JP4749132B2 - センサ検出装置及びセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ブリッジ回路を利用したセンサ素子の異常を検出することができるセンサ検出回路に関し、また、センサ検出回路を備えるセンサ検出装置及びセンサに関する。

図１５は、従来の加速度センサの構成を示す回路図である。図において１００は加速度を感知するセンサ素子であり、１１０はセンサ素子１００の出力から加速度を検出するセンサ検出装置である。センサ素子１００は、加わる圧力に応じて抵抗値が変化する４つのピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４によりホイートストンブリッジ回路を構成したものであり、直列に接続されたピエゾ抵抗Ｒ１及びＲ２と、ピエゾ抵抗Ｒ３及びＲ４とを、駆動電源が与えられる電源端子１０１及び接地電位に接続される接地端子１０４の間に並列に接続してある。センサ素子１００の出力として、ピエゾ抵抗Ｒ１及びＲ２の間の電位Ｖｓ＋が第１出力端子１０２から出力され、ピエゾ抵抗Ｒ３及びＲ４の間の電位Ｖｓ−が第２出力端子１０３から出力される。

ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４の抵抗値がいずれもＲであるときに、センサ素子１００に加速度が加わっていない場合、電位Ｖｓ＋及びＶｓ−は等しいが、加速度が加わった場合には、例えば対角位置のピエゾ抵抗Ｒ１及びＲ４の抵抗値がＲ＋ΔＲに変化し、ピエゾ抵抗Ｒ２及びＲ３の抵抗値がＲ−ΔＲに変化するため、電位Ｖｓ＋及びＶｓ−の間にΔＲに応じた電位差が発生する。

センサ検出装置１１０は、センサ素子１００を駆動するための電源回路１１５を備えており、電源回路１１５の出力が電源出力端子１１１から出力され、センサ素子１００の電源端子１０１に与えられる。センサ素子１００の２つの電位Ｖｓ＋及びＶｓ−は、センサ検出装置１１０の第１入力端子１１２及び第２入力端子１１３にそれぞれ与えられ、センサ検出装置１１０内のアンプ１１６に入力される。アンプ１１６は電位Ｖｓ＋及びＶｓ−の電位差を増幅して出力端子１１４から出力し、この出力からセンサ素子１００に加わる加速度を判断することができる。

特許文献１においては、ホイートストンブリッジ回路の２つの出力電位が、一定範囲内の電位に収まっているか否かを、ウインドウコンパレータを用いてモニタすることによって、ホイートストンブリッジ回路に発生した断線又は短絡等の故障を検出することができる診断回路が提案されている。例えば、ホイートストンブリッジ回路に断線が発生した場合、出力電位が電源又は接地電位となるため、ウインドウコンパレータにて異常を検出できる。

また、特許文献２においては、ホイートストンブリッジ回路と並列に故障検出用抵抗を接続し、故障検出用抵抗の両端の電位差が一定範囲内に収まっているか否かを、ウインドウコンパレータを用いてモニタすることによって、ホイートストンブリッジ回路に発生した断線又は短絡等の故障を検出することができる故障検出装置が提案されている。

特許文献３においては、ホイートストンブリッジ回路に電源としてパルス電圧を印加し、２つの出力電圧の電位差を一定の時間間隔でサンプリング測定し、測定値の変化量が閾値以下となったときの測定値を測定結果として出力する構成とすることにより、ホイートストンブリッジ回路の出力変動の過渡現象の影響を低減でき、検出精度を高めることができる圧力測定装置が提案されている。
実開平４−１０９３７１号公報 実開平５−８１７２０号公報 特開２００３−１９４６４６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の診断回路及び特許文献２に記載の故障検出装置においては、ホイートストンブリッジ回路に発生した断線又は短絡等の故障を検出することは可能であるが、ホイートストンブリッジ回路の２つの出力の電位差を増幅するアンプに発生した故障を検出することはできないという問題がある。

特に、加速度センサ及びセンサ検出装置が別のＩＣチップで構成される場合には、センサ検出装置のＩＣの入力端子から侵入する静電気により、入力段のアンプが破壊される虞がある。アンプが破壊された場合には、加速度の検出を正常に行うことができないため、センサ検出回路はアンプの破壊を検出できる構成であることが望ましい。

また、ホイートストンブリッジ回路の２つの出力電位の電位差は微小なものであるため、ノイズの影響が大きく、ノイズにより検出の精度が悪化するという問題がある。また、この電位差を増幅するアンプにはゲインの大きいものを用いることが多く、アンプのオフセットが大きくなり、検出の精度が悪化するという問題がある。特許文献１乃至特許文献３においては、これらの問題に関しては言及されていない。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ブリッジ回路を有するセンサ素子から与えられる２つの入力信号の電位差を増幅する差動増幅部の入力信号及び出力信号の電位を監視する監視部を設ける構成とすることにより、センサ素子のブリッジ回路の断線又は短絡等の故障と、差動増幅部の破壊とを検知することができるセンサ検出装置を提供することにある。

また本発明の他の目的とするところは、差動増幅部に入力される２つの入力信号と、差動増幅部から出力される２つの出力信号とに監視部を設ける構成とすることにより、ブリッジ回路の断線又は短絡等の故障と、差動増幅部の破壊とを確実に検知することができるセンサ検出装置を提供することにある。

また本発明の他の目的とするところは、センサ素子から与えられる２つの入力信号の電位差を増幅する差動増幅部の２つの出力信号の電位差を更に増幅して出力する出力段差動増幅部を設けることにより、より確実にセンサ素子の状態を検出することができるセンサ検出装置を提供することにある。

また本発明の他の目的とするところは、センサ素子を駆動するための駆動手段を備える構成とすることにより、別に駆動手段を備える装置を必要としないセンサ検出装置を提供することにある。

また本発明の他の目的とするところは、センサ素子を正弦波信号又はパルス信号等の周期的に変化する信号を用いて駆動し、周期的に変化する信号を直流信号に変換して出力する変換出力手段を備える構成とすることにより、監視部が電位の変化を監視して故障を検知することができ、故障の検知と同時にセンサ素子の状態を検出することができ、また、ノイズによる誤動作を低減できるセンサ検出装置を提供することにある。

また本発明の他の目的とするところは、周期的に変化する信号又は直流の信号を用いてセンサ素子を駆動する構成とすることにより、周期的に変化する信号を用いて監視部が電位の変化を監視して故障を検知することができ、直流の信号を用いてセンサ素子の状態を検出することができるセンサ検出装置を提供することにある。

また本発明の他の目的とするところは、センサ素子を周期的に変化する信号を用いて駆動し、監視点の電位と基準電位とを比較器にて比較し、比較器の比較結果をカウンタによってカウントする構成とすることにより、センサ素子のブリッジ回路に与えられた駆動信号が、各監視点に正しく伝達されているか否かを比較器及びカウンタで調べることができ、故障の検知を簡単に行うことができるセンサ検出装置を提供することにある。

また本発明の他の目的とするところは、複数の基準電位と監視点の電位とを比較器により比較する構成とすることにより、より多様な故障を検知することができるセンサ検出装置を提供することにある。

また本発明の他の目的とするところは、差動増幅部を２つのオペアンプをコンデンサを介して接続する構成とすることにより、２つの入力信号の直流成分に対するゲインを小さくすることができ、交流成分のみを増幅した２つのの出力信号を得ることができ、アンプの直流成分であるオフセットの影響を低減することができるセンサ検出装置を提供することにある。

また本発明の他の目的とするところは、センサ素子のブリッジ回路からの出力を、フィルタを介して差動増幅部へ与える構成とすることにより、例えばフィルタとして広域通過フィルタを用いた場合には、差動増幅部へ与えられる差動の入力の直流成分及び低周波成分をカットすることができ、高周波成分のみを増幅でき、アンプの１／ｆノイズによる影響を低減することができるセンサ検出装置を提供することにある。

また本発明の他の目的とするところは、センサ素子及びアンプの故障を検知することができるセンサ検出装置を備えることにより、信頼性が高いセンサを提供することにある。

第１発明に係るセンサ検出装置は、ブリッジ回路を有するセンサ素子から出力される前記ブリッジ回路の２つの出力電位の電位差に応じて、前記センサ素子の状態を検出するセンサ検出装置において、前記センサ素子から出力される２つの出力電位が入力される第１入力端子及び第２入力端子と、該第１入力端子及び第２入力端子に入力される入力信号の電位を増幅して出力する差動増幅部と、該差動増幅部の入力信号及び出力信号の電位を監視する監視部とを備え、前記差動増幅部は、入力される２つの入力信号の電位差を増幅して、２つの出力信号を出力するようにしてあり、前記監視部は、前記２つの入力信号及び２つの出力信号の電位を監視するようにしてあることを特徴とする。

