JPH0695123B2 - 負荷監視回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （ア）技術分野 この発明は自動車の負荷の駆動状態を的確に監視するた
めの負荷監視回路に関する。

自動車には、多くの電装品がある。ソレノイド、リレー
コイル、ランプ、モータなどである。これらをバツテリ
ーによつて駆動する。バツテリーと負荷とスイツチが直
列に接続され、スイツチをオン、オフして、負荷を駆動
し、或は非駆動とする。

負荷と、バツテリー、スイツチの間は、長いワイヤハー
ネスで結ばれている。ワイヤハーネスは数も多いし、複
雑な径路をたどる長い銅線であるから、短絡することも
ある。

短絡といつても、瞬間的に大電流が流れるものもあれ
ば、断続的に比較的小さな電流が流れる事もある。前者
の場合は、ヒユーズやサーキツトブレーカ、又は電流検
出装置などによつて、短絡の発生を容易に知る事ができ
る。

しかし、断続的な短絡の場合は、電流値を検出するだけ
では、分からない事がある。大電流を必要とする負荷は
いくつも存在するからである。

負荷を開閉するスイツチは、リレーである事が多い。大
電流を要する負荷の場合はスイツチに於ける電圧降下が
小さいほどよいので、リレーが用いられる。しかし、小
さな負荷（例えばリレー、ソレノイドなど）の場合、ス
イツチとしてトランジスタが用いられる事もある。

スイツチが接地端子と負荷の一端の間に接続され、負荷
の他端がバツテリーに接続される、という使い方がなさ
れる事も多い。この場合、負荷に至るハーネスは２本と
も接地されないハーネスである。

バツテリーにつながるワイヤハーネスが車体の一部と短
絡した場合は、通常の短絡である。しかし、スイツチン
グ素子と負荷をつなぐハーネスが、車体の一部（接地さ
れているものとする）に接触したとしても、大電流が流
れない。負荷があるからである。

この他に、負荷をオン・オフする制御系から、負荷駆動
部に至るハーネスに故障が起ることもある。

負荷とつながれたワイヤハーネスが断線したり、短絡し
たりすることもある。

このような多様な可能性があるので、自動車の負荷を監
視する装置が設けられる。

（イ）従来技術 自動車の負荷監視回路は、ある特定の負荷が駆動されて
いるか、そうでないかを監視するものである。

ある駆動回路があつて、負荷の両端に、バツテリー電圧
を与えたり、与えなかつたりする。駆動、非駆動を指示
すべき信号は、運転者によつて、或はコンピユータによ
つて与えられる。こういうように負荷状態を決定するた
めに与えられる信号をここでは指令信号Ｘという。

駆動を指令する時、Ｘ＝１とする。非駆動を指令する
時、Ｘ＝０とする。

これに対して、負荷の実際の駆動、非駆動の状態を、状
態函数Ｙで表わす。実際に駆動されている時Ｙ＝１であ
る。非駆動である時、Ｙ＝０である。

負荷監視装置というのは、Ｙ＝０、１を検出するもので
ある。Ｘ＝０であつて、Ｙ＝０なら正常、Ｘ＝１であつ
てＹ＝１なら正常である。しかしＸ≠Ｙの場合もある。
この場合、ワイヤハーネス、負荷、負荷駆動回路のどこ
かに故障がある。

負荷監視装置はＸ≠Ｙを検出するものである。

ところが、負荷の駆動状態を直接に検出する事は難し
い。負荷監視回路の出力をＺとする。Ｚ＝１なら負荷が
駆動、Ｚ＝０なら負荷が非駆動という事にする。

Ｙの値は直接には分らないので、Ｚの値をＹの代わりに
用いる。そしてＸ≠Ｚを検出するのである。

負荷監視回路は、負荷の実際の状態を常に反映（Ｙ＝
Ｚ）するのが理想である。しかし、必ずしもそうではな
くＹ≠Ｚとなることもある。そうすると、Ｙ≠Ｘであつ
たとしても、Ｚ＝ＸであるのかＺ≠Ｘであるのか分らな
い事になる。

Ｚ＝Ｘなら、負荷の駆動系は正常である。負荷監視回路
が誤動作しているのである。

Ｚ≠Ｘであれば、負荷の駆動系が異常であるという事に
なる。

つまり、負荷監視回路は、負荷の実際の状態Ｙを的確に
把握しなければならない（Ｚ＝Ｙ）。

ところが、従来の負荷監視回路は、かならずしも、的確
に負荷の駆動状態を検出できない、という欠点があつ
た。つまりＹ≠Ｚとなる事があつた。これでは負荷、ワ
イヤハーネス、スイツチなどの故障を検出できない。

