JP2017156088A - 慣性力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両が走行中であってもセンサ出力を妨げずに診断可能な慣性力検出装置を提供する。【解決手段】通信２０は外部装置であるＥＣＵ２から加速度出力指示信号を受信すると、加速度を送信出力し、診断制御１８は加速度出力指示信号の周期に応じて加速度診断制御信号を加速度診断１９に出力する。加速度診断１９は振動子１１の固定電極１２に診断用電圧を印加し、振動子１１の強制変位に対する出力を診断して診断結果を出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、慣性力検出装置に関する。

慣性力、例えば、加速度を検出する加速度センサは、自動車や電車などの車両に搭載されており、走行中の加速度センサの正常動作を確保することが必須である。ここで、加速度センサの診断は、加速度の検出素子に診断用の電圧を加えることによる静電引力で検出素子を変位させて診断する方法が主流である。車両の慣性力を検出する装置のうち、例えば、加速度センサの稼働中における自己診断方法としては、特許文献１，２に記載のような装置が開示されている。特許文献１では、診断期間と加速度出力タイミングが重なった場合は、診断電圧相当分（固定値）を減算した値を加速度として出力する例が示されている。また、特許文献２では、検出対象である加速度が変化する周波数の上限よりも高い周波数で可動部を振動させ、このときに加速度センサから出力されるセンサ信号に基づいて、判定部にてセンサ部の異常を自己診断する。加速度センサからのセンサ信号は、デジタルフィルタにおいてフィルタ処理され、可動部の振動周波数に対応する周波数成分が除去される例が示されている。

特許第３１６２１４９号 特開２００８−１０７１０８号公報

しかしながら、特許文献１，２では、診断中は、正しい加速度検出結果が得られない、あるいは、診断後も電圧印加による影響が残る時間が長いため加速度の検出周期を長くする必要がある。

そこで、本発明は、車両が走行中であってもセンサ出力を妨げずに診断可能な慣性力検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の慣性力検出装置の一例として、振動体の変位量に応じて慣性力を測定する慣性力検出装置において、外部から入力される出力指示信号に同期して診断電圧を印加する構成からなる。

車両が走行中であっても、センサ出力を妨げずに診断可能な慣性力検出装置を提供することが可能となる。

実施例の加速度センサのブロック図。 実施例の診断制御機能のブロック図。 実施例の加速度診断機能のブロック図。 実施例のフィルタ機能のブロック図。 実施例の基本的な加速度診断動作を示すタイムチャート。 実施例の電圧調整による診断動作を示すタイムチャート。 実施例のしきい値調整による診断動作を示すタイムチャート。 実施例のフィルタ選択による診断動作を示すタイムチャート。 実施例２の角速度センサのブロック図。 実施例２の基本的な角速度診断動作を示すタイムチャート。

以下、本発明の実施例を図１〜図９により説明する。

図１は実施例である加速度センサのブロック図である。本実施例の加速度センサは、振動子１１、電極１２，１３を有する。

振動子１１は、図の上下方向に加速度が加わったときに変位する。電極１２は、電圧を印加し、強制的に振動子１１を上下方向に変位させる。電極１３は、上下方向の変位量を静電容量の変化によって検出する。容量検出器１４は、変位による静電容量の変化を検出し電圧として出力する。ＡＤ変換器１５は、容量検出器１４が検出した電圧をデジタル信号に変換する。

フィルタ１６は、通常の加速度検出時は、ローパスフィルタ処理により、高周波のノイズを除去する機能を有する。一方、加速度診断時には、診断制御１８からの入力信号に応じて、診断直前の加速度値と診断中の加速度値との差分を出力する機能および加速度検出時と加速度診断時でローパスフィルタの特性を変える機能を有する。詳細は、図４にて説明する。

温度補正１７は、周囲温度を温度センサで検出し、その検出値に応じて加速度出力値を補正する機能である。診断制御１８は、外部装置であるＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）２から、加速度出力の送信指示が入力された場合に、その送信指示の周期に応じて、加速度診断部１９およびフィルタ１６に対し、加速度診断を実行するための制御信号を生成し、出力する機能である。詳細は図２で説明する。

加速度診断１９は、振動子１１の固定電極１２に診断用の電圧を印加し、強制的に振動子１１を変位させることにより、容量検出器１４から温度補正部１７までを経た加速度変位出力に対して診断を行い、振動子１１から温度補正１７までが正常に稼動しているか否かを判定する。詳細は図３で説明する。

通信２０は、温度補正１７が補正した加速度出力および加速度診断１９の診断出力を、ＥＣＵ２などの外部装置に送信する。

次に図２を用いて診断制御１８について説明する
指示検出１８１は、ＥＣＵ２から受信する信号が、加速度出力の指示命令であるか否かを検出する機能である。指示間隔検出１８２は、ＥＣＵ２から受信する加速度出力の指示命令の受信間隔を検出する機能である。

