JP2008116375A - Pressure transducer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力センサと電子回路とによって構成され、気体や液体等により外部から加えられる圧力を検出して、マイコンで処理可能なディジタル計測値に変換する圧力トランスデューサに関する。 The present invention relates to a pressure transducer that includes a pressure sensor and an electronic circuit, detects pressure applied from the outside by gas or liquid, and converts the pressure into a digital measurement value that can be processed by a microcomputer.
外部から加えられる圧力を電気信号に変換する圧力センサは、ピエゾ抵抗効果や磁歪効果の方式を利用することにより歪みゲージやコイルを用いて実現され、工業計測機器や医療機器の分野において広く用いられている。特に、近年においては、そのような圧力センサに対し、回路規模及び消費電流の低減の要求が高まっている。 Pressure sensors that convert externally applied pressure into electrical signals are realized using strain gauges and coils by using the piezoresistive effect and magnetostrictive effect methods, and are widely used in the fields of industrial measurement equipment and medical equipment. ing. In particular, in recent years, there is an increasing demand for such a pressure sensor to reduce the circuit scale and current consumption.
ピエゾ抵抗効果を利用する圧力センサとしては、シリコンウエハの表面に複数のピエゾ抵抗素子が形成され、裏面はエッチング処理によってダイヤフラムとされたピエゾ抵抗型圧力センサが広く知られている。ピエゾ抵抗型圧力センサは、気体や液体等により外部から圧力が加えられるとダイヤフラムが撓んでピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化するという原理を利用しており、例えば、自動車エンジンの燃焼圧を測定するために用いられている。 As a pressure sensor utilizing the piezoresistive effect, a piezoresistive pressure sensor in which a plurality of piezoresistive elements are formed on the surface of a silicon wafer and the back surface is made into a diaphragm by etching processing is widely known. A piezoresistive pressure sensor uses the principle that when a pressure is applied from the outside by gas or liquid, the diaphragm bends and the resistance value of the piezoresistive element changes, and for example, measures the combustion pressure of an automobile engine. It is used for.
一般に、ピエゾ抵抗型圧力センサにおいては、互いに接続された複数のピエゾ抵抗素子がブリッジ回路を構成しており、ブリッジ回路における2つの出力電位の差(出力電圧)を取り出すことによって、外部から加えられる圧力の変化を検出することができる。ピエゾ抵抗型圧力センサから取り出される出力電圧は微小なアナログ信号であるので、マイコンにおいて信号処理を行うためには、アナログ信号を増幅し、ディジタル信号に変換することが必要となる。 In general, in a piezoresistive pressure sensor, a plurality of piezoresistive elements connected to each other form a bridge circuit, which is applied from the outside by taking the difference (output voltage) between two output potentials in the bridge circuit. A change in pressure can be detected. Since the output voltage taken out from the piezoresistive pressure sensor is a very small analog signal, it is necessary to amplify the analog signal and convert it into a digital signal in order to perform signal processing in the microcomputer.
しかしながら、一般的なA/D(アナログ/ディジタル)変換回路を用いると、回路規模や消費電流が大きくなってしまう。そこで、圧力を検出してディジタル計測値に変換する圧力トランスデューサにおいて、そのようなA/D変換回路を用いない構成とすることが望ましい。 However, when a general A / D (analog / digital) conversion circuit is used, the circuit scale and current consumption increase. Therefore, it is desirable that a pressure transducer that detects pressure and converts it into a digital measurement value does not use such an A / D conversion circuit.
関連する技術として、下記の特許文献1には、比較対象である2つの回路素子の定数差を検出できる微小差検出回路が開示されている。この微小差検出回路は、比較対象である2つのコイル又は2つのコンデンサを含みステップ状通電に対応して2つのコイル又は2つのコンデンサ間の定数差に対応する検出電位差を出力するRLC回路と、検出電位差と比例関係にある信号を入力として高レベル及び低レベルの閾値を持ってヒステリシス特性を示す電圧比較器と、第1及び第2の異なる駆動電圧を有してRLC回路を駆動する通電制御部と、2つのコイル又は2つのコンデンサ間の定数差を識別する識別制御部とから構成される。
As a related technique, the following
この微小差検出回路においては、2つのコイルのインダクタンス差又は2つのコンデンサの容量差に対応する電位差又はそれを積分した値を所定の電圧と比較して、2つの回路素子の定数差に反比例する周期を有するパルス列を生成し、その周期を微小間隔パルス計数によって識別するので、定数差が小さい程、パルス列の周期が長くなり、識別分解能を向上できると記載されている。 In this minute difference detection circuit, a potential difference corresponding to an inductance difference between two coils or a capacitance difference between two capacitors or a value obtained by integrating the potential difference is compared with a predetermined voltage and is inversely proportional to a constant difference between two circuit elements. It is described that since a pulse train having a period is generated and the period is identified by minute interval pulse counting, the smaller the constant difference is, the longer the period of the pulse train is, and the identification resolution can be improved.
