JP3743106B2

JP3743106B2 - 圧力センサ装置

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Publication number: JP3743106B2
Application number: JP09248097A
Authority: JP
Inventors: 敏雄生田; 利貴山田; 牧野　　泰明
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2017-04-10
Also published as: JPH10281912A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧力センサ信号をマイクロコンピュータ等の処理装置にて処理する圧力センサ装置に関し、特により精度の高いセンサ値をより効率よく得るための圧力センサ装置構造の具現に関するするものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の制御や処理にマイクロコンピュータが導入されるに及び、それら制御や処理のための各種情報を検出するセンサについてもその出力をマイクロコンピュータによって処理することが普通に行われつつある。
【０００３】
ここに従来、センサ及びそのセンサ信号を処理するマイクロコンピュータ等の処理装置を有して構成されるセンサ装置としては、例えば特開平３−６８８１５号公報に記載の装置が知られている。
【０００４】
因みに、同センサ装置では、その処理ユニット（マイクロコンピュータ）内に検索テーブル（マップ）を持ち、センサ側から入力される情報に応じてこの検索テーブルでの関連付け（マップ演算）を行うことによってその所望のセンサ値を得るようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、センサ信号をマイクロコンピュータ等により処理するようにしたことで、各種の演算を極めて柔軟に行うことができるとともに、それら得られる値の補正も容易である等、より信頼性の高いセンサ値を得ることができるようになる。
【０００６】
ところで通常、圧力センサが複数製造される場合には、たとえその仕様が同一のものであったとしても、それらセンサ毎に特性のばらつきや機差が存在する。このため、マイクロコンピュータ等の処理装置において、それらセンサの出力に対し上記演算や補正を一様に施したのでは、センサ値として所望の精度が得られないこともある。
【０００７】
したがって、そうした高い精度が要求される場合には、上記センサ毎の特性のばらつきや機差についてもこれを的確に補正する必要がある。
しかし、それらセンサ毎の特性のばらつきや機差等を補正するためのデータを上記処理装置に書き込むようにしたのではその処理が煩雑となり、かといって、それら特性のばらつきや機差等をセンサ内部で補正、吸収しようとすると、そのための何らかの処理回路を同センサ内部に必要とすることとなり、センサ自身の大型化やコストアップも避けられない。
【０００８】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、大型化やコストアップ、並びに煩雑な処理等を好適に回避して、センサ毎の特性のばらつきや機差等を補正したより精度の高いセンサ値を得ることのできる圧力センサ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
圧力センサ装置において、検出対象となる圧力データそのものは、上記圧力情報抽出手段によって時定数変化の付与された上記第１及び第２のＣＲ発振回路による発振出力の周波数差として得ることができるが、これには通常、センサ自身の温度特性による誤差分や上記第１及び第２のＣＲ発振回路並びに上記周波数差演算手段等の温度特性その他（第１及び第２系統間の特性ばらつき等）による誤差分なども含まれている。
