JP2009156643A - 故障検出システム及び集積回路 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス信号を含む様々なセンサ出力に適用することができ、かつ、故障検出に要する費用を少なくする。
【解決手段】センサの故障を判定する故障検出システムであって、第１の端子を有し、前記第１の端子の電圧レベルを変動させるセンサ出力電流を出力するセンサ１０と、前記センサに前記第１の端子を介して一定の判定用電流を出力することで、前記第１の端子の電圧レベルを変動させる電流出力部３１と、前記センサ出力電流により前記第１の端子の電圧レベルが閾値以上となる第１の期間とは異なる期間に、前記第１の端子の電圧レベルが前記判定用電流により前記閾値以上となれば、前記センサは故障であると判定する判定部３３３とを備える。
【選択図】図２

Description

センサの故障を判定するシステムに関し、特に、水道メータなどの流量カウンタに用いられるセンサの故障を判定するシステム及び集積回路に関する。

一般的に、使用した水量を測定するセンサを備える水道メータが水道管には備えられている。例えば、各家庭に備えられた水道メータによって、家庭で使用された水量を測定し、測定された水量に応じた水道料金が家庭に課せられる。

したがって、正確な水道料金を家庭に課すためには、正確な水量を測定しなければならい。水道メータのセンサが故障し、正確な水量を測定できない場合などには、ただちに、センサの故障を検出し、水道の管理者などにセンサの故障を知らさなければならない。

上記のようなセンサの故障の検出への適用が考えられるシステムとして、特許文献１に挙げられる技術がある。

図１３は、特許文献１に記載のセンサの故障検出システムのブロック図である。同図の故障検出システムは、エンジンの速度を検出するためのセンサの故障を検出するシステムであり、センサ６０と、インタフェース６１と、故障検出回路６２と、ＯＲ回路６３とを備える。インタフェース６１は、差動増幅器６１１と、速度入力比較器６１２とを備える。故障検出回路６２は、電流源６２１と、フィルタ回路６２２と、故障比較器６２３とを備える。センサ６０は、２本のリード線６４を介してインタフェース６１及び故障検出回路６２と接続されている。

従来の故障検出システムでは、電流源６２１からリード線６４を介してセンサ６０にバイアス電流を出力する。電流源６２１は、オフセット電圧により駆動及び維持される。オフセット電圧は、設定されたレベルにバイアス電流を保つように必要に応じて変化する。故障比較器６２３は、オフセット電圧をモニタすることにより、故障の検出を行う。

センサ６０が故障している場合（例えば、センサが開放状態又は短絡状態である）、オフセット電圧は、バイアス電流を一定のレベルに保つために、上昇する。このとき、オフセット電圧が、予め定められた閾値を越えた場合に、センサ６０が故障しているものとして、故障検出回路６２は故障信号を生成する。

なお、図１３の構成では、センサ６０の出力（交流信号）によりオフセット電圧が変動することがありうる。そこで、フィルタ回路６２２が、センサ６０の出力成分を除去するために設けられている。フィルタ回路６２２は、抵抗とコンデンサとで構成されるローパスフィルタである。
特開２００４−２９４４４２号公報

しかしながら、上記従来の故障検出システムでは以下の課題がある。
特許文献１に記載の故障検出システムは、センサの出力として交流信号を想定して構成されたシステムであり、センサの出力が、例えば、パルス信号の場合には適用できないという課題がある。なぜならば、パルス信号の場合には、低周波数成分が大きく、フィルタ回路によって完全にノイズ（センサの出力成分）を除去することが難しいためである。

また、フィルタ回路は、抵抗（抵抗値Ｒ）とコンデンサ（容量値Ｃ）とで構成されており、製造バラツキや温度バラツキなどがあるため、設計が困難である。また、センサの出力信号の周期又はパルス幅が長い場合は、ＲＣが大きくなり、回路面積が大きくなる。これらのことから、従来技術のシステムを適用するには、多くの費用がかかるという課題がある。

そこで、本発明は、パルス信号を含む様々なセンサ出力に適用することができ、かつ、費用を少なくすることができる故障検出システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、センサの故障を検出する故障検出システムであって、第１の端子を有し、前記第１の端子の電圧レベルを変動させるセンサ出力電流を出力するセンサと、前記センサに前記第１の端子を介して一定の判定用電流を出力することで、前記第１の端子の電圧レベルを変動させる電流出力手段と、前記センサ出力電流により前記第１の端子の電圧レベルが閾値以上となる第１の期間とは異なる期間に、前記第１の端子の電圧レベルが前記判定用電流により前記閾値以上となれば、前記センサは故障であると判定する判定手段とを備える。

これにより、パルス信号を含む様々なセンサ出力に適用することができ、かつ、費用を少なくすることができる。

また、前記故障検出システムは、さらに、前記判定用電流を出力する第２の期間と第３の期間とのいずれか一方が前記第１の期間とは異なる期間となるように、前記第２の期間と前記第３の期間とを設定する期間制御手段を備え、前記電流出力手段は、前記期間制御手段によって設定された前記第２の期間と前記第３の期間とに前記判定用電流を前記センサに前記第１の端子を介して出力し、前記判定手段は、前記第２の期間と前記第３の期間との両方において、前記第１の端子の電圧レベルが前記閾値以上であれば、前記センサは故障であると判定する。

これにより、センサ出力電流と判定用電流とが同期間に出力された場合であっても、センサの故障を判定することができる。さらに、判定用電流を常に出力する必要がないため、消費電流を少なくすることができる。

また、前記センサは、前記第１の端子の電圧レベルが前記第１の期間では前記閾値以上となり、さらに、前記第１の期間の開始時点から前記第１の期間より長い期間である第４の期間を経過した時点から前記第１の端子の電圧レベルが前記閾値以上となるような前記センサ出力電流を出力し、前記期間制御手段は、前記第２の期間の開始時点から前記第３の期間の開始時点までの期間が前記第１の期間より長く、かつ、前記第２の期間の開始時点から前記第３の期間の終了時点までの期間が前記第４の期間より短くなるように、前記センサの故障をチェックするチェック期間を設定する。又は、前記センサは、前記第１の端子の電圧レベルが前記第１の期間では前記閾値以上となる所定の周期を有する交流信号となるような前記センサ出力電流を出力し、前記期間制御手段は、前記第２の期間の開始時点から前記第３の期間の開始時点までの期間が前記第１の期間より長く、かつ、前記第２の期間の開始時点から前記第３の期間の終了時点までの期間が前記周期より短くなるように、前記センサの故障をチェックするチェック期間を設定する。

