JP2014134533A - 容量性圧力センサーの出力仕様調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容量性圧力センサーの出力仕様調整装置を提供する。
【解決手段】本発明は、容量性圧力センサーの出力仕様調整装置に関するものであって、容量性圧力センサー出荷時にソフトウェア的な方法で非線形性、オフセット、利得を調整することができて、容量性圧力センサー出荷時に顧客が要求する多様な出力仕様を便利に調整可能にしたものである。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、圧力測定技術に係り、特に、容量性圧力センサーの出力仕様調整装置に関する。

圧力センサーは、圧力によって発生する機械的な変位を電気信号に変換して出力し、この出力される電気信号の強度を測定することで圧力が測定される。特許文献１などで提示したような容量性圧力センサーは、機械的な変位を静電容量に変換して出力し、この静電容量の変化を検出することで圧力が測定される。

容量性圧力センサーは、印加される圧力に対して非線形的な特性を有し、温度に敏感なので、顧客が要求する多様な出力仕様を満足させるためには、出荷時に容量性圧力センサーの出力仕様を顧客の要求に合わせて調整しなければならない。したがって、本発明者は、顧客が要求する多様な出力仕様を満足させる容量性圧力センサーの出力仕様調整装置についての研究を行った。

韓国特許公開第１０−２００１−００３９９８３号（２００１年０５月１５日公開）

本発明は、前記課題を解決するために発明されたものであって、容量性圧力センサー出荷時に容量性圧力センサーの出力を、顧客が要求する多様な出力仕様を満足させるように調整（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）することができる容量性圧力センサーの出力仕様調整装置を提供することをその目的とする。

本発明のさらに他の目的は、容量性圧力センサー出荷時に容量性圧力センサーの出力仕様をソフトウェア的な方法で便利に調整することができる容量性圧力センサーの出力仕様調整装置を提供するところにある。

前記目的を果たすための本発明の一態様によれば、容量性圧力センサーの出力仕様調整装置は、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとの静電容量の変化を出力電圧に変換して出力する出力制御回路と；設定された電気特性値によって出力制御回路の出力仕様を調整する少なくとも１つの出力仕様オフセット調整素子と、出力仕様非線形調整素子と、出力仕様利得調整素子と、出力仕様温度補償素子とを含む出力仕様調整素子と；出力仕様オフセット調整素子と、出力仕様非線形調整素子と、出力仕様利得調整素子との電気特性値を設定する設定部と；出力仕様オフセット調整素子と、出力仕様非線形調整素子と、出力仕様利得調整素子との電気特性値の設定のための外部端末機を接続する外部入力インターフェースと；出力仕様温度補償素子の電気特性値を設定する温度補償回路と；を含んでなることを特徴とする。

本発明は、容量性圧力センサー出荷時に容量性圧力センサーの非線形性、オフセット、利得を調整することができて、顧客が要求する多様な出力仕様を満足させうる。

また、本発明は、容量性圧力センサー出荷時に容量性圧力センサーの出力仕様をソフトウェア的な方法で便利に調整することができる。

容量性圧力センサーの一例を示す図面である。 容量性圧力センサーの一例を示す図面である。 本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置のオフセット調整素子の一実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置の出力仕様非線形調整素子の一実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置の出力制御回路の制御のためのスイッチングタイミング図である。 本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置のオフセット調整前後の圧力変化による出力仕様グラフを例示した図面である。 本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置のオフセット調整前後の圧力変化による出力仕様模擬実験の結果を例示した図面である。 本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置の温度補償回路の一実施形態を示すブロック図である。 本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置の温度による出力補償前後の温度変化による出力仕様グラフを例示した図面である。 本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置の温度による出力補償前後の温度変化による出力仕様模擬実験の結果を例示した図面である。

以下、添付された図面を参照して記述される望ましい実施形態を通じて、本発明を当業者が容易に理解し、再現できるように詳しく記述する。

本発明を説明するに当って、関連した公知機能または構成についての具体的な説明が、本発明の実施形態の要旨を不明にする恐れがあると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。

本発明の明細書の全般に亘って使われる用語は、本発明の実施形態での機能を考慮して定義された用語であって、顧客または運用者の意図、慣例などによって十分に変形されうる事項であるので、この用語の定義は、本明細書の全般に亘った内容に基づいて下されなければならない。

