WO2016208422A1 - 圧力測定装置、圧力測定方法及びプログラム - Google Patents

圧力測定装置、圧力測定方法及びプログラム Download PDF

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value
gain
pressure
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泰慶 趙
希世 廣部
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アルプス電気株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means

Definitions

  • the present invention relates to a pressure measuring device that measures pressure based on a detection result of a pressure sensor.
  • the pressure sensor is mainly used for measuring the pressure of fluid (air) and has been used in various industrial fields.
  • Patent Document 1 describes an example of a pressure sensor that detects an intake air pressure of an internal combustion engine for a vehicle. In recent years, it is also used for measuring atmospheric pressure in portable devices such as smartphones.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a pressure measuring device, a pressure measuring method, and a program capable of obtaining a pressure measurement value having a high resolution with a simple configuration.
  • a pressure measuring device is an amplifying unit that amplifies a pressure detection signal of a pressure sensor, the amplifying unit capable of changing the gain of the amplifying, and the amplifying unit and / or the amplifying unit.
  • An offset adjustment unit that adjusts an offset applied to the pressure detection signal in a previous circuit, and a processing unit that acquires a pressure measurement value based on an output value of the amplification unit.
  • the processing unit sets the offset adjusted by the offset adjustment unit to a predetermined value, sets the gain of the amplification unit to a first gain, and based on the output value of the amplification unit in the setting,
  • An offset determination process for determining the offset capable of bringing the output value of the amplification unit close to a reference value within a normal range, and the offset adjusted by the offset adjustment unit determined by the offset determination process
  • the gain of the amplifying unit is set to a second gain higher than the first gain, and a measurement value acquisition process is performed to acquire a pressure measurement value based on the output value of the amplifying unit in the setting
  • the offset adjusted by the offset adjustment unit is set to a predetermined value, and the gain of the amplification unit is set to the first gain. Then, based on the output value of the amplifying unit in the set state, the offset capable of bringing the output value of the amplifying unit close to a reference value within a normal range is determined.
  • the offset adjusted by the offset adjustment unit is set to the offset determined by the offset determination process, and the gain of the amplification unit is higher than the first gain. Set to gain. And the said pressure measurement value is acquired based on the output value of the said amplification part in the state of the setting.
  • the output value of the amplification unit is within the normal range, and the normal A pressure measurement is obtained. Therefore, it is possible to obtain a pressure measurement value with high resolution without using a plurality of pressure sensors having different sensitivities or increasing the bit width of the output value of the amplifying unit.
  • the processing unit determines a new offset in the offset determination process, and uses the new offset to perform the measurement.
  • Value acquisition processing may be performed. Thereby, it becomes possible to acquire a pressure measurement value with high resolution in a wide pressure range.
  • a first function may be defined as a function for converting an output value of the amplification unit when the amplification unit has the first gain into the pressure measurement value.
  • the processing unit A function determination process may be performed to determine a second function that is a function for converting the output value of the amplification unit having the second gain into the pressure measurement value.
  • the processing unit may convert the output value of the amplification unit into the pressure measurement value according to the second function determined by the function determination process. For example, in the function determination process, the processing unit may determine, as the second function, a linear function that uses a value of the derivative in the offset output value as a slope coefficient.
  • the derivative of the first function and the offset output value as a function for converting the output value of the amplification unit when the amplification unit has the second gain into the pressure measurement value.
  • the second function determined based on the above is used. Therefore, for example, accurate pressure measurement values can be obtained with simple processing without performing complicated processing such as selecting a function corresponding to the offset output value from a number of functions prepared in advance.
  • the amplifying unit is an amplifying circuit for amplifying the pressure detection signal, and an amplifying circuit capable of switching the gain of the amplification to the first gain or the second gain according to the setting of the processing unit; And an AD converter circuit for converting the output signal of the amplifier circuit into a digital signal.
  • the processing unit may acquire the digital signal of the AD conversion circuit as an output value of the amplification unit.
  • the offset adjustment unit may generate an offset adjustment signal according to the setting of the processing unit.
  • the amplifying circuit may amplify by adding an offset corresponding to the offset adjustment signal to the pressure detection signal.
  • a second aspect of the present invention relates to a pressure measurement method in which a computer acquires a pressure measurement value based on a result of amplifying a pressure detection signal of a pressure sensor.
  • the computer that can set the gain of an amplifying device that amplifies the pressure detection signal and the offset of the offset adjustment device that adjusts the offset added to the pressure detection signal is set by the computer.
  • the offset adjusted by the adjustment device is set to a predetermined value
  • the gain of the amplification device is set to a first gain
  • the output value of the amplification device is set based on the output value of the amplification device in the setting.
  • the gain of the amplification device is higher than the first gain Set 2 gain, and a measurement value acquisition step of acquiring pressure measurement based on the output value of the amplifier device in the setting.
  • the computer determines a new offset in the offset determination step, and uses the new offset to measure the measurement value.
  • An acquisition step may be performed. Thereby, it becomes possible to acquire a pressure measurement value with high resolution in a wide pressure range.
  • a first function may be defined as a function for converting an output value of the amplifier when the amplifier has the first gain into the pressure measurement value.
  • the pressure measuring method is based on a derivative of the first function and an offset output value that is an output value of the amplifying device used for determining the offset in the offset determining step.
  • a function determining step of determining a second function which is a function for converting an output value of the amplifier when the amplifier has the second gain into the pressure measurement value.
  • the computer may convert the output value of the amplification device into the pressure measurement value according to the second function determined in the function determination step.
  • the computer may determine a linear function having a value of the derivative in the offset output value as a slope coefficient as the second function.
  • the derivative of the first function and the offset output value as a function for converting the output value of the amplifier when the amplifier has the second gain into the pressure measurement value.
  • the second function determined based on the above is used. Therefore, an accurate pressure measurement value can be obtained with a simple procedure without going through a complicated procedure such as selecting a function corresponding to the offset output value from a number of functions prepared in advance.
  • a third aspect of the present invention is a program for causing a computer to execute the pressure measurement method according to the second aspect.
  • FIG. 2A shows the relationship between the pressure measured in the low resolution measurement mode and the output value of the amplification unit
  • FIG. 2B shows the relationship between the pressure measured in the high resolution measurement mode and the output value of the amplification unit.
  • FIG. 5A shows the relationship between the output value of the amplification unit and the pressure measurement value in the low resolution measurement mode
  • FIG. 5B shows the relationship between the output value of the amplification unit and the pressure measurement value in the high resolution measurement mode.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a pressure measurement device according to the first embodiment.
  • the pressure measurement device shown in FIG. 1 is a device that acquires a pressure measurement value PD based on a pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ ) obtained by the pressure sensor 1, and includes an amplification unit 2, an offset adjustment unit 3, It has a processing unit 4 and a storage unit 6.
  • the pressure sensor 1 has four sensor elements (R1 to R4) constituting a Wheatstone bridge and a current source 11.
  • the sensor elements R1 to R4 are, for example, resistance elements that detect pressure using the piezoresistance effect, and the resistance value changes according to the pressure.
  • a series circuit of sensor elements R1 and R2 and a series circuit of sensor elements R3 and R4 are connected in parallel, and a constant current is supplied from the current source 11 to the two series circuits connected in parallel.
  • the signal Sp + is output from the common connection node of the sensor elements R1 and R2, and the signal Sp ⁇ is output from the common connection node of the sensor elements R3 and R4.
  • a differential signal between the signal Sp + and the signal Sp ⁇ becomes a pressure detection signal of the pressure sensor 1.
  • the amplification unit 2 amplifies the pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ ) of the pressure sensor 1 and outputs the amplification result as an output value D.
  • the amplifying unit 2 changes the gain according to the gain setting signal S41 given from the processing unit 4. Further, the amplifying unit 2 adds an offset corresponding to the offset adjustment signal Sofs supplied from the offset adjusting unit 3 to the pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ ) and amplifies it.
  • the amplification unit 2 includes an amplification circuit 21 and an AD conversion circuit 22, for example, as shown in FIG.
