JPH06324071A - 衝撃センサおよび制御方法 - Google Patents

衝撃センサおよび制御方法

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JPH06324071A
JPH06324071A JP6068469A JP6846994A JPH06324071A JP H06324071 A JPH06324071 A JP H06324071A JP 6068469 A JP6068469 A JP 6068469A JP 6846994 A JP6846994 A JP 6846994A JP H06324071 A JPH06324071 A JP H06324071A
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pulse
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Leland J Spangler
ジョセフ スパングラー レランド
Christopher J Kemp
ジャッド ケンプ クリストファー
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クリストファー グラフ マイクル
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Ford Motor Co
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01P2015/0831—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type having the pivot axis between the longitudinal ends of the mass, e.g. see-saw configuration

Abstract

(57)【要約】 【目的】 莫大な信号処理を行うことなく容易に衝撃状
態特性を評価することができる出力信号を発生する加速
度計を備えたシングルポイント衝撃センサを提供する。 【構成】 シングルポイント衝撃センサ１０は車輌の加
速度に比例する容量差を発生する全差動容量感知素子１
２を有している。容量差はデジタルパルス列へ変換され
それは容量変動によりパルス密度変調される。パルス列
のパルス密度はカウンタおよびタイマ階層に従って評価
されて、起動に値する事象を示すものであるかどうかが
判断される。一実施例では、非揮発性プログラマブルメ
モリ１４０を設けて衝撃センサ１０の動作が制御され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般的に車輌乗員保護装
置（ｖｅｈｉｃｌｅ ｐａｓｓｅｎｇｅｒｒｅｓｔｒａ
ｉｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）の起動に使用する衝撃セ
ンサに関し、特に加速度計を使用して車輌に発生する高
衝撃状態を検出する衝撃センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】エアバッグや自動車シートベルト等の受
動保護装置は正面衝突中に乗員を保護するために車輌内
で次第に使用されつつある。この種の保護装置では乗員
は特別な起動操作を行う必要はない。受動保護装置は起
動に値する衝撃が発生すると自動的に起動される。
【０００３】所与の衝撃事象に対してエアバッグの膨張
等の受動保護が必要かどうかを判断し、エアバッグ保護
を必要とする場合だけエアバッグを膨張させることを保
証するさまざまな種類の衝撃センサが設計されている。
衝撃センサは起動に値する事象と起動に値しない事象と
を識別できることが理想的である。
【０００４】一種の衝撃センサシステムでは車輌の前面
領域で複数個の閾値スイッチが使用されている。これら
のスイッチは高衝撃事象がスイッチを閉成するのに充分
過酷なものである場合にエアバッグを膨張させる衝撃信
号を送る。この種の機械センサベースシステムは任意の
センサ故障による悪影響を最少限に抑えるのにセンサの
冗長性に依存することが非常に多い。そのため各車輌内
に多数のスイッチを必要とし、衝撃感知システム全体の
複雑性が増す。この種のシステムでは付加アセンブリを
必要とするワイヤハーネスも使用しなければならない。
さらに、さまざまな種類の衝撃を検出し識別する機会が
最も高い車輌内の戦略的場所に閾値センサを配置しなけ
ればならない。このような位置を決定するために車輌の
広範な衝撃テストおよび衝撃効果の調査を行って閾値ス
イッチセンサの最適場所が決定される。
【０００５】別の種類の衝撃感知システムではマルチプ
ルスイッチの替りにシングルポイント衝撃センサが使用
される。この種のセンサでは車室内に加速度計が配置さ
れていて車輌の加速度が常時監視され車輌の突然の減速
が感知される。加速度計の出力を連続的に分析して減速
がいつ生じたのかまたその減速はエアバッグや他の乗員
保護装置の起動を要するのに充分過酷な衝撃によるもの
