力における前記第１オペアンプの出力電圧を同一の振幅となるように調整されていることが望ましい。
このように測定レンジの中間圧力における第１オペアンプの出力電圧と同一の振幅となるように調整することで、測定レンジの最小値及び最大値における測定誤差を低減することができる。
【発明の効果】
【００１５】
このように構成した本発明によれば、第１オペアンプの出力電圧と当該出力電圧の変化の基準となる基準電圧との差の振幅により外力を演算するように構成しているので、静電容量型センサの測定誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態の静電容量型圧力センサの回路構成を示す模式図。
【図２】同実施形態における各部の電圧を示す模式図。
【図３】従来の静電容量型圧力センサの回路構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明に係る静電容量型圧力センサの一実施形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
本実施形態の静電容量型圧力センサ１００は、圧力を受けて静電容量が変化する検出コンデンサ２と、基準静電容量を有する固定コンデンサ３と、検出コンデンサ２及び固定コンデンサ３に所定周波数の初期電圧Ｖ０を印加する初期電圧印加部４と、少なくとも検出コンデンサ３にかかる分圧ＶＣに基づく出力電圧Ｖｏｕｔ１を出力する第１オペアンプ５と、第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１の変化の基準となり初期電圧Ｖ０と同一周波数の基準電圧Ｖｒｅｆを発生する基準電圧発生部６と、第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１及び基準電圧Ｖｒｅｆの差に基づく出力電圧Ｖｏｕｔ２を出力する第２オペアンプ７と、第２オペアンプ７の出力電圧Ｖｏｕｔ２の振幅により圧力を演算する圧力演算部８と、を具備する。
【００１９】
以下、各部２〜８について詳述する。
検出コンデンサ２は、圧力を受けて変形するダイアフラム及び当該ダイアフラムに対向して設けられた固定電極により形成されている。ダイアフラムの固定電極に対する対向面及び固定電極のダイアフラムに対向する対向面はともに平面であり、ダイアフラムが圧力を受けて変形することにより、これらの対向面の距離が変化することによって、検出コンデンサの静電容量が変化する。
【００２０】
固定コンデンサ３は、検出コンデンサ２が受ける圧力に関係なく変化しない固定の静電容量を有するものである。この固定コンデンサ３は、前記検出コンデンサ２と直列に接続されてセンサ部を構成している。
なお、直列接続された検出コンデンサ２及び固定コンデンサ３において、検出コンデンサ２の一方の端子（例えばダイアフラム側）がコモンに接続（接地）されている。
【００２１】
初期電圧印加部４は、所定周波数の矩形波状の初期電圧Ｖ０を生成するものであり、一定の直流電圧（例えば２．５Ｖの直流電圧）を生成する例えばリファレンスＩＣ等のリファレンス電圧生成部４１と、当該リファレンス電圧生成部４１により得られた直流電圧を外部から入力される所定のＰＷＭ信号により所定周波数（例えば２５ｋＨｚ）の基準電圧Ｖ０に変換する基準電圧生成部４２とを有する。この初期電圧印加部４は、直列接続された検出コンデンサ２及び固定コンデンサ３において、固定コンデンサ３の一方の端子に基準電圧Ｖ０を印加する。なお、固定コンデンサ３の他方の端子は、検出コンデンサ２の他方の端子（固定電極側）に接続されている。
【００２２】
第１オペアンプ５は、前記初期電圧Ｖ０が印加された場合の検出コンデンサ２にかかる分圧ＶＣが入力されて、当該分圧ＶＣに基づく出力電圧Ｖｏｕｔ１を出力するものである。
【００２３】
基準電圧発生部６は、互いに直接接続された可変抵抗（可変インピーダンス要素）６１と固定抵抗（固定インピーダンス要素）６２とを有している。可変抵抗６１の一方の端子は、コモンに接続されている。また、固定抵抗６２の一方の端子に、前記初期電圧印加部４から初期電圧Ｖ０が印加される。なお、可変抵抗６２の他方の端子は、固定抵抗６２の他方の端子に接続されており、この接続点の電圧が、第２オペアンプ７に入力されるように構成されている。
【００２４】
つまり、互いに直列接続された検出コンデンサ２及び固定コンデンサ３と、互いに直接接続された可変抵抗６１及び固定抵抗６２には、共通の初期電圧Ｖ０が印加されることになる。これにより、可変抵抗６１と固定抵抗６２との接続点から、初期電圧Ｖ０と同一周波数の基準電圧Ｖｒｅｆが、第２オペアンプ７に入力されることになる。なお、本実施形態の基準電圧Ｖｒｅｆは、初期電圧Ｖ０が印加された場合の固定抵抗６２にかかる分圧である。
【００２５】
そして、本実施形態では、可変抵抗６１の抵抗値を調整することにより、基準電圧Ｖｒｅｆが、ダイアフラムが所定の圧力を受けた場合の第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１と同一の振幅となるように調整されている。具体的には、可変抵抗６１の抵抗値を調整することにより、基準電圧Ｖｒｅｆが、所望の測定レンジの中間値における第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１を同一の振幅となるように調整されている。
【００２６】
第２オペアンプ７は、第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１及び基準電圧Ｖｒｅｆの差を所定のゲイン（増幅率）で増幅した出力電圧Ｖｏｕｔ２を出力するものである。ここで、第２オペアンプ７のゲインは、例えば、測定レンジ及び後述する圧力演算部８のＡＤ変換器８１の入力電圧レンジにより定まる値である。
【００２７】
