JP3878157B2

JP3878157B2 - センサ信号検出装置

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Publication number: JP3878157B2
Application number: JP2003271278A
Authority: JP
Inventors: 伸彰梅木
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2023-07-07
Also published as: CN1576872A; JP2005030936A; US7196553B2; KR20050005792A; US7026844B2; CN100432688C; TW200508825A; US20050012632A1; US20060125528A1

Description

本発明は、センサを有する産業用や車載用などの機器において、人体に対する安全性などを担保するために用いるセンサ信号検出装置に関する。

従来より、産業用や車載用などの機器は、人体を害するような危険を回避するためにセンサを用いている。すなわち、人体の少なくとも一部が危険領域に至ると、その状態をセンサが検知してその検知信号をセンサ信号検出装置に入力し、センサ信号検出装置が機器の作動部の動作を停止あるいは反転動作させるような信号を出力する。特許文献１には、車のドアあるいは窓にケーブル状センサを配置し、電動窓に手などが挟まった場合、ケーブル状センサの芯電極にパルス信号を発生させ、この信号をセンサ信号検出装置に入力し、増幅検出するものが記載されている。このセンサ信号検出装置は、さらにデジタル処理を行ってマイクロコンピュータ等のコントローラに信号を出力し、そのコントローラが電動窓を停止あるいは反転動作をさせて人体の被害を防止する。

特開２００１−１７１３４４号公報

このように、センサを有する機器においては、センサからの信号を検出するセンサ信号検出装置が必要であり、人体に対する安全性確保のため、センサ信号検出装置には非常に高い信頼性が要求される。

一般的に、デジタル系の回路により構成される装置では、信頼性を高めるに、その装置が動作する前に故障の検査が行われる。実際に、その装置自ら、電源起動時のイニシャルテストを行うものも多い。しかしながら、センサ信号検出装置のようなアナログ系の回路により構成される装置については、その装置自ら、その故障を検査するようなことは、通常、行われていなかった。

本発明は、係る事由に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、信頼性の向上が図れるセンサ信号検出装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に係わるセンサ信号検出装置は、電源電圧から内部電源電圧を発生させる内部電源電圧発生回路と、センサからの正と負のパルス信号を入力端子に受ける第１の増幅器と、第１の増幅器の入力端子を内部電源電圧側に引き上げる第１のプルアップ素子と、第１の増幅器の入力端子を接地電圧側に引き下げる第１のプルダウン素子と、第１のプルアップ素子またはプルダウン素子を第１の増幅器の入力端子に電気的に接続し得る第１の一対のスイッチと、第１の増幅器の出力信号を入力端子に受ける第２の増幅器と、第２の増幅器の入力端子を内部電源電圧側に引き上げる第２のプルアップ素子と、第２の増幅器の入力端子を接地電圧側に引き下げる第２のプルダウン素子と、第２のプルアップ素子またはプルダウン素子を第２の増幅器の入力端子に電気的に接続し得る第２の一対のスイッチと、電源起動時に、前記第１、第２の一対のスイッチを所定の順に接続制御し、かつ、所定箇所の電圧を測定することにより、前記内部電源電圧発生回路と前記第１、第２の増幅器の検査を行う故障検査回路と、を備えることを特徴とする。

請求項２に係わるセンサ信号検出装置は、請求項１記載のセンサ信号検出装置において、第１の増幅器の出力信号を入力端子に受ける第１のウィンドウコンパレータと、第２の増幅器の出力信号を入力端子に受ける第２のウィンドウコンパレータと、を備え、前記故障検査回路は、第１、第２のウィンドウコンパレータの検査をも行うことを特徴とする。

本発明のセンサ信号検出装置は、電源起動時に内部電源電圧が立ち上がったことを検査し、第１、第２の一対のスイッチを制御することにより、第１、第２の増幅器の故障検査を行う故障検査回路を設け、センサ信号検出装置を構成する２つのアナログ系の回路（第１、第２の増幅器）の正常動作を電源起動時に確認することにより、信頼性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施形態であるセンサ信号検出装置１の構成を示す図である。

