JPH09280886A - 静電容量型センサのデジタル演算回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】カウンタ９０が電極固定のセンサキャパシタ１
５を用いた発振回路１０の出力周波数ｆ４を入力し設定
数を計える迄の間に、カウンタ８０が被測定圧力にて容
量変化するセンサキャパシタ２５を用いた発振回路２０
の出力周波数ｆ３を入力し計数した数と、カウンタ８０
の設定数との差に対応する数のパルス出力Ｐｏｕｔを測
定結果とし、発振回路４０の定周波出力ｆ２にて出力す
るセンサ回路で、高価な部品を使わずにゼロ点とゲイン
の調整を独立化する等の機能向上を計る。 【解決方法】カウンタ９０の設定数の計数終了時にカウ
ンタ８０の入力をｆ３からゲイン設定用発振回路３０の
出力ｆ１の分周周波数ｆ１’に切換え、カウンタ８０の
設定数までの前記差の数を計えさせ、この差数の計数期
間のｆ２をＰｏｕｔとする。ｆ１とｆ２の比はゲイン抵
抗ＧＲで可変でき、このゲイン調整はカウンタ８０，９
０の設定数の調整（ゼロ点調整）と独立である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えばＦＣ発振
形流量計、ガスメータ、水道メータなどの圧力センサな
どとして用いられ、検出する圧力，変位などの被検出物
理量の変化に応じて静電容量が変化する静電容量型セン
サにおける、静電容量の変化を発振周波数の変化として
取出し、デジタル演算によって被検出物理量を測定する
演算回路であって、特に高価な部品を用いることなく、
同一の被検出物理量に対する測定出力のゲイン調整，出
力分解能の切換え，絶対値測定と相対値測定の切換え等
を容易に行えるようにした演算回路としての静電容量型
センサのデジタル演算回路に関する。

【０００２】なお以下各図において同一の符号は同一も
しくは相当部分を示す。

【０００３】

【従来の技術】図１０，図１１はこの種の静電容量型セ
ンサの異なる構造例を示す模式図である。この両図にお
いて２１は圧力等の物理量に応じて変位するダイヤフラ
ム、２２はダイヤフラム２１の変位によって変位する可
動電極、１１は固定電極である。そして固定電極１１の
１枚の可動電極２２は可動電極２２の変位によって静電
容量が変化する可動センサキャパシタ２５を構成し、固
定電極１１の２枚は固定センサキャパシタ１５を構成し
ている。

【０００４】なお、図１０は可動電極２２を１枚，固定
電極１１を３枚使用して、固定センサキャパシタ１５と
可動センサキャパシタ２５で夫々２枚づつ電極を使用し
たセンサ構成を示し、図１１は可動電極２２を１毎，固
定電極１１を２枚使用して、固定電極１１の１枚を固定
センサキャパシタ１５と可動センサキャパシタ２５で共
有するようにしたセンサ構成を示す。

【０００５】次に２０は可動センサキャパシタ２５の静
電容量の電気信号への変換手段として設けられた可動セ
ンサキャパシタ用の発振回路（以下可動Ｃ用発振回路と
いう）で、検出静電容量が発振回路の回路定数として組
込まれ、その容量値の変化により発振周波数が変化する
発振回路である。また、１０は温度や湿度などの環境変
化に対する出力誤差の補償用に固定センサキャパシタ１
５に対して、可動センサキャパシタ２５と同様に設けら
れた固定センサキャパシタ用の発振回路（以下固定Ｃ用
発振回路という）である。

【０００６】このような静電容量型センサでは固定Ｃ用
発振回路１０の出力周波数と可動Ｃ用発振回路２０の出
力周波数をカウンタで計数した値を演算し、デジタル値
で出力する方法が一般的に用いられている。図９は上述
の静電容量型センサを用いた従来の圧力検出回路の構成
例を示すブロック図である。次にこの図９により従来構
成の演算の一例を説明する。

【０００７】なお、図９の回路は大気圧を基準圧力（被
測定圧力＝０）として被測定圧力をパルス数の形で、パ
ルス出力Ｐｏｕｔとして出力する回路である。なお、同
図において４０はパルス出力Ｐｏｕｔを出力するため
に、回路部品で構成された固定周波数ｆ２の出力用発振
回路、１００はこの周波数ｆ２の外部への出力路を開閉
するゲート、６０は可動Ｃ用発振回路２０の出力周波数
ｆ３又は出力用発振回路４０の出力周波数ｆ２を切換え
出力するデータ切換回路である。

【０００８】８０はデータ切換回路６０の切換出力周波
数をカウントするアップカウンタ（アップカウンタＡと
も略記する）、８２は外部から入力されるカウント設定
値を、アップカウンタＡ（８０）へのカウント（アッ
プ）設定値（例えばｎＡとする）として記憶する不揮発
メモリ、９０は所定のカウント（アップ）設定値（例え
ばＮ１）が設定され、固定Ｃ用発振回路１０の周波数ｆ
４をカウントするアップカウンタ（アップカウンタＢと
も略記する）である。

【０００９】また、１１０はアップカウンタＡ（８０）
及びアップカウンタＢ（９０）のカウントアップ（計数
満了）のタイミングを検知すると共に、固定Ｃ用発振回
路１０，可動Ｃ用発振回路２０，出力用発振回路４０，
データ切換回路６０，ゲート１００等への動作のタイミ
ングを与えるタイミング回路である。次に述べる演算動
作では可動センサキャパシタ２５への圧力を大気圧（つ
まり被測定圧力＝０）としたとき、アップカウンタＡが
カウントアップ（計数満了）する時間（ｎＡ／ｆ３）と
アップカウンタＢがカウントアップする時間（Ｔ１＝Ｎ
１／ｆ４）とが等しくなるように、予め固定Ｃ用発振回
路１０内の図外の発振時定数調整用の抵抗により周波数
ｆ４を調整して置き、次に可動センサキャパシタ２５に
容量増加側の、（正の）被測定圧力を印加するものとす
る。

