KR20140100515A - 디지털 센서 - Google Patents

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KR20140100515A
KR20140100515A KR1020147015795A KR20147015795A KR20140100515A KR 20140100515 A KR20140100515 A KR 20140100515A KR 1020147015795 A KR1020147015795 A KR 1020147015795A KR 20147015795 A KR20147015795 A KR 20147015795A KR 20140100515 A KR20140100515 A KR 20140100515A
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electrical energy
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KR1020147015795A
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토르슈텐 크니텔
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콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Abstract

본 발명은 센서 소자, 디지털부, 샘플 및 홀드 스테이지 및 출력 스테이지를 포함하고, 전기 에너지를 저장하기 위한 수단을 포함하는 디지털 센서에 관한 것으로서, 센서 소자, 디지털부, 샘플 및 홀드 스테이지, 출력 스테이지 및 전기 에너지를 저장하기 위한 수단은 전원에 의해 전기 에너지를 공급받고, 상기 센서는 센서 소자에 의해 검출되고, 디지털부에 의해 디지털화 및 평가된 측정값을 센서 출력에서 후속 전자 회로에 디지털 형태로 제공한다. 전원 중단 후 가능한 한 오랫동안 측정 대상 물리 변수의 사용가능한 측정값을 공급하는 디지털 센서를 제공하기 위해서, 샘플 및 홀드 스테이지(11) 및 출력 스테이지(12)는 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)에 의해 전원(19)의 미작동 시 전력을 공급받고, 전원(19)의 미작동이 종료되고 새로운 측정값이 샘플 및 홀드 스테이지(11)에 저장될 때까지 샘플 및 홀드 스테이지(11)에 가장 최근에 저장된 측정값이 출력 스테이지(12)에 의해 신호 라인(7)에 제공되며, 전원(19)의 미작동 시 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)에 의해 센서 소자(3)에 전력은 공급되지 않는다.

Description

디지털 센서{DIGITAL SENSOR}
본 발명은 센서 소자, 디지털부, 샘플 및 홀드 스테이지(sample-and-hold stage) 및 출력 스테이지를 포함하고, 전기 에너지를 저장하기 위한 수단을 포함하는 디지털 센서에 관한 것으로, 전기 에너지는 전원에 의해 센서 소자, 디지털부, 샘플 및 홀드 스테이지, 출력 스테이지 및 전기 에너지를 저장하기 위한 수단에 공급되며, 상기 센서는 후속 전자 회로의 측정값을 디지털 형태로 센서 출력에서 이용할 수 있게 하고, 이 측정값은 센서 소자에 의해 측정되어, 디지털부에 의해 디지털화 및/또는 평가된다.
측정값의 형태로 다수의 물리 변수(physical variable)를 검출할 수 있고, 더 안전하고 더 효율적이며 더 편리한 자동차의 작동의 형성에 기여할 수 있는 센서는 예를 들면 자동차 업계에서 수년 동안 사용되어 왔다. 물리 변수는 먼저 아날로그 측정값으로 검출된다. 예를 들면, 유체의 질량 유량(mass flow) 및 유량 온도의 검출은 특히 자동차 산업에서 매우 중요한데, 왜냐하면 이러한 변수는 자동차의 내연 기관의 최적 제어를 위해 필요하기 때문이다. 유체의 질량 유량 및 유량 온도를 검출하기 위한 센서에 의해 측정된 값은 또한 지금까지는 아날로그 형태로 자동차의 모터 제어 장치에 이용되어 왔다. 그러나 아날로그 신호는 결함에 취약하고, 예를 들면, 전자기 방해 필드에 의해 왜곡될 수 있다는 단점이 있다. 따라서 센서 소자에 의해 측정된 아날로그 측정값의 디지털화는 센서 자체에 있어서 여전히 유리하다. 이것은 센서 자체의 디지털부에 배치될 수 있는 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 수행된다.
