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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein kapazitives Beschleunigungssensorsystem,
das zur Verwendung in einer Kraftfahrzeugsteuerung geeignet ist.
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Wie
es in der japanischen ungeprüften
Patentoffenlegungsschrift Nr. H6-74968 und der japanischen ungeprüften Patentoffenlegungsschrift
Nr. 2000-81449 (die dem US-Patent Nr. 6 257 061 entspricht) beschrieben
ist, sind kapazitive Beschleunigungssensoren zur Verwendung in der
Fahrzeugsteuerung und Ähnlichem
weit verbreitet. Dieser Typ von Beschleunigungssensoren weist einen
Kondensator zur Erfassung auf, bei dem der Abstand zwischen den
Elektrodenplatten variabel ist. Der Beschleunigungssensor ist so
ausgelegt, dass der folgende Betrieb durchgeführt wird: der Zustand des Ladungsspeichers
im Kondensator wird auf der Grundlage einer Änderung des Abstandes zwischen
den Elektrodenplatten aufgrund der Einwirkung einer Beschleunigung
einer Ladungs-Spannungs-Wandlung durch eine Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung
unterzogen, wobei ein Beschleunigungssignal ausgegeben wird.
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In
Bezug auf kapazitive Beschleunigungssensoren wird seit kurzem zur
Verringerung ihrer Größe und zur
Vereinfachung der Zusammenbauprozesse folgendes implementiert: ein
Trägheitsverschiebungskörper zur
Beschleunigungserfassung, kammähnliche
Elektroden eines Kondensators zur Erfassung und Ähnliches werden einstückig durch eine
Mikrobearbeitungstechnologie für
Siliziumsubstrate ausgebildet. Wenn Sensorkomponenten wie oben erwähnt mikrobearbeitet
werden, können
jedoch Probleme auftreten. Derartige Probleme beinhalten Fehlfunktionen
aufgrund eines Bruchs in einem Balkenabschnitt, der einen Trägheitsverschiebungskörper mit
einem Rahmen koppelt, und aufgrund von feinen Fremdpartikeln, die
sich zwischen den Elektroden festsetzen. Der obige Stand der Technik
beschreibt kapazitive Beschleunigungssensoren, die mit einer Selbstdiagnosefunktion
für diese Fehlfunktionen
versehen sind.
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Die
in dem obigen Stand der Technik beschriebenen Technologien weisen
jedoch Probleme auf. In jeder Technologie muss die Erfassung einer Beschleunigung
während
einer Selbstdiagnose angehalten werden. Dieses führt zu einer falschen Beschleunigungseinwirkung
auf einen Erfassungskondensator zur intermittierenden oder unregelmäßigen Selbstdiagnose.
Demzufolge entstehen Nachteile. Als ein Beispiel wird angenommen,
dass die Verschiebungssteifigkeit einer beweglichen Elektrode aufgrund
eines Bruches, dem Ablagern von Fremdpartikeln oder Ähnlichem
abnorm wird. Im Selbstdiagnosemodus werden die beweglichen Elektroden
erzwungenermaßen
verschoben; daher wird die Anomalie leicht erfasst. Im Beschleunigungserfassungsmodus
wird eine effektive Verschiebung in den beweglichen Elektroden bewirkt,
wenn keine große
Beschleunigung extern ausgeübt
wird. Sogar wenn eine Anomalie auftritt, ist es daher schwierig,
diese zu finden.
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Wenn
eine falsche Beschleunigung im Selbstdiagnosemodus ausgeübt wird,
werden die beweglichen Elektroden des Erfassungskondensators erzwungenermaßen gegenüber ihren
neutralen Punkten verschoben. Daher verbleibt, wenn der Modus in
den Beschleunigungserfassungsmodus wechselt, in dem keine falsche
Beschleunigung ausgeübt wird,
der Einfluss einer erzwungenen Verschiebung der Elektroden im Selbstdiagnosemodus
für eine
bestimmte Zeitdauer ähnlich
einer gedämpften
Vibration erhalten. Demzufolge braucht der Nullpunkt einer Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung
ewig zum Stabilisieren, was ein Problem verursacht. Die Genauigkeit
der Beschleunigungserfassung wird verschlechtert.
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Somit
kann der Sensor eine Anomalie des Sensors nicht mit hoher Genauigkeit
zu jeder Zeit überwachen,
und außerdem
kann der Sensor eine Beschleunigung nicht mit hoher Genauigkeit
erfassen.
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Außerdem hat
sich seit Kurzem der Bedarf nach Beschleunigungssensoren für Fahrzeuge
mit höherer
Empfindlichkeit erhöht.
Da jedoch eine Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung
für den
Ausgangsabschnitt von Sensoren verwendet wird, treten Probleme auf.
Mit der Verbesserung der Empfindlichkeit der Sensoren kann der Nullpunkt
mit der Zeit oder aufgrund einer Temperaturänderung aus dem folgenden Grund
driften bzw. sich verschieben: eine Verschlechterung der Operationsverstärker oder
der Temperaturcharakteristika der Operationsverstärker, die
eine Schlüsselrolle
in der Ladungs-Spannungswandlung spielen, oder der peripheren diskreten
Elemente.
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Die
japanische ungeprüfte
Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-336618 beschreibt das folgende
Verfahren als Lösung
für die
oben genannten Probleme: Bedingungen zum Erfassen der horizontalen Position
eines Fahrzeugs werden zum automatischen Korrigieren von Fehlern
aufgrund der Temperatur oder des Alterns eines Beschleunigungssensors,
der in dem Fahrzeug installiert ist, benötigt. (Die Bedingungen enthalten
eine neutrale Schaltungsstellung, eine Bremsenfreigabe und keine
Drehung der Räder.)
Der Beschleunigungssensor wird nur korrigiert, wenn die Bedingungen
erfüllt
sind.
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Das
in dem obigen Stand der Technik beschriebene Verfahren enthält jedoch
die folgenden Probleme:
- (1) Der Nullpunkt kann
nicht korrigiert werden, wenn das Fahrzeug nicht in eine horizontale
Position gebracht ist. Daher ist der Zeitpunkt für die Korrektur begrenzt.
- (2) Ein Signal von dem Fahrzeug ist unabdingbar, um Bedingungen
zur Erfassung der Horizontalität zu
erlangen. Aus diesem Grund kann ein Beschleunigungssensor nicht
automatisch eine Korrektur durch sich selbst ausführen.
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Somit
kann der Sensor eine Nullpunktdrift nicht jederzeit kompensieren,
und er kann die Nullpunktdrift nicht ohne zusätzliche Teile kompensieren.
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Daher
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kapazitives
Beschleunigungssensorsystem bereitzustellen, das eine hohe Erfassungsgenauigkeit
beim Überwachen
und/oder Kompensieren einer Anomalie des Sensors aufweist.
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Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
sind auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gerichtet.
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Ein
Beschleunigungssensorsystem enthält: eine
erste feste Elektrode und eine zweite feste Elektrode; eine bewegliche
Elektrode, die zwischen den ersten und zweiten festen Elektroden
angeordnet ist, um einen ersten Kondensator zwischen der ersten festen
Elektrode und der beweglichen Elektrode und einen zweiten Kondensator
zwischen der zweiten festen Elektrode und der beweglichen Elektrode
bereitzustellen; einen Erfassungskondensator zum Erfassen einer
Kapazitätsdifferenz
zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator; eine Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung
zum Ausgeben und Umwandeln einer Kapazitätsänderung des Erfassungskondensators
in eine Ausgangsspannung, wobei die Kapazitätsänderung aus einer Verschiebung
der beweglichen Elektrode abgeleitet wird, die durch eine auf den
Sensor einwirkende Beschleunigung verursacht wird; eine Erfassungsvorspannungsanlegungseinrichtung
zum Anlegen einer Erfassungsvorspannung zwischen die erste feste Elektrode
und die zweite feste Elektrode; eine Vibriereinrichtung zum Vibrieren
der beweglichen Elektrode in einer Beschleunigungserfassungsrichtung derart,
dass die bewegliche Elektrode in einer ersten Zeitdauer (θ1) verschoben
wird, in der die Vibriereinrichtung eine Verschiebungsvorspannung
an die bewegliche Elektrode anlegt, die bewegliche Elektrode in
einer zweiten Zeitdauer (θ2)
zurückkehrt,
in der keine Verschiebungsvorspannung an die bewegliche Elektrode
angelegt ist, und die ersten und zweiten Zeitdauern (θ2) abwechselnd
wiederholt werden; eine Abtasteinrichtung zum Abtasten der Ausgangsspannung
der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung,
um die Beschleunigung derart zu erfassen, dass die Abtasteinrichtung
selektiv die Ausgangsspannung während
der zweiten Zeitdauer (θ2) in
einem Fall abtastet, in dem die bewegliche Elektrode stabil vibriert;
und eine Beschleunigungssignalerzeugungs- und -ausgabeeinrichtung
zum Erzeugen und Ausgeben eines Beschleunigungssignals auf der Grundlage
eines Abtastergebnisses der Ausgangsspannung der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung.
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In
dem obigen System wird die bewegliche Elektrode einer stationären Pseudo-Beschleunigung durch
die Verschiebungsvorspannung unterzogen. Außerdem wird die Beschleunigung
des Sensors in der zweiten Zeitdauer erfasst, in der keine Verschiebungsvorspannung
an die bewegliche Elektrode angelegt wird. Somit wird die bewegliche
Elektrode durch die Vibration immer in dem Fall verschoben, in dem
die Beschleunigung erfasst wird. Daher wird, wenn die Elastizität der beweglichen
Elektrode durch eine Störung
durch ein feines Teilchen zwischen der beweglichen Elekt rode und
der festen Elektrode geändert
wird, die Ausgangsspannung des Sensors stark geändert, so dass eine Fehlfunktion
des Sensors wie zum Beispiel die Störung durch ein Teilchens genau
erfasst wird. In dem obigen System wird die bewegliche Elektrode
sogar dann immer vibriert, wenn keine Verschiebungsvorspannung an
die bewegliche Elektrode angelegt ist; und daher wirkt eine Pseudo-Beschleunigung
auf den Sensor. Diese Pseudo-Beschleunigungvorspannung
wird stabilisiert, so dass der Nullpunkt des Sensorausgangs gut stabilisiert
wird. Somit wird die Beschleunigungserfassungsgenauigkeit verbessert.
