JP2008020250A

JP2008020250A - 衝撃検知装置

Info

Publication number: JP2008020250A
Application number: JP2006190546A
Authority: JP
Inventors: Masaru Noda; 勝野田; Masakazu Sugimoto; 正和杉本
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】検出した加速度のピークだけではなく、持続時間も勘案して衝撃の強さを正確
に捉えることができ、また、ディジタル処理する場合にＡ／Ｄ変換の周期を長く出来る（
すなわち遅い速度でＡ／Ｄ変換してもよい）衝撃検知装置を提供することを目的とする。
【解決手段】３軸加速度センサが検出した３軸の加速度値の絶対値波形のそれぞれを所
定時間を積分区間として時間積分し、該積分結果の電圧を所定の閾値と比較し閾値を超え
たときに衝撃を検知する。

【選択図】図１

Description

本発明は、磁気ディスクを搭載した可搬型乃至携帯型電子機器等が衝撃によって損傷す
ることを予防する目的に利用可能な衝撃検知装置に関する。

可搬型乃至携帯型電子機器ではその性格上、使用中に振動や衝撃が加えられ易い。極端
には誤って落下させられる危険性もある。そして、ノート型パソコンや一部のディジタル
型音楽プレーヤのように磁気ディスクを内蔵するものは特に衝撃に対してデリケートであ
り、振動や衝撃に備えた保護策が必要である。このような保護策の従来例が特許文献１及
び２に記載されている。特許文献１には落下を検知して落下衝突前に磁気ヘッドを安全領
域に退避させるものが記載されており、それによれば、３軸加速度センサを備え、加速度
信号が３軸共に略零の小加速度値になり、それが所定時間継続したときに自由落下中であ
ると判断して、磁気ヘッドを退避領域に移動させて、落下衝突時の衝撃による磁気ディス
クの破壊を防止していた。また特許文献２には強い衝撃を検知した時に引き続く次の衝撃
に備えて磁気ヘッドを安全領域に退避させるものが記載されており、それによれば、振動
検出センサとこの振動検出センサが出力する振動のレベルが基準値を超える強レベルか否
かを判断する振動判断手段を具備し、振動が強レベルの場合にはヘッドを記録媒体のデー
タ記録領域から非記録領域に退避させ、データ記録領域の損傷を防止している。
落下検知の場合、例えば６０ｃｍの高さから落下した場合の理論上の落下時間は約０．
３５秒であるから、落下を検知するために必要な加速度の測定頻度は数ミリ秒周期程度と
割合ゆっくりとしたもので十分である。これに対して、衝撃は短時間の事象であるので、
衝撃による加速度の変化を正しく捉えるには加速度測定頻度は十分に高いことが必要であ
る。このことに関して上記の特許文献は特に言及はしていないが、加速度測定並びに閾値
との比較処理の周期は、少なくとも０．１ミリ秒周期程度の高速が求められるものと推察
される。また、携帯機器に損傷を引き起こす衝撃には、衝撃のピークが高いが持続時間が
きわめて短時間のものと、ピークはそれほど高くなくても持続時間が長いものがある。前
者については、加速度値を閾値と比較するだけで判定できるが、後者については、加速度
値を閾値と比較するだけで判定できないという問題がある。

特開２０００−２４１４４２号公報

特開２００３−０５９２２２号公報

携帯機器に損傷を引き起こす衝撃には、衝撃のピークが高いが持続時間がきわめて短時
間のものと、ピークはそれほど高くなくても持続時間が長いものがある。前者については
、加速度値を閾値と比較するだけで判定できるが、後者については、加速度値を閾値と比
較するだけでは衝撃の強さの程度を正確に捉えることができないという問題がある。また
、衝撃検知の判定処理は、加速度センサの出力をディジタル化した上で、ディジタル論理
回路かプロセッサ上で動くディジタル処理によるのが都合がよいが、このときのＡ／Ｄ変
換ならびにディジタル処理には上記と同様の高速性が求められる。特に、Ａ／Ｄ変換を０
．１ミリ秒周期で行うことは、消費電流を増大させ、携帯機器の消費電力の観点で問題と
なる。

