JP3289196B2 - 変換器の全非直線性を低減する方法及び変換器の非直線性を低減する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に変換器、ことに
直線性及び感度に関して最適の成績が得られるようにし
た変換器システムの設計及び構造に関する。

【０００２】

【発明の背景】種種の物理的効果（加速度、力、圧力
等）を１個又は複数個の他の固定部材に対する変換器部
材の対応する運動に変換する多くの種類の変換器が提案
されている。変換器運動部材の相対位置は物理的効果の
尺度である。運動変換器部材の位置を定める１つの普通
の方法は、この変換器部材と１個又は複数個の固定部材
との間の電気キャパシタンスを計測することである。

【０００３】図１は、１対の固定板の間に可動板を位置
させた理想化した変換器の横断面図である。各板は、扁
平で導電性を持ち面積が等しくその他の点は対称の構造
である。可動板といずれかの固定板との間のキャパシタ
ンスは離隔距離に反比例する。すなわち可動板の位置は
キャパシタンスを測定することにより定めることができ
る。

【０００４】このような変換器の性能特性はそのキャパ
シタンスによって表わすことができる。しかし実用的変
換器システムは、キャパシタンス変化を一層有用な形の
情報たとえば電圧に変換するのに或る種の形の電子装置
を備えている。この変換自体は又この組合せの性能特性
に影響を及ぼす。

【０００５】この場合使われる変換器システムの全「感
度」とは、物理的入力の変化により生ずる電気出力の変
化を意味する。出力の変化は入力の変化に直線的に関連
する。利得のようなスケーリング・ファクタ（ｓｃａｌ
ｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）のシステムへの導入が直線性に
影響を及ぼさないようにすることが大切である。

【０００６】容量性変換器システムの感度は３つの互い
に無関係の要因の相乗積と考えられる。すなわち、図１
は物理的入力の変化に対する可動部材の位置の変化（変
位）である。図２は位置の変化（変位）に対するキャパ
シタンスの変化である。図３はキャパシタンスの変化に
対する電気出力の変化である。

【０００７】第１の２つの要因は変換器の特性に関連し
第３は電子装置の特性に関連する。

【０００８】変換器の感度を増し、機械的及び電気的不
正確の影響を最小にすることが望ましい。このことは、
要因１すなわち物理的入力の与えられた変化に対する可
動部材の変位を増すことにより（たとえば変位を拘束す
る内力を減らすことにより）、又は要因２すなわち与え
られた変位に対するキャパシタンスの変化を増すことに
より（たとえば可動部材及び各固定板の間の離隔距離を
減らすことにより）、或はこれ等の両方により、得られ
る。これ等の各作用により変位が物理的入力の与えられ
た変化に対し離隔距離の比較的大きい部分になる。すな
わち量（変位／離隔距離）を最大にすることが望まし
い）。

【０００９】３つの各要因の影響は、図１の理想的変換
器をふたたび参照することにより評価することができ
る。中心位置すなわち零位置からの可動部材の変位が物
理的入力に比例するものとする（要因１）。距離（Ｄ１
−Ｄ２）はこの変位に比例する。定義により２枚の互い
に平行な板の間のキャパシタンスは、これ等の板の離隔
距離に反比例するから、キャパシタンスＣ１はＤ１に反
比例し、キャパシタンスＣ２はＤ２に反比例する（要因
２）。電気出力の変化が（１／Ｃ１−１／Ｃ２）に比例
すれば（要因３）、この変化は物理的入力に比例する。
すなわち電気出力は、物理的入力が零（変位なし）のと
きに零であり物理的入力の増加に正比例して増す。感度
すなわち物理的入力の変化に対する電気出力の変化は一
定であり物理的入力の値に無関係である。すなわち非直
線性が零である。この感度は非直線性は導入しないで量
（変位／離隔距離）を増すことにより増大することがで
きる。この理想化システムでは、このシステムの直線性
に影響する３つの各要因自体が直線性である。

【００１０】高い感度と零の非直線性との理想的の場合
は、実用的変換器システムでは得られない。感度を減ら
し非直線性を増す基本的制限が存在する。さらに感度及
び非直線性は相互に関連し、一方の向上が他方の低下を
招く。

【００１１】感度及び直線性に影響する前記した３つの
各要因は、異なる制限により影響を受ける。この場合の
各例を以下に述べる。

【００１２】要因２すなわち位置の変化に対するキャパ
シタンスの変化に影響する制限は、可動部材と固定のコ
ンデンサ板との間の避けられない外部のキャパシタンス
によって導入される。これは、変換器自体内と計測電子
装置への外部接続部内とに生ずる。外部キャパシタンス
は、変換器キャパシタンスＣ１及びＣ２に並列になり、
これ等の２つのキャパシタンスの和に等しい有効変換器
キャパシタンスを生成する。電子装置は、この有効キャ
パシタンスに反応し変換器キャパシタンス及び外部キャ
パシタンスの影響を隔離することができない。外部キャ
パシタンスは可動部材の位置に応答して変化しないか
ら、可動部材の有効変換器キャパシタンス及び位置と対
応する物理的入力との間の関係が変えられる。

【００１３】全システム感度及び直線性への外部キャパ
シタンスの影響は、要因３に対し使われる電子装置アル
ゴリズムに依存する。キャパシタンスの変化に対する電
気出力の変化を最低の非直線性に対するなるべくは最良
の選択として（１／Ｃ１−１／Ｃ２）に比例させても、
外部キャパシタンスによりなお感度の低下と非直線性の
増加とを生ずる。非直線性を検出すると、図２に示すよ
うに増大する入力に対し感度が増すようになる。さらに
感度が量（変位／離隔距離）を増すことにより増すと、
非直線性が増す。

【００１４】外部キャパシタンスのこの作用は、変換器
のキャパシタンスを外部キャパシタンスが変換器キャパ
シタンスに対して大きくなるに伴い小形化により低下す
るときはますます重要になる。

【００１５】外部キャパシタンスは物理的入力に応答し
ない変換器キャパシタンスの一部として機能する。一般
に変換器は、そのキャパシタンスの全部の部分が物理的
入力に等しくは応答するときは、最良の性能を発揮しま
す。それゆえ、変換器のキャパシタンスの一部（たとえ
ば外部キャパシタンス）が、物理的入力に応答しないと
きはいつでも、変換器はその理想的な性能を発揮するこ
とはできない。

【００１６】この制限は、可動部材の全領域の変位が物
理的入力の変化に対し同じでないときは要因１すなわち
物理的入力の変化に対する可動部材の位置の変化（変
位）に影響することができる。この非均等な変位により
感度が非直線形になり、この非直線の方向は又感度が入
力の増大に対して増大する。

【００１７】この制限の例は、可動部材を固定部材に対
して機械的に位置決めする懸架部材の導入である。懸架
部材の変位は、可動部材への連結部における全変位から
固定部材への連結部における無変位まで変化する。懸架
部材がセンサのキャパシタンスの一部として含まれる程
度まで、影響によって非直線性が増すようになる。この
非直線性の方向は、感度が入力の増大に伴い増す方向で
ある。

【００１８】この制限の一層複雑な例は、可動部材及び
その懸架部材が図３に示すように締付けたダイヤフラム
に合体する場合である。円形のたわみ性ダイヤフラムは
その周辺を固定の構造に取付けてある。２枚のコンデン
サ板を各目的に等しい距離においてダイヤフラムの各側
に固定構造に対して位置させてある。圧力差がダイヤフ
ラムの前後に加えられダイヤフラムを固定のコンデンサ
板の一方に近づき他方の板から遠ざかる向きに曲げる。

