JP2520000B2 - Variable capacitance type sensor system - Google Patents

Variable capacitance type sensor system

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JP2520000B2
JP2520000B2 JP63326455A JP32645588A JP2520000B2 JP 2520000 B2 JP2520000 B2 JP 2520000B2 JP 63326455 A JP63326455 A JP 63326455A JP 32645588 A JP32645588 A JP 32645588A JP 2520000 B2 JP2520000 B2 JP 2520000B2
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sensor system
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敏彦 西原
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は圧力センサなどに用いられ、トランスジュー
サとして作動する可変容量コンデンサの電気的容量変化
を検出する可変容量形センサシステムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a variable capacitance type sensor system which is used for a pressure sensor or the like and detects an electric capacitance change of a variable capacitance capacitor which operates as a transducer.

(従来の技術) 例えば自動車に搭載される冷凍システムを制御するに
際しては、その冷媒圧を検知しこれを電気信号に変換し
て制御系に出力する圧力センサなどのディバイスが有効
である。
(Prior Art) For example, when controlling a refrigeration system mounted in an automobile, a device such as a pressure sensor that detects the refrigerant pressure, converts the refrigerant pressure into an electric signal, and outputs the electric signal to a control system is effective.

ところで、圧力センサとしてはシリコン半導体をダイ
ヤフラムに用いたものがあるが、かかる圧力センサを特
に自動車に搭載される機器などのように取付け条件が苛
酷で、変動の厳しい環境条件下で使用することは耐久性
および信頼性の点で問題がある。
By the way, there is a pressure sensor that uses a silicon semiconductor for the diaphragm, but it is not possible to use such a pressure sensor under severe environmental conditions such as equipment mounted in automobiles where the mounting conditions are severe. There is a problem in durability and reliability.

そこで、このような環境条件下に最も適すると考えら
れる圧力センサとしては、可変容量形トランジューサが
ある。この可変容量形トランジューサは圧力などによっ
てキャパシタンスを形成する二つの電極板の間隔が変化
すると、その変化量をキャパシタンス変化として導出
し、これを基準キャパシタンスと比較することによって
電気信号を得るようにしたものである。
Therefore, as a pressure sensor that is considered to be most suitable under such an environmental condition, there is a variable capacitance type transducer. In this variable capacitance type transducer, when the distance between two electrode plates forming a capacitance changes due to pressure, etc., the amount of change is derived as a capacitance change, and an electric signal is obtained by comparing this with a reference capacitance. It is a thing.

したがって、このような可変容量形トランジューサを
前述した自動車の冷凍システムの圧力検知手段として用
いる場合、その検知圧力範囲は100kpa〜5Mpaであり、し
かも使用環境条件が厳しいため、トランジューサのキャ
パシタンス変化を圧力検出端子から離れた位置に設けら
れた電気回路系で信号処理を行なう必要がある。しか
し、キャパシタンス変化を圧力検出端子から離れた位置
の電気回路系で信号処理を行なうとS/N比が極めて低
く、実効的な信号が取出せないという問題がある。
Therefore, when such a variable capacitance type transducer is used as the pressure detection means of the automobile refrigeration system described above, the detected pressure range is 100 kpa to 5 MPa, and since the operating environment conditions are severe, the capacitance change of the transducer is changed. It is necessary to perform signal processing by an electric circuit system provided at a position apart from the pressure detection terminal. However, when the capacitance change is processed by an electric circuit system located away from the pressure detection terminal, the S / N ratio is extremely low, and there is a problem that an effective signal cannot be taken out.

そこで、従来ではこれらの問題点を克服するため、特
開昭62-267636号公報に示されているように、トランス
ジューサの圧力検出端子近傍にキャパシタンス変化を有
効に電圧信号に変換する信号処理システムを設ける構成
が採用されている。すなわち、この公報に示されている
センサは、センサ内のセラミックス基板の下面に可変容
量キャパシタを配置し、基板の上面にキャパシタンス変
化信号を電圧に変換する信号処理回路やセンサキャリブ
レーション用の電気回路を配置してこれらを一体にコン
パクトにまとめるようにしたもので、可変容量キャパシ
タが圧力など測定すべき物理量に応答して一次的に電気
信号が発生すると、この電気信号は信号処理回路で電圧
信号に変換されるとともにキャリブレーション用電気回
路によりキャリブレーションが相互に施され、制御に必
要な電圧信号を得るようにしたものである。
Therefore, in order to overcome these problems, a signal processing system for effectively converting a capacitance change into a voltage signal in the vicinity of a pressure detection terminal of a transducer has been provided in the past, as disclosed in JP-A-62-267636. The configuration provided is adopted. That is, in the sensor disclosed in this publication, a variable capacitor is arranged on the lower surface of a ceramic substrate in the sensor, and a signal processing circuit for converting a capacitance change signal into a voltage on the upper surface of the substrate and an electric circuit for sensor calibration. Are arranged so that they can be integrated together compactly.When the variable capacitor temporarily generates an electric signal in response to a physical quantity to be measured such as pressure, this electric signal is converted into a voltage signal by the signal processing circuit. In addition, the voltage signal necessary for the control is obtained by performing the mutual calibration by the calibration electric circuit while being converted into.

