JP4233142B2 - 容量可変電圧変換器を有する可変コンデンサ・トランスデーサ及びセンサ・トランスデューサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、概要的にセンサ素子のように可変コンデンサを有するセンサに関し、特に圧力又は加速度のような機械的な刺激の印加に対して改善された線形出力電圧を供給する信号調整電子回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の信号調整電子回路は、本発明の被譲渡人に譲渡された米国特許第4,982,351号に開示かつ説明されている。この発明では、ダイアフラムに印加された圧力における変動に応答し、選択した範囲内でトランスデューサの静電容量を変動させる圧力応答ダイアフラムを有する静電容量型圧力トランスデューサのような条件応答素子が、電荷ロックド・ループ(charged locked loop)の関係において基準コンデンサに接続されているのが示されており、この電荷ロックド・ループの関係は共通ノードを備えて対応する範囲内でトランスデューサの静電容量の変動に応答して選択した範囲内で出力電圧を変動させるように電源電圧に対して比例応答をなす容量電圧変換回路を形成する。スイッチ・アレーが所定の周波数で逆方向に移行することにより前記トランスデューサと基準コンデンサとに係わる電圧をサイクルさせるので、トランスデューサの静電容量における変化が共通ノードにおける差動電圧に帰結する。そこで、この差動電圧が増幅されて電流源シンク回路網を駆動し、センサ出力電圧を調整すると共に、フィードバック・パスを介して共通ノードにおける平衡条件を回復させ、これによってセンサ出力電圧をトランスデューサの静電容量の関数として保持させる。
【0003】
この回路は、圧力及び加速度応答トランスデューサを含む種々の静電容量型トランスデューサに広く用いられていたものであり、近似的な線形出力電圧を供給する。この型式のセンサは、典型的には、総合精度がフル・スケール出力電圧の数パーセント内にある。このようなセンサの利用として、高精度かつ低価格が常に求められている。この回路におけるある誤差は、正または負の電圧変化が可変コンデンサに印加されて共通ノードにおける誤差の変化をオフセットさせるフリップ・フロップのラッチを用いたフィードバック回路に関連している。誤差充電はディジタル・システムにより加えられる電荷による制限があるので、このディジタル的なアプローチを用いることにより誤差充電を除去させることはないが小さくすることはできる。加えて、ある程度の非線形が認められ、それ自体が可変コンデンサと並列の寄生コンデンサの証明である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前述の信号調整電子回路は小さな誤差バンド内で非常に効果的かつ正確であるが、本発明の目的は、印加される機械的な刺激に対する出力電圧の精度及びその線形性を改善した信号調整電子回路を提供することである。他の目的は、改善された低コストかつ高精度の条件応答静電容量型トランスデューサを提供することである。本発明の更なる他の目的は、前記従来技術の欠点を解消した信号調整電子回路を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
簡単に説明すると、本発明によれば、機械的な刺激の印加に応答してその容量を変化させる可変コンデンサを基準コンデンサに接続して、充電コンパレータに接続された共通ノードを形成し、続いてこの充電コンパレータを電圧対電流段に接続する。電圧電流段の出力は、タイミング及び論理回路により制御されたスイッチ・アレーのうちの一つのフェーズCスイッチを介して、積分バッファの正入力及び積分コンデンサに接続される。積分バッファの出力は、出力増幅器に接続されると共に、可変コンデンサに接続されたフェーズ/Bスイッチ(/は反転を表す。)を介してアナログ・フィードバック回路網に接続される。