JP2017078646A - ブリッジ型センサ素子を使用するセンサおよびセンサ素子のボトム側電圧調整回路 - Google Patents

ブリッジ型センサ素子を使用するセンサおよびセンサ素子のボトム側電圧調整回路 Download PDF

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Abstract

【課題】温度などの外部条件により変動するブリッジ型センサ素子の出力差信号を増幅する差動増幅器の動作特性を改善する。【解決手段】ブリッジ型センサ素子11と類似の特性を有する付加ブリッジ形センサ素子151を含む可変基準電圧回路15の出力電圧と、ブリッジ型センサ素子11の出力信号を増幅する差動増幅器13のコモン電圧とを対比して、両者が一致するようにブリッジ型センサ素子11のボトム側電圧を自動的に調整して、差動増幅器13の特性を最適化する。【選択図】図3

Description

本発明は、HALL素子やピエゾ(圧電)素子のようなブリッジ状に構成されるブリッジ型センサ素子を使用するセンサおよびそのセンサ素子のボトム側電圧調整回路に関する。
ブリッジ型センサ素子は、HALL素子やピエゾ素子をブリッジ状に構成して、磁界、電流、圧力、歪などの被検出物理量の検出に広く利用される代表的なセンサ素子である。これらのブリッジ型センサ素子は、それに付属する電子回路とともに半導体(IC)技術により、小型かつ一体的に形成され、特定用途のセンサとして電子機器や電子応用機器などに活用されている。
従来のセンサは、典型的には、ブリッジ型センサ素子の一方の入力端子(ここでは、トップ側という)から、一般に接地(GND)された他方の入力端子(ここでは、ボトム側という)へ向けて定電流を流す定電流源と、ブリッジ型センサ素子の1対の出力端子からの検出出力の差信号を増幅する差動増幅器(DDA)とにより構成される。さらに、ブリッジ型センサ素子のボトム側電圧を調整して、ブリッジ型センサ素子の温度などによる差動増幅器の設計を容易にする出力コモン電圧調整回路を備え、特性を改善するセンサも提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。
次に、上述した従来のセンサの構成および動作を、図1を参照して簡単に説明する。従来のセンサは、図1に示すように、ブリッジ型センサ素子100、定電流回路101、出力コモン電圧調整回路102、基準電圧回路103および差動増幅回路104により構成されている。
図1に示すセンサにおいて、定電流回路101は、抵抗ブリッジ型センサ素子100のトップ側からボトム側へ予め決めた電流を流す。出力コモン電圧調整回路102は、ブリッジ型センサ素子100のボトム側に接続され、このブリッジ型センサ素子100のボトム側電圧を調整する。差動増幅回路104は、ブリッジ型センサ素子100の対向する1対の出力端子に接続され、これら両出力端子に検出される電圧差に対応する出力信号を出力する。基準電圧回路103は、出力コモン電圧調整回路102に接続されている。また、出力コモン電圧調整回路102は、ブリッジ型センサ素子100の1対の出力端子にも接続されている。
図1に示す従来のセンサにおいて、基準電圧回路103の基準電圧は、半導体製造プロセス終了後に、ヒューズトリミング工程などにより、最適な電圧に調整される。そこで、出力コモン電圧調整回路102は、ブリッジ型センサ素子100の両出力端子のうち何れか低い方の電圧が、基準電圧回路103で予め設定した基準電圧と等しくなるように、ブリッジ型センサ素子100のボトム側電圧を調整する。その結果、温度変化などによりブリッジ型センサ素子の抵抗値が変化しても差動増幅回路104の同相入力電圧を基準電圧回路103の基準電圧で決まる略一定電圧に維持して、差動増幅回路104の設計を容易にしている。
特開2014−145676号公報
