JP2001208625A - 状態応答センサのレンジ内故障検出方法及び装置 - Google Patents
状態応答センサのレンジ内故障検出方法及び装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ホイートストン・ブリッジ出力におけるレン
ジ内故障の発生を簡単かつコスト効果的に検出する方法
及び回路を提供する。 【解決手段】 第１の回路部（１３）がピエゾ抵抗素子
（Ｒ１〜Ｒ４）によるホイートストン・ブリッジ素子
（１２）のブリッジ出力からコモン・モード電圧
（ＶCM）を発生し、第２及び第３の回路部（１４、１
５）がブリッジ電圧（ＶBRG）からセンサ校正時のコモ
ン・モード電圧に等しいセンタリング電圧（Ｃ
*ＶBRG）、及び窓電圧（Ｗ*ＶBRG）を発生する。一対の
加算回路（ＳＵＭ１、２）によりブリッジ出力の有効範
囲（Ｃ*ＶBRG−Ｗ*ＶBRG〜Ｃ*ＶBRG＋Ｗ*ＶBRG）を設定
し、比較器（Ｑ１〜Ｑ３）により前記コモン・モード電
圧（ＶCM）と比較して有効範囲外が検出されれば警告を
発生する。
ジ内故障の発生を簡単かつコスト効果的に検出する方法
及び回路を提供する。 【解決手段】 第１の回路部（１３）がピエゾ抵抗素子
（Ｒ１〜Ｒ４）によるホイートストン・ブリッジ素子
（１２）のブリッジ出力からコモン・モード電圧
（ＶCM）を発生し、第２及び第３の回路部（１４、１
５）がブリッジ電圧（ＶBRG）からセンサ校正時のコモ
ン・モード電圧に等しいセンタリング電圧（Ｃ
*ＶBRG）、及び窓電圧（Ｗ*ＶBRG）を発生する。一対の
加算回路（ＳＵＭ１、２）によりブリッジ出力の有効範
囲（Ｃ*ＶBRG−Ｗ*ＶBRG〜Ｃ*ＶBRG＋Ｗ*ＶBRG）を設定
し、比較器（Ｑ１〜Ｑ３）により前記コモン・モード電
圧（ＶCM）と比較して有効範囲外が検出されれば警告を
発生する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概して、ピエゾ抵
抗素子を備えたブリッジ回路のようなフル・ブリッジ回
路を有する状態応答センサに関し、特にフル・スケール
出力信号より小さい可能性のあるセンサのオフセット又
は感度における誤差を検出可能にする故障検出を提供す
る装置及び方法に関する。
抗素子を備えたブリッジ回路のようなフル・ブリッジ回
路を有する状態応答センサに関し、特にフル・スケール
出力信号より小さい可能性のあるセンサのオフセット又
は感度における誤差を検出可能にする故障検出を提供す
る装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ブリッジ回路のセンサは、圧力の変化又
は加速度の変化のように、或る状態における変化を検知
するために広く使用されている。一般的なブリッジ回路
のセンサは、シリコンのような基板上にマウントされた
複数のピエゾ抵抗素子を備えているので、検知した状態
における変化がいくつかのピエゾ抵抗素子に誘導されて
いる応力（ストレス）に変化を発生させて、検知状態に
おける変化の関数となるブリッジ出力を得ている。典型
的な使用には、例えば、自動車ブレーキング・システム
に使用する加速度センサ、及び自動車燃料注入システム
に使用する圧力センサが含まれる。多くの応用におい
て、センサに関連するコストを最小化すると同時に、レ
ンジ内（イン−レンジ）センサ誤出力になり得るセンサ
欠陥の検出を可能にする絶え間のない要請がある。シス
テムの信頼性を高めるために複数の冗長センサを使用す
ることが知られている。しかしながら、これは、システ
ムのコストを高くする。センサ誤動作の際にユーザに警
報を出す単一センサ・システムを提供することが望まれ
ている。
は加速度の変化のように、或る状態における変化を検知
するために広く使用されている。一般的なブリッジ回路
のセンサは、シリコンのような基板上にマウントされた
複数のピエゾ抵抗素子を備えているので、検知した状態
における変化がいくつかのピエゾ抵抗素子に誘導されて
いる応力（ストレス）に変化を発生させて、検知状態に
おける変化の関数となるブリッジ出力を得ている。典型
的な使用には、例えば、自動車ブレーキング・システム
に使用する加速度センサ、及び自動車燃料注入システム
に使用する圧力センサが含まれる。多くの応用におい
て、センサに関連するコストを最小化すると同時に、レ
ンジ内（イン−レンジ）センサ誤出力になり得るセンサ
欠陥の検出を可能にする絶え間のない要請がある。シス
テムの信頼性を高めるために複数の冗長センサを使用す
ることが知られている。しかしながら、これは、システ
ムのコストを高くする。センサ誤動作の際にユーザに警
報を出す単一センサ・システムを提供することが望まれ
ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】１９９９年１月１４日
ＰＣＴ出願、国際公開番号ＷＯ９９／０１７７７におい
て、フル・ホイートストン・ピエゾ抵抗センサ・ブリッ
ジ回路の機能を監視する回路が開示されている。比較さ
れる信号が受け入れ可能量を超えてずれると、窓比較器
