JP2004521327A - センサーの較正及び補償のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、変換器（２００、６００）を較正するためにプログラム可能な回路（２０２、６０４）を使用する方法を開示している。プログラム可能な回路（２０２、６０４）は、コンピュータ及びテスト・ステーションと結合又は通信する。コンピュータはテストステーションの状態を自動的に変化させる。コンピュータはテストステーションの状態を自動的に変化させ、プログラム可能な回路（２０２、６０４）をプログラムして所望の応答を生成する。別の実施の形態では、センサーと同じパッケージに搭載可能なプログラムを含む様々なパラメータを測定するために使用可能なシステムが提示可能である。そのようなシステムは、非常に低い圧力を測定するために最適化される圧力センサーを含み得る。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にセンシング装置に関し、より詳細には低圧力センサーを較正する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホイートストンブリッジ構成において、ひずみゲージを使用する圧力変換器が当該技術分野においてよく知られている。そのような圧力変換器は感知される圧力に比例した出力電圧又は出力電流を生成するように構成され得る。さらに変換器は、典型的には変換器を使用可能な特定範囲がある。例えば、変換器は定格低温度及び定格高温度があり、変換器は定格温度範囲内で適切に動作すること確実にするためにテストされる。変換器は特定の圧力範囲内で機能するように定格化されテストされるので、同じ状況は圧力に関して生じる。
【０００３】
そのような圧力変換器は、温度変化などのさまざまな外乱に影響を受けやすく、補償がなされない場合には圧力測定のエラーの原因となる。温度により引き起こされたエラーは、ゼロ圧力が適用される場合の温度変化による変換器出力の変化、又は温度変化による、フルスケール時の出力とゼロ圧力時の出力の差の変化として観察され得る。これらのエラーはそれぞれ、「ゼロ熱効果（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｚｅｒｏ）」（又はオフセット熱効果）及びスパン熱効果と知られている。
【０００４】
そのようなエラーを補償するための方法は当該分野において知られており、該方法は典型的には任意のエラーを定義するために変換器の初期の特性評価を必要とする。典型的には、変換器の出力信号からの少なくとも二つの点が、ゼロ圧力が適用された場合及び所定量の圧力が適用された場合の双方において、周囲温度が所定範囲にわたって変化した場合について記録される。適用される圧力は典型的には、しかし必須ではないが、フルスケール圧力であり、出力はゼロ圧力及びフルスケール圧力が適用された場合に同じ温度ポイントで記録される。出力信号に基づいて、未補償の熱効果が計算され、必要とされる量の補償を得るために使用される。
【０００５】
圧力変換器におけるエラー補償を提供するために利用可能な様々な方法がある。一つの一般的な方法はブリッジ電源に直列で、個別のブリッジ抵抗に直列又は並列に抵抗を付加することである。抵抗は観測された熱効果を打ち消すのに必要とされる特定の温度特性に基づいて選択され、抵抗値は未補償の温度測定に基づいて計算される。エラー補償はさらに、センサーの圧力変化を強制するレーザトリミング抵抗又はサーミスタにより達成可能である。デジタル補償として知られている別の方法は、ブリッジの未補償出力へ付加又は未補償出力から減ぜられるエラー補正信号を生成するために記録データを使用する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、正確な測定を達成するためのエラー補償は、コスト及び時間を消費するプロセスとなる可能性がある。しばしば、変換器の特性評価し、補償を付加し、変換器の特性の再評価をし、補償を調整するというプロセスは、所望の正確さを確保するために何回も繰り返されなくてはならない。これは、例えばマイクロマシーンの、非常に低い圧力でのシリコンセンサー又は、１インチのＨ₂Ｏ（２５０パスカル）又はそれ未満のフルスケール圧力でのシリコンセンサーなど、特定の変換器設計ではより困難となり得る。
