DE10142087A1

DE10142087A1 - Sensor module, e.g. for vehicle theft alarm, operates independently of electrical supply by converting mechanical energy into electrical energy

Info

Publication number: DE10142087A1
Application number: DE10142087A
Authority: DE
Inventors: Michael Fricke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2003-03-20

Abstract

The module includes a mechanical sensor (4). This converts mechanical motion (X) into electrical energy, which activates the sensor module (2) or other components. An Independent claim is included for the corresponding method of activating a sensor module which is independent of an energy supply.

Description

Die Erfindung betrifft ein energieversorgungsunabhängiges elektrisches Sensormodul, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. The invention relates to an energy sensor-independent electrical sensor module, especially in a motor vehicle.

Allgemein besteht das Problem bei batteriebetriebenen Geräten mit stand-by-Funktion den Ruhestromverbrauch so gering als möglich zu halten, um die Funktionalität durch eine noch ausreichende Energieversorgung zu gewährleisten. Dieses Problem stellt sich insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik. In general, there is a problem with battery-operated devices with a stand-by function Keep quiescent current consumption as low as possible to add functionality through yet another to ensure sufficient energy supply. This problem arises in particular in automotive engineering.

Durch die zunehmende Anzahl von elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug muß verstärkt auf den elektrischen Verbrauch dieser Komponenten geachtet werden, insbesondere um die Startfähigkeit des Kraftfahrzeuges zu gewährleisten. Ein besonderes Problem stellen dabei elektrische Komponenten dar, die auch noch bei abgeschalteter Zündung betriebsbereit sein müssen. Ein Beispiel hierfür ist eine Diebstahlwarnanlage. Der Ruhestrom derartiger Verbraucher kann einige mA betragen, so daß bei längeren Parkzeiten oder Überführungsfahrten die Batterie derart stark entladen wird, daß das Kraftfahrzeug nicht mehr gestartet werden kann. Due to the increasing number of electrical components in a motor vehicle more attention is paid to the electrical consumption of these components, in particular to ensure the starting ability of the motor vehicle. A special The problem here is represented by electrical components, even when the device is switched off Ignition must be ready for use. An example of this is an anti-theft alarm system. The Quiescent current of such consumers can be a few mA, so that longer parking times or transfer journeys the battery is discharged to such an extent that the motor vehicle does not more can be started.

Zur Lösung dieses Problems sind bereits verschiedene Abhilfen vorgeschlagen worden. So ist es zur Reduzierung des Ruhestromes bekannt, die Busteilnehmer eines Bussystems, insbesondere eines CAN-Bussystems in einen Sleep-Modus zu versetzen. In diesem Sleep- Modus ist der Ruhestromverbrauch nur noch im Bereich von µA. Ein Problem jedoch ist die bedarfsgerechte Aktivierung von im Sleep-Modus befindlichen Busteilnehmern. Bisher erfolgte die Aktivierung durch ein zentrales Steuergerät, das periodisch Signale sendet, wodurch die anderen Busteilnehmer kurzzeitig aufgeweckt werden, um danach gegebenenfalls wieder in den Sleep-Modus zu wechseln. Wie leicht ersichtlich, ist diese Vorgehensweise für bestimmte elektrische Verbraucher, wie beispielsweise eine Diebstahlwarnanlage, nicht praktikabel. Various remedies have been proposed to solve this problem. So it is known to reduce the quiescent current, the bus users of a bus system, in particular to put a CAN bus system into a sleep mode. In this sleep The quiescent current consumption is only in the µA range. One problem, however, is that needs-based activation of bus participants in sleep mode. So far it was activated by a central control unit that periodically sends signals, whereby the other bus participants are briefly woken up afterwards if necessary, switch back to sleep mode. As can be easily seen, this is Procedure for certain electrical consumers, such as one Anti-theft alarm system, not practical.

