(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車載装置に接続され、該車載装置から電源供給されて駆動するセンサ装置において、
物理量検出部と、出力端子と、該物理量検出部の検出信号が入力され、該出力端子に出力信号を出力する演算増幅器と、を備え、
前記演算増幅器は、
前記供給される電圧よりも低電圧で駆動し、
前記出力信号よりも低電圧の負帰還信号が入力されるセンサ装置。
【請求項２】
レギュレータと、複数の抵抗を有する抵抗回路と、を備え、
前記レギュレータは、
前記供給される電圧を入力し、該電圧よりも低電圧を出力し、
前記抵抗回路は、
前記出力信号を入力し、該出力信号よりも低電圧を出力し、
前記演算増幅器は、前記レギュレータから出力される電圧で駆動し、かつ、前記抵抗回路から出力される電圧を負帰還信号とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記抵抗回路と前記演算増幅器の間に保護ダイオードを接続する請求項２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記物理量検出部は、抵抗型の検出素子であり、
電源端子と前記検出素子との間に抵抗素子を有する請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記物理量検出部が検出した信号に基づくデジタル信号をアナログ信号に変換する抵抗型のＤＡ変換器と、
前記ＤＡ変換器と電源端子を接続する抵抗素子と、
を有する請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記ＤＡ変換器と前記抵抗素子との間に保護ダイオードを接続する請求項５に記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記演算増幅器は、反転型の増幅回路である請求項１乃至６の何れかに記載のセンサ装置。
【請求項８】
前記演算増幅器は、スイッチドキャパシタ回路を有する請求項７に記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車載用のセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車載用のセンサ装置として、例えば特許文献１に記載されたセンサ装置などがある。
【０００３】
特許文献１では、外部の制御装置から電源の供給を受けてセンサ装置が駆動し、このセンサ装置は流量等の吸気管内を流れる流体の物理量をアナログ電圧で制御装置に出力する。このアナログ電圧の電圧振幅範囲は概ね０Ｖから制御装置から供給される電源電圧まで必要である。また、制御装置から供給される電源の電圧は５Ｖあるいは１２Ｖが使用されることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２５７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のセンサ装置は、制御装置からの電源をそのままセンサ装置の信号処理回路の電源として使用している。近年、微細プロセスを適用することにより、信号処理回路がより高性能化している。係る処理回路を適用する場合、回路の発熱等を防止するために、駆動電圧を低減することが望ましい。しかしながら、車載用のセンサ装置においては、制御装置への信号出力値を制御装置から供給される電圧までのレンジで出力する必要がある。特許文献１には、処理回路の微細プロセス化を図りつつ、センサ装置として望まれる出力レンジで出力することについては検討の余地がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的は信号処理回路を低電圧化できるセンサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本願発明のセンサ装置は、物理量検出部と、出力端子と、該物理量検出部の検出信号が入力され、該出力端子に出力信号を出力する演算増幅器と、を備え、前記演算増幅器は、前記供給される電圧よりも低電圧で駆動し、前記出力信号よりも低電圧の負機関信号が入力されるセンサ装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によればセンサ装置の電源電圧以下の低電圧で動作する信号処理回路を用いて電源電圧まで出力振幅が得られるセンサ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施例のセンサ装置の回路構成
