JP4997447B2

JP4997447B2 - 可変容量計測装置及び可変容量計測方法

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Publication number: JP4997447B2
Application number: JP2007291068A
Authority: JP
Inventors: 昭松澤; 洪太田中
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2027-11-08
Also published as: JP2009115710A

Description

本発明は、可変容量計測装置及び可変容量計測方法に適用して好適な技術に関する。
より詳細には、静電容量が圧力によって変化する容量型圧力センサを用いた圧力計測装置に好適な、低消費電力の可変容量計測装置と、その方法に関する。

気体或は液体の圧力を計測する装置は、その用途に応じて、多種多様なものが存在する。
その中で、医療分野においては、血圧等の代表的な圧力の計測の他に、前立腺疾患の手術に先立って、膀胱の内圧を計測する、という需要がある。これは、膀胱内にある程度の圧力がないと、手術をしても良くならない、という臨床例が存在することに起因する。

泌尿器科の医師は、前立腺疾患の手術に先立って、膀胱の内圧を１秒間に１０回程度、三日間に渡って計測したいと考えている。これを実現するために、従来では、圧力センサが先端に取り付けられた計測棒を尿道口から膀胱内部まで差し込み、三日間その状態で計測し続ける、ということを行っていた。
この計測は、患者にとって非人道的であることは明らかである。
なお、従来技術として、血圧計のための圧力センサに関する技術文献を非特許文献１及び２に示す。

非特許文献１には、血圧計に適用される容量型圧力センサと、その評価回路の一例が開示されている。この非特許文献１に開示されている評価回路を、図１０に示す。
図１０の回路は、ＮＯＴゲートとコンデンサと抵抗の組み合わせよりなる、無安定マルチバイブレータによる発振器である。この発振器の中に容量型圧力センサが介在することで、無安定マルチバイブレータの発振周波数が変化する。この周波数変化を、圧力センサの容量変化として取り出す。

なお、非特許文献２には、逐次比較型Ａ／Ｄコンバータの、アナログ−デジタル変換のアルゴリズムが開示されている。

木村勇、板倉隆「超小型血圧計用圧力センサの開発」OMRON TECHNICS Vol.41 No.2（通巻138号）2001 http://www.omron.co.jp/r_d/omtec/138/pdf/138-04.pdf マキシム・インテグレーテッド・プロダクツ「アプリケーションノート２０５２逐次比較型ＡＤＣについて理解する」 http://pdfserv.maxim-ic.com/jp/an/A4506J.pdf

前述の、非人道的な計測を解消するために、超小型のカプセル状計測装置を尿道口から膀胱へ挿入することが考えられる。その際、計測装置は超小型であると共に、三日間に渡って計測し続けなければならないので、超低消費電力でなければならない。

しかしながら、非特許文献１に開示されている発振回路は、発振を維持するために多くの電力を消費する、という問題がある。
一方、我々が所望するカプセル状の計測装置には、超小型の電池しか装備できない。したがって、このような回路は、三日間という長時間に渡って、大電力の外部電源の供給を受けずに計測をし続ける、という需要には適さない、という不都合がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、集積化が容易で超低消費電力であり、小型化に適した可変容量計測装置及び可変容量計測方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の可変容量計測装置は、可変容量コンデンサと、可変容量コンデンサに印加する容量測定用電圧源と、参照電圧源と、自然数Ｎ個の、公比１／２の等比級数で設定される静電容量よりなる複数の第一のコンデンサ群と、複数の第一のコンデンサ群に参照電圧源と接地とを選択的に接続する複数の第一の切り替えスイッチ群とよりなる容量オフセット補正回路と、自然数Ｌ個の、公比１／２の等比級数で設定される静電容量よりなる複数の第二のコンデンサ群と、複数の第二のコンデンサ群に参照電圧源と接地とを選択的に接続する複数の第二の切り替えスイッチ群とよりなる容量変化計測回路と、可変容量コンデンサと容量オフセット補正回路と容量変化計測回路に接続される放電用スイッチと、可変容量コンデンサと容量オフセット補正回路と容量変化計測回路に接続されるコンパレータと、第一の切り替えスイッチ群と第二の切り替えスイッチ群と放電用スイッチを制御するスイッチ制御部と、第一の切り替えスイッチ群の状態を記憶するオフセットビット記憶部と、第二の切り替えスイッチ群の状態を記憶する計測ビット記憶部とを具備する。

本発明の可変容量計測装置は、逐次比較型Ａ／Ｄコンバータを応用し、電圧の代わりに電荷を計測する。この際、初期段階の充電の動作が、逐次比較型Ａ／Ｄコンバータとは異なり、容量型圧力センサだけ、一定の電圧で充電する。このため、電圧ではなくコンデンサに蓄えられた電荷を計測することができ、以って静電容量を計測することができる。また、本発明の可変容量計測装置は、静電容量の変化を適格に検出するための容量オフセットキャンセル回路を設けている。

