JP2016065731A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力信号に含まれるノイズの低減されたセンサ装置。【解決手段】センサ信号を増幅する増幅部２０と、増幅部の出力信号に含まれるノイズを除去するフィルタ３０と、電圧レベルが一定の基準電圧を生成する基準電圧生成部５０と、フィルタから出力されたセンサ信号と基準電圧が入力される差動増幅回路６０と、を有し、差動増幅回路はフィルタと接続される第１入力端子と基準電圧生成部と接続される第２入力端子とを有し、センサ部と基準電圧生成部とは共通の電源２００に接続されており、電源ノイズが基準電圧生成部を介して第１入力端子に入力されるように、基準電圧生成部の出力端子がコンデンサを介して第１入力端子に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、センサ信号と基準電圧とが入力される差動増幅回路を有するセンサ装置に関するものである。

特許文献１に示されるように、増幅した信号電圧に正負が反転するオフセット電圧を重畳して出力するチョッパアンプと、チョッパアンプの出力電圧を所定周期でサンプルホールドする第１サンプルホールド回路と、を備える信号処理回路が知られている。この信号処理回路は上記構成要素の他に、チョッパアンプの出力電圧と第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算処理する演算回路を備えている。

上記したチョッパアンプにおいてオフセット電圧の正負が反転する周期と、第１サンプルホールド回路においてサンプルホールドする周期とが同一になっている。したがってチョッパアンプの出力電圧に含まれるオフセット電圧の正負と、第１サンプルホールド回路にサンプルホールドされた電圧に含まれるオフセット電圧の正負とが逆の関係になっている。したがって演算回路にてチョッパアンプの出力電圧と第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算処理することで、両者に含まれるオフセット電圧が打ち消される。

特許第５２９５９４１号公報

上記したように特許文献１に示される信号処理回路では、チョッパアンプのオフセット電圧が除去される。しかしながら上記した演算回路の出力端子と増幅に用いられる基準電圧を生成する基準電圧生成部の出力端子それぞれが差動増幅回路に接続される構成の場合、下記不具合が生じる虞がある。すなわちチョッパアンプに外部ノイズが入力された場合、その外部ノイズはチョッパアンプやサンプルホールド回路にて低減されるが、基準電圧生成部では外部ノイズが低減されない。したがって差動増幅回路にて基準電圧生成部からの外部ノイズとチョッパアンプからの低減された外部ノイズとが減算された結果、差動増幅回路（信号処理回路）から出力される信号に含まれる外部ノイズが増大する虞がある。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、出力信号に含まれるノイズの低減されたセンサ装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するための第１発明は、物理量を電気信号に変換するセンサ部（１０）と、センサ部の出力信号を増幅する増幅部（２０）と、増幅部の出力信号に含まれるノイズを除去するフィルタ（３０）と、電圧レベルが一定の基準電圧を生成する基準電圧生成部（５０）と、フィルタから出力されたセンサ部の出力信号と基準電圧が入力される差動増幅回路（６０）と、を有し、増幅部はＣＭＯＳによって構成され、差動増幅回路はフィルタと接続される第１入力端子と基準電圧生成部と接続される第２入力端子とを有し、センサ部と基準電圧生成部とは共通の電源（２００）に接続されており、電源とセンサ部、および、電源と基準電圧生成部それぞれを共通して接続する配線に印加された外部ノイズが基準電圧生成部を介して第１入力端子に入力されるように、基準電圧生成部の出力端子が第１入力端子に接続されていることを特徴とする。

例えば差動増幅回路（６０）の第１入力端子にフィルタ（３０）のみが接続され、第２入力端子に基準電圧生成部（５０）が接続された構成の場合、第１入力端子にフィルタ（３０）によってノイズ成分の低減された外部ノイズが入力される。そして第２入力端子に基準電圧生成部（５０）を介した外部ノイズが入力される。この場合、フィルタ（３０）によってノイズ成分が除去されているために２つの信号の差分によって外部ノイズが除去され難く、結局のところ差動増幅回路（６０）の出力信号には外部ノイズが含まれることになる。

