DE4414952A1 - Beschleunigungsmesser und Airbagsystem, das diesen verwendet - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleuni­ gungsmesser, wie er für viele Arten der Bewegungskontrolle verwendet wird, und ein Airbagsystem, das einen solchen ver­ wendet.

Ein Beschleunigungsmesser wird zur Überwachung von Bewegun­ gen beispielsweise bei einem Airbagsystem, einer aktiven Radaufhängung und einer Antischlupfregelung bei einem Motor­ fahrzeug eingesetzt.

Für solche Beschleunigungsmesser wurden verschiedene Typen wie Drucktyp, Dehnungsmeßtyp und elektrostatischer Kapazi­ tätstyp vorgeschlagen und entwickelt. Was das Ausgangssignal dieser Beschleunigungsmesser betrifft, so wird die physika­ lisch effektive Größe, die sich infolge der Beschleunigung eines Beschleunigungsmeßabschnittes ergibt, welcher häufig Meßaufnehmer auf dem Gebiet der Sensorik genannt wird, häu­ fig in eine Analogspannung bzw. einem anderen Vorschlag zu­ folge in Analogspannung mit anschließender Pulsbreitenmodu­ lation vor der Ausgabe gewandelt.

Beispiele elektrostatischer Kapazitiver Beschleunigungs­ messer sind beschrieben in JP-A-1 253 657 (1989), ent­ sprechend US-A-5 095 750, JP-A-2 110 382 (1990), JP-A-2 118 456 (1990), JA-A-3 255 370 (1991) und JP-A-4 240 569 (1992) und Beispiele mit Dehnungsmeßstreifen sind beschrieben in JP-A-2 116 755 (1990), entsprechend US-A-5 060 504 und US-A- 5 163 325, sowie JP-A-2 307 064 (1990).

Fig. 2 zeigt einen typischen Schaltplan eines konventionel­ len Kapazitiven Beschleunigungsmessers. In Fig. 2 erfaßt ein Element des Beschleunigungsmessers (im folgenden Meßauf­ nehmer genannt) 1 die Beschleunigung, das erfaßte Signal wird in der elektronischen Schaltung 2 zur Bestimmung der elektrostatischen Kapazität, d. h. im ΔC-Detektor und nach­ folgend in einer Halteschaltung 3 und einer Abgleichschal­ tung 4 weiterverarbeitet, wobei letztere gewöhnlich zur Nullpunkteinstellung und Empfindlichkeitskorrektur in bezug auf das Eingangs-/Ausgangsverhältnis dient, so daß am Ende eine Ausgangsspannung Vo am Anschluß 13 anliegt, die pro­ portional zu der Beschleunigung G ist.

In dem Meßaufnehmer 1 sind stationäre Elektroden 6 und 7 so angeordnet, daß sie über jeweilige mikroskopische Abstände den beiden Flächen einer beweglichen Elektrode gegenüber­ liegen, welche auch als seismische Masse oder Pendelmasse bezeichnet wird, und die sich infolge der darauf wirkenden Beschleunigung verschiebt. Dabei wird die bewegliche Elek­ trode 5 durch einen Träger (nicht dargestellt) gestützt.

Da die stationären Elektroden 6 und 7 und die bewegliche Elektrode 5 einander mit ihren flachen Oberflächen gegen­ überliegen, ergeben sich elektrostatische Kapazitäten C1 und C2, deren Werte über den Eingangsanschluß eines Operations­ verstärkers 10 als Teil des ΔC-Detektors 2 abgegriffen werden.

Wenn die Beschleunigung G auf den Meßaufnehmer 1 wirkt, ver­ schiebt sich die bewegliche Elektrode aufgrund der Träg­ heitskraft, die in der Zeichnung nach oben oder unten wirkt. Aus diesem Grund verändern sich die Abstände zwischen den beiden Elektroden und damit die Kapazitäten. Da der ΔC-De­ tektor 2 zusammen mit Spannungspulsgeneratoren 8 und 9, mit einem Kondensator 11 zur Integration und mit einem Schalter 12 für Entladung die Differenz ΔC von C1 und C2 bestimmt, wird eine Analogspannung von dem Verstärker 10 ausgegeben, die proportional zur Differenz ΔC ist. Auf eine detaillierte Erläuterung wird hier verzichtet, da dies nicht unmittelbar zur Erfindung gehört. Die analoge Ausgangsspannung wird durch die obige Messung beeinflußt und ändert sich im Ver­ lauf der Zeit. Deswegen wird die Spannung durch die Halte­ schaltung 3 zeitunabhängig gehalten, wodurch eine analoge Spannung erzeugt wird, die proportional zur wirkenden Be­ schleunigung ist.

Fig. 3 zeigt die Ausgangscharakteristik eines Beschleuni­ gungsmessers, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, wobei die Ausgangsspannung Vo mit Bezug auf die Beschleunigung G, die auf den Meßaufnehmer 1 wirkt, dargestellt ist. Die Ausgangs­ charakteristik in Abhängigkeit von der Beschleunigung G wird gewöhnlich so ausgelegt, daß sie eine gerade Linie ist. Wenn ein Beschleunigungsmesser in einem Airbagsystem eingesetzt werden soll, das der Insassensicherheit beim Zusammenstoß eines Motorfahrzeuges dient, so wird die Ausgangscharakte­ ristik so ausgelegt, daß der geradlinige Bereich zwischen -40G und +40G liegt, wobei G die Erdbeschleunigung ist und in etwa 9,8 m/s² beträgt.

Mit anderen Worten, der vorliegende Beschleunigungsmesser soll Beschleunigungen im Bereich von -40G bis +40G abdecken, wobei die entsprechende Sensorausgangsspannung Vo zwischen 0,5 V und 4,5 V liegt.