本発明においては、センサ素子のブリッジ回路から与えられる２つの入力信号の電位差を増幅する差動増幅部の入力信号及び出力信号の電位を監視する監視部を設ける。センサ素子のブリッジ回路又は差動増幅部に故障が発生した場合には、監視部にて異常が検知されるため、センサ素子及び差動増幅部の故障を検知できる。

本発明においては、センサ素子からの２つの入力信号の電位差を差動増幅部により増幅して２つの出力信号を得る。この２つの入力信号及び２つの出力信号の電位を監視する。センサ素子に故障が発生した場合は差動増幅部の入力信号にて異常が検知され、差動増幅部に故障が発生した場合は出力信号にて異常が検知される。

第２発明に係るセンサ検出装置は、前記差動増幅部の２つの出力信号の電位差を増幅する出力段差動増幅部を備えることを特徴とする。

本発明においては、センサ素子からの２つの入力信号の電位差を差動増幅部により増幅して２つの出力信号を得る。更に、２つの出力信号の電位差を出力段差動増幅部により増幅して出力する。センサ素子からの２つの入力信号の電位差は微小であるため、複数段の増幅部で複数回増幅を行うことで、確実にセンサ素子の状態を検出する。

第３発明に係るセンサ検出装置は、前記センサ素子を駆動するための駆動信号を発生する駆動手段を備えることを特徴とする。

本発明においては、センサ検出装置にセンサ素子を駆動するための駆動信号を発生する駆動手段を設ける。これにより、駆動手段を有する別の装置を設ける必要がなくなる。また、センサ検出装置が故障の検出を行う場合に駆動信号を変更することができるようになる。

第４発明に係るセンサ検出装置は、前記駆動手段が、周期的に変化する駆動信号を発生するようにしてあり、周期的に変化する信号を直流の信号に変換して出力する変換出力手段を備えることを特徴とする。

本発明においては、センサ素子を周期的に変化する信号を用いて駆動する。監視部は監視点の電位の変化を監視して故障の検知を行う。また、周期的に変化する信号を直流の信号に変換して出力する変換出力手段を設け、故障の検知とセンサ素子の状態検出とを同時に行えるようにする。また、周期的に変化する信号を用いることにより、ノイズによる誤動作が低減される。

第５発明に係るセンサ検出装置は、前記駆動手段が、周期的に変化する駆動信号又は直流の駆動信号を発生するようにしてあることを特徴とする。

本発明においては、駆動手段が周期的に変化する信号又は直流の信号を発生し、発生した信号でセンサ素子を駆動する。例えば、故障の検知を行う場合のみセンサ素子のブリッジ回路を正弦波信号又はパルス信号等の駆動信号にて駆動し、故障の検知を行わない場合はブリッジ回路を直流の駆動信号にて駆動する。差動増幅部に監視部を接続して、故障の検知を行う場合に監視部を動作させることで、故障が検知できるため、簡単に故障の検知機能が実現できる。

第６発明に係るセンサ検出装置は、前記監視部が、監視する電位と基準電位とを比較する比較器と、該比較器の出力に接続されたカウンタとを有することを特徴とする。

本発明においては、センサ素子のブリッジ回路を周期的に変化する信号によって駆動し、監視点の電位と予め定められた基準電位とを比較器を用いて比較する。ホイートストンブリッジ回路から各監視点に伝達された駆動信号と基準電位との比較結果として比較器の出力からパルス信号を得ることができ、比較器の出力によってカウンタを動作させる。センサ素子のブリッジ回路に与えた駆動信号の周期で決定されるカウンタの期待値と、実際のカウンタの値とを比較することで簡単に故障の検知を行うことができる。

第７発明に係るセンサ検出装置は、前記監視部が、複数の異なる基準電位の１つを選択する選択部を有し、監視する電位と選択された基準電位とを前記比較器が比較するようにしてあることを特徴とする。

本発明においては、複数の基準電位を用意し、基準電位を切り替えて比較器に与え、複数の比較を行う。比較基準を複数用意することにより、回路の断線又は短絡等の簡単な故障のみでなく、例えばピエゾ抵抗で構成されるホイートストンブリッジ回路の劣化による抵抗値の変化又は回路の微小な電流リークによる電位の変化等の様々な故障に対応できる。

第８発明に係るセンサ検出装置は、前記差動増幅部が、前記第１入力端子が非反転入力に接続され、出力が抵抗を介して反転入力に接続された第１オペアンプと、前記第２入力端子が非反転入力に接続され、出力が抵抗を介して反転入力に接続された第２オペアンプとを有し、前記第１オペアンプの反転入力及び前記第２オペアンプの反転入力がコンデンサを介して接続してあることを特徴とする。

本発明においては、２つのオペアンプをコンデンサを介して接続し、差動増幅部を構成する。センサ素子のブリッジ回路からの２つの入力信号の直流成分に対するゲインが小さくなり、交流成分のみが増幅されて出力されるため、アンプの直流成分であるオフセットの影響がなくなる。また、この構成によりセンサ素子のブリッジ回路は常に正弦波信号又はパルス信号等の駆動信号にて駆動するが、この場合に高い周波数の駆動信号でブリッジ回路を駆動することにより、オペアンプの１／ｆノイズを低減することができる。

第９発明に係るセンサ検出装置は、前記第１入力端子及び前記第２入力端子は、フィルタを介して前記差動増幅部に接続してあることを特徴とする。

本発明においては、センサ素子のブリッジ回路からの入力信号をフィルタを通して差動増幅部に与える。例えば、入力信号を高域通過フィルタを通して直流成分及び低周波成分をカットし、高周波成分のみ差動増幅部へ与える。アンプによる１／ｆノイズは低周波領域で大きいため、直流成分及び低周波成分をカットすることによって１／ｆノイズの影響が低減できる。

第１０発明に係るセンサは、ブリッジ回路を有し、該ブリッジ回路の２つの電位を出力するセンサ素子と、該センサ素子が出力する２つの電位が入力される上述のセンサ検出装置とを備えることを特徴とする。

本発明においては、上述のセンサ検出装置をセンサに備えることにより、センサ素子及びアンプの故障を検知することが可能となり、センサの信頼性が高くなる。

第１発明による場合は、差動増幅部の入力信号及び出力信号の電位を監視する監視部を設けることにより、ブリッジ回路又は差動増幅部に故障が発生した場合には、監視部にて故障を検知することができるため、センサによる加速度又は圧力等の検出結果の信頼性を向上することができる。

また、センサ素子から差動増幅部へ入力される２つの入力信号及び差動増幅部が出力する２つの出力信号を監視部が監視することにより、センサ素子の故障を入力信号の監視により確実に検知でき、差動増幅部の故障を出力信号の監視により確実に検知できるため、センサによる加速度又は圧力等の検出結果の信頼性を向上することができる。

第２発明による場合は、センサ素子からの２つの入力信号の電位差を増幅する差動増幅部の２つの出力信号の電位差を更に増幅して出力する出力段差動増幅部を設けることにより、センサ素子からの２つの入力信号の微小な電位差を確実に増幅でき、センサによる加速度又は圧力等の検出精度を高くできる。

第３発明による場合は、センサ検出装置にセンサ素子を駆動する駆動手段を設けることにより、駆動手段を有する別の装置を設ける必要がないため、センサのコストを削減できる。また、センサ検出装置内で駆動信号を変更する制御が可能であり、センサの状態を検出する場合と、故障の検知を行う場合とで異なる駆動信号を出力できるため、回路構成に応じた故障の検知を行うことができる。

第４発明による場合は、センサ素子を周期的に変化する信号を用いて駆動し、周期的に変化する信号を直流信号に変換して出力する変換出力手段を備えることにより、センサ素子の状態の検出を周期的に変化する信号を用いて行うことができ、監視部は監視点の電位の変化から故障を検知できるため、センサ素子の状態の検出と、故障の検知とを同時に行うことができ、センサの信頼性を高める事ができる。また、周期的に変化する信号を用いるため、ノイズによる誤動作を低減でき、センサの信頼性をより高める事ができる。