であるかが判断される。衝撃感知システムは安全装置の
不注意による起動を充分防止するように精巧であってし
かも迅速かつ頻繁にテストを行って適切な作動を保証す
るように簡単でなければならない。
【０００６】シングルポイント衝撃センサはまた加速度
計の出力を迅速かつ効率的に評価して所与の衝撃により
安全機構を起動させる必要があるかどうかを判断できな
ければならない。加速度計の出力特性は容易に分析を行
って起動に値する事象と値しない事象とを識別できるも
のでなければならない。衝撃センサは減速の振幅だけで
なく持続時間も測定して最も正確な応答を与えるもので
なければならない。
【０００７】多くの種類のシングルポイント衝撃センサ
は加速度計の周波数応答を使用して所与の衝撃により乗
員保護装置を起動させる必要があるかどうかを判断して
いる。一種のシングルポイント衝撃センサがＭａｚｕｒ
等の米国特許第５，０６５，３２２号に記載されてい
る。加速度計からの信号がアナログ／デジタルコンバー
タへ送られてデジタル化時間領域振動電気信号へ変換さ
れる。次に高速フーリエ変換装置によりデジタル化され
た信号は周波数領域信号へ変換される。周波数領域信号
の振幅が全周波数スペクトルにわたって加算され評価さ
れて所定種別の車輌衝撃の発生を示す周波数成分がある
かどうかが判断される。少くとも一つの選定周波数にお
ける振幅の和が所定の閾値よりも大きい場合に乗員保護
装置が起動される。加速度計信号を最初にデジタル化し
次に周波数領域へ変換しその後で初めて任意種別の信号
評価が行われるため、この種の衝撃感知方法はそれを実
施する回路と共に非常に複雑なものとなる。変換装置や
所望の周波数範囲外の信号を除去するフィルタを使用し
て加速度信号を分析しなければならないため、衝撃セン
サ内の電気装置の総数が増大してシングルチップ上に集
積させる適応性が低下する。
【０００８】デジタル出力を発生する加速度計が鈴木等
の米国特許第５，０９５，７５０号に記載されている。
加速度は２個の固定電極間に可動電極を有し２個の可変
キャパシタを形成する。加速力により可動電極が変位し
て可動電極と固定電極間の間隙サイズが変化ししたがっ
て２つの容量が変動する。容量検出器が間隙を測定して
間隙長さの差を表わす出力電圧を発生する。パルス幅変
調器が出力電圧の大きさに従って変調されたパルス幅を
有する出力信号を発生する。この出力信号のパルス幅は
被検出加速度に正確に比例する。しかしながら、この出
力信号を簡単に解釈して車輌の衝撃状態を判断すること
はできず、したがって加速度計をシングルポイント衝撃
センサに使用するように容易に適合することができな
い。また、この種の加速度計の応答は温度変化の影響を
受け易く、さらに温度補償回路を付加して変化を相殺す
る必要がある。
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】したがって、莫大な信号処理を行うことな
く容易に衝撃状態特性を評価することができる出力信号
を発生する加速度計を備えたシングルポイント衝撃セン
サを提供することが本発明の目的である。
【００１０】シングルチップ上に集積される最少限の部
品数しか必要としない衝撃センサを提供することが本発
明のもう一つの目的である。
【００１１】個別のフィルタ（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｆｉ
ｌｔｅｒｓ）や温度補償回路を必要とせずに設計される
衝撃センサを提供することが本発明のさらにもう一つの
目的である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】したがって、集積化され
たシリコン自動車加速度計および衝撃センサ（ａｎｉｎ
ｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｕｔｏｍｏｔｉ
ｖｅ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｉｍｐａ
ｃｔ ｓｅｎｓｏｒ）は加速度感知素子、感知素子の出
力を電気信号へ変換する回路、および電気信号を分析す
る展開判断回路（ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｄｅｃｉｓｉ
ｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ）を含んでいる。衝撃センサ部品
を全てシングルチップ上に集積される。実施例では、チ
ップ上に不揮発性プログラマブルメモリも配置される。
このメモリはセンサの動作を制御する特定車輌パラメー
タを記憶するのに使用される。
【００１３】好ましくは、感知素子は全差動（ｆｕｌｌ
ｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）容量感知素子である。
具体的には、感知素子は好ましくは実質的に平面状の絶
縁基板を有し少くとも２枚の導電板と半導性ペデスタル
が基板に取り付けられている。実質的に平面状の半導性
上板が基板上にそれと平行に配置されペデスタルを包囲