上述の説明から理解されるように、従来のセンサの出力コモン電圧調整回路は、ブリッジ型センサ素子の1対の出力のうち低い方の電圧を、半導体の製造プロセス終了後に、ヒューズトリミング工程などにより最適な電圧に調整された基準電圧回路の電圧と等しくなるように構成するものである。そのために、余分な工程(プロセス)により出力電圧が設定される基準電圧回路を必須要件とする。そのため、製造されるセンサまたはブリッジ型センサ素子毎に最適な基準電圧を決定することが容易でなく、複雑な工程および作業時間を必要とし、特にセンサの量産に不向きであるという課題がある。
本発明のブリッジ型センサ素子を使用するセンサは、ブリッジ型センサ素子のトップ側から定電流を流し、1対の出力端子に得られる検出出力を差動増幅器に入力して検出信号を得るセンサであって、差動増幅器のコモン電圧をフィードバックして、このブリッジ型センサ素子と類似する特性を有する可変基準電圧と比較して、可変基準電圧が差動増幅器のコモン電圧と一致するようにブリッジ型センサ素子のボトム側電圧を調整することを特徴とする。
ここで、可変基準電圧は、ブリッジ型センサ素子と同様かつ1対の出力端子が短絡された付加ブリッジ型センサ素子を使用するのが好ましい。また、これらブリッジ型センサ素子および付加ブリッジ型センサ素子は、同じ条件で製造され、同じ大きさの定電流を流すのが好ましい。さらに、ブリッジ型センサ素子として同じ定電流を流す複数のブリッジ型センサ素子を使用し、その1つのブリッジ型センサ素子を可変基準電圧の生成に使用し、残りのブリッジ型センサ素子の出力を差動増幅器で加算して出力するのが好ましい。
また、本発明のセンサは、ブリッジ型センサ素子と、このブリッジ型センサ素子のトップ側から定電流を流す電流源と、ブリッジ型センサ素子の1対の出力端子に得られる検出出力を増幅する差動増幅器と、このブリッジ型センサ素子と類似する特性を有する可変基準電圧を得る可変基準電圧回路と、差動増幅器からフィードバックしたコモン電圧を可変基準電圧と比較して両者が一致するようにブリッジ型センサ素子のボトム側電圧を調整するコモン電圧調整回路とを備えている。
ここで、可変基準電圧は、ブリッジ型センサ素子と同じ定電流を流し、1対の出力端子を短絡した付加ブリッジ型センサ素子から得るのが好ましい。また、複数のブリッジ型センサ素子を形成し、その1つを付加ブリッジ型センサ素子とし、残りのセンサ素子の出力を差動増幅器で加算して検出出力とするのが好ましい。
また、本発明のブリッジ型センサ素子のボトム側電圧調整回路は、電流源と、この電流源の定電流がトップ側から供給されるブリッジ型センサ素子と、このブリッジ型センサ素子の出力端子電圧が一方の入力端子に入力されるオペアンプとを備え、このブリッジ型センサ素子と同様のブリッジ型センサ素子の1対の出力端子に得られる検出出力を増幅する差動増幅器を含むセンサの差動増幅器のコモン電圧を上述したオペアンプの他方の入力端子に入力し、オペアンプの出力でブリッジ型センサ素子のボトム側電圧を調整することを特徴とする。
ここで、ブリッジ型センサ素子のボトム側電圧調整回路の付加ブリッジ型センサ素子およびセンサのブリッジ型センサ素子には、同様の電流源から同じ大きさの定電流を流すのが好ましい。また、ボトム側電圧調整回路に使用される付加ブリッジ型センサ素子の1対の出力端子は、短絡接続するのが好ましい。
上述した特徴的な構成を備える本発明のセンサによると、センサを構成する差動増幅器のコモン電圧をフィードバックしてブリッジ型センサ素子の特性と同等またはそれと類似する可変基準電圧と対比してブリッジ型センサ素子のボトム側電圧を決定している。すなわち、このセンサによると、センサの製造工程中にトリミングなどにより適切な基準電圧を設定する必要がなく、差動増幅器の動作特性、特に直線性特性やオフセット誤差などを最適化するとともに量産に適したセンサを得ることが可能である。特に、本発明のセンサによると、一般にICとして一体形成される複数のブリッジ型センサ素子のうちの1つのブリッジ型センサ素子を可変基準電圧の生成に使用し、残りのブリッジ型センサ素子の検出出力を加算することにより、大きな検出信号を得るのみならず、ブリッジ型センサ素子のばらつきによる影響を軽減して一層均質化し、さらに温度などによるブリッジ型センサ素子の特性変化を確実かつ効果的に補正することが可能である。また、可変基準電圧回路の付加ブリッジ型センサ素子の両出力端を短絡することにより、1対の出力電圧の平均電圧を得ることができるので、ブリッジ型センサ素子は物理量に応じた電圧を出力中でもセンサ出力状態に依存することなく同相電圧を得ることが可能である。