これにより、センサ出力が間欠パルス信号又は交流信号である場合でも、判定用電流を出力する期間を制御することで、センサの故障を判定することができる。

また、前記期間制御手段は、前記第２の期間と前記第３の期間とを含むｎ回（ｎは２以上の整数）の期間からなるチェック期間を設定し、前記電流出力手段は、前記期間制御手段によって設定された前記ｎ回の期間に前記判定用電流を前記センサに前記第１の端子を介して出力し、前記判定手段は、前記期間制御手段によって設定された前記ｎ回の期間のうち、ｍ回（２≦ｍ≦ｎ、ｍは整数）の期間において、前記第１の端子の電圧レベルが前記閾値以上であれば、前記センサは故障であると判定する。

これにより、故障の判定回数を増やすことができるので、故障判定の精度を向上させることができる。

また、前記判定手段は、前記期間制御手段によって設定された前記チェック期間に含まれる全ての期間において、前記第１の端子の電圧レベルが前記閾値以上であれば、前記センサは故障であると判定する。

これにより、故障判定の基準を厳格に設定するために、確実にセンサの故障を判定することができる。

また、前記判定手段は、さらに、前記センサの特性を検出し、検出した前記特性に応じて前記ｍの値を決定する。

これにより、センサの特性に応じた故障判定の基準を設定することができ、故障判定の精度を向上させることができる。

また、前記センサは、さらに、第２の端子を有し、前記電流出力手段は、前記第１の端子に接続される第１の電流源と、前記第２の端子に接続される第２の電流源とを備え、前記電流出力手段は、前記判定用電流を前記第１の電流源から前記第１の端子を介して前記センサに出力し、前記センサに入力された前記判定用電流を前記第２の端子を介して前記第２の電流源に流入させる。

これにより、判定用電流の安定性を高めることができ、故障判定の精度を向上させることができる。

また、前記故障検出システムは、さらに、前記センサ出力電流を用いて、前記電流出力手段に供給する電源を生成する内部電源生成手段を備える。

これにより、外部から電源を供給されなくとも、センサ出力を利用することで故障判定に必要な電力を補うことができる。

また、前記判定用電流は、前記センサ出力電流より小さいとしてもよい。
これにより、センサとしての機能を妨げることなく故障の判定を行うことができる。

また、前記判定用電流は、前記センサ出力電流より大きいとしてもよい。
これにより、センサの故障の判定機能を優先することができ、例えば、センサの故障が許されない場合などに適用することができる。

なお、本発明は、センサの故障を検出する集積回路であって、第１の端子を有し、前記第１の端子の電圧レベルを変動させるセンサ出力電流を出力するセンサが前記第１の端子を介して接続されるセンサ接続手段と、前記センサに前記第１の端子を介して一定の判定用電流を出力することで、前記第１の端子の電圧レベルを変動させる電流出力手段と、前記センサ出力電流により前記第１の端子の電圧レベルが閾値以上となる第１の期間とは異なる期間に、前記第１の端子の電圧レベルが前記判定用電流により前記閾値以上となれば、前記センサは故障であると判定する判定手段とを備える集積回路として実現してもよい。

なお、本発明は、システム及び集積回路として実現できるだけでなく、該システムを構成する処理手段をステップとする方法として実現してもよい。また、各ステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現してもよく、さらに、該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ−Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などの記録媒体として実現してもよい。

本発明によると、パルス信号を含む様々なセンサ出力に適用することができ、かつ、故障検出に要する費用を少なくすることができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本実施の形態の故障検出システムを適用することができる水道メータの構成について簡単に説明する。

図１は、本実施の形態のセンサの故障検出システムが適用される水道メータの一例を示す図である。同図の水道メータは、センサ部１００と、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２００と、フラッシュマイコン２１０と、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）２２１と、検針器インタフェース２２２とを備える。

センサ部１００は、センサ１０及び１１と、磁石１２とを備える。センサ部１００は、磁石１２が水流によって回転することで、センサ１０及び１１の各端子にそれぞれパルス電圧が誘起される。

ＬＳＩ２００は、センサ部１００で誘起されるパルス電圧を検知することで、不揮発性メモリカウンタをインクリメント又はデクリメントする。また、フラッシュマイコン２１０とのＩ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）バス通信を制御する。さらに、センサ部１００が備えるセンサが故障しているか否かを判定する。以上の処理を実現するために、ＬＳＩ２００は、センサ処理回路２０と故障検出回路３０とを備える。

センサ処理回路２０は、センサ部１００のセンサの端子に誘起されるパルス電圧を検知することで、不揮発性メモリカウンタをインクリメント又はデクリメントする。さらに、フラッシュマイコン２１０とのＩ２Ｃバス通信を制御する。以上の処理を実現するために、センサ処理回路２０は、内部電源生成部２１と、パルス検知部２２と、カウント動作制御部２３と、不揮発性メモリカウンタ２４と、Ｉ２Ｃバス通信制御部２５とを備える。なお、ＬＳＩ２００は、内部電源生成部２１により電源を生成することにより駆動するが、フラッシュマイコン２１０から電源を供給されることで駆動することもできる。

なお、センサ処理回路２０は、２つのセンサ１０及び１１の端子のパルス電圧を処理してもよい。また、ＬＳＩ２００は、センサ１０及び１１のそれぞれに対応するセンサ処理回路を備える構成としてもよい。

