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

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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。
VO = VD × RF/RS (ここで、RSはセンサの抵抗であり、RFは基準抵抗であり、VOは出力電圧であり、VD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】
10=(V20×R11)/(Vout−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】
10=(V30×R34)/(Vout−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. 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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