JP2004257888A

JP2004257888A - 圧力センサ温度補正回路

Info

Publication number: JP2004257888A
Application number: JP2003049630A
Authority: JP
Inventors: Noboru Endo; 昇遠藤; Takao Tsuruhara; 貴男鶴原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】安価で、且つ、感度及びオフセットの誤差を縮小できる圧力センサ温度補正回路を提供すること。
【解決手段】感度或いはオフセットの温度特性の勾配成分の平均値Ｈ１を打ち消す補正値Ｄ１を、圧力センサの任意の２点の温度における勾配成分により補正した勾配補正値ＤＴ３，ＤＸ３と、勾配成分の平均値Ｈ１を温度特性に対して正負のずれが同一となる値を持たせた際の切片成分の変化量である初期値Ｓ１を、圧力センサの任意の２点の温度における検出信号の大きさにより補正した初期補正値ＤＺ３，ＤＫ３とに基づいて、圧力センサの検出信号を補正した。
１次元の補正であっても、多次項の温度変動成分を反映した補正をすることができ、感度或いはオフセットの誤差を縮小することができるとともに、複雑な回路を要しないので安価である。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検出信号の感度或いはオフセットの温度特性による誤差を補正する圧力センサ温度補正回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ブリッジ構成の抵抗体からなるセンサ部を有する圧力センサは、周囲の温度変化により、検出信号の感度及びオフセットが影響を受けて誤差を生じるので、圧力センサの量産時に、この温度特性による誤差を個々に補正する必要がある。このような誤差の補正例として、特許文献１に開示された圧力センサ温度補償回路がある。
【０００３】
特許文献１に示される圧力センサ温度補償回路は、圧力センサ、スパン（感度）温度補正回路と、オフセット温度補正回路、及び差動増幅回路により構成される。そして、１次で負及び２次で正の温度変動成分を有する圧力センサの検出電圧の感度及びオフセットを補正するために、スパン温度補正回路にて１次で正及び２次で負の温度変動成分を有する電圧を生成し、この電圧を電源電圧として圧力センサに印加する。また、それとともに、オフセット温度補正回路にて１次で正及び２次で負の温度変動成分を有する電圧を生成し、差動増幅回路にて当該電圧を基準電圧として圧力センサの検出電圧を増幅する。従って、圧力センサの感度及びオフセットの温度特性を２次温度変動成分まで補償することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平１３−９１３８７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に示される圧力センサ温度補償回路を用いると、圧力センサに内蔵される回路が複雑化するので、製造コストが高くつくという問題がある。
【０００６】
また、特許文献１には、従来技術として検出電圧の感度及びオフセットの１次温度変動成分のみを補正する圧力センサ温度補償回路の例が示されている。しかしながら、この場合には、２次温度変動成分は補正されないので、そのまま２次温度変動成分が残存し、高精度な検出出力を得ることができないという問題がある。