JPH0267939A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はセンサに加わる圧力を、静電容量の変化を利用
して検出する方式の圧力検出装置に関する。

従来の技術 電極を所定の間隙を保って対向させ、これに加えられた
圧力を静電容量の変化として取り出す静電容量型圧力セ
ンサば、すでに多数実用に供されている。

このようなセンサの容量値は、通常２０〜５０２Ｆ程度
とごくわずかなため、検出回路やセンサ自身の温度特性
により、大きな誤差が生じる。そこで温度による特性の
変化を如何に解決するかがこの種のセンサにおける重要
な課題であった。

このため加えられた圧力に応じて容量値が鋭敏に変化す
る検出電極を基板の中央部に設け、その外周部に加えら
れた圧力によってはあまり容量値の変化しない基準電極
を配する静電容量型圧力センサが、−Ｓに知られている
。

特開昭５８−１９８７３９号公報に記載の静電容量型圧
力センサは、このようなセンサの一例であり、上記の二
つの容量を充放電することで、センサおよび回路の温度
特性の低減を図ろうとしている。

第５図はかかる静電容量型圧力センサの構成を表してお
り、（ａ）図は断面を、（ｂ）図は２枚の基板を展開し
た状態を示している。

アルミナの基板１および２には二つの電極が印刷され、
一定の間隙を保って対向するよう周縁をガラス３によっ
て封止されている。このため中央の検出電極４は外圧に
鋭敏に変化し、一方外周の基準電極５はガラスに近接し
ているためにたわみにくり、外圧による圧力変化が前者
と比してごく少ない。

そして両容量とも同一の基板内に近接して配されている
ので、温度による影響はほぼ同様に受ける。従って両者
を比較すれば、温度の影響のみを取り除き、圧力情報だ
けを得ることができる。

第６図はかかる従来の回路構成である。検出電極４の容
量ＣＰと基準電極５の容量Ｃ，，とは、それぞれ抵抗Ｒ
，，Ｒ，に接続され、充放電回路が構成される。両容量
はトランジスタＱ、、Ｑ、によりオンオフされ、充放電
を繰り返す、その動作および各部の波形については、引
用例に詳しいので省略するが、電源電圧をＶ　ｃｃとす
れば、ローパスフィルタ６の出力電圧■。ｕＬは Ｖ、、Ｌ　＝Ｖｃｃ（１−Ｃ，／　Ｃ，）−−−−（１
）となる。センサの温度特性はすでに述べたようにほぼ
同一であるから、温度に起因する容量の変化分ΔＣｒ　
（ｐｐｍ／　’Ｃ）およびΔＣｐ　（ｐｐａ＋／”Ｃ）
は、（１−Ｃ，／Ｃｐ）項により相殺され、出力電圧Ｖ
　ｏｖＬからセンサの温度特性を取り除ける。

ただしこのときＲ，＝Ｒ，であり、比較器７と８および
トランジスタＱ、とＱ２とは、温度特性の揃ったものを
選別してベアにしなければならない。

発明が解決しようとする課題 ところがこのような従来の構成では、センサの温度特性
を小さく抑えることはできても、回路の温度特性を完全
に取り除くことはできない。

まず通常、民生レベルであれば、電源電圧Ｖ　ｃＣは温
度特性を有する。これを避けるには、温度補償された複
雑で高価な電源を使用しなければならない。

次にＲ３とＲｚとは通常まったく一致するなどというこ
とはありえないから、そのアンバランス分だけ温度特性
が発生する。

比較器７と８およびトランジスタＱ、とＱ８とを温度特
性の揃ったものを選別してベアにする、というのも実際
の量産では大変な手間であり、しかも完全に温度特性を
揃えるなどということは至難の技である。

さらに比較器の出力周波数は、周波数のままでは扱えず
、いったんローパスフィルタで直流電圧に変換しなけれ
ば、温度特性がキャンセルできない。ために回路構成が
煩雑かつ高価になる。

課題を解決するための手段 本発明は、上記課題を解決するために、所定の間隙を設
けて対向し、中央部に検出電極を、その外周部に基準電
極を有する一対の平板より形成した静電容量型圧力セン
サと、この検出電極および基準電極の容量を読み出す検
出手段と、演算手段を有し、前記検出手段を用いて検出
電極および基準電極の容量を検出する制御部とを備えて
いる。

作　　用 本発明の圧力検出装置は、制’＜８部が検出手段を介し
て検出電極および基準電極の容量を切り換えながら測定
し、演算手段を用いてその測定結果を演算処理し、その
解をもとにセンサに加わる圧力を算出する。

実施例 以下、本発明に係わる圧力検出装置を図面を参照して説
明する。

センサの構成は、第２図に示した従来のものと同一であ
り、すでに記述したのでここでは重複を避けて説明は割
愛する。

第１図は本発明に係わる圧力検出装置のシステム構成を
示すブロック図の一実施例である。

単一の検出手段は基準容量Ｃ１と検出容量Ｃ２および抵
抗Ｒを含むＣＲ発振回路９により構成される。スイチッ
ング手段１０は制御部１１に内蔵された切換ゲート信号
制御手段１２によって制御され、基準容量と検出容量と
を切り換えて発振回路９に接続し、発振周波数ｆ、およ
び「、とじて制御部１１内のカウンタ手段１３に入力す
る。そしてカウンタ手段１３の出力は、それぞれＲＡＭ
１４の所定のアドレスに格納され、演算手段１５に転送
されて演算処理として除算を施され、比ｒが求められる
。

