(57)【要約】【課題】大気圧成分Ｐ０と圧力変化分ΔＰとの圧力比ΔＰ／Ｐ０の誤差成分の影響を低減することができる圧力センサを提供する。【解決手段】圧力センサは、圧力検出部１０で取得された圧力信号を第１増幅率で増幅して第１増幅信号を取得する第１オペアンプ２１と、圧力信号を第２増幅率で増幅して第２増幅信号を取得する第２オペアンプ２２と、を備えている。また、第１増幅信号から大気圧信号を取得する第１フィルタ部３０と、第２増幅信号から圧力変化成分を有するフィルタ信号を取得する第２フィルタ部４０と、を備えている。また、第２フィルタ部４０から入力したフィルタ信号に対して第１増幅率と第２増幅率との差に応じた信号調整を行うことにより変化分信号を取得する信号調整部５０を備えている。さらに、圧力変化成分を大気圧成分で割ることにより変化率信号を取得する除算部６０を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧に応じた大気圧成分と、前記大気圧とは異なる圧力による前記大気圧との圧力変化に応じた圧力変化成分と、を含んだ圧力を、前記大気圧成分の圧力範囲に対応した圧力検出レンジで検出して圧力信号を出力する圧力検出部（１０）と、
前記圧力信号を入力し、前記圧力信号を前記大気圧成分に応じた第１増幅率で増幅することにより第１増幅信号を取得する一方、前記圧力信号を前記第１増幅率よりも大きいと共に前記圧力変化成分に応じた第２増幅率で増幅することにより第２増幅信号を取得する増幅部（２０）と、
前記第１増幅信号を入力し、当該第１増幅信号から前記圧力変化成分を除去することにより前記大気圧成分を有する大気圧信号を取得する第１フィルタ部（３０）と、
前記第２増幅信号を入力し、当該第２増幅信号から前記圧力変化成分を抽出することにより前記圧力変化成分を有するフィルタ信号を取得する第２フィルタ部（４０）と、
前記第２フィルタ部（４０）から前記フィルタ信号を入力し、前記フィルタ信号に対して前記第１増幅率と前記第２増幅率との差に応じた信号調整を行うことにより変化分信号を取得する信号調整部（５０）と、
前記第１フィルタ部（３０）から前記大気圧信号を入力すると共に前記信号調整部（５０）から前記変化分信号を入力し、前記変化分信号に含まれる前記圧力変化成分を前記大気圧信号に含まれる前記大気圧成分で割ることにより前記大気圧に対する前記圧力変化の変化率成分を有する変化率信号を取得する除算部（６０）と、
を備えていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記増幅部（２０）は、前記第１フィルタ部（３０）から前記大気圧信号を入力し、前記大気圧信号に応じて前記第２増幅率で増幅する前記圧力信号の値をオフセット補正することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記増幅部（２０）は、
前記第１増幅率が設定されており、前記圧力信号を入力すると共に前記圧力信号を前記第１増幅率で増幅することにより前記第１増幅信号を取得する第１オペアンプ（２１）と、
前記第２増幅率が設定されており、前記圧力信号を入力すると共に前記圧力信号を前記第２増幅率で増幅することにより前記第２増幅信号を取得する第２オペアンプ（２２）と、
を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記増幅部（２０）は、前記第１増幅率及び前記第２増幅率が設定されており、前記圧力信号を入力すると共に前記圧力信号を前記第１増幅率で増幅することと前記第２増幅率で増幅することとを時分割で交互に行うオペアンプ（２３）を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気圧に対する圧力媒体の圧力の変化率を取得する圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、大気圧に対する圧力の変化を検出する構成が、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、圧力センシング部で取得された電気信号をフィルタに通すことで大気圧成分Ｐ０と圧力変化分ΔＰとを取得すると共に、圧力比ΔＰ／Ｐ０を演算することにより大気圧成分に対する圧力変化分の割合を取得する構成が提案されている。