Wenn insbesondere die Verschiebungsvorspannung wiederholt an die bewegliche
Elektrode angelegt wird, wird die bewegliche Elektrode vorübergehend
verschoben. Da der Vibrationszyklus jedoch andauert, nähert sich
der transiente (vorübergehende)
Beschleunigungsvorspannungszustand der beweglichen Elektrode schrittweise
einem statischen Zustand an. Dementsprechend wird der Nullpunkt
des Sensorausgangs ebenfalls stabil. Nach die Stabilisierung des
Nullpunktes wird die Beschleunigung abgetastet. Dadurch wird die
Beschleunigungserfassungsgenauigkeit des Sensors wesentlich verbessert.
Somit besitzt das kapazitive Beschleunigungssensorsystem eine hohe
Erfassungsgenauigkeit beim Überwachen
einer Anomalie des Sensors.
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Vorzugsweise
weist die zweite Zeitdauer eine Länge auf, die bestimmt wird,
um die Ausgangsspannung der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung auf einen
vorbestimmten konstanten Wert zu stabilisieren, nachdem sich die
Ausgangsspannung der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung in der
zweiten Zeitdauer unmittelbar vor der ersten Zeitdauer entsprechend
einer wiederholten Vibration der beweglichen Elektrode schrittweise
erhöht,
wenn keine Beschleunigung auf den Sensor wirkt. Weiter vorzugsweise
stellt die Erfassungsvorspannungsanlegungseinrichtung eine Primärzeitdauer
und eine Sekundärzeitdauer
ein. Die Erfassungsvor spannung weist in der Primärlaufzeit eine erste Polarität und in der
Sekundärlaufzeit
eine zweite Polarität
auf. Die erste Polarität
ist entgegengesetzt zu der zweiten Polarität. Die Vibrationseinrichtung
führt die
erste Zeitdauer der Verschiebungsvorspannung während der Primärzeitdauer
der Erfassungsvorspannungsanlegungseinrichtung durch, und wechselt
von der ersten Zeitdauer zur zweiten Zeitdauer, bevor die Erfassungsvorspannungsanlegungseinrichtung
von der Primärzeitdauer
in die Sekundärzeitdauer
wechselt. Die Abtasteinrichtung tastet erste Daten der Ausgangsspannung
der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung
in der Primärzeitdauer
ab, nachdem die Vibriereinrichtung von der ersten Zeitdauer zur zweiten
Zeitdauer gewechselt hat, und tastet zweite Daten der Ausgangsspannung
der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung in der Sekundärzeitdauer
ab. Die Beschleunigungssignalerzeugungs- und -ausgabeeinrichtung
erzeugt und gibt das Beschleunigungssignal auf der Grundlage einer
Differenz zwischen den ersten und zweiten Daten aus.
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Außerdem enthält ein Beschleunigungssensorsystem
für ein
Kraftfahrzeug: einen Erfassungskondensator, der ein Paar Elektroden
enthält,
die entsprechend einer Beschleunigung, die auf den Sensor wirkt, änderbar
sind; eine Beschleunigungssignalerzeugungsschaltung, die eine Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung
zum Ausgeben eines Beschleunigungssignals enthält; einen Speicher zum Speichern
eines Bezugsversatzausgangswertes, der als ein Bezugswert eines
Versatzausgangswertes der Beschleunigungssignalerzeugungsschaltung
definiert ist, wenn beide Enden des Erfassungskondensators kurzgeschlossen
sind; und eine Nullpunktkorrektureinrichtung. Die Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung
enthält
einen Operationsverstärker mit
einem Negativ-Rückführungskondensator
zum Erfassen einer Ladung des Erfassungskondensators. Die Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung
wandelt eine Ladungsausgangsänderung des
Erfassungskondensators in eine Spannungsänderung als das Beschleunigungssignal
um. Die Nullpunktkorrektureinrichtung schließt beide Enden des Negativ-Rückführungskondensators zu einem
vorbestimmten Überprüfungszeitpunkt
kurz, wenn der Sensor betrieben wird, erfasst den Versatzausgangswert
der Beschleunigungssignalerzeugungsschaltung als einen derzeitigen
Versatzausgangswert und korrigiert einen Nullpunkt des Beschleunigungssignals
auf der Grundlage eines Vergleiches zwischen dem Bezugsversatzausgangswert
und dem derzeitigen Versatzausgangswert.
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In
dem obigen System wird die Nullpunktdrift zu jeder Zeit korrigiert.
Sogar wenn sich zum Beispiel das Fahrzeug nicht auf einer horizontalen
Ebene befindet, kann die Nullpunktdrift korrigiert werden. Insbesondere
beeinflusst in dem Fall, in dem der Negativ-Rückführungskondensator
kurzgeschlossen ist, die statische Kapazität des Erfassungskondensators nicht
den Ausgang der Beschleunigungssignalerzeugungsschaltung. Daher
kann sogar dann, wenn sich das Fahrzeug auf einem geneigten Untergrund
befindet, so dass eine Schwerkraft auf den Sensor als Hintergrundbeschleunigung
wirkt, die Nullpunktdrift ohne Einfluss der Hintergrundbeschleunigung
korrigiert werden. Somit weist das System eine hohe Erfassungsgenauigkeit
beim Überwachen
und Kompensieren einer Anomalie des Sensors auf.
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Vorzugsweise
ist der Bezugsversatzausgangswert als der Versatzausgangswert definiert,
der zu einem Bezugszeitpunkt vor dem Überprüfungszeitpunkt gemessen wird,
und die Nullpunktkorrektureinrichtung korrigiert den Nullpunkt derart,
dass die Nullpunktkorrektureinrichtung eine zeitliche Drift des Versatzausgangswertes,
die zwischen dem Bezugszeitpunkt und dem Überprüfungszeitpunkt erfasst wird,
kompensiert.
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Die
obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden anhand der folgenden genauen Beschreibung mit Bezug
auf die zugehörigen
Zeichnungen verdeutlicht. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht, die ein Beschleunigungssensorsystem gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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2 ein
Schaltungsdiagramm, das das System gemäß der ersten Ausführungsform
zeigt,
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3 ein
Zeitdiagramm zur Erläuterung
des Betriebes des Systems gemäß der ersten
Ausführungsform,
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4 ein
Schaltungsdiagramm, das ein Beschleunigungssensorsystem gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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5 ein
Zeitdiagramm zur Erläuterung
eines Betriebes des Systems gemäß der zweiten
Ausführungsform,
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6 eine
Tabelle zur Erläuterung
von gespeicherten Inhalten eines EEPROM in dem System gemäß der zweiten
Ausführungsform,
und
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7A bis 7D schematische
Ansichten zur Erläuterung
eines Betriebes des Systems gemäß der zweiten
Ausführungsform.
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(Erste Ausführungsform)
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1 stellt
ein Beispiel des Aufbaus einer kapazitiven Sensoreinheit zur Verwendung
in einem Beschleunigungssensorsystem gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorlie genden Erfindung dar. Die Sensoreinheit weist ein Sensorelement 10 und eine
Erfassungsschaltung 20 auf. In dem Sensorelement 10 ist
ein Trägheitsverschiebungskörper 2c,
der eine Beschleunigung erfasst und eine Verschiebung entwickelt,
mit einem Substrat 1 mittels Ankerabschnitte 2a über Balkenabschnitte 2b gekoppelt.
Das Substrat 1 dient als ein Sensorrahmen. Bewegliche Elektroden 2d sind
in den Trägheitsverschiebungskörper 2c integriert,
und feste Elektroden 3 und 4 sind auf dem Substrat 1 so
ausgebildet, dass sie den beweglichen Elektroden 2d gegenüberliegen.
Der Trägheitsverschiebungskörper 2c,
die Balkenabschnitte 2b, die Ankerabschnitte 2b und
die beweglichen Elektroden 2d stellen einstückig eine
Balkenstruktur 2 bereit.
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In
dieser Ausführungsform
ist die Balkenstruktur 2 derart ausgebildet, dass sie insgesamt
eine Plattengestalt aufweist. Der Trägheitsverschiebungskörper 2c ist
rechtwinklig. Die Balkenabschnitte 2b sind so ausgebildet,
dass sie sich von den jeweiligen Ecken des Trägheitsverschiebungskörpers 2c in Richtung
der kurzen Seiten erstrecken. Die Enden der Balkenabschnitte 2b sind
als die Ankerabschnitte 2a ausgebildet. An einem Paar der
langen Seiten des Trägheitsverschiebungskörpers 2c sind
die beweglichen Elektroden 2d jeweils in konstanten Intervallen ähnlich einem
Kamm angeordnet. Die festen Elektroden 3 und 4 auf
dem Substrat 1 sind einander gegenüberliegend in Paaren an beiden
Seiten der beweglichen Elektroden 2d angeordnet. Die Balkenstruktur 2 bildet
einen einzigen Leiter, und die einzelnen beweglichen Elektroden 2d sind
hinsichtlich ihres Potentials identisch. Die Sätze der festen Elektroden 3, die
einer ersten Seite einer jeweiligen beweglichen Elektrode 2d gegenüberliegen,
und die Sätze
der festen Elektroden 4, die einer zweiten Seite gegenüberliegen,
sind jeweils gemeinsam auf dem Substrat 1 verbunden bzw.
geschaltet, so dass die jeweiligen Sätze ge genüber den anderen Sätzen isoliert
sind. Somit werden die festen Elektroden 3 auf dasselbe Potential
gebracht, und die festen Elektroden 4 werden auf dasselbe
Potential gebracht.
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Mit
dieser Elektrodenanordnung bilden die festen Elektroden 3 und 4 jeweils
ein Paar Erfassungskondensatoren 10a, 10b zur
Erfassung, die in Serie mit den beweglichen Elektroden 2d,
die als gemeinsame Elektroden verwendet werden, geschaltet sind.
Die Richtung, in der die beweglichen Elektroden 2d und
die festen Elektroden 3 und 4 einander gegenüberliegen,
ist die Richtung der Beschleunigungserfassung (DR1 und DR2 in 1).
(In 1 ist diese Richtung gleich der Richtung der langen
Seiten des Trägheitsverschiebungskörpers 2c.)
Wenn eine Beschleunigung in Richtung der Erfassung auf die Sensoreinheit
ausgeübt
wird, wird der Trägheitsverschiebungskörper 2c durch
eine resultierende Trägheitskraft
verschoben, während
er die Balkenabschnitte 2b elastisch und biegsam verformt.
Demzufolge verändern
sich die Abstände
zwischen den gegenüberliegenden
beweglichen Elektroden 2d und festen Elektroden 3 und 4,
das heißt,
die Kapazitäten der
Kondensatoren 10a, 10b zur Erfassung, entsprechend
der Größe der Beschleunigung.