【００１９】ダイヤフラムの各領域の変位が圧力入力に
正比例してもダイヤフラムの全領域が等しいたわみを生
じない。湾曲ダイヤフラム自体は、非均等な変位を示し
て非直線性を生ずる。全部の領域がこのよにして動作す
るから、変換器キャパシタンスからダイヤフラムの不都
合領域を除外することは実際上できない。すなわち感度
は非直線形であり、この非直線性の方向も又感度が入力
の増大に伴い増加する向きである。

【００２０】前回の例の場合と同様に感度が量（変位／
離隔距離）を増すことにより増大すると、非直線性が増
す。

【００２１】要因３すなわちキャパシタンスの変化に対
する電気出力の変化に影響する制限は、変換器キャパシ
タンスの電気出力への変換を定める算法の選択により導
入する。前記したように出力を（１／Ｃ１−１／Ｃ２）
に比例させると、理想的変換器に対し線形出力を生じこ
のようにして最良の選択になる。たとえば理想的変換器
システムの出力を（Ｃ１−Ｃ２）に比例させると、感度
は著しい変位に対し極めて非線形になり、可動板が固定
板の１つに近づくに伴い無限大に近づく。すなわち電子
装置変換算法の選択は非直線性に著しい影響を及ぼす。
前記の場合のようにこの非直線性の方向は、感度が入力
の増大に伴い増す向きである。又前記の場合のように感
度は量（変位／離隔距離）を増すことにより増大する
と、非直線性が増す。

【００２２】実用的キャパシタンス変換器システムの性
能のこれ等の実際上の制限はすべて感度を減らし非直線
性を増すように機能する。非直線性の方向はつねに、入
力の増大に伴い感度が増大する向きである。

【００２３】この非直線性を減らす通常の方法では、比
較的低い値の量（変位／離隔距離）を使いすなわち可動
部材の変位を各部材間の離隔距離の小部分に制限する。
しかしこの場合にも感度の低下を生ずる。非直線性は、
変位が零に近づくときだけ零に近づくから、非直線性及
び感度の間に承認できる妥協が得られるようにしなけれ
ばならない。感度の低下に伴い、機械的安定性及び精度
は、与えられた入力に対する変位が減るから、変換器の
全性能に対してますます重要になる。又電子装置の安定
性及びノイズは与えられた物理的入力に対する信号レベ
ルが低下するから、正確な測定値を得るためにますます
重要になる。これ等の問題は、変換器の寸法が減小する
ときは、なお一層悪化させられる。

【００２４】主として直線性は要因３における非直線性
の補償すなわちキャパシタンスの変化の電気出力の変化
への変換を行うことによって向上する。しかし変換器キ
ャパシタンスの線形同次関数は通常は前記した非直線性
を相殺することはできない。この場合非線形関数の使用
が強制されこれに伴い費用及び複雑さが増す。所要の回
路の複雑さは、補正の精度の上昇に伴って著しく増しこ
の変型法は中程度の性能を持つ又は高い費用のかかる変
換器に対してだけしか実用的にならない。

【００２５】米国特許第４，５４２，４３６号及び同第
４，８５８，０９７号の各明細書には容量形センサの非
直線性を減らそうとする手段を例示してある。米国特許
第４，０５４，８３３号、第４，２９５，３７６号及び
同第４，３８６，３１２号の各明細書には、一般にセン
サ回路に固有の非直線性を減らし又は回路自体内に生ず
る非直線性を補償するための回路設計法が提案してあ
る。

【００２６】前記した所から明らかなように付加的な費
用又は複雑さを増さないで高い感度及び低い非直線性を
生ずる解決法が必要になる。

【００２７】又感度の程度に不当に妥協しないで変換器
の性能範囲にわたり実質的に零の非直線性の得られる方
法が必要である。

【００２８】非理想的な電子装置変換アルゴリズムを使
用するときに実質的に零の非直線性の得られる方法も必
要である。

【００２９】さらに非直線性の程度に不当に妥協しない
で量（変位／離隔距誰）を増すことのできる方法が必要
である。

【００３０】さらに一方の方向の非直線性を変換器装置
の製造に導入して、外部のキャパシタンス、不均等な変
位及び非理想的な電子装置変換アルゴリズムの影響によ
る反対方向の固有の非直線性を相殺することのできる方
法が必要である。

【００３１】

【発明の概要】本発明により、非直線性を感度に実質的
に無関係にすることのできる変換器及び協働システムを
構成する方法及び対応する装置について述べる。実際上
このことを達成するパラメータは、システムの感度を増
し又は調整すると共にしかもこのシステムに導入される
非直線性の制御状態を保持するように変えることができ
る。

【００３２】本発明によれば入力の増加に伴うよく知ら
れている感度の増加は、図２に示した従来の上向き曲線
を相殺するように等しく反対の非直線性を導入すること
によりなくすことができる。本発明を使うことにより、
変換器システムの直線性を向上するにの感度を犠牲にし
たり複雑な電子補正を使ったりする必要がない。むしろ
図４の下向き曲線により示すように入力の増加に伴い感
度の低下する特性を示す補正パラメータを変えることに
より感度を増すことができ又直線性を低下させ又は調整
することができる。図４は、入力の増加に伴い感度の低
下を生ずる所要の補正を示す。この効果は、変換器の通
常は固有の非直線性感度に適合するように調整すること
ができる。補正を正確に行うと、このシステムの感度は
実際上増すと共に実質的に零の非直線性を保つ。この結
果を得る方法については後述する。

【００３３】材料又好適とする実施例ではダイヤフラム
材料を伸長させると、スチフネス（ｓｔｉｆｆｎｅｓ
ｓ）又はなお一層の変位に対する抵抗が増すことはよく
知られている。変位が増すと、付与力の与えられた割合
の増加に対する変位の増加割合が減少する。入力の変位
への変換のこの非直線性は材料の厚さに比べて小さい変
位に対し無視できるが、このような非直線性は厚さに対
し変位が増すのに伴い急速に増す。

【００３４】材料のこの動作領域では、材料の任意の場
所における変位は最大変位の一定部分である。すなわち
機械的意味での材料の「形状」は、変位の変化の際に実
質的に変化しない。好適な実施例ではダイヤフラムの各
場所における材料は他の各場所に或る程度比例して変位
する。

【００３５】変位がさらに増すに伴い、付加的効果が導
入され、材料の「形状」が変化する。材料のこの動作領
域では本発明の利点はあまり著しくないと考えられる。

【００３６】変換器の可動部材の変位を制御する材料を
入力の変位への変換の際にこのような非直線性を導入す
るように操作すると、変換器感度に対する影響により入
力の増大に対し感度を低下するがこれは全く所望の相殺
効果である。非直線形パラメータは可動部材に対する懸
架システム内に含ませ、又はこのパラメータはたとえば
締付けたダイヤフラムの場合のように全可動部材に協働
させる。

【００３７】本発明の好適とする実施例では、変換器シ
ステムの通常非直線性の性能を補正するようにこの変位
非直線性を調整する方法は、ダイヤフラム厚さの種種の
選定と締付けダイヤフラム及び固定コンデンサ板間の離
隔距離との間の選択を含む。

【００３８】これ等の２種類のパラメータの効果は、量
（変位／離隔距離）を増すことにより入力の増加に対し
感度が増す方向に非直線性を増し又量（変位／ダイヤフ
ラム厚さ）を増すと反対方向に非直線性を増すことを知
れば明らかである。変位はこれ等の両方の量に共通であ
る。与えられた変位に対しこの場合離隔距離及びダイヤ
フラム厚さは反対方向の非直線性を制御し、そしてこれ
等の２つのパラメータは、感度の程度に関係なく零の非
直線性を生ずるように調整することができる。