また、下記の特許文献2には、差動増幅回路を廃止し、論理回路を中心とした簡単な回路で計測値をパルス幅又はパルス数で表現した出力信号を得るトランスデューサが開示されている。このトランスデューサは、ブリッジ型に接続されたピエゾ抵抗素子を主体とするブリッジ型センサ回路と、ブリッジ型センサ回路の2つのコーナー電圧をそれぞれ一方の入力とする2つのコンパレータと、所定の変化率で漸増又は漸減するランプ電圧を発生して両コンパレータのそれぞれ他方の入力に印加するランプ電圧発生回路と、両コンパレータの一方の出力が反転してから他方の出力が反転するまでの時間に相当するパルス幅の信号を出力するゲート回路とを備えている。
特許文献1及び特許文献2に記載されているように、ブリッジ回路の2つの出力電位の差に対応する周波数又はパルス幅を有するパルス信号を生成することによりディジタル計測値を得ることは知られている。これにより、回路規模や消費電流の大きいA/D変換回路を用いることなく、論理回路を中心とした簡単な構成でディジタル計測値を得ることができる。しかしながら、ブリッジ回路には常に一定の数mA程度の電流が流れるので、消費電流の低減は十分に実現されていない。
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、外部から加えられる圧力を検出してディジタル計測値を得る圧力トランスデューサにおいて、回路規模及び消費電流を低減することを目的とする。 Therefore, in view of the above points, an object of the present invention is to reduce circuit scale and current consumption in a pressure transducer that detects a pressure applied from the outside and obtains a digital measurement value.
上記課題を解決するため、本発明の1つの観点に係る圧力トランスデューサは、外部から加えられる圧力によって抵抗値を変化させる4つのピエゾ抵抗素子によって構成されるブリッジ回路と、制御信号に従ってオン状態となり、ブリッジ回路の第1のノードに電源電圧を供給するスイッチ回路と、ブリッジ回路の第2のノードに接続され、スイッチ回路がオン状態であるときにブリッジ回路に電流を流す駆動回路と、ブリッジ回路の第3のノードと第4のノードとの間における電位差を増幅する増幅回路と、所定の電位の大きさに対応する第1の期間、及び、増幅回路の出力電位の大きさに対応する第2の期間において、クロック信号に含まれているパルスの数をカウントすることにより、第1のカウント値及び第2のカウント値をそれぞれ求める変換回路と、スイッチ回路に供給される制御信号を生成すると共に、第1及び第2のカウント値に基づいて圧力に関する値を算出する制御部であって、圧力の計測を開始する際に、制御信号を活性化してスイッチ回路をオン状態としてから所定の期間が経過した後に変換回路を動作させる制御部とを具備する。 In order to solve the above-described problem, a pressure transducer according to one aspect of the present invention is turned on according to a control circuit and a bridge circuit including four piezoresistive elements that change resistance values according to externally applied pressure. A switch circuit that supplies a power supply voltage to the first node of the bridge circuit; a drive circuit that is connected to the second node of the bridge circuit and that causes a current to flow through the bridge circuit when the switch circuit is in an on state; An amplifier circuit for amplifying a potential difference between the third node and the fourth node, a first period corresponding to a predetermined potential magnitude, and a second corresponding to the output potential magnitude of the amplifier circuit In this period, the first count value and the second count value are respectively counted by counting the number of pulses included in the clock signal. A control unit that generates a control signal to be supplied to the conversion circuit and the switch circuit to be calculated, and calculates a value related to pressure based on the first and second count values, and when measuring pressure is started, And a control unit that operates the conversion circuit after a predetermined period has elapsed since the control signal is activated and the switch circuit is turned on.
ここで、変換回路が、コンデンサと、制御部から供給される第2の制御信号に従って、所定の電位によりコンデンサを充電する第1の充電回路と、制御部から供給される第3の制御信号に従って、増幅回路の出力電位によりコンデンサを充電する第2の充電回路と、制御部から供給される第4の制御信号に従って、コンデンサに充電された電荷を放電する放電回路と、コンデンサの両端の電圧に基づいて、所定の電位の大きさに対応する第1の期間及び増幅回路の出力電位の大きさに対応する第2の期間において活性化されるイネーブル信号を生成する論理回路と、論理回路から出力されるイネーブル信号が活性化されている第1及び第2の期間において、クロック信号に含まれているパルスの数をカウントすることにより、第1のカウント値及び第2のカウント値をそれぞれ求めるカウンタとを含むようにしても良い。 Here, the conversion circuit is in accordance with the capacitor and the first control circuit supplied from the control unit according to the second control signal supplied from the control unit, and the third control signal supplied from the control unit. A second charging circuit that charges the capacitor with the output potential of the amplifier circuit; a discharge circuit that discharges the charge charged in the capacitor according to a fourth control signal supplied from the control unit; and a voltage across the capacitor. A logic circuit for generating an enable signal activated in a first period corresponding to a magnitude of a predetermined potential and a second period corresponding to the magnitude of an output potential of the amplifier circuit; and an output from the logic circuit The first count is obtained by counting the number of pulses included in the clock signal in the first and second periods in which the enable signal to be activated is activated. And a second count value may include a counter for determining respectively.