が警報信号を出力する。開示された回路は、ＡＳＩＣに
対する接続性と共に、ブリッジ抵抗をある程度まで監視
する。しかしながら、前述の従来技術は、複雑であり、
かつその実施サイズのために比較的高価である。前述の
従来技術による解決方法は、正確に調整され、かつ時間
及び温度について安定でなければならないという個別的
な２つの調節回路を必要とする。
ＰＣＴ出願、国際公開番号ＷＯ９９／０１７７７におい
て、フル・ホイートストン・ピエゾ抵抗センサ・ブリッ
ジ回路の機能を監視する回路が開示されている。比較さ
れる信号が受け入れ可能量を超えてずれると、窓比較器
が警報信号を出力する。開示された回路は、ＡＳＩＣに
対する接続性と共に、ブリッジ抵抗をある程度まで監視
する。しかしながら、前述の従来技術は、複雑であり、
かつその実施サイズのために比較的高価である。前述の
従来技術による解決方法は、正確に調整され、かつ時間
及び温度について安定でなければならないという個別的
な２つの調節回路を必要とする。
【０００４】
【発明を解決するための手段】本発明の目的は、以上で
言及した従来技術より簡単、かつよりコスト効果的にブ
リッジ回路センサにおける故障を検出する方法及び回路
を提供することである。本発明の更に他の目的は、故障
がフル・ブリッジ・センサに発生すれば直ちに警報を発
生するレンジ内故障の保護システムを提供することであ
る。更に本発明の他の発明は、信頼性があり、しかも低
コストの集積回路形式により製作するのに適したフル・
ホイートストン・ピエゾ抵抗ブリッジ形式センサ用のレ
ンジ内故障の保護システムを提供することである。更に
本発明の他の発明は、例えば容量性素子を含むブリッジ
のような他のフル・ブリッジ構成に使用可能とするシス
テムを提供することである。
言及した従来技術より簡単、かつよりコスト効果的にブ
リッジ回路センサにおける故障を検出する方法及び回路
を提供することである。本発明の更に他の目的は、故障
がフル・ブリッジ・センサに発生すれば直ちに警報を発
生するレンジ内故障の保護システムを提供することであ
る。更に本発明の他の発明は、信頼性があり、しかも低
コストの集積回路形式により製作するのに適したフル・
ホイートストン・ピエゾ抵抗ブリッジ形式センサ用のレ
ンジ内故障の保護システムを提供することである。更に
本発明の他の発明は、例えば容量性素子を含むブリッジ
のような他のフル・ブリッジ構成に使用可能とするシス
テムを提供することである。
【０００５】要するに、本発明による故障検出システム
は、付勢されたフル・ホイートストン・ブリッジの複数
出力に接続されてセンサ校正中に複数のブリッジ出力の
コモン・モード電圧を発生し、次いでこれを電圧窓と比
較して通常の動作中における故障状態を判断する手段を
得る回路を備える。フル・ブリッジ出力のコモン・モー
ド電圧は、フル・ブリッジに印加される刺激に対して不
感知（インセンシティブ）であり、かつ２つのブリッジ
出力間の電圧レンジ内にある、複数のブリッジ出力電圧
の線形な１組み合わせに等しい電圧として定義される。
コモン・モード電圧及び故障窓を得るための複数の回路
パラメータは、適当に調整され、かつ不揮発性メモリに
記憶される。
は、付勢されたフル・ホイートストン・ブリッジの複数
出力に接続されてセンサ校正中に複数のブリッジ出力の
コモン・モード電圧を発生し、次いでこれを電圧窓と比
較して通常の動作中における故障状態を判断する手段を
得る回路を備える。フル・ブリッジ出力のコモン・モー
ド電圧は、フル・ブリッジに印加される刺激に対して不
感知（インセンシティブ）であり、かつ２つのブリッジ
出力間の電圧レンジ内にある、複数のブリッジ出力電圧
の線形な１組み合わせに等しい電圧として定義される。
コモン・モード電圧及び故障窓を得るための複数の回路
パラメータは、適当に調整され、かつ不揮発性メモリに
記憶される。
【０００６】レンジ内の故障検出を行う本発明のセンサ
及び方法の他の目的、効果及び詳細は、本発明の好まし
い実施例についての下記の詳細な説明に示されており、
詳細な説明は下記の図面を参照する。
及び方法の他の目的、効果及び詳細は、本発明の好まし
い実施例についての下記の詳細な説明に示されており、
詳細な説明は下記の図面を参照する。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、本発明の好ま
しい実施例に従った作成されたピエゾ抵抗のセンサ素子
１２と共に、ピエゾ抵抗センサ・コンディショナ特定用
途向け集積回路（ＡＳＩＣ）１０が示されている。ＡＳ
ＩＣ１０は、センサ素子１２のオフ・チップ・ピエゾ抵
抗における小さな変化をＡＳＩＣ電源・比率出力電圧に
おける大きな変化に変換する。４つのピエゾ抵抗Ｒ１〜
Ｒ４は、外部に接続されているセンサ素子１２内でフル
・ホイートストン・ブリッジに配列されている。ピエゾ
抵抗Ｒ１〜Ｒ４の値は、燃料注入システムのような自動
車アンダー・フード応用を含む、種々の応用装置で使用
される圧力のような機械的な刺激の印加に応答して変動
する。ＡＳＩＣ１０は、センサ素子１２の各ノードに接