【００３９】以下本発明の好適とする実施例を添付図面
について詳細に説明する。

【００４０】本発明の原理及び概念を実現する実験的方
法は、種種のパラメータ値を持つ多数の変換器を構成し
その結果を評価することである。実際の変換器に含まれ
る多数の変数と影響の複雑さとによって、この実験的方
法は時間及び費用が極めてかかり、一般に所望の結果が
得られるようにパラメータを調整できる知識がほとんど
得られない。

【００４１】好適な解決案では変換器システムの数学的
モデルを生成し得られる効果を量的に定める。このモデ
ルのパラメータを次いで調整し所望の性能が得られるよ
うにする。とくに可動部材の非線形変位に影響を及ぼす
パラメータは、変換器システムの通常非線形感度を補正
するように調整する。数個の実際の変換器の構造及び試
験は、モデルの予知を確かめるのに使うことができる。

【００４２】モデルは、電気的出力及び物理的入力の間
の関係を正確に予知しなければならない。モデルは、そ
れぞれ結果への特定の寄与をそれぞれ描写する１組のサ
ブモデルから構成する。好適とする解決案は次の通りで
ある。 Ａ）変換器の可動部材の位置を物理的入力に従って定め
るようにサブモデルを定める。 Ｂ）変換器の合成のキャパシタンスを可動部材の位置に
従って定めるように別のサブモデルを定める。 Ｃ）合成の電気的出力を合成キャパシタンスに従って定
めるようになお別のサブモデルを定める。

【００４３】所定のモデルはこれ等のサブモデルの相乗
積である。

【００４４】

【数１】

【００４５】このモデルは、提案された変換器構造の性
能を予知するのに使う。物理的入力は、構造の感度及び
直線性を見付けるように増分し、又所望の性能が得られ
るように適当なパラメータを調整する。とくに適当なパ
ラメータは、余分のキャパシタンス及び非均等な変位の
ような要因により導入される非直線性が、可動部材の変
位を制御する材料の非線形変位効果により導入される非
直線性により補償されるように調整する。

【００４６】

【実施例】モデルの詳細な説明は、図５に示すように一
様な厚さを持ち２枚の円形コンデンサ板の間に名目的に
中央に位置させた円形シリコンダイヤフラムを持つ圧力
変換器の場合について以下に述べる。この場合は非均等
な変位の極端な例である。この説明を受ける当業者は他
の形式の変換器システムに対する他のモデルを容易に開
発することができる。

【００４７】第１のステップＡ）は加える圧力に従って
ダイヤフラムの変位を示すサブモデルを定める。ダイヤ
フラムの変位を定める必要は多くの分野に共通であり、
多くのモデルが開発されている。本発明に使われるモデ
ルは、１９６６年刊行のサイエンティフィック・トラン
スレイションズ（Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｔｒａｎｓｌ
ａｔｉｏｎｓ）に対しイスラエル・プログラム（Ｉｓｒ
ａｅｌ Ｐｒｏｇｒａｍ）によりロシア語から翻訳され
たエル・イー・アンドリーバ（Ｌ．Ｅ．Ａｎｄｒｅｅｖ
ａ）を著者とする論文「器具の弾性部材（Ｅｌａｓｔｉ
ｃ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
ｓ）」から導かれる。

【００４８】ダイヤフラムの変位は、加える圧力により
生ずるダイヤフラムの最大（中央）変位を先ず定め、次
いで同じ加える圧力に対しダイヤフラム他の各領域の変
位を定めることによって定める。

【００４９】最大（中央）変位Ｗｐは次の式から誘導さ
れる。

【００５０】

【数２】

【００５１】この式で係数ａ、ｂ、ｃは次の通りであ
る。

【００５２】

【数３】

【００５３】そして各パラメータ及び対応する計測単位
は次の通りである。

【００５４】

【数４】

【００５５】前記した圧力／変位の式は加える圧力及び
ダイヤフラム法の関数としてのダイヤフラムの中心の変
位を表わす。

【００５６】ダイヤフラムの他の各領域の変位は、ダイ
ヤフラムの１連の随意の狭い各同心円領域すなわち環の
変位を表わすことにより定める。この変位は、中心にお
ける１から締付縁部における零まで変る中心変位の一部
分である。すなわち或る半径における変位Ｗｒは次の通
りである。

【００５７】

【数５】

【００５８】この式でＳＦは半径によって変化する「形
状係数」である。形状係数は次の式から誘導される。

【００５９】

【数６】

【００６０】この式で

【００６１】

【数７】

【００６２】「Ｚ」は実験的に定められる係数である。
この場合考えられる材料の作動領域に対し、「形状」は
変位の変化により実質的に変化しない。従って「Ｚ」は
一定である。約Ｚ＝３の値が薄いシリコン材料に適当で
あることが分った。

【００６３】前記した形状係数式は、中央変位の関係と
してのダイヤフラムの各領域の変位を表わす。すなわち
ダイヤフラムの各領域の変位は、加える圧力及びダイヤ
フラム寸法の関数として既知である。

【００６４】第２のステップＢ）は、前記したようにダ
イヤフラムの変位の関数として変換器の合成のキャパシ
タンスを定めるのにサブモデルを定める。

【００６５】２個の平行板間のキャパシタンスに対する
一般式は次の通りである。

【００６６】

【数８】

【００６７】この式で

【００６８】

【数９】

【００６９】この場合計算はダイヤフラムを図５に示す
ようにそれぞれコンデンサ板に平行な１連の随意に狭い
同心環であると考えることにより行う。各環及びコンデ
ンサ板間の距離は、前記した変位なしの離隔距離から環
の変位を差引いたものである。全キャパシタンスは、こ
のキャパシタンスに寄与する全部の環に対するキャパシ
タンスの総和である。この総和は、半径Ｒ１を持つコン
デンサ板の穴により中央部で又半径Ｒｏを持つコンデン
サ板により外側をそれぞれ限定される。すなわち

【００７０】

【数１０】

【００７１】この式で

【００７２】

【数１１】

【００７３】この式は変位の代数符号を持つ適正な用途
の両キャパシタンスＣ１及びＣ２に適用できる。

【００７４】変換器キャパシタンスに並列の余分なキャ
パシタンスはこれ等の値を加えて全有効変換器キャパシ
タンスが得られる。

【００７５】第３のステップＣ）は、合成キャパシタン
スの関数として合成電気出力を定めるようにサブモデル
を定める。

【００７６】このサブモデルは、キャパシタンスから電
気出力への変換を定める選定したアルゴリズムの単に式
である。たとえば理想的変換器の前記の例では、サブモ
デルは次のようになる。

【００７７】

【数１２】

【００７８】この式で

【００７９】

【数１３】

【００８０】前記各サブモデルの組合せは変換器システ
ムの所望のモデルを表わす。

【００８１】このモデルは特定の変換器システム構造に
適用する方法の１例である。この構造の他のモデルも可
能であり、異なる変換器システム構造は異なるモデルを
必要とする。

【００８２】モデルは、システムに対し零の非直線性を
得るようにつりあわせる両方向の非直線性を生ずる性質
を含む。

【００８３】ダイヤフラムの中心変位を圧力に関連させ
る式を解いて変位を定めると、この変位が第１のパワー
まで上昇し予期される直線関係を表わす圧力に依存し、
又入力の増加に伴い増加するスチフネスにより生ずる非
線形変位を表わす、一層高いパワーまで上昇する圧力に
依存する。

【００８４】ダイヤフラムの不均等な変位の影響は「形
状係数」の式により導入される。外部のキャパシタンス
の影響は、ダイヤフラムの変位の関数として変換器の合
成のキャパシタンスを定めるためにサブモデルに含めら
れる。又キャパシタンスの出力への非理想的な電子変換
の影響は電子装置サブモデル内に導入される。これ等の
３つの係数は、出力を圧力入力に関連させる一層高次の
項を導入する。これ等の項は、前記した非線形変位によ
り導入されるのとは反対方向の非直線性を生ずる。

