JP2004239907A - マイクロメカニカルヨーレートセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロメカニカルヨーレートセンサの製造のための簡単かつコスト安な構造を提案することである。
【解決手段】検出ユニット10、前処理ユニット20、マイクロコントローラ60からなり、ＳＰＩインターフェイス62で接続し、マスタのマイクロコントローラからスレーブの検出ユニットを動作させる構成とする。低サンプリングレートで全信号処理をデジタル処理できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、出力側を有するマイクロメカニカルヨーレートセンサであって、出力側においてヨーレートセンサの運動に依存して出力信号が印加される、出力側を有するマイクロメカニカルヨーレートセンサに関する。

既に、出力信号がヨーレート、すなわち例えば単位「毎秒の度数（°／ｓ）」の情報乃至は表示から成るマイクロメカニカルヨーレートセンサは公知である。さらに、出力信号が時間連続的にアナログ形式で出力されるマイクロメカニカルヨーレートセンサが公知である。しかし、センサの出力信号の正確な検出は高い問い合わせ周波数、すなわち高いサンプリングレートを必要とし、この高いサンプリングレートによって出力信号が問い合わせられる。これはとりわけアナログ信号において当てはまる。従って、高いサンプリングレートは、とりわけコスト的に厳しい適用事例では、十分な出力信号を供給するためのコストの上昇を意味する。

本発明の課題は、マイクロメカニカルヨーレートセンサの製造のための簡単かつコスト安な構造を提案することである。

上記課題は、出力信号が角度情報に相応することによって解決される。

主請求項の特徴部分の構成を有する本発明のマイクロメカニカルヨーレートセンサは従来技術に対してマイクロメカニカルヨーレートセンサの製造のための簡単かつコスト安な構造が提案されるという利点を有する。このようなヨーレートセンサは例えばエアバッグシステムにおいてロールオーバ識別のために及び／又はナビゲーションシステムにおける走行方向センシングのために使用可能である。この場合、本発明では比較的低いサンプリングレートを、すなわち比較的コスト安なマイクロコントローラ乃至は比較的コスト安な制御ユニットをこのセンサと共に使用することができる。ここでとりわけ有利には、いわゆるスレーブとしてのセンサからいわゆるマスターとしての制御ユニット（乃至はマイクロコントローラ）へと検出すべき情報の出力を行い、この場合例えば１ｋＨｚのサンプリングレートを使用する。

従属請求項に記載の構成によって主請求項に記載のマイクロメカニカルヨーレートセンサの有利な改善実施形態が可能である。

とりわけ有利には、出力信号がデジタル形式で存在する。これによって、全信号処理をデジタルで実施することができ、このことは本発明のセンサをさらにコスト安にする。とりわけ有利には、ヨーレートセンサは制御ユニットと接続されている。これによって、センサから供給されるデータの使用を一方で訂正し、他方で柔軟に評価することができる。とりわけ有利には、ヨーレートセンサと制御ユニットとの間で情報がＳＰＩプロトコル（serial peripheral interface）の枠内で伝送される。これによって、工業規格に従って、明確に定義されたインターフェースをセンサとその周辺との間に設けることができ、このことはまたとりわけ適応作業のためのコストを低減する。とりわけ有利には、制御ユニットは適用事例に適合した、有利には１ｋＨｚ又は数Ｈｚのサンプリングレートを有する。サンプリングレートの決定のためには次のような熟考が重要である。様々な適応事例は異なる時定数を有し、これらの時定数の間に検出すべき事象が発生しうる。例えばロールオーバ識別のためには通常は１ミリ秒より小さいタイムスケールで重要な事象が発生することはないが、他方でナビゲーション適用事例では１００ミリ秒より小さいタイムスケールで重要な事象が発生することはない。従って、比較的頻繁なサンプリング乃至は比較的高いサンプリングレートは１ｋＨｚのロールオーバ識別の例において乃至は数Ｈｚのナビゲーション適用事例においてあまり経済的ではない。よって、本発明ではサンプリングレートを企画された適用事例の場合よりもせいぜいほんの少しだけ高く選定することが有意義であると思われる。これによって本発明では有利には企画された適用事例に対して十分に正確なセンサ情報をマイクロコントローラのできるだけコスト安な構成及びヨーレート検出の適合された時間分解能と結びつけることが可能である。とりわけ有利には、ヨーレートセンサは積分素子を有する。これによって、簡単な手段によって、すなわちコスト安に、出力信号としてヨーレート情報の代わりに出力信号として角度情報を提供することができる。とりわけ有利には、ヨーレートセンサは角度情報の供給のためにＳＰＩ命令を受け取る。これによって、本発明のマイクロメカニカルヨーレートセンサを標準インターフェースによって制御することができる。とりわけ有利には、最大回転角度とりわけ３６０°及びデジタルに存在する角度情報のビット数から角度情報の分解能が得られる。これによって、比較的小さいビットで非常に良好な角度分解能を得ることができる。

