JP2011242312A - センサ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ゲージ抵抗からの出力信号を増大させて、構成の小型化を図ったセンサ回路を提供することを課題とする。
【解決手段】一端が接地され、印加された物理量に応じて抵抗値が変化するゲージ抵抗１１−１〜１１−４と、ゲージ抵抗１１−１〜１１−４の他端と電源ＶＣＣとの間に接続され、ゲージ抵抗１１−１〜１１−４に定電流を供給し、ゲージ抵抗１１−１〜１１−４の他端に電源ＶＣＣの電源電圧の半分以上の電圧を印加する定電流供給部１２と、ゲージ抵抗１１−１〜１１−４の抵抗値の変化を電気信号として取り出し、印加された物理量を検出する信号処理部１３とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力や加速度などの物理量の変化を検出するセンサ回路に関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている。文献１に記載された技術では、ブリッジ接続された４つのゲージ抵抗の抵抗値が、圧力により変化し、この抵抗値の変化を電気信号として取り出して圧力を検出している。ブリッジ接続された４つのゲージ抵抗には、定電流回路を介して電源から電圧が印加され、電源電圧の半分以下の電圧が各ゲージ抵抗に印加されている。

文献２に記載された技術では、上記文献１と同様に、ブリッジ接続された４つのゲージ抵抗の抵抗値の変化に基づいて圧力を検出している。ブリッジ接続された４つのゲージ抵抗には、定電圧回路を介して電源から電圧が印加され、上記文献１の技術と同様に電源電圧の半分以下の電圧が各ゲージ抵抗に印加されている。

文献３に記載された技術では、上記文献１、２と同様に、ゲージ抵抗の抵抗値の変化に基づいて圧力を検出している。ゲージ抵抗には、定電流回路ならびにカレントミラー回路を介して電源から給電されている。すなわち、電源電圧から定電流回路ならびにカレントミラー回路での電圧降下分を差し引いた電圧がゲージ抵抗に印加されている。

特開昭６１−２４３３３８号公報 特開昭６２−１８５１３７号公報 特開平２−３１１７２８号公報

上記文献１ならびに文献２に記載された技術では、ゲージ抵抗に印加される電圧は、電源電圧の半分以下となる。このため、ゲージ抵抗から取り出される信号は、電源電圧の半分以上がゲージ抵抗に印加されている場合に比べて小さくなっていた。また、上記文献３に記載された技術では、ゲージ抵抗には、電源電圧から定電流回路ならびにカレントミラー回路での電圧降下分を差し引いた電圧が印加されている。このため、ゲージ抵抗から取り出される信号は、カレントミラー回路が接続されていない場合に比べて小さくなっていた。

したがって、上記各文献１〜３で採用された技術では、ゲージ抵抗から取り出される信号が小さいので、ゲージ抵抗から取り出される信号を処理して圧力を検出するための回路構成が大型化していた。また、ゲージ抵抗から取り出される信号が小さいので、ノイズに対する耐性が低く、ノイズにより検出精度が低下するおそれがあった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ゲージ抵抗からの出力信号を増大させて、構成の小型化を図ったセンサ回路を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るセンサ回路は、一端が接地され、印加された物理量に応じて抵抗値が変化するゲージ抵抗と、ゲージ抵抗の他端と高位電源との間に接続され、ゲージ抵抗に定電流を供給し、ゲージ抵抗の他端に高位電源の電源電圧の半分以上の電圧を印加する定電流供給部と、ゲージ抵抗の抵抗値の変化を電気信号として取り出し、印加された物理量を検出する信号処理部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、高位電源の電源電圧の半分以上の電圧をゲージ抵抗に印加するようにしたので、ゲージ抵抗からの出力信号を従来に比べて増大させることができる。これにより、センサ回路の構成を小型化することが可能となる。

本発明の実施形態１に係るセンサ回路の構成を示す図である。 本発明の実施形態１，３に係る定電流回路の一回路構成を示す図である。 センサ部の出力電位と信号処理部の検出信号との関係を示す図である。 本発明の実施形態２に係るセンサ回路の構成を示す図である。

以下、図面を用いて本発明を実施するための実施形態を説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係るセンサ回路の構成を示す図である。図１に示す実施形態１のセンサ回路は、センサ部１１、定電流供給部１２、信号処理部１３を備えて構成されている。

