JP2896371B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は条件応答センサ、特に、
自動車機器など厳しい環境条件下での広い用途に適し、
そのような環境で長期間、信頼性の高い動作が可能な高
精度、低価格のセンサに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】コンピュータが非常に優秀な機能を備え
ていても、その機能に見合った信頼性の高い制御入力を
供給し得る適切なセンサが不足していると、コンピュー
タを最大限に利用できないことがある。現在入手可能な
センサは、製造コストが高いとか、種々の用途で長期の
使用期間にわたって精度や信頼性の所望水準が得られな
いことが多い。使用環境条件の厳しい自動車機器などの
用途では、特にその傾向がある。 【０００３】 【発明が解決しようとする問題点】センサのコスト、精
度、信頼性などの多くの問題があるが、センサ構造に汎
用性をもたせて用途を拡大すれば、精度および信頼性を
改善する高度なセンサ機能を装備することができ、ま
た、用途拡大による大量生産によって生産経済性が良く
なり、センサ価格を妥当な水準に維持することができ、
問題は解決される。また、監視中の圧力などの種々の条
件領域に関する同一の一般領域内で初期条件応答信号を
得るために容易にスケール可能な容量型圧力トランスデ
ューサ等の条件応答素子がセンサに内蔵されている場合
や、上記一般領域内の初期条件応答信号を増幅など適切
な処理をするための低価格集積回路がセンサに含まれて
いる場合、また、電気的操作が可能な校正手段がセンサ
に含まれていて、この校正手段と条件応答素子、集積回
路を共通支持体上に組み立てた後に集積回路に対する各
条件応答素子の校正が安価で確実に行うことができる場
合、センサに内蔵された条件応答素子および回路の温度
感度が十分に低く、温度と寿命の安定性が高く、そし
て、条件応答素子のスケール性が良く、センサ回路の校
正コストが安く、応用範囲が広い場合には、センサの用
途は更に広がる。 【０００４】 【問題点を解決するための手段、作用、効果】本発明の
目的は、新しく改良された条件応答センサを提供するこ
と、汎用性に富んだ条件応答センサを提供すること、初
期電気信号を出力する条件応答素子と、共通支持体上に
取り付けられた信号処理用集積回路と、上記支持体上に
取り付けられ、取り付け後に条件応答素子と集積回路を
相互に校正するための電気的作動可能な手段とを有する
条件応答センサを提供すること、監視中の圧力など種種
の所定条件領域に関して同一の一般領域内の初期条件応
答信号を発生させる際にスケール可能な条件応答素子を
提供すること、容量型圧力トランスデューサと基準コン
デンサをチャージロックループ接続することにより、ト
ランスデューサ・コンデンサの微小変化に対して高感度
で精度の高いキャパシタンス／電圧変換器を構成した圧
力センサまたは位置センサを提供すること、電気的作動
可能なオンチップ手段を含む集積回路を共通支持体上に
取り付け、この手段を用いて、支持体上の容量型トラン
スデューサなどの条件応答素子に対して支持体上の集積
回路を校正するようにしたセンサを提供すること、セン
サのバイアス、利得、非直線性を個別に校正する手段を
備えたセンサを提供すること、バイアスおよび利得を校
正するために可変コンデンサを備え、温度に対して安定
性のある長寿命のセンサを提供することにある。 【０００５】新たに改良された本発明のセンサを簡単に
説明すれば、容量性圧力トランスデューサ等の選択スケ
ール条件応答素子とアナログ信号処理回路などを共通支
持体上に取り付けたものであって、これらはＣＭＯＳ技
術などを用いて集積回路内に実装することが好ましい。
好適実施例においては、条件応答素子は感圧膜を備えた
容量性圧力トランスデューサで構成され、感圧膜に掛か
る圧力に応じてトランスデューサ・キャパシタンスが所
定領域内で変化するようになっている。感圧膜の構造
は、トランスデューサをスケールする際に複数種類の異
なる弾性柔軟度が得られるように膜厚を容易に変えるこ
とができ、各膜厚に対して種々の範囲の圧力が掛かった
時に前記所定領域内でトランスデューサ・キャパシタン
スが変化するようになっている。本発明によれば、セン
サには校正手段が含まれ、この校正手段は、条件応答素
子および集積回路と同じ共通支持体上に取り付けられ
る。校正手段は支持体上で電気的に操作可能であること
が好ましく、そうすれば、それらを支持体上に取り付け
た後に条件応答素子とセンサ回路を相互に校正すること
ができる。本発明の一実施例では、センサのバイアスお
よび利得を校正するために個別に設定可能なポテンショ
メータが校正手段に含まれ、これらはセンサ校正の時に
調節され、設定後に固定される。別の実施例では、直列
入力並列出力型シフト・レジスタに接続された２個のデ
ィジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器が集積回路に含ま
れ、センサ校正中にシフト・レジスタにデータ／クロッ
ク入力手段から信号が入力されるようになっており、バ
イアスおよび利得の校正を行うときにレジスタ内のデー
タの半分が各Ｄ／Ａ変換器に入力されるように、データ
はＩＣスイッチ内の溶断ヒューズまたはフローティング
ゲート手段によってメモリ内に恒久的に固定される。 【０００６】本発明の好適実施例によれば、容量型圧力
トランスデューサと基準コンデンサが共通ノードを持つ
状態で両者をチャージロックループ接続することによ
り、キャパシタンス／電圧変換回路が形成され、この変
換回路は電源電圧に対して線形性を有し、選択された領
域のトランスデューサ・キャパシタンスの変化に応じて
対応領域内で出力電圧を変化させる。トランスデューサ
のキャパシタンスが変化した時に共通ノードで差電圧が
得られるように、トランスデューサ・コンデンサと基準
コンデンサの端間電圧を所定周波数で交番的に循環させ
るためのスイッチ・アレーが設けられている。この差電
圧は、センサ出力の調整時に電流シンク回路網を駆動す
るために増幅などの処理を施され、そして、帰還路を介
してノート電圧を均衡状態に復帰させる。それにより、
センサの出力電圧はトランスデューサ・キャパシタンス
に反比例するレベルに維持される。 【０００７】また、別の実施例によれば、容量型圧力ト
ランスデューサと選択的可変コンデンサを共通ノードで
接続することにより、その共通ノードに対するチャージ
ロックループ検出器が形成される。前記実施例と同様
に、トランスデューサ・キャパシタンスが変化した時に
電源電圧および出力電圧に依存する電圧間でコンデンサ
端間の電圧を循環させるためにスイッチ・アレーが設け
られている。この構成では、センサ校正時に上述のよう
な溶断回路またはフローティングゲートの記憶データを
用いて可変コンデンサを電気的に操作することができ
る。 【０００８】 【実施例】以下に付図にしたがって、本発明による条件
応答センサの実施例を詳細に説明する。図１および図２
において、参照番号１０で示されている本発明の条件応
答センサは、セラミック基板１４を備えた容量型圧力ト
ランスデューサ１２などの条件応答センサで構成されて
いる。トランスデューサは熱可塑性材質等のセンサ体１
８の環状支持部の片側に固定することが好ましい。この
トランスデューサは、金属製支持リング１６と、Ｏ−リ
ング・ガスケット２１と、柔軟なテフロン被覆ポリアミ
ドフィルム２３と、リング１６と、支持組立体としての
センサ・ハウジングを形成するセンサ体部分とで構成さ
れ、金属製支持リングは、トランスデューサの周辺部分
にはめ込まれたカップ状金属キャップ２０によってトラ
ンスデューサ周縁の反対側に固定されている。キャップ
は柔軟なフィルム２３を介してＯ−リング・ガスケット
を押圧位置決めするために２０．２で示すように内側に
変形させることが好ましい。本体の外側から端子への電
気接続を行うためには、３本の導電線２２を本体チャン
バ２４から保護スリーブ２６まで伸びた状態で本体内に
モールドすることが好ましい。図２の矢印３９で示され
るように、キャップ２０はウエル２８の開口２７にはめ
