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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Sensoren und
insbesondere auf einen kapazitiven Sensor zur Erfassung einer physikalischen
Größe, welcher
physikalische Größen entlang einer
Mehrzahl von Achsen erfaßt.
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Die
JP-A-2000-81449 (
US 6,257,061 ) offenbart
einen kapazitiven Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe mit einer
Fehlfunktionsselbstdiagnosefunktion. Der kapazitive Sensor zur Erfassung
einer physikalischen Größe diagnostiziert selbst
Fehlfunktionen unter Verwendung der Resonanz der Sensorelemente,
welche auf der Grundlage der Frequenz (hiernach als Selbstdiagnosefrequenz bezeichnet)
einer angelegten elektrischen Spannung gebildet wird.
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Wenn
jedoch die oben erwähnte
Technologie auf einen kapazitiven Sensor zur Erfassung einer physikalischen
Größe angewandt
wird, welcher physikalische Größen entlang
zweier Richtungsachsen erfaßt,
wird, da die Selbstdiagnosefrequenz verwendet wird, um eine Resonanz
der Sensorelemente zu erzeugen, gleichzeitig eine andere Resonanz
zwischen beiden Sensorelementen erzeugt. Das heißt, die Sensorelemente stören sich
gegenseitig während der
Selbstdiagnose, so daß eine
Resonanz erzeugt wird, welche sich von der Resonanz unterscheidet, die
für die
Diagnose verwendet wird. Dementsprechend kann ein genauer Sensorausgang,
welcher während
der Selbstdiagnose erwartet wird, nicht erzielt werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen kapazitiven Sensor zur
Erfassung einer physikalischen Größe zu schaffen, bei welchem
die obigen Schwierigkeiten vermieden werden.
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Des
weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiven
Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe zu schaffen, welcher zur
Diagnose von Funktionsstörungen
entlang einer Mehrzahl von Achsen geeignet ist.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Bei
dem kapazitiven Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe der vorliegenden
Erfindung sendet während
eines normalen Zeitablaufsintervalls der Erfassung einer physikalischen
Größe ein Steuersignalgenerator
(60) ein erstes Signal einer beweglichen Elektrode (1a–1d)
und einer festen Elektrode (2a–2d), um eine Änderung
der Kapazität zwischen
der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode zu erfassen.
Während
eines Selbstdiagnosezeitablaufsintervalls sendet der Steuersignalgenerator
ebenfalls ein zweites Signal der beweglichen Elektrode und der festen
Elektrode, um die bewegliche Elektrode zur Diagnose einer Funktionsstörung jedes
Erfassungsabschnitts einer physikalischen Größe (10a, 10b)
zu bewegen. Der Steuersignalgenerator sendet das zweite Signal der
beweglichen Elektrode und der festen Elektrode jedes Erfassungsabschnitts
für eine
physikalische Größe während unterschiedlicher
Zeitablaufsintervalle.
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Bei
dem kapazitiven Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe der vorliegenden
Erfindung beeinflußt
die Resonanz der Sensorelemente eines aus der Mehrzahl von Abschnitten
zur Erfassung einer physikalischen "Größe nicht
diejenige der Sensorelemente der anderen aus der Mehrzahl von Abschnitten
zur Erfassung einer physikalischen Größe. Als Ergebnis ist es möglich, eine
Funktionsstörung
des Sensors genau entlang jeder Achse des vielachsigen kapazitiven
Sensors zur Erfassung einer physikalischen Größe zu diagnostizieren.
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Bei
einem kapazitiven Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe der vorliegenden
Erfindung unterscheidet sich eine erste Frequenz eines zweiten Signals,
welches einem ersten aus der Mehrzahl von Abschnitten zur Erfassung
einer Größe gesendet
wird, von einer zweiten Frequenz des zweiten Signals, welches einem
zweiten aus der Mehrzahl von Abschnitten zur Erfassung der physikalischen Größe gesendet
wird.
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Als
Ergebnis ist es möglich,
eine Funktionsstörung
des Sensors genau entlang jeder Achse des vielachsigen kapazitiven
Sensors zur Erfassung einer physikalischen Größe zu diagnostizieren.
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Die
vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter
Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
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1 stellt
eine schräg
perspektivische Querschnittsansicht eines Beschleunigungssensors einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar;
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2 stellt
eine elektrische Schaltung des Beschleunigungssensors der ersten
Ausführungsform
dar;
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3 stellt
ein Zeitablaufsdiagramm von jeweiligen Signalen, Eingangsspannungen,
elektrostatischen Kräften
und Bewegungen der beweglichen Elektroden dar, wenn der Beschleunigungssensor der
ersten Ausführungsform
operativ ist;
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4 stellt
ein detailliertes Zeitablaufsdiagramm eines Taktsignals CLK, von
Ausgangssignalen P1X, P2X, P1Y und P2Y und Signalen S2X, S2Y während einer
normalen Beschleunigungserfassung der ersten Ausführungsform
dar;
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5 stellt
die Merkmale einer Resonanzfrequenz bezüglich der Frequenz einer Eingangsspannung
für eine
bewegliche Elektrode der ersten Ausführungsform dar;
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6 stellt
eine Beziehung zwischen der Resonanz (Frequenz der Selbstdiagnosespannung/Resonanzfrequenz
des Sensorelements) und einem Selbstdiagnoseausgang der ersten Ausführungsform
dar; und
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7 stellt
ein Zeitablaufsdiagramm dar, wenn der Beschleunigungssensor einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung operativ ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf mehrere Ausführungsformen
beschrieben, welche in den Figuren dargestellt sind.
