JP2015105911A - Sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物理量を検出するセンシング部を備えたセンサ装置に関する。 The present invention relates to a sensor device including a sensing unit that detects a physical quantity.
従来より、物理量を検出して当該物理量を電気信号に変換するメインのセンシング部を備えた変換器が、例えば特許文献1で提案されている。変換器では、センシング部を構成する素材、ベース、接着剤等の構成要素の経時変化によって出力の初期値が変化してしまう。この対策として、変換器は、メインのセンシング部で検出された物理量に対する初期値変動成分を検出するためのダミーのセンシング部を備えている。
Conventionally, a converter including a main sensing unit that detects a physical quantity and converts the physical quantity into an electric signal has been proposed in
また、変換器は、メインのセンシング部とダミーのセンシング部とで共通の信号取り出し口すなわち共通のパッドを備えており、このパッドから例えば半導体チップに電気信号を出力する構成となっている。そして、半導体チップに形成された電気回路によって電気信号から初期値変動成分が分離されるようになっている。 Further, the converter includes a common signal extraction port, that is, a common pad, in the main sensing unit and the dummy sensing unit, and is configured to output an electrical signal from the pad to, for example, a semiconductor chip. The initial value fluctuation component is separated from the electrical signal by the electrical circuit formed on the semiconductor chip.
しかしながら、上記従来の技術では、メインのセンシング部とダミーのセンシング部とが共通のパッドに電気的に接続されているので、パッドが経時劣化した場合には電気信号にパッドの経時劣化の成分が含まれてしまう。このため、電気信号から初期値変動成分が分離されたとしても、パッドの経時劣化の成分が残されてしまうという問題がある。したがって、パッドを含めたセンシング部全体の経時変化を診断することができる構成が望まれている。 However, in the above conventional technique, the main sensing unit and the dummy sensing unit are electrically connected to a common pad. Therefore, when the pad deteriorates with time, the component of deterioration of the pad with time is included in the electrical signal. It will be included. For this reason, even if the initial value fluctuation component is separated from the electrical signal, there is a problem that the component of deterioration of the pad with time is left. Therefore, a configuration capable of diagnosing a change with time of the entire sensing unit including the pad is desired.
本発明は上記点に鑑み、センシング部全体の経時変化を診断することができる構成を備えたセンサ装置を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the sensor apparatus provided with the structure which can diagnose the time-dependent change of the whole sensing part in view of the said point.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、物理量を検出するように構成されたセンシング部(10)と、センシング部(10)で検出された物理量のデータを所定の周期で記憶する記憶部(38)と、を備えている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the sensing unit (10) configured to detect a physical quantity and the physical quantity data detected by the sensing unit (10) are stored in a predetermined cycle. And a storage unit (38).
また、第1のタイミングで記憶部(38)に記憶される第1の物理量を基準として、当該第1のタイミングから所定時間の経過時に記憶部(38)に記憶される物理量の第1の物理量に対する変化分に基づいてセンシング部(10)の異常の有無を診断する演算部(39)を備えていることを特徴とする。 The first physical quantity stored in the storage unit (38) when a predetermined time elapses from the first timing on the basis of the first physical quantity stored in the storage unit (38) at the first timing. And a calculation unit (39) for diagnosing the presence or absence of abnormality of the sensing unit (10) based on a change with respect to.
これによると、センシング部(10)を構成する素材、ベース、接着剤、及びパッド(11)等の各構成要素のどの要素が経時劣化していたとしても、これらの経時劣化は物理量の変化分に含まれることとなる。したがって、演算部(39)は物理量の変化分に基づいてセンシング部(10)の異常の有無を判定することにより、センシング部(10)の全体の経時変化を診断することができる。 According to this, even if any of the constituent elements such as the material, the base, the adhesive, and the pad (11) constituting the sensing unit (10) is deteriorated with time, these deterioration with time is the change in physical quantity. Will be included. Therefore, the calculation unit (39) can diagnose the change over time of the entire sensing unit (10) by determining whether the sensing unit (10) is abnormal based on the change in the physical quantity.
