JP4514432B2 - ホイートストーンブリッジ調整回路 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には自動車用の安全上重要な用途において、加えられた刺激、例えば圧力、力、加速度などをモニタするためのセンサで使用されるホイートストーンブリッジ回路に関し、より詳細には、かかる用途のための低コストのセンサを可能にする簡単なアーキテクチャを有するＡＳＩＣ（用途特定集積回路）に関する。

本明細書に記載するタイプのセンサは、加えられた刺激、例えばブレーキ用流体圧力、力、加速度などをモニタするために自動車用に使用され、圧力検出用途のケースのように、検出対象である刺激に応答してホイートストーンブリッジ信号を発生するための検出素子を一般に含む。例えば感圧検出素子は４つのピエゾ抵抗器から構成でき、これらピエゾ抵抗器は適当な相互接続性とダイヤフラム配置を有するダイアフラムに接合される。このセンサは検出素子と、信号を増幅し、補償する回路（例えばＡＳＩＣ）を一般に含み、この信号は配線ハーネス等を通して、例えば電子制御ユニット（ＥＣＵ）のアナログ−デジタルコンバータに一般に入力され、このユニットによって更に処理されるようになっている。

安全上重要な多くの用途、例えば自動車用電気液圧ブレーキ、ブレーキアシスト、ブレーキ制御装置を有する慣性安定性システムなどは、レンジ内のセンサ信号の有効性に依存している。レンジ内センサ信号とはすべての応用公差および刺激レンジ限界にわたって出力信号の通常のレンジ内にある信号のことである。これまで安全上重要なシステムは信号の有効性を保証するのにセンサ信号を２つのセンサで一致させることに依拠していた。この方法は信号の有効性を適当に保証するものであるが、余分なセンサ、配線ハーネスおよびコネクタを必要とする、コストのかかる解決法である。

別の解決方法は診断回路を有しない同様な単一センサと比較して、レンジ内センサ出力に対して信頼度をより高くするために、センサのＡＳＩＣ内に広範な診断用回路を増設することにあった。この解決方法は、２つのセンサを用いる解決方法よりもコストを節約できるが、この解決方法は広範なＡＳＩＣダイ領域を使用しなければならないので、センサのコストに悪影響を与え、較正用アルゴリズムを複雑にし、すべてのもっともらしい故障条件に対し、アクティーブレンジ内の信号に対して信号が有効であることを保証しない。例えばかかるセンサの単一出力フォーマットは、レンジ内出力信号を無効にし得る、比較的高い発生頻度の故障モードを検出しない。例えばこのような故障はかかるセンサを有する自動車を長期に運転している間にコネクタの抵抗値が過大になったり、または出力ステージが電気的に破損することに起因して生じ得る。

本発明の目的は、上記従来技術の限界を克服するＡＳＩＣで有効な条件化回路を提供することにある。別の目的は、センサ信号の改善された診断を可能にするピエゾ抵抗ブリッジ素子を有するホイートストーンブリッジ回路を備えたセンサと共に有効な、簡単で低コストのコンディショニング（調整）回路を提供することにある。更に別の目的は、所定の或いは選択した時間の間に、例えばセンサの始動時に、温度出力または冗長な温度出力を発生できるかかる回路を提供することにある。

端的に言えば、本発明によれば、加えられた刺激に応答するピエゾ抵抗ブリッジ素子を有するホイートストーンブリッジ回路は、各ハーフブリッジのための独立した信号条件化パスを備える。独立した温度依存性ブリッジ電源電圧とアースとの間に各ハーフブリッジが接続されている。各ハーフブリッジの出力端はそれぞれの増幅器の入力端に接続されており、それぞれの増幅器の第２入力端には温度依存性ブリッジ電源電圧の所定の或いは選択した割合いが接続されている。この温度依存性ホイートストーンハーフブリッジ電源電圧は増幅器の伝達関数の温度補償を行うそれぞれのオフセットおよび利得補償制御回路にも入力される。ハーフブリッジの出力信号は電源電圧および刺激に相互に比例した一対の電圧出力信号となっている。これら２つのハーフブリッジ出力信号は符号が逆の、公称的に等しい刺激感度を有する。