本発明の実施例を図面に図示し、次の記述において詳しく説明する。

図１には従来技術による公知のマイクロメカニカルヨーレートセンサのブロック線図が図示されている。参照符号１０によってマイクロメカニカルヨーレートセンサの検出ユニットが示されている。参照符号１２０によって公知のマイクロメカニカルヨーレートセンサの前処理ユニットが示されている。検出ユニット１０は前処理ユニット１２０に接続されており、この前処理ユニット１２０に生の信号１２を供給する。この生の信号１２は技術的にはとりわけ容量信号に相応し、センサ構造に基づいてこのセンサのヨーレートに（少なくとも広範囲で）比例する。センサの前処理ユニット１２０において生の信号１２はまず最初に電圧に、すなわち電圧信号１２３に変換される。生の信号１２が容量信号である場合、これは前処理ユニット１２０においてまず最初に容量／電圧変換器（Ｃ／Ｕ変換器）１２２によって電圧信号１２３に変換される。電圧信号１２３はアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）１２４でデジタル化され、これによってデジタル化された電圧信号１２５が発生され、次いで復調器１２６において復調される。このために、復調器１２６には高周波ユニット４０によってＡ／Ｄ変換器１２４からのデジタル化された電圧信号１２５に加えてさらに相応の復調信号４１が供給される。復調器１２６はこの場合復調された信号１２７を発生し、この復調された信号１２７はローパスフィルタ１２８に供給される。ローパスフィルタ１２８の後でフィルタリングされた信号がヨーレート信号又はヨーレート情報１３０としてオフセットの形式で前処理ユニット１２０乃至はセンサの出力側１３２に供給される。このように存在する出力信号１３１は次いで例えばＳＰＩインターフェース６２（serial peripheral interface）に供給される。さらに、別の出力信号１３３が例えばデジタル／アナログ変換器５０に後処理のために供給される。
図２には本発明のマイクロメカニカルヨーレートセンサが図示されている。参照符号１０によってこのマイクロメカニカルヨーレートセンサの検出ユニットが示されている。参照符号２０によって本発明のマイクロメカニカルヨーレートセンサの前処理ユニットが示されている。検出ユニット１０及び前処理ユニット２０は以下においては共に本発明のマイクロメカニカルヨーレートセンサ３５として示される。検出ユニット１０は前処理ユニット２０に接続されており、前処理ユニット２０に生の信号１２を供給し、この生の信号１２は技術的にはとりわけ容量信号に相応し、本発明のヨーレートセンサのセンサ構造に基づいてこのセンサのヨーレートに（少なくとも広範囲で）比例している。このヨーレートセンサ３５の前処理ユニット２０において生の信号１２はまず最初に電圧に、すなわち電圧信号２３に変換される。生の信号１２が容量信号である場合には、これは前処理ユニット２０においてまず最初に容量／電圧変換器（Ｃ／Ｕ変換器）２２によって電圧信号２３に変換される。電圧信号２３はアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）２４においてデジタル化され、これによってデジタル化された電圧信号２５が発生され、次いで復調器２６において復調される。このために復調器２６には高周波ユニット４０によってＡ／Ｄ変換器からのデジタル化された電圧信号２５に加えてさらに相応の復調信号４１が供給される。復調器２６はこの場合復調された信号２７を発生し、この復調された信号２７はローパスフィルタ２８に供給され、このローパスフィルタ２８はフィルタリングされた信号２９を出力する。