Die Ausgangsspannung Vo ist 2,5 V, wenn keine Beschleunigung wirkt, d. h. wenn G = 0 m/s² gilt. Wenn das Motorfahrzeug plötzlich wie bei einem Zusammenprall gebremst wird, steigt die Beschleunigung auf einen großen positiven Wert an, und die Ausgangsspannung Vo erhöht sich von 2,5 V auf 4,5 V. Die Ausgangsspannung Vo wird fortlaufend durch eine Steuerein­ heit überwacht. Wenn die Ausgangsspannung für eine verhält­ nismäßig lange Zeit bei etwa 4,5 V liegt, so wird dies durch die Steuereinheit als Zusammenprall interpretiert und die Sicherheitseinrichtungen wie Airbag werden ausgelöst, um dadurch die Insassen zu schützen.

Wenn die elektronische Schaltung, die den analogen Ausgang erzeugt, als Beschleunigungsaufnehmer in dem Sensor in Fig. 2 verwendet wird und wenn insbesondere ein Fehler wie ein Kurzschluß in ihr auftritt, so bleibt die Ausgangsspannung der Analogschaltung häufig aufgrund der Schaltungsstruktur auf der Spannung der Stromversorgung liegen. Wenn daher die Sensorschaltung versagt und ihre Ausgangsspannung auf der Spannung der Stromversorgung bleibt, beispielsweise auf 4,5 V, welches in etwa einer Schwellenspannung für die Steuerung entspricht, wenn ein Unfall passiert, so kann für den Fall, daß bei einem Airbagsystem diese Spannung erzeugt wird, die Steuereinheit fehlerhaft arbeiten und sehr wahrscheinlich die Sicherheitseinrichtungen wie den Airbag auslösen. Wenn ein solcher Fehler während der Fahrt des Motorfahrzeuges auftritt, so wird die Fahrsicherheit beeinträchtigt. Wenn darüberhinaus ein solcher Fehler in einer konventionellen Schaltung auftritt, so ist es schwierig zu beurteilen, ob der Betrieb durch normales Erkennen eines Zusammenpralls und damit normales Funktionieren des Sensors oder durch fehler­ haftes Erkennen aufgrund eines Fehlers des Sensors auftritt.

In Betracht der obigen Probleme ist es Aufgabe der Erfin­ dung, einen Beschleunigungsmesser zu schaffen, welcher das fehlerhafte Erkennen eines Zusammenpralls ausschließt, selbst wenn eine Beschleunigungsmessereinheit selbst feh­ lerhaft arbeitet.

Um dieses Ziel zu erreichen ist erfindungsgemäß eine Erfas­ sungseinheit vorgesehen, welche die wirkende Beschleunigung bestimmt. Die physikalisch effektive Größe, die durch die auf das Erfassungssystem wirkende Beschleunigung erzeugt wird, wird in ein Wechselsignal konvertiert, das der wirken­ den Beschleunigung entspricht.

Mit anderen Worten, die Erfassungseinheit, welche die Be­ schleunigung registriert, umfaßt ein Beschleunigungssensor­ element, welches eine physikalisch effektive Größe aufgrund der wirkenden Beschleunigung erzeugt, und eine ein alternie­ rendes Signal erzeugende Schaltung, die ein alternierendes Signal in Abhängigkeit von der effektiven physikalischen Größe erzeugt. Das Beschleunigungssensorelement ist in der Art in die alternierende signalerzeugende Schaltung als eines der Bestandteile eingebaut, daß die physikalische ef­ fektive Größe des Beschleunigungssensorelementes die Eigen­ schaften des Wechselsignals bestimmt, wobei das festgelegte Wechselsignal die auf das Beschleunigungssensorelement wir­ kende Beschleunigung wiedergibt.

Beispiele von Beschleunigungssensorelementen sind elektro­ statische Beschleunigungsmesser und Piezowiderstandbeschleu­ nigungsmesser. Beispiele von Wechselsignalen sind solche, bei denen die Frequenz oder die Pulsbreite von der physika­ lisch effektiven Größe wie z. B. der elektrostatischen Kapa­ zität oder des Piezowiderstandes abhängen.

Wenn bei dem obigen Aufbau die Beschleunigung auf das Be­ schleunigungssensorelement wirkt, konvertiert die Sensorein­ heit die Änderung der physikalisch effektiven Größe direkt in ein Wechselsignal wie eine pulsförmige oder sinusförmige Signalwechselspannung, anstatt wie im konventionellen Ver­ fahren in eine Analogspannung und die Beschleunigung ergibt sich aus dem Wechselsignal.

Fig. 4 zeigt eine Schaltung zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung.

In Fig. 4 wird als Beispiel ein Kapazitiver Beschleunigungs­ messer als Beschleunigungssensorelement 1 verwendet, wobei die stationären Elektroden 6 und 7 jeweils einer der beiden Flächen der beweglichen Elektrode 5 gegenüberliegen. Die Ka­ pazitäten C1 und C2 des Beschleunigunssensorelementes 1 sind in der das Wechselsignal erzeugenden Schaltung als Schal­ tungselemente integriert, die die Erfassungseinheit A zusam­ men mit dem Beschleunigungsmesserelement 1 bilden. Die Sig­ nalwechselspannung von der das Wechselsignal erzeugenden Schaltung ändert sich mit C1 und C2. Sie liegt an der Fre­ quenzanpassungsschaltung 16 an. Nach Nullpunktabgleich und Empfindlichkeitseinstellung in der Frequenzanpassungsschal­ tung 16 wird die abgeglichene Signalwechselspannung über den Anschluß 13 als Ausgangsspannung Vp ausgegeben. In dem obi­ gen Beispiel wandelt die das Wechselsignal erzeugende Schal­ tung die physikalisch effektive Größe in eine Wechselspan­ nung mit wechselnder Frequenz, die proportional zur Kapazi­ tätsdifferenz C1-C2 ist. Jedoch kann auch eine ein Wech­ selsignal erzeugende Schaltung verwendet werden, welche die physikalisch effektive Größe in eine Signalwechselspannung mit variierender Pulsbreite wandelt.

