JP3149638B2 - 物理量変換回路 - Google Patents

物理量変換回路

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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、圧力などの物理量を検
出してこれに対応する周波数信号に変換する物理量変換
回路に係り、特にこの周波数信号が回路電源の変動に依
存しないように改良した物理量変換回路に関する。
【0002】
【従来の技術】圧力などの物理量を電気信号に変換する
場合は、例えば圧力感応ゲージなどを一辺に用いてブリ
ッジを構成し、このブリッジの電源端に安定な電源電圧
を出力する駆動電源を用いて、その出力端から測定圧力
に対応する電圧を得る。ここで、安定な電圧を出力する
駆動電源を用いるのは、この駆動電源の電圧変動がその
まま出力変動を伴うからである。
【0003】そして、得られた出力電圧はアナログ電圧
であるので、通常、マイクロコンピュータなどを用いて
デジタル処理をするために、このアナログ電圧はアナロ
グ/デジタル変換器によりデジタル信号に変換されてマ
イクロコンピュータに出力される。このデジタル信号に
変換する場合にも、基準電圧として安定な直流の基準電
源を必要とする。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ように出力電圧は、駆動電源、或いは基準電源の安定性
に依存することとなるので、これらの電源の安定性を極
めて良好に保持するために回路的に各種の工夫をする必
要があり、これに伴いコストの上昇、大型化の原因をな
している。
【0005】特に、このような物理量変換回路では、測
定範囲の変更、つまりレンジ変更を必要とすることが多
く、このため同一の機種でレンジを大幅に拡大すると、
この拡大の割合に応じて電源の安定度を向上させない
と、各レンジで同一の精度を維持することができないと
いう問題がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するための構成として、回路電源が供給され物理量
を検出してこれを先の回路電源に依存する電気信号に変
換するセンサ手段と、安定なクロック信号を発生するク
ロック信号発生手段と、出力周波数の振幅平均値と先の
電気信号との大小を比較して比較信号を出力する比較手
段と、この比較信号を先のクロック信号を用いてパルス
信号に変換するパルス変換手段と、先のクロック信号を
先のパルス信号によりマスクして先の出力周波数とする
マスク手段とを具備し、先の回路電源の変動に依存しな
い先の出力周波数とするようにしたものである。
【0007】
【作 用】センサ手段は回路電源が供給され物理量を検
出してこれを先の回路電源に依存する電気信号に変換す
る。そして、クロック信号発生手段は安定なクロック信
号を発生させる。
【0008】比較手段は出力周波数の振幅平均値と先の
電気信号との大小を比較して比較信号を出力し、パルス
変換手段はこの比較信号を先のクロック信号を用いてパ
ルス信号に変換する。
【0009】マスク手段は先のクロック信号を先のパル
ス信号によりマスクして先の出力周波数とし、先の回路
電源の変動に依存しない先の物理量に対応する先の出力
周波数を得る。
【0010】
【実施例】以下、圧力センサを例として本発明の実施例
の説明をする。図1は本発明の1実施例の構成を示すブ
ロック図であり、図2はこのうち圧力センサ部の詳細な
構成を示す構成図である。
【0011】先ず、図2から説明する。図2(イ)は圧
力センサ部の平面図、(ロ)はその横断面図である。1
はn形のシリコン単結晶で作られたダイヤフラムであ
り、このダイヤフラム1は凹部2を有し更に凹部2の形
成により単結晶の厚さの薄くなった起歪部2とその周辺
の固定部4とを有している。
【0012】固定部4は連通孔5を有する基板6にガラ
ス薄膜7を介して陽極接合などにより固定されている。
起歪部3は単結晶の(100)面とされ、その上にはそ
の中心を通る結晶軸<001>方向で起歪部3と固定部
4との境界付近に剪断形ゲージ8が不純物の拡散により
伝導形がP形として形成されている。
【0013】図2(ハ)に剪断形ゲージ8の構成を拡大
して示す。図に示す剪断形ゲージ8はゲージ長がLでゲ
ージ幅がWであり、この剪断形ゲージ8の長さ方向に電
源端9、10が形成され、ここに電圧が印加される。