続され、続いてセンサ素子１２のピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４
に接続されるノードＢＲＧ、ＩＮＰ、ＩＮＭと共に、電
源及びセンサ出力の外部接続用のノードＰＷＲ、ＯＵＴ
及びＲＴＮを有する。
しい実施例に従った作成されたピエゾ抵抗のセンサ素子
１２と共に、ピエゾ抵抗センサ・コンディショナ特定用
途向け集積回路（ＡＳＩＣ）１０が示されている。ＡＳ
ＩＣ１０は、センサ素子１２のオフ・チップ・ピエゾ抵
抗における小さな変化をＡＳＩＣ電源・比率出力電圧に
おける大きな変化に変換する。４つのピエゾ抵抗Ｒ１〜
Ｒ４は、外部に接続されているセンサ素子１２内でフル
・ホイートストン・ブリッジに配列されている。ピエゾ
抵抗Ｒ１〜Ｒ４の値は、燃料注入システムのような自動
車アンダー・フード応用を含む、種々の応用装置で使用
される圧力のような機械的な刺激の印加に応答して変動
する。ＡＳＩＣ１０は、センサ素子１２の各ノードに接
続され、続いてセンサ素子１２のピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４
に接続されるノードＢＲＧ、ＩＮＰ、ＩＮＭと共に、電
源及びセンサ出力の外部接続用のノードＰＷＲ、ＯＵＴ
及びＲＴＮを有する。
【０００８】本発明の好ましい実施例によれば、コモン
・モード電圧ＶCMは、ブリッジ電圧出力接続ＩＮＰ、Ｉ
ＮＭ間に接続された回路部１３を使用して得られる。以
下で詳細に説明するように、電圧ＶCM はＡ*ＶINP ＋
（１−Ａ）*ＶINM に等しい。回路部１３は、抵抗Ｒ１
１、Ｒ１２及びＲ１３から作成された第１のＤＡＣを備
えている。故障窓センタリング電圧Ｃ*ＶBRG は、抵抗
Ｒ８、Ｒ９及びＲ１０から作成された第２のＤＡＣ形式
にある回路部１４を使用して得られ、また故障パラメー
タ窓幅パラメータＷ*ＶBRG は、抵抗Ｒ５、Ｒ６及びＲ
７から作成された第３のＤＡＣ形式にある回路部１５を
使用して得られる。Ａ、Ｃ及びＷの値は、不揮発性メモ
リ１６に記憶されている。回路部１３、１４及び１５の
出力は、故障状態のステータス状態表示を得るために、
以下で説明する窓比較器１８に接続されている。
・モード電圧ＶCMは、ブリッジ電圧出力接続ＩＮＰ、Ｉ
ＮＭ間に接続された回路部１３を使用して得られる。以
下で詳細に説明するように、電圧ＶCM はＡ*ＶINP ＋
（１−Ａ）*ＶINM に等しい。回路部１３は、抵抗Ｒ１
１、Ｒ１２及びＲ１３から作成された第１のＤＡＣを備
えている。故障窓センタリング電圧Ｃ*ＶBRG は、抵抗
Ｒ８、Ｒ９及びＲ１０から作成された第２のＤＡＣ形式
にある回路部１４を使用して得られ、また故障パラメー
タ窓幅パラメータＷ*ＶBRG は、抵抗Ｒ５、Ｒ６及びＲ
７から作成された第３のＤＡＣ形式にある回路部１５を
使用して得られる。Ａ、Ｃ及びＷの値は、不揮発性メモ
リ１６に記憶されている。回路部１３、１４及び１５の
出力は、故障状態のステータス状態表示を得るために、
以下で説明する窓比較器１８に接続されている。
【０００９】フル・ブリッジ出力電圧ＶINP 、ＶINM の
線形な組み合わせに等しくてフル・ブリッジに印加され
る刺激に対して非応答的又は不感知となるように、まず
コモン・モード電圧ＶCMを調整することにより故障検出
システムは校正される（即ち、ＶCM ＝｛ＡＶINP ＋
（１−Ａ）ＶINM ｝、ただし、０＜Ａ＜１、及びＶCM≠
ｆ（刺激））。２つのハーフ・ブリッジの刺激感度を完
全に整合すると、２つのハーフ・ブリッジ出力の平均に
等しくなるコモン・モード電圧（即ち、ＶCM＝（ＶINP
＋ＶINM ）／２；Ａ＝０．５０）に帰結する。
線形な組み合わせに等しくてフル・ブリッジに印加され
る刺激に対して非応答的又は不感知となるように、まず
コモン・モード電圧ＶCMを調整することにより故障検出
システムは校正される（即ち、ＶCM ＝｛ＡＶINP ＋
（１−Ａ）ＶINM ｝、ただし、０＜Ａ＜１、及びＶCM≠
ｆ（刺激））。２つのハーフ・ブリッジの刺激感度を完
全に整合すると、２つのハーフ・ブリッジ出力の平均に
等しくなるコモン・モード電圧（即ち、ＶCM＝（ＶINP
＋ＶINM ）／２；Ａ＝０．５０）に帰結する。
【００１０】ブリッジ電源電圧ＶBRGに比例した故障窓
センタリング電圧Ｃ*ＶBRG は、コモン・モード電圧の
トリミングに続いてコモン・モード電圧Ｖcm にほぼ等
しくなるように調整される。
センタリング電圧Ｃ*ＶBRG は、コモン・モード電圧の
トリミングに続いてコモン・モード電圧Ｖcm にほぼ等
しくなるように調整される。
【００１１】故障窓幅パラメータＷ*ＶBRGは、ブリッジ
電源電圧の既知部分（ｆｒａｃｔｉｏｎ）に等しくなる
ように調整される。代わりに、所望により、故障窓幅パ
ラメータは、フル・スケール出力の既知部分に等しくな
るように作成されてもよい。窓幅パラメータＷは、典型
的には、故障検出機能を最大化するために可能な限り小
さくなるように調整される。時間、温度等について偽故
障の報告を避けるために、窓幅パラメータの下限は、校