【００８５】不均等な変位と、外部キャパシタンスと、
非理想的電子変換アルゴリズムとにより生ずる変換器シ
ステムの非直線性は、主としてピーク（中央）変位とダ
イヤフラム厚さとに関する〔数２〕の式の第３次の項
（ｔｈｉｒｄ ｏｒｄｅｒ ｔｅｒｍｓ）によって生ず
ることが分った。これ等の項の係数は、ほぼ完全な相殺
が行われるように調整することができる。すなわち非直
線性は、不均等な変位、外部キャパシタンス及び非理想
的電子変換アルゴリズムにより生ずる非直線性とは反対
方向の非直線性を定める〔数２〕の式の幾つかの項に対
応する変換器構造部材の選択によってなくすことができ
る。

【００８６】モデルの複雑さによってモデルの用途の好
適な解決案は、全部の変換器システムパラメータをモデ
ルに入力することができ入力圧力の増分のための電気出
力を定めそして得られる感度及び非直線性を報告するコ
ンピュータプログラムを生成することである。このこと
は、或る範囲のパラメータ値と所望の性能に対し定まる
最適値とに対して繰返す。

【００８７】多数のパラメータが含まれている。データ
を意味のあるように組織化する方法は実際の結果を迅速
に得るのに役立つ。好適な解決案は、２つのパラメータ
をその他のすべてのパラメータは一定に保持したままで
変えることである。２つの可変のパラメータは、最終的
に平衡しなければならない２種の非直線性に強い影響を
持ち又実際の変換器の生産の際に比較的容易に変えられ
るように選定する。

【００８８】変位と変位の非直線性とはダイヤフラムの
厚さ、直径及び逆ひずみに強く依存することは前記の圧
力／変位式から明らかである。これ等のパラメータのう
ち任意のもの及び全部を非直線性に影響するように調整
することができる。しかし典型的な構造では直径は、製
造の費用及び容易さのような要因により相対的に制限を
受ける。又変換器の多くの部材が直径の変更により影響
を受けるので、直径の変更は迅速に実施することがむず
かしい。逆ひずみの値も又、組立て技術や材料の性質の
ような要因により制限をうける。

【００８９】しかしダイヤフラムの厚さは、製造の際に
容易に調整され他のパラメータに影響しない。又前記し
た変位の非直線性を比較的大きく制御できる。従ってこ
れは変位の非直線性の調整に使う好適な変数である。

【００９０】余分なキャパシタンス及び不均等な変位に
より生ずる非直線性を制御するのに好適なパラメータ
は、変位しないダイヤフラムと固定のコンデンサ板との
間の離隔距離である。離隔距難及びダイヤフラム厚さは
共に変換器の１つの部材の寸法により制御されるから、
ダイヤフラム構造、感度及び非直線性は、単一の変換器
部材のパラメータを調整することにより制御することが
できる。

【００９１】好適な解決案は、設計変数としてダイヤフ
ラム厚さ及び離隔距離を使い与えられた変換器構造に対
し或る範囲の性能結果を定めることである。これ等の結
果は、所望のレベルの非直線性及び合成感度を得るのに
他のパラメータの与えられた値に対しパラメータのうち
の１つのパラメータの値を指示する。感度は零の非直線
性を保持しながら増すことが分っている。しかし得られ
る寸法の所要の精度は一層厳密になり実際の構造で得ら
れる感度を制限する。

【００９２】本発明の好適な構造では、締付けシリコン
ダイヤフラムを作る。薄くした区域を持つシリコンウェ
ーハ１０を作り、それぞれコンデンサ板１６，１８を配
置し或は形成した互いに対向する支持ガラス基板１２，
１４の間に挟む。図６はこのような変換器構造を示す。
ダイヤフラムは、ダイヤフラム厚さ及びコンデンサすき
まのパラメータを共に単一の組の処理ステップで無関係
に定めることのできるシリコン処理法を使いシリコンで
作る。なおとくに図６に示した変換器構造は分りやすい
ように各層を互いに隔離して示され、上部ガラス基板１
２及び下部ガラス基板１４の間に挟んだシリコンウェー
ハ１０を備えている。シリコンウェーハ１０は、両側の
エッチングが行われ寸法２０として示したダイヤフラム
厚さと共に薄いシリコンダイヤフラム２４と上下のガラ
ス基板に形成したコンデンサ板１６，１８との間にすき
ま２２を仕切る段形引込みを形成する。したがって、薄
いシリコンダイヤフラム２４すなわち可動部材は、その
両端部において厚い残余のシリコンウエーハに取付けら
れ、この残余のシリコンウエーハが拘束部材又は拘束支
持体を構成する。半導体材料自体は不純物を混ぜられ、
固定の両コンデンサ板１６，１８に共通のたわみ性の導
電性コンデンサ板を形成するのに十分な導電性を持つよ
うにする。このようにしてシリコンダイヤフラム２４の
動きにより、シリコンダイヤフラム２４及び上部コンデ
ンサ板１６の間の第１のキャパシタンスＣ１とシリコン
ダイヤフラム２４及び下部コンデンサ板１８の間の第２
のキャパシタンスＣ２との差動キャパシタンスを生成す
る。薄いシリコンダイヤフラム板２４に圧力を加える
と、ダイヤフラム２４はその前後の差動圧力に従って一
方又は他方にたわみ、一方のキャパシタンスは増し他方
のキャパシタンスを減らす。このような構造では全キャ
パシタンスＣ１＋Ｃ２は実質的に一定のままである。

【００９３】上下のガラス支持基板１２，１４は、その
両側を、コンデンサ板１６，１８と共に２つの機能を生
ずる各導電性バイアス２６，２８を形成するように金属
蒸着処理を行うことにより覆うパイレックスガラス構造
である。第１にバイアス２６，２８により外部流体をダ
イヤフラム２４に作用させその前後に差動圧力を生成し
これをたわませる。第２に導電性バイアス２６，２８
は、各コンデンサ板１６，１８からガラス基板の互いに
対向する側の導線３０，３２への電気径路を形成する。
両導線３０，３２と共にシリコン材料１０に電気結線を
形成し、変換器に加える圧力の変化に応答してキャパシ
タンスの変化を検出する。大きい直径のシリコンウェー
ハ及び対応する大きい直径のガラス基板を使うことによ
りこのような多数の変換器を同時に作る。ガラス及びシ
リコン材料は図示のように作り次いでこのような層を互
いに付着させるように相互に電気的に密封する。このよ
うなシールにより各ダイヤフラム２４のまわりで円周方
向に各ガラス支持基板１３，１４に密封する。

【００９４】シリコン１０の処理に関して、ウェーハは
その各側部を覆い、それぞれダイヤフラムの直径に対応
する直径を持つ複数の公認の円形区域を定める。次いで
ウェーハの両側にシリコンエッチングを行いシリコンシ
リコン材料を所望のすきますなわちギャップ２２に相当
する所望の深さにエッチングを行う。被覆シリコンのエ
ッチングに対し多くのエッチング材が利用される。ガラ
ス−シリコン・ガラス容量性変換器の構造についてなお
詳しく述べるに当たり、前記した米国特許願「高感度小
形圧力変換器」を参照する。次いでエッチングマスクを
除きマスクを設けてないシリコンウェーハ全体にふたた
びエッチングを行い、次いで所望のダイヤフラム厚さに
なるまでウェーハの両側でシリコンを均等に除く。シリ
コン材料は既知の割合で除き、ウェーハの時間エッチン
グを行うことにより、所望のダイヤフラム厚さ２０を段
付き引込み寸法２２に影響を及ぼさないで得ることがで
きる。実際上２ないし３ミクロンのダイヤフラム厚さ２
０が可能である。従来の技術を参照する当業者は、好適
なダイヤフラム厚さ及び片寄り寸法を持つダイヤフラム
を作る他の方法を容易に考えることができる。

