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Dokumentenidentifikation DE102007029764A1 03.01.2008
Titel Vorrichtung und Verfahren zur Sensierung einer gerichteten physikalischen Größe
Anmelder Conti Temic microelectronic GmbH, 90411 Nürnberg, DE
Erfinder Weichenberger, Lothar, 83339 Chieming, DE;
Küblbeck, Hermann, 86529 Schrobenhausen, DE;
Lämmle, Alexander, 86529 Schrobenhausen, DE;
Fendt, Günter, 86529 Schrobenhausen, DE
DE-Anmeldedatum 23.06.2007
DE-Aktenzeichen 102007029764
Offenlegungstag 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse G01P 15/08(2006.01)A, F, I, 20070623, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B60R 21/0136(2006.01)A, L, I, 20070623, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Sensierung einer gerichteten physikalischen Größe mit mindestens einem Sensorelement (1.1), das eine bevorzugte Empfindlichkeitsrichtung für die einwirkende gerichtete physikalische Größe und einen Nutzsignal- und einen Überlastbereich aufweist, wobei die Vorrichtung (1) derart eingestellt werden kann, dass ein gewünschter Effekt des Sensorelement-Ausgangssignals (3.1, 3.2) bezüglich des Nutzsignal- und Überlastbereichs gezielt herbeigeführt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sensierung einer gerichteten physikalischen Größe gemäß Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 10.

Häufig werden beispielsweise bei Sicherheitssystemen für Kraftfahrzeuge, insbesondere bei Insassenschutzsystemen so genannte Assistenzsensoren, beispielsweise Seiten- oder Up-Front-Sensoren eingesetzt, um möglichst frühzeitig und exakt eine bestimmte Crashsituation zu erkennen. Derartige Sensoren enthalten meist neben einem Sensorelement, das eine gerichtete physikalische Größe wie beispielsweise eine Krafteinwirkung oder Beschleunigung erfasst und in eine elektrische Spannung wandelt, eine Signalverarbeitungselektronik, die ausgebildet ist, die vom Sensorelement erzeugte elektrische Spannung für eine nachfolgende Verarbeitung, beispielsweise mit einem Crashalgorithmus aufzubereiten, und daher auch häufig als Signalaufbereitung bezeichnet wird. Durch die Aufbereitung wird die elektrische Spannung meistens in ein Signal eines vorgegebenen Wertebereichs abgebildet, um eine zuverlässige Weiterverarbeitung sicherzustellen.

Problematisch ist bei den Assistenzsensoren allerdings, dass sie schnell in den sogenannten Überlastbereich gelangen, da sie sich in der Regel in unmittelbarer Nähe der bei einem Zusammenstoß auftretenden Krafteinwirkung befinden. Die auf das Sensorelement einwirkende physikalische Größe kann daher innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne nach einem Zusammenstoß sehr hohe Werte annehmen. Unter Überlastbereich wird hier ein Bereich verstanden, in dem die auf ein Sensorelement einwirkende physikalische Größe einen Wert aufweist, der außerhalb von Verarbeitungsgrenzen der Signalverarbeitungselektronik liegt, d.h. nicht mehr in ein Signal des vorgegebenen Wertebereichs abgebildet werden kann, da er zu groß ist.

Das vom Sensor im Überlastbereich erzeugte Signal weist daher Beschneidungen und Verzerrungen auf, die eine sinnvolle Weiterverarbeitung beispielsweise in einem Crashalgorithmus be- oder sogar ganz verhindern. Ein Offsetfehler eines Sensorelements kann zudem bewirken, dass noch schneller ein Signal in den Überlastbereich gerät, da der Fehler in der vom Sensorelement erzeugten elektrischen Spannung eine Unsymmetrie bewirkt. In der Praxis können aufgrund eines derartigen Offsetfehlers unsymmetrische Beschneidungen und Verzerrungen entstehen, die eine erhebliche Fehleinwirkung auf die nachfolgenden Verarbeitungseinheiten bewirken können.

Es ist also sowohl ein Offset des gemessenen Signals selbst als auch eine Unsymmetrie in den Maximalwerten in positive bzw. negative Signalrichtung zu betrachten. Am Beispiel eines Beschleunigungssignals kann dieses also beispielsweise einen Offset von +5g permanent sowie eine Unsymmetrie in den Maximalgrenzen von bspw. +150g zu –120g aufweisen, was bedeutet, dass hohe negative Werte früher begrenzt würden als hohe positive Werte.

