JP2007278725A

JP2007278725A - 物理量センサ

Info

Publication number: JP2007278725A
Application number: JP2006101931A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Yoshino; 一博吉野; Takeshi Shinoda; 丈司篠田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-04-03
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】広範囲なレンジで物理量検出が行え、かつ、微小な物理量変化も検出できる物理量センサを提供する。
【解決手段】第１センサ部が圧力の変化に対してセンサ出力を変化させられる第１圧力レンジと第２センサ部が圧力の変化に対してセンサ出力を変化させられる第２圧力レンジとを異ならせると共に、第１圧力レンジと第２圧力レンジとを連続させ、第１圧力レンジおよび第２圧力レンジにて圧力を検出したいレンジ全域をカバーする。このような圧力センサによれば、第１センサ部および第２センサ部のそれぞれで検出したい圧力レンジ全域をカバーしつつ、各圧力レンジにおいて高い感度で圧力検出が行える。したがって、広範囲な圧力検出が行えると共に微小な圧力変化も検出することが可能になる。
【選択図】図２

Description

本発明は、センサ部の出力のレンジを大きくでき、測定対象となる物理量の小さな変化も検出できる物理量センサに関するもので、特に歪ゲージで構成したセンサ部を備える圧力センサに用いて好適である。

従来、圧力センサでは、冗長性を持たせるために２つのセンサ部を備え、一方のセンサ部が故障してももう一方のセンサ部のセンサ出力に基づいて圧力検出が行えるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この圧力センサでは、基本的に一方のセンサ部が故障しても他のセンサ部で圧力検出を保証するものであるため、各センサ部の圧力−電圧特性は基本的には同様となっており、例えば、図８に示すような特性となっている。なお、各センサ部の製造誤差などに起因するセンサ出力のズレがあるため、この図ではセンサ出力が若干ずれているものが記載してあるが、圧力変化に対する出力電圧の変化勾配、つまり感度は基本的に２つのセンサ部共に同じものとされている。
特開２００１−２７２２９３号公報

上記のように２つのセンサ部を備えた圧力センサが提案されているものの、２つのセンサ部で検出できる圧力範囲は同じであるため、圧力検出可能なレンジを広げれば、各センサ部の感度は共に低くなり、微小な圧力変化を検出することができない。逆に、２つのセンサ部の感度を高くすれば、圧力検出可能なレンジが狭まり、測定対象となる圧力媒体の変化をカバーできる圧力検出が行えなくなる。

なお、ここでは物理量センサとして圧力センサを例に挙げて説明したが、他のセンサに関しても上記と同様のことが言える。

本発明は上記点に鑑みて、広範囲なレンジで物理量検出が行え、かつ、微小な物理量変化も検出できる物理量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、第１センサ部（１、３）が物理量の変化に対してセンサ出力を変化させられる第１物理量レンジと第２センサ部（２、４）が物理量の変化に対してセンサ出力を変化させられる第２物理量レンジとが異なっており、第１物理量レンジと第２物理量レンジは共に物理量を検出したいレンジ全域に対して一部とされており、第１物理量レンジと第２物理量レンジとが連続していることにより、第１物理量レンジおよび第２物理量レンジにて物理量を検出したいレンジ全域とされていることを第１の特徴としている。

このような物理量センサによれば、第１センサ部（１、３）および第２センサ部（２、４）のそれぞれで検出したい物理量レンジ全域をカバーしつつ、各物理量レンジにおいて高い感度で物理量検出が行える。したがって、広範囲な物理量検出が行えると共に微小な物理量変化も検出することが可能になる。

この場合、第１物理量レンジと第２物理量レンジを部分的にオーバラップさせるようにすれば、第１センサ部（１、３）および第２センサ部（２、４）で検出できる物理量レンジに冗長性を持たせることにより、第１センサ部（１、３）および第２センサ部（２、４）で検出できる物理量レンジが製造誤差などによってずれたとしても、それを許容することが可能となる等の効果も得られる。