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Erste Ausführungsform
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Es
wird ein kapazitiver Beschleunigungssensor als kapazitiver Sensor
zur Erfassung einer physikalischen Größe beschrieben. Entsprechend 1 enthält der Beschleunigungssensor
einen ersten Erfassungsabschnitt zum Erfassen einer Beschleunigung
entlang der X-Achse und einen zweiten Erfassungsabschnitt zum Erfassen
einer Beschleunigung entlang der Y-Achse. Der Beschleunigungssensor
ist in einem Fahrzeug derart angebracht, daß die X-Achse einer vorne/hinten-Richtung
des Fahrzeugs entspricht und die Y-Achse einer links/rechts-Richtung entspricht.
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Entsprechend 2 enthält der erste
Erfassungsabschnitt ein Sensorelement 10a und eine Beschleunigungserfassungsschaltung 20.
Das Sensorelement 10a enthält bewegliche Elektroden 1a und 1b und
feste Elektroden 2a und 2b. Die Beschleunigungserfassungsschaltung 20 erfaßt eine Beschleunigung
entlang der X-Achse auf der Grundlage einer Änderung der zwischen jeder
der beweglichen Elektroden 1a und 1b und der festen
Elektroden 2a und 2b gebildeten unterschiedlichen
Kapazität.
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Der
zweite Erfassungsabschnitt enthält
ein Sensorelement 10b und eine Beschleunigungserfassungsschaltung 30.
Das Sensorelement 10b enthält bewegliche Elektroden 1c und 1d und
feste Elektroden 2c und 2d. Die Beschleunigungserfassungsschaltung 30 erfaßt eine
Beschleunigung entlang der Y-Achse auf der Grundlage einer Änderung
einer zwischen jeder der beweglichen Elektroden 1c und 1d und
der festen Elektroden 2c und 2d gebildeten unterschiedlichen
Kapazität.
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Wie
in 1 dargestellt sind die Sensorelemente 10a und 10b jeweils
durch unterschiedliche Halbleiterchips gebildet. Die Beschleunigungserfassungsschaltungen 20, 30 sind
auf einem elektrischen Schaltungschip 40 gebildet, auf
welchem die Chips, welche die Sensorelemente 10a, 10b enthalten,
angeordnet sind. Die Sensorelemente 10a, 10b und
der elektrische Schaltungschip 40 sind in einem Baustein 50 untergebracht.
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Die
Sensorelemente 10a, 10b sind aus dem Halbleitersubstrat
gebildete Balken bzw. Ausleger, wodurch die beweglichen Elektroden 1a–1d und
die festen Elektroden 2a–2d gebildet sind.
Die beweglichen Elektroden 1a–1d und die festen
Elektroden 2a–2d sind
einander gegenüberliegend
angeordnet, um eine unterschiedliche Kapazität dazwischen zu bilden. Umgekehrte
Spannungen sind an die festen Elektroden 2a, 2c und
die festen Elektroden 2b, 2d angelegt. Daher ermöglicht die Änderung
der durch die Bewegung der beweglichen Elektroden 1a–1d unterschiedlichen
Kapazität,
daß die
Beschleunigung entlang sowohl der X- als auch Y-Achse erfaßt wird.
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Wie
in 2 dargestellt enthalten ebenfalls die Beschleunigungserfassungsschaltungen 20, 30 C-V-Wandler 21 und 31,
Umschalteschaltungen 22 und 32, Signalverarbeitungsschaltungen 23 und 33 und
einen Steuersignalgenerator 60.
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Die
C-V-Wandler 21, 31 wandeln die durch die beweglichen
Elektroden 1a–1d und
die festen Elektroden 2a–2d gebildeten unterschiedlichen
Kapazitäten
in Spannungen um. Die C-V-Wandler 21, 31 enthalten
Operationsverstärker 21a und 31a,
Kondensatoren 21b und 31b und Schalter 21c und 31c. Invertierende
Eingangsanschlüsse
der. Operationsverstarker 21a, 31a sind an die
beweglichen Elektroden 1a–1d angeschlossen.
Die Kondensatoren 21b, 31b und die Schalter 21c, 31c sind
zwischen den invertierenden Eingangsanschlüssen und Ausgangsanschlüssen der
Operationsverstärker 21a, 31a angeschlossen.
Der Schalter 21c wird auf der Grundlage eines Signals S1X
von dem Steuersignalgenerator 60 angesteuert, und der Schalter 31c wird
auf der Grundlage eines Signals S1Y von dem Steuersignalgenerator 60 angesteuert.
Eine vorbestimmte Spannung wird an die nichtinvertierenden Eingangsanschlüsse der
Operationsverstärker 21a, 31a über die Umschalteschaltungen 22, 32 angelegt.
