JP3816105B2 - 自動車における衝突を検出するための感度調整機能を有する圧力センサシステム - Google Patents
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Description
公知の圧力センサシステム(国際公開第94/11223号公報)はセンサとしての空気圧力検出器により、とりわけ自動車の側面衝突の際に自動車側面部の中空空間の中の空気圧力を監視し、電気有効信号を出力する、すなわち電気有効信号は測定空気圧力変化により定められる。電子装置が有効信号を評価し、場合に応じて自動車の安全のための拘束保持装置をトリガする。
このような圧力センサシステムの有効信号は明瞭ではない。
米国特許第3717038号明細書からガスにより作動される内燃機関の中のガス流を測定するための圧力センサシステムが公知である。この圧力センサシステムは2つのセンサ装置を有する。すなわち第1のセンサ装置は測定管の中の圧力変化を検出し、第2のセンサ装置は周囲の圧力を検出する。第2のセンサ装置は閉ループ制御回路の帰還回路の中に配置され、閉ループ制御回路の制御装置は比例特性を有し、制御部も比例特性を有する。差動増幅器は2つのセンサ装置の出力信号から制御差を形成する。差動増幅器の出力信号は制御量として第2のセンサ装置に供給され、第2のセンサ装置の感度を制御する。この圧力センサシステムは比較器の出力側から信号を出力し、この信号は、周囲圧力に対する圧力変化に比例する。
このような圧力センサシステムは2つのセンサ装置を必要とし、これらのセンサ装置は互いに独立して異なる圧力量を測定する。しかし2つのセンサ装置のうちのいずれも、周囲圧力と圧力変化との和としての全圧力を検出しない。
米国特許第3841150号明細書で提案される圧力センサシステムではセンサ装置の出力信号は圧力変化に依存する。センサ装置は2つのピエゾ抵抗形測定抵抗を有し、これらの抵抗はダイヤフラムに設けられている。電圧源、演算増幅器及び較正抵抗を有する定電流回路装置が、定電流が測定抵抗を流れることを保証する。測定抵抗に印加される電圧の間の電圧差は一方では有効信号として利用され、他方では定電流回路装置に帰還され、これによりセンサ装置の線形性が高められる。
本発明の課題は公知の圧力センサシステムの欠点を回避し、とりわけ、支配している周囲圧力に無関係である有効信号を出力する。
自動車の中で圧力センサシステムを使用する場合には圧力センサシステムは、空気圧力変化に依存し、ひいては標高と天候とに依存する信号を供給する。従って、例えば側面衝突等により発生される”急速な”圧力イベントにより発生される圧力変化の信号経過も周囲圧力に依存する。
従って圧力センサシステムの有効信号は前述の用途の場合には、圧力変化が相対的に有効信号の中に入込む場合にのみ質的評価に適し、とりわけ安全のための拘束保持システムの制御に適する。
本発明の課題は請求項1の特徴部分に記載の特徴により解決される。
本発明の有利な実施の形態は従属項に記載されている。
本発明を図面に基づいて説明する。
図1は周囲空気圧力に依存して側面衝突の間の1つの自動車ドアの中の全空気圧力の時間的経過を示す略線図、図2は周囲空気圧力に依存して側面衝突の間の1つの自動車ドアの中の空気圧力変化を示す略線図、図3は側面衝突の間の1つの自動車ドアの中の相対的な空気圧力変化の時間的な経過を示す略線図、図4は圧力センサシステムの第1のブロック回路図、図5は圧力センサシステムの第2のブロック回路図、図6は圧力センサシステムの第3のブロック回路図、図7は圧力センサシステムの回路図である。
図の要素と他の図の要素とが一致する場合、両者は同一の参照番号を有する。
