JP2013156165A - 信号処理方法と圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】安価に安定して圧力センサ部の出力を温度補正処理する。
【解決手段】圧力センサ部１０からの出力を温度変動に対して補正する信号処理方法であって、
外部温度を温度センサ２３によって測定するとともに、温度センサの出力を所定間隔でデジタル変換して温度信号とし、
タイミングが調整された出力要求信号に基づいて、温度信号を圧力補正用の補正データとして補正データ格納部２６に格納するとともに、
出力要求信号に従い、補正データに基づいて圧力センサ部の出力を温度補正処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号処理方法と圧力センサに係り、特に、半導体圧力センサにおいて安定した温度補正を可能とする信号処理回路に用いて好適な技術に関する。

高精度な半導体圧力センサを構成する一つの方法として、シリコンダイアフラム上に形成された４つのピエゾ抵抗素子をブリッジ接続した圧力センサチップと、圧力センサチップからの信号を増幅し補正する信号処理ＩＣとで構成された、２チップセンサと称するものがある。信号処理ＩＣの内部には温度センサが配置されている。温度センサの信号は逐次監視され、圧力センサチップからの信号が持っている温度特性を補正するために使われる。

近年、圧力センサチップからの信号を増幅し補正する手法として、デジタル信号処理が多く採用されている。信号処理回路としての回路構成の一例として、特許文献１（図６）に記載されたものがある。

このような構成では、図４（ａ）に示す外部温度の変化に対し、温度センサの出力は、図４（ｂ）に示すように、ＡＤ変換器（アナログデジタル変換器）でデジタル化して温度信号とし、この温度信号を、図４（ｃ）に示すように、圧力センサチップからの出力信号を温度特性に従って補正するための補正データとしてマイコン等の演算処理部に取り込み、この補正データに基づいて圧力センサチップの出力信号に対して温度特性補正処理をおこなって、図４（ｄ）に示すように、補正後の圧力センサ出力とする。

特開２０１０−１４７６６３号公報

しかし、図４（ａ）にタイミングｔ２で示すように、測定された温度がデジタル変換された信号のビットの変わり目付近にあるときには、図４（ｂ）にタイミングｔ２で示すように、デジタル信号である温度信号が頻繁に切り替わる現象が発生しやすい。
この現象に伴って、図４（ｃ）にタイミングｔ２で示すように、圧力センサチップからの出力信号を温度特性に従って補正するための補正データが変動するため、結果として、図４（ｄ）にタイミングｔ２で示すように、温度補正後の圧力センサ出力も変動し不安定となる。

また、上記のように、図４（ａ）（ｂ）にタイミングｔ５，ｔ８で示すように、温度センサで測定された温度信号がデジタル変化された信号ビットの変わり目付近にあるときに不安定でない場合であっても、ビットの変わり目では、図４（ｃ）にタイミングｔ５，ｔ８で示すように、補正データとしてある大きさの階段状の信号変化が発生するため、結果として、図４（ｄ）にタイミングｔ５，ｔ８で示すように、補正後のセンサ信号もまた、階段状に突然変化することになる。
必要な温度測定範囲に対してＡＤ変換器の分解性能が粗い場合に階段状の信号変動は大きく目立つので、これを解消するために、ＡＤ変換器の分解能を上げて(分解が細かく)階段状の信号変動を小さくする方策が技術的に考えられる。しかし、ＡＤ変換器分解能向上は、信号処理ＩＣのコストアップを招くことになる。また、高い分解能を有するＡＤ変換器を使用したとしても階段状の信号変動幅が小さくなるだけで、原理的に、この階段状の変動が無くなることはない。

