JP6804284B2 - 静電容量型センサ - Google Patents

Description

本発明は、静電容量型圧力センサなどの物理量を測定する静電容量型センサに関するものである。

この種の静電容量型圧力センサとしては、図３に示すように、圧力を受けて変形するダイアフラム及び固定電極により形成された検出コンデンサと、当該検出コンデンサに直列接続された固定コンデンサとを有し、これらのコンデンサに矩形波電圧を印加して、前記検出コンデンサにかかる分圧を検出するものがある（特許文献１）。このように検出コンデンサにかかる分圧を検出することによって、ダイアフラムにかかる圧力を測定することができる。

具体的には、検出コンデンサにかかる分圧をオペアンプ（初段アンプ）により検出して、当該初段アンプの出力電圧を、反転・非反転回路（アナログスイッチを含む。）を用いて、前記出力電圧を直流電圧に合成し、その合成された直流電圧の大きさによって圧力を演算するように構成されている。

この静電容量型圧力センサでは、ダイアフラムがフレーム接地（フレームグラウンド）されるとともに、反転・非反転回路等の検出回路は、基準となる電位を与えるためにシグナル接地（シグナルグラウンド）されている。

従来の静電容量型センサでは、フレーム接地の接地電位（ＦＧ電位）と、シグナル接地の接地電位（ＳＧ電位）とが同じであるとして、以下の式が成立するとして、分圧を検出している。

Ｖ_ｄｉｖ（ａｃ）＝Ｖ_ｅｘｃ（ａｃ）×Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃｄ）
なお、図３中のＦＧ−ＳＧ拘束部は、フレーム接地とシグナル接地とを絶縁するものであり、そのインピーダンスは、矩形波電圧の周波数に対して十分に低く、Ｖ_ｆｇ（ａｃ）＝Ｖ_ｓｇ（ａｃ）であることを前提としている。接尾記号（ａｃ）は、ＳＧ電位から見た各信号の交流電圧成分を示す（以下、本明細書において同様）。

しかしながら、静電容量型センサを例えば強いノイズ環境下などで使用した場合に、Ｖ_ｆｇ（ａｃ）＝Ｖ_ｓｇ（ａｃ）の関係が崩れて、フレーム接地とシグナル接地との間にノイズ電圧が生じてしまう。つまり、フレーム接地がノイズ源となってしまう。

ＳＧ電位から見たＦＧ電位の交流電圧成分を、Ｖ_ｆｇ（ａｃ）とすれば、以下の式のように、Ｖ_ｆｇ（ａｃ）に比例する項が現れ、この成分が誤差となってしまう。
Ｖ_ｄｉｖ＝［Ｖ_ｅｘｃ（ａｃ）×Ｃｓ＋Ｖ_ｆｇ（ａｃ）×Ｃｄ］／（Ｃｓ＋Ｃｄ）

特開２０１６−１０９４６５号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、静電容量型センサに加わるノイズ電圧の影響を除去することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る静電容量型センサは、外力を受けて変形するダイアフラム及び固定電極により形成された検出コンデンサと、当該検出コンデンサと直列に接続された固定コンデンサとを有し、これらのコンデンサに電圧を印加して、前記検出コンデンサにかかる分圧を検出するものであり、前記ダイアフラムがフレームに接続された静電容量型センサであって、前記フレームに接続されて、前記フレームに生じるノイズ電圧を検出するノイズ電圧検出部と、前記検出コンデンサ及び前記固定コンデンサに印加される電圧に前記ノイズ電圧を足し合わせるノイズ電圧加算部と、前記検出コンデンサの分圧から前記足し合わせたノイズ電圧を差し引くノイズ電圧減算部とを備えることを特徴とする。

このような静電容量型センサであれば、ダイアフラムがフレームに接続された検出コンデンサの分圧を検出するものにおいて、フレームに生じるノイズ電圧をコンデンサに印加される電圧に足し合わせるとともに、検出コンデンサの分圧から前記足し合わせたノイズ電圧を差し引いているので、ノイズ電圧の影響を除去することができる。