このため、請求項１に記載の発明では、上記温度情報抽出手段や基準情報抽出手段や不揮発性メモリを設け、圧力情報Ｄ、温度情報Ｔ、基準情報Ａ、及び補正データａ〜ｆに基づく演算を行って最終圧力Ｐを算出することで、センサ自身の温度特性やその他の特性ばらつきによる影響を好適に除去する。
【００１０】
つまり、前記補正データとして、
温度情報Ｔに関する温度係数ａと、
基準温度における温度情報Ｔのオフセット値ｂと、
圧力情報Ｄに対する感度の温度特性係数ｃと、
基準温度における圧力情報Ｄに対する感度ｄと、
圧力情報Ｄのオフセットにおける温度係数ｅと、
基準温度における圧力情報Ｄのオフセット値ｆと
を用意し、
演算手段は、

にて最終圧力Ｐを算出する。
といった演算構造を採用することで、同検出対象とする圧力Ｐについての極めて精度の高いセンサ値を得ることができるようになる。
【００１１】
つまり、圧力情報Ｄ、温度情報Ｔ、基準情報Ａは、温度をｔとしたとき、上記ａ〜ｆを用いて、

で表せる。
（２）式において、（ｃｔ＋ｄ）Ｐは、圧力に関する感度項であり、ｆはオフセット量であり、ｅｔはシフト量の補正項であり、×β（ｔ）の項にて補正係数をかけている。
（３）式において、ｂはオフセット量であり、ａｔは温度に対する感度を示し、×β（ｔ）の項にて補正係数をかけている。
（４）式は基準情報Ａが回路部の温度特性（非直線性）で表されることを示す。
【００１２】
そして、この（２），（３），（４）式から、最終圧力Ｐを求めるためにＰについて解くと、上述の（１）式を得る。
このように、温度ｔに関する感度を１次関数にて表すことにより容易に最終圧力Ｐを得ることができる。
【００１３】
なお、前述した基準温度としては、例えば室温とすることができる。
【００１５】
また、請求項２記載の発明にようにすると、それらブリッジ回路としての高い感度やパストランジスタ型ＣＲ発振回路としての高い発振精度に基づき、上述した圧力情報、温度情報、並びに基準情報の各情報もより効率よく、且つ正確に得られるようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
図１に、この発明にかかる圧力センサ装置の一実施形態を示す。
【００１７】
この実施形態の圧力センサ装置は、センサ毎の特性のばらつきや機差等を補正したより精度の高いセンサ値を得ることのできる装置として構成されている。
以下、同図１を参照して、この実施形態にかかる圧力センサ装置の構成並びに動作について順次説明する。
【００１８】
図１に示されるように、圧力センサ装置は大きく圧力センサ１００とそのセンサ信号を所要に処理するマイクロコンピュータ１１とによって構成されている。
圧力センサ１００は、その検出対象となる物理情報を抽出する部分として、圧力情報抽出用ブリッジ回路１、温度情報抽出用ブリッジ回路２、及び基準情報抽出用ブリッジ回路３の３つのフルブリッジ回路を有している。
【００１９】
このうち、圧力情報抽出用ブリッジ回路１は、検出対象となる圧力の印加に応じてそれぞれ同図１に矢指する態様で、ピエゾ抵抗効果によりその抵抗値が変化する感圧抵抗素子Ｒ11、Ｒ12、Ｒ13、及びＲ14を有して構成されている。
【００２０】
このため、抵抗素子Ｒ11及びＲ12の中点電位は、該圧力の印加量に応じて低くなり、逆に、抵抗素子Ｒ13及びＲ14の中点電位は、同圧力の印加量に応じて高くなる。そして、これら中点電位の電位差が、同ブリッジ回路１によるブリッジ出力として取り出されるようになる。なお、該ブリッジ回路１による出力電圧は、上記印加される圧力の他、当該センサの温度にも依存したものとなっている。
【００２１】
一方、温度情報抽出用ブリッジ回路２は、センサ自身の温度に応じて抵抗値変化を生じる感温抵抗素子Ｒ21及びＲ24と基本的に温度特性を持たない抵抗素子Ｒ22及びＲ23とが、同図１に示される態様で接続されたブリッジ回路として構成されている。
【００２２】