第４図は従来の負荷監視装置の構成を示す。

負荷監視回路１は、比較器２と、基準電圧部３と、レベ
ル変換部４とよりなつている。

電源５は自動車のバツテリーである。負荷６の−端は電
源５に他端は負荷駆動回路７につながれている。

電源５の側の負荷の端子を＋端ということにし、負荷駆
動回路７側の端子を−端ということにする。

負荷駆動回路は、−端の電圧を0Vにすることによつて負
荷６に通電する。つまり、−端の電圧（Ｕで表わす）が
０であれば負荷は駆動されている、と判断するのであ
る。

負荷駆動回路７は、−端を接地するか解放するかによつ
て、負荷をオン・オフする。Ｕ＝Ｏならオン、Ｕ＝Ｂな
らオフというわけである。ただしＢは電源電圧である。

レベル変換部は、Ｕの電圧に一定のレベルシフトΔを与
えるものである。比較器には（Ｕ＋Δ）の電圧を入力さ
れる。

ＵがＯかＢであるかを判別すればよいのであるから、基
準電圧Vrefは Δ＜Vref＜Δ＋Ｂ (1) の任意の定数であればよいことになる。

ところが、負荷駆動回路７がトランジスタである場合、
オンの時にＵ＝Ｏとはならないで、コレクタ、エミツタ
間の飽和電圧が残る。

そこで、VrefはΔより大きい値に選ばれる。

ところが、負荷監視回路１の電源はバツテリー電源Ｂで
はなく、制御ユニツト内に設けられた電流安定化回路８
によつて与えられる一定電圧Vccである。

Vccは、バツテリー電圧Ｂの変動によらない定電圧であ
る。これはＢより低い。

TTLを使う場合V_ccは5Vである事が多い。バツテリー電圧
Ｂは12Vが基準であるが、8V〜16Vの間で変動する。

コンピユータ９は、負荷６のオン・オフを指令するため
負荷駆動回路７に指令信号Ｘを発する。これに基き、負
荷駆動回路７はオン指令の時Ｕ→Ｏとし、オフ指令の
時、高インピーダンス（Ｕ→Ｂ）となる。

いつぽう負荷監視回路１の出力Ｚは、コンピユータ９に
入力される。

結局、Vrefは、Vcc以下であつて、負荷駆動回路７のオ
ン時のオフセツト分εよりΔ以上高く設定されれば、負
荷のオン（Ｕ＝ε）、オフ（Ｕ＝Ｂ）を検出できること
になる。

(1)のかわりに、 Δ＋ε＜Vref＜Vcc (2) というようにVrefを決める。オンであれば、Ｕ＝εで、
Vref＞Ｕとなり、比較器２の出力Ｚ＝１となる。オフで
あればＵ＝Ｂで、Vref＜Ｂとなり、比較器２の出力はＺ
＝０となる。

こうして、Ｘ＝Ｚとなるわけである。

ところが負荷監視回路１はVccを電源とし、固定の基準
電圧Vrefを用いるので、次のような難点がある。

（ウ）従来技術の問題点 負荷の駆動は、駆動回路の作動によつて、Ｕ＝Ｏになる
ことによつて行なわれるのが正常な状態である。ところ
が、この回路では、Ｕ＋ΔがVrefより小さければ駆動状
態（Ｚ＝１）と判定する。

逆に、Ｕ＋ΔがVrefより大きければ非駆動状態（Ｚ＝
０）と判断する。

駆動状態を指示する指令信号Ｘと、状態函数Ｙ、監視信
号Ｚとが全て合致しているのが正常である。

しかし、実際の状態函数Ｙは分からないから、ＸとＺの
一致によつて、負荷状態が正前であると判定する。

ところが、指令信号Ｘが０であつて、監視信号Ｚが０で
あるのに、Ｙが１である、という事がありうる。

駆動信号を与えていないのに、負荷に通電されている、
という事である。

これはふたつのケースがありうるのである。

(a)ひとつは、負荷の一端のハーネスが、グランドとの
間でソフトリークする、ということである。短絡のよう
に抵抗が０なのではなく、有限の抵抗が介在するが、グ
ランドと一端に負荷を駆動しうる電流が流れる、という
事がある。この場合、Ｕが高く、Ｕ＋ΔがVrefより大き
くなると、監視回路ではこれを検出できないからＺ＝０
となる。駆動指令を与えていないからＸ＝０である。両
者が一致している。ところが実際は、定格よりも小さい
にしても負荷を駆動できる電流が流れているのであるか
ら（Ｙ＝１）、これは故障なのである。このような故障
は長く気付かれないので、危険である。

