JPH11142255A - シリアルオフセット補正センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 誤差の要因が主としてオフセット誤差のばら
つきにあるようなセンサの場合に、オフセット誤差の大
きさとばらつきを抑えることが可能で、安価で精度向上
を図ることができるシリアルオフセット補正センサ装置
を提供する。 【解決手段】 一対の電源入力電極１，２と、該一対の
電源入力電極の一方の電極を帰路電極として共有した出
力電極３を持つセンサＳを備える装置において、共通の
前記帰路電極２と直列に電圧源１０の一方の電極１５を
接続し、該電圧源１０の他方の電極１７をオフセット補
正後の共通帰路電極としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、センサの精度を高
めるためのオフセット補正技術に係り、とくに温度セン
サ等のセンサ出力のオフセットを補正して精度の向上を
図ったシリアルオフセット補正センサ装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】最近、種々のセンサが使用されるように
なってきているが、ここでは、センサの代表例として温
度センサを例にとって説明する。温度センサとして、用
途に応じて多種多様なセンサが開発されているが、電子
機器の温度特性補償用や居住空間の温度測定用としては
−５０℃〜＋１００℃で測定精度±０．５℃程度のもの
が要求される。価格が高い測定器としては、この程度の
精度はさしたる技術的困難もなく実現できるが、可能な
限り価格を抑えたい前記分野ではこの程度の精度を如何
に低価格で実現するかという技術課題が厳存する。この
測定精度を規定する測定誤差の要因は、センサのリニア
リティ（直線性）、ゲイン、及び定常的に残留するオフ
セット誤差である。

【０００３】従来、低価格温度センサの分野では、価格
の安いＮＴＣサーミスタが主に用いられているが、ＮＴ
Ｃサーミスタは原理的に温度に対する変化が非線型であ
り、線形化のための種々の技法が開発されているが、測
定温度範囲を広くすると線形化が難しくなり１５０℃に
わたる温度範囲で±０．５℃の精度を得ることは困難で
ある。この場合、測定誤差の主因はリニアリティにあ
る。

【０００４】一方、半導体技術の進歩、低価格化によ
り、半導体のＰＮ接合のもつ温度特性を積極的に利用
し、信号処理回路も一体にＩＣ化したいわゆる半導体温
度センサが普及しはじめている。

【０００５】しかし、ＩＣ化半導体センサの場合、リニ
アリティとゲインに起因する誤差は合計でも±０．５℃
程度でかなり良いが、一体化してある信号処理回路のオ
フセット誤差のばらつきを抑えることが困難で、±１℃
〜±２℃もあるため、現在市販されている製品の測定精
度は±１．５〜±２．５℃であって、一般に要求される
精度±０．５℃を全く満足しない。

【０００６】半導体温度センサの測定誤差が、ＮＴＣサ
ーミスタ温度センサと異なり、リニアリティやゲインに
起因するものではなく、信号処理上のオフセット誤差の
ばらつきによるものであることは、オフセット誤差の簡
単な調整機構があれば高精度な半導体温度センサ装置を
構成できることを示唆している。

【０００７】本発明は、このような技術的視点から、従
来の半導体温度センサのように、誤差の要因が主として
オフセット誤差のばらつきにあるようなセンサの場合
に、オフセット誤差の大きさとばらつきを抑え、安価で
高精度なセンサ装置を提供するためになされたものであ
る。

【０００８】なお、本発明は、半導体温度センサに限ら
ず、オフセット誤差の大きさとばらつきに起因する測定
誤差の軽減を目的として他のセンサにも適用できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】半導体温度センサに限
らず、センサ部と信号処理回路を一体化したものでは、
信号処理回路の規模が大きくなると消費電力が増加し、
回路の発熱が温度測定の誤差となるためあまり複雑な処
理回路は導入できない。ＩＣ化に際してはＣＭＯＳ等の
マイクロパワー技術が進歩しているが、それでも回路規
模はなるべく大きくしたくない。従って、価格面の制約
も考慮して、信号処理回路は必要最小限にとどめてある
のが普通である。そのため、回路のオフセット誤差のば
らつきに対しても対策が不十分で、結果として測定精度
が不十分となっている。