第５発明による場合は、周期的に変化する信号又は直流の信号を用いてセンサ素子を駆動する、例えば、故障の検知を行う場合に周期的に変化する信号にて駆動し、センサ素子の状態検出を行う場合は直流の駆動信号にて駆動することにより、センサ素子の状態検出は従来のセンサ検出装置と同様の処理で行うことができ、既存の回路に駆動信号の発生源及び監視部を付加することで簡単に故障検知の機能を追加できるため、短期間で設計を行うことができ、開発コストを低減できる。

第６発明による場合は、センサ素子を正弦波信号又はパルス信号等の駆動信号によって駆動し、監視点の電位と基準電位とを比較器にて比較し、比較器の比較結果をカウンタによってカウントする構成とすることにより、ブリッジ回路に与えられた駆動信号が各監視点に正しく伝達されているか否かを比較器及びカウンタで調べることができるため、ブリッジ回路又は差動増幅部に発生した故障を簡単にかつ確実に検知でき、センサによる加速度又は圧力等の検出結果の信頼性を向上することができる。

第７発明による場合は、複数の基準電位と監視点の電位とを比較器により比較する構成とすることにより、回路の断線又は短絡等の簡単な故障のみでなく、例えばピエゾ抵抗で構成されるブリッジ回路の劣化による抵抗値の変化又は回路の微小な電流リークによる電位の変化等の様々な故障に対応できるため、より信頼性を向上することができる。

第８発明による場合は、差動増幅部を２つのオペアンプをコンデンサを介して接続する構成とすることにより、２つの入力信号の直流成分に対するゲインを小さくし、交流成分のみを増幅した２つの出力信号を得ることができ、オペアンプの直流成分であるオフセットの影響を低減することができるため、より高精度に加速度又は圧力等の検出を行うことができる。また、ブリッジ回路を常に交流信号又はパルス信号にて駆動することにより、オペアンプの１／ｆノイズを低減できるため、より高精度に加速度又は圧力等の検出を行うことができる。

第９発明による場合は、センサ素子のブリッジ回路からの出力を、フィルタを介して差動増幅部へ与える構成とすることにより、例えば、フィルタとして高域通過フィルタを用いた場合には、差動増幅部へ与えられる差動の入力の直流成分及び低周波成分をカットし、高周波成分のみを増幅でき、アンプの１／ｆノイズによる影響を低減することができるため、より高精度に加速度又は圧力等の検出を行うことができる。

第１０発明による場合は、センサ素子及びアンプの故障を検知することができるセンサ検出装置を備えることにより、センサが検出する加速度又は圧力等の検出結果の信頼性を向上することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る加速度センサの構成を示す回路図であり、図２は、本発明の実施の形態１に係るセンサ検出回路の構成を示す回路図である。図において１００は加速度を感知するセンサ素子であり、１はセンサ素子１００の出力から加速度を検出するセンサ検出装置である。なお、本図に示すセンサ素子１００は、従来のセンサの構成として図１５に示したセンサ素子１００と同じであるので、説明を省略する。

センサ検出装置１は、センサ素子１００を駆動するための駆動信号発生回路６を備え、駆動信号発生回路６からの駆動信号をセンサ素子１００に与え、センサ素子１００から出力される２つの電位Ｖｓ＋及びＶｓ−の電位差をセンサ検出回路１０により増幅して出力する。また、センサ検出装置１は、センサ素子１００及びセンサ検出回路１０に故障が発生しているか否かを、制御部８により判定する。制御部８は、駆動信号発生回路６、基準電位発生回路７、センサ検出回路１０内の監視回路４０ａ、４０ａ及び監視回路４０ｂ、４０ｂを制御して故障の判定を行う。

駆動信号発生回路６は、約０Ｖ〜電源電圧Ｖｄｄの振幅を有し、約１ＭＨｚで発振するパルス信号を発生させて出力するものであり、発生したパルス信号はセンサ検出装置１の駆動信号出力端子２から出力され、センサ素子１００の電源端子１０１に与えられる。基準電位発生回路７は、電源電圧Ｖｄｄの変動及び温度の変動に対する影響が少なく安定した一定の電位を出力するものであり、出力である基準電位はセンサ検出回路１０へ与えられる。なお、基準電位発生回路７は、ツェナーダイオードを用いた基準電圧回路又はバンドギャップ基準電圧回路等の公知の技術を利用して構成される。

センサ素子１００の２つの電位Ｖｓ＋及びＶｓ−は、センサ検出装置１の第１入力端子３及び第２入力端子４にそれぞれ与えられ、センサ検出回路１０の第１入力端子１１及び第２入力端子１２にそれぞれ入力される。センサ検出回路１０は、入力された電位Ｖｓ＋及びＶｓ−の電位差を増幅して出力端子１３から出力し、この出力がセンサ検出装置１のセンサ出力端子５からセンサ出力として出力され、センサ出力からセンサ素子１００に加わる加速度を判断することができる。また、制御部８による故障検知の結果は、故障検知出力端子９から出力されるようにしてあり、故障を検知した場合には“Ｈ”が出力され、故障を検知していない場合は“Ｌ”が出力される。これにより、例えば、本発明に係るセンサを備えた機器は、故障検知出力端子９から“Ｈ”が出力されていることを認識した場合に、警告のランプを点灯する、又は警告メッセージを音声出力する等の処理を行うことができる。

センサ検出回路１０は、信号の低周波成分をカットして高周波成分を通過させる２つの高域通過フィルタ３０、３０、２つの入力信号の電位差を増幅し、増幅された電位差を有する２つの信号を出力する入力段差動増幅器２０、２つの入力信号の電位差を増幅して出力する出力段差動増幅器２５、及び周期信号を直流に変換する整流回路３５等を備えている。

センサ検出回路１０の第１入力端子１１及び第２入力端子１２から入力された２つの信号は、それぞれ高域通過フィルタ３０、３０に与えられる。高域通過フィルタ３０は、入力端子と出力端子との間にコンデンサＣ１２が設けられ、直列に接続された抵抗Ｒ１９及びバイアス電源３１が出力端子及び接地電位の間に設けられてなり、コンデンサＣ１２の容量値及び抵抗Ｒ１９の抵抗値により定まる遮断周波数以下の周波数の信号をカットする。

高域通過フィルタ３０、３０にて低周波成分がカットされた２つの入力信号は、入力段差動増幅器２０に与えられる。入力段差動増幅器２０は、２つのオペアンプ２１、２２を有しており、２つの入力信号はオペアンプ２１、２２の非反転入力端子にそれぞれ与えられる。

入力段差動増幅器２０は、オペアンプ２１の出力端子が抵抗Ｒ１１を介してオペアンプ２１の反転入力端子に接続され、オペアンプ２２の出力端子が抵抗Ｒ１２を介してオペアンプ２２の反転入力端子に接続され、オペアンプ２１の反転入力端子及びオペアンプ２２の反転入力端子が、直列に接続された抵抗Ｒ１３、コンデンサＣ１１及び抵抗Ｒ１４を介して接続されている。この構成により、入力段差動増幅器２０は、２つの入力信号の電位差を増幅して、増幅された電位差を有する２つの出力信号を各オペアンプ２１、２２の出力端子から出力する。

２つのオペアンプ２１、２２の各反転入力端子が、コンデンサＣ１１を介して接続されるため、入力段差動増幅器２０は、入力信号の交流成分のみを増幅し、直流成分は増幅せずに出力する。これは、直流成分に関しては、２つのオペアンプ２１、２２の反転入力端子が接続されておらず、各オペアンプ２１、２２がそれぞれボルテージフォロワ回路を形成している場合と等価であるためである。これにより、オペアンプ２１、２２に固有のオフセットは直流成分と見なすことができ、増幅されないため、入力段差動増幅器２０のゲインを大きくして精度を高めることができる。

