WO2015133129A1 - 物理量検出装置 - Google Patents

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WO2015133129A1
WO2015133129A1 PCT/JP2015/001114 JP2015001114W WO2015133129A1 WO 2015133129 A1 WO2015133129 A1 WO 2015133129A1 JP 2015001114 W JP2015001114 W JP 2015001114W WO 2015133129 A1 WO2015133129 A1 WO 2015133129A1
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circuit unit
strain gauge
signal
unit
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PCT/JP2015/001114
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長谷川 直樹
大野 和幸
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Denso Corp
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Denso Corp
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/04Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of resistance-strain gauges
    • G01L9/045Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of resistance-strain gauges with electric temperature compensating means

Definitions

  • This disclosure relates to a physical quantity detection device configured to detect a physical quantity.
  • Patent Document 1 proposes a detection apparatus configured to detect a physical quantity.
  • the detection device includes a thin-walled diaphragm that can be deformed by applying a physical quantity, and a plurality of strain gauges that change in resistance value by being distorted in accordance with the distortion of the diaphragm.
  • Each strain gauge is connected so as to constitute a bridge circuit section.
  • Detecting device has two bridge circuit parts. As a result, when the difference between the physical quantities based on the output signals of the two bridge circuit units exceeds the normal range, it is possible to determine that any one of the bridge circuit units has a failure or characteristic variation. ing.
  • This disclosure is intended to provide a physical quantity detection device capable of determining an abnormality of the bridge circuit unit even in a configuration with one bridge circuit unit.
  • the physical quantity detection device includes a bridge circuit unit, a temperature characteristic adjustment unit, a first signal processing circuit unit, and a second signal processing circuit unit.
  • the bridge circuit unit includes a first strain gauge, a second strain gauge, a third strain gauge, and a fourth strain gauge that change in resistance value according to application of a physical quantity and change in resistance value according to temperature.
  • the first voltage at the first midpoint between the first strain gauge and the second strain gauge is output as the first detection signal based on the input voltage applied to the bridge circuit, and the third strain gauge and the fourth strain gauge
  • the second voltage at the second midpoint with the strain gauge is output as the second detection signal.
  • the temperature characteristic adjusting unit is connected in parallel to the bridge circuit unit, and more than the first strain gauge, the second strain gauge, the third strain gauge, and the fourth strain gauge are applied with physical quantities and the resistance value changes with temperature. And a third voltage corresponding to the input voltage applied to the bridge circuit section is output as a third detection signal.
  • the first signal processing circuit unit receives the first detection signal and the second detection signal, and a first difference voltage signal obtained by amplifying a difference voltage between the first voltage and the second voltage with a first amplification factor. Output as.
  • the second signal processing circuit unit receives the second detection signal and the third detection signal, and a second difference obtained by amplifying the difference voltage between the second voltage and the third voltage at a second amplification factor different from the first amplification factor.
  • the voltage is output as a second differential voltage signal.
  • the first signal processing circuit unit acquires the first differential voltage that is likely to depend on the state of the bridge circuit unit.
  • a stable or constant third voltage is generated by the temperature characteristic adjusting unit regardless of the abnormality of the bridge circuit unit, so that the second differential voltage that is less dependent on the state of the bridge circuit unit by the second signal processing circuit unit. Is acquired.
  • the first differential voltage can be varied with respect to the second differential voltage. Therefore, it is possible to determine whether or not there is an abnormality in the bridge circuit unit by comparing the first difference voltage and the second difference voltage. Even in a configuration in which one bridge circuit unit is provided, it is possible to determine abnormality of the bridge circuit unit.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a physical quantity detection device according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating changes in the first differential voltage (V1) and the second differential voltage (V2) with respect to pressure when the bridge circuit unit is normal.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration of a temperature characteristic adjustment unit according to the second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit configuration of the temperature characteristic adjustment unit according to the third embodiment of the present disclosure.
  • the inventors of the present application have found the following. In the conventional technique, since the detection device includes two bridge circuit units, there is a possibility that the size and cost of the detection device may increase. The inventors of the present application have examined whether it is possible to determine whether or not an abnormality of the bridge circuit unit can be determined even with a single bridge circuit unit.
  • One bridge circuit unit is connected between the power supply and the ground, and an adjustment resistor is connected in parallel to the bridge circuit unit.
  • Each strain gauge constituting the bridge circuit portion has a temperature characteristic, but the adjustment resistor has almost no temperature characteristic.
  • a constant current is supplied to the bridge circuit unit and the adjustment resistor.
  • two middle points of the bridge circuit unit are connected to the first signal processing circuit unit and the second signal processing circuit unit, respectively.
  • Each signal processing circuit unit is configured to amplify the input signal with the same amplification factor.
  • the second signal processing circuit unit is connected to each midpoint of the bridge circuit unit so that the polarity is inverted with respect to the first signal processing circuit unit.
  • the outputs of the signal processing circuit units have values whose polarities are inverted from each other, the sum of the outputs of the signal processing circuit units is constant. Furthermore, it is possible to determine the abnormality of any one of the signal processing circuit units by comparing the outputs of the signal processing circuit units.
  • the physical quantity detection device is configured as a pressure sensor device that detects the pressure of a pressure medium, for example.
  • a physical quantity detection device includes a constant current circuit unit 10, a bridge circuit unit 20, a temperature characteristic adjustment unit 30, a first signal processing circuit unit 40, a second signal processing circuit unit 50, an interruption.
  • the circuit unit 60 and the determination circuit unit 70 are provided.
  • the constant current circuit unit 10 the bridge circuit unit 20, the temperature characteristic adjustment unit 30, the first signal processing circuit unit 40, the second signal processing circuit unit 50, and the cutoff circuit unit 60 are configured as a sensor device 80.
  • the determination circuit unit 70 is provided in the ECU 90 (Electrical Control Unit).
  • the constant current circuit unit 10 is configured to generate a constant current.
  • the constant current circuit unit 10 supplies the generated constant current to the bridge circuit unit 20 and the temperature characteristic adjustment unit 30.
  • the bridge circuit unit 20 is a sensing means (also called a sensing unit) that outputs a detection signal corresponding to the pressure of the pressure medium.
  • the bridge circuit unit 20 includes a first strain gauge 21, a second strain gauge 22, a third strain gauge 23, and a fourth strain gauge 24.
  • Each of the strain gauges 21 to 24 is a resistor whose resistance value changes according to application of a physical quantity and whose resistance value changes according to temperature.
  • each strain gauge 21 to 24 has a series connection portion of the first strain gauge 21 and the second strain gauge 22 and a series connection portion of the third strain gauge 23 and the fourth strain gauge 24 connected in parallel.
  • a Wheatstone bridge circuit is configured.
  • Each strain gauge 21 to 24 is, for example, a diffusion resistor formed on a semiconductor substrate (not shown).
  • the bridge circuit unit 20 is supplied with a constant current from the constant current circuit unit 10 and an input voltage. Therefore, the bridge circuit unit 20 outputs the first voltage at the first midpoint 25 of the first strain gauge 21 and the second strain gauge 22 as the first detection signal based on the input voltage applied to the Wheatstone bridge circuit. .
  • the bridge circuit unit 20 outputs the second voltage at the second midpoint 26 between the third strain gauge 23 and the fourth strain gauge 24 as the second detection signal. For example, when the input voltage is V, the outputs of the midpoints 25 and 26 when no pressure is applied to the strain gauges 21 to 24 are V / 2.
  • the temperature characteristic adjusting unit 30 is connected to the bridge circuit unit 20 in parallel. Specifically, the temperature characteristic adjusting unit 30 is configured by connecting a first resistor 31 and a second resistor 32 in series.
  • the first resistor 31 and the second resistor 32 have a smaller change in resistance value with respect to application of pressure and temperature than the strain gauges 21 to 24 of the bridge circuit unit 20.
  • the first resistor 31 and the second resistor 32 are thin film resistors such as CrSi formed on a semiconductor substrate, for example.
  • the first resistor 31 and the second resistor 32 have the same resistance value.
  • the temperature characteristic adjusting unit 30 outputs a third voltage corresponding to the input voltage applied to the bridge circuit unit 20 as a third detection signal.
  • the voltage at the third middle point 33 between the first resistor 31 and the second resistor 32 is the third voltage.
  • the resistance values of the first resistor 31 and the second resistor 32 are adjusted so that the third voltage is the same as the difference voltage between the first voltage and the second voltage of the bridge circuit unit 20. For example, if the input voltage is V, the third voltage at the third midpoint 33 is V / 2. That is, the first resistor 31 and the second resistor 32 have the same resistance value.
