JP2004045209A - 物理量検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数のセンサを用いることなく広い範囲の物理量を検出できるようにする。
【解決手段】センシングエレメント１１から出力された電圧は、増幅回路１２で増幅され、レンジ判定回路１３で複数の閾値によって判定され、レンジ判定回路１３はレンジ判定信号を生成する。オフセット回路１４はレンジ判定信号に応じたオフセット調整用の電圧を出力し、加算器１５は増幅回路１２の出力電圧からオフセット調整用の電圧を減算し、出力回路１６ａはオフセット調整された電圧を出力し、消費電流切替回路１７はレンジに応じて圧力センサの消費電流を変化させる。ＥＣＵ３０はこの消費電流を検出してレンジを識別し、レンジに応じたオフセット調整用電圧を出力回路１６ａの出力電圧に加算して圧力を検出する。出力回路１６ａは各レンジの範囲内で出力電圧の変動範囲を大きく設定できるので、複数のセンサを用いなくても広い範囲の圧力を精度良く検出できる。
【選択図】 図１
【解決手段】センシングエレメント１１から出力された電圧は、増幅回路１２で増幅され、レンジ判定回路１３で複数の閾値によって判定され、レンジ判定回路１３はレンジ判定信号を生成する。オフセット回路１４はレンジ判定信号に応じたオフセット調整用の電圧を出力し、加算器１５は増幅回路１２の出力電圧からオフセット調整用の電圧を減算し、出力回路１６ａはオフセット調整された電圧を出力し、消費電流切替回路１７はレンジに応じて圧力センサの消費電流を変化させる。ＥＣＵ３０はこの消費電流を検出してレンジを識別し、レンジに応じたオフセット調整用電圧を出力回路１６ａの出力電圧に加算して圧力を検出する。出力回路１６ａは各レンジの範囲内で出力電圧の変動範囲を大きく設定できるので、複数のセンサを用いなくても広い範囲の圧力を精度良く検出できる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物理量を検出する物理量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の自動車や家庭におけるホームオートメーション化などにより、圧力、温度、加速度など各種物理量を検出するためのセンサの需要が拡大している。
【０００３】
しかし、この種のセンサは変化量の大きな物理量に対して単一のレンジで測定する構成にすると物理量の微少な変化を検出することができないため検出精度が劣化してしまう。
【０００４】
また、検出精度を向上させると想定以上の物理量が入力された場合に測定不能となってしまう。例えば、圧力センサを使用した配管内部の液漏れの検査では、極めて高い圧力を加える場合がある。このような場合には、配管内部の圧力が圧力センサの測定範囲を越えてしまうため、測定できないといった問題が生じる。
【０００５】
そこで、このような変化量の大きな圧力を測定するために、レンジの異なる複数のセンサを設けたものが提案されている。図８に、その圧力センサの構成例を示す。
【０００６】
図に示すように、従来の圧力センサ５０は、センサ部５０ａ〜５０ｃから構成されている。センサ部５０ａは、センシングエレメント５１ａ、増幅回路５２ａおよび出力回路５５ａを有している。同様に、センサ部５５ｂは、センシングエレメント５１ｂ、増幅回路５２ｂおよび出力回路５５ｂを有しており、センサ部５０ｃは、センシングエレメント５１ｃ、増幅回路５２ｃおよび出力回路５５ｃを有している。また、出力回路５５ａ〜５５ｃにそれぞれ接続された信号端子５０ｆ〜５０ｈは、電子制御装置３０（以下、ＥＣＵという）に接続された信号端子３０ｆ〜３０ｈとワイヤーハーネスを介してそれぞれ接続されている。
【０００７】
センシングエレメント５１ａ〜５１ｃは、薄肉状のダイヤフラムを介して被測定圧力を受圧するように設置され、被測定圧力に応じた電圧を出力する。増幅回路５２ａ〜５２ｃは、センシングエレメント５１ａ〜５１ｃから入力される電圧をそれぞれ増幅して出力する。出力回路５５ａ〜５５ｃは、それぞれ増幅回路５２ａ〜５２ｃからの入力信号を出力する。
【０００８】
上記した構成において、センシングエレメント５１ａに圧力が印加されると、センシングエレメント５１ａから圧力に応じた電圧が出力され、増幅回路５２ａで増幅される。そして、この増幅された信号は出力回路５５ａから出力される。センシングエレメント５１ｂ、５１ｃについても同様に、圧力に応じた電圧がそれぞれ増幅回路５２ｂ、５２ｃで増幅され出力回路５５ｂ、５５ｃから出力される。
【０００９】
ここで、増幅回路５２ａ〜５２ｃは、それぞれオフセットが異なるように設定されている。すなわち、図９に示すように、圧力Ｐ０〜Ｐ１では、センサ部５０ａの増幅回路５２ａが線形領域で動作するようにオフセットが設定され、圧力Ｐ１〜Ｐ２では、増幅回路５２ｂが線形領域で動作するようにオフセットが設定され、圧力Ｐ２〜Ｐ３では、増幅回路５２ｃが線形領域で動作するようにオフセットが設定されている。
【００１０】
このように、複数のセンサ部を設け、その出力電圧を増幅する増幅回路のオフセットを異ならせることで、広い範囲の圧力を精度良く検出することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の圧力センサでは、複数のセンサ部を必要とするのでコストアップや搭載場所確保などといった問題がある。
【００１２】
本発明は上記問題に鑑みたもので、複数のセンサ部を用いることなく広い範囲の物理量を精度良く検出することができる物理量検出装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、検出部の出力電圧を増幅して出力する増幅回路の出力電圧が、設定された複数のレンジのいずれにあるかを判定し、この判定されたレンジに応じたオフセット調整用の電圧を出力する手段と、増幅回路の出力電圧からオフセット調整用の電圧を減算し、レンジ毎に所定電圧の範囲内で変化する、オフセット調整された電圧を出力する手段と、オフセット調整された電圧を外部回路に出力するとともに、判定されたレンジを外部回路に知らせる出力手段とを備え、外部回路において、オフセット調整された電圧と判定されたレンジから物理量が検出されるようにしたことを特徴としている。
