JP3702014B2 - 加速度センサの容量性信号を評価する回路装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度センサと、制御可能な駆動回路と、加速度に依存する信号を捕捉検出する評価回路とが設けられており、前記加速度センサはその振動質量体上に第１の電極を有しており、該第１の電極は２つの固定電極間の電界中で加速力に依存して変位可能であり、各固定電極と可動電極との間で形成される両方のコンデンサは差動コンデンサとして構成されており、該コンデンサの容量は静止状態ではほぼ相等しく、前記駆動回路は両方のコンデンサを互いに逆の位相で充電するように構成されている、加速度センサの容量性信号を評価する回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヨーロッパ特許出願公開第０４５９７２３号公報からすでに、容量式加速度センサにおいて、振動子と２つのコンデンサの各固定電極との間に生じる２つのコンデンサの電荷の差を測定するように構成された回路装置が知られている。振動質量体の変位を引き起こす加速度が生じると、両方のコンデンサの容量が変化する。電荷の差の測定には著しく多くの時間を要するので、加速度センサのための制御周波数を著しく低くしなければならない。この制御周波数は同時に位置調整のためにも用いられるので、センサの慣性をこれが励振されて固有振動を起こさないように大きくしなければならない。しかしこのように大きな質量であると、たとえばエアバッグでの適用に必要であるような著しく高い加速度領域に対する位置調整を、制御装置において一般的な５Ｖ以下の給電電圧を用いては行えなくなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の課題は、上述の従来技術の問題点を解消するようにした加速度センサの容量性信号を評価する回路装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段および利点】
本発明によればこの課題は、駆動回路は、両方のコンデンサの電荷が互いに逆位相の矩形信号と所定の電圧振幅たとえば作動電圧の電圧振幅で、一方のコンデンサから他方のコンデンサへ周期的に反転充電されるように構成されており、前記評価回路は、各コンデンサの共通の中間タップにおいて電圧を捕捉検出し、各コンデンサへの反転充電後の電圧変化を求めることにより解決される。
【０００５】
上記の構成を有する本発明による回路装置の利点は、公知の回路技術におけるよりも１オーダ高い測定周波数により電荷が各部分コンデンサへ反転充電されることである。１つのクロックサイクルの間、電荷の和は一定に保持される。これにより加速度に起因する容量差が生じたとき、迅速に捕捉検出可能な電圧偏差が生じる。
【０００６】
測定周波数が高いことから、たとえば半導体チップ上のマイクロメカニカルセンサのようにきわめて小さい質量のセンサであっても評価できる。殊に有利には、このように高い測定周波数であるとマイクロメカニカルセンサとの組み合わせで、加速度が大きくても低い給電電圧で位置調整を行うこともできる。
【０００７】
さらに有利であるのは、出力信号を得るためのフィルタにかかるコストを著しく小さくできることである。それというのはフィルタコンデンサも半導体チップ上に集積できるからである。
【０００８】
また、殊に有利であるのは、回路装置を作動させるために作動電圧だけが必要とされ、その他の位置調整用および／または評価用の安定化された電圧は不要なことである。さらにその際に有利には、位置調整範囲は作動電圧に比例していることである。
【０００９】
従属請求項に記載されている構成により、請求項１に記載の回路装置の有利な実施形態が可能である。きわめて有利であるのは、両方のコンデンサの中間電圧を１つの簡単なスイッチにより作動電圧におくことができることである。加速が生じると中間電圧が変化するので、有利には作動電圧に対する偏差だけが捕捉検出されて評価される。この場合、作動電圧を著しく良好に安定化させることは重要ではない。
