DE102013211983A1

DE102013211983A1 - Trägheitssensor

Info

Publication number: DE102013211983A1
Application number: DE102013211983.6A
Authority: DE
Inventors: Daisuke Maeda; Heewon JEONG; Masahide Hayashi
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2014-01-02
Also published as: US9557345B2; JP5963567B2; US20130340524A1; JP2014006182A

Abstract

In einem Trägheitssensor umfasst ein Beschleunigungssensorelementabschnitt einen ersten beweglichen Abschnitt 11, der dazu konfiguriert ist, auf eine darauf aufgebrachte Beschleunigung zu reagieren, und eine Diagnoseelektrode 12, die dazu konfiguriert ist, den ersten beweglichen Abschnitt 11 mit einer elektrostatischen Kraft gemäß dem Anlegen der Spannung von einem Steuerschaltungsabschnitt F zu verlagern. Ein Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 umfasst einen zweiten beweglichen Abschnitt 21, der dazu konfiguriert ist, auf eine darauf aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit zu reagieren, und eine Ansteuerelektrode 22, die dazu konfiguriert ist, den zweiten beweglichen Abschnitt 21 mit einer elektrostatischen Kraft gemäß dem Anlegen der Spannung vom Steuerschaltungsabschnitt F zu verlagern. Ein in die Ansteuerelektrode 22 eingegebenes Spannungssignal und ein in die Diagnoseelektrode 12 eingegebenes Spannungssignal sind dasselbe Spannungssignal. Das in die Diagnoseelektrode (12) eingegebene Spannungssignal ist ein Signal zum Detektieren eines mechanischen Ausfalls. Ein Trägersignal zum Detektieren einer Verlagerung des ersten beweglichen Abschnitts (11) weist eine Frequenz auf, die höher ist als eine Frequenz eines an die Diagnoseelektrode (12) angelegten Signals.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kombinierten Sensor, der eine Beschleunigung und eine Winkelgeschwindigkeit detektiert, und insbesondere auf eine Technik, die effektiv auf die Konfiguration eines Trägheitssensors angewendet wird, der eine Funktion zum Detektieren der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Ausfalls oder einer Anomalität umfasst und eine hohe Zuverlässigkeit schafft.
STAND DER TECHNIK
Gemäß der Entwicklung der Halbleiter-Mikrobearbeitungstechnik und der Technik integrierter Schaltungen wurde ein Sensor eines Typs, der MEMS (mikroelektromechanische Systeme) genannt wird, der eine Trägheit detektiert, entwickelt. Insbesondere ist eine Anwendung der Sensorvorrichtung auf das Kraftfahrzeuggebiet in Gang.
In einem Winkelgeschwindigkeitssensor wird beispielsweise, da der MEMS-Sensor eine Eigenschaft aufweist, dass der MEMS-Sensor kostengünstiger und mit einer kleineren Größe hergestellt werden kann als ein faseroptischer Kreisel, in dem eine Lichtleitfaser in der Vergangenheit verwendet wird, der MEMS-Sensor umfangreich auf neue Fahrzeugsteuersysteme wie z. B. ein elektronisches Stabilitätssteuersystem und ein Überrolldetektionssystem für Verbraucherkraftfahrzeuge angewendet.
In einem Beschleunigungssensor weist der MEMS-Sensor eine Eigenschaft auf, dass der MEMS-Sensor für Verwendungen wie z. B. Kollisionsdetektion und Aufhängungssteuerung mit einer kleinen Größe hergestellt werden kann, es wurde ein neues Anwendungsverfahren zum Befestigen von mehreren Modulen an verschiedenen Stellen eines Fahrzeugs und Verwirklichen einer feinen Steuerung entwickelt.
In den letzten Jahren ist ferner eine Aktivität zum Vorantreiben einer Kostenverringerung gemäß dem ”Kombinieren” zum Verwirklichen von mehreren Detektionen von physikalischen Größen mit einem Sensormodul oder einem Detektionselementchip in Gang. Dies hat die Anwendung der Fahrzeugsteuersysteme, die nur an einem Luxusauto angebracht sind, auf ein gängiges Auto ermöglicht.
In diesen Sensoren für am Fahrzeug angebrachte Anwendungen ist es jedoch wahrscheinlich, dass ein Ausfall der Sensoren zu einem schweren Unfall führt. Daher ist es erwünscht, nicht nur eine Ausfallereignisrate zu verringern, sondern auch eine ”Ausfalldetektionsfunktion” zu schaffen, um, wenn ein Sensorausfall auftreten sollte, einem Hauptrechnersystem den Ausfall sofort zu melden. Eine solche Ausfalldetektionsfunktion ist jedoch nicht immer für einen Trägheitssensor für sogenannte elektronische Vorrichtungen wie z. B. ein tragbares Informationsendgerät und eine Spielmaschine erforderlich. Daher verursacht das Hinzufügen einer solchen Funktion zum Detektieren eines Ausfalls eine Erhöhung der Herstellungskosten und der Einstellungskosten für die Sensoren für am Fahrzeug angebrachte Anwendungen.
JP-A-2005-114394 (Patentliteratur 1) offenbart beispielsweise in einem Trägheitssensor mit einem Detektionselement 6 eine Konfiguration zum Anlegen einer Wechselstrom-Signalvorspannung an eine Komponente, die einem Synchronisationsdemodulator 24 vorangeht, insbesondere an das Detektionselement 6, um dadurch einen Ausfall wie z. B. einen Bruch eines Drahts oder einen Erdschluss zu detektieren, der im Detektionselement 6 oder in einer Detektionsschaltung 27 auftreten könnte. Um das vorstehend erläuterte Problem zu lösen, insbesondere um die Herstellungskosten zu verringern, offenbart die Patentliteratur 1 in einem Trägheitssensor, der einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit einer selbsterregten Schwingungsschleifenschaltung umfasst, von der eine Erregungsfrequenz einer Signalspannung der selbsterregten Erregungsschleife gleich oder niedriger als 50 kHz ist, und eine Beschleunigung und eine Winkelgeschwindigkeit detektiert, eine Konfiguration zur Verwendung der Signalspannung der selbsterregten Schwingungsschleife des Winkelgeschwindigkeitssensors als Wechselstrom-Signalvorspannung des Beschleunigungssensors. Bei dieser Technik ist eine Schaltung zum Erzeugen der Wechselstrom-Signalvorspannung des Trägheitssensors unnötig gemacht. Daher wird in Betracht gezogen, dass die Herstellungskosten verringert werden können.
JP-A-2011-95104 (Patentliteratur 2) offenbart in einem Sensor vom Kapazitätstyp eine Konfiguration zum elektrischen Trennen eines kapazitiven Elements C1 und eines kapazitiven Elements C2, die eine Kapazitätsänderung aufgrund einer Verlagerung eines Detektionselements detektieren, und eines kapazitiven Elements C3 und eines kapazitiven Elements C4, die einen Abschnitt zum Erzeugen einer erzwungenen Schwingung konfigurieren. Das heißt, ein Spannungssignal zum Bewirken, dass das kapazitive Element C3 und das kapazitive Element C4, die eine erzwungene Schwingung erzeugen, eine elektrostatische Kraft erzeugen, wird an einen beweglichen Abschnitt des Detektionselements angelegt. Mit dieser Konfiguration wird der bewegliche Abschnitt physikalisch verlagert und diese Verlagerung wird durch das kapazitive Element C1 und das kapazitive Element C2 detektiert. Folglich ist es möglich, einen mechanischen Ausfall des Detektionselements wie z. B. Hängenbleiben und Bruch eines Balkens zu detektieren. In der Konfiguration wird ein Spannungssignal zum Bewirken einer erzwungenen Schwingung für eine Diagnose im Detektionselement nicht überlagert. Die jeweiligen Signale werden von verschiedenen Elementen gegeben. Daher besteht kein Nebensprechen eines Diagnosesignals mit einem Detektionssignal und eine Versatzschwankung tritt nicht auf. Dies ist hinsichtlich des Verhinderns einer Fehldiagnose des Sensors wirksam.
Der Erfinder untersuchte den Stand der Technik der Patentliteratur 1 und Patentliteratur 2. Als Ergebnis wurden die nachstehend erläuterten Probleme verdeutlicht.
In der Konfiguration zur Verwendung der Signalspannung der selbsterregten Schwingungsschleife des Winkelgeschwindigkeitssensors als Wechselstrom-Signalvorspannung des Trägheitssensors wie in der in der Patentliteratur 1 beschriebenen Technik wird beispielsweise eine Konfiguration, um eine Schaltung zur Erzeugung der Wechselstrom-Signalvorspannung des Trägheitssensors unnötig zu machen, verwirklicht. Da jedoch der bewegliche Abschnitt des Detektionselements nicht tatsächlich bewegt wird, kann eine Empfindlichkeitsänderung oder eine Resonanzfrequenzänderung aufgrund von Hängenbleiben des Detektionselements oder eines Bruchs eines Balkens nicht detektiert werden. Das heißt, selbst wenn das Hängenbleiben auftritt und der Trägheitssensor in einen Zustand fällt, in dem der Trägheitssensor keine Trägheitsänderung detektieren kann, kann dieser Zustand nicht erkannt werden und eine Fehlererkennung, dass ”der Trägheitssensor sich in einem normalen Zustand befindet”, tritt auf.
In der Konfiguration zum Erteilen einer erzwungenen Schwingung und Detektieren eines mechanischen Ausfalls wie z. B. Hängenbleiben wie in der in der Patentliteratur 2 beschriebenen Technik bestehen Nachteile, wenn eine Resonanzfrequenz eines Zieldetektionselements hoch ist, das heißt unter einer Bedingung, unter der der bewegliche Abschnitt unter Verwendung eines harten Balkens abgestützt ist. Nachteile treten beispielsweise insofern auf, als Herstellungskosten geopfert werden oder die Kosten des Detektionselements geopfert werden, beispielsweise wird, um eine starke elektrostatische Kraft zum Bewegen des Detektionselements zu erzeugen, (1) das Ansteuerspannungssignal zum Bewirken der Schwingung auf eine hohe Spannung gesetzt und (2) eine große Fläche einer Elektrode wird sichergestellt, um die Kapazität der kapazitiven Elemente zu erhöhen. Insbesondere treten solche Bedingungen in einem Beschleunigungssensor mit einem harten Balken, das heißt einem Beschleunigungssensor mit einem hohen Bereich, beispielsweise einem Detektionsbereich wie z. B. mehreren zehn G (1G ist die Gravitationsbeschleunigung von 9,8 m/s²) bis mehreren hundert G, auf. Als Anwendungsbeispiel des Beschleunigungssensors ist ein Beschleunigungssensor für die Detektion einer großen Beschleunigung wie z. B. ”Kollisionsdetektion” zum Detektieren des Zeitpunkts zum Betätigen eines Airbags relevant.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher wurde die vorliegende Erfindung entwickelt, um das Problem zu lösen, dass die Herstellungskosten beim Verwirklichen einer mechanischen Diagnose des Beschleunigungssensors mit dem harten Balken steigen. Eine repräsentative Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, in einem Trägheitssensor, der eine Beschleunigung und eine Winkelgeschwindigkeit detektiert, eine Technik zum Verwirklichen einer mechanischen Ausfalldiagnose eines Beschleunigungssensors mit einem harten Balken zum Detektieren eines hohen Bereichs mit niedrigen Kosten zu schaffen.
Die Aufgabe und die vorstehend erläuterten Eigenschaften und andere Aufgaben und neue Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung dieser Patentbeschreibung und den begleitenden Zeichnungen ersichtlich gemacht.
Unter Erfindungen, die in dieser Anmeldung offenbart sind, sind Übersichten von repräsentativen Erfindungen wie nachstehend kurz erläutert.
Ein repräsentativer Trägheitssensor umfasst einen Beschleunigungssensor, einen Winkelgeschwindigkeitssensor und eine Steuerschaltung, die dazu konfiguriert ist, den Beschleunigungssensor und den Winkelgeschwindigkeitssensor zu steuern. Der Trägheitssensor weist die nachstehend erläuterten Eigenschaften auf. Der Beschleunigungssensor umfasst: einen ersten beweglichen Abschnitt, der dazu konfiguriert ist, auf eine darauf aufgebrachte Beschleunigung zu reagieren; und eine erste Elektrode, die dazu konfiguriert ist, den ersten beweglichen Abschnitt mit einer elektrostatischen Kraft gemäß dem Anlegen der Spannung von der Steuerschaltung zu verlagern. Der Winkelgeschwindigkeitssensor umfasst: einen zweiten beweglichen Abschnitt, der dazu konfiguriert ist, auf eine darauf aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit zu reagieren; und eine zweite Elektrode, die dazu konfiguriert ist, den zweiten beweglichen Abschnitt mit einer elektrostatischen Kraft gemäß dem Anlegen der Spannung von der Steuerschaltung zu verlagern. Ein in die zweite Elektrode des Winkelgeschwindigkeitssensors eingegebenes Spannungssignal und ein in die erste Elektrode des Beschleunigungssensors eingegebenes Spannungssignal sind dasselbe Spannungssignal. Das in die erste Elektrode des Beschleunigungssensors eingegebene Spannungssignal ist ein Signal zum Detektieren eines mechanischen Ausfalls. Ein Trägersignal zum Detektieren der Verlagerung des ersten beweglichen Abschnitts des Beschleunigungssensors weist eine Frequenz auf, die höher ist als eine Frequenz eines an die erste Elektrode angelegten Signals.
Ein durch die repräsentativen Erfindungen unter den in dieser Anmeldung offenbarten Erfindungen erhaltener Effekt ist wie nachstehend kurz erläutert.