第6図は上記公報に示されている信号処理回路の構成
図であり、以下その概略を説明する。第6図において、
基準キャパシタCpと可変容量形キャパシタCvとを直列に
接続し、その共通ノードと反対側の2端子を二組の電位
源,つまり基準キャパシタCpの共通ノードと反対側の端
子は電位源E1とE2に、可変容量形キャパシタCvの共通ノ
ードと反対側の端子は後述する帰還電位源E3と電位源E4
にそれぞれ切替可能とし、また共通ノードから導出され
る基準キャパシタCpに対する可変容量形キャパシタCvの
キャパシタンス変化信号を縦続接続された3段のインバ
ータINを介してメモリMにクロック信号に同期させて取
込み、このメモリMの出力を積分器Iにより積分して電
圧信号に変換し、この電圧信号を分圧回路Tにより分圧
してスイッチSW2を介して両キャパシタの直列回路に帰
還可能な構成とするとともに積分増幅器Aを通して制御
信号を得ている。この場合、切替スイッチSW1,SW2のキ
ャパシタ直列回路の共通ノード側の第1段目のインバー
タINに並列接続されたバイアス用スイッチSW3は発振器
Oと分周器DIVにより構成されたクロック信号発生器CL
とクロック分配回路CVを介して得られる第7図に示すよ
うなタイミング信号A,B,Cにより切替制御され、またメ
モリMに対してもタイミング信号Dに同期してデータの
取込みが行なわれるようになっている。
FIG. 6 is a block diagram of the signal processing circuit disclosed in the above publication, and its outline will be described below. In FIG.
The reference capacitor Cp and the variable capacitance type capacitor Cv are connected in series, and the two terminals on the side opposite to the common node are two sets of potential sources, that is, the terminals on the side opposite to the common node of the reference capacitor Cp are the potential sources E1 and E2. The terminals on the side opposite to the common node of the variable capacitance type capacitor Cv are the feedback potential source E3 and the potential source E4 which will be described later.
, And the capacitance change signal of the variable capacitance type capacitor Cv with respect to the reference capacitor Cp derived from the common node is taken into the memory M via the cascaded three-stage inverter IN in synchronization with the clock signal, The output of the memory M is integrated by the integrator I to be converted into a voltage signal, and this voltage signal is divided by the voltage dividing circuit T and can be fed back to the series circuit of both capacitors via the switch SW2. The control signal is obtained through the amplifier A. In this case, the bias switch SW3 connected in parallel to the first-stage inverter IN on the common node side of the capacitor series circuit of the changeover switches SW1 and SW2 is the clock signal generator CL composed of the oscillator O and the frequency divider DIV.
And the clock distribution circuit CV, the switching signals are controlled by the timing signals A, B, and C as shown in FIG. 7, and the memory M also receives data in synchronization with the timing signal D. It has become.

したがって、このような構成のIC化可能な信号処理回
路とセンサキャリブレーション用の電気回路を圧力セン
サなどの検出端子の極近傍に配置することによって、セ
ンサ出力として質の良い電気信号,つまり実用性の高い
範囲の電圧に変換することができる。
Therefore, by arranging the signal processing circuit that can be integrated into an IC and the electric circuit for sensor calibration in this configuration in the immediate vicinity of the detection terminals such as the pressure sensor, a high-quality electric signal as a sensor output, that is, practicality Can be converted to a high range voltage.

しかし、このような信号処理回路およびキャリブレー
ション用電気回路を圧力センサの検出端子近傍に配置す
る構成を実際のセンサシステムに使用しようとすると、
実用上好ましくない次のような新たな問題が発生する。
However, when it is attempted to use such a configuration in which the signal processing circuit and the calibration electric circuit are arranged in the vicinity of the detection terminal of the pressure sensor in an actual sensor system,
The following new problems, which are not practically desirable, occur.

すなわち、トランスジューサは本体その測定対象に近
接配置されるため、測定すべき環境の電磁界の影響を受
け易い。そこで、信頼すべき信号を得るためには、測定
環境からの影響を受けにくい構成にしなければならな
い。
That is, since the transducer is placed close to the measurement target of the main body, it is easily affected by the electromagnetic field of the environment to be measured. Therefore, in order to obtain a reliable signal, it is necessary to make the configuration less susceptible to the influence of the measurement environment.

しかし、前述したような構成のセンサシステムにおい
ては、基準キャパシタと可変容量キャパシタは切替スイ
ッチSW1,SE2により二組のそれぞれ異なる電源電位の何
れかに切替えるという複雑な演算システムを構成して、
中間電位の状態で作動させているため、トランスジュー
サの一対の対向電極は、接地電位にある部分から絶縁さ
れていることが必要であり、測定対象との間に浮遊静電
容量を生じて外部電界変動の影響を受け易く、また可変
容量キャパシタと大地間に形成される浮遊静電容量を通
して放電回路が形成されるため、この放電回路を通して
可変容量キャパシタが放電し、これが測定誤差につなが
るという問題がある。
However, in the sensor system having the above-mentioned configuration, the reference capacitor and the variable capacitor constitute a complicated arithmetic system in which two sets of different power supply potentials are switched by the changeover switches SW1 and SE2.
Since the pair of counter electrodes of the transducer must be insulated from the part at the ground potential because they are operated at the intermediate potential state, stray capacitance is generated between them and the measured object, and the external electric field is generated. It is easily affected by fluctuations, and since a discharge circuit is formed through the floating electrostatic capacitance formed between the variable capacitor and the ground, the variable capacitor is discharged through this discharge circuit, which causes a measurement error. is there.

