JP3114816B2 - デジタル出力を有する容量形センサ - Google Patents
デジタル出力を有する容量形センサInfo
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- JP3114816B2 JP3114816B2 JP03177328A JP17732891A JP3114816B2 JP 3114816 B2 JP3114816 B2 JP 3114816B2 JP 03177328 A JP03177328 A JP 03177328A JP 17732891 A JP17732891 A JP 17732891A JP 3114816 B2 JP3114816 B2 JP 3114816B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はデジタル出力を有する容
量形センサに関する。
量形センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、シリコン基板にマイクロマシニン
グ技術によりダイアフラムを形成し、そのダイアフラム
を圧力、加速度等の検出すべき物理量に応じて変位する
構造とし、そのダイアフラムと微小間隙を隔てた他の基
板との間でキャパシタを構成して、そのキャパシタの容
量を測定することで、物理量を測定するようにした容量
形センサが知られている。
グ技術によりダイアフラムを形成し、そのダイアフラム
を圧力、加速度等の検出すべき物理量に応じて変位する
構造とし、そのダイアフラムと微小間隙を隔てた他の基
板との間でキャパシタを構成して、そのキャパシタの容
量を測定することで、物理量を測定するようにした容量
形センサが知られている。
【０００３】この容量形センサにおける容量の測定は、
ｃ−ｆコンバータにより容量を周波数に変換し、その発
振出力をカウンタで測定することによって行われる。
ｃ−ｆコンバータにより容量を周波数に変換し、その発
振出力をカウンタで測定することによって行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
容量形センサにおいては、キャパシタを構成するシリコ
ンとガラスの熱膨張率の違いにより接合部で歪みが発生
すること、ｃ−ｆコンバータを構成するＣＭＯＳ回路で
温度ドリフトが発生すること等の現象が発生する。この
ため、測定すべき物理量が変化しなくても、発振周波数
が温度に依存して変化し（ゼロ点温度特性）、また、一
定の検出すべき物理量の変化に対しても、発振周波数の
変化量が温度に依存して変化する（感度温度特性）こと
になり、温度変化による測定誤差が発生するという問題
がある。
容量形センサにおいては、キャパシタを構成するシリコ
ンとガラスの熱膨張率の違いにより接合部で歪みが発生
すること、ｃ−ｆコンバータを構成するＣＭＯＳ回路で
温度ドリフトが発生すること等の現象が発生する。この
ため、測定すべき物理量が変化しなくても、発振周波数
が温度に依存して変化し（ゼロ点温度特性）、また、一
定の検出すべき物理量の変化に対しても、発振周波数の
変化量が温度に依存して変化する（感度温度特性）こと
になり、温度変化による測定誤差が発生するという問題
がある。
【０００５】従来、係る課題に対し、最適な駆動電圧に
より、出力の温度特性が最小となる特性を有する発振回
路を用いて温度補償する方法が用いられていた（特開平
2-130014号公報) 。図５にシュミットトリガを用いた温
度補償可能な容量検出回路を示す。係る容量検出回路に
おいては、駆動電圧ＶDDにより、発振周波数の温度特性
を最小に出来る。図６に温度をパラメータとした時の駆
動電圧に対する発振周波数の特性を示す。
より、出力の温度特性が最小となる特性を有する発振回
路を用いて温度補償する方法が用いられていた（特開平
2-130014号公報) 。図５にシュミットトリガを用いた温
度補償可能な容量検出回路を示す。係る容量検出回路に
おいては、駆動電圧ＶDDにより、発振周波数の温度特性
を最小に出来る。図６に温度をパラメータとした時の駆
動電圧に対する発振周波数の特性を示す。
【０００６】しかしながら、上記構成のセンサではゼロ
点の温度補償は出来るが、感度の温度補償はできないと
いった欠点があった。また、補償されたゼロ点温度特性
（測定圧が印加されない場合の出力周波数と温度との関
係）が広い温度範囲でフラットではないため、補償でき
る温度範囲が狭いという欠点があった。
点の温度補償は出来るが、感度の温度補償はできないと
いった欠点があった。また、補償されたゼロ点温度特性
（測定圧が印加されない場合の出力周波数と温度との関
係）が広い温度範囲でフラットではないため、補償でき
る温度範囲が狭いという欠点があった。
【０００７】本発明は、上記の課題を解決するために成
されたものであり、その目的とするところは、デジタル
出力を有する容量形センサにおいて、温度変化に起因す
る測定誤差を減少させることであり、より詳細には、感
度温度特性とゼロ点温度特性とを同時に補償し、且つ、
ゼロ点温度特性の温度に対する非直線性を改善すること
にある。
されたものであり、その目的とするところは、デジタル
出力を有する容量形センサにおいて、温度変化に起因す
る測定誤差を減少させることであり、より詳細には、感
度温度特性とゼロ点温度特性とを同時に補償し、且つ、
ゼロ点温度特性の温度に対する非直線性を改善すること
にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の発明の構成は、検出すべき物理量の変化によって変化
する容量を有する測定キャパシタと、測定キャパシタに
接続され、その測定容量に逆比例した周波数のパルス信
号を出力する測定周波数発生回路を有する容量形センサ
において、測定キャパシタと同様に構成され、検出すべ
き物理量によって変化しない基準容量を有する基準キャ