込まれ、ウエル内の流体圧力を受ける状態になる。そし
て、キャップは開口２０．１を通してその流体圧力をト
ランスデューサ１２に伝えると同時に、ガスケット２１
とフィルム２３によってセンサ回路を圧力から保護す
る。 【０００９】好適実施例においては、トランスデューサ
１２は、基板１４の片側に形成された第１の導電金属コ
ンデンサ板３２と、柔軟な弾性膜４０上に支持された対
向金属板３４を備えている。膜は基板１４の周縁から内
側の位置でガラス封止手段３６によって基板の一部に固
定され、金属板３４は第１のコンデンサ板に対して平行
間隔で対向する第２の可動コンデンサ電極板として機能
する。第２コンデンサ電極板は膜に掛かる圧力３０の変
化に応じて第１コンデンサ電極板に近付いたり離れたり
するので、ウエル２８内の圧力状態の変化に応じてキャ
パシタンスの変化する可変コンデンサがトランスデュー
サ１２に含まれることになる。 【００１０】好適実施例においては、図２に示すＩＣ化
回路４４や抵抗手段４５、基準コンデンサ４６などの信
号処理手段４３が基板１４の反対側に取り付けられ、そ
のＩＣ化回路、抵抗手段、基準コンデンサ回路パス４
８，５０に接続され、回路パスはピン５２，５４を介し
てトランスデューサの各コンデンサ板に接続されてい
る。信号処理手段は更に、直接的、または図２に示すよ
うにリード線等を介してセンサ端子２２に接続される。
この構成においては、圧力状態３０の変化に応じてトラ
ンスデューサ１２のキャパシタンス変化等の初期電気信
号がトランスデューサから発生し、信号処理手段によっ
て、その初期電気信号の増幅、変換、その他の処理が行
われ、端子２２に電気的出力信号が発生し、その出力信
号は後述のように所望の制御機能の実行に利用される。 【００１１】本発明によれば、容量型トランスデューサ
１２等の条件応答素子は、監視中の圧力その他の条件の
変化に応じて第１の一般信号レンジ内で上記初期電気信
号を出力するように構成されている。しかし、これら条
件は第２の一般圧力レンジにわたって変化する。例え
ば、好適実施例において、トランスデューサ１２の第１
および第２コンデンサ板の直径は約１２．７ｍｍ（０．
５インチ）、初期ギャップは約０．０２５ｍｍ（０．０
０１インチ）であり、そして、圧力範囲０−４５０ｐｓ
ｉに対してトランスデューサ・コンデンサのキャパシタ
ンス変化が３０−６０ｐＦになるように膜の厚さが決め
られる。しかし、条件応答構造は特に、容易にスケール
可能なものを選択し、素子が色々な第２レンジでの被監
視条件の変化に応じてスケールされる場合でも、素子か
ら発生する初期電気信号が同一の第１レンジ内で変化す
るようにする。例えば、圧力３０のレンジが種々異なる
場合に同一のレンジでキャパシタンスの変化が得られる
ようにトランスデューサ１２の膜４０の厚さが容易にス
ケールされる。このようにして、センサに内蔵された同
一の信号処理手段は、特定の圧力トランスデューサの代
替品で監視される広範な条件の検出にも使用できるの
で、この信号処理手段は特に、低価格化、大量生産に適
している。条件応答素子１２は広範な温度範囲で使用可
能であることが好ましく、そして、センサ１０が温度等
の環境条件の厳しい自動車機器などに使用される場合で
もトランスデューサと信号処理手段の間の整合性を良好
に保つためには、トランスデューサの動作特性は温度変
化に対してあまり鋭敏でない方が良い。トランスデュー
サ１２については、本出願と同日、同一出願人による出
願番号第８５９，５６６号「改良された容量型トランス
デューサを内蔵する圧力センサ」（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
Ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｃａｐａ
ｓｉｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）に詳細記述があ
り（本明細書にも引用している）、また、その他の従来
の条件応答素子もセンサ１０に使用可能であるので、こ
こではトランスデューサ１２に関するこれ以上の説明は
省略するが、被監視条件の変化に応答して初期電気信号
を出力するように設計された条件応答型の圧力トランス
デューサまたは位置トランスデューサならば、どのよう
なトランスデューサ１２でも本発明の範囲内でセンサ１
０に使用可能である。 【００１２】本発明によれば、トランスデューサ１２と
信号処理手段４３は図示されるように共通の支持体また
はハウジングに取り付けられている。トランスデューサ
１２と信号処理手段４３を共通支持体に取り付けた後に
両者の整合校正を行うための校正手段については以下に
詳細に述べるが、これも同じ支持体に取り付けられてい
る。センサ１０を低価格化、大量生産の可能なセンサ、
さらに自動化校正のできる多目的センサとするために
は、校正手段は集積回路内で電気的に操作可能にするこ
とが好ましい。例えば、監視領域内で所定の条件が生じ
た時に、支持体に取り付けられたトランスデューサから
第１の所定レンジ内の初期電気信号が発生し、支持体に
取り付けられた信号処理手段からは、所定の制御機能を
実行するために第２の所定レンジ内の所定電気出力信号
が発生する状況において、監視すべき前記所定条件の中
の何れかが生じた時に前記所定出力信号が得られるよう
に、集積回路内に設けられた校正手段がトランスデュー
サと信号処理手段の両者を整合校正するために十分な範
囲にわたって調節可能であることが好ましい。 【００１３】本発明によれば、信号処理手段４３は図３
に示すような容量／電圧変換回路を備えていることが好
ましい。例えば、容量型圧力トランスデューサ１２は、
コンデンサ間に共通ノード５８が形成されるように基準
コンデンサ４６に対してチャージロック接続されること
が好ましい。ペア・スイッチ６０，６２とペア・スイッ
チ６４，６６の交番閉成によってコンデンサとノード５
８に所定の交番電圧が逆極性で印加されるように４段ス
イッチ６０，６２，６４，６６が配置され、これにより
共通ノード５８で所定の電圧レベルが得られるようにな
っている。共通ノードは制限抵抗器６７、３段のインバ
ータ６８、フリップフロップ７０を介して電流シンク回
路網に接続されている。この電流シンク回路網は制限抵
抗器７１、積分コンデンサ７２、演算増幅器７４で構成
されており、入力端手段７８への供給電圧に対して線形
性を有しトランスデューサのキャパシタンス５８の容量
値に反比例する出力電圧信号が出力手段７６から得られ
る。この出力手段には出力ノード８０と、もう一つの増
幅段、すなわち、フィルタ抵抗器８２、フィルタコンデ
ンサ８４、演算増幅器８６、分圧抵抗器８８、利得抵抗
器９０で構成される増幅段を設けることが好ましい。出
力ノード８０は、出力電圧帰還用の分圧抵抗器９２，９
３を介して４段スイッチアレーのスイッチ６２に接続さ
れ、スイッチアレー内の別のスイッチ６４，６６はそれ
ぞれ、ポテンショメータ９４，９６で構成される校正手
段を介して電源電圧に接続される。４番目のスイッチ６
０は図示されるように制限抵抗器９７を介して電源電圧
に接続される。タイミング抵抗器９９とタイミングコン
デンサ１００，１０１が従来の方法でクロック手段９８
に接続されており、このクロック手段はフリップフロッ
プ１０２を介してインバータ６８の分流スイッチ１０３
に接続されている。フリップフロップ１０２は、適切な
遅延抵抗器１１０および遅延コンデンサ１１１，１１２
に接続されたシュミット・トリガ・インバータ１０４，
１０６，１０８に接続されており、フリップフロップ７
０と交番スイッチ・ペア６０，６２および６４，６６が
所定の順序で動作することにより、トランデユーサ・コ
ンデンサ１２と基準コンデンサ４６の電圧は、例えば、
一方の極性では回路の電源電圧とポテンショメータ電圧
９４の間、逆極性では抵抗器９３，９３間ノードの分圧
出力電圧とポテンショメータ電圧９６の間において所定
の周波数で循環する。後述のように、ポテンショメータ
９４，９６はセンサ１０を校正するときのトランスデュ
ーサおよび基準コンデンサへの供給電圧を調節するため
