JP2021051037A - Detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検出装置に関し、特に、故障検出機能を備えた検出装置に関する。 The present invention relates to a detection device, and more particularly to a detection device having a failure detection function.
従来、例えば、圧力センサの故障検知回路、特に、断線を生じた場合の故障を検知する故障検知回路が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1の故障検知回路は、感圧素子と3つの基準抵抗を接続したブリッジに一定の電圧を作用させる定電圧源と、定電圧の作用する接続点の両隣りの接続点間の各中点電位を入力し、その電位差に応じた出力をする増幅器とを備える圧力センサにおいて、前記定電圧の作用する接続点に対しこれと対向する接続点とアース間とを後続する検出抵抗と、接続不良や断線した場合の前記検出抵抗両端の出力電圧と増幅器の出力電圧とをそれぞれ所定の基準値として設定する手段と、検出抵抗両端の出力電圧または増幅器の出力電圧をこれらと対応する基準値と比較するコンパレータとを備えた構成とされている。
Conventionally, for example, a failure detection circuit for a pressure sensor, particularly a failure detection circuit for detecting a failure when a disconnection occurs (see, for example, Patent Document 1). The failure detection circuit of
この故障検知回路は、検出抵抗を備え、増幅器出力(センサ出力)と定電圧(Vcc)の比較、増幅器出力(センサ出力)と基準値と比較、検出抵抗の両端電圧の比較によりブリッジ構成の検出素子である圧力センサに故障が生じたことを検知できるとされている。 This failure detection circuit has a detection resistor and detects the bridge configuration by comparing the amplifier output (sensor output) and constant voltage (Vcc), comparing the amplifier output (sensor output) with the reference value, and comparing the voltage across the detection resistor. It is said that it is possible to detect that a failure has occurred in the pressure sensor, which is an element.
しかし、特許文献1の故障検知回路は、ブリッジ構成の圧力センサの故障を検知するために、検出抵抗と3つのコンパレータとを必要とし、3つのコンパレータ出力をORゲートを介して出力させることにより故障検知信号を得ることから、回路構成が複雑化するという問題があった。
However, the failure detection circuit of
従って、本発明の目的は、簡単な構成により、ブリッジを構成する各検出素子の故障検出機能を備えた検出装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a detection device having a failure detection function of each detection element constituting the bridge with a simple configuration.
[1]本発明は、検出対象に関する第1検出値を検出する第1検出部と、前記第1検出部と対をなし、前記検出対象に関する第2検出値を検出する第2検出部とを有する検出部と、前記第1検出値の第1入力部、及び、前記第2検出値の第2入力部を備え、前記第1検出値と前記第2検出値との差分を増幅して前記検出対象の検出値を出力値として出力する差動増幅部と、前記第1入力部又は前記第2入力部のいずれか一方にバイアス電位を印加するバイアス電位印加部と、前記差動増幅部の前記出力値に基づいて、前記検出部の故障検出を判断する故障検出部を有する制御部と、を有する検出装置を提供する。
[2]前記検出部は、前記第1検出部と前記第2検出部がそれぞれハーフブリッジであるフルブリッジ構成であり、前記第1検出値及び前記第2検出値は、前記第1検出部と前記第2検出部のそれぞれの中点電位である、検出装置であってもよい。
[3]また、前記差動増幅部は、オペアンプで構成され、前記オペアンプは、片電源で動作する、検出装置であってもよい。
[4]また、前記検出部は、第1から第4の4つの検出素子である荷重センサ素子で構成されている、検出装置であってもよい。
[5]また、前記バイアス電位は、前記検出部の非検出動作時の前記中点電位よりも小さく設定されている、検出装置であってもよい。
[6]また、前記故障検出部は、前記4つの検出素子のそれぞれのオープン故障を検出する、検出装置であってもよい。
[1] In the present invention, a first detection unit that detects a first detection value related to a detection target and a second detection unit that is paired with the first detection unit and detects a second detection value related to the detection target are provided. A detection unit having a detection unit, a first input unit for the first detection value, and a second input unit for the second detection value are provided, and the difference between the first detection value and the second detection value is amplified and described. A differential amplification unit that outputs the detected value of the detection target as an output value, a bias potential application unit that applies a bias potential to either the first input unit or the second input unit, and the differential amplification unit. Provided is a detection device including a control unit having a failure detection unit for determining failure detection of the detection unit based on the output value.