  • the amplifier circuit 21 amplifies the pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ ) with a gain corresponding to the gain setting signal S41. For example, the amplifier circuit 21 switches the gain to “first gain G1” or “second gain G2” (G1 ⁇ G2) according to the gain setting signal S41. Further, the amplifier circuit 21 can change the offset that is added to the pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ ) and amplified in accordance with the offset adjustment signal Sofs. Thus, the offset of the amplifier circuit 21 can be adjusted so that the output signal Sa of the amplifier circuit 21 becomes equal to a predetermined reference level (for example, a voltage that is half the power supply voltage).
  • a predetermined reference level for example, a voltage that is half the power supply voltage
  • the AD conversion circuit 22 converts the output signal Sa of the amplification circuit 21 into an output value D that is a digital value having a predetermined bit length.
  • the output value D of the AD conversion circuit 22 becomes a predetermined reference value (for example, the median value of the output range).
  • the offset adjustment unit 3 is a circuit that adjusts an offset applied to the pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ ) in the amplification unit 2, and generates an offset adjustment signal Sofs corresponding to the offset adjustment value S42 given from the processing unit 4. To do.
  • the offset adjustment unit 3 includes, for example, a DA conversion circuit that converts an adjustment value S42 that is a digital signal into an offset adjustment signal Sofs that is an analog signal.
  • the processing unit 4 is a device that performs processing for obtaining the pressure measurement value PD based on the output value D of the amplification unit 2, and includes, for example, a computer that performs processing based on a program stored in the storage unit 6. Is done.
  • the processing unit 4 may perform all the processing by a computer, or may perform at least a part of the processing by dedicated hardware (ASIC or the like).
  • the processing unit 4 can acquire the pressure measurement value PD in two types of measurement modes (low resolution measurement mode and high resolution measurement mode) with different resolutions of measurement results.
  • the processing unit 4 switches the measurement mode according to, for example, a command input from a host device (not shown) or a user instruction input from a user interface device (not shown).
  • the processing unit 4 sets the gain of the amplification unit 2 to the “first gain G1” and adds to the pressure detection signals (Sp +, Sp ⁇ ).
  • the offset to be set is set to a predetermined value (for example, zero).
  • the processing unit 4 acquires the pressure measurement value PD based on the output value D of the amplification unit 2 obtained under this setting.
  • the processing unit 4 performs an offset determination process for determining an offset to be given to the pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ ), and pressure measurement at the determined offset.
  • a measurement value acquisition process for acquiring the value PD is performed.
  • the processing unit 4 sets the offset of the offset adjustment unit 3 to a predetermined value (for example, zero) and sets the gain of the amplification unit 2 to “first gain G1”. Based on the output value D of the amplification unit 2 obtained under this setting, the processing unit 4 brings the output value D of the amplification unit 2 close to a reference value within the normal output range (for example, the median value of the output range).
  • a possible offset adjustment value S42 is determined.
  • the processing unit 4 calculates the adjustment value S42 according to the output value D according to a predetermined calculation formula for converting the output value D of the amplification unit 2 into the adjustment value S42 of the offset adjustment unit 3.
  • the processing unit 4 may acquire the adjustment value S42 corresponding to the output value D by reading out and referring to the data table indicating the correspondence relationship between the output value D and the adjustment value S42 from the storage unit 6 or the like. .
  • the processing unit 4 sets the adjustment value S42 determined in the offset determination process in the offset adjustment unit 3, and sets the gain of the amplification unit 2 to “second gain G2”. S41 is output.
  • the processing unit 4 acquires the pressure measurement value PD based on the output value D of the amplification unit 2 obtained under this setting.
  • the processing unit 4 determines that the output value D of the amplification unit 2 deviates from the normal output range in the “high resolution measurement mode” (for example, the output signal Sa of the amplification circuit 21 exceeds the input range of the AD conversion circuit 22). When the output value D overflows), the offset determination process described above is performed again to determine a new offset adjustment value S42. The processing unit 4 performs a measurement value acquisition process using the new offset adjustment value S42.
  • the storage unit 6 is a device that stores a computer program included in the processing unit 4, constant data used in the process execution, temporary variable data, and the like, and includes a ROM, a RAM, a flash memory, and the like. Composed.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the pressure measured by the pressure measuring device according to the first embodiment and the output value D of the amplifying unit 2.
  • 2A shows the relationship between the pressure P and the output value D in the low resolution measurement mode
  • FIG. 2B shows the relationship between the pressure Pr and the output value D in the high resolution measurement mode.
  • the gain is increased by increasing the gain of the amplification unit 2 compared to the low resolution measurement mode, while the measurement range is narrowed.
  • the resolution is reduced to 1 / A when the low resolution measurement mode is switched to the high resolution measurement mode.
  • the measurement range is also narrowed to 1 / A.
  • the offset in the amplifying unit 2 is adjusted so that the output value D of the amplifying unit 2 does not deviate from the normal output range even if the measurement range becomes narrow in the high resolution measurement mode.
  • the output value D is substantially equal to a predetermined reference value included in a normal output range (for example, within the range from the minimum value that can be output by the AD conversion circuit 22 to the maximum value).
  • the offset added to the pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ ) is adjusted in the amplification unit 2 so as to be equal.
  • the output value D of the amplifier 2 is the reference value when the pressure P is “p1”.
  • the median value of the output range of the AD conversion circuit 22 is substantially equal.
  • the output value D of the amplifying unit 2 deviates from the reference value.
  • the processing unit 4 determines whether the currently set measurement mode is the “low resolution measurement mode” or the “high resolution measurement mode” (ST10). In the low resolution measurement mode, the processing unit 4 outputs the adjustment value S42 to the offset adjustment unit 3 so that the offset applied to the pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ ) becomes a predetermined value (for example, zero), and the amplification unit
  • the gain setting signal S41 is output so that the gain of 2 becomes the “first gain G1” (ST20).
  • the processing unit 4 reads the output value D (ST30) and acquires the pressure measurement value PD corresponding to the output value D (ST40). For example, the processing unit 4 calculates the pressure measurement value PD from the output value D based on a predetermined calculation formula.
  • the processing unit 4 determines whether a signal from an external device (higher level device, user interface device, etc.) instructing the end of measurement is input, and if the instruction is input The measurement operation is terminated (ST50). When continuing the measurement operation, the processing unit 4 determines whether a signal from an external device instructing to change the measurement mode is input. If the signal is input, the processing unit 4 returns to step ST10 to determine the measurement mode. Perform (ST60). When continuing the low resolution measurement mode, the processing unit 4 returns to step ST30 and repeats the same operation as described above to obtain the pressure measurement value PD.
  • an external device high level device, user interface device, etc.
  • step ST10 If it is determined in step ST10 that the measurement mode is the “high resolution measurement mode”, the processing unit 4 sets the offset adjustment unit so that the offset applied to the pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ ) becomes a predetermined value (for example, zero).
  • the adjustment value S42 is output to 3, and the gain setting signal S41 is output so that the gain of the amplification unit 2 becomes the “first gain G1” (ST70).
  • the processing unit 4 reads the output value D (ST80), and determines the offset of the amplification unit 2 according to the output value D (ST90).
  • the processing unit 4 sets the output value D of the amplification unit 2 when the gain is set to the “second gain G2” based on the output value D read in step ST80 as a predetermined reference value (for example, the AD conversion circuit 22).
  • An offset adjustment value S42 that approaches the median value of the output range is calculated.
  • the processing unit 4 When the offset adjustment value S42 is calculated, the processing unit 4 outputs the adjustment value S42 to the offset adjustment unit 3 and outputs the gain setting signal S41 so that the gain of the amplification unit 2 becomes the “second gain G2”. (ST100).
  • the processing unit 4 reads the output value D (ST110), and whether the output value D has overflowed (is within the normal output range). Is determined (ST120). If the output value D has overflowed, the processing unit 4 returns to step ST70, repeats the above-described processing, and again determines the offset of the amplification unit 2.
  • the processing unit 4 acquires a pressure measurement value PD corresponding to the output value D (ST130). For example, the processing unit 4 calculates the pressure measurement value PD from the output value D based on a predetermined calculation formula.