正誤差及びドリフトのようなＡＳＩＣの影響に加え、セ
ンサの校正中に補償されないコモン・モード電圧におけ
る予測変動よりも、十分に大きくなるように選択され
る。
電源電圧の既知部分（ｆｒａｃｔｉｏｎ）に等しくなる
ように調整される。代わりに、所望により、故障窓幅パ
ラメータは、フル・スケール出力の既知部分に等しくな
るように作成されてもよい。窓幅パラメータＷは、典型
的には、故障検出機能を最大化するために可能な限り小
さくなるように調整される。時間、温度等について偽故
障の報告を避けるために、窓幅パラメータの下限は、校
正誤差及びドリフトのようなＡＳＩＣの影響に加え、セ
ンサの校正中に補償されないコモン・モード電圧におけ
る予測変動よりも、十分に大きくなるように選択され
る。
【００１２】熱補償を必要とする校正調整は、多数の温
度点で校正処理を反復して線形及び高次（オーダ）の熱
係数の補償を設定することを含む。調整可能な全てのパ
ラメータは、不揮発メモリ１６に記憶される。熱補償を
必要とするセンサは、図２ａに示すように、ＡＳＩＣ１
０上の従来の温度基準（例えば、帯域ギャップ基準電圧
に関連した信号）から、又はセンサ素子温度に関連する
信号により、温度信号を導き出してもよい。センサ素子
の温度に関連した信号を得る一つの方法は、図３ａ又は
３ｂに示すように、センサ素子を駆動し、かつ温度信号
のようにセンサ・ブリッジの温度依存性のために、Ｖ
BRG における温度変動を利用する。図３ａに示すよう
に、主としてフル・ブリッジ抵抗における抵抗変化のた
めに、フル・ブリッジ抵抗がブリッジ電圧ＶBRGに温度
による変動を発生させるよりも、かなり低い熱変動を有
する直列抵抗ＲSERIES を設ける。同様に、図３ｂに示
すように、主としてフル・ブリッジ抵抗の熱変動のため
に、フル・ブリッジ抵抗がブリッジ電圧ＶBRGに温度に
よる変動を発生させるよりも、かなり低い熱変動を有す
る電流源ＩSOUCEを設ける。しかしながら、図３ａ及び
３ｂに示すブリッジ電力供給技術は、センサ素子１２の
信号をＶBRG ／ＶPRW比によって低下させる。センサ素
子から温度信号を導き出さない実施例では、図３に示す
ブリッジ給電技術を利用してセンサ信号を最大化するこ
とにより、必要とするＡＳＩＣのゲインを低下させても
よい。
度点で校正処理を反復して線形及び高次（オーダ）の熱
係数の補償を設定することを含む。調整可能な全てのパ
ラメータは、不揮発メモリ１６に記憶される。熱補償を
必要とするセンサは、図２ａに示すように、ＡＳＩＣ１
０上の従来の温度基準（例えば、帯域ギャップ基準電圧
に関連した信号）から、又はセンサ素子温度に関連する
信号により、温度信号を導き出してもよい。センサ素子
の温度に関連した信号を得る一つの方法は、図３ａ又は
３ｂに示すように、センサ素子を駆動し、かつ温度信号
のようにセンサ・ブリッジの温度依存性のために、Ｖ
BRG における温度変動を利用する。図３ａに示すよう
に、主としてフル・ブリッジ抵抗における抵抗変化のた
めに、フル・ブリッジ抵抗がブリッジ電圧ＶBRGに温度
による変動を発生させるよりも、かなり低い熱変動を有
する直列抵抗ＲSERIES を設ける。同様に、図３ｂに示
すように、主としてフル・ブリッジ抵抗の熱変動のため
に、フル・ブリッジ抵抗がブリッジ電圧ＶBRGに温度に
よる変動を発生させるよりも、かなり低い熱変動を有す
る電流源ＩSOUCEを設ける。しかしながら、図３ａ及び
３ｂに示すブリッジ電力供給技術は、センサ素子１２の
信号をＶBRG ／ＶPRW比によって低下させる。センサ素
子から温度信号を導き出さない実施例では、図３に示す
ブリッジ給電技術を利用してセンサ信号を最大化するこ
とにより、必要とするＡＳＩＣのゲインを低下させても
よい。
【００１３】以上で述べたように、本発明の好ましい実
施例により作成された校正された故障検出システムの動
作において、２つブリッジ・ハーフのコモン・モード電
圧は、ブリッジ出力ノード間に直列接続された調整可能
な抵抗分圧器のタップ、即ち第１のポテンショメータＤ
ＡＣ出力を備えた回路部１３から得られる。出力ＶCM＝
｛Ａ*ＶINP ＋（１−Ａ）*ＶINM ｝を有する第１のＤＡ
Ｃにおける設定Ａは、フル・ブリッジが印加された刺激
に不感知となるように、コモン・モード電圧が選択され
る。ブリッジ電圧ＶBRGとアナログ接地ＶRTN との間に
接続された第２のＤＡＣを備えた回路部１４は、故障窓
を中心に置くように、かつＶC〜ＶCMの関係を満足する
ように調整される。ブリッジ電圧とアナログ接地との間
に接続された第３のＤＡＣを備えた回路部１５は、半分
の故障窓幅を発生するように設定される。次いで、パラ
メータＷ*ＶBRG は、第１の加算回路ＳＵＭ１において
Ｃ*ＶBRG に加算されて、続いて第１の比較器Ｑ１の正
入力に入力され、また第２の加算回路ＳＵＭ２において
Ｃ*ＶBRG から引き算をし、続いて第２の比較器Ｑ２の
負入力に入力される。比較器Ｑ１及びＱ２の出力は、デ
ィジタル・ロジックのＯＲゲートＱ３の入力に接続され
ており、従ってコモン・モード電圧が（Ｃ−Ｗ）*ＶREG