【0014】測定圧力Pがダイヤフラム1に与えられる
と、これによって生じた剪断応力τに対応した電圧がゲ
ージ長Lのほぼ中央に形成された出力端11、12に得
られる。しかし、電源端9、10間の抵抗は測定圧力P
により変化を受けない。
【0015】次に、この圧力センサ部13と変換部14
とを結合した図1に示す構成について説明する。圧力セ
ンサ部13の剪断形ゲージ8の電源端9、10には、抵
抗R1を介して回路電源15から回路電圧VCが印加され
ている。これにより、剪断形ゲージ8の出力端11、1
2に現れる出力電圧VSは差動増幅器16に与えられる
が、この差動増幅器16は演算増幅器Q1、抵抗R2〜R
5で構成される。
【0016】演算増幅器Q1の非反転入力端(+)は出
力端11と共通電位点COMとの間に直列に接続された
抵抗R2とR3の分圧点に接続されている。一方、反転入
力端(−)は抵抗R4を介して出力端12に接続される
と共に演算増幅器Q1の出力端と抵抗R5を介して接続さ
れている。
【0017】演算増幅器Q1の出力端に現れる出力電圧
0は、比較器Q2の(+)入力端に印加され、その
(−)入力端には帰還電圧Vnが印加され、その出力端
はパルス変換回路Q3のデータ端Dに接続されている。
そして、この比較器Q2の電源端は回路電圧VCで付勢さ
れている。
【0018】パルス変換回路Q3は、回路電圧VCで付勢
され、そのクロック端CLには水晶発振子などを用いた
安定な周波数を発振するクロック発生回路Q4からクロ
ック信号fCKが印加されている。
【0019】パルス変換回路Q3の反転出力端<Q>
は、回路電圧VCで付勢されマスク回路として機能する
NORゲートQ5の入力の一端に接続され、その入力の
他端にはクロック信号fCKが印加されている。
【0020】NORゲートQ5の出力端は出力端子17
に接続されると共に抵抗R6とコンデンサC1とで構成さ
れる低域フイルタLFにより平滑されて帰還電圧Vn
して比較器Q2の(−)入力端に負帰還される。
【0021】次に、以上のように構成された実施例の動
作について図3に示す波形図を用いて説明する。剪断形
ゲージ8の電源端9と10には、回路電圧VCが印加さ
れ、これによって剪断形ゲージ8に電流ISが流れる。
【0022】シート抵抗をRS、剪断ピエゾ抵抗係数を
π、剪断形ゲージ8に働く剪断応力をτSとすれば、出
力電圧VSは次式で示される。 VS=IS・RS・π・τS (1)
【0023】ここで、βを定数とし、αを差動増幅器1
6のゲインとすると、βVC=IS・RS、V0=α・VS
の関係があるので、 V0=αβ・π・τS・VC (2) を得る。
【0024】比較器Q2は、この出力電圧V0と帰還電圧
nとが一致するように動作するが、この場合の帰還電
圧Vnは出力端子17に得られる出力周波数fTを低域フ
イルタLFで平滑した形の波形として得られる。
【0025】いま、比較器Q2に入力される帰還電圧Vn
と出力電圧V0との関係が、Vn>V 0なる状態にあると
きは、比較器Q2の出力端に現れる比較電圧VDはローレ
ベル状態にあるので、パルス変換回路Q3のデータ端D
はローレベル状態にあり、これがクロック端CLに印加
されるクロック信号fCKによりラッチされて反転出力端
<Q>はハイレベルの電位となる。
【0026】したがって、NORゲートの入力の一端が
ハイレベル状態にあるので、クロック信号fCKのハイ/
ローの如何を問わずNORゲートの出力端にはローレベ
ルの信号が出力される。
【0027】つまり、反転出力端<Q>のハイレベルの
電位により、クロック信号fCKがマスクされてそのパル
スが間引かれて減少するので、帰還電圧Vnが減少し、
n=V0に近づけられる。
【0028】逆に、Vn<V0の状態では、比較器Q2
出力端に現れる比較電圧VDはハイレベル状態にあるの
で、パルス変換回路Q3のデータ端Dはハイレベル状態
にあり、これがクロック端CLに印加されるクロック信
号fCKによりラッチされて反転出力端<Q>はローレベ
ルの電位となる。
【0029】したがって、NORゲートの入力の一端が
ローレベル状態にあるので、クロック信号fCKはNOR
ゲートを通過して帰還電圧Vnを増加させ、Vn=V0
近づけられる。このようにして、回路が安定したときの
出力周波数fTは測定圧力Pに対応したものとなる。以
上の点について更に詳しく説明する。
【0030】出力周波数fTは図3(イ)に示すように
ピーク値がVOHで、ハイレベル期間がTH、ローレベル
