JP2004245748A

JP2004245748A - センサ装置の保護回路

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Publication number: JP2004245748A
Application number: JP2003037445A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Sumi; 智明角
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: JP4114499B2

Abstract

【課題】高周波ノイズ及び静電気により出力段が備える能動素子が誤作動することを防止することができるセンサ装置の保護回路を提供する。
【解決手段】ＰＮＰトランジスタ１７を備えた荷重センサ１３の出力段と信号出力端子ＣＮ３とを接続する直列接続のインダクタンス２４，２５、一端がインダクタンス２４，２５の接続部Ｃ４に接続され他端が接地されたコンデンサ２６を備えている。また、荷重センサ１３の出力段と信号出力端子ＣＮ２とを接続する直列接続のインダクタンス２７，２８、一端がインダクタンス２７，２８の接続部Ｃ５に接続され他端が接地されたコンデンサ２９を備えている。インダクタンス２４，２５の接続部Ｃ４と、インダクタンス２７，２８の接続部Ｃ５とを接続する双極のツェナーダイオード３１，３２を備えている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサ装置の保護回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、センサ装置に適用可能な保護回路としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。この保護回路では、コモンモードチョークコイル（インダクタンス）とコンデンサとを使用してノイズを除去している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２４４７７０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この保護回路では、静電気のような高電圧の電気ノイズは除去することができない。このため、センサの出力段に能動素子を備えるセンサ装置に当該保護回路を設ける場合、この静電気によって当該能動素子が誤作動することがある。
【０００５】
また、こうした静電気による能動素子の誤作動防止のため、センサの出力段にツェナーダイオードを設けることも行われている。しかしながら、大出力のノイズが生じる場合には、このツェナーダイオードに不具合が生じることがある。
【０００６】
本発明の目的は、高周波ノイズ及び静電気により出力段が備える能動素子が誤作動することを防止することができるセンサ装置の保護回路を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、能動素子を備えたセンサの出力段と、外部との接続用の第１出力端子とを接続する直列接続の第１インダクタンス及び第２インダクタンスと、一端が前記第１インダクタンス及び前記第２インダクタンスの接続部に接続され、他端が接地された第１コンデンサと、前記センサの出力段と、外部との接続用の第２出力端子とを接続する直列接続の第３インダクタンス及び第４インダクタンスと、一端が前記第３インダクタンス及び前記第４インダクタンスの接続部に接続され、他端が接地された第２コンデンサと、前記第１インダクタンス及び前記第２インダクタンスの接続部と、前記第３インダクタンス及び前記第４インダクタンスの接続部とを接続し、双方向からの過大電圧を吸収する電圧制限素子とを備えたことを要旨とする。
【０００８】
（作用）
請求項１に記載の発明によれば、センサの出力段と第１出力端子との間は、直列接続の第１インダクタンス及び第２インダクタンスを介して接続されており、これら第１インダクタンス及び第２インダクタンスの接続部は第１コンデンサを介して接地されている。従って、センサ（出力段）側からの高周波ノイズは、第１インダクタンス及び第１コンデンサを介して除去される。また、第１出力端子側からの高周波ノイズは、第２インダクタンス及び第１コンデンサを介して除去される。
【０００９】
一方、センサの出力段と第２出力端子との間は、直列接続の第３インダクタンス及び第４インダクタンスを介して接続されており、これら第３インダクタンス及び第４インダクタンスの接続部は第２コンデンサを介して接地されている。従って、センサ（出力段）側からの高周波ノイズは、第３インダクタンス及び第２コンデンサを介して除去される。また、第２出力端子側からの高周波ノイズは、第４インダクタンス及び第２コンデンサを介して除去される。
