JP4008044B2 - センサブリッジの機能監視方法および機能監視用回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、フルブリッジ回路を形成するように接続されているセンサ素子を有するシンメトリックなセンサブリッジ回路の機能監視方法および機能監視用回路装置に関する。
物理量の検出、例えば圧力、速度、加速度その他を検出するために、しばしば従来技術から知られているシンメトリックなブリッジ回路の形で設けられた半導体センサ、およびこのセンサブリッジ回路の出力信号を形成する差動増幅器回路が使用される。センサブリッジ回路からの出力信号は所定の測定電圧領域内で測定すべき物理量例えば圧力を充分な線形の依存性で示す。
この種のセンサブリッジ回路を、確実性が要求される測定装置例えば自動車のアンチロックシステムにおいて使用する場合、自動車および乗員の安全のために、センサの機能がその作動中にもつねに監視され、かつセンサのエラー動作時にはただちにこれを表すアラーム信号が形成されることがきわめて重要である。またこの場合、センサブリッジ回路への線路、センサブリッジ回路からの線路および給電線路その他の遮断だけでなく、圧力センサの故障を引き起こすエラー状態をも検出することが重要である。これにより、徐々に測定精度を悪化させる経時的変化、例えば圧力センサの特性曲線の変化、集積された増幅器の増幅度の変化などを検出することができる。
米国特許第４８４５４３５号明細書に、線路の遮断または短絡を検出するセンサエラー検出装置が記載されており、この装置はセンサのアース側の出力端子とセンサとの間にセンサ出力信号を形成する抵抗を有している。形成されたセンサ出力信号を基準電圧と比較することにより、ここで使用されている比較器の出力状態に基づいてセンサの状態またはセンサの動作能力についての推論が可能となる。ただし例えばセンサがＡ／Ｄ変換器に接続されていると、それぞれの電圧給電端子、出力端子およびセンサのアース端子の遮断を検出する場合に、この公知の装置の信頼性は確実ではない。
本発明の説明
本発明の課題は、フルブリッジ回路を形成するように接続されているセンサ素子を有するシンメトリックなセンサブリッジ回路の機能監視方法および機能監視用回路装置を提供して、あらゆる動作状態において一連の測定信号を分離させることなくセンサ信号を監視し、低コストでセンサ線路、給電電圧線路、接続線路だけでなくブリッジ抵抗、増幅器、一連の測定信号の調整ユニットおよび補償ユニットの全てをつねに監視できるようにすることである。
上述の課題は本発明のシンメトリックなセンサブリッジ回路の機能監視方法により、次の構成で解決される。すなわち、フルブリッジ信号をセンサブリッジ回路から導出するステップと、ハーフブリッジ信号を正または負のハーフブリッジ回路から導出するステップと、ハーフブリッジ信号の瞬時のレベルをブリッジ給電電圧の１／２から減算して差信号を形成するステップと、この差信号を所定の増幅度係数、すなわちセンサブリッジ回路が適正に動作する際に増幅された信号がフルブリッジ信号に相応するような増幅度係数で増幅するステップと、フルブリッジ信号と増幅された差信号とを比較するステップと、増幅された差信号とフルブリッジ信号とが許容できない差を有する場合にアラーム信号を形成するステップとを有する構成である。
この方法は本発明により、有利にはさらに、フルブリッジ信号を増幅し、増幅された信号からセンサの出力信号を形成し、固定のレベル、固定の周波数等を有するアラーム信号を形成し、このアラーム信号をセンサの出力信号に重畳するように構成される。
有利にはアラーム信号のレベルは、センサの出力信号がアラーム形成時に通常のセンサの動作領域の外側にシフトされるように選定される。
さらに有利には増幅された差信号およびフルブリッジ信号は比較ステップの前に同じ大きさのオフセットおよび感度で同時に調製される。
有利には本発明の方法は、自動車のアンチロックシステムにおける圧力測定時に使用される圧力センサの機能監視に用いられる。
さらに本発明の方法はディーゼルまたはガソリン噴射装置の機能監視、またはステアリングギアまたはトランスミッションにおける圧力測定時の機能監視、または自動車のエアコンディショナーで使用される圧力センサの機能監視に使用される。