圧力イベントにより発生される圧力変化Δpは支配している周囲圧力p0から出発する。従って全圧力pは(絶対圧力も)加算的に圧力変化Δpと周囲圧力p0とから成る。
1つの信号は以下において1つの大きさの時間的経過として定義されている。従って全圧力信号p(t)は圧力変化信号Δp(t)と周囲圧力信号p0(t)とから成る。圧力変化信号Δp(t)は圧力イベント、とりわけ側面衝突の際に発生する圧力衝撃等の急速な変化に追従する。周囲圧力信号p0(t)は周囲圧力p0の緩慢な変化に追従する。
図1〜3の説明においてすべての圧力値は空気圧値である。しかし、検出される圧力値は別の圧力伝達媒体の中でも測定可能である。
自動車において側面衝突の間に側面部が変形されると側面部の中の中空空間の体積が変化し、ひいては中空空間の中の全圧力pが変化する(図1)。所属の全圧力測定用センサ装置は中空空間の中に配置され、従ってこのセンサ装置は周囲圧力p0と、側面衝突により発生された圧力変化Δpとの和を検出できる。図2は所属の圧力変化信号Δp(t)、すなわち約25msの持続時間の衝撃信号を示し、この圧力変化信号Δp(t)は、中空空間の中に配置されている圧力変化測定用センサ装置により検出される。衝突が時点t=0で衝突体、衝突角度、衝突速度等に関して所定の衝突条件で発生した後、中空空間の中の圧力変化Δpは例えば500mbarの低い周囲圧力p0において最大50mbarであり、例えば1200mbarの高い周囲圧力p0において最大125mbarである。圧力イベント”側面衝突”により発生される圧力変化Δpは、監視される体積の体積変化が同一の場合に周囲圧力p0の上昇とともに上昇する。周囲圧力p0に対する圧力変化Δpは相対的圧力変化であり、この相対的圧力変化は周囲圧力p0をパラメータとしない。図3は圧力イベント”側面衝突”に関する相対的圧力変化の経過を示す。周囲圧力p0はその都度に固有のセンサ装置により検出され、このセンサ装置は、中空空間の中で側面衝突により発生される圧力変化Δpにさらされない。
図4の圧力測定変換器はセンサ装置1を有し、センサ装置1は電気的出力量Uxを供給する。センサ装置1には、積分特性を有する制御装置2の操作量Uyがセンサ装置1に作用する。制御装置2は比較器21、積分器22及び感度調整器23を有する。比較器21は設定値Uwとセンサ装置1の出力量Uxとから制御装置2の制御差Uxdを計算する。有効量Unはセンサ装置1の出力量Uxから導出される。センサ装置1と制御装置2とは閉ループ制御回路を形成する。
センサ装置1は全圧力信号p(t)を、全圧力pに依存する電気出力信号Ux(t)に変換する。圧力信号p(t)と同様にセンサ装置1の出力信号Ux(t)も2つの信号成分を有する。すなわち第1の信号成分は低い周波数の基本信号Ux0(t)であり、低い周波数の基本信号Ux0(t)は周囲圧力信号p0(t)とセンサ装置1の可変な感度とにより決まり、第2の信号成分は高い周波数の情報信号UxΔ(t)であり、情報信号UxΔ(t)は圧力変化信号Δp(t)とセンサ装置1の感度とにより決まる。
従って制御差信号Uxd(t)は2つの信号成分を有する。すなわち第2の信号成分は基本差信号Uxd0(t)であり、基本差信号Uxd0(t)は基本信号Ux0(t)から設定値Uwを減算したものであり、第2の信号成分は情報差信号UxdΔ(t)であり、情報差信号UxdΔ(t)は情報信号UxΔ(t)に等しい。
積分器22の積分時定数は、検出された圧力変化信号Δp(t)の基本振動の周期に比して少なくとも係数2だけ大きい。積分器22は低域フィルタとして動作し、低い周波数の基本差Uxd0のみを積分し、より高い周波数の情報差UxdΔを積分しない。前述の係数が大きいほど、高い周波数の情報差信号UxdΔの積分器22の出力信号への影響が小さい。積分器22により積分された基本差Uxd0は感度調整器23を介してセンサ装置1の感度を決める。