圧力演算部８は、第２オペアンプ７の出力電圧Ｖｏｕｔ２をＡＤ変換するＡＤ変換器８１と、当該ＡＤ変換器８１から出力されたデジタル信号から、出力電圧Ｖｏｕｔ２の振幅を演算するとともに、当該振幅から圧力を演算する圧力換算部８２とを有している。ここで、圧力演算部８のＡＤ変換器８１は、第２オペアンプ７の出力電圧Ｖｏｕｔ２において立ち上がり直後及び立ち下がり直後のリンギング部分を避けて、前記出力電圧Ｖｏｕｔ２をサンプリングする（図２の出力電圧Ｖｏｕｔ２の矩形波参照）。具体的にＡＤ変換器８１は、第２オペアンプ７の矩形波状の出力電圧Ｖｏｕｔ２において、リンギングが収まった正側の安定部分及び負側の安定部分をそれぞれサンプルホールドで取り出してデジタル信号に変換する。
【００２８】
ここで、圧力換算部８２には、ＡＤ変換器８１から出力されるデジタル信号が示す振幅と、圧力との関係を示す振幅−圧力関連データ又は検量線データが格納されており、この振幅−圧力関連データ又は検量線データに基づいて圧力を演算する。
【００２９】
本実施形態の静電容量型圧力センサ１００によれば、第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１と当該出力電圧Ｖｏｕｔ１の変化の基準となる基準電圧Ｖｒｅｆとの差の振幅により圧力を演算するように構成しているので、反転・非反転回路を不要にすることができる。これにより、反転・非反転回路による測定誤差を解消することができる。また、静電容量型圧力センサ１００のコストダウン及び実装面積の縮小を可能にすることができる。
【００３０】
さらに、第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１と基準電圧Ｖｒｅｆとの差の振幅により圧力を演算するように構成しているので、従来の直流電圧を合成する手法に比べて、検出感度を２倍にすることができる。また、第１オペアンプ５のオフセット誤差による測定誤差を解消することができる。さらに、振幅により圧力を演算することにより、第２オペアンプ７の出力電圧Ｖｏｕｔ２に含まれるノイズ成分を小さくすることができ、測定誤差を低減することができる。その他、基準電圧Ｖ０が例えば２０ｋＨｚ等の高周波電圧であるため、外乱により生じる低周波ノイズを除去することができる。
【００３１】
加えて、基準電圧発生部６の可変抵抗６１の抵抗値を調整して、基準電圧Ｖｒｅｆを検出コンデンサ２及び固定コンデンサ３に合わせて生成することで、検出コンデンサ２の器差及び固定コンデンサ３の器差を解消することができる。
【００３２】
また、本実施形態によれば、直列接続された可変抵抗６１及び固定抵抗６２に初期電圧Ｖ０を印加して、それらの接続点の電圧を基準電圧Ｖｒｅｆとしているので、基準電圧Ｖｒｅｆの周波数と初期電圧Ｖ０の周波数を完全に一致させることができる。また、検出コンデンサ２の分圧に合わせて可変抵抗６１を調整することにより、静電容量型圧力センサ１００の器差を解消することができる。
【００３３】
前記可変抵抗６１の抵抗値を調整することにより、前記基準電圧Ｖｒｅｆが、所定の圧力における前記第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１と同一の振幅となるように調整されているので、所定の圧力における第２オペアンプ７の出力電圧Ｖｏｕｔ２を０Ｖとすることができ、所望の分解能を有するＡＤ変換器を選択し易くなる。
【００３４】
特に、前記基準電圧Ｖｒｅｆが、所望の測定レンジの中間圧力における前記第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１を同一の振幅となるように調整されているので、測定レンジの最小値及び最大値における測定誤差を低減することができる。
【００３５】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、基準電圧発生部の構成としては、前記実施形態に限られず、所定の外力における前記第１オペアンプの出力電圧と同一周波数及び同一振幅である基準電圧を予め求めておき、当該基準電圧を示す基準電圧データを格納する基準電圧データ格納部を有し、当該基準電圧データ格納部から、第１オペアンプの出力電圧と同期させて出力するように構成しても良い。
【００３６】
また、前記実施形態では、基準電圧が、所望の測定レンジの中間値における前記第１オペアンプの出力電圧を同一の振幅となるように調整されているが、測定レンジの最小値又は最大値、或いは、その間の値であっても良い。
【００３７】
さらに、基準電圧発生部の構成としては、互いに直列接続された可変抵抗及び固定抵抗に限られず、互いに直列接続された可変抵抗及び固定コンデンサであっても良い。その他、基準電圧発生部を構成する可変インピーダンス要素及び固定インピーダンス要素としては、抵抗の他、コイルであっても良いし、コンデンサであっても良い。
【００３８】
その上、前記実施形態では、検出コンデンサ及び固定コンデンサを直列接続するとともに、可変抵抗及び固定抵抗を直列接続して、それらに初期電圧を印加するように構成しているが、検出コンデンサ及び固定抵抗を直列接続するとともに、固定コンデンサ及び可変抵抗を直列接続して、それらに初期電圧を印加するように構成しても良い。
【００３９】
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４０】
１００・・・静電容量型圧力センサ
２    ・・・検出コンデンサ
３    ・・・固定コンデンサ
４    ・・・初期電圧印加部
５    ・・・第１オペアンプ
６    ・・・基準電圧発生部
６１  ・・・可変抵抗（可変インピーダンス要素）
６２  ・・・固定抵抗（固定インピーダンス要素）
７    ・・・第２オペアンプ
８    ・・・圧力演算部（外力演算部）
【図１】
0006357090.tif 000002
【図２】
0006357090.tif 000003
【図３】
0006357090.tif 000004