【０００７】
図１は、上述したプロセスをフローチャートの形で説明している。まず初めに、変換器は、変換器の特性評価する（ステップ１０２）ためにテストがされるテスト装置へ持ち込まれる。例えば、変換器はゼロ圧力及び室温（例えば２５℃）でテストされ得る。それから出力電圧を温度の関数として決定するために温度が変化される（ステップ１０４）。さらに、変換器は、変換器出力が圧力変化に対する関数としてテストされ得る。このテストは、更なるテスト・ステーションの使用を必要とすることもあるし、又は必要としないこともある。この特性評価ステップの後に、変換器が適切に動作しているかが決定される（ステップ１０６）。例えば、変換器はゼロ圧力で正確な出力を生成していないこともあり得る。そのような場合には、変換器は、例えば変換器の応答が変化するようにレーザトリミングや電源への抵抗付加の使用することにより調整され得る（ステップ１０８）。
【０００８】
そのような調整の後に、変換器が所望の方法で動作しているかを決定するために上述したステップが繰り返される。正確な出力を生成するように変換器が適切に較正されていない場合には、調整プロセスが繰り返されなくてはならない。変換器が仕様の範囲内に持ち込まれると、プロセスが終了し（ステップ１１０）、別の変換器が処理される。
【０００９】
上述したプロセスには幾つかの欠点がある。該プロセスはセンサーを較正するために変換器の較正及び再較正を何回も行わなくてはならず、時間が浪費される。さらに、較正プロセスは所望されるほど正確ではないことがある。例えば、センサーを適切に較正するためには、抵抗の抵抗値を、レーザトレミングを使用することにより０．１オーム以内に調整しなくてはならない。しかし、そのような正確度は、抵抗の単なる測定が抵抗変化をもたらしてしまうために、不可能となり得る。
【００１０】
そのようなエラーは、補償することが出来、そのような補償を行うための幾つかの既知の方法が存在する。例えば、ハネウエル・インターナショナル社へ譲渡された米国特許６，０２３，９７８は、二つのセンサーを使用した圧力変換器を開示しており、該二つのセンサーは、一つのセンサーに関連したエラーが他のセンサーに関連したエラーによって補償又は実質的にキャンセルされるようにお互いが機械的又は電気的に交差に結合されている。
【００１１】
しかし、そのような変換器はなお様々なエラーを被り得る。例えば変換器は、変換器が一つの極値圧力で特定の電圧（例えば、最大圧力で４．２５ボルト）を生成し、他の極値圧力で別の電圧（例えば、ゼロ圧力で０．２５ボルト）を生成し、極値の間では線形応答が可能となるように理想的には較正される。さらに、出力は温度に関して変化可能であり、低温環境におけるセンサーは特定圧力での出力に関し、温暖環境におけるセンサーの同一圧力のおける出力と相違した出力を有し得る。‘９７８特許において記述されるような変換器は特定の機械的なノイズの問題や重力の問題を適切に補償し得るが、そのような変換器はセンサーの較正に関するすべての問題を適切に取り扱っていない。
【００１２】
従って、より正確な較正をもたらし、従来の方法よりさらに迅速に動作可能な、変換器システムを補償するための方法及びシステムに対する必要性がある。
【発明を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、これらの要求に見合うシステム及び方法を提示するものである。該システムは、センサーに電気的に結合される回路を含んでいる。該回路は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であり得、センサーの値に基づいて所望の結果がＡＳＩＣにより出力されるようにプログラム可能である。
【００１４】
変換器を較正するための方法がさらに開示されている。変換器はＡＳＩＣに結合されるセンサーを含んでいる。変換器はコンピュータに結合され、テスト用チャンバー内に配置される。さらにコンピュータは、テスト用チャンバーに結合されている。様々な状態がチャンバーによって設定可能である。センサーの出力は、出力が理想的な出力の許容範囲内にあるかを決定するために評価される。出力が許容範囲内にない場合には、出力はＡＳＩＣのプログラミングにより補正され得るかが決定される。出力が補正可能な場合には、ＡＳＩＣは所望の出力を生成するようにプログラムされ得る。その後、上述したステップが異なる様々な状態について繰り返され得る。