Daher manifestiert sich mit einer Vorspannung zur Erfassung, die an
die Erfassungskondensatoren 10a, 10b angelegt wird,
eine Änderung
der Kapazitäten
der Erfassungskondensatoren 10a, 10b selbst als Änderung
des Zustands der gespeicherten Ladung. Demzufolge kann dieses durch
Umwandeln in eine Spannung durch die Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21,
wie sie in 2 dargestellt ist, als ein Beschleunigungssignal
Vs ausgegeben werden.
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Die
Sensoreinheit, die die Balkenstruktur 2 und das Substrat 1 als
wesentliche Teile enthält,
ist auf einen einzigen Chip als eine einzige Struktur zusammen mit
der kammähnlichen
Elektrodenstruktur und Ähnlichem
gepackt. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Mikrobearbeitung für Siliziumsubstrate
auf der Grundlage von Trockenätztechniken
wie zum Beispiel einem Hochenergieplasmaätzen verwendet. Dies ist ein
typisches Beispiel einer Anwendung einer sogenannten MEMS-Technologie
(mechanische Mikro-Elektro-Systeme).
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Im
Folgenden wird der Aufbau der Erfassungsschaltung 20 mit
Bezug auf 2 näher erläutert. Die Erfassungsschaltung 20 enthält als wesentliche
Teile die Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21,
eine Signalverarbeitungsschaltung 22, eine Steuersignalerzeugungsschaltung 24 und
einen Mikrocomputer 53. Die Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 weist
einen Operationsverstärker 21a auf,
der mit einem Negativ-Rückführungskondensator 21b zur
Ladungserfassung versehen ist. Die beweglichen Elektroden 2d sind
mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 21a verbunden.
Somit wird eine Änderung
des Ladungsausgangs der Erfassungskondensatoren 10a, 10b invertiert
und eingegeben und nach der Wandlung in eine Spannung als ein Beschleunigungssignal
ausgegeben. Außerdem
ist ein Entladungsschalter 21c zum Entladen der in dem
Negativ-Rückführungskondensator 21b gespeicherten
Ladungen vorgesehen. In dieser Ausführungsform ist ein Kurzschlusspfad 21s zum
Kurzschließen
beider Enden des Negativ-Rückführungskondensators 21b vorgesehen,
und der Entladungsschalter 21c ist in diesem Kurzschlusspfad 21s vorgesehen.
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Die
Signalverarbeitungsschaltung 22 wird auch als eine Abtast-
und Halte-Schaltung (im Folgenden als "S&H-Schaltung" bezeichnet) 22a,
eine Verstärkerschaltung
(AMP) 22b und eine Tiefpassfilterschaltung (LPF) 22c bezeichnet.
Die S&H-Schaltung 22a tastet
die Ausgangsspannung der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 ab,
hält diese
für eine
bestimmte Zeitdauer und gibt die Differenz zwischen dieser und einer
unmittelbar vorherigen Ausgangsspannung aus. Die Verstärkerschaltung 22b verstärkt die
Ausgangsspannung der S&H-Schaltung 22a auf
eine vorbestimmte Empfindlichkeit. Die Tiefpassfilterschaltung 22c dient
zum Extrahieren von nur Komponenten vorbestimmter Frequenzbänder aus
der Beschleunigungsausgangsspannung der Verstärkerschaltung 22b.
Die S&H-Schaltung 22a weist
einen bekannten Aufbau auf, der Operationsverstärker 221a und 221b,
die einen Spannungsfolger bilden, einen Schalter 221d und
einen Kondensator 221c aufweist. Die Signalverarbeitungsschaltung 22 und
die Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 bilden
die Beschleunigungssignalerzeugungsschaltung.
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Die
Steuersignalerzeugungsschaltung 24 erzeugt Pulsträgersignale
P1 und P2, ein Schaltansteuersignal S2 und ein anderes Schaltansteuersignal
S1. Die Pulsträgersignale
P1 und P2 dienen zum Anlegen einer Vorspannung zur Erfassung, deren Polarität periodisch
an beiden Enden der Erfassungskondensatoren 10a, 10b invertiert
wird. Das Schaltansteuersignal S2 steuert den Schalter 221d zum
Abtasten von Beschleunigungssignalen an. Das Schaltansteuersignal
S1 steuert den Entladungsschalter 21c an, um periodisch
die Ladungen in dem Negativ-Rückführungskondensator 21b der
Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 nach Bedarf zu
entladen. Die Steuersignalerzeugungsschaltung 24 erzeugt
diese Signale gemäß einem
Taktsignal CK von einer Taktschaltung 25.
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Die
obige Steuersignalerzeugungsschaltung 24 bildet die folgende
Einrichtung:
Die Steuersignalerzeugungsschaltung 24 als
eine Anlegungseinrichtung für
eine Vorspannung zur Erfassung legt eine Vorspannung zur Erfassung
zwischen die ersten festen Elektroden 3 und die zweiten festen
Elektroden 4 der Erfassungskondensatoren 10a, 10b an.
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Die
Steuersignalerzeugungsschaltung 24 als eine Einrichtung
zum Zwangsvibrieren wiederholt stationär einen Vibrationszyklus. In
dem Vibrationszyklus wird der folgende Betrieb durchgeführt: Mit
einer Vorspannung zur Erfassung V (–V, wenn sie invertiert ist),
die an die Erfassungskondensatoren 10a, 10b angelegt
wird, wird eine Verschiebungsvorspannung an die beweglichen Elektroden 2d angelegt.
Die Verschiebungsvorspannung dient zum erzwungenen Verschieben der
beweglichen Elektroden 2d gegenüber neutralen Positionen in
Richtung der Beschleunigungserfassung. Die neutralen Positionen sind
zwischen den ersten festen Elektroden 3 und den zweiten
festen Elektroden 4 angeordnet und entsprechen dem Zustand
der Erfassung keiner Beschleunigung. Danach wird die Anlegung einer
Verschiebungsvorspannung aufgehoben. Die Schaltung 24 wiederholt
stationär
den Vibrationszyklus und vibriert dadurch erzwungenermaßen die
beweglichen Elektroden 2d in Richtung der θ-Beschleunigungserfassung.
In dieser Ausführungsform
wird, wie es in 3 dargestellt ist, ein Wechsel
zwischen der Zeitdauer θ1,
innerhalb der eine Verschiebungsvorspannung angelegt wird, und der
Zeitdauer θ2,
innerhalb der die Anlegung der Verschiebungsvorspannung aufgehoben
wird, wie folgt durchgeführt:
Der Pegel einer Vorspannung, die an die beweglichen Elektroden 2d angelegt
wird, wird durch einen virtuellen Kurzschluss durch den nicht invertierenden
Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 21a in der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 geändert. Mit
diesem Verfahren kann der Pegel der angelegten Vorspannung durch
die Anordnung des Operationsverstärkers 21a dazwischen
stabilisiert werden. In dieser Ausführungsform wird, wenn die Eingangsspannung
des nicht invertierenden Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers 21aV beträgt, eine
Ver schiebungsvorspannung von V/2 an die beweglichen Elektroden 2d angelegt.
Wenn die Eingangsspannung V/2 beträgt, wird die Anlegung der Verschiebungsvorspannung
an die beweglichen Elektroden 2d aufgehoben. Eine Schaltschaltung 23 weist
einen Schalter 23a und einen anderen Schalter 23b auf,
die in den Eingangspfaden für
jeweilige Spannungen vorgesehen sind. Die Eingangsspannungen (entsprechend
V und V/2) werden entsprechend den Schaltansteuersignalen S3 von
der Steuersignalerzeugungsschaltung 24 abwechselnd geändert. Hinsichtlich
jeder Spannung wird das Signal durch einen Inverter 23c invertiert.
Dieser Wechsel wird mit den oben genannten Zeitdauern θ1 und θ2 als ein
Zyklus durchgeführt.
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Der
Mikrocomputer 53 weist einen A/D-Wandlungsanschluss AD1
zum Empfangen des Beschleunigungssignals Vg von der Signalverarbeitungsschaltung 22 auf.
Der Mikrocomputer 53 weist außerdem einen Signalausgangsanschluss
D1 zum Ausgeben des Beschleunigungssignals Vg und einen Signalausgangsanschluss
D2 zum Ausgeben eines Anomalieerfassungssignals VD auf.
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Im
Folgenden wird der Betrieb eines Winkelgeschwindigkeitssensorsystems,
das wie oben beschrieben aufgebaut ist, mit Bezug auf ein Signalwellenformdiagramm
der
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3 beschrieben.
Die Trägersignale
P1 und P2, die von der Steuersignalerzeugungsschaltung 24 ausgegeben
werden und Vorspannungen zur Erfassung bzw. Erfassungsvorspannungen
V und –V bereitstellen,
sind wie in 3 dargestellt zusammengesetzt.
Das heißt,
die Trägersignale
P1 und P2 sind als rechteckige Pulssignale konstanter Amplitude
(d. h. eine Spannungsamplitude ist als V definiert) ausgebildet,
deren Pegel sich zwischen einem hohen Pegel (Hi) und einem niedrigen
Pegel (Lo) in vier Zeitdauern bzw. Perioden (ϕ1 bis ϕ4) ändern. Das Trägersignal
P2 ist ein Signal, das durch Invertieren des Spannungspegels des
Trägersignals
P1 erhalten wird.
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In
den Zeitdauern ϕ4, ϕ1 und ϕ2 befindet sich
das Trägersignal
P1 auf einem zweiten Pegel (im Folgenden als "L" bezeichnet),
der niedriger als ein Schwellenwert ist, und das Trägersignal
P2 befindet sich auf einem ersten Pegel (im Folgenden als "H" bezeichnet), der größer als der Schwellenwert ist. Das
heißt,
eine Vorspannung zur Erfassung von +V ist an die Erfassungskondensatoren 10a, 10b angelegt,
so dass sich das Potential an der ersten festen Elektrode 3 erhöht. In der
Zeitdauer ϕ3 wird das Trägersignal P1 auf H gebracht
und das Trägersignal
P2 wird auf L gebracht, so dass die Polarität der Vorspannung zur Erfassung
bzw. Erfassungsvorspannung invertiert wird. In der Zeitdauer ϕ1
wird der Entladungsschalter 21c entsprechend dem Schaltansteuersignal
S1 von der Steuersignalerzeugungsschaltung 24 geschlossen.
Demzufolge wird eine Spannung von V/2 an den invertierenden Eingangsanschluss
des Operationsverstärkers 21a angelegt, und
eine Spannung von V/2 wird an die beweglichen Elektroden 2d angelegt.
Außerdem
werden die Ladungen in dem Kondensator 21b entladen. Zu
diesem Zeitpunkt wird der Ausgang Vs der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 auf
V/2 zurückgesetzt.