本発明の別の実施形態により、上述の課題はフルブリッジ回路を形成するように接続されているセンサ素子を有するシンメトリックなセンサブリッジ回路の機能監視回路により、次の構成で解決される。すなわち、センサブリッジ回路の測定端子に接続された差動増幅器を有しており、この差動増幅器は測定信号を表すフルブリッジ信号を正負のハーフブリッジ信号の差から形成し、センサブリッジ回路の正または負の測定端子に接続された加算回路を有しており、この加算回路は正または負のハーフブリッジ信号の瞬時のレベルをブリッジ給電電圧の１／２から減算して相応の差信号を形成し、加算回路に接続された増幅器回路を有しており、この増幅器回路は差信号を所定の増幅度係数、すなわちセンサブリッジ回路が適正に動作する際に増幅された信号がフルブリッジ信号に相応するような増幅度係数で増幅し、増幅器回路に接続された比較器を有しており、この比較器はフルブリッジ信号と増幅された差信号との比較を行い、比較器の出力信号により作動されるアラーム信号発生器を有しており、このアラーム信号発生器は増幅器回路によって増幅された差信号とフルブリッジ信号とが許容できない差を有する場合にアラーム信号を形成することにより解決される。
有利には比較器はウィンドウコンパレータを有しており、このウィンドウコンパレータの出力信号はアラーム信号であり、第２の増幅器回路で増幅されたセンサの出力信号に付加的な電圧として重畳される。これによりこの出力信号はセンサのエラー時にセンサの通常動作領域の外側の信号領域を占める。
これに代えて有利にはオフセット補正および感度補正装置が設けられており、この装置は増幅器回路で増幅された差信号およびフルブリッジ信号を、これらの信号が比較器で比較されるまでに同じ大きさのオフセットおよび感度で同時に調製する。
さらに本発明によりセンサの出力信号に、ベース電圧発生器により、センサの出力信号をセンサの動作領域へシフトするベース電圧（基礎となる電圧）が重畳される。
さらに有利には、増幅器回路の増幅度、比較器およびベース電圧発生器の基準電圧、および使用されるセンサフルブリッジ回路の特性値を予め調整する手段が設けられている。前述の基準電圧は、通常の動作領域とアラーム信号の動作領域とを規定するものであり、給電電圧に相応する。
上述の解決手段の特徴から、ハーフブリッジ信号とフルブリッジ信号との比較により第２の信号測定路が形成される。この測定路はセンサ内のメイン測定路と比較される。これによりセンサ内に、メイン測定路のチェックのみに用いられるテスト路または監視路としてのセンサが形成される。
本発明の方法および回路装置により、センサの動作中、しかも圧力が印加される状態でも圧力が印加されない状態でもセンサブリッジ回路の自動的な機能監視が可能となる。
本発明の有利な別の特徴および目的を以下の実施例の説明に基づいて図に関連して詳細に説明する。
図には機能ブロック回路図の形でシンメトリックなセンサブリッジ回路の機能監視用回路装置、特にアンチロックシステムブレーキ装置での圧力測定に用いられる回路装置の有利な実施例が示されている。
本発明の監視回路の実施例を図示しているブロック回路図には測定センサ例えば圧力センサ１が示されており、このセンサでは４つの同種のセンサ素子ａ、ｂ、ｃ、ｄがシンメトリックなフルブリッジ回路の形で接続されている。このフルブリッジ回路の給電電圧端子は一方では給電電圧Ｖ_sに置かれており、他方ではアースに置かれている。シンメトリックなフルブリッジ回路１の正の出力信号Ｖ_inpおよび負の出力信号Ｖ_innは、それぞれ差動増幅器の正の入力端子および負の入力端子へ印加され、この差動増幅器の出力側からフルブリッジ信号Ｖ_inが送出される。メイン測定路Ｉはこのフルブリッジ信号Ｖ_inを以下に機能を説明する加算点１１を介して、固定に調整された増幅度を有する増幅器（以下第２の増幅器回路とも称する）１２へ送出する。さらにメイン測定路Ｉは別の加算点１３を介して出力端子１５に接続されており、この出力端子にセンサ出力電圧６（Ｖ_out）が送出される。