前記ノイズ電圧検出部の具体的な実施の態様としては、前記交流電圧成分を通過させるコンデンサと、当該コンデンサの後段に一端が接続されて他端が接地された抵抗とを備えることが望ましい。

静電容量型センサは、前記検出コンデンサにかかる分圧を検出する分圧検出部を備える。この分圧検出部により検出された分圧に含まれるノイズ電圧を精度よく差し引くためには、前記分圧検出部は、前記分圧の交流電圧成分を通過させるコンデンサと、当該コンデンサの後段に一端が接続されて他端が接地された抵抗とを備え、前記ノイズ電圧検出部の時定数と前記分圧検出部の時定数とが同一であることが望ましい。

本発明によれば、静電容量型センサのダイアフラムが接続されたフレーム接地に生じるノイズ電圧の影響を除去することができる。

本実施形態の静電容量型圧力センサの回路構成を示す模式図である。 同実施形態の検出コンデンサを主として示す模式的断面図である。 従来の静電容量型圧力センサの回路構成を示す模式図である。

以下に本発明に係る静電容量型センサの一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態の静電容量型センサ１００は圧力を検出する片接地型のものであり、図１に示すように、圧力を受けて静電容量が変化する検出コンデンサ２と、基準静電容量を有する固定コンデンサ３と、初期電圧Ｖ_ｃｌｋを生成する初期電圧生成部４と、フレーム接地に生じるノイズ電圧Ｖ_ｆｇの交流電圧成分Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}に対応するノイズ検出電圧Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}を検出するノイズ電圧検出部５と、ノイズ検出電圧Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}を初期電圧Ｖ_ｃｌｋに足し合わせるノイズ電圧加算部６と、検出コンデンサ２にかかる分圧Ｖ_ｄｉｖの交流電圧成分Ｖ_ｄｉｖ（ａｃ）を出力する分圧検出部７と、分圧検出部７の出力電圧Ｖ_ｄｉｖ（ａｃ）からノイズ検出電圧Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}を差し引くノイズ電圧減算部８と、ノイズ検出電圧Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}が差し引かれた出力電圧Ｖ_ｓｕｂｔを直流電圧Ｖ_ｄｃに変換する直流電圧変換部９と、変換された直流電圧Ｖ_ｄｃの大きさによって圧力を演算する圧力演算部１０とを備えている。

以下、各部２〜１０について説明する。

検出コンデンサ２は、圧力を受けて変形するダイアフラム２１及び当該ダイアフラム２１に対向して設けられた固定電極２２により形成されている。ダイアフラム２１の固定電極２２に対する対向面及び固定電極２２のダイアフラム２１に対向する対向面はともに平面であり、ダイアフラム２１が圧力を受けて変形することにより、これらの対向面の距離が変化することによって、検出コンデンサ２の静電容量が変化する。

具体的に検出コンデンサ２は、図２に示すように、固定電極２２が封止ガラスによって固定されたハウジング２３の一端に形成された凹部の開口周縁部にダイアフラム２１が溶接により接合されている。また、ハウジング２３に溶接されたダイアフラム２１の受圧面側の周縁部には、流路を形成する配管部材Ｈに取り付けられて、受圧面に流体を導く導入ブロック２４が溶接により接合されている。このように構成された検出コンデンサ２は、導入ブロック２４に設けられた導入口を介してダイアフラム２１側に流体が流れ込むことによってダイアフラム２１が当該流体の圧力によって変位する。

また、検出コンデンサ２のダイアフラム２１は、ハウジング２３や導入ブロック２４等のフレームに接続（具体的には溶接）されることによってフレーム接地されている。ダイアフラム２１がフレーム接地されるハウジング２３や導入ブロック２４等の部材は、金属などの導体からなる。なお、配管部材Ｈは、別途、図示しないアース（接地）が取られている。強いノイズ環境下では、配管部材Ｈや配管部材Ｈとアースとを繋ぐケーブル（不図示）、フレーム等にノイズが発生し、フレーム接地から検出コンデンサ２にノイズ電圧が入力されてしまう。