パシタと、基準キャパシタに接続され、測定周波数発生
回路と同様に構成され、その基準容量に逆比例した周波
数のパルス信号を出力する基準周波数発生回路と、基準
周波数発生回路の出力するパルス信号と、測定周波数発
生回路の出力するパルス信号とを所定時間加減算して、
その差を演算して検出すべき物理量に比例したデジタル
信号を出力する差演算回路とを設けたことである。又、
他の発明の構成は、上記構成の発明において、測定周波
数発生回路及び基準周波数発生回路は、最適な入力電圧
により、出力（周波数）の温度特性が最小になる特性を
有する発振回路を有し、測定周波数発生回路の出力は、
その出力（周波数）の感度温度特性が最小になるように
調整され、基準周波数発生回路の出力は、その出力（周
波数）と測定周波数発生回路の出力の差のゼロ点温度特
性が最小となるように調整されることで、デジタル出力
を測定すべき物理量に対し、独立に感度とオフセットの
調整を可能としたことである。又、他の発明の構成は、
上記構成の発明において、測定周波数発生回路及び基準
周波数発生回路は、それぞれ、測定キャパシタ及び基準
キャパシタを所定の２つの電圧レベル間で充放電させる
電界効果型トランジスタを有する定電流源回路と、その
充放電電流の温度特性を前記入力電圧に応じて変化させ
る電界効果型トランジスタを有する回路とから成ること
を特徴とする。
の発明の構成は、検出すべき物理量の変化によって変化
する容量を有する測定キャパシタと、測定キャパシタに
接続され、その測定容量に逆比例した周波数のパルス信
号を出力する測定周波数発生回路を有する容量形センサ
において、測定キャパシタと同様に構成され、検出すべ
き物理量によって変化しない基準容量を有する基準キャ
パシタと、基準キャパシタに接続され、測定周波数発生
回路と同様に構成され、その基準容量に逆比例した周波
数のパルス信号を出力する基準周波数発生回路と、基準
周波数発生回路の出力するパルス信号と、測定周波数発
生回路の出力するパルス信号とを所定時間加減算して、
その差を演算して検出すべき物理量に比例したデジタル
信号を出力する差演算回路とを設けたことである。又、
他の発明の構成は、上記構成の発明において、測定周波
数発生回路及び基準周波数発生回路は、最適な入力電圧
により、出力（周波数）の温度特性が最小になる特性を
有する発振回路を有し、測定周波数発生回路の出力は、
その出力（周波数）の感度温度特性が最小になるように
調整され、基準周波数発生回路の出力は、その出力（周
波数）と測定周波数発生回路の出力の差のゼロ点温度特
性が最小となるように調整されることで、デジタル出力
を測定すべき物理量に対し、独立に感度とオフセットの
調整を可能としたことである。又、他の発明の構成は、
上記構成の発明において、測定周波数発生回路及び基準
周波数発生回路は、それぞれ、測定キャパシタ及び基準
キャパシタを所定の２つの電圧レベル間で充放電させる
電界効果型トランジスタを有する定電流源回路と、その
充放電電流の温度特性を前記入力電圧に応じて変化させ
る電界効果型トランジスタを有する回路とから成ること
を特徴とする。
【０００９】
【作用】測定する物理量に応じて容量が変化する測定キ
ャパシタに接続された測定周波数発生回路により、その
物理量に比例した周波数のパルス信号が発生される。一
方、物理量によって容量が変化しない基準キャパシタに
接続された基準周波数発生回路により、基準キャパシタ
の容量に逆比例した周波数のパルス信号が発生される。
ャパシタに接続された測定周波数発生回路により、その
物理量に比例した周波数のパルス信号が発生される。一
方、物理量によって容量が変化しない基準キャパシタに
接続された基準周波数発生回路により、基準キャパシタ
の容量に逆比例した周波数のパルス信号が発生される。
【００１０】ここで、測定周波数発生回路の出力は、最
適な入力電圧により、その出力の感度温度特性が最小と
なるように調整され、また、基準周波数発生回路の出力
は、最適な入力電圧により、その出力と測定周波数発生
回路の出力の差のゼロ点温度特性が最小となるように調
整される。この結果、基準周波数発生回路の出力周波数
と、測定周波数発生回路の出力周波数の差は、感度温度
特性及びゼロ点温度特性が最小となるように調整された
ものとなる。即ち、測定周波数発生回路で感度温度補償
を行ない、基準周波数発生回路でゼロ点温度補償を行う
ことで、独立に出力の感度及びゼロ点の温度補償が行え
る。
適な入力電圧により、その出力の感度温度特性が最小と
なるように調整され、また、基準周波数発生回路の出力
は、最適な入力電圧により、その出力と測定周波数発生
回路の出力の差のゼロ点温度特性が最小となるように調
整される。この結果、基準周波数発生回路の出力周波数
と、測定周波数発生回路の出力周波数の差は、感度温度
特性及びゼロ点温度特性が最小となるように調整された
ものとなる。即ち、測定周波数発生回路で感度温度補償
を行ない、基準周波数発生回路でゼロ点温度補償を行う
ことで、独立に出力の感度及びゼロ点の温度補償が行え
る。
【００１１】差演算回路は予め温度特性を補償されてい
るため、その出力は検出すべき物理量に比例した、温度
特性の良好なデジタル信号となる。又、測定キャパシタ
と基準キャパシタ及び測定周波数発生回路と基準周波数
発生回路は同様に構成されるため、基準周波数と測定周
波数の差のゼロ点温度特性は、従来方法による測定周波
数単体でのゼロ点温度特性に対し、補償できる温度範囲
が広くなる。
るため、その出力は検出すべき物理量に比例した、温度
特性の良好なデジタル信号となる。又、測定キャパシタ
と基準キャパシタ及び測定周波数発生回路と基準周波数
発生回路は同様に構成されるため、基準周波数と測定周
波数の差のゼロ点温度特性は、従来方法による測定周波
数単体でのゼロ点温度特性に対し、補償できる温度範囲
が広くなる。
【００１２】
