JP5837222B2 - デジタルセンサ - Google Patents

Description

本発明は、センサ部材と、デジタル部分と、サンプル＆ホールド段と、出力段と、電気エネルギーを蓄積するための手段とを備えたデジタルセンサに関する。ここでこのセンサ部材、デジタル部分、サンプル＆ホールド段、出力段および電気エネルギーを蓄積する手段は、電流供給部によって給電される。ここでこのセンサ部材は、センサ出力側で、センサ部材によって求められ、デジタル部分によってデジタル化された、および／または、評価された測定値を、後続の電子回路にデジタルの形態で供給する。

例えば、自動車産業においては、長年にわたって、多数の物理的なパラメータを測定値の形態で検出することができ、自動車の動作をより安全に、かつより効率的に、かつより快適にするセンサが使用されてきた。物理的なパラメータは、ここでまずはアナログ測定値として検出される。例えば、質量流量の検出および流体の温度の検出は、殊に、自動車産業において重要である。なぜなら、これらのパラメータは、自動車内の内燃機関の最適な制御のために必要となるからである。これまでは、質量流量および流体の温度を検出するためのセンサによって求められた値は、自動車内のエンジン制御機器内に、アナログの形態でも供給されてきた。しかしアナログ信号は、ノイズの影響を受けやすく、例えば、電磁的なノイズフィールドによって、著しく誤ったものになってしまう、という欠点を有している。従って、センサ部材によって求められたアナログ測定値を、センサ自体内でデジタル化することは有利である。これは、センサ自体内で、デジタル部分内に配置され得るアナログ／デジタル変換器によって行われる。

しかしセンサの電流供給部が故障している場合には、デジタルセンサは、問題となることが判明している。なぜなら、電流欠乏後すぐにはデジタル信号は供給されず、後続の電子機器が、測定値の欠如によって、緊急動作モードに切り替わってしまうからである。この緊急動作モードによって通常、制御されるべきユニットの出力は格段に悪くなる。さらに、電流中断後には、デジタルセンサの再構築が必要となる。これは同様に、多くの時間を必要とする。この時間内には、センサの評価可能な測定値は存在しない。

アナログに動作するセンサの場合には、この問題は、電流供給部のリード線内の、多かれ少なかれ大きいコンデンサによって解決される。このコンデンサは、電流中断の場合にも、ある程度の時間の間、電気エネルギーを供給し続ける。電流供給部のリード線内のコンデンサからのエネルギーがもはや十分でない場合には、センサ部材は、相応する物理的パラメータの測定を終了させる。しかしアナログセンサの場合には、センサ出力側の線路内に同様にコンデンサが設けられている。このコンデンサは、センサ部材の故障後に、最後に検出されたアナログ測定値を、さらにある程度の時間保持し、その後、緩慢に、測定値に比例した印加電圧を失う。従ってアナログセンサは、供給電流の中断後の比較的長い時間、センサ出力側で測定値を供給する。この測定値は、センサ部材によって最後に検出された測定値に近い。センサへの供給電流の供給が再び形成されるとすぐに、センサは、新たな測定値を供給する。しかも、デジタルセンサの場合に必要な、初期化プロセスを行う必要はない。

デジタル式に動作するセンサの場合にも、センサのエネルギー供給を、電流供給の中断時に、電流供給部のリード線内の多かれ少なかれ大きいコンデンサによって保持することができる。電流供給部のリード線内のコンデンサは、電流中断の間も、ある程度の時間、電気エネルギーをさらに供給する。しかし多数のセンサ部材（例えば、熱フィルム部材をベースにしたエアマスセンサ）は、極めて多くの電気的なエネルギーを必要とするので、電流供給部のリード線内のコンデンサ内の電気エネルギーの蓄えは迅速に使い果たされる。デジタルセンサは、自身のセンサ出力側で、物理的なパラメータに対する測定値をデジタルの形状で（すなわち、例えばビットシーケンスとして）供給するので、センサ出力側の線路内のコンデンサは、最後に測定された信号を保持することができない。すなわち、供給電流中断後、電流供給部のリード線内のコンデンサからの電気エネルギーが使い果たされるとすぐに、センサ全体が機能しなくなり、後続の電子回路に測定値が全く供給されなくなる。このような状況においては、後続の電子回路において、緊急動作プログラムが動作し、これによって、制御されるべきユニットの出力が格段に悪くなる。さらに、スイッチオフされたデジタルセンサの再スタートにかかる時間は比較的長い。従って、緊急動作プログラムは相対的に長い間、必要とされる。

