JP2009521689A - 複数機能センサ回路 - Google Patents

Abstract

例えば、多機能安定回路は温度と圧力との両方を測定する。それは圧力検知可変容量と固定基準容量とを有し、定電流源と温度可変電流源とを有する。完全サイクルは少なくとも２つのフェーズを有している；（１）１の基準容量と１の圧力可変容量を使うサイクルのフェーズ、及び（２）少なくとも基準容量と少なくとも１の温度可変充電源を含むたのフェーズ。他の複数スロープ複数機能が実行される。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力及び/又は温度センサシステムのようなセンサシステムに関する。

圧力センサの分野では、ダイヤフラムタイプの可変容量を使うことが知られている。容量は加えられた圧力の強さによって変化する。圧力が、基準容量（reference capacitor）を使って、可変容量と基準容量を比較することにより決定される。このタイプのシステムに関する２つの代表的特許はUSP4,398,426とUSP6,199,525である。

自動車又はトラックタイヤセンサ等への応用においては、温度計測は有用である。しかし、圧力センサと温度センサの２つのセンサを設けることはコスト高になる。

本発明を使うと、一つの回路を使って圧力と温度を測定することができる。圧力/温度センサを別々に設けるシステムよりもコストを大幅に低減することができる。

本発明の原理を説明する１のセンサシステムでは、１の基準容量と１の圧力可変容量が使われる；１の基準充電用電流源（constant charging current source）と１の温度可変充電用電流源(temperature varying charging current source)が設けられる。最初、基準容量は定電流源から所定の基準電圧レベルまで充電される。次に、切り替えられ、圧力可変容量が基準電圧になるまで前記定電流源により充電される。その後、同一シーケンスが温度可変電流源を使って実行される。比較回路が設けられて、容量が基準レベルに充電される時点を示すために使われる。

これら充電インターバルの各々の時間が圧力と温度を表す。出力はパルス幅変調信号又はデジタル信号であってよいし、又は、最初１の形式でその後他の形式に変換してもよい。デジタル制御・カウンタ回路はクロックパルス信号源を含んでおり、上記のシーケンスに含まれる各インターバルの時間間隔をカウントするために使われてよい。カウンタ回路は、特定の事象の間に生起するクロックパルス数を計測し、それ等事象の時間間隔を測定する周知の回路を含むことができる。

圧力は基準容量を充電するのに要する時間に対する、圧力可変容量を充電する時間の比により決定される。この出力はデジタル的であってもよく、又はパルス幅変調信号としてもよく、又は両方であってもよい。

更に、温度は温度可変充電用電流源(temperature varying charging current source)を使うサイクル時間を、固定充電用電流源（fixed current charging source）を使うサイクル時間と比較することにより決定される。

以上のことを実施するに当たり、単一基準容量と、単一圧力可変容量と、単一積分器と、単一セットの比較器回路が圧力と温度算出のために使われる。これらにより、圧力と温度の出力信号を提供でき、圧力/温度を別々に決定するための個別回路と比べると、コストを大幅に低減できる。

本システムの別の特徴によると、充電間隔が最初のスタート電圧点から異なる基準レベルへ充電（及び放電）し、その後スタート点に復帰することを含んでもよい。本明細書と本請求項において、“所定電圧レベルに到達するまで電流を充電又は供給する”という表現は“ダウン-アップ”又は“アップ-ダウン”充電並びに、１の極性のみにおける充電、アップ又はダウンの充電を含む。

温度/圧力測定のために２の別々の回路を設ける方式と比較すると、圧力と温度の両方を測定するシステムの利点は、低コストでシステムが単純であることである。以上説明したように、多くの回路要素（例えば積分器、比較器、その他の部品）が圧力及び温度センシングのために使われる。