Der repräsentative Effekt besteht darin, dass im Trägheitssensor, der eine Beschleunigung und eine Winkelgeschwindigkeit detektiert, es möglich ist, mit niedrigen Kosten eine mechanische Ausfalldiagnose des Beschleunigungssensors mit einem harten Balken zum Detektieren eines hohen Bereichs zu verwirklichen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration eines Trägheitssensors in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Diagramm, das im Einzelnen ein Beispiel der Konfiguration eines Beschleunigungssensorelementabschnitts eines Beschleunigungsdetektionschips und eines Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts eines Winkelgeschwindigkeitsdetektionschips in dem in 1 gezeigten Trägheitssensor zeigt;
3 ist ein Diagramm, das im Einzelnen ein Beispiel der Konfiguration eines Steuerschaltungsabschnitts eines Steuerschaltungschips, der mit dem Beschleunigungsdetektionschip und dem Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip in dem in 1 gezeigten Trägheitssensor verbunden ist, zeigt;
4 ist ein Graph, der ein Beispiel von Frequenzantworten eines Winkelgeschwindigkeitssensors, eines Beschleunigungssensors des hohen Bereichs und eines Beschleunigungssensors des niedrigem Bereichs in der Erläuterung des in 1 gezeigten Trägheitssensors zeigt;
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration einer Modifikation des in 2 gezeigten Trägheitssensors zeigt, wobei der Beschleunigungssensorelementabschnitt und der Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt in demselben Chip untergebracht sind;
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration einer Modifikation des in 3 gezeigten Trägheitssensors zeigt, wobei eine Steuerung mit konstanter Amplitude bei einer Diagnose des Beschleunigungssensorelementabschnitts durchgeführt wird;
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration eines Beschleunigungssensor-Steuerschaltungsabschnitts und eines Winkelgeschwindigkeitssensor-Steuerschaltungsabschnitts, von denen eine digitale Taktquelle ein Takt ist, in einem Trägheitssensor in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration eines Beschleunigungssensor-Steuerschaltungsabschnitts und eines Winkelgeschwindigkeitssensor-Steuerschaltungsabschnitts, die sich einen Teil einer Schaltung in einer Zeitmultiplexweise teilen, in einem Trägheitssensor in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Querschnitten eines Beschleunigungssensorelementabschnitts und eines Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts in einem Trägheitssensor in einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration des Beschleunigungssensorelementabschnitts und des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts in 9 in einer Draufsicht zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In den nachstehend erläuterten Ausführungsformen wird, wenn es der Zweckmäßigkeit halber erforderlich ist, eine Ausführungsform in mehrere Abschnitte oder Ausführungsformen unterteilt und erläutert. Außer wenn speziell deutlich angegeben, stehen jedoch die Abschnitte oder die Ausführungsformen nicht in einer unverwandten Beziehung zueinander, sondern stehen in einer Beziehung, wobei eine eine Modifikation, Details, eine zusätzliche Erläuterung oder dergleichen eines Teils oder alles der anderen ist. In den nachstehend erläuterten Ausführungsformen ist, wenn auf die Zahl und dergleichen (einschließlich der Anzahl, eines Zahlenwerts, einer Menge und eines Bereichs) von Elementen Bezug genommen wird, außer beispielsweise wenn speziell deutlich angegeben und wenn die Zahl im Prinzip deutlich auf eine spezifische Zahl begrenzt ist, die Zahl nicht auf die spezifische Zahl begrenzt und kann gleich oder größer als oder gleich oder kleiner als die spezifische Zahl sein.
In den nachstehend erläuterten Ausführungsformen sind natürlich ferner, außer wenn beispielsweise speziell deutlich angegeben und wenn es als im Prinzip offensichtlich wesentlich betrachtet wird, Bestandteilselemente (einschließlich Elementschritten) der Ausführungsformen nicht immer wesentlich. Ebenso, wenn in den Ausführungsformen auf Formen, eine Positionsbeziehung und dergleichen der Elemente und dergleichen Bezug genommen wird, außer wenn beispielsweise speziell deutlich angegeben, und wenn es als offensichtlich unwahrscheinlich betrachtet wird, umfassen die Formen und dergleichen jene, die zu diesen im Wesentlichen annähernd gleich oder ähnlich sind. Dies gilt hinsichtlich der Zahlenwerte und des Bereichs.
Überblick über Ausführungsformen
Zuerst wird ein Überblick über Ausführungsformen erläutert. Im Überblick der Ausführungsformen werden als Beispiel Bestandteilselemente erläutert, wobei Bestandteilselemente, die diesen in den Ausführungsformen entsprechen, und Bezugsziffern und -zeichen in Klammern gezeigt sind.
Ein repräsentativer Trägheitssensor in einer Ausführungsform umfasst einen Beschleunigungssensor (einen Beschleunigungssensorelementabschnitt 1), einen Winkelgeschwindigkeitssensor (einen Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2) und eine Steuerschaltung (einen Steuerschaltungsabschnitt F), die dazu konfiguriert ist, den Beschleunigungssensor und den Winkelgeschwindigkeitssensor zu steuern. Der Trägheitssensor weist die nachstehend erläuterten Eigenschaften auf. Der Beschleunigungssensor umfasst: einen ersten beweglichen Abschnitt (einen beweglichen Abschnitt 11), der dazu konfiguriert ist, auf eine darauf aufgebrachte Beschleunigung zu reagieren; und eine erste Elektrode (Diagnoseelektroden 12), die dazu konfiguriert ist, den ersten beweglichen Abschnitt mit einer elektrostatischen Kraft gemäß dem Anlegen der Spannung von der Steuerschaltung zu verlagern. Der Winkelgeschwindigkeitssensor umfasst: einen zweiten beweglichen Abschnitt (einen beweglichen Abschnitt 21), der dazu konfiguriert ist, auf eine darauf aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit zu reagieren; und eine zweite Elektrode (Ansteuerelektroden 22), die dazu konfiguriert ist, den zweiten beweglichen Abschnitt mit einer elektrostatischen Kraft gemäß dem Anlegen der Spannung von der Steuerschaltung zu verlagern. Ein in die zweite Elektrode des Winkelgeschwindigkeitssensors eingegebenes Spannungssignal und ein in die erste Elektrode des Beschleunigungssensors eingegebenes Spannungssignal sind dasselbe Spannungssignal. Das in die erste Elektrode des Beschleunigungssensors eingegebene Spannungssignal ist ein Signal zum Detektieren eines mechanischen Ausfalls. Ein Trägersignal zum Detektieren einer Verlagerung des ersten beweglichen Abschnitts des Beschleunigungssensors weist eine Frequenz auf, die höher ist als eine Frequenz eines an die erste Elektrode angelegten Signals.
Ausführungsformen auf der Basis des Überblicks der vorstehend erläuterten Ausführungsform werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen im Einzelnen erläutert. In allen Figuren zum Erläutern der Ausführungsformen sind als allgemeine Regel dieselben Elemente mit denselben Bezugsziffern und -zeichen bezeichnet und auf eine wiederholte Erläuterung der Elemente wird verzichtet.
In den Ausführungsformen wird als Beispiel ein Trägheitssensor, der eine uniaxiale Beschleunigungsdetektion und eine uniaxiale Winkelgeschwindigkeitsdetektion verwirklicht, erläutert. Eine in dieser Patentbeschreibung erläuterte Technik ist nicht immer auf die vorstehend erläuterte Konfiguration begrenzt und kann eine Konfiguration mit mehreren Detektionsachsen oder mit einer Konfiguration zum Detektieren von anderen physikalischen Größen als einer Beschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit sein.
Erste Ausführungsform
Ein Trägheitssensor in einer ersten Ausführungsform wird mit Bezug auf 1 bis 6 erläutert.
Konfiguration des Trägheitssensors
Zuerst wird die Konfiguration des Trägheitssensors in dieser Ausführungsform mit Bezug auf 1 erläutert. 1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration des Trägheitssensors zeigt. 1 ist eine Baugruppenform zum Verwirklichen des Trägheitssensors. In 1 bezeichnet das Bezugszeichen A ein externes Gehäuse, B1 bezeichnet einen Beschleunigungsdetektionschip mit einem Beschleunigungssensorelementabschnitt 1, B2 bezeichnet einen Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip mit einem Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2, C bezeichnet einen Steuerschaltungschip und D bezeichnet Kontaktstellen (Elektroden) auf den Chips. Unter den Kontaktstellen D bezeichnet insbesondere das Bezugszeichen D1 Kontaktstellen für einen Diagnosespannungseingang zum Empfangen einer Diagnosespannung für den Beschleunigungsdetektionschip B1, D2 bezeichnet Kontaktstellen für einen Ansteuerspannungseingang zum Empfangen einer Ansteuerspannung für den Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip B2 und D3 bezeichnet Kontaktstellen für einen Ansteuerspannungsausgang zum Ausgeben einer Ansteuerspannung des Steuerschaltungschips C. Ferner bezeichnet das Bezugszeichen E Bonddrähte, F bezeichnet einen Steuerschaltungsabschnitt im Steuerschaltungschip C, G bezeichnet eine externe Leistungsversorgung, die von außen zugeführt wird, H bezeichnet einen Reguliererschaltungsabschnitt, der im Steuerschaltungschip C enthalten ist und dazu konfiguriert ist, die externe Leistungsversorgung G einzustellen, I bezeichnet ein Ausgangssignal und J bezeichnet einen Ausgangssignalerzeugungsabschnitt, der im Steuerschaltungschip C enthalten ist und dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal zu erzeugen.
In dieser Ausführungsform wird ein Trägheitssensor eines kombinierten Sensors, der eine uniaxiale Beschleunigungsdetektion und eine uniaxiale Winkelgeschwindigkeitsdetektion verwirklicht, verwendet. Der Trägheitssensor umfasst den Beschleunigungsdetektionschip B1, der im externen Gehäuse A untergebracht ist und den Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 umfasst, den Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip B2 mit dem Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 und den Steuerschaltungschip C. Der Beschleunigungsdetektionschip B1, der Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip B2 und der Steuerschaltungschip C sind durch die Bonddrähte E, die die Kontaktstellen D auf den Chips verbinden, elektrisch verbunden.
Das externe Gehäuse A ist ein Gehäuse zum Aufnehmen von verschiedenen Komponenten des Trägheitssensors. Ein Verfahren zum Ummanteln der Komponenten mit einem Material wie z. B. Kunststoff oder Keramik kann verwendet werden oder ein Einkapselungsverfahren zum Füllen eines Materials wie z. B. eines Harzes, das Transferformgehäuse genannt wird, kann verwendet werden. In jedem Fall bestehen Vorteile wie z. B. Bequemlichkeit und Herstellungskostenverringerung, da zwei Arten von Trägheit und Beschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit durch eine Baugruppe erhalten werden können.
Der Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 ist auf dem Beschleunigungsdetektionschip B1 hergestellt. Der Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 ist auf dem Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip B2 hergestellt. Dieses Verfahren zum Bilden einer Baugruppe ist jedoch nur ein Beispiel. Wie nachstehend erläutert, können beispielsweise der Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 und der Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 auf demselben Chip hergestellt werden.
Der Steuerschaltungschip C ist eine sogenannte IC (integrierte Schaltung) mit einer Leistungsversorgungsschaltung, einem Oszillator, einer C/V-Umsetzungsschaltung (Kapazität/Spannungs-Umsetzungsschaltung) und einer ADC-Schaltung (Analog/Digital-Umsetzungsschaltung). Der Steuerschaltungschip C ist eine IC, die durch Integrieren einer Schaltung erhalten wird, die den Beschleunigungssensorelementabschnitt 1, der auf dem Beschleunigungsdetektionschip B1 hergestellt ist, und den Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2, der auf dem Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip B2 hergestellt ist, steuert und eine Funktion zum Messen der Trägheit wie z. B. Beschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit schafft.
Auf dem Steuerschaltungschip C ist ein Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J, der dazu konfiguriert ist, eine Funktion zum Ausgeben eines Messergebnisses der Messung zur Außenseite als Ausgangssignal I durchzuführen, auch hergestellt. Der Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J kann an der Außenseite des externen Gehäuses A eingerichtet sein, im externen Gehäuse A aufgenommen sein oder in den Steuerschaltungsabschnitt F integriert sein.
Der Steuerschaltungschip C kann in zwei oder mehr Chips unterteilt sein, um den Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 und den Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 unabhängig voneinander zu steuern. Wie nachstehend erläutert, können jedoch die Vorteile der vorliegenden Erfindung deutlich erhalten werden, wenn die Chips einen Takt und ein Signal gemeinsam verwenden. Daher ist der Steuerschaltungschip C wünschenswerterweise als ein Chip integriert. Irgendeiner des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 und des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 oder beide können auf dem Steuerschaltungschip C hergestellt sein. Ein solches Verfahren zur Bildung einer Baugruppe wird ”Oberflächen-MEMS” oder ”CMOS-kompatibles MEMS” genannt und ist eine Technik zum Konfigurieren eines beweglichen Körpers auf einem integrierten Schaltungschip. Selbst wenn diese Ausführungsform unter Verwendung einer solchen Technik verwirklicht wird, weicht die Ausführungsform nicht vom Wesentlichen der vorliegenden Erfindung ab.
Die Kontaktstellen D, die auf dem Beschleunigungsdetektionschip B1, dem Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip B2 und dem Steuerschaltungschip C vorhanden sind, sind Elektrodenabschnitte, die dazu konfiguriert sind, die Bonddrähte E zum Austauschen von elektrischen Signalen zwischen den jeweiligen Chips zu verbinden. In dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Kontaktstellen D auf einer Seite der Chips (der Oberseite des Beschleunigungsdetektionschips B1, der Unterseite des Winkelgeschwindigkeitsdetektionschips B2 und der linken Seite des Steuerschaltungschips C) angeordnet. Insbesondere sind die Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3 zum Ausgeben einer Ansteuerspannung des Steuerschaltungschips C mit den Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1 zum Empfangen einer Diagnosespannung für den Beschleunigungsdetektionschip B1 und den Kontaktstellen für den Ansteuerspannungseingang D2 zum Empfangen einer Ansteuerspannung für den Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip B2 parallel verbunden. Die Kontaktstellenfunktionen der Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1, der Kontaktstellen für den Ansteuerspannungseingang D2 und der Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3 werden nachstehend erläutert. Als Verbindung der Chips können die Chips direkt durch die Bonddrähte E verbunden sein, wie in 1 gezeigt, oder können über eine Verdrahtungsschaltung im Gehäuse verbunden sein.
Eine Leistungsversorgung für das externe Gehäuse A, d. h. den Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 und den Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2, ist eine externe Leistungsversorgung G, die zum externen Gehäuse A zugeführt wird. Die von außen zugeführte externe Leistungsversorgung G führt eine Umsetzung in eine geeignete Spannung und die Entfernung von Rauschen in der Leistungsversorgungsschaltung durch, die im Reguliererschaltungsabschnitt H auf dem Steuerschaltungschip C enthalten ist. Als Mechanismus zum Einstellen der Leistungsversorgung kann ein externes Reguliererelement oder dergleichen verwendet werden.
Konfiguration des Beschleunigungsdetektionschips
Die Konfiguration des Beschleunigungsdetektionschips B1 im Trägheitssensor wird mit Bezug auf 2 erläutert. 2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 des Beschleunigungsdetektionschips B1 und des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 des Winkelgeschwindigkeitsdetektionschips B2 im Einzelnen zeigt. In 2 bezeichnet als Komponenten, die speziell auf den Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 des Beschleunigungsdetektionschips B1 bezogen sind, die Bezugsziffer 11 einen beweglichen Abschnitt, 12 bezeichnet Diagnoseelektroden zum Verlagern des beweglichen Abschnitts 11 mit einer elektrostatischen Kraft, 13 bezeichnet Balken, die dazu konfiguriert sind, den beweglichen Abschnitt 11 abzustützen, und 14 bezeichnet Detektionselektroden, die dazu konfiguriert sind, eine Verlagerung des beweglichen Abschnitts 11 als Änderung der Kapazität der Elektroden zu detektieren.
In 2 umfasst der Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 den beweglichen Abschnitt 11, der in der Mitte angeordnet ist, zwei Diagnoseelektroden 12, die an der Unterseite angeordnet sind, um den beweglichen Abschnitt 11 links und rechts zu halten, zwei Detektionselektroden 14, die an der Oberseite angeordnet sind, um den beweglichen Abschnitt 11 links und rechts zu halten, und zwei Balken 13, die dazu konfiguriert sind, die Mitte des beweglichen Abschnitts 11 links und rechts abzustützen. Der bewegliche Abschnitt 11, die Diagnoseelektroden 12 und die Detektionselektroden 14 sind jeweils mit den Kontaktstellen D elektrisch verbunden. Die Diagnoseelektroden 12 sind beispielsweise mit den Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1 verbunden.