本発明は、このような事情を鑑みて成されたもので、ピークはそれほど高くなくても持
続時間が長い性質の衝撃についても衝撃の強さの程度を正確に捉えることができ、また、
ディジタル処理する場合にＡ／Ｄ変換の周期を長く出来るという特徴を備えた衝撃検知装
置を提供することを目的とする。

本発明の衝撃検知装置は、３軸加速度センサが検出した３軸の加速度値の絶対値波形の
それぞれを所定時間を積分区間として時間積分し、該積分結果の電圧を所定の閾値と比較
し閾値を超えたときに衝撃を検知する。

本願の衝撃検知装置を搭載した携帯機器に強い振動や衝撃が加わった時に、３軸加速度
センサの出力にそれに呼応する衝撃振動波形が得られる。一般に衝撃振動波形は、衝撃前
の直流レベルを基準にして正負両側に振動する波形である。その振動波形は衝突対象物の
堅さや衝突時の姿勢などに依存し一定ではないが、大雑把には周期が１ミリ秒前後の減衰
振動波形であることが多い。加速度センサから得られるこのような振動波形に対して、負
側の波形部分を極性反転して絶対値波形を得、この絶対値波形を例えば１ミリ秒の所定時
間毎に積分する。

このような積分値は衝撃のエネルギーを表す指標の一つとして有意義であるとする理論
がある。地震の揺れの大きさを表す指標としてカインと呼ばれる指標で使われているもの
がその一例である。本願の衝撃検知装置はこの理論に基づき、更に、積分区間内に負側波
形が含まれる場合も衝撃エネルギーとして積算されるように当該負側波形を極性反転して
積分する工夫が加えられている。これにより、所定時間毎の積分値には積分区間よりも短
い周期で振動する衝撃振動波形に対しても衝撃の強さを正しく表す値が得られる。そして
、この積分結果の電圧が所定の閾値を超えたかどうかを比較判定し、所定の閾値を超えた
ときに衝撃があったとして検知出力を発生する。

本発明によれば、ピークが高いが持続時間がきわめて短時間の性質の衝撃と、ピークは
それほど高くなくても持続時間が長い性質の衝撃のいずれについても衝撃の強さの程度を
正確に捉えることができる。

請求項２に記載の衝撃検知装置では、３軸加速度センサが検出した３軸の加速度値の絶
対値波形のそれぞれを所定時間を積分区間として時間積分し、該積分結果の電圧を該所定
時間周期でＡ／Ｄ変換し、該ディジタル化されたデータが所定の閾値を超えた時に衝撃を
検知する。

このような積分により積分区間よりも短い周期で振動する衝撃振動波形に対しても衝撃
の強さを正しく表す値が得られることは前述と同様である。さらに、該所定時間毎の積分
値電圧をＡ／Ｄ変換し、該ディジタル化されたデータが所定の閾値を超えたかどうかをデ
ィジタル処理により判定し、所定の閾値を超えたときに衝撃があったとして検知出力を発
生する。

本発明によれば、衝撃振動波形の周期よりも長い周期で、すなわち遅い速度でＡ／Ｄ変
換してもよく、Ａ／Ｄ変換による消費電力を低く抑えることができる。同時にディジタル
処理量も少なくて済みプロセッサーの負担も少なくて済む。

請求項３に記載の衝撃検知装置では、３軸加速度センサが検出した３軸の加速度値の絶
対値波形のそれぞれを所定時間毎に時間積分し、該積分結果の電圧を該所定時間周期でＡ
／Ｄ変換し、該ディジタル化されたデータを加速度センサの係る軸毎に最近の複数個につ
いて加算し、該加算値が所定の閾値を超えた時に衝撃を検知する。