【００１０】図７に半導体温度センサの原理図を示す。
図中、１，２は一対の電源入力電極、３は一方の出力電
極であり、他方の出力電極は一対の電源入力電極の一方
の電極２を帰路電極として共有している。Ｄは温度検出
用ダイオード、Ｒ₁₀〜Ｒ₁₂は抵抗、Ｉ₁，Ｉ₂は定電流
源、Ａは差動増幅器である。電源入力電極１には電源入
力電圧Ｖ_INが供給され、電源入力電極２はグランドＧに
接続されている。

【００１１】この図７では、温度によって変化するダイ
オードＤの電圧と、抵抗Ｒ₁₀による一定電圧とを差動増
幅器Ａで増幅して出力電圧Ｖ_OUTとし、ゲイン（１℃当
たりの出力電圧）を所定の値、例えば１０ｍＶ／℃とし
てオフセット電圧の消去も図っている。しかし、オフセ
ット電圧はばらつきが大きいため完全には消去できてい
ない。この半導体温度センサは全体が１チップＩＣ化さ
れている。

【００１２】図８は図７の半導体温度センサの温度−出
力電圧誤差特性（周囲温度と測定誤差との関係）であ
る。図８で、線分ＰＱＲとＵＶＷは誤差の最大値を示
す。ここで、ＱＶはオフセット誤差電圧である。

【００１３】この図で明らかなように、この半導体温度
センサでは−５０℃〜＋１５０℃にわたり、オフセット
誤差をゼロに調整できれば測定精度は±０．５℃以内で
ある。つまり、誤差の主因はオフセット誤差である。

【００１４】オフセット誤差を補正する手段を付加した
従来のセンサ装置の一例として特開昭６１−２５７６４
１号、特公平５−５６４５６号がある。但し、いずれも
センサ内部回路に変更を加えるものであり、図７のよう
な１チップＩＣ化されたセンサに適用するには不向きで
ある。

【００１５】回路発熱等の理由でセンサ内部にオフセッ
ト調整機構を設けられないとすれば、センサ外部に外付
け回路として設ける必要がある。ここで従来例の一つと
して、発明要素のない単なる設計技術を用いて構成した
ものを図９に示す。図中、Ｓは半導体温度センサで図７
の内部回路を持つもの、Ａ₁，Ａ₂はオペアンプ等の増幅
器、ＶＲは可変抵抗、Ｒ₁₃，Ｒ₁₄は抵抗である。

【００１６】図９の回路では、センサＳの出力電圧のオ
フセット誤差は、ボルテージフォロアＡ₁に加えられる
調整電圧△Ｖが増幅器Ａ₂の反転入力に加えられるた
め、キャンセルされる。すなわち、センサ出力電圧Ｖ＋
△Ｖは、調整電圧△Ｖが増幅度１のボルテージフォロア
Ａ₁により、増幅器Ａ₂の逆相入力として加えられるため
差し引かれて増幅器Ａ₂の出力端４には現れないことが
期待される。

【００１７】しかし、この考え方には大きな欠点があ
る。それは、増幅器Ａ₂は精度の良い増幅度１を保持し
なければならないということで、センサ装置が−５０℃
〜＋１５０℃、つまり２００℃の温度範囲で±０．５
℃、すなわち±０．２５％の精度を持つ必要があるか
ら、増幅器Ａ₂はそれより少なくとも一桁上の精度、±
０．０２５％の増幅精度を持つ必要がある。オペアンプ
の増幅度は良く知られているように図９の２個の抵抗Ｒ
₁₃，Ｒ₁₄の抵抗比であるから、抵抗Ｒ₁₃，Ｒ₁₄はその比
が０．０２５％以内でなくてはならない。このことは、
この回路を量産するときは抵抗Ｒ₁₃，Ｒ₁₄を選別して比
を合わせるか、又は精度０．０２５％の抵抗器を調達し
なければならないことを示している。一般の抵抗器の精
度は高々±１％であり、０．１％より高精度の抵抗器は
半導体温度センサそのものよりはるかに高価である。ま
た、選別するとしても０．０２５％と言うような高精度
の選別は非常にコストのかかる工程となり、ここで示し
た技法では、回路図は書けても実用にならないことがわ
かる。

