(57)【要約】      （修正有）【課題】対象物が接触した点に物理的に近接していなくても衝撃を正確に検出する衝撃センサを提供する。【解決手段】衝撃を応力波により検知する方法及び装置である。少なくとも１つのマウント１４，１６を有する支持体２０を用い、それぞれインピーダンスを有する複数の圧電抵抗２４，２６，２８，３０を含む半導体素子を支持体に取り付け、支持体を構成部分に支持体の少なくとも１つのマウントによって接続し、複数の圧電抵抗のインピーダンスを検知する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成部分内の応力波を検知する方法において、この方法は、
少なくとも１つのマウント１４，１６を備えた支持体を設け、
それぞれインピーダンスを有する複数の圧電抵抗２４，２６，２８，３０を備えた半導体素子を前記支持体に取り付け、
前記支持体を前記構成部分に前記支持体の少なくとも１つのマウントで連結し、
前記複数の圧電抵抗のインピーダンスを検知することを特徴とする応力波検知方法。
【請求項２】
前記半導体素子を取り付ける工程において、前記支持体を進行する応力波が半導体素子を歪ませるように、支持体の表面全体に沿って前記半導体素子を取り付けることを特徴とする請求項１に記載の応力波検知方法。
【請求項３】
更に前記複数の圧電抵抗から制御ユニットへデータを送信することを特徴とする請求項１に記載の応力波検知方法。
【請求項４】
前記複数の圧電抵抗として、検知圧電抵抗２４，２８と、基準圧電抵抗２６，３０とを備えることを特徴とする請求項１に記載の応力波検知方法。
【請求項５】
前記基準圧電抵抗は前記検知圧電抵抗と異なるインピーダンスを有することを特徴とする請求項４に記載の応力波検知方法。
【請求項６】
前記支持体の少なくとも１つのマウントは、前記支持体の端部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の応力波検知方法。
【請求項７】
更に、前記半導体素子の入力及び出力端子３２，３４，３６，３８と連結されるように構成された回路４０を設けることを特徴とする請求項１に記載の応力波検知方法。
【請求項８】
更に、前記回路を印刷回路基板４２上に取り付けることを特徴とする請求項７に記載の応力波検知方法。
【請求項９】
更に、圧力センサ８０を前記印刷回路基板上に取り付けることを特徴とする請求項８に記載の応力波検知方法。
【請求項１０】
更に、加速度センサ９０を前記印刷回路基板上に取り付けることを特徴とする請求項８に記載の応力波検知方法。
【請求項１１】
更に、圧力信号を生成するように構成された圧力センサ８０を設けることを特徴とする請求項１に記載の応力波検知方法。
【請求項１２】
更に、前記圧力センサを前記支持体上に取り付けることを特徴とする請求項１１に記載の応力波検知方法。
【請求項１３】
更に、前記圧力センサ及び支持体をハウジング１２内に収容することを特徴とする請求項１１に記載の応力波検知方法。
【請求項１４】
更に、前記圧力センサのために前記ハウジングに開口部８２を設けることを特徴とする請求項１３に記載の応力波検知方法。
【請求項１５】
更に、自動車のドア空洞内の圧力を検知することを特徴とする請求項１１に記載の応力波検知方法。
【請求項１６】
更に、加速度信号を生成するように構成された加速度センサ９０を設けることを特徴とする請求項１に記載の応力波検知方法。
【請求項１７】
更に、前記加速度センサを前記支持体に取り付けることを特徴とする請求項１６に記載の応力波検知方法。
【請求項１８】
更に、前記加速度センサと支持体とをハウジング１２内に収容することを特徴とする請求項１６に記載の応力波検知方法。
【請求項１９】
構成部分６０，６２内の応力波を検知するシステムにおいて、このシステムは、
少なくとも１つのマウント１４，１６を有し、前記構成部分に取り付けられるように構成された支持体２０と、
それぞれインピーダンスを有する複数の圧電抵抗２４，２６，２８，３０と、
前記複数の圧電抵抗を含み、前記支持体に取り付けられるように構成された半導体素子２２と、
前記半導体素子の入力及び出力端子３２，３４，３６，３８と連結され、前記複数の圧電抵抗のインピーダンスを検知するように構成された回路４０とを備えていることを特徴とする応力波検知システム。
【請求項２０】
前記複数の圧電抵抗は、基準圧電抵抗２６，３０と、検知圧電抵抗２４，２８とを備えることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記基準圧電抵抗は前記検知圧電抵抗と異なるインピーダンスを有することを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記支持体は前記構成部分を進行する応力波を受け取るように構成されていることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２３】
前記支持体を進行する応力波が半導体素子を歪ませるように、支持体の表面全体に沿って前記半導体素子を取り付けるように構成されていることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２４】
前記回路は、印刷回路基板４２上に取り付けられるように構成されていることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２５】
更に、前記印刷回路基板上に取り付けられた圧力センサ８０を備えていることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
更に、前記印刷回路基板上に取り付けられた加速度センサ９０を備えていることを特徴とする請求項２４に記載の応力波検知方法。
【請求項２７】
更に、前記回路と連結されデータを処理することなく回路とデータの送受信を行うように構成されたコネクタ１８を備えていることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２８】