Die vorbestimmte Spannung entspricht der halben Spannung, welche
an die festen Elektroden 2a–2d angelegt wird (d.
h. einer Zwischenspannung, beispielsweise von 2,5 V), und einer
Spannung, die sich um die halbe Spannung unterscheidet (beispielsweise
4 V).
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Die
Umschalteschaltungen 20, 32 führen eine Spannung von einer
(nicht dargestellten) Spannungsquelle den nichtinvertierenden Eingangsanschlüssen der
Operationsverstärker 21a, 31a zu.
Die Umschalteschaltungen 22, 32 enthalten Schalter 22a, 32a und
Schalter 22b, 32b. Die Schalter 22a, 32a werden
auf der Grundlage eines Signals S2X von dem Steuersignalgenerator 60 angesteuert,
und die Schalter 22b, 32b werden auf der Grundlage
eines Signals S2Y von dem Steuersignalgenerator 60 angesteuert.
Daher werden die Schalter 22a, 32a auf einen Zustand
hin entgegengesetzt zu demjenigen der Schalter 22b, 32b angesteuert.
Das heißt,
wenn ein Paar der Schalter 22a, 32a und 22b, 32b geschlossen
ist, ist das andere Paar von Schaltern 22a, 32a und 22b, 32b geöffnet.
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Die
Signalverarbeitungsschaltungen 23, 33 enthalten
Tiefpaßfilterschaltungen
(LPF-Schaltungen) 23a, 33a und Verstärkungsschaltungen 23b, 33b.
Die LPF-Schaltungen 23a, 33a entfernen eine Hochfrequenzkomponente
aus einem Ausgang der C-V-Wandler 21, 31 derart,
daß lediglich
eine Komponente innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs ausgegeben
wird. Die Verstärkungsschaltungen 23b, 33b verstärken Ausgangssignale
durch die LPF-Schaltungen 23a, 33a, um die Signale
als Beschleunigungssignale Gout X und Gout Y auszugeben.
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Der
Steuersignalgenerator 60 gibt Signale (Trägerwellen)
P1x, P2x, P1Y und P2Y entsprechend den Spannungsanlegungszeitablaufsintervallen
zum Anlegen von Spannungen an die festen Elektroden 2a–2b,
Signale S2X und S2Y entsprechend den Umschaltezeitablaufsintervallen
der Umschalteschaltungen 22, 32 und Signale S1X
und S1Y entsprechend Umschaltezeitablaufsintervallen der Umschal teschaltungen 21c, 31c aus.
Der Steuersignalgenerator 60 gibt die jeweiligen Signale
auf der Grundlage eines Taktsignals CLK aus. Die jeweiligen von
dem Steuersignalgenerator 60 erzeugten Signale sind während einer
normalen Beschleunigungserfassung unterschiedlich zu den während der
Selbstdiagnose erzeugten Signalen. Beispielsweise gibt der Steuersignalgenerator 60 Signale
zur Erfassung einer Beschleunigung aus, wenn ein Selbstdiagnosebefehlssignal
einen niedrigen Pegel aufweist, und gibt Signale zum Ausführen einer
Selbstdiagnose aus, wenn das Selbstdiagnosebefehlssignal einen hohen
Pegel aufweist.
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Entsprechend 3 und 4,
welche Zeitablaufsdiagramme des Beschleunigungssensors der vorliegenden
Erfindung darstellen, wird im folgenden der Betrieb während einer
Beschleunigungserfassung und während
einer Selbstdiagnose durch den Beschleunigungssensor erörtert. 3 stellt
Wellenstrukturen von Trägerwellen,
die Eingangsspannung für
die ersten und zweiten Erfassungsabschnitte, elektrostatische Kräfte, welche
zwischen den beweglichen Elektroden 1a–1d und den festen
Elektroden 2a–2d erzeugt
werden, und Bewegungen der beweglichen Elektroden 1a–1d dar,
wenn der Beschleunigungssensor die normale Beschleunigungserfassung
beendet und danach mit der Selbstdiagnose beginnt. 4 stellt
Details von Signalen während
der Beschleunigungserfassung dar.
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Wie
in 3 dargestellt wird während einer normalen Beschleunigungserfassung
eine Beschleunigungserfassung ausgeführt, da das Selbstdiagnosebefehlssignal
einen niedrigen Pegel aufweist. In diesem Zustand wird der Betrieb
des Beschleunigungssensors unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Nebenbei bemerkt sind während
der normalen Beschleunigungserfassung die Schalter 22a, 32a geöffnet und
die Schalter 22b, 32b geschlossen auf der Grundlage
der Signale S2X, S2Y, jedoch sind diese Zeitab laufsdiagramme in 4 nicht
dargestellt. Daher wird eine Zwischenspannung V1 (d. h. 2,5 V bei
der vorliegenden Ausführungsform)
an die nichtinvertierenden Eingangsanschlüsse der Operationsverstärker 21a, 31a angelegt
und wird daher den beweglichen Elektroden 1a–1d angelegt.