【００１４】
この発明によれば、増幅回路の出力電圧のレンジを判定し、この判定されたレンジに応じたオフセット調整用の電圧を、増幅回路の出力電圧から減算して、レンジ毎に所定電圧の範囲内で変化するオフセット調整された電圧を出力するようにしているから、各レンジの範囲内で出力電圧の変動範囲を大きく設定することができる。また、判定されたレンジを外部回路に知らせ、外部回路において、オフセット調整された電圧と判定されたレンジから物理量を検出するようにしているから、上記のようなオフセット調整された電圧としても、そのオフセット調整された電圧と判定されたレンジから物理量を検出することができる。したがって、この発明によれば、複数のセンサ部を用いることなく広い範囲の物理量を精度良く検出することができる。
【００１５】
上記した出力手段としては、請求項２に記載の発明のように、判定されたレンジを外部回路に知らせるために、外部回路から当該物理量検出装置に供給される消費電流を判定されたレンジに応じて変化させるように構成することができる。また、請求項３に記載の発明のように、オフセット調整された電圧を１本の信号線で外部回路に出力するとともに、判定されたレンジを外部回路に知らせるために、１本の信号線から外部回路に供給する電流を判定されたレンジに応じて変化させるように構成することもできる。さらに、請求項４に記載の発明のように、判定されたレンジに応じた発振周波数でオフセット調整された電圧を変調して外部回路に出力するように構成することもできる。これら請求項２〜４に記載の発明によれば、外部回路との間の信号線を増やすことなく実現することができる。
【００１６】
また、出力手段としては、請求項５に記載の発明のように、オフセット調整された電圧を外部回路に出力する回路と、判定されたレンジを示すレンジ判定信号を外部回路に出力する回路とを有するように構成することもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１０の構成を示す。この圧力センサ１０は、センシングエレメント１１、増幅回路１２、レンジ判定回路１３、オフセット回路１４、加算器１５、出力回路１６ａおよび消費電流切替回路１７から構成されている。また、圧力センサ１０の電源端子１０ｄ、ＧＮＤ端子１０ｅおよび信号端子１０ｆは、それぞれＥＣＵ３０の電源端子３０ｄ、ＧＮＤ端子３０ｅおよび信号端子３０ｆとワイヤーハーネスを介してそれぞれ接続されている。
【００１８】
センシングエレメント１１は、図示しない薄肉状のダイヤフラムを介して被測定圧力を受圧するように設置され、被測定圧力に応じた電圧を出力する。増幅回路１２は、センシングエレメント１１の出力電圧を増幅する。
【００１９】
レンジ判定回路１３は、図示しない複数のウィンドコンパレータを有し、増幅回路１２の出力電圧を判定する。例えば、センシングエレメント１１に印加される圧力Ｐ０、Ｐ１、Ｐ３、Ｐ４、…（図３参照）に対し、増幅回路１２の出力電圧がどの圧力範囲の値にあるのかを判定し、その判定結果に応じたレンジ判定信号を出力する。具体的には、複数のウィンドコンパレータは、圧力Ｐ０〜Ｐ１に相当する増幅回路１２の出力電圧を判定するための闘値、圧力Ｐ１〜Ｐ２に相当する増幅回路１２の出力電圧を判定するための闘値、圧力Ｐ２〜Ｐ３に相当する増幅回路１２の出力電圧を判定するための闘値、圧力Ｐ３〜Ｐ４に相当する増幅回路１２の出力電圧を判定するための闘値、…をそれぞれ有し、増幅回路１２の出力電圧がどの闘値間（すなわちレンジ）にあるのかを示すレンジ判定信号を出力する。この実施形態では、圧力Ｐ０〜Ｐ１、Ｐ１〜Ｐ２、Ｐ２〜Ｐ３、Ｐ３〜Ｐ４、…に対して８つのレンジを設定し、判定回路１３から、増幅回路１２の出力電圧がどのレンジにあるのかを示す３ビットの信号がレンジ判定信号として出力されるようになっている。
【００２０】
オフセット回路１４は、レンジ判定回路１３からのレンジ判定信号に応じたオフセット調整用電圧を出力する。具体的には、レンジ判定信号が圧力Ｐ０〜Ｐ１に対応するものであるときには０を出力し、レンジ判定信号が圧力Ｐ１〜Ｐ２に対応するものであるときにはＶ１を出力し、レンジ判定信号がＰ２〜Ｐ３に対応するものであるときには２×Ｖ１を出力し、レンジ判定信号がＰ３〜Ｐ４に対応するものであるときには３×Ｖ１を出力するというように、レンジ判定信号に応じＶ１のｎ（ｎ＝０、１、２、３…）倍のオフセット調整用電圧を出力する。
【００２１】
加算器１５は、増幅回路１２の出力電圧からオフセット回路１４のオフセット調整用電圧を減算する。出力回路１６ａは、加算器１５からの電圧をＥＣＵ３０に出力する。
【００２２】
このように、増幅回路１２の出力電圧からオフセット回路１４のオフセット調整用電圧を減算して出力することにより、出力回路１６ａからの出力電圧は、図３（ａ）に示すように、レンジ毎に０〜Ｖ１の範囲内で変化することになる。なお、レンジ判定回路１３は、レンジ判定信号がヒステリシス特性を有するように構成されており、このことにより出力回路１６ａの出力電圧およびに後述する消費電流にチャタリングが生じないようになっている。
【００２３】
出力回路１６ａからの出力電圧は、ワーヤハーネスを介してＥＣＵ３０に入力される。出力回路１６ａからの出力電圧は、レンジ毎に０〜Ｖ１の範囲内で変化する電圧となっているため、それを増幅回路１２の出力電圧に戻すためには、ＥＣＵ３０において、増幅回路１２の出力電圧がどのレンジのものであるのかを識別する必要がある。この場合、単純にレンジ判定回路１３からのレンジ判定信号をＥＣＵ３０に出力するようにすればよいが、それでは、圧力センサ１０とＥＣＵ３０間のワイヤハーネスの数が増えることとなる。このため、この実施形態では、消費電流切替回路１７により、ワイヤハーネスの数を増やすことなく、ＥＣＵ３０がレンジを識別できるようになっている。