前記支持体の少なくとも１つのマウントは、前記支持体の端部に配置されていることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２９】
前記支持体の少なくとも１つのマウントは、前記構成部分を通って支持体へ応力波が進行できるように構成されていることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項３０】
更に、圧力信号を生成するように構成された圧力センサ８０を備えていることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項３１】
更に、前記圧力センサは前記支持体上に取り付けられていることを特徴とする請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
更に、前記支持体及び圧力センサを収容するハウジング１２を備えていることを特徴とする請求項３０に記載のシステム。
【請求項３３】
前記ハウジングは前記圧力センサのための開口部８２を備えていることを特徴とする請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記圧力センサは、自動車のドア空洞内の圧力を検知するように構成されていることを特徴とする請求項３０に記載のシステム。
【請求項３５】
前記回路は更に、前記圧力センサに連結され圧力信号を検知するように構成されていることを特徴とする請求項３０に記載のシステム。
【請求項３６】
更に、加速度信号を生成するように構成された加速度センサ９０を備えていることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項３７】
前記加速度センサは前記支持体に取り付けられていることを特徴とする請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
更に、前記支持体と加速度センサとを収容するハウジング１２を備えていることを特徴とする請求項３６に記載の応力波検知方法。
【請求項３９】
前記回路は更に、前記加速度センサに連結され前記加速度信号を検知するように構成されていることを特徴とする請求項３６に記載の応力波検知方法。
【請求項４０】
複合型衝撃センサ７５，８５，９５，１１５において、
第１検知特性を有し第１出力を生成するように構成された第１センサであって、この第１センサは入力及び出力端子３２，３４，３３，３８と複数の圧電抵抗２４，２６，２８，３０を有する半導体素子２２を持つ少なくとも１つのセンサ１０を備え、各圧電抵抗はインピーダンスを有し、回路４０は前記半導体素子の入力及び出力端子に連結され前記複数の圧電抵抗のインピーダンスを検知できるように構成され、更に、電歪センサ１００と音響波センサを備えた第１センサと、
第２検知特性を有し第２出力を生成するように構成された第２センサであって、前記第２検知特性は前記第１検知特性と異なり、少なくとも１つの加速度センサ９０と圧力センサ８０とを備えている第２センサと、
前記第１センサと第２センサとを収容するハウジング１２，１０８と、
少なくとも１つのマウント１４，１６，１０４，１０６とを備えていることを特徴とする複合型衝撃センサ。
【請求項４１】
更に、前記第１センサ、第２センサ及び制御ユニットの少なくとも１つに連結されるように構成されたコネクタ１８，１１０を備えていることを特徴とする請求項４０に記載の複合型衝撃センサ。
【請求項４２】
前記コネクタは更に、第１センサ信号と第２センサ信号の少なくとも１つを前記制御ユニットへ出力するように構成されていることを特徴とする請求項４１に記載の複合型衝撃センサ。
【請求項４３】
前記少なくとも１つのマウントは自動車６０の構成部分に取り付けられるように構成されていることを特徴とする請求項４０に記載の複合型衝撃センサ。
【請求項４４】
更に支持体２０，１０２を備えていることを特徴とする請求項４０に記載の複合型衝撃センサ。
【請求項４５】
前記第１センサは前記支持体に取り付けられていることを特徴とする請求項４４に記載の複合型衝撃センサ。
【請求項４６】
前記第２センサは前記支持体に取り付けられていることを特徴とする請求項４４に記載の複合型衝撃センサ。
【請求項４７】
前記第２センサは前記第１センサに取り付けられていることを特徴とする請求項４０に記載の複合型衝撃センサ。
【請求項４８】
少なくとも１つの前記マウントは前記支持体の端部に配置されていることを特徴とする請求項４４に記載の複合型衝撃センサ。
【請求項４９】
前記ハウジングは前記圧力センサのための開口部８２，１０９を備えていることを特徴とする請求項４０に記載の複合型衝撃センサ。
【請求項５０】
前記第２センサは自動車のドア空洞内の圧力を検知するように構成されていることを特徴とする請求項４０に記載の応力波検知方法  
【請求項５１】
構成部分６０，６２への衝撃を検知する方法において、この方法は、
入力及び出力端子３２，３４，３６，３８と複数の圧電抵抗２４，２６，２８，３０を有する半導体素子を含む少なくとも１つのセンサ１０を備えた第１の検知形式の第１センサを設け、前記圧電抵抗はインピーダンスを有し、前記半導体素子の入力及び出力端子に連結されるように構成され前記複数の圧電抵抗のインピーダンスを検知できる回路４０と、更に電歪センサ１００と音響波センサとを設け、
前記第１の検知形式とは異なる第２検知形式の第２センサを設け、この第２センサは加速度センサ９０と圧力センサ８０の少なくとも１つを備えており、
前記第１センサ及び第２センサをハウジング１２，１０８内に収納し、
少なくとも１つのマウント１４，１６，１０４，１０６を設け、
第１の出力信号を生成し、
第２の出力信号を生成することを特徴とする衝撃検知方法。
【請求項５２】
更に、少なくとも１つのマウントを自動車６０の構成部分に取り付けることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
更に、支持体２０，１０２を設けることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
更に、前記第１センサを前記支持体に取り付けることを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