一実施例によれば、第１ハーフブリッジに接続された第１増幅器の出力端は第３増幅器の２つの入力端の一方に接続されており、一方、この第３増幅器の他方の入力端は第２ハーフブリッジの出力端に接続された第２増幅器の出力信号を受信するようになっている。第２増幅器の出力端は第４増幅器の単一入力端にも接続されているので、第３増幅器の出力端はホイートストーンブリッジの出力電圧差に比例した信号を発生し、第４増幅器の出力端はホイートストーンハーフブリッジ出力電圧に比例した信号を発生する。

第２実施例によれば、各ハーフブリッジの出力端は２つの出力信号を発生するための固定された関数関係を有する増幅器の単一入力端に接続されており、２つの出力信号の各々はそれぞれのホイートストーンハーフブリッジ出力電圧に比例する。

更に別の実施例によれば、ステートマシン（ｓｔａｔｅ ｍａｃｈｉｎｅ）などの制御により出力増幅器の単一入力端に対し、温度依存性電圧信号およびホイートストーンハーフブリッジ出力電圧に比例した信号が多重化され、所定時間の間、ＡＳＩＣの出力ノードに温度依存信号を発生し、その後、前記所定期間の終了後に同じ出力ノードにホイートストーンハーフブリッジ出力信号に比例した信号を連続的に発生するようになっている。

上記実施例は、改良された低コストのセンサの提供を可能にする、ロバストでより簡単な態様で、センサの検出素子からＥＣＵ（電子制御ユニット）の入力信号測定回路へ一見信頼できそうなセンサまたはセンサの相互接続性の欠陥の検出を可能にするものである。

添付図面を参照し、本発明の好ましい実施例の次の詳細な説明を読めば、本発明に係わる、新規で改良されたホイートストーンブリッジコンディショニング回路の別の目的、利点および細部が明らかとなろう。

図１を参照すると、かかる検出素子の完全なホイートストーンピエゾ抵抗ブリッジ１２は、ハーフブリッジのピエゾ抵抗器Ｒ１およびＲ２と、別のハーフブリッジのピエゾ抵抗器Ｒ３およびＲ４とを備え、これらピエゾ抵抗器は集積回路（ＩＣ）１４の５つの別個のノードに別々に接続されている。抵抗器Ｒ１およびＲ２は集積回路のアースＧＮＤに接続されており、これら抵抗器には直列抵抗ＲＳ１を介してハーフブリッジの電源電圧ＶＨＢ１が供給されている。Ｒ１とＲ２から構成されたハーフブリッジの出力信号は、集積回路ＶＩＮＰのノードへの入力信号として働く。ハーフブリッジの電源電圧は抵抗器ＲＳ１の抵抗値の温度係数をほぼ０に等しくするか、または抵抗器Ｒ１、Ｒ２の抵抗値の合計の抵抗値の温度係数と比較した時に、少なくともあまり大きくならないように選択することにより、温度、特にハーフブリッジＲ１、Ｒ２の温度に依存させることが好ましい。このような構造により、電圧信号ＶＨＢ１の温度依存性はハーフブリッジのピエゾ抵抗器の温度を表示するためのＩＣ１４への入力信号として働くことができる。この信号ＶＨＢ１は増幅器Ｕ１の伝達関数の温度依存補償を行うためのオフセットおよび利得補償制御回路１への入力信号として働く。増幅器Ｕ１は入力端ＶＩＮＰおよびαＶＨＢ１を有する。αはほぼ０．５に等しい比例定数である。増幅器Ｕ１の出力信号は補償制御回路１の補正に起因し、固定された入力刺激、例えば圧力、力などに対し、温度からほぼ無関係の信号となる。従って、刺激により入力信号ＶＩＮＰがリニアに変化すると仮定した場合、Ｕ１の出力信号は加えられた刺激に対して実質的にリニアとなる。

