JP5147321B2 - 半導体集積回路およびセンサ駆動／測定システム - Google Patents

Description

本発明は、所定の電圧を印加した場合に測定対象の特性に応じた電流を発生するセンサ素子を動作させ、その出力を測定するセンサ駆動／測定システムに関する。

従来から、センサ駆動／測定システムでは、センサ駆動／測定を行う半導体集積回路を搭載することが一般的である。

センサ出力などのアナログ信号をデジタル化して処理を行うＡＤ変換器には安定した電源電圧を供給する必要があり、測定可能な信号の電圧範囲はＡＤ変換器の電源電圧に制約を受ける。すなわち、測定対象の信号電圧が高い場合には高い電源電圧が必要となる。

電池駆動の機器の場合では、新品の電池を使用した場合と残量の少ない電池を使用した場合とでは電池の起電力が異なるため、機器の動作時間を長くするためには、残量の少ない電池の電源電圧においても安定した動作を行うことが望まれている。

よって、従来の半導体集積回路を用いた電池駆動のセンサ駆動／測定システムは、図４または図５のような構成となる。図４の構成では、新品の電池の電圧から残量の少ない電池の起電力までの広い電源電圧範囲で動作できる高耐圧のセンサ駆動／測定用半導体集積回路４０２を選定している。ただし、電池４０４は、センサ４０３が要求する印加電圧を半導体集積回路４０２がセンサ４０３に印加できる程度以上の起電力を有する必要がある。図５の構成では、新品の電池の電圧から残量の少ない電池の起電力までの広い電源電圧範囲において安定した電圧を生成できるレギュレータＩＣ５０８を介して、通常の耐圧の半導体集積回路５０２を電池５０４に接続している。ただし、電池５０４は、センサ５０３が要求する印加電圧を半導体集積回路５０２がセンサ５０３に印加できる程度以上の起電力を有する必要がある。

図４および図５のいずれの構成においても、電池駆動のセンサ駆動／測定システムでは、電池４０４，５０４の残量確認のため電源電圧をモニタして管理する必要がある。また図５の構成の場合には、電源電圧が半導体集積回路５０２に直接印加されないようにするとともに、無駄な電流消費を抑えることを目的として、電源電圧を検知しない時に電流を停止させるスイッチ５０９や、分圧抵抗５１０といった複数の外付け部品の実装も必要となる。

従来から、ＡＤ変換器の分野においては、電源電圧が低い場合にＡＤ変換器の電源電圧を昇圧電圧に切り替える技術（例えば、特許文献１）などがある。

昇圧回路の分野においては、昇圧回路の負荷となるレギュレータの出力電流を切り替え、昇圧電圧が降下するのを防ぐ技術（例えば特許文献２）などがある。
特開２００３−１７９４９２号公報 特開２００５−４４２０３号公報

一般的に半導体集積回路では、製造プロセスに応じて、正常に動作可能な電圧や印加されても破壊しない電圧を規定している。これらの電圧上限値が高くなれば高くなるほど、製造プロセスが複雑になる、個々の素子サイズが大きくなる、などのコスト面での影響を受ける。

一方、センサ駆動／測定システムにおいて、センサを駆動させるための印加電圧や、測定対象となるセンサ電流を検出する箇所の電圧は、センサ特性上や構造上の都合から決定されることがほとんどである。つまり、これらの電圧仕様はセンサ駆動／測定用システム側で都合よく決定できるものではなく、よって、半導体集積回路を含むセンサ駆動／測定システムでは、センサ特性に併せた設計を行うことが多い。

センサ印加電圧が高い場合には高い電源電圧が必要になる。このため、電池の搭載個数を増やすか、もしくは高い起電力の電池を用いて、さらに耐圧の高いセンサ駆動／測定用半導体集積回路を用いる、または、電源電圧変動を吸収するレギュレータＩＣとセンサ駆動／測定用半導体集積回路とを併用する、などといった対策をする必要がある。いずれにせよ、コスト増加が避けられない状況となっている。

本発明は、センサ駆動／測定システムにおいて、コスト増加を抑えつつ、高い印加電圧を要求するセンサの要求仕様を実現可能にすることを目的とする。

本発明は、電池駆動のセンサ駆動／測定システムにおいて用いられる半導体集積回路として、センサに印加するための所定の電圧を出力するセンサ駆動回路と、前記センサにおいて発生した電流を電圧変換した電圧を受け、この電圧を測定する測定回路と、与えられた昇圧元電圧を昇圧し、昇圧した電圧を前記センサ駆動回路および前記測定回路に電源電圧として供給する昇圧回路と、前記電池による電源電圧を受け、一定の基準電圧を出力する基準電圧回路とを備え、前記昇圧回路は、前記基準電圧回路から出力された基準電圧を前記昇圧元電圧とするものであり、前記センサ駆動回路および前記測定回路は、前記基準電圧回路から出力された基準電圧を参照電圧として用いるものである。

