JPH0581720U - 半導体センサの故障検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 故障内容によらず、歪ゲージの短絡や断線を
確実に検出する。 【構成】 ブリッジ接続された歪ゲージＲ１〜Ｒ４から
なる半導体センサ１に、故障検出用抵抗ｒを並列接続
し、故障検出用抵抗ｒと半導体センサ１の並列接続回路
１２を定電流駆動して故障検出用抵抗ｒの両端にかかる
電圧（ｖ１−ｖ２）を検出し、この電圧があらかじめ設
定した一定範囲を外れたときに、半導体センサ１の故障
を報知することにより、１又は２以上の歪ゲージＲ１〜
Ｒ４が断線又は短絡したときに生ずる半導体センサ１の
合成抵抗の変化を、故障内容によらず故障検出用抵抗ｒ
の両端にかかる電圧（ｖ１−ｖ２）の変化をもって確実
に検出する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、故障内容によらず、歪ゲージの短絡や断線が確実に検出できるよ うにした半導体センサの故障検出装置。

【０００２】

【従来の技術】

車両衝突時にエアバッグを展開して乗員を保護するエアバッグ装置は、車両に 加わる衝撃の大きさを検出するため、図２に示したように、衝撃に比例する加速 度の変化を検出する半導体センサを用いている。半導体センサ１は、ピエゾ抵抗 効果により外力の大きさに応じて抵抗値が変化する４個の歪ゲージＲ１，Ｒ２， Ｒ３，Ｒ４を、互いに直列の歪ゲージＲ１とＲ２及びＲ３とＲ４を並列接続した もので、ブリッジ接続された歪ゲージＲ１〜Ｒ４に定電圧源２から一定電圧Ｖｃ を印加し、歪ゲージＲ１とＲ２の接続点Ｐ１２と歪ゲージＲ３とＲ４の接続点Ｐ ３４の電位差ΔＶから、加速度の大きさを検出する構成とされている。外力の作 用していないときの歪ゲージＲ１〜Ｒ４の抵抗値はいずれもＲであるが、加速度 を受けて対角位置の歪ゲージＲ１，Ｒ３の抵抗値が仮にＲ＋ΔＲに変化したとき に、残る対角位置の歪ゲージＲ２，Ｒ４の抵抗値はＲ−ΔＲに変化する。このた め、半導体センサ１自体の合成抵抗はＲに保たれたまま、接続点Ｐ１２，Ｐ３４ に抵抗変化ΔＲすなわち加速度の大きさに応じたΔＲＶｃ／Ｒなる電位差が生じ 、衝撃の大きさが判明する。

【０００３】 ところで、こうした４個の歪ゲージＲ１〜Ｒ４をブリッジ接続した半導体セン サ１は、歪ゲージＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が１個でも短絡したり或いは断線した りした場合に、加速度センサとしての役目がまったく果たせなくなるため、この 種の故障は特に厳重に監視する必要がある。そこで、従来は歪ゲージＲ１とＲ２ の接続点Ｐ１２及び歪ゲージＲ３とＲ４の接続点Ｐ３４にそれぞれ電圧監視用の ウインドウコンパレータ３，４を接続し、各接続点Ｐ１２，Ｐ３４の電圧をウイ ンドウコンパレータ３，４にそれぞれ設定した上下の基準電圧Ｖａ，Ｖｂと比較 し、仮に接続点Ｐ１２，Ｐ３４のいずれか一方でも上下の基準電圧Ｖａ，Ｖｂに 挟まれる一定の電圧範囲Ｖｂ〜Ｖａから逸脱したときに、故障報知回路５がラン プ或いはブザー等を動作させて故障発生を報知するよう構成してあった。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

