JP2010156621A - センサ用半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡易な構成で出力信号の非線形性が電圧に依存するタイプのセンサか、電流に依存するタイプのセンサかに関わらず用いることができ、出力信号の非線形性の改善を図る。
【解決手段】
センサ用半導体装置は、センサ７の駆動に必要な駆動電源を有してなるセンサ駆動装置３と、センサ７の出力信号に信号処理を施して出力する信号処理回路８とを具備してなり、センサ駆動装置３は、電圧源４と、電流源５と、電圧源４又は電流源５のいずれか一方を択一的に選択し、その選択された電圧源４又は電流源５をセンサ７の駆動電源としてセンサ７に接続可能に構成されてなる電圧源／電流源切換装置６とを具備してなり、センサ７の駆動が適切に行い得るようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ用半導体装置に係り、特に、汎用性、出力信号の線形性の向上等を図ったものに関する。

従来、この種の装置としては、例えば、図５、図６等に示された構成のものが良く知られている。
これらの従来回路について、図５、図６をそれぞれ参照しつつ、以下に説明することとする。
最初に、図５に示されたセンサ用半導体装置は、センサ駆動電圧源（図５においては「Ｖ−ＳＲ」と表記）１８と、センサ７Ａと、信号処理回路（図５においては「ＳＩＧ−ＰＲＯ」と表記）８Ａとを主たる構成要素として構成されたものとなっている。

かかる構成において、センサ７Ａは、例えば、ブリッジ型圧力センサであり、外部から加わる圧力変化に応じて生ずるブリッジを構成する素子のインピーダンス変化によってブリッジの平行状態が崩れ、センサ出力信号としてＡＢ点間に電圧差が出力されるようになっているものである。
かかるセンサ７Ａには、電圧源としてのセンサ駆動電圧源１８により駆動電圧が印加されるようになっている。

通常、ＡＢ点間に得られたセンサ出力信号は、数ｍＶ〜数百ｍＶ程度で、後段の回路において用いるには十分なレベルではないため、信号処理回路８Ａにおいて、信号増幅が施され、さらに、必要に応じてオフセット処理等が施されて出力されるようになっている。

ここで、センサ７Ａは、その出力信号の非線形性が印加される電圧に依存する特性を有するものであるが、センサには、その出力信号の非線形性がセンサに流れる電流に依存するものもある。
図６に示されたセンサ用半導体装置は、センサ７Ｂが、その出力信号の非線形性が流れる電流に依存するタイプのものである場合に適するものであり、図５におけるセンサ駆動電圧源１８に代えて、センサ駆動電流源（図６においては「Ｉ−ＳＲ」と表記）１９を用いたものとなっている。なお、図５に示された構成例における構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略するものとする。

このように、センサには、出力信号の非線形性が印加電圧に依存するものと、流れる電流に依存するものとがある。このため、出力信号の非線形性が印加電圧に依存するセンサ７Ａを、センサ駆動電流源１９で駆動した場合には、センサ７Ａに流れる電流が変化するため出力信号の非線形となる。
また、出力信号の非線形性が流れる電流に依存するセンサ７Ｂをセンサ駆動電圧源１８で駆動した場合には、センサ７Ｂに流れる電圧が変化するため出力信号が非線形となる。

このようなセンサの駆動形態が異なることに起因する出力信号の非線形性を低減するためには、信号処理回路に非線形性補正回路を追加する方法があり、例えば、特許文献１等に開示されたものがある。
特開２００１−３４３４３９号公報（第３−５頁、図１−図１３）