また、増幅回路が、ブリッジ回路の第3のノードの電位を入力する第1のバッファアンプと、ブリッジ回路の第4のノードの電位を入力する第2のバッファアンプと、第1のバッファアンプの出力電位と第2のバッファアンプの出力電位との間における電位差を増幅する差動アンプとを含むようにしても良い。 The amplifier circuit includes a first buffer amplifier that inputs a potential of the third node of the bridge circuit, a second buffer amplifier that inputs a potential of the fourth node of the bridge circuit, and a first buffer amplifier. A differential amplifier that amplifies the potential difference between the output potential and the output potential of the second buffer amplifier may be included.
本発明によれば、ブリッジ回路の2つの出力電位の差に対応する期間においてクロック信号のパルス数をカウントしてディジタル計測値を得る構成とすることにより回路規模を低減すると共に、ブリッジ回路に電源電圧を供給し、又は、切断するスイッチ回路を設け、これを制御部が制御することにより消費電流を低減することができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the circuit scale by obtaining the digital measurement value by counting the number of pulses of the clock signal in the period corresponding to the difference between the two output potentials of the bridge circuit, and to supply power to the bridge circuit. A switch circuit for supplying or disconnecting voltage is provided, and the control unit controls this to reduce current consumption.
以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る圧力トランスデューサの構成を示す回路図である。図1に示すように、圧力トランスデューサ1は、検出回路10と、スイッチ回路(トランジスタ)15と、駆動回路20と、増幅回路30と、変換回路40と、制御部50と、分周回路55とを含んでいる。
The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, the same reference number is attached | subjected to the same component and description is abbreviate | omitted.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a pressure transducer according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
検出回路10は、気圧や液体等によって外部から加えられる圧力を電気信号に変換する回路であって、数100Ω〜数kΩ程度の抵抗値を有する4つのピエゾ抵抗素子11〜14によって構成されている。シリコンチップの表面に拡散型のピエゾ抵抗素子11〜14を形成すると共に、シリコンチップの裏面をエッチング処理等により平坦にしてダイヤフラムを形成し、このシリコンチップを直径10mm程度の円筒ケースに格納することにより、検出回路10が作成される。 The detection circuit 10 is a circuit that converts an external pressure applied by atmospheric pressure, liquid, or the like into an electrical signal, and includes four piezoresistive elements 11 to 14 each having a resistance value of about several hundred Ω to several kΩ. . The diffusion type piezoresistive elements 11 to 14 are formed on the surface of the silicon chip, and the diaphragm is formed by flattening the back surface of the silicon chip by etching or the like, and the silicon chip is stored in a cylindrical case having a diameter of about 10 mm. Thus, the detection circuit 10 is created.
ダイヤフラムに外部から圧力が加わると、ダイヤフラムが撓み、シリコンチップの表面に形成されているピエゾ抵抗素子11〜14の抵抗値が僅かに変化する。ピエゾ抵抗素子は、例えば、サーミスタ等の抵抗変化型のセンサ素子と比較すると、抵抗値の変化が小さい。従って、ピエゾ抵抗素子をセンサ素子として用いる場合には、検出回路10のように、4つのピエゾ抵抗素子11〜14を互いに接続してホイートストンブリッジ回路が構成される。このホイートストンブリッジ回路において、ノードAとノードBとの間に一定の電流Iが供給される。さらに、ノードC及びノードDとの電位差(出力電圧)が取り出され、増幅回路30に入力される。
When pressure is applied to the diaphragm from the outside, the diaphragm is bent, and the resistance values of the piezoresistive elements 11 to 14 formed on the surface of the silicon chip slightly change. The piezoresistive element has a small change in resistance value as compared with a resistance change type sensor element such as a thermistor. Therefore, when using a piezoresistive element as a sensor element, like the detection circuit 10, the four piezoresistive elements 11-14 are mutually connected, and a Wheatstone bridge circuit is comprised. In the Wheatstone bridge circuit, a constant current I is supplied between the node A and the node B. Further, a potential difference (output voltage) between the node C and the node D is taken out and input to the
