JPH07209326A - 加速度センサおよびエアバッグシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、加速度センサを使って構成さ
れるエアバッグシステムにおいて、センサの故障かそれ
とも配線の故障かを判定できるように加速度センサを構
成したものであり、且つ、走行中の配線の故障と実際の
衝突とを区別できる加速度センサ、及びエアバッグシス
テムを提供することである。 【構成】上記目的を達成するために、本発明では加速度
センサの出力回路に飽和電圧を一定値に制御する回路を
付加したものである。また、加速度センサの出力をモニ
タし、故障を判定する機能をエアバッグシステムに付加
したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は加速度の検出に係り、特
に自動車の衝突を検知するに好適な、加速度センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の加速度センサとしては、シリコン
の微細加工技術を利用した静電容量式の加速度センサ等
が知られており、特開平1−253657 号公報に記載のよう
にパルス幅変調静電サーボ技術を適用したものが提案さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般的に自動車のエア
バッグシステムに使われる加速度センサの性能は、人命
に関わる重要な要素となるため、高信頼度のものが求め
られる。

【０００４】様々な方式の加速度センサが現在用いられ
ているが、精度や信頼性の点で有利な静電容量式の加速
度センサが多く使われつつある。

【０００５】例え、この加速度センサが故障しても誤っ
てエアバッグが展開してはならず、もしエアバッグが誤
展開されると事故の原因になり、非常に危険な状態にな
る。このような誤展開がないようエアバッグシステムは
診断機能を持たせ、システムのどこか一箇所でも故障が
発生するとフェールセーフ機能が働き、誤展開がないよ
うに構成されている。

【０００６】更に、どの部品のどこの箇所が故障したか
を判断し、出力させるようにし、メンテナンスを行う際
の手助けとなる情報を提供するよう構成している。

【０００７】この故障判定のために各部品の故障診断を
行っている。特に、エアバッグシステムにおいてキーと
なる重要な部品である加速度センサの信頼性は重要であ
り、センサの故障であるのかそれともセンサに繋がれた
配線の故障であるのかを判定することによって、メンテ
ナンスの方法をすばやく指し示すことができる。

【０００８】また、通常この診断は、エンジンキーをオ
ンしたときかオフしたときに数秒間行われる。

【０００９】しかし、車が走行中に振動や熱によりセン
サの配線等が短絡、あるいは断線するということも有り
得る。

【００１０】このとき実際の衝突が加わって出力電圧が
変化したのか、それとも配線の故障によって生じたのか
判断しなければならない。

【００１１】従来の技術ではこの点を考慮しておらず、
使い勝手の点や安全性（フェイルセイフ性）の点で問題
がある。

【００１２】本発明の目的は、加速度センサを使って構
成されるエアバッグシステムにおいて、センサの故障か
それとも配線の故障かを判定できるように加速度センサ
を構成したものであり、且つ、走行中の配線の故障と実
際の衝突とを区別できる加速度センサ、及びエアバッグ
システムを提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では加速度センサの出力回路に飽和電圧を一
定値に制御する回路を付加したものである。

【００１４】また、加速度センサの出力をモニタし、故
障を判定する機能をエアバッグシステムに付加したもの
である。

【００１５】

【作用】上記手段によると、加速度センサが故障したの
かそれとも配線が短絡、または断線したのかを判定する
ことができ、使い勝手が良い加速度センサが提供でき
る。

【００１６】更に、走行中の配線の短絡、あるいは断線
によって出力電圧が変化したのか、それとも実際の衝突
によって出力電圧が変化したのかが判るため、非常に信
頼度の高い加速度センサ、及びエアバッグシステムを提
供できる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図５により説
明する。

【００１８】図１は、本発明に用いられる静電容量式加
速度センサの動作原理を示したものである。

【００１９】本センサは信号印加部１，加速度検出素子
２，容量検出部３，増幅部４により構成されている。

【００２０】加速度検出素子２は、更に梁（シリコンビ
ーム）５，可動電極６，固定電極７，８により構成され
ている。

【００２１】梁（シリコンビーム）５は、シリコンの微
細加工技術により形成され、単数，複数のいずれかで構
成してもよく、先端に重錘の機能を有する可動電極６が
形成される。シリコン板９を両面からエッチングして、
梁（シリコンビーム）５及びビーム５に支持される可動
電極６が一体形成される。