入力段差動増幅器２０の２つの出力信号は出力段差動増幅器２５に与えられ、出力段差動増幅器２５により２つの信号の電位差が増幅されて出力される。出力段差動増幅器２５は、オペアンプ２６を有しており、入力段差動増幅器２０からの２つの出力信号の一方は抵抗Ｒ１５を介してオペアンプ２６の反転入力端子に与えられ、他方は抵抗Ｒ１６を介してオペアンプ２６の非反転入力端子に与えられる。また、オペアンプ２６の出力端子は抵抗Ｒ１７を介してオペアンプ２６の反転入力端子に接続され、オペアンプ２６の非反転入力端子は直列に接続された抵抗Ｒ１８及びオフセット調節用電源２７を介して接地電位に接続されている。出力段差動増幅器２５は、これらの抵抗Ｒ１５、Ｒ１６、Ｒ１７、Ｒ１８により規定される増幅率で２つの信号の電位差を増幅する。また、オペアンプ２６の出力端子には抵抗Ｒ２０が直列に接続してあり、オペアンプ２６の出力信号を抵抗Ｒ２０を介して出力段差動増幅器２５の出力信号として出力する。

出力段差動増幅器２５の出力信号は整流回路３５に与えられる。整流回路３５は、例えば複数のダイオードによるブリッジ回路と、抵抗及びコンデンサによる低域通過フィルタとを組み合わせた公知の回路構成である。整流回路３５により直流の信号に変換された出力信号は、センサ検出回路１０の出力端子１３から出力され、センサ検出装置１のセンサ出力端子５からセンサ出力として出力される。

センサ検出回路１０は、入力段差動増幅器２０の２つの入力信号のうちのオペアンプ２１側の入力信号の電位を監視する監視回路４０ａ及びオペアンプ２２側の入力信号の電位を監視する監視回路４０ｂと、２つの出力信号のうちのオペアンプ２１側の出力信号の電位を監視する監視回路４０ｃ及びオペアンプ２２側の出力信号の電位を監視する監視回路４０ｄとを備えている。なお、図２においては基準電位発生回路７及び制御部８との接続は図示を省略してあるが、基準電位発生回路７及び制御部８は監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄと接続される。

図３は、本発明に係るセンサ検出回路の監視回路４０ａの構成を示す回路図である。監視回路４０ａは、各監視点の電位である監視電位、基準電圧発生回路７から出力される基準電圧、並びに制御部８からの制御信号として選択信号及びリセット信号が与えられる。また、監視回路４０ａは、基準電位及び接地電位の間の電圧を分圧する分圧回路４１、入力された複数の電位から１つの電位を選択して出力する選択回路４２、入力された２つの電位の大小を比較する比較器４３及び入力された信号の変化をカウントするカウンタ４４を備えている。

分圧回路４１は、基準電位が入力される入力端子と接地電位との間に、３つの抵抗Ｒ４１、Ｒ４２、Ｒ４３が、抵抗Ｒ４１が基準電位側となるように、直列に接続されたものであり、抵抗Ｒ４１及びＲ４２の間の電位、並びに抵抗Ｒ４２及びＲ４３の間の電位を比較基準電位として出力する。分圧回路４１の出力である２つの比較基準電位は選択回路４２に入力される。

選択回路４２は、制御部８から与えられる選択信号に従って、２つの比較基準電位のいずれか一方の電位を出力して比較器４３に与える。制御部８からの選択信号は、例えば１ビットのロジック信号であり、選択信号が“Ｈ”の場合には２つの比較基準電位のうちの高い方の比較基準電位を出力し、選択信号が“Ｌ”の場合には低い方の比較基準電位を出力するようにしてある。

図４は、本発明に係る選択回路４２の一構成例を示す回路図である。選択回路４２は、ＰＭＯＳトランジスタＰ１及びＮＭＯＳトランジスタＮ１のソース同士及びドレイン同士をそれぞれ接続して構成されるスイッチ回路と、同様にＰＭＯＳトランジスタＰ２及びＮＭＯＳトランジスタＮ２のソース同士及びドレイン同士をそれぞれ接続して構成される伝達ゲート回路とを備えている。２つの伝達ゲート回路の入力に２つの比較基準電位がそれぞれ入力され、２つの伝達ゲート回路の出力が短絡されたものが出力電位として出力される。

即ち、一方の比較基準電位（比較基準電位１）が入力される端子がＰＭＯＳトランジスタＰ１及びＮＭＯＳトランジスタＮ１のソースに接続され、他方の比較基準電位（比較基準電位２）が入力される端子がＰＭＯＳトランジスタＰ２及びＮＭＯＳトランジスタＮ２のソースに接続され、全てのトランジスタのドレインは出力電位を出力する端子に接続されている。選択信号が入力される端子は、ＮＭＯＳトランジスタ１及びＰＭＯＳトランジスタ２のゲートに接続されている。また、選択回路４２は論理の反転を行うインバータ４７を１つ備えており、選択信号が入力される端子はインバータ４７の入力に接続されている。インバータ４７の出力はＰＭＯＳトランジスタＰ１及びＮＭＯＳトランジスタＮ２の入力に接続されている。

以上の構成の選択回路４２では、選択信号が“Ｈ”の場合、ＰＭＯＳトランジスタＰ１及びＮＭＯＳトランジスタＮ１で構成される伝達ゲート回路が導通し、ＰＭＯＳトランジスタＰ２及びＮＭＯＳトランジスタＮ２で構成される伝達ゲート回路は導通しないため、出力電位として比較基準電位１が出力される。選択信号が“Ｌ”の場合には、比較基準電位２が出力される。

比較器４３は、監視電位と選択回路４２により選択された比較基準電位とを比較し、例えば、監視電位が比較基準電位高い場合に”Ｈ”を出力し、監視電位が比較基準電位より低い場合に”Ｌ”を出力する。比較器４３はオペアンプを用いた公知の回路で構成され、比較器４３の出力はカウンタ４４に与えられる。

カウンタ４４は複数のフリップフロップにより構成され、比較器４３からの出力信号の立ち上がりエッジに応じてカウント値を増加させる。カウント値のリセットは制御部８からのリセット信号により行われ、カウンタ４４のカウント値は監視回路４０ａの出力として制御部８へ与えられる。

なお、図示は省略するが、他の監視回路４０ｂ、４０ｃ、４０ｄの回路構成は、図３に示した監視回路４０ａと同様の構成であり、監視回路４０ａ及び４０ｂは抵抗Ｒ４１、Ｒ４２、Ｒ４３の抵抗値が同じであり、監視回路４０ｃ及び４０ｄは、監視回路４０ａと抵抗Ｒ４１、Ｒ４２、Ｒ４３の抵抗値が異なるものである。即ち、監視回路４０ａ、４０ｂと監視回路４０ｃ、４０ｄとでは、比較器４３にて比較を行う場合の比較基準電位が異なる。

制御部８は、駆動信号発生回路６が発生したパルス信号が、センサ素子１００から監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄが設けられた各監視点まで正しく伝達されているか否かを、監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄの出力のカウント値を基にして判断する。このとき、制御部８は、駆動信号発生回路６から所定の時間内に出力されたパルス信号のパルス数を期待値として、監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄのカウント値と比較する。例えば、駆動信号発生回路６が周期１μｓのパルス信号を出力する場合に、制御部８は、監視回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ内のカウンタ４４をリセットした後、１００μｓ後にカウンタ４４の出力値を取得する。このとき、カウンタ４４の期待値は１００であるので、制御部は取得したカウント値が１００であるか否かを判定することで、故障が発生しているか否かを判定できる。

また、制御部８は、監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄ内の選択回路４２の切り替えを行い、複数の比較基準電位を用いて、複数回カウント値と期待値との比較を行う。カウント値及び期待値の比較結果から、センサ素子１００又はセンサ検出回路１０に故障が発生していると判断した場合には、制御部８はセンサ検出装置１の故障検知出力端子９に”Ｈ”を出力する。故障が発生していないと判断した場合には、制御部８は故障検知出力端子９に”Ｌ”を出力する。

例えば、センサ素子１００のホイートストンブリッジ回路に断線が生じた場合、駆動信号発生回路６からのパルス信号が監視点まで全く伝達されず、監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄのカウント値が増加しないため、制御部８が故障を検知することができる。

図５は、本発明に係るセンサ検出装置１の制御部８が行う故障検出処理の処理手順を示すフローチャートである。まず、制御部８は、選択信号として“Ｈ”を出力し（ステップＳ１）、高い方の比較基準電位による比較の準備を行う。次いで、カウンタ４４をリセットし（ステップＳ２）、一定の期間、例えば駆動信号発生回路６が発生するパルス信号の１００周期分の期間待機する（ステップＳ３）。一定期間が経過した後、カウンタ４４の出力であるカウント値を取得し（ステップＳ４）、期待値との比較を行う（ステップＳ５）。

