JPH087692Y2 - センサ信号処理回路 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案はセンサ等から与えられる
信号の処理回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に増幅回路の出力信号はその電源電
圧によって規制される。そこで、信号処理回路により信
号を単極化して増幅するなどの処理により、センサの出
力信号の内必要な部分のみを大きく増幅して精度よく処
理することが行われている。例えば車両が衝突した際に
搭乗員を保護するエアバッグ装置等では、車両に加速度
センサを設けて車両の減速度が所定値以上になるとエア
バッグを膨らませるようにしている。この装置において
は車両の減速度を精度良く検出するために加速度センサ
の出力信号の内、加速に対応する部分は除去し、減速に
対応する部分を大きく増幅する信号処理回路が用いられ
る。

【０００３】図３は本考案の前提としてのセンサ信号処
理回路の構成を例示するもので、センサ部１は例えば加
速度センサであって、検出された加速度に応じてブリッ
ジを形成する抵抗Ｒ１１乃至Ｒ１４（例えばピエゾ素子
により構成される）の抵抗値が変化するように構成さ
れ、加速度に対応した電圧がその出力端子間に発生す
る。

【０００４】２はセンサ部１の出力信号を増幅する差動
増幅部であって、オペアンプ２１，２２と抵抗Ｒ２１乃
至Ｒ２４によって構成されている。なお、抵抗Ｒ２１に
対する抵抗Ｒ２２の抵抗値の比をｎ倍とすると、抵抗Ｒ
２３に対する抵抗Ｒ２４の抵抗値の比もまたｎ倍に設定
される。そして該差動増幅部２の出力信号はコンデンサ
Ｃを介して反転増幅部３に与えられる。すなわち該差動
増幅部２の出力信号のうち、直流成分は該コンデンサＣ
によりカットされ、該差動増幅部２の出力信号に含まれ
る交流成分のみが該反転増幅部３に与えられる。

【０００５】また該反転増幅部３はオペアンプ３１と抵
抗Ｒ３１，Ｒ３２とによって構成されており、該コンデ
ンサＣを介して与えられた差動増幅部２の出力信号を、
基準電圧Ｖｒｅｆ（電源電圧Ｖｃｃ、例えば５Ｖを抵抗
Ｒ１，Ｒ２で分圧し、例えば２Ｖとする）を基準にして
反転させて増幅する。そして前述の差動増幅部２には、
該反転増幅部３の出力信号がその基準電圧として与えら
れており、該差動増幅部２の出力信号が増加すると該反
転増幅部３の出力信号が低下して該差動増幅部２の出力
信号の増加を抑制するように負帰還ループが形成されて
いる。

【０００６】次いで該反転増幅部３の出力信号は、オペ
アンプ４１と抵抗Ｒ４１乃至Ｒ４３とによって構成され
るオフセット加算部４に与えられる。そして該オフセッ
ト加算部４にも上記基準電圧Ｖｒｅｆが与えられてお
り、これにより該オフセット加算部４は、該反転増幅部
３からの出力信号にオフセット電圧Ｖｃｃを加算して、
その結果を該基準電圧Ｖｒｅｆを基準にして反転させる
ように構成される。なお該オフセット加算部４の出力電
圧Ｖｏの範囲は０Ｖから電源電圧Ｖｃｃ（例えば５Ｖ）
の間であるため、加算して反転した結果が負である期間
の出力電圧Ｖｏは０Ｖとなり、このようにして加速度セ
ンサ１の出力信号のうち、減速度に対応した電圧のみを
該オフセット加算部４から出力させるとともに、加速度
センサ１からの出力信号が０のとき（このとき差動増幅
部２の出力側の電圧および反転増幅部３の入力側の
電圧はともにＶｒｅｆ（図３に示される例の場合は直流
２Ｖ）に等しくなる）には、上記オフセット加算部４か
ら出力される出力電圧Ｖｏが例えば０．５Ｖとなるよう
に、抵抗Ｒ４３およびＲ４２の抵抗値が適宜設定され
る。これによって該加速度センサ１からの出力信号が０
のときと、該オフセット加算部４の出力側が断線したと
きとを容易に識別しうるようにされている。

【０００７】上述したように上記反転増幅部３は、直流
的には該反転増幅部３の出力信号（センサ１からの出力
信号が０のときＶｒｅｆ（この場合直流２Ｖ）となる）
を、上記負帰還ループを介して、該差動増幅部２の入力
側に基準電圧として与える機能を有しており、また交流
的には該差動増幅部２から与えられた交流信号を増幅し
てオフセット加算部４に送る機能を有している。そして
この場合、該増幅された交流信号の一部は上記負帰還ル
ープを介して該差動増幅部２側に戻されることとなり、
このようにして該差動増幅部２と反転増幅部３との間で
ループ回路が形成されることによって、コンデンサＣと
抵抗Ｒ３１とからなる該反転増幅部３に対する入力イン
ピーダンスのＣＲ時定数を、実際の該コンデンサＣおよ
び抵抗Ｒ３１のＣＲ値より大きな値とすることができ、
それだけ該コンデンサＣおよび抵抗Ｒ３１として容量お
よび抵抗値の小さなものが使用できるようにされてい
る。