Bei im Wesentlichen gleichbleibend gerichteten Signalen ergibt sich durch diese beiden Fehlermöglichkeiten zwar auch ein im Betrag etwas verfälschtes Signal, was aber durch einsprechend angepasste Auslöseschwellen ausgeglichen werden kann. Liegen jedoch schwingende Signale vor, wie dies beispielsweise bei Erschütterungen am Sensor durch Hammerschlag, Fahrbahnunebenheiten und vergleichbare Fälle der Fall ist, so geht man theoretisch bei idealen Sensoren davon aus, dass sich die Schwingungsanteile im Mittel wechselseitig eliminieren. Liegen jedoch ein Offset am Signal und/oder eine Unsymmetrie der oberen Grenzen vor, so können sich die positiven und negativen Schwingungsanteile nicht mehr ausreichend kompensieren und es kommt zu einer Drift hin zu einer Signalrichtung.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Sensierung einer gerichteten physikalischen Größe vorzustellen, mit denen Applikationen zu realisieren sind, bei welchen neben dem typischen Nutzsignalbereich auch sporadisch Störgrößen im Überlastbereich auftreten, wobei die Überlast den Nutzbereich überschreitet.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Sensierung einer gerichteten physikalischen Größe mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht nun darin, die Möglichkeit der Herbeiführung eines unsymmetrischen Zustandes derart zu nutzen, dass bestimmte gewünschte Effekte im Falle einer Überlast gezielt herbeigeführt werden können, insbesondere eine definierte Driftrichtung im Ausgangssignal eines Sensorelement vorgegeben wird, welche erkannt werden kann. Mit der Herbeiführung einer bewussten geringfügigen Unsymmetrie wird in der Applikation der Vorteil erreicht, dass im Überlastfall ein definiertes Verhalten vorherbestimmt werden kann, welches bei einem angestrebten zu-Null-Abgleich (infolge der verbleibenden Toleranzen) nicht ganz eindeutig möglich ist. Mit der Herbeiführung einer bewussten geringfügigen Unsymmetrie kann somit eindeutig die Richtung der Driftabweichung im Überlastbereich festlegt werden, wobei das nachfolgend beschriebene Sicherheits-Konzept ermöglicht wird.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist nun eine Vorrichtung zur Sensierung einer gerichteten physikalischen Größe mit mindestens einem Sensorelement vorgesehen, das eine bevorzugte Empfindlichkeitsrichtung für die einwirkende gerichtete physikalische Größe und einen Nutzsignal- und einen Überlastbereich aufweist, wobei die Vorrichtung derart eingestellt werden kann, dass ein gewünschter Effekt des Sensorelement-Ausgangssignals bezüglich des Nutzsignal- und Überlastbereichs gezielt herbeigeführt wird. Ein typisches Beispiel eines Sensorelements mit einer bevorzugten Empfindlichkeitsrichtung ist ein Beschleunigungssensor, wie er in einem zentralen Steuergerät eines Airbagsteuergeräts eingesetzt wird. Üblicherweise werden solche Sensorelemente derart in Bezug auf die Längsachse eines Fahrzeugs ausgerichtet, dass sie nicht nur einen Front- oder Heck-Crash, sondern auch einen Seitenaufprall detektierten können. Durch die Möglichkeit der gezielten Einstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann nun bewirkt werden, dass beispielsweise ein Hammerschlag im Seitenbereich eines Fahrzeugs als sporadische Störgröße nicht als ein Seitencrash detektiert wird. Dadurch kann die Gefahr von Fehlfunktionen insbesondere eines Fahrzeugsicherheitssystems wie ein Insassenschutzsystem in einem Fahrzeug wesentlich verringert werden.

Die Einstellung kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dadurch erfolgen, dass als das mindestens eine Sensorelement ein Sensorelement mit einem vorgegebenen Offset eingesetzt wird und/oder eine Verarbeitungseinrichtung für das Ausgangssignal des mindestens einen Sensorelements derart konfiguriert ist, dass der gewünschte Effekt des Sensorelement-Ausgangssignals bezüglich des Nutzsignal- und Überlastbereichs gezielt herbeigeführt wird. Beispielsweise kann ein gezielt „verstimmter" Beschleunigungssensor verwendet werden, der eine Driftrichtung seines Ausgangssignals bei Überlast in eine bestimmte Richtung aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der „Offset" bzw. die „Verstimmung" auch in die Vorrichtung „programmiert" sein, beispielsweise in einen Algorithmus zum Verarbeiten des Ausgangssignals des Sensorelements.

