JP2005172836A - 信号の対称的な制限を有するセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ信号の非対称的な制限により生じうる信号の誤りを防ぐことのできるセンサを提供する。
【解決手段】震動質量体と、少なくとも１つの機械的ストッパと、前記震動質量体の振れの検出及び電気信号への変換のための手段とを有するセンサであって、該センサの少なくとも１つの動作モードにおいて、振動中央位置に対する前記質量体の振れが前記ストッパにより非対称的に制限される形式のセンサにおいて、前記電気信号の最大値を制限するための手段が設けられており、前記制限が前記振動中央位置に関して対称に行われ、前記電気信号の最大値が前記ストッパによって定められる最小値よりも大きくないように構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、震動質量体と、少なくとも１つの機械的ストッパと、震動質量体の振れの検出及び電気信号への変換のための手段とを有するセンサであって、該センサの少なくとも１つの動作モードにおいて、振動中央位置に対する質量体の振れがストッパにより非対称的に制限される形式のセンサに関する。

自動車における加速度、とりわけエアバッグ制御装置における加速度はマイクロメカニカル慣性センサによって測定される。その際、差動コンデンサの原理が利用される。差動コンデンサにおいては、固体基準電極を備えた可動の震動質量体が２つの容量を形成する。加速度が質量体に作用すると、この質量体が振れ、容量が変化する。容量の差は、いわゆる容量電圧変換器（Ｃ／Ｕ変換器）である電子回路によって実質的に加速度に比例する電圧信号に変換される。容量を形成するこの可動構造とコンデンサ状構成は、通常はマイクロメカニカル構造（ＭＥＭＳ）として実現される。

ＭＥＭＳとして実施する場合の慣性センサの製造における問題は、固体電極の間に震動質量体を精確にセンタリングすることである。プロセスの不安定性のゆえに、通常は震動質量体の実際の位置は所望の中央位置からずれてしまう。このオフセットは、加速度の作用による質量体の振れに基づいているのではない容量性信号を生じさせる。この容量性信号はふつう電気回路により補償される。このために、センサのスイッチオン時にずれが電気的に測定され、動作中に連続的に出力信号から減算される。

通常動作モードでは、慣性センサの震動質量体は、加速度によって、所定の振幅及び部分的に高い周波数を有する運動を起こす。異常な動作状態、例えば、センサが震動質量体の予定された振れ方向において強い衝撃に晒される場合には、振幅が非常に大きくなることがありうる。電極の接触ひいては電気的崩壊を防ぐために、震動質量体の振れを制限する機械的ストッパが設けられている。震動質量体の静止位置又は振動中央位置がストッパ間の幾何学的中点からずれた状態では、センサ信号は非対称的に制限されることになり、ひいては誤りのある信号がセンサ出力側に生じる。

本発明の課題は、センサ信号の非対称的な制限により生じうる信号の誤りを防ぐことのできるセンサを提供することである。

震動質量体と、少なくとも１つの機械的ストッパと、前記震動質量体の振れの検出及び電気信号への変換のための手段とを有するセンサであって、該センサの少なくとも１つの動作モードにおいて、振動中央位置に対する前記質量体の振れが前記ストッパにより非対称的に制限される形式のセンサにおいて、前記電気信号の最大値を制限するための手段が設けられており、前記制限が前記振動中央位置に関して対称に行われ、前記電気信号の最大値は前記ストッパによって定められる最小値よりも大きくないように構成することにより解決される。

本発明は震動質量体と少なくとも１つの機械的ストッパとを備えたセンサに基づいている。このセンサは、振動質量体の振れの検出及び電気信号への変換のための手段を有している。振動中央位置に対する震動質量体の振れをストッパによって非対称的に制限する少なくとも１つのセンサ動作モードが存在している。

本発明の核は、電気信号の最大値を制限するための手段が設けられており、この制限が振動中央位置に関して対称に行われ、電気信号の最大値がストッパによって定められる最小値よりも大きくならないことにある。

本発明によるセンサは、信号の非対称的な制限を対称的な制限で代替することができるという利点を有している。所定の動作条件下、例えば、砂利や水飛沫の影響の下では、震動質量体の振れは、時間平均値が実質的に一定となるような周期的信号を示す。振れの制限が非対称的である場合には、平均値は変化してしまう。信号路に接続されたフィルタは、この変化した値を非常に大きな一定の加速度がセンサに作用しているものと解釈してしまう。これに対して信号が対称的に制限されれば、振動体がストッパで制限されていない場合と比べて、平均値が維持される。