  • the first signal processing circuit unit 40 generates a first difference voltage obtained by amplifying the difference voltage between the first voltage and the second voltage of the bridge circuit unit 20 with a first amplification factor, and the first difference voltage is converted into the first difference voltage. It is output as a voltage signal.
  • the first signal processing circuit unit 40 includes a first amplification unit 41, a first adjustment unit 42, and a first output unit 43.
  • the first amplifying unit 41 receives the first detection signal and the second detection signal from the bridge circuit unit 20 and amplifies the difference voltage between the first voltage and the second voltage with a predetermined amplification factor. It is a dynamic amplifier.
  • the first adjustment unit 42 is a signal adjustment unit (also referred to as a signal adjustment unit) that performs offset correction or correction based on temperature characteristics on the output of the first amplification unit 41.
  • the first output unit 43 constitutes a voltage follower as a current booster.
  • the first output unit 43 amplifies the first differential voltage signal adjusted by the first amplification unit 41 and the first adjustment unit 42 with a first amplification factor, and outputs the amplified signal. Since the first differential voltage signal is a signal generated based on the first voltage and the second voltage of the bridge circuit unit 20, the first differential voltage signal is a signal depending on temperature.
  • the second signal processing circuit unit 50 amplifies the difference voltage between the second voltage of the bridge circuit unit 20 and the third voltage of the temperature characteristic adjustment unit 30 with a second amplification factor different from the first amplification factor. And the second differential voltage is output as a second differential voltage signal.
  • the second signal processing circuit unit 50 includes a second amplification unit 51, a second adjustment unit 52, and a second output unit 53.
  • the second amplifying unit 51 receives the second detection signal from the bridge circuit unit 20 and the third detection signal from the temperature characteristic adjusting unit 30, and calculates a difference voltage between the second voltage and the third voltage to a predetermined amplification factor. It is the differential amplifier comprised so that it may amplify.
  • the second adjustment unit 52 is a signal adjustment unit (also referred to as a signal adjustment unit) that performs offset correction or correction based on temperature characteristics on the output of the second amplification unit 51.
  • the second output unit 53 constitutes a voltage follower as a current booster.
  • the second output unit 53 amplifies the second differential voltage signal that has been signal-adjusted by the second amplification unit 51 and the second adjustment unit 52 with a second amplification factor, and outputs the amplified signal.
  • the second amplification factor is set to twice the first amplification factor. Since the second differential voltage signal is a signal generated based on the third voltage of the temperature characteristic adjusting unit 30, the second differential voltage signal is a signal having a sensitivity different from that of the first differential voltage signal.
  • the interruption circuit unit 60 controls the output of signals from the sensor device 80 to the ECU 90.
  • the cutoff circuit unit 60 includes a first switch unit 61, a second switch unit 62, and a switching unit 63.
  • the first switch unit 61 is switch means (also referred to as a switch unit) that electrically connects or disconnects the first output unit 43 and the first output terminal 81 (Vout1) of the sensor device 80.
  • the second switch unit 62 is switch means (also referred to as a switch unit) that electrically connects or disconnects the second output unit 53 and the second output terminal 82 (Vout2) of the sensor device 80.
  • the switching unit 63 controls connection or disconnection of the first switch unit 61 and the second switch unit 62.
  • the switching unit 63 switches the first switch unit 61 and the second switch unit 62 so as to block the output of the signal determined to be abnormal by the determination circuit unit 70 among the first difference voltage signal and the second difference voltage signal. Control.
  • the determination circuit unit 70 determines whether or not the bridge circuit unit 20 is abnormal.
  • the determination circuit unit 70 receives the first difference voltage signal and the second difference voltage signal from the sensor device 80, and determines whether or not the first difference voltage and the second difference voltage are within the normal range. For example, the determination circuit unit 70 determines whether or not the sum of the first difference voltage and the second difference voltage is within a normal range. The determination circuit unit 70 may determine whether or not the difference between the first difference voltage and the second difference voltage is within a normal range.
  • the determination circuit unit 70 issues a command to the switching unit 63 of the cutoff circuit unit 60 of the sensor device 80 according to the determination result.
  • the determination circuit unit 70 can determine whether the bridge circuit unit 20 is abnormal in the physical quantity detection device.
  • the normal range is, for example, a preset range.
  • the ECU 90 is configured to perform control using a pressure value in addition to the determination circuit unit 70. Further, the sensor device 80 is configured to be supplied with power from the ECU 90 via a power terminal 83 (VCC) and a ground terminal 84 (GND).
  • VCC power terminal 83
  • GND ground terminal 84
  • each initial potential of the first middle point 25 and the second middle point 26 of the bridge circuit unit 20 is set to Vg.
  • the offset component of the bridge circuit unit 20 is ⁇ .
  • is a parameter proportional to the constant current.
  • An offset component due to the first resistor 31 and the second resistor 32 of the temperature characteristic adjusting unit 30 is ⁇ .
  • a change in voltage at each of the midpoints 25 and 26 due to application of pressure to the bridge circuit unit 20 is assumed to be ⁇ V.
  • A be the amplification factor of the first amplification unit 41 of the first signal processing circuit unit 40 and the second amplification unit 51 of the second signal processing circuit unit 50. Further, the first amplification factor of the first output unit 43 of the first signal processing circuit unit 40 is B, and the second amplification factor of the second output unit 53 of the second signal processing circuit unit 50 is 2B.
  • Vs Vg + ⁇ Therefore, when the first differential voltage generated by the first signal processing circuit unit 40 is V1, V1 is expressed by Equation 4.
  • the offset component adjusted by the first adjustment unit 42 is Vz1, and the temperature characteristic component is Vt1.
  • Vz1 + Vt1 is set to be ⁇ 2A ⁇ , for example.
  • C is an initial offset value of V1 when the pressure is zero.
  • Vz2 + Vt2 is adjusted by the second adjusting unit 52.
  • this signal becomes D by being multiplied by 2B at the second output unit 53.
  • Vz2 + Vt2 is set to be, for example, A ( ⁇ + ⁇ ).
  • D is an initial offset value of V2 when the pressure is zero.
  • Vsp Vg + ⁇ + ⁇ V
  • Vsm Vg ⁇ V
  • the third voltage (Vs) at the third middle point 33 of the temperature characteristic adjusting unit 30 is expressed by Expression 8.
  • Vs Vg + ⁇ Therefore, the first differential voltage (V1) generated by the first signal processing circuit unit 40 is expressed by Equation 9.
  • Equation 9 when pressure is applied, values that are mutually inverted are calculated as shown in Equation 9 and Equation 10. Therefore, as shown in FIG. 2, the first differential voltage (V1) generated by the first signal processing circuit unit 40 increases with a constant slope as the pressure increases, while the second signal processing circuit unit The second differential voltage (V2) generated at 50 decreases with the same slope as the first differential voltage (V1). Therefore, the sum of the first differential voltage (V1) and the second differential voltage (V2) is constant.
  • the determination circuit unit 70 of the ECU 90 acquires a sum value of the first difference voltage (V1) and the second difference voltage (V2). Then, the determination circuit unit 70 determines that the sum of the first difference voltage (V1) and the second difference voltage (V2) is within the normal range.
  • Vsp ⁇ Vsm 2 ⁇ + 2 ⁇ V + ⁇
  • Vz1 + Vt1 ⁇ 2A ⁇
  • this signal is further output by the first output unit 43. It means that the fluctuation of + 2AB ⁇ V + 2AB ⁇ occurs when multiplied by B.
  • the determination circuit unit 70 determines that the total value of the first difference voltage (V1) and the second difference voltage (V2) exceeds the normal range. Further, the determination circuit unit 70 determines that the first voltage (Vsp) is abnormal based on the value of 2AB ⁇ , and issues a command to the cutoff circuit unit 60 to shut off the first switch unit 61.
  • Vsp Vg + ⁇ + ⁇ V
  • Vsm Vg + ⁇ + ⁇ V
  • Vsp ⁇ Vsm 2 ⁇ + 2 ⁇ V ⁇
  • Vz1 + Vt1 ⁇ 2A ⁇
  • this signal is multiplied by B at the first output unit 43, which means that a variation of + 2AB ⁇ V + AB occurs.
  • the determination circuit unit 70 determines that the total value of the first difference voltage (V1) and the second difference voltage (V2) exceeds the normal range. Further, the determination circuit unit 70 determines that the second differential voltage (V2) is abnormal based on the value of AB ⁇ , and issues a command to the cutoff circuit unit 60 to shut off the second switch unit 62.
