JP2018021868A

JP2018021868A - センサ装置

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Publication number: JP2018021868A
Application number: JP2016154534A
Authority: JP
Inventors: 昇吾彦坂; Shogo Hikosaka
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2036-08-05
Also published as: WO2018025470A1; JP6489081B2; US20190128747A1; CN109564139B; US11402275B2; CN109564139A

Abstract

【課題】センサ感度を低下させることなく温度情報を取得できるセンサ装置を提供する。【解決手段】温度検出回路４を、抵抗ブリッジ回路からなるセンサ２の正側，負側差動出力端子の一方に電流を供給する第１経路を形成すると共に、他方より電流を流出させる第２経路を形成し、且つ第１経路と第２経路とを２つの出力端子に対し入れ替えて形成可能に構成する。制御部５は、温度検出回路４により差動出力端子の一方に第１経路を形成すると共に他方に第２経路を形成した場合と、一方に第２経路を形成すると共に他方に第１経路を形成した場合とについて、電圧測定部に２つの出力端子の電圧をそれぞれ測定させる。演算部６は、２つの出力端子の電圧の差分を演算することでセンサの温度情報を取得する。【選択図】図１

Description

本発明は、抵抗ブリッジ回路で構成されるセンサを有するセンサ装置に関する。

圧力センサは一般に、拡散抵抗を用いた抵抗ブリッジ回路で構成されるため、温度特性がある。したがって、圧力センサにより圧力を検出する際には、温度特性に応じた補正を行う必要がある。例えば特許文献１では、抵抗ブリッジ回路の対角出力端子間に定電流源を接続することで、圧力センサの温度情報を取得している。

特許第２８９８５００号公報

しかしながら、特許文献１の図１に示す構成は、実際には図１８に示すように、定電流源が、電源と抵抗ブリッジ回路との間に直列に接続されていると考えられる。実際の回路は電源とグランドとの間で動作させなければならず、電流の向きを考慮すると必然的に図１８に示す構成となるはずである。すると、定電流源における電圧降下分だけ抵抗ブリッジ回路に印加される電圧が低下するため、センサ感度が低下してＳ／Ｎ比が悪化するという問題が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサ感度を低下させることなく温度情報を取得できるセンサ装置を提供することにある。

請求項１記載のセンサ装置によれば、温度検出回路を、抵抗ブリッジ回路からなるセンサの正側，負側差動出力端子の一方に電流を供給する第１経路を形成すると共に、他方より電流を流出させる第２経路を形成し、且つ第１経路と第２経路とを２つの出力端子に対し入れ替えて形成可能となるように構成する。制御部は、温度検出回路により差動出力端子の一方に第１経路を形成すると共に他方に第２経路を形成した場合と、一方に第２経路を形成すると共に他方に第１経路を形成した場合とについて、電圧測定部に２つの出力端子の電圧をそれぞれ測定させる。そして、演算部は、２つの出力端子の電圧の差分を演算することでセンサの温度情報を取得する。このように構成すれば、特許文献１のようにセンサ感度を低下させることなく、Ｓ／Ｎ比を維持した状態でセンサの温度情報を取得できる。

請求項２記載のセンサ装置によれば、温度検出回路は、正側，負側差動出力端子と電源との間にそれぞれ接続される、抵抗素子及びスイッチ回路からなる第１，第２直列回路と、正側，負側差動出力端子とグランドとの間にそれぞれ接続される、抵抗素子及びスイッチ回路からなる第３，第４直列回路とを備える。このように構成すれば、第１及び第４直列回路を構成するスイッチ回路のみを同時にオンすることで、差動出力端子の一方側に第１経路を形成すると共に他方側に第２経路を形成できる。そして、第２及び第３直列回路を構成するスイッチ回路のみを同時にオンすることで、上記の一方側，他方側を入れ替えて第１経路及び第２経路を形成できる。

