JP2882786B1 - センサの信号処理回路 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 演算処理手段の構造の複雑化を招くことの
なく、かつ当該演算処理手段を無駄なく効率的に利用
し、トータルコストを低減することのできる静電容量型
センサの信号処理回路を提供することを目的とする。 【解決手段】静電容量型圧力センサ１を校正する信号処
理回路の演算処理手段５は、校正値を算出する係数演算
部５１と、静電容量型圧力センサ１により検出された静
電容量Ｃ１、Ｃ２の静電容量比を算出し、この静電容量
比から校正演算を行って圧力換算値を出力する校正演算
部５２と、係数演算部５１および校正演算部５２から入
力される所定の引数Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗに対して、ｆ＝（Ｚ
−Ｗ）／（Ｘ−Ｙ）で与えられる演算を行い、その演算
結果ｆを係数演算部５１および校正演算部５２に出力す
る基本演算部５３とを備えている。基本演算部５３を備
えているので、係数演算および校正演算の共通化が図ら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物の物理量
の変化を電気的に検出するセンサ素子と、このセンサ素
子の変化を検出して電気信号を出力する信号出力手段と
を備えたセンサの前記電気信号を処理するセンサの信号
処理回路に関する。

【０００２】

【背景技術】従来より、被測定物の物理量の変化を電気
的に検出するセンサ素子と、このセンサ素子の変化を検
出して電気信号を出力する信号出力手段とを備えたセン
サが利用されている。例えば、このようなセンサとして
は、被測定物の圧力変化に伴い変形するダイアフラム、
およびこのダイアフラムを支持する基板と、ダイアフラ
ムの変形をダイアフラムおよび基板間の静電容量の変化
として検出するセンサ素子と、このセンサ素子の変化を
検出して静電容量信号を出力する静電容量信号出力手段
とを備えた静電容量型センサが知られている。

【０００３】このような静電容量型センサは圧力セン
サ、加速度センサとして利用され、例えば、圧力センサ
であれば、被測定物の圧力変化に伴うダイアフラムの変
形を静電容量の変化として電気的に検出することができ
るので、コンピュータを利用した圧力制御、圧力計測等
に好適である。しかし、上述した静電容量型センサの圧
力変化と静電容量の変化とは、測定範囲全域において直
線的に対応するわけではなく、また、静電容量型センサ
を大量生産する場合、それぞれの製品の間でも微妙な偏
差が生じ得る。

【０００４】このため、従来は、どの静電容量型センサ
を用いても、またどの測定範囲でも高精度に測定できる
ように、個々のセンサについてポテンションメータで調
整したり、レーザトリミングで厚膜抵抗または薄膜抵抗
をトリミングするという校正作業を行っていた。しか
し、このような校正作業には、センサ以外に外部の調整
装置が必要となり、個々のセンサについて校正作業を行
わなければならないので、センサの製造後、校正作業に
要するコストが著しく増大するという問題がある。

【０００５】このため、調整装置を含む演算処理手段を
備えた信号処理回路を静電容量型センサと一体的に設
け、校正作業をセンサ自身で行う自己校正型のセンサが
提案されている（特許公報第２６７２９５９号）。具体
的には、上記公報における演算処理手段による自己校正
方法を要約すると以下のようになる。センサの静電容量
の変化に伴う電圧出力Ｖと圧力Ｐとの間には、一般に式
（１）に表される関係があることが知られている。

【０００６】

【数３】

【０００７】ここで、ａ、ｂ、ｃは校正値であり、セン
サの校正とはこの校正値ａ、ｂ、ｃに最適値を与えるこ
とと等しい。校正のための基準圧をＰ₀、Ｐ₁、Ｐ₂と
し、これに対するセンサ出力をＶ₀、Ｖ₁、Ｖ₂とする
と、これを式（１）に代入することにより、以下の式
（２）〜（４）が導かれる。

【０００８】

【数４】

【０００９】演算処理手段では、式（２）〜式（４）の
連立方程式を解いて、校正値ａ、ｂ、ｃを算出し、セン
サ上に設けられるＥ２ＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ
ｌｙＥｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒ
ｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記録素子に記録
する。実際の測定状態では、検出されたセンサ出力Ｖを
式（２）〜（４）で求めた校正値ａ、ｂ、ｃを用いて出
力補正を行って、圧力Ｐを求める。具体的には、センサ
に設けられた演算処理手段において、式（１）の２次方
程式の解である式（５）に上述の式（２）〜式（４）の
連立方程式を解いて求められた校正値ａ、ｂ、ｃを代入
し、検出されたセンサ出力Ｖに基づいて出力補正を行っ
ている。

【００１０】

【数５】

【００１１】そして、このような自己校正型のセンサに
よれば、センサと一体的に設けられる信号処理回路の演
算処理手段により調整が行われるので、静電容量型セン
サの製造後、個々のセンサについて別途調整装置等を用
いて校正作業を行う必要がなく、センサの校正作業に要
するコストを大幅に低減することができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た自己校正型のセンサでは以下のような問題がある。す
なわち、上述した自己校正型のセンサでは、式（２）〜
式（４）の連立方程式を用いて校正値ａ、ｂ、ｃを算出
した後、式（５）による出力補正を行っている。従っ
て、信号処理回路を構成する演算処理手段は、式（２）
〜式（４）による校正値ａ、ｂ、ｃの算出する部分、式
（５）による出力補正を行う部分、両方を備えていなけ
ればならず、演算処理手段の構造の複雑化を招くという
問題がある。また、式（２）〜式（４）による校正値算
出部分は、校正終了後は実際の圧力測定において利用さ
れることはなく、実際の測定時に使用されない無駄な部
分が必然的に生じてしまうという問題がある。従って、
校正作業のコスト低減は図れても、センサの内部の演算
処理手段が複雑化し、部材コストを含むトータルコスト
を低減できるとは必ずしもいい得ない。

