JP2001516059A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 測定量、とりわけ運動量の検出装置が提案される。この装置は出力側に誤機能を固定の電圧レベルにより通報する。装置は自己検査装置を有し、この自己検査装置は外部のトリガなしで測定装置とパラレルに動作し、固有の測定過程が中断されたり、妨害されたりすることがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 従来の技術 本発明は、請求項１の上位概念によるセンサ装置から出発する。すでに検査装
置を備えたセンサ装置は公知であり、この検査装置はセンサ装置を誤機能につい
て検査する（ＤＥ４４４７００５）。この検査装置は外部から検査入力側の操作
によりアクティブにしなければならない。ここで検査フェーズでは、センサが障
害信号を介して離調される。この障害信号は測定すべき測定量の所定の値に相当
する。

【０００２】 発明の利点 請求項１の特徴部分の構成を有する本発明の装置は、センサを離調することな
しに測定機能を制御し、自己検査の実行を常時可能にし、従って障害を機構内お
よび／または電子回路内で識別できるという利点を有する。ここでは外部のトリ
ガおよび外部の付加的な接続が必要ない。これは３ピン端子（電圧供給＋信号出
力）により実現される。これにより自己検査装置を備えていなくても、このよう
な端子を有する既存のセンサに対する上位互換性が得られる。またこのようなセ
ンサを本発明の装置により有利に置換することができる。

【０００３】 請求項１に記載の装置の有利な改善形態および実施形態は従属請求項から明ら
かである。

【０００４】 図面 本発明の実施例は図面に示されており、以下詳細に説明する。

【０００５】 図１は、第１の実施例のブロック回路図、 図２は、第１の実施例における周波数関係を示す線図、 図３は、第２の実施例のブロック回路図 図４は、第２の実施例における周波数関係を示す線図である。

【０００６】 実施例の説明 図１は、測定入力側９と出力側１１を備えた測定および評価ユニット１０を示
す。自己検査装置１５は測定および評価ユニット１０と電気的に接続されている
。測定および評価ユニット１０は測定素子１を有し、この測定素子は入力側９と
加算点３を介して接続している。測定素子１はセンサ伝送関数２を備えており、
これは値Ｋ１を有する。測定素子の出力側は、評価伝送関数Ｋ２を備えた評価回
路４と接続されている。評価回路４の出力側は増幅器５と電気的に接続されてい
る。増幅器は増幅率Ｋoutと上側遮断周波数ｆ２を有する。増幅器５の出力側は 出力側１１と接続されている。自己検査装置１５は、同期復調器６として構成さ
れた周波数選択性の証明手段を有し、これは出力側１１と接続されている。同期
復調器６は、復調器７とＩ制御器８を有し、ここでＩ制御器は上側遮断周波数ｆ
１を有する。さらに発振器１８が設けられており、この発振器は周波数逓低器１
９を介して検査周波数ｆｔの信号を復調器に供給する。復調器７はその出力信号
をＩ制御器８に送出する。Ｉ制御器はまた帰還線路１６を介して、ウインドコン
パレータを有する遮断論理回路１７と電気的に接続されている。遮断論理回路１
７もまた、測定および評価ユニット１０の増幅器５と電気的に接続されている。
同期復調器の出力側は遮断論理回路１７の他に、静電的電圧／力変換器１２と接
続されている。電圧／力変換器１２は補償信号を加算点３に送出する。実施例で
は、測定素子は例えば加速センサであり、その入力側９には測定すべき加速度に
比例する慣性力が印加される。自己検査装置１５は図１に図示しない検査振幅発
生器を有しており、この検査振幅発生器は検査振幅を静電的検査電圧／力変換器
１３にさらに送出する。静電的検査電圧／力変換器１３は検査電圧を加算点１３
に給電する。電圧／力変換器１２と検査電圧／力変換器１３は周波数逓低器１９
から信号周波数を受け取る。発振器１８は、発振器周波数ｆoszの信号を評価回 路４、電圧／力変換器１２および検査電圧／力変換器１３に送出する。