このセンサ信号検出装置１は、電源電圧（Ｖ_ＣＣ）から内部電源電圧（Ｖ_ＲＥＧ）を発生させる内部電源電圧発生回路２０と、センサ抵抗３を含むケーブル状センサ（センサ）２から入力端子ａに信号を受けるバッファ増幅器（第１の増幅器）２１と、この入力端子ａを強制的に内部電源電圧（Ｖ_ＲＥＧ）側に引き上げることができる第１のプルアップ抵抗（第１のプルアップ素子）１１と、この入力端子ａを強制的に接地電圧側に引き下げることができる第１のプルダウン抵抗（第１のプルダウン素子）１２と、第１のプルアップ抵抗１１または第１のプルダウン抵抗１２を電源起動時にバッファ増幅器２１に電気的に接続する第１の一対のスイッチ１５、１６と、バッファ増幅器２１の出力信号を入力端子ｂに受けるゲイン増幅器（第２の増幅器）２２と、この入力端子ｂを強制的に内部電源電圧（Ｖ_ＲＥＧ）側に引き上げることができる第２のプルアップ抵抗（第２のプルアップ素子）１３と、この入力端子ｂを強制的に接地電圧側に引き下げることができる第２のプルダウン抵抗（第２のプルダウン素子）１４と、第２のプルアップ抵抗１３または第２のプルダウン抵抗１４を電源起動時にゲイン増幅器２２に電気的に接続する第２の一対のスイッチ１７、１８と、バッファ増幅器２１の出力信号を入力端子ｃに受ける第１のウィンドウコンパレータ２３と、ゲイン増幅器２２の出力信号を入力端子ｄに受ける第２のウィンドウコンパレータ２４と、電源起動時に内部電源電圧（Ｖ_ＲＥＧ）が立ち上がったことを検査し、第１、第２の一対のスイッチ１５、１６、１７、１８を制御することで、バッファ増幅器２１、ゲイン増幅器２２、第１および第２のウィンドウコンパレータ２３、２４の故障検査を行う故障検査回路１０と、を主要構成要素としている。

さらに、詳細に説明すると、内部電源電圧発生回路２０は、その出力側に、内部電源電圧（Ｖ_ＲＥＧ）を平滑化するコンデンサ２９と、入力端子ａと間に介装される抵抗２８を接続している。この内部電源電圧発生回路２０は、その内部電源電圧（Ｖ_ＲＥＧ）を、バッファ増幅器２１、ゲイン増幅器２２、ウィンドウコンパレータ２３、２４等に供給する。ここでは、内部電源電圧（Ｖ_ＲＥＧ）を約５Ｖに設定している。また、抵抗２８とセンサ抵抗３は、等しい抵抗値に設定している。また、入力端子ａとケーブル状センサ２の間には、低域パスフィルタ２５を介装し、ケーブル状センサ２の出力の中の高域ノイズを除去するようにしている。ここで、低域パスフィルタ２５の抵抗値は抵抗２８とセンサ抵抗３に比べて十分小さくなっている。

バッファ増幅器２１は、本実施形態では電圧フォロア型であり、１倍の増幅率としているが、この倍率は増減することも可能である。また、第１のプルアップ抵抗１１およびプルダウン抵抗１２は、抵抗２８に比べてかなり小さい抵抗値にしなければならず、本実施形態では、抵抗２８を１０ＭΩ、第１のプルアップ抵抗１１およびプルダウン抵抗１２を１００ＫΩとしている。