(b)もうひとつは、駆動回路のトランジスタのコレクタ
・エミツタ遮断電流の増大という事である。トランジス
タオフの時にも流れる電流がある。これは、低周波用ト
ランジスタ2SB、2SDタイプのものにとつてはかなり大き
な値である。トランジスタが劣化すると、遮断電流が増
え、負荷を駆動できる程度の電流になることがある。こ
の場合も、Ｕ＋ΔがVrefより大きいならば、監視回路で
駆動状態であることを検出できない（Ｘ＝０、Ｙ＝１、
Ｚ＝０）となる。危険である。

このようになるのは、バツテリーの電圧Ｂが一定してい
ないのに、Vrefが一定であるからである。

Ｕ点の電圧は、バツテリー電圧Ｂを、負荷抵抗R_Lと、ソ
フトリークの実効抵抗又はトランジスタ遮断時（オフ
時）の抵抗R_Mの比で分圧したものである。

Ｂが12Vである時、R_LとR_MでＢを分圧したＵの値が（Vre
f−Δ）より下になるように設計したとしても、Ｂが16V
になつた時、Ｕの値は4/3だけよるので、（Vref−Δ）
を越えるということがある。この場合Ｚ＝０、Ｘ＝０で
あるから、Ｙ＝１であるというのを検出できない。

バツテリーの電圧Ｂは、充放電状態、環境、劣化などが
あり、８〜16Vの間で変動する。常に12Vであるわけでは
ない。

第５図は従来例に係る負荷監視回路である。

負荷６の一端は、駆動用トランジスタQ2のコレクタにつ
ながれている。制御部から、指令信号Ｘが与えられる。
Ｘ＝１のときQ2はオンになり、バツテリーＢから、負荷
６、トランジスタQ2に電流が流れる。

負荷監視回路１は、Vccを電源とする。これはＢではな
く、安定化電源を経たもので、多くの場合5Vである。

Ｕ点の電圧がOVであれば、トランジスタQ1がオンにな
り、R2に電流が流れ、Ａ点の電圧が上る。これはVccよ
り少し低い（Q1のコレクタ・エミツタ飽和電圧分だけ）
電圧である。これが駆動状態であるということで、監視
信号Ｚ＝１である。

負荷が非駆動であつて、Ｕ点の電圧が、バツテリー電圧
Ｂにあれば、D2で逆バイアスされるから、負荷の−端子
Ｕと、Q1とは遮断される。Q1はオフになり、Ａ点の電圧
は下る。バイアス抵抗R1があつて、これからR2へと流れ
るから、Ａ点の電圧はOVに近い一定値とする。

第６図は伝達特性図を示す。Ｕ点の電圧が０であれば、
Ａ点は高く、Ｕ＝ＢであればＡ点は低い。

途中の閾値VthでＡ点の電圧が変化する。Vthの値はR1、
R2の選び方によつて設定できる。たとえばVth＝3.5Vと
する。Vcc＝5Vであつて一定であるから、R1、R2によつ
て決まるVthも一定値である。

正常であれば、Ｕの値はＯかＢであつて、中間の値を連
続的にとるわけではない。

しかし、さき程述べたような、ソフトリークがあつた場
合、又、トランジスタQ2のオフ電流が増加した場合な
ど、オフ時（Ｘ＝０、Ｚ＝０）であるにもかかわらず負
荷に或る程度の電流が流れる事がある。

この場合、Ｕは中間の値を取ることがある。リーク電流
をIe、負荷抵抗をR_Lとすると、BU間の電圧はIeR_Lとな
る。

Ｕ点がVth以下であれば、これは駆動状態ということに
なり監視信号Ｚ＝１となる。ところが、バツテリー電圧
Ｂが高いと、Ｕ点も引上げられるから、Ｕ点がVthを越
える事がある。この場合、監視信号Ｚは０となる。

いずれにしても駆動回路へ与えられた指令信号Ｘは０な
のであるから、前者の場合Ｚ＝１、Ｘ＝０で異常である
という事が分るが、後者の場合、Ｚ＝０、Ｘ＝０である
から、異常に気付かない事になつてしまう。

これは重大な事故の原因にもなつて危険である。

（エ）目的 バツテリー電圧の変動があつても、負荷の誤動作による
駆動状態（Ｘ＝０、Ｙ＝１、Ｚ＝０）を的確に検出する
事のできる負荷監視回路を与えることが本発明の目的で
ある。