【００１３】このような問題は、上述した静電容量型セ
ンサの場合に限られず、ダイアフラムの変形を歪ゲージ
の抵抗値の変化として検出する歪ゲージ型センサ等、被
測定物の物理量の変化を電気的に検出し、このセンサ素
子の変化を検出して電気信号を出力するタイプのセンサ
において、このようなセンサを自己校正型のセンサとす
る場合、同様の問題として把握される。

【００１４】本発明の目的は、演算処理手段の構造の複
雑化を招くことのなく、かつ当該演算処理手段を無駄な
く効率的に利用し、トータルコストを低減することので
きるセンサの信号処理回路を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために、演算処理手段の校正値を算出する部分
と、出力補正を行う部分とを共通化することにより、演
算処理手段の構造の簡素化を図ることを特徴とする。具
体的には、本発明に係るセンサの信号処理回路は、被測
定物の物理量の変化を電気的に検出するセンサ素子と、
このセンサ素子の変化を検出して電気信号を出力する信
号出力手段とを備えたセンサの前記電気信号を処理する
センサの信号処理回路であって、前記電気信号から得ら
れる検出値ｋを変換式（６）

【００１６】

【数６】

【００１７】により校正演算して前記物理量の換算値Ｐ
を取得する演算処理手段を備え、この演算処理手段は、
前記センサの測定範囲内の任意の３点における既知の校
正物理量に対応する検出値を取得し、前記変換式に代入
することにより、前記変換式の係数α、β、γを算出す
る係数演算部と、算出された前記係数α、β、γを前記
変換式に代入し、未知の測定物理量に対応して検出され
た検出値ｋを、この変換式により校正演算して前記物理
量の換算値Ｐを取得する校正演算部と、前記係数演算部
または前記校正演算部から入力される所定の引数Ｘ、
Ｙ、Ｚ、Ｗに対して次式（７）

【００１８】

【数７】

【００１９】で与えられる演算を行い、その演算結果ｆ
を前記係数演算部または前記校正演算部に出力する基本
演算部とを備えていることを特徴とする。

【００２０】ここで、センサ素子は、要するに被測定物
の物理量の変化を電気的に検出するものをいう。例え
ば、センサとしては、被測定物の物理量の変化に伴い変
形するダイアフラム等を有し、このダイアフラムの変形
を歪みゲージの抵抗値の変化として検出する歪みゲージ
型センサ素子や、静電容量の変化として検出する静電容
量型センサ素子の他、フォトダイオード等を利用して被
測定物の物理量の変化を電気的に検出し、センサ素子自
体の変形を生じないセンサ素子をも含まれる。いずれ
も、被測定物の物理量の変化を電気的に検出するセンサ
素子であり、電気信号に基づく物理量の換算値と、セン
サ素子に作用する実際の物理量との対応をとる校正作業
が必要であり、上述した変換式（６）により校正できる
からである。

【００２１】歪みゲージ型センサ素子は、例えば、被測
定物の圧力変化に応じて変形するダイアフラムを備えた
圧力センサであれば、ダイアフラム上に設けられる４つ
の歪みゲージを互いに接続したブリッジ回路を含んで構
成することができる。このような歪みゲージ型センサ素
子では、ブリッジ回路の一対の端部に所定の電圧を印加
しておき、歪みゲージの抵抗値の変化に伴う他の一対の
端部の電位差の変化を取得することにより、ダイアフラ
ムの変形量を電気信号として検出することができる。そ
して、この電位差を検出値ｋとして採用し、上述した変
換式（６）により校正すればよい。

【００２２】また、静電容量型センサ素子は、上述と同
様にダイアフラムを備えた圧力センサであれば、ダイア
フラム上に形成される可動電極と、このダイアフラムを
支持する基板上に形成され、かつ可動電極と対向配置さ
れる第１および第２固定電極とを含んで構成することが
できる。このような静電容量型センサ素子では、可動電
極および第１固定電極の間の第１静電容量信号Ｃ１と、
可動電極および第２固定電極の間の第２静電容量信号Ｃ
２との変化を取得することにより、ダイアフラムの変形
量を検出することができる。

【００２３】ここで、上述した可動電極は、ダイアフラ
ムの一方の面に沿って形成された場合のみならず、ダイ
アフラムの表裏両面に形成された場合を含む概念であ
る。可動電極がダイアフラムの一方に形成されている場
合、第１および第２固定電極は、ダイアフラムを支持
し、かつ前記可動電極と対向する基板上に並列に形成さ
れる。尚、可動電極がダイアフラムの両面に形成されて
いる場合、第１固定電極は可動電極の一方の面に対向配
置され、第２固定電極は可動電極の他方の面に対向配置
され、ダイアフラムで区画された空間の差圧等を検出す
る差動型センサを構成することとなる。また、上述した
静電容量型センサにおいて、上述した検出値ｋは、静電
容量Ｃ１、Ｃ２のいずれかを採用してもよく、静電容量
の差Ｃ１−Ｃ２を採用してもよく、さらには、静電容量
の比Ｃ２／Ｃ１を採用してもよい。

【００２４】以上のような本発明の構成は、静電容量型
のセンサを例にとって説明すれば、次のようにして導か
れる。今、静電容量型センサとして、図１に示すよう
に、圧力Ｐにより面外方向に変形するダイアフラム１１
と、このダイアフラム１１を外周部分で支持する基板１
２とを備えた静電容量型圧力センサ１を考える。この静
電容量型圧力センサ１は、ダイアフラム１１の前記基板
１２と対向する面に形成される可動電極１３と、基板１
２上に形成され、この可動電極１３と対向配置される第
１固定電極１４および第２固定電極１５とを備え、これ
らの電極１３〜１５がセンサ素子を構成する。

