JP2019086343A - Pressure measuring device and method for diagnosing operating condition of pressure measuring device - Google Patents
Pressure measuring device and method for diagnosing operating condition of pressure measuring device Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、圧力測定装置および圧力測定装置の動作状態診断方法に関する。 The present invention relates to a pressure measurement device and a method of operating condition diagnosis of the pressure measurement device.
圧力測定装置は、設備の制御等のために広く用いられている。圧力測定装置においては、測定値の信頼性を確保することが好ましい。信頼性を高めることを目的として、2つのセンサを設ける技術が知られている(例えば、非特許文献1参照)。この技術は、2つのセンサ測定値を比較することによって、測定値の信頼性を高める。 Pressure measuring devices are widely used for control of equipment and the like. In the pressure measuring device, it is preferable to ensure the reliability of the measured value. There is known a technique of providing two sensors for the purpose of enhancing the reliability (see, for example, Non-Patent Document 1). This technique increases the reliability of the measurements by comparing the two sensor measurements.
また、故障の有無など動作状態の診断機能を有する圧力測定装置が知られている。例えば、ダイアフラム部上にブリッジ回路を2個配置して、2つのブリッジ回路によって測定された2つの値を比較することによって動作状態を診断する技術が提案されている(特許文献1および2参照)。また、1つのブリッジ回路を4個のピエゾ抵抗素子で構成した圧力測定装置において、それぞれのピエゾ抵抗素子を分割して、端子出力を演算および比較することによって、動作状態を診断する技術が提案されている(特許文献3および4参照)。
[先行技術文献]
[非特許文献]
[非特許文献1] IEC 61508 -7:2010 Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related Systems/Part7: Overview of techniques and measures / A.12.1 Reference sensor
[特許文献]
[特許文献1] 特表平10−506718号公報
[特許文献2] 特開2002−039891号公報
[特許文献3] 特開2002−373991号公報
[特許文献4] 特開2004−061164号公報
There is also known a pressure measuring device having a function of diagnosing an operation state such as the presence or absence of a failure. For example, a technique has been proposed in which two bridge circuits are arranged on the diaphragm and the operating state is diagnosed by comparing two values measured by the two bridge circuits (see Patent Documents 1 and 2). . In addition, in a pressure measurement device in which one bridge circuit is configured by four piezoresistive elements, a technology is proposed that diagnoses the operating state by dividing each piezoresistive element and calculating and comparing the terminal output. (See Patent Documents 3 and 4).
[Prior art document]
[Non-patent literature]
[Non-Patent Document 1] IEC 61508 -7: 2010 Functional Safety of Electrical / Electronic / Programmable Electronic Safety-related Systems / Part 7: Overview of techniques and measures / A.12.1 Reference sensor
[Patent Document]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Publication No. 10-506718 [Patent Document 2] Japanese Patent Application Publication No. 2002-039891 [Patent Document 3] Japanese Patent Application Publication No. 2002-353991 [Patent Document 4] Japanese Patent Application Publication No. 2004-061164
圧力測定装置のサイズおよびコストの増加を抑制するためには、簡便な回路構成により動作状態を診断することができる圧力測定装置が好ましい。しかしながら、単純に2つのセンサを用いてセンサの二重化を行う場合は、1つのセンサを使用する場合に比べて、圧力測定装置のサイズおよびコストが増大するという欠点がある。 In order to suppress the increase in the size and cost of the pressure measurement device, a pressure measurement device capable of diagnosing an operating state with a simple circuit configuration is preferable. However, simply using two sensors for duplexing sensors has the disadvantage of increasing the size and cost of the pressure measuring device as compared to using one sensor.
また、ダイアフラム部上にブリッジ回路を複数用いる方法では、基板を含むセンサのサイズが増大する。ピエゾ抵抗素子を分割して動作状態診断用の測定端子を設ける方法では、圧力検出用の端子の他に診断用の端子を追加することが必要となる。したがって、センサのサイズが増大する。また、個々のピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を監視することによって動作状態を診断する方法では、個々のピエゾ抵抗素子の抵抗値が圧力により変化するために、圧力による影響と、異常との区別が困難である。したがって、個々のピエゾ抵抗素子の抵抗値を監視する方法では、センサの断線および短絡などの明確な異常しか検出できない。そこで、本発明の目的は、圧力測定装置のサイズおよびコストが増大することを抑制するために簡便な構成による動作状態診断機能を備えた圧力測定装置を提供することである。 Further, in the method of using a plurality of bridge circuits on the diaphragm portion, the size of the sensor including the substrate is increased. In the method of dividing the piezoresistive element and providing a measurement terminal for operating state diagnosis, it is necessary to add a terminal for diagnosis in addition to the terminal for pressure detection. Thus, the size of the sensor is increased. Further, in the method of diagnosing the operating state by monitoring the change in resistance value of each piezoresistive element, the resistance value of each piezoresistive element changes due to pressure, so that the influence of pressure is distinguished from abnormality. Is difficult. Therefore, the method of monitoring the resistance value of each piezoresistive element can detect only a definite abnormality such as a break or a short circuit of the sensor. Therefore, an object of the present invention is to provide a pressure measurement device having an operation state diagnosis function with a simple configuration in order to suppress an increase in size and cost of the pressure measurement device.
本発明の第1の態様においては、圧力測定装置を提供する。圧力測定装置は、ダイアフラム部を備えてよい。ダイアフラム部は、印加される圧力によって変位してよい。圧力測定装置は、複数のピエゾ抵抗素子を備えてよい。複数のピエゾ抵抗素子は、ダイアフラム部に設けられてよい。複数のピエゾ抵抗素子は、ブリッジ回路を構成してよい。圧力測定装置は、算出部を備えてよい。算出部は、ブリッジ回路の第1出力端子における第1電圧測定値と、予め定められた定数とを用いて第1計算値を算出してよい。圧力測定装置は、比較部を備えてよい。比較部は、第2出力端子における第2電圧測定値から得られた値と第1計算値とを比較してよい。第2出力端子は、ブリッジ回路において第1出力端子と異なる端子であってよい。圧力測定装置は、診断部を備えてよい。診断部は、比較部による比較結果に基づいて、圧力測定装置の動作状態を診断してよい。 In a first aspect of the invention, a pressure measuring device is provided. The pressure measuring device may comprise a diaphragm part. The diaphragm portion may be displaced by the applied pressure. The pressure measuring device may comprise a plurality of piezoresistive elements. The plurality of piezoresistive elements may be provided on the diaphragm portion. The plurality of piezoresistive elements may form a bridge circuit. The pressure measuring device may comprise a calculating unit. The calculation unit may calculate the first calculated value using the first voltage measurement value at the first output terminal of the bridge circuit and a predetermined constant. The pressure measuring device may comprise a comparing unit. The comparing unit may compare the value obtained from the second voltage measurement value at the second output terminal with the first calculated value. The second output terminal may be a terminal different from the first output terminal in the bridge circuit. The pressure measuring device may comprise a diagnostic unit. The diagnosis unit may diagnose the operating state of the pressure measurement device based on the comparison result by the comparison unit.
複数のピエゾ抵抗素子は、第1ピエゾ抵抗素子および第2ピエゾ抵抗素子を含んでよい。第1ピエゾ抵抗素子および第2ピエゾ抵抗素子は、ブリッジ回路の高電位端子および低電位端子のうちの一方に共通してそれぞれ一端が電気的に接続されてよい。算出部は、第1電圧測定値と既知の電圧値とを用いて、高電位端子および低電位端子の間に印加される励起電圧と第1ピエゾ抵抗素子の両端間の電圧との差分を第1計算値として算出してよい。比較部は、第2ピエゾ抵抗素子の両端間の電圧と、第1計算値とを比較してよい。第2ピエゾ抵抗素子の両端間の電圧は、第2電圧測定値から得られてよい。 The plurality of piezoresistive elements may include a first piezoresistive element and a second piezoresistive element. One end of each of the first piezoresistive element and the second piezoresistive element may be electrically connected in common to one of the high potential terminal and the low potential terminal of the bridge circuit. The calculator uses a first voltage measurement value and a known voltage value to calculate a difference between an excitation voltage applied between the high potential terminal and the low potential terminal and a voltage between both ends of the first piezoresistive element. You may calculate as 1 calculation value. The comparing unit may compare the voltage across the second piezoresistive element with the first calculated value. The voltage across the second piezoresistive element may be obtained from a second voltage measurement.
算出部は、さらに、補正部を含んでよい。補正部は、ダイアフラム部に圧力が印加されていない状態での複数のピエゾ抵抗素子の各抵抗値に基づいて、差分を補正してよい。補正部によって補正された差分が第1計算値として算出されてよい。 The calculation unit may further include a correction unit. The correction unit may correct the difference based on each resistance value of the plurality of piezoresistive elements in a state in which no pressure is applied to the diaphragm unit. The difference corrected by the correction unit may be calculated as a first calculated value.
複数のピエゾ抵抗素子は、第1ピエゾ抵抗素子および第2ピエゾ抵抗素子を含んでよい。第1ピエゾ抵抗素子および第2ピエゾ抵抗素子は、ブリッジ回路の高電位端子および低電位端子のうちの一方に共通してそれぞれ一端が電気的に接続されてよい。算出部は、第1電圧測定値と既知の電圧値とを用いて、電圧比を第1計算値として算出してよい。電圧比は、高電位端子および低電位端子の間に印加される励起電圧と第1ピエゾ抵抗素子の両端間の電圧との差分を励起電圧で除算した電圧比であってよい。比較部は、第2ピエゾ抵抗素子の両端間の電圧を励起電圧で除算した電圧比と、第1計算値とを比較してよい。 The plurality of piezoresistive elements may include a first piezoresistive element and a second piezoresistive element. One end of each of the first piezoresistive element and the second piezoresistive element may be electrically connected in common to one of the high potential terminal and the low potential terminal of the bridge circuit. The calculation unit may calculate the voltage ratio as a first calculated value using the first voltage measurement value and the known voltage value. The voltage ratio may be a voltage ratio obtained by dividing the difference between the excitation voltage applied between the high potential terminal and the low potential terminal and the voltage across the first piezoresistive element by the excitation voltage. The comparison unit may compare a first calculated value with a voltage ratio obtained by dividing the voltage across the second piezoresistive element by the excitation voltage.
圧力測定装置は、固定抵抗器を備えてよい。固定抵抗器は、ブリッジ回路の高電位端子および低電位端子の一方に電気的に接続されてよい。算出部は、第1電圧測定値と、固定抵抗器の両端間の電圧測定値と、既知の電源電圧値とを用いて、第1計算値を算出してよい。第2ピエゾ抵抗素子の両端間の電圧を励起電圧で除算した電圧比は、第2電圧測定値と、固定抵抗器の両端間の電圧測定値と、既知の電源電圧値とを用いて得られてよい。 The pressure measuring device may comprise a fixed resistor. The fixed resistor may be electrically connected to one of the high potential terminal and the low potential terminal of the bridge circuit. The calculation unit may calculate the first calculated value using the first voltage measurement value, the voltage measurement value across the fixed resistor, and the known power supply voltage value. The voltage ratio obtained by dividing the voltage across the second piezoresistive element by the excitation voltage is obtained using the second voltage measurement, the voltage measurement across the fixed resistor, and the known supply voltage value. You may
算出部は、さらに、補正部を備えてよい。補正部は、ダイアフラム部に圧力が印加されていない状態での複数のピエゾ抵抗素子の各抵抗値に基づいて、差分を励起電圧で除算した電圧比を補正してよい。 The calculation unit may further include a correction unit. The correction unit may correct a voltage ratio obtained by dividing the difference by the excitation voltage based on the respective resistance values of the plurality of piezoresistive elements in a state in which no pressure is applied to the diaphragm unit.
第1ピエゾ抵抗素子および第2ピエゾ抵抗素子は、低電位端子に電気的に接続されてよい。 The first piezoresistive element and the second piezoresistive element may be electrically connected to the low potential terminal.
圧力測定装置は、固定抵抗器を備えてよい。固定抵抗器は、ブリッジ回路の高電位端子および低電位端子の一方に電気的に接続されてよい。圧力測定装置は、第2比較部を備えてよい。第2比較部は、固定抵抗器の両端間の電圧測定値と、閾値とを比較してよい。診断部は、さらに、第2比較部による比較結果に基づいて、圧力測定装置の動作状態を診断してよい。 The pressure measuring device may comprise a fixed resistor. The fixed resistor may be electrically connected to one of the high potential terminal and the low potential terminal of the bridge circuit. The pressure measuring device may comprise a second comparing unit. The second comparator may compare the voltage measurement across the fixed resistor with the threshold. The diagnosis unit may further diagnose the operating state of the pressure measurement device based on the comparison result by the second comparison unit.
圧力測定装置は、取得部を備えてよい。取得部は、ブリッジ回路周辺の温度情報を取得してよい。閾値は、温度情報に基づいて変更されてよい。 The pressure measuring device may comprise an acquisition unit. The acquisition unit may acquire temperature information around the bridge circuit. The threshold may be changed based on the temperature information.
本発明の第2の態様においては、圧力測定装置の動作状態診断方法を提供する。圧力測定装置は、ダイアフラム部を備えてよい。ダイアフラム部は、印加される圧力によって変位してよい。圧力測定装置は、複数のピエゾ抵抗素子を備えてよい。複数のピエゾ抵抗素子は、ダイアフラム部に設けられてよい。複数のピエゾ抵抗素子は、ブリッジ回路を構成してよい。圧力測定装置の動作状態診断方法は、ブリッジ回路の第1出力端子における第1電圧測定値と、予め定められた定数とを用いて第1計算値を算出する段階を備えてよい。圧力測定装置の動作状態診断方法は、ブリッジ回路において第1出力端子と異なる第2出力端子における第2電圧測定値から得られた値と第1計算値とを比較する段階を備えてよい。圧力測定装置の動作状態診断方法は、比較結果に基づいて、圧力測定装置の動作状態を診断する段階を備えてよい。 In a second aspect of the present invention, a method of operating condition diagnosis of a pressure measurement device is provided. The pressure measuring device may comprise a diaphragm part. The diaphragm portion may be displaced by the applied pressure. The pressure measuring device may comprise a plurality of piezoresistive elements. The plurality of piezoresistive elements may be provided on the diaphragm portion. The plurality of piezoresistive elements may form a bridge circuit. The operating state diagnosis method of the pressure measuring device may include the step of calculating a first calculated value using a first voltage measurement value at a first output terminal of the bridge circuit and a predetermined constant. The method of operating condition diagnosis of a pressure measuring device may comprise the step of comparing the value obtained from the second voltage measurement value at the second output terminal different from the first output terminal in the bridge circuit with the first calculated value. The operating condition diagnosis method of the pressure measuring device may comprise diagnosing the operating condition of the pressure measuring device based on the comparison result.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 Note that the above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention. In addition, a subcombination of these feature groups can also be an invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through the embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Moreover, not all combinations of features described in the embodiments are essential to the solution of the invention.
図1は、本発明の第1実施形態における圧力測定装置のダイアフラム部に形成されるピエゾ抵抗素子の配置例を示す図である。図1は、ダイアフラム部10の上面図、およびA−A´線に沿った断面図を示す。本実施形態の圧力測定装置は、ダイアフラム部10と、複数のピエゾ抵抗素子21−1、21−2、21―3、および21−4(以下、複数のピエゾ抵抗素子21と総称する場合がある)とを備える。ダイアフラム部10は、印加される圧力によって変位する。複数のピエゾ抵抗素子21は、ダイアフラム部10に設けられる。具体的には、4つのピエゾ抵抗素子21が、ダイアフラム部10のおもて面に形成されてよい。複数のピエゾ抵抗素子21は、ブリッジ回路20を構成する。ブリッジ回路20については、後述する。図1において、複数のピエゾ抵抗素子21は、R1、R2、R3、およびR4と表記される。 FIG. 1 is a view showing an arrangement example of piezoresistive elements formed in a diaphragm portion of a pressure measurement device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a top view of the diaphragm portion 10 and a cross-sectional view taken along the line A-A '. The pressure measurement device according to the present embodiment may be collectively referred to as a diaphragm unit 10 and a plurality of piezoresistive elements 21-1, 21-2, 21-3, and 21-4 (hereinafter referred to as a plurality of piezoresistive elements 21). And. The diaphragm unit 10 is displaced by the applied pressure. The plurality of piezoresistive elements 21 are provided on the diaphragm unit 10. Specifically, four piezoresistive elements 21 may be formed on the front surface of the diaphragm unit 10. The plurality of piezoresistive elements 21 constitute a bridge circuit 20. The bridge circuit 20 will be described later. In FIG. 1, the plurality of piezoresistive elements 21 are denoted as R1, R2, R3 and R4.
