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【発明の名称】 半導体歪ゲージ型センサ
【発明者】 【氏名】茨 伸行

【氏名】島谷 賢一

【氏名】石上 敦史

【氏名】堀 正美
【要約】 【課題】少なくともセンサの非線型温度変動成分が除去乃至低減された検出結果を得る。

【解決手段】温度変化に伴って、リニアに変動する線型温度変動成分及び非線型に変動する非線型温度変動成分が含まれている検出信号を電圧Ｖ１，Ｖ２として送出する圧力センサ１１と、電源ラインＢからの定電圧を分圧して、上記非線型温度変動成分を除去乃至低減するための電圧Ｖ５を得る分圧回路１３と、圧力センサ１１からの信号が入力される反転入力端子１４１及び電圧Ｖ５が印加される非反転入力端子１４２を有するオペアンプＯＰ３を有し、反転入力端子１４１に入力された信号を、少なくとも当該信号に含まれる非線型温度変動成分を電圧Ｖ５で除去乃至低減しながら、反転増幅する反転増幅回路１４とを備えた。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 温度変化に伴って非線型に変動する非線型温度変動成分が少なくとも含まれている検出信号を送出するセンサと、前記非線型温度変動成分の除去乃至低減用の除去信号を生成する除去信号生成手段と、前記センサからの信号が入力される第１入力端子及び前記除去信号が入力される第２入力端子を有し、前記第１入力端子に入力された信号を、当該信号に含まれる前記非線型温度変動成分を前記除去信号で除去乃至低減しながら、増幅して検出結果を得る増幅手段とを備えたことを特徴とする半導体歪ゲージ型センサ。
【請求項２】 前記センサと前記増幅手段との間に接続される差動増幅手段を備え、前記センサは、ピエゾ抵抗効果を利用して検出を行って第１及び第２検出信号を送出し、前記差動増幅手段は、前記第１及び第２検出信号の差信号を増幅して前記第１入力端子側に送出し、前記除去信号生成手段は、電源とグランドとの間に接続された負の温度特性を有するサーミスタ及び複数の抵抗によって構成され、前記電源からの電圧を分圧して前記負の温度特性が付加された前記除去信号を生成することを特徴とする請求項１記載の半導体歪ゲージ型センサ。
【請求項３】 前記第１入力端子と前記増幅手段の出力側との間には、抵抗及び正の温度特性を有する感温抵抗が帰還抵抗として接続されていることを特徴とする請求項２記載の半導体歪ゲージ型センサ。
【請求項４】 前記差動増幅手段の出力側と前記第１入力端子との間には、抵抗及び負の温度特性を有するサーミスタが直列接続されていることを特徴とする請求項３記載の半導体歪ゲージ型センサ。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、圧力センサや加速度センサ等を利用して、圧力や加速度等を検出する半導体歪ゲージ型センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、圧力や加速度等を検出するために、圧力センサや加速度センサ等を利用した半導体歪ゲージ型センサが使用されている。図６は、このような従来の半導体歪ゲージ型センサの概略構成を示す回路図である。半導体歪ゲージ型センサ９０は、図６に示すように接続されたピエゾ抵抗素子からなる抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄによって構成され、ピエゾ抵抗効果を利用して圧力検出を行って電圧Ｖ１１，Ｖ１２を送出する圧力センサ９１と、抵抗（定抵抗）Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１５，Ｒ１６及びオペアンプＯＰ１１，ＯＰ１２によって構成され、電圧Ｖ１１，Ｖ１２の差電圧（Ｖ１１−Ｖ１２）を増幅する差動増幅回路９２と、電源ラインとグランドとの間に直列接続された抵抗（定抵抗）Ｒ１７，Ｒ１８によって構成され、電源ラインから得られる定電圧を分圧して電圧Ｖ１５を取り出す分圧回路９３と、差動増幅回路９２によって増幅された差電圧を反転増幅する反転増幅回路９４とを備えている。