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Wenn
die Kapazität
C1 der Erfassungskondensatoren 10a und die Kapazität C2 der
Erfassungskondensatoren 10b die Beziehung C1>C2 zueinander aufweisen,
tritt das Folgende auf: in der Zeitdauer ϕ2, während der
die feste Elektrode 3 auf L liegt, ist die geteilte Spannung
in Bezug auf die angelegte Spannung in den L-seitigen Erfassungskondensatoren 10b größer. Somit
werden die beweglichen Elektroden 2d in einen Zustand gebracht,
in dem positive elektrische Ladungen in größerer Menge vorhanden sind.
(Das umgekehrte tritt auf, wenn C1<C2.)
In der Zeitdauer ϕ2 bleibt die Polarität der Vorspannung zur Erfassung,
die an die Erfassungskondensatoren 10a, 10b angelegt
wird, unverändert. Wenn
der Entladungsschalter 21c gemäß dem Schaltansteuersignal
S1 geöffnet
wird, tritt eine Ladungsübertragung
zwischen den Ladungen der beweglichen Elektroden 2d und
dem Negativ-Rückführungskondensator 21b auf.
Ein Spannungswert Vg1 entsprechend dem Zustand des Ladungsgleichgewichts
wird von der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 ausgegeben.
Dieser Ausgangswert wird durch Ein- und Ausschalten des Schalters 221b gemäß dem Schaltansteuersignal
S2 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt abgetastet und in der S&H-Schaltung 22a gehalten.
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In
der Zeitdauer ϕ3 der 3 wird der
Spannungspegel der Trägersignale
P1 und P2 invertiert. (P1 wird zu H invertiert und P2 wird zu L
invertiert.) Der Entladungsschalter 21c wird gemäß dem Schaltansteuersignal
S1 geöffnet
gehalten. Der Zustand der Ladung der beweglichen Elektroden 2d wird
gegenüber
demjenigen innerhalb der Zeitdauer ϕ2 durch Invertieren
der Trägersignale
P1 und P2 umgekehrt. Wenn die Beziehung C1>C2 gilt, wie es oben erwähnt ist,
werden die beweglichen Elektroden 2d in einen Zustand gebracht,
in dem die Menge der negativen elektrischen Ladungen durch Invertieren
der Spannung, die an die festen Elektroden 2a und 2b angelegt
wird, höher
ist. Da jedoch der Abschnitt zwischen den beweglichen Elektroden 2d und
dem Kondensator 21b eine geschlossene Schaltung ist und die
elektrischen Ladungen in der Zeitdauer ϕ1 gehalten werden,
tritt das Folgende auf: Elektrische Ladungen, die aus den beweglichen
Elektroden 2d aufgrund eines Ungleichgewichtes der Menge
an Ladungen lecken, werden zum Kondensator 21b übertragen
und dort gespeichert. Wenn die Kapazität des Kondensators 21b konstant
ist, wird ein Spannungswert Vg2'' proportional zur
Menge der oben genannten Ladungsübertragung
von der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 aufgrund
der Bezie hung Q=CV ausgegeben. In der Zeitdauer ϕ3 wird ebenfalls
der Wert durch die S&H-Schaltung 22a in einem
vorbestimmten Zeitpunkt abgetastet. Die Differenz zwischen dem Ausgangswert
Vg1, der in der Zeitdauer ϕ2 abgetastet wird, und dem Ausgangswert
Vg2, der in der Zeitdauer ϕ3 abgetastet wird, wird einer
Berechnung im Mikrocomputer 53 unterzogen. Beide Ausgangswerte
sind diejenigen, die durch die Verstärkerschaltung 23b und
den LPF (d. h. Tiefpassfilter) 22c gelangt sind. Die Werte,
die durch diese Berechnung erhalten werden, werden als Beschleunigungsausgangswert
Vg ausgegeben, der einer Verschiebung der beweglichen Elektroden 2d entspricht.
-
Bei
der oben erwähnten
Messung werden die beweglichen Elektroden 2d der Erfassungskondensatoren 10a, 10b durch
die Schaltschaltung 23, die das Schaltansteuersignal S3
empfängt,
dem folgenden Betrieb unterzogen: In der Zeitdauer θ1 der 3 wird
eine Verschiebungsvorspannung angelegt. In der anschließenden Zeitdauer θ2 wird die
Anlegung der Verschiebungsvorspannung aufgehoben. Der Vibrationszyklus,
der aus θ1+θ2 besteht,
wird stationär
wiederholt, und die beweglichen Elektroden 2d werden dadurch
erzwungenermaßen
in Richtung der Beschleunigungserfassung vibriert. Beide Zeitdauern ϕ2
und ϕ3, in denen der Ausgang der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 zur
Beschleunigungserfassung abgetastet wird, gehören zu der Zeitdauer 82,
für die
die Anlegung der Verschiebungsvorspannung aufgehoben ist.
-
Im
Folgenden erfolgt eine noch genauere Beschreibung. Im normalen Betriebsmodus,
der eine Beschleunigungserfassung betrifft, wird der Vibrationszyklus
stationär
wiederholt. In diesem Vibrationszyklus wird eine Zwangsverschiebungskraft
als Vibration auf die beweglichen Elektroden 2d der Erfassungskondensatoren 10a, 10b angelegt.
Danach wird die Anlegung der Verschiebungskraft aufgehoben. Mit
die sem Vibrationszyklus, der stationär wiederholt wird, wird das
Beschleunigungssignal abgetastet. Durch diese erzwungene Vibration
wird eine Art stationäre
falscher Beschleunigung an die beweglichen Elektroden 2d ähnlich einer
Vorspannung ausgeübt.
In der Zeitdauer θ1,
innerhalb der die Verschiebungsvorspannung angelegt wird, wird jedoch eine
andere Verschiebungskraft als die zu erfassende Beschleunigung auf
die beweglichen Elektroden 2d ausgeübt. Daher kann eine Geschwindigkeitserfassung
nicht durchgeführt
werden. Demzufolge wird das Abtasten zur Beschleunigungserfassung
nur während
der Zeitdauer θ2
durchgeführt,
während
der die Anlegung der Verschiebungsvorspannung aufgehoben ist. Demzufolge
wird der folgende Vorteil erzielt: Sogar während einer Beschleunigungserfassung
tritt eine Vorspannungsverschiebung in den beweglichen Elektroden 2d konstant
auf. Daher tritt, wenn die Verschiebungssteifigkeit der beweglichen Elektroden 2d aufgrund
des Einflusses eines Bruches, einem Anhaften von Fremdmaterial oder Ähnlichem
abnorm wird, eine Schwankung, die aus der Anomalie herrührt, unmittelbar
und merkbar in dem Beschleunigungsausgang auf. Somit werden die Empfindlichkeit
bei der Erfassung des Auftretens von Anomalien und der kontinuierlichen Überwachung beachtlich
verbessert.
-
Wie
es in 3 dargestellt ist, erhöht sich, wenn eine Zwangsverschiebungskraft
in der Zeitdauer θ1
ausgeübt
wird, was äquivalent
zu einer Erhöhung
einer scheinbaren Beschleunigung ist, der Ausgang der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21.
Wenn die Ausübung
einer Zwangsverschiebungskraft in der Zeitdauer θ2 aufgehoben wird, vibrieren
die beweglichen Elektroden 2d gedämpft und verringern die Verschiebung.
Daher wird der Ausgang der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 schrittweise
verringert. Wie es anhand des Ausgangswertes des Startpunktes des
nächsten
Vibrationszyklus zu sehen ist, wird je doch die nächste erzwungene Verschiebung
ausgeübt,
bevor sich die Amplitude der gedämpften
Vibration sehr verringert hat. Demzufolge wird, wenn nur die Zeitdauer θ2 berücksichtigt
wird, für
die die Ausübung
aufgehoben wird und eine Beschleunigungserfassung durchgeführt wird,
die Beschleunigung scheinbar durch eine restliche gedämpfte Vibration
in dieser Zeitdauer vorgespannt. Wenn die Zeit τ von der Aufhebung der Ausübung einer
Zwangsverschiebungskraft bis zur Durchführung einer Abtastung verwaltet
wird, kann der Wert der Vorspannungsbeschleunigung während des
Abtastens auf einen im Wesentlichen konstanten Wert gesteuert werden.
Das heißt,
eine vorübergehende
gedämpfte
Vibration der beweglichen Elektroden 2d, die aus der Aufhebung
der Ausübung
einer Zwangsbeschleunigungsverschiebung herrührt, wird willentlich verwendet.
Somit wird die Wirkung, dass sie in Form einer Beschleunigungsvorspannung
stabilisiert wird, erzielt. Somit wird der Nullpunkt des Sensorausganges
weiter stabilisiert, und die Genauigkeit der Beschleunigungserfassung
kann ebenfalls verbessert werden.
-
Die Übernahme
des oben genannten Systems bringt den folgenden Vorteil: Ohne Ausübung einer
Beschleunigung wird von der Ausübungsaufhebungszeitdauer θ2 zur nächsten Ausübungszeitdauer θ1 gewechselt.
Wie es in 3 dargestellt ist, wird der
Ausgang der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 unmittelbar
von dieser Änderung
unter Wiederholung eines Vibrationszyklus schrittweise erhöht. Danach
wird der Ausgang auf einen konstanten Wert stabilisiert. Wie es
an dem untersten Teil der 3 dargestellt
ist, wird der Nullpunkt des Sensorausgangs schrittweise in der Anfangsstufe
erhöht. Nach
einer Weile wird der Ausgang auf einen Wert nahe bei V/2 in eine
Gleichgewichtsbedingung gebracht. Dieser Wert ist gleich dem Wert
einer Verschiebungsvorspannung. Durch die Durchführung einer Abtastung zur Beschleunigungserfassung
in diesem Zustand, in dem der Nullpunkt im Gleichgewicht liegt,
kann die Genauigkeit der Beschleunigungserfassung weiter verbessert
werden. Es ist wünschenswert,
dass eine Versatzeinstellung vor der Verschiffung durchgeführt wird,
so dass Vg gleich V/2 sein wird.