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Die
Signale P1X, P1Y sind Spannungssignale, welche eine vorbestimmte
Amplitude V (d. h. 5 V bei der vorliegenden Ausführungsform) besitzen, und sind
bezüglich
den Signalen P2X, P2Y invertiert. Die Signale P1X, P1Y, P2X und
P2Y sind Rechteckwellen mit einer vorbestimmten Amplitude, deren
Signalpegel sich zwischen hoch und niedrig wie während der Zeitablaufsintervalle
t1–t4
dargestellt ändern.
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Bei
dem ersten Zeitablaufsintervall t1 besitzen elektrische Potentiale
der festen Elektroden 2a, 2c einen Wert von V,
und elektrische Potentiale der festen Elektroden 2b, 2d besitzen
einen Wert von Null auf der Grundlage der Signale P1X, P2X, P1Y bzw.
P2Y. Ebenfalls sind die Schalter 21c, 31c auf der
Grundlage der Signale S1X, S1Y von dem Steuersignalgenerator 60 geschlossen.
Daher werden die beweglichen Elektroden 1a–1d auf
ein elektrisches Potential von V/2 infolge des Betriebs der Operationsverstärker 21a, 31a vorgespannt.
Die Kondensatoren 21b, 31b, welche als Rückkopplungskondensatoren
wirken, entladen darin Ladungen.
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Wenn
in diesem Zustand die zwischen den beweglichen Elektroden 1a, 1c und
den festen Elektroden 2a, 2c gebildeten Kapazitäten C1 größer als die
zwischen den beweglichen Elektroden 1b, 1d und den
festen Elektroden 2b, 2d gebildeten Kapazitäten C2 sind
(C1 > C2), ist eine
große
Anzahl von negativen Ladungen in den beweglichen Elektroden 1a–1d vorhanden,
da die elektrischen Potentiale der festen Elektroden 2a–2d die
oben beschriebenen Werte besitzen.
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In
dem zweiten Zeitablaufsintervall t2 werden die elektrischen Potentiale
der festen Elektroden 2a, 2c auf V gehalten, und
es werden die elektrischen Potentiale der festen Elektroden 2b, 2d auf
Null auf der Grundlage der Signale P1X, P2X, P1Y bzw. P2Y gehalten.
Jedoch sind die Schalter 21c, 31c auf der Grundlage
der Signale S1X, S1Y von dem Steuersignalgenerator 60 geöffnet. Daher
werden die Kondensatoren 21b, 31b auf der Grundlage
des Zustands der beweglichen Elektroden 1a–1d geladen. Spannungswerte
entsprechend den geladenen Kondensatoren 21b, 31b werden
von den C-V-Wandlern 21, 31 ausgegeben und treten
durch die LPF-Schaltungen 23a, 33a und die Verstärkungsschaltungen 23b, 33b hindurch.
Die Ausgänge
Gout X und Gout Y von den Verstärkungsschaltungen 23b, 33b werden danach
abgetastet.
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In
dem dritten Zeitablaufsintervall t3 werden die elektrischen Potentiale
der festen Elektroden 2a, 2c auf Null geändert, und
es werden die elektrischen Potentiale der festen Elektroden 2b, 2d ebenfalls
auf V auf der Grundlage der Signale P1X, P2X, P1Y bzw. P2Y geändert. Die
Schalter 21c, 31c werden auf der Grundlage der
Signale S1X, S1Y von dem Steuersignalgenerator 60 offen
gehalten.
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In
diesem Zustand besitzen die Ladungen in den beweglichen Elektroden 1a–1d in
dem zweiten Zeitablaufsintervall t2 eine entgegengesetzte Polarität, da die
Signale P1X, P2X, P1Y und P2Y invertiert sind. Das heißt, wenn
die zwischen den beweglichen Elektroden 1a, 1c und
den festen Elektroden 2a, 2c gebildeten Kapazitäten größer als
die zwischen den beweglichen Elektroden 1b, 1d und
den festen Elektroden 2b, 2d gebildeten Kapazitäten sind (C1 > C2), gibt es eine
große
Anzahl von positiven Ladungen in den beweglichen Elektroden 1a–1d,
da die elektrischen Potentiale der festen Elektroden 2a–2d sich auf
den oben beschriebenen Werten befinden.
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Jedoch
werden die Ladungen in dem ersten Zeitablaufsintervall t1 in den
beweglichen Elektroden 1a–1d aufrechterhalten,
da die beweglichen Elektroden 1a–1d bzw. die Kondensatoren 21b, 31b geschlossene
Schaltkreise bilden. Daher bewegen sich überschüssige Ladungen zu den Kondensatoren 21b, 31b und
tragen zur Ladung bei. Entsprechend der Gleichung Q = CV werden
Spannungswerte, die proportional zu den Ladungen (Q), welche von
den beweglichen Elektroden 1a–1d aus bewegt werden, und
umgekehrt proportional zu den Kapazitätswerten (C) der Kondensatoren 21b, 31b sind,
von den C-V-Wandlern 21, 31 ausgegeben.
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In
dem vierten Zeitablaufsintervall t4 werden elektrische Potentiale
der festen Elektroden 2a, 2c auf Null gehalten,
und es werden elektrische Potentiale der festen Elektroden 2b, 2d ebenfalls
auf V auf der Grundlage der Signale P1X, P2X, P1Y bzw. P2Y gehalten.