【０００８】このように上記図３で示される回路は、コ
ンデンサＣで差動増幅部２の出力側と反転増幅部３の入
力側とが直流的に切離されており、上記基準電圧Ｖｒｅ
ｆ（ここでは直流２Ｖ）は、反転増幅部３を介して差動
増幅部２側に与えられる。したがって該コンデンサＣの
両端側であるおよびの電位はともに直流的には上記
Ｖｒｅｆに等しくなる。そのため、該コンデンサＣには
該センサ部１から出力される信号の交流成分が常時加わ
ることになり（すなわち該コンデンサＣの両端に印加さ
れる交流電圧の極性が交互に変化することになり）、し
たがって該コンデンサＣとしては無極性のものしか使用
することができず、有極性のコンデンサ（例えば電解コ
ンデンサとかタンタルコンデンサなど容量が大きくしか
もコストが安いコンデンサ）を使用することができない
という問題点があった。

【０００９】また該センサ部１自体に不平衡電圧があり
（例えば加速度に対応した交流信号がないときにも、セ
ンサ素子（抵抗素子）のばらつきで直流電圧が出る）、
またオペアンプにもオフセット電圧があるため（これら
の直流電圧は素子のばらつきに起因するものであり、そ
の極性や大きさ等は一定でない）、上記およびの間
には潜在的には数１０ｍＶ（例えば０．０２Ｖ）程度の
電位差が存在する。この電位差は通常上記コンデンサＣ
でカットされるため最終段（オフセット加算部４）から
の出力信号Ｖｏには影響しないが、該コンデンサＣが短
絡するとこの電位差がその後段のオペアンプで増幅され
て（例えば２Ｖ程度に増幅されて）、該出力信号Ｖｏに
影響することになる。

【００１０】ところでかかるセンサを用いたシステムで
は、センサの故障を検出し、該故障が検出されたときに
は異常な動きをしないように（例えばエアバッグが誤動
作しないように）、フェールセーフを考えているが、該
増幅された出力信号がセンサ部１からの出力信号による
ものか、該コンデンサＣの短絡にもとづくものかを判別
する（すなわちセンサ部からの出力信号によるものであ
れば瞬間的に変化するが、コンデンサの短絡などの故障
による場合には該出力信号がずっと維持されることによ
り判別する）ためには、１〜２秒必要である。一方、セ
ンサ信号により数１０ミリ秒以内に判断（例えば衝突な
どの判断）を下す必要があるシステム（例えばエアバッ
グシステム）では、上述のようにしてセンサの故障をチ
ェックしていては、判断を下す時間が不足してしまい
（すなわち故障に起因する出力信号か否かを判断する時
間がなく）、システムの誤動作の原因となるおそれがあ
るという問題点もあった。

【００１１】

【考案が解決しようとする課題】本考案はかかる課題を
解決するためになされたもので、センサ側に、センサ故
障時（この場合、上記コンデンサＣの短絡時）に生ずる
誤った信号を、システムの誤動作にならない方向に積極
的に出力させる機能を持たせる（すなわちコンデンサ短
絡時の出力信号にフェールセーフを持たせ、例えば衝突
時のセンサ信号によって出力信号Ｖｏが上昇する場合に
は、該コンデンサＣの短絡時には該出力信号Ｖｏを積極
的に低下させる）ことによって、センサ部からの出力信
号か該コンデンサの短絡故障にもとづく出力信号かを瞬
間的に判断しうるようにしてシステムの誤動作を防止
し、かつ該コンデンサとして上述したような有極性のコ
ンデンサを使用しうるようにしたものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めに本考案によれば、センサ信号が入力される第１の演
算増幅回路と、該第１の演算増幅回路の出力側にコンデ
ンサおよび抵抗からなる入力インピーダンスを介して接
続される第２の演算増幅回路であってその出力側が該第
１の演算増幅回路の入力側に帰還接続されるものとをそ
なえたセンサ信号処理回路であって、該入力インピーダ
ンスが接続される該第２の演算増幅回路の入力側と所定
の電位を有する電源線との間に抵抗が接続されているこ
とを特徴とするセンサ信号処理回路が提供される。