衝撃振動波形の周期が長くて積分周期を超える場合には、１回の積分結果では衝撃の強
さを捕らえきれない可能性があるが、本発明によれば、引き続く複数回の積分値を加算し
た値で衝撃の判定を行うことで衝撃を正しく検知することができる。

請求項４に記載の衝撃検知装置は、上記の本発明により衝撃を検知した時に、係る加速
度センサ軸の情報を併せて出力する。これにより、加わった衝撃の方向を特定することが
できる。

請求項５に記載の衝撃検知装置は、該所定の閾値は複数の異なる値が備えられており、
衝撃を検知した時に超えた閾値の内の最大の閾値を識別可能な情報を出力する。これによ
り、衝撃の強さを多段階で評価することができる。

本発明による衝撃検知装置では、加速度の絶対値を時間積分した量で衝撃の強さを判定
するので衝撃のエネルギーをよく反映した衝撃検知ができ、さらに、衝撃振動波形の周期
よりも長い周期で、すなわち遅い速度でＡ／Ｄ変換してもよく、Ａ／Ｄ変換による消費電
力を低く抑えることができ、同時にディジタル処理量も少なくて済みプロセッサーの負担
も少なくて済むという効果が得られる。

上述の本発明に係るさらに詳しい形態について、以下に説明する。

本発明の第１の実施例を図１示し、その動作説明図を図２に示す。図１に示す衝撃検知
装置は、３軸加速度センサ１、絶対値積分回路２，３，４、積分値比較判定手段５等から
構成されている。絶対値積分回路２，３，４は、それぞれＸ軸チャンネル用、Ｙ軸チャン
ネル用、Ｚ軸チャンネル用であり、すべて同一であるので、以下にＸ軸チャンネル用を例
にして詳細を説明する。
２１，２２はオペアンプであり、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と合わせて差動増幅回路を構成
し、加速度センサブリッジの出力電圧Ｖｉ１とＶｉ２の差電圧を１００倍程度に増幅して
Ｖｏ１とＶｏ２を出力する。Ｖｉ１とＶｉ２に対するＶｏ１とＶｏ２の関係は概略次式で
表される。
Ｖｏ１＝Ｖｉ１＋（Ｖｉ１−Ｖｉ２）×（Ｒ１／Ｒ３）―――――（式１）
Ｖｏ２＝Ｖｉ２−（Ｖｉ１−Ｖｉ２）×（Ｒ２／Ｒ３）―――――（式２）
増幅利得は（Ｒ１／Ｒ３）または（Ｒ２／Ｒ３）で決まり、これを１００とする例では
、式１または式２における第１項であるＶｉ１とＶｉ２の変化は第２項の変化に比べて十
分小さく、電源電圧（図示の例では３Ｖ）の半分の１．５Ｖの固定と見なすことができる
。すなわち、Ｖｏ１とＶｏ２は１．５Ｖを中心にして互いに逆方向にプラスマイナスに振
れる信号波形となる。
２３はコンパレータであり、前記Ｖｏ１とＶｏ２の電位を比較しその比較結果によりス
イッチ２４を制御するものであり、Ｖｏ１がプラスに振れＶｏ２がマイナスに振れたとき
にスイッチをＶｏ１側に倒し、その逆の時にはＶｏ２側に倒す。この結果、スイッチ２４
の出力側には、１．５Ｖに対してプラス側に振れた波形が得られる。すなわち、加速度セ
ンサで検出された衝撃振動波形の絶対値に相当する波形が得られる。この様子は図２にお
いて、最上段に描かれた（ａ．衝撃振動波形）に示されており、その中で点線はマイナス
側に振れた部分が反転された波形である。
オペアンプ２５、抵抗Ｒ４、キャパシタ１、リセットスイッチ２５により周知の積分回
路が構成されている。抵抗Ｒ４の左端に印可された電圧と基準電圧（１．５Ｖ）との差電
圧をＲ４で除した電流が抵抗Ｒ４に流れ、リセットスイッチがオープンになっているとき
、同じ電流がキャパシタ１に流れる。そして、電流の時間積分値に等しい電荷を蓄電する
。キャパシタの充電電圧は、該電流を時間積分した値（すなわち電荷）をＣ１で除して得
られる電圧に等しい。したがって、絶対値積分回路の出力電圧は、１．５Ｖを基準にキャ
パシタの充電電圧だけマイナス側に下がった電圧となる。
キャパシタＣ１に充電された電荷はリセットスイッチ２６により図２の（ｃ．積分リセ
ット）に示されるように定期的にクリアされる。リセットの所要時間は数マイクロ秒と短
く、このリセットと次のリセットまでの間が積分区間となる。
積分値比較判定手段５は、コンパレータ５１、比較閾電圧５２、ラッチ回路５３等で構
成される。前記のように絶対値積分回路の出力電圧は１．５Ｖを基準にマイナス側に下が
った電圧であるので、比較閾電圧は１．５Ｖを基準にマイナス側の電圧であり、絶対値積
分回路の出力電圧がこの閾電圧よりもマイナス側に振れたときにコンパレータは出力に論
理１の出力を発生する。ただし図２では、原理説明のために積分値と閾値を正極性で表示
している。ラッチ回路５３は積分がリセットされる直前の比較判定タイミングでコンパレ
ータの論理出力をラッチし、図２のｆ．衝撃検知出力波形のように論理１を衝撃検知と
して出力する。
Ｙ軸チャンネル、Ｚ軸チャンネルについても同様であるが、積分値比較判定手段を共用
するために、積分リセットおよび積分値比較判定タイミングをチャンネル間でオフセット
することが望ましい。すなわち、積分値比較判定手段は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を巡回して処
理し、いずれかの軸の処理で衝撃検知されたときにそれを出力する。また、どの軸で検出
したかの情報も合わせて出力するようにしてもよい。
本実施例において、積分区間の設計値の一例は１ミリ秒である。このとき、１ミリ秒よ
りも短い周期の衝撃振動に対しても適切に衝撃検知が可能である。