そこで、本発明者はこのような問題を解消するため、
先に出願した特願昭63-230983号(特公平6-78913号)に
示されているような構成の可変容量形センサシステムを
発明した。第8図は先の出願の中で特にトランスジュー
サとして作動する可変容量キャパシタと基準としての固
定容量キャパシタを用いてトランジューサの容量変化に
比例又は反比例した出力電圧を得る場合の可変容量形セ
ンサシステムの構成例を示すものである。すなわち、第
8図に示すようにクロックパルス発振器14から出力され
るクロック発振出力信号SPをクロックパルス分配器18に
与え、このクロックパルス分配器18で分配されたパルス
信号により電子スイッチ回路17を切替制御してそれぞれ
の一端が電源の一端に共通接続された2個のキャパシタ
Ca,Cbの他端を次のような形態に切替接続するようにし
たものである。つまり、バッファアンプ13の出力電圧V0
により一方のキャパシタCaを充電する充電回路と、この
充電されたキャパシタCaをバッファアンプ13の出力端側
から切離すとともにキャパシタCaからCbへ電荷を移動さ
せる並列接続回路およびキャパシタCbの充電電荷を放電
させる放電回路の何れかに切替られるようにしたもので
ある。ここで、クロックパルス分配器18は第9図に示す
ようにクロックパルス発振器14から出力されるクロック
パルス信号SPをフリップフロップ回路FFに与えて出力信
号18aを得るとともにこのフリップフロップ回路FFの反
転出力とクロックパルス信号SPとをアンド回路ANDを通
して得た信号18bとこの信号18bをさらに遅延回路TDによ
り遅延させた信号18cを得るものである。電子スイッチ
回路17は3個の電子スイッチS5,S6,S7を直列接続したも
ので、電子スイッチS5の一端はバッファアンプ13の出力
端に接続され、電子スイッチS7の一端はキャパシタCa,C
bのそれぞれの一端に接続されるとともに電源の一端に
接続され、電子スイッチS6とS7の接続間にはコンパレー
タ10の入力端が接続されている。
Therefore, the present inventor solves such a problem by
The inventor has invented a variable capacitance type sensor system having a structure as shown in the previously filed Japanese Patent Application No. 63-230983 (Japanese Patent Publication No. 6-78913). FIG. 8 shows a variable capacitance type sensor system in the case of obtaining an output voltage proportional or inversely proportional to the capacitance change of the transducer by using a variable capacitance capacitor which operates as a transducer and a fixed capacitance capacitor as a reference in the prior application. It shows a configuration example. That is, as shown in FIG. 8, the clock oscillation output signal SP output from the clock pulse oscillator 14 is applied to the clock pulse distributor 18, and the electronic switch circuit 17 is switched by the pulse signal distributed by the clock pulse distributor 18. Two capacitors that are controlled and have one end commonly connected to one end of the power supply
The other ends of Ca and Cb are switched and connected in the following form. That is, the output voltage V 0 of the buffer amplifier 13
The charging circuit that charges one of the capacitors Ca by this, the parallel connection circuit that disconnects the charged capacitor Ca from the output end side of the buffer amplifier 13 and moves the charge from the capacitor Ca to Cb, and discharges the charged charge of the capacitor Cb. The discharge circuit can be switched to any one. Here, the clock pulse distributor 18 gives the clock pulse signal SP output from the clock pulse oscillator 14 to the flip-flop circuit FF to obtain the output signal 18a and the inverted output of the flip-flop circuit FF as shown in FIG. And a clock pulse signal SP through an AND circuit AND, and a signal 18c obtained by further delaying this signal 18b by a delay circuit TD. The electronic switch circuit 17 is formed by connecting three electronic switches S5, S6, S7 in series. One end of the electronic switch S5 is connected to the output end of the buffer amplifier 13, and one end of the electronic switch S7 is connected to the capacitors Ca, C.
It is connected to one end of each of b and to one end of a power source, and the input end of the comparator 10 is connected between the electronic switches S6 and S7.

このような構成の可変容量形センサシステムにおい
て、パルス分配器18より出力されるパルス信号18aによ
り電子スイッチ回路17の電子スイッチS5,S7が閉路し、S
6が開路すると一方のキャパシタCaはバッファアンプ13
の出力電圧V0により充電されるとともに他方のキャパシ
タCbは放電回路が形成されて充電電荷が放電される。次
に電子スイッチS6が閉路してS5,S7が開路すると、一方
のキャパシタCaがバッファアンプ13の出力端から切離さ
れると同時に両キャパシタCaとCbとが並列接続され一方
のキャパシタCaから他方のキャパシタCbに電荷が移動
し、そのとき両キャパシタCa,Cbに生起された電圧VSが
コンパレータ10により検出される。そして、これらキャ
パシタCa,Cbの電圧がコンパレータ10により検出された
後はそれぞれが放電し、次の循環サイクルに備える。こ
の場合、上記操作によって得られる安定状態は次式で表
される。
In the variable capacitance type sensor system having such a configuration, the electronic signals S5 and S7 of the electronic switch circuit 17 are closed by the pulse signal 18a output from the pulse distributor 18, and S
When 6 opens, one capacitor Ca turns into a buffer amplifier 13
While being charged by the output voltage V 0 of the capacitor Cb, a discharge circuit is formed in the other capacitor Cb to discharge the charge. Next, when the electronic switch S6 is closed and S5 and S7 are opened, one capacitor Ca is disconnected from the output end of the buffer amplifier 13, and at the same time, both capacitors Ca and Cb are connected in parallel and one capacitor Ca is connected to the other. Electric charges move to the capacitor Cb, and the voltage VS generated at both capacitors Ca and Cb at that time is detected by the comparator 10. Then, after the voltages of the capacitors Ca and Cb are detected by the comparator 10, the capacitors Ca and Cb are discharged to prepare for the next circulation cycle. In this case, the stable state obtained by the above operation is represented by the following equation.

