JP6439865B2 - センサ信号変換器及びセンサ信号変換方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサからのアナログ信号を補正、出力するセンサ信号変換器及びセンサ信号変換方法に関する。

各種の機器において、センサから得られた情報に基づいた制御処理をすることが行われている。センサは、それぞれの素子の特性に応じた傾向を持っていたり、環境の影響を受けてその出力値が変動する場合等があり、これらは測定したい値に対する誤差となるため、これらの補正をすることが行われている。即ち、センサ素子にはそれぞれ個体差や非直線性、温度ドリフトの問題がある為、精度の良い測定を行うには、ゼロ点補正やフルスケール補正、リニアライズ補正、温度補正等を行う必要がある。
このようなセンサ等で生じる誤差の補正に関する技術が特許文献１や２によって開示されている。

特開平９−３１１０８０号公報 特開２００５−２９１８６１号公報

センサで得られる信号は電圧値や抵抗値の変動として得られるアナログ信号であることが多く、このセンサからのアナログ信号を補正する場合、補正用のアナログ回路によって補正する方法と、センサからのアナログ信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル回路にて補正処理をする方法がある。
補正用アナログ回路を用いる場合、応答性の面では優れているが、各種の調整や補正機能をアナログ回路のみで構築すると、一般的に回路が大きく、また、複雑になり、コスト高となる問題がある。装置そのもののコストだけでなく、開発・設計の困難性やそれに基づく開発・設計期間の長期化等の原因にもなり得る。
デジタル回路にて補正処理をする場合、補正処理はソフト的に実現することができるため、回路自体は汎用の安価なデバイスを用いることが可能であるが、ソフト的処理である補正処理の処理時間に基づく遅延が生じ、応答性が悪くなるという問題がある。応答性を高くしようとすると、性能のよいデバイスを要することとなり、コスト高及び消費電力が大きくなるという問題がある。

本発明は、上記の点に鑑み、センサから入力される信号の補正を行うセンサ信号変換器であって、補正処理のための回路構成の簡素化若しくは低コスト化と、応答性能の維持が図られたセンサ信号変換器を提供することを目的とする。

（構成１）
センサから入力される信号に基づくアナログ信号を出力端子へ出力するアナログ信号線と、前記アナログ信号線から得られるアナログ信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部によって得られたデジタル信号に基づいて補正値算出処理を行うデジタル補正回路と、前記デジタル補正回路が算出した補正値をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換部と、前記Ｄ／Ａ変換部によって得られた補正値アナログ信号を前記アナログ信号に加算する補正値アナログ信号線と、を備えることを特徴とするセンサ信号変換器。

（構成２）
前記デジタル補正回路が、リニアライズ補正処理を行うことを特徴とする構成１に記載のセンサ信号変換器。

（構成３）
前記デジタル補正回路が、前記センサの近傍の温度を測定する温度検出部からの温度情報に基づき、センサの温度特性補正処理を行うことを特徴とする構成１又は構成２に記載のセンサ信号変換器。

（構成４）
回路部近傍の温度を測定する温度検出部を備え、当該温度検出部からの温度情報に基づき、前記デジタル補正回路が、回路部の温度特性補正処理を行うことを特徴とする構成１から構成３の何れかに記載のセンサ信号変換器。

（構成５）
前記デジタル補正回路が、ゼロ点補正処理又はフルスケール補正処理の少なくとも何れかを行い、前記補正値アナログ信号とは別系統で、前記アナログ信号にゼロ点補正値アナログ信号を加算する、又は、倍率変更することを特徴とする構成１から構成４の何れかに記載のセンサ信号変換器。

（構成６）
センサから入力される信号に基づくアナログ信号を出力端子へ出力し、前記センサからのアナログ信号をＡ／Ｄ変換することによって得られたデジタル信号に基づいてデジタル補正回路にて補正値算出処理を行い、前記算出された補正値デジタル信号をＤ／Ａ変換することによって得られた補正値アナログ信号を前記アナログ信号に加算することを特徴とするセンサ信号変換方法。