【００１８】このように、半導体温度センサのオフセッ
ト誤差調整は単なる設計技法では解決できず、センサ自
体の精度を損なうことのない安価な手法が求められてい
ることがわかる。

【００１９】本発明は、上記の点に鑑み、誤差の要因が
主としてオフセット誤差のばらつきにあるようなセンサ
の場合に、オフセット誤差の大きさとばらつきを抑える
ことが可能で、安価で精度向上を図ることができるシリ
アルオフセット補正センサ装置を提供することを目的と
する。

【００２０】本発明のその他の目的や新規な特徴は後述
の実施の形態において明らかにする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のシリアルオフセット補正センサ装置は、一
対の電源入力電極と、該一対の電源入力電極の一方の電
極を帰路電極として共有した出力電極を持つセンサを備
える装置において、共通の前記帰路電極と直列に電圧源
の一方の電極を接続し、該電圧源の他方の電極をオフセ
ット補正後の共通帰路電極とした構成としている。

【００２２】前記シリアルオフセット補正センサ装置に
おいて、前記センサが温度センサであってもよい。

【００２３】また、前記シリアルオフセット補正センサ
装置において、前記センサの動作電流の変動幅と接続さ
れた前記電圧源の内部抵抗値との積が所定の値を超えな
いことが望ましい。

【００２４】前記電圧源の出力回路は、低出力インピー
ダンス回路で構成されていることが望ましい。

【００２５】本発明の実施の形態の説明にはいる前に本
発明の原理説明を図４乃至図６を用いて行う。

【００２６】図４は半導体温度センサのブロック図であ
る。半導体温度センサＳは、一対の電源入力電極１，
２、出力電極３を有し、低電位側の電源入力電極（グラ
ンド電極）２は低電位側の出力電極と共通である。つま
り、低電位側の電源入力電極２は共通の帰路電極となっ
ている。電源入力電極１には電源入力電圧Ｖ_IN（通常＋
５Ｖ）が供給され、低電位側電極（グランド電極）２は
グランドＧに接続されている。出力電圧Ｖ_OUTは１０ｍ
Ｖ／℃で、出力電極３と低電位側電極（グランド電極）
２の間に発生する。

【００２７】図５はオフセット誤差を補正する原理説明
図であって、半導体温度センサＳの低電位側電源入力電
極（帰路電極）２に可変電圧源Ｅを直列に挿入し（低電
位側電源入力電極２に可変電圧源Ｅの一方の電極を接続
し）、挿入した電圧源Ｅのセンサ側でない他方の電極を
新たな共通帰路電極（オフセット補正後の共通帰路電
極）４として、電源入力電圧Ｖ_INをセンサＳの電源入力
電極１とこの新たな共通帰路電極４との間に加え、この
共通帰路電極４とセンサＳの出力電極３との間の電圧を
温度出力としたものである。

【００２８】図５で、電極３，４間の電圧であるセンサ
出力Ｖに＋△Ｖのオフセット誤差が発生しているとする
と、可変電源Ｅの電圧を−△Ｖに調整すれば△Ｖはキャ
ンセルされて温度出力には現れない。