-
In
der Steuersignalerzeugungsschaltung 24, die die Anlegungseinrichtung
für die
Vorspannung zur Erfassung bildet, wird die Zeitgebung der Signale P1,
P2, S1 und S3 wie in 3 dargestellt eingestellt. Eine
erste Zeitdauer und eine zweite Zeitdauer werden in dem Vibrationszyklus
eingestellt. In der ersten Zeitdauer ϕ4+ϕ1+ϕ2
wird eine erste Polarität als
die Polarität
der Vorspannung zur Erfassung in der Zeitdauer θ2 angenommen, für die die
Anlegung einer Verschiebungsvorspannung aufgehoben wird. In der
an die erste Zeitdauer ϕ4+ϕ1+ϕ2 anschließenden zweiten
Zeitdauer ϕ3 wird eine zweite Polarität, die der ersten Polarität entgegengesetzt
ist, als die Polarität
der Vorspannung zur Erfassung angenommen. Die S&H-Schaltung 22a,
die die Abtasteinrichtung bildet, führt eine erste Abtastung σ1 entsprechend
dem Signal S2 in der ersten Zeitdauer ϕ4+ϕ1+ϕ2
durch. Anschließend
führt die
S&H-Schaltung 22a eine
zweite Abtastung σ2
in der zweiten Zeitdauer ϕ3 durch. Der Mikrocomputer 53,
der die Beschleunigungssignalerzeugungs- und -ausgabeeinrichtung
bildet, erzeugt das Beschleunigungssignal Vg auf der Grundlage der
Differenz zwischen diesen beiden Abtastwerten σ1 und σ2 des Ausgangs der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21. Danach
gibt der Mikrocomputer 53 das Beschleunigungssignal Vg
aus. Wie es oben erwähnt
ist, wird die Differenz zwischen den beiden Ausgangswerten durch
Durchführen
einer Messung erhalten, wobei die Polarität der Vorspannung zur Erfassung
variiert. Somit kann der Einfluss einer Streukapazität und Ähnlichem,
die in der Erfassungsschaltung 20 vorhanden ist, beseitigt werden,
und die Genauigkeit der Beschleunigungserfassung kann verbessert
werden.
-
Genauer
gesagt wird in der Steuersignalerzeugungsschaltung (d. h. der Anlegungseinrichtung für die Vorspannung
zur Erfassung) 24 folgendes eingestellt: Die erste Zeitdauer ϕ4+ϕ1+ϕ2,
in der die erste Polarität
als die Polarität
der Vorspannung zur Erfassung angenommen wird, und die an die erste Zeitdauer ϕ4+ϕ1ϕ2
anschließend
zweite Zeitdauer ϕ3, in der die zweite Polarität, die der
ersten Polarität entgegengesetzt
ist, angenommen wird. Die Zeitdauer θ1, für die eine Verschiebungsvorspannung
angelegt wird, startet in der ersten Zeitdauer ϕ4+ϕ1+ϕ2. Danach
wird von der Ausübungszeitdauer θ1 in die Ausübungsaufhebungszeitdauer θ2 gewechselt,
bevor die erste Zeitdauer ϕ4+ϕ1+2ϕ endet.
Nach dem Wechsel in die Ausübungsaufhebungszeitdauer θ2 wird der
erste Wert σ1
in der verbleibenden Zeitdauer ϕL der ersten Zeitdauer ϕ4+ϕ1+ϕ2
abgetastet. Anschließend
wird der zweite Wert σ2
in der zweiten Zeitdauer ϕ3 abgetastet. Dieses bedeutet
Folgendes: In der Ausübungszeitdauer θ1 wird eine
Vorbereitungszeitdauer ϕ4 vor der Zeitdauer ϕ1
bereitgestellt, in der eine Beschleunigungsmessung (Abtastung) gestartet
wird. In dieser Zeitdauer wird ein Wechsel zwischen der Ausübungszeitdauer θ1 und der
Ausübungsaufhebungszeitdauer θ2 durchgeführt. Dieses
bringt den Vorteil, dass der Einfluss dieser Änderung weniger dazu neigt,
die Beschleunigungsmessung zu erreichen.
-
Diese
Wirkung wird außerdem
durch Einstellen der ersten Zeitdauer ϕ4+ϕ1+ϕ2
länger
als diejenige der zweiten Zeitdauer ϕ3 verbessert. Wie
es oben erwähnt
ist, kann nach dem Wechsel zur Ausübungsaufhebungszeitdauer θ2 und einer
gewissen Wartezeit τ die
Abtastung des ersten Wertes bzw. Abtastwertes σ1 durchgeführt werden. Somit wird der Zustand
der Vibration, die in den beweglichen Elektroden aufgrund der Aufhebung
der Ausübung
einer Zwangsverschiebungskraft erzeugt wird, stabilisiert, und es
kann eine noch stabilere Beschleunigungserfassung durchgeführt werden.
-
In
dieser Ausführungsform
bildet der Mikrocomputer 53 eine Beschleunigungssignalerzeugungseinrichtung,
die die Differenz zwischen dem ersten Abtastwert σ1 und dem
zweiten Abtastwert σ2 berechnet.
Stattdessen kann eine Beschleunigungssignalerzeugungseinrichtung
als Hardware ohne Verwendung eines Mikrocomputers vorgesehen sein. Der
erste Abtastwert σ1
und der zweite Abtastwert σ2 können zum
Beispiel in getrennten S&H-Schaltungen gehalten
werden. Jeder gehaltene Wert kann einer Differenzberechnung durch
eine Differenzverstärkerschaltung
oder Ähnlichem
unterzogen werden, um ein Beschleunigungssignal zu erzeugen. Wenn
eine Anomaliebestimmung entsprechend dem erzeugten Beschleunigungssignal
in einem Bestimmungssystem, das extern zum Beschleunigungssensorsystem vorhanden
ist, durchgeführt
wird, kann der Mikrocomputer 53 selbst weggelassen werden.
-
Somit
weist ein Beschleunigungssensorsystem gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung auf: Die Erfassungskondensatoren 10a, 10b,
die Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21,
die Steuersignalerzeugungsschaltung 24 als die Anlegungseinrichtung
für eine
Vorspannung zur Erfassung, die Steuersignalerzeugungsschaltung 24 als
die Einrichtung für
eine Zwangsvibration, die S&H-Schaltung 22a als
die Abtasteinrichtung und den Mikrocomputer 53 als die
Beschleunigungssignalerzeugungs- und -ausgabeeinrichtung.
-
Die
Erfassungskondensatoren 10a, 10b sind so aufgebaut,
dass bewegliche Elektroden 2d zwischen ersten festen Elektroden 3 und
zweiten festen Elektroden 4 angeordnet sind. Ein erster
Kondensator, der durch die ersten festen Elektroden 3 und
die beweglichen Elektroden 2d ausgebildet wird, und ein zweiter
Kondensator, der durch die beweglichen Elektroden 2d und
die zweiten festen Elektroden 4 ausgebildet wird, sind
in Serie miteinander verbunden. Auf der Grundlage der Verschiebung
in den beweglichen Elektroden 2d aufgrund der Ausübung einer
Beschleunigung verändern
sich die Kapazitäten des
ersten Kondensators und des zweiten Kondensators in Verbindung miteinander.
-
Die
Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 wandelt eine Änderung
der Kapazität
der Erfassungskondensatoren auf der Grundlage des Ausgangs der beweglichen
Beschleunigungselektroden in eine Spannung um und gibt diese aus.
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Die
Anlegungseinrichtung für
eine Vorspannung zur Erfassung legt eine Vorspannung zur Erfassung
zwischen die ersten festen Elektroden 3 und die zweiten
festen Elektroden 4 der Erfassungskondensatoren 10a, 10b an.
-
Die
Einrichtung für
eine Zwangsvibration wiederholt stationär einen Vibrationszyklus. Der
Vibrationszyklus ist wie folgt zusammengesetzt: Mit einer Vorspannung
zur Erfassung, die an die Erfassungskondensatoren 10a, 10b angelegt
wird, wird eine Verschiebungsvorspannung an die beweglichen Elektroden 2d angelegt.
Diese Verschiebungsvorspannung dient zum erzwungenen Verschieben
der beweglichen Elektroden 2d von den neutralen Positionen
zwischen den ersten festen Elektroden 3 und den zweiten
festen Elektroden 4 in Richtung einer Beschleunigungserfassung.
Die neutrale Position entspricht dem Zustand einer Nicht-Erfassung
einer Beschleunigung. Danach wird die Anlegung einer Verschiebungsvorspannung
aufgehoben. Die Einrichtung für
eine Zwangsvibration vibriert die beweglichen Elektroden 2d in
Richtung einer Beschleunigungser fassung erzwungenermaßen durch
Wiederholen des Vibrationszyklus.
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Die
Abtasteinrichtung tastet den Ausgang der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 zur
Beschleunigungserfassung ab. Mit einer stationär auf die beweglichen Elektroden 2d ausgeübten Zwangsvibration
tastet die Abtasteinrichtung selektiv den Ausgang in Zeitdauern
ab, für
die die Anlegung der Verschiebungsvorspannung in dem Vibrationszyklus
aufgehoben ist.
-
Die
Beschleunigungssignalerzeugungs- und -ausgabeeinrichtung erzeugt
und gibt Beschleunigungssignale auf der Grundlage des Ergebnisses
der Abtastung aus.
-
Gemäß dem oben
erwähnten
Aufbau der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden ein Selbstdiagnosemodus und ein
Beschleunigungserfassungsmodus im Vergleich zum Stand der Technik
hinsichtlich der Zeitdauer nicht voneinander unterschieden. Die
erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in einem
normalen Betriebsmodus in Bezug auf eine Beschleunigungserfassung
der Vibrationszyklus stationär
wiederholt wird. In dem Vibrationszyklus wird eine Verschiebungsvorspannung
zum erzwungenen Verschieben der beweglichen Elektroden der Erfassungskondensatoren
von den neutralen Positionen in Richtung einer Beschleunigungserfassung
angelegt. Danach wird die Anlegung der Verschiebungsvorspannung
aufgehoben. Es folgt eine noch genauere Beschreibung. Herkömmlicherweise
ist eine Selbstdiagnosezeitdauer getrennt vorgesehen, und eine falsche
Beschleunigung wird nur in den Selbstdiagnosezeitdauern intermittierend
auf die beweglichen Elektroden ausgeübt. Gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Selbstdiagnosezeitdauer weggelassen.
Stattdessen wird in normalen Beschleunigungserfas sungszeitdauern
eine falsche Beschleunigung konstant (das heißt stationär) auf die beweglichen Elektroden durch
die oben erwähnte
Zwangsvibration wie eine Vorspannung ausgeübt. Eine Beschleunigungserfassung
kann jedoch nicht durchgeführt
werden, während
eine Verschiebungskraft durch die Verschiebungsvorspannung auf die
beweglichen Elektroden ausgeübt
wird. Daher wird eine Abtastung zur Beschleunigungserfassung nur
in Zeitdauern durchgeführt,
für die
die Anlegung der Verschiebungsvorspannung aufgehoben ist, das heißt in Zeitdauern,
für die
eine Zwangsverschiebungskraft nicht ausgeübt wird.
