WO2017010309A1

WO2017010309A1 - 加速度検出装置

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Publication number: WO2017010309A1
Application number: PCT/JP2016/069578
Authority: WO
Inventors: 章博岡本; 昌士由良; 雅秀林
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2017-01-19
Also published as: JPWO2017010309A1; JP6592090B2

Abstract

本発明では、加速度センサの常時故障診断を低コストで容易に可能とする加速度センサを提供することを目的とする。　上記目的を解決するために、本発明の加速度検出装置は、複数の方向を検出可能な第１の加速度センサと、１つの方向を検出可能な第２の加速度センサと、を備え、前記第２の加速度センサは、その検出可能な方向が、前記第１の加速度センサの検出可能な何れの方向に対して、垂直でなく、かつ、平行でないように配置する。

Description

加速度検出装置

　本発明は、複数の加速度センサを含む慣性センサにおいて、加速度センサの常時故障診断を容易に行えるようにした改良に関するものである。

　近年、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いて小型で単純な構造を有する加速度センサあるいは角速度センサとして、静電容量素子を利用したタイプのセンサ（いわゆる静電容量型センサ）が実用化されている。

　自動車においては、特に静電容量型の加速度センサや角速度センサが、横滑り防止や横転防止など乗員の安全性を向上するための機器（例えばエアバック）の制御用として適用が拡大している。これらセンサを、エンジンルームのように温度変化範囲が広く、振動や電磁ノイズの影響が大きい環境に設置して動作させる場合、センサ出力の信頼性を高く保つための工夫が必要になる。そのため自動車の安全系への適用にあたりセンサ自身に対する自己故障診断の対応要求が強まって来ている。

　加速度センサの自己故障診断としては、一般的にセンサ内に自己診断機能を備えたものがある。具体的には、自己診断端子に電気信号を入力することにより、強制的に実際の加速度が与えられたのと同様な電気回路状態を作り出し、このときの加速度センサの出力が診断端子に入力された電気信号であるかどうかをチェックする。

　センサの自己故障診断としては、例えば、特許文献１に記載されている方法がある。

特開平１１－２１１７５１号公報

　上述の先行技術における、加速度センサの自己診断機能では、センサ起動時のみセンサの故障判定が可能であり、センサ起動後は、強制変位による加速度印加状態を作ることは、センサの検出を止めない限り難しく、常時の故障診断が出来ない課題がある。

　また、センサの構成を冗長系とし、複数のセンサの出力を比較する回路を内蔵し、比較回路で複数センサの出力の一致度を調べ、センサの良否判定を診断する方式では、常時診断は可能であるが同一のセンサを最低２つ用意する必要があり、システムのコストアップの課題がある。

　本発明では、加速度センサの常時故障診断を低コストで容易に可能とする加速度センサを提供することを目的とする。

　上記目的を解決するために、本発明の加速度検出装置は、複数の方向を検出可能な第１の加速度センサと、１つの方向を検出可能な第２の加速度センサと、を備え、前記第２の加速度センサは、その検出可能な方向が、前記第１の加速度センサの検出可能な何れの方向に対して、垂直でなく、かつ、平行でないように配置する

　　本発明によれば、センサの測定系を冗長系にすることなく、低コストで加速度センサの常時故障診断機能を有した加速度検出装置を提供することが可能である。

本発明の第１の実施例に係わるセンサ装置を示す平面図である。本発明の第１の実施例に係わるセンサ装置の上面透視図である。本発明の第１の実施例における加速度センサの感度軸配置図である。本発明の第１の実施例における回路ブロック図である。本発明の第１の実施例におけるマイコンの動作概略図である。本発明の第１の実施例における診断判定のフロー図である。本発明の第１の実施例における診断判定のフロー図である。本発明の第２の実施例における加速度センサの感度軸配置図である。本発明の変形例に関わるセンサ装置を示す上面透視図である。

　以下、図面を参照して本発明に係るセンサ装置の実施例を説明する。

　本発明の第１実施形態について、図１から図６を用いて説明する。

　図１、図２に示すように、本実施例に係わる加速度検出装置１００は、プリント基板１６、計測用の加速度センサ１、診断用の１軸加速度センサ２、演算機能を有するマイコン１５、ケース１０、ケース１０と一体に形成されたコネクタ１１、カバー１２と、を備えている。

　計測用の加速度センサ１と診断用の１軸加速度センサ２とは、プリント基板１６の同一平面上に、それぞれ設置されている。マイコン１５は、計測用の加速度センサ１と診断用の１軸加速度センサ２のそれぞれと、プリント基板１６を通して電気的に接続されている。プリント基板１６から加速度検出装置１００の外部へは、コネクタ内のターミナル端子（図示しない）を通して電気的に接続される。