【０００７】 容量性加速度センサとして構成された測定素子１は、測定素子の可動要素の撓
みを介して加速度に比例する慣性力を検出する。慣性力の測定素子１に及ぼす作
用は図１の入力側９により示されている。センサ伝送関数の値Ｋ１は可動要素の
位置変化と作用する慣性力との商である。可動要素の位置変化は評価回路４で評
価され、電圧に変換される。このための尺度は評価伝送関数Ｋ２であり、この関
数は可動要素の撓みに比例する。ここで可動要素は２つのキャパシタの一部であ
り、可動要素の撓みの結果であるそのキャパシタンス変化は評価回路で電圧信号
に変換される。ここで評価は、第１実施例の第１の実施形態では、スイッチドキ
ャパシタ技術（ＳＣ技術）でサンプル＆ホールド回路で行われる。評価回路がキ
ャパシタンス変化を走査するサンプリング周波数は、ここでは例えば発振器１８
の発振器周波数の四分の一である。評価回路４の電圧信号は後続の増幅器５で増
幅率Ｋoutにより増幅される。増幅された電圧信号は出力側１１から取り出され る。発振器周波数は例えば２００ｋＨｚであり、サンプリング周波数ｆａは相応
して５０ｋＨｚである。

【０００８】 図１の装置に対して重要な周波数値による周波数スペクトルが図２に示されて
いる。測定すべき加速度値はここで例えば周波数領域０から５０Ｈｚの間で変化
し、図２にはｆｎにより最大有効周波数が示されている。従って時間経過中に測
定要素が証明すべき加速度変化の最大周波数が示されている。測定および評価ユ
ニット１０は開ループである。なぜなら測定すべき加速度信号の評価のために、
測定素子から評価回路を介し増幅器へ至る問い合わせに帰還結合路が設けられて
いないからである。ここで増幅器５の上側遮断周波数ｆ２は最大有効周波数ｆｎ
よりも大きくなければならない（図２参照。ここには開ループ構成での周波数関
係２８が示されている）。ｆ２はまた例えば４００Ｈｚである検査周波数ｆｔよ
りも大きくなければならない。従ってここでも最大有効有波数ｆｎよりも大きい
。ここで測定素子の３ｄＢカットオフ周波数は、例えば増幅器５の上側遮断周波
数よりも高い（図２参照。ここには３ｄＢカットオフ周波数に対して例として１
ｋＨｚの値が示されており、これは上側遮断周波数ｆ２より右にある）。ここで
検査周波数ｆｔは、静電的検査電圧／力変換器１３により測定量に重畳される検
査信号の周波数である。検査振幅発生器は、検査電圧／力変換器で使用される検
査振幅を送出する。この検査振幅により、最大有効周波数よりも高い検査周波数
を備えた検査電圧信号が測定量に重畳される。このことは、測定量すなわち慣性
力に付加的な力を重畳することにより行われる。増幅器５の上側遮断周波数ｆ２
は検査周波数よりも高いから、電圧信号に変換される検査信号は増幅器５を通過
し、同期復調器６により検出することができる。復調器７は増幅器５の出力信号
を周波数選択的に検査周波数ｆｔで復調する。Ｉ制御器は遮断周波数ｆ１のロー
パスフィルタとして作用する。その出力信号は電圧信号であり、静電的電圧／力
変換器１２の制御に使用される。この電圧／力変換器１２は測定量に補償信号を
重畳する。これは前に説明したように、入力される検査信号を補償するためであ
る。電圧／力変換器１２は検査電圧／力変換器１３のように、容量性加速度セン
サの所期の電極に関与する回路部分として実現される。これは電圧信号に相応し
て、容量性加速度センサの可動要素の適切な撓みないし補償撓みを発生させるた
