JP2010261796A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物理量を検出するセンサの出力に含まれる温度特性の２次の成分を精度良く補正することができるセンサ装置を提供する。
【解決手段】物理量センサ部の温度特性を補正するオフセット温度特性調整部２０として、物理量センサ部が受ける温度に対して１次の温度特性成分を含んだ出力を生成する温度センサ部２１と、当該物理量センサ部３０が受ける温度に応じた温度特性に従って、温度センサ部２１で生成された１次の温度特性成分の出力の傾きが０から大きくなるほど、２次の温度特性成分の曲がりが０から大きくなる当該２次の温度特性成分を生じさせる温度検出部２６と、を備えた構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、物理量センサの出力の温度特性、特に２次の温度特性成分を高精度に補正するセンサ装置に関する。

従来より、圧力センサの温度特性を補正する温度補償回路が、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、特許文献１では、ブリッジ回路を構成する抵抗を備えると共に、オフセットおよび感度が１次で負および２次で正の両温度変動成分が含まれる出力温度特性を有する圧力センサと、１次で正および２次で負の両温度変動成分が含まれる温度特性を有する電圧を生成し、この電圧を電源電圧として圧力センサの電源端子に印加するスパン温度補正回路と、１次で正および２次で負の両温度変動成分が含まれる温度特性を有する電圧を生成するオフセット温度補正回路と、を備えた温度補償回路が提案されている。

このような温度補償回路においては、オフセット温度補正回路およびスパン温度補正回路にて１次で正および２次で負の両温度変動成分が含まれる温度特性を有する電圧がそれぞれ生成され、生成された電圧が圧力センサの電源端子にそれぞれ印加される。これにより、１次および２次の両温度変動成分が含まれる温度特性が除去または低減された検出電圧が圧力センサから出力される。

このように、圧力センサの温度特性に含まれる１次および２次の両温度変動成分を相殺する電圧をスパン温度補正回路およびオフセット温度補正回路にてあらかじめ生成すると共に、生成した電圧を圧力センサの検出電圧に合わせ込むことで圧力センサの出力電圧の温度特性、特に２次の温度変動成分の補正を実現している。

特開２００１−９１３８７号公報

しかしながら、上記従来の技術では、圧力センサの出力電圧の温度特性において２次の温度変動成分が正または負のいずれか一方に一義的に決まる場合、その正または負の２次の温度変動成分に従ってオフセット温度補正回路およびスパン温度補正回路にて温度特性を補償する電圧をあらかじめ生成している。このため、例えば物理量を検出するセンサとして、例えばジャイロセンサのようにセンサチップの微小な形状ばらつきによってオフセットの曲がり（２次の温度変動成分）が個々のセンサで微妙に変わる場合、個々のセンサにおいて共通の曲がりを持ったオフセット電圧を各センサで生成したとしても、個々のセンサそれぞれで温度特性の２次の温度変動成分を精度良く補正できないという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、物理量を検出するセンサの出力に含まれる温度特性の２次の成分を精度良く補正することができるセンサ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、物理量センサ部（３０）の温度特性を補正するオフセット温度特性調整部（２０）として、物理量センサ部が受ける温度に対して１次の温度特性成分を含んだ出力を生成する温度センサ部（２１）と、物理量センサ部が受ける温度に応じた温度特性に従って、温度センサ部で生成された１次の温度特性成分の出力の傾きが０から大きくなるほど、２次の温度特性成分の曲がりが０から大きくなる当該２次の温度特性成分を生じさせる温度検出部（２６）と、を備えた構成とすることを特徴としている。

このように、温度センサ部で生成される１次の温度特性成分の傾きに基づいて、温度検出部で２次の曲がりをもった温度特性成分を生成することができる。この２次の温度特性成分の曲がりの大きさは、温度センサ部の出力の温度に対する傾きに応じて決まるものであるので、センサ装置ごとに異なる曲がりを生成させることができ、ひいては個々のセンサ装置における２次の温度特性成分の補正の精度をそれぞれ向上させることができる。

また、請求項２に記載の発明のように、オフセット温度特性調整部として、温度センサ部の出力に応じた電流を流すトランジスタ（２２）と、トランジスタに流れる電流を温度検出部に流すカレントミラー回路（２５）と、温度検出部の出力を反転させる反転回路部（２７〜２９）と、を備えた構成とすることができる。

例えば反転回路部としては、アンプ（２７）や抵抗（２８、２９）等を備えた増幅回路として構成することもできる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係るセンサ装置の全体構成図である。 オフセット温度特性調整部の具体的な回路図である。 オフセット温度特性調整部、物理量センサ部の各出力と温度との相関関係を示した図である。 第２実施形態に係るオフセット温度特性調整部の温度センサ部の回路構成図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態で示されるセンサ装置は、測定の対象となる物理量を検出するものである。測定対象として、例えば、圧力、角速度、加速度等の物理量が検出され、検出された物理量は例えば制御装置の制御等に用いられる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るセンサ装置の全体構成図である。この図に示されるように、センサ装置Ｓ１は、オフセット調整部１０と、オフセット温度特性調整部２０と、物理量センサ部３０と、アンプ４０と、を備えて構成されている。