本発明の他の目的、特徴、利点は以下の説明の理解、及び関係の図面から明らかである。

［図面の簡単な説明］
本発明は次の図面を参照して容易に理解できる。

図１は本発明の応用を説明するシステムを示すブロック図である。

図２は本発明の実施において使用される半導体チップを示す。

図３は本発明の原理を示す回路ブロック図である。

図４は図３の動作モードを説明する波形を示す。

図５は、図１、３，４の回路の出力信号を解析する際に用いられるプログラムステップを表すプログラムフローダイアグラムである。

図６はパルス幅変調信号を使用する、又はそれらを他のフォーマットに変換する１の可能な方法を示す。

同一の符号は複数の図面を通じて同一の部分を示す。

本明細書で本発明の具体的な実施例を説明するが、当業者は本発明の思想から離れることなく本発明の変形を行うことができる。

図１を参照すると、自動車又はトラックのタイヤ１２にセンサチップ１４が設けられている。該チップはタイヤ１２内に含まれる空気に曝されている。センサチップ１４は、無線又は別の公知の構成で自動車内に搭載されているマイクロプロセッサ１６に接続されている。マイクロプロセッサ１６はデータ処理・制御部１８を含んでいる。該データ処理・制御部１８はカウンタ、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０及びＲＡＭ（Random Access Memory）２２を有している。ディスプレイ・アラーム回路２４は、アラーム信号２６と共に圧力及び温度を表す目で見える出力を出力する。これは所定のレベルを超える圧力又は温度レベルを表す。

ＲＯＭ２０はプログラムを持っていて、センサチップ１４から送られる信号から圧力と温度を計算する。次に、図１乃至４を使って詳細を説明する。

図２は図１のセンサに含まれる半導体チップ３２を表す。半導体チップは可変容量ダイアフラム３４を含む。ダイアフラムは加えられた圧力で変形し、電極間のスペース幅が変化する。これに伴い容量が変化する。以下、明細書において圧力で変化する容量を表すのに記号Ｃ_Ｐを用いる。図２には固定基準容量２６と出力結合パッド（output coupling pads）３８が表されている。

チップ３２とその可変容量３４及び基準容量３６はＵＳ特許出願シリアル番号10/872055（2004.6.18出願）に詳述されている。これは本出願の出願人に譲渡された。前記特許出願はここに引用することにより本明細書に組み込まれる。

図３の回路及び図４の波形図について説明する。波形図は図３の回路における種々の電気波形を表す。

容量Ｃ_ＰとＣ_Ｒが図３の中央部左に示されている。これら２つの容量は最初図４における点４０で表される所定の基準電圧レベルに充電されている。バイアス回路（即ち充電/放電回路）４２には２つの容量Ｃ_ＰとＣ_Ｒを充電するための基準電流Ｉ_ＲＥＦの電源４４がある。又、充電/放電回路４２には２の容量を放電するための電流Ｉ_ＲＥＦ用の電源４６がある。

サイクルにおける第１ステップは基準容量を線形的に放電するためのステップである。これは、Ｃ_Ｒに接続された放電バイアス電流源４６に関するもので、図４の参照番号４８で示されている。可変容量Ｃ_Ｐはこの時点では活性状態で(actively)充電又は放電していない。

積分器４９はＩ_ＲＥＦ放電電流を検知し、基準容量Ｃ_Ｒの電圧レベルに等しい出力を供給する。比較回路５０は、２つの入力を持つ比較器５２（１つは積分器４９からの入力であり、他の１つは高い（high）比較入力電圧Ｖ_ＲＥＦＨである）をもつ。第２の比較器５４は１つの入力として積分器４９からの出力を持ち、別の入力に加えられる低い（low）比較入力電圧Ｖ_ＲＥＦＬをもつ。高低の基準電圧レベルは、図４における電圧レベル５６，５８に対応している。

基準容量Ｃ_Ｒが放電し低基準レベル５８に至ると、比較器５４により検知され、リード６０に出力切換え信号を出力する。この切換え信号はバイアス回路（即ち充電/放電回路）４２に接続しており（参照番号６０）、切換え回路６２を駆動して基準電流を放電電源４６から充電基準電流源４４に切り替える。図４の参照番号６４で示しているように、基準容量は線形的に高基準レベル５６まで充電される。

基準容量Ｃ_Ｒが図４の５６で示される高基準レベルまで充電されると、比較器５２はリード６６に出力信号を出力する。

リード６６における信号が制御回路７４に加えられ、制御回路７４の出力信号は回路７６と７８に出力される。これらにより、スイッチ８０と８２を動作させ、回路から基準容量Ｃ_Ｒを切断し、圧力可変容量Ｃ_Ｐに切り替える。容量Ｃ_Ｐは高基準電圧レベル５６に充電されており、次にＣ_Ｐを放電し、再び、高電圧レベルに充電する（図４のレベル５６を参照）。これは図４におけるＶ字型特性８４として示されている。

第２シーケンスが終了するときに、第２“アップ”信号がリード６６に供給される。これはバイアス回路（即ち充電/放電回路）４２のリード６６′に接続されている。その結果、温度可変充電/放電電流源６８、７０へ切り替えられる（回路４４、４６は一時的に非活性状態である）。