Nachdem die Ausgänge
der C-V-Wandler 21, 31 hinreichend stabil geworden
sind, verstärkt
die Verstärkungsschaltung 23b, 33b die
Ausgangssignale durch die LPF-Schaltungen 23a, 33a,
um Beschleunigungssignale Gout X und Gout Y zu erzeugen.
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Schließlich wird
eine Differenzspannung zwischen den in dem zweiten Zeitablaufsintervall
t2 und in dem vierten Zeitablaufsintervall t4 abgetasteten Ausgängen Gout
X berechnet. Des weiteren wird eine Differenzspannung zwischen den
während
des zweiten Zeitablaufsintervalls t2 und während des vierten Zeitablaufsintervalls
t4 abgetasteten Ausgängen
Gout Y berechnet. Als Ergebnis wird eine Beschleunigung entlang
den X- und Y-Achsen entsprechend der Bewegung der beweglichen Elektroden 1a–1d auf
der Grundlage der Differenzspannungen erfaßt.
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Als
nächstes
wird wie in 3 dargestellt die Selbstdiagnoseoperation
ausgeführt,
da das Selbstdiagnosebefehlssignal einen hohen Pegel aufweist. In
diesem Zustand werden Steuersignale zur Ausführung der Selbstdiagnose durch
den Steuersignalgenerator 60 ausgegeben. Mit den Steuersignalen
werden die Selbstdiagnose für
den ersten Erfassungsabschnitt und diejenige für den zweiten Erfassungsabschnitt
in dieser Reihenfolge ausgeführt.
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Bei
der Selbstdiagnose für
den ersten Erfassungsabschnitt wird eine Spannungsdifferenz zwischen
den festen Elektroden 2a, 2c und den festen Elektroden 2b, 2d auf
der Grundlage der Signale P1X, P2X, P1Y und P2Y erzeugt. Bezüglich des
ersten Erfassungsabschnitts sind der Schalter 22a der Umschalteschaltung 22 geschlossen
und der Schalter 22b davon auf der Grundlage des Signals
S2X geöffnet.
Daher wird eine Spannung V2 (d. h. 4 V in der vorliegenden Ausführungsform),
welche unterschiedlich zu der Zwischenspannung V1 entsprechend einem
elektrischen Potential zwischen den festen Elektroden 2a, 2b ist,
dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 21a angelegt, um
die Selbstdiagnose auszuführen.
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Dementsprechend
ist eine Spannungsdifferenz zwischen der beweglichen Elektrode 1b und
der festen Elektrode 2b (= 4 V) größer als diejenige zwischen
der beweglichen Elektrode 1a und der festen Elektrode 2a (=
1 V), und daher ist eine elektrostatische Kraft zwischen der beweglichen
Kraft 1b und der festen Elektrode 2b erhöht. Als
Ergebnis werden die beweglichen Elektroden 1a, 1b dazu
gezwungen, sich von einer Mittenposition zwischen den festen Elektroden 2a, 2b aus
zu bewegen.
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Bei
der Selbstdiagnose wird der Zeitablauf der Erzeugung der elektrostatischen
Kraft auf der Grundlage einer Periode des Signals S2X für die Ansteuerung
der Umschalteschaltung 22 gesteuert, um dafür zu sorgen,
daß sich
die beweglichen Elektroden 1a, 1b hinreichend
bewegen, so daß ihre
Bewegungen erfaßt
werden können.
Beispielsweise wird eine Beziehung zwischen einer Frequenz einer
Eingangsspannung zu einer Resonanzfrequenz der beweglichen Elektroden 1a, 1b in 5 dargestellt.
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Ebenfalls
wird eine Beziehung zwischen der Resonanz und dem Ausgang während der
Selbstdiagnose in 6 dargestellt. Wenn wie in 6 dargestellt
die Beziehung zwischen der Frequenz der Eingangsspannung während der
Selbstdiagnose und der Resonanzfrequenz des Sensorelements nahe dem
Resonanzpunkt liegt, ist der Ausgang während der Selbstdiagnose erhöht. Daher
wird der Bereich, während
dem ein großer
Ausgang erzielt wird, als ein Selbstdiagnosebereich verwendet.
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Der
Schalter 22 wird kontinuierlich auf der Grundlage des Signals
S2X geändert,
und die Zwischenspannung V1 entsprechend einer Spannung zwischen
Spannungspotentialen von beiden festen Elektroden 2a, 2b wird
dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 21a wie bei
der Beschleunigungserfassung angelegt.
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Der
erste Erfassungsabschnitt wird daraufhin als der oben erwähnte normale
Beschleunigungserfassungsabschnitt betrieben, und daher wird ein Ausgang
Gout X entsprechend den Bewegungen der beweglichen Elektroden 1a, 1d erlangt.
Da auf diese Weise die durch die elektrostatische Kraft hervorgerufenen
Bewegungen der beweglichen Elektroden 1a, 1b auf
der Grundlage des dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 21a angelegten
Spannungswerts definiert werden, wird ebenfalls ein Aus gang entsprechend
den Bewegungen der beweglichen Elektroden 1a, 1d definiert. Daher
wird eine Selbstdiagnose durch einen Vergleich eines erlangten Ausgangs
Gout X mit einem vordefinierten Ausgang (Selbstdiagnosewert) ausgeführt, welcher
auf der Grundlage des dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 21a angelegten
Spannungswerts definiert wird.