タイミング調整１８３は、加速度出力指示の受信間隔に応じて、診断の時間を調整する
機能である。電圧調整１８４は、加速度出力指示の受信間隔に応じて、診断印加電圧の振幅および極性を調整する機能である。

しきい値調整１８５は、加速度出力指示の受信間隔に応じて、加速度診断時の加速度変位量が正常か否かを判定するためのしきい値を調整する機能である。フィルタ調整１８６は、加速度出力指示の受信間隔に応じて、フィルタ１６に対し、検出時と診断時で加速変位値に施すローパスフィルタを選択し、また、診断時に、診断直前の加速度値との差分値を選択する信号を出力する機能である。

次に、図３を用いて加速度診断１９について説明する。

診断電圧印加１９１は、加速度センサが正常に稼動しているか否かを診断するため、強制的に振動子１１を図１の上下方向に変位させるため、電極１２に電圧を印加する機能である。しきい値１９２は、フィルタ１６から入力する加速度変位値が正常範囲に入っているか否かを判定するためのしきい値を格納するレジスタである。例えば、しきい値として、上限値と下限値を格納する。判定１９３は、加速度変位値と、しきい値である上限値と下限値を比較し、加速度変位値がその範囲内にあれば、正常と判定する。

次に、図４を用いてフィルタ１６について説明する。

ローパスフィルタａ１６１は、加速度検出時に適用するローパスフィルタである。一方、ローパスフィルタｂ１６２は、加速度診断時に適用するローパスフィルタである。加速度診断時は、診断電圧印加による加速度変位の立ち上がり、立ち下がり時間を短くするため、ローパスフィルタｂ１６２のカットオフ周波数は、ローパスフィルタａ１６１のそれより高い。

スイッチ１６３は、２つの入力信号から１つを選択する機能である。フィルタ選択信号により、加速度検出時はローパスフィルタａの出力を、加速度診断時はローパスフィルタａの出力を選択し出力する。

ラッチ１６４は、加速度診断直前の加速度変位値を保持する機能である。減算器１６５は、加速度診断時の加速度変位値から、診断開始直前の加速度変位値を減算する機能である。この機能の目的は、加速度センサを搭載した車両が傾斜地に停止しる、あるいは、走行中に加速度が生じている状態において、診断電圧印加による加速度変位のみを抽出するためである。

スイッチ１６４は、２つの入力信号から１つを選択する機能である。変位選択信号により、加速度検出時はその時点の加速度変位を、加速度診断時は診断電圧印加に加速度変位を選択し出力する。

つぎに動作について説明する。図５は、本発明の基本の動作を説明するタイムチャートである。

図１の通信２０は、ＥＣＵ２から加速度出力指示の信号を受信し、出力すべき加速度出力を送信バッファへの格納が完了すると、診断指示信号を診断制御１８に出力する。診断制御１８は、図２の指示検出１８１と指示間隔検出１８２により、ＥＣＵ２から周期的に受信する加速度出力指示信号の周期を検出する。タイミング調整１８３は、検出した周期から、次の加速度指示信号の受信までに、ローパスフィルタ１８１が安定状態（例えば、時定数をτとし、５τ以上の時間経過）に達するためには、１周期に正（＋）と負（―）の電圧を連続して印加して、加速度診断を実行することが可能と判定する。そして、図５に示すように、通信２０からの診断指示信号が入力された直後から、加速度出力の送信と同時期に加速度診断１９に診断指示信号を出力され、加速度診断が実行される。

図５で、加速度変位は、診断電圧が正の場合は、振動子１１は上方向に、負の場合は下方向に変位するが、変位信号はローパスフィルタａを通過するため、なだらかに変位する。図３の判定１９３でしきい値１９２に設定された上限値と下限値の間に変位の頂点が収まっていれば正常と判定する。

図６は、本発明において、通信２０からＥＣＵ１への加速度出力毎に診断印加電圧の極性を交互に切り替える実施例の動作を説明するタイムチャートである。図５の実施例と同じく、診断制御１８は、図２の指示検出１８１と指示間隔検出１８２により、ＥＣＵ２から周期的に受信する加速度出力指示信号の周期を検出する。タイミング調整１８３は、検出した周期から、次の加速度指示信号の受信までに、ローパスフィルタ１８１が安定状態（時定数をτとし、５τ以上の時間経過）に達するように、１周期内に正と負の電圧を交互に印加し加速度診断を実行するのは不可能と判定する。そして、図５に示すように、通信２０からの診断指示信号が入力された直後から、加速度出力の送信と同時期に、加速度診断１９に対して１周期毎に正と負の電圧を交互に印加し加速度診断を実行する。

図７は、本発明において、診断しきい値を変更する場合の実施例を示すタイムチャートである。図２の指示間隔検出１８２の結果から、図６の実施例で示すように、正と負の診断を１周期毎に交互に実行した場合に、ローパスフィルタ１８１が安定状態（時定数をτとし、５τ以上の時間経過）に達することができない場合、電圧の印加時間そのものを短くすることでローパスフィルタ１８１が安定状態に達するための時間を確保する。その結果、図７に示すように、加速度変位信号は、破線で示す規定のしきい値には達しない。そのため、しきい値を下げて診断を実行する。