故障検出回路３０は、センサ部１００が備えるセンサの故障を検出する。故障検出回路３０の詳細については後述する。

フラッシュマイコン２１０は、ＬＳＩ２００とＩ２Ｃバス通信を行い、センサ部１００で誘起されるパルス電圧を処理した信号を受信し、水量を算出するなどの処理を行う。例えば、センサ処理回路２０によってカウントされたパルスのカウント数に基づいて、水量を算出し、ＬＣＤ２２１や検針器インタフェース２２２に出力する。また、故障が検出された場合などは、センサの故障を外部に知らせるための信号を生成し、ＬＣＤ２２１に出力し、センサが故障している旨を表示させる。

次に、本実施の形態の故障検出システムについて説明する。
本実施の形態の故障検出システムは、間欠パルス信号を出力するセンサに対して該センサの端子を介して、センサの故障を判定するための判定用電流を２回出力し、判定用電流を出力している期間のセンサの端子の電圧レベルを検出することで、センサの故障を判定する。判定用電流を２回出力することで、いずれか１回の判定用電流がセンサそのものの出力するセンサ出力電流と重なった場合であっても、センサの故障を判定することができる。ここで、間欠パルス信号とは、パルスがある間隔で断続的に出現する信号である。また、センサの故障とは、例えば、センサが非常に高抵抗になることをいう。極端な例として、センサが断線してしまった場合などがある。

図２は、本実施の形態のセンサの故障検出システムの構成を示すブロック図である。同図の故障検出システムは、センサが間欠パルス信号を出力する場合に、センサの故障を検出するシステムである。図２の故障検出システムは、センサ１０と、センサ処理回路２０と、故障検出回路３０とを備える。

センサ１０は、正常時には低い抵抗値（例えば、１００Ω以下）を有し、故障時には高い抵抗値（例えば、１ＭΩ以上）を有する抵抗型センサである。端子ＩＮＡ１及びＩＮＡ２を介してセンサ処理回路２０と故障検出回路３０とに接続される。センサ１０は、端子ＩＮＡ１及びＩＮＡ２の各電圧レベルが間欠パルス信号となるようなセンサ出力電流を出力する。間欠パルス信号に含まれるパルスの出現する間隔の最小値は、センサ１０のスペックにより決定される。なお、端子ＩＮＡ１は、判定用電流がセンサ１０に流入する端子である。端子ＩＮＡ２は、判定用電流がセンサ１０から流出する端子である。

センサ処理回路２０は、図１と同様であり、ここでは説明を省略する。なお、センサ処理回路２０は、故障検出処理を開始するための起動信号を出力する。

故障検出回路３０は、センサ１０に端子ＩＮＡ１を介して判定用電流を出力し、端子ＩＮＡ１の電圧レベルを検出することで、センサ１０の故障を検出する。故障検出回路３０は、電流出力部３１と、レベル検出部３２と、故障検出制御部３３とを備える。

電流出力部３１は、故障検出制御部３３から入力される印加信号に基づいて、センサ１０に端子ＩＮＡ１を介して判定用電流を出力する。センサ１０を通過した判定用電流は端子ＩＮＡ２を介して電流出力部３１に入力される。印加信号がＨｉレベルである期間に、電流出力部３１は判定用電流を出力する。なお、この判定用電流は、センサ１０が出力するセンサ出力電流より小さい値とする。これは、判定用電流を流すことで、センサ１０本来の検知機能を妨げてしまうことを防ぐためである。ここで、判定用電流は、例えば、３０μＡである。

レベル検出部３２は、判定用電流がセンサ１０に出力されている期間中に、端子ＩＮＡ１の電圧レベルを検出する。具体的には、予め定められた閾値と、端子ＩＮＡ１の電圧レベルとを比較する。比較により端子ＩＮＡ１の電圧レベルが閾値以上の期間でＨｉレベルとなる信号を、レベル検出結果として故障検出制御部３３に出力する。

故障検出制御部３３は、本実施の形態の故障検出処理に関わる制御を行う。具体的には、判定用電流の出力の制御と、レベル検出結果に基づいたセンサの故障の判定処理を行う。以上の処理を実現するために、故障検出制御部３３は、期間制御部３３１と、保持部３３２と、判定部３３３とを備える。

期間制御部３３１は、センサ処理回路２０から入力される起動信号に基づいて、判定用電流を出力する期間を制御するための印加信号を電流出力部３１に出力する。印加信号は、Ｈｉレベルとなっている期間が２回含まれるパルス信号である。電流出力部３１は、印加信号がＨｉレベルとなっている２回の期間中に、判定用電流を出力する。これにより、本実施の形態の故障検出システムでは、判定処理は２回行われる。

保持部３３２は、レベル検出結果を保持する。
判定部３３３は、レベル検出結果に基づいてセンサ１０が故障しているか否かを判定する。ここでまず、判定用電流が出力されている期間にレベル検出結果がＨｉレベルであることをＮＧと記す。判定用電流が出力されている期間にレベル検出結果がＬｏレベルであることをＯＫと記す。判定部３３３は、判定用電流が出力される２回の期間共にＮＧである場合に、センサ１０は故障であると判定する。２回の期間のうち１回でもＯＫである場合は、センサ１０は正常であると判定する。そして、以上の判定条件に基づいて判定した結果を故障判定結果としてセンサ処理回路２０に出力する。

図３は、故障検出回路３０の詳細を示す図である。
図３に示すように、電流出力部３１は、ｐチャネルＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ３１１及び３１２と、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ３１３及び３１４と、ＮＯＴ回路３１５とを備える。

ｐチャネルＭＯＳトランジスタ３１１とｎチャネルＭＯＳトランジスタ３１３とは、ゲートに印加信号が加えられることで導通・非導通を切り替えるスイッチである。ｐチャネルＭＯＳトランジスタ３１１のゲートはＮＯＴ回路３１５と接続されており、ｐチャネルＭＯＳトランジスタのゲートには、反転した印加信号が入力される。ｎチャネルＭＯＳトランジスタのゲートには、印加信号がそのまま入力される。これにより、ｐチャネルＭＯＳトランジスタ３１１とｎチャネルＭＯＳトランジスタ３１３とは、印加信号がＨｉレベルとなる場合に導通する。