【００２５】可動電極１３は、ダイアフラム１１の面外
方向の変形に追従し、ダイアフラム１１に圧力Ｐが作用
することにより、第１固定電極１４および第２固定電極
１５に接近、離間するように構成されている。また、第
１固定電極１４は、図２に示すように、基板１２上にダ
イアフラム１１の変形中心を中心として略円形状に形成
されているとともに、第２固定電極１５は、この第１固
定電極１４の外周部分を囲むリング状に形成されてい
る。一方、可動電極１３は、ダイアフラム１１上に形成
され、第２固定電極１５の外周縁に対応する略円形状に
構成されている。

【００２６】可動電極１３および第１固定電極１４、可
動電極１３および第２固定電極１５は、図３に示すよう
に、それぞれコンデンサを構成する。可動電極１３およ
び第１固定電極１４の間の静電容量をＣ１とすると、こ
の静電容量Ｃ１とダイアフラム１１に作用する圧力Ｐと
は、一般に式（８）に示す関係が成立する。尚、式
（８）において、圧力Ｐが作用しない状態における可動
電極１３と第１固定電極１４および第２固定電極１５と
の間の距離をｄ、可動電極１３と第１固定電極１４との
間のクリアランスの比誘電率をε_S、真空における誘電
率をε₀、第１固定電極１４の電極面積をＳ１、ダイア
フラム１１の圧力Ｐによる変位係数をＡ１とする。

【００２７】

【数８】

【００２８】また、可動電極１３および第２固定電極１
５の間の静電容量をＣ２とすると、静電容量Ｃ２と圧力
Ｐとは、式（９）に示す関係が成立する。尚、式（９）
において、第２固定電極１５の電極面積をＳ２、ダイア
フラム１１の圧力Ｐによる変位係数をＡ２とする。

【００２９】

【数９】

【００３０】従って、式（８）、式（９）のいずれかに
より、静電容量Ｃ１、Ｃ２を検出すれば、ダイアフラム
１１に作用する圧力Ｐを換算できることがわかる。しか
しながら、このような静電容量型圧力センサ１におい
て、上述した静電容量Ｃ１、Ｃ２は、初期の静電容量測
定値Ｃ１₀、Ｃ２₀から温度変化、経時変化により誤差が
生じることが知られている。具体的には、ある時点にお
ける静電容量Ｃ１、Ｃ２は、静電容量の初期測定値Ｃ１
₀、Ｃ２₀と式（１０）、式（１１）の関係を有すること
が知られている。尚、式（１０）、式（１１）におい
て、初期測定値Ｃ１₀、Ｃ２₀の測定時と比較して、ある
時点における時間変化をΔｔ、温度変化をΔＴとする。
また、時間変化Δｔおよび温度変化ΔＴに伴うコンデン
サの経時変化率をｍ１、ｍ２、温度変化率をｎ１、ｎ２
とする。

【００３１】

【数１０】

【００３２】ここで、第１固定電極１４および第２固定
電極１５を構成する部材は同一であり、可動電極１３と
第１および第２固定電極１４、１５との間のクリアラン
スにおける誘電体は共通と考えられる。すなわち、静電
容量Ｃ１を与えるコンデンサと静電容量Ｃ２を与えるコ
ンデンサとは同一構造、同一部材により構成されている
と考えられる。従って、式（１０）、式（１１）におい
てｍ１ｍ２、ｎ１ｎ２と考えて差し支えない。そこで、
式（１２）に示すように、測定される静電容量Ｃ１と静
電容量Ｃ２との比である静電容量比ｋ（＝Ｃ２／Ｃ１）
を検出すれば、温度変化および経時変化に伴う誤差をキ
ャンセルすることができる。

【００３３】

【数１１】

【００３４】これにより、静電容量Ｃ１、Ｃ２を検出す
れば、温度変化、経時変化を考慮することなく、式（１
２）により静電容量比ｋから圧力Ｐを換算できることが
わかる（第１の補正）。この式（１２）を以下の式（１
３）に係数α、β、γに適切な値を与えることで、静電
容量比ｋから圧力Ｐを換算することができる（フィード
バック補正）。

【００３５】

【数１２】

【００３６】ここで、式（１３）において、係数αはフ
ィードバックゲイン、係数γはオープンループゲイン、
係数βはオフセットであり、それぞれセンサ出力の直線
性、ゲイン、オフセットを校正する校正値とされる。そ
して、静電容量型圧力センサ１の校正とは、係数α、
β、γの校正値を求め、記憶させることに等しい。係数
α、β、γを求めれば、式（１３）が温度変化、経時変
化に影響されることなく成立するので、静電容量比ｋを
測定し、演算処理手段により式（１３）を用いて静電容
量比ｋの換算を行えば、圧力Ｐを高精度に求めることが
できる。

【００３７】係数α、β、γの最適な校正値の導出は、
演算処理手段を構成する係数演算部で行われ、静電容量
型圧力センサ１に既知の校正圧力を印加し、この時の静
電容量比を測定することにより求められる。具体的に
は、まず、静電容量型圧力センサ１のダイアフラム１１
に圧力を印加しない状態Ｐ₀（＝０）における静電容量
Ｃ１、Ｃ２を測定して静電容量比ｋ₀を求める。次に、
既知の校正圧力Ｐ₁、Ｐ₂を静電容量型圧力センサ１に印
加し、その際の静電容量Ｃ１、Ｃ２を測定して静電容量
比ｋ₁、ｋ₂を求める。尚、以下の計算の便宜を図るた
め、校正圧力Ｐ₁、Ｐ₂をＰ₂＝２Ｐ₁としている。そし
て、このようにして得られたＰ₀〜Ｐ₂、ｋ₀〜ｋ₂を式
（１３）に代入し、係数α、β、γについての三元連立
方程式を解くことにより、係数α、β、γの校正値が式
（１４）〜式（１６）に示すように求めることができ
る。