このため、抵抗素子Ｒ21及びＲ22の中点電位と抵抗素子Ｒ23及びＲ24の中点電位とでは、同センサ自身の温度に応じた電位差を生じることとなり、こうした電位差が、同ブリッジ回路２によるブリッジ出力として取り出されるようになる。なお、このブリッジ回路２による出力電圧は基本的に、当該センサの温度のみに依存したものとなっている。
【００２３】
そして、第３のブリッジ回路である基準情報抽出用ブリッジ回路３は、何れも基本的には温度特性を持たない抵抗素子Ｒ31、Ｒ32、Ｒ33、及びＲ34が同図１に示される態様で接続されたブリッジ回路として構成されている。
【００２４】
このため、該ブリッジ回路３にあっては、本来であれば、抵抗素子Ｒ31及びＲ32の中点電位と抵抗素子Ｒ33及びＲ34の中点電位とで電位差を生じることはない。このことは、後述する時間数値変換回路（時間Ａ−Ｄ）９において同ブリッジ回路３の出力（電位差）についての何らかの時間測定値が得られる場合、その測定値は、以降の回路であるＣＲ発振回路５及び６、分周回路７及び８、並びに時間数値変換回路９の温度特性その他のばらつきを示すようになることを意味する。この「その他のばらつき」としては、上記ＣＲ発振回路や分周回路での第１及び第２系統間での特性ばらつき等がある。
【００２５】
また、セレクタ４は、上記圧力情報抽出用ブリッジ回路１、温度情報抽出用ブリッジ回路２、及び基準情報抽出用ブリッジ回路３の各ブリッジ出力を、後述する制御回路１０から与えられる選択信号ｓｅｌに基づき選択出力する回路である。それら選択されたブリッジ出力は、同図１に示されるように、ＣＲ発振回路５及び６の各ＭＯＳトランジスタ（以下、パストランジスタという）Ｔ5 及びＴ6 に対し、それぞれ逆極性の電圧として与えられるようになる。
【００２６】
これらパストランジスタ型のＣＲ発振回路として構成されている第１及び第２のＣＲ発振回路５及び６は、それら各パストランジスタＴ5 及びＴ6 のオン抵抗変化に応じて周波数（若しくは周期）の変化する交番信号（ここでの例ではパルス信号）を発振する回路である。
【００２７】
因みに、こうしたＣＲ発振回路にあっては、その発振周波数ｆが
ｆ＝１／２πＣＲ …（５）
として決定されることから、上記パストランジスタＴ5 及びＴ6 のオン抵抗Ｒが大きければ低い周波数（長い周期）の交番信号が発振され、同パストランジスタＴ5 及びＴ6 のオン抵抗Ｒが小さければ高い周波数（短い周期）のパルス信号が発振される。
【００２８】
したがって、例えば上記圧力情報抽出用ブリッジ回路１のブリッジ出力が選択されている場合のように、検出対象となる圧力の印加に応じて、
・第１のＣＲ発振回路５側のパストランジスタＴ5 は、そのＰチャネル電極が低電位、Ｎチャネル電極が高電位となり、そのオン抵抗が小さくなる。
・第２のＣＲ発振回路６側のパストランジスタＴ6 は、そのＰチャネル電極が高電位、Ｎチャネル電極が低電位となり、そのオン抵抗が大きくなる。
といった状況となる場合には、第１のＣＲ発振回路５からは比較的周波数の高い（周期の短い）パルス信号が、また第２のＣＲ発振回路６からは、それよりも周波数の低い（周期の長い）パルス信号がそれぞれ発振出力されるようになる。
【００２９】
上記温度情報抽出用ブリッジ回路２のブリッジ出力、及び基準情報抽出用ブリッジ回路３のブリッジ出力についても、各々これに準じたかたちで、それら電位差に応じた周波数（周期）を有するパルス信号が同第１及び第２のＣＲ発振回路５及び６から発振されるようになることは云うまでもない。
【００３０】
こうして第１及び第２のＣＲ発振回路５及び６から発振されたパルス信号は何れも、第１及び第２の分周回路７及び８によりそれぞれ例えば数１００倍の時間幅に分周されて、時間数値変換回路９に取り込まれる。
【００３１】
時間数値変換回路９は、これら分周された第１及び第２のＣＲ発振回路５及び６の２つの発振パルスに基づきその周波数差（周期時間差）を求めてこれをディジタル信号に変換する回路である。その処理態様の一例を図２に示す。