特に、命令サイクルの開始において、前記タイミング及び論理回路は充電コンパレータにまたがって接続されているフェーズAスイッチを開放させて充電コンデンサを作動可能状態にする。この事象に続いて、基準コンデンサをゲイン電圧に、かつ可変コンデンサをバイアス電圧にそれぞれ接続している各フェーズ/Bスイッチを開放し、次いで基準コンデンサを電源電圧に、かつ可変コンデンサをアナログ・フィードバック回路網にそれぞれ接続している各フェーズBスイッチを閉成して、基準コンデンサ及び可変コンデンサに係る電圧を切り換え、共通ノード即ち検出ノードにおける正味の充電を導入する。安定状態条件では、このノードにおける正味の充電は誤差充電を表す。この誤差充電は、充電コンパレータを介して電圧に、かつ前記電圧電流段における電流に変換される。短い整定期間後に、前記電圧電流段の出力に接続されているフェーズCスイッチが閉成されるので、この電流が積分コンデンサに導かれて、前記検出ノード上の正味誤差充電と逆極性である、前記積分バッファの出力における電圧に変換される。この電圧は誤差充電をゼロにするように可変コンデンサにフィードバックさせる。次いで、フェーズCスイッチが開放されると共に、他のフェーズスイッチが次のサイクルに備えて以前の付勢状態に復帰するようにされる。
【0006】
本発明の特徴によれば、線形補正コンデンサがフェーズBスイッチ、フェーズ/Bスイッチを介し、共通ノード及び信号発生手段に接続されて選択した容量が得られ、可変容量からこの選択した容量を引き算して寄生容量を補正する。
【0007】
変形された実施例の特徴によれば、熱補正調整によりセンサ出力に変化を発生させないように、室温のような第1の温度で較正された抵抗性ブリッジ・センサを利用する熱補正回路を備え、温度上の静電容量型センサ誤差に対する補正を行う。そこで、第2の温度における熱補正調整は、前記第1の温度における出力に影響することなく、温度変化により発生した出力誤差を補正することができる。
【0008】
本発明の改良された容量対電圧変換器の集積回路を有する新しい改良されたセンサの目的、効果及び詳細は、本発明の好ましい実施例の以下の詳細な説明に示されており、その詳細な説明は図面を参照して行う。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1を参照する。参照番号10は新しい改良された本発明のセンサを示す。示されているセンサには、可変コンデンサCVAR を含む加速度計、圧力センサ、位置センサ等のように条件又は機械的な刺激の応答手段11が含まれている。基準コンデンサCREF と共に可変コンデンサCVAR は、較正された容量調整の集積回路12形式にある信号調整回路手段に接続されている。集積回路12に関して、以下の説明のために、Rの抵抗値は公称10Kオームである。特に、可変コンデンサの片側は集積回路12の可変(VAR)ピン6に接続されており、また基準コンデンサCREF の片側は集積回路12の基準(REF)ピン2に接続されている。このコンデンサの反対側は検出(DET)ピン4に接続されている。集積回路12の内側において、ピン4は0.1R抵抗を介して充電コンパレータ14に接続されると共に、フェーズ・スイッチφAが充電コンパレータ14にまたがって接続されている。充電コンパレータ14の出力は、D型ラッチ・フリップ・フロップ18、スイッチ/SW3を介して、又は直接、スイッチSW3を介して電圧電流段16に接続されている。以下で説明するSW1、/SW1及びSW2、/SW2と共に、スイッチSW3、/SW3は、ワン・タイム・プログラマブル・スイッチである。電圧電流段16の出力はフェーズ・スイッチφCを介して積分バッファ20及び積分器(INT)ピン8に接続されており、ピン8は続いて外部積分コンデンサCINT に接続されている。積分バッファ20の出力は、フィードバック抵抗RF3、RF2、RF1とスイッチ/SW1、SW1とを備えたフィードバック回路網22及びフェーズ・スイッチ/φBを介して、VAR(ピン6)に接続されている。スイッチSW1又は/SW1は所望するレベルの感度に従って閉成するようにプログラムされている。