  • the processing unit 4 determines whether a signal from an external device instructing the end of measurement is input, and ends the measurement operation when the instruction is input (ST140). When continuing the measurement operation, the processing unit 4 determines whether a signal from an external device instructing to change the measurement mode is input. If the signal is input, the processing unit 4 returns to step ST10 to determine the measurement mode. Perform (ST150). When continuing the high resolution measurement mode, the processing unit 4 returns to step ST110 and repeats the same operation as described above to acquire the pressure measurement value PD.
  • the offset of the amplification unit 2 adjusted by the offset adjustment unit 3 in the offset determination processing (FIG. 4: ST70 to ST90) in the high resolution measurement mode is While being set to a predetermined value, the gain of the amplifying unit 2 is set to the first gain G1. Then, based on the output value D of the amplification unit 2 in the set state, the offset of the amplification unit 2 that can bring the output value D of the amplification unit 2 close to the reference value within the normal range is determined. Next, in the measurement value acquisition process (FIG.
  • the offset of the amplification unit 2 adjusted by the offset adjustment unit 3 is set to the offset determined by the offset determination process, and the amplification is performed.
  • the gain of the unit 2 is set to the second gain G2 higher than the first gain G1.
  • the pressure measurement value PD is acquired based on the output value D of the amplification part 2 in the set state.
  • the value PD can be obtained. Therefore, the pressure measurement value PD with high resolution can be obtained with a simple configuration without using a plurality of pressure sensors having different sensitivities or increasing the bit width of the output value D of the amplifier 2.
  • the pressure measurement device when the output value D of the amplification unit 2 deviates from the normal range in the measurement value acquisition process in the high resolution measurement mode (FIG. 9: ST120), the offset determination process (FIG. 4: ST70 to ST90), a new offset is determined, and measurement value acquisition processing (FIG. 4: ST100 to ST130) is performed using the new offset.
  • the offset of the amplifying unit 2 is adjusted following the change, so that a pressure measurement value PD with high resolution can be acquired in a wide pressure range.
  • the pressure measuring device according to the present embodiment is obtained by changing the operation related to the acquisition of the pressure measurement value PD of the processing unit 4 in the pressure measuring device shown in FIG. 1, and the other configuration is the same as the pressure measuring device shown in FIG. The same.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the output value D of the amplifying unit 2 and the pressure measurement value PD in the pressure measurement device according to the second embodiment.
  • FIG. 5A shows the relationship between the output value D and the pressure measurement value PD in the low resolution measurement mode
  • FIG. 5B shows the relationship between the output value D and the pressure measurement value PD in the high resolution measurement mode.
  • the pressure detection signals (Sp +, Sp ⁇ ) output from the sensor elements R1 to R4 of the pressure sensor 1 do not have a complete proportional relationship with the external pressure, and as shown in FIG. There may be a case where a nonlinear component proportional to the square or the third power is included. Therefore, the processing unit 4 of the pressure measuring device according to the present embodiment outputs the output of the amplifying unit 2 according to, for example, the first function F1 (D) shown below in the low resolution measurement mode in which the amplifying unit 2 has the first gain G1. The value D is converted into a pressure measurement value PD.
  • Equation (1) are coefficients of each term of the cubic polynomial, and are determined by actual measurement, for example.
  • the first function F1 (D) in the equation (1) is for the low resolution measurement mode and cannot be used as it is.
  • the first function F1 (D) in the equation (1) is for the low resolution measurement mode and cannot be used as it is.
  • the output value D (“X” in FIG. 5A) of the low resolution measurement mode used for determining the offset of the amplification unit 2 in the high resolution measurement mode changes, the first function F1.
  • the range corresponding to the measurement range in the high resolution measurement mode moves on the curve (D). Therefore, when “X” changes, the function for converting the output value D in the high resolution measurement mode into the pressure measurement value PD changes accordingly.
  • a method of determining the above function in the high resolution measurement mode for example, a method of dividing the range of the output value D in the low resolution measurement mode into a plurality of sections and determining a function to be used in the high resolution measurement mode for each section is considered. It is done.
  • this method has the disadvantage that it is necessary to store the coefficient values of a plurality of functions in the storage unit 6 and a storage area for that purpose is required. Further, if the division of the output value D is rough, there is a disadvantage that the error of the pressure measurement value PD becomes large.
  • the output value D in the high resolution measurement mode is once converted into the output value D in the low resolution measurement mode, and the low resolution measurement mode is converted using the first function F1 (D) of the equation (1).
  • a method is also conceivable in which the pressure measurement value PD is calculated and converted again into the pressure measurement value PD in the high resolution measurement mode.
  • this method has the disadvantage that the calculation process is complicated, and the bit width of the output value D becomes large in the calculation of the first function F1 (D), so that the calculation load becomes heavy.
  • the processing unit 4 of the pressure measuring device uses the derivative FA1 (D) of the first function F1 (D) and the output value D of the amplifying unit 2 used for offset determination in the offset determination processing.
  • a function determination process for determining the second function F2 (D) is performed.
  • the second function F2 (D) is a function for converting the output value D of the amplification unit 2 into the pressure measurement value PD when the amplification unit 2 has the second gain G2 in the high resolution measurement mode. It is expressed by a formula.
  • the derivative FA1 (D) of the first function F1 (D) is expressed by the following equation.
  • the second function F2 (D) is a linear function with the output value D as a variable.
  • the slope coefficient “3a * X 2 + 2b * X + c” of the second function F2 (D) is equal to the value of the derivative FA1 (D) in the offset output value X (FIG. 5A). Therefore, the slope of the second function F2 (D) is equal to the slope of the first function F1 (D) in the vicinity of the offset output value X.
  • the processing unit 4 determines whether the currently set measurement mode is the “low resolution measurement mode” or the “high resolution measurement mode” (ST10). In the case of the low resolution measurement mode, the processing unit 4 performs the same processing as steps ST20 to ST60 in FIG. However, in step ST40A in which the pressure measurement value PD is acquired based on the output value D, the pressure measurement value PD is calculated based on the first function F1 (D) of Expression (1).
  • step ST10 determines the offset of the amplification unit 2 in the high resolution measurement mode by the offset determination process (ST70 to ST90) similar to FIG. decide. Further, the processing unit 4 of the pressure measuring device according to the present embodiment calculates the slope coefficient “3a * X 2 + 2b * X + c” of the second function F2 (D) shown in Expression (4) (ST95).
  • the processing unit 4 acquires the pressure measurement value PD in the high resolution measurement mode by the measurement value acquisition processing (ST100 to ST130) similar to FIG. .
  • the pressure measurement value PD is calculated based on the second function F2 (D) determined in step ST95.
  • the output value D of the amplification unit 2 when the amplification unit 2 has the second gain G2 in the high resolution measurement mode is converted into the pressure measurement value PD.
  • the second function F2 (D) determined based on the derivative FA1 (D) of the first function F1 (D) and the offset output value X is used. Therefore, for example, accurate pressure measurement values PD can be obtained by simple processing without performing complicated processing such as selecting a function corresponding to the offset output value X from a number of functions prepared in advance.
  • the offset added to the pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ ) is adjusted in the amplification circuit 21 of the amplification unit 2, but the present invention is not limited to this example.
  • the upstream circuit 5 of the amplifying unit 2 adds an offset to the pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ )
  • the offset may be adjusted in the upstream circuit 5.
  • the preceding circuit 5 adds an offset corresponding to the offset adjustment signal Sofs of the offset adjustment unit 3 to the pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ ).
  • the offset by the internal circuit may be adjusted according to the offset adjustment signal Sofs. Further, both the offset applied to the pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ ) by the amplifier 2 and the offset applied to the pressure detection signal (Sp +, Sp ⁇ ) in the preceding stage circuit 5 may be adjusted.
  • a pressure measurement value may be acquired based on a pressure detection signal from a pressure sensor using a sensor element in which another physical quantity (for example, capacitance) changes according to pressure. .