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み、安価で、且つ、感度及びオフセットの誤差を縮小できる圧力センサ温度補正回路を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する為に請求項１に記載の圧力センサ温度補正回路は、複数個の抵抗で構成したブリッジ回路を有する圧力センサにおいて、圧力を印加することにより生じる検出信号の感度或いはオフセットの温度による誤差を補正する圧力センサ温度補正回路であって、圧力センサの使用温度範囲内における、感度或いはオフセットの温度特性の勾配成分の平均値を算出し、その平均値を打ち消す値に対して、圧力センサの任意の２点の温度間の温度特性の勾配成分により補正して勾配補正値を求め、さらに、圧力センサの使用温度範囲内における温度特性と勾配成分の平均値との正負のずれが略同一となるように、感度或いはオフセットの温度特性の切片成分の初期値を算出しておき、圧力センサの任意の２点の温度における検出信号の大きさによって初期値を補正して初期補正値を求め、勾配補正値と初期補正値とに基づいて圧力センサの検出信号を補正することを特徴とする。
【０００９】
本発明における圧力センサ補正回路は、圧力センサ毎に２点の温度における感度或いはオフセットを測定し、２点間の勾配をもとに勾配成分の平均値を打ち消す値を補正して勾配補正値としており、同様に、２点の検出信号の大きさをもとに初期値を補正して初期補正値としている。
【００１０】
従って、勾配補正値に基づいて補正がなされると、１次温度変動成分のみでなく、勾配成分の平均値が算出された温度範囲における多次項の温度変動成分を平均的に打ち消すように補正がなされるので、温度変動成分が全く補正されずに残存することはない。また、初期補正値をもとにして補正した際に、温度特性と勾配成分の平均値との正負のずれが略同一となるように補正されるので、勾配成分の平均値を打ち消す補正と組み合わせることで、感度或いはオフセットの設計値に対する誤差のばらつきを小さくすることができる。従って、１次補正のみを行う場合よりも、感度或いはオフセットの温度による誤差を縮小することができる。
【００１１】
また、勾配補正値及び初期補正値は、圧力センサ毎に補正された値であるので、個々の圧力センサの誤差を反映して補正がなされる。
【００１２】
また、上記検出信号の補正は、複雑な回路を必要としないので、製造コストを低減することができる。
【００１３】
ここで、勾配補正値は、請求項２に記載のように、圧力センサの任意の２点の温度間の温度特性の勾配成分をそれよりも小さい勾配成分に変えるための補正量を、その勾配変化分で除算することにより求めた勾配基準量に、勾配成分の平均値を打ち消す値を乗算した値であることが好ましい。
【００１４】
予め算出された勾配成分の平均値を打ち消す値に対して、個々の圧力センサによって異なる勾配基準量を乗算することにより、個々の圧力センサの温度特性のばらつきを反映させることができる。
【００１５】
また、請求項３に記載のように、初期補正値は、圧力センサの任意の２点の温度における検出信号の大きさをそれよりも小さくするための補正量を、その大きさの変化分で除算することにより求めた移動基準量に、初期値を乗算したものであることが好ましい。
【００１６】
予め算出された初期値に対して、個々の圧力センサによって異なる移動基準量を乗算することにより、個々の圧力センサの温度特性のばらつきを反映させることができる。
【００１７】
また、勾配成分の平均値は請求項４に記載のように、複数の圧力センサにおける前記任意の２点を含む３点の温度において、感度或いはオフセットを測定した平均値をもとに算出されると良い。
【００１８】
複数の圧力センサにおける感度或いはオフセットの平均値をもとに勾配成分の平均値が算出されると、センサ毎のばらつきが考慮され好ましい。その際、測定点が多いと測定が大変であり、また２点であると、１次成分のみとなるので、３点の温度における測定から勾配成分の平均値を算出すると良い。さらに、３点の温度の内、個々の圧力センサにて補正する際の任意の２点を含んでいると、測定条件を統一できるので好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態における圧力センサ温度補正回路の一例を概略説明するためのブロック図である。尚、感度とは、印加される圧力を基準とした出力電圧の変化量（傾き）を示すものであり、オフセットとは、圧力が０の点における出力電圧の値（切片）を示すものである。