本発明により、集積化が容易で超低消費電力であり、小型化に適した可変容量計測装置及び可変容量計測方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を、図１〜図９を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態の例である、可変容量計測装置のブロック図である。
可変容量計測装置１０１は、容量型圧力センサＣ１０２と、容量オフセット補正回路１０３と、容量変化計測回路１０４と、コンパレータ１０５と、スイッチ制御部１０６と、ＲＡＭ１０７より構成される。
容量型圧力センサＣ１０２は、静電容量Ｃｓのコンデンサである。気体或は液体中に投入することにより、その雰囲気に存在する圧力に応じて、静電容量Ｃｓが変化する。
容量型圧力センサＣ１０２には、二つのスイッチが接続されている。一つはセンサ用電圧源Ｖｓとのオン・オフを制御するスイッチＳ１０８である。もう一つは接地のオン・オフを制御するスイッチＳ１０９である。この二つのスイッチは、どちらかが接続されているか、或は両方共接続されていないかの、三つの状態が存在する。

容量型圧力センサＣ１０２の、二つのスイッチＳ１０８及びＳ１０９が接続されていない方の端子には、コンパレータ１０５のマイナス側端子が接続されている。
そして、このラインには、容量オフセット補正回路１０３と、容量変化計測回路１０４が接続されている。

容量オフセット補正回路１０３は、Ｎ＋１個（Ｎは自然数）のコンデンサＣ１１０Ａ、Ｃ１１０Ｂ…Ｃ１１０Ｎ及びＣ１１１が並列接続されている。これらコンデンサは、静電容量Ｃｏを２のべき乗で割った静電容量で構成される。つまり、コンデンサＣ１１０ＡはＣｏ／２であり、コンデンサＣ１１０ＢはＣｏ／４であり、コンデンサＣ１１０ＣはＣｏ／８であり、コンデンサＣ１１０ＤはＣｏ／１６であり…と続く。
Ｎ番目のＣ１１０ＮとＣ１１１は、Ｃｏ／２^Ｎと、同じ静電容量である。
これら、Ｃ１１０ＡからＣ１１０Ｎ及びＣ１１１よりなる、Ｎ＋１個のコンデンサは、その合成静電容量がＣｏである。
これらＮ＋１個のコンデンサは、切り替えスイッチＳ１１２Ａ〜Ｓ１１２Ｎ及びＳ１１３を通じて、参照電圧源Ｖrefと接地のいずれかに接続される。

容量変化計測回路１０４は、Ｌ＋１個（Ｌは自然数）のコンデンサＣ１１４Ａ、Ｃ１１４Ｂ…Ｃ１１４Ｌ及びＣ１１５が並列接続されている。これらコンデンサは、静電容量Ｃｍを２のべき乗で割った静電容量で構成される。つまり、Ｃ１１４ＡはＣｍ／２であり、Ｃ１１４ＢはＣｍ／４であり、Ｃ１１４ＣはＣｍ／８であり、Ｃ１１４ＤはＣｍ／１６であり…と続く。
Ｌ番目のＣ１１４ＬとＣ１１５は、Ｃｍ／２^Ｌと、同じ静電容量である。
これら、Ｃ１１４ＡからＣ１１４Ｌ及びＣ１１５よりなる、Ｌ＋１個のコンデンサは、その合成静電容量がＣｍである。
これらＬ＋１個のコンデンサは、切り替えスイッチＳ１１６Ａ〜Ｓ１１６Ｌ及びＳ１１７を通じて、参照電圧源Ｖrefと接地のいずれかに接続される。
以上の説明よりわかるように、容量オフセット補正回路１０３と、容量変化計測回路１０４は、その回路構成は殆ど同じである。

また、ラインには容量型圧力センサＣ１０２、Ｃ１１０ＡからＣ１１０Ｎ及びＣ１１１、Ｃ１１４ＡからＣ１１４Ｌ及びＣ１１５を放電させるためのスイッチＳ１１８が接続されている。

コンパレータ１０５はマイナス側端子に印加された電圧がプラスかマイナスかを、接地電位と比較し、その結果を出力する。出力される判定結果（電圧の上下）は、スイッチ制御部１０６に入力される。
スイッチ制御部１０６はマイコンであり、ＲＡＭ１０７内にオフセットビット記憶部１１９と計測ビット記憶部１２０を設けている。スイッチ制御部１０６は、図７以降にて詳述する処理にて、スイッチＳ１０８、スイッチＳ１０９、切り替えスイッチＳ１１２Ａ〜Ｓ１１２Ｎ及びＳ１１３、切り替えスイッチＳ１１６Ａ〜Ｓ１１６Ｌ及びＳ１１７及びスイッチＳ１１８を制御する。