【００３８】

【数１３】

【００３９】このようにして求められた係数α、β、γ
の校正値は、不図示の不揮発性メモリであるＥ２ＰＲＯ
Ｍ等に静電容量型圧力センサ１の校正値として記録保存
される。そして、静電容量型圧力センサ１による圧力測
定時には、記録保存された係数α、β、γの校正値が演
算処理手段を構成する校正演算部に呼び出され、式（１
３）に代入される。そして、未知の測定圧力に対して静
電容量Ｃ１、Ｃ２が検出されると、校正演算部では、静
電容量比ｋを算出し、式（１３）により、圧力Ｐを校正
演算して出力する。

【００４０】このような係数演算部および校正演算部を
備えた演算処理手段において、演算処理手段を構成する
基本演算部は、係数演算部および校正演算部からの所定
の引数Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗという入力に対して、上述した基
本演算式（１７）を演算し、その結果ｆを係数演算部ま
たは校正演算部に出力するように構成されている。

【００４１】

【数１４】

【００４２】そして、このような基本演算部は、係数
α、β、γを算出する校正時、および静電容量型圧力セ
ンサ１による未知の圧力の測定時に以下のように作用す
る。 係数α、β、γの算出（静電容量型圧力センサ１の
校正） 係数αの算出式（１４）は、次式（１８）のように変形
することができる。

【００４３】

【数１５】

【００４４】すなわち、係数演算部は、例えば、式（１
８）における第１項のｋ₁、ｋ₀、１、０を基本演算式
（１７）の引数Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗとして出力する。基本演
算部では、式（１７）で与えられる演算を行い、演算結
果ｆを係数演算部に出力する。そして、第２項以下、同
様の手順を繰り返して、順次演算結果ｆを取得すれば係
数αの校正値を算出することができる。係数γの算出式
（１５）も同様に、式（１９）のように変形することが
でき、上述と同様に、基本演算部で複数回演算させるこ
とにより、係数γの校正値を算出することができる。

【００４５】

【数１６】

【００４６】 静電容量型圧力センサ１による実際の
圧力測定 上述のように静電容量型圧力センサ１の校正終了後、算
出された係数α、β、γは、不揮発性のメモリであるＥ
２ＰＲＯＭに記録保存される。そして、この係数α、
β、γは、静電容量型圧力センサ１による測定時、校正
演算部に呼び出される。校正演算部は、測定時の静電容
量Ｃ１、Ｃ２を検出し、静電容量比ｋを算出し（第１の
補正）、式（１３）により圧力Ｐを換算して出力する
（フィードバック補正）。具体的には、以下のように基
本演算部を利用して算出、換算が行われる。まず、静電
容量Ｃ１、Ｃ２から静電容量比ｋを算出する場合、静電
容量比ｋ（＝Ｃ２／Ｃ１）は、式（２０）のように変形
できる。

【００４７】

【数１７】

【００４８】すなわち、校正演算部は、Ｃ１、０、Ｃ
２、０を引数Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗとし、基本演算部に出力す
ることにより、その演算結果ｆを静電容量比ｋとして取
得することができる。次に、式（１３）は、式（２１）
のように変形することができる。

【００４９】

【数１８】

【００５０】従って、上述と同様に、校正演算部は、式
（２１）において、基本演算式（１７）に相当する部分
を基本演算部で繰り返し演算させることにより、換算圧
力Ｐを取得することができる。

【００５１】このような本発明によれば、演算処理手段
が基本演算式（１７）を演算する基本演算部を備えてい
るので、係数演算部の演算の一部、校正演算部の演算の
一部を、基本演算部で演算させることができ、係数演算
部および校正演算部の構造を簡素化することができる。
また、基本演算部は、センサの校正時および測定時の双
方で利用されているので、演算処理手段において無駄に
なる部分を極力少なくして演算処理手段の効率化を図る
ことができる。従って、演算処理手段全体の構造が簡素
化され、自己校正型センサの校正作業コスト、部材コス
トを含むトータルコストを低減することができる。

【００５２】以上において、上述した演算処理手段は、
センサに設けられ、かつＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒ
ｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含む集積回路から構成
されているのが好ましい。 すなわち、演算処理手段が
センサに設けられ、かつＣＰＵを含む集積回路から構成
されているので、センサを自己校正型のセンサとするこ
とができ、上述したように、センサの校正作業に要する
コストを大幅に低減することができる。

【００５３】また、上述したセンサには、演算処理手段
の他、電源を遮断しても記録情報が失われない不揮発性
のメモリが設けられ、係数演算部により算出された係数
α、β、γは、この不揮発性のメモリに記録されるよう
に構成されているのが好ましい。ここで、不揮発性のメ
モリとしては、記録情報を紫外線により消去することの
できるＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍ
ｍａｂｌｅ ＲｅａｄＯｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）や、記
録情報を電気的に消去することのできるＥ２ＰＲＯＭを
採用するのが好ましい。 すなわち、センサがこのよう
な不揮発性メモリを備えているので、自己校正型のセン
サで一旦校正作業を行えば、校正により算出された係数
α、β、γがメモリに恒久的に保存され、以後のセンサ
の使用時に再度の校正作業が不要となる。

【００５４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の一形態を図
面に基づいて説明する。尚、既に説明した部材または部
分と同一または類似の部材等については、その説明を省
略する。図４には、第１実施形態に係るセンサおよび信
号処理回路が示され、上述した図１〜図３に示される静
電容量型圧力センサ１には、信号出力手段となるデジタ
ル変換器３を介して演算処理手段５が設けられ、この演
算処理手段５は、記憶装置７および外部出力用のＤ／Ａ
コンバータ９と接続されている。