[2] The detection unit has a full bridge configuration in which the first detection unit and the second detection unit are half bridges, respectively, and the first detection value and the second detection value are the same as the first detection unit. It may be a detection device which is the midpoint potential of each of the second detection units.
[3] Further, the differential amplification unit may be an operational amplifier, and the operational amplifier may be a detection device that operates with a single power source.
[4] Further, the detection unit may be a detection device composed of load sensor elements which are four first to fourth detection elements.
[5] Further, the bias potential may be set to be smaller than the midpoint potential during the non-detection operation of the detection unit, which may be a detection device.
[6] Further, the failure detection unit may be a detection device that detects an open failure of each of the four detection elements.
本発明によると、簡単な構成により、ブリッジを構成する各検出素子の故障検出機能を備えた検出装置とすることができる。 According to the present invention, a detection device having a failure detection function of each detection element constituting the bridge can be obtained by a simple configuration.
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
[本発明の実施の形態]
本発明の実施の形態に係る検出装置1は、図1に示すように、検出対象に関する第1検出値V1を検出する第1検出部11と、第1検出部11と対をなし、検出対象に関する第2検出値V2を検出する第2検出部12とを有する検出部10と、第1検出値V1の第1入力部21、及び、第2検出値V2の第2入力部22を備え、第1検出値V1と第2検出値V2との差分を増幅して検出対象の検出値を出力値Voutとして出力する差動増幅部20と、第1入力部21又は第2入力部22のいずれか一方にバイアス電位Vbを印加するバイアス電位印加部30と、差動増幅部20の出力値Voutに基づいて、検出部10の故障検出を判断する故障検出部41を有する制御部40と、を有して構成されている。
[Embodiments of the present invention]
Detecting
本実施の形態に係る検出装置1は、例えば、車両に搭載される車載スイッチである。また、検出装置1が備える検出部10は、例えば、フォースセンサ(荷重センサ)であり、ピエゾ抵抗によるブリッジを配置したダイアフラム構造を用いたセンサである。このような構成では、検出対象(負荷)は、荷重である。なお、本実施の形態に係る検出装置1の検出部10は、他の検出対象に対しても適用でき、例えば、磁界の変化を検出対象とする場合には、検出部をMR等の磁気抵抗素子により構成することができる。
The
(検出部10)
図1に示すように、第1検出部11は、検出素子である荷重センサ素子Raと荷重センサ素子Rbでハーフブリッジとされ、第2検出部12は、検出素子である荷重センサ素子Rcと荷重センサ素子Rdでハーフブリッジとされている。検出部10は、それぞれハーフブリッジである第1検出部11と第2検出部12が、フルブリッジとされて構成されている。
(Detection unit 10)
As shown in FIG. 1, the first detection unit 11 is a half bridge of the load sensor element Ra and the load sensor element Rb, which are detection elements, and the
検出素子である荷重センサ素子Ra、Rb、Rc、Rdは、前述したようなダイアフラム構造の場合は、例えば、シリコン基板をエッチング等により薄くしたダイアフラム(受圧部)上に拡散やイオン打ち込みでゲージ抵抗(ピエゾ抵抗)を形成することにより、ピエゾ抵抗効果を得ることができる。 In the case of the diaphragm structure as described above, the load sensor elements Ra, Rb, Rc, and Rd, which are the detection elements, have gauge resistance by diffusion or ion injection on the diaphragm (pressure receiving portion) in which the silicon substrate is thinned by etching or the like, for example. By forming (piezoresistive effect), the piezoresistive effect can be obtained.
また、荷重センサ素子Ra、Rb、Rc、Rdは、等方性導体を用いた金属ひずみゲージをダイアフラム(受圧部)上にブリッジ状に貼り付けることにより、ピエゾ抵抗効果を得るようにすることもできる。 Further, the load sensor elements Ra, Rb, Rc, and Rd can obtain a piezoresistive effect by attaching a metal strain gauge using an isotropic conductor on the diaphragm (pressure receiving portion) in a bridge shape. it can.