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Abstract

まずオフセット決定処理において、オフセット調整部３により調整される増幅部２のオフセットが所定の値に設定されるとともに、増幅部２のゲインが第１ゲインＧ１に設定される。そして、その設定の状態における増幅部２の出力値Ｄに基づいて、増幅部２の出力値Ｄを正常範囲内の基準値へ近づけることが可能な増幅部２のオフセットが決定される。次に測定値取得処理において、オフセット調整部３により調整される増幅部２のオフセットがオフセット決定処理で決定されたオフセットに設定されるとともに、増幅部２のゲインが第１ゲインＧ１より高い第２ゲインＧ２に設定される。そして、その設定の状態における増幅部２の出力値Ｄに基づいて、圧力測定値ＰＤが取得される。

Description

圧力測定装置、圧力測定方法及びプログラム
　本発明は、圧力センサの検出結果に基づいて圧力を測定する圧力測定装置に関するものである。
　圧力センサは、主に流体（空気）の圧力を測定する用途で、従来より様々な産業分野の機器に使用されている。下記の特許文献１には、車両用内燃機関の吸入空気圧力を検出する圧力センサの例が記載されている。また近年では、スマートフォン等の携帯機器において大気圧を測定する用途にも使用されている。
特開２００９－１６８６１６号公報
　上記特許文献１に記載される装置では、圧力の検出に要求される線形特性の傾きが異なる２つの圧力センサの圧力検出信号から、要求される直線性に近く、検出誤差が小さい方の圧力検出信号が選択され、計測値が決定される。しかしながら、上記のように２つの圧力センサを搭載することは、スペースに限りがあるスマートフォンのような小型の携帯機器において不利であり、消費電力が大きくなるという問題がある。
　他方、スマートフォン等の携帯機器の分野では、より高い分解能で大気圧を検出したいという要望がある。この場合も、上記特許文献１に記載される装置のように、感度が異なる２つの圧力センサを搭載することが考えられるが、小型化や省電力化の点で問題がある。また、１つの圧力センサで高い測定分解能が得られるように、デジタル出力のビット幅を大きくすることも考えられるが、ＡＤ変換回路のサイズの増大、演算回路の規模の増大、消費電力の増大、ＡＤ変換時間の増大といった問題がある。
　本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成でありながら分解能の高い圧力測定値が得られる圧力測定装置、圧力測定方法及びプログラムを提供することにある。
　本発明の第１の観点に係る圧力測定装置は、圧力センサの圧力検出信号を増幅する増幅部であって、当該増幅のゲインを変更可能な増幅部と、前記増幅部及び／又は前記増幅部の前段の回路において前記圧力検出信号に加えられるオフセットを調整するオフセット調整部と、前記増幅部の出力値に基づいて圧力測定値を取得する処理部とを有する。前記処理部は、前記オフセット調整部により調整される前記オフセットを所定の値に設定するとともに、前記増幅部のゲインを第１ゲインに設定し、当該設定における前記増幅部の出力値に基づいて、前記増幅部の出力値を正常範囲内の基準値へ近づけることが可能な前記オフセットを決定するオフセット決定処理、及び、前記オフセット調整部により調整される前記オフセットを前記オフセット決定処理で決定されたオフセットに設定するとともに、前記増幅部のゲインを前記第１ゲインより高い第２ゲインに設定し、当該設定における前記増幅部の出力値に基づいて圧力測定値を取得する測定値取得処理を行う
　上記の構成によれば、まず前記オフセット決定処理において、前記オフセット調整部により調整される前記オフセットが所定の値に設定されるとともに、前記増幅部のゲインが前記第１ゲインに設定される。そして、その設定の状態における前記増幅部の出力値に基づいて、前記増幅部の出力値を正常範囲内の基準値へ近づけることが可能な前記オフセットが決定される。次に前記測定値取得処理において、前記オフセット調整部により調整される前記オフセットが前記オフセット決定処理で決定されたオフセットに設定されるとともに、前記増幅部のゲインが前記第１ゲインより高い前記第２ゲインに設定される。そして、その設定の状態における前記増幅部の出力値に基づいて、前記圧力測定値が取得される。その結果として、前記増幅部のゲインを相対的に低い前記第１ゲインから相対的に高い前記第２ゲインへ変更しても、前記増幅部の出力値が前記正常範囲内に収まり、正常な前記圧力測定値が得られる。従って、感度の異なる複数の圧力センサを使用したり、前記増幅部の出力値のビット幅を大きくしたりせずとも、分解能の高い圧力測定値を取得することが可能となる。
　好適に、前記処理部は、前記測定値取得処理において前記増幅部の出力値が前記正常範囲から逸脱した場合、前記オフセット決定処理において新たなオフセットを決定し、当該新たなオフセットを用いて前記測定値取得処理を行ってよい。
　これにより、広い圧力範囲で分解能の高い圧力測定値を取得することが可能となる。
　好適に、前記増幅部が前記第１ゲインを持つ場合の前記増幅部の出力値を前記圧力測定値へ変換するための関数として、第１関数が定められていてよい。この場合において、前記処理部は、前記第１関数の導関数と、前記オフセット決定処理において前記オフセットの決定に用いた前記増幅部の出力値であるオフセット出力値とに基づいて、前記増幅部が前記第２ゲインを持つ場合の前記増幅部の出力値を前記圧力測定値へ変換するための関数である第２関数を決定する関数決定処理をおこなってよい。前記測定値取得処理では、前記処理部は、前記増幅部の出力値を、前記関数決定処理により決定された前記第２関数に従って前記圧力測定値に変換してよい。
　例えば、前記処理部は、前記関数決定処理において、前記オフセット出力値における前記導関数の値を傾き係数とする一次関数を前記第２関数として決定してよい。
　上記の構成によれば、前記増幅部が前記第２ゲインを持つ場合の前記増幅部の出力値を前記圧力測定値へ変換するための関数として、前記第１関数の導関数と前記オフセット出力値とに基づいて決定された前記第２関数が用いられる。従って、例えば予め準備した多数の関数の中から前記オフセット出力値に応じた関数を選択するような複雑な処理をせずとも、簡易な処理で精度のよい圧力測定値が得られる。
　好適に、前記増幅部は、前記圧力検出信号を増幅する増幅回路であって、前記処理部の設定に応じて前記増幅のゲインを前記第１ゲイン又は前記第２ゲインに切り換え可能な増幅回路と、前記増幅回路の出力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路とを含んでよい。前記処理部は、前記ＡＤ変換回路の前記デジタル信号を前記増幅部の出力値として取得してよい。
　好適に、前記オフセット調整部は、前記処理部の設定に応じたオフセット調整信号を生成してよい。前記増幅回路は、前記オフセット調整信号に応じたオフセットを前記圧力検出信号に加えて増幅してよい。
　本発明の第２の観点は、圧力センサの圧力検出信号を増幅した結果に基づいて、コンピュータが圧力測定値を取得する圧力測定方法に関するものである。上記圧力測定方法は、前記圧力検出信号の増幅を行う増幅装置のゲイン、及び、前記圧力検出信号に加えられるオフセットの調整を行うオフセット調整装置の当該オフセットをそれぞれ設定可能な前記コンピュータが、前記オフセット調整装置により調整される前記オフセットを所定の値に設定するとともに、前記増幅装置のゲインを第１ゲインに設定し、当該設定における前記増幅装置の出力値に基づいて、前記増幅装置の出力値を正常範囲内の基準値へ近づけることが可能な前記オフセットを決定するオフセット決定ステップと、前記コンピュータが、前記オフセット調整装置により調整される前記オフセットを前記オフセット決定ステップで決定されたオフセットに設定するとともに、前記増幅装置のゲインを前記第１ゲインより高い第２ゲインに設定し、当該設定における前記増幅装置の出力値に基づいて圧力測定値を取得する測定値取得ステップとを有する。