期待値との比較を終了した後、選択信号として“Ｌ”を出力し（ステップＳ６）、低い方の比較基準電位による比較の準備を行う。次いで、カウンタ４４をリセットし（ステップＳ７）、一定の期間待機する（ステップＳ８）。一定期間が経過した後、カウンタ４４の出力であるカウント値を取得し（ステップＳ９）、期待値との比較を行う（ステップＳ１０）。

次いで、ステップＳ５及びＳ１０にて行ったカウンタ４４のカウント値と期待値との比較の結果が全て一致したか否かを調べる（ステップＳ１１）。全比較結果が一致している場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、故障は発生していないので、故障検知出力端子９から“Ｌ”を出力する（ステップＳ１２）。全比較結果が一致していない場合（Ｓ１１：ＮＯ）、故障が発生しているため、故障検知出力端子９から“Ｈ”を出力する（ステップＳ１３）。故障検知出力端子９から“Ｈ”又は“Ｌ”を出力した後、制御部８は処理を終了する。

図６は、本発明に係るセンサ検出回路の動作例を示す略示波形図であり、センサ素子１００及びセンサ検出回路１０に故障がなく、センサ素子１００に加速度が加わっていない状態を示している。図６に示す（ａ）〜（ｇ）の波形は、
（ａ）駆動信号発生回路６の駆動信号
（ｂ）入力段差動増幅器２０の一方の入力であるオペアンプ２１の入力信号Ｖａ
（ｃ）入力段差動増幅器２０の他方の入力であるオペアンプ２２の入力信号Ｖｂ
（ｄ）オペアンプ２１の出力信号Ｖｃ
（ｅ）オペアンプ２２の出力信号Ｖｄ
（ｆ）出力段差動増幅器２５の出力信号Ｖｚ
（ｇ）センサ検出装置１のセンサ出力信号
を示している。更に、監視回路４０ａ、４０ｂの高い側の比較器順電位をＶ１、低い側の基準電位をＶ２とし、また、監視回路４０ｃ、４０ｄの高い側の比較器順電位をＶ３、低い側の基準電位をＶ４として図中に破線で示してある。

なお、以降の動作例においては、入力段差動増幅器２０内の抵抗Ｒ１１及びＲ１２の抵抗値が等しく、抵抗Ｒ１３及びＲ１４の抵抗値が等しいものとする。また、出力段差動増幅器２５内の抵抗Ｒ１５及びＲ１６の抵抗値が等しく、抵抗Ｒ１７及びＲ１８の抵抗値が等しいものとする。

駆動信号発生回路６からセンサ素子１００へ、駆動信号として一定周期のパルス信号が入力されている（図６（ａ）参照）。センサ素子１００に加速度が加わっていない状態では、駆動信号の振幅が１／２倍された信号がセンサ素子１００の出力Ｖｓ＋及びＶｓ−として出力されてセンサ検出回路１０にそれぞれ与えらる。センサ検出回路１０に入力された２つの信号は、高域通過フィルタ３０、３０を通過し、入力段差動増幅器２０に２つの入力信号Ｖａ及びＶｂとして与えられる（図６（ｂ）及び（ｃ）参照）。

入力段差動増幅器２０の入出力の関係は、以下の式で表される。
Ｖｃ−Ｖｄ＝α０・（Ｖａ−Ｖｂ） …（１）
Ｖｃ＝α１・Ｖａ−α２・Ｖｂ …（２）
Ｖｄ＝α１・Ｖｂ−α２・Ｖａ …（３）
ただし、α１＞α２であり、α０、α１及びα２は、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４の抵抗値及びコンデンサＣ１１の容量値により定まる増幅率である。

センサ素子１００に加速度が加わっていない場合、入力段差動増幅器２０に与えられる入力信号Ｖａ及びＶｂは等しいため、出力信号Ｖｃ及びＶｄは等しい（図６（ｄ）及び（ｅ）参照）。入力段差動増幅器２０の出力信号Ｖｃ及びＶｄは、出力段差動増幅器２５に与えられる。

出力段差動増幅器２５の入出力の関係は、以下の式で表される。
Ｖｚ＝β・（ＶｄーＶｃ） …（４）
ただし、βは抵抗Ｒ１５、Ｒ１６、Ｒ１７及びＲ１８の抵抗値により定まる増幅率である。

よって、出力信号Ｖｃ及びＶｄが等しい場合は、出力段差動増幅器２５の出力Ｖｚは０となり（図６（ｆ）参照）、センサ検出装置１のセンサ出力もまた０となる（図６（ｇ）参照）。

図７は、センサ素子１００に加速度が加わっている場合の動作例を示す略示波形図であり、センサ素子１００及びセンサ検出回路１０に故障がなく、センサ素子１００に加速度が加わり、ピエゾ抵抗Ｒ１及びＲ４の抵抗値が増加し、ピエゾ抵抗Ｒ２及びＲ３の抵抗値が減少した場合を図示している。図７（ａ）〜（ｇ）の波形は、図６（ａ）〜（ｇ）に示すものと同じ信号である。

この場合、図６と比較して、入力段差動増幅器２０への入力信号Ｖａの振幅は減少し、入力信号Ｖｂの振幅は増加する（図７（ｂ）及び（ｃ）参照）。上述の（１）式乃至（３）式に従い、入力段差動増幅器２０からは、入力信号Ｖａ及びＶｂの電位差を増幅するように出力信号Ｖｃ及びＶｄが出力される（図７（ｄ）及び（ｅ）参照）。出力段差動増幅器２５は、上述の（４）式に従い、入力段差動増幅器２０の出力信号Ｖｃ及びＶｄの電位差を更に増幅して出力信号Ｖｚとして出力し（図７（ｆ）参照）、出力信号Ｖｚが整流回路３５にて直流信号に変換されてセンサ出力として出力される（図７（ｇ）参照）。このとき、センサ出力の電位が０Ｖより大きいため、加速度がセンサ素子１００に加わっていることが判断できる。

なお、図６及び図７に示すように、監視回路４０ａ、４０ｂの比較基準電位Ｖ１及びＶ２は、センサ素子１００及びセンサ検出回路１０に故障が生じていないときの入力信号Ｖａ及びＶｂの振幅の変動範囲において、上側の比較基準電位Ｖ１で比較を行った場合はカウンタ４４がカウントアップされず、下側の比較基準電位Ｖ２で比較を行った場合はカウンタ４４がカウントアップされるように、予め定めてある。同様に、監視回路４０ｃ、４０ｄの比較基準電位Ｖ３及びＶ４は、上側の比較基準電位Ｖ３で比較を行った場合はカウンタ４４がカウントアップされず、下側の比較基準電位Ｖ４で比較を行った場合はカウンタ４４がカウントアップされるように、予め定めてある。よって、制御部８は、監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄにて、上側の比較基準電位で比較を行った場合にカウンタ４４がカウントアップされず、下側の比較基準電位で比較を行った場合にカウンタ４４がカウントアップされている状態を、故障が生じていない正常状態と判定し、故障検知出力端子９に”Ｌ”を出力する。

図８は、センサ素子１００のピエゾ抵抗Ｒ４が断線故障している場合の動作例を示す略示波形図である。なお、センサ素子１００には加速度が加わっていないものとする。図８（ａ）〜（ｇ）の波形は、図６（ａ）〜（ｇ）に示すものと同じ信号である。

この場合、入力段差動増幅器２０の一方の入力信号Ｖａとして、図６に示した故障が発生していない正常状態と同様に、駆動信号の振幅を１／２倍した信号が与えられ（図８（ｂ）参照）、他方の入力信号Ｖｂとして、ピエゾ抵抗Ｒ４にて断線が生じているため、駆動信号の振幅が１／２倍されず、駆動信号がそのまま与えられる（図８（ｃ）参照）。上述の（１）式乃至（３）式に従い、入力段差動増幅器２０からは、入力信号Ｖａ及びＶｂの電位差を増幅するように出力信号Ｖｃ及びＶｄが出力される。このとき入力信号Ｖｂの振幅が大きいため、出力信号Ｖｃの振幅がより小さく（図８（ｄ）参照）、出力信号Ｖｄの振幅がより大きく（図８（ｅ）参照）なるように、入力段差動増幅器２０は増幅を行う。