更に、前記第２センサを前記支持体に取り付けることを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
更に、前記第２センサを前記第１センサに取り付けることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５７】
更に、少なくとも１つの前記マウントを前記支持体の端部に取り付けることを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５８】
更に、前記ハウジングに開口部８２，１０９を設けることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５９】
更に、自動車ドアの空洞内の圧力を検知することを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は衝撃センサに係り、それらのいくつかは応力波を検知し、他のものとしては少なくとも２つの形式のセンサを含んでいる。
【背景技術】
【０００２】
例えば事故が起こった場合などに、エアーバッグやその他の安全拘束手段が起動できるように、自動車にはしばしば衝撃センサが装備されている。しかしながら、多くのセンサはセンサの極近傍の範囲内での衝撃しか検知することができない。安全センサシステムはしばしば、多くの加速度計及び／又はドア空洞圧力センサを、個別でかあるいは組合せて備えている。衝撃を検知するために、事故の際に直接衝撃が加えられなければならないので、しばしば多数のセンサが用いられる。センサは衝撃が加わり易い場所にしばしば設置される。検知システムにおいて複数のセンサが使用される場合でも、特定の形式の衝撃についてはいまだシステムで特定するのは困難である。例えば、棒のような幅の狭い対象物の衝撃は、もし棒が直接センサを打撃しないのであれば、検知システムにとってしばしば難題の原因となる。こうして、自動車の全ての面をセンサが完全に覆わない限り、検知システムが事故を検知できない可能性は残る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
接触した点に物理的に近接していなくても、衝撃を正確に検知できるセンサを提供する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の他の特徴及び利点は、詳細な説明、請求の範囲及び添付図面を参照すれば当業者には明らかとなるであろう。
ある実施形態において、本発明は衝突に起因する衝撃による構造物の変形によって生じる自動車構造体を進行する張力波(strain wave)又は応力波を測定できるセンサを提供する。このセンサは適切な自動車構造物、例えば自動車のＢピラー或いは自動車のドアの内部の強化梁に取り付けられる。自動車の各側部に沿って単一のセンサのみを配置するためには、長く延びたセンサが適切である。センサは、支持体を応力波が進行した場合に歪むような感知支持体を備えている。半導体素子は、支持体と共に歪むように、支持体上に取り付けられている。半導体素子、例えばシリコンビームは、ホイートストーンブリッジ構造に配置された圧電抵抗を備えている。圧電抵抗のインピーダンスは、取り付けられている支持体の物理的特性が変化した場合に変化する。センサはまた、圧電抵抗のインピーダンスを検知できる回路も備えている。検知されたインピーダンスの変化は、応力波を検知するのに用いられる。直接的な衝撃それ自体ではなく衝撃により生じた応力波を検知することによって、センサはセンサの取り付け位置から離れたところで生じる衝撃を検知することができる。
【０００５】
他の実施形態において、応力検知センサは自動車構造物の他に、他の構造物の応力波を観察するのにも用いることができる。センサは建物や橋梁或いはその他の構成部分に加わる応力を監視するのに用いられ、ここでは検査されない応力が安全への関心を引き起こす。応力又は力の波動の伝播を助けるあらゆる物質を、開示した応力波センサに取り付けることができる。圧電抵抗内で使用される圧電材料及び半導体素子と共に、センサ内に収容されている支持体の材料は、特定の形式の応力波のための特定のセンサを作り出すために変更することができる。
【０００６】
他の実施形態において、本発明は複合型衝撃センサを提供する。センサは１又はそれ以上のマウントを含む支持体を備えている。センサは、第１の出力信号を生成するように構成され第１の検知形式を有する第１のセンサと、第２の出力信号を生成するように構成され第２の検知形式を有する第２のセンサとを備えている。第２の検知形式は第１の検知形式とは異なっている。ハウジングは第１のセンサと第２のセンサとを収容している。
【０００７】
他の実施形態は構造物への衝撃を検知する方法を提供する。その方法は、１又はそれ以上のマウントを伴う支持体を設け、第１の検知形式の第１のセンサを設け、第２の検知形式の第２のセンサを設け、第２の検知形式は第１の検知形式とは異なっており、第１のセンサと第２のセンサとをハウジングに収容し、第１の出力信号を生成し、第２の出力信号を生成する。
【０００８】
更なる実施形態では複合型衝撃センサを提供する。このセンサは、１又はそれ以上のマウントを含んでいる支持体とマウントの間の支持体に取り付けられている半導体素子を備えている。半導体素子は入力及び出力端子と複数の圧電抵抗を備えている。各圧電抵抗はインピーダンスを有している。センサは半導体素子の入力及び出力端子と接続されるように構成された回路を備えている。回路は複数の圧電抵抗のインピーダンスを検知することができる。センサは圧力信号を生成するように構成された圧力センサも備えている。
【０００９】
更に他の実施形態は、構造物への衝撃を検知する方法を提供する。その方法は、１又はそれ以上のマウントを含んでいる支持体を設け、それぞれインピーダンスを有して複数の圧電抵抗を備えている半導体素子を支持体に取り付け、支持体を構造物に支持体のマウントで連結し、圧力信号を生成するように構成された圧力センサを設け、支持体と圧力センサをハウジング内に収容し、複数の圧電抵抗のインピーダンスを検知し、圧力信号を検知する。
