JP5310491B2 - 衝撃検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、衝撃の程度を検出した衝撃検出値に基づき所定の処理を行う衝撃検出装置に関し、特には衝撃検出装置の低消費電力化の技術に関する。

輸送中に物品が受ける振動や衝撃の程度を検出するために、衝撃検出装置が用いられる。一般的な衝撃検出装置は物品の輸送時に利用されるため、可搬性のある電池が電源回路に用いられる。また、衝撃検出装置では、衝撃検出値（具体的には加速度など）をセンサで検出し、センサの出力信号を所定のサンプリングレートでサンプリングし記録する。衝撃は、数十ミリSECから数秒程度の時間幅で発生するため、衝撃検出装置では衝撃の時間幅の1/10程度の時間分解能が必要となる。このため、記録するデータ量はサンプリングレートに応じて大きくなりメモリ容量が問題となることがある。また、高速なデータ処理が必要でデータ処理の頻度が高くなるため、データ処理に要する消費電力が過大になって電池容量が問題となることもある。

そこで、一定レベルより大きな衝撃検出値の発生時刻と、その衝撃検出値のみを記録する衝撃検出装置を用いることで、データ量とデータ処理の頻度を抑制し、省電力化を図ることがある（例えば、特許文献１参照。）。

図１は特許文献１を参考にした従来の衝撃検出装置の構成例のブロック図である。
衝撃検出装置１０１は、演算処理部１０２、衝撃検出器１０３、フィルタ１０４、増幅器１０５、ピークホールド部１０６、A/Dコンバータ１０７、コンパレータ１０８、および、電源回路１０９を備える。電源回路１０９は電源スイッチのオンにより、演算処理部１０２やA/Dコンバータ１０７に電力を供給する。衝撃検出器１０３は衝撃を受けて衝撃検出信号を出力する。フィルタ１０４は衝撃検出信号からノイズ成分を除去する。増幅器１０５は衝撃検出信号を増幅する。ピークホールド部１０６は衝撃検出信号のピーク値を記憶する。A/Dコンバータ１０７は衝撃検出信号のピーク値をアナログデータからデジタルデータに変換する。コンパレータ１０８はスレッショルドレベルを超える衝撃検出信号が入力されるとトリガ信号を出力する。演算処理部１０２はトリガ信号の発生時刻および、デジタルデータをメモリに記録させる。

また、物品の輸送中にはＧＰＳ装置が用いられることがある（例えば特許文献２参照。）。ＧＰＳ装置では、消費電力の大きなＧＰＳユニットを間欠動作させ、消費電力の小さなＲＴＣ（Real Time Clock）部のみを常時動作させて、省電力化を図ることがある。

特開平１−２６５１６５号公報 特表２００７−５２１４８３号公報

衝撃検出装置においてさらなる省電力化のため、ＧＰＳ装置のように間欠動作を採用することが望まれる。しかし、衝撃検出装置で間欠動作を採用するには、スリープ状態からアクティブ状態に移行する際の立ち上がりに要する時間が問題となる。

衝撃検出装置では、衝撃が数十ミリSECから数秒程度の時間幅で発生するため、衝撃の発生を起動トリガとして利用すれば、衝撃の時間幅の1/10程度で立ち上がるような高速応答性（高速起動性）が要求される。そのため、ＧＰＳ装置のような間欠動作をそのまま衝撃記録装置に採用することは困難である。特にA/Dコンバータや演算回路などは時間分解能や動作頻度が高いので間欠動作による省電力効果は大きいが、高速応答性が十分でないためこれらを間欠動作させることは困難である。

そこで本発明は、一部の回路を間欠動作させて従来より省電力化しても、衝撃の程度を把握することが可能な衝撃検出装置を提供することを目的とする。

この発明の衝撃検出装置は、第１の衝撃検出部、第２の衝撃検出部、蓄電部、遅延スイッチ部、電荷検出部、および、信号処理部を備える。第１の衝撃検出部は衝撃の検出により出力が変化する。第２の衝撃検出部は衝撃の程度に応じて変化する衝撃検出値を出力する。蓄電部は、衝撃検出値に応じた電荷を蓄電する。遅延スイッチ部は、第２の衝撃検出部と蓄電部との間の接続を、第１の衝撃検出部による衝撃の検出時から所定時間だけ遅延して切断する。電荷検出部は、蓄電部に蓄電された電荷量に関する出力信号を出力する。信号処理部は、第１の衝撃検出部による衝撃の検出時から前記所定時間以上遅延してスリープ状態から立ち上がり、電荷検出部の出力信号に基づく処理を行う。

