(57)【要約】      （修正有）【課題】自動車の圧力センサにおいて非線形誤差を減少させる方法および装置を提供する。【解決手段】圧力センサは、一対の平行な電極４０、５０、一対のセラミックプレート７０、６０、剛性のガラスシール、および、一対の平行な電極４０、５０と集積回路３０間の接続を含む圧力感知素子１０を有する。集積回路３０は、非線形誤差を減少させるため、キャパシタンスＣの値が圧力感知素子から獲得された後に、１／Ｃの線形マッピング関数を実行する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力センサであって、
一対の平行な電極、一対のセラミックプレート、剛性のガラスシールおよび一対の平行な電極と集積回路（ＩＣ）間の接続を含む圧力感知素子を含み、
前記ＩＣは、ＣＸの値が前記圧力感知素子から獲得された後に、１／ＣＸの値の線形マッピング関数を実行し、Ｃは、キャパシタンスを表し、線形マッピング関数は、非線形誤差を減少させ、圧力とキャパシタンス間の関係の２点のキャリブレーションを可能にする、圧力センサ。
【請求項２】
前記線形マッピング関数は、
Ｏｕｔｘ＝１／Ｍ＊［（１／ＣＸ）−（１／ＣＬ］＋ＯｕｔＬであり、ここで、Ｍ＝［（（１／ＣＨ）−（１／ＣＬ））／（ＯｕｔＨ−ＯｕｔＬ）］およびＣ（  ）＝ＣＤＣｏｕｔ＊Ｃｒｅｆ＋Ｃｚｅｒｏである、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
ＣＸは、キャパシタンスに変換されるＣＤＣ出力値であり；
ＣＬは、低いキャリブレーション圧力でのＣＸであり；
ＯｕｔＬは、低いキャリブレーション出力であり；
ＣＨは、高いキャリブレーション圧力でのＣＸであり；
ＯｕｔＨは、高いキャリブレーション出力であり；
ＯｕｔＸは、変換からの出力である、請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
圧力センサであって、
一対の平行な電極、セラミックダイアフラムプレートおよびセラミック基板プレート、剛性のガラスシール、ならびに、一対の平行な電極と集積回路（ＩＣ）間の接続を含む圧力感知素子を含み、
前記ＩＣは、ＣＸの値が前記圧力感知素子から獲得された後に、１／ＣＸの値の線形マッピング関数を実行し、Ｃは、キャパシタンスを表し、線形マッピング関数は、非線形誤差を減少させ、圧力とキャパシタンス間の関係の２点のキャリブレーションを可能にする、圧力センサ。
【請求項５】
前記線形マッピング関数は、
ＯｕｔＸ＝１／Ｍ＊［（１／ＣＸ）−（１／ＣＬ］＋ＯｕｔＬであり、ここで、Ｍ＝［（（１／ＣＨ）−（１／ＣＬ））／（ＯｕｔＨ−ＯｕｔＬ）］およびＣ（  ）＝ＣＤＣｏｕｔ＊Ｃｒｅｆ＋Ｃｚｅｒｏである、請求項４に記載の圧力センサ。
【請求項６】
ＣＸは、キャパシタンスに変換されるＣＤＣ出力値であり；
ＣＬは、低いキャリブレーション圧力でのＣＸであり；
ＯｕｔＬは、低いキャリブレーション出力であり；
ＣＨは、高いキャリブレーション圧力でのＣＸであり；
ＯｕｔＨは、高いキャリブレーション出力であり；
ＯｕｔＸは、変換からの出力である、請求項５に記載の圧力センサ。
【請求項７】
ＣＸの値が圧力感知素子から獲得された後の１／ＣＸの値の線形マッピング関数を含み、Ｃは、キャパシタンスを表し、線形マッピング関数が非線形誤差を減少させ、圧力とキャパシタンス間の関係の２点のキャリブレーションを可能にする、集積回路（ＩＣ）。
【請求項８】
圧力感知素子は、一対の平行な電極、セラミックダイアフラムプレートおよびセラミック基板プレート、剛性のガラスシール、ならびに、一対の平行な電極間の電気的な接続を含む、請求項７に記載の集積回路。
【請求項９】
前記線形マッピング関数は、
Ｏｕｔｘ＝１／Ｍ＊［（１／ＣＸ）−（１／ＣＬ］＋ＯｕｔＬであり、ここで、Ｍ＝［（（１／ＣＨ）−（１／ＣＬ））／（ＯｕｔＨ−ＯｕｔＬ）］およびＣ（  ）＝ＣＤＣｏｕｔ＊Ｃｒｅｆ＋Ｃｚｅｒｏである、請求項７に記載の集積回路。
【請求項１０】