【００１５】
本発明は、同じ番号が同じ要素を示している添付した図面において、限定としてではなく、例示として説明がされている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、ここでは様々な機能要素及び様々な処理ステップによって記載され得る。そのような機能要素は、特定の機能を実行するように構成される任意の数のハードウエア又は構成要素により実現され得るということが理解されるべきである。例えば、本発明は様々な意図する目的のために値を適切に設定し得る、様々な電気素子、例えば抵抗、トランジスタ、コンデンサー、ダイオード等を含む様々な集積回路を利用可能である。さらに、本発明は較正が所望される任意の集積回路において実践可能である。本発明の開示に照らし、当業者に理解得る一般的な応用についてはここに詳細に記載されていない。しかし、例示的な目的のみのために、本発明の例示的な実施形態が圧力センサーに関連して記載されている。さらに、例示的な回路の中において様々な要素が他の要素に適切に結合又は接続されているが、そのような接続及び結合は要素間の直接接続又は要素間にある他の要素又は装置を介する接続により実現可能であることに注意すべきである。
【００１７】
様々な会社が、変換器の較正を援助するために使用し得る特定用途向け集積回路を製造している。例えば、Ｍｅｌｅｘｉｓは信号調整を実行する専用マイクロプロセッサであるいわゆるＭＬＸ９０３０８ＣＡＢと呼ばれる製品を製造している。そのような製品は、補償値がＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能PROM）に記録されている。ＭＬＸ９０３０８ＣＡＢ又は他の同様なＡＳＩＣをプログラミングすることは専用インターフェース回路と共にコンピュータを使用することを必要とする。ＥＥＰＲＯＭのプログラムにより、ＡＳＩＣは様々な入力に基づき、絶対電圧、相対電圧又は電流の出力を提供し得る。
【００１８】
本発明は、上述したようなＡＳＩＣを変換器システムに組み込んでいる。図６を参照すると、本発明の例示的な実施形態のブロック図の概略が示してある。変換器６００は、ケース６０８に囲まれたセンサー６０２、ＡＳＩＣ６０４、及び入力／出力端子６０６を含んでいる。センサー６０２は、とりわけ、センサー６０２の出力がＡＳＩＣ６０４に入力されるようにＡＳＩＣ６０４と結合つまり通信している。ＡＳＩＣ６０４は、センサー６０２により読み取られた圧力に関連しているが補正された出力電圧（又は所望の場合には出力電流）が端子６０６に提供されるようにセンサー６０２から受信した入力を処理する。
【００１９】
変換器６００は、人が他の任意の変換器を使用するであろうように、使用される。しかし、センサーから読まれている出力の代わりに、ＡＳＩＣの出力が端子６０６で利用可能である。端子６０６は、変換器６００が特定の圧力に対し補正された出力電圧を生成することを確実にするためにＡＳＩＣをプログラムするために使用され得る。
【００２０】
ＡＳＩＣ６０４はセンサー６０２と同じパッケージ６０８内に集積されるように記載されているが、本発明の動作はＡＳＩＣ６０４がセンサー６０２のパッケージの外部にある場合にも影響されないことが理解されるべきである。しかし、ＡＳＩＣ６０４をパッケージ６０８内に置くことは、変換器６００が較正に関する様々な可能性ある問題に対し、独立式解決を形成することを可能とする。さらに、ＡＳＩＣ６０４は、ＡＳＩＣによって実行されるものと同じ機能を実行する同様な回路によって置き換えることが可能である。
【００２１】
ここで図２を参照すると、本発明の例示的な変換器２００の実施の形態がより詳細に描写されている。ＡＳＩＣは、ＭＥＬＥＸＩＳ ＭＬＸ９０３０８として描写されている。しかし、ＭＥＬＥＸＩＳ及び他の製造業者の双方からの様々なタイプのＡＳＩＣが本発明の動作に影響を与えることなく使用可能であることが理解されるべきである。
【００２２】
センサーは、ホイートストン・ブリッジ構成に配置され得る抵抗２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、２３４を含んでいる。従来技術におけるセンサーは典型的には、ｐｉｎ１（２５０）、ｐｉｎ２（２５２）、ｐｉｎ３（２５４）、ｐｉｎ４（２５６）、ｐｉｎ５（２５８）、ｐｉｎ６（２６０）を使用することによって通信する。しかしこの実施の形態においては、ＡＳＩＣを介して通信する。