なお、ダイアフラム２１とフレーム接地との間には、フレーム接地とシグナル接地とを絶縁するための絶縁コンデンサ１３１及び当該絶縁コンデンサ１３１に並列接続された抵抗１３２からなる絶縁部１３が設けられている。ここで、シグナル接地は、直流電圧変換部９等の検出回路部の基準となる電位を与えるための接地である。

固定コンデンサ３は、検出コンデンサ２が受ける圧力に関係なく変化しない固定の静電容量を有するものである。この固定コンデンサ３は、前記検出コンデンサ２の固定電極２２側に直列に接続されている。圧力の測定中に静電容量が固定であればよく、測定以外で静電容量が調整できるものであっても良い。

初期電圧生成部４は、検出コンデンサ２及び固定コンデンサ３に印加される所定周波数の矩形波状の初期電圧Ｖ_ｃｌｋを生成するものであり、一定の直流電圧（例えば２．５Ｖの直流電圧）を生成する例えばリファレンスＩＣ等のリファレンス電圧生成部と、その直流電圧を外部から入力される所定のＰＷＭ信号により所定周波数（例えば２５ｋＨｚ）の初期電圧Ｖ_ｃｌｋに変換する変換部とを有する。

ノイズ電圧検出部５は、ノイズ源であるフレーム接地に接続されて、当該フレーム接地に生じるノイズ電圧Ｖ_ｆｇの交流電圧成分Ｖ_ｆｇ（ａｃ）を検出して、その交流電圧成分Ｖ_ｆｇ（ａｃ）を対応するノイズ検出電圧Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}を出力するものである。ここで、Ｖ_ｆｇ（ａｃ）＝Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}である。

具体的にノイズ電圧検出部５は、ハイパスフィルタであり、交流電圧成分を通過させるコンデンサ５１（静電容量Ｃ１）と、当該コンデンサ５１の後段に一端が接続されて他端が接地された抵抗５２（抵抗値Ｒ１）とを備えている。

ノイズ電圧加算部６は、ノイズ電圧検出部５により検出されたノイズ検出電圧Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}と、初期電圧生成部４により生成された初期電圧Ｖ_ｃｌｋとを足し合わせるものであり、具体的には差動アンプを用いて構成されている。差動アンプ６の負極入力端子に、初期電圧生成部４で生成された初期電圧Ｖ_ｃｌｋが入力され、正極入力端子に、ノイズ電圧検出部５で検出されたノイズ検出電圧Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}が入力される。そして、差動アンプ６の出力端子からコンデンサ２、３に印加される印加電圧（Ｖ_ｃｌｋ＋Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}）を出力して、固定コンデンサ３の一方の端子に印加電圧（Ｖ_ｃｌｋ＋Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}）を印加する。

分圧検出部７は、印加電圧（Ｖ_ｃｌｋ＋Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}）が印加された場合の検出コンデンサ２にかかる分圧Ｖ_ｄｉｖを出力するものである。具体的に分圧検出部７は、バッファアンプとして機能するオペアンプ７１と、当該オペアンプ７１の出力側に設けられ、分圧Ｖ_ｄｉｖの交流電圧成分Ｖ_ｄｉｖ（ａｃ）を通過させるコンデンサ７２（静電容量Ｃ２）と、当該コンデンサ７２の後段に一端が接続されて他端が接地された抵抗７３（抵抗値Ｒ２）とを備えている。本実施形態では、ノイズ電圧検出部５の時定数（Ｃ１×Ｒ１）と分圧検出部７の時定数（Ｃ２×Ｒ２）とが同一となるように構成されている。なお、分圧検出部７の抵抗７３の抵抗値Ｒ２は、交流電圧成分Ｖ_ｄｉｖ（ａｃ）の波高値の１／２が振幅中心となるように設定されている。