ダイアフラム部10は、例えば、半導体基板によって形成される。半導体基板は、シリコン基板であってもよく、炭化珪素(SiC)等の化合物半導体基板であってもよい。ピエゾ抵抗素子21は、半導体基板内の表層に形成された拡散抵抗であってよい。ピエゾ抵抗素子21は、p型またはn型のドーパントを半導体基板に選択的にドーピングし、さらに熱拡散することによって形成されてよい。 The diaphragm unit 10 is formed of, for example, a semiconductor substrate. The semiconductor substrate may be a silicon substrate or a compound semiconductor substrate such as silicon carbide (SiC). The piezoresistive element 21 may be a diffusion resistor formed on the surface layer in the semiconductor substrate. The piezoresistive element 21 may be formed by selectively doping a semiconductor substrate with a p-type or n-type dopant and further thermally diffusing it.
半導体基板の裏面には、空洞部12が設けられている。図1の上面図では、空洞部12が点線で示されている。点線で囲まれた領域である空洞部12は、点線で囲まれた領域の外側に比べて、半導体基板の厚みが薄い。空洞部12の上側の半導体基板の領域は、点線で囲まれた領域の外側に比べて厚みが薄いので、圧力によって変位しやすい。空洞部12の上側の半導体基板が、ダイアフラム部10として機能する。 A cavity 12 is provided on the back surface of the semiconductor substrate. In the top view of FIG. 1, the cavity 12 is shown by a dotted line. The hollow portion 12 which is a region surrounded by a dotted line has a thinner semiconductor substrate than the outside of the region surrounded by a dotted line. The area of the semiconductor substrate on the upper side of the cavity 12 is thinner than the area outside the area surrounded by the dotted line, so it is easily displaced by pressure. The semiconductor substrate on the upper side of the hollow portion 12 functions as the diaphragm portion 10.
複数のピエゾ抵抗素子21であるR1、R2、R3、およびR4は、空洞部12の上側の半導体基板の領域に設けられてよい。本例では、空洞部12の領域が、上面視で矩形をしており、矩形の4辺にR1、R2、R3、およびR4が設けられる。ダイアフラム部10が圧力を受けて歪むと、各ピエゾ抵抗素子21には、ダイアフラム部10の歪み量に応じた応力が発生する。この応力に応じてピエゾ抵抗素子21の抵抗が変化する。 A plurality of piezoresistive elements 21 R 1, R 2, R 3 and R 4 may be provided in the region of the semiconductor substrate above the cavity 12. In this example, the area of the hollow portion 12 is rectangular in top view, and R1, R2, R3, and R4 are provided on four sides of the rectangular. When the diaphragm portion 10 receives pressure and is distorted, stress corresponding to the amount of distortion of the diaphragm portion 10 is generated in each of the piezoresistive elements 21. The resistance of the piezoresistive element 21 changes according to this stress.
例えば、ダイアフラム部10に圧力が印加されるときにピエゾ抵抗素子21に生じる応力方向が、ピエゾ抵抗素子21に電流が流れる長手方向に対応する場合には、ピエゾ抵抗素子21の抵抗変化率は正となる。すなわち、ダイアフラム部10に印加される圧力が高くなるのにしたがって、ピエゾ抵抗素子21の電気抵抗値が増大する。一方、ピエゾ抵抗素子21に生じる応力方向が、ピエゾ抵抗素子21に電流が流れる長手方向に直交する短手方向に対応する場合には、ピエゾ抵抗素子21の抵抗変化率は負となる。すなわち、ダイアフラム部10に印加される圧力が高くなるのにしたがって、ピエゾ抵抗素子21の電気抵抗値が減少する。 For example, when the stress direction generated in the piezoresistive element 21 when pressure is applied to the diaphragm portion 10 corresponds to the longitudinal direction in which current flows in the piezoresistive element 21, the rate of change in resistance of the piezoresistive element 21 is positive. It becomes. That is, as the pressure applied to the diaphragm portion 10 increases, the electrical resistance value of the piezoresistive element 21 increases. On the other hand, when the stress direction generated in the piezoresistive element 21 corresponds to the short direction orthogonal to the longitudinal direction in which current flows in the piezoresistive element 21, the rate of change in resistance of the piezoresistive element 21 is negative. That is, as the pressure applied to the diaphragm portion 10 increases, the electrical resistance value of the piezoresistive element 21 decreases.
本例では、ダイアフラム部10の下側から上側に向かって圧力が加わった場合に、ピエゾ抵抗素子21−1(R1)およびピエゾ抵抗素子21−4(R4)の電気抵抗値が増加する。一方、ダイアフラム部10の下側から上側に向かって圧力が加わった場合に、ピエゾ抵抗素子21−2(R2)およびピエゾ抵抗素子21−3(R3)の電気抵抗値が減少する。但し、本例の圧力測定装置は、このようなレイアウトに限定されない。 In this example, when pressure is applied from the lower side to the upper side of the diaphragm unit 10, the electrical resistance value of the piezoresistive element 21-1 (R1) and the piezoresistive element 21-4 (R4) increases. On the other hand, when pressure is applied from the lower side to the upper side of the diaphragm unit 10, the electrical resistance value of the piezoresistive element 21-2 (R2) and the piezoresistive element 21-3 (R3) decreases. However, the pressure measurement device of this example is not limited to such a layout.
図2は、本発明の第1実施形態における圧力測定装置1の概略構成を示す図である。4個のピエゾ抵抗素子21−1から21−4は、図で示されるとおり、配線22、23、24、25によって接続されてブリッジ回路20を構成する。ブリッジ回路20は、ピエゾ抵抗素子21−1から21−4の電気抵抗の変化を検出する検出回路である。ピエゾ抵抗素子21−1から21−4を含むブリッジ回路20は、ダイアフラム部10の歪みに応じてブリッジ出力が変化する圧力検出用のブリッジ回路である。なお、配線22、配線23、配線24、および配線25は、ダイアフラム部10のおもて面に形成されるアルミニウムまたは銅等の金属で構成されてもよく、半導体基板内の表層に形成された拡散抵抗であってもよい。 FIG. 2 is a view showing a schematic configuration of the pressure measurement device 1 in the first embodiment of the present invention. The four piezoresistive elements 21-1 to 21-4 are connected by wires 22, 23, 24, 25 to form a bridge circuit 20 as shown in the figure. The bridge circuit 20 is a detection circuit that detects a change in the electrical resistance of the piezoresistive elements 21-1 to 21-4. The bridge circuit 20 including the piezoresistive elements 21-1 to 21-4 is a pressure detection bridge circuit in which the bridge output changes according to the distortion of the diaphragm unit 10. The wirings 22, 23, 24 and 25 may be made of metal such as aluminum or copper formed on the front surface of the diaphragm 10 and formed on the surface layer in the semiconductor substrate. It may be a diffusion resistance.
本例では、ピエゾ抵抗素子21−1(R1)の一端とピエゾ抵抗素子21−2(R2)の一端とが配線22を経て高電位端子26に接続される。ピエゾ抵抗素子21−3(R3)の一端とピエゾ抵抗素子21−4(R4)の一端とが配線23を経て低電位端子27に接続される。本例のピエゾ抵抗素子21−3(R3)およびピエゾ抵抗素子21−4(R4)は、高電位端子および低電位端子のうちの一方に共通してそれぞれ一端が電気的に接続される第1ピエゾ抵抗素子および第2ピエゾ抵抗素子の一例である。本例では、本例のピエゾ抵抗素子21−3(R3)およびピエゾ抵抗素子21−4(R4)は、低電位端子27に接続される。 In this example, one end of the piezoresistive element 21-1 (R1) and one end of the piezoresistive element 21-2 (R2) are connected to the high potential terminal 26 through the wiring 22. One end of the piezoresistive element 21-3 (R 3) and one end of the piezoresistive element 21-4 (R 4) are connected to the low potential terminal 27 through the wiring 23. The piezoresistive element 21-3 (R 3) and the piezoresistive element 21-4 (R 4) of this example have one end commonly electrically connected to one of the high potential terminal and the low potential terminal. It is an example of a piezoresistive element and a 2nd piezoresistive element. In this example, the piezoresistive element 21-3 (R3) and the piezoresistive element 21-4 (R4) of this example are connected to the low potential terminal 27.
ピエゾ抵抗素子21−1(R1)の他端とピエゾ抵抗素子21−3(R3)の他端とが、配線24を経て第1出力端子28に電気的に接続される。ピエゾ抵抗素子21−2(R2)の他端とピエゾ抵抗素子21−4(R4)の他端とが、配線25を経て、第1出力端子28と異なる第2出力端子29に電気的に接続される。 The other end of the piezoresistive element 21-1 (R1) and the other end of the piezoresistive element 21-3 (R3) are electrically connected to the first output terminal 28 through the wiring 24. The other end of the piezoresistive element 21-2 (R2) and the other end of the piezoresistive element 21-4 (R4) are electrically connected to the second output terminal 29 different from the first output terminal 28 through the wiring 25. Be done.
以上のように、ダイアフラム部10に印加される圧力が高くなるのにしたがってピエゾ抵抗素子21の電気抵抗値が増大するピエゾ抵抗素子(R1、R4)の端部と、ダイアフラム部10に印加される圧力が高くなるのにしたがってピエゾ抵抗素子21の電気抵抗値が減少するピエゾ抵抗素子(R2、R3)の端部とが接続される。換言すれば、圧力に応じた抵抗値の変化方向が同じ素子は、ブリッジ回路20における対角側に位置する。ピエゾ抵抗素子21−1から21−4の抵抗値および圧力に対する抵抗変化率は、ほぼ同じに設計されてよい。 As described above, the electric resistance value of the piezoresistive element 21 is increased as the pressure applied to the diaphragm portion 10 is increased, and the end portion of the piezoresistive element (R1, R4) is applied to the diaphragm portion 10 The end portions of the piezoresistive elements (R2, R3) are connected, in which the electrical resistance value of the piezoresistive element 21 decreases as the pressure increases. In other words, elements having the same direction of change in resistance value according to pressure are located diagonally in the bridge circuit 20. The resistance value of the piezoresistive elements 21-1 to 21-4 and the rate of change in resistance with respect to pressure may be designed to be approximately the same.
本例では、高電位端子26には、既知の電源電圧Vccが印加される。ブリッジ回路20は、回路基板に接続された電源から電源電圧Vccの供給を受けてよい。低電位端子27は、グランド電位(GND)に接続されてよい。したがって、本例では、高電位端子26と低電位端子27の間に印加される励起電圧Vexは、電源電圧Vccである。但し、本発明は、この場合に限られず、高電位端子26および低電位端子27間に、励起電圧Vexが印加される構成であれば適用できる。 In the present example, the known power supply voltage Vcc is applied to the high potential terminal 26. The bridge circuit 20 may receive the supply of the power supply voltage Vcc from a power supply connected to the circuit board. The low potential terminal 27 may be connected to the ground potential (GND). Therefore, in this example, the excitation voltage Vex applied between the high potential terminal 26 and the low potential terminal 27 is the power supply voltage Vcc. However, the present invention is not limited to this case, and can be applied as long as the excitation voltage Vex is applied between the high potential terminal 26 and the low potential terminal 27.
本例の圧力測定装置1は、AD変換部30、処理部40、および記憶部50を備える。これらの各部は、ダイアフラム部10とは別の回路基板上に設けられてよい。回路基板は、ダイアフラム部10とピエゾ抵抗素子21とを有する圧力センサ部分と配線で接続されてよい。但し、AD変換部30、処理部40、および記憶部50の各部のうちの少なくとも一部が、ダイアフラム部10を構成する半導体基板上に形成されてもよい。AD変換部30は、ブリッジ回路20から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。本例では、ブリッジ回路20において抵抗R1と抵抗R2との接続端である第1出力端子28における第1電圧測定値Vout1が取得されて、デジタル値に変換される。同様に、抵抗R2と抵抗R4との接続端である第2出力端子29における第2電圧測定値Vout2が取得されて、デジタル値に変換される。記憶部50は、閾値の値、既知の電源電圧Vccの値、および補正係数の値を予め格納してよい。 The pressure measurement device 1 of this example includes an AD conversion unit 30, a processing unit 40, and a storage unit 50. These components may be provided on a circuit board different from the diaphragm unit 10. The circuit board may be connected by a wire to a pressure sensor portion having the diaphragm portion 10 and the piezoresistive element 21. However, at least a part of each of the AD conversion unit 30, the processing unit 40, and the storage unit 50 may be formed on the semiconductor substrate constituting the diaphragm unit 10. The AD conversion unit 30 converts an analog signal output from the bridge circuit 20 into a digital signal. In this example, in the bridge circuit 20, the first voltage measurement value Vout1 at the first output terminal 28 which is the connection end of the resistor R1 and the resistor R2 is acquired and converted into a digital value. Similarly, a second voltage measurement value Vout2 at the second output terminal 29, which is a connection end of the resistor R2 and the resistor R4, is acquired and converted into a digital value. The storage unit 50 may store in advance the threshold value, the known power supply voltage Vcc value, and the correction coefficient value.
本例では、グランド電位に対する第1出力端子28における第1電圧測定値Vout1は、ピエゾ抵抗素子21−3(R3)の両端の電圧V3である。グランド電位に対する第2出力端子29における第2電圧測定値Vout2は、ピエゾ抵抗素子21−4(R4)の両端の電圧V4である。 In this example, the first voltage measurement value Vout1 at the first output terminal 28 with respect to the ground potential is the voltage V3 across the piezoresistive element 21-3 (R3). The second voltage measurement value Vout2 at the second output terminal 29 with respect to the ground potential is the voltage V4 across the piezoresistive element 21-4 (R4).
処理部40は、デジタル変換された第1電圧測定値および第2電圧測定値を用いて各種の演算処理を実行する。処理部40は、マイクロプロセッサ等であってよい。本例では、処理部40は、算出部42、比較部44、および診断部46を含む。 The processing unit 40 executes various types of arithmetic processing using the first voltage measurement value and the second voltage measurement value that are digitally converted. The processing unit 40 may be a microprocessor or the like. In the present example, the processing unit 40 includes a calculation unit 42, a comparison unit 44, and a diagnosis unit 46.
算出部42は、ブリッジ回路20の第1出力端子28における第1電圧測定値Vout1と、予め定められた定数とを用いて第1計算値を算出する。本例では、予め定められた定数は、既知の電源電圧値Vccであってよい。本例では、第1計算値は、高電位端子26と低電位端子27の間に印加される励起電圧Vexと、ピエゾ抵抗素子21−3(R3)の両端の電圧V3との差分である。したがって、本例の算出部42は、第1電圧測定値Vout1と既知の電圧値Vccとを用いて、励起電圧Vexと、第1ピエゾ抵抗素子の一例であるピエゾ抵抗素子21−3(R3)の両端間の電圧との差分を第1計算値として算出してよい。本例では、励起電圧Vexは、電源電圧Vccである。したがって、算出部42は、第1計算値として、Vcc−V3を算出する。 The calculator 42 calculates a first calculated value using the first voltage measurement value Vout1 at the first output terminal 28 of the bridge circuit 20 and a predetermined constant. In this example, the predetermined constant may be the known power supply voltage value Vcc. In this example, the first calculated value is the difference between the excitation voltage Vex applied between the high potential terminal 26 and the low potential terminal 27 and the voltage V3 across the piezoresistive element 21-3 (R3). Therefore, the calculation unit 42 of this example uses the first voltage measurement value Vout1 and the known voltage value Vcc to generate the excitation voltage Vex and the piezoresistive element 21-3 (R3), which is an example of the first piezoresistive element. The difference with the voltage between the two ends of may be calculated as a first calculated value. In the present example, the excitation voltage Vex is the power supply voltage Vcc. Therefore, the calculation unit 42 calculates Vcc-V3 as the first calculated value.