上述のように、従来のセンサ用半導体装置は、出力信号の非線形性が印加電圧に依存するセンサに適する構成を有するものと、出力信号の非線形性が流れる電流に依存するセンサに適する構成を有するものとのいずれかであり、いずれにも適用できるものではないため、汎用性に欠けるだけではなく、本来のセンサと異なるタイプのセンサを用いる場合には、非線形性補正のための回路の追加が必要となり、回路規模が大きくなり、装置の高価格化をも招くという問題があった。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、比較的簡易な構成で出力信号の非線形性が電圧に依存するタイプのセンサか、出力信号の非線形性が電流に依存するタイプのセンサかに関わらず用いることができ、出力信号の非線形性が極力低減可能なセンサ用半導体装置を提供するものである。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係るセンサ用半導体装置は、センサの駆動に必要な駆動電源を有してなるセンサ駆動装置を具備してなるセンサ用半導体装置であって、
前記センサ駆動装置は、電圧源と、電流源と、前記電圧源又は電流源のいずれか一方を択一的に選択し、当該選択された電圧源又は電流源を前記センサの駆動電源として前記センサに接続可能に構成されてなる電圧源／電流源切換装置と、を具備してなるものである。
また、上記本発明の目的を達成するため、本発明に係るセンサ用半導体装置は、センサの駆動に必要な駆動電源を有してなるセンサ駆動装置を具備してなるセンサ用半導体装置であって、
前記センサ駆動装置は、可変型基準電流源と、前記可変型基準電流源の電流に応じて出力電圧が可変可能な電流制御電圧源と、前記可変型基準電流源又は電流制御電圧源のいずれか一方を択一的に選択し、当該選択された可変型基準電流源又は電流制御電圧源を前記センサの駆動電源として前記センサに接続可能に構成されてなる電圧源／電流源切換装置とを具備してなるものとしても好適である。
さらに、上記本発明の目的を達成するため、本発明に係るセンサ用半導体装置は、センサの駆動に必要な駆動電源を有してなるセンサ駆動装置を具備してなるセンサ用半導体装置であって、
前記センサ駆動装置は、可変型基準電流源と、前記可変型基準電流源の電流に応じて出力電圧が可変可能な電流制御電圧源と、前記可変型基準電流源又は電流制御電圧源のいずれか一方を択一的に選択し、当該選択された可変型基準電流源又は電流制御電圧源を前記センサの駆動電源として前記センサに接続可能に構成されてなる電圧源／電流源切換装置ととしても好適である。

本発明によれば、センサに対して電圧源と電流源とを所望に応じて切り換えて接続可能に構成したので、従来と異なり、非線形性の補正回路を要することなく、比較的簡易な構成でセンサの出力信号の非線形性が電圧に依存するタイプであっても、また、電流に依存するタイプであってもいずれにも用いることができる。しかも、出力信号の非線形性の劣化を招くことなく、出力特性の改善を図ることができるという効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図４を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明のセンサ用半導体装置を用いた半導体装置の第１の構成例について、図１を参照しつつ説明する。
この第１の構成例における半導体装置は、センサ駆動装置（図１においては「Ｓ−ＤＲＶ」と表記）３と、センサ７と、信号処理回路（図１においては「ＳＩＧ−ＰＲＯ」と表記）８とに大別されて構成されたものとなっている。
センサ駆動装置３は、電源電圧ＶＤＤの供給を受けて、詳細は後述するようにセンサ７の動作に必要な電圧源、又は、電流源として動作するよう構成されてなるものである。

本発明の実施の形態におけるセンサ７は、例えば、４つの圧力センサ素子７ａ〜７ｄがブリッジ接続されて、いわゆるブリッジ回路が構成されてなるものである。
ブリッジ接続による４つの接続点を、四角形の４つの角に対応させた際に、対向する接続点の組合せが２組となるが、その内の一方の組の２つの接続点が出力端子（図１においては、それぞれ「Ａ」、「Ｂ」と表記）として後述する信号処理回路８の入力段に接続される一方、他方の組の２つの接続点は、一方の接続点がセンサ駆動装置３の出力段に、他方の接続点がグランドに、それぞれ接続されたものとなっている。
すなわち、換言すれば、センサ駆動装置３とセンサ７は、電源電圧ＶＤＤとグランドとの間で直列接続されたものとなっている。

センサ７の出力端子ＡＢ点間に得られるセンサ出力信号のレベルは、通常、数ｍＶ〜数百ｍＶ程度で、後段の回路において用いるのに十分なレベルではない。信号処理回路８は、かかる不都合を解消すべく、センサ７の出力信号に対して後段の回路に必要な信号増幅を施し、さらに、必要に応じてオフセット処理等を施すよう構成されてなるもので、かかる信号処理回路８自体は、従来から用いられているものである。

