DE3809299C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer elektronischen Einrichtung mit einem schwingfähigen Beschleunigungssensor nach der Gattung des Anspruchs 1. Bei einer aus der US 40 21 057 bekannten Einrichtung, bei der ein piezoelektrischer Kristall als Sensor für die Beschleunigung vorgesehen ist, kann der Sensor nicht ständig auf seine Funktionsfähigkeit hin überprüft werden, ohne daß seine Sensorfunktion gestört wird. Eine kontinuierliche Überwachung auch des Sensors einer solchen Einrichtung ist daher nicht möglich.

Aus der DE 37 06 765 A1 ist ein prüfbarer Aufprallsensor für ein Fahrzeug bekannt, bei dem jedoch während des Prüfvorganges eine zur Auslösung einer Sicherheitseinrichtung vorgesehene Auslöseschaltung von der Sicherheitseinrichtung getrennt wird. Dadurch wird jedoch die Aktivierung der Sicherheitseinrichtung nicht zugelassen, wenn während eines ablaufenden Prüfvorgangs ein Unfall eintritt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei der eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Sensors ohne Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit der elektronischen Einrichtung während des Betriebs möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer elektronischen Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine Vorrichtung zur Lösung dieser Aufgabe wird auch in der DE 37 36 294 A1 vorgeschlagen; dieser Druckschrift können jedoch nicht die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs entnommen werden.

Die erfindungsgemäße Lösung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß die elektronische Einrichtung hinsichtlich der Funktionsfähigkeit des Sensors ständig überprüfbar ist, ohne die Funktionsfähigkeit des Systems während des Betriebs in irgendeiner Weise nachteilig zu beeinflussen.

Entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre ist es möglich, ständig die Fähigkeit des Sensors zur Umwandlung von mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Ausgangssignal zu überprüfen. Dadurch kann dann die Empfindlichkeit des Sensors, sein Ausschwingverhalten und dgl. überwacht werden. Auf diese Weise ist es möglich, frühzeitig Emp­ findlichkeitsveränderungen, Veränderungen im Schwingungsverhalten und/oder Beschädigungen bei den elektrischen Anschlüssen zu erken­ nen. Derartige Veränderungen bzw. Beschädigungen können infolge von Rissen im Keramikkörper des Sensors oder durch Ablösungen von Kon­ taktierungsstreifen auftreten. Die frühzeitige Erkennung von Fehlern dieser Art oder schon das Erkennen von nicht mehr tolerierbaren Ab­ weichungen von den Sollwerten ist besonders in sicherheitskritischen Systemen, wie beispielsweise einem Sicherheitssystem für Fahrzeugin­ sassen, von außerordentlicher Bedeutung.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteil­ hafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der in Anspruch 1 angege­ ben Einrichtung möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Sicherheitseinrichtung für Fahrzeuginsassen mit einer Sensoreinrichtung,

Fig. 2 einen Stromlaufplan eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Eine elektronische Einrichtung zur Sicherung von Fahrzeuginsassen gemäß Fig. 1 umfaßt eine auf Beschleunigungen reagierende Sensoreinrichtung 1, die mit einem Steuergerät 2 verbunden ist, welches in Abhängig­ keit von dem Ausgangssignal der Sensoreinrichtung 1 im Gefahrenfall Rückhalte­ mittel 3 a, 3 b, wie beispielsweise Airbag und/oder Gurtstraffer zum Schutz der Insassen aktiviert.