このような構成において、従来の信号処理ＩＣから出力される圧力センサ信号は、連続的に信号を計測する用途において、上述したような突然発生する信号変動がノイズとなって、正常な測定の障害となるという問題があった。
同時に、圧力センサの信号解析用途においては、発生する波形の歪みが正常な評価の障害となるという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、低コストに出力の正確性を向上可能な信号処理方法と圧力センサを提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１に係る信号処理方法は、
圧力を測定する圧力センサ部からの出力を温度変動に対して補正する信号処理方法であって、
外部温度を温度センサによって測定するとともに、該温度センサの出力を所定間隔でデジタル変換して温度信号とし、
タイミングが調整された出力要求信号に基づいて、前記温度信号を圧力補正用の補正データとして補正データ格納部に格納するとともに、
前記出力要求信号に従い、前記補正データに基づいて前記圧力センサ部の出力を温度補正処理することを特徴とする。
本発明の請求項２に係る信号処理方法は、請求項１記載の信号処理方法であって、
前記出力要求信号の開始とともに前記温度センサの出力を圧力補正用の補正データとして格納するとともに、前記出力要求信号の終了までこの補正データを保持することを特徴とする。
本発明の請求項３に係る信号処理方法は、請求項１または２記載の信号処理方法であって、
前記出力要求信号の開始・終了に従って前記圧力センサ部出力の温度補正処理を開始・終了することを特徴とする。
本発明の請求項４に係る信号処理方法は、請求項１から３のいずれか１項記載の信号処理方法であって、
前記温度センサの出力する温度信号がクロック回路のクロック信号により所定間隔でデジタル変換されるとともに、
前記出力要求信号が、前記クロック信号によることなく出力要求手段によって出力されてなることを特徴とする。
本発明の請求項５に係る圧力センサは、
請求項１から４のいずれか１項記載の信号処理方法によって信号処理する圧力センサであって、
圧力を測定する圧力センサ部と、該圧力センサ部からの出力を温度変動に対して補正可能な信号処理ＩＣ部とを有し、
前記信号処理ＩＣ部が、外部温度を測定する温度センサと、クロック信号を出力するクロック回路と、該クロック信号により所定間隔で前記温度センサから出力される測定結果をデジタル変換する温度ＡＤ変換器と、該温度ＡＤ変換器の出力を圧力補正用の補正データとして格納する補正データ格納部と、該補正データに基づいて前記圧力センサ部からの出力を温度補正処理する補正値計算部と、を具備するものとされ、
前記補正データ格納部における補正データ格納と、前記補正値計算部における温度補正後の圧力センサ出力との開始・終了とをタイミング調整する出力要求信号が入力可能とされてなることを特徴とする。
本発明の請求項６に係る圧力センサは、請求項５記載の圧力センサであって、
前記信号処理ＩＣ部が、前記出力要求信号を出力する圧力要求手段を有してなることを特徴とする。

本発明の信号処理方法は、圧力を測定する圧力センサ部からの出力を温度変動に対して補正する信号処理方法であって、外部温度を温度センサによって測定するとともに、該温度センサの出力を所定間隔でデジタル変換して温度信号とし、タイミングが調整された出力要求信号に基づいて、前記温度信号を圧力補正用の補正データとして補正データ格納部に格納するとともに、前記出力要求信号に従い、前記補正データに基づいて前記圧力センサ部の出力を温度補正処理することにより、出力要求信号が継続してＯＮとなっている間は、初期の温度センサ測定結果を温度信号として保持したまま、圧力計測だけをサイクルタイム毎におこない、更新された圧力測定結果を圧力センサ出力として補正計算する。これにより、出力要求信号が継続してＯＮとなっている間は補正データが変動することがないため、この変動しない補正データに基づいてその時の圧力測定結果から補正計算した圧力センサ出力が、補正データの好ましくない変動に影響されることを防止できる。

本発明の信号処理方法は、前項１記載の信号処理方法であって、前記出力要求信号の開始とともに前記温度センサの出力を圧力補正用の補正データとして格納するとともに、前記出力要求信号の終了までこの補正データを保持することにより、出力要求信号が継続してＯＮとなっている間は補正データが変動することがないため、この変動しない補正データに基づいてその時の圧力測定結果から補正計算した圧力センサ出力が、補正データの好ましくない変動に影響されることを防止できる。