次に、センサ駆動装置３について詳述する。
本発明の実施の形態におけるセンサ駆動装置３は、電圧源（図１においては「Ｖ−ＳＲ」と表記）４と、電流源（図１においては「Ｉ−ＳＲ」と表記）５と、電圧源／電流源切換装置（図１においては「Ｖ／Ｉ−ＳＷ」と表記）６とを主たる構成要素として構成されたものとなっている。
電圧源４は、センサ７が、その出力信号の非線形性が印加される電圧に依存するタイプ（以下、便宜的に「電圧依存型」と称する）のものである場合に、センサ７に所定の電圧を印加するに適するものであるが、それ自体は、公知・周知の構成を有してなるものである。
また、電流源５は、センサ７が、その出力信号の非線形性がセンサ７に流れる電流に依存するタイプ（以下、便宜的に「電流依存型」と称する）のものである場合に、センサ７に所定の電流を供給するに適するものであるが、それ自体は、公知・周知の構成を有してなるものである。

電圧源／電流源切換装置６は、電圧源４、又は、電流源５のいずれか一方を択一的に選択して、センサ７に接続するよう構成されてなるものである。この電圧源４、又は、電流源５の選択は、例えば、電圧源４の出力段と電流源５の出力段を択一的に切り換えてセンサ７へ接続する選択スイッチ（図示せず）を設けることによって可能となる。

次に、かかる構成における動作について説明する。
まず、前提として、センサ７が電圧依存型か電流依存型かは、装置製造の際に既に定まっており、電圧源／電流源切換装置６においては、これに対応するよう図示されない選択スイッチが設定されているとする。
したがって、センサ７が電圧依存型の場合には、電圧源４が、電圧源／電流源切換装置６を介して、また、センサ７が電流依存型の場合には、電流源５が、電圧源／電流源切換装置６を介して、それぞれ接続されて、センサ７は適切な駆動を受けることとなる。
そして、センサ７が標準状態にある場合には、圧力センサ素子７ａ〜７ｄによるブリッジは平衡状態となり、センサ７の出力端子ＡＢ間の電位差は０Ｖとなる。

かかる状態において、センサ７において圧力変化が生ずると、圧力センサ素子７ａ〜７ｄのインピーダンスが変化して平衡状態が崩れ、圧力変化に応じた電圧が出力端子ＡＢ間に現れることとなる。
そして、出力端子ＡＢ間の電圧は、信号処理回路８において、図示されない後段の回路に必要な信号レベルへの変換やオフセット電圧の重畳などの処理を受けて出力されることとなる。

ここで、従来装置においては、センサの駆動源は、電圧源か電流源のいずれか一方を備える構成であったため、例えば、電圧依存型のセンサが電流源により駆動されることもあり得た。その場合には、センサに印加される電圧が変化するため、出力信号が非線形となり、適切な出力信号が得られない状態となってしまうことがあった。
これに対して、本発明の実施の形態においては、上述のようにセンサ７が電圧依存型か電流依存型かに応じて適切な駆動源、すなわち、電圧源４か電流源５のいずれかが接続されるので、従来と異なり、不適切な駆動源の接続に起因する出力信号の線形性劣化ということが確実に回避され、結果的に従来装置に比して出力特性の向上が図られることとなる。

次に、第２の構成例について、図２を参照しつつ説明する。
なお、図１に示された第１の構成例と同一の構成例については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第２の構成例は、センサ７とグランドとの接続経路に、センサ動作点調整装置（図２におぃては「Ｄ−ＡＤＪ」と表記）９を設けた点が、図１に示された第１の構成例と異なるもので、他の構成部分は、基本的に図１に示された構成例と同一のものである。

このセンサ動作点調整装置９は、センサ７の出力端子ＡＢ間の電圧を後段の回路のダイナミックレンジに適合するよう調整するものである。
具体的には、センサ動作点調整装置９は、センサ７が平衡状態にあって、出力端子ＡＢ間の電圧が０Ｖとなった際に、この出力端子ＡＢ間の電圧を、信号処理回路８のダイナミックレンジの中心値となるように調整するよう構成されてなるものである。かかる装置は、例えば、本願出願人の出願（特願２００８−１８３９９５号等）にかかるものなどが提案されている。

なお、上述のようにセンサ７の出力端子ＡＢ間の電圧が、後段の回路のダイナミックレンジに適合するようにセンサ動作点調整装置９により調整される点を除けば、装置全体の動作は、図１に示された第１の構成例と基本的に同一であるので、ここでの再度の詳細な説明は省略することとする。