また、本発明では、第１センサ部（１、３）が物理量の変化に対してセンサ出力を変化させられる第１物理量レンジと第２センサ部（２、４）が物理量の変化に対してセンサ出力を変化させられる第２物理量レンジとが異なっていると共に、第１センサ部（１、３）における物理量変化に対するセンサ出力特性を示す直線の勾配が第２センサ部（２、４）における物理量変化に対するセンサ出力特性を示す直線の勾配と比べて大きくされており、第１物理量レンジは物理量を検出したいレンジ全域に対して一部とされ、第２物理量レンジは物理量を検出したいレンジ全域とされていることを第２の特徴としている。

このような物理量センサによれば、第２センサ部（２、４）で検出したい物理量レンジ全域をカバーしつつ、第１センサ部（１、３）で感度の高い物理量検出を行うことができる。したがって、広範囲な物理量検出が行えると共に微小な物理量変化も検出することが可能になる。

また、本発明では、第１センサ部（１、３）が物理量の変化に対してセンサ出力を変化させられる第１物理量レンジは物理量を検出したいレンジ全域もしくはその一部とされ、第２センサ部（２、４）が物理量の変化に対してセンサ出力を変化させられる第２物理量レンジは物理量を検出したいレンジ全域とされており、第１センサ部（１、３）は第１物理量レンジにおいて複数段に物理量に対するセンサ出力の特性を切替え、複数段それぞれにおいて第１センサ部（１、３）における物理量変化に対するセンサ出力特性を示す直線の勾配が第２センサ部（２、４）における物理量変化に対するセンサ出力特性を示す直線の勾配よりも大きくされていることを第３の特徴としている。

以上説明した本発明の第１〜第３の特徴を有する物理量センサとして、例えば、測定対象となる物理量を圧力とする圧力センサを挙げることができる。このような圧力センサにおいては、第１センサ部（１、３）および第２センサ部（２、４）における感度およびオフセットを補正することにより、第１センサ部（１、３）における物理量変化に対するセンサ出力特性を示す直線の勾配および切片と、第２センサ部（２、４）における物理量変化に対するセンサ出力特性を示す直線の勾配および切片を設定することが可能である。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１に、本発明の一実施形態を適用した圧力センサの回路構成を示す。以下、図１に基づき圧力センサの構成について説明する。

本実施形態に示す圧力センサにおいては、測定対象となる媒体の圧力に応じた出力を発生させる第１、第２圧力検出用回路１、２と、第１圧力検出用回路１または第２圧力検出用回路２の出力を増幅する第１、第２差動増幅回路３、４とが備えられている。これらのうち、第１圧力検出用回路１および第１差動増幅回路３が第１センサ部を構成し、第２圧力検出用回路２および第２差動増幅回路４が第２センサ部を構成している。そして、第１、第２差動増幅回路３、４の出力が第１、第２センサ部のセンサ出力として用いられる。

第１圧力検出用回路１には、４つの拡散抵抗（歪ゲージ）５ａ〜５ｄで構成されたブリッジ回路からなる第１センシング部１０と、第１センシング部１０に対して所望の定電流を流す第１定電流回路１１と、感度やオフセットおよびオフセット温度特性に応じたデータを出力する第１データ出力部１２と、第１データ出力部１２から出力されるデジタルデータをアナログ値に変換して第１定電流回路１１に出力する第１Ｄ／Ａ変換部１３とが備えられている。

これらにより、圧力検出時においては、第１センシング部１０から印加圧力に応じた出力が発生させられるようになっている。そして、これらの構成により、第１データ出力部１２が出力したデータに基づいて第１定電流回路１１から定電流が流され、第１センシング部１０に印加される電圧が調整されて、感度やオフセットおよびオフセット温度特性の補正が行われるようになっている。