【００２０】
図１に示されるように、圧力センサ温度補正回路１は、センサ部へ電源電圧Ｖｃｃ（ｔ）を供給する感度補正回路２と、電源電圧Ｖｃｃ（ｔ）が印加された状態で圧力の印加を受けると、検出信号としての検出電圧Ｖｓ（ｔ）を出力するセンサ部３と、オフセット補正電圧Ｖｏｆ（ｔ）を生成するオフセット補正回路４と、オフセット補正電圧Ｖｏｆ（ｔ）を基準電圧として、検出電圧Ｖｓ（ｔ）を増幅する差動増幅回路５と、感度及びオフセットの温度による誤差を補正する補正データとしての勾配補正値及び初期補正値が格納されるメモリ６により構成される。
【００２１】
感度補正回路２は、温度センサとしての感温抵抗体を有し、メモリ６に格納された感度の温度による誤差を補正する勾配補正値及び初期補正値に基づき、感度の温度による誤差を補正した電圧を生成し、電源電圧Ｖｃｃ（ｔ）としてセンサ部３へ供給する。
【００２２】
センサ部３は、半導体基板に形成されたダイヤフラム上に拡散抵抗により形成した４つの抵抗体をブリッジ回路構成してなるものであり、印加された圧力に応じた電圧レベルの検出信号Ｖｓ（ｔ）を出力する。
【００２３】
オフセット補正回路４は、温度センサとしての感温抵抗体を有し、メモリ６に格納されたオフセットの温度による誤差を補正する勾配補正値及び初期補正値に基づき、オフセットの温度による誤差を補正するためのオフセット補正電圧Ｖｏｆ（ｔ）を生成する。
【００２４】
差動増幅回路５は、オフセット補正回路４で生成されたオフセット補正電圧Ｖｏｆ（ｔ）を基準電圧として、センサ部３から出力された検出電圧Ｖｓ（ｔ）を増幅するもので、Ｖｓ（ｔ）を増幅する図示されない前段増幅部と、オフセット補正電圧Ｖｏｆ（ｔ）を基準電圧として重畳する演算部と、基準電圧にて補正された電圧を増幅する後段増幅部とにより構成される。そして、差動増幅回路５にて演算・増幅された電圧が出力電圧Ｖｏｕｔ（ｔ）として出力される。
【００２５】
従って、本実施の形態における圧力センサの出力電圧Ｖｏｕｔ（ｔ）は、感度及びオフセットの温度による誤差が補正されているので、温度依存性が低減された高精度な検出出力となる。
【００２６】
また、例えばＥＰＲＯＭからなるメモリ６は、後述する方法により算出された感度或いはオフセットの温度による誤差の補正データである勾配補正値及び初期補正値を格納するものであり、その補正データは図示されないＤ／Ａ変換回路を介して感度補正回路２及びオフセット補正回路４に読み出される。
【００２７】
次いで本発明の特徴である勾配補正値及び初期補正値を算出する方法を説明するにあたり、補正の原理を先に説明する。尚、以下の説明にあたっては、圧力センサの使用温度範囲において任意の３点を設定し、当該３点間における感度或いはオフセットの温度特性を補正するものとする。その際、３つの測定点は、所定の温度間隔（例えば、低温、室温、高温の３点）をもつように設定すると良い。各点間を結んだ直線は、その間における温度特性を反映（平均化）したものであるので、３点間を結んだ２つの直線を考慮すれば、少なくとも２次温度変動成分を考慮した補正を行うことができる。従って、使用温度範囲を細かく区切れば区切るほど、より正確な補正が実行できるが、感度或いはオフセットの測定点数が増加するので、３点で行うことが好ましい。
【００２８】
先ず、圧力センサの使用温度範囲において、所定の温度間隔を有する３点を設定し、各点の感度或いはオフセットを求めることにより、３点間の感度或いはオフセットの温度特性を求める。３点の場合、２つの勾配成分により温度特性が構成されているので、その平均値を用いると、３点間の温度特性が考慮されることとなる。
【００２９】
