(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の静電容量型センサ素子を有するセンサ部と、
極性の異なる第１および第２の電源を有する電源部と、
前記電源部の出力側と前記センサ部の入力側との間に接続されかつ前記第１および第２の電源と前記第１および第２のセンサ素子との接続を４通りの組合せで切り換えるスイッチング部と、
前記センサ部の出力側に接続されかつ前記第１の電源が前記第１および第２の両センサ素子に接続されたときに得られる第１の信号、前記第２の電源がそれぞれ前記第１および第２の両センサ素子に接続されたときに得られる第２の信号、前記第１および第２の電源がそれぞれ前記第１および第２のセンサ素子に接続されたときに得られる第３の信号、および前記第１および第２の電源がそれぞれ前記第２および第１のセンサ素子に接続されたときに得られる第４の信号が入力される演算部とを備え、
前記演算部は、前記スイッチング部により指定された所定期間について、前記第１乃至第４の信号のうち一つの信号を取り込んで、当該信号を前記電源の発振信号の周期と同期してその１／２周期ごとに二つの積分器のうちの一つに接続し、当該信号の正負極性を反転させた信号を他方の積分器に接続して、少なくとも１周期の間は極性反転した信号をそれぞれ二つの積分器に接続する同期検波部と、
前記二つの積分器出力間の差分を求める差動増幅器とを有することと、
および前記第１乃至前記第４の信号に基づいて求めた前記差動増幅器の出力の四値を用いて所定の数式により前記センサ素子の容量変化を求める手段を備えることとを特徴とするセンサ信号処理回路。
【請求項２】
前記演算部が前記二つの積分器に対して、積分リセット、積分開始および積分停止を行う回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の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オフセット等の回路誤差を信号処理によって除去する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】
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】
静電容量式圧力センサは台座基板およびダイアフラムなどによって囲まれた空間が容量性リアクタンスを構成することを利用して、加圧する圧力を計測する原理を有するため、微小圧力の場合にはリアクタンスの変化も微小なものになる。
【０００４】
そのため、リアクタンスの変化を電気信号に変えるには、電気信号もいきおい微小なものになり、種々のノイズが重畳するため、信号対雑音比を高め計測精度を上げることが難しかった。そのため、従来は容量式リアクタンスを用いた積分回路を設けて、そのリアクタンスを計測する方法がとられてきた（特許  第1500174号  容量式変位変換方式）。しかし、積分動作による方法では、電荷蓄積のためにある程度の時間が必要なため、応答性能に問題があった。
【０００５】
近年、電子部品集積化技術の進歩により、交流的信号を容量性リアクタンス素子に印加して小信号演算技術を用いて、直流的な熱的ドリフトなどのノイズを除去する方法が開発されてきている。そこでは、最終的に被測定対象の物理量を直流的信号成分に復調しなければならないために、交流的信号から信号分を検波し復調する方法が取られる必要があり、ダイオードによる検波方式が一般的であった（USPatentNo.5942692 CapacitivePressureSensingMethod）。しかし、ダイオードによる半波または全波整流の検波方式では、ダイオード特性の熱的変化などが影響して精度に難がある、また信号対雑音比を高めるために誘導性インダクタンス素子を加えることなどが必要となり、回路が複雑となっていた。
【０００６】
本出願人による特許出願でも、交流的小信号演算を施して、センサ容量に並列に抵抗分が加わったような場合にもそのノイズ成分を除去するために、交流発振信号に同期して信号を検波する基本的な方法が提案されている（特願平11-210471）。しかし、この方式でも、検波回路内にあるスイッチのOFF期間の漏れ電流などによるノイズ電圧の影響を受ける場合があり、それを解決することが必要である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような応答性能の問題、回路構成素子の熱などの要素による計測雑音の課題を解決するためになされたものであり、センサ部、演算部および検波部の回路素子変動による雑音成分をスイッチング構成により相殺的に消去し、当該センサで得られた被測定物理量を得るセンサの測定精度向上を目的とする。
【０００８】
【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、本発明は、センサを駆動する交流電源を適宜な期間で切り換えて差動演算部で増幅された演算出力信号に対して、前記演算出力信号の交流波を前記交流電源周波数に同期して１/２周期ごとに分割し、分割信号に対して積分機能により直流成分を抽出するために平均値を取得し、さらに平均後の二信号の差を求める同期検波回路を構成する。
【０００９】
すなわち同期検波回路は、演算出力の信号を、当該発振波形の一周期の間に交流信号から直流信号に変換する方法を提供するものである。これは、交流信号の振幅ピーク値、又は平均値を求めれば交流波形に変調された直流的信号値が得られる原理に基づくものである。
【００１０】