【００１０】即ち、タイミング回路１１０のタイミング
出力により、圧力によって変化しない固定センサキャパ
シタ１５の容量値に応じて発振周波数を変化する固定Ｃ
用発振回路１０の発振周波数ｆ４を入力とするアップカ
ウンタＢ（９０）と、圧力により変化する可動センサキ
ャパシタ２５の容量値に応じて発振周波数を変化する可
動Ｃ用発振回路２０の出力周波数ｆ３を入力とするカウ
ンタＡ（８０）を、同時にカウント開始させ、アップカ
ウンタＢ（９０）が所定のカウント数Ｎ１をカウント終
了したタイミングで、アップカウンタＡ（８０）の入力
をデータ切換回路６０により発振周波数固定の出力用発
振回路４０の出力周波数ｆ２に切換え、カウンタＡの計
数を継続させると同時に、ゲート１００を介しｆ２をセ
ンサ外部へ出力し、アップカウンタＡ（８０）が所定数
ｎＡのカウントを終了したタイミングで、ｆ２のセンサ
外部への出力を停止する。

【００１１】このとき外部に出力されたｆ２のパルス数
（つまり可動センサキャパシタ２５の温度，湿度等の、
圧力以外の条件に基づく発振周波数の変化の影響を除く
ために設けた固定センサキャパシタ１５側のアップカウ
ンタＢ９０が設定値Ｎ１をカンウトアップする時間（Ｔ
１＝Ｎ１／ｆ４）内に、アップカウンタＡが設定値ｎＡ
より数え足りなかったパルス数）としてのパルス出力Ｐ
ｏｕｔは被測定圧力に比例する。

【００１２】また、他の演算方法として、予め被測定圧
力を大気圧とした条件における固定Ｃ用発振回路１０の
周波数ｆ４と可動Ｃ用発振回路２０の周波数ｆ３とを等
しく調整して置き、アップカウンタＡ及びアップカウン
タＢの２つのカウンタの代りに１つのアップダウンカウ
ンタを使用し、固定センサキャパシタ１５に対応する周
波数ｆ４で所定時間アップカウントした後、可動センサ
キャパシタ２５に対応する周波数ｆ３で同じく所定時間
ダウンカウントすることで、そのカウント数の差を出力
データとする方法がある。この演算方法と比較した場合
の図９の演算方法の利点は、アップダウンカウンタを使
わない回路構成とすることで、ロジックのゲート数が減
少することと、測定時間が短くできることで、消費電力
が低くできることがあげられる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】図９の回路で得られる
パルス出力値Ｐｏｕｔは、アップカウンタＢ（９０）の
動作時間Ｔ１内のアップカウンタＡ（８０）のカウント
数と、アップカウンタＡ（８０）の設定カウント数との
差となり、もしもアップカウンタＡ（８０）の設定カウ
ント数を、複数個のセンサに対し固定値とした場合に
は、センサ個々のダイヤフラムの圧力に対する動作量の
ばらつきにより、圧力に対する出力値の傾きが変動す
る。これを、圧力の絶対値に対する所定の出力値にする
ためには、図９ではアップカウンタＡ（８０）の設定カ
ウント数を不揮発のメモリ８２に記憶する構成とし、こ
のメモリ８２の値とアップカウンタＢ（９０）の動作時
間Ｔ１を適当な値にすることによりゲインを調整し、出
力値の傾きが希望の値となるようにしている。

【００１４】このように、図９の回路には不揮発のデー
タ記憶素子が必要でコスト高になる、可動センサキャパ
シタ２５と固定センサキャパシタ１５の両値に対する出
力のゼロ点調整と上記ゲイン調整が相関することから、
合わせこみの調整作業が必要である、などの問題があっ
た。また、従来の構成で、微小な圧力変化が検出できる
ように高分解能化するためには、検出容量に対する発振
周波数の測定時間を長くする必要があり、圧力フルスケ
ールが同じとすると出力するデータ数が増えるのでデー
タの出力時間も長くなる。従って、高分解能化には消費
電力の増加が問題となるほか、高分解能化した場合に、
センサキャパシタに対する発振周波数の変動による誤差
が増加する可能性がある。

【００１５】本発明は上記の問題を解消し、不揮発のデ
ータ記憶素子などを使わずに、ゼロ点調整とゲイン調整
が個別に調整でき、また、消費電力を極力抑えて高分解
能化した静電容量型センサのデジタル演算回路を提供す
ることを課題とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、請求項１のデジタル演算回路は、被検出物理量
（圧力など）に基づく電極の変位によって静電容量が変
化する可動センサキャパシタ（２５）を用いて発振周波
数（ｆ３）を変化する可動キャパシタ用発振回路（２
０）と、可動センサキャパシタに対応し電極が固定され
て設けられ、被検出物理量によっては静電容量が変化し
ない固定センサキャパシタ（１５）を用いて発振周波数
（ｆ４）を変化する固定キャパシタ用発振回路（１０）
と、回路部品で構成され、発振周波数（ｆ１）を可変で
きるゲイン設定用発振回路（３０）と、同じく回路部品
で構成された発振周波数（ｆ２）が固定の出力用発振回
路（４０）とを備え、予め被検出物理量を基準値（大気
圧など）とした条件で、固定キャパシタ用発振回路の出
力周波数が第１の設定数（Ｎ１）だけ計数される時間
を、可動キャパシタ用発振回路の出力周波数が第２の設
定数（Ｎ２＋Ｎ３，但しこの条件時はＮ３＝０）だけ計
数される時間に等しくてなり、さらに被検出物理量のも
とで固定キャパシタ用発振回路の出力周波数が第１の設
定数だけ計数される間、又はこれと等しい時間に計数さ
れた可動キャパシタ用発振回路の出力周波数の計数値
（Ｎ２）と第２の設定数との差の数（Ｎ３）だけ、ゲイ
ン設定用発振回路の出力周波数が計数される間、又はこ
れと等しい時間に出力用発振回路の出力周波数を被検出
物理量の測定結果（パルス出力Ｐｏｕｔ）として外部に
出力する手段（アップカウンタ８０，９０、データ切換
回路６０、タイミング回路１１０、ゲート１００など）
を備え、ゲイン設定用発振回路の出力周波数と出力用発
振回路の出力周波数との比率を（ゲイン抵抗ＧＲを介
し）変化させることにより、被検出物理量に対する測定
結果のゲインを調整し得るようにする。