例えば、同じ抵抗値R(Ω)を有するピエゾ抵抗素子11〜14がダイヤフラム上の所定の位置に配置されており、外部から圧力が加わるとダイヤフラムが撓む。その結果、ピエゾ抵抗素子11及び12においては、抵抗値が微少量ΔRだけ増加して(R+ΔR)となり、ピエゾ抵抗素子13及び14においては、抵抗値が微少量ΔRだけ減少して(R−ΔR)となる。従って、ノードCの電圧VCとノードDの電圧VDとが非平衡となるので、ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を差動信号として検出することができる。
For example, the piezoresistive elements 11 to 14 having the same resistance value R (Ω) are arranged at predetermined positions on the diaphragm, and the diaphragm bends when pressure is applied from the outside. As a result, in the
図1に示すように、検出回路10のノードAには、PチャネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOS型電界効果トランジスタ)15のドレインが接続されている。また、トランジスタ15のソースには、電源電圧VDDが供給されており、トランジスタ15のゲートには、制御部50から制御信号CTL1が供給される。制御信号CTL1に従ってトランジスタ15がオン状態となることによって、ノードAに電源電圧VDDが供給される。
As shown in FIG. 1, the drain of a P-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 15 is connected to the node A of the detection circuit 10. Further, the power supply voltage V DD is supplied to the source of the
駆動回路20は、NチャネルMOSFET21と、オペアンプ22と、抵抗23とを含んでいる。検出回路10のノードBは、駆動回路20におけるトランジスタ21のドレインに接続されている。また、トランジスタ21のソースは、抵抗23を介して電源電圧VSSに接続されており、トランジスタ21のゲートには、オペアンプ22の出力電圧が供給される。なお、本実施形態においては、電源電圧VSSを接地電圧(0V)としている。
The
オペアンプ22の非反転入力端子には、例えば、複数の分圧抵抗や定電圧ダイオードによって生成される基準電圧VREFが入力される。また、トランジスタ21のソースと抵抗23との接続点から取り出された電圧が、オペアンプ22の反転入力端子に帰還され、駆動回路20は、定電流回路として動作する。オペアンプ22において、一般的に知られるイマジナリショートの動作によって、非反転入力端子には、VREFとほぼ同じ電圧が現れる。従って、抵抗23に流れる電流IはI=VREF/R23から求められるので、この式に基づいて、圧力センサの駆動電流Iを設定することができる。
For example, a reference voltage V REF generated by a plurality of voltage dividing resistors and a constant voltage diode is input to the non-inverting input terminal of the
本実施形態においては、1.5mA程度に設定されている。なお、オペアンプ22の出力端子とトランジスタ21のゲートとの間に、電流を制限するための抵抗が挿入されても良い。
In this embodiment, it is set to about 1.5 mA. A resistor for limiting current may be inserted between the output terminal of the
一般に、複数のピエゾ抵抗素子により構成されるブリッジ回路を駆動する回路として、定電流回路又は定電圧回路が用いられる。ただし、ピエゾ抵抗素子で構成されるブリッジ回路を定電流回路によって駆動すると、定電圧回路によって駆動した場合よりも、出力電圧の温度特性が向上することが知られている。そこで、本実施形態においては、定電流回路によって駆動回路20を構成している。
Generally, a constant current circuit or a constant voltage circuit is used as a circuit for driving a bridge circuit composed of a plurality of piezoresistive elements. However, it is known that when a bridge circuit composed of piezoresistive elements is driven by a constant current circuit, the temperature characteristics of the output voltage are improved as compared with the case of driving by a constant voltage circuit. Therefore, in the present embodiment, the
本実施形態においては、制御信号CTL1をハイレベルとすることによってトランジスタ15をオフ状態とし、検出回路10に流れる電流を遮断することができる。従って、圧力の検出を行わない場合には、検出回路10に流れる電流をほぼゼロとすることにより、消費電流を低減することができる。
In the present embodiment, by setting the control signal CTL1 to the high level, the
検出回路10の出力電圧VCと出力電圧VDとの差(感度)は数mV程度であるが、増幅回路30によって、論理回路を動作させることが可能なレベルにまで増幅される。増幅回路30は、抵抗31〜抵抗34と、オペアンプ35とを含んでいる。検出回路10の出力電圧VCは、抵抗31を介して、オペアンプ35の非反転入力端子に入力され、検出回路10の出力電圧VDは、抵抗33を介して、オペアンプ35の反転入力端子に入力される。
The difference (sensitivity) between the output voltage V C and the output voltage V D of the detection circuit 10 is about several mV, but is amplified by the
オペアンプ35の出力信号は、後段の変換回路40におけるPチャネルトランジスタ43のソースに供給されると共に、抵抗34を介して反転入力端子に帰還される。また、オペアンプ35の非反転入力端子は、抵抗32を介して接地電圧VSSに接続されている。このように接続された抵抗31〜34及びオペアンプ35は、出力電圧VCと出力電圧VDとの差を増幅する差動増幅回路(差動アンプ)として動作する。
The output signal of the
抵抗31〜抵抗34の値は、例えば、検出回路10に圧力が加わっていない状態におけるオペアンプ35の出力電圧VOPが、電源電圧VDDの1/2となるように設定される。なお、検出回路10に圧力が加わっていない状態におけるオペアンプ35の出力電圧VOPをオフセット電圧という。オペアンプ35の出力電圧VOPは、検出回路10に加えられる圧力に従って、オフセット電圧VDD/2〜電源電圧VDDの範囲で変化する。