本発明によるセンサの有利な実施形態では、震動質量体の振動中央位置の、幾何学的中点からのずれを求める手段がセンサに設けられている。原則的に、震動質量体の静止位置又は振動中央位置の、ストッパないし検出手段の間の幾何学的中点からのずれは、すでにセンサの製造後に測定してよい。しかしながら、経年劣化又は環境条件の変化によって、このずれは変化しうる。それにともなって、信号の時間平均値も高周波の大きな加速度の場合には変化しうる。信号の時間平均値をできるだけ精確に求めるため、時間平均値はセンサのスイッチオン時に求められる。そして、これを基にして、対称的な信号制限の限界が設定される。

さらに有利には、センサはマイクロメカニカルセンサとして形成されている。マイクロメカニカルセンサは、その構造及びその製造技術のゆえにプロセスの不安定性の結果として、外力による振れに関して所望の幾何学的中点からの震動質量体の静止位置又は振動中央位置の上述したずれを著しく有する。この場合、上記の対称的な信号補正が特に有効である。さらに、マイクロメカニカル構造、電気的センサ、及び超小型電子回路は有利には１つの共通の素子に集積される。

本発明によるセンサの１つの有利な実施形態では、振れを検出するための手段は電極として形成されている。なお、この検出手段は、とりわけ差動容量の原理に基づいた容量性測定センサである。これはマイクロメカニカル加速度センサ及び回転速度センサにおける振れの簡単かつ信頼性の高い測定原理である。可変容量の測定はこの容量に接続された電子評価回路によって実行され、得られた電気的測定値は簡単に処理される。

特に有利な実施形態では、電気信号の最大値を制限するための手段は電子評価回路である。電気信号の最大値の電気的制限は、有利には、電子評価回路によって容易に行われる。

１つの有利な実施形態においては、可変的に位置決め可能であるように実施された別のストッパが設けられている。制限手段は、この手段が少なくとも上記別のストッパを適切に位置決めし、その結果、振動質量体の振れが対称的に制限されるように設けられている。ストッパは、例えばピエゾ素子に電圧を印加することによって位置決めすることができる。

有利には、センサは慣性センサ、とりわけ、加速度センサ又は回転速度センサである。この種のセンサは車両内に設置され、特に衝突及び温度変化並びに多の環境的影響に関連した大きな負荷に晒される。

さらに別の有利な実施形態は従属請求項から得られる。

以下に記載された実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１には、従来技術による慣性センサが示されている。震動質量体１００はバネ１０３，１０４のシステムによって振動可能に吊されている。外力によって引き起こされる震動質量体１００の振れないし振動は方向１０７で生じる。質量体１００の可能な最大の振れは、この例では、２つの機械的ストッパ１０１及び１０２により制限される。この可動質量体１００は可動電極であり、２つの固体基準電極により２つの容量１０５及び１０６を形成する。容量１０５及び１０６は、方向１０７に沿った質量体の振れに応じて変化する。測定センサは差動容量の原理に従って動作する。容量１０５と１０６の差は、ここでは、容量電圧変換器（Ｃ／Ｕ変換器）１１０において実質的に加速度に比例する電圧信号１１１に変換される。電圧信号１１１はローパスフィルタ１１２においてフィルタリングされる。このローパスフィルタ１１２は、例えば、スイッチトキャパシタフィルタ（英語では、Ｓ／Ｃフィルタ−switched capacity filter）であってよい。フィルタリングされた電圧信号１１３は増幅段１１４において増幅される。センサ出力側には増幅された電圧信号１１５が現れる。基準電極の間の幾何学的中点からの震動質量体１００の振動中央位置のずれのゆえに、また別の電気的影響のゆえに、電圧信号１１５はセンサへの外部からの加速度がなくてもゼロではなく、オフセット（英語ではoffset）を有する。このオフセットはオフセット補償回路１１６によって補償される。このために、電圧信号１１５は補償回路１１６に供給される。センサ動作の開始時に、外部加速度のない状況でオフセットを求め、信号１１７を増幅器１１４に供給し、信号１１５がゼロに補償されるようにする。それゆえ、他の動作についてもセンサはオフセットに関してキャリブレーションされている。