さらにテスト信号路または監視信号路ＩＩが次のようにして形成される。すなわち、別の加算点２により１／２のブリッジ給電電圧Ｖ_s／２が負のハーフブリッジ信号Ｖ_innから減算され、続いて増幅器３で増幅される。この増幅器の増幅度は、増幅された差信号Ｖ_inn−Ｖ_s／２がフルブリッジ信号Ｖ_inに相応するように調整されている。このようにして増幅された差信号は別の加算点１１’を介して比較器５に供給される。この比較器は差動増幅器を有しており、この作動増幅器はウィンドウコンパレータに接続されている。比較器５において増幅された差信号と増幅されないフルブリッジ信号Ｖ_inとが比較される。増幅された差信号とフルブリッジ信号とが許容できない差を有する場合には、ウィンドウコンパレータの出力信号によりアラーム信号発生器９が作動される。このアラーム信号発生器はセンサの出力端子１５での出力信号Ｖ_outに付加的な電圧を加える。この電圧によりセンサの出力信号はセンサの通常の動作領域の外側に存在する信号領域へシフトされる。
前述の手段によりセンサ内にメイン測定路の機能監視のみに用いられるテスト路または監視路ＩＩとしてのセンサを形成することができる。このセンサは圧力センサ１の動作中、しかも圧力が印加される状態でも圧力が印加されない状態でもセンサブリッジ回路の機能を自動的に監視する。
オフセット補正および感度補正装置４は必要な場合に、フルブリッジ信号Ｖ_inおよび増幅された差信号Ｖ_inn−Ｖ_s／２についてオフセット補正および感度補正（例えば温度補償）を行うために使用され、これにより２つの信号はオフセットおよび感度の点で同一の信号を有する。このためにこの２つの信号Ｖ_in、Ｖ_inn−Ｖ_s／２には、メイン測定路Ｉに存在する加算点１１、およびテスト路または監視路ＩＩに存在する加算点１１’において補正電圧が加えられる。
メイン測定路Ｉに存在する別の加算点１３により、測定信号にベース電圧発生器７からの一定の電圧例えば０．５Ｖが加えられ、これにより出力信号Ｖ_outはセンサの動作領域へシフトされる。
図示された構成要素および回路素子は有利には共通の基板上に集積回路の形で集積される。センサブリッジ回路の機能監視に必要な構成素子は集積回路のチップ表面をわずかしか拡大しないので、ここで生じるコストは無視できる。
図示されている負のハーフブリッジ信号Ｖ_innに代えて正のハーフブリッジ信号Ｖ_inpをセンサのハーフブリッジから取り出し、給電電圧の１／２に対する差を形成することができることは明らかである。
全体として本発明の測定原理により、シンメトリックなフルブリッジ回路から送出される測定信号の監視があらゆる動作状態中に可能となる。これは一連の測定信号を分離することなく監視信号をブリッジ信号から取り出し、これをフルブリッジ信号と比較することにより行われ、これにより測定信号は持続的に使用可能となる。これにより測定ブリッジの接続線路および給電電圧線路の遮断および短絡だけでなく、ブリッジ抵抗、増幅器、調整ユニットおよび補償ユニット全体も自動的に監視される。

Claims (12)

1. フルブリッジ回路を形成するように接続されているセンサ素子（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を有するシンメトリックなセンサブリッジ回路（１）の機能監視方法において、
   フルブリッジ信号（Ｖ_in）をセンサブリッジ回路から導出するステップと、
   ハーフブリッジ信号（Ｖ_inp、Ｖ_inn）を正または負のハーフブリッジ回路から導出するステップと、
   前記ハーフブリッジ信号（Ｖ_inp、Ｖ_inn）の瞬時のレベルをブリッジ給電電圧の１／２（Ｖ_s／２）から減算して差信号（Ｖ_inn−Ｖ_s／２）を形成するステップと、
   該差信号を、センサブリッジ回路（１）が適正に動作する際に増幅された信号がフルブリッジ信号（Ｖ_in）に相応するような所定の増幅度係数（ｘ）で増幅するステップと、
   フルブリッジ信号（Ｖ_in）と増幅された差信号とを比較するステップと、
   増幅された差信号とフルブリッジ信号（Ｖ_in）とが許容できない差を有する場合にアラーム信号を形成するステップとを有する、
   ことを特徴とするセンサブリッジ回路の機能監視方法。
2. フルブリッジ信号（Ｖ_in）を増幅して、そこからセンサの出力信号（Ｖ_out）を形成し、固定のレベルおよび固定の周波数等を有するアラーム信号を形成し、該アラーム信号を前記センサの出力信号（Ｖ_out）に重畳する、請求項１記載の方法。