なお、本実施の形態では、差動増幅部20を片電源(例えば、+5V電源)で使用する。このため、検出部10は、上記のダイアフラム(受圧部)を例えば下方向等の一方向に押圧操作することにより、後述する差動増幅部20の出力がプラス電圧で出力されるような使用形態とすることが好ましい。
In this embodiment, the
図1に示すように、第1検出部11である荷重センサ素子RaとRbは接続点13において電気的に接続され、Raの一端15は電源電圧Vccに接続され、Rbの一端16はグランドGNDに接続されている。また、第2検出部12である荷重センサ素子RcとRdは接続点14において電気的に接続され、Rcの一端15は電源電圧Vccに接続され、Rdの一端16はグランドGNDに接続されている。このように、第1検出部11と第2検出部12は、ブルブリッジ構成とされている。本実施の形態では、電源電圧Vccは、+5Vとする。
As shown in FIG. 1, the load sensor elements Ra and Rb, which are the first detection units 11, are electrically connected at the
図1に示すように、第1検出部11のRaとRbの接続点13は、第1検出値V1を中点電位として出力する。また、第2検出部12のRcとRdの接続点14は、第2検出値V2を中点電位として出力する。
As shown in FIG. 1, the
(差動増幅部20)
図1に示すように、差動増幅部20は、オペアンプにより差動増幅器(反転増幅器)として構成されている。
(Differential amplifier 20)
As shown in FIG. 1, the
第1入力部である非反転入力端子21は、抵抗R3に接続されて、第1検出値V1が入力される。抵抗R3の一端は、接続点13において荷重センサ素子Ra及びRbに接続され、抵抗R3の他端21は、抵抗R4、R5と接続されている。また、非反転入力端子21には、バイアス電位印加部30が接続され、抵抗R4及び抵抗R5と接続されて、電源電圧Vccが分圧されてバイアス電位Vbとして印加される。
The
第2入力部である反転入力端子22は、抵抗R1に接続されて、第2検出値V2が入力される。抵抗R1の一端は、接続点14において荷重センサ素子Rc及びRdに接続され、抵抗R1の他端17は、抵抗R2と接続されている。また、反転入力端子22は、抵抗R2と接続され、抵抗R2を介して出力端子23と接続されている。
Inverting
差動増幅部20の出力端子23は、出力値Voutを出力する。出力値Voutは、検出部10の検出結果として使用できる。また、制御部40に入力されて、検出部10の故障検出を判断するために使用できる。
The
差動増幅部20の電源端子24には、電源電圧Vccが接続され、グランド端子25は、グランドGNDに接続されている。本実施の形態では、電源電圧Vcc=+5〔V〕の片電源でオペアンプ(差動増幅部20)を動作させる。
A power supply voltage Vcc is connected to the
(バイアス電位印加部30)
図1に示すように、バイアス電位印加部30は、電源電圧Vccが抵抗R5と抵抗R4により分圧されて、バイアス電位Vbを非反転入力端子21に印加する。
(Bias potential application unit 30)
As shown in FIG. 1, the bias
(制御部40)
図1に示すように、制御部40は、差動増幅部20の出力値Voutが入力され、これに基づいて検出部10の故障検出を判断する故障検出部41を有している。
(Control unit 40)
As shown in FIG. 1, the
制御部40には、検出部10の故障検出を実行する指令信号Scが入力される。この指令信号Scは、この検出装置1が搭載される機器本体から入力される。検出装置1が、例えば、車両に搭載される場合には、車両の電源投入時、エンジン始動時、運転者からの機器操作時等により、車両側から指令信号Scが制御部40に入力される。
A command signal Sc for executing failure detection of the
制御部40からは、警告信号Saを出力することができる。この警告信号Saは、検出部10を構成する荷重センサ素子Ra、Rb、Rc、Rdがオープン故障した場合に、例えば、LowレベルからHighレベルになることにより、故障を報知することができる。
A warning signal Sa can be output from the
制御部40は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに基づいて検出、判定、判断などを行うCPU(Central Processing Unit)、半導体メモリであるRAM(Random Access Memory)及びROM(Read Only Memory)などから構成されるマイクロコンピュータである。このROMには、例えば、制御部40が動作するためのプログラムが格納されている。RAMは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。
