JP4990198B2 - センサ出力装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力や加速度によって容量値が変化するセンサ容量をデジタル値に変換して出力するセンサ出力装置に関する。

センサ出力装置の一例としてタイヤの内部圧力を測定するタイヤ圧力測定装置がある。近年、自動車に使用されるタイヤの内部圧力を測定し、圧力の低下時に警告を通知するシステムに注目が集まっている。この理由として、タイヤの内部圧力は乗用車であれば常温において２２０ｋＰａ程度に保っておく必要があるが、タイヤ圧力が低下すると乗り心地や燃費が悪化するだけでなく、場合によってはタイヤの破裂につながる可能性もあるためである。

また、米国においては、法規制により自動車にタイヤ圧力を監視するシステムの搭載が義務付けられている。

ところで、タイヤは回転体であるためにタイヤ内に設置されたタイヤ圧力測定装置へ外部からの電源供給が難しいので、電池を内蔵していることが多い。しかしながら、電池で供給できる電力量は限られるのにもかかわらず、自動車は長期（例えば１０年）にわたって使用されるため、低消費電力化が必要不可欠となっており、例えば、特許文献１などに記載されているシステムが知られている。

特許文献１では、圧力によって容量が変化する圧力センサの容量値を容量・電圧変換回路で電圧に変換し、この電圧をゼロ・スパン調整回路で増幅、オフセット調整を行なって、その出力をアナログ・デジタル変換回路でデジタル値に変換する。そして、得られたデジタル値を制御回路で補正を行なって、無線送信回路にて車両側へ圧力センサで測定した圧力情報を送信する構成となっている。

特開２００６−３０６２０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法では、圧力センサで検出した容量値をデジタル値に変換するための容量・電圧変換回路、ゼロ−スパン調整回路、アナログ・デジタル変換回路を搭載する必要があるため、センサ出力装置の回路規模が大きくなり、消費電流の増大を招く。

一方、タイヤ圧力測定モジュールは、電池で駆動するため、消費電力の増大により容量の大きい電池を接続する必要が生じ、重量が増す。重量が増すことでタイヤのホイールバランスのずれが大きくなるため、自動車として燃費の悪化を招く問題がある。また、１つの半導体チップ上に上記の回路を搭載するとチップ面積が大きくなるため、コストアップを招く。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、その目的は、圧力測定に用いられるセンサの容量値をデジタル値に変換する回路規模が小さく、低消費電流化、及び軽量化が可能なセンサ出力装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。

本発明によるセンサ出力装置は、測定する物理量により静電容量値が変化するセンサ素子と、公比１／２の等比数列で静電容量値が設定され、互いに並列に接続される複数の参照容量素子と、これら複数の参照容量素子のそれぞれに直列に接続される合成容量設定スイッチとを有する参照容量手段と、上記参照容量手段の電圧と基準電圧とを比較し、比較結果を出力する比較手段と、上記比較手段の比較結果に基いて、上記参照容量手段の電圧と上記基準電圧とが近似するように上記合成容量設定スイッチの開閉状態を設定し、設定した上記合成容量設定スイッチの開閉状態に応じた信号をデジタル信号として出力する制御手段とを備える。

圧力測定に用いられるセンサの容量値をデジタル値に変換する回路規模が小さく、低消費電流及び軽量化が可能なセンサ出力装置を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１から図８を用いて、本発明の第１の実施形態におけるセンサ出力装置と、これを利用したタイヤ圧力測定モジュールの構成及び動作について説明する。

最初に、図１から図５を用いて、第１の実施形態によるセンサ出力装置について説明する。なお、物理量変化により容量値が変化することで物理量を検出する容量センサとして、圧力により電極（互いに対向する第１電極、第２電極）間距離が変化して静電容量値が変化する圧力検出コンデンサを例として説明する。

図１は、センサ出力装置の基本構成を示すブロック図、図２は圧力検出コンデンサの断面図、図３は図１に示したセンサ出力装置の動作フローチャートの一例、図４は圧力検出コンデンサの容量値とデジタル出力との関係の一例を示すグラフである。

図１に示したセンサ出力装置１は、図２に詳細を示す圧力検出コンデンサ１０、スイッチ２１、２２、２３、参照容量コンデンサ群３、コンパレータ４０、制御回路４５を備える。

スイッチ２１の一方端は、基準電圧Ｖ_REF1に接続され、他方端はスイッチ２２の一方端に接続される。また、スイッチ２１の他方端は、圧力検出コンデンサ１０を介して基準電圧２４（ＧＮＤ）に接続されている。スイッチ２２の他方端は、コンパレータ４０の反転入力端子４１に接続されている。コンパレータ４０の非反転入力端子４２は基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２に接続されている。コンパレータ４０からの出力信号は制御回路４５に供給される。

スイッチ２２の他方端は、さらに、互いに並列に接続されたスイッチ２３と参照容量コンデンサ群３とを介して基準電圧２５（ＧＮＤ）に接続される。参照容量コンデンサ群３は、互いに直列接続されたスイッチ３１０〜３１（ｎ−１）とコンデンサ３２０〜３２（ｎ−１）とを複数備え、これら複数の直列接続されたスイッチとコンデンサは、互いに並列に接続されている。

制御回路４５の出力端子４７からは、スイッチ２１〜２３、スイッチ３１０〜３１（ｎ−１）の開閉動作を制御する信号がこれらのスイッチに供給される。また、制御回路４５の出力端子４８からディタル信号Ｂ_０〜Ｂ_ｎ−１が出力される。