【００１０】
さらにまた、中間電圧が後続処理に適した大きさとして、たとえばサンプル・アンド・ホールドメモリへの記憶に適した大きさとして処理できるよう、この電圧を増幅器により増幅するのも好適である。このような増幅器は有利にはＭＯＳ入力側を有しており、したがって給電電圧よりも高い電圧も増幅できる。有利には、出力側に２つのサンプル・アンド・ホールドメモリが接続されている。この場合、各メモリは、１つの部分コンデンサの作動電圧に対する増幅された電圧偏差を記憶する。この場合、これら両方の電圧を有利には差動増幅器へ供給でき、この差動増幅器は記憶された電圧値から加速度に依存する電圧差を算出する。
【００１１】
差の評価を行うため、増幅器の動作点における格別な安定性は重要でない。
【００１２】
両方のメモリ間の切り替えないしは中間電圧の復帰は、有利にはスイッチングロジックにより行われ、このロジックはたとえばＭＯＳ技術により実証済のプロセスで実現できる。
【００１３】
さらに、加速度に依存する電圧差はのこぎり波発生器によりパルス幅変調された信号（ＰＷＭ信号）へ変換されると有利である。この場合、ＰＷＭ信号を駆動回路へ供給することができ、駆動回路は振動子の位置制御のための相応の信号を発生する。
【００１４】
相応のフィルタリングおよび／または適合調整可能な出力増幅器により評価回路の出力側において有利には、作動電圧に比例する加速度信号も得られる。
【００１５】
殊に有利であるのは、たとえば差動増幅器の出力側において調整ユニットが設けられていることであって、この場合、入力側を介して回路装置の機能正常性について検査するためのテスト信号が供給される。この入力側を介してたとえば外部のプログラムを用いることによって、この装置の機能正常性を監視する目的で自動的なセルフテストを実行することができる。
【００１６】
マイクロメカニカル加速度センサとの組み合わにより有利にはこの回路装置をＭＯＳ技術によって集積化することができ、したがって加速度センサは評価回路ともにコンパクトな構成ユニットを形成する。この形式の構成ユニットを有利にはエアバッグのトリガに用いることができる。
【００１７】
次に、図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。
【００１８】
【実施例】
図１には評価回路２０のブロック回路図が示されており、この回路はセンサ１と接続されている。センサ１はたとえば、半導体チップから成るマイクロメカニカルセンサとして製造されている。このセンサは著しく小さいサイズモ質量体を有しており、これは加速力が加わったときにこのサイズモ質量体が変位するようばねに懸架されている。このサイズモ質量体には１つの電極が配置されており、この電極は２つの固定電極−サイズモ質量体はこれらの電極の間を振動し得る−と共働して２つの部分コンデンサを構成している。そしてこれらの部分コンデンサは変位に応じてそのつど異なる容量を形成する。各固定電極は駆動回路４，５の出力側と接続されている。サイズモ質量体上の中央電極は中間タップＣとして導出されている。中間タップＣは、第１スイッチＳ１を介して有利には作動電圧Ｕ_b と接続されている。さらに中間タップＣは増幅器６の入力側と接続されている。増幅器６の出力側は互いに並列な２つのスイッチＳ２，Ｓ３へ導かれており、これらのスイッチの第２端子は第１メモリ８ないし第２メモリ９と接続されている。これら両メモリ８，９は、有利にはサンプル・アンド・ホールドメモリとして構成されている。スイッチングロジック１７は、両方のコンデンサ２，３の反転充電のタイミングでスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３を制御する。両メモリ８，９の各出力側は差動増幅器１０の各入力側へ導かれており、この差動増幅器の出力側から加速度に依存する電位差を取り出すことができる。