JP4207154B2 - スティッキング検査機能を有する静電容量式センサ装置及び検査方法並びにエアバッグシステム - Google Patents
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Description
本発明は、静電容量式のセンサ装置及び検査方法並びにエアバッグシステムに関し、さらに詳細には、静電容量式のセンサ装置においてスティッキング検査を行う技術とその応用に関する。
近年、自動車に対する安全意識が高まるとともに、車両にエアバッグシステムが標準装備されるようになりつつある。これに伴い、衝突検知用のセンサとして、高精度及び高信頼性に優れ、かつ小型の加速度センサの需要が飛躍的に増大している。こうした加速度センサには、ピエゾ抵抗型、静電容量式などの検出方式があるが、原理的に、高感度にできること、温度ドリフトを小さくできることなどから静電容量式が主流になってきている。
静電容量式の半導体加速度センサは、基板上に設けられた固定電極と、この固定電極と対向する可動電極を有し、加速度の作用に応じて変位する可動部からなり、固定電極と可動電極との間に差動コンデンサとして形成される静電容量の変化として加速度を検出するものである。このような構造の静電容量式センサに過大な加速度を加えた場合や製造段階において、可動電極が固定電極に接触した後、貼り付いて固定電極から離れなくなる、いわゆるスティッキングが発生することがある。スティッキング状態では正常な検出は不可能となるので、正常な検出動作が可能かどうか知るうえで、スティッキングの自己テスト機能が必要である。
従来技術としては、加速度信号の発生の際に、それが真の測定値か、センサの誤動作か又は評価している電子装置の誤動作によるものかの判定を可能とする静電容量式センサがある（下記の特許文献１参照）。
また、本特許出願の出願人は、自己診断専用のパッドや静電引力を発生させるための専用電極を必要とすることなく、正確なセンサ出力がなされているか否かを診断する自己診断機能を備えた角速度センサを本発明に先立って開発し、開示している（下記の特許文献２参照）。
特開平８−１１０３５５号公報（図１、要約）
特開平２００２−０４００４７号公報（図１、要約）
また、本特許出願の出願人は、自己診断専用のパッドや静電引力を発生させるための専用電極を必要とすることなく、正確なセンサ出力がなされているか否かを診断する自己診断機能を備えた角速度センサを本発明に先立って開発し、開示している（下記の特許文献２参照）。
しかし、上述の従来技術は、いずれも製品としてセンサ信号出力が限度を超えない程度の可動部の変位に対して自己診断を行うものであり、過大加速度の印加時などを想定し、可動部が大きく変位し固定部と接触した場合に確実に復帰できるかどうかの検査をすることはできない。また、製品出荷前であれば、過大加速度印加前後の検査は、ハンマリング検査などにより過大加速度を実際に入力することにより可能であるが、大掛かりな装置となり、機械的な検査のため検査時間も無視できず、大量生産時の全数検査は現実的に不可能なものとなる。
したがって、製品出荷後の静電容量式センサにおいても実施可能なスティッキングの自己診断方法（検査方法）があれば好都合である。
また、製品出荷後もスティッキングの自己診断を容易に行うことができる静電容量式センサ装置があれば好都合である。
また、製品出荷後もスティッキングの自己診断を容易に行うことができる静電容量式センサを備えたエアバッグシステムがあれば好都合である。
また、製品出荷後もスティッキングの自己診断を容易に行うことができる静電容量式センサ装置があれば好都合である。
また、製品出荷後もスティッキングの自己診断を容易に行うことができる静電容量式センサを備えたエアバッグシステムがあれば好都合である。