【００１７】また請求項２の演算回路は、請求項１に記
載の演算回路において、第１の設定数と第２の設定数と
を同倍率で切換える第１の切換手段（カウント数切換回
路８５，９５、動作モード切換回路１３０など）を備
え、被検出物理量に対する測定結果の分解能を切換え得
るようにする。また請求項３の演算回路は、請求項２に
記載の演算回路において、ゲイン設定用発振回路の出力
周波数を第１の切換手段による切換え倍率と等しい倍率
に切換える第２の切換手段（分周回路５０，動作モード
切換回路１３０など）を備え、測定結果の分解能を切換
え前と同じにし得るようにする。

【００１８】また請求項４の演算回路は、請求項１に記
載の演算回路において、所定の測定指令の入力に基づ
き、固定キャパシタ用発振回路の出力周波数が第１の設
定数だけ計数される間、又はこれと等しい時間に計数さ
れた可動キャパシタ用発振回路の出力周波数の計数値
（Ｎ２，以下ベース計数値という）を記憶する記憶手段
（データラッチ比較回路１２０）と、以後の前記測定指
令の入力毎に、固定キャパシタ用発振回路の出力周波数
が第１の設定数だけ計数される間、又はこれと等しい時
間に計数された可動キャパシタ用発振回路の出力周波数
の計数値（Ｎ２＋Ｎ３’）と、前記ベース計数値との差
の数（Ｎ３’）を前記の差の数に置換える手段（データ
ラッチ比較回路１２０、タイミング回路１１０，データ
切換回路６０，アップダウンカウンタ７０など）とを備
え、被検出物理量の相対値を測定するようにする。

【００１９】また請求項５の演算回路は、請求項４に記
載の演算回路において、前記所定の測定指令が電源（Ｖ
_dd）の通電中における外部からの１ビットの制御信号
（Ｃｏｎｔ）の立上り又は立下りによって与えられるよ
うにする。また請求項６の演算回路は、請求項２又は３
に記載の演算回路において、前記第１の切換手段の切換
えが、電源の通電開始時における外部からの１ビットの
制御信号（Ｃｏｎｔ）のデジタル値によって指定される
ようにする。

【００２０】本発明の作用は次の如くである。即ち固定
センサキャパシタ用と可動センサキャパシタ用との２組
の発振回路１０，２０とは別に、被測定圧力に比例した
パルス数を生成するための回路部品により構成した２組
の発振回路３０，４０を設け（発振回路３０が１回路追
加となる）、２組の発振回路１０，２０の出力の演算に
よる被測定圧力に相当するパルス数が測定された後に、
その測定結果のパルス数出力Ｐｏｕｔのゲインを、２組
の発振回路３０と４０の出力周波数の比率により変化さ
せるようにする。

【００２１】また、測定結果のパルス数出力の分解能に
ついて、通常の分解能と高分解能の切換えを可能とし、
高分解能が必要な時のみ分解能を切換えて測定可能な構
成とし、高分解能化した場合に圧力相対値の測定が可能
な方式にすると共に、高分解能化した場合の出力ゲイン
を変えずに、２組の発振回路１０，２０の出力で行う演
算の時間のみを拡大可能な構成とする。なお上記“圧力
相対値”とは、ある時点から連続して圧力測定を行う場
合の測定値の、最初に測定した測定値との差を指す。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の総合的な構成を示すブロ
ック図は図１であり、実施例１〜５の機能を全て搭載集
約した例である。機能個々の説明については、以下の実
施例１〜５で図を参照して説明する。また、実施例１〜
５の構成中のアップカウンタ８０，９０は、ダウンカウ
ンタによっても構成可能であり、同等の効果が得られ
る。

【００２３】（実施例１）図２は請求項１に関わる発明
の一実施例（実施例１とする）としての構成を示すブロ
ック回路図で、図９に対応するものである。図２におい
ては図９に対し不揮発メモリ８２が削除され、ゲイン設
定用発振回路３０が新設されている。そして出力用発振
回路４０の出力周波数ｆ２はゲート１００を介して外部
のみに出力され、データ切換回路６０にはゲイン設定用
発振回路３０の出力周波数ｆ１が、可動Ｃ用発振回路２
０の出力周波数ｆ３と共に、被切換入力として与えられ
るように構成されている。また、タイミング回路１１０
はゲイン設定用発振回路３０に対しても動作のタイミン
グを与える。

【００２４】図２の発振回路構成において、可動センサ
キャパシタ２５と固定センサキャパシタ１５は、圧力セ
ンサで構成される容量であり、圧力によっては変化しな
い固定センサキャパシタ１５には、ＲＣ発振回路である
固定Ｃ用発振回路１０が接続され、固定Ｃ用発振回路１
０からは周波数信号ｆ４が出力される。また、図は示し
ていないが固定センサキャパシタ１５に対する発振周波
数ｆ４は、固定Ｃ用発振回路１０内の調整用抵抗の値を
変化させることで可調整とする。

【００２５】圧力により変化する可動センサキャパシタ
２５には、上記と同様のＲＣ発振回路である可動Ｃ用発
振回路２０が接続され、可動Ｃ用発振回路２０からは周
波数信号ｆ３が出力される。可動Ｃ用発振回路２０では
抵抗値は固定であり、可動センサキャパシタ２５に対す
る発振周波数は、可動センサキャパシタ２５の容量のみ
で変化する。