【００１３】

【作用】上記構成によれば、該第２の演算増幅回路の入
力側と該電源線との間に抵抗が接続されることによっ
て、該第２の演算増幅回路の入力側の直流電位が、該第
１の演算増幅回路の出力側の直流電位からずれた値とな
り（すなわち該コンデンサの両端側の直流電位のバラン
スがくずれた状態となり）、これにより該コンデンサが
短絡したときには、異常信号を積極的に安全側に（フェ
ールセーフ側に）出力させることができる。更に該コン
デンサの両端側の直流電位差を越えない範囲のセンサ信
号を扱うことにより、該コンデンサとして有極性のコン
デンサを用いることができる。

【００１４】

【実施例】図１は本考案の１実施例としてのセンサ信号
処理回路を示しており、また図２は本考案の他の実施例
としてのセンサ信号処理回路を示すもので、何れも図３
の回路と対応する部分には、同一の符号が用いられてい
る。なお図３に示されるセンサ部１およびオフセット加
算部４は、該図１および図２では図示が省略されてい
る。

【００１５】そして該図１に示されるものでは、該反転
増幅部３におけるオペアンプ３１の反転入力端子側と
アース間に抵抗Ｒ３３が接続されている点に特徴があ
り、一方、該図２に示されるものでは、該オペアンプ３
１の反転入力端子側と電源Ｖｃｃ（例えば５Ｖ）との
間に抵抗Ｒ３４が接続されている点に特徴がある。これ
により後述するように、コンデンサＣの短絡時には、該
図１に示される実施例では該反転増幅部３の出力信号
（オペアンプ３１の出力信号）が、通常時の電圧である
２Ｖから１．５Ｖに低下し、また該図２に示される実施
例では該反転増幅部３の出力信号が、通常時の電圧であ
る２Ｖから２．７５Ｖに上昇する。そしてこのどちらの
実施例を採用するかは、この信号を受けるシステムのフ
ェールセーフにより（オフセット加算部４からの出力信
号Ｖｏが増加する側を安全側とするか、該出力信号Ｖｏ
が減少する側を安全側とするかにより）決められること
となる。

【００１６】すなわち該図１に示される実施例では、オ
ペアンプ３１の反転入力端子側は加算器として働き、
センサ部からの出力信号がない通常時において、該の
電位はＶｒｅｆ（この場合１Ｖ）に等しくなるように働
く。また該オペアンプ３１の出力側は該の電位がＶｒ
ｅｆ（１Ｖ）に等しくなるように、この場合２Ｖにな
る。また該差動増幅部２の各オペアンプは、該反転増幅
部３のオペアンプ３１の出力を基準にするため、該差動
増幅部２の出力側の電位も２Ｖとなる。なお該図１の
回路において抵抗Ｒ３１，Ｒ３２およびＲ３３の抵抗値
はともに例えば１メグオームに設定される。このように
上記抵抗Ｒ３３を上記の点とアース間に接続すること
によって、センサ部からの出力信号がない通常時におい
て、上記の電位は上記図３の場合と同様に２Ｖのまま
とし、上記の電位が１Ｖとされる。このようにして該
コンデンサＣの両端側のおよび間において１Ｖの電
位差を生じさせてあるので、この１Ｖ以上の交流信号を
越えない範囲のセンサ信号を扱えば、該コンデンサＣは
常に側が正となり、したがって有極性のコンデンサを
使用することができる。そして通常時においては該コン
デンサＣ両端間に存在する直流電位差（１Ｖ）は、該コ
ンデンサＣによりカットされて出力信号Ｖｏ側に影響を
及ぼさない（反転増幅部３の出力電圧は上述したように
通常時２Ｖであり、これによりオフセット加算部４から
の出力電圧Ｖｏ（オフセット電圧）は例えば０．５Ｖと
される）が、該コンデンサＣが短絡したときには、該コ
ンデンサ両端間に存在する電位差にもとづいて該側か
ら側に電流が流れ込み（すなわち該側に流れ込む電
流は通常時の２倍（オペアンプ３１の出力側とオペアン
プ２２の出力側（すなわち側）から流れ込む）とな
り、該オペアンプ３１の出力側の電位と該Ｖｒｅｆ（１
Ｖ）との差は通常時の１／２となって、該オペアンプ３
１の出力側の電位は１．５Ｖに低下する。なおこのとき
該の点の電位も１．５Ｖに低下し、また該の点の電
位は１Ｖのままである。このように該コンデンサの短絡
時に該オペアンプ３１の出力側の電位が１．５Ｖまで低
下することによって、該オフセット加算部４から出力さ
れる反転出力信号Ｖｏは例えば２〜３Ｖ以上に上昇す
る。したがって該図１に示される実施例は、出力信号Ｖ
ｏが上昇する側を安全側とする（すなわち出力信号Ｖｏ
の低下によって例えばエアバッグの作動のための衝突判
定を行う）場合に適用される。