（構成７）
前記デジタル補正回路が、リニアライズ補正処理を行うことを特徴とする構成６に記載のセンサ信号変換方法。

（構成８）
前記デジタル補正回路が、前記センサの近傍の温度を測定する温度検出部からの温度情報に基づき、センサの温度特性補正処理を行うことを特徴とする構成６又は構成７に記載のセンサ信号変換方法。

（構成９）
前記デジタル補正回路が、回路部近傍の温度を測定する温度検出部からの温度情報に基づき、回路部の温度特性補正処理を行うことを特徴とする構成６から構成８の何れかに記載のセンサ信号変換方法。

（構成１０）
前記デジタル補正回路が、ゼロ点補正処理又はフルスケール補正処理の少なくとも何れかを行い、前記補正値アナログ信号とは別系統で、前記アナログ信号にゼロ点補正値アナログ信号を加算する、又は、倍率変更することを特徴とする構成６から構成９の何れかに記載のセンサ信号変換方法。

本発明のセンサ信号変換器またはセンサ信号変換方法によれば、補正処理についてはデジタル補正回路によってソフト的に行うことが可能であるため、補正処理のための回路構成の簡素化若しくは低コスト化ができ、且つ、センサから入力される信号に基づくアナログ信号自体は直接出力端子から出力されるため、応答性を高くすることができる。

実施形態１のセンサ信号変換器を示すブロック図 実施形態２のセンサ信号変換器を示すブロック図

以下、本発明の実施態様について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下の実施態様は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲内に限定するものではない。

＜実施形態１＞
図１は、本発明に係る実施形態１のセンサ信号変換器を示すブロック図である。
センサ信号変換器１は、センサ素子から得られる信号を増幅・補正して出力するものであり、より具体的には、押出成形機において溶融樹脂等の圧力を計測する圧力センサからの信号を増幅・補正して出力するものである。
図１に示されるように、大まかには、センサ素子１１５から得られるアナログ信号を扱うアナログ回路１１と、各種補正演算処理等を行うデジタル回路１２と、回路部の温度を計測する回路部温度センサ（温度検出部）１３と、出力端子１４と、を備える。

アナログ回路１１は、センサ素子１１５（前述のごとく本実施形態では圧力センサ素子）と、当該センサ素子１１５付近の温度を測るセンサ部温度センサ（温度検出部）１１６と、センサ素子１１５からのアナログ信号を増幅するセンサ信号変換回路１１３と、当該アナログ信号を伝送するアナログ信号線１１１と、当該アナログ信号線１１１のアナログ信号に対して後に説明する補正値アナログ信号を加算するための補正値アナログ信号線１１２と、最終的に出力値としての調整をするアナログ出力生成部１１４と、等を備える。

デジタル回路１２は、アナログ信号線１１１のアナログ信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部１２１と、センサ部温度センサ１１６からの温度情報信号（アナログ値）をＡ／Ｄ変換し、これに基づいてセンサ素子１１５の温度特性を補正する処理を行うセンサ部温度Ａ／Ｄ変換値補正部１２３と、回路部温度センサ１３からの温度情報信号（アナログ値）をＡ／Ｄ変換し、これに基づいて回路部（アナログ回路１１、デジタル回路１２）の温度特性を補正する処理を行う回路部温度Ａ／Ｄ変換値補正部１２４と、リニアライズ補正処理を行うリニアライズ補正部１２５と、補正前の波形と補正後の波形との差分である補正量を算出する補正量算出処理部１２６と、当該補正量算出処理部１２６によって算出された補正値をＤ／Ａ変換した補正値アナログ信号を、補正値アナログ信号線１１２へ出力するＤ／Ａ変換部１２２と、を備える。
なお、センサ部温度Ａ／Ｄ変換値補正部１２３、回路部温度Ａ／Ｄ変換値補正部１２４、リニアライズ補正部１２５、補正量算出処理部１２６によってデジタル補正回路が構成されるものであり、ブロック図としてはそれぞれハードとしての個別の回路が存在するような記載であるが、汎用のＭＣＵ（Micro Controller Unit）等にてソフト的に構成されるものである。ただし、一部若しくは全部がハード的に構成されるものであってもよい。

