JP2001208635A - 物理量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 物理量センサと制御装置との接続部の接触不
良等に起因する故障の検出を確実に行うことのできる物
理量センサを提供する。 【解決手段】 電源ラインＰ、出力ラインＯおよび接地
ラインＧを介して制御装置と電気的に接続され、物理量
に応じたセンサ信号を出力する物理量検出回路２１を備
えている。電源ラインＰと接地ラインＧとの間の供給電
圧ΔＶが基準電圧値を満たしているか否かを監視する電
源監視回路２２が設けられ、供給電圧ΔＶが基準電圧値
を超えている場合にはセンサ信号を制御装置に出力し、
供給電圧ΔＶが基準電圧値を下回っている場合にはセン
サ信号に代えて故障発生信号を制御装置に出力する。電
源監視回路２２は、基準電圧値を出力する定電圧回路２
２ｃを備え、定電圧回路２２ｃは、基準電圧値が接地ラ
インＧの電位を基準とした一定電圧となるように構成さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば圧力等の物
理量を検出する物理量センサに関し、特に故障検出機能
を有するものに関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、車両におけるブレーキ圧や燃料圧
等のような物理量を検出する物理量センサは、物理量を
電圧値に変換して物理量に応じたセンサ信号をＥＣＵ等
の外部の制御装置に出力する。

【０００３】電源電圧は、制御装置より電源ラインを介
して物理量センサに供給される。センサ側ではこの供給
電圧を電源として、圧力検出、信号増幅・調整といった
機能を経て、印加圧力のような物理量に比例した電圧変
化（センサ信号）を出力ラインを介して制御装置に出力
する。制御装置では、この出力電圧に基づいて各種制御
を実施する。センサは、供給される電源電圧の微少な変
動に対して、供給電圧の変動と同じ割合で出力電圧を加
減する電源レシオ性を有するように設定されている。

【０００４】これらの制御装置と物理量センサとの間に
は、制御装置からセンサに電源を供給する電源ライン
と、センサから制御装置にセンサ信号を出力する出力ラ
インと、接地ラインとを介した電気的接続が不可欠であ
り、通常、制御装置とセンサはコネクタ、はんだ付け、
溶接等の各種手法を用いて電気的接続を得ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな制御装置とセンサとの接続点において接触不良等に
よる抵抗増加に起因する故障が発生する可能性がある。
例えば、電源ラインにおおいて接触抵抗が付加された場
合には電源ラインにおける電位が下降し、接地ラインに
おいて接触抵抗が付加された場合には接地ラインにおけ
る電位が上昇する。

【０００６】この結果、センサに供給される電圧が低下
し、上記物理量センサの電源レシオ性によって、出力ラ
インから実際の圧力に対応した出力信号とは異なる出力
信号が制御装置に出力されることとなる。ところが、制
御装置側ではセンサ側で故障が発生していることを知る
ことができないという問題がある。

【０００７】本発明は、上記問題点に鑑み、物理量セン
サと制御装置との接続部の接触不良等に起因する故障の
検出を確実に行うことのできる物理量センサを提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、電源ライン（Ｐ）およ
び接地ライン（Ｇ）を介して制御装置と電気的に接続さ
れ、物理量に応じたセンサ信号を出力する物理量検出回
路（２１）を備える物理量センサであって、電源ライン
（Ｐ）と接地ライン（Ｇ）との間の供給電圧（ΔＶ）が
規定電圧範囲内であるか否かを監視する電源監視回路
（２２）が設けられ、供給電圧（ΔＶ）が規定電圧範囲
外である場合には故障発生信号を制御装置に出力するこ
とを特徴としている。

【０００９】これにより、制御装置とセンサとの接続点
のうち、電源ライン（Ｐ）や接地ライン（Ｇ）において
接触不良等による抵抗増加に起因する故障が発生してセ
ンサに供給される電圧が低下した場合に、制御装置側で
確実に故障を検出することが可能となる。

【００１０】また、請求項２に記載の発明では、物理量
検出回路（２１）からのセンサ信号を受けてセンサ信号
を制御装置に出力する出力回路（２３）が設けられ、供
給電圧（ΔＶ）が電源監視回路（２２）により規格電圧
範囲外であると検知された場合には、出力回路（２３）
は、センサ信号に代えて故障発生信号を制御装置に出力
することを特徴としている。