本発明の課題は、供給電流の供給の中断後にも、測定されるべき物理的パラメータの、できるだけ長く使用可能な測定値を供給するデジタルセンサを提供することである。

この課題は、本発明と相応に、独立請求項の特徴によって解決される。

本発明は、多数の実施形態を許容する。その原則をさらに明瞭にするために、これらの実施形態のうちの１つを図示し、以降で説明する。

アナログセンサの概略図 デジタルセンサの概略図 本発明のデジタルセンサ ガスセンサ部材を有するデジタルセンサ

図１は、センサ部材３を有するアナログセンサ１を、概略図で示している。センサ部材３は、電流供給線路４と接続されている。電流供給線路は、電流供給部１９に接続されている。この電流供給線路４と、第１のコンデンサ５が接続されている。この第１のコンデンサは、電流供給線路４を、アース６から分断している。この第１のコンデンサ５は、電流供給部１９によって充電される。第１のコンデンサ５は、比較的高い容量を有している。従って、この第１のコンデンサは、大量の電気エネルギーを蓄積することができる。電流供給部１９が故障すると、または、一時的に動かなくなると、第１のコンデンサ５内に蓄積された電気エネルギーが、センサ部材３を給電するために使用される。これによって、センサ１は、電流供給部１９が故障した場合にも、測定値を検出し続けることができ、信号線路７を介して、ここでは図示されていない、自動車内の後続の電子回路（例えばエンジン制御機器）に供給される。

第１のコンデンサ５内の電気エネルギーの蓄積は、制限されているので、アナログセンサ１は、電流供給部１９の故障後、ある程度の時間しか、動作して、測定値を検出し続けることができない。第１のコンデンサ５内に蓄積された電気エネルギーが使い果たされると、センサ部材３はもはや動作できなくなり、信号を後続の回路に供給することもできなくなる。それにもかかわらず、後続の電子回路に、センサ部材３の最後の測定値にほぼ相当する測定値を供給するために、信号線路７と第２のコンデンサ８とが接続されている。第２のコンデンサは、この例では、信号線路７とアース６との間に接続されている。この第２のコンデンサ８は、測定値にほぼ相当する電位差を有する。この測定値はセンサ部材３によって測定され、電圧値として信号線路７に供給される。しかし電流供給部１９が故障し、第１のコンデンサ５内に蓄積された電気エネルギーが使い果たされると、センサ部材３は測定値をもはや信号線路７に供給しない。しかし、信号線路７には、第２のコンデンサ８によって供給されたポテンシャルが印加されており、これは最後の電圧値ひいてはセンサ部材３の最後の測定値にほぼ相応する。その後、第２のコンデンサ８によって供給されたポテンシャルは緩慢にしか下降せず、アースポテンシャルに類似する。これによって、センサ部材３の下降後にも、ある程度の時間、センサ部材３が供給した最後の信号にほぼ相応する信号が信号線路７に加えられる。さらに、信号線路７内の第２のコンデンサ８は、アナログセンサ２の場合に、約１０〜１００μｓｅｃの時定数を有しており、このコンデンサの容量は相応に高い。従って、アナログセンサ１の電流供給部１９が中断された後、自動車内の後続の電子回路、例えば制御機器はさらに、相応に長い時間、働き続けることができる。

電流供給部１９が復旧すると、アナログセンサは、通常、極めて迅速に測定可能状態になり、測定されるべき物理的なパラメータに相応する信号を、信号線路７に供給することができ、これによって、自動車内の後続の電子回路を駆動制御することができる。

図２は、デジタルセンサ２を示す。このデジタルセンサ２は、センサ部材３と、デジタル部分１０とサンプル＆ホールド段１１と出力段１２とから成る。デジタルセンサ２はさらに、別のデジタルおよびアナログ回路部材を含むことができる。センサ部材３は物理的なパラメータを検出し、このパラメータに相応する測定値をアナログで供給する。通常、測定値は、測定されたパラメータに対して比例する電圧の形態で供給される。この電圧は、デジタルセンサ２内で、アナログの形態からデジタルの形態に変換される。これは、デジタル部分１０内で行われる。このために、デジタル部分１０内に、アナログデジタル変換器が設けられている。アナログデジタル変換器の作動様式は当業者に公知である。アナログデジタル変換器は、アナログの入力パラメータに比例するデジタル信号を供給する。このデジタル信号は、デジタル部分から、サンプル＆ホールド段に供給される。サンプル＆ホールド段内には、新たなデジタル信号がデジタル部分１０から供給されるまで、デジタル信号が蓄積される。出力段１２は、デジタル信号を信号線路７を介して、自動車内の後続の電子回路（例えば制御機器）に送信する。