Die Vorrichtung kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ferner derart eingestellt werden, dass das mindestens eine Sensorelement eine Unsymmetrie seines Ausgangssignals bezüglich des Nutzsignal- und Überlastbereichs derart aufweist, dass das Ausgangssignal eine vorgegebene Driftrichtung im Falle einer Überlast des mindestens einen Sensorelements besitzt. Mit der vorgegebenen Driftrichtung kann beispielsweise eingestellt werden, dass die Sensorelemente eines zentralen Steuergeräts „unempfindlicher" auf einen vermeintlichen Seitencrash aufgrund eines Hammerschlags reagieren. Oder es wäre möglich, die vorgegebene Driftrichtung derart zu wählen, dass der Nutzsignalbereich eines Sensorelements in eine bestimmte Richtung vergrößert wird.

Wie bereits oben erwähnt kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das mindestens eine Sensorelement ein Beschleunigungssensor sein, der eine Empfindlichkeitsachse für die bevorzugte Empfindlichkeitsrichtung besitzt. Selbstverständlich ist die Erfindung mit jedem Sensorelement geeignet, das eine Empfindlichkeitsachse besitzt, also gerichtete physikalische Größen wie Kräfte erfassen kann.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können zwei Beschleunigungssensoren vorgesehen sein, die derart zueinander angeordnet sind, dass ihre Empfindlichkeitsachsen in einem Winkel von etwa 90 Grad zueinander stehen. Beispielsweise kann es sich um zwei Beschleunigungssensoren handeln, die zur Erfassung von gerichteten physikalischen Größen in einer bestimmten Ebene vorgesehen sind.

Die Erfindung betrifft gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Steuergerät für ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Sensierung einer gerichteten physikalischen Größe mit mindestens einem Sensorelement gemäß der Erfindung.

Ferner sieht die Erfindung in einer weiteren Ausführungsform eine Sicherheitseinrichtung für ein Fahrzeug vor, insbesondere eine Insassenschutzeinrichtung, die eine Vorrichtung zur Sensierung einer gerichteten physikalischen Größe mit mindestens einem Sensorelement gemäß der Erfindung umfasst.

Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug mit einer Sicherheitseinrichtung nach der Erfindung vorgesehen, wobei die Vorrichtung zur Sensierung einer gerichteten physikalischen Größe zwei im Fahrzeug etwa zentral angeordnete Sensorelemente aufweist und derart eingestellt ist, dass das Ausgangssignal jedes Sensorelements eine vorgegebene Driftrichtung im Falle einer Überlast eines Sensorelements aufweist.

Bei dem Fahrzeug können gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur Sensierung eines Seitencrashes an den Fahrzeugseiten angeordnete seitliche Sensorelemente vorgesehen sein und die Sicherheitseinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass die Signale der seitlichen Sensorelemente mit den Signalen der zentral angeordneten Sensorelemente und/oder umgekehrt plausibilisiert werden.

Schließlich betrifft eine Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zur Sensierung einer gerichteten physikalischen Größe mit mindestens einem Sensorelement, das eine bevorzugte Empfindlichkeitsrichtung für die einwirkende gerichtete physikalische Größe und einen Nutzsignal- und einen Überlastbereich aufweist, wobei Einstellungen derart vorgenommen werden, dass ein gewünschter Effekt des Sensorelement-Ausgangssignals bezüglich des Nutzsignal- und Überlastbereichs gezielt herbeigeführt wird.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.

In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.

Die Zeichnungen zeigen in

1 eine prinzipielle Darstellung eines Fahrzeugs mit einem zentral angeordneten Steuergerät, das zwei gerichtete Beschleunigungsaufnehmer aufweist;

2a eine prinzipielle Darstellung eines Fahrzeugs mit einem zentral angeordneten Steuergerät, das zwei in Fahrzeugrichtung nach vorne gerichtete Beschleunigungsaufnehmer aufweist, wobei eine gezielte Vorgabe einer Unsymmetrie der einzelnen Sensoren erfolgt;

2b eine prinzipielle Darstellung eines Fahrzeugs mit einem zentral angeordneten Steuergerät, das zwei in Fahrzeugrichtung zur rechten Seite hin gerichtete Beschleunigungsaufnehmer aufweist, wobei eine gezielte Vorgabe einer Unsymmetrie der einzelnen Sensoren und eine Plausibilisierung der Ausgangssignale der Sensoren mit Frontsensoren erfolgt;