ここで、圧力変化分ΔＰは大気圧成分Ｐよりも小さいので、圧力センシング部で取得された電気信号を所定の増幅率で増幅した後にフィルタに通す構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２２０７２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の技術では、圧力センシング部では圧力変化分だけでなく大気圧も検出されるように圧力検出レンジが設定されているので、電気信号を増幅するための増幅率は小さく設定される。つまり、電気信号の増幅率は大気圧成分の圧力検出レンジに合わせて設定される。そして、大気圧Ｐ０に対する圧力変化分ΔＰは非常に小さいので、圧力変化分ΔＰを含んだ電気信号が増幅されたとしても、圧力比ΔＰ／Ｐ０のＳ／Ｎ比が小さくなってしまう。このため、電気ノイズ等により生じる圧力比ΔＰ／Ｐ０の誤差成分の影響が大きくなってしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は上記点に鑑み、大気圧成分Ｐ０と圧力変化分ΔＰとの圧力比ΔＰ／Ｐ０の誤差成分の影響を低減することができる圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、大気圧に応じた大気圧成分と、大気圧とは異なる圧力による大気圧との圧力変化に応じた圧力変化成分と、を含んだ圧力を、大気圧成分の圧力範囲に対応した圧力検出レンジで検出して圧力信号を出力する圧力検出部（１０）を備えている。
【０００７】
圧力信号を入力し、圧力信号を大気圧成分に応じた第１増幅率で増幅することにより第１増幅信号を取得する一方、圧力信号を第１増幅率よりも大きいと共に圧力変化成分に応じた第２増幅率で増幅することにより第２増幅信号を取得する増幅部（２０）を備えている。
【０００８】
また、第１増幅信号を入力し、当該第１増幅信号から圧力変化成分を除去することにより大気圧成分を有する大気圧信号を取得する第１フィルタ部（３０）と、第２増幅信号を入力し、当該第２増幅信号から圧力変化成分を抽出することにより圧力変化成分を有するフィルタ信号を取得する第２フィルタ部（４０）と、を備えている。
【０００９】
第２フィルタ部（４０）からフィルタ信号を入力し、フィルタ信号に対して第１増幅率と第２増幅率との差に応じた信号調整を行うことにより変化分信号を取得する信号調整部（５０）を備えている。
【００１０】
さらに、第１フィルタ部（３０）から大気圧信号を入力すると共に信号調整部（５０）から変化分信号を入力し、変化分信号に含まれる圧力変化成分を大気圧信号に含まれる大気圧成分で割ることにより大気圧に対する圧力変化の変化率成分を有する変化率信号を取得する除算部（６０）を備えていることを特徴とする。
【００１１】
これによると、増幅部（２０）では、圧力信号を増幅する増幅率が第１増幅率と第２増幅率とに分離されているので、大気圧成分に対応した圧力検出レンジで検出された圧力変化成分を第１増幅率よりも大きな第２増幅率で増幅することができる。すなわち、大気圧成分よりも小さい圧力変化成分を、圧力検出レンジを最大限に活用できる範囲で増幅することができる。したがって、大気圧成分と圧力変化成分との圧力比のＳ／Ｎ比を向上させることができ、ひいては大気圧成分と圧力変化成分との圧力比の誤差成分の影響を低減することができる。
【００１２】
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサの全体構成図である。
【図２】ＤＣキャリブレーション機能を説明するための図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る圧力センサの全体構成図である。
【図４】図３に示された圧力センサの作動を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１５】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る圧力センサは、例えば車両のドア内に設置され、車両のドア内の空気圧力の変化を検出して、車両のドアへの衝突を検出する場合に用いられる。
【００１６】
図１に示されるように、圧力センサは、圧力検出部１０、増幅部２０、第１フィルタ部３０、第２フィルタ部４０、信号調整部５０、及び除算部６０を備えて構成されている。
【００１７】
圧力検出部１０は、大気圧に応じた大気圧成分と、大気圧とは異なる圧力による大気圧との圧力変化に応じた圧力変化成分と、を含んだ圧力を検出して圧力信号を出力するように構成されている。圧力検出部１０は、大気圧成分及び圧力変化成分を、大気圧成分の圧力範囲に対応した圧力検出レンジで検出するように設定されている。本実施形態では、「大気圧とは異なる圧力」は車両のドアへの衝突に基づく圧力であり、当該衝突に基づく圧力が「圧力変化に応じた圧力変化成分」に該当する。