（オ）構成 従来のものは、負荷の−端子の電圧Ｕを、一定値Vth
（又はVref−Δ）と比較するようにしていた。このため
バツテリー電圧Ｂが高い時、負荷の駆動を見落すことに
なつていた。

本発明は、閾値Vthをグランドから一定値ということに
せず、バツテリー電圧Ｂからほぼ一定値にする。グラン
ドではなく、バツテリー電圧Ｂを規準にする。こうする
と、バツテリー電圧Ｂが変動しても、閾値も同様に変動
するから、負荷の駆動を見落す、という事がない。

第１図は本発明の負荷監視回路の構成図である。

負荷監視回路１は、バツテリー電源（システム電源）Ｂ
によつて駆動される。このためシステム電源５から電源
ラインが直接負荷監視回路１に入る。

負荷監視回路１は、比較器２、レベル変換部11、基準電
圧回路10などを含んでいる。

システム電源Ｂから、固有の電圧V₀分を下降させたもの
が基準電源Vrefとなる。V₀は基準電圧回路10の構成によ
つて決まる。

Vref＝Ｂ−V₀ (3) である。システム電源５の電圧が変動すれば、Vrefも同
様に変動する。

負荷６の＋端はシステム電源５に接続される。−端は、
比較器２の入力の一方に接続される。

比較器２の他方の入力には、基準電圧Vrefが接続されて
いる。

負荷駆動回路７は、コンピユータ９の指令信号Ｘによつ
て、負荷６を駆動する。駆動時にＵ点の電圧は低く（OV
に近い）、非駆動時にＵ点の電圧は高い（Ｂに近い）。

基準電圧VrefをＯ〜Ｂの間に選ぶことにより、比較器２
の出力が駆動、非駆動を判別する信号となりうる。

これが監視信号Ｚである。監視信号はレベル変換部11を
経てコンピユータ９に入力される。レベル変換部11は、
コンピユータと、負荷監視回路の電源電圧が異なるから
レベルシフトさせるものである。

第７図は本発明の装置に於ける、負荷の−端の電圧Ｕ
と、比較器の出力Ａの伝達特性図である。

正常であれば、横軸Ｕは２値しかとらない。

しかし、ソフトリークの場合、負荷に弱い電流が流れる
から、Ｕは中間値をとることもある。

負荷を流れるリーク電流Ieと負荷抵抗によつて、UB間の
電圧はR_LIeと表現できる。

Ｂ−Ｕ＝R_LIe (4) である。R_Lは定数である。Ieも駆動トランジスタのオフ
電流やワイヤハーネスからのソフトリークであるのでバ
ツテリー電圧Ｂによらない定数と考えられる。

バツテリー電圧Ｂが変動した場合、R_LIeが定数であれ
ば、Ｕも同じだけ変動する。

ＵとVrefとを比較するが、Vrefも、Ｂの変動と同じ変動
をする。

このため、バツテリー電圧Ｂが高くなつても、Vrefも高
くなるので、ＵがVrefを追い抜くという事はない。Ｕ＜
Vrefという関係を保つことができる。

(3)、(4)式から、 Vref−Ｕ＝R_LIe-V₀ (5) という式が成立する。

許容できるリーク電流の最大値にR_Lを乗じた値をV_Oとい
うように決めておけば、ソフトリーク状態の時、(5)式
は必ず正になる。

従つて、負荷監視回路の監視出力は駆動（Ｚ＝１）状態
という事になる。これは電源電圧Ｂの変動に全くよらな
い。

負荷を駆動すべき指令を出していない（Ｘ＝０）のに、
監視信号Ｚが１であれば、負荷に許容リーク電流以上の
電流が流れていて、負荷が駆動されている、という事で
ある。

つまり、Ｘ＝０、Ｚ＝１という喰い違いが起るので、異
常である事が明らかになるのである。

（カ）実施例 第２図は本発明の実施例を示している。

負荷６がシステム電源５に接続され、他端が駆動回路の
トランジスタQ2のコレクタに接続されている。Q2に駆動
指令信号ＸがR5を通して入力される。

Ｘ＝１であればQ2がオンになり、コレクタ電位Ｕがほぼ
OV（コレクタ・エミツタ電圧降下分があるがこれは小さ
い）になる。負荷には電圧Ｂがかかる。

この時、トランジスタQ1が導通し、Q1から抵抗R7、R8を
通して電流が流れる。

R7、R8の接続点Ｗの電圧が上り、Q3がオンになり、Ａ点
の電圧が下る。

Ｘ＝０であれば、Q2がオフで、負荷６には、抵抗R4によ
つて決まる僅かな電流が流れるだけである。非駆動であ
る。Ｕ点の電圧はほぼＢに等しい。ダイオードD2は逆バ
イアスされ、Q1はオフとなる。Ｗ点の電圧はOVである。
Q3はオフになり、Ａ点の電圧はVccになる。

