JP7468773B2

JP7468773B2 - センサ装置

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Publication number: JP7468773B2
Application number: JP2023500666A
Authority: JP
Inventors: 恭英高▲瀬▼
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2021-02-16
Filing date: 2022-01-25
Publication date: 2024-04-16
Anticipated expiration: 2042-01-25
Also published as: DE112022000419T5; WO2022176522A1; US20230375645A1; US12306272B2; JPWO2022176522A1

Description

本発明は、センサ素子を備えるブリッジ回路の特性変化を補償する機能を備えるセンサ装置に関するものである。

従来、この種のセンサ装置としては、例えば、特許文献１に開示された液体クロマトグラフ用ポンプの圧力センサに用いられるものがある。

この圧力センサは、４つの抵抗がブリッジ接続されたブリッジ回路から構成され、ブリッジ回路を定電流駆動して、その入力電圧および出力電圧を測定する。補正部は、入力電圧検出部によって測定された入力電圧値と、温度と入力電圧の関係を示すデータとを基に、ブリッジ回路の温度を取得する。そして、取得したブリッジ回路の温度と、温度毎の出力電圧と圧力の関係を示す校正表とを基に、ポンプユニットから吐出される移動相の正確な圧力値を求める。補正部は、出力電圧検出部より伝送された出力電圧の値を、求めた圧力値に応じた値に補正する。

特開２０１８－３１６３０号公報

上記従来の特許文献１に開示されたセンサ装置では、出力電圧検出部より伝送された出力電圧の値を補正するため、補正部における増幅回路の利得を変化させる必要がある。しかしながら、その増幅回路に、離散的に利得が設定される可変利得増幅回路を用いると、増幅回路の出力電圧に不連続なノイズが重畳する。また、線形なアナログ電圧信号を用いて利得が設定される可変利得増幅回路を用いると、増幅回路の出力電圧に歪みが発生しやすい。このため、ブリッジ回路の出力電圧の補正にいずれの可変利得増幅回路を用いても、センサ装置としての検出出力精度を劣化させてしまう問題が発生する。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
検出される物理量に応じて特性が変化するセンサ素子を少なくとも１つ備えるブリッジ回路と、
センサ素子の特性変化に応じてブリッジ回路の検出信号出力端から出力されるセンサ検出信号を受信する検出信号受信回路と、
ブリッジ回路の作動に要するバイアス電圧を生成するバイアス電圧生成回路と、
バイアス電圧生成回路によって生成されるバイアス電圧をブリッジ回路のバイアス端に印加すると共に、ブリッジ回路に供給するバイアス電流を監視するレギュレータ回路と、
バイアス電圧生成回路によって生成されるバイアス電圧の値およびレギュレータ回路で監視されるバイアス電流の値を入力してブリッジ回路のインピーダンスを計算するインピーダンス計算回路と、
インピーダンス計算回路によって計算されるブリッジ回路のインピーダンスに基づいて、バイアス電圧生成回路によって生成されるバイアス電圧をブリッジ回路の特性変化を補償する電圧に補正させるバイアス電圧補正回路と
を備え、センサ装置を構成した。

本構成によれば、バイアス電圧生成回路によって生成されるバイアス電圧はレギュレータ回路によってブリッジ回路のバイアス端に印加される。また、バイアス電圧生成回路によって生成されるバイアス電圧は、インピーダンス計算回路によって計算されるブリッジ回路のインピーダンスに基づくバイアス電圧補正回路の出力により、ブリッジ回路の特性変化を補償する電圧に補正される。ブリッジ回路は、バイアス端に印加されるブリッジ回路の特性変化を補償する電圧と、ブリッジ回路を構成する各抵抗の抵抗比との積で演算される電圧を出力する。

したがって、ブリッジ回路は、何らかの原因でその特性が変化しても、ブリッジ回路自体が従来の可変利得増幅回路に代わる乗算回路として機能するので、従来のように、検出出力精度を劣化させてしまう可変利得増幅回路によって検出信号出力端に出力されるセンサ検出信号を増幅して補正する必要がなくなる。