電流供給線路４は、デジタルセンサ２と電流供給部９とを接続する。電流供給線路４によって、センサ部材３、デジタル部分１０、サンプル＆ホールド段１１および出力段１２に電気的なエネルギーが供給される。デジタルセンサ２の場合でも、電流供給線路４は、第１のコンデンサ５と接続されている。これは、電気的なエネルギーを蓄積し、これによって、電気的なエネルギーを蓄積するための手段５として用いられる。コンデンサ５の代わりに、電気的なエネルギーを蓄積するための別の手段５も可能である。これは例えばバッテリーまたは蓄電池である。電流供給部１９の故障時には、電気的なエネルギーを蓄積するための手段内に蓄積された電気エネルギーが使用され、これによって、センサ部材３、デジタル部分１０、サンプル＆ホールド段１１および出力段１２に電気エネルギーが供給される。これによってデジタルセンサ２は、電流供給部１９の故障時にも、ある程度の時間、働き続けることができ、測定値を供給する。これは、電気エネルギーを蓄積するための手段５（すなわちこの実施例では、第１のコンデンサ５）内のエネルギーも使い果たされるまで続く。

図１に示されたアナログセンサ１での解決方法とは異なり、デジタルセンサ２の信号線路７内の第２のコンデンサ８は、センサ部材３の故障後、最後の測定値に相応する信号を、信号線路７を介して、後続の車両電子回路に送信することができない。デジタルセンサ２によって、信号線路７を介して、後続の車両電子回路に送信される信号は、主に、デジタル信号である。すなわち、第２のコンデンサ８によって再現できないビット列である。信号線路７内の第２のコンデンサ８は、デジタルセンサ２の場合には、単に、信号線路７のノイズ除去機能を有する。これによって、デジタルセンサ２の信号線路７内の第２のコンデンサ８用の時定数は、約１０〜１００μｓｅｃになり、このコンデンサの容量は、相応に小さくなる。電流供給部１９が故障した後、および第１のコンデンサ５内に蓄積された電気エネルギーが使い尽くされた後、デジタルセンサ２は完全に機能しなくなり、信号線路を介して、後続の自動車電子回路にいかなる情報も供給しない。後続の自動車電子回路は、このような場合に、緊急動作プログラムにおいて制御されなければならない。これは、制御されるべきユニット、例えば内燃機関の駆動制御を格段に悪化させる。デジタルセンサのセンサ部材３が例えば、熱フィルム原理に従って動作する質量流量センサ部材１３として形成されている場合、このセンサ部材３、１３は、極めて多くの電気エネルギーを消費する。従って、電気エネルギーを蓄積する手段内に蓄積された電気エネルギーは、電流供給部１９が中断された後、または故障した後、極めて迅速に使い果たされる。従って、例えば、デジタル式の質量流量センサは、電流下降後に、自身の業務を完全に止めるまで、極めて短い時間しか動作し続けられない。

その後、電流供給部１９が復旧された場合にも、デジタルセンサ２ははじめに、新たに初期化されなければならない。これによっても、測定されるべきパラメータに比例した信号が信号線路７を介して供給されるまで、時間がかかってしまう。従って、電流供給部１９の故障が、デジタルセンサ２に及ぼす影響が、アナログセンサ１に及ぼす影響に比べて格段に、持続してしまう。

このような欠点は、図３に示されたデジタルセンサ２によって回避される。

図３は、センサ部材３と、デジタル部分１０と、サンプル＆ホールド段１１と出力段１２とを有する本発明のデジタルセンサ２を示している。センサ部材３は、この例では、質量流量センサ部材１３として形成されている。このような質量流量センサ部材１３は公知であり、例えば、ＥＰ３７４３５２Ａ１およびＥＰ８６６９５０Ｂ１に記載されている。近年の質量流量センサ部材１３は、マイクロメカニカル技術によって製造され、集積回路の一部として、デジタル部分１０と、サンプル＆ホールド段１１と、出力段１２とともに、１つのシリコンチップ上に形成される。デジタルセンサ２の場合には、同様に、デジタルセンサ２を電流供給部１９と接続する電流供給線路４が識別される。電流供給線路４には、電気エネルギーを蓄積するための手段５が、コンデンサの形態で形成されている。さらに、電流供給線路４では、スイッチ９が識別される。これは通常、電子スイッチとして形成されており、次のようなタスクを有する。このタスクとは、電流供給部の故障の場合に、高い電流消費を伴う構成部分、例えばセンサ部材３を、電気エネルギーを蓄積する手段５と切り離すことである。従ってスイッチ９は、次のことを保証する。すなわち、電流供給部１９の故障が終了し、新たな測定値がサンプル＆ホールド段１１内に、センサ部材３によって格納されるまで、電流供給部１９の故障後に、引き続き、サンプル＆ホールド段１１内に格納された最後の測定値を信号線路に送信するのに絶対必要な、デジタルセンサ２の構成部分のみに電気エネルギーが供給され続けることを保証する。この例では、スイッチ９は、電流供給部の故障時に、質量流量センサ部材１３とデジタル部分１０とを、電気エネルギーを蓄積する手段５から切り離す。これによって、電気エネルギーを蓄積する手段５は、サンプル＆ホールド段１１と出力段１２のみに、電気エネルギーを供給し続ければよい。サンプル＆ホールド段１１と出力段１２とが消費する電気エネルギーは比較的少ないので、電気エネルギーを蓄積する手段５は、電流供給部１９の故障後に相対的に長い時間にわたって、サンプル＆ホールド段１１および出力段１２の電流供給を保証することができる。これによって、センサ部材３によって求められ、サンプル＆ホールド段１１内に格納された最後の測定値は、長い時間にわたって信号線路７内に供給され、後続の電子回路の駆動制御に用いられる。この後続の電子回路は、例えば、自動車内のエンジン制御機器であり得る。ここに示された第２のコンデンサ８は同様に、信号線路７の電磁的な特徴を改善するためだけに用いられ、信号線路７内のバイナリー出力信号の保持に、影響を与えない。