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係るセンサ装置は、例えば車両のドア内に設置され、車両のドア内の空気圧力の変化を検出して、車両のドアへの衝突を検出する場合に用いられる。同じドア体積変形でも低地と高地で絶対圧力変化が異なるため、圧力変化分をそのときの大気圧で補正することができる圧力センサである。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The sensor device according to the present embodiment is installed, for example, in a vehicle door, and is used when detecting a change in air pressure in the vehicle door and detecting a collision with the vehicle door. Since the absolute pressure change differs between the low altitude and the high altitude even with the same door volume deformation, the pressure sensor can correct the pressure change with the atmospheric pressure at that time.
図1に示されるように、圧力センサは、センシング部10と、第1フィルタ部20と、信号処理部30と、を備えている。このうちのセンシング部10は、物理量として、大気圧に応じた大気圧成分と、大気圧とは異なる圧力による大気圧との圧力変化に応じた圧力変化成分と、を含んだ圧力を検出してセンサ信号を出力するように構成されている。本実施形態では、「大気圧とは異なる圧力」は車両のドアへの衝突に基づく圧力であり、当該衝突に基づく圧力が「圧力変化に応じた圧力変化成分」に該当する。
As shown in FIG. 1, the pressure sensor includes a
センシング部10は、シリコン基板等の半導体基板から構成された図示しないセンサチップに形成されている。また、センシング部10は、センサチップに形成された歪み部としてのダイヤフラムを有し、このダイヤフラムにゲージ抵抗(拡散抵抗)などにより形成されたブリッジ回路等を有している。すなわち、センシング部10は、ピエゾ抵抗効果を利用して圧力を検出するように構成されている。
The
さらに、センシング部10は、ブリッジ回路が電気的に接続されたパッド11を有している。そして、センシング部10は、このパッド11に接合された図示しないボンディングワイヤを介して第1フィルタ部20に電気的に接続されている。このように、センシング部10は、パッド11だけでなく、ゲージ素材、ベース、接着剤等の各構成要素によって成り立っている。
Furthermore, the
第1フィルタ部20は、センシング部10から入力したセンサ信号に含まれるノイズを除去するように構成されたローパスフィルタ回路である。本実施形態では、第1フィルタ部20は、遮断周波数が例えば370Hzに設定されている。これにより、第1フィルタ部20は、センサ信号に含まれる成分のうち遮断周波数を超える周波数のノイズ成分を除去する。
The
また、第1フィルタ部20は、センサ信号からノイズを除去した信号を圧力信号として信号処理部30に出力する。ここで、第1フィルタ部20は、圧力信号を2値化した信号すなわちデジタルデータとして信号処理部30に出力する。なお、以下では圧力信号をPabsとする。
The
信号処理部30は、第1フィルタ部20から圧力信号Pabsをデジタルデータとして入力し、圧力信号Pabsをデジタル処理することにより、圧力信号Pabsに基づいて大気圧に対する圧力変化の変化率を取得するように構成されたデジタル回路部である。このような信号処理部30は、第2フィルタ部31と、減算部32と、除算部33と、複数の監視ブロック部34〜37と、記憶部38と、演算部39と、を有している。
The
第2フィルタ部31は、第1フィルタ部20から圧力信号Pabsを入力し、当該圧力信号Pabsから圧力変化成分を除去するように構成されたローパスフィルタ回路である。すなわち、第2フィルタ部31は、大気圧成分を有する大気圧信号を取得する回路である。
The
本実施形態では、第2フィルタ部31は、遮断周波数が例えば0.3Hzに設定されている。これにより、第2フィルタ部31は、圧力信号Pabsに含まれる成分のうち遮断周波数を超える圧力変化成分を除去する。なお、以下では大気圧信号をP0とする。
In the present embodiment, the
減算部32は、圧力信号Pabsを入力すると共に第2フィルタ部31から大気圧信号P0を入力し、圧力信号Pabsから大気圧成分を減算するように構成された減算回路である。すなわち、減算部32は、圧力変化成分を有する変化分信号を取得する回路である。なお、以下では変化分信号をΔPとする。
The
車両の衝突が無く、圧力変化が生じない場合、変化分信号ΔP=Pabs−P0=0が減算部32から出力される。一方、車両の衝突によって圧力変化が生じた場合は、過渡的な圧力変化として変化分信号ΔP=Pabs−P0が減算部32から出力される。
When there is no vehicle collision and no pressure change occurs, a change signal ΔP = Pabs−P0 = 0 is output from the