V0Ca=Vs(Ca+Cb)=VR(Ca+Cb) 故に V0=(1+Cb/Ca)VR となる。但し、VRはコンパレータ10の直流電源によるス
レッシュホールド電圧である。
V 0 Ca = Vs (Ca + Cb) = VR (Ca + Cb) Therefore, V 0 = (1 + Cb / Ca) VR. However, VR is a threshold voltage by the DC power supply of the comparator 10.

したがって、キャパシタCbを固定容量,Caを可変容量
とすれば、前述したような切替制御を周期的に行なうこ
とにより、Caの可変容量に反比例した出力電圧V0をリフ
レッシュしつつ得ることができる。同様にキャパシタCa
を固定容量とし、キャパシタCbを可変容量とすれば、Cb
の可変容量に比例した出力電圧V0を得ることができる。
また、キャパシタCaとCbは共にその一端を電源の一端に
共通接続することができるので、トランジューサの一端
は電源の一端と同電位であり、このことは極板の一方で
内部回路の外部電界に対するシールドを構成したことと
等価であり、外部ノイズの影響を受けることなく、正確
且つ信頼性の高い測定が可能となる。
Therefore, if the capacitor Cb has a fixed capacitance and Ca has a variable capacitance, the output voltage V 0 inversely proportional to the variable capacitance of Ca can be obtained while refreshing by periodically performing the switching control as described above. Similarly, the capacitor Ca
Let C be a fixed capacitance and Cb be a variable capacitance, Cb
It is possible to obtain an output voltage V 0 proportional to the variable capacitance of
Also, since both ends of the capacitors Ca and Cb can be commonly connected to one end of the power supply, one end of the transducer has the same potential as one end of the power supply. This is equivalent to configuring a shield for, and enables accurate and highly reliable measurement without being affected by external noise.

(発明が解決しようとする課題) ところで、このような構成の可変容量形センサシステ
ムにおいて、可変容量形センサとして第10図に示すよう
に薄い金属板からなる円板状の固定電極1aと可動電極1b
を有し、且つそれぞれの電極面が対向配置されるととも
に可動電極1bの端縁部が固定部材2により固定された板
極キャパシタンス型のセンシング構体,つまり板極コン
デンサを使用する場合がある。この板極コンデンサは、
可動電極1bが固定電極1aに対して対向距離dの方向に移
動させるような使用形態のもので、その静電容量CWはCW
=K・S/d(対向面積をS,対向距離をd,定数をKとす
る)で示されるように対向距離dに反比例する。したが
って、このまま用いたのでは可動電極1bの移動量に対し
て静電容量が正比例しないことになり、その出力電圧の
変化は比例関係から大きく外れることになる。しかも、
このような構成の板極コンデンサにあっては可動電極1b
に等分布荷重Pが作用すると、この可動電極1bは固定電
極1aとの対向距離dがたわみによって中心部と周辺部で
は異なり、上記静電容量Cwと対向距離dの関係にも誤差
が生じてしまう。このため、対向距離dに完全に反比例
することを前提とし、荷重Pに対して比例する出力を得
る設計が可能であるにも拘らず、やはり実現することは
困難である。
(Problems to be solved by the invention) By the way, in the variable capacitance type sensor system having such a configuration, as the variable capacitance type sensor, as shown in FIG. 10, a disk-shaped fixed electrode 1a and a movable electrode made of a thin metal plate are provided. 1b
In some cases, a plate electrode capacitance type sensing structure, that is, a plate electrode capacitor in which the respective electrode surfaces are arranged to face each other and the end portion of the movable electrode 1b is fixed by the fixing member 2, that is, a plate electrode capacitor is used. This plate capacitor is
The movable electrode 1b is used in such a manner that the movable electrode 1b moves in the direction of the facing distance d with respect to the fixed electrode 1a, and its electrostatic capacitance CW is CW.
= K · S / d (the facing area is S, the facing distance is d, and the constant is K), and is inversely proportional to the facing distance d. Therefore, if it is used as it is, the electrostatic capacitance is not directly proportional to the moving amount of the movable electrode 1b, and the change of the output voltage thereof largely deviates from the proportional relationship. Moreover,
In the plate capacitor having such a structure, the movable electrode 1b
When an evenly distributed load P acts on the movable electrode 1b, the distance d facing the fixed electrode 1a differs between the central portion and the peripheral portion due to the deflection, and an error occurs in the relationship between the electrostatic capacitance Cw and the facing distance d. I will end up. For this reason, it is difficult to realize it, even though it is possible to design to obtain an output proportional to the load P on the assumption that it is completely inversely proportional to the facing distance d.

そこで、このような構成の対向距離可変型のキャパシ
タCWを第11図に示すように固定容量キャパシタCFと直列
に接続して検出キャパシタCYを構成すれば、可動電極1b
と固定電極1a間の静電容量は第12図に示す曲線CWの如く
なる。したがって、この曲線CWから明らかなように固定
容量キャパシタCFを接続しない場合の特性CW′と比べて
距離dの変化に対する直線変化分が大きくなるため、対
向距離可変型のキャパシタンスの距離変化に対してほぼ
比例した出力電圧として得ることができる。
Therefore, if the variable facing distance type capacitor CW having such a configuration is connected in series with the fixed capacitance capacitor CF as shown in FIG. 11 to form the detection capacitor CY, the movable electrode 1b
The capacitance between the fixed electrode 1a and the fixed electrode 1a is as shown by the curve CW in FIG. Therefore, as is clear from the curve CW, since the linear change amount with respect to the change of the distance d is larger than that of the characteristic CW ′ when the fixed capacitance capacitor CF is not connected, the change with respect to the distance change of the capacitance of the opposed distance variable type is large. It can be obtained as an almost proportional output voltage.

