JP3694709B2 - 交流励起・抵抗型圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は圧力センサの使用寿命を増加させる圧力センサ励起方法によって力を検出する装置に関する。この励起方法は、特に、非常に長い期間に連続的に動作することが要求される抵抗型センサ、および低価格と動作上の要求とによって溶接密閉または湿気や汚染から防護する他の手段を使用することができないセンサに適用することができる。
【０００２】
（背景技術）
本発明は薄膜型圧力センサの電気的励起に関係し、薄膜型圧力センサは、自動車の、警笛の作動または乗員の重さを感知するための応用や安全保障のための応用を含む種々の応用形態で使用されている。これらのセンサは、通常は、電導インクと、圧力が印加されたときに抵抗を変化させる感圧材料との層によって構成され、プラスチックフィルムの層のような電気的絶縁物上にプリントされている。これらのセンサは、US 5398962、US 5563354、US 5541570に記載されているような型のセンサでもよい。
【０００３】
これらのセンサは、動作時には、普通は、抵抗型分圧器または演算増幅回路中の１素子として小さなＤＣ電圧が供給され、力が印加されたときに生じる出力電圧の変化がＡ／Ｄ変換器、電圧比較器または他の検出回路によって検出される。感知された電圧レベルは印加された力に比例する。
【０００４】
US 5398962は、圧力センサを用いた警笛作動装置を教示している。センサは事実上、印加される力と共に出力が変化する可変抵抗器である。センサの抵抗は、反転オペアンプ（反転演算増幅器）回路を用いて計算される。
V_O = V_D × R_F/R_S （ここで、R_Sはセンサの抵抗であり、Ｒ_Fは基準抵抗であり、V_Oは出力電圧であり、V_Dは駆動電圧である。）しかし、−５ボルトの直流電圧がセンサに印加される。
【０００５】
薄膜型圧力センサの応用には、高い湿度と温度の極限状態という環境条件に曝される場合が多い。さらに、多くの応用、例えば、自動車への応用においては、センサは、数年間、連続的に電力を与えられながら故障なく機能し続けることが要求される。これらの薄膜型圧力センサの多くはＤＣ電圧が長期間に印加されたとき、センサ内部の電導性物質のイオンマイグレーションや電気分解作用による漸進的な劣化に起因して寿命が限られることが分かっている。この劣化は湿気が存在するときにはより早く起こる可能性がある。この場合には、湿気は、薄い基板を通って、および２つの基板を結合する接着層を通ってセンサ中にゆっくりと拡散する。センサのこのような劣化は、屡々、センサの電気抵抗を除々に低下させる。この劣化が進むと、センサが電気的にショートされ、または、その有効な仕様範囲内にはないようになる。
【０００６】
これらのセンサの劣化をできるだけ低減し、または除去する電気的励起をセンサに与えることによってこの劣化を可能な限り低減することは望ましいことである。
【０００７】
（発明の開示）
本発明は、これらの廉価でフレキシブルなセンサを、長期間のサービス寿命をもつように応用することを考慮に入れて使用し、抵抗センサの寿命を可能な限り長くする、抵抗センサの励起方法を提供する。励起・感知回路は、センサが、圧力を感知する機能を連続して遂行し、かつ、低価格薄膜型センサ技術の長所を維持するように廉価であることを可能にするものでなければならない。
【０００８】
薄膜型圧力センサへの励起電圧極性を周期的に反転することによって、その薄膜型圧力センサは、一定の直流電圧を極性反転なしに使用している同一のセンサよりも数百倍長く、機能し続け得ることが環境テストによって知られた。
【０００９】
センサへの圧力の印加によって生じるセンサ抵抗の変化を検知しながら、なおかつ、センサの励起極性を周期的に反転する方法が示されている。この方法は交流（ＡＣ）励起と呼ばれる。
【００１０】
