(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物理量の変化に応じて全体として特性が変化する静電容量式センサ部と、極性又は位相の異なる少なくとも２種類のセンサ駆動用の交流電源を有する電源部と、前記センサ部の出力側に接続されセンサ容量値変化による信号演算処理を行うオペアンプによる演算部と、並びに前記交流電源と同一周期で位相の異なる２種類の交流信号により前記演算部の出力信号を少なくとも該半周期の間検波するスイッチング部、その検波された信号を積分する２つのローパスフィルタ部、および当該一方のフィルタ出力を他方のフィルタ出力で除算する除算部からなり、前記センサ容量値変化にかかる数値を求める同期検波部と
を備えることを特徴とするセンサ信号処理回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサ部からの信号を被測定物理量の関数として取り出すセンサ信号処理回路に関し、特に、温度変化等に基づく素子誤差およびオペアンプのゲイン等の回路誤差を信号処理によって除去する高速な演算手段を備えたセンサ信号処理回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、圧力計測の分野では、機械式から電子式への置き換えが急速に進んでいる。電子式圧力計を大別すると、感圧ダイアフラムの応力変化を電気抵抗変化に変換する抵抗式と、感圧ダイアフラムの変位を静電容量変化に変換する静電容量式とに分類できる。この中で、静電容量式圧力センサには微圧計測に優れているという特徴がある。
【０００３】
図１は、従来最新の静電容量式圧力センサのセンサ部の構造を示す断面図である。また図２は、図１に示すセンサ部のII−II′線方向の断面図である。図１に示すように、台座基板１のひとつの面の中央部には第１の凹部が形成されており、さらにこの第１の凹部を囲むように第２の凹部が溝状に形成されている。これらの凹部が形成された台座基板１の面には、厚みの薄いダイアフラム基板２が接合されている。台座基板１の第１，第２の凹部とダイアフラム基板２の内面とにより囲まれた空間がそれぞれ容量室３ａ，３ｂとなる。
【０００４】
容量室３ａの台座基板１側には図２に示すように電極５ａが配置され、ダイアフラム基板２側には前記電極５ａと対向するように電極５ｂが配置されている。電極５ａはリード５ｃにより外部に取り出される。電極５ｂについても同様である。これらの電極５ａ，５ｂと、誘電体としての空気とにより、センサ容量Ｃｘが構成される。
【０００５】
また、容量室３ｂの台座基板１側には図２に示すように電極６ａが帯状に配置され、ダイアフラム基板２側には前記電極６ａと対向するように電極６ｂが配置されている。電極６ａはリード６ｃにより外部に取り出される。電極６ｂについても同様である。これらの電極６ａ，６ｂと、誘電体としての空気とにより、リファレンス容量Ｃｒが構成される。  なお、容量室３ａ，３ｂ内の空気が容易に混ざり合うように、容量室３ａ，３ｂ間の隔壁４は一部除去されている。
【０００６】
ダイアフラム基板２のうち容量室３ａを構成する部分は感圧ダイアフラム２ａとして作用するので、例えば図１に示すようにダイアフラム基板２の上側に正の圧力Ｐが印加されると、感圧ダイアフラム２ａは下側に撓む。電極５ｂは感圧ダイアフラム２ａと連動して変位するので、電極５ａ，５ｂ間のギャップが小さくなり、センサ容量Ｃｘのキャパシタンス値 が増加する。一方、ダイアフラム基板２のうち容量室３ｂを構成する部分は圧力Ｐが印加されても殆ど撓まないので、リファレンス容量Ｃｒのキャパシタンス値は変化しない。
【０００７】
リファレンス容量Ｃｒは、センサ部内外の温度変化および容量室３ａ内の湿度変化等に基づく測定誤差（これを素子誤差という）を除去するために設けられたものである。すなわち、センサ容量Ｃｘのキャパシタンス値 とリファレンス容量Ｃｒのキャパシタンス値 とから、計算上、素子誤差が除去された圧力Ｐを得ることができる。
【０００８】
すなわち、容量室３ａ，３ｂ内の空気の誘電率をε、センサ容量Ｃｘにおける電極５ａ，５ｂ間の通常のギャップおよびリファレンス容量Ｃｒにおける電極６ａ，６ｂ間のギャップをｄ、感圧ダイアフラム２ａの圧力感度変位をΔｄとし、また簡単のため電極５ａ，５ｂの対向面積および電極６ａ，６ｂの対向面積を共にＳとすると、キャパシタンスＣｘ，Ｃｒはそれぞれ
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と表せる。これら（１）式および（２）式を下（３）式に代入すれば
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となるので、（３）式から圧力Ｐを示すΔｄを得られることが解る。
【０００９】