従って、温度特性の勾配成分の平均値を打ち消すような勾配をもった補正値（例えば電圧）を与えてやれば、３点間における温度特性の勾配成分が補正される。その際、勾配成分の平均値が温度特性に対して正負のずれが略同一となるように温度特性の切片成分の初期値をもって補正すると、補正後の感度或いはオフセットの温度特性を誤差０を挟んで正負のずれが略同一となるようにすることができる。従って、１次元の補正であっても、多次項の温度変動成分を反映した補正をすることができ、しかも感度或いはオフセットの誤差を縮小することができる。
【００３０】
次に、勾配補正値及び初期補正値を算出する方法について、図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。尚、図２（ａ）は補正前の図、図２（ｂ）は勾配成分のみを補正した図、図２（ｃ）は初期値を含めた補正をした図である。尚、便宜上、オフセットのみについて説明するが、感度についても同様の手法により、温度特性の勾配成分の平均値、当該平均値を打ち消す補正値、及び初期値が算出される。尚、勾配成分の平均値とは勾配の平均値を、初期値とは勾配成分の平均値を温度特性に対して正負のずれが同一となる値を持たせた際の切片成分の変化量である。
【００３１】
先ず、勾配補正値及び初期補正値を算出するに当たり、試作段階において、温度特性の勾配成分の平均値、当該平均値を打ち消す補正値、及び初期値を算出する。
【００３２】
圧力センサの使用温度範囲において所定の温度間隔を有する３点ａ，ｂ，ｃを設定し、３点において夫々オフセットを測定する。このとき、ａ−ｂ間の温度差をΔＴ１、ｂ−ｃ間の温度差をΔＴ２とする。尚、個々の圧力センサによって多少なりともばらつきが生じるため、夫々の測定点について複数回測定することが好ましく、例えば１００回ずつ測定するものとする。
【００３３】
そして、各点ａ，ｂ，ｃにおけるオフセットの平均値を算出し、３点間におけるオフセットの温度特性の勾配成分の平均値、すなわち３点を結んだ２つの直線の勾配の平均値を算出する。ａ−ｂ間の勾配をα、ｂ−ｃ間の勾配をβとすると、ａ〜ｃ間における勾配成分の平均値は次式で示されることとなる。
【００３４】
【数１】Ｈ１＝（ΔＴ１・α＋ΔＴ２・β）／（ΔＴ１＋ΔＴ２）
ここで、横軸を温度、縦軸をオフセットの設計値に対する誤差とすると、オフセットの変化勾配とその平均値Ｈ１との関係は、例えば図２（ａ）に示されるものとなる。図２（ａ）において、実線がオフセットの温度特性であり、破線Ｈ１が勾配成分の平均値である。尚、縦軸に用いられた誤差とは、印加圧力が０点におけるオフセット電圧の設計値に対する誤差を示すものであり、電圧差を用いても良いし、設計値との比率を用いても良い。
【００３５】
勾配成分の平均値Ｈ１は勾配の成分のみに起因するので、図２（ａ）に示すようにＨ１が変化勾配に対してどの位置に配置されるか決定されない。すなわち、勾配成分の平均値Ｈ１を打ち消す勾配成分を有する補正値Ｄ１（＝−Ｈ１）のみに基づいて温度特性を補正しても、切片成分により補正後のオフセットの誤差が変わることとなる。例えば、勾配成分の平均値Ｈ１が図２（ａ）の上方側のＨ１で示される切片成分を有して居る場合、そのＨ１をＤ１により補正すると、図２（ｂ）に示されるように、３点間全てにおいてオフセットの誤差が負側に偏ったものとなる。
【００３６】
従って、オフセットの誤差を最小とするためには、補正前のオフセットの温度特性と勾配成分の平均値Ｈ１とのずれが正負略同一となる（図２（ａ）において、下方側のＨ１）ように切片成分の補正量である初期値を決定すればよい。換言すれば、図２（ｃ）に示されるように、補正後の温度特性が誤差０を挟んで正負が略同一となるように初期値が決定されれば良い。従って、図２（ａ）の例えば中点ｂにおいて、誤差０を基準としたオフセットと勾配成分の平均値Ｈ１を基準とした際のオフセットとの差を初期値Ｓ１とすることができる。また、図２（ｃ）に示される補正後の温度特性における中点ｂのオフセットと、図２（ａ）に示される補正前の温度特性の中点ｂのオフセットとの差を初期値Ｓ１としても良い。