【００２２】一方、可動電極６に対向して配置される一
対の固定電極７，８は、アルミニウム等の金属材よりな
り、それぞれがガラス板１０，１１に蒸着その他適宣の
方法により形成される。

【００２３】シリコン板９の一端９ａはスペーサとして
の役割をなす。そして、このような検出部を構成する場
合には、ガラス板１０，１１に設けた固定電極７，８と
可動電極６とを位置合わせして、ガラス板１０，１１を
スペーサ９ａ及び９ｂを介して平行配置し、ガラス板１
０，１１の各々とスペーサ９ａ，９ｂとを陽極接合す
る。このようにして、可動電極６を介在させた状態で固
定電極７，８が対向配置されるが、可動電極６と各固定
電極７，８間には、初期ギャップｄ０（数μｍ程度）が
確保される。可動電極６は、検出すべき加速度により慣
性力を受け変位する。この可動電極６が変位すると、可
動電極６と固定電極７間の静電容量Ｃ１、及び可動電極
６と固定電極８間の静電容量Ｃ２は変化する。

【００２４】容量検出部３は、信号印加部１によって作
られる矩形波状の交流電圧により、このＣ１とＣ２の差
分ΔＣを検出し、電圧に変換して出力するものである。

【００２５】この容量検出部３により加速度信号が電圧
信号Ｖｏに変換された後、増幅部４により所定の電圧値
に増幅，調整され、加速度に比例した直線的な出力電圧
Ｖｏｕｔを得ることができる。

【００２６】図２に、増幅部４の回路図の一実施例を示
す。

【００２７】増幅部４は、抵抗１２，１３，定電圧源１
４，オペアンプ１５により構成されており、端子Ｓ１か
ら入力された電圧Ｖｏは反転増幅され出力電圧Ｖｏｕｔ
となって端子Ｓ２から出力される。

【００２８】図３に、オペアンプ１５の内部回路の一実
施例を示す。

【００２９】本回路は、抵抗Ｒ１〜１５，コンデンサＣ
１，バイポーラトランジスタＱ１〜１９，ＭＯＳトラン
ジスタＭ１，定電流源Ｉ１，電源電圧Ｖｃｃによって構
成されている。

【００３０】定電流Ｉ１，抵抗Ｒ５〜８，トランジスタ
Ｑ０，Ｑ７〜１０は、カレントミラーの定電流回路を形
成している。

【００３１】トランジスタＱ１〜４，抵抗Ｒ１〜２は、
差動増幅回路を形成している。トランジスタＱ２のコレ
クタから得られる信号を、トランジスタＱ６のエミッタ
ホロワによりインピーダンス変換し、トランジスタＭ１
とＱ１０によって構成される出力増幅回路により、増幅
され出力端子Ｓ２より出力電圧が生成される。

【００３２】尚、コンデンサＣ１は位相補償用のコンデ
ンサである。

【００３３】本回路がオペアンプの基本回路であり、通
常はこの回路のみが動作し、信号を増幅生成している。

【００３４】残りの抵抗Ｒ３，４，９〜１５，トランジ
スタＱ５，Ｑ１１〜１９が出力をクランプさせる回路と
して動作する。

【００３５】トランジスタＱ１８，１９と抵抗Ｒ１３〜
１５によって構成されている回路は電源電圧Ｖｃｃを分
圧している定電圧源として動作する。

【００３６】従って、この直列に繋がれた回路を流れる
電流をＩ２とするとトランジスタＱ１４のベースにかか
る電圧は、トランジスタＱ１９のベース−エミッタ間電
圧Ｖｂｅ１と、抵抗Ｒ１５と電流Ｉ２によって生じる電
圧（Ｒ１５×Ｉ２）が加え合わされた電圧になる。