上記従来の半導体センサの故障検出装置６は、仮に歪ゲージＲ１だけが短絡し た場合は、接続点Ｐ１２の電圧がＶｃに跳ね上がることで、また歪ゲージＲ１だ けが断線した場合には、接続点Ｐ１２の電位が零に落ち込むことで、いずれもウ インドウコンパレータ３による異常検知が行われる。同様にまた、歪ゲージＲ２ だけが短絡した場合は、接続点Ｐ１２の電圧が零に落ち込むことで、また歪ゲー ジＲ２だけが断線した場合には、接続点Ｐ１２の電圧がＶｃに跳ね上がることで 、いずれもウインドウコンパレータ３による異常検知が可能である。さらにまた 、対角位置にある歪ゲージＲ１とＲ４或いはＲ２とＲ３が同時に短絡或いは断線 した場合も、同様にウインドウコンパレータ３と４による異常検知が行われる。 しかし、互いに直列の歪ゲージＲ１とＲ２又はＲ３とＲ４が同時に断線した場合 は、接続点Ｐ１２又はＰ３４の電位が不定と化すため、ウインドウコンパレータ ３，４による異常検知ができないことがあり、従って故障監視に万全を期すこと ができず、さらにまた互いに直列の歪ゲージＲ１とＲ２又はＲ３とＲ４が同時に 短絡した場合には、定電圧源２が短絡した歪ゲージＲ１とＲ２又はＲ３とＲ４を 介して直接接地されてしまうため、無負荷に近い状態で定電圧源２から電流が流 れ続ける結果、定電圧源２自体にも悪影響が及ぶといった課題を抱えていた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

この考案は、上記課題を解決したものであり、ブリッジ接続された歪ゲージか らなる半導体センサと、この半導体センサに並列接続した故障検出用抵抗と、こ の故障検出用抵抗と前記半導体センサの並列接続回路を定電流駆動する定電流源 と、前記故障検出用抵抗の両端にかかる電圧を検出し、該電圧があらかじめ設定 した一定範囲を外れたときに、前記半導体センサの故障を報知する故障検出手段 とを具備することを第１の特徴とするものである。

【０００６】 また、この考案は、前記定電流源を、前記並列接続回路を接地する接地抵抗と 、この接地抵抗と前記並列接続回路の接続点に反転入力端子が接続され、定電圧 源が非反転入力端子に接続され、出力端子に前記並列接続回路が接続された演算 増幅器から構成したことを第２の特徴としており、さらに前記故障検出手段を、 前記故障検出用抵抗の両端に接続した一対のボルテージフォロワと、これら一対 のボルテージフォロワの出力を差動増幅する差動増幅器と、この差動増幅器の出 力を前記一定の範囲を規定する上下の閾値を基準に比較分別するウインドウコン パレータと、このウインドウコンパレータの出力を受けて前記半導体センサの故 障を報知する警報回路から構成したことを第３の特徴とするものである。

【０００７】

【作用】

この考案は、ブリッジ接続された歪ゲージからなる半導体センサに、故障検出 用抵抗を並列接続し、故障検出用抵抗と半導体センサの並列接続回路を定電流駆 動して故障検出用抵抗の両端にかかる電圧を検出し、この電圧があらかじめ設定 した一定範囲を外れたときに、半導体センサの故障を報知することにより、故障 内容によらず歪ゲージの短絡或いは断線を確実に検出する。

【０００８】

【実施例】

以下、この考案の実施例について、図１を参照して説明する。図１は、この考 案の半導体センサの故障検出装置の一実施例を示す回路構成図である。

【０００９】 図１に示す半導体センサの故障検出装置１１は、ブリッジ接続された歪ゲージ Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４からなる半導体センサ１に故障検出用抵抗ｒを並列接続 し、故障検出用抵抗ｒと半導体センサ１の並列接続回路１２を定電流駆動して故 障検出用抵抗ｒの両端にかかる電圧ｒＩを検出し、この電圧があらかじめ設定し た一定範囲を外れたときに、半導体センサ１の故障を報知する構成としてある。 故障検出用抵抗ｒと半導体センサ１の並列接続回路１２に定電流Ｉを供給する定 電流源１３は、並列接続回路１２を接地する接地抵抗Ｒ５と演算増幅器１４から 構成してある。演算増幅器１４は、反転入力端子に接地抵抗Ｒ５と並列接続回路 １２の接続点が接続され、非反転入力端子に定電圧源１５が接続される。さらに 、出力端子には並列接続回路１２が接続され、並列接続回路１２と接地抵抗Ｒ５ の接続点の電位は定電圧源１５の出力電圧Ｖｃに固定される。また、故障検出用 抵抗ｒの両端には、高入力インピーダンスバッファである一対のボルテージフォ ロワ１６，１７が接続してあり、これら一対のボルテージフォロワ１６，１７と 、その出力を差動増幅する差動増幅器１８、そして差動増幅器１８の出力を前記 一定の範囲を規定する上下の閾値を基準に比較分別するウインドウコンパレータ １９及びウインドウコンパレータ１９の出力を受けて半導体センサ１の故障を報 知する警報回路２０をもって、故障検出手段を構成してある。