また、本発明のブリッジ型センサ素子のボトム側電圧調整回路によると、ブリッジ型センサ素子を使用するセンサに適用して、それに使用されるブリッジ型センサ素子のボトム側電圧を自動的に最適値に調整するので、センサの差動増幅器を特別に複雑かつ高価な構成とすることなく、その直線性やオフセット誤差特性などを改善することが可能である。
従来のセンサの1例を示すブロック図である。 本発明によるセンサの基本構成を示すブロック図である。 図2に示すセンサの好適な実施例を示す回路図である。 複数のブリッジ型センサ素子を使用する本発明のセンサの実施例の構成を示す図である。 図4に示すセンサを構成する差動増幅器の1例を示す詳細ブロック図である。 図5に示す差動増幅器の出力段の詳細構成図である。
以下、添付図(図2〜図5)を参照して、本発明によるブリッジ型センサ素子を使用するセンサおよびそのブリッジ型センサ素子のボトム側電圧調整回路の構成および動作を詳述する。
先ず、図2を参照して本発明によるセンサの基本構成を説明する。このセンサ10は、HALL素子などのブリッジ型センサ素子11、電流源12、差動増幅器13、フィードバック回路14および可変基準電圧回路15により構成されている。このセンサ10は、ブリッジ型センサ素子およびそれに付属する全ての回路を半導体集積(IC)技術により、小型かつ一体的に形成するのが好ましい。
ここで、ブリッジ型センサ素子11は、例えばブリッジ状に接続された抵抗型のHALL素子である。電流源12は、ブリッジ型センサ素子11の入力端であるトップ側に接続され、ブリッジ型センサ素子11に予め設定された一定電流を流す。差動増幅器13は、ブリッジ型センサ素子11の1対の出力端子に接続される1対の入力端子を有し、1対の出力端子から検出出力される検出信号の差信号を出力する。フィードバック回路14は、差動増幅器13のコモン電圧出力と可変基準電圧回路15からの可変基準電圧を対比して、ブリッジ型センサ素子11のボトム側電圧を決定する。
可変基準電圧回路15は、ブリッジ型センサ素子11と同様または類似する特性(例えば、温度特性)を有する可変基準電圧をフィードバック回路14に入力する。この特徴的な構成により、フィードバック回路14は、差動増幅器13からフィードバック(帰還)されるコモン電圧を、可変基準電圧回路15からの可変基準電圧と対比して、差動増幅器13のコモン電圧が常に可変基準電圧と対応または一致するように、ブリッジ型センサ素子11のボトム側電圧を自動的に調整する。
次に、本発明によるセンサの好適実施形態を示す図3を参照して、本発明のセンサ10Aを更に詳細に説明する。なお、このセンサ10Aの好適実施形態は、本発明によるセンサの単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。
このセンサ10Aは、例えばブリッジ状に接続された磁気検出素子であるブリッジ型センサ素子11、このブリッジ型センサ素子11に一定の電流(IREF1)を流す電流源12、ブリッジ型センサ素子11の1対の検出端子(出力端子)に得られる検出出力信号が入力される差動増幅器13、フィードバック回路14および可変基準電圧回路15により構成されている。なお、フィードバック回路14および可変基準電圧回路15は、コモン電圧調整回路またはブリッジ型センサ素子11のボトム側電圧調整回路を構成している。