【図２】測定物理量とセンサ装置１の出力電圧Ｖｏｕｔの関係
【図３】第２の実施例のセンサ装置の回路構成
【図４】第３の実施例のセンサ装置の回路構成
【図５】第４の実施例のセンサ装置の回路構成
【図６】ＤＡ変換器２３の回路構成
【図７】第５の実施例のセンサ装置の回路構成
【図８】第６の実施例のセンサ装置の回路構成
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
まず，本発明の第１の実施例であるセンサ装置を図１、２により説明する。
【００１２】
本実施例のセンサ装置１は、電源ラインＶｃｃとグランドラインＧｎｄとセンサ出力ラインＶｏｕｔを介して制御装置１０と接続される。センサ装置１は、電源ラインＶｃｃと接続される電源端子７と、グランドラインＧｎｄと接続されるグランド端子９と、センサ出力ラインＶｏｕｔと接続されるセンサ出力端子８を有している。センサ装置１は、電源ラインＶｃｃおよびグランドラインＧｎｄを介して、制御装置１０から電源が供給されて駆動する。そして、センサ装置１は、センサ出力端子８からセンサ出力ラインＶｏｕｔを介して、センサ出力電圧を制御装置１０へ送る。制御装置１０は、センサ装置１へ定電圧を供給する定電圧源１１と、センサ出力ラインＶｏｕｔと定電圧源１１の間に接続されたプルアップ抵抗１２を有している。センサ装置１は、測定物理量に応じて電圧Ｖｓｅｎが変化する物理量検出部２と、電源端子７を介して供給される電源電圧が入力され、電源電圧よりも低電圧を発生させるレギュレータ３と、レギュレータ３から供給される低電圧で動作しセンサ出力端子８の電圧を制御するオープンコレクタ型の演算増幅器４と、センサ出力端子８の電圧を分圧する分圧回路を構成する抵抗素子５，６とで構成される。なお、物理量検出部２には圧力センサ、加速度センサ、角速度センサ、空気流量センサなどが用いられる。
【００１３】
次に、図２を用いセンサ装置１の出力信号およびレギュレータ３の出力電圧について説明する。センサ装置１は、物理量検出部２が測定した測定物理量に応じて、センサ出力端子８から出力する出力信号である電圧を変化させている。ここで、センサ装置１の出力レンジは、測定物理量の要求測定範囲で、概ね０Ｖから電源端子７の電圧Ｖｃｃまで変化させる必要がある。また、レギュレータ３から演算増幅器４へ供給される出力電圧Ｖｒｅgは、センサ出力端子８の最大電圧よりも低い電圧である。そのため、演算増幅器４は、センサ出力端子８の最大電圧よりも低い電圧である電圧Ｖｒｅｇで駆動している。
【００１４】
次に、本実施例のセンサ装置１の動作について説明する。物理量検出部２は、測定物理量に応じて０ＶからＶｒｅｇ（レギュレレータ３の出力電圧）までのアナログ電圧Ｖｓｅｎを出力する。このアナログ電圧Ｖｓｅｎは演算増幅器４の非反転入力に接続される。演算増幅器４は出力ＭＯＳトランジスタを制御してセンサ出力端子８の電圧を制御する。センサ出力端子８に接続されるセンサ出力ラインＶｏｕｔは、プルアップ抵抗１２を介して電源ラインＶｃｃに接続されている。そのため、演算増幅器４の出力ＭＯＳトランジスタのオン抵抗を変化させることで、センサ出力端子８の出力電圧を０Ｖから電源端子７の電圧Ｖｃｃまで変化させることができる。センサ出力端子８と演算増幅器４の反転入力との間には、抵抗５、６からなる抵抗回路が設けられている。抵抗素子５，６によって分圧されたセンサ出力端子８の電圧が演算増幅器４の反転入力に入力され、演算増幅器４に負帰還をかける。この結果、物理量検出部２の出力アナログ電圧Ｖｓｅｎは、抵抗素子５，６によって決まる分圧比に応じた増幅率で増幅され、図２に示す特性で出力される。この時、演算増幅器４の電源には図２で示す様に低電圧の電圧Ｖｒｅｇが供給されている。そのため、本実施例では、演算増幅器４の同相入力範囲は電圧Ｖｒｅｇよりも低くし、抵抗素子５，６で決まる負帰還電圧は演算増幅器４の同相入力範囲に収まる様に決定した。つまり、センサ出力端子８の電圧Ｖｏｕｔが０Ｖから電圧Ｖｃｃまで変化したとしても、抵抗回路で分圧して生成する負帰還電圧が演算増幅器４の同相入力範囲に収まる様にしている。このことにより、本実施例のセンサ装置１では、レギュレータ３から供給される低電圧の電源で動作する演算増幅器４を用いたとしても、センサ出力端子８の電圧を０Ｖから電源端子７の電圧Ｖｃｃまで変化させることを可能にした。
【００１５】