そして、第１差動増幅回路３によって第１センシング部１０の出力、具体的には、ブリッジ回路における中点電位の電位差が第１差動増幅回路３にて増幅され、この増幅後の出力が第１センサ出力として用いられる。

第２圧力検出用回路２も第１圧力検出用回路１と同様の構成とされている。具体的には、４つの拡散抵抗（歪ゲージ）６ａ〜６ｄで構成されたブリッジ回路からなる第２センシング部２０と、第２センシング部２０に対して所望の定電流を流す第２定電流回路２１と、感度やオフセットおよびオフセット温度特性に応じたデータ等を出力する第２データ出力部２２と、第２データ出力部２２が出力したデジタルデータをアナログ値に変換して第２定電流回路２１に出力する第２Ｄ／Ａ変換部２３とが備えられている。

これらにより、圧力検出時においては、第２センシング部２０から印加圧力に応じた出力が発生させられるようになっている。そして、これらの構成により、第２データ出力部２２が出力したデータに基づいて第２定電流回路２１から定電流が流され、第２センシング部２０に印加される電圧が調整されて、感度やオフセットおよびオフセット温度特性の補正が行われるようになっている。

そして、第２差動増幅回路４によって第２センシング部２０の出力、具体的には、ブリッジ回路における中点電位の電位差が第２差動増幅回路３にて増幅され、この増幅後の出力が第２センサ出力として用いられる。

次に、上記のように構成された圧力センサにおける圧力と第１、第２センサ出力の関係について説明する。図２は、第１、第２センシング部１０、２０に対して圧力を印加した場合の第１、第２センシング部１０、２０が発生させる第１、第２センサ出力の関係（圧力−出力電圧特性）を示したものである。

この図に示されるように、圧力変化に対する第１センサ出力の変化と第２センサ出力の変化は、それぞれ変化の仕方が異なっている。具体的には、第１センサ出力が変化する第１圧力レンジと第２センサ出力が変化する第２圧力レンジとが異なり、かつ、第１センサ出力が変化する第１圧力レンジと第２センサ出力が変化する第２圧力レンジが連続したものとされている。つまり、第１圧力レンジでは第１センサ出力の変化に基づいて圧力検出が行え、第２圧力レンジでは第２センサ出力の変化に基づいて圧力検出が行えるようになっている。

これらの圧力変化に対する第１、第２センサ出力の変化の勾配、つまり第１、第２圧力検出用回路１、２の感度は、図８に示した従来の圧力センサにおける各センサ部の感度と比べて２倍程度とされている。すなわち、従来では、検出したい圧力レンジ全域において２つのセンサ部のセンサ出力が同じように変化する形態としているが、本実施形態では、検出したい圧力レンジをニ分割し、２つの圧力検出用回路１、２のセンサ出力が異なる圧力レンジで変化する形態としている。

このような圧力−出力電圧特性を有する第１、第２圧力検出用回路１、２は、具体的には、感度やオフセットの補正によって形成することが可能である。例えば、従来のように各センシング部の圧力−出力電圧特性が検出したい圧力レンジ全域でセンサ出力が変化するという特性であったとした場合、センシング部に流す電流値を調整することにより感度補正を行えば、圧力−出力電圧特性の直線の傾きを変更できる。また、センシング部に流す電流値を調整する等によりオフセット調整を行えば、圧力−出力電圧特性の直線の切片を変更できる。このため、感度調整やオフセット調整を行うことで、各圧力検出回路１、２の圧力−出力電圧特性を上記のような形態にできる。

このような本実施形態の圧力センサによれば、２つの圧力検出用回路１、２それぞれで検出したい圧力レンジ全域をカバーしつつ、各圧力レンジにおいて高い感度で圧力検出が行える。したがって、広範囲な圧力検出が行えると共に微小な圧力変化も検出することが可能になる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサは、第１実施形態に対して圧力−出力電圧特性を変更したものであり、その他、例えば圧力センサの回路構成等に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図３は、本実施形態の圧力センサに備えられる第１、第２センシング部１０、２０に対して圧力を印加した場合の第１、第２センシング部１０、２０が発生させる第１、第２センサ出力の関係（圧力−出力電圧特性）を示したものである。