する内部開口を有している。一対の逆向きのトーション
アーム（ｔｏｒｓｉｏｎ ａｒｍｓ）により上板がペデ
スタルに接続されて屈曲軸（又はたわみ軸）（ｆｌｅｘ
ｕｒｅ ａｘｉｓ）を画定し、それにより上板は第１お
よび第２の可動部へ分割される。上板は感知素子に垂直
に発生する加速度に応答して屈曲軸周りに傾倒すること
ができる。感知素子の感度および上板の周波数応答は上
板を貫通する複数個の開口により調整することができ
る。基板上の固定導電板および上板の第１および第２の
部分により第１および第２のキャパシタが画定されその
容量は上板の偏向量（ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｄｅｆｌｅ
ｃｔｉｏｎ）に従って変動する。２つの容量の差の変動
が衝撃センサが経験する加速量の変動を表わす。
【００１４】感知素子の容量差のこのような変動はデジ
タルパルス列のパルス密度の変動へ変換される。パルス
密度は単位時間ごとに発生するパルス数として定義さ
れ、本発明では単位時間にわたる平均加速度にほぼ線形
に比例する。展開判断回路内のタイマおよびカウンタの
階層構成により信号のパルス密度が監視され評価され
る。パルス幅の替りに単位時間当りのパルスカウントを
変調すれば、回路は所与の時間内のパルス数を測定する
だけでよくその幅を測定する必要がないため、パルス列
の監視および評価は比較的簡単なままとされる。展開判
断回路はさまざまな時間間隔で固定時間量内におけるパ
ルス数をカウントすることによりパルス列を評価し解釈
する。パルス数がある閾値を越えるたびにフラグが設定
される。選定時間間隔内に設定されるフラグ数が所定の
限界を越えると、起動信号が発生されて乗員保護装置が
起動される。
【００１５】チップ上のプログラマブルメモリはパルス
列の選定オフセットおよび利得を記憶しかつ校正値を記
憶するのに使用される。メモリはまた各種車輌に対して
異なる特定車輌展開アルゴリズム係数を記憶するのにも
使用される。これにより、プログラムされた値を修正す
るだけでセンサ構造全体を修正することなく、同じ衝撃
センサをさまざまな車輌モデルに使用することができ
る。オンチップマイクロプロセッサインターフェイスを
使用してメモリに対する読取りおよび書込みが行われ
る。好ましくは、衝撃センサの全ての部品を従来の集積
回路パッケージ内に収納してセンサ組立ておよび自動ボ
ード配置を容易にする。
【００１６】
【実施例】図１は衝撃センサ１０の実施例を示すブロッ
ク図である。容量感知素子１２である第１のブロックを
さらに図２、図３、図４に示す。
【００１７】感知素子１２は基板１６上方に配置された
偏向可能（ｄｅｆｌｅｃｔａｂｌｅ）な上板１４を有し
ている。好ましくは、感知素子１２は中央開口１５を有
する実質的に平面状のホウ素ドープシリコン可偏向上板
１４および実質的に平面状の絶縁基板１６を具備してい
る。感知素子１２にこのような材料を使用すると、差分
熱膨張および収縮による塑性変形や応力が無く、強度が
増大し製造効率および経済性が改善されるという利点が
得られる。
【００１８】好ましくは、上板１４は加速度応答能力が
０．５〜１０００ｇの範囲内であり、測定帯域幅は０〜
５０００ヘルツであり、減衰比は２〜２０である。この
ような値は上板１４に開口１７を形成して調整すること
ができ、詳細については後記する。さらに、上板１２の
長さは０．１〜１０ｍｍであり幅はおよそ０．０５〜
５．０ｍｍである。最も好ましくは、上板１２の長さは
およそ１ｍｍであり幅はおよそ０．５ｍｍである。
【００１９】好ましくは、上板１２のシリコンのホウ素
濃度は１×１０19ｃｍ-3以上である。ホウ素ドープシリ
コンを使用して上板１２を形成すれば高応力状態および
機械力により生じる望ましくない塑性変形だけでなくヒ
ステリシスおよびクリープ（ｃｒｅｅｐ）等の問題も解
消される。ヒステリシスが解消されるのはホウ素ドープ
シリコン上板１２の形成に粒界の無い単結晶シリコンウ
ェハが使用されるためである。
【００２０】好ましくは、基板１６はガラス、セラミッ
ク、窒化物もしくはプラスチック等の固体絶縁材（ｓｏ
ｌｉｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）で
ある。理想的には基板１６はガラス製とされシリコンと
同様の熱膨張係数を有している。基板１６に使用するの
に適したガラスは米国、ニューヨーク州、コーニングの
ダウコーニング社から入手できるコーニングコード＃７
７４０である。好ましくは、基板１６の厚さは０．２〜
１．５ミクロンであり、最も好ましくは０．５〜０．８
ミクロン（μ）厚である。ホウ素ドープシリコン上板１
４と絶縁基板１６を組合せて使用すると、熱膨張係数が
著しく異なる材料を使用する時に生じる応力が実質的に
低減される。
【００２１】感知素子１２の平面に垂直な加速度および
重力が無い場合には、上板１４および基板１６は互いに
実質的に平行である。上板１４はペデスタル１８により
基板１６上に支持される。次に図３を参照すると、ペデ
スタル１８は基板１６の上面に取り付けられている。好