The values of the
変換回路40は、充放電用のコンデンサ45と、コンデンサ45を充電するための第1の充電経路を形成するPチャネルトランジスタ41及び抵抗42と、コンデンサ45を充電するための第2の充電経路を形成するPチャネルトランジスタ43及び抵抗44と、コンデンサ45に充電された電荷を放電するための放電経路を形成するNチャネルトランジスタ46と、ノードEの電圧VEを論理レベルに変換するシュミットトリガバッファ47と、シュミットトリガバッファ47の出力信号VST及び制御信号CTL4に基づいて論理演算を行うことによりカウントイネーブル信号VCEを生成するAND回路48と、カウントイネーブル信号VCEに従ってクロック信号のパルスをカウントするカウンタ49とを含んでいる。
The
トランジスタ41は、ソースに電源電圧VDDが供給され、ゲートに入力される制御信号CTL2に従ってスイッチング動作を行う。トランジスタ41のドレインは、抵抗42を介してコンデンサ45の一端(ノードE)に接続されている。一方、トランジスタ43は、ソースに増幅回路30のオペアンプ35の出力電圧VOPが供給され、ゲートに入力される制御信号CTL3に従ってスイッチング動作を行う。トランジスタ43のドレインは、抵抗44を介してコンデンサ45の一端(ノードE)に接続されている。また、トランジスタ46は、ドレインがコンデンサ45の一端(ノードE)に接続され、ソースが接地電圧VSSに接続されており、ゲートに入力される制御信号CTL4に従ってスイッチング動作を行う。コンデンサ45の他端は、接地電圧VSSに接続されている。
The
制御部50は、ディジタル回路、又は、CPUとソフトウェアによって構成され、システムクロック信号に基づいて、制御信号CTL1〜CTL4を生成する。制御部50から出力される制御信号CTL2〜CTL4に従ってトランジスタ41、43、46がスイッチングを行うことにより、第1の充電経路を介してコンデンサ45が充電された後に放電経路を介してコンデンサ45の電荷が放電され、第2の充電経路を介してコンデンサ45が充電された後に放電経路を介してコンデンサ45の電荷が放電される。これにより、ノードEの電圧VEが変化する。
The
シュミットトリガバッファ47は、ノードEの電圧VEを入力して判定し、2つの閾値に従ってハイレベル又はローレベルの論理値を出力する。AND回路48は、シュミットトリガバッファ47の出力信号と制御信号CTL4とが共にハイレベルである期間において、カウントイネーブル信号VCEをハイレベルに活性化する。ここで、増幅回路30の出力電圧が高くなれば、それに対応してカウントイネーブル信号VCEの活性期間(パルスカウント数)が長くなる。
Schmitt trigger buffer 47 is determined by the input voltage V E of node E, and outputs a logical value of high or low level according to two thresholds. AND
分周回路55は、例えば、制御部50に供給されるシステムクロック信号を分周することにより、カウンタ49に供給されるクロック信号を生成する。カウンタ49は、カウントイネーブル信号VCEが活性化されている期間に、クロック信号に含まれているパルスの数をカウントしてカウント値を求め、これを制御部50に出力する。従って、圧力トランスデューサ1は、外部から検出回路10に加えられる圧力の変化を、ディジタル計測値であるカウント値に変換することができる。
For example, the
以上において、検出回路10と変換回路40の抵抗42、44及びコンデンサ45以外の回路の内の少なくとも一部が、CPUと共にマイコンの内部に組み込まれるようにしても良い。一般に、抵抗値/周波数変換回路(「R/Fコンバータ」とも呼ばれている)を内蔵し、温度係数の小さい基準抵抗とサーミスタとコンデンサとを外付けすることによって温度センサを構成できるマイコンが開発されている。そのようなマイコンを利用すれば、温度補償が行なわれた圧力トランスデューサ1を簡単に構成することができる。あるいは、スイッチ回路15と駆動回路20と増幅回路30とをIC又はハイブリッドICに集積化し、フレキシブル基板等によって検出回路10と一体化したものをモジュールとして構成しても良いし、そのハイブリッドIC化された回路と検出回路10とを一体化してワンチップ化し、集積化センサとして構成しても良い。
In the above, at least a part of the circuit other than the
次に、本実施形態に係る圧力トランスデューサの動作について、図2を参照しながら説明する。
図2は、図1に示す圧力トランスデューサの各部における信号の変化を示す波形図である。圧力トランスデューサ1を搭載する装置又はシステムの電源が投入されると、電源電圧VDD及びシステムクロック信号が圧力トランスデューサ1に供給される。圧力の計測を行わない場合(休止モード)においては、制御部50が、制御信号CTL1をハイレベルとしている。従って、トランジスタ15がオフ状態となり、検出回路10にはほぼ電流が流れないので、圧力トランスデューサ1の消費電流を低減することができる。
Next, the operation of the pressure transducer according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a waveform diagram showing changes in signals at various parts of the pressure transducer shown in FIG. When the apparatus or system on which the
このとき、制御部50が、制御信号CTL2、CTL3及びCTL4をハイレベルとしているので、トランジスタ41、43がオフ状態になると共に、トランジスタ46がオン状態となり、AND回路48から出力されるカウントイネーブル信号VCEがローレベルに非活性化されている。
At this time, since the
制御部50は、例えば、外部から供給される命令に従って、圧力トランスデューサ1を休止モードから計測モードに移行させる。計測モードにおいては、まず、制御部50が、制御信号CTL1を所定の期間ローレベルに活性化する。これにより、トランジスタ15がオン状態となり、駆動回路20によって定電流Iが流れ、検出回路10が動作を開始する。
For example, the
ブリッジ回路のピエゾ抵抗素子11〜14が熱的に安定する安定化期間(例えば、10秒間)を経過して検出回路10のウォーミングアップが完了すると、制御部50は、制御信号CTL2をローレベルに活性化し、制御信号CTL4をローレベルに非活性化する。このように、安定化期間の経過後に変換回路40の動作を開始することにより、検出回路10の起動時における圧力トランスデューサ1の不安定な動作を防止することができる。
When the warm-up of the detection circuit 10 is completed after a stabilization period (for example, 10 seconds) in which the piezoresistive elements 11 to 14 of the bridge circuit are thermally stabilized, the