2c eine prinzipielle Darstellung eines Fahrzeugs mit einem zentral angeordneten Steuergerät, das zwei in Fahrzeugrichtung zur rechten Seite hin gerichtete Beschleunigungsaufnehmer aufweist, wobei eine gezielte Vorgabe einer Unsymmetrie der einzelnen Sensoren und eine Plausibilisierung der Ausgangssignale der Sensoren mit Seitensensoren erfolgt;

3 das Prinzip einer aus dem Stand der Technik bekannte Signalaufbereitungskette für das Ausgangssignal eines Sensorelements;

4 das Prinzip einer Signalaufbereitungskette gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

5 die Auswirkung einer unsymmetrischen Begrenzung des Nutzsignalbereichs eines Sensorelements anhand des beispielhaften Verlaufs der Messung des Ausgangssignals des Sensorelements; und

6 ein Ausführungsbeispiel eines kapazitv-elektrischen C/V-Wandlers gemäß der Erfindung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen aus dem Bereich der Beschleunigungssensierung für die Steuerung von Insassenschutzeinrichtungen beschrieben, wobei die hierin offenbarte technische Lehre auch auf andere Anwendungsgebiete und Sensoren übertragbar ist.

Die heutigen Insassenschutzsysteme sind derart konzipiert, dass diese Crash-Szenarien abdecken, bei welchen die Richtung des Zusammenstosses kaum eine Rolle spielt. So sind die Algorithmen und Sensoranordnungen der Insassensysteme derart realisiert, dass diese den Insassen sowohl bei einem Front-, Heck- oder Seitencrash entsprechend schützen.

Bei der Signalerfassung bei einem Front- oder Heckcrash werden in der Regel die Beschleunigungssignale zur Auswertung herangezogen, die von den zentral im Zentralsteuergerät befindlichen Sensoren erfasst werden, wohingegen bei einem Seitencrash zusätzliche Seitensatelliten zum Einsatz gebracht werden, um möglichst schnelle Auslösezeiten aufgrund der so gut wie nicht vorhandenen Knautschzone im Seitenbereich zu erlangen, wobei zur Absicherung der Auslöseentscheidung die Signale der ausgelagerten Assistenzsensoren mit den Signalen der im Zentralgerät befindlichen Sensoren und/oder umgekehrt plausibilisiert werden.

Durch die Plausibilisierung der Signale, die von den ausgelagerten Assistenzsensoren sowie der Sensoren im Zentralgerät stammen, ist bei einem Seitencrash sichergestellt, dass immer Signale beteiligt sind, die von zwei unterschiedlichen Einbauorten stammen, so dass sich eine „mechanische Störung" wie beispielsweise ein Hammerschlag an einer Stelle an der Karosserie nicht gleichzeitig auf alle zur Auslösung erforderlichen Sensoren auswirken kann.

Durch die erfindungsgemäße Herbeiführung eines bewussten unsymmetrischen Zustandes bzw. unsymmetrischen „Abgleichs" z.B. der physikalischen Ablenkbarkeit des eigentlichen Sensorelements der beteiligten Sensoren im Zentralsteuergerät kann erreicht werden, dass der Algorithmus anhand der Sensorsignale im Überlastfall eine definierte erkennbare Situation, beispielsweise auf einen Seitencrash, detektiert, wobei jedoch keine ungewollte Auslösung zustande kommen kann, da die zur Auslösung erforderlichen Plausibilisierungs-Signale von den ausgelagerten Assistenzsensoren, beispielsweise bei einem auf das Zentralgerät wirkenden Hammerschlag, nicht vorhanden sind.

Damit der Algorithmus im Überlastfall, z.B bei einem starken Hammerschlag gegen die Seite der Karosserie des Fahrzeugs, aufgrund der Signale der Sensoren im Zentralgerät sicher bspw. einen Seitencrash detektiert, ist es erforderlich, dass die Signale der Sensoren im Zentralgerät im Überlastfall eine definierte Driftrichtung einnehmen, wobei die Driftrichtung mit der bewussten Unsymmetrie vorherbestimmt werden kann.

1 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines Fahrzeugs mit einem zentral angeordneten Steuergerät welches zwei gerichtete Beschleunigungsaufnehmer BA1, BA2 aufweist, deren Empfindlichkeitscharakteristiken F1, F2 entsprechend der Einbaurichtung +/– 45 Grad zur Fahrrichtung X ausgerichtet sind, so dass mit den beiden Beschleunigungsaufnehmern entsprechend eine Fläche abgebildet werden kann bzw. aufgrund der Vorzeichen der Sensor-Signale auf die Richtung einer Crash-Einwirkung geschlossen werden kann.