【００２４】
図２に、消費電流切替回路１７の具体的な構成を示す。消費電流切替回路１７は、スイッチ１７ａ〜１７ｃと定電流回路１７ｄ〜１７ｆから構成されている。スイッチ１７ａ〜１７ｃは、レンジ判定回路１３からの３ビットのレンジ判定信号の各ビット信号によりそれぞれオンオフされる。定電流回路１７ｄ〜１７ｆに流れる電流値はそれぞれ異なっており、スイッチ１７ａ〜１７ｃのオンオフの組み合わせにより、消費電流は８通りに切り替えられる。その結果、図３（ｂ）に示すように、センシングエレメント１１に印加される圧力Ｐ０、Ｐ１、Ｐ３、Ｐ４、…の各レンジに応じて、消費電流がそれぞれＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、…となるように変化する。
【００２５】
ＥＣＵ３０は、抵抗３０１を介して圧力センサ１０に電流を供給する。この供給電流、すなわち圧力センサ１０の消費電流は、スイッチ１７ａ〜１７ｃのオンオフの組み合わせにより、８通りに変化する。したがって、抵抗３０１の端子電圧もその消費電流に応じて変化し、抵抗３０１の端子電圧からレンジを識別することができる。ＥＣＵ３０には、マイコン３００が備えられており、マイコン３００は、内蔵もしくは図示しない外付けのＡ／Ｄ変換器を介して出力回路１６ａからの出力電圧および抵抗３０１の端子電圧を取り込み、抵抗３０１の端子電圧からレンジを識別するとともに、出力回路１６ａからの出力電圧と識別したレンジから、圧力を検出する処理を行う。具体的には、出力回路１６ａからの出力電圧に、Ｖ１×識別したレンジｎ（ｎ＝０、１、２、３…）すなわちレンジに応じたオフセット調整用電圧を加算することにより、圧力を検出する。
【００２６】
上記した実施形態によれば、圧力Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、…に対応した閾値によりレンジが設定され、レンジ判定回路１３、オフセット回路１４、加算器１５によって増幅回路１２の出力電圧がレンジ毎に０〜Ｖ１の範囲内で変化する電圧とされる。このため、出力回路１６ａでは、各レンジの範囲内で出力電圧を０〜Ｖ１まで変化させられるように、出力電圧の変動範囲を大きく設定することができる。したがって、ＥＣＵ３０では、出力回路１６ａの出力信号を精度よく取り込み、圧力を精度よく検出することができる。また、レンジ判定信号を圧力センサ１０の消費電流に対応させることで、圧力センサ１０とＥＣＵ３０間の信号線を増やすことなく１本で実現することができる。
【００２７】
（第２実施形態）
図４に、本発明の第２の実施形態に係る圧力センサの構成図を示す。この実施形態の圧力センサ１０は、センシングエレメント１１、増幅回路１２、レンジ判定回路１３、オフセット回路１４、加算器１５および出力回路１６ｂから構成されている。
【００２８】
出力回路１６ｂには、加算器１５の出力電圧（すなわち加算器１５でオフセット調整された電圧）およびレンジ判定回路１３からのレンジ判定信号が入力される。出力回路１６ｂは、加算器１５の出力電圧をＥＣＵ３０に出力するとともに、レンジ判定信号に対応させてＥＣＵ３０に出力する電流能力、すなわち電流供給能力を変化させるようになっている。
【００２９】
出力回路１６ｂおよびＥＣＵ３０の構成を図５に示す。図に示すように、出力回路１６ｂは、演算増幅器１６７、スイッチ１６１〜１６３および定電流回路１６４〜１６６から構成されている。
【００３０】
演算増幅器１６７は、入力端子が加算器１５に接続され、出力端子が定電流回路１６４〜１６６および信号端子１０ｆに接続されており、加算器１５の出力電圧に応じた電圧を信号端子１０ｆを介してＥＣＵ３０に出力する。また、スイッチ１６１〜１６３は、３ビットのレンジ判定信号によって制御されるようになっており、このスイッチ１６１〜１６３をオンオフすることにより定電流回路１６４〜１６６に流れる電流を制御する。ここで、定電流回路１６４〜１６６に流れる定電流はそれぞれ異なっており、スイッチ１６１〜１６３のオンオフの組み合わせによって８通りの定電流が出力される。
【００３１】
一方、ＥＣＵ３０は、マイコン３００、抵抗３０２およびスイッチ３０３を有しており、抵抗３０２の抵抗値は、出力回路１６ｂの演算増幅器１６７の出力インピーダンスよりも十分小さくなっている。
【００３２】
ここで、出力回路１６ｂにおいてスイッチ１６１のみがオン、ＥＣＵ３０においてスイッチ３０３がオフになっている場合、演算増幅器１６７の出力端子は低インピーダンスとなっているため、定電流回路１６４に流れる電流は余剰電流としてＩａに示す経路で演算増幅器１６７に吸収される。このとき、マイコン３０は、入力される電圧から加算器１５の出力電圧を検出する。
【００３３】
次に、マイコン３００がスイッチ３０３をオンすると、抵抗３０２の抵抗値の方が演算増幅器１６７の出力インピーダンスよりも小さいため、定電流回路１６４に流れる電流は、信号端子１０ｆ、３０ｆを介して抵抗３０２に流れ込み、マイコンに入力される電圧は変化する。この電圧は、定電流回路１６４に流れる電流と抵抗３０２の積によるものであり、この電圧から定電流回路１６４に流れる電流すなわち電流供給能力を求めることができる。
【００３４】
このように、ＥＣＵ３０は、スイッチ３０３のオンオフを時間的に切り替ることにより、加算器１５の出力電圧を検出するとともに、電流供給能力を検出してレンジを識別し、第１実施形態と同様の処理にて、圧力を検出する。
【００３５】