  • is a component due to an abnormality of the constant current circuit unit 10.
  • the first voltage (Vsp) of the bridge circuit unit 20 is expressed by Equation 21.
  • Vsp ⁇ (Vg + ⁇ + ⁇ V)
  • the second voltage (Vsm) of the bridge circuit unit 20 is expressed by Expression 22.
  • Vsm ⁇ (Vg ⁇ V)
  • the third voltage (Vs) at the third middle point 33 of the temperature characteristic adjusting unit 30 is expressed by Expression 23.
  • Vs ⁇ (Vg + ⁇ ) Since the abnormality of the constant current circuit unit 10 is applied to the entire bridge circuit unit 20 and the temperature characteristic adjustment unit 30, the first voltage (Vsp), the second voltage (Vsm), and the third voltage (Vs) are Dominated by ⁇ .
  • the first differential voltage (V1) generated by the first signal processing circuit unit 40 is expressed by Expression 24.
  • V2 the second difference voltage (V2) generated by the second signal processing circuit unit 50 is expressed by Expression 25.
  • the determination circuit unit 70 determines that the total value of the first difference voltage (V1) and the second difference voltage (V2) exceeds the normal range.
  • the determination circuit unit 70 determines that the constant current circuit unit 10 is abnormal based on the total value, and instructs the cutoff circuit unit 60 to shut off the first switch unit 61 and the second switch unit 62. Put out.
  • the first signal processing circuit unit 40 of the sensor device 80 acquires the first differential voltage (V1) that is likely to depend on the state of the bridge circuit unit 20.
  • the second difference is less likely to depend on the state of the bridge circuit unit 20 by the second signal processing circuit unit 50 by generating the constant third voltage by the temperature characteristic adjusting unit 30.
  • the voltage (V2) is obtained.
  • the first difference voltage (V1) can be changed with respect to the second difference voltage (V2).
  • the first differential voltage (V1) and the second differential voltage (V2) can be varied even when the constant current circuit unit 10 is abnormal.
  • the bridge circuit unit 20 is one, it is possible to determine whether or not the bridge circuit unit 20 is abnormal based on the first differential voltage (V1) and the second differential voltage (V2).
  • the temperature characteristic adjusting unit 30 is configured by one third resistor 34.
  • the voltage on the low side of the third resistor 34, that is, the ground voltage is set as the third voltage (Vs).
  • the third voltage (Vs) corresponding to the input voltage (V) applied to the bridge circuit unit 20 may be the ground voltage.
  • the third resistor 34 of the present embodiment corresponds to the “resistance” of the present disclosure.
  • the high-side voltage of the third resistor 34 that is, the input voltage is set to the third voltage (Vs).
  • the third voltage (Vs) corresponding to the input voltage (V) applied to the bridge circuit unit 20 may be the input voltage (V) itself.
  • the configuration of the physical quantity detection device according to the present embodiment is the same as the configuration shown in FIG.
  • the first to fourth strain gauges 21 to 24 of the bridge circuit unit 20 according to each of the above embodiments are configured as a Wheatstone bridge circuit that satisfies the equilibrium condition.
  • the first to fourth strain gauges 21 to 24 of the bridge circuit unit 20 according to the present embodiment are configured as bridge circuits that do not satisfy the equilibrium condition. That is, the resistance values of the first to fourth strain gauges 21 to 24 are set so as not to satisfy the equilibrium condition. In other words, the gauge balance of the first to fourth strain gauges 21 to 24 is broken in advance. Thereby, the bridge circuit unit 20 outputs the first detection signal and the second detection signal including the offset component.
  • the first signal processing circuit unit 40 has a first offset correction value for correcting an offset component included in the first detection signal and the second detection signal. Then, the first signal processing circuit unit 40 corrects the first difference voltage with the first offset correction value and outputs the first difference voltage signal.
  • the first adjustment unit 42 performs correction using the first offset correction value.
  • the second signal processing circuit unit 50 has a second offset correction value for correcting an offset component included in the second detection signal. Then, the second signal processing circuit unit 50 corrects the second differential voltage with the second offset correction value and outputs a second differential voltage signal. Note that the second adjustment unit 52 performs correction using the second offset correction value.
  • the determination circuit unit 70 of the ECU 90 has not only a function of determining whether or not the bridge circuit unit 20 is abnormal, but also a function of determining whether or not the constant current circuit unit 10 is abnormal.
  • the determination circuit unit 70 receives the first difference voltage signal from the first signal processing circuit unit 40 and the second difference voltage signal from the second signal processing circuit unit 50, and the first difference voltage, the second difference voltage, and the like. It is determined whether or not there is an abnormality in the constant current circuit unit 10 by determining whether or not the sum of the currents is within a normal range.
  • the above is the configuration of the physical quantity detection device according to the present embodiment.
  • Vsm ⁇ R4 / (R3 + R4) ⁇ ⁇ I
  • Vs the third voltage at the third middle point 33 of the temperature characteristic adjusting unit 30.
  • Vsp ⁇ Vsm Rg1 ⁇ I
  • Vt1 + Vt1 Vt1 + Vt1
  • the first signal processing circuit unit 40 is included in the first detection signal by the first offset correction value ( ⁇ E). Correct the offset component.
  • the second signal processing circuit unit 50 uses the second offset correction value (+ (1/2) ⁇ ⁇ E) to The offset component included in one detection signal is corrected.
  • Rg2 is represented by Formula 32.
  • Rg2 (R4R5-R3R6) / ⁇ (R3 + R4) ⁇ (R5 + R6) ⁇
  • the determination circuit part 70 of ECU90 acquires the total value of a 1st difference voltage (V1) and a 2nd difference voltage (V2). The total value is expressed by Equation 33.
  • V1 + V2 0
  • the determination circuit unit 70 determines that the sum of the first difference voltage (V1) and the second difference voltage (V2) is within a normal range, and determines that the constant current circuit unit 10 is not abnormal.
  • (Vsm ⁇ Vs) ⁇ 2AB is doubled
  • ⁇ (1/2) ⁇ ⁇ E) changes. Therefore, it is shown that ⁇ (1/2) ⁇ ⁇ E remains as a calculation result.
  • the determination circuit part 70 of ECU90 acquires the total value of a 1st difference voltage (V1) and a 2nd difference voltage (V2).
  • the total value is expressed by Expression 36.
  • the determination circuit unit 70 determines that an abnormality has occurred in the constant current circuit unit 10
  • the determination circuit unit 70 operates the cutoff circuit unit 60 to cut off the signal output from the sensor device 80 to the ECU 90. You can also.
  • the offset component of the bridge circuit unit 20 changes.
  • the first signal processing circuit unit 40 processes the output of the bridge circuit unit 20
  • the second signal processing circuit unit 50 processes not only the output of the bridge circuit unit 20 but also the output of the temperature characteristic adjustment unit 30. For this reason, a difference can be produced in the outputs of the first signal processing circuit unit 40 and the second signal processing circuit unit 50. Therefore, since the sum of the first differential voltage (V1) acquired by the first signal processing circuit unit 40 and the second differential voltage (V2) acquired by the second signal processing circuit unit 50 changes, the constant current circuit An abnormality of the unit 10 can be detected.
  • the configuration of the physical quantity detection device described in each of the above embodiments is an example, and the present disclosure is not limited to the configuration described above, and may be other configurations that can realize the present disclosure.
  • the physical quantity to be detected by the physical quantity detection device is not limited to the pressure, and the detection target may be another physical quantity that can be detected by the bridge circuit unit 20.
  • the configuration of the temperature characteristic adjustment unit 30 is not limited to the configuration shown in the above embodiments.
  • the temperature characteristic adjusting unit 30 is configured by a resistor whose resistance value is adjusted such that the third voltage (Vs) is the same as the difference voltage between the first voltage (Vsp) and the second voltage (Vsm). May be.
  • the second amplification factor of the second amplification unit 51 of the second signal processing circuit unit 50 is set to twice the first amplification factor of the first output unit 43 of the first signal processing circuit unit 40.
  • this is an example of the amplification factor. Therefore, the second amplification factor is not limited to twice the first amplification factor.
  • the determination circuit unit 70 is provided in the ECU 90 constituting the physical quantity detection device, but the determination circuit unit 70 may be provided in the sensor device 80.
  • the determination circuit unit 70 is provided in the ECU 90 constituting the physical quantity detection device. However, the determination circuit unit 70 may not be provided in the physical quantity detection device. Since the physical quantity detection device according to each of the above embodiments is configured to output a signal capable of determining an abnormality of the bridge circuit unit 20, it is only necessary to determine whether there is an abnormality at the output destination of the physical quantity detection device. .