【００１０】
追加の実施形態では、更に複合型衝撃センサを提供する。このセンサは、１又はそれ以上のマウントを含んでいる支持体とマウントの間の支持体に取り付けられている半導体素子と、入力及び出力端子とそれぞれインピーダンスを有する複数の圧電抵抗と、複数の圧電抵抗の入力及び出力端子と接続され複数の圧電抵抗のインピーダンスを検知することができるように構成された回路と、加速度信号を生成するように構成された加速度センサも備えている。
【００１１】
他の実施形態では構造物への衝撃を検知する方法を提供する。その方法は、１又はそれ以上のマウントを含んでいる支持体を設け、それぞれインピーダンスを有して複数の圧電抵抗を備えている半導体素子を支持体に取り付け、支持体を構造物に支持体のマウントで連結し、加速度信号を生成するように構成された加速度センサを設け、支持体と圧力センサとをハウジング内に収容し、複数の圧電抵抗のインピーダンスを検知し、加速度信号を検知する。
【００１２】
更に他の実施形態では、複合型衝撃センサを提供する。その衝撃センサは、１又はそれ以上のマウントを含んでいる支持体と電歪センサとを備えている。電歪センサは応力波信号を提供するように構成されている。圧力信号を提供するように構成された圧力センサも、衝撃センサ内に備えられている。ハウジングは電歪センサと圧力センサとを収容している。圧力センサの代わりに加速度センサを用いても良い。
【００１３】
追加の実施形態では、構造物への衝撃を検知する方法を提供する。その方法は、１又はそれ以上のマウントを含んでいる支持体を用い、それぞれインピーダンスを有して複数の圧電抵抗を備えている半導体素子を支持体に取り付け、支持体を構造物に支持体のマウントで連結し、加速度信号を生成するように構成された加速度センサを設け、支持体と圧力センサとをハウジング内に収容し、複数の圧電抵抗のインピーダンスを検知し、加速度信号を検知する。
【００１４】
更に他の実施形態では、複合型衝撃センサを提供する。その衝撃センサは、１又はそれ以上のマウントを含んでいる支持体を設け、応力波信号を生成するように構成された電歪センサを設け、圧力信号を生成するように構成された圧力センサを設け、電歪センサと圧力センサとをハウジング内に収容し、応力波信号を検知し、圧力信号を検知する。もし圧力センサに代えて加速度センサが用いられる場合には、この方法は加速度信号を検知する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本特許出願は、２００４年６月１１日に出願された係属中の米国特許出願第１０／８６６３８６号の一部継続出願である、２００４年１１月８日に出願された係属中の米国特許出願第１０／９８３５４７号に基づく優先権を主張しており、それらの全ての内容は本願に反映されている。
【００１６】
本発明は、以下の説明と図に示されている構成要素の詳しい構造や配置の応用に限定されるものではないことは理解されるであろう。本発明は、他の実施形態も可能であり、様々な方法で運用又は実施できる。ここで使用される語句や用語は、説明の目的であって、何ら限定する意図のものでないことは理解するべきである。ここで使用する「含んでいる」、「備えている」、「有する」及びそれらの変形は、後ろに記載された物品及びそれと等価の物品に加え、追加の物品を包含する意味である。もし他に限定がなければ、ここで使用される「接続された」、「連結された」、「取り付けられた」という言葉は、広い意味で使用されており、直接及び間接的な接続、連結、取り付けを包含する。加えて、「接続された」、「連結された」との言葉及びそれらの変形は、物理的或いは機械的な接続又は連結に限定されるものではない。
【００１７】
図１は、例示的なセンサ１０を示している。センサ１０は、センサ１０の構成要素を収納するハウジング１２を備えている。ハウジング１２は、センサ１０の機能を害するかもしれない埃、くず、及びその他の環境危険物質からセンサ１０を守るのに役立つ。センサ１０はまた、ハウジング１２から突出する２つのマウント１４，１６も備えている。マウント１４，１６は、自動車のフレームのような、応力監視が必要な構成部分や構造物にセンサを取り付けるのを可能にするための機構を提供する。マウント１４，１６は構成部分を通して進行する応力波がセンサ１０に伝達されるように、構成部分若しくは構造へのインターフェースとして使用される。センサ１０のマウント１４，１６は、自動車の金属フレームや構造物の支持梁に取り付けることができる。代替的に、マウント１４，１６は構成部分にネジやボルトによって取り付けることができるスタッドでもよい。センサ１０はまた、センサ１０によって収集されたデータに基づいて起動する装置又は機構であるその他の制御ユニットにセンサの測定値を伝達するのに使用されるコネクタ１８を備えている。
【００１８】
ハウジング１２の内部には支持体２０が配置されている。支持体２０は２つのマウント１４，１６を備えており、本実施形態では支持体の各端部に各マウントが構成され、支持体２０が音叉のように振舞う。２つのマウント１４，１６は、応力波や振動を感知しやすい音叉の枝として機能する。センサが取り付けられた梁又は構造物を通して進行する応力波又は振動は、マウント１４，１６を通して支持体２０に伝達される。
【００１９】
応力波又は振動は、支持体を振動させ又は歪ませる原因となる。支持体２０は、可撓性材料又は応力波に敏感な物質で作られている。例えば、アルミニウムが、その軽くて柔軟性のために使用される。支持体２０はまた、鉄や高強度プラスチックからでさえも構成することができる。支持体の厚さ及び組成は、支持体２０の歪み、そして結局センサ１０の感度の程度を決定する。支持体はまた、支持体２０の歪みを促進するために、支持体の端部以外に多かれ少なかれ様々な構造で配置されるマウントを含んでいる。例えば、１つ以上の梁又は構造物に取り付けられる３つ又は４つ或いはそれ以上のマウントを備えた円形支持体を設けてもよい。各マウントは、梁又は構造物からそれらが取り付けられている円形支持体に応力波を伝達する。
【００２０】