本発明によると、センサの印加電圧を出力するセンサ駆動回路は、昇圧回路で生成された昇圧電圧によって動作するため、電池の電源電圧が低い場合であってもセンサに高い電圧を印加することができる。また、センサにおいて発生した電流を電流−電圧変換した電圧を測定する測定回路も、昇圧回路で生成された昇圧電圧によって動作するため、センサ出力の電圧を例えばＡＤ変換することが可能となる。さらに、電池の起電力が変動した場合でも、昇圧回路の昇圧元電圧は一定の基準電圧となり、また、センサ駆動回路および測定回路は一定の基準電圧を参照電圧として用いるので、センサ測定環境の変化が抑制される。

また、前記本発明に係る半導体集積回路は、前記昇圧回路が昇圧を開始してから昇圧電圧が安定するまでの間、前記基準電圧回路から前記昇圧回路に流れる電流を制限する機能を有するのが好ましい。

すなわち、実際に昇圧回路を動作させた場合には、昇圧電圧が安定するまでの期間に、昇圧電圧安定後のセンサ電流を含む動作電流に比べ多くの電流が流れることから電池から流れる電流が増大し、残量の少ない電池においては過渡電流により電池の起電力が大きく低下し、システム安定化のためのリセットをもたらす可能性がある。安定した昇圧電圧を得るためには昇圧電圧の安定化容量を増やす必要があり、安定化容量が大きくなると昇圧開始時の過渡電流による電池の起電力低下への影響は著しく大きくなる。このため、昇圧を開始してから昇圧電圧が安定するまでの間、基準電圧回路から昇圧回路に流れる電流を制限する機能を有することによって、昇圧動作時に過大な電流が流れるのを防ぐことができるので、残量の少ない電池でさらに安定化容量が大きい場合においても、起電力が大幅に低下することなく、システムの安定動作を実現することができる。

本発明によると、センサ駆動／測定システムにおいて、センサ印加電圧が高い場合においても、高い起電力の電池を必要としないので、電池の搭載個数の削減や低起電力の電池への置換えが可能となり、コスト削減が可能となる。また半導体集積回路の耐圧を必要以上に確保することが不要となり、安価な製造プロセスで製作することができ、半導体集積回路単体のコストを削減することできる。もしくは、高い電源電圧の影響を吸収する外付け部品が不要となり、システムトータルのコスト削減が可能となる。

また、電池残量がほとんどなくなるまで、システムの安定動作が可能となる。

加えて、電池の個数削減は、センサ駆動／測定システムの小型化、軽量化にも貢献することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るセンサ駆動／測定システムの全体構成を示すブロック図である。図１のセンサ駆動／測定システム１０１は、所定の電圧を印加した場合に測定対象の特性に応じた電流を発生するセンサ１０３と、センサ駆動／測定用半導体集積回路１０２と、電源となる電池１０４と、センサ１０３で発生する電流を電圧に変換する電流−電圧変換（Ｉ−Ｖ変換）回路１０５とを備えている。

センサ駆動／測定用半導体集積回路１０２は、センサ１０３に印加するための所定の電圧を出力するセンサ駆動回路１０８と、電流−電圧変換回路１０５によってＩ−Ｖ変換されたセンサ１０３の出力信号すなわち、センサ１０３において発生した電流を電流−電圧変換した電圧を受け、この電圧を測定する測定回路（ＡＤ変換器）１１０と、センサ駆動回路１０８および測定回路１１０を動作させる昇圧回路１０７とを内蔵する。センサ駆動回路１０８はＤＡ変換器１０９を備えている。また、電池１０４による電源電圧を受け、一定の基準電圧を出力する基準電圧回路１０６も備えている。基準電圧回路１０６は、電池１０４の起電力が変動した場合にも一定の基準電圧を出力する。昇圧回路１０７は、基準電圧回路１０６から出力された基準電圧を昇圧元電圧として受け、この昇圧元電圧を昇圧し、昇圧した電圧をセンサ駆動回路１０８および測定回路１１０に電源電圧として供給する。また、センサ駆動回路１０８および測定回路１１０は、基準電圧回路１０６から出力された基準電圧を参照電圧として用いる。