Weiter ist es bekannt, daß bei abgestellter Zündung der Bordnetzzustand überwacht wird und vor einem kritischen Bordnetzzustand, bei dem die Startfähigkeit nicht mehr gegeben ist, die Dauerplusverbraucher von der Batterie abgetrennt werden. Auch diese Vorgehensweise ist für eine Diebstahlwarnanlage nicht praktikabel, da dadurch bei einem kritischen Bordnetzzustand die Diebstahlwarnanlage nicht mehr betriebsbereit ist. Insbesondere erlaubt dies sehr einfach eine Manipulation von außen, beispielsweise durch Anschließen eines elektrischen Verbrauchers an eine im Kofferraum befindliche Steckdose, um so eine Abschaltung der Diebstahlwarnanlage zu provozieren. It is also known that the vehicle electrical system status is monitored when the ignition is switched off and before a critical vehicle electrical system state in which the starting ability is no longer given, the permanent plus consumers are disconnected from the battery. This approach too is not practical for an anti-theft alarm system, as On-board electrical system status, the anti-theft alarm system is no longer operational. In particular this allows very simple manipulation from the outside, for example by connecting of an electrical consumer to a socket in the trunk, so one Provoking shutdown of the anti-theft alarm system.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein energieversorgungsunabhängiges elektrisches Sensormodul und ein Verfahren zur Aktivierung des Sensormoduls zu schaffen, das bei minimalem Ruhestrombedarf leicht aktivierbar ist. The invention is therefore based on the technical problem electrical sensor module independent of the power supply and a method for Activation of the sensor module to create that easily with minimal quiescent current requirements can be activated.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. The solution to the technical problem arises from the objects with the Features of claims 1 and 8. Further advantageous embodiments of the Invention result from the subclaims.

Hierzu umfasst das Sensormodul mindestens einen mechanischen Sensor, mittels dessen eine mechanische Bewegung in elektrische Energie umsetzbar ist, die zur Aktivierung des Sensormoduls dient. Die dabei zu erzeugende elektrische Energie muß nicht sehr groß sein, sondern dient ausschließlich zur kurzzeitigen oder anfänglichen Aktivierung. Dabei kann der mechanische Sensor beispielsweise als Biegefeder oder Biegestab mit einem Magneten ausgebildet sein, der durch die mechanische Bewegung relativ zu einer Leiterschleife bewegt wird und so in dieser eine elektrische Spannung induziert. For this purpose, the sensor module comprises at least one mechanical sensor, by means of which a mechanical movement can be converted into electrical energy, which is used to activate the Sensor module is used. The electrical energy to be generated does not have to be very large, but is only used for short-term or initial activation. The mechanical sensor, for example as a bending spring or bending rod with a magnet be formed by the mechanical movement relative to a conductor loop is moved and thus induces an electrical voltage in it.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist dem Sensormodul ein Schalter zugeordnet, mittels dessen das Sensormodul mit einer Energieversorgung, wie beispielsweise einer Batterie verbindbar ist, wobei der Schalter durch die von dem mechanischen Sensor erzeugte elektrische Energie betätigt wird. Der Schalter kann dabei als elektrischer Schalter wie beispielsweise als MOS-FET oder als elektromechanischer Schalter wie beispielsweise als Relais ausgebildet sein, wobei letzterer den Vorteil hat, daß der Ruhestrom zu Null reduziert werden kann. Dabei ist das Sensormodul also vollkommen von der Energieversorgung abgekoppelt und verbindet sich bei Bedarf wieder mit dieser. In a preferred embodiment, a switch is assigned to the sensor module by means of of which the sensor module with a power supply, such as a battery is connectable, the switch being generated by the mechanical sensor electrical energy is actuated. The switch can be used as an electrical switch for example as a MOS-FET or as an electromechanical switch such as Relay be formed, the latter has the advantage that the quiescent current is reduced to zero can be. The sensor module is therefore completely powered uncoupled and connects to it again if necessary.