【００９５】ギャップ２２は、一層小さいギャップで又
考えられた範囲のダイヤフラムたわみで出力キャパシタ
ンスが一層大きくなるので、変換器の出力キャパシタン
スに関連するのは明らかである。その理由は固定のコン
デンサ板とダイヤフラムとの間の間隔が一層小さくてキ
ャパシタンスを増すからである。又ダイヤフラム厚さを
調整することにより非直線性を、余分なキャパシタンス
等による互いに反対の向きの固有の非直線性を相殺する
範囲で変換器に導入することができる。すなわち入力流
体の増大によってダイヤフラムのたわみが増すと、ダイ
ヤフラム材料自体はたわみに対する抵抗が増した対の向
きの非直線性が生ずる。

【００９６】シリコンダイヤフラムの半径方向の逆ひず
みは又たわみに影響を及ぼし、このパラメータは又その
出力を直線化するのに使うことができる。ダイヤフラム
の半径方向逆ひずみはシリコンダイヤフラム材料をガラ
ス支持基板１２，１４に電気密封する間に生じさせるこ
とができる。シリコンウェーハ１０の熱膨張係数に比べ
てガラス基板１２，１４の熱膨張係数を適正に選択する
ことにより、所望の逆ひずみをダイヤフラム２４に導入
することができる。かさばるガラス基板１２，１４の熱
膨張は、電気密封温度では薄いシリコン材料１０の熱膨
張より小さい。すなわち複合のサンドイッチ状ガラス・
シリコン−ガラス構造を前もって定めた密封温度に加熱
し電気密封により相互に固定し次で冷却するときは、ダ
イヤフラム２４は逆ひずみを保持する。このことは、高
温度でガラス支持基板１２，１４に固定すると、シリコ
ンダイヤフラム２４は冷却過程中にガラスより一層収縮
する。熱膨張係数の差と電気密封の生ずる温度の選択と
によって、異なる逆ひずみをダイヤフラム２４に生じさ
せることができる。

【００９７】容量性変位変換器の出力は、圧力のような
物理的入力に対応して変化するキャパシタンスを含む。
典型的制御システムに使用できる出力を生ずるように、
キャパシタンスを一般に対応する電気信号に変換する。
このキャパシタンスに電気的変換を行うのに多くの回路
が考えられる。しかしこのような回路は一般にさらに非
直線性をシステムに導入し又は適当な直線性を生ずるの
に極めて複雑な回路を必要としシステムに実質的な費用
を加える。図７は、本発明の変換器に使うのに十分に適
合し低い又は適当な費用で直線性を保ちながらキャパシ
タンスの電気変換を実施できるようにした電気回路を示
す。

【００９８】変換器システムの全直線性を保持するよう
に、可動部材の変位の計測は、逆数キャパシタンスの差
すなわち１／Ｃ１−１／Ｃ２を使って実施しなければな
らない。なお詳しく後述するように変換器キャパシタン
スＣ１及びＣ２は微分器の入力に切替えてキャパシタン
スの逆数の出力表示を生ずる。キャパシタンス表示の差
を生ずるのに差回路を使うがキャパシタンス逆数の総和
のフィードバックを、変換器キャパシタンスを駆動する
ランプ発生器に送る。余分なキャパシタンスの影響は、
給電電流が変換器キャパシタンスだけを経て流れ又計測
電圧が給電電流だけに基づくようにすることによってな
くなる。

【００９９】キャパシタンス逆数の直接計測は容易に実
施することができるが、回路簡略化は、逆数値でなくて
キャパシタンス自体を計測することによってできる。こ
のことは次の関係によって明らかである。

【０１００】

【数１４】

【０１０１】図７及び図８には本発明の好適な実施例の
変換回路の回路図及び波形を例示してある。変換器キャ
パシタンスＣ１及びＣ２は微分回路４０に交互に切替え
られランプ発生器４２により二者択一的に駆動する。微
分回路４０に変換器キャパシタンスに比例した振幅を持
つ出力信号を生じ、復調回路４４はこの信号をアース基
準に移す。差回路５０は和（Ｃ１＋Ｃ２）を誘導する。
この和は保持回路５２により保持される。この和は積分
回路５４により一定に保持され実際の分割を行う必要を
なくす。或は差及び和の比を割り算回路により生ずる分
割法を利用してもよい。

【０１０２】ランプ発生器４２は普通の構造のもので、
接続点５６に交互に正及び負の電圧こう配を持つ三角形
波形５８を持つ出力を生じる。完全な計測サイクルは２
つの交互の半サイクルから成る。第１の半サイクル中に
波形６４により作動するスイッチ６０，６２は図示の位
置にある。このようなスイッチは、変換器キャパシタン
スＣ１の板１６をランプ発生器の出力に又キャパシタン
スＣ２の板１８をアースにそれぞれ接続する。微分回路
４０は、変換器キャパシタンスＣ１及びＣ２と抵抗器６
６とコンデンサ６８と差動増幅器７０とを備えている。
増幅器７０の極性非反転入力はアースに接続され、抵抗
器６６を通るフィードバックにより実際の地電位で接続
点７２に極性反転入力を加える。変換器の共通の導線７
４は可動部材２４を接続点７２に接続する。

【０１０３】第１の半サイクルの第１の部分の位相１中
にランプ発生器の出力、すなわち波形５８の部分７６は
一定の正のこう配を保つ。Ｃ１の前後の電圧変化の得ら
れる一定の割合は、Ｃ１を経て従って抵抗器６６を経て
増幅器７０の出力に一定の電流を誘起する。短い安定時
間後に、接続点７８における増幅器７０の出力は、波形
８２の部分８０により示すように変換器キャパシタンス
Ｃ１の値を表わす負の電圧準位に安定になる。増幅器７
０の周波数補償は、抵抗器６６の大きい値又は変換器キ
ャパシタンスに対し必要でありコンデンサ６８により生
ずる。

【０１０４】入力接続点７２及び回路アースの間のキャ
パシタンスは、変換器可動部材２４に協働する漂遊キャ
パシタンスと、サーキットリ自体に協働するキャパシタ
ンスと、スイッチ６２により接地された変換器キャパシ
タンスＣ２とから成る。この接続点は実際上地電位にあ
るから、このキャパシタンスの前後の電圧は変化するこ
とができなくて、この接続点を経ては実質的に電流が流
れることができなくて、ランプ信号電流の変換器キャパ
シタンスＣ１からの転換を防ぐ。さらにＣ１の板１６と
協働するアースに余分なキャパシタンスを送給するのに
必要な電流は、ランプ発生器４２の出力により生じ変換
器コンデンサＣ１を経て生ずる信号電流には影響を及ぼ
さない。

【０１０５】すなわち微分回路４０の波形８２を持つ出
力は、変換器要素から環境及び回路入力キャパシタンス
への余分のキャパシタンスにより影響を受けない。

【０１０６】第１の半サイクルの位相２の間にランプ発
生器出力のこう配は波形５８の部分８４に示すように逆
になる。このようにして微分回路４０の出力の極性を波
形８２の部分８６に示すように逆にする。