ゲイン増幅器２２は、その入力端子ｂにバッファ増幅器２１の出力信号が入力されるものであり、入力端子ｂとバッファ増幅器２１の出力端子との間にバンドパスフィルタ２６を介装している。このバンドパスフィルタ２６は、本来のケーブル状センサ２が感知する信号の帯域のみ通過させる。また、ゲイン増幅器２２の出力端子と入力端子ｂと間にその増幅率を決定する帰還回路２７を介装している。また、もう一方の入力端子には基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ０）が入力される。また、第２のプルアップ抵抗１３およびプルダウン抵抗１４の抵抗値は、帰還回路２７の抵抗値よりもかなり小さくするようにしている。このゲイン増幅器２２は、その出力がセンサ信号検出装置１のアナログ信号出力（Ａ＿ＯＵＴ）となる。

第１のウィンドウコンパレータ２３は、２個の比較器とこれらの出力が入力されるＡＮＤ回路を含み、バッファ増幅器２１の出力信号が２個の比較器の一方の入力端子ｃに、上下の基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ１、Ｖ_ｒｅｆ２）が各比較器の他方の入力端子に、それぞれ入力される。この上下の基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ１、Ｖ_ｒｅｆ２）は、それぞれ約３．５Ｖ、約１．５Ｖに設定している。第２のウィンドウコンパレータ２４は、２個の比較器とこれらの出力が入力されるＯＲ回路を含み、ゲイン増幅器２２の出力信号が２個の比較器の一方の入力端子ｄに、上下の基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ３、Ｖ_ｒｅｆ４）が各比較器の他方の入力端子に、それぞれ入力される。この上下の基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ３、Ｖ_ｒｅｆ４）は、それぞれ基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ０）に０．５Ｖを加えた電圧、基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ０）から０．５Ｖを引いた電圧に設定している。そして、第１のウィンドウコンパレータ２３の出力信号と故障検査回路１０の出力の反転信号が入力されるＡＮＤ回路によりオン／オフ動作をするトランジスタ３１と、このＡＮＤ回路の出力信号と第２のウィンドウコンパレータ２４の出力信号が入力されるＡＮＤ回路によりオン／オフ動作をするトランジスタ３０と、を設けている。これらトランジスタ３０、３１は、オープンドレイン形式であり、トランジスタ３１の出力（Ｏ／Ｓ＿ＯＵＴ）は抵抗３３を介してトランジスタ３０の出力端に接続され、この出力がセンサ信号検出装置１のデジタル信号出力（Ｄ＿ＯＵＴ）となる。このデジタル信号出力（Ｄ＿ＯＵＴ）は、この信号を受けるマイクロコンピュータ等のコントローラ側の電源（Ｖｄ）に抵抗３２を介して接続される。

故障検査回路１０は、電源起動時の故障検査フローにおいて、第１、第２の一対のスイッチ１５、１６、１７、１８を制御し、トランジスタ３０、３１のオン／オフ動作を検査する。故障検査回路１０は、第１、第２の一対のスイッチ１５、１６、１７、１８に対応する４個のラッチ回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを含んでなり、ラッチ回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのいずれかがリセット状態ならばＨｉｇｈレベルを、ラッチ回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのすべてがセット状態ならばＬｏｗレベルを、それぞれ出力する。電源起動時の故障検査フローにおいてすべての検査が正常（故障箇所はない）と判断された場合、ラッチ回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのすべてがセット状態となる。

次に、電源起動後のセンサ信号検出装置１の動作（通常動作）を説明する。通常動作は、後述する電源起動時の故障検査フローで故障と判断されない場合に、そのフローに続いて行われる。この時、故障検査回路１０はＬｏｗレベルを出力し、他の回路の動作に影響を与えない。

定常状態では、抵抗２８とセンサ抵抗３とは等しい抵抗値であり、低域パスフィルタ２５の抵抗値は十分小さいので、バッファ増幅器２１の入力端子ａは中間電位（約２．５Ｖ）に保たれ、その出力信号も同じ電位に保たれている。したがって、第１のウィンドウコンパレータ２３の２個の比較器の一方の入力端子ｃには、上下の基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ１、Ｖ_ｒｅｆ２）の範囲内の出力信号が入力されるので、トランジスタ３１はオン状態になっている。