の可変抵抗器である。すなわち校正後の出力電圧は下記
の関係にしたがってトランスデューサのキャパシタンス
と共に変化する。 【００１４】 【数１】（Ｖccｆb −Ｖout ｆo ）ｃx ＝（Ｖcc −ｆ
x Ｖcc）ｃb 【００１５】 Ｖcc＝電源電圧 ７８ Ｖout ＝出力電圧 ８０ ｃx ＝トランスデューサのキャパシタンス １２ ｃb ＝基準コンデンサのキャパシタンス ４６ ｆb ＝ポテンショメータによる電源電圧の分圧電圧 ９
６ ｆo ＝ポテンショメータによる出力電圧の分圧電圧 ９
２，９３ ｆv ＝ポテンショメータによる電源電圧の分圧電圧 ９
４ 【００１６】本発明の一実施例では、ポテンショメータ
は従来のねじ調節式であって、これらは図２のようにセ
ンサをセンサ支持手段上に組み立てた後で抵抗調節開口
１１４から調節可能な状態でセンサに取り付けられる。
また、好適実施例では、校正手段はセンサ支持手段に組
み込んだ後で校正動作ができるように電気的に操作可能
になっているが、詳細は後述する。 【００１７】図３にしたがって上述した本発明の好適実
施例では、上記信号処理手段の構成要素として下記の従
来部品が使用されている。 【００１８】 【表１】 上記表に含まれる型番はテキサスインスツルメント社製
または同等品である。 【００１９】電源電圧範囲がほぼ４−６Ｖ、クロック手
段の動作周波数が３３ＫＨｚの場合、インバータ・スイ
ッチ１０３、交番ペア・スイッチ６０，６２，６４，６
６、フリップフロップ７０の動作周期ｄ１は３０ｍｓと
なり、各スイッチ・ペアとフリップフロップは図４の波
形図に示すようにインバータ・スイッチの動作からそれ
ぞれ１ｍｓの遅延時間ｄ２と６ｍｓの遅延時間ｄ３が経
過した後に動作する。 【００２０】このような構成において、監視中の圧力３
０が監視圧力範囲の低位で安定している場合、トランス
デューサ・コンデンサ１２と基準コンデンサ４６の電
圧、すなわち共通ノード５８の電位は、一方の極性では
ポテンショメータ電圧９４と回路電源電圧の間で、ま
た、他方の極性では抵抗器９２，９３間のノード出力電
圧の一部とポテンショメータ電圧９６の間で循環し、ス
イッチ６２への帰還電圧は分圧手段９２，９３によって
所望の値に調節される。したがって、共通ノード５８
は、抵抗器７１、コンデンサ７２、演算増幅器７４で構
成される電流シンク回路網６９の駆動電圧レベルにな
り、ノード８０において、基準コンデンサとトランスデ
ューサ・コンデンサの比に相当するアナログ出力電圧レ
ベルが得られる。ポテンショメータ９４は（低圧力レベ
ルで圧力３０にしたがって）調節可能になっており、例
えばノード８０の所望出力電圧範囲の低位レベルで出力
電圧をゼロ設定するためにセンサのバイアス校正を行う
ことができる。所望範囲の圧力３０は監視領域内で高レ
ベルになることが多く、その場合、ポテンショメータ９
６の調節により最初にセンサの利得校正が行われ、ノー
ド８０の出力電圧が所望電圧範囲の上側に設定される。
この構成において、流体圧力３０が監視圧力範囲の任意
の点で安定状態にあるとき、ノード８０の出力電圧はト
ランスデューサ・コンデンサ１２のキャパシタンスに反
比例し、トランスデューサのキャパシタンスはトランス
デューサ・コンデンサの電極間ギャップに反比例する。
したがって、圧力３０の増加によってトランスデューサ
・キャパシタンスが増加すると、上述のようにトランス
デューサ・コンデンサと基準コンデンサに基づく循環に
よって共通ノード５８に差電圧が現れ、電流シンク回路
網が駆動され、ノード８０の出力電圧が増加する。この
出力電圧がスイッチ６２に帰還されて共通ノード８０の
上記差電圧がゼロになり、出力電圧はその時点で高くな
っているトランスデューサ・キャパシタンスに反比例す
る値に維持される。基準コンデンサとトランスデューサ
・コンデンサは上記キャパシタンス／電圧変換回路内で
逆に接続してもよく、するとこの回路は反転型キャパシ
タンス検出器ではなく直接型キャパシタンス検出器とし
て機能するが、これについては後述する。本発明のセン
サの実施例では、従来の方法で小さい値のトランスデュ
ーサ・キャパシタンスを回路電源電圧依存の出力電圧に
変換するために従来のフェーズロック増幅回路または同
期変調復調回路を信号処理手段に設けることができる
が、上記チャージロックループ型キャパシタンス／電圧
変換回路は圧力下のキャパシタンス比較動作が非常に速
い回路であり、また、接点リーク電流による誤差を防止
すると共に、周知の回路で生じ易いオフセット電圧誤差
を最小にすることによって広範な温度範囲にわたって非
常に高い精度が得られる。 【００２１】図５には、本発明のもう一つの実施例によ
るセンサ２１０が示されており、図３と同様の部品に
は、それに対応する参照番号が付けられている。この実
施例においては、信号処理手段はバイポーラまたはＣＭ
ＯＳ技術等によって構成され、図５の破線２４３で示さ
れる集積回路に内蔵される。例えば、トランスデューサ
・コンデンサ２１２と基準コンデンサ２４６は共通ノー
ド２５８およびスイッチアレー２６０，２６２，２６
４，２６６に対してチャージロック接続されており、図
３で説明した電圧間で、トランスデューサ・コンデン
サ、基準コンデンサ、共通ノードを循環させることによ
り、電流シンク回路網２６９、積分コンデンサ２７２、
電圧フォロアー２７４が駆動される。この回路は、前述
のように所定周波数の所定シーケンスでインバータスイ
ッチ３０３、フリップフロップ２７０、スイッチ２６
０，２６２，２６４，２６６を動作させるためのクロッ
ク手段（図示せず）に相当する。前述の特許出願に記載
のようなトランスデューサに遮蔽部材が使用される場
合、トランスデューサのノード領域を実質的に遮蔽して
共通ノード２５８の代表電圧レベルに保つために、図５
の２６３で示される遮蔽部材は２６９で示される電源に
電気的に接続することが好ましい。 【００２２】この実施例において、校正手段は、センサ
２１０内の共通支持体上にトランスデューサ２１２と共
に集積された集積回路２４３のチップ上に形成されてお
り、共通支持体の組み立て後に校正手段が集積回路の電
気的入力によって作動し、トランスデューサ２１２に対
する回路２４３の校正を行われる。例えば、校正手段に
シフトレジスタ３１６を設け、３１８でクロック入力を
受信し、記憶手段３２２を用いて３２０でデータの校正
を行うという従来の方法が好ましい。この方法によれ
ば、センサ２１０の校正データはセンサテスト装置（図
示せず）からシフトレジスタを介してメモリに入力さ
れ、監視領域の圧力は３０で示すように最初に上記監視
領域の任意の低レベルに設定され、次に任意の高レベル
に設定される。すなわち、まず高低それぞれの圧力レベ
ルでセンサの校正テストが行われ、所望の出力電圧範囲
内でセンサ出力電圧調整が必要ならば追加の校正データ
がレジスタに入力されてセンサのバイアスおよび利得の
校正が行われる。例えば、このレジスタはメモリとの間
で１２ビットの校正語を転送するために従来の直列入
力、並列出力のレジスタで構成することが好ましい。一
対の従来型Ｄ／Ａコンバータ３２４，３２６にメモリか
らデータの半分または１０ビット語が入力され、信号処
理回路２４３に対して適切なバイアスおよび利得の校正
が行われる。センサ校正語の校正データをメモリ内に固
定するために、記憶手段は図５の３２８で示すように恒
久プログラミング手段を備えた非揮発性のヒューズメモ
リ等で構成されることが好ましい。バイポーラやＣＭＯ
Ｓ技術等によって回路を構成する場合は、１０％−２０
％程度の微小なトランスデューサ・キャパシタンス変化
がセンサの全出力電圧範囲に正確に反映される。図３の
実施例と同様に校正を行うとき、バイアスおよび利得の
校正抵抗を信号処理回路に入れるため、一般に、Ｄ／Ａ
コンバータには従来の抵抗器アレーが組み込まれるか、
または外付けされる。このように、Ｄ／Ａコンバータは
センサ校正中に便利な自動直列プログラミングが可能に
なっているため、検出精度の高い多目的、低価格のセン
サが得られる。本発明の信号処理手段は後述のように発
明の範囲内で、アナログ出力信号またはディジタル出力
信号を出力することができる。同様に、実施例回路の校