【０００３】反転増幅回路９４は、反転入力端子９４１、電圧Ｖ１５が印加される非反転入力端子９４２、及び出力端子９４３を有するオペアンプＯＰ１３と、反転入力端子９４１と差動増幅回路９２の出力側との間に接続される抵抗（定抵抗）Ｒ１９と、反転入力端子９４１と出力端子９４３との間に直列接続される正の温度係数を有する感温抵抗Ｒｔ及び抵抗（定抵抗）Ｒ２０とによって構成されている。
【０００４】上記構成の半導体歪ゲージ型センサ９０では、圧力センサ９１は、Ｖ１１−Ｖ１２なるセンサ感度や無入力状態における出力電圧（オフセット電圧）が温度変化に伴って変動（温度変動）する温度特性を有している。すなわち、定電圧で駆動される圧力センサ９１のセンサ感度は、図７に示すように、温度に対して一次の傾き（負の傾き）を形成する変動成分（線型温度変動成分）に加えて、下に凸となる変動成分（非線型温度変動成分）を含んでいる。このため、反転入力端子９４１と出力端子９４３との間に直列接続される正の温度係数を有する感温抵抗Ｒｔと抵抗Ｒ２０との組合せを調節して各値を決定し、上記負の傾きキャンセル用の正の温度係数を反転増幅回路９４のゲインに持たせるようにしている。
【０００５】一方、上記オフセット電圧も、線型温度変動成分に加えて非線型温度変動成分を含むことが多いが、センサ感度とは異なり、線型温度変動成分の傾きが正負のいずれであるか、また非線型温度変動成分が下に凸及び上に凸のいずれであるかは、上記回路構成とは無関係であって、圧力センサ９１の種類毎に異なる。例えば、いずれかの種類の圧力センサを使用した結果、差動増幅回路９２によって増幅されたオフセット電圧Ｖ１４が図８に示すような温度特性を示す場合には、オフセット電圧Ｖ１４と電圧Ｖ１５の差電圧（Ｖ１５−Ｖ１４）を調整して、電圧Ｖ１５によってオフセット電圧Ｖ１４の温度変動がキャンセルされるようにすればよい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構成では、センサ感度やオフセット電圧の温度変動成分のうち、線型温度変動成分はキャンセルされて補償されるものの、下に凸や上に凸の非線型温度変動成分は除去されずに残存したままとなり、これが、より高精度の検出結果獲得を阻む要因となっていた。
【０００７】また、センサ感度及びオフセット電圧の双方が同一符号の非線型温度変動成分を含む場合、例えば、図９に示すように双方が下に凸の非線型温度変動成分を含む場合には、除去されずに残存する非線型温度変動成分に起因する変動成分が、半導体歪ゲージ型センサ９０の出力（検出結果）に発生することとなり、この発生する変動成分は、圧力センサ９１に加えられる圧力の増大に応じて大きくなるという問題があった。
【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、少なくともセンサの非線型温度変動成分が除去乃至低減された検出結果を得ることができる半導体歪ゲージ型センサを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するための本発明は、温度変化に伴って非線型に変動する非線型温度変動成分が少なくとも含まれている検出信号を送出するセンサと、前記非線型温度変動成分の除去乃至低減用の除去信号を生成する除去信号生成手段と、前記センサからの信号が入力される第１入力端子及び前記除去信号が入力される第２入力端子を有し、前記第１入力端子に入力された信号を、当該信号に含まれる前記非線型温度変動成分を前記除去信号で除去乃至低減しながら、増幅して検出結果を得る増幅手段とを備えたものである。