一方、ゲイン増幅器２２の入力端子ｂは、バンドパスフィルタ２６によりバッファ増幅器２１の出力信号の直流電圧はカットされるので、基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ０）と同じ電圧に保たれ、その出力、すなわちアナログ信号出力（Ａ＿ＯＵＴ）も同じ電圧に保たれている。そして、ウィンドウコンパレータ２４では、上下の基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ３、Ｖ_ｒｅｆ４）がそれぞれ基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ０）に０．５Ｖを加えた電圧、基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ０）から０．５Ｖを引いた電圧に設定されているため、トランジスタ３０はオフ状態になっている。したがって、デジタル信号出力（Ｄ＿ＯＵＴ）は、抵抗３２と抵抗３３で決まる電源（Ｖｄ）の電圧と接地電位との中間電圧となる。

人体の一部が危険領域に至った場合、すなわち、例えば、車の電動窓に手あるいは指などが挟まったような場合、ケーブル状センサ２から正と負の一対のパルス信号がバッファ増幅器２１に入力される。この場合、そのパルス信号に畳重する高周波または低周波ノイズは低域パスフィルタ２５とバンドパスフィルタ２６により除去され、本来のパルス信号がゲイン増幅器２２により増幅されてアナログ信号出力（Ａ＿ＯＵＴ）がその出力端子から出力される。そして、そのアナログ信号出力（Ａ＿ＯＵＴ）が基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ３）以上となるか、基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ４）以下になると、第２のウィンドウコンパレータ２４の出力信号によりトランジスタ３０はオン状態になり、デジタル信号出力（Ｄ＿ＯＵＴ）は接地電位となる。

また、バッファ増幅器２１の出力電圧は、ゲイン増幅器２２により増幅される前の電圧であるが、この電圧が基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ１）以上となるか、基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ２）以下になると、第１のウィンドウコンパレータ２３の出力信号によりトランジスタ３０、３１がともにオフ状態となり、デジタル信号出力（Ｄ＿ＯＵＴ）は電源（Ｖｄ）の電圧となる。この場合は、センサ信号検出装置１は、ケーブル状センサ２が断線または短絡等の異常事態であることを知らせているのである。

次に、故障検査回路１０が行う電源起動時の故障検査フローを図２のフロー図に基づいて説明する。

先ず、最初に、故障検査回路１０の中に設けられたラッチ回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを、初期状態として、リセット状態にする（Ｓ１０１）。したがって、故障検査回路１０はＨｉｇｈレベルを出力し、トランジスタ３０、３１はオフ状態となり、デジタル信号出力（Ｄ＿ＯＵＴ）は電源（Ｖｄ）の電圧となっている。

次に、内部電源電圧（Ｖ_ＲＥＧ）が適正値であるか否かを検査する（Ｓ１０２）。内部電源電圧（Ｖ_ＲＥＧ）は５Ｖに設定しているが、バッファ増幅器２１、ゲイン増幅器２２、ウィンドウコンパレータ２３、２４等が正常動作を行う下限電圧を、例えば、３．８Ｖ以上とした。ここで、３．８Ｖ未満である場合（ＮＧの場合）はこの検査を続行し、３．８Ｖ以上であれば（ＯＫの場合）次の検査に移る。