この処理は、大きく分けて二つの作業よりなる。
最初に、容量オフセット補正回路１０３の切り替えスイッチＳ１１２Ａ〜Ｓ１１２Ｎ及びＳ１１３を操作して、切り替えスイッチＳ１１２Ａ〜Ｓ１１２Ｎ及びＳ１１３の接続状態を決定する、オフセットキャンセル処理を行う。この動作の指令のために、押しボタンスイッチＳ１２１がスイッチ制御部１０６に接続されている。
次に、容量変化計測回路１０４の切り替えスイッチＳ１１６Ａ〜Ｓ１１６Ｌ及びＳ１１７を操作して、切り替えスイッチＳ１１６Ａ〜Ｓ１１６Ｌ及びＳ１１７の接続状態を決定する、計測処理を行う。この動作の指令のために、押しボタンスイッチＳ１２２がスイッチ制御部１０６に接続されている。

以上の処理の結果、オフセットビット記憶部１１９には、切り替えスイッチＳ１１２Ａ〜Ｓ１１２Ｎ及びＳ１１３の接続状態が記憶される。同様に、動作シーケンスの結果、計測ビット記憶部１２０には、切り替えスイッチＳ１１６Ａ〜Ｓ１１６Ｌ及びＳ１１７の接続状態が記憶される。
最終的には、スイッチ制御部１０６に設けられる、図示しない任意のインターフェースによって、計測ビット記憶部１２０の情報が取り出される。

なお、押しボタンスイッチＳ１２１及びＳ１２２は、スイッチ制御部１０６に動作指令を与えるための一例であり、動作指令を与える手段はこれに限られない。

容量オフセット補正回路１０３と、容量変化計測回路１０４と、スイッチＳ１１８とコンパレータ１０５は、周知の逐次比較型Ａ／Ｄコンバータを構成する。この逐次比較型Ａ／Ｄコンバータは、逐次比較レジスタ（SAR；Succesive Approximation Register）の略号「ＳＡＲ」を用いて、ＳＡＲ型Ａ／Ｄコンバータとも呼ばれる。Ａ／Ｄコンバータなので、アナログの電圧をデジタル値に変換する。この変換アルゴリズムは、周知の二分探索法である。この回路の原理は、例えば先に説明した非特許文献２に開示されている。

本実施形態では、電圧の代わりに電荷を計測する。これは、ＳＡＲ型Ａ／Ｄコンバータにおいても利用している、電荷保存則に基づく。但し、初期段階の充電の動作が、ＳＡＲ型Ａ／Ｄコンバータと、本実施形態では若干異なる。前者は全てのコンデンサで充電を行うが、本実施形態では容量型圧力センサＣ１０２（Ｃｓ）だけが充電を行う。

これより、本実施形態の可変容量計測装置１０１の、動作を説明する。
図２（ａ）及び（ｂ）は、可変容量計測装置１０１の初期段階の回路状態と、等価回路を説明する図である。
図３は、可変容量計測装置１０１の第二段階の回路状態を説明する図である。
図４（ａ）及び（ｂ）は、可変容量計測装置１０１の第三段階の回路状態と、等価回路を説明する図である。
図５（ａ）及び（ｂ）は、可変容量計測装置１０１の第四段階の回路状態と、等価回路を説明する図である。

スイッチ制御部１０６は、予め全てのコンデンサに溜まっている電荷を、全スイッチを接地させて放電させておく。
次に、スイッチ制御部１０６はスイッチを制御して、可変容量計測装置１０１を、図２（ａ）に示す初期段階の状態にする。この状態は、Ｃｓにのみセンサ用電圧源Ｖｓを供給し、これ以外のコンデンサは全て接地でショートさせた状態である。
この状態において、容量型圧力センサＣ１０２（Ｃｓ）の共通ラインＸ側には、電荷Ｑｘが溜まる。電荷Ｑｘは、
Ｑｘ＝−ＶｓＣｓ
である。

次に、スイッチ制御部１０６はスイッチを制御して、可変容量計測装置１０１を、図３に示す第二段階の状態にする。この状態は、Ｃｓに接続していたセンサ用電圧源Ｖｓを切断し、これ以外のコンデンサは全て接地でショートさせた状態である。この状態において、Ｃｓの共通ラインＸ側にあった電荷Ｑｘは、保持されている。