【００１８】
圧力検出部１０は、シリコン基板等の半導体基板から構成された図示しないセンサチップに形成されたものであり、第１歪みゲージ１１、第２歪みゲージ１２、第３歪みゲージ１３、及び第４歪みゲージ１４を備えている。各歪みゲージ１１〜１４は、圧力の印加に応じて抵抗値が変化する抵抗体である。
【００１９】
また、各歪みゲージ１１〜１４は、第１歪みゲージ１１及び第２歪みゲージ１２の直列接続部と第３歪みゲージ１３及び第４歪みゲージ１４の直列接続部とが並列に接続されることでホイートストンブリッジ回路を構成している。各歪みゲージ１１〜１４は、例えば半導体基板に形成された拡散抵抗である。さらに、各歪みゲージ１１〜１４は、半導体基板に形成されたダイヤフラムに形成されており、ダイヤフラムに圧力が印加された際のダイヤフラムの歪みに応じて抵抗値が変化する。
【００２０】
そして、圧力検出部１０は、ホイートストンブリッジ回路に印加される入力電圧に基づいて第１歪みゲージ１１と第２歪みゲージ１２との第１中点１５の第１電圧を出力する。また、圧力検出部１０は、第３歪みゲージ１３と第４歪みゲージ１４との第２中点１６の第２電圧を出力する。つまり、圧力検出部１０は、第１電圧と第２電圧との差電圧を圧力信号として増幅部２０に出力する。
【００２１】
増幅部２０は、圧力検出部１０から圧力信号を入力し、第１電圧と第２電圧との差電圧を所定の増幅率で増幅するように構成された増幅手段である。本実施形態では、増幅部２０は、第１オペアンプ２１及び第２オペアンプ２２を備えて構成されている。
【００２２】
第１オペアンプ２１は、大気圧成分に対応した第１増幅率が設定された差動増幅器である。また、第１オペアンプ２１は、圧力検出部１０の第１電圧と第２電圧との差電圧を第１増幅率で増幅した第１差電圧を生成し、この第１差電圧を第１増幅信号として取得する。第１オペアンプ２１は、第１増幅信号を第１フィルタ部３０に出力する。
【００２３】
第２オペアンプ２２は、圧力変化成分に対応した第２増幅率が設定された差動増幅器である。第２増幅率は第１増幅率よりも大きい値に設定されている。第２オペアンプ２２は、圧力検出部１０の第１電圧と第２電圧との差電圧を第２増幅率で増幅した第２差電圧を生成し、この第２差電圧を第２増幅信号として取得する。第２オペアンプ２２は、第２増幅信号を第２フィルタ部４０に出力する。
【００２４】
このように、増幅部２０では、圧力信号を増幅する増幅率が第１増幅率と第２増幅率とに分離されていることに伴って、第１増幅率に対応した第１オペアンプ２１と第２増幅率に対応した第２オペアンプ２２とを備えた構成となっている。
【００２５】
第１フィルタ部３０は、第１オペアンプ２１から第１増幅信号を入力し、当該第１増幅信号から圧力変化成分を除去することにより大気圧成分を有する大気圧信号を取得するフィルタ回路である。すなわち、第１フィルタ部３０は、第１増幅信号に含まれる成分のうち遮断周波数を超える圧力変化成分を除去する。第１フィルタ部３０は、大気圧信号を除算部６０に出力する。なお、以下では大気圧信号をＰ０とする。
【００２６】
第２フィルタ部４０は、第２オペアンプ２２から第２増幅信号を入力し、当該第２増幅信号から圧力変化成分を抽出することによりを有するフィルタ信号を取得するフィルタ回路である。すなわち、第２フィルタ部４０は、第２増幅信号に含まれる成分のうち遮断周波数を超える大気圧成分を除去する。第２フィルタ部４０は、フィルタ信号を信号調整部５０に出力する。なお、以下ではフィルタ信号をΔＰ’とする。
【００２７】
信号調整部５０は、第２フィルタ部４０からフィルタ信号ΔＰ’を入力し、このフィルタ信号ΔＰ’に対して信号調整を行うものである。具体的には、信号調整部５０は、第１オペアンプ２１の第１増幅率と第２オペアンプ２２の第２増幅率との差に応じた信号調整を行うことにより変化分信号を取得する。なお、以下では変化分信号をΔＰとする。
【００２８】
これは、フィルタ信号ΔＰ’（圧力変化成分）を大気圧信号（大気圧成分）と同じ倍率の信号に戻すためである。つまり、信号調整部５０はフィルタ信号ΔＰ’に対して割り戻しを行う。具体的には、第１増幅率をαとし、第２増幅率をβと定義すると、信号調整部５０はフィルタ信号ΔＰ’をα／β倍することで第１オペアンプ２１と第２オペアンプ２２とのゲインの差を割り戻しする。言い換えると、フィルタ信号ΔＰ’はゲイン規格化前の圧力変化量を示し、変化分信号ΔＰはゲイン規格化後の圧力変化量を示している。これにより、変化分信号ΔＰ（圧力変化成分）を大気圧信号Ｐ０（大気圧成分）と比較可能にすることができる。このような信号調整部５０はα／βをフィルタ信号ΔＰ’に乗算する乗算回路として構成されている。