次に、本実施例の効果について説明する。まず、第１の効果は、演算増幅器４の駆動電圧を低電圧化できることである。このことにより、演算増幅器４を微細プロセスで製作できチップサイズの縮小できる。また、微細プロセス化により高性能なＭＯＳトランジスタを使用できるようになるので、演算増幅器４をより高性能にすることが可能である。また、演算増幅器４が微細プロセスで製作できるので、演算増幅器４と同一の半導体チップに、大規模なロジック回路を配置することが可能となる。そのため、センサ装置１を小面積としつつ複雑な機能を持たせることが可能になる。次に、第２の効果は微細プロセス化によりノイズ耐性の低下した演算増幅器４の入力回路を容易に保護できることである。センサ出力端子８はセンサ出力ラインＶｏｕｔを介して制御装置１０に接続されるが、出力ラインＶｏｕｔは長い距離を引き回され、出力ラインＶｏｕｔの周辺に存在するノイズ源などから出力ラインＶｏｕｔには外来ノイズが印加される。そのため、微細プロセス化によりノイズ耐性が低下したままなんの対策もとらない場合では、電源ラインを介してセンサ出力端子８にノイズ電圧が印加され、センサ装置１を破壊するおそれがある。しかし、本実施例におけるセンサ装置１は、抵抗素子５，６で構成される分圧回路（抵抗回路）により、このノイズ電圧を分圧することで低減している。そのため、本実施例では、抵抗素子５の抵抗自体でノイズ電流を低減すると共に、抵抗素子５の抵抗と抵抗素子５に寄生的に存在する容量によって生じる時定数によってノイズ電圧を低減する効果がある。この効果により微細プロセス化によりノイズ耐性の低下した演算増幅器４の入力回路を容易に保護できる。なお、この効果は抵抗素子５，６の抵抗値は高い方が良く１０ｋΩ以上ある方が望ましいい。また、抵抗素子５，６による分圧によるノイズ電圧の低減効果を上げるためには抵抗素子６の一端をグランドに接続することが望ましい。
【００１６】
本実施例では、演算増幅器４としてオープンコレクタ型を説明したが、オープンドレイン型であってもよい。
【００１７】
次に，本発明の第２の実施例であるセンサ装置を図３により説明する。なお，図３は第２の実施例のセンサ装置の回路構成である。
【００１８】
第２の実施例のセンサ装置は第１の実施例のセンサ装置と基本的に同じ構成であるが、以下の改良を加えた。本実施例ではツェナーダイオード１３，１４を付加して演算増幅器４の入力回路の保護性能を向上させた。演算増幅器４の入力回路は第１の実施例で説明した様に抵抗素子５，６によって保護されているが、ツェナーダイオード１３，１４を付加することでノイズ耐性を更に向上させた。なお、ツェナーダイオード１３，１４にノイズ印加時に流れる電流は抵抗素子５，６で制限されるので小さいサイズにすることが可能である。
【００１９】
次に，本発明の第３の実施例であるセンサ装置を図４により説明する。なお，図４は第３の実施例のセンサ装置の回路構成である。
【００２０】
第３の実施例のセンサ装置は第１の実施例のセンサ装置と基本的に同じ構造であるが、以下の改良を加えた。本実施例では抵抗型の物理量検出素子１６と、電源端子７と物理量検出素子１６の間を接続する抵抗素子１５と、抵抗素子１５の一端に接続し物理量検出素子１６を電源ノイズから保護するツェナーダイオード１７，１８と、物理量検出素子１６の出力電圧を増幅する増幅器１９を付加した。なお、増幅器１９の電源はレギュレータ３の出力電圧Ｖｒｅｇから供給される。また、抵抗型の物理量検出素子１６は抵抗素子によりブリッジ回路が組まれており、測定物理量に応じて抵抗値が変化することでブリッジ回路の出力電圧が変化する。
【００２１】
次に、第３の実施例であるセンサ装置の動作について説明する。本実施例では抵抗型の物理量検出素子１６の電源は電源端子７から抵抗素子１５を介して接続した。この為、物理量検出素子１６の電圧は抵抗素子１５を接続したことで低下させ、レギュレータ３の低電圧電源で動作する増幅器１９の入力範囲に収まる様にした。また、物理量検出素子１６の出力は電源端子７の電圧Ｖｃｃに比例する。また、物理量検出素子１６の出力は増幅器１９と演算増幅器４を介して、センサ出力端子８へ出力される。この為、センサ出力端子８の出力電圧は電源端子７の電圧Ｖｃｃに比例するレシオメトリック特性になる。レシオメトリック特性は自動車用センサなどで良く使用される特性である。つまり、本実施例のセンサ装置１では内部の信号処理回路（増幅器１９や演算増幅器４）の電源電圧を低電圧化可能にすると共にレシオメトリック特性を得ることができる。
【００２２】