上記構成を備えるセンサ信号変換器１の動作について説明する。
センサ素子１１５が測定対象（本実施形態では押出成形機における溶融樹脂等の圧力）をセンシングすることにより得られる信号は通常信号レベルが小さいので、これをセンサ信号変換回路１１３によって増幅する。なお、図１中に、各所の信号のイメージ図を付している。
増幅されたアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換部１２１へ入力されると共に、アナログ信号線１１１によって、アナログ出力生成部１１４を介して出力端子１４へと出力される。即ち、センサ素子１１５からの信号に対して、センサ信号変換回路１１３における増幅やアナログ出力生成部１１４における出力調整（出力端子１４に接続される指示計や制御器で取り込める電流や電圧に調整）をしただけのアナログ信号がベースとして出力端子１４から出力される。

一方、デジタル回路１２のＡ／Ｄ変換部１２１へ入力されたアナログ信号（センサ素子１１５からの信号を増幅したもの）は、Ａ／Ｄ変換部１２１によってＡ／Ｄ変換され、センサ部温度Ａ／Ｄ変換値補正部１２３と回路部温度Ａ／Ｄ変換値補正部１２４によって、センサ素子１１５の温度特性及び回路部（アナログ回路１１、デジタル回路１２）の温度特性に基づいた補正が行われる。即ち、センサ部温度センサ１１６によって測定されるセンサ素子１１５付近の温度情報に基づいて、センサ素子１１５の温度特性を補正し、回路部温度センサ１３によって測定される回路部（アナログ回路１１、デジタル回路１２）付近の温度情報に基づいて、回路部の温度特性を補正するものである。なお、各素子や回路の温度特性補正処理自体は従来の各方式を利用することができる。
上記によって温度特性を補正された信号に対し、リニアライズ補正部１２５によって、入力（本実施形態では圧力）の変化に対するセンサ信号の変化に線形性が無い場合に、線形性を有するように変換する処理であるリニアライズ補正処理を行う。リニアライズ補正処理についても、補正処理自体は従来の各方式を利用することができる。
これらによって、温度補正及びリニアライズ補正が行われた補正後の信号と、補正前の信号（Ａ／Ｄ変換部１２１によってＡ／Ｄ変換されただけの信号）と、の差分である補正量が補正量算出処理部１２６によって算出される。
補正量算出処理部１２６によって算出された補正値は、Ｄ／Ａ変換部１２２によってＤ／Ａ変換されて補正値アナログ信号として補正値アナログ信号線１１２へ出力され、アナログ信号線１１１に加算される。即ち、センサ信号変換回路１１３において増幅されたベースとなるアナログ信号に、補正値アナログ信号が加算されることで、信号の補正が行われる。

以上のごとく、本実施形態のセンサ信号変換器１によれば、センサ素子１１５から入力される信号に基づくアナログ信号自体は、随時出力端子１４から出力されるため、補正処理等による遅延が生じない。且つ、補正処理についてはデジタル回路１２によってソフト的に行うことが可能であるため、補正処理のための回路構成の簡素化及び低コスト化が可能である。
また、従来のごとくデジタル回路にて補正処理を行う場合、応答性を高くするためにはデジタル回路（ＭＣＵ等）のクロック周波数を上げる必要があり、これに応じて消費電力も高くなってしまうものであるが、本実施形態のセンサ信号変換器１によれば、前述のごとく、センサ素子１１５から入力される信号に基づくアナログ信号自体には遅延は生じないため、応答性を高めるためにＭＣＵ等のクロック周波数を上げる必要は無い。従って、消費電力の少ないＭＣＵ等を用いることができ、高い応答性を有しつつ低消費電力とすることができる。
なお、入力が大きく変動した場合、即ちセンサ測定値が大きく変動した場合、デジタル回路１２におけるソフト的な処理による遅延に基づき、出力に補正値が加算されるまでタイムラグが生じるが、入力の変動に追従してアナログ出力は変動している為、大きく出力値が異なる事はない。センサに対する入力が急峻に変動することはあり得、これに対する応答性は求められるが、一般的に、センサや回路が置かれている環境温度が急峻に変動することはそれほどなく、線形性の特性も急峻に変動することは無いと言えるため、温度補正やリニアライズ補正の補正値自体に高い応答性が求められることは稀と言える。従って、本実施形態のセンサ信号変換器１によれば、高い応答性を有しつつ、各種の補正を簡素な回路及び低コストにて問題無く実現できるものである。