【００３７】また、トランジスタＱ１５のベースの電圧
は、トランジスタＱ１８のベース−エミッタ間電圧Ｖｂ
ｅ２と、抵抗Ｒ１３と電流Ｉ２によって生じる電圧（Ｒ
１３×Ｉ２）が電源電圧Ｖｃｃから差し引かれた電圧
（Ｖｃｃ−Ｖｂｅ２−Ｒ１３×Ｉ２）が加わっている。

【００３８】出力電圧Ｖｏｕｔが下降し、Ｒ１５×Ｉ２
＋Ｖｂｅ１よりもＱ１４が動作するためのベース−エミ
ッタ間電圧Ｖｂｅ３だけ低下した電圧、即ち約Ｒ１５×
Ｉ２（Ｖｂｅ１とＶｂｅ３はほぼ等しい）まで出力電圧
が下降すると、トランジスタＱ１４が動作する。この
時、Ｑ１４のエミッタを流れる電流はＱ１３のコレクタ
から流れ込み、Ｑ１０のコレクタへ流れ出す。Ｑ１１と
Ｑ１３はカレントミラー回路を形成しているため、Ｑ１
１のコレクタにも電流が流れ、この電流とＲ９により電
圧が生じ、Ｑ１２が動作し、Ｑ１０を飽和させる。

【００３９】以上の動作によって、出力電圧はＲ１５×
Ｉ２の電圧で飽和し、それ以下の電圧にはならない。

【００４０】出力電圧Ｖｏｕｔが、Ｖｃｃ−Ｖｂｅ２−
Ｒ１３×Ｉ２よりもＱ１５が動作するためのベース−エ
ミッタ間電圧Ｖｂｅ４だけ高い電圧、即ち約Ｖｃｃ−Ｒ
１３×Ｉ２（Ｖｂｅ２とＶｂｅ４はほぼ等しい）まで出
力電圧が上昇すると、トランジスタＱ１５が動作する。
この時、Ｑ１５のエミッタを流れる電流はＭ１のドレイ
ンから流れ込み、Ｑ１７のコレクタを流れる。Ｑ１６と
Ｑ１７はカレントミラー回路を形成しているため、Ｑ１
６のコレクタにも電流が流れ、この電流とＲ４により電
圧が生じ、Ｑ５が動作し、Ｍ１を飽和させる。

【００４１】以上の動作によって、出力電圧はＶｃｃ−
Ｒ１３×Ｉ２の電圧で飽和し、それ以上の電圧にはなら
ない。

【００４２】このような構成にすることにより、出力電
圧をある一定の電圧（Ｒ１５×Ｉ２、またはＶｃｃ−Ｒ
１３×Ｉ２）で飽和させることができる。

【００４３】図４に本回路を用いた加速度センサの出力
特性を示す。

【００４４】横軸がセンサに加わる入力加速度であり、
縦軸が出力電圧Ｖｏｕｔである。

【００４５】検出範囲が−Ｇから＋Ｇまでの範囲とする
と、この検出範囲内でのセンサの出力特性は、はぼ直線
的に変化し、加速度に応じた出力を得ることができる。

【００４６】この範囲を越えた加速度が入力されると出
力は上側の飽和電圧Ｖｕｓ(＝Ｖcc−Ｒ１３×Ｉ２）か
または、下側の飽和電圧Ｖｌｓ（＝Ｒ１５×Ｉ２）に固
定される。

【００４７】加速度センサの出力特性をこのような特性
にすることにより、例えば加速度検出素子等のセンサ内
部の故障の際はほぼ出力はＶｕｓかまたはＶｌｓにな
り、センサにつながっている配線が短絡した場合や断線
した場合は、電源電圧Ｖｃｃかまたはグランドレベルに
なるため、センサを使用する前に出力電圧をチェックす
ることにより、センサの故障であるのかまたは配線の故
障であるのかを特定することができる。

【００４８】更に、センサを使用している時にセンサ出
力がオフセット電圧であるＶ０Ｇから変化したとき、こ
の出力の変化が検出範囲内の変化である場合（即ち、出
力がＶ＋ＧからＶ−Ｇの範囲内で変化しているとき）
は、実際に加速度が加わっていると判断でき、出力がＶ
ｕｓ、またはＶｌｓに固定された状態になった時はセン
サの配線が短絡、または断線していると判断することが
できる。