正手段にはヒューズメモリ手段が設けられているが、本
発明の範囲内でＥＰＲＯＭその他のメモリも使用可能で
ある。 【００２３】次の実施例によるセンサ４１０の一部が図
６に示されている。この図でも前記と同様の参照番号が
付けられており、代替校正手段として可変コンデンサを
調節することにより、部分的にセンサの校正が可能であ
る。この実施例では、可変トランスデューサ・コンデン
サ４１２は可変基準コンデンサ４４６に対してチャージ
ロックループ接続され、トランスデューサと第一の基準
コンデンサはそれぞれ共通ノード４５８に接続されてい
る。スイッチアレー４６０，４６２，４６４，４６６と
分圧手段４９２，４９３は、前記実施例におけるスイッ
チおよび帰還回路と同様に集積回路内に形成されてい
る。回路の校正を行うために従来の方法で基準コンデン
サを可変にすることができるが、それについては後述す
る。 【００２４】本発明によれば、図６の５４４，５４６で
示す図５相当の方法を用いて電気的操作手段によって可
変基準コンデンサおよび可変トランスデューサ・コンデ
ンサの校正調節も可能である。すなわち、シフトレジス
タに入力された校正語を、前述のような非揮発性ヒュー
ズメモリを備えたメモリへ転送し、恒久プログラミング
手段によってメモリ手段内に固定する。Ｄ／Ａコンバー
タ手段はメモリ内の校正データによって集積回路内の従
来のコンデンサ・アレー（図示せず）と共に動作し、前
記のようにバイアスおよび利得校正キャパシタンスが図
６の回路に入力される。なお、本発明のセンサを可変コ
ンデンサの調節によって校正することも本発明の範囲に
属する。 【００２５】本発明によるセンサに関する次の実施例で
は、センサ回路は実質的に、図３で述べたセンサ１０に
相当する。しかし、図７に示すこの実施例６１０では、
回路に含まれるバイアスおよび利得校正手段はそれぞ
れ、図７の６９４で示すような電気的設定可能なポテン
ショメータ手段を備えている。 【００２６】すなわち、図３で述べた各ポテンショメー
タ９４，９６に代わるものとして、センサ６１０の信号
処理手段においてポテンショメータ６９４が使用されて
いる。このポテンショメータ６９４の内部には、複数の
接続片の片側を共通バス７０２に接続した状態の導電金
属グリッド６９６が、シリコン等の絶縁基板６９８上へ
の金属インク蒸着など従来の方法で形成されている。各
接続片には比較的断面の小さい部分７００．１が含ま
れ、接続片のこの部分７００．１と反対側の部分７０
０．１の間で各接続片が電気的に接続されるように接続
片上に薄膜抵抗器７０４が蒸着されている。この抵抗器
の一端は図７の７０６で示すようにセンサ電源に接続さ
れ、接続片７０２の反対側の端はプルダウン抵抗器７０
５を介して接地されている。ポテンショメータ６９４の
一部または本発明の請求範囲に属するセンサ・テスト装
置一部を形成するワイパ７０８を領域７０４にそって接
触状態で移動させると、矢印７１０で示される所定の順
序で接続片の反対側端７００．２との電気接続が得られ
る。センサ６１０の回路でバイアス校正または利得校正
を行うためにポテンショメータを使用する場合、図３に
関する記述と同様のテストが行われる。ワイパが特定の
接続片と電気的に接続しているときに、上記のようにセ
ンサ回路にポテンショメータ６９４と併用される抵抗器
がセンサの校正に不十分な場合は、校正電源７１１から
図７のワイパおよびスイッチ手段７１２を介してその接
続片に高圧電気パルスが供給され、接続片の過負荷によ
って図７の７００．１ａで示される接続片の小断面部分
７００．１が蒸発する。ワイパは図７に示される方向へ
順序に次の接続片に接触して行き、校正過程が継続され
る。低コストでセンサ６１０の校正を行うために上記校
正パルスの供給は従来の方法で自動化することができ
る。以上、本発明の特定の実施例について述べたが、そ
の他の実施例も可能である。例えば、上記実施例のトラ
ンスデューサは空気を誘電体とし、可動コンデンサ板を
備えていたが、固定コンデンサと可動誘電体を備えたト
ランスデューサも、特許請求の範囲内で使用可能であ
る。本発明は、上記実施例の修正、同等例等、すべてを
包含するものとする。
自動車機器など厳しい環境条件下での広い用途に適し、
そのような環境で長期間、信頼性の高い動作が可能な高
精度、低価格のセンサに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】コンピュータが非常に優秀な機能を備え
ていても、その機能に見合った信頼性の高い制御入力を
供給し得る適切なセンサが不足していると、コンピュー
タを最大限に利用できないことがある。現在入手可能な
センサは、製造コストが高いとか、種々の用途で長期の
使用期間にわたって精度や信頼性の所望水準が得られな
いことが多い。使用環境条件の厳しい自動車機器などの
用途では、特にその傾向がある。 【０００３】 【発明が解決しようとする問題点】センサのコスト、精
度、信頼性などの多くの問題があるが、センサ構造に汎
用性をもたせて用途を拡大すれば、精度および信頼性を
改善する高度なセンサ機能を装備することができ、ま
た、用途拡大による大量生産によって生産経済性が良く
なり、センサ価格を妥当な水準に維持することができ、
問題は解決される。また、監視中の圧力などの種々の条
件領域に関する同一の一般領域内で初期条件応答信号を
得るために容易にスケール可能な容量型圧力トランスデ
ューサ等の条件応答素子がセンサに内蔵されている場合
や、上記一般領域内の初期条件応答信号を増幅など適切
な処理をするための低価格集積回路がセンサに含まれて
いる場合、また、電気的操作が可能な校正手段がセンサ
に含まれていて、この校正手段と条件応答素子、集積回
路を共通支持体上に組み立てた後に集積回路に対する各
条件応答素子の校正が安価で確実に行うことができる場
合、センサに内蔵された条件応答素子および回路の温度
感度が十分に低く、温度と寿命の安定性が高く、そし
て、条件応答素子のスケール性が良く、センサ回路の校
正コストが安く、応用範囲が広い場合には、センサの用
途は更に広がる。 【０００４】 【問題点を解決するための手段、作用、効果】本発明の
目的は、新しく改良された条件応答センサを提供するこ
と、汎用性に富んだ条件応答センサを提供すること、初
期電気信号を出力する条件応答素子と、共通支持体上に
取り付けられた信号処理用集積回路と、上記支持体上に
取り付けられ、取り付け後に条件応答素子と集積回路を
相互に校正するための電気的作動可能な手段とを有する
条件応答センサを提供すること、監視中の圧力など種種
の所定条件領域に関して同一の一般領域内の初期条件応
答信号を発生させる際にスケール可能な条件応答素子を
提供すること、容量型圧力トランスデューサと基準コン
デンサをチャージロックループ接続することにより、ト
ランスデューサ・コンデンサの微小変化に対して高感度
で精度の高いキャパシタンス／電圧変換器を構成した圧
力センサまたは位置センサを提供すること、電気的作動
可能なオンチップ手段を含む集積回路を共通支持体上に
取り付け、この手段を用いて、支持体上の容量型トラン
スデューサなどの条件応答素子に対して支持体上の集積
回路を校正するようにしたセンサを提供すること、セン
サのバイアス、利得、非直線性を個別に校正する手段を
備えたセンサを提供すること、バイアスおよび利得を校
正するために可変コンデンサを備え、温度に対して安定
性のある長寿命のセンサを提供することにある。 【０００５】新たに改良された本発明のセンサを簡単に
説明すれば、容量性圧力トランスデューサ等の選択スケ
ール条件応答素子とアナログ信号処理回路などを共通支
持体上に取り付けたものであって、これらはＣＭＯＳ技
術などを用いて集積回路内に実装することが好ましい。
好適実施例においては、条件応答素子は感圧膜を備えた
容量性圧力トランスデューサで構成され、感圧膜に掛か
る圧力に応じてトランスデューサ・キャパシタンスが所
定領域内で変化するようになっている。感圧膜の構造
は、トランスデューサをスケールする際に複数種類の異
なる弾性柔軟度が得られるように膜厚を容易に変えるこ
とができ、各膜厚に対して種々の範囲の圧力が掛かった
