(57)【要約】【課題】起動時間が短く、且つ間欠動作が可能なセンサを提供する。【解決手段】電荷を出力するセンサ部７０と、チャージアンプ７２を備えるアンプ部７１と、基準電圧生成部７５と、基準電圧生成部７５の第１電源７６と、アンプ部７１の第２電源７７と、第１電源７６がＯＮのときに、第２電源７７のＯＮ／ＯＦＦを切り替える制御部７８と、を備える【選択図】  図１
2018128368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷を出力するセンサ部と、
チャージアンプを備えるアンプ部と、
基準電圧生成部と、
前記基準電圧生成部の第１電源と、
前記アンプ部の第２電源と、
前記第１電源がＯＮのときに、前記第２電源のＯＮ／ＯＦＦを切り替える制御部と、
を備えるセンサ。
【請求項２】
前記第１電源と、前記第２電源とが隣り合って配置されている請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記アンプ部は、前記チャージアンプの後段に配置されたアンプと、少なくとも一つのコンデンサと、スイッチと、をさらに備え、
前記コンデンサは前記アンプの前段に接続され、
前記スイッチは、前記チャージアンプの出力側と、前記コンデンサの後段側と、を接続するように設けられ、
前記制御部は、前記スイッチを、前記第２電源と共にＯＮに切り替え、所定時間経過後にＯＦＦに切り替える請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項４】
バッファを備え、
前記アンプ部は、前記チャージアンプの後段に配置された非反転アンプを備え、
前記バッファは前記非反転アンプの前段に接続される請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンプを備えるセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電素子などを用いて、該圧電素子から出力した電荷をチャージアンプで電圧に変換した後に、電圧を利用し易いレベルに増幅させて出力するセンサが提案されている（特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開第２００２−１６８７１９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の圧電型圧力センサにおいては、オペアンプのプラス側電源入力端子とオペアンプの非反転入力端子には同時に電力が常時供給される。しかし、電気機器は、消費電力を抑えるために。使用時のみ電力を供給することが好ましい。ただし、電源電圧の変動の抑制として不図示のコンデンサが用いられるため、電圧が安定するまでには時間がかかる。このようなオペアンプを用いた圧電型圧力センサは、電力を供給し始めてから安定するまでの時間、すなわち起動時間が長くかかる。起動時間が長い場合、圧電型圧力センサを短い周期で間欠動作させることが困難となる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、起動時間が短く、且つ間欠動作が可能なセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明のセンサは、電荷を出力するセンサ部と、チャージアンプを備えるアンプ部と、基準電圧生成部と、前記基準電圧生成部の第１電源と、前記アンプ部の第２電源と、前記第１電源がＯＮのときに、前記第２電源のＯＮ／ＯＦＦを切り替える制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
基準電圧生成部の第１電源と、アンプ部の第２電源と、を備える。第１電源がＯＮのときに、第２電源はＯＮ／ＯＦＦの切り替えが可能であるため、基準電圧生成部は常に通電状態に維持され、必要に応じてアンプ部を通電状態にすることができる。通常、基準電圧生成部は安定するのに時間がかかるが、常に通電状態に維持されることにより、安定させておくことができる。基準電圧が安定していれば、アンプ部が立ち上がって安定するまでの時間は、例えば1秒以下と短い。このため、センサから安定した電圧が得られるまでにかかる時間が短縮されるため、起動時間が短く、且つ間欠動作が可能になる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、起動時間が短く、且つ間欠動作をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態に係るセンサの概略の回路を説明する図である。