The
(差動増幅部20の出力値Vout)
図1に示した構成の検出装置1において、差動増幅部20の出力値Voutを求める。
(Output value Vout of the differential amplifier 20)
In the
図1における非反転入力端子21における電流和を考える。非反転入力端子21の入力インピーダンスは十分大きいので、電流の流れ込みはないものとすると、図1に示す、I1+I2=I3から、
Consider the sum of currents at the
同様にして、反転入力端子22と接続される端子17を通過する電流を考えると、I4=I5から、
Similarly, considering the current passing through the terminal 17 connected to the inverting
非反転入力端子21と反転入力端子22は、イマジナリーショートにより同電位であるので、
Since the
上記示した(1)から(3)の式から、差動増幅部20の出力値Voutを求める。上式において、R1=R3、R2=R4とおく。また、差動増幅部20のゲインを例えば、10倍程度と大きくとるので、R1<<R2とすることができる。さらに、バイアス電位Vbは、検出部の非検出動作時の中点電位(第1検出値V1、第2検出値V2)よりも小さく設定する。例えば、バイアス電位Vbは、1〔V〕程度に設定するので、R4<<R5とすることができる。以上の設定から、出力値Voutは、次のようになる。
The output value Vout of the
(4)式において、R1<<R2<<R5の条件で、例えば、Vcc=5〔V〕、R1=R3=1〔kΩ〕、R2=R4=10〔kΩ〕、R5=55〔kΩ〕として(4)式をまとめると、次の(5)式になる。
In equation (4), under the conditions of R 1 << R 2 << R 5 , for example, Vcc = 5 [V], R 1 = R 3 = 1 [kΩ], R 2 = R 4 = 10 [kΩ] , R 5 = 55 [kΩ], and the following equation (5) can be summarized.
(5)式によれば、差動増幅部20の出力値Voutは、バイアス電位Vb=1〔V〕、第1検出値V1と第2検出値V2の差分を10倍の増幅度で、0〜5〔V〕の正の電圧側で増幅するように出力される。
According to the equation (5), the output value Vout of the
(検出装置1における故障検出動作)
図2は、本発明の実施の形態に係る検出装置1において故障検出を実行するときのフローチャートである。制御部40は、図1に示す指令信号Sc等に基づいて、故障検出動作を実行する。なお、(5)式において、検出部10に荷重がかかっていない状態では、オフセット調整がされて、(V1−V2)はゼロとされているものとする。
(Failure detection operation in detection device 1)
FIG. 2 is a flowchart when failure detection is executed in the
(Step1)
制御部40の故障検出部41は、差動増幅部20の出力値Voutがバイアス電位Vbであるかどうかを判断する。差動増幅部20の出力値Voutが(5)式による場合は、出力値Voutが1〔V〕であるかどうかを判断する。なお、故障検出部41は、所定の電圧誤差をa〔V〕として、出力値Voutが、Vb±a〔V〕以内にあるかどうかを判断することができる。出力値Voutがバイアス電位Vbである場合は、Step2へ進み(Step1:Yes)、出力値Voutがバイアス電位Vbでない場合は、Step3へ進む(Step1:No)。
(Step1)
The
(Step2)
制御部40は、検出部10は正常と判断する。すなわち、検出部10は、オープン故障等がなく、正常動作をしていると判断することができる。この正常動作時には、制御部40は、警告信号Saを出力しない。また、差動増幅部20の出力値Voutは、荷重センサ信号として使用することができる。
(Step2)
The
(Step3)
制御部40の故障検出部41は、差動増幅部20の出力値Voutが0〔V〕であるかどうかを判断する。差動増幅部20の出力値Voutが0〔V〕である場合は、Step4へ進み(Step3:Yes)、出力値Voutが0〔V〕でない場合は、Step5へ進む(Step3:No)。
(Step3)
The
(Step4)
制御部40の故障検出部41は、差動増幅部20の出力値Voutが0〔V〕である場合は、荷重センサ素子Ra、又は、Rdがオープン故障であると判断することができる。
(Step4)
When the output value Vout of the