比較部44は、第2出力端子29における第2電圧測定値Vout2から得られた値と第1計算値とを比較する。本例では、比較部44は、第2ピエゾ抵抗素子の一例であるピエゾ抵抗素子21−4(R4)の両端間の電圧V4と、第1計算値であるVcc−V3とを比較する。ピエゾ抵抗素子21−4(R4)の両端間の電圧V4は、第2電圧測定値Vout2から得られる。本例では、ピエゾ抵抗素子21−4(R4)の両端間の電圧V4は、第2電圧測定値Vout2に等しい。 The comparison unit 44 compares the value obtained from the second voltage measurement value Vout2 at the second output terminal 29 with the first calculated value. In this example, the comparison unit 44 compares the voltage V4 across the piezoresistive element 21-4 (R4), which is an example of the second piezoresistive element, with the first calculated value Vcc-V3. The voltage V4 across the piezoresistive element 21-4 (R4) is obtained from the second voltage measurement value Vout2. In this example, the voltage V4 across the piezoresistive element 21-4 (R4) is equal to the second voltage measurement value Vout2.
診断部46は、比較部44による比較結果に基づいて、圧力測定装置1の動作状態を診断する。動作状態の診断には、故障診断が含まれてよい。例えば、動作状態の診断には、故障の検知が含まれる。診断部46は、ピエゾ抵抗素子21−4(R4)の両端間の電圧V4と第1計算値であるVcc−V3との差が、予め定められた値を超える場合に、圧力測定装置1において異常が生じていると診断する。以下に、本実施形態における動作状態診断の動作について説明する。 The diagnosis unit 46 diagnoses the operation state of the pressure measurement device 1 based on the comparison result by the comparison unit 44. The diagnosis of the operating condition may include fault diagnosis. For example, diagnosis of the operating state includes detection of a failure. When the difference between the voltage V4 across the piezoresistive element 21-4 (R4) and the first calculated value Vcc-V3 exceeds a predetermined value, the diagnosis unit 46 Diagnose that an abnormality has occurred. The operation of the operation state diagnosis in the present embodiment will be described below.
複数のピエゾ抵抗素子21である抵抗R1、R3、R4のそれぞれの両端間の電圧をV1、V3、V4とすると、各電圧は以下に示す式で表すことができる。ここで、R10、R20、R30、およびR40は、圧力印加の無い状態での各ピエゾ抵抗素子21の抵抗値である。kaおよびkbは、圧力に対する抵抗変化率であり、pは印加圧力である。 Assuming that voltages across the respective resistors R1, R3 and R4 which are a plurality of piezoresistive elements 21 are V1, V3 and V4, each voltage can be expressed by the following equation. Here, R1 0 , R2 0 , R3 0 , and R4 0 are resistance values of the respective piezoresistive elements 21 in a state where no pressure is applied. ka and kb are rates of change in resistance with respect to pressure, and p is an applied pressure.
ここで、各ピエゾ抵抗素子21は、ほぼ同じ抵抗値となるように設計されている。ほぼ同じとは、たとえば、各ピエゾ抵抗素子21のバラツキが10%以内となることを意味してよい。R10=R20=R30=R40であるとすると、圧力測定装置1におけるブリッジ回路20等が正常である場合には、ブリッジ回路20の対称性から、式(5)および式(7)が等しくなる。すなわち、V1とV4は同じ値となる。 Here, each of the piezoresistive elements 21 is designed to have substantially the same resistance value. The term “substantially the same” may mean, for example, that the variation of each of the piezoresistive elements 21 is within 10%. Assuming that R1 0 = R2 0 = R3 0 = R4 0 , when the bridge circuit 20 and the like in the pressure measurement device 1 are normal, the symmetry of the bridge circuit 20 causes the equations (5) and (7) to be obtained. Become equal. That is, V1 and V4 have the same value.
ここで、式(3)より電圧V1は、既知である電源電圧Vccと、測定値である電圧V3の差を計算することで取得することができることが分かる。したがって、圧力測定装置1が正常である場合は、ピエゾ抵抗素子21−4(R4)の両端間の電圧V4と第1計算値であるVcc−V3とは同じ値となる。 Here, it can be understood from the equation (3) that the voltage V1 can be obtained by calculating the difference between the known power supply voltage Vcc and the voltage V3 which is a measured value. Therefore, when the pressure measurement device 1 is normal, the voltage V4 across the piezoresistive element 21-4 (R4) and the first calculated value Vcc-V3 have the same value.
ここで、一つのピエゾ抵抗素子21に異常が生じた場合は、ブリッジ回路20における対称性が失われるため、VccとV3の差である第1計算値と、電圧V4の値とが乖離する。したがって、比較部44が、第1計算値Vcc−V3と、電圧V4との差を計算し、第1計算値Vcc−V3と、電圧V4との差が、閾値を超えた場合には、診断部46は、圧力測定装置1に異常が生じたと判断する。 Here, when an abnormality occurs in one piezoresistive element 21, the symmetry in the bridge circuit 20 is lost, and thus the first calculated value which is the difference between Vcc and V3 is separated from the value of the voltage V4. Therefore, the comparison unit 44 calculates the difference between the first calculated value Vcc-V3 and the voltage V4, and diagnoses when the difference between the first calculated value Vcc-V3 and the voltage V4 exceeds the threshold. The unit 46 determines that an abnormality has occurred in the pressure measuring device 1.
図3は、圧力測定装置1の変形例の概略構成を示す図である。本変形例の圧力測定装置1においては、算出部42が、補正部43を備える。補正部43は、ダイアフラム部10に圧力が印加されていない状態での複数のピエゾ抵抗素子21−1から21−4の各抵抗値R10、R20、R30、R40に基づいて、差分(Vcc−V3)を補正する。補正部43を備えることを除いて、本変形例の圧力測定装置1は、図1および図2に示される圧力測定装置1と同様の構造を有する。したがって、繰り返しの説明は省略する。 FIG. 3 is a view showing a schematic configuration of a modified example of the pressure measuring device 1. In the pressure measurement device 1 of the present modification, the calculation unit 42 includes a correction unit 43. The correction unit 43 is a difference based on the resistance values R1 0 , R2 0 , R3 0 , and R4 0 of the plurality of piezoresistive elements 21-1 to 21-4 in the state where no pressure is applied to the diaphragm unit 10. Correct (Vcc-V3). The pressure measurement device 1 of the present modification has the same structure as the pressure measurement device 1 shown in FIGS. 1 and 2 except that the correction unit 43 is provided. Therefore, repeated explanation is omitted.
ダイアフラム部10に対するピエゾ抵抗素子21−1から21−4の配置位置の違いおよびピエゾ抵抗素子21−1から21−4の特性バラツキに起因して、ピエゾ抵抗素子21−1から21−4の抵抗R1、R2、R3、R4の値が、互いにわずかに異なる場合がある。この場合、補正部43は、VccとV3との差分に補正係数αを乗じて、差分を補正する。そして、算出部42は、補正部43によって補正された差分であるα(Vcc−V3)を第1計算値として算出する。補正係数αは、ピエゾ抵抗素子21−1から21−4の各抵抗値R10、R20、R30、R40の違いを補正するための係数である。 The resistance of the piezoresistive elements 21-1 to 21-4 due to the difference in the arrangement position of the piezoresistive elements 21-1 to 21-4 with respect to the diaphragm portion 10 and the characteristic variation of the piezoresistive elements 21-1 to 21-4. The values of R1, R2, R3, R4 may be slightly different from one another. In this case, the correction unit 43 corrects the difference by multiplying the difference between Vcc and V3 by the correction coefficient α. Then, the calculation unit 42 calculates α (Vcc−V3), which is the difference corrected by the correction unit 43, as a first calculation value. The correction coefficient α is a coefficient for correcting the difference between the resistance values R1 0 , R2 0 , R3 0 , and R4 0 of the piezoresistive elements 21-1 to 21-4.
具体的には、上述した式(2)、式(5)、式(7)における抵抗変化率kaおよびkbは、ほぼ同じになるように複数のピエゾ抵抗素子21が設計されている。そのため、式(2)、式(5)、式(7)における分母においては、圧力印加が無い状態での抵抗値の和、すなわち、R10+R30およびR20+R40が支配的である。したがって、補正部43は、以下のような式(8)により補正係数αを計算してよい。算出部42は、補正係数を差分(Vcc−V3)に乗じて第1計算値V1´を算出する。診断部46は、第1計算値V1´(α(Vcc−V3))と電圧V4とを比較して、圧力測定装置1に異常が生じたか否かを診断する。 Specifically, the plurality of piezoresistive elements 21 are designed such that the rates of change in resistance ka and kb in the above formulas (2), (5) and (7) are substantially the same. Therefore, in the denominators of the equations (2), (5) and (7), the sum of resistances in the absence of pressure application, that is, R1 0 + R3 0 and R2 0 + R4 0 are dominant. Therefore, the correction unit 43 may calculate the correction coefficient α by the following equation (8). The calculation unit 42 multiplies the difference (Vcc−V3) by the correction coefficient to calculate a first calculated value V1 ′. The diagnosis unit 46 compares the first calculated value V1 ′ (α (Vcc−V3)) with the voltage V4 to diagnose whether or not an abnormality has occurred in the pressure measurement device 1.
なお、圧力測定装置1の動作状態が正常であり、さらに、補正部43による補正を実行したとしても、測定ノイズ等により第1計算値V1´と電圧V4とは完全には一致しない。したがって、診断部46は、妥当な許容値を設けて動作状態を診断してよい。具体的には、診断部46は、第1計算値V1´と電圧V4との差分の絶対値|V1´−V4|が、閾値を超えたら、異常が発生していると判定してよい。閾値の値は、測定ノイズ等の影響を考慮して、適宜に設定してよい。なお、圧力測定装置1が正常である場合には、理想的には、圧力によらず電圧V1(第1計算値Vcc−V3)と電圧V4の差がゼロになる。したがって、閾値は、圧力によらず一定であってよい。但し、閾値を圧力に応じて変更してもよい。式(5)および式(7)において、圧力に対する抵抗変化率kaおよびkbがほぼ等しいと仮定すると、R10とR40が理想的に等しい値ではなく、補正係数αによる補正を実行したとしても補正係数の精度(補正係数算出時の抵抗値の測定精度)などにより完全に一致しない場合、電圧V1と電圧V4との差が圧力に比例する。そのため、異常のモードが抵抗変化率kaなどの変化(悪化)である場合は圧力が小さくなるほど変化量V1−V4は小さくなる。したがって、処理部40は、圧力が小さくなるほど閾値を小さくし、圧力が大きくなるほど閾値を大きくしてよい。このように構成することによって、圧力が小さくなった場合において異常の検知精度を維持しつつ、圧力が大きくなった場合において圧力測定装置1が正常であるにもかかわらず異常が生じたと誤検知することを防止してよい。 The operation state of the pressure measurement device 1 is normal, and even if the correction by the correction unit 43 is performed, the first calculated value V1 'and the voltage V4 do not completely match due to measurement noise and the like. Therefore, the diagnosis unit 46 may diagnose the operation state by providing a reasonable tolerance value. Specifically, when the absolute value | V1′−V4 | of the difference between the first calculated value V1 ′ and the voltage V4 exceeds the threshold, the diagnosis unit 46 may determine that an abnormality has occurred. The threshold value may be set appropriately in consideration of the influence of measurement noise and the like. When the pressure measuring device 1 is normal, ideally, the difference between the voltage V1 (first calculated value Vcc-V3) and the voltage V4 becomes zero regardless of the pressure. Thus, the threshold may be constant regardless of pressure. However, the threshold may be changed according to the pressure. In the formula (5) and (7), the resistance change rate ka and kb for the pressure assuming approximately equal, R1 0 and R4 0 is not an ideal equal value, even running correction by the correction coefficient α If the values do not match completely due to the accuracy of the correction coefficient (the measurement accuracy of the resistance value at the time of correction coefficient calculation), the difference between the voltage V1 and the voltage V4 is proportional to the pressure. Therefore, when the abnormal mode is a change (deterioration) such as the rate of change in resistance ka, the amount of change V1-V4 decreases as the pressure decreases. Therefore, the processing unit 40 may reduce the threshold as the pressure decreases, and may increase the threshold as the pressure increases. By this configuration, when the pressure decreases, the detection accuracy of the abnormality is maintained, and when the pressure increases, the pressure measurement device 1 is erroneously detected as having an abnormality despite being normal. You may prevent that.
動作状態の診断の一例として、第1実施形態の圧力測定装置1による処理を適用した場合の特性例を図4から図7に示す。図4は、第1実施形態における正常時の出力例を示す図である。図4において、V3は、ピエゾ抵抗素子21−3(R3)の両端の電圧であり、本例では、第1出力端子28における第1電圧測定値Vout1である。V4は、ピエゾ抵抗素子21−4(R4)の両端の電圧であり、本例では、第2出力端子29における第2電圧測定値Vout2である。V1´は、式(9)により、第1電圧測定値Vout1(V3)と、既知の電源電圧値Vccとから算出した第1計算値である。本例では、補正部43によって補正された第1計算値V1´を用いている。 As an example of the diagnosis of the operation state, examples of characteristics when the process by the pressure measurement device 1 of the first embodiment is applied are shown in FIGS. 4 to 7. FIG. 4 is a diagram showing an example of normal output in the first embodiment. In FIG. 4, V3 is a voltage at both ends of the piezoresistive element 21-3 (R3), and in this example, is a first voltage measurement value Vout1 at the first output terminal. V4 is a voltage across the piezoresistive element 21-4 (R4), and in this example, is a second voltage measurement value Vout2 at the second output terminal 29. V1 'is a first calculation value calculated from the first voltage measurement value Vout1 (V3) and the known power supply voltage value Vcc according to the equation (9). In this example, the first calculated value V1 'corrected by the correction unit 43 is used.
図4の横軸は、ダイアフラム部10への入力圧(%)を示している。本例では、ダイアフラム部10への圧力が高くなるのにしたがって、電圧V3は減少し、電圧V4および第1計算値V1´は増加する。図4に示されるとおり、圧力測定装置1が正常である状態では、第1計算値V1´と電圧V4とは、ほとんど一致する。 The horizontal axis in FIG. 4 indicates the input pressure (%) to the diaphragm unit 10. In this example, as the pressure on the diaphragm portion 10 increases, the voltage V3 decreases and the voltage V4 and the first calculated value V1 'increase. As shown in FIG. 4, in the state where the pressure measurement device 1 is normal, the first calculated value V1 ′ and the voltage V4 almost coincide with each other.
図5は、第1実施形態における正常時の電圧差の一例を示す図である。図5の横軸は、ダイアフラム部10への入力圧(%)を示している。図5の縦軸は、第1計算値V1´と電圧V4との差を示している。圧力測定装置1が正常である状態では、第1計算値V1´と電圧V4との差は、0付近に留まる。第1計算値V1´と電圧V4との差が、下限閾値以上、上限閾値以下の範囲内に留まるので、診断部46は、圧力測定装置1が正常であると診断することができる。図5では、上限閾値および下限閾値とも、圧力によらず一定の場合を示している。 FIG. 5 is a view showing an example of a voltage difference at the normal time in the first embodiment. The horizontal axis in FIG. 5 indicates the input pressure (%) to the diaphragm unit 10. The vertical axis in FIG. 5 indicates the difference between the first calculated value V1 'and the voltage V4. When the pressure measuring device 1 is normal, the difference between the first calculated value V1 'and the voltage V4 remains near zero. Since the difference between the first calculated value V1 'and the voltage V4 remains in the range between the lower limit threshold and the upper limit threshold, the diagnosis unit 46 can diagnose that the pressure measurement device 1 is normal. FIG. 5 shows a case where both the upper threshold and the lower threshold are constant regardless of the pressure.