-
Demzufolge
ergibt sich der folgende Vorteil: Es tritt eine Vorspannungsverschiebung
in den beweglichen Elektroden sogar während einer Beschleunigungserfassung
konstant auf. Daher tritt, wenn die Verschiebungssteifigkeit der
beweglichen Elektroden aufgrund des Einflusses eines Bruches, einem
Anhaften von Fremdmaterial oder Ähnlichem abnorm
wird, eine Schwankung, die von der Anomalie herrührt, unmittelbar und wahrnehmbar
in dem Beschleunigungsausgang auf. Somit werden die Empfindlichkeit
beim Erfassen des Auftretens von Anomalien und die kontinuierliche Überwachbarkeit
beachtlich verbessert.
-
Wie
es oben erwähnt
ist, besitzen die herkömmlichen
Aufbauten das folgende Problem: Wenn der Modus in den Beschleunigungserfassungsmodus wechselt,
in dem eine falsche Beschleunigung nicht ausgeübt wird, wird der Nullpunkt
eines Sensors durch eine gedämpfte
Vibration der beweglichen Elektroden, die aus der Aufhebung einer
erzwungenen Verschiebung herrührt,
zum Schwanken gebracht. Sogar in der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung entwickeln die beweglichen Elektroden eine gedämpfte Vibration,
wenn eine Zwangsverschiebungskraft entfernt wird. Die nächste erzwungene
Verschiebung wird jedoch ausgeübt,
bevor sich die Amplitude der gedämpften Vibration
stark verringert. Dieses ist ein großer Unterschied gegenüber herkömmlichen
Aufbauten. Demzufolge wird, wenn die Zeitdauer betrachtet wird,
für die
die Anlegung einer Verschiebungsvorspannung aufgehoben wird, um
eine Beschleunigungserfassung durchzuführen, die Beschleunigung scheinbar
durch eine gedämpfte
Restvibration vorgespannt. Es folgt eine genauere Beschreibung.
Herkömmlicherweise
sollten vorübergehende
Dämpfungsvibrationen
beweglicher Elektroden, die von einer Aufhebung einer Zwangsverschiebung
herrühren,
im Hinblick auf die Verbesserung einer Erfassungsgenauigkeit soweit
wie möglich
eliminiert werden. In der vorliegenden Erfindung wird die vorübergehende
gedämpfte
Vibration im Gegensatz dazu willentlich verwendet, und sie wird
in Form einer Beschleunigungsvorspannung stabilisiert. Demzufolge
wird der Nullpunkt des Sensorausganges weiter stabilisiert und die
Genauigkeit der Beschleunigungserfassung kann ebenfalls verbessert werden.
-
Die
oben genannte Einrichtung für
eine Zwangsvibration ist in der Lage, den Ausgang der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung
durch geeignetes Bestimmen der Länge
der Zeitdauer, für
die die Anlegung einer Verschiebungsvorspannung aufgehoben wird,
auf einen konstanten Ausgang zu stabilisieren. Ohne die Ausübung einer
Beschleunigung wird die Zeitdauer, für die die Anlegung einer Verschiebungsvorspannung
aufgehoben wird, in die nächste
Zeitdauer geändert,
für die
eine Verschiebungsvorspannung angelegt wird. Nachdem sich der Ausgang
der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung
unmittelbar von dieser Änderung
mit Wiederholung des Vibrationszyklus schrittweise erhöht hat, stabilisiert
die Einrichtung für
eine Zwangsvibration den Ausgang. Wenn ein Beschleunigungssensor,
der wie oben beschrieben aufgebaut ist, gestartet wird, tritt das
Folgende auf: In der Anfangsstufe, in der die Ausübung des
Vibrationszyklus auf die beweglichen Elekt roden gestartet wird,
ist der Zustand einer statischen Elektrifizierung auf der Grundlage
der Streukapazität,
die in den Schaltungen oder dem Gehäuse des Sensorsystems erzeugt
wird, instabil. Außerdem befinden
sich die Charakteristika aktiver Elemente wie zum Beispiel von Operationsverstärkern in
den Schaltungen in einem Übergangszustand.
Demzufolge unterliegt der Zustand einer Beschleunigungsvorspannung
der beweglichen Elektroden (dann der Nullpunkt des Sensorausgangs)
einer Übergangsschwankung.
Da der Vibrationszyklus jedoch wiederholt wird, nähert sich
die Beschleunigungsvorspannung einem stabilen Zustand an, und der
Nullpunkt des Sensorausganges wird stabilisiert. Durch die Durchführung einer
Abtastung zur Beschleunigungserfassung in diesem stabilen Zustand
kann die Genauigkeit einer Beschleunigungserfassung weiter verbessert
werden.
-
(Zweite Ausführungsform)
-
Eine
andere Erfassungsschaltung 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 4 beschrieben.
Die Erfassungsschaltung 20 enthält als wesentliche Teile di
Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21,
die Signalverarbeitungsschaltung 22, die Steuersignalerzeugungsschaltung 24 und
den Mikrocomputer 53. Die Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 weist
den Operationsverstärker 21a auf,
der mit dem Negativ-Rückführungskondensator 21b zur
Ladungserfassung versehen ist. Eine Änderung des Ladungsausganges
der Erfassungskondensatoren 10a und 10b wird invertiert
und eingegeben. Die Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 wandelt diese
dadurch in eine Spannung um und gibt diese als ein Beschleunigungssignal
aus. Der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 21a ist
mit den beweglichen Elektroden 2d verbunden. Wenn V als
Vorspannung zur Erfassung für
die Erfassungskondensatoren 10a und 10b angenommen wird,
wird eine Spannung von V/2 in den nicht invertierenden Eingangsanschluss
des Operationsverstärkers 21a eingegeben.
Außerdem
ist ein Kurzschlusspfad 21s zum Kurzschließen beider
Enden des Negativ-Rückführungskondensators 21b vorgesehen.
Der Schalter 21c ist zum Kurzschließen des Negativ-Rückführungskondensators
(im Folgenden einfach als "Schalter 21c" bezeichnet) in dem
Kurzschlusspfad 21s vorgesehen.
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Der
Mikrocomputer 53 bildet einen wesentlichen Teil einer Nullpunktkorrektureinrichtung.
Der Mikrocomputer 53 weist die folgenden Anschlüsse auf: Den
A/D-Wandlungsanschluss AD1 zum Empfangen eines unkorrigierten Beschleunigungssignals
Vg'(T) von der Signalverarbeitungsschaltung 22 und
den A/D-Wandlungsanschluss AD2, durch den ein Erfassungsausgang
von einem Temperatursensor 55 eingegeben wird, um die Temperatur
der Umgebung der Sensoreinheit zu erfassen. Der Mikrocomputer 53 weist
außerdem
einen Signalausgangsanschluss D1, einen Signalausgangsanschluss
D2 und Ähnliches auf.
Der Signalausgangsanschluss D1 gibt ein Schaltansteuersignal S1
zum Überprüfen zu einem
vorbestimmten Überprüfungszeitpunkt
aus. Diese Ausgabe wird zum Korrigieren von Nullpunktdriften in
dem unkorrigierten Beschleunigungssignal Vg'(T) von der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 durchgeführt. (Die
Signalverarbeitungsschaltung 22, die stromab davon angeordnet
ist, ist enthalten.) Die Ausgabe wird unabhängig von dem Schaltansteuersignal
S1 von der Steuersignalerzeugungsschaltung 24 durchgeführt. Der
Signalausgangsanschluss D2 gibt ein korrigiertes Beschleunigungssignal
Vg aus.
-
Der
Mikrocomputer 53 ist mit einem EEPROM (Elektrisch löschbarer
programmierbarer ROM) 54 verbunden, der eine Standard-Versatzausgangswertspeichereinheit
bildet. Der EEPROM 54 speichert den Standardwert Vk(T0)
des Versatz ausgangs Vk der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21,
wenn der Negativ-Rückführungskondensator 21b kurzgeschlossen
ist. (Der Standard-Versatzausgangswert kann ein Versatzausgangswert
Vg'(T) von der Signalverarbeitungsschaltung 22,
die stromab angeordnet ist, sein.) Der EEPROM 54 speichert außerdem eine
Korrekturtabelle 54a, in der die Koeffizienten (α und β) zur Temperaturkorrektur
des Beschleunigungssignals Vg gespeichert sind, in Bezug auf jede
der verschiedenen Temperaturen. Eine Korrektur des Beschleunigungssignals
Vg durch den somit aufgebauten Mikrocomputer 53 wird durch
eine CPU durchgeführt,
die folgendes ausführt:
Die CPU führt
ein Steuerprogramm, das im ROM in dem Mikrocomputer gespeichert
ist, unter Verwendung eines RAM als einen Arbeitsbereich entsprechend
den Flussdiagrammen der 6 und 7A bis 7D aus.
-
Im
Folgenden wird der Betrieb des so aufgebauten Winkelgeschwindigkeitssensorsystems
mit Bezug auf ein Signalwellenformdiagramm der 5 beschrieben.
Die Trägersignale
P1 und P2 zum Zuführen
einer Vorspannung zur Erfassung werden von der Steuersignalerzeugungsschaltung 24 ausgegeben.
Wie es in 5 dargestellt ist, sind die
Trägersignale
P1 und P2 als rechtwinklige Pulssignale konstanter Amplituden (Spannungsamplitude:
V) ausgebildet, deren Pegeländerungen
sich zwischen einem hohen Pegel (Hi) und einem niedrigen Pegel (Lo)
in vier Zeitdauern (ϕ1 bis ϕ4) ändern.
-
Zunächst folgt
eine Beschreibung des normalen Betriebes mit Bezug auf die 7A bis 7D.
In den Zeitdauern ϕ1 und ϕ2 liegt das Trägersignal
P1 auf Hi (5V), und das Trägersignal
P2 liegt auf Lo (0V). In der Zeitdauer ϕ1 ist der Schalter 21c gemäß dem Schaltansteuersignal
S1 von der Steuersignalerzeugungsschaltung 24 geschlossen. Demzufolge
wird eine Spannung von V/2 an den nicht inver tierenden Eingangsanschluss
des Operationsverstärkers 21a angelegt,
und eine Spannung von V/2 wird an die beweglichen Elektroden 2d angelegt.
Außerdem
werden die Ladungen in dem Kondensator 21b entladen. Zu
diesem Zeitpunkt wird der Ausgang Vs der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 auf
V/2 zurückgesetzt.