センサ部１１は、４つのゲージ抵抗１１−１〜１１−４を備えて構成されている。各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４は、例えばシリコン等の半導体基板に形成され、印加された圧力や加速度などの物理量に応じて歪みその抵抗値が変化する。ゲージ抵抗１１−１，１１−４は、圧力などが印加されるとその抵抗値が増加し、ゲージ抵抗１１−２，１１−３は、圧力などが印加されるとその抵抗値が減少するように配置形成されている。センサ回路は、ゲージ抵抗１１−１〜１１−４の抵抗値の変化を電気信号として取り出すことで印加された圧力などの物理量を検出する。各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４は、その一端が定電流供給部１２に接続され、他端がグランドに接続（接地）されている。

定電流供給部１２は、例えば４つの定電流回路１２−１〜１２−４を備えて構成されている。定電流回路１２−１〜１２−４は、電源ＶＣＣから給電されて対応するゲージ抵抗１１−１〜１１−４に独立して同一の定電流を供給する。すなわち、定電流回路１２−１は、ゲージ抵抗１１−１に定電流を供給し、定電流回路１２−２は、ゲージ抵抗１１−２に定電流を供給し、定電流回路１２−３は、ゲージ抵抗１１−３に定電流を供給し、定電流回路１２−４は、ゲージ抵抗１１−４に定電流を供給する。

定電流回路１２−１〜１２−４は、例えば図２に示すように、ＯＰアンプ２１、電流調整用抵抗２２ならびに電界効果トランジスタ２３を用いたカレントミラー回路で構成することができる。図２に示す定電流回路では、ＯＰアンプ２１に入力される入力基準電圧Ｖと同電圧が電流調整用抵抗２２に印加され、電流調整用抵抗２２の抵抗値（Ｒ）に応じた定電流（Ｉ＝Ｖ／Ｒ）を、カレントミラー回路の出力電流（定電流）として得ることができる。なお、定電流供給部１２は、各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４に共通に供給される同一の定電流を出力する４つの出力端子を備えた１つの定電流回路として構成するようにしてもよい。

信号処理部１３は、ゲージ抵抗１１−１〜１１−４と定電流供給部１２との接続点の電位（Ｖ１〜Ｖ４、センサ部１１の出力電位）を入力し、これらの出力電位を増幅し、ゲージ抵抗１１−１〜１１−４の抵抗値の変化に応じた検出信号ＶＯを出力する。すなわち、信号処理部１３は、出力電位Ｖ１と出力電位Ｖ２との差（Ｖ１−Ｖ２）を増幅して第１差増幅出力Ｖ１２を得て、出力電位Ｖ３と出力電位Ｖ４との差（Ｖ３−Ｖ４）を増幅して第２差増幅出力Ｖ３４を得ている。また、信号処理部１３は、第１差増幅出力Ｖ１２と第２差増幅出力Ｖ３４との差（Ｖ１２−Ｖ３４）を増幅して、印加された圧力などを検出する検出信号ＶＯを得ている。

このような構成において、定電流供給部１２から予め設定された所定の定電流が供給されている各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４に圧力などが印加されると、ゲージ抵抗１１−１ならびに１１−４の抵抗値は印加された圧力などに応じて増加する。一方、ゲージ抵抗１１−２ならびに１１−３の抵抗値は印加された圧力などに応じて減少する。このため、圧力などが印加される前に比べて信号処理部１３に入力されるセンサ部１１の出力電位Ｖ１ならびにＶ４は上昇する一方、出力電位Ｖ２ならびにＶ３は低下する。この結果、センサ部１１の出力電位Ｖ１とＶ２との差（Ｖ１−Ｖ２）は増加する一方、出力電位Ｖ３とＶ４との差（Ｖ３−Ｖ４）は減少する。それぞれの出力電位の差は信号処理部１３で増幅され、さらに増幅された差増幅出力は信号処理部１３でさらに増幅され、各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４に印加された圧力などに応じた検出信号ＶＯが得られる。

各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４に印加される電位、すなわちセンサ部１１の出力電位Ｖ１〜Ｖ４と、信号処理部１３から出力される検出信号ＶＯとの関係は、図３に示すようになる。すなわち、検出信号ＶＯは出力電位Ｖ１〜Ｖ４の増加にともなって直線的に増加する特性を有している。