自動車の側面衝突の際の圧力変化信号Δp(t)の基本周波数は約35〜50Hzである。積分周波数は有利には2〜3Hzである。1〜5Hzの積分周波数により、10Hz以上の基本周波数を有する圧力変化信号Δp(t)を検出できる。
従って閉ループ制御回路はとりわけ、センサ装置1の出力信号Uxの成分として低い周波数であり周囲圧力変化にのみ依存する基本量Ux0を設定値Uwに制御する。すなわち、周囲圧力p0が上昇/下降し、ひいてはセンサ装置1の基本量Ux0が上昇/下降すると、生ずる負/正の基本差Uxd0に起因してセンサ装置1の感度が低下/上昇される。短時間にわたり上昇/下降する基本量Ux0は、閉ループ制御回路のビルドアップ時間の後に再び設定値Uwに下降/上昇する。
周囲圧力p0が上昇/下降されると圧力イベントに関する圧力変化Δpも上昇/下降し(図2参照)、ひいてはセンサ装置1の出力量Uxの成分としての情報量UxΔも上昇/下降する。情報量UxΔのこの上昇/下降はセンサ装置1の感度の前述の下降/上昇により補償される、すなわちこの前述の下降/上昇は、センサ装置1の基本量Ux0が設定値Uwに制御されると行われる。すなわち圧力センサシステムは、周囲圧力p0に依存する圧力変化信号Δp(t)を、周囲圧力p0から独立している情報信号UxΔ(t)に変換し、この変換は、基本信号Ux0が設定値Uwに制御されることによりセンサ装置1の感度が周囲圧力p0に逆比例して変化されることにより実現される。このようにして情報量UxΔは相対的な圧力変化により決まる。
情報量UxΔにより決まる有効量Unは直接的にセンサ装置1の出力側で導出できるが、しかし閉ループ制御回路の作用方向で見て最も遅くとも比較器21の出力側から又は積分器22の入力側で導出される。有効量Unが直接的にセンサ装置1の出力側で導出される場合、有効量Unは第1の信号成分を有し、第1の信号成分はセンサ装置1の基本量Ux0に等しく、従って準一定である。すなわち周囲圧力p0の緩慢な変化は結果として閉ループ制御回路の中では基本信号Ux0(t)の零からの最小の偏差しか生じさせない、何故ならば閉ループ制御回路のビルドアップ時間は周囲圧力p0の時間変化に比して小さいからである。有効量Unの第2の信号成分は情報量UxΔに等しい。有効量Unが制御差Uxdから導出される場合、有効量Unは情報量UxΔ/情報差UxdΔにのみ依存し、付加的な定数無しに相対的な圧力変化を表す。
図5の圧力センサシステムのブロック回路図は有効量Unの閉ループ制御装置2の制御差Uxdからの前述の導出を示す。測定増幅器3により増幅された制御差Uxdは有効量Unとしてトリガプロセッサ5の入力側に加わる。
側面衝突の検出のためにこのような圧力センサシステムを使用する場合には有効信号はトリガプロセッサ5により充分に公知の方法で評価される。すなわちトリガプロセッサ5は有効信号Unを閾値と比較し、この閾値を越えた場合には例えば自動車の側方エアバッグを作動する。有効量Unをまず初めに積分し、次いで場合に応じて時間的に可変な閾値と比較することも可能である。