次に、ケーブル状センサ２が断線した場合、それを検出できるか否か、つまり、バッファ増幅器２１および第１のウィンドウコンパレータ２３がそれを検出するように動作するか否かを検査する（Ｓ１０３）。この検査は、第１の一対のスイッチ１５、１６のスイッチ１５を閉じ、第１のプルアップ抵抗１１によりバッファ増幅器２１の入力端子ａの電圧をプルアップして行う。これにより、バッファ増幅器２１の出力端子から第１のウィンドウコンパレータ２３の上側の基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ１）を越える電圧が出力されるので、第１のウィンドウコンパレータ２３の出力信号はケーブル状センサ２が断線の場合と同じもの、すなわち、トランジスタ３０、３１がともにオフ状態となる出力信号になる。この出力信号が検出できない場合、すなわち、検査をパスしなければ（ＮＧの場合）、ラッチ回路Ａはそのまま保持し（Ｓ１０４）、この検査を続行する。この検査をパスすれば（ＯＫの場合）、ラッチ回路Ａをセットし（Ｓ１０５）、次の検査に移る。

続いて、ケーブル状センサ２が短絡した場合、それを検出できるか否か、つまり、バッファ増幅器２１および第１のウィンドウコンパレータ２３がそれを検出するように動作するか否かを検査する（Ｓ１０６）。この検査は、第１の一対のスイッチ１５、１６のスイッチ１６を閉じ、第１のプルダウン抵抗１２によりバッファ増幅器２１の入力端子ａの電圧をプルダウンして行う。これにより、バッファ増幅器２１の出力端子から、第１のウィンドウコンパレータ２３の下側の基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ２）よりも低い電圧が出力されるので、第１のウィンドウコンパレータ２３の出力信号はケーブル状センサ２が短絡の場合と同じもの、すなわち、トランジスタ３０、３１がともにオフ状態となる出力信号になる。この出力信号が検出できない場合、すなわち、検査をパスしなければ（ＮＧの場合）、ラッチ回路Ｂはそのまま保持し（Ｓ１０７）、この検査を続行する。この検査をパスすれば（ＯＫの場合）、ラッチ回路Ｂをセットし（Ｓ１０８）、次の検査に移る。

次に、ケーブル状センサ２から正のパルスがセンサ信号検出装置１に入力された場合、ゲイン増幅器２２および第２のウィンドウコンパレータ２４が正常に動作するか否かを検査する（Ｓ１０９）。この検査は、第２の一対のスイッチ１７、１８のスイッチ１７を閉じ、第２のプルアップ抵抗１３によりゲイン増幅器２２の入力端子ｂの電圧をプルアップして行う。これにより、反転増幅器であるゲイン増幅器２２の出力端子から、第２のウィンドウコンパレータ２４の下側の基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ４）よりも低い電圧が出力されるので、第２のウィンドウコンパレータ２４の出力信号は、ケーブル状センサ２から正のパルスが入力された場合と同じものになる。この出力信号が検出できない場合、すなわち、この検査をパスしなければ（ＮＧの場合）、ラッチ回路Ｃはそのまま保持し（Ｓ１１０）、この検査を続行する。この検査をパスすれば（ＯＫの場合）、ラッチ回路Ｃをセットし（Ｓ１１１）、次の検査に移る。

続いて、ケーブル状センサ２から負のパルスがセンサ信号検出装置１に入力された場合、ゲイン増幅器２２および第２のウィンドウコンパレータ２４が正常に動作するか否かを検査する（Ｓ１１２）。この検査は、第２の一対のスイッチ１７、１８のスイッチ１８を閉じ、第２のプルダウン抵抗１４によりゲイン増幅器２２の入力端子ｂの電圧をプルダウンして行う。これにより、ゲイン増幅器２２の出力端子から、第２のウィンドウコンパレータ２４の上側の基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ３）よりも高い電圧が出力されるので、第２のウィンドウコンパレータ２４の出力信号は、ケーブル状センサ２から負のパルスが入力された場合と同じものとなる。この出力信号が検出できない場合、すなわち、この検査をパスしなければ（ＮＧの場合）、ラッチ回路Ｄはそのまま保持し（Ｓ１１３）、この検査を続行する。この検査をパスすれば（ＯＫの場合）、ラッチ回路Ｄをセットし（Ｓ１１４）、電源起動時の故障検査フローが終了する。

