JP4819874B2 - センサシステム - Google Patents

Description

本発明は、センサユニットと該センサユニットから位置的に離して配置された評価ユニットとを有し、かつこれらセンサユニットと評価ユニットとが少なくともセンサ線路を介して互いに接続されている形式のセンサシステムに関するものである。

電子システムは多くの場合、システム内で処理されるべき測定信号を提供するための評価ユニットを有している。評価ユニットは通常、制御または調整システムの一部であり、１つまたは複数の接続線路を介して、システムから離れたところにあるセンサユニットに接続されている。評価ユニットとセンサユニットの間の接続線路は、例えば自動車においてそうであるように、厳しい動作条件の下で断線してしまう、あるいは、他の接続線路と短絡してしまうことがありうる。このため、センサユニットから供給される測定量が妥当であるのに、場合によっては、故障が認識されずにシステムの誤動作が生じる可能性がある。

評価ユニットと外部センサユニットを備えたシステムの動作中の安全性は、上記故障に関する接続線路の診断を人が実行することにより高められる。このために、大抵は、接続線路上で測定した電圧の妥当性検査が行われる。センサ給電における断線、すなわち、電源電圧を運ぶ相応する接続線路の断線を確かめることができるように、例えば、接続線路上にある測定抵抗（シャント）における電圧降下が監視される。正しく接続されていれば、センサユニットの電源電流が測定可能な電圧降下を生じさせる。電圧降下が生じていなければ、線路の断線を推論することができる。センサユニットへの電源電圧がシステム全体の評価ユニットへの電源電圧よりも低いことを前提とした上で、抵抗の後の電圧が高すぎるならば、それは評価ユニットへの電圧供給の背後で短絡が生じていることを意味している。測定された電圧が低すぎる場合には、アース電位への短絡が生じている。センサユニットの出力側の電圧振幅は、通常動作をアースへの短絡ならびにセンサユニットまたは評価ユニットの電源電圧から区別することができるように、適切に抵抗に接続することによって０Ｖよりも高くかつセンサユニットの電源電圧よりも低い値に制限される。

センサユニットの電源電流の許容誤差と給電線路の抵抗の許容誤差とセンサユニットの寿命と温度のため、測定抵抗には明らかな電圧降下が生じる。これにより、事情によっては、給電線路内の測定抵抗において大きな電力損失が生じるため、相応する大電力を受け取ることのできる大きな構造が使用されなければならない。さらに、診断される各接続線路ごとに、評価ユニット内に測定抵抗と相応の測定チャネルとが必要とされる。通常、これには費用がかかり、装置全体として大きな所要面積を要する。

本発明の課題は、簡単な構造で、しかも接続線路の断線を高い信頼性と低い回路コストでもって検出することのできる、評価ユニットと外部センサユニットを備えたセンサシステムを提供することである。

この課題は請求項１によるセンサシステムにより解決される。

本発明の他の有利な実施形態は従属請求項に示されている。

本発明によれば、評価ユニットと該評価ユニットの外部に配置された測定量を検出するためのセンサユニットを有するセンサシステムが提供される。センサユニットと評価ユニットは１つまたは複数の接続線路を介して互いに接続されている。センサユニットは電源電圧に接続されたセンサと測定量に依存する測定信号のための信号出力側とを有している。評価ユニットは電位に応じて測定量の状態を検出する電圧検出器を有している。センサユニットはセンサに接続された第１の抵抗回路を有しており、評価ユニットは電圧検出器に接続された第２の抵抗回路を有している。第１および第２の抵抗回路は１つまたは複数の接続線路を介して互いに結合されており、１つの抵抗回路網を形成している。第１および第２の抵抗回路は次のように為されている。すなわち、センサシステムの１つまたは複数の接続線路に故障のないときには、電圧検出器が測定量に応じて１つまたは複数の定められた測定電位領域内の１つまたは複数の測定電位を検出し、故障のあるときには、故障電位領域内の測定電位を検出するように、為されている。第１および第２の抵抗回路の寸法は、故障電位領域が１つまたは複数の定められた測定電位領域外にあるように選ばれている。

本センサシステムでは、センサユニットと評価ユニットとに設けられている抵抗回路によって簡単に測定電位領域とこれとは異なる故障電位領域を定めることが可能である。測定電位領域は測定による測定量の状態の把握を可能にし、故障電位領域は、１つまたは複数の接続線路に故障が生じている場合に、関連する故障電位領域に基づいてこの故障を検出し識別することを可能にする。これは本発明によれば評価ユニット内の電圧検出器を用いるだけで実行することができるので、センサシステムの構造を簡単かつ省面積で実現することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、第１および／または第２の抵抗回路はそれぞれ抵抗鎖として形成されている。