第１実施形態であり、センサ装置の構成を示す図温度検出回路のスイッチ回路ＳＰ１及びＳＰ２をＯＮにした状態を示す図温度検出回路のスイッチ回路ＳＭ１及びＳＭ２をＯＮにした状態を示す図センサ装置の制御シーケンスを示す図抵抗比（ΔＲ／Ｒｓ）に応じた近似式との誤差を示す図抵抗比（ΔＲ／Ｒｓ）の対数を横軸に、前記誤差を縦軸に示す図第２実施形態であり、センサ装置の構成を示す図第３実施形態であり、センサ装置の構成を示す図第４実施形態であり、センサ装置の制御シーケンスを示す図Ｒｓ＝１０ｋΩとし、温度検出回路の抵抗素子Ｒｄの抵抗値を変化させて（６）式，（７）式を計算した結果を示す図第５実施形態であり、センサ装置の構成を示す図サンプルホールド回路を示す図センサ装置の制御シーケンスを示す図第６実施形態であり、センサ装置において差動出力端子Ｖinp側が断線した場合に、温度検出回路のスイッチ回路ＳＰ１及びＳＰ２をＯＮにした状態を示す図同スイッチ回路ＳＭ１及びＳＭ２をＯＮにした状態を示す図差動出力端子Ｖinm側が断線した場合に、温度検出回路のスイッチ回路ＳＰ１及びＳＰ２をＯＮにした状態を示す図同スイッチ回路ＳＭ１及びＳＭ２をＯＮにした状態を示す図従来技術を示す図

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態のセンサ装置１において、４つの抵抗素子Ｒｓにより抵抗ブリッジ回路を構成してなる圧力センサ２は、抵抗ブリッジの対角の一方が電源とグランドとの間に接続されている。また、抵抗ブリッジの対角の他方となる差動出力端子Ｖinp，Ｖinmは、それぞれ電圧測定部３の入力端子に接続されている。電圧測定部３は、差動出力端子Ｖinp，Ｖinmの各電圧を測定する。

差動出力端子Ｖinp，Ｖinmの間には、温度検出回路４が接続されている。温度検出回路４は、出力端子Ｖinpと電源との間に接続される抵抗素子Ｒｄ及びスイッチ回路ＳＰ１の直列回路，出力端子Ｖinpとグランドとの間に接続される抵抗素子Ｒｄ及びスイッチ回路ＳＭ２の直列回路を備えている。また、温度検出回路４は、出力端子Ｖinmと電源との間に接続される抵抗素子Ｒｄ及びスイッチ回路ＳＭ１の直列回路，出力端子Ｖinmとグランドとの間に接続される抵抗素子Ｒｄ及びスイッチ回路ＳＰ２の直列回路を備えている。

温度検出回路４を構成するスイッチ回路ＳＰ１及びＳＰ２，並びにＳＭ１及びＳＭ２のＯＮ／ＯＦＦ制御は、制御部５によって行われる。演算部６は、電圧測定部３により測定された差動出力端子Ｖinp，Ｖinmの各電圧を演算することで、圧力センサ２により検出された圧力の情報と、その圧力を補正するための温度情報とを取得する。尚、スイッチ回路ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＭ１，ＳＭ２を備える抵抗素子Ｒｄとの直列回路は、それぞれ第１，第４，第２，第３直列回路に相当する。

次に、本実施形態の作用について説明する。図４に示すように、制御部５はフェイズ（Ａ）において、温度検出回路４のスイッチ回路ＳＰ１及びＳＰ２，並びにＳＭ１及びＳＭ２を全てＯＦＦにして、図１に示す状態とする。この状態で、圧力センサ２により検出されている圧力情報を得るための差動電圧を電圧測定部３に測定させる。これは、一般的な手法と同様であり、圧力センサ２の差動出力端子Ｖinp，Ｖinmの電圧をそれぞれ測定することで、（１）式により圧力情報が得られる。