Würden beide Sensorsignale im Überlastfall (Hammerschlag) eine Signal-Drift-Richtung in ihre positive Arbeitsrichtung einnehmen, wie dies gezeigt ist, so würde der Algorithmus einen Frontcrash erkennen, was zu einer ungewollten Auslösung von Schutzmitteln des Insassenschutzsystems führen würde.

2a zeigt eine ähnliche prinzipielle Darstellung wie 1, wobei eine gezielte Vorgabe einer Unsymmetrie der einzelnen Sensoren gemäß der Erfindung erfolgt, indem der Sensor F1 in seine positive Arbeitsrichtung driftet, während der andere Sensor F2 in seine negative Arbeitsrichtung driftet. Im Unterschied zu 1 ergibt sich im Überlastfall durch einen Hammerschlag eine aus einer vektoriellen Addition resultierende Signal-Drift-Richtung in Y-Richtung, so dass der Algorithmus im Ergebnis einen Seitencrash erkennen würde. Dies kann aber in diesem Fall zu keiner ungewollten Auslösung führen, da von den zur Auslösung zusätzlich erforderlichen Signalen von den Seitensensoren kein Signal vorhanden ist (da der Hammerschlag auf diese nicht ausreichend wirkt). Die Driftrichtung ist also in diesem Beispiel so gewählt, dass das Signal eines zentralen Sensors mittels zumindest eines weiteren Sensorsignals plausibilisiert werden kann.

Je nach Ausrichtung der Sensoren ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten, die Drift bei Überlast zu wählen und zu erkennen, wie bspw. 2b bei für F1 in +45 Grad und F2 +135 Grad bzgl. der Fahrtrichtung ausgerichteten Sensoren zeigt, wobei dort die Drift für F1 in positive und für F2 in negative Richtung eingestellt ist, so bei einer Schwingungsanregung eine Drift in X-Richtung zu erwarten ist, welche aber durch die Frontsensoren plausibilisiert werden kann. Alternativ können in diesem Fall beide Sensoren F1, F2 mit einer Drift in ihre positive Richtung versehen werden, wodurch bei Schwingungsanregung eine Drift des Signals in Y-Richtung provoziert wird, die wiederum durch die Seitensensoren plausibilisiert und erkannt wird, wie in 2c gezeigt ist.

Vorteilhafterweise kann die erwähnte gezielte Unsymmetrie bereits durch den Bauteile-Lieferanten (Sensorlieferanten) vorgegeben werden, oder applikationsspezifisch im Steuergerät programmiert werden. Die gezielte Herbeiführung von insbesondere geringfügigen Unsymmetrien im Sensorelement ermöglicht im Überlastfall die Signal-Drift-Richtung zu definieren und dies zu erkennen und durch weitere Plausibilisierung Fehlauslösungen bei Einwirken von mechanischen Störgrößen (z.B. Hammerschlag) auf die Fahrzeugstruktur zu vermeiden.

Wie diese gezielte Unsymmetrie und Signal-Drift-Richtung erreicht werden kann, wird nun beispielhaft anhand der folgenden 3 bis 6 und Ausführungsbeispiele erläutert.

3 zeigt das Prinzip einer aus dem Stand der Technik bekannten Signalaufbereitungskette. Der Ausgang des Sensors 1.1 wird einem Eingang eines A/D-Wandlers (Analog-Digital-Wandler) zugeführt. Der zulässige Nutzbereich wird hierbei per Design mittels symmetrischen Grenzen 2.1 (bezogen auf den typischen Ruhewert) vorgegeben, damit gewährleistet werden kann, dass das Nutzsignal im Nutzbereich sicher durch den A/D-Wandler abgebildet werden kann. Das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 1.2 wird einem weiteren Begrenzer 1.3 mit symmetrischen Grenzen 2.2 (bezogen auf den typischen Ruhewert), mit per Design vorgegebenen Schwellen 2.2 zugeführt, bevor das Signal mittels eines Tiefpassfilters 1.4 zur Ausblendung von störenden Frequenzanteilen gefiltert wird. Der Ausgang des Tiefpassfilters 1.4 wird dem Eingang einer Offsetkompensation 1.5 zur Kompensation von Offsetfehlern zugeführt, damit die Sensorinformation anschließend am Ausgang 3.2 des Beschleunigungssensors 1 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stehen. Die Offsetkompensation 1.5 hat hierbei Hochpass- oder Hochpassähnlichen-Charakter, so dass der langsam driftende Offset kompensiert wird und nur noch der Nutzsignalanteil am Ausgang anliegt.

Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, besitzt der Sensor 1.1 einen angenommenen Offsetfehler, mit dem das daraus resultierende Verhalten der Signalaufbereitungskette näher erörtert wird. Der angenommene und dargestellte Offsetfehler von beispielsweise 20g bewirkt, dass das Signal der Sensorausgangsspannung 3.1 mittels des A/D-Wandlers mit den Grenzen 2.1 nunmehr unsymmetrisch erfasst und begrenzt (bei +80g, –120g) wird. Ebenso wird das Signal der Sensorausgangsspannung 3.1 mittels des Begrenzers 1.3 unsymmetrisch (bei +40g, –80g) mit den Grenzen 2.2 begrenzt. Nachdem das Signal der Sensorausgangsspannung 3.1 mittels des Hochpasses 1.5 um den Offsetfehler korrigiert bzw. bereinigt wird, verbleibt am Ausgang des Sensors 1 eine unsymmetrische Sensor-Bauteile-Ausgangsbereich 3.2 mit den Grenzen 2.5.1.

Wie aus der Darstellung leicht ersichtlich ist, wird mit der Realisierung gemäß dem Stand der Technik, bei Vorliegen einer Überlast am Sensoreingang, infolge der unsymmetrischen Begrenzungen am Ausgang des Sensors ein unsymmetrisches begrenztes Ausgangssignal erzeugt, welches eine angenommene (nicht dargestellte) nachfolgende Integrations-Einheit deutlich zu Fehlverhalten anregen kann.

4 zeigt das Prinzip einer Signalaufbereitungskette gemäß dem erfindungsgemäßen Gedanken. Abweichend zur 3 werden die Grenzen der symmetrischen Begrenzungen 2.1, 2.2 bei Vorliegen bspw. eines Offsetfehlers automatisch um einen Betrag nachgeführt, so dass das offsetbehaftete Signal 3.1 trotzdem weiter mit angepassten symmetrischen Grenzen 2.3, 2.4 (relativ zum offsetbehafteten Signal) im Überlastfall begrenzt wird, und zwar so, dass eine definierte Driftrichtung entsteht. Hierzu erhält die Offsetsteuerung 1.5 vorzugsweise einen weiteren Ausgang, der den Ruhewert zur Verfügung stellt, beispielsweise mit einem Element mit Tiefpasscharakter mit niedriger Grenzfrequenz.

Zur Ermittlung der Nachführungsgröße wird hierzu der ermittelte Ruhewert aus der Offsetsteuerung 1.5 mit dem Sollwert verglichen und daraus die Differenz A gebildet. Um diese Differenz &Dgr; werden wie aus der Darstellung ersichtlich die Grenzen 2.1 des A/D-Wandler 1.2 sowie die Grenzen 2.2 des Begrenzers 1.3 korrigiert, sodass die neuen Grenzen 2.4 für den A/D-Wandler 1.2 sowie die Grenzen 2.3 für den Begrenzers 1.3 entstehen. Der Soll-Wert ist dabei so gewählt, dass die gewünschte Driftrichtung entsteht.

Mittels dieser Methode wird sichergestellt, dass bei Vorliegen einer Überlast am Sensoreingang auch am Ausgang des Sensors zuverlässig ein definiert driftendes Ausgangssignal 3.2 erzeugt wird, so dass eine Nutzsignal-Auswertung trotz Vorhandensein einer überlagerten hochfrequenten Überlaststörsignatur, ohne größerer Verfälschungen möglich ist.

Diese Unsymmetrie kann allerdings vorzugsweise unabhängig von der Lage des Ruhewertes beibehalten werden. Dieses erfolgt bspw. dadurch, dass die oben beschriebene Verschiebung auf die gewünschten unsymmetrischen Grenzen angewendet wird. Natürlich kann auch eine grobe Abweichung zunächst kompensiert und nur eine verhältnismäßig geringe Restabweichung zur Erzielung einer definierten Drift im Überlastfall beibehalten werden.

5 zeigt ein Beispiel der Auswirkung einer unsymmetrischen Begrenzung. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, führt eine unsymmetrische Begrenzung zu einer erheblichen Signalverfälschung bzw. -verschiebung am Ausgang der Signalkette.