図１及び図２は、容量性圧力センサーの一例を示す図面であって、機械的な変位を静電容量に変換して出力する容量性圧力センサー１００は、誘電体基板１１０と、電極パターン１２０と、を含みうる。

誘電体基板１１０は、圧力によって機械的な変位（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）が発生する部分である。誘電体基板１１０の一側に形成される電極パターン１２０は、主電極１２１と、基準電極１２２とからなり、リード部（図示せず）を通じて出力仕様調整装置に連結される。

主電極１２１と、基準電極１２２は、誘電体基板１１０の他側に形成された導体板と作用して、それぞれ主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒと、を形成する。

誘電体基板１１０に圧力が加えられて機械的な変位が発生すれば、誘電体基板１１０に形成された主電極１２１と基準電極１２２との間隔が変化され、キャパシタンスＣｐとキャパシタンスＣｒとの静電容量が変化する。

出力仕様調整装置は、キャパシタンスＣｐとキャパシタンスＣｒとの静電容量の変化を電気信号に変換して出力することによって、圧力を測定させる。図３Ａは、本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。

図３Ａに示したように、出力仕様調整装置は、出力制御回路２００と、少なくとも１つの出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０と、出力仕様温度補償素子３３０と、設定部４００と、外部入力インターフェース５００及び温度補償回路６００と、を含んでなる。

出力制御回路２００は、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとの静電容量の変化を出力電圧に変換して出力する。

出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０と、出力仕様温度補償素子３３０は、設定された電気特性値によって出力制御回路２００の出力仕様を調整する。例えば、出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０と、出力仕様温度補償素子３３０が、それぞれ容量性圧力センサーのオフセット調整（ｏｆｆｓｅｔ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）、非線形性調整（ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）、利得調整（ｇａｉｎ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）及び温度補償（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｍｐｅｍｓａｔｉｏｎ）のための可変抵抗であり得る。

設定部４００は、出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０との電気特性値を設定する。例えば、設定部４００によって設定される電気特性値が容量性圧力センサーのオフセット（ｏｆｆｓｅｔ）と、非線形性（ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒｉｔｙ）及び利得（ｇａｉｎ）調整のための可変抵抗の抵抗値であり得る。

外部入力インターフェース５００は、出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０との電気特性値の設定のための外部端末機（図示せず）を接続する。例えば、外部入力インターフェース５００が、ＰＣまたはスマートフォンなどの外部端末機と有線または無線接続される通信インターフェースであり得る。

温度補償回路６００は、出力仕様温度補償素子３３０の電気特性値を設定して、設定部４００によって設定される出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０との電気特性値の温度による変化によって変わる出力制御回路２００の出力仕様を、温度が変わっても一定の出力仕様を保持するように補償する。

容量性圧力センサー出荷時に容量性圧力センサーの出力を、顧客が要求する多様な出力仕様を満足させるように調整しなければならない。このために、容量性圧力センサーの出力仕様調整装置の外部入力インターフェース５００に外部端末機を接続し、容量性圧力センサーの出力仕様の調整のためのソフトウェアを実行して、出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０との電気特性値をユーザが入力する。

そうすると、ユーザが入力した出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０との電気特性値によって、設定部４００は、出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０との電気特性値を設定する。

例えば、出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０が、可変抵抗であれば、設定部４００が設定された抵抗値を保存し、毎度ブーティング時に、保存された抵抗値を読み取って可変抵抗の電気的接点を抵抗値に合わせて選択することによって、出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０との電気特性値を設定することができる。

一方、温度補償回路６００を通じては、出力仕様温度補償素子３３０の電気特性値を設定して、設定部４００によって設定される出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０との電気特性値の温度による変化によって変わる出力制御回路２００の出力仕様を、温度が変わっても一定の出力仕様を保持するように補償する。

そうすると、出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０及び出力仕様温度補償素子３３０との電気特性値によって出力制御回路２００の出力仕様が調整される。これにより、本発明は、容量性圧力センサー出荷時に温度による容量性圧力センサーの非線形性、オフセット、利得を調整することができて、顧客が要求する多様な出力仕様を満足させることができる。また、本発明は、容量性圧力センサー出荷時に容量性圧力センサーの出力仕様をソフトウェア的な方法で便利に調整することができる。

図３Ｂと図３Ｃは、それぞれ可変抵抗の形態で具現した出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、を示したものであって、出力仕様利得調整素子３２０及び出力仕様温度補償素子３３０も、これと同様に具現することができる。