　図３に示すように、計測用の加速度センサ１と診断用１軸加速度センサ２の感度軸方向の関係図である。計測用の加速度センサ１は、３軸方向の加速度が検出可能な構成となっており、各々の加速度検出用の感度軸は、三次元直交座標系に沿って軸が配列されている。そのため図２に記載の様に感度軸の方向をＸ軸方向６、Ｙ軸方向７、Ｚ軸方向８とすると、お互いが９０°の設置角を持つ。一方、診断用の１軸加速度センサ２の感度軸方向９と計測用加速度センサの感度軸Ｘ方向とのなす角をθｘ、この感度軸方向９と計測用加速度センサの感度軸Ｙ方向となす角をθｙ、この感度軸方向９と計測用加速度センサの感度軸Ｚ方向となす角をθｚとすると、下記数１の関係式が成り立つ位置関係に、診断用の１軸加速度センサ２９が配置される。すなわち診断用の１軸加速度センサ２は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の全てに対して感度軸を持つ位置関係にある。
（数１）
０°＜θｘ＜９０°，　９０°＜θｘ＜１８０°
０°＜θｙ＜９０°，　９０°＜θｙ＜１８０°
０°＜θｚ＜９０°，　９０°＜θｚ＜１８０°

　図４に示すように、計測用加速度センサ１の出力と診断用１軸加速度センサ２の出力は、演算機能を有するマイコン１５に入力される。そして、マイコン１５により処理された信号（加速度信号や、故障通知信号）が、上位システム（例えば、コントロールユニット）に出力される。本実施例において、マイコン１５は、常時故障診断を行っている。図５に示すように、加速度センサの常時故障診断を行っており、センサ診断判定において、加速度センサが故障であると判断した場合、マイコン１５は上位システムに故障を通知する。そして、正常であると判断した場合、通常の動作を続行する。

　マイコン１５が行うセンサの診断判定について説明する。診断用の１軸加速度の感度軸方向を、Ｄ軸と仮定すると、Ｄ軸Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の感度軸をもつ診断用の加速度センサ１のセンサ出力との関係は、下記数２の関係式が成り立つ。
（数２）
Ｄｏｕｔ^２＝Ｘｏｕｔ^２＋Ｙｏｕｔ^２＋Ｚｏｕｔ^２　ここでのＤｏｕｔは診断用加速度センサの出力を表し、Ｘｏｕｔは感度軸がＸ方向の加速度センサ１のセンサ出力を、同様に感度軸がＹ方向の加速度センサのセンサ出力をＹｏｕｔ、Ｚ方向の加速度センサのセンサ出力をＺｏｕｔと表す。本実施例では、数２を利用し、マイコン１５で計算を行うことにより、加速度センサの故障診断を行う。

　具体的には、マイコン１５は、計測用加速度センサ１のＸ方向の出力とＹ方向の出力とＺ方向の出力の合成出力を算出する。そして、マイコン１５は、計算した合成出力の値と、診断用の１軸加速度センサ２の出力の差分を計算する。図６（ａ）に示すように、マイコン１５は、前述した差分の絶対値が、許容誤差α以内であれば、加速度センサは正常に動作をしていると判断する。前記差分の絶対値が許容誤差αを超えた場合は、何れかの加速度センサに不具合が発生したと考えられ、マイコン１５は、加速度検出装置に故障が発生していると判断する。

　さらなる改良例について、図６（ｂ）を用いて説明する。前述した故障判断のフローでは、差分値が許容誤差αを超えれば加速度検出装置が故障していると判断しているが、ある程度連続して差分の絶対値が許容誤差αを超えた場合に、マイコン１５は加速度検出装置が故障していると判断する。外乱ノイズの影響で、瞬間的に一方の検出値の値が変動し、差分値がαを超える場合がある。所定回数をＮ回とした場合、差分値がαを超える場合がＮ回連続している場合に、マイコン１５は加速度検出装置が故障していると判断する。このようにすることで、外乱ノイズの影響を低減でき、誤った故障判断を低減することが可能となる。マイコン１５は、常時診断の際に、差分値がαを超えた回数をカウントする。差分値がαを下回った場合は、カウントをリセットしゼロにする。差分値がαを上回った場合は、カウントに１を加える。カウントがＮに達成した場合に、マイコン１５は加速度検出装置が故障していると判断し、上位システムに通知する。