【００３７】
尚、勾配成分の平均値Ｈ１を打ち消す勾配成分を有する補正値Ｄ１に基づいて補正を行うと、補正後の温度特性の勾配は、夫々の傾きα、βに補正値Ｄ１を足したものとなる。このとき、ａ，ｃ点におけるオフセットから中点ｂにおけるオフセットを減算したものが略等しくなり、この差を誤差０を挟んで正負が略同一となるようにすると、初期値Ｓ１による切片方向の補正がなされた温度特性となる。
【００３８】
以上により、試作時において、オフセットの温度特性を補正する勾配成分の平均値を打ち消す補正値Ｄ１、及び切片成分の補正量である初期値Ｓ１が決定される。従って、この補正値Ｄ１及び初期値Ｓ１に基づいて感度或いはオフセットの温度特性が補正されることとなるので、１次元の補正Ｄ１であっても、多次項の温度変動成分を反映した補正をすることができ、しかも初期値Ｓ１により感度或いはオフセットの誤差を最小とすることができる。
【００３９】
次に、量産時において、上述の補正値Ｄ１及び初期値Ｓ１に対し、個々の圧力センサの温度特性のばらつきを反映させる補正をし、その補正値を夫々勾配補正値及び初期補正値として個々の圧力センサのメモリ６に格納する。その際の勾配補正値、及び初期補正値の算出方法は以下の通りである。尚、便宜上オフセットの場合について以下に説明するが、感度も同様とする。
【００４０】
先ず、勾配補正値、及び初期補正値を算出するために、センサ固有の勾配基準量と移動基準量を算出する。
【００４１】
試作時に設定された３点の温度の内、２点（仮にｂ，ｃ点とする）におけるオフセットをテスタ等を用いて測定する。このとき、メモリ６の値ＤＴは回路さえ動けばどの値でもよいので、任意の値を設定し、その値をＤＴ１としてメモリ６に書き込む。尚、試作時に３点の温度における温度特性から勾配成分に係る補正値Ｄ１及び切片成分に係る初期値Ｓ１を求めたが、測定点をそれよりも多い点を設定した場合には、その設定された温度範囲内において、任意の２点を設定すればよい。また、試作時の温度と同じ温度を測定点とすると、測定環境が統一できるので好ましいことは言うまでもない。また、低温を選択すると、特別な設備と測定時間を要するので、製品１個毎にそのような測定を行うと、製造コストが高くつくという問題がある。従って、室温及び高温の２点を選択することが好ましい。
【００４２】
次に、上記と同じ２点ｂ，ｃ間の温度特性の勾配成分（β１とする）を勾配成分が０となるように補正し、そのときのメモリ６の値をＤＴ２とする。従って、ＤＴ１からＤＴ２への変化により、勾配成分がβ１から０に変化するので、勾配基準量が決定される。尚、ここでの補正は、勾配成分β１よりも小さい勾配成分へ変えるものであれば良い。実際に、オフセットの誤差を小さくする、すなわち勾配成分を０とするのが理想であるので、勾配基準量の補正による変化方向も一致させておくことが好ましい。
【００４３】
そして、この値に補正値Ｄ１を乗算することにより、勾配補正値ＤＴ３が決定される。尚、ＤＴ３は次式で示される。
【００４４】
【数２】ＤＴ３＝Ｄ１×（ＤＴ１−ＤＴ２）／β１
そして、数式２より得られたＤＴ３を、メモリ６に書き込む。
【００４５】
同様に、２点（仮にｂ，ｃ点とする）におけるオフセットを測定し、その値をＤＺ１としてメモリ６に書き込む。そして、２点ｂ−ｃ間の温度特性の勾配成分は変化させずに、２点ｂ、ｃのオフセットが小さくなるようにγの変化量（オフセット差）をもって平行移動する補正を行い、その値をＤＺ２としてメモリ６に書き込む。尚、変化量γは、２点の一方である例えば中点ｂをオフセットの誤差０となるように移動させる際のオフセット差を変化量として用いればよい。
【００４６】
従って、ＤＺ１からＤＺ２への変化により、切片成分がγ変化するので、移動基準量が決定される。そして、この値に初期値Ｓ１を乗算することにより、初期補正値ＤＺ３が決定される。尚、ＤＺ３は次式で示される。