しかし、このような構成としても広範囲の圧力変動に
対しては未だ充分な直線性を確保することは困難であ
る。
However, even with such a configuration, it is still difficult to secure sufficient linearity with respect to a wide range of pressure fluctuations.

本発明はキャパシタンスの変化に対して出力電圧が比
例しない板極型コンデンサを可変容量形センサとして使
用する場合でも、広範囲にわたる圧力変動に対してキャ
パシタンスの変化にほぼ比例した出力電圧を得ることが
できる可変容量形センサシステムを提供することを目的
とする。
According to the present invention, even when a plate electrode type capacitor whose output voltage is not proportional to a change in capacitance is used as a variable capacitance type sensor, it is possible to obtain an output voltage almost proportional to a change in capacitance over a wide range of pressure fluctuations. It is an object to provide a variable capacitance type sensor system.

(課題を解決するための手段) 本発明は上記目的を達成するため、それぞれの一端が
電源のコモン端子に接続された第1のコンデンサと第2
のコンデンサを有し、且つ第1のコンデンサの他端より
パルス分配器から出力される第1の信号により計測すべ
き出力電圧で充電し、前記パルス分配器から出力される
第2の信号により前記第1および第2のコンデンサを並
列接続して前記第1のコンデンサの充電電荷を前記第2
のコンデンサに移し、この第2のコンデンサの端子電圧
をコンパレータに入力し、その出力信号を積分して前記
計測すべき出力信号とする可変容量形センサシステムに
おいて、前記第1のコンデンサは第1の固定コンデンサ
と複数の領域を形成する電極中の第1の電極とトランス
ジューサの可動電極とで形成する第1の可変コンデンサ
の並列回路からなり、前記第2のコンデンサは前記複数
の領域を形成する電極中の第2の電極と前記トランジュ
ーサの可動電極とで形成する第2の可変コンデンサと固
定コンデンサの直列回路から構成したものである。
(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the present invention provides a first capacitor and a second capacitor, one ends of which are connected to a common terminal of a power supply.
Has a capacitor of, and is charged from the other end of the first capacitor with an output voltage to be measured by the first signal output from the pulse distributor, and is charged by the second signal output from the pulse distributor. A first and a second capacitor are connected in parallel to charge the first capacitor with the second charge.
In the variable capacitance type sensor system in which the terminal voltage of the second capacitor is input to the comparator and the output signal thereof is integrated into the output signal to be measured, the first capacitor is the first capacitor. A parallel circuit of a fixed capacitor and a first variable capacitor formed by a first electrode among electrodes forming a plurality of regions and a movable electrode of a transducer, wherein the second capacitor is an electrode forming the plurality of regions. It is composed of a series circuit of a second variable capacitor and a fixed capacitor formed by a second electrode therein and a movable electrode of the transducer.

(作用) このような構成の可変容量形センサシステムにあって
は、可変容量形センサとして端縁が固定され、一方の面
に等分布荷重を受けてたわみ変形する可動電極と固定電
極からなる板極コンデサであっても、第1のコンデンサ
および第2のコンデンサの構成要素となる複数の電極の
中の第1の電極および第2の電極とトランジューサの可
動電極とでそれぞれ形成される可変コンデンサが対向電
極間の距離の変位に対して変化し、圧力の変化にほぼ比
例した出力電圧が得られるようにキャパシタンスの変化
の効果が補償されるので、圧力に対する応答出力電圧の
直線性が良好になり、しかも広範囲の圧力変動に対して
も充分な直線性を確保することが可能となる。
(Operation) In the variable capacitance type sensor system having such a configuration, a plate having a movable electrode and a fixed electrode whose end is fixed as the variable capacitance type sensor and which is flexibly deformed by receiving an evenly distributed load on one surface Even in the case of a polar capacitor, a variable capacitor formed by a first electrode and a second electrode among a plurality of electrodes that are components of the first capacitor and the second capacitor, and a movable electrode of the transducer, respectively. Changes with the displacement of the distance between the opposing electrodes, and the effect of the capacitance change is compensated so that an output voltage almost proportional to the pressure change is obtained, so the linearity of the response output voltage with respect to pressure is improved. In addition, it is possible to secure sufficient linearity even when the pressure varies over a wide range.

(実施例) 以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は本発明による可変容量形センサシステムに使
用されるセンサの構成例を示すものである。本実施例で
は第1図に示すように端縁が固定される薄い金属性の可
動電極31に対向して配置される固定電極32として絶縁基
板33上に全領域の一部を円弧状に切欠いて複数に分割さ
れた電極領域34,35を設ける構成とし、その電極領域35
を第2図に示すように第1の可変電極Ccとして固定キャ
パシタCaと並列に接続して第1のコンデンサCAとし、ま
た電極領域34を第2の可変電極Cbとして固定容量のキャ
パシタCFに直列接続して第2のコンデンサCBとし、その
合成容量をもって検出キャパシタとするものである。
FIG. 1 shows a structural example of a sensor used in the variable capacitance type sensor system according to the present invention. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a fixed electrode 32 is disposed opposite to a thin metallic movable electrode 31 whose edges are fixed, and a part of the whole area is cut out in an arc shape on an insulating substrate 33. A plurality of divided electrode regions 34, 35 are provided, and the electrode region 35 is
As shown in FIG. 2, the first variable electrode Cc is connected in parallel with the fixed capacitor Ca to form the first capacitor CA, and the electrode region 34 is used as the second variable electrode Cb in series with the fixed capacitance capacitor CF. The second capacitor CB is connected and the combined capacitance thereof is used as a detection capacitor.