圧力検出コンデンサ１０の断面形状は、例えば、図２に示すようになっている。図２において、シリコンの単結晶基板１１に、拡散層でできた固定電極１２が形成され、この上に窒化膜等の保護膜１３と空隙１５を介して可動電極（ダイヤフラム）１４が配置されている。可動電極１４は、窒化膜等の保護膜１７、１８と多結晶シリコンの導電層１６により構成される。

可動電極１４と固定電極１２と間の静電容量信号（電気信号）はアルミニウム配線１９等で取り出される。この可動電極１４と固定電極１２との対向する面積をＳ、基準となる圧力値であるゼロ点（０ｋＰａを選択することが多い）における電極１２、１４間の空隙の距離をｘ_０、可動電極１４のある圧力Ｐにおけるゼロ点からの移動距離をｘ（Ｐ）、真空中の誘電率を（イプシロン）とすると、この圧力検出容量１０の容量値Ｃ_Ｓは次式（１）で表される。

ここで、圧力Ｐが変わると、可動電極１４の位置が変化して移動距離ｘ（Ｐ）が変化し、容量値Ｃ_Ｓが変化する。移動距離ｘ（Ｐ）は圧力Ｐに比例するので、Ｃ_Ｓは圧力Ｐに対して反比例となる。

図１に戻って、参照容量コンデンサ３のコンデンサ３２０〜３２（ｎ−１）の容量値は、初項Ｃ_Ｃ、公比１／２の等比数列となるように設定されている。なお、ｎは８〜１４程度で適宜選択する。ここで、スイッチ３１０〜３１（ｎ−１）の開／閉状態をビットＢ_０、Ｂ_１、・・・、Ｂ_ｎ−１とし、閉のとき１、開のとき０とおくと、参照容量コンデンサ３の合成容量は次式（２）で表される。

なお、スイッチ３１０〜３１（ｎ−１）の開／閉状態を表すビットＢ_０、Ｂ_１、・・・、Ｂ_ｎ−１は制御回路４５内のメモリ４６に記憶されている。

スイッチ２１、２２がそれぞれ閉、開の場合、圧力検出コンデンサ１０は電圧Ｖ_ＲＥＦ１に充電される状態となる。コンパレータ４０の反転入力端子４１には参照容量コンデンサ群３の一端も接続されている。また、スイッチ２３はスイッチ３１０〜３１（ｎ−１）とともに参照容量コンデンサ群３に蓄えられた電荷を放電するために用いる。

なお、基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１と基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２との関係は、以下の説明では次式（３）で示されるものとする。

また、コンパレータ４０の電源にはＶ_Ｓ（＞０）とＧＮＤを接続する。従って、コンパレータ４０が理想的で、入力換算オフセット電圧を０と仮定した場合、反転入力端子の電圧Ｖ_Ｍが基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２以上のとき、コンパレータ４０の出力電圧はＧＮＤレベル（以下、Ｌレベルとする）となり、電圧Ｖ_Ｍが基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２以下の場合、コンパレータ４０の出力電圧はＶ_Ｓレベル（以下、Ｈレベルとする）となる。

制御回路４５は、例えば図３に示すフローチャートに従い動作する。

まず、図３のステップＳ１１で、メモリ４６上のビットＢ_０〜Ｂ_ｎ−１と、カウンタｉをすべてゼロクリアする。

次に、ステップＳ１２で、スイッチ２１、２３、３１０〜３１（ｎ−１）を閉、スイッチ２２を開とする。これにより、圧力検出コンデンサ１０は充電され、参照容量コンデンサ群３は放電される。圧力検出コンデンサ１０に蓄えられた電荷Ｑは次式（４）に示す値となる。

次に、ステップＳ１３で、メモリ４６内の１つのビットＢ_ｉ（ここで、ｉはカウンタ値）を１に置き換える。次に、ステップＳ１４で、スイッチ２１、２３を開、スイッチ２２を閉とする。さらに、スイッチ３１０〜３１（ｎ−１）はビットＢ_０〜Ｂ_ｎ−１により、対応するビットが１とのきは閉、０のときは開とする。これにより、圧力検出コンデンサ１０に蓄えられた電荷の一部が参照容量コンデンサ群３に移動し、コンパレータ４０の反転入力端子４１の電圧は次式（５）となる。

次に、ステップＳ１５で制御回路４５はコンパレータ４０の出力がＬレベルかＨレベルかを判定する。コンパレータ４０の出力がＬレベルのときは、次式（６）であり、ビットＢ_ｉ（ここで、ｉはカウンタ値）は１のままとする。

一方、コンパレータ４０の出力がＨレベルのときは、次式（７）であり、ステップＳ１３からステップＳ１４にて参照容量３に追加した固定容量は不要と判断し、ステップＳ１６でビットＢ_ｉを０に戻す。

次に、ステップＳ１７でカウンタｉをインクリメントし、ステップＳ１８でｎ個のビットＢ_ｋ（ｋ＝０、１、・・・、ｎ−１）について全て判定したか判断する。全ての判定が終わっていない場合はステップＳ１２にジャンプし、再度繰り返す。全ての判定が完了した場合、変換完了となり出力端子４８よりビットＢ_０〜Ｂ_ｎ−１を出力する。

上記のフローチャートに示した動作により、量子化誤差はあるものの次式（８）が成立することを目標として、ビットＢ_０〜Ｂ_ｎ−１の１／０が決定される。

デジタル変換結果は２進数表記で次式（９）により表現され、１０進数表記で次式（１０）により表現される。

例えば、基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１＝３Ｖ、Ｖ_ＲＥＦ２＝１．５Ｖ（＝Ｖ_ＲＥＦ１／２）、圧力検出コンデンサ１０の容量値Ｃ_Ｓ＝１．２８ｐＦ、固定容量３２０の容量値Ｃ_Ｃ＝１ｐＦ、ｎ＝８とおくと、次の（１）〜（８）に示すように動作し、１０進数表記で１６３と変換される。