基準電圧回路１０６を設けたことによって、電池１０４の電源電圧が変動した場合にも昇圧回路１０７による昇圧電圧は変動せず、センサ駆動回路１０８および測定回路１１０の動作状態にも影響がないため、さらに高精度にセンサ特性を把握することができる。なお、基準電圧回路１０６を設けない場合には、昇圧回路１０７の昇圧元電圧は、任意の電圧、例えば電池１０４の電源電圧とすればよい。

また、図１の構成では、半導体集積回路１０２は、測定回路１１０の出力信号を処理し、システムコントロールを行うＣＰＵなどのデジタル部１１２、および、電池１０４による電源電圧をモニタして管理する電源検知回路１１１を内蔵している。これにより、センサ駆動／測定システム１０１の部品点数を削減して低コストにすることができる。なお、これらの構成要素は、半導体集積回路１０２とは別個の部品として設けてもかまわない。

また、電流−電圧変換回路１０５は、要求する精度が許容されれば、半導体集積回路１０２に内蔵されていてもよい。これにより、センサ駆動／測定システム１０１の部品点数を削減して低コストにすることができる。また本実施形態では、電流−電圧変換回路１０５は、センサ１０３の上部電極の電流を測定するものとしているが、センサ１０３の下部電極に流れる電流を電圧に変換する構成としてもよい。この場合、センサ駆動回路１０８の下部電極側に測定回路１１０のＡＤ変換器が動作可能な電圧範囲を確保する必要がある。ただし、どちらの場合も全体の電源電圧レンジ幅には影響しない。

電池１０４は、センサ１０３が要求する印加電圧に比べてその電源電圧が低くても許容されるが、半導体集積回路１０２が動作する下限電圧以上の起電力を持つことが必要になる。

電池１０４による電源電圧は半導体集積回路１０２内蔵の昇圧回路１０７によって昇圧され、測定回路１０８には、センサ１０３が要求する印加電圧が出力可能になるような高い電圧が昇圧回路１０７から供給される。センサ駆動回路１０８は、ＤＡ変換器１０９によってセンサ１０３が要求する所定の電圧を調整し、これを出力する。センサ１０３に所定の電圧が印加されると、測定対象の特性に応じた電流が発生し、この電流は電流−電圧変換回路１０５により電圧に変換される。電流−電圧変換回路１０５により出力された電圧は測定回路１１０におけるＡＤ変換器の入力信号となるが、測定回路１１０はセンサ１０３の印加電圧よりも高く昇圧された電圧で動作しているため、測定回路１１０は正常にＡＤ変換結果を出力することができる。

以上のように本実施の形態によれば、センサ駆動／測定システムの電池の電圧が低い場合でも、センサが要求する電圧をセンサ両極に印加することができ、センサで発生する電流を正しく測定することができる。この場合、昇圧回路の出力電圧が半導体集積回路中で最も高い電圧となるので、必要以上に高い耐圧の製造プロセスを用いる必要はなく、多くの場合に通常のＣＭＯＳ製造プロセスなどの安価なプロセスを適用することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るセンサ駆動／測定システムの構成は図１と同様である。ただし本実施形態では、半導体集積回路１０２は、昇圧回路１０７が昇圧を開始してから昇圧電圧が安定するまでの間、基準電圧回路１０６から昇圧回路１０７に流れる電流を制限する機能を有する。

図２および図３は昇圧動作時における電池の起電力の変化を示す図であり、新品の電池の場合と残量の少ない電池の場合とを表している。図２は本実施形態に係る機能を採用しない場合、図３は本実施形態に係る機能を採用した場合である。

図１において、センサ駆動／測定システム１０１が実際にセンサを駆動するために昇圧回路１０７を動作させた場合には、昇圧回路１０７から出力される昇圧電圧が定常状態の昇圧電位まで上昇するまでの間、昇圧回路１０７にはセンサ電流を含む動作電流に比べて多くの電流を流入する必要がある。通常動作時に安定した昇圧電圧を得るためには、昇圧回路１０７に入力する昇圧元電圧を生成する基準電圧回路１０６の電流供給能力を大きくする、あるいは、昇圧回路１０７出力の昇圧電圧の安定化容量を大きくする必要があり、いずれの場合にも、昇圧開始時に電池１０４から昇圧回路１０７に流れ込む電流は大きくなる。

電池１０４が新品の場合には起電力は高く電池内部抵抗も小さいが、電池１０４の残量が少ない場合には起電力が低く電池内部抵抗は大きくなる。昇圧動作を行った場合の電池の起電力の変動は図２のようになり、電池の残量が少ない場合には、昇圧動作を開始してから昇圧電圧が定常状態まで上昇するまでの期間には、半導体集積回路１０２に流れる電流が増えるため、電池の起電力低下が大きくなる。