〜（Ｃ＋Ｗ）*ＶREG により仕切られた窓の外側にある
ときは、ＯＲゲートＱ３のロジック“１”出力により故
障が表示される。ＯＲゲートＱ３の出力は、故障状態の
ステータス状態を反映しており、従ってユーザは、セン
サ素子又はそのＡＳＩＣに対する接続機能の誤動作につ
いて警告される。
施例により作成された校正された故障検出システムの動
作において、２つブリッジ・ハーフのコモン・モード電
圧は、ブリッジ出力ノード間に直列接続された調整可能
な抵抗分圧器のタップ、即ち第１のポテンショメータＤ
ＡＣ出力を備えた回路部１３から得られる。出力ＶCM＝
｛Ａ*ＶINP ＋（１−Ａ）*ＶINM ｝を有する第１のＤＡ
Ｃにおける設定Ａは、フル・ブリッジが印加された刺激
に不感知となるように、コモン・モード電圧が選択され
る。ブリッジ電圧ＶBRGとアナログ接地ＶRTN との間に
接続された第２のＤＡＣを備えた回路部１４は、故障窓
を中心に置くように、かつＶC〜ＶCMの関係を満足する
ように調整される。ブリッジ電圧とアナログ接地との間
に接続された第３のＤＡＣを備えた回路部１５は、半分
の故障窓幅を発生するように設定される。次いで、パラ
メータＷ*ＶBRG は、第１の加算回路ＳＵＭ１において
Ｃ*ＶBRG に加算されて、続いて第１の比較器Ｑ１の正
入力に入力され、また第２の加算回路ＳＵＭ２において
Ｃ*ＶBRG から引き算をし、続いて第２の比較器Ｑ２の
負入力に入力される。比較器Ｑ１及びＱ２の出力は、デ
ィジタル・ロジックのＯＲゲートＱ３の入力に接続され
ており、従ってコモン・モード電圧が（Ｃ−Ｗ）*ＶREG
〜（Ｃ＋Ｗ）*ＶREG により仕切られた窓の外側にある
ときは、ＯＲゲートＱ３のロジック“１”出力により故
障が表示される。ＯＲゲートＱ３の出力は、故障状態の
ステータス状態を反映しており、従ってユーザは、セン
サ素子又はそのＡＳＩＣに対する接続機能の誤動作につ
いて警告される。
【００１４】以上の実施例は、ブリッジのコモン・モー
ド電圧の刺激、時間及び温度変動に影響するブリッジ・
パラメータを慎重に制御又は選別（スクリーニング）し
てコモン・モード故障パラメータに対する一定のＡＳＩ
Ｃ調整を削除することにより、更に簡単化されてもよ
い。例えば、コモン・モード電圧を発生するために使用
される回路部１３の抵抗性ＤＡＣは、２つのハーフ・ブ
リッジの刺激感度が非常に良く一致するのであれば、ブ
リッジ出力間が一対の等値抵抗（図示なし）により置換
されてもよい。
ド電圧の刺激、時間及び温度変動に影響するブリッジ・
パラメータを慎重に制御又は選別（スクリーニング）し
てコモン・モード故障パラメータに対する一定のＡＳＩ
Ｃ調整を削除することにより、更に簡単化されてもよ
い。例えば、コモン・モード電圧を発生するために使用
される回路部１３の抵抗性ＤＡＣは、２つのハーフ・ブ
リッジの刺激感度が非常に良く一致するのであれば、ブ
リッジ出力間が一対の等値抵抗（図示なし）により置換
されてもよい。
【００１５】代わって、図２ｂに示すように、回路部１
３は、比較器Ｑ４に接続された第１及び第２の容量性Ｄ
ＡＣ Ｃ１１、Ｃ１２を備えて、コモン・モード電圧Ｖ
CMを得るようにされてもよい。
３は、比較器Ｑ４に接続された第１及び第２の容量性Ｄ
ＡＣ Ｃ１１、Ｃ１２を備えて、コモン・モード電圧Ｖ
CMを得るようにされてもよい。
【００１６】図２ａを参照すると、変更した実施例が温
度調節（コンディショニング）回路２０により得られる
熱補償を備えている。ここで、Ａは次式に等しい。
度調節（コンディショニング）回路２０により得られる
熱補償を備えている。ここで、Ａは次式に等しい。
【００１７】
【数１】
【００１８】不揮発メモリ１６は、温度調節回路２０と
相互接続されたポートｎ−Ａ０、Ａ１、Ａ２、・・・Ａ
ｎ；ｍ−Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｍ；ｐ−Ｗ０、Ｗ
１、Ｗ２、・・・Ｗｐを有する。窓センタリング電圧に
対する熱補償は、温度によるコモン・モード電圧に影響
するセンサ素子パラメータを慎重に制御することにより
省略されてもよい。
相互接続されたポートｎ−Ａ０、Ａ１、Ａ２、・・・Ａ
ｎ；ｍ−Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｍ；ｐ−Ｗ０、Ｗ
１、Ｗ２、・・・Ｗｐを有する。窓センタリング電圧に
対する熱補償は、温度によるコモン・モード電圧に影響
するセンサ素子パラメータを慎重に制御することにより
省略されてもよい。
【００１９】以上で説明したように、ブリッジ電源電圧
比を使用して中心電圧及び窓値を得たが、フル・スケー
ル範囲から窓幅値を導き出すことは、本発明の範囲内に
ある。従って、窓幅電圧は、ＡＳＩＣゲインに逆比例し
ていてもよい。センサの校正中は、窓幅パラメータ用の
熱補償係数をセンサの刺激ゲイン熱補償係数に機能的に
関連させてもよく、これによって、定義した温度範囲で
フル・スケール出力の既知部分（フラクション）により
与えられた窓設定を得る。
比を使用して中心電圧及び窓値を得たが、フル・スケー