同様に、抵抗器Ｒ３およびＲ４を備えた第２ハーフブリッジはＩＣのアースＧＮＤに接続されており、これには直列抵抗器ＲＳ２を介してハーフブリッジ電源電圧ＶＨＢ２が供給されている。Ｒ３およびＲ４から構成されたハーフブリッジの出力信号はＩＣのＶＩＮＭノードへの入力信号として働く。ハーフブリッジ電源電圧ＶＨＢ２は抵抗器ＲＳ２の抵抗値の温度係数をほぼ０に等しくするか、または抵抗器Ｒ３、Ｒ４の抵抗値の合計の抵抗値の温度係数と比較して少なくともあまり大きくならないように選択することにより、温度に依存させることが好ましい。信号ＶＨＢ２は入力端ＶＩＮＭおよびβＶＨＢ２を有する増幅器Ｕ２の伝達関数の温度依存補償をするオフセットおよび利得補償制御回路２への入力信号として働く。βも０．５にほぼ等しい比例定数である。従って、増幅器Ｕ２の出力は増幅器Ｕ２の出力にほぼ等しく、傾きが逆の補償制御回路２の補正に起因し、ほぼ温度と無関係に、加えられた刺激に対して比例する信号となる。

刺激と出力電圧信号との間で所望する伝達関数が得られるよう、増幅器Ｕ２の出力端はドライブ能力および追加利得を与える固定された関数関係を有する増幅器Ｕ５と、別の入力端が第１ハーフブリッジの増幅器Ｕ１の出力端に接続されている増幅器Ｕ４の２つの入力端のうちの一方とに接続されている。増幅器Ｕ４は増幅器Ｕ５のほぼ半分の電圧利得を有する。増幅器Ｕ５の出力信号Ｐ２は増幅器Ｕ２の入力信号に比例するが、増幅器Ｕ４の出力信号Ｐ１は増幅器Ｕ２の出力信号と増幅器Ｕ１の出力信号との差に比例し、この出力信号はハーフブリッジ出力電圧の差に関連する。出力信号Ｐ１は加えられた刺激に対する出力信号Ｐ２にほぼ等しく、かつ傾きが逆である。これによって集積回路またはいずれかのハーフブリッジで発生することがあり、出力信号の一方または双方に変化を生じさせる種々の故障の診断をＥＣＵなどによって行うことが可能となる。これまで説明した回路は電圧出力信号を発生するが、本発明の範囲内では電流、パルス幅変調電圧、デジタル電圧または電流などの他の種々のフォーマットの出力を発生することも可能である。

図２には第２実施例が示されている。ピエゾ抵抗ブリッジ１２、電源電圧ＶＨＢ１、ＶＨＢ２、補償回路１および２、増幅器Ｕ１およびＵ２、およびＩＣ１４’の比例定数αおよびβは、図１の実施例の場合と同じであるので、再度説明する必要はないであろう。しかしながら、増幅器Ｕ５に類似する増幅器Ｕ６は、固定された関数関係を有し、増幅器Ｕ５の利得に対応する利得を有する。

図２の実施例の結果、回路のアーキテクチャは多少簡単になる。その理由は、検出レンジの最大限度において、またはその近くで、有効信号として生じる出力を発生できる既知のセンサの故障を検出できる能力を提供するために、図１の実施例では通常、小さい増設診断回路（図示せず）が含まれているからである。図１の回路の結果、増幅器Ｕ４に必要な利得が低くなるので、出力信号Ｐ１におけるノイズは若干低くなるが、図２の回路はハーフブリッジ信号の双方に関数的に関連する２つの信号を発生させることにより、診断カバー範囲で図１のギャップが生じるのを防止している。更に、Ｐ２の信号はＰ１の信号とほぼ同じ精度を有するので、よりロバストな診断カバー範囲を提供できることが判っている。