支持体２０はまた、半導体素子２２のための土台として機能する。半導体素子２２は、支持体２０が、この支持体２０を通して半導体素子２２に伝わる応力波によって引き起こされる歪みを伝達できるように、支持体２０に取り付けられている。応力波の進行によって歪ませるために、支持体は単純に可撓性であり、半導体素子２２も同様に可撓性を有する。半導体素子２２は、支持体２０の表面に沿って取り付けられている。一実施形態において、半導体素子２２は、支持体２０と同様に歪むことができるように、支持体２０の表面に平らに取り付けられている。
【００２１】
半導体素子２２は、圧電抵抗２４，２６，２８，３０を備えている。圧電抵抗２４，２６，２８，３０は、ホイートストーンブリッジ構造に配置されている。圧電抵抗２４，２６，２８，３０は、圧電抵抗材料のように材料に加わる機械的応力によって抵抗値が影響される材料で構成されている。圧電抵抗材料の例としては、限定するものではないが、シリコン、多結晶シリコン、シリカガラス、酸化亜鉛及びゲルマニウムなどが含まれる。一実施形態において、圧電抵抗２４，２６，２８，３０は２種類に分けられる。圧電抵抗２４，２８は圧電抵抗を検知するのに使用され、半導体素子２２の主軸又は長手方向軸に沿って水平に配置されている。圧電抵抗２６，３０は、基準圧電抵抗として使用され、小さく、鉛直又は半導体素子２０の幅に沿って配置されている。基準圧電抵抗２６，３０は、検知圧電抵抗２４，２８よりも小さなインピーダンスを有している。圧電抵抗の２種類の物理的配置及び特徴により、検知圧電抵抗２４，２８を基準圧電抵抗２６，３０よりも半導体素子２２の歪み対して敏感にでき、これは圧電抵抗が支持体２０を通過する応力波に応じて大きく歪む半導体素子２２の領域をカバーしているからである。また、基準圧電抵抗２６，３０は半導体素子２２の歪みに対して鈍感であり、これは半導体素子２２の狭い領域しかカバーせず、支持体があまり歪まない支持体２０の端部の近くに配置されているからである。支持体２０とこれが取り付けられた半導体素子２２とが応力波によって歪んだ場合、検知圧電抵抗２４，２８のインピーダンスは基準圧電抵抗２６，３０のインピーダンスよりも大きく変化する。２種類の圧電抵抗のインピーダンスの変化の間の違いは、センサ１０が取り付けられた構成部分への衝撃又は応力の特性を更に推測するのにも用いることができる。
【００２２】
半導体素子２２はまた、入力及び出力端子３２，３４，３６，３８を備えている。入力及び出力端子３２，３４，３６，３８は、圧電抵抗２４，２６，２８，３０に電圧を印加し、通過する電流を測定するために用いられる。印加される電圧及び測定される電流は、以下のオームの法則によって抵抗を計算するのに用いられる。
【００２３】
V=ＩＲ
ここで、Ｖは回路に印加される電圧を表し、Ｉは回路から測定される電流を表し、Ｒは回路の抵抗を表す。
【００２４】
支持体２０はまた、半導体材料から構成し、別個の半導体素子２２を支持体２０に取り付けるよりもむしろ、直接圧電抵抗２４，２６，２８，３０を含むようにしてもよい。取り付けられた構造を通して伝わる応力波によって作り出される半導体支持体の歪みはまた、埋め込まれた圧電抵抗の材料が歪む原因となる。半導体支持体はまた、電圧を印加し、半導体支持体を通って流れる電荷を伝達するのに使用される入力及び出力端子を備えている。
【００２５】
電圧の印加、電流の測定、及び抵抗値の計算は、半導体素子２２に取り付けられた特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）４０のような演算装置によって全て行われる。ＡＳＩＣ４０は入力及び出力端子４４，４６，４８，５０を介して印刷回路基板（ＰＣＢ）４２に取り付けられているように示されている。他の接続方法や、他の計算機構であっても使用できる。例えば、チップ又はマイクロプロセッサもＡＳＩＣ４０に置き換えることができる。ＡＳＩＣ４０をセンサ１０から除去し、半導体素子２２の出力及び入力端子３２，３４，３６，３８を直接コネクタ１８に接続してもよい。半導体素子２２をコネクタ１８に直接接続することによって、センサ１０による測定処理（即ち、抵抗の計算）は、遠隔制御ユニットでセンサ１０の外で実行される。コネクタ１８は、センサ１０から送られる或いはセンサ１０によって受けとられるデータ、例えば電流値又は電圧値の特性を改善するための増幅およびフィルタリングを提供する。しかし、コネクタ１８は、どの程度支持体２０が応力を受け歪んでいるかなどのデータの意味合いを導き出すためにデータを処理しない。ＡＳＩＣ４０はまた、定電圧での検知された電流測定値に対するリレー又は増幅器として機能する。ＡＳＩＣ４０はまた、圧電抵抗構造の検知された電流を処理し、抵抗の変化を計算し、更に支持体に加えられる応力の程度を計算するのに使用される。
【００２６】
図２は図１のセンサ１０を前方から見た図を示している。実線で示しているコネクタ１８は看者に向かって突出している。２つのマウント１４，１６の２つの端部も、看者に向かって突出している。ＰＣＢ４２及び取り付けられたＡＳＩＣ４０及び半導体素子２２は、コネクタ１８の近傍に位置する透視画法の線によって示されている。ＰＣＢ４２の入力及び出力端子４４，４６（入力及び出力端子４８，５０はＡＳＩＣ４０の後ろに隠れている）及び半導体素子２２の入力及び出力端子３２，３４，３６，３８はまた、支持体２０と２つのマウント１４，１６に沿った透視画法の線で示されている。
【００２７】
図３は第２の例示的なセンサ５２の平面図を示している。センサ５２はセンサ１０と同じ全ての構成要素を含んでいるが、半導体素子２２は支持体２０の上面に配置されていない。図３に示すように、半導体素子２２は支持体２０の前方縁に沿って取り付けられている。圧電抵抗を備えている半導体素子２２の表面は、センサ１０のＡＳＩＣ４０及びＰＣＢ４２と平行に位置決めされるよりもむしろ、ＡＳＩＣ４０及びＰＣＢ４２に対して直角に位置決めされる。同様に、半導体素子２２は支持体２０の背面又は縁部に配置してもよい。半導体素子２２の位置は、センサの機能を調整するために種々変えられる。半導体素子２２の位置は、センサの寸法、大きさを変化させるのに変えられる。例えば、半導体素子２２を支持体２０の前方縁に配置すると、センサの厚さが減少する。半導体素子２２はまた、必要な場合に容易に交換でき或いはテストできる場所に配置してもよい。