この図に示されるように、第１センサ出力が変化する第１圧力レンジと第２センサ出力が変化する第２圧力レンジとが異なっているが、第１圧力レンジの一部と第２圧力レンジの一部がオーバラップさせられている。つまり、第１圧力検出用回路１と第２圧力検出用回路２での検出可能な圧力レンジを部分的に重複させることで、その部分に関して冗長性を持たせるようにしている。

このような圧力−出力電圧特性を有する第１、第２圧力検出用回路１、２も、上記第１実施形態と同様に、感度やオフセットの補正によって形成することが可能であるが、上記第１実施形態に対して感度を若干鈍くすることで、各圧力検出用回路１、２で検出可能な圧力レンジを広くする必要がある。

このような本実施形態の圧力センサによれば、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができると共に、第１、第２圧力検出用回路１、２で検出できる圧力レンジに冗長性を持たせることにより、各圧力検出用回路１、２で検出できる圧力レンジが製造誤差などによってずれたとしても、それを許容することが可能となる等の効果も得られる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサは、第１実施形態に対して圧力−出力電圧特性を変更したものであり、その他、例えば圧力センサの回路構成等に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図４は、本実施形態の圧力センサに備えられる第１、第２センシング部１０、２０に対して圧力を印加した場合の第１、第２センシング部１０、２０が発生させる第１、第２センサ出力の関係（圧力−出力電圧特性）を示したものである。

この図に示されるように、第１センサ出力が変化する第１圧力レンジは検出したい圧力レンジの一部とされており、第２センサ出力が変化する第２圧力レンジは検出したい圧力レンジ全域とされている。つまり、第１圧力検出用回路１によって感度の高い圧力検出を可能にしつつ、第２圧力検出用回路２によって広範囲な圧力レンジでの圧力検出を可能にしている。

このような圧力−出力電圧特性を有する第１、第２圧力検出用回路１、２も、上記第１実施形態と同様に、感度やオフセットの補正によって形成することが可能であるが、第１圧力検出用回路１の方が第２圧力検出用回路２と比べて感度を高くするような設定とすることになる。

このような本実施形態の圧力センサによれば、第１圧力検出用回路１で検出可能な圧力レンジでないと感度の高い圧力検出が行えなくなるが、その圧力レンジをシステム上最も使用するレンジに設定することで、ほとんどの場合に感度の高い圧力検出を行うことが可能となる。このため、本実施形態の圧力センサによっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサは、第１実施形態に対して圧力センサの回路構成の一部と圧力−出力電圧特性を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図５は、本実施形態の圧力センサの回路構成を示した図である。この図に示されるように、第１差動増幅回路３が発生させるセンサ出力が第１データ出力部１２にフィードバックされるようになっている。これに基づき、第１データ出力部１２は、オフセットの補正用データを変更できるようになっている。具体的には、第１データ出力部１２にセンサ出力を比較するためのしきい値が記憶させてあり、センサ出力がしきい値を超える毎にオフセットの補正用データが切替えられるようになっている。

図６は、本実施形態の圧力センサに備えられる第１、第２センシング部１０、２０に対して圧力を印加した場合の第１、第２センシング部１０、２０が発生させる第１、第２センサ出力の関係（圧力−出力電圧特性）を示したものである。

この図に示されるように、第３実施形態と同様に、第１センサ出力が変化する第１圧力レンジは検出したい圧力レンジ全域に設定されているが、第２センサ出力が変化する第２圧力レンジは検出したい圧力レンジ全域において三角波状（ノコギリ波状）に複数段に特性が切替えられている。これにより、第１圧力検出用回路１によって広範囲な圧力レンジでの圧力検出を可能にしつつ、第２圧力検出用回路２によって感度の高い圧力検出を可能にしている。