ＣＸは、キャパシタンスに変換されるＣＤＣ出力値であり；
ＣＬは、低いキャリブレーション圧力でのＣＸであり；
ＯｕｔＬは、低いキャリブレーション出力であり；
ＣＨは、高いキャリブレーション圧力でのＣＸであり；
ＯｕｔＨは、高いキャリブレーション出力であり；
ＯｕｔＸは、変換からの出力である、請求項９に記載の集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してセンサに関し、より具体的には、自動車の圧力センサの非線形誤差の減少に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサは、自動車のシステムに広く使用されている。一般に、自動車の圧力センサ（ＡＰＴ）は、印加された圧力に対して直接的に比例する線形の電圧出力を提供する容量型（キャパシティブ）センサである。容量型圧力素子の構成、特に、平行のプレートの構成のため、電圧に対するキャパシタンス、あるいはデジタル変換は、かなりの非線形誤差となり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
必要とされているのは、ＡＰＴ非線形性を減少させる方法である。
【０００４】
以下、本発明の幾つかの態様の基本的な理解のために、発明の簡略化された要約を提示する。この要約は、本発明の広範囲の概要ではない。これは、本発明の重要または必須の要素を特定したり、本発明の範囲を示したりすることを意図するものではない。その唯一の目的は、後述する詳細な説明の前置きとして簡単な形態で発明の幾つかの概念を提示することである。
【０００５】
本発明は、自動車の圧力センサにおいて非線形性の誤差を減少する方法および装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ある態様では、発明は、一対の平行な電極、一対のセラミックプレート、剛性のガラスシール、一対の平行な電極と集積回路（ＩＣ）間の接続を含む圧力感知素子を有する圧力センサを特徴とする。前記ＩＣは、ＣＸの値が前記圧力感知素子から獲得された後に、１／ＣＸの値の線形マッピング関数を実行し、Ｃは、キャパシタンスを表し、線形マッピング関数は、非線形誤差を減少させ、圧力とキャパシタンス間の関係の２点のキャリブレーションを可能にする。
【０００７】
他の態様では、発明は、一対の平行な電極、セラミックダイアフラムプレートおよびセラミック基板プレート、剛性のガラスシール、一対の平行な電極と集積回路（ＩＣ）間の接続を含む圧力感知素子を有する圧力センサを特徴とする。前記ＩＣは、ＣＸの値が前記圧力感知素子から獲得された後に、１／ＣＸの値の線形マッピング関数を実行し、Ｃは、キャパシタンスを表し、線形マッピング関数は、非線形誤差を減少させ、圧力とキャパシタンス間の関係の２点のキャリブレーションを可能にする。
【０００８】
他の態様では、ＣＸの値が圧力感知素子から獲得された後の１／ＣＸの値の線形マッピング関数を含む集積回路（ＩＣ）を特徴とする。Ｃは、キャパシタンスを表し、線形マッピング関数が非線形誤差を減少させ、圧力とキャパシタンス間の関係の２点のキャリブレーションを可能にする。
【発明の効果】
【０００９】
実施例は、以下の効果の１つまたは複数を有することができる。
【００１０】
本発明の圧力変換器は、キャパシタンスのハードウエア変換に関連する非線形性を減少させる。
【００１１】
本発明の圧力変換器は、キャパシタンスのハードウエア変換に関連する非線形誤差を減少させ、圧力とキャパシタンス間の関係の２点のキャリブレーションを可能にする。
【００１２】
これらおよび他の特徴や効果は、以下の詳細な説明を読み、かつ関連する図面を検討することから明らかになるであろう。前述した概略説明および以下の詳細な説明の双方は単に例示的なものであり、かつ請求される態様を限定するものでないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明は、以下の図面とともに詳細な説明を参照することにより十分に理解されよう。