このため、本発明によれば、ブリッジ回路の特性が何らかの原因で変化しても、検出出力精度を劣化させることのないセンサ装置を提供することが出来る。

本発明の第１の実施形態によるセンサ装置の概略構成を示す回路図である。本発明の第２の実施形態によるセンサ装置の概略構成を示す回路図である。本発明の第３の実施形態によるセンサ装置の概略構成を示す回路図である。本発明の第４の実施形態によるセンサ装置の概略構成を示す回路図である。本発明の第５の実施形態によるセンサ装置の概略構成を示す回路図である。

次に、本発明のセンサ装置を実施するための形態について、説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態によるセンサ装置１Ａの概略構成を示す回路図である。

センサ装置１Ａは、ブリッジ回路２、バイアス回路３および検出信号受信回路４から構成される。

ブリッジ回路２は、センサを構成し、本実施形態では、１つのセンサ素子Ｄと３つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とがブリッジ接続されて、構成されている。ブリッジ回路２は、センサ素子Ｄを少なくとも１つ備えて構成されればよい。したがって、例えば、４つのセンサ素子Ｄがブリッジ接続されて構成されてもよい。センサ素子Ｄは、検出される物理量に応じて特性が変化する、例えば、磁気抵抗素子などから構成され、例えば、磁気抵抗効果によって周囲の磁界変化によってその電気抵抗値が変化する。このセンサ素子Ｄは、同図では抵抗に矢印を付した記号で表され、センサ素子Ｄの抵抗値が検出物理量に応じて変化することを示している。

センサ素子Ｄと抵抗Ｒ１との接続点、および、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との接続点はそれぞれバイアス端２ａ，２ｂを構成し、バイアス端２ａにはバイアス回路３によってバイアス電圧Ｖbiasが印加され、バイアス端２ｂは接地される。また、センサ素子Ｄと抵抗Ｒ２との接続点、および、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ３との接続点はそれぞれ検出信号出力端２ｃ，２ｄを構成し、検出信号出力端２ｃ，２ｄにはセンサ素子Ｄで検出される物理量の変化がセンサ検出信号ｓとして現れる。本実施形態では、センサ素子Ｄと３つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の各抵抗値は、各検出信号出力端２ｃ，２ｄにバイアス電圧Ｖbiasの所定比の電圧が現れる値に設定されている。

検出信号受信回路４は、センサ素子Ｄの特性変化に応じてブリッジ回路２の検出信号出力端２ｃ，２ｄから出力されるセンサ検出信号ｓを受信する。本実施形態では、検出信号受信回路４は、検出信号出力端２ｃ，２ｄから出力されるセンサ検出信号ｓを受信して増幅する増幅回路から構成され、センサ検出信号ｓを増幅したアナログの検出出力信号Ｓを出力する。

バイアス回路３は、バイアス電圧生成回路３１、レギュレータ回路３２、インピーダンス計算回路３３およびバイアス電圧補正回路３４から構成され、ブリッジ回路２を励起する。バイアス電圧生成回路３１は、ブリッジ回路２の作動に要するバイアス電圧Ｖbiasを生成する。レギュレータ回路３２は、バイアス電圧生成回路３１によって生成されるバイアス電圧Ｖbiasをブリッジ回路２のバイアス端２ａ，２ｂに印加すると共に、ブリッジ回路２に供給するバイアス電流Ｉbiasを監視する。インピーダンス計算回路３３は、バイアス電圧生成回路３１によって生成されるバイアス電圧Ｖbiasの値ｖｘおよびレギュレータ回路３２で監視されるバイアス電流Ｉbiasの値ｉｘを入力して、ブリッジ回路２のインピーダンスＺ（＝ｖｘ／ｉｘ）を計算する。バイアス電圧補正回路３４は、インピーダンス計算回路３３によって計算されるブリッジ回路２のインピーダンスＺに基づいて、バイアス電圧生成回路３１によって生成されるバイアス電圧Ｖbiasを、ブリッジ回路２の特性変化を補償する電圧Ｖbiasxに補正させる。

このような本実施形態によるセンサ装置１Ａによれば、バイアス電圧生成回路３１によって生成されるバイアス電圧Ｖbiasは、レギュレータ回路３２によってブリッジ回路２のバイアス端２ａ，２ｂに印加される。また、バイアス電圧生成回路３１によって生成されるバイアス電圧Ｖbiasは、インピーダンス計算回路３３によって計算されるブリッジ回路２のインピーダンスＺに基づくバイアス電圧補正回路３４の出力により、ブリッジ回路２の特性変化を補償する電圧Ｖbiasxに補正される。ブリッジ回路２は、バイアス端２ａ，２ｂに印加されるブリッジ回路２の特性変化を補償する電圧Ｖbiasxと、ブリッジ回路２を構成する各抵抗の抵抗比との積で演算される電圧を検出信号出力端２ｃ，２ｄに出力する。