時に前記所定領域内でトランスデューサ・キャパシタン
スが変化するようになっている。本発明によれば、セン
サには校正手段が含まれ、この校正手段は、条件応答素
子および集積回路と同じ共通支持体上に取り付けられ
る。校正手段は支持体上で電気的に操作可能であること
が好ましく、そうすれば、それらを支持体上に取り付け
た後に条件応答素子とセンサ回路を相互に校正すること
ができる。本発明の一実施例では、センサのバイアスお
よび利得を校正するために個別に設定可能なポテンショ
メータが校正手段に含まれ、これらはセンサ校正の時に
調節され、設定後に固定される。別の実施例では、直列
入力並列出力型シフト・レジスタに接続された２個のデ
ィジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器が集積回路に含ま
れ、センサ校正中にシフト・レジスタにデータ／クロッ
ク入力手段から信号が入力されるようになっており、バ
イアスおよび利得の校正を行うときにレジスタ内のデー
タの半分が各Ｄ／Ａ変換器に入力されるように、データ
はＩＣスイッチ内の溶断ヒューズまたはフローティング
ゲート手段によってメモリ内に恒久的に固定される。 【０００６】本発明の好適実施例によれば、容量型圧力
トランスデューサと基準コンデンサが共通ノードを持つ
状態で両者をチャージロックループ接続することによ
り、キャパシタンス／電圧変換回路が形成され、この変
換回路は電源電圧に対して線形性を有し、選択された領
域のトランスデューサ・キャパシタンスの変化に応じて
対応領域内で出力電圧を変化させる。トランスデューサ
のキャパシタンスが変化した時に共通ノードで差電圧が
得られるように、トランスデューサ・コンデンサと基準
コンデンサの端間電圧を所定周波数で交番的に循環させ
るためのスイッチ・アレーが設けられている。この差電
圧は、センサ出力の調整時に電流シンク回路網を駆動す
るために増幅などの処理を施され、そして、帰還路を介
してノート電圧を均衡状態に復帰させる。それにより、
センサの出力電圧はトランスデューサ・キャパシタンス
に反比例するレベルに維持される。 【０００７】また、別の実施例によれば、容量型圧力ト
ランスデューサと選択的可変コンデンサを共通ノードで
接続することにより、その共通ノードに対するチャージ
ロックループ検出器が形成される。前記実施例と同様
に、トランスデューサ・キャパシタンスが変化した時に
電源電圧および出力電圧に依存する電圧間でコンデンサ
端間の電圧を循環させるためにスイッチ・アレーが設け
られている。この構成では、センサ校正時に上述のよう
な溶断回路またはフローティングゲートの記憶データを
用いて可変コンデンサを電気的に操作することができ
る。 【０００８】 【実施例】以下に付図にしたがって、本発明による条件
応答センサの実施例を詳細に説明する。図１および図２
において、参照番号１０で示されている本発明の条件応
答センサは、セラミック基板１４を備えた容量型圧力ト
ランスデューサ１２などの条件応答センサで構成されて
いる。トランスデューサは熱可塑性材質等のセンサ体１
８の環状支持部の片側に固定することが好ましい。この
トランスデューサは、金属製支持リング１６と、Ｏ−リ
ング・ガスケット２１と、柔軟なテフロン被覆ポリアミ
ドフィルム２３と、リング１６と、支持組立体としての
センサ・ハウジングを形成するセンサ体部分とで構成さ
れ、金属製支持リングは、トランスデューサの周辺部分
にはめ込まれたカップ状金属キャップ２０によってトラ
ンスデューサ周縁の反対側に固定されている。キャップ
は柔軟なフィルム２３を介してＯ−リング・ガスケット
を押圧位置決めするために２０．２で示すように内側に
変形させることが好ましい。本体の外側から端子への電
気接続を行うためには、３本の導電線２２を本体チャン
バ２４から保護スリーブ２６まで伸びた状態で本体内に
モールドすることが好ましい。図２の矢印３９で示され
るように、キャップ２０はウエル２８の開口２７にはめ
込まれ、ウエル内の流体圧力を受ける状態になる。そし
て、キャップは開口２０．１を通してその流体圧力をト
ランスデューサ１２に伝えると同時に、ガスケット２１
とフィルム２３によってセンサ回路を圧力から保護す
る。 【０００９】好適実施例においては、トランスデューサ
１２は、基板１４の片側に形成された第１の導電金属コ
ンデンサ板３２と、柔軟な弾性膜４０上に支持された対
向金属板３４を備えている。膜は基板１４の周縁から内
側の位置でガラス封止手段３６によって基板の一部に固
定され、金属板３４は第１のコンデンサ板に対して平行
間隔で対向する第２の可動コンデンサ電極板として機能
する。第２コンデンサ電極板は膜に掛かる圧力３０の変
化に応じて第１コンデンサ電極板に近付いたり離れたり
するので、ウエル２８内の圧力状態の変化に応じてキャ
パシタンスの変化する可変コンデンサがトランスデュー
サ１２に含まれることになる。 【００１０】好適実施例においては、図２に示すＩＣ化
回路４４や抵抗手段４５、基準コンデンサ４６などの信
号処理手段４３が基板１４の反対側に取り付けられ、そ
のＩＣ化回路、抵抗手段、基準コンデンサ回路パス４
８，５０に接続され、回路パスはピン５２，５４を介し
てトランスデューサの各コンデンサ板に接続されてい
る。信号処理手段は更に、直接的、または図２に示すよ
うにリード線等を介してセンサ端子２２に接続される。
この構成においては、圧力状態３０の変化に応じてトラ
ンスデューサ１２のキャパシタンス変化等の初期電気信
号がトランスデューサから発生し、信号処理手段によっ
て、その初期電気信号の増幅、変換、その他の処理が行
われ、端子２２に電気的出力信号が発生し、その出力信
号は後述のように所望の制御機能の実行に利用される。 【００１１】本発明によれば、容量型トランスデューサ
１２等の条件応答素子は、監視中の圧力その他の条件の
変化に応じて第１の一般信号レンジ内で上記初期電気信
号を出力するように構成されている。しかし、これら条
件は第２の一般圧力レンジにわたって変化する。例え
ば、好適実施例において、トランスデューサ１２の第１
および第２コンデンサ板の直径は約１２．７ｍｍ（０．
５インチ）、初期ギャップは約０．０２５ｍｍ（０．０
０１インチ）であり、そして、圧力範囲０−４５０ｐｓ
ｉに対してトランスデューサ・コンデンサのキャパシタ
ンス変化が３０−６０ｐＦになるように膜の厚さが決め
られる。しかし、条件応答構造は特に、容易にスケール
可能なものを選択し、素子が色々な第２レンジでの被監
視条件の変化に応じてスケールされる場合でも、素子か
ら発生する初期電気信号が同一の第１レンジ内で変化す
るようにする。例えば、圧力３０のレンジが種々異なる
場合に同一のレンジでキャパシタンスの変化が得られる
ようにトランスデューサ１２の膜４０の厚さが容易にス
ケールされる。このようにして、センサに内蔵された同
一の信号処理手段は、特定の圧力トランスデューサの代
替品で監視される広範な条件の検出にも使用できるの
で、この信号処理手段は特に、低価格化、大量生産に適
している。条件応答素子１２は広範な温度範囲で使用可
能であることが好ましく、そして、センサ１０が温度等
の環境条件の厳しい自動車機器などに使用される場合で
もトランスデューサと信号処理手段の間の整合性を良好
に保つためには、トランスデューサの動作特性は温度変
化に対してあまり鋭敏でない方が良い。トランスデュー
サ１２については、本出願と同日、同一出願人による出
願番号第８５９，５６６号「改良された容量型トランス
デューサを内蔵する圧力センサ」（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
Ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｃａｐａ
ｓｉｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）に詳細記述があ
り（本明細書にも引用している）、また、その他の従来
の条件応答素子もセンサ１０に使用可能であるので、こ
こではトランスデューサ１２に関するこれ以上の説明は