그러나 센서에 대한 전원의 미작동(failure) 시, 디지털 센서는 문제가 되는 것으로 또한 판명되었는데, 왜냐하면 정전 직후 디지털 신호를 더 이상 이용할 수 없고, 후속 전자 기기는 측정값 부족의 결과 일반적으로 제어 대상 기기의 실질적으로 손상된 성능(impaired performance)을 초래하는 비상 작동 모드로 전환되기 때문이다. 또한, 전류의 중단에 후속하여, 디지털 센서의 재구성이 필요한데, 이것은 더욱이 적지 않은 시간을 필요로 한다. 이 시간 동안, 센서의 사용 가능한 측정값은 존재하지 않는다.
아날로그 작동을 갖는 센서들의 경우, 이 문제는 전원의 공급라인에서 어느 정도 크기의 커패시터에 의해 해결되는데, 이 커패시터는 전류 중단 시에도 지속적인 공급을 제공하기 위해 일정 시간 동안 전기 에너지를 공급한다. 전원의 공급라인의 커패시터로부터 에너지가 더 이상 충분하지 않다면, 센서 소자는 해당 물리 변수의 측정을 종료한다. 그러나 아날로그 센서의 경우, 커패시터가 마찬가지로 센서 출력의 라인에 제공되는데, 이 커패시터는 센서 소자의 미작동 후 일정 시간 동안 가장 최근에 검출된 아날로그 측정값을 유지하고 그 후 그 측정값에 비례하는 인가전압을 서서히 잃는다. 따라서 아날로그 센서는 공급 전류의 중단 후 비교적 긴 시간 동안 센서 출력에서 측정값을 여전히 이용할 수 있고, 이 측정값은 센서 소자에 의해 검출된 최종 측정값에 근접한다. 센서에 공급 전류의 공급이 다시 생성되자마자, 센서는 디지털 센서의 경우에 필요한 초기화 과정을 거치지 않고 새로운 측정값을 생성한다.
디지털 작동을 갖는 센서의 경우에도, 센서로 에너지 공급은 전원 공급이 중단된 경우에 전원의 공급라인에 어느 정도 크기의 커패시터에 의해 유지될 수 있다. 전원의 공급라인의 커패시터는 또한 전류 중단 동안이라도 일정 시간 동안 전기 에너지의 지속적인 공급을 보장한다. 그러나 많은 센서 소자들(예를 들어, 열막 소자(hot film element)에 기초한 공기량계량기(air-flow meter))이 매우 많은 양의 전기 에너지를 소모하기 때문에, 전원의 공급라인에 있는 커패시터에서 전기 에너지 공급은 빠르게 소진된다. 디지털 센서는 물리 변수에 대한 측정값을 디지털 형태로(즉, 예를 들면 비트 시퀀스(bit sequence)로) 그 센서 출력에서 이용할 수 있게 하기 때문에, 센서 출력 라인의 커패시터가 최종 측정 신호를 유지할 수 없다. 따라서 공급 전류의 중단 후 전원의 공급라인의 커패시터로부터 전기 에너지가 모두 소진되자마자, 센서 전체가 작동 정지하여, 후속 전자 기기에 이용할 수 있는 측정값은 더 이상 존재하지 않는다. 이러한 상황에서, 비상 프로그램이 후속 전자 기기에서 가동되고, 이것은 제어 대상 기기의 실질적으로 손상된 성능을 초래한다. 또한, 정지된 디지털 센서의 재시작에 비교적 긴 시간이 걸리고, 따라서 비상 프로그램은 비교적 긴 시간을 필요로 한다.
본 발명은 공급 전류의 공급 중단 후에도 물리 변수를 측정하는데 가능한 한 오랫동안 이용할 수 있는 측정값을 제공하는 디지털 센서를 구체화하는 문제에 기초한다.
이 문제는 본 발명에 따라 독립항의 특징에 의해 해결된다.
본 발명은 많은 실시예들이 가능하다. 본 발명의 기본 원리에 대한 추가적인 설명을 위해, 이들 실시예들 중 하나가 도면에 도시되고, 아래에서 설명될 것이다.