したがって、この実施形態においても、出力電圧の変動範囲を大きく設定して圧力を精度よく検出することができる。また、この実施形態では、レンジ判定信号を出力回路１６ｂの出力信号に電流供給能力を対応させているため、第１実施形態と同様に、圧力センサ１０とＥＣＵ３０間の信号線の本数を１本で実現することができる。
【００３６】
（第３実施形態）
図６に、第３の実施形態に係る圧力センサの構成図を示す。この実施形態の圧力センサ１０は、センシングエレメント１１、増幅回路１２、レンジ判定回路１３、オフセット回路１４、加算器１５、出力回路１６ｃおよび発振回路１８から構成されている。
【００３７】
発振回路１８は、レンジ判定回路１３からのレンジ判定信号に応じた発振周波数の正弦波を出力する。出力回路１６ｃは、発振回路１８からの正弦波により加算器１５からの出力電圧を変調することにより、レンジに応じた周波数を重畳して出力する。
【００３８】
ＥＣＵ３０は、周波数カウンタおよびフィルタを備え、周波数カウンタによって重畳された周波数を検出した後、重畳された周波数成分をフィルタで除去し、加算器１５からの出力電圧に相当するアナログ信号を検出する。そして、ＥＣＵ３０は、検出した周波数からレンジを識別し、このレンジと検出したアナログ信号から、第１、第２実施形態と同様にして、圧力を求める。
【００３９】
したがって、この実施形態においても、出力電圧の変動範囲を大きく設定して圧力を精度よく検出することができる。また、この実施形態では、レンジ判定信号を出力回路１６ｃの出力電圧に重畳させる周波数に対応させているため、第１、第２実施形態と同様に、圧力センサ１０とＥＣＵ３０間の信号線の本数を１本で実現することができる。
【００４０】
（第４実施形態）
図７に、第３の実施形態に係る圧力センサの構成図を示す。この本実施形態の圧力センサは、センシングエレメント１１、増幅回路１２、レンジ判定回路１３、オフセット回路１４、加算器１５、出力回路１６ｄおよび判定信号生成回路１９から構成されている。また、圧力センサ１０の電源端子１０ｄ、ＧＮＤ端子１０ｅおよび信号端子１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉは、それぞれＥＣＵ３０の電源端子３０ｄ、ＧＮＤ端子３０ｅおよび信号端子３０ｆ、３０ｇ、３０ｈ、３０ｉとワイヤーハーネスを介してそれぞれ接続されている。
【００４１】
判定信号生成回路１９は、レンジ判定回路１３から入力されるレンジ判定信号をＥＣＵ３０側のシステム仕様に合うように変換する。例えば、レンジ判定信号が３ビットの信号である場合、ＥＣＵ３０側のシステム仕様で圧力レベルが最も低いレンジが、”１１１”であるのに対し、レンジ判定信号が”０００”となっていると、判定信号生成回路１９は、レンジ判定信号をＥＣＵ３０側のシステム仕様に合わせて”１１１”に変換する。
【００４２】
出力回路１６ｄは、第１実施形態と同様のもので、加算器１５からの電圧をＥＣＵ３０に出力する。そして、ＥＣＵ３０は、判定信号生成回路１９からの判定信号によりレンジを識別し、このレンジに応じたオフセット調整用電圧を出力回路１６ｄの出力電圧に加算することで、広い範囲の物理量を精度良く検出することができる。
【００４３】
なお、上記した種々の実施形態と特許請求の範囲に記載した構成要件との対応関係を示すと、センシング１１が、物理量に応じた電圧を出力する検出部に相当し、増幅回路１２が、検出部の出力電圧を増幅して出力する増幅回路に相当し、レンジ判定回路１３およびオフセット回路１４が、レンジを判定してそれに応じたオフセット調整用の電圧を出力する手段に相当し、加算器１５が、増幅回路の出力電圧からオフセット調整用の電圧を減算し、レンジ毎に所定電圧の範囲内で変化する、オフセット調整された電圧を出力する手段に相当し、出力回路１６ａ〜１６ｄ、消費電流切替回路１７、発振回路１８、判定信号生成回路１９が、オフセット調整された電圧を外部回路に出力するとともに、判定されたレンジを外部回路に知らせる出力手段に相当し、ＥＣＵ３０が外部回路に相当する。
【００４４】
したがって、特許請求の範囲に記載された範囲内で適宜実施形態を変更することができ、例えば、第１〜第４実施形態にて示したレンジ判定回路１３、オフセット回路１４、加算器１５などは、ハードロジックで構成することのほか、ソフトウェアを用いて構成することもできる。
【００４５】
また、本発明は、上記した種々の実施形態で示したような圧力センサに適用するものの他、温度、加速度など各種物理量を検出するための物理量検出装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサの構成を示す図である。
【図２】消費電流切替回路およびＥＣＵの構成を示す図である。
【図３】圧力センサの圧力に対する出力回路の出力電圧および消費電流特性を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る圧力センサの構成を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態における出力回路およびＥＣＵの構成を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る圧力センサの構成を示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る圧力センサの構成を示す図である。
【図８】従来の圧力センサの構成を示す図である。
【図９】従来の圧力センサにおける増幅回路の圧力に対する出力電圧の特性を示す図である。
【符号の説明】
１１・・・センシングエレメント、１２・・・増幅回路、１３・・・レンジ判定回路、１４・・・オフセット回路、１５・・・加算器、１６ａ〜１６ｄ・・・出力回路、１７・・・消費電流切替回路、１８・・・発振回路、１９・・・判定信号生成回路。
【発明の属する技術分野】