容量性圧力センサーの出力仕様の調整のための具体的な回路構成を説明すれば、出力制御回路２００は、スイッチ部２１０と、積分器２２０と、電源入力部２３０と、フィードバック部２４０と、を含む。

スイッチ部２１０は、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとの充電及び放電動作を制御する。

スイッチ部２１０は、６つのスイッチ（位相１の開始と同時にターンオンになり、位相２では、オフ状態である２つのＰ_１スイッチと、位相１と重畳されない位相２の開始と同時にターンオンになり、位相１では、オフ状態である２つのＰ_２スイッチと、位相１で、Ｐ_１スイッチターンオン後に特定時間遅延されてターンオンになる１つのＰ_１ｄスイッチと、位相２で、Ｐ_２スイッチターンオン後に特定時間遅延されてターンオンになる１つのＰ_２ｄスイッチ）を含み、２つのＰ_１−Ｐ_２スイッチ連結体の中間でそれぞれ容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとが直列連結接続される。直列連結された主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとの間から分岐されて共通端子Ｃｃｏｍが形成され、共通端子Ｃｃｏｍの縦断は、Ｐ_１ｄスイッチとＰ_２ｄスイッチとが並列連結される。

基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒが接続されるＰ_１−Ｐ_２スイッチ連結体のＰ_１スイッチは、電源入力部２３０の出力端に連結され、Ｐ_２スイッチは、グラウンド（ｇｒｏｕｎｄ）に連結される。主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐが接続されるＰ_１−Ｐ_２スイッチ連結体のＰ_１スイッチは、グラウンドに連結され、Ｐ_２スイッチは、フィードバック部２４０の出力端に連結される。共通端子Ｃｃｏｍにそれぞれ並列連結されるＰ_１ｄスイッチは、積分器２２０の反転入力端子に連結され、Ｐ_２ｄスイッチは、グラウンドと連結される。

積分器２２０は、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとから放電される電流を入力されて、これを出力電圧Ｖｏｕｔに出力する。また、積分器２２０は、エラーが０に接近するまで制御ループでエラー補正信号を積分する。

積分器２２０は、演算増幅器と、積分キャパシタＣＦ及び抵抗Ｒとを含む。演算増幅器の非反転入力端子は、入力バイアス電流の補償のために抵抗Ｒを通じてグラウンドと連結される。入力バイアス電流による積分結果の誤差は、非反転端子とグラウンドとの間に抵抗Ｒを連結して、２つの入力端子と接地との間の抵抗を均等にさせることで減少させることができる。

一方、演算増幅器の反転入力端子は、Ｐ_１ｄスイッチが連結されて容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとから放電される電流を共通端子Ｃｃｏｍを通じて入力される。

一方、演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間には、積分キャパシタＣＦが連結される。積分器２２０の積分誤差は、演算増幅器の開放直流利得に反比例する。演算増幅器を使う場合、入力オフセット電圧のみ補償すれば、十分な正確度が保証されうる。

電源入力部２３０は、キャパシタンスＣｐと、キャパシタンスＣｒとに一定の電源を供給する。例えば、バッファは、負荷の変化に関係なく出力電圧を一定に保持する必要がある場合に使われるバッファであり得る。

バッファは、入力端子を通じて入力される電圧をそのまま出力端子を通じて出力して、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとに一定の電源を供給する。

この際、電源入力部２３０に入力される入力電圧オフセットを調整するために、出力仕様オフセット調整素子３００として２つの可変抵抗Ｒ_Ｌｉｎ１、Ｒ_Ｌｉｎ２を使うことができる。２つの可変抵抗Ｒ_Ｌｉｎ１、Ｒ_Ｌｉｎ２は、電源入力Ｖ_＋とグラウンドとの間に直列連結され、直列連結接続点から分岐されて電源入力部２３０の入力端子に接続される。一方、バッファの非反転入力端子は、フィードバック部２４０の出力端子と連結される。バッファの反転入力端子は、バッファの出力端子と連結される。

抵抗Ｒ_Ｌｉｎ１、Ｒ_Ｌｉｎ２及びフィードバック部２４０の出力によってバッファに入力される入力電圧は、Ｖ_Ｌになり、バッファの出力電圧は、Ｖ_Ｌに保持されてスイッチ部２１０のスイッチング動作によって容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとに印加されることによって、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとが充電される。