示されているセンサの応用は、自動車の警笛システムに対するものである。しかし、これは、これらのセンサとここで示されるＡＣ励起方法に対する多くの使用例のうちの単なる一例に過ぎない。その他の抵抗センサの応用の中には、安全保障への応用、歯科への応用、およびその他の自動車への応用がある。
【００１１】
記載されている好適なＡＣ励起方法は、感知に関する要求を満たしながら、現行のＤＣ励起方法に比較してコストを最小にし、かつ、ハードウエアとソフトウエアの変化を最小にするために開発された。
【００１２】
（発明を実施するための最良の形態）
図１は、図２に示されているような回路から薄膜型センサ１０に一定値のＤＣ電圧が印加されたときの動作寿命を示している。テストされたセンサはサイズがほぼ１２５ｍｍ×１２５ｍｍで、Force Imaging Technology製、部品番号99F32055の薄膜型圧力センサである。センサは、それが電気的にショートするか、それが圧力センサとしてもはや使用不可能である程度に低抵抗をもつに至るまで時間の経過とともに劣化した。この劣化は、センサ内の例えば銀のような電導性金属のマイグレーションと、水蒸気とＤＣ電圧の存在のもとで電解過程によって生じるセンサ内における他の物質への化学変化に起因して起こることが分かった。
【００１３】
図２においては、＋５ボルトの入力電圧２０がセンサ１０に印加されている。図２の演算増幅器１２は抵抗器１１を通る帰還パスを経由してセンサ１０へ一定電圧を与える。５ボルトのＤＣバイアス電圧２０は非反転オペアンプ正入力１３に印加される。負帰還パスは抵抗器１１を通ってオペアンプの反転入力（−）へ設けられている。オペアンプの出力は、（−）入力１５における電圧が（＋）入力１３における電圧と等しくなるまで上昇する。抵抗器１１とセンサ１０を通る電流は等しい。したがって、センサ１０の抵抗は次式に従って、出力電圧から計算することができる。
【００１４】
Ｒ₁₀＝（Ｖ₂₀×Ｒ₁₁）／（Ｖ_out−Ｖ₂₀）
それであるから、演算増幅器がその通常の動作範囲内にある間にはセンサ１０の両端間の電圧は常に電圧２０と同じである。
【００１５】
図１および図３は、２つの同一のセンサの、一方は一定値５ボルトのＤＣ励起電圧を用い、他方は＋５ボルトの矩形波励起電圧を用い、その他は同一の条件で、これらの２つのセンサの動作寿命の相違を示している。これらのテストを行うために、センサの劣化を加速するようにセンサに対して１ボルト励起の代わりに、５ボルトの電圧が用いられた。これらのテストのための条件は、２４°Ｃの温度と約４５％の湿度である。図１および図３におけるセンサを比較すると、図１における初期抵抗は１４０Ｋオームであり、図３における初期抵抗は９４Ｋオームである。初期抵抗の、この相違はこの型の薄膜型圧力センサに関しては通常である。同一の負荷に対する抵抗は実質的に変わり得る。これらのセンサは相対負荷の変化の測定に用いられるけれど、各々を個別に較正することなしに正確な絶対負荷測定には使用されない。
【００１６】
図３は、電圧が周期的に反転する場合には、同一のセンサの寿命が非常に増加することを示している。この場合には、電圧は５００Ｈｚのレートで反転する。センサ１０のこのテストのために、図４の回路が用いられた。この回路は＋１５ボルトの２つの電圧源と、＋５ボルトの基準信号を供給する信号発生器３０からのＡＣ駆動信号を必要とする。図４の演算増幅器３２は、抵抗器３４を経由する帰還パスを通ってセンサ１０に一定電圧を供給する。＋５ボルトＡＣバイアス電圧３０が非反転オペアンプ正入力３５に印加される。負帰還パスが、オペアンプの反転入力（−）３６へ抵抗器３４を経由して設けられている。オペアンプの出力は、負入力３６における電圧と正入力３５における電圧とが等しくなるまで上昇し、または下降する。センサ１０と信号発生器３０を通る電流は等しい。したがって、センサ１０の抵抗は出力電圧から次のようにして計算される。
【００１７】
Ｒ₁₀＝（Ｖ₃₀×Ｒ₃₄）／（Ｖ_out−Ｖ₃₀）
演算増幅器３２がその正常の動作範囲にある間にはセンサ１０に加わる電圧は常に、信号発生器３０の電圧と等しくなる。
【００１８】