Die Einstellung der definierten Unsymmetrien des Sensorelements können nicht erst in dem Sensorelement 1.1 nachfolgenden Auswertepfad durchgeführt, sondern bereits durch eine Steuerung an der Quelle, d.h. dem Sensorelement 1.1 selbst vorgenommen werden. Hierzu kann, wie aus der 6 ersichtlich ist, mittels eines Anpassverstärkers 1.7 das Sensorelement 1.1 direkt oder indirekt derart beeinflusst werden, um gezielt die daraus resultierenden Effekte im Überlastfall zu generieren.

Dieses Prinzip soll nun anhand eines kapazitv-elektrischen C/V-Wandlers, der in 6 gezeigt ist, näher erläutert werden. Ein derartiger Wandler wird häufig für Beschleunigungssensoren eingesetzt. Zur Ermittelung der erforderlichen Korrekturgröße des Anpassungsverstärkers 1.7 werden hierzu beispielsweise an das Sensorelement 1.1 mittels des Generators 1.8 für das Modulationssignal des C/V-Wandlers 1.6 gegenphasige Signale 4.1, 4.2 mit identischer Amplitude angelegt, und am Ausgang des C/V-Wandlers 1.6 bzw. am Ausgang des Filters 1.5/des Sensors 1 wird dann geprüft, ob der Offset etwa dem definierten Sollwert entspricht. Der Filter 1.5 ist hier nur beispielhaft gezeigt, wobei bei der Realisierung zu beachten ist, dass die in der Auswertestrecke vorhandenen Schaltungskomponenten das Prüfsignal nicht unzulänglich verfälschen.

Der Einfachheit halber werden die spezifischen Sensorelemente im Folgenden als „Platten" bezeichnet. Die Kapazitäten der „Mittelplatte" 1.1.1 zu den beiden seitlichen „Platten" 1.1.2 sind indirekt proportional zu dessen jeweiligen Abständen. Heben sich die eingespeisten gegenphasigen Signale 4.1, 4.2 etwa auf, so sind die Abstände nahezu identisch, bzw. die „Mittelplatte" 1.1.1 ist fast symmetrisch zu den beiden seitliche „Platten" 1.1.2 ausgerichtet. Durch die gegebene symmetrische Anordnung der „Platten" 1.1.1, 1.1.2 zueinander entsteht im Falle einer sporadisch Störgrößen im Überlastbereich kein unsymmetrisches Ausgangssignal und der Abstand entspricht dem Weg der möglichen Auslenkung.

Um am Sensorelement 1.1 einen unsymmetrischen Zustand zu erzeugen, wird bspw. mittels des Anpassverstärkers 1.7 eine Korrektur durchgeführt, wobei hierzu zwei mögliche Verfahren näher erläutet werden. Die erste Möglichkeit der Korrektur besteht darin, dass mittels des Generators 1.8 für das Modulationssignal des C/V-Wandlers 1.6 ein Gleichspannungsanteil überlagert wird, der im Betrag so zu wählen ist, dass sich am Ausgang der definierte Offset ergibt. Die zweite Möglichkeit der Korrektur besteht darin, dass mittels des „Plattenpaares" zur Erzeugung der Auslenkung für den Selbsttest eine statische Spannung angelegt wird, die im Betrag derart zu wählen ist, dass sich am Ausgang der definierte Offset ergibt.

Insbesondere bei mikromechanischen Beschleunigungs- oder Drehratensensoren, bspw. sogenannten MEMS-Zellen, sind durch die Abmessungen im Mikro- und Nanometerbereich produktionstechnische Abweichungen bei den Ätz- und Beschichtungsprozessen unvermeidlich. Andererseits sind bei diesen Sensortypen aktive Anregungssysteme vorgesehen, welche für die Messung erforderliche Schwingung erzeugen. Zudem können Anregungssysteme vorgesehen sein, welche dem Selbsttest des Sensors dienen. Diese aktiven Anregungssysteme können im Sinne dieser Erfindung genutzt werden, um gezielt eine den Unsymmetrien entgegenwirkende Verstimmung durchzuführen, so dass die Signale am Sensorausgang bereits fehlerkompensiert sind.

Abschließend sei erwähnt, dass der Einfachheit wegen, eine Realisierung mittels eines C/V-Wandlers gezeigt wurde, da hier die Funktionsweise einfach zu erklären ist. Anstatt der C/V-Wandlung sind auch nicht näherer gezeigte andere Wandelverfahren anwendbar z.B. Wandler, die die physikalische Größe direkt in Digitalwerte abbilden.

