WO2021205942A1

WO2021205942A1 - 信号処理回路および荷重検出装置

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Publication number: WO2021205942A1
Application number: PCT/JP2021/013520
Authority: WO
Inventors: 康介山本
Original assignee: ミネベアミツミ株式会社
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2021-10-14
Also published as: EP4134647A1; EP4134647A4; JP2021167741A; CN115362357A

Abstract

信号処理回路は、対象物の荷重を検出する信号処理回路であって、対象物の荷重により検出値が変化するように設けられた第１の物理センサの第１の出力値と、対象物の荷重により検出値が変化しないように設けられ、第１の物理センサと同一の電気的特性を有する第２の物理センサの第２の出力値とを取得し、第１の出力値と、第２出力値との差分値を、対象物の荷重を表す出力値として算出する。

Description

信号処理回路および荷重検出装置

　本発明は、信号処理回路および荷重検出装置に関する。

　下記特許文献１には、圧電効果を有するひずみセンサを備えたセンサノードにおいて、ひずみセンサの静電容量の減少率に基づいて、歪みセンサの劣化度を推定し、ひずみセンサの劣化度に応じた補正値を用いて、ひずみ計測値を算出する技術が開示されている。

特開２０１７－３３７０号公報

　しかしながら、特許文献１の技術は、歪みセンサの劣化度を推定するゆえに、歪みセンサの劣化度を正確に算出できるものではないため、ひずみ計測値をより高精度に算出することができない。

　一実施形態に係る信号処理回路は、対象物の荷重を検出する信号処理回路であって、対象物の荷重により検出値が変化するように設けられた第１の物理センサの第１の出力値と、対象物の荷重により検出値が変化しないように設けられ、第１の物理センサと同一の電気的特性を有する第２の物理センサの第２の出力値とを取得し、第１の出力値と、第２出力値との差分値を、対象物の荷重を表す出力値として算出する。

　一実施形態に係る信号処理回路によれば、物理センサの検出値の経時変化が考慮された、高精度な荷重検出値を算出することができる。

一実施形態に係る荷重検出装置の構成図一実施形態に係る第１の歪みセンサおよび第２の歪みセンサの出力特性を示す図一実施形態に係る第１の歪みセンサおよび第２の歪みセンサの出力電圧値の経時的変化を示す図一実施形態に係る第１の出力電圧値と第２の出力電圧値との差分値の経時的変化を示す図一実施形態に係る信号処理回路による処理の手順を示すフローチャート

　以下、図面を参照して、一実施形態について説明する。

　（荷重検出装置１０の構成）
　図１は、一実施形態に係る荷重検出装置１０の構成を示す図である。図１に示す荷重検出装置１０は、対象物５０の荷重を検出する装置である。図１に示すように、荷重検出装置１０は、第１の歪みセンサ１２、第２の歪みセンサ１４、ＡＦＥチップ２０、および信号処理回路３０を備える。

　第１の歪みセンサ１２は、「第１の物理センサ」の一例であり、歪み量に応じて抵抗値（検出値）が変化する、抵抗変化型の歪みセンサである。第１の歪みセンサ１２は、対象物５０に荷重が加わって歪みが生じた場合、当該第１の歪みセンサ１２の抵抗値（以下、「第１の抵抗値」と示す）が変化するように、対象物５０に対して固定的に設置される。対象物５０に対する第１の歪みセンサ１２の固定には、例えば、両面テープ、接着剤等が用いられる。これにより、第１の歪みセンサ１２は、対象物５０に荷重が加わって歪みが生じた場合、第１の抵抗値が変化する。例えば、第１の歪みセンサ１２は、対象物５０の歪みに伴って伸張した場合、対象物５０の歪み量に応じて、第１の抵抗値が増加する。反対に、第１の歪みセンサ１２は、対象物５０の歪みに伴って縮小した場合、対象物５０の歪み量に応じて、第１の抵抗値が減少する。