本発明では、同期検波回路は始めの１/２周期にて、片側の積分器またはローパスフィルタ（以下「LPF」と記す）に接続して、交流に変調された演算出力信号の半周期を平均化することで、信号の直流分であるところの平均値を得る。後の１/２周期にては、もう一方のLPFに演算出力信号を接続することで負極性の平均値を得る。一方、それぞれのLPFに、演算出力信号を直結しないところの残りの１/２周期には、演算出力信号を正負極性反転させたものを入力するようにして、1周期の直流分の平均値を求める。
【００１１】
一周期経過の時点で、それぞれのLPFの出力である演算出力信号の全波平均値の差を差動増幅器で求める。LPFの出力は、理想的には極性が反転した同一絶対値の演算出力であるため、差分により２倍の信号レベルが得られる。この結果、演算出力にバイアスされた直流的ノイズ電圧のみならず、それぞれのLPF自体に重畳したオフセット電圧までもが差分により相殺されることになる。このように、先に述べた温度変化等に基づく素子誤差およびオペアンプのオフセット等の回路誤差を信号処理によって除去することができ信号対雑音比の向上を図る。
【００１２】
【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。共通事項として、本発明が適用されるセンサは、例えば圧力を測定するものが考えられ、容量を検出する手段は台座基板とダイアフラムで囲まれた空間である容量室の容量キャパシタンス（Ｃ）を測定するものである。キャパシタンスのパラメータとして、容量室の空気誘電率ε、容量室に設けられた電極間ギャップｄ、感圧ダイアフラムの圧力感度変位△ｄ、および対向面積Ｓがある。
【００１３】
（１）第1の発明の実施例
回路の例を図1に示し、各構成部分を破線で示してある。そこでは、例えば圧力により電極間が変化する変化容量CXとそれとは対称に変化する変化容量CYの差を計測する場合である。
0004031215.tif 000002
0004031215.tif 000003
通常は単体容量を計測するだけだと、誘電率εの影響を受けてしまうので、下記式（３）のように差容量と和容量の比を計測することで、圧力感度変位△ｄを求める。
【００１４】
0004031215.tif 000004
以下に概略動作をしめす。そこでは、計測する期間を切り替え（それら期間を「象限」とも云う）、4つの期間で同期検波動作を行い、そこで求まった検波後の値として電位ＶＤを利用して式（３）に相当する圧力変位を求めるものである。
【００１５】
第1の計測として、SW1をa側、SW2もa側に接続し、CX、CYともに駆動電源として振幅E、周波数ｆの正弦波を入力する。
そのときのA点の電圧は下式（４）であらわせる。
0004031215.tif 000005
SW3は駆動電源の正弦波に同期させて、１/２周期ごとにON,OFFさせる。このときの動作状況の例として、図７に同期検波回路内のＬＰＦ手前の波形を示す。このようにB点、C点の電圧は其々ONしているときはVA1の値を計測し、OFFしているときはその値を保持するので、下式となる。
0004031215.tif 000006
0004031215.tif 000007
式（５）および（６）におけるVQbおよびVQcはスイッチのOFFにより発生するチャージインジェクション、クロックフィードスルーおよび漏れ電流により発生する誤差電圧である。
D点の電圧はB点の電圧とC点の電圧の差を増幅するので、下式となる。
0004031215.tif 000008
ここでNは差動増幅器の増幅率、Voffは差動増幅器のオフセット電圧である。
【００１６】
次に第2の計測として、SW1をｂ側、SW2もｂ側に接続し、CX、CYともに駆動電源として振幅E、周波数ｆをL倍で反転させた正弦波を入力する。Lは1であることが望ましいが、完全な1をつくることは難しいので、ここではあえてL倍とする。
そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000009
B点、C点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000010
0004031215.tif 000011
D点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000012
【００１７】
次に第3の計測として、SW1をa側、SW2をｂ側に接続し、CXには駆動電源として振幅E、周波数ｆの正弦波を入力する。CYには駆動電源として振幅E、周波数ｆをL倍で反転させた正弦波を入力する。そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000013
B点、C点の電圧は、下式（１３）となる。
0004031215.tif 000014
0004031215.tif 000015
D点の電圧は、下式（１５）となる。
0004031215.tif 000016
【００１８】
次に第4の計測として、SW1をb側、SW2をa側に接続し、CXには駆動電源として振幅E、周波数ｆをL倍で反転させた正弦波を入力するCYには駆動電源として振幅E、周波数ｆの正弦波を入力する。そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000017
B点、C点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000018
0004031215.tif 000019
D点の電圧は、下式（１９）となる。
0004031215.tif 000020