【0010】
プログラム可能な他のオプションはスイッチSW2、/SW2を用いて提供される。デフォールト又は通常の動作モードでは、スイッチ/SW2を閉成し、積分バッファ20の出力を2.0R抵抗を介して出力増幅器24の正極性入力及び(FLT)ピン9に接続し、その出力を(OUT)ピン10に接続し、続いてピン9を外部フィルタ・コンデンサCFLT1に接続している。出力増幅器24の負極性入力は、2.0R抵抗を介して減衰された電源電圧VDD/3へ、及び2.0R抵抗を介して出力増幅器24の出力に接続されている。この構成は、以下で説明するように、可変コンデンサCVAR に関連した出力電圧を供給する。所望により、出力電圧における変化はスイッチ/SW2に代わって閉成されるプログラミング・スイッチSW2により反転されてもよい。この構成では、積分バッファ20の出力は2.0R抵抗を介して増幅器26の負極性入力に接続され、その正極性入力は減衰された電源電圧VDD5/12に接続されている。この出力は更に、2.0R抵抗を介してその負極性入力にフィードバックされている。
【0011】
基準ピン2は、フェーズ・スイッチφBを介して0.8VDDとVSSとの間で10ビット・ゲインDAC形式にあるプログラマブル分圧器と、フェーズ・スイッチ/φBを介して基準電圧、即ち0.33R抵抗を介して電源電圧VDDとに接続されている。
【0012】
可変ピン6は、フェーズ・スイッチφBを介してVDDと0.2VDDとの間で11ビット・バイアスDAC形式にある他のプログラマブル電圧と、フェーズ・スイッチ/φBを介して前述のフィードバック回路網とに接続されている。
【0013】
タイミング信号φA、φB、/φB、φCは発振器28及びフェーズ・ロジック30を用いて内部的に発生される。スイッチSW1、/SW1、SW2、/SW2、SW3、/SW3、及びゲイン及びバイアスDACは揮発性−不揮発性メモリ34に接続されている。これらの機能は(DAC)ピン11、(CLK)ピン12及び(PGM)ピン13を用いて較正される。較正は1チップ・スイッチを設定すること、回路パフォーマンスをテストすること、最初の2ステップを反復させること、かつ最後に信頼性のある不揮発性メモリに最終的なスイッチ設定を記憶させることからなる。
【0014】
シールド発生器は、シールド・ピン3及び5に接続されており、説明する充電基準フェーズにおいて(DET)ピン4に存在するしきい値電圧に等しい電圧源を供給する(約VDD/2)。シールド電圧は公知の方法によりピン4に接続された導体路を保護している。
【0015】
Pin7(VSS)はアナログ接地及びディジタルGNDの両方となり、一方ピン14(VDD)は電圧源に接続するためのものである。ピン14はコネクタ36の端子VDDに接続されると共に、フィルタ・コンデンサC1が端子VDD及びVSSにまたがって接続されている。コネクタ36の端子OUTは、10オームより大きな値の抵抗R1を介してピン10と、フィルタ・コンデンサC2と、1.8Kオームより大きな値のプル・アップ抵抗R2及び1.8Kオームより大きな値のプル・ダウンR3を備えた分圧器とに接続されている。コンデンサCFLT2は(VDD)ピン14及び(FLT)ピン9にまたがって接続されている。
【0016】
説明する特徴によれば、外部コンデンサCLIN は、外部的に(LIN)ピン1に接続され、また内部的にフェーズ・スイッチφBを介してフィードバック回路網の電圧VF に接続され、フェーズ・スイッチ/φBを介して電圧VBIASに接続されている。
【0017】
説明した外部部品に加えて、集積回路12は小容量の変化を出力電圧による大きな変化に変換する。その入力容量は、機械的な刺激、例えば圧力、加速度等の印加に応答して変動する。
【0018】