【００１０】 ところで、ブリッジ接続された４個の歪ゲージＲ１〜Ｒ４からなる半導体セン サ１は、従来のように定電圧駆動せず、定電流により駆動される。すなわち、演 算増幅器１４の非反転入力端子には、抵抗Ｒａ，Ｒｂにより分割された一定電圧 ＶｃがコンデンサＣによりバックアップされた形で印加されており、反転入力端 子が非反転入力端子に仮想短絡されるため、並列接続回路１２と接地抵抗Ｒ５の 接続点は、電圧Ｖｃに固定される。このため、接地抵抗Ｒ５に流れ込む電流Ｉは Ｖｃ／Ｒ５（＝一定）であり、この電流Ｉが半導体センサ１と故障検出用抵抗ｒ によって分流されることになる。また、個々の歪ゲージＲ１〜Ｒ４の抵抗値Ｒを 合成して得られる半導体センサ１の合成抵抗値はＲであるが、ここでは故障検出 用抵抗ｒの抵抗値もＲに設定してあるため、半導体センサ１と故障検出用抵抗ｒ を流れる電流は、ともにＩ／２となる。

【００１１】 一方、故障検出用抵抗ｒの両端は、ボルテージフォロワ１６，１７を介して差 動増幅器１８に接続してあるが、ボルテージフォロワ１６，１７は、核となる演 算増幅器１６ａ，１７ａの出力端子を反転入力端子に直結してあるため、非反転 入力端子に印加された入力電圧は増幅度１で増幅され、そのまま出力電圧として 取り出される。演算増幅器１６ａ，１７ａの入力インピーダンスは非常に大きい ため、その非反転入力端子に電流Ｉの一部がリークすることはなく、従ってボル テージフォロワ１６，１７を接続したことで前述の定電流駆動の前提が崩れるこ とはない。一方のボルテージフォロワ１６の出力端子は、入力抵抗ｒ１を介して 差動増幅器１８の非反転入力端子に接続してあり、非反転入力端子は抵抗ｒ２を 介して接地してある。また、他方のボルテージフォロワ１７の出力端子は、入力 抵抗ｒ３を介して差動増幅器１８の反転入力端子に接続してあり、反転入力端子 には帰還抵抗ｒ４を介して出力端子が接続してある。差動増幅器１８の非反転入 力端子と反転入力端子は仮想短絡されているため、両入力端子の印加電圧は等し く、このため ｒ２ｖ１／（ｒ１＋ｒ２）＝（ｒ３ｖ３＋ｒ４ｖ２）／（ｒ３＋ｒ４） が成立する。そこで、ｒ１＝ｒ３＝Ｒｓ，ｒ２＝ｒ４＝Ｒｆなる条件を設定する ことで、 ｖ３＝（ｖ１−ｖ２）Ｒｓ／Ｒｆ となる。すなわち、故障検出用抵抗ｒの両端にかかる電圧ｒＩ（＝ｖ１−ｖ２） は、差動増幅器１８においてゲインＲｓ／Ｒｆで増幅されることになる。