【００１９】
４つの計測の結果として最後に、式（７）、（１１）、（１５）および（１９）から計測した4つの信号に下記演算を施すと下記となる。
0004031215.tif 000021
結果として正確な計測ができることとなる。
【００２０】
図1に示した回路にて正確な計測ができるが、その前提条件として、各計測におけるVQbおよびVQcが共通であるとしている。共通でない場合は正確な測定ができなくなる。
その第1の発明にある問題を解決する発明を次に示す。
【００２１】
（２）第２の発明の実施例
回路構成は図2に示す。
第1の計測として、SW1をa側、SW2もa側に接続し、CX、CYともに駆動電源として振幅E、周波数ｆの正弦波を入力する。
そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000022
SW3は駆動電源の正弦波に同期させてON,OFFさせる。このときの動作状況の例として、図８に同期検波回路内のＬＰＦ手前の波形を示す。B点、C点の電圧は半周期は信号に接続され、もう半周期はGNDに接続されることとなるので、下式となる。ここで第1の発明例（図1）と異なり、ＬＰＦの入力がOFFしている状態がないので、VQb、VQcは発生しない。
0004031215.tif 000023
0004031215.tif 000024
D点の電圧はB点の電圧とC点の電圧の差を増幅するので、下式となる。
0004031215.tif 000025
ここでNは差動増幅器の増幅率、Voffは差動増幅器のオフセット電圧である。
【００２２】
次に第2の計測として、SW1をｂ側、SW2もｂ側に接続し、CX、CYともに駆動電源として振幅E、周波数ｆをL倍で反転させた正弦波を入力する。
そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000026
B点、C点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000027
0004031215.tif 000028
D点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000029
【００２３】
次に第3の計測として、SW1をa側、SW2をｂ側に接続し、CXには駆動電源として振幅E、周波数ｆの正弦波を入力する。CYには駆動電源として振幅E、周波数ｆをL倍で反転させた正弦波を入力する。そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000030
B点、C点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000031
0004031215.tif 000032
D点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000033
【００２４】
次に第4の計測として、SW1をb側、SW2をa側に接続し、CXには駆動電源として振幅E、周波数ｆをL倍で反転させた正弦波を入力するCYには駆動電源として振幅E、周波数ｆの正弦波を入力する。そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000034
B点、C点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000035
0004031215.tif 000036
D点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000037
【００２５】
最後に、式（２４）、（２８）、（３２）および（３６）から計測した4つの信号に下記演算を施すと下記となる。
0004031215.tif 000038
結果としてVQb、VQcにかかわらず正確な計測ができることとなる。
【００２６】
（３）第３の発明の実施例（請求項1に係る発明）
第２の発明の例（図2）においては各計測におけるD点の電圧（ＶＤ）が図1の場合に対して半分に減少している。これを解決する発明を図3に示し、以下に概略動作を示す。
【００２７】
第1の計測として、SW1をa側、SW2もa側に接続し、CX、CYともに駆動電源として振幅E、周波数ｆの正弦波を入力する。
そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000039
SW3は駆動電源の正弦波に同期させてON,OFFさせる。このときの動作状況の例として、図９に同期検波回路内のＬＰＦ手前の波形を示す。B点、C点の電圧は半周期は信号に接続され、もう半周期はＭ倍で反転した信号に接続されることとなるので、下式となる。ここで図1と異なりOFFしている状態がないので、VQb、VQcは発生しない。またM＝1であることが望ましいが、完全な1をつくることは困難であるので、あえてMとする。
0004031215.tif 000040
0004031215.tif 000041
D点の電圧はB点の電圧とC点の電圧の差を増幅するので、下式となる。
0004031215.tif 000042
【００２８】
次に第2の計測として、SW1をｂ側、SW2もｂ側に接続し、CX、CYともに駆動電源として振幅E、周波数ｆをL倍で反転させた正弦波を入力する。
そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000043
B点、C点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000044