これに対して第１発明では、差動増幅回路（６０）の第１入力端子にフィルタ（３０）によってノイズ成分の低減された外部ノイズだけではなく基準電圧生成部（５０）を介した外部ノイズが入力される。そして第２入力端子には基準電圧生成部（５０）を介した外部ノイズが入力される。これにより２つの信号の差分によって基準電圧生成部（５０）を介して入力された外部ノイズが除去され、差動増幅回路（６０）の出力信号としてノイズ成分の低減されたセンサ信号が出力されることになる。以上により上記した比較構成と比べて差動増幅回路（６０）の出力信号に含まれる外部ノイズのノイズ成分が低減される。

第２の発明は、フィルタは増幅部と第１入力端子との間に設けられた抵抗（３２）、および、抵抗と第１入力端子との間の中点に一端が接続され、他端が基準電圧生成部の出力端子に接続されたコンデンサ（３３）を有する。

これによれば基準電圧が第１入力端子に入力されずに、基準電圧生成部（５０）を介した外部ノイズが第１入力端子に入力される。また、フィルタ（３０）の構成要素であるコンデンサ（３３）を介して基準電圧生成部（５０）の出力端子が第１入力端子に接続されている。したがって第１入力端子に基準電圧生成部（５０）を介した外部ノイズを入力するべく、通常成される別途コンデンサが設けられる構成と比べて、センサ装置（１００）の体格の増大が抑制される。

なお、特許請求の範囲に記載の請求項、および、課題を解決するための手段それぞれに記載の要素に括弧付きで符号をつけている。この括弧付きの符号は実施形態に記載の各構成要素との対応関係を簡易的に示すためのものであり、実施形態に記載の要素そのものを必ずしも示しているわけではない。括弧付きの符号の記載は、いたずらに特許請求の範囲を狭めるものではない。

第１実施形態に係るセンサ装置の概略構成を示すブロック図である。 図１に示す増幅部の概略構成を示すブロック図である。 図１に記載のセンサ装置の作用効果を説明するための比較構成を示すブロック図である。 図１に示すセンサ装置の外部ノイズを示す波形図である。 図３に示す比較構成の外部ノイズを示す波形図である。

以下、本発明をエアコンの冷媒圧を検出するセンサ装置に適用した場合の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図５に基づいて本実施形態に係るセンサ装置を説明する。なお図１〜図３においてはブロック図の構成を簡略化している。例えばボルテージフォロア回路４０の入力端子を１つとして図示している。

図１に示すようにセンサ装置１００は、センサ部１０、増幅部２０、サンプルホールド回路３０、ボルテージフォロア回路４０、基準電圧生成部５０、および、差動増幅回路６０を有する。センサ部１０と基準電圧生成部５０それぞれは共通して電源２００に接続されている。この電源２００から供給される電源電圧によってセンサ部１０は物理量を検出可能になり、基準電圧生成部５０は基準電圧を生成可能になる。センサ部１０から出力されたセンサ信号は増幅部２０によって増幅され、サンプルホールド回路３０にてサンプルホールドされる。そしてサンプルホールドされたセンサ信号はボルテージフォロア回路４０を介して差動増幅回路６０の第１入力端子に接続される。また差動増幅回路６０の第２入力端子には基準電圧生成部５０によって生成された電圧レベルの一定な基準電圧が入力される。これにより差動増幅回路６０からはセンサ信号と基準電圧の差分に基づく電圧が出力される。