この構成では、第１の衝撃検出部による衝撃の検出後、衝撃がある程度治まった時点で、遅延スイッチ部が蓄電部と第２の衝撃検出部との接続を切断する。したがって、それまでに蓄電部には第２の衝撃検出部の出力する衝撃検出値を積分した電荷量が蓄電され、遅延スイッチ部の切断により電荷量がホールドされる。これにより、衝撃の発生から遅れて信号処理部がスリープ状態から立ち上がっても、アクティブ状態となる前の衝撃の程度に応じて蓄電部に蓄電された電荷量から、その衝撃の程度を把握することが可能になる。

この発明の電荷検出部は、蓄電部に蓄電された電荷を既知の時間割合で放電し、出力信号が放電中に変化すると好適である。この構成では、電荷検出部で放電を行う時間（放電時間）が、蓄電部に蓄電された電荷量に応じたものになる。したがって、出力信号が変化する時間間隔から、放電時間と衝撃の程度とを把握することが可能になる。

この発明の衝撃検出装置は、ＲＴＣ部を更に備えると好適である。ＲＴＣ部は計時によりリアルタイムクロックを出力する。信号処理部は、電荷検出部の出力信号の変化間隔をカウントしてリアルタイムクロックとともにメモリに記録する。この構成では、信号処理部では放電時間をカウントしてリアルタイムクロックとともにメモリに記録するのみなので、データ処理が簡易でデータ処理の頻度とデータ量とを抑制でき、記録処理に伴う消費電力を節約できる。

この発明の遅延スイッチ部は、第１の衝撃検出部による衝撃の検出時に第２の衝撃検出部と蓄電部との間を接続すると好適である。この構成によって、第１の衝撃検出部による衝撃の検出がされないほど小さな衝撃に対して、蓄電部の蓄電が進展することが防がれる。そのため、第１の衝撃検出部により検出されうる大きさの衝撃に対してのみ、蓄電部の蓄電が進展し、その衝撃の程度をより正確に把握することが可能になる。

この発明の第１の衝撃検出部と第２の衝撃検出部とは、同一のセンサの出力を利用してもよい。この場合第１の衝撃検出部は高ゲインでほぼ矩形波状にすばやく立ち上がるようなスイッチ信号を形成するようにし、本来の加速度を計測する第２のリニア計測センサ（衝撃検出部）の出力信号とは分けて利用するとよい。

この発明によれば、衝撃検出値に応じた電荷量を蓄電部に蓄電してホールドするので、衝撃の発生から遅れて信号処理部がスリープ状態から立ち上がっても、蓄電部の電荷量からアクティブ状態となる前に生じた衝撃の程度を把握できる。したがって、少なくとも信号処理部を間欠動作させることが可能なので、衝撃検出装置を省電力化できる。

従来例に係る衝撃検出装置の概略の回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る衝撃検出装置の概略構成例を説明する図である。 図２の衝撃検出装置が備えるコンパレータの概略構成例を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る衝撃検出装置の概略構成例を説明する図である。

以下、本願発明の第１の実施形態に係る衝撃検出装置を説明する。
図２は衝撃検出装置１の概略構成例を説明する図である。衝撃検出装置１は衝撃検出部２，３、遅延制御部５、スイッチ６、抵抗７、コンデンサ８、コンパレータ９、記録回路１０、ＲＴＣ（Real Time Clock）部１１、および電池１２を備える。

電池１２は、各部に動作電圧Vccを供給する。ＲＴＣ部１１は、リアルタイムクロックRTCの値を計時する。

衝撃検出部２は本発明の第１の衝撃検出部であり、加速度センサ（不図示）を備え、加速度センサが所定レベル以上の加速度を検出する間にHIGHレベルになる２値信号Vtを出力する。なお、第１の衝撃検出部（衝撃検出部２）による衝撃の検出精度は低くてもよく、低消費電力な加速度センサを用いると好適である。

衝撃検出部３は本発明の第２の衝撃検出部であり、加速度センサ３Ａ、アンプ３Ｂ、および全波整流回路３Ｃを備える。加速度センサ３Ａは高消費電力であっても高精度であると好適であり、加速度に応じて変化するアナログ出力信号を出力する。アンプ３Ｂは、加速度センサ３Ａの出力信号を増幅する。全波整流回路３Ｃはアンプ３Ｂの出力信号を全波整流する。