【００５５】上述したデジタル変換器３、演算処理手段
５、記憶装置７、およびＤ／Ａコンバータ９は、すべて
ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｓｉｆｉｃ
Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）から構成さ
れ、前記静電容量型圧力センサ１と一体的に設けられ、
静電容量型圧力センサ１はこのＡＳＩＣにより校正値の
算出および校正演算を行う自己校正型のセンサとして構
成されている。この演算処理手段５は、係数演算部５１
と、校正演算部５２と、基本演算部５３とを含んで構成
される。

【００５６】係数演算部５１は、既知の校正圧力Ｐ₀、
Ｐ₁、Ｐ₂と、各校正圧力における静電容量比ｋ₀、ｋ₁、
ｋ₂とから式（１４）〜式（１６）により、係数α、
β、γを算出する部分である。校正演算部５２は、係数
演算部５１により算出されたα、β、γを式（１３）に
代入し、未知の測定圧力に対応して検出された静電容量
Ｃ１、Ｃ２から式（１３）により校正演算して圧力換算
値Ｐを取得し、Ｄ／Ａコンバータ９に出力する部分であ
る。基本演算部５３は、係数演算部５１または校正演算
部５２から入力される所定の引数Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗに対し
て基本演算式（１７）で与えられる演算を行い、その演
算結果ｆを係数演算部５１、校正演算部５２に出力する
部分である。

【００５７】また、前記記憶装置７も静電容量型圧力セ
ンサ１と一体的に設けられ、Ｅ２ＰＲＯＭから構成され
る不揮発性メモリ７１と、第１レジスタ７２および第２
レジスタ７３とを備えている。この第１レジスタ７２お
よび第２レジスタ７３は、所定の記憶容量を有するＲＡ
Ｍ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）の内
部記憶領域を分割して構成され、上述した係数演算部５
１および校正演算部５２における演算処理において、前
記基本演算部５３による演算結果ｆを一時的にストアす
る部分である。

【００５８】以上のような構成を有する信号処理回路お
よび静電容量型圧力センサ１において、校正作業および
実際の圧力測定は次のようにして行われる。 既知の校正圧力の印加および静電容量比の算出 まず、静電容量型圧力センサ１の校正作業を行うため
に、静電容量型圧力センサ１には、既知の校正圧力
Ｐ₀、Ｐ₁、Ｐ₂が印加される。各々の印加圧力における
静電容量Ｃ１（可動電極１３および第１固定電極１４か
ら構成されるコンデンサ）、静電容量Ｃ２（可動電極１
３および第２固定電極１５から構成されるコンデンサ）
は、デジタル変換器３を介して係数演算部５１に出力さ
れる。係数演算部５１は、検出された静電容量Ｃ１、Ｃ
２から各印加圧力Ｐ₀、Ｐ₁、Ｐ₂における静電容量比
ｋ₀、ｋ₁、ｋ₂を算出し、校正印加圧力Ｐ₀、Ｐ₁、Ｐ₂お
よび静電容量比ｋ₀、ｋ₁、ｋ₂を記憶装置７の不図示の
記憶領域に出力して保存する。

【００５９】 係数α、β、γの算出 係数α、β、γの算出は、係数演算部５１および基本演
算部５３間のデータの入出力を複数回行うことにより行
われ、基本演算部５３による途中演算結果は、第１レジ
スタ７２および第２レジスタ７３に一時的にストアされ
る。 (1)係数αの算出 係数αの算出は上述の式（１８）に基づいて行われ、基
本演算部５３における式（１７）の演算は表１に示すよ
うに、３ステップで行われる。

【００６０】

【表１】

【００６１】すなわち、第１ステップでは、係数演算部
５１は、式（１８）における第１項のｋ₁をＸ、ｋ₀を
Ｙ、１をＺ、０をＷとして基本演算部５３に出力する。
基本演算部５３は、係数演算部５１から入力されるこれ
らの引数Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗに基づいて式（１７）で与えら
れる演算を行い、その演算結果ＲＥＧ１を第１レジスタ
７２に保存する。第２ステップでは、係数演算部５１
は、式（１８）における第２項のｋ₂をＸ、ｋ₀をＹ、０
をＺ、２をＷとして基本演算部５３に出力し、基本演算
部５３による演算結果ＲＥＧ２を第２レジスタ７３に保
存する。

【００６２】第３ステップでは、係数演算部５１は、２
をＸ、１をＹ、第１レジスタ７２に保存されたＲＥＧ１
をＺ、第２レジスタ７３に保存されたＲＥＧ２をＷとし
て基本演算部５３に出力し、上述と同様に基本演算部５
３で演算させる。式（１８）からわかるように、この第
３ステップで得られた演算結果は、係数αの校正値であ
り、この演算結果は、係数演算部５１を介して不揮発性
メモリ７１に記録保存される。尚、この第３ステップに
おいてＸ＝２、Ｙ＝１は、Ｘ−Ｙ＝１となるように便宜
的に設定された値であるので、Ｘ＝１、Ｙ＝０と設定し
てもよい。

【００６３】(2)係数βの算出 式（１５）からわかるように、β＝ｋ₀であるから、基
本演算部５３により演算させることなく、そのまま係数
演算部５１からβ＝ｋ₀を不揮発性メモリ７１に出力し
て記録保存すればよい。尚、係数α、β、γの算出を基
本演算部５３で演算させる、という定形処理が設定され
ている場合、式（１５）を以下の式（２２）に変形し、
基本演算部５３による１回の演算結果を不揮発性メモリ
７１に出力して記録保存すればよい。