入力信号Ｖａを監視する監視回路４０ａでは、上側の比較基準電位Ｖ１を用いて比較を行った場合、カウンタ４４はカウントアップされず、下側の比較基準電位Ｖ２を用いて比較を行った場合、カウンタ４４がカウントアップされるため、制御部８は故障が発生していない正常状態と判定する。しかし、入力信号Ｖｂを監視する監視回路４０ｂでは、上側の比較基準電位Ｖ１を用いて比較を行った場合に、カウンタ４４がカウントアップされるため、制御部８は故障が発生していると判定する。また、出力信号Ｖｃを監視する監視回路４０ｃでは、下側の比較基準電位Ｖ４を用いて比較を行った場合に、カウンタ４４がカウントアップされず、出力信号Ｖｄを監視する監視回路４０ｄでは、上側の比較基準電位Ｖ３を用いて比較を行った場合に、カウンタ４４がカウントアップされるため、両監視回路４０ｃ、４０ｄにおいても、制御部８は故障が発生していると判定する。

よって、監視回路４０ｂ、４０ｃ、４０ｄの３つの出力から、制御部８は故障が発生していると判定するため、制御部８はセンサ素子１００に故障が発生していると判断し、故障検知出力端子９に”Ｈ”を出力する。

図９は、センサ素子１００のピエゾ抵抗Ｒ２及びＲ４が断線故障している場合の動作例を示す略示波形図である。なお、センサ素子１００には加速度が加わっていないものとする。図９（ａ）〜（ｇ）の波形は、図６（ａ）〜（ｇ）に示すものと同じ信号である。

この場合、入力段差動増幅器２０の入力信号Ｖａ及びＶｂとして、駆動信号がそのまま与えられる（図９（ｂ）及び（ｃ）参照）。入力信号Ｖａ及びＶｂとして、等しく振幅の大きな信号が与えられるため、入力差動増幅器２０は、振幅が等しくより大きい出力信号ＶｃおよびＶｄを出力する（図９（ｄ）及び（ｅ）参照）。

入力信号Ｖａを監視する監視回路４０ａ及びＶｂを監視する監視回路４０ｂでは、上側の比較基準電位Ｖ１を用いて比較を行った場合に、カウンタ４４がカウントアップされるため、制御部８は故障が発生していると判定する。また、出力信号Ｖｃを監視する監視回路４０ｃ及びＶｄを監視する監視回路４０ｃでは、上側の比較基準電位Ｖ３を用いて比較を行った場合に、カウンタ４４がカウントアップされるため、制御部８は故障が発生していると判定する。よって、監視回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄの４つの出力から、制御部８は故障が発生していると判定するため、制御部８はセンサ素子１００に故障が発生していると判断し、故障検知出力端子９に”Ｈ”を出力する。

図８においては、センサ素子１００のピエゾ抵抗Ｒ４が断線故障している場合の動作例を示し、図９においては、ピエゾ抵抗Ｒ２及びＲ４が断線故障している場合の動作例を示したが、その他にもセンサ素子１００の故障パターンが存在する。図示は省略するが、例えば、ピエゾ抵抗Ｒ１が断線故障した場合、駆動信号発生回路６からの駆動信号がセンサ素子１００の第１出力端子１０２に伝わらないため、センサ素子１００の出力Ｖｓ＋が接地電位となり、入力段差動増幅器２０の一方の入力信号Ｖａを監視する監視回路４０ａのカウンタ４４がカウントアップされないため、制御部８が故障を検知することができる。また、ピエゾ抵抗Ｒ１及びＲ３が断線故障した場合も同様にして、入力段差動増幅器２０の入力信号Ｖａを監視する監視回路４０ａ及びＶｂを監視する監視回路４０ｂのカウンタ４４がカウントアップされないため、制御部８が故障を検知することができる。その他の断線故障の組み合わせ及び監視回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄによる故障の検知結果を以下の表に示す。なお、この表においては、“○”は対応する監視回路にて故障が検知されることを表し、“×”は検知されないことを表すものとする。

次に、センサ検出回路１０に故障が発生した場合の動作例を示す。図１０は、入力段差動増幅器２０内の抵抗Ｒ１１が接地電位にショートする故障が起きている場合の動作例を示す略示波形図である。なお、センサ素子１００には加速度が加わっていないものとする。図１０（ａ）〜（ｇ）の波形は、図６（ａ）〜（ｇ）に示すものと同じ信号である。

この場合、入力段差動増幅器２０の入力信号Ｖａ及びＶｂとして、図６に示した故障が発生していない正常状態と同様に、駆動信号の振幅を１／２倍した信号が与えられる（図１０（ｂ）及び（ｃ）参照）。しかし、入力段差動増幅器２０内の抵抗Ｒ１１が接地電位とショートしているため、出力信号Ｖｃは出力が接地電位となり（図１０（ｄ）参照）、出力信号Ｖｄは、入力信号Ｖａに関係なく、入力信号Ｖｂの振幅を増幅した信号となる（図１０（ｅ）参照）。

入力信号Ｖａを監視する監視回路４０ａ及びＶｂを監視する監視回路４０ｂでは、制御部８は故障が発生していないと判定する。出力信号Ｖｃを監視する監視回路４０ｃでは、下側の比較基準電位Ｖ４を用いて比較を行った場合に、カウンタ４４がカウントアップされないため、制御部８は故障が発生していると判定する。また、出力信号Ｖｄを監視する監視回路４０ｄでは、上側の比較基準電位Ｖ３を用いて比較を行った場合に、カウンタ４４がカウントアップされるため、制御部８は故障が発生していると判定する。よって、監視回路４０ｃ、４０ｄの出力結果からのみ、制御部８が故障が発生していると判定するため、制御部８は入力段差動増幅器２０に故障が発生していると判断し、故障検知出力端子９に”Ｈ”を出力する。

図１１は、入力段差動増幅器２０内の抵抗Ｒ１３が断線故障している場合の動作例を示す略示波形図である。なお、センサ素子１００には加速度が加わっていないものとする。図１１（ａ）〜（ｇ）の波形は、図６（ａ）〜（ｇ）に示すものと同じ信号である。

この場合、入力段差動増幅器２０の入力信号Ｖａ及びＶｂとして、図６に示した故障が発生していない正常状態と同様に、駆動信号の振幅を１／２倍した信号が与えられる（図１１（ｂ）及び（ｃ）参照）。しかし、入力段差動増幅器２０内の抵抗Ｒ１３が断線しており、オペアンプ２１及び抵抗Ｒ１１、並びにオペアンプ２２及び抵抗Ｒ１２がそれぞれ増幅率が１の非反転増幅器、所謂ボルテージフォロアを形成するため、入力信号Ｖａ及びＶｂが増幅されずにそのまま出力信号Ｖｃ及びＶｄとして出力される（図１１（ｄ）及び（ｅ）参照）。

入力信号Ｖａを監視する監視回路４０ａ及びＶｂを監視する監視回路４０ｂでは、制御部８は故障が発生していないと判定する。しかし、入力段差動増幅部２０にて入力信号Ｖａ及びＶｂが増幅されないため、出力信号Ｖｃを監視する監視回路４０ｃ及びＶｄを監視する監視回路４０ｄでは、下側の比較基準電位Ｖ４を用いて比較を行った場合に、カウンタ４４がカウントアップされないため、制御部８は故障が発生していると判定する。よって、監視回路４０ｃ、４０ｄの出力結果からのみ、制御部８が故障が発生していると判定するため、制御部８は入力段差動増幅器２０に故障が発生していると判断し、故障検知出力端子９に”Ｈ”を出力する。

なお、図８〜図１１に示すセンサ素子１００又はセンサ検出回路１０に故障が発生した場合の動作例において、センサ素子１００には加速度が加わっていない場合を図示して説明を行ったが、センサ素子１００に加速度が加わった場合にセンサ素子の電位Ｖｓ＋及びＶｓ−の間に生じる電位差は数ｍＶ程度であり、センサ素子１００及びセンサ検出回路１０に故障が発生した場合には、監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄによる監視点の電位は、正常動作時の電位と比較して数百ｍＶ〜数Ｖ程度の差が生じるため、比較器順電位Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ及びＶｄを適切に設定することにより、センサ素子１００に加速度が加わっている状態であっても、故障検知を行うことができる。