ｐチャネルＭＯＳトランジスタ３１２とｎチャネルＭＯＳトランジスタ３１４とは、それぞれゲートにバイアス電圧が印加され、判定用電流を出力する定電流源である。ｐチャネルＭＯＳトランジスタのゲートに印加されるバイアス電圧は、ｐチャネルＭＯＳトランジスタ３１２が３０μＡの電流を出力するように決定される。ｎチャネルＭＯＳトランジスタのゲートに印加されるバイアス電圧は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ３１４が３０μＡよりわずかに大きな値の電流を出力するように決定される。なお、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ３１３及び３１４は、判定用電流の安定性を保つために備えられている。また、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ３１３及び３１４は、判定用電流が他のセンサ処理回路２０などの他の回路に流入することで、他の回路が誤動作するのを防ぐ。

電流出力部３１は、上記の構成により、期間制御部３３１が出力する印加信号がＨｉレベルになっている期間において、センサ１０に判定用電流を出力する。

レベル検出部３２は、図３に示すように、コンパレータである。コンパレータの比較用の端子の一方が端子ＩＮＡ１に接続されており、他方は閾値となる参照用の電源に接続されている。端子ＩＮＡ１の電圧レベルと参照電圧Ｖｒｅｆとを比較し、端子ＩＮＡ１の電圧レベルがＶｒｅｆより大きい場合に、Ｈｉレベルとなる信号をレベル検出結果として保持部３３２に出力する。なお、Ｖｒｅｆは、例えば、１．２Ｖである。

保持部３３２は、フリップフロップ３３２−１及び３３２−２とからなる２つのフリップフロップを備える。フリップフロップ３３２−２は、１回目の判定用電流を流した時のレベル検出結果を保持する。フリップフロップ３３２−１は、２回目の判定用電流を流した時のレベル検出結果を保持する。フリップフロップ３３２−１及び３３２−２のクロック信号として、印加信号が入力される。フリップフロップ３３２−１及び３３２−２は、印加信号のパルスの立下り時に、レベル検出部３２の出力を保持する。

なお、ＮＯＴ回路を用いて印加信号を反転させた信号をクロック信号として各フリップフロップに入力し、印加信号を反転させた信号の立上り時に、レベル検出部３２の出力を保持する構成としてもよい。

次に、本実施の形態の故障検出システムの動作について説明する。図４は、本実施の形態の故障検出システムの動作を示すフローチャートである。

まず、センサ処理回路２０は、起動信号を出力する（Ｓ１０１）。
なお、起動信号の出力は、いかなるタイミングであってもよい。例えば、タイマを用いることで一定の時間間隔で定期的に出力してもよい。また、センサ１０が起動した直後などの所定の時刻に出力するとしてもよい。また、外部からの指示によって出力してもよい。さらに、端子ＩＮＡ１の電圧レベルに応じて、例えば、電圧レベルが０となった時点で出力してもよい。

次に、起動信号が入力された期間制御部３３１が印加信号を出力し、印加信号が入力された電流出力部３１は、判定用電流をセンサ１０に出力する（Ｓ１０２）。そして、レベル検出部３２は、端子ＩＮＡ１の電圧レベルを検出する（Ｓ１０３）。検出された結果は、保持部３３２に出力され、保持部３３２は、印加信号のパルスのタイミングに合わせて、判定用電流が出力されている期間の電圧レベルをレベル検出結果として保持する。

判定部３３３は、保持部３３２に保持されたレベル検出結果を取得し、判定条件に基づいてセンサが故障であるか否かを判定する（Ｓ１０４）。具体的には、レベル検出結果が、１回でも閾値を超えていない期間（ＯＫ）を含むか否かを判定する。

１回もＯＫがない場合、すなわち、２回とも閾値を越えている（ＮＧ）場合（Ｓ１０４でＮｏ）、判定部３３３は、センサ１０が故障であることを示す信号を故障判定結果としてセンサ処理回路２０に出力する（Ｓ１０５）。

１回でもＯＫがある場合（Ｓ１０４でＹｅｓ）、故障検出処理は終了される。なお、センサ１０が正常に動作していることを示す信号を故障判定結果としてセンサ処理回路２０に出力してもよい。

続いて、本実施の形態の故障検出システムによる処理を、センサの正常時と故障時とに分けて具体的な波形を示しながらタイムチャートを用いて説明する。

図５は、センサが正常時のセンサ出力、印加信号及びセンサ端子の電圧レベルの関係を示すタイムチャートである。

同図に示すように、センサ１０が正常である場合は、印加信号が加えられることにより、センサ１０に判定用電流が出力されたとしても、端子ＩＮＡ１の電圧レベルはほとんど影響を受けない。センサ１０が正常である場合は、センサ１０の抵抗値は非常に低い値（１００Ω以下）を示す。このため、センサ１０の端子ＩＮＡ１と端子ＩＮＡ２との間の電位差は、レベル検出部３２で設定される参照電圧Ｖｒｅｆに比べて非常に低くなる。このことから、センサ１０が正常である場合は、端子ＩＮＡ１の電圧レベルは、センサ１０が出力するセンサ出力電流のみにより変動するとしてよい。

図６は、間欠パルス信号を出力するセンサが正常時の故障検出システムの各構成の出力を示すタイムチャートである。

センサ１０は、レベル検出閾値を超えている期間がｔ１であるパルスを出力する。さらに、１つ目のパルスが出力された時点からｔ２の期間経過後に、２つ目のパルスを出力する。なお、期間ｔ１の最大値及びｔ２の最小値は、センサ１０のスペックにより予め定められている。

図６に示すように、起動信号に応じて印加信号が出力される。具体的には、起動信号がＨｉレベルとなっている期間において、２つのパルスを有する印加信号が出力される。１番目のパルスが出力された時点からｔ３の期間経過後に２番目のパルスが出力され、かつ、１番目のパルスが出力された時点からｔ４（＞ｔ３）の期間経過後に２番目のパルスの出力が終了されるように、期間制御部３３１は、印加信号の出力期間を制御する。期間ｔ３及びｔ４は、以下の式１及び式２を満たすように決定される。
（式１） ｔ３ ＞ ｔ１の最大値
（式２） ｔ４ ＜ ｔ２の最小値

