JP5541229B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、センサ素子から出力される検出信号電圧を複数段の増幅回路を用いて増幅するセンサ装置に関する。

センサ素子は歪ゲージ抵抗をブリッジ接続して構成されており、検出圧力等に応じて発生する検出信号電圧は非常に小さい。そのため、特許文献１に記載されているように、センサ素子から出力される検出信号電圧を一旦バッファ回路で受け、その後増幅回路を用いて増幅する。この特許文献１記載の圧力センサ装置では、図４（ａ）に示すようにオペアンプによる１段の反転増幅回路を採用している。この１段構成の増幅回路で検出信号電圧を十分に増幅するには非常に高い増幅率が必要になる。そこで、これに替えて図４（ｂ）に示すように高い増幅率を持つ２段（一般には複数段）の反転増幅回路を縦続接続することも可能である。

特開２００２−１７４５５９号公報（図８）

近年、車両におけるＥＭＣ（Electro Magnetic Compatibility）耐量への要求が一層高まっている。車両で用いられるセンサ装置は、電源線と種々の信号線とが束ねられたワイヤハーネスによりＥＣＵ（Electronic Control Unit）に接続されている。このため、センサ装置は、ワイヤハーネスに含まれる電源線や信号線からの誘導ノイズを受け易く、イミュニティが低下し易い。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ＥＭＣ耐量を高めたセンサ装置を提供することにある。

請求項１に記載した手段によれば、歪ゲージ抵抗をブリッジ接続して構成されたセンサ素子に電流出力回路から駆動電流を供給することにより、センサ素子は検出対象である物理量に応じた検出信号電圧を発生する。この検出信号電圧は非常に小さいので、センサ素子に対しバッファ回路が設けられている。バッファ回路の後段には、Ｎ段（Ｎ≧２）に亘って縦続（カスケード）接続され、その縦続接続された各段がオペアンプにより構成された増幅回路が接続されている。増幅回路のうち最終段の増幅回路の増幅率をＧN、最終段の増幅回路よりも１段前の増幅回路の増幅率をＧN-1とすれば、ＧN-1＞ＧNの関係が成立している。

本願発明者は、上述した従来構成のセンサ装置において、その出力端子から誘導ノイズなどの外来ノイズがセンサ装置に入り込むと、センサ装置に係るＥＭＣ耐量が通常想定されるレベルを超えて低下することを突き止めた。さらに、センサ装置の出力端子に侵入したノイズが、センサ装置の増幅回路で増幅されて増大しているとの考察の下で上記構成を採用したところ、ＥＭＣ耐量が高まることを確認した。

この理由は以下のように考えられる。すなわち、オペアンプを用いた増幅回路の出力インピーダンスは低いため、出力端子から侵入する低周波数のノイズが当該増幅回路の入力側に回り込む量は極めて小さい。しかし、誘導結合により侵入するノイズの周波数成分は高いので、オペアンプの応答速度（換言すれば周波数帯域幅）が十分でなく、オペアンプに位相遅れが生じてネガティブフィードバックによるノイズ抑制作用が低減する。その結果、出力側から侵入したノイズが増幅回路の入力側に回り込み、ノイズ自体が増幅されてしまう結果となる。オペアンプのＧＢ積（利得帯域幅積）は一定であるため、増幅率を高くするほど周波数帯域幅は低下してＥＭＣ耐量が低下する。

これに対し、本手段によれば最終段の増幅回路の増幅率ＧNを１段前の増幅回路の増幅率ＧN-1よりも低く設定したので、全体として同じ増幅率を得る場合、出力側から侵入したノイズが最終段の増幅回路の入力側に回り込む量を低減できる。最終段の増幅回路の増幅率ＧNが比較的低く設定されているので、入力側に回り込んだノイズの増幅が抑えられる。これにより、センサ装置のＥＭＣ耐量を高めることができる。

請求項２に記載した手段によれば、最終段の増幅回路を構成するオペアンプのフィードバック経路にローパスフィルタを付加したので、特に高い周波数のノイズについて増幅回路の出力側から入力側への回り込みを低減できる。これにより、センサ装置のＥＭＣ耐量を一層高めることができる。

請求項３に記載した手段によれば、最終段の増幅回路をオペアンプによる反転増幅回路の形態に構成し、オペアンプの反転入力端子とグランドとの間にコンデンサを付加したので、そのフィルタ作用によりセンサ装置のＥＭＣ耐量を一層高めることができる。

請求項４に記載した手段によれば、最終段の増幅回路をオペアンプによる反転増幅回路の形態に構成し、オペアンプの反転入力端子と出力端子との間にコンデンサを付加したので、そのフィルタ作用によりセンサ装置のＥＭＣ耐量を一層高めることができる。