このような圧力−出力電圧特性を有する第１、第２圧力検出用回路１、２も、上記第１実施形態と同様に、感度やオフセットの補正によって形成することが可能であるが、第１圧力検出用回路１と比べて第２圧力検出用回路２の感度を高くするような設定とすることになる。また、第２圧力検出用回路２の圧力−出力電圧特性に関しては、上述したように、センサ出力がしきい値を超える毎にオフセットの補正用データが切替えられることで、この特性を示す直線の切片を切替えることができ、上記のような三角波状の特性とすることが可能である。

このような本実施形態の圧力センサにより、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサは、第４実施形態に対して圧力−出力電圧特性を変更したものであり、その他、例えば圧力センサの回路構成等に関しては第４実施形態と同様であるため、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図７は、本実施形態の圧力センサに備えられる第１、第２センシング部１０、２０に対して圧力を印加した場合の第１、第２センシング部１０、２０が発生させる第１、第２センサ出力の関係（圧力−出力電圧特性）を示したものである。

この図に示されるように、第１センサ出力が変化する第１圧力レンジは検出したい圧力レンジの一部とされており、第２センサ出力が変化する第２圧力レンジは検出したい圧力レンジ全域とされている。つまり、上記第４実施形態では、第１センサ出力がしきい値を超える毎にオフセット補正用のデータを切替えることで、検出を行いたい圧力レンジの全域において第１圧力検出用回路１での高い感度の圧力検出が行えるようにしたが、本実施形態では、そのうちの一部のレンジにおいてのみ高い感度の圧力検出が行えるようにしている。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、物理量センサとして圧力センサを例に挙げて説明したが、圧力センサに限らず、電流センサ、光度センサ、トルクセンサ、荷重センサ、加速度センサ、ヨーレートセンサ、温度センサ、湿度センサなど、他の物理量の検出に用いられるセンサに対しても、上記のような物理量−出力電圧特性とすることで、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では第１、第２データ出力部１２、２２から感度やオフセットおよびオフセット温度特性に関するデータをデジタル信号として出力させ、それを第１、第２Ｄ／Ａ変換部１３、１４でアナログ変換する形態としたが、これらを一つの構成とすることも可能である。すなわち、これら第１、第２データ出力部１２、２２および第１、第２Ｄ／Ａ変換部１３、１４は、感度やオフセットおよびオフセット温度特性の補正指示を行う補正指示部としての役割を果たすものであり、補正指示部がどのようなブロック構成で構成されていても構わない。

また、上記実施形態では、第１、第２定電流回路１１、２１が流す定電流を制御することにより、対して感度やオフセットおよびオフセット温度特性の補正を行うようにしているが、これらの補正は第１、第２差動増幅回路３、４で行われる場合も有るし、ブリッジ回路に備えられる拡散抵抗５ａ〜５ｄ、６ａ〜６ｄの抵抗値を調整したり、これら各抵抗に対して並列若しくは直列的に接続されるトリム抵抗を調整したりすることで行われる場合も有る。

本発明の第１実施形態における圧力センサの回路構成を示す図である。図１に示す圧力センサに備えられる第１、第２センシング部１０、２０に対して圧力を印加した場合の第１、第２センシング部１０、２０が発生させる第１、第２センサ出力の関係を示した図である。本発明の第２実施形態における圧力センサに備えられる第１、第２センシング部１０、２０に対して圧力を印加した場合の第１、第２センシング部１０、２０が発生させる第１、第２センサ出力の関係を示した図である。本発明の第３実施形態における圧力センサに備えられる第１、第２センシング部１０、２０に対して圧力を印加した場合の第１、第２センシング部１０、２０が発生させる第１、第２センサ出力の関係を示した図である。本発明の第４実施形態における圧力センサの回路構成を示す図である。図５に示される圧力センサに備えられる第１、第２センシング部１０、２０に対して圧力を印加した場合の第１、第２センシング部１０、２０が発生させる第１、第２センサ出力の関係を示した図である。本発明の第５実施形態における圧力センサに備えられる第１、第２センシング部１０、２０に対して圧力を印加した場合の第１、第２センシング部１０、２０が発生させる第１、第２センサ出力の関係を示した図である。従来の圧力センサに備えられる各センサ部に対して圧力を印加した場合の各センサ出力の関係を示した図である。