なお、図６では、起動信号がＨｉレベルとなっている期間中に印加信号を出力する様子を示したが、起動信号は、印加信号を出力するためのトリガの役割さえ果たすことができればいかなる信号であってもよい。

レベル検出結果は、印加信号がＨｉレベルとなった期間、すなわち、判定用電流がセンサ１０に出力されている期間において、端子ＩＮＡ１の電圧レベルを検出した結果を示す。図６に示すように、１回目の期間においては、端子ＩＮＡ１の電圧レベルがレベル検出閾値を下回っているので、ＯＫ（センサは故障していない）である。２回目の期間においては、端子ＩＮＡ２の電圧レベルがレベル検出閾値を超えているので、ＮＧ（センサが故障している可能性がある）である。

故障判定結果は、レベル検出結果を基にして判定部３３３が生成する信号を示す。図６に示すように、レベル検出結果では、ＯＫが１回、ＮＧが１回であり、１回でもＯＫがあるという条件を満たすために、センサは正常であると判定される。よって、故障判定結果は、Ｌｏレベルのままである。なお、故障判定結果がＬｏレベルであることは、センサ１０は正常であることを示し、故障判定結果がＨｉレベルであることは、センサ１０は故障であることを示す。

次に、センサが故障である場合について説明する。
図７は、センサが故障時のセンサ出力、印加信号及びセンサ端子の電圧レベルの関係を示すタイムチャートである。

同図は、センサ１０が故障である場合の例として、センサ１０は正常時に発生するパルスがない場合を示す。センサ１０は故障により、非常に高抵抗となっているため、印加信号により判定用電流がセンサ１０に出力されると、判定用電流の流入口となる端子ＩＮＡ１は高電位となる。したがって、端子ＩＮＡ１の電圧レベルは、印加信号がＨｉレベルになる期間、すなわち、判定用電流が出力される期間と同じ期間において、高電位となる。

図８は、間欠パルス信号を出力するセンサが故障時の故障検出システムの各構成の出力を示すタイムチャートである。

図８に示すように、端子ＩＮＡ１の電圧レベルは、印加信号による判定用電流によりレベル検出閾値を超える。したがって、判定用電流を出力している期間と同じ期間で、端子ＩＮＡ１の電圧レベルを検出すると、必ずＮＧとなる。これにより、２回ともＮＧとなることから、センサは故障であると判定され、故障判定結果はＨｉレベルとなり、センサ処理回路２０に出力される。

以上のように、本実施の形態の故障検出システムでは、判定用電流を少なくとも２回の期間に分けて出力することで、いずれか１回の期間が、センサ出力電流が出力される期間と重なった場合であっても、センサの故障を検出することができる。

また、本実施の形態において、判定用電流は常に出力される必要はない。これは、特許文献１に示した技術では、バイアス電流を常に出力していることと比較して、消費電流を少なくすることができるという点で有用である。

なお、本実施の形態では、センサ１０のセンサ出力電流を利用することで上述した故障検出回路３０を備えるＬＳＩ２００の駆動に使用するための電源を生成してもよい。

図９は、内部電源生成部２１の回路構成の一例を示す図である。同図の内部電源生成部２１は、ダイオード２１１及び２１２と、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ２１３及び２１４とを備える。

ダイオード２１１のアノードは端子ＩＮＡ１に接続される。ダイオード２１２のアノードは端子ＩＮＡ２に接続される。ダイオード２１１のカソードとダイオード２１２のカソードとが接続され、この接続点が内部電源生成部２１の電源の出力端子となる。この接続点から出力される電流は、例えば、判定用電流を生成するためのｐチャネルＭＯＳトランジスタ３１２などに出力される。

ｎチャネルＭＯＳトランジスタ２１３のゲートとｎチャネルＭＯＳトランジスタ２１４のドレインとは、端子ＩＮＡ２に接続される。ｎチャネルＭＯＳトランジスタ２１３のドレインとｎチャネルＭＯＳトランジスタ２１４のゲートとは、端子ＩＮＡ１に接続される。ｎチャネルＭＯＳトランジスタ２１３のソース及びｎチャネルＭＯＳトランジスタ２１４のソースは、接地される。

以下では、内部電源生成部２１の動作について説明する。
センサ１０が出力するセンサ出力電流によって、端子ＩＮＡ１及び端子ＩＮＡ２に電圧が誘起される。ここでは、端子ＩＮＡ１が端子ＩＮＡ２より高い電位となる電圧が誘起されたとする。端子ＩＮＡ１の電圧レベルがＨｉレベルとなることにより、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ２１４のゲートの電圧レベルがＨｉレベルとなる。これにより、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ２１４は導通する。そして、端子ＩＮＡ２がＬｏレベルとなるので、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ２１３は開放状態となる。よって、端子ＩＮＡ１から出力される電流は、ダイオード２１１を通って、ＬＳＩ２００が備える各処理部に出力される。端子ＩＮＡ２が端子ＩＮＡ１より高い電位となる場合は、同様にして、電流は、ダイオード２１２を通って、各処理部に出力される。

以上のようにして、センサ１０のセンサ出力電流をＬＳＩ２００の駆動に使用することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態の故障検出システムは、交流信号を出力するセンサに対して該センサの端子を介して、センサの故障を判定するための判定用電流を複数回出力し、判定用電流を出力している期間のセンサの端子の電圧レベルを検出することで、センサの故障を判定する。

図１０は、本実施の形態の故障検出システムの構成のうち、特に故障検出回路の詳細を示す図である。本実施の形態の故障検出システムは、センサ１０の代わりにセンサ４０を、故障検出制御部３３の代わりに故障検出制御部５３を備える点で、実施の形態１の故障検出システムと異なっている。以下では、実施の形態１と同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。

センサ４０は、正常時には低い抵抗値（例えば、１００Ω以下）を有し、故障時には高い抵抗値（例えば、１ＭΩ以上）を有する抵抗型センサである。端子ＩＮＡ１とＩＮＡ２とを介してセンサ処理回路２０と故障検出回路３０とに接続される。センサ４０は、端子ＩＮＡ１及びＩＮＡ２の各電圧レベルが交流信号となるようなセンサ出力電流を出力する。交流信号の周期の最小値及び最大値については、センサ４０のスペックにより定められる。