본 발명에 의하면 공급 전류의 공급 중단 후에도 물리 변수를 측정하는데 가능한 한 오랫동안 이용할 수 있는 측정값을 제공하는 디지털 센서를 구현할 수 있다.
도 1은 도식화된 도면으로 아날로그 센서를 도시하며,
도 2는 도식화된 도면으로 디지털 센서를 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 디지털 센서를 도시하며,
도 4는 가스 센서 소자를 포함하는 디지털 센서를 도시한다.
도 1은 도식화된 도면으로 센서 소자(3)를 포함하는 아날로그 센서(1)를 도시한다. 센서 소자(3)는 전원 라인(4)에 접속되고, 전원 라인(4)은 전원(19)에 접속된다. 접지(6)로부터 전원 라인(4)을 분리시키는 제 1 커패시터(5)가 전원 라인(4)에 접속된다. 이 제 1 커패시터(5)는 전원(19)에 의해 충전된다. 제 1 커패시터(5)에는 상대적으로 높은 전기용량(capacitance)이 제공될 수 있고, 그 결과 많은 양의 전기 에너지를 저장할 수 있다. 전원(19)이 일시적으로 미작동하거나 고장 난 경우, 제 1 커패시터(5)에 저장된 전기 에너지가 센서 소자(3)에 공급되도록 사용될 수 있다. 따라서 전원(19)의 미작동 시에도 센서(1)는 측정값을 계속해서 획득할 수 있고, 이 측정값을 신호 라인(7)을 통해 (도시되지 않은) 후속 전자 기기, 예를 들면 자동차의 모터 제어 장치에 이용할 수 있게 한다.
제 1 커패시터(5)에서 전기 에너지의 공급은 제한되기 때문에, 아날로그 센서(1)는 전원(19)의 미작동 후 일정 시간 동안만 작동 및 측정값 검출을 지속할 수 있다. 제 1 커패시터(5)에서 전기 에너지의 공급이 모두 소진되면, 센서 소자(3)는 작동될 수 없으며, 또한 그 후 어떤 신호도 후속 전자 기기에 더 이상 제공될 수 없다. 그럼에도 불구하고, 센서 소자(3)의 최종 측정값에 주로 대응하는 측정값을 후속 전자 기기에 이용할 수 있도록 하기 위해, 제 2 커패시터(8)가 신호 라인(7)에 접속되는데, 본 실시예에서 제 2 커패시터는 신호 라인(7)과 접지(6) 사이에 접속된다. 이 제 2 커패시터(8)는 센서 소자(3)에 의해 측정되는 측정값에 주로 대응하고, 신호 라인(7)에 전압 값으로 제공되는 전위일 것이다. 그러나 전원(19)이 미작동되고, 제 1 커패시터(5)에서 전기 에너지의 공급이 모두 소진되면, 센서 소자(3)는 신호 라인(7)에 더 이상 어떤 측정값도 제공하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 최종 전압값, 즉 센서 소자(3)의 최종 측정값에 주로 대응하는, 제 2 커패시터(8)에 의해 제공된 전위는 신호 라인(7)에 존재한다. 제 2 커패시터(8)에 의해 제공된 전위는 그 후 서서히 감소하여 접지 전위에 가까워지고, 이로 인해 신호는 센서 소자(3)의 미작동 후라도 일정 시간 동안은 신호 라인(7)에 존재하며, 신호는 센서 소자(3)가 생성한 최종 신호에 주로 대응한다. 이를 위해, 아날로그 센서(2)의 경우 신호 라인(7)의 제 2 커패시터(8)는 약 10 내지 100 μsec 의 시상수(time constant)를 갖고, 이 커패시터의 전기용량은 대응하여 높다. 따라서 자동차의 제어 장치와 같은 후속 전자 기기는 아날로그 센서(1)의 전원(19)이 중단된 후 비교적 긴 시간 동안에도 작동을 지속할 수 있다.
그 후 전원(19)이 회복되면, 아날로그 센서는 일반적으로 매우 신속히 다시 측정 준비가 이루어지며, 이것은 신호 라인(7)으로 측정 대상 물리 변수에 대응하는 신호들을 제공할 수 있고, 그 결과 자동차의 후속 전자 기기를 가동할 수 있다.