図２Ａには、外部から高周波加振があるときの慣性センサの振動信号が示されている。振動信号は高周波加速度の結果として生じる。Ｘ軸には任意単位で時間がとられている。Ｙ軸にはＣ／Ｕ変換器１１０の出力側における電圧信号１１１がとられている。信号曲線２０３はセンサ素子１００が小さな振幅で高周波加振されている場合に生じる。これはセンサの第１の通常動作状態を表している。関数２０３は、震動質量体１００の振動中央位置を表す変曲点を有している。振動中央位置２１０はグラフのゼロ線０に対してオフセットを有している。ゼロ線０は基準電極間の幾何学的中点を表している。したがって、オフセット２００は基準電極間の幾何学的中点からの震動質量体１００の振動中央位置のずれに基づいている。直線２０１及び２０２は、ストッパ１０１及び１０２によって震動質量体１００の振れが制限された条件の下での関数２０３の可能な最大値を表している。図１によるセンサでは、オフセット２００ならびにローパスフィルタ１１２及び増幅器１１４からのさらなる電気的影響は補償素子１１６により補償され、低周波外部加速度が不在の場合にはフィルタリングされた信号１１５はゼロに等しい。

図２Ｂには、非対称的な信号制限が行われる慣性センサの振動信号の例が示されている。振動信号はセンサに作用する加速度によって外部から大きな振幅の高周波加振があった結果である。Ｘ軸には任意単位で時間がとられている。Ｙ軸にはＣ／Ｕ変換器１１０の出力側における電圧信号１１１がとられている。信号曲線２０４はセンサ素子１００が大きな振幅で高周波加振されている場合に生じる。このような大きな振幅は、例えば、数１００ｇまでの加速度によるセンサへの外部からの衝撃の影響によって生じる。このような加速度は、とりわけ、センサが取り付けられた車両への水飛沫又は落石の影響により生じる。これはセンサの第２の異常動作状態を表している。関数２０４も同様に、震動質量体１００の振動中央位置２１０を表す変曲点を有している。振動中央位置２１０も同じようにグラフのゼロ線０に対してオフセット２００を有している。関数２０４の振幅はストッパ１０１による最大の振れ２０５の領域では最大値２０１に制限される。実質的に周期的な関数２０４は、振動中央位置によって区別される２つの半波に分割される。第１の半波は、中央位置２１０と曲線２０４と最大値２０１の直線とによって区切られた面２０６を有している。第２の半波は、中央位置２１０と曲線２０４とによって区切られた面２０７を有している。振幅がさらに大きい場合には、面２０７は最大値２０２の直線によっても区切られる。しかしながら、この例では、最大値２０１の方へのオフセット２００のために、面２０６はつねに面２０７よりも小さい。したがって、関数２０４は非対称的に制限されており、この関数の時間平均値はもはやオフセット２００には一致しない。それゆえ、図１によるセンサでは、補償回路１１６によるオフセットの補償の際、信号１１５はゼロではない。したがって、規定に従って測定すべき加速度がセンサに作用していないにもかかわらず、加速度として解釈される信号が出力される。

図３には、対称的な電気的信号制限が行われる本発明による慣性センサの実施形態が示されている。図１によるセンサとは異なり、この実施例における本発明によるセンサは、変更Ｃ／Ｕ変換器１１０Ａと、信号１１１を電気的に制限するために使用される評価電子回路３００とを有している。このために、信号１１１は評価回路３００に供給される。スイッチオン後、評価電子回路３００において信号１１１からオフセット２００が求められ、記憶され、変更Ｃ／Ｕ変換器１１０Ａに供給すべき操作量３０１に変換される。変更Ｃ／Ｕ変換器１１０Ａの出力段においては、信号１１の可能な最大の正の振幅と負の振幅が信号中央位置２１０に対して対称であるように意図されている。最大振幅は調整可能にしてもよい。操作量３０１において表される信号中央位置２１０とこれに対して相対的な最大振幅とに基づいて、信号１１１がとりうる正及び負の絶対最大値が求められる。変更Ｃ／Ｕ変換器１１０Ａの出力段はこれに基づいて信号１１１を対称的に制限する。

図４には、対称的な電気的信号制限が行われる本発明による慣性センサの振動信号が示されている。Ｘ軸には任意単位で時間がとられている。Ｙ軸には変更Ｃ／Ｕ変換器１１０Ａの出力側における電圧信号１１１がとられている。信号曲線２０４はセンサ素子１００が大きな振幅で高周波加振されている場合に生じる。ここでは、信号曲線２０４は電気的な制限４０１及び４０２によって対称的に制限されている。これらの制限は信号１１１の可能な正及び負の最大振幅を表している。制限４０１及び４０２は信号中央位置２１０から同じ距離にあり、したがって面４０３及び４０４は同じ大きさである。電気的制限４０１及び４０２は機械的制限２０１及び３０２の内側に位置している。