図５および６は、温度を６０°Ｃに上昇させ、９０％の湿度で、センサのバイアスが１ボルトのとき行われたテストの結果を示している。図５においては、バイアスは１ボルトＤＣでセンサは４８時間以内に機能しなくなっている（電気的ショート）。図５に示されているテストに用いる１ボルトのＤＣセンサバイアスを生成するために、図２に示されている回路が、＋１ボルトの入力電圧で使用された。
【００１９】
図６においては、＋１ボルトのセンサバイアスを１０Ｈｚの反転レート（周波数）で印加して、同一のセンサと同一の環境条件が用いられている。センサは、テストが６４８時間で終了したときその機能性を維持していた。図７は、図６に示されているＡＣバイアスのセンサテストに用いられた回路を示している。図７においては、１０ＨｚレートでＤＣ基準矩形波信号を発生するために、LM1455 timer IC 40が使用されている。この回路構成は、５０％のデューティサイクルをもつ対称矩形波を生成するように設計されている。コンデンサ４２が、充電抵抗器４４および放電抵抗器４６と共に１０Ｈｚ周波数を生成する。出力振幅は、ポテンシオメータ４８を用いて＋１ボルトのピーク対ピーク値に調整されている。矩形波は、第２のキャパシタ５０を通るカプリングによってグラウンド基準のＡＣに変換される。第２のポテンシオメータ５２は、当該信号が０ボルトを基準として正確にバランスすることを確実にするために微調整を行う。このＡＣ信号は次にオペアンプ５１の正入力５３へ印加され、オペアンプ５１はセンサ１０に一定のＡＣ電圧源を出力する。
【００２０】
図８は、図７の回路を用いてセンサに加えられる１ボルトピークＡＣバイアス電圧を示す。
【００２１】
例えば乗り物の警笛のような、ＡＣ励起の実用的応用のためには、図４または図７の方法は実施が困難で、高価である。その理由は、グラウンドに対して正電圧と負電圧との両者が必要であるからである。そのうえ、必要な基準信号はＡＣであり、出力信号はＡＣであり、ＡＣは通常のＡ／Ｄ変換器を用いて測定することが困難である。それ故に、図９の回路が設計された。
【００２２】
図９は、自動車警笛センサ回路用のＡＣセンサ駆動装置の実施例である。センサ１０は抵抗器８０とコンデンサ８２によって表されている。好適な実施例においては、センサは電導インクと、圧力が印加されたときに抵抗を変化させる感圧材料とがプラスチックフィルムの層のような電気絶縁物上にプリントされて成る層によって構成されている。センサはUS 5563354、US 5541579、US 5398962に記載された型のものでもよい。テストされたセンサはForce Imaging Technology製の部品番号99F32055でサイズが約１２５ｍｍ×１２５ｍｍの薄膜型圧力センサである。オペアンプ８４は負入力８３に定電圧ＤＣ源を生成するために用いられる。正入力８５は第１の抵抗器８６と第２の抵抗器８８とによって１ボルトＤＣにバイアスされ、したがって、負入力８３も第３および第４の抵抗器９０、９２を通る負帰還によって１ボルトＤＣに保たれる。ＤＣセンサバイアスを用いる通常の回路においては、センサはオペアンプの負入力８３とグラウンドとの間に接続されるであろう。しかし、第１、第２、第３、第４のＦＥＴ９３、９４、９５、９６が付加されるときには、センサの端部は周期的に反転される。この回路において、マイクロコントローラ１１２の第１のピン１１０が＋５ボルトに昇圧され第２のピン１１４がグラウンド電位に設定されると、第１、第３のＦＥＴ９３、９５がターンオンし、第２、第４のＦＥＴ９４、９６がターンオフして、センサの端「Ａ」をオペアンプの（−）入力８３に接続し、端「Ｂ」が接地される。マイクロコントローラの第１のピン１１０がグラウンド電位に設定され第２のピン１１４が＋５ボルトに設定されると、第２、第４のＦＥＴ９４、９６がターンオンし、第１、第３のＦＥＴ９３、９５がターンオフする。その時には、上記の接続によって、センサ１０への接続が反転し、センサの端「Ｂ」がオペアンプの（−）入力８３に接続され、端「Ａ」が接地される。
【００２３】