図6は、第1実施形態における異常時の出力例を示す図である。図7は、第1実施形態における異常時の電圧差の一例を示す図である。図6および図7において、V3、V4、V1´、横軸、および縦軸が示す事項は、図4および図5の場合と同様である。図6および図7は、ダイアフラム部10への入力圧83%付近において、ピエゾ抵抗素子21−4(R4)に異常が生じた場合を例示する。図6に示されるとおり、圧力測定装置1に異常が生じた場合には、第1計算値V1´と電圧V4とが乖離する。したがって、図7に示されるとおり、圧力測定装置1に異常が生じた場合には、第1計算値V1´と電圧V4との差が、下限閾値以上および上限閾値以下で与えられる正常な範囲から外れる。本例では、第1計算値V1´と電圧V4との差が下限閾値を下回っている。したがって、診断部46は、圧力測定装置1に異常が発生したと診断することができる。 FIG. 6 is a diagram showing an output example at the time of abnormality in the first embodiment. FIG. 7 is a view showing an example of a voltage difference at the time of abnormality in the first embodiment. In FIGS. 6 and 7, items indicated by V3, V4, V1 ′, the horizontal axis, and the vertical axis are the same as those in FIGS. 4 and 5. FIGS. 6 and 7 illustrate the case where an abnormality occurs in the piezoresistive element 21-4 (R 4) in the vicinity of 83% of the input pressure to the diaphragm unit 10. As shown in FIG. 6, when an abnormality occurs in the pressure measuring device 1, the first calculated value V1 'and the voltage V4 diverge. Therefore, as shown in FIG. 7, when an abnormality occurs in the pressure measuring device 1, the difference between the first calculated value V1 'and the voltage V4 is from the normal range given by the lower threshold and the upper threshold. Get out. In this example, the difference between the first calculated value V1 ′ and the voltage V4 is less than the lower limit threshold. Therefore, the diagnosis unit 46 can diagnose that the pressure measurement device 1 has an abnormality.
図8は、第1実施形態における圧力測定装置1による処理の一例を示すフローチャートである。図8は、ダイアフラム部10と複数のピエゾ抵抗素子21とを備える圧力測定装置1の動作状態診断方法の一例を示す。 FIG. 8 is a flowchart showing an example of processing by the pressure measurement device 1 in the first embodiment. FIG. 8 shows an example of a method of diagnosing the operation state of the pressure measurement device 1 provided with the diaphragm portion 10 and the plurality of piezoresistive elements 21.
算出部42は、ブリッジ回路20の第1出力端子28における第1電圧測定値Vout1を取得する(ステップS101)。本例では、第1電圧測定値Vout1は、ピエゾ抵抗素子21−3(R3)の両端の電圧V3に対応する。算出部42は、ブリッジ回路20の第2出力端子29における第2電圧測定値Vout2を取得する(ステップS102)。本例では、第2電圧測定値Vout2は、ピエゾ抵抗素子21−4(R4)の両端の電圧V4に対応する。ステップS101とステップS102の順序は、この場合に限定されない。 The calculation unit 42 acquires a first voltage measurement value Vout1 at the first output terminal 28 of the bridge circuit 20 (step S101). In the present example, the first voltage measurement value Vout1 corresponds to the voltage V3 across the piezoresistive element 21-3 (R3). The calculation unit 42 acquires a second voltage measurement value Vout2 at the second output terminal 29 of the bridge circuit 20 (step S102). In this example, the second voltage measurement value Vout2 corresponds to the voltage V4 across the piezoresistive element 21-4 (R4). The order of step S101 and step S102 is not limited to this case.
算出部42は、第1出力端子28における第1電圧測定値Vout1と、既知の電源電圧Vccを用いて、第1計算値として、励起電圧Vexと、ピエゾ抵抗素子21−3(R3)の両端の電圧V3との差分を算出する(ステップS103)。既知の電源電圧Vccは、記憶部50に予め格納されていてもよい。なお、本例では、電源電圧Vcc自体が、励起電圧Vexであり、第1電圧測定値Vout1がV3であるので、算出部42は、Vcc−Vout1を算出してよい。 The calculation unit 42 uses the first voltage measurement value Vout1 at the first output terminal 28 and the known power supply voltage Vcc to set the excitation voltage Vex and both ends of the piezoresistive element 21-3 (R3) as a first calculated value. The difference between the voltage V3 and the voltage V3 is calculated (step S103). The known power supply voltage Vcc may be stored in advance in the storage unit 50. In this example, since the power supply voltage Vcc itself is the excitation voltage Vex and the first voltage measurement value Vout1 is V3, the calculation unit 42 may calculate Vcc−Vout1.
補正部43は、ダイアフラム部10に圧力が印加されていない状態での複数のピエゾ抵抗素子21−1から21−4の各抵抗値R10、R20、R30、R40に基づいて、差分(Vcc−V3)を補正する(ステップS104)。補正部43は、差分(Vcc−V3)に補正係数αを乗じて、第1計算値(V1´)を算出してよい。但し、ステップS104の処理は、省略してもよい。ステップS101からステップS104の処理は、ブリッジ回路20の第1出力端子28における第1電圧測定値Vout1と、予め定められた定数(既知の電源電圧Vcc)とを用いて第1計算値を算出する段階の一例に対応する。 The correction unit 43 is a difference based on the resistance values R1 0 , R2 0 , R3 0 , and R4 0 of the plurality of piezoresistive elements 21-1 to 21-4 in the state where no pressure is applied to the diaphragm unit 10. (Vcc-V3) is corrected (step S104). The correction unit 43 may calculate the first calculated value (V1 ′) by multiplying the difference (Vcc−V3) by the correction coefficient α. However, the process of step S104 may be omitted. The processes in steps S101 to S104 calculate a first calculated value using the first voltage measurement value Vout1 at the first output terminal 28 of the bridge circuit 20 and a predetermined constant (known power supply voltage Vcc). It corresponds to an example of the stage.
比較部44は、第1計算値(V1´)と、第2電圧測定値Vout2とを比較する(ステップS105)。本例では、第2電圧測定値Voutは、ピエゾ抵抗素子21−4(R4)の両端の電圧V4に対応する。第1計算値(V1´)と電圧V4との差の絶対値|V1´−V4|が閾値を超える場合には(ステップS106:YES)、診断部46は、圧力測定装置1において異常が生じたと診断する(ステップS107)。第1計算値(V1´)と電圧V4との差の絶対値|V1´−V4|が閾値以下である場合には(ステップS106:NO)、圧力測定装置1が正常である。したがって、処理は、ステップS101に戻る。ステップS105の処理は、ブリッジ回路20において第1出力端子28と異なる第2出力端子29における第2電圧測定値Voutから得られた値と第1計算値とを比較する段階に対応する。ステップS106およびステップS107の処理は、比較結果に基づいて、圧力測定装置1の動作状態を診断する段階に対応する。 The comparison unit 44 compares the first calculated value (V1 ′) with the second voltage measurement value Vout2 (step S105). In the present example, the second voltage measurement value Vout corresponds to the voltage V4 across the piezoresistive element 21-4 (R4). If the absolute value | V1′−V4 | of the difference between the first calculated value (V1 ′) and the voltage V4 exceeds the threshold (step S106: YES), the diagnostic unit 46 causes an abnormality in the pressure measurement device 1 It is diagnosed (step S107). When the absolute value | V1′−V4 | of the difference between the first calculated value (V1 ′) and the voltage V4 is equal to or less than the threshold (step S106: NO), the pressure measuring device 1 is normal. Therefore, the process returns to step S101. The process of step S105 corresponds to the step of comparing the value obtained from the second voltage measurement value Vout at the second output terminal 29 different from the first output terminal 28 in the bridge circuit 20 with the first calculated value. The processes of step S106 and step S107 correspond to the stage of diagnosing the operating state of the pressure measurement device 1 based on the comparison result.
第1実施形態における圧力測定装置1によれば、2つのセンサを用いてセンサの二重化をしないので、圧力測定装置1のサイズおよびコストの増大を抑制できる。また、ダイアフラム部10にブリッジ回路を複数形成しなくてもよいので、基板を含むセンサを小型化できる。さらに、圧力検出用のブリッジ回路20の第1出力端子28および第2出力端子29を、動作状態診断用の端子として兼用することができる。したがって、別途に動作状態診断用の端子を設ける必要がないため、センサを小型化することができる。AD変換部30についても、圧力検出用のAD変換回路を兼用してもよい。 According to the pressure measurement device 1 in the first embodiment, since the duplexing of the sensors is not performed using two sensors, the increase in the size and cost of the pressure measurement device 1 can be suppressed. Further, since it is not necessary to form a plurality of bridge circuits in the diaphragm portion 10, the sensor including the substrate can be miniaturized. Furthermore, the first output terminal 28 and the second output terminal 29 of the bridge circuit 20 for pressure detection can be used as terminals for operating condition diagnosis. Therefore, since it is not necessary to separately provide a terminal for operation state diagnosis, the sensor can be miniaturized. The AD conversion unit 30 may also be used as a pressure detection AD conversion circuit.
したがって、本実施形態の圧力測定装置1によれば、簡便な回路構成により動作状態を診断することができる圧力測定装置1を提供することができる。また、補正部43によって補正する場合には、ダイアフラム部10に対するピエゾ抵抗素子21−1から21−4の配置位置の違いおよびピエゾ抵抗素子21−1から21−4の特性バラツキを考慮して、正確に動作状態診断することが可能である。 Therefore, according to the pressure measurement device 1 of the present embodiment, it is possible to provide the pressure measurement device 1 capable of diagnosing the operation state with a simple circuit configuration. In addition, when correcting by the correction unit 43, in consideration of the difference in the arrangement position of the piezoresistive elements 21-1 to 21-4 with respect to the diaphragm unit 10 and the characteristic variation of the piezoresistive elements 21-1 to 21-4, It is possible to diagnose the operating condition accurately.
図9は、本発明の第2実施形態における圧力測定装置1の概略構成を示す図である。第1実施形態においては、ブリッジ回路20を構成する一部のピエゾ抵抗素子21の異常を診断する場合を説明した。しかしながら、圧力測定装置1には、経年劣化による抵抗値の変化のように、複数のピエゾ抵抗素子21全体に影響し、ブリッジ回路20における対称性を失わないタイプの異常が生じる場合があり得る。そこで、第2実施形態の圧力測定装置1は、一部のピエゾ抵抗素子21が異常となった場合と、複数のピエゾ抵抗素子21の全体が異常となった場合の双方を診断することを可能とする。 FIG. 9 is a view showing a schematic configuration of a pressure measurement device 1 according to a second embodiment of the present invention. In the first embodiment, the case where the abnormality of some of the piezoresistive elements 21 constituting the bridge circuit 20 is diagnosed has been described. However, the pressure measuring device 1 may affect the entire plurality of piezoresistive elements 21 and cause an abnormality of a type that does not lose symmetry in the bridge circuit 20, such as a change in resistance value due to aging. Therefore, the pressure measurement device 1 according to the second embodiment can diagnose both the case where some of the piezoresistive elements 21 become abnormal and the case where all of the plurality of piezoresistive elements 21 become abnormal. I assume.
本実施形態の圧力測定装置1は、固定抵抗器60を備える。図9において、固定抵抗器60は、抵抗R5と表示されている。固定抵抗器60は、AD変換部30等が配置されている回路基板上に配置されてよい。但し、ピエゾ抵抗素子21が形成される半導体基板の拡散抵抗を固定抵抗器60として用いてもよい。固定抵抗器60が、ダイアフラム上に形成されている場合には、圧力変化による歪みの影響を受ける可能性がある。したがって、固定抵抗器60は、半導体基板上において、歪みの影響を受けにくい位置に設けられてよい。例えば、固定抵抗器60は、空洞部12から離隔して配置されてよい。固定抵抗器60は、高電位端子26および低電位端子27の一方に電気的に接続される。本例では、固定抵抗器60は、低電位端子27に電気的に接続される。固定抵抗器60の一端は、低電位端子27に接続され、固定抵抗器60の他端は、グランド電位(GND)に接続されてよい。固定抵抗器60の抵抗値は、後段のAD変換部30の分解能に応じて設計されてよい。但し、好ましくは、固定抵抗器60(R5)の抵抗値は、ピエゾ抵抗素子21の抵抗値と同程度であることが望ましい。一例において、固定抵抗器60(R5)の抵抗値は、ピエゾ抵抗素子21の抵抗値の1/10以上、10倍以下であってよく、より好ましくは、ピエゾ抵抗素子21の抵抗値の1/10以上、1倍以下であってよい。ピエゾ抵抗素子21が数kΩの場合に、固定抵抗器60の抵抗値は、1kΩ程度であってよい。固定抵抗器60の抵抗値が大きくなりすぎると、相対的にピエゾ抵抗素子21の変化による算出値の変化(V5 後述する式(26))が小さくなるため、ピエゾ抵抗素子に比べて固定抵抗は大きくなりすぎないことが望ましい。一方、固定抵抗器60の抵抗値が、小さすぎると、算出値はピエゾ抵抗素子21に対する固定抵抗器60抵抗値の比率であることから、算出値の値そのものが小さくなる。したがって、固定抵抗器60の抵抗値が小さすぎるのも望ましくない。 The pressure measurement device 1 of the present embodiment includes a fixed resistor 60. In FIG. 9, the fixed resistor 60 is indicated as a resistor R5. The fixed resistor 60 may be disposed on the circuit board on which the AD conversion unit 30 and the like are disposed. However, the diffusion resistor of the semiconductor substrate on which the piezoresistive element 21 is formed may be used as the fixed resistor 60. If the fixed resistor 60 is formed on the diaphragm, it may be affected by strain due to pressure changes. Therefore, fixed resistor 60 may be provided on the semiconductor substrate at a position that is less susceptible to distortion. For example, the fixed resistor 60 may be spaced apart from the cavity 12. Fixed resistor 60 is electrically connected to one of high potential terminal 26 and low potential terminal 27. In the present example, the fixed resistor 60 is electrically connected to the low potential terminal 27. One end of the fixed resistor 60 may be connected to the low potential terminal 27, and the other end of the fixed resistor 60 may be connected to the ground potential (GND). The resistance value of the fixed resistor 60 may be designed according to the resolution of the AD conversion unit 30 in the subsequent stage. However, preferably, the resistance value of the fixed resistor 60 (R5) is approximately the same as the resistance value of the piezoresistive element 21. In one example, the resistance value of the fixed resistor 60 (R5) may be 1/10 or more and 10 times or less of the resistance value of the piezoresistive element 21, and more preferably 1/0 of the resistance value of the piezoresistive element 21. It may be 10 or more and 1 or less. When the piezoresistance element 21 is several kΩ, the resistance value of the fixed resistor 60 may be about 1 kΩ. If the resistance value of the fixed resistor 60 becomes too large, the change in the calculated value due to the change of the piezoresistive element 21 (V5, equation (26) described later) becomes smaller, so the fixed resistance is smaller than that of the piezoresistive element. It is desirable not to be too big. On the other hand, when the resistance value of the fixed resistor 60 is too small, the calculated value is the ratio of the fixed resistor 60 resistance value to the piezoresistive element 21, so the calculated value itself becomes small. Therefore, it is not desirable that the resistance value of the fixed resistor 60 be too small.
第1出力端子28における第1電圧測定値Vout1(電圧V13)と、第2出力端子29における第2電圧測定値Vout2(電圧V24)がそれぞれ取得されて、AD変換部30によってデジタル値に変換される。なお、第1電圧測定値Vout1は、グランド電位に対する第1出力端子28の電圧であってよく、第2電圧測定値Vout2は、グランド電位に対する第2出力端子29の電圧であってよい。 The first voltage measurement value Vout1 (voltage V13) at the first output terminal 28 and the second voltage measurement value Vout2 (voltage V24) at the second output terminal 29 are respectively acquired and converted into digital values by the AD conversion unit 30. Ru. The first voltage measurement value Vout1 may be the voltage of the first output terminal 28 with respect to the ground potential, and the second voltage measurement value Vout2 may be the voltage of the second output terminal 29 with respect to the ground potential.