【図２】図２は、第２実施形態に係るセンサの概略の回路を説明する図である。
【図３】図３は、第２実施形態に係る電源の配置例を説明する図である。
【図４】図４は、第３実施形態に係るセンサの概略の回路を説明する図である。
【図５】図５は、第４実施形態に係るセンサの概略の回路を説明する図である。
【図６】図６（Ａ）は、実施例１に係るセンサの起動時の出力電圧を示したグラフである。図６（Ｂ）は、実施例２に係るセンサの起動時の出力電圧を示したグラフである。図６（Ｃ）は、比較例に係るセンサの起動時の出力電圧を示したグラフである。
【図７】図７（Ａ）は、従来技術に係るセンサの概略の回路を説明する図である。図７（Ｂ）は、従来技術に係るセンサにおける基準電圧生成部の概略の回路を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、第１の実施形態に係るセンサを説明する。図１は、センサ１０１の概略の回路を説明する図である。
【００１１】
センサ１０１は、図１に示すように、センサ部７０、アンプ部７１、基準電圧生成部７５、基準電圧生成部７５の第１電源７６、アンプ部７１の第２電源７７、及び制御部７８を備える。アンプ部７１は、チャージアンプ７２、第１アンプ７３、及び第２アンプ７４を備える。第１アンプ７３は、チャージアンプ７２の後段に配置され、第２アンプ７４は、第１アンプ７３の後段に配置されている。制御部７８は、第２電源７７と接続されている。
【００１２】
センサ部７０は、チャージアンプ７２におけるマイナス側の入力端子と接続されている。チャージアンプ７２の出力端子は、第１アンプ７３におけるマイナス側の入力端子に接続されている。第１アンプ７３の出力端子は、第２アンプ７４におけるマイナス側の入力端子に接続されている。第２アンプ７４の出力端子は、アンプ部７１の出力端子７９に接続されている。基準電圧生成部７５は、チャージアンプ７２、第１アンプ７３、及び第２アンプ７４におけるそれぞれのプラス側の入力端子に接続されている。第２電源７７は、チャージアンプ７２、第１アンプ７３、及び第２アンプ７４に接続され、各アンプに電力を供給する。
【００１３】
センサ部７０は、電荷を出力するものであり、例えば、圧電素子などを用いた押圧センサが挙げられる。チャージアンプ７２は、センサ部７０が出力した電荷を電圧に変換する。第１アンプ７３は、チャージアンプ７２から出力された電圧を増幅する。また、第２アンプ７４は、第１アンプ７３から出力された電圧を増幅し、出力端子７９に出力する。これにより、センサ部７０で得られた電荷が、出力端子７９から電圧として出力される。チャージアンプ７２、第１アンプ７３、及び第２アンプ７４は、基準電圧生成部７５で生成された基準電圧をそれぞれのプラス側の入力端子から入力し、それぞれのマイナス側の入力端子から入力される電圧との差分を増幅する。なお、アンプ部７１は、チャージアンプ７２を備えていればよく、第１アンプ７３及び第２アンプ７４は必要に応じて配置することができ、また必要に応じてオペアンプを増設することが可能である。
【００１４】
図７（Ａ）は、従来技術に係るセンサ１０５の概略の回路を説明する図である。図７（Ｂ）は、センサ１０５における基準電圧生成部７５の概略の回路を説明する図である。図７（Ａ）に示すように、センサ１０５は、第１電源７６及び第２電源７７の代わりに、基準電圧生成部７５及びアンプ部７１に共通の電源５１を備えること以外は、センサ１０１と概同様の構成であるため、その他の構成については説明を省略する。
【００１５】