【０１０７】理想的には極性に対し適当なゆとりを持つ
波形８２の部分８０，８６のレベルは第１半サイクルの
両方の位相１及び位相２の間でＣ１に比例する。しかし
実際上増幅器７０の入力電流はＣ１を経て発生した信号
電流に比べて無視できない。これは実際上小形変摸器構
造に伴う変換器キャパシタンスの極めて小さい値に対す
る場合である。しかしこの増幅器入力電流は位相１及び
位相２の間に抵抗器６６を経て互いに等しく同じ方向に
流れる。この場合の効果として、微分回路出力波形８２
に電圧オフセットを簡単に加える。この信号のピークピ
ーク振幅は、この増幅器入力電流により影響されなくて
Ｃ１の正確な表示となる。ピークピーク値の使用の付加
的利点は、位相１又は位相２の開だけ得られる値を信号
レベルが有効に２倍にすることである。さらに不等のラ
ンプ発生器こう配の作用として波形５８は位相１及び位
相２の間に、この作用がピークピーク出力に影響を及ぼ
さないので重要でない。

【０１０８】微分回路４０によりＣ１に対し生ずるピー
クピーク出力電圧値は、結合コンデンサ８８、スイッチ
９０及び差動増幅器９２を備えた復調回路４４によりア
ース標準値に変換する。位相１の後者の部分中にスイッ
チ９０を波形９４により閉じコンデンサ８８に波形８２
の部分８０の負電圧レベルまで充電する。スイッチ９０
は第１半サイクルの残りの部分に対し開かれる。この時
限中に増幅器９２への入力は、コンデンサ８８の前後の
負電圧により低下する単に波形８２である。この全効果
は加算である。この信号の波形９６は、１の利得のバッ
ファとして機能する増幅器９２の出力に現われる。位相
１の後者の部分中にこの信号のレベルすなわち部分９８
はほぼ零Ｖである。第１半サイクルの位相２の後者の部
分中に、この信号のレベルすなわち１００は微分回路４
０のピークピーク出力であり変換器キャパシタンスＣ１
に比例し、この場合地電位と称する。このレベルは、波
形１０２により示すように差回路４６及び和回路５０に
よりサンプリングを行う。

【０１０９】スイッチ制御回路１０４内の比較器（図示
してない）は、ランプ発生器出力波形５８が約零Ｖのと
きに第１の半サイクルを終える。この場合Ｃ１に零の電
荷が貯蔵されＣ１及びＣ２を次の半サイクルのために切
替えるときに回路の遷移を防ぐ。

【０１１０】第２の半サイクル中にスイッチ６０，６２
は波形６４により示すように図示の位置を逆にして変換
器キャパシタンスＣ２をランプ発生器出力に接続しＣ１
を接地する。この計測処理を反復し、位相２の後者の部
分中に、波形９６の部分１０６のレベルは変換器キャパ
シタンスＣ２に比例する。このレベルは波形１０８によ
り示したときに差回路４６及び和回路５０によりサンプ
リングを行う。このようにして計測サイクルを完了す
る。システムの出力は次の関係を特徴とする。

【０１１１】

【数１５】

【０１１２】すなわちこの出力はＣ１及びＣ２の差及び
和の所望の比に基準電圧を乗じたものである。回路利得
及び変換器キャパシタンスの基準化は出力に実質的に影
響を及ぼさない。変換器キャパシタンスの誘電率のよう
に重要でないパラメータが変化すると、フィードバック
積分回路５４の出力が変り、システムの出力を変化に先
だって存在する値に戻す異なるランプこう配を生ずる。
重要でないパラメータの変化は従って無視され、すなわ
ちステムの出力は、好適な実施例では、変換器部材２４
の運動を問題のパラメータに応答させる。

【０１１３】図９には従来知られている変換器に比べ
て、本発明の概念及び原理を使う変換器の直線性能の線
図を示してある。この線図の縦軸は正及び負の両方の値
を含む非直線性の％を示す。この線図の横軸は、可動部
材又はダイヤフラム２４と固定のコンデンサ板との間の
相対ギャップ寸法を示す。下方の湾曲線１２０は一般に
公知の変換器の場合の非直線性を示す。伸長するとこの
線は横軸及び縦軸の両法に対し漸近線となる。すなわち
一般の場合のようにギャップを小さくすると、非直線性
は許容できない程度に急激に増す。又直線性はギャップ
が大きくなるに伴い向上する。ギャップ間隔を増すこと
により、非直線性は、変換器出力キャパシタンスが著し
く減少するまで幾分改良される。このことはキャパシタ
ンスがギャップ間隔に逆比例するので明らかである、従
来変換器製造業者は、広いギャップ間隔が許容される程
度まで直線性を向上するようにし、次いで複雑で高価な
電子回路により直線性をさらに向上させた。

【０１１４】図９の上方の線１２２は、ダイヤフラムの
スチフネスを外部キャパシタンスのような他の固有の非
直線性を相殺するように非線形パラメータとして使った
ときに得られる直線性を示す。図示のようにこれ等の線
は零の非直線性を通過することにより、変換器の構造的
パラメータの適正な選択を利用して最適の直線性の得ら
れることを示す。これ等の線は定められたダイヤフラム
厚さを持つ変換器の特性を示すが、すべて零を通過する
１群のこのような線は、異なるダイヤフラム厚さを持つ
変換器に利用できる。又これ等の線のこう配は変換器シ
ステムの出力に対応する。従って変換器システムの一層
大きい出力が得られしかも零の非直線性が得られるが、
コンデンサギャップの許容度がこれに対応して制約され
る。

【０１１５】図１０は指示されたダイヤフラム厚さＴに
対する予測非直線性（縦軸）対ギャップ寸法ミクロン
（横軸）を示す。予測相対出力は各曲線の右に数値で表
してある。

【０１１６】各ダイヤフラム厚さに対し、零を経て交差
する或る範囲の非直線性を生ずる或る範囲のギャップが
存在する。非直線性の所望の値は、適当な値のギャップ
を選択することにより選定することができる。出力振幅
は、一層薄いダイヤフラムを選択ししかも非直線性は所
望の値に保持することにより増すことができる。この場
合非直線性の要求を満足するギャップの範囲は一層小さ
くなる。

【０１１７】調整しようとするパラメータのこの選択と
この結果を提供する方法とは単に例示しただけのもので
ある。この方法により利用できるようになる出力増加及
び非直線性補正は、種種の変換器構造を使い種種の他の
方式で実施することができる。

【０１１８】なおとくにダイヤフラム２４のスチフネス
により生ずる非直線性へ導入を使い締付けダイヤフラム
変換器の動作結果を線図的に示してある。この線図は、
約０．２５０ｉｎの直径と約４０マイクロストレインの
逆ひずみとを持つ典型的変換器の成績を示す。この変換
器は約３ｉｎ水頭の圧力入力に対し設計されたものであ
る。それぞれ異なる厚さのダイヤフラム２４を協働させ
た１群の曲線を示す。各線に隣接して実物大の変換器シ
ステムの出力Ｖを数値で示してある。重要なことにはこ
の群の各線は零の非直線性を通過し、この場合対応する
キャパシタンスギャップ及びダイヤフラム厚さの値は変
換器装置の使用及び製造の実際の範囲内にある。たとえ
ばＴ＝６ミクロンのシリコンダイヤフラム厚さを構成す
ることにより約１２．５ミクロンの片寄り又はギャップ
で零の非直線性が得られる。とくに変換器システムは或
る帯域内でなくて全作動範囲にわたって線形のままにな
っている。約２．９４Ｖの変換器システム出力はこのよ
うな変換器構造に利用できる。上部線１２４は、他の線
よりはるかに急に向いたこう配を持ち６．１１Ｖの対応
する一層大きい出力を含む。このような出力を生じ零の
非直線性持つ変換器は、約３ミクロンの変換器ダイヤフ
ラム厚さと約１２．８ミクロンのギャップとを持つ。一
層薄いダイヤフラムは与えられた圧力に対し一層大きい
たわみを生じ増大した出力キャパシタンスを生じ従って
一層高いシステム出力電圧を生ずるのは明らかである。
前記した線の間の各線は中間のダイヤフラム厚さを持ち
中間の出力電圧を生ずる変換器を定める。

