DE112013006577T5

DE112013006577T5 - Verbundsensor

Info

Publication number: DE112013006577T5
Application number: DE112013006577.0T
Authority: DE
Inventors: Daisuke Maeda; Ichiroh Ohsaka; Masahide Hayashi
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2015-11-26
Also published as: JP2014149220A; US20160011254A1; US9810734B2; JP6084473B2; WO2014119092A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Technologie bereit, die dazu in der Lage ist, zu unterdrücken, dass ein Fehler, der in einem bestimmten Detektionselement aufgetreten ist, andere Detektionseinheiten, in denen kein Fehler aufgetreten ist, in einem Verbundsensor beeinflusst. Der Verbundsensor umfasst: eine Vielzahl von Detektionseinheiten, die aus C/V-Wandlerschaltungen 321a und 321b, Verstärkerschaltungen 322a und 322b, ADC 323a und 323b, Diagnosespannungsausgabe-DAC 327a und 327b, Trägersignalerzeugungs-DAC 328a und 328b und Substratspannungserzeugungs-DAC 329a und 329b, die Signaldetektionsschaltungen sind, die für jedes einer Vielzahl von Detektionselementen vorgesehen sind, gebildet sind; eine Leistungsquellenspannungseingabeeinheit 331 und eine Massespannungseingabeeinheit 332, die von jeder der Vielzahl von Detektionseinheiten gemeinsam genutzt werden; und Überstromschaltschaltungen 101a und 101b, die Fehlerdetektionsschaltungen sind, die für jede der Vielzahl von Detektionseinheiten zum Detektieren des Fehlers jedes Detektionselements und Stoppen der Leistungszufuhr zu der Detektionseinheit, in der der Fehler aufgetreten ist, vorgesehen sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundsensor zum Detektieren einer Vielzahl von physikalischen Größen und insbesondere einen Verbundsensor mit einer Funktion des Detektierens des Auftretens von Fehlern in Detektionselementen der physikalischen Größen und einer Funktion, die das Ausbreiten von Einflüssen der Fehler auf andere Detektionseinheiten verhindert.
STAND DER TECHNIK
Als Stand der Technik auf diesem technischen Gebiet ist zum Beispiel Patentdokument 1 bekannt. Patentdokument 1 beschreibt eine Technologie, die redundante Winkelgeschwindigkeitssensoren umfasst. Genauer beschreibt Absatz [0011] von Patentdokument 1, dass eine Vielzahl von Winkelgeschwindigkeitssensoren mit einer Fehlerdiagnoseschaltung, die Fehlersignale zum Zeitpunkt von Fehlern ausgibt, eine Diskriminierungseinrichtung, die die Anwesenheit oder Abwesenheit von Fehlern der Winkelgeschwindigkeitssensoren und einen fehlerhaften Winkelgeschwindigkeitssensor bestimmt, und eine Stufenspannungsausgabeeinrichtung, die Fehlersignale auf Grundlage von Ausgangssignalen von der Diskriminierungseinheit stufenweise ändert, vorgesehen sind und Ausgangssignale der anderen Winkelgeschwindigkeitssensoren als dem fehlerhaften Winkelgeschwindigkeitssensor an externe Computer übertragen werden.
Ferner sind auch Patentdokument 2 und Patentdokument 3 als Stand der Technik auf diesem technischen Gebiet bekannt. Patentdokumente 2 und 3 beschreiben die Technologien der gemeinsamen Nutzung einer Detektionsschaltung von einer Vielzahl von Achsen. Genauer sind die folgenden Inhalte beschrieben. Das bedeutet, Absatz [0025] von Patentdokument 2, der 1 davon erläutert, beschreibt, dass eine Diagnosespannungssteuereinheit 167 einen Oszillator 128 zur Verlagerung in eine X-Achsen-Richtung und einen Oszillator 129 zur Verlagerung in eine Y-Achsen-Richtung zwingt und eine Spannung an Elektroden 131 und 133 angelegt, um zu diagnostizieren, ob ein Beschleunigungssensor richtig funktioniert. Ferner beschreibt 11 von Patentdokument 3, dass eine Trägerwellenanlegungsschaltung 18 Trägerwellen an variable Kondensatoren 21a, 21b, 22a und 22b mit orthogonalen Empfindlichkeiten (Detektionsachsen) anlegt.
VERWANDTE DOKUMENTE
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: japanisches Patent Nummer 4,793,012
Patentdokument 2: offengelegte japanische Patentanmeldung Nummer 2012-93301
Patentdokument 3: offengelegte japanische Patentanmeldung Nummer 2009-145321