【００６４】

【数１９】

【００６５】(3)係数γの算出 係数γの算出は式（１９）に基づいて行われ、基本演算
部５３における式（１７）の演算は、係数αの算出と同
様に３ステップで行われる。係数演算部５１から出力さ
れる引数Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗには、表２に示す値が設定さ
れ、この３ステップによる演算結果は、係数γの校正値
として不揮発性メモリ７１に保存される。

【００６６】

【表２】

【００６７】 静電容量型圧力センサ１による実際の
圧力測定 上述のように校正作業を終了し、係数α、β、γが求め
られた静電容量型圧力センサ１により、実際に圧力測定
を行う場合、以下のような手順で行われる。 (1)静電容量比ｋの算出（第１の補正） 静電容量型圧力センサ１からデジタル変換器３を介して
出力された静電容量Ｃ１、Ｃ２は、校正演算部５２にお
いて第１の補正が行われ、静電容量比ｋが算出される。
具体的な演算処理は、ｋ＝Ｃ１／Ｃ２を上述の式（２
０）のように変形し、表３に示すように、基本演算部５
３で１ステップの演算を行い、その演算結果をＲＥＧ１
として第１レジスタ７２に保存する。

【００６８】

【表３】

【００６９】(2)圧力Ｐの校正演算（フィードバック補
正）上述した第１の補正の後、校正演算部５２は、第１
の補正により求められた演 算結果ＲＥＧ１、および校正作業により求められた係数
α、β、γの値を、それぞれ第１レジスタ７２および不
揮発性メモリ７１から呼び出し、式（１３）に基づいて
フィードバック補正を行って圧力Ｐを校正演算する。具
体的には、式（１３）を式（２１）のように、基本演算
式（１７）を要素とする形に変形し、表４に示すような
引数Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗを校正演算部５２から出力し、基本
演算部５３で３ステップの演算処理を行うことにより、
圧力Ｐが求められる。

【００７０】

【表４】

【００７１】そして、このようにして換算された測定圧
力Ｐは、Ｄ／Ａコンバータ９に出力され、このＤ／Ａコ
ンバータ９に接続される種々の外部信号処理手段によっ
て処理される。

【００７２】(3)第１の補正およびフィードバック補正
による校正 上述した第１の補正、フィードバック補正により校正す
ると、表５に示すように、高精度化される。尚、表５に
おいて、係数α、β、γの校正値は、別途校正作業を行
うことにより得られた値である。

【００７３】

【表５】

【００７４】すなわち、上述したように、フィードバッ
ク補正による校正を行うことにより、被測定物の圧力の
実際値と静電容量型センサ１の出力との直線性、ゲイ
ン、オフセットが校正され、未知の測定圧力に対して静
電容量センサ１のセンサ出力が高精度に対応するように
なることがわかる。

【００７５】前述の第１実施形態によれば、以下のよう
な効果がある。すなわち、演算処理手段５が基本演算部
５３を備えているので、係数演算部５１の演算処理の一
部、校正演算部５２の演算処理の一部を、基本演算部５
３で演算させることができ、その分、係数演算部５１お
よび校正演算部５２の構造を簡素化することができる。

【００７６】また、基本演算部５３は、静電容量型圧力
センサ１の校正作業時、実際の圧力測定時の双方で利用
されているので、演算処理手段５に無駄な部分が生じる
こともない。従って、演算処理手段５の全体の構造が簡
素化され、自己校正型の静電容量型圧力センサ１であっ
ても、校正作業コストを大幅に低減できるうえ、部材コ
ストが大幅に高騰することもなく、これらを含むトータ
ルコストを低減することができる。

【００７７】さらに、演算処理手段５がＣＰＵを含むＡ
ＳＩＣから構成され、静電容量型圧力センサ１と一体的
に設けられているので、静電容量型圧力センサ１を自己
校正型のセンサとすることができ、センサの校正作業に
要するコストを大幅に低減することができる。そして、
静電容量型圧力センサ１には、記憶装置７を構成する不
揮発性メモリ７１が設けられ、この不揮発性メモリ７１
が電源を遮断しても記録情報が失われないＥ２ＰＲＯＭ
から構成されているので、自己校正型のセンサにおい
て、一度校正作業を行えば、係数α、β、γの校正値が
恒久的に保存され、以後の静電容量型圧力センサ１の使
用時に再度の校正作業を行う必要がない。

【００７８】また、記憶装置７が基本演算部５３による
途中演算結果を一時的に保存する第１レジスタ７２およ
び第２レジスタ７３を備えているので、基本演算式（１
７）による演算を複数回を組み合わせて、式（１３）〜
式（１６）に示される複雑な演算処理を基本演算部５３
という簡単な演算処理で行うことができる。

【００７９】次に、本発明の第２実施形態について説明
する。前述の第１実施形態に係る静電容量型圧力センサ
１では、ダイアフラム１１の一方の面に可動電極１３が
形成され、第１および第２固定電極１４、１５は、ダイ
アフラム１１を支持し、かつ可動電極１３と対向する基
板１２上に並列的に形成されていた。

【００８０】これに対して、第２実施形態に係る静電容
量型圧力センサ１０１は、図５に示すように、可動電極
１１３がダイアフラム１１１の両面に形成されている。
そして、可動電極１１３の一方の側と対向して第１固定
電極１１４が形成され、可動電極１３の他方の側と対向
して第２固定電極１１５が形成されている点が相違す
る。すなわち、静電容量型圧力センサ１０１は、ダイア
フラム１１１で区画される空間に作用するＰ１、Ｐ２の
圧力差Ｐ１−Ｐ２によりダイアフラム１１１が変形する
差圧型圧力センサを構成している。