本発明の請求項４に係る信号処理方法は、請求項１または２項記載の信号処理方法であって、前記出力要求信号の開始・終了に従って前記圧力センサ部出力の温度補正処理を開始・終了することにより、出力要求信号が継続してＯＮとなっている間は補正データが変動することがないため、出力要求信号のＯＮ・ＯＦＦに従って補正データの入れ替えをおこなうことができ、かつ、圧力測定および圧力センサ出力の補正計算を出力要求信号のＯＮ・ＯＦＦに従っておこなうことができる。

本発明の信号処理方法は、前項１から３のいずれか１項記載の信号処理方法であって、前記温度センサの出力する温度信号がクロック回路のクロック信号により所定間隔でデジタル変換されるとともに、前記出力要求信号が、前記クロック信号によることなく出力要求手段によって出力されてなることにより、温度センサの出力を所定間隔でデジタル変換して温度信号とする際に温度信号が変動した場合でも、この変動とは関係なく格納された補正データに基づいてその時の圧力測定結果から補正計算した圧力センサ出力が、補正データの好ましくない変動に影響されることを防止できる。

本発明の請求項５に係る圧力センサは、請求項１から４のいずれか１項記載の信号処理方法によって信号処理する圧力センサであって、圧力を測定する圧力センサ部と、該圧力センサ部からの出力を温度変動に対して補正可能な信号処理ＩＣ部とを有し、前記信号処理ＩＣ部が、外部温度を測定する温度センサと、クロック信号を出力するクロック回路と、該クロック信号により所定間隔で前記温度センサから出力される測定結果をデジタル変換する温度ＡＤ変換器と、該温度ＡＤ変換器の出力を圧力補正用の補正データとして格納する補正データ格納部と、該補正データに基づいて前記圧力センサ部からの出力を温度補正処理する補正値計算部と、を具備するものとされ、前記補正データ格納部における補正データ格納と、前記補正値計算部における温度補正後の圧力センサ出力との開始・終了とをタイミング調整する出力要求信号が入力可能とされてなることで、この出力要求信号を温度ＡＤ変換器と圧力センサ部からの出力を処理する部分とに入力することにより、出力要求信号が継続してＯＮとなっている間は、初期の温度センサ測定結果を温度信号として保持したまま、圧力計測だけをサイクルタイム毎におこない、更新された圧力測定結果を圧力センサ出力として補正計算する。これにより、出力要求信号が継続してＯＮとなっている間は補正データが変動することがないため、この変動しない補正データに基づいてその時の圧力測定結果から補正計算した圧力センサ出力が、補正データの好ましくない変動に影響されることを防止できる。

本発明の請求項６に係る圧力センサは、請求項５記載の圧力センサであって、前記信号処理ＩＣ部が、前記出力要求信号を出力する圧力要求手段を有してなることで、温度ＡＤ変換器と圧力センサ部からの出力を処理する部分とに入力することが可能な圧力センサとすることができる。

本発明によれば、信号処理ＩＣ部から出力される圧力センサ出力は、出力要求信号の出力中、または、外部からの出力要求信号の入力中、温度測定の結果に影響を受けることがないために安定することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る圧力センサの一実施形態における概略構成を示す模式ブロック図である。 図２は、本発明に係る信号処理方法の一実施形態を示すタイミングチャートである。 図３は、本発明に係る圧力センサの他の実施形態における概略構成を示す模式ブロック図である。 図４は、従来の信号処理方法を示すタイミングチャートである。

以下、本発明に係る信号処理方法と圧力センサの一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態における信号処理方法をおこなう圧力センサを示すブロック図であり、図において、符号１は、圧力センサである。

本実施形態の圧力センサ１は、圧力を測定する圧力センサ部１０と、該圧力センサ部１０からの出力を温度変動に対して補正可能な信号処理ＩＣ部２０とを有する２チップ圧力センサとされる。
圧力センサ部１０と、信号処理ＩＣ部２０とはいずれも図示しない電源に接続されるとともに、センサ出力をおこなう端子を有する。

