JP2009128213A

JP2009128213A - センサ信号検出回路及びセンサモジュール

Info

Publication number: JP2009128213A
Application number: JP2007304169A
Authority: JP
Inventors: Kumiko Fukai; 久美子深井; Tatsuya Suzuki; 達也鈴木; Yasuhiro Kaneda; 安弘金田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; System Solutions Co Ltd
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2009-06-11

Abstract

【課題】製造コストが安価なセンサ信号検出回路を提供する。
【解決手段】検知結果に応じて２つの電圧信号を出力するセンサ２と接続され、２つの電圧信号の電圧差に応じたセンサ信号を出力するセンサ信号出力部６と、当該センサ信号から直流成分を除去するオフセット除去フィルタ８と、を含むセンサ信号検出回路である。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサから出力される電圧信号に含まれるセンサ信号を検出するセンサ信号検出回路及びセンサモジュールに関する。

例えばホイートストンブリッジ型センサなど、その検知結果に応じて、２つの電圧信号を出力するセンサがある。この場合の２つの電圧信号は、その電圧差によって検知結果を表す差動信号を構成している。ここで、２つの電圧信号の電圧差は、一般的に、オフセット電圧に対してセンサの検知結果を表す信号成分が重畳されたものとなっている。したがって、この差動信号に応じて得られるセンサ信号からオフセット電圧の成分を除去することによって、センサの検知結果を表す信号成分を検出することができる（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、上述したオフセット電圧は、通常、製造ばらつきによって個々のセンサごとに異なる値となる。また、このオフセット電圧は、周囲の温度などの使用環境の変化によって、センサの使用中に変化する場合がある。そこで、このようなオフセット電圧の成分を除去するために、図３に示すようなセンサ信号検出回路が用いられる。

図３に例示するセンサ信号検出回路は、ホイートストンブリッジ型のセンサ１０２の検知結果を表すセンサ信号からオフセット電圧の成分を除去して、信号成分を増幅する回路である。このセンサ信号検出回路において、差動増幅器１０４は、センサ１０２が出力する２つの電圧信号の電圧差に応じたシングルエンドの信号を出力する。一方、制御回路１１０は、不揮発性メモリ１０６に記録されている情報と、温度センサ１０８の検知結果と、に基づいて、差動増幅器１０４から出力される電圧信号のオフセット電圧に対応するデジタル値を算出する。具体的に、不揮発性メモリ１０６には、センサ１０２の製造時に測定されたオフセット電圧に対応するデジタル値と、このオフセット電圧の温度依存性に関するパラメタと、が記憶されている。これらの値と、温度センサ１０８によって測定された周囲の温度と、に基づいて、制御回路１１０は現時点において差動増幅器１０４から出力される電圧信号のオフセット電圧を推定し、その電圧に対応するデジタル値をＤ／Ａコンバータ１１２に対して出力する。出力されたデジタル値は、Ｄ／Ａコンバータ１１２によってオフセット電圧に応じた電圧信号に変換され、増幅器１１４に入力される。

増幅器１１４は、差動増幅器１０４が出力する電圧信号を増幅する。このとき、増幅器１１４は、Ｄ／Ａコンバータ１１２が出力する電圧信号に応じて、信号増幅の基準となる基準電圧（バイアス点）を変化させる。これにより、センサ信号検出回路は、差動増幅器１０４が出力する電圧信号からオフセット電圧の成分を除去するとともに、センサ１０２による検知結果を示す信号成分を増幅した信号を出力する。
特開２００６‐１７４１２２号公報

上記従来例の技術においては、センサ信号からオフセット電圧の成分を除去するために、不揮発性メモリやＤ／Ａコンバータなどの部品が必要となる。また、センサの製造時などに、個々のセンサごとにオフセット電圧を予め測定し、その測定値に応じた値を不揮発性メモリに記録する作業が必要となる。そのため、センサ信号検出回路の製造コストが高くなってしまうという問題がある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的の一つは、製造コストが安価なセンサ信号検出回路及びセンサモジュールを提供することにある。

上記課題を解決するための本発明に係るセンサ信号検出回路は、所定の高周波数域で変化する量を検知し、検知結果に応じて２つの電圧信号を出力するセンサと接続され、前記２つの電圧信号の電圧差に応じたセンサ信号を出力するセンサ信号出力部と、前記センサ信号から直流成分を除去するオフセット除去フィルタと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、不揮発性メモリやＤ／Ａコンバータなどを用いなくとも、センサの検知結果を表すセンサ信号に含まれるオフセット電圧を除去することができ、センサ信号検出回路の製造コストを低減できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