最初に基準容量Ｃ_Ｒを放電し、その後充電し、その後可変容量Ｃ_Ｐを充放電するというサイクルが完了する。これは図４で、Ｖ字型として参照番号９２と９４で示されている。

図３の回路の詳細な動作モードは前記した通りである。ここで驚くべき結果について説明する。詳細については後記するが、温度/圧力情報を得る目的で図３の回路を使うと、温度/圧力情報が回路動作から得られる。これは勿論２つの回路（１つは圧力を測定し、他は温度を測定する）を設けることより、簡単で低コストである。

最初に、圧力情報について説明する。制御回路７４は出力リード７８に接続された少なくとも１の双安定回路を持つ。この双安定回路は制御回路７４に加えられる“アップ”信号に応答し、図４における参照番号１０２で示されるパルス幅変調波形により表される状態を変化させる。該双安定回路は、基準容量Ｃ_Ｒの放電/充電に拘らず、その低出力状態にセットされる；これに対し、双安定回路は可変容量Ｃ_Ｐが放電/充電されるときに高出力状態にセットされる。

特に注意すべきことは、基本的基準電流源４４と４６が活性である時及び、温度可変電流源６８、７０が用いられる時に、前パラグラフで述べた動作が行われることである。どちらの場合も、基準容量Ｃ_Ｒを充電する時間に対する可変容量Ｃ_Ｐを充電（及び放電）するための時間の比は圧力情報を提供する。この点に関して、次の点に注意すべきである。即ち、基準電流源４４、４６、又は温度可変電流源６８，７０が使用されようとも、この比は同一である。勿論、パルス幅変調信号から実際の圧力を決定するには、オフセット、スロープ要素を用いなければならない。

温度決定に関しては、基準電流源４４、４６を使う１完全サイクル（complete cycle）に対する温度可変電流源６８，７０を使う１完全サイクルの比が温度を表す。制御回路７４に含まれる追加の双安定回路が図４の１０４に示される第２のパルス変調信号を制御回路７４から出力リード１０６に出力する。

図４の電気波形に関連する図５のプログラムのフローダイアグラムを説明する。最初に、プログラムのスタートが参照番号２０２で示されている。“電源オン”２０４が初期化インターバル２０６（図４）をスタートさせる。上記のサイクルは“チップ選択”即ち“センサ選択”信号２０８によって行われる。初期化の後、制御電圧は、正電圧レベルから低（又はグラウンド）レベル５８へ変化する。図４に参照番号２１０として示している。初期化インターバルの間に２つの容量Ｃ_ＲとＣ_Ｐが所望の(high)基準電圧レベルにセットされ、他の回路は初期電圧レベルにセットされる。充電モード選択ブロック２１２（図３参照）が電流源４４を使用するようにセットされる。図４の三角波形が点４０からスタートする。

図５のブロック２１６に示されるように、制御回路７４に入力する信号６６は周期的に読取られる。初期化インターバルの間に、出力電圧は高であるべきであるところ、ブロック２１８は、初期化の間の、制御回路７４に対する制御入力の状態に関する質問を表している。もし出力がhighでないと（ＮＯ）、センサブロック２２０と２２２は故障を表示し、プログラムは終了する。もし出力がブロック２１８の出力でhigh（“ＹＥＳ”で表される）であるならば、プログラムはブロック２２４へ進む。もしブロック２２６の質問に対する応答“ＮＯ”により表されるように出力がhighに留まるならば、プログラムはタイミングダイアモンド２２８を介してブロック２２４にリサイクルする。しかし、もし制御信号が所定期間を超えてhighに留まるならば、センサ故障が表示され、プログラムは終了する。これがブロック２３０と２３２で示されている。しかし、”ＹＥＳ”表示はサイクルの正常な初期化を示す。プログラムはプログラムステップ２３４に続く。これは図４のサイクル初期化点４０に対応する。

プログラムの次の数ブロックは図４に示される鋸波形４８、６４、８４等に従う。特に、ブロック２３６は比較器５２からの出力の制御回路７４への読出し（リード６６上で）を表している。プログラム２３８は“出力はhighになるか？”を質問する。比較器５２への入力において、充電サイクルが２容量Ｃ_Ｒ、Ｃ_Ｐの内の１つの電圧を基準電圧Ｖ_REFH（図４のレベル５６）へ増大させたかどうかをみるためである。リード６６に出力される。プログラムはライン２４０で示すように、図３のリード６６の出力がhighになるまで繰返す。その後、プログラムステップ３４２に進む。これによりＣ_Ｒを使う初期のタイミングサイクルが終了し、圧力可変容量Ｃ_Ｐの充電及び放電サイクルに切り替えられる。

