JP4473516B2 - 力学量センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度や角速度，圧力等の力学量を検出する力学量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の力学量センサの一つとして容量式加速度センサが知られている。図６は、この容量式加速度センサの一般的な構成を示すブロック図である。
【０００３】
図６に示すように、容量式加速度センサ１０１は、センサエレメント１０２と検出回路１０３とからなる。センサエレメント１０２は、基板上に形成され、加速度などの力学量が加えられると基板に対して変位する梁構造体を備えている。そして、梁構造体と一体に形成された可動電極２ａと、その可動電極２ａの両側にて基板上に固定された固定電極２ｂ，２ｃとが差動コンデンサ２１，２２を形成するように構成されている。
【０００４】
つまり、センサエレメント１０２を取り付けた物体に印加される加速度の大きさに応じて梁構造体が変位すると、それに伴って可動電極２ａが変位することにより、その変位の大きさに応じて差動コンデンサ２１，２２の容量Ｃ１，Ｃ２が変化するようにされている。但し、差動コンデンサ２１，２２は、加速度の未印加時（以下「静止時」という）には、Ｃ１＝Ｃ２となるように作製されている。
【０００５】
一方、検出回路１０３は、差動コンデンサ２１，２２の容量Ｃ１，Ｃ２の変化を電圧に変換するＣＶ変換回路４と、ＣＶ変換回路４の出力電圧（Ｖcout）をサンプリングして保持すると共に、その保持した電圧を差動増幅回路にて所定の感度まで増幅するサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路５と、Ｓ／Ｈ回路５の出力電圧（Ｖout ）からノイズ成分を除去するフィルタ回路６と、フィルタ回路６の出力電圧（以下では「中間出力」とも称する。）ＬＰＦout の信号レベルを補正する補正回路７とを備えている。
【０００６】
このうち、ＣＶ変換回路４は、反転入力端子に可動電極２ａが接続され、非反転入力端子に基準電圧Ｖref （ここでは電源電圧ＶDDの１／２）が印加された演算増幅器４１と、この演算増幅器４１の反転入力端子と出力端子との間に並列接続されたコンデンサ４２（容量Ｃｆ）およびスイッチ４３とからなる。
【０００７】
つまり、ＣＶ変換回路４は、可動電極２ａを、基準電圧Ｖref に保持すると共に、スイッチ４３を開放することによってセンサエレメント１０２から供給される電荷をコンデンサ４２に充電し、また、スイッチ４３を閉じることによってコンデンサ４２の両端を同電位（Ｖref ＝ＶDD／２）とし、コンデンサ４２に蓄積された電荷を放電することができるように構成されている。
【０００８】
そして、センサエレメント１０２を構成する固定電極２ｂへの印加電圧をＶ１、固定電極２ｃへの印加電圧をＶ２として、図示しない制御回路によって、Ｖ１＝ＶDD，Ｖ２＝０となる第１の期間と、Ｖ１＝０，Ｖ２＝ＶDDとなる第２の期間とが交互に繰り返されるようにセンサエレメント１０２への印加電圧を制御する。これと共に、第１の期間中にスイッチ４３を一端閉じることでコンデンサ４２を放電させてから、スイッチ４３を開放する。
【０００９】
このような制御が行われたＣＶ変換回路４の出力電圧Ｖcoutを、Ｓ／Ｈ回路５が第１の期間中（スイッチ４３開放後）、及びこれに続く第２の期間中にサンプリングして、両者の差に比例した出力電圧Ｖout を生成する。この出力電圧Ｖout 、ひいてはフィルタ回路６の出力電圧ＬＰＦout は、（１）式にて表される（例えば、特許文献１を参照。）。
【００１０】
【数１】

【００１１】
つまり、Ｃ１＝Ｃ２となる静止時には、ＬＰＦout ＝Ｖref となるため、出力電圧ＬＰＦout が基準電圧Ｖref より大きいか小さいかによって加速度の印加方向を、また、出力電圧ＬＰＦout と基準電圧Ｖref との差の絶対値から加速度の大きさを特定することができるのである。