　第２の歪みセンサ１４は、「第２の物理センサ」の一例であり、歪み量に応じて抵抗値（検出値）が変化する、抵抗変化型の歪みセンサである。第２の歪みセンサ１４は、第１の歪みセンサ１２と同一の電気的特性を有するものが用いられる。また、第２の歪みセンサ１４は、第１の歪みセンサ１２と抵抗値の経時変化量が同一のものが用いられる。第２の歪みセンサ１４は、対象物５０に荷重が加わって歪みが生じた場合であっても、当該第２の歪みセンサ１４の抵抗値（以下、「第２の抵抗値」と示す）が変化しないように設置される。例えば、第２の歪みセンサ１４は、対象物５０の歪みの影響を受けないケース内に設置される、対象物５０から離間して設置される、等により、対象物５０に荷重が加わって歪みが生じた場合であっても、第２の抵抗値が変化しないように設置される。

　なお、図示を省略するが、第１の歪みセンサ１２は、ブリッジ回路等を構成することにより、当該第１の歪みセンサ１２の第１の抵抗値に応じた電圧値（以下、「第１の出力電圧値」と示す）を、「第１の出力値」の一例として出力できるように構成されている。

　同様に、第２の歪みセンサ１４は、ブリッジ回路等を構成することにより、当該第２の歪みセンサ１４の第２の抵抗値に応じた電圧値（以下、「第２の出力電圧値」と示す）を、「第２の出力値」の一例として出力できるように構成されている。

　ＡＦＥ（Analog Front End）チップ２０は、第１の歪みセンサ１２および第２の歪みセンサ１４と、信号処理回路３０との間に接続される集積回路である。図１に示すように、ＡＦＥチップ２０は、マルチプレクサ（ＭＵＸ）２２、増幅器（ＡＭＰ）２４、およびＡ－Ｄコンバータ（ＡＤＣ）２６を備える。

　マルチプレクサ２２の入力端子は、第１の歪みセンサ１２の出力端子と、第２の歪みセンサ１４の出力端子とに接続されている。マルチプレクサ２２の出力端子は、増幅器２４の入力端子に接続されている。マルチプレクサ２２は、第１の歪みセンサ１２から出力された第１の出力電圧値と、第２の歪みセンサ１４から出力された第２の出力電圧値とを、選択的に切り替えて増幅器２４へ出力する。

　増幅器２４の入力端子は、マルチプレクサ２２の出力端子に接続されている。増幅器２４の出力端子は、Ａ－Ｄコンバータ２６の入力端子に接続されている。増幅器２４は、マルチプレクサ２２から出力された第１の出力電圧値および第２の出力電圧値を増幅して、Ａ－Ｄコンバータ２６へ出力する。

　Ａ－Ｄコンバータ２６の入力端子は、増幅器２４の出力端子に接続されている。Ａ－Ｄコンバータ２６の出力端子は、信号処理回路３０の入力端子に接続されている。Ａ－Ｄコンバータ２６は、増幅器２４から出力された第１の出力電圧値および第２の出力電圧値を、アナログ信号からデジタル信号に変換して、信号処理回路３０へ出力する。

　信号処理回路３０の入力端子は、Ａ－Ｄコンバータ２６の出力端子に接続されている。信号処理回路３０の出力端子は、荷重検出装置１０の利用目的に応じて、外部装置６０（例えば、マイコンを想定しているが、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、タブレット端末、サーバ等であってもよい）へ、有線または無線を介して接続される。

　信号処理回路３０は、Ａ－Ｄコンバータ２６から出力された第１の出力電圧値および第２の出力電圧値に基づいて、対象物５０の荷重を表す荷重検出値を算出する。そして、信号処理回路３０は、算出された荷重検出値を外部装置６０へ出力する。具体的には、信号処理回路３０は、第１の出力電圧値と第２出力電圧値との差分値を、対象物５０の荷重を表す荷重検出値として算出する。

　上記したとおり、第２の歪みセンサ１４は、対象物５０に荷重が加えられた場合であっても第２の抵抗値が変化しないように設けられており、且つ、第１の歪みセンサ１２の第１の出力電圧値の経時変化量と、第２の歪みセンサ１４の第２の出力電圧値の経時変化量とは同一である。このため、信号処理回路３０は、第１の出力電圧値から第２の出力電圧値を減算することにより、第１の出力電圧値の経時変化量が、第２の出力電圧値の経時変化量によって相殺された、荷重検出値を算出することができる。