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。本実施例は圧力を検出する圧力センサに関す
る。 （１）圧力センサ 図３は本発明に係る容量形圧力センサを示した平面図で
あり、図４は、図３のIV−IV線に沿った縦断面図であ
る。１１は被測定圧力Ｐを受ける感圧ダイアフラム部１
２を形成した上に電極１３を形成した単結晶シリコンか
ら成る半導体基板であり、その半導体基板１１上には電
極１３の形成と同様に半導体製造技術を用いて一体的に
回路部１４が形成されている。電極１３は接続端子部２
４を介して回路部１４と接続されている。
明する。本実施例は圧力を検出する圧力センサに関す
る。 （１）圧力センサ 図３は本発明に係る容量形圧力センサを示した平面図で
あり、図４は、図３のIV−IV線に沿った縦断面図であ
る。１１は被測定圧力Ｐを受ける感圧ダイアフラム部１
２を形成した上に電極１３を形成した単結晶シリコンか
ら成る半導体基板であり、その半導体基板１１上には電
極１３の形成と同様に半導体製造技術を用いて一体的に
回路部１４が形成されている。電極１３は接続端子部２
４を介して回路部１４と接続されている。
【００１３】２１は例えばパイレックスガラス等から成
る上部ガラス基板であり、電極１３に対向する電極２３
が形成されている。又、３０は穴部２５を有する下部ガ
ラス基板である。図４に示されたように、半導体基板１
１と上部ガラス基板２１が接合されることにより、容量
型圧力センサ１０の基準圧室１５が形成されている。電
極１３，２３の平面方向に、その基準圧室１５につなが
って、その電極１３，２３の周囲に補正室１６が形成さ
れている。
る上部ガラス基板であり、電極１３に対向する電極２３
が形成されている。又、３０は穴部２５を有する下部ガ
ラス基板である。図４に示されたように、半導体基板１
１と上部ガラス基板２１が接合されることにより、容量
型圧力センサ１０の基準圧室１５が形成されている。電
極１３，２３の平面方向に、その基準圧室１５につなが
って、その電極１３，２３の周囲に補正室１６が形成さ
れている。
【００１４】その補正室１６の微小ギャップの対向する
両面において、電極１３，２３の周囲に補正電極１７，
２７が形成されている。電極１３，２３及び補正電極１
７，２７は、接合された後においては、接続端子部２４
等を介してそれぞれ回路部１４と接続されている。
両面において、電極１３，２３の周囲に補正電極１７，
２７が形成されている。電極１３，２３及び補正電極１
７，２７は、接合された後においては、接続端子部２４
等を介してそれぞれ回路部１４と接続されている。
【００１５】このように構成された容量型圧力センサ１
０においては、被測定圧力Ｐを感圧ダイアフラム部１２
に受けるとその感圧ダイアフラム部１２がたわむことに
より、基準圧室１５で対向している電極１３と電極２３
との間隔が変化し、その容量が変化する。
０においては、被測定圧力Ｐを感圧ダイアフラム部１２
に受けるとその感圧ダイアフラム部１２がたわむことに
より、基準圧室１５で対向している電極１３と電極２３
との間隔が変化し、その容量が変化する。
【００１６】ところが、補正室１６で対向している補正
電極１７と補正電極２７との間隔は、補正室１６が剛体
の壁で構成されているので、感圧ダイアフラム部１２が
被測定圧力Ｐを受けてもたわむことがなく変化しない。
このように、測定キャパシタＣx は電極１３、電極２
３、基準圧室１５とで構成され、基準キャパシタＣr は
補正電極１７，２７、補正室１６とで構成されている。
電極１７と補正電極２７との間隔は、補正室１６が剛体
の壁で構成されているので、感圧ダイアフラム部１２が
被測定圧力Ｐを受けてもたわむことがなく変化しない。
このように、測定キャパシタＣx は電極１３、電極２
３、基準圧室１５とで構成され、基準キャパシタＣr は
補正電極１７，２７、補正室１６とで構成されている。
【００１７】基準圧室導入口２８を介して基準圧室１５
と補正室１６とは同じ環境雰囲気中に存在する。従っ
て、基準キャパシタＣr と測定キャパシタＣx は、同一
の温度、同一の湿度、測定圧力によらない同一外乱、基
準キャパシタＣr と測定キャパシタＣx を満たす媒体の
誘電率の同一の変化を、それぞれ、受けている。よっ
て、基準キャパシタＣr と測定キャパシタＣx のオフセ
ット値( 測定圧が基準圧に等しい時の出力) は等しくな
る。又、そのオフセット値の温度特性も等しくなる。
と補正室１６とは同じ環境雰囲気中に存在する。従っ
て、基準キャパシタＣr と測定キャパシタＣx は、同一
の温度、同一の湿度、測定圧力によらない同一外乱、基
準キャパシタＣr と測定キャパシタＣx を満たす媒体の
誘電率の同一の変化を、それぞれ、受けている。よっ
て、基準キャパシタＣr と測定キャパシタＣx のオフセ
ット値( 測定圧が基準圧に等しい時の出力) は等しくな
る。又、そのオフセット値の温度特性も等しくなる。
【００１８】（２）容量検出回路 次に容量検出回路の構成を図１に基づいて説明する。カ
ウンタ３２には基準クロック発振回路３１の出力する所
定周波数のパルス信号が入力されている。又、カウンタ
３２にはスパン設定回路３４が接続されている。スパン
設定回路３４は図１に示すように基準周波数発生回路５
０と測定周波数発生回路６０の出力するパルス信号の数
を計測するための計測周期Ｔ（Ｔａ＝Ｔｂ）を決定する
回路である。カウンタ３２はスパン設定回路３４に設定
された値Ｔがロードされると共に、その後、そのロード
された値Ｔは基準クロック発振回路３１の出力するパル
ス信号に同期して１づつ減算される。そして、カウンタ
回路３２が零を越えた時に、信号Ｔ１は図２に示すよう
に立ち上がる。この基準クロック発振回路３１は、キャ
パシタを基準となるものを使用する他、後述する基準周
波数発生回路５０と同様に構成されており、同様に発振
周波数の温度依存性が少なくなるように電圧で補償され