【００２９】図６は半導体温度センサの消費電流特性で
ある。図６から半導体温度センサを流れる動作電流は−
５０℃〜＋１５０℃の間で、大き目にみても２００μＡ
以下であり、その変動幅は１００μＡ程度であることが
わかる。つまり、図５でセンサＳに直列に挿入した可変
電圧源Ｅの内部抵抗値が１Ω程度であれば、センサ動作
電流が流れることによるセンサ装置の前記温度出力（電
極３，４間の電圧）の変動は最大０．２ｍＶであり、セ
ンサ出力は１０ｍＶ／℃であるから、この誤差は０．０
２℃であり十分小さな値である。また、センサ動作電流
の固定部分による影響はオフセット誤差に加算されるだ
けなので、可変電圧源Ｅで補正可能であることを考える
と、実際のセンサ出力への影響はセンサ動作電流の変動
幅と可変電圧源Ｅの内部抵抗値との積となるから誤差は
さらに小さくなり、０．０１℃程度となる。

【００３０】なお、図５でオフセット電圧が−△Ｖのと
きは可変電圧源Ｅを＋△Ｖに調整すれば良いことはいう
までもない。

【００３１】このように、本発明のオフセット誤差補正
機能をもつセンサ装置では、必要な測定温度範囲（又は
その他の測定範囲）におけるセンサの動作電流変動幅の
最大値と補正のためセンサに直列に挿入した可変電圧源
の内部抵抗値との積が、許容された誤差電圧以内となる
ならば適用は半導体温度センサに限らない。

【００３２】さらに、図５で説明した本発明のオフセッ
ト補正動作原理は、回路を付加することに起因してセン
サ装置の他の誤差要因、ゲインやリニアリティにまった
く影響を与えていないことが明白である。

【００３３】また、可変電圧源Ｅは回路簡略化のため、
ある程度の誤差の残留を許容して固定電圧源とすること
を含むことは発明の趣旨から明らかである。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るシリアルオフ
セット補正センサ装置の実施の形態を図面に従って説明
する。

【００３５】図１は本発明に係るシリアルオフセット補
正センサ装置の第１の実施の形態である。この図におい
て、半導体温度センサＳは、一対の電源入力電極１，
２、出力電極３を有し、低電位側の電源入力電極（グラ
ンド電極）２は低電位側の出力電極と共通（電源の帰路
と出力の帰路は共通）であり、共通の帰路電極となって
いる。出力電圧Ｖ_OUTは１０ｍＶ／℃で、出力電極３と
低電位側電極（グランド電極）２の間に発生する。

【００３６】可変電圧源１０は、オペアンプ（演算増幅
器）１１のボルテージフォロア回路と、電圧調整器（可
変抵抗器）１２と、電圧調整器１２の調整電圧を安定化
するための定電圧回路１３と、電圧反転回路１４とから
なり、電圧出力電極１５、電源電極１６、グランド電極
１７をもち、電源電極１６はセンサＳの電源入力電極１
に接続され、電圧出力電極１５はセンサＳの電源と出力
の共通帰路電極となっている低電位側電極２に接続さ
れ、グランド電極１７はセンサＳと可変電圧源１０が直
列に接続された系、つまりセンサ装置の電源と出力の新
たな共通帰路電極を形成する。そして、センサＳの電源
入力電極１（電源電極１６）と可変電圧源１０のグラン
ド電極１７間に電源入力電圧Ｖ_IN（通常＋５Ｖ）が供給
され、可変電圧源１０としての出力電圧は電圧出力電極
１５とグランド電極１７の間に得られる。なお、電圧反
転回路１４で電圧調整器１２の一端の正電圧値を反転し
た負電圧値を電圧調整器１２の他端に印加しており、可
変電圧源１０の出力電圧として正負いずれの電圧も発生
可能である。

【００３７】図１で示されたオフセット補正機能付きセ
ンサ装置の動作は次の通りである。センサＳがＶ＋△Ｖ
の測定出力を発生したとする。ここに、Ｖはオフセット
誤差を含まない値、△Ｖはオフセット誤差電圧である。
ここで可変電圧源１０の出力電圧を電圧調整器１２によ
り−△Ｖに調整する。この電圧は、出力電極１５とグラ
ンド電極１７間に発生し、系全体の測定出力、すなわち
センサＳの出力電極３と新たな共通帰路電極であるグラ
ンド電極１７の間の測定電圧はＶ＋△Ｖ−△Ｖ＝Ｖとな
って、オフセット誤差電圧△Ｖは消去される。