ル範囲から窓幅値を導き出すことは、本発明の範囲内に
ある。従って、窓幅電圧は、ＡＳＩＣゲインに逆比例し
ていてもよい。センサの校正中は、窓幅パラメータ用の
熱補償係数をセンサの刺激ゲイン熱補償係数に機能的に
関連させてもよく、これによって、定義した温度範囲で
フル・スケール出力の既知部分（フラクション）により
与えられた窓設定を得る。
【００２０】他の変形実施例では、フル・ブリッジ出力
及び電源電圧に関連したディジタル・アナログ信号を利
用することができる。次いで、ディジタル・データを評
価してフル・ブリッジのコモン・モード電圧における変
化により発生した故障状態の存在を判断する。図２ｃを
参照すると、調節回路２２、及びブリッジ電圧ＶBRGと
コモンとの間に接続されたアナログ・ディジタル変換器
２４は、ブリッジ電圧ＶBRGに接続され、かつディジタ
ル信号をＸに供給し、これがマイクロコントローラ３４
に入力される。調節回路２６、及びブリッジ電圧ＶBRG
とコモンとの間に接続されたアナログ・ディジタル変換
器２８は、ブリッジ電圧ＶINPに接続され、かつディジ
タル信号をＹに供給し、これがマイクロコントローラ３
４に入力される。同様に、調節回路３０、及びブリッジ
電圧ＶBRG とコモンとの間に接続されたアナログ・ディ
ジタル変換器３２は、ブリッジ電圧ＶINPに接続され、
かつディジタル信号をＺに供給し、これがマイクロコン
トローラ３４に入力される。マイクロコントローラ３４
は、不揮発メモリ１６からの値ｎ−Ａ０、Ａ１、Ａ２、
・・・Ａｎ；ｍ−Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｍ；ｐ−
Ｗ０、Ｗ１、Ｗ２、・・・Ｗｐと共に、Ｘ、Ｙ及びＺか
らの入力に基づき、下記に従って計算を実行する。
及び電源電圧に関連したディジタル・アナログ信号を利
用することができる。次いで、ディジタル・データを評
価してフル・ブリッジのコモン・モード電圧における変
化により発生した故障状態の存在を判断する。図２ｃを
参照すると、調節回路２２、及びブリッジ電圧ＶBRGと
コモンとの間に接続されたアナログ・ディジタル変換器
２４は、ブリッジ電圧ＶBRGに接続され、かつディジタ
ル信号をＸに供給し、これがマイクロコントローラ３４
に入力される。調節回路２６、及びブリッジ電圧ＶBRG
とコモンとの間に接続されたアナログ・ディジタル変換
器２８は、ブリッジ電圧ＶINPに接続され、かつディジ
タル信号をＹに供給し、これがマイクロコントローラ３
４に入力される。同様に、調節回路３０、及びブリッジ
電圧ＶBRG とコモンとの間に接続されたアナログ・ディ
ジタル変換器３２は、ブリッジ電圧ＶINPに接続され、
かつディジタル信号をＺに供給し、これがマイクロコン
トローラ３４に入力される。マイクロコントローラ３４
は、不揮発メモリ１６からの値ｎ−Ａ０、Ａ１、Ａ２、
・・・Ａｎ；ｍ−Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｍ；ｐ−
Ｗ０、Ｗ１、Ｗ２、・・・Ｗｐと共に、Ｘ、Ｙ及びＺか
らの入力に基づき、下記に従って計算を実行する。
【００２１】
【数２】
【００２２】図２ｂに示すように、本発明の範囲内で、
容量性分圧器及び容量性ＤＡＣを使用してフル・ブリッ
ジ電圧に関連した必要信号を発生することができる。一
対の容量性ＤＡＣを使用してＶCM 信号の発生を得る１
方法は、以下のようなハードウェア及びクロッキングを
備えている。即ち、クロック信号θ１により一対のスイ
ッチＳ１及びＳ２を同時に閉じる一方、スイッチＳ３及
びＳ４を開放して調整可能なコンデンサＣ１１及びＣ１
２にブリッジ出力電圧ＶINP及びＶINM をそれぞれ記憶
する。調整可能なコンデンサＣ１１及びＣ１２上に電圧
を設定することに続いて、クロック位相θ１がブリッジ
とコンデンサとの間のスイッチＳ１及びＳ２を開放し、
短い期間後にクロック信号θ２が一対のスイッチＳ３及
びＳ４を同時に閉じてバッファ・フィードバック構成に
あるコンデンサＣ１３及び増幅器Ｑ４により与えられた
サンプル・ホールド回路にＶCM を記憶する。調整可能
なコンデンサＣ１１及びＣ１２に対してコンデンサ１３
の値は、回路の応答時間に影響する。調整可能なコンデ
ンサＣ１１及びＣ１２は、ブリッジに印加される刺激に
対して不感知なＶCMを発生するように調整される必要が
ある。所望により、コンデンサＣ１１又はＣ１２のうち
の一つのみが所要ＶCMトリミングに対応するように調整
可能にされる必要がある。更に、増幅器Ｑ４にゲイン１
以外（ノン−ユニティ・ゲイン）を適用することは、明
らかであり、本発明の範囲内にある。
容量性分圧器及び容量性ＤＡＣを使用してフル・ブリッ
ジ電圧に関連した必要信号を発生することができる。一
対の容量性ＤＡＣを使用してＶCM 信号の発生を得る１
方法は、以下のようなハードウェア及びクロッキングを
備えている。即ち、クロック信号θ１により一対のスイ
ッチＳ１及びＳ２を同時に閉じる一方、スイッチＳ３及
びＳ４を開放して調整可能なコンデンサＣ１１及びＣ１