マイクロコントローラ１１２の２つのポートピン１１０、１１４は、マイクロコントローラ内のソフトウエアによって内部タイマを用いて制御され、０ボルトと５ボルトとを周期的に切り替える割り込みを発生する。マイクロコントローラのピン１１０と１１４からの信号はそれぞれ、図１１および図１２に示されている。それらの信号は位相が１８０°ずれた振幅５ボルトの矩形波に過ぎない。センサ１０に加えられるＡＣ電圧が図１０に示されている。この応用においては、センサ１０に印加される電圧は、１０回／秒（１０Ｈｚ）反転されるが、他の応用においては、より遅い、またはより速いレートを使用することができる。
【００２４】
オペアンプ８４の出力は、センサ１０の抵抗に反比例するＤＣ電圧である。図１３はその出力の一例を示す。下方の曲線は、センサの抵抗が２０Ｋオームである場合の出力電圧である。上方の曲線は、センサの抵抗が１５Ｋオームに変化したときの出力電圧である。出力電圧上の微小なリップルは、マイクロコントローラからの２つのポート電圧の、有限の切り替え時間と、電圧が反転するときにおけるキャパシタ８２の再充電とによって生じる。しかし、このリップル電圧はセンサの抵抗変化によって生じる電圧の変化に対して相対的に非常に小さいので、このリップル電圧は、センサ抵抗の有用な変化を検出することにおいて問題を生じない。
【００２５】
注意を要することは、図９の回路が簡単化されていることである。すなわち、マイクロコントローラは、広範囲に変化するセンサ抵抗に対してオペアンプのゲインを制御するためとオペアンプを補正するためとの両方の目的のため、または何れか一方の目的のために、オペアンプ回路に接続されることができる。また、温度補償をするために、マイクロコントローラの使用されていないＡ／Ｄ変換器入力の１つにサーミスタを付加することができる。
【００２６】
オペアンプの出力電圧は、図９に示されているように、マイクロコントローラ１１２のアナログ・ディジタル変換器の入力１１６に接続することができる。そのときには、ソフトウエアが、出力電圧とセンサ環境を決定するための既知の回路パラメータとを用いてセンサの抵抗、この場合には、加えられた力を計算することができる。この実施例の動作中に、力がセンサ１０に印加されたとき、センサ１０の抵抗が変化する。Ａ／Ｄ入力１１６における電圧が、センサ１０の抵抗の所定の変化を示す、特定された閾値に達したとき、マイクロコントローラ１１２の出力ポート１１８の電圧が５ボルトに上昇する。出力ポート１１８におけるこの電圧増加は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）１２０をターンオンし、そして警笛リレイ１２２を作動する。
【００２７】
図１１および図１２は、ＡＣセンサの駆動をする図９の回路のＦＥＴ９３、９４、９５、９６を駆動するために必要な、マイクロコントローラから出力される１８０°位相差がある駆動信号を示している。図１３は、マイクロコントローラ１１２のＡ／Ｄ変換器に加えられる、図９の回路からのＤＣ出力信号を示している。下方の曲線は、センサ抵抗が２０Ｋオームのときの信号で、上方の曲線は機械的力がセンサに加えられてセンサの抵抗が１５Ｋオームに変化したときの信号である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＋５直流励起電圧を用いたセンサの動作寿命を示す図である。
【図２】 図１および図５用のデータを記録するために用いられるテスト回路を示す図である。
【図３】 ＋５矩形波励起電圧を用いたセンサの動作寿命を示す図である。
【図４】 図３のためのデータを記録するために用いられる回路を示す図である。
【図５】 ＋１直流電圧を用いたセンサの動作寿命を示す図である。
【図６】 ＋１交流電圧を用いたセンサの動作寿命を示す図である。
【図７】 図６に示されている測定のために用いられるテスト回路を示す図である。
【図８】 図７の回路から、ＡＣ駆動を用いるセンサへ印加される波形を示す図である。
【図９】 自動車警笛センサ回路用のＡＣセンサ駆動の好適実施例の図である。