【００３８】ここで、可変電圧源１０の内部抵抗値、す
なわち電極１５，１７間の内部抵抗値はボルテージフォ
ロア接続されたオペアンプ１１の出力抵抗であるから通
常極めて小さく１Ωよりはるかに小さい。また、センサ
Ｓの動作電流及びその変化幅は、半導体温度センサの場
合それぞれ０．２ｍＡ，０．１ｍＡ程度であり、オフセ
ット誤差電圧△Ｖは１０〜２０ｍＶ程度であるので、 （補正後の残留誤差）＝（センサＳの動作電流変動幅）
×（可変電圧源内部抵抗値）＜＜０．１ｍＶ であって、オフセット誤差はほぼ完全に消去される。

【００３９】さらに、負帰還の十分にかかったボルテー
ジフォロアのようなオペアンプ回路は温度変化や、電源
電圧変動等、外部攪乱に関し、極めて安定で、その出力
電圧は外部攪乱にほとんど影響を受けないことは良く知
られた事実であり、本実施の形態で使用する回路はその
ような安定性をもつことも明らかである。

【００４０】図２は本発明の第２の実施の形態を示し、
可変電圧源１０ＡをトランジスタＱ₁、可変抵抗器Ｖ
Ｒ₁、抵抗Ｒeからなるエミッタフォロア回路で構成して
いる。可変電圧源１０Ａのグランド電極１７を基準とし
て正電圧＋Ｖc、負電圧−Ｖcが可変抵抗器ＶＲ₁の両端
に印加され、可変電圧源１０Ａとしての出力電圧は電圧
出力電極１５とグランド電極１７の間に得られる。な
お、その他の構成及び動作は前述した第１の実施の形態
と同様である。

【００４１】図３は本発明の第３の実施の形態を示し、
可変電圧源１０Ｂを電界効果トランジスタＱ₂、可変抵
抗器ＶＲ₂、抵抗Ｒsからなるソースフォロア回路で構成
している。可変電圧源１０Ｂのグランド電極１７を基準
として正電圧＋Ｖc、負電圧−Ｖcが可変抵抗器ＶＲ₂の
両端に印加され、可変電圧源１０Ｂとしての出力電圧は
電圧出力電極１５とグランド電極１７の間に得られる。
なお、その他の構成及び動作は前述した第１の実施の形
態と同様である。

【００４２】上記第２、第３の実施の形態の場合、オペ
アンプのボルテージフォロア回路に比較して内部抵抗は
やや大きくなるが、低価格化を図ることができる。

【００４３】なお、動作電流変動幅がかなり大きいセン
サの場合や、低価格化のため第１の実施の形態によるオ
ペアンプのボルテージフォロア回路を、第２又は第３の
実施の形態による内部抵抗値があまり小さくできないト
ランジスタのエミッタフォロア回路又は電界効果トラン
ジスタのソースフォロア回路で代用する場合には、 (補正後の残留誤差)＝(センサの動作電流変動幅)×(可
変電圧源内部抵抗値) が系の最小残留オフセット誤差であるから希望する所定
の値以下になるかどうかを確認すれば良い。

【００４４】なお、一対の電源入力電極と電源入力電極
の一方の電極を帰路電極として共有した出力電極をもつ
センサとは、通常、電源電極、グランド電極、出力電極
からなるいわゆる３端子型センサであって、半導体温度
センサや湿度センサ等があり、３端子型センサは数多く
存在する。