【００３２】
すなわちこの図２に示されるように、上記第１のＣＲ発振回路５からは、図２（ａ）にその分周出力として示されるような比較的周波数の高い（周期の短い）パルス信号が出力され、他方の第２のＣＲ発振回路６からは、図２（ｂ）に同じくその分周出力として示されるようなそれよりも周波数の低い（周期の長い）パルス信号が出力されているとするとき、該時間数値変換回路９では、図２（ｃ）に示される態様で、それら周期時間Ｔ１及びＴ２の差（Ｔ１−Ｔ２）を求め、その求めた時間差（Ｔ１−Ｔ２）を所定の分解能にてディジタル信号に変換することとなる。なお、同時間数値変換回路９の詳細については、「電子情報通信学会論文誌Ｃ−ＩＩＶｏｌ．Ｊ７８−Ｃ−ＩＩＮｏ．６ｐｐ．３６６−３７４１９９５年６月『ディジタル処理による高精度化と複数パルス測定を可能とした時間Ａ−Ｄ変換ＬＳＩ』渡辺高元他著」に記述されているため、ここでの重複する説明は割愛する。
【００３３】
こうして、入力される２つのパルス信号についてその周波数差（周期時間差）を求め、ディジタル変換した時間数値変換回路９は、これを周波数差（周期時間差）情報ｆｓとして、マイクロコンピュータ１１に出力する。なお、以下では便宜上、上記圧力情報抽出用ブリッジ回路１のブリッジ出力について求めた周波数差（周期時間差）情報ｆｓについてはこれを圧力情報Ｄと云い、上記温度情報抽出用ブリッジ回路２のブリッジ出力について求めた周波数差（周期時間差）情報ｆｓについてはこれを温度情報Ｔと云い、上記基準情報抽出用ブリッジ回路３のブリッジ出力について求めた周波数差（周期時間差）情報ｆｓについてはこれを基準情報Ａと云う。
【００３４】
本例では、分周回路７，８及び時間数値変換回路９にて周波数差演算手段が構成されている。
制御回路１０は、上記セレクタ４を通じたブリッジ出力の選択や上記時間数値変換回路９の起動を制御する。演算手段としてのマイクロコンピュータ１１は得られた圧力情報Ｄ、温度情報Ｔ、及び基準情報Ａに、不揮発性メモリであるＥＰＲＯＭ１２に予め記憶されている当該センサ自身の特性のばらつきや機差等を補正するための補正データ（定数ａ〜ｆ）を付加して演算を行い最終圧力値Ｐを出力する回路である。
【００３５】
具体的には上記ＥＰＲＯＭ１２に予め記憶する補正データとして、
・温度情報Ｔに関する温度係数ａ、
・基準温度における温度情報Ｔのオフセット値ｂ、
・圧力情報Ｄに対する感度の温度特性係数ｃ、
・基準温度における圧力情報Ｄに対する感度ｄ、
・圧力情報Ｄのオフセットにおける温度係数ｅ、
・基準温度における圧力情報Ｄのオフセット値ｆ
の６つのデータ（定数）が用意されている。これらデータは何れも、センサの製造ばらつき等によって異なるのが普通であり、同実施形態の装置では、当該センサの作り込みの段階で、これら補正データａ〜ｆを上記ＥＰＲＯＭ１２に書き込むようにしている。
【００３６】
マイクロコンピュータ１１は、ＣＰＵ１１ａをはじめ、プログラムメモリとしてのＲＯＭ１１ｂ、及びデータメモリとしてのＲＡＭ１１ｃ等により構成されており、上記分離復調された補正データａ〜ｆ、圧力情報Ｄ、温度情報Ｔ、及び基準情報ＡをＲＡＭ１１ｃのそれぞれ所定領域に一括して取り込んだ後、ＲＯＭ１１ｂに予登録されている図３に例示する演算プログラムを上記ＣＰＵ１１ａを通じて実行する。
【００３７】
すなわち、この図３に示す演算ルーチンにおいて、ＣＰＵ１１ａは、ステップ２０１及びステップ２０２にて、ＲＡＭ１１ｃに格納した圧力情報Ｄ、温度情報Ｔ、基準情報Ａ、並びに補正データａ〜ｆを読み込んだ後、ステップ２０３にて、演算

を実行して、最終の圧力情報Ｐを算出する。
【００３８】
この式の算出の根拠となった式は前述の（２）〜（４）式であるが、それについては前述した通りであり、ここではその説明は省略する。