省略するが、被監視条件の変化に応答して初期電気信号
を出力するように設計された条件応答型の圧力トランス
デューサまたは位置トランスデューサならば、どのよう
なトランスデューサ１２でも本発明の範囲内でセンサ１
０に使用可能である。 【００１２】本発明によれば、トランスデューサ１２と
信号処理手段４３は図示されるように共通の支持体また
はハウジングに取り付けられている。トランスデューサ
１２と信号処理手段４３を共通支持体に取り付けた後に
両者の整合校正を行うための校正手段については以下に
詳細に述べるが、これも同じ支持体に取り付けられてい
る。センサ１０を低価格化、大量生産の可能なセンサ、
さらに自動化校正のできる多目的センサとするために
は、校正手段は集積回路内で電気的に操作可能にするこ
とが好ましい。例えば、監視領域内で所定の条件が生じ
た時に、支持体に取り付けられたトランスデューサから
第１の所定レンジ内の初期電気信号が発生し、支持体に
取り付けられた信号処理手段からは、所定の制御機能を
実行するために第２の所定レンジ内の所定電気出力信号
が発生する状況において、監視すべき前記所定条件の中
の何れかが生じた時に前記所定出力信号が得られるよう
に、集積回路内に設けられた校正手段がトランスデュー
サと信号処理手段の両者を整合校正するために十分な範
囲にわたって調節可能であることが好ましい。 【００１３】本発明によれば、信号処理手段４３は図３
に示すような容量／電圧変換回路を備えていることが好
ましい。例えば、容量型圧力トランスデューサ１２は、
コンデンサ間に共通ノード５８が形成されるように基準
コンデンサ４６に対してチャージロック接続されること
が好ましい。ペア・スイッチ６０，６２とペア・スイッ
チ６４，６６の交番閉成によってコンデンサとノード５
８に所定の交番電圧が逆極性で印加されるように４段ス
イッチ６０，６２，６４，６６が配置され、これにより
共通ノード５８で所定の電圧レベルが得られるようにな
っている。共通ノードは制限抵抗器６７、３段のインバ
ータ６８、フリップフロップ７０を介して電流シンク回
路網に接続されている。この電流シンク回路網は制限抵
抗器７１、積分コンデンサ７２、演算増幅器７４で構成
されており、入力端手段７８への供給電圧に対して線形
性を有しトランスデューサのキャパシタンス５８の容量
値に反比例する出力電圧信号が出力手段７６から得られ
る。この出力手段には出力ノード８０と、もう一つの増
幅段、すなわち、フィルタ抵抗器８２、フィルタコンデ
ンサ８４、演算増幅器８６、分圧抵抗器８８、利得抵抗
器９０で構成される増幅段を設けることが好ましい。出
力ノード８０は、出力電圧帰還用の分圧抵抗器９２，９
３を介して４段スイッチアレーのスイッチ６２に接続さ
れ、スイッチアレー内の別のスイッチ６４，６６はそれ
ぞれ、ポテンショメータ９４，９６で構成される校正手
段を介して電源電圧に接続される。４番目のスイッチ６
０は図示されるように制限抵抗器９７を介して電源電圧
に接続される。タイミング抵抗器９９とタイミングコン
デンサ１００，１０１が従来の方法でクロック手段９８
に接続されており、このクロック手段はフリップフロッ
プ１０２を介してインバータ６８の分流スイッチ１０３
に接続されている。フリップフロップ１０２は、適切な
遅延抵抗器１１０および遅延コンデンサ１１１，１１２
に接続されたシュミット・トリガ・インバータ１０４，
１０６，１０８に接続されており、フリップフロップ７
０と交番スイッチ・ペア６０，６２および６４，６６が
所定の順序で動作することにより、トランデユーサ・コ
ンデンサ１２と基準コンデンサ４６の電圧は、例えば、
一方の極性では回路の電源電圧とポテンショメータ電圧
９４の間、逆極性では抵抗器９３，９３間ノードの分圧
出力電圧とポテンショメータ電圧９６の間において所定
の周波数で循環する。後述のように、ポテンショメータ
９４，９６はセンサ１０を校正するときのトランスデュ
ーサおよび基準コンデンサへの供給電圧を調節するため
の可変抵抗器である。すなわち校正後の出力電圧は下記
の関係にしたがってトランスデューサのキャパシタンス
と共に変化する。 【００１４】 【数１】（Ｖccｆb −Ｖout ｆo ）ｃx ＝（Ｖcc −ｆ
x Ｖcc）ｃb 【００１５】 Ｖcc＝電源電圧 ７８ Ｖout ＝出力電圧 ８０ ｃx ＝トランスデューサのキャパシタンス １２ ｃb ＝基準コンデンサのキャパシタンス ４６ ｆb ＝ポテンショメータによる電源電圧の分圧電圧 ９
６ ｆo ＝ポテンショメータによる出力電圧の分圧電圧 ９
２，９３ ｆv ＝ポテンショメータによる電源電圧の分圧電圧 ９
４ 【００１６】本発明の一実施例では、ポテンショメータ
は従来のねじ調節式であって、これらは図２のようにセ
ンサをセンサ支持手段上に組み立てた後で抵抗調節開口
１１４から調節可能な状態でセンサに取り付けられる。
また、好適実施例では、校正手段はセンサ支持手段に組
み込んだ後で校正動作ができるように電気的に操作可能
になっているが、詳細は後述する。 【００１７】図３にしたがって上述した本発明の好適実
施例では、上記信号処理手段の構成要素として下記の従
来部品が使用されている。 【００１８】 【表１】 上記表に含まれる型番はテキサスインスツルメント社製
または同等品である。 【００１９】電源電圧範囲がほぼ４−６Ｖ、クロック手
段の動作周波数が３３ＫＨｚの場合、インバータ・スイ
ッチ１０３、交番ペア・スイッチ６０，６２，６４，６
６、フリップフロップ７０の動作周期ｄ１は３０ｍｓと
なり、各スイッチ・ペアとフリップフロップは図４の波
形図に示すようにインバータ・スイッチの動作からそれ
ぞれ１ｍｓの遅延時間ｄ２と６ｍｓの遅延時間ｄ３が経
過した後に動作する。 【００２０】このような構成において、監視中の圧力３
０が監視圧力範囲の低位で安定している場合、トランス
デューサ・コンデンサ１２と基準コンデンサ４６の電
圧、すなわち共通ノード５８の電位は、一方の極性では
ポテンショメータ電圧９４と回路電源電圧の間で、ま
た、他方の極性では抵抗器９２，９３間のノード出力電
圧の一部とポテンショメータ電圧９６の間で循環し、ス
イッチ６２への帰還電圧は分圧手段９２，９３によって
所望の値に調節される。したがって、共通ノード５８
は、抵抗器７１、コンデンサ７２、演算増幅器７４で構
成される電流シンク回路網６９の駆動電圧レベルにな
り、ノード８０において、基準コンデンサとトランスデ
ューサ・コンデンサの比に相当するアナログ出力電圧レ
ベルが得られる。ポテンショメータ９４は（低圧力レベ
ルで圧力３０にしたがって）調節可能になっており、例
えばノード８０の所望出力電圧範囲の低位レベルで出力
電圧をゼロ設定するためにセンサのバイアス校正を行う
ことができる。所望範囲の圧力３０は監視領域内で高レ
ベルになることが多く、その場合、ポテンショメータ９
６の調節により最初にセンサの利得校正が行われ、ノー
ド８０の出力電圧が所望電圧範囲の上側に設定される。
この構成において、流体圧力３０が監視圧力範囲の任意
の点で安定状態にあるとき、ノード８０の出力電圧はト
ランスデューサ・コンデンサ１２のキャパシタンスに反
比例し、トランスデューサのキャパシタンスはトランス
デューサ・コンデンサの電極間ギャップに反比例する。
したがって、圧力３０の増加によってトランスデューサ
・キャパシタンスが増加すると、上述のようにトランス
デューサ・コンデンサと基準コンデンサに基づく循環に
よって共通ノード５８に差電圧が現れ、電流シンク回路
網が駆動され、ノード８０の出力電圧が増加する。この
出力電圧がスイッチ６２に帰還されて共通ノード８０の
上記差電圧がゼロになり、出力電圧はその時点で高くな
っているトランスデューサ・キャパシタンスに反比例す
る値に維持される。基準コンデンサとトランスデューサ
・コンデンサは上記キャパシタンス／電圧変換回路内で
逆に接続してもよく、するとこの回路は反転型キャパシ
タンス検出器ではなく直接型キャパシタンス検出器とし
て機能するが、これについては後述する。本発明のセン
サの実施例では、従来の方法で小さい値のトランスデュ
ーサ・キャパシタンスを回路電源電圧依存の出力電圧に