Der in Fig. 2 dargestellte Stromlaufplan erläutert die Ausgestaltung der Sensoreinrichtung 1 gemäß Fig. 1. Die Sensorbaugrup­ pe 20 umfaßt einen Sensor 21 mit einem Widerstandsnetzwerk zur Ar­ beitspunkteinstellung und Temperaturkompensation. Der erste Anschluß des Sensors 21 ist an den Abgriff eines Spannungsteilers mit den Wi­ derständen 22 und 23 gelegt. Dabei ist der freie Anschluß des Wider­ standes 23 an Masse gelegt, während der freie Anschluß des Wider­ standes 22 mit einer Versorgungsspannung z.B. 5 V, am Anschlußpunkt 28 verbunden ist. Der zweite Anschluß des Sensors 21 ist mit dem Ein­ gangsanschluß eines Impedanzwandlers 31 verbunden. Ein Widerstand 24 ist parallel zu den Anschlüssen des Sensors 21 geschaltet. An den Eingangsanschluß des Impedanzwandlers 31 ist weiter ein Anschluß eines Kondensators 25 gelegt, dessen anderer Anschluß an den Abgriff eines Spannungsteilers mit den Widerständen 26 und 27 geführt ist. Das freie Ende des Widerstandes 26 ist an Masse gelegt, während das freie Ende des Widerstandes 27 an die Versorgungsleitung gelegt ist. An diese Versorgungsleitung sind weiterhin angeschlossen der Impedanzwandler 31, der selektive Band­ paß 32, das Tiefpaßfilter 33 und der A/D-Wandler 34. Die Massen sind ebenfalls verbunden und auf den Anschlußpunkt 16 gelegt. Der Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen 26 und 27 ist weiter als Anschluß 38 nach außen geführt. Die Bedeutung dieses Anschlusses 38 wird später noch erläutert. An den Ausgangsanschluß des Impedanzwandlers 31 ist einerseits der Eingangsanschluß eines aktiven Tiefpaßfilters 33 angeschlossen, dessen Ausgangsanschluß an den Anschlußpunkt 37 geführt ist. Der Anschlußpunkt 37 ist an den Eingangsanschluß eines Analog-Digital-Wandlers 34 geführt, dessen Ausgangsanschluß mit dem Anschlußpunkt 36 verbunden ist. Andererseits ist der Ausgangsanschluß des Impedanzwandlers 31 mit dem Eingangsanschluß eines aktiven, selektiven Bandpaßfilters 32 verbunden, dessen Ausgangsanschluß seinerseits an den Anschlußpunkt 35 geführt ist. Impedanzwandler 31, aktives, selektives Bandpaßfilter 32, aktives Tiefpaßfilter 33 und der Analog-Digital-Wandler 34 bilden die Baugruppe Auswerteschaltung 30. Benachbart zum Sensor 21 ist ein Schwingungserzeuger 11 angeordnet, dessen erster Anschluß an den Abgriff eines aus den Widerständen 12 und 13 bestehenden Spannungsteilers geführt ist. Widerstand 12 ist mit seinem freien Anschluß an Masse gelegt. Widerstand 13 führt mit seinem freien Anschluß an den Anschlußpunkt 15. Dieser Anschlußpunkt 15 wird mit einer Gleichspannung, z. B. der Versorgungsspannung der Einrichtung, verbunden. Die zuvor erwähnten Bauelemente bilden die Baugruppe Schwingungserzeuger 10.

Der Sensor 21 ist zweckmäßig als piezoelektrisches Biegeelement, z. B. in Gestalt eines Bimorphelementes ausgeführt. Der Schwingungserzeuger 11 umfaßt in einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel eine im wesentlichen kreisförmige Membran, die z. B. aus einem vernickelten Messingblech hergestellt sein kann und auf die Scheiben aus piezoelektrischem Material aufgeklebt sind. Alternativ kann die Membran auch von einem Elektromagneten in Schwingungen versetzt werden. In einer weiteren besonders kostengünstigen Alternative wird der Sensor 21 so aufgebaut, daß zwischen den beiden Plättchen des Bimorphelementes eine Stahlfolie eingebracht wird, die durch einen äußeren kleinen Elektromagneten in Schwingung versetzt werden kann. Dadurch werden aufgrund fester Kopplung (Klebung) der piezoelektrischen Plättchen mit der Stahlfolie auch diese in Schwingung versetzt. Das Beschaltungsnetzwerk des Sensors 21 in der Baugruppe 20 sowie die Elemente der Baugruppe 30 und 10 werden zweckmäßig als Hybridschal­ tung ausgeführt und auf einem einzigen Substrat vereinigt.