【００１０】
そして、前記第１インダクタンス及び前記第２インダクタンスの接続部と、前記第３インダクタンス及び前記第４インダクタンスの接続部とを接続し、双方向からの過大電圧（例えば、２４Ｖ以上）を吸収する電圧制限素子は、大出力の高周波ノイズによって不具合が生じることもない。
【００１１】
さらに、第１出力端子及び第２出力端子のいずれかからの静電気は、その極性に応じて双方向からの過大電圧を吸収する電圧制限素子によって阻止される。例えば、電圧制限素子にツェナーダイオードを２つ用いて、アノード側を互いに接続した双方向ツェナーダイオードを用いた場合には、ツェナーダイオードの一方により阻止される。また、この電圧制限素子には、バリスターを用いることも可能である。
【００１２】
以上により、高周波ノイズ及び静電気により出力段が備える能動素子が誤作動することが防止される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２に従って説明する。
図１に示すように、センサ装置１０は、センサユニット１１と、電子制御ユニット１２とを備えている。
【００１４】
センサユニット１１は、センサとしての荷重センサ１３と、増幅回路１４と、電源側保護回路１５と、出力側保護回路１６とを備えている。
荷重センサ１３はストレーン・ゲージ歪ゲージであって、検出しようとする荷重によって撓み変形する図示しない起歪体上に形成されている。荷重センサ１３は、４個のストレーン・ゲージＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を備えている。なお、各ストレーン・ゲージＧ１〜Ｇ４の抵抗値は起歪体に加わる荷重が「０」であるときには全て同じであって例えば数百Ωである。各ストレーン・ゲージＧ１〜Ｇ４の抵抗値は、加わった荷重の大きさに応じた起歪体の撓み変形量に対応して変化するようになっている。
【００１５】
ストレーン・ゲージＧ１及びストレーン・ゲージＧ２、ストレーン・ゲージＧ３及びストレーン・ゲージＧ４はそれぞれ直列接続されている。これら直列接続されたストレーン・ゲージＧ１，Ｇ２と、ストレーン・ゲージＧ３，Ｇ４とは並列接続されている。そして、ストレーン・ゲージＧ１，Ｇ３が接続される一端は、上記電源側保護回路１５を介してセンサユニット１１が備える外部電源との接続用の一方の電源端子ＣＮ１に接続されている。この電源端子ＣＮ１は、外部電源と接続されることでハイレベル（例えば５Ｖ）の基準電位Ｖｃｃに設定される。一方、ストレーン・ゲージＧ２，Ｇ４が接続される他端は、上記出力側保護回路１６を介してセンサユニット１１が備える一方の信号出力端子ＣＮ２に接続されている。この信号出力端子ＣＮ２は、ローレベルの電位に設定される。
【００１６】
ここで、ストレーン・ゲージＧ１，Ｇ２の接続部Ｃ１の電位は、起歪体に加わった荷重の大きさに応じて変化する両ストレーン・ゲージＧ１，Ｇ２の抵抗値でその間の電圧（以下、「電圧ＶＧ」という）を分圧した電位となる。同様に、ストレーン・ゲージＧ３，Ｇ４の接続部Ｃ２の電位は、起歪体に加わった荷重の大きさに応じて変化する両ストレーン・ゲージＧ３，Ｇ４の抵抗値で電圧ＶＧを分圧した電位となる。従って、これら接続部Ｃ１，Ｃ２の電位は、起歪体に加わる荷重が「０」であるときには電圧ＶＧの半分の電位ＶＧ／２となる。また、起歪体に加わる荷重が「０」から増大する（起歪体に圧縮荷重が作用する状態）ほど接続部Ｃ１の電位は電位ＶＧ／２からより大きくなるとともに接続部Ｃ２の電位は電位ＶＧ／２からより小さくなる。反対に、起歪体に加わる荷重が「０」から減少する（起歪体に引っ張り荷重が作用する状態）ほど接続部Ｃ１の電位は電位ＶＧ／２からより小さくなるとともに接続部Ｃ２の電位は電位ＶＧ／２からより大きくなる。接続部Ｃ１，Ｃ２の各電位は、予め設定されている荷重検出範囲の荷重に対して、ＶＧ／２から例えば数ｍＶの所定範囲で変化する。ここで、荷重検出範囲は、荷重センサ１３によってある程度以上の検出精度で検出することができる荷重範囲であって、起歪体に加わる負の荷重（引っ張り荷重）から正の荷重（圧縮荷重）までの荷重範囲である。
【００１７】