Fig. 5 zeigt den Frequenzgang der Signalwechselspannung Vp in Abhängigkeit von der Kapazitätsdifferenz C1-C2, wobei die Kapazitätsdifferenz C1-C2 bei einer bestimmten Zeit t1 ansteigt. Die Frequenz oder Pulsdichte der Ausgangsspannung Vp vor der Zeit t₁ ist f_o, welche der Kapazitätsdifferenz C1-C2 in dem Moment entspricht, und die Frequenz der Aus­ gangsspannung Vp nach der Zeit t₁ steigt entsprechend dem Anstieg der Kapazitätsdifferenz C1-C2 auf f₁.

Mit anderen Worten, bei dem Schaltungsbeeispiel in Fig. 4 wird die Frequenz der Signalwechselspannung in Abhängigkeit von der Kapazitätsdifferenz C1-C2 geändert. Bei einem Zu­ sammenprall steigt die Kapazitätsdifferenz C1-C2 an und entsprechend die Frequenz f der Signalwechselspannung.

Die Signalwechselspannung Vp liegt dann an einer Steuerein­ heit (nicht dargestellt in Fig. 4) an, die mit der Beschleu­ nigungsmessereinheit verbunden ist, welche die Beschleuni­ gung bzw. die Bedingungen des Steuerobjekts aufgrund der Frequenz f der Eingangsspannung Vp erfaßt, und dann die er­ forderliche Steuerung vornimmt.

Bei einem solchen Aufbau der Schaltung ist ein Fehler der Sensoreinheit ausgeschlossen, selbst wenn die Bauelemente der Sensoreinheit wie das Beschleunigungsmesserelement 1, der C-F-Wandler 15 und die Anpassungsschaltung 16 versagen, da keine Signalwechselspannung mit der Frequenz f_c an das Airbagsystem ausgegeben wird, die einem Zusammenprall ent­ spräche.

Die Erfindung nutzt den Vorteil, der einer das Wechselsignal erzeugenden Schaltung inhärent ist, die prinzipiell durch Pulse angesteuert wird, da die Pulserzeugung abbricht, wenn Fehler wie Kurzschluß oder Schaltungsunterbrechung auftre­ ten.

Insbesondere wird erfindungsgemäß das Beschleunigungssensor­ signal direkt umgewandelt in ein Wechselsignal und nicht wie bei dem konventionellen Verfahren in ein Analogsignal, und die Beschleunigung wird aufgrund dieses konvertierten Wech­ selsignals bestimmt. Wenn folglich ein Fehler in der Schal­ tung auftritt, wird das Wechselsignal entweder automatisch abgeschaltet oder wesentlich reduziert, so daß es sich klar unterscheidet von dem normalen Wechselsignal, und damit wird ein Fehler im Steuersystem, der auf der Beschleunigungsein­ heit beruht, sicher ausgeschlossen. Wenn ein Schaltungsfehler in dem Beispiel Fig. 4 auftritt, wird entweder die Pulserzeugung abgebrochen oder die Frequenz der Pulsfolge wesentlich reduziert, so daß bei den Merkmalen eines solchen Signals die irrtümliche Annahme eines Zusammenpralls bei dem Airbagsystem ausgeschlossen wird. Insbesondere wird die Sicherheitseinrichtung nur ausgelöst, wenn eine Signalwech­ selspannung mit einer hohen Frequenz erzeugt wird. Im Fall eines Schaltungsfehlers wird eine Signalwechselspannung mit einer solch hohen Frequenz niemals erzeugt, und damit wird ein Betriebsfehler der Sicherheitseinrichtung zuverlässig ausgeschlossen.

Weitere Merkmale sind Gegenstand der Neben- und Unteran­ sprüche.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert, von denen:

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer ersten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Beschleunigungsmesserein­ heiten zeigt;

Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm einer typischen konven­ tionellen Beschleunigungsmessereinheit zeigt;

Fig. 3 die Ausgangscharakteristik einer konventionellen Beschleunigungsmessereinheit zeigt;

Fig. 4 ein Schaltbild der fundamentalen Bauteile der Erfindung zeigt;

Fig. 5 ein Diagramm der prinzipiellen Signalfolgen bei Betrieb der Schaltung nach Fig. 4 zeigt;

Fig. 6 ein Diagramm der prinzipiellen Signalfolgen beim Betrieb von Fig. 1 zeigt;

Fig. 7 die Frequenzcharakteristik eines Ringoszillators zeigt, der bei der ersten Ausführungsform verwendet wird;

Fig. 8 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessereinheiten zeigt;

Fig. 9 das Schaltbild einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessereinheiten zeigt;

Fig. 10 das Schaltbild einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessereinheiten zeigt;

Fig. 11 das Schaltbild einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessereinheiten zeigt;

Fig. 12 das Schaltbild einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessereinheiten zeigt;

Fig. 13 das Schaltbild einer siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessereinheiten zeigt;

Fig. 14 schematisch das Blockdiagramm des gesamten Airbagsystems darstellt; und

Fig. 15 das Schaltbild einer Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Airbagsystems zeigt.

In Fig. 1 setzt sich die Erfassungseinheit des Beschleuni­ gungsmessers zusammen aus Beschleunigungssensorelement 1, C-F Wandler, der durch Ringoszillatoren oder Wechselsignal erzeugende Schaltungen 20 und 20A, Inverterelemente 24 und 29, die als Puffer dienen, Zähler 25 und 26, Pulsbreitenmo­ dulator (PWM) 31 und eine Pulsbreitenanpassung 16 gebildet wird.

