JP5443710B2 - センサ回路 - Google Patents

Description

本発明は、センサ回路に係り、特に、出力信号の線形性の向上等を図ったものに関する。

従来、使用に際して所定の駆動電圧、電流の供給が必要とされるセンサにあっては、例えば、図３に示された構成の抵抗ブリッジ型センサ回路が用いられていた。
以下、図３を参照しつつ、かかる従来回路において圧力センサを構成する場合について説明すれば、４つのセンサ抵抗５ａ´〜５ｄ´によって、ブリッジ回路を構成して用いられるようになっている。
かかるブリッジ接続された４つのセンサ抵抗５ａ´〜５ｄ´は、センサ駆動装置（図３においては「Ｓ−ＤＲＶ」と表記）１Ａによって、所定の駆動電圧、電流で駆動されるようになっており、圧力変化に応じて、各センサ抵抗５ａ´〜５ｄ´のインピーダンスが変化し、平衡状態が崩れることで、その崩れに応じた電位差が２つの接続点Ａ，Ｂにセンサ出力信号として出力されるようになっている。

ＡＢ間に得られたセンサ出力信号は、信号処理回路（図３においては「ＳＰ」と表記）４Ａに入力されて、必要な信号処理が施されて、図示されない後段の回路へ供されるようになっている。
ここで、センサ出力信号は、通常、数ｍＶ〜数百ｍＶ程度であるため、後段の図示されない回路に供するには、不十分な場合が殆どである。
そのため、信号処理回路４Ａは、かかるセンサ出力信号を、図示されない後段の回路へ供するために適切な信号振幅に増幅すると共に、必要に応じて適切なオフセット電圧を重畳させる等の信号処理を施すものとなっている。

ところで、この種のセンサ抵抗５ａ´〜５ｄ´にあっては、加えられる圧力範囲に対してセンサ出力信号の線形性が最適となる駆動電圧、電流が存在することは良く知られている通りである。
一方、信号処理回路４Ａは、ダイナミックレンジの中心電圧付近で回路の線形性が最適化されているのが一般的である。
そのため、センサ抵抗５ａ´〜５ｄ´は、センサ出力信号の線形性が最適となる駆動電圧、電流で駆動され、平衡状態にある場合に、信号処理回路４Ａへ入力されるセンサ出力信号の電圧が、信号処理回路４Ａのダイナミックレンジの中心電圧になっていることが望ましい。

しかし、センサの種類などによりそれぞれのインピーダンスが異なるため、センサ出力信号が信号処理回路４Ａのダイナミックレンジに入るようにセンサ駆動電圧、電流でセンサを駆動しても、センサ出力信号の線形性が最適になるとは限らない。
かかる不都合を解消する方策として、従来は、信号処理回路４Ａなどに、入力されたセンサ出力信号の非線形を補正するための非線形補正回路１１を設けるのが一般的である。
なお、この種の従来回路としては、例えば、特許文献１等に開示されたものなどがある。
特開２００１−３４３４３９号公報（第３−５頁、図１−図１３）

しかしながら、上述のような非線形補正回路１１は、一般に複雑な構成となるため、部品点数の増加による装置の信頼性の低下を招くだけでなく、装置の高価格化を招くなどの問題がある。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、センサの出力信号の線形性を損なうことなく、しかも、センサの出力信号が供される後段の回路のダイナミックレンジに適した出力を可能とするセンサ回路を提供するものである。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係るセンサ回路は、
センサ駆動装置と、センサとしてのブリッジ部と、センサ動作点調整装置が設けられてなるセンサ回路であって、
前記センサ駆動装置は、前記ブリッジ部が線形領域で動作するように当該ブリッジ部の駆動を行うよう構成されてなり、
前記センサ動作点調整装置は、検出部と動作点調整部とを有し、前記検出部は、前記ブリッジ部の出力に応じて前記動作点調整部の動作を制御する制御電圧を出力するよう構成され、
前記ブリッジ部は、第１乃至第４のセンサ抵抗がブリッジ接続されて構成され、前記第１のセンサ抵抗と前記第４のセンサ抵抗の接続点に、前記センサ駆動装置の出力端が接続される一方、前記第２のセンサ抵抗と前記第３のセンサ抵抗の接続点が、前記動作点調整部を介してグランドに接続されてなり、前記第１のセンサ抵抗と前記第２のセンサ抵抗の接続点と、前記第３のセンサ抵抗と前記第４のセンサ抵抗の接続点との間にセンサ出力信号を出力可能に構成され、
前記動作点調整部は、前記ブリッジ部の前記センサ出力信号間の電圧が０Ｖとなった際に、前記センサ出力信号の電圧が、当該センサ出力信号が印加される後段の回路の入力ダイナミックレンジの中心値となるよう当該センサ出力信号の電圧を調整するよう前記検出部の制御電圧により制御されてなるものである。

