JP5124479B2 - 慣性センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載された形式の慣性センサ装置、特に自動車に組み付けられる慣性センサ装置、並びにこのような慣性センサ装置を備えた自動車のビークルダイナミックコントロールシステムのための制御装置に関する。

従来の技術
自動車においてアクティブ及びパッシブなセーフティシステムは今日幅広く使用されており、この場合エアーバックのような搭乗者保護システムや、ＥＳＰ（エレクトロニックスタビリティプログラム）のようなビークルダイナミックコントロールシステムは、今日既に標準装備である。これらのシステムの重要な構成部材は、自動車の加速又はヨーレートを測定するために使用される慣性センサである。エアーバックのような搭乗者保護システムにおいて使用される慣性センサ、つまり衝突加速を測定する加速度センサ又はロールオーバ感知用のヨーレートセンサのような慣性センサは、多くの場合、搭乗者保護システムの制御装置に組み込まれた構成部材を形成しているのに対して、ＥＳＰのようなビークルダイナミックコントロール系の、走行力学に関連したヨーレートや横方向加速を測定するためのセンサは、多くの場合、遠隔取付けセンサ（Wegbausensor）として実現され、システムの制御装置から切り離されて、室内における適宜な箇所に収容されている。しかしながらこのようなセンサにおいても、取付け制御装置（Anbausteuergeraet）に慣性センサを組み込むという傾向がある。

ヨーレートセンサを製造するためのコスト的に有利な解決策であるマイクロメカニカル技術では、センサの測定エレメントは例えば基板からエッチングによって切り出される。センサの運転中に測定エレメントは、適宜な励起によって、多くの場合１〜３０ｋＨｚの間の範囲に位置する振動周波数で振動させられ、そして、コリオリ加速度が測定され、このコリオリ加速度は、振動する測定エレメントの回転時に発生し、ヨーレートのための値である。適宜な復調器（Demodulator）を備えた評価回路は、測定されたコリオリ加速度から、ヨーレートに比例した信号成分を検出し、ひいてはヨーレートを突き止める。

自動車においてこのようなヨーレートセンサを使用した場合における大きな問題として、外乱加速度が挙げられる。この外乱加速度は、センサの取付け箇所に応じて程度の差こそあれ、かなり著しく生じることがあり、このような外乱加速度は、それがセンサの測定エレメントに達すると、特にこの外乱加速度の周波数がセンサの周波数の範囲にある場合には、測定エレメントの出力信号に対して特に強い影響を与えてしまう。復調器もしくは評価回路はこのような場合、もはやコリオリ加速度と外乱加速度とを区別することができないので、センサの出力信号は、強く外乱され、ひいてはビークルダイナミックコントロールシステムのためにはもはや容認できるものではなくなり、その結果システムの遮断又はその他の故障を惹起することがある。

外乱加速度の作用を最小にするために、種々様々な方法が試みられており、例えば、僅かな外乱加速度しか発生しない取付け箇所を探す、センサと取付け箇所とを振動技術的に遮断する、又はこれらを組み合わせる、といったことが試みられている。しかしながら適宜な取付け箇所を探すことは、今日の乗用車における狭められた空間状況及びそのために必要な走行検査に基づいて、困難かつ高コストであることが判明している。さらにまた、多種多様な構造形態にもかかわらず、慣性センサの公知のマイクロメカニカルな測定エレメントのパッケージングは、外乱加速度の影響を阻止するのに適していない。それというのは、時々、センサを内蔵する構造グループ全体が、例えば制御装置全体が、弾性的な連結部材を介して取付け箇所と結合されるからである。

さらに例えばＤＥ４４３１２３２Ａ１に基づいて公知の加速度センサ又はヨーレートセンサでは、マイクロメカニカル式に製造された測定エレメント自体が、緩衝機能を有する一体に組み込まれたばね質量系として形成されており、この場合には基板から加工された弾性的なウェブが、測定エレメントと該測定エレメントのように基板から形成された支台との間におけるばね作用及び緩衝作用のために働く。

発明の利点
請求項１の特徴部記載のように構成された本発明による慣性センサ装置には、公知のものとは異なり、慣性センサと組み込まれた評価回路とから成る市販のセンサモジュールの使用にもかかわらず、自動車における使用時にアプリケーションコストを著しく減じることができる。それというのは、本発明の慣性センサ装置によって、適宜な取付け箇所を探す手間と、振動遮断のための補足的な処置とが不要になるからである。本発明のように構成することによって、センサは、外乱加速度又は外乱振動によって強く負荷される領域にセンサ装置を取り付けた場合でも、必ず、確実でかつ信頼できる信号を供給することができる。