本発明は、物理量を検出する物理量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の自動車や家庭におけるホームオートメーション化などにより、圧力、温度、加速度など各種物理量を検出するためのセンサの需要が拡大している。
【０００３】
しかし、この種のセンサは変化量の大きな物理量に対して単一のレンジで測定する構成にすると物理量の微少な変化を検出することができないため検出精度が劣化してしまう。
【０００４】
また、検出精度を向上させると想定以上の物理量が入力された場合に測定不能となってしまう。例えば、圧力センサを使用した配管内部の液漏れの検査では、極めて高い圧力を加える場合がある。このような場合には、配管内部の圧力が圧力センサの測定範囲を越えてしまうため、測定できないといった問題が生じる。
【０００５】
そこで、このような変化量の大きな圧力を測定するために、レンジの異なる複数のセンサを設けたものが提案されている。図８に、その圧力センサの構成例を示す。
【０００６】
図に示すように、従来の圧力センサ５０は、センサ部５０ａ〜５０ｃから構成されている。センサ部５０ａは、センシングエレメント５１ａ、増幅回路５２ａおよび出力回路５５ａを有している。同様に、センサ部５５ｂは、センシングエレメント５１ｂ、増幅回路５２ｂおよび出力回路５５ｂを有しており、センサ部５０ｃは、センシングエレメント５１ｃ、増幅回路５２ｃおよび出力回路５５ｃを有している。また、出力回路５５ａ〜５５ｃにそれぞれ接続された信号端子５０ｆ〜５０ｈは、電子制御装置３０（以下、ＥＣＵという）に接続された信号端子３０ｆ〜３０ｈとワイヤーハーネスを介してそれぞれ接続されている。
【０００７】
センシングエレメント５１ａ〜５１ｃは、薄肉状のダイヤフラムを介して被測定圧力を受圧するように設置され、被測定圧力に応じた電圧を出力する。増幅回路５２ａ〜５２ｃは、センシングエレメント５１ａ〜５１ｃから入力される電圧をそれぞれ増幅して出力する。出力回路５５ａ〜５５ｃは、それぞれ増幅回路５２ａ〜５２ｃからの入力信号を出力する。
【０００８】
上記した構成において、センシングエレメント５１ａに圧力が印加されると、センシングエレメント５１ａから圧力に応じた電圧が出力され、増幅回路５２ａで増幅される。そして、この増幅された信号は出力回路５５ａから出力される。センシングエレメント５１ｂ、５１ｃについても同様に、圧力に応じた電圧がそれぞれ増幅回路５２ｂ、５２ｃで増幅され出力回路５５ｂ、５５ｃから出力される。
【０００９】
ここで、増幅回路５２ａ〜５２ｃは、それぞれオフセットが異なるように設定されている。すなわち、図９に示すように、圧力Ｐ０〜Ｐ１では、センサ部５０ａの増幅回路５２ａが線形領域で動作するようにオフセットが設定され、圧力Ｐ１〜Ｐ２では、増幅回路５２ｂが線形領域で動作するようにオフセットが設定され、圧力Ｐ２〜Ｐ３では、増幅回路５２ｃが線形領域で動作するようにオフセットが設定されている。
【００１０】
このように、複数のセンサ部を設け、その出力電圧を増幅する増幅回路のオフセットを異ならせることで、広い範囲の圧力を精度良く検出することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の圧力センサでは、複数のセンサ部を必要とするのでコストアップや搭載場所確保などといった問題がある。
【００１２】
本発明は上記問題に鑑みたもので、複数のセンサ部を用いることなく広い範囲の物理量を精度良く検出することができる物理量検出装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、検出部の出力電圧を増幅して出力する増幅回路の出力電圧が、設定された複数のレンジのいずれにあるかを判定し、この判定されたレンジに応じたオフセット調整用の電圧を出力する手段と、増幅回路の出力電圧からオフセット調整用の電圧を減算し、レンジ毎に所定電圧の範囲内で変化する、オフセット調整された電圧を出力する手段と、オフセット調整された電圧を外部回路に出力するとともに、判定されたレンジを外部回路に知らせる出力手段とを備え、外部回路において、オフセット調整された電圧と判定されたレンジから物理量が検出されるようにしたことを特徴としている。
【００１４】
この発明によれば、増幅回路の出力電圧のレンジを判定し、この判定されたレンジに応じたオフセット調整用の電圧を、増幅回路の出力電圧から減算して、レンジ毎に所定電圧の範囲内で変化するオフセット調整された電圧を出力するようにしているから、各レンジの範囲内で出力電圧の変動範囲を大きく設定することができる。また、判定されたレンジを外部回路に知らせ、外部回路において、オフセット調整された電圧と判定されたレンジから物理量を検出するようにしているから、上記のようなオフセット調整された電圧としても、そのオフセット調整された電圧と判定されたレンジから物理量を検出することができる。したがって、この発明によれば、複数のセンサ部を用いることなく広い範囲の物理量を精度良く検出することができる。
【００１５】
上記した出力手段としては、請求項２に記載の発明のように、判定されたレンジを外部回路に知らせるために、外部回路から当該物理量検出装置に供給される消費電流を判定されたレンジに応じて変化させるように構成することができる。また、請求項３に記載の発明のように、オフセット調整された電圧を１本の信号線で外部回路に出力するとともに、判定されたレンジを外部回路に知らせるために、１本の信号線から外部回路に供給する電流を判定されたレンジに応じて変化させるように構成することもできる。さらに、請求項４に記載の発明のように、判定されたレンジに応じた発振周波数でオフセット調整された電圧を変調して外部回路に出力するように構成することもできる。これら請求項２〜４に記載の発明によれば、外部回路との間の信号線を増やすことなく実現することができる。
【００１６】