0004031215.tif 000045
D点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000046
【００２９】
次に第3の計測として、SW1をa側、SW2をｂ側に接続し、CXには駆動電源として振幅E、周波数ｆの正弦波を入力する。CYには駆動電源として振幅E、周波数ｆをL倍で反転させた正弦波を入力する。そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000047
B点、C点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000048
0004031215.tif 000049
D点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000050
【００３０】
次に第4の計測として、SW1をb側、SW2をa側に接続し、CXには駆動電源として振幅E、周波数ｆをL倍で反転させた正弦波を入力するCYには駆動電源として振幅E、周波数ｆの正弦波を入力する。そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000051
B点、C点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000052
0004031215.tif 000053
D点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000054
【００３１】
最後に、式（４１）、（４５）、（４９）および（５３）から計測した4つの信号に下記演算を施すと下記となる。
0004031215.tif 000055
結果としてVQb、VQcにかかわらず、またD点の電圧は第２の発明の例（図２）の場合のＶＤのゲインの約2倍となり、信号対雑音比率が2倍なるより精度の良い計測ができることとなる。
【００３２】
（４）センサ構成が異なる場合の実施例
次に圧力により電極間が変化する変化容量CXと、圧力により変化しない基準容量CYを持つ構造のセンサにより物理量を計測する場合である。
0004031215.tif 000056
0004031215.tif 000057
通常は単体容量を計測するだけだと、誘電率εの影響を受けてしまうので、下記式（５７）のような差容量と単体容量の比を計測することで、圧力変位を求める。
0004031215.tif 000058
このような計測をする、回路例を図４に示すが、これは第1の発明が適用される。
前述のセンサ構成の場合と同様に４つの期間で切り換えて測定する方法を用いる。
【００３３】
第1の計測として、SW1をa側としCXの駆動電源として振幅E、周波数ｆの正弦波を入力する。SW2はc側に接続し、CYはGNDを入力する。
そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000059
SW3は駆動電源の正弦波に同期させてON,OFFさせる。電位の形状は図７と同様である。
B点、C点の電圧はONしているときはVA1の値を計測し、OFFしているときはその値を保持するので、下式となる。
0004031215.tif 000060
0004031215.tif 000061
ここでVQbおよびVQcはスイッチのOFFにより発生するチャージインジェクション、クロックフィードスルーおよび漏れ電流により発生する誤差電圧である。
D点の電圧はB点の電圧とC点の電圧の差を増幅するので、下式となる。
0004031215.tif 000062
【００３４】
第2の計測として、SW1をｂ側としCXの駆動電源として振幅E、周波数ｆをL倍で反転させた正弦波を入力する。SW2はc側に接続し、CYはGNDを入力する。
そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000063
B点、C点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000064
0004031215.tif 000065
D点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000066
【００３５】
次に第3の計測として、SW1をa側、SW2をｂ側に接続し、CXには駆動電源として振幅E、周波数ｆの正弦波を入力する。CYには駆動電源として振幅E、周波数ｆをL倍で反転させた正弦波を入力する。そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000067
B点、C点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000068
0004031215.tif 000069
D点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000070
【００３６】
次に第4の計測として、SW1をb側、SW2をa側に接続し、CXには駆動電源として振幅E、周波数ｆをL倍で反転させた正弦波を入力するCYには駆動電源として振幅E、周波数ｆの正弦波を入力する。そのときのA点の電圧は下式であらわせる。
0004031215.tif 000071
B点、C点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000072