請求項１に記載の発明は、第１の固定電極と第２の固定電極と前記第１及び前記第２の固定電極の間に配置された可動電極とを有する静電容量式センサにより前記可動電極に所定のバイアスを印加して前記静電容量式センサの出力電圧から加速度を検出する装置において前記第１又は前記第２の固定電極と前記可動電極との貼り付きを調べるための検査を行う検査方法であり、
前記検査の指示を受けた場合、これに応じて、前記可動電極に印加するバイアスを前記加速度を検出する際のバイアスよりも大きなバイアスに設定し、前記可動電極を前記第１又は前記第２の固定電極に静電気力により接触させる接触ステップと、
接触させた後、前記可動電極に印加するバイアスを前記加速度を検出する際の前記所定のバイアスに変更して前記静電容量式センサの出力電圧を検出し、この出力電圧が加速度を検出する際の正常な出力電圧と異なっていれば、前記可動電極と前記第１又は前記第２の固定電極が貼り付いていると判断する判断ステップとを、含む。このような構成により、製品の出荷後においても静電容量式センサの可動電極と固定電極が接触しているか否かを容易に検査することができる。
前記検査の指示を受けた場合、これに応じて、前記可動電極に印加するバイアスを前記加速度を検出する際のバイアスよりも大きなバイアスに設定し、前記可動電極を前記第１又は前記第２の固定電極に静電気力により接触させる接触ステップと、
接触させた後、前記可動電極に印加するバイアスを前記加速度を検出する際の前記所定のバイアスに変更して前記静電容量式センサの出力電圧を検出し、この出力電圧が加速度を検出する際の正常な出力電圧と異なっていれば、前記可動電極と前記第１又は前記第２の固定電極が貼り付いていると判断する判断ステップとを、含む。このような構成により、製品の出荷後においても静電容量式センサの可動電極と固定電極が接触しているか否かを容易に検査することができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の検査方法において、前記接触ステップが、前記第１の固定電極にＶｃｃ以上の電位を与え、前記第２の固定電極に０Ｖを与え、前記可動電極にＶｃｃ以上の前記電位を与えるステップからなる。
請求項３に記載の発明は、第１の固定電極と第２の固定電極と前記第１及び前記第２の固定電極の間に配置された可動電極とを有する静電容量式センサと、前記静電容量式センサを用いて前記可動電極に所定のバイアスを印加して前記静電容量式センサの出力電圧から加速度を検出する検出回路とを備えた加速度センサ装置であり、前記検出回路が、
前記検出の指示を受けた場合、これに応じて、前記可動電極に印加するバイアスを前記加速度を検出する際のバイアスよりも大きなバイアスに設定し、前記可動電極を前記第１又は前記第２の固定電極に静電気力により接触させる接触手段と、
接触させた後、前記可動電極に印加するバイアスを前記加速度を検出する際の前記所定のバイアスに変更して前記静電容量式センサの出力電圧を検出し、この出力電圧が加速度を検出する際の正常な出力電圧と異なっていれば、前記可動電極と前記第１又は前記第２の固定電極が貼り付いていると判断する判断手段とを備えることにより、スティッキング検査機能を有するものである。このような構成により、製品の出荷後においても静電容量式センサの可動電極と固定電極が接触しているか否かを容易に検査することができる。
前記検出の指示を受けた場合、これに応じて、前記可動電極に印加するバイアスを前記加速度を検出する際のバイアスよりも大きなバイアスに設定し、前記可動電極を前記第１又は前記第２の固定電極に静電気力により接触させる接触手段と、