このようなセンサ回路では、各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４の一端は定電流供給部１２を介して電源ＶＣＣに接続され、他端はグランドに接続された構成を採用している。すなわち、電源ＶＣＣ（高位電源）とグランドとの間には、１つのゲージ抵抗と定電流供給部のみが接続されている。このため、定電流回路もしくは定電圧回路の他に２つのゲージ抵抗が直列接続されている構成に比べて、各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４には、電源ＶＣＣの電源電圧の少なくとも半分以上を印加することが可能となる。すなわち、圧力などが各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４に与えられる前のセンサ部１１の出力電位Ｖ１〜Ｖ４は、電源ＶＣＣの電源電圧の少なくとも半分以上となる。

したがって、従来に比べてセンサ部１１の出力電位Ｖ１〜Ｖ４を大きくすることができる。これにより、従来に比べて信号処理能力（増幅性能）を高めることなく、すなわち小型な構成で印加された圧力などを十分に検出できる程度の検出信号ＶＯを得ることが可能となる。

また、従来に比べてセンサ部１１の出力電位Ｖ１〜Ｖ４は大きくなるので、ノイズに対する耐性が高められて、検出精度を向上することが可能となる。

一方、電源ＶＣＣとグランドとの間には、各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４の他に定電流回路１２−１〜１２−４しか接続されていない。このため、従来のようにカレントミラー回路などの電位降下を生じさせる構成要件がゲージ抵抗にさらに接続されている場合に比べても、各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４に印加される電位は大きくなる。これにより、カレントミラー回路などの電位降下を生じさせる構成要件がゲージ抵抗に接続されている従来の構成に比べても、上記と同様の有利な効果を得ることができる。

（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２に係るセンサ回路の構成を示す図である。

図４において、この実施形態２のセンサ回路では、先の実施形態１で示す信号処理部１３を３つの増幅アンプ４１、４２、４３で構成しており、他は実施形態１と同様である。

増幅アンプ４１は、センサ部１１の出力電位Ｖ１と出力電位Ｖ２との差（Ｖ１−Ｖ２）を増幅して第１差増幅出力Ｖ１２を得て、その第１差増幅出力Ｖ１２を増幅アンプ４３に与える。

増幅アンプ４２は、センサ部１１の出力電位Ｖ３と出力電位Ｖ４との差（Ｖ３−Ｖ４）を増幅して第２差増幅出力Ｖ３４を得て、その第２差増幅出力Ｖ３４を増幅アンプ４３に与える。

増幅アンプ４３は、増幅アンプ４１から与えられた第１差増幅出力Ｖ１２と、増幅アンプ４２から与えられた第２差増幅出力Ｖ３４との差（Ｖ１２−Ｖ３４）を増幅して、印加された圧力などに対応した検出信号ＶＯを得ている。

このような構成を採用することで、容易かつ簡単ならびに小型な回路構成で信号処理部を実現することができる。

（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３に係るセンサ回路について説明する。

この実施形態３のセンサ回路では、定電流供給部１２は、圧力などが印加される前の各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４の抵抗値のばらつきに応じた定電流を各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４にそれぞれ個別に供給する構成を採用している。

センサ回路を製造する際に、ゲージ抵抗１１−１〜１１−４の抵抗値は設計値に対してばらつきが生ずる場合がある。このような場合に、ゲージ抵抗１１−１〜１１−４の抵抗値が設計値に比べて大きい場合には、ゲージ抵抗１１−１〜１１−４に供給される定電流を小さくする。一方、ゲージ抵抗１１−１〜１１−４の抵抗値が設計値に比べて小さい場合には、ゲージ抵抗１１−１〜１１−４に供給される定電流値を大きくする。

このような定電流回路としては、例えば先の図２に示す定電流回路で実現することができる。図２に示す定電流回路において、ゲージ抵抗の抵抗値のばらつきと概ね同様にばらつくようにゲージ抵抗に隣接して電流調整用抵抗２２を形成する。この電流調整用抵抗２２に、ＯＰアンプ２１に入力される入力基準電圧Ｖと同電圧を印加する。これにより、電流調整用抵抗２２の抵抗値（Ｒ）、すなわちゲージ抵抗１１−１〜１１−４の抵抗値のばらつきに応じた定電流（Ｉ＝Ｖ／Ｒ）を、カレントミラー回路の出力電流として得ることができる。なお、電流調整用抵抗２２は、４つのゲージ抵抗１１−１〜１１−４のそれぞれに対応して４つ設け、もしくは４つのゲージ抵抗１１−１〜１１−４を代表する１つを設けるようにしてもよい。