期間がTLの波形をなし、これらの幅は変動している。
図3(ロ)に示すように、これを低域フイルタLFで平
滑したときの出力電圧V0に対する帰還電圧Vnの増加の
ときの変動幅をΔV1、帰還電圧Vnの最大変動値から減
少したときの変動幅をΔV2とすると、次式が得られ
る。
【0031】 ΔV1=(VOH−Vn)[1−exp(−t/τ)] (3) ΔV2=Vn[1−exp(−t/τ)] (4) ここで、τは低域フイルタLFの時定数である。
【0032】このように、帰還電圧Vnは時間的に変動
しているが、1/fCKより充分に長い時間では、出力電
圧V0にほぼ等しくなるので、Vn=V0とおく。そし
て、この場合には、 ΔV1・TH=ΔV2・TL (5) が成り立つ。
【0033】ここで、TH+TL=1秒として(3)式、
(4)式を(5)式に代入すると、 (VOH−Vn)TH=Vn(1−TH) (6) を得る。したがって、 TH=Vn/VOH (7) となる。
【0034】一方、出力周波数fTは、 fT=TH/(1/2fCK) (8) で与えられるので、この式に(7)式を代入して、 fT=(2fCK)Vn/VOH (9) を得る。
【0035】ところで、Kを比例定数とすると、V
OHは、VOH=K・VCなる関係があるので、この関係と
n=V0の関係と、(2)式とを用いると、(9)式は fT=(2fCK)αβ・π・τS・VC/(K・VC) = αβ・π・τS・2fCK/K (10) となる。
【0036】この(10)式は剪断形ゲージ8に働く剪
断応力τS以外の係数は一定であるので、回路電圧VC
変動に関係なく、剪断応力τS、つまり測定圧力Pに比
例した出力周波数fTを得ることができる。なお、クロ
ック周波数fCKは、例えば水晶振動子などを用いれば極
めて安定な周波数が得られる。
【0037】測定圧力Pが周波数の形で得られるので、
この出力周波数fTをマイクロコンピュータに出力して
各種の信号処理をするためのデジタル化に際して誤差が
入ることがなく、高精度化が可能となる。
【0038】また、出力端子17の後段での信号処理に
際して測定レンジを拡大しても出力周波数fTは(1
0)式に示すように回路電圧VCには無関係であるの
で、回路電圧VCの変動に起因する変動が拡大されるこ
ともない。
【0039】
【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに本発明によれば、物理量に対応する出力を回路電源
の電圧に依存せずしかも周波数信号として得られる構成
としたので、回路電源の安定性を高くする必要がなく、
またデジタル処理に適した信号としてほぼそのまま使用
でき、このためコストの低減に効果がある。
【0040】特に、このような物理量変換回路では、測
定範囲の変更、つまりレンジ変更を必要とすることが多
いが、この場合でも、レンジを大幅に拡大しても回路電
源の安定度に依存しないので、大幅なレンジ拡大が可能
である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1実施例の構成を示すブロック図であ
る。
【図2】図1に示す構成のうちセンサ部の詳細な構成を
示す構成図である。
【図3】図1に示す実施例の動作を説明する波形図であ
る。
【符号の説明】
1 ダイヤフラム 2 凹部 3 起歪部 8 剪断形ゲージ 13 圧力センサ部 14 変換部 15 回路電源 16 差動増幅器 Q2 比較器 Q3 パルス変換回路 Q4 クロック発生回路 Q5 NORゲート LF 低域フイルタ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回路電源が供給され物理量を検出してこれ
    を前記回路電源に依存する電気信号に変換するセンサ手
    段と、安定なクロック信号を発生するクロック信号発生
    手段と、出力周波数の振幅平均値と前記電気信号との大
    小を比較して比較信号を出力する比較手段と、この比較
    信号を前記クロック信号を用いてパルス信号に変換する
    パルス変換手段と、前記クロック信号を前記パルス信号
    によりマスクして前記出力周波数とするマスク手段とを
    具備し、前記回路電源の変動に依存しない前記出力周波
    数とすることを特徴とする物理量変換回路。
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