次に、本実施例の効果について説明する。まず、第１の効果は内部の信号処理回路（増幅器１９や演算増幅４）の電源電圧を低電圧化できることである。このことにより、信号処理回路（増幅器１９や演算増幅４）を微細プロセスで製作できチップサイズの縮小できる。また、微細プロセス化により高性能なＭＯＳトランジスタを使用できるので信号処理回路（増幅器１９や演算増幅４）の高性能化が可能である。また、信号処理回路（増幅器１９や演算増幅４）が微細プロセスで製作できるので信号処理回路（増幅器１９や演算増幅４）と同一チップに大規模なロジック回路を配置することが可能になり、センサ装置１に複雑な機能を持たせることが可能になる。次に、第２の効果は微細プロセス化によりノイズ耐性の低下した増幅器１９の入力回路を容易に保護できることである。電源端子７は電源ラインＶｃｃを介して制御装置１０に接続されるが、電源ラインＶｃｃは長距離引き回されること、電源ラインＶｃｃの周辺のノイズ源の存在などから電源ラインＶｃｃには外来ノイズが印加され、電源端子７にノイズ電圧を発生させ、センサ装置１を破壊する可能性がある。しかし、本センサ装置１では抵抗素子１５と物理量検出素子１６で構成される分圧回路により、このノイズ電圧を分圧することで低減し、抵抗素子１５の抵抗自体でノイズ電流を低減すると共に、抵抗素子１５の抵抗と抵抗素子１５に寄生的に存在する容量によって生じる時定数によってノイズ電圧を低減する効果がある。この効果により微細プロセス化によりノイズ耐性の低下した増幅器１９の入力回路を容易に保護できる。なお、この効果は抵抗素子１５の抵抗値は高い方が良く１０ｋΩ以上ある方が望ましい。また、ツェナーダイオード１７，１８を付加することでノイズ耐性を更に向上させた。次に、第３の効果はレシオメトリック特性を得ることができることである。レシオメトリック特性は制御装置１０のＡＤ変換回路を簡素化できることから自動車用センサでは良く使われる特性である。
【００２３】
次に，本発明の第４の実施例であるセンサ装置を図５，６により説明する。なお，図５は第４の実施例のセンサ装置の回路構成、図６はＤＡ変換器２３の回路構成である。
【００２４】
第４の実施例のセンサ装置は第１の実施例のセンサ装置と基本的に同じ構造であるが、以下の改良を加えた。本実施例では物理量検出部２からの信号を演算ユニット２４でデジタル的に処理し、デジタル信号を抵抗型のＤＡ変換器２３によりアナログ信号化して演算増幅４を介してセンサ出力端子８の電圧を発生させる。ここで抵抗型のＤＡ変換器２３と電源端子７の間に抵抗素子２２とＤＡ変換器２３を電源ノイズから保護するツェナーダイオード２０，２１を付加した。なお、ＤＡ変換器２３の電源はレギュレータ３の出力電圧Ｖｒｅｇから供給される。
【００２５】
次に抵抗型のＤＡ変換器２３の構成を図６から説明する。ＤＡ変換器２３は基準電源端子２５と、基準電源端子２５とグランドの間に接続される抵抗２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２と、演算ユニット２４からのデジタル値を入力するデジタル入力端子３３と、デジタル入力端子３３からの信号をデコードするデコーダ３４と、デコーダ３４からの信号でオンオフが制御され抵抗２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２の各接続点を選択するスイッチ３５，３６，３７，３８，３９，４０，４１，４２から構成される。
【００２６】
次に、第３の実施例であるセンサ装置の動作について説明する。本実施例では物理量検出部２からの信号を演算ユニット２４でデジタル的に処理することでより高精度な補正が可能した。この結果、温度特性や非直線性などを向上させセンサ装置１の測定精度を向上させた。また、抵抗素子２２を介してＤＡ変換器２３を電源端子７に接続することでＤＡ変換器２３にレシオメトリック特性を持たせた。また、ＤＡ変換器２３に抵抗素子２２を接続したことで、ＤＡ変換器２３に印加される電圧を低下させ、レギュレータ３の低電圧電源で動作可能にすると共にレギュレータ３の低電圧電源で動作する演算増幅器４の入力範囲に収まる様にした。
【００２７】