In einer alternativen Ausführungsform ist das Sensormodul als Busteilnehmer eines Bussystems ausgebildet, wobei das Sensormodul in einen Sleep-Modus versetzbar ist und durch die elektrische Energie des mechanischen Sensors aufweckbar ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die elektrische Energie dazu benutzt wird, daß das Sensormodul eine kurze Botschaft über den Bus sendet, so daß das gesamte Bussystem und somit auch das Sensormodul aufgeweckt und mit Energie versorgt wird. In an alternative embodiment, the sensor module as a bus subscriber is one Bus system formed, wherein the sensor module can be put into a sleep mode and is designed to be awakened by the electrical energy of the mechanical sensor. This can be done, for example, by using the electrical energy so that the sensor module sends a short message over the bus so that the whole Bus system and thus also the sensor module is woken up and supplied with energy.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der mechanische Sensor als mikromechanischer Sensor ausgebildet. In a further preferred embodiment, the mechanical sensor is as Micromechanical sensor trained.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der mikromechanische Sensor als piezoelektrischer Sensor ausgebildet. Bei mikromechanischen Sensoren, sowohl in bulk- als auch in oberflächenmikromechanischer Ausführung, wird die durch eine Beschleunigung verursachte Bewegung der sogenannten seismischen Silizium-Masse durch, auf das Silizium aufgebrachte, piezoresistive Elemente sensiert. Diese Elemente zeigen bei geringsten Verformungen des Kristallgitters eine interne Ladungsverschiebung, die zur einer Potentialdifferenz an der Oberfläche führt, die dann zum Aktivieren des Sensormoduls verwendbar ist. Da hierzu keinerlei Betriebs- oder Versorgungsspannung benötigt wird, eignet sich ein derartiger Sensor in besonders vorteilhafter Weise für ein energieversorgungsunabhängiges Sensormodul. In a further preferred embodiment, the micromechanical sensor is as piezoelectric sensor formed. For micromechanical sensors, both in bulk and Even in surface micromechanical execution, this is due to an acceleration caused movement of the so-called seismic silicon mass through, on the silicon applied, piezoresistive elements sensed. These elements show the least Deformations of the crystal lattice cause an internal charge shift that leads to a Potential difference on the surface leads to the activation of the sensor module is usable. Since no operating or supply voltage is required for this, Such a sensor is particularly advantageously suitable for a energy supply independent sensor module.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der mikromechanische Sensor als selbsterregender Induktor ausgebildet, so daß die mechanische Bewegung in eine Änderung der magnetischen Induktion umgewandelt wird, die dann eine Spannung induziert. Hierzu kann beispielsweise eine Spule relativ zu einem Magneten bewegt werden, wobei die Spule beispielsweise durch Leiterbahnen gebildet wird. Bei entsprechender Auflösung und Rauschunabhängigkeit der Auswerteschaltung kann auf den separaten Permanentmagneten verzichtet werden und die Bewegung im Erdmagnetfeld zur Spannungsinduktion verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit zur Einsparung des separaten Permanentmagneten ist die Verwendung bereits vorhandener Permanentmagneten. So weisen beispielsweise einige mikromechanische Sensoren bereits Permanentmagneten auf, um den Sensor in Schwingung zu versetzen. Ein Beispiel hierfür sind ein Drehratensensoren. Gleiches gilt auch für mikromechanische Sensoren, bei denen die Erfassung von Beschleunigungen mittels abstandsabhängiger Kapazitätsmessungen realisiert ist. In a further preferred embodiment, the micromechanical sensor is as self-exciting inductor designed so that the mechanical movement in a change is converted to magnetic induction, which then induces a voltage. For this For example, a coil can be moved relative to a magnet, the coil is formed, for example, by conductor tracks. With appropriate resolution and Noise independence of the evaluation circuit can be on the separate permanent magnet be dispensed with and the movement in the earth's magnetic field is used for voltage induction become. Another possibility for saving the separate permanent magnet is that Use of existing permanent magnets. For example, some point micromechanical sensors already have permanent magnets to hold the sensor in To vibrate. An example of this are a rotation rate sensors. same for also for micromechanical sensors, where the detection of accelerations is realized by means of distance-dependent capacitance measurements.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines mikromechanischen Sensors ohne Magneten oder piezoresistive Elemente ist die Ladungserzeugung durch Reibung. Hierzu wird der zu bewegenden Masse eine Beschichtung zugeordnet, an der sich die beschleunigte Masse entlang bewegt, wodurch Ladungsträger erzeugt werden. Die somit entstehende Spannung kann dann wieder zur Aktivierung des Sensormoduls verwendet werden. Das Prinzip ist dabei vergleichbar mit der Ladungsträgererzeugung bei einem Bandgenerator über ein Bürstensystem. Da auch im Normalbetrieb eines Sensors, dessen Funktionsprinzip auf der Erfassung von Beschleunigungen mittels abstandsabhängiger Kapazitätsmessungen basiert, Ladungsänderungen von nur wenigen hundert Elektronen (die Kapazitätsänderungen liegen im Femto- 10-15 bis Attobereich 10-18) ausgewertet werden, sind auch zur anfänglichen Aktivierung nur geringste Ladungsverschiebungen nötig. Another way to generate electrical energy using a is the micromechanical sensor without magnets or piezoresistive elements Charge generation through friction. For this purpose, the mass to be moved becomes a Assigned coating, along which the accelerated mass moves, whereby Charge carriers are generated. The resulting voltage can then be used again Activation of the sensor module can be used. The principle is comparable to that Carrier generation in a belt generator via a brush system. Because even in normal operation of a sensor, its functional principle is based on the detection of Accelerations based on distance-dependent capacity measurements, Charge changes of only a few hundred electrons (the changes in capacity are in the femto 10-15 to atto range 10-18) are also for the initial Activation requires only minimal charge shifts.