除算部33は、大気圧信号P0及び変化分信号ΔPを入力し、変化分信号ΔPに含まれる圧力変化成分を大気圧信号P0に含まれる大気圧成分で割る除算回路である。すなわち、除算部33は、大気圧に対する圧力変化の変化率成分を有する変化率信号を取得する回路である。このように、変化分信号ΔPを大気圧信号P0で割ることで、大気圧に依存しない過渡的な圧力変化としての出力(変化率成分)を取り出すことができる。なお、以下では変化率信号をΔP/P0とする。
The
複数の監視ブロック部34〜37は、信号処理部30における各信号経路のうちの所定の経路における信号のデジタルデータを所定の周期で監視すると共に、当該データを記憶部38に記憶する監視回路である。「所定の周期」は、予め設定されたサンプリング周期である。なお、図示しない記憶手段は各監視ブロック部34〜37に含まれていても良い。
The plurality of
具体的に、監視ブロック部34(A)は、信号処理部30に入力される圧力信号Pabsを所定の周期で監視及び記憶する。監視ブロック部35(B)は、減算部32から出力される変化分信号ΔPのデジタルデータを所定の周期で監視及び記憶する。監視ブロック部36(C)は、第2フィルタ部31から出力される大気圧信号P0のデジタルデータを所定の周期で監視及び記憶する。監視ブロック部37(D)は、除算部33から出力される変化率信号ΔP/P0のデジタルデータを所定の周期で監視及び記憶する。
Specifically, the monitoring block unit 34 (A) monitors and stores the pressure signal Pabs input to the
記憶部38は、各監視ブロック部34〜37の監視に従って、圧力信号Pabs、変化分信号ΔP、大気圧信号P0、及び変化率信号ΔP/P0をそれぞれ所定の周期で記憶する記憶手段である。これらの信号はセンシング部10で検出された物理量のデータが基になっている。したがって、記憶部38はセンシング部10で検出された物理量のデータを所定の周期で記憶していると言える。記憶部38は、例えばメモリである。
The
演算部39は、第1のタイミングで記憶部38に記憶される第1の物理量を基準として、当該第1のタイミングから所定時間の経過時に記憶部38に記憶される物理量の第1の物理量に対する変化分に基づいてセンシング部10の異常の有無を診断する演算回路である。このため、演算部39は、変化分が正常範囲内であるか否かを判定するための閾値を有している。
The
「第1のタイミング」とは、例えばセンサ装置に電源が供給されたときにセンサ装置の動作をチェックするプライマリチェック中のタイミングである。また、「第1の物理量」とは、各監視ブロック部34〜37によって記憶部38に記憶された圧力信号Pabs、大気圧信号P0、変化分信号ΔP、及び変化率信号ΔP/P0のいずれかである。本実施形態では、第1の物理量を圧力信号Pabsのデジタルデータとする。つまり、演算部39は、圧力信号Pabsの変化に基づいてセンシング部10の異常の有無を診断する。なお、大気圧信号P0等の他の信号を用いて異常の有無を判定しても良い。
The “first timing” is, for example, a timing during a primary check that checks the operation of the sensor device when power is supplied to the sensor device. The “first physical quantity” is any one of the pressure signal Pabs, the atmospheric pressure signal P0, the change signal ΔP, and the change rate signal ΔP / P0 stored in the
そして、演算部39は、センシング部10に異常が発生していると判定した場合は外部に異常を通知する。これにより、異常が発生していることを外部に把握させることができる。以上が、本実施形態に係るセンサ装置の全体構成である。
If the
次に、上記のセンサ装置の作動について説明する。まず、大気圧は例えば概ね100kPaである。そして、車両の衝突により圧力変化の成分が発生すると、圧力信号Pabsが大きくなっていく。そして、圧力信号Pabsは衝突発生から例えば20ms後に約110kPaとなり、その後は減衰して大気圧である100kPaに収束する。 Next, the operation of the sensor device will be described. First, atmospheric pressure is about 100 kPa, for example. When a pressure change component is generated by a vehicle collision, the pressure signal Pabs increases. The pressure signal Pabs becomes, for example, about 110 kPa after 20 ms from the occurrence of the collision, and thereafter attenuates and converges to 100 kPa, which is the atmospheric pressure.