以上の構成の加速度センサにおいては、駆動信号発生回路６が出力するパルス信号を用いて、センサ素子１００による加速度の検知を行うことができると共に、センサ素子１００及び入力段差動増幅器２０の故障の検知を行うことができる。駆動信号発生回路６が出力するパルス信号の周波数を高くすることにより、入力段差動増幅器２０及び出力段差動増幅器２５内のオペアンプの１／ｆノイズを低減でき、より高精度に加速度の検出を行うことができる。また、入力段差動増幅器２０の２つの入力信号及び２つの出力信号をそれぞれ監視する監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄを設けることにより、センサ素子１００のみでなく、入力段差動増幅器２０の故障の有無を判断できる。また、監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄにて故障が発生していないと判定されている場合に、センサ出力に異常が発生している場合には、間接的に出力段差動増幅器２５又は整流回路３５に故障が発生していると判断することができる。

なお、本実施の形態においては、監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄをセンサ検出回路１０の各監視点に１つずつ設ける構成を示したが、これに限るものではなく、センサ検出回路１０に１つだけ設けて、各監視点の電位をスイッチで切り替えて１つの監視回路に入力する構成であってもよい。また、監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄによりセンサ検出回路１０の４つの監視点の監視を行う構成を示したが、これに限るものではなく、５つ以上又は３つ以下の監視点の電位を監視する構成としてもよい。また、監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄが、それぞれ２つの比較基準電位を用いて比較を行う構成を示したが、これに限るものではなく、１つの比較基準電位又は３つ以上の比較基準電位を用いて比較を行う構成としてもよい。また、監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄが選択回路４２をそなえて複数の比較基準電位を切り替える構成を示したが、これに限らず、比較器４３及びカウンタ４４を複数備えて、複数の比較基準電位とそれぞれ比較を行う構成としてもよい。また、監視回路４０ａ、４０ｂを高域通過フィルタ３０、３０の出力側に設ける構成を示したが、入力側に設ける構成としてもよい。また、高域通過フィルタ３０、３０は必要がない場合には、センサ検出回路１０が高域通過フィルタ３０、３０を備えない構成としてもよい。また、駆動信号発生回路６が発生する駆動信号がパルス信号である構成を示したが、これに限るものではなく、例えばサイン波又は三角波等の他の信号であってもよい。また、図６〜図１１に示した動作例は一例であって、これに限るものではなく、その他の故障を同様の方法で検出することが可能である。

（実施の形態２）
図１２は、本発明の実施の形態２に係る加速度センサの構成を示す回路図である。実施の形態２に係る加速度センサは、実施の形態１の加速度センサと比較して、センサ検出装置１ａの構成が異なる。

センサ検出装置１ａは、センサ素子１００を駆動するための定電流源７１及び駆動信号発生回路６と、定電流源７１の出力又は駆動信号発生回路６の出力のいずれかを選択して駆動信号出力端子２から出力する選択器７０とを備えている。選択器７０は、制御部８により制御されており、加速度の検知を行う通常動作時には定電流源７１の出力がセンサ素子１００に与えられ、センサ素子１００及びセンサ検出装置１ａの故障を検知する故障検知動作時には駆動信号発生回路６の出力がセンサ素子１００に与えられる。

また、センサ検出装置１ａは、基準電位を発生する基準電位発生回路７、並びにセンサ素子１００の２つの電位Ｖｓ＋及びＶｓ−の電位差を増幅して出力するセンサ検出回路１０ａを備えている。基準電位発生回路７の出力はセンサ検出回路１０ａに与えられている。センサ検出回路１０ａは、故障検知動作時には制御部８により制御されてセンサ素子１００及びセンサ検出回路１０ａの故障の検知を行うことができる。

センサ素子１００の２つの電位Ｖｓ＋及びＶｓ−は、センサ検出装置１ａの第１入力端子３及び第２入力端子４にそれぞれ与えられ、センサ検出回路１０ａの第１入力端子１１及び第２入力端子１２にそれぞれ入力される。センサ検出回路１０ａは、入力された電位Ｖｓ＋及びＶｓ−の電位差を増幅して第１出力端子１３ａ及び第２出力端子１３ｂから出力し、この２つの出力がセンサ検出装置１ａの第１センサ出力端子５ａ及び第２センサ出力端子５ｂからセンサ出力として出力される。第１出力端子１３ａ及び第２出力端子１３ｂから出力される出力信号は、どちらもセンサ素子１００のＶｓ＋及びＶｓ−の電位差を増幅した信号であるが、増幅率が異なる。また、制御部８による故障検知の結果は、故障検知出力端子９から出力される。

図１３は、本発明の実施の形態２に係るセンサ検出回路１０ａの構成を示す回路図である。なお、図１３においては基準電位発生回路７及び制御部８との接続は図示を省略してあるが、基準電位発生回路７及び制御部８は監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄと接続される。

センサ検出回路１０ａの第１入力端子１１及び第２入力端子１２から入力された２つの信号は、入力段差動増幅器５０に与えられる。入力段差動増幅器５０は、２つのオペアンプ５１、５２を有しており、２つの入力信号はオペアンプ５１、５２の非反転入力端子にそれぞれ与えられる。オペアンプ５１の出力端子は抵抗Ｒ５１を介してオペアンプ５１の反転入力端子に接続され、オペアンプ５２の出力端子は抵抗Ｒ５２を介してオペアンプ５２の反転入力端子に接続されている。また、オペアンプ５１の反転入力端子及びオペアンプ５２の反転入力端子は抵抗Ｒ５３を介して接続されている。入力段差動増幅器５０は、２つの入力信号の電位差を増幅して、増幅された電位差を有する２つの出力信号を各オペアンプ５１、５２の出力端子から出力する。

入力段差動増幅器５０の２つの出力信号は出力段差動増幅器２５に与えられ、出力段差動増幅器２５により２つの信号の電位差が増幅されて出力される。なお、入力段差動増幅器５０及び出力段差動増幅器２５は、合わせて１つの差動増幅器と見ることができ、この場合、２つの差動増幅器により所謂インスツルメンテーションアンプが構成されている。インスツルメンテーションアンプは、同相成分除去比が高いためノイズに強く、また、入力インピーダンスが高いという利点がある。

出力段差動増幅器２５の出力は第１出力端子１３ａから出力されるとともに、非反転増幅器６０へ与えられる。非反転増幅器６０は、オペアンプ６１及び２つの抵抗Ｒ５４、Ｒ５５を有しており、出力段差動増幅器２５からの出力信号がオペアンプ６１の非反転入力端子に与えられる。オペアンプ６１の出力端子は抵抗Ｒ５５を介してオペアンプ６１の反転入力端子に接続され、オペアンプ６１の反転入力端子は抵抗Ｒ５４を介して電源電位に接続されている。

非反転増幅器６０の出力は、反転増幅器６５へ与えられる。反転増幅器６５は、オペアンプ６６、２つの抵抗Ｒ５６、Ｒ５７及びオフセット調節用電源６７を有しており、非反転増幅器６０の出力端子が抵抗Ｒ５６を介してオペアンプ６６の反転入力端子に接続される。また、オペアンプ６６の出力端子が抵抗Ｒ５７を介してオペアンプ６６の反転入力端子に接続され、オペアンプ６６の非反転入力端子にオフセット調節用電源６７が接続される。

反転増幅器６５の出力はセンサ検出回路１０ａの第２出力端子に与えられる。即ち、センサ検出回路１０ａは、出力段差動増幅器２５の出力を第１出力端子１３ａから出力し、且つ、第１出力端子１３ａから出力される信号を非反転増幅器６０及び反転増幅器６５によって更に増幅した信号を第２出力端子１３ｂから出力するようにしてある。

また、センサ検出回路１０ａは、入力段差動増幅器５０の２つの入力信号のうちのオペアンプ５１側の入力信号の電位を監視する監視回路４０ａ及びオペアンプ５２側の入力信号の電位を監視する監視回路４０ｂと、２つの出力信号のうちのオペアンプ５１側の出力信号の電位を監視する監視回路４０ｃ及びオペアンプ５２側の出力信号の電位を監視する監視回路４０ｄとを備えている。センサ検出装置１ａの制御部８は、センサ素子１００及びセンサ検出回路１０ａの故障検出を行う場合、選択器７０を切り替えて駆動信号発生回路６が出力するパルス信号をセンサ素子１００へ与え、パルス信号が入力段差動増幅器５０の入力及び出力に正しく伝達されているか否かを、監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄのカウンタ４４がカウントアップされるか否かで判断することができる。