Konfiguration des Winkelgeschwindigkeitsdetektionschips
Die Konfiguration des Winkelgeschwindigkeitsdetektionschips B2 im Trägheitssensor wird mit Bezug auf 2 erläutert. In 2 bezeichnet als Komponenten, die speziell auf den Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 des Winkelgeschwindigkeitssensorchips B2 bezogen sind, die Bezugsziffer 21 einen beweglichen Abschnitt, 22 bezeichnet Ansteuerelektroden, die dazu konfiguriert sind, eine elektrostatische Kraft zur Vibration des beweglichen Abschnitts 21 aufzubringen, 23 bezeichnet Überwachungselektroden, die dazu konfiguriert sind, eine Antriebsrichtungsverlagerung des beweglichen Abschnitts 21 als Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden zu detektieren, 24 bezeichnet Balken, die dazu konfiguriert sind, den beweglichen Abschnitt 21 abzustützen, und 25 bezeichnet Detektionselektroden, die dazu konfiguriert sind, als Änderung der Kapazität der Elektroden eine Verlagerung in einer Detektionsrichtung, die zu einer Antriebsrichtung senkrecht ist, zu detektieren, die durch eine Coriolis-Kraft verursacht wird, die durch ein Aufbringen einer Winkelgeschwindigkeit auf den beweglichen Abschnitt 21 erzeugt wird.
In 2 umfasst der Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 den beweglichen Abschnitt 21, der in der Mitte angeordnet ist, zwei Ansteuerelektroden 22, die auf der Unterseite angeordnet sind, um den beweglichen Abschnitt 21 links und rechts zu halten, zwei Überwachungselektroden 23, die an der Oberseite angeordnet sind, um den beweglichen Abschnitt 21 links und rechts zu halten, zwei Detektionselektroden 25, die angeordnet sind, um den beweglichen Abschnitt 21 über und unter dem beweglichen Abschnitt 21 zu halten, und vier Balken 24, die dazu konfiguriert sind, die vier Ecken des beweglichen Abschnitts 21 in vier Richtungen abzustützen. Der bewegliche Abschnitt 21, die Ansteuerelektroden 22, die Überwachungselektroden 23 und die Detektionselektroden 25 sind jeweils mit den Kontaktstellen D elektrisch verbunden. Die Ansteuerelektroden 22 sind beispielsweise mit den Kontaktstellen für den Ansteuerspannungseingang D2 verbunden.
Konfiguration des Steuerschaltungschips
Die Konfiguration des Steuerschaltungschips C im Trägheitssensor wird mit Bezug auf 3 erläutert. 3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration des Steuerschaltungsabschnitts F des Steuerschaltungschips C im Einzelnen zeigt, der mit dem Beschleunigungsdetektionschip B1 und dem Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip B2 im Trägheitssensor verbunden ist. In 3 bezeichnet als Komponenten, die speziell auf den Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 bezogen sind, die Bezugsziffer 15 eine Kapazitäts/Spannungs-Umsetzungsschaltung (C/V-Umsetzungsschaltung), die dazu konfiguriert ist, eine Kapazitätsdifferenz der zwei Detektionselektroden 14, die so hergestellt sind, dass sie in Bezug auf dieselbe Verlagerungsachse über den beweglichen Abschnitt 11 einander gegenüberliegen, in ein Spannungssignal umzusetzen, und 16 bezeichnet einen Beschleunigungssensor-Steuerschaltungsabschnitt. Ferner umfasst der Steuerschaltungschip C einen Trägersignalerzeugungsabschnitt 34 als Peripherieschaltung.
Im Inneren des Beschleunigungssensor-Steuerschaltungsabschnitts 16 bezeichnet die Bezugsziffer 161 einen Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt zum Entfernen eines Trägersignals des Beschleunigungssensor-Steuerschaltungsabschnitts 16, 162 bezeichnet ein LPF (Tiefpassfilter) zum Entfernen einer Hochfrequenzkomponente, die eine Rauschkomponente ist, von einem Signal mit einer Beschleunigungskomponente, und 163 bezeichnet einen Beschleunigungsausgabeabschnitt, der dazu konfiguriert ist, ein Beschleunigungssignal auszugeben, von dem die Hochfrequenzkomponente entfernt ist. Ferner bezeichnet die Bezugsziffer 164 einen Abschnitt zur Demodulation der Diagnoseerregung, der dazu konfiguriert ist, eine Synchronisationsdetektion mit einer Diagnosespannung, die für die Erregungsschwingung verwendet wird, oder einem Signal mit derselben Frequenz wie die Diagnoseerregung durchzuführen, 165 bezeichnet ein LPF, das dazu konfiguriert ist, eine Amplitudenkomponente für eine Frequenzkomponente, die an die Diagnoseelektroden 12 des beweglichen Abschnitts 11 angelegt wird, durch eine Begrenzung von Oberwellen zweiter Ordnung und Rauschen zu erhalten, und 166 bezeichnet einen Ausfalldiagnoseabschnitt, der dazu konfiguriert ist, die Amplitudenkomponente und die Amplitude im stationären Zustand zu vergleichen, und wenn die Amplitudenkomponente einen vorbestimmten Bereich überschreitet, festzustellen, dass eine Anomalität im Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 auftritt, und dem Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J die Anomalität zu melden.
Ein Abschnitt des Steuerschaltungschips C in Bezug auf den Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 ist durch die C/V-Umsetzungsschaltung 15 und den Trägersynchronisations-Detektionsabschnitt 161, das LPF 162, den Beschleunigungsausgabeabschnitt 163, den Abschnitt 164 zur Demodulation der Diagnoseerregung, das LPF 165 und den Ausfalldiagnoseabschnitt 166, die im Inneren des Beschleunigungssensor-Steuerschaltungsabschnitts 16 enthalten sind, konfiguriert.
Im Abschnitt des Steuerschaltungschips C in Bezug auf den Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 führen die Komponenten Operationen durch die Funktionen in der nachstehend erläuterten Reihenfolge aus. Ein Ausgangssignal vom Beschleunigungsdetektionschip B1 (den Detektionselektroden 14) wird in die C/V-Umsetzungsschaltung 15 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus der C/V-Umsetzungsschaltung 15 wird in den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 161 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus dem Trägersignalerzeugungsabschnitt 34 wird auch in den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 161 eingegeben. Ein Ausgangssignal aus dem Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 161 wird in das LPF 162 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus dem LPF 162 wird in den Beschleunigungsausgabeabschnitt 163 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus dem Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 161 wird in den Abschnitt 164 zur Demodulation der Diagnoseanregung eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus dem Verstärker 32 wird auch in den Abschnitt 164 zur Demodulation der Diagnoseerregung eingegeben. Ein Ausgangssignal aus dem Abschnitt 164 zur Demodulation der Diagnoseerregung wird in das LPF 165 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus dem LPF 165 wird in den Ausfalldiagnoseabschnitt 166 eingegeben und verarbeitet. Ausgangssignale aus dem Beschleunigungsausgabeabschnitt 163 und dem Ausfalldiagnoseabschnitt 166 werden an den Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J ausgegeben.
Als Komponenten insbesondere in Bezug auf den Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 bezeichnet die Bezugsziffer 26 eine C/V-Umsetzungsschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine Differenz zwischen Kapazitätsänderungsausmaßen der gegenüberliegenden Überwachungselektroden 23 mit einer Differenzkonfiguration in ein Spannungssignal (nachstehend Überwachungssignal) umzusetzen, 28 bezeichnet eine C/V-Umsetzungsschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine Differenz zwischen Kapazitätsänderungsausmaßen der gegenüberliegenden Detektionselektroden 25 mit einer Differenzkonfiguration in ein Spannungssignal (nachstehend Detektionssignal) umzusetzen, und 27 bezeichnet einen Winkelgeschwindigkeitssensor-Steuerschaltungsabschnitt. Ferner umfasst der Steuerschaltungschip C eine Trägersignalerzeugungsschaltung 34 als Peripherieschaltung.
Im Inneren des Winkelgeschwindigkeitssensor-Steuerschaltungsabschnitts 27 bezeichnet die Bezugsziffer 271 einen Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt für ein Überwachungssignal, das mit einem Trägersignal überlagert ist, 272 bezeichnet einen Überwachungssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt mit einer Ansteuerfrequenz des Überwachungssignals, 273 bezeichnet ein LPF für das Überwachungssignal, 274 bezeichnet einen Ansteuerungs-Amplituden/Frequenz-Steuerschaltungsabschnitt, der dazu konfiguriert ist, eine Ansteueramplitude und eine Ansteuerfrequenz des beweglichen Abschnitts 21 zu steuern, 275 bezeichnet einen Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt für ein Detektionssignal, das mit einem Trägersignal überlagert ist, 276 bezeichnet einen Detektionssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt mit einer Ansteuerfrequenz eines Detektionssignals, 277 bezeichnet ein LPF für das Detektionssignal, 278 bezeichnet einen Winkelgeschwindigkeitsausgabeabschnitt, der dazu konfiguriert ist, ein Winkelgeschwindigkeitssignal auszugeben, und 279 bezeichnet einen Ausfalldiagnoseabschnitt eines Winkelgeschwindigkeitssensors.
Ferner bezeichnet die Bezugsziffer 31 einen Oszillator mit variabler Amplitude/variabler Frequenz, 32 bezeichnet einen Verstärker, der dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal des Oszillators 31 mit variabler Amplitude/variabler Frequenz zu verstärken, und 33 bezeichnet einen Phaseninverter, der dazu konfiguriert ist, eine Phase eines Ausgangssignals des Verstärkers 32 zu invertieren.
Ein Abschnitt des Steuerschaltungschips C in Bezug auf den Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 ist durch die C/V-Umsetzungsschaltung 26, die C/V-Umsetzungsschaltung 28 und den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 271, den Überwachungssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt 272 und das LPF 273, den Ansteuerungs-Amplituden/Frequenz-Steuerschaltungsabschnitt 274, den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 275, den Detektionssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt 276, das LPF 277, den Winkelgeschwindigkeitsausgabeabschnitt 278 und den Ausfalldiagnoseabschnitt 279, die innerhalb des Winkelgeschwindigkeitssensor-Steuerschaltungsabschnitts 27 enthalten sind, konfiguriert.
In dem Abschnitt des Steuerschaltungschips C in Bezug auf den Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 führen die Komponenten die Operationen durch die Funktionen in der nachstehend erläuterten Reihenfolge aus. Ein Ausgangssignal aus dem Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip B2 (den Überwachungselektroden 23) wird in die C/V-Umsetzungsschaltung 26 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus der C/V-Umsetzungsschaltung 26 wird in den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 271 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus dem Trägersignalerzeugungsabschnitt 34 wird auch in den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 271 eingegeben. Ein Ausgangssignal aus dem Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 271 wird in den Überwachungssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt 272 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus dem Verstärker 32 wird auch in den Überwachungssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt 272 eingegeben. Ein Ausgangssignal aus dem Überwachungssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt 272 wird in das LPF 273 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus dem LPF 273 wird in den Ansteuerungs-Amplituden/Frequenz-Steuerschaltungsabschnitt 274 und den Ausfalldiagnoseabschnitt 279 eingegeben und verarbeitet.
Ein Ausgangssignal aus dem Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip B2 (den Detektionselektroden 25) wird in die C/V-Umsetzungsschaltung 28 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus der C/V-Umsetzungsschaltung 28 wird in den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 275 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus dem Trägersignalerzeugungsabschnitt 34 wird auch in den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 275 eingegeben. Ein Ausgangssignal aus dem Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 275 wird in den Detektionssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt 276 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus dem Verstärker 32 wird auch in den Detektionssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt 276 eingegeben. Ein Ausgangssignal aus dem Detektionssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt 276 wird in das LPF 277 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus dem LPF 277 wird in den Winkelgeschwindigkeitsausgabeabschnitt 278 und den Ausfalldiagnoseabschnitt 279 eingegeben und verarbeitet. Ausgangssignale aus dem Winkelgeschwindigkeitsausgabeabschnitt 278 und dem Ausfalldiagnoseabschnitt 279 werden an den Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J ausgegeben.
Ein Ausgangssignal aus dem Ansteuerungs-Amplituden/Frequenz-Steuerschaltungsabschnitt 274 wird für die Steuerung des Oszillators 31 mit variabler Amplitude/variabler Frequenz verwendet. Ein Ausgangssignal aus dem Oszillator 31 mit variabler Amplitude/variabler Frequenz wird in den Verstärker 32 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus dem Verstärker 32 wird in den Phaseninverter 33 eingegeben und verarbeitet. Das Ausgangssignal aus dem Verstärker 32 und ein Ausgangssignal, das durch den Phaseninverter 33 ausgegeben wird, werden an den Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip B2 (die Kontaktstellen für den Ansteuerspannungseingang D2 zu den Ansteuerelektroden 22) und den Beschleunigungsdetektionschip B1 (die Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1 zu den Diagnoseelektroden 12) durch die Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3 ausgegeben.
Operation des Beschleunigungssensors
Eine Basisoperation des Beschleunigungssensors wird nachstehend mit Bezug auf 1, 2 und 3 erläutert. Die Operationen des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 des Beschleunigungsdetektionschips B1 und des Abschnitts des Steuerschaltungschips C in Bezug auf den Beschleunigungssensorelementabschnitt 1, der in 1 bis 3 gezeigt ist, werden nachstehend erläutert.
In dieser Ausführungsform ist der Beschleunigungssensorelementabschnitt 1, der dazu konfiguriert ist, eine Beschleunigung von außen zu detektieren, ein sogenanntes Element vom MEMS-Typ eines Kapazitätstyps, das durch Mikrobearbeitung eines Halbleiters wie z. B. Silizium hergestellt wird und dazu konfiguriert ist, als Kapazitätsänderung der Detektionselektroden 14 die Verlagerung des beweglichen Abschnitts 11 zu erfassen, die durch das Aufbringen einer Beschleunigung verursacht wird. In dieser Ausführungsform wird ein Wechselstromsignal an den Beschleunigungssensorelementabschnitt vom Trägersignalerzeugungsabschnitt 34 angelegt und eine Reaktion auf das Anlegen einer Wechselspannung wird gemessen, um die aufgebrachte Beschleunigung zu detektieren. Ein spezifisches Beispiel wird nachstehend erläutert.
Als Beispiel wird ein Trägersignal mit 500 kHz angelegt. An diesem Punkt ist eine als Trägersignal ausgewählte Frequenz wünschenswerterweise eine höhere Frequenz als eine Eigenfrequenz für die Reaktion des beweglichen Abschnitts 11. Dies liegt daran, dass in einer nachstehend erläuterten Diagnose des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1, da der bewegliche Abschnitt 11 in Vibration versetzt wird, um eine Detektion eines mechanischen Ausfalls durchzuführen, ein Trägersignal mit einer Frequenz, die höher ist als die Frequenz der Vibration, erforderlich ist, um die Verlagerung des beweglichen Abschnitts 11 zu detektieren. Durch Auswählen einer solchen Frequenz ist es möglich, die Verlagerung des beweglichen Abschnitts 11 durch eine elektrostatische Kraft aufgrund des Anlegens des Trägersignals zu verhindern. Folglich ist es möglich, eine Ausgabe des Sensors zu stabilisieren.