また、出力手段としては、請求項５に記載の発明のように、オフセット調整された電圧を外部回路に出力する回路と、判定されたレンジを示すレンジ判定信号を外部回路に出力する回路とを有するように構成することもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１０の構成を示す。この圧力センサ１０は、センシングエレメント１１、増幅回路１２、レンジ判定回路１３、オフセット回路１４、加算器１５、出力回路１６ａおよび消費電流切替回路１７から構成されている。また、圧力センサ１０の電源端子１０ｄ、ＧＮＤ端子１０ｅおよび信号端子１０ｆは、それぞれＥＣＵ３０の電源端子３０ｄ、ＧＮＤ端子３０ｅおよび信号端子３０ｆとワイヤーハーネスを介してそれぞれ接続されている。
【００１８】
センシングエレメント１１は、図示しない薄肉状のダイヤフラムを介して被測定圧力を受圧するように設置され、被測定圧力に応じた電圧を出力する。増幅回路１２は、センシングエレメント１１の出力電圧を増幅する。
【００１９】
レンジ判定回路１３は、図示しない複数のウィンドコンパレータを有し、増幅回路１２の出力電圧を判定する。例えば、センシングエレメント１１に印加される圧力Ｐ０、Ｐ１、Ｐ３、Ｐ４、…（図３参照）に対し、増幅回路１２の出力電圧がどの圧力範囲の値にあるのかを判定し、その判定結果に応じたレンジ判定信号を出力する。具体的には、複数のウィンドコンパレータは、圧力Ｐ０〜Ｐ１に相当する増幅回路１２の出力電圧を判定するための闘値、圧力Ｐ１〜Ｐ２に相当する増幅回路１２の出力電圧を判定するための闘値、圧力Ｐ２〜Ｐ３に相当する増幅回路１２の出力電圧を判定するための闘値、圧力Ｐ３〜Ｐ４に相当する増幅回路１２の出力電圧を判定するための闘値、…をそれぞれ有し、増幅回路１２の出力電圧がどの闘値間（すなわちレンジ）にあるのかを示すレンジ判定信号を出力する。この実施形態では、圧力Ｐ０〜Ｐ１、Ｐ１〜Ｐ２、Ｐ２〜Ｐ３、Ｐ３〜Ｐ４、…に対して８つのレンジを設定し、判定回路１３から、増幅回路１２の出力電圧がどのレンジにあるのかを示す３ビットの信号がレンジ判定信号として出力されるようになっている。
【００２０】
オフセット回路１４は、レンジ判定回路１３からのレンジ判定信号に応じたオフセット調整用電圧を出力する。具体的には、レンジ判定信号が圧力Ｐ０〜Ｐ１に対応するものであるときには０を出力し、レンジ判定信号が圧力Ｐ１〜Ｐ２に対応するものであるときにはＶ１を出力し、レンジ判定信号がＰ２〜Ｐ３に対応するものであるときには２×Ｖ１を出力し、レンジ判定信号がＰ３〜Ｐ４に対応するものであるときには３×Ｖ１を出力するというように、レンジ判定信号に応じＶ１のｎ（ｎ＝０、１、２、３…）倍のオフセット調整用電圧を出力する。
【００２１】
加算器１５は、増幅回路１２の出力電圧からオフセット回路１４のオフセット調整用電圧を減算する。出力回路１６ａは、加算器１５からの電圧をＥＣＵ３０に出力する。
【００２２】
このように、増幅回路１２の出力電圧からオフセット回路１４のオフセット調整用電圧を減算して出力することにより、出力回路１６ａからの出力電圧は、図３（ａ）に示すように、レンジ毎に０〜Ｖ１の範囲内で変化することになる。なお、レンジ判定回路１３は、レンジ判定信号がヒステリシス特性を有するように構成されており、このことにより出力回路１６ａの出力電圧およびに後述する消費電流にチャタリングが生じないようになっている。
【００２３】
出力回路１６ａからの出力電圧は、ワーヤハーネスを介してＥＣＵ３０に入力される。出力回路１６ａからの出力電圧は、レンジ毎に０〜Ｖ１の範囲内で変化する電圧となっているため、それを増幅回路１２の出力電圧に戻すためには、ＥＣＵ３０において、増幅回路１２の出力電圧がどのレンジのものであるのかを識別する必要がある。この場合、単純にレンジ判定回路１３からのレンジ判定信号をＥＣＵ３０に出力するようにすればよいが、それでは、圧力センサ１０とＥＣＵ３０間のワイヤハーネスの数が増えることとなる。このため、この実施形態では、消費電流切替回路１７により、ワイヤハーネスの数を増やすことなく、ＥＣＵ３０がレンジを識別できるようになっている。
【００２４】
図２に、消費電流切替回路１７の具体的な構成を示す。消費電流切替回路１７は、スイッチ１７ａ〜１７ｃと定電流回路１７ｄ〜１７ｆから構成されている。スイッチ１７ａ〜１７ｃは、レンジ判定回路１３からの３ビットのレンジ判定信号の各ビット信号によりそれぞれオンオフされる。定電流回路１７ｄ〜１７ｆに流れる電流値はそれぞれ異なっており、スイッチ１７ａ〜１７ｃのオンオフの組み合わせにより、消費電流は８通りに切り替えられる。その結果、図３（ｂ）に示すように、センシングエレメント１１に印加される圧力Ｐ０、Ｐ１、Ｐ３、Ｐ４、…の各レンジに応じて、消費電流がそれぞれＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、…となるように変化する。
【００２５】
ＥＣＵ３０は、抵抗３０１を介して圧力センサ１０に電流を供給する。この供給電流、すなわち圧力センサ１０の消費電流は、スイッチ１７ａ〜１７ｃのオンオフの組み合わせにより、８通りに変化する。したがって、抵抗３０１の端子電圧もその消費電流に応じて変化し、抵抗３０１の端子電圧からレンジを識別することができる。ＥＣＵ３０には、マイコン３００が備えられており、マイコン３００は、内蔵もしくは図示しない外付けのＡ／Ｄ変換器を介して出力回路１６ａからの出力電圧および抵抗３０１の端子電圧を取り込み、抵抗３０１の端子電圧からレンジを識別するとともに、出力回路１６ａからの出力電圧と識別したレンジから、圧力を検出する処理を行う。具体的には、出力回路１６ａからの出力電圧に、Ｖ１×識別したレンジｎ（ｎ＝０、１、２、３…）すなわちレンジに応じたオフセット調整用電圧を加算することにより、圧力を検出する。
【００２６】