接触させた後、前記可動電極に印加するバイアスを前記加速度を検出する際の前記所定のバイアスに変更して前記静電容量式センサの出力電圧を検出し、この出力電圧が加速度を検出する際の正常な出力電圧と異なっていれば、前記可動電極と前記第１又は前記第２の固定電極が貼り付いていると判断する判断手段とを備えることにより、スティッキング検査機能を有するものである。このような構成により、製品の出荷後においても静電容量式センサの可動電極と固定電極が接触しているか否かを容易に検査することができる。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の静電容量式センサ装置において、前記接触手段が、前記第１の固定電極にＶｃｃ以上の電位を与える手段と、前記第２の固定電極に０Ｖを与える手段と、前記可動電極にＶｃｃ以上の前記電位を与える手段からなるものである。
請求項５に記載の発明は、請求項３及び４に記載の静電容量式センサ装置と、エアバッグを展開可能な少なくとも１つのエアバッグユニットと、前記静電容量式センサ装置の出力に応じて前記少なくとも１つのエアバッグユニットの展開を制御する制御装置とを備えたエアバッグシステムである。
以下、添付図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、複数の図面に同じ要素を示す場合には同一の参照符号を付ける。
図１は、本発明の一実施の形態によるスティッキング検査機能を備えた静電容量式センサ装置の構成を示す略ブロック図である。図１において、静電容量式センサ装置（加速度センサ装置）１は、固定電極１１、１２及び可動電極１３を有する静電容量式センサ１０（加速度センサ）と、静電容量式センサ１０の可動電極１３の電荷の変化に基づいて加速度を検出する検出回路１００からなる。静電容量式センサ１０は、固定電極１１及び１２に対して互いに反転する電圧ＣＷ１及びＣＷ２を周期的に印加することで、可動電極１３の変位に応じた電荷量の変化に基づいて加速度検出を行うものなら何でもよい。静電容量式センサ１０の固定電極１１及び１２には、それぞれの制御電圧ＣＷ１及びＣＷ２が制御回路７０から供給される。
なお、複数の図面に同じ要素を示す場合には同一の参照符号を付ける。
図１は、本発明の一実施の形態によるスティッキング検査機能を備えた静電容量式センサ装置の構成を示す略ブロック図である。図１において、静電容量式センサ装置（加速度センサ装置）１は、固定電極１１、１２及び可動電極１３を有する静電容量式センサ１０（加速度センサ）と、静電容量式センサ１０の可動電極１３の電荷の変化に基づいて加速度を検出する検出回路１００からなる。静電容量式センサ１０は、固定電極１１及び１２に対して互いに反転する電圧ＣＷ１及びＣＷ２を周期的に印加することで、可動電極１３の変位に応じた電荷量の変化に基づいて加速度検出を行うものなら何でもよい。静電容量式センサ１０の固定電極１１及び１２には、それぞれの制御電圧ＣＷ１及びＣＷ２が制御回路７０から供給される。
検出回路１００は、入力端子が加速度センサ１０の可動電極に接続された電荷／電圧変換回路（ＣＶ変換回路）２０、入力端子が電荷／電圧変換回路２０に接続されたサンプルアンドホールド回路３０、入力端子がサンプルアンドホールド回路３０の出力端子に接続されたフィルタ回路４０、入力端子がフィルタ回路４０の出力端子に接続された利得調整回路５０、加速度センサ装置１全体に７Ｖ、Ｖｃｃ、Ｖｃｃ／２の各電圧を供給する電源回路６０、電圧７ＶとＶｃｃ／２との切換を行う切換回路８０、加速度センサ装置１の各部に制御信号を供給する制御回路７０、及び制御回路７０にクロック信号を供給するクロック発生器９０からなる。