（１）カウンタｉ＝０：Ｖ_Ｍ＝１．６８４Ｖ、コンパレータ出力＝Ｌとなり、Ｂ_０＝１と決定される。

（２）カウンタｉ＝１：Ｖ_Ｍ＝１．３８１Ｖ、コンパレータ出力＝Ｈとなり、Ｂ_１＝０と決定される。

（３）カウンタｉ＝２：Ｖ_Ｍ＝１．５１８Ｖ、コンパレータ出力＝Ｌとなり、Ｂ_２＝１と決定される。

（４）カウンタｉ＝３：Ｖ_Ｍ＝１．４４６Ｖ、コンパレータ出力＝Ｈとなり、Ｂ_３＝０と決定される。

（５）カウンタｉ＝４：Ｖ_Ｍ＝１．４８１Ｖ、コンパレータ出力＝Ｈとなり、Ｂ_４＝０と決定される。

（６）カウンタｉ＝５：Ｖ_Ｍ＝１．４９９Ｖ、コンパレータ出力＝Ｈとなり、Ｂ_５＝０と決定される。

（７）カウンタｉ＝６：Ｖ_Ｍ＝１．５０８Ｖ、コンパレータ出力＝Ｌとなり、Ｂ_６＝１と決定される。

（８）カウンタｉ＝７：Ｖ_Ｍ＝１．５０４Ｖ、コンパレータ出力＝Ｌとなり、Ｂ_７＝１と決定される。

同様に計算することで、圧力検出コンデンサ１０の各容量値Ｃ_Ｓに対するデジタル変換値は図４に示すような曲線となる。

また、制御回路４５は、例えば図５に示すフローチャートに従い動作させてもよい。

図５のステップＳ２１で、スイッチ２１、２３、３１０〜３１（ｎ−１）を閉、スイッチ２２を開とする。これは図３のステップＳ１２と同じである。

次に、ステップＳ２２で、スイッチ２１、２３を開、スイッチ２２を閉とする。さらに、スイッチ３１０は、ビットＢ_０、Ｂ_１、・・・、Ｂ_ｎ−１により、対応するビットが１とのきは閉、０のときは開とする。これは図３のステップＳ１４と同じである。

次に、ステップＳ２３で制御回路４５はコンパレータ４０の出力がＬレベルかＨレベルかを判定する。コンパレータ４０の出力がＬレベルのときは、ステップＳ２４にて、上式（９）のＢの値をインクリメントする。また、コンパレータ４０の出力がＨレベルのときは、ステップＳ２５にて、Ｂの値をデクリメントする。最後にステップＳ２６で、Ｂがアンダーフロー、オーバーフローしていないか判定し、Ｂが所定の範囲内となるようにする。

ステップＳ２６の処理の後、再度ステップＳ２１から繰り返すことで、デジタル変換結果を得ることができる。

図３と図５に示したフローチャートの違いを以下に説明する。

図３の方法の場合、変換結果はn回のループで得られるので変換時間が短いが、変換途中で圧力検出コンデンサ１０が変化した場合、変換結果に誤差が生じることがある。一方、図５の方法の場合、変換結果は最長２のｎ乗回のループで得られるので変換時間が長くなるが、ループ繰り返しの周期が圧力検出コンデンサ１０の変化に対して十分短ければ、変換結果に誤差が生じることはない。

以上の説明では、式（３）が成立すると仮定して説明を行なったが、式（３）が成立しない場合には、次式（１１）を目標として、ビットＢ_０〜Ｂ_ｎ−１の０／１が決定される。

次に、タイヤ圧力測定モジュール、およびこれを用いたタイヤ圧力監視システムの全体構成について説明する。

図６は自動車の車両底面から見たタイヤ圧力監視システムの構成を示したものであり、車両７７、前後左右に配されたタイヤ７５ａ〜７５ｄ、タイヤ７５ａ〜７５ｄのそれぞれの内部に設置されたタイヤ圧力測定モジュール７ａ〜７ｄ、車両搭載機８により構成される。タイヤ圧力測定モジュール７、車両搭載機８のブロック図はそれぞれ、図７、図８に示す。

図７において、タイヤ圧力測定モジュールは、大きく分けて、図１に示したセンサ出力装置１、変換回路７２、送信回路７３、送信回路に接続されたアンテナ７４、タイヤ圧測定モジュール７全体に電力を供給する電圧Ｖ_ＢＡＴの電池７１から構成されている。

変換回路７２はセンサ出力装置１からのデータをＡ_０、Ａ_１を定数として次式（１２）により、センサ出力回路１のデジタル変換結果Ｂの逆数を取る回路である。

デジタル変換結果Ｂは式（１）により圧力Ｐに反比例するので、Ｂ_Ｃは式（１２）により圧力Ｐに比例した出力となる。なお、式（１２）による変換が不要の場合には、変換回路７２は用いなくても良い。

送信回路７３は変換回路７２からの出力データをシリアル変換し、図８に示す車両搭載機８に対し無線にて送信する回路である。この無線周波数にはＵＨＦ帯、例えば３１５ＭＨｚが用いられ、搬送波に対し送信データによりＡＳＫ変調やＦＳＫ変調を行なって、通信を行なう。電池７１はコイン形リチウム電池（公称電圧３Ｖ）を用いる。