プログラムステップ３４４，３４６、３４８、３５０は容量Ｃ_Ｐ及び基準電流を使った鋸波形充電（及び放電）サイクルを実行させる。ブロック２３４乃至３４２の間に、パルス幅変調出力はlowに留まるが、第２サイクルの間には、容量Ｃ_Ｐを使ったパルス幅変調圧力信号１０２は、ブロック３５０により示されているようにhighに留まる。

プログラムステップ３５０の後、図３の回路は、（１）温度可変充電電流へ切り替える、（２）Ｃ_Ｒに切り替える。サイクルのこの時間部分で、ＰＷＭ信号はlowである。プログラムステップ３５２，３５４，３５６、３５８はこのサイクルを実行する。最後に、温度可変充電電流を使って、プログラムステップ３６０，３６２，３６４，３６６は圧力及び温度信号測定を終了する。基準容量Ｃ_Ｒが使われているときにＰＷＭ信号はlowであるが、容量Ｃ_Ｐが使われているときにはhighである。

lowインターバル期間に対するhigh矩形波パルス期間の比は圧力を表す。つまり、圧力は、基準容量を充電するのに要する時間に対する圧力可変容量を充電する時間の比で表わされる。

更に、温度可変充電電流が使われる長時間期間の、基準充電回路を使う１サイクル時間に対する比は温度を表す。つまり、温度は温度可変充電用電流源を使うサイクル時間を、固定電流充電源を使うサイクル時間と比較することにより決定される。

プログラムステップで示されているように、各々の場合、関数のオフセットとスロープにより、これらタイムインターバルから圧力と温度を簡単に計算することができる。
これら最後のステップはステップ３６８と３７０で示されている。勿論、通常の場合、最終ステップ３７２に到る前に、ステップ２２６−３７０は連続して繰り返される。

図６を参照すると、パルス幅変調信号４０２が回路４０４からローパスフィルタ４０６へ供給される。ローパスフィルタ回路４０６はパルス幅変調信号をゆっくり変化するＤＣ信号に変化させる。これはフィルタ部品（例えば、ＲＣフィルタ回路の容量、抵抗について）を選択することにより達成され、フィルタの時定数が極めて小さくなる。パルス構成を省略する。アナログ表示とアラーム回路４０８はローパスフィルタに接続されている。

理解されるように、本発明の範囲と思想を逸脱することなく種々の変形を行うことができる。例えば、温度と圧力パラメータが計測されるオーダは臨界的なものではなく、本発明の方法は他のパラメータのセンシングに適用することができる。

本発明の応用を説明するシステムを示すブロック図である。 本発明の実施において使用される半導体チップである。 本発明の原理を示す回路ブロック図である。 図３の動作モードを説明する波形である。 図１、３，４の回路の出力信号を解析する際に用いられるプログラムステップを表すプログラムフローダイアグラムである。 パルス幅変調信号を使用する、又はそれらを他のフォーマットに変換する１つの可能な方法である。

Claims (20)