さらに、本例では、固定抵抗器60の一端が接続される接続端における電圧測定値Vout3が取得される。本例では、電圧測定値Vout3は、固定抵抗器60(R5)の両端の電圧V5に対応する。電圧測定値Vout3も、AD変換部30によってデジタル値に変換されてよい。処理部40は第2比較部47を備える、第2比較部47は、固定抵抗器60の両端間の電圧測定値Vout3(V5)と、閾値とを比較する。閾値は、記憶部50に予め格納されていてよい。診断部46は、比較部44による比較結果のみならず、さらに第2比較部47による比較結果に基づいて、圧力測定装置1の動作状態を診断する。具体的には、診断部46は、比較部44による比較結果に基づいて、複数のピエゾ抵抗素子21の一部に異常が生じたか否かを診断し、第2比較部47による比較結果に基づいて、複数のピエゾ抵抗素子21の全体に異常が生じたか否かを診断してよい。 Furthermore, in this example, the voltage measurement value Vout3 at the connection end to which one end of the fixed resistor 60 is connected is obtained. In this example, the voltage measurement value Vout3 corresponds to the voltage V5 across the fixed resistor 60 (R5). The voltage measurement value Vout3 may also be converted into a digital value by the AD conversion unit 30. The processing unit 40 includes a second comparison unit 47. The second comparison unit 47 compares the voltage measurement value Vout3 (V5) across the fixed resistor 60 with the threshold value. The threshold may be stored in advance in the storage unit 50. The diagnosis unit 46 diagnoses the operation state of the pressure measurement device 1 based not only on the comparison result by the comparison unit 44 but also on the comparison result by the second comparison unit 47. Specifically, the diagnosis unit 46 diagnoses whether or not an abnormality has occurred in a part of the plurality of piezoresistance elements 21 based on the comparison result by the comparison unit 44, and based on the comparison result by the second comparison unit 47. Thus, it may be diagnosed whether an abnormality has occurred in the plurality of piezoresistive elements 21 as a whole.
本例の算出部42は、第1電圧測定値Vout1と、既知の電圧値である電源電圧Vccとを用いて、電圧比X1(=(Vex−V3)/Vex)を第1計算値として算出する。電圧比X1は、高電位端子26および低電位端子27の間に印加される励起電圧Vexと、ピエゾ抵抗素子21−3(R3)の両端の電圧(V3)との差分(Vex−V3)を励起電圧Vexで除算した値を意味する。なお、ピエゾ抵抗素子21−3(R3)は、第1ピエゾ抵抗素子の一例である。 The calculation unit 42 of this example calculates the voltage ratio X1 (= (Vex−V3) / Vex) as a first calculated value using the first voltage measurement value Vout1 and the power supply voltage Vcc which is a known voltage value. Do. The voltage ratio X1 is the difference (Vex−V3) between the excitation voltage Vex applied between the high potential terminal 26 and the low potential terminal 27 and the voltage (V3) across the piezoresistive element 21-3 (R3). It means the value divided by the excitation voltage Vex. The piezoresistive element 21-3 (R3) is an example of a first piezoresistive element.
また、処理部40は、ピエゾ抵抗素子21−4(R4)の両端間の電圧V4を励起電圧Vexで除算した電圧比X4(V4/Vex)を算出する。ピエゾ抵抗素子21−4(R4)は、第2ピエゾ抵抗素子の一例である。また、電圧比X4(V4/Vex)は、第2出力端子29における第2電圧測定値Vout2から得られた値の一例である。本例では、比較部44は、電圧比X4(V4/Vex)と、第1計算値である電圧比X1とを比較する。以上の点を除いて、本実施形態の圧力測定装置1の構成は、第1実施形態における圧力測定装置1と同様の構造を有する。したがって、繰り返しの説明を省略する。 The processing unit 40 also calculates a voltage ratio X4 (V4 / Vex) obtained by dividing the voltage V4 across the piezoresistive element 21-4 (R4) by the excitation voltage Vex. The piezoresistive element 21-4 (R4) is an example of a second piezoresistive element. The voltage ratio X4 (V4 / Vex) is an example of a value obtained from the second voltage measurement value Vout2 at the second output terminal 29. In this example, the comparison unit 44 compares the voltage ratio X4 (V4 / Vex) with the voltage ratio X1 which is the first calculated value. Except for the above point, the configuration of the pressure measurement device 1 of the present embodiment has the same structure as the pressure measurement device 1 of the first embodiment. Therefore, the repeated description is omitted.
第2実施形態の圧力測定装置1は、複数のピエゾ抵抗素子21のうち一部のピエゾ抵抗素子が異常となった場合は、圧力測定装置1は、第1実施形態の場合と同様に、4個のピエゾ抵抗素子の変化の対称性を利用して動作状態を診断する。一方、複数のピエゾ抵抗素子21全体の抵抗値が異常となった場合は、圧力測定装置1は、ブリッジ回路20の合成抵抗が変化する。そして、これに起因して固定抵抗器60(R5)の両端の電圧V5が変化する。電圧V5の変化を検出することによって、動作状態を診断する。以下に、本実施形態における動作状態診断の動作について説明する。 In the pressure measuring device 1 of the second embodiment, when some of the plurality of piezoresistive elements 21 become abnormal, the pressure measuring device 1 is 4 in the same manner as in the first embodiment. The operating condition is diagnosed using the symmetry of change of the individual piezoresistive elements. On the other hand, when the resistance value of the plurality of piezoresistive elements 21 as a whole becomes abnormal, in the pressure measuring device 1, the combined resistance of the bridge circuit 20 changes. Then, due to this, the voltage V5 across the fixed resistor 60 (R5) changes. The operating state is diagnosed by detecting a change in voltage V5. The operation of the operation state diagnosis in the present embodiment will be described below.
[第1診断処理]
まず、複数のピエゾ抵抗素子21のうち一部のピエゾ抵抗素子において異常が生じたことを判定するための処理について説明する。複数のピエゾ抵抗素子21である抵抗R1、R3、R4のそれぞれの両端間の電圧をV1、V3、V4とすると、各電圧は以下に示す式で表すことができる。Vexは、ブリッジ回路20の励起電圧である。
[First diagnostic process]
First, a process for determining that an abnormality has occurred in some of the plurality of piezoresistive elements 21 will be described. Assuming that voltages across the respective resistors R1, R3 and R4 which are a plurality of piezoresistive elements 21 are V1, V3 and V4, each voltage can be expressed by the following equation. Vex is an excitation voltage of the bridge circuit 20.
ここで、励起電圧Vexに対する電圧V3、V1、V4の電圧比は、式(12)、式(13)から、以下の式で表すことができる。 Here, the voltage ratio of the voltages V3, V1 and V4 to the excitation voltage Vex can be expressed by the following equation from the equations (12) and (13).
ここで、各ピエゾ抵抗素子21は、ほぼ同じ抵抗値となるように設計されている。すなわち、R10=R20=R30=R40である。したがって、圧力測定装置1におけるブリッジ回路20等に異常がない場合には、ブリッジ回路20の対称性から、式(16)および式(19)が等しくなる。すなわち、X1とX4は同じ値となる。 Here, each of the piezoresistive elements 21 is designed to have substantially the same resistance value. That is, R1 0 = R2 0 = R3 0 = R4 0 . Therefore, when there is no abnormality in the bridge circuit 20 and the like in the pressure measurement device 1, the equations (16) and (19) become equal from the symmetry of the bridge circuit 20. That is, X1 and X4 have the same value.
ここで、一つのピエゾ抵抗素子21に異常が生じた場合は、ブリッジ回路20における対称性が失われるため、X1の値とX4の値が乖離する。診断部46は、X1の値とX4の値との乖離が所定の閾値を超えた場合に異常が生じたと判断する。 Here, when an abnormality occurs in one piezoresistive element 21, the symmetry in the bridge circuit 20 is lost, and the value of X1 and the value of X4 are separated. The diagnosis unit 46 determines that an abnormality has occurred when the difference between the value of X1 and the value of X4 exceeds a predetermined threshold.
以下に、第1電圧測定値Vout(V13)および第2電圧測定値Vout(V24)から、電圧比X1と電圧比X4を算出する処理を説明する。図9に示される第2実施形態においては、励起電圧Vex、V3、およびV4は、以下の式で表すことができる。ここで、V5は、固定抵抗器60の両端間の電圧測定値Vout3である。 The process of calculating the voltage ratio X1 and the voltage ratio X4 from the first voltage measurement value Vout (V13) and the second voltage measurement value Vout (V24) will be described below. In the second embodiment shown in FIG. 9, the excitation voltages Vex, V3 and V4 can be expressed by the following equations. Here, V5 is a voltage measurement value Vout3 across the fixed resistor 60.
したがって、式(11)、(14)、(20)、(21)よりX1は以下の式で与えられる。 Therefore, X1 is given by the following equation from equations (11), (14), (20), and (21).
また、式(17)、(20)、(22)よりX4は以下の式で与えられる。 Further, X4 is given by the following equation from the equations (17), (20) and (22).
上記の式(23)によれば、算出部42は、第1電圧測定値Vout1(V13)と、固定抵抗器60(R5)の両端間の電圧測定値V5と、既知の電源電圧値Vccとを用いて、電圧比X1を第1計算値として算出することができる。また、式(24)によれば、電圧比X4は、第2電圧測定値Vout2(V24)から得られた値である。電圧比X4は、第2電圧測定値Vout2(V24)と、固定抵抗器R5の両端間の電圧測定値V5と、既知の電源電圧値Vccとに基づいて得られる。 According to the above equation (23), calculation unit 42 measures first voltage measurement value Vout1 (V13), voltage measurement value V5 across fixed resistor 60 (R5), and known power supply voltage value Vcc The voltage ratio X1 can be calculated as a first calculated value using Further, according to the equation (24), the voltage ratio X4 is a value obtained from the second voltage measurement value Vout2 (V24). The voltage ratio X4 is obtained based on the second voltage measurement value Vout2 (V24), the voltage measurement value V5 across the fixed resistor R5, and the known power supply voltage value Vcc.
なお、図3において説明した変形例と同様に、第2実施形態の圧力測定装置1においても、補正部43が設けられてもよい。この場合は、補正部43は、X1に補正係数αを乗じて補正する。算出部42は、補正係数αを電圧比X1に乗じて第1計算値X1´を算出する。この場合、ダイアフラム部10に対するピエゾ抵抗素子21−1から21−4の配置位置の違いおよびピエゾ抵抗素子21−1から21−4での特性バラツキを考慮して、正確に動作状態を診断することが可能である。 In addition, the correction part 43 may be provided also in the pressure measuring device 1 of 2nd Embodiment similarly to the modification demonstrated in FIG. In this case, the correction unit 43 performs correction by multiplying X1 by the correction coefficient α. The calculation unit 42 calculates the first calculated value X1 ′ by multiplying the voltage ratio X1 by the correction coefficient α. In this case, the operating state is accurately diagnosed in consideration of the difference in the arrangement position of the piezoresistive elements 21-1 to 21-4 with respect to the diaphragm portion 10 and the characteristic variation in the piezoresistive elements 21-1 to 21-4. Is possible.
[第2診断処理]
次に、ブリッジ回路20の対称性を失わず、複数のピエゾ抵抗素子21の全体が異常となった場合の動作状態を判定するための処理について説明する。ブリッジ回路20の合成抵抗をR´とすると、第2実施形態における固定抵抗器60(R5)の両端の電圧V5は、以下の式で表すことができる。
[Second diagnostic process]
Next, a process for determining the operating state in the case where all of the plurality of piezoresistive elements 21 become abnormal without losing the symmetry of the bridge circuit 20 will be described. Assuming that the combined resistance of the bridge circuit 20 is R ', the voltage V5 across the fixed resistor 60 (R5) in the second embodiment can be expressed by the following equation.
ここで,複数のピエゾ抵抗素子21が正常な場合は、ブリッジ回路20の対称性により、印加圧力によらず合成抵抗R´は、ほぼ一定である。しかしながら複数のピエゾ抵抗素子21全体が異常となった場合は合成抵抗R´が変化する。そのため、上記の式(26)にしたがって、合成抵抗R´の変化に応じて電圧V5の値が変化する。第2比較部47は、固定抵抗器60(R5)の両端の電圧V5を閾値と比較する。診断部46は、第2比較部47の比較結果に基づいて、圧力測定装置1の動作状態を診断する。具体的には、固定抵抗器60(R5)の両端の電圧V5が閾値を超えた場合には、診断部46は、圧力測定装置1において異常が生じたと判定する。 Here, when the plurality of piezoresistive elements 21 are normal, the combined resistance R ′ is substantially constant regardless of the applied pressure due to the symmetry of the bridge circuit 20. However, when the plurality of piezoresistive elements 21 as a whole become abnormal, the combined resistance R ′ changes. Therefore, the value of the voltage V5 changes in accordance with the change of the combined resistance R ′ according to the above equation (26). The second comparison unit 47 compares the voltage V5 across the fixed resistor 60 (R5) with a threshold. The diagnosis unit 46 diagnoses the operation state of the pressure measurement device 1 based on the comparison result of the second comparison unit 47. Specifically, when the voltage V5 across the fixed resistor 60 (R5) exceeds the threshold value, the diagnostic unit 46 determines that an abnormality has occurred in the pressure measurement device 1.
図10は、第2実施形態における圧力測定装置1による処理の一例を示すフローチャートである。図10は、圧力測定装置1の動作状態診断方法の一例を示す。上述したとおり、圧力測定装置1は、第1診断処理(ステップS10)と第2診断処理(ステップS20)とを実行する。第1診断処理は、複数のピエゾ抵抗素子21のうち一部のピエゾ抵抗素子において異常が生じたことを診断するための処理である。第2診断処理は、複数のピエゾ抵抗素子21の全体が異常となったことを診断するための処理である。なお、第1診断処理(ステップS10)と第2診断処理(ステップS20)とを実行する順序は、図10に示される場合に限られない。第1診断処理(ステップS10)と第2診断処理(ステップS20)は並行して実行されてもよい。 FIG. 10 is a flowchart showing an example of processing by the pressure measurement device 1 in the second embodiment. FIG. 10 shows an example of a method of operating condition diagnosis of the pressure measuring device 1. As described above, the pressure measurement device 1 executes the first diagnosis process (step S10) and the second diagnosis process (step S20). The first diagnosis process is a process for diagnosing that an abnormality has occurred in some of the plurality of piezoresistive elements 21. The second diagnostic process is a process for diagnosing that the whole of the plurality of piezoresistive elements 21 has become abnormal. The order in which the first diagnosis process (step S10) and the second diagnosis process (step S20) are performed is not limited to the case shown in FIG. The first diagnosis process (step S10) and the second diagnosis process (step S20) may be performed in parallel.
図11は、第1診断処理の一例を示すフローチャートである。図11は、図10のステップS10のサブルーチンに対応する。算出部42は、ブリッジ回路20の第1出力端子28における第1電圧測定値Vout1(V13)を取得する(ステップS201)。算出部42は、ブリッジ回路20の第2出力端子29における第2電圧測定値Vout2(V24)を取得する(ステップS202)。算出部42は、固定抵抗器60の両端の電圧V5を取得する(ステップS203)。ステップS201からステップS203の処理の順序は、図11の場合に限られない。 FIG. 11 is a flowchart illustrating an example of the first diagnosis process. FIG. 11 corresponds to the subroutine of step S10 of FIG. The calculation unit 42 acquires a first voltage measurement value Vout1 (V13) at the first output terminal 28 of the bridge circuit 20 (step S201). The calculation unit 42 acquires a second voltage measurement value Vout2 (V24) at the second output terminal 29 of the bridge circuit 20 (step S202). The calculating unit 42 acquires the voltage V5 across the fixed resistor 60 (step S203). The order of the processing from step S201 to step S203 is not limited to the case of FIG.
算出部42は、第1出力端子28における第1電圧測定値Vout1(V13)と、固定抵抗器60の両端の電圧V5と、既知の電源電圧Vccを用いて、電圧比X1(=(Vex−V3)/Vex)を第1計算値として算出する(ステップS204)。電圧比X1は、励起電圧Vexとピエゾ抵抗素子21−3(R3)の両端の電圧との差分を励起電圧で除算した値に相当する。算出部42は、例えば、上述した式(23)によって、電圧比X1を算出する。 The calculation unit 42 uses the first voltage measurement value Vout1 (V13) at the first output terminal 28, the voltage V5 across the fixed resistor 60, and the known power supply voltage Vcc to generate a voltage ratio X1 (= (Vex− V3) / Vex) is calculated as a first calculated value (step S204). The voltage ratio X1 corresponds to a value obtained by dividing the difference between the excitation voltage Vex and the voltage across the piezoresistive element 21-3 (R3) by the excitation voltage. The calculating unit 42 calculates the voltage ratio X1 by, for example, the above-described equation (23).