1
Beschleunigungssensor für ein Insassenschutzsystem
1.1
Sensorelement, kapazitiver Beschleunigungssensor
1.1.1
mittlere, schwingend gelagerte Kapazitätsplatte
1.1.2
feste Kapazitätsplatten
1.2
Analog-/Digital-Wandler
1.3
Begrenzer
1.4
Tiefpassfilter
1.5
Offsetkompensation/Hochpassfilter
1.6
C/V-Wandler
1.7
Anpassungsverstärker
1.8
Generator
2.1
symmetrische Nutzbereichgrenzen des Analog-/Digital-Wandlers 1.2
2.2
symmetrische Nutzbereichgrenzen des Begrenzers 1.3
2.3
angepasste symmetrische Nutzbereichgrenzen des Begrenzers 1.3
2.4
angepasste symmetrische Nutzbereichgrenzen des Analog-/Digital-Wandlers 1.2
2.5.1
Nutzbereichgrenzen des aufbereiteten Sensorsignals
2.5.2
angepasste Nutzbereichgrenzen des aufbereiteten Sensorsignals
3.1
Sensorelement-Ausgangsspannung (bei Signal = 0)
3.2
Ausgangssignal des Sensors 1 (bei Signal = 0)
4.1, 4.2
Anregungsspannungen


Anspruch[de]
Vorrichtung (1) zur Sensierung einer gerichteten physikalischen Größe mit mindestens einem Sensorelement (1.1), das eine bevorzugte Empfindlichkeitsrichtung für die einwirkende gerichtete physikalische Größe und einen Nutzsignal- und einen Überlastbereich aufweist, wobei die Vorrichtung (1) derart eingestellt werden kann, dass ein gewünschter Effekt des Sensorelement-Ausgangssignals (3.1, 3.2) bezüglich des Nutzsignal- und Überlastbereichs gezielt herbeigeführt wird. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung dadurch erfolgt, dass als das mindestens eine Sensorelement ein Sensorelement (1.1) mit einem vorgegebenen Offset eingesetzt wird und/oder eine Verarbeitungseinrichtung (1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8) für das Ausgangssignal des mindestens einen Sensorelements derart konfiguriert ist, dass der gewünschte Effekt des Sensorelement-Ausgangssignals bezüglich des Nutzsignal- und Überlastbereichs gezielt herbeigeführt wird. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart eingestellt ist, dass das mindestens eine Sensorelement (1.1) eine Unsymmetrie seines Ausgangssignals bezüglich des Nutzsignal- und Überlastbereichs derart aufweist, dass das Ausgangssignal eine vorgegebene Driftrichtung im Falle einer Überlast des mindestens einen Sensorelements (1.1) besitzt. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (1.1) ein Beschleunigungssensor (1) ist, der eine Empfindlichkeitsachse für die bevorzugte Empfindlichkeitsrichtung besitzt. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Beschleunigungssensoren (BA1, BA2) vorgesehen sind, die derart zueinander angeordnet sind, dass ihre Empfindlichkeitsachsen (F1, F2) in einem Winkel von etwa 90 Grad zueinander stehen. Steuergerät für ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Sicherheitseinrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere Insassenschutzeinrichtung, die eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug mit einer Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung zur Sensierung einer gerichteten physikalischen Größe zwei im Fahrzeug etwa zentral angeordnete Sensorelemente (BA1, BA2) aufweist und derart eingestellt ist, dass das Ausgangssignal jedes Sensorelements eine vorgegebene Driftrichtung im Falle einer Überlast eines Sensorelements (BA1, BA2) aufweist. Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, das zur Sensierung eines Seitencrashes an den Fahrzeugseiten angeordnete seitliche Sensorelemente vorgesehen sind und die Sicherheitseinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Signale der seitlichen Sensorelemente mit den Signalen der zentral angeordneten Sensorelemente und/oder umgekehrt plausibilisiert werden. Verfahren zur Sensierung einer gerichteten physikalischen Größe mit mindestens einem Sensorelement, das eine bevorzugte Empfindlichkeitsrichtung für die einwirkende gerichtete physikalische Größe und einen Nutzsignal- und einen Überlastbereich aufweist, wobei Einstellungen derart vorgenommen werden, dass ein gewünschter Effekt des Sensorelement-Ausgangssignals bezüglich des Nutzsignal- und Überlastbereichs gezielt herbeigeführt wird.






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