Da die Reibung auch einen störenden Abrieb zur Folge hat, der sich negativ auf die Genauigkeit der Beschleunigungsmessung auswirken kann, kann die Beschichtung mit der Masse als separater Teilbereich des mikromechanischen Sensors ausgebildet werden. Vorzugsweise ist das Sensormodul als Diebstahlwarnanlage oder als Wegfahrsperre in einem Kraftfahrzeug ausgebildet. Allerdings kann das Sensormodul auch zur Steuerung von Heizungen oder der Verglühphase bei Dieselmotoren verwendet werden. Since the friction also results in annoying abrasion, which negatively affects the Accuracy of the acceleration measurement can affect the coating with the Mass are formed as a separate sub-area of the micromechanical sensor. The sensor module is preferably in the form of an anti-theft alarm system or as an immobilizer trained a motor vehicle. However, the sensor module can also be used to control Heaters or the glow phase are used in diesel engines.

Erfindungsgemäß ist es möglich, daß der mikromechanische Sensor nur zur Aktivierung dient oder aber auch den Hauptsensor des Sensormoduls bildet. According to the invention, it is possible for the micromechanical sensor to be activated only serves or also forms the main sensor of the sensor module.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines CAN-Busses mit einem selbstaufweckbaren Busteilnehmer. The invention is explained in more detail below on the basis of a preferred exemplary embodiment explained. The single figure shows a schematic block diagram of a CAN bus a self-waking bus participant.

Das CAN-Bus-System 1 umfasst eine Vielzahl von Busteilnehmern 2 und ein nicht näher dargestelltes zentrales Steuergerät. Die einzelnen Busteilnehmer 2 sind alle über einen CAN-Bus 3 miteinander verbunden und können miteinander CAN-Botschaften austauschen. Mindestens ein Busteilnehmer 2 ist mit einem mikromechanischen Sensor 4 ausgebildet, der eine mechanische Bewegung X in elektrische Energie umwandeln kann. Alle Busteilnehmer 2 werden von einer nicht dargestellten Batterie mit elektrischer Energie versorgt. Erfaßt nun das zentrale Steuergerät, daß die Zündung ausgeschaltet wird, so erhalten alle Busteilnehmer 2 vom zentralen Steuergerät die CAN-Botschaft, in einen Sleep-Modus zu wechseln. In diesem Sleep-Modus sind die Busteilnehmer 2 deaktiviert und haben nur noch einen geringen Ruhestromverbrauch. Zum Aufwecken sendet im Regelfall das zentrale Steuergerät eine CAN-Botschaft an die Busteilnehmer, beispielsweise wenn das Steuergerät einen beabsichtigten Startversuch des Kraftfahrzeuges erfasst. Des weiteren kann das zentrale Steuergerät periodisch die Busteilnehmer 2 aufwecken und deren Status überwachen. Anschließend werden die Busteilnehmer 2 wieder durch das zentrale Steuergerät in den Sleep-Modus überführt. The CAN bus system 1 comprises a large number of bus users 2 and a central control unit (not shown in more detail). The individual bus participants 2 are all connected to one another via a CAN bus 3 and can exchange CAN messages with one another. At least one bus subscriber 2 is designed with a micromechanical sensor 4 , which can convert a mechanical movement X into electrical energy. All bus participants 2 are supplied with electrical energy by a battery, not shown. If the central control unit now detects that the ignition is switched off, all bus subscribers 2 receive the CAN message from the central control unit to switch to a sleep mode. In this sleep mode, the bus subscribers 2 are deactivated and have only a low quiescent current consumption. To wake up, the central control unit generally sends a CAN message to the bus participants, for example when the control unit detects an intended attempt to start the motor vehicle. Furthermore, the central control unit can periodically wake up the bus users 2 and monitor their status. Subsequently, the bus participants 2 are again put into sleep mode by the central control device.

Der mikromechanische Sensor 4 ist derart ausgebildet, daß dieser eine mechanische Bewegung des Kraftfahrzeuges in elektrische Energie umwandelt. Dabei spielt es keine Rolle, aufgrund welchen physikalischen Effekten die mechanische Bewegung in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese elektrische Energie dient nun zum Aufwecken des Busteilnehmers 2, indem dieser beispielsweise kurzzeitig mit elektrischer Spannung versorgt wird und eine CAN-Botschaft an das zentrale Steuergerät sendet. Das zentrale Steuergerät empfängt dann diese CAN-Botschaft und weckt die anderen Busteilnehmer 2 auf. Im aufgeweckten Zustand sind dann die Busteilnehmer 2 aktiviert. Die elektrische Energie des mikromechanischen Sensors 4 dient also nur zum temporären Aufwecken des Busteilnehmers 2, um das zentrale Aufwecken durch das zentrale Steuergerät zu initiieren. The micromechanical sensor 4 is designed such that it converts a mechanical movement of the motor vehicle into electrical energy. It does not matter what physical effects the mechanical movement is converted into electrical energy. This electrical energy now serves to wake up the bus user 2 , for example by briefly supplying it with electrical voltage and sending a CAN message to the central control unit. The central control unit then receives this CAN message and wakes up the other bus users 2 . In the woken up state, the bus participants 2 are then activated. The electrical energy of the micromechanical sensor 4 thus only serves to temporarily wake up the bus subscriber 2 in order to initiate the central wake up by the central control device.