有利には、第１および第２の抵抗回路は、複数の故障ケースにおいて、各故障ケースのタイプを識別するために、複数の測定電位が対応する複数の故障電位領域内で検出可能となるように形成されている。

特に、第１および第２の抵抗回路は、接続線路の断線時に、電圧測定器が故障の種類ごとに割り当てられたそれぞれの故障電位領域内にある測定電位を検出するように、接続されていてもよい。

本発明の有利な実施形態によれば、センサユニットと評価ユニットはセンサ線路、第１および第２の給電線路を介して互いに接続されている。このようにして、センサユニットは評価ユニットを介して電源電圧を使用することができ、センサユニットは評価ユニットのセンサ線路を介して相応する測定量を使用することができる。

さらに、第１および第２の抵抗回路はそれぞれ異なるノードにおいてセンサ線路と第１及び第２の給電線路とを介して互いに接続された抵抗鎖として形成されていてもよい。抵抗回路網は、接続線路が断線したときに測定電位が相応する故障電位領域内に設定されるように寸法選定された抵抗素子を有する。

有利な実施形態によれば、第１の抵抗回路は、第１の給電線路と第２の給電線路との間に直列に接続された第１、第２、および第３の抵抗素子を有する。第１の抵抗素子と第２の抵抗素子の間にある第１のノードはセンサ線路に接続されており、第２の抵抗素子と第３の抵抗素子の間にある第２のノードはセンサの信号出力側に接続されている。

さらに、第２の抵抗回路が第１の給電線路と第２の給電線路の間に直列に接続された第４、第５、および第６の抵抗素子を有するようにしてもよい。この場合、第４の抵抗素子と第５の抵抗素子の間にある第３のノードはセンサ線路に接続されており、第５の抵抗素子と第６の抵抗素子の間にある第４のノードは電圧測定器に接続されている。

第１から第６の抵抗素子の寸法は、接続線路のうちの１つの断線による故障が、測定された測定電位の属している故障電位領域に基づいて一意に識別可能であるように決めることができる。

有利な実施形態によれば、センサはデジタル出力側を備えた論理センサであってよい。ここで、センサは第１から第３の抵抗のうちの１つに対して並列接続されたスイッチを有しており、このスイッチは誘電状態に応じて開閉される。特に、このセンサはホールセンサを含んでいてよい。

以下、添付した図面に基づいて本発明を詳細に説明する。これら図面のうち、
図１は、本発明の第１の実施形態によるセンサシステムのブロック回路図を示しており、
図２は、本発明の別の実施形態によるセンサシステムを示しており、
図３は、図２の実施形態における測定電位領域と故障電位領域の配列を示している。

図１には、外部に配置されたセンサユニット２のための評価ユニット１と制御ユニット３を調整システムＲ内に有する電子システムが示されている。評価ユニット１は測定値を取得し、この測定値を制御値として出力線路上で制御ユニットに提供するので、調整システムの制御ユニット３はこの制御値に応じて例えば別の電子装置を調整することができる。

評価ユニット１は接続線路５を介して電子システムの外部に配置されたセンサユニット２との接続を確立するのに使用される。調整システムとセンサユニット２のこのような分離された配置は、厳しい環境条件の下で測定値を得なければならない場合に特に有効である。調整システムの電子系を保護するために、電子系はセンサユニット２から離して配置される。

センサユニット２への電流供給は評価ユニット１内の電源６によって保証される。このために、評価ユニット１は第１の給電線路７上では第１の電源電圧電位を、第２の給電線路８上では第２の電源電位をセンサユニット２に供給する。センサユニット２は評価ユニット１の単独の入力側に接続されたセンサ線路９上で出力測定信号を送る。

評価ユニット１は出力線路４に出力するための制御値を発生させるアナログデジタル変換器１０を有している。センサユニット２は、例えば温度、圧力、または他の量などの測定量に応じて測定信号ＭＳを発生させるセンサ１１を有している。