【００４５】３端子型センサでは、出力端子側でオフセ
ット誤差電圧を補正しようとすると、図９の説明で述べ
たようにセンサの他の誤差要因であるゲインやリニアリ
ティに影響を与えないためにはセンサそのものよりはる
かに高価な回路を付加する必要がある。従って、オフセ
ット誤差電圧を補正するためにはグランド側に補正手段
を設けなければならない。しかし、電源と出力のグラン
ド端子が分離されていないため、補正手段にはセンサの
動作電流が流れ、センサの動作電流による補正手段の内
部抵抗での起電圧が新たなオフセット誤差電圧となる可
能性がある。これを避けるために、補正手段として内部
抵抗の小さな電圧源を用い、センサの動作電流の変動幅
と接続された電圧源の内部抵抗値との積が所定の値すな
わち、許容されるオフセット誤差を超えないことが必要
である。また、補正手段としての電圧源は可変電圧源と
して調整機能を持たすことも生産上有効である。

【００４６】電圧源としては、電池、３端子レギュレー
タ等なんでもよいが、価格を考慮すれば、各実施の形態
に示した抵抗分圧とオペアンプによるボルテージフォロ
アやトランジスタによるエミッタ（ソース）フォロアバ
ッファの組み合わせがもっとも望ましい。

【００４７】以上本発明の実施の形態について説明して
きたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記
載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当
業者には自明であろう。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るシリ
アルオフセット補正センサ装置によれば、温度センサ、
特に半導体温度センサのように、誤差の主因がゲインや
リニアリティ誤差ではなくオフセット誤差に起因する場
合に、センサの内部構成に変更を加えず、しかも高精度
な部品や特殊な部品を一切使用せず、非常に簡単、安価
な回路でセンサの測定誤差の主因たるオフセット誤差を
補正できる。このため、大量に使用され、低価格が使命
であるようなセンサ装置に用いて極めて有効である。さ
らに、オフセット誤差の補正手段がセンサのオフセット
以外の誤差特性項目をまったく悪化させないように工夫
されていることも本発明の効果の一つである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシリアルオフセット補正センサ装
置の第１の実施の形態を示す回路図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態を示す回路図であ
る。

【図３】本発明の第３の実施の形態を示す回路図であ
る。

【図４】半導体温度センサのブロック図である。

【図５】本発明のシリアルオフセット補正センサ装置の
オフセット補正原理を説明する回路図である。

【図６】半導体温度センサの動作電流特性を示すグラフ
である。

【図７】オフセット誤差発生の説明のための半導体温度
センサの原理図である。

【図８】半導体温度センサの温度−誤差電圧特性を示す
グラフである。

【図９】オフセット誤差電圧補正の従来技術による回路
図である。

【符号の説明】

１，２ 電源入力電極 ３ 出力電極 １０，１０Ａ，１０Ｂ 可変電圧源 １１ オペアンプ １２ 電圧調整器 １３ 定電圧回路 １４ 電圧反転回路 １５ 電圧出力電極 １６ 電源電極 １７ グランド電極 Ａ，Ａ₁，Ａ₂ 増幅器 Ｄ ダイオード Ｑ₁ トランジスタ Ｑ₂ 電界効果トランジスタ Ｒe，Ｒs，Ｒ₁₀〜Ｒ₁₄ 抵抗 Ｓ センサ ＶＲ，ＶＲ₁，ＶＲ₂ 可変抵抗

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の電源入力電極と、該一対の電源入
   力電極の一方の電極を帰路電極として共有した出力電極
   を持つセンサを備えるシリアルオフセット補正センサ装
   置において、共通の前記帰路電極と直列に電圧源の一方
   の電極を接続し、該電圧源の他方の電極をオフセット補
   正後の共通帰路電極としたことを特徴とするシリアルオ
   フセット補正センサ装置。
2. 【請求項２】 前記センサが温度センサである請求項１
   記載のシリアルオフセット補正センサ装置。
3. 【請求項３】 前記センサの動作電流の変動幅と接続さ
   れた前記電圧源の内部抵抗値との積が所定の値を超えな
   いことを特徴とする請求項１又は２記載のシリアルオフ
   セット補正センサ装置。
4. 【請求項４】 前記電圧源の出力回路が、低出力インピ
   ーダンス回路で構成されている請求項１，２又は３記載
   のシリアルオフセット補正センサ装置。