次に、第３の構成例について、図３を参照しつつ説明する。
なお、図１に示された第１の構成例と同一の構成例については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
最初に、第３の構成例は、特に、図１、図２に示された構成例におけるセンサ駆動装置３と異なる構成のセンサ駆動装置３Ａの構成例を示すもので、図３においては、図面を簡潔にして理解を容易とする等の観点から図１に示されたセンサ７や信号処理回路８については図示を省略し、センサ駆動装置３Ａのみを示したものとなっている。

以下、この第３の構成例におけるセンサ駆動装置３Ａの構成について、具体的に説明すれば、このセンサ駆動装置３Ａは、可変型基準電圧源１０と、電圧制御電流源（図３においては「Ｖ／Ｉ−ＳＲ」と表記）１３と、電圧源／電流源切換装置６とに大別されて構成されてなるものである。
かかる構成においては、センサ７（図１参照）が電圧依存型である場合は、可変型基準電圧源１０が電圧源として電圧源／電流源切換装置６を介してセンサ７（図１参照）に接続される一方、センサ７（図１参照）が電流依存型である場合には、電圧制御電流源１３が電流源として電圧源／電流源切換装置６を介してセンサ７（図１参照）に接続されるようになっている。

すなわち、まず、電圧制御電流源１３は、外部から印加される電圧に応じた大きさの電流を出力するよう構成され、電流源として機能するものとなっている。
一方、可変型基準電圧源１０は、電圧源としての出力機能を有すると共に、所定の範囲で出力電圧を可変できるよう構成されており、そのため、電圧制御電流源１３に対して所望の電圧を出力可能となっているものである。
そして、可変型基準電圧源１０の出力段と、電圧制御電流源１３の出力段は、それぞれ電圧源／電流源切換装置６の入力段に接続されたものとなっている一方、電圧制御電流源１３の入力段には、可変型基準電圧源１０の出力段が接続されている。

本発明の実施の形態における可変基準型電圧源１０は、基準電圧源（図３においては「ＲＥＦ−Ｖ」と表記）１１と可変電圧発生回路（図３においては「ＶＡＲ−Ｖ」と表記）１２とを具備して構成されたものとなっている。
基準電圧源１１は、可変電圧発生回路１２に対して予め設定された一定の電圧を出力するよう構成されてなるものである。
可変電圧発生回路１２は、基準電圧源１１の出力電圧を基に、所定の電圧範囲で所望する電圧を発生可能に構成されてなるものである。かかる可変電圧発生回路１２における出力電圧の可変は、例えば、可変抵抗器（図示せず）を設け、その抵抗値を変化させることで所望する出力電圧の設定を行うなど公知・周知の回路構成によって実現できるものである。
このように第３の構成例においても、先の第１及び第２の構成例同様、センサ７が電圧依存型、電流依存型のいずれであっても適切に駆動可能であり、従来と異なり、不適切な駆動源の接続に起因する出力信号の線形性劣化ということが確実に回避され、結果的に従来装置に比して出力特性の向上が図られることとなる。

次に、第４の構成例について、図４を参照しつつ説明する。
なお、図１又は図３に示された第１の構成例と同一の構成例については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
最初に、第４の構成例は、特に、図１、図２に示された構成例におけるセンサ駆動装置３と異なる構成のセンサ駆動装置３Ｂの構成例を示すもので、図４においては、図面を簡潔にして理解を容易とする等の観点から図１に示されたセンサ７や信号処理回路８については図示を省略し、センサ駆動装置３Ｂのみを示したものとなっている。

以下、この第４の構成例におけるセンサ駆動装置３Ｂの構成について、具体的に説明すれば、このセンサ駆動装置３Ｂは、可変型基準電流源１４と、電流制御電圧源（図４においては「Ｉ／Ｖ−ＳＲ」と表記）１７と、電圧源／電流源切換装置６とに大別されて構成されてなるものである。
かかる構成においては、センサ７（図１参照）が電流依存型である場合は、可変型基準電流源１４が電流源として電圧源／電流源切換装置６を介してセンサ７（図１参照）に接続される一方、センサ７（図１参照）が電圧依存型である場合には、電流制御電圧源１７が電圧源として電圧源／電流源切換装置６を介してセンサ７（図１参照）に接続されるようになっている。