なお、第2図において第6図と同一構成要素には同一
記号を付して示し、ここではその説明を省略する。
In FIG. 2, the same components as those in FIG. 6 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted here.

この場合、本実施例で使用される可変容量形センサは
第3図に示すように端縁を固定したダイヤフラム電極で
等荷重分布によりたわみを生じさせて容量変化を得る構
成のものであり、ダイヤフラム面が平行移動して対向距
離が変化するものとは異なり、ダイヤフラムの直径,厚
さ,材質に係わるヤング率等の要素に従って加圧圧力と
容量の応答は個々の具体的なダイヤフラムについて定ま
るものである。ここで、第3図において、41は上面開口
部に設けられた金属ダイヤフラム電極,つまり可動電極
31の端縁部を固定したケースで、このケース41内には可
動電極31と対向して絶縁基板33上に複数に分割された電
極領域34,35を設けてなる固定電極32がC形ワッシャ42
を介して固定されている。また、ケース41内の固定電極
32下方に増幅器等の電子部品43および電源や出力端子44
を取付けられた回路基板45が配設されており、この回路
基板45上の所定の端子に固定電極32を構成する絶縁基板
33上の電極領域34,35から引出された電極引出端子34a,3
5aが接続されている。
In this case, the variable capacitance type sensor used in the present embodiment has a structure in which a diaphragm electrode having a fixed edge as shown in FIG. Unlike the one in which the surfaces move in parallel and the facing distance changes, the response of the pressurizing pressure and capacity is determined for each specific diaphragm according to factors such as the diameter, thickness and Young's modulus of the diaphragm. is there. Here, in FIG. 3, 41 is a metal diaphragm electrode provided in the upper opening, that is, a movable electrode.
In a case in which the end edge portion of 31 is fixed, a fixed electrode 32 formed by providing a plurality of divided electrode regions 34, 35 on the insulating substrate 33 facing the movable electrode 31 in the case 41 is a C-shaped washer. 42
Is fixed through. In addition, the fixed electrode in the case 41
32 Electronic components such as amplifiers 43 and power supply and output terminals 44 below
A circuit board 45 to which is attached is disposed, and an insulating board that constitutes the fixed electrode 32 at a predetermined terminal on the circuit board 45.
Electrode lead-out terminals 34a, 3 drawn out from the electrode regions 34, 35 on 33
5a is connected.

したがって、第1図に示すようなセンサを用いて第2
図に示す如く構成すれば、出力電圧V0は次式で表わすこ
とができる。
Therefore, using a sensor such as that shown in FIG.
With the configuration shown in the figure, the output voltage V 0 can be expressed by the following equation.

V0=(1+CB/CA)VR 但し、 CB=Cb・CF/(Cb+CF), CA=Ca+Cc 上記式において、分母の項CAについて着目するとこの
CAは固定キャパシタCaに圧力の変化によって可変する可
変キャパシタCcの容量成分が加わるため、出力電圧V0
センサ全体の容量増加に伴って抑制される傾向を示す。
V 0 = (1 + CB / CA) VR However, CB = Cb · CF / (Cb + CF), CA = Ca + Cc In the above formula, paying attention to the denominator term CA,
In CA, the capacitance component of the variable capacitor Cc that changes according to the change in pressure is added to the fixed capacitor Ca, so that the output voltage V 0 tends to be suppressed as the capacitance of the entire sensor increases.

ここで、第1のコンデンサCAとして固定容量キャパシ
タCaを使用し、第2のコンデンサCBとして可変容量キャ
パシタCbとした場合、つまり第8図のような構成とした
場合にはCB/CAが第4図に示す曲線K0であったものが、
第2のコンデンサCBとして可変容量キャパシタCbに固定
容量キャパシタCFを直列に接続したものを使用すると、
曲線K1で示されるように直線からのずれの比率が下が
り、結果として直線性が良好になる。しかし、曲線K0
上昇率は圧力Pが大きいほど急激になる傾向があるの
で、広範囲の圧力変化に対して直線性を良好に保つには
大きな値の固定容量キャパシタCFを用いる必要がある
が、この固定容量キャパシタCFが大きくなるとCA/CBの
変化率が低下するため、感度の低下が大きくなる。
Here, when the fixed capacitor Ca is used as the first capacitor CA and the variable capacitor Cb is used as the second capacitor CB, that is, when the configuration as shown in FIG. What was the curve K 0 shown in the figure,
If a variable capacitor Cb in which a fixed capacitor CF is connected in series is used as the second capacitor CB,
As shown by the curve K 1 , the ratio of deviation from the straight line decreases, resulting in good linearity. However, since the rate of increase of the curve K 0 tends to become steeper as the pressure P increases, it is necessary to use the fixed capacitance capacitor CF having a large value in order to maintain good linearity over a wide range of pressure changes. As the fixed capacitance CF becomes larger, the rate of change of CA / CB becomes smaller, so that the sensitivity becomes larger.