R7、R8、Q3は第１図のレベル変換部11に当たり、Ａ点の
電圧振幅をVccにしている。

Q1の電源電圧として、システム電源Ｂを用いた所が特徴
あるところである。

抵抗R1、R2が基準電圧Vrefを決定している。第５図の回
路と同じように見えるが異なる。第５図の回路は定電源
Vccを用いるから、Vrefは一定値である。

第２図の回路に於て、R1の両端が、Q1の順方向ベース・
エミツタ降下電圧に等しくなつた時Q1がオンになる。こ
れは、近似的に、 と書くことができる。V_BEはベース・エミツタ降下で、
0.6V程度である。(6)式はＵ点が基準電圧Vrefに等しい
時、R1の両端電圧がV_BEである、という条件から求めら
れる。

(3)式と(6)式を比較すれば、定電圧降下分V₀がR2V_BE/R1
であることが分る。

(6)式から、電源Ｂの変動により、Vrefも動くという事
が分る。第５図の従来の回路例では、(6)式のＢがVccに
なるから、Vrefが一定になつてしまう。

（キ）実施例II 第３図は他の実施例を示す。

これも、電源ＢをトランジスタQ1の電源としている。

(6)式の関係は同様に成立する。

レベル交換部に当る部分が少し異なつている。

トランジスタQ₁のコレクタとアースの間に抵抗R7と定電
圧ダイオードD3の直列体を設けている。D3に並列にR10
をつないでいる。

負荷が駆動され、Ｕ点の電圧が下つている時、Q1がオン
になる。R7、D3に電流が流れる。Ａ点の電圧が高くな
る。R7とR10の分圧比を、VccとＢの比の値より大きく定
めておき、D3のゼナー電圧をVccと等しく決めておけ
ば、駆動時にＡ点の電圧はVccに等しく、非駆動時にＡ
点の電圧はOVになる。

第２図の回路とＡ点の出力は反対になるが、どちらを使
つてもよい。

（ク）効果 駆動すべき指令信号Ｘを与えていない（Ｘ＝０）のに、
負荷へ電流が流れている（Ｙ＝１）時、監視信号Ｚも駆
動状態にある事を検出する（Ｚ＝１）。

指令と監視信号の喰い違いによつて、負荷のソフトリー
ク、制御トランジスタの不良などの故障を検出する事が
できる。

電源電圧が充放電によつて変動したとしても、駆動状態
（Ｙ＝１）は必らず検出することができる。従来の回路
は、電源電圧が高い時、駆動状態を見落すという危険が
あつた。

本発明は電源変動に拘わらず、駆動状態の検出が可能で
ある。つまり、負荷の駆動状態の監視能力が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の負荷監視回路の構成図。 第２図は実施例を示す回路図。 第３図は他の実施例を示す回路図。 第４図は従来の負荷監視回路の構成図。 第５図は従来の負荷監視回路の回路例図。 第６図は従来の回路の負荷の−端子の電圧と監視回路の
出力Ａの伝達特性図。 第７図は本発明の負荷監視回路の、負荷の−端子の電圧
と監視回路の出力Ａの伝達特性図。 １……負荷監視回路 ２……比較器 ５……電源 ６……負荷 ７……負荷駆動回路 ８……電源安定化回路 ９……コンピユータ 11……レベル変換部 Ｂ……システム電源の電圧 Vcc……固定電源電圧 Ｕ……負荷の−端の電圧 Ａ……負荷監視回路の出力 Ｘ……指令信号 Ｙ……状態函数 Ｚ……監視信号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バッテリー電源Ｂに＋端が接続された負荷
   と、負荷の一端に接続され負荷を駆動するための負荷駆
   動回路とよりなる自動車の負荷駆動装置に設けられ、負
   荷の一端の電圧Ｕと、バッテリー電源Ｂから一定電圧V₀
   だけ低い基準電圧Vrefとを比較し、負荷の駆動、非駆動
   を表わす監視信号を発し、負荷が非駆動時において、駆
   動回路と負荷の−端の接続点の電圧Ｕが基準電圧Vrefよ
   り低くなった場合に、負荷駆動回路が異常であることを
   検出できるようにした事を特徴とする負荷監視回路。