図3(a)は、検出装置1において荷重センサ素子Raがオープン故障をした場合で出力値Voutが0Vであることを示す図である。図3(a)において、荷重センサ素子Raがオープン故障をした場合(図において×印を付けてオープン故障を示す)には、V1は約0〔V〕、V2は約2.5〔V〕であるので、出力値Voutが0〔V〕となる。
FIG. 3A is a diagram showing that the output value Vout is 0V when the load sensor element Ra of the
また、図3(d)は、検出装置1において荷重センサ素子Rdがオープン故障をした場合で出力値Voutが0Vであることを示す図である。図3(d)において、荷重センサ素子Rdがオープン故障をした場合(図において×印を付けてオープン故障を示す)には、V1は約2.5〔V〕、V2は約5〔V〕であるので、出力値Voutが0〔V〕となる。
Further, FIG. 3D is a diagram showing that the output value Vout is 0V when the load sensor element Rd fails to open in the
したがって、制御部40の故障検出部41は、差動増幅部20の出力値Voutが0〔V〕である場合は、荷重センサ素子Ra、又は、Rdがオープン故障であると判断することができる。
Therefore, the
制御部40は、荷重センサ素子Ra、又は、Rdがオープン故障であると判断した場合は、警告信号Saを出力することができる。また、差動増幅部20の出力値Voutを荷重センサ信号として使用しないようにすることができる。
When the
(Step5)
制御部40の故障検出部41は、差動増幅部20の出力値Voutが5〔V〕であるかどうかを判断する。差動増幅部20の出力値Voutが5〔V〕である場合は、Step6へ進み(Step5:Yes)、出力値Voutが5〔V〕でない場合は、Step7へ進む(Step5:No)。
(Step 5)
The
(Step6)
制御部40の故障検出部41は、差動増幅部20の出力値Voutが5〔V〕である場合は、荷重センサ素子Rb、又は、Rcがオープン故障であると判断することができる。
(Step 6)
When the output value Vout of the
図3(b)は、検出装置1において荷重センサ素子Rbがオープン故障をした場合で出力値Voutが+5Vであることを示す図である。図3(b)において、荷重センサ素子Rbがオープン故障をした場合(図において×印を付けてオープン故障を示す)には、V1は約5〔V〕、V2は約2.5〔V〕であるので、出力値Voutが5〔V〕となる。
FIG. 3B is a diagram showing that the output value Vout is + 5V when the load sensor element Rb fails to open in the
また、図3(c)は、検出装置1において荷重センサ素子Rcがオープン故障をした場合で出力値Voutが+5Vであることを示す図である。図3(c)において、荷重センサ素子Rcがオープン故障をした場合(図において×印を付けてオープン故障を示す)には、V1は約2.5〔V〕、V2は約0〔V〕であるので、出力値Voutが5〔V〕となる。
Further, FIG. 3C is a diagram showing that the output value Vout is + 5V when the load sensor element Rc fails to open in the
したがって、制御部40の故障検出部41は、差動増幅部20の出力値Voutが5〔V〕である場合は、荷重センサ素子Rb、又は、Rcがオープン故障であると判断することができる。
Therefore, the
制御部40は、荷重センサ素子Rb、又は、Rcがオープン故障であると判断した場合は、警告信号Saを出力することができる。また、差動増幅部20の出力値Voutを荷重センサ信号として使用しないようにすることができる。
When the
なお、荷重センサ素子Ra、Rb、Rc、Rdのいずれかがオープン故障した場合に、差動増幅部20の出力値Voutが、電源電圧Vcc(+5〔V〕)レベルに飽和し、また、グランドGND(0〔V〕)になるように、荷重センサ素子の抵抗値、他の抵抗値R1、R2、R3、R4、R5を設定しておく。
When any of the load sensor elements Ra, Rb, Rc, and Rd fails to open, the output value Vout of the
(Step7)
制御部40は、判定不能であるとして、Step1へ戻る。
(Step7)
The
上記示したフローの一連の動作は、必要に応じて繰り返して実行することができる。 The series of operations of the flow shown above can be repeatedly executed as needed.