ましくは、ペデスタル１８は基板１６に陽極固着（ａｎ
ｏｄｉｃａｌｌｙ ｂｏｎｄｅｄ）される。ペデスタル
パッド１９がペデスタル１８の頂部に取り付けられる。
好ましくは、ペデスタルパッド１９はアルミニウムであ
るが任意の導電材を使用することができる。中央開口１
５周りのトーションアーム２０により屈曲軸（ｆｌｅｘ
ｕｒｅ ａｘｉｓ）２２が画定され、上板１４はその表
面に垂直な加速力に応答して屈曲軸２２周りに傾倒す
る。ペデスタル１８および上板１４を支持するトーショ
ンアーム２０が小さいためねじれ感度の高い感知素子１
２が得られる。
【００２２】屈曲軸２２により上板は第１および第２の
可動部２４，２６へ分割される。好ましくは、半導性可
偏向上板１２は第１および第２の可動部２４，２６の各
々が上板１４の総モーメントよりも小さい屈曲軸２２周
りの総モーメント（すなわち、質量×モーメントアー
ム）を有するような形状とされる。この構成によれば、
感知素子１２の面に垂直に生じる加速度により上板１４
は屈曲軸２２周りに傾倒する。偏向度は加速度の大きさ
にほぼ比例する。さらに、上板１４の偏向方向は加速度
方向の関数となる。
【００２３】固定導電板２８，２９が基板１６上に載置
され図２および図３に破線で示されている。固定板２
８，２９を形成するのにさまざまな金属が適している
が、好ましくはある組合せの金属が使用される。適切な
組合せはクロム下地白金であり、クロムは５０〜１００
０Å厚、白金は５０〜３０００Å厚である。好ましく
は、クロム層は１５０〜３００Å厚であり白金層は５０
０〜１５００Å厚である。最も好ましくはクロム層は２
００Å厚であり白金層は１０００Å厚である。当業者で
あれば総金属膜厚は１００Åからおよそ４０００Åの範
囲となることがお判りと思われる。好ましくは、導電板
２８，２９は基板１６上で屈曲軸２２の両側に対称的に
配置して上板１４の第１および第２の可動部２４，２６
の下側に配置されるようにする。
【００２４】ボンドパッド３０により感知素子１２の部
品は衝撃センサ１０の残部へ電気的に接続される。より
詳細には、導電リード３１により固定板２８，２９およ
びペデスタルパッド１９からボンドパッド３０への接続
がなされ、ボンドパッド３０は衝撃センサの次の部品に
電気的に接続される。導電リード３１およびボンドパッ
ド３０は導電材、好ましくはアルミニウム、により作成
される。本発明の他の特徴を良く示すために図２および
図３から導体は省かれている。
【００２５】上板１４の第１および第２の部分２４，２
６は固定板２８，２９と対応して、図５に略示する第１
および第２の可変キャパシタ３２，３４を形成する。上
板１４の第１および第２部分２４，２６と屈曲軸２２の
両側の固定板２８，３０により生成されるキャパシタ３
２，３４を設けると、加速中に上板１４の傾倒により両
キャパシタ３２，３４の容量が変動する。上板１４の偏
向したがって２つの容量３２，３４の差は感知素子１２
が感知する加速力に比例する。１個ではなく２個のキャ
パシタ３２，３４を使用することによりセンサ１０は絶
対容量値を監視するのではなく２個のキャパシタ間の差
の変動を監視することができる。キャパシタの温度によ
る変動は両キャパシタに同等に影響を及ぼし両者間の差
は変化しないため、これにより独立した温度補償回路は
不要となる。さらに、この種の全差動感知素子１２を使
用すれば、容量測定に固定基準点を使用していないため
に、感知素子１２に生じることがあるいかなる製造上の
ばらつきも補償される。
【００２６】感知素子１２の感度は上板１４の質量に対
応するため、本発明では上板１４を出来るだけ大きくす
ることが有利である。好ましくは、上板１４は基板１６
上に１〜１０ミクロンの間に配置される。しかしなが
ら、小さな空間は自由な空気流を拘束する傾向があるた
め板１４と基板１６との間に捕捉された空気は通常より
も高い粘度を示す傾向がある。その結果、感知素子１２
の振動応答は空気により機械的に減衰される。大概の場
合、この点における感知素子１２は著しく過剰減衰され
その応答は望ましいレベルよりも低い。
【００２７】前記したように、感知素子１２の減衰量を
制御するために上板１４に開口１７が設けられる。開口
１７の数とサイズを調整することにより上板１４の減衰
特性を修正することができる。好ましくは、複数個の開
口１７が上板１４の第１および第２の可動部２４，２６
を貫通している。図２及び図３には複数個の開口１７が
個別の丸穴として示されているが、他の形状および構成
も可能である。好ましくは、開口１７は上板１４上にジ
グザグ配置され０．１〜５０μ程度の比較的小さい直径
を有している。この小さいサイズの開口はキャパシタ３
２，３４の容量に及ぼす影響が少いと思われる。さら
に、少数の大きな開口ではなく多数の小さな開口を使用
することにより、特定の応答特性を達成するために製作
中に感知素子１２の減衰特性を制御する度合いが高くな
る。
【００２８】感知素子の作動中に、上板１４の開口１７
により感知素子の全体減衰比が低下しかつ空気流の経路
が付加されるため応答速度が向上するという効果が得ら
れる。好ましくは、感知素子１２の上板１４は０〜５０