上記接続部Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ増幅回路１４に接続されている。増幅回路１４は、起歪体に作用する荷重に応じた接続部Ｃ１，Ｃ２間の電圧を所定増幅率にて増幅する。この増幅回路１４は、能動素子としてのＰＮＰトランジスタ１７を備えている。このＰＮＰトランジスタ１７のエミッタは電源側保護回路１５を介して電源端子ＣＮ１に接続されており、コレクタは上記出力側保護回路１６を介してセンサユニット１１が備える信号出力端子ＣＮ３に接続されている。増幅回路１４は、ＰＮＰトランジスタ１７のオン状態において、接続部Ｃ１，Ｃ２間の電圧の極性（正負）に応じてエミッタ−コレクタ間を流れる電流を増減させる。
【００１８】
上記電源側保護回路１５は、一端が荷重センサ１３（ストレーン・ゲージＧ１，Ｇ３）に接続されたインダクタンス２１と、これに直列接続され一端が上記電源端子ＣＮ１に接続されたインダクタンス２２とを備えている。また、これらインダクタンス２１，２２の接続部Ｃ３に一端が接続され他端が接地されたコンデンサ２３を備えている。これらインダクタンス２１，２２及びコンデンサ２３は、いわゆるＴ型フィルタを構成している。従って、荷重センサ１３側からの高周波ノイズは、インダクタンス２１及びコンデンサ２３を介して除去される。また、電源端子ＣＮ１側からの高周波ノイズは、インダクタンス２２及びコンデンサ２３を介して除去される。
【００１９】
上記出力側保護回路１６は、一端がＰＮＰトランジスタ１７のコレクタに接続された第１インダクタンスとしてのインダクタンス２４と、これに直列接続され一端が上記信号出力端子ＣＮ３に接続された第２インダクタンスとしてのインダクタンス２５とを備えている。また、これらインダクタンス２４，２５の接続部Ｃ４に一端が接続され他端が接地された第１コンデンサとしてのコンデンサ２６を備えている。これらインダクタンス２４，２５及びコンデンサ２６は、いわゆるＴ型フィルタを構成している。従って、荷重センサ１３（出力段）側からの高周波ノイズは、インダクタンス２４及びコンデンサ２６を介して除去される。また、信号出力端子ＣＮ３側からの高周波ノイズは、インダクタンス２５及びコンデンサ２６を介して除去される。
【００２０】
また、上記出力側保護回路１６は、一端が荷重センサ１３（ストレーン・ゲージＧ２，Ｇ４）に接続された第３インダクタンスとしてのインダクタンス２７と、これに直列接続され一端が上記信号出力端子ＣＮ２に接続された第４インダクタンスとしてのインダクタンス２８と備えている。また、これらインダクタンス２７，２８の接続部Ｃ５に一端が接続され他端が接地された第２コンデンサとしてのコンデンサ２９を備えている。これらインダクタンス２７，２８及びコンデンサ２９も、いわゆるＴ型フィルタを構成している。従って、荷重センサ１３（出力段）側からの高周波ノイズは、インダクタンス２７及びコンデンサ２９を介して除去される。また、信号出力端子ＣＮ２側からの高周波ノイズは、インダクタンス２８及びコンデンサ２９を介して除去される。
【００２１】
さらに、上記出力側保護回路１６は、上記両接続部Ｃ４，Ｃ５を接続し、双方向からの過大電圧（例えば、２４Ｖ以上）を吸収する電圧制限素子（２つのツェナーダイオード３１，３２から構成され、アノード同士が接続された双方向ツェナーダイオード）を備えている。この場合、電圧制限素子は、双方向ツェナーダイオードを用いる代わりに、バリスターを用いてもよい。従って、信号出力端子ＣＮ２，ＣＮ３のいずれかからの静電気は、その極性に応じて双極をなすツェナーダイオード３１，３２のいずれか一方により阻止される。
【００２２】
前記電子制御ユニット１２は、一端が接続線Ｗ１を介して一方の信号出力端子ＣＮ２に接続され、他端が接続線Ｗ２を介して他方の信号出力端子ＣＮ３に接続され、電子制御ユニット１２は内部にインダクタンスとコンデンサによって構成されるローパスフィルタ及び検出用抵抗２０を備えている。これら接続線Ｗ１，Ｗ２は、ハーネスを構成するものである。
【００２３】
次に、このセンサ装置１０の動作について説明する。ＰＮＰトランジスタ１７のオン状態において、接続部Ｃ１，Ｃ２間の電圧に応じてエミッタ−コレクタ間を流れる電流（コレクタ電流）が増加すると、信号出力端子ＣＮ３の端子電圧も増加する。反対に、エミッタ−コレクタ間を流れる電流（コレクタ電流）が減少すると、信号出力端子ＣＮ３の端子電圧も減少する。これにより、検出用抵抗２０の端子電圧の電圧変動を出力信号として検出することにより、電子制御ユニット１２において荷重センサ１３による監視対象の状態が検出されるようになっている。
【００２４】
図２は、荷重センサ１３による荷重検出範囲での出力信号（検出用抵抗２０の電圧降下）の変化を示すグラフである。同図に示すように、この荷重検出範囲では、出力信号は荷重の変化に比例するリニア特性を示す。この荷重検出範囲に対応する出力信号の範囲（荷重信号範囲）は、例えば０．５〜４．５Ｖの範囲となっている。
【００２５】