　加速度検出装置が故障であると判断する連続エラーカウントの回数であるＮについては、例えば、上位システムからの故障判断の要求周期ｆ１（Ｈｚ）、加速度センサのサンプリング周期ｆ２（Ｈｚ）に応じて設定することが挙げられる。上位システムからの故障判断の要求周期ｆ１に対応するために、マイコン１５は、１/ｆ１（ｓ）以内に故障を判断する必要がある。マージンをみて、例えばγ（１/ｆ１）以内に故障を判断するとした場合（０＜γ＜１）、回数Ｎは、Ｎ≦γ（ｆ２/ｆ１）の関係を満たす数を選択する。要求周期ｆ１＝５０Ｈｚ、サンプリング周期ｆ１＝４．５ｋＨｚ、マージンγ＝０．５とした場合、Ｎ≦４５となるので、最大値である４５回に設定すると、上位システムの要求周期以内に故障診断が可能であり、かつ、外乱ノイズの影響による誤診断を防止可能となる。

　この数２式は、加速度センサ１、２が静止状態、加速度印加状態問わず、成立するため、加速度センサ１、２から出力される限り、演算機であるマイコン１５を通して加速度検出装置の常時故障診断が可能である。

　本発明の第２実施形態について説明する。上記実施形態に対して計測用加速度センサ１の感度軸が３軸から２軸へ変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

　本実施例における計測用の加速度センサ１は、２軸方向の加速度が検出可能な構成となっており、各々の加速度検出用の感度軸は、二次元直交座標系に沿って軸が配列されている。そのため図３記載の様に感度軸の方向をＸ方向６、Ｙ方向７とすると、お互いが９０°の設置角を持つ特徴を有する。一方、診断用の１軸加速度センサ２の感度軸方向９と計測用加速度センサの感度軸Ｘ方向６とのなす角をθｘとすると、診断用の１軸加速度センサ２の感度軸方向９と計測用加速度センサ１の感度軸Ｙ方向７となす角は、９０°－θｘとなる位置関係に、診断用の１軸加速度センサ２が配置される。すなわち診断用の１軸加速度センサ２は、Ｘ－Ｙ平面上にＸ，Ｙ軸に平行でなく、Ｘ、Ｙ軸と所定の角度を有するように配置される。この配置関係により、診断用の１軸加速度センサ２は、Ｘ軸、Ｙ軸各々に対して所定の感度を持つことになる。そのため診断用の１軸加速度センサ２の感度軸方向を、Ｄ軸と仮定すると、診断用の１軸加速度センサ２の出力と、計測用の加速度センサ１の出力との関係は、下記数３の関係式が成り立つ。
（数３）
　Ｘｏｕｔ　＝　β×Ｄｏｕｔ　ｃｏｓθ
　Ｙｏｕｔ　＝　γ×Ｄｏｕｔ　ｓｉｎθ
　ここで、Ｘｏｕｔは、計測用の加速度センサ１のＸ軸方向６のセンサ出力を、Ｙｏｕｔは、計測用加速度センサのＹ軸方向７のセンサ出力を、Ｄｏｕｔは、診断用の１軸加速度センサのＤ軸方向９の出力を表す。

　βとγはθの値により決まる固有値であり、例えばθが４５°の場合は、β、γともに√２となる。本実施例２では、数３式を利用し、演算機能を有するマイコン１５で計算を行うことにより、計測用の加速度センサ１の故障診断を行う。

　具体的には、マイコン１５により、計測用加速度センサ１の各々の感度軸の出力の合成出力と、診断用の１軸加速度センサ２のD軸方向の出力の差分を計算する。その差分値が、許容誤差α以内であれば、加速度センサは正常に動作をしていると判断する。前記差分が許容誤差αを超えた場合は、何れかの加速度センサに不具合が発生したと考えられ、マイコン１５は加速度検出装置１００が不良と判断する。

　この数３式は、加速度センサが静止状態、加速度印加状態問わず、成立するため、加速度センサから出力される限り、演算機を通して加速度センサの常時故障診断が可能である。

　以上に、加速度センサ装置１００内での常時故障診断について、各実施形態を挙げて説明した。各実施例において、診断用の１軸加速度センサ２は、単独の１軸加速度センサとして記述してあるが、計測用の加速度センサ１内に、ＭＥＭＳ構造として作りこんでも良い。また、計測用加速度センサ１のパッケージ内に、診断用の１軸チップを内蔵し、ワンパッケージ化したもの用いても良い。