【図１０】 図９の警笛センサに印加されるＡＣ電圧である。
【図１１】 図９の回路の電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）を駆動するためのマイクロコントローラからの駆動信号である。
【図１２】 図９の回路の電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）を駆動するためのマイクロコントローラからの駆動信号であって図１１の駆動信号と１８０°の位相差をもつ駆動信号である。
【図１３】 センサ抵抗が２つの異なる値をとるとき、図９の回路の演算増幅器（オペアンプ）からのＤＣ出力信号を示す図である。

Claims (8)

1. 圧力に応答して変化し、第１の端と第２の端とを有する可変抵抗器である薄膜型圧力センサと、
   正入力と負入力とＤＣ電圧出力とを有し、該ＤＣ電圧出力は前記負入力に接続され、前記ＤＣ電圧出力は前記薄膜型圧力センサを通ってグラウンドに接続されるオペアンプと、
   タイマと電圧モニタ回路とを組み込むマイクロコントローラと、
   第１の状態では、前記薄膜型圧力センサの前記第１の端は前記オペアンプの前記負入力に接続され、かつ、前記第２の端はグラウンドに接続されて配置され、第２の状態では、前記薄膜型圧力センサの前記第１の端はグラウンドに接続され、かつ、前記第２の端は前記オペアンプの前記負入力に接続されて交番配置される、複数のスイッチとから構成され、
   前記複数のスイッチは、前記マイクロコントローラに接続され、前記マイクロコントローラは、前記タイマに応答して前記第１の状態と前記第２の状態との間で前記複数のスイッチを周期的に交番し、
   前記マイクロコントローラの電圧モニタ回路は、前記オペアンプの前記ＤＣ電圧出力に接続され、前記マイクロコントローラは、前記オペアンプの出力の電圧の変化に応答して、少なくとも、１つのスイッチを閉じることを引き起こし、
   前記薄膜型圧力センサの劣化は、前記薄膜型圧力センサを流れる電流を周期的に反転することにより、かなり防止され、前記薄膜型圧力センサの抵抗の変化は、前記オペアンプの前記ＤＣ電圧出力の変化により検出される、圧力で動作するスイッチ。
2. 前記マイクロコントローラは、前記タイマを用いて２つのピンの間の電圧レベルを切り替える割り込みを発生し、各ピンは一対のトランジスタに接続され、前記２つのピンの間の電圧レベルが切り替えられると、前記薄膜型圧力センサを流れる電流が反転される、請求項１に記載の圧力で動作するスイッチ。
3. 前記マイクロコントローラの電圧モニタ回路は、アナログ・ディジタル変換器であり、前記マイクロコントローラのソフトウエアが、前記オペアンプの出力の電圧に基づいて、前記薄膜型圧力センサの抵抗の変化を計算する、請求項１に記載の圧力で動作するスイッチ。
4. 更に、リレイと該リレイに接続された警笛とを有し、前記リレイは前記少なくとも１つのスイッチにより制御され、薄膜型スイッチに加えられる圧力が前記警笛を作動する、請求項１に記載の圧力で動作するスイッチ。
5. 前記マイクロコントローラは、前記少なくとも１つのスイッチが、環境要素に基づいて動作する電圧を選択する、請求項１に記載の圧力で動作するスイッチ。
6. 前記少なくとも１つのスイッチが、金属酸化物半導体電界効果トランジスタであり、該金属酸化物半導体電界効果トランジスタは前記マイクロコントローラの出力ポートに接続され、該マイクロコントローラは前記オペアンプの出力ポートの電圧の増加に応答して起動される、請求項１に記載の圧力で動作するスイッチ。
7. 前記薄膜型圧力センサを流れる前記電流が１０ｚＨの周波数で反転される、請求項１に記載の圧力で動作するスイッチ。
8. 前記薄膜型圧力センサは、電導インクと印加された力に従って抵抗を変化させる感圧材料との層を有する、請求項１に記載の圧力で動作するスイッチ。

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