請求項５に記載した手段によれば、ＧN-1＞２・ＧNの関係が成立している。これにより、増幅回路全体として高い増幅率を持ちながら、センサ装置のＥＭＣ耐量をより効果的に高めることができる。

請求項６に記載した手段によれば、最終段の増幅回路の出力端子は、外部に対し検出信号を出力するパッドに接続されている。誘導ノイズなどの外来ノイズは、このようなパッドを介してセンサ装置に入り込み易いので、上述した増幅回路によるノイズの増幅抑制作用がより効果的に得られる。

請求項７に記載した手段によれば、センサ素子は、圧力に応じた検出信号電圧を発生するものである。
請求項８に記載した手段によれば、センサ素子は、加速度に応じた検出信号電圧を発生するものである。

本発明の第１の実施形態を示す圧力センサの構成図 本発明の第２の実施形態を示す増幅回路の構成図 本発明の第３の実施形態を示す増幅回路の構成図 従来の圧力センサに適用される増幅回路の構成図

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について圧力センサ装置の構成を示す図１を参照しながら説明する。この圧力センサ１は、例えば車両に搭載されており、ワイヤハーネスを通してＥＣＵ（図示せず）から電源電圧Ｖccの供給を受けるとともに、検出物理量である検出圧力に応じた検出信号電圧を所定の電圧範囲となるように増幅した電圧Ｖｐ（圧力検出信号）をＥＣＵに対して出力する。

圧力センサ装置１は、センサ素子２、定電流出力回路３、バッファ回路４、増幅回路５などの回路を半導体基板上に形成して構成されている。パッド１ａ、１ｂは上記電源電圧Ｖccの供給を受ける電源用パッドであり、それぞれ内部の電源線６、７に接続されている。パッド１ｃは圧力検出信号の出力用パッドである。

センサ素子２は、ホイートストンブリッジの形態に接続された歪ゲージ抵抗８〜１１を備え、検出圧力に応じた検出信号電圧を発生する。歪ゲージ抵抗８〜１１は、半導体基板に形成された薄肉部の表面に形成されている。圧力が増加すると、抵抗８、１１の抵抗値が減少するとともに抵抗９、１０の抵抗値が増加する。抵抗１２〜１５はホイートストンブリッジの零点を調整するために設けられており、抵抗１６は検出感度の温度特性を調整するために設けられている。

定電流出力回路３は、センサ素子２のホイートストンブリッジに一定の駆動電流を出力する電流出力回路である。電源線６とホイートストンブリッジの高電位側ノードＮａとの間には調整可能な抵抗１７が接続されている。オペアンプ１８の反転入力端子はホイートストンブリッジの高電位側ノードＮａに接続され、オペアンプ１８の出力端子はホイートストンブリッジの低電位側ノードＮｂに接続されている。基準電圧生成回路１９は、電源線６、７間の電源電圧Ｖccを抵抗２０〜２２により分圧して基準電圧Ｖr1、Ｖr2を生成しており、オペアンプ１８の非反転入力端子には基準電圧Ｖr1が与えられている。オペアンプ１８は、ノードＮａの電圧が基準電圧Ｖr1に等しくなるようにノードＮｂの電圧を制御し、センサ素子２に定電流を供給する。

バッファ回路４は、ボルテージフォロアの形態で用いられるオペアンプ２３、２４を備えている。オペアンプ２３、２４の非反転入力端子は、それぞれ歪ゲージ抵抗８と９との接続ノードＮｃ、歪ゲージ抵抗１０と１１との接続ノードＮｄに接続されている。これにより、バッファ回路４は、センサ素子２のホイートストンブリッジから出力される検出信号電圧を入力する。

オペアンプ２３の出力端子にはダーリントン接続されたトランジスタ２５、２６が接続されている。電源線６とトランジスタ２５、２６との間、トランジスタ２６とオペアンプ２４の出力端子との間には、それぞれ調整可能な抵抗２７、２８が接続されている。センサ素子２のノードＮｂと電源線７（グランド）との間に直列に接続された抵抗３０、３１、およびオペアンプ２４の出力端子と抵抗３０、３１の共通接続点との間に接続された抵抗２９は、零点の温度補償のために設けられている。図１に示した各調整用抵抗はレーザトリミングされる。