　なお、信号処理回路３０は、例えば、ＡＦＥ（Analog Front End）チップ２０上に設けられたプロセッサ、メモリ等によって実現される。

　（第１の歪みセンサ１２および第２の歪みセンサ１４の出力特性）
　図２は、一実施形態に係る第１の歪みセンサ１２および第２の歪みセンサ１４の出力特性を示す図である。図２に示すグラフにおいて、横軸は、対象物５０に加えられた荷重を示し、縦軸は、第１の歪みセンサ１２および第２の歪みセンサ１４の出力電圧値を示す。

　なお、図２に示すグラフにおいて、実線は、第１の歪みセンサ１２の第１の出力電圧値を示す。また、点線は、基準用として使用される第２の歪みセンサ１４の第２の出力電圧値を示す。また、破線は、第２の歪みセンサ１４が第２の抵抗値が変化しないように設置された場合の、第２の歪みセンサ１４の第２の出力電圧値を示す。

　図２において実線で示すように、第１の歪みセンサ１２は、対象物５０に固定されて設置されるため、対象物５０に加えられた荷重が増加するにつれて、第１の出力電圧値が一定の減少率で減少する。

　また、図２において点線で示すように、第２の歪みセンサ１４は、第１の歪みセンサ１２と同一の電気的特性を有するため、仮に、対象物５０に固定されて設置された場合、対象物５０に加えられた荷重が増加するにつれて、第２の出力電圧値が一定の減少率（第１の出力電圧値の減少率と同じ減少率）で減少する。

　ただし、本実施形態の荷重検出装置１０においては、第２の歪みセンサ１４は、対象物５０に荷重が加わって歪みが生じた場合であっても、第２の出力電圧値が変化しないように設置される。このため、図２において破線で示すように、本実施形態の荷重検出装置１０においては、第２の歪みセンサ１４の第２の出力電圧値は、対象物５０に加えられた荷重の変化に関わらず、一定である。

　（第１の歪みセンサ１２および第２の歪みセンサ１４の出力電圧値の経時的変化）
　図３は、一実施形態に係る第１の歪みセンサ１２および第２の歪みセンサ１４の出力電圧値の経時的変化を示す図である。図３に示すグラフにおいて、横軸は、時間を示し、縦軸は、第１の歪みセンサ１２および第２の歪みセンサ１４の出力電圧値を示す。なお、図３は、対象物に対して一定の荷重を加えた条件での、第１の歪みセンサ１２および第２の歪みセンサ１４の出力電圧値を示す。このため、図３では、第１の歪みセンサ１２の出力電圧値と第２の歪みセンサ１４の出力電圧値との間に、一定の荷重に応じた差分が生じている。

　図４は、一実施形態に係る第１の出力電圧値と第２の出力電圧値との差分値の経時的変化を示す図である。図４に示すグラフにおいて、横軸は、時間を示し、縦軸は、第１の出力電圧値と第２の出力電圧値との差分値を示す。

　第１の歪みセンサ１２および第２の歪みセンサ１４は、互いに同一の電気的特性を有し、且つ、互いに同一のプロセスで製造されたものである。このため、図３に示すように、第１の歪みセンサ１２の第１の出力電圧値および第２の歪みセンサ１４の第２の出力電圧値は、経時的変化により、時間が経過するにつれて、互いに同一の減少率で減少する。それゆえ、図４に示すように、対象物５０に対して一定の荷重を加えたとき、第１の出力電圧値と第２の歪みセンサ１４との差分値は、時間経過に関わらず、一定である。

　（信号処理回路３０による処理の手順）
　図５は、一実施形態に係る信号処理回路３０による処理の手順を示すフローチャートである。

　まず、信号処理回路３０は、Ａ－Ｄコンバータ２６から出力された第１の出力電圧値を取得する（ステップＳ５０１）。ここで、信号処理回路３０は、マルチプレクサ２２の出力を第１の出力電圧値に切り替えることにより、Ａ－Ｄコンバータ２６から第１の出力電圧値を出力させることができる。