Um eine Kapazitätsänderung als Reaktion auf das Trägersignal zu detektieren, wird die Kapazitätsänderung durch die C/V-Umsetzungsschaltung 15 in ein Spannungssignal umgesetzt. Eine Verstärkerschaltung (AMP) kann in die C/V-Umsetzungsschaltung 15 eingebaut sein (ein Beispiel der C/V-Umsetzungsschaltung 15 mit der Verstärkerschaltung ist in 3 gezeigt). In diesem Fall wird ein aus dem Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 ausgegebenes Signal in einen geeigneten Spannungspegel umgesetzt. Der Verstärkungsgrad der Verstärkerschaltung kann variabel sein, so dass ein Bereich gemäß einer angewendeten Anwendung geändert werden kann.
Der Steuerschaltungsabschnitt F kann dazu konfiguriert sein, direkt ein analoges Spannungssignal zu bearbeiten, oder kann dazu konfiguriert sein, eine ADC-Schaltung in eine Eingangsstufe in den Beschleunigungssensor-Steuerschaltungsabschnitt 16 (in der Figur nicht gezeigt und in 7 gezeigt, auf die nachstehend Bezug genommen wird) einzufügen und anschließende Signale in digitale Signale umzusetzen und die digitalen Signale zu bearbeiten. In nachstehend erläuterten Ausführungsformen wird eine Bildung einer Baugruppe durch das digitale Signal angenommen. Die Beschreibung der Ausführungsformen wird jedoch so weit wie möglich verallgemeinert, um es unnötig zu machen, das analoge Signal und das digitale Signal zu unterscheiden. Wenn die Verarbeitung und eine Konfiguration für das analoge Signal und das digitale Signal unterschiedlich sind, werden die Verarbeitung und die Konfiguration bei jedem Auftreten erläutert.
Anschließend wird ein Beschleunigungssignal, das in den geeigneten Spannungspegel umgesetzt wird und mit dem Trägersignal überlagert wird, durch den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 161 mit einem Signal multipliziert, das mit dem Trägersignal synchronisiert ist und eine Frequenz aufweist, die dieselbe wie die Frequenz des Trägersignals ist, und durch ein LPF (in der Figur nicht gezeigt) ausgegeben. In dieser Ausführungsform wird eine Ausgabe des Trägersignalerzeugungsabschnitts 34, der in 3 gezeigt ist, direkt in den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 161 eingegeben. Im Fall einer digitalen Schaltung ist es jedoch auch möglich, die Synchronisationsdetektion in der Digitalsignalverarbeitung unter Verwendung nur einer Taktkomponente der Ausgabe als Verriegelungssignal des Trägersynchronisationsdetektionsabschnitts 161 zu verwirklichen. Dieses Prinzip ist allen Arten von Synchronisationsdetektion dieser Anmeldung gemeinsam.
Da bei der vorstehend erläuterten Synchronisationsdetektionsverarbeitung nur eine Trägersignalkomponente entfernt werden kann, erscheint nur die Verlagerung des beweglichen Abschnitts 11, die für ein ursprüngliches Sensorsignal erforderlich ist, als Spannungssignal.
Um eine Frequenzkomponente eines Signals auf ein Band zu senken, das für das Sensorsignal erforderlich ist, und Hochfrequenzrauschen zu verringern, wird schließlich ein Signal, das zur Beschleunigung äquivalent ist, als Ausgabe des Sensors aus dem Beschleunigungsausgabeabschnitt 163 durch das LPF 162 ausgegeben. Das LPF 162 ergibt zwei Effekte, d. h. einen Effekt zum Entfernen einer Hochfrequenzrauschkomponente und einen Effekt zum Entfernen eines Erregungssignals für eine nachstehend erläuterte mechanische Diagnose. Die Baugruppe des LPF 162 hängt nicht von einer Filterkonfiguration und der Ordnung des Filters ab. Als Beispiel gibt es ein primäres Butterworth-Filter. Das Signal ist beispielsweise ein analoges Signal, der Beschleunigungsausgabeabschnitt 163 sendet einen Spannungswert zum Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J. Wenn das Signal ein digitales Signal ist, sendet der Beschleunigungsausgabeabschnitt 163 einen digitalen Wert zum Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J.
Eine Funktion des Abschnitts 164 zur Demodulation der Diagnoseerregung wird erläutert. Der Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 ist eine Mikromaschine mit einem beweglichen Körper, der durch die Halbleiter-Mikrobearbeitungstechnik hergestellt ist. Daher verursacht der Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 wahrscheinlich verschiedene Ausfallmodi wie z. B. eine Empfindlichkeitsänderung und eine Resonanzfrequenzänderung aufgrund eines Bruchs eines Teils eines Balkens, einer Fixierung eines Sensorausgabewerts, die durch Hängenbleiben aufgrund von Aufladung oder dergleichen verursacht wird, und einer Änderung des Dichtungsdrucks. Die Ausfallmodi sind Ausfälle, die nur detektiert werden können, wenn der bewegliche Abschnitt betätigt wird. Wenn die Mängel auftreten, beispielsweise wenn der Sensor für die Fahrzeugsteuerung verwendet wird, wird im schlimmsten Fall, obwohl keine Anomalität in einem Fahrzustand eines Fahrzeugs besteht, festgestellt, dass der Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 sich in einem anomalen Zustand befindet. Dies verursacht wahrscheinlich Mängel, dass der Eingriff in den Fahrerbetrieb und der Start einer Sicherheitsvorrichtung gestartet werden. Daher ist es wichtig, das Auftreten von solchen mechanischen Ausfallmodi sicher zu detektieren und die Ausfallmodi einem Hauptrechnersystem zu melden.
In dieser Ausführungsform, wie in 2 gezeigt, sind daher die Diagnoseelektroden 12 zum Verlagern des beweglichen Abschnitts 11 mit einer elektrostatischen Kraft separat vorgesehen. Die Diagnoseelektroden 12 sind spezielle Elektroden für die Ausfalldiagnose, die in einem normalen Sensor nicht enthalten sind. Die Verlagerung des beweglichen Abschnitts 11 durch eine elektrostatische Kraft kann durch Anlegen einer Spannung an die Diagnoseelektroden 12 verwirklicht werden, um eine Potentialdifferenz zwischen den Diagnoseelektroden 12 und dem beweglichen Abschnitt 11 zu bewirken. Das Auftreten eines mechanischen Anomalitätsmodus kann durch Detektieren dieser Verlagerung durch die Detektionselektroden 14 und Prüfen, ob eine geeignete Verlagerung in Bezug auf die an die Diagnoseelektroden 12 angelegte Spannung durchgeführt wird, detektiert werden. Selbstverständlich kann bei einer Ausfalldiagnose gemäß dieser Ausführungsform ein Bruch eines Drahts, ein Kurzschluss und dergleichen eines Schaltungsabschnitts detektiert werden.
Wenn Wechselstromsignale mit der Resonanzfrequenzkomponente an die Diagnoseelektroden 12 mit einer vorbestimmten Spannung angelegt werden, vibriert der bewegliche Abschnitt 11 des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 mit einer Frequenz der an die Diagnoseelektroden 12 angelegten Wechselstromsignale. An diesem Punkt wird jedoch, wenn ein mechanischer Ausfall wie z. B. ein Bruch der Balken 13 auftritt, eine vorbestimmte Amplitudenverstärkung nicht erhalten, da sich eine Resonanzfrequenz ändert. Folglich ist eine Verlagerung in Bezug auf eine Diagnosespannung des beweglichen Abschnitts 11, die durch die Detektionselektroden 14 detektiert wird, von einem vorbestimmten Wert verschieden. Wenn ein Phänomen des Hängenbleibens auftritt, ist eine durch die Detektionselektroden 14 detektierte Verlagerung fest. Folglich ist daher eine durch die Detektionselektroden 14 detektierte Verlagerung auch vom vorbestimmten Wert verschieden.
Um diesen Ausfall zu detektieren, führt der Abschnitt 164 zur Demodulation der Diagnoseerregung eine Synchronisationsdetektion mit einer Diagnosespannung, die für die Erregungsvibration verwendet wird, oder einem Signal mit derselben Frequenzkomponente durch. Das LPF 165 führt eine Amplitudenkomponente für eine Frequenz, die an die Diagnoseelektroden 12 des beweglichen Abschnitts 11 angelegt wird, durch eine Begrenzung von Oberwellen zweiter Ordnung und Rauschen durch. Der Ausfalldiagnoseabschnitt 166 vergleicht die Amplitudenkomponente mit der Amplitude des stationären Zustandes. Wenn die Amplitudenkomponente einen vorbestimmten Bereich überschreitet, bestimmt der Ausfalldiagnoseabschnitt 166, dass eine Anomalität im Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 auftritt und meldet dem Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J die Anomalität. Als Vergleichsschaltung, die an diesem Punkt verwendet wird, ist es geeignet, als analoge Schaltung eine Komparatorschaltung (in der Figur nicht gezeigt) vorzusehen und als digitale Schaltung eine Vergleichsschaltung für den Vergleich mit einem vorbestimmten Wert vorzusehen, der in einem PROM (programmierbaren Festwertspeicher) oder einem Flash-Speicher gespeichert ist. Der Inhalt der in dieser Anmeldung offenbarten vorliegenden Erfindung hängt jedoch nicht von einer Vergleichsschaltung und einem Mechanismus zum Vergleich ab.
Operation des Winkelgeschwindigkeitssensors
Eine Basisoperation des Winkelgeschwindigkeitssensors wird mit Bezug auf 1, 2 und 3 erläutert. Die Operationen des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 des Winkelgeschwindigkeitsdetektionschips B2 und des Abschnitts des Steuerschaltungschips C in Bezug auf den in 1 bis 3 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 werden nachstehend erläutert.
Der in dieser Ausführungsform erläuterte Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 ist ein sogenanntes Element vom MEMS-Typ eines Kapazitätstyps, das durch Mikrobearbeitung eines Halbleiters wie z. B. Silizium hergestellt wird und dazu konfiguriert ist, als Kapazitätsänderung der Detektionselektroden 25 die Verlagerung des beweglichen Abschnitts 21 zu erfassen, die durch das Aufbringen einer Winkelgeschwindigkeit verursacht wird. Bei der Detektion einer Winkelgeschwindigkeit wird ein nachstehend erläutertes Prinzip zum Messen einer Coriolis-Kraft verwendet. Das heißt, wenn der bewegliche Abschnitt 21 unter der Steuerung mit einer festen Frequenz und einer festen Amplitude in einer uniaxialen Richtung (nachstehend Antriebsrichtung) in Vibration versetzt wird, wenn das Aufbringen einer Winkelgeschwindigkeit stattfindet, wird eine Coriolis-Kraft F, die einer Winkelgeschwindigkeit Ω entspricht, eine Verlagerungsgeschwindigkeit v des beweglichen Abschnitts 21 und eine Masse m des beweglichen Abschnitts 21 auf den beweglichen Abschnitt 21 in der folgenden Beziehung angewendet: F = –2 × m × v × Ω (1)
Wenn eine Achse des Auftretens einer Winkelgeschwindigkeit eine Z-Achse eines orthogonalen Koordinatensystems ist, das durch X-Y-Z-Achsen angegeben ist, und wenn die Vibration in einer X-Richtung in einer X-Y-Ebene festgelegt wird, liegt die Coriolis-Kraft an diesem Punkt in einer Y-Richtung (nachstehend Detektionsrichtung). Gemäß der Kraft in der Y-Richtung tritt die Verlagerung des beweglichen Abschnitts 21 in der Detektionsrichtung zusätzlich zur Verlagerung in der Antriebsrichtung auf. Eine Verlagerung im stationären Zustand in der zur Antriebsrichtung orthogonalen Detektionsrichtung ist zur Coriolis-Kraft proportional, die durch die aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit erzeugt wird. Daher ist es möglich, die aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit durch Messen der Verlagerung in der Detektionsrichtung zu erhalten.
In der Konfiguration des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2, die in 2 gezeigt ist, und der Konfiguration des Steuerschaltungschips C in Bezug auf den Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2, die in 3 gezeigt ist, kann, wie in 3 gezeigt, der Trägersignalerzeugungsabschnitt 34 durch einen Beschleunigungssensor und einen Winkelgeschwindigkeitssensor, die in einem Gehäuse aufgenommen sind, gemeinsam genutzt werden. Ein Vorteil, der für einen integrierten Sensor einzigartig ist, kann genossen werden. An diesem Punkt kann ein Trägersignal durch den Beschleunigungssensor und den Winkelgeschwindigkeitssensor durch Parallelisieren von Bonddrähten oder Parallelisieren von Drähten im Gehäuse gemeinsam genutzt werden.
Wie vorstehend erläutert, müssen im Winkelgeschwindigkeitssensor, um eine aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit genau zu detektieren, die Frequenz und die Amplitude des beweglichen Abschnitts 21 konstant gehalten werden. In dieser Ausführungsform wird ein Schwingkreissteuerausmaß zur Vibration des beweglichen Abschnitts 21 des Winkelgeschwindigkeitssensors mit einer vorbestimmten Frequenz und einer vorbestimmten Amplitude aus dem Winkelgeschwindigkeitssensor-Steuerschaltungsabschnitt 27 ausgegeben und in den Oszillator 31 mit variabler Amplitude/variabler Frequenz eingegeben. Insbesondere konfiguriert eine Schaltung mit einer Steuerung zum Oszillieren des beweglichen Abschnitts 21 mit der vorbestimmten Frequenz einfach eine PLL-Schaltung (Phasenregelkreisschaltung) mit einem Phasenkomparator, einem Filter und einem variablen Oszillator. Beim Verwirklichen einer Vibration mit großer Amplitude bei einer niedrigen Ansteuerspannung ist eine Zielfrequenz eines Schwingkreises geeigneterweise eine Frequenz, bei der eine maximale Amplitude auf einer Ansteuerseitenreaktion der Verlagerung des beweglichen Abschnitts, d. h. eine Resonanzfrequenz des in 2 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2. Im Prinzip benötigt jedoch der Winkelgeschwindigkeitssensor nicht immer eine Vibration mit der Eigenfrequenz. Es ist möglich, die Funktion des Winkelgeschwindigkeitssensors durch Vibration des beweglichen Abschnitts 21 in der Antriebsrichtung mit der vorbestimmten Frequenz und der vorbestimmten Amplitude zu erhalten. Daher begrenzt diese Ausführungsform die Frequenz zum Antreiben des beweglichen Abschnitts 21 nicht. Eine Ausführungsform ist beispielsweise auch denkbar, bei der ein Signal einer Kristalltaktquelle, die in der Lage ist, eine äußerst stabile Frequenz zu erzeugen, unterteilt wird, um eine Frequenz zur Vibration des beweglichen Abschnitts 21 des Winkelgeschwindigkeitssensors zu erzeugen, und ein elektrisches Signal mit dieser Frequenzkomponente an die Ansteuerelektroden 22 angelegt wird.