本発明の一実施形態に係るセンサモジュールは、図１に示すように、センサ２と、センサ２に接続され、その検知結果を示すセンサ信号を検出して出力するセンサ信号検出回路４と、を含んで構成される。また、センサ信号検出回路４は、図１に示すように、センサ信号出力部６と、オフセット除去フィルタ８と、増幅器１０と、を含んで構成されている。

センサ２は、ホイートストンブリッジ型のセンサであって、所定の高周波数域で変化する量を検知する。例えばセンサ２は、ひずみゲージの抵抗値の変化によりセンサ２に対して生じる加速度を検知する加速度センサなどのモーションセンサであってよい。このようにセンサの動きに関する量を検知するモーションセンサなどにおいては、その検知対象となる加速度などの量は、例えばセンサの周囲の温度などの環境の変化と比較して、短い周期で変化することとなる。

センサ２は、その検知結果に応じて、ホイートストンブリッジの２つの端子の電圧を示す２つの電圧信号Ｖ_１及びＶ_２を出力する。２つの電圧信号Ｖ_１及びＶ_２は差動信号を構成しており、その電圧差（Ｖ_１−Ｖ_２）が、センサ２の検知結果に応じて変化する。

センサ信号出力部６は、例えばオペアンプ等により構成される差動増幅器であって、センサ２及びオフセット除去フィルタ８と接続されている。センサ信号出力部６は、センサ２から２つの電圧信号Ｖ_１及びＶ_２の入力を受け付けて、この電圧信号Ｖ_１及びＶ_２の電圧差に応じた電圧信号（センサ信号）Ｖ_Ｓ１を、オフセット除去フィルタ８に対して出力する。具体的に、例えばセンサ信号出力部６は、２つの電圧信号Ｖ_１及びＶ_２の電圧差を所定の増幅率ｇ_１で増幅して得られるシングルエンドの電圧信号を、センサ信号Ｖ_Ｓ１として出力する。この場合のセンサ信号Ｖ_Ｓ１は、
Ｖ_Ｓ１＝ｇ_１・（Ｖ_１−Ｖ_２）
で表される。

センサ信号Ｖ_Ｓ１は、オフセット電圧の成分に対して、センサ２の検知結果を表す信号成分が重畳された電圧信号となっている。すなわち、オフセット電圧の成分をＶ_ｏｆｆ、センサ２の検知結果を表す信号成分をＶ_ｓｉｇと表記すると、センサ信号Ｖ_Ｓ１は、
Ｖ_Ｓ１＝Ｖ_ｏｆｆ＋Ｖ_ｓｉｇ
と表される。ここで、オフセット電圧は、センサ２の製造ばらつきなどによって個々のセンサ２ごとに異なる値をとる。また、オフセット電圧は、センサ使用中の周囲の温度変化などによって時間とともに比較的長い周期で変動する。

オフセット除去フィルタ８は、センサ信号出力部６及び増幅器１０と接続されており、センサ信号出力部６が出力するセンサ信号Ｖ_Ｓ１から、その直流成分を除去する。なお、以下では、オフセット除去フィルタ８によるフィルタリング後のセンサ信号を、センサ信号Ｖ_Ｓ２と表記する。

具体例として、オフセット除去フィルタ８は、図１に示すように抵抗及びコンデンサによって構成され、センサ信号Ｖ_Ｓ１から所定の低周波数成分を除去して高周波数成分を通過させるハイパスフィルタとして機能する。前述したように、センサ信号Ｖ_Ｓ１は、オフセット電圧の成分Ｖ_ｏｆｆに対して信号成分Ｖ_ｓｉｇが重畳された電圧となっている。オフセット除去フィルタ８は、センサ信号Ｖ_Ｓ１から直流成分を除去することによって、センサ信号Ｖ_Ｓ１のオフセット電圧の成分Ｖ_ｏｆｆを取り除いて、センサ２の検知結果を示す信号成分Ｖ_ｓｉｇを通過させることができる。

また、オフセット除去フィルタ８は、センサ信号Ｖ_Ｓ１から、さらに温度変化によるオフセット電圧の変動に応じた周波数成分を除去してもよい。センサ信号Ｖ_Ｓ１のオフセット電圧が時間とともに変化しない場合は、直流成分を除去することでオフセット電圧の成分Ｖ_ｏｆｆを全て取り除くことができる。しかしながら、前述したように、回路周辺の温度変化によって、オフセット電圧の値は変動する。そこで、このようなオフセット電圧の変動に応じた周波数成分を除去することにより、オフセット除去フィルタ８はセンサ信号Ｖ_Ｓ１に含まれるオフセット電圧の成分Ｖ_ｏｆｆを全て取り除くことができる。