【００１２】
しかし、差動コンデンサ２１，２２を、その静止時の容量Ｃ１，Ｃ２が正確に一致するように製造することは困難であり、実際には、Ｃ１≠Ｃ２となることによって、出力電圧ＬＰＦout は誤差（オフセット）を有する。
この誤差を補正するために補正回路７が設けられている。この補正回路７は、図１に示すように、反転入力端子に抵抗７２を介してフィルタ回路６の出力電圧が印加されると共に、反転入力端子と出力端子との間に抵抗７３が接続され、これら抵抗７２，７３と共に反転増幅回路を構成する演算増幅器７１と、この演算増幅器７１の非反転入力に印加する調整電圧ＤＡout を生成するための分圧回路を構成する可変抵抗７４，７５とからなる。
【００１３】
このように構成された補正回路７の出力（以下「センサ出力」とも称する。）Ｇout は、抵抗７２の抵抗値をＲ１、抵抗７３の抵抗値をＲ２として、（２）式で示される。
【００１４】
【数２】

【００１５】
なお、調整電圧ＤＡout は、可変抵抗７４，７５の抵抗値ＶＲ１，ＶＲ２を調整することで、静止時のセンサ出力Ｇout が基準電圧Ｖref に等しくなるように設定される。但し、この補正回路７では、静止時の出力レベルの調整だけでなく信号レベルの増幅（増幅率Ｒ２／Ｒ１）も行うようにされている。
【００１６】
【特許文献１】
特開２０００−８１４４９号公報（段落［００１９］〜［００２３］）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の加速度センサ１０１を、エアバッグシステムの衝突検出等、車載用センサとして使用した場合、通常、エンジンの始動直後に動作チェックが行われる。具体的には、静止時の出力電圧Ｇout ＝Ｖref が正しく出力されているか否かがチェックされる。
【００１８】
なお、出力電圧Ｇｏｕｔ は、センサエレメント１０２や検出回路１０３を構成する回路素子の経年変化や、その時々の周囲温度などによって、基準電圧Ｖｒｅｆ からずれが生じることがあるため、このようなずれを異常として検出してしまうことがないように、予め設定された許容範囲内（例えば、Ｖｒｅｆ＝２．５Ｖの場合、２．５±０．２Ｖ程度）であれば正常であると判断するようにされている。
【００１９】
但し、センサエレメント１０２の出力から中間出力ＬＰＦout を生成する回路４，５，６では、基準電圧Ｖref が用いられているため、その故障モードとして、中間出力ＬＰＦout が基準電圧Ｖref に固定されてしまう場合が考えられる。
この故障モードでは、出力電圧Ｇout が上記許容範囲内に固定されてしまうため、上述の動作チェックでは、これを検出することができないという問題があった。
【００２０】
本発明は、上記問題点を解決するために、オフセットレベルを補正する前の出力が基準レベルに固定されてしまう故障の検出が容易な力学量センサを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の力学量センサでは、信号生成部が、印加される力学量に応じた信号レベルを有する検出信号を生成すると、信号補正部が、その検出信号を、力学量の未印加時に得られる信号レベルである未印加レベルが予め設定された基準レベルとなるように補正する。
【００２２】
但し、信号生成部は、信号生成部の出力が基準レベルに固定される故障モードでの故障時に、信号補正部からの出力信号が基準レベルを含む故障判定不可領域から外れた信号レベルとなるような検出信号、即ち、信号補正部での補正量の大きい検出信号を生成するように調整されている。
【００２３】
つまり、本発明の力学量センサでは、上記故障モードでの故障が発生した時に、信号補正部の出力が該信号補正部にて行う補正分だけ基準レベルからずれを生じることを利用し、その補正量を大きくすることで、信号補正部の出力が故障判定不可領域から外れた信号レベルに固定されるようにしている。