In der Konfiguration des Winkelgeschwindigkeitssensor-Steuerschaltungsabschnitts 27 im in 3 gezeigten Steuerschaltungschip C wird zuerst, um den beweglichen Abschnitt 21 in Vibration zu versetzen, ein Ausgangssignal des Oszillators 31 mit variabler Amplitude/variabler Frequenz durch den Verstärker 32 und den Phaseninverter 33 ausgegeben und Ansteuerspannungen mit einer zueinander entgegengesetzten Phasenbeziehung werden an die Ansteuerelektroden 22, die einander gegenüberliegend eingerichtet sind, angelegt. Folglich vibriert der bewegliche Abschnitt 21 mit einer Frequenz eines vom Oszillator 31 ausgegebenen Wechselstromsignals. Eine Verlagerung durch diese Vibration wird als Kapazitätsänderung der Überwachungselektroden 23 dargestellt. Diese Kapazitätsänderung wird in ein Spannungssignal mit der Frequenz des Wechselstromsignals durch die C/V-Umsetzungsschaltung 26 umgesetzt. Wie die Verstärkerschaltung des Beschleunigungssensors kann eine Verstärkerschaltung (AMP), die dazu konfiguriert ist, das Spannungssignal in einen geeigneten Spannungspegel umzusetzen, in die C/V-Umsetzungsschaltung 26 integriert sein (ein Beispiel der C/V-Umsetzungsschaltung 26 mit der Verstärkerschaltung ist in 3 gezeigt). Der Verstärkungsgrad der Verstärkerschaltung kann variabel sein.
Anschließend wird ein Überwachungssignal, das in den geeigneten Spannungspegel umgesetzt wird und mit dem Trägersignal überlagert wird, durch den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 271 mit einem Signal multipliziert, das mit dem Trägersignal synchronisiert ist und eine Frequenz aufweist, die dieselbe wie die Frequenz des Trägersignals ist, und durch ein LPF (in der Figur nicht gezeigt) ausgegeben, um eine Oberwellenkomponente zweiter Ordnung und eine Rauschkomponente zu entfernen. In der vorstehend erläuterten Verarbeitung wird eine Trägersignalkomponente entfernt und nur eine Amplitudenkomponente der Antriebsrichtungsverlagerung des beweglichen Abschnitts 21, die ursprünglich für das Überwachungssignal erforderlich ist, erscheint als Spannungssignal.
Nach dem Durchgang durch das nicht gezeigte LPF wird das Überwachungssignal wieder einer Synchronisationsdetektion durch ein Detektionssignal, das mit dem Ansteuersignal synchronisiert und eine Frequenzkomponente aufweist, die dieselbe wie eine Frequenzkomponente des Ansteuersignals ist, im Überwachungssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt 272 unterzogen. Ferner wird das Überwachungssignal durch das LPF 273 ausgegeben, das dazu konfiguriert ist, eine Oberwellenkomponente zweiter Ordnung und eine Rauschkomponente zu entfernen. Der Ansteuerungs-Amplituden/Frequenz-Steuerschaltungsabschnitt 274 erhält Amplitudeninformationen und Phaseninformationen der Antriebsrichtungsvibration des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2, die im Überwachungssignal enthalten sind, und gibt ein Frequenzsteuerausmaß und ein Amplitudensteuerausmaß an den Oszillator 31 mit variabler Amplitude/variabler Frequenz aus. Folglich kann der variable Abschnitt 21 des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 des Winkelgeschwindigkeitssensors eine vorbestimmte Frequenz in der Antriebsrichtung, insbesondere eine Vibration mit einer festen Amplitude bei einer Resonanzfrequenz aufrechterhalten.
Die Verlagerung des beweglichen Abschnitts 21 aufgrund des Aufbringens der Winkelgeschwindigkeit erscheint als Kapazitätsänderung der Detektionselektroden 25. Diese Kapazitätsänderung wird durch die C/V-Umsetzungsschaltung 28 in ein Spannungssignal mit der Frequenz des Wechselstromsignals umgesetzt. Wie die Verstärkerschaltung für das Überwachungssignal kann eine Verstärkerschaltung (AMP), die dazu konfiguriert ist, das Spannungssignal in einen geeigneten Spannungspegel umzusetzen, in die C/V-Umsetzungsschaltung 28 integriert sein (ein Beispiel der C/V-Umsetzungsschaltung 29 mit der Verstärkerschaltung ist in 3 gezeigt). Der Verstärkungsgrad der Verstärkerschaltung kann variabel sein.
Anschließend wird ein Detektionssignal, das in den geeigneten Spannungspegel umgesetzt und mit dem Trägersignal überlagert ist, durch den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 275 mit einem Signal multipliziert, das mit dem Trägersignal synchronisiert ist und eine Frequenz aufweist, die dieselbe wie die Frequenz des Trägersignals ist, und durch ein LPF (in der Figur nicht gezeigt) ausgegeben, um eine Oberwellenkomponente zweiter Ordnung und eine Rauschkomponente zu entfernen. In der vorstehend erläuterten Verarbeitung wird eine Trägersignalkomponente entfernt und nur eine Amplitudenkomponente der Detektionsrichtungsverlagerung des beweglichen Abschnitts 21, die ursprünglich für das Detektionssignal erforderlich ist, erscheint als Spannungssignal.
Nach dem Durchgang durch das nicht gezeigte LPF wird das Detektionssignal wieder einer Synchronisationsdetektion durch ein Detektionssignal, das mit dem Ansteuersignal synchronisiert und eine Frequenzkomponente aufweist, die dieselbe wie eine Frequenzkomponente des Ansteuersignals ist, im Detektionssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt 276 unterzogen. Ferner wird das Detektionssignal durch das LPF 277 ausgegeben, das dazu konfiguriert ist, eine Oberwellenkomponente zweiter Ordnung und eine Rauschkomponente zu entfernen. Der Winkelgeschwindigkeitsausgabeabschnitt 278 gibt Amplitudeninformationen an den Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J als Winkelgeschwindigkeitsinformationen nach dem Unterziehen der Amplitudeninformationen einer vorbestimmten Nullpunkteinstellung und Verstärkungseinstellung aus.
Das durch das LPF 273 ausgegebene Überwachungssignal und das durch das LPF 277 ausgegebene Detektionssignal werden auch in den Ausfalldiagnoseabschnitt 279 eingegeben, der dazu konfiguriert ist, eine Ausfalldiagnose für den Winkelgeschwindigkeitssensor durchzuführen. Die Ausfalldiagnose wird auch ausgeführt. An diesem Punkt können die LPFs 273 und 277 verschiedene Eigenschaften für eine Diagnoseverwendung aufweisen. Das Detektionssignal kann ein Signal vor der Synchronisationsdetektion sein oder kann ein Signal vor dem Durchgang durch das LPF sein. Der Ausfalldiagnoseabschnitt 279 überwacht, dass beispielsweise die Verlagerung in der Antriebsrichtung mit einer vorbestimmten Frequenz und einer vorbestimmten Amplitude stattfindet und die Verlagerung in der Detektionsrichtung innerhalb eines Bereichs eines vorbestimmten Werts liegt.
Ausfalldiagnosen des Beschleunigungssensors und des Winkelgeschwindigkeitssensors Die Ausfalldiagnosen des Beschleunigungssensors und des Winkelgeschwindigkeitssensors in den Operationen des Beschleunigungssensors und des Winkelgeschwindigkeitssensors werden erläutert.
Wenn eine Anomalität durch den Ausfalldiagnoseabschnitt 166 des Beschleunigungssensors oder den Ausfalldiagnoseabschnitt 279 des Winkelgeschwindigkeitssensors detektiert wird, wenn der Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J ein analoges Spannungssignal ausgibt, wird eine Spannung in einem extremen Spannungsbereich, die in einem normalen Verwendungsbereich nicht erzeugt wird, ausgegeben oder ein Anschluss für eine digitale Ausgabe ist separat vorgesehen, und wenn eine Anomalität auftritt, wird ein Signal des Anschlusses geändert (z. B. von einer hohen Spannung auf eine niedrige Spannung), um dem Hauptrechnersystem die Anomalität zu melden. Wenn der Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J einen digitalen Signalwert ausgibt, wird eine sogenannte Flag-Meldung zum Ändern von vorbestimmten Bits, die zu einer Logik übermittelt werden, die von einer Logik zur normalen Zeit verschieden ist, durchgeführt oder alle Bitausgaben werden auf einen vorbestimmten Wert gesetzt, beispielsweise einen Maximalwert einer vorbestimmten Bitbreite, wie z. B. 0x7FFF, um dem Hauptrechnersystem die Anomalität zu melden.
Wenn keine Anomalität durch beide Ausfalldiagnoseabschnitte 166 und 279 detektiert wird, gibt der Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J Informationen hinsichtlich der Beschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit aus. Wenn der Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J beispielsweise dazu konfiguriert ist, ein digitales Signal auszugeben, ist der Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J eine Hardware für eine SPI-Kommunikation (Kommunikation einer seriellen peripheren Schnittstelle) oder eine Hardware für eine CAN-Kommunikation (Kommunikation eines Steuereinheitsbereichsnetzes). Der Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J begrenzt jedoch nicht speziell die Kommunikationsmittel für die Kommunikation. Wenn der Beschleunigungssensor-Steuerschaltungsabschnitt 16 in einer Signalverarbeitung für ein analoges Signal untergebracht ist, kann ein analoges Spannungssignal ausgegeben werden. In diesem Fall ist als Beispiel ein Verfahren zum Ausführen einer Meldung an das Hauptrechnersystem durch separates Vorsehen eines Anschlusses für eine digitale Ausgabe, und wenn eine Anomalität auftritt, Ändern eines Signals des Anschlusses (von H auf L oder L auf H) denkbar. Wenn eine analoge Spannung ausgegeben wird, ist es denkbar, den Ausgangssignalerzeugungsabschnitt J als Anschluss zum Ausgeben eines Spannungswerts zu präsentieren. Das hier erläuterte Beispiel begrenzt jedoch die Kommunikationsmittel des Ausgangssignalerzeugungsabschnitts J nicht speziell.
Die Diagnose des Beschleunigungssensors wird wieder erläutert. Ein Detektionsbereich des Beschleunigungssensors, der durch den Beschleunigungssensor gemessen werden soll, ist nicht kleiner als mehrere zehn G bis mehrere hundert G, die Balken 13, die den beweglichen Abschnitt 11 abstützen, müssen so ausgelegt sein, dass sie hart sind, um zu verhindern, dass die Verlagerung des beweglichen Abschnitts 11 gesättigt wird, wenn eine große Beschleunigung aufgebracht wird. Wenn jedoch versucht wird, eine Verlagerung des beweglichen Abschnitts 11 durch Anlegen einer Spannung an die Diagnoseelektroden 12 zu erhalten, muss, da die Balken 13 hart sind, die angelegte Spannung höher sein als die Spannung in der Vergangenheit oder die Kapazität der Diagnoseelektroden 12 muss erhöht werden. Das erstere benötigt beispielsweise eine Schaltung, die dazu konfiguriert ist, eine hohe Spannung auszugeben, die eine Leistungsversorgungsspannung übersteigt. Das letztere muss eine große Chipfläche sicherstellen, um die Elektrodenkapazität zu erhalten. Beide Methoden weisen einen Nachteil auf, dass die Herstellungskosten für den Sensor erhöht werden.
In dieser Ausführungsform wird daher eine Resonanzbewegung, die eine Vibration mit einer Eigenfrequenz des beweglichen Abschnitts 11 ist, verwendet. Die Resonanzbewegung ist ein Phänomen, bei dem, wenn der bewegliche Abschnitt 11 mit einer Resonanzfrequenz in Vibration versetzt wird, die durch die Masse des beweglichen Abschnitts 11, der Balken 13 und den Dichtungsdruck des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 bestimmt ist, eine vorbestimmte Amplitudenverstärkung (Q-Wert genannt) in Bezug auf die Verlagerung erhalten wird, die auftritt, wenn eine elektrostatische Gleichstromkraft aufgebracht wird.
4 ist ein Graph, der ein Beispiel von Frequenzantworten eines Winkelgeschwindigkeitssensors, eines Beschleunigungssensors des hohen Bereichs und eines Beschleunigungssensors des niedrigen Bereichs zeigt (Abszisse: Frequenz, Ordinate: Amplitude). Wie in 4 gezeigt, ist, da ein Balken eines Beschleunigungssensors des niedrigem Bereichs weich ist, eine Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensors des niedrigem Bereichs in Bezug auf eine Resonanzfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensors im Allgemeinen niedrig. Im Allgemeinen ist andererseits ein Balken des Beschleunigungssensors des hohen Bereichs hart, eine Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensors des hohen Bereichs ist hoch. Es ist leicht, eine Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 nahe der Resonanzfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensors durch Auslegen einer Balkenstruktur zu erhalten. Wie nachstehend erläutert, werden daher eine Resonanzfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2, der streng mit der Resonanzfrequenz in Vibration versetzt werden muss, und eine Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1, der ausreichend eine Ausfalldiagnose mit einer Vibration in einem Bereich ausführen kann, in dem eine Verstärkung ungefähr erhalten wird, im Voraus so konstruiert, dass sie gleich sind. Folglich ist es möglich, eine Oszillatorausgabe des Winkelgeschwindigkeitssensors als Diagnosespannung des Beschleunigungssensors direkt zu verwenden.
Wenn eine PLL-Schaltung, die auf die Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensors verriegelt ist, nur für eine Diagnose des Beschleunigungssensors hergestellt ist, ist der Schaltungsabschnitt kompliziert und eine Erhöhung der Kosten wird verursacht. Wenn andererseits die vorstehend erläuterte Konfiguration übernommen wird, ist es möglich, den Beschleunigungssensor nur mit minimalen Verdrahtungskosten in Vibration zu versetzen.
Wenn eine Dichtungsdruckkraft so hoch wie der Atmosphärendruck ist, ist ein Q-Wert, der eine Wölbung einer Verstärkung angibt, nicht so hoch. Unter einer Bedingung eines so niedrigen Q-Werts tritt selbst bei einer Vibration mit einer Frequenz, die von der Resonanzfrequenz abweicht, ein Verlust von einer ursprünglichen Amplitudenverstärkung kaum auf. 4 zeigt beispielsweise einen Zustand, in dem die Resonanzfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 und die Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 nicht miteinander übereinstimmen, wie vorstehend erläutert. Wie in der Figur gezeigt, besteht wenig Differenz der Verstärkung, wenn der Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 des Beschleunigungssensors des hohen Bereichs mit der Resonanzfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensors erregt wird und wenn der Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 mit der Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensors erregt wird. Selbst wenn eine Schwankung der maschinellen Bearbeitung auftritt, bei der die Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 von der Resonanzfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 abweicht, ist es daher, da ein Schwankungsausmaß einer Amplitudenverstärkung, die tatsächlich durch den Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 erhalten wird, klein ist, möglich, eine solche Schwankung der maschinellen Bearbeitung leicht zu absorbieren.
Eine Konfiguration zur direkten Verwendung einer Ausgabe des Oszillators 31 mit variabler Amplitude/variabler Frequenz des Winkelgeschwindigkeitssensors als Diagnosespannung des Beschleunigungssensors wird erläutert. In dieser Ausführungsform ist eine an die Diagnoseelektroden 12 angelegte Spannung ein Wechselstromsignal mit der Resonanzfrequenzkomponente. Wenn die Diagnoseelektroden 12, die in derselben Verlagerungsrichtung einander gegenüberliegen, vorgesehen sind, wie in 2 gezeigt, ist es hinsichtlich der Energieeffizienz erwünscht, dass Wechselstromsignale, die an die Diagnoseelektroden 12 angelegt werden, Wechselstromsignale in zueinander entgegengesetzten Phasen sind.