1. 基準容量と；
   圧力検知可変容量と；
   基準電流源と；
   温度と共に変化する電流を供給する電流源と；
   所定の基準電圧に到達するまで前記基準電流源から前記基準容量へ電流を加えるための回路と；
   所定の基準電圧に到達するまで前記基準電流源から前記圧力検知容量へ電流を加えるための回路と；
   前記基準電流源を使い及び前記温度可変電流源を使う前記容量に電流を別に供給するための回路と；
   加えられた圧力を表すために、圧力可変容量を充電するための時間と、基準容量を充電するための時間との第１比を決定するための回路と、
   を含む複数機能多重センサシステムであって、
   前記システムが（１）温度可変電流源を使う基準及び圧力可変容量を充電するのに必要な時間と（２）基準電流源を使って両容量を充電するのに必要な時間との第２の比を決定するための回路を含むことを特徴とする複数機能多重センサシステム。
2. 電流を加えるための前記回路はスタート電圧レベルから異なるレベルへ変化し、再びスタートレベルに戻ることを特徴とする請求項１に記載の複数機能多重マルチスロープセンサシステム。
3. 前記計数回路は、温度可変電流源を使って、基準容量を充電するための、及び、圧力可変容量を充電するためのクロックパルス数を決定することを特徴とする請求項１に記載のセンサシステム。
4. 圧力を表す出力パルス幅変調信号を提供するための回路を含む請求項１に記載された複数機能多重システム。
5. 温度を表す出力パルス幅変調信号を提供するための回路を含む請求項１に記載された複数機能多重システム。
6. 圧力及び温度の両方を表す出力パルス幅変調信号を提供するための回路を含む請求項１に記載された複数機能多重システム。
7. 前記システムは切換え回路と、複数容量の電圧レベル状態を検知し、前記基準電圧に到達したときにモードを変更するように回路を切り替えるための比較回路とを含むことを特徴とする請求項１に記載の複数機能多重システム。
8. 積分器が、電圧レベル信号を提供する充電電流に対応する電流を受け取るように前記比較器に接続されることを特徴とする請求項１に記載の複数機能多重システム。
9. 基準容量と；
   圧力検知可変容量と；
   基準電流源と；
   温度と共に変化する電流を供給する電流源と；
   所定の基準電圧に到達するまで前記基準電流源から前記基準容量へ電流を加えるための回路と；
   所定の基準電圧に到達するまで前記基準電流源から前記圧力検知容量へ電流を加えるための回路と；
   前記基準電流源を使い及び前記温度可変電流源を使う前記容量に電流を別に供給するための回路と；
   クロックパルス信号源と；
   圧力を表すために、前記圧力可変容量を充電するための間に生起するクロックパルス数に対する、前記基準容量を充電するための間に生起するクロックパルス数の比を決定するための回路と、
   第１に基準電流源を使って、第２に温度可変電流源を使って、前記基準容量と圧力検知容量を充電するための間に生起するクロックパルス数をカウントするため、及び、温度を表すためこれらのカウントの比を使うための回路と、
   を含む複数機能多重センサシステム。
10. 電流を加えるための前記回路はスタート電圧レベルから異なるレベルへ変化し、再びスタートレベルに戻ることを特徴とする請求項９に記載の複数機能多重マルチスロープセンサシステム。
11. 前記計数回路は、温度可変電流源を使って、基準容量を充電するための、及び、圧力可変容量を充電するためのクロックパルス数を決定することを特徴とする請求項９に記載のセンサシステム。
12. 圧力を表す出力パルス幅変調信号を提供するための回路を含む請求項９に記載された複数機能多重システム。
13. 温度を表す出力パルス幅変調信号を提供するための回路を含む請求項９に記載された複数機能多重システム。
14. 圧力及び温度の両方を表す出力パルス幅変調信号を提供するための回路を含む請求項９に記載された複数機能多重システム。
15. 前記システムは切換え回路と、複数容量の電圧レベル状態を検知し、前記基準電圧に到達したときにモードを変更するように回路を切り替えるための比較回路とを含むことを特徴とする請求項９に記載の複数機能多重システム。
16. 積分器が、電圧レベル信号を提供する充電電流に対応する電流を受け取るように前記比較器に接続されることを特徴とする請求項９に記載の複数機能多重システム。
17. 基準容量と；
    圧力検知可変容量と；
    基準電流源と；
    温度と共に変化する電流を供給する電流源と；
    所定の基準電圧に到達するまで前記基準電流源から前記基準容量へ電流を加えるための回路と；
    所定の基準電圧に到達するまで前記基準電流源から前記圧力検知容量へ電流を加えるための回路と；
    前記基準電流源を使い及び前記温度可変電流源を使う前記容量に電流を別に供給するための回路と；
    クロックパルス信号源と；
    圧力を表すために、前記圧力可変容量を充電するための間に生起するクロックパルス数に対する、前記基準容量を充電するための間に生起するクロックパルス数の第１の比を決定する比決定のための回路と、
    第１に基準電流源を使って、第２に温度可変電流源を使って、前記基準容量と圧力検知容量を充電するための間に生起するクロックパルス数をカウントするため、及び、温度を表すために第２の比を決定するこれらのカウントの比を使うための回路と、を含む複数機能多重センサシステムであって、
    前記システムは第１の比の成分を含むパルス幅変調信号を供給するための回路を含む複数機能多重センサシステム。
18. 前記第２の比の成分を含む変調信号を持つパルスを供給するための回路を更に含む請求項１７に記載のシステム。
19. 前記システムは前記比の成分を表すデジタル信号を生成するためのマイクロプロセッサとカウンタを含むことを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
20. 前記パルス幅変調信号の１つを受信するように接続された少なくとも１のローパスフィルタを更に含む請求項１８に記載のシステム。

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