【００２６】出力用発振回路４０とゲイン設定用発振回
路３０は、回路構成としては、可動Ｃ用発振回路２０及
び固定Ｃ用発振回路１０と同様であり、発振周波数を決
定する抵抗・コンデンサは、汎用の回路部品で構成し、
出力用発振回路４０からは周波数信号ｆ２が出力され、
ゲイン設定用発振回路３０からは周波数信号ｆ１が出力
される。また、出力用発振回路４０の発振周波数は固定
であり、ゲイン設定用発振回路３０の発振周波数は、ゲ
イン抵抗ＧＲの値を変化させることで可変としている。

【００２７】図３は図２（及び後述の図４，図５）の動
作説明用のタイムチャートである。次に図３を参照しつ
つ、図２の発振回路以外の構成及び圧力測定時の回路動
作を説明する。なお、この場合も可動センサキャパシタ
２５の印加圧力を大気圧とした（被測定圧力＝０の）条
件で、アップカウンタＢ（９０）がそのカウント設定値
（この例ではＮ１）まで固定Ｃ用発振回路１０の出力周
波数ｆ４をカウントする時間と、アップカウンタＡ（８
０）がそのカウント設定値（この例ではＮ２＋Ｎ３、但
し被測定圧力＝０のときＮ３＝０）まで可動Ｃ用発振回
路２０の出力周波数ｆ３をカウントする時間とが等しく
なるように、固定Ｃ用発振回路１０内の抵抗によりその
出力周波数ｆ４を調整しておくものとする。

【００２８】上記、固定Ｃ用発振回路１０の出力周波数
ｆ４は、アップカウンタＢ（９０）に入力され、アップ
カウンタＢ（９０）は予め設定された数値（図３，Ｎ
１）となるまでカウントし、カウント終了時にタイミン
グ信号Ｔ１をタイミング回路１１０に出力する。測定開
始時にはタイミング回路１１０のカイミング制御によっ
て、可動Ｃ用発振回路２０の出力ｆ３が、データ切換回
路６０を介してアップカウンタＡ（８０）に入力され、
上記のアップカウンタＢ（９０）のカウント開始と同時
にアップカウンタＡ（８０）もカウントを開始し、アッ
プカウンタＡ（８０）の入力は、上記タイミング信号Ｔ
１がタイミング回路１１０に送出された時点で、タイミ
ング回路１１０の制御によってデータ切換回路６０を介
しゲイン設定用発振回路３０の出力周波数ｆ１に切換え
られる。

【００２９】タイミング信号Ｔ１の送出以降は、アップ
カウンタＡ（８０）がゲイン設定用発振回路３０の出力
周波数ｆ１を予め設定された数値（図３，Ｎ２＋Ｎ３）
となるまでカウントし、カウント終了時にタイミング信
号Ｔ５をタイミング回路１１０に出力する。また、タイ
ミング信号Ｔ１送出からＴ５送出までの間は、タイミン
グ回路１１０がゲート１００にタイミング信号Ｔ８を与
えることによってゲート１００が開き、出力用発振回路
４０からの出力ｆ２をパルス出力Ｐｏｕｔとしてセンサ
外部へ送出する。

【００３０】この実施例１では、図３のアップカウンタ
Ｂ（９０）の総カウント数Ｎ１の数をカウントする時間
と、アップカウンタＡ（８０）の総カウント数Ｎ２＋Ｎ
３の数をカウントする時間が同一であった（つまりＮ３
＝０）場合には得られる出力が０となり、ｆ３の周波数
が、正の被測定圧力の印加による可動センサキャパシタ
２５の容量値の増加により低くなった場合に、アップカ
ウンタＡがゲイン設定用発振回路３０の出力周波数ｆ１
のパルスの数Ｎ３をカウントする時間内の、出力用発振
回路４０の出力周波数ｆ２のパルスの数Ｎ４が出力値と
して送出される。従って、Ｎ１とＮ２の演算で得られた
Ｎ３の数に対し、ゲイン設定用発振回路３０の出力周波
数ｆ１を変化させることでＮ３をカウントする時間が変
化し、Ｎ４の数はＮ３に比例して変化することになり、
出力ゲインはｆ１の周波数を変化させることで調整可能
となる。

【００３１】（実施例２）図４は請求項２に関わる発明
の一実施例（実施例２とする）としての構成を示すブロ
ック回路図である。図４での基本的な構成・演算方法は
図２と同じであるが、構成の異なる点は、アップカウン
タＡ（８０）のカウント数切換回路８５と、アップカウ
ンタＢ（９０）のカウント数切換回路９５と、外部から
の制御信号Ｃｏｎｔに応じてカウント数切換回路８５，
９５に夫々モード切換信号Ｍ２，Ｍ１を与える動作モー
ド切換回路１３０を付加したことである。

【００３２】以下に図３を参照しつつ図４の回路動作を
説明する。実施例１での図３，Ｎ３の数は、ダイヤフラ
ムが圧力に対して変位する量などのセンサ構造に起因す
る誤差により異なるが、センサ構造による誤差の平均
で、Ｎ３の数とＮ４の数がおよそ同じになるか、Ｎ３が
多少大きくなるようＮ１（つまりアップカウンタＢのカ
ウント設定値）とＮ２＋Ｎ３（つまりアップカウンタＡ
のカウント設定値）の数を設定し、その数は固定であ
る。

【００３３】他方、この実施例２では図３でのＮ１の数
をアップカウンタＢ（９０）のカウント数切換回路９
５，Ｎ２＋Ｎ３の数をアップカウンタＡ（８０）のカウ
ント数切換回路８５により、各種の倍率で変更できるよ
うに構成し、動作モード切換回路１３０は、外部からの
制御信号Ｃｏｎｔあるいはセンサ内部の動作設定信号に
より、Ｎ１の数とＮ２＋Ｎ３の数が同倍率で切替わるよ
うにカウント数切換回路８５，９５の倍率を切換える。