【００４７】
【数３】ＤＺ３＝Ｓ１×（ＤＺ１−ＤＺ２）／γ
そして、数式３により得られた値ＤＺ３をメモリ６に書き込むことにより、オフセットの温度特性に対する補正が完了となる。
【００４８】
感度についても同様の作業により、勾配成分にかかる勾配補正値ＤＸ３と切片成分にかかる初期補正値ＤＫ３が算出され、メモリ６に格納される。
【００４９】
以上より、本実施形態における圧力センサ温度補正回路１は、センサ使用時に、オフセットの温度特性に対する勾配成分の勾配補正値ＤＴ３、切片成分の初期補正値ＤＺ３、及び感度の温度特性に対する勾配成分にかかる勾配補正値ＤＸ３と切片成分にかかる初期補正値ＤＫ３に基づき、検出信号を補正することができる。従って、１次元の補正であっても、多次項の温度変動成分を反映した補正をすることができ、しかも感度或いはオフセットの誤差を縮小することができる。また、１次元の補正であるので複雑な回路を必要とせず、製造コストを低減できる。そして、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｔ）は感度及びオフセットの温度特性が補正されているので、温度依存性が低減された高精度な検出出力となり、圧力の検出精度が向上される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧力センサ温度補正回路の概略構成を示すブロック図である。
【図２】勾配補正値及び初期補正値の算出方法を説明するための図であり、図２（ａ）は補正前の図、図２（ｂ）は勾配成分のみを補正した図、図２（ｃ）は初期値を含めた補正をした図である。
【符号の説明】
１・・・圧力センサ温度補正回路
２・・・感度補正回路
３・・・センサ部
４・・・オフセット補正回路
５・・・差動増幅回路
６・・・メモリ

Claims

複数個の抵抗で構成したブリッジ回路を有する圧力センサにおいて、圧力を印加することにより生じる検出信号の感度或いはオフセットの温度による誤差を補正する圧力センサ温度補正回路であって、
前記圧力センサの使用温度範囲内における、感度或いはオフセットの温度特性の勾配成分の平均値を算出し、その平均値を打ち消す値に対して、前記圧力センサの任意の２点の温度間の温度特性の勾配成分により補正して勾配補正値を求め、
さらに、前記圧力センサの使用温度範囲内における温度特性と前記勾配成分の平均値との正負のずれが略同一となるように、感度或いはオフセットの温度特性の切片成分の初期値を算出しておき、前記圧力センサの任意の２点の温度における検出信号の大きさによって前記初期値を補正して初期補正値を求め、前記勾配補正値と前記初期補正値とに基づいて前記圧力センサの検出信号を補正することを特徴とする圧力センサ温度補正回路。
前記勾配補正値は、前記圧力センサの任意の２点の温度間の温度特性の勾配成分をそれよりも小さい勾配成分に変えるための補正量を、その勾配変化分で除算することにより求めた勾配基準量に、前記勾配成分の平均値を打ち消す値を乗算した値であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ温度補正回路。
前記初期補正値は、前記圧力センサの任意の２点の温度における検出信号の大きさをそれよりも小さくするための補正量を、その大きさの変化分で除算することにより求めた移動基準量に、前記初期値を乗算したものであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ温度補正回路。
前記温度特性の勾配成分の平均値は、複数の圧力センサにおける前記任意の２点を含む３点の温度において、感度或いはオフセットを測定した平均値をもとに算出されることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の圧力センサ温度補正回路。