故障検出制御部５３は、本実施の形態の故障検出処理に関わる制御を行う。具体的には、判定用電流の出力の制御と、レベル検出結果に基づいたセンサの故障の判定処理を行う。以上の処理を実現するために、故障検出制御部５３は、期間制御部５３１と、保持部５３２と、判定部５３３とを備える。

期間制御部５３１は、センサ処理回路２０から入力される起動信号に基づいて、判定用電流を出力する期間を制御するための印加信号を電流出力部３１に出力する。印加信号は、Ｈｉレベルとなっている期間が全部でｎ回となるパルス信号である。電流出力部３１は、印加信号がＨｉレベルとなっているｎ回の期間中に、判定用電流を出力する。すなわち、本実施の形態の故障検出システムでは、判定処理がｎ回行われる。

保持部５３２は、レベル検出部３２から入力されるレベル検出結果を保持する。保持部５３２は、フリップフロップ５３２−１、フリップフロップ５３２−２、・・・、フリップフロップ５３２−ｎからなるｎ個のフリップフロップを備える。フリップフロップ５３２−１、５３２−２、・・・、及び５３２−ｎは、それぞれ、ｎ回目、ｎ−１回目、・・・、１回目のレベル検出結果を保持する。

判定部５３３は、レベル検出結果に基づいてセンサ４０が故障しているか否かを判定する。なお、実施の形態１と同様に、判定用電流が出力されている期間にレベル検出結果がＨｉレベルであることをＮＧと記す。判定用電流が出力されている期間にレベル検出結果がＬｏレベルであることをＯＫと記す。判定部５３３は、判定用電流が出力されるｎ回の期間の全てがＮＧである場合に、センサ４０は故障であると判定する。すなわち、１回の期間でもレベル検出結果がＯＫである場合は、センサ４０は正常であると判定する。そして、以上の判定条件に基づいて判定した結果を故障判定結果としてセンサ処理回路２０に出力する。

図１１は、交流信号を出力するセンサが正常時の故障検出システムの各構成の出力を示すタイムチャートである。

センサ４０は、端子ＩＮＡ１の電圧レベルが図１１に示すような交流信号となるようなセンサ出力電流を出力する。期間ｔ５は、端子ＩＮＡ１の電圧レベルが、レベル検出閾値以上になる時点から、レベル検出閾値以下となる時点までの期間を示す。期間ｔ５の最大値は、センサ４０のスペック及びレベル検出閾値により予め定められている。期間ｔ６は、交流信号の周期である。期間ｔ６の最小値は、センサ４０のスペックにより予め定められている。

図１１に示すように起動信号に応じて印加信号が出力される。印加信号は、ｎ個のパルスを有する信号である。１番目のパルスが出力された時点から、ｔ７の期間経過後に最後（ｎ番目）のパルスが出力され、かつ、１番目のパルスが出力された時点からｔ８（＞ｔ７）の期間経過後に最後のパルスの出力が終了されるように、期間制御部５３１は、印加信号の出力期間を制御する。期間ｔ７及びｔ８は、以下の式３及び式４を満たすように決定される。
（式３） ｔ７ ＞ ｔ５の最大値
（式４） ｔ８ ＜ ｔ６の最小値

なお、実施の形態１と同様に図１１でも、起動信号がＨｉレベルとなっている期間中に印加信号を出力する様子を示しているが、起動信号は、印加信号を出力するためのトリガの役割さえ果たすことができればいかなる信号であってもよい。

レベル検出結果は、実施の形態１と同様に、印加信号がＨｉレベルとなった期間、すなわち、判定用電流がセンサ４０に出力されている期間において、端子ＩＮＡ１の電圧レベルを検出した結果を示す。図１１に示すように、１回目の期間においては、端子ＩＮＡ１の電圧レベルがレベル検出閾値を下回っているので、ＯＫ（センサは故障していない）である。２回目の期間においては、端子ＩＮＡ２の電圧レベルがレベル検出閾値を超えているので、ＮＧ（センサが故障している可能性がある）である。以下、同様にして、印加信号が出力されるｎ回の期間の全てにおいて、ＯＫかＮＧかを検出する。

故障判定結果は、レベル検出結果を基にして判定部５３３が生成する信号を示す。図１１に示すように、レベル検出結果は、１回のみＮＧであり、残りは全てＯＫであるから、少なくとも１回はＯＫであるという条件を満たす。よって、センサは正常であると判定され、故障検出結果は、Ｌｏレベルのままである。

図１２は、交流信号を出力するセンサが故障時の故障検出システムの各構成の出力を示すタイムチャートである。

実施の形態１と同様に、端子ＩＮＡ１の電圧レベルは、印加信号による判定用電流が出力されることでレベル検出閾値を超える。したがって、判定用電流を出力している期間と同じ期間で、端子ＩＮＡ１の電圧レベルを検出すると、必ずＮＧとなる。これにより、全て（ｎ回）の期間でＮＧとなることから、センサは故障であると判定され、故障判定結果はＨｉレベルとなり、センサ処理回路２０に出力される。

以上のように、本実施の形態の故障検出システムでは、判定用電流を複数回に分けて出力することで、少なくとも１回の期間が、センサ出力電流により端子の電圧レベルが所定の閾値を越える期間と重なった場合であっても、センサの故障を検出することができる。

以上、本発明の故障検出システムについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、本実施の形態では、判定用電流を２回以上の期間に分けて出力したが、判定用電流を出力する期間は１回であってもよい。

この場合、判定用電流の出力する期間と、センサ出力電流が出力される期間とが同じにならないようにしなければならない。このため、例えば、センサ処理回路２０は端子ＩＮＡ１の電圧レベルをモニタし、センサ出力電流により端子ＩＮＡ１の電圧レベルが閾値を越えた直後に、起動信号を出力する。これにより、判定用電流の出力する期間と、センサ出力電流が出力される期間とが同じにならずに、正しいセンサの故障判定を行うことができる。