可変基準電圧回路15は、ブリッジ型センサ素子11と同様の付加ブリッジ型センサ素子151およびこの付加ブリッジ型センサ素子151のトップ側から一定電流(IREF2)を供給する電流源152により構成されている。一方、フィードバック回路14は、反転入力端子、非反転入力端子および出力端子を有する演算増幅器のオペアンプ141により構成されている。このオペアンプ141の反転入力端子は、付加ブリッジ型センサ素子151の短絡された両出力端子に接続されている。オペアンプ141の非反転入力端子には、差動増幅器13のコモン出力(COM)が入力されている。そして、オペアンプ141の出力端子を、ブリッジ型センサ素子11のボトム側と付加ブリッジ型センサ素子151のボトム側に接続している。上述したように、付加ブリッジ型センサ素子151の1対の出力を短絡することにより、付加ブリッジ型センサ素子151の1対の出力の平均電圧を得て、オペアンプ141の反転入力に入力することに注目されたい。
ここで、付加ブリッジ型センサ素子151および電流源152は、同じ半導体基板上に一体形成(すなわち、IC化)されているのが好ましい。また、付加ブリッジ型センサ素子151は、ブリッジ型センサ素子11と同一または類似構成の素子であるのが好ましい。さらに、電流源152は、電流源12と同じであって、それぞれ対応するブリッジ型センサ素子11および付加ブリッジ型センサ素子151に同じ大きさの電流を流すのが好ましい。
また、上述したように、一般的なセンサのセンサ素子のボトム側は、接地(GND)されている。しかし、本発明のセンサ10では可変基準電圧回路15からの可変基準電圧に設定されている。オペアンプ141は、接地(GND)レベルまでの電圧を出力可能に設計するのが好ましい。
図3のセンサ10Aでは、フィードバック回路14のオペアンプ141は、差動増幅器13のコモン電圧(COM)が、可変基準電圧回路15の付加ブリッジ型センサ素子151の出力電圧と常時等しくなるように、ブリッジ型センサ素子11および付加ブリッジ型センサ素子151のボトム側電圧を自動的に調整する。その結果、温度変化などによりブリッジ型センサ素子11の特性変化が生じても、ブリッジ型センサ素子11からの1対の出力信号は、それを増幅する差動増幅器13のコモン電圧に追従するので、差動増幅器13の直線性特性を最適化するとともに安価に形成することが可能である。
なお、可変基準電圧回路15に付加ブリッジ型センサ素子151を含む構成にすることより、これを形成する半導体基板上に一定の面積を占有することとなる。しかし、付加ブリッジ型センサ素子151の占有面積は、例えば1辺が100μm以下に形成可能であるので、実用上の不都合を生じることはない。なお、一般にHALL素子などの1個のブリッジ型センサ素子から得られる出力は微小であるので、複数のブリッジ型センサ素子を同時かつ並列に使用するのが好ましい。その具体例を、図4を参照して以下に説明する。
図4に示すセンサの具体例では、4個のブリッジ型センサ素子11A〜11Dを並列使用して、多入力型の差動増幅器13Aに入力し、これら複数のブリッジ型センサ素子11A〜11Dの出力を差動増幅器13A内で加算して出力している。複数のブリッジ型センサ素子を使用し、それらの検出出力を加算することにより、比較的検出出力の小さいHALL素子などの検出出力を1個のブリッジ型センサ素子の場合に比較して大きくすることが可能である。この場合にあっても、コモン電圧調整回路には、可変基準電圧を得るために1個の付加ブリッジ型センサ素子151および電流源152を使用する。すなわち、図4に示すセンサでは、同時に形成された合計5個のブリッジ型センサ素子のうち1個のブリッジ型センサ素子を可変基準電圧の生成に使用し、残り(4個)のブリッジ型センサ素子の出力を同時かつ並列に使用して差動増幅器13Aに入力する。
図4に示すセンサにあっても、温度やプロセスのばらつきなどによりコモン(同相)電圧が変動してもコモン電圧調整回路によりブリッジ型センサ素子のボトム側電圧を調整して、変動の影響を最小化している。そして、コモン電圧調整回路に使用される付加ブリッジ型センサ素子のセンサ全体に占める割合(面積)は図3のセンサ10Aの場合よりも一層少なくすることが可能である。
図4に示すセンサの差動増幅器13Aの増幅率Aは、入力力抵抗R1と帰還抵抗R2で決定され、A=1+R2/R1である。この増幅率Aは、アプリケーションに応じて最適値に選定可能である。