Der Meßabschnitt 1 ist ein Kapazitiver Beschleunigungsmesser mit einer beweglichen Elektrode 5 und statischen Elektroden 6 und 7. Sie sind so angeordnet, daß sie einer der beiden Flächen der beweglichen Elektrode 5 mit mikroskopischem Ab­ stand gegenüberliegen. Die bewegliche Elektrode 5 ist elek­ trisch mit Masse verbunden, und die stationäre Elektrode 6 ist mit dem Eingangsanschluß des ersten Inverterelementes 21 in dem Ringoszillator 20 verbunden.

Der Ringoszillator 20 besteht aus Inverterelementen 21, 22 und 23 und schwingt auf einer Frequenz, die durch Größen wie Arbeitsgeschwindigkeit oder Schaltgeschwindigkeit und Kapa­ zität der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der jeweiligen Inverterelemente sowie die Kapazität C1 des Meßaufnehmers 1 bestimmt wird. Insbesondere ist die Kapazität C1 zwischen der beweglichen Elektrode 5 und der stationären Elektrode 6, welche eine physikalisch effektive Größe in Abhängigkeit von der wirksamen Beschleunigung darstellt, in dem Ringoszilla­ tor 20 als Element integriert, so daß hierdurch die Fre­ quenzcharakteristik des Ringoszillators 20 vorgegeben ist. Die Fig. 7 zeigt die Frequenzcharakteristik, bei der die Frequenz f proportional zur äquivalenten Kapazität C ist, wenn man annimmt, daß C die äquivalente Kapazität des Ring­ oszillators 20 ist. Die Kapazität C1 in dem Meßbereich trägt zur äquivalenten Kapazität C additiv bei, weswegen die Fre­ quenz f linear von der Änderung der Kapazität C1 abhängt. Dementsprechend kann über die Frequenz f die Größe der Ka­ pazität C1 bestimmt werden.

Die Ausgangswechselspannung des Ringoszillators 20 liegt am Inverterelement 24 an, das als Puffer genutzt wird. Die Aus­ gangsspannung (1) des Interverelementes 24 liegt am Zähler 25 in Form einer in Fig. 6 gezeigten Pulsfolge (1) an. In dem Zähler 25 wird die Pulsfolge (1) wie gezeigt in eine Pulsfolge (2) geteilt, deren Dauer mit Ts1 bezeichnet ist und die proportional zur Kapazität C1 ist. In der obigen Ausführungsform dient ein einstufiger Teiler als Beispiel, jedoch ist die Zahl der Stufen des Teilers nicht limitiert, und wenn die Frequenz der Pulsfolge (2) konstant gehalten wird, kann die Zahl von Stufen im Zähler angehoben und die Oszillationsfrequenz der Pulsfolge (1) entsprechend erhöht werden, um damit die Betriebsgeschwindigkeit der Sensorein­ heit zu steigern.

Die im wesentlichen gleiche Operation wie durch den Ring­ oszillator 20 wird durch den Ringoszillator 20A erfüllt, der durch die Inverterelemente 26 bis 28 gebildet wird. Die sta­ tionäre Elektrode 7 in dem Meßabschnitt 1 ist mit dem Ein­ gangsanschluß des ersten Inverterelementes 26 des Ringoszil­ lators 20A verbunden. In dieser Kette werden die Pulsfolgen (3) und (4) auf dieselbe Art gebildet wie bei der Kapazität C1, und zwar in Form einer Wechselspannung, die proportional zu der Kapazität C2 zwischen der beweglichen Elektrode 5 und der stationären Elektrode 7 variiert. Ihre Dauer ist Ts2, proportional zur Kapazität C2.

Der PWM 31 bildet die in Fig. 6 gezeigte Pulsfolge (5) aus­ gehend von den Pulsfolgen (2) und (4). Die Pulsfolge (5) hat die Dauer Ts2-Ts1 und wird durch die Pulsfolgen (2) und (4) mit den Dauern Ts1 und Ts2 gebildet.

Die Wechselsignale der Pulsfolge (5) werden nullpunktkorri­ giert und die Empfindlichkeit der Pulsbreitenanpassung 16 eingestellt, und die eingestellte Signalwechselspannung wird dann ausgegeben. Die Steuereinheit bestimmt die Kapazitäts­ differenz C1-C2 durch Einlesen der korrigierten Dauer Ts2 -Ts1 an dem Anschluß 13. Insbesondere wenn die Beschleuni­ gung auf das Beschleunigungssensorelement 1 wirkt, ändern sich C1 und C2, und die Dauer Ts2-Ts1 überschreitet einen vorgegebenen Schwellenwert, da die Dauer zunimmt. Die Steuereinheit erkennt, daß die Pulsdauer einen vorgegebenen Wert erreicht hat, wodurch eine vorgegebene Steueroperation ausgelöst wird, was bei einem Airbagsystem bedeutet, daß der Schwellenwert, der einem Zusammenprall entspricht, erreicht worden ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ange­ nommen, daß die Beschleunigung auf die bewegliche Elektrode so wirkt, daß sie diese in Richtung auf die stationäre Elek­ trode 6 bewegt. Das gleiche gilt zu für die folgenden Aus­ führungsformen.

In der vorliegenden Ausführungsform wandelt der Beschleuni­ gungssensor die Kapazitätsdifferenz C1-C2, die sich er­ gibt, wenn die Beschleunigung auf das Sensorelement wirkt, anstatt in eine Analogspannung direkt in Wechselsignale mit den Frequenzen f₁₀ und f₂₀ über die Ringoszillatoren 20 und 20A um, und die Beschleunigung wird bestimmt aufgrund der Wechselsignale. Tatsächlich wird die Pulsbreite Ts2-Ts1 berechnet aufgrund der Wechselsignale mit den Frequenzen f₁₀ und f₂₀, um die Beschleunigung zu bestimmen. Wenn Fehler wie Kurzschluß oder Unterbrechung in den Schaltungen auftreten, dann haben bei der vorliegenden Ausführungsform die das Wechselsignal erzeugenden Schaltungen 20, 20A, 25, 30 und 31, die prinzipiell durch Pulserzeugung betrieben werden, die Eigenschaft, entweder die Pulserzeugung zu unterbrechen oder die Frequenz der Pulserzeugung signifikant zu senken. Wenn dementsprechend die Steuereinheit so ausgelegt ist, daß die vorgegebene Operation nur bei anliegendem Wechselsignal mit hoher Frequenz durchgeführt wird, so ist ein fehlerhaf­ ter Betrieb der Steuereinheit effektiv ausgeschlossen, wenn nur einer der Fehler in den Schaltungen auftritt.