3. アラーム信号のレベルを、センサの出力信号がアラーム発生時にセンサの通常の動作領域の外側に存在するように選択する、請求項２記載の方法。
4. 増幅された差信号およびフルブリッジ信号（Ｖ_in）を同じ大きさのオフセットおよび感度により比較ステップの前に同時に調製する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 自動車のアンチロックシステム、またはディーゼルまたはガソリン噴射法、またはステアリングギア、エアコンディショナー、またはトランスミッションにおける圧力測定時に使用される圧力センサの機能を監視するための、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法の使用。
6. フルブリッジ回路を形成するように接続されており、給電電圧（Ｖ_s）を給電されるセンサ素子（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を有するシンメトリックなセンサブリッジ回路（１）の機能監視用回路装置において、
   センサブリッジ回路の測定端子に接続された差動増幅器（１０）を有しており、該差動増幅器は測定信号を表すフルブリッジ信号（Ｖ_in）を正負のハーフブリッジ信号の差（Ｖ_inp−Ｖ_inn）から形成するものであり、
   センサブリッジ回路の正または負の測定端子に接続された加算回路（２）を有しており、該加算回路は正または負のハーフブリッジ信号（Ｖ_inpまたはＶ_inn）の瞬時のレベルをブリッジ給電電圧の１／２（Ｖ_s／２）から減算して相応の差信号（Ｖ_inn−Ｖ_s／２）を形成するものであり、
   前記加算回路（２）に接続された増幅器回路（３）を有しており、該増幅器回路は前記差信号を、センサブリッジ回路（１）が適正に動作する際に増幅された信号がフルブリッジ信号（Ｖ_in）に相応するような所定の増幅度係数（ｘ）で増幅するものであり、
   前記増幅器回路（３）に接続された比較器（５）を有しており、該比較器はフルブリッジ信号（Ｖ_in）と増幅された差信号との比較を行うものであり、
   前記比較器（５）の出力信号により作動されるアラーム信号発生器（９）を有しており、該アラーム信号発生器は前記増幅器回路（３）によって増幅された差信号とフルブリッジ信号（Ｖ_in）とが許容できない差を有する場合にアラーム信号を形成するものである、
   ことを特徴とするセンサブリッジ回路の機能監視用回路装置。
7. 前記比較器（５）はウィンドウコンパレータを有しており、該比較器の出力信号はアラーム信号であり、かつ付加的な電圧として第２の増幅器回路（１２）によって増幅されたセンサの出力信号（６）に重畳され、該出力信号はセンサのエラー時にセンサの通常の動作領域の外側に存在する信号領域を有する、請求項６記載の回路装置。
8. さらにオフセット補正および感度補正装置（４）が設けられており、該オフセット補正および感度補正装置により、第１の増幅器回路（３）によって増幅された差信号およびフルブリッジ信号（Ｖ_in）が同じ大きさのオフセットおよび感度で比較器（５）における比較の前に同時に調製される、請求項６または７記載の回路装置。
9. ベース電圧発生器（７）によりセンサの出力信号に、該出力信号をセンサの動作領域へシフトさせるベース電圧（＋Sockel）が重畳される、請求項６から８までのいずれか１項記載の回路装置。
10. 第１の増幅器回路および第２の増幅器回路（３、１２）の増幅度、通常の動作領域とアラーム信号領域とを定める給電電圧に相応する、比較器およびベース電圧発生器（７）の基準電圧、および使用されるセンサフルブリッジ回路（１）の特性値を予め調整する手段が設けられている、請求項６から９までのいずれか１項記載の回路装置。
11. 自動車のアンチロックシステムでの圧力測定に使用される圧力センサの機能監視のための、請求項６から１０までのいずれか１項記載の回路装置の使用。
12. ディーゼル噴射装置またはガソリン噴射装置、ステアリングギア、エアコンディショナーまたはオートマティックトランスミッションでの圧力測定に使用される圧力センサの機能監視のための、請求項６から１０までのいずれか１項記載の回路装置の使用。

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