  • the cutoff circuit unit 60 is provided in the physical quantity detection device, but this is an example of the configuration. Therefore, if the configuration for permitting or prohibiting the output of the signal is unnecessary, the cutoff circuit unit 60 may not be provided in the physical quantity detection device.
  • the first resistor 31 and the second resistor 32 have the same resistance value, but this is an example. Therefore, the first resistor 31 and the second resistor 32 may have different resistance values.
  • the circuit unit 70 may be applied.

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Abstract

 物理量検出装置は、第1歪みゲージ(21)、第2歪みゲージ(22)、第3歪みゲージ(23)、及び第4歪みゲージ(24)を含むブリッジ回路を備え、第1歪みゲージ(21)と第2歪みゲージ(22)との第1中点(25)の第1電圧を第1検出信号として出力すると共に、第3歪みゲージ(23)と第4歪みゲージ(24)との第2中点(26)の第2電圧を第2検出信号として出力するブリッジ回路部(20)と、第3電圧を第3検出信号として出力する温度特性調整部(30)と、第1電圧と第2電圧との差電圧を第1増幅率で増幅した第1差電圧を第1差電圧信号として出力する第1信号処理回路部(40)と、第2電圧と第3電圧との差電圧を第2増幅率で増幅した第2差電圧を第2差電圧信号として出力する第2信号処理回路部(50)と、を備えている。

Description

物理量検出装置 関連出願の相互参照
 本出願は、2014年3月5日に出願された日本国特許出願2014-42469号および2014年5月9日に出願された日本国特許出願2014-97480号、に基づくものであり、ここにその記載内容を参照により援用する。
 本開示は、物理量を検出するように構成された物理量検出装置に関する。
 従来より、物理量を検出するように構成された検出装置が、例えば特許文献1で提案されている。検出装置は、物理量が印加されることで変形可能な薄肉状のダイヤフラムと、ダイヤフラムの歪みに応じて歪むことで抵抗値が変化する複数の歪みゲージと、を備えている。各歪みゲージはブリッジ回路部を構成するように接続されている。
 検出装置は上記のブリッジ回路部を2つ備えている。これにより、2つのブリッジ回路部の出力信号に基づく物理量の差が正常範囲を超える場合、各ブリッジ回路部のうちのいずれか一方が故障や特性変動を起こしていると判定することが可能となっている。
日本国公開特許公報2008-116287号
 本開示は、ブリッジ回路部を1つとした構成でも当該ブリッジ回路部の異常を判定可能にすることができる物理量検出装置を提供することを目的とする。
 本開示の一態様によれば、物理量検出装置はブリッジ回路部と、温度特性調整部と、第1信号処理回路部と、第2信号処理回路部とを備える。ブリッジ回路部は、物理量の印加に応じて抵抗値が変化すると共に抵抗値が温度に応じて変化する第1歪みゲージ、第2歪みゲージ、第3歪みゲージ、及び第4歪みゲージによって構成されており、当該ブリッジ回路に印加される入力電圧に基づいて第1歪みゲージと第2歪みゲージとの第1中点の第1電圧を第1検出信号として出力すると共に、第3歪みゲージと第4歪みゲージとの第2中点の第2電圧を第2検出信号として出力する。
 温度特性調整部は、ブリッジ回路部に対して並列に接続されており、第1歪みゲージ、第2歪みゲージ、第3歪みゲージ、第4歪みゲージよりも物理量の印加及び温度に対する抵抗値の変化が小さく、ブリッジ回路部に印加される入力電圧に対応する第3電圧を第3検出信号として出力する。
 第1信号処理回路部は、第1検出信号及び第2検出信号を入力し、第1電圧と第2電圧との差電圧を第1増幅率で増幅した第1差電圧を第1差電圧信号として出力する。
 第2信号処理回路部は、第2検出信号及び第3検出信号を入力し、第2電圧と第3電圧との差電圧を第1増幅率とは異なる第2増幅率で増幅した第2差電圧を第2差電圧信号として出力する。
 本開示の物理量検出装置によれば、第1信号処理回路部によってブリッジ回路部の状態に依存しやすい第1差電圧が取得される。一方、ブリッジ回路部の異常に関わらず、温度特性調整部によって安定したすなわち一定の第3電圧が生成されるので、第2信号処理回路部によってブリッジ回路部の状態に依存しにくい第2差電圧が取得される。このため、ブリッジ回路部で異常が発生した場合、第2差電圧に対して第1差電圧を変動させることができる。したがって、第1差電圧と第2差電圧との比較によってブリッジ回路部の異常の有無の判定が可能となる。ブリッジ回路部を1つとした構成でも当該ブリッジ回路部の異常を判定可能になる。
 本開示についての上記および他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照した下記の詳細な説明から、より明確になる。添付図面において
図1は、本開示の第1実施形態に係る物理量検出装置の全体構成図であり、 図2は、ブリッジ回路部が正常である場合において、圧力に対する第1差電圧(V1)及び第2差電圧(V2)の変化を示した図であり、 図3は、本開示の第2実施形態に係る温度特性調整部の回路構成を示した図であり、 図4は、本開示の第3実施形態に係る温度特性調整部の回路構成を示した図である。
 本願発明者らは以下を見出した。従来の技術では、検出装置にブリッジ回路部が2つ備えられているので、検出装置のサイズもコストも大きくなる虞がある。本願発明者らは、ブリッジ回路部を1つとした構成でも当該ブリッジ回路部の異常を判定可能にすることができないか検討を行った。
 発明者らは以下の回路構成を発案した。電源とグランドとの間に1つのブリッジ回路部が接続され、このブリッジ回路部に並列に調整抵抗が接続される。ブリッジ回路部を構成する各歪みゲージは温度特性を有するが、調整抵抗は温度特性がほぼ無い。ブリッジ回路部及び調整抵抗に対しては定電流が供給される。
 また、ブリッジ回路部の2つの中点がそれぞれ第1信号処理回路部及び第2信号処理回路部に接続される。各信号処理回路部は入力した信号をそれぞれ同じ増幅率で増幅するように構成されている。そして、第2信号処理回路部は第1信号処理回路部に対して極性が反転するようにブリッジ回路部の各中点に接続される。
 このような構成によると、ブリッジ回路部が受ける温度が高い場合には各歪みゲージの抵抗値が大きくなるので、調整抵抗にはブリッジ回路部よりも大きな電流が流れる。一方、ブリッジ回路部が受ける温度が低い場合には各歪みゲージの抵抗値が小さくなるので、ブリッジ回路部には調整抵抗よりも大きな電流が流れる。このため、ブリッジ回路部の各中点の差電圧は温度に依存しないので、ブリッジ回路部の感度を一定に維持することができる。
 また、各信号処理回路部の出力は互いに極性が反転した値となるので、各信号処理回路部の出力の合算値は一定となる。さらに、各信号処理回路部の出力を比較することで各信号処理回路部のいずれか一方の異常を判定することが可能である。
 しかし、ブリッジ回路部に異常が発生したとしても各信号処理回路部の出力は互いに反転した値になるので、ブリッジ回路部の異常に関わらず各信号処理部の合算値は一定となる。すなわち、ブリッジ回路部の異常に基づく成分が各信号処理部の合算値に反映されないので、各信号処理回路部の出力に基づいてブリッジ回路部の異常を判定することができない。
 以下、本開示の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
 (第1実施形態)
 以下、本開示の第1実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る物理量検出装置は、例えば圧力媒体の圧力を検出する圧力センサ装置として構成されている。このような物理量検出装置は、図1に示されるように、定電流回路部10、ブリッジ回路部20、温度特性調整部30、第1信号処理回路部40、第2信号処理回路部50、遮断回路部60、及び判定回路部70を備えて構成されている。