　次に、信号処理回路３０は、Ａ－Ｄコンバータ２６から出力された第２の出力電圧値を取得する（ステップＳ５０２）。ここで、信号処理回路３０は、マルチプレクサ２２の出力を第２の出力電圧値に切り替えることにより、Ａ－Ｄコンバータ２６から第２の出力電圧値を出力させることができる。

　そして、信号処理回路３０は、ステップＳ５０１で取得された第１の電圧値と、ステップＳ５０２で取得された第２の電圧値との差分値を、対象物５０の荷重を表す荷重検出値として算出する（ステップＳ５０３）。これによって算出される荷重検出値は、第１の出力電圧値の経時変化量が、第２の出力電圧値の経時変化量によって相殺されたものであり、対象物５０の荷重を高精度に表すものである。

　その後、信号処理回路３０は、ステップＳ５０３で算出された荷重検出値を外部装置６０へ出力し、図５に示す一連の処理を終了する。

　以上説明したように、一実施形態に係る信号処理回路３０は、対象物５０の荷重を検出する信号処理回路３０であって、対象物５０の歪みにより抵抗値が変化するように設けられた抵抗変化型の第１の歪みセンサ１２の第１の出力電圧値と、対象物５０の歪みにより抵抗値が変化しないように設けられ、第１の歪みセンサ１２と同一の電気的特性を有する抵抗変化型の第２の歪みセンサ１４の第２の出力電圧値とを取得し、第１の出力電圧値と、第２出力電圧値との差分値を、対象物５０の荷重を表す荷重検出値として算出する。

　これにより、一実施形態に係る信号処理回路３０は、第１の出力電圧値の経時変化量が、第２の出力電圧値の経時変化量によって相殺された、高精度な荷重検出値を算出することができる。

　特に、一実施形態に係る信号処理回路３０において、第１の歪みセンサ１２の第１の出力電圧値、および、第２の歪みセンサ１４の第２の出力電圧値は、経時変化量が互いに等しい。

　これにより、一実施形態に係る信号処理回路３０は、第１の出力電圧値の経時変化量が、第２の出力電圧値の経時変化量によってより確実に相殺された、より高精度な荷重検出値を算出することができる。

　また、一実施形態に係る荷重検出装置１０は、対象物５０の荷重を検出する荷重検出装置１０であって、対象物５０の荷重により抵抗値が変化するように設けられた抵抗変化型の第１の歪みセンサ１２と、対象物５０の歪みにより抵抗値が変化しないように設けられ、第１の歪みセンサ１２と同一の電気的特性を有する抵抗変化型の第２の歪みセンサ１４と、第１の歪みセンサ１２の第１の出力電圧値と、第２の歪みセンサ１４の第２出力電圧値との差分値を、対象物５０の荷重を表す荷重検出値として算出する信号処理回路３０とを備える。

　これにより、一実施形態に係る荷重検出装置１０は、第１の出力電圧値の経時変化量が、第２の出力電圧値の経時変化量によって相殺された、高精度な荷重検出値を算出することができる。

　特に、一実施形態に係る荷重検出装置１０において、第１の歪みセンサ１２の第１の出力電圧値、および、第２の歪みセンサ１４の第２の出力電圧値は、経時変化量が互いに等しい。

　これにより、一実施形態に係る荷重検出装置１０は、第１の出力電圧値の経時変化量が、第２の出力電圧値の経時変化量によってより確実に相殺された、より高精度な荷重検出値を算出することができる。

　また、一実施形態に係る荷重検出装置１０は、第１の歪みセンサ１２の第１の出力電圧値と、第２の歪みセンサ１４の第２の出力電圧値とを、選択的に切り替えて信号処理回路３０へ出力するマルチプレクサ２２をさらに備える。

　これにより、一実施形態に係る荷重検出装置１０は、第１の歪みセンサ１２の第１の出力電圧値と、第２の歪みセンサ１４の第２の出力電圧値とを信号処理回路３０へ供給する機能を、比較的簡単な回路構成によって実現することができる。