Fig. 8 zeigt ein Schaltbild der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers.

Der Meßaufnehmer 1 und die Ringoszillatoren 20 und 20A sind im wesentlichen die gleichen wie in Fig. 1 bei der ersten Ausführungsform. Sie erzeugen die in Fig. 6 gezeigten Puls­ folgen (1) und (3). Die Pulsfolge (3) liegt zusammen mit der Pulsfolge (1) an einem Frequenzsubtrahierer 36 an, durch den eine Pulsfolge (5) mit der Differenzfrequenz f₁₀-f₂₀ der Frequenzen der Pulsfolge (1) mit der Frequenz f₁₀ und der Pulsfolge (3) mit der Frequenz f₂₀ berechnet wird, die dann an dem Ausgangsanschluß 37 anliegt.

In der vorliegenden Ausführungsform liegt ein weiterer Vor­ teil gegenüber der ersten Ausführungsform darin, daß die Frequenz der Pulsfolge (5)A, die an dem Anschluß 37 anliegt, proportional zu dem Wert C1-C2 ist, und daher eine Steuer­ einheit direkt über seine Schnittstelle angeschlossen werden kann, die aus Mikrocomputer mit Zählerfunktion besteht.

Da darüber hinaus der Frequenzsubtrahierer 36 einfach durch logische Schaltungen wie das Inverterelement 21 realisiert werden kann, kann die Schaltungsgröße der Sensoreinheit re­ duziert werden und die gesamte Sensoreinheit inklusive des Meßabschnittes 1 auf einem einzelnen Halbleitersubstrat her­ gestellt werden, mit anderen Worten, es läßt sich ein sog. intelligenter Einchip-Sensor herstellen.

Fig. 9 zeigt die dritte Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Beschleunigungsmessers. Anders als bei den vorigen Ausführungsformen ist bei der jetzigen Ausführungsform nur eine stationäre Elektrode 6 in dem Meßaufnehmer 1 vorgese­ hen. Die Kapazität C1 ist in dem Ringoszillator 20 als ein Teilelement integriert, um die Frequenzcharakteristik des Ringoszillators 20 direkt durch den eigentlichen Wert der Kapazität C1 zu bestimmen. Die Kapazität C1 wird in eine Signalwechselspannung in der Form einer Pulsfolge umgewan­ delt, welche über das Inverterelement 24 am Anschluß 50 anliegt. Anders als bei der ersten und zweiten Ausführungs­ form, wo die Kapazitätsdifferenz C1-C2 in eine Pulsfolge umgewandelt wurde, wird bei der vorliegenden Ausführungsform der Kapazitätswert C1 direkt in eine Pulsfolge umgewandelt. Die Möglichkeit eines Betriebsfehlers wird im Vergleich zu der Verwendung der Kapazitätsdifferenz weiter verringert. Mit anderen Worten, es kann eine Sensoreinheit realisiert werden, bei der ein Betriebsfehler noch unwahrscheinlicher ist.

Die Fig. 10 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Beschleunigungsmessers. In der vorliegenden Ausführungsform wird wie bei der dritten Ausführungsform die Kapazität entsprechend der wirkenden Beschleunigung durch den Ringoszillator 20 in eine Frequenz umgewandelt. Das Wechselsignal in Form einer Pulsfolge (1), welche als Be­ schleunigungserfassungssignal verwendet wird, wird über das Inverterelement 24 ausgegeben. Darüber hinaus wird die Puls­ folge (1) über das Pufferelement 55 zur stationären Elektro­ de 7 in dem Meßaufnehmer 1 rückgekoppelt, wobei die elektro­ statische Kraft ausgenutzt wird, welche zwischen der stati­ onären Elektrode und der beweglichen Elektrode 5 induziert wird. Die Trägheitskraft der beweglichen Elektrode 5 wird ausgeglichen mit der induzierten elektrostatischen Kraft, um damit eine sog. Servotyp-Beschleunigungssensorik aufzubauen.

Insbesondere wenn die Kapazität C1 aufgrund der Trägheits­ kraft ansteigt, ändert sich die Frequenz der Pulsfolge (1) in Richtung steigender Frequenz und somit erhöht sich die mittlere Gleichspannung des Pufferausgangs (6), wenn man an­ nimmt, daß die Pulsbreite der Pulsfolge (1) konstant ist. Die mittlere Gleichspannung steigt in Abhängigkeit von der steigenden Frequenz. Folglich gleicht sich die Trägheits­ kraft mit der elektrostatischen Kraft aus. Durch die Modifi­ zierung des Sensorbetriebes zu einem Servotyp hin wird die Möglichkeit eines Sensorfehlers weiter reduziert. Dies er­ gibt sich daraus, daß die Bedingung für normalen Sensorbe­ trieb noch strikter durch die Modifizierung in einen Servo­ typ definiert wird, da die Bedingung für normalen Sensor­ betrieb allgemein strikter für den Servotyp als für den of­ fenen Typ ist.