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Wenn
die Kapazität
C1 der Erfassungskondensatoren 10a und die Kapazität C2 der
Erfassungskondensatoren 10b die Beziehung C1>C2 zueinander aufweisen,
tritt das Folgende auf: In der Zeitdauer ϕ1, für die Seite
der festen Elektrode 3 der Erfassungskondensatoren 10a auf
Hi liegt, ist in Bezug auf die angelegte Spannung die geteilte Spannung
in den Erfassungskondensatoren 10a der Hi-Seite niedriger.
Somit werden die beweglichen Elektroden 2d in einen Zustand
gebracht, in dem die Menge der negativen elektrischen Ladungen höher ist.
(Das umgekehrte tritt auf, wenn C1<C2.)
In der Zeitdauer ϕ2 bleibt die Polarität der Vorspannung zur Erfassung,
die an die Erfassungskondensatoren 10a und 10b angelegt
ist, unverändert,
und währenddessen
wird der Schalter 21c gemäß dem Schaltansteuersignal
S1 geöffnet.
Somit tritt eine Ladungsübertragung
zwischen den Ladungen der beweglichen Elektroden 2d und
dem Negativ-Rückführungskondensator 21b auf.
Ein Spannungswert Vg1'' entsprechend dem
Zustand des Ladungsausgleiches wird von der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 ausgegeben.
Dieser Ausgangswert wird abgetastet und in der S&H-Schaltung 22a durch Ein- und Ausschalten
des Schalters 221b gemäß dem Schaltansteuersignal
S2 in einem vorbestimmten Zeitpunkt abgetastet.
-
In
der Zeitdauer ϕ3 der 5 wird der
Spannungspegel der Trägersignale
P1 und P2 invertiert. (P1 wird auf Lo invertiert, und P2 wird auf
Hi invertiert.) Der Schalter 21c wird gemäß dem Schaltansteuersignal
S1 geöffnet gehalten.
Der Zustand der Ladung der beweglichen Elektroden 2d wird
gegenüber
demjenigen in der Zeitdauer ϕ2 durch Invertieren der Trägersignale
P1 und P2 umgekehrt. Wenn die Beziehung C1>C2 gilt, wie es oben erwähnt ist,
werden die beweglichen Elektroden 2d durch Invertieren der
Spannung, die an die feste Elektroden 2a und 2b angelegt
wird, in einen Zustand gebracht, in dem die Menge der positiven
elektrischen Ladungen größer ist.
Da jedoch der Abschnitt zwischen den beweglichen Elektroden 2d und
dem Kondensator 21b eine geschlossene Schaltung ist und
die elektrischen Ladungen in der Zeitdauer ϕ1 gehalten
werden, tritt das Folgende auf: Elektrische Ladungen, die aus den
beweglichen Elektroden 2d aufgrund eines Ungleichgewichtes
der Ladungsmengen lecken, werden zum Kondensator 21b übertragen
und dort gespeichert. Wenn die Kapazität des Kondensators 21b konstant ist,
wird ein Spannungswert Vg2'' proportional zur Menge
der oben genannten Ladungsübertragung von
der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 aufgrund
der Beziehung Q=CV ausgegeben. Die Zeitdauer ϕ4 ist eine
Wartezeitdauer zum Stabilisieren des Spannungswerts Vg2'', und dieser Wert wird durch die S&H-Schaltung 22a zu
einem vorbestimmten Zeitpunkt, in dem Vs2 ausreichend stabilisiert
ist, abgetastet. Die Differenz zwischen dem Ausgangswert Vg1', der in der Zeitdauer ϕ2
abgetastet wird, und dem Ausgangswert Vg2', der in der Zeitdauer ϕ4 abgetastet
wird, wird einer Berechnung in dem Mikrocomputer 53 unterzogen.
(Beide Ausgangswerte sind diejenigen, die durch die Verstärkerschaltung 23b und
die LPF-Schaltung 23c gelangen.) Der Wert, der durch diese
Berechnung erhalten wird, wird als ein Beschleunigungsausgangswert
Vg ausgegeben, der einer Verschiebung der beweglichen Elektroden 2d entspricht.
In dieser Ausführungsform
berechnet der Mikrocomputer 53 die Differenz zwischen dem
ersten Abtastwert Vg1' und
dem zweiten Abtastwert Vg2'. Stattdessen
kann der folgende Aufbau, bei dem die Differenzberechnung durch
den Mikro computer nicht durchgeführt
wird, übernommen
werden: Der erste Abtastwert Vg1' und
der zweite Abtastwert Vg2' werden
in getrennten S&H-Schaltungen
gehalten. Jeder gehaltene Wert wird einer Differenzberechnung durch
eine Differenzverstärkerschaltung
oder Ähnlichem
unterzogen, um ein Beschleunigungssignal zu erzeugen.
-
In
Bezug auf die oben genannten Werte Vg1' und Vg2' besteht ein Problem. Der Versatzausgang, auf
dem die zu erfassende Beschleunigungswellenform basiert, kann variieren
aufgrund: der Verschlechterung durch Alterung der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21,
der Verstärkerschaltung 23b,
die stromab davon angeordnet ist, oder der LPF-Schaltung 22c;
der Sensorumgebungstemperatur; der Vorspannung aufgrund einer Gravitationsbeschleunigung
auf einem geneigten Grund oder Ähnlichem.
Diese Variation kann eine Ursache für Fehler bei der Beschleunigungserfassung
sein. Wenn der Schalter 21c geschlossen ist und beide Enden
des Negativ-Rückführungskondensators 21b in
der Schaltung der 4 kurzgeschlossen sind, wird
die Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 im Wesentlichen
zu derselben Schaltung wie ein Spannungsfolger. Theoretisch wird
eine Eingangsspannung von V/2 in den nicht invertierenden Eingangsanschluss
als eine Nullpunktspannung genommen, und es wird eine Versatzspannung,
die für
diese Schaltung eine besondere ist, ausgegeben. Der vorliegende
Versatzausgang kann durch Auslesen dieses Ausganges gelernt werden.
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Die
folgenden Maßnahmen
können
zum Beispiel durchgeführt
werden, bevor das Sensorsystem angebracht wird: Der Versatzausgangswert
wird durch das oben genannte Verfahren in einem Ruhezustand bei
einer Standardtemperatur T0 (zum Beispiel 20°C) gemessen. Dieser wird als
ein Standard-Versatzausgangswert VF(T0) in den EEPROM 54 geschrieben.
Nachdem die Verwendung des Sensorsystems ge startet wurde, kann der
Versatzausgangswert (das heißt
die Nullpunktdriften) aufgrund der folgenden Tatsachen variiert
werden: einer Verschlechterung aufgrund der Alterung der Beschleunigungssignalerzeugungsschaltung
einschließlich
der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 und einer Änderung
der Umgebungstemperatur. Wenn der Versatzausgangswert geändert wird,
kann die Größe der Nullpunktdrift
durch Messen des Versatzausgangswertes VF(T) und durch Vergleichen
des gemessenen Wertes mit dem oben genannten Standard-Versatzausgangswertes
VF(T0) nach Bedarf erfasst werden. Somit kann das Beschleunigungssignal
entsprechend der erfassten Größe der Nullpunktdrift
korrigiert werden.
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Die
Messung des Versatzausgangswertes VF(T) wird zum Beispiel durchgeführt, wenn
das Fahrzeug anhält.
Wie es in 4 dargestellt ist, kann in diesem
Fall durch Erhalten von Fahrzeuggeschwindigkeitsinformationen von
einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 56 festgestellt werden,
ob das Fahrzeug anhält
oder fährt.
Wenn der Versatzausgang VF(T) gemessen wird, wenn der Motor startet, werden
jedoch Fahrzeuggeschwindigkeitsinformationen nicht benötigt. Insbesondere
wird der folgende Betrieb durchgeführt: Beim Empfang eines Motorstartsignals
bestimmt der Mikrocomputer 53 dieses als Überprüfungszeitpunkt
und gibt ein Driftüberprüfungssignal
S1' durch den Signalausgangsanschluss D1
aus. Das Driftüberprüfungssignal
S1' wird zusammen
mit dem Schaltansteuersignal S1 zum Zurücksetzen der Ladungen des Negativ-Rückführungskondensators 21 an
einem Gatter 26 einem logischen ODER-Betrieb unterzogen.
Die logische Summe wird in den Schalter 21c eingegeben,
der danach geschlossen wird. Zu diesem Zeitpunkt gibt der Ausgang
der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 den Versatzausgangswert
aus, das heißt
den derzeitigen Versatzausgangswert VF(T) zu dem oben erwähnten Überprü fungszeitpunkt.
Daher kann er durch die S&H-Schaltung 22a abgetastet
werden.
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Hinsichtlich
der abgetasteten Beschleunigungssignalausgangswerte Vg1' und Vg2' kann die oben genannte
Korrektur in dem Mikrocomputer 53 mittels Software durchgeführt werden.
(Beide Beschleunigungssignalausgangswerte werden im Folgenden als
Vg'(T) bezeichnet,
um auf sie gemeinsam Bezug zu nehmen und anzuzeigen, dass der Wert
bei einer Temperatur T derselbe ist.) Die Aufgabe besteht darin,
den unkorrigierten Beschleunigungssignalausgangswert Vg'(T), dessen Nullpunkt bei
einer beliebigen Temperatur T gedriftet ist, in den Beschleunigungssignalwert
Vg(T0) zu wandeln, dessen Nullpunkt bei einer Standardtemperatur
T0 nicht gedriftet ist. Wenn die Nullpunktdrift bei der vorliegenden
Temperatur T mit Vk(T) bezeichnet wird, wird der unkorrigierte Beschleunigungssignalausgangswert
Vg'(T) durch den
folgenden Ausdruck ausgedrückt: Vg'(T) = α(ΔT) × (Vg(T0) + Vk(T) (1),wobei ΔT die Temperaturdifferenz
zwischen der Standardtemperatur T0 und der derzeitigen Temperatur
T ist, und α (ΔT) der Temperaturkoeffizient
von Vg(T0) ist, der experimentell entsprechend der Temperaturdifferenz ΔT bestimmt
wird. Der Wert von ΔT kann
durch Erlangen des gemessenen Temperaturwertes T von dem Temperatursensor 55 in 4 berechnet
werden.
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Die
Größe der Nullpunktdrift
Vk(T) ist ein Wert, der anzeigt, in welchem Ausmaß sich der
derzeitige Versatzausgangswert VF(T) in Bezug auf den Standard-Versatzausgangswert
VF(T0) geändert hat.