後述する式７を参照すれば、電源入力部２３０に入力される電圧Ｖ_Ｌは、２つの可変抵抗Ｒ_Ｌｉｎ１、Ｒ_Ｌｉｎ２の抵抗値によって変わることが分かる。一方、式１と式４とを参照すれば、積分器２２０によって出力される出力電圧は、Ｖ_Ｌと関連があるということが見られる。

したがって、出力仕様オフセット調整素子３００である２つの可変抵抗Ｒ_Ｌｉｎ１、Ｒ_Ｌｉｎ２の抵抗値を容量性圧力センサー出荷時に設定部４００を通じて設定することによって、入力電圧オフセットを調整し、これにより、容量性圧力センサーの出力電圧も調整することができるので、容量性圧力センサーの出力仕様を調整させうる。

図５Ａは、本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置のオフセット調整前後の圧力変化による出力仕様グラフを例示した図面であり、図５Ｂは、本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置のオフセット調整前後の圧力変化による出力仕様模擬実験の結果を例示した図面である。

図５Ｂの模擬実験の結果のように最低圧力である時、出力仕様が０．５Ｖになるように設計した場合、製作された容量性圧力センサーの出力電圧が０．４５Ｖ（オフセット調整前電圧）で出力仕様に合わない場合、設定部４００を通じて出力仕様オフセット調整素子３００の抵抗値を設定して、図５Ａのように、出力仕様が０．５Ｖになるように調整する。

フィードバック部２４０は、積分器２２０によって出力される出力電圧を増幅器を通じて増幅して、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒ及び電源入力部２３０とにフィードバックさせる。

積分器２２０によって出力され、増幅器によって増幅された電圧は、スイッチ部２１０のスイッチング動作によって容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとに印加される。また、増幅器は、積分器２２０によって出力されてフィードバックされる出力電圧を電源入力部２３０の入力端子に印加する。

この際、増幅器の利得を調整するために、出力仕様利得調整素子３２０に可変抵抗ＲＯＦを温度による出力仕様を調整するための出力仕様温度補償素子３３０として可変抵抗ＲＯＩを使うことができる。増幅器の反転入力端子は、可変抵抗ＲＯＩを通じて積分器２２０の出力端子と連結される。電源入力Ｖ_＋とグラウンドとの間に直列連結された抵抗Ｒｏｆ_１とＲｏｆ_２の間から分岐されて増幅器の非反転入力端子に連結される。増幅器の反転入力端子と出力端子との間には、可変抵抗ＲＯＦが連結される。

利得は、入力電圧に比べて出力電圧がどれほど増幅されたかを表わし、後述する式１を参照すれば、利得（入力電圧Ｖｏｕｔ対出力電圧Ｖ_ｂｄｇｅ比）は、可変抵抗ＲＯＩの抵抗値対可変抵抗ＲＯＦの抵抗値比（ＲＯＩ／ＲＯＦ）で表すことができる。

したがって、可変抵抗ＲＯＦの抵抗値を容量性圧力センサー出荷時に設定部４００を通じて設定することによって、利得を調整し、これにより、容量性圧力センサーの出力電圧も調整することができるので、容量性圧力センサーの出力仕様を調整させうる。

一方、温度補償回路６００を通じて出力仕様温度補償素子３３０である可変抵抗ＲＯＩの値をトリミング（ｔｒｉｍｍｉｎｇ）することによって、温度による出力電圧の変化を補償（Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）することができる。

一方、非線形性（ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒｉｔｙ）の調整のために、出力仕様非線形調整素子３１０が、フィードバック部２４０の出力端子と電源入力部２３０の入力端子との間に連結される。例えば、フィードバック部２４０の出力端子との間で容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒと連結される可変抵抗Ｒ_ＬｉｎＦを出力仕様非線形調整素子３１０として使うことができる。

容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒが、圧力測定のために出力制御回路２００に連結される時、圧力に比べて、Ｃｒ／Ｃｐ値は非線形である。Ｃｒ／Ｃｐによる非線形性は、後述する式８の（１−Ｃｒ／Ｃｐ）／Ｒ_ＬｉｎＦに関連する。したがって、可変抵抗Ｒ_ＬｉｎＦの抵抗値を容量性圧力センサー出荷時に設定部４００を通じて設定することによって、容量性圧力センサーの非線形性（ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒｉｔｙ）を改善することができる。