上述のように、図4に示すセンサによると、複数個のブリッジ型センサ素子11A〜11Dを使用することにより、1個のブリッジ型センサ素子を使用する場合に比較して、大きい検出出力が得られる(すなわち、検出感度の改善が可能である)。また、1個のブリッジ型センサ素子を使用する場合に生じ得るプロセスその他のばらつきの影響を低減して、量産されるセンサの検出出力の安定化が期待できる。
次に、図5は、図4に示すセンサを構成する多入力型の差動増幅器13Aの具体例を示すブロック図である。この差動増幅器13Aの具体例は、高入力インピーダンスのバッファである4個の入力段差動増幅器131A〜131D、2個の加算器132Aと132Bおよび1個の出力段差動増幅器133により構成されている。
各入力段差動増幅器131A〜131Dは、それぞれ図4のブリッジ型センサ素子11A〜11Dからの対応する検出出力が入力される反転入力端子と非反転入力端子を有する。また、各入力段差動増幅器131A〜131Dは、それぞれ加算器132Aおよび132Bに入力される非反転出力端子および反転入力端子を有する。そして、加算器132Aおよび132Bの加算出力は、それぞれ出力段差動増幅器133の反転入力端子および非反転入力端子に入力される。出力段差動増幅器133は、それぞれ非反転出力端子および反転出力端子に非反転および反転出力信号を出力する。
次に、図6を参照して、図5に示す差動増幅器13Aの出力段差動増幅器133の詳細構成を説明する。この出力段差動増幅器133は、差動増幅器134と3個のオペアンプ135、136および137とにより構成されている。差動増幅器134の非反転出力および反転出力が、それぞれオペアンプ135および136の反転入力端に入力される。オペアンプ135および136は、それぞれ出力端子133Aおよび133Bに差動出力信号(OUTMおよびOUTP)を出力する。また、これら出力端子133Aおよび133B間に直列接続された等しい抵抗Rの中点電圧をオペアンプ137の反転入力に入力する。オペアンプ137の非反転入力には、電圧源からCOM端子133Cを経て差動増幅器13Aを動作させる同相電圧(COM)が入力され、その出力をオペアンプ135および136の非反転入力に入力される。
図6に示す構成により、オペアンプ137は、差動増幅器13Aの出力段差動増幅器133の出力端子133Aおよび133B間に直列接続された抵抗Rの中点電圧が、COM端子133Cから供給されるCOM電圧と等しくなるように動作する。その結果、差動増幅器13Aを常に最適条件または特性で動作させることが可能である。
ここで、本発明のセンサおよびブリッジ型センサ素子のボトム側電圧調整回路の具体例について説明する。図3に示すセンサ10Aにおいて、電流源12および152に供給される電源電圧は3.0Vであり、その電流は500μAである。一般に、電流源の電流が大きいほどブリッジ型センサ素子11の検出出力は大きくなる。ブリッジ型センサ素子11および付加ブリッジ型センサ素子151の各抵抗は4KΩであり、そのトップ側およびボトム側間電圧は2.0Vである。差動増幅器13のコモン電圧を1.2Vとすると、ブリッジ型センサ素子のボトム側電圧は0.2Vであり、トップ電圧は2.2Vである。
上述した条件のもとで、何らかの原因で電流源12および152の電流が+10%変化した場合には、ブリッジ型センサ素子のトップ側およびボトム側間の電圧は、2.0Vから2.2Vへ増加する。しかし、センサの出力電圧を1.2Vになるように、ブリッジ型センサ素子11のボトム側電圧をボトム側電圧調整回路により調整するので、ブリッジ型センサ素子11のトップ電圧は2.3V、ボトム側電圧は0.1Vとなり、出力電圧を1.2Vに維持する。
以上、本発明によるブリッジ型センサ素子を使用するセンサおよびブリッジ型センサ素子のボトム側電圧調整回路の構成および動作を実施例および具体例を示して詳述した。しかし、これらの例は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることが当業者には容易に理解できよう。
10、10A センサ