次に、スイッチ制御部１０６はスイッチを制御して、可変容量計測装置１０１を、図４（ａ）に示す第三段階の状態にする。この状態は、最初にスイッチＳ１１８を切断した後、容量型圧力センサＣ１０２（Ｃｓ）をも他のコンデンサと同様に接地させた状態である。この状態において、容量型圧力センサＣ１０２（Ｃｓ）の共通ラインＸ側にあった電荷Ｑｘは、他のコンデンサであるＣｏ群とＣｍ群にも分散するものの、全体の電荷量Ｑｘ自体は保持されている。
このように、容量型圧力センサＣ１０２（Ｃｓ）から他のコンデンサへ電荷が移動するので、共通ラインＸの電位は、当初の状態（−Ｖｓ）から上がる。言い換えれば、電位差の絶対値が縮小する。
このときの、可変容量計測装置１０１の等価回路が、図４（ｂ）である。共通ラインＸに存在する電荷Ｑｘは保持されているので、電圧Ｖｘは
Ｖｘ＝−Ｃｓ・Ｖｓ／（Ｃｓ＋Ｃｏ＋Ｃｍ）
となる。

次に、スイッチ制御部１０６はスイッチを制御して、可変容量計測装置１０１を、図５（ａ）に示す第四段階の状態にする。この状態は、コンデンサ群Ｃｏの、ＭＳＢに相当するコンデンサＣ１１０Ａ（Ｃｏ／２）に、参照電圧源Ｖrefを印加した状態である。この状態において、容量型圧力センサＣ１０２（Ｃｓ）の共通ラインＸ側にあった電荷Ｑｘは、他のコンデンサであるＣｏ群とＣｍ群にも分散するものの、全体の電荷量Ｑｘ自体は保持されている。
このときの、可変容量計測装置１０１の等価回路が、図５（ｂ）である。共通ラインＸに存在する電荷Ｑｘは保持されているので、電圧Ｖｘは
Ｖｘ＝（−Ｖｓ・Ｃｓ＋Ｖref・Ｃｏ／２）／（Ｃｓ＋Ｃｏ＋Ｃｍ）
となる。

ここで、この第四段階において導き出されたＶｘの式の分子に注目する。何故なら、第三段階の電圧Ｖｘの式と、第四段階の電圧Ｖｘの式の、分母は変わらないからである。
「−Ｖｓ・Ｃｓ＋Ｖref・Ｃｏ／２」という式は、その演算結果が正であるか負であるかで、コンパレータ１０５の判定結果が変わる。この式を「−Ｖｓ」で割ると、
Ｖref・Ｃｏ／２Ｖｓ−Ｃｓ
となる。上記式のうち、Ｖref／Ｖｓを定数Ｋと置き換えると、
Ｋ・Ｃｏ／２−Ｃｓ
となる。

上記式の結果が負の値になった場合、コンパレータ１０５は正の電圧、すなわち「１」を出力する。逆に、上記式の結果が正の値になった場合、コンパレータ１０５は接地電圧、すなわち「０」を出力する。
コンパレータ１０５が「１」の時は、当該ビットが立つことを示す。一旦「−Ｖｘ」まで下がった共通ラインＸの電位が、当該コンデンサを通じてＶrefで持ち上げても負の電位のままなので、当該ビットは必要だからである。
コンパレータ１０５が「０」の時は、当該ビットが立たないことを示す。一旦「−Ｖｘ」まで下がった共通ラインＸの電位が、当該コンデンサを通じてＶrefで持ち上げた結果、正の電位に転換したので、当該ビットは不要だからである。

参考までに、コンデンサＣ１１０Ａ（Ｃｏ／２）とコンデンサＣ１１０Ｂ（Ｃｏ／４）の両方にＶrefが印加された場合の、Ｖｘの演算結果は、
Ｖｘ＝（−Ｖｓ・Ｃｓ＋Ｖref・３Ｃｏ／４）／（Ｃｓ＋Ｃｏ＋Ｃｍ）
となる。分子に注目すると、
Ｋ・３Ｃｏ／４−Ｃｓ
が正か負かが、コンパレータ１０５によって判定されることとなる。
コンデンサＣ１１０Ｂ（Ｃｏ／４）のみにＶrefが印加された場合の、Ｖｘの演算結果は、
Ｖｘ＝（−Ｖｓ・Ｃｓ＋Ｖref・Ｃｏ／４）／（Ｃｓ＋Ｃｏ＋Ｃｍ）
となる。分子に注目すると、
Ｋ・Ｃｏ／４−Ｃｓ
が正か負かが、コンパレータ１０５によって判定されることとなる。

以下、同様に第四段階の動作を繰り返し、オフセットキャンセル用コンデンサＣｏの最後のビット（コンデンサＣ１１０Ｎ）の判定が終わるまで続く。

ここで、容量型圧力センサＣ１０２のオフセットについて説明する。
図６は、容量型圧力センサＣ１０２の、圧力に対する静電容量の変化を示すグラフである。
元々コンデンサである容量型圧力センサＣ１０２は、圧力が加わっていない状態でも、一定の静電容量を持っている。この状態から、圧力が加わるに連れて、電極同士の距離が縮まるので、容量型圧力センサＣ１０２の静電容量が増加する。