図４を参照して、図３Ａに示した容量性圧力センサーの出力制御回路２００の動作を具体的に説明する。図４は、容量性圧力センサーの出力制御回路の制御のためのスイッチングタイミング図である。

図４に示したように、６つのスイッチ（２つのＰ１スイッチ、２つのＰ２スイッチ、１つのＰ１ｄスイッチ、１つのＰ２ｄスイッチ）は、互いに重畳されない位相１と位相２とでターンオン（ｔｕｒｎ−ｏｎ）及びターンオフ（ｔｕｒｎ−ｏｆｆ）になる。

２つのＰ１スイッチは、位相１開始で、同時にターンオンになり、位相２で、同時にオフ状態を保持し、Ｐ１ｄスイッチは、Ｐ１スイッチがターンオンになった後、所定の時間遅延後、ターンオンになる。

一方、２つのＰ２スイッチは、位相２の開始で、同時にターンオンになり、位相１で、同時にオフ状態を保持し、Ｐ２ｄスイッチは、Ｐ２スイッチがターンオンになった後、所定の時間遅延後、ターンオンになる。

６つのスイッチ制御のための２つの重畳されない位相制御信号は、発振駆動ゲーティング回路（図示せず）によって出力される。この２つの重畳されない位相制御信号によって、６つのスイッチがオンまたはオフ制御される。

出荷時に設定される設定値によって、フィードバック部２４０の増幅器は、３つの独立した可変調整機能を提供する。この３つの独立した可変調整機能は、線形性（ｌｉｎｅａｒｉｔｙ）、オフセット及び利得である。

積分器２２０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔとフィードバック部２４０の増幅器による増幅電圧Ｖ_ｂｄｇｅは、次の式による。

電源入力がＶ_＋である時、抵抗Ｒｏｆ_１とＲｏｆ_２との間の電圧は、次の通りである。

位相１で、Ｐ１スイッチとＰ１ｄスイッチとがターンオンになり、Ｐ２スイッチとＰ２ｄスイッチとがターンオフになり、位相２では、Ｐ２スイッチとＰ２ｄスイッチとがターンオンになり、Ｐ１スイッチとＰ１ｄスイッチとがターンオフになる。

たとえ、Ｐ１ｄスイッチとＰ２ｄとが位相１または位相２で、それぞれターンオンになるが、２つのスイッチのオン状態は、Ｐ１スイッチまたはＰ２スイッチのオン時間に対して特定の時間間隙をおいて遅延される。

Ｐ２スイッチとＰ２ｄスイッチとがオンになる位相２の間に、主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐは、Ｐ２スイッチを通じて増幅器２４０によって増幅されたＶ_ｂｄｇｅ電圧に充電され、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒは、さらに他のＰ２スイッチを通じてグラウンドに放電される。

主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとの間から分岐される共通端子Ｃｃｏｍは、Ｐ２ｄスイッチを通じてグラウンドに放電される。主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐには、電荷がＶ_ｂｄｇｅ×Ｃｐほど充電される。基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒは、グラウンドポテンシャルで充電されない。その即時、共通端子Ｃｃｏｍに負電荷が−Ｖ_ｂｄｇｅ×Ｃｐほど蓄積される。

次いで、Ｐ２ｄスイッチオフ後、Ｐ２スイッチがオフになる。位相２と位相１との間の期間共通端子Ｃｃｏｍで電荷移動が発生しない。

次いで、位相１の開始時に、主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐ（位相２で、Ｖ_ｂｄｇｅ電圧に充電された）が、Ｐ１スイッチを通じてグラウンドに放電され、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒが、さらに他のＰ１スイッチを通じて電源入力部２３０のバッファ出力電圧であるＶ_Ｌ電圧に充電される。

位相１で、主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとの間から分岐される共通端子Ｃｃｏｍは、積分器２２０の反転入力端子とＰ１ｄスイッチを通じて連結され、積分器２２０の非反転入力端子は、抵抗Ｒを通じてグラウンドに連結される。

位相１の間に、電荷は、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒにＶ_Ｌ×Ｃｒほど蓄積される。その即時、負電荷が共通端子Ｃｃｏｍに−Ｖ_Ｌ×Ｃｒほど蓄積される。−Ｖ_ｂｄｇｅ×Ｃｐ＝−Ｖ_Ｌ×Ｃｒになれば、共通端子Ｃｃｏｍの負電荷は、２つの位相間に同じになって、積分器２２０への電荷供給／回収がない。これにより、積分器２２０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、２つの位相動作の間に一定になる。この条件で、回路が平衡を成すと見なされる。