スイッチ６は衝撃検出部３と抵抗７との間に接続され、遅延制御部５の出力により開閉状態が制御される。したがって、スイッチ６と遅延制御部５とが本発明の遅延スイッチ部を構成する。抵抗７は、コンパレータ９およびコンデンサ８と、スイッチ６との間に接続される。コンデンサ８は、抵抗７とコンパレータ９との間に一端が接続され、他端が接地される。コンデンサ８および抵抗７は積分回路を構成し、本発明の蓄電部に相当する。

遅延制御部５は、衝撃検出部２の出力する２値信号VtがHIGHレベルになるとスイッチ６を開状態から閉状態にする。また、衝撃検出部２の出力する２値信号VtがHIGHレベルになってから所定時間の遅延後に、スイッチ６を閉状態から開状態にする。したがって、衝撃検出部２が所定レベル以上の衝撃を検出してから一定期間にのみ、衝撃検出部３の出力が閉状態のスイッチ６を流れる。これにより、コンデンサ８に衝撃検出部３の出力に基づく電荷が蓄電される。そして、この一定期間の経過後には、遅延制御部５がスイッチ６を再び開状態にするので、衝撃検出部３の出力に基づく電荷がそれ以上コンデンサ８に蓄電されることが防がれるとともに、抵抗７によりコンデンサ８の電荷が放電されることが防がれる。ここのようにして、コンデンサ８の電荷量がホールドされることになる。

コンパレータ９は本発明の電荷検出部に相当し、入力抵抗によってコンデンサ８の電荷を既知の時間割合で放電しながら、電荷電圧が所定レベルより大きいか判定し、大きい場合にHIGHレベルとなる２値信号を出力する。コンパレータ９での放電により、コンデンサ８の電荷電圧は指数関数的に減少していき所定レベルより小さくなると出力はLOWレベルに変化する。図３はコンパレータ９の概略構成例を説明する図である。コンパレータ９はアナログＩＣであり、コンデンサ８の電荷電圧を入力電圧Einとして、設定電圧Etと出力電圧Eoutとの分圧電圧を基準電圧として、入力電圧Einの大きさを基準電圧と比較する。コンパレータ９の出力電圧Eoutは、基準電圧よりも入力電圧Einが大きくなる場合にLOWレベルからHIGHレベルに変化し、入力電圧Einが小さくなる場合にHIGHレベルからLOWレベルに変化する。このコンパレータ９はオペアンプと基本的な動作原理が同じで、非常に大きな増幅度であり、差動入力のほんのわずかの差を検出することが可能である。また、設定電圧Etと出力電圧Eoutとの分圧である基準電圧はヒステリシスを持ち、出力電圧Eoutを反転させるためには、入力電圧Einが設定電圧Etよりヒステリシス分だけ大きい必要がある。このため、ノイズなどのわずかの電圧差でコンパレータ９の動作が不安定になることを防ぐことができる。このようなコンパレータ９は一般に二重積分型コンパレータと呼ばれている（例えば、http://www.mlab.ice.uec.ac.jp/mit/text/singou/Siryo/Supplement-1/node6.html，2009/09/16 参照。）。

記録回路１０は本発明の信号処理部であり、スリープ状態とアクティブ状態とを繰り返して間欠動作するように構成される。スリープ状態の記録回路１０は、衝撃検出部２の出力する２値信号VtがHIGHレベルになるとアクティブ状態への立ち上がりを開始する。２値信号VtがHIGHレベルになってから、実際にアクティブ状態を開始するまでには起動ラグがあり、記録回路１０は、コンデンサ８が電荷をホールドした後にアクティブ状態となる。なお、記録回路１０が逆にアクティブ状態からスリープ状態に移行するには、衝撃検出部２の出力する2値信号Vtが一定時間LOWレベルであることや、アクティブ状態が立ち上がってから一定時間が経過したことなどを条件とすると好適である。

アクティブ状態の記録回路１０は、コンパレータ９の出力信号がHIGHレベルである間にクロックパルスをカウントして、リアルタイムクロックとともにメモリに記録する。
このクロックパルスのカウント数は、コンパレータ９による電荷の放電時間、およびコンデンサ８の電荷量に応じたものになる。したがって、このクロックパルスのカウント数から、衝撃検出部２が衝撃を検出してから一定期間の間の、衝撃の程度、すなわち、衝撃検出部３の出力の積分値を把握することが可能になる。なお、起動ラグは略一定であることから、仮に記録回路１０がアクティブ状態となる時刻が放電開始よりも後であっても、アクティブ状態になってから放電終了までのクロックパルスのカウント数により放電時間は一意に定まる。