도 2는 디지털 센서(2)를 도시한다. 디지털 센서(2)는 센서 소자(3), 디지털부(10), 샘플 및 홀드 스테이지(11) 및 출력 스테이지(12)를 포함한다. 디지털 센서(2)는 다른 디지털 및 아날로그 회로 소자들을 추가로 포함할 수 있다. 센서 소자(3)는 물리 변수를 검출하고, 아날로그 형태의 변수에 대응하는 측정값을 제공한다.
일반적으로, 측정된 변수에 비례하는 전압 형태의 측정값이 이용할 수 있게 된다. 이 전압은 디지털 센서(2)에서 아날로그 형태로부터 디지털 형태로 변환되고, 이것은 디지털부(10)에서 수행된다. 이를 위해, 아날로그-디지털 변환기가 디지털부(10)에 제공된다. 아날로그-디지털 변환기의 작동 모드는 통상의 기술자에게 알려져 있다. 아날로그-디지털 변환기는 아날로그 입력 변수에 비례하는 디지털 신호를 이용할 수 있게 한다. 이 디지털 신호는 디지털부에 의해 샘플 및 홀드 스테이지에 제공된다. 디지털 신호는 새로운 디지털 신호가 디지털부(10)에 의해 이용할 수 있게 될 때까지 샘플 및 홀드 스테이지에 저장된다. 출력 스테이지(12)는 신호 라인(7)을 통해 자동차의 제어 장치와 같은 후속 전자 기기에 디지털 신호를 전송한다.
전원 라인(4)은 전원(19)에 디지털 센서(2)를 접속한다. 전기 에너지는 전원 라인(4)을 통해 센서 소자(3), 디지털부(10), 샘플 및 홀드 스테이지(11) 및 출력 스테이지(12)에 공급된다. 디지털 센서(2)의 경우에도 전력 라인(4)은, 전기 에너지를 저장하고, 그 결과 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)으로서 작동하는 제 1 커패시터(5)에 접속된다. 커패시터(5) 뿐만 아니라 전기 에너지를 저장하기 위한 다른 수단, 예를 들면 배터리 또는 축전지도 또한 고려될 수 있다. 전원(19)의 미작동 시, 전기 에너지를 저장하기 위한 수단에 저장된 전기 에너지는 센서 소자(3), 디지털부(10), 샘플 및 홀드 스테이지(11) 및 출력 스테이지(12)에 전기 에너지를 공급하는 데 사용될 수 있다. 따라서 디지털 센서(2)는 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5), 즉 본 실시예에서 제 1 커패시터(5)의 에너지가 또한 모두 소진될 때까지는 전원(19)의 미작동 시라도 일정 시간 동안 여전히 작동 및 측정값 제공을 지속할 수 있다.
도 1에 도시된 아날로그 센서(1)를 위한 해결책과 달리, 디지털 센서(2)의 신호 라인(7)의 제 2 커패시터(8)는 센서 소자(3)의 미작동 후에 신호 라인(7)을 통해 후속 자동차 전자 기기에 최종 측정값에 대응하는 신호를 전송할 수 없다. 신호 라인(7)를 통해 디지털 센서(2)로부터 후속 자동차 전자 기기에 전송되는 신호는 제 2 커패시터(8)에 의해 복구될 수 없는 전용 디지털 신호들, 즉 비트 시퀀스이다. 신호 라인(7)의 제 2 커패시터(8)는 디지털 센서(2)의 경우 단지 신호 라인(7)을 위한 간섭 억제 기능만을 가질 뿐이고, 이로 인해 디지털 센서(2)의 신호 라인(7)에 제 2 커패시터(8)의 시상수는 약 10 내지 100 μsec이며, 이 커패시터의 전기용량은 대응하여 낮다. 전원(19)의 미작동 및 제 1 커패시터(5)에서 저장된 전기 에너지의 완전 소진 후, 디지털 센서(2)는 완전히 작동을 멈추고, 신호 라인을 통해 후속 자동차 전자 기기에 어떠한 정보도 제공되지 않는다. 이러한 경우에 후속 자동차 전자 기기는 비상 프로그램에서 제어될 필요가 있고, 비상 프로그램은 예를 들어 내연기관의 제어 대상 장치의 실질적으로 손상된 작동을 초래한다. 디지털 센서의 센서 소자(3)가 예를 들면 열막원리(hot film principle)에 따라 작동하는 질량 유량 센서 소자(13)의 형태라면, 이 센서 소자(3, 13)는 매우 많은 양의 전기 에너지를 소비하고, 이로 인해 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)에 저장된 전기 에너지는 전원(19)이 중단되거나 미작동된 후 머지않아 소진된다. 따라서 예를 들어 디지털 질량 유량 센서는 정전 후 그 작동이 완전히 멈출 때까지 매우 짧은 시간 동안 작동이 지속될 수 있을 뿐이다.