これに対して本実施例では、第1のコンデンサCAとし
て固定容量キャパシタCaに圧力の変化によって可変する
可変容量キャパシタCcの容量成分が加わり、つまりCAの
変化を積極的に利用するようにしているので、第4図の
図示点線K3のように圧力Pの大きな領域でのCA/CBの上
昇が効果的に抑制され、総合的な感度の低下を防止でき
ることになる。
On the other hand, in the present embodiment, the capacitance component of the variable capacitance capacitor Cc, which is variable according to the change in pressure, is added to the fixed capacitance capacitor Ca as the first capacitor CA, that is, the change in CA is positively used. Therefore, the increase in CA / CB in the region where the pressure P is large as shown by the dotted line K 3 in FIG. 4 is effectively suppressed, and the overall decrease in sensitivity can be prevented.

さらに、積極的には一定圧力値Pm以上の圧力に対して
は出力の伸びが緩和される飽和特性K2を実現することも
可能である。
Further, it is possible to positively realize the saturation characteristic K 2 in which the expansion of the output is relaxed for the pressure equal to or higher than the constant pressure value Pm.

なお、上記実施例で使用された可変容量形センサにお
いては、可動電極11としての金属ダイヤフラムの中央部
のたわみが大きいので、大きな容量変化が得られるのに
対して、その周辺部は固定されているので変化が少な
い。従って、固定容量キャパシタCaに並列接続される固
定電極32の可変容量キャパシタCcを構成する電極領域35
としては第1図に示した如く、必ずしも全領域の一部を
円弧状に切欠いて他の領域と比例的に構成する必要性は
なく、第5図に示すように可変容量キャパシタCcを構成
する電極領域35を金属ダイヤフラムのたわみ変化の少な
い周辺部に対応させて設け、この部分を第1のコンデン
サCAの固定容量キャパシタCaとして使用するようにして
もよい。この場合、固定容量キャパシタCaとして使用し
ても実質的には可変容量キャパシタCCとしての機能も含
まれる。このようなセンサを構成すれば、別個に固定容
量キャパシタCaを使用する必要が無いため、システム全
体の小型化と簡略化を図ることができる。また、ダイヤ
フラム面に対向する電極領域の形状や配置を変えること
により、第1のコンデンサCAを可変容量キャパシタCcと
し、第2のコンデンサCBも可変容量キャパシタCbとして
構成し、可変容量キャパシタCcに固定容量キャパシタCa
としての機能を持たせ、また可変容量キャパシタCbに固
定容量キャパシタCFとしての機能を持たせることも可能
である。このようにすれば、実質的に固定容量キャパシ
タCaとCFを省略できるので、よりシステム全体の小型化
と簡略化を図ることができる。
In the variable capacitance type sensor used in the above embodiment, since the central portion of the metal diaphragm as the movable electrode 11 has a large deflection, a large capacitance change can be obtained, while its peripheral portion is fixed. There is little change because it exists. Therefore, the electrode region 35 forming the variable capacitance capacitor Cc of the fixed electrode 32 connected in parallel to the fixed capacitance capacitor Ca.
As shown in FIG. 1, it is not always necessary to cut out a part of the entire region in an arc shape in proportion to the other regions, and to form the variable capacitance capacitor Cc as shown in FIG. The electrode region 35 may be provided so as to correspond to the peripheral portion of the metal diaphragm where the deflection is small, and this portion may be used as the fixed capacitance capacitor Ca of the first capacitor CA. In this case, even if it is used as the fixed capacitance capacitor Ca, the function as the variable capacitance capacitor CC is substantially included. If such a sensor is configured, it is not necessary to separately use the fixed capacitance capacitor Ca, and therefore the size and simplification of the entire system can be achieved. Also, by changing the shape and arrangement of the electrode region facing the diaphragm surface, the first capacitor CA is made a variable capacitor Cc, and the second capacitor CB is also made a variable capacitor Cb, and fixed to the variable capacitor Cc. Capacitor Ca
It is also possible to provide the variable capacitance capacitor Cb with the function as the fixed capacitance capacitor CF. By doing so, the fixed capacitance capacitors Ca and CF can be substantially omitted, so that the overall size and simplification of the system can be further reduced.