【００１１】また、請求項３に記載の発明では、電源監
視回路（２２）は、供給電圧（ΔＶ）を分圧するための
抵抗（２２ａ、２２ｂ）と、基準電圧値を出力する定電
圧回路（２２ｃ）とを備え、定電圧回路（２２ｃ）は、
基準電圧値が接地ライン（Ｇ）あるいは電源ライン
（Ｐ）の電位を基準とした一定電圧となるように構成さ
れており、電源監視回路（２２）では、供給電圧（Δ
Ｖ）を抵抗で分圧して形成した電圧を基準電圧値とを比
較することを特徴としている。

【００１２】このように基準電圧を接地ライン（Ｇ）あ
るいは電源ライン（Ｐ）の電位を基準とした一定電圧と
することにより、電源ライン（Ｐ）に抵抗が付加したよ
うな場合においても、電源ライン（Ｐ）と接地ライン
（Ｇ）との間の電圧（ΔＶ）の監視を精度よく行うこと
ができる。

【００１３】また、上記故障発生信号は、具体的には請
求項４に記載の発明のように、センサ信号の出力範囲外
のレベルの信号とすることができる。

【００１４】また、請求項５に記載の発明では、故障発
生信号を出力する出力回路（２３）および電源監視回路
（２２）は、同一の半導体基板に設けられていることを
特徴としている。

【００１５】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した実施形態
を図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態は、物理
量センサを車両ブレーキ装置のブレーキ液圧や燃料噴射
装置の燃料圧等の圧力を測定する圧力センサに適用した
ものである。図１は本実施形態の圧力センサの概略構成
を示している。

【００１７】図１に示すように、本実施形態における圧
力センサ２０は、センサ２０からの出力信号に基づいて
各種制御を実施する外部の制御装置（例えばＥＣＵ）１
０と接続されている。制御装置１０と圧力センサ２０と
の間は、電源ラインＰ、出力ラインＯ、接地ラインＧを
介して電気的接続されている。これらの接続は、例えば
コネクタ、はんだ付け、溶接等の手段によって行われ
る。なお、各電気的接続ラインＰ、Ｏ、Ｇの制御装置１
０側と圧力センサ２０側におけるそれぞれの端子をＰ
１、Ｐ２、Ｏ１、Ｏ２、Ｇ１、Ｇ２とする。

【００１８】制御装置１０には、バッテリー等の電源Ｖ
ｃｃからの電源電圧（例えば１２Ｖ）を所定電圧（例え
ば５Ｖ）に変換するためのレギュレータ１１が設けられ
ている。電源電圧は、レギュレータ１１によって変換さ
れた後、電源ラインＰを介して圧力センサ２０に供給さ
れる。

【００１９】圧力センサ２０には、印可圧力を検出する
圧力検出回路（物理量検出回路）２１、制御装置１０か
ら供給される供給電圧の監視を行う電源監視回路２２、
制御装置１０にセンサ信号を出力する出力回路２３が設
けられている。なお、本実施形態では、これらの圧力検
出回路２１、電源監視回路２２、出力回路２３はすべて
同一の半導体基板に設けられている。

【００２０】圧力検出回路２１は、印可される圧力を電
圧値に変換し、これを出力回路２３に出力する。本実施
形態では、センサ信号の出力電圧範囲は０．５Ｖ〜４．
５Ｖとなるように構成されている。圧力検出回路２１
は、４つのゲージ抵抗（拡散抵抗）がブリッジ接続され
たホイートストンブリッジ回路から構成されている。こ
のブリッジ回路は、例えばシリコンからなる半導体基板
の薄肉のダイヤフラム部（図示せず）に形成されてい
る。

【００２１】電源監視回路２２は、制御装置１０から供
給される電圧、すなわち電源側端子Ｐ２と接地側端子Ｇ
２との間の電圧ΔＶの監視を行うものであり、圧力検出
回路２１と並列接続されている。電源監視回路２２は、
ΔＶを分圧するための２つの抵抗２２ａ、２２ｂ、ΔＶ
に依存しない基準電圧Ｖｒｅｆ（例えば１．２Ｖ）を出
力する定電圧回路２２ｃ、ΔＶを抵抗２２ａ、２２ｂで
分圧した電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較するコンパレ
ータ２２ｄを備えている。

【００２２】電源監視回路２２では、圧力センサ２０に
おける電源側端子Ｐ２と接地側端子Ｇ２との間のＰ２−
Ｇ２間電圧ΔＶが規定電圧値を下回ったか否かで故障判
定を行う。本実施形態では、制御装置１０から圧力セン
サ２０に供給される電圧（Ｐ１−Ｇ１間電圧）を５Ｖと
した場合に、Ｐ２−Ｇ２間電圧ΔＶが例えば４．５Ｖ以
下となったときに、圧力センサ２０に正常に電源供給さ
れていない状態として故障発生と判定する。すなわち、
本実施形態では、ΔＶが正常状態の電圧から１０％以上
低下した場合に故障発生と判定するように構成してい
る。