図８において、車両搭載機８は、データの入出力と計算を行なう計算処理・制御部８０と、受信回路８１と、アンテナ８２と、測定値や警告を表示する表示部８５とを備えている。計算処理・制御部８０は、受信回路８１を介して図７に示すタイヤ圧力測定モジュール７から無線送信されたデータを受信し、圧力測定値や圧力低下などの注意、警告を表示部８５に表示する回路である。なお、車両搭載機８に必要な電力は、図示しない自動車に搭載されているバッテリーから供給される。

以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、圧力検出コンデンサ１０と参照容量コンデンサ群３とを並列に接続し、参照容量コンデンサ群３の電圧と基準電圧とがほぼ等しくなるように、参照容量コンデンサ群３の複数のコンデンサ３２０〜３２（ｎ−１）のそれぞれに接続されたスイッチ３１０〜３１（ｎ−１）の開閉状態を設定し、これらのスイッチ３１０〜３１（ｎ−１）の開閉状態を示す信号が、圧力検出コンデンサ１０の容量値を示すデジタル信号となるように構成されている。

これにより、容量・電圧変換回路、ゼロ−スパン調整回路を必要とすることなく、センサ出力装置を実現することができ、回路規模が小さく、低消費電流化及び軽量化が可能となる。

また、このセンサ出力装置を用いたタイヤ圧力測定モジュールにおいて、低消費電流化により低容量の電池に置き換えることで軽量化が可能になり、自動車の燃費悪化やコストアップを招くことなく、タイヤの内部圧力モニター装置を実現することができる。

（第２の実施形態）
次に、図９を用いて、本発明の第２の実施形態におけるセンサ出力装置１ａの構成および動作について説明する。基本的な構成は、第１の実施形態と同様であるので、異なる点についてのみ説明する。

第１の実施形態と第２の実施形態との異なる点は、参照容量コンデンサ群３と並列に圧力検出参照コンデンサ５０を追加した点である。圧力検出参照コンデンサ５０とは、圧力検出コンデンサ１０と基本的には同じ構造、プロセスで製作されており、圧力検出コンデンサ１０の可動電極１４と比較して、圧力変化に対する可動電極の位置変化が十分に小さいか、ゼロである素子である。

圧力検出参照コンデンサ５０の容量値は、基本的には圧力検出コンデンサ１０のゼロ点における容量値と等しくなることを目標として設計、製造される。圧力検出コンデンサ１０はプロセスのばらつきにより、ゼロ点の容量値が変わるが、圧力検出参照コンデンサ５０を追加することにより、センサ出力装置として圧力Ｐに対するデジタル変換結果のゼロ点のずれを小さくすることが可能となる。

なお、圧力検出コンデンサ１０の容量値のデジタル変換値は、第１の実施形態におけるフローチャートに従って、制御回路４５を動作させることで得られる。

例えば、基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１＝３Ｖ、Ｖ_ＲＥＦ２＝１．５Ｖ、圧力検出参照コンデンサ５０の容量値Ｃ_Ｒを１０ｐＦ、固定容量３２０の容量値Ｃ_Ｃ＝１ｐＦ、ｎ＝８とおき、第１の実施形態にけるフローチャートに従い制御回路４５を動作させると、図１０に示すように圧力検出コンデンサ１０の容量値Ｃ_Ｓに対応して、デジタル変換値が変化する。

本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果が得られる他、センサ出力装置として圧力Ｐに対するデジタル変換結果のゼロ点のずれを小さくすることが可能となる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態におけるセンサ出力装置１ｂの構成及び動作について図１１を用いて説明する。基本的な構成は、第３の実施形態と第１の実施形態とは同様であるので、異なる点についてのみ説明する。

異なる点は、参照容量コンデンサ群３に並列に半固定参照容量コンデンサ群５を接続すると共に、制御回路４５に半固定参照容量コンデンサ群５の容量値を制御する信号を出力する端子群４７ｂと、コンパレータ４０の非反転入力端子４２に接続された基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２の電圧を制御する信号を出力する端子４３を追加した点である。

半固定参照容量コンデンサ群５は、初項Ｃ_Ｔ、公比１／２の等比数列で容量値が設定されたｍ個の固定容量５２０、５２１、・・・、５２（ｍ−１）とこれに直列に接続されたスイッチ５１０、５１１、・・・、５１（ｍ−１）とからなる。ここで、スイッチ５１０、５１１、・・・５１（ｍ−１）の開／閉状態をビットＢ_Ｔ０、Ｂ_Ｔ１、・・・、Ｂ_Ｔｍ−１とし、閉のとき１、開のとき０とおくと、半固定参照容量コンデンサ群５の合成容量は、次式（１３）で表される。

圧力検出コンデンサ１０の容量値のデジタル変換値は、第１の実施形態におけるフローチャートに従って、制御回路４５を動作させることで得られる。ここで、半固定参照容量コンデンサ群５の合成容量値Ｃ_Ｔ０を変更すると、センサ容量・デジタル変換曲線のオフセットを変更することが可能となる。

また、基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２を変更すると、センサ容量・デジタル変換曲線のオフセットと傾きの両方を変更することが可能となる。つまり、オフセットを変えずに傾きのみを変更したい場合は、半固定参照容量コンデンサ群５の合成容量値Ｃ_Ｔ０と基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２の両方を適切に変更する。個々の圧力検出コンデンサ１０は、プロセスばらつきなどによりゼロ点や圧力感度（圧力Ｐに対するｘ（Ｐ）の変化量）にばらつきが生じるが、半固定容量コンデンサ群５の合成容量値Ｃ_Ｔ０と基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２の変更によって、傾きとオフセットを調整することで、圧力・デジタル変換出力曲線をある誤差の範囲で同じ曲線に揃えることが可能となる。