圧力センサ部（圧力センサチップ）１０は、例えばシリコンダイアフラム上に形成された４つのピエゾ抵抗素子１２をブリッジ接続したものとされる。

信号処理ＩＣ部２０は、圧力センサ部（圧力センサチップ）１０からの出力を増幅するプリアンプ２１とこのプリアンプ２１の出力をデジタル信号にデジタル変換する圧力ＡＤ変換器２２と、外部温度を測定する温度センサ２３と、クロック信号を出力するクロック回路２４と、クロック信号により所定間隔で温度センサ２３から出力される測定結果をデジタル変換する温度ＡＤ変換器２５と、温度ＡＤ変換器２５の出力を圧力補正用の補正データとして格納する補正データ格納部２６と、補正データに基づいて圧力ＡＤ変換器２２からの出力を温度補正処理する補正値計算部２７と、補正値計算部２７の計算結果をセンサ外部に接続された端子に出力するインターフェース２８と、を具備するものとされ、補正データ格納部２６における補正データ格納と補正値計算部２７における温度補正後の圧力センサ出力との開始・終了とをクロック信号からタイミング調整するための出力要求信号を出力する出力要求手段４９が接続されている。

本実施形態の圧力センサ１における信号処理について説明する。
図２は、本実施形態に係る信号処理方法の一実施形態を示すタイミングチャートである。

この例においては、図２（ｂ）に示すように、外部温度がタイミングｔ０で上昇を始め、タイミングｔ９で上昇が終わる場合について説明する。なお、図２（ａ）に示すように、クロック信号にｔ０からｔ１０までのタイミングを記載しておく。

クロック回路２４においては、図２（ａ）に示すように、自身のサイクルタイムに従って、一定周期のクロック信号を発振する。
図２（ｃ）に示すように、温度センサ２３の測定結果が温度信号として温度ＡＤ変換器２５から出力される。デジタル信号である温度信号は、タイミングｔ２、ｔ５、ｔ８においてビットが変化しており、そのうちタイミングｔ２のビットの変わり目付近では、ビットが頻繁に切り替わる現象が発生しているものとする。

本実施形態の出力要求手段４９は、図２（ｆ）に示すように、タイミングｔ１からタイミングｔ３まで、タイミングｔ４からタイミングｔ６まで、タイミングｔ７からタイミングｔ１０までがＯＮ、すなわち、図でＨとして示すように出力要求信号を出力する。この出力要求信号は、温度ＡＤ変換器２５と圧力ＡＤ変換器２２とに対して出力される。なお、出力要求信号のタイミングｔ１とタイミングｔ２のクロック信号と、出力要求信号のタイミングｔ４とタイミングｔ５のクロック信号と、出力要求信号のタイミングｔ７とタイミングｔ８のクロック信号とが、それぞれずれていない場合もあり得る。

このタイミングｔ１からタイミングｔ３まで出力された出力要求信号に対応して、温度ＡＤ変換器２５は、図２（ｄ）に示すように、タイミングｔ１における温度センサ２３の温度信号を補正データとして補正データ格納部２６に格納する。補正データ格納部２６に格納する補正データは、タイミングｔ１における温度信号のみに基づいておこなわれ、温度信号がデジタル変換される信号のビットの変わり目付近であるタイミングｔ２の温度信号に依存しないように調整されているので、この補正データ格納部２６に格納する補正データがタイミングｔ２の温度信号変動に影響されることはない。同時に、補正データ格納部２６がタイミングｔ１で格納された補正データを出力要求信号の出力されているタイミングｔ３まで一定値として保持するとともに、タイミングｔ３まで温度ＡＤ変換器２５が、新たな温度信号からの変換出力をおこなわないようになっている。