　なお、一実施形態に係る荷重検出装置１０は、温度補正機能をさらに備える。これにより、一実施形態に係る荷重検出装置１０は、第１の歪みセンサ１２および第２の歪みセンサ１４のセンサ出力値を、温度センサによって検出された温度によって補正することができ、よって、荷重検出値をより高精度に算出することができる。

　また、一実施形態に係る荷重検出装置１０は、ＡＦＥチップ２０に格納されている第２の出力電圧値の初期値と、第２の歪みセンサ１４によって検出された第２の出力電圧値の現在値との差分に基づいて、第１の歪みセンサ１２および第２の歪みセンサ１４の劣化度を算出することができる。さらに、一実施形態に係る荷重検出装置１０は、算出された劣化度に応じて傾向を促すように構成することも可能である。

　以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。

　例えば、荷重検出装置１０の回路構成は、図１に示したものに限らない。すなわち、荷重検出装置１０の回路構成は、少なくとも、第１の出力電圧値および第２の出力電圧値が信号処理回路３０に入力される回路構成であれば、如何なる回路構成であってもよい。例えば、荷重検出装置１０は、増幅器２４を有しない構成であってもよい。

　また、「第１の物理センサ」および「第２の物理センサ」は、対象物の荷重により検出値が変化し、且つ、対象物の荷重により検出値が変化しないように設置可能なものであれば、如何なるセンサであってもよい。

　本国際出願は、２０２０年４月９日に出願した日本国特許出願第２０２０－０７０４７５号に基づく優先権を主張するものであり、当該出願の全内容を本国際出願に援用する。

　１０　荷重検出装置
　１２　第１の歪みセンサ（第１の物理センサ）
　１４　第２の歪みセンサ（第２の物理センサ）
　２０　ＡＦＥチップ
　２２　マルチプレクサ
　２４　増幅器
　２６　Ａ－Ｄコンバータ
　３０　信号処理回路
　５０　対象物
　６０　外部装置

Claims

　対象物の荷重を検出する信号処理回路であって、
　前記対象物の荷重により検出値が変化するように設けられた第１の物理センサの第１の出力値と、
　前記対象物の荷重により検出値が変化しないように設けられ、前記第１の物理センサと同一の電気的特性を有する第２の物理センサの第２の出力値と
　を取得し、
　前記第１の出力値と、前記第２の出力値との差分値を、前記対象物の荷重を表す荷重検出値として算出する
　ことを特徴とする信号処理回路。
　前記第１の物理センサの前記第１の出力値、および、前記第２の物理センサの前記第２の出力値は、経時変化量が互いに等しい
　ことを特徴とする請求項１に記載の信号処理回路。
　前記荷重検出値は、前記第１の物理センサおよび前記第２の物理センサの経時劣化によるセンサ出力値の変動分が除去されたものである
　ことを特徴とする請求項２に記載の信号処理回路。
　対象物の荷重を検出する荷重検出装置であって、
　前記対象物の荷重により検出値が変化するように設けられた第１の物理センサと、
　前記対象物の荷重により検出値が変化しないように設けられ、前記第１の物理センサと同一の電気的特性を有する第２の物理センサと、
　前記第１の物理センサの第１の出力値と、前記第２の物理センサの第２の出力値との差分値を、前記対象物の荷重を表す荷重検出値として算出する信号処理回路と
　を備えることを特徴とする荷重検出装置。
　前記第１の物理センサの前記第１の出力値、および、前記第２の物理センサの前記第２の出力値は、経時変化量が互いに等しい
　ことを特徴とする請求項４に記載の荷重検出装置。
　前記荷重検出値は、前記第１の物理センサおよび前記第２の物理センサの経時劣化によるセンサ出力値の変動分が除去されたものである
　ことを特徴とする請求項５に記載の荷重検出装置。
　前記第１の物理センサの前記第１の出力値と、前記第２の物理センサの前記第２の出力値とを、選択的に切り替えて前記信号処理回路へ出力するマルチプレクサをさらに備える
　ことを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の荷重検出装置。