このような圧力信号Pabsの挙動に対して、第2フィルタ部31を通過した大気圧信号P0は大気圧である100kPaを維持している。すなわち、20msで変化する圧力変化成分が第2フィルタ部31に入力されたとしても、当該圧力変化成分は除去されて大気圧成分のみが第2フィルタ部31から出力される。
With respect to the behavior of the pressure signal Pabs, the atmospheric pressure signal P0 that has passed through the
そして、除算部33では大気圧に対する圧力変化成分の割合として変化率信号ΔP/P0(=(Pabs−P0)/P0)が算出されるので、圧力変化率が0%の状態から20ms後に圧力変化率が最大値となり、その後、圧力変化率は0%に戻る。具体的には、大気圧100kPaに対して圧力検出値が110kPaまで変化したので、圧力変化の変化率は最大で10%変化したことを示している。このように、信号処理部30からは大気圧に対する圧力変化の変化率のデータが外部に出力される。これが、センサ装置の通常動作である。
The
続いて、演算部39の異常判定について説明する。演算部39は、センサ装置に電源が供給された数秒ほどのプライマリチェック時に異常判定を行う。したがって、図2の時点T1(第1のタイミング)でセンサ装置に電源が供給されると、各監視ブロック部34〜37によって当該時点T1における圧力信号Pabs等の各信号が記憶部38に記憶される。時点T1では、電源供給によって圧力信号Pabsの値が上昇する。ここで、時点T1における圧力信号Pabsのデータ(第1の物理量)をPabs1とする。
Subsequently, the abnormality determination of the
続いて、時点T1から所定時間の経過時の時点T2(第2のタイミング)で各監視ブロック部34〜37によって当該時点T1における圧力信号Pabs等の信号が記憶部38に記憶される。ここで、時点T2における圧力信号Pabsのデータ(第2の物理量)をPabs2とする。
Subsequently, at time T2 (second timing) when a predetermined time has elapsed from time T1, signals such as the pressure signal Pabs at the time T1 are stored in the
時点T2の後、演算部39は、Pabs1(第1の物理量)とPabs2(第2の物理量)との差分を変化分として取得する。また、演算部39は、当該差分が正常範囲内であるか否かを判定する。
After the time T2, the
センシング部10が正常に機能していると共に、センシング部10を構成しているパッド11等に経年劣化が生じていない場合、当該差分はほとんど無い。したがって、演算部39は、当該差分が正常範囲内であると判定し、センシング部10に異常は発生していないと診断する。
When the
一方、センシング部10に何らかの異常が発生していたり、センシング部10を構成しているパッド11等に経年劣化が生じている場合、圧力信号Pabsがドリフトする。このため、時点T2ではΔPabsの変化分が生じている。この変化分ΔPabsは正常範囲を超える差分である。したがって、演算部39は、当該差分が正常範囲を超えていると判定し、センシング部10に異常が発生していると診断する。この場合、演算部39は外部装置にセンシング部10の異常を通知する。
On the other hand, when some abnormality has occurred in the
以上説明したように、本実施形態では、第1のタイミングの第1の物理量と第2のタイミングの第2の物理量との差分が正常範囲内であるか否かを判定することによりセンシング部10の異常の有無を診断することが特徴となっている。このように、センシング部10から出力された信号をモニタしているので、センシング部10を構成する素材、ベース、接着剤、及びパッド11等の各構成要素のどの要素が経時劣化していたとしても、センシング部10の異常を検出することができる。したがって、センシング部10の全体の経時変化を診断することができる。
As described above, in the present embodiment, the
特に、センサ装置が物理量である圧力変化すなわちAC成分を取り出すように構成されている場合、そもそも物理量の変化分が小さいので異常の診断が困難である。しかしながら、本実施形態のように信号のドリフトをモニタすることで変化分を取り出すように構成されたセンサ装置においても異常の診断を行うことができる。 In particular, when the sensor device is configured to extract a pressure change, that is, an AC component, which is a physical quantity, it is difficult to diagnose an abnormality because the change in the physical quantity is small in the first place. However, the abnormality diagnosis can be performed also in the sensor device configured to extract the change by monitoring the signal drift as in the present embodiment.