【００１４】
【図１】例示的な圧力トランスデューサを示す図ある。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
表題の革新が図面を参照して次に説明される。図面において、同様の構成には、全体を通して同様の参照番号が使用される。以下の説明において、説明の目的のために、種々の具体的な詳細が記載され、本発明の完全な理解を提供する。しかしながら、本発明が、これらの具体的な詳細がなくとも実施できることが明らかであろう。他の例では、周知の構造およびデバイスがブロック図で示され、本発明の説明を容易にする。
【００１６】
以下の記載において、用語「ｏｒ」は、排他的な「ｏｒ」ではなく、包含的な「ｏｒ」を意味することを意図される。すなわち、特に明記しない限り、または、文脈から明らかでない限り、「ＸがＡまたはＢを用いる」は、あらゆる自然の包含的な置換を意味すると意図される。すなわち、もし、ＸがＡを用い、ＸがＢを用い、またはＸがＡとＢの双方を用いるならば、前述した例のいずれかのもとで、「Ｘは、ＡまたはＢを用いる」が満足される。さらに、本明細書および添付の図面において使用される冠詞「ａ」および「ａｎ」は、特に明記しない限り、または、単数形を指すことが文脈から明らかでない限り、「１つまたは複数」を意味すると一般に理解すべきである。
【００１７】
図１に示されるように、マサチューセッツ州アテルボロ所在のセンサータテクノロジーズ社により製造されるような、例示的な圧力変換器１０は、測定されたパラメータ（例えば、圧力）の、測定可能な単位（例えば、キャパシタンス）への変換を行うセンサデバイス（図示省略）の一部である。本願において使用されるように、こうした圧力変換器は、通常、圧力感知素子として言及される。
【００１８】
圧力感知素子１０は、一対の平行の電極４０、５０、一対のセラミックプレート（基板（７０）とダイアフラム（６０））、剛性のガラスシール（ダイアフラム６０と基板７０との間のダイアフラム６０のエッジに示される）、および、電極４０、５０と集積回路（ＩＣ）３０との間の接続（図示省略）を含む。
【００１９】
変換器１０内の集積回路（ＩＣ）３０は、キャパシタンス（容量）を測定し、そしてそれを圧力に線形に比例する電圧に変換する。このＩＣ３０は、小さなダイアフラムの偏向による非常に小さなキャパシタンスの変化を検出することができるので、優れたヒステリシスおよび再現性が成し遂げられる。
【００２０】
ＩＣ３０は、典型的に、デジタル変換技術に（ＣＸ−Ｃｚｅｒｏ）／Ｃｒｅｆキャパシタンスを使用する。圧力感知素子１０の設計のため、この変換技術は、かなりの非線形の誤差を生成し得る。この誤差は、印加された圧力が圧力感知素子１０のギャップ高さの変化に線形であるが、圧力感知素子１０のキャパシタンスの変化がギャップ高さの変化に反比例することによる結果である。それ故、印加される圧力に線形であるのは、（１／ＣＸ）である。
【００２１】
ＣＸのハードウエアの変換は、圧力感知素子１０にとって、約５％ＦＳないし１５％ＦＳとなる。ここで、ＦＳは、「フルスパン」を表す。本願において使用されるように、圧力軸上のスパンは、デバイスのフルスケールの圧力レンジである（例えば、０ないし１００ｐｓｉのデバイスにとって、スパンは、１００ｐｓｉであり；２００ないし５００ｐｓｉのデバイスにとって、スパンは３００ｐｓｉである）。デバイスの出力軸上のスパンは、フルスケールの出力レンジである（例えば、０．５Ｖないし４．５Ｖのデバイスにとって、スパンは４Ｖである）。
【００２２】
（１／ＣＸ）のハードウエアの変換は、圧力に対して最小の非線形性を生成し、圧力感知素子１０にとって、０．３％ＦＳないし１％ＦＳのオーダーである。この（１／ＣＸ）のハードウエアの変換の使用は、圧力とキャパシタンス間の関係の２点のキャリブレーションを可能にするのに十分なくらい非線形性の誤差を減少させる。ＣＸの変換結果の使用は、非線形性の誤差を許容可能な誤差まで減少させるのに、４点のキャリブレーションおよび３次の多項式の補正を必要とする。