【００１０】この構成では、センサからの信号が、この信号に含まれる非線型温度変動成分が除去信号で除去乃至低減されながら、増幅されるので、少なくともセンサの非線型温度変動成分が除去乃至低減された検出結果が得られるようになる。なお、本発明は、前記センサと前記増幅手段との間に接続される差動増幅手段を備え、前記センサは、ピエゾ抵抗効果を利用して検出を行って第１及び第２検出信号を送出し、前記差動増幅手段は、前記第１及び第２検出信号の差信号を増幅して前記第１入力端子側に送出し、前記除去信号生成手段は、電源とグランドとの間に接続された負の温度特性を有するサーミスタ及び複数の抵抗によって構成され、前記電源からの電圧を分圧して前記負の温度特性が付加された前記除去信号を生成するものでもよい。この構成によれば、少なくともセンサの非線型温度変動成分が除去乃至低減された検出結果が得られるようになる。
【００１１】また、前記第１入力端子と前記増幅手段の出力側との間には、抵抗及び正の温度特性を有する感温抵抗が帰還抵抗として接続されているものでもよい。この構成では、例えば、温度変化に伴ってリニアに変動する線型温度変動成分が検出信号に含まれている場合、この線型温度変動成分が、感温抵抗の温度特性が付加された増幅手段のゲインによって除去乃至低減されるようになって、より好ましいものとなる。
【００１２】さらに、前記差動増幅手段の出力側と前記第１入力端子との間には、抵抗及び負の温度特性を有するサーミスタが直列接続されているものでもよい。感温抵抗は、一般に、温度が低くなるに従って温度係数が小さくなって下に凸の非線型に変動する（図４参照）。ここで、センサの検出信号には線型温度変動成分だけが含まれていると仮定すると、この場合、半導体歪ゲージ型センサの出力には、増幅手段のゲインで線型温度変動成分を完全に除去しきれずに、感温抵抗の温度特性がリニアから外れることに起因する温度変動成分が残存することになる。そこで、当該構成によれば、この残存する温度変動成分は、第１入力端子側に接続されたサーミスタの温度特性が付加された増幅手段のゲインによって除去乃至低減されるようになって、さらに好ましいものとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１実施形態を示す回路図である。図１において、半導体歪ゲージ型センサ１０は、圧力センサ１１、差動増幅回路１２、除去信号生成手段としての分圧回路１３及び増幅手段としての反転増幅回路１４を備えている。圧力センサ１１は、図１に示すように、電源（電源ライン）Ｂとグランド（アースライン）との間に直列接続される、抵抗Ｒａ，Ｒｂ及び抵抗Ｒｃ，Ｒｄと、抵抗Ｒａ，Ｒｂの接続点から取り出された出力端子１１１と、抵抗Ｒｃ，Ｒｄの接続点から取り出された出力端子１１２とによって構成され、ピエゾ抵抗効果を利用して圧力検出を行い、この検出で得られる電圧Ｖ１，Ｖ２を、それぞれ出力端子１１１，１１２から送出するものである。なお、本実施形態では、圧力センサ１１には、センサ感度（Ｖ１−Ｖ２）及びオフセット電圧の双方に、負の傾きを形成する線型温度変動成分及び下に凸の非線型温度変動成分が含まれるものが使用される。また、電源ラインＢには、所定の定電圧が印加されている。
【００１４】差動増幅回路１２は、図１に示されるように接続された抵抗（定抵抗）Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６及びオペアンプＯＰ１，ＯＰ２によって構成されており、圧力センサ１１からの電圧Ｖ１，Ｖ２の差電圧（Ｖ１−Ｖ２）を所定ゲインＧ１で増幅するものである。このゲインＧ１は次式により求められる。