　上記の構成によれば、前記増幅装置のゲインを相対的に低い前記第１ゲインから相対的に高い前記第２ゲインへ変更しても、前記増幅装置の出力値が前記正常範囲内に収まり、正常な前記圧力測定値が得られる。従って、感度の異なる複数の圧力センサを使用したり、前記増幅装置の出力値のビット幅を大きくしたりせずとも、分解能の高い圧力測定値を取得することが可能となる。
　好適に、前記測定値取得ステップにおいて前記増幅装置の出力値が前記正常範囲から逸脱した場合、前記コンピュータが、前記オフセット決定ステップにおいて新たなオフセットを決定し、当該新たなオフセットを用いて前記測定値取得ステップを実行してよい。
　これにより、広い圧力範囲で分解能の高い圧力測定値を取得することが可能となる。
　好適に、前記増幅装置が前記第１ゲインを持つ場合の前記増幅装置の出力値を前記圧力測定値へ変換するための関数として、第１関数が定められていてよい。この場合において、上記圧力測定方法は、前記コンピュータが、前記第１関数の導関数と、前記オフセット決定ステップにおいて前記オフセットの決定に用いた前記増幅装置の出力値であるオフセット出力値とに基づいて、前記増幅装置が前記第２ゲインを持つ場合の前記増幅装置の出力値を前記圧力測定値へ変換するための関数である第２関数を決定する関数決定ステップを更に有してよい。前記測定値取得ステップでは、前記コンピュータが、前記増幅装置の出力値を、前記関数決定ステップにより決定された前記第２関数に従って前記圧力測定値に変換してよい。
　例えば、前記関数決定ステップでは、前記コンピュータが、前記オフセット出力値における前記導関数の値を傾き係数とする一次関数を前記第２関数として決定してよい。
　上記の構成によれば、前記増幅装置が前記第２ゲインを持つ場合の前記増幅装置の出力値を前記圧力測定値へ変換するための関数として、前記第１関数の導関数と前記オフセット出力値とに基づいて決定された前記第２関数が用いられる。従って、例えば予め準備した多数の関数の中から前記オフセット出力値に応じた関数を選択するような複雑な手順を経ずともも、簡易な手順で精度のよい圧力測定値が得られる。
　本発明の第３の観点は、上記第２の観点に係る圧力測定方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
　本発明によれば、簡易な構成でありながら分解能の高い圧力測定値を得ることができる。
第１の実施形態に係る圧力測定装置の構成の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る圧力測定装置において測定される圧力と増幅部の出力値との関係を示す図である。図２Ａは低分解能測定モードにおいて測定される圧力と増幅部の出力値との関係を示し、図２Ｂは高分解能測定モードにおいて測定される圧力と増幅部の出力値との関係を示す。 第１の実施形態に係る圧力測定装置の動作を説明するための第１のフローチャートである。 第１の実施形態に係る圧力測定装置の動作を説明するための第２のフローチャートである。 第２の実施形態に係る圧力測定装置における増幅部の出力値と圧力測定値との関係を示す図である。図５Ａは低分解能測定モードにおける増幅部の出力値と圧力測定値との関係を示し、図５Ｂは高分解能測定モードにおける増幅部の出力値と圧力測定値との関係を示す。 第２の実施形態に係る圧力測定装置の動作を説明するための第１のフローチャートである。 第２の実施形態に係る圧力測定装置の動作を説明するための第２のフローチャートである。 本発明の実施形態に係る圧力測定装置の構成の一変形例を示す図である。
＜第１の実施形態＞
　以下、本発明の第１の実施形態に係る圧力測定装置について図面を参照しながら説明する。
　図１は、第１の実施形態に係る圧力測定装置の構成の一例を示す図である。図１に示す圧力測定装置は、圧力センサ１において得られた圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）に基づいて圧力測定値ＰＤを取得する装置であり、増幅部２と、オフセット調整部３と、処理部４と、記憶部６を有する。
　圧力センサ１は、図１の例において、ホイートストンブリッジを構成する４つのセンサ素子（Ｒ１～Ｒ４）と電流源１１を有する。センサ素子Ｒ１～Ｒ４は、例えば、ピエゾ抵抗効果を利用して圧力を検出する抵抗素子であり、圧力に応じて抵抗値が変化する。センサ素子Ｒ１及びＲ２の直列回路とセンサ素子Ｒ３及びＲ４の直列回路とが並列に接続されており、この並列接続された２つの直列回路に電流源１１から一定の電流が供給される。センサ素子Ｒ１及びＲ２の共通接続ノードから信号Ｓｐ＋が出力され、センサ素子Ｒ３及びＲ４の共通接続ノードから信号Ｓｐ－が出力される。信号Ｓｐ＋と信号Ｓｐ－の差動信号が、圧力センサ１の圧力検出信号となる。
　増幅部２は、圧力センサ１の圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）を増幅し、その増幅結果を出力値Ｄとして出力する。増幅部２は、処理部４から与えられるゲイン設定信号Ｓ４１に応じてゲインを変更する。また、増幅部２は、オフセット調整部３から供給されるオフセット調整信号Ｓｏｆｓに応じたオフセットを圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）に加えて増幅する。
　増幅部２は、例えば図１に示すように、増幅回路２１とＡＤ変換回路２２を有する。
　増幅回路２１は、ゲイン設定信号Ｓ４１に応じたゲインで圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）を増幅する。例えば、増幅回路２１は、ゲイン設定信号Ｓ４１に応じてゲインを「第１ゲインＧ１」又は「第２ゲインＧ２」（Ｇ１＜Ｇ２）に切り替える。また、増幅回路２１は、圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）に加算して増幅するオフセットを、オフセット調整信号Ｓｏｆｓに応じて変化させることが可能である。これにより、増幅回路２１の出力信号Ｓａが所定の基準レベル（例えば電源電圧の半分の電圧）と等しくなるように、増幅回路２１のオフセットを調整することができる。
　ＡＤ変換回路２２は、増幅回路２１の出力信号Ｓａを所定ビット長のデジタル値である出力値Ｄに変換する。増幅回路２１の出力信号Ｓａが所定の基準レベルのとき、ＡＤ変換回路２２の出力値Ｄが所定の基準値（例えば出力範囲の中央値）となる。
　オフセット調整部３は、増幅部２において圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）に加えられるオフセットを調整する回路であり、処理部４から与えられるオフセットの調整値Ｓ４２に応じたオフセット調整信号Ｓｏｆｓを生成する。オフセット調整部３は、例えば、デジタル信号である調整値Ｓ４２をアナログ信号であるオフセット調整信号Ｓｏｆｓへ変換するＤＡ変換回路を含んで構成される。
　処理部４は、増幅部２の出力値Ｄに基づいて圧力測定値ＰＤを取得する処理を行う装置であり、例えば記憶部６に格納されるプログラムに基づいて処理を実行するコンピュータを含んで構成される。処理部４は、全ての処理をコンピュータによって行ってもよいし、少なくとも一部の処理を専用のハードウェア（ＡＳＩＣ等）で行ってもよい。
　処理部４は、測定結果の分解能が異なる２種類の測定モード（低分解能測定モード，高分解能測定モード）で圧力測定値ＰＤを取得することができる。処理部４は、例えば、不図示の上位装置から入力されるコマンドや、不図示のユーザインターフェース装置において入力されるユーザの指示に従って測定モードを切り替える。
　測定結果の分解能が比較的低い「低分解能測定モード」の場合、処理部４は、増幅部２のゲインを「第１ゲインＧ１」に設定するとともに、圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）に加えられるオフセットを所定の値（例えばゼロ）に設定する。処理部４は、この設定の元で得られた増幅部２の出力値Ｄに基づいて、圧力測定値ＰＤを取得する。