センサ１１は電源電圧を使用することができるように第１および第２の給電線路７，８に接続されている。センサユニット２は、第１および第２の給電線路７，８、センサ線路９、およびセンサ１１の出力側に接続された第１の抵抗回路１２を有している。評価ユニット１は、第１および第２の給電線路７，８、センサ線路９、およびアナログデジタル変換器１０の入力側に接続された第２の抵抗回路１３を有している。したがって、第１および第２の抵抗回路１２，１３は、第１および第２の給電線路７，８とセンサ線路９を介して互いに接続されており、一緒に配線されることで１つの抵抗回路網を形成している。第１および第２の抵抗回路１２，１３から成るこの抵抗回路網は、故障のない動作状態のときには、センサ１１の出力側における測定信号ＭＳに依存する測定電位をアナログデジタル変換器の入力側に供給する。

さらに、抵抗回路網は、接続線路５のうちの１つが断線した場合のような故障時には、通常動作時の測定電位が属する電位領域とは異なる電位領域内にある測定電位をアナログデジタル変換器１０に印加するように形成されている。

有利には、抵抗回路網は第１および第２の抵抗回路１２，１３の配線により形成される分圧器を形成する。２つの抵抗回路１２，１３の間の接続線路が断線すると、これによって分圧器の抵抗比が変化し、アナログデジタル変換器１０の入力側における測定電位は、測定信号とは無関係に、または僅かに測定信号に依存して、故障電位領域内の電位に設定される。これにより、故障が生じていること、またこの故障の種類を確認することができる。センサ１１は第１または第２の給電線路７，８の断線時にはもはや通常通りに動作せず、その一方で、センサ線路９が断線した場合には、センサ１１の測定信号に依存した測定電位はもはや検出されえないので、図示した実施例における故障電位領域は実質的にセンサ１１の状態には依存していない。さらに、第１および第２の抵抗回路１２，１３を適切に寸法選定することにより、起こり得る各故障ケースの故障電位領域を異なる電位領域に置くことができるので、センサユニット２への接続線路の状態が故障なしであるか否か、または、接続線路５の断線という形態の故障が生じているか否かを、測定電位に基づいて識別することができる。

このようにして接続線路５の間の短絡も検出することができ、特に第２の接続線路８とセンサ線路９の間の短絡を識別することができるので、個々の故障の種類を区別するために、接続線路の０Ｖ断線故障を示す故障電位領域を異なる電位領域に置くと有利である。

図２には、本発明の１つの可能な実施形態の詳細図が示されている。センサ１１として、オープンコレクタ出力側を有するホールＩＣの形態のホールセンサが設けられている。すなわち、出力側は、ホールセンサの測定状態に応じて、第２の給電線路８に印加されている電位に接続されるか、または高抵抗で接続される。

第１の抵抗回路は第１の抵抗Ｒ₁、第２の抵抗Ｒ₂、及び第３の抵抗Ｒ₃を有しており、これらの抵抗は第１の給電線路７と第２の給電線路８の間に直列に接続されている。第１の抵抗Ｒ₁と第２の抵抗Ｒ₂の間にある第１のノードＫ１はセンサ線路９に接続されている。第２の抵抗Ｒ₂と第３の抵抗Ｒ₃の間にある第２のノードＫ２は、測定信号ＭＳを供給するホールセンサの出力側に接続されている。

評価ユニット１の第２の抵抗回路１３は第４の抵抗Ｒ₄、第５の抵抗Ｒ₅、および第６の抵抗Ｒ₆を有しており、これらの抵抗は第１の給電線路７と第２の給電線路８の間に直列に接続されている。第４の抵抗Ｒ₄と第５の抵抗Ｒ₅の間にある第３のノードＫ３はセンサ線路９に接続されている。第５の抵抗Ｒ₅と第６の抵抗Ｒ₆の間にある第４のノードＫ４は、測定電位が供給されるように、アナログデジタル変換器１０の入力側に接続されている。

第１の抵抗回路１２と第２の抵抗回路１３とによって形成された抵抗回路網は評価ユニット１とセンサユニット２とに分散して配置されており、ここで接続線路５はそれぞれ抵抗の並列回路を実現している。例えば、第１の給電線路７とセンサ線路９は、第１の抵抗Ｒ₁と第４の抵抗Ｒ₄が共通の抵抗回路網によって形成された分圧器内で全抵抗を形成するように働く。接続線路５が断線すると、これによって実現されていた相応する抵抗の並列回路がなくなるため、第４のノードＫ４における測定電位は、ホールセンサ１１の測定信号ＭＳに依存しない相応する故障電位領域内の電位へと跳ぶ。なぜならば、ホールセンサ１１が第１および第２の給電線路７，８の断線によって動作不能であるか、または、センサ線路９の断線によって測定信号に相当する信号を評価ユニット１にもはや伝送することができないからである。