0004031215.tif 000073
D点の電圧は、下式となる。
0004031215.tif 000074
【００３７】
最後に、式（６１）、（６５）、（６９）および（７３）から計測した4つの信号に下記演算を施すと下記となる。
0004031215.tif 000075
【００３８】
図4に示すようにセンサ構成が異なる場合にも、図1のセンサ構成の場合と同様にVQb、VQcの問題点を解決するための第２の発明（図２）および第３の発明（図３）に示す同期検波回路を構成することで、図5および6に示す構成にて解決できる。それぞれ請求項２および３に対応するものである。計算式による説明は省略する。
【００３９】
以上では説明の簡素化のために、積分器相当のローパスフィルタ（ＬＰＦ）で一周期の間に信号を検波することを基本に述べてきた。
【００４０】
しかし、一次フィルタによる簡易な回路では三角関数波を整流しリップル分を除去ために、ある程度大きな時定数を持つフィルタを構成する必要があるが、これでは逆に信号の変化に対する応答性が悪くなることがある。図１０のａとｂに図３の場合のＢ点のＬＰＦの前後の電位の例を示す。そこでは象限、すなわち第１から第４までの計測期間の切り替え時に、信号が安定するまで信号周波数の数周期分の時間がかかる様子を示している。
【００４１】
（５）第４の発明の実施例（請求項2に係る発明）
第４の発明として、純粋なる積分器をもって構成することが望ましい場合にとる回路構成例を、図１１に示す。そこでは、まず初期値として積分器をゼロ値リセットしておき、ＳＷ５とＳＷ６は其々信号側に接続する。その状態で信号の三角関数波に同期させたタイミングで積分リセット信号を解除し、積分を開始する。図１２のａ、ｂ、およびｃにあるように、積分が開始され停止するまでの間に図１１のＥ点の電位（図12a）について、図１２のｄに示すように、全波整流された信号を積分することで、B点とC点の電位を求め、検波できる。
【００４２】
(削除)
【００４３】
【発明の効果】
本発明では、演算部における適当なる切り換えスイッチによる信号演算を繰り返す処理（複数期間（象限）レシオメトリック演算）の過程で発生する回路誤差および素子誤差の両方が同期検波回路によって除去され、その結果として信号対雑音比の高い測定結果が、簡潔な回路構成によって得られる。したがって、各種の物理量測定に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第1の発明の実施例およびセンサ信号処理回路における同期検波回路の位置付け（点線ブロック図（以降共通のため省略する））を表すものである。
【図２】  第２の発明の、１/２周期ごとに演算信号およびグランド（接地）を切り換える実施例を示す。
【図３】  第３の発明の、１/２周期ごとに演算信号および反対極性信号を切り換える実施例を示す。
【図４】  異なるセンサ構成の場合（変化容量と固定容量による場合）の第1の発明の実施例を示す。
【図５】  異なるセンサ構成の場合（変化容量と固定容量による場合）の第２の発明の実施例を示す。
【図６】  異なるセンサ構成の場合（変化容量と固定容量による場合）の第３の発明の実施例を示す。
【図７】  第1の発明における同期検波回路内のＢ点、Ｃ点のＬＰＦ手前電位を示す。
【図８】  第２の発明における同期検波回路内のＢ点、Ｃ点のＬＰＦ手前電位を示す。
【図９】  第３の発明における同期検波回路内のＢ点、Ｃ点のＬＰＦ手前電位を示す。
【図10】  ローパスフィルタ（ＬＰＦ）で実現した同期検波回路の信号波形を示す。
10a  第3の発明に係る（図3）回路におけるＢ点のＬＰＦ手前の電位
10b  第3の発明に係る（図3）回路におけるＢ点（ＬＰＦ後）の電位
【図11】  第４の発明の積分器にて構成した実施例を示す。
【図12】  図11の回路における検波動作を示す各点の電位波形を示す。
12a  Ｅ点における電位
12b  積分リセット信号
12c  積分開始停止信号
12d  Ｂ点における電位
【符号の説明】
１           センサ信号処理回路におけるセンサ部
２           センサ信号処理回路における発振部
３           センサ信号処理回路における演算部
４           センサ信号処理回路における同期検波回路
１０       三角関数波を励起する交流電源部
１１       ゲインL倍の反転増幅器
１２       差動増幅器（OPアンプ）
１３       ゲインＮ倍の差動増幅器
１４       ゲインM倍の反転増幅器
２１，２２      ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２３，２４      積分器
Cx,Cy,          センサ・キャパシタンス
Cf              フィードバック演算用キャパシタンス
SW1,SW2        センサ電源印加・象限切り換え用スイッチ
SW3,SW4        同期検波用信号切り換えスイッチ
SW5,SW6        積分開始停止切り替えスイッチ
【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】
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【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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