０ヘルツの発振周波数に応答するように機械的に減衰さ
れる。周波数範囲は０〜２７５ヘルツとするのが最適で
ある。感知素子１２の周波数応答をこのように機械的に
制限すれば回路は全周波数スペクトルにわたって感知素
子１２の応答を分析する必要がなくなる。大部分のノイ
ズ信号は感知素子により機械的に濾波されるため、後の
ステップにおいて外来ノイズを電気的に濾波する必要が
ない。
【００２９】前記したように、２個のキャパシタ３２，
３４間の容量差は感知素子１２が感知する加速度に関し
て変化する。ボンドパッド３０によりキャパシタ３２，
３４と容量値を処理する容量−パルスカウントコンバー
タ回路３５との間の電気的接続が行われる。容量−パル
スカウントコンバータ回路３５の実施例を図５に示す。
回路３５は感知素子１２の変動する容量差をデジタルパ
ルス列信号へ変換する。パルス列のパルス密度がデルタ
−シグマ変調により容量変動に従って変調される。
【００３０】一般的に、デルタ−シグマ変調では入力信
号を取り込みそれを使用して積分器を起動しその出力が
比較器により別の信号と比較される。比較器の出力に応
じて、クロックが遷移するたびに固定長パルスが加算器
へ切り替えられる。
【００３１】好ましくは、衝撃センサ内で２個の差動容
量感知素子を使用して合計４個の感知素子キャパシタが
得られる。図５を参照して、前記したように、キャパシ
タ３２，３４および付加キャパシタ３６，３８は衝撃セ
ンサ１０に垂直な加速度に依存する。加速中の容量変化
の方向をキャパシタ３２〜３８の矢符で示す。
【００３２】容量変化中に、ノード４２，４４，４６，
４８の電圧を変動させることによりキャパシタの電荷は
一定値に維持される。これは次式を調べれば一層明確に
示され、
【数１】Ｃ＝ｑＶ ここに、Ｃはキャパシタの容量、ｑはキャパシタの電
荷、Ｖはその両端間電圧である。Ｃの変動に対して一定
電荷ｑを維持するためには、式が成立するようにＶを調
整しなければならない。入力段５０の閉ループ電荷再平
衡構成により、容量が加速により変化してもキャパシタ
３２，３４，３６，３８の電荷は一定に維持される。
【００３３】図６ａおよび図６ｂに容量−パルスカウン
トコンバータの入力段５０の動作をより詳細に示す。入
力段５０は図６ａに示す単位相と図６ｂに示す積分相と
の間で連続的にクロックされる。ノード４２，４４，４
６，４８の電圧はデジタル−アナログコンバータ５２，
５４により印加され、前の積分相の終りにおける比較器
５１からの出力電圧（ＶＯＤ）の符号およびクロック位
相に依存する。
【００３４】図６ａに示す単位相（ｕｎｉｔｙ ｐｈａ
ｓｅ）中に、演算増幅器（オペアンプ）７４の負入力端
子６６、正入力端子６８、負出力端子７０、および正出
力端子７２に共通モード電圧ＶＣＭが確立される。閉ル
ープ電荷再平衡構成によりオペアンプ７４は一定動作点
に維持される。比較器５１の出力電圧ＶＯＤは正出力端
子７２と負入力端子７０の電圧間の差である。デジタル
−アナログ変換器５２，５４により予め定められる電圧
がノード４２，４４，４６，４８に印加されて全体回路
３５が静止状態となることができる。
【００３５】図６ｂに示す積分相中に、積分キャパシタ
７６，７８がオペアンプ７４に接続される。ノード４
２，４４，４６，４８の電圧はキャパシタ３２〜３８の
電荷が一定に維持されるように調整される。キャパシタ
３２，３４，３６，３８の値と単位および積分相間（ｂ
ｅｔｗｅｅｎ ｕｎｉｔｙ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔ
ｉｏｎ ｐｈａｃｅｓ）で生じるノード４２，４４，４
６，４８の電圧の変化量に基づいて積分キャパシタ７
６，７８の電荷も変化する。積分キャパシタ７６，７８
の総電荷は所与サイクルの前に累積される電荷とそのサ
イクル中に累積される電荷の和である。各積分サイクル
中のＶＯＤの変化はそのサイクル中に寄与する電荷に比
例する。単位および積分の両相中に、共通モード電圧Ｖ
ＣＭおよび出力電圧ＶＯＤは等しく維持される。
【００３６】次に出力電力ＶＯＤは調整回路８０へ送ら
れて分析されパルス密度変調デジタルパルス列信号が発
生する。理想的には、単位時間当りパルス数は衝撃セン
サ１０が感知する加速度に線形比例する。調整を行う前
は、（ゼロ加速度を示す）ゼロＧにおけるパルス列内の
パルス数はオフセット値に等しく、それは製作公差や部
品のバリエーション等により各センサ１０ごとに幾分異
っている。この段階におけるパルス列内のパルス数はセ
ンサ１０が正のＧ−力を経験しておればオフセット値よ
りも大きく、センサ１０が負のＧ−力を経験しておれば
フオセット値よりも小さく、負のフルスケールＧ−力に
おける単位時間当り最適パルス数はゼロである。ゼロＧ
およびゼロ加速度が単位時間当りゼロパルスと一致する
ならばパルス列の分析は著しく簡単化されるため、調整
回路８０はオフセットに等しい量だけパルス列を修正し
てこの規定を成立させる。
【００３７】図６ｃ、図６ｄを参照して、ＶＯＣをハイ
もしくはローに調整する回数を観察し、ハイの数とロー
の数の差を比較し、この差に基いてパルス列のパルス密