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Bezüglich des
zweiten Erfassungsabschnitts sind während der Selbstdiagnose des
ersten Erfassungsabschnitts der Schalter 32a der Umschalteschaltung 32 geöffnet und
der Schalter 32b davon auf der Grundlage des Signals S2Y
geschlossen. Daher wird die Zwischenspannung V1 dem nichtinvertierenden
Eingangsanschluß des
Operationsverstärkers 31a wie
während
der Beschleunigungserfassung angelegt. Dementsprechend wird die
Selbstdiagnose nicht ausgeführt.
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Wenn
eine vorbestimmte Zeit verstreicht, nachdem die Diagnose des ersten
Erfassungsabschnitts beendet worden ist, wird die Selbstdiagnose des
zweiten Erfassungsabschnitts ausgeführt. Ein Intervall zwischen
der Selbstdiagnose des ersten Erfassungsabschnitts und derjenigen
des zweiten Erfassungsabschnitts wird als Zeitintervall definiert, welches
ermöglicht,
daß Vibrationen
bzw. Schwingungen der beweglichen Elektroden 1a, 1d für die Selbstdiagnose
des ersten Erfassungsabschnitts stoppen. Jedoch kann ein Intervall
alternativ beispielsweise als Zeit gewählt werden, zu welcher einige
Vibrationen der Elektroden 1a, 1d des ersten Erfassungsabschnitts
noch bestehen geblieben sind.
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Bei
der Selbstdiagnose des zweiten Erfassungsabschnitts wird eine Spannungsdifferenz
zwischen den festen Elektroden 2a, 2c und den
festen Elektroden 2b, 2d auf der Grundlage der
Signale P1X, P2X, P1Y und P2Y gebildet.
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Bezüglich des
zweiten Erfassungsabschnitts sind der Schalter 32a der
Umschalteschaltung 32 geschlossen und der Schalter 32b davon
auf der Grundlage des Signals S2Y geöffnet. Daher wird eine Spannung
V2 (d. h. 4 V bei der vorliegenden Ausführungsform), welche sich von
der Zwischenspannung V1 entsprechend einem elektrischen Potential
zwischen den festen Elektroden 2c, 2d unterscheidet, dem
nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 31a angelegt,
um die Selbstdiagnose auszuführen.
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Dementsprechend
ist eine Spannungsdifferenz zwischen der beweglichen Elektrode 1d und
der festen Elektrode 2d (= 4 V) größer als diejenige zwischen
der beweglichen Elektrode 1c und der festen Elektrode 2c (=
1 V), und daher steigt die elektrostatische Kraft zwischen der beweglichen
Elektrode 1d und der festen Elektrode 2d an. Als
Ergebnis werden die beweglichen Elektroden 1a, 1d gezwungen,
sich von einer Mittenposition zwischen den festen Elektroden 2c, 2d aus
zu bewegen.
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Bei
der Selbstdiagnose wird ein Zeitablauf der elektrostatischen Kraft
auf der Grundlage einer Periode des Signals S2Y für die Ansteuerung
der Umschalteschaltung 32 gesteuert, um die beweglichen
Elektroden 1a, 1d zu veranlassen, sich hinreichend
zu bewegen, so daß ihre
Bewegung erfaßt werden
kann.
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Der
Schalter 32 wird kontinuierlich auf der Grundlage des Signals
S2Y geändert,
und es wird die Zwischenspannung V1 entsprechend einer Spannung
zwischen Spannungspotentialen der beiden festen Elektroden 2c, 2d dem
nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 31a wie
bei der Beschleunigungserfassung angelegt.
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Der
zweite Erfassungsabschnitt wird danach wie der oben beschriebene
normale Beschleunigungserfassungsabschnitt betrieben, und daher
wird ein Ausgang Gout Y entsprechend den Bewegungen der beweglichen
Elektroden 1c, 1d erlangt. Da die durch die elektrostatische
Kraft hervorgerufenen Bewegungen der beweglichen Elektroden 1c, 1d auf
der Grundlage des Spannungswerts definiert werden, welcher an den
nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 31a angelegt
wird, wird auf diese Weise ebenfalls ein Ausgang entsprechend der
Bewegung der beweglichen Elektroden 1c, 1d definiert.
Daher wird die Selbstdiagnose durch einen Vergleich eines erlangten
Ausgangs Gout Y mit einem vorbestimmten Ausgang (Selbstdiagnosewert) ausgeführt, welcher
auf der Grundlage eines dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 31a angelegten
Spannungswerts definiert wird.
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Demgegenüber sind
bezüglich
des ersten Erfassungsabschnitts während der Selbstdiagnose des
zweiten Erfassungsabschnitts der Schalter 22a der Umschalteschaltung 22 geöffnet und
der Schalter 22b davon auf der Grundlage des Signals S2X
geschlossen. Daher wird die Zwischenspannung V1 dem nichtinvertierenden
Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 21a wie
bei der Beschleunigungserfassung angelegt. Dementsprechend wird die
Selbstdiagnose nicht ausgeführt.