그 후 전원(19)이 복구된다 하더라도, 디지털 센서(2)는 우선 다시 초기화되어야 하고, 측정 대상 변수에 비례하는 신호가 신호 라인(7)을 통해 이용할 수 있게 되기 전까지 추가적인 시간이 경과한다. 따라서 전원(19)의 미작동은 아날로그 센서(1)보다 디지털 센서(2)에 훨씬 더 장시간 영향을 미칠 수 있다.
이러한 단점은 도 3에 도시된 디지털 센서(2)에 의해 회피된다.
도 3은 센서 소자(3), 디지털부(10), 샘플 및 홀딩 스테이지(11) 및 출력 스테이지(12)를 포함하는 본 발명에 따른 디지털 센서(2)를 도시한다. 센서 소자(3)는 본 실시예에서 질량 유량 센서 소자(13)의 형태이다. 이러한 질량 유량 센서 소자(13)는 공지되어 있으며, 예를 들면 EP 374 352 A1 및 EP 866 950 B1에 기재되어 있다. 현대의 질량 유량 센서 소자(13)는 미세기계적으로(micromechanically)으로 제조되고, 디지털부(10), 샘플 및 홀드 스테이지(11) 및 출력 스테이지(12)와 함께 집적 회로의 일부로서 단일 실리콘 칩 상에 형성될 수 있다. 디지털 센서(2)의 경우, 전원(19)에 디지털 센서(2)를 접속하는 전원 라인(4)을 다시 볼 수 있다. 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)은 전원 라인(4)에 커패시터의 형태로 설계된다. 또한, 전원 라인(4)에 스위치(9)가 존재하는 것을 볼 수 있는데, 스위치는 일반적으로 전자 스위치 형태이고, 예를 들면 전원의 미작동 시에 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)으로부터 센서 소자(3)와 같이 높은 전류 소비를 갖는 구성요소를 분리하는 역할을 한다. 따라서 스위치(9)는, 전원(19)의 미작동 후, 전원(19)의 미작동이 종료되고 새로운 측정값이 센서 소자(3)의 샘플 및 홀드 스테이지(11)에 저장될 때까지, 샘플 및 홀드 스테이지(11)에 저장된 최종 측정값을 신호 라인에 계속 전송하는 것이 절대적으로 필요한 디지털 센서(2)의 이러한 구성요소 부분에만 전기 에너지가 계속 공급되는 것을 보장한다. 본 실시예에서, 스위치(9)는 전원의 미작동 시 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)으로부터 질량 유량 센서 소자(13)와 디지털부(10)를 분리한다. 따라서 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)은 샘플 및 홀드 스테이지(11) 및 출력 스테이지(12)에 전기 에너지를 계속 공급하는 데에만 필요하다. 샘플 및 홀드 스테이지(11) 및 출력 스테이지(12)는 비교적 작은 전기 에너지를 소비하기 때문에, 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)은 전원(19)의 미작동 후 비교적 긴 시간 동안 샘플 및 홀드 스테이지(11) 및 출력 스테이지(12)에 전원 공급을 보장할 수 있다. 센서 소자(3)에 의해 최종적으로 측정되어 샘플 및 홀드 스테이지(11)에 저장된 측정값은 그 결과 신호 라인(7)에서 긴 시간에 걸쳐 이용될 수 있고, 후속 전자 기기를 활성화하는데 사용될 수 있다. 이 후속 전자 기기는, 예를 들면 자동차의 모터 제어 장치일 수 있다. 여기에 다시 도시된 제 2 커패시터(8)는 단지 신호 라인(7)의 전자기 특성을 개선하는 역할을 할 뿐이고, 신호 라인(7)의 이진 출력 신호의 유지에는 어떤 영향도 미치지 않는다.