　例えば、計測用の加速度センサ１は、１方向の検出軸を有する加速度検出素子を複数有することで形成されており、診断用の１軸加速度計測素子は、１方向の検出軸を有する加速度検出素子をひとつ有することで形成されているのに対し、図８に示すように、これら複数の加速度検出素子をパッケージ化した１パッケージ部品１７としてもよい。この場合、２次元直交座標系、あるいは３次元直交座標系を検知するように配置した２つあるいは３つの加速度検出素子に対して、これらの加速度検出素子の何れに対しても、垂直でなく、また、平行でもないように診断用の加速度検出素子を配置する。（言い換えると、２軸あるいは３軸直交座標系に配置した加速度検出素子の何れの検出軸方向に対して、その検出軸方向がベクトル成分を有するように配置する加速度検出素子をさらに設ける。）。なお、検出軸方向とは、加速度検出素子の検出感度が最も高い方向である。２軸直交座標系あるいは３軸直交座標系を検知するように配置した複数の加速度検出素子と、この複数の加速度検出素子の検出軸の何れにもその検出軸がベクトル成分を有するように配置した加速度検出素子とを１パッケージ化することにより、加速度取付工程を削減可能となり、コスト低減がさらに望める。

　また、計測用の加速度センサを構成した後にプリント基板に実装する例を示したが、加速度検出素子を、本実施例で説明した配置となるように、そのままプリント基板に実装しても、同様に常時診断が可能である。この場合は、各加速度検出素子からの信号がマイコン１５に入力され、前述した処理をマイコン１５が行えばよい。

　常時故障診断の判定を、加速度検出装置１００に設けられたマイコン１５を用いて行う例について示したが、上位のシステム（例えば車載用のコントロールユニット等）が、加速度検出装置１００から送られてくる計測用の加速度センサ１と診断用の１軸加速度センサ２の出力信号を受け取り、本実施例で説明した演算処理、故障判定を行っても良い。

　上記の実施例を用いて説明したように、本発明によれば、診断用の１軸加速度センサ２を追加することにより、静止状態、稼働状態を問わず、加速度検出装置の常時故障診断が可能となる。また加速度測定系を２重にすることなく、１軸のみ追加することで常時故障診断が可能なため、装置の低コスト化を図ることが出来る。従って、冗長系に準ずるシステムを要求する車載用の加速度計測システム系に最適である。

１００　加速度検出装置
１　計測用の加速度センサ
２　診断用の１軸加速度センサ
５　演算機内蔵センサ診断判定部
６　計測用加速度センサの感度軸Ｘ方向
７　計測用加速度センサの感度軸Ｙ方向
８　計測用加速度センサの感度軸Ｚ方向
９　診断用加速度センサの感度軸方向
１０　ケース
１１　コネクタ
１２　カバー
１５　マイコン
１６　プリント基板

Claims

　複数の方向を検出可能な第１の加速度センサと、
　１つの方向を検出可能な第２の加速度センサと、を備え、
　前記第２の加速度センサは、その検出可能な方向が、前記第１の加速度センサの検出可能な何れの方向に対して、垂直でなく、かつ、平行でないように配置する加速度検出装置
　前記第１の加速度センサが検出可能な方向は、２次元直交座標軸である請求項１に記載の加速度検出装置
　前記第１の加速度センサが検出可能な方向は、３次元直交座標軸である請求項１に記載の加速度検出装置
　前記第１の加速度センサの各方向における出力の合成出力と、前記第２の加速度センサの出力と、の差分を用いて、加速度検出装置の故障を判断する診断部と、を有する請求項１乃至３の何れかに記載の加速度検出装置。
　請求項１乃至３の何れかに記載の加速度検出装置からの出力を受け取るコントロールユニットを備え、
　前記コントロールユニットは、前記第１の加速度センサの各方向における出力の合成出力と、前記第２の加速度センサの出力と、の差分を用いて、加速度検出装置の故障を判断する診断部と、を有する加速度検出システム。
　前記診断部は、複数回連続で、前記差分の絶対値が所定値を超えた場合に、故障と判断する請求項４または５に記載の加速度検出装置。
　第１の加速度検出素子と、
　第２の加速度検出素子と、
　第３の加速度検出素子と、を備え、
　前記第３の加速度検出素子は、その検出軸方向が、前記第１の加速度検出素子の検出軸方向および前記第２の加速度検出素子の検出軸方向に対して、垂直でなく、かつ、平行でないように配置する加速度検出装置。
　前記第１から第３の加速度検出素子を、樹脂でモールドして形成するパッケージを有する請求項７に記載の加速度検出装置。
　前記第１、第２および第３の加速度検出素子の出力が入力されるマイコンを有し、
　前記マイコンは、前記第１の加速度検出素子の出力と前記第２の加速度検出素子の出力との合成出力と、前記第３の検出素子の出力との差分の絶対値が、複数回連続で所定値を超えた場合に、上位システムに故障を通知する請求項７または８に記載の加速度検出装置。