したがって、ブリッジ回路２は、何らかの原因でその特性が変化しても、ブリッジ回路自体が従来の可変利得増幅回路に代わる乗算回路として機能するので、従来のように、検出出力精度を劣化させてしまう可変利得増幅回路によって検出信号出力端２ｃ，２ｄに出力されるセンサ検出信号ｓを増幅して補正する必要がなくなる。このため、何らかの原因でブリッジ回路２の特性が変化しても、特性変化に応じた感度補正をすることができ、検出出力精度を劣化させることのないセンサ装置１Ａを提供することができる。この結果、センサ装置１Ａからは、常に、センサ素子Ｄが検出する物理量変化に応じた正確な検出出力信号Ｓが出力される。

図２は、本発明の第２の実施形態によるセンサ装置１Ｂの概略構成を示す回路図である。なお、同図において図１と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

センサ装置１Ｂは、バイアス回路３において、上記のバイアス電圧補正回路３４がブリッジ温度推定回路３５によって構成される点だけが、上記の第１の実施形態によるセンサ装置１Ａと相違する。

ブリッジ温度推定回路３５は、インピーダンス計算回路３３によって計算されるブリッジ回路２のインピーダンスＺに基づいてブリッジ回路２の温度Ｔを検出し、検出したブリッジ回路２の温度Ｔに基づいて、バイアス電圧生成回路３１によって生成されるバイアス電圧Ｖbiasを、ブリッジ回路２の温度変化による特性変化を補償する電圧Ｖbiasxに補正させるバイアス電圧補正回路を構成する。ブリッジ温度推定回路３５における、検出したブリッジ回路２のインピーダンスＺからブリッジ回路２の温度Ｔへの変換は、インピーダンスＺから温度Ｔを算出する演算式や、インピーダンスＺと温度Ｔとの関係を予め記憶したテーブルを用いることなどで、行われる。バイアス電圧生成回路３１は、ブリッジ温度推定回路３５で検出されたブリッジ回路２の温度Ｔを入力し、温度Ｔから補償電圧Ｖbiasxを算出する演算式や、温度Ｔと補償電圧Ｖbiasxとの関係を予め記憶したテーブルを用いて、生成するバイアス電圧Ｖbiasをブリッジ回路２の温度Ｔに基づいて補償電圧Ｖbiasxに補正する。

本実施形態によるセンサ装置１Ｂによれば、バイアス電圧生成回路３１によって生成されるバイアス電圧Ｖbiasは、上記のように、インピーダンス計算回路３３によって計算されるインピーダンスＺに基づいて、ブリッジ温度推定回路３５により、ブリッジ回路２の温度変化による特性変化を補償する電圧Ｖbiasxに補正される。したがって、ブリッジ回路２は、温度変化によってその特性が変化しても、バイアス端２ａ，２ｂに印加されるバイアス電圧Ｖbiasが温度変化によるその特性変化を補償する電圧Ｖbiasxに補正されることで、ブリッジ回路自体が、検出出力精度を劣化させる可変利得増幅回路に代わる乗算回路として機能する。このため、センサ装置１Ｂは、ブリッジ回路２が温度変化によってその特性が変化しても、検出出力精度を劣化させることなく、センサ素子Ｄが検出する物理量変化に応じた正確な検出出力信号Ｓを出力する。よって、ブリッジ感度の温度依存性が連続的に精度よく補正されることとなる。

図３は、本発明の第３の実施形態によるセンサ装置１Ｃの概略構成を示す回路図である。なお、同図において図１と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

センサ装置１Ｃは、バイアス回路３において、上記のバイアス電圧補正回路３４が監視回路３６によって構成される点だけが、上記の第１の実施形態によるセンサ装置１Ａと相違する。