【００１２】 差動増幅器１８の出力電圧ｖ３は、一対の電圧比較器１９ａ，１９ｂを並列接 続したウインドウコンパレータ１９に供給され、上下の閾値Ｅａ，Ｅｂに挟まれ た領域にあるかどうかが判定される。上限検知用の電圧比較器１９ａが比較基準 とする閾値Ｅａは、抵抗ｒ５，ｒ６により電源電圧を分割して与えられ、また下 限検知用の電圧比較器１９ｂが比較基準とする閾値Ｅｂは、電源電圧を抵抗ｒ７ ，ｒ８により分割して与えられる。ただし、閾値Ｅａ，Ｅｂについては、 Ｅｂ（ ０．４５ｒＩＲｓ／Ｒｆ）＜Ｅａ（ ０．５５ｒＩＲｓ／Ｒｆ） なる関係が設定される。このため、差動増幅器１８の出力ｖ３が上下の閾値Ｅａ とＥｂの間に挟まれている場合、すなわち Ｅｂ＜ｖ３＜Ｅａ であれば、電圧比較器の出力１９ａ，１９ｂの出力はともにハイレベルである。 ウインドウコンパレータ１９に続く警報回路２０は、プルアップ抵抗ｒ９とシュ ミットトリガ回路２０ａ及び警報ランプ２０ｂから構成され、電圧比較器１９ａ ，１９ｂの出力端子はプルアップ抵抗ｒ９により直流電源に吊り上げられた状態 でシュミットトリガ回路２０ａの入力端子に接続される。このため、電圧比較器 １９ａ，１９ｂの出力がともにハイレベルであるときは、シュミットトリガ回路 ２０ａの出力もハイレベルとなり、シュミットトリガ回路２０ａと直流電源の間 に接続された警報ランプ２０ａは、消灯して異常がないことを示している。

【００１３】 ここで、仮に歪ゲージＲ１〜Ｒ２のいずれか１個が短絡した場合、半導体セン サ１の合成抵抗は２Ｒ／３に低下し、故障検出用抵抗ｒに流れる電流は正常時の Ｉ／２から２Ｉ／５に低下する。このため、ウインドウコンパレータ１９内の下 限検知用の電圧比較器１９ｂの出力がロウレベルに反転し、シュミットトリガ回 路２０ａの出力端子もロウレベルに切り替わる。その結果、警報ランプ２０ｂに 電源電流が流れ、警報ランプ２０ｂが点灯することで故障発生が警告される。ま た、歪ゲージＲ１〜Ｒ４のいずれか１個が断線した場合は、半導体センサ１の合 成抵抗は２Ｒに増大し、故障検出用抵抗ｒに流れる電流は正常時のＩ／２から２ Ｉ／３に増大する。このため、ウインドウコンパレータ１９内の上限検知用の電 圧比較器１９ａの出力がロウレベルに反転し、シュミットトリガ回路２０ａの出 力端子もロウレベルに切り替わる。その結果、警報ランプ２０ｂに電源電流が流 れ、点灯した警報ランプ２０ｂにより故障発生が警告される。

【００１４】 さらに、仮に歪ゲージＲ１とＲ２或いはＲ２とＲ３がともに短絡した場合、半 導体センサ１の合成抵抗は零となるため、故障検出用抵抗ｒには電流が流れず、 ウインドウコンパレータ１９内の下限検知用の電圧比較器１９ｂの出力がロウレ ベルに反転する。その結果、シュミットトリガ回路２０ａの出力端子もロウレベ ルに切り替わり、警報ランプ２０ｂが点灯して故障発生が警告される。また、歪 ゲージＲ１とＲ２又はＲ３とＲ４がともに断線した場合、半導体センサ１の合成 抵抗は２Ｒに増大する。その結果、故障検出用抵抗ｒに流れる電流は、正常時の Ｉ／２から２Ｉ／３に増大し、前記と同様、点灯した警報ランプ２０ａにより故 障発生が警告される。

【００１５】 さらにまた、対角位置の歪ゲージＲ１とＲ４（又はＲ２とＲ３）がともに短絡 した場合は、半導体センサ１の合成抵抗はＲ／２に低下する。このため、故障検 出用抵抗ｒに流れる電流は、正常時のＩ／２からＩ／３に低下する。その結果、 ウインドウコンパレータ１９内の下限検知用の電圧比較器１９ａの出力がロウレ ベルに反転し、点灯した警報ランプ２０ａにより故障発生が警告される。また、 対角位置の歪ゲージＲ１とＲ４又はＲ２とＲ３がともに断線した場合は、半導体 センサ１の合成抵抗は無限大となり、そこに電流は流れなくなる。このため、故 障検出用抵抗ｒに流れる電流は正常時のＩ／２からＩに増大し、ウインドウコン パレータ１９内の上限検知用の電圧比較器１９ａの出力がロウレベルに反転する ことで、警報ランプ２０ａが点灯する。