オフセット調整部１０は、センサ装置Ｓ１のセンサ出力の値が所望の値となるように補正するための一定電圧（オフセット）を生成するものである。すなわち、オフセット調整部１０は、物理量を検出していないときのセンサ装置Ｓ１のセンサ出力の狙い値を設定するものである。このようなオフセット調整部１０は、例えば抵抗を備えたものとして構成され、この抵抗の抵抗値が調整されることで所望のオフセット電圧が得られるようになっている。

オフセット温度特性調整部２０は、後述する物理量センサ部３０の出力に含まれる温度特性の１次および２次の両温度特性成分を補正する電圧を生成するものである。図２は、オフセット温度特性調整部２０の具体的な回路図を示したものである。

図２に示されるように、オフセット温度特性調整部２０は、温度センサ部２１を備えている。この温度センサ部２１は、当該温度センサ部２１が受ける温度に応じて線形性（１次の温度特性成分）をもった電圧を出力するものである。本実施形態では、温度センサ部２１は、正の１次の温度特性をもつ。このような温度センサ部２１は、例えばブリッジ回路を備えたものとして構成される。

温度センサ部２１から出力された電圧は、Ｎｃｈ型トランジスタ２２のゲートに入力されるようになっている。このトランジスタ２２のソースはグランドに接続され、ドレインはＰｃｈ型トランジスタ２３のソースに接続されている。このトランジスタ２３のドレインは所定電圧に接続され、ゲートはＰｃｈ型トランジスタ２４のゲートに接続されている。

これにより、トランジスタ２３、２４によってカレントミラー回路２５が構成され、トランジスタ２２、２３に流れる電流と同じ値の電流がトランジスタ２４のドレイン−ソース間に流れるようになっている。そして、トランジスタ２４のドレインは所定電位に接続され、ソースは温度検出部２６に接続されている。この温度検出部２６は、当該温度検出部２６が受ける温度に応じた電圧を生じさせるものであり、例えばダイオードで構成されている。

ダイオードの順方向電圧の温度特性は約−２ｍＶ／℃の勾配であり一定であるため、ダイオードに流れる電流が一定の場合、トランジスタ２４と温度検出部２６との接続点Ａの電位は温度検出部２６が受ける温度に対して線形性を持った特性となる。しかしながら、本実施形態では、上述のように、温度センサ部２１から温度に依存した電圧が出力されるため、トランジスタ２２に流れる電流も温度に依存した値となり、温度検出部２６に流れる電流も温度に依存した値となる。すなわち、接続点Ａの電位は温度に対して１次の温度特性の成分を有することとなる。

しかしながら、温度センサ部２１の出力に２次の温度特性成分が含まれていた場合、ダイオードの順方向電圧（すなわち接続点Ａの電位）は温度センサ部２１の温度変化に応じた電圧となるため、接続点Ａの電位は２次の曲がりが含まれた温度特性となる。つまり、本実施形態では、温度検出部２６は２次の温度特性成分を生じさせる機能を有するものと言える。

以上のように、温度検出部２６は、温度センサ部２１で生成された１次の温度特性成分の出力の温度に対する傾きが０の場合には２次の温度特性成分の曲がりを生成しないが、１次の温度特性成分の出力の傾きが０から大きくなるほど、２次の温度特性成分の曲がりが０から大きくなる２次の温度特性成分を生じさせる。

また、接続点Ａはアンプ２７の非反転入力端子に接続されており、抵抗２８、２９と共に負帰還増幅回路を構成している。これにより、接続点Ａの電位は抵抗２８、２９の各値に応じて反転増幅されてアンプ２７から出力される。この出力がオフセット温度特性調整部２０の出力となる。なお、アンプ２７、抵抗２８、２９は本発明の反転回路部に相当する。

図１に示される物理量センサ部３０は、物理量を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生するものである。このような物理量センサ部３０として、圧力センサ、ジャイロセンサ等が採用される。例えば圧力センサの場合、物理量センサ部３０はピエゾ抵抗効果を利用したもので、その上面に圧力を受けて歪むダイアフラムおよび拡散抵抗などにより形成されたブリッジ回路を備えた構成となっている。また、この物理量センサ部３０では、温度特性が含まれた生の出力が出力される。