【００２４】
従って、本発明の力学量センサによれば、このような故障モードでの故障を、信号補正部の出力を監視するだけで容易に検出することができる。なお、故障判定不可領域は、温度変化や経年変化等、故障以外の原因によって生じる静止時の出力信号のばらつきを吸収できる大きさに設定されていればよい。
【００２５】
ところで、信号生成部は、例えば、印加される力学量に応じて変位する可動部を備えたセンサ素子と、可動部の変位を力学量に応じた信号レベルを有する検出信号に変換する信号変換回路とにより構成することができる。
そして、センサ素子が、可動部の変位に従って相補的に容量が変化する第１及び第２の容量性素子からなり、信号変換回路が、第１及び第２の容量性素子の容量変化を電圧変化に変換するＣＶ変換回路からなる場合には、検出信号の未印加レベルは、力学量の未印加時における第１及び第２の容量性素子の容量比によって調整することができる。
【００２６】
この第１及び第２の容量性素子の容量比は、最初から第１及び第２の容量性素子の容量が異なるように作製することで調整してもよいし、容量が等しくなるように作製された第１及び第２の容量性素子のいずれか一方に、第３の容量性素子を並列接続することで調整してもよい。また第３の容量性素子を並列接続する場合、この第３の容量正素子を、第１及び第２の容量性素子と共に基板上に作り込んでもよいし、センサ素子或いは信号変換回路のいずれかに後付けしてもよい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、実施形態の容量式加速度センサ１の構成を示すブロック図、図２（ａ）は、本実施形態の加速度センサ１が適用された車載用エアバッグシステムの衝突判定装置の構成を示すブロック図である。
【００２８】
図２（ａ）に示すように、衝突判定装置は、車両に加わる加速度の大きさ及び方向に応じた信号を出力する一対の加速度センサ１ａ，１ｂと、これら加速度センサ１ａ，１ｂの出力Ｇo1，Ｇo2に基づいて、車両の衝突を判定すると共に、両加速度センサ１の故障を判定する判定部８とからなる。なお、加速度センサ１ａ，１ｂは、全く同様に構成されたものであるため、以下では、両者を区別して説明する必要がある場合を除いて加速度センサ１と記す。
【００２９】
まず、本実施形態の加速度センサ１は、図１に示すように、センサエレメント２と検出回路３とからなる。このうち、検出回路３は、可変抵抗７４，７５による調整電圧ＤＡout の設定値以外は、従来装置１０１の検出回路１０３と全く同様に構成されている。
【００３０】
一方、センサエレメント２は、可動電極２ａと固定電極２ｃとが構成するコンデンサ２２に並列接続されたコンデンサ２３が追加されている以外は、従来装置１０１のセンサエレメント１０２と全く同様に構成されている。
なお、コンデンサ２３の容量Ｃ３は、静止（加速度未印加）時の中間出力ＬＰＦout が、センサ出力Ｇout の故障判定不可領域に対応する領域から外れるような大きさに設定される。
【００３１】
具体的には、電源電圧をＶDD＝５Ｖ、故障判定不可領域を２．３〜２．７Ｖ（Ｖref ±０．２Ｖ）、補正回路７での増幅率をＲ１／Ｒ２＝１０とした場合、図３に示すように、コンデンサ２１の容量Ｃ１と、コンデンサ２２，２３の合成容量Ｃ２＋Ｃ３との容量差が、±０．００２ｐＦ以上となるように、容量Ｃ３を設定すればよい。
【００３２】
但し、静止時の容量がＣ１＝Ｃ２となるように製造されたコンデンサ２１，２２間に、実際には｜Ｃ１−Ｃ２｜＜０．０２ｐＦ程度のばらつきが存在する場合には、これを考慮して、コンデンサ２３の容量は、Ｃ３＞０．０２２ｐＦに設定すればよい。
【００３３】
そして、このようにコンデンサ２１〜２３の容量Ｃ１〜Ｃ３が設定された場合、静止時の中間出力ＬＰＦout は、基準電圧Ｖref とは異なったものとなるため、補正回路７にて、静止時のセンサ出力がＧout ＝Ｖref （＝ＶDD／２，本実施形態では２．５Ｖ）に補正されるように、調整電圧ＤＡout （即ち、可変抵抗７４，７５の抵抗値ＶＲ１，ＶＲ２）を調整する。