【００３４】Ｎ１の数とＮ２＋Ｎ３の数が同倍率で切替
わることにより、Ｎ３はその倍率で変化し、Ｎ３とＮ４
は比例関係なのでＮ４も同じ倍率で変化することにな
る。この構成にすることにより、例えば圧力に対する出
力値を２倍にする（分離能を２倍にする）場合には、Ｎ
１の数とＮ２＋Ｎ３の数が夫々２倍となるよう動作モー
ドを切換えれば良く、分解能を切換えて測定したい場合
は、動作モード切換回路１３０に対して与える制御信号
Ｃｏｎｔを切換えれば良い。

【００３５】（実施例３）図５は請求項３に関わる発明
の一実施例（実施例３とする）としての構成を示すブロ
ック回路図である。この図５での基本的な構成・演算方
法は図４と同じであるが、構成の異なる点は、ゲイン設
定用発振回路３０とデータ切換回路６０の間に、入力周
波数ｆ１を出力周波数ｆ１’に分周する分周回路５０を
付加したことである。なお、分周回路５０の分周比は動
作モード切換回路１３０からのモード切換信号Ｍ４によ
って切換えられる。

【００３６】次に図３を参照しつつ図５の回路動作を説
明する。図４での分解能の切換えにより、例えば図３に
てＮ１の数とＮ２＋Ｎ３の数を夫々２倍とすれば、圧力
に対する出力値Ｎ４は２倍となり、分解能は２倍とする
ことができる。このようにＮ１の数とＮ２＋Ｎ３の数を
夫々２倍したものに対して、ゲイン設定用発振回路３０
の出力ｆ１の周波数を２倍とし、出力ゲインを１／２と
すれば、被検出圧力に対する出力値は以前と同様とする
ことができる。

【００３７】このようにした場合、出力の分解能を変え
ずにアップカウンタＡとＢ（８０と９０）のカウント数
を増加させる動作となり、１つ目の効果としてカウンタ
のカウント数増加により検出用発振器の発振周波数のジ
ッタ成分を平均化する効果が大きくなることと、２つ目
の効果としてＮ２及びＮ３の値は非同期の時間幅Ｔ１で
決められるため、ビットの境目で少なくとも１パルスの
誤差が発生するが、Ｎ３の値を大きくすることで上記の
１パルス分の誤差に対する時間幅Ｔ８の精度が高くなる
ことがあげられ、これらの効果により出力誤差を低減さ
せることができる（この動作を便宜上ジッタレス動作と
よぶ）。

【００３８】図５は上記のようなＮ１の数（即ちアップ
カウンタＢ（９０）のカウント設定値）とＮ２＋Ｎ３の
数（即ちアップカウンタＡ（８０）のカウント設定値）
に対して、夫々カウント数切換回路９５，８５を介して
与える倍率と、ゲイン設定用発振回路３０側から分周回
路５０を介してアップカウンタＡ（８０）に与える周波
数ｆ１’の倍率を同倍率とする動作が切換え可能とした
ものである。

【００３９】即ちゲイン設定用発振回路３０の発振周波
数ｆ１を決めている抵抗・コンデンサの定数を切換える
のは、発振周波数の精度の面で問題があるので、周波数
ｆ１は図２の通常時の周波数のこの例では２倍で常時発
振するように設定し、分周回路５０の分周比を１／２又
は１に切換え得るようにし、通常時の分周比は１／２と
なるようにする。従って通常時、ゲイン設定用発振回路
３０から分周回路５０を経てアップカウンタ８０に入力
される周波数ｆ１’は図２のｆ１と同じになる。

【００４０】そして実施例２のように高分解能とする場
合には、分周回路５０の分周比を１／２（つまりｆ１’
＝ｆ１／２）としたまま、アップカウンタ９０と８０の
カウント設定値Ｎ１と（Ｎ２＋Ｎ３）を共に２倍とす
る。また実施例３のようにジッタレス動作を行わせる場
合には、アップカウンタ９０と８０の前記のカウント設
定値Ｎ１と（Ｎ２＋Ｎ３）を共に２倍とし、さらに分周
回路５０の分周比を１（つまりｆ１＝ｆ１’）とする。

【００４１】（実施例４）図６は請求項４に関わる発明
の一実施例（実施例４とする）としての構成を示すブロ
ック回路図である。図６での基本的な構成・演算方法は
図２と同じであるが、構成の異なる点は、アップダウン
カウンタ７０と、データラッチ比較回路１２０と、動作
モード切換回路１３０を付加したことである。

【００４２】なお、動作モード切換回路１３０は外部か
らの制御信号Ｃｏｎｔに応じて、データ切換回路６０，
データラッチ比較回路１２０，タイミング回路１１０に
夫々モード切換信号Ｍ３，Ｍ５，Ｍ６を与える。また、
タイミング回路１１０はアップダウンカウンタ７０及び
データラッチ比較回路１２０とも信号を授受し動作タイ
ミングの制御等を行う。

【００４３】図７は図６の動作説明用のタイムチャート
である。図２では、センサ電源Ｖ_ddのＯＮ時のパワーオ
ンリセット後から測定を開始し、測定・データ出力終了
後は、センサ自身により動作を停止する。つまり、測定
をする度に外部から電源Ｖ_ddをＯＮ／ＯＦＦして測定を
行う。これに対して図６では電源ＯＮ後の制御信号Ｃｏ
ｎｔのＯＮ／ＯＦＦ毎に、先ず１回目の制御信号Ｃｏｎ
ｔの立上りで１回目の測定データを記憶したのち、以後
の制御信号Ｃｏｎｔの立上り毎に１回目の測定データに
対する差（相対値）のデータを出力する。