アンプ４０は、オフセット調整部１０、オフセット温度特性調整部２０、物理量センサ部３０それぞれから各抵抗４１ａ〜４１ｃをそれぞれ介して出力される各電圧値が足し合わされた電圧を反転入力端子に入力すると共に、抵抗４２の抵抗値に応じて増幅するものである。すなわち、物理量センサ部３０の出力がオフセット温度特性調整部２０の出力によって温度補正され、オフセット調整部１０の出力によってオフセット補正された電圧値がアンプ４０によって増幅される。このアンプ４０から出力される電圧がセンサ装置Ｓ１の出力となる。

以上が、本実施形態に係るセンサ装置Ｓ１の全体構成である。このようなセンサ装置Ｓ１は、例えば周知の半導体プロセスにより１つのチップとして製造される。

次に、上記センサ装置Ｓ１の作動について、図を参照して説明する。まず、センサ装置Ｓ１が測定状態に置かれ、物理量に応じたレベルの電圧が物理量センサ部３０から出力される。この物理量センサ部３０から出力される電圧には、１次および２次の温度特性成分が含まれている。

図３は、オフセット温度特性調整部２０、物理量センサ部３０の各出力と温度との相関関係を示した図である。この図に示されるように、物理量センサ部３０の温度に対する出力は、１次および２次の温度特性成分を含んだ曲線となる。

また、オフセット温度特性調整部２０では、温度センサ部２１が受ける温度に応じて１次の温度特性をもった電圧がトランジスタ２２に出力される。これにより、温度センサ部２１が受ける温度が大きくなるほど、トランジスタ２２に流れる電流は大きくなる。これに伴い、カレントミラー回路２５を介して温度検出部２６に流れる電流の値も大きくなる。

なお、温度センサ部２１の１次の温度特性の傾きは、温度センサ部２１に印加するバイアス電圧に依存するため、このバイアス電圧を調整することでその傾きを調整することができる。

さらに、上述のように、温度検出部２６のダイオードは、温度に対して１次の負の温度特性（−２ｍＶ／℃）であるので、接続点Ａの電位がこの特性に応じて小さくなり、オフセット温度特性調整部２０の接続点Ａの電位は２次の温度特性成分が含まれた電圧となる。

すなわち、温度センサ部２１の傾きを０から大きくしていくことで、オフセット温度特性調整部２０の接続点Ａの電圧の温度に対する２次の曲がりを大きくしていくことができる。このように、温度センサ部２１の温度特性の１次成分の傾きを調整することで、センサ装置Ｓ１が有する温度特性の２次成分の曲がりをオフセット温度特性調整部２０の出力に付加させることができる。

そして、接続点Ａの電位がアンプ２７によって反転増幅され、図３に示される温度特性をもった電圧としてオフセット温度特性調整部２０から出力される。オフセット温度特性調整部２０から出力される電圧は、物理量センサ部３０から出力される電圧に対して温度特性が反転したものになっている。また、オフセット調整部１０からオフセット分の電圧が出力される。

以上のようにして、オフセット調整部１０、オフセット温度特性調整部２０、そして物理量センサ部３０からそれぞれ電圧が出力されると、それらが足し合わされてアンプ４０に入力される。具体的には、物理量センサ部３０から出力された温度特性が含まれた電圧と、オフセット温度特性調整部２０から出力された物理量センサ部３０の温度特性を反転させた電圧と、が足し合わされることで、温度に依存しない出力電圧が得られる。さらに、その温度に依存しない出力電圧にオフセット分の電圧が足し合わされることで、基準の物理量に対する出力電圧の狙い値（本実施形態の場合、例えばＶＣＣ／２（ＶＣＣは例えばセンサ装置Ｓ１の動作電圧））が得られる。

以上説明したように、本実施形態では、物理量センサ部３０の温度特性を補正するオフセット温度特性調整部２０において、温度センサ部２１で生成される１次の温度特性成分の傾きに基づいて、温度検出部２６で２次の曲がりをもった温度特性成分を生成することを特徴としている。このように、温度センサ部２１にて温度に対して１次の温度特性成分の出力を生成することにより、温度検出部２６によって１次の温度特性成分の傾きに応じた２次の温度特性成分の曲がりを生成することができる。

このようにして温度検出部２６で生成される２次の温度特性成分の曲がりの大きさは、温度センサ部２１の出力の温度に対する傾きに応じて決まるため、センサ装置Ｓ１それぞれ応じた２次の曲がりを実現させることができ、ひいては個々のセンサ装置Ｓ１における２次の温度特性成分の補正の精度をそれぞれ向上させることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図４は、本実施形態に係るオフセット温度特性調整部２０の温度センサ部２１の回路構成図である。