センサ部１０は物理量を電気信号に変換するものである。本実施形態においてセンサ部１０は物理量として圧力を検出する。より具体的に言えば、センサ部１０は例えばエアコンの冷媒圧を検出する。センサ部１０は定電流回路１１と圧電素子１２を有する。定電流回路１１は電源電圧によって定電流を生成する。この定電流回路１１にて生成された定電流が圧電素子１２に供給される。圧電素子１２は圧力を電気信号に変換するものであり、より具体的に言えばゲージ抵抗である。複数の圧電素子１２によってフルブリッジ回路が組まれ、このフルブリッジ回路を組む２つのハーフブリッジ回路の中点電位それぞれがセンサ信号として増幅部２０に出力される。

増幅部２０はセンサ信号を増幅するものであり、ＣＭＯＳによって構成されている。図２に示すように増幅部２０は第１および第２チョッパアンプ２１，２２と、第１および第２サンプルホールド回路２３，２４と、演算部２５と、を有する。第１チョッパアンプ２１には上記した複数の圧電素子１２によって組まれた一方のハーフブリッジ回路の中点電位が入力され、第２チョッパアンプ２２には他方のハーフブリッジ回路の中点電位が入力される。第１および第２チョッパアンプ２１，２２それぞれはクロック信号によってチョッパ制御されることでオフセット電圧の正負が反転するものである。したがって例えば時間ｔ１においてオフセット電圧が正の場合、第１および第２チョッパアンプ２１，２２からは増幅された中点電位にオフセット電圧が加算された信号が出力される。その後時間ｔ２においてオフセット電圧が正から負になった場合、第１および第２チョッパアンプ２１，２２からは増幅された中点電位にオフセット電圧が減算された信号が出力される。上記した第１および第２サンプルホールド回路２３，２４のサンプリングタイミングは上記したオフセット電圧の正負の反転と同期している。すなわち上記したように時間ｔ２において第１および第２チョッパアンプ２１，２２から増幅された中点電位にオフセット電圧が減算された信号が出力されている場合、第１および第２サンプルホールド回路２３，２４それぞれには、第１および第２チョッパアンプ２１，２２によって増幅された中点電位にオフセット電圧が加算された信号がホールドされている。このオフセット電圧の反転した信号それぞれが演算部２５に入力される。演算部２５では、第１チョッパアンプ２１から出力された信号と第１サンプルホールド回路２３にてホールドされた信号とが加算される。この結果、両信号に含まれていたオフセット電圧がキャンセルされる。同様にして、第２チョッパアンプ２２から出力された信号と第２サンプルホールド回路２４にてホールドされた信号とが演算部２５で加算され、オフセット電圧がキャンセルされる。演算部２５はこのオフセット電圧のキャンセルされた２つの信号を差分し、その信号を増幅して後段のサンプルホールド回路３０に出力する。これによれば、後述する外部ノイズが中点電位それぞれに含まれたとしても、演算部２５における差分処理によって外部ノイズがキャンセルされる。なお本実施形態の増幅部２０の増幅率は２５〜４９となっている。

サンプルホールド回路３０は増幅部２０から出力されたセンサ信号をサンプルホールドするとともに、上記したチョッパ制御によってセンサ信号に含まれるチョッパノイズを除去するものである。図１に示すようにサンプルホールド回路３０は、スイッチ３１、抵抗３２、および、コンデンサ３３を有する。スイッチ３１と抵抗３２は増幅部２０の出力端子からボルテージフォロア回路４０の入力端子へと向かって順に直列接続されている。そしてコンデンサ３３は抵抗３２とボルテージフォロア回路４０との間の中点に接続され、スイッチ３１の制御端子にクロック信号が入力されている。以上の構成によりクロック信号の入力によってスイッチ３１が駆動状態になると増幅部２０から出力されたセンサ信号がスイッチ３１と抵抗３２とを介してボルテージフォロア回路４０に入力されるとともにコンデンサ３３に充電される。抵抗３２とコンデンサ３３によってローパスフィルタが構成されており、センサ信号に含まれるチョッパノイズを除去するように遮断周波数が決定されている。本実施形態においてクロック信号のクロック周波数が１００ｋＨｚ、遮断周波数は１８ｋＨｚになっている。