処理部40は、第2出力端子29における第2電圧測定値Vout2(V24)と、固定抵抗器60の両端の電圧V5と、既知の電源電圧Vccを用いて、電圧比X4(V4/Vex)を算出する(ステップS205)。電圧比X4は、ピエゾ抵抗素子21−4(R4)の両端間の電圧V4を励起電圧Vexで除算した値に相当する。算出部42は、例えば、上述した式(24)によって、電圧比X4を算出する。 The processing unit 40 uses the second voltage measurement value Vout2 (V24) at the second output terminal 29, the voltage V5 across the fixed resistor 60, and the known power supply voltage Vcc to obtain a voltage ratio X4 (V4 / Vex). Is calculated (step S205). The voltage ratio X4 corresponds to a value obtained by dividing the voltage V4 across the piezoresistive element 21-4 (R4) by the excitation voltage Vex. The calculating unit 42 calculates, for example, the voltage ratio X4 by the above-described equation (24).
補正部43は、ダイアフラム部10に圧力が印加されていない状態での複数のピエゾ抵抗素子21の各抵抗値R10、R20、R30、R40に基づいて、電圧比X1(=(Vex−V3)/Vex)を補正する(ステップS206)。補正部43は、電圧比X1に補正係数αを乗じて、第1計算値(X1´)を算出してよい。但し、ステップS206の処理は、省略してもよい。ステップS201からステップS204、およびステップS206の処理は、ブリッジ回路20の第1出力端子28における第1電圧測定値Vout1と、予め定められた定数(既知の電源電圧Vcc)とを用いて第1計算値を算出する段階の一例に対応する。 The correction unit 43 sets the voltage ratio X1 (= (Vex = (Vex) based on the respective resistance values R1 0 , R2 0 , R3 0 , and R4 0 of the plurality of piezoresistive elements 21 in a state where pressure is not applied to the diaphragm unit 10. Correct -V3) / Vex) (step S206). The correction unit 43 may calculate the first calculated value (X1 ′) by multiplying the voltage ratio X1 by the correction coefficient α. However, the process of step S206 may be omitted. The processes of step S201 to step S204 and step S206 are first calculated using the first voltage measurement value Vout1 at the first output terminal 28 of the bridge circuit 20 and a predetermined constant (known power supply voltage Vcc). This corresponds to an example of calculating the value.
比較部44は、第1計算値(X1´)と、電圧比X4とを比較する(ステップS207)。第1計算値(X1´)と電圧比X4との差の絶対値|X1´−X4|が閾値を超える場合には(ステップS208:YES)、診断部46は、圧力測定装置1において異常が生じたと診断する(ステップS209)。第1計算値(X1´)と電圧比X4との差の絶対値|X1´−X4|が閾値以下である場合には(ステップS208:NO)、圧力測定装置1が正常である。したがって、処理は、メインルーチンにリターンする。ステップS207の処理は、ブリッジ回路20において第1出力端子28と異なる第2出力端子29における第2電圧測定値Voutから得られた値と第1計算値とを比較する段階に対応する。ステップS208およびステップS209の処理は、比較結果に基づいて、圧力測定装置1の動作状態を診断する段階に対応する。 The comparison unit 44 compares the first calculated value (X1 ′) with the voltage ratio X4 (step S207). When the absolute value | X1′−X4 | of the difference between the first calculated value (X1 ′) and the voltage ratio X4 exceeds the threshold (step S208: YES), the diagnosis unit 46 determines that the pressure measurement device 1 has an abnormality. A diagnosis is made (step S209). If the absolute value | X1'-X4 | of the difference between the first calculated value (X1 ') and the voltage ratio X4 is less than or equal to the threshold (step S208: NO), the pressure measuring device 1 is normal. Therefore, the process returns to the main routine. The process of step S207 corresponds to the step of comparing the value obtained from the second voltage measurement value Vout at the second output terminal 29 different from the first output terminal 28 in the bridge circuit 20 with the first calculated value. The processes of step S208 and step S209 correspond to the stage of diagnosing the operating state of the pressure measurement device 1 based on the comparison result.
図12は、第2診断処理の一例を示すフローチャートである。図12は、図10のステップS20のサブルーチンに対応する。第2比較部47は、固定抵抗器60(R5)の両端の電圧測定値(V5)を第1閾値P1および第2閾値P2と比較してよい(ステップS301)。第1閾値P1は、下限閾値であり、第2閾値P2は、上限閾値である。電圧測定値(V5)が第1閾値P1未満であるか第2閾値P2を超えた場合には(ステップS302:NO)、圧力測定装置1において異常が生じたと診断する(ステップS303)。固定抵抗器60(R5)の両端の電圧測定値(V5)が、第1閾値P1以上第2閾値P2以下である場合には(ステップS302:YES)、圧力測定装置1は正常である。したがって、処理は、メインルーチンにリターンする。 FIG. 12 is a flowchart illustrating an example of the second diagnosis process. FIG. 12 corresponds to the subroutine of step S20 of FIG. The second comparing section 47 may compare the voltage measurement value (V5) at both ends of the fixed resistor 60 (R5) with the first threshold P1 and the second threshold P2 (step S301). The first threshold P1 is a lower threshold, and the second threshold P2 is an upper threshold. If the voltage measurement value (V5) is less than the first threshold P1 or exceeds the second threshold P2 (step S302: NO), the pressure measuring device 1 is diagnosed as having an abnormality (step S303). When the voltage measurement value (V5) at both ends of the fixed resistor 60 (R5) is equal to or greater than the first threshold P1 and equal to or less than the second threshold P2 (step S302: YES), the pressure measurement device 1 is normal. Therefore, the process returns to the main routine.
第2実施形態の圧力測定装置1によれば、第1実施形態の圧力測定装置1と同様の効果に加えて、経年劣化による抵抗値の変化のように複数のピエゾ抵抗素子21全体に影響してブリッジ回路20における対称性を失わないタイプの異常についても診断することができる。 According to the pressure measurement device 1 of the second embodiment, in addition to the same effects as the pressure measurement device 1 of the first embodiment, the entire piezoresistive elements 21 are affected as a whole as the change of the resistance value due to the aged deterioration. It is also possible to diagnose a type of abnormality that does not lose symmetry in the bridge circuit 20.
なお、第2実施形態の圧力測定装置1では、第1診断処理および第2診断処理を共に実行するものを説明した。しかしながら、圧力測定装置1が、動作状態の診断以外を目的として固定抵抗器60を備えており、第1診断処理のみを実行してもよい。一例において、ブリッジ回路20の第1電圧測定値Vout1および第2電圧測定値Vout2の電圧を適切な範囲に調整するために、固定抵抗器60が設けられてよい。この場合も、図11で示されるように第1診断処理が実行される。 In the pressure measurement device 1 according to the second embodiment, one that executes both the first diagnosis process and the second diagnosis process has been described. However, the pressure measuring device 1 may include the fixed resistor 60 for the purpose other than the diagnosis of the operating state, and may execute only the first diagnostic process. In one example, a fixed resistor 60 may be provided to adjust the voltage of the first voltage measurement value Vout1 and the second voltage measurement value Vout2 of the bridge circuit 20 to an appropriate range. Also in this case, the first diagnostic process is performed as shown in FIG.
図13は、本発明の第3実施形態における圧力測定装置1の回路構成の一例を示す図である。本実施形態の圧力測定装置1は、固定抵抗器60および固定抵抗器62を備える。図13において、固定抵抗器60は、抵抗R6と表示されている。固定抵抗器62は、抵抗R7と表示されている。固定抵抗器60および固定抵抗器62は、AD変換部30等が配置されている回路基板上に配置されてよい。但し、ピエゾ抵抗素子21が形成される半導体基板の拡散抵抗を固定抵抗器60および固定抵抗器62として用いてもよい。この場合、固定抵抗器60および固定抵抗器62は、半導体基板上において、歪みの影響を受けにくい位置に設けられてよい。本例では、ブリッジ回路20の高電位端子26および低電位端子27の双方に、それぞれ固定抵抗器が接続されている。本例では、固定抵抗器60は、低電位端子27に電気的に接続される。固定抵抗器60の一端は、低電位端子27に接続され、固定抵抗器60の他端は、グランド電位(GND)に接続されてよい。一方、固定抵抗器62は、高電位端子26に電気的に接続される。固定抵抗器62の一端は、高電位端子26に接続され、固定抵抗器62の他端は、電源電圧(Vcc)に接続されてよい。 FIG. 13 is a view showing an example of a circuit configuration of a pressure measurement device 1 according to a third embodiment of the present invention. The pressure measurement device 1 of the present embodiment includes a fixed resistor 60 and a fixed resistor 62. In FIG. 13, the fixed resistor 60 is indicated as a resistor R6. Fixed resistor 62 is labeled as resistor R7. The fixed resistor 60 and the fixed resistor 62 may be disposed on the circuit board on which the AD conversion unit 30 and the like are disposed. However, the diffusion resistors of the semiconductor substrate on which the piezoresistive elements 21 are formed may be used as the fixed resistor 60 and the fixed resistor 62. In this case, the fixed resistor 60 and the fixed resistor 62 may be provided on the semiconductor substrate at a position less susceptible to distortion. In this example, fixed resistors are connected to both the high potential terminal 26 and the low potential terminal 27 of the bridge circuit 20, respectively. In the present example, the fixed resistor 60 is electrically connected to the low potential terminal 27. One end of the fixed resistor 60 may be connected to the low potential terminal 27, and the other end of the fixed resistor 60 may be connected to the ground potential (GND). On the other hand, fixed resistor 62 is electrically connected to high potential terminal 26. One end of the fixed resistor 62 may be connected to the high potential terminal 26, and the other end of the fixed resistor 62 may be connected to the power supply voltage (Vcc).
本実施形態の圧力測定装置1は、固定抵抗器62が設けられていることを除いて、第2実施形態の圧力測定装置1と共通する。したがって、繰り返しの説明を省略する。固定抵抗器62(R7)は、ブリッジ回路20の第1電圧測定値Vout1および第2電圧測定値Vout2の電圧範囲が後段のAD変換部30への入力可能範囲に収まるように調整する。したがって、固定抵抗器62(R7)の抵抗値は、後段のAD変換部30の仕様に応じて設定されてよい。固定抵抗器60の抵抗値は、後段のAD変換部30の分解能に応じて設計されてよい。好ましくは、固定抵抗器60(R5)の抵抗値は、ピエゾ抵抗素子21の抵抗値と同程度であることが望ましい。一例において、固定抵抗器60(R5)の抵抗値は、ピエゾ抵抗素子21の抵抗値の1/10以上、10倍以下であってよく、より好ましくは、ピエゾ抵抗素子21の抵抗値の1/10以上、1倍以下であってよい。 The pressure measurement device 1 of the present embodiment is common to the pressure measurement device 1 of the second embodiment except that the fixed resistor 62 is provided. Therefore, the repeated description is omitted. The fixed resistor 62 (R7) adjusts the voltage range of the first voltage measurement value Vout1 and the second voltage measurement value Vout2 of the bridge circuit 20 to be within the input available range to the AD conversion unit 30 in the subsequent stage. Therefore, the resistance value of the fixed resistor 62 (R7) may be set according to the specification of the AD conversion unit 30 in the subsequent stage. The resistance value of the fixed resistor 60 may be designed according to the resolution of the AD conversion unit 30 in the subsequent stage. Preferably, the resistance value of the fixed resistor 60 (R5) is approximately the same as the resistance value of the piezoresistive element 21. In one example, the resistance value of the fixed resistor 60 (R5) may be 1/10 or more and 10 times or less of the resistance value of the piezoresistive element 21, and more preferably 1/0 of the resistance value of the piezoresistive element 21. It may be 10 or more and 1 or less.
図13に示される第3実施形態においては、励起電圧Vex、V3、およびV4は、以下の式で表すことができる。ここで、V5は、固定抵抗器60の両端間の電圧測定値Vout3である。V7は、固定抵抗器62の両端間の電圧測定値である。 In the third embodiment shown in FIG. 13, the excitation voltages Vex, V3 and V4 can be expressed by the following equations. Here, V5 is a voltage measurement value Vout3 across the fixed resistor 60. V7 is a voltage measurement across the fixed resistor 62.
したがって、式(11)、(14)、(27)、(28)より、X1は以下の式で与えられる。 Therefore, X1 is given by the following equation from equations (11), (14), (27), (28).
また、式(17)、(27)、(29)よりX4は以下の式で与えられる。 Further, X4 is given by the following equation from the equations (17), (27) and (29).
上記の式(30)によれば、算出部42は、第1電圧測定値Vout1(V13)と、固定抵抗器60(R6)の両端間の電圧測定値V6と、固定抵抗器60(R6)および固定抵抗器62(R7)の抵抗値の比と、既知の電源電圧Vccとを用いて、電圧比X1を第1計算値として算出することができる。また、式(31)によれば、電圧比X4は、第2電圧測定値Vout2(V24)から得られた値の一例である。電圧比X4は、第2電圧測定値Vout2(V24)と、固定抵抗器60(R6)の両端間の電圧測定値V6と、固定抵抗器60(R6)および固定抵抗器62(R7)の抵抗値の比と、既知の電源電圧Vccとを用いて、算出される。 According to the above equation (30), the calculation unit 42 measures the first voltage measurement value Vout1 (V13), the voltage measurement value V6 across the fixed resistor 60 (R6), and the fixed resistor 60 (R6). The voltage ratio X1 can be calculated as a first calculated value using the ratio of the resistance values of the fixed resistor 62 (R7) and the known power supply voltage Vcc. Further, according to Expression (31), the voltage ratio X4 is an example of a value obtained from the second voltage measurement value Vout2 (V24). The voltage ratio X4 is the second voltage measurement value Vout2 (V24), the voltage measurement value V6 across the fixed resistor 60 (R6), and the resistances of the fixed resistor 60 (R6) and the fixed resistor 62 (R7) It is calculated using the ratio of values and the known power supply voltage Vcc.
すなわち、式(30)および式(31)によれば、既知の値である電源電圧Vcc、固定抵抗器60(R6)の両端の電圧測定値、および固定抵抗器60(R6)と固定抵抗器62(R7)との抵抗値の比に加えて、圧力を検出するための測定値である第1電圧測定値Vout1(V13)および第2電圧測定値Vout2(V24)を用いて、電圧比X1および電圧比X4を算出することができる。 That is, according to the equations (30) and (31), the power supply voltage Vcc which is a known value, the voltage measurement value across the fixed resistor 60 (R6), and the fixed resistor 60 (R6) and the fixed resistor Using the first voltage measurement value Vout1 (V13) and the second voltage measurement value Vout2 (V24), which are measurement values for detecting pressure, in addition to the ratio of the resistance value to 62 (R7), the voltage ratio X1 And the voltage ratio X4 can be calculated.
さらに、補正部43は、式(25)を用いて、X1に補正係数αを乗じて、第1計算値X1´を算出してよい。比較部44は、第1計算値(X1´)と、電圧比X4とを比較してよい。第1計算値(X1´)と電圧比X4との差の絶対値|X1´−X4|が閾値を超える場合には、診断部46は、圧力測定装置1において異常が生じたと診断してよい。 Furthermore, the correction unit 43 may calculate the first calculated value X1 ′ by multiplying X1 by the correction coefficient α using Expression (25). The comparison unit 44 may compare the first calculated value (X1 ′) with the voltage ratio X4. When the absolute value | X1′−X4 | of the difference between the first calculated value (X1 ′) and the voltage ratio X4 exceeds the threshold, the diagnosis unit 46 may diagnose that an abnormality has occurred in the pressure measurement device 1 .
また、第3実施形態においては、固定抵抗器60(R6)の両端間の電圧V6は、以下の式で表すことができる。 In the third embodiment, the voltage V6 across the fixed resistor 60 (R6) can be expressed by the following equation.