本発明によれば、センサが平衡状態にある際の出力信号の電圧を、後段の回路のダイナミックレンジの中心となるように調整可能に構成したので、従来と異なり、複雑な回路構成を必要とする非線形性補正回路を不要とし、比較的簡易な構成でセンサの出力信号の線形性を損なうことなく、しかも、センサの出力信号が供される後段の回路のダイナミックレンジに適したセンサ信号を得ることができるという効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態について、図１及び図２を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態におけるセンサ回路１０１の基本構成例について、図１を参照しつつ説明する。
本発明の実施の形態におけるセンサ回路１０１は、センサ駆動装置（図１においては「Ｓ−ＤＲＶ」と表記）１と、ブリッジ部２と、センサ動作点調整装置３とに大別されて構成されたものとなっている。図１に示された構成例においては、このセンサ回路１０１の出力信号が用いられる後段の回路の一部として、前段部分となる信号処理回路（図１においては「ＳＰ」と表記）４が、センサ回路１０１に接続されたものとなっている。

以下、具体的に説明すれば、まず、ブリッジ部２は、第１乃至第４のセンサ抵抗５ａ〜５ｄがブリッジ接続されて構成されたものと等価的に表すことができる。かかる第１乃至第４のセンサ抵抗５ａ〜５ｄは、基本的に同一の構成を有してなるものが用いられている。

第１乃至第４のセンサ抵抗５ａ〜５ｄは、その使用に際して電圧、電流の供給を必要とするものであり、センサ駆動装置１は、かかる第１乃至第４のセンサ抵抗５ａ〜５ｄへ駆動電圧、電流の供給を行うものとなっている。
すなわち、センサ駆動装置１は、電源電圧ＶＤＤの供給を受け、第１乃至第４のセンサ抵抗５ａ〜５ｄの駆動に必要とされる電圧、電流を生成、出力するよう構成されたものとなっている。

本発明の実施の形態においては、第１のセンサ抵抗５ａと第４のセンサ抵抗５ｄの接続点に、センサ駆動装置１の出力端が接続される一方、第２のセンサ抵抗５ｂと第３のセンサ抵抗５ｃの接続点が、後述するセンサ動作点調整装置３を構成する動作点調整部３Ｂを介してグラウンドに接続されるようになっている。

そして、第１のセンサ抵抗５ａと第２のセンサ抵抗５ｂの接続点と、第３のセンサ抵抗５ｃと第４のセンサ抵抗５ｄの接続点との間に、ブリッジ部２としての出力、すなわち、換言すれば、センサ出力信号が得られるようになっている。なお、本発明の実施の形態においては、便宜的に、第１のセンサ抵抗５ａと第２のセンサ抵抗５ｂの接続点を”Ｂ”点とし、第３のセンサ抵抗５ｃと第４のセンサ抵抗５ｄの接続点を”Ａ”点とする。

かかるＡＢ点間に得られたセンサ出力信号は、これを必要とする後段の回路の一部をなす信号処理回路４を介して、図示されない後段の回路へ供給されるものとなっている。
ここで、センサ出力信号は、通常、数ｍＶ乃至数百ｍＶであるため、図示されない後段の回路において用いるには、十分なレベルとは言い難い。そのため、信号処理回路４は、かかるセンサ出力信号を、図示されない後段の回路に必要な信号振幅に増幅し、また、必要に応じて適切なオフセットを施すようになっているもので、それ自体の回路構成は、従来から用いられているものである。

本発明の実施の形態におけるセンサ動作点調整装置３は、第１乃至第４のセンサ抵抗５ａ〜５ｄの動作点を調整するためのもので（詳細は後述）、検出部（図１においては「ＤＥＴ」と表記）３Ａと動作点調整部（図１においては「Ｄ−ＡＤＪ」と表記）３Ｂとに大別されてなり、検出部３Ａは、信号処理回路４内に設けられたものとなっている一方、動作点調整部３Ｂは、先に述べたようにブリッジ部２とグラウンドとの間に設けられたものとなっている。

検出部３Ａは、信号処理装置４に入力されたブリッジ部２のＡＢ間の電圧を検出し、その検出電圧に応じて後述する動作点調整部３Ｂの動作を制御する制御電圧を出力するよう構成されてなるものである。
一方、動作点調整部３Ｂは、検出部３Ａからの制御電圧に応じて、ブリッジ部２が平衡状態にある場合のＡＢ間の電圧が所定の値となるように、ブリッジ部２とグラウンドとの間に流れる電流を調整するよう構成されたものとなっている。
なお、本発明の実施の形態においては、検出部３Ａを、信号処理回路４内に設ける構成としたが、必ずしも、このような構成に限定されるものではなく、信号処理回路４と別体に設けて、ブリッジ部２からのセンサ出力信号が、それぞれ並列に入力されるような構成としても良い。