しかし、公知のセンサとは異なり、本発明のヨーレートセンサ３５ではとりわけ評価ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）２０として存在する前処理ユニット２０を次のように拡張する。すなわち、検出された回転運動に関するヨーレートセンサ３５によって検出された情報がもはやヨーレートとしてではなく回転角度乃至は絶対回転角度として出力されるようにする。ヨーレート信号の積分は様々な箇所で実行されうる。本発明ではとりわけ積分を前処理ユニット２０乃至はデジタル部分２０においてデジタルフィルタ２８の形式のフィルタ２８による信号のフィルタリングの後で実施する。このためにロールオーバシステムにおける本発明のヨーレートセンサ３５の使用例ではとりわけ３０Ｈｚのフィルタ２８の特性周波数が、及び、ナビゲーション適用事例における本発明のヨーレートセンサ３５の使用例では１０Ｈｚのフィルタ２８の特性周波数が設けられる。

マイクロコントローラが印加されたヨーレートを評価できるためには、システム全体の高い時間分解能は高いサンプリングレートを必要とする。しかし、相当数の非常にコスト安なシステムでは高いサンプリングレートは技術的に十分には形成され得ない。というのも、マイクロコントローラは必要な計算パワーを自由に使用できないからであり、というのも、例えばこのマイクロコントローラはＧＰＳ（global positioning system）及びオドメータデータも処理するからである。センサ３５により検出される情報をヨーレート情報から角度情報へ変えるためには、前処理ユニット２０に積分素子３２を設け、この積分素子３２がフィルタリングされた信号２９として印加されるヨーレート情報を積分する。積分素子３２はこの場合本発明ではとりわけ「オンボード積分素子」３２として評価ＡＳＩＣに設けられる。この積分素子３２の制御及びトリガは本発明ではとりわけＳＰＩ命令を介して行われ、このＳＰＩ命令は、図２では矢印及び参照符号２３５によって示されており、既存のＳＰＩインターフェース６２によって前処理ユニット２０に、すなわちここではとりわけ積分素子３２に供給される。本発明では場合によっては複数の、異なる時点に送信される個別命令から成るこのＳＰＩ命令２３５はまず最初に積分プロセスの開始を制御し、次いでこの積分プロセスの終了を制御し、最後に積分されたヨーレート情報（すなわち積分素子３２における時間積分に基づく角度情報）の出力を制御する。積分素子３２は、この場合とりわけレジスタ３４と共働して、角度情報を発生する。この角度情報は図２では参照符号３０によって示されている。レジスタ３４はたまるヨーレートをとりわけデジタルで格納するために必要不可欠である。この場合、レジスタ３４は例えば１０ビットに対して所定の個数のメモリセルを有するメモリとして設けられている。フィードバックにおいて、ここでは先行するオフセット信号、すなわちヨーレート信号が格納され、続くオフセット信号にとりわけフィードバックループによって加算される。時間的な調整は本発明ではとりわけ前処理ユニット２０の内部時計乃至は内部時間発生器を介して行われるが、この時計は図２では便宜上図示されていない。積分の制御は本発明ではとりわけＳＰＩインターフェース６２を介して１つの（又は複数の）ＳＰＩ命令２３５によって行われる。回転角度３０の出力はとりわけＳＰＩインターフェースを介して行われ、この場合原理的には回転角度３０のアナログ出力も可能であろう。回転角度情報３０の測定領域はとりわけ３６０°の最大回転角度から生じる。この場合、角度分解能は１０ビットレジスタ３４においてほぼ０．３５°である。