次に、制御部５はフェイズ（Ｂ）において、温度検出回路４のスイッチ回路ＳＰ１及びＳＰ２をＯＮ，並びにＳＭ１及びＳＭ２をＯＦＦにして、図２に示す状態にする。そして、圧力センサ２の温度情報を得るための差動電圧を、電圧測定部３に測定させる。この時、圧力センサ２の出力端子Ｖinp側については、電源よりシンク電流を引き込む第１経路が形成され、出力端子Ｖinm側については、ソース電流をグランドに供給する第２経路が形成される。この状態で測定される電圧を温度Ｐ（Ｖinp−Ｖinm）とすると、（２）式で表される。

続いて、制御部５はフェイズ（Ｃ）において、温度検出回路４のスイッチ回路ＳＰ１及びＳＰ２をＯＦＦ，並びにＳＭ１及びＳＭ２をＯＮにして、図３に示す状態にする。そして同様に、圧力センサ２の温度情報を得るための差動電圧を、電圧測定部３に測定させる。この場合、出力端子Ｖinp側に第２経路が形成され，出力端子Ｖinmに第１経路が形成されるように入れ替わる。この状態で測定される電圧を温度Ｍ（Ｖinp−Ｖinm）とすると、（３）式で表される。

このようにして２つの電圧温度Ｐ，Ｍを測定すると、演算部６が両者の差をとることで、圧力センサ２の温度情報が得られる。但し、圧力センサ２を構成する抵抗素子Ｒｓの抵抗値が、圧力に応じて変化する抵抗値ΔＲよりも十分大きいことが条件となる。

（４）式には抵抗値ΔＲが含まれていないので、電圧（温度Ｐ−温度Ｍ）は圧力センサ２が検出している圧力の情報を含んでおらず、圧力センサ２の温度特性が反映された電圧となっている。このようにして圧力センサ２の温度情報を取得することで、圧力センサ２が検出した圧力を温度特性に応じて補正できる。

図４に示すように、センサ装置１はフェイズ（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を順次繰り返して実行する。そして、演算部６は、次の周期において、前の周期で測定された温度Ｐ，温度Ｍの差を演算して電圧（温度Ｐ−温度Ｍ）を得る。尚、必要に応じて圧力を補正する演算を行っても良い。

ここで、（４）式における演算結果と、条件（Ｒｓ≫ΔＲ）を適用した近似式との誤差［％］は（５）式となる。

例えば、Ｒｓ＝１０ｋΩ，Ｒｄ＝２０ｋΩとした場合に、抵抗比（ΔＲ／Ｒｓ）に応じた近似式との誤差は、図５及び図６に示すようになる。したがって、誤差が許容される範囲内で抵抗比（ΔＲ／Ｒｓ）を適宜設定すれば良い。

以上のように本実施形態によれば、温度検出回路４を、抵抗ブリッジ回路からなるセンサ２の正側，負側差動出力端子Ｖinp,Ｖinmの一方に電流を供給する第１経路を形成すると共に、他方より電流を流出させる第２経路を形成し、且つ第１経路と第２経路とを２つの出力端子Ｖinp,Ｖinmに対し入れ替えて形成可能となるように構成する。

制御部５は、温度検出回路４により差動出力端子Ｖinp,Ｖinmの一方に第１経路を形成すると共に他方に第２経路を形成した場合と、一方に第２経路を形成すると共に他方に第１経路を形成した場合とについて、電圧測定部３に２つの出力端子Ｖinp,Ｖinmの電圧をそれぞれ測定させる。そして、演算部６は、出力端子Ｖinp,Ｖinmの電圧の差分を演算することでセンサ２の温度情報を取得する。このように構成すれば、定電流源を不要とし、特許文献１のようにセンサ感度を低下させることなく、Ｓ／Ｎ比を維持した状態でセンサ２の温度情報を取得できる。