フィードバック部２４０の増幅器によって増幅されて出力される電圧Ｖ_ｂｄｇｅは、位相１の間にＣｐに充電される電荷と、位相２の間にＣｒに充電される電荷とを数式化することによって求められうる。

これを移項すれば、

になり、Ｖ_Ｌ×Ｃｒ／Ｃｐは、容量性圧力センサーに印加される圧力に起因する容量の変化を表わす。

しかし、積分器２２０の出力端子での意図していないリップル（ｒｉｐｐｌｅ）、主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとの対の非線形特性及びシングルエンドパワー（ｓｉｎｇｌｅ ｅｎｄ ｐｏｗｅｒ）供給動作で使いにくいなどの短所がある。

制御ループで、積分器２２０は、単にエラー積分器としてのみ動作せず、出力増幅器としても動作する。これにより、積分器２２０は、グラウンドポテンシャル（ｇｒｏｕｎｄｐｏｔｅｎｔｉａｌ）で共通端子Ｃｃｏｍを通じる入力が可能となる。不平衡状態で、Ｃｒ×Ｖ_Ｌは、Ｃｐ×Ｖ_ｂｄｇｅと同じではない。エラー電荷は、連続する周期を通じて平衡を成すまで積分器２２０によって積分される。

容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒが、圧力測定のために出力制御回路２００に連結される時、圧力に比べて、Ｃｒ／Ｃｐ値は、非線形である。増加する圧力に比べて、減少するＣｒ／Ｃｐ比率は、一定ではない。したがって、線形性調整がなければ、圧力に比べて、出力電圧がほとんどの場合、多様な圧力センサーの生産のために許容された公差（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）を満足させることができない。

このような非線形性を改善するために、線形性調整のための出力仕様非線形調整素子３１０である可変抵抗Ｒ_ＬｉｎＦが、フィードバック部２４０の増幅器出力端子と電源入力部２３０のバッファ入力端子との間に連結される。可変抵抗Ｒ_Ｌｉｎ１、Ｒ_Ｌｉｎ２、Ｒ_ＬｉｎＦ、フィードバック部２４０の増幅器によって増幅されて出力される電圧Ｖ_ｂｄｅｇ及び電源入力Ｖ_＋の項目で電源入力部２３０のバッファ出力電圧Ｖ_Ｌの式を導出することができる。

可変抵抗Ｒ_Ｌｉｎ１と可変抵抗Ｒ_Ｌｉｎ２との間の分岐点で電流の保存は、次の関係による。フィードバック部２４０の増幅器から電源入力部２３０のバッファまで、そして、電源入力Ｖ_＋から電源入力部２３０のバッファまで流れる電流量は、可変抵抗Ｒ_Ｌｉｎ１と可変抵抗Ｒ_Ｌｉｎ２との間の分岐点からグラウンドまで流れる電流と同じである。

この式を移項すれば、

になり、この式に、前記で求められた式を代入すれば、

になる。可変抵抗Ｒ_ＬｉｎＦが連結されることによって、分母で（１−Ｃｒ／Ｃｐ）／Ｒ_ＬｉｎＦ項目が発生する。この項目が、Ｃｒ／Ｃｐによる非線形性を調整する。

次に、リップルの減少動作を説明する。図４に示したように、２つの位相のスイッチ制御波形がある。

Ｐ１スイッチとＰ２スイッチとのスイッチング動作は、重畳されず、Ｐ１ｄスイッチは、Ｐ１スイッチオン区間にディレイされてターンオンになり、Ｐ２ｄスイッチは、Ｐ２スイッチオン区間にディレイされてターンオンになる。位相２のＰ２スイッチオン区間の開始で、電流は、フィードバック部２４０の増幅器から主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐに充電され、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒからグラウンドに放電される。Ｐ２ｄスイッチオン状態は、電流過渡状態（不平衡状態）が安定状態（平衡状態）に到逹するまで遅延される。