また、タイミングｔ１からタイミングｔ３まで出力された出力要求信号に対応して、圧力ＡＤ変換器２２は、図２（ｅ）に示すように、タイミングｔ１からタイミングｔ３までにおけるプリアンプ２１の出力をデジタル変換して補正値計算部２７に出力し、補正値計算部２７はこの圧力信号を補正データ格納部２６から読み出した補正データに基づいて補正処理して直ちに圧力センサ出力を算出する。

このタイミングｔ４からタイミングｔ６まで出力された出力要求信号に対応して、温度ＡＤ変換器２５は、図２（ｄ）に示すように、タイミングｔ４における温度センサ２３の温度信号を補正データとして補正データ格納部２６に格納する。タイミングｔ４における温度信号は、タイミングｔ１における温度信号に比べて、上昇しているセンサ周囲温度を反映して高い値となっている。タイミングｔ４における温度信号は、温度信号がデジタル変換される信号のビットの変わり目付近であるタイミングｔ５には依存しないように調整されているので、補正データ格納部２６に格納する補正データが変動することはない。同時に、補正データ格納部２６がタイミングｔ４に格納された補正データを出力要求信号の出力されているタイミングｔ６まで一定値として保持するとともに、タイミングｔ６まで温度ＡＤ変換器２５が、新たな温度信号からの変換出力をおこなわないようになっている。

また、タイミングｔ４からタイミングｔ６まで出力された出出力要求信号に対応して、圧力ＡＤ変換器２２は、図２（ｅ）に示すように、タイミングｔ４からタイミングｔ６までにおけるプリアンプ２１の出力をデジタル変換して補正値計算部２７に出力し、補正値計算部２７はこの圧力信号を補正データ格納部２６から読み出した補正データに基づいて補正処理して直ちに圧力センサ出力を算出する。

このタイミングｔ７からタイミングｔ１０まで出力された出力要求信号に対応して、温度ＡＤ変換器２５は、図２（ｄ）に示すように、タイミングｔ７における温度センサ２３の温度信号を補正データとして補正データ格納部２６に格納する。タイミングｔ７における温度信号は、タイミングｔ４における温度信号に比べて、上昇しているセンサ周囲温度を反映して高い値となっている。タイミングｔ７における温度信号は、温度信号がデジタル変換される信号のビットの変わり目付近であるタイミングｔ８に影響されないように調整されているので、補正データ格納部２６に格納する補正データが変動することはない。同時に、補正データ格納部２６がタイミングｔ７に格納された補正データを出力要求信号の出力されているタイミングｔ１０まで一定値として保持するとともに、タイミングｔ１０まで温度ＡＤ変換器２５が、新たな温度信号からの変換出力をおこなわないようになっている。

また、タイミングｔ７からタイミングｔ１０まで出力された出出力要求信号に対応して、圧力ＡＤ変換器２２は、図２（ｅ）に示すように、タイミングｔ７からタイミングｔ１０までにおけるプリアンプ２１の出力をデジタル変換して補正値計算部２７に出力し、補正値計算部２７はこの圧力信号を補正データ格納部２６から読み出した補正データに基づいて補正処理して直ちに圧力センサ出力を算出する。

これにより、安定した圧力センサ出力をインターフェース２８から外部と接続する端子へと出力することができる。

本実施形態においては、圧力センサ１の信号処理ＩＣ部２０には、出力要求信号を入力するための端子を介して出力要求手段４９が接続され、信号処理ＩＣ部２０に外部の例えばマイコンのような制御デバイスとの間における通信において、出力要求信号を入力するための手順を設定し、次いで、出力要求信号が入力されたことを確認した信号処理ＩＣ部２０が、通常、そのタイミングｔ１で計測した温度から補正データを生成して、これに基づいて圧力と計測して補正計算する。この際、上記圧力信号の出力要求信号が外部から継続して入力しているタイミングｔ３までの間は、タイミングｔ１で生成された初期の温度補正データを保持したまま、圧力計測だけを、サイクルタイム毎におこない、更新された圧力センサ出力をインターフェース２８から出力する。これとともに、タイミングｔ３において出力要求信号がなくなったことを確認して、信号処理ＩＣ部２０からの圧力信号の出力は停止されるとともに、格納されていた補正データを破棄する。次のサイクルタイムとして新たに出力要求信号が発せられた場合、上記の手順を再度実行する。つまり、温度の測定は、出力要求信号が入力されたときだけおこなわれる。このため、出力要求信号の入力端子の状態は常に監視されている必要がある。これにより、信号処理ＩＣ部２０から出力される圧力センサ出力は、出力要求信号の出力中、または、外部からの出力要求信号の入力中に、温度信号が変わっても格納された補正データが過剰に変動せず、温度測定の結果に影響を受けることがないために安定する。