本発明の第２の実施例を図３示し、その動作説明図を図４に示す。本実施例の衝撃検知
装置は、３軸加速度センサ１、絶対値積分回路２，３，４、Ａ／Ｄ変換器６、衝撃検知判
定手段７等から構成されている。絶対値積分回路までは前記第１の実施例と共通であり説
明を割愛する。Ａ／Ｄ変換器６は、図４（ｄ．Ａ／Ｄサンプリング）に示されたように積
分リセットの直前のタイミングで積分回路の出力電圧をサンプリングする。
Ａ／Ｄ変換器に取り込まれた積分値を図４（ｅ．積分値（Ａ／Ｄ値））に例示する。衝
撃検知判定手段７はこのディジタル値に対して、閾値との比較を行い、閾値を超えたとき
に衝撃検知出力を発生する。
Ｙ軸チャンネル、Ｚ軸チャンネルについても同様であるが、Ａ／Ｄ変換器と衝撃検知判
定手段を共用するために、積分リセットおよびＡ／Ｄサンプリングタイミングをチャンネ
ル間でオフセットすることが望ましい。すなわち、Ａ／Ｄ変換器および衝撃検知判定手段
は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を巡回して処理し、いずれかの軸の処理で衝撃検知されたときにそ
れを出力する。また、どの軸で検出したかの情報も合わせて出力するようにしてもよい。
本実施例において、積分区間の設計値の一例は１ミリ秒である。このとき、１ミリ秒よ
りも短い周期の衝撃振動に対しても適切に衝撃検知が可能である。同時に、Ａ／Ｄ変換の
サンプリング周波数は３チャンネル合わせても３ｋＨｚで済むので、簡易かつ低消費電力
の回路で実現できる。