角度情報３０は前処理ユニット２０乃至はヨーレートセンサ３５の出力側２３２において出力信号２３１として供給され、本発明ではとりわけＳＰＩインターフェース６２（serial peripheral interface）に供給される。さらに、別の出力信号２３３が前処理ユニット２０乃至はヨーレートセンサ３５の別の出力側２３４から例えばデジタル／アナログ変換器５０に後処理のために供給されうる。

図２ではさらに制御ユニット６０が図示されており、この制御ユニット６０も同様にＳＰＩインターフェース６２に接続されており、これと通信している。このことは図２において参照符号が付与されていない二重矢印によって図示されている。

図３には、本発明のマイクロメカニカルヨーレートセンサ３５の原理図が図示されている。サイズモ質量体１４は弾性素子３によって例えば基板１３に結合されている。センサ３５の、すなわち検出ユニット１０の運動、とりわけ回転に反応して、サイズモ質量体１４に対して弾性素子３を介して図３では便宜上図示されてはいない慣性力が作用し、この慣性力がサイズモ質量体１４を例えば変位させる。この場合とりわけサイズモ質量体１４と第１の検出素子１５との間の第１の容量値１７ならびにサイズモ質量体１４と第２の検出素子１６との間の第２の容量値１８が変化する。これらの容量値１７、１８は（単に原理的に図３に図示されている）検出ユニット１０の周知の機械的構成に基づいて１つの特別な、図３では便宜上図示されていない軸を中心とするヨーレートに基本的に比例している。それゆえ容量値１７、１８は周知のやり方で検出ユニット１０の生の信号１２を形成し、前処理ユニット２０に供給される。

本発明では、フィルタリングされた信号２９の積分にとって乃至は電圧信号２３として存在するヨーレート情報の問い合わせにとって基礎となる時定数は本発明のマイクロメカニカルヨーレートセンサ３５の適用事例によって決定されている。この場合、コスト安な乃至はコスト的に厳しいシステムは一般的に比較的小さい計算パワーで作動し、すなわち、これらのシステムは十分な計算パワーを有するあまりコスト的に厳しくない大電力のシステムよりも問い合わせる回数が少ない。本発明では前処理ユニットにおける全信号処理をデジタル形式で実行する（Ｃ／Ｕ変換器２２における容量／電圧変換を除いて）。ヨーレートセンサ３５乃至はヨーレートセンサ３５の前処理ユニット２０からＳＰＩインターフェース６２への検出された情報の出力は、使用できる計算パワーに応じて例えば１ｋＨｚのサンプリングレートでＳＰＩプロトコルの枠内で、又は、より小さいサンプリングレートでＳＰＩプロトコルで行われる。この場合、本発明のヨーレートセンサ３５はマイクロコントローラ６０に関して乃至は制御ユニット６０に関してスレーブとして機能する。

ロールオーバシステムにおける本発明のヨーレートセンサ３５の使用においてもセンサ３５の積分素子３２におけるヨーレート情報の回転角度情報への積分の上記のコンセプトは、「オンボード積分」すなわちセンサ３５での積分と周知のセルフテスト機能との結合によって例えば衝撃（ショック）乃至は電磁的な影響（静電的に又は力学的に、電磁適合性問題）に基づく信号のような誤用信号の処理を早い段階で回避できるという利点をもたらす。セルフテストの任務はこの場合本発明ではとりわけいわゆる「ビルトインテスト装備（Built-in Test-Equipment）（ＢＩＴＥ）」から引き継がれる。これは常に最も重要な内部調整器を監視し、従ってもとめられた乃至は測定されたヨーレートが信頼できるものであることを、すなわち完全に納得のいくものであることを及びとりわけ誤作動によって引き起こされていないことを保証する。信頼できるヨーレートであるか誤作動であるかの判定パスは統合されたシステムでは比較的短い。この場合、同様にサンプリングレートが制御部のパフォーマンスに適合可能であり、例えば１ｋＨｚのサンプリングレートが使用されうる。