ところで、我々が計測したい対象は、圧力の変化である。我々が欲する装置は、ある基準圧力からどの程度まで変化したかを、定量化することを目的とする。したがって、本実施形態における、静電容量の変化を計測する装置は、静電容量の変化の幅を網羅するように設定されていることが望ましい。つまり、容量型圧力センサＣ１０２の、圧力を加える前の状態の静電容量は、計測装置にとっては邪魔な存在である。
容量オフセット補正回路１０３は、このために存在する。

これより、可変容量計測装置１０１の動作の流れを説明する。
図７は、可変容量計測装置１０１の全体の動作の手順を示すフローチャートである。
図８は、可変容量計測装置１０１の、オフセットキャンセル処理を示すフローチャートである。
図９は、可変容量計測装置１０１の、計測処理を示すフローチャートである。

図７を参照して、可変容量計測装置１０１の全体の動作の手順を説明する。
先ず、処理を開始すると（ステップＳ７０１）、予め、容量型圧力センサＣ１０２に基準圧力を加える（ステップＳ７０２）。
この状態で、押しボタンスイッチＳ１２１を操作して、可変容量計測装置１０１においてオフセットキャンセル処理を行う（ステップＳ７０３）。これは、前述の図２から図５に至るまでの動作である。
次に、測定対象の雰囲気の中へ、容量型圧力センサＣ１０２を投入する（ステップＳ７０４）。
そして、この状態で押しボタンスイッチＳ１２２を操作して、計測処理を行い（ステップＳ７０５）、計測が終わると終了する（ステップＳ７０６）。この時点で、計測ビット記憶部１２０には、容量型圧力センサＣ１０２の静電容量変化分に相当するデータが記憶されているので、これを取り出し、任意の計算機等にて利用する。

ところで、可変容量計測装置１０１は、ステップＳ７０３にてオフセットキャンセル処理を完遂した後、ようやくステップＳ７０５の圧力計測処理を実行することができる。このとき、使用者は、オフセットキャンセル処理が完遂したことを、何らかのユーザインターフェースで知ることができるとよい。例えばＬＥＤ等の発光等、視覚による通知や、所定の信号を生成する等の通知手段が考えられる。
また、予めオフセットキャンセル処理に要する時間が判っていれば、その時間だけ待てばよい。容量型圧力センサＣ１０２はおよそ数ｐＦ程度なので、充電する時間は一瞬で済む。また、コンパレータ１０５の動作速度も一般的に極めて高速なので、オフセットキャンセル処理及び計測処理にかかる時間は、数百ｎｓｅｃ〜数μｓｅｃ程度である。
いずれにせよ、ユーザインターフェースは実装形態に応じて任意に選択できるものである。

図８を参照して、オフセットキャンセル処理の動作を説明する。
処理を開始すると（ステップＳ８０１）、スイッチ制御部１０６は、最初に
・スイッチＳ１０８をオフ制御し、
・スイッチＳ１０９及びＳ１１８をオン制御し、
・切り替えスイッチＳ１１２Ａ〜Ｓ１１２Ｎ、Ｓ１１３、Ｓ１１６Ａ〜Ｓ１１６Ｌ、Ｓ１１７を全て接地側に接続する。この動作によって、容量型圧力センサＣ１０２、コンデンサＣ１１０ＡからＣ１１０Ｎ及びＣ１１１、Ｃ１１４ＡからＣ１１４Ｌ及びＣ１１５の、全てのコンデンサは全て放電される（ステップＳ８０２）。

次に、スイッチ制御部１０６はスイッチＳ１０８をオン制御して、容量型圧力センサＣ１０２にセンサ用電圧源Ｖｓを印加する（ステップＳ８０３）。すると、容量型圧力センサＣ１０２には電荷Ｑｘが溜まる。
次に、スイッチ制御部１０６はスイッチＳ１０８をオフ制御して、センサ用電圧源Ｖｓを容量型圧力センサＣ１０２から切断する（ステップＳ８０４）。この後、スイッチ制御部１０６はスイッチＳ１１８をオフ制御する（ステップＳ８０５）。

次に、スイッチ制御部１０６はスイッチＳ１０９をオン制御して、容量型圧力センサＣ１０２を接地する（ステップＳ８０６）。すると、容量型圧力センサＣ１０２に溜まっていた電荷Ｑｘは、コンデンサＣ１１０ＡからＣ１１０Ｎ及びＣ１１１、Ｃ１１４ＡからＣ１１４Ｌ及びＣ１１５の、全てのコンデンサに行き渡る。そして、その結果として、各コンデンサの端子間電圧Ｖｘが変わる。