以下、本発明に係る信号処理方法と圧力センサの他の実施形態を、図面に基づいて説明する。
図３は、本実施形態における信号処理方法をおこなう圧力センサを示すブロック図であり、本実施形態において、上述した実施形態と異なるのは出力要求手段に関する点であるので、これ以外の対応する構成には同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態においては、出力要求手段２９は、信号処理ＩＣ部２０に組み込まれており、外部から出力要求信号を与える必要がない。出力要求手段２９は、出力要求手段４９と同様の働きをすることができる。

本発明の活用例として、例えば簡易血圧計などに組み込まれる圧力センサに用いることができる。

１…圧力センサ、１０…圧力センサ部、２０…信号処理ＩＣ部、２１…プリアンプ２１、２２…圧力ＡＤ変換器２２、２３…温度センサ、２４…クロック回路、２５…温度ＡＤ変換器２５、２６…補正データ格納部、２７…補正値計算部２７と、２８…インターフェース２８と、２９，４９…出力要求手段

Claims (6)

1. 圧力を測定する圧力センサ部からの出力を温度変動に対して補正する信号処理方法であって、
   外部温度を温度センサによって測定するとともに、該温度センサの出力を所定間隔でデジタル変換して温度信号とし、
   タイミングが調整された出力要求信号に基づいて、前記温度信号を圧力補正用の補正データとして補正データ格納部に格納するとともに、
   前記出力要求信号に従い、前記補正データに基づいて前記圧力センサ部の出力を温度補正処理することを特徴とする信号処理方法。
2. 請求項１記載の信号処理方法であって、
   前記出力要求信号の開始とともに前記温度センサの出力を圧力補正用の補正データとして格納するとともに、前記出力要求信号の終了までこの補正データを保持することを特徴とする信号処理方法。
3. 請求項１または２記載の信号処理方法であって、
   前記出力要求信号の開始・終了に従って前記圧力センサ部出力の温度補正処理を開始・終了することを特徴とする信号処理方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載の信号処理方法であって、
   前記温度センサの出力する温度信号がクロック回路のクロック信号により所定間隔でデジタル変換されるとともに、
   前記出力要求信号が、前記クロック信号によることなく出力要求手段によって出力されてなることを特徴とする信号処理方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載の信号処理方法によって信号処理する圧力センサであって、
   圧力を測定する圧力センサ部と、該圧力センサ部からの出力を温度変動に対して補正可能な信号処理ＩＣ部とを有し、
   前記信号処理ＩＣ部が、外部温度を測定する温度センサと、クロック信号を出力するクロック回路と、該クロック信号により所定間隔で前記温度センサから出力される測定結果をデジタル変換する温度ＡＤ変換器と、該温度ＡＤ変換器の出力を圧力補正用の補正データとして格納する補正データ格納部と、該補正データに基づいて前記圧力センサ部からの出力を温度補正処理する補正値計算部と、を具備するものとされ、
   前記補正データ格納部における補正データ格納と、前記補正値計算部における温度補正後の圧力センサ出力との開始・終了とをタイミング調整する出力要求信号が入力可能とされてなることを特徴とする圧力センサ。
6. 請求項５記載の圧力センサであって、
   前記信号処理ＩＣ部が、前記出力要求信号を出力する圧力要求手段を有してなることを特徴とする圧力センサ。

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