【００２８】
図４は、センサ５２を前方から見た図を示す。半導体素子２２は支持体２０の前方縁に沿って位置決めされているので、半導体素子２２内に設けられた圧電抵抗２４，２６，２８，３０は、センサ５２を前方から見たときに見える。前方から見た場合に、半導体素子２２はＡＳＩＣ４０及びＰＣＢ４２を含む平面に直角な面に配置されているので、ＡＳＩＣ４０及びＰＣＢ４２は、半導体素子２２の完全な視野を妨げる。コネクタ１８は透視画法の線で示されており、看者に向かって突出している。
【００２９】
図５は、図１−４に示されている半導体素子２２を示している。半導体素子２２は入力及び出力端子３２，３４，３６，３８と共に、４つの圧電抵抗２４，２６，２８，３０を備えている。上記したように、検知圧電抵抗２４，２８は、半導体素子２２の中央に長く配置されている。それらの位置により、基準圧電抵抗２６，３０よりも半導体素子２２の歪みにより敏感となり、それは検知圧電抵抗が応力波に応じてより歪み易い半導体素子２２の領域をカバーしているからである。基準圧電抵抗２６，３０は、半導体素子２２の残りの領域であって、支持体２０があまり歪まない支持体２０の端部に近い側に配置されているので、半導体素子２２の歪みに鈍感である。基準圧電抵抗２６，３０は、検知圧電抵抗よりも大きなインピーダンスを有している。他の構造も可能である。４つの抵抗は全て同一のインピーダンスを有するか、あるいはそれらのインピーダンスはセンサからの読取りにより良く適用できまたは分類できるように変えられる。半導体素子２２の各端子３２，３４，３６，３８は、入力だけ、出力だけ、或いは双方向の両方のような指定されたデータの流れを有している。入力及び出力端子３２，３４，３６，３８は、ＰＣＢ，マイクロプロセッサ或いはコネクタなどの様々な装置に接続されるように構成されている。
【００３０】
図６は、図１及び図２に示されているセンサ１０が自動車に取り付けられた図を示している。センサ１０及び自動車６０の構成部分は縮尺通りには記載していない。明確化のために、センサ１０は、ハウジング１２、接続されたＡＳＩＣ４０及びＰＣＢ４２、更にはコネクタ１８無しで記載している。自動車６０はサイドシル６２とＢピラー６３を両側に備えている。サイドシル６２は自動車６０が進む方向の面と平行に配置されており、側部ドアと窓を支持している。Ｂピラー６３はサイドシル６２に取り付けられ、自動車６０の屋根に向かって上方に突出している。Ｂピラー６３は自動車の屋根に沿って取り付けられるか、或いは単純に延びて屋根に接続されている。センサ１０はＢピラー６３に取り付けられているように示されている。単一のセンサ１０が自動車６０の側部であって運転席６４の隣に位置して取り付けられているように示されているが、これは単に図示するだけの目的のためである。実際の使用において、自動車６０の各側部にセンサ１０が設けられている。センサ１０は応力波を伝達できるサイドシル６２、屋根或いは他の支持フレームなどの他の構造物に取り付けてもよい。マウント１４，１６は、ネジ７０，７２でＢピラーに取り付けられている。以前示したように、ネジ７０、７２は、ボルト、リベット或いは他の固定具で置き換えることができる。マウント１４，１６は、Ｂピラー６３に半田付け或いは溶接してもよい。マウント１４，１６の組成或いは位置に応じて他の構造も可能であり、その構造物にマウント１４，１６が取り付けられる。
【００３１】
一旦センサ１０がＢピラー６３に取り付けられれば、Ｂピラーを伝わる全ての応力波はセンサ１０に伝達される。応力波は、Ｂピラー６３からマウント１４，１６を通って支持体２０に伝わる。支持体２０は応力波の振幅、周波数或いはその他の特性に従って歪み、これにより支持体２０に取り付けられた半導体素子２２を歪ませる。半導体素子２２の歪みにより、圧電抵抗２４，２６，２８，３０の抵抗値は変化する。圧電抵抗２４，２６，２８，３０の抵抗値の変化は、自動車６０のＢピラー６３に存在している応力を監視するＡＳＩＣ或いはその他の装置によって処理される。圧電抵抗２４，２６，２８，３０の抵抗値の変化は、シートベルトやエアバッグなどの安全拘束具の起動を必要とする衝突や事故を知らせることができる。
【００３２】
図７は、自動車６０のＢピラー６３へセンサ１０を取り付けた場合の後方から見た図である。運転席６４と平行で近接して配置されたＢピラーを支持するサイドシル６２が示されている。センサ１０はネジ７０でＢピラー６３に取り付けられているのが図示されている。センサ１０を他の端部に取り付けるのに他のネジが使用されるが、図示は省略する。
【００３３】
図８−９は応力波によって歪んでいるセンサ１０の支持体２０を示している。一点鎖線は支持体２０が実線で示す当初の位置から歪んでいる状態を示している。説明のために、支持体２０はハウジング１２、半導体素子２２、ＡＳＩＣ４０及びＰＣＢ４２更にはコネクタ１８無しで示している。応力波は、支持体２０をセンサ１０の上方か或いは下方へ向けてＵ字状に歪ませる。
【００３４】
図１０に示されるように、支持体２０が歪むと、取り付けられた半導体素子２２も同じように歪む。半導体素子２２は圧電抵抗２４，２６，２８、３０を備えており、これらも半導体素子２２とともに歪む。図１０に示すように、検知圧電抵抗２４，２８は、その位置及び寸法から、基準圧電抵抗よりも大きく歪む。支持体２０は長さ方向にＵ字状に曲がるので、基準圧電抵抗２６，３０は歪まないのに、検知圧電抵抗２４，２８は歪む。検知圧電抵抗２４，２８が歪むとき、検知圧電抵抗２４，２８の材料の物理的変化に起因して、関連するインピーダンスが変化する。ＡＳＩＣ４０（図示略）は、安全機構が適当なときに起動できるように、検知圧電抵抗２４，２８のインピーダンスの変化を監視できる。
【００３５】