ている。尚、温度依存性を少なくするためには、この回
路に水晶発振器を用いることもできる。
ウンタ３２には基準クロック発振回路３１の出力する所
定周波数のパルス信号が入力されている。又、カウンタ
３２にはスパン設定回路３４が接続されている。スパン
設定回路３４は図１に示すように基準周波数発生回路５
０と測定周波数発生回路６０の出力するパルス信号の数
を計測するための計測周期Ｔ（Ｔａ＝Ｔｂ）を決定する
回路である。カウンタ３２はスパン設定回路３４に設定
された値Ｔがロードされると共に、その後、そのロード
された値Ｔは基準クロック発振回路３１の出力するパル
ス信号に同期して１づつ減算される。そして、カウンタ
回路３２が零を越えた時に、信号Ｔ１は図２に示すよう
に立ち上がる。この基準クロック発振回路３１は、キャ
パシタを基準となるものを使用する他、後述する基準周
波数発生回路５０と同様に構成されており、同様に発振
周波数の温度依存性が少なくなるように電圧で補償され
ている。尚、温度依存性を少なくするためには、この回
路に水晶発振器を用いることもできる。
【００１９】ワンショットマルチバイブレータ（以下、
単に「ワンショット回路」という）３３は、信号Ｔ１の
立ち上がりに同期した幅の狭いパルス信号Ｔ２を生成
し、その信号Ｔ２をタイミング回路３５に出力する。タ
イミング回路３５は信号Ｔ２を入力して、図２に示すタ
イミングで信号Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５を発生する。信号Ｔ３
は、信号Ｔ２の立ち上がりに同期して立ち下がり、ロー
アクティブのプリセット信号をカウンタ３２及びカウン
タ３６に出力して、両カウンタ３２、３６をプリセット
する。又、信号Ｔ３はプリセット信号としての所定期間
の低レベルを継続した後、立ち上がる信号である。この
信号Ｔ３が高レベルとなる期間が上述した計測周期Ｔを
決定する。
単に「ワンショット回路」という）３３は、信号Ｔ１の
立ち上がりに同期した幅の狭いパルス信号Ｔ２を生成
し、その信号Ｔ２をタイミング回路３５に出力する。タ
イミング回路３５は信号Ｔ２を入力して、図２に示すタ
イミングで信号Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５を発生する。信号Ｔ３
は、信号Ｔ２の立ち上がりに同期して立ち下がり、ロー
アクティブのプリセット信号をカウンタ３２及びカウン
タ３６に出力して、両カウンタ３２、３６をプリセット
する。又、信号Ｔ３はプリセット信号としての所定期間
の低レベルを継続した後、立ち上がる信号である。この
信号Ｔ３が高レベルとなる期間が上述した計測周期Ｔを
決定する。
【００２０】信号Ｔ５は、信号Ｔ３の立ち下がりに同期
して、信号Ｔ３の２倍の周期でレベルを反転する信号で
ある。この信号Ｔ５の１周期が、１回の圧力測定の１周
期を決定する。又、信号Ｔ５はアナログスイッチ４１に
入力し、アナログスイッチ４１は信号Ｔ５が高レベルの
期間、基準周波数発生回路５０の出力をカウンタ３６の
ＵＰ端子（加算端子）に通過させ、信号Ｔ５が低レベル
の期間、測定周波数発生回路６０の出力をカウンタ３６
のＤＯＷＮ端子（減算端子）に通過させる。
して、信号Ｔ３の２倍の周期でレベルを反転する信号で
ある。この信号Ｔ５の１周期が、１回の圧力測定の１周
期を決定する。又、信号Ｔ５はアナログスイッチ４１に
入力し、アナログスイッチ４１は信号Ｔ５が高レベルの
期間、基準周波数発生回路５０の出力をカウンタ３６の
ＵＰ端子（加算端子）に通過させ、信号Ｔ５が低レベル
の期間、測定周波数発生回路６０の出力をカウンタ３６
のＤＯＷＮ端子（減算端子）に通過させる。
【００２１】カウンタ３６は、基準周波数発生回路５０
の出力するパルス信号に同期して値を１づつ加算し、測
定周波数発生回路６０の出力するパルス信号に同期して
値を１つづ減算する回路である。即ち、オフセット設定
回路３９に設定された値Ｎ0 を初期値として、計測周期
Ｔａの期間、基準周波数発生回路５０の出力するパルス
信号に同期して加算カウンタする。又、次の計測周期Ｔ
ｂの期間は、測定周波数発生回路６０の出力するパルス
信号に同期して減算カウンタする。
の出力するパルス信号に同期して値を１づつ加算し、測
定周波数発生回路６０の出力するパルス信号に同期して
値を１つづ減算する回路である。即ち、オフセット設定
回路３９に設定された値Ｎ0 を初期値として、計測周期
Ｔａの期間、基準周波数発生回路５０の出力するパルス
信号に同期して加算カウンタする。又、次の計測周期Ｔ
ｂの期間は、測定周波数発生回路６０の出力するパルス
信号に同期して減算カウンタする。
【００２２】ラッチ回路３７は信号Ｔ４の立ち上がり、
即ち、計測周期Ｔｂの終わり（圧力測定の１周期の終わ
り）に同期して、カウンタ３６の現在値をラッチし、バ
ッファ回路４０に出力する回路である。このバッファ回
路４０の出力値が測定された圧力を表している。
即ち、計測周期Ｔｂの終わり（圧力測定の１周期の終わ
り）に同期して、カウンタ３６の現在値をラッチし、バ
ッファ回路４０に出力する回路である。このバッファ回
路４０の出力値が測定された圧力を表している。
【００２３】次に、本装置の作動を説明する。オフセッ
ト設定回路３９には値Ｎ0 が設定されており、信号Ｔ３
の立ち下がり時刻t1に同期して、値Ｎ0 がカウンタ３６
に設定される。次に、時刻t2からカウンタ３６は基準周
波数発生回路５０の出力するパルス信号に同期して値を
１づつ加算する。今、測定周期Ｔａの期間に基準周波数
発生回路５０から発生されたパルス信号の数をＮａとす
ると、時刻t3におけるカウンタ３６の現在値は（Ｎ0 ＋
Ｎａ）となる。
ト設定回路３９には値Ｎ0 が設定されており、信号Ｔ３
の立ち下がり時刻t1に同期して、値Ｎ0 がカウンタ３６
に設定される。次に、時刻t2からカウンタ３６は基準周