図３には、例として、故障のない動作状態のときと可能性として３つの接続線路が断線したときの測定電位の電位領域Ｖ₁−Ｖ₆が示されている。さらに、センサ線路ないし第１の給電線路と第２の給電線路との間に短絡が生じた場合に測定電位がとる０Ｖの電位領域も設けられている。電位領域は許容誤差と雑音とにより生じる所定の電位幅に相当する。測定された測定電位がこのような領域の内部にあることが制御ユニットにおいて確認されると、電位領域に対応したシステム状態がとられる。

Ｖ₀で表された電位領域が、第１の接続線路７ないしセンサ線路９が第２の接続線路８と短絡していることを示すのに対して、Ｖ₁およびＶ₃で表された電位領域は、故障のない動作状態のときのホールセンサ１１の検出状態に相当する領域を示している。電位領域Ｖ₁は次の式

から得られ、電位領域Ｖ₃は

から得られる。ただし、ホールセンサ１１の出力側は高抵抗で接続されている。電位領域Ｖ₃は、出力端子が第２の接続線路８の電位、例えばアース電位に置かれているときのホールセンサ１１の状態から得られる。

電位領域Ｖ₂は第１の給電線路７の断線を示す故障電位領域である。電位領域Ｖ₂は次の式から得られる。

センサ線路９が断線した場合、測定電位は次の式に従って求められる電位領域Ｖ₄の中にある。

第２の給電線路８が断線している場合には、電位領域Ｖ₅内の電位が測定される。電位領域Ｖ₅は次の式から得られる。

有利には、抵抗Ｒ₁−Ｒ₆の抵抗値はどの電位領域も交差したり重なり合ったりしないように選ばれている。

ここに示された実施例は２つの出力状態のみを出力するセンサを含んでいる。しかし、所定の領域内のアナログ信号を出力するセンサを使用することもまた可能である。抵抗Ｒ₁−Ｒ₆の抵抗値は、有利には、測定信号により予め決められたこの測定電位領域の中に故障電位領域が入ることがないように設定されているので、通常動作と故障ケースは測定電位に基づいて一意に区別される。

上に挙げた電位領域を求めるための計算式は電位領域の計算上の平均値を示すのみであり、コレクタ飽和電流を考慮していないが、領域の幅は許容誤差と雑音とによって決定される。抵抗値の寸法選定の際には、故障電位領域ないし測定電位領域が重なり合わないように注意しなければならない。このために、例えば、上に示した式による平均値から決まる電位領域に許容範囲を設けてもよい。ただし、この許容範囲は、個々の電位領域は互いから所定の距離を持っていなければならないという要求によって定まるものである。ここで、抵抗の可能な組合せは反復的にまたは試行錯誤により求められる。例えば、ここに示された実施例と適合するように、各電位領域の所定の幅が０．１Ｖである場合、抵抗Ｒ₁−Ｒ₆は次の不等式を用いて求めることができる。

第１から第６の抵抗の抵抗値の可能な組合せはこのような不等式から反復的に求めることができる。例えば、抵抗の絶対値は以下の値をとりうる。Ｒ₁＝２．１５ｋΩ、Ｒ₂＝１ｋΩ、Ｒ₃＝３．０９ｋΩ、Ｒ₄＝８２５Ω、Ｒ₅＝１．５ｋΩ、およびＲ₆＝７５Ω。

抵抗回路１２，１３は別のやり方で形成することもできる。しかし、その際、２つの抵抗回路１２，１３が起こり得る故障ケースに応じて作用を測定電位に与える１つの抵抗回路網を形成することが重要である。しかしながら、特に望ましいのは、第１の給電線路７および第２の給電線路８の抵抗が可能な限り低く、その結果、センサユニット２まで実質的に電源電圧の降下が生じないことである。

以下の表は抵抗Ｒ₁−Ｒ₆の設定ないし選択の際のサポートを提供するものである。この表で、それぞれの行に示されている抵抗の変化が列の見出しとして示されている電位領域に対して有している影響は、文字の大きさによって表現されている。ここで、ｋは抵抗の減少を意味し、ｇは抵抗の増大を意味している。抵抗値の変化の影響が特に小さいことを表す場合には、文字ｇおよびｋは括弧で囲まれる。