例えば、基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１＝３Ｖ、固定容量３２０の容量値Ｃ_Ｃ＝１ｐＦ、ｎ＝８とおき、（１）Ｃ_Ｔ０＝８ｐＦ、Ｖ_ＲＥＦ２＝１．５Ｖ、（２）Ｃ_Ｔ０＝８．５ｐＦ、Ｖ_ＲＥＦ２＝１．５Ｖ、（３）Ｃ_Ｔ０＝８．５ｐＦ、Ｖ_ＲＥＦ２＝１．４５４Ｖとし、第１の実施形態におけるフローチャートに従い制御回路４５を動作させると、図１２に示すように圧力検出コンデンサ１０の容量値Ｃ_Ｓに応じて、デジタル変換値は変化する。

条件（１）から（２）のように容量値Ｃ_Ｔ０を大きくすることで、オフセットを大きくすることができる。また、条件（２）から（３）のように基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２を小さくすることで、オフセットを小さくするとともに、傾きを大きくすることができる。

なお、上記で説明した半固定参照容量コンデンサ群５の容量値は必ずしも式（１３）に基づく必要はない。例えば、スイッチのない常時接続される容量を半固定参照容量コンデンサ群５に追加して接続してもよい。また、等しい容量値を持つ固定容量とこれに直列に接続されたスイッチを並列に並べた合成容量でも良い。

本発明の第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果が得られる他、センサ容量・デジタル変換曲線のオフセットと傾きの両方を変更することが可能となる。

（第４の実施形態）
次に、図１３を用いて本発明の第４の実施形態におけるセンサ出力装置１ｃの構成および動作について説明する。基本的な構成は、第１の実施形態と同様であるので、異なる点についてのみ説明する。

異なる点は、温度検出素子６０、容量値Ｃ_ＴＳの標本化保持コンデンサ６５、温度検出素子６０の出力と標本化保持コンデンサ６５の一端の間に接続されたスイッチ６３、標本化保持容量６５とスイッチ６３の接続点、コンパレータ４０の反転入力端子４１の間に接続されたスイッチ６４を追加した点、スイッチ６３、６４の開閉を制御する信号の出力端子４７ｃを追加した点である。なお、スイッチ６３への入力電圧、つまり温度検出素子６０の出力をＶ_ＩＮとする。

温度検出素子６０は、例えば、温度係数の異なる２個の抵抗６１、６２からなり、温度により出力電圧が変化する。

これらの追加により、第１の実施形態とほぼ同じ構成で、圧力のみならず、温度もデジタル値に変換することが可能となる。

制御回路４５は図１４に示すフローチャートに従い動作する。

まず、図１４のステップＳ３１で、メモリ４６上のビットＢ_Ｔ０、Ｂ_Ｔ１、・・・、Ｂ_Ｔｎ−１と、カウンタｉをすべてゼロクリアする。また、スイッチ２１、２２を開く。

次に、ステップＳ３２で、スイッチ６３、２３、３１０、３１１、・・・３１（ｎ−１）を閉、スイッチ６４を開とする。これにより、標本化保持コンデンサ６５は充電され、参照容量コンデンサ群３は放電される。標本化保持容量６５に蓄えられる電荷は次式（１４）に示す値となる。

次に、ステップＳ３３で、メモリ４６内の１つのビットＢ_Ｔｉ（ここで、ｉはカウンタ値）を１に置き換える。

次に、ステップＳ３４で、スイッチ６３、２３を開、スイッチ６４を閉とする。さらに、スイッチ３１０、３１１、・・・、３１（ｎ−１）はビットＢ_０、Ｂ_１、・・・、Ｂ_ｎ−１により、対応するビットが１とのきは閉、０のときは開とする。これにより、標本化保持コンデンサ６５に蓄えられた電荷の一部が参照容量コンデンサ群３に移動し、コンパレータ４０の反転入力端子の電圧は次式（１５）となる。

次に、ステップＳ３５で制御回路４５はコンパレータ４０の出力がＬレベルかＨレベルかを判定する。ここで、コンパレータ４０の出力がＬレベルのときは、ビットＢ_ｉ（ここで、ｉはカウンタ値）は１のままとする。一方、コンパレータ４０の出力がＨレベルのときは、ステップＳ３６でビットＢ_ｉを０に戻す。

次に、ステップＳ３７でカウンタｉをインクリメントし、ステップＳ３８でｎ個のビットについて全て判定したか判断する。全ての判定が終わっていない場合はステップＳ３２にジャンプする。

上記のフローチャートにより、量子化誤差はあるものの式（１１）を目標として、ビットＢ_Ｔ０、Ｂ_Ｔ１、・・・、Ｂ_Ｔｎ−１の０／１が決定される。デジタル変換結果は２進数表記で、次式（１６）で表現され、出力端子４８より出力される。

なお、第１の実施形態における圧力信号出力と、第４の実施形態における温度出力とを区別するために、制御回路４５に出力信号を区別するための出力端子４９を設ける。

例えば、基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２＝１Ｖ、標本化保持容量６５の容量値を１ｐＦ、固定容量３２０の容量値Ｃ_Ｃ＝１ｐＦ、ｎ＝８とおき、上記に示したフローチャートに従い制御回路４５を動作させると、図１５に示すように入力電圧ＶＩＮに応じて、デジタル変換値は変化する。

なお、抵抗６０、６２と標本化保持コンデンサ６５との組み合わせは低域通過特性を持ち、標本化保持コンデンサ６５の充電に時間を要する場合があるので、必要に応じて温度検出素子６０の出力にバッファを追加する。