【０１１９】重要なことには、線図の線に協働する出力
電圧は相対的なものでキャパシタンスを電圧出力に変換
器するために利用する回路の特定の形式には無関係であ
る。この線図から明らかなように出力は、ダイヤフラム
の厚さを半分にするだけで倍になりしかも零又は最小の
非直線性が得られる。この結果を得るのにサーキットリ
内では何も変えていない。本発明の重要な技術的利点は
このようにして得られ、この利点では、変換器システム
の直線性及び出力は電気変換器サーキットリを修正した
り変更したりしないで影響を及ぼすことができる。図１
０の線図の特性を生ずるのに使う回路は図７について前
記した形式のものであった。

【０１２０】シリコン材料から成るウェーハから若干の
変換器ダイヤフラムを作るときは、全ウェーハ区域にわ
たりダイヤフラムに均等な寸法特性を得るのはむずかし
いことが多い。たとえばエッチング割合はシリコンウェ
ーハの回分ごとに変り、又その中央区域から周縁部まで
変る。従って全部のダイヤフラムが正確には同じ厚さで
なく同じ片寄り又は容量性ギャップを持たない。すなわ
ち許容できる非直線性の範囲を定め作られる変換器がこ
のような範囲内に大体入るようにするのが実際的であ
る。

【０１２１】図１０に示した２本の破線１２６，１２８
は±０．２％の許容できる非直線性の範囲を示す。この
ような範囲は、随意のもので変換器の種種の用途によ
る。たとえば６ミクロンのダイヤフラム厚さでは、ギャ
ップ間隔は約１１ミクロンから約１５ミクロンまで変り
なお±０．２％非直線性の範囲内にある。従ってギャッ
プ間隔の実質的な許容範囲が、実質的な直線性を犠牲に
しないで得られる。又このような比較的薄いダイヤフラ
ムで一層高い出力が望ましいときは、ギャップ間隔の許
容度が減小する。又図１０に示すように３ミクロンのダ
イヤフラム厚さＴではギャップ間隔（横軸）は約１２．
８±０．０３ミクロンに保持する必要がある。ダイヤフ
ラムの許容度範囲で同じ解析が実施され特定の非直線性
範囲内になる変換器動作が得られる。

【０１２２】異なるダイヤフラム直径を持つ変換器の動
作を示す多くの他の線図及び群の線が誘導されしかも他
の組の線図は異なるダイヤフラム逆ひずみを持つ。第１
群の曲線に対して、前記した圧力／たわみ式は与えられ
た圧力と与えられたダイヤフラム厚さとに基づいて種種
のダイヤフラムたわみを定めるのに使うことができる。
異なる群の曲線は、ダイヤフラム厚さの異なるパラメー
タ値に対し同じ反復法を利用して使うことができる。逆
ひずみと圧力との間のパラメータを変えることにより他
の反復法を実施することができる。ダイヤフラムのたわ
みを各例に対し見出すと、対応するキャパシタンス範囲
を同様に前記した式を使って計算することができる。フ
ィードバック使用回路を使う出力電圧はこの場合同様に
前記したアルゴリズムを使い誘導することができる。最
後に回路の直線性は、本発明の原理及び概念に従って構
成される実際のシステムに比べて、電気出力が理想的条
件のもとで何であるかを定めることにより確かめること
ができる。

【０１２３】符表として添付した表は、前もって定めた
変換器パラメータの変化に基づいて得られる直線性を定
める数回の計算の反復後のコンピュータプリントアウト
を示す。このデータは、ダイヤフラムの全目盛たわみが
３ｉｎ水頭に相当する圧力に応答する典型的変換器を示
す。コンデンサダイヤフラム直径は２００ミルである
が、その流体導通穴は直径がコマミルである。このよう
な構造に伴う漂遊キャパシタンスは約１．７ｐｆであ
る。重要なこととしてテキストの表示とは異なってシリ
コンのヤング係数の数値は薄い隔膜に対して１４であ
る。これは、厚いシリンに対する２６．２２８４×１０
^６ｐｓｉの報告された値と対照をなす。表示された成績
はフィードバックを持つ出力電圧（Ｖｏｗｆｂ）と回路
フィードバック（Ｌｗｆｂ）を使うシステムの％直線性
とを与える。

【０１２４】

【表１】

【０１２５】この例示した反復により明らかなようにダ
イヤフラム厚さは１０ミクロンに一定に保持され、ギャ
ップは３つのダイヤフラム逆ひずみの異なる反復に対し
１２ミクロンから２８ミクロンまで増す。増加したひず
み値は２０マイクロストレインの増分で６０マイクロス
トレインから１００マイクロストレインまで上向きに増
大する。予期されるように半径方向のマイクロストレイ
ンが増大するときは、たわみが減小する。前記表の初め
の２つの線は６０のダイヤフラム逆ひずみを持つ変換器
に関する表示成績を示し、たわみがギャップに実質的に
等しいから妥当でないデータであるように示してある。
図示してないがガラス基板への材料の２ミクロンの付着
は固定のコンデンサ板を形成し示されたギャップパラメ
ータの数字を対応する量だけ減少する。この表の同じ部
分に関して±０．２％の非直線性範囲はコンデンサギャ
ップに対し極めて厳密な要求を生ずる。たとえば１８な
いし１９ミクロンのギャップ変化は、零を経て−０．５
９ないし＋０．４３の非直線性変化、又は１．０２％の
全非直線性を生ずる。これは０．２％の範囲のはるかに
外側であるから、ギャップパラメータに対し極めて緊密
な公差を保持しなければならない。しかしこのような公
差を保持することができれば、０．５８４ないし０．５
３９Ｖの電圧出力が得られる。このような大きい電圧出
力を差し控えることにより、キャパシタンスギャップ公
差に対する制限が緩和され、しかも動作は規定された非
直線性の範囲内に保持することができる。逆ひずみを１
００マイクロストレインに増すことにより、非直線性は
１９ないし２０ミクロンのギャップ公差で零を通過す
る。この作動制限における非直線性範囲は約０．２％で
ある。しかし電圧出力は減少するが、なお入力圧力の変
化の電気的指示を出力する範囲内に十分にある。この例
で出力電圧は約８．１２ミクロンの実物大ダイヤフラム
たわみに対し０．３３６ないし０．３１５である。この
例は許容できる非直線性及び出力電圧を得るように逆ひ
ずみを変える方法を示すが、逆ひずみを一定に保持しな
がら異なるダイヤフラム厚さの他の類似の計算結果につ
いて同様な解折を実施できる。

【０１２６】前記したように計算結果は、前記した式か
ら計算され、所望の出力を得るのに変換器の種種のパラ
メータを確認する容易な方法が得られる。実際上計算数
字は実際の変換器装置に極めて高度に関連する。実際に
変換器の種種の構造的パラメータを選定することによ
り、変換器システムの全直線性は、サーキットリのフィ
ードバックを通常使わない場合にも補正することができ
る。従って本発明を使うことにより、容量性変位変換器
の動作及び相互作用とその直線性を向上させる方法とは
当業者には明らかである。

【０１２７】以上締付けダイヤフラム形の変換器の詳細
に述べたが本発明の原理及び概念は、物理的入力刺激に
応答して可動な部材を使う多くの他の形式の変換器に応
用できる。１例として扁平なダイヤフラムを使い懸架部
材により支持構造に固定する。圧力に応答して扁平な部
材自体は変形しなくて、懸架部材のたわみ又は変形によ
って動く。懸架部材変換器は、材料のスチフネスを考慮
して前記したモデル以外のモデルを使って作られ、所望
の方向及び量の非直線性を導入することにより外部のキ
ャパシタンス等により生ずる他の非直線性を相殺する。