【００８１】また、前述の第１実施形態に係る静電容量
型圧力センサ１と一体的に設けられる演算処理手段５
は、係数演算部５１、校正演算部５２、および基本演算
部５３から構成されていた。 これに対して、第２実施
形態に係る静電容量型圧力センサ１０１では、図６に示
すように、演算処理手段１０５が校正演算部５２および
基本演算部５３から構成され、係数演算部が設けられて
いない点が相違し、係数α、β、γの算出は外部調整装
置であるコンピュータ２００によって行われる。すなわ
ち、第２実施形態に係るセンサの信号処理回路は、演算
処理手段１０５およびコンピュータ２００を含んで構成
され、この点が第１実施形態と相違する。従って、図示
を略したが、コンピュータ２００は、第１実施形態に係
る演算処理手段５における係数演算部５１および基本演
算部５３と同様の構造の係数演算部および基本演算部を
備えている。

【００８２】図５において、静電容量型圧力センサ１０
１は差圧型のセンサであり、差圧型圧力センサでは、第
１実施形態のように、静電容量比ｋをｋ＝Ｃ２／Ｃ１と
いう単純な式で求めるのではなく、式（２３）により静
電容量比ｋ’を算出することが一般的に知られている。
尚、可動電極１１３の一方の側１１３Ａおよび第１固定
電極１１４から構成されるコンデンサの静電容量をＣ３
とし、可動電極１１３の他方の側１１３Ｂおよび第２固
定電極１１５から構成されるコンデンサの静電容量をＣ
４とする。

【００８３】

【数２０】

【００８４】検出された静電容量Ｃ３、Ｃ４から静電容
量比ｋ’を算出する第１の補正は、式（２３）からわか
るように、基本演算部５３で演算させることができる。
基本演算部５３に入力される引数Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗは、表
５に示される値であればよく、１ステップの演算で静電
容量比ｋ’を取得することができる。

【００８５】

【表６】

【００８６】以下、係数α、β、γの校正値を算出する
原理、フィードバック補正を行う原理は第１実施形態と
同様なので、その説明を省略する。ただし、演算処理手
段１０５が係数演算部を備えていないので、係数α、
β、γの校正値の算出は、図６に基づいて説明すれば、
次のような手順で行われる。 静電容量型圧力センサ１０１には既知の校正圧力Ｐ
₀、Ｐ₁、Ｐ₂が印加され、その際検出された静電容量Ｃ
３、Ｃ４から、基本演算部５３で静電容量比ｋ₀’、
ｋ₁’、ｋ₂’を算出する。これらの校正圧力Ｐ₀、Ｐ₁、
Ｐ₂および静電容量比ｋ₀’、ｋ₁’、ｋ₂’は、Ｄ／Ａコ
ンバータ９を介してコンピュータ２００に出力する。

【００８７】 コンピュータ２００は、係数演算部お
よび基本演算部を利用して、第１実施形態で述べた手順
と同様の手順により係数α、β、γを算出する。算出さ
れた係数α、β、γは、シリアルインターフェース２０
１を介して不揮発性メモリ７１に出力され、不揮発性メ
モリ７１に校正値α、β、γとして記録保存される。

【００８８】 実際の圧力測定では、コンピュータ２
００で求められた校正値α、β、γに基づいてフィード
バック補正が行われ、高精度の圧力換算値Ｐが得られ
る。具体的には、式（２３）による第１の補正後、実際
の圧力Ｐと静電容量比ｋ’との関係は、図７のグラフに
示すようになり、式（２３）で与えられる第１の補正を
行っただけでは、圧力と静電容量比との直線性が十分に
担保できない。これに対して、式（１３）で与えられる
フィードバック補正を行うと、実際の圧力Ｐとセンサ出
力との関係は、図８のグラフに示すように直線性の高い
グラフとなっていることがわかる。

【００８９】以上のような第２実施形態によれば、第１
実施形態で述べた効果に加えて次のような効果がある。
すなわち、係数α、β、γの算出をコンピュータ２００
の係数演算部および基本演算部を利用して行っているの
で、演算処理手段１０５における係数演算部を省略する
ことができ、演算処理手段１０５の構造の一層の簡素化
が図られる。

【００９０】尚、第２実施形態では、校正作業用にコン
ピュータ２００が必須となるが、前述の第１実施形態に
おける算出と同様の手順で行われ、定形処理により係数
α、β、γを算出できる。従って、定形処理により校正
作業が煩雑となることもないので、静電容量型圧力セン
サ１０１のトータルコストが増加することもない。

【００９１】尚、本発明は、前述の第１実施形態および
第２実施形態に限定されるものではなく、次に示すよう
な変形をも含むものである。すなわち、前述の各実施形
態では、静電容量型のセンサ１、１０１は、圧力センサ
であったが、これに限らず、加速度センサ、振動センサ
等であっても本発明を利用することができる。要する
に、被測定物の物理量の変化を電気的に検出し、電気信
号として出力するセンサであれば、本発明を利用するこ
とができる。

【００９２】また、前述の各実施形態では、センサの信
号処理回路は、静電容量型センサ１、１０１の校正値の
算出および校正演算のために用いられていたが、これに
限らず、歪みゲージ型センサに本発明を利用してもよ
い。すなわち、図９に示すように、歪みゲージ型センサ
２０１は、被測定物の圧力変化に応じて変形するダイア
フラム１１と、このダイアフラム１１上に設けられ、ダ
イアフラム１１の変形を電気的に検出する歪みゲージ型
センサ素子２１０とを含んで構成される。