【００４９】以上のような構成にすることにより、セン
サの故障診断を簡易な方法で確実に行えるという効果が
ある。

【００５０】また、このクランプ回路はオペアンプの内
部に構成できるため、モノリッシックＩＣで実現でき
る。このため非常に安価であり、且つ高信頼性が得られ
るという効果がある。

【００５１】このクランプ回路の飽和電圧は検出範囲を
越えた電圧から、電源電圧の0.03倍の電圧までの範囲が
望ましい。

【００５２】即ち、上側の飽和電圧Ｖｕｓは最大の加速
度＋Ｇが入力したときの電圧であるＶ＋Ｇよりも大き
く、Ｖｃｃ−０.０３×Ｖｃｃ よりも小さいことが望ま
しい。Ｖ＋Ｇよりも大きくなければならないのは、これ
よりも小さいと検出範囲が狭くなってしまうからであ
り、Ｖｃｃ−０.０３×Ｖｃｃ よりも小さくなければな
らないのは、この電圧をモニタするＡ／Ｄ変換器の分解
能から定まる値である。この値を越えると故障判定が困
難になる。

【００５３】同様の理由で下側の飽和電圧ＶｌｓはＶ−
Ｇより小さく、０.０３×Ｖｃｃ よりも大きいことが望
ましい。

【００５４】以上のように飽和電圧を設定することによ
り、検出精度に影響を与えることなく、且つ高精度に故
障検出が行えるという効果がある。

【００５５】図５に本発明の加速度センサを用いたエア
バッグシステムの一実施例を示す。本実施例のエアバッ
グシステムは、本発明の加速度センサ１０１，ＣＰＵ10
3とメモリ１０４により構成されるマイコン１０２，バ
ッテリ電圧をレギュレートまたは昇圧する電源部１０
５，クラッシュレコーダ１０６，起動回路１０７，フェ
イルセイフ回路１０８，警報回路１０９，シートベルト
操作回路１１０等を含むコントロールユニット１１４
と、警報器１１１，エアバッグ１１２，シートベルト１
１３より構成される。

【００５６】本発明の加速度センサ１０１によって検出
された加速度信号は、マイコン102中のＣＰＵ１０３に
信号が送られ、エアバッグを作動させるか否かが判断さ
れる。その処理と同時にＲＡＭ等で構成されたメモリ１
０４に逐次最新の加速度信号を記録しておく。

【００５７】ＣＰＵ１０３によりエアバッグを作動させ
るべきと判断されると、その衝突前後の加速度センサか
らの出力波形をＥＥＰＲＯＭ等のクラッシュレコーダ１
０６に記録される。その時同時にＣＰＵ１０３からエア
バッグ１１２を駆動させるための起動回路１０７に起動
信号が送られ、エアバッグ１１２が展開される。

【００５８】また、エアバッグを作動させる程ではない
軽度の衝撃の場合には、シートベルト操作回路１１０に
よってシートベルト１１３が適度に締め付けられるよう
巻き戻され、乗員をシートに固定する。

【００５９】更に、エアバッグシステムは安全装置であ
るため、その信頼性が非常に重要である。そのため、マ
イコン１０２により各部品の故障を常に診断しており、
もし故障が発生するとクラッシュレコーダ１０６にその
故障内容や時間等が記録される。またフェイルセイフ回
路１０８が働き、起動回路１０７とシートベルト操作回
路１１０の動作をフェイルセイフモードに固定し、エア
バッグ１１２とシートベルト１１３の動作を制御すると
同時に、警報回路１０９に信号が送られ、ランプやブザ
ー等の警報器が作動して、乗員に故障を知らせるように
構成されている。

【００６０】この故障診断はエンジン始動時には更に詳
細に各部の診断が行われる。

【００６１】この時本発明の加速度センサの出力電圧を
確認することにより、センサの故障と配線の故障とが区
別して判断できる。

【００６２】また、走行中の加速度センサの出力電圧を
モニタし、その電圧値により本当に衝突によって生じた
出力の変化なのか、それとも配線の故障によって生じた
電圧変化なのかを判断できる。