【００２３】
圧力センサーの出力は、ＡＳＩＣ２０２の負の入力２０４及び正の入力２０６と結合され又は通信する。ＡＳＩＣ２０２は調整される電源電圧のｐｉｎ２１２及び抵抗２１４を介してセンサーに電力を供給する。
【００２４】
変換器２００の出力ｐｉｎは、ＡＳＩＣ２０２に結合されている。出力ｐｉｎ１（２７０）は、変換器２００に結合された装置にアクセスし得る基準電圧を供給する。出力ｐｉｎ２（２７２）は、未調整の供給電圧として動作する。出力ｐｉｎ２は、コンデンサ２７１を介してグランド２０１に結合される。出力３（２７４）はグランドに結合され、システムの基準グランドとして動作する。ＡＳＩＣ２０２の出力は出力ｐｉｎ４（２０８）で得られ、このように出力ｐｉｎ４はセンサーにより感知された圧力に基づく変換器の出力であって、ＡＳＩＣにより処理された出力を表している。出力ｐｉｎ５（２１０）は、ＡＳＩＣ２０２のＥＥＰＲＯＭからの読み出し及びＥＥＰＲＯＭへの書き込みのためにＡＳＩＣと連続通信が出来るようにＡＳＩＣ２０２に結合されている。出力ｐｉｎ６（２７６）は、浮動状態を維持しており、従来の変換器システムと接続する装置との互換目的のために存在している。
【００２５】
図２に記述された実施の形態において、センサーの出力はＡＳＩＣ２０２を介して処理される。ＡＳＩＣ２０２の出力は変換器２００の出力ｐｉｎ２７０、２７２、２７４、２０８、２１０、２７６を介してアクセスされ得る。このように、ＡＳＩＣ２０２は、センサーの値に基づき補正された電圧を出力し得る。従って変換器は例えば、特定の圧力で４．２５ボルトを出力し、所定の別の圧力で０．２５ボルトを出力することが確実になる。
【００２６】
典型的な使用では、ＡＳＩＣは使用される前に、感知されている圧力に基づいて所望の出力応答を生成するようにプログラムされ得る。変換器２００をプログラムする方法が図３に示されており、フローチャートは変換器の例示的な較正の概略を描いている。典型的なテスト・シーケンスは、室温（例えば２５℃）及びゼロ圧力などのベースライン状態で開始され、該テスト・シーケンスは変換器の出力が測定され、ＡＳＩＣは該状態の補正された出力を生成するようにプログラムされる（ステップ３０２）。それから、フルスケールの圧力が変換器に適用されて変換器の出力が測定され、ＡＳＩＣは該状態の補正された出力を生成するように再びプログラムされる。上述した二つシーケンスは、変換器の定格低温（ステップ３０６）及び定格高温（ステップ３０８）で繰り返され得る。全てのテスト及びプログラミングの後に、変換器が適切に動作しない場合には、変換器２００の出力を変化させるよう、上述したステップが繰り返される（ステップ３１０）。変換器が適切に動作すると、テスト／較正セッションは終了する（ステップ３１２）。
【００２７】
ＡＳＩＣ２０２のプログラミングは、例えばＡＳＩＣ２０２上に配置されたＥＥＰＲＯＭへの接続を使用することにより行われ得る。ＥＥＰＲＯＭは、容易に消去し及び再度書き込むことが可能であるので、プログラミングは比較的迅速および容易な方法でなされ得る。何らかの理由により変換器が異なる方法又は予期しない方法で動作を始める場合には、変換器は初期の較正に加えて、再び較正され得る。
【００２８】
ＡＳＩＣは変換器に結合されているので、調整はＡＳＩＣになされ、変換器の出力に影響を与え、単一のテストチャンバーのみを使用する。対照的に、従来技術における方法はしばしば、テストチャンバーにおいてテストをし、次に別の機械を使用して調整を行い、テストチャンバーにおいてさらなるテストをするという、テストチャンバーにおけるテストに依存していており、非常に時間の消費するプロセスである。
【００２９】
ここで当業者には理解可能であるように、上述したプロセスは上述したテスト、プログラム、再テストが自動的に行われるようにコンピュータ化されうる。プロセスを自動化することにより、所望の特性をもつ変換器はより高い割合で生産され得る。
【００３０】
コンピュータ化プロセスは、テストチャンバーおよび変換器の両方にコンピュータ装置を結合することによって動作する。そのような方法で、コンピュータは変換器の出力を同時に測定しつつ、テストチャンバーの温度及び圧力を制御することが可能となる。
【００３１】