まず、抵抗Ｒ₁、Ｒ₃−Ｒ₆が確定される。その際、抵抗Ｒ₁およびＲ₄の抵抗値は同一となるように選ばれるので、ノードＫ４における電圧はＡ／Ｄ変換器の基準電圧よりも低い。したがって、センサ線路が第１の給電線路に短絡している状態も識別可能である。続いて、第１の検出状態に対応する電位領域を設定するため、すなわち、電位領域Ｖ₃を設定するために、抵抗Ｒ₂の抵抗値が確定され、続いて、電位領域Ｖ₁によって示される第２の検出状態に対する抵抗Ｒ₃の抵抗値が確定される。次に、異なる故障状態に対応する電位領域が十分に分離されるように、上に示した表にしたがって、有利には、表から得られる電位領域に対してできるだけ大きな影響を有する抵抗の抵抗値が変化させられる。

本発明の第１の実施形態によるセンサシステムのブロック回路図を示す。 本発明の別の実施形態によるセンサシステムを示す。 図２の実施形態における測定電位領域と故障電位領域の配列を示す。

Claims (6)

1. 測定量を検出するセンサユニット（２）と、第１および第２の給電線路（７，８）とセンサ線路（９）とを介して該センサユニットに接続された評価ユニット（１）とを備えたセンサシステムであって、
   センサユニット（２）が測定量に依存する測定信号（ＭＳ）のための信号出力側を有するセンサ（１１）を有しており、
   評価ユニット（１）が電位に応じて測定量の状態を検出するための電圧検出器（１０）を有しており、
   センサユニット（２）は前記センサに接続された第１の抵抗回路（１２）を有しており、評価ユニット（１）は前記電圧検出器（１０）に接続された第２の抵抗回路（１３）を有しており、第１および第２の抵抗回路（１２，１３）は前記第１および第２の給電線路（７，８）と前記センサ線路（９）とを介して結合されており、共同で１つの抵抗回路網を形成しており、
   前記第１および第２の抵抗回路（１２，１３）により前記電圧検出器（１０）は、前記第１および第２の給電線路（７，８）と前記センサ線路（９）に故障がないときには、測定量に応じて１つまたは複数の定められた測定電位領域内の１つまたは複数の測定電位を検出し、故障のあるときには、前記１つまたは複数の定められた測定電位領域の外部にある故障電位領域内の測定電位を検出し、
   第１の抵抗回路（１２）は第１の給電線路（７）と第２の給電線路（８）との間に直列に接続された第１、第２、および第３の抵抗素子（Ｒ ₁ ，Ｒ ₂ ，Ｒ ₃ ）を有しており、第１の抵抗素子と第２の抵抗素子（Ｒ ₁ ，Ｒ ₂ ）の間にある第１のノード（Ｋ１）はセンサ線路に接続されており、第２の抵抗素子と第３の抵抗素子（Ｒ ₂ ，Ｒ ₃ ）の間にある第２のノード（Ｋ２）は前記センサの信号出力側に接続されている
   ことを特徴とするセンサシステム。
2. 第２の抵抗回路（１３）は第１の給電線路（７）と第２の給電線路（８）の間に直列に接続された第４、第５、および第６の抵抗素子（Ｒ ₄ −Ｒ ₆ ）を有しており、第４の抵抗素子と第５の抵抗素子（Ｒ ₄ ，Ｒ ₅ ）の間にある第３のノード（Ｋ３）はセンサ線路（９）に接続されており、第５の抵抗素子と第６の抵抗素子（Ｒ ₅ −Ｒ ₆ ）の間にある第４のノード（Ｋ４）は電圧検出器（１０）に接続されている、請求項１記載のセンサシステム。
3. 前記第１および第２の抵抗回路（１２，１３）により、複数の故障ケースにおいて、各故障ケースのタイプを識別するために、複数の測定電位が対応する複数の故障電位領域内で検出可能である、請求項１または２記載のセンサシステム。
4. 前記接続線路（７）の断線時に、前記電圧検出器（１０）は故障の種類ごとに割り当てられたそれぞれの故障電位領域内にある測定電位を検出する、請求項３記載のセンサシステム。
5. 前記センサ（１１）はデジタル出力側を備えた論理センサであり、前記センサ（１１）は第１から第３の抵抗のうちの１つに対して並列接続されたスイッチを有しており、該スイッチは誘電状態に応じて開閉されるものである、請求項１記載のセンサシステム。
6. 前記センサはホールセンサを含む、請求項１または５記載のセンサシステム。

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