【００１７】一方該図２に示される実施例では、センサ
部からの出力信号がない通常時において、オペアンプ３
１の反転入力端子側の電位はＶｒｅｆ（この場合３．
５Ｖ）に等しくなるように働く。また該オペアンプ３１
の出力側は該の電位がＶｒｅｆ（３．５Ｖ）に等しく
なるように、この場合も２Ｖとなる。更に該図１の場合
と同様に、該差動増幅部２の出力側の電位も２Ｖとな
る。なお該図２の回路において抵抗Ｒ３１，Ｒ３２およ
びＲ３４の抵抗値はともに例えば１メグオームに設定さ
れる。このようにしてこの実施例では、上記抵抗Ｒ３４
を上記の点と電源Ｖｃｃ（例えば５Ｖ）との間に接続
することによって、センサ部からの出力信号がない通常
時において、上記の電位は上記図３の場合と同様に２
Ｖのままとし、上記の電位が３．５Ｖとされる。この
場合も該コンデンサＣの両端側のおよび間において
１．５Ｖの電位差を生じさせてあるので、この電位差以
上の交流信号を越えない範囲のセンサ信号を扱えば、該
コンデンサＣは常に側が正となり、したがって有極性
のコンデンサを使用することができる。

【００１８】そして通常時においては、該図１の場合と
同様に、該コンデンサＣ両端間に存在する直流電位差
（１．５Ｖ）は、該コンデンサＣによりカットされて出
力信号Ｖｏ側に影響を及ぼさないが、該コンデンサＣが
短絡したときには、該コンデンサ両端間に存在する電位
差にもとづいて該側から側に電流が流れ出し（すな
わち該側から流れ出す電流は通常時の２倍（オペアン
プ３１の出力側とオペアンプ２２の出力側（すなわち
側）へ流れ出す）となり、該Ｖｒｅｆ（３．５Ｖ）と該
オペアンプ３１の出力側の電位との差は通常時の１／２
となって、該オペアンプ３１の出力側の電位は２．７５
Ｖに上昇する。なおこのとき該の点の電位も２．７５
Ｖに上昇し、該の点の電位は３．５Ｖのままである。
このように該コンデンサの短絡時に該オペアンプ３１の
出力側の電位が２．７５Ｖまで上昇することによって、
該オフセット加算部４から出力される反転出力信号Ｖｏ
はほぼ０Ｖまで低下する。したがって該図２に示される
実施例は、出力信号Ｖｏが低下する側を安全側とする
（すなわち出力信号Ｖｏの上昇によって例えばエアバッ
グの作動のための衝突判定を行う）場合に適用される。

【００１９】このようにして該コンデンサの短絡時には
積極的に安全側に（フェールセーフ側に）異常信号を出
力させることによって、該出力された信号が該コンデン
サの短絡故障にもとづくものであることが瞬間的に判別
でき、システムの誤動作の発生を確実に防止することが
できる。

【００２０】

【考案の効果】本考案によれば、センサ信号からの直流
成分をカットするコンデンサが短絡故障したときに生ず
る信号を、システムの誤動作にならない方向（フェール
セーフ側）に積極的に出力させることができ、更に該コ
ンデンサとして容量が大きくかつコストの安い有極性の
コンデンサを使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の１実施例としてのセンサ信号処理回路
の構成を示す図である。

【図２】本考案の他の実施例としてのセンサ信号処理回
路の構成を示す図である。

【図３】本考案の前提としてのセンサ信号処理回路の構
成を例示する図である。

【符号の説明】

１…センサ部 ２…差動増幅部 ３…反転増幅部 ４…オフセット加算部 ２１，２２，３１，４１…オペアンプ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 センサ信号が一方の入力側に入力される
   第１の演算増幅回路と、基準電圧が一方の入力側に接続
   される第２の演算増幅回路とを備え、 前記 第１の演算増幅回路の出力側がコンデンサおよび抵
   抗からなる入力インピーダンスを介して前記第２の演算
   増幅回路の他方の入力側に接続され、 前記第２の演算増幅回路の出力側が前記入力インピーダ
   ンスが接続される該第２の演算増幅回路の他方の入力側
   に第１の抵抗を介して接続されると共に、該第２の演算
   増幅回路の出力側の電圧は前記 第１の演算増幅回路の他
   方の入力側に基準電圧として帰還されるセンサ信号処理
   回路において、 前記入力インピーダンスが接続される前記第２の演算増
   幅回路の他方の入力側と所定の電位を有する電源線との
   間に第２の抵抗が接続されていることを特徴とするセン
   サ信号処理回路。