本発明は次のような思想、すなわち、臨界的な周波数範囲に配置された場合でもヨーレートセンサの加速度又は振動に対する感度を著しく低減させるために、ばね質量系の質量及びばねのばね強さを適宜に決定すること、並びにばねの緩衝特性を適宜に決定することによって、センサモジュールを振動技術的に保持体から遮断する、という思想に基づいている。

コリオリの原理に基づいて作動するヨーレートセンサは、コリオリ加速度のベクトルが示す三次元方向における外乱加速度に対して特に敏感に反応する。このことに基づいて、このような三次元方向に対する振動遮断の機能を得ることが、特に重要である。

本発明の有利な構成では、保持体からのセンサモジュールの振動技術的な遮断のために、エラストマ材料が使用されており、このエラストマ材料は、保持体に対するばね質量系の質量のばね弾性及び緩衝作用を得るために働く。エラストマをばね／緩衝エレメントとして使用できるようにするために、構造は、エラストマが、振動遮断を行いたい三次元方向において、つまりコリオリ加速度のベクトルが示す三次元方向において、剪断負荷されるように、設計されなければならない。それというのは、エラストマの剪断負荷だけが、振動遮断の合理的な設計を保証するからである。エラストマ材料を使用することの利点としては、エラストマのばね強さひいては系の共振周波数は、材料特性の変化及び／又は寸法設定によって比較的簡単に変化させることができる、ということが挙げられる。

センサモジュールと保持体との間における緩衝作用を有していてエラストマ材料から形成されたばねによって、センサ装置の製造を簡単化することもできる。この場合センサモジュール又はセンサモジュール用の組付けプレートは、保持体と一緒に射出成形型内に入れられ、エラストマ材料は、センサモジュールもしくは組付けプレートを取り囲んで該センサモジュールもしくは組付けプレートと保持体との間に存在する間隙内に射出され、これによって両構成部材を互いに弾性的に結合すること及び同時に両構成部材を振動技術的に互いに遮断することができる。

エラストマ材料としては、エラストシル（Elastosil）（登録商標）を使用すると有利であり、これはシリコンゴムをベースにした無孔性のエラストマ材料であり、例えば液状のシリコンゴムＬＳＲ（Liquid Silicon Rubber）であって、凝固後におけるそのばね強さは、次のような値を、つまりマイクロメカニカル式に製造されたヨーレートセンサのセンサモジュールの通常の質量では、臨界的な周波数範囲のはるか下に位置する共振周波数を有する値を、ひいては臨界的な周波数範囲においても強い緩衝作用を備えた値を、有している。

本発明の別の有利な構成では、センサモジュールが、慣性センサと評価回路とを保持するプレートを有しており、このプレートが、幾分大きな輪郭を有する保持体の切欠きに挿入されて、エラストマ材料による包埋成形によって、保持体内に弾性的に懸吊される。プレートの広幅側面に対して垂直な方向におけるプレート運動時に、プレートと保持体との間における間隙を埋めるエラストマ材料は剪断負荷される。エラストマ材料に対するこの剪断負荷は、臨界的な周波数範囲において傑出した緩衝作用のために働き、これによって、本発明による慣性センサ装置は、振動技術的に強く負荷される領域においても使用することができるようになる。

本発明による慣性センサ装置を、ビークルダイナミックコントロールシステムの制御装置に、例えばＥＳＰの取付け制御装置に、直に組み込むと、特に有利である。このようにすると、センサ装置のための振動を遮断された付加的なハウジングや、大量のハーネスを省くことができる。

センサモジュールと制御装置に堅く組み込まれた保持体との間における振動技術的な遮断を妨害することなしに、評価回路によって電気信号に変換された慣性センサの測定値を、制御装置に伝達するためには、信号の伝達は、センサモジュールの評価回路から、制御装置に接続されていて保持体に設けられた回路へと延びるボンディングワイヤによって有利に行うことができる。

図面
次に図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明による慣性センサ装置を分解して示す斜視図であり、
図２は、図１に示された慣性センサ装置の一部を拡大して示す斜視図であり、
図３は、図１に示された慣性センサ装置を組み付けられた自動車のビークルダイナミックコントロールシステムの制御装置を示す斜視図であり、
図４は、センサ装置及び慣性センサ装置の一部を断面しかつ拡大して示す斜視図であり、
図５は、ばね質量系を概略的に示す図であり、
図６は、ばね質量系の振幅伝達関数を示す線図である。