すなわち、まず、電流制御電圧源１７は、外部から印加される電流に応じた大きさの電圧を出力するよう構成され、電圧源として機能するものとなっている。
一方、可変型基準電流源１４は、電流源としての出力機能を有すると共に、所定の範囲で出力電流を可変できるよう構成されており、そのため、電流制御電圧源１７に対して所望の電流を出力可能となっているものである。
そして、可変型基準電流源１４の出力段と、電流制御電圧源１７の出力段は、それぞれ電圧源／電流源切換装置６の入力段に接続されたものとなっている一方、電流制御電圧源１３の入力段には、可変型基準電流源１４の出力段が接続されている。

本発明の実施の形態における可変型基準電流源１４は、基準電流源（図４においては「ＲＥＦ−Ｉ」と表記）１５と可変電流増幅回路（図４においては「ＶＡＲ−Ｉ」と表記）１６とを具備して構成されたものとなっている。
基準電流源１４は、可変電流増幅回路１６に対して予め設定された一定の電流を出力するよう構成されてなるものである。
可変電流増幅回路１６は、基準電流源１５の出力電流を基に、所定の電流範囲で所望する電流を増幅出力可能に構成されてなるものである。かかる可変電流増幅回路１６における出力電流の可変は、例えば、可変抵抗器（図示せず）によって抵抗値を変化させることで所望する出力電流の設定を行うなど公知・周知の回路構成によって実現できるものである。
このように第４の構成例においても、先の第１及び第２の構成例同様、センサ７が電圧依存型、電流依存型のいずれであっても適切に駆動可能であり、従来と異なり、不適切な駆動源の接続に起因する出力信号の線形性劣化ということが確実に回避され、結果的に従来装置に比して出力特性の向上が図られることとなる。

なお、上述した本発明の実施の形態において、センサ７は、４つの圧力センサ素子７ａ〜７ｄがブリッジ接続されたものとしたが、勿論これに限定される必要はなく、他の種類、すなわち、圧力以外の物理量を検出するセンサであってもよく、また、ブリッジ接続に限定される必要もない。

本発明の実施の形態におけるセンサ用半導体装置の第１の構成例を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるセンサ用半導体装置の第２の構成例を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるセンサ用半導体装置の第３の構成例を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるセンサ用半導体装置の第４の構成例を示す構成図である。 従来装置の第１の構成例を示す構成図である。 従来装置の第２の構成例を示す構成図である。

符号の説明

３…センサ駆動装置
４…電圧源
５…電流源
６…電圧／電流源切換回路
７…センサ
８…信号処理回路

Claims (3)

1. センサの駆動に必要な駆動電源を有してなるセンサ駆動装置を具備してなるセンサ用半導体装置であって、
   前記センサ駆動装置は、電圧源と、電流源と、前記電圧源又は電流源のいずれか一方を択一的に選択し、当該選択された電圧源又は電流源を前記センサの駆動電源として前記センサに接続可能に構成されてなる電圧源／電流源切換装置と、を具備してなることを特徴とするセンサ用半導体装置。
2. センサの駆動に必要な駆動電源を有してなるセンサ駆動装置を具備してなるセンサ用半導体装置であって、
   前記センサ駆動装置は、可変型基準電圧源と、前記可変型基準電圧源の電圧に応じて出力電流が可変可能な電圧制御電流源と、前記可変型基準電圧源又は電圧制御電流源のいずれか一方を択一的に選択し、当該選択された可変型基準電圧源又は電圧制御電流源を前記センサの駆動電源として前記センサに接続可能に構成されてなる電圧源／電流源切換装置とを具備してなることを特徴とするセンサ用半導体装置。
3. センサの駆動に必要な駆動電源を有してなるセンサ駆動装置を具備してなるセンサ用半導体装置であって、
   前記センサ駆動装置は、可変型基準電流源と、前記可変型基準電流源の電流に応じて出力電圧が可変可能な電流制御電圧源と、前記可変型基準電流源又は電流制御電圧源のいずれか一方を択一的に選択し、当該選択された可変型基準電流源又は電流制御電圧源を前記センサの駆動電源として前記センサに接続可能に構成されてなる電圧源／電流源切換装置とを具備してなることを特徴とするセンサ用半導体装置。

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