【００９３】歪みゲージ型センサ素子２１０は、ピエゾ
抵抗素子からなる４つの歪みゲージ２１１を電気配線に
より互いに電気的に接続したブリッジ回路２１２を備
え、このブリッジ回路２１２の一対の端部間の電位差Ｖ
を検出している。ブリッジ回路２１２には、予め所定の
電圧Ｖccが印加されていて、センサ素子２１０は、被測
定物の圧力変化によるダイアフラム１１の変形に伴い、
前記歪みゲージ２１１の抵抗値が変化すると、電位差Ｖ
の変化がデジタル変換器３に出力される。センサ素子２
１０により検出された電位差Ｖは、デジタル変換器３に
より、増幅変換され、演算処理手段５に出力される。
尚、信号処理回路を構成する演算処理手段５、記憶手段
７、Ｄ／Ａコンバータ９等の構造は、前述の第１実施形
態に係る信号処理回路と略同様である。

【００９４】このような歪みゲージ型センサ２０１にお
いて、第１実施形態で説明した変換式（６）による校正
を行うと、表７に示すように、歪みゲージ型センサ２０
１の出力Ｖが実際の測定圧力Ｐと高精度に対応するよう
になることがわかる。従って、本発明に係るセンサの信
号処理回路は、前記各実施形態で採用した静電容量型の
センサのみならず、歪みゲージ型のセンサ、その他の被
測定物の物理量の変化を電気信号に変換するセンサにお
いて用いることができ、このような他のセンサに採用し
ても、前記各実施形態と同様の効果を享受することがで
きる。

【００９５】

【表７】

【００９６】さらに、前述の各実施形態では、不揮発性
メモリ７１は、Ｅ２ＰＲＯＭから構成されていたが、こ
れに限らず、記録情報を紫外線により消去することので
きるＥＰＲＯＭを不揮発性メモリとして採用してもよ
い。要するに、静電容量型センサの電源が遮断され、メ
モリに電力が供給されなくなっても記録情報が失われな
いメモリであればよい。その他、本発明の実施の際の具
体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成できる
範囲で他の構造等としてもよい。

【００９７】

【発明の効果】前述のような本発明によれば、演算処理
手段が基本演算部を備えているので、演算処理手段の校
正値を算出する部分と、校正値に基づいて実際の測定値
を換算する部分を共通化することができ、校正作業コス
トおよび部材コストを含むセンサのトータルコストを大
幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作用を説明するための静電容量型セン
サの構造を表す垂直断面図である。

【図２】図１のII−II線における切断面図である。

【図３】本発明の作用を説明するための模式図である。

【図４】本発明の第１実施形態に係るセンサの信号処理
回路の構造を表すブロック図である。

【図５】本発明の第２実施形態に係る静電容量型センサ
を表す垂直断面図である。

【図６】前記実施形態におけるセンサの信号処理回路の
構造を表すブロック図である。

【図７】前記実施形態における第１の補正を行った後に
おける圧力と静電容量比との関係を表すグラフである。

【図８】前記実施形態におけるフィードバック補正を行
った後における圧力と静電容量比との関係を表すグラフ
である。

【図９】第１実施形態の変形となるセンサおよびセンサ
の信号処理回路を表すブロック図である。

【符号の説明】

１、１０１、２０１ センサ ５、１０５ 演算処理手段 １１、１１１ ダイアフラム １２ 基板 １３ 可動電極 １４ 第１固定電極 １５ 第２固定電極 ５１ 係数演算部 ５２ 校正演算部 ５３ 基本演算部 ７１ 不揮発性メモリ Ｃ１ 第１静電容量 Ｃ２ 第２静電容量 ｋ 静電容量比 Ｐ 物理量の換算値（圧力換算値）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01L 9/12 G01L 9/00 G01L 27/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物の物理量の変化を電気的に検出す
   るセンサ素子と、このセンサ素子の変化を検出して電気
   信号を出力する信号出力手段とを備えたセンサの前記電
   気信号を処理するセンサの信号処理回路であって、 前記電気信号から得られる検出値ｋを変換式 【数１】 により校正演算して前記物理量の換算値Ｐを取得する演
   算処理手段を備え、 この演算処理手段は、前記センサの測定範囲内の任意の
   ３点における既知の校正物理量に対応する検出値を取得
   し、前記変換式に代入することにより、前記変換式の係
   数α、β、γを算出する係数演算部と、 算出された前記係数α、β、γを前記変換式に代入し、
   未知の測定物理量に対応して検出された検出値ｋを、こ
   の変換式により校正演算して前記物理量の換算値Ｐを取
   得する校正演算部と、 前記係数演算部または前記校正演算部から入力される所
   定の引数Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗに対して次式 【数２】 で与えられる演算を行い、その演算結果ｆを前記係数演
   算部または前記校正演算部に出力する基本演算部とを備
   えていることを特徴とするセンサの信号処理回路。
2. 【請求項２】請求項１に記載のセンサの信号処理回路に
   おいて、 前記センサ素子は、前記被測定物の圧力変化に伴い変形
   するダイアフラムと、当該ダイアフラム上に形成される
   可動電極と、このダイアフラムを支持する基板上に形成
   され、かつ前記可動電極と対向配置される第１および第
   ２固定電極とを備え、 前記信号出力手段は、前記可動電極および前記第１固定
   電極の間の第１静電容量信号Ｃ１と、前記可動電極およ
   び前記第２固定電極の間の第２静電容量信号Ｃ２とを出
   力し、 前記検出値ｋは、前記第１および第２静電容量信号Ｃ
   １、Ｃ２の静電容量比であることを特徴とするセンサの
   信号処理回路。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載のセンサの
   信号処理回路において、 前記演算処理手段は、前記センサに設けられ、かつＣＰ
   Ｕを含む集積回路から構成されていることを特徴とする
   センサの信号処理回路。
4. 【請求項４】請求項３に記載のセンサの信号処理回路に
   おいて、 前記センサには、電源を遮断しても記録情報が失われな
   い不揮発性のメモリが設けられ、前記係数演算部により
   算出された係数α、β、γは、この不揮発性メモリに記
   録されることを特徴とするセンサの信号処理回路。