【００１６】 このように、半導体センサの故障検出装置１１は、ブリッジ接続された歪ゲー ジＲ１〜Ｒ４からなる半導体センサ１の合成抵抗がセンサ入力に拘わらず一定で あり、しかも故障検出用抵抗ｒと半導体センサ１の並列接続回路１２には常に一 定の電流Ｉが供給されるため、１又は２以上の歪ゲージＲ１〜Ｒ４が断線又は短 絡したときに生ずる半導体センサ１の合成抵抗の変化を、故障検出用抵抗ｒを流 れる電流の変化、すなわち故障検出用抵抗ｒの両端にかかる電圧（ｖ１−ｖ２） の変化をもって確実に検出することができ、故障内容によって診断に迷いが生ず る従来の定電圧駆動方式と異なり、歪ゲージＲ１〜Ｒ４の短絡も断線も、故障箇 所の数に無関係に常に確実に検出することができ、これにより半導体センサ１の 故障が重大な事故に結び付きかねないエアバッグ装置等に適用することで、事故 発生に至る危険な芽を早期に排除することができる。

【００１７】 また、定電流源１３に用いた演算増幅器１４は、反転入力端子と非反転入力端 子が仮想短絡状態にあるため、並列接続回路１２とその接地抵抗Ｒ５の接続点を 、非反転入力端子に接続した定電圧源１５と同電圧Ｖｃに保つことができ、これ により故障検出用抵抗ｒと半導体センサ１の並列接続回路１２に流れる電流Ｉを 、定電圧源１５の電圧Ｖｃを接地抵抗Ｒ５の抵抗値で除して得られる電流値Ｖｃ ／Ｒ５に固定することができ、並列接続回路１２を安定した電流で定電流駆動す ることができる。

【００１８】 さらにまた、故障検出用抵抗ｒの両端に高入力インピーダンスバッファとして ボルテージフォロワ１６，１７が接続してあるため、電流漏洩はほぼ完全に無視 することができ、定電流駆動方式を採用する上で重要な鍵となる故障検出用抵抗 ｒと半導体センサ１の並列接続回路１２からの漏洩電流は一切案ずる必要がなく 、さらに一対のボルテージフォロワ１６，１７の出力を差動増幅器１８により差 動増幅した上でウインドウコンパレータ１９にて比較分別するため、ウインドウ コンパレータ１９における分別精度はきわめて高く、従って故障検出用抵抗ｒを 流れる電流の変化を、故障検出用抵抗ｒの両端にかかる電圧の変化として、正確 かつ確実に検出することができる。

【００１９】

【考案の効果】

以上説明したように、この考案は、ブリッジ接続された歪ゲージからなる半導 体センサに、故障検出用抵抗を並列接続し、故障検出用抵抗と半導体センサの並 列接続回路を定電流駆動して故障検出用抵抗の両端にかかる電圧を検出し、この 電圧があらかじめ設定した一定範囲を外れたときに、半導体センサの故障を報知 する構成としたから、ブリッジ接続された歪ゲージからなる半導体センサの合成 抵抗がセンサ入力に拘わらず一定であり、しかも故障検出用抵抗と半導体センサ の並列接続回路には常に一定の電流が供給されるため、１又は２以上の歪ゲージ が断線又は短絡したときに生ずる半導体センサの合成抵抗の変化を、故障検出用 抵抗を流れる電流の変化、すなわち故障検出用抵抗の両端にかかる電圧の変化を もって確実に検出することができ、故障内容によって診断に迷いが生ずる従来の 定電圧駆動方式と異なり、歪ゲージの短絡であろうが断線であろうが、また故障 箇所が１箇所であろうが複数であろうが、常に確実に検出することができ、これ により半導体センサの故障が重大な事故に結び付きかねない装置類に適用するこ とで、事故発生に至る危険な芽を早期に排除することができる等の優れた効果を 奏する。