更に図5の本発明の実施の形態は、実際の圧力センサシステムの可能な誤差源を考慮している。実際のセンサ装置1の出力量Uxは基本量Uxo及び情報量UxΔの外に、構成要素に起因するオフセット量Uosも考慮し、オフセット量Uosは一定のオフセット量Uoskとダイナミックオフセット量Uosdとから成る。オフセット量Uosの原因はセンサ装置1と比較器21とのオフセット誤差及び同相誤差である。図4の構成では、暗黙オフセット量Uosを有する基本量Ux0が設定値Uwに制御され、従ってセンサ装置1の基本量Ux0はこの制御にもかかわらず再び、容易に変化する値をとることができ、これはとりわけ、センサ装置1がダイナミックオフセット量Uosdを有する場合に当てはまる。従って、暗黙オフセット量Uosを有する基本量Ux0は設定値Uwとオフセット量Uosとの和に制御される。
設定値Uwと一定のオフセット量Uoskとは圧力センサシステムの使用開始の前に求められ、次いでマイクロプロセッサ4の読取り専用メモリの中に格納される。ダイナミックオフセット量Uosdがセンサ装置1の感度により決まる場合、ダイナミックオフセット量Uosdは常に調整量Uyに依存して新たに計算され、設定値Uwと一定のオフセット量成分Uoskとに加算される。
図6の本発明の実施の形態では測定増幅器3は制御装置2の構成要素であり、制御差Uxdを増幅する。
図5では測定増幅器3が制御装置2の外部に配置されているのに対して図6の実施の形態ではセンサ装置1の情報量UxΔ/情報差量UxdΔとの外に基本差Uxd0の零からの偏差も増幅され、この偏差は、基本量Ux0の周囲圧力に起因する変化に起因し、この偏差により積分器22からの出力信号が増大される。感度調整器23の伝達特性曲線の勾配の低減により、積分器22の出力信号の増大が考慮される。有効量Unは測定増幅器3の出力側から導出される。
測定増幅器3と積分器22とは動作点Uapで作動される。この場合、設定値Uwは制御差Uxdが定常状態では動作点Uapに等しく調整される。
測定増幅器3のオフセット誤差は無視できる、何故ならば増幅器3の出力量は増幅器3のオフセット量に比して大幅に大きいからである。
図7は図6の構成の回路技術的実現した構成を示す。
センサ装置1は、圧力に依存する抵抗111を有するセンサを有し、抵抗111はホイートストン形抵抗測定ブリッジ回路に配置され、このブリッジ回路のブリッジ感度、ブリッジ供給電流/ブリッジ供給電圧Ib/Ub及びブリッジ対角点間電圧Ud=U8−U4を有する。センサは全圧力pを近似的に線形に、圧力に依存する抵抗111の抵抗値に変換する。これを実現するためにセンサは測定セルを有し、測定セルは1つのチャンバを有し、チャンバはダイヤフラムにより真空に閉鎖されている。センサの圧力に依存する抵抗111は半導体ひずみゲージであり、半導体ひずみゲージはピエゾ抵抗原理に従って動作する。半導体ひずみゲージとダイヤフラムとは例えばモノリシックに集積できる。
抵抗測定ブリッジ回路11の感度は抵抗測定ブリッジ11がとりわけ、圧力に依存する4つの抵抗111を有する全ブリッジ回路であることにより高められる。抵抗測定ブリッジ回路11の大きいブリッジオフセットsoffはマイクロプロセッサにより制御されて端子GLK1/GLK2を介して事前補償することが可能である。
センサ装置1の出力量Uxは抵抗測定ブリッジ回路11のブリッジ対角点間電圧Ud=U8−U4により決まり、ひいては全圧力p、ブリッジ感度、ブリッジ供給電流/電圧Ib/Ub、及び2つの差動増幅器12及び13の共通の増幅度Vにより決まる。センサ装置1の感度はブリッジ感度、ブリッジ供給電流/電圧Ib/Ub及び共通の増幅度Vにより決まる。差動増幅器12及び13は抵抗測定ブリッジ回路11の電圧U4及びU8と設定値Uwとオフセット量Uosから制御差Uxdを計算し、制御差Uxdは差動増幅器12の出力側から取出される。これにより差動増幅器12及び13は比較器21の機能も果たす。抵抗121及び132と122及び131とは対を成して同一の値を有し、これにより設定値Uwとオフセット量Uosは増幅度1で制御差Uxdの中に入込む。制御差Uxdは測定増幅器3により増幅され、積分器22によりそれぞれ動作点Uapに対して積分される。積分器22の出力信号は電流源231を感度調整器23として制御し、電流源231は抵抗測定ブリッジ回路11のためのブリッジ回路供給電流Ibを供給し、ひいてはセンサ装置1の感度を決める。感度調整器23は電圧源であることも可能であり、電圧源はブリッジ回路供給電圧Ubを供給する。積分器22はマイクロプロセッサの形でも実現できる。測定増幅器は有効量Unを供給する。