【００４４】ここで相対値の測定を行うには、１回目に
測定したデータを記憶し、データを保持する必要があ
る。しかし、データの保持のために不揮発メモリを使う
ことは回路コストの増大となるため、本発明では図７
（ａ）のタイムチャートのように、相対値の測定時に限
り電源Ｖ_ddを通電状態にしたまま電源Ｖ_ddと別に設けた
制御信号Ｃｏｎｔの測定開始の信号（立上り信号）によ
り測定を開始し、１回目の測定データは揮発性メモリに
記憶して、２回目の測定以降に相対値の測定データを送
出する方式とした。

【００４５】よって、一度電源をＯＦＦした場合は、相
対値の基準となるデータは消えるので、次の相対値測定
は再び電源をＯＮした時点での１回目の測定値が基準と
なる。次に図７を参照しつつ図６の動作を説明する。電
源ＯＮ後の１回目の測定では、先ず電源Ｖ_ddのＯＮによ
り、タイミング回路１１０によって固定Ｃ用発振回路１
０と可動Ｃ用発振回路２０は同時に起動され、図２と同
様な通常の測定が開始されようとするが、引続いて制御
信号Ｃｏｎｔが立上ることによって、動作モード切換回
路１３０が相対値測定モードとするモード切換信号Ｍ
３，Ｍ５，Ｍ６を出力し、図６は相対値測定モードの動
作に切換わる。ここで図７（ｂ）のタイムチャートのよ
うに、固定Ｃ用発振回路１０の出力ｆ４を入力したアッ
プカウンタＢ（９０）は予め設定された数値Ｎ１となる
までカウントする。他方、アップカウンタＡ（８０）は
アップカウンタＢ（９０）のカウント開始と同時に可動
Ｃ用発振回路２０の出力ｆ３を入力してアップカウント
を開始し、やがてアップカウンタＢ（９０）のカウント
終了により、アップカウンタＢ（９０）から信号Ｔ１が
タイミング回路１１０に送られ、これによりタイミング
回路１１０が発振回路１０と２０の発振を停止すること
によってアップカウンタＡ（８０）はカウントを停止す
る。

【００４６】ここでタイミング回路１１０はデータラッ
チ比較回路１２０へラッチ指令Ｓ１を出力する。そこで
データラッチ比較回路１２０はこの状態でのアップカウ
ンタＡ（８０）のカウント数Ｎ２を記憶する。次に電源
ＯＮ状態のままで制御信号Ｃｏｎｔが立上る毎に行われ
る２回目以降の測定では、この制御信号Ｃｏｎｔの立上
りを入力する動作モード切換回路１３０からのモード切
換信号Ｍ３，Ｍ５，Ｍ６によって測定が開始される。そ
してこの場合、図７（ｃ）のタイムチャートのように、
測定開始時の動作は１回目の測定と同様であるが、アッ
プカウンタＡ（８０）のカウント数は、データラッチ比
較回路１２０により監視されており、カウント数が１回
目の測定で記憶したデータであるＮ２と一致した時点
で、データラッチ比較回路１２０から一致信号Ｓ２がタ
イミング回路１１０に送出される。

【００４７】これによりタイミング回路１１０は信号Ｔ
６をデータ切換回路６０に与えて、これまでアップカウ
ンタＡ（８０）に入力されていた可動Ｃ用発振回路２０
の出力周波数ｆ３をアップダウンカウンタ７０へ入力す
るように切換える。これによりアップダウンカウンタ７
０は、前記の一致信号Ｓ２が送出された後から、アップ
カウンタＢ（９０）が設定値Ｎ１のカウントを終了して
信号Ｔ１をタイミング回路１１０へ送出するまでの間、
周波数ｆ３をアップカウントする。

【００４８】アップダウンカウンタ７０のこのアップカ
ウントの数Ｎ３’がＮ２との差となり、タイミング回路
１１０は信号Ｔ１の入力後は、データ切換回路６０を介
し、ゲイン設定用発振回路３０の出力周波数ｆ１をアッ
プダウンカウンタ７０に入力すると共に、このアップダ
ウンカウンタ７０にモード切換信号ＭＣを与えて、アッ
プダウンカウンタ７０にダウンカウントを開始させる。
これによりアップダウンカウンタ７０は、Ｎ３’の数を
ダウンカウントした時点で信号Ｔ７をタイミング回路１
１０へ送出する。

【００４９】このようにしてタイミング回路１１０は信
号Ｔ１の入力時点から信号Ｔ７の入力時点までの間、信
号Ｔ８をゲート１００に与えて、出力用発振回路４０の
出力周波数ｆ２をパルス出力Ｐｏｕｔとして外部へ出力
させる。つまりパルス出力Ｐｏｕｔはアップダウンカウ
ンタ７０がｆ１をＮ３’の数だけダウンカウントする時
間内での、周波数ｆ２のパルス数Ｎ４となる。

【００５０】ここで得られるパルス出力Ｐｏｕｔは、測
定２回目以降に測定１回目より可動Ｃ用発振回路２０の
出力周波数ｆ３が低下した場合、つまり測定１回目より
も測定２回目以降に測定圧力が低下した場合の、圧力低
下量に対応した出力となり、時間的に変化する圧力の差
のみがデータとして出力されるため、分解能を高くした
場合でも出力のデータ量は少なくできる。

【００５１】（実施例５）図８は請求項５，６に関わる
発明を説明するためのタイムチャートである。このとき
のセンサ演算回路は、実施例１〜４までの機能を全て搭
載した図１のブロック図の構成となる。動作モード切換
回路１３０はセンサ電源Ｖ_ddがＯＮになり、図外の手段
によってパワーオンリセット信号が発せられ、リセット
の必要な各手段のリセットが行われると、その時点の制
御信号Ｃｏｎｔに応じて、次に述べる（ａ），（ｂ），
（ｃ）の何れの動作モードであるかを判別し、カウント
数切換回路９５，カウント数切換回路８５，データ切換
回路６０，分周回路５０，データラッチ比較回路１２
０，タイミング回路１１０に夫々Ｍ１，Ｍ２，・・・Ｍ
６のモード切換信号を与えて、該当するモードの動作を
行わせる。