集積回路12の動作は3つのフェーズに分解され得る。第1のフェーズは充電基準フェーズであり、複数のフェーズ・スイッチのフェーズ・ロジックが図1に示されている。このフェーズでは基準コンデンサCREF 及びトランスデューサ・コンデンサCVAR の電極に既知量の電荷が蓄積される。これは、フェーズ・スイッチφA及びフェーズ・スイッチφBを閉じ、これらが基準コンデンサCREF に既知の選択した電圧VDET −VGAINを印加させ、かつ可変コンデンサCVAR に電圧VDET −VBAISに印加させることにより、達成される。更に、外部コンデンサCLIN に既知の選択した電圧VDET −VF が印加される。充電基準フェーズは、次のフェーズに入るまでに基準コンデンサCREF 及び可変コンデンサCVAR の電圧を安定させるために、十分長くなるように選択される。
【0019】
最初のフェーズの終りで、フェーズ・スイッチφAが開き、次いでフェーズ・スイッチφBが開いてDAC電圧を切り離し、フェーズ・スイッチ/φBを閉じて電源電圧VDD及びフィードバック電圧VF をスイッチ・インする。これは共通検出ピン4における誤差電圧に従って充電コンパレータの出力を論理1、論理0、又はその間の中間的なものに移行させる。フェーズ・スイッチ/φBは、第3のサンプル・フェーズに入るまでに充電コンパレータ及びCREF 、CVAR 端の電圧を安定させるために、十分長く閉じているように選択される。
【0020】
本発明の特徴によれば、第3のフェーズでは、較正中はスイッチSW3を閉じているようにプログラムすることができる(スイッチ/SW3は開放であり、逆のモードを図1に示す)。充電コンパレータ14の出力はフェーズ・スイッチφCを介してサンプリングされ、従って積分コンデンサCINT を充電又は放電させる。積分コンデンサCINT 端の電圧は積分バッファ20によりバッファリングされて、抵抗フィードバック回路網22を介して入力コンデンサ回路網にフィードバックされる。
【0021】
安定状態において、可変コンデンサCVAR が変化しなければ、基準フェーズと充電再分配即ちサンプル・フェーズとの間でスイッチングするときに、ピン4の電圧は変化しない。基準フェーズからコンパレータ・フェーズへスイッチングするときは、基準コンデンサCREF 、可変コンデンサCVAR 及び外部コンデンサCLIN における充電の変化を計算することができ、またスイッチ/SW2が閉成、かつFOUT =VOUT /VDD、Gが既知の定数であるとすると、可変コンデンサCVAR の電圧変化に対する出力電圧に関連した伝達関数の一般式を
【数1】
FOUT =G* (FBIAS−(1−FGAIN)* CREF /(CVAR −CLIN ))−1/3
と書き表すことができる。スイッチSW2が閉成のときも同様の伝達関数を書き表すことができる。しかし、容量CVAR −CLIN が機械的な刺激(例えば、圧力、加速度)の線形関数に対して逆比例するのであれば、伝達関数は、端子OUTにおける出力電圧VOUT が機械的な刺激の線形関数であることを示している。しかし、可変コンデンサCVAR は、機械的な刺激から独立していると共に、非線形出力電圧を発生させる寄生容量CPAR を本質的に含む。本発明の特徴によれば、この寄生容量の影響を打ち消すために容量CLIN が用いられる。
【0022】
図1には、スイッチ/SW3を閉成することにより、この回路にD型ラッチ18を接続し、ディジタル・フィードバック・ループを形成するのが示されているが、好ましくは、スイッチSW3が閉成されると共に、/SW3が開放されてDラッチをバイパスさせるようにプログラムされる。これは、回路にコモン・モードのピン4上の誤差充電をゼロにできるようにすることにより、雑音を減少させるアナログ・フィードバック・ループに帰結する。D型ラッチ18の使用により、可変コンデンサCVAR に特定の正又は負の充電を行う結果となるので、ある誤差充電が共通ノード上に本質的に留まる。即ち、この型式のフィードバックは、所定量の小さなセンサ出力雑音に帰結する。この雑音を低減させるためにフリップ・フロップを用いた従来技術の回路アプローチにおける積分時定数は、説明したスイッチ電圧アプローチであろうが、又はスイッチド電流アプローチであろうが、増加され得るが、これに伴ってセンサの周波数応答は劣化する。アナログ・フィードバックを可能にするスイッチを備えたフリップ・フロップ、即ちD型ラッチ18を除去して、等価なフィードバック充電を得ることにより、正味誤差充電を打ち消して雑音をかなり低減することができる。例えば、本発明に従って構築されたセンサでは、周波数応答を劣化させることなく、1%fSOの出力雑音(フル・スケール出力)を0.1%fSOに低減した。