ここで、分圧検出部７から出力される交流電圧成分Ｖ_ｄｉｖ（ａｃ）は、以下の式で表される。なお、Ｃｓは、固定コンデンサ３の静電容量であり、Ｃｄは、検出コンデンサ２の静電容量である。
Ｖ_ｄｉｖ（ａｃ）＝
｛［Ｖ_ｃｌｋ（ａｃ）＋Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}］×Ｃｓ＋Ｖ_ｆｇ（ａｃ）×Ｃｄ｝／（Ｃｓ＋Ｃｄ）
ここで、Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}＝Ｖ_ｆｇ（ａｃ）であることから、
Ｖ_ｄｉｖ（ａｃ）＝［Ｖ_ｃｌｋ（ａｃ）×Ｃｓ］／（Ｃｓ＋Ｃｄ）＋Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}

ノイズ電圧減算部８は、分圧検出部７から出力された交流電圧成分Ｖ_ｄｉｖ（ａｃ）から、当該交流電圧成分Ｖ_ｄｉｖ（ａｃ）に含まれるノイズ検出電圧Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}を差し引くものであり、具体的には差動アンプを用いて構成されている。差動アンプ８の負極入力端子に、分圧検出部７から出力された交流電圧成分Ｖ_ｄｉｖ（ａｃ）が入力され、正極入力端子に、ノイズ電圧検出部５で検出されたノイズ検出電圧Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}が入力される。

ここで、ノイズ電圧減算部８によりノイズ検出電圧Ｖ_{ａｃ＿ｆｇ}が差し引かれた交流電圧成分Ｖ_ｓｕｂｔ（ａｃ）は、以下の式になる。
Ｖ_ｓｕｂｔ（ａｃ）＝［Ｖ_ｃｌｋ（ａｃ）×Ｃｓ］／（Ｃｓ＋Ｃｄ）
したがって、直流電圧変換部９には、ノイズ電圧Ｖ_ｆｇ（ａｃ）が重畳した場合と重畳しない場合のいずれの場合であっても、ノイズ電圧Ｖ_ｆｇ（ａｃ）の影響が除かれた交流電圧成分Ｖ_ｓｕｂｔ（ａｃ）が出力される。

直流電圧変換部９は、ノイズ電圧減算部８から出力された交流電圧成分Ｖ_ｓｕｂｔ（ａｃ）を反転・非反転回路を用いて直流電圧Ｖ_ｄｃに変換するものである。反転・非反転を切り替えるスイッチは、初期電圧生成部４からのＰＷＭ信号を取得して、当該ＰＷＭ信号の所定周波数に合わせて反転・非反転が切り替わる。

圧力演算部１０は、直流電圧変換部９から出力される直流電圧Ｖ_ｄｃを取得して、その直流電圧Ｖ_ｄｃに基づいて圧力を演算するものである。具体的に圧力演算部１０は、圧力との関係を示す電圧−圧力関連データ又は検量線データを有しており、この電圧−圧力関連データ又は検量線データに基づいて圧力を演算する。本実施形態では、圧力演算部１０の前段に増幅器１１及びローパスフィルタ１２が設けられている。

このように構成した静電容量型圧力センサ１００によれば、フレーム接地に生じるノイズ電圧Ｖ_ｆｇ（ａｃ）をコンデンサ２、３に印加される電圧Ｖ_ｃｌｋ（ａｃ）に足し合わせるとともに、検出コンデンサ２の分圧Ｖ_ｄｉｖ（ａｃ）から前記足し合わせたノイズ電圧Ｖ_ｆｇ（ａｃ）を差し引いているので、ノイズ電圧Ｖ_ｆｇ（ａｃ）の影響を除去することができる。