図４は、図３に示されたデジタルセンサの全ての特徴を有するデジタルセンサ２を示す。図４では、センサ部材３は、ガスセンサ部材１３として形成されている。しかしこのセンサ部材が、圧力センサ部材、温度センサ部材、ポジショニングセンサ部材または回転数センサ部材として形成されていてもよい。上述したセンサ部材の２つまたは２つよりも多くのセンサ部材からの組み合わせを、デジタルセンサ上に形成することも可能である。

Claims (9)

1. センサ部材（３）と、デジタル部分（１０）と、サンプル＆ホールド段（１１）と、出力段（１２）と、電気エネルギーを蓄積するための手段（５、８）とを備えたデジタルセンサ（２）であって、
   前記センサ部材（３）と、前記デジタル部分（１０）と、前記サンプル＆ホールド段（１１）と、前記出力段（１２）と、前記電気エネルギーを蓄積するための手段（５）には、電流供給線路（４）を介して、電流供給部（１９）によって電気エネルギーが供給され、
   前記センサ部材（３）によって求められ、前記デジタル部分（１０）によってデジタル化された、および／または、評価された測定値を、センサ出力側（２０）で、後続の電子回路に、デジタルの形態で供給するデジタルセンサ（２）において、
   前記電流供給線路（４）内にスイッチ（９）が配置されており、前記スイッチ（９）は、前記電流供給部（１９）の故障時に、前記サンプル＆ホールド段（１１）と前記出力段（１２）のみを、前記電気エネルギーを蓄積するための手段（５）と接続し、
   前記電流供給部（１９）の故障時に、前記サンプル＆ホールド段（１１）と前記出力段（１２）は、前記電気エネルギーを蓄積するための手段（５）によって給電され、
   前記電流供給部（１９）の前記故障が終了し、新たな測定値が前記サンプル＆ホールド段（１１）内に格納されるまでの間、前記サンプル＆ホールド段（１１）内に最後に格納された測定値が、前記出力段（１２）から信号線路（７）内に供給され、
   前記電流供給部（１９）の故障時には、前記センサ部材（３）には、前記電気エネルギーを蓄積するための手段（５）から電流が供給されない、
   ことを特徴とするデジタルセンサ（２）。
2. 前記センサ部材（３）は、質量流量センサ部材（１３）である、請求項１記載のデジタルセンサ（２）。
3. 前記センサ部材（３）は、ガスセンサ部材（１４）である、請求項１記載のデジタルセンサ（２）。
4. 前記センサ部材（３）は、圧力センサ部材（１５）である、請求項１記載のデジタルセンサ（２）。
5. 前記センサ部材（３）は、温度センサ部材（１６）である、請求項１記載のデジタルセンサ（２）。
6. 前記センサ部材（３）は、ポジショニングセンサ部材（１７）である、請求項１記載のデジタルセンサ（２）。
7. 前記センサ部材（３）は、回転数センサ部材（１８）である、請求項１記載のデジタルセンサ（２）。
8. 前記電気エネルギーを蓄積するための手段（５）は、前記電流供給線路（４）内に、または、前記電流供給線路（４）に配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のデジタルセンサ（２）。
9. 前記電気エネルギーを蓄積するための手段（５）は、少なくとも１つのコンデンサを含んでいる、請求項１から８までのいずれか１項記載のデジタルセンサ（２）。

Images