図７（Ｂ）に示すように、基準電圧生成部７５は、第１抵抗５２、第２抵抗５３、及びコンデンサ５４を備える。電源５１から供給された電力は、第１抵抗５２及び第２抵抗５３で分圧され、コンデンサ５４によって平滑化されて、出力端子５５に出力される。一般的にセンサ１０５において、センサ部７０を携帯機器などのバッテリーや乾電池で駆動する装置に組み込む場合には、消費電流を抑える必要がある。そのため、第１抵抗５２及び第２抵抗５３として抵抗が大きいもの（例えば、１〜数ＭΩのもの）が採用されている。センサ部７０を、例えば携帯通信機器等の消費電流の変動が激しい機器に使用すると、消費電流が急増した時に、基準電圧生成部７５から供給される電圧に数十ｍＶ程度の電圧降下が生じることがある。この時に生じる電圧の波形はステップ状であるため、電源電圧の変動量は小さいものの、局所的には急激に変化する。基準電圧生成部７５から供給される電圧にこのような急激な変動が生じると、センサ１０５の回路にノイズが生じるため、該ノイズを抑制するためにある程度の大きさ（例えば、１μＦ程度）の容量のコンデンサ５４が必要となる。このような第１抵抗５２、第２抵抗５３、及びコンデンサ５４を備える基準電圧生成部７５においては、起動して安定するまでの時間が長く（例えば、２、３秒程度）かかる。また、例えば乾電池を昇圧した電源の場合や、待機時の消費電流を低減したい場合に用いられるＰＷＭモードとＰＦＭモードとの切り替え機能を持つ電源ＩＣから電源が供給される場合において、待機時には電源ＩＣがＰＦＭモードで動作し、電源に０．３〜０．５Ｖｐ−ｐの三角波状のリップル電圧が重畳する。この影響を緩和するため、さらに大きい（例えば、１０μＦ程度）容量のコンデンサ５４が必要となり、起動して安定するまでの時間がさらに長く（例えば、１０秒程度）かかる。このため、上記の定数で基準電圧生成部７５を構成した場合、基準電圧が安定するまでに１０秒程度かかり、アンプ部７１の出力が安定するまでに時間がかかる。このため、センサ部７０を間欠動作させることは難しい。
【００１６】
上記従来技術に対して、本実施形態におけるセンサ１０１は、図１に示すように、基準電圧生成部７５及びアンプ部７１に対して、それぞれ独立した第１電源７６及び第２電源７７を備える。
【００１７】
第１電源７６は常にＯＮであり、基準電圧生成部７５に電力を供給する。第１電源７６をＯＮの状態にしておくことにより、基準電圧生成部７５に常に電力を供給することができるため、基準電圧生成部７５は安定した状態を維持できる。このため、基準電圧生成部７５は安定して基準電圧を生成して、チャージアンプ７２、第１アンプ７３、及び第２アンプ７４に供給することができる。
【００１８】
第２電源７７は、チャージアンプ７２、第１アンプ７３、及び第２アンプ７４に接続され、各アンプに電力を供給する。制御部７８は、第２電源７７のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。例えば、センサ部７０を駆動する必要があるときのみ、第２電源７７をＯＮとすることができる。基準電圧生成部７５から供給される基準電圧が安定している場合、アンプ部７１の出力の安定にかかる時間は短い（例えば、１秒以内）ため、第２電源７７をＯＮにしてから、電圧が出力端子７９に出力されるまでにかかる時間が短い。これにより、センサ１０１の間欠動作が可能となり、かつ消費電力を抑えることができる。
【００１９】
図２は、第２の実施形態に係るセンサ１０２の概略の回路を説明する図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、第２の実施形態に係る電源の配置例を説明する図である。図２に示すように、センサ１０２は、第１電源７６及び第２電源７７の位置が隣り合って配置されていること以外は、センサ１０１と概同様の構成であるため、その他の構成については説明を省略する。
【００２０】
図２に示すように、センサ１０２は、第１電源７６及び第２電源７７が隣り合って配置されている。仮にセンサ１０２を間欠動作させる必要がない場合、第１電源７６及び第２電源７７を接続してショートさせた状態で使用することができる。接続する際に、第１電源７６及び第２電源７７が隣り合って配置されているため、接続が容易である。これにより、センサ１０２における配線の引き回しを簡潔に構成することができる。以下、センサ１０２における電源の配置例について説明する。
【００２１】
図３（Ａ）に示すように、アンプ部７１は複数の端子１〜１２を有する。端子１〜１２は、アンプ部７１の周辺に配置されている。例えば、第１電源７６として端子５が、第２電源７７として端子６が選択されている。端子５及び端子６は互いに隣り合って配置されているため、接続してショートさせることが容易である。他に、第１電源７６として端子４が、第２電源７７として端子５が選択されることも可能である。また、第１電源７６として端子３が、第２電源７７として端子５が選択されることも可能である。