【００３４】
このように構成された本実施形態の加速度センサ１では、静止時にはセンサ出力がＧout ＝Ｖref となり、加速度の印加時には、コンデンサ２１，２２の容量変化に応じてセンサ出力Ｇout が変化する。これにより、センサ出力Ｇout が基準電圧Ｖref より大きいか小さいかによって加速度の印加方向を、また、センサ出力Ｇout と基準電圧Ｖref との差の絶対値から加速度の大きさを特定することができる。
【００３５】
そして、中間出力ＬＰＦout が基準電圧Ｖref に固定される故障が発生した場合、静止時のセンサ出力Ｇout は、補正回路７での補正分だけ、基準電圧Ｖref からシフトしたものとなる。
ここで、コンデンサ２１〜２３の容量Ｃ１〜Ｃ３，及び調整電圧ＤＡout の設定例を［表１］に示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
即ち、静止時の最終出力をＧout ＝２．５Ｖとするために、設定例１の場合は、調整電圧をＤＡout ＝２．４０９１Ｖとする必要があり、また、設定例２の場合は、調整電圧をＤＡout ＝２．４８１８Ｖとする必要がある（（１）（２）式から算出）。
【００３８】
また、故障により、中間出力がＬＰＦout ＝Ｖref に固定されると、静止時のセンサ出力Ｇout は、設定例１の場合は１．５Ｖ、設定例２の場合は２．３Ｖとなる。
つまり、コンデンサ２２，２３の合成容量Ｃ２＋Ｃ３と、コンデンサ２１の容量Ｃ１との容量差が、０．００２ｐＦより大きければ、故障した場合の静止時のセンサ出力Ｇout は、故障判定不可領域から外れた信号レベルとなるため、この故障を確実に検出することができる。
【００３９】
次に、衝突検出装置を構成する判定部８がエンジン始動時に行うチェック処理を、図４に示すフローチャートに沿って説明する。但し、以下では加速度センサ１ａをメインセンサ、加速度センサ１ｂをサブセンサと称し、メインセンサ１ａのセンサ出力Ｇout をＧo1、サブセンサ１ｂのセンサ出力Ｇout をＧo2とする。
【００４０】
エンジンが始動され本処理が起動すると、まず、メインセンサ１ａ及びサブセンサ１ｂの電源を投入する（Ｓ１１０）。これにより、センサエレメント２を構成する固定電極２ｂ，２ｃへの印加電圧Ｖ１，Ｖ２の制御（即ち、Ｖ１＝ＶDD，Ｖ２＝０となる第１の期間と、Ｖ１＝０，Ｖ２＝ＶDDとなる第２の期間とが交互に繰り返される）、及びスイッチ４３の制御（即ち、第１の期間中にスイッチ４３を一端閉じることでコンデンサ４２を放電させてから、スイッチ４３を開放する）が開始される。
【００４１】
この状態で、両センサ１ａ，１ｂのセンサ出力Ｇo1，Ｇo2を読み込み、いずれも故障判定不可領域内にあるか否かを判断し（Ｓ１２０）、いずれも故障判定不可領域内にあれば、両センサ１ａ，１ｂは正常に動作しているものとして、両センサ１ａ，１ｂのセンサ出力Ｇo1，Ｇo2を用いて行う衝突判定処理を起動して（Ｓ１３０）、本処理を終了する。
【００４２】
一方、Ｓ１２０にて、読み込んだセンサ出力Ｇo1，Ｇo2のいずれか一方でも、故障判定不可領域外にあると判定された場合には、センサ１ａ，１ｂに故障が生じているものとして、外部装置に対して故障信号を出力することで故障通知をして（Ｓ１４０）、本処理を終了する。なお、Ｓ１４０の故障通知に基づいて、例えば、エアバッグシステムの異常を報知するランプを点灯する処理等が実施される。
【００４３】
つまり、本処理では、エンジン始動の直後では、車両の走行が開始されておらず、センサ１ａ，１ｂに加速度が印加されていない状態であることが確実であるため、この時期を利用して、センサ１ａ，１ｂの故障判定を行っているのである。
【００４４】