図４に示されるように、温度センサ部２１は、１次成分形成部２１０と、傾き調整部２１１と、を備えて構成されている。１次成分形成部２１０は、図２に示されるオフセット温度特性調整部２０のうち温度センサ部２１をバイアス部２１０ａに置き換えたものとして構成されている。このバイアス部２１０ａは、温度に依存しない一定電圧を生成して出力するものであり、例えば抵抗等により構成される。なお、本実施形態に係る１次成分形成部２１０のバイアス部２１０ａ以外の構成は図２に示されるものと同様である。

このような１次成分形成部２１０では、バイアス部２１０ａにて温度に依存しない一定電圧が生成されると共に、この一定電圧がトランジスタ２２ａのゲートに入力されることでトランジスタ２２ａに流れる基準のバイアス電流が生成される。このトランジスタ２２ａに流れる電流は、カレントミラー回路２５ａを介して温度検出部２６ａに流れる。

すなわち、温度検出部２６ａのダイオードには、温度に依存しない一定電流が流れることとなる。上述のように、ダイオードの順方向電圧の温度特性は約−２ｍＶ／℃の勾配であり一定であるため、ダイオードに流れる電流が一定の場合、接続点Ｂの電位は温度に対して線形性を持った特性となる。そして、接続点Ｂの電位は、アンプ２７ａおよび抵抗２８ａ、２９ａで構成される負帰還増幅回路によって反転増幅され、傾き調整部２１１に出力される。

傾き調整部２１１は、１次成分形成部２１０から入力される温度に対して一定の傾きをもった電圧（接続点Ｂの電位）の傾きを調整するものである。このような傾き調整部２１１は、傾き調整用の感度調整用抵抗２１１ａ、２１１ｂと、オフセット電圧を発生させるバイアス調整部２１１ｃと、アンプ２１１ｄと、を備えて構成されている。

このような傾き調整部２１１は、バイアス調整部２１１ｃで生成されたオフセット電圧および感度調整用抵抗２８、２９によって接続点Ｂの電位の温度に対する傾きを調整し、アンプ２１１ｄによって増幅して出力する。こうして、温度に対して１次の温度特性成分をもった電圧を温度センサ部２１の出力とすることができる。

以上説明したように、温度に対して１次の温度特性成分をもった電圧を生成する回路として温度センサ部２１を構成することもできる。

（他の実施形態）
上記各実施形態において、オフセット温度特性調整部２０の回路構成は一例を示すものであって、図２や図４に限定されるものではない。例えば、温度センサ部２１を例えばブリッジ回路として構成しても構わない。また、オフセット温度特性調整部２０に用いられるトランジスタ２２としてＮｃｈ型のものを採用することもできる。この場合、Ｐｃｈ型トランジスタに応じた回路構成を形成すれば良い。さらに、温度検出部２６は、ダイオードを用いた構成ではなく、抵抗を用いたブリッジ回路で構成することもできる。

上記各実施形態において、温度センサ部２１の温度特性の１次成分の傾きを無くせば、すなわち温度センサ部２１から一定電圧を出力するようにすれば、２次の温度特性成分が含まれないセンサ出力の補正も可能である。つまり、物理量センサの温度特性をあらかじめ調べておくことで、１次の温度特性成分のみを補正するようにすることができ、また、１次および２次の両温度特性成分を補正するようにすることもできる。

１０ オフセット調整部
２０ オフセット温度特性調整部
２１ 温度センサ部
２２ トランジスタ
２５ カレントミラー回路
２６ 温度検出部
２７ アンプ
２８、２９ 抵抗
３０ 物理量センサ部

Claims (2)

1. 物理量を検出してその検出値に応じたレベルの出力を発生する物理量センサ部（３０）と、前記物理量センサ部の出力の温度特性を補正するオフセット温度特性調整部（２０）と、を備え、前記物理量センサ部の出力に前記オフセット温度特性調整部の出力を足し合わせることで前記物理量センサ部の出力の温度特性を補正するセンサ装置であって、
   前記オフセット温度特性調整部は、
   前記物理量センサ部が受ける温度に対して１次の温度特性成分を含んだ出力を生成する温度センサ部（２１）と、
   前記物理量センサ部が受ける温度に応じた温度特性を有すると共に、当該温度特性に従って、前記温度センサ部で生成された前記１次の温度特性成分の出力の傾きが０から大きくなるほど、２次の温度特性成分の曲がりが０から大きくなる当該２次の温度特性成分を生じさせ、前記１次の温度特性成分に前記第２の温度特性成分を含んだ出力を出力する温度検出部（２６）と、を備え、前記温度検出部の出力を反転させて出力するようになっていることを特徴とするセンサ装置。
2. 前記オフセット温度特性調整部は、前記温度センサ部の出力に応じた電流を流すトランジスタ（２２）と、前記トランジスタに流れる電流を前記温度検出部に流すカレントミラー回路（２５）と、前記温度検出部の出力を反転させる反転回路部（２７〜２９）と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。

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