図３は図２の実施例の変形例を示す。図３の実施例は補償診断を行う。この診断では、Ｐ２／Ｔの２つの信号Ｐ１とＰ２とを比較して、表示された刺激、例え圧力の有効性を判断するだけでなく、システムにより、またはユーザーコマンドにより制御できるＰ２／Ｔノード上に第２信号を発生させる。ＩＣ１４”の回路はＰ２／Ｔノード上に一定のＰ２信号を戻す前の所定の期間にわたってＰ２／Ｔノードに検出素子のハーフブリッジ電圧に比例した出力を発生する。設計および製造パラメータ、例えばピエゾ抵抗器の不純物ドーピングノード、ダイヤフラムの温度膨張係数、センサの較正温度などを注意深く制御することにより、ハーフブリッジ電圧変化と検出素子の温度とをほぼリニアにすることができる。図３のブリッジ１２は図１および図２の実施例を参照してこれまで説明したものと同じである。図３の実施例のＩＣ１４”は図２の回路の増幅器Ｕ３に追加されたものであり、この増幅器１３の入力端は発生される電源電圧ＶＨＢ２に接続されており、出力端はスイッチ２０を介してＰ２／Ｔノードを時間多重化するためにステートマシン１６および発振器１８の制御により、増幅器Ｕ５の入力端に対してスイッチング可能となっている。従って、主な刺激をモニタするのに重要でない所定時間に検出素子の温度に比例した信号をＰ２／Ｔノードに発生するよう選択された論理的な変化がステートマシンによって続けられる。すなわちこの追加動作は、電源をシャットダウンし、安全上重要なモニタ動作に戻る前の短時間の間、電源をオンに戻して温度信号を発生するための短時間の間、かかる情報および診断カバー範囲を中断できる時に、主要な刺激、例えば自動車のブレーキ用途における圧力に関する情報の、特に安全上重要なモニタに基づいている。上記ブレーキの例では、適当な時間は、ブレーキ動作中の安全でない条件の問題を生じることなく、液圧流体のモニタを中断できる、始動時のような自動車が静止している時である。

図１〜３の実施例は自動車などの適当な電子制御ユニット（ＥＣＵ）と共に一般に使用される。上記のように、センサ信号の各半分は、広い温度範囲にわたって加えられた刺激とほぼ一定の線形関係を生じさせる補償回路１、２における温度にわたって、オフセットおよびスパンに対して補償される。次に、電源電圧に比例的であり、刺激に比例的（ｓｕｐｐｌｙ ｒａｔｉｏｍｅｔｒｉｃ ａｎｄ ｓｔｉｍｕｌｕｓ ｒａｔｉｏｍｅｔｒｉｃ）であるこれら信号は、一般にデジタル信号に変換され、数学的にＥＣＵにおけるモデルにマッチングされる。

以上で特定の実施例を示すことにより、本発明について説明したが、上記以外の実施例および変形例も可能であると理解すべきである。本発明は特許請求の範囲内において開示した実施例のすべての変形例および均等物を含むものである。

本発明の好ましい第１実施例に従って製造されたＡＳＩＣに接続されたホイートストーンブリッジの略図である。 別の好ましい実施例に係わる、図１に類似した略図である。 別の好ましい実施例に係わる、図１に類似した略図である。

符号の説明

１、２ 補償制御回路
１２ ピエゾ抵抗ブリッジ
１４ 集積回路
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ ピエゾ抵抗器
ＶＨＢ１、ＶＨＢ２ 電源電圧
ＲＳ１、ＲＳ２ 直列抵抗器
Ｕ１、Ｕ２、Ｕ４、Ｕ５ 増幅器

Claims (8)