また、センサ出力電流より小さい値である判定用電流を常に出力する構成としてもよい。この場合、故障の判定を実行する期間と、センサ出力電流が出力される期間とが同じにならないようにしなければならない。このため、例えば、センサ処理回路２０は、端子ＩＮＡ１の電圧レベルをモニタし、センサ出力電流により端子ＩＮＡ１の電圧レベルが閾値を越えた直後に、判定を行うとすればよい。具体的には、フリップフロップ３３２−１及び３３２−２のクロック端子に、センサ出力電流により端子ＩＮＡ１の電圧レベルが閾値を越えた直後に立ち下がる（又は立ち上がる）ような信号を入力すればよい。

また、実施の形態１において、判定用電流を出力する回数は２回以上であってよい。このとき、判定部３３３の判定条件は、実施の形態２と同様に、全ての期間でＮＧである場合に、センサが故障であると判定すればよい。また、別の判定条件として、ある回数以上の期間でＮＧである場合に、センサが故障であると判定してもよい。この場合、センサの故障判定の閾値となる回数は、ユーザが予め設定してもよい。さらには、判定対象となっているセンサの特性に応じた閾値を、判定部３３３が設定する構成としてもよい。

センサの特性とは、例えば、センサの故障の頻度やセンサの重要性などである。具体的には、センサの故障の頻度が大きいほど、閾値となる回数を少なくすることで、センサの故障を早期に検出することができる。また、センサが非常に重要な箇所に取り付けられており、故障が許されない場合などに、閾値となる回数を少なくすることで、センサの故障を早期に検出することができる。

また、本実施の形態では、判定用電流はセンサの出力するセンサ出力電流より小さい値としたが、逆に、判定用電流はセンサ出力電流より大きい値としてもよい。これにより、センサ本来の検知機能よりも、故障検出の機能を優先することができる。よって、故障の早期検出などが実現できる。

また、本実施の形態では、センサは抵抗型センサを用いたが、熱電対センサ、圧力センサなどでもよい。

また、本発明は、センサが故障することによりセンサが高抵抗になる場合について適用することができるが、センサが故障することによりセンサが低抵抗になる場合についても適用することができる。センサが低抵抗になるとは、極端にいえば、センサ短絡状態になることである。

この場合、レベル検出部３２は、端子ＩＮＡ１の電圧レベルが参照電圧Ｖｒｅｆ以下である場合にＨｉレベルを出力するコンパレータで構成される。また、該コンパレータと、実施の形態１及び２で説明したコンパレータとを並列に備えることで、センサが高抵抗になる故障とセンサが低抵抗になる故障との双方の故障を検出することができる。

本発明は、センサの故障を検出するシステムに適用でき、例えば、水道メータなどの流量カウンタを有するセンサの故障を検出するシステムに適用することができる。

本発明の故障検出システムが適用できる水道メータの構成の一例を示す図である。 実施の形態１の故障検出システムの構成を示すブロック図である。 実施の形態１の故障検出回路の詳細を示す図である。 実施の形態１の故障検出システムの動作を示すフローチャートである。 センサが正常時のセンサ出力、印加信号及びセンサ端子の電圧レベルの関係を示すタイムチャートである。 間欠パルス信号を出力するセンサが正常時の故障検出システムの各構成の出力を示すタイムチャートである。 センサが故障時のセンサ出力、印加信号及びセンサ端子の電圧レベルの関係を示すタイムチャートである。 間欠パルス信号を出力するセンサが故障時の故障検出システムの各構成の出力を示すタイムチャートである。 内部電源生成部の回路構成を示す図である。 実施の形態２の故障検出システムの構成を示すブロック図である。 交流信号を出力するセンサが正常時の故障検出システムの各構成の出力を示すタイムチャートである。 交流信号を出力するセンサが故障時の故障検出システムの各構成の出力を示すタイムチャートである。 従来の故障検出システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０、１１、４０、６０ センサ
１２ 磁石
２０ センサ処理回路
２１ 内部電源生成部
２２ パルス検知部
２３ カウント動作制御部
２４ 不揮発性メモリカウンタ
２５ Ｉ２Ｃバス通信制御部
３０、６２ 故障検出回路
３１ 電流出力部
３２ レベル検出部
３３、５３ 故障検出制御部
６１ インタフェース
６３ ＯＲ回路
６４ リード線
１００ センサ部
２００ ＬＳＩ
２１０ フラッシュマイコン
２１１、２１２ ダイオード
２１３、２１４、３１３、３１４ ｎチャネルＭＯＳトランジスタ
２２１ ＬＣＤ
２２２ 検針器インタフェース
３１１、３１２ ｐチャネルＭＯＳトランジスタ
３１５ ＮＯＴ回路
３３１、５３１ 期間制御部
３３２、５３２ 保持部
３３２−１、３３２−２、５３２−１、５３２−２、５３２−ｎ フリップフロップ
３３３、５３３ 判定部
６１１ 差動増幅器
６１２ 速度入力比較器
６２１ 電流源
６２２ フィルタ回路
６２３ 故障比較器

Claims (15)