２にブリッジ出力電圧ＶINP及びＶINM をそれぞれ記憶
する。調整可能なコンデンサＣ１１及びＣ１２上に電圧
を設定することに続いて、クロック位相θ１がブリッジ
とコンデンサとの間のスイッチＳ１及びＳ２を開放し、
短い期間後にクロック信号θ２が一対のスイッチＳ３及
びＳ４を同時に閉じてバッファ・フィードバック構成に
あるコンデンサＣ１３及び増幅器Ｑ４により与えられた
サンプル・ホールド回路にＶCM を記憶する。調整可能
なコンデンサＣ１１及びＣ１２に対してコンデンサ１３
の値は、回路の応答時間に影響する。調整可能なコンデ
ンサＣ１１及びＣ１２は、ブリッジに印加される刺激に
対して不感知なＶCMを発生するように調整される必要が
ある。所望により、コンデンサＣ１１又はＣ１２のうち
の一つのみが所要ＶCMトリミングに対応するように調整
可能にされる必要がある。更に、増幅器Ｑ４にゲイン１
以外（ノン−ユニティ・ゲイン）を適用することは、明
らかであり、本発明の範囲内にある。
【００２３】本発明を説明するために本発明の特定の一
実施例を説明したが、本発明は、付記する請求の範囲内
に入る開示した一実施例の全ての変形及び等価物を含む
ことを理解すべきである。
実施例を説明したが、本発明は、付記する請求の範囲内
に入る開示した一実施例の全ての変形及び等価物を含む
ことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により作成された回路を実施したフル・
ホイートストン・ブリッジ・センサ素子及びＡＳＩＣの
概要図。
ホイートストン・ブリッジ・センサ素子及びＡＳＩＣの
概要図。
【図２】コモン・モード電圧、窓センタリング電圧及び
窓幅電圧を供給する回路部及び窓比較器回路を示した図
１のＡＳＩＣにおけるコモン・モード故障検出回路部の
概要図である。
窓幅電圧を供給する回路部及び窓比較器回路を示した図
１のＡＳＩＣにおけるコモン・モード故障検出回路部の
概要図である。
【図２ａ】コモン・モード電圧、窓センタリング電圧及
び窓幅電圧に対する温度補償回路を含む図２の構造の変
形概要図である。
び窓幅電圧に対する温度補償回路を含む図２の構造の変
形概要図である。
【図２ｂ】コモン・モード電圧を得る容量性ＤＡＣを使
用する本発明の他の実施例を示した図２のコモン・モー
ド故障検出回路部におけるコモン・モード電圧回路部の
概要図である。
用する本発明の他の実施例を示した図２のコモン・モー
ド故障検出回路部におけるコモン・モード電圧回路部の
概要図である。
【図２ｃ】ディジタル領域において計算を実行するため
にアナログ・ディジタル変換器を実施した変更実施例の
図２ａと同様の概要図である。
にアナログ・ディジタル変換器を実施した変更実施例の
図２ａと同様の概要図である。
【図３】電圧源としてフル・ブリッジ・センサ素子電源
を示した図１のＡＳＩＣ部分の概要図である。
を示した図１のＡＳＩＣ部分の概要図である。
【図３ａ】電圧源及び直列抵抗としてフル・ブリッジ・
センサ素子電源を示した図３と同様の概要図である。
センサ素子電源を示した図３と同様の概要図である。
【図３ｂ】電流源としてフル・ブリッジ・センサ素子電
源を示した図３と同様の概要図である。
源を示した図３と同様の概要図である。
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ ピエゾ抵抗素子 １０ ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路） １２ センサ素子 １３、１４、１５ 回路部 １６ 不揮発メモリ １８ 窓比較器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デビッド エル、コーカム アメリカ合衆国 マサチューセッツ、アト ルボロ、 ウィルマース ストリート 407 (72)発明者 トマス アール、マハー アメリカ合衆国 マサチューセッツ、ルホ ボス、 メイプル レーン 25
Claims (19)
- 【請求項１】 フル・ホイートストン・ブリッジ出力ノ
ード間に接続されて刺激に対して不感知なコモン・モー
ド電圧信号を得る回路と、所定の電圧窓を設ける回路
と、前記コモン・モード電圧を電圧窓と比較してセンサ
故障状態を判断する回路とを含むフル・ホイートストン
・ブリッジ用故障検出装置。 - 【請求項２】 前記コモン・モード電圧を発生する前記
回路は、調整可能である請求項１記載の故障検出装置。 - 【請求項３】 前記コモン・モード電圧を発生する前記
回路は、ポテンショメータ抵抗ストリングを含む請求項
２記載の故障検出装置。 - 【請求項４】 前記コモン・モード電圧を発生する前記
回路は、少なくとも１つの容量性ＤＡＣを含む請求項２
記載の故障検出装置。 - 【請求項５】 前記電圧窓は、窓センタリング電圧から
窓幅電圧を加算及び減算する回路により定義され、前記
窓センタリング電圧及び前記窓幅電圧は、ブリッジ電源
電圧に比例している請求項１記載の故障検出装置。 - 【請求項６】 温度補償するように前記窓センタリング
電圧を調整する回路を更に備えた請求項５記載の故障検