Ｐ２ｄスイッチ及びＰ２スイッチがターンオフされて重畳されていない区間が経過した後、位相１で、Ｐ１スイッチがターンオンになる。Ｐ１スイッチオン区間の開始で、電流は、バッファ２３０から基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒに充電され、主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐからグラウンドに放電される。Ｐ１ｄスイッチオン状態は、電流過渡状態（不平衡状態）が安定状態（平衡状態）に到逹するまで遅延される。

Ｐ１ｄスイッチがターンオンになる時、不平衡（エラー）電荷が積分器２２０に供給／回収される。このような不平衡条件は、エラーが０に到逹するまで続く。平衡状態に至れば、Ｐ２ｄスイッチまたはＰ１ｄスイッチがターンオンになる時、電流が流れない。

Ｐ１ｄスイッチ及びＰ２ｄスイッチが、それぞれ安定状態に到逹するまでターンオンが遅延されることによって、積分器２２０に注入されるエラーまたはリップルが防止または回避される。このようなＰ１ｄスイッチ及びＰ２ｄスイッチのターンオン遅延がなければ、測定の正確度がないだけではなく、出力電圧Ｖ_ｏｕｔとリップルがさらに大きくなる。

積分器２２０は、容量性圧力センサーで容量変化を検出するために仮想グラウンドを使う長所がある。積分器２２０から供給／回収される電荷は、仮想グラウンド端子である共通端子Ｃｃｏｍによってのみ供給／回収され、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒまたは主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐの何れか１つに分岐される漂遊キャパシタンス（ｓｔｒａｙ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）は、積分器２２０の出力に影響を与えない。

積分器２２０の仮想グラウンド端子である共通端子Ｃｃｏｍ動作は、正確にグラウンドポテンシャルでなされる。積分器２２０の＋入力とグラウンドとの間に抵抗Ｒが連結されて、この抵抗によって２つの入力の間に発生するバイアス電流または漏れ電流を安定化し、また、積分器の＋入力が直接グラウンドに連結されることを防止する。

容量性圧力センサーで温度の変化によって、出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０との特性が温度係数（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）によって変わって、出力制御回路２００の出力仕様が変わる。これにより、温度による出力仕様オフセット調整素子３００と、出力仕様非線形調整素子３１０と、出力仕様利得調整素子３２０との特性変化量を補償しければならない。

式９で、Ｖ_{ＯＵＴ．ＢＧＲ}は、温度補償回路６００の出力電圧である。Ｖ_ＢＥは、図６Ａに示した本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置の温度補償回路のＰＮＰトランジスタ部６１０のトランジスタＱ_３のベース（Ｂａｓｅ）とエミッター（Ｅｍｉｔｔｅｒ）との間の電圧である。Ｖ_Ｔは、式１０で定義された熱電圧（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｖｏｌｔａｇｅ）である。ｎは、図６Ａに示した本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置の温度補償回路のＰＮＰトランジスタ部６１０のトランジスタＱ_１とＱ_２との面積比である。式１０で、ｋは、ボルツマン定数（Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）である。Ｔは、絶対温度である。ｑは、電荷量である。

式１０によって、Ｖ_Ｔは、温度によって０．０８５ｍＶ／℃ずつ変わるので、温度補償回路６００の出力Ｖ_{ＯＵＴ．ＢＧＲ}は、温度によって０．０８５×ｌｎ（ｎ）ｍＶ／℃ずつ変わる。すなわち、温度補償回路６００の出力Ｖ_{ＯＵＴ．ＢＧＲ}は、温度の変化によって一定に変わるために、その変化量を通じて温度状態を感知することができる。

感知された温度によって、温度補償回路６００を通じて図３Ａに示した可変抵抗の形態で具現された出力仕様温度補償素子３３０であるＲＯＩの抵抗を、温度によってトリミングすることによって、温度の変化によって増減する増幅器の利得の大きさを調節して、出力制御回路２００の出力を温度が変わっても、常に一定に保持させることができる。

図６Ｂは、温度による出力制御回路２００の出力電圧補償前後を例示した図面である。図６Ｃは、温度補償回路６００を用いて図３Ａに示した可変抵抗の形態で具現された出力仕様温度補償素子３３０であるＲＯＩの抵抗を、温度によってトリミングして、温度による出力電圧の変化を補償して、常に一定の大きさの出力電圧を保持させた模擬実験の結果である。