波数発生回路５０の出力するパルス信号に同期して値を
１づつ加算する。今、測定周期Ｔａの期間に基準周波数
発生回路５０から発生されたパルス信号の数をＮａとす
ると、時刻t3におけるカウンタ３６の現在値は（Ｎ0 ＋
Ｎａ）となる。
【００２４】又、時刻t3において、アナログスイッチ４
１は状態を変化させ、測定周波数発生回路６０の出力が
カウンタ３６のＤＯＷＮ端子に入力される。そして、カ
ウンタ３６は時刻t4から、測定周波数発生回路６０の出
力するパルス信号によってその値の減算カウントを開始
する。そして、計測周期Ｔｂの終了する時刻t5におい
て、カンウタ３６の現在値はラッチ回路３７にラッチさ
れる。この計測周期Ｔｂにおいて、測定周波数発生回路
６０の出力するパルス信号の数をＮｂとすると、時刻t5
において、ラッチ回路３７にラッチされた値は（Ｎ0 ＋
Ｎａ−Ｎｂ）となる。
１は状態を変化させ、測定周波数発生回路６０の出力が
カウンタ３６のＤＯＷＮ端子に入力される。そして、カ
ウンタ３６は時刻t4から、測定周波数発生回路６０の出
力するパルス信号によってその値の減算カウントを開始
する。そして、計測周期Ｔｂの終了する時刻t5におい
て、カンウタ３６の現在値はラッチ回路３７にラッチさ
れる。この計測周期Ｔｂにおいて、測定周波数発生回路
６０の出力するパルス信号の数をＮｂとすると、時刻t5
において、ラッチ回路３７にラッチされた値は（Ｎ0 ＋
Ｎａ−Ｎｂ）となる。
【００２５】この値（Ｎ0 ＋Ｎａ−Ｎｂ）が基準圧に対
する測定圧力となる。上記においてオフセット設定回路
３９に設定される値Ｎ0 を変更することで、オフセット
値を自由に変更することが可能となる。
する測定圧力となる。上記においてオフセット設定回路
３９に設定される値Ｎ0 を変更することで、オフセット
値を自由に変更することが可能となる。
【００２６】温度変動等の外部環境によってパルス数Ｎ
ａ、Ｎｂは変化する。その変化量をΔａ、Δｂとし、外
部環境によっては変化しない成分をＮａ0,Ｎｂ0 とす
る。即ち、 Ｎａ＝Ｎａ0 ＋Δａ Ｎｂ＝Ｎｂ0 ＋Δｂ である。すると、測定値は次のようになる。 （Ｎ0 ＋Ｎａ−Ｎｂ）＝（Ｎａ0 −Ｎｂ0 ）＋（Δａ−Δｂ）＋Ｎ0 温度変動等の外部環境により基準キャパシタＣｒと測定
キャパシタＣｘの容量は同じように変化する場合には、
Δａ＝Δｂである。従って、 （Ｎ0 ＋Ｎａ−Ｎｂ）＝（Ｎａ0 −Ｎｂ0 ）＋Ｎ0 このようにして、測定値は、温度等の外部環境によって
同じように変化する成分を除去することが可能である。
ａ、Ｎｂは変化する。その変化量をΔａ、Δｂとし、外
部環境によっては変化しない成分をＮａ0,Ｎｂ0 とす
る。即ち、 Ｎａ＝Ｎａ0 ＋Δａ Ｎｂ＝Ｎｂ0 ＋Δｂ である。すると、測定値は次のようになる。 （Ｎ0 ＋Ｎａ−Ｎｂ）＝（Ｎａ0 −Ｎｂ0 ）＋（Δａ−Δｂ）＋Ｎ0 温度変動等の外部環境により基準キャパシタＣｒと測定
キャパシタＣｘの容量は同じように変化する場合には、
Δａ＝Δｂである。従って、 （Ｎ0 ＋Ｎａ−Ｎｂ）＝（Ｎａ0 −Ｎｂ0 ）＋Ｎ0 このようにして、測定値は、温度等の外部環境によって
同じように変化する成分を除去することが可能である。
【００２６】 （３）基準周波数発生回路及び測定周波数発生回路 基準周波数発生回路５０と測定周波数発生回路６０とは
同一構成であるため、測定周波数発生回路６０について
説明する。図７は測定周波数発生回路６０を示した回路
図である。トランジスタTr1,Tr4,Tr5 はｐ型ＭＯＳトラ
ンジスタ、トランジスタTr2,Tr3,Tr6,Tr7 は、ｎ型ＭＯ
Ｓトランジスタである。又、A1はシュミットトリガ回
路、A2、A3はインバータ回路、Ｃｘは外部検出圧力に応
じて静電容量の変化する測定キャパシタである。
同一構成であるため、測定周波数発生回路６０について
説明する。図７は測定周波数発生回路６０を示した回路
図である。トランジスタTr1,Tr4,Tr5 はｐ型ＭＯＳトラ
ンジスタ、トランジスタTr2,Tr3,Tr6,Tr7 は、ｎ型ＭＯ
Ｓトランジスタである。又、A1はシュミットトリガ回
路、A2、A3はインバータ回路、Ｃｘは外部検出圧力に応
じて静電容量の変化する測定キャパシタである。
【００２７】トランジスタTr1 とTr4 及びTr3 とTr7
は、それぞれ、カレントミラー回路を構成し、入力電圧
Vgによりソース・ドレイン間を流れる電流が調整され
る。ここで、ｐ型ＭＯＳトランジスタとｎ型ＭＯＳトラ
ンジスタのドレイン電流は等しくなるように設計されて
いる。トランジスタTr5 とトランジスタTr6 で構成され
るC-MOSFETは、測定キャパシタＣｘを充電又は放電する
ための回路である。
は、それぞれ、カレントミラー回路を構成し、入力電圧
Vgによりソース・ドレイン間を流れる電流が調整され
る。ここで、ｐ型ＭＯＳトランジスタとｎ型ＭＯＳトラ
ンジスタのドレイン電流は等しくなるように設計されて
いる。トランジスタTr5 とトランジスタTr6 で構成され
るC-MOSFETは、測定キャパシタＣｘを充電又は放電する
ための回路である。
【００２８】トランジスタTr6 が導通状態の時には、電
源VDDから、測定キャパシタＣｘ、トランジスタTr6 、
トランジスタTr7 と電流が流れて、測定キャパシタＣｘ
の電源VDD から充電され、測定キャパシタＣｘの一端の
電位VXは、充電電流の大きさと測定キャパシタＣｘの容
量との比で決定される傾きで減衰する。
源VDDから、測定キャパシタＣｘ、トランジスタTr6 、
トランジスタTr7 と電流が流れて、測定キャパシタＣｘ
の電源VDD から充電され、測定キャパシタＣｘの一端の
電位VXは、充電電流の大きさと測定キャパシタＣｘの容
量との比で決定される傾きで減衰する。
【００２９】一方、トランジスタTr5 が導通状態の時に
は、測定キャパシタＣｘに充電された電荷はトランジス
タTr4 、トランジスタTr5を介して放電され、電位V