図５は、図１に示したセンサ部９１からの信号を圧力Ｐの関数として取り出すセンサ信号処理回路の回路図の従来例である。  センサ部９１のセンサ容量Ｃｘの入力側はセンサ駆動用電源部９０の周波数ｆを持つ正弦波交流電源１００に接続されている。同じくリファレンス容量Ｃｒの入力側にも交流電源１００が接続されている。センサ部９１の出力側には演算部９２が接続されており、この演算部９２の出力側には交流信号を直流信号に整流するべく検波してセンサ信号の値を求める同期検波部９３が接続されている。
【００１０】
演算部９２はそれぞれオペアンプ１１０、１１１およびフィードバック演算用容量Ｃｆにより構成されている。このうちオペアンプは、非反転入力端子（＋）が接地に接続され、反転入力端子（−）が容量Ｃｘ，Ｃｒに接続され、１１０の出力は直接同期検波部９３に、１１１の出力が１１０の出力から減算するよう減算器１１２に接続されている。
【００１１】
ここで、オペアンプ１１０，１１１の出力であるA点の出力、B点の出力はそれぞれ下式（４）（５）となる。
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この２信号の差をとったD点の出力は下式（６）となる。
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A点およびD点の信号を駆動信号の正弦波に同期して、ＳＷ１とＳＷ２で信号を切り換え半周期の間ローパスフィルタ（ＬＰＦ）にかける。すなわち、積分し、半周期期間で平均化することに等しく、このように平滑した信号E点およびF点は下式（７）（８）となる。
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さらに、F点の信号をE点の信号で除算することにより、下式（９）の信号の計測ができる。この場合の除算はアナログまたはデジタルに変換後に行う場合が考えられている。
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【００１２】
次に、２方向から印加される圧力の差を検出するタイプである静電容量式圧力センサの信号処理の従来技術を示す。図３は、この種の圧力センサのセンサ部の構造を示す断面図である。また図４は、図３に示すセンサ部の回路図である。センサ部３４は、上下両側に感圧ダイアフラム２２ａ，２２ａ′を有している。このセンサ部３４の場合、ダイアフラム基板２２，２２′の中央部一帯に凹部が形成されており、この凹部によって薄膜化された部分が感圧ダイアフラム２２ａ，２２ａ′として機能する。
【００１３】
感圧ダイアフラム２２ａ，２２ａ′を含むダイアフラム基板２２，２２′は、筒状に形成された枠体２１の開口両端に接合されている。これらのダイアフラム基板２２，２２′と枠体２１とによって囲まれた空間が容量室２３となる。感圧ダイアフラム２２ａと２２ａ′とは、容量室２３内に配置された支柱２７によって結合されている。また、この支柱２７にはダイアフラム基板２２，２２′と平行に、しかもダイアフラム基板２２，２２′および枠体２１のいずれとも接触しないように、中央支持板２８が取り付けられている。
以上のダイアフラム基板２２，２２′、枠体２１、支柱２７、中央支持板２８は、例えばサファイアガラス等の絶縁部材で形成される。
【００１４】
さらに、ダイアフラム基板２２，２２′の周縁部内面には、導電性薄膜からなる電極２５ａ，２６ａがそれぞれ配置されている。また、中央支持板２８の周縁部の上下両側には、同じく導電性薄膜からなる電極２５ｂ，２６ｂがそれぞれ配置されている。対向する電極２５ａ，２５ｂと、容量室２３内の空気とにより、第１のセンサ容量３４ａが構成される。同じく、対向する電極２６ａ，２６ｂと、容量室２３内の空気とにより、第２のセンサ容量３４ｂが構成される。
【００１５】
このように構成されたセンサ部３４に対して、感圧ダイアフラム２２ａの上側から圧力ＨＰを印加し、感圧ダイアフラム２２ａ′の下側から圧力ＬＰを印加する。ここでは例えば、ＨＰ＜ＬＰとする。
このとき、圧力ＨＰとＬＰとの差に応じて、感圧ダイアフラム２２ａ，２２ａ′と支柱２７と中央支持板２８とが一体となって上方向に変位する。中央支持板２８上に配置された電極２５ｂは中央支持板２８と共に上方向に変位するので、電極２５ａ，２５ｂ間のギャップが小さくなり、第１のセンサ容量３４ａのキャパシタンスＣｘ が増加する。同様に電極２６ｂも中央支持板２８と共に上方向に変位するので、電極２６ａ，２６ｂ間のギャップが大きくなり、第２のセンサ容量３４ｂのキャパシタンスＣｙ は減少する。
【００１６】
第１のセンサ容量３４ａおよび第２のセンサ容量３４ｂは、式（１０）（１１）から（１２）を計算することによりΔｄを求めることで、ＬＰとＨＰの差圧力が求めることが出来る。前述の従来例で説明したのと同様に、計算上、測定結果から温度特性等に基づく素子誤差を除去できる。
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【００１７】