In dieser Ausführungsform wird daher eine Ansteuerspannung mit einer Wechselstromkomponente, die an die Ansteuerelektroden 22 angelegt wird, um den Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 anzutreiben, für Spannungssignale verwendet, die an die Diagnoseelektroden 12 des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 angelegt werden. Insbesondere liegt die Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 in der Nähe der Resonanzfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2. Insbesondere wenn der Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 mit einer beliebigen Ansteuerfrequenz zum Antreiben des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 oder der Resonanzfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 erregt wird, wird eine Reaktionsverstärkung auf die Erregung so festgelegt, dass sie 0 dB übersteigt (eine Verstärkung einer Reaktion des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 ist gleich oder größer als 1).
Um das Obige zu verwirklichen, wird in dieser Ausführungsform eine Ausgabe der Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3 zum Ausgeben einer Ansteuerspannung für den Steuerschaltungschip C an die Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1 zum Empfangen einer Diagnosespannung des Beschleunigungsdetektionschips B1 parallel zu den Kontaktstellen für den Ansteuerspannungseingang D2 zum Empfangen einer Ansteuerspannung für den Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip B2 gegeben. Daher sind die Bonddrähte E nicht nur mit den Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3 des Steuerschaltungschips C und den Kontaktstellen für den Ansteuerspannungseingang D2 des Winkelgeschwindigkeitsdetektionschips B2 verbunden, sondern auch mit den Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1 des Beschleunigungsdetektionschips B1 parallel verbunden. An diesem Punkt ist es geeignet, mehrere Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3 des Steuerschaltungschips C vorzusehen oder die Größe der Elektroden größer als die Größe der anderen Elektroden sicherzustellen, da das Drahtbonden leicht ist.
Modifikation des Trägheitssensors
Eine Modifikation des Trägheitssensors wird mit Bezug auf 5 und 6 erläutert. 5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 und des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2, die im gleichen Chip untergebracht sind, zeigt. 6 ist ein Diagramm eines Beispiels der Konfiguration, bei der eine Steuerung mit konstanter Amplitude bei einer Diagnose des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 durchgeführt wird.
In dieser Ausführungsform ist ein Verfahren zum Anlegen derselben Spannung an die Kontaktstellen für den Ansteuerspannungseingang D2 des Winkelgeschwindigkeitsdetektionschips B2 und die Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1 des Beschleunigungsdetektionschips B1 nicht auf die Parallelisierung der Ansteuerspannungen durch Drahtbonden begrenzt und kann beispielsweise eine Parallelisierung durch Drahtmuster in einem Gehäuse sein. Daher hängt das Verfahren nicht von einem Verdrahtungsverfahren ab.
Insbesondere, wie in 5 gezeigt, wenn der Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 und der Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 im gleichen Chip B3 hergestellt werden, kann dasselbe Spannungssignal an Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang eines Beschleunigungsdetektionschips und Kontaktstellen für den Ansteuerspannungseingang eines Winkelgeschwindigkeitsdetektionschips durch einen Draht K im Chip B3 angelegt werden. Daher sind gemeinsame Kontaktstellen (für den Diagnosespannungseingang und für den Ansteuerspannungseingang) D4, die mit dem Draht K verbunden sind, vorgesehen. Die gemeinsamen Kontaktstellen D4 sind jeweils mit den Diagnoseelektroden 12 des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 und den Ansteuerelektroden 22 des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 durch den Draht K im Chip B3 verbunden. Durch Vorsehen der gemeinsamen Kontaktstellen D4, die mit dem Draht K verbunden sind, ist es möglich, die vorstehend erläuterten Konfigurationen und Funktionen ohne Erhöhen der Anzahl von Bonddrähten und ohne Erhöhen der Kosten zum Bilden von Baugruppen zu verwirklichen. Selbst wenn alle Elemente in einem Chip wie bei den ”Oberflächen-MEMS” und den ”CMOS-kompatiblen MEMS” integriert sind, können dieselben Funktionen durch einfaches Verdrahten der Elemente verwirklicht werden.
Wie in 6 gezeigt, kann ferner ein Steuerabschnitt für eine konstante Amplitude (eine Amplitudensteuerschaltung) 167, um eine Verlagerung durch eine Diagnosespannung konstant zu halten, in der Vorstufe des Ausfalldiagnoseabschnitts 166 hinzugefügt werden, um die Diagnosespannung an die Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1 des Beschleunigungsdetektionschips B1 zu geben, nachdem die Diagnosespannung durch die Einstellungsschaltungen 35 für eine konstante Spannung verläuft. Das heißt, der Steuerabschnitt 167 für eine konstante Amplitude ist zwischen den LPF 165 und den Ausfalldiagnoseabschnitt 166 geschaltet und die Einstellungsschaltungen 35 für eine konstante Spannung sind jeweils zwischen den Verstärker 32 und den Phaseninverter 33 und zwei Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3' zum Geben einer Diagnosespannung an die Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1 des Beschleunigungsdetektionschips B1 geschaltet. Die Einstellungsschaltungen 35 für eine konstante Spannung werden durch ein Steuersignal vom Steuerabschnitt 167 für eine konstante Amplitude gesteuert. Ausgaben aus den Einstellungsschaltungen 35 für eine konstante Spannung werden an die Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1 des Beschleunigungsdetektionschips B1 gegeben. In dieser Weise wird die Steuerung, um nur eine Amplitude konstant zu halten, ohne eine Frequenz und eine Phase der Diagnosespannung zu andern, die ein Wechselstromsignal ist, angewendet. Folglich ist ein Verlagerungsschwellenwert eines Ausgangs des Steuerabschnitts 167 für eine konstante Amplitude, der ein Bestimmungsmaterial für eine Anomalitätsdetektion im Ausfalldiagnoseabschnitt 166 ist, immer fest, ohne von einer Ansteuerspannung des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 abzuhängen. Daher ist es möglich, die Konfiguration des Ausfalldiagnoseabschnitts 166 zu vereinfachen.
In 6 wird hinsichtlich einer Ausfalldiagnose des Winkelgeschwindigkeitssensors die Konfiguration mit verschiedenen Eigenschaften für die Diagnoseverwendungen übernommen. Das heißt, in der Konfiguration des Winkelgeschwindigkeitssensor-Steuerschaltungsabschnitts 27 ist ein LPF 280 hinzugefügt und ein Ausgangssignal aus dem Überwachungssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt 272 wird in nur das LPF 273 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal vom LPF 273 wird in nur den Ansteuerungs-Amplituden/Frequenz-Steuerschaltungsabschnitt 274 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus dem Detektionssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt 276 wird in das LPF 277 und das LPF 280 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus einem LPF 277 wird in nur den Winkelgeschwindigkeitsausgabeabschnitt 278 eingegeben und verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus dem anderen LPF 280 wird in nur den Ausfalldiagnoseabschnitt 279 eingegeben und verarbeitet. In dieser Weise sind der Ansteuerungs-Amplituden/Frequenz-Steuerschaltungsab schnitt 274, der Winkelgeschwindigkeitsausgabeabschnitt 278 und der Ausfalldiagnoseabschnitt 279 jeweils mit den verschiedenen LPFs 273, 277 und 280 verbunden. Hinsichtlich einer Ausfalldiagnose des Winkelgeschwindigkeitssensors kann folglich die Konfiguration mit verschiedenen Eigenschaften für die Diagnoseverwendungen übernommen werden. Natürlich ist eine Konfiguration, bei der ein Ausfalldiagnoseabschnitt, der dazu konfiguriert ist, zu überwachen, dass eine Ansteueramplitude und eine Ansteuerfrequenz innerhalb vorbestimmter Bereiche liegen, nach dem Überwachungssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitt 272 vorgesehen ist, auch denkbar.
Effekte der ersten Ausführungsform
Gemäß der vorstehend erläuterten Ausführungsform in der Konfiguration mit dem Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 mit dem beweglichen Abschnitt 11 und den Diagnoseelektroden 12, dem Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 mit dem beweglichen Abschnitt 21 und den Ansteuerelektroden 22 und dem Steuerschaltungsabschnitt F sind ein in die Ansteuerelektroden 22 eingegebenes Spannungssignal und ein in die Diagnoseelektroden 12 eingegebenes Spannungssignal dasselbe Spannungssignal, das in die Diagnoseelektroden 12 eingegebene Spannungssignal ist ein Signal zum Detektieren eines mechanischen Ausfalls und ein Trägersignal für das Detektieren der Verlagerung des beweglichen Abschnitts 11 weist eine Frequenz auf, die höher ist als die Frequenz eines an die Diagnoseelektroden 12 angelegten Signals. Folglich ist es möglich, die nachstehend erläuterten Effekte zu erhalten.
Das heißt, als Effekt der vorliegenden Erfindung ist es im Trägheitssensor, der eine Beschleunigung durch den Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 und eine Winkelgeschwindigkeit durch den Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 detektiert, möglich, mit niedrigen Kosten eine mechanische Diagnose des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 mit den harten Balken zum Detektieren eines hohen Bereichs zu verwirklichen. Das heißt, es ist möglich, das Problem zu lösen, dass die Herstellungskosten beim Verwirklichen einer mechanischen Diagnose des Beschleunigungssensors mit dem harten Balken in der Vergangenheit zu lösen.
Geeigneter kann ein nachstehend erläuterter Effekt erhalten werden. Das in die Ansteuerelektroden 22 des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 eingegebene Spannungssignal kann auf ein Spannungssignal festgelegt werden, das mit einer Eigenfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 synchronisiert. Die Eigenfrequenz des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 kann auf die Frequenz gesetzt werden, bei der eine Verstärkung von mehr als 0 dB in einer Frequenzkomponente des in die Ansteuerelektroden 22 des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 eingegebenen Spannungssignals erhalten wird. Die Eigenfrequenz des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 kann auf die Frequenz gesetzt werden, bei der eine Verstärkung von mehr als 0 dB bei einer Resonanzfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 erhalten wird.
Der Steuerschaltungsabschnitt F umfasst den Steuerabschnitt 167 für eine konstante Amplitude, der dazu konfiguriert ist, die Amplitude eines Spannungssignals einzustellen, um die Vibrationsamplitude des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 so zu steuern, dass sie fest ist. Daher kann das in die Diagnoseelektroden 12 des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 eingegebene Spannungssignal auf ein Spannungssignal eingestellt werden, das durch den Steuerabschnitt 167 für eine konstante Amplitude ausgegeben wird.
In der Konfiguration, in der die Diagnoseelektroden 12 des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 mit den Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1 am Beschleunigungsdetektionschip B1 verbunden sind und die Ansteuerelektroden 22 des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 mit den Kontaktstellen für den Ansteuerspannungseingang D2 am Winkelgeschwindigkeitsdetektionschip B2 verbunden sind, können ferner die Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1 und die Kontaktstellen für den Ansteuerspannungseingang D2 jeweils mit den Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3 am Steuerschaltungschip C des Steuerschaltungsabschnitts F durch die Bonddrähte E verbunden sein.
In der Konfiguration, in der der Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 und der Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 auf demselben Chip B3 ausgebildet sind und der Steuerschaltungsabschnitt F auf dem Steuerschaltungschip C ausgebildet ist, können die Diagnoseelektroden 12 des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 und die Ansteuerelektroden 22 des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 mit den gemeinsamen Kontaktstellen D4 auf demselben Chip B3 durch Drähte K verbunden werden. Die gemeinsamen Kontaktstellen D4 können mit den Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3 auf dem Steuerschaltungschip C durch die Bonddrähte E verbunden werden.
Ferner sind zwei Kontaktstellen als jede der Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1, der Kontaktstellen für den Ansteuerspannungseingang D2, der Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3 und der gemeinsamen Kontaktstellen D4 vorgesehen. Daher können Wechselstromsignale in zueinander entgegengesetzten Phasen an die Diagnoseelektroden 12 des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 und die Ansteuerelektroden 22 des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 angelegt werden. Dies ist hinsichtlich der Energieeffizienz erwünscht.
Zweite Ausführungsform
Ein Trägheitssensor in einer zweiten Ausführungsform wird mit Bezug auf 7 erläutert. In der zweiten Ausführungsform wird ein Beispiel, in dem der Beschleunigungssensor-Steuerschaltungsabschnitt 16 und der Winkelgeschwindigkeitssensor-Steuerschaltungsabschnitt 27 in der ersten Ausführungsform durch digitale Schaltungen konfiguriert sind, erläutert.
Alle des externen Gehäuses A, des Beschleunigungsdetektionschips B1 mit dem Beschleunigungssensorelementabschnitt 1, des Winkelgeschwindigkeitsdetektionschips B2 mit dem Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2, der Kontaktstellen D auf den Chips, insbesondere der Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1 des Beschleunigungsdetektionschips B1, der Kontaktstellen für den Ansteuerspannungseingang D2 des Winkelgeschwindigkeitsdetektionschips B2 und der Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3 des Steuerschaltungschips C, der Bonddrähte E, des Steuerschaltungsabschnitts F im Steuerschaltungschip C, der externen Leistungsversorgung G, des Reguliererschaltungsabschnitts H, der dazu konfiguriert ist, die externe Leistungsversorgung einzustellen, des Ausgangssignalerzeugungsabschnitts J im Steuerschaltungschip C und des Ausgangssignals I sind dieselben wie jene in der ersten Ausführungsform. Daher wird auf eine Erläuterung dieser Komponenten verzichtet. In der folgenden Erläuterung werden hauptsächlich Unterschiede zur ersten Ausführungsform erläutert.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration des Beschleunigungssensor-Steuerschaltungsabschnitts 16 und des Winkelgeschwindigkeitssensor-Steuerschaltungsabschnitts 27, von denen eine digitale Taktquelle ein Takt ist, in dieser Ausführungsform zeigt. Ein Unterschied zu 6 besteht darin, dass eine Signalverarbeitung in einem digitalen Bereich durchgeführt wird. Analoge Spannungssignale werden in digitale Spannungssignale durch ADCs (Analog-Digital-Umsetzer) 39 umgesetzt. Die digitalen Spannungssignale werden in die analogen Spannungssignale durch DACs (Digital-Analog-Umsetzer) 40 umgesetzt. Bereiche und Bitbreiten der ADCs 39 und der DACs 40 sind voneinander verschieden festgelegt. In der Figur sind Abschnitte, die einer Digitalsignalverarbeitung unterzogen werden, durch gestrichelte Linien angegeben.
Insbesondere sind die ADCs 39 jeweils zwischen die C/V-Umsetzungsschaltung 15 und den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 161, zwischen die C/V-Umsetzungsschaltung 26 und den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 271 und zwischen die C/V-Umsetzungsschaltung 28 und den Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 275 geschaltet. Die DACs 40 sind jeweils zwischen den Trägersignalerzeugungsabschnitt 34 und die Kontaktstelle D, zwischen eine digitale Taktquelle 37 und die Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3 und D3' und zwischen die Phaseninverter 33 und die Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3 und D3' geschaltet. Die DACs 40, die mit den Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3 verbunden sind, werden durch ein Ansteuersignal vom Ansteuerungs-Amplituden/Frequenz-Steuerschaltungsabschnitt 274 gesteuert. Die DACs 40, die mit den Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D3' verbunden sind, werden durch ein Steuersignal vom Steuerabschnitt 167 für eine konstante Amplitude gesteuert.