【０１２８】以上、異常な、複雑な又は高精度の回路に
よらないで線形出力を生ずる変換器システムについて述
べた。本発明の重要な技術的利点は、変換器の種種の構
造的パラメータを選定することにより一層線形の出力が
得られる。本発明の一層特殊な技術的利点は、外部キャ
パシタンスによるような固有の非直線性が別の方向の非
直線性を導入することによって相殺できることである。
本発明の著しい技術的利点は、固有の漂遊キャパシタン
スによって生ずる前述した第３次の項の非直線性が異な
る方向の非直線性を導入することにより全く同じように
相殺することができることである。本発明により得られ
る協働する技術的利点は、可動な変換器部材がたわむこ
とのできるこわさ係数を使うことにより、変換器装置の
全直線性を向上させることができることである。本発明
のなお別の技術的利点は、前記した所に基づいて変換器
の種種の構造的パラメータを理想的結果が生ずるように
機械的に選定できることである。本発明により得られる
他の技術的利点は、理想的直線性又は少なくとも許容で
きる範囲の非直線性が得られしかも変換器出力を最大に
できることである。本発明のなお別の技術的利点は、セ
ンサ自体と共に電気回路を含む全変換器システムが最適
の性能を生ずることである。

【０１２９】

【関連出願】本発明は、１９８９年１月３０日米国特許
願第３０４，３４４号明細書「高感度小形圧力変換器」
と、１９８９年１月３０日付米国特許願第３０４，３５
９号明細書「精密変換器回路及び線形化法」と１９９０
年１月１８日付米国特許願第４６２，４４８号明細書
「精密容量性変換器」と称する従来の米国特許願明細書
の継続の出願でありこれ等の各特許願明細書はすべて本
説明に参照してある。

【０１３０】以上本発明の好適な実施例を特殊な変換器
装置及び回路構造について述べたが、本発明はなおその
精神を逸脱しないで種種の変化変型を行うことができる
のはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

【図１】容量性変位変換器の横断面図である。

【図２】感度に関する理想的変換器特性対実際変換器特
性の線図である。

【図３】入力刺激に応答して変位するダイヤフラムを持
つ締付けダイヤフラム変換器の横断面図である。

【図４】入力の増大に伴い感度を増す固有の非直線性と
共に入力の増大に伴い感度が低下する反対方向の非直線
性を導入して示す線図である。

【図５】変位した変換器ダイヤフラムとこのダイヤフラ
ムの種種の領域における変位の解析法とを示す拡大横断
面図である。

【図６】本発明により構成したガラス−シリコン−ガラ
ス変換器の横断面図である。

【図７】変換器キャパシタンス値を対応する電気信号に
変換する回路のブロック図である。

【図８】図７の回路の動作を示す１連の波形図である。

【図９】従来の方法に比べて本発明の原理及び概念を使
うことにより得られる直線性を示す線図である。

【図１０】すべて零％非直線区域を通過する、ダイヤフ
ラム厚さの種種のパラメータ値に対する３％直線性対ダ
イヤフラム・コンデンサ板離隔距離を示す線図である。

【符号の説明】

１０ 拘束支持体（シリコンウェーハ） １２，１４ ガラス基板 １６，１８ コンデンサ板 ２４ 可動部材（シリコンダイヤフラム）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−60577（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−223726（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−81635（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−69511（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−77178（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 9/12 G01D 5/24

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力刺激に応答する可動部材を持つ型式
   の変換器であって、第１の種類の非直線性により前記変
   換器の性能を低下させるようにして成る変換器の全非直
   線性を低減する方法において、前記可動部材と、この可
   動部材に取り付けられ，この可動部材より比較的厚い厚
   さを持つ少なくとも１つの拘束部材とに第２の種類の非
   直線性を導入して前記変換器の前記全非直線性を低減す
   る段階と、前記可動部材に対するコンデンサ板の所望の
   ギャップ、及び前記可動部材の厚さを選択することによ
   って前記全非直線性を低減する段階と、前記第１の種類
   の非直線性を定めるように前記ギャップを選択すする段
   階とを包含する方法。
2. 【請求項２】 前記第１の種類及び第２の種類の非直線
   性を、前記第１の種類の非直線性が実質的に相殺される
   ように前記拘束部材の厚さを選定することにより平衡さ
   せる段階をさらに包含する請求項１の方法。
3. 【請求項３】 入力刺激に応答する可動部材を持つ型式
   の変換器であって、第１の種類の非直線性により前記変
   換器の性能を低下させるようにして成る変換器の全非直
   線性を低減する方法において、均等な厚さを持つ前記可
   動部材と、この可動部材に取り付けられ、この可動部材
   より比較的厚い均等な厚さを持つ少なくとも１つの拘束
   部材とに第２の種類の非直線性を導入して前記変換器の
   前記全非直線性を低減する段階と、逆ひずみを前記拘束
   部材に生じさせて前記変換器の全非直線性を低減する段
   階とを包含する方法。
4. 【請求項４】 請求項１の方法により作った変換器。
5. 【請求項５】 入力刺激に応答する可動部材を持つ型式
   の変換器であって、非直線性により前記変換器の性能を
   低下させるようにして成る変換器の非直線性を低減する
   方法において、 均等な厚さを持つ前記可動部材を、拘束支持体により、
   固定のフレームに一体化する段階と、 前記可動部材の所定の厚さに基づいて定めることができ
   る前もって定めた厚さを持つ材料で前記拘束支持体を構
   成することにより、前記可動部材の増加した運動によっ
   て、前記拘束支持体が前記運動に増加した抵抗を与える
   ことにより前記非直線性を低減する段階と、前記変換器への入力刺激の変化に応答して容量性変化を
   提供するように、前記可動部材と前記拘束支持体とをダ
   イヤフラムとして構成する段階と、 前記非直線性を低減するように、ダイヤフラム厚さ及び
   ギャップパラメータを選択する段階と 、 を包含する方法。
6. 【請求項６】 入力刺激に応答して可動な可動部材を持
   つ型式の変換器であって、前記入力刺激の増大に伴い出
   力の固有の非直線性の増加を生ずるようにして成る変換
   器の非直線性を低減する方法において、 全非直線性を低減するように、入力の増大に伴い出力を
   非直線的に低下させる前記変換器のパラメータを選択す
   る段階と、 前記パラメータを前記入力刺激の増大に伴い前記可動部
   材の運動の抵抗として選定する段階と、 第１の種類の第３次の項の非直線性を、第２の種類の第
   ３次の項の非直線性に起因する変換器のパラメータであ
   って、前記可動部材の厚さとギャップとに関連する変換
   器のパラメータを選択することによって平衡させる段階
   と、 前記可動部材の選択した抵抗を持つ変換器を作り全非直
   線性を制御する段階と、前記第１の種類の非直線性を変化させるように、前記変
   換器のギャップを変化させる段階と 、前記第２の種類の非直線性を変化させるように、前記可
   動部材のスチフネスを変化させる段階と 、 を包含する方法。
7. 【請求項７】 前記可動部材の連結部を、この可動部材
   のたわみを高めるように形成して、このたわみに対する
   抵抗が増すようにする段階をさらに包含する請求項６の
   方法。
8. 【請求項８】 前記変換器を薄い締付けのシリコンダイ
   ヤフラムを持つように構成する段階をさらに包含する請
   求項６の方法。
9. 【請求項９】 ギャップ及びスチフネスのパラメータを
   選定することにより、前記第１の種類及び前記第２の種
   類の非直線性を互いに平衡させる段階をさらに包含する
   請求項６の方法。
10. 【請求項１０】 請求項６の方法により構成した変換
    器。
11. 【請求項１１】前記拘束部材及び前記可動部材のそれぞ
    れが、それぞれの均等な厚さを維持する請求項１の方
    法。