【００２９】
除算部６０は、第１フィルタ部３０から大気圧信号Ｐ０を入力すると共に信号調整部５０から変化分信号ΔＰを入力し、変化分信号ΔＰに含まれる圧力変化成分を大気圧信号Ｐ０に含まれる大気圧成分で割る除算回路である。すなわち、除算部６０は、大気圧に対する圧力変化の変化率成分を有する変化率信号を取得する回路である。このように、変化分信号ΔＰを大気圧信号Ｐ０で割ることで、大気圧に依存しない過渡的な圧力変化としての出力（変化率成分）を取り出すことができる。なお、以下では変化率信号をΔＰ／Ｐ０とする。以上が、本実施形態に係る圧力センサの全体構成である。
【００３０】
上記の構成において、第２オペアンプ２２は、第１フィルタ部３０から大気圧信号Ｐ０を入力し、この大気圧信号Ｐ０に応じて第２増幅率で増幅する圧力信号の値をオフセット補正する機能を有している。これは、第２オペアンプ２２の出力飽和を回避するためのＤＣキャリブレーション機能である。
【００３１】
このＤＣキャリブレーション機能について説明する。上述のように、圧力センサは車両のドアに対する衝突を検出するものであるが、車両が位置する標高に応じて大気圧が変化する。したがって、図２に示されるように、衝突が起こっていない時点Ｔ１では、標高が高いほど圧力信号の信号値は低くなり、標高が低いほど圧力信号の信号値は高くなる。そして、圧力検出レンジは低地から高地までの大気圧が含まれる設定されているが、衝突による圧力の変化は第２オペアンプ２２が第１増幅率αよりも大きい第２増幅率βで増幅するので、圧力検出レンジを超えてしまう可能性がある。
【００３２】
そして、時点Ｔ１後の時点Ｔ２で衝突が発生したとする。車両が高地に位置していた場合、圧力がプラス側に変化すれば圧力変化は圧力検出レンジ内に収まるが、圧力がマイナス側に変化すれば第２オペアンプ２２の出力が飽和してしまう。また、車両が低地に位置していた場合、圧力がマイナス側に変化すれば圧力変化は圧力検出レンジ内に収まるが、圧力がプラス側に変化すれば第２オペアンプ２２の出力が飽和してしまう。なお、図２では圧力がプラス側に変化した場合を示している。
【００３３】
しかしながら、第２オペアンプ２２は、圧力信号の値をオフセット補正する機能を備えているので、圧力信号の値を例えば圧力検出レンジの中央にオフセット補正することができる。このため、第２オペアンプ２２は、圧力検出レンジの中央にオフセット補正された圧力信号の値を第２増幅率βで増幅することになるので、圧力信号に含まれる圧力変化成分が圧力検出レンジを超えないように圧力変化成分を増幅することができる。
【００３４】
なお、標高に応じた大気圧の変化は非常に遅いので、第１オペアンプ２１が第１フィルタ部３０から大気圧信号Ｐ０を入力してこの大気圧信号Ｐ０に基づいて圧力信号の値をオフセット補正したとしても充分に対応できる。
【００３５】
次に、上記の圧力センサの作動について説明する。まず、車両に衝突が発生していない場合、圧力信号には大気圧成分のみが含まれる。このため、圧力信号が第１オペアンプ２１によって第１増幅率αで増幅され、第１フィルタ部３０でフィルタ処理されると、大気圧信号Ｐ０が得られる。
【００３６】
また、圧力信号が第２オペアンプ２２によって第２増幅率βで増幅され、第２フィルタ部４０によってフィルタ処理され、さらに信号調整部５０による信号調整が行われる。圧力信号には圧力変化成分が含まれていないので、第２フィルタ部４０によって圧力変化成分は抽出されず、その結果、信号調整部５０で得られる変化分信号ΔＰはほぼ０となる。したがって、除算部６０で得られる変化率信号ΔＰ／Ｐ０もほぼ０となる。
【００３７】
一方、車両に対する衝突が発生した場合、圧力信号には大気圧成分及び圧力変化成分が含まれる。このため、圧力信号が第１オペアンプ２１によって第１増幅率αで増幅され、第１フィルタ部３０によって圧力変化成分が除去される。これにより、大気圧成分を含んだ大気圧信号Ｐ０が得られる。
【００３８】
また、圧力信号が第２オペアンプ２２によって第２増幅率βで増幅され、第２フィルタ部４０によって圧力変化成分が抽出される。第２オペアンプ２２はＤＣキャリブレーション機能によって増幅後の圧力変化成分を飽和させてしまうことはない。さらに、信号調整部５０によって圧力変化成分が大気圧成分と同じ倍率になるように信号調整される。そして、除算部６０によって変化率信号ΔＰ／Ｐ０が得られる。