【００２２】
図３（Ｂ）に示すように、アンプ部７１は複数の端子１〜３２を有する。端子１〜３２は、アンプ部７１に千鳥配置状に配置されている。例えば、第１電源７６として端子７が、第２電源７７として端子８が選択されている。他に、第１電源７６として端子７が、第２電源７７として端子２４が選択されることも可能である。また、第１電源７６として端子２３が、第２電源７７として端子２４が選択されることも可能である。
【００２３】
図３（Ｃ）に示すように、アンプ部７１は複数の端子１〜１６を有する。端子１〜１６は、アンプ部７１に格子状に配置されている。例えば、第１電源７６として端子８が、第２電源７７として端子１２が選択されている。他に、第１電源７６として端子７が、第２電源７７として端子１１が選択されることも可能である。また、第１電源７６として端子７が、第２電源７７として端子１０が選択されることも可能であり、第１電源７６として端子６が、第２電源７７として端子７が選択されることも可能である。
【００２４】
図４は、第３の実施形態に係るセンサ１０３の概略の回路を説明する図である。図４に示すように、センサ１０３は、さらにコンデンサ８１及びスイッチ８２が設けられていること以外は、センサ１０１と概同様の構成であるため、その他の構成については説明を省略する。
【００２５】
図４に示すように、アンプ部７１は、コンデンサ８１及びスイッチ８２を備える。コンデンサ８１は、第２アンプ７４の前段に、すなわち第１アンプ７３の後段に接続されている。スイッチ８２は、チャージアンプ７２の後段側と、コンデンサ８１の後段側と、を接続するように設けられている。すなわち、スイッチ８２を介して、第１アンプ７３の前段側とコンデンサ８１の後段側とを接続するようにスイッチ８２が設けられている。制御部７８は、スイッチ８２及び第２電源７７と接続されている。なお、コンデンサ８１は、第２アンプ７４の後段側にさらに設けられていてもよく、スイッチ８２は、チャージアンプ７２の後段側と、後段のコンデンサ８１の後段側と、を接続するように設けられていてもよい。
【００２６】
コンデンサ８１は、オフセット電圧による無荷重時の出力電圧のズレを補正するための、いわゆるＡＣ結合として設けられている。通常、ＡＣ結合に用いるコンデンサの容量は、ＡＣ結合を通過する信号の周波数において通過損失が無視できる程度になるように選定される。ＰＶＤＦ、ＰＬＬＡなどを用いて押圧検知を行う場合は、センサ部７０における電荷の発生頻度が極めて低い（例えば、数Ｈｚ程度）ため、ＡＣ結合用のコンデンサとしては大容量のもの（例えば、１μＦ）を使用する必要がある。ＡＣ結合を用いる場合、電源投入時に後段の回路における無入力時の電圧が基準電圧に収束するためには、ＡＣ結合のコンデンサに電荷をチャージする必要がある。チャージに用いる電流は、後段のアンプ出力から帰還回路を通して供給される。しかし、後段のアンプでアクティブフィルタを構成する場合には、センサ部７０における電荷の発生頻度が極めて低い（例えば、数Ｈｚ程度）ため、アクティブフィルタを構成する抵抗の定数は少なくとも１ＭΩとなり、後段のアンプ出力から帰還回路を通して供給される電流は１μＡ以下となる。この場合、例えば、１μＦのコンデンサを基準電圧１．５Ｖまでチャージするには、１．５μＱの電荷が必要で、電流を１μＡとしても１．５秒必要となる。このような理由から、センサ１０３では、ＡＣ結合の後段にアクティブフィルタを構成する場合には、アンプ部７１が安定するまでに時間がかかる。
【００２７】
センサ１０３においては、制御部７８は第２電源７７をＯＮにすると、スイッチ８２を同時にＯＮに切り替える。これにより、第１アンプ７３の後段と、コンデンサ８１の後段とがスイッチ８２を介して接続された状態となるため、第２電源７７がＯＮにされると同時に、コンデンサ８１の後段の電圧は急速に収束する。制御部７８は、コンデンサ８１の充電に十分な所定時間、スイッチ８２をＯＮ状態に維持させる。第２電源７７がＯＮにされて所定時間経過後、制御部７８はスイッチ８２をＯＦＦに切り替える。
【００２８】
これにより、第２電源７７がＯＮにされた後のアンプ部が安定するまでにかかる時間が短縮される。したがって、ＡＣ結合による弊害を回避するこができる。また、センサ１０３に応じた所定時間後、スイッチ８２がＯＦＦに切り替えられるため、オフセット電圧によるズレが補正された電圧が、出力端子７９に出力される。