感度調整器23が、被制御電流源231であり、抵抗測定ブリッジ回路11が短絡を有する場合、ブリッジ回路供給電圧Ubはブレークダウンする。ブリッジ供給電圧Ubの変化が周囲圧力p0の跳躍的変化と間違って解釈されて補償制御されないように、ブリッジ供給電圧Ubはマイクロプロセッサにより制御されて跳躍的変化に関して監視される。抵抗測定ブリッジ回路11の中の短絡は誤差通報を発生する。感度調整器23が被制御電圧源であり、ブリッジ供給電流Ibを跳躍的変化に関して監視することも可能であるが、しかしこれに必要な電流測定に起因して実現にはより大きいコストがかかる。
センサ装置1の一定のオフセット量Uoskは、差動増幅器12及び13の共通の増幅器オフセット値voffと差動増幅器12及び13の共通の増幅度Vとの積により決まる。増幅器オフセット値voffを求める方法は次のようである。周囲圧力p0のみを検出する圧力センサシステムにおいて第1の設定値Uw1が設定される。積分器22の制御範囲にある調整されたブリッジ供給電圧Ub1は、閉ループ制御回路のビルドアップ時間の後に測定される。第2の設定値Uw2は第1の設定値Uw1からできるだけ大きくずれ、第2の設定値Uw2は第2のブリッジ回路供給電圧Ub2を発生する。増幅器オフセット値voffは測定量から次式により計算される。
voff*V=((Uw2*Ub1−Uw1*Ub2)//(Ub1−Ub2))−Uap
センサ装置1のダイナミックオフセット量Uosdは抵抗測定ブリッジ回路11のブリッジオフセット値soffと差動増幅器12及び13の共通の増幅度との積により決まる。ブリッジオフセット値soffを求める方法は次のようである。圧力センサシステムは、最大全圧力p3を有する全圧力衝撃信号p3(t)を検出する。調整された値であるブリッジ供給電圧Ub3、設定値Uw3及び有効量Un3が測定される。基準圧力センサシステムは、周囲圧力p0に関連して前述の圧力衝撃信号p3(t)から最大圧力変化Δp3=p3−p0を求める。ブリッジオフセット値soffは測定量から次式により計算される。
soff*V=(Uw3−Uap−voff*V−Un3*(p3−p0)/V1*p0)/Ub3
ただしV1は測定増幅器3の増幅度である。
更に、ブリッジオフセット値soffを求めるための圧力センサシステムには第1の静的全圧力p4も印加できる。調整されたブリッジ回路供給電圧が測定される。同様に第1の全圧力p4より小さい第2の静的全圧力p5が圧力センサシステムに加わる場合に、ブリッジ回路供給電圧Ub5が測定される。次いでブリッジオフセット値soffが測定量から次式により計算される。
soff*V1=2*(p5*Ub5−p4*Ub4)/(Ub5*Ub4*(p5−p4))
圧力センサシステムの使用開始前に設定値Uwは、制御差Uxdが動作点Uapの値をとるように設定されなければならない。補償調整は任意の周囲圧力において行うことができ、次式に従う。
Uxd=Uap=Uw+Uosk+Uosd
ただし、
Uosk=voff*V及び
Uosd=soff*V*Uy