上記した実施形態によれば、圧力Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、…に対応した閾値によりレンジが設定され、レンジ判定回路１３、オフセット回路１４、加算器１５によって増幅回路１２の出力電圧がレンジ毎に０〜Ｖ１の範囲内で変化する電圧とされる。このため、出力回路１６ａでは、各レンジの範囲内で出力電圧を０〜Ｖ１まで変化させられるように、出力電圧の変動範囲を大きく設定することができる。したがって、ＥＣＵ３０では、出力回路１６ａの出力信号を精度よく取り込み、圧力を精度よく検出することができる。また、レンジ判定信号を圧力センサ１０の消費電流に対応させることで、圧力センサ１０とＥＣＵ３０間の信号線を増やすことなく１本で実現することができる。
【００２７】
（第２実施形態）
図４に、本発明の第２の実施形態に係る圧力センサの構成図を示す。この実施形態の圧力センサ１０は、センシングエレメント１１、増幅回路１２、レンジ判定回路１３、オフセット回路１４、加算器１５および出力回路１６ｂから構成されている。
【００２８】
出力回路１６ｂには、加算器１５の出力電圧（すなわち加算器１５でオフセット調整された電圧）およびレンジ判定回路１３からのレンジ判定信号が入力される。出力回路１６ｂは、加算器１５の出力電圧をＥＣＵ３０に出力するとともに、レンジ判定信号に対応させてＥＣＵ３０に出力する電流能力、すなわち電流供給能力を変化させるようになっている。
【００２９】
出力回路１６ｂおよびＥＣＵ３０の構成を図５に示す。図に示すように、出力回路１６ｂは、演算増幅器１６７、スイッチ１６１〜１６３および定電流回路１６４〜１６６から構成されている。
【００３０】
演算増幅器１６７は、入力端子が加算器１５に接続され、出力端子が定電流回路１６４〜１６６および信号端子１０ｆに接続されており、加算器１５の出力電圧に応じた電圧を信号端子１０ｆを介してＥＣＵ３０に出力する。また、スイッチ１６１〜１６３は、３ビットのレンジ判定信号によって制御されるようになっており、このスイッチ１６１〜１６３をオンオフすることにより定電流回路１６４〜１６６に流れる電流を制御する。ここで、定電流回路１６４〜１６６に流れる定電流はそれぞれ異なっており、スイッチ１６１〜１６３のオンオフの組み合わせによって８通りの定電流が出力される。
【００３１】
一方、ＥＣＵ３０は、マイコン３００、抵抗３０２およびスイッチ３０３を有しており、抵抗３０２の抵抗値は、出力回路１６ｂの演算増幅器１６７の出力インピーダンスよりも十分小さくなっている。
【００３２】
ここで、出力回路１６ｂにおいてスイッチ１６１のみがオン、ＥＣＵ３０においてスイッチ３０３がオフになっている場合、演算増幅器１６７の出力端子は低インピーダンスとなっているため、定電流回路１６４に流れる電流は余剰電流としてＩａに示す経路で演算増幅器１６７に吸収される。このとき、マイコン３０は、入力される電圧から加算器１５の出力電圧を検出する。
【００３３】
次に、マイコン３００がスイッチ３０３をオンすると、抵抗３０２の抵抗値の方が演算増幅器１６７の出力インピーダンスよりも小さいため、定電流回路１６４に流れる電流は、信号端子１０ｆ、３０ｆを介して抵抗３０２に流れ込み、マイコンに入力される電圧は変化する。この電圧は、定電流回路１６４に流れる電流と抵抗３０２の積によるものであり、この電圧から定電流回路１６４に流れる電流すなわち電流供給能力を求めることができる。
【００３４】
このように、ＥＣＵ３０は、スイッチ３０３のオンオフを時間的に切り替ることにより、加算器１５の出力電圧を検出するとともに、電流供給能力を検出してレンジを識別し、第１実施形態と同様の処理にて、圧力を検出する。
【００３５】
したがって、この実施形態においても、出力電圧の変動範囲を大きく設定して圧力を精度よく検出することができる。また、この実施形態では、レンジ判定信号を出力回路１６ｂの出力信号に電流供給能力を対応させているため、第１実施形態と同様に、圧力センサ１０とＥＣＵ３０間の信号線の本数を１本で実現することができる。
【００３６】
（第３実施形態）
図６に、第３の実施形態に係る圧力センサの構成図を示す。この実施形態の圧力センサ１０は、センシングエレメント１１、増幅回路１２、レンジ判定回路１３、オフセット回路１４、加算器１５、出力回路１６ｃおよび発振回路１８から構成されている。
【００３７】
発振回路１８は、レンジ判定回路１３からのレンジ判定信号に応じた発振周波数の正弦波を出力する。出力回路１６ｃは、発振回路１８からの正弦波により加算器１５からの出力電圧を変調することにより、レンジに応じた周波数を重畳して出力する。
【００３８】
ＥＣＵ３０は、周波数カウンタおよびフィルタを備え、周波数カウンタによって重畳された周波数を検出した後、重畳された周波数成分をフィルタで除去し、加算器１５からの出力電圧に相当するアナログ信号を検出する。そして、ＥＣＵ３０は、検出した周波数からレンジを識別し、このレンジと検出したアナログ信号から、第１、第２実施形態と同様にして、圧力を求める。
【００３９】
したがって、この実施形態においても、出力電圧の変動範囲を大きく設定して圧力を精度よく検出することができる。また、この実施形態では、レンジ判定信号を出力回路１６ｃの出力電圧に重畳させる周波数に対応させているため、第１、第２実施形態と同様に、圧力センサ１０とＥＣＵ３０間の信号線の本数を１本で実現することができる。
【００４０】
（第４実施形態）
図７に、第３の実施形態に係る圧力センサの構成図を示す。この本実施形態の圧力センサは、センシングエレメント１１、増幅回路１２、レンジ判定回路１３、オフセット回路１４、加算器１５、出力回路１６ｄおよび判定信号生成回路１９から構成されている。また、圧力センサ１０の電源端子１０ｄ、ＧＮＤ端子１０ｅおよび信号端子１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉは、それぞれＥＣＵ３０の電源端子３０ｄ、ＧＮＤ端子３０ｅおよび信号端子３０ｆ、３０ｇ、３０ｈ、３０ｉとワイヤーハーネスを介してそれぞれ接続されている。