【００６３】このような構成にすることにより、信頼度
の高いシステムを比較的簡単な構成で実現でき、不用意
なエアバッグの誤展開が防止できるという効果がある。

【００６４】

【発明の効果】加速度センサの出力回路にクランプ回路
を設けるだけで、出力飽和値を規定することにより、例
えば検出素子等のセンサ内部の故障と、センサにつなが
っている配線が短絡したのか断線したのかを特定するこ
とができるという効果がある。更に、センサ使用中の出
力変化が生じたときに、この出力の変化が検出範囲内の
変化であるか、飽和値に固定された状態かにより、実際
に加速度が加わっているのか、それともセンサの配線が
短絡、または断線しているのかを判断することができる
という効果がある。

【００６５】また、センサの故障診断を簡易な方法で確
実に行えるという効果がある。

【００６６】これらの機能はすべて、モノリッシックＩ
Ｃで実現できるため非常に安価であり、且つ高信頼性が
得られるという効果がある。

【００６７】また、飽和電圧をある一定値に設定するこ
とにより、検出精度に影響を与えることなく、且つ高精
度に故障検出が行えるという効果がある。

【００６８】信頼度の高いシステムを比較的簡単な構成
で実現でき、不用意なエアバッグの誤展開が防止できる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いられる静電容量式加速度センサの
動作原理を示した図である。

【図２】本発明の加速度センサに使われる増幅部の一実
施例を示した図である。

【図３】本発明の加速度センサに使われるオペアンプの
一実施例を示した図である。

【図４】本発明の加速度センサの出力特性を示す図であ
る。

【図５】本発明の加速度センサを用いたエアバッグシス
テムの一実施例を示した図である。

【符号の説明】

１…信号印加部、２…加速度検出素子、３…容量検出
部、４…増幅部、５…シリコンビーム、６…可動電極、
７，８…固定電極、９…シリコン、１０，１１…ガラ
ス、１２，１３…抵抗、１４…定電圧源、１５…オペア
ンプ、Ｑ０〜１９…バイポーラトランジスタ、Ｃ１…コ
ンデンサ、Ｉ１…定電流源、Ｍ１…ＭＯＳトランジス
タ、Ｒ１〜１５…抵抗、１０１…加速度センサ、１０２
…マイコン、１０３…ＣＰＵ、１０４…メモリ、１０５
…電源部、１０６…クラッシュレコーダ、１０７…起動
回路、１０８…フェイルセイフ回路、１０９…警報回
路、110…シートベルト操作回路、１１１…警報器、１
１２…エアバッグ、１１３…シートベルト、１１４…コ
ントロールユニット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 昌大 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 久保田 正則 茨城県勝田市大字高場字鹿島谷津2477番地 ３ 日立オートモティブエンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 鈴木 政善 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所自動車機器事業部内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加速度に応じて変位する質量部を有し、こ
   の質量部の変位を電気信号に変換して加速度を検出する
   加速度センサにおいて、出力用のアンプ回路の飽和電圧
   をある一定値に保持するクランプ回路を設けたことを特
   徴とする加速度センサ。
2. 【請求項２】請求項１記載の加速度センサにおいて、前
   記クランプ回路はモノリシックＩＣで構成したことを特
   徴とする加速度センサ。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の加速度センサにおい
   て、クランプ回路において保持される出力飽和電圧は、
   加速度を検出し出力する電圧範囲を越えた電圧から電源
   電圧より０.０３ 倍の電源電圧で表される電圧まで、あ
   るいは加速度を検出し出力する電圧範囲を越えた電圧か
   らグランドより０.０３ 倍の電源電圧で表される電圧ま
   での範囲であることを特徴とする加速度センサ。
4. 【請求項４】１つあるいはそれ以上の加速度センサを有
   し、自動車の衝突の際にその加速度センサからの信号を
   用いて判断し、エアバッグを展開させるよう構成してい
   るエアバッグシステムにおいて、加速度センサは請求項
   １，２又は３に記載の加速度センサを用いると共に、加
   速度センサの信号出力が飽和電圧か否かによって故障箇
   所を特定し、エアバッグを展開すべきか否かを判断し、
   走行中の誤爆を防止する機能を持たせたことを特徴とす
   るエアバッグシステム。