 物理量検出装置のうち、定電流回路部10、ブリッジ回路部20、温度特性調整部30、第1信号処理回路部40、第2信号処理回路部50、及び遮断回路部60はセンサ装置80として構成されている。また、判定回路部70はECU90(Electrical Control Unit)に設けられている。
 定電流回路部10は、一定の電流を生成するように構成されている。定電流回路部10は、生成した定電流をブリッジ回路部20及び温度特性調整部30に供給する。
 ブリッジ回路部20は、圧力媒体の圧力に応じた検出信号を出力するセンシング手段(センシング部とも呼ぶ)である。ブリッジ回路部20は、第1歪みゲージ21、第2歪みゲージ22、第3歪みゲージ23、及び第4歪みゲージ24を備えて構成されている。各歪みゲージ21~24は、物理量の印加に応じて抵抗値が変化すると共に抵抗値が温度に応じて変化する抵抗体である。
 また、各歪みゲージ21~24は、第1歪みゲージ21及び第2歪みゲージ22の直列接続部と第3歪みゲージ23及び第4歪みゲージ24の直列接続部とが並列に接続されることでホイートストンブリッジ回路を構成している。各歪みゲージ21~24は、例えば図示しない半導体基板に形成された拡散抵抗である。
 そして、ブリッジ回路部20は、定電流回路部10から定電流が供給されると共に入力電圧が印加される。したがって、ブリッジ回路部20は、ホイートストンブリッジ回路に印加される入力電圧に基づいて第1歪みゲージ21と第2歪みゲージ22との第1中点25の第1電圧を第1検出信号として出力する。また、ブリッジ回路部20は、第3歪みゲージ23と第4歪みゲージ24との第2中点26の第2電圧を第2検出信号として出力する。例えば、入力電圧をVとすると、各歪みゲージ21~24に圧力が印加されていないときの各中点25、26の出力はV/2となる。
 温度特性調整部30は、ブリッジ回路部20に対して並列に接続されている。具体的に、温度特性調整部30は、第1抵抗31と第2抵抗32とが直列接続されて構成されている。第1抵抗31及び第2抵抗32は、ブリッジ回路部20の各歪みゲージ21~24よりも圧力の印加及び温度に対する抵抗値の変化が小さいものである。第1抵抗31及び第2抵抗32は、例えば半導体基板の上に形成されたCrSi等の薄膜抵抗である。例えば、第1抵抗31及び第2抵抗32は抵抗値が同じである。
 また、温度特性調整部30は、ブリッジ回路部20に印加される入力電圧に対応する第3電圧を第3検出信号として出力する。本実施形態では、第1抵抗31と第2抵抗32との第3中点33の電圧が第3電圧とされる。第1抵抗31および第2抵抗32は、第3電圧がブリッジ回路部20の第1電圧と第2電圧との差電圧と同じになるように、それぞれ抵抗値が調整されている。例えば、入力電圧をVとすると、第3中点33の第3電圧はV/2となる。すなわち、第1抵抗31及び第2抵抗32は同じ抵抗値になっている。
 第1信号処理回路部40は、ブリッジ回路部20の第1電圧と第2電圧との差電圧を第1増幅率で増幅した第1差電圧を生成し、この第1差電圧を第1差電圧信号として出力するものである。第1信号処理回路部40は、第1増幅部41、第1調整部42、及び第1出力部43を備えて構成されている。
 第1増幅部41は、ブリッジ回路部20から第1検出信号及び第2検出信号を入力し、第1電圧と第2電圧との差電圧を所定の増幅率で増幅するように構成された差動増幅器である。第1調整部42は、第1増幅部41の出力に対してオフセット補正や温度特性に基づく補正を行う信号調整手段(信号調整部とも呼ぶ)である。
 第1出力部43は、電流ブースタとしてのボルテージホロワを構成するものである。第1出力部43は、第1増幅部41及び第1調整部42によって信号調整された第1差電圧信号を第1増幅率で増幅して出力する。第1差電圧信号はブリッジ回路部20の第1電圧及び第2電圧に基づいて生成された信号であるので、第1差電圧信号は温度に依存した信号となる。
 第2信号処理回路部50は、ブリッジ回路部20の第2電圧と温度特性調整部30の第3電圧との差電圧を第1増幅率とは異なる第2増幅率で増幅した第2差電圧を生成し、この第2差電圧を第2差電圧信号として出力するものである。第2信号処理回路部50は、第2増幅部51、第2調整部52、及び第2出力部53を備えて構成されている。
 第2増幅部51は、ブリッジ回路部20から第2検出信号を入力すると共に温度特性調整部30から第3検出信号を入力し、第2電圧と第3電圧との差電圧を所定の増幅率で増幅するように構成された差動増幅器である。第2調整部52は、第2増幅部51の出力に対してオフセット補正や温度特性に基づく補正を行う信号調整手段(信号調整部とも呼ぶ)である。
 第2出力部53は、電流ブースタとしてのボルテージホロワを構成するものである。第2出力部53は、第2増幅部51及び第2調整部52によって信号調整された第2差電圧信号を第2増幅率で増幅して出力する。本実施形態では、第2増幅率は第1増幅率の2倍に設定されている。第2差電圧信号は温度特性調整部30の第3電圧に基づいて生成された信号であるので、第2差電圧信号は第1差電圧信号とは異なる感度の信号となる。
 遮断回路部60は、センサ装置80からECU90への信号の出力を制御するものである。遮断回路部60は、第1スイッチ部61、第2スイッチ部62、及び切替部63を備えて構成されている。
 第1スイッチ部61は、第1出力部43とセンサ装置80の第1出力端子81(Vout1)とを電気的に接続または切断するスイッチ手段(スイッチ部とも呼ぶ)である。第2スイッチ部62は、第2出力部53とセンサ装置80の第2出力端子82(Vout2)とを電気的に接続または切断するスイッチ手段(スイッチ部とも呼ぶ)である。
 切替部63は、第1スイッチ部61及び第2スイッチ部62の接続または切断を制御するものである。切替部63は、第1差電圧信号及び第2差電圧信号のうち判定回路部70によって異常であると判定された信号の出力を遮断するように第1スイッチ部61及び第2スイッチ部62を制御する。
 判定回路部70は、ブリッジ回路部20の異常の有無を判定するものである。判定回路部70は、センサ装置80から第1差電圧信号及び第2差電圧信号を入力し、第1差電圧と第2差電圧とが正常範囲内であるか否かを判定する。例えば、判定回路部70は、第1差電圧と第2差電圧との合算値が正常範囲内であるか否かを判定する。判定回路部70は、第1差電圧と第2差電圧との差分が正常範囲内であるか否かを判定しても良い。また、判定回路部70は判定結果に応じてセンサ装置80の遮断回路部60の切替部63に指令を出す。この判定回路部70により、物理量検出装置において、ブリッジ回路部20の異常の有無を判定することができる。なお、正常範囲とは、例えば、予め設定された範囲である。
 なお、ECU90は、判定回路部70の他に圧力値を用いた制御を行うように構成されている。また、センサ装置80は電源端子83(VCC)及びグランド端子84(GND)を介してECU90から電源供給される構成となっている。以上が、本実施形態に係る物理量検出装置の全体構成である。
 次に、物理量検出装置の作動について説明する。ここで、ブリッジ回路部20の第1中点25及び第2中点26の各初期電位をVgとする。また、ブリッジ回路部20のオフセット成分をαとする。αは定電流に比例するパラメータである。温度特性調整部30の第1抵抗31及び第2抵抗32によるオフセット成分をβとする。さらに、ブリッジ回路部20への圧力印加による各中点25、26の電圧の変動分をΔVとする。
 上記に加え、第1信号処理回路部40の第1増幅部41及び第2信号処理回路部50の第2増幅部51の増幅率をAとする。また、第1信号処理回路部40の第1出力部43の第1増幅率をBとし、第2信号処理回路部50の第2出力部53の第2増幅率を2Bとする。
 まず、ブリッジ回路部20が正常に動作している場合について説明する。
(正常時:圧力が0(MPa)の場合)
 ブリッジ回路部20に圧力が印加されていない場合、ブリッジ回路部20の第1中点25の第1電圧をVspとすると、Vspは式1で表される。
(式1)
Vsp=Vg+α
同様に、ブリッジ回路部20の第2中点26の第2電圧をVsmとすると、Vsmは式2で表される。
(式2)
Vsm=Vg-α
さらに、温度特性調整部30の第3中点33の第3電圧をVsとすると、Vsは式3で表される。
(式3)
Vs=Vg+β
 したがって、第1信号処理回路部40で生成される第1差電圧をV1とすると、V1は式4で表される。ここで、第1調整部42において調整されるオフセット成分をVz1とし、温度特性成分をVt1とする。
(式4)
V1={(Vsp-Vsm)×A+Vz1+Vt1}×B=C