【００４１】
判定信号生成回路１９は、レンジ判定回路１３から入力されるレンジ判定信号をＥＣＵ３０側のシステム仕様に合うように変換する。例えば、レンジ判定信号が３ビットの信号である場合、ＥＣＵ３０側のシステム仕様で圧力レベルが最も低いレンジが、”１１１”であるのに対し、レンジ判定信号が”０００”となっていると、判定信号生成回路１９は、レンジ判定信号をＥＣＵ３０側のシステム仕様に合わせて”１１１”に変換する。
【００４２】
出力回路１６ｄは、第１実施形態と同様のもので、加算器１５からの電圧をＥＣＵ３０に出力する。そして、ＥＣＵ３０は、判定信号生成回路１９からの判定信号によりレンジを識別し、このレンジに応じたオフセット調整用電圧を出力回路１６ｄの出力電圧に加算することで、広い範囲の物理量を精度良く検出することができる。
【００４３】
なお、上記した種々の実施形態と特許請求の範囲に記載した構成要件との対応関係を示すと、センシング１１が、物理量に応じた電圧を出力する検出部に相当し、増幅回路１２が、検出部の出力電圧を増幅して出力する増幅回路に相当し、レンジ判定回路１３およびオフセット回路１４が、レンジを判定してそれに応じたオフセット調整用の電圧を出力する手段に相当し、加算器１５が、増幅回路の出力電圧からオフセット調整用の電圧を減算し、レンジ毎に所定電圧の範囲内で変化する、オフセット調整された電圧を出力する手段に相当し、出力回路１６ａ〜１６ｄ、消費電流切替回路１７、発振回路１８、判定信号生成回路１９が、オフセット調整された電圧を外部回路に出力するとともに、判定されたレンジを外部回路に知らせる出力手段に相当し、ＥＣＵ３０が外部回路に相当する。
【００４４】
したがって、特許請求の範囲に記載された範囲内で適宜実施形態を変更することができ、例えば、第１〜第４実施形態にて示したレンジ判定回路１３、オフセット回路１４、加算器１５などは、ハードロジックで構成することのほか、ソフトウェアを用いて構成することもできる。
【００４５】
また、本発明は、上記した種々の実施形態で示したような圧力センサに適用するものの他、温度、加速度など各種物理量を検出するための物理量検出装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサの構成を示す図である。
【図２】消費電流切替回路およびＥＣＵの構成を示す図である。
【図３】圧力センサの圧力に対する出力回路の出力電圧および消費電流特性を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る圧力センサの構成を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態における出力回路およびＥＣＵの構成を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る圧力センサの構成を示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る圧力センサの構成を示す図である。
【図８】従来の圧力センサの構成を示す図である。
【図９】従来の圧力センサにおける増幅回路の圧力に対する出力電圧の特性を示す図である。
【符号の説明】
１１・・・センシングエレメント、１２・・・増幅回路、１３・・・レンジ判定回路、１４・・・オフセット回路、１５・・・加算器、１６ａ〜１６ｄ・・・出力回路、１７・・・消費電流切替回路、１８・・・発振回路、１９・・・判定信号生成回路。
Claims (5)
- 物理量に応じた電圧を出力する検出部と、
この検出部の出力電圧を増幅して出力する増幅回路と、
この増幅回路の出力電圧が、設定された複数のレンジのいずれにあるかを判定し、この判定されたレンジに応じたオフセット調整用の電圧を出力する手段と、
前記増幅回路の出力電圧から前記オフセット調整用の電圧を減算し、レンジ毎に所定電圧の範囲内で変化する、オフセット調整された電圧を出力する手段と、
前記オフセット調整された電圧を外部回路に出力するとともに、前記判定されたレンジを前記外部回路に知らせる出力手段とを備え、
前記外部回路において、前記オフセット調整された電圧と前記判定されたレンジから前記物理量が検出されるようにしたことを特徴とする物理量検出装置。 - 前記出力手段は、前記判定されたレンジを前記外部回路に知らせるために、前記外部回路から当該物理量検出装置に供給される消費電流を前記判定されたレンジに応じて変化させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の物理量検出装置。
- 前記出力手段は、前記オフセット調整された電圧を１本の信号線で前記外部回路に出力するとともに、前記判定されたレンジを前記外部回路に知らせるために、前記１本の信号線から前記外部回路に供給する電流を前記判定されたレンジに応じて変化させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の物理量検出装置。
- 前記出力手段は、前記判定されたレンジに応じた発振周波数で前記オフセット調整された電圧を変調して前記外部回路に出力するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の物理量検出装置。
- 前記出力手段は、前記オフセット調整された電圧を前記外部回路に出力する回路と、前記判定されたレンジを示すレンジ判定信号を前記外部回路に出力する回路とを有することを特徴とする請求項１に記載の物理量検出装置。
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