　他方、測定結果の分解能が比較的高い「高分解能測定モード」の場合、処理部４は、圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）に与えるオフセットを決定するオフセット決定処理と、決定したオフセットにおいて圧力測定値ＰＤを取得する測定値取得処理を行う。
　まず処理部４は、オフセット決定処理において、オフセット調整部３のオフセットを所定の値（例えばゼロ）に設定するとともに、増幅部２のゲインを「第１ゲインＧ１」に設定する。処理部４は、この設定の元で得られた増幅部２の出力値Ｄに基づいて、増幅部２の出力値Ｄを正常な出力範囲内の基準値（例えば出力範囲の中央値）へ近づけることが可能なオフセットの調整値Ｓ４２を決定する。例えば、処理部４は、増幅部２の出力値Ｄをオフセット調整部３の調整値Ｓ４２へ変換する所定の計算式を従って、出力値Ｄに応じた調整値Ｓ４２を算出する。或いは、処理部４は、出力値Ｄと調整値Ｓ４２との対応関係を示すデータテーブルを記憶部６等から読み出して参照することにより、出力値Ｄに対応する調整値Ｓ４２を取得してもよい。
　次に処理部４は、測定値取得処理において、オフセット決定処理で決定した調整値Ｓ４２をオフセット調整部３に設定するとともに、増幅部２のゲインを「第２ゲインＧ２」に設定するゲイン設定信号Ｓ４１を出力する。処理部４は、この設定の元で得られた増幅部２の出力値Ｄに基づいて、圧力測定値ＰＤを取得する。
　なお、処理部４は、「高分解能測定モード」において増幅部２の出力値Ｄが正常な出力範囲から逸脱した場合（例えば、増幅回路２１の出力信号ＳａがＡＤ変換回路２２の入力レンジを超えることで出力値Ｄがオーバーフローした場合）、上述したオフセット決定処理を再び行って、新たなオフセットの調整値Ｓ４２を決定する。処理部４は、この新たなオフセットの調整値Ｓ４２を用いて測定値取得処理を行う。
　記憶部６は、処理部４に含まれるコンピュータのプログラムや、処理の実行過程で使用される定数データ、一時的な変数データなどを記憶する装置であり、ＲＯＭやＲＡＭ、フラッシュメモリなどを含んで構成される。
　ここで、上述した構成を有する本実施形態に係る圧力測定装置の動作を説明する。
　図２は、第１の実施形態に係る圧力測定装置において測定される圧力と増幅部２の出力値Ｄとの関係を示す図である。図２Ａは低分解能測定モードにおける圧力Ｐと出力値Ｄとの関係を示し、図２Ｂは高分解能測定モードにおける圧力Ｐｒと出力値Ｄとの関係を示す。
　高分解能測定モードでは、低分解能測定モードに比べて増幅部２のゲインが大きくなることにより分解能が向上する一方、測定レンジが狭くなる。例えば第２ゲインＧ２が第１ゲインＧ１のＡ倍であるとすると（Ｇ２＝Ａ×Ｇ１）、低分解能測定モードから高分解能測定モードへ切り替わった場合に、分解能は１／Ａまで細かくなるが、測定レンジも１／Ａに狭くなる。本実施形態に係る圧力測定装置では、高分解能測定モードにおいて測定レンジが狭くなっても増幅部２の出力値Ｄが正常な出力範囲から外れないようにするため、増幅部２におけるオフセットが調整される。すなわち、本実施形態に係る圧力測定装置では、出力値Ｄが正常な出力範囲内（例えばＡＤ変換回路２２の出力可能な最小値から最大値までの範囲内）に含まれる所定の基準値とほぼ等しくなるように、増幅部２において圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）に加えられるオフセットが調整される。
　例えば図２Ａにおいて示すように圧力Ｐが「ｐ１」の状態で低分解能測定モードから高分解能測定モードに切り替わった場合、増幅部２の出力値Ｄは、圧力Ｐが「ｐ１」のときに基準値（例えばＡＤ変換回路２２の出力範囲の中央値）とほぼ等しくなる。圧力Ｐが「ｐ１」からずれると、増幅部２の出力値Ｄは基準値からずれることになるが、正常な出力範囲内であれば、「ｐ１」からの圧力差（Ｐ－ｐ１）に応じた値となる。すなわち、出力値Ｄは、「ｐ１」からの相対的な圧力Ｐｒ（＝Ｐ－ｐ１）に応じた値となる。このとき出力値Ｄが表わす圧力Ｐｒの分解能は、低分解能測定モードに比べて細かくなる。
　図３及び図４は、第１の実施形態に係る圧力測定装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
　処理部４は、現在設定されている測定モードが「低分解能測定モード」であるか「高分解能測定モード」であるかを判定する（ＳＴ１０）。低分解能測定モードの場合、処理部４は、圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）に加えるオフセットが所定値（例えばゼロ）となるようにオフセット調整部３へ調整値Ｓ４２を出力するとともに、増幅部２のゲインが「第１ゲインＧ１」となるようにゲイン設定信号Ｓ４１を出力する（ＳＴ２０）。この設定の元で増幅部２の出力値Ｄが生成されると、処理部４はその出力値Ｄを読み込み（ＳＴ３０）、出力値Ｄに応じた圧力測定値ＰＤを取得する（ＳＴ４０）。例えば処理部４は、所定の計算式に基づいて、出力値Ｄから圧力測定値ＰＤを算出する。
　圧力測定値ＰＤの算出後、処理部４は、測定の終了を指示する外部機器（上位装置、ユーザインターフェース装置など）からの信号が入力されているか判定し、当該指示が入力されている場合は測定動作を終了する（ＳＴ５０）。測定動作を継続する場合、処理部４は、測定モードの変更を指示する外部機器からの信号が入力されいるか判定し、当該信号が入力されている場合はステップＳＴ１０に戻って測定モードの判定を行う（ＳＴ６０）。低分解能測定モードを継続する場合、処理部４は、ステップＳＴ３０に戻って上述と同様の動作を繰り返し、圧力測定値ＰＤを取得する。
　ステップＳＴ１０において測定モードが「高分解能測定モード」であると判定した場合、処理部４は、圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）に加えるオフセットが所定値（例えばゼロ）となるようにオフセット調整部３へ調整値Ｓ４２を出力するとともに、増幅部２のゲインが「第１ゲインＧ１」となるようにゲイン設定信号Ｓ４１を出力する（ＳＴ７０）。この設定の元で増幅部２の出力値Ｄが生成されると、処理部４はその出力値Ｄを読み込み（ＳＴ８０）、出力値Ｄに応じた増幅部２のオフセットを決定する（ＳＴ９０）。すなわち、処理部４は、ステップＳＴ８０で読み込んだ出力値Ｄに基づいて、ゲインを「第２ゲインＧ２」に設定したときの増幅部２の出力値Ｄが所定の基準値（例えばＡＤ変換回路２２の出力範囲の中央値）に近づくようなオフセットの調整値Ｓ４２を算出する。
　オフセットの調整値Ｓ４２を算出すると、処理部４は、この調整値Ｓ４２をオフセット調整部３へ出力するとともに、増幅部２のゲインが「第２ゲインＧ２」となるようにゲイン設定信号Ｓ４１を出力する（ＳＴ１００）。この設定の元で増幅部２の出力値Ｄが生成されると、処理部４はその出力値Ｄを読み込み（ＳＴ１１０）、出力値Ｄがオーバーフローを生じていないか（正常な出力範囲内にあるか）を判定する（ＳＴ１２０）。出力値Ｄがオーバーフローを生じている場合、処理部４はステップＳＴ７０に戻り、上述した処理を繰り返して増幅部２のオフセットを再度決定する。出力値Ｄがオーバーフローを生じていない場合、処理部４は、出力値Ｄに応じた圧力測定値ＰＤを取得する（ＳＴ１３０）。例えば処理部４は、所定の計算式に基づいて、出力値Ｄから圧力測定値ＰＤを算出する。
　圧力測定値ＰＤの算出後、処理部４は、測定の終了を指示する外部機器からの信号が入力されているか判定し、当該指示が入力されている場合は測定動作を終了する（ＳＴ１４０）。測定動作を継続する場合、処理部４は、測定モードの変更を指示する外部機器からの信号が入力されいるか判定し、当該信号が入力されている場合はステップＳＴ１０に戻って測定モードの判定を行う（ＳＴ１５０）。高分解能測定モードを継続する場合、処理部４は、ステップＳＴ１１０に戻って上述と同様の動作を繰り返し、圧力測定値ＰＤを取得する。