11、11A〜11D、151 ブリッジ型センサ素子
12、12A〜12D、152 電流源
13、13A 差動増幅器
14 フィードバック回路
15 可変基準電圧回路
131A〜131D 入力段差動増幅器
132A、132B 加算器
133 出力段差動増幅器
133A、133B 出力端子
133C COM端子
134 差動増幅器
135〜137,141 オペアンプ

Claims (10)

  1. ブリッジ型センサ素子のトップ側から定電流を流し、1対の出力端子に得られる検出出力を差動増幅器に入力して検出信号を得るセンサにおいて、
    前記差動増幅器のコモン電圧をフィードバックして、前記ブリッジ型センサ素子に類似する特性を有する可変基準電圧と比較して、前記フィードバックされたコモン電圧を前記可変基準電圧と一致させて前記ブリッジ型センサ素子のボトム側電圧を調整することを特徴とするブリッジ型センサ素子を使用するセンサ。
  2. 前記可変基準電圧は、前記ブリッジ型センサ素子と同様かつ1対の出力端子が短絡された付加ブリッジ型センサ素子を使用して得ることを特徴とする請求項1に記載のブリッジ型センサ素子を使用するセンサ。
  3. 前記ブリッジ型センサ素子および前記付加ブリッジ型センサ素子には同じ大きさの定電流を流すことを特徴とする請求項1または2に記載のブリッジ型センサ素子を使用するセンサ。
  4. 前記ブリッジ型センサ素子として同じ定電流を流す複数のブリッジ型センサ素子を使用し、前記複数のブリッジ型センサ素子の出力を前記差動増幅器で加算して出力することを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載のブリッジ型センサ素子を使用するセンサ。
  5. ブリッジ型センサ素子と、該ブリッジ型センサ素子のトップ側から定電流を流す電流源と、前記ブリッジ型センサ素子の1対の出力端子に得られる検出出力を増幅する差動増幅器と、前記ブリッジ型センサ素子と類似する特性を有する可変基準電圧を得る可変基準電圧回路と、前記差動増幅器からフィードバックしたコモン電圧を前記可変基準電圧と比較して両者が一致するように前記ブリッジ型センサ素子のボトム側電圧を調整するコモン電圧調整回路と、を備えることを特徴とするブリッジ型センサ素子を使用するセンサ。
  6. 前記可変基準電圧は、前記ブリッジ型センサ素子と同じ定電流を流し、1対の出力端子を短絡した付加ブリッジ型センサ素子から得ることを特徴とする請求項5に記載のブリッジ型センサ素子を使用するセンサ。
  7. 前記ブリッジ型センサ素子として複数のブリッジ型センサ素子を使用し、該複数のブリッジ型センサ素子の1つを前記付加ブリッジ型センサ素子とし、残りのブリッジ型センサ素子の出力を前記差動増幅器に入力して加算して検出出力とすることを特徴とする請求項6に記載のブリッジ型センサ素子を使用するセンサ。
  8. 電流源と、該電流源の定電流がトップ側から供給されるブリッジ型センサ素子と、該ブリッジ型センサ素子の出力端子電圧が一方の入力端子に入力されるオペアンプとを備え、前記ブリッジ型センサ素子と同様のブリッジ型センサ素子の1対の出力端子に得られる検出出力を増幅する差動増幅器を含むセンサの前記差動増幅器のコモン電圧を前記オペアンプの他方の入力端子に入力し、前記オペアンプの出力で前記ブリッジ型センサ素子のボトム側電圧を調整することを特徴とするブリッジ型センサ素子のボトム側電圧調整回路。
  9. 前記ブリッジ型センサ素子のボトム側電圧調整回路の前記ブリッジ型センサ素子および前記センサのブリッジ型センサ素子には、同様の電流源から同じ大きさの電流が供給されることを特徴とする請求項8に記載のブリッジ型センサ素子のボトム側電圧調整回路。
  10. 前記ブリッジ型センサ素子のボトム側電圧調整回路に使用されるブリッジ型センサ素子の1対の出力端子は、短絡接続されることを特徴とする請求項8または9に記載のブリッジ型センサ素子のボトム側電圧調整回路。

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