Der mikromechanische Sensor 4 kann dabei einem beliebigen Busteilnehmer 2, dem zentralen Steuergerät oder als eigenständige Einheit ausgebildet sein. Entscheidend ist nur, daß der mikromechanische Sensor 4 eine Bewegung des Kraftfahrzeuges, beispielsweise aufgrund eines Diebstahlversuches gut erfasst und an einer entsprechend geeigneten Position angeordnet ist. The micromechanical sensor 4 can be designed for any bus subscriber 2 , the central control device or as an independent unit. It is only decisive that the micromechanical sensor 4 detects movement of the motor vehicle, for example due to an attempted theft, and is arranged in a correspondingly suitable position.

Die Vorteile der Erfindung sind am Beispiel einer Diebstahlwarnanlage leicht einsichtig. Wie zuvor beschrieben, kann nach Abschalten der Zündung das zentrale Steuergerät das CAN- Bussystem 1 mit allen Busteilnehmern 2, einschließlich der Diebstahlwarnanlage in den Sleep-Modus überführen, so daß der Ruhestrombedarf extrem erniedrigt wird. In diesem Zustand verbleibt dann das CAN-Bussystem 1 bis das Kraftfahrzeug bewegt wird. Diese Bewegung wird dann durch den mikromechanischen Sensor 4 in elektrische Energie umgewandelt und zum Aufwecken des Bussystems 1 benutzt. Dadurch wird auch die Diebstahlwarnanlage aktiviert und kann überprüfen, ob die Bewegung ein Ausmaß aufweist, der auf einen Diebstahlversuch schließen lässt und gegebenenfalls einen Alarm auslösen. Die Diebstahlwarnanlage wird nur situativ aufgeweckt, so daß insgesamt über längere Standzeiten die Starterfähigkeit der Batterie erhalten bleibt. The advantages of the invention are easily understood using the example of an anti-theft alarm system. As described above, after switching off the ignition, the central control unit can switch the CAN bus system 1 to sleep mode with all bus users 2 , including the anti-theft alarm system, so that the quiescent current requirement is extremely reduced. The CAN bus system 1 then remains in this state until the motor vehicle is moved. This movement is then converted into electrical energy by the micromechanical sensor 4 and used to wake up the bus system 1 . This also activates the anti-theft alarm system and can check whether the movement is of an extent that suggests an attempted theft and, if necessary, trigger an alarm. The anti-theft alarm system is only woken up according to the situation, so that the battery can continue to be started over a longer period.

Claims

1. Energy supply-independent electrical sensor module, in particular in a motor vehicle, characterized in that the sensor module comprises at least one mechanical sensor ( 4 ), by means of which a mechanical movement (X) can be implemented in electrical energy, which is used to activate the sensor module or another component ,

2. Energy supply-independent electrical sensor module according to claim 1, characterized in that the sensor module is assigned a switch by means of which the sensor module can be connected to an ignition-independent power supply, the switch being actuable by the mechanical sensor ( 4 ).

3. Energy supply-independent electrical sensor module according to claim 1, characterized in that the sensor module is designed as a bus participant ( 2 ) of a bus system ( 1 ), the bus participants ( 2 ) can be put into a sleep mode and the sensor module by the electrical energy of the mechanical Sensor ( 4 ) is designed to be awakened.

4. Energy supply-independent electrical sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical sensor is designed as a micromechanical sensor ( 4 ).

5. Energy supply-independent electrical sensor module according to claim 4, characterized in that the micromechanical sensor ( 4 ) is designed as a piezoelectric sensor.

6. Energy supply-independent electrical sensor module according to claim 4, that the micromechanical sensor ( 4 ) is designed as a self-exciting inductor.

7. Energy supply-independent electrical sensor module according to one of the previous claims, characterized in that the sensor module as Anti-theft alarm system or as an immobilizer in a motor vehicle.

8. Method for activating an electrical sensor module that is independent of the energy supply, in particular in a motor vehicle, the sensor module comprising at least one mechanical sensor ( 4 ) by means of which a mechanical movement (X) is converted into electrical energy, which is then used to activate the sensor module.