自動車６０の側面に沿った何れかの点で事故が生じた場合、事故の衝撃は自動車の構造物５０を通して取り付けられたセンサに応力波を進行させる。もし自動車６０の構造物が一体的なもの或いは単一のものである場合、単一のセンサが自動車のあらゆる場所の衝撃を検知するのに用いられる。しかし、応力波の伝達距離そして伝達時間をも低減するために、自動車６０の両側に沿ってセンサを設置するのが望ましい。そのような構成は、システムの応答時間も向上させる。自動車の両側でセンサを用いることは、応力波が短い距離を移動することになるので、各センサの感度および精度も向上させる。このことは、応力波が通過する全体時間及び全体の材料を低減する。応力波の特性として、時間経過及び様々な媒体を通過することによって消滅してしまう。支持体２０は、応力波はそこを通過した後に元の形状に戻る。激しい事故或いは衝突において、支持体２０は所定箇所が歪んでしまうかもしれず、そこでは歪んだ形状が維持されてしまう。この場合、自動車を再度使用する前に修理が必要となるような損傷が自動車に生じるかもしれず、この状況ではセンサも同様に修理が必要となる。
【００３６】
いくつかの実施形態において、センサは複合型衝撃センサを提供するために、異なる検知原理の他のセンサと組み合わされる。単一の複合型センサで異なる変化を検知する２つの異なるセンサの組み合わせは、自動車の衝撃を検知する上でその範囲、精度及び効率を向上させる。
【００３７】
図１１は例示的な複合型センサ７５を示している。複合型センサ７５は、センサ１０と圧力センサ８０とを含んでいる。いくつかの実施形態において、圧力センサ８０はＰＣＢ４２に取り付けられ、衝撃の際に生じるドア空間内の圧力変化を測定するように構成されたドア空間圧力センサを含んでいる。圧力センサ８０は、１つ又はそれ以上の微細加工されたシリコンドア空間圧力センサ(silicon door cavity pressure sensor)を備えており、これは数ある中でアナログデバイス＆モトローラ(Analog Device & Motorola)社によって製造されている。ドア空間圧力センサは従来からよく知られており、従って、詳しくは説明しない。圧力センサ８０はまた、ＡＳＩＣ、入力／出力端子などのような他の構成要素を備えている。
【００３８】
図１１に示すように、センサ１０及び圧力センサ８０はハウジング１２内に収容されている。圧力センサ８０が圧力変化を測定するために、ハウジング１２は開口部８２を備えている。開口部８２は、衝撃による圧力変化と関係の無い湿度や他の空気特性の変化による圧力変化を制限若しくは避けるように構成されている。
【００３９】
図１２は他の例示的な複合型センサ８５を示している。複合型センサ８５はセンサ１０と加速度センサ９０とを備えている。一実施形態において、加速度センサ９０はＰＣＢ４２に取り付けられ、自動車あるいは他の対象物の加速度及び減速度を測定するように構成された加速度計を備えている。加速度センサ９０も、数ある中で同様にアナログデバイス＆モトローラ(Analog Device & Motorola)社によって製造される１又はそれ以上の微細加工シリコン加速度センサを備えている。加速度センサは従来技術でよく知られており、従ってここでは詳述しない。加速度センサ９０はまた、ＡＳＩＣ、入力／出力端子などのような他の構成要素を備えている。図１２に示すように、センサ１０及び加速度センサ９０も、ハウジング１２内に収容されている。
【００４０】
複合型センサ７５，８５は早期衝撃検知を実現でき、センサ１０及び５３について説明したように、単一の複合型センサ７５又は８５は自動車の全側面に沿った衝撃を検知することができる。複合型センサ７５，８５の二重検知特性は、一方のセンサが他方のセンサの動作を重複検査できるので、より正確な衝撃検知を実現できる。例えば、センサ１０が対応する衝撃を示す応力波を検出していない状態で、もし圧力センサ８０又は加速度センサ９０が衝撃を示すような圧力変化或いは大きな減速度のような特徴を検出した場合、座席ベルト引張手段やエアバッグのような安全装置は起動しない。多重検知特性は、安全装置を必要とする場合或いはそうすることが安全な場合に起動するような、フェ−ルセーフ機能を提供する。
【００４１】
複合型センサ７５，８５は、多重センサ１０と多重圧力センサ８０及び／又は加速度センサ９０を備えていることは理解するべきである。複合型センサ７５，８５は、圧力センサ８０及び／又は加速度センサ９０に置き換えて或いは加えて、他の形式のセンサそ含んでもよい。例えば、複合型センサ７５，８５は、自動車への衝撃を検知するために、速度センサ、ブレーキセンサ、操舵輪センサ、変速機センサなどを備えている。センサ１０は他の構成と共に上記したようにセンサ５２で置き換えてよい。圧力センサ８０及び加速度センサ９０は、センサ１０の異なる場所に配置してもよい。例えば、圧力センサ８０又は加速度センサ９０は個別のＰＣＢ（図示略）に取り付けるようにしてもよい。圧力センサ８０のためのハウジング１２の開口部８２は、様々な位置に配置でき様々な構造も可能である。
【００４２】
センサ１０は追加の複合型センサを作るために、ほかの応力波センサに置き換えてもよい。図１３，１４は複合型センサをそれぞれ前方から及び上方から見た図を示している。複合型センサ９５は上記したように圧力センサ８０備え、更に電歪センサ１００も備えている。本発明の実施形態で有用な電歪センサは、サウスウェスト・リサーチ・インスティチュート(Southwest Research Institute)社によって製造されたセンサであり、これらは米国特許第５，４５６，１１３及び５，７６７，７６６号明細書に記載されている。電歪センサは、磁化変化を検知することによって、構造物を進行する応力波を検知するように構成されている。電歪センサは、構造物の応力又は張力を能動的或いは受動的に検知することができる。能動型電歪センサは構造物へ特定の性質の応力波を導き、構造物における割れやひびによる応力波の変化及び／又は反射を検知することができる。導入された応力波の変化は、センサの受信コイルによって検知できる磁束の変化を生じさせる。受動型電歪センサは、センサの受信コイルによって検知できる磁束の変化の原因となる構造物のひび、損傷、衝撃、或いは振動によって引き起こされる応力波を監視する。上記センサ１０，５２に対して説明したように、電歪センサ１００は、それらが衝撃が生じた点に直接配置されていない場合でさえ、素早く効率的に衝撃を検知することができる。広い範囲にわたって衝撃を感知する能力は、衝撃監視システムに使用されるべき電歪センサの数を少なくすることが可能である。自動車で使用される場合、自動車の全体側面に沿った衝撃を検知するために、単一の電歪センサ１００を自動車の各側面に用いればよい。圧力センサ８０のような独立のセンサと対になって、独立のセンサによって電歪センサ１００の動作は検証或いは二重検査することができる。独立のセンサは電歪センサに対してフェ−ルセーフ機能を提供し、これは不必要に展開した場合には怪我や損傷の原因となるような安全装置が、必要なときだけ起動して一度だけ展開するようにする。
