JP6135483B2

JP6135483B2 - センサ装置

Info

Publication number: JP6135483B2
Application number: JP2013249057A
Authority: JP
Inventors: 板倉　敏和; 敏和板倉
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-12-02
Also published as: JP2015105911A

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。

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。

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。

特許第３０４９５３２号公報

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。

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。

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。

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、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すると共に、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前の所定時間の経過時に記憶部（３８）に記憶された物理量が正常範囲を超え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し、診断時間の経過時に記憶部（３８）に記憶された物理量が正常範囲を超えない場合は正常範囲を解除することを特徴とする。

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。

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。

本発明の第１実施形態に係るセンサ装置の全体構成図である。演算部の作動を説明するためのタイミングチャートである。第２実施形態に係る演算部の作動を説明するためのタイミングチャートである。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

「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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

１０センシング部
３０信号処理部
３８記憶部
３９演算部

Claims

物理量を検出するように構成されたセンシング部（１０）と、
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、
前記演算部（３９）は、前記第１のタイミングで前記記憶部（３８）に記憶される前記第１の物理量を基準とした正常範囲を設定すると共に、前記第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前の前記所定時間の経過時に前記記憶部（３８）に記憶された物理量が前記正常範囲を超えるか否かを判定することにより前記センシング部（１０）の異常の有無を診断し、前記診断時間の経過時に前記記憶部（３８）に記憶された物理量が前記正常範囲を超えない場合は前記正常範囲を解除することを特徴とするセンサ装置。