Ｇ１＝１＋（Ｒ６／Ｒ５）
ただし、Ｒ４＝Ｒ５，Ｒ１//Ｒ２＋Ｒ３＝Ｒ６従って、差動増幅回路１２の出力Ｖ４は、次式で与えられる。
【００１５】Ｖ４＝Ｇ１×（Ｖ１−Ｖ２）
分圧回路１３は、電源ラインＢとグランドとの間に直列接続された負の温度係数を有するサーミスタＲｔ２及び抵抗（定抵抗）Ｒ７，Ｒ８によって構成され、電源ラインＢから得られる定電圧を分圧して電圧Ｖ５を取り出すものである。反転増幅回路１４は、第１入力端子としての反転入力端子１４１、電圧Ｖ５が印加される第２入力端子としての非反転入力端子１４２、及び出力端子１４３を有するオペアンプＯＰ３と、反転入力端子１４１と差動増幅回路１２の出力側との間に接続される抵抗（定抵抗）Ｒ９と、反転入力端子１４１と出力端子１４３との間に直列接続される抵抗（定抵抗）Ｒ１０及び正の温度係数を有する感温抵抗Ｒｔ１とによって構成されており、差動増幅回路１２からの差電圧Ｖ４を所定ゲインＧ２で増幅するものである。このゲインＧ２は次式により求められる。
【００１６】Ｇ２＝（Ｒ１０＋Ｒｔ１）／Ｒ９従って、反転増幅回路１４の出力Ｖｏは、次式で与えられる。
Ｖｏ＝Ｇ２×（Ｖ５−Ｖ４）＋Ｖ５ここで、上記構成が圧力センサ１１のセンサ感度やオフセット電圧の温度特性に起因する出力Ｖｏの温度変動を抑制し得る原理について説明する。
【００１７】まず、センサ感度に含まれる負の傾きを形成する線型温度変動成分に着目すると、この成分は、差動増幅回路１２で増幅されて電圧Ｖ４に含まれることになり、温度に対して負の傾きを形成させるように電圧Ｖ４を変動させる原因となる。一方、感温抵抗Ｒｔ１の抵抗値が温度変化に伴って正の温度係数に応じて変動することから、ゲインＧ２は、温度に対して正の傾きを形成するように変動することになる。従って、負の傾きを形成する電圧Ｖ４の温度変動が正の傾きを形成するゲインＧ２の温度変動によってキャンセルされるように（Ｇ２＝１／（Ｖ５−Ｖ４）となるように）、抵抗Ｒ９，Ｒ１０及びサーミスタＲｔ１の組合せを調整してゲインＧ２を決定すれば、上記線型温度変動成分に起因する出力Ｖｏの温度変動成分が除去（低減）されることになる。
【００１８】次に、オフセット電圧に含まれる負の傾きを形成する線型温度変動成分に着目すると、この成分は、上記同様、差動増幅回路１２で増幅されて電圧Ｖ４に含まれることになり、温度に対して負の傾きを形成させるように電圧Ｖ４を変動させる原因となる。従って、この負の傾きを形成する電圧Ｖ４の温度変動がキャンセルされるように（電圧Ｖ５がＧ２＝１／（Ｖ５−Ｖ４off ）の関係を満足させるように）、抵抗Ｒ７，Ｒ８及びサーミスタＲｔ２の組合せを調整して各値を決定し、電圧Ｖ５を適したレベルに調節すれば、オフセット電圧に含まれる線型温度変動成分に起因する出力Ｖｏの温度変動成分が除去（低減）されることになる。ただし、電圧Ｖ４off は、差動増幅回路１２により増幅されたオフセット電圧を示す。
【００１９】次に、センサ感度及びオフセット電圧の双方に含まれる下に凸の非線型温度変動成分に着目すると、これらの成分は、差動増幅回路１２で増幅されて電圧Ｖ４に含まれることになり、温度に対して下に凸となるように電圧Ｖ４を変動させる原因となる。この下に凸の温度変動成分を含む電圧Ｖ４は、反転増幅回路１４で反転増幅され、上に凸の温度変動成分を含む電圧となる。従って、電圧Ｖ５が温度に対して下に凸となって変動し、この下に凸となって温度変動する電圧Ｖ５が反転増幅回路１４で非反転増幅され、この非反転増幅された電圧に含まれる下に凸の温度変動成分が上記反転増幅された電圧に含まれる上に凸の温度変動成分をキャンセルするように、抵抗Ｒ７，Ｒ８及びサーミスタＲｔ２の組合せを調整して各値を決定すれば、センサ感度及びオフセット電圧の非線型温度変動成分に起因する出力Ｖｏの温度変動成分が除去（低減）されることになる。