変換するために従来のフェーズロック増幅回路または同
期変調復調回路を信号処理手段に設けることができる
が、上記チャージロックループ型キャパシタンス／電圧
変換回路は圧力下のキャパシタンス比較動作が非常に速
い回路であり、また、接点リーク電流による誤差を防止
すると共に、周知の回路で生じ易いオフセット電圧誤差
を最小にすることによって広範な温度範囲にわたって非
常に高い精度が得られる。 【００２１】図５には、本発明のもう一つの実施例によ
るセンサ２１０が示されており、図３と同様の部品に
は、それに対応する参照番号が付けられている。この実
施例においては、信号処理手段はバイポーラまたはＣＭ
ＯＳ技術等によって構成され、図５の破線２４３で示さ
れる集積回路に内蔵される。例えば、トランスデューサ
・コンデンサ２１２と基準コンデンサ２４６は共通ノー
ド２５８およびスイッチアレー２６０，２６２，２６
４，２６６に対してチャージロック接続されており、図
３で説明した電圧間で、トランスデューサ・コンデン
サ、基準コンデンサ、共通ノードを循環させることによ
り、電流シンク回路網２６９、積分コンデンサ２７２、
電圧フォロアー２７４が駆動される。この回路は、前述
のように所定周波数の所定シーケンスでインバータスイ
ッチ３０３、フリップフロップ２７０、スイッチ２６
０，２６２，２６４，２６６を動作させるためのクロッ
ク手段（図示せず）に相当する。前述の特許出願に記載
のようなトランスデューサに遮蔽部材が使用される場
合、トランスデューサのノード領域を実質的に遮蔽して
共通ノード２５８の代表電圧レベルに保つために、図５
の２６３で示される遮蔽部材は２６９で示される電源に
電気的に接続することが好ましい。 【００２２】この実施例において、校正手段は、センサ
２１０内の共通支持体上にトランスデューサ２１２と共
に集積された集積回路２４３のチップ上に形成されてお
り、共通支持体の組み立て後に校正手段が集積回路の電
気的入力によって作動し、トランスデューサ２１２に対
する回路２４３の校正を行われる。例えば、校正手段に
シフトレジスタ３１６を設け、３１８でクロック入力を
受信し、記憶手段３２２を用いて３２０でデータの校正
を行うという従来の方法が好ましい。この方法によれ
ば、センサ２１０の校正データはセンサテスト装置（図
示せず）からシフトレジスタを介してメモリに入力さ
れ、監視領域の圧力は３０で示すように最初に上記監視
領域の任意の低レベルに設定され、次に任意の高レベル
に設定される。すなわち、まず高低それぞれの圧力レベ
ルでセンサの校正テストが行われ、所望の出力電圧範囲
内でセンサ出力電圧調整が必要ならば追加の校正データ
がレジスタに入力されてセンサのバイアスおよび利得の
校正が行われる。例えば、このレジスタはメモリとの間
で１２ビットの校正語を転送するために従来の直列入
力、並列出力のレジスタで構成することが好ましい。一
対の従来型Ｄ／Ａコンバータ３２４，３２６にメモリか
らデータの半分または１０ビット語が入力され、信号処
理回路２４３に対して適切なバイアスおよび利得の校正
が行われる。センサ校正語の校正データをメモリ内に固
定するために、記憶手段は図５の３２８で示すように恒
久プログラミング手段を備えた非揮発性のヒューズメモ
リ等で構成されることが好ましい。バイポーラやＣＭＯ
Ｓ技術等によって回路を構成する場合は、１０％−２０
％程度の微小なトランスデューサ・キャパシタンス変化
がセンサの全出力電圧範囲に正確に反映される。図３の
実施例と同様に校正を行うとき、バイアスおよび利得の
校正抵抗を信号処理回路に入れるため、一般に、Ｄ／Ａ
コンバータには従来の抵抗器アレーが組み込まれるか、
または外付けされる。このように、Ｄ／Ａコンバータは
センサ校正中に便利な自動直列プログラミングが可能に
なっているため、検出精度の高い多目的、低価格のセン
サが得られる。本発明の信号処理手段は後述のように発
明の範囲内で、アナログ出力信号またはディジタル出力
信号を出力することができる。同様に、実施例回路の校
正手段にはヒューズメモリ手段が設けられているが、本
発明の範囲内でＥＰＲＯＭその他のメモリも使用可能で
ある。 【００２３】次の実施例によるセンサ４１０の一部が図
６に示されている。この図でも前記と同様の参照番号が
付けられており、代替校正手段として可変コンデンサを
調節することにより、部分的にセンサの校正が可能であ
る。この実施例では、可変トランスデューサ・コンデン
サ４１２は可変基準コンデンサ４４６に対してチャージ
ロックループ接続され、トランスデューサと第一の基準
コンデンサはそれぞれ共通ノード４５８に接続されてい
る。スイッチアレー４６０，４６２，４６４，４６６と
分圧手段４９２，４９３は、前記実施例におけるスイッ
チおよび帰還回路と同様に集積回路内に形成されてい
る。回路の校正を行うために従来の方法で基準コンデン
サを可変にすることができるが、それについては後述す
る。 【００２４】本発明によれば、図６の５４４，５４６で
示す図５相当の方法を用いて電気的操作手段によって可
変基準コンデンサおよび可変トランスデューサ・コンデ
ンサの校正調節も可能である。すなわち、シフトレジス
タに入力された校正語を、前述のような非揮発性ヒュー
ズメモリを備えたメモリへ転送し、恒久プログラミング
手段によってメモリ手段内に固定する。Ｄ／Ａコンバー
タ手段はメモリ内の校正データによって集積回路内の従
来のコンデンサ・アレー（図示せず）と共に動作し、前
記のようにバイアスおよび利得校正キャパシタンスが図
６の回路に入力される。なお、本発明のセンサを可変コ
ンデンサの調節によって校正することも本発明の範囲に
属する。 【００２５】本発明によるセンサに関する次の実施例で
は、センサ回路は実質的に、図３で述べたセンサ１０に
相当する。しかし、図７に示すこの実施例６１０では、
回路に含まれるバイアスおよび利得校正手段はそれぞ
れ、図７の６９４で示すような電気的設定可能なポテン
ショメータ手段を備えている。 【００２６】すなわち、図３で述べた各ポテンショメー
タ９４，９６に代わるものとして、センサ６１０の信号
処理手段においてポテンショメータ６９４が使用されて
いる。このポテンショメータ６９４の内部には、複数の
接続片の片側を共通バス７０２に接続した状態の導電金
属グリッド６９６が、シリコン等の絶縁基板６９８上へ
の金属インク蒸着など従来の方法で形成されている。各
接続片には比較的断面の小さい部分７００．１が含ま
れ、接続片のこの部分７００．１と反対側の部分７０
０．１の間で各接続片が電気的に接続されるように接続
片上に薄膜抵抗器７０４が蒸着されている。この抵抗器
の一端は図７の７０６で示すようにセンサ電源に接続さ
れ、接続片７０２の反対側の端はプルダウン抵抗器７０
５を介して接地されている。ポテンショメータ６９４の
一部または本発明の請求範囲に属するセンサ・テスト装
置一部を形成するワイパ７０８を領域７０４にそって接
触状態で移動させると、矢印７１０で示される所定の順
序で接続片の反対側端７００．２との電気接続が得られ
る。センサ６１０の回路でバイアス校正または利得校正
を行うためにポテンショメータを使用する場合、図３に
関する記述と同様のテストが行われる。ワイパが特定の
接続片と電気的に接続しているときに、上記のようにセ
ンサ回路にポテンショメータ６９４と併用される抵抗器
がセンサの校正に不十分な場合は、校正電源７１１から
図７のワイパおよびスイッチ手段７１２を介してその接
続片に高圧電気パルスが供給され、接続片の過負荷によ
って図７の７００．１ａで示される接続片の小断面部分
７００．１が蒸発する。ワイパは図７に示される方向へ
順序に次の接続片に接触して行き、校正過程が継続され
る。低コストでセンサ６１０の校正を行うために上記校
正パルスの供給は従来の方法で自動化することができ
る。以上、本発明の特定の実施例について述べたが、そ
の他の実施例も可能である。例えば、上記実施例のトラ
ンスデューサは空気を誘電体とし、可動コンデンサ板を
備えていたが、固定コンデンサと可動誘電体を備えたト
ランスデューサも、特許請求の範囲内で使用可能であ
る。本発明は、上記実施例の修正、同等例等、すべてを