制御信号CTL2がローレベルに活性化されると、トランジスタ41がオン状態となるので、第1の充電経路を介してコンデンサ45が充電される。従って、ノードEの電圧VEは、抵抗42の抵抗値とコンデンサ45の静電容量とによって決定される時定数τ1の期間に、シュミットトリガバッファ47の閾値VTH1を超えて上昇し、シュミットトリガバッファ47の出力信号VSTがハイレベルに活性化される。
When the control signal CTL2 is activated to a low level, the
制御信号CTL2が活性化されてから期間τ1が経過すると、制御部50は、制御信号CTL2をハイレベルに非活性化すると共に、制御信号CTL4を所定の期間ハイレベルに活性化する。これにより、AND回路48から出力されるカウントイネーブル信号VCEが、ハイレベルに活性化される。また、トランジスタ41がオフ状態となるので、第1の充電経路が電気的に遮断され、トランジスタ46がオン状態となるので、コンデンサ45の電荷が放電経路を介して放電される。従って、ノードEの電圧VEは、図2に示すように、シュミットトリガバッファ47の閾値VTH2を超えて低下し、シュミットトリガバッファ47の出力信号VSTがローレベルに非活性化される。これにより、AND回路48から出力されるカウントイネーブル信号VCEが、ローレベルに非活性化される。その結果、カウントイネーブル信号VCEは、制御信号CTL4がハイレベルに活性化されてからノードEの電圧VEが閾値VTH2よりも低下するまでの期間において、ハイレベルに活性化される。
When the control signal CTL2 period tau 1 has elapsed since the activation, the
AND回路48から出力されるカウントイネーブル信号VCEは、カウンタ49に供給される。カウンタ49は、カウントイネーブル信号VCEがハイレベルに活性化されている期間において、クロック信号に含まれているパルスの数をカウントする。カウンタ49のカウント値は、基準パルス数として、マイコン内部のメモリ等に格納される。
The count enable signal V CE output from the AND
コンデンサ45の放電のために十分な期間が経過した後に、制御部50は、制御信号CTL4をローレベルに非活性化し、その後、制御信号CTL3をローレベルに活性化する。制御信号CTL3がローレベルに活性化されると、トランジスタ43がオン状態となるので、第2の充電経路を介してコンデンサ45が充電される。従って、ノードEの電圧VEは、抵抗44の抵抗値とコンデンサ45の静電容量とによって決定される時定数τ2の期間に、シュミットトリガバッファ47の閾値VTH1を超えて上昇し、シュミットトリガバッファ47の出力信号VSTがハイレベルに活性化される。
After a sufficient period for discharging the
図2においては、検出回路10に外部から加えられる圧力に応じて、ノードEにおける3種類の電圧VE1〜VE3を示している。ここで、検出回路10のダイヤフラムに圧力が加えられていなければ、出力電圧VCと出力電圧VDとは平衡しており、電圧差はほぼゼロである。そのとき、増幅回路30のオペアンプ35の出力電圧VOPは、オフセット電圧VDD/2となる。
In FIG. 2, three types of voltages V E1 to V E3 at the node E are shown according to the pressure applied to the detection circuit 10 from the outside. Here, when no pressure is applied to the diaphragm of the detection circuit 10, the output voltage V C and the output voltage V D are balanced, and the voltage difference is almost zero. At that time, the output voltage V OP of the
一方、検出回路10のダイヤフラムに圧力が加えられている場合には、ダイヤフラムが撓むことによってピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化し、撓みに対応して出力電圧VCが増加すると共に出力電圧VDが減少する。出力電圧VCと出力電圧VDとの差は数mV程度であるが、増幅回路30によって増幅されることにより、増幅回路30のオペアンプ35の出力電圧VOPが、オフセット電圧VDD/2〜電源電圧VDDの範囲において変化する。
On the other hand, when the pressure to the diaphragm of the detection circuit 10 is added, the output voltage V with the resistance value of the piezoresistive element changes by the diaphragm deflects, the output voltage V C in response to deflection increases D decreases. The difference between the output voltage V C and the output voltage V D is about several mV, but when amplified by the
制御信号CTL3が活性化されてから期間τ2が経過すると、制御部50は、制御信号CTL3をハイレベルに非活性化すると共に、制御信号CTL4を所定の期間ハイレベルに活性化する。これにより、AND回路48から出力されるカウントイネーブル信号VCEが、ハイレベルに活性化される。また、トランジスタ43がオフ状態となるので、第2の充電経路が電気的に遮断され、トランジスタ46がオン状態となるので、コンデンサ45の電荷が放電経路を介して放電される。従って、ノードEの電圧VEは、図2に示すように、シュミットトリガバッファ47の閾値VTH2を超えて低下し、シュミットトリガバッファ47の出力信号VSTがローレベルに非活性化される。これにより、AND回路48から出力されるカウントイネーブル信号VCEが、ローレベルに非活性化される。その結果、カウントイネーブル信号VCEは、制御信号CTL4がハイレベルに活性化されてからノードEの電圧VEが閾値VTH2よりも低下するまでの期間において、ハイレベルに活性化される。
When the control signal CTL3 period tau 2 has elapsed since the activation, the
図2においては、検出回路10に外部から加えられる圧力に応じて、3種類のカウントイネーブル信号VCE1〜VCE3を示している。図2に示すように、増幅回路30から第2の充電経路を介してコンデンサ45に充電が行われる際にノードEの電圧VEが大きくなる程、カウントイネーブル信号VCEがハイレベルに活性化される期間が長くなる。
In FIG. 2, three types of count enable signals V CE1 to V CE3 are shown according to the pressure applied to the detection circuit 10 from the outside. As shown in FIG. 2, the
AND回路48から出力されるカウントイネーブル信号VCEは、カウンタ49に供給される。カウンタ49は、カウントイネーブル信号VCEがハイレベルに活性化されている期間において、クロック信号に含まれているパルスの数をカウントする。カウンタ49のカウント値は、検出パルス数として、マイコン内部のメモリ等に格納される。
The count enable signal V CE output from the AND