【００３９】
上記のようにして除算部６０で取得された変化率信号ΔＰ／Ｐ０は、図示しないエアバッグＥＣＵに出力され、エアバッグＥＣＵのエアバッグ制御に利用される。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態では、大気圧信号Ｐ０（大気圧成分）を取得するための第１増幅率αと、変化分信号ΔＰ（圧力変化成分）を取得するための第２増幅率βとを異ならせていることが特徴となっている。これにより、大気圧信号Ｐ０（大気圧成分）については大気圧の範囲に従った第１増幅率αで増幅することができる。一方、変化分信号ΔＰ（圧力変化成分）については圧力変化成分の範囲に従った第２増幅率βで増幅することができる。このため、圧力変化成分について圧力検出レンジを最大限に活用できる範囲で増幅することが可能となるので、大気圧成分と圧力変化成分との圧力比のＳ／Ｎ比が向上する。したがって、大気圧成分と圧力変化成分との圧力比の誤差成分の影響を低減することができる。
【００４１】
ここで、圧力変化成分について圧力検出レンジを最大限に活用できる範囲で増幅するために第２オペアンプ２２にＤＣキャリブレーション機能を持たせているので、増幅後の圧力変化成分が圧力検出レンジを超えて飽和しないようにすることができる。
【００４２】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図３に示されるように、本実施形態では、増幅部２０は１つの第３オペアンプ２３を備えて構成されている。第３オペアンプ２３以外の構成は第１実施形態と同じである。
【００４３】
第３オペアンプ２３は、第１増幅率α及び第２増幅率βの両方が設定されており、これらの増幅率を時分割で交互に変更すると共に圧力信号を増幅するように構成されている。すなわち、図４に示されるように、第３オペアンプ２３は一定時間毎に増幅率を第１増幅率αと第２増幅率βとに切り替える。そして、第３オペアンプ２３は第１増幅率αの期間で圧力信号を第１増幅率αで増幅し、第２増幅率βの期間で圧力信号を第２増幅率βで増幅する。
【００４４】
これに伴い、第１フィルタ部３０は、第１増幅率αの期間でフィルタ処理を行う。同様に、第２フィルタ部４０は、第２増幅率βの期間でフィルタ処理を行う。信号調整部５０は第２増幅率βの期間で信号調整を行う。そして、第２増幅率βの期間が終了するタイミングで除算部６０が変化率信号ΔＰ／Ｐ０を取得する。
【００４５】
なお、第３オペアンプ２３は、ＤＣキャリブレーション機能も有している。第３オペアンプ２３は、例えば第１増幅率αの期間から第２増幅率βの期間に切り替わるタイミングで圧力信号の値をオフセット補正する。これにより、第３オペアンプ２３は増幅後の圧力変化成分を飽和させてしまうことはない。
【００４６】
以上のように、増幅部２０を１つの第３オペアンプ２３によって構成し、圧力信号の増幅を時分割で交互に行う構成とすることもできる。なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、第３オペアンプ２３が特許請求の範囲の「オペアンプ」に対応する。
【００４７】
（他の実施形態）
上記各実施形態で示された圧力センサの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記各実施形態では、圧力センサは車両の衝突を検出するものであったが、圧力センサの用途は車両に限られず、他の用途で用いられても良い。
【００４８】
また、増幅部２０にはＤＣキャリブレーション機能が設けられていなくても良い。例えば、圧力信号を第２増幅率βで増幅したとしても出力飽和が生じないような圧力検出レンジが設定されていればＤＣキャリブレーション機能を不要としても良い。
【００４９】
上記各実施形態では、信号調整部５０はフィルタ信号ΔＰ’をα／β倍することで割り戻しをしていたが、この倍率は一例である。したがって、他の倍率でフィルタ信号ΔＰ’を割り戻ししても良い。
【符号の説明】
【００５０】
１０  圧力検出部
２０  増幅部
３０  第１フィルタ部
４０  第２フィルタ部
５０  信号調整部
６０  除算部
【図１】
2015169538.tif 000003
【図２】
2015169538.tif 000004
【図３】
2015169538.tif 000005
【図４】
2015169538.tif 000006