Die Wirkungsweise der elektronischen Einrichtung nach Fig. 2 ist wie folgt. Bei Anschluß einer Wechselspannungsquelle an die An­ schlüsse 14 und 15 bzw. 14 und 16 des Schwingungserzeugers 11 wird dieser in Schwingungen versetzt und erzeugt Schallwellen, die in­ folge der engen Nachbarschaft auf den Sensor 21 angekoppelt werden und diesen seinerseits zu mechanischen Schwingungen anregen. Zweck­ mäßig wird bei dieser Anregung der Resonanzfrequenzbereich des Sen­ sors 21 durchlaufen, der wesentlich höher liegt als die Grenzfre­ quenz f _g des aktiven Tiefpaßfilters 33 im Pfad des Nutzsignals des Sensors 21. Mit Nutzsignal wird in diesem Zusammenhang das Ausgangs­ signal des Sensors 21 in seiner Normalfunktion als Beschleunigungs­ aufnehmer zur Feststellung von unfallspezifischen Beschleunigungen verstanden. Beispielsweise liege die Grenzfrequenz f _g des aktiven Tiefpaßfilters 33 in der Größenordnung von einigen Hundert Hz, ins­ besondere 500 Hz, während der Resonanzfrequenzbereich des Sensors 21 das 2- bis 30fache, vorzugsweise das 10- bis 20fache dieser Grenz­ frequenz f _g beträgt. Die Anregung des Sensors 21 vermittels der vom Schwingungserzeuger 11 ausgesandten Schallwellen führt zu einem im Vergleich zur Grenzfrequenz f _g hochfrequenten Ausgangssignal des Sensors 21, das über einen Impedanzwandler 31 dem Eingangsan­ schluß eines selektiven Bandpaßfilters, insbesondere dem eines aktiven selektiven Bandpaßfilters 32 zugeführt wird. Am Ausgangsanschluß dieses Bandpaßfilters 32, der zu dem Anschlußpunkt 35 führt, steht ein Testsignal zur Verfügung, das Rückschlüsse auf die Funktionsfä­ higkeit des Sensors 21, insbesondere auf seine Fähigkeit zur Wand­ lung mechanischer Schwingungen in elektrische Schwingungen, zuläßt. Das aktive selektive Bandpaßfilter 32 dient der Ausblendung von Störsignalen, die beispielsweise beim Testvorgang des Sensors 21 durch Geräusche entstehen könnten, die ihrerseits den Sensor 21 zu Schwingungen anregen. Im Durchlaßbereich des selektiven Bandpaßfil­ ters 32 liegt die Anregungsfrequenz des Sensors 21 als Mittenfre­ quenz. Am Ausgangsanschluß 35 des Bandpaßfilters 32 steht das Aus­ gangssignal des vom Schwingungserzeuger 11 angeregten Sensors 21 zur Verfügung und kann beispielsweise daraufhin untersucht werden, ob der Sensor 21 noch hinreichend empfindlich ist und ob sein Aus­ schwingverhalten (Dämpfung) den vorgeschriebenen Werten entspricht. Da diese Überprüfung ständig, also auch im Einsatzfall des Sensors 21 und sogar auch dann noch durchführbar ist, wenn keine anderen Be­ schleunigungen auf den Sensor 21 einwirken, ist praktisch eine kon­ tinuierliche Überwachung des Sensors 21 möglich, so daß sich Ände­ rungen in seinem Schwingungsverhalten, die beispielsweise auf Alte­ rung und/oder Beschädigung hinweisen, ständig überprüft werden kön­ nen. Selbstverständlich ist mit dieser Einrichtung auch feststell­ bar, ob der Sensor 21 überhaupt noch mit seiner elektronischen Be­ schaltung verbunden ist oder ob Risse in den elektrischen Anschlüs­ sen, z.B. Bonddrahtrisse, vorliegen. Die letztgenannten Fehlerquellen können allerdings auch schon mit herkömmlichen Testmethoden festge­ stellt werden, die ohne Schwingungsanregung des Sensors 21 im Be­ triebsfall auskommen müssen. Hierzu wird der Eingangsanschluß 38 durch ein äußeres Signal aus seinem Arbeitspunkt bewegt, wodurch Ausgangssignale an den Ausgängen 35, 36, 37 entstehen, welche Rück­ schlüsse auf die Funktion aller elektronischen Bauelemente, sowie der kapazitiven Dämpfung des Biegeschwingers zulassen.

Die zuvor beschriebene Prüfung des Sensors 21 auf seine Funktions­ fähigkeit mittels Anregung durch den Schwingungserzeuger 11 stört die Verfügbarkeit des Sensors 21 zur Messung momentan auf die elek­ tronische Einrichtung einwirkender Beschleunigungen, z.B. bei einer Verzögerung des Fahrzeugs infolge eines Unfallereignisses, nicht, da solche, auf einen Unfall zurückgehenden Beschleunigungen nur bis zu einer bestimmten nutzbaren oberen Grenzfrequenz f _g ausgewertet werden müssen, während die kontinuierliche Prüfung auf Funktionsfä­ higkeit, wie zuvor bereits erwähnt, mit einer wesentlich höheren Frequenz erfolgt. Das Nutzsignal des Sensors 21, also dasjenige Ausgangssignal, das der Sensor 21 bei Beschleunigungsanregung infolge einer Fahrzeugverzögerung abgibt, wird über den schon er­ wähnten Impedanzwandler 31 dem Eingangsanschluß eines Tiefpaßfil­ ters, insbesondere dem eines aktiven Tiefpaßfilters 33 zugeführt, das das Ausgangssignal des Sensors 21 nur bis zur Grenzfrequenz f _g passieren läßt. Der Ausgangsanschluß des Tiefpaßfilters 33 ist einerseits an einen Anschlußpunkt 37 geführt, an dem das durch den Tiefpaß 33 gefilterte Ausgangssignal des Sensors 21 zur weiteren Auswertung in analoger Form ansteht. Gleichzeitig ist jedoch der Ausgangsanschluß des Tiefpaßfilters 33 auch mit dem Eingangsanschluß eines Analog-Digital-Wandlers 34 verbunden, der die analoge Aus­ gangsspannung des Sensors 21 in einen entsprechenden digitalen Wert umwandelt, der am Anschlußpunkt 36 zur weiteren Auswertung zur Ver­ fügung steht, entweder als spezielles Datenwort auf einer Eindraht­ leitung oder parallel auf mehreren Ausgangsleitungen.