電荷／電圧変換回路２０は、静電容量式センサ１０の可動電極１３の電荷量を電圧に変換するチャージアンプであり、非反転入力が可動電極１３に接続され、反転入力が切換回路８０の出力（又は共通）端子に接続されたオペアンプ２２、出力と非反転入力の間に並列接続されたコンデンサ２４及びスイッチ２６から構成される。スイッチ２６は制御回路７０からの信号ＳＷによって制御される。オペアンプ２２の反転入力端子には、切換回路８０を介して、Ｖｃｃの半分の電圧（Ｖｃｃ／２）（中点電圧と言い、例えばＶｃｃが５Ｖなら中点電圧は２．５Ｖ）と、この中点電圧とは異なるスティッキング検査用の電圧（例えば、７Ｖ）のいずれかが入力される。
切換回路８０は、制御回路７０からのモード切換信号ＭＳにより、通常の測定を行う測定モードのときは中点電圧Ｖｃｃ／２を出力し、スティッキング検査を行う診断モードのときは検査用電圧、例えば７Ｖを出力するように制御される。すなわち、切換回路８０はモード切換信号ＭＳに基づいて駆動され、一方が閉じているときには他方が開くようになっている。
サンプルアンドホールド回路３０は、制御回路７０から供給されるサンプルタイミングを制御する信号ＳＨに応じてＣＶ変換回路２０の出力信号をサンプル・ホールドする。フィルタ回路４０は、入力がサンプルアンドホールド回路３０の出力に接続されたプリフィルタ４２、入力がプリフィルタ４２の出力に接続され、制御回路７０からの駆動クロックＦＣに応じて所定の周波数成分のみを伝達するスイッチド・キャパシタ・フィルタ（ＳＣＦ）４４、及びポストフィルタ４６からなり、サンプルアンドホールド回路３０の出力から所定の周波数成分のみを抽出する。利得調整回路５０は、制御回路７０からの制御信号ＯＬに応じて出力レベルを調整する。
図２は、以上のように構成された静電容量式センサ装置１の動作を説明するためのタイミングチャートである。以降、図１及び図２を参照しながら静電容量式センサ装置１の動作を説明する。静電容量式センサ装置１は、制御回路７０に外部から与えられる動作モードコマンドＯＭによって、動作モードを変化させる。制御回路７０は、特定の動作モードコマンドＯＭを受信しない限り、通常の加速度測定を行う測定モードで動作し、例えば、スティッキング検査などの特定の検査コマンドを受信すると、所定の検査を実行した後、測定モードに戻るように構成されている。
測定モードにおいては、切換回路８０は、接点Ａに接続され中間電圧Ｖｃｃ／２（＝２．５Ｖ）を出力するようにモード切換信号ＭＳにより制御される。スイッチ２６は制御信号ＳＷの切換えに対応してオン／オフするため、可動電極１３の電圧Ｖｓは、ほぼＶｃｃ／２となる。また、固定電極１１及び１２の電圧ＣＷ１及びＣＷ２は、それぞれ０ＶかＶｃｃのいずれかの電圧となっているため、（可動電極１３−固定電極１１間の電位差）＝（可動電極１３−固定電極１２間の電位差）＝Ｖｃｃ／２で等しいため、可動電極１３は外部からの衝撃などが加わらない限りは変位しない。また、制御電圧ＣＷ１及びＣＷ２の切換えは、可動電極１３の変位への影響を無視できるレベルとなるように、可動電極１３の１次共振周波数よりはるかに高い周波数となっている。
加速度が加わり、可動電極１３が固定電極１１及び１２のいずれかの方に変位すると、それに応じて可動電極１３の電荷量が変化し、これがＣＶ変換回路２０で電圧に変換される。ＣＶ変換回路２０の出力電圧は、制御回路７０からのタイミング信号ＳＨに応じてサンプルアンドホールド回路３０においてサンプル・ホールドされる。フィルタ回路４０は、サンプルアンドホールド回路３０の出力から所定の周波数成分のみを抽出し、加速度に応じた電圧を与える。この電圧は、利得調整回路５０で適切な利得で増幅され、静電容量式センサ装置１の出力信号Ｖ0として出力される。