【0023】
以上で参照したように、本発明の他の特徴は非線形出力を補正する手段を備えることに係わる。典型的には、圧力及び加速度センサに1.0%fSO程度の非線形が発生する。この非線形は、圧力源と連通して配置されたダイアフラム上の可動コンデンサ・プレートの不均一な移動のように、種々の要素により発生するものであり、このダイアフラムの動きは、その中心から固定されたダイアフラム周辺の方向に移行するに従って減少する。この非線形は、図3に示すように、可変コンデンサCVAR と並列に寄生容量CPAR を付加することにより、モデル化することができる。以上で説明したスイッチド電圧アプローチに対する電気的な伝達関数は、CREF /(CVAR +CPAR −CLIN )の線形関数となるセンサ出力電圧に帰結する。CVAR の逆数は理想的には検知された刺激の線形関数であり、従ってCLIN がCPAR に等しい限り、センサ出力電圧も検知刺激の線形関数である。図3に示すように、コンデンサCLIN の1端は基準コンデンサCREF と可変コンデンサCVAR との間の共通ノードのピン4に接続され、その他端は可変コンデンサCVAR に印加される信号に対してフェーズが逆となるスイッチ電圧信号に接続される。線形な補正量は、CLIN の容量を調整することにより、又はコンデンサCLIN に印加される信号のマグニチュードを調整することにより、調整可能にされている。
【0024】
本発明により作成されたトランスデューサは、集積回路12に加えて、以下の部品を備えている。
【0025】
【表1】
【0026】
変形した実施例において、図4に示す回路網の特徴はセンサ用の熱誤差補償を行う。この回路網は電源電圧VDDと接地VSSとの間の較正抵抗R5に直列接続された温度依存抵抗R4を備えている。熱補償ポテンショメータR6は基準電圧VDD/2と、抵抗R4及びR5の接続点との間に接続されている。較正抵抗R5は、第1の温度即ち室温において熱補正ポテンショメータR6の調整がセンサ出力段に接続されたオフセット補償電圧に影響しないように、調整される。抵抗R4の抵抗値は温度により変化するので、第2の温度における変化により発生したセンサ出力誤差については、ポテンショメータR6を調整することにより、第1の温度におけるセンサ出力に影響させるとことなく、補償することができる。この実施例は、第2の温度における補償のために、第1の温度における第2の調整を行う必要性をなくして、熱補償を簡単化している。更なる効果は、製造プロセスに関して、第1の温度から第2の温度へ及びその逆へ行く際に得られるセンサ・データを記憶して置く必要がないことである。同じような温度補償較正ブリッジが共通譲渡した米国特許第5,241,850号に示されている。
【0027】
本発明を説明するために、本発明の特定の実施例を説明したが、本発明の他の実施例及び変形が可能なことを理解すべきである。可変コンデンサに達する閉フィードバック・ループを示したが、所望ならば、基準コンデンサ用のフィードバック・ループを設けることもできる。本発明は、開示した、特許請求の範囲内に含まれる実施例の全ての変形及び等価物を含む。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の可変コンデンサ、集積回路及び関連部品を備えたセンサのブロック図。
【図2】図1の集積回路に関するタイミング図。
【図3】線形性を改良した本発明の構成を示す概要ブロック図。