【００２０】 また、この考案は、定電流源を、並列接続回路を接地する接地抵抗と、この接 地抵抗と前記並列接続回路の接続点に反転入力端子が接続され、定電圧源が非反 転入力端子に接続され、出力端子に前記並列接続回路が接続された演算増幅器か ら構成したことにより、ゲインの大きな演算増幅器では反転入力端子と非反転入 力端子が仮想短絡状態にあるため、並列接続抵抗とその接地抵抗の接続点を、非 反転入力端子に接続した定電圧源と同電圧に保つことができ、これにより故障検 出用抵抗と半導体センサの並列接続回路を流れる電流を、定電圧源の電圧を接地 抵抗の抵抗値で除算して得られる電流値に固定することができ、並列接続回路を 安定した電流で定電流駆動することができる等の効果を奏する。

【００２１】 さらにまた、この考案は、故障検出手段を、故障検出用抵抗の両端に接続した 一対のボルテージフォロワと、これら一対のボルテージフォロワの出力を差動増 幅する差動増幅器と、この差動増幅器の出力を前記一定の範囲を規定する上下の 閾値を基準に比較分別するウインドウコンパレータと、このウインドウコンパレ ータの出力を受けて半導体センサの故障を報知する警報回路から構成したので、 定電流駆動方式を採用する上で重要な鍵となる故障検出用抵抗と半導体センサの 並列接続回路からの漏洩電流が故障検出精度に与える影響に懸念が及ぶとも、故 障検出用抵抗の両端に高入力インピーダンスバッファとしてボルテージフォロワ が接続してあるため、電流漏洩はほぼ完全に無視することができ、故障検出精度 にはなんらの障害ともならず、さらに一対のボルテージフォロワの出力を差動増 幅器により差動増幅した上でウインドウコンパレータにて比較分別するため、ウ インドウコンパレータにおける分別精度はきわめて高く、従って故障検出用抵抗 を流れる電流の変化を、故障検出用抵抗の両端にかかる電圧の変化として、正確 かつ確実に検出することができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の半導体センサの故障検出装置の一実
施例を示す回路構成図である。

【図２】従来の半導体センサの故障検出装置の一例を示
す回路構成図である。

【符号の説明】

Ｒ１〜Ｒ４ 歪ゲージ ｒ 故障検出用抵抗 １１ 半導体センサの故障検出装置 １２ 並列接続回路 １３ 定電流源 １６，１７ 故障検出手段（ボルテージフォロワ） １８ 故障検出手段（差動増幅器） １９ 故障検出手段（ウインドウコンパレータ） ２０ 故障検出手段（警報回路）

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ブリッジ接続された歪ゲージからなる半
   導体センサと、この半導体センサに並列接続した故障検
   出用抵抗と、この故障検出用抵抗と前記半導体センサの
   並列接続回路を定電流駆動する定電流源と、前記故障検
   出用抵抗の両端にかかる電圧を検出し、該電圧があらか
   じめ設定した一定範囲を外れたときに、前記半導体セン
   サの故障を報知する故障検出手段とを具備することを特
   徴とする半導体センサの故障検出装置。
2. 【請求項２】 前記定電流源は、前記並列接続回路を接
   地する接地抵抗と、この接地抵抗と前記並列接続回路の
   接続点に反転入力端子が接続され、定電圧源が非反転入
   力端子に接続され、出力端子に前記並列接続回路が接続
   された演算増幅器からなることを特徴とする請求項１記
   載の半導体センサの故障検出装置。
3. 【請求項３】 前記故障検出手段は、前記故障検出用抵
   抗の両端に接続した一対のボルテージフォロワと、これ
   ら一対のボルテージフォロワの出力を差動増幅する差動
   増幅器と、この差動増幅器の出力を前記一定の範囲を規
   定する上下の閾値を基準に比較分別するウインドウコン
   パレータと、このウインドウコンパレータの出力を受け
   て前記半導体センサの故障を報知する警報回路からなる
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体センサの故障検
   出装置。