具体的には、温度検出回路４は、差動出力端子Ｖinp,Ｖinmと電源との間にそれぞれ接続される、抵抗素子Ｒｄ及びスイッチ回路ＳＰ１，ＳＭ１からなる第１，第２直列回路と、差動出力端子Ｖinp,Ｖinmとグランドとの間にそれぞれ接続される、抵抗素子Ｒｄ及びスイッチＳＭ２，ＳＰ２からなる第３，第４直列回路とを備える。このように構成すれば、スイッチ回路ＳＰ１及びＳＰ２のみを同時にオンすることで、正側差動出力端子Ｖinpに第１経路を形成すると共に負側差動出力端子Ｖinmに第２経路を形成できる。そして、スイッチ回路ＳＭ１及びＳＭ２のみを同時にオンすることで、上記の正側，負側を入れ替えて第１経路及び第２経路を形成できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図７に示すように、第２実施形態のセンサ装置１１は、温度検出回路１２が、電源とグランドとの間に接続される抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３の直列回路１３を備えている。そして、スイッチ回路ＳＰ１及びＳＭ１の共通接続点は、抵抗素子Ｒ１及びＲ２の共通接続点に接続されており、スイッチ回路ＳＰ２及びＳＭ２の共通接続点は、抵抗素子Ｒ２及びＲ３の共通接続点に接続されている。抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３は第１〜第３抵抗素子に相当し、直列回路１３は分圧抵抗回路に相当する。

上記の構成において、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３の抵抗値を調整することで、温度を検出する際の電圧振幅を可変設定できる。また、スイッチ回路ＳＰ，ＳＭは、一般にＭＯＳＦＥＴ等で構成される場合が多い。この場合、スイッチ回路ＳＰ，ＳＭの両端に、電源又はグランドに対する電位差を持たせることで、基板効果によりＦＥＴの閾値が上昇し、オフリーク電流を低減できる。ここでの「オフリーク」とは、例えば図２に示したように、スイッチ回路ＳＰ側がＯＮしている時にＯＦＦしている、スイッチ回路ＳＭ側のオフリークを言う。

（第３実施形態）
図８に示すように、第３実施形態のセンサ装置２１を構成する温度検出回路２２は、第１実施形態の温度検出回路４より抵抗素子Ｒｄを削除し、それらに替えて第１定電流源２３，第２定電流源２４を備えている。第１定電流源２３の一端は電源に接続されており、第２定電流源２４の一端はグランドに接続されている。そして、スイッチ回路ＳＰ１及びＳＭ１の共通接続点は第１定電流源２３の他端に接続されており、スイッチ回路ＳＰ２及びＳＭ２の共通接続点は第２定電流源２４の他端に接続されている。

以上のように構成される第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第３実施形態の定電流源２３及び２４は、圧力センサ２に対して並列に接続されているので、特許文献１のように圧力センサ２に印加される電圧を低下させることはない。

（第４実施形態）
図９に示すように、第３実施形態では、上記の実施形態では温度情報を取得するために測定した温度Ｐ，温度Ｍを加算することで、圧力センサ２が検出している圧力の情報も取得する。条件（Ｒｄ＝Ｒｓ／２）を設定して（温度Ｐ＋温度Ｍ）を演算すると、（１）式と同様の結果が得られる。

また、（６）式はセンサ装置１等の圧力感度にも相当している。温度感度は、（７）式より得られる。

そして、Ｒｓ＝１０ｋΩとし、温度検出回路４の抵抗素子Ｒｄの抵抗値を変化させて（６）式，（７）式を計算すると、図１０に示す結果となる。これにより、温度感度は条件（Ｒｄ＝Ｒｓ／２）の場合に最大となることが分かる。

以上のように第４実施形態によれば、演算部６は、温度Ｐ，温度Ｍを加算することで圧力センサ２が検出している圧力の情報を取得するので、制御シーケンスに要する時間を短縮できる。また、抵抗素子Ｒｄの抵抗値を、圧力センサ２を構成する抵抗素子Ｒｓの抵抗値の１／２に設定することで、温度感度を最大にできる。