めである。測定および評価ユニット１０が正常であれば、検査信号は補償信号に
より完全に補償され、Ｉ制御器８の出力側に直流電圧が印加される。この直流電
圧は検査振幅１４に相応する。例えば機械的測定素子が損傷している、または電
子回路が正常に機能しないなどの理由で測定および評価ユニット１０が正常でな
ければ、出力側１１で検査周波数ｆｔの信号成分が増幅される。この増幅は、同
期復調器６および電圧／力変換器１２により形成されるループを介して行われる
。このループは、測定および評価ユニット１０の開ループへの、検査周波数信号
成分に対する帰還結合ループである。Ｉ制御器８は積分器として作用するから、
比較的に長い時間にわたって出力側１１に発生する検査周波数ｆｔの信号振幅を
積分し、Ｉ制御器８の出力側にはこの場合、極値（最大電圧値または最小電圧値
）が発生する。この極値は帰還信号線路１６を介して遮断論理回路を制御する。
遮断論理回路１８に所属するウインドコンパレータは、帰還信号線路の電圧値が
所定のウインド内にないことを記録する。これは測定および評価ユニット１０が
正常に機能していないことを意味する。相応にして遮断論理回路１７は増幅器５
を遮断するか、または遮断論理回路１７と増幅器５との間の電気接続路を介して
測定および評価ユニット１０の出力側１１に所定の固定電圧値を印加する。この
電圧値は出力側１１に接続された外部の電子回路によりエラー信号として識別さ
れる。測定および評価ユニット１０が正常に機能していればＩ制御器の出力側に
は、検査振幅発生器により形成された検査振幅１４に相応する電圧値が印加され
る。相応にして遮断論理回路１７のウインドコンパレータは、Ｉ制御器の出力側
に印加される電圧値が検査振幅１４の周辺にある、ウインドコンパレータにより
定義された値領域内にない場合に直ちに、測定および評価ユニット１０の誤機能
を識別するように構成されている。Ｉ制御器８の遮断周波数ｆ１はまた頑強性周
波数とも称され、測定および評価ユニット１０の開ループと帰還結合ループとに
より形成される自己検査制御回路の頑強性を検査周波数ｆｔにおいて発生する有
効信号に関して定める。なぜならＩ制御器８は、検査周波数をもって出力側１１
に発生する電圧成分だけを積分的に通過させるからである。ここで遮断周波数ｆ
１はできるだけ小さくする。これは加速度力信号成分が検査周波数により積分さ
れるのを排除するためである。所期のように遮断周波数が小さければ（０＜ｆ１
＜ｆｎ）、このような積分が排除される。なぜなら通常、測定すべき加速度力は
最大有効周波数ｆｎにより定められる有効帯域内にあり、Ｉ制御器８の出力側で
検知できるほど信号成分が４００Ｈｚの加速度力が測定素子に十分に長時間印加
されたり、十分に大きくなったりすることはないからである。

【０００９】 上記の実施例から、自己検査装置１５により実施された自己検査が、測定およ
び評価ユニットの開ループにより実行される測定値検出であるオリジナル動作に
重畳され、測定値検出には影響を及ぼさないことが明らかである。なぜなら、測
定すべきパラメータの周波数成分は最大有効周波数ｆｎにより与えられる対象周
波数領域にあり、したがって検査周波数ｆｔより下にあり、検査信号は自己検査
制御回路により補償されるからである。したがってここでは、測定および評価ユ
ニットの機能に影響を及ぼさず、外部トリガも必要のない周波数選択性の監視方
法が提案される。