Eine Ausgabe des Oszillators 31 mit variabler Amplitude/variabler Frequenz wird in die digitale Taktquelle 37 eingegeben. Die digitale Taktquelle 37 ist eine Schaltung mit einem Komparator als Beispiel und dazu konfiguriert, einen Takt eines digitalen Signals zu erzeugen, wobei die Ausgabe aus dem Oszillator 31 mit variabler Amplitude/variabler Frequenz durch eine Logik von H und L in jeder Halbperiode dargestellt wird.
Der durch die digitale Taktquelle 37 erzeugte Takt wird durch die DACs 40 in ein analoges Spannungsdiagnosesignal mit einer Amplitude umgesetzt, die einer Ausgabe des Steuerabschnitts 167 für eine konstante Amplitude entspricht. Eine Spannung, um die Vibration für eine Diagnose des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 auf einer festen Verlagerung zu halten, wird ausgegeben und mit den Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1 des Beschleunigungsdetektionschips B1 verbunden. Wenn die Kontaktstellen für den Diagnosespannungseingang D1 des Beschleunigungsdetektionschips B1 mit den Diagnoseelektroden 12, die einander gegenüberliegen, wie in 2 gezeigt, verbunden werden, wird eine Diagnosespannung in zueinander entgegengesetzten Phasen durch die Phaseninverter 33 in eine Elektrode eingegeben.
Insbesondere wie in der ersten Ausführungsform wird die Ansteuerfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 so gesteuert, dass sie die Resonanzfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 ist. Wie vorstehend erläutert, ist es folglich möglich, sogar eine Diagnose des Beschleunigungssensors zu verwirklichen, während effizient die Ansteueramplitude des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 erhalten wird.
Indem der beste Gebrauch von einer Eigenschaft, dass eine Multiplikation und Sicht leicht in der digitalen Taktquelle 37 gebildet werden, gemacht wird, ist es auch möglich, eine Diagnose des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 unter Verwendung eines Takts durchzuführen, der durch Multiplizieren oder Dividieren eines ursprünglichen Takts, d. h. der Ansteuerfrequenz und der Resonanzfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2, erhalten wird. In diesem Fall ist die Resonanzfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 so ausgelegt und hergestellt, dass sie einer Frequenz nach der Division oder der Multiplikation der digitalen Taktquelle 37 entspricht. Das heißt, in einem Sensormodul mit mehreren Achsen und mehreren Bereichen kann, um zu ermöglichen, dass der Beschleunigungssensor des niedrigen Bereichs, der Beschleunigungssensor des hohen Bereichs und der Winkelgeschwindigkeitssensor in einem Gehäuse untergebracht werden, eine Konfiguration zur Verwendung des ursprünglichen Takts für eine Diagnose des Beschleunigungssensors des hohen Bereichs und zur Verwendung des durch Dividieren des ursprünglichen Takts erhaltenen Takts für eine Diagnose des Beschleunigungssensors des niedrigen Bereichs durch einen Oszillator verwirklicht werden.
Wie in der ersten Ausführungsform erläutert, wird, wenn der Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 des hohem Bereichs erregt wird, die Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 derart ausgelegt und erzeugt, dass eine Reaktionsverstärkung auf die Erregung 0 dB übersteigt. Folglich kann eine große Verlagerung mit einer niedrigen Diagnosespannung erhalten werden. Dies ist in der praktischen Verwendung nützlich.
Gemäß der vorstehend erläuterten Ausführungsform kann als Effekt, der von den Effekten in der ersten Ausführungsform verschieden ist, da der Beschleunigungssensor-Steuerschaltungsabschnitt 16 und der Winkelgeschwindigkeitssensor-Steuerschaltungsabschnitt 27 durch die digitalen Schaltungen konfiguriert sind, ein Spannungssignal, das in die Diagnoseelektroden 12 des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 eingegeben wird, aus einem Takt erzeugt werden, der mit einem Spannungssignal synchronisiert, das in die Ansteuerelektroden 22 des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 eingegeben wird. Das in die Ansteuerelektroden 22 des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 eingegebene Spannungssignal kann auf ein Spannungssignal festgelegt werden, das mit der Eigenfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 synchronisiert. Das in die Ansteuerelektroden 22 des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 eingegebene Spannungssignal kann auf ein Signal mit einer Frequenz festgelegt werden, die durch Multiplizieren eines Takts, der mit dem in die Diagnoseelektroden 12 des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 eingegebenen Spannungssignal synchronisiert, mit einer ganzen Zahl oder Dividieren des Takts durch eine ganze Zahl erhalten wird. Die Eigenfrequenz des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 kann auf die Frequenz festgelegt werden, bei der eine Verstärkung von mehr als 0 dB in einer Frequenzkomponente des in die Ansteuerelektroden 22 des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 eingegebenen Spannungssignals erhalten wird.
Dritte Ausführungsform
Ein Trägheitssensor in einer dritten Ausführungsform wird mit Bezug auf 8 erläutert. 8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration des Beschleunigungssensor-Steuerschaltungsabschnitts 16 und des Winkelgeschwindigkeitssensor-Steuerschaltungsabschnitts 27, die sich einen Teil einer Schaltung in einer Zeitmultiplexweise teilen, in dieser Ausführungsform zeigt.
Da die Frequenzen von Detektionssignalen, die für die Synchronisationsdetektion eines Detektionssignals des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 und die Synchronisationsdetektion eines Diagnosesignals des Beschleunigungssensorelementabschnitts 1 verwendet werden, gleich sind, können der Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt 2 und der Beschleunigungssensorelementabschnitt 1 leicht gemeinsam genutzt werden. In dieser Ausführungsform wird daher hinsichtlich eines Detektionssignal-Synchronisationsdetektionsabschnitts eines Winkelgeschwindigkeitssensors und eines Diagnosesignal-Synchronisationsdetektionsabschnitts eines Beschleunigungssensors, die die vorstehend erläuterten zwei Funktionen sind, ein Detektionssingal-Diagnosesignal/Diagnosesignal-Zeitmultiplex-Synchronisationsdetektionsabschnitt (eine Zeitmultiplexverarbeitungsschaltung) 401 in einer Zeitmultiplexweise durch einen Schalter 402 gemeinsam genutzt. In der folgenden Erläuterung werden hauptsächlich Unterschiede zur zweiten Ausführungsform erläutert.
In dieser Ausführungsform sind in einem Abschnitt in Bezug auf einen Synchronisationsdetektionsabschnitt für ein Detektionssignal des Winkelgeschwindigkeitssensors und ein Diagnosesignal des Beschleunigungssensors der Detektionssignal/Diagnosesignal-Zeitmultiplex-Synchronisationsdetektionabschnitt 401 und der Schalter 402 zwischen die Trägersynchronisationsdetektionsabschnitte 161 und 275 und die LPFs 165 und 280 geschaltet. Der Schalter 402 besteht aus zwei Systemen. Gemeinsame Anschlüsse eines ersten Systems und eines zweiten Systems sind mit dem Detektionssignal/Diagnosesignal-Zeitmultiplex-Synchronisationsdetektionsabschnitt 401 verbunden. Ein Öffnungs- und Schließanschluss des ersten Systems des Schalters 402 ist mit einem Ausgang des Trägersynchronisationsdetektionsabschnitts 161 verbunden. Der andere Öffnungs- und Schließanschluss ist mit einem Ausgang des Trägersynchronisationsdetektionsabschnitts 275 verbunden. Ein Öffnungs- und Schließanschluss des zweiten Systems des Schalters 402 ist mit einem Eingang des LPF 165 verbunden. Der andere Öffnungs- und Schließanschluss ist mit einem Eingang des LPF 280 verbunden. Ein Weg vom Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 161 zum LPF 165 über den Detektionssignal/Diagnosesignal-Zeitmultiplex-Synchronisationsdetektionsabschnitt 401 und ein Weg vom Trägersynchronisationsdetektionsabschnitt 275 zum LPF 280 über den Detektionssignal/Diagnosesignal-Zeitmultiplex-Synchronisationsdetektionsabschnitt 401 werden durch den Schalter 402 umgeschaltet.
Insbesondere wenn der Sensor eingeschaltet wird, ist es geeignet, einen beobachteten Wert nach dem Durchführen einer anfänglichen Diagnose und Bestätigen, dass keine Anomalität besteht, auszugeben. Daher wird der Detektionssignal/Diagnosesignal-Zeitmultiplex-Synchronisationsdetektionsabschnitt 401 unmittelbar nach dem Einschalten als Diagnosesignal-Synchronisationsdetektionsschaltung des Beschleunigungssensors betrieben und als Detektionssignal-Synchronisationsdetektionsschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors betrieben, nachdem die anfängliche Diagnose endet. Da Frequenzen von Detektionssignalen, die für Synchronisationsdetektionen von Überwachungssignalen verwendet werden, auch gleich sind, können selbst Schaltungen, die für die Synchronisationsdetektionen der Überwachungssignale verwendet werden, in eine Schaltung kombiniert werden. Selbst wenn die Frequenzen der Detektionssignale, die für die Synchronisationsdetektionen verwendet werden, gleich sind, kann, wenn die Phasen unterschiedlich sind, eine Schaltung, die dazu konfiguriert ist, die Phase gemäß einem Eingangssignal und einem Zustand eines Schalters einzustellen, in der Vorstufe des Detektionssignal/Diagnosesignal-Zeitmultiplex-Synchronisationsdetektionsabschnitts 401 vorgesehen sein. Ein gemeinsam genutzter Abschnitt ist nicht auf den Synchronisationsdetektionsabschnitt begrenzt und kann als Teil einer beliebigen Schaltung konfiguriert sein. Da beispielsweise ein LPF und ein ADC im Wesentlichen dieselben Schaltungskonfigurationen aufweisen, ist es leicht, den LPF und den ADC in einer Zeitmultiplexweise gemeinsam zu nutzen.
In 8 ist die Schaltung als Schaltung gezeigt, die eine Signalverarbeitung unter Verwendung eines digitalen Werts durchführt. Die Schaltung kann jedoch durch eine analoge Schaltung konfiguriert sein und dazu konfiguriert sein, ein Signal unter Verwendung eines analogen Schalters zu schalten.
Gemäß der vorstehend erläuterten Ausführungsform kann als Effekt, der von den Effekten in der ersten und der zweiten Ausführungsform verschieden ist, da der Sensor den Detektionssignal/Diagnosesignal-Zeitmultiplex-Synchronisationsdetektionsabschnitt 401 umfasst, der dazu konfiguriert ist, das Diagnosesignal des Beschleunigungssensors und das Detektionssignal des Winkelgeschwindigkeitssensors in einer Zeitmultiplexweise zu verarbeiten, der Detektionssignal/Diagnosesignal-Zeitmultiplex-Synchronisationsdetektionsabschnitt 401 als Detektionsschaltung des Beschleunigungssensors und Detektionsschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors in einer Zeitmultiplexweise gemeinsam genutzt werden.
Vierte Ausführungsform
Ein Trägheitssensor in einer vierten Ausführungsform wird mit Bezug auf 9 und 10 erläutert. 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Querschnitten eines Beschleunigungssensorelementabschnitts L und eines Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts M in dieser Ausführungsform zeigt. 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration des Beschleunigungssensorelementabschnitts L und des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts M in 9 in einer Draufsicht zeigt. 9 zeigt eine Schnittebene (den Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt M), die durch 501, 505, 506, 505 und 501 in 10 verläuft, und eine Schnittebene (den Beschleunigungssensorelementabschnitt L), die durch 509 (503), 507 (504), 509 (503) und 508 (502) in 10 verläuft.
In dieser Ausführungsform ist der Beschleunigungssensorelementabschnitt L ein Beschleunigungssensorelementabschnitt mit einer Schaukelstruktur, der dazu konfiguriert ist, die Beschleunigung in einer zu einem Chip senkrechten Richtung (Richtung außerhalb der Ebene) zu detektieren. Der Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitt M ist ein Abschnitt zum Erhalten einer Funktion, die dieselbe wie die Funktion des Winkelgeschwindigkeitssensorelementabschnitts 2 in der ersten Ausführungsform ist. In der folgenden Erläuterung werden hauptsächlich Unterschiede zur ersten bis dritten Ausführungsform erläutert.
In 9 bezeichnet die Bezugsziffer 500 einen Chipabschnitt, in dem ein Beschleunigungssensor und ein Winkelgeschwindigkeitssensor in einem Chip aufgenommen sind, 501 bezeichnet Durchgangselektrodenabschnitte mit Ansteuerelektroden für den Winkelgeschwindigkeitssensor, 502 bezeichnet einen Durchgangselektrodenabschnitt, der zu einer Diagnoseelektrode für den Beschleunigungssensor führt, 503 bezeichnet Durchgangselektrodenabschnitte, die zu einer Detektionselektrode für die Verlagerungsdetektion des Beschleunigungssensors führen, 504 bezeichnet einen Durchgangselektrodenabschnitt mit einer gemeinsamen Elektrode, der zu einem beweglichen Abschnitt des Beschleunigungssensors führt, 505 bezeichnet Ansteuerelektroden für den Winkelgeschwindigkeitssensor, 506 bezeichnet einen beweglichen Abschnitt des Winkelgeschwindigkeitssensors, 507 bezeichnet einen beweglichen Abschnitt des Beschleunigungssensors, 508 bezeichnet eine Diagnoseelektrode zum Erteilen einer Verlagerung an den Beschleunigungssensor von außen und Detektieren eines mechanischen Ausfalls und 509 bezeichnet Detektionselektroden, die dazu konfiguriert sind, die Verlagerung des Beschleunigungssensors zu detektieren.
Im Beschleunigungssensorelementabschnitt L, der in dieser Ausführungsform erläutert wird, sind die Detektionselektroden 509 nur auf einer Oberfläche (in 9 einer oberen Oberfläche) in Bezug auf den beweglichen Abschnitt 507 vorgesehen. Wenn andererseits die Detektionselektroden in beiden Oberflächenrichtungen des beweglichen Abschnitts 507 vorgesehen sind, bestehen Nachteile, dass Herstellungskosten für die Detektionselektroden, d. h. Kosten für einen Halbleiter-Mikrobearbeitungsprozess, steigen und die Elektroden aus beiden Oberflächen des Chips herausgezogen werden müssen. In dieser Ausführungsform sind die Detektionselektroden 509 daher nur auf einer Oberfläche hergestellt.