【００４３】
電歪センサ１００及び圧力センサ８０はハウジング１０８内に収容されている。ハウジング１０８は圧力センサ８０のための開口部１０９も備えている。ある実施形態において、ハウジング１０８はプラスチックのような絶縁材料から構成されている。ハウジング１０８はアルミニウムから構成してもよい。
【００４４】
電歪センサ１００、圧力センサ８０及び／又は加速度センサ９０は、ハウジング１０８の内部を満たす詰め物材料（図示略）によって固定されている。電歪センサ１００と圧力センサ８０は、支持体１０２に取り付けてもよい。支持体１０２は、磁力の変化に付随して変化する物理的及び／又は寸法的変化の原因となる電歪特性を有する強磁性材料から構成してもよい。支持体１０２を進行する応力波は、電歪センサ１００によって検知できる磁束の変化を引き起こす。
【００４５】
ハウジング１０８は２つのマウント１０４，１０６を備えている。マウント１０４，１０６の突起は、自動車のフレームのような応力監視を求められる構成部分或いは構造物に取り付けられるべき複合型センサ９５のための機構である。マウント１０４，１０６はまた、支持体１０２が存在している場合には延びて支持体１０２に接続される。
【００４６】
マウント１０４，１０６は、構成部分を進行する応力波が複合型センサ９５に伝達されるように、構成部分或いは構造物へのインターフェースとして使用される。複合型センサ９５のマウント１０４，１０６は、自動車の金属フレーム或いは構造物の支持梁に取り付けることができる。ある実施形態において、複合型センサ９５は、圧力センサ８０と共に内部ドアパネルに取り付けられるか或いはドア空洞に面する開口部１０９に取り付けられる。複合型センサ９５は、侵入し或いは衝突してくる物に対するドアの剛性を高めるために一般的にドアパネルに設けられる強化梁に取り付けてもよい。代替的には、マウント１０４，１０６はネジ、ボルト或いはリベットなどで構成部分に取り付けることができるスタッドである。
【００４７】
複合型センサ９５は、センサの測定値や検出値を制御ユニットへ伝達するために使用されるコネクタ１１０も備えており、この制御ユニットは複合型センサ９５によって集められたデータを元に装置や機構を起動する。
【００４８】
図１５，１６は他の例示的な複合型センサ１１５を前方及び上方からそれぞれ見た図を示している。複合型センサ１１５は、電歪センサ１００及び加速度センサ９０を備えている。複合型センサ９５について説明したように、電歪センサ１００及び加速度センサ９０の位置は、詰め物材料によって或いは電歪センサ１００と加速度センサ９０を支持体１０２に取り付けることによって、固定される。電歪センサ１００と加速度センサ９０は、マウント１０４，１０６を備えるハウジング１０８内に収容されている。
【００４９】
複合型センサ９５，１１５は、多重電歪センサ１００と、多重圧力センサ８０及び／又は加速度センサ９０とを備えていることは理解するべきである。電歪センサ１００、圧力センサ８０及び加速度センサ９０は、様々な構成で配置される。それぞれ図１３，１５において、電歪センサ１００は圧力センサ８０及び加速度センサ９０の隣に記載されているが、他の構成も可能である。ある実施形態において、圧力センサ８０又は加速度センサ９０は電歪センサ１００の上に配置される。各センサは、複合型センサ９５，１１５の寸法を低減するために、お互い上下に配置してもよい。各センサは、個別の支持体或いは構成部分に配置してもよい。圧力センサ８０のためのハウジング１０８の開口部１０９は、様々な場所に配置しても良いし、様々な構造を有してもよい。
【００５０】
複合型センサ９５，１１５は、電歪センサ１００、圧力センサ８０及び／又は加速度センサ９０に加え、或いはこれに置き換えて他の形式のセンサを備えてもよいことは理解するべきである。ある実施形態において、音響波センサが電歪センサ１００に置き換わって使用される。音響波センサは構成部分を進行する音響波の特徴を検出する。構成部分が変形されている場合（例えば、衝突の際の曲げ或いはへこみ）、音響波は異なった態様で構成部分を進行する。構成部分を進行する音響波の検知された変化は、構造物の変形及び衝撃が発生したかどうかを検知するのに使用される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態の上面図である。
【図２】図１に開示された例示的実施形態の前面図である。
【図３】本発明の第２の例示的実施形態の上面図である。
【図４】図３に開示された第２の例示的実施形態の前面図である。
【図５】図１−３に開示された実施形態で使用するのに適した半導体素子の概略図である。
【図６】自動車構造物に取り付けられた図１のセンサの上面図である。
【図７】自動車構造物に取り付けられた図１のセンサの背面図である。
【図８】支持体内を進行する応力波によって図１のセンサの支持体が曲がるときの例示的方向を示す図である。
【図９】支持体内を進行する応力波によって図１のセンサの支持体が曲がるときの例示的方向を示す図である。
【図１０】支持体内を進行する応力波によって曲がる図１のセンサの支持体及び半導体素子を示す図である。
【図１１】本発明の例示的実施形態の上面図である。
【図１２】本発明の他の例示的実施形態の上面図である。
【図１３】本発明の他の例示的実施形態の前面図である。
【図１４】図１３に開示された例示的実施形態の上面図である。
【図１５】本発明の更に他の例示的実施形態の前面図である。
【図１６】図１５に開示された例示的実施形態の上面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【外国語明細書】
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