1. ホイートストーンブリッジ調整回路であって、
   第１および第２ハーフブリッジと集積回路とを備え、該集積回路は、集積回路電源、第１および第２ハーフブリッジに給電する少なくとも１つの電源に接続された第１および第２ハーフブリッジ電源ノード、第１および第２ハーフブリッジ入力ノードおよび少なくとも１つのアースノードを有し、
   前記第１ハーフブリッジは、第１ハーフブリッジ電源ノードとアースノードとの間に直列接続された検出対象である刺激に応答する第１および第２刺激応答ブリッジ素子と、前記第１ハーフブリッジ入力ノードに接続されかつ第１刺激応答ブリッジ素子と第２刺激応答ブリッジ素子との間の接合に第１ハーフブリッジ出力とを有し、
   前記第２ハーフブリッジは、第２ハーフブリッジの電源ノードとアースノードとの間に直列に接続された検出対象である刺激に応答する第３および第４刺激応答ブリッジ素子と、前記第２ハーフブリッジ入力ノードに接続されかつ第３刺激応答ブリッジ素子と第４刺激応答ブリッジ素子との間の接合に第２ハーフブリッジ出力とを有し、
   前記ホイートストーンブリッジ調整回路はさらに、前記第１および第２ハーフブリッジ電源ノードからの電圧の温度依存性に基づきそれぞれ動作される第１および第２オフセットおよび利得補償制御回路と、
   第１および第２増幅器であって、第１および第２増幅器の各々は２つの入力と１つの出力を有し、前記第１および第２ハーフブリッジ入力ノードが第１および第２増幅器の一方の入力にそれぞれ接続され、前記第１および第２増幅器の他方の入力に第１および第２ハーフブリッジ電源ノードの電圧にそれぞれ比例した電圧信号が供給された、前記第１および第２増幅器とを有し、
   前記第１および第２オフセットおよび利得補償制御回路の出力がそれぞれ前記第１および第２増幅器に接続され、前記第１および第２オフセットおよび利得補償制御回路は、前記電圧の温度依存性に基づき第１および第２増幅器の伝達関数の温度依存を補償するように前記第１および第２増幅器のオフセットおよび利得を制御し、前記第１および第２増幅器は前記入力の差をそれぞれ増幅し、第１および第２増幅器の各々の出力がそれぞれの第１および第２ハーフブリッジの出力電圧に比例した出力信号を有する、ホイートストーンブリッジ調整回路。
2. 第１および第２のハーフブリッジ電源ノードが電圧電源である、請求項１記載のホイートストーンブリッジ調整回路。
3. 前記集積回路の電源は、固定された電圧の供給源であり、前記第１および第２ハーフブリッジ電源ノードは、それぞれ第１および第２抵抗器を介して前記集積回路の電源に直列に接続されている、請求項１記載のホイートストーンブリッジ調整回路。
4. 前記第１および第２オフセットおよび利得補償制御回路は、前記第１および第２ハーフブリッジ電源ノードの電圧によってそれぞれ制御される、請求項１記載のホイートストーンブリッジ調整回路。
5. 前記第1、第２、第３、第４刺激応答ブリッジ素子がピエゾ抵抗器である、請求項１記載のホイートストーンブリッジ調整回路。
6. ホイートストーンブリッジ調整回路はさらに、第３増幅器および第４増幅器を備え、第３増幅器は、第１および第２入力と１つの出力を有し、第４増幅器は、単一の入力と出力とを有し、
   前記第２増幅器の出力が前記第３増幅器の第１入力に接続されると共に、前記第４増幅器の入力にも接続されており、
   前記第１増幅器の出力が前記第３増幅器の第２入力に接続されており、前記第３増幅器の出力が第１および第２ハーフブリッジの出力電圧差に比例した信号を発生し、前記第４増幅器の出力が第２ハーフブリッジの出力電圧に比例した信号を発生し、前記第３および第４増幅器の出力信号は、検出対象である刺激に対してオフセットおよび利得が調整された信号である、請求項５記載のホイートストーンブリッジ調整回路。
7. ホイートストーンブリッジ調整回路はさらに、第３増幅器および第４増幅器を備え、第３および第４増幅器の各々は単一の入力および出力を有し、
   前記第１および第２増幅器の出力が前記第３および第４増幅器の入力にそれぞれ接続されており、第３および第４の増幅器はそれぞれ第１および第２ハーフブリッジの出力電圧に比例した出力信号を発生し、前記第３および第４増幅器の出力信号は、検出対象である刺激に対してオフセットおよび利得が調整された信号である、請求項５記載のホイートストーンブリッジ調整回路。
8. ホイートストーンブリッジ調整回路はさらに、第３、第４および第５増幅器を備え、第３、第４および第５増幅器が単一の入力および出力を有し、前記第１増幅器の出力が前記第３増幅器の入力に接続されており、
   更に多重化スイッチおよびステートマシンを備え、前記多重化スイッチは、前記第４増幅器の入力に接続された出力と前記ステートマシンの制御により前記第２増幅器の出力と前記第５増幅器の出力間で移動自在な入力とを有し、
   前記第５増幅器の入力が温度に依存した第２ハーフブリッジ電源ノードに接続され、前記ホイートストーンブリッジ調整回路への給電後の所定時間の間、前記第４増幅器の出力が温度に依存した電圧に比例した出力信号を発生し、その後、第２ハーフブリッジの出力電圧に比例した連続した出力信号を発生する、請求項５記載のホイートストーンブリッジ調整回路。