＜実施形態２＞
図２は、本発明に係る実施形態２のセンサ信号変換器を示すブロック図である。
本実施形態のセンサ信号変換器２は、実施形態１と同様に、センサ素子から得られる信号を増幅・補正して出力するもの、具体的には押出成形機において溶融樹脂等の圧力を計測する圧力センサからの信号を増幅・補正して出力するものであり、実施形態１と同様の構成については同一の符号を使用し、ここでの説明を省略若しくは簡略化する。

本実施形態のセンサ信号変換器２は、ゼロ点調整とフルスケール調整をさらに行うものである。

センサ信号変換器２のデジタル回路１２は、ゼロ点調整値算出処理部１２９と、Ｄ／Ａ変換部１２８と、フルスケール調整値算出処理部１２７と、を備える。
なお、ゼロ点調整値算出処理部１２９と、フルスケール調整値算出処理部１２７もデジタル補正回路を構成するものであり、ブロック図としてはそれぞれハードとして個別に存在するような記載であるが、汎用のＭＣＵ（Micro Controller Unit）等にてソフト的に構成されるものである。ただし、一部若しくは全部がハード的に構成されるものであってもよい。

ゼロ点調整値算出処理部１２９は、基準値、即ちある規準となる入力に対するセンサ素子１１５若しくはセンサ信号変換回路１１３又はアナログ出力生成部１１４の基準出力にズレがある場合に、これを調整するためのものであり、工場出荷前の調整時等に設定される値に基づいて、補正値を出力する。この補正値がＤ／Ａ変換部１２８によってＤ／Ａ変換され、センサ素子１１５の出力信号に対して加算される。これにより、センサ素子１１５の出力信号のゼロ点調整が行われる。なお、Ａ／Ｄ変換部１２１の入力点からゼロ点調整値算出処理部１２９へと接続される線は、工場出荷前の調整時等の設定値の算出処理にのみ使用されるものであり、調整処理動作自体には使用されない。

フルスケール調整値算出処理部１２７は、出力のスケールを調整するものであり、工場出荷前の調整時等に設定される値、即ち、ある規準となる入力に対するセンサ素子１１５若しくはセンサ信号変換回路１１３又はアナログ出力生成部１１４の出力が１００％となる倍率に基づいて、センサ信号変換回路１１３における増幅率を制御する。これにより、フルスケール調整が行われる。なお、アナログ出力生成部１１４の入力点からフルスケール調整値算出処理部１２７へと接続される線は、工場出荷前の調整時等の設定値の算出処理にのみ使用されるものであり、調整処理動作自体には使用されない。

以上のごとく、本実施形態のセンサ信号変換器２によれば、ゼロ点調整やフルスケール調整をデジタル回路によって行うため、回路構成の簡素化及び低コスト化が可能である。即ち、ゼロ点調整、フルスケール調整をアナログ回路で構成した場合、ボリュームなど手動で調整を行う必要があり、製造工程で工数が掛ってしまう。且つ、ボリュームは幾何的部品であるため信頼性も低く、ゼロ点調整、フルスケール調整に使用する温度ドリフト性能のよいボリュームを使用する場合はコストが高くなってしまうものであるが、本実施形態によればこのような問題を回避できる。
また、リニアライズ補正等の遅延が生じがちな補正値を算出するラインとは別系統としているため、ゼロ点調整やフルスケール調整を高速にて行うことができる。

各実施形態では、押出成形機において溶融樹脂等の圧力を計測する圧力センサからの信号を増幅・補正して出力するものを例としているが、本発明をこれに限るものではなく、各種のセンサに対して利用することが可能である。

また、各実施形態では、センサ信号変換器としてセンサ素子やセンサ部温度センサを備えているものを例として説明したが、センサ信号変換器とセンサが別体であり、センサからの信号が入力される入力部をセンサ信号変換器が有するようなものであってもよい。