従来技術による公知のマイクロメカニカルヨーレートセンサのブロック線図を示す。 本発明のマイクロメカニカルヨーレートセンサのブロック線図を示す。 本発明のマイクロメカニカルヨーレートセンサの原理的な概略図を示す。

符号の説明

３ 弾性素子
１０ 検出ユニット
１２ 生の信号
１３ 基板
１４ サイズモ質量体
１６ 第２の検出素子
１７ 第１の容量値
１８ 第２の容量値
２０ 前処理ユニット
２３ 電圧信号
２２ 容量／電圧変換器
２４ アナログ／デジタル変換器
２５ デジタル化された電圧信号
２６ 復調器
２７ 復調された信号
２８ ローパスフィルタ（デジタルフィルタ）
２９ フィルタリングされた信号
３０ 回転角度（回転角度情報）
３２ 積分素子（オンボード積分素子）
３４ レジスタ
３５ 本発明のマイクロメカニカルヨーレートセンサ
４０ 高周波ユニット
４１ 復調信号
５０ デジタル／アナログ変換器
６０ マイクロコントローラ（制御ユニット）
６２ ＳＰＩインターフェース
１２０ 前処理ユニット
１２２ 容量／電圧変換器
１２３ 電圧信号
１２４ アナログ／デジタル変換器
１２５ デジタル化された電圧信号
１２６ 復調器
１２７ 復調された信号
１２８ ローパスフィルタ
１３０ ヨーレート情報
１３１ 出力信号
１３２ 出力側
１３３ 別の出力信号
２３２ 出力側
２３１ 出力信号
２３３ 別の出力信号
２３４ 別の出力側
２３５ ＳＰＩ命令

Claims (8)

1. 出力側（２３２）を有するマイクロメカニカルヨーレートセンサ（３５）であって、前記出力側（２３２）において前記ヨーレートセンサ（３５）の運動に依存して出力信号（２３１）が印加される、出力側（２３２）を有するマイクロメカニカルヨーレートセンサ（３５）において、
   前記出力信号（２３１）は角度情報（３０）に相応することを特徴とする、出力側（２３２）を有するマイクロメカニカルヨーレートセンサ（３５）。
2. 出力信号（２３１）はデジタル形式で存在していることを特徴とする、請求項１記載のマイクロメカニカルヨーレートセンサ（３５）。
3. ヨーレートセンサは制御ユニット（６０）に接続されていることを特徴とする、請求項１又は２記載のマイクロメカニカルヨーレートセンサ（３５）。
4. ヨーレートセンサと制御ユニット（６０）との間ではＳＰＩプロトコル（６２）の枠内で情報が伝送されることを特徴とする、請求項３記載のマイクロメカニカルヨーレートセンサ（３５）。
5. 制御ユニット（６０）は適用事例に適合したサンプリングレートを有することを特徴とする、請求項３又は４記載のマイクロメカニカルヨーレートセンサ（３５）。
6. ヨーレートセンサ（３５）は積分素子（３２）を有することを特徴とする、請求項１〜５のうちの１項記載のマイクロメカニカルヨーレートセンサ（３５）。
7. ヨーレートセンサ（３５）は角度情報（３０）の供給のためにＳＰＩ命令を受け取ることを特徴とする、請求項１〜６のうちの１項記載のマイクロメカニカルヨーレートセンサ（３５）。
8. 角度情報（３０）の分解能は最大回転角度、とりわけ３６０°及びデジタルに存在する角度情報（３０）のビット数から得られることを特徴とする、請求項１〜７のうちの１項記載のマイクロメカニカルヨーレートセンサ（３５）。

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