【００５２】ここで動作モード切換回路１３０へ外部よ
り入力する制御信号Ｃｏｎｔの信号線は１本とし、この
制御信号Ｃｏｎｔにより切換え可能な動作モードは、下
表１及び図８に示す（ａ）（ｂ）（ｃ）の３つのモード
となる。

【００５３】

【表１】 即ち動作モード（ａ）は通常の動作モードであり、図８
（ａ）に示すように制御信号Ｃｏｎｔは常時Ｌｏレベル
とし、電源ＯＮにより測定が開始される。このモードで
得られるパルス出力（出力データ）Ｐｏｕｔは、表１に
示すように大気圧を０とする圧力の絶対値で、分解能は
通常の分解能である。なお測定は１回限りで、再度測定
を行うにはセンサ電源Ｖ_ddを一旦ＯＦＦして再度ＯＮす
る必要がある。このことは次の動作モード（ｂ）も同様
である。

【００５４】動作モード（ｂ）は高分解能の動作モード
であり、図８（ｂ）に示すように制御信号Ｃｏｎｔは常
時Ｈｉレベルとし、電源ＯＮにより測定が開始される。
このモードで得られるパルス出力Ｐｏｕｔは、表１に示
すように動作モード（ａ）と同様の絶対値で、分解能は
高分解能となる。動作モード（ｃ）は動作モード（ｂ）
と同じく高分解能の動作モードであるが、図８（ｃ）に
示すように電源ＯＮの直後は、この例では制御信号Ｃｏ
ｎｔがＬｏレベルのため、先ず動作モード（ａ）の通常
モードの動作が開始され、アップカウンタＡ，Ｂがカウ
ントを開始するが、この通常モードの計測が終わらぬ中
に制御信号がＨｉレベルに立上ることから動作モード
（ｃ）の動作に切換えられ、アップカウンタＡ，Ｂに対
するカウント数切換回路８５，９５の設定倍率も高倍率
側（この例では２倍）に切換えられて測定が行われる。
そして以後はセンサ電源Ｖ_ddをＯＮしたまま、制御信号
Ｃｏｎｔがその断続により立上がるたびに測定が行われ
る。このモードで得られるパルス出力Ｐｏｕｔは、表１
に示すように実施例４で述べた圧力の相対値であり、分
解能は高分解能となる。このように、制御線１本で上記
の３つの動作モード（ａ），（ｂ），（ｃ）を切換え可
能とすることで、より汎用性の高い圧力センサとするこ
とができる。

【００５５】

【発明の効果】請求項１に関わる発明によれば、検出容
量に対応する２組の固定Ｃ用発振回路１０，可動Ｃ用発
振回路２０とは別に、回路部品により構成した２組のゲ
イン設定用発振回路３０，出力用発振回路４０を設け、
測定した結果としてのパルス出力Ｐｏｕｔのゲインを、
上記の発振回路３０と４０の出力周波数の比率により変
化させるようにしたので、出力ゲインの調整手段として
ＥＥＰＲＯＭのような不揮発性メモリを使う必要がな
く、ゼロ線の調整とゲインの調整を独立して行うことが
でき、また、アップダウンカウンタを使わないゲート数
の少ない構成にできるなど利点があり、安価で従来と同
等の性能を持つ圧力センサを得ることができる。

【００５６】また請求項２に関わる発明によれば、固定
Ｃ用発振回路１０の出力周波数ｆ４をカウントするアッ
プカウンタＢ（９０）のカウント設定値と、可動Ｃ用発
振回路２０の出力周波数ｆ３及びゲイン設定用発振回路
３０の出力周波数ｆ１をカウントするアップカウンタＡ
（８０）のカウント設定値とを高分解能測定時には共に
ｎ倍（但しｎ＞１）に切換え得るようにしたので、１つ
の圧力センサで通常の分解能と高分解能の切換えが可能
であり、汎用性の高い圧力センサとすることができ、ま
た、高分解能が必要な時のみ分解能を切換えて測定可能
とすることで、省電力化が可能となる。

【００５７】また請求項３に関わる発明によれば、カッ
プカウンタＢ（９０）とアップカウンタＡ（８０）のカ
ウント数設定値を共にｎ倍として、検出容量に対応した
２組の発振回路１０と２０の出力周波数ｆ４とｆ３で行
う演算の時間を拡大し、高分解能化した場合に、分周回
路５０の分周比率を出力増大側に切換え、ゲイン設定用
発振回路３０から分周回路５０を経てアップカウンタＡ
（８０）に入力される出力周波数ｆ１’も通常時のｎ倍
として、パルス出力Ｐｏｕｔのゲインを変えないように
することができる構成としたので、測定値の平均化率を
高くすることができ、高分解能化した場合のセンサキャ
パシタに対する発振周波数の変動による誤差を低減する
ことができ、出力が安定した圧力センサを得ることがで
きる。

【００５８】また請求項４に関わる発明によれば、１回
目の圧力測定でその値を記憶し、２回目以降の測定では
１回目の圧力測定値に対する圧力相対値の測定を行うよ
うにしたので、圧力の絶対値測定で高分解能化した場合
には出力するデータ量が増加するが、相対値測定とした
場合には時間的に変化した圧力差のみ出力されるため出
力するデータの量が少なくて済み、その分の消費電力を
低減することができる。また、出力するデータ量が減る
ため、例えばマイコンなどでのデータの読取やデータの
処理が容易となる。