図８は、本発明において、加速度の検出時と診断時でローパスフィルタを変更する場合の実施例を示すタイムチャートである。図２の指示間隔検出１８２の結果から、図６の実施例で示すように、正と負の診断を１周期毎に交互に実行した場合に、ローパスフィルタ１８１が安定状態（時定数をτとし、５τ以上の時間経過）に達することができない場合、図２の診断制御１８から図４のフィルタ１６に入力するフィルタ選択信号にてローパスフィルタｂを選択することで、診断電圧印加による加速度変位信号の立上りと立下りの時間を短くする。図中の破線はローパスフィルタａを選択した場合の波形である。

また、別の実施例として、２つのローパスフィルタを切り替えるのではなく、加速度診断時には、ローパスフィルタａへの入力信号（時定数τ＝０）を使用してもよい。

図９は、第２の実施例である角速度センサのブロック図である。角速度検出素子２１は、電極２３を介して駆動部２２から一定の周波数、振幅の交流信号が印加され、振動方向に常時、共振振動する。そのような状態で角速度が加わると、コリオリ力もより振動子２２が検出方向に変位する。電極１３は、上下方向の変位量を静電容量の変化によって検出する。電極１２は、診断電圧を印加し強制的に振動子２２を上下方向に変位させる。図９の上記以外の機能ブロックの処理は図１の加速度センサと同一である。

つぎに動作について説明する。図１０は、第２の実施例の基本動作を説明するタイムチャートである。図９の通信２０は、ＥＣＵ２から加速度出力指示の信号を受信し、出力すべき角速度出力を送信バッファへの格納が完了すると、診断指示信号を診断制御１８に出力する。診断制御１８は、図２の指示検出１８１と指示間隔検出１８２により、ＥＣＵ２から周期的に受信する加速度出力指示信号の周期を検出する。タイミング調整１８３は、検出した周期から、次の加速度指示信号の受信までに、ローパスフィルタ１８１が安定状態（例えば、時定数をτとし、５τ以上の時間経過）に達するためには、1周期に正（＋）と負（―）の電圧を連続して印加して、角速度診断を実行することが可能と判定する。そして、図１０に示すように、通信２０からの診断指示信号が入力された直後から、加速度出力の送信と同時期に角速度診断１９に診断指示信号を出力され、角速度診断が実行される。

図１０で、角速度変位は、診断電圧が正の場合は、振動子１１は上方向に、負の場合は下方向に変位するが、変位信号はローパスフィルタａを通過するため、なだらかに変位する。図３の判定１９３でしきい値１９２に設定された上限値と下限値の間に変位の頂点が収まっていれば正常と判定する。

更に、図１に示す第１の実施例である加速度センサの動作を示す図６〜図８のタイムチャートにおいて、センサ出力が角速度となる以外同じ動作を実行できる。

１ 加速度センサ
１１ 振動子
１２，１３ 電極
１４ 容量検出器
１５ ＡＤ変換器
１６ フィルタ
１７ 温度補正
１８ 診断制御
１９ 加速度診断
２０ 通信
１６１ ローパスフィルタａ
１６２ ローパスフィルタｂ
１６３ スイッチ
１６４ ラッチ
１６５ 減算器
１６６ スイッチ
１８１ 指示検出
１８２ 指示間隔検出
１８３ タイミング調整
１８４ 電圧調整
１８５ しきい値調整
１８６ フィルタ調整

Claims (6)

1. 振動体の変位量に応じて慣性力を測定する慣性力検出装置において、
   外部から入力される出力指示信号に同期して診断電圧を印加する慣性力検出装置。
2. 前記診断電圧を印加する期間は、前記出力指示信号の周期に対して所定期間短いことを特徴とする請求項１に記載の慣性力検出装置。
3. 前記出力指示信号の周期に応じて、前記診断電圧を印加する期間、前記診断電圧、診断閾値、フィルタ特性のうち少なくとも１つを変更することを特徴とする請求項１または２に記載の慣性力検出装置。
4. 前記出力指示信号の周期が、正と負の診断電圧を印加するのに十分である場合、前記出力指示信号の一周期の間に正と負の診断電圧の双方を印加し、
   前記前記出力指示信号の周期が、正と負の診断電圧を印加するのに十分でない場合、前記出力指示信号の一周期の間に正あるいは負の一方の診断電圧を印加し、次の一周期の間に、他方の診断電圧を印加することを特徴とする請求項１または２に記載の慣性力検出装置。
5. 前記診断電圧を印加して検出された診断結果を出力信号の次の周期に同期して出力することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の慣性力検出装置。
6. 前記診断電圧の印加による影響の有無を示す信号を加速度出力信号に同期して出力することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の慣性力測定装置。

Images