　以上説明したように、本実施形態に係る圧力測定装置によれば、高分解能測定モードのオフセット決定処理（図４：ＳＴ７０～ＳＴ９０）において、オフセット調整部３により調整される増幅部２のオフセットが所定の値に設定されるとともに、増幅部２のゲインが第１ゲインＧ１に設定される。そして、その設定の状態における増幅部２の出力値Ｄに基づいて、増幅部２の出力値Ｄを正常範囲内の基準値へ近づけることが可能な増幅部２のオフセットが決定される。次に高分解能測定モードの測定値取得処理（図４：ＳＴ１００～ＳＴ１３０）において、オフセット調整部３により調整される増幅部２のオフセットがオフセット決定処理で決定されたオフセットに設定されるとともに、増幅部２のゲインが第１ゲインＧ１より高い第２ゲインＧ２に設定される。そして、その設定の状態における増幅部２の出力値Ｄに基づいて、圧力測定値ＰＤが取得される。その結果、増幅部２のゲインを相対的に低い第１ゲインＧ１から相対的に高い第２ゲインＧ２へ変更しても、増幅部２の出力値Ｄが正常範囲内に収まり、正常な圧力測定値ＰＤを得ることができる。従って、感度の異なる複数の圧力センサを使用したり、増幅部２の出力値Ｄのビット幅を大きくしたりせずとも、簡易な構成で分解能の高い圧力測定値ＰＤを取得することができる。
　また、本実施形態に係る圧力測定装置によれば、高分解能測定モードの測定値取得処理において増幅部２の出力値Ｄが正常範囲から逸脱した場合（図９：ＳＴ１２０）、オフセット決定処理（図４：ＳＴ７０～ＳＴ９０）において新たなオフセットを決定され、当該新たなオフセットを用いて測定値取得処理（図４：ＳＴ１００～ＳＴ１３０）が行われる。これにより、圧力が変化する場合であっても、その変化に追従して増幅部２のオフセットが調整されるため、広い圧力範囲で分解能の高い圧力測定値ＰＤを取得できる。
＜第２の実施形態＞
　次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る圧力測定装置は、図１に示す圧力測定装置における処理部４の圧力測定値ＰＤの取得に係わる動作を変更したものであり、他の構成は図１に示す圧力測定装置と同じである。
　図５は、第２の実施形態に係る圧力測定装置における増幅部２の出力値Ｄと圧力測定値ＰＤとの関係を示す図である。図５Ａは低分解能測定モードにおける出力値Ｄと圧力測定値ＰＤとの関係を示し、図５Ｂは高分解能測定モードにおける出力値Ｄと圧力測定値ＰＤとの関係を示す。
　圧力センサ１のセンサ素子Ｒ１～Ｒ４において出力される圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）は、外界の圧力に対して完全な比例関係を有しておらず、図５Ａにおいて示すように、圧力の２乗や３乗に比例する非線形成分を含む場合がある。そこで、本実施形態に係る圧力測定装置の処理部４は、増幅部２が第１ゲインＧ１を持つ低分解能測定モードにおいて、例えば次式に示す第１関数Ｆ１（Ｄ）により増幅部２の出力値Ｄを圧力測定値ＰＤへ変換する。
　Ｆ１（Ｄ）＝ａ＊Ｄ３＋ｂ＊Ｄ２＋ｃ＊Ｄ＋ｄ　　…（１）
　式（１）における「ａ」，「ｂ」，「ｃ」，「ｄ」は、３次多項式の各項の係数であり、例えば実測定によって決定される。
　高分解能測定モードにおいても、増幅部２の出力値Ｄを圧力測定値ＰＤへ変換するための同様な関数が必要である。しかしながら、式（１）の第１関数Ｆ１（Ｄ）は低分解能測定モード用のものであり、そのままでは使用できない。また、図５から分かるように、高分解能測定モードにおいて増幅部２のオフセットを決定するために用いられる低分解能測定モードの出力値Ｄ（図５Ａにおける「Ｘ」）が変化すると、第１関数Ｆ１（Ｄ）の曲線上において高分解能測定モードの測定レンジに対応する範囲が移動する。そのため、「Ｘ」が変化すると、それに応じて高分解能測定モードの出力値Ｄを圧力測定値ＰＤへ変換するための関数も変化してしまう。
　高分解能測定モードにおける上記の関数を定める方法として、例えば、低分解能測定モードにおける出力値Ｄの範囲を複数の区分に分割し、区分ごとに高分解能測定モードで使用すべき関数を決める方法が考えられる。しかしながら、この方法では、複数の関数の係数値を記憶部６に保持させる必要があり、そのための記憶領域が必要になるという不利益がある。また、出力値Ｄの区分の分割が粗いと圧力測定値ＰＤの誤差が大きくなるという不利益もある。
　上記とは別の方法として、高分解能測定モードにおける出力値Ｄを低分解能測定モードにおける出力値Ｄに一旦変換し、式（１）の第１関数Ｆ１（Ｄ）を用いて低分解能測定モードの圧力測定値ＰＤを算出し、これを高分解能測定モードの圧力測定値ＰＤに再度変換する方法も考えられる。しかしながら、この方法では計算過程が複雑になるという不利益や、第１関数Ｆ１（Ｄ）の計算において出力値Ｄのビット幅が大きくなるため計算負荷が重くなるという不利益もある。
　そこで、本実施形態に係る圧力測定装置の処理部４は、第１関数Ｆ１（Ｄ）の導関数ＦＡ１（Ｄ）と、オフセット決定処理においてオフセットの決定に用いた増幅部２の出力値Ｄであるオフセット出力値Ｘ（図５Ａ）とに基づいて、第２関数Ｆ２（Ｄ）を決定する関数決定処理を行う。第２関数Ｆ２（Ｄ）は、高分解能測定モードにおいて増幅部２が第２ゲインＧ２を持つ場合に増幅部２の出力値Ｄを圧力測定値ＰＤへ変換するための関数であり、例えば次の式で表わされる。
　Ｆ２（Ｄ）＝｛ＦＡ１（Ｘ）｝＊Ｄ　　…（２）
　第１関数Ｆ１（Ｄ）の導関数ＦＡ１（Ｄ）は、次の式で表わされる。
　ＦＡ１（Ｄ）＝３ａ＊Ｄ２＋２ｂ＊Ｄ＋ｃ　　…（３）
　式（３）を式（２）へ代入すると、第２関数Ｆ２（Ｄ）は次の式で表わされる。
　Ｆ２（Ｄ）＝（３ａ＊Ｘ２＋２ｂ＊Ｘ＋ｃ）＊Ｄ　　…（４）
　式（４）に示すように、第２関数Ｆ２（Ｄ）は、出力値Ｄを変数とする一次関数である。この第２関数Ｆ２（Ｄ）の傾き係数「３ａ＊Ｘ２＋２ｂ＊Ｘ＋ｃ」は、オフセット出力値Ｘ（図５Ａ）における導関数ＦＡ１（Ｄ）の値と等しい。そのため、第２関数Ｆ２（Ｄ）の傾きは、オフセット出力値Ｘの近傍における第１関数Ｆ１（Ｄ）の傾きと等しい。
　図６及び図７は、第２の実施形態に係る圧力測定装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
　処理部４は、現在設定されている測定モードが「低分解能測定モード」であるか「高分解能測定モード」であるかを判定する（ＳＴ１０）。低分解能測定モードの場合、処理部４は、図３におけるステップＳＴ２０～ＳＴ６０と同様の処理を行う。ただし、出力値Ｄに基づいて圧力測定値ＰＤを取得するステップＳＴ４０Ａでは、式（１）の第１関数Ｆ１（Ｄ）に基づいて圧力測定値ＰＤを算出する。
　ステップＳＴ１０において測定モードが「高分解能測定モード」であると判定した場合、処理部４は、図４と同様のオフセット決定処理（ＳＴ７０～ＳＴ９０）により、高分解能測定モードにおける増幅部２のオフセットを決定する。また、本実施形態に係る圧力測定装置の処理部４は、式（４）に示す第２関数Ｆ２（Ｄ）の傾き係数「３ａ＊Ｘ２＋２ｂ＊Ｘ＋ｃ」を算出する（ＳＴ９５）。
　増幅部２のオフセットと第２関数Ｆ２（Ｄ）を決定すると、処理部４は、図４と同様の測定値取得処理（ＳＴ１００～ＳＴ１３０）により、高分解能測定モードの圧力測定値ＰＤを取得する。ただし、出力値Ｄに基づいて圧力測定値ＰＤを取得するステップＳＴ１３０Ａでは、ステップＳＴ９５で決定した第２関数Ｆ２（Ｄ）に基づいて圧力測定値ＰＤを算出する。
　以上説明したように、本実施形態に係る圧力測定装置によれば、高分解能測定モードにおいて増幅部２が第２ゲインＧ２を持つ場合の増幅部２の出力値Ｄを圧力測定値ＰＤへ変換するための関数として、第１関数Ｆ１（Ｄ）の導関数ＦＡ１（Ｄ）とオフセット出力値Ｘとに基づいて決定された第２関数Ｆ２（Ｄ）が用いられる。従って、例えば予め準備した多数の関数の中からオフセット出力値Ｘに応じた関数を選択するような複雑な処理をせずとも、簡易な処理で精度のよい圧力測定値ＰＤを得ることが出来る。
　なお、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、種々のバリエーションを含んでいる。