Xは、放電電流の大きさと測定キャパシタＣｘの容量と
の比で決定される傾きで増加する。
は、測定キャパシタＣｘに充電された電荷はトランジス
タTr4 、トランジスタTr5を介して放電され、電位V
Xは、放電電流の大きさと測定キャパシタＣｘの容量と
の比で決定される傾きで増加する。
【００３０】上記構成の回路において、電位VS, 電位
VX,電位Voutの波形を図８に示す。図８における電位VX
は、測定キャパシタＣｘの容量と充放電電流の大きさと
で決定される傾きで増減する。従って、出力電位Voutの
発振周波数は検出圧力に関しては、充放電電流の大きさ
が一定であるので、測定キャパシタＣｘの容量に逆比例
することになり、この周波数の大きさから容量の大き
さ、即ち、圧力を検出することができる。
VX,電位Voutの波形を図８に示す。図８における電位VX
は、測定キャパシタＣｘの容量と充放電電流の大きさと
で決定される傾きで増減する。従って、出力電位Voutの
発振周波数は検出圧力に関しては、充放電電流の大きさ
が一定であるので、測定キャパシタＣｘの容量に逆比例
することになり、この周波数の大きさから容量の大き
さ、即ち、圧力を検出することができる。
【００３１】一方、MOSFETのドレイン電流の温度係数
は、図９に示す特性を有しており、ゲート電圧−しきい
値電圧の大きさによって、正負任意に変化させることが
できる。このため、入力電圧Vgにより、測定キャパシタ
Ｃｘの充放電電流の温度係数を適正に設定することで、
測定キャパシタＣｘの温度特性（ゼロ点温度特性又は感
度温度特性）を補償することができる。
は、図９に示す特性を有しており、ゲート電圧−しきい
値電圧の大きさによって、正負任意に変化させることが
できる。このため、入力電圧Vgにより、測定キャパシタ
Ｃｘの充放電電流の温度係数を適正に設定することで、
測定キャパシタＣｘの温度特性（ゼロ点温度特性又は感
度温度特性）を補償することができる。
【００３２】このようにして、入力電圧Vgを調整するこ
とにより、測定周波数発生回路６０の温度特性を調整す
ることができる。又、同様に、入力電圧Vgを調整するこ
とにより、基準周波数発生回路５０の温度特性を調整す
ることができる。
とにより、測定周波数発生回路６０の温度特性を調整す
ることができる。又、同様に、入力電圧Vgを調整するこ
とにより、基準周波数発生回路５０の温度特性を調整す
ることができる。
【００３３】このため、測定周波数発生回路６０では、
入力電圧Vgを調整し、圧力に対する感度温度特性を補償
し、基準周波数発生回路５０では入力電圧Vgを調整し、
基準周波数と測定周波数の差のゼロ点温度特性を独立し
て補償することができる。
入力電圧Vgを調整し、圧力に対する感度温度特性を補償
し、基準周波数発生回路５０では入力電圧Vgを調整し、
基準周波数と測定周波数の差のゼロ点温度特性を独立し
て補償することができる。
【００３４】図１０は、本発明による感度温度特性と従
来方式による無補償での感度温度特性を比較したもので
ある。本発明による感度温度特性は従来方式に対し、−
２５℃から７５℃の範囲で０．２３％／℃から０．０２
６％／℃に改善された。２５℃から７５℃の範囲では、
０．２３％／℃から０．０２１％／℃に改善された。図
１１は、本発明によるゼロ点温度特性と従来方式による
ゼロ点温度特性を比較したものである。本発明によるゼ
ロ点温度特性は従来方式に対し、−２５℃から７５℃の
範囲で０．０８％／℃から０．０２６％／℃に改善され
た。２５℃から７５℃の範囲では、０．１０％／℃から
０．０１３％／℃に改善された。
来方式による無補償での感度温度特性を比較したもので
ある。本発明による感度温度特性は従来方式に対し、−
２５℃から７５℃の範囲で０．２３％／℃から０．０２
６％／℃に改善された。２５℃から７５℃の範囲では、
０．２３％／℃から０．０２１％／℃に改善された。図
１１は、本発明によるゼロ点温度特性と従来方式による
ゼロ点温度特性を比較したものである。本発明によるゼ
ロ点温度特性は従来方式に対し、−２５℃から７５℃の
範囲で０．０８％／℃から０．０２６％／℃に改善され
た。２５℃から７５℃の範囲では、０．１０％／℃から
０．０１３％／℃に改善された。
【００３５】
【発明の効果】本第１の発明は、検出すべき物理量の変
化によって変化する容量を有する測定キャパシタと、測
定キャパシタに接続され、その測定容量に逆比例した周
波数のパルス信号を出力する測定周波数発生回路を有す
る容量形センサにおいて、測定キャパシタと同様に構成
され、検出すべき物理量によって変化しない基準容量を
有する基準キャパシタと、基準キャパシタに接続され、
測定周波数発生回路と同様に構成され、その基準容量に
逆比例した周波数のパルス信号を出力する基準周波数発
生回路と、基準周波数発生回路の出力するパルス信号
と、測定周波数発生回路の出力するパルス信号とを所定
時間加減算して、その差を演算して検出すべき物理量に
比例したデジタル信号を出力する差演算回路とを設けた
ことである。従って、出力周波数の温度、その他の要因
を含むゼロ点補償を行うことができると共にその出力を
デジタル量として出力することができる。又、差演算回
路の初期値を変化させることでオフセット値を容易に変
更することができる。又、第２の発明は、測定周波数発
生回路及び基準周波数発生回路は、最適な入力電圧によ
り、出力の温度特性が最小になる特性を有する発振回路
を有し、測定周波数発生回路の出力は、その出力の感度
温度特性が最小になるように調整され、基準周波数発生
回路の出力は、その出力と測定周波数発生回路の出力の
差のゼロ点温度特性が最小となるように調整され、デジ
タル出力は測定すべき物理量に対し、独立に感度とオフ
セットが調整される。従って、基準周波数発生回路の発
振周波数と、測定周波数発生回路の周波数の差は、感度
温度特性及びゼロ点温度特性が最小となるように調整さ