【００２０】なお、オフセット電圧に含まれる線型温度変動成分とセンサ感度及びオフセット電圧の双方に含まれる非線型温度変動成分は、便宜上、別々に説明したが、抵抗Ｒ７，Ｒ８及びサーミスタＲｔ２の各値は、上記各成分が総合的に考慮されて調整決定される。次に、本半導体歪ゲージ型センサ１０の動作について説明する。
【００２１】圧力センサ１１に外部から圧力が加えられると、この圧力に応じた検出信号が電圧Ｖ１，Ｖ２として、それぞれ出力端子１１１，１１２から送出される。これらの電圧Ｖ１，Ｖ２は、これらの電圧差（Ｖ１−Ｖ２）が差動増幅回路１２によって電圧Ｖ４に増幅される。この電圧Ｖ４は、反転増幅回路１４のゲインＧ２及び電圧Ｖ５によってセンサ感度及びオフセット電圧の温度変動成分がキャンセルされながら、電圧Ｖｏに反転増幅される。
【００２２】以上のように、本実施形態によれば、圧力センサ１１の線型温度変動成分及び非線型温度変動成分が除去乃至低減された検出結果（電圧Ｖｏ）を得ることができる。なお、本実施形態では、抵抗Ｒ７，Ｒ８及びサーミスタＲｔ２の各値は、オフセット電圧に含まれる非線型温度変動成分がキャンセルされるように、調整決定されるが、これに限らず、圧力センサ１１に所定の圧力が加えられた時に得られる電圧Ｖ４に含まれる非線型温度変動成分がキャンセルされるように、調整決定されてもよい。これにより、所望する検出範囲内で、最も精度の高い検出結果が得られるようになる。
【００２３】図２は、このように調整決定された場合の各温度特性例を示す図である。この図２では、抵抗Ｒ７，Ｒ８及びサーミスタＲｔ２は、圧力センサ１１に定格圧力の半分の圧力が加えられた時に得られる電圧Ｖ４に含まれる非線型温度変動成分がキャンセルされるように、各値が調整決定されている。これにより、定格圧力の半分の圧力で、検出結果の精度が最も高くなっている。なお、図２では、第１実施形態の圧力センサ１１とは異なり、オフセット電圧の非線型温度変動成分が上に凸となるものが使用されている。このように、圧力センサのセンサ感度及びオフセット電圧の各々に含まれる非線型温度変動成分の符号が互いに異なる場合でも、上記同様の効果が得られることが図２から確認される。
【００２４】また、本実施形態では、感温抵抗Ｒｔ１が具備されているが、非線型温度変動成分に起因する出力Ｖｏの温度変動成分のみの除去（低減）が目的である場合、例えば、線型温度変動成分が無視可能である場合には、感温抵抗Ｒｔ１を具備する必要はない。また、本実施形態では、サーミスタＲｔ２は、非反転入力端子１４２の電源ラインＢ側に接続された構成になっているが、これに限らず、非反転入力端子１４２のグランド側に接続される構成でもよい。要するに、非反転入力端子１４２に印加される電圧Ｖ５に、圧力センサ１１の非線型温度変動成分をキャンセルし得る温度変動成分を付加できる構成であればよい。
【００２５】さらに、本実施形態では、圧力センサ１１が具備されているが、本発明の半導体歪ゲージ型センサは、圧力センサに限らず、センサの出力に非線型温度変動成分が含まれる例えば、加速度センサ等でも同様の効果を得ることができるものである。図３は、本発明の第２実施形態を示す回路図である。図３において、半導体歪ゲージ型センサ２０は、第１実施形態と同様に、圧力センサ１１、差動増幅回路１２及び分圧回路１３を有している他、第１実施形態とは構成が異なる増幅手段としての反転増幅回路２４を具備している。