【００１０】 センサ出力側１１には制御偏差が非常に小さくなっても検査信号は出力されな
い。すなわち外部には自己検査は見えない。単に誤機能の場合だけ、出力側１１
には所定の電圧レベルが印加される。キャパシタンス変化を評価回路により評価
し、静電力を電圧ないし検査電圧／力変換器１２ないし１３を介して及ぼすこと
は時分割多重法で行われる。すなわち、機械的測定素子はサンプリング周波数に
相応する時間と比較して慣性が大きいという事実を利用する。時分割多重法に対
する条件は、例えば発振器周波数ｆoszの四分の一、すなわち５０ｋＨｚである サンプリング周波数ｆａが測定素子の３ｄＢカットオフ周波数と比較して大きい
ことである。ここで測定素子の３ｄＢカットオフ周波数は、信号成分の確実に測
定できる周波数領域を設定する（実施例では周波数１ｋＨｚまでの加速度力成分
）。周波数逓低器１９を介して検査周波数の信号（この信号は復調器７で復調さ
れ、電圧ないし検査電圧／力変換器で検査ないし補償信号の形成に使用される）
を送出する発振器１８はさらに、評価回路４ならびに電圧／力変換器１２と１３
をトリガする。第１の時点で検査電圧／力変換器１３がトリガされ、第２の時点
で評価回路４がトリガされ、第３の時点で補償信号が電圧／力変換器１２により
印加される。測定値走査、すなわち評価回路４の発振器１８による制御は前記の
サンプリング周波数、すなわち５０ｋＨｚにより行われる。サンプリング周波数
が測定素子の３ｄＢカットオフ周波数と比較して大きいことにより、正規の測定
値検出を検査信号の印加直後に行うことができる。これは増幅器５が検査周波数
の信号成分を取り出しろ波していなくても行うことができる。なぜなら測定素子
は、サンプリング周波数のクロックで印加された検査信号に応答するには慣性が
大きすぎるからである。

【００１１】 サンプリング周波数の４周期を越えて初めて、出力側１１には場合により発生
した異常動作状態が指示される。すなわちゼロから格段に異なる、検査周波数の
信号成分が現れる。時分割多重評価法に対して択一的に、搬送周波数評価法も使
用できる。この場合図１で、発振器１８と検査電圧ないし電圧／力変換器１３な
いし１２との間の接続が省略される。発振器１８と評価回路４との間の接続はそ
のまま残る。なぜならこの場合、すなわち第１実施例の第２実施形態では、は新
規が評価回路４に対して搬送周波数を送出し、この搬送周波数に有効信号が変調
されるからである（振幅変調）。この場合、評価と検査信号とを同時に行うこと
ができ、検査信号適用と測定値取り出しとが検査電圧変換器１３ないし評価回路
４により機械的測定素子の可動要素の同じタップで行われてもかまわない。なぜ
なら搬送周波数評価の結果、検査信号適用と評価とは相互に影響を及ぼさないか
らである。ここでは図１の加算点は概略的に、物理的測定量、検査信号および補
償信号の重畳を示すことに注意すべきである。回路技術的に検査信号適用ならび
に補償信号適用および評価は機械的測定素子１の同じ端子を介して実現される。

【００１２】 同期復調器６は後置接続された振幅評価部を備えたバンドパスフィルタにより
置換できる。この場合、バンドパス周波数は検査周波数と同じである。

【００１３】 有利には評価回路４，増幅器５，自己検査装置１５および発振器１８を１つの
チップに集積することができる。この実施例は、慣性力ないし加速度測定に制限
されず、一般的に時間に依存する測定量に適用できる。したがって変換器１２な
いし１３は相応に適切な電圧変換を行うように構成しなければならない。

【００１４】 図３は、測定および評価ユニット１０の第２実施例を示し、自己検査装置１５
も相応に変形されている。測定および評価ユニット１０はこの第２実施例では、
図１の第１実施例の開ループとは異なり閉ループである。同じまたは類似の回路
部材には同じ参照符号が付してあり、もう一度説明はしない。評価回路４はパル
ス幅変調器３４と接続されており、パルス幅変調器は静電的信号電圧／力変換器
３５（信号変換関数Ｋｒ）を制御する。この信号電圧／力変換器もまた加算点３
で、外部慣性力と同時に力を機械的測定素子１に及ぼす。機械的測定素子１，評
価回路４，パルス幅変調器３４および信号電圧／力変換器３５による閉じた回路
構成により閉ループ構成が得られる。入力側に印加される物理的測定量、すなわ
ち慣性力に比例する有効信号はパルス幅変調器３４の出力側で取り出され、増幅
器５での増幅の後、出力側１１に出力される。