図１によればさらに制御器１１が後置接続されており、この制御器はさらに別個の入力側１９を備え、この入力側を介してテスト信号を供給できる。制御器１１の出力側は、比較器１２とのこぎり波発生器１３とから成る変調装置へ導かれている。変調装置の出力側は、駆動回路４，５の各制御入力側へフィードバックされている。さらに比較器１２の出力側は、直列抵抗１４およびアース接続されたコンデンサ１５から成る低域通過フィルタと接続されている。低域通過フィルタの出力側は出力増幅器１６と接続されており、この増幅器の利得は有利には所定値に適合調整できる。出力増幅器１６の出力側１８には加速度に依存する電圧Ｕ_a が生じる。そしてこの電圧を、たとえば車両内のエアバッグのトリガに利用できる。
【００１９】
個々のユニット群もマイクロメカニカルセンサもそれ自体は公知であり、したがってそれらについてはここでは詳しく説明しない。
【００２０】
次に、図２のａ〜ｅを参照してこの回路装置の動作について詳細に説明する。センサ１に関しては、両方のコンデンサ２，３が加速度に依存する容量差を有するものと想定する。これら両コンデンサ２，３は制御サイクルで周期的に互いに逆の位相で駆動回路４，５の矩形信号によって反転充電される。矩形信号の振幅は有利には作動電圧Ｕ_b に対応している。両方の駆動回路４，５はパルス幅変調された信号（ＰＷＭ信号）を、コンデンサ２，３の両固定電極の入力端子ａ，ｂへ送出する。図２のａ，ｂには入力端子ａ，ｂへ加わる電圧経過特性が示されている。１つの期間内において、図２のａによれば入力端子ａへパルスＵ_b が加わるのに対し、図２のｂによれば入力端子ｂにはパルスが加わっていない。これに対し入力端子ａにおける休止期間中、入力端子ｂへＰＷＭ信号が加えられている。加速が生じると容量差が生じ、これにより中間タップｃにおいて図２のｃによるように反転充電に際して電圧の小さい跳躍的変化が引き起こされ、その大きさは生じた加速度に依存するものである。このような電圧の跳躍的変化は、両方の入力端子ａ，ｂにおける各切替側縁において生じる。加速度に依存する電圧変化ΔＵ₁ は次式により得られる：
ΔＵ₁ ＝ Ｕ_b * （ΔＣ／２Ｃ₀）
この場合、ΔＵ₁ は加速度に依存する電圧変化であり、Ｕ_b は作動電圧であり、ΔＣはセンサ１に対し加速が加わったときの容量の変化であり、Ｃ₀ はコンデンサ２，３の容量である。
【００２１】
図２のｃによる中間タップＣにおける電圧の測定後、スイッチＳ１が閉じられ、その結果、作動電圧Ｕ_b が再び中間タップＣへ加わるようになる。これにより、次の測定サイクルのための出発条件が与えられる。
【００２２】
増幅器６は入力側では高抵抗であり、有利にはＭＯＳ入力側を備えている。この増幅器は図２のｃのように電圧変化ΔＵ₁ を増幅し、信号ΔＵ₂ を供給する。また、等電位は低減される。スイッチングロジック１７はスイッチＳ２，Ｓ３を次のようにして交番的に制御する。すなわちたとえば作動電圧に対し正である電圧変化（図２のｃ中の曲線ｄの最初の区間）は第１メモリ８に記憶され、図２のｃ中の曲線ｄの２番目の区間に対応する負の電圧変化は第２メモリ９に記憶される。両方のコンデンサ２，３の間における最大電圧変化はΔＵ₂ として定義されている。サンプル・アンド・ホールドメモリ８，９はそれ自体公知であるので、これについては詳しく説明しない。このようにして、後置接続された差動増幅器１０の出力側には電圧ΔＵ₂ が生じる。この電圧はセンサ１の容量変化に比例しており、つまりは生じた加速度に比例している。上方の電圧偏差も下方の電圧偏差も走査検出することで、増幅器６の動作点のドリフトが排除される。差信号は次式により得られる：
ΔＵ₂ ＝ Ｖ_HF * Ｖ_Diff * （Ｕ_b （ΔＣ／Ｃ₀）
この場合、Ｖ_HF は増幅器６の増幅定数であり、Ｖ_Diff は差動増幅器１０の出力側における差の増幅である。
【００２３】