度を調整することにより、パルス密度が変調される。例
えば、図６ｃはゼロ加速度におけるＶＯＤおよびパルス
列を示す。ＶＯＤ内のハイの数はローの数に等しいた
め、ハイおよびローの数の差はゼロでありしたがってパ
ルス列内のパルス数は予め選定されたオフセット値に等
しく、加速度が存在しないことを示す。好ましくは、ゼ
ロ加速度においてパルス列は実質的に平坦である。
【００３８】しかしながら、第６ｄ図において、フルス
ケール加速度におけるＶＯＤ内のハイおよびローの数の
差はハイの総数に等しく、したがってパルス列のパルス
密度はクロックパルス密度に等しく設定される。ゼロと
フルスケールとの間の加速により発生されるパルス密度
は両極端間で線形に比例する。
【００３９】デジタル信号のパルス密度は図７に示す展
開判断回路１００により連続的に監視される。展開判断
回路１００の出力は乗員保護装置を起動させる１個のパ
ルスである。回路１００は容量−パルスカウントコンバ
ータ３５の出力を常時調べる移動閾値検出器（ＭＴＤ）
１０２を有している。調整回路８０の出力は感知素子容
量差の積分に関連する情報を含んでいる。容量差は好ま
しくはキャパシタ３２，３４，３６，３８の応答速度の
およそ１０００倍速い速度でサンプルされる。このオー
バサンプリング技術により任意の容量変動がセンサ１０
により検出されることが保証される。
【００４０】ＭＴＤ１０２は移動時間窓および所定のパ
ルスカウント閾値を有している。特定期間にわたって出
力信号をサンプルすることにより、窓に含まれる情報は
信号が表示する平均加速レベルを表わすようになる。デ
ジタル信号内のパルス数がこの所定の閾値１０４を越え
ると、この信号はある加速レベルを越える加速事象を示
すようになる。この点において、閾値検出器はＭＴＤフ
ラグをトリガーし、ブロック１０６で始まる展開アルゴ
リズムを開始して減速事象が乗員保護装置の展開を必要
とするかどうかを判断する。
【００４１】展開アルゴリズムは最初に衝撃過酷度検出
器（ＣＳＤ）を使用してデジタル信号を分析する１０
６。これはＭＴＤフラグの設定後最初の数ミリ秒の間に
衝撃の過酷度を決定する静止弁別器である。ＣＳＤの開
始点はＭＴＤフラグのトリガーにより確立され終止点は
予めプログラムされた値により確立される。この時間値
はＣＳＤタイマにより監視される。
【００４２】持続衝撃速度閾値（ＳＣＶＴ）１２０は車
輌の著しい速度変化が持続されたかどうか判断すること
によりＣＳＤと共に作動するもう一つの静止弁別器であ
る。ＭＴＤフラグ設定後最初の数ミリ秒の間にＳＣＶＴ
１２０の内容がプログラムされた閾値と一致するかもし
くはそれを越えると、起動フラグＡＦ１２２が設定され
て起動に値する事象であることが示される。ＳＣＶＴ１
２０の内容はＣＳＤタイマが切れる前に一致もしくは超
過しなければならない１２６。プログラムされたＣＳＤ
時間が切れてもＳＣＶＴの内容がプログラムされた値と
一致もしくはそれを超過しなければ、起動フラグＡＦ１
２２は設定されない。この速度閾値により起動フラグ１
２２を設定することができてしかも車輌に著しい速度変
化を経験させるのに充分過酷な事象に車輌がさらされる
ことが保証される。前記したように、ＳＣＶＴ１２０の
内容はＣＳＤ１２６において時間切れとなる前に一致も
しくは超過しなければならない。ＳＣＶＴおよびＣＳＤ
は１個のカウンタにより実現することができる。ＳＣＶ
ＴおよびＣＳＤカウンタの両方を使用すれば起動フラグ
１２２は誤設定されないことが保証される。
【００４３】さまざまなカウンタの他に、さらに２個の
検出器を使用して車輌の過酷な減速による異常に高いＧ
−力（Ｇ−ｆｏｒｃｅｓ）が検出される。ＭＴＤの内容
が所定の高Ｇ閾値１０４と一致するかそれを越える時
に、高Ｇ−力検出器（ＨＩＧ）１３０は起動フラグ１２
２を設定することができる。ＳＣＶＴ１２０閾値が一致
もしくは超過されない場合には、高Ｇ−力検出器１３０
しか起動フラグ１２２を設定することができない。特高
Ｇ−力検出器（ＸＨＩＧ）１３２を設けてＣＳＤタイマ
を設定する前にＭＴＤ１０２の内容が特高Ｇ閾値に一致
するかそれを越える場合に起動フラグＡＦ１２２を設定
することができる。この場合、起動フラグ１２２はＳＣ
ＶＴやＣＳＤの状態に無関係に設定される。
【００４４】一実施例では、不揮発性プログラマブルメ
モリ１４０を使用して加速度計の校正中にマイクロプロ
セッサインターフェイス１４２を介してプログラムされ
る値だけでなく展開判断回路パラメータが記憶される。
メモリ１４０は連番等の特定車輌値を記憶するのに使用
することもできる。好ましくは、加速度計の校正は衝撃
センサ１０に実際にある種の力が加わってる間に行われ
る。これは遠心分離機やかくはん器（ｓｈａｋｅｒ）等
の機械により行うことができる。
【００４５】本発明による衝撃センサ１０は作動中に僅
か２ｍＡの電流しか使用しないように設計されている。
センサ１０の給電に必要なエネルギ量が最少限とされる
ため、自動車バッテリをあまり消費することなくセンサ
１０が加速度を連続的に監視しかつ車輌がオフとされて
いる間の高衝撃状態を検出できるようにすることができ