次に、本実施例の効果について説明する。まず、第１の効果は内部の信号処理回路（演算ユニット２４、ＤＡ変換器２３、演算増幅４）の電源電圧を低電圧化できることである。このことにより、信号処理回路を微細プロセスで製作できチップサイズの縮小できる。また、微細プロセス化により高性能なＭＯＳトランジスタを使用できるので信号処理回路の高性能化が可能である。次に、第２の効果は微細プロセス化によりノイズ耐性の低下したＤＡ変換器２３を容易に保護できることである。電源端子７は先に説明した様に外来ノイズが印加され、センサ装置１を破壊する可能性がある。しかし、本センサ装置１では抵抗素子２２とＤＡ変換器２３で構成される分圧回路により、このノイズ電圧を分圧することで低減し、抵抗素子２２の抵抗自体でノイズ電流を低減すると共に、抵抗素子２２の抵抗と抵抗素子２２に寄生的に存在する容量によって生じる時定数によってノイズ電圧を低減する効果がある。この効果により微細プロセス化によりノイズ耐性の低下したＤＡ変換器２３を容易に保護できる。また、ツェナーダイオード２０，２１を付加することでノイズ耐性を更に向上させた。次に、第３の効果はレシオメトリック特性を得ることができることである。
【００２８】
次に，本発明の第５の実施例であるセンサ装置を図７により説明する。なお，図７は第５の実施例のセンサ装置の回路構成である。
【００２９】
第５の実施例のセンサ装置は第４の実施例のセンサ装置と基本的に同じ構造であるが、以下の改良を加えた。本実施例では演算増幅器４を反転増幅として使用した。この為、ＤＡ変換器２３の出力と演算増幅器４の反転入力の間に抵抗４４を配置し、抵抗素子５，６の接続点と演算増幅４の反転入力の間に抵抗４５を配置し、抵抗素子２２とＤＡ変換器２３の接続点とグランドの間に抵抗素子４６，４７を配置し、抵抗素子４６，４７の接続点を演算増幅器４の非反転入力に接続した。
【００３０】
本実施例では演算増幅４を反転増幅器として使用している。この為、演算増幅器４の反転入力および非反転入力の電圧変化を小さくすことができる。演算増幅器４の同相入力範囲は電源電圧を低くすればするほど狭くなる。従って、演算増幅器４の電源電圧を更に低電圧化するには同相入力範囲が狭くても動作する反転増幅器として使用する方が優れている。つまり、本実施例では演算増幅４を反転増幅器として使用することで演算増幅器４の電源電圧を更に低電圧化することが可能で、更なるプロセスの微細化を可能にした。
【００３１】
次に，本発明の第６の実施例であるセンサ装置を図８により説明する。なお，図８は第６の実施例のセンサ装置の回路構成である。
【００３２】
第６の実施例のセンサ装置は第５の実施例のセンサ装置と基本的に同じ構造であるが、以下の改良を加えた。本実施例では演算増幅器４を反転増幅器として使用するにあたり抵抗素子４４，４５を利用したが、本実施例ではスイッチドキャパシタ回路で構成した。この為、抵抗４４の代わりにスイッチ４８，５０とコンデンサ４９を配置し、抵抗４５の代わりにスイッチ５１，５３とコンデンサ５２を配置し、系の安定化の為にコンデンサ５４を演算増幅４の反転入力とセンサ出力端子８の間に配置した。第５の実施例では抵抗素子５，６、４５が影響し合うことでセンサ出力端子８の特性に非線形性が生じる。この非線形を低減する為には抵抗４５を抵抗５，６に対して十分に大きくする必要があるが、集積回路内では抵抗比に限界がある。これを解決する為、本実施例では抵抗素子の代わりにスイッチドキャパシタ回路を用いた。スイッチドキャパシタ回路は容易に高い等価抵抗を作ることができる。この為、本実施例ではセンサ出力端子８の非線形性を著しく低減することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１‥センサ装置，２‥物理量検出部，３‥レギュレータ，４‥演算増幅器，
５‥抵抗素子，６‥抵抗素子，７‥電源端子，８‥センサ出力端子，９‥グランド端子，
１０‥制御装置，１１‥定電圧源，１２‥プルアップ抵抗、１３‥ツェナーダイオード，
１４‥ツェナーダイオード，１５‥抵抗素子，１６‥物理量検出素子、
１７‥ツェナーダイオード，１８‥ツェナーダイオード，１９‥増幅器、
２０‥ツェナーダイオード，２１‥ツェナーダイオード、２２‥抵抗素子，
２３‥ＤＡ変換器，２４‥演算ユニット，２５‥基準電源端子，２６‥抵抗，２７‥抵抗，
２８‥抵抗，２９‥抵抗、３０‥抵抗，３１‥抵抗、３２‥抵抗，
３３‥デジタル入力端子，３４‥デコーダ，３５‥スイッチ，３６‥スイッチ，
３７‥スイッチ，３８‥スイッチ，３９‥スイッチ、４０‥スイッチ，４１‥スイッチ、
４２‥スイッチ，４３‥出力端子，４４‥抵抗素子，４５‥抵抗素子，４６‥抵抗素子，
４７‥抵抗素子，４８‥スイッチ，４９‥コンデンサ、５０‥スイッチ，５１‥スイッチ、５２‥コンデンサ，５３‥スイッチ，５４‥コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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