以上説明したように本実施形態の加速度センサ１（メインセンサ１ａ及びサブセンサ１ｂ）は、中間出力ＬＰＦout が基準電圧Ｖref に固定される故障モードでの故障が発生した場合に、センサ出力Ｇout （Ｇo1，Ｇo2）が故障判定不可領域外の値に固定されるように構成されている。従って、本実施形態の加速度センサ１を用いて構成された衝突判定装置によれば、加速度が印加されていないときに、そのセンサ出力Ｇout が故障判定不可領域内にあるか否かを監視するだけで、上記故障モードでの故障の有無を容易に判定することができる。
【００４５】
なお、本実施形態では、センサエレメント２がセンサ素子、ＣＶ変換回路４，Ｓ／Ｈ回路５，フィルタ回路６が信号変換回路、補正回路７が信号補正部に相当する。
ところで、上記実施形態の加速度センサ１では、静止時の中間出力ＬＰＦout を調整するコンデンサ２３を、コンデンサ２２に並列接続しているが、コンデンサ２１に並列接続するようにしてもよい。この並列接続するコンデンサ２３は、コンデンサ２１，２２と同じ基板上に最初から作り込んでもよいし、後付けしても良い。そして、コンデンサ２３を後付けする場合、その取付場所は、センサエレメント２に限らず、検出回路３（特にＣＶ変換回路４）側に取り付けてもよい。
【００４６】
また、上記実施形態の加速度センサ１では、差動コンデンサ２１，２２を、その容量Ｃ１，Ｃ２が同じ大きさとなるように作製し、これら差動コンデンサ２１，２２とは別にコンデンサ２３を設けているが、差動コンデンサ２１，２２の容量Ｃ１，Ｃ２を、コンデンサ２３の容量Ｃ３を見込んで、はじめからアンバランスな値に設計してもよい。この場合、従来装置と比較して、部品（コンデンサ）を増やす必要がないため、回路規模に影響を与えることなく、目的を達成することができる。
【００４７】
更に、上記実施形態では、センサエレメント２が印加される加速度に応じて差動コンデンサ２１，２２の容量が変化する加速度センサとして構成したが、例えば、印加される圧力に応じて差動コンデンサ２１，２２の容量が変化する圧力センサとして構成してもよく、可動電極２ａが形成された梁構造体を変位させることのできる力学量であれば、これを加速度の代わりに用いることができる。
【００４８】
また、上記実施形態では、エンジンの始動直後にのみ、センサ１ａ，１ｂの故障判定を行っているが、先のＳ１３０にて起動される衝突判定処理の中で、センサ１ａ，１ｂの故障判定を行うように構成してもよい。
この場合の衝突判定処理の内容を、図５に示すフローチャートに沿って説明する。但し、衝突判定処理は、起動後は周期的に実行されるものとする。また、衝突判定部８には、図２（ｂ）に示すように、車両の走行状態を特定するために必要な各種パラメータが外部装置から入力されるものとする。
【００４９】
そして、本処理が起動すると、図５に示すように、まず、外部装置から入力される各種パラメータに基づいて車両の走行状態を特定し（Ｓ２１０）、その特定した走行状態に従って、衝突判定しきい値ＴＨを設定する（Ｓ２２０）と共に、メインセンサ１ａのセンサ出力Ｇo1を読み込む（Ｓ２３０）。
【００５０】
そして、Ｓ２１０にて特定した走行状態が、当該装置を搭載する車両が停車中であることを示しているか否かを判断し（Ｓ２４０）、停車中でなければ、Ｓ２３０にて読み込んだセンサ出力の絶対値｜Ｇo1｜が衝突判定しきい値ＴＨを越えているか否かを判断する（Ｓ２５０）。
【００５１】
このとき、センサ出力の絶対値｜Ｇo1｜が、衝突判定しきい値ＴＨを越えていなければ、そのまま本処理を終了し、一方、衝突判定しきい値ＴＨを越えていれば、今度はサブセンサ１ｂのセンサ出力Ｇo2を読み込み（Ｓ２６０）、その読み込んだセンサ出力の絶対値｜Ｇo2｜が衝突判定しきい値ＴＨを越えているか否かを判断する（Ｓ２７０）。
【００５２】
そして、センサ出力の絶対値｜Ｇo2｜が、衝突判定しきい値ＴＨを越えていれば、当該装置を搭載する車両が衝突したものとして、外部装置に対して衝突信号を出力することで衝突通知を行ったあと（Ｓ２８０）、本処理を終了する。なお、この故障通知に基づいて、エアバッグを作動させる処理等が実施される。