制御部50は、検出パルス数と基準パルス数との差を求め、その差に応じて圧力を算出する。圧力の計測が終了すると、制御部50は、制御信号CTL1をハイレベルに非活性化し、トランジスタ15をオフ状態とする。
The
ここで、ピエゾ抵抗素子11〜14等のゼロ点調整や感度調整は、ディジタル化されたパルス数(カウント値)に基づいて、制御部50のハードウェア又はソフトウェアによって処理することができるので、トリミング回路等を外付け回路として構成する必要がなく、回路規模の拡大を防ぐことができる。
Here, the zero point adjustment and sensitivity adjustment of the piezoresistive elements 11 to 14 and the like can be processed by the hardware or software of the
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図3は、本発明の第2の実施形態に係る圧力トランスデューサの構成を示す回路図である。図3に示す圧力トランスデューサ2の構成は、増幅回路60を除き、図1に示す第1の実施形態に係る圧力トランスデューサ1の構成と同じである。増幅回路60は、オペアンプ61及び抵抗62によって構成される第1のバッファアンプと、オペアンプ63及び抵抗64によって構成される第2のバッファアンプと、抵抗31〜抵抗34及びオペアンプ35によって構成される差動増幅回路(差動アンプ)とを含んでいる。差動増幅回路については、図1に示すものと同じである。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a pressure transducer according to the second embodiment of the present invention. The configuration of the
このような増幅回路は、インスツルメンテーションアンプとして知られている。これによれば、第1及び第2のバッファアンプの入力インピーダンスを極めて大きくすることができるので、正確な演算増幅動作を行うことが可能となる。さらに、図3に示すように、オペアンプ61の反転入力端子とオペアンプ63の反転入力端子との間に抵抗65を挿入することにより、増幅回路60の増幅率を大きくするようにしている。圧力トランスデューサ2の動作については、図1及び図2を参照しながら説明した第1の実施形態におけるのと同様である。
Such an amplifier circuit is known as an instrumentation amplifier. According to this, since the input impedances of the first and second buffer amplifiers can be extremely increased, an accurate operational amplification operation can be performed. Further, as shown in FIG. 3, the gain of the
1、2 圧力トランスデューサ、 10 検出回路、 11〜14 ピエゾ抵抗素子、 15、41、43 Pチャネルトランジスタ、 20 駆動回路、 21、46 Nチャネルトランジスタ、 22、35、61、63、 オペアンプ、 23、31〜34、42、44、62、64、65 抵抗、 30、60 増幅回路、 40 変換回路、 45 コンデンサ、 47 シュミットトリガバッファ、 48 AND回路、 49 カウンタ、 50 制御部、 51 分周回路 1, 2 pressure transducer, 10 detection circuit, 11-14 piezoresistive element, 15, 41, 43 P channel transistor, 20 drive circuit, 21, 46 N channel transistor, 22, 35, 61, 63, operational amplifier, 23, 31 ˜34, 42, 44, 62, 64, 65 Resistance, 30, 60 Amplifier circuit, 40 Converter circuit, 45 Capacitor, 47 Schmitt trigger buffer, 48 AND circuit, 49 Counter, 50 Control unit, 51 Dividing circuit
Claims (3)
制御信号に従ってオン状態となり、前記ブリッジ回路の第1のノードに電源電位を供給するスイッチ回路と、
前記ブリッジ回路の第2のノードに接続され、前記スイッチ回路がオン状態であるときに前記ブリッジ回路に電流を流す駆動回路と、
前記ブリッジ回路の第3のノードと第4のノードとの間における電位差を増幅する増幅回路と、
所定の電位の大きさに対応する第1の期間、及び、前記増幅回路の出力電位の大きさに対応する第2の期間において、クロック信号に含まれているパルスの数をカウントすることにより、第1のカウント値及び第2のカウント値をそれぞれ求める変換回路と、
前記スイッチ回路に供給される制御信号を生成すると共に、第1及び第2のカウント値に基づいて圧力に関する値を算出する制御部であって、圧力の計測を開始する際に、制御信号を活性化して前記スイッチ回路をオン状態としてから所定の期間が経過した後に前記変換回路を動作させる前記制御部と、
を具備する圧力トランスデューサ。 A bridge circuit composed of four piezoresistive elements whose resistance value is changed by pressure applied from the outside;
A switch circuit that is turned on in accordance with a control signal and supplies a power supply potential to the first node of the bridge circuit;
A drive circuit connected to a second node of the bridge circuit and for passing a current through the bridge circuit when the switch circuit is in an on state;
An amplifier circuit for amplifying a potential difference between a third node and a fourth node of the bridge circuit;
By counting the number of pulses included in the clock signal in the first period corresponding to the magnitude of the predetermined potential and in the second period corresponding to the magnitude of the output potential of the amplifier circuit, A conversion circuit for respectively obtaining a first count value and a second count value;