以上の電源起動時の故障検査フローにおいてすべて正常（故障と判断されない）である場合、ラッチ回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのすべてがセット状態になり、故障検査回路１０はＬｏｗレベルを出力し、続いて前述の通常動作が行われるのである（Ｓ１１５）。また、故障検査フローにおいていずれかが異常（故障と判断される）である場合、ラッチ回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのいずれかはリセット状態であるので、故障検査回路１０はＨｉｇｈレベルを出力した状態でその検査を続行する。

なお、第１のプルアップ抵抗１１およびプルダウン抵抗１２は、定電流源のように、強制的にバッファ増幅器２１の入力端子ａの電圧を変えることのできる素子に置き換えることが可能であることは勿論である。第２のプルアップ抵抗１３およびプルダウン抵抗１４についても同様である。また、第１の一対のスイッチ１５、１６は、電流の断続を制御できるものであれば、第１のプルアップ抵抗１１またはプルダウン抵抗１２とバッファ増幅器２１の入力端子ａとの間に設けられている必要はない。第２の一対のスイッチ１７、１８についても同様である。

また、本実施形態は、デジタル信号出力（Ｄ＿ＯＵＴ）機能を有するセンサ信号検出装置１であるが、アナログ信号出力（Ａ＿ＯＵＴ）機能のみの装置の場合は、第１、第２のウィンドウコンパレータ２３、２４を必ずしも備える必要はなく、バッファ増幅器２１およびゲイン増幅器２２の出力を直接、故障検査回路１０により検査することも可能である。

本発明の実施形態に係るセンサ信号検出装置の回路図。同上の電源起動時の動作を表すフロー図。

符号の説明

１センサ信号検出装置
２センサ（ケーブル状センサ）
３センサ抵抗
２８、３２、３３抵抗
１１、１３第１、第２のプルアップ素子（プルアップ抵抗）
１２、１４第１、第２のプルダウン素子（プルダウン抵抗）
１５、１６第１の一対のスイッチ
１７、１８第２の一対のスイッチ
２０内部電源電圧発生回路
２１第１の増幅器（バッファ増幅器）
２２第２の増幅器（ゲイン増幅器）
２３、２４第１、第２のウィンドウコンパレータ
２５低域パスフィルタ
２６バンドパスフィルタ
２７帰還回路
２９コンデンサ
３０、３１トランジスタ

Claims

電源電圧から内部電源電圧を発生させる内部電源電圧発生回路と、
センサからの正と負のパルス信号を入力端子に受ける第１の増幅器と、
第１の増幅器の入力端子を内部電源電圧側に引き上げる第１のプルアップ素子と、
第１の増幅器の入力端子を接地電圧側に引き下げる第１のプルダウン素子と、
第１のプルアップ素子またはプルダウン素子を第１の増幅器の入力端子に電気的に接続し得る第１の一対のスイッチと、
第１の増幅器の出力信号を入力端子に受ける第２の増幅器と、
第２の増幅器の入力端子を内部電源電圧側に引き上げる第２のプルアップ素子と、
第２の増幅器の入力端子を接地電圧側に引き下げる第２のプルダウン素子と、
第２のプルアップ素子またはプルダウン素子を第２の増幅器の入力端子に電気的に接続し得る第２の一対のスイッチと、
電源起動時に、前記第１、第２の一対のスイッチを所定の順に接続制御し、かつ、所定箇所の電圧を測定することにより、前記内部電源電圧発生回路と前記第１、第２の増幅器の検査を行う故障検査回路と、を備えるセンサ信号検出装置。
請求項１記載のセンサ信号検出装置において、
第１の増幅器の出力信号を入力端子に受ける第１のウィンドウコンパレータと、
第２の増幅器の出力信号を入力端子に受ける第２のウィンドウコンパレータと、
を備え、
前記故障検査回路は、第１、第２のウィンドウコンパレータの検査をも行うことを特徴とするセンサ信号検出装置。