ボルテージフォロア回路４０は増幅率が１であり、サンプルホールド回路３０から出力されたセンサ信号が差動増幅回路６０側において変化することを抑制するものである。ボルテージフォロア回路４０の非反転入力端子にサンプルホールド回路３０が接続され、反転入力端子と出力端子とが接続されている。そしてボルテージフォロア回路４０の出力端子が差動増幅回路６０の第１入力端子に接続されている。これにより、ボルテージフォロア回路４０を介したセンサ信号が差動増幅回路６０の第１入力端子に入力される。

基準電圧生成部５０は電圧レベルが一定の基準電圧を生成するものである。基準電圧生成部５０の入力端子に電源２００が接続され、その出力端子が差動増幅回路６０の第２入力端子に接続されている。これにより、基準電圧が差動増幅回路６０の第２入力端子に入力される。

なお図１に示すように基準電圧生成部５０の出力端子は差動増幅回路６０だけではなく、サンプルホールド回路３０のコンデンサ３３にも接続されている。すなわちコンデンサ３３の一端が抵抗３２とボルテージフォロア回路４０との間の中点に接続され、他端が基準電圧生成部５０の出力端子に接続されている。これによりコンデンサ３３の他端側の電位が基準電圧によって定められ、一定となっている。また上記接続構成により、基準電圧生成部５０に外部ノイズが入力された場合、その外部ノイズがコンデンサ３３を介してボルテージフォロア回路４０に入力される。なお図示しないが、コンデンサ３３の他端と基準電圧生成部５０の出力端子との間に、ダイオードなどの逆流防止用の素子を設けてもよい。

差動増幅回路６０はセンサ信号と基準電圧との差分に基づいた信号を後段のエアコンの制御回路に出力するものである。上記したように差動増幅回路６０はボルテージフォロア回路４０の出力端子と接続される第１入力端子と基準電圧生成部５０の出力端子と接続される第２入力端子とを有する。そして差動増幅回路６０の増幅率は５．６〜１１となっている。したがって例えば増幅部２０の増幅率が４９、差動増幅回路６０の増幅率が５．６の場合、センサ装置１００の増幅率はおよそ２７５（２７４．４）となる。したがってセンサ部１０から出力されたセンサ信号はおよそ２７５倍増幅され、この増幅されたセンサ信号がエアコンの制御回路に出力される。

次に、本実施形態に係るセンサ装置１００の作用効果を説明する。上記したようにセンサ部１０と基準電圧生成部５０とは共通の電源２００に接続されている。そしてセンサ部１０と差動増幅回路６０の第１入力端子とが、増幅部２０、サンプルホールド回路３０、および、ボルテージフォロア回路４０を介して接続されている。また基準電圧生成部５０と差動増幅回路６０の第２入力端子とが直接接続されている。したがって図１に波線と矢印で示すように電源２００から外部ノイズ（電源リップルノイズ）が出力された場合、外部ノイズがセンサ部１０から第１入力端子へと入力される前に、増幅部２０とサンプルホールド回路３０によってその成分（ノイズ成分）が除去される。しかしながら外部ノイズは基準電圧生成部５０から第２入力端子へと入力される前にその成分が除去されず、そのまま第２入力端子へと流れ込む。さらに言えば、上記したようにコンデンサ３３の一端が抵抗３２とボルテージフォロア回路４０との間の中点に接続され、他端が基準電圧生成部５０の出力端子に接続されている。これにより基準電圧生成部５０に入力された外部ノイズが第１入力端子にも流れ込む。

上記したように増幅部２０とサンプルホールド回路３０とを介して第１入力端子に流れ込む外部ノイズは、増幅部２０とサンプルホールド回路３０とによってその成分が除去される。しかしながら基準電圧生成部５０を介して第２入力端子および第１入力端子に流れ込む外部ノイズは、基準電圧生成部５０によってノイズ成分が除去されない。したがって例えば図３に示すように、コンデンサ３３に基準電圧生成部５０の出力端子が接続されていない構成３００では、第１入力端子に電圧レベルの低まった外部ノイズだけが入力され、第２入力端子に電圧レベルの低くなっていない外部ノイズが入力される。この場合、２つの信号の差分によって外部ノイズが除去され難い。したがって図５に示すように差動増幅回路６０の出力信号に増幅された外部ノイズが含まれることになる。