【００２３】具体的には、電源監視回路２２では、ΔＶ
を抵抗２２ａ、２２ｂで分圧した電圧と、定電圧回路２
２ｃの基準電圧Ｖｒｅｆとコンパレータ２２ｄで比較す
ることにより、圧力センサ２０に正常に電圧が印可され
ているかを判定している。そして、ΔＶを分圧した電圧
が、基準電圧Ｖｒｅｆより大きい場合にはコンパレータ
２２ｄはハイレベル出力となり、基準電圧Ｖｒｅｆ以下
の場合にはコンパレータ２２ｄはローレベル出力となる
ように構成されている。

【００２４】図２は、電源監視回路２２における定電圧
回路２２ｃの具体例を示している。この定電圧回路２２
ｃは周知のバンドギャップ型定電圧回路である。定電圧
回路２２ｃは、Ｐ２−Ｇ２間電圧ΔＶの基準となる電圧
を出力するように、接地側端子Ｇ２に対して常に一定の
電圧Ｖｒｅｆ（例えば１．２Ｖ）を出力するように構成
されている。このため接地ラインＧに抵抗が付加したよ
うな場合においても、Ｐ２−Ｇ２間電圧ΔＶの監視を精
度よく行うことができる。

【００２５】定電圧回路２２ｃでは、各トランジスタＴ
１１〜Ｔ１３は、電流増幅率ｈ_FEは十分大きくベース電
流を無視できるとともに、特性がよくそろっており、さ
らに、各素子間の温度差は無視することができるものと
する。このとき、定電圧回路２２ｃの回路接続状態によ
り、以下の数式１〜３が成り立つ。

【００２６】

【数１】Ｖｒｅｆ＝Ｒ１１・Ｉ１１＋Ｖ_BE3

【００２７】

【数２】Ｖｒｅｆ＝Ｒ１２・Ｉ１２＋Ｖ_BE2

【００２８】

【数３】Ｖ_BE1＝Ｖ_BE2＋Ｒ１３・Ｉ１２ また、トランジスタの基本特性により、以下の数式４、
５が得られる。なお、Ｉｓを飽和電流、ｑを電子の電荷
量（１．６０×１０^-19Ｃ）、ｋをボルツマン定数
（１．３８×１０^-23Ｊ／Ｋ）、Ｔを絶対温度（Ｋ）と
する。

【００２９】

【数４】 Ｉ１１＝Ｉｓ・ｅｘｐ（ｑ・Ｖ_BE1／（ｋＴ））

【００３０】

【数５】 Ｉ１２＝Ｉｓ・ｅｘｐ（ｑ・Ｖ_BE2／（ｋＴ）） 上記数式１〜５より、次の数式６が得られる。

【００３１】

【数６】 トランジスタＴ１１、Ｔ１３に同じ大きさの電流を流す
ことでＶ_BE1＝Ｖ_BE3にすると、数式６を変形して次の数
式７が得られる。

【００３２】

【数７】 Ｖ_BEの温度係数は−２ｍＶ／℃程度なので、基準電圧Ｖ
ｒｅｆが常に定電圧になる条件は、数式７の右辺第２項
がほぼ＋２ｍＶ／℃であることが必要である。従って、
以下の数式８が成り立つ必要がある。

【００３３】

【数８】（Ｒ１２／Ｒ１３）ｌｎ（Ｒ１２／Ｒ１１）≒
２×１０^-3（ｑ／ｋ）≒２３ 例えば、定電圧回路２２ｃにおけるそれぞれの抵抗Ｒ１
１〜Ｒ１３を、Ｒ１２≒１０×Ｒ１１≒１０×Ｒ１３と
することで数式８が成り立つ。このとき、数式７より定
電圧出力Ｖｒｅｆ≒１．２Ｖを得ることができる。な
お、トランジスタＴ１１〜Ｔ１３は形状等によって特性
が微妙に異なるので、抵抗Ｒ１１〜１３を最適化するこ
とが望ましい。