る。車を駐車してターンオフした場合でも乗員保護装置
を起動させることができる。独立予備電源を使用して車
輌がオフとされている間に衝撃センサを継続的に給電す
ることもできる。
【００４６】本発明の最善の実施態様について詳細に説
明してきたが、当業者であれば特許請求の範囲に明記さ
れた本発明を実施するためのさまざまな別の設計や実施
例がお判りと思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による衝撃センサのブロック図。
【図２】本発明による衝撃センサの感知素子の実施例の
平面図。
【図３】本発明による感知素子の部分平面図。
【図４】本発明による感知素子の図３の４−４線に沿っ
た断面図。
【図５】本発明による容量−パルスカウントコンバータ
の回路図。
【図６】ａは本発明による容量−パルスカウントコンバ
ータの入力段の単位相中における回路図。ｂは本発明に
よる容量−パルスカウントコンバータの入力段の積分相
中における回路図。ｃおよびｄは本発明による容量−パ
ルスカウントコンバータの出力を示す波形。
【図７】本発明による衝撃センサ展開判断回路および展
開アルゴリズムを示すフロー図。
【符号の説明】
１０ 衝撃センサ １２ 容量感知素子 １４ 上板 １６ 絶縁基板 １８ ペデスタル １９ ペデスタルパッド ２０ トーションアーム ２４，２６ 可動部 ２８，２９ 固定導電板 ３０ ボンドパッド ３１ 導電リード ３２，３４ 可変キャパシタ ３５ 容量−パルスカウントコンバータ回路 ３６，３８ 付加キャパシタ ５０ 入力段 ５２，５４ Ｄ／Ａコンバータ ７４ オペアンプ ７６，７８ 積分キャパシタ ８０ 調整回路 １００ 展開判断回路 １０２ 移動閾値検出器 １２０ 持続衝撃速度閾値 １２６ 衝撃過酷度検出器 １３０ 高Ｇ−力検出器 １３２ 特高Ｇ−力検出器 １４０ 非揮発性プログラマブルメモリ １４２ マイクロプロセッサインターフェイス

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 車輌乗員保護装置の起動を制御する衝撃
    感知装置であって、 車輌の加速度に基づく加速度信号を発生する手段を有す
    る感知素子と、 加速度信号の関数としてパルス流のパルス密度を変調す
    る手段を有するパルス流出力発生手段と、 パルス流のパルス密度を１組の所定のパラメータに従っ
    て評価して起動に値する事象と起動に値しない事象とを
    識別する手段であって、パルス流が起動に値する事象を
    示す場合には起動信号を発生する手段を有するパルス密
    度評価手段と、 発生手段から起動信号を受信したら乗員保護装置を起動
    させる手段、 を具備する。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の衝撃センサであって、パ
    ルス流のパルス密度はクロックパルス密度に比例する。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の衝撃センサであって、評
    価手段は、 パルス流のパルス密度を監視し、それが所定の閾値を越
    える場合に第１のフラグを設定する手段と、 所与の時間間隔内のパルス流のパルス数を測定し、パル
    ス数が起動に値する事象を示す所定数を越える場合に起
    動フラグを設定する手段、 を具備する。
  4. 【請求項４】 請求項３記載の衝撃センサであって、さ
    らに起動フラグが誤設定されていないことを確認する手
    段を具備する。
  5. 【請求項５】 車輌乗員保護装置の起動を制御する衝撃
    センサ装置であって、 第１のキャパシタおよび第２のキャパシタを有し、第１
    および第２のキャパシタの容量差は可変であり車輌の加
    速度の関数である容量感知素子と、 第１および第２の容量の差に基づく電気信号を発生する
    手段と、 １組の所定のパラメータに従って電気信号を評価して起
    動に値する事象と起動に値しない事象とを識別し、電気
    信号が起動に値する事象を示す場合に起動信号を発生す
    る手段を有する電気信号評価手段と、 発生手段から起動信号を受信したら乗員保護装置を起動
    させる手段と、 を具備する。
  6. 【請求項６】 請求項５記載の衝撃センサであって、発
    生手段は、 第１および第２の容量の差に基づく差信号を生成する手
    段と、 差信号に基づく加速度信号を生成し評価して起動に値す
    る事象と起動に値しない事象を識別する手段と、 を具備する。
  7. 【請求項７】 請求項６記載の衝撃センサであって、加
    速度信号は差信号の振幅変化に基づくパルス密度が変動
    するパルス密度変調パルス流である。
  8. 【請求項８】 請求項６記載の衝撃センサであって、加
    速度信号のパルス密度はクロックパルス密度に比例す
    る。
  9. 【請求項９】 請求項５記載の衝撃センサであって、評
    価手段は、 加速度信号のパルス密度を監視し、加速度信号パルス密