これに対して本実施形態に係るセンサ装置１００では、上記したように第１入力端子に増幅部２０とサンプルホールド回路３０によって電圧レベルの低まった外部ノイズだけではなく基準電圧生成部５０を介した外部ノイズが入力される。そして第２入力端子には基準電圧生成部５０を介した外部ノイズが入力される。これにより２つの信号の差分によって基準電圧生成部５０を介して入力された外部ノイズが除去され、図４に示すように差動増幅回路６０の出力信号には電圧レベルの低まった外部ノイズだけが含まれることになる。この結果、図４および図５に示すように、センサ装置１００は図３に示す比較構成３００と比べて差動増幅回路６０の出力信号に含まれる外部ノイズが低減される。

なお、図４および図５は本発明者が実際に計測した波形図である。そして図４および図５に示す電源の外部ノイズは電源２００とセンサ部１０、および、電源２００と基準電圧生成部５０それぞれを共通して接続する配線で検出したものであり、出力信号の外部ノイズは差動増幅回路６０の出力端子で検出したものである。図４および図５の電圧レンジと時間レンジは同一であり、波形図に示されている格子線の縦幅が電圧レンジ、横幅が時間レンジを表している。図５に示す電源の外部ノイズは図４に示す電源の外部ノイズに比べて若干電圧レベルが高くなっている。そして図５に示す出力信号の外部ノイズは波形が乱れ、その振幅が増幅している。しかしながら図４に示す出力信号の外部ノイズは電源の外部ノイズの電圧レベルとその変動に依らずに波形に乱れがなく、その振幅が低減されている。

上記したようにコンデンサ３３の一端が抵抗３２とボルテージフォロア回路４０との間の中点に接続され、他端が基準電圧生成部５０の出力端子に接続されている。これによれば基準電圧が第１入力端子に入力されずに、基準電圧生成部５０を介した外部ノイズが第１入力端子に入力される。また、サンプルホールド回路３０の構成要素であるコンデンサ３３を介して基準電圧生成部５０の出力端子が第１入力端子に接続されている。したがって第１入力端子に基準電圧生成部５０を介した外部ノイズを入力するべく、通常成される別途コンデンサが設けられる構成と比べて、センサ装置１００の体格の増大が抑制される。

さらに言えば、本実施形態ではセンサ装置１００がサンプルホールド回路３０を１つ有する例を示した。本発明者が実験によって確認したところ、基準電圧生成部５０の出力端子が接続されるサンプルホールド回路３０とは別のサンプルホールド回路をセンサ装置１００が有する構成では、差動増幅回路６０の出力信号に含まれる外部ノイズの低減量が少なかった。したがって本実施形態に記載のようにセンサ装置１００がサンプルホールド回路３０を１つ有する構成が好適である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態ではセンサ装置１００がエアコンの冷媒圧を検出するセンサ装置に適用された例を示した。しかしながらセンサ装置１００の適用としては上記例に限定されない。センサ部１０と基準電圧生成部５０とが共通して電源２００に接続され、センサ信号が差動増幅回路６０の第１入力端子に入力され、基準電圧が第２入力端子に入力される構成を有する民生機器であれば、適宜センサ装置１００に記載の技術を採用することができる。換言すれば、差動増幅回路６０の２つの入力端子に電源２００から外部ノイズが入力された際、外部ノイズが除去されず、差動増幅回路６０から増幅された外部ノイズが出力されるという課題を有する民生機器であれば、適宜センサ装置１００に記載の技術を採用することができる。