도 4는 도 3에 도시된 디지털 센서의 모든 특징을 갖는 디지털 센서(2)를 도시하고, 센서 소자(3)는 도 4에서 가스 센서 소자(14) 형태이다. 그러나 센서 소자는 또한 압력 센서 소자, 온도 센서 소자, 위치 센서 소자 또는 회전 속도 센서 소자 형태일 수 있다. 전술한 센서 소자의 두 개 이상의 조합이 디지털 센서에 형성되는 것 또한 고려될 수 있다.

Claims (10)

  1. 센서 소자(3), 디지털부(10), 샘플 및 홀드 스테이지(11) 및 출력 스테이지(12)를 포함하고, 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5, 8)을 포함하는 디지털 센서(2)로서, 전기 에너지가 전원 라인(4)을 통해 그리고 전원(19)에 의해 상기 센서 소자(3), 상기 디지털부(10), 상기 샘플 및 홀드 스테이지(11), 상기 출력 스테이지(12) 및 상기 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)에 공급되며, 상기 센서(2)는 후속 전자 회로의 측정값을 센서 출력(20)에서 디지털 형태로 이용할 수 있게 하고, 상기 측정값은 상기 센서 소자(3)에 의해 측정되어 상기 디지털부(10)에 의해 디지털화 및/또는 평가되는 디지털 센서(2)에 있어서,
    전원(19)의 미작동 시, 전류는 상기 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)에 의해 상기 샘플 및 홀드 스테이지(11) 및 상기 출력 스테이지(12)에 공급되며, 상기 샘플 및 홀드 스테이지(11)에 마지막으로 저장된 측정값은 전원(19)의 미작동이 종료되고, 새로운 측정값이 상기 샘플 및 홀드 스테이지(11)에 저장될 때까지 상기 출력 스테이지(12)에 의해 신호 라인(7)에서 이용할 수 있게 되고, 전원(19)의 미작동 시, 전류는 상기 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)으로부터 상기 센서 소자(3)에 공급되지 않는 것을 특징으로 하는 디지털 센서(2).
  2. 제1항에 있어서, 상기 센서 소자(3)는 질량 유량 센서 소자(13)인 것을 특징으로 하는 디지털 센서(2).
  3. 제1항에 있어서, 상기 센서 소자(3)는 가스 센서 소자(14)인 것을 특징으로 하는 디지털 센서(2).
  4. 제1항에 있어서, 상기 센서 소자(3)는 압력 센서 소자(15)인 것을 특징으로 하는 디지털 센서(2).
  5. 제1항에 있어서, 상기 센서 소자(3)는 온도 센서 소자(16)인 것을 특징으로 하는 디지털 센서(2).
  6. 제1항에 있어서, 상기 센서 소자(3)는 위치 센서 소자(17)인 것을 특징으로 하는 디지털 센서(2).
  7. 제1항에 있어서, 상기 센서 소자(3)는 회전 속도 센서 소자(18)인 것을 특징으로 하는 디지털 센서(2).
  8. 선행하는 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)은 상기 전원 라인(4) 내에 또는 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 디지털 센서(2).
  9. 선행하는 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)은 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 센서(2).
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 전원(19)의 미작동 시 상기 샘플 및 홀드 스테이지(11) 및 상기 출력 스테이지(12)를 상기 전기 에너지를 저장하기 위한 수단(5)에 독점적으로 접속하는 스위치(9)가 상기 전원 라인(4) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 디지털 센서(2).
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