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Wie
oben beschrieben, sind bei dem vorliegenden Beschleunigungssensor
der ersten Ausführungsform
ein Spannungsanlegungszeitablauf zum Ausführen der Selbstdiagnose des
ersten Erfassungsabschnitts und derjenige zum Ausführen der Selbstdiagnose
des zweiten Erfassungsabschnitts verschoben, so daß sie sich
nicht entsprechen. Dementsprechend beeinträchtigt die Resonanz der Sensorelemente
des ersten Erfassungsabschnitts nicht diejenige der Sen sorelemente
des zweiten Erfassungsabschnitts, und daher ist der Fehler des Sensorausgangs
verringert. Als Ergebnis ist es möglich, eine Funktionsstörung des
Sensors entlang jeder Achse eines vielachsigen Beschleunigungssensors genau
zu diagnostizieren.
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Zweite Ausführungsform
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Bei
der zweiten Ausführungsform
führt ein Beschleunigungssensor
eine Selbstdiagnose auf eine unterschiedliche Weise gegenüber derjenigen bei
der ersten Ausführungsform
aus. Da die Sensorkonstruktion und der grundlegende Betrieb ähnlich wie
bei dem Beschleunigungssensor der ersten Ausführungsform sind, werden lediglich
jene Abschnitte im folgenden beschrieben, welche unterschiedlich sind.
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Bei
dem Beschleunigungssensor der zweiten Ausführungsform sind eine Spannungsfrequenz (hiernach
als erste Spannungsfrequenz bezeichnet) zum Ausführen der Selbstdiagnose eines
ersten Erfassungsabschnitts und eine Spannungsfrequenz (hiernach
als zweite Spannungsfrequenz bezeichnet) zum Ausführen der
Selbstdiagnose eines zweiten Erfassungsabschnitts zueinander unterschiedlich.
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7 stellt
ein Zeitablaufsdiagramm des Falles dar, bei welchem der Beschleunigungssensor der
zweiten Ausführungsform
operativ ist. Da bei der normalen Beschleunigungserfassung das Selbstdiagnosebefehlssignal
einen niedrigen Pegel aufweist, wird eine Beschleunigungserfassung
auf dieselbe Weise wie bei der ersten Ausführungsform ausgeführt. Bei
der Selbstdiagnose weist das Selbstdiagnosebefehlssignal einen hohen
Pegel auf, und der Beschleunigungssensor arbeitet wie folgt.
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Zuerst
wird eine Spannungsdifferenz zwischen festen Elektroden 2a, 2c und
festen Elektroden 2b, 2d auf der Grundlage der
Signale P1X, P2X, P1Y und P2Y erzeugt. Bezüglich des ersten Erfassungsabschnitts
sind auf der Grundlage des Signals S2X der Schalter 22a der
Umschalteschaltung 22 geschlossen und der Schalter 22b davon
geöffnet. Ebenfalls
sind bezüglich
des zweiten Erfassungsabschnitts auf der Grundlage des Signals S2Y
der Schalter 32a der Umschalteschaltung 32 geschlossen
und der Schalter 32b davon geöffnet. Daher wird eine Spannung
V2 (d. h. 4 V bei der vorliegenden Ausführungsform), welche sich von
der Zwischenspannung V1 entsprechend den elektrischen Potentialen
der festen Elektroden 2a und 2b oder der festen
Elektroden 2c und 2d unterscheidet, an die nichtinvertierenden
Eingangsanschlüsse
des Operationsverstärkers 21a, 31a angelegt,
um die Selbstdiagnose auszuführen.
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In
diesem Zustand unterscheiden sich wie in 7 dargestellt
die ersten und zweiten Spannungsfrequenzen voneinander. Darüber hinaus
werden die ersten und zweiten Spannungsfrequenzen derart gewählt, so
daß die
Ausgänge
Gout X, Gout Y groß sind.
Beispielsweise beträgt
die erste 7 kHz und beträgt
die zweite 10 kHz.
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Wenn
die Spannungen zum Ausführen
der Selbstdiagnose an die ersten und zweiten Erfassungsabschnitte
angelegt werden, sind die Spannungsdifferenzen zwischen den beweglichen
Elektroden 1b, 1d und den festen Elektroden 2b, 2d (=
4 V) größer als
jene zwischen den beweglichen Elektroden 1a, 1c und
den festen Elektroden 2a, 2c (= 1 V), und daher
steigen die elektrostatischen Kräfte zwischen
den beweglichen Elektroden 1b, 1d und den festen
Elektroden 2b, 2d an. Als Ergebnis werden die
beweglichen Elektroden 1a–1d gezwungen, sich
von den jeweiligen Mittenpositionen zwischen den festen Elektroden 2a, 2d aus
zu bewegen.
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Die
ersten und zweiten Erfassungsabschnitte werden danach in der bezüglich der
ersten Ausführungsform
erwähnten
normalen Beschleunigungserfassungsbetriebsart betrieben, und daher
werden die Ausgänge
Gout X, Gout Y entsprechend den Bewegungen der beweglichen Elektroden 1a–1d erzielt. Danach
werden die Selbstdiagnosen der ersten und zweiten Erfassungsabschnitte
durch einen Vergleich der erlangten Ausgänge Gout X, Gout Y mit vorausbestimmten
Ausgängen
(Selbstdiagnosewerten) ausgeführt,
welche auf der Grundlage der Spannungswerte definiert werden, die
an den nichtinvertierenden Eingangsanschluß der Operationsverstärker 21a, 31a angelegt
werden.