Der Standard-Versatzausgangswert VF(T0) kann durch Temperaturkorrektur
durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt werden: Vk(T) = VF(T) – α(ΔT) × VF(T0) (2)
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Entsprechend
den obigen Ausdrücken
(1) und (2) kann Vg(T0) wie folgt ausgedrückt werden: Vg(T0) = {Vg'(T) – Vk(T)}/α(ΔT)
=
[Vg'(T) – {VF(T) – α(ΔT) × VF(T0)}]/α(ΔT) (3)
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Der
Wert von α(ΔT) im Ausdruck
(3) wird in Bezug auf jeweilige verschiedene Temperaturdifferenzen ΔT experimentell
bestimmt. Danach wird er in dem EEPROM 54 in Form einer
Temperaturkoeffiziententabelle als die Korrekturtabelle 54a (die
die Korrekturinformationen bildet) gespeichert, wie es in 6 dargestellt
ist. Für
VF(T0) werden Werte, die gemessen werden, bevor das Sensorsystem
verwendet wird, in dem EEPROM 54 gespeichert. Daher kann
das Folgende durch Messen des derzeitigen Versatzausganges VF(T)
in einem Zustand, in dem keine Beschleunigung erzeugt wird, implementiert werden:
Vg'(T), das direkt
von der Beschleunigungssignalerzeugungsschaltung erhalten wird,
wird korrigiert, um den Beschleunigungssignalwert Vg(T0), der letztendlich
zu erhalten ist, gemäß den oben
genannten Größen α(ΔT), VF(T)
und Vk(T0) zu berechnen.
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Somit
weist das Beschleunigungssensorsystem für Fahrzeuge gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die Erfassungskondensatoren 10a, 10b,
die Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21,
den EEPROM 54 als die Standard-Versatzausgangswertspeichereinheit und
den Mikrocomputer 53 als die Nullpunktkorrektureinrichtung
auf.
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Die
Erfassungskondensatoren 10a, 10b verändern den
Abstand zwischen Elektrodenplatten unter Ausübung einer Beschleunigung.
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Die
Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 weist den Operationsverstärker 21a auf,
der mit dem Negativ-Rückführungskondensator 21b zur Ladungserfassung
versehen ist. Die Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 wird
mit einer invertierten Änderung
des Ladungsausgangs der Erfassungskondensatoren 10a, 10b gespeist,
wandelt diese in eine Spannung um und gibt diese als ein Beschleunigungssignal
aus.
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Die
Standard-Versatzausgangswertspeichereinheit speichert Standard-Versatzausgangswerte, die
Standardwerte für
den Versatzausgang der Beschleunigungssignalerzeugungsschaltung
sind, die aus der Signalverarbeitungsschaltung 22 und der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 besteht,
wenn beide Enden der Erfassungskondensatoren kurzgeschlossen sind.
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Die
Nullpunktkorrektureinrichtung schließt beide Enden des Negativ-Rückführungskondensators 21b zu
einem vorbestimmten Überprüfungszeitpunkt
kurz, wenn der Sensor verwendet wird. In diesem Zustand erfasst
die Korrektureinrichtung den Versatzausgang der Beschleunigungssignalerzeugungsschaltung
als derzeitigen Versatzausgangswert. Danach korrigiert die Korrektureinrichtung
den Nullpunkt des Beschleunigungssignals auf der Grundlage des Vergleiches
des Standard-Versatzausgangswertes mit dem derzeitigen Versatzausgangswert.
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Gemäß dem oben
erwähnten
Aufbau der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden zum Beispiel die folgenden Maßnahmen
durchgeführt,
bevor das Sensorsystem versendet wird: Beide Enden des Negativ-Rückführungskondensators 21b der
Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21,
die Beschleunigungssignale auf der Grundlage einer Änderung
des Ladungsausganges der Erfassungskondensatoren 10a, 10b ausgibt, werden
kurzgeschlos sen. Der Standardwert des Versatzausganges der Beschleunigungssignalerzeugungsschaltung,
der in diesem Zustand gemessen wird, wird als ein Standard-Versatzausgangswert
gespeichert. Beide Enden des Negativ-Rückführungskondensators 21b werden
zu einem vorbestimmten Zeitpunkt kurzgeschlossen, wenn der Sensor
verwendet wird. In diesem Zustand wird der Versatzausgang der Beschleunigungssignalerzeugungsschaltung
als derzeitiger Versatzausgangswert erfasst. Auf der Grundlage des
Vergleiches des Standard-Versatzausgangswertes mit dem derzeitigen Versatzausgangswert
wird der Nullpunkt der Beschleunigungssignale korrigiert. Mit diesem
Verfahren wird der derzeitige Versatzausgang der Signalverarbeitungsschaltung
jedes Mal durch Kurzschließen
des Negativ-Rückführungskondensators 21b zu einem
Zeitpunkt, in dem eine Überprüfung notwendig ist,
gemessen. Dieser wird mit dem Standard-Versatzausgangswert verglichen,
und somit kann mit Leichtigkeit und Zuverlässigkeit erfasst werden, in welchem
Ausmaß sich
der Versatzausgang gegenüber
dem Beschleunigungssignal, das in dem Standardzustand gemessen wird,
geändert
hat. Demzufolge können
Nullpunktdriften, die durch verschiedene Faktoren einschließlich dem
Altern und aufgrund von Temperatureigenschaften des Beschleunigungssensors
verursacht werden, zu einem beliebigen Zeitpunkt unabhängig davon,
ob sich das Fahrzeug in einer horizontalen Position befindet oder
nicht, korrigiert werden. Wenn nur der derzeitige Versatzausgang,
das heißt
der derzeitige Versatzausgangswert und der Standard-Versatzausgangswert,
der zuvor gemessen und gespeichert wurde, vorhanden sind, kann eine
Verarbeitung grundlegend alleine durch den Sensor ausgeführt werden.
Somit kann während einer
Korrektur die Abhängigkeit
von Fahrzeugsignalen minimiert werden. Mit dem kurzgeschlossenen Negativ-Rückführungskondensator 21b haben
die Kapazitäten
der Erfassungskondensatoren 10a, 10b keinen Einfluss
auf den Ausgang der Beschleunigungssignalerzeu gungsschaltung. Somit
hat sogar dann, wenn eine Gravitationsbeschleunigung eines geneigten
Grundes ausgeübt
im Hintergrund wird, diese keinen Einfluss auf einen Versatzausgang.
Daher ist eine Horizontalitätserfassung,
wie sie im Stand der Technik beschrieben ist, nicht notwendig.
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Für den Standard-Versatzausgangswert
wird ein Versatzausgangswert zu einem Bezugszeitpunkt, der einem Überprüfungszeitpunkt
vorhergeht, in chronologischer Reihenfolge gemessen. (Der Bezugszeitpunkt
ist vorzugsweise der Zeitpunkt, in dem das Sensorsystem neu oder
fast neu ist, zum Beispiel wenn das Sensorsystem versendet wird,
wie es oben erwähnt
ist.) Die Nullpunktkorrektureinrichtung ist so aufgebaut, dass sie
sekulare Driften in einem Versatzausgangswert während der Zeitdauer von dem Zeitpunkt
an, der dem Bezugszeitpunkt entspricht, bis zum Zeitpunkt, der dem Überprüfungszeitpunkt entspricht,
korrigiert. Eine Drift kann in dem Nullpunkt der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung
(oder der Beschleunigungssignalerzeugungsschaltung, die diese enthält) auftreten.
Die Drift kann durch einen Faktor im Laufe der Zeit von dem Bezugszeitpunkt an,
bei dem der Standard-Versatzausgangswert gemessen wird, verursacht
werden. Sogar wenn eine derartige Drift auftritt, kann sie durch
den oben genannten Aufbau der Nullpunktkorrektureinrichtung zuverlässig korrigiert
werden.
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Es
gibt verschiedene einfache Verfahren zum Schalten des Zustandes
beider Enden des Negativ-Rückführungskondensators 21b der
Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 zwischen einem
Kurzschluss und einem Nicht-Kurzschluss zur Nullpunktkorrektur.
Ein Beispiel für
ein derartiges Verfahren ist ein Aufbau, bei dem ein Schaltabschnitt
zum Kurzschließen
des Negativ-Rückführungskondensators 21b in
einem Kurzschlusspfad zum Kurzschließen beider Enden des Kurzschließen beider
Enden des Negativ-Rückführungskondensators 21b der
Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung 21 vorgesehen ist.
In diesem Fall kann die Nullpunktkorrektureinrichtung so aufgebaut
sein, dass sie mit einer Schaltsteuereinrichtung versehen ist. Die
Schaltsteuereinrichtung hält
den Schaltabschnitt zum Kurzschließen des Negativ-Rückführungskondensators 21b im
normalen Betrieb, in dem die Beschleunigungserfassung durchgeführt wird,
geöffnet.
Die Schaltsteuereinrichtung schließt den Schaltabschnitt zum
Kurzschließen des
Negativ-Rückführungskondensators 21b zum Überprüfungszeitpunkt.
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Der
Versatzausgang des Beschleunigungssensors wird stark durch die Umgebungstemperatur, bei
der der Sensor verwendet wird, beeinflusst, wie es oben erwähnt ist.
Daher kann die Nullpunktkorrektureinrichtung wirksam derart aufgebaut
sein, dass sie eine Einrichtung zum Korrigieren des Sensorausgangs
hinsichtlich der Temperatur aufweist. In diesem Fall kann für den Standard-Versatzausgangswert
ein Wert verwendet werden, der bei einer Bezugstemperatur (bestimmte
Raumtemperatur, zum Beispiel 20°C)
gemessen wird. Die Einrichtung zum Korrigieren der Temperatur kann
so aufgebaut sein, dass sie aufweist: den Temperatursensor 55,
den EEPROM 54 als die Korrekturinformationsspeichereinheit,
die die Informationen über
Einzelheiten einer Korrektur speichert, die für den Sensorausgang bei verschiedenen
Temperaturen durchgeführt
wurde, den Mikrocomputer 53 als eine Korrekturberechnungseinrichtung,
die Bezug auf Korrekturinformationen nimmt, die in der Korrekturinformationsspeichereinheit
gespeichert sind, und einen Versatz für einen Sensorausgang auf der
Grundlage des erfassten Temperaturwertes, der von dem Temperatursensor 55 zum Überprüfungszeitpunkt
erfasst wird, berechnet. Somit können
zusätzlich
gleichzeitig zu Driftkomponenten aufgrund einer Alterung, einer
Gravitationsbe schleunigung auf einer geneigten Fläche oder Ähnlichem
Driftkomponenten aufgrund einer Temperatur korrigiert werden. Demzufolge
kann die Genauigkeit der Beschleunigungsmessung weiter verbessert
werden.
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Derartige Änderungen
und Modifikationen liegen innerhalb des Bereiches der Erfindung,
der durch die zugehörigen
Ansprüche
definiert ist.