したがって、このように具現することによって、本発明は、容量性圧力センサーの非線形性、オフセット、利得を調整することができて、容量性圧力センサーの出力を、顧客が要求する多様な出力仕様を満足させるように、ソフトウェア的な方法で簡便に調整することができるので、前記で提示した本発明の目的を果たすことができる。

本発明は、添付された図面によって参照される望ましい実施形態を中心に記述されたが、このような記載から後述する特許請求の範囲によって包括される範囲内で本発明の範疇を外れずに多様な変形が可能であるということは明白である。

本発明は、容量性圧力センサーの出力仕様調整装置関連の技術分野に適用可能である。

１００ 容量性圧力センサー
１１０ 誘電体基板
１２０ 電極パターン
１２１ 主電極
１２２ 基準電極
２００ 出力制御回路
２１０ スイッチ部
２２０ 積分器
２３０ 電源入力部
２４０ フィードバック部
３００ 出力仕様オフセット調整素子
３１０ 出力仕様非線形調整素子
３２０ 出力仕様利得調整素子
３３０ 出力仕様温度補償素子
４００ 設定部
５００ 外部入力インターフェース
６００ 温度補償回路

Claims (10)

1. 容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとの静電容量の変化を出力電圧に変換して出力する出力制御回路と、
   設定された電気特性値によって出力制御回路の出力仕様を調整する少なくとも１つの出力仕様オフセット調整素子と、出力仕様非線形調整素子と、出力仕様利得調整素子と、出力仕様温度補償素子とを含む出力仕様調整素子と、
   出力仕様オフセット調整素子と、出力仕様非線形調整素子と、出力仕様利得調整素子との電気特性値を設定する設定部と、
   出力仕様オフセット調整素子と、出力仕様非線形調整素子と、出力仕様利得調整素子との電気特性値の設定のための外部端末機を接続する外部入力インターフェースと、
   出力仕様温度補償素子の電気特性値を設定する温度補償回路と、
   を含んでなることを特徴とする容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。
2. 出力制御回路は、
   容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒとの充電及び放電動作を制御するスイッチ部と、
   キャパシタンスＣｐと、キャパシタンスＣｒとから放電される電流を入力されて、これを出力電圧に出力するが、エラーが０に接近するまで制御ループでエラー補正信号を積分する積分器と、
   キャパシタンスＣｐと、キャパシタンスＣｒとに一定の電源を供給する電源入力部と、
   積分器によって出力される出力電圧を増幅して、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと、基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒ及び電源入力部とにフィードバックさせるフィードバック部と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。
3. 出力仕様オフセット調整素子は、
   電源入力Ｖ＋とグラウンドとの間に直列連結され、直列連結接続点から分岐されて電源入力部の入力端子に接続されて入力電圧オフセットを調整する２つの可変抵抗Ｒ_Ｌｉｎ１、Ｒ_Ｌｉｎ２を含むことを特徴とする請求項２に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。
4. 設定部は、
   ２つの可変抵抗Ｒ_Ｌｉｎ１、Ｒ_Ｌｉｎ２の抵抗値を電気特性値として設定することを特徴とする請求項３に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。
5. 出力仕様利得調整素子は、
   積分器によって出力される出力電圧を増幅する増幅器の反転入力端子と増幅器の出力端子との間にそれぞれ連結されて増幅利得を調整する可変抵抗ＲＯＦを含むことを特徴とする請求項２に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。
6. 設定部は、
   可変抵抗ＲＯＦの抵抗値を電気特性値として設定することを特徴とする請求項５に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。
7. 出力仕様温度補償素子は、
   積分器によって出力される出力電圧を増幅する増幅器の反転入力端子と積分器の出力端子との間に連結されて温度による増幅器の出力電圧の変化を補償する可変抵抗ＲＯＩを含むことを特徴とする請求項２に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。
8. 温度補償回路は、
   可変抵抗ＲＯＩの抵抗値を電気特性値として設定することを特徴とする請求項７に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。
9. 出力仕様非線形調整素子は、
   フィードバック部の出力端子と電源入力部の入力端子との間に連結され、フィードバック部の出力端子との間で容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスＣｐと基準電極によって形成されるキャパシタンスＣｒと連結されて容量性圧力センサーの非線形性を改善する可変抵抗Ｒ_ＬｉｎＦを含むことを特徴とする請求項２に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。
10. 設定部は、
    可変抵抗Ｒ_ＬｉｎＦの抵抗値を電気特性値として設定することを特徴とする請求項９に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。

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