図６は、図３に示したセンサ部からの信号を差圧力の関数として取り出すセンサ信号処理回路の回路図である。（図の簡略のため部位の表記（９０から９３）は省略してあるが以降共通である。）  センサ容量Ｃｘはセンサ駆動用電源部の正弦波交流電源１００に接続されている。同じくセンサ容量Ｃｙにも交流電源１００が接続されている。センサ部の出力側には演算部が接続されており、この演算部の出力側には交流信号を直流信号に整流するべくフィルタしてセンサ信号の値を求める同期検波部が接続されている。
【００１８】
演算部はそれぞれオペアンプ１１０、１１１およびフィードバック演算用容量Ｃｆにより構成されている。このうちオペアンプは、非反転入力端子（＋）が接地に接続され、反転入力端子（−）が容量Ｃｘ，Ｃｙに接続され、１１０の出力と１１１の出力が加算器１１３により加算されたもの、および１１０の出力を１１１の出力により減算器１１２で減算されたものが同期検波部に接続されている。
【００１９】
ここで、前述の例と同様の演算が施されて、圧力変位Δｄが最終的に式（１９）にて求められる。
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この信号の和および差をとったC、D点の出力は下式となる。
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さらに、同期検波の結果として、以下が求められる。
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【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５または図６に示した回路には、オペアンプ１１０、１１１の各利得特性など、さらにそれらオペアンプに使用する帰還コンデンサＣｆの各容量値のばらつきが存在するため、（９）式および（１９）式の関係は正確には得られない問題があった。一度素子の誤差を取り除くようにチューニングしたとしても経年変化により誤差が生じることが問題であった。  本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、センサの測定精度向上を目的とする。さらに、精度向上のための演算と同期検波の実行を駆動用電源の半周期乃至一周期程度の時間内で行うという高速性を実現するものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明のセンサ信号処理化回路は、被測定物理量の変化に応じて全体として特性が変化する静電容量式センサ部と、極性又は位相の異なる少なくとも２種類のセンサ駆動用の交流電源を有する電源部と、前記センサ部の出力側に接続されセンサ容量値変化による信号演算処理を行うオペアンプによる演算部と、並びに、同期検波部から構成されて、その同期検波部は、前記交流電源と同一周期で位相の異なる２種類の交流信号により前記演算部の出力信号を少なくとも該半周期の間検波するスイッチング部、その検波された信号を積分する２つのローパスフィルタ部、および当該一方のフィルタ出力を他方のフィルタ出力で除算する除算部からなり、前記センサ容量値変化にかかる数値を求める同期検波部であることを特徴とする。
これにより、電源の振幅および位相を正確に設定できれば、温度変化等に基づくオペアンプまたは帰還コンデンサの素子誤差は、測定に誤差を生じさせない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（第１のセンサタイプによる実施の形態）
本発明によるセンサ信号処理回路が静電容量式圧力センサに適用された形態を図７にて説明する。対象とする静電容量式圧力センサはセンサ部の構造を示す断面図である図１に係るものである。
【００２３】
図７は、図１に示したセンサ部１４からの信号を圧力Ｐの関数として取り出すセンサ信号処理回路の回路図である。電源部９０は、極性および位相の異なる３種類の交流電源１００，１０１，１０２により構成されている。センサ部は図１および図２に示したものを用いるものであり、センサ容量Ｃｘとリファレンス容量Ｃｒとにより構成されている。なお、これらの容量は共に誘電率εに基づく温度特性および湿度特性を有しているが、前記の式（３）の効果により分子分母の誘電率εが除去されるため、影響は無視できる。
【００２４】
電源１００と１０１の出力側には、加算器１０３が設けられている。したがって、センサ容量Ｃｘには正弦波１００と余弦波１０１が加算されたものが接続され、リファレンス容量Ｃｒには極性反転した正弦波１０２が接続され、オペアンプ１１４および帰還コンデンサＣｆによる負帰還回路が形成される。
【００２５】
A点の出力は下式となる。
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A点の信号を駆動信号の余弦波に同期させて検波し、平滑した信号E点は下式（２１）となる。すなわち、余弦波に同期して検波するために、余弦波の一山の半周期に設定するべく1/4〜3/4周期までを積分し、その積分時間で除算することで平均を得ている。