図４を参照すると、本発明の実施の形態を含む変換器を較正するために使用される例示的なコンピュータプログラムのプロセスを記述している。変換器が該プログラムを実行するコンピュータに取り付けられて、テストチャンバーに配置され、プログラムが開始される（ステップ４０２）。ＡＳＩＣメモリーが初期化された（ステップ４０４）後に、補正回路動作が確認される（ステップ４０４）。テストチャンバーは、それから所定温度に設定され、温度が安定化される（ステップ４０８）。
【００３２】
チャンバーの温度が安定化されると、圧力が所定のレベルに設定される（ステップ４１０）。それから変換器の出力が、変換器へのコンピュータリンクを介して読み出される（ステップ４１２）。
【００３３】
それから変換器が、所定の許容範囲内で動作しているかが決定される（ステップ４１６）。例えば、出力電圧が、所定の状態に対して最適出力の３％内にあるような、３％の正確性を持つことが望ましい。いくつかの応用では、より高い正確性、例えば０．２５％が所望される。その後に、変換器が補償範囲内にあるか否かが決定される（ステップ４１８）。ＡＳＩＣが変換器に与え得る補正量には限界がある。限界を超えると、変換器はサービスには不適であるとみなされて、変換器は解体され、所望の出力を生成するよう出力が補正され得ない。該制限の範囲内にあると、変換器はＡＳＩＣへの補正の伝送により補正される。それから変換器の出力が再び決定され（ステップ４１６）、変換器が許容範囲内で動作するまで上述のステップが繰り返される（ステップ４３０）。
【００３４】
ここで図５を参照すると、変換器が低圧力状態において許容範囲で動作すると、高圧力状態に設定される（ステップ５００）。それから、上述したのと同様の方法で、変換器がテストされる。第１に、出力の値が決定される（ステップ５０２）。それから、変換器が所定の許容範囲内で動作するかを決定するためにその値が分析される（ステップ５０４）。変換器が許容範囲内にない場合、変換器の出力が補正可能であるかの決定がなされる（ステップ５０６）。補正出来ない場合には、変換器は欠陥ありとみなされ解体される（ステップ５０８）。変換器出力が補正可能な場合には、ＡＳＩＣは適切な変換器動作がもたらされるようにプログラムされる（ステップ５１０）。それから、変換器は再プログラミングが変換器の補正を完了したかを決定するために再度テストされる（５０２）。
【００３５】
変換器が高圧力状態において所定の温度で適切に動作すると、テストシーケンスを実行すべき更なる温度があるのかの決定がなされる（ステップ５２０）。さらなる温度がない場合には、変換器は完成する（ステップ５３０）。しかし、テストされるべき温度がさらにある場合には、温度が調整され、テストは低圧力状態で継続される（ステップ４０８、４１０）。上述したシーケンスは全ての温度状態がテストされるまで繰り返される。
【００３６】
コンピュータ化されたプロセスが完了した場合には、結果はある温度範囲に渡り全範囲の圧力に対し所望の出力を生成する。さらに、結果は人間の介在をほとんど必要とせず、ＡＳＩＣ及びテストチャンバーをマニュアルで制御するよりエラーのより少ないエラーの確率で達成される。
【００３７】
センサーの較正プロセスをさらに高速化するために、さらに単一のテストチャンバーで複数のセンサーを較正することが出来る。各変換器はコンピュータシステムに結合され得る。好ましくは、各変換器は同一のコンピュータシステムに接続されるような単一のコンピュータシステムを使用し得る。コンピュータは上述したように、テストチャンバーの圧力及び温度を制御する。テストチャンバーにおいて一つの変換器に対するプロセスが完了すると、コンピュータはテストチャンバーにおける別の変換器のモニター及び再プログラミングを開始することが可能となる。代替的には、圧力及び温度がコンピュータにより制御されつつ、複数の変換器が同時にモニターされ再プログラミングされることが出来る。
【００３８】
コンピュータ化されたプロセスにおいて、較正される各変換器に対する情報を記録することが出来る。このように、人はセンサーの性能を追跡することが出来るであろう。さらに人は、とりわけＡＳＩＣによる補償がより不要となるように、センサーの製造を改善できるであろう。
【００３９】