【００３４】出力回路２３は、図１に示すように本実施
形態ではオペアンプ２３ａで構成したボルテージ・フォ
ロワとしている。出力回路２３では、電源側端子Ｐ２と
接地側端子Ｇ２との間の電圧ΔＶが正常であると電源監
視回路２２で判定された場合には、圧力検出回路２１か
ら出力されるセンサ信号を制御装置１０に出力する。ま
た、電源監視回路２２において故障判定された場合に
は、出力回路２３はセンサ信号の通常出力電圧（０．５
〜４．５Ｖ）の範囲外の故障発生信号を制御装置１０に
出力する。具体的には、センサ信号の通常出力範囲より
大きいハイレベル故障信号（例えば４．８Ｖ以上）、あ
るいは小さいローレベル故障信号（例えば０．２Ｖ以
下）のいずれかを出力して、制御装置１０に故障発生を
知らせるように構成されている。本実施形態の出力回路
２３では、ローレベル故障信号を出力する。

【００３５】図３は、本実施形態の圧力センサ２０の出
力回路２３の具体例を示している。図３に基づいて出力
回路２３の作動について説明する。まず、電源側端子Ｐ
２と接地側端子Ｇ２との間の電圧ΔＶが正常であって、
電源監視回路２２がハイレベル出力となっている場合に
ついて説明する。この場合には、電源監視回路２２の最
終段であるトランジスタＴ２０はオフとなり、電流Ｉ２
１は流れず出力回路２３のトランジスタＴ２１もオフと
なって、電流Ｉ２２は流れない。

【００３６】一方、圧力検出回路２１からセンサ信号が
オペアンプ２３ａに入力する。ここで例えばセンサ信号
の電圧レベルが上昇した場合を考えてみる。この場合、
トランジスタＴ２４のエミッタ・ベース間電圧が小さく
なることにより電流Ｉ２４が小さくなる。トランジスタ
Ｔ２５、２６は定電流回路を構成しているため電流Ｉ２
５が大きくなる。そして、電流Ｉ２６が小さくなり、さ
らに電流Ｉ２７、Ｉ２８が小さくなる。電流Ｉ２８が小
さくなることにより抵抗Ｒ２３における電圧降下が小さ
くなり、結果としてセンサ信号の上昇に比例して出力Ｖ
ｏｕｔが大きくなる。同様に圧力検出回路からのセンサ
信号の電圧レベルが下降した場合も、これに比例して出
力Ｖｏｕｔが小さくなる。以上のように、Ｐ２−Ｇ２間
電圧ΔＶが正常の場合には、出力回路２３は圧力検出回
路からのセンサ出力に比例した出力Ｖｏｕｔが得られ
る。

【００３７】次に、電源側端子Ｐ２と接地側端子Ｇ２と
の間の電圧ΔＶが降下して、電源監視回路２２がローレ
ベル出力となっている場合について説明する。この場合
には、電源監視回路２２のトランジスタＴ２０がオン
し、電流Ｉ２１が流れて出力回路２３のトランジスタＴ
２１がオンする。この結果、電流Ｉ２２が流れ、トラン
ジスタＴ２８、Ｔ２９がオンする。出力Ｖｏｕｔは接地
電位に近くなる。この結果、出力Ｖｏｕｔは、ローレベ
ル故障信号を出力する。制御装置１０側では、センサ信
号の通常出力電圧の範囲外の信号を受け取ることによ
り、圧力センサ２０において故障が発生したことを知る
ことができる。

【００３８】以上、本実施形態によれば、制御装置１０
と圧力センサ２０との接続点のうち、電源ラインＰや接
地ラインＧにおいて接触不良等による抵抗増加に起因す
る故障が発生して圧力センサ２０に供給される電圧が低
下した場合に、制御装置１０側で確実に故障を検出する
ことが可能となる。

【００３９】（他の実施形態）なお、上記実施形態で
は、電源監視回路２２における定電圧回路２２ｃとして
図２に示すものを用いたが、これに限らず種々の構成の
ものを用いることができ、例えば図４に示す構成の定電
圧回路２２ｃ′を用いることもできる。この定電圧回路
２２ｃ′は図２に示した定電圧回路２２ｃにおけるトラ
ンジスタＴ１３をオペアンプＯＰに置き換えた点が異な
るものである。

【００４０】図２で示した定電圧回路２２ｃでは、２つ
のトランジスタＴ１１、Ｔ１３に同じ大きさの電流が流
れることで理想とするＶ_BE1＝Ｖ_BE3（＝Ｖ_X）を得る。
しかしながら、このことはある温度では成り立っても温
度変化によってずれる場合があり、結果として定電圧値
が微妙にずれる場合がある。これに対して、図４に示す
定電圧回路２２ｃ′では、オペアンプＯＰで高精度に制
御してＶ_BE1＝Ｖ_Xを得るため、高精度の定電圧出力を得
ることが可能である。