次に、スイッチ制御部１０６内部のカウンタ変数ｉを、「１」に初期化する（ステップＳ８０７）。
これ以降の動作はループ処理である。
先ず、スイッチ制御部１０６は切り替えスイッチＳ１１２Ａ〜Ｓ１１２Ｎのうちのｉ番目のスイッチを制御して、オフセットキャンセル用コンデンサＣ１１０Ａ〜Ｃ１１０Ｎのうちのｉ番目のコンデンサに、参照電圧源Ｖrefを印加する（ステップＳ８０８）。
次に、スイッチ制御部１０６はコンパレータ１０５の判定結果を見る（ステップＳ８０９）。

ステップＳ８０９にてコンパレータの判定結果が「１」であれば（ステップＳ８０９のＹ）、スイッチ制御部１０６は、オフセットビット記憶部１１９の、ｉ番目のビットに「１」を書く（ステップＳ８１０）。
ステップＳ８０９にてコンパレータの判定結果が「０」であれば（ステップＳ８０９のＮ）、スイッチ制御部１０６は、改めて切り替えスイッチＳ１１２Ａ〜Ｓ１１２Ｎのうちのｉ番目のスイッチを制御して、オフセットキャンセル用コンデンサＣ１１０Ａ〜Ｃ１１０Ｎのうちのｉ番目のコンデンサを、参照電圧源Ｖrefから接地へ切り替える（ステップＳ８１１）。そして、オフセットビット記憶部１１９の、ｉ番目のビットに「０」を書く（ステップＳ８１２）。

ステップＳ８１０或はステップＳ８１２の後、スイッチ制御部１０６は、カウンタ変数ｉをインクリメントする（ステップＳ８１３）。そして、カウンタ変数ｉがオフセットキャンセル用コンデンサＣ１１０Ａ〜Ｃ１１０Ｎの、Ｎ個を越えたか否かを検証する（ステップＳ８１４）。カウンタ変数ｉがＮを越えていなければ、再びステップＳ８０８に戻り、処理を続ける。越えていれば、処理を終了する（ステップＳ８１５）。

図９を参照して、計測処理の動作を説明する。
なお、ステップＳ９０１からステップＳ９０６までは、図８のステップＳ８０１からステップＳ８０６と同一である。
処理を開始すると（ステップＳ９０１）、スイッチ制御部１０６は、最初に
・スイッチＳ１０８をオフ制御し、
・スイッチＳ１０９及びＳ１１８をオン制御し、
・切り替えスイッチＳ１１２Ａ〜Ｓ１１２Ｎ、Ｓ１１３、Ｓ１１６Ａ〜Ｓ１１６Ｌ、Ｓ１１７を全て接地側に接続する。この動作によって、容量型圧力センサＣ１０２、コンデンサＣ１１０ＡからＣ１１０Ｎ及びＣ１１１、Ｃ１１４ＡからＣ１１４Ｌ及びＣ１１５の、全てのコンデンサは全て放電される（ステップＳ９０２）。

次に、スイッチ制御部１０６はスイッチＳ１０８をオン制御して、容量型圧力センサＣ１０２にセンサ用電圧源Ｖｓを印加する（ステップＳ９０３）。すると、容量型圧力センサＣ１０２には電荷Ｑｘが溜まる。
次に、スイッチ制御部１０６はスイッチＳ１０８をオフ制御して、センサ用電圧源Ｖｓを容量型圧力センサＣ１０２から切断する（ステップＳ９０４）。この後、スイッチ制御部１０６はスイッチＳ１１８をオフ制御する（ステップＳ９０５）。

次に、スイッチ制御部１０６はスイッチＳ１０９をオン制御して、容量型圧力センサＣ１０２を接地する（ステップＳ９０６）。すると、容量型圧力センサＣ１０２に溜まっていた電荷Ｑｘは、コンデンサＣ１１０ＡからＣ１１０Ｎ及びＣ１１１、Ｃ１１４ＡからＣ１１４Ｌ及びＣ１１５の、全てのコンデンサに行き渡る。そして、その結果として、各コンデンサの端子間電圧Ｖｘが変わる。
以上が、図８のステップＳ８０１からステップＳ８０６と同一の処理である。

次に、スイッチ制御部１０６はオフセットビット記憶部１１９に記憶されているデータを読み込み、切り替えスイッチＳ１１２Ａ〜Ｓ１１２Ｎをオフセットビット記憶部１１９に記憶されているデータの通りに切り替え制御する（ステップＳ９０７）。