ここで,複数のピエゾ抵抗素子21が正常な場合は、ブリッジ回路20の対称性により、印加圧力によらず合成抵抗R´は、ほぼ一定である。しかしながら複数のピエゾ抵抗素子21全体が異常となった場合は合成抵抗R´が変化する。上記の式(32)によれば、合成抵抗R´の変化に応じて電圧V6の値が変化する。第2比較部47は、固定抵抗器60(R6)の両端の電圧V6を閾値と比較する。診断部46は、第2比較部47の比較結果に基づいて、圧力測定装置1の動作状態を診断する。具体的には、診断部46は、固定抵抗器60(R6)の両端の電圧V6が閾値を超えた場合には、圧力測定装置1において異常が生じたと判定する。 Here, when the plurality of piezoresistive elements 21 are normal, the combined resistance R ′ is substantially constant regardless of the applied pressure due to the symmetry of the bridge circuit 20. However, when the plurality of piezoresistive elements 21 as a whole become abnormal, the combined resistance R ′ changes. According to the equation (32), the value of the voltage V6 changes in accordance with the change of the combined resistance R ′. The second comparison unit 47 compares the voltage V6 across the fixed resistor 60 (R6) with a threshold. The diagnosis unit 46 diagnoses the operation state of the pressure measurement device 1 based on the comparison result of the second comparison unit 47. Specifically, when the voltage V6 across the fixed resistor 60 (R6) exceeds the threshold, the diagnosis unit 46 determines that an abnormality has occurred in the pressure measurement device 1.
図14は、第3実施形態における第1診断処理の一例を示すフローチャートである。なお、第3実施形態における処理内容は、図10に示される第2実施形態における処理内容と共通する。特に、第3実施形態における第2診断処理は、図12に示される第2実施形態における第2診断処理と同様である。したがって、繰り返しの説明を省略する。 FIG. 14 is a flowchart showing an example of the first diagnostic process in the third embodiment. The processing content in the third embodiment is the same as the processing content in the second embodiment shown in FIG. In particular, the second diagnostic process in the third embodiment is similar to the second diagnostic process in the second embodiment shown in FIG. Therefore, the repeated description is omitted.
図14は、図10のステップS10のサブルーチンに対応する。ステップS401からステップS403は、第2実施形態における図11に示される処理と同様である。算出部42は、第1出力端子28における第1電圧測定値Vout1(V13)と、固定抵抗器60(R6)の両端の電圧V6と、固定抵抗器60(R6)および固定抵抗器62(R7)の比率(R7/R6)と、既知の電源電圧Vccを用いて、電圧比X1(=(Vex−V3)/Vex)を第1計算値として算出する(ステップS404)。算出部42は、例えば、上述した式(30)によって、電圧比X1を算出する。 FIG. 14 corresponds to the subroutine of step S10 of FIG. Steps S401 to S403 are the same as the processing shown in FIG. 11 in the second embodiment. The calculation unit 42 includes a first voltage measurement value Vout1 (V13) at the first output terminal 28, a voltage V6 across the fixed resistor 60 (R6), a fixed resistor 60 (R6), and a fixed resistor 62 (R7). The voltage ratio X1 (= (Vex−V3) / Vex) is calculated as a first calculated value using the ratio of (R7 / R6) and the known power supply voltage Vcc (step S404). The calculating unit 42 calculates, for example, the voltage ratio X1 by the above-described equation (30).
処理部40は、第2出力端子29における第2電圧測定値Vout2(V24)と、固定抵抗器60(R6)の両端の電圧V6と、固定抵抗器60(R6)および固定抵抗器62(R7)の比率(R7/R6)と、既知の電源電圧Vccを用いて、電圧比X4(V4/Vex)を算出する(ステップS405)。電圧比X4は、ピエゾ抵抗素子21−4(R4)の両端間の電圧V4を励起電圧Vexで除算した値に相当する。算出部42は、例えば、上述した式(31)によって、電圧比X4を算出する。 The processing unit 40 includes a second voltage measurement value Vout2 (V24) at the second output terminal 29, a voltage V6 across the fixed resistor 60 (R6), a fixed resistor 60 (R6), and a fixed resistor 62 (R7). The voltage ratio X4 (V4 / Vex) is calculated using the ratio (R7 / R6) and the known power supply voltage Vcc (step S405). The voltage ratio X4 corresponds to a value obtained by dividing the voltage V4 across the piezoresistive element 21-4 (R4) by the excitation voltage Vex. The calculating unit 42 calculates the voltage ratio X4 by, for example, the above-described equation (31).
ステップS406からステップS409の処理は、第2実施形態の図11におけるステップS206からステップS209の処理と同様である。したがって、繰り返しの説明を省略する。 The processes of steps S406 to S409 are the same as the processes of steps S206 to S209 in FIG. 11 of the second embodiment. Therefore, the repeated description is omitted.
第3実施形態の圧力測定装置1によれば、第2実施形態の圧力測定装置1と同様に、経年劣化による抵抗値の変化のように複数のピエゾ抵抗素子21全体に影響してブリッジ回路20における対称性を失わないタイプの異常についても診断することができる。また、固定抵抗器62(R7)によって、ブリッジ回路20の第1電圧測定値Vout1および第2電圧測定値Vout2の電圧範囲を後段の回路の入力可能範囲に調整することを可能としつつ、動作状態を診断することができる。 According to the pressure measurement device 1 of the third embodiment, as in the pressure measurement device 1 of the second embodiment, the bridge circuit 20 affects the entire plurality of piezoresistive elements 21 like a change in resistance value due to aging. It is also possible to diagnose types of abnormalities that do not lose symmetry in. In addition, it is possible to adjust the voltage range of the first voltage measurement value Vout1 and the second voltage measurement value Vout2 of the bridge circuit 20 to the input possible range of the circuit of the latter stage by the fixed resistor 62 (R7), and the operating state Can be diagnosed.
図15は、本発明の第4実施形態における圧力測定装置1の概略構成を示す図である。第4実施形態の圧力測定装置1は、温度取得部70を備える。温度取得部70は、ブリッジ回路20の周辺の温度情報を取得する。温度取得部70は、温度センサ等であってもよく、別途の温度センサ等から温度情報を取得するものであってもよい。温度情報は、AD変換部30によってデジタル値に変換されてもよい。処理部40は、温度情報に基づいて、固定抵抗器60(R6)の両端の電圧測定値(V6)等と比較する第1閾値P1および第2閾値P2等の閾値を変更する。本実施形態の他の構成は、図13および図14に示される第3実施形態の構成と同様である。したがって、繰り返しの説明を省略する。 FIG. 15 is a view showing a schematic configuration of a pressure measurement device 1 according to a fourth embodiment of the present invention. The pressure measurement device 1 of the fourth embodiment includes a temperature acquisition unit 70. The temperature acquisition unit 70 acquires temperature information on the periphery of the bridge circuit 20. The temperature acquisition unit 70 may be a temperature sensor or the like, or may acquire temperature information from a separate temperature sensor or the like. The temperature information may be converted into a digital value by the AD conversion unit 30. The processing unit 40 changes thresholds such as the first threshold P1 and the second threshold P2 to be compared with the voltage measurement value (V6) or the like at both ends of the fixed resistor 60 (R6) based on the temperature information. The other configuration of the present embodiment is the same as the configuration of the third embodiment shown in FIGS. 13 and 14. Therefore, the repeated description is omitted.
図16は、第4実施形態における第2診断処理の一例を示すフローチャートである。図16は、図10のステップS20のサブルーチンに対応する。なお、第4実施形態における処理内容は、第3実施形態における処理内容と共通する。特に、第1診断処理は、図14に示される第3実施形態における処理と共通する。したがって、繰り返しの説明を省略する。 FIG. 16 is a flowchart showing an example of the second diagnosis process in the fourth embodiment. FIG. 16 corresponds to the subroutine of step S20 of FIG. The processing content in the fourth embodiment is the same as the processing content in the third embodiment. In particular, the first diagnostic process is common to the process in the third embodiment shown in FIG. Therefore, the repeated description is omitted.
温度取得部70は、ブリッジ回路20の周辺の温度情報を取得する(ステップS501)。そして、処理部40は、取得した温度情報に応じて第1閾値P1および第2閾値P2を変更する(ステップS502)。第1閾値P1および第2閾値P2は、固定抵抗器60(R6)の両端の電圧測定値(V6)と比較される対象である閾値である。ステップS503からステップS505の処理は、図12のステップS301からステップS303の処理と同様である。したがって、詳しい説明を省略する。 The temperature acquisition unit 70 acquires temperature information on the periphery of the bridge circuit 20 (step S501). Then, the processing unit 40 changes the first threshold P1 and the second threshold P2 according to the acquired temperature information (step S502). The first threshold P1 and the second threshold P2 are thresholds to be compared with the voltage measurement value (V6) across the fixed resistor 60 (R6). The processes of steps S503 to S505 are the same as the processes of steps S301 to S303 of FIG. Therefore, the detailed description is omitted.
ピエゾ抵抗素子21の抵抗値は、温度特性を有する。すなわち、ピエゾ抵抗素子21の抵抗値は、温度に応じて変化する。したがって、第1閾値P1および第2閾値P2として、それぞれ温度によらず一定の値を用いる場合には、圧力測定装置1が正常であるにもかかわらず異常が生じたと誤検知しない範囲で、第1閾値P1および第2閾値P2を設ける必要がある。この結果、固定抵抗器60(R6)の両端の電圧測定値(V6)が大きく変化した場合でないと閾値を超えないため、診断部46は、ピエゾ抵抗素子の抵抗値が大きく変化するような異常を診断できるが、それ以外の異常を診断しづらい。一方、本実施形態のように、第1閾値P1および第2閾値P2を、それぞれ温度に応じて変更することによって、ピエゾ抵抗素子の抵抗値が小さく変化する異常についても診断することが可能となる。 The resistance value of the piezoresistive element 21 has a temperature characteristic. That is, the resistance value of the piezoresistive element 21 changes according to the temperature. Therefore, when using a constant value regardless of the temperature as the first threshold P1 and the second threshold P2, the first threshold P1 and the second threshold P2 do not erroneously detect that an abnormality has occurred although the pressure measuring device 1 is normal. It is necessary to provide one threshold P1 and a second threshold P2. As a result, since the threshold value is not exceeded unless the voltage measurement value (V6) at both ends of the fixed resistor 60 (R6) changes significantly, the diagnostic unit 46 determines that the resistance value of the piezoresistive element changes significantly. It is difficult to diagnose any other abnormalities. On the other hand, as in the present embodiment, by changing the first threshold value P1 and the second threshold value P2 according to the temperature, it is possible to diagnose also an abnormality in which the resistance value of the piezoresistive element changes small. .
なお、以上の説明では、第4実施形態として、固定抵抗器60および固定抵抗器62を有する場合において、第1閾値P1および第2閾値P2を温度に応じて変更する場合を説明したが、第4実施形態は、この場合に限られない。一例において、第2実施形態のように圧力測定装置1が固定抵抗器60のみを有している場合において、第1閾値P1および第2閾値P2を温度に応じて変更してもよい。 In the above description, as the fourth embodiment, in the case where the fixed resistor 60 and the fixed resistor 62 are provided, the case where the first threshold P1 and the second threshold P2 are changed according to the temperature has been described. The four embodiments are not limited to this case. In one example, when the pressure measurement device 1 has only the fixed resistor 60 as in the second embodiment, the first threshold P1 and the second threshold P2 may be changed according to the temperature.
動作状態の診断の一例として、第3実施形態および第4実施形態の圧力測定装置1による処理を適用した場合の特性例を図17から図21に示す。図17は、第3実施形態における正常時の電圧比の一例を示す図である。図17において、X1´は、式(30)および(25)に示されるとおり、第1電圧測定値Vout1(V13)と、固定抵抗器60(R6)の両端間の電圧測定値V6と、固定抵抗器60(R6)および固定抵抗器62(R7)の抵抗値の比と、既知の電源電圧Vccとを用いて、第1計算値として算出された電圧比である。X4は、第2電圧測定値Vout2(V24)と、固定抵抗器60(R6)の両端間の電圧測定値V6と、固定抵抗器60(R6)および固定抵抗器62(R7)の抵抗値の比と、既知の電源電圧Vccとを用いて、算出される。なお、X3は、ピエゾ抵抗素子21−3(R3)の両端の電圧V3を励起電圧Vexで除算したで電圧比である。X3は、以下の式で求められる。 As an example of the diagnosis of the operation state, an example of characteristics when the process by the pressure measurement device 1 of the third embodiment and the fourth embodiment is applied is shown in FIG. 17 to FIG. FIG. 17 is a diagram showing an example of a voltage ratio at normal time in the third embodiment. In FIG. 17, X1 'is the first voltage measurement value Vout1 (V13), and the voltage measurement value V6 across the fixed resistor 60 (R6) fixed, as shown in equations (30) and (25). It is a voltage ratio calculated as a first calculated value using the ratio of the resistance values of the resistor 60 (R6) and the fixed resistor 62 (R7) and the known power supply voltage Vcc. X4 is a second voltage measurement value Vout2 (V24), a voltage measurement value V6 across the fixed resistor 60 (R6), and resistances of the fixed resistor 60 (R6) and the fixed resistor 62 (R7). It is calculated using the ratio and the known power supply voltage Vcc. Note that X3 is a voltage ratio obtained by dividing the voltage V3 at both ends of the piezoresistive element 21-3 (R3) by the excitation voltage Vex. X3 is obtained by the following equation.
図17の横軸は、ダイアフラム部10への入力圧(%)を示している。本例では、ダイアフラム部10への圧力が高くなるのにしたがって、電圧比X3は減少し、電圧比X4および第1計算値X1´は増加する。図4に示されるとおり、圧力測定装置1に異常が発生していない状態では、第1計算値X1´と電圧比X4とは、ほとんど一致する。 The horizontal axis in FIG. 17 indicates the input pressure (%) to the diaphragm unit 10. In this example, as the pressure on the diaphragm 10 increases, the voltage ratio X3 decreases and the voltage ratio X4 and the first calculated value X1 'increase. As shown in FIG. 4, in the state where no abnormality occurs in the pressure measurement device 1, the first calculated value X1 ′ and the voltage ratio X4 almost coincide with each other.
図18は、第3実施形態における正常時の電圧比の差の一例を示す図である。図18の横軸は、ダイアフラム部10への入力圧(%)を示している。図18の縦軸は、第1計算値X1´と電圧比X4との差を示している。圧力測定装置1に異常が発生していない状態では、第1計算値X1´と電圧比X4との差は、0付近に留まる。第1計算値X1´と電圧比X4との差が、下限閾値以上、上限閾値以下の範囲内に留まるので、診断部46は、圧力測定装置1に異常が発生していないと診断することができる。 FIG. 18 is a diagram showing an example of a difference in voltage ratio in a normal state in the third embodiment. The horizontal axis in FIG. 18 indicates the input pressure (%) to the diaphragm unit 10. The vertical axis in FIG. 18 indicates the difference between the first calculated value X1 'and the voltage ratio X4. In the state where no abnormality occurs in the pressure measuring device 1, the difference between the first calculated value X1 'and the voltage ratio X4 remains near zero. Since the difference between the first calculated value X1 'and the voltage ratio X4 remains in the range between the lower limit threshold and the upper limit threshold, the diagnosis unit 46 may diagnose that the pressure measuring device 1 does not have an abnormality. it can.
図19は、第3実施形態における異常時の電圧比の一例を示す図である。図20は、第3実施形態における異常時の電圧比の差の一例を示す図である。図19および図20において、X3、X4、X1´、横軸、および縦軸が示す事項は、図17および図18の場合と同様である。図19および図20は、ダイアフラム部10への入力圧83%付近において、ピエゾ抵抗素子21−4(R4)において異常が生じた場合を例示する。図19に示されるとおり、圧力測定装置1において複数のピエゾ抵抗素子21の一部に異常が発生した場合には、第1計算値X1´と電圧X4とが乖離する。したがって、図20に示されるとおり、複数のピエゾ抵抗素子21の一部に異常が発生した場合には、第1計算値X1´と電圧比X4との差が、下限閾値以上および上限閾値以下で与えられる正常な範囲から外れる。本例では、第1計算値X1´と電圧X4との差が下限閾値を下回っている。したがって、診断部46は、圧力測定装置1において複数のピエゾ抵抗素子21の一部に異常が発生したと診断することができる。 FIG. 19 is a view showing an example of a voltage ratio at the time of abnormality in the third embodiment. FIG. 20 is a view showing an example of a difference in voltage ratio at the time of abnormality in the third embodiment. In FIGS. 19 and 20, items indicated by X3, X4, X1 ′, the horizontal axis, and the vertical axis are the same as those in FIGS. 17 and 18. FIGS. 19 and 20 illustrate the case where an abnormality occurs in the piezoresistive element 21-4 (R 4) in the vicinity of 83% of the input pressure to the diaphragm unit 10. As shown in FIG. 19, when an abnormality occurs in some of the plurality of piezoresistive elements 21 in the pressure measurement device 1, the first calculated value X1 ′ and the voltage X4 diverge. Therefore, as shown in FIG. 20, when abnormality occurs in some of the plurality of piezoresistive elements 21, the difference between the first calculated value X1 'and the voltage ratio X4 is equal to or higher than the lower threshold and lower than the upper threshold. It deviates from the normal range given. In this example, the difference between the first calculated value X1 'and the voltage X4 is less than the lower limit threshold. Therefore, the diagnosis unit 46 can diagnose that an abnormality has occurred in a part of the plurality of piezoresistive elements 21 in the pressure measurement device 1.