Anschluß 38 ist ein Prüfanschluß, über den auf herkömmliche Weise die Funktionsfähigkeit des Beschaltungsnetzwerkes des Sensors 21 einerseits und andererseits die Anschlüsse des Sensors 21 selbst überprüfbar sind, ohne daß der Sensor 21 zu Schwingungen angeregt wird.

Zweckmäßig werden die Baugruppen 10, 20, 30 in einem hermetisch dichten Metallgehäuse baulich vereinigt, um Störeinwirkungen auf Schwingungserzeuger 11 und Sensor 21 zu verhindern und eine leichte Montagemöglichkeit der elektronischen Einrichtung an einem geeigne­ ten Einbauort im Fahrzeug zu ermöglichen.

Claims (7)

1. Elektronische Einrichtung mit einem schwingfähigen Sensor und mit einer Auswerteschaltung zur Auswertung eines bei Beschleunigungsbeanspruchung auftretenden Ausgangssignales des Sensors und mit einem in Nachbarschaft des Sensors angeordneten Schwingungserzeuger, durch den der Sensor zu mechanischen Schwingungen anregbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (21) für Prüfzwecke durch den Schwingungserzeuger (11) zu Schwingungen anregbar ist, und zwar mit wesentlich höheren Frequenzen als im Normalbetrieb, in dem er von auf das Fahrzeug einwirkenden Beschleunigungen angeregt wird, und daß die Ausgangsanschlüsse des Sensors (21) über ein Widerstands-Kondensatornetzwerk (22, 23, 24, 25, 26, 27) an den Eingangsanschluß eines Impedanzwandlers (31) geführt sind, dessen Ausgangsanschluß einerseits mit dem Eingangsanschluß eines Tiefpaßfilters (33) und andererseits mit dem Eingangsanschluß eines Bandpaßfilters (32) verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsanschluß des Tiefpaßfilters (33) mit dem Eingangsanschluß eines Analog-Digital-Wandlers (34) verbunden ist, der das vom Tiefpaßfilter (33) gefilterte Ausgangssignal des Sensors (21) in einen entsprechenden Digitalwert umwandelt.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger (11) mit einem Anschluß an den Abgriff eines Spannungsteilers mit zwei Widerständen (12, 13) gelegt ist, wobei der nicht mit dem Schwingungserzeuger (11) verbundene Anschluß des einen Widerstands (12) an Masse geführt ist und an den entsprechenden Anschluß (15) des zweiten Widerstands (13) eine Gleichspannung zur Arbeitspunkteinstellung legbar ist, und daß zur Anregung des Schwingungserzeugers (11) eine Wechselspannung zwischen einen Anschluß (14) des Schwingungserzeugers (11) und den nicht mit dem Schwingungserzeuger (11) verbundenen Anschluß (15) des zweiten Widerstands (13) oder zwischen einen weiteren Anschluß (16) und einen Anschluß (14) des Schwingungserzeugers (11) legbar ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die elektronischen Bauelemente für die Arbeitspunkteinstellung und Temperaturkompensation des Sensors (21) und die Bauelemente zur Auswertung der Ausgangsspannung des Sensors (21) in einer elektronischen Hybridschaltung baulich vereinigt sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Anregungsfrequenz für Prüfzwecke das 2- bis 30fache, vorzugweise das 10- bis 20fache der Schwingungsfrequenz des Sensors (21) im Normalbetrieb wählbar ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwingungsfrequenzbereich im Prüffall Frequenzen im Bereich von 1 Kilohertz bis etwa 30 Kilohertz, vorzugsweise im Bereich von 5 Kilohertz bis etwa 15 Kilohertz wählbar sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsfrequenzbereich im Prüffall von 5 bis 15 Kilohertz variierbar ist und damit die Resonanzfrequenz des Sensors (21) durchlaufen werden kann.