包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による条件応答センサの正面図。
【図２】図１の線（２−２）を通る断面図。
【図３】本発明の一好適実施例によるセンサに内蔵され
るアナログ信号処理回路の回路図。 【図４】図３に示す回路の動作を説明する波形図。 【図５】本発明の好適実施例に内蔵される別のアナログ
信号処理回路の回路図。 【図６】本発明の実施例に含まれる信号処理回路の回路
図。 【図７】本発明の好適実施例によるセンサに使用される
電気的作動可能な校正手段の平面図。 【符号の説明】 １０ 圧力センサ １２ トランスデューサ １６ リング ３０ 圧力 ３４ 金属板 ４０ 弾性膜 ４３ 信号処理手段
るアナログ信号処理回路の回路図。 【図４】図３に示す回路の動作を説明する波形図。 【図５】本発明の好適実施例に内蔵される別のアナログ
信号処理回路の回路図。 【図６】本発明の実施例に含まれる信号処理回路の回路
図。 【図７】本発明の好適実施例によるセンサに使用される
電気的作動可能な校正手段の平面図。 【符号の説明】 １０ 圧力センサ １２ トランスデューサ １６ リング ３０ 圧力 ３４ 金属板 ４０ 弾性膜 ４３ 信号処理手段
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(56)参考文献 特開 昭58−198739（ＪＰ，Ａ)
特開 昭58−115597（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−88123（ＪＰ，Ａ)
実開 昭56−170710（ＪＰ，Ｕ)
実開 昭61−27260（ＪＰ，Ｕ)
(58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名)
G01L 2/12
G01L 27/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．監視されるべき領域の状態に応答して電気信号を提
供する状態応答手段と、センサから電気出力信号を提供
するよう前記電気信号を処理する信号処理手段と、前記
状態応答手段及び前記信号処理手段を支持する支持手段
と、前記状態応答手段、前記信号処理手段及び前記支持
手段を包含するハウジング手段とを有する圧力センサで
あって、 前記信号処理手段は、電気出力信号を較正するための較
正用データを前記ハウジング手段の外部から受け取る受
取部と、前記受取部から提供された較正用データを電気
的に記憶するための記憶部とを有し、前記信号処理手段
は前記受取部または前記記憶部のいずれかから供給され
る較正用データに基づき前記電気信号を処理し、較正さ
れた電気出力信号を出力する圧力センサ。 ２．請求項１項記載の圧力センサにおいて、前記信号処
理手段は半導体集積回路装置を含み、該半導体集積回路
装置は前記ハウジング手段の内部に形成された空間内に
外部からの圧力を直接受けないよう前記支持手段に取り
つけられていることを特徴とする圧力センサ。 ３．請求項１項記載の圧力センサにおいて、前記ハウジ
ング手段は、圧力導入孔を有するキャップ部材と前記電
気出力信号を外部へ供給するための外部出力端子を保持
するスリーブ部材を有し、前記スリーブ部材と前記キャ
ップ部材が結合されることを特徴とする圧力センサ。 ４．請求項１項または２項に記載の圧力センサにおい
て、前記信号処理手段は前記支持手段の第１の面上に支
持され、前記状態応答手段は前記支持手段の前記第１の
面と対向する第２の面上に支持されることを特徴とする
圧力センサ。 ５．請求項１項ないし３項いずれかに記載の圧力センサ
において、前記状態応答手段は容量型トランスデューサ
を含むことを特徴とする圧力センサ。 ６．監視されるべき領域の状態に応答して電気信号を提
供する状態応答手段と、センサから電気出力信号を提供
するよう前記電気信号を処理する信号処理手段と、前記
状態応答手段及び前記信号処理手段を支持する支持手段
と、前記状態応答手段、前記信号処理手段及び前記支持
手段を包含するハウジング手段とを有する圧力センサで
あって、 前記ハウジング手段は前記信号処理手段へ電気的入力を
提供するための入力部を有し、電気出力信号を較正する
ための較正用データと較正用データを不揮発性メモリに
書き込むための書き込み信号が前記入力部を介して入力
可能であり、 前記信号処理手段は前記入力部と電気的に接続され、前
記入力部からの較正用データを記憶するための前記不揮
発性メモリを有し、前記較正用データは前記書き込み信
号に応答して前記不揮発性メモリに記憶可能であり、前
記信号処理手段は前記不揮発性メモリに記憶された較正
用データに基づき較正された電気出力信号を提供する圧
力センサ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US85956186A | 1986-05-05 | 1986-05-05 | |
| US859561 | 1986-05-05 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10874287A Division JPS62267636A (ja) | 1986-05-05 | 1987-05-01 | センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1194678A JPH1194678A (ja) | 1999-04-09 |
| JP2896371B2 true JP2896371B2 (ja) | 1999-05-31 |
Family
ID=25331208
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10874287A Pending JPS62267636A (ja) | 1986-05-05 | 1987-05-01 | センサ |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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|---|---|
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| JP (2) | JPS62267636A (ja) |
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-
1987
- 1987-04-30 DE DE19873786487 patent/DE3786487T2/de not_active Revoked
- 1987-04-30 EP EP19870303866 patent/EP0245031B1/en not_active Revoked
- 1987-05-01 JP JP10874287A patent/JPS62267636A/ja active Pending
-
1998
- 1998-07-30 JP JP21566098A patent/JP2896371B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| JPWO2017164183A1 (ja) * | 2016-03-24 | 2019-01-31 | シチズンファインデバイス株式会社 | 圧電センサ |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| EP0245031A3 (en) | 1989-06-14 |
| EP0245031B1 (en) | 1993-07-14 |
| JPH1194678A (ja) | 1999-04-09 |
| JPS62267636A (ja) | 1987-11-20 |
| DE3786487T2 (de) | 1993-11-18 |
| DE3786487D1 (de) | 1993-08-19 |
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