（第５実施形態）
図１１に示すように、第５実施形態のセンサ装置３１は、圧力センサ２及び温度検出回路４を２組備えており、これらの一方を圧力センサ２（０）及び温度検出回路４（０），他方を圧力センサ２（１）及び温度検出回路４（１）とする。電圧測定部３２は、サンプル回路部３３Ｓ及びホールド回路部３３Ｈからなるサンプルホールド回路３３を内蔵している。

サンプルホールド回路３３は、図１２に示すように、圧力センサ２（０），２（１）にそれぞれ対応するサンプル回路部３３Ｓ（０），３３Ｓ（１）を備えている。サンプル回路部３３は、入力側のスイッチ回路４１ｐ及び４１ｍ，４２ｐ及び４２ｍと、出力側のスイッチ回路４３ｐ及び４３ｍ，４４ｐ及び４４ｍとを備えている。スイッチ回路４２ｐ及び４２ｍ，４４ｐ及び４４ｍの共通接続点は何れもグランドに接続されている。スイッチ回路４１ｐ及び４１ｍとスイッチ回路４３ｐ及び４３ｍとの間には、サンプル用のコンデンサ４５ｐ及び４５ｍが接続されている。

ホールド回路部３３Ｈは差動アンプ４６を備えている。差動アンプ４６の反転入力端子と非反転出力端子との間には、ホールド用のコンデンサ４７ｐ及びスイッチ回路４８ｐの並列回路が接続されており、非反転入力端子と反転出力端子との間にはコンデンサ４７ｍ及びスイッチ回路４８ｍの並列回路が接続されている。そして、スイッチ回路４３ｐ及び４３ｍは、差動アンプ４６の反転入力端子，非反転入力端子にそれぞれ接続されている。

図１１に示す制御部３５は、サンプルホールド回路３３が備える各スイッチ回路のＯＮ／ＯＦＦも制御する。そして、サンプルホールド回路３３によりホールドされた電圧信号はＡ／Ｄ変換器３４に入力され、デジタルデータに変換されて演算部６に入力される。

次に、第５実施形態の作用について説明する。尚、サンプルホールド回路３３の動作については一般的なものであるから、詳細な説明は省略する。図１３に示すように、第４実施形態の制御シーケンスでは、圧力センサ２（０）の圧力（０）測定，圧力センサ２（１）の圧力（１）測定，温度Ｐ（０）測定，温度Ｐ（１）測定，温度Ｍ（０）測定，温度Ｍ（１）測定を繰り返し実行する。

電圧測定部３２は、最初のフェイズ（Ａ）で圧力センサ２（０）の圧力（０）測定結果をサンプルする。次のフェイズ（Ｂ）では、圧力センサ２（０）の圧力（０）測定結果をホールドするのに並行して、圧力センサ２（１）の圧力（１）測定結果をサンプルする。次のフェイズ（Ｃ）では、圧力センサ２（０）の圧力（０）測定結果をサンプルするのに並行して、圧力センサ２（１）の圧力（１）測定結果をホールドする。制御部３５は、この制御シーケンスに対応するように、温度検出回路４（０），４（１）の各スイッチ回路を切替える。

以上のように第５実施形態によれば、圧力センサ２及び温度検出回路４を２組備え、電圧測定部３２が各測定結果をサンプルホールドする構成において、一方の測定結果のサンプルと、他方の測定結果のホールドとを並行して行うことで、制御シーケンスを短縮できる。

（第６実施形態）
第６実施形態では、例えば第１実施形態の構成において、圧力センサ２の差動出力端子Ｖinp，Ｖinmの一方と電圧測定部３との間における断線の発生を検出する。図１４及び図１５に示すように、差動出力端子Ｖinp側が断線した場合に、第１実施形態と同様に温度Ｐ，温度Ｍを測定し、それらの差分を演算すると（８）〜（１０）式のようになる。

（１０）式の結果は、条件（Ｒｄ＝Ｒｓ／２）において１．５Ｖｄｄとなり、非常に大きな電圧が検出される。したがって、適切な閾値を設定し、この過大な電圧の発生を検出することで断線を検出できる。