出装置。 - 【請求項７】 温度補償するように前記窓幅電圧を調整
する回路を更に備えた請求項５記載の故障検出装置。 - 【請求項８】 前記窓幅電圧は、前記フル・スケール信
号に比例している請求項５記載の故障検出装置。 - 【請求項９】 前記コモン・モード電圧信号は、アナロ
グ信号であり、前記アナログ信号及び窓パラメータをデ
ィジタル化し、かつディジタル領域において前記コモン
・モード電圧及び窓パラメータのディジタル値について
計算して故障状態を判断する回路を更に備えた請求項１
記載の故障検出装置。 - 【請求項１０】 前記フル・ホイートストン・ブリッジ
は、ピエゾ抵抗素子を備えた請求項１記載の故障検出装
置。 - 【請求項１１】 ブリッジ出力を持つフル・ホイートス
トン・ブリッジのセンサ素子及びこれに対する接続の故
障を監視する方法であって、 前記センサ素子を電源により付勢するステップと、 前記フル・ホイートストン・ブリッジのセンサ素子出力
間の回路を調整して、前記ブリッジの出力電圧の線形的
組み合わせに等しく、かつセンサ校正中に刺激に対して
不感知なコモン・モード電圧を発生するステップと、 前記コモン・モード電圧を設定するためにメモリに前記
調整した回路パラメータを記憶するステップと、 前記コモン・モード電圧を故障窓と比較するステップ
と、 前記コモン・モード電圧が前記故障窓を超えたときに故
障表示を設定するステップとを備えた、故障監視方法。 - 【請求項１２】 前記ブリッジの電源電圧に比例してい
る窓センタリング電圧及び窓幅電圧により定義された電
圧レンジにより前記故障窓は、定義されている請求項１
１記載の方法。 - 【請求項１３】 前記窓センタリング電圧は、センサ校
正時に前記コモン・モード電圧に等しい請求項１２記載
の方法。 - 【請求項１４】 前記コモン・モード電圧は、前記ブリ
ッジの出力電圧間の平均に等しく固定されている請求項
１１記載の方法。 - 【請求項１５】 前記故障窓は、（前記窓センタリング
電圧−前記窓幅電圧）の値から（前記窓センタリング電
圧＋前記窓幅電圧）の値までの間で定義される請求項１
２記載の方法。 - 【請求項１６】 前記窓幅電圧は、前記フル・ホイート
ストン・ブリッジのフル・スケール出力に比例している
請求項１２記載の方法。 - 【請求項１７】 前記ブリッジ・センサ素子は、電圧源
により給電される請求項１１記載の方法。 - 【請求項１８】 前記ブリッジ・センサ素子は、直列抵
抗を介して電圧源により給電される請求項１１記載の方
法。 - 【請求項１９】 前記ブリッジ・センサ素子は、電流源
により給電される請求項１１記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US468260 | 1999-12-20 | ||
| US09/468,260 US6433554B1 (en) | 1999-12-20 | 1999-12-20 | Method and apparatus for in-range fault detection of condition responsive sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001208625A true JP2001208625A (ja) | 2001-08-03 |
Family
ID=23859095
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000385537A Pending JP2001208625A (ja) | 1999-12-20 | 2000-12-19 | 状態応答センサのレンジ内故障検出方法及び装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6433554B1 (ja) |
| EP (1) | EP1111344B1 (ja) |
| JP (1) | JP2001208625A (ja) |
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| JP2005181337A (ja) * | 2003-12-22 | 2005-07-07 | Texas Instruments Inc | 可変条件に応答自在な検出システムおよび方法 |
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-
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- 2000-12-19 EP EP00311374A patent/EP1111344B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2000-12-19 JP JP2000385537A patent/JP2001208625A/ja active Pending
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