図２のｃ１，ｃ２およびｃ３には、どの時点においてスイッチＳ２，Ｓ３およびＳ１がスイッチングロジック１７により閉じられるかが示されている。部分コンデンサ２，３が反転充電されるたびにスイッチングロジック１７はスイッチＳ２とＳ３を交番的に閉じ、その結果、メモリ８，９には図２のｃ中の曲線ｄにおける最初の部分にしたがって部分コンデンサ２，３の電位が交番的にロードされる。その際、スイッチＳ２，Ｓ３は、メモリ８，９が電圧を引き継ぐまでの期間だけ短期間、閉じられる（図２のｃ１，ｃ２参照）。誤測定を回避する目的で、電圧の跳躍的変化が生じるたびにスイッチＳ１を用いることで中間タップｃにおいて電圧が中立化される。これは図２のｃ３に示されているようにスイッチＳ２ないしＳ３の閉成サイクル後にそのつど行われる。
【００２４】
次に、図３および図４によるフローチャートを参照して制御シーケンスについて詳細に説明する。この場合、周知のゲート回路またはマイクロコンピュータにより制御を実現できる。
【００２５】
スイッチングロジック１７は、コンデンサ２，３の入力端子ａ，ｂにおける電圧変化により制御される。図３によれば、ステップ３０におけるスタート後、まずはじめにステップ３１において電圧ないし電圧変化が測定され、ステップ３２において、正の側縁が生じたか否かが調べられる。正の側縁が生じていなければ、次のサイクルでステップ３１における測定が繰り返される。
【００２６】
正の側縁であったならば、つまり加速が生じていたならば、待ち時間ｔ１の経過後（ステップ３３）、スイッチＳ２が所定の期間（サンプリング時間ｔ２）にわたり閉じられる（ステップ３４）。遅延時間ｔ３（ステップ３５）の後、ステップ３６においてスイッチＳ１が中立化時間ｔ４にわたり閉じられる。
【００２７】
入力端子ｂ（ステップ４０）において、図４によるシーケンスが図３のシーケンスと時間的に並行して行われる。側縁の測定および判定（ステップ４１，４２）後、遅延時間ｔ１（ステップ４３）が経過してからスイッチＳ３がサンプリング時間ｔ２の間、閉じられる（ステップ４４）。そしてステップ４５における遅延時間ｔ３の後、スイッチＳ１が中立化時間ｔ４にわたり閉じられる（ステップ４６）。その後、このサイクルがステップ３１ないし４１において再び始められる。
【００２８】
図２のｅに示されているように、演算増幅器１２とのこぎり波発生器１３を備えた変調装置は切替点Ｐ１とＰ２において、差信号ΔＵ₂ とのこぎり波電圧ｆとの比較により図２のａによるＰＷＭ信号を発生する。この信号は、駆動回路４，５を介して両方のコンデンサ２，３の固定電極へフィードバックされる。
【００２９】
のこぎり波発生器１３の周波数がセンサ共振周波数よりもかなり高ければ、パルス幅変調された信号の平均値だけがセンサ１のサイズモ質量体に作用し、センサ１の位置調整のために加速力とは逆方向の静電力が生じる。このことにより、センサ１のサイズモ質量体ないし振動子のための簡単な位置調整が行えるようになる。比較的僅かな利得の増幅器６は単純な直線特性構造であることから高いクロック周波数が可能であり、したがってたとえば微小機械技術により製造された著しく僅かな質量のセンサであっても、クロック周波数によりその振動子を励振して共振させることなく評価できる。
【００３０】
最大変調率ひいては位置調整範囲は、ＰＷＭ信号の最小パルス幅により定まる。その際、最小パルス幅は、その所定の期間内でコンデンサを反転充電し電圧変化を質問走査して中央タップｃにおいて中立化を行えるように定められている。
【００３１】
演算増幅器１２の出力側からは、抵抗１４とコンデンサ１５を備えた低域通過フィルタを介して選択自由に、信号がさらに出力増幅器１６へと導かれ、これによってオフセットならびに感度の適合調整を実施できる。増幅器１６の出力側において評価回路２０の出力端子１８から、加速度に比例する電圧Ｕ_a が得られる。差動増幅器１０と変調装置との間に制御器１１が挿入接続されており、この制御器は有利には比例制御器（Ｐ制御器）として構成されている。制御器１１は入力端子１９を有しており、この入力端子を介して、このシステムの動作を検査するためのテスト信号を供給できる。これにより得られる利点は、自己監視によりこの回路装置の信頼性について自動的に検査できることであり、したがってたとえば車両におけるエアバッグのトリガに適用する場合に高い信頼性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回路装置のブロック回路図である。