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Sensorvorrichtungen von einem Typ, der als MEMS (Mikroelektromechanische Systeme) bezeichnet wird, die Halbleitertechnologien zum Detektieren von Trägheitsgrößen verwenden, wurden entwickelt und werden zunehmend insbesondere auf dem Gebiet von Automobilen angewendet. Ferner hat sich zunehmend das sogenannte „Compounding” zum Realisieren des Detektierens einer Vielzahl von physischen Größen mit einem einzelnen Sensormodul oder einem einzelnen Detektionselementchip weiter entwickelt und wurden Bemühungen zur Kostensenkung von Sensoren gefördert.
Zum Beispiel hat ein solcher Verbundsensor eine in 11 gezeigte Konfiguration. 11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Gesamtkonfiguration eines Verbundsensors zeigt, der als eine Voraussetzung für die vorliegende Erfindung studiert wurde. 11 zeigt ein Konfigurationsbeispiel eines zweiachsigen Beschleunigungssensors, nämlich eines Verbindungsbeschleunigungssensors, der zwei Detektionselemente wie zum Beispiel ein erstes Beschleunigungsdetektionselement und ein zweites Beschleunigungsdetektionselement umfasst.
In diesem Verbindungsbeschleunigungssensor sind ein erstes Beschleunigungsdetektionselement und ein zweites Beschleunigungsdetektionselement in einem Beschleunigungsdetektionselementchip 311 vorgesehen. Das erste Beschleunigungsdetektionselement umfasst ein erstes bewegliches Teil 312a, das durch eine Beschleunigung verlagert wird, und erste Detektionselektroden 313a, die zusammen mit einem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 312a nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und eine Beschleunigung detektieren, und das zweite Beschleunigungsdetektionselement umfasst ein zweites bewegliches Teil 312b, das durch eine Beschleunigung verlagert wird, und zweite Detektionselektroden 313b, die zusammen mit einem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 312b nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und eine Beschleunigung detektieren. Ferner umfasst das erste Beschleunigungsdetektionselement das bewegliche Teil 312a und erste Diagnoseelektroden 314a, die zusammen mit dem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 312a nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und das bewegliche Teil 312a durch eine elektrostatische Kraft zur Verlagerung zwingen, und umfasst das zweite Beschleunigungsdetektionselement das bewegliche Teil 312b und zweite Diagnoseelektroden 314b, die zusammen mit dem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 312b nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und das bewegliche Teil 312b durch eine elektrostatische Kraft zur Verlagerung zwingen. Außerdem sind ein erstes und ein zweites Trägerspannungsanlegungsteil 315a und 315b zum Zuführen von Trägerspannung zu den jeweiligen Detektionselektroden 313a bzw. 313b vorgesehen. Zusätzlich sind ein erster und ein zweiter Trägerbalken 317a und 317b zum Tragen der beweglichen Teile 312a und 312b und ein Dummy-Musterteil 316, das ein anderer Bereich als die beweglichen Teile und die ortsfesten Teile ist, vorgesehen.
Ferner umfasst ein Signaldetektions-LSI 320 eine erste und eine zweite C/V(Kapazität in Spannung)-Wandlerschaltung 312a und 312b, eine erste und eine zweite Verstärkerschaltung 322a und 322b und einen ersten und einen zweiten ADC (Analog/Digital-Wandler) 323a bzw. 323b für die Detektionselemente. Eine erste Detektionseinheit ist aus dem