実施例の記載
図１〜図４に示された慣性センサ装置２は、図３に最も良く示されているように、自動車のビークルダイナミックコントロールシステムの取付け制御装置４の一部を形成していて、主として、付属制御装置４における堅固な固定のための保持プレート６と、この保持プレート６に取り付けられたセンサモジュール８とから成っており、このセンサモジュール８は、マイクロメカニカルに製造されたヨーレートセンサ（図示せず）と、センサに組み付けられたＡＳＩＣ（図示せず）の形の評価回路とを有している。

ヨーレートセンサは、ビークルダイナミックのヨーレートを検出するために働き、内部に測定エレメントを有しており、この測定エレメントは、自体公知の形式で励振され、１〜３０ｋＨｚの振動周波数で振動させられる。測定エレメントによって形成された質量が、速度ｖで、ヨーレートωを有する重畳された回転運動にさらされていると、測定エレメントはコリオリ加速度ａ_ｃで加速される。コリオリ加速度

の大きさのためには条件

が通用するので、センサの評価回路の復調器によって測定されたコリオリ加速度ａ_ｃから、ヨーレートに比例した信号成分、ひいてはヨーレート自体を検出することができる。

発生するコリオリ加速度

の振動数は、振動する質量もしくは測定エレメントの振動の励振周波数又は振動周波数に相当しており、これによってセンサは、この励振周波数又は振動周波数の領域における振動数を有する外乱加速度又は外乱速度に対しては極めて敏感である。それというのは、復調器はもはや外乱加速度とコリオリ加速度とを区別することができないからである。従って制御装置４の取付け箇所においてこのような外乱加速度が生じた場合には、センサの出力信号は強く外乱され、ＥＳＰシステムのようなビークルダイナミックコントロールシステムのためには、もはや受入れ不能となり、その結果としたシステムの停止又はその他の不都合な故障が生じてしまう。

ヨーレートセンサがこのような外乱加速度にさらされることを阻止するために、センサモジュール８は組付けプレート１０に取り付けられ、この組付けプレート１０は予め成形型内において、保持プレート６の、幾分大きな合同な切欠き１２内に挿入されて、次いで、図２から最も良く分かるように、エラストマ材料１４によって周囲を取り囲むように射出成形される。液状のシリコーンゴム（ＬＳＲ）から成るエラストマ材料１４は、凝固後に、組付けプレート１０と保持プレート６の切欠き１２との互いに向かい合った縁部に固着し、そしてエラストマ材料１４は、組付けプレート１０と保持プレート６との間における環状の間隙をその全長に沿って埋め、切欠き１２の縁部の表面をオーバラップする。アルミニウムから製造された保持プレート６は、センサモジュール８の他にさらにハイブリッド回路１６（図３）を有しているが、このハイブリッド回路１６は略示されているだけである。

上記配置形式によって、組付けプレート１０におけるセンサモジュール８の取付け後に、緩衝機能を備えたばね質量系が形成され（図５参照）、図５に示されたばね質量系では、センサモジュール８と組付けプレート１０とが一緒に、振動質量（seisemische Masse）Ｍを形成し、保持プレート６が保持体Ｔを形成し、かつエラストマ材料１４がばねＦを形成し、さらにその内部摩擦によって同時に緩衝Ｄのために働く。

組付けプレート１０の広幅側面に対して垂直な方向（図１の矢印参照）における保持プレート６と組付けプレート１０との相対運動時に、エラストマ材料１４は剪断力を負荷され、そしてエラストマ材料１４は、このような内部摩擦による負荷や変形エネルギの受容によって、運動を緩衝するために働き、さらには、組付けプレート１０ひいてはセンサモジュール８と保持プレート６とを、センサにとって重要な方向において振動技術的に遮断するために働く。

センサモジュール８及び組付けプレート１０の質量の総和と、材料特性と、組付けプレート１０と保持プレート６との間の環状の間隙の間隙幅と、この間隙におけるエラストマ材料１４の横断面寸法、ひいてはこのエラストマ材料１４のばね強さとを、適宜に選択することによって、これらの構成部材によって形成されたばね質量系の共振周波数を、該共振周波数が臨界的な振動周波数のはるか下に位置するように、制御することができる。

図６に一例として示されたばね質量系は、１０ｋＨｚの振動周波数を有しているヨーレートセンサであって、ゆえにこのような周波数を持つ外乱加速度のために特に敏感であるヨーレートセンサにおける遮断のために特に適している。図６に示されたばね質量系は、１ｋＨｚの共振周波数を有しており、この共振周波数以外では、急勾配で下降する振幅伝達関数（Amplitudenuebertragungsfunktion）を有しており、この振幅伝達関数では、伝達振幅は１０倍の共振周波数において、励起振幅の約１％にしかならない。