図１６及び図１７は差動出力端子Ｖinm側が断線した場合であり、差動出力端子Ｖinp側が断線した場合と同様に温度Ｐ，温度Ｍを測定し、それらの差分を演算すると（１１）〜（１３）式のようになる。

（１３）式の結果は、同じく条件（Ｒｄ＝Ｒｓ／２）において１．５Ｖｄｄとなる。したがって、この場合も同様に断線を検出できる。

以上のように第６実施形態によれば、演算部６は、２つの電圧温度Ｐ，温度Ｍの差分が上限値を超えることを認識して、圧力センサ２の差動出力端子の断線を検出できる。
（その他の実施形態）
センサは抵抗ブリッジ回路で構成されるものであれば良く、圧力センサに限ることはない。
第５実施形態において、圧力センサ２及び温度検出回路４を３組以上備えても良い。
各実施形態を適宜組み合わせて実施しても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１はセンサ装置、２は圧力センサ、３は電圧測定部、４は温度検出回路、５は制御部、６は演算部を示す。

Claims

電源とグランドとの間に接続される抵抗ブリッジ回路で構成され、物理量を検出するセンサ（２）と、
前記抵抗ブリッジ回路の正側，負側差動出力端子の一方に電流を供給する第１経路を形成すると共に他方より電流を流出させる第２経路を形成し、且つ前記第１経路と前記第２経路とを前記２つの出力端子に対し入れ替えて形成可能である温度検出回路（４，１２，２２）と、
前記差動出力端子の電圧をそれぞれ測定する電圧測定部（３，３２）と、
前記温度検出回路により、前記差動出力端子の一方に前記第１経路を形成すると共に他方に前記第２経路を形成した場合と、一方に前記第２経路を形成すると共に他方に前記第１経路を形成した場合とについて、前記電圧測定部に前記２つの出力端子の電圧をそれぞれ測定させるように制御する制御部（５，３５）と、
前記２つの出力端子の電圧の差分を演算することで、前記センサの温度情報を取得する演算部（６）とを備えるセンサ装置。
前記温度検出回路（４）は、前記正側，負側差動出力端子と電源との間にそれぞれ接続される、抵抗素子（Ｒｄ）及びスイッチ回路（ＳＰ１，ＳＭ１）からなる第１，第２直列回路と、
前記正側，負側差動出力端子とグランドとの間にそれぞれ接続される、抵抗素子（Ｒｄ）及びスイッチ回路（ＳＰ２，ＳＭ２）からなる第３，第４直列回路とを備える請求項１記載のセンサ装置。
前記温度検出回路（１２）は、電源とグランドとの間に接続される第１〜第３抵抗素子（Ｒ１〜Ｒ３）からなる分圧抵抗回路（１３）を備え、
前記第１及び第２直列回路は、前記第１抵抗素子を介して電源に接続され、
前記第３及び第４直列回路は、前記第３抵抗素子を介してグランドに接続されている請求項２記載のセンサ装置。
前記温度検出回路を構成する抵抗素子の抵抗値を、前記抵抗ブリッジ回路構成する抵抗素子の抵抗値の１／２に設定する請求項２又は３記載のセンサ装置。
前記温度検出回路（２２）は、一端が電源に接続される第１定電流源（２３）と、
一端がグランドに接続される第２定電流源（２４）と、
前記正側，負側差動出力端子と前記第１定電流源の他端との間に接続される第１，第２スイッチ回路（ＳＰ１，ＳＭ１）と、
前記正側，負側差動出力端子と前記第２定電流源の他端との間に接続される第３，第４スイッチ回路（ＳＰ２，ＳＭ２）とを備える請求項１記載のセンサ装置。
前記演算部は、前記差分を演算する対象の２つの電圧を加算することで、前記センサにより検出される圧力に応じた電圧データを取得する請求項１から５の何れか一項に記載のセンサ装置。
前記演算部は、前記２つの電圧の差分が上限値を超えると、前記差動出力端子の断線を検出する請求項１から６の何れか一項に記載のセンサ装置。