バッファ回路４の後段に位置する増幅回路５は、オペアンプ３２、３３により構成された２段の反転増幅回路５１、５２が縦続（カスケード）接続されている。１段目（最終段より１段前）の増幅回路５１はオペアンプ３２と抵抗３４から構成され、２段目（最終段）の増幅回路５２はオペアンプ３３と抵抗３５、３６から構成されている。オペアンプ３３の非反転入力端子には基準電圧Ｖr2が与えられ、オペアンプ３３の出力端子はパッド１ｃに接続されている。

ノードＮｃ、Ｎｄの電圧をＶ１、Ｖ２、抵抗２７、２８、３４、３５、３６の抵抗値をそれぞれＲ27、Ｒ28、Ｒ34、Ｒ35、Ｒ36とすれば、１段目の増幅回路５１の出力電圧Ｖo1は（１）式となる。この式から、抵抗２７をトリミングすれば出力電圧Ｖo1の零点調整が可能となることが分かる。
Ｖo1＝Ｒ34／Ｒ28（Ｖ１−Ｖ２）＋（Ｖr1＋Ｒ34／Ｒ27（Ｖr1−Ｖcc）） …（１）

２段目の増幅回路５２の出力電圧Ｖo2（＝Ｖｐ）は（２）式となる。
Ｖo2＝Ｖｐ＝−Ｒ36／Ｒ35・Ｖo1＋（１＋Ｒ36／Ｒ35）Ｖr2 …（２）
すなわち、増幅回路５１の増幅率Ｇ１と増幅回路５２の増幅率をＧ２は、それぞれ（３）式、（４）式となる。
Ｇ１＝Ｒ34／Ｒ28 …（３）
Ｇ２＝Ｒ36／Ｒ35 …（４）

ここで、１段目（最終段より１段前）の増幅回路５１の増幅率Ｇ１と２段目（最終段）の増幅回路５２の増幅率Ｇ２との間には(５)式の関係が成立している。この場合、後述するＥＭＣ耐量を一層高めるには（６）式の関係が成立することが好ましい。
Ｇ１＞Ｇ２ …（５）
Ｇ１＞２・Ｇ２ …（６）

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。圧力センサ１のセンサ素子２に圧力が加わっていない場合にはノードＮｃ、Ｎｄの電位は等しくなり（Ｖ１＝Ｖ２）、圧力が加わるとその圧力に応じて電位差Ｖ１−Ｖ２が生じる。この電位差Ｖ１−Ｖ２は小さいため、複数段（ここでは２段）に構成された増幅回路５を用いて高増幅率で増幅してＥＣＵに出力する。

ところで、圧力センサ１はワイヤハーネスによりＥＣＵに接続されている。このため、上述したようにワイヤハーネスに束ねられた電源線や信号線からの誘導ノイズを受け易くイミュニティが低下し易い。ワイヤハーネスが接続される出力用のパッド１ｃに繋がる増幅回路５の増幅率を高めると、外部から侵入するノイズに起因して圧力センサ１に係るＥＭＣ耐量が通常想定されるレベルを超えて低下する現象が見られた。

このような現象が生じる理由は以下のように考えられる。すなわち、増幅回路５２を構成するオペアンプ３３の出力インピーダンスは低いため、出力端子から侵入する低周波数のノイズがオペアンプ３３の入力側に回り込む量は極めて小さい。しかし、ワイヤハーネス等での誘導結合により侵入するノイズの周波数成分は高いので、オペアンプ３３の応答速度（周波数帯域幅）が不足し、オペアンプ３３に位相遅れが生じてネガティブフィードバックによるノイズ抑制作用が低減する。

その結果、出力側から侵入したノイズがオペアンプ３３の入力側に回り込み、ノイズ自体が増幅されてしまう結果となる。オペアンプ３３の入力側に回り込んだノイズは、高増幅率のオペアンプ３２の入力側にも回り込む。一般に、オペアンプのＧＢ積（利得帯域幅積）は一定であるため、増幅率を高くするほど周波数帯域幅は低下してＥＭＣ耐量が低下する。

そこで、本実施形態では、増幅回路５全体の増幅率を必要な高い値に保ちつつ、（５）式で示したように２段目（最終段）の増幅回路５２の増幅率Ｇ２を１段目（最終段より１段前）の増幅回路５１の増幅率Ｇ１よりも相対的に低く設定している。これにより、出力電圧Ｖｐ（圧力検出信号）を適正な信号レベル範囲にまで高めながら、出力用のパッド１ｃから侵入した誘導ノイズが最終段の増幅回路５２の入力側に回り込む量を低減できる。増幅回路５２の増幅率Ｇ２が比較的低く設定されているので、入力側に回り込んだノイズの増幅が抑えられる。また、１段目の増幅回路５１の入力側に回り込むノイズも低減する。その結果、圧力センサ１のＥＭＣ耐量を高めることができる。