本発明による慣性センサ装置２では従って、センサモジュール８及び組付けプレート１０の質量は、ばね質量系の共振周波数が臨界的な周波数領域の著しく下に、つまり保持プレート２からのヨーレートセンサの遮断が望まれているような周波数領域の著しく下に、位置するように、エラストマ材料１４のばね強さに合わせられ、前記臨界的な周波数領域は、図示の実施例では１０ｋＨｚである。従ってばね質量系の共振周波数は、有利には約１ｋＨｚの領域にシフトされ、その結果外乱加速度は１０ｋＨｚの領域において、その振幅の約１％しかセンサに達しない。

図３に示されているように制御装置４に保持プレート６を取り付けた後で、評価回路は、ハイブリッド回路１６を備えた制御装置４の所属の接続部とボンディングワイヤ（図示せず）と結合され、これによってセンサモジュール８の評価回路の信号は、ハイブリッド回路１６に、ひいてはそこから制御装置４に伝達されることができる。次いで制御装置４は自動車の車体部分に組み付けられることができ、この場合エラストマ材料１４による緩衝に基づいて、１０ｋＨｚを上回る領域における強い振動でさえも、センサモジュール８に伝達されることはなくなる。

本発明による慣性センサ装置を分解して示す斜視図である。 図１に示された慣性センサ装置の一部を拡大して示す斜視図である。 図１に示された慣性センサ装置を組み付けられた自動車のビークルダイナミックコントロールシステムの制御装置を示す斜視図である。 センサ装置及び慣性センサ装置の一部を断面しかつ拡大して示す斜視図である。 ばね質量系を概略的に示す図である。 ばね質量系の振幅伝達関数を示す線図である。

Claims (9)

1. 慣性センサ装置、特に自動車に組み付けられる慣性センサ装置であって、保持体にセンサモジュールが取り付けられており、該センサモジュールが、マイクロメカニカルに製造された慣性センサと評価回路とを有している形式のものにおいて、センサモジュール（８）が、エラストマ材料（１４）から成っている弾性的な連結エレメント（１４）によって、保持体（６）と結合されており、慣性センサが、振動するセンサエレメントのコリオリ加速度を検出するヨーレートセンサであり、連結エレメント（１４）が、センサモジュール（８）のための組付けプレート（１０）の広幅側面に対して垂直な方向における、保持体（６）と組付けプレート（１０）との相対運動時に、センサエレメントのコリオリ加速度のベクトル方向に相応して剪断応力を負荷されることを特徴とする慣性センサ装置。
2. センサモジュール（８）が保持体（６）及び連結エレメント（１４）と共に、緩衝機能を有するばね質量系を形成しており、センサモジュール（８）と組付けプレート（１０）とが一緒に、振動質量Ｍを形成し、保持プレート（６）が保持体Ｔを形成し、かつ連結エレメント（１４）がばねＦを形成していて、該ばねを介して振動質量Ｍが保持体Ｔに結合されており、さらに連結エレメント（１４）がその内部摩擦によって同時に緩衝Ｄのために働く、請求項１記載の慣性センサ装置。
3. エラストマ材料（１４）が、シリコンゴムをベースにした無孔性のエラストマ材料である、請求項１又は２記載の慣性センサ装置。
4. エラストマ材料（１４）がエラストシル（登録商標）である、請求項３記載の慣性センサ装置。
5. エラストマ材料（１４）が、センサモジュール（８）のための組付けプレート（１０）と保持体（６）との間に射出成形されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の慣性センサ装置。
6. 保持体（６）が切欠き（１２）を有しており、組付けプレート（１０）が該切欠き（１２）内に配置されており、保持体（６）と組付けプレート（１０）とが、該保持体（６）及び組付けプレート（１０）の互いに向かい合っている縁部の少なくとも一部に沿って、エラストマ材料（１４）によって結合されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の慣性センサ装置。
7. センサモジュール（８）がボンディングワイヤによって、保持体（６）に配置された回路（１６）と結合されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の慣性センサ装置。
8. 自動車のビークルダイナミックコントロールシステムのための制御装置であって、請求項１から７までのいずれか１項記載の慣性センサ装置が組み込まれていることを特徴とする、制御装置。
9. 自動車であって、請求項８記載の制御装置を備えていることを特徴とする自動車。

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