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、演算部39は、第1のタイミングで記憶部38に記憶される第1の物理量を基準とした正常範囲を設定し、この正常範囲に基づいてセンシング部10の異常の有無を診断することが特徴となっている。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, parts different from the first embodiment will be described. In the present embodiment, the
具体的には、図3の時点T1(第1のタイミング)でセンサ装置に電源が供給されると、上記と同様に圧力信号Pabs等の各信号が記憶部38に記憶される。時点T1では、圧力信号Pabsのデータ(第1の物理量)としてPabs1が記憶される。また、演算部39は、Pabs1を基準とした正常範囲を設定する。信号は増加側と減少側のどちらにドリフトするか不明であるので、Pabs1に対して一定値が加算及び減算された2値の範囲を正常範囲に設定する。
Specifically, when power is supplied to the sensor device at time T1 (first timing) in FIG. 3, each signal such as the pressure signal Pabs is stored in the
この後、演算部39は、時点T1(第1のタイミング)を基点として当該基点から診断時間が経過する時点T3まで、所定の周期で記憶部38に記憶される圧力信号Pabsのデータが正常範囲に含まれるか否かを随時判定する。
Thereafter, the
そして、センシング部10に異常が無い場合、圧力信号Pabsはドリフトしないので、圧力信号Pabsのデータは時点T1から時点T3までの間は正常範囲に含まれる。したがって、演算部39は、診断時間の経過時である時点T3に記憶部38に記憶された圧力信号Pabsのデータは正常範囲に含まれる判定し、センシング部10に異常は発生していないと診断する。
When there is no abnormality in the
また、演算部39は、時点T1で設定した正常範囲を解除する。これは、センサ装置に電源が供給されたタイミングにおける圧力信号Pabsのデータは毎回異なる可能性があるので、当該タイミング毎に正常範囲を設定するためである。
Moreover, the calculating
一方、センシング部10に異常が発生している場合、圧力信号Pabsはドリフトするので、時点T1から所定時間の経過時である時点T4に記憶部38に記憶された圧力信号Pabs3のデータが正常範囲を超えると判定する。これにより、演算部39は、センシング部10に異常が発生していると診断する。
On the other hand, when an abnormality occurs in the
以上のように、演算部39が第1のタイミングにおける物理量を基準として正常範囲を設定することにより、センシング部10に異常が発生している場合は診断時間の経過を待たずにセンシング部10に異常があると診断することができる。このため、第1実施形態の構成よりも早く異常の診断を完了させることができる。
As described above, the
(他の実施形態)
上記各実施形態で示されたセンサ装置の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記各実施形態では、センサ装置は車両の衝突を検出する圧力センサとして構成されていたが、センサ装置の用途は車両に限られず、他の用途で用いられても良い。
(Other embodiments)
The configuration of the sensor device described in each of the above embodiments is an example, and the present invention is not limited to the configuration described above, and may be another configuration that can realize the present invention. For example, in each of the above embodiments, the sensor device is configured as a pressure sensor that detects a collision of the vehicle. However, the use of the sensor device is not limited to the vehicle, and may be used for other purposes.
また、第1のタイミングはセンサ装置に対する電源供給時に限られない。既にセンサ装置が稼働している状態において任意のタイミングを第1のタイミングとしても良い。 Further, the first timing is not limited to power supply to the sensor device. An arbitrary timing may be set as the first timing in a state where the sensor device is already operating.
上記各実施形態では、センシング部10は、物理量として圧力をするように構成されていたが、これは物理量の一例である。また、センシング部10に設けられたブリッジ回路はゲージ抵抗で構成されるものに限られず、コンデンサがブリッジ回路を構成するものでも良い。
In the above embodiments, the
10 センシング部
30 信号処理部
38 記憶部
39 演算部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記センシング部(10)で検出された物理量のデータを所定の周期で記憶する記憶部(38)と、
第1のタイミングで前記記憶部(38)に記憶される第1の物理量を基準として、当該第1のタイミングから所定時間の経過時に前記記憶部(38)に記憶される物理量の第1の物理量に対する変化分に基づいて前記センシング部(10)の異常の有無を診断する演算部(39)と、
を備えていることを特徴とするセンサ装置。 A sensing unit (10) configured to detect a physical quantity;
A storage unit (38) for storing physical quantity data detected by the sensing unit (10) at a predetermined period;
With reference to the first physical quantity stored in the storage unit (38) at the first timing, the first physical quantity of the physical quantity stored in the storage unit (38) when a predetermined time elapses from the first timing. A calculation unit (39) for diagnosing the presence or absence of abnormality of the sensing unit (10) based on a change with respect to
A sensor device comprising:
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