[発明の効果] 以上述べたように本発明によれば、加圧に対してキャ
パシタンスの変化が完全に比例又は反比例しない板極型
コンデンサを可変容量形センサとする場合でも、広範囲
の圧力変動に対してほぼ比例した出力電圧を得ることが
できる可変容量形センサシステムを提供できる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, even when a plate electrode type capacitor whose capacitance change is not perfectly proportional or inversely proportional to pressurization is used as a variable capacitance type sensor, a wide range of pressure fluctuation can be obtained. It is possible to provide a variable capacitance type sensor system that can obtain an output voltage that is approximately proportional to the output voltage.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明による可変容量形センサシステムに使用
されるトランスジューサの構成例を示す斜視図、第2図
は本発明の一実施例を示す回路構成図、第3図は第1図
のトランスジューサの詳細な構成例を示す断面図、第4
図は同実施例の作用効果を説明するための特性図、第5
図は第1図のトランスジューサとは異なる固定電極の平
面図、第6図は従来の可変容量形センサシステムの構成
を示す回路図、第7図は同システムの作用を説明するた
めのタイムチャート、第8図は先に出願した発明の一例
を示す回路構成図、第9図は同電子スイッチ回路の切替
タイミングを示すタイムチャート、第10図は可動電極の
端縁が固定された板極コンデンサの構成図、第11図は板
極コンデンサを本発明に係わる可変容量形センサとして
使用する場合の構成例を示す回路図、第12図は同構成例
による可変容量形センサの特性図である。 10……コンパレータ、11……メモリ、12……積分回路、
13……バッファアンプ、14……クロック信号発生器、17
……電子スイッチ、18……クロックパルス分配器、1…
…板極コンデンサ、31……可動電極、32……固定電極、
33……絶縁基板、34,35……電極領域、CA……第1のコ
ンデンサ、CB……第2のコンデンサ。
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a transducer used in a variable capacitance type sensor system according to the present invention, FIG. 2 is a circuit configuration diagram showing an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a transducer shown in FIG. 4 is a sectional view showing a detailed configuration example of
FIG. 5 is a characteristic diagram for explaining the function and effect of the same embodiment, fifth.
FIG. 6 is a plan view of a fixed electrode different from the transducer of FIG. 1, FIG. 6 is a circuit diagram showing the configuration of a conventional variable capacitance type sensor system, and FIG. 7 is a time chart for explaining the operation of the system. FIG. 8 is a circuit configuration diagram showing an example of the invention previously applied, FIG. 9 is a time chart showing switching timing of the electronic switch circuit, and FIG. 10 is a plate electrode capacitor in which an edge of a movable electrode is fixed. FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration example when a plate capacitor is used as a variable capacitance sensor according to the present invention, and FIG. 12 is a characteristic diagram of the variable capacitance sensor according to the configuration example. 10 …… Comparator, 11 …… Memory, 12 …… Integrator circuit,
13 …… Buffer amplifier, 14 …… Clock signal generator, 17
...... Electronic switch, 18 …… Clock pulse distributor, 1…
… Plate electrode capacitor, 31 …… Movable electrode, 32 …… Fixed electrode,
33 ... Insulating substrate, 34, 35 ... Electrode area, CA ... First capacitor, CB ... Second capacitor.

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】それぞれの一端が電源のコモン端子に接続
された第1のコンデンサと第2のコンデンサを有し、且
つ第1のコンデンサの他端よりパルス分配器から出力さ
れる第1の信号により計測すべき出力電圧で充電し、前
記パルス分配器から出力される第2の信号により前記第
1および第2のコンデンサを並列接続して前記第1のコ
ンデンサの充電電荷を前記第2のコンデンサに移し、こ
の第2のコンデンサの端子電圧をコンパレータに入力
し、その出力信号を積分して前記計測すべき出力信号と
する可変容量形センサシステムにおいて、前記第1のコ
ンデンサは第1の固定コンデンサと複数の領域を形成す
る電極中の第1の電極とトランスジューサの可動電極と
で形成する第1の可変コンデンサの並列回路からなり、
前記第2のコンデンサは前記複数の領域を形成する電極
中の第2の電極と前記トランジューサの可動電極とで形
成する第2の可変コンデンサと固定コンデンサの直列回
路からなることを特徴とする可変容量形センサシステ
ム。
1. A first signal having a first capacitor and a second capacitor each having one end connected to a common terminal of a power supply, and having the other end of the first capacitor output from a pulse distributor. Is charged by the output voltage to be measured by the second capacitor, and the first and second capacitors are connected in parallel by the second signal output from the pulse distributor to charge the first capacitor with the second capacitor. In the variable capacitance type sensor system in which the terminal voltage of the second capacitor is input to the comparator and the output signal thereof is integrated into the output signal to be measured, the first capacitor is the first fixed capacitor. And a parallel circuit of a first variable capacitor formed by a first electrode among electrodes forming a plurality of regions and a movable electrode of a transducer,
The second capacitor comprises a series circuit of a second capacitor and a fixed capacitor formed by a second electrode of the electrodes forming the plurality of regions and a movable electrode of the transducer, and a variable capacitor. Capacitive sensor system.
【請求項2】第1のコンデンサは前記複数の領域を形成
する電極中の第1の電極とトランジューサの可動電極と
で形成する可変コンデンサとし、第2のコンデンサは複
数の領域を形成する電極中の第2の電極と前記トランジ
ューサの可動電極とで形成する第2の可変コンデンサと
したことを特徴とする請求項第1項に記載の可変容量形
センサシステム。
2. A first capacitor is a variable capacitor formed by a first electrode among electrodes forming the plurality of regions and a movable electrode of a transducer, and a second capacitor is an electrode forming a plurality of regions. The variable capacitance type sensor system according to claim 1, wherein the variable capacitance type sensor system is a second variable capacitor formed by a second electrode therein and a movable electrode of the transducer.
【請求項3】第1のコンデンサは複数の領域を形成する
電極中の第1の電極とトランジューサの可動電極とで形
成する可変コンデンサとし、第2のコンデンサは前記複
数の領域を形成する電極中の第2の電極と前記トランジ
ューサの可動電極とで形成する第2の可変コンデンサと
固定コンデンサの直列回路として構成したことを特徴と
する請求項第1項に記載の可変容量形センサシステム。
3. A first capacitor is a variable capacitor formed by a first electrode among electrodes forming a plurality of regions and a movable electrode of a transducer, and a second capacitor is an electrode forming the plurality of regions. The variable capacitance sensor system according to claim 1, wherein the variable capacitance sensor system is configured as a series circuit of a second variable capacitor and a fixed capacitor formed by a second electrode therein and a movable electrode of the transducer.
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