【００２６】そこで、第１実施形態と同一ブロックの説明は省略し、異なるブロックについて説明すると、反転増幅回路２４は、第１実施形態と同様に、反転入力端子１４１、電圧Ｖ５が印加される非反転入力端子１４２、及び出力端子１４３を有するオペアンプＯＰ３と、反転入力端子１４１と出力端子１４３との間に直列接続される正の温度係数を有する感温抵抗Ｒｔ１及び抵抗（定抵抗）Ｒ１０とを有する他、本第２実施形態では、反転入力端子１４１と差動増幅回路１２の出力側との間に直列接続された抵抗（定抵抗）Ｒ９及び負の温度係数を有するサーミスタＲｔ３を具備し、差動増幅回路１２からの差電圧Ｖ４を所定ゲインＧ３で増幅するものである。このゲインＧ３は次式（式“Ａ”とする。）により求められる。
【００２７】
Ｇ３＝（Ｒ１０＋Ｒｔ１）／（Ｒ９＋Ｒｔ３）
従って、反転増幅回路２４の出力Ｖｏは、次式で与えられる。
Ｖｏ＝Ｇ３×（Ｖ５−Ｖ４）＋Ｖ５ここで、上記サーミスタＲｔ３による温度変動抑制の原理について、感温抵抗Ｒｔ１の温度特性を示す図４を用いて説明する。第１実施形態では、センサ感度の線型温度変動成分は、反転増幅回路１４のゲインＧ２によりキャンセルされるものとして説明したが、この点をさらに厳密に検討してみると、感温抵抗Ｒｔ１の抵抗値が温度変化に伴ってリニアに変動しないことから（図４では下に凸の非線型成分が含まれている。）、ゲインＧ２によってはセンサ感度の線型温度変動成分が完全に除去されずに、この温度変動成分のうち、感温抵抗Ｒｔ１の抵抗値がリニアに温度変動しない分だけ残存することになる。この残存成分（本第２実施形態では、下に凸の残存成分とする。）を除去するためには、低温側に着目すると、温度が低いほど反転増幅回路２４のゲインがより小さくなるようにすればよいことが分かる。
【００２８】そこで、本第２実施形態では、負の温度係数を有するサーミスタＲｔ３を使用して、温度が低いほど式“Ａ”の分母がより大きくなってゲインＧ３がより小さくなるようにしている。そして、抵抗Ｒ９，Ｒ１０、感温抵抗Ｒｔ１及びサーミスタＲｔ３は、センサ感度の線型温度変動成分に加えて、上記残存成分をキャンセルし得るように、各値が調整決定される。
【００２９】次に、上記構成の反転増幅回路２４の動作について説明すると、電圧Ｖ４は、反転増幅回路２４のゲインＧ３及び電圧Ｖ５によって、センサ感度及びオフセット電圧の温度変動成分の他、上記残存成分がキャンセルされながら、電圧Ｖｏに反転増幅される。以上のように、圧力センサ１１の出力に含まれる線型温度変動成分及び非線型温度変動成分に起因する温度変動成分が、より厳密に除去（低減）され、より高精度の検出結果（電圧Ｖｏ）を得ることができる。
【００３０】なお、本第２実施形態の場合の図２に対応する各温度特性を図５に示す。この図５の場合には、電圧Ｖｏから、上記残存成分のみならず、全ての非線型温度変動成分に起因する温度変動成分が除去されるように、サーミスタＲｔ３の値を決定して、図５に示される「出力電圧温特」の特性が得られるようにしている。
【００３１】
【発明の効果】以上のことから明らかなように、請求項１及び２記載の発明によれば、少なくともセンサの非線型温度変動成分が除去乃至低減された検出結果を得ることができる。請求項３記載の発明によれば、より高精度の検出結果を得ることができる。
【００３２】請求項４記載の発明によれば、さらに高精度の検出結果を得ることができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５８３２
【氏名又は名称】松下電工株式会社
【出願日】 平成９年（１９９７）１２月１５日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】西川 惠清 （外１名）
【公開番号】 特開平１１−１７４０７８
【公開日】 平成１１年（１９９９）７月２日
【出願番号】 特願平９−３４５５３６