このように、ゲージ抵抗１１−１〜１１−４の抵抗値のばらつき応じて定電流値を調整制御することで、抵抗値にばらつきが生じていない設計値の場合に得られると同等の出力電位Ｖ１〜Ｖ４を得ることが可能となる。この結果、ゲージ抵抗１１−１〜１１−４の抵抗値にばらつきが生じている場合であっても、ばらつきが生じていない場合と同等の検出信号Ｖ０を得ることができる。すなわち、センサ回路の感度を補正することができる。

（実施形態４）
次に、本発明の実施形態４に係るセンサ回路について説明する。

この実施形態４のセンサ回路では、定電流供給部１２は、発生する定電流に対して正の温度特性を有し、温度の上昇に対して発生する定電流量を増加する機能を備えた構成を採用している。定電流供給部１２を構成する定電流回路１２−１〜１２−４が、例えば図２に示すように構成されている場合には、電流調整用抵抗２２を、温度特性を持った例えばサーミスタなどの抵抗で構成することで、上記機能を実現することができる。

このような温度特性を有する定電流供給部１２を採用することで、温度の上昇とともにゲージ抵抗１１−１〜１１−４の抵抗値が減少した場合であっても、定電流供給部１２からゲージ抵抗１１−１〜１１−４に供給される定電流が増加する。このときに、抵抗値の変化量と定電流の増加量とを適宜調整設定することで、温度が変化してもセンサ部１１の出力電位（Ｖ１〜Ｖ４）を変化させないようにすることが可能となる。この結果、温度補償機能を備えたセンサ回路を提供することができる。

（実施形態５）
次に、本発明の実施形態５に係るセンサ回路について説明する。

この実施形態５のセンサ回路では、定電流供給部１２は、各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４毎に独立して個別に定電流を供給する機能を備えた構成を採用している。定電流供給部１２を構成する定電流回路１２−１〜１２−４が、例えば図２に示すように構成されている場合には、ＯＰアンプ２１に入力される入力基準電位Ｖをそれぞれ可変調整することで発生する定電流をそれぞれ可変制御することが可能となる。

このような定電流供給部１２を採用することで、圧力などが印加されていないときの各ゲージ抵抗１１−１〜１１−４に供給される定電流を個別に調整制御する。すなわち、センサ部１１の出力電位Ｖ１とＶ２との差（Ｖ１−Ｖ２）、ならびにセンサ部１１の出力電位Ｖ３とＶ４との差（Ｖ３−Ｖ４）がともに０となるように定電流を調整制御する。

これにより、オフセット電圧を０にして、零点調整機能を備えたセンサ回路を提供することができる。

なお、本発明の実施形態としては、上記実施形態１または２に対して、実施形態３〜５のいずれか１以上の実施形態を適宜組み合わせて実施することができる。

１１…センサ部
１１−１〜１１−４…ゲージ抵抗
１２…定電流供給部
１２−１〜１２−４…定電流回路
１３…信号処理部
２１…ＯＰアンプ
２２…電流調整用抵抗
２３…電界効果トランジスタ
４１，４２，４３…増幅アンプ

Claims (5)

1. 一端が接地され、印加された物理量に応じて抵抗値が変化するゲージ抵抗と、
   前記ゲージ抵抗の他端と高位電源との間に接続され、前記ゲージ抵抗に定電流を供給し、前記ゲージ抵抗の他端に高位電源の電源電圧の半分以上の電圧を印加する定電流供給部と、
   前記ゲージ抵抗の抵抗値の変化を電気信号として取り出し、印加された物理量を検出する信号処理部と
   を有することを特徴とするセンサ回路。
2. 前記ゲージ抵抗は、印加された物理量に応じて抵抗値が増加する第１のゲージ抵抗と、印加された物理量に応じて抵抗値が減少する第２のゲージ抵抗とを備え、
   前記信号処理部は、前記第１のゲージ抵抗の他端の出力電位と前記第２ゲージ抵抗の他端の出力電位との差電位を増幅する増幅回路を備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ回路。
3. 前記定電流供給部は、前記ゲージ抵抗に物理量が印加されていないときの前記ゲージ抵抗の抵抗値に応じて定電流値を設定し、抵抗値が大きい程定電流値を小さくする
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ回路。
4. 前記定電流供給部は、前記ゲージ抵抗に供給する定電流に対して正の温度特性を有している
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ回路。
5. 前記定電流供給部は、前記ゲージ抵抗に物理量が印加されていないときに、ゲージ抵抗に供給する定電流を可変調整可能に構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ回路。

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