ｒ＝Ｌ／ｆｐ　　　　−・・−（２） 第２図はかかる各周波数および比の関係を示す線図であ
る。圧力Ｐが高まるほど、基板のたわみは大きくなり、
電極間の距離が小さくなるので、容量値は次式から逆に
大きくなる。

Ｃ＝εＳ／ｄ　　　　　−・−（３） ただし　Ｃ；電極間容量 Ｓ：電極面積 ｄ：電橋間距離 周波数ｆは次式から求められるので、圧力ｐが高まると
周波数ｒは逆に低くなっていく。

ｒ　＝　Ｋ／ＲＣ・−・・・・（４） ただし　Ｋ：回路定数 ごの比ｒと圧力ρの関係から、圧力ｐは高次の近似式、
例えば下記のような二次式を演算すれば得られることが
わかる。

ｐ＝ａ　ｒ”　＋ｂ　ｒ十ｃ　　　−・山−（５）ただ
し　ａ、ｂ、ｃ　：定数 ここで（２）式によりなぜ比ｒを求めたかについて説明
する。（２）式を展開すると次式の通りである。

検出回路として単一の発振回路を用いているため、回路
定数にはｆ、、ｆ、ともに同一であり、また抵抗Ｒも共
通なので、（６）式に示されるように周波数の比ｒは検
出容量Ｃ，と基準容量Ｃ，，の比となる。

両者の温度特性は、すでに述べたようにほぼ同一である
から、比ｒをもとに圧力ｐを算出すれば温度特性を取り
除くことができる。

第３図はかかるシステムの具体的な回路構成の一実施例
を示す。制御部１１はマイコンにより形成され、切換ゲ
ート信号制御手段として出力巳。

が、内蔵カウンタ手段の入力端子としてＴＣが設けられ
ている。

検出手段９はオペアンプののこぎり波発生回路と波形整
形回路の組み合わせで形成されている。

スイッチング手段１０はアナログスイッチによって構成
されているが、これは他の半導体スイッチング手段でも
、またリレーでも実現できる。

１６は電圧変換および波形整形をするレベルシフト回路
であり、必要に応じて適宜付加すればよい。

例えば、アナログスイッチはμＰＣ４０６６、オペアン
プはＴＬＯ８２、マイコンはＭ８８８５１５で実現でき
るが、これに相当する機能を有するものであれば利用で
きるのは言うまでもない。

第４図はかかるマイコンの制御プログラムを示すフロー
チャートである。

圧力の測定がスタートされると、まずゲート信号Ｅ、が
Ｈレベルに転じられる（ａ）、そして若干のデイレイ時
間が適宜挿入された（ｂ）後、ＴＣ端子に接続される内
蔵カウンタが起動され（Ｃ）、基準周波数ｆ、の測定が
開始される。

そしてカウンタのゲート時間、例えば１秒、がタイマ割
り込みなどを用いて管理され（ｄ）、この所定時間が経
過すると、カウンタが停止される（ｅ）。

かかる計数結果ｒ１はＲＡＭの所定アドレスに転送され
、記憶されるげ）。

次いでゲート信号Ｅ０がＬレベルに転じられ（員、以下
ｆ、とまったく同様の手順でｒ、の測定が行われる（ハ
）〜（１）。

かかる処理を経て、ＲＡＭに記憶されたｒｌとｒ、は次
に除算処理をされてｒがまず算出され（ホ）、ついで比
「を゛もとに圧力ｐが二次近似式で算出される（ｎ）。

以上の手順により求められた圧力ｐは、既述したように
温度の影響をまったく受けない。

発明の効果 以上のように本発明の圧力検出装置は、従来のように電
源電圧■。の影響を受けず、温度補償された複雑で高価
な電源を使用する必要がない。

また検出容量Ｃ９と基準電８ｉＣ，の検出に用いられる
抵抗Ｒおよび発振回路９は、まったく同じものであ茗か
ら、従来のように温度特性の揃ったものをベアにする手
間もなく、原理上、温度特性は現れない。

さらに発振回路の出力周波数は、そのままカウンタに人
力でき、従来のようにローパスフィルタで直流電圧に変
換する必要がな（、ために回路構成が簡素かつ低廉です
む。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる圧力検出装置の構成の一実施例
を示すブロック図、第２図は本発明に係わる圧力と各周
波数およびその比を示す線図、第３図は本発明の一具体
例を示す回路図、第４図は制御プログラムの構造を示す
フローチャート、第５図（ａ）は静電容量型センサの断
面図、第５図（ｂ）は同展開図、第６図は従来例の回路
図である。 ４・・・検出電極、５・・・基準電極、９・・・検出手
段、１０・・・スイッチング手段、１１・・・制御部、
１３・・・カウンタ手段、１５・・・演算手段。 代理人の氏名弁理士　粟　野重孝　ほか１名９　・・・
・・・・単一の検出手段 １０　・・・・・・・スイッチング手段１１　・−・・
・制７１部 １３　・・・・・−・カウンタ手段 １５−・−・・・・演算手段 第２図 Ｍ３図 丘力Ｐ 第４図 第５図 （ｄ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定の間隙を設けて対向し、中央部に検出電極を、その
   外周部に基準電極を有する一対の平板より形成した静電
   容量型圧力センサと、前記検出電極および基準電極の容
   量を読み出す検出手段と、前記検出手段を介して前記検
   出電極および基準電極の容量を切り換えて測定する制御
   部とより成り、前記制御部は演算手段を有し、測定した
   前記検出電極および前記基準電極の容量値を前記演算手
   段を用いて演算処理し、その演算結果から前記静電容量
   型圧力センサに印加される圧力を算出するよう構成した
   圧力検出装置。