次に、上記構成における動作について説明する。
まず、センサ駆動装置１は、センサ動作点調整装置３とは無関係に、ブリッジ接続された第１乃至第４のセンサ抵抗５ａ〜５ｄの動作点が、ＡＢ間のセンサ出力信号の線形特性が最適となるように、その駆動電圧、電流が定められて第１乃至第４のセンサ抵抗５ａ〜５ｄを駆動するものとなっている。
そして、第１乃至第４のセンサ抵抗５ａ〜５ｄが標準状態にある場合には、ＡＢ間のセンサ出力信号は平衡状態となり、例えば、ＡＢ間の電圧は０Ｖとなるようになっている。

一方、センサ動作点調整装置３においては、ブリッジ部２のＡＢ間の電圧が０ｖとなった際、すなわち、センサ出力信号が平衡状態となった際に、検出部３Ａにより動作点調整部３Ｂが制御されて、ＡＢ間の電圧が信号処理回路４のダイナミックレンジの中心値となるように、ブリッジ部２とグラウンドとの間に流れる電流が調整されることとなる。
このような動作により、従来であれば、例えば、センサ出力信号が平衡状態の場合のＡＢ間の電圧が、信号処理回路４のダイナミックレンジの中心値となるようにセンサ駆動装置１の駆動電圧、電流を定めた場合には、センサ出力信号の線形性は必ずしも最適な状態とは限らず、第１乃至第４のセンサ抵抗５ａ〜５ｄは、寧ろ、非線形部分での駆動状態となることがあったが、本発明の実施の形態においては、かかる不適切な駆動状態が確実に回避されることとなる。

図２には、本発明の実施の形態におけるセンサ動作点調整装置３のより具体的な構成例が示されており、以下、同図を参照しつつ、この構成例について説明する。なお、図１に示された構成例と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明することとする。
この構成例は、特に、動作点調整部３Ｂの具体例を示したものである。
すなわち、動作点調整部として可変抵抗素子６が用いられており、検出部３Ａからの制御電圧によって、抵抗値が可変できるようになっている。

このような可変抵抗素子６としては、例えば、電界効果トランジスタのゲート電圧の制御によって、ドレイン・ソース間の抵抗値が可変可能に構成されたいわゆる電子抵抗素子などが好適である。
なお、この図２に示された構成における動作は、図１に示された構成例で説明したと基本的に同様であるので、ここでの再度の詳細な説明は省略することとする。

本発明の実施の形態におけるセンサ動作点調整装置の基本構成例を示す構成図である。 図１に示されたセンサ動作点調整装置の具体的な回路構成例を示す回路図である。 従来回路の構成例を示す構成図である。

符号の説明

１…センサ駆動装置
２…ブリッジ部
３…センサ動作点調整装置
３Ａ…検出部
３Ｂ…動作点調整部
４…信号処理回路
５ａ〜５ｄ…センサ抵抗
６…可変抵抗素子

Claims (1)

1. センサ駆動装置と、センサとしてのブリッジ部と、センサ動作点調整装置が設けられてなるセンサ回路であって、
   前記センサ駆動装置は、前記ブリッジ部が線形領域で動作するように当該ブリッジ部の駆動を行うよう構成されてなり、
   前記センサ動作点調整装置は、検出部と動作点調整部とを有し、前記検出部は、前記ブリッジ部の出力に応じて前記動作点調整部の動作を制御する制御電圧を出力するよう構成され、
   前記ブリッジ部は、第１乃至第４のセンサ抵抗がブリッジ接続されて構成され、前記第１のセンサ抵抗と前記第４のセンサ抵抗の接続点に、前記センサ駆動装置の出力端が接続される一方、前記第２のセンサ抵抗と前記第３のセンサ抵抗の接続点が、前記動作点調整部を介してグランドに接続されてなり、前記第１のセンサ抵抗と前記第２のセンサ抵抗の接続点と、前記第３のセンサ抵抗と前記第４のセンサ抵抗の接続点との間にセンサ出力信号を出力可能に構成され、
   前記動作点調整部は、前記ブリッジ部の前記センサ出力信号間の電圧が０Ｖとなった際に、前記センサ出力信号の電圧が、当該センサ出力信号が印加される後段の回路の入力ダイナミックレンジの中心値となるよう当該センサ出力信号の電圧を調整するよう前記検出部の制御電圧により制御されてなることを特徴とするセンサ回路。

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