図21は、本発明の第3実施形態における異常時の固定抵抗器の両端の電圧の一例を示す図である。図21は、固定抵抗器60(R6)の両端間の電圧測定値V6の異常発生前後での変化を示している。図21において実線が正常時における電圧測定値V6であり、点線が異常の発生後における電圧測定値V6である。 FIG. 21 is a diagram showing an example of voltages at both ends of the fixed resistor at the time of abnormality in the third embodiment of the present invention. FIG. 21 shows a change in voltage measurement value V6 between both ends of fixed resistor 60 (R6) before and after occurrence of abnormality. In FIG. 21, the solid line is the voltage measurement value V6 in the normal state, and the dotted line is the voltage measurement value V6 after the occurrence of an abnormality.
図21の横軸は、ブリッジ回路20の周辺の温度を示している。図21の縦軸は、固定抵抗器60(R6)の両端間の電圧測定値V6を示している。本例では、温度が高くなるにしたがって、固定抵抗器60(R6)の両端間の電圧測定値V6が低くなる。図21において、温度によらず第1閾値P1および第2閾値P2を固定する場合を一点鎖線2、3で示す。一方、温度に応じて第1閾値P1および第2閾値P2を変更する場合を二点鎖線4、5で示す。 The horizontal axis in FIG. 21 indicates the temperature around the bridge circuit 20. The vertical axis in FIG. 21 indicates a voltage measurement value V6 across the fixed resistor 60 (R6). In this example, as the temperature rises, the voltage measurement value V6 across the fixed resistor 60 (R6) decreases. In FIG. 21, the case where the first threshold value P1 and the second threshold value P2 are fixed regardless of the temperature is indicated by alternate long and short dash lines 2 and 3. On the other hand, the case where the first threshold value P1 and the second threshold value P2 are changed according to the temperature is indicated by two-dot chain lines 4 and 5.
温度によらず第1閾値P1および第2閾値P2を固定する場合には、ピエゾ抵抗素子21等の温度特性による電圧測定値V6の変化を異常による変化と誤検知しないように、第1閾値P1および第2閾値P2が設定される。したがって、電圧測定値V6が大きく変化して、電圧測定値V6が、一点鎖線2で示される第1閾値P1を下回ったり、一点鎖線3で示される第2閾値P2を上回ったりした場合に、異常と診断される。したがって、電圧測定値V6が小さく変化する場合には、異常と判定することが難しい。 When fixing the first threshold P1 and the second threshold P2 regardless of the temperature, the first threshold P1 is set so that a change in the voltage measurement value V6 due to temperature characteristics of the piezoresistive element 21 or the like is not erroneously detected as a change due to abnormality. And a second threshold P2 is set. Therefore, when the voltage measurement value V6 largely changes and the voltage measurement value V6 falls below the first threshold P1 indicated by the alternate long and short dash line 2 or exceeds the second threshold P2 indicated by the alternate long and short dash line 3, abnormality occurs. It is diagnosed. Therefore, when the voltage measurement value V6 changes small, it is difficult to determine that it is abnormal.
二点鎖線4、5で示されるように温度に応じて第1閾値P1および第2閾値P2を変更する場合は、正常時の温度特性に基づいて第1閾値P1および第2閾値P2を変更してよい。正常時の温度特性V6(t)から、予め定められた定数dを引いた値を第1閾値P1とし、定数dを加えた値を第2閾値P2としてもよい。この場合、V6の温度変化の特性を平行移動した特性を示す第1閾値P1および第2閾値P2を設定することができる。第1閾値P1および第2閾値P2を、それぞれ温度に応じて変更することによって、ピエゾ抵抗素子21の抵抗値が小さく変化する異常についても診断することが可能となる。 When the first threshold P1 and the second threshold P2 are changed according to the temperature as indicated by the two-dot chain lines 4 and 5, the first threshold P1 and the second threshold P2 are changed based on the temperature characteristics at the normal time. You may A value obtained by subtracting a predetermined constant d from the temperature characteristic V6 (t) at the normal time may be set as a first threshold P1, and a value obtained by adding the constant d may be set as a second threshold P2. In this case, it is possible to set a first threshold P1 and a second threshold P2 indicating characteristics obtained by translating the characteristics of the temperature change of V6 in parallel. By changing the first threshold value P1 and the second threshold value P2 in accordance with the temperature, it is possible to diagnose also an abnormality in which the resistance value of the piezoresistive element 21 changes small.
なお、図17から図21では、第3実施形態および第4実施形態について説明したが、第2実施形態も、第1計算値X1´およびX4の算出式が異なることを除いて同様の特性を示す。 Although the third embodiment and the fourth embodiment have been described with reference to FIGS. 17 to 21, the second embodiment also has the same characteristics as those of the first calculated values X1 ′ and X4 except that they have different calculation formulas. Show.
なお、上記の説明では、第1ピエゾ抵抗素子および第2ピエゾ抵抗素子として、ブリッジ回路20の低電位端子27に共通して一端が接続されるピエゾ抵抗素子21−3(R3)およびピエゾ抵抗素子21−4(R4)が用いられる場合を説明した。しかしながら、第1ピエゾ抵抗素子および第2ピエゾ抵抗素子として、ブリッジ回路20の高電位端子26に共通して一端が接続されるピエゾ抵抗素子21−1(R1)およびピエゾ抵抗素子21−2(R2)が用いられてもよい。 In the above description, as the first piezoresistive element and the second piezoresistive element, the piezoresistive element 21-3 (R3) and the piezoresistive element commonly connected at one end to the low potential terminal 27 of the bridge circuit 20 The case where 21-4 (R4) is used has been described. However, as the first piezoresistive element and the second piezoresistive element, piezoresistive element 21-1 (R1) and piezoresistive element 21-2 (R2) commonly connected at one end to high potential terminal 26 of bridge circuit 20. ) May be used.
以上説明したように,本発明の各実施形態によれば、ブリッジ回路20の出力電圧値、もしくは,ブリッジ回路20の出力電圧値とブリッジ回路に接続された固定抵抗器60の電圧値のみで動作状態を診断することが可能となるため,センサの大きさやコストの増大を抑制しつつ簡便な構成によって動作状態診断機能を備えた圧力測定装置1を提供することが可能となる。 As described above, according to each embodiment of the present invention, it operates only with the output voltage value of the bridge circuit 20 or the output voltage value of the bridge circuit 20 and the voltage value of the fixed resistor 60 connected to the bridge circuit. Since the state can be diagnosed, it is possible to provide the pressure measurement device 1 having the operation state diagnosis function with a simple configuration while suppressing increase in size and cost of the sensor.
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It is apparent to those skilled in the art that various changes or modifications can be added to the above embodiment. It is also apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such alterations or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。 The execution order of each process such as operations, procedures, steps, and steps in the apparatuses, systems, programs, and methods shown in the claims, the specification, and the drawings is particularly “before”, “preceding” It is to be noted that “it is not explicitly stated as“ etc. ”and can be realized in any order as long as the output of the previous process is not used in the later process. With regard to the flow of operations in the claims, the specification and the drawings, even if it is described using “first,” “next,” etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.
1・・圧力測定装置、2・・一点鎖線、3・・一点鎖線、4・・二点鎖線、5・・二点鎖線、10・・ダイアフラム部、12・・空洞部、20・・ブリッジ回路、21・・ピエゾ抵抗素子、22・・配線、23・・配線、24・・配線、25・・配線、26・・高電位端子、27・・低電位端子、28・・第1出力端子、29・・第2出力端子、30・・AD変換部、40・・処理部、42・・算出部、43・・補正部、44・・比較部、46・・診断部、47・・第2比較部、50・・記憶部、60・・固定抵抗器、62・・固定抵抗器、70・・温度取得部 1 · · Pressure measuring device, 2 · · · 1 dotted line, 3 · · 1 dotted line, 4 · · 2 dotted line, 5 · · 2 dotted line, 10 · · · diaphragm portion, 12 · · · hollow portion, 20 · · bridge circuit , 21... Piezoresistive elements 22. 29 second output terminal 30 AD conversion unit 40 processing unit 42 calculation unit 43 correction unit 44 comparison unit 46 diagnosis unit 47 second Comparison unit, 50 · · · Storage unit, 60 · · · Fixed resistor, 62 · · · Fixed resistor, 70 · · · Temperature acquisition unit
Claims (10)
印加される圧力によって変位するダイアフラム部と、
前記ダイアフラム部に設けられて、ブリッジ回路を構成する複数のピエゾ抵抗素子と、
前記ブリッジ回路の第1出力端子における第1電圧測定値と、予め定められた定数とを用いて第1計算値を算出する算出部と、
前記ブリッジ回路において前記第1出力端子と異なる第2出力端子における第2電圧測定値から得られた値と前記第1計算値とを比較する比較部と、
前記比較部による比較結果に基づいて、前記圧力測定装置の動作状態を診断する診断部と、を備える
圧力測定装置。 A pressure measuring device,
A diaphragm portion displaced by an applied pressure;
A plurality of piezoresistive elements provided in the diaphragm portion and constituting a bridge circuit;
A calculation unit that calculates a first calculation value using a first voltage measurement value at a first output terminal of the bridge circuit and a predetermined constant;
A comparator for comparing the first calculated value with a value obtained from a second voltage measurement value at a second output terminal different from the first output terminal in the bridge circuit;
And a diagnostic unit configured to diagnose an operation state of the pressure measurement device based on a comparison result by the comparison unit.
前記算出部は、前記第1電圧測定値と既知の電圧値とを用いて、前記高電位端子および前記低電位端子の間に印加される励起電圧と前記第1ピエゾ抵抗素子の両端間の電圧との差分を前記第1計算値として算出し、
前記比較部は、前記第2電圧測定値から得られる前記第2ピエゾ抵抗素子の両端間の電圧と、前記第1計算値とを比較する
請求項1に記載の圧力測定装置。 The plurality of piezoresistive elements includes a first piezoresistive element and a second piezoresistive element commonly connected at one end to one of the high potential terminal and the low potential terminal of the bridge circuit. Yes,
The calculation unit uses the first voltage measurement value and a known voltage value to generate an excitation voltage applied between the high potential terminal and the low potential terminal and a voltage between both ends of the first piezoresistive element. Calculating the difference between the
The pressure measurement device according to claim 1, wherein the comparison unit compares a voltage between both ends of the second piezoresistive element obtained from the second voltage measurement value with the first calculated value.
前記補正部によって補正された前記差分が前記第1計算値として算出される
請求項2に記載の圧力測定装置。 The calculation unit further includes a correction unit that corrects the difference based on resistance values of the plurality of piezoresistive elements in a state in which no pressure is applied to the diaphragm unit,
The pressure measurement device according to claim 2, wherein the difference corrected by the correction unit is calculated as the first calculated value.
前記算出部は、前記第1電圧測定値と既知の電圧値とを用いて、前記高電位端子および前記低電位端子の間に印加される励起電圧と前記第1ピエゾ抵抗素子の両端間の電圧との差分を前記励起電圧で除算した電圧比を、前記第1計算値として算出し、
前記比較部は、前記第2ピエゾ抵抗素子の両端間の電圧を前記励起電圧で除算した前記電圧比と、前記第1計算値とを比較する
請求項1に記載の圧力測定装置。 The plurality of piezoresistive elements includes a first piezoresistive element and a second piezoresistive element commonly connected at one end to one of the high potential terminal and the low potential terminal of the bridge circuit. Yes,
The calculation unit uses the first voltage measurement value and a known voltage value to generate an excitation voltage applied between the high potential terminal and the low potential terminal and a voltage between both ends of the first piezoresistive element. Calculating a voltage ratio obtained by dividing the difference between the voltage and the excitation voltage by the excitation voltage as the first calculation value,
The pressure measurement device according to claim 1, wherein the comparison unit compares the voltage ratio obtained by dividing the voltage between both ends of the second piezoresistive element by the excitation voltage, and the first calculated value.
前記算出部は、前記第1電圧測定値と、前記固定抵抗器の両端間の電圧測定値と、既知の電源電圧値とを用いて、前記第1計算値を算出し、
前記第2ピエゾ抵抗素子の両端間の電圧を前記励起電圧で除算した電圧比は、前記第2電圧測定値と、前記固定抵抗器の両端間の電圧測定値と、既知の電源電圧値とを用いて得られる
請求項4に記載の圧力測定装置。 A fixed resistor electrically connected to one of the high potential terminal and the low potential terminal of the bridge circuit;
The calculation unit calculates the first calculated value using the first voltage measurement value, a voltage measurement value across the fixed resistor, and a known power supply voltage value.
The voltage ratio obtained by dividing the voltage across the second piezoresistive element by the excitation voltage is the second voltage measurement value, the voltage measurement across the fixed resistor, and the known power supply voltage value. The pressure measuring device according to claim 4 obtained by using.
前記補正部によって補正された前記電圧比が前記第1計算値として算出される
請求項4または5に記載の圧力測定装置。 The calculation unit further corrects a voltage ratio obtained by dividing the difference by the excitation voltage based on resistance values of the plurality of piezoresistive elements in a state where no pressure is applied to the diaphragm unit. Including
The pressure measurement device according to claim 4, wherein the voltage ratio corrected by the correction unit is calculated as the first calculated value.
請求項2から6のいずれか一項に記載の圧力測定装置。 The pressure measurement device according to any one of claims 2 to 6, wherein the first piezoresistive element and the second piezoresistive element are electrically connected to the low potential terminal.
前記固定抵抗器の両端間の電圧測定値と、閾値とを比較する第2比較部と、を備え、
前記診断部は、さらに、前記第2比較部による比較結果に基づいて、前記圧力測定装置の動作状態を診断する
請求項2から7のいずれか一項に記載の圧力測定装置。 A fixed resistor electrically connected to one of the high potential terminal and the low potential terminal of the bridge circuit;
And a second comparison unit that compares a voltage measurement value across the fixed resistor with a threshold value,
The pressure measurement device according to any one of claims 2 to 7, wherein the diagnosis unit further diagnoses an operation state of the pressure measurement device based on a comparison result by the second comparison unit.
前記閾値は、前記温度情報に基づいて変更される
請求項8に記載の圧力測定装置。 An acquisition unit for acquiring temperature information around the bridge circuit;
The pressure measurement device according to claim 8, wherein the threshold is changed based on the temperature information.
前記ブリッジ回路の第1出力端子における第1電圧測定値と、予め定められた定数とを用いて第1計算値を算出する段階と、
前記ブリッジ回路において前記第1出力端子と異なる第2出力端子における第2電圧測定値から得られた値と前記第1計算値とを比較する段階と、
比較結果に基づいて、前記圧力測定装置の動作状態を診断する段階と、
を備える圧力測定装置の動作状態診断方法。 A method of diagnosing an operation state of a pressure measurement device, comprising: a diaphragm portion displaced by an applied pressure; and a plurality of piezoresistive elements provided on the diaphragm portion and forming a bridge circuit, the first output of the bridge circuit Calculating a first calculated value using a first voltage measurement value at the terminal and a predetermined constant;
Comparing the first calculated value with a value obtained from a second voltage measurement at a second output terminal different from the first output terminal in the bridge circuit;
Diagnosing the operating state of the pressure measuring device based on the comparison result;
A method of operating condition diagnosis of a pressure measuring device comprising:
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