【００４１】また、上記実施形態では、接地ラインＧの
電位を基準としたが、電源ラインＰの電位を基準とした
構成でもよい。

【００４２】また、同様の回路で供給電圧ΔＶが上昇し
た場合を検出すれば、制御装置側電源系の異常も検出可
能である。

【００４３】また、上記実施形態の出力回路２３は故障
発生時にセンサ信号の通常出力範囲（例えば０．５〜
４．５Ｖ）より小さいローレベル故障信号（例えば０．
２Ｖ以下）を出力するように構成したが、これに限ら
ず、ハイレベル故障信号（例えば４．８Ｖ以上）を出力
するような回路構成とすることもできる。

【００４４】また、上記実施形態の圧力センサでは、圧
力検出回路はＰＮ接合を有する拡散抵抗からなるブリッ
ジ回路から構成されるものを用いたが、これに限らず、
拡散抵抗に代えて、例えば絶縁膜上に形成できる多結晶
シリコン等からなる薄膜抵抗を用いれば、高温において
もリーク電流が発生せず、より好適である。さらに、例
えば容量型センサ等のセンサを用いることも可能であ
る。

【００４５】また、上記実施形態では、本発明を各種圧
力を測定する圧力センサ装置に適用したが、これに限ら
ず、電源ラインＰ、出力ラインＯ、接地ラインＧを備え
ていれば、例えば加速度センサ、ヨーレートセンサ等に
おいても適用可能である。

【００４６】なお、センサ信号を電流出力とした場合、
出力ラインＯは、電源ラインＰあるいは接地ラインＧと
共用可能であり、ラインを２本にできる。

【００４７】また、上記実施形態では、出力ラインＯは
１本であったが、複数でもよい。さらに、出力信号はア
ナログ値に限らず、各種デジタル値でもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の圧力センサの概略構成を示す回路
図である。

【図２】図１の圧力センサの電源監視回路における定電
圧回路の構成を示す回路図である。

【図３】図２の出力回路の具体的構成を示す回路図であ
る。

【図４】図２の定電圧回路の変形例の構成を示す回路図
である。

【符号の説明】

１０…制御装置、２０…圧力センサ（物理量センサ）、
２１…圧力検出回路（物理量検出回路）、２２…電源監
視回路、２２ａ、２２ｂ…抵抗、２２ｃ…定電圧回路、
２２ｄ…コンパレータ、２３…出力回路、２３ａ…オペ
アンプ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源ライン（Ｐ）および接地ライン
   （Ｇ）を介して制御装置と電気的に接続され、物理量に
   応じたセンサ信号を出力する物理量検出回路（２１）を
   備える物理量センサであって、 前記電源ライン（Ｐ）と前記接地ライン（Ｇ）との間の
   供給電圧（ΔＶ）が規定電圧範囲内であるか否かを監視
   する電源監視回路（２２）が設けられ、 前記供給電圧（ΔＶ）が前記規定電圧範囲外である場合
   には故障発生信号を前記制御装置に出力することを特徴
   とする物理量センサ。
2. 【請求項２】 前記物理量検出回路（２１）からの前記
   センサ信号を受けて前記センサ信号を前記制御装置に出
   力する出力回路（２３）が設けられ、 前記供給電圧（ΔＶ）が前記電源監視回路（２２）によ
   り前記規格電圧範囲外であると検知された場合には、前
   記出力回路（２３）は、前記センサ信号に代えて前記故
   障発生信号を前記制御装置に出力することを特徴とする
   請求項１に記載の物理量センサ。
3. 【請求項３】 前記電源監視回路（２２）は、前記供給
   電圧（ΔＶ）を分圧するための抵抗（２２ａ、２２ｂ）
   と、基準電圧値を出力する定電圧回路（２２ｃ）とを備
   え、 前記定電圧回路（２２ｃ）は、前記基準電圧値が前記接
   地ライン（Ｇ）あるいは前記電源ライン（Ｐ）の電位を
   基準とした一定電圧となるように構成されており、 前記電源監視回路（２２）では、前記供給電圧（ΔＶ）
   を前記抵抗（２２ａ、２２ｂ）で分圧した電圧を前記基
   準電圧値とを比較することを特徴とする請求項１または
   ２に記載の物理量センサ。
4. 【請求項４】 前記故障発生信号は、前記センサ信号の
   出力範囲外のレベルの信号であることを特徴とする請求
   項１ないし３のいずれか１つに記載の物理量センサ。
5. 【請求項５】 前記故障発生信号を出力する出力回路
   （２３）および前記電源監視回路（２２）は、同一の半
   導体基板に設けられていることを特徴とする請求項２な
   いし４のいずれか１つの記載の物理量センサ。