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同様にA点の信号を駆動信号の正弦波に同期させて検波し、平滑した信号F点は下式（２２）となる。
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F点の信号をE点の信号で除算器１２２により除算することにより、下式（２３）の信号の計測ができる。これにより該圧力を求められる。
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【００２６】
次に図８に、同センサについてのもう一つの実施例を示す。（図の簡略のため部位の表記（９０から９３）は省略してある、以降共通である。）
電源部は、正弦波と余弦波の交流電源１００，１０１により構成されている。  センサ部は図１および図２に示したのと同じもので、センサ容量Ｃｘとリファレンス容量Ｃｒとにより構成されている。電源１００と１０１の出力側には直接それぞれセンサ容量Ｃｘとリファレンス容量Ｃｒが接続され、オペアンプ１１４および帰還コンデンサＣｆによる負帰還回路が形成される。
【００２７】
A点の出力は下式（２４）となる。
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A点の信号を駆動信号の正弦波に同期させて検波し、平滑した信号E点は下式（２５）となる。
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A点の信号を駆動信号の正弦波から＋45°ずらして同期させて検波し、平滑した信号F点は下式（２６）となる。
0003969027.tif 000027
F点の信号をE点の信号で除算することにより、下式（２７）の信号の計測ができる。
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【００２８】
（第２のセンサタイプによる実施の形態）
次に、２方向から印加される圧力の差を検出する静電容量式圧力センサに適用する場合の実施例を示す。図９にそのようなセンサ信号処理回路の一実施例を示す。この圧力センサ部の構造は図３に示す断面図で表されるものであり、また図４がその回路図である。
【００２９】
図９の電源部は、正弦波、余弦波、および極性反転の正弦波の交流電源１００，１０１、および１０２により構成されている。加算器１０３，１０４によりそれぞれ正弦波と余弦波の加算されたもの、余弦波と極性反転の正弦波が加算されたものが、各々２つのセンサ容量ＣｘとＣｙに接続される。そして、オペアンプ１１４および帰還コンデンサＣｆによる負帰還回路が形成される。
【００３０】
A点の出力は下式（２８）となる。
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A点の信号を駆動信号の余弦波に同期させて検波し、平滑した信号E点は下式（２９）となる。
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A点の信号を駆動信号の正弦波に同期させて検波し、平滑した信号F点は下式（３０）となる。
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F点の信号をE点の信号で除算することにより、下式（３１）で信号の計測ができる。
0003969027.tif 000032
【００３１】
次に、図１０に同センサについてのもう一つの実施例を示す。
電源部は、正弦波と余弦波の交流電源１００，１０１により構成されている。  センサ部はセンサ容量ＣｘとＣｙとにより構成されている。電源１００と１０１の出力側には直接それぞれセンサ容量ＣｘとＣｙが接続され、オペアンプ１１４および帰還コンデンサＣｆによる負帰還回路が形成される。
【００３２】
A点の出力は下式（３２）となる。
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A点の信号を駆動信号の余弦波から＋45°ずらして同期させて検波し、平滑した信号Ｅ点は下式（３３）となる。
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A点の信号を駆動信号の正弦波から＋45°ずらして同期させて検波し、平滑した信号F点は下式（３４）となる。
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F点の信号をE点の信号で除算することにより、下式（３５）の信号の計測ができる。
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【００３３】
以上で、本発明が圧力センサに適用された形態について説明したが、本発明は圧力以外にも、温度、湿度、変位、変量、加速度等の各種物理量を測定するセンサに適用できる。