れたものとなり、差演算回路のデジタル出力は、検出す
べき物理量に比例した温度特性の良好な信号となる。ま
た、測定キャパシタと基準キャパシタ及び測定周波数発
生回路と基準周波数発生回路は同様に構成されるため、
基準周波数と測定周波数の差のゼロ点温度特性が改善さ
れる。又、第３の発明は、測定周波数発生回路及び基準
周波数発生回路は、それぞれ、測定キャパシタ及び基準
キャパシタを所定の２つの電圧レベル間で充放電させる
電界効果型トランジスタを有する定電流源回路と、その
充放電電流の温度特性を入力電圧に応じて変化させる電
界効果型トランジスタを有する回路とから成る。従っ
て、入力電圧を適正に設定することで、電界効果型トラ
ンジスタの電流の温度係数を適正に設定することができ
る。この結果、測定キャパシタ及び基準キャパシタの充
放電電流の温度特性を、充放電電流の温度特性で補償す
ることができる。従って、温度に対する測定誤差の少な
い容量形センサとなる。
化によって変化する容量を有する測定キャパシタと、測
定キャパシタに接続され、その測定容量に逆比例した周
波数のパルス信号を出力する測定周波数発生回路を有す
る容量形センサにおいて、測定キャパシタと同様に構成
され、検出すべき物理量によって変化しない基準容量を
有する基準キャパシタと、基準キャパシタに接続され、
測定周波数発生回路と同様に構成され、その基準容量に
逆比例した周波数のパルス信号を出力する基準周波数発
生回路と、基準周波数発生回路の出力するパルス信号
と、測定周波数発生回路の出力するパルス信号とを所定
時間加減算して、その差を演算して検出すべき物理量に
比例したデジタル信号を出力する差演算回路とを設けた
ことである。従って、出力周波数の温度、その他の要因
を含むゼロ点補償を行うことができると共にその出力を
デジタル量として出力することができる。又、差演算回
路の初期値を変化させることでオフセット値を容易に変
更することができる。又、第２の発明は、測定周波数発
生回路及び基準周波数発生回路は、最適な入力電圧によ
り、出力の温度特性が最小になる特性を有する発振回路
を有し、測定周波数発生回路の出力は、その出力の感度
温度特性が最小になるように調整され、基準周波数発生
回路の出力は、その出力と測定周波数発生回路の出力の
差のゼロ点温度特性が最小となるように調整され、デジ
タル出力は測定すべき物理量に対し、独立に感度とオフ
セットが調整される。従って、基準周波数発生回路の発
振周波数と、測定周波数発生回路の周波数の差は、感度
温度特性及びゼロ点温度特性が最小となるように調整さ
れたものとなり、差演算回路のデジタル出力は、検出す
べき物理量に比例した温度特性の良好な信号となる。ま
た、測定キャパシタと基準キャパシタ及び測定周波数発
生回路と基準周波数発生回路は同様に構成されるため、
基準周波数と測定周波数の差のゼロ点温度特性が改善さ
れる。又、第３の発明は、測定周波数発生回路及び基準
周波数発生回路は、それぞれ、測定キャパシタ及び基準
キャパシタを所定の２つの電圧レベル間で充放電させる
電界効果型トランジスタを有する定電流源回路と、その
充放電電流の温度特性を入力電圧に応じて変化させる電
界効果型トランジスタを有する回路とから成る。従っ
て、入力電圧を適正に設定することで、電界効果型トラ
ンジスタの電流の温度係数を適正に設定することができ
る。この結果、測定キャパシタ及び基準キャパシタの充
放電電流の温度特性を、充放電電流の温度特性で補償す
ることができる。従って、温度に対する測定誤差の少な
い容量形センサとなる。
【図１】圧力検出回路の具体的な構成を示した回路図。
【図２】圧力検出回路の動作を説明するためのタイミン
グチャート。
グチャート。
【図３】容量型圧力センサの構成を示した平面図。
【図４】容量型圧力センサの構成を示した断面図。
【図５】従来の容量形センサの回路図。
【図６】その回路の発振周波数と駆動電圧との関係を温
度をパラメータとして示した測定図。
度をパラメータとして示した測定図。
【図７】測定周波数発生回路の構成を示した回路図。
【図８】その測定周波数発生回路の動作を説明するため
のタイミングチャート。
のタイミングチャート。
【図９】MOSFETのドレイン電流の温度係数の電圧依存性
を示す特性図。
を示す特性図。
【図１０】容量形センサの出力の感度と温度との関係を
測定した測定図。
測定した測定図。
【図１１】容量形センサの出力のゼロ点と温度との関係
を測定した測定図。
を測定した測定図。
Tr1 〜Tr12…トランジスタ(MOSFET) １０…容量型圧力センサ １１…半導体基板 １２…感圧ダイアフラム部 １３，２３…電極 １５…基準圧室 １６…補正室 １７，２７…補正電極 ２１…上部ガラス基板 ２５…穴部 ３０…下部ガラス基板 ５０…基準周波数発生回路 ６０…測定周波数発生回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桜井 止水城 愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地 豊田 工機株式会社内 (72)発明者 永田 富夫 愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地 豊田 工機株式会社内 (72)発明者 田畑 修 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 杉山 進 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開 平５−332867（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−239938（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−40812（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01D 3/04 G01L 9/12 G01R 27/26