これは、第1電圧と第2電圧との差電圧であるVsp-Vsm(=2α)が第1増幅部41でA倍されると共に第1調整部42でVz1+Vt1の調整が行われ、さらにこの信号が第1出力部43でB倍されることでCとなることを意味している。Vz1+Vt1は例えば-2Aαとなるように設定される。ここで、Cは圧力が0の場合のV1の初期オフセット値である。
 また、第2信号処理回路部50で生成される第2差電圧をV2とすると、V2は式5で表される。ここで、第2調整部52において調整されるオフセット成分をVz2とし、温度特性成分をVt2とする。
(式5)
V2={(Vsm-Vs)×A+Vz2+Vt2}×2B=D
これは、第2電圧と第3電圧との差電圧であるVsm-Vs(=-α-β)が第2増幅部51でA倍されると共に第2調整部52でVz2+Vt2の調整が行われ、さらにこの信号が第2出力部53で2B倍されることでDとなることを意味している。Vz2+Vt2は例えばA(α+β)となるように設定される。ここで、Dは圧力が0の場合のV2の初期オフセット値である。
(正常時:圧力がP(MPa)の場合)
 ブリッジ回路部20にPの圧力が印加されている場合、ブリッジ回路部20の第1中点25の第1電圧(Vsp)は式6で表される。なお、Vgは圧力により変動しないとする。
(式6)
Vsp=Vg+α+ΔV
同様に、ブリッジ回路部20の第2中点26の第2電圧(Vsm)は式7で表される。
(式7)
Vsm=Vg-α-ΔV
さらに、温度特性調整部30の第3中点33の第3電圧(Vs)は式8で表される。
(式8)
Vs=Vg+β
 したがって、第1信号処理回路部40で生成される第1差電圧(V1)は式9で表される。
(式9)
V1={(Vsp-Vsm)×A+Vz1+Vt1}×B=C+2ABΔV
これは、Vsp-Vsm(=2α+2ΔV)が第1増幅部41でA倍されると共に第1調整部42でVz1+Vt1(=-2Aα)の調整が行われ、さらにこの信号が第1出力部43でB倍されることで+2ABΔVの変動が生じることを意味している。2ABΔVの成分は圧力値に応じた大きさとなる。
 また、第2信号処理回路部50で生成される第2差電圧(V2)は式10で表される。
(式10)
V2={(Vsm-Vs)×A+Vz2+Vt2}×2B=D-2ABΔV
これは、Vsm-Vs(=-α-β-ΔV)が第2増幅部51でA倍されると共に第2調整部52でVz2+Vt2(=A(α+β))の調整が行われ、さらにこの信号が第2出力部53で2B倍されることで-2ABΔVの変動が生じることを意味している。
 このように、圧力印加時では式9及び式10に示されるように互いに反転した値が算出される。このため、図2に示されるように、圧力の増加に伴って第1信号処理回路部40で生成された第1差電圧(V1)が一定の傾きで増加する一方、第2信号処理回路部50で生成された第2差電圧(V2)は第1差電圧(V1)と同じ傾きで減少する。したがって、第1差電圧(V1)と第2差電圧(V2)との合算値は一定になる。
 ECU90の判定回路部70は、第1差電圧(V1)と第2差電圧(V2)との合算値を取得する。そして、判定回路部70は、第1差電圧(V1)と第2差電圧(V2)との合算値が正常範囲内であると判定する。
 続いて、ブリッジ回路部20において、第1電圧(Vsp)に異常が発生した場合と第2電圧(Vsm)に異常が発生した場合とについて説明する。ここで、「異常」とは、耐久変動やその他の異常を意味している。この異常を表す成分をγとする。
(異常時;第1電圧(Vsp)の場合)
 ブリッジ回路部20にP(MPa)の圧力が印加されている場合、ブリッジ回路部20の第1中点25の第1電圧(Vsp)は式11で表される。
(式11)
Vsp=Vg+α+ΔV+γ
同様に、ブリッジ回路部20の第2中点26の第2電圧(Vsm)は式12で表される。
(式12)
Vsm=Vg-α-ΔV
さらに、温度特性調整部30の第3中点33の第3電圧(Vs)は式13で表される。
(式13)
Vs=Vg+β
 したがって、第1信号処理回路部40で生成される第1差電圧(V1)は式14で表される。
(式14)
V1={(Vsp-Vsm)×A+Vz1+Vt1}×B=C+2ABΔV+2ABγ
これは、Vsp-Vsm(=2α+2ΔV+γ)が第1増幅部41でA倍されると共に第1調整部42でVz1+Vt1(=-2Aα)の調整が行われ、さらにこの信号が第1出力部43でB倍されることで+2ABΔV+2ABγの変動が発生することを意味している。
 また、第2信号処理回路部50で生成される第2差電圧(V2)は式15で表される。
(式15)
V2={(Vsm-Vs)×A+Vz2+Vt2}×2B=D-2ABΔV
これは、Vsm-Vs(=-α-β-ΔV)が第2増幅部51でA倍されると共に第2調整部52でVz2+Vt2(=A(α+β))の調整が行われ、さらにこの信号が第2出力部53で2B倍されることで-2ABΔVの変動が生じることを意味している。
 このように、第1電圧(Vsp)の異常時では式14及び式15に示されるように「2ABγ」の成分の差が生じる。この差は、ブリッジ回路部20の第1電圧(Vsp)が異常によって変化する一方、温度特性調整部30の第3電圧(Vs)は一定値で安定していることから生じる。つまり、第1差電圧(V1)と第2差電圧(V2)とで異常に対する影響度を異ならせているので、異常に基づく成分を発生させることができる。
 したがって、判定回路部70は、第1差電圧(V1)と第2差電圧(V2)との合算値が正常範囲を超えると判定する。また、判定回路部70は、2ABγの値に基づいて第1電圧(Vsp)の異常であると判定し、遮断回路部60に対して第1スイッチ部61を遮断する旨の指令を出す。
(異常時;第2差電圧(V2)の場合)
 ブリッジ回路部20にP(MPa)の圧力が印加されている場合、ブリッジ回路部20の第1中点25の第1電圧(Vsp)は式16で表される。
(式16)
Vsp=Vg+α+ΔV
同様に、ブリッジ回路部20の第2中点26の第2電圧(Vsm)は式17で表される。
(式17)
Vsm=Vg-α-ΔV+γ
さらに、温度特性調整部30の第3中点33の第3電圧(Vs)は式18で表される。
(式18)
Vs=Vg+β
 したがって、第1信号処理回路部40で生成される第1差電圧(V1)は式19で表される。
(式19)
V1={(Vsp-Vsm)×A+Vz1+Vt1}×B=C+2ABΔV+ABγこれは、Vsp-Vsm(=2α+2ΔV-γ)が第1増幅部41でA倍されると共に第1調整部42でVz1+Vt1(=-2Aα)の調整が行われ、さらにこの信号が第1出力部43でB倍されることで+2ABΔV+ABの変動が発生することを意味している。
 また、第2信号処理回路部50で生成される第2差電圧(V2)は式20で表される。
(式20)
V2={(Vsm-Vs)×A+Vz2+Vt2}×2B=D-2ABΔV+2ABγ
これは、Vsm-Vs(=-α-β-ΔV+γ)が第2増幅部51でA倍されると共に第2調整部52でVz2+Vt2(=A(α+β))の調整が行われ、さらにこの信号が第2出力部53で2B倍されることで-2ABΔV+2ABγの変動が生じることを意味している。
 このように、第2差電圧(V2)の異常時では式19及び式20に示されるように「ABγ」の成分の差が生じる。したがって、判定回路部70は、第1差電圧(V1)と第2差電圧(V2)との合算値が正常範囲を超えると判定する。また、判定回路部70は、ABγの値に基づいて第2差電圧(V2)の異常であると判定し、遮断回路部60に対して第2スイッチ部62を遮断する旨の指令を出す。
 続いて、ブリッジ回路部20にPの圧力が印加されているときに、定電流回路部10に異常が発生した場合について説明する。ここで、定電流回路部10の異常による成分をδとする。
 この場合、ブリッジ回路部20の第1電圧(Vsp)は式21で表される。
(式21)
Vsp=δ(Vg+α+ΔV)
同様に、ブリッジ回路部20の第2電圧(Vsm)は式22で表される。
(式22)
Vsm=δ(Vg-α-ΔV)
さらに、温度特性調整部30の第3中点33の第3電圧(Vs)は式23で表される。
(式23)
Vs=δ(Vg+β)
定電流回路部10の異常は、ブリッジ回路部20及び温度特性調整部30の全体に掛かるものであるので、第1電圧(Vsp)、第2電圧(Vsm)、及び第3電圧(Vs)はδによって支配される。
 そして、第1信号処理回路部40で生成される第1差電圧(V1)は式24で表される。
(式24)
V1={(Vsp-Vsm)×A+Vz1+Vt1}×B=C+{δA(2α+2ΔV)-2Aα}×B
また、第2信号処理回路部50で生成される第2差電圧(V2)は式25で表される。
(式25)