【００３４】
（同期検波回路の説明）
以上の実施例で述べてきた同期検波回路による平滑化とは、検波用の交流信号が正の期間は演算部からの信号をそのまま積分し、検波用の交流信号が負の期間は演算部からの信号を極性反転させて積分する動作を施すことと、およびその積分期間で平均化することとを意味する。
【００３５】
例えば、同期検波部の入力である演算部からの信号が、正弦波である場合を図１１ａに示し、同じ正弦波で正弦波を同期検波した場合の出力図を図１１ｂに示す。図１１ｂの出力を半周期の期間、平滑すると入力振幅×２／πが得られる。また、演算部からの信号が余弦波の場合を図１２ａに示し、これを図１１ａの正弦波で同期検波した場合の出力図を図１１ｂに示す。図１１ｂの出力を半周期の期間平滑すると零になる。
同様に余弦波を余弦波で同期検波した場合は入力振幅×２／πが得られ、
同様に正弦波を余弦波で同期検波した場合は零になることがわかる。
【００３６】
この基本概念から第一の実施例における図７の同期検波部の動作を説明すると、図７のE点は余弦波で同期検波しているので、正弦波の入力成分は消えてしまい、余弦波の入力成分のみが残る。よってCXのみの信号が取り出せる。
F点は正弦波で同期検波しているので、余弦波の入力成分は消えてしまい、正弦波の入力成分のみが残る。よってCXとCRの差の信号が取り出せる。
他の実施例についても同様である。
また、少なくとも三角関数波の半周期の期間を平滑化するものであり、周期は安定性の向上のために一周期以上の期間拡張して行われることも可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、２種類以上の駆動交流電源および２種類の同期検波用電源を用意すれば、回路誤差および素子誤差の両方が除去された正確なセンサ測定結果を得られる。また、演算は唯一つの帰還コンデンサとオペアンプからなる簡単なものであり素子の選択およびチューニングは不要で、低コストで実現できる。さらに、同期検波回路の動作は交流電源周波数の半周期乃至一周期程度で十分であるので、高速にセンサ測定値から被測定対象である物理量が求められるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  １方向から印加される圧力を検出する静電容量式圧力センサのセンサ部の構造を示す断面図である。
【図２】  図１に示したセンサ部のII−II′線方向の断面図である。
【図３】  ２方向から印加される圧力の差を検出する静電容量式圧力センサのセンサ部の構造を示す断面図である。
【図４】  図３に示したセンサ部の回路図である。
【図５】  図１に示したセンサ部からの信号を圧力の関数として取り出すセンサ信号処理回路の回路図従来例である。
【図６】  図３に示したセンサ部からの信号を圧力の関数として取り出すセンサ信号処理回路の回路図従来例である。
【図７】  図１に示したセンサ部からの信号を圧力の関数として取り出すセンサ信号処理回路の本発明実施例の回路図である。
【図８】  図７に示したセンサ信号処理回路を一部改良したセンサ信号処理回路の本発明実施例の回路図である。
【図９】  図３に示したセンサ部からの信号を圧力の関数として取り出すセンサ信号処理回路の本発明実施例の回路図である。
【図１０】  図９に示したセンサ信号処理回路を一部改良したセンサ信号処理回路の本発明実施例の回路図である。
【図１１】  演算部からの信号入力が正弦波の場合を図１１ａに示し、同じ正弦波で正弦波を同期検波した場合の出力図を図１１ｂに示す。
【図１２】  演算部からの信号入力が余弦波の場合を図１２ａに示し、これを図１１ａの正弦波で同期検波した場合の出力図を図１２ｂに示す。
【符号の説明】
１…台座基板
２，２２，２２′…ダイアフラム基板
２ａ，２２ａ，２２ａ′…感圧ダイアフラム
３ａ，３ｂ，２３…容量室
４…隔壁
５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ…電極
５ｃ，６ｃ…リード
１４、３４…センサ構成
３４ａ，３４ｂ……センサ容量構成
２１…枠体
２７…支柱
２８…中央支持板
９０…電源部
９１…センサ部
９２…演算部
９３…同期検波部
１００，１０１，１０２…センサ駆動用交流電源
１１０、１１１、１１４…オペアンプ
１１２…減算器
１１３…加算器
１２０、１２１…積分器またはローパスフィルタ
１２２…除算器
Ｃｘ，ＣＹ…センサ容量キャパシタンス
ＣＲ…リファレンス容量キャパシタンス
Ｃｆ…帰還演算容量キャパシタンス
ＳＷ１，ＳＷ２…同期検波用信号切り換えスイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003969027.tif 000043
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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