Claims (3)
- 【請求項１】 検出すべき物理量の変化によって変化す
る容量を有する測定キャパシタと、前記測定キャパシタ
に接続され、その測定容量に逆比例した周波数のパルス
信号を出力する測定周波数発生回路を有する容量形セン
サにおいて、前記測定キャパシタと同様に構成され、検
出すべき物理量によって変化しない基準容量を有する基
準キャパシタと、前記基準キャパシタに接続され、前記
測定周波数発生回路と同様に構成され、その基準容量に
逆比例した周波数のパルス信号を出力する基準周波数発
生回路と、 前記基準周波数発生回路の出力するパルス
信号と、前記測定周波数発生回路の出力するパルス信号
とを所定時間加減算して、その差を演算して検出すべき
物理量に比例したデジタル信号を出力する差演算回路と
を有するデジタル出力を有する容量形センサ。 - 【請求項２】 前記測定周波数発生回路及び前記基準周
波数発生回路は、最適な入力電圧により出力の温度特性
が最小になる特性を有する発振回路を有し前記測定周波
数発生回路の出力はその出力の感度温度特性が最小にな
るように調整され、前記基準周波数発生回路の出力はそ
の出力と前記測定周波数発生回路の出力の差のゼロ点温
度特性が最小となるように調整され、前記デジタル出力
は測定すべき物理量に対し独立に感度とオフセットが調
整されることを特徴とする請求項１に記載のデジタル出
力を有する容量形センサ。 - 【請求項３】 前記測定周波数発生回路及び前記基準周
波数発生回路は、それぞれ、前記測定キャパシタ及び前
記基準キャパシタを所定の２つの電圧レベル間で充放電
させる電界効果型トランジスタを有する定電流源回路
と、その充放電電流の温度特性を前記入力電圧に応じて
変化させる電界効果型トランジスタを有する回路とから
成ることを特徴とする請求項２に記載のデジタル出力を
有する容量形センサ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03177328A JP3114816B2 (ja) | 1991-06-22 | 1991-06-22 | デジタル出力を有する容量形センサ |
| US07/903,096 US5291534A (en) | 1991-06-22 | 1992-06-19 | Capacitive sensing device |
| EP92110474A EP0520352A2 (en) | 1991-06-22 | 1992-06-22 | Capacitive sensing device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03177328A JP3114816B2 (ja) | 1991-06-22 | 1991-06-22 | デジタル出力を有する容量形センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04372817A JPH04372817A (ja) | 1992-12-25 |
| JP3114816B2 true JP3114816B2 (ja) | 2000-12-04 |
Family
ID=16029055
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03177328A Expired - Fee Related JP3114816B2 (ja) | 1991-06-22 | 1991-06-22 | デジタル出力を有する容量形センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3114816B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016526170A (ja) * | 2013-06-04 | 2016-09-01 | 株式会社村田製作所 | 改良された圧力センサー構造 |
| KR101923951B1 (ko) | 2018-04-10 | 2018-11-30 | 이준호 | 일회용 검진 바지 및 그 제조 방법 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102019200923A1 (de) * | 2019-01-25 | 2020-07-30 | Robert Bosch Gmbh | Auslesesignalgeber und Verfahren zum Betreiben einer kapazitiven Vorrichtung |
-
1991
- 1991-06-22 JP JP03177328A patent/JP3114816B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016526170A (ja) * | 2013-06-04 | 2016-09-01 | 株式会社村田製作所 | 改良された圧力センサー構造 |
| JP2017122722A (ja) * | 2013-06-04 | 2017-07-13 | 株式会社村田製作所 | 改良された圧力センサー構造 |
| KR101923951B1 (ko) | 2018-04-10 | 2018-11-30 | 이준호 | 일회용 검진 바지 및 그 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04372817A (ja) | 1992-12-25 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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