本実施形態ではセンサ部１０からセンサ信号として２つの中点電位が出力され、演算部２５はこれら２つの中点電位の差分を増幅して出力する構成となっている。しかしながらセンサ部１０から１つの中点電位（センサ信号）が出力される構成を採用することもできる。この場合、増幅部２０は第１チョッパアンプ２１、第１サンプルホールド回路２３、および、演算部２５を有する。そして演算部２５は第１チョッパアンプ２１から出力された信号と第１サンプルホールド回路２３にてホールドされた信号とを加算した信号を増幅して後段のサンプルホールド回路３０に出力する。

本実施形態ではセンサ装置１００がボルテージフォロア回路４０を有する例を示した。しかしながらセンサ装置１００はボルテージフォロア回路４０を有していなくともよい。

本実施形態ではセンサ部１０が物理量として圧力を検出する例を示した。しかしながらセンサ部１０が検出する物理量としては上記例に限定されない。例えば流体の速度や車両の加速度を検出してもよい。

本実施形態においてクロック信号のクロック周波数が１００ｋＨｚ、ローパルフィルタの遮断周波数が１８ｋＨｚである例を示した。また増幅部２０の増幅率が２５〜４９、差動増幅回路６０の増幅率が５．６〜１１である例を示した。しかしながらこれらの値は一例に過ぎず、適宜変更可能である。

１０…センサ部
２０…増幅部
３０…サンプルホールド回路
５０…基準電圧生成部
６０…差動増幅回路
１００…センサ装置
２００…電源

Claims (7)

1. 物理量を電気信号に変換するセンサ部（１０）と、
   前記センサ部の出力信号を増幅する増幅部（２０）と、
   前記増幅部の出力信号に含まれるノイズを除去するフィルタ（３０）と、
   電圧レベルが一定の基準電圧を生成する基準電圧生成部（５０）と、
   前記フィルタから出力された前記センサ部の出力信号と前記基準電圧が入力される差動増幅回路（６０）と、を有し、
   前記増幅部はＣＭＯＳによって構成され、
   前記差動増幅回路は前記フィルタと接続される第１入力端子と前記基準電圧生成部と接続される第２入力端子とを有し、
   前記センサ部と前記基準電圧生成部とは共通の電源（２００）に接続されており、
   前記電源と前記センサ部、および、前記電源と前記基準電圧生成部それぞれを共通して接続する配線に印加された外部ノイズが前記基準電圧生成部を介して前記第１入力端子に入力されるように、前記基準電圧生成部の出力端子が前記第１入力端子に接続されていることを特徴とするセンサ装置。
2. 前記フィルタは前記増幅部と前記第１入力端子との間に設けられた抵抗（３２）、および、前記抵抗と前記第１入力端子との間の中点に一端が接続され、他端が前記基準電圧生成部の出力端子に接続されたコンデンサ（３３）を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記フィルタは前記抵抗および前記コンデンサの他に、クロック信号の入力によって開閉制御されるスイッチ（３１）を有するサンプルホールド回路であり、
   前記スイッチは前記増幅部と前記抵抗との間に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のセンサ装置。
4. 前記増幅部はチョッパアンプを有することを特徴とする請求項３に記載のセンサ装置。
5. 前記フィルタは、前記チョッパアンプにて生じるチョッパノイズを除去するように、ノイズを除去する周波数帯域が決定されていることを特徴とする請求項４に記載のセンサ装置。
6. 前記センサ部は前記物理量として圧力を検出するものであり、圧力を電気信号に変換する圧電素子（１２）と、前記圧電素子に定電流を供給する定電流回路（１１）と、を有し、
   前記定電流回路は前記電源から供給される電源電圧によって前記定電流を生成することを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のセンサ装置。
7. 前記フィルタと前記第１入力端子との間に設けられたボルテージフォロア回路（４０）を有し、
   前記フィルタから出力された前記センサ部の出力信号は前記ボルテージフォロア回路を介して前記第１入力端子に入力されることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載のセンサ装置。

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