符号の説明

１、２…第１、第２圧力検出回路、３、１４…第１、第２Ｄ／Ａ変換部、３、４…第１、第２差動増幅回路、５ａ〜５ｄ、６ａ〜６ｄ…拡散抵抗、１０、２０…第１、第２センサ部、１１、２１…第１、第２定電流回路、１２、２２…第１、第２データ出力部。

Claims

測定対象となる物理量の変化に応じたセンサ出力を発生させる第１センサ部（１、３）および第２センサ部（２、４）を有してなる物理量センサであって、
前記第１センサ部（１、３）が物理量の変化に対してセンサ出力を変化させられる第１物理量レンジと前記第２センサ部（２、４）が物理量の変化に対してセンサ出力を変化させられる第２物理量レンジとが異なっており、前記第１物理量レンジと前記第２物理量レンジは共に物理量を検出したいレンジ全域に対して一部とされており、前記第１物理量レンジと前記第２物理量レンジとが連続していることにより、前記第１物理量レンジおよび前記第２物理量レンジにて前記物理量を検出したいレンジ全域とされていることを特徴とする物理量センサ。
前記第１物理量レンジと前記第２物理量レンジが部分的にオーバラップしていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
測定対象となる物理量の変化に応じたセンサ出力を発生させる第１センサ部（１、３）および第２センサ部（２、４）を有してなる物理量センサであって、
前記第１センサ部（１、３）が物理量の変化に対してセンサ出力を変化させられる第１物理量レンジと前記第２センサ部（２、４）が物理量の変化に対してセンサ出力を変化させられる第２物理量レンジとが異なっていると共に、前記第１センサ部（１、３）における物理量変化に対するセンサ出力特性を示す直線の勾配が前記第２センサ部（２、４）における物理量変化に対するセンサ出力特性を示す直線の勾配と比べて大きくされており、前記第１物理量レンジは物理量を検出したいレンジ全域に対して一部とされ、前記第２物理量レンジは物理量を検出したいレンジ全域とされていることを特徴とする物理量センサ。
測定対象となる物理量の変化に応じたセンサ出力を発生させる第１センサ部（１、３）および第２センサ部（２、４）を有してなる物理量センサであって、
前記第１センサ部（１、３）が物理量の変化に対してセンサ出力を変化させられる第１物理量レンジは物理量を検出したいレンジ全域もしくはその一部とされ、前記第２センサ部（２、４）が物理量の変化に対してセンサ出力を変化させられる第２物理量レンジは物理量を検出したいレンジ全域とされており、前記第１センサ部（１、３）は前記第１物理量レンジにおいて複数段に物理量に対するセンサ出力の特性を切替え、前記複数段それぞれにおいて前記第１センサ部（１、３）における物理量変化に対するセンサ出力特性を示す直線の勾配が前記第２センサ部（２、４）における物理量変化に対するセンサ出力特性を示す直線の勾配よりも大きくされていることを特徴とする物理量センサ。
請求項１ないし４のいずれか１つに記載の物理量センサが前記測定対象となる物理量を圧力とする圧力センサである場合において、前記第１センサ部（１、３）および前記第２センサ部（２、４）における感度およびオフセットを補正することにより、前記第１センサ部（１、３）における物理量変化に対するセンサ出力特性を示す直線の勾配および切片と、前記第２センサ部（２、４）における物理量変化に対するセンサ出力特性を示す直線の勾配および切片が設定されていることを特徴とする圧力センサ。