【００５９】また請求項５，６に関わる発明によれば、
１ビットの制御信号ＣｏｎｔのＬｏレベル，Ｈｉレベル
及び立上りを判別して、１つの圧力センサで絶対値，相
対値及び分解能の組合せを３通りに切換え可能としたの
で、汎用性の高い圧力センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１ないし６に関わる発明の一実施例とし
ての構成を示すブロック回路図

【図２】請求項１に関わる発明の一実施例としての構成
を示すブロック回路図

【図３】図２，図４，図５の動作説明用のタイムチャー
ト

【図４】請求項２に関わる発明の一実施例としての構成
を示すブロック回路図

【図５】請求項３に関わる発明の一実施例としての構成
を示すブロック回路図

【図６】請求項４に関わる発明の一実施例としての構成
を示すブロック回路図

【図７】図６の動作説明用のタイムチャート

【図８】請求項５，６に関わる発明の動作説明用のタイ
ムチャート

【図９】図２に対応する従来のブロック回路図

【図１０】静電容量型圧力センサキャパシタの構造の一
例を示す模式図

【図１１】静電容量型圧力センサキャパシタの構造の別
の例を示す模式図

【符号の説明】

１０ 固定Ｃ用発振回路 １５ 固定センサキャパシタ ２０ 可動Ｃ用発振回路 ２５ 可動センサキャパシタ ３０ ゲイン設定用発振回路 ４０ 出力用発振回路 ５０ 分周回路 ６０ データ切換回路 ７０ アップダウンカウンタ ８０ アップカウンタＡ ８５ カウント数切換回路 ９０ アップカウンタＢ ９５ カウント数切換回路 １００ ゲート １１０ タイミング回路 １２０ データラッチ比較回路 １３０ 動作モード切換回路 ｆ１ ゲイン設定用発振回路の出力周波数 ｆ１’ 分周回路の出力周波数 ｆ２ 出力用発振回路の出力周波数 ｆ３ 可動Ｃ用発振回路の出力周波数 ｆ４ 固定Ｃ用発振回路の出力周波数 Ｐｏｕｔ パルス出力（出力データ） Ｃｏｎｔ 制御信号 Ｖ_dd センサ電源 ＧＲ ゲイン抵抗 Ｍ１〜Ｍ６，ＭＣ モード切換信号 Ｔ１〜Ｔ８ タイミング信号 Ｓ１ ラッチ指令 Ｓ２ 一致信号

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検出物理量に基づく電極の変位によって
   静電容量が変化する可動センサキャパシタを用いて発振
   周波数を変化する可動キャパシタ用発振回路と、 可動センサキャパシタに対応し電極が固定されて設けら
   れ、被検出物理量によっては静電容量が変化しない固定
   センサキャパシタを用いて発振周波数を変化する固定キ
   ャパシタ用発振回路と、 回路部品で構成され、発振周波数を可変できるゲイン設
   定用発振回路と、 同じく回路部品で構成された発振周波数が固定の出力用
   発振回路とを備え、 予め被検出物理量を基準値とした条件で、固定キャパシ
   タ用発振回路の出力周波数が第１の設定数だけ計数され
   る時間を、可動キャパシタ用発振回路の出力周波数が第
   ２の設定数だけ計数される時間に等しくてなり、さらに
   被検出物理量のもとで固定キャパシタ用発振回路の出力
   周波数が第１の設定数だけ計数される間、又はこれと等
   しい時間に計数された可動キャパシタ用発振回路の出力
   周波数の計数値と第２の設定数との差の数だけ、ゲイン
   設定用発振回路の出力周波数が計数される間、又はこれ
   と等しい時間に出力用発振回路の出力周波数を被検出物
   理量の測定結果として外部に出力する手段を備え、 ゲイン設定用発振回路の出力周波数と出力用発振回路の
   出力周波数との比率を変化させることにより、被検出物
   理量に対する測定結果のゲインを調整し得ることを特徴
   とする静電容量型センサのデジタル演算回路。
2. 【請求項２】請求項１に記載の演算回路において、 第１の設定数と第２の設定数とを同倍率で切換える第１
   の切換手段を備え、 被検出物理量に対する測定結果の分解能を切換え得るこ
   とを特徴とする静電容量型センサのデジタル演算回路。
3. 【請求項３】請求項２に記載の演算回路において、 ゲイン設定用発振回路の出力周波数を第１の切換手段に
   よる切換え倍率と等しい倍率に切換える第２の切換手段
   を備え、測定結果の分解能を切換え前と同じにし得るこ
   とを特徴とする静電容量型センサのデジタル演算回路。
4. 【請求項４】請求項１に記載の演算回路において、 所定の測定指令の入力に基づき、固定キャパシタ用発振
   回路の出力周波数が第１の設定数だけ計数される間、又
   はこれと等しい時間に計数された可動キャパシタ用発振
   回路の出力周波数の計数値（以下ベース計数値という）
   を記憶する記憶手段と、 以後の前記測定指令の入力毎に、固定キャパシタ用発振
   回路の出力周波数が第１の設定数だけ計数される間、又
   はこれと等しい時間に計数された可動キャパシタ用発振
   回路の出力周波数の計数値と、前記ベース計数値との差
   の数を前記の差の数に置換える手段とを備え、被検出物
   理量の相対値を測定することを特徴とする静電容量型セ
   ンサのデジタル演算回路。
5. 【請求項５】請求項４に記載の演算回路において、 前記所定の測定指令が電源の通電中における外部からの
   １ビットの制御信号の立上り又は立下りによって与えら
   れるようにしたことを特徴とする静電容量型センサのデ
   ジタル演算回路。
6. 【請求項６】請求項２又は３に記載の演算回路におい
   て、 前記第１の切換手段の切換えが、電源の通電開始時にお
   ける外部からの１ビットの制御信号のデジタル値によっ
   て指定されるようにしたことを特徴とする静電容量型セ
   ンサのデジタル演算回路。