Fig. 11 zeigt die fünfte Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Beschleunigungsmessers. In der vorliegenden Ausfüh­ rungsform wird ein Piezowiderstand als Beschleunigungsmesser eingesetzt und die druckempfindlichen Dehnungsmeßwiderstände 56 und 57, die das Beschleunigungssensorelement 1 bilden, werden gewöhnlich als Differentialtyp auf solche Art aufge­ baut, daß wenn der Widerstand des Dehnungsmeßwiderstandes 56 steigt der Widerstand des Dehnungsmeßwiderstandes 57 ent­ sprechend sinkt. Eine detaillierte Erläuterung wird hier nicht gebracht, da sie nicht direkt zur vorliegenden Erfin­ dung beiträgt. Diese druckempfindlichen Dehnungsmeßwider­ stände 56 und 57 werden auf einem Trägerteil (nicht gezeigt) für die Massenproduktion auf der seismischen Masse ange­ bracht, welche sich entsprechend der darauffolgenden Be­ schleunigung verschiebt. Die Frequenzen der Ringoszillatoren 20 und 20A werden jeweils auf der Basis der Widerstandswerte der entsprechenden Dehnungsmeßwiderstände 56 und 57 be­ stimmt, so daß sich die Frequenzen entsprechend der wir­ kenden Beschleunigung ändern. Dementsprechend kann die Be­ schleunigung aufgrund der Frequenz des Ausgangssignals (5)A an dem Anschluß 37 abgelesen werden.

Bei der vorliegenden Ausführungsform wird wie bei der Aus­ führungsform in Fig. 8 die Differenzfrequenz der Wechsel­ signale (1) und (3), die durch die entsprechenden Ringos­ zillatoren 20 und 20A erzeugt werden, bestimmt durch den Frequenzsubtrahierer 36, von dem die Pulsfolge (5)A aus­ gegeben wird. Entsprechend der vorliegenden Erfindung können die Piezowiderstände 56 und 57 in dem Meßabschnitt 1 zusam­ mengebaut werden und daher die Sensorerfassungseinheit in­ klusive der Piezowiderstände und der Pendelmassenabschnitt integriert werden.

Fig. 12 zeigt die sechste Ausführungsform entsprechend der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Ausgang variierender Pulsbreite als Wechselsignal direkt aufgrund der Kapazität C1 des Meßaufnehmers 1 er­ zeugt. Eine Konstantstromquelle 91 liegt zwischen den Elek­ troden 5 und 6 in dem Meßaufnehmer 1, und die elektrostati­ sche Kapazität zwischen den Elektroden 5 und 6 wird durch den Ausgangsstrom der Konstantstromquelle 91 aufgeladen, wodurch die Signalform des Signals (7) linear mit der Peri­ ode t₁∼t₂ wie dargestellt ansteigt. Ein Vergleicher 93 vergleicht wie durch 92 angedeutet das Signal (7) mit einer Referenzspannung E, und kehrt sein Ausgangssignal (8) in dem Moment t₂ um, in dem die Spannung des Signals (7) die Refe­ renzspannung E überschreitet. Da das Ausgangssignal (8) über eine Multivibratorschaltung 95 an dem Transistor 94 anliegt, wird der Transistor 94 nach der Zeit t₂ durchgeschaltet, so daß die Elektroden 5 und 6 kurzgeschlossen und entladen werden, wodurch die Signalspannung (7) auf 0 V fällt.

Wenn sich zum Zeitpunkt t₃ der Leitungszustand des Transis­ tors 94 von Durchlassen auf Sperren ändert, beginnt die Schaltung wieder auf dieselbe Art wie nach dem Zeitpunkt t₁ zu arbeiten. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Größe der Be­ schleunigung ansteigt, bewegt sich die Elektrode 5 nahe an die Elektrode 6 heran und die Kapazität nimmt zu. Somit steigt die Anstiegszeit des Signals (7) im Vergleich zu der Periode mit t₁∼t₂, da die kürzere Anstiegszeit der ge­ stiegenen Kapazität C1 entspricht. Mit anderen Worten, die Dauer T₁ und T₂ bzw. Pulsbreite stellt die Beschleunigung dar, und die Beschleunigung kann durch Auslesen der Werte T₁ und T₂ an dem Anschluß 50 über einen Mikrocomputer bestimmt werden. Der spezifische Vorteil der vorliegenden Ausfüh­ rungsform liegt darin, daß die Schaltung verhältnismäßig einfach aufgebaut werden kann.

Fig. 13 zeigt eine siebte Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Beschleunigungsmessers. In der vorliegenden Ausfüh­ rungsform ist ein Mittel für die Diagnose der das Wechsel­ signal erzeugenden Sensoreinheit, die in den vorangehenden Ausführungsformen erläutert wurde, eingeschlossen, wobei eine externe Spannungsquelle 41 vorgesehen ist, um die be­ weglich Elektrode 5 in dem Meßabschnitt 1 über einen Schal­ ter 40 verbindet, um die Frequenz des Ringoszillators 20 zu ändern und die gesamte Sensoreinheit zu überprüfen. Mit an­ deren Worten, wenn der Schalter 40 nach links geschaltet ist, wie dargestellt, arbeitet die Sensoreinheit normal und erzeugt die Pulsfolge (1) mit der Frequenz, die durch die entsprechende Kapazität C1 festgelegt ist. Wenn der Schalter 40 nach rechts geschaltet wird, so wird die Spannung der Spannungsquelle 41 zwischen die bewegliche Elektrode 5 und einen Masseanschluß der elektrischen Schaltung der Sensor­ einheit gelegt. Somit wird eine in etwa gleich große Span­ nung wie die der Spannungsquelle 41 an die Elektroden 5 und 6 gelegt. Die Spannung wird an das Inverterelement 21 auf die gleiche Art angelegt wie die Spannung der Spannungs­ quelle 41A an das Inverterelement 24, was dargestellt ist. Die Spannung der Spanungsquelle 41 wird gewöhnlich höher ge­ wählt als die Spannung von 5 V der Spannungsquelle 41A. Daher wird eine Spannung größer als 5 V zwischen die Elektroden gelegt, und der Abstand zwischen den Elektroden wird bewußt durch die elektrostatische Kraft weiter reduziert, die durch die höher angelegte Spannung dazwischen induziert wird. Folglich wird die Kapazität C1 erhöht und die Frequenz der Pulsfolge (1) erhöht sich gleichfalls. Insbesondere wenn die Frequenz der Pulsfolge (1) durch das Anlegen der Diagnose­ spannung an den Meßaufnehmer 1 geändert wird, wird der Be­ trieb der gesamten Sensoreinheit als normal eingestuft, ohne daß eine spezielle und komplexe Messung durchgeführt werden muß. Die Diagnose wird als Einbauprozedur der Sensoreinheit durchgeführt, wobei dies der tatsächlichen Betriebsbedingung nahekommt, so daß Selbstdiagnose bei aktiven Bedingungen durchgeführt wird.