監視回路３６は、インピーダンス計算回路３３によって計算されるブリッジ回路２のインピーダンスＺに基づいてブリッジ回路２の経年変化を検出し、検出したブリッジ回路２の経年変化に基づいて、バイアス電圧生成回路３１によって生成されるバイアス電圧Ｖbiasを、ブリッジ回路２の経年変化による特性変化を補償する電圧Ｖbiasxに補正させるバイアス電圧補正回路を構成する。ブリッジ回路２を構成する各抵抗Ｒ１～Ｒ３およびセンサ素子Ｄは、経年変化によってそれらのインピーダンスＺが変化する。監視回路３６における、検出したブリッジ回路２のインピーダンスＺからの経年変化の検出は、インピーダンスＺから経年変化を算出する演算式や、インピーダンスＺと経年変化との関係を予め記憶したテーブルを用いることなどで、行われる。インピーダンスＺから経年変化を算出する演算式や、インピーダンスＺと経年変化との関係を予め記憶したテーブルは、図示しない温度センサより出力される温度信号を付加的な入力として用いて、経年劣化の影響と温度による影響を分離するように構成してもよい。バイアス電圧生成回路３１は、監視回路３６で検出されたブリッジ回路２の経年変化を入力し、経年変化から補償電圧Ｖbiasxを算出する演算式や、経年変化と補償電圧Ｖbiasxとの関係を予め記憶したテーブルを用いて、生成するバイアス電圧Ｖbiasをブリッジ回路２の経年変化に基づいて補償電圧Ｖbiasxに補正する。

本実施形態によるセンサ装置１Ｃによれば、バイアス電圧生成回路３１によって生成されるバイアス電圧Ｖbiasは、上記のように、インピーダンス計算回路３３によって計算されるインピーダンスＺに基づいて、監視回路３６により、ブリッジ回路２の経年変化による特性変化を補償する電圧Ｖbiasxに補正される。したがって、ブリッジ回路２は、経年変化によってその特性が変化しても、バイアス端２ａ，２ｂに印加されるバイアス電圧Ｖbiasが経年変化によるその特性変化を補償する電圧Ｖbiasxに補正されることで、ブリッジ回路自体が、検出出力精度を劣化させる可変利得増幅回路に代わる乗算回路として機能する。このため、センサ装置１Ｃは、ブリッジ回路２が経年変化によってその特性が変化しても、検出出力精度を劣化させることなく、感度を一定に保って、センサ素子Ｄが検出する物理量変化に応じた正確な検出出力信号Ｓを出力する。

なお、上記の実施形態によるセンサ装置１Ｃにおいて、監視回路３６が、インピーダンス計算回路３３によって計算されるブリッジ回路２のインピーダンスＺに基づいてブリッジ回路２の故障を検出するように構成してもよい。この場合、ブリッジ回路２の故障が検出されるときに、バイアス電圧Ｖbiasの印加を停止したり、上位システムに通知することができる。例えば、監視回路３６は、インピーダンス計算回路３３によって計算されるブリッジ回路２のインピーダンスＺが異常に大きい場合、ブリッジ回路２が故障していると判断する。そして、バイアス電圧Ｖbiasの印加を停止したり，上位システムに通知する。本構成によれば、ブリッジ回路２の故障を検出でき、監視回路３６が出力する通知により、ブリッジ回路２が故障したことを知らせることができて、ブリッジ回路２の故障に対する速やかな対応を促すことができる。

図４は、本発明の第４の実施形態によるセンサ装置１Ｄの概略構成を示す回路図である。なお、同図において図２と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

センサ装置１Ｄは、ブリッジ温度推定回路３５が、検出信号受信回路４の信号入力端に接続され、検出信号受信回路４の信号入力端に入力される電圧に基づいて、ブリッジ回路２および検出信号受信回路４間における配線５の異常を監視する点だけが、第２の実施形態によるセンサ装置１Ｂと相違する。

本センサ装置１Ｄによれば、ブリッジ回路２および検出信号受信回路４間における配線５の異常がブリッジ温度推定回路３５によって監視され、配線５の異常、例えば配線５の断線などが監視される場合に、ブリッジ温度推定回路３５によって、上記の監視回路３６と同様に、バイアス電圧Ｖbiasの印加を停止したり、上位システムに通知を出力したり等することができる。したがって、センサ装置１Ｄは、ブリッジ回路２の特性がその温度変化によって変化しても、検出精度を劣化させることなく、センサ素子Ｄが検出する物理量変化に応じた正確な検出出力信号Ｓを出力すると共に、配線５に異常が監視される場合には、通知を出力したりすることで、その配線異常に対する速やかな対応を促すことができる。