本発明の第３の実施例を図５に示す。本実施例において衝撃検知判定手段７はＡ／Ｄ変
換器から入力されたディジタルデータを１積分周期ずつ遅延する遅延手段７１，７２とそ
れらの遅延を受けたデータおよび遅延を受けないデータを加算する加算手段７３を備える
。図６においてｂ．３個加算値は、加算されたデータを示す。たとえばＴ５の時刻ではＡ
／Ｄ変換器から入力されたデータの時刻Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５のデータの合計値である。加算
前のデータでは閾値に到達していなくても、加算後のデータでは時刻Ｔ５において閾値に
到達し、衝撃検知出力を発生している。
本実施例の衝撃検知装置では、３軸加速度センサが検出した３軸の加速度値の絶対値波
形のそれぞれを所定時間毎に時間積分し、該積分結果の電圧を該所定時間周期でＡ／Ｄ変
換し、該ディジタル化されたデータを加速度センサの係る軸毎に最近の複数個について加
算し、該加算値が所定の閾値を超えた時に衝撃を検知するので、衝撃振動波形の周期が長
くて積分周期を超える場合に１回の積分結果では衝撃の強さを捕らえきれない場合であっ
ても、引き続く複数回の積分値を加算した値で衝撃の判定を行うことで衝撃を正しく検知
することができる。過去の何個のデータを加算するかは、検知対象の衝撃の性質等を勘案
して設計するのがよく、また、能動的に加算個数を変更する方法でもよい。

本発明の第４の実施例を図７に示す。本実施例は、前記第１の実施例における積分値比
較判定手段５を複数の異なる閾値に対して比較判定するようにし、どの閾値を超えたかを
出力できるようにした。その動作例を図８に示す。Ｖｔ１＜Ｖｔ２＜Ｖｔ３の順に閾値が
高くなる設定において、各閾判定器の出力衝撃検知出力１，２，３として示す。同時に複
数の衝撃検知出力が出た場合、そのうちの閾値が最も高い衝撃検知出力を求める論理は簡
単であるから、それにより、衝撃の強さを多段階で評価することができる。
なお、本実施例の考えはは前記第２、第３の実施例にも適用可能である。

本発明の第１の実施例を示す図である。本発明の第１の実施例の動作を説明する図である。本発明の第２の実施例を示す図である。本発明の第２の実施例の動作を説明する図である。本発明の第３の実施例を示す図である。本発明の第３の実施例の動作を説明する図である。本発明の第４の実施例を示す図である。本発明の第４の実施例の動作を説明する図である。

符号の説明

１３軸加速度センサ、
２，３，４絶対値積分手段、
２，３，５５積分値比較判定手段、
６Ａ／Ｄ変換器、
７衝撃検知判定手段。

Claims

３軸加速度センサが検出した３軸の加速度値の絶対値波形のそれぞれを所定時間毎に時
間積分し、該積分結果の電圧が所定の閾値を超えた時に衝撃を検知する衝撃検知装置。
３軸加速度センサが検出した３軸の加速度値の絶対値波形のそれぞれを所定時間毎に時
間積分し、該積分結果の電圧を該所定時間周期でＡ／Ｄ変換し、該ディジタル化されたデ
ータが所定の閾値を超えた時に衝撃を検知する衝撃検知装置。
３軸加速度センサが検出した３軸の加速度値の絶対値波形のそれぞれを所定時間毎に時
間積分し、該積分結果の電圧を該所定時間周期でＡ／Ｄ変換し、該ディジタル化されたデ
ータを加速度センサの係る軸毎に最近の複数個について加算し、該加算値が所定の閾値を
超えた時に衝撃を検知する衝撃検知装置。
衝撃を検知した時に、係る加速度センサ軸の情報を出力することを特徴とした請求項１
，２または３に記載の衝撃検地装置。
該所定の閾値は複数の異なる値が備えられており、衝撃を検知した時に超えた閾値の内
の最大の閾値を識別可能な情報を出力することを特徴とした請求項１，２，３または４に
記載した衝撃検知装置。