１．．．センサ信号変換器
１１．．．アナログ回路
１１１．．．アナログ信号線
１１２．．．補正値アナログ信号線
１１５．．．センサ素子
１１６．．．センサ部温度センサ（温度検出部）
１２．．．デジタル回路
１２１．．．Ａ／Ｄ変換部
１２２．．．Ｄ／Ａ変換部
１２３．．．センサ部温度Ａ／Ｄ変換値補正部（デジタル補正回路）
１２４．．．回路部温度Ａ／Ｄ変換値補正部（デジタル補正回路）
１２５．．．リニアライズ補正部（デジタル補正回路）
１２６．．．補正量算出処理部（デジタル補正回路）
１３．．．回路部温度センサ（温度検出部）
１４．．．出力端子
２．．．センサ信号変換器
１２７．．．フルスケール調整値算出処理部（デジタル補正回路）
１２８．．．Ｄ／Ａ変換部
１２９．．．ゼロ点調整値算出処理部（デジタル補正回路）

Claims (8)

1. センサから入力される信号に基づくアナログ信号を出力端子へ出力するアナログ信号線と、
   前記アナログ信号線から得られるアナログ信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、
   前記Ａ／Ｄ変換部によって得られたデジタル信号に基づいて補正値算出処理を行うデジタル補正回路と、
   前記デジタル補正回路が算出した補正値をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換部と、
   前記Ｄ／Ａ変換部によって得られた補正値アナログ信号を前記アナログ信号に加算する補正値アナログ信号線と、
   を備え、
   前記デジタル補正回路が、ゼロ点補正処理を行うゼロ点調整値算出処理部と、フルスケール補正処理を行うフルスケール調整値算出処理部と、を備え、
   前記ゼロ点調整値算出処理部は、前記アナログ信号線上の、前記補正値アナログ信号線による加算点よりも上流側から入力を受け、前記補正値アナログ信号とは別系統で、前記アナログ信号にゼロ点補正値アナログ信号を加算し、
   前記フルスケール調整値算出処理部は、前記アナログ信号線上の、前記補正値アナログ信号線による加算点よりも下流側から入力を受け、前記補正値アナログ信号とは別系統で、前記アナログ信号の倍率変更をすることを特徴とするセンサ信号変換器。
2. 前記デジタル補正回路が、リニアライズ補正処理を行うことを特徴とする請求項１に記載のセンサ信号変換器。
3. 前記デジタル補正回路が、前記センサの近傍の温度を測定する温度検出部からの温度情報に基づき、センサの温度特性補正処理を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセンサ信号変換器。
4. 回路部近傍の温度を測定する温度検出部を備え、当該温度検出部からの温度情報に基づき、前記デジタル補正回路が、回路部の温度特性補正処理を行うことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載のセンサ信号変換器。
5. センサから入力される信号に基づくアナログ信号を出力端子へ出力し、
   前記センサからのアナログ信号をＡ／Ｄ変換することによって得られたデジタル信号に基づいてデジタル補正回路にて補正値算出処理を行い、
   前記算出された補正値デジタル信号をＤ／Ａ変換することによって得られた補正値アナログ信号を前記アナログ信号に加算し、
   前記補正値アナログ信号を前記アナログ信号に加算する加算点よりも上流側からの入力に基づいてゼロ点補正処理を行い、前記補正値アナログ信号とは別系統で、前記アナログ信号にゼロ点補正値アナログ信号を加算し、
   前記補正値アナログ信号を前記アナログ信号に加算する加算点よりも下流側からの入力に基づいてフルスケール補正処理を行い、前記補正値アナログ信号とは別系統で、前記アナログ信号の倍率変更をすることを特徴とするセンサ信号変換方法。
6. 前記デジタル補正回路が、リニアライズ補正処理を行うことを特徴とする請求項５に記載のセンサ信号変換方法。
7. 前記デジタル補正回路が、前記センサの近傍の温度を測定する温度検出部からの温度情報に基づき、センサの温度特性補正処理を行うことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のセンサ信号変換方法。
8. 前記デジタル補正回路が、回路部近傍の温度を測定する温度検出部からの温度情報に基づき、回路部の温度特性補正処理を行うことを特徴とする請求項５から請求項７の何れかに記載のセンサ信号変換方法。

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