A control unit that generates a control signal to be supplied to the switch circuit and calculates a value related to pressure based on the first and second count values, and activates the control signal when starting measurement of pressure The control unit that operates the conversion circuit after a predetermined period has elapsed since the switch circuit is turned on.
A pressure transducer comprising:
コンデンサと、
前記制御部から供給される第2の制御信号に従って、所定の電位により前記コンデンサを充電する第1の充電回路と、
前記制御部から供給される第3の制御信号に従って、前記増幅回路の出力電位により前記コンデンサを充電する第2の充電回路と、
前記制御部から供給される第4の制御信号に従って、前記コンデンサに充電された電荷を放電する放電回路と、
前記コンデンサの両端の電圧に基づいて、所定の電位の大きさに対応する第1の期間及び前記増幅回路の出力電位の大きさに対応する第2の期間において活性化されるイネーブル信号を生成する論理回路と、
前記論理回路から出力されるイネーブル信号が活性化されている第1及び第2の期間において、クロック信号に含まれているパルスの数をカウントすることにより、第1のカウント値及び第2のカウント値をそれぞれ求めるカウンタと、
を含む、請求項1記載の圧力トランスデューサ。 The conversion circuit is
A capacitor,
A first charging circuit that charges the capacitor with a predetermined potential in accordance with a second control signal supplied from the control unit;
A second charging circuit that charges the capacitor with an output potential of the amplifier circuit according to a third control signal supplied from the control unit;
A discharge circuit for discharging the charge charged in the capacitor according to a fourth control signal supplied from the control unit;
Based on the voltage across the capacitor, an enable signal that is activated in a first period corresponding to the magnitude of a predetermined potential and a second period corresponding to the magnitude of the output potential of the amplifier circuit is generated. Logic circuit;
In the first and second periods in which the enable signal output from the logic circuit is activated, the first count value and the second count are obtained by counting the number of pulses included in the clock signal. A counter for each value,
The pressure transducer of claim 1, comprising:
前記ブリッジ回路の第3のノードの電位を入力する第1のバッファアンプと、
前記ブリッジ回路の第4のノードの電位を入力する第2のバッファアンプと、
前記第1のバッファアンプの出力電位と前記第2のバッファアンプの出力電位との間における電位差を増幅する差動アンプと、
を含む、請求項1又は2記載の圧力トランスデューサ。 The amplifier circuit is
A first buffer amplifier for inputting a potential of a third node of the bridge circuit;
A second buffer amplifier for inputting a potential of a fourth node of the bridge circuit;
A differential amplifier for amplifying a potential difference between an output potential of the first buffer amplifier and an output potential of the second buffer amplifier;
The pressure transducer according to claim 1, comprising:
Priority Applications (1)
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JP2006301075A JP2008116375A (en) | 2006-11-07 | 2006-11-07 | Pressure transducer |
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CN105486434A (en) * | 2014-10-06 | 2016-04-13 | 瑞萨电子株式会社 | Semiconductor device, and resistance measuring system and pressure instrumentation device each including the semiconductor device |
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2006
- 2006-11-07 JP JP2006301075A patent/JP2008116375A/en not_active Withdrawn
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CN105486434A (en) * | 2014-10-06 | 2016-04-13 | 瑞萨电子株式会社 | Semiconductor device, and resistance measuring system and pressure instrumentation device each including the semiconductor device |
JP2016075544A (en) * | 2014-10-06 | 2016-05-12 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor device and resistance measurement system and pressure measurement device equipped therewith |
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