Um die Beschleunigung in der zum Chip senkrechten Richtung und die Polarität der Beschleunigung zu detektieren, umfasst der Beschleunigungssensor in dieser Ausführungsform den beweglichen Abschnitt 507 mit einer Masse, die in Bezug auf eine Achse (eine Drehachse; in 9 eine Position entsprechend dem Durchgangselektrodenabschnitt 504 mit der gemeinsamen Elektrode) asymmetrisch ist, und zwei Detektionselektroden 509, die symmetrisch in Bezug auf die Drehachse hergestellt sind. Wenn der bewegliche Abschnitt 507 ein beweglicher Abschnitt mit einer Struktur ist, in der eine Masse in Bezug auf die Achse asymmetrisch ist, tritt keine Drehbewegung auf, selbst wenn eine Beschleunigung aufgebracht wird. Wenn jedoch die Masse wie in dieser Ausführungsform asymmetrisch festgelegt ist, führt der bewegliche Abschnitt 507 eine Drehbewegung in Reaktion auf das Aufbringen einer Beschleunigung durch und die Kapazität von einer der Detektionselektroden 509 nimmt zu und die Kapazität der anderen nimmt ab. Daher ist es möglich, eine Beschleunigung und Polarität der Beschleunigung durch Berechnen einer Differenz zwischen den Kapazitäten zu detektieren.
Aus dem vorstehend erläuterten Grund weist der bewegliche Abschnitt 507 die Masse auf, die in Bezug auf die Achse asymmetrisch ist. Die Größen der Detektionselektroden 509 sind wünschenswerterweise dieselbe Größe, um die anfänglichen Kapazitäten der Detektionselektroden 509, deren Kapazitäten in einer Differenzbewegung gemessen werden, einander gleich festzulegen. Um einen SNR (Rauschabstand) zu erhöhen, sind die Kapazitäten der Detektionselektroden 509 wünschenswerterweise so groß wie möglich. Daher ist in dieser Ausführungsform die Diagnoseelektrode 508 nur auf einer Seite (in 9 der rechten Seite) mit einer großen Masse in Bezug auf die Achse hergestellt und ist nicht auf einer Seite mit kleiner Masse angeordnet.
Wenn jedoch die Diagnoseelektrode 508 nur auf einer Seite in Bezug auf die Drehachse in dieser Weise angeordnet ist, kann, da eine elektrostatische Kraft eine Kraft ist, die nur in einer Anziehungsrichtung erzeugt wird, eine Diagnose durchgeführt werden, bei der die Seite mit der großen Masse, d. h. die Seite, auf der die Diagnoseelektrode 508 hergestellt ist, in einer Richtung zum Erhöhen der Kapazitäten der Detektionselektroden 509 verlagert wird. Eine Diagnose kann jedoch nicht durchgeführt werden, bei der die Seite in der entgegengesetzten Richtung verlagert wird, d. h. einer Richtung zum Verringern der Kapazitäten der Detektionselektroden 509. Wie in der ersten Ausführungsform erläutert, besteht, wenn ein Bereich der detektierten Beschleunigung groß ist, da die Balken hart sind, eine Grenze in einem Diagnoseverfahren zum Anlegen einer Gleichspannung an die Diagnoseelektrode 508 und Verlagern der Diagnoseelektrode 508.
Wie in 10 gezeigt, weist daher diese Ausführungsform eine Eigenschaft in einer Struktur auf, in der nur ein Signal von Ansteuersignalen des Winkelgeschwindigkeitssensors, das aus Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D5 des Steuerschaltungschips C ausgegeben wird, die mit den Ansteuerelektroden 505 des Winkelgeschwindigkeitssensors, die einander gegenüberliegen, verbunden sind und an die Ansteuerspannungen mit entgegengesetzter Phase angelegt werden, die eine Beziehung einer entgegengesetzten Phasenbeziehung aufweisen, in die Diagnoseelektrode 508 des Beschleunigungssensors eingegeben wird. Ein Verfahren zum Bilden von Baugruppen für die Konfiguration wird durch das Verdrahtungsverfahren und dergleichen verwirklicht, das in der ersten bis dritten Ausführungsform erläutert wurde, wie z. B. ein Verfahren zum parallelen Verbinden der Bonddrähte E, die in 10 gezeigt sind, mit den Durchgangselektrodenabschnitten 501 mit den Ansteuerelektroden für den Winkelgeschwindigkeitssensor und dem Durchgangselektrodenabschnitt 502, der zur Diagnoseelektrode 508 des Beschleunigungssensors führt.
Wenn eine Ansteuerspannung an den Durchgangselektrodenabschnitt 520 angelegt wird, der zur Diagnoseelektrode 508 des Beschleunigungssensors führt, und wenn die Frequenz der Ansteuerspannung nahe einer Resonanzfrequenz liegt, bei der eine Verlagerungsverstärkung in Bezug auf eine Kraft, die auf den beweglichen Abschnitt 507 des Beschleunigungssensors aufgebracht wird, größer ist als 0 dB, führt der bewegliche Abschnitt 507 eine Resonanzbewegung durch. Die Resonanzbewegung umfasst nicht nur eine Bewegung mit der Frequenz, die vollständig mit einer Eigenfrequenz eines Systems übereinstimmt, sondern auch eine Vibration mit einer Frequenz nahe der Eigenfrequenz. Die Resonanzbewegung macht es möglich, eine Verlagerung in einer Richtung mit großer Amplitude zu erhalten, die nicht durch das Anlegen von Gleichstrom erhalten werden kann, und die Verlagerung in einer Richtung, in der die Kapazität der Detektionselektrode auf der Seite mit einer großen Masse in Bezug auf die Achse abnimmt, was nur durch die Diagnoseelektrode auf einer Seite nicht erhalten werden kann. Die Verlagerung in beiden Richtungen macht es möglich, eine strengere Diagnose des beweglichen Abschnitts 507 des Beschleunigungssensors durchzuführen, während eine kostengünstige Struktur übernommen wird, in der die Detektionselektroden 509 nur auf der Oberfläche auf einer Seite in Bezug auf den beweglichen Abschnitt 507 vorgesehen sind.
Eine spezifische Erläuterung einer Schaltung ist vorstehend weggelassen, um Redundanz zu vermeiden. In dieser Ausführungsform können die verschiedenen Erfindungsinhalte, die durch diese Anmeldung offenbart sind, die in der ersten bis dritten Ausführungsform erläutert sind, auch angewendet werden.
Gemäß der vorstehend erläuterten Ausführungsform ist es als Effekt, der von den Effekten der ersten bis dritten Ausführungsform verschieden ist, da der bewegliche Abschnitt 507 des Beschleunigungssensorelementabschnitts L die Masse aufweist, die in Bezug auf die Drehachse zum Detektieren der Beschleunigung asymmetrisch ist, und die Diagnoseelektrode 508 nur auf einer Seite in Bezug auf die Drehachse des beweglichen Abschnitts 507 vorgesehen ist, möglich, ein Spannungssignal von den Kontaktstellen für den Ansteuerspannungsausgang D5 des Steuerschaltungschips C an die Diagnoseelektrode 508 anzulegen, die nur auf einer Seite vorgesehen ist.
Die vom Erfinder entwickelte vorliegende Erfindung ist vorstehend auf der Basis der Ausführungsformen spezifisch erläutert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsformen begrenzt. Selbstverständlich sind verschiedene Modifikationen möglich, ohne vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsformen sind beispielsweise Ausführungsformen, in denen die vorliegende Erfindung im Einzelnen erläutert ist, um die vorliegende Erfindung deutlich zu erläutern. Die Ausführungsformen sind nicht immer auf Ausführungsformen mit allen vorstehend erläuterten Konfigurationen begrenzt. Ein Teil der Konfiguration einer bestimmten Ausführungsform kann durch die Konfiguration einer anderen Ausführungsform ersetzt werden. Die Konfiguration einer anderen Ausführungsform kann zur Konfiguration einer bestimmten Ausführungsform hinzugefügt werden. Andere Konfigurationen können zu den Konfigurationen der Ausführungsformen hinzugefügt, davon gelöscht und gegen einen Teil davon ausgetauscht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2005-114394 A [0007]
JP 2011-95104 A [0008]

Claims

Trägheitssensor, der umfasst: einen Beschleunigungssensor (1); einen Winkelgeschwindigkeitssensor (2); und eine Steuerschaltung (F), die dazu konfiguriert ist, den Beschleunigungssensor (1) und den Winkelgeschwindigkeitssensor (2) zu steuern, wobei der Beschleunigungssensor (1) umfasst: einen ersten beweglichen Abschnitt (11), der dazu konfiguriert ist, auf eine darauf aufgebrachte Beschleunigung zu reagieren; und eine erste Elektrode (12), die dazu konfiguriert ist, den ersten beweglichen Abschnitt (11) mit einer elektrostatischen Kraft gemäß dem Anlegen der Spannung von der Steuerschaltung (F) zu verlagern, der Winkelgeschwindigkeitssensor (2) umfasst: einen zweiten beweglichen Abschnitt (21), der dazu konfiguriert ist, auf eine darauf aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit zu reagieren; und eine zweite Elektrode (22), die dazu konfiguriert ist, den zweiten beweglichen Abschnitt (21) mit einer elektrostatischen Kraft gemäß dem Anlegen der Spannung von der Steuerschaltung (F) zu verlagern, ein in die zweite Elektrode (22) des Winkelgeschwindigkeitssensors (2) eingegebenes Spannungssignal und ein in die erste Elektrode (12) des Beschleunigungssensors (1) eingegebenes Spannungssignal ein gleiches Spannungssignal sind, das in die erste Elektrode (12) des Beschleunigungssensors (1) eingegebene Spannungssignal ein Signal zum Detektieren eines mechanischen Ausfalls ist, und ein Trägersignal zum Detektieren einer Verlagerung des ersten beweglichen Abschnitts (11) des Beschleunigungssensors (1) eine Frequenz aufweist, die höher ist als eine Frequenz eines an die erste Elektrode (12) angelegten Signals.
Trägheitssensor nach Anspruch 1, wobei das in die zweite Elektrode (22) des Winkelgeschwindigkeitssensors (2) eingegebene Spannungssignal ein Spannungssignal ist, das mit einer Eigenfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensors (2) synchronisiert.
Trägheitssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Eigenfrequenz des Beschleunigungssensors (1) eine Frequenz ist, bei der eine Verstärkung von mehr als 0 dB in einer Frequenzkomponente des in die zweite Elektrode (22) des Winkelgeschwindigkeitssensors (2) eingegebenen Spannungssignals erhalten wird.
Trägheitssensor nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei eine Eigenfrequenz des Beschleunigungssensors (1) eine Frequenz ist, bei der eine Verstärkung von mehr als 0 dB in einer Resonanzfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensors (2) erhalten wird.
Trägheitssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerschaltung (F) eine Amplitudensteuerschaltung umfasst, die dazu konfiguriert ist, eine Amplitude eines Spannungssignals einzustellen, um eine Vibrationsamplitude des Beschleunigungssensors (1) so zu steuern, dass sie fest ist, und das in die erste Elektrode (12) des Beschleunigungssensors (1) eingegebene Spannungssignal ein Spannungssignal ist, das durch die Amplitudensteuerschaltung geleitet wird.
Trägheitssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das in die erste Elektrode (12) des Beschleunigungssensors (1) eingegebene Spannungssignal aus einem Takt erzeugt wird, der mit dem in die zweite Elektrode (22) des Winkelgeschwindigkeitssensors (2) eingegebenen Spannungssignal synchronisiert.
Trägheitssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das in die zweite Elektrode (22) des Winkelgeschwindigkeitssensors (2) eingegebene Spannungssignal ein Spannungssignal ist, das mit einer Eigenfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensors (2) synchronisiert.
Trägheitssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das in die zweite Elektrode (22) des Winkelgeschwindigkeitssensors (2) eingegebene Spannungssignal ein Signal mit einer Frequenz ist, die durch Multiplizieren eines Takts, der mit dem in die erste Elektrode (12) des Beschleunigungssensors (1) eingegebenen Spannungssignals synchronisiert, mit einer ganzen Zahl oder Dividieren des Takts durch eine ganze Zahl erhalten wird.
Trägheitssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Eigenfrequenz des Beschleunigungssensors (1) eine Frequenz ist, bei der eine Verstärkung von mehr als 0 dB in einer Frequenzkomponente des in die zweite Elektrode (22) des Winkelgeschwindigkeitssensors (2) eingegebenen Spannungssignals erhalten wird.
Trägheitssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuerschaltung (F) eine Zeitmultiplex-Verarbeitungsschaltung umfasst, die dazu konfiguriert ist, ein Diagnosesignal des Beschleunigungssensors (1) und ein Detektionssignal des Winkelgeschwindigkeitssensors (2) in einer Zeitmultiplexweise zu verarbeiten, und die Zeitmultiplex-Verarbeitungsschaltung in einer Zeitmultiplexweise als Detektionsschaltung des Beschleunigungssensors (1) und als Detektionsschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors (2) gemeinsam genutzt wird.
Trägheitssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der erste bewegliche Abschnitt (11) des Beschleunigungssensors (1) eine Masse aufweist, die in Bezug auf eine Drehachse für das Detektieren der Beschleunigung asymmetrisch ist, die erste Elektrode (12) des Beschleunigungssensors nur auf einer Seite in Bezug auf die Drehachse des ersten beweglichen Abschnitts (11) mit der asymmetrischen Masse vorgesehen ist, und ein Spannungssignal von der Steuerschaltung (F) an die erste Elektrode (12) angelegt wird, die nur auf einer Seite vorgesehen ist.
Trägheitssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Beschleunigungssensor (1), der Winkelgeschwindigkeitssensor (2) und die Steuerschaltung (F) jeweils auf verschiedenen Chips ausgebildet sind, und eine erste Kontaktstelle (D1) auf einem ersten Chip (B1), die mit der ersten Elektrode (12) des Beschleunigungssensors (1) verbunden ist, und eine zweite Kontaktstelle (D2) auf einem zweiten Chip (B2), die mit der zweiten Elektrode (22) des Winkelgeschwindigkeitssensors (2) verbunden ist, jeweils mit einer dritten Kontaktstelle (D3) für das Anlegen der Spannung auf einem dritten Chip der Steuerschaltung (F) durch Bonddrähte verbunden sind.
Trägheitssensor nach Anspruch 12, wobei zwei Kontaktstellen als jede der ersten Kontaktstelle (D1), der zweiten Kontaktstelle (D2) und der dritten Kontaktstelle (D3) vorgesehen sind und Spannungen der jeweiligen Kontaktstellen zueinander entgegengesetzte Phasen aufweisen.
Trägheitssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Beschleunigungssensor (1) und der Winkelgeschwindigkeitssensor (2) auf einem gleichen ersten Chip ausgebildet sind, die Steuerschaltung (F) auf einem zweiten Chip, der vom ersten Chip verschieden ist, ausgebildet ist, die erste Elektrode (12) des Beschleunigungssensors (1) und die zweite Elektrode (22) des Winkelgeschwindigkeitssensors (2) mit einer gemeinsamen ersten Kontaktstelle (D1) auf dem ersten Chip durch Drähte verbunden sind, und die erste Kontaktstelle (D1) auf dem ersten Chip mit einer zweiten Kontaktstelle (D2) für das Anlegen der Spannung auf dem zweiten Chip durch einen Bonddraht verbunden ist.
Trägheitssensor nach Anspruch 14, wobei zwei Kontaktstellen als jede der ersten Kontaktstelle (D1) und der zweiten Kontaktstelle (D2) vorgesehen sind und Spannungen der jeweiligen Kontaktstellen zueinander entgegengesetzte Phasen aufweisen.