V2={(Vsm-Vs)×A+Vz2+Vt2}×2B=D+{δA(-α-β-ΔV)+A(α+β)}×2B
 このように、定電流回路部10の異常時では式24及び式25に示されるように第1差電圧(V1)と第2差電圧(V2)とは全く異なる値となる。したがって、判定回路部70は、第1差電圧(V1)と第2差電圧(V2)との合算値が正常範囲を超えると判定する。また、判定回路部70は、合算値に基づいて定電流回路部10の異常であると判定し、遮断回路部60に対して第1スイッチ部61及び第2スイッチ部62を遮断する旨の指令を出す。
 以上説明したように、本実施形態では、センサ装置80の第1信号処理回路部40によってブリッジ回路部20の状態に依存しやすい第1差電圧(V1)を取得する構成となっている。一方、ブリッジ回路部20の異常に関わらず、温度特性調整部30によって一定の第3電圧を生成することにより、第2信号処理回路部50によってブリッジ回路部20の状態に依存しにくい第2差電圧(V2)を取得する構成となっている。これにより、ブリッジ回路部20で異常が発生した場合、第2差電圧(V2)に対して第1差電圧(V1)を変動させることができる。また、定電流回路部10の異常時にも第1差電圧(V1)及び第2差電圧(V2)を変動させることができる。
 以上により、ブリッジ回路部20を1つとした構成でも、第1差電圧(V1)及び第2差電圧(V2)に基づいてブリッジ回路部20の異常の有無の判定を可能とすることができる。
 (第2実施形態)
 本実施形態では、第1実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図3に示されるように、温度特性調整部30は1つの第3抵抗34によって構成されている。そして、第3抵抗34のローサイドの電圧すなわちグランド電圧が第3電圧(Vs)とされる。このように、ブリッジ回路部20に印加される入力電圧(V)に対応する第3電圧(Vs)をグランド電圧としても良い。
 なお、本実施形態の第3抵抗34が本開示の「抵抗」に対応する。
 (第3実施形態)
 本実施形態では、第1、第2実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図4に示されるように、第3抵抗34のハイサイドの電圧すなわち入力電圧が第3電圧(Vs)とされる。このように、ブリッジ回路部20に印加される入力電圧(V)に対応する第3電圧(Vs)を入力電圧(V)そのものとしても良い。
 (第4実施形態)
 本実施形態に係る物理量検出装置の構成は、図1に示された構成と同じである。但し、上記各実施形態に係るブリッジ回路部20の第1~第4歪みゲージ21~24は平衡条件を満たすホイートストンブリッジ回路として構成されていた。しかしながら、本実施形態に係るブリッジ回路部20の第1~第4歪みゲージ21~24は平衡条件を満たさないブリッジ回路として構成されている。すなわち、第1~第4歪みゲージ21~24は平衡条件を満たさないように各抵抗値がそれぞれ設定されている。つまり、第1~第4歪みゲージ21~24のゲージバランスが予め崩されている。これにより、ブリッジ回路部20は、オフセット成分を含んだ第1検出信号及び第2検出信号を出力する。
 第1信号処理回路部40は、第1検出信号及び第2検出信号に含まれるオフセット成分を補正するための第1オフセット補正値を有している。そして、第1信号処理回路部40は、第1オフセット補正値によって第1差電圧を補正し、第1差電圧信号を出力する。なお、第1調整部42が第1オフセット補正値を用いた補正を行う。
 一方、第2信号処理回路部50は、第2検出信号に含まれるオフセット成分を補正するための第2オフセット補正値を有している。そして、第2信号処理回路部50は、第2オフセット補正値によって第2差電圧を補正し、第2差電圧信号を出力する。なお、第2調整部52が第2オフセット補正値を用いた補正を行う。
 ECU90の判定回路部70は、上記のブリッジ回路部20の異常の有無を判定する機能だけでなく、定電流回路部10の異常の有無を判定する機能も備えている。判定回路部70は、第1信号処理回路部40から第1差電圧信号を入力すると共に第2信号処理回路部50から第2差電圧信号を入力し、第1差電圧と第2差電圧との和が正常範囲内であるか否かを判定することにより定電流回路部10の異常の有無を判定する。以上が、本実施形態に係る物理量検出装置の構成である。
 次に、判定回路部70における定電流回路部10の異常判定の作動について説明する。
 まず、定電流回路部10が正常に動作している場合について説明する。定電流回路部10が正常動作している場合、定電流回路部10はブリッジ回路部20にIの定電流を流すとする。
 そして、第1歪みゲージ21の抵抗値をR1、第2歪みゲージ22の抵抗値をR2とすると、第1中点25の第1電圧(Vsp)は式26で表される。
(式26)
Vsp={R2/(R1+R2)}×I
 また、第3歪みゲージ23の抵抗値をR3、第4歪みゲージ24の抵抗値をR4とすると、第2中点26の第2電圧(Vsm)は式27で表される。
(式27)
Vsm={R4/(R3+R4)}×I
 さらに、温度特性調節部30の第1抵抗31の抵抗値をR5とし、第2抵抗32の抵抗値をR6とすると、温度特性調整部30の第3中点33の第3電圧をVsは式28で表される。
(式28)
Vs={R6/(R5+R6)}×I
 したがって、第1信号処理回路部40で生成される第1差電圧(V1)は、式29で表される。
(式29)
V1={(Vsp-Vsm)×A+Vz1+Vt1}×B=ΔE-ΔE=0
 これは、第1電圧と第2電圧との差電圧であるVsp-Vsm(=Rg1×I)が第1増幅部41でAB倍されるとΔEとなり、さらに第1調整部42で(Vz1+Vt1)×B(=-ΔE)のオフセット調整が行われることを意味している。すなわち、第1信号処理回路部40は第1オフセット補正値として-ΔEを有している。上述のように、第1~第4歪みゲージ21~24のゲージバランスが崩されているので、第1信号処理回路部40は第1オフセット補正値(-ΔE)によって第1検出信号に含まれるオフセット成分を補正する。なお、Rg1は式30で表される。
(式30)
Rg1=(R2R3-R1R4)/{(R1+R2)×(R3+R4)}
 また、第2信号処理回路部50で生成される第2差電圧(V2)は、式31で表される。
(式31)
V2={(Vsm-Vs)×A+Vz2+Vt2}×2B=-(1/2)×ΔE+(1/2)×ΔE=0
 これは、第2電圧と第3電圧との差電圧であるVsm-Vs(=Rg2×I)が第2増幅部51で2AB倍されると-(1/2)×ΔEとなり、さらに第2調整部52で(Vz2+Vt2)×2B(=+(1/2)×ΔE)のオフセット調整が行われることを意味している。すなわち、第2信号処理回路部50は第2オフセット補正値として+(1/2)×ΔEを有している。上述のように、第1~第4歪みゲージ21~24のゲージバランスが崩されているので、第2信号処理回路部50は第2オフセット補正値(+(1/2)×ΔE)によって第1検出信号に含まれるオフセット成分を補正する。なお、Rg2は式32で表される。
(式32)
Rg2=(R4R5-R3R6)/{(R3+R4)×(R5+R6)}
 そして、ECU90の判定回路部70は、第1差電圧(V1)と第2差電圧(V2)との合算値を取得する。合算値は式33で表される。
(式33)
V1+V2=0
 判定回路部70は、第1差電圧(V1)と第2差電圧(V2)との合算値が正常範囲内であると判定し、定電流回路部10に異常が無いと判定する。
 続いて、定電流回路部10において異常が発生した場合について説明する。この場合、定電流回路部10はブリッジ回路部20に例えば2Iの異常な電流を流す。したがって、Vsp-Vsm=Rg1×2Iとなるので、第1信号処理回路部40で生成される第1差電圧(V1)は式34で表される。
(式34)
V1={(Vsp-Vsm)×A+Vz1+Vt1}×B=2ΔE-ΔE=ΔE
 これは、(Vsp-Vsm)×A×B(=2ΔE)が2倍の値になるのに対し、第1オフセット補正値である(Vz1+Vt1)×B(=-ΔE)の値には変化がないため、演算結果としてΔEが残ることを示している。
 一方、Vsm-Vs=Rg2×2Iとなるので、第2信号処理回路部50で生成される第2差電圧(V2)は式35で表される。
(式35)
V2={(Vsm-Vs)×A+Vz2+Vt2}×2B=-ΔE+(1/2)×ΔE=-(1/2)×ΔE
 これは、(Vsm-Vs)×2ABが2倍の値になるのに対し、第2オフセット補正値である(Vz2+Vt2)×2B(=+(1/2)×ΔE)の値には変化がないため、演算結果として-(1/2)×ΔEが残ることを示している。