制御回路７０は、動作モードコマンドＯＭとして、スティッキング検査コマンドを外部（例えば、エアバッグシステムのコントローラ）から受信すると、スティッキング検査（診断）モードに入る。診断モードでは、図２に示すように、制御回路７０からのモード切換信号ＭＳが所定の期間にわたり論理１になるので、この区間中、切換回路８０は、接点Ｂの側に切り換えられ、制御回路７０からの診断用電圧Ｖｃｃ（又は７Ｖ）を出力し、スイッチ２６は制御回路７０からの制御信号ＳＷによりオンに保持されるので、可動電極１３はＶｃｃ（又は７Ｖ）に保持される。また、制御信号ＣＷ１をＶｃｃ、制御信号ＣＷ２を０Ｖに保持することにより、可動電極１３と固定電極１１との電位差Ｖｓ−ＣＷ１を０とし、可動電極１３と固定電極１２との電位差Ｖｓ−ＣＷ２をＶｃｃとすることにより、可動電極１３に加わる静電気力に差が生じて、可動電極１３は固定電極１２側に引き寄せられる。この場合、必要であればＶｃｃを更に高い電圧（例えば、７Ｖ）に設定することにより、可動電極１３と固定電極１２を確実に接触させることができる。その後、通常動作状態に戻し、Ｖｃｃ電圧も通常電圧まで下げた場合に、可動電極１３が固定電極１２から離れて復帰していれば出力電圧Ｖ0は正常な値となる。このとき、可動電極１３と固定電極１２が接触したままであると、出力Ｖ0は高レベル（又は低レベル）に固定となり、スティッキング状態を検出することができる。
以上説明したように、本発明の静電容量式センサ装置によれば、静電容量式センサの可動電極と固定電極が接触しているか否かを容易に検査することができる。
図３は、本発明の静電容量式センサ装置を用いたエアバッグシステムの略ブロック図である。図３において、エアバッグシステム２は、例えば図１に示した静電容量式センサ装置１、エアバッグシステム制御部２２０及び少なくとも１つのエアバッグユニット２３０からなる。エアバッグシステム２は、さらに、シートに着座している乗員が大人であるか、子供であるか又はチャイルドシートに固定された幼児であるかなどを判定する着座乗員検出装置２１０を備えてもよい。エアバッグシステム制御部２２０は、衝突などにより静電容量式センサ装置１から所定のレベル以上の加速度を示す出力信号Ｖ0を受信した場合、着座乗員検出装置２１０の出力に基づいて各エアバッグユニット２３０のエアバッグ（図示せず）の動作を制御する。このように所定のレベル以上の加速度が検出された場合、静電容量式センサ１０がスティッキング状態にないかどうかを調べるため、エアバッグシステム制御部２２０は、スティッキング検査コマンドを動作モードコマンドＯＭとして、静電容量式センサ装置１の制御回路７０に送る。制御回路７０は、これに応じて、上述の診断モードに入り、スティッキング検査を実施する。
このように、本発明のエアバッグシステム２によれば、静電容量式センサ装置のセンサがスティッキング状態にないかどうかを容易に確認したうえで、エアバッグの制御を行うことができる。
＜変形形態＞
なお、上述の実施の形態では、診断モードにおいて、可動電極１３が固定電極１２と接するように制御したが、逆に固定電極１１と接するように制御してもよいことは言うまでもない。
また、診断モードにおいて、可動電極１３が固定電極１２と接した後、直ちに固定電極１１と接触させてから診断モードを終了して、静電容量式センサ装置１の出力Ｖ0が高レベル又は低レベルに固定されていないかどうかを判断してもよい。
なお、上述の実施の形態では、診断モードにおいて、可動電極１３が固定電極１２と接するように制御したが、逆に固定電極１１と接するように制御してもよいことは言うまでもない。
また、診断モードにおいて、可動電極１３が固定電極１２と接した後、直ちに固定電極１１と接触させてから診断モードを終了して、静電容量式センサ装置１の出力Ｖ0が高レベル又は低レベルに固定されていないかどうかを判断してもよい。
１ 静電容量式センサ装置（加速度センサ装置）
２ エアバッグシステム
１０ 静電容量式センサ（加速度センサ）
１１、１２ 固定電極
１３ 可動電極
２０ ＣＶ変換回路（電荷／電圧変換回路）
２２ オペアンプ
２４ コンデンサ
２６ スイッチ
３０ サンプルアンドホールド回路
４０ フィルタ回路