【図２】個々の信号経過特性を示すダイアグラムである。
【図３】第１のフローチャートを示す図である。
【図４】第２のフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
１ センサ
４，５ 駆動回路
８，９ サンプル・アンド・ホールドメモリ
１１ 制御器
１７ スイッチングロジック

Claims (10)

1. 加速度センサと、制御可能な駆動回路と、加速度に依存する信号を捕捉検出する評価回路とが設けられており、
   前記加速度センサはその振動質量体上に第１の電極を有しており、該第１の電極は２つの固定電極間の電界中で加速力に依存して変位可能であり、
   各固定電極と可動電極との間で形成される両方のコンデンサは差動コンデンサとして構成されており、該コンデンサの容量は静止状態ではほぼ相等しく、
   前記駆動回路（４，５）は、両方のコンデンサ（２，３）を互いに逆位相の矩形信号と所定の電圧（Ｕ b ）の振幅で、一方のコンデンサ（２）から他方のコンデンサ（３）へ周期的に反転充電し、
   前記評価回路（２０）は第１のスイッチ（Ｓ１）を有しており、該第１のスイッチによりコンデンサ（２，３）の共通の中間タップ（ｃ）が前記所定の電圧（Ｕ b ）と接続され、該中間タップ（ｃ）に増幅器（６）が後置接続されている、
   加速度センサの容量性信号を評価する回路装置において、
   前記評価回路（２０）は、各コンデンサ（２，３）の前記共通の中間タップ（ｃ）において電圧を捕捉検出し、各コンデンサ（２，３）への反転充電後の電圧変化（ΔＵ）を求め、
   前記増幅器（６）の出力電圧（ΔＵ_２）は前記中間タップ（ｃ）に反転充電後に加わる電圧（ΔＵ_１）に依存し、
   前記増幅器（６）は高抵抗であり、前記電圧（ΔＵ _１ ）を求めた後に前記所定の電圧（Ｕ b ）の振幅が前記中間タップ（ｃ）に加わり、結果として生じた出力電圧（ΔＵ_２）が次の測定サイクルまで一定に保持されることを特徴とする、
   加速度センサの容量性信号を評価する回路装置。
2. 前記中間タップ（ｃ）に制御可能な２つのメモリ（８，９）が後置接続されており、制御可能な各メモリ（８，９）はそれぞれ１つのコンデンサ（２，３）に対応づけられている、請求項１記載の装置。
3. スイッチングロジック（１７）が設けられており、該スイッチングロジックにより前記第１のスイッチ（Ｓ１）および前記メモリ（８，９）の両方のスイッチ（Ｓ２，Ｓ３）が制御される、請求項１または２項記載の装置。
4. 前記中間タップ（ｃ）に差動増幅器（１０）が後置接続されている、請求項１〜３のいずれか１項記載の装置。
5. 前記評価回路（２０）は、前記差動増幅器（１０）の出力電位をのこぎり波発生器（１３）を用いて、パルス幅変調された信号（ＰＷＭ信号）へ変換するように構成されている、請求項４記載の装置。
6. 前記ＰＷＭ信号は、前記加速度センサ（１）の振動質量体が所定の位置をとるよう駆動回路（４，５）の制御をするために用いられる、請求項５記載の装置。
7. 前記評価回路（２０）の出力側（１８）において加速度に比例する電圧（Ｕa ）が取り出される、請求項５または６記載の装置。
8. 前記評価回路(２０)は、機能正常性検査のテスト信号を入力可能な入力側（１９）を有する、請求項１〜７のいずれか１項記載の装置。
9. 前記評価回路（２０）はマイクロメカニカル加速度センサとともに１つのチップ上に集積されている、請求項１〜８のいずれか１項記載の装置。
10. 前記評価回路（２０）は車両におけるエアバッグ用のトリガ回路として使用される、請求項９記載の装置。

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