次に、スイッチ制御部１０６内部のカウンタ変数ｉを、「１」に初期化する（ステップＳ９０８）。
これ以降の動作はループ処理である。
先ず、スイッチ制御部１０６は切り替えスイッチＳ１１６Ａ〜Ｓ１１６Ｌのうちのｉ番目のスイッチを制御して、計測用コンデンサＣ１１４Ａ〜Ｃ１１４Ｌのうちのｉ番目のコンデンサに、参照電圧源Ｖrefを印加する（ステップＳ９０９）。
次に、スイッチ制御部１０６はコンパレータ１０５の判定結果を見る（ステップＳ９１０）。

ステップＳ９１０にてコンパレータの判定結果が「１」であれば（ステップＳ９１０のＹ）、スイッチ制御部１０６は、計測ビット記憶部１２０のｉ番目のビットに「１」を書く（ステップＳ９１１）。
ステップＳ９１０にてコンパレータの判定結果が「０」であれば（ステップＳ８０９のＮ）、スイッチ制御部１０６は、改めて切り替えスイッチＳ１１６Ａ〜Ｓ１１６Ｌのうちのｉ番目のスイッチを制御して、計測用コンデンサＣ１１４Ａ〜Ｃ１１４Ｌのうちのｉ番目のコンデンサを、参照電圧源Ｖrefから接地へ切り替える（ステップＳ９１２）。そして、計測ビット記憶部１２０の、ｉ番目のビットに「０」を書く（ステップＳ９１３）。

ステップＳ９１１或はステップＳ９１３の後、スイッチ制御部１０６は、カウンタ変数ｉをインクリメントする（ステップＳ９１４）。そして、カウンタ変数ｉが計測用コンデンサＣ１１４Ａ〜Ｃ１１４Ｌの、Ｌ個を越えたか否かを検証する（ステップＳ９１５）。カウンタ変数ｉがＬを越えていなければ、再びステップＳ９０９に戻り、処理を続ける。越えていれば、処理を終了する（ステップＳ９１６）。

以上の説明から判るように、オフセットキャンセル処理と計測処理の主要部分は、殆ど共通している。スイッチの制御対象が変わることと、計測処理は予めオフセットキャンセルのためのスイッチ操作を行ってから処理を行う手順が追加されているだけである。

本実施形態の可変容量計測装置１０１には、以下に示す特徴がある。
（１）超低消費電力を実現できる。
回路を構成する主要な要素は、コンデンサとコンパレータである。この部分は貫通電流が流れない。したがって、従来技術の周波数型容量計測装置等と比べると、消費電力が極めて小さい。
（２）集積化が容易である。
コンデンサは集積回路に納めることが容易である。また、その際、べき乗による静電容量の形成は、正方形を半分に割る、という、べき乗の定理そのままの形態が利用できる。
（３）温度変化に強い。
一般的に抵抗は温度変化によって抵抗値が変化する。しかし、コンデンサは温度による静電容量の変化が無視できる程極めて小さいので、正確な測定が実現できる。

本実施形態には、以下のような応用例が考えられる。
（１）切り替えスイッチＳ１１２Ａ〜Ｓ１１２Ｎ及びＳ１１３を通じて、コンデンサＣ１１０ＡからＣ１１０Ｎ及びＣ１１１に印加する参照電圧源と、切り替えスイッチＳ１１６Ａ〜Ｓ１１６Ｌ及びＳ１１７を通じて、コンデンサＣ１１４ＡからＣ１１４Ｌ及びＣ１１５に印加する参照電圧源とを、異なる電圧にすることができる。これは、容量型圧力センサの特性に応じて、参照電圧源とセンサ用電圧源を適切に設定することで、容量型圧力センサの容量変化に適合した可変容量計測装置を実現するためである。

本実施形態においては、可変容量計測装置を開示した。
本実施形態の可変容量計測装置を構成する主要な要素は、コンデンサとコンパレータであるので、貫通電流が一切流れない。したがって、従来技術と比べて、消費電力を圧倒的に小さくすることができる。
また、コンデンサは集積回路に納めることが容易であるので、本実施形態の可変容量計測装置は、集積化が容易であり、小型化に適している。
更に、コンデンサは温度による静電容量の変化が無視できる程極めて小さいので、温度変化が大きい医療用途の測定において、正確な圧力測定が実現できる。

以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含むことは言うまでもない。

本発明の実施形態の例である、可変容量計測装置のブロック図である。可変容量計測装置の初期段階の回路状態と、等価回路を説明する図である。可変容量計測装置の第二段階の回路状態を説明する図である。可変容量計測装置の第三段階の回路状態と、等価回路を説明する図である。可変容量計測装置の第四段階の回路状態と、等価回路を説明する図である。容量型圧力センサの、圧力に対する静電容量の変化を示すグラフである。可変容量計測装置の全体の動作の手順を示すフローチャートである。可変容量計測装置の、オフセットキャンセル処理を示すフローチャートである。可変容量計測装置の、計測処理を示すフローチャートである。従来技術の容量型圧力センサと、その評価回路の一例である。