圧力センサシステムが有する重要な1つの利点は、有効信号パスの中の障害量及び誤差が自動的に補償制御されることにある。すなわち、抵抗測定ブリッジ回路11と差動増幅器12及び13との温度に依存する増幅度誤差が補償され、更に、そのダイヤフラムの中の漏れによるセンサの感度損失も補償される。センサ装置の許容誤差を有する抵抗による誤差が補償される。この制御に基づいて、センサの感度に関する知識は有効量Unを質的に評価するためにもはや必要でない。
Claims (10)
- 自転車における衝突を検出するための、感度調整機能を有する圧力センサシステムであって、
周囲圧力(p0)と圧力変化(Δp)との和(p(t))を検出して電気信号として出力し、感度を調整できるセンサ装置(1)と、
前記センサ装置の出力(Ux)と設定値(Uw)とを入力とし、前記出力と前記設定値との偏差(Uxd)を出力する比較器(21)と、
前記偏差を入力とする積分器(22)と、
前記積分器(22)の出力を入力とする感度調整器(23)とを備え、
前記感度調整器の出力である操作量(Uy)に基づいて前記センサ装置の感度を調整し、
前記積分器の積分時定数が、前記圧力信号(p(t))の急速な変化(Δp)の基本振動の周期の2倍以上に設定されていることを特徴とする感度調整機能を有する圧力センサシステム。 - 前記設定値(Uw)に、前記圧力センサシステムの構成要素が有するオフセット量を加算する、請求項1記載の圧力センサシステム。
- 前記オフセット量は一定のオフセット量(Uosk)とダイナミックオフセット量(Uosd)とから成り、前記圧力センサ装置の感度に依存するダイナミックオフセット量(Uosd)は前記操作量(Uy)に依存して形成される、請求項2記載の圧力センサシステム。
- 前記積分時定数が、圧力信号(p(t))の急速な変化の基本振動の周期の4倍以上に設定されている、請求項1記載の圧力センサシステム。
- 前記センサ装置(1)が、圧力に依存する抵抗(111)を有するセンサを有している、請求項1記載の圧力センサシステム。
- 前記センサ装置は、圧力に依存する抵抗(111)をホイートストンブリッジ回路(11)にして構成され、前記センサ装置の出力(Ux)は前記ブリッジ回路の対角点間電圧(Ud)から形成され、
前記ブリッジ回路のブリッジ供給電流(Ib)またはブリッジ供給電圧(Ub)を前記操作量(Uy)に依存させ前記センサ装置の感度調節をする、請求項5記載の圧力センサシステム。 - 前記ブリッジ回路(11)の対角点の関係にある2つの電圧を入力とする、それぞれに差動増幅器(12及び13)が後置接続されており、前記2つの差動増幅器に前記対角点間電圧(Ud)および設定値(Uw)およびオフセット量(Uos)が供給されて、前記差動増幅器から制御偏差(Uxd)が出力され、前記オフセット量(Uos)は前記ブリッジ回路(11)のブリッジオフセット値(soff)、前記差動増幅器(12及び13)の共通の増幅器オフセット値(voff)及び前記操作量(Uy)に依存して形成される、請求項6記載の圧力センサシステム。
- 前記偏差(Uxd)を入力し、増幅する測定増幅器(3)を更に備えた、請求項1記載の圧力センサシステム。
- 前記比較器の出力である偏差(Uxd)と動作点電圧(Uap)とを入力し、前記積分器の入力のために出力する測定増幅器(3)を備え、前記偏差(Uxd)が定常状態において動作点電圧(Uap)に等しくなるように設定値(Uw)が設定される、請求項1記載の圧力センサシステム。
- 前記操作量(Uy)を監視し、前記操作量(Uy)が跳躍的に変化すると警報信号を出力する、請求項1記載の圧力センサシステム。
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