【００５３】
一方、センサ出力の絶対値｜Ｇo2｜が、衝突判定しきい値ＴＨを越えていなければ、センサ１ａ又は１ｂが故障しているものとして、先のＳ１７０と同様に、外部装置に対して故障信号を出力することで故障通知を行ったあと（Ｓ３００）、本処理を終了する。
【００５４】
また、先のＳ２４０にて、車両の走行状態が停車中であると判定された場合、即ち、センサ１ａ，１ｂに加速度が印加されていない場合には、Ｓ２３０にて読み込んだセンサ出力Ｇo1が、衝突判定不可領域内にあるか否かを判断する（Ｓ２９０）。そして、センサ出力Ｇo1が衝突判定不可領域内にあれば、センサ１ａ，１ｂは正常に動作しているものとして、そのまま本処理を終了し、衝突判定不可領域外にあれば、センサ１ａ，１ｂに異常が生じているものとして、Ｓ３００に移行して故障通知を行ったあと、本処理を終了する。
【００５５】
つまり、停車中には、センサ出力Ｇo1からセンサの故障判定を行い、走行中には、両センサ出力Ｇo1，Ｇo2を比較することで、センサの故障判定を行うようにされている。
このように構成された衝突判定装置によれば、エンジンの起動直後だけでなく、車両の停止中にもセンサ１ａ，１ｂの故障判定が行われるため、故障検知能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態の加速度センサの概略構成図である。
【図２】 実施形態の加速度センサを用いて構成した衝突判定装置の構成を示すブロック図である。
【図３】 差動コンデンサの容量差と故障時のセンサ出力との関係を示すグラフである。
【図４】 衝突判定装置の判定部が実行するチェック処理の内容を示すフローチャートである。
【図５】 衝突判定装置の判定部が実行する衝突判定処理の内容を示すフローチャートである。
【図６】 従来装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１（１ａ，１ｂ）…加速度センサ、２…センサエレメント、２ａ…可動電極、２ｂ，２ｃ…固定電極、３…検出回路、４…ＣＶ変換回路、５…Ｓ／Ｈ回路、６…フィルタ回路、７…補正回路、８…判定部、２１〜２３，４２…コンデンサ、４１，７１…演算増幅器、４３…スイッチ、７２，７３…抵抗、７４，７５…可変抵抗。

Claims (1)

1. 印加される力学量に応じた信号レベルを有する検出信号を生成する信号生成部と、該信号生成部にて生成された検出信号を、前記力学量の未印加時に得られる信号レベルである未印加レベルが予め設定された基準レベルとなるように補正する信号補正部と、を備え、前記信号生成部の出力が前記基準レベルに固定される故障モードとなり、前記信号補正部の補正内容をフィードバックする制御回路を有しない力学量センサにおいて、
   前記信号生成部は、力学量センサに力学量が印加されていない前記故障モードでの故障時に、前記信号補正部からの出力信号が前記基準レベルを含む故障判定不可領域から外れた信号レベルとなるよう、該信号補正部での補正量の大きい検出信号を生成するように調整されており、
   前記信号生成部は、印加される力学量に応じて変位する可動部を備えたセンサ素子と、前記可動部の変位を前記力学量に応じた信号レベルを有する検出信号に変換する信号変換回路と、を備え、
   前記センサ素子は、前記可動部の変位に従って差動的に容量が変化する第１及び第２の容量性素子からなると共に、前記信号変換回路は、前記第１及び第２の容量性素子の容量変化を電圧変化に変換するＣＶ変換回路からなり、前記検出信号の未印加レベルは、前記力学量の未印加時における前記第１及び第２の容量性素子の容量差によって調整され、
   前記第１及び第２の容量性素子の容量差は、該第１及び第２の容量性素子の一方に第３の容量性素子を並列接続することで調整されていることを特徴とする力学量センサ。

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