 そして、ECU90の判定回路部70は、第1差電圧(V1)と第2差電圧(V2)との合算値を取得する。合算値は式36で表される。
(式36)
V1+V2=(1/2)×ΔE
 このように、定電流回路部10に異常が発生している場合は第1差電圧(V1)と第2差電圧(V2)との合算値に異常成分が生じる。すなわち、定電流回路部10からブリッジ回路部20に供給される電流値に変化が生じると、第1電位差(V1)のVsp-Vsmと第2電位差(V2)のVsm-Vsとに差が生じる。したがって、判定回路部70は、第1差電圧(V1)と第2差電圧(V2)との合算値が正常範囲を超えると判定し、定電流回路部10に異常が発生していると判定する。
 なお、判定回路部70が定電流回路部10に異常が発生していると判定した場合、判定回路部70は遮断回路部60を動作させてセンサ装置80からECU90への信号出力を遮断することもできる。
 以上説明したように、定電流回路部10に異常が発生して定電流の電流値が変化した場合、ブリッジ回路部20のオフセット成分が変化する。この場合、第1信号処理回路部40はブリッジ回路部20の出力を処理する一方、第2信号処理回路部50はブリッジ回路部20の出力だけでなく温度特性調整部30の出力も処理する。このため、第1信号処理回路部40及び第2信号処理回路部50の出力に差を生じさせることができる。したがって、第1信号処理回路部40で取得された第1差電圧(V1)と第2信号処理回路部50で取得された第2差電圧(V2)との和が変化するので、定電流回路部10の異常を検出することができる。
 (他の実施形態)
 上記各実施形態で示された物理量検出装置の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本開示を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、物理量検出装置が検出すべき物理量は圧力に限られず、検出対象はブリッジ回路部20によって検出可能な他の物理量でも良い。
 温度特性調整部30の構成は、上記各実施形態で示された構成に限られない。例えば、温度特性調整部30は、第3電圧(Vs)が第1電圧(Vsp)と第2電圧(Vsm)との差電圧と同じになるように、抵抗値が調整された抵抗によって構成されていても良い。
 上記各実施形態では、第2信号処理回路部50の第2増幅部51の第2増幅率は、第1信号処理回路部40の第1出力部43の第1増幅率の2倍に設定されていたが、これは増幅率の一例である。したがって、第2増幅率は第1増幅率の2倍に限られない。
 上記各実施形態では、判定回路部70は物理量検出装置を構成するECU90に設けられていたが、判定回路部70はセンサ装置80に設けられていても良い。
 上記各実施形態では、判定回路部70は物理量検出装置を構成するECU90に設けられていたが、物理量検出装置に判定回路部70が設けられていなくても良い。上記各実施形態に係る物理量検出装置は、ブリッジ回路部20の異常判定が可能な信号を出力するように構成されているので、物理量検出装置の出力先で異常の有無の判定が行われれば良い。
 上記各実施形態では、物理量検出装置に遮断回路部60が設けられていたが、これは構成の一例である。したがって、信号の出力の許可または禁止についての構成が不要であれば、物理量検出装置に遮断回路部60を設けなくても良い。
 第1、第4実施形態では、第1抵抗31及び第2抵抗32は抵抗値が同じであったがこれは一例である。したがって、第1抵抗31及び第2抵抗32は抵抗値が異なっていても良い。
 図3及び図4に示された温度特性調整部30の構成に対して第4実施形態で示されたブリッジ回路部20、第1信号処理回路部40、第2信号処理回路部50、及び判定回路部70を適用しても良い。
 以上、本開示の実施形態、構成、態様を例示したが、本開示に係わる実施形態、構成、態様は、上述した各実施形態、各構成、各態様に限定されるものではない。例えば、異なる実施形態、構成、態様にそれぞれ開示された技術的部を適宜組み合わせて得られる実施形態、構成、態様についても本開示に係わる実施形態、構成、態様の範囲に含まれる。

Claims (7)

  1.  物理量の印加に応じて抵抗値が変化すると共に前記抵抗値が温度に応じて変化する、第1歪みゲージ(21)、第2歪みゲージ(22)、第3歪みゲージ(23)、及び第4歪みゲージ(24)を含むブリッジ回路を備え、当該ブリッジ回路に印加される入力電圧に基づいて前記第1歪みゲージ(21)と前記第2歪みゲージ(22)との第1中点(25)の第1電圧を第1検出信号として出力すると共に、前記第3歪みゲージ(23)と前記第4歪みゲージ(24)との第2中点(26)の第2電圧を第2検出信号として出力するブリッジ回路部(20)と、
     前記ブリッジ回路部(20)に対して並列に接続されており、前記第1歪みゲージ(21)、前記第2歪みゲージ(22)、前記第3歪みゲージ(23)、及び前記第4歪みゲージ(24)よりも前記物理量の印加及び前記温度に対する抵抗値の変化が小さく、前記ブリッジ回路部(20)に印加される前記入力電圧に対応する第3電圧を第3検出信号として出力する温度特性調整部(30)と、
     前記第1検出信号及び前記第2検出信号を入力し、前記第1電圧と前記第2電圧との差電圧を第1増幅率で増幅した第1差電圧を第1差電圧信号として出力する第1信号処理回路部(40)と、
     前記第2検出信号及び前記第3検出信号を入力し、前記第2電圧と前記第3電圧との差電圧を前記第1増幅率とは異なる第2増幅率で増幅した第2差電圧を第2差電圧信号として出力する第2信号処理回路部(50)と、
     を備えている物理量検出装置。
  2.  前記第1差電圧信号及び前記第2差電圧信号を入力し、前記第1差電圧と前記第2差電圧とが所定の正常範囲内であるか否かを判定することにより前記ブリッジ回路部(20)の異常を判定する判定回路部(70)を備えている請求項1に記載の物理量検出装置。
  3.  前記第1信号処理回路部(40)から出力される前記第1差電圧信号と、前記第2信号処理回路部(50)から出力される前記第2差電圧信号と、のうち前記判定回路部(70)によって異常であると判定された信号の出力を遮断する遮断回路部(60)を備えている請求項2に記載の物理量検出装置。
  4.  前記ブリッジ回路部(20)は、前記第1歪みゲージ(21)、前記第2歪みゲージ(22)、前記第3歪みゲージ(23)、及び前記第4歪みゲージ(24)が平衡条件を満たさないように前記第1歪みゲージ(21)、前記第2歪みゲージ(22)、前記第3歪みゲージ(23)、及び前記第4歪みゲージ(24)の各抵抗値がそれぞれ設定されており、前記第1検出信号及び前記第2検出信号としてオフセット成分を含んだ信号を出力し、
     前記第1信号処理回路部(40)は、前記オフセット成分を補正するための第1オフセット補正値を有し、当該第1オフセット補正値によって前記第1差電圧を補正し、
     前記第2信号処理回路部(50)は、前記オフセット成分を補正するための第2オフセット補正値を有し、当該第2オフセット補正値によって前記第2差電圧を補正し、
     前記ブリッジ回路部(20)及び前記温度特性調整部(30)に定電流を供給する定電流回路部(10)と、
     前記第1差電圧信号及び前記第2差電圧信号を入力し、前記第1差電圧と前記第2差電圧との和が所定の正常範囲内であるか否かを判定することにより前記定電流回路部(10)の異常を判定する判定回路部(70)と、を備えている請求項1ないし3のいずれか1つに記載の物理量検出装置。
  5.  前記温度特性調整部(30)は、第1抵抗(31)と当該第1抵抗(31)と同じ抵抗値の第2抵抗(32)とが直列接続されて構成されており、前記第1抵抗(31)と前記第2抵抗(32)との第3中点(33)の電圧が前記第3電圧とされ、当該第3電圧を前記第3検出信号として出力する請求項1ないし4のいずれか1つに記載の物理量検出装置。
  6.  前記温度特性調整部(30)は、1つの抵抗(34)を含み、前記1つの抵抗(34)のローサイドがグランドに電気的に接続されており、当該1つの抵抗(34)のローサイドの電圧が前記第3電圧とされ、当該第3電圧を前記第3検出信号として出力する請求項1ないし4のいずれか1つに記載の物理量検出装置。
  7.  前記温度特性調整部(30)は、1つの抵抗(34)を含み、前記1つの抵抗(34)のハイサイドに前記入力電圧が印加されており、当該1つの抵抗(34)のハイサイドの入力電圧が前記第3電圧とされ、当該第3電圧を前記第3検出信号として出力する請求項1ないし4のいずれか1つに記載の物理量検出装置。
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