Darüberhinaus kann die obige Diagnose der Sensoreinheit ebenso auf den Beschleunigungsmesser mit Piezowiderstand angewendet werden.

Hierbei wird unter den Teilen, die das Beschleunigungssen­ sorelement vom Piezowiderstandstyp bilden, das als seismi­ sche Masse gewählt, welches sich aufgrund der Beschleunigung verschiebt, und als bewegliche Elektrode während der Diagno­ se verwendet. Eine stationäre Elektrode ist für die Diagnose gegenüber der seismischen Masse angebracht, und eine externe Spannung wird zwischen die seismische Masse und die statio­ näre Elektrode gelegt, um eine elektrostatische Kraft da­ zwischen zu erzeugen und um bewußt einen Dehnungswiderstand an dem Massenträgerteil hervorzurufen, wodurch eine Änderung des Wechselsignals erzeugt wird, um die normale Funktion der Sensoreinheitsschaltung zu testen.

Fig. 14 ist ein Beispiel des generellen Aufbaus eines Air­ bagsystems in Form eines Blockdiagramms. Das Airbagsystem wird durch eine Airbagsteuereinheit 60, einen Zünder oder einen Sprengkörper 74 und einen Airbag 91 gebildet. In dem Airbagsystem wird die Beschleunigung eines Motorfahrzeugs, die bei Zusammenprall des Fahrzeug auftritt und an dem An­ schluß 61 anliegt, durch einen Sensor 65 aufgenommen. Das Ausgangssignal von dem Sensor 65 wird an die Prozessorein­ heit 71 bzw. einen Mikroprozessor gesendet, in welchem die Verarbeitung und Einstufung des Ausgangssignals durchgeführt wird. Das resultierende Signal wird über eine Ausgangsschal­ tung 90 an den Zünder ausgegeben. Der Zünder 74 umfaßt ge­ wöhnlich einen Heizfaden, der in Sprengstoff gelagert ist. Die durch den Sprengstoff hervorgerufene Explosion bringt Stickstoffgas zum Entweichen in den Airbag 91. Um die Zuver­ lässigkeit der Steuereinheit zu erhöhen, ist ebenso eine Stromversorgungsreserveschaltung 62 und eine Diagnoseschal­ tung 63 in der Steuereinheit integriert.

Fig. 15 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Airbagsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung. Die Sensoreinheit 65 ist ein ein Wechselsignal erzeugender Be­ schleunigungsmesser. Dessen Ausgangssignal wird an die Prozessoreinheit 71 gespeist. Die Ausgangsspannung (9) und (10) von der Prozessoreinheit 71 sind inaktiv solange kein Zusammenprall vorliegt, und es werden keine Pulsfolgen er­ zeugt. Zum Zeitpunkt eines Zusammenstoßes werden Ausgangs­ spannungen (9) und (10) in Form von Pulsfolgen erzeugt und dann durch die Pulsfolge (9) der Transistor 73 über eine Pegelhubschaltung 72 durchgeschaltet, was wegen der Diffe­ renz der Quellenspannungen für die Prozessorschaltungen 71 und die Ausgangsschaltung 90 erforderlich ist.

Die erzeugte Pulsfolge (10) wird über einen Kondensator 75, einen Widerstand 76 und eine Diode 77 gleichgerichtet. Die gleichgerichteten Spannungen werden durch die Kapazität 79 auf addiert. Dann wird der Transistor 80 gleichfalls durchge­ geschaltet, so daß beide Transistoren 73 und 80 im durchge­ schalteten Zustand sind, wodurch der Heizfaden in dem Zünder 74 aktiviert wird, und den Sprengstoff zündet.

Da die Pulsfolge (10) ein Wechselsignal ist, so daß der Airbag niemals ausgelöst wird, wenn keine Pulsfolgen auf­ grund des Wechselsignals erzeugt werden, wird der Transistor 80 nur durch die fortlaufende Pulsfolge durchgeschaltet und dann der Airbag ausgelöst. Insbesondere da beide Signale (9) und (10) die Form einer alternierenden Pulsfolge haben, ist die irrtümliche Aktivierung des Airbags aufgrund von Schal­ tungsstörungen effektiv ausgeschlossen, solange Fehler in der Sensoreinheit und der Airbagsteuereinheit nicht eine ähnliche Pulsfolge erzeugen.

Darüberhinaus ist bei einem Fehler der Sensoreinheit 65 und der Steuereinheit 70 die Pulserzeugung meistens unterbro­ chen, so daß die Diagnose des Systems leicht durchführbar ist, wenn die Unterbrechung der Pulsfolge berücksichtigt wird, wozu die Pulserzeugung fortlaufend überwacht werden muß.

Weiterhin wird bei dem obigen Beschleunigungsmesser vom Wechselsignaltyp die physikalisch effektive Größe, die im Meßaufnehmer der Beschleunigung entspricht, direkt in eine Frequenz oder Pulsbreite umgesetzt, ohne daß ein Umweg über die Wandlung in eine Analogspannung gemacht wird. Die phy­ sikalisch effektive Größe kann jedoch durch einen Pulsampli­ tudenmodulator (PAM) gewandelt werden.