一方、センサ駆動／測定システム１０１を安定して動作させるためには、システムコントロールを行うＣＰＵが動作可能な下限電圧より電源電圧が高い状態でリセットをかける仕組みを搭載することが必要となる。一般的には、ＣＰＵが動作可能な下限電圧は電池の残量がほとんどない状態の起電力より低いことが多く、リセットがかかる場合には電池の残量がほとんどないことが多い。

しかし本センサ制御／測定システム１０１において、電池の残量が少なくなった場合に昇圧動作を行った場合には、昇圧回路１０７に流入する過大な過渡電流により起電力が低下し、これによりリセットがかかってしまう可能性が高い（図２中のＡ）。これは、システムの動作下限電圧が上昇したことと等価であり、電池残量がまだある場合でも本システムを動作させる電池としては使用できなくなり、システムの電池寿命も短くなる。また昇圧開始後常時昇圧動作を行うと、システム起動時以降は過大な電流が流れなくなり、リセットをかけてしまう可能性は低くなるが、この場合には消費電流を常時増やすことと同じであり、システムの電池寿命からは逆効果である。

そこで、昇圧開始から昇圧電圧が安定するまでの間、基準電圧回路１０６から昇圧回路１０７に出力する部分の電流供給能力を制限する。具体的には例えば、トランジスタのサイズの切り替えを行う。これにより、図３に示すように、昇圧開始から昇圧電圧が安定するまでの期間は延びるが、電池の過渡的な起電力低下を大幅に抑えることができ、電池の残量が少なくなってもリセットがかからなくなる。したがって、電池の起電力がリセット電圧付近になるまで、昇圧回路１０７を動作させてセンサ駆動／測定を行うことが可能となり、システムの電池寿命を延ばすことができる。

以上のように本実施形態によれば、センサ駆動／測定システムの電池の残量がほとんどなくなるまでシステムを安定して動作させることが可能となり、従来のシステムと同等の安定性を確保することができる。

本発明は、センサ駆動／測定システムのコスト削減や、小型化や軽量化に有効である。

本発明の第１および第２の実施形態に係るセンサ駆動／測定システムの構成を示すブロック図である。 昇圧動作時における電池の起電力の変化を示す図であり、第２の実施形態に係る機能を採用しない場合である。 昇圧動作時における電池の起電力の変化を示す図であり、第２の実施形態に係る機能を採用した場合である。 高耐圧の半導体集積回路を使用した従来のセンサ駆動／測定システムの構成を示すブロック図である。 安価な製造プロセスの半導体集積回路を使用した従来のセンサ駆動／測定システムの構成を示すブロック図である。

１０１ センサ駆動／測定システム
１０２ 半導体集積回路
１０３ センサ
１０４ 電池
１０５ 電流−電圧変換回路
１０６ 基準電圧回路
１０７ 昇圧回路
１０８ センサ駆動回路
１１０ 測定回路
１１１ 電源検知回路
１１２ デジタル部

Claims (6)

1. 電池駆動のセンサ駆動／測定システムにおいて用いられる半導体集積回路であって、
   センサに印加するための所定の電圧を出力するセンサ駆動回路と、
   前記センサにおいて発生した電流を電流−電圧変換した電圧を受け、この電圧を測定する測定回路と、
   与えられた昇圧元電圧を昇圧し、昇圧した電圧を前記センサ駆動回路および前記測定回路に電源電圧として供給する昇圧回路と、
   前記電池による電源電圧を受け、一定の基準電圧を出力する基準電圧回路とを備え、
   前記昇圧回路は、前記基準電圧回路から出力された基準電圧を、前記昇圧元電圧とするものであり、
   前記センサ駆動回路および前記測定回路は、前記基準電圧回路から出力された基準電圧を、参照電圧として用いる
   ことを特徴とする半導体集積回路。
2. 請求項１において、
   前記センサにおいて発生した電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路を備えた
   ことを特徴とする半導体集積回路。
3. 請求項１において、
   前記昇圧回路が昇圧を開始してから昇圧電圧が安定するまでの間、前記基準電圧回路から前記昇圧回路に流れる電流を制限する機能を有する
   ことを特徴とする半導体集積回路。
4. 請求項１において、
   前記測定回路の出力信号を処理するデジタル部を備えた
   ことを特徴とする半導体集積回路。
5. 請求項１において、
   前記電池による電源電圧をモニタして管理する電源検知回路を備えた
   ことを特徴とする半導体集積回路。
6. 請求項１の半導体集積回路を少なくとも１つ搭載し、センサ駆動／測定を行う電池駆動のセンサ駆動／測定システム。

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