ここで、前述したようにセンサ２は所定の高周波数域で変化する量を検知しており、その検知結果を表す信号成分Ｖ_ｓｉｇは、当該所定の高周波数域の成分となっている。そのため、オフセット除去フィルタ８がセンサ信号Ｖ_Ｓ１から温度変化によるオフセット電圧の変動に応じた周波数成分を含む所定の低周波数成分を除去しても、本来のセンサ２の検知結果を表す信号成分Ｖ_ｓｉｇは、オフセット除去フィルタ８により除去されずに通過することとなる。具体的に、例えばオフセット除去フィルタ８は、１Ｈｚ〜０．１Ｈｚ以下の周波数成分を除去し、それを超える周波数成分を通過させるハイパスフィルタであってよい。

増幅器１０は、オフセット除去フィルタ８と接続されており、オフセット除去フィルタ８が出力するセンサ信号Ｖ_Ｓ２を増幅する。このとき、センサ信号Ｖ_Ｓ２はセンサ信号Ｖ_Ｓ１からオフセット電圧の成分Ｖ_ｏｆｆが除かれた信号になっているので、増幅器１０による信号増幅の基準となる基準電圧は、グラウンド電圧（電圧値０）であってよい。すなわち、増幅器１０の増幅率をｇ_２とすると、増幅器１０が出力する電圧信号Ｖ_Ｓ３は、
Ｖ_Ｓ３＝ｇ_２・Ｖ_Ｓ２
となる。この電圧信号Ｖ_Ｓ３は、センサ信号Ｖ_Ｓ１からオフセット電圧の成分Ｖ_ｏｆｆが除去され、信号成分Ｖ_ｓｉｇが増幅された信号となっている。

なお、オフセット除去フィルタ８によりオフセット電圧の成分Ｖ_ｏｆｆを取り除いた後に、増幅器１０による信号増幅を行うことにより、増幅器１０の増幅率を増やすことができる。すなわち、オフセット電圧の成分Ｖ_ｏｆｆを除去する前にセンサ信号の増幅を行うこととすると、特にオフセット電圧の成分Ｖ_ｏｆｆが信号成分Ｖ_ｓｉｇに比較して大きい場合、増幅された信号が回路の電源電圧で飽和してしまい、十分な増幅率で増幅することができなくなってしまう。しかし、本実施形態においては、オフセット電圧の成分Ｖ_ｏｆｆが予め除去されるので、センサ２の検知結果を表す信号成分Ｖ_ｓｉｇだけを増幅することができる。そのため、より大きな増幅率で信号の増幅を行うことが可能となる。

以上説明した本実施の形態によれば、不揮発性メモリやＤ／Ａコンバータ等を使用することなく、センサ信号からオフセット電圧の成分Ｖ_ｏｆｆを除去することができ、センサ信号検出回路の製造コストを安価にすることができる。また、個々のセンサ２ごとに異なるオフセット電圧に関する値をセンサ信号検出回路４が記憶する必要がなくなるため、センサ２とセンサ信号検出回路４を常に１対１で組み合わせて使用せずともよくなる。

なお、本発明の実施の形態は、以上説明したものに限られない。例えばセンサ信号検出回路４は、図１に示す回路構成のオフセット除去フィルタ８に代えて、図２に例示するように、オペアンプなどを用いて構成されたハイパスフィルタを備えてもよい。あるいは、センサ信号検出回路４は、センサ信号出力部６が出力するセンサ信号から直流成分を除去すると同時に、その信号成分Ｖ_ｓｉｇを増幅する増幅回路を含んで構成されてもよい。

本発明の実施の形態に係るセンサ信号検出回路の概略の構成例を表す回路図である。オフセット除去フィルタの別の例を表す回路図である。従来のセンサ信号検出回路の一例を示す回路図である。

符号の説明

２センサ、４センサ信号検出回路、６センサ信号出力部、８オフセット除去フィルタ、１０増幅器。

Claims

所定の高周波数域で変化する量を検知し、検知結果に応じて２つの電圧信号を出力するセンサと接続され、
前記２つの電圧信号の電圧差に応じたセンサ信号を出力するセンサ信号出力部と、
前記センサ信号から直流成分を除去するオフセット除去フィルタと、
を含むことを特徴とするセンサ信号検出回路。
請求項１記載のセンサ信号検出回路において、
前記オフセット除去フィルタは、前記センサ信号から、温度変化によるオフセット電圧の変動に応じた周波数成分を除去する
ことを特徴とするセンサ信号検出回路。
請求項１又は２記載のセンサ信号検出回路において、
前記オフセット除去フィルタにより直流成分が除去されたセンサ信号を増幅する増幅器をさらに含む
ことを特徴とするセンサ信号検出回路。
所定の高周波数域で変化する量を検知し、検知結果に応じて２つの電圧信号を出力するセンサと、
前記２つの電圧信号の電圧差に応じたセンサ信号を出力するセンサ信号出力部と、
前記センサ信号から直流成分を除去するオフセット除去フィルタと、
を含むことを特徴とするセンサモジュール。