さらに、例えば接続線Ｗ１が断線したとする。このとき、電源端子ＣＮ１から荷重センサ１３（ストレーン・ゲージＧ１〜Ｇ４）及びツェナーダイオード３１を介して流れようとする電流は、ツェナーダイオード３２によって遮断される。従って、接続線Ｗ１の断線時では、検出用抵抗２０を流れる電流が零になってその電圧降下は０Ｖ程度に著しく低下し、その異常が検出されるようになっている。いうまでもなく、接続線Ｗ２の断線時も、検出用抵抗２０を流れる電流が零になってその電圧降下は０Ｖ程度に著しく低下し、その異常が検出されるようになっている。
【００２６】
以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）本実施形態では、高周波ノイズ及び静電気を除去することで増幅回路１４（ＰＮＰトランジスタ１７）が誤作動することを防止できる。
【００２７】
（２）本実施形態では、インダクタンス２４，２５の接続部Ｃ４と、インダクタンス２７，２８の接続部Ｃ５とを接続する双極のツェナーダイオード３１，３２は、外部（信号出力端子ＣＮ２，ＣＮ３）からの大出力の高周波ノイズによって不具合が生じることが防止される。
【００２８】
（３）本実施形態では、接続線Ｗ１，Ｗ２の断線を検出することができる。
なお、本発明の実施の形態は上記実施形態に限定されるものではなく、次のように変更してもよい。
【００２９】
・前記実施形態においては、一対のツェナーダイオード３１，３２にて双極を構成したが、例えば複数対をなすツェナーダイオードにて双極を構成してもよい。
【００３０】
・前記実施形態では、荷重検出範囲において出力信号がリニア特性を示すようにしたが、その他の特性を示すようにしてもよい。
・前記実施形態においては、荷重センサとして、荷重に応じて抵抗値が変化するものを採用したが、例えば荷重に応じて静電容量が変化するものを採用してもよい。
【００３１】
・前記実施形態において、センサは、荷重センサ１３に限らず、トルク・メータ、圧力センサ、加速度センサ等のストレーン・ゲージ式センサであってもよい。
【００３２】
・前記実施形態において、ストレーン・ゲージは、線歪ゲージ、圧膜抵抗体歪ゲージ、箔歪ゲージ、半導体歪ゲージ等のいずれの形態であってもよい。
・前記実施形態において、センサは、直列接続された一対のストレーン・ゲージのみを備えたものであってもよい。
【００３３】
・前記実施形態においては、増幅回路１４をＰＮＰトランジスタにて構成したが、例えばＮＰＮトランジスタにて構成してもよい。また、トランジスタ（バイポーラトランジスタ）に代えて電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を採用してもよい。
【００３４】
・前記実施形態における回路構成は一例であって、本発明を逸脱しない範囲で適宜の構成を採用してもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１に記載の発明によれば、高周波ノイズ及び静電気により出力段が備える能動素子が誤作動することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す回路図。
【図２】同実施形態の荷重と出力信号との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１３センサとしての荷重センサ
１７能動素子としてのＰＮＰトランジスタ
２４第１インダクタンスとしてのインダクタンス
２５第２インダクタンスとしてのインダクタンス
２６第１コンデンサとしてのコンデンサ
２７第３インダクタンスとしてのインダクタンス
２８第４インダクタンスとしてのインダクタンス
２９第２コンデンサとしてのコンデンサ
３１，３２ツェナーダイオード
ＣＮ２第２出力端子としての信号出力端子
ＣＮ３第１出力端子としての信号出力端子

Claims

能動素子を備えたセンサの出力段と、外部との接続用の第１出力端子とを接続する直列接続の第１インダクタンス及び第２インダクタンスと、
一端が前記第１インダクタンス及び前記第２インダクタンスの接続部に接続され、他端が接地された第１コンデンサと、
前記センサの出力段と、外部との接続用の第２出力端子とを接続する直列接続の第３インダクタンス及び第４インダクタンスと、
一端が前記第３インダクタンス及び前記第４インダクタンスの接続部に接続され、他端が接地された第２コンデンサと、
前記第１インダクタンス及び前記第２インダクタンスの接続部と、前記第３インダクタンス及び前記第４インダクタンスの接続部とを接続し、双方向からの過大電圧を吸収する電圧制限素子とを備えたことを特徴とするセンサ装置の保護回路。