符号の説明

１０１…可変容量計測装置、Ｃ１０２…容量型圧力センサ、１０３…容量オフセット補正回路、１０４…容量変化計測回路、１０５…コンパレータ、１０６…スイッチ制御部、１０７…ＲＡＭ、Ｓ１０８…スイッチ、Ｓ１０９…スイッチ、Ｃ１１０Ａ、Ｃ１１０Ｂ〜Ｃ１１０Ｎ…コンデンサ、Ｃ１１１…コンデンサ、Ｓ１１２Ａ、Ｓ１１２Ｂ〜Ｓ１１２Ｎ…切り替えスイッチ、Ｓ１１３…切り替えスイッチ、Ｃ１１４Ａ、Ｃ１１４Ｂ〜Ｃ１１４Ｌ…コンデンサ、Ｃ１１５…コンデンサ、Ｓ１１６Ａ、Ｓ１１６Ｂ〜Ｓ１１６Ｌ…切り替えスイッチ、Ｓ１１７…切り替えスイッチ、Ｓ１１８…スイッチ、１１９…オフセットビット記憶部、１２０…計測ビット記憶部、Ｓ１２１…押しボタンスイッチ、Ｓ１２２…押しボタンスイッチ

Claims

可変容量コンデンサと、
前記可変容量コンデンサに印加する容量測定用電圧源と、
参照電圧源と、
自然数Ｎ個の、公比１／２の等比級数で設定される静電容量よりなる複数の第一のコンデンサ群と、
前記複数の第一のコンデンサ群に前記参照電圧源と接地とを選択的に接続する複数の第一の切り替えスイッチ群とよりなる容量オフセット補正回路と、
自然数Ｌ個の、公比１／２の等比級数で設定される静電容量よりなる複数の第二のコンデンサ群と、
前記複数の第二のコンデンサ群に前記参照電圧源と接地とを選択的に接続する複数の第二の切り替えスイッチ群とよりなる容量変化計測回路と、
前記可変容量コンデンサと前記容量オフセット補正回路と前記容量変化計測回路に接続される放電用スイッチと、
前記可変容量コンデンサと前記容量オフセット補正回路と前記容量変化計測回路に接続されるコンパレータと、
前記第一の切り替えスイッチ群と前記第二の切り替えスイッチ群と前記放電用スイッチを制御するスイッチ制御部と、
前記第一の切り替えスイッチ群の状態を記憶するオフセットビット記憶部と、
前記第二の切り替えスイッチ群の状態を記憶する計測ビット記憶部と
を具備する可変容量計測装置。
前記参照電圧源は、前記第一のコンデンサ群と前記第二のコンデンサ群とで異なる電圧を供給する、請求項１記載の可変容量計測装置。
公比１／２の等比級数で設定される静電容量の複数の第一のコンデンサ群と、公比１／２の等比級数で設定される静電容量の複数の第二のコンデンサ群が接続されている、容量値の変化の原点となる動作環境状態にある可変容量コンデンサに、基準電圧を印加する第一基準電圧印加ステップと、
前記可変容量コンデンサに印加していた前記基準電圧を除去する第一基準電圧除去ステップと、
前記可変容量コンデンサと、前記第一のコンデンサ群及び前記第二のコンデンサ群の接続点の電位を接地電位と比較し、その比較電圧差がゼロに収束するように、前記複数の第一のコンデンサ群の各コンデンサに印加される電圧を参照電圧もしくは接地電圧を選択するように制御し、前記複数の第一のコンデンサ群の前記参照電圧との接続状態を記憶するオフセット記憶ステップと、
使用状態の前記可変容量コンデンサに前記基準電圧を印加する第二基準電圧印加ステップと、
前記可変容量コンデンサに印加していた前記基準電圧を除去する第二基準電圧除去ステップと、
前記記憶された前記複数の第一のコンデンサ群の前記参照電圧との接続状態に基づき前記複数の第一のコンデンサ群の各コンデンサに印加される電圧を参照電圧もしくは接地電圧を選択するオフセットロードステップと、
前記可変容量コンデンサと、第一および第二のコンデンサ群の接続点の電位を接地電位と比較し、その比較電圧差がゼロに収束するように前記複数の第二のコンデンサ群の各コンデンサに印加される電圧を参照電圧もしくは接地電圧を選択するように制御し、前記複数の第二のコンデンサ群の前記参照電圧との接続状態を記憶する静電容量変化記憶ステップと、
前記記憶された第二のコンデンサ群の前記参照電圧との接続状態により前記容量値の変化の原点となる動作環境状態からの容量値の変化を計測する計測ステップと
を有する可変容量計測方法。