以上の構成により、この衝撃検出装置１を用いて、記録回路１０やコンパレータ９、衝撃検出部３などを間欠動作させながらも、瞬間的な衝撃の程度を把握することが可能になる。したがって、装置全体の消費電力を抑制することができ、電池１２の小容量化や小型化が可能になる。また、記録回路１０でメモリに記録するデータが、放電時間におけるカウント数、開始時刻や放電終了時刻、放電時間などのみになるので、メモリの節約と、記録回路１０のデータ記録処理の頻度の抑制が可能になる。したがって、この点からも省電力化を進展させられる。

なお、本発明は上述の実施形態の他の多様な構成で実施できる。例えば、衝撃検出部２に替えて、加速度センサ３Ａの出力がスレッショルドレベル以上かどうかを判定して、HIGH／LOWレベルの検出信号を出力する回路を設けて、第１と第２の衝撃検出部に同一のセンサの出力を用いるようにしてもよい。この場合は、高精度かつ加速度に応じて変化するアナログ出力信号を出力するセンサを用いると好適である。第１と第２の衝撃検出部に同一のセンサを用いれば、衝撃検出部の部品点数が削減され、装置全体を小型にできる。衝撃検出部の部品点数が削減されても信号処理部は間欠動作できるため、信号処理部が常時動作されるときに比べ省電力にできる。
また、記録回路で衝撃の検出値を直接演算してからメモリに記録するようにしてもよい。また、記録回路でのメモリへの記録を行わずに、通信回路を介してデータを送信するように構成してもよい。少なくとも、衝撃の検出信号に基づいて蓄電した電荷量を把握可能な回路構成とすることで、本発明は好適に実施できる。

次に、本願発明の第２の実施形態に係る衝撃検出装置を説明する。
図４は衝撃検出装置２１の概略構成例を説明する図である。この衝撃検出装置２１は前述の衝撃検出装置１と同様の構成に加えて、間欠動作制御部２２を備える。また、電源１２は間欠動作制御部２２と衝撃検出部２とＲＴＣ部１１と記録回路１０とに対して動作電力を直接供給し、衝撃検出部３およびコンパレータ９へは間欠動作制御部２２を介して動作電力を間接供給する。間欠動作制御部２２は、遅延制御部５からの制御によりスイッチ６が閉状態になる期間と同期して、動作電圧Vccを衝撃検出部３およびコンパレータ９に供給する。

このような構成であっても本発明は好適に実施でき、この構成により、衝撃検出部３およびコンパレータ９も間欠動作させて、省電力化をさらに進展させることが可能になる。

１，２１…衝撃検出装置
２，３…衝撃検出部
３Ａ…加速度センサ
３Ｂ…アンプ
３Ｃ…全波整流回路
５…遅延制御部
６…スイッチ
７…抵抗
８…コンデンサ
９…コンパレータ
１０…記録回路
１１…ＲＴＣ部
１２…電池

Claims (5)

1. 衝撃の検出により出力が変化する第１の衝撃検出部、
   衝撃の程度に応じて変化する衝撃検出値を出力する第２の衝撃検出部、
   前記衝撃検出値に応じた電荷を蓄電する蓄電部、
   前記第２の衝撃検出部と前記蓄電部との間の接続を、前記第１の衝撃検出部の出力に基づいて衝撃の検出時から所定時間だけ遅延して切断する遅延スイッチ部、
   前記蓄電部に蓄電された電荷量に関する出力信号を出力する電荷検出部、および、
   前記第１の衝撃検出部の出力に基づいて、衝撃の検出時から所定時間以上遅延して休止状態から起動し、前記電荷検出部の出力信号に基づく処理を行う信号処理部、を備える衝撃検出装置。
2. 前記電荷検出部は、前記蓄電部に蓄電された電荷を既知の時間割合で放電し、前記出力信号が放電中に変化する、請求項１に記載の衝撃検出装置。
3. 計時によりリアルタイムクロックを出力するＲＴＣ部を更に備え、
   前記信号処理部は、前記電荷検出部の出力信号の変化間隔をカウントしてリアルタイムクロックとともにメモリに記録する、請求項２に記載の衝撃検出装置。
4. 前記遅延スイッチ部は、前記第１の衝撃検出部の出力に基づいて衝撃の検出時に前記第２の衝撃検出部と前記蓄電部との間を接続する、請求項１〜３のいずれかに記載の衝撃検出装置。
5. 前記第１の衝撃検出部と前記第２の衝撃検出部とは、同一のセンサの出力を利用する、請求項１〜４のいずれかに記載の衝撃検出装置。

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