図５には、対称的な機械的信号制限が行われる本発明による慣性センサの実施形態が示されている。図１によるセンサとは異なり、この実施例における本発明によるセンサは評価電子回路５００と、信号１１１を機械的に制限するために使用される変更された機械的ストッパ１０２Ａとを有している。センサ動作の開始時に、図１及び図２Ａに示されているようにオフセット２００の補償が行われる。その上、信号１１１は評価電子回路５００に供給される。例えば動作開始時のように外力の存在しないときには実質的にオフセット２００により決定される信号１１１から、評価電子回路５００は、例えば数学的関数又はメモリに格納されている数値テーブルを用いて操作量５０１を形成する。操作量５０１はアクチュエータ５０２へ導かれる。アクチュエータ５０２には、変更されたストッパ１０２Ａが固定されている。変更されたストッパ１０２Ａはアクチュエータ５０２によって操作量５０１に依存して位置５０３を調整される。アクチュエータ５０２は、震動質量体１００の駆動振動の振動方向１０７に沿って変更ストッパ１０２Ａを可変に位置決めするのに使用される。ストッパ１０２Ａをオフセット２００の関数として位置調整することにより、信号１１５の可能な最大振幅は機械的に対称的に制限される。

図６には、対称的な機械的信号制限が行われる本発明による慣性センサの振動信号が示されている。Ｘ軸には任意単位で時間がとられている。Ｙ軸には変更Ｃ／Ｕ変換器１１０の出力側における電圧信号１１１がとられている。信号曲線２０４はセンサ素子１００が外力によって大きな振幅で高周波加振されている場合に生じる。ここでは、信号曲線２０４は機械的ストッパ１０１によって最大値２０１に、変更された機械的ストッパ１０２Ａによって最大値６０１に対称的に制限されている。この対称的制限は最大値２０２のシフトによって最大値６０１まで達する。関数２０４の可能な最大振幅のこのシフトは機械的ストッパ１０２Ａの位置５０３のシフトの表現である。これらの制限は信号１１１の可能な正及び負の最大振幅を表している。制限２０１及び６０２は信号中央位置２１０から同じ距離にあり、したがって面４０３及び４０４は同じ大きさである。電気信号１１１の最大値２０２及び６０１は機械的ストッパにより定められる値と同じである。

従来技術による慣性センサを示す。

外部から高周波数の加振があるときの慣性センサの振動信号を示す。

非対称的な信号制限が行われる慣性センサの振動信号を示す。

対称的な電気式の信号制限が行われる本発明による慣性センサの実施形態を示す。

対称的な電気式の信号制限が行われる本発明による慣性センサの振動信号を示す。

対称的な機械式の信号制限が行われる本発明による慣性センサの実施形態を示す。

対称的な機械式の信号制限が行われる本発明による慣性センサの振動信号を示す。

Claims (7)

1. 震動質量体（１００）と、
   少なくとも１つの機械的ストッパ（１０１）と、
   前記震動質量体（１００）の振れの検出及び電気信号（１１１）への変換のための手段（１０５，１０６，１１０）とを有するセンサであって、該センサの少なくとも１つの動作モードにおいて、振動中央位置（２１０）に対する前記質量体（１００）の振れが前記ストッパ（１０１）により非対称的に制限される形式のセンサにおいて、
   前記電気信号（１１１）の最大値（４０１，４０２）を制限するための手段が設けられており、
   前記制限が前記振動中央位置（２１０）に関して対称に行われ、前記電気信号（１１１）の最大値が前記ストッパ（１０１）によって定められる最小値よりも大きくない、ことを特徴とするセンサ。
2. 前記検出手段（１０５，１０６）間の幾何学的中点からの前記震動質量体（１００）の振動中央位置（２１０）のずれを求める手段が設けられている、請求項１記載のセンサ。
3. マイクロメカニカルセンサとして形成された、請求項１記載のセンサ。
4. 振れを検出するための前記手段（１０５，１０６）が電極として形成されており、該電極はとりわけ差動容量の原理に基づいた容量性測定センサである、請求項１記載のセンサ。
5. 電気信号（１１１）の最大値（４０１，４０２）を制限するための前記手段が、電気信号（１１１）の最大値（４０１，４０２）を電気的に制限する電子評価回路（３００）である、請求項１記載のセンサ。
6. さらに別のストッパ（１０２Ａ）が設けられており、前記制限手段は、前記質量体（１００）の振れ（１０７）が対称に制限されるように、少なくとも当該の別のストッパ（１０２Ａ）を位置決めする、請求項１記載のセンサ。
7. 前記センサは慣性センサ、とりわけ、加速度センサ又は回転速度センサである、請求項１記載のセンサ。

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