また、図１６に示すセンサ出力装置１ｄの構成のように、第３の実施形態で示した半固定参照容量コンデンサ５を追加することで、圧力検出コンデンサ１０の容量値／デジタル変換出力曲線に対するゼロ点やオフセットの調整も可能である。この図１６に示す例の場合、制御回路４５は、温度検出素子６０が検出した温度に従って、半固定参照容量コンデンサ５の設定容量や、コンパレータ４０の非反転入力端子４２に入力する基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２を変更することが可能である。

さらに、図１７に示すセンサ出力装置１ｅの構成のように、電源の電圧によらずに一定の電圧を出力する定電圧出力回路６６と、スイッチ６７、６９、標本化保持容量６８とを追加して、スイッチ６４を開いたまま、ステップＳ３２でスイッチ６３、６４の代わりにスイッチ６７を閉、スイッチ６９を開、ステップＳ３４でスイッチ６７を開、スイッチ６９を閉にすることで、電源電圧Ｖ_ＢＡＴの低下の検出に用いることも可能である。例えば、次式（１７）に示す関係とすると、電源電圧に対するデジタル出力曲線は図１８のようになる。

例えば、電源電圧が２Ｖ以下で判定したい場合、１０進数で６３以上のとき電源電圧が低下したと判定できる。なお、制御回路４５には、圧力出力、温度出力、電圧出力を区別するための出力端子４９ｅを設ける。

あるいは、図１７に示したセンサ出力装置１ｅの構成の代わりに図１９に示すセンサ出力装置１ｆの構成としてもよい。この構成では、スイッチ６３を開いたまま、ステップＳ３２でスイッチ６３の代わりにスイッチ６７を閉、ステップＳ３４でスイッチ６７を開とする。

本発明の第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果が得られる他、温度、電源電圧も検出して外部に出力することが可能となる。

（第５の実施形態）
次に、図２０を用いて本発明の第５の実施形態におけるセンサ出力装置１ｇの構成及び動作について説明する。基本的な構成は、第１の実施形態における構成と同様であるので、異なる点についてのみ説明する。

異なる点は、コンパレータ４０の出力ＯＵＴと制御回路４５との接続を外している点である。

制御回路４５によって制御される参照容量コデンサ群３の合成容量値は、制御回路４５により予め定められた値に固定する。これにより、コンパレータ４０の出力ＯＵＴがＨレベルかＬレベルか判定することで、圧力検出コンデンサ１０の容量値がある閾値以上か以下かを判定することができる。なお、式（３）が成立する場合には、閾値は参照容量コンデンサ群３の合成容量値と同じとなる。

この方法は、例えば、タイヤ圧力監視システムでタイヤ圧力がある閾値以上か以下かのみを判定したい場合に、短時間で判定するために用いることができる。これにより、スイッチングによる充放電電流を減らせるので、消費電流を低減することが可能となる。

また、第１の実施形態から第５の実施形態において、圧力検出コンデンサ１０に代えて加速度によって容量値が変化する加速度検出容量にも用いることが可能である。例えば、第５の実施形態において圧力検出コンデンサ１０に代えて、加速度検出容量を利用することにより、車両の衝突時の加速度を検出し、短時間での判定が必要なエアバックシステムの動作の制御に用いることができる。また、車両の停止時に前後方向の傾きを検知して、発進時に車両の後退を防止するヒルアシストシステムによるブレーキの動作制御にも用いることができる。

また、第４の実施形態による温度の測定方法と組み合わせることで、温度により圧力検出容量や加速度検出容量の容量値が変わる場合に、温度によって参照容量３の容量値を変えることで閾値を変更して、温度によって判定圧力（あるいは加速度など）が変わらない構成をとることも可能である。

なお、以上に示した例は、さまざまな変形が可能である。例えば、図２１に示すセンサ出力装置１ｈの構成のように、圧力検出コンデンサ１０と参照容量コンデンサ群３の位置を入れ替えてもよい。すなわち、圧力検出コンデンサ１０に電荷を充電または放電する第１状態と、第１状態で充電された電荷の一部を放電または圧力検出コンデンサ１０に電荷を充電する第２状態とを交互に切り替える制御回路４５を有し、制御回路４５は第２状態における圧力検出コンデンサ１０の電圧と基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２を比較して、次の第２状態における合成容量設定スイッチ３１０、３１１、・・・、３１（ｎ−１）の開／閉を切り替え、この開／閉状態をデジタル値として出力する構成も可能である。

また、上記センサ出力装置は、一つの半導体チップ上に形成することが可能である。

本発明の第１の実施形態におけるセンサ出力装置のブロック図である。 本発明の第１の実施形態におけるセンサ出力装置の圧力検出部の断面図である。 本発明の第１の実施形態におけるセンサ出力装置の動作フローチャートである。 本発明の第１の実施形態におけるセンサ出力装置のセンサ容量とデジタル変換値の関係を示すグラフである。 本発明の第１実施形態におけるセンサ出力装置の動作の変形例を示すフローチャートである。 自動車の車両底面からみたタイヤ圧力監視システムの概略構成図である。 タイヤ圧力測定モジュールのブロック図である。 車両搭載機のブロック図である。 本発明の第２の実施形態におけるセンサ出力装置のブロック図である。 本発明の第２の実施形態におけるセンサ出力装置のセンサ容量とデジタル変換値との関係を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態におけるセンサ出力装置のブロック図である。 本発明の第３の実施形態におけるセンサ出力装置のセンサ容量とデジタル変換値との関係を示すグラフである。 本発明の第４の実施形態におけるセンサ出力装置のブロック図である。 本発明の第４の実施形態におけるセンサ出力装置の動作フローチャートである。 本発明の第４の実施形態におけるセンサ出力装置の温度検出素子の出力電圧とデジタル変換値との関係を示すグラフである。 本発明の第４の実施形態におけるセンサ出力装置の変形例のブロック図である。 本発明の第４の実施形態におけるセンサ出力装置の他の変形例のブロック図である。 本発明の第４の実施形態におけるセンサ出力装置の変形例の電源電圧とデジタル変換値の関係を示すグラフである。 本発明の第４の実施形態におけるセンサ出力装置のさらに他の変形例のブロック図である。 本発明の第５の実施形態におけるセンサ出力装置のブロック図である。 本発明の第１の実施形態におけるセンサ出力装置の変形例のブロック図である。