Entsprechend der bisher erläuterten vorliegenden Erfindung, ist der Beschleunigungsmesser als ein Beschleunigungsmesser aufgebaut, der ein Wechselsignal erzeugt und bei welchem eine physikalisch effektive Größe, die von der Beschleuni­ gung abhängt, direkt in ein Wechselsignal konvertiert wird, so daß ein Sensorausgangssignal, das durch einen Schaltungs­ fehler in der Sensorschaltung erzeugt wird, unterschieden werden kann von dem normalen Beschleunigungserfassungssig­ nal. Das Ergebnis ist ein System, welches fehlerhafte Aus­ lösung von Sicherheitseinrichtungen ausschließt.

Claims (9)

1. Beschleunigungsmesser, der einen Meßaufnehmer (1), der die darauf wirkende Beschleunigung aufnimmt, und eine Vorrichtung (20, 20A) für die Umwandlung einer physi­ kalisch effektiven Größe, die sich aus der auf den besagten Meßaufnehmer (1) wirkenden Beschleunigung er­ gibt, in ein Wechselsignal ((1), (3)) umfaßt, so daß die Beschleunigung in Form eines Wechselsignals dar­ gestellt wird.

2. Beschleunigungsmesser, der ein Beschleunigungssensor­ element (1), welches eine physikalisch effektive Größe in Abhängigkeit von der darauf wirkenden Beschleunigung erzeugt, und eine ein Wechselsignal erzeugende Schal­ tung (20, 20A) umfaßt, welche die physikalisch effekti­ ve Größe von dem besagten Beschleunigungssensorelement (1) in ein Wechselsignal überführt, das die Beschleu­ nigung darstellt, wobei die das Wechselsignal erzeugen­ de Schaltung (20, 20A) das besagte Beschleunigungssen­ sorelement (1) als eines der Schaltelemente so umfaßt, daß die physikalisch effektive Größe von dem Beschleu­ nigungssensorelement die Charakteristik des darin ver­ arbeiteten Wechselsignals bestimmt.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die physikalisch effektive Größe, die durch die Beschleuni­ gung beeinflußt wird, entweder eine elektrostatische Kapazität (5, 6, 7,) oder ein Piezowiderstand (56, 57) ist.

4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Frequenz (70, 71) des Wechselsignals ((5)) in Abhängig­ keit von der physikalisch effektiven Größe variiert, die durch die Beschleunigung beeinflußt wird.

5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Wechselsignal ((5)) eine Pulsfolge mit vorgegebener Frequenz und Pulsbreite ist, die von der physikalisch effektiven Größe abhängt, die durch die Beschleunigung beeinflußt wird.

6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, wobei der besagte Meßaufnehmer (1) ein elektrostatisches Kapazi­ tives Beschleunigungssensorelement (5, 6, 7) umfaßt, und die physikalisch effektive Größe, die durch die Be­ schleunigung beeinflußt wird, eine elektrostatische Kapazität ist, wobei besagtes Beschleunigungssensor­ element gebildet wird durch eine bewegliche Elektrode (5) und ein Paar von stationären Elektroden (6, 7), die jeweils gegenüber einer der beiden Flächen der besagten beweglichen Elektrode angebracht sind, und besagte Wandlervorrichtung (20, 20A) eine ein Wechselsignal erzeugende Schaltung umfaßt, welche die jeweiligen elektrostatischen Kapazitäten zwischen der besagten beweglichen Elektrode (5) und einer der besagten sta­ tionären Elektroden (6, 7) und zwischen der besagten beweglichen Elektrode (5) und der anderen der besagten stationären Elektroden (6, 7) in ein jeweiliges Wech­ selsignal ((1), (3)) wandelt, wobei die Beschleunigung aufgrund der Differenz zwischen den Wechselsignalen ((1), (3)) bestimmt wird, die den jeweiligen elektro­ statischen Kapazitäten entsprechen.

7. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 6, der darüber hi­ naus eine Vorrichtung (40, 41) für die Diagnose eines Fehlers im besagten Meßwertaufnehmer (1) umfaßt, welche eine externe Spannung (41) zwischen die besagte beweg­ liche Elektrode (5) und eine der besagten stationären Elektroden (6, 7) anlegt, um eine elektrostatische Kraft dazwischen hervorzurufen, um die Distanz zwischen ihnen zu variieren und um eine Änderung der elektrosta­ tischen Kapazität sowie des dazugehörigen Wechselsig­ nals hervorzurufen.

8. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, wobei der besagte Meßwertaufnehmer (1) ein Piezowiderstandsbe­ schleunigungssensorelement (56, 57) umfaßt, und die physikalisch effektive Größe, die durch die Beschleuni­ gung erzeugt wird, ein Piezoeffektwiderstand ist, sowie eine Vorrichtung für die Diagnose eines Fehlers in dem besagten Meßwertaufnehmer (1), welcher einen Massenab­ schnitt für das besagte Beschleunigungssensorelement verwendet, welches sich aufgrund der Beschleunigung als bewegliche Elektrode (5) verschiebt, und welcher eine stationäre Elektrode (6, 7) gegenüber dem Massenab­ schnitt umfaßt, wobei eine externe Spannung angelegt wird zwischen Massenabschnitt und stationärer Elektrode (6, 7), um eine elektrostatische Kraft dazwischen zu erzeugen, um den Spannungswiderstand an einem Massen­ abschnittführungsteil zu ändern und eine Änderung des Wechselsignals hervorzurufen.

9. Airbagsystem, welches einen Airbag (91) durch Erkennen eines Zusammenpralls eines Motorfahrzeuges mittels Verwendung eines Beschleunigungsmessers gemäß einem der Ansprüche 1-8 auslöst, wobei wenn das Wechselsignal ((5), (5)A) von dem Beschleunigungsmesser bis zu einem vorgegebenen Signalpegel reicht, der einen Zusammen­ prall des Motorfahrzeugs darstellt, der Airbag (91) ausgelöst wird.