図５は、本発明の第５の実施形態によるセンサ装置１Ｅの概略構成を示す回路図である。なお、同図において図３と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

センサ装置１Ｅは、監視回路３６が、検出信号受信回路４の信号入力端に接続され、検出信号受信回路４の信号入力端に入力される電圧に基づいて、ブリッジ回路２および検出信号受信回路４間における配線５の異常を監視する点だけが、第３の実施形態によるセンサ装置１Ｃと相違する。

本センサ装置１Ｅによれば、ブリッジ回路２および検出信号受信回路４間における配線５の異常が監視回路３６によって監視され、配線５の異常が監視される場合に監視回路３６によって上記のようにバイアス電圧Ｖbiasの印加を停止したり、上位システムに通知を出力したり等することができる。したがって、センサ装置１Ｅは、ブリッジ回路２の特性がその経年変化によって変化しても、検出精度を劣化させることなく、センサ素子Ｄが検出する物理量変化に応じた正確な検出出力信号Ｓを出力すると共に、配線５に異常が監視される場合には、通知を出力したりすることで、その配線異常に対する速やかな対応を促すことができる。さらに、センサ装置１Ｅでは、監視回路３６が、ブリッジ回路２のインピーダンスＺに基づいてブリッジ回路２の故障を検出する場合にも、バイアス電圧Ｖbiasの印加を停止したり、上位システムに通知を出力したり等することで、その故障に対する速やかな対応を促すことができる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…センサ装置
２…ブリッジ回路
２ａ，２ｂ…バイアス端
２ｃ，２ｄ…検出信号出力端
３…バイアス回路
４…検出信号受信回路
５…配線
３１…バイアス電圧生成回路
３２…レギュレータ回路
３３…インピーダンス計算回路
３４…バイアス電圧補正回路
３５…ブリッジ温度推定回路（バイアス電圧補正回路）
３６…監視回路（バイアス電圧補正回路）
Ｄ…センサ素子

Claims

検出される物理量に応じて特性が変化するセンサ素子を少なくとも１つ備えるブリッジ回路と、
前記センサ素子の特性変化に応じて前記ブリッジ回路の検出信号出力端から出力されるセンサ検出信号を受信する検出信号受信回路と、
前記ブリッジ回路の作動に要するバイアス電圧を生成するバイアス電圧生成回路と、
前記バイアス電圧生成回路によって生成されるバイアス電圧を前記ブリッジ回路のバイアス端に印加すると共に、前記ブリッジ回路に供給するバイアス電流を監視するレギュレータ回路と、
前記バイアス電圧生成回路によって生成されるバイアス電圧の値および前記レギュレータ回路で監視されるバイアス電流の値を入力して前記ブリッジ回路のインピーダンスを計算するインピーダンス計算回路と、
前記インピーダンス計算回路によって計算される前記ブリッジ回路のインピーダンスに基づいて、前記バイアス電圧生成回路によって生成されるバイアス電圧を前記ブリッジ回路の特性変化を補償する電圧に補正させるバイアス電圧補正回路と
を備えるセンサ装置。
前記バイアス電圧補正回路は、前記インピーダンス計算回路によって計算される前記ブリッジ回路のインピーダンスに基づいて前記ブリッジ回路の温度を検出し、検出した前記ブリッジ回路の温度に基づいて、前記バイアス電圧生成回路によって生成されるバイアス電圧を前記ブリッジ回路の温度変化による特性変化を補償する電圧に補正させる
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
前記バイアス電圧補正回路は、前記インピーダンス計算回路によって計算される前記ブリッジ回路のインピーダンスに基づいて前記ブリッジ回路の経年変化を検出し、検出した前記ブリッジ回路の経年変化に基づいて、前記バイアス電圧生成回路によって生成されるバイアス電圧を前記ブリッジ回路の経年変化による特性変化を補償する電圧に補正させる
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
前記バイアス電圧補正回路は、前記インピーダンス計算回路によって計算される前記ブリッジ回路のインピーダンスに基づいて前記ブリッジ回路の故障を検出することを特徴とする請求項３に記載のセンサ装置。
前記バイアス電圧補正回路は、前記検出信号受信回路の信号入力端に接続され、前記検出信号受信回路の信号入力端に入力される電圧に基づいて、前記ブリッジ回路および前記検出信号受信回路間における配線の異常を監視する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のセンサ装置。