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Wie
oben erwähnt
sind bei dem Beschleunigungssensor der zweiten Ausführungsform
die ersten und zweiten Spannungsfrequenzen zueinander unterschiedlich.
Dementsprechend sind Spitzenpositionen von beiden an die ersten
und zweiten Erfassungsabschnitte angelegten Spannungen verschoben,
und es ist eine Welleninterferenz der Spannungen beschränkt. Als
Ergebnis ist es möglich,
eine Funktionsstörung
des Sensors genau entlang jeder Achse des Beschleunigungssensors
zu diagnostizieren.
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Bei
dem Beschleunigungssensor der zweiten Ausführungsform können die
ersten und zweiten Spannungsfrequenzen auf irgendwelche Frequenzen
geändert
werden. Es wird jedoch bevorzugt, eine Beziehung dahingehend zu
wählen,
daß eine
dieser Spannungsfrequenzen nicht doppelt so hoch wie die andere
Frequenz ist. Dies liegt daran, daß eine Sekundärresonanz
einen Ausgangsfehler hervorrufen könnte.
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Wenn
eine Welleninterferenz der Spannungen innerhalb einer dritten Resonanz
nicht ignoriert werden kann und eine Frequenz, welche einem kleinsten
gemeinsamen Vielfachen der ersten und zweiten Spannungsfrequenzen
entspricht, die niedrigste gemeinsame vielfache Frequenz ist (beispielsweise,
wenn die erste Spannungsfrequenz 3 kHz und die zweite Spannungsfrequenz
4 kHz betragen, beträgt
die kleinste gemeinsame vielfache Frequenz 12 kHz), besitzen n und
m, welche der folgenden Formel genügen, vorzugsweise einen Wert
von vier oder mehr. (Erste Spannungsfrequenz)
x n = (zweite Spannungsfrequenz) × m = niedrigste gemeinsame
vielfache Frequenz
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Modifizierung
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Bei
den ersten und zweiten Ausführungsformen
wird ein Beschleunigungssensor als kapazitiver Sensor zur Erfassung
einer physikalischen Größe verwendet.
Es kann jedoch ein anderer Sensor wie ein Drucksensor oder wie ein
Gierratensensor alternativ als kapazitiver Sensor zur Erfassung
einer physikalischen Größe verwendet
werden.
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Bei
den ersten und zweiten Ausführungsformen
ist die vorliegende Erfindung auf Beschleunigungssensoren zur Erfassung
einer Beschleunigung entlang zweier Achsen gerichtet. Jedoch kann
die vorliegende Erfindung auf einen Beschleunigungssensor zum Erfassen
einer Beschleunigung entlang dreier Achsen (X-, Y-, Z-Achse) gerichtet
sein. In diesem Fall ist die vorliegende Erfindung auf wenigstens zwei
von den drei Achsen gerichtet.
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Der
erste Erfassungsabschnitt zum Erfassen einer Beschleunigung entlang
der X-Achse und der zweite Erfassungsabschnitt zum Erfassen einer
Beschleunigung entlang der Y-Achse können auf demselben Substrat
gebildet sein.
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Die
vorliegende Erfindung kann alternativ auf einen kapazitiven Sensor
zur Erfassung einer physikalischen Größe angepaßt sein, welcher unterschiedliche
Federkonstanten in der X- und X-Achse aufweist. Ebenfalls- kann die
vorliegende Erfindung alternativ auf einen kapazitiven Sensor zur
Erfassung einer physikalischen Größe angepaßt sein, welcher eine physikalische
Größe in derselben
Richtung (X-X-Achse) erfaßt.
In diesem Fall können
die jeweiligen Erfassungsabschnitte derart gewählt werden, daß sie unterschiedliche
Erfassungsbereiche besitzen.
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Vorstehend
wurde ein kapazitiver Sensor zur Erfassung einer physikalischen
Größe offenbart,
welcher eine physikalische Größe entlang
einer Mehrzahl von Achsen erfaßt.
Ein Steuersignalgenerator (60) sendet ein erstes Signal
einer beweglichen Elektrode (1a–1d) und einer festen
Elektrode (2a–2d)
zur Erfassung einer Änderung
einer zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode
gebildeten Kapazität
während
eines normalen Zeitablaufsintervalls zur Erfassung einer physikalischen
Größe. Ebenfalls
sendet der Steuersignalgenerator ein zweites Signal der beweglichen
Elektrode und der festen Elektrode anstelle des ersten Signals zur
Bewegung der beweglichen Elektrode für ein Diagnostizieren einer
Funktionsstörung
von jedem aus einer Mehrzahl von Abschnitten zur Erfassung einer
physikalischen Größe während eines
Selbstdiagnosezeitablaufsintervalls. Der Steuersignalgenerator sendet
das zweite Signal der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode
jedes Abschnitts zur Erfassung einer physikalischen Größe während unterschiedlichen
Zeitablaufsintervallen.