符号の説明

１、１ａ〜１ｇ・・・センサ出力装置、３・・・参照容量コンデンサ群（参照容量手段）、５・・・半固定参照容量コンデンサ群、７・・・タイヤ圧力測定モジュール、１０・・・圧力検出コンデンサ（センサ素子）、２１・・・第１スイッチ、２２・・・第２スイッチ、２３・・・電荷放電用スイッチ、４０・・・コンパレータ（比較手段）、４５・・・制御回路（制御手段）、４６・・・メモリ、４８・・・出力端子、５０・・・圧力検出参照コンデンサ、６０・・・温度検出素子、６３・・・第３スイッチ、６４・・・第４スイッチ、６５・・・標本化保持コンデンサ（温度検出用容量素子）、６６・・・定電圧出力回路、６７・・・第５スイッチ、６８・・・標本化保持コンデンサ（定電圧用保持容量素子）、６９・・・第６スイッチ、７２・・・変換回路、７３・・・送信回路、７４・・・アンテナ、７５・・・タイヤ、７７・・・車両、３１０〜３１（ｎ−１）・・・スイッチ（合成容量設定スイッチ）、３２０〜３２（ｎ−１）・・・コンデンサ（参照容量素子）、Ｖ_ＲＥＦ１・・・（第１）基準電圧、Ｖ_ＲＥＦ２・・・（第２）基準電圧

Claims (16)