【００１５】 制御偏差が小さくなるまで、加速度センサとして構成された測定素子１の機械
的可動要素は常に同じ位置に留まる。慣性力の作用による機械的要素の撓みを補
償するための電気量はここでは同時に、出力側１１で取り出され、慣性力に比例
する電気信号である。パルス幅変調器は信号電圧／力変換器を発振器１８の周波
数の信号、すなわち２００ｋＨｚにより制御する。この信号のパルス幅は評価回
路４の出力信号により変化する。ここで発振器周波数は、図３の構成の他の全て
の特徴的周波数に対して同様に大きい（図４参照、ここには閉ループ構成の周波
数関係２９が示されている）。図１と比較して図３の第２実施例では、別の加算
点３６が設けられており、この加算点は測定素子１の出力側と評価回路４の入力
側との間に配置されている。センサ伝送関数部２はこの実施例では値Ｋ１を有し
、この値は測定素子１の生じた出力電圧と所属の物理量、例えば加速度との商に
相応する。通常動作時、すなわち全ての回路構成部材が正常であるとき、その検
査信号もこの閉ループ構成により、有効信号と全く同じように制御される。有効
信号が検査信号と異なるのは、検査信号が例えば１ｋＨｚの検査周波数を有する
のに対して、有効信号は０から最大有効周波数ｆｎとしての５０Ｈｚまでの対象
周波数を有することである（図４）。測定および評価ユニット１０の出力側１１
には測定すべき物理量に比例する電圧だけが印加される。なぜなら、出力側１１
に前置接続された増幅器５は遮断周波数ｆ２を有しており、この周波数は最大有
効周波数ｆｎに相応するからである（図４）。すなわちパルス幅変調器の出力側
に印加される、検査周波数ｆｔの信号成分は取り出しろ波される。測定素子１と
加算点３６との間で復調器７は測定素子の出力側に印加される電圧を取り出す。
通常動作ではこの電圧は反転検査信号に完全に相当する。したがって加算器３６
の出力側には検査周波数の信号は印加されない。同期復調器６はこの場合、遮断
論理回路１７を制御せず、出力側１１は自由に接続され、測定量に比例する電圧
信号を送出する。しかしループ構成が分離されるか、または測定素子が機械的に
損傷するか、または測定および評価ユニット１０の他の電子構成部材が機能しな
い場合には、機械的測定素子１の出力側における検査周波数の信号成分は検査振
幅と異なるようになり、このことを同期復調器をはローパスフィルタ８の出力側
に印加される、検査信号とは異なる信号により証明する。そしてこの値が所定の
公差領域の外にある限り、遮断論理回路１７を介して増幅器５は遮断され、出力
側１１には固定の電圧レベルが印加される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、第１実施例のブロック回路図、

【図２】 図２は、第１実施例における周波数関係を示す線図、

【図３】 図３は、第２実施例のブロック回路図

【図４】 図４は、第２実施例における周波数関係を示す線図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年３月９日（２０００．３．９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴォルフラム バウアー ドイツ連邦共和国 テュービンゲン ヴィ クトル−レンナー シュトラーセ 65 Ｆターム(参考） 2G032 AA00 AD04 AG01 AH07 AK11 AL05