【００２９】
図５は、第４の実施形態に係るセンサ１０４の概略の回路を説明する図である。図５に示すように、センサ１０４は、バッファ４１が設けられていること、及び後段側のアンプが非反転アンプであること以外は、センサ１０１と概同様の構成であるため、その他の構成については説明を省略する。
【００３０】
図５に示すように、センサ１０４はバッファ４１を備える。バッファ４１は、基準電圧生成部７５の後段で、かつチャージアンプ７２、第１アンプ７３、及び第２アンプ７４の前段に接続されている。バッファ４１は第２電源７７に接続され、第２電源７７から電力を供給されている。バッファ４１としては、例えばオペアンプのボルテージフォロワ等が採用される。バッファ４１は、インピーダンスを低下させる。
【００３１】
アンプ部７１に配置された第２アンプ７４は非反転アンプである。なお、第２アンプ７４の代わりに第１アンプ７３が非反転アンプである場合や、第１アンプ７３、及び第２アンプ７４が共に非反転アンプである場合も採用され得る。アンプ部７１に配置されたアンプが非反転アンプである場合、非反転アンプのマイナス側の入力端子及びフィードバックが基準電圧生成部７５と接続されるため、基準電圧生成部７５のインピーダンスを低くする必要がある。バッファ４１は基準電圧生成部７５で生成された基準電圧を低インピーダンス化するため、非反転アンプをアンプ部７１に採用することができる。
【００３２】
以下、実施例及び比較例について述べる。図６（Ａ）は、実施例１に係るセンサ１０１の起動時の出力電圧を示したグラフである。図６（Ｂ）は、実施例２に係るセンサ１０３の起動時の出力電圧を示したグラフである。図６（Ｃ）は、比較例に係るセンサ１０５の起動時の出力電圧を示したグラフである。すなわち、図６（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１、実施例２、及び比較例の出力端子７９における出力電圧の起動時からの経時変化を示したグラフである。
【００３３】
実施例及び比較例において、起動時から出力電圧が安定するまでの時間を測定した。実施例１は第１の実施形態に係るセンサ１０１を、実施例２は第３の実施形態に係るセンサ１０３を、比較例は従来技術のセンサ１０５をそれぞれ用いた。第１電源７６から供給する基準電圧は、それぞれ１．５Ｖとした。出力端子７９における出力電圧が１．４５Ｖ〜１．５５Ｖの範囲に収束した時点をもって、出力電圧が安定したと判断した。
【００３４】
図６（Ａ）に示すように、センサ１０１では、予め第１電源７６がＯＮとなっており、安定しているため、基準電圧は１．５Ｖで安定している。第２電源７７がＯＮにされた後、センサ１０１の出力電圧は０．８１秒で安定した。このため、実施例１のセンサ１０１では、起動時間が１秒以下であることが確認された。
【００３５】
図６（Ｂ）に示すように、センサ１０３では、予め第１電源７６がＯＮとなっており、安定しているため、基準電圧は１．５Ｖで安定している。第２電源７７がＯＮにされた後、センサ１０３の出力電圧は０．２６秒で安定した。ＡＣ結合による応答性の低下を抑えながらもオフセット電圧の影響が抑制されるため、実施例１より起動時間がさらに短いことが確認された。
【００３６】
図６（Ｃ）に示すように、センサ１０５では、０秒の時点で基準電圧生成部７５及びアンプ部７１に共通の電源５１がＯＮとされ、出力電圧は２．５７秒で安定した。これにより、比較例においては、実施例１及び実施例２より、出力電圧の安定時間が長いため、起動時間が長くなることが確認された。
【符号の説明】
【００３７】
７０…センサ部
７１…アンプ部
７２…チャージアンプ
７３，７４…アンプ
７５…基準電圧生成部
７６…第１電源
７７…第２電源
７８…制御部
８１…コンデンサ
８２…スイッチ
４１…バッファ
１０１，１０２，１０３，１０４…センサ
【図１】
2018128368.tif 000003
【図２】
2018128368.tif 000004
【図３】
2018128368.tif 000005
【図４】
2018128368.tif 000006
【図５】
2018128368.tif 000007
【図６】
2018128368.tif 000008
【図７】
2018128368.tif 000009