【００２３】
より具体的には、ＣＸの変換技術において、ＩＣ３０は、ＣＸ／Ｃｒｅｆ、またはより正確には、（ＣＸ−Ｃｚｅｒｏ）／Ｃｒｅｆを変換する。キャリブレーションでは、ＣＸの値は、以下の式１に示されるように、線形出力関数にマップされる。
2017058371.tif 000003
→センサータ社タイプのＣＳＥを含む５％ないし１５％の非線形性
【００２４】
もし、刺激（圧力）対ＣＸの関係が線形ならば、出力関数も同様に刺激に対して線形であろう。残余の非線形性は、以下の式２に示される多項式の形で補正される。
2017058371.tif 000004
【００２５】
しかしながら、もし、非線形性に大きな変動があれば、上記式２に示される多項式の使用は、許容可能な性能を成し遂げるために、３番目、またはさらに４番目のキャリブレーション点を必要とする。追加の点は、もし、非線形性の誤差の変動がデバイス間で小さいならば、推測することができる。もし、変動が大きいならば、追加のデータ点なしで、大きな非線形性の誤差を適切に補償することは難しい。
【００２６】
本発明では、ＩＣ３０は、ＣＸが獲得された後、１／ＣＸの線形マッピング関数を実行する。これは、以下の式３に示される関係に基づくものである。
2017058371.tif 000005
→センサータ社タイプのＣＳＥを含む０．３％ないし１．０％の非線形性
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【００２７】
上記の式４は、獲得されたＣＸ出力に印加される１／ＣＸ変換の形を例示する。この変換を加えることは、ＣＸ変換に関連さえる非線形性を減少させる。本質的に、変換は、１／ＣＸの非線形性を取り除いている。残された唯一の非線形性は、ダイアフラム６０の撓みの結果である。
【００２８】
上記の式は、ＣＸ＝ｆ（Ｐ）の形で、感知された圧力が記載される。これは、変換のための原理を確立するために成されたものである。実際には、Ｐの値は、ターゲットの出力値に置き換えられる。さらに、各Ｃ（  ）は、伝達関数から導かれる。この方法で記載すると、式４は、次のようになる。
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変数一覧
ＣＸ      キャパシタンスに変換されるＣＤＣ出力値、入力を変換
ＣＬ      低いキャリブレーション圧力でのＣＸ
ＯｕｔＬ  低いキャリブレーション出力
ＣＨ      高いキャリブレーション圧力でのＣＸ
ＯｕｔＨ  高いキャリブレーション出力
ＯｕｔＸ  変換からの出力（ＣＸの、より線形な計算）
【００２９】
この変換で、残余の非線形性の大きさは、多くのセンサにとって補償が必要とされないくらいに十分小さい。さらに、感知素子タイプの公称非線形性に基づく「クラス」補償は、中程度の正確な改善を要求する多くのアプリケーションにとって実行可能なオプションになる。
【００３０】
クラス補償は、以下の式６に示される形の多項式マッピングで成し遂げることもまた可能である。これは、各特定のセンサにとっての非線形性の状況と、オフセットおよびゲインの条件とに基づいて、適切な係数を導くことによりなされる。
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【００３１】
本発明は、その好まし実施例を参照して具体的に示されかつ記載されたが、形態および詳細の種々の変更が、添付された特許請求の範囲により規定される本出願の精神および範囲から逸脱することなく成し得ることを当業者により理解されるであろう。このような変更は、本出願の範囲によってカバーされることが意図される。また、本出願の前述の実施例の記載は、限定を意図するものではない。むしろ、発明へのあらゆる限定は、特許請求の範囲に示されている。
【図１】
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