[本発明の実施の形態の効果]
上記示した本発明の実施の形態によれば以下のような効果を有する。
(1)検出装置1は、検出対象に関する第1検出値V1を検出する第1検出部11と、第1検出部11と対をなし、検出対象に関する第2検出値V2を検出する第2検出部12とを有する検出部10と、第1検出値V1の第1入力部21、及び、第2検出値V2の第2入力部22を備え、第1検出値V1と第2検出値V2との差分を増幅して検出対象の検出値を出力値Voutとして出力する差動増幅部20と、第1入力部21又は第2入力部22のいずれか一方にバイアス電位Vbを印加するバイアス電位印加部30と、差動増幅部20の出力値Voutに基づいて、検出部10の故障検出を判断する故障検出部41を有する制御部40と、を有して構成されている。上記示したように、検出装置1は、バイアス電位Vbを印加するバイアス電位印加部30を備えているので、荷重センサ素子Ra、Rb、Rc、Rdのいずれかがオープン故障した場合に、正常動作時の非荷重状態と区別することができる。これにより、検出装置1は、オープン故障の検出が可能となる。
(2)本実施の形態で示した検出装置1は、検出部10として、フォースセンサ(荷重センサ)以外にも、MR等の磁気抵抗素子等にも適用できる。また、検出装置1は、車両に搭載される車載スイッチ等、振動等による検出素子のオープン故障が発生しやすい装置、機器に対して好適に適用可能である。
[Effects of Embodiments of the present invention]
According to the embodiment of the present invention shown above, it has the following effects.
(1) The
(2) The
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々の変形が可能である。本発明に係る代表的な実施の形態、及び図示例を例示したが、上記実施の形態、及び図示例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。従って、上記実施の形態、及び図示例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from or changing the technical idea of the present invention. Although typical embodiments and illustrated examples according to the present invention have been illustrated, the above-described embodiments and illustrated examples do not limit the invention according to the claims. Therefore, it should be noted that not all combinations of the above-described embodiments and features described in the illustrated examples are essential for the means for solving the problems of the invention.
1…検出装置
10…検出部、11…第1検出部、12…第2検出部、13、14…接続点、15、16…一端、17…他端
20…差動増幅部、21…非反転入力端子、22…反転入力端子、23…出力端子、24…電源端子、25…グランド端子
30…バイアス電位印加部
40…制御部、41…故障検出部
Ra、Rb、Rc、Rd…荷重センサ素子
GND…グランド
R1、R2、R3、R4、R5…抵抗
Sa…警告信号
Sc…指令信号
V1…第1検出値
V2…第2検出値
Vb…バイアス電位
Vcc…電源電圧
Vout…出力値
1 ...
Claims (6)
前記第1検出値の第1入力部、及び、前記第2検出値の第2入力部を備え、前記第1検出値と前記第2検出値との差分を増幅して前記検出対象の検出値を出力値として出力する差動増幅部と、
前記第1入力部又は前記第2入力部のいずれか一方にバイアス電位を印加するバイアス電位印加部と、
前記差動増幅部の前記出力値に基づいて、前記検出部の故障検出を判断する故障検出部を有する制御部と、
を有する検出装置。 A detection unit having a first detection unit that detects a first detection value related to a detection target, a second detection unit that is paired with the first detection unit and detects a second detection value related to the detection target, and a detection unit.
The detection value of the detection target is provided with a first input unit of the first detection value and a second input unit of the second detection value, and the difference between the first detection value and the second detection value is amplified. And a differential amplifier that outputs as an output value
A bias potential application unit that applies a bias potential to either the first input unit or the second input unit, and a bias potential application unit.
A control unit having a failure detection unit that determines failure detection of the detection unit based on the output value of the differential amplification unit, and a control unit.
Detection device having.
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