なお、「Ｄ／Ａ」及び「Ｔ／Ａ」は、それぞれ上記圧力情報Ｄ及び温度情報Ｔについて、センサ内の上記第１及び第２のＣＲ発振回路５及び６、分周回路７及び８、並びに時間数値変換回路９の温度特性や系統間の特性ばらつきを正規化するための処理である。基準情報Ａがこれら回路における温度特性や系統間の特性ばらつきに対応した情報となることは前述した。
【００３９】
上記圧力情報抽出用ブリッジ回路１を通じて抽出される圧力情報Ｄ（出力電圧）がセンサに印加される圧力の他、センサ自身の温度にも依存したものとなっていることは前述した通りであるが、このような圧力情報Ｄに対して上記（６）式の演算を施すことにより、検出対象とする物理情報である圧力Ｐについての極めて精度の高いセンサ値を得ることができるようになる。具体的には精度として２％ＦＳ以内とすることができる。
【００４０】
以上説明したように、この実施形態にかかる圧力センサ装置によれば、
（１）上記圧力情報抽出用ブリッジ回路１、温度情報抽出用ブリッジ回路２、及び基準情報抽出用ブリッジ回路３といった３つのブリッジ回路を設けるとともに、補正データａ〜ｆを記憶したＥＰＲＯＭ１２を設け、圧力情報抽出用ブリッジ回路１を通じて得られる圧力情報Ｄを、温度情報抽出用ブリッジ回路２を通じて得られる温度情報Ｔ、基準情報抽出用ブリッジ回路３を通じて得られる基準情報Ａ、並びに補正データａ〜ｆによって、それぞれ補償するようにしたことで、センサ自身の温度特性やその他の特性ばらつきによる影響を好適に除去することができるようになる。具体的には、上記（６）式に基づいてその最終的な圧力Ｐを算出するようにしたことで、その物理情報として、極めて精度の高い値を得ることができるようになる。
【００４１】
なお、同実施形態においては、圧力情報抽出用ブリッジ回路１を構成する全ての抵抗素子に感圧抵抗素子を用いるようにしたが、例えば抵抗素子Ｒ11及びＲ12の何れか一方のみ、或いは抵抗素子Ｒ13及びＲ14の何れか一方のみに該感圧抵抗素子を用いる等の構成も適宜可能である。要は、圧力の印加に応じた電位差がそのブリッジ出力を通じて得られる構成であればよい。
【００４２】
また同様に、温度情報抽出用ブリッジ回路２においても、例えば抵抗素子Ｒ24のみに感温抵抗素子を用いる等の構成が可能である。これも要は、センサの温度に応じた電位差がそのブリッジ出力を通じて得られさえすればよい。
【００４３】
また、同実施形態においては、第１及び第２のＣＲ発振回路としてパストランジスタ型のＣＲ発振回路を用いたが、パストランジスタに代わって抵抗素子が挿入され、そのＣＲ時定数に応じた周期を有する交番信号を発振するタイプの発振回路なども適宜採用することができる。
【００４４】
そしてこの場合、上記圧力情報をはじめ、温度情報や基準情報を抽出する手段が必ずしもブリッジ回路を構成している必要はなく、圧力情報を抽出する手段であれば、
・検出対象となる圧力の印加に応じたそれぞれ異なる時定数変化をそれら第１及び第２のＣＲ発振回路に対して付与し得るもの。
また、温度情報を抽出する手段であれば、
・当該センサの温度に応じたそれぞれ異なる時定数変化をそれら第１及び第２のＣＲ発振回路に対して付与し得るもの。
そして、基準情報を抽出する手段であれば、
・検出対象となる圧力の印加及び当該センサの温度と無関係にそれぞれ異なる時定数変化をそれら第１及び第２のＣＲ発振回路に対して付与し得るもの。
でありさえすればよい。
【００４５】
また、それらセンサ固有の補正データを記憶保持する手段としても、上記ＥＰＲＯＭ１２に限らず、他の書き換え可能なＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭやフラッシュＲＯＭ等）、或いはＳＲＡＭ等の不揮発性メモリを採用することができる。
【００４６】
また、発振周波数を数値化する回路としては、上記実施形態以外に、単一時間内の発振パルス数をカウントする方法などもよく用いられる。