上述した記述は本発明を実行する上で熟考された例示的なモードを提示するものである。しかし、上述した技術は上記に示したような実施形態からの修正及び変更が可能である。本発明の他の変更及び修正が当業者には明らかとなるであろうが、添付された特許請求の範囲はそのような変更や修正が包含されることを意図している。例えば、本発明は圧力センサー及び変換器に関して記述されているが、本発明に開示された方法及び装置は温度センサー、電圧センサー、電流センサー、加速度センサー等を含む、様々なタイプのセンサーに適用できるということが注意されるべきである。さらに、本発明は、ホイートストンブリッジ構成を使用するセンサーの応用に限定されるものではなく、他のタイプのセンサも同様に含んでいる。さらに、ＡＳＩＣの使用に関して記述されているが、本発明に関して記述されるのと同じ機能を実行する様々なタイプの回路を代わりに使用可能であるということが注意されるべきである。
【００４０】
結論として、本発明を開示された特定の実施の形態に限定することを意図しているのではない。一方、本発明は発明の詳細な説明および図面に照らして理解される場合、特許請求の範囲で表されるような本発明の範囲内にある全ての修正及び代替的な構成を含むことを意図している。この明細書に記載されたいずれの要素も、「本質的に」又は「必要とされる」とここに記載されていない限り本発明を実践するためには必要とされていない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】変換器を較正する従来技術における方法である。
【図２】本発明の実施の形態の例示的な概略図を表している。
【図３】本発明の実施の形態の動作を説明する例示的なフローチャートを表している。
【図４】本発明の、コンピュータプログラムの実施の形態での動作を示す例示的なフローチャートを表している。
【図５】図４のフローチャートの続きである。
【図６】本発明の実施の形態のブロック図を示している。

Claims (10)

1. センサー（６０２）であって、前記センサー（６０２）によりなされた読み取りに基づいて出力を生成するように構成された、センサーと、
   前記センサー（６０２）の出力に結合された回路（６０４）と、
   を含み、前記回路（６０４）は、該回路（６０４）への入力に基づいて所定の出力を生成するようプログラム可能である、変換器（２００、６００）。
2. 前記センサー（６０２）への入力は、圧力センサーを含んでおり、前記センサー（６０２）の出力は前記圧力に関連しており、
   前記回路（６０４）は、前記センサー（６０２）の前記出力に基づいて線形出力を生成するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の変換器（２００、６００）。
3. さらにケース（６０８）を備え、前記回路（６０４）及び前記センサー（６０４）は前記ケース（６０８）の中に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の変換器（２００、６００）。
4. 前記回路（６０４）は、特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の変換器（２００、６００）。
5. 前記センサー（６０２）が、圧力センサーを含むことを特徴とする、請求項１に記載の変換器（２００、６００）。
6. 前記圧力センサーが低圧力環境で動作するように最適化されている、請求項１に記載の変換器（２００，６００）。
7. 前記センサー（６０２）が、ホイートストンブリッジ構成の一対の圧力センサーを含むことを特徴とする、請求項１に記載の変換器（２００，６００）。
8. 前記センサー（６０２）は、一対のセンサーを含んでおり、前記一対のセンサーは前記一対のセンサーの一方に関連したエラーが、前記一対のセンサーの他方に関連したエラーによって補償されるように、お互いが機械的及び電気的に交差して結合されている、請求項１に記載の変換器（２００、６００）。
9. 前記回路（６０４）は、前記センサー（６０２）の前記出力に基づいて線形の出力を生成するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の変換器。
10. 前記変換器（２００、６００）の前記出力が複数の動作状態全体にわたり線形であることを特徴とする、請求項１に記載の変換器。

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