　上述した実施形態では、増幅部２の増幅回路２１において圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）に加えるオフセットを調整しているが、本発明はこの例に限定されない。例えば図８において示すように、増幅部２の前段の回路５が圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）にオフセットを加える場合には、その前段の回路５においてオフセットの調整を行ってもよい。図８の例では、前段の回路５が、オフセット調整部３のオフセット調整信号Ｓｏｆｓに応じたオフセットを圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）に加える。なお、圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）にオフセットを加える回路が圧力センサの内部に組み込まれている場合は、その内部回路によるオフセットをオフセット調整信号Ｓｏｆｓに応じて調整してもよい。また、増幅部２によって圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）に加えるオフセットと、前段の回路５において圧力検出信号（Ｓｐ＋，Ｓｐ－）に加えるオフセットの両方を調整してもよい。
　上述した実施形態では、圧力に応じて抵抗値が変わるセンサ素子（Ｒ１～Ｒ４）を用いた圧力センサ１を例に挙げているが、本発明はこれに限定されない。本発明の他の実施形態では、圧力に応じて他の物理量（例えば静電容量など）が変化するセンサ素子を用いた圧力センサからの圧力検出信号に基づいて圧力測定値を取得してもよい。
１…圧力センサ、１１…電流源、２…増幅部、２１…増幅回路、２２…ＡＤ変換回路、３…オフセット調整部、４…処理部、５…前段の回路、６…記憶部、Ｄ…出力値、ＰＤ…圧力測定値、Ｓｏｆｓ…オフセット調整信号、Ｓｐ＋，Ｓｐ－…圧力検出信号、Ｘ…オフセット出力値。

Claims (11)

  1. 　圧力センサの圧力検出信号を増幅する増幅部であって、当該増幅のゲインを変更可能な増幅部と、
    　前記増幅部及び／又は前記増幅部の前段の回路において前記圧力検出信号に加えられるオフセットを調整するオフセット調整部と、
    　前記増幅部の出力値に基づいて圧力測定値を取得する処理部とを有し、
    　前記処理部は、
    　　前記オフセット調整部により調整される前記オフセットを所定の値に設定するとともに、前記増幅部のゲインを第１ゲインに設定し、当該設定における前記増幅部の出力値に基づいて、前記増幅部の出力値を正常範囲内の基準値へ近づけることが可能な前記オフセットを決定するオフセット決定処理、及び、
    　　前記オフセット調整部により調整される前記オフセットを前記オフセット決定処理で決定されたオフセットに設定するとともに、前記増幅部のゲインを前記第１ゲインより高い第２ゲインに設定し、当該設定における前記増幅部の出力値に基づいて圧力測定値を取得する測定値取得処理を行う
    　ことを特徴とする圧力測定装置。
  2. 　前記処理部は、前記測定値取得処理において前記増幅部の出力値が前記正常範囲から逸脱した場合、前記オフセット決定処理において新たなオフセットを決定し、当該新たなオフセットを用いて前記測定値取得処理を行う
    　ことを特徴とする請求項１に記載の圧力測定装置。
  3. 　前記増幅部が前記第１ゲインを持つ場合の前記増幅部の出力値を前記圧力測定値へ変換するための関数として第１関数が定められている場合において、
    　前記処理部は、
    　　前記第１関数の導関数と、前記オフセット決定処理において前記オフセットの決定に用いた前記増幅部の出力値であるオフセット出力値とに基づいて、前記増幅部が前記第２ゲインを持つ場合の前記増幅部の出力値を前記圧力測定値へ変換するための関数である第２関数を決定する関数決定処理を行い、
    　　前記測定値取得処理では、前記増幅部の出力値を、前記関数決定処理により決定された前記第２関数に従って前記圧力測定値に変換する
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力測定装置。
  4. 　前記処理部は、前記関数決定処理において、前記オフセット出力値における前記導関数の値を傾き係数とする一次関数を前記第２関数として決定する
    　ことを特徴とする請求項３に記載の圧力測定装置。
  5. 　前記増幅部は、
    　　前記圧力検出信号を増幅する増幅回路であって、前記処理部の設定に応じて前記増幅のゲインを前記第１ゲイン又は前記第２ゲインに切り換え可能な増幅回路と、
    　　前記増幅回路の出力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路とを含み、
    　前記処理部は、前記ＡＤ変換回路の前記デジタル信号を前記増幅部の出力値として取得する
    　ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の圧力測定装置。
  6. 　前記オフセット調整部は、前記処理部の設定に応じたオフセット調整信号を生成し、
    　前記増幅回路は、前記オフセット調整信号に応じたオフセットを前記圧力検出信号に加えて増幅する
    　ことを特徴とする請求項５に記載の圧力測定装置。
  7. 　圧力センサの圧力検出信号を増幅した結果に基づいて、コンピュータが圧力測定値を取得する圧力測定方法であって、
    　前記圧力検出信号の増幅を行う増幅装置のゲイン、及び、前記圧力検出信号に加えられるオフセットの調整を行うオフセット調整装置の当該オフセットをそれぞれ設定可能な前記コンピュータが、前記オフセット調整装置により調整される前記オフセットを所定の値に設定するとともに、前記増幅装置のゲインを第１ゲインに設定し、当該設定における前記増幅装置の出力値に基づいて、前記増幅装置の出力値を正常範囲内の基準値へ近づけることが可能な前記オフセットを決定するオフセット決定ステップと、
    　前記コンピュータが、前記オフセット調整装置により調整される前記オフセットを前記オフセット決定ステップで決定されたオフセットに設定するとともに、前記増幅装置のゲインを前記第１ゲインより高い第２ゲインに設定し、当該設定における前記増幅装置の出力値に基づいて圧力測定値を取得する測定値取得ステップとを有する
    　ことを特徴とする圧力測定方法。
  8. 　前記測定値取得ステップにおいて前記増幅装置の出力値が前記正常範囲から逸脱した場合、前記コンピュータが、前記オフセット決定ステップにおいて新たなオフセットを決定し、当該新たなオフセットを用いて前記測定値取得ステップを実行する
    　ことを特徴とする請求項７に記載の圧力測定方法。
  9. 　前記増幅装置が前記第１ゲインを持つ場合の前記増幅装置の出力値を前記圧力測定値へ変換するための関数として第１関数が定められている場合において、
    　前記コンピュータが、前記第１関数の導関数と、前記オフセット決定ステップにおいて前記オフセットの決定に用いた前記増幅装置の出力値であるオフセット出力値とに基づいて、前記増幅装置が前記第２ゲインを持つ場合の前記増幅装置の出力値を前記圧力測定値へ変換するための関数である第２関数を決定する関数決定ステップを更に有し、
    　前記測定値取得ステップでは、前記コンピュータが、前記増幅装置の出力値を、前記関数決定ステップにより決定された前記第２関数に従って前記圧力測定値に変換する
    　ことを特徴とする請求項７又は８に記載の圧力測定方法。
  10. 　前記関数決定ステップでは、前記コンピュータが、前記オフセット出力値における前記導関数の値を傾き係数とする一次関数を前記第２関数として決定する
    　ことを特徴とする請求項９に記載の圧力測定方法。
  11. 　請求項７乃至１０の何れか一項に記載された圧力測定方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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