（第２の実施形態）
図２は、圧力センサのうち増幅回路５に係る第２の実施形態の構成を示している。本実施形態の増幅回路５は、最終段の増幅回路５２を構成するオペアンプ３３のフィードバック経路にローパスフィルタ３７を備えている。ローパスフィルタ３７は、抵抗３６と、オペアンプ３３の反転入力端子と電源線７との間に接続されたコンデンサ３８とから構成されている。本実施形態によれば、特に高い周波数のノイズについてオペアンプ３３の出力側から入力側への回り込みを低減できる。これにより、圧力センサのＥＭＣ耐量を一層高めることができる。

（第３の実施形態）
図３は、圧力センサのうち増幅回路５に係る第３の実施形態の構成を示している。本実施形態の増幅回路５は、最終段の増幅回路５２を構成するオペアンプ３３のフィードバック経路にローパスフィルタ３９を備えている。ローパスフィルタ３９は、抵抗３６と、オペアンプ３３の反転入力端子と出力端子との間に接続されたコンデンサ４０とから構成されている。本実施形態によれば、特に高い周波数のノイズについてオペアンプ３３の出力側から入力側への回り込みを低減できる。これにより、圧力センサのＥＭＣ耐量を一層高めることができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、拡張を行うことができる。

上記第１ないし第３実施形態では２段構成の増幅回路５について説明したが、増幅回路５をＮ段（Ｎ≧２）に亘って縦続（カスケード）接続した構成としてもよい。各段の増幅回路はオペアンプにより構成される。この場合、最終段の増幅回路の増幅率をＧN、最終段の増幅回路よりも１段前の増幅回路の増幅率をＧN-1とすれば、ＧN-1＞ＧN（より好ましくはＧN-1＞２・ＧN）の関係が成立するように構成する。ローパスフィルタ３７、３９は、少なくとも最終段の増幅回路に設ければよいが他の段に設けてもよい。この一般化した構成によっても、上記各実施形態で説明した通りの効果が得られる。

増幅回路５の構成は反転増幅回路に限られない。オペアンプを用いた構成であれば、非反転増幅回路など種々の構成を採用できる。
上述した増幅回路５に係る構成は、圧力センサ装置に限られず、歪みゲージ抵抗をブリッジ接続して構成されるセンサ素子を使用するものであれば加速度センサ、磁気センサ、光センサ等の物理量センサ装置に適用することも可能である。

図面中、１は圧力センサ（センサ装置）、１ｃはパッド、２はセンサ素子、３は定電流出力回路（電流出力回路）、４はバッファ回路、５、５１、５２は増幅回路、８〜１１は歪ゲージ抵抗、３２、３３はオペアンプ、３７、３９はローパスフィルタ、３８、４０はコンデンサである。

Claims (8)

1. 歪ゲージ抵抗をブリッジ接続して構成され、検出物理量に応じた検出信号電圧を発生するセンサ素子と、
   前記センサ素子に駆動電流を供給する電流出力回路と、
   前記センサ素子から出力される検出信号電圧を入力するバッファ回路と、
   前記バッファ回路の後段にＮ段（Ｎ≧２）に亘って縦続接続され、それぞれがオペアンプにより構成された増幅回路とを備え、
   前記増幅回路のうち最終段の増幅回路の増幅率をＧN、前記最終段の増幅回路よりも１段前の増幅回路の増幅率をＧN-1とすれば、ＧN-1＞ＧNの関係が成立していることを特徴とするセンサ装置。
2. 前記最終段の増幅回路を構成するオペアンプのフィードバック経路にローパスフィルタを付加したことを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
3. 前記最終段の増幅回路をオペアンプによる反転増幅回路の形態に構成し、前記オペアンプの反転入力端子とグランドとの間にコンデンサを付加したことを特徴とする請求項２記載のセンサ装置。
4. 前記最終段の増幅回路をオペアンプによる反転増幅回路の形態に構成し、前記オペアンプの反転入力端子と出力端子との間にコンデンサを付加したことを特徴とする請求項２記載のセンサ装置。
5. ＧN-1＞２・ＧNの関係が成立していることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載のセンサ装置。
6. 前記最終段の増幅回路の出力端子は、外部に対し検出信号を出力するパッドに接続されていることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載のセンサ装置。
7. 前記センサ素子は、圧力に応じた検出信号電圧を発生するものであることを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載のセンサ装置。
8. 前記センサ素子は、加速度に応じた検出信号電圧を発生するものであることを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載のセンサ装置。

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