４２ プリフィルタ
４４ ＳＣＦ（スイッチド・キャパシタ・フィルタ）
４６ ポストフィルタ
５０ 利得調整回路
６０ 電源回路
７０ 制御回路
８０ 切換回路
９０ クロック発生器
１００ 検出回路
２１０ 着座乗員検出装置
２２０ エアバッグシステム制御部
２３０ エアバッグユニット
２ エアバッグシステム
１０ 静電容量式センサ（加速度センサ）
１１、１２ 固定電極
１３ 可動電極
２０ ＣＶ変換回路（電荷／電圧変換回路）
２２ オペアンプ
２４ コンデンサ
２６ スイッチ
３０ サンプルアンドホールド回路
４０ フィルタ回路
４２ プリフィルタ
４４ ＳＣＦ（スイッチド・キャパシタ・フィルタ）
４６ ポストフィルタ
５０ 利得調整回路
６０ 電源回路
７０ 制御回路
８０ 切換回路
９０ クロック発生器
１００ 検出回路
２１０ 着座乗員検出装置
２２０ エアバッグシステム制御部
２３０ エアバッグユニット
Claims (5)
- 第１の固定電極と第２の固定電極と前記第１及び前記第２の固定電極の間に配置された可動電極とを有する静電容量式センサにより前記可動電極に所定のバイアスを印加して前記静電容量式センサの出力電圧から加速度を検出する装置において前記第１又は前記第２の固定電極と前記可動電極との貼り付きを調べるための検査を行う検査方法であり、
前記検査の指示を受けた場合、これに応じて、前記可動電極に印加するバイアスを前記加速度を検出する際のバイアスよりも大きなバイアスに設定し、前記可動電極を前記第１又は前記第２の固定電極に静電気力により接触させる接触ステップと、
接触させた後、前記可動電極に印加するバイアスを前記加速度を検出する際の前記所定のバイアスに変更して前記静電容量式センサの出力電圧を検出し、この出力電圧が加速度を検出する際の正常な出力電圧と異なっていれば、前記可動電極と前記第１又は前記第２の固定電極が貼り付いていると判断する判断ステップとを、
含む検査方法。 - 前記接触ステップが、前記第１の固定電極にＶｃｃ以上の電位を与え、前記第２の固定電極に０Ｖを与え、前記可動電極にＶｃｃ以上の前記電位を与えるステップからなる請求項１に記載の検査方法。
- 第１の固定電極と第２の固定電極と前記第１及び前記第２の固定電極の間に配置された可動電極とを有する静電容量式センサと、前記静電容量式センサを用いて前記可動電極に所定のバイアスを印加して前記静電容量式センサの出力電圧から加速度を検出する検出回路とを備えた加速度センサ装置であり、前記検出回路が、
前記検出の指示を受けた場合、これに応じて、前記可動電極に印加するバイアスを前記加速度を検出する際のバイアスよりも大きなバイアスに設定し、前記可動電極を前記第１又は前記第２の固定電極に静電気力により接触させる接触手段と、
接触させた後、前記可動電極に印加するバイアスを前記加速度を検出する際の前記所定のバイアスに変更して前記静電容量式センサの出力電圧を検出し、この出力電圧が加速度を検出する際の正常な出力電圧と異なっていれば、前記可動電極と前記第１又は前記第２の固定電極が貼り付いていると判断する判断手段とを備えることにより、スティッキング検査機能を有する静電容量式センサ装置。 - 前記接触手段が、前記第１の固定電極にＶｃｃ以上の電位を与える手段と、前記第２の固定電極に０Ｖを与える手段と、前記可動電極にＶｃｃ以上の前記電位を与える手段からなる請求項３に記載の静電容量式センサ装置。
- 請求項３及び４に記載の静電容量式センサ装置と、エアバッグを展開可能な少なくとも１つのエアバッグユニットと、前記静電容量式センサ装置の出力に応じて前記少なくとも１つのエアバッグユニットの展開を制御する制御装置とを備えたエアバッグシステム。
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