また、マイクロコンピュータ１１を用いる代わりに、同じ機能を有する演算処理回路を圧力センサ１００を構成するチップ上に形成して全体を１チップ化してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる圧力センサ装置の一実施形態を示すブロック図。
【図２】図１に示される時間数値変換回路（時間Ａ−Ｄ）の処理態様を示すタイムチャート。
【図３】センサ値演算手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…圧力情報抽出用ブリッジ回路、２…温度情報抽出用ブリッジ回路、３…基準情報抽出用ブリッジ回路、５…第１のＣＲ発振回路、６…第２のＣＲ発振回路、７…第１の分周回路、８…第２の分周回路、９…時間数値変換回路、１１…マイクロコンピュータ、１１ａ…ＣＰＵ、１１ｂ…ＲＯＭ、１１ｃ…ＲＡＭ、１２…ＥＰＲＯＭ。

Claims

検出対象となる圧力の印加に応じた圧力情報を抽出する圧力情報抽出手段と、
センサの温度に応じた温度情報を抽出する温度情報抽出手段と、
前記検出対象となる圧力の印加及び当該センサの温度とは無関係な基準情報を抽出する基準情報抽出手段と、
センサの特性のばらつきや機差等を補正するためのデータが予め記憶された不揮発性メモリと、
静電容量（Ｃ）−抵抗（Ｒ）時定数に応じた周期を有する交番信号を発振する第１のＣＲ発振回路と、
同じく静電容量−抵抗時定数に応じた周期を有する交番信号を発振する第２のＣＲ発振回路とを備えた圧力センサ装置であって、
前記圧力情報抽出手段は、検出対象となる圧力の印加に応じて第１の方向への抵抗値変化を生じる第１の感圧抵抗素子と、同じく検出対象となる圧力の印加に応じて前記第１の方向とは逆の第２の方向への抵抗値変化を生じる第２の感圧抵抗素子とによって構成される第１のブリッジ回路であり、検出対象となる圧力の印加に応じたそれぞれ異なる時定数変化を前記第１及び第２のＣＲ発振回路に対して付与し、
前記温度情報抽出手段は、当該センサの温度に応じて抵抗値変化を生じる感温抵抗素子と、基本的に温度特性を持たない抵抗素子とによって構成される第２のブリッジ回路であり、センサの温度に応じたそれぞれ異なる時定数変化を前記第１及び第２のＣＲ発振回路に対して付与し、
前記基準情報抽出手段は、基本的に温度特性を持たない抵抗素子によって構成される第３のブリッジ回路であり、検出対象となる圧力の印加及び当該センサの温度と無関係にそれぞれ異なる時定数変化を前記第１及び第２のＣＲ発振回路に対して付与し、
前記圧力情報抽出手段によって時定数変化の付与された前記第１及び第２のＣＲ発振回路による発振出力の周波数差としての圧力情報Ｄ、及び前記温度情報抽出手段によって時定数変化の付与された前記第１及び第２のＣＲ発振回路による発振出力の周波数差としての温度情報Ｔ、そして前記基準情報抽出手段によって時定数変化の付与された前記第１及び第２のＣＲ発振回路による発振出力の周波数差としての基準情報Ａをそれぞれ演算する周波数差演算手段と、
前記周波数演算手段によって演算された前記圧力情報Ｄ、温度情報Ｔ、基準情報Ａおよび前記不揮発性メモリに記憶されている補正データに基づき最終圧力を算出する演算手段とをさらに備え、
前記演算手段は、前記補正データとして、
温度情報Ｔに関する温度係数ａと、
基準温度における温度情報Ｔのオフセット値ｂと、
圧力情報Ｄに対する感度の温度特性係数ｃと、
基準温度における圧力情報Ｄに対する感度ｄと、
圧力情報Ｄのオフセットにおける温度係数ｅと、
基準温度における圧力情報Ｄのオフセット値ｆと
を取り込み、
Ｐ＝｛（Ｔ／Ａ−ｂ）×（−ｅ／ａ）＋（Ｄ／Ａ−ｆ）｝
／｛（Ｔ／Ａ−ｂ）×（ｃ／ａ）＋ｄ｝
にて最終圧力Ｐを算出するようにしたことを特徴とする圧力センサ装置。
前記第１及び第２のＣＲ発振回路は、前記第１〜第３のブリッジ回路の各出力電圧がそれぞれ逆極性にて印加されるＭＯＳトランジスタを有し、それらＭＯＳトランジスタのオン抵抗変化に応じて前記発振する交番信号の周期が変化するＭＯＳトランジスタ型のＣＲ発振回路である請求項１記載の圧力センサ装置。