1. 測定する物理量により静電容量値が変化するセンサ素子と、
   公比１／２の等比数列で静電容量値が設定され、互いに並列に接続される複数の参照容量素子と、これら複数の参照容量素子のそれぞれに直列に接続される合成容量設定スイッチとを有する参照容量手段と、
   上記参照容量手段の電圧と基準電圧とを比較し、比較結果を出力する比較手段と、
   上記比較手段の比較結果に基いて、上記参照容量手段の電圧と上記基準電圧とが近似するように上記合成容量設定スイッチの開閉状態を設定し、設定した上記合成容量設定スイッチの開閉状態に応じた信号をデジタル信号として出力する制御手段と、を備え、
   上記センサ素子は、第１スイッチを介して第１の基準電圧に接続されると共に、第２スイッチを介して上記比較手段の反転入力端子に接続され、上記参照容量手段は、上記比較手段の反転入力端子に接続され、上記比較手段の非反転入力端子は第２基準電圧に接続され、
   上記制御手段は、上記第１スイッチを閉、第２スイッチを開、全ての合成容量設定スイッチを閉として、上記センサ素子を充電すると共に上記複数の参照容量素子を放電する第１の状態と、上記１スイッチを開、第２スイッチを閉として、合成容量設定スイッチの開閉状態を制御して上記参照容量手段の上記反転入力端子側の電圧と上記第２基準電圧とを近似させる第２の状態とを交互に切り替えて、上記合成容量設定スイッチの開閉状態に応じた信号をデジタル信号として出力することを特徴とするセンサ出力装置。
2. 測定する物理量により静電容量値が変化するセンサ素子と、
   公比１／２の等比数列で静電容量値が設定され、互いに並列に接続される複数の参照容量素子と、これら複数の参照容量素子のそれぞれに直列に接続される合成容量設定スイッチとを有する参照容量手段と、
   上記センサ素子の容量値と上記参照容量手段の合成容量値とを比較し、比較結果を出力する比較手段と、
   上記比較手段の比較結果に基いて、上記センサ素子の容量値と、上記参照容量手段の合成容量値とが近似するように、上記合成容量設定スイッチの開閉状態を設定し、設定した上記合成容量設定スイッチの開閉状態に応じた信号をデジタル信号として出力する制御手段と、を備え、
   上記センサ素子は、第１スイッチを介して第１の基準電圧に接続されると共に、第２スイッチを介して上記比較手段の反転入力端子に接続され、上記参照容量手段は、上記比較手段の反転入力端子に接続され、上記比較手段の非反転入力端子は第２基準電圧に接続され、
   上記制御手段は、上記第１スイッチを閉、第２スイッチを開、全ての合成容量設定スイッチを閉として、上記センサ素子を充電すると共に上記複数の参照容量素子を放電する第１の状態と、上記１スイッチを開、第２スイッチを閉として、合成容量設定スイッチの開閉状態を制御して上記センサ素子の容量値と、上記参照容量手段の合成容量値とを近似させる第２の状態とを交互に切り替えて、上記合成容量設定スイッチの開閉状態に応じた信号をデジタル信号として出力することを特徴とするセンサ出力装置。
3. 請求項１又は２のいずれか一項記載のセンサ出力装置において、上記センサ素子と、上記参照容量手段と、上記比較手段と、上記制御手段とを１つの半導体チップ上に形成したことを特徴とするセンサ出力装置。
4. 請求項１又は２のいずれか一項記載のセンサ出力装置において、上記物理量は圧力であることを特徴とするセンサ出力装置。
5. 請求項１又は２のいずれか一項記載のセンサ出力装置において、上記物理量は加速度であることを特徴とするセンサ出力装置。
6. 請求項１又は２のいずれか一項記載のセンサ出力装置において、上記参照容量手段は、上記複数の参照容量素子及び合成容量設定スイッチと並列に接続され、上記センサ容量素子と比較して物理量変化による静電容量値の変化が小さい固定参照容量素子を有することを特徴とするセンサ出力装置。
7. 請求項１又は２のいずれか一項記載のセンサ出力装置において、上記参照容量手段は、上記複数の参照容量素子及び合成容量設定スイッチと並列に接続され、上記制御手段により、容量値を変更可能な半固定参照容量素子を有することを特徴とするセンサ出力装置。
8. 請求項１、２、７のいずれか一項記載のセンサ出力装置において、上記制御手段からの指令に基き、上記第２基準電圧が変更されることを特徴とするセンサ出力装置。
9. 請求項１又は２記載のセンサ出力装置において、温度により出力する電圧が変動する温度検出素子と、この温度検出素子から出力される電圧を標本化する温度検出用保持容量素子と、上記温度検出素子と温度検出用保持容量素子との間に接続される第３のスイッチと、上記温度検出用保持容量素子と上記比較手段の反転入力端子との間に接続される第４のスイッチとを備え、
   上記制御手段は、上記第１スイッチ、第２スイッチ及び第４スイッチを開とし、上記第３スイッチ及び全ての合成容量設定スイッチを閉として上記温度検出用保持容量素子を充電すると共に上記参照容量素子を放電し、
   上記第３スイッチを開、上記第４スイッチを閉として、上記合成容量設定スイッチの開閉状態を制御して、上記参照容量手段の上記反転入力端子側の電圧と上記第２基準電圧値とを近似させて、上記合成容量設定スイッチの開閉状態に応じた信号である温度情報信号をデジタル信号として出力することを特徴とするセンサ出力装置。
10. 請求項９記載のセンサ出力装置において、上記参照容量手段は、上記複数の参照容量素子及び合成容量設定スイッチと並列に接続され、上記制御手段により、容量値を変更可能な半固定参照容量素子を有し、上記制御手段は、上記温度情報信号に基いて上記半固定参照容量素子の容量値を設定することを特徴とするセンサ出力装置。
11. 請求項９記載のセンサ出力装置において、上記制御手段は、上記温度情報信号に基いて上記第２基準電圧を変更することを特徴とするセンサ出力装置。
12. 請求項９記載のセンサ出力装置において、一定の電圧を出力する定電圧出力手段と、上記定電圧出力手段から出力される電圧を標本化する定電圧用保持容量素子と、上記定電圧出力手段と定電圧用保持容量素子との間に接続される第５のスイッチと、上記定電圧用保持容量素子と上記比較手段の反転入力端子との間に接続される第６のスイッチとを有し、
    上記制御手段は、上記第２スイッチ及び第４スイッチを開にし、上記第５スイッチを閉、上記第６スイッチを開として、上記複数の参照容量素子を放電すると共に上記定電圧用保持容量素子を充電し、上記第５スイッチを開、上記第６スイッチを閉として、上記合成容量設定スイッチの開閉状態を制御して上記参照容量手段の上記反転入力端子側の電圧と上記第２基準電圧とを近似させ、上記合成容量設定スイッチの開閉状態に応じた信号をデジタル信号として出力することを特徴とするセンサ出力装置。
13. 請求項２記載のセンサ出力装置において、一定の電圧を出力する定電圧出力手段と、上記定電圧出力手段から出力される電圧を標本化する定電圧用保持容量素子と、上記定電圧出力手段と定電圧用保持容量素子との間に接続される第５のスイッチと、上記定電圧用保持容量素子と上記比較手段の反転入力端子との間に接続される第６のスイッチとを有し、
    上記制御手段は、上記第２スイッチを開にし、上記第５スイッチを閉、上記第６スイッチを開として、上記複数の参照容量素子を放電すると共に上記定電圧用保持容量素子を充電し、上記第５スイッチを開、上記第６スイッチを閉として、上記合成容量設定スイッチの開閉状態を制御して上記参照容量手段の上記反転入力端子側の電圧と上記第２基準電圧とを近似させ、上記合成容量設定スイッチの開閉状態に応じた信号をデジタル信号として出力することを特徴とするセンサ出力装置。
14. 請求項９記載のセンサ出力装置において、一定の電圧を出力する定電圧出力手段と、上記定電圧出力手段と上記温度検出用容量素子との間に接続される第５のスイッチとを有し、
    上記制御手段は、上記第２スイッチ、第３スイッチ及び第４スイッチを開にし、上記第５スイッチを閉として、上記複数の参照容量素子を放電すると共に上記温度検出用保持容量素子を充電し、上記第５スイッチを開、上記第４スイッチを閉として、上記合成容量設定スイッチの開閉状態を制御して上記参照容量手段の上記反転入力端子側の電圧と上記第２基準電圧とを近似させ、上記合成容量設定スイッチの開閉状態に応じた信号をデジタル信号として出力することを特徴とするセンサ出力装置。
15. 請求項４記載のセンサ出力装置において、このセンサ出力装置は、タイヤ内部に配置され、タイヤ内部の圧力に応じたデジタル信号を上記制御手段からタイヤ外に送信することを特徴とするセンサ出力装置。
16. 請求項１または２記載のセンサ出力装置において、
    上記センサ素子は、互いに対向する２つの電極間距離が物理量によって変化することにより静電容量値が変化することを特徴とするセンサ出力装置。

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