1. センサの故障を検出する故障検出システムであって、
   第１の端子を有し、前記第１の端子の電圧レベルを変動させるセンサ出力電流を出力するセンサと、
   前記センサに前記第１の端子を介して一定の判定用電流を出力することで、前記第１の端子の電圧レベルを変動させる電流出力手段と、
   前記センサ出力電流により前記第１の端子の電圧レベルが閾値以上となる第１の期間とは異なる期間に、前記第１の端子の電圧レベルが前記判定用電流により前記閾値以上となれば、前記センサは故障であると判定する判定手段とを備える
   ことを特徴とする故障検出システム。
2. 前記故障検出システムは、さらに、
   前記判定用電流を出力する第２の期間と第３の期間とのいずれか一方が前記第１の期間とは異なる期間となるように、前記第２の期間と前記第３の期間とを設定する期間制御手段を備え、
   前記電流出力手段は、前記期間制御手段によって設定された前記第２の期間と前記第３の期間とに前記判定用電流を前記センサに前記第１の端子を介して出力し、
   前記判定手段は、前記第２の期間と前記第３の期間との両方において、前記第１の端子の電圧レベルが前記閾値以上であれば、前記センサは故障であると判定する
   ことを特徴とする請求項１記載の故障検出システム。
3. 前記センサは、前記第１の端子の電圧レベルが前記第１の期間では前記閾値以上となり、さらに、前記第１の期間の開始時点から前記第１の期間より長い期間である第４の期間を経過した時点から前記第１の端子の電圧レベルが前記閾値以上となるような前記センサ出力電流を出力し、
   前記期間制御手段は、前記第２の期間の開始時点から前記第３の期間の開始時点までの期間が前記第１の期間より長く、かつ、前記第２の期間の開始時点から前記第３の期間の終了時点までの期間が前記第４の期間より短くなるように、前記センサの故障をチェックするチェック期間を設定する
   ことを特徴とする請求項２記載の故障検出システム。
4. 前記センサは、前記第１の端子の電圧レベルが前記第１の期間では前記閾値以上となる所定の周期を有する交流信号となるような前記センサ出力電流を出力し、
   前記期間制御手段は、前記第２の期間の開始時点から前記第３の期間の開始時点までの期間が前記第１の期間より長く、かつ、前記第２の期間の開始時点から前記第３の期間の終了時点までの期間が前記周期より短くなるように、前記センサの故障をチェックするチェック期間を設定する
   ことを特徴とする請求項２記載の故障検出システム。
5. 前記期間制御手段は、前記第２の期間と前記第３の期間とを含むｎ回（ｎは２以上の整数）の期間からなるチェック期間を設定し、
   前記電流出力手段は、前記期間制御手段によって設定された前記ｎ回の期間に前記判定用電流を前記センサに前記第１の端子を介して出力し、
   前記判定手段は、前記期間制御手段によって設定された前記ｎ回の期間のうち、ｍ回（２≦ｍ≦ｎ、ｍは整数）の期間において、前記第１の端子の電圧レベルが前記閾値以上であれば、前記センサは故障であると判定する
   ことを特徴とする請求項２記載の故障検出システム。
6. 前記センサは、前記第１の端子の電圧レベルが前記第１の期間では前記閾値以上となり、さらに、前記第１の期間の開始時点から前記第１の期間より長い期間である第４の期間を経過した時点から前記第１の端子の電圧レベルが前記閾値以上となるような前記センサ出力電流を出力し、
   前記期間制御手段は、前記第２の期間が前記チェック期間の最初の期間とし、かつ、前記第３の期間が前記チェック期間の最後の期間とした場合、前記第２の期間の開始時点から前記第３の期間の開始時点までの期間が前記第１の期間より長く、かつ、前記第２の期間の開始時点から前記第３の期間の終了時点までの期間が前記第４の期間より短くなるように、前記チェック期間を設定する
   ことを特徴とする請求項５記載の故障検出システム。
7. 前記センサは、前記第１の端子の電圧レベルが前記第１の期間では前記閾値以上となる所定の周期を有する交流信号となるような前記センサ出力電流を出力し、
   前記期間制御手段は、前記第２の期間が前記チェック期間の最初の期間とし、かつ、前記第３の期間が前記チェック期間の最後の期間とした場合、前記第２の期間の開始時点から前記第３の期間の開始時点までの期間が前記第１の期間より長く、かつ、前記第２の期間の開始時点から前記第３の期間の終了時点までの期間が前記周期より短くなるように、前記チェック期間を設定する
   ことを特徴とする請求項５記載の故障検出システム。
8. 前記判定手段は、前記期間制御手段によって設定された前記チェック期間に含まれる全ての期間において、前記第１の端子の電圧レベルが前記閾値以上であれば、前記センサは故障であると判定する
   ことを特徴とする請求項５記載の故障検出システム。
9. 前記判定手段は、さらに、前記センサの特性を検出し、検出した前記特性に応じて前記ｍの値を決定する
   ことを特徴とする請求項５記載の故障検出システム。
10. 前記センサは、さらに、第２の端子を有し、
    前記電流出力手段は、
    前記第１の端子に接続される第１の電流源と、
    前記第２の端子に接続される第２の電流源とを備え、
    前記電流出力手段は、
    前記判定用電流を前記第１の電流源から前記第１の端子を介して前記センサに出力し、前記センサに入力された前記判定用電流を前記第２の端子を介して前記第２の電流源に流入させる
    ことを特徴とする請求項１記載の故障検出システム。
11. 前記故障検出システムは、さらに、前記センサ出力電流を用いて、前記電流出力手段に供給する電源を生成する内部電源生成手段を備える
    ことを特徴とする請求項１記載の故障検出システム。
12. 前記判定用電流は、前記センサ出力電流より小さい
    ことを特徴とする請求項１記載の故障検出システム。
13. 前記判定用電流は、前記センサ出力電流より大きい
    ことを特徴とする請求項１記載の故障検出システム。
14. センサの故障を検出する故障検出方法であって、
    第１の端子を有し、前記第１の端子の電圧レベルを変動させるセンサ出力電流を出力するセンサに前記第１の端子を介して一定の判定用電流を出力することで、前記第１の端子の電圧レベルを変動させる電流出力ステップと、
    前記センサ出力電流により前記第１の端子の電圧レベルが閾値以上となる第１の期間とは異なる期間に、前記第１の端子の電圧レベルが前記判定用電流により前記閾値以上となれば、前記センサは故障であると判定する判定ステップとを含む
    ことを特徴とする故障検出方法。
15. センサの故障を検出する集積回路であって、
    第１の端子を有し、前記第１の端子の電圧レベルを変動させるセンサ出力電流を出力するセンサが前記第１の端子を介して接続されるセンサ接続手段と、
    前記センサに前記第１の端子を介して一定の判定用電流を出力することで、前記第１の端子の電圧レベルを変動させる電流出力手段と、
    前記センサ出力電流により前記第１の端子の電圧レベルが閾値以上となる第１の期間とは異なる期間に、前記第１の端子の電圧レベルが前記判定用電流により前記閾値以上となれば、前記センサは故障であると判定する判定手段とを備える
    ことを特徴とする集積回路。

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