なお、センサ素子１００及びセンサ検出回路１０ａの故障検出を行う場合の、監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄの動作は、実施の形態１の図８〜図１１に示すものと同様であるため、説明を省略する。

以上の構成の実施の形態２に係る加速度センサは、センサ素子１００及びセンサ検出回路１０ａの故障検知を行う場合には、選択器７０を切り替えてパルス信号をセンサ素子１００に与え、監視回路４０ａ、４０ｂ及び監視回路４０ｃ、４０ｄにて入力段差動増幅器５０の入力及び出力を監視することで故障の検知を行うことができる。また、センサ検出回路１０ａから監視回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを除いた回路は、センサ検出回路として従来から用いられている既知の回路である。よって、センサ検出回路１０ａは、既知のセンサ検出回路に監視回路４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを追加するのみで簡単に故障の検知機能を備えることができ、少ない設計期間及び設計コスト等で実現することができる。また、加速度の検出を行う場合には、図１５に示した従来の加速度センサと全く同様であるため、従来の加速度センサとの置き換えが容易にできるという利点がある。

なお、実施の形態２に係る加速度センサにおいては、第１センサ出力端子５ａ及び第２センサ出力端子５ｂの２つの出力端子を備える構成を示したが、これに限らず、どちらか一方のみを有する構成であってもよい。

なお、実施の形態２に係る加速度センサのその他の構成は、実施の形態１に係る加速度センサの構成と同様であるため、対応する箇所には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

（変形例）
図１４は、本発明の実施の形態２の変形例に係るセンサ検出回路の構成を示す回路図である。本変形例のセンサ検出回路１０ｂは、図１３に示すセンサ検出回路１０ａに、更に監視回路４０ｅ、４０ｆ、４０ｇを追加した構成である。

監視回路４０ｅは、出力段差動増幅器２５の出力信号の電位を監視するものであり、出力段差動増幅器２５の抵抗Ｒ２０と非反転増幅器６０のオペアンプ６１の非反転入力端子との間に接続される。監視回路４０ｆは、非反転増幅器６０の出力信号の電位を監視するものであり、非反転増幅器６０のオペアンプ６１の出力端子と反転増幅器６５の抵抗Ｒ５６との間に接続される。監視回路４０ｇは、反転増幅器６５の出力信号の電位を監視するものであり、反転増幅器６５のオペアンプ６６の出力端子とセンサ検出回路１０ｂの第２出力端子１３ｂとの間に接続される。

監視回路４０ｅ、４０ｆ、４０ｇを設けることにより、出力段差動増幅器２５、非反転増幅器６０及び反転増幅器６５に故障が発生した場合であっても、故障を検知することができる。また、異常を検知した監視回路の組み合わせによって、いずれの増幅器に故障が発生したかを特定することができる。

例えば、監視回路４０ｃ、４０ｄにて異常が検知されず、監視回路４０ｅにて異常が検知された場合には、出力段差動増幅器２５に故障が発生したと特定することができる。同様にして、監視回路４０ｅにて異常が検知されず、監視回路４０ｆにて異常が検知された場合には、非反転増幅器６０に故障が発生したと特定することができ、また、監視回路４０ｆにて異常が検知されず、監視回路４０ｇにて異常が検知された場合には、反転増幅器６５に故障が発生したと特定することができる。

以上の構成により、センサ素子１００に生じた故障と、センサ検出回路１０ｂ内の増幅器に生じた故障とを検出することができ、また、故障が発生した箇所の特定を行うことができるため、センサの信頼性をより向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る加速度センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１に係るセンサ検出回路の構成を示す回路図である。 本発明に係るセンサ検出回路の監視回路の構成を示す回路図である。 本発明に係る選択回路の一構成例を示す回路図である。 本発明に係るセンサ検出装置の制御部が行う故障検出処理の処理手順を示すフローチャートである。 本発明に係るセンサ検出回路の動作例を示す略示波形図である。 センサ素子に加速度が加わっている場合の動作例を示す略示波形図である。 センサ素子のピエゾ抵抗Ｒ４が断線故障している場合の動作例を示す略示波形図である。 センサ素子のピエゾ抵抗Ｒ２及びＲ４が断線故障している場合の動作例を示す略示波形図である。 入力段差動増幅器内の抵抗Ｒ１１が接地電位にショートする故障が起きている場合の動作例を示す略示波形図である。 入力段差動増幅器内の抵抗Ｒ１３が断線故障している場合の動作例を示す略示波形図である。 本発明の実施の形態２に係る加速度センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態２に係るセンサ検出回路の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態２の変形例に係るセンサ検出回路の構成を示す回路図である。 従来の加速度センサの構成を示す回路図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ センサ検出装置
２ 駆動信号出力端子
３ 第１入力端子
４ 第２入力端子
５ センサ出力端子
５ａ 第１センサ出力
５ｂ 第２センサ出力
６ 駆動信号発生回路（駆動手段）
７ 基準電位発生回路
８ 制御部
９ 故障検知出力端子
１０、１０ａ、１０ｂ センサ検出回路
１１ 第１入力端子
１２ 第２入力端子
１３ 出力端子
１３ａ 第１出力端子
１３ｂ 第２出力端子
２０、５０ 入力段差動増幅器（差動増幅部）
２１、５１ オペアンプ（第１オペアンプ）
２２、５２ オペアンプ（第２オペアンプ）
２５ 出力段差動増幅器（出力段差動増幅部）
３０ 高域通過フィルタ
３５ 整流回路（変換出力手段）
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆ、４０ｇ 監視回路（監視部）
４１ 分圧回路
４２ 選択回路（選択部）
４３ 比較器
４４ カウンタ
７０ 選択器
７１ 定電流源
１００ センサ素子

Claims (10)

1. ブリッジ回路を有するセンサ素子から出力される前記ブリッジ回路の２つの出力電位の電位差に応じて、前記センサ素子の状態を検出するセンサ検出装置において、
   前記センサ素子から出力される２つの出力電位が入力される第１入力端子及び第２入力端子と、
   該第１入力端子及び第２入力端子に入力される入力信号の電位を増幅して出力する差動増幅部と、
   該差動増幅部の入力信号及び出力信号の電位を監視する監視部と
   を備え、
   前記差動増幅部は、入力される２つの入力信号の電位差を増幅して、２つの出力信号を出力するようにしてあり、
   前記監視部は、前記２つの入力信号及び２つの出力信号の電位を監視するようにしてあること
   を特徴とするセンサ検出装置。
2. 前記差動増幅部の２つの出力信号の電位差を増幅する出力段差動増幅部を備える請求項１に記載のセンサ検出装置。
3. 前記センサ素子を駆動するための駆動信号を発生する駆動手段を備える請求項１又は請求項２に記載のセンサ検出装置。
4. 前記駆動手段は、周期的に変化する駆動信号を発生するようにしてあり、
   周期的に変化する信号を直流の信号に変換して出力する変換出力手段を備える請求項３に記載のセンサ検出装置。
5. 前記駆動手段は、周期的に変化する駆動信号又は直流の駆動信号を発生するようにしてある請求項３に記載のセンサ検出装置。
6. 前記監視部は、
   監視する電位と基準電位とを比較する比較器と、
   該比較器の出力に接続されたカウンタと
   を有する請求項４又は請求項５に記載のセンサ検出装置。
7. 前記監視部は、複数の異なる基準電位の１つを選択する選択部を有し、監視する電位と選択された基準電位とを前記比較器が比較するようにしてある請求項６に記載のセンサ検出装置。
8. 前記差動増幅部は、
   前記第１入力端子が非反転入力に接続され、出力が抵抗を介して反転入力に接続された第１オペアンプと、
   前記第２入力端子が非反転入力に接続され、出力が抵抗を介して反転入力に接続された第２オペアンプとを有し、
   前記第１オペアンプの反転入力及び前記第２オペアンプの反転入力がコンデンサを介して接続してある請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載のセンサ検出装置。
9. 前記第１入力端子及び前記第２入力端子は、フィルタを介して前記差動増幅部に接続してある請求項１乃至請求項８のいずれか１つに記載のセンサ検出装置。
10. ブリッジ回路を有し、該ブリッジ回路の２つの電位を出力するセンサ素子と、
    該センサ素子が出力する２つの電位が入力される請求項１乃至請求項９のいずれか１つに記載のセンサ検出装置と
    を備えることを特徴とするセンサ。

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