    度が所定の閾値を越える場合に第１のフラグを設定する
    手段と、 所定の時間間隔内の加速度信号のパルス数を測定し、そ
    れが起動に値する事象を示す所定の数を越える場合に起
    動フラグを設定する手段と、 を具備する。
  10. 【請求項１０】 請求項９記載の衝撃センサであって、
    さらに起動フラグが誤設定されていないことを確認する
    手段を具備する。
  11. 【請求項１１】 請求項５記載の衝撃センサであって、
    さらに特定車輌パラメータを記憶する不揮発性メモリを
    具備する。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載の衝撃センサであっ
    て、不揮発性メモリは校正値を記憶するのに使用され
    る。
  13. 【請求項１３】 請求項５記載の衝撃センサであって、
    さらに車輌のターンオフ時に衝撃センサに給電するのに
    充分なエネルギを有する予備電源を具備する。
  14. 【請求項１４】 車輌乗員保護装置の起動を制御する衝
    撃感知装置であって、 第１および第２のキャパシタを有し、第１および第２の
    キャパシタ間の容量差は可変であり車輌の加速度の関数
    である容量感知素子と、 第１および第２の容量の差に基づく差信号を発生する手
    段と、 加速度信号のパルス密度が差信号の振幅に比例し、クロ
    ックパルス密度に比例するパルス密度変調加速度信号発
    生手段と、 １組の所定のパラメータに従って加速度信号を評価して
    起動に値する事象と起動に値しない事象とを識別し、加
    速度信号が起動に値する事象を示す場合に起動信号を発
    生する手段を有する加速度信号評価手段と、 発生手段から起動信号を受信したら乗員保護装置を起動
    させる手段と、 を具備する。
  15. 【請求項１５】 請求項１４記載の衝撃センサであっ
    て、感知素子は実質的に平面上の基板上に配置された実
    質的に平面状の上板を有し、上板は感知素子の第１の部
    分および第２の部分を画定する屈曲軸周りに傾倒するこ
    とができ、第１のキャパシタが第１の部分上に載置され
    第２のキャパシタが第２の部分上に載置されていて車輌
    の加速度による上板の傾倒により第１および第２の容量
    間に差が生じる。
  16. 【請求項１６】 請求項１４記載の衝撃センサであっ
    て、評価手段は、 加速度信号のパルス密度を監視し、加速度信号パルス密
    度が所定の閾値を越える場合に第１のフラグを設定する
    手段と、 所与の時間内における加速度信号のパルス数を測定し、
    パルス数が起動に値する事象を示す所定数を越える場合
    に起動フラグを設定する手段と、 起動フラグが誤設定されていないことを確認する手段
    と、 を具備する。
  17. 【請求項１７】 請求項１４記載の衝撃センサであっ
    て、さらに特定車輌パラメータおよび校正値を記憶する
    不揮発性プログラマブルメモリを具備する。
  18. 【請求項１８】 車輌乗員保護装置の起動を制御する衝
    撃センサの制御方法であって、 車輌加速度の関数である値を有する、衝撃センサ内の容
    量感知素子の容量差を発生し、 容量差の関数としての差信号を発生し、 加速度信号のパルス密度が差信号の振幅に比例するパル
    ス密度変調加速度信号を発生し、加速度信号のパルス密
    度はクロックパルス密度に比例し加速度信号のパルス密
    度とクロックはフルスケール加速度において等しく、 加速度信号のパルス密度を監視して加速度信号パルス密
    度が所定の閾値を越える場合に第１のフラグを設定し、 第１のフラグの設定後所定の時間間隔内における加速度
    信号のパルス数を測定してパルス数が所定数を越える場
    合に起動フラグを設定し、 起動フラグが誤設定されていないことを確認し、 起動フラグを設定し確認したら乗員保護装置を起動させ
    る、 ステップを具備する。
  19. 【請求項１９】 請求項１８記載の方法であって、さら
    に監視ステップにおける所定の閾値および測定ステップ
    における所定数に影響を及ぼす特定車輌パラメータおよ
    び校正値を衝撃センサ上のプログラマブルメモリ内に記
    憶するステップを具備する。
JP6068469A 1993-04-07 1994-04-06 衝撃センサおよび制御方法 Pending JPH06324071A (ja)

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US043680 1993-04-07
US08/043,680 US5495414A (en) 1993-04-07 1993-04-07 Integrated silicon automotive accelerometer and single-point impact sensor

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