また、ノイズ電圧検出部５は、ハイパスフィルタを用いているので、検出コンデンサ２に影響を与えるノイズ電圧Ｖ_ｆｇ（ａｃ）を精度よく再現することができる。

さらに、ノイズ電圧検出部５であるハイパスフィルタの時定数（Ｃ１×Ｒ１）と、分圧検出部７の時定数（Ｃ２×Ｒ２）とを同一にしているので、分圧検出部７により検出された分圧Ｖ_ｄｉｖ（ａｃ）に含まれるノイズ電圧Ｖ_ｆｇ（ａｃ）を精度よく差し引くことができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態のセンサは、圧力を検出するものであったが、加速度を検出するものであっても良い。

さらに、本発明の静電容量型センサは、検出コンデンサのダイアフラム及び固定電極の間の空間を測定対象で満たすことによる静電容量の変化を検出することによって、測定対象の湿度や測定対象に含まれる所定成分の濃度や誘電率などを検出することもできる。

その上、前記実施形態では、ノイズ電圧加算部６及びノイズ電圧減算部８でノイズ電圧検出部が共通であったが、それぞれ個別にノイズ電圧検出部（ハイパスフィルタ）を設けても良い。この場合、ノイズ電圧加算部６に接続されるノイズ電圧検出部の時定数は、ノイズ電圧減算部８に接続されるノイズ電圧検出部の時定数よりも大きくなるように設定されている。これにより、周波数の低いノイズ成分も加算することができ、ノイズ電圧の再現性を向上させることができる。

前記実施形態では、ノイズ電圧検出部により検出されたノイズ検出電圧をノイズ電圧加算部６及びノイズ電圧減算部８に入力するように構成しているが、ノイズ電圧検出部により検出されたノイズ電圧の振幅を変更するなどの加工をして、その加工したノイズ電圧をノイズ電圧加算部６及びノイズ電圧減算部８に入力するようにしても良い。

前記実施形態では、ノイズ検出電圧は、ノイズ電圧の交流電圧成分であったが、ノイズ電圧の直流電圧成分を含むものであっても良い。

その他、本発明は前記各実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・静電容量型圧力センサ
２・・・検出コンデンサ
２１・・・ダイアフラム
２２・・・固定電極
３・・・固定コンデンサ
４・・・初期電圧生成部
５・・・ノイズ電圧検出部
５１・・・コンデンサ
５２・・・抵抗
６・・・ノイズ電圧加算部
７・・・分圧検出部
７２・・・コンデンサ
７３・・・抵抗
８・・・ノイズ電圧減算部
９・・・直流電圧変換部
１０・・・圧力演算部

Claims (3)

1. 外力を受けて変形するダイアフラム及び固定電極により形成された検出コンデンサと、当該検出コンデンサと直列に接続された固定コンデンサとを有し、これらのコンデンサに電圧を印加して、前記検出コンデンサにかかる分圧を検出するものであり、前記ダイアフラムがフレームに接続された静電容量型センサであって、
   前記フレームに接続されて、前記フレームに生じるノイズ電圧を検出するノイズ電圧検出部と、
   前記検出コンデンサ及び前記固定コンデンサに印加される電圧に前記ノイズ電圧を足し合わせるノイズ電圧加算部と、
   前記検出コンデンサの分圧から前記足し合わせたノイズ電圧を差し引くノイズ電圧減算部とを備える静電容量型センサ。
2. 前記ノイズ電圧検出部は、前記ノイズ電圧の交流電圧成分を通過させるコンデンサと、当該コンデンサの後段に一端が接続されて他端が接地された抵抗とを備える、請求項１記載の静電容量型センサ。
3. 前記検出コンデンサにかかる分圧を検出する分圧検出部を備え、
   前記分圧検出部は、前記分圧の交流電圧成分を通過させるコンデンサと、当該コンデンサの後段に一端が接続されて他端が接地された抵抗とを備え、
   前記ノイズ電圧検出部の時定数と前記分圧検出部の時定数とが同一である、請求項２記載の静電容量型センサ。