【図4】本発明の変形実施例の熱誤差特性を説明する概要ブロック図。
【符号の説明】
10 静電容量型トランスデューサ
12 集積回路
14 電荷コンパレータ
18 D型フリップ・フロップ
16 電圧電流段
20 積分バッファ
22 抵抗フィードバック回路網
24 出力増幅器
26 増幅器
34 シールド発生器
40 熱補償回路網
Claims (3)
- 監視している機械的な刺激に印加に応答して電気信号を供給する可変コンデンサと、
前記可変コンデンサに接続されて共通ノードを形成する基準コンデンサと、
入力及び出力を有する充電コンパレータを含み、前記共通ノードを前記充電コンパレータの入力に接続し、前記充電コンパレータの前記入力及び出力にまたがって接続された通常閉成のフェーズAスイッチとを備えた電気回路と、
前記基準コンデンサは第1の通常閉成のフェーズBを介して選択したゲイン電圧に、及び第1の通常開放の逆フェーズBスイッチを介して選択した電源電圧に接続され、
前記可変コンデンサは第2の通常閉成のフェーズBスイッチを介して選択したバイアス電圧に、及び第2の通常開放の逆フェーズBスイッチを介してアナログ・フィードバック回路に接続され、更に、
入力及び出力を有する電圧電流変換器であって、前記充電コンパレータの前記出力が前記電圧電流変換器の入力に接続されている前記電圧電流変換器と、
正極性入力、負極性入力、及び出力信号を提供する出力を有する積分バッファであって、前記電圧電流変換器の前記出力が通常開放のフェーズCスイッチを介して前記積分バッファの入力に接続された前記積分バッファと、
前記フェーズCスイッチと前記積分バッファの前記入力との間に接続された積分器コンデンサとを備え、
前記積分バッファの出力は前記アナログ・フィードバック回路、及び出力増幅器を介して出力電圧ピンに接続され、前記アナログ・フィードバック回路は前記第2の逆フェーズBスイッチに接続され、更に、
命令サイクルを供給しかつ前記フェーズスイッチの付勢状態を制御するように各フェーズスイッチに接続された論理回路であって、各命令サイクルにおいて、前記フェーズAスイッチを開放し、ある選択した間隔後に前記第1及び第2のフェーズBスイッチを開放し、次いで前記第1及び第2の逆フェーズBスイッチを閉成し、そして選択した間隔後に前記フェーズCスイッチを閉成して前記積分器コンデンサを充電し、かつある選択した間隔について前記可変コンデンサへアナログ・フィードバックを提供し、その後に次の命令サイクルのために前記フェーズスイッチを通常の付勢状態に反転させる、前記論理回路と、
前記可変コンデンサと前記基準コンデンサとの間の前記共通ノードと、前記可変コンデンサ上に現れる印加された機械的な刺激から独立した寄生電荷に等しく、かつその逆極性の選択した電荷を供給する信号発生手段とに接続された線形補正コンデンサとを備えた、可変コンデンサ・トランスデューサ。 - 前記線形補正コンデンサは、第3のフェーズBスイッチを介して前記アナログ・フィードバック回路に接続され、かつ第3の逆フェーズBスイッチを介して前記選択したバイアス電圧に接続される、請求項1に記載の可変コンデンサ・トランスデューサ。
- 可変コンデンサ・トランスデューサは更に、基準電圧と、電源電圧と接地との間に直列接続されてその間に接続点を形成する温度依存抵抗及び較正抵抗と、前記基準電圧と前記接続点との間に接続された熱補正ポテンショメータとを有する熱補正ブリッジ回路網を備え、前記較正抵抗の調整が第1の温度において組合わせた出力信号に対する熱補正ポテンショメータ設定の影響を除去でき、かつ前記熱補正ポテンショメータが前記第1の温度において前記組合わせた出力信号に影響することなく、前記第2の温度においてオフセット誤差に対して補償をするために第2の温度で調整できるように、前記熱補正ポテンショメータが前記積分バッファの出力信号に付加された出力を有する請求項1記載の可変コンデンサ・トランスデューサ。
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