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定回路（１０）により、測定量の有効バンド内にある時間
   依存の測定量を検出するための装置であって、 前記測定装置は、測定信号を送出するための測定素子（１）と、運動量を表す
   出力電圧を測定信号から形成するための評価手段（４，５；４，３４，３５，５
   ）とを有し、 前記出力電圧は当該装置の出力側（１１）に印加される形式の装置において、 自己検査装置（１５）が設けられており、 該自己検査装置により、測定信号には時間依存の測定量を検出するのと平行し
   て、有効バンドよりも上にある検査周波数の検査信号が重畳され、 前記自己検査装置（１５）は、 ａ．周波数選択性の証明手段（６）を有し、 該手段は測定回路の検査信号への応答を取り出し、 ｂ．前記証明手段の出力側から制御される、ウインドコンパレータを備えた遮断
   論理回路（１７）を有し、 該遮断論理回路は、測定回路の応答が値領域の外にあるか否かを検知し、外に
   ある場合には測定回路の出力側（１１）に固定の電圧レベルを印加する、 ことを特徴とする装置。
2. 【請求項２】 前記証明手段（６）は、復調器（７）と、Ｉ制御器（８）な
   いしはローパスフィルタとを有する、請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 前記証明手段（６）は、フィルタ周波数として検査周波数を
   備えたバンドバスフィルがと、後置接続された振幅評価回路とを有する、請求項
   １記載の装置。
4. 【請求項４】 発振器周波数（ｆosz）を備えた発振器（１８）が設けられ ており、該発振器により選択的に周波数逓低器（１９）を介して検査信号（ｆｔ
   ）の信号が形成される、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 【請求項５】 測定回路の入力側（９）、測定素子（１）、評価手段（４，
   ５）および出力側（１１）は、開ループを形成し、 自己検査装置（１５）の証明手段（６）はシステムの応答を出力側（１１）か
   ら取り出す、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 【請求項６】 評価手段（４，５）は評価回路（４）と後置接続された増幅
   器（５）を有し、 評価回路は測定量と関連する電圧を形成し、 増幅器は検査周波数よりも高い遮断周波数を有する、請求項５記載の装置。
7. 【請求項７】 自己検査装置（１５）は検査電圧／力変換器（１３）を有し
   、 該検査電圧／力変換器を介して測定量に検査信号が重畳され、 検査信号の振幅は検査振幅発生器により発生された検査振幅（１４）により与
   えられる、請求項５または６記載の装置。
8. 【請求項８】 自己検査装置（１５）は電圧／力変換器（１２）を有し、 該電圧／力変換器は証明手段（６）の出力側を介して制御可能であり、当該変
   換器により測定量に補償信号が重畳される、請求項７記載の装置。
9. 【請求項９】 発振器（１８）を介して、評価手段（４，５）、電圧／力変
   換器（１２）および検査電圧／力変換器（１３）はトリガ可能であり、 評価手段のサンプリングレート（ｆａ）は、測定素子の３ｄＢカットオフ周波
   数よりも大きく、 評価手段（４，５）と一方では電圧ないし検査電圧／力変換器（１２，１３）
   とが、他方ではそれらが交互に順次トリガ可能である、請求項４または８記載の
   装置。
10. 【請求項１０】 評価手段（４，３４，３５，５）は評価ループ（４，３４
    ，３５）と増幅器（５）を有し、 測定回路の入力側（９）、測定素子（１）および評価ループ（４，３４，３５
    ）は閉ループを形成し、 証明手段（６）はシステムの応答を測定素子出力側から取り出す、請求項１か
    ら４までのいずれか１項記載の装置。
11. 【請求項１１】 評価ループ（４，３４，３５）は評価回路（４）を有し、 評価回路は、測定量と関連した電圧を形成し、 増幅器（５）は検査周波数よりも低い遮断周波数を有する、請求項１０記載の
    装置。
12. 【請求項１２】 評価ループ（４，３４，３５）は信号電圧／力変換器（３
    ５）を有し、 該信号電圧／力変換器を介して測定量に帰還結合信号が重畳される、請求項１
    ０または１１記載の装置。
13. 【請求項１３】 評価ループ（４，３４，３５）はパルス幅変調器（３４）
    を有し、 該パルス幅変調器の動作周波数は発振器（１８）に関連し、 パルス幅変調器（３４）はパルス幅を評価回路（４）の出力信号により変化し
    、信号電圧／力変換器（３５）を制御する、請求項４または１２記載の装置。
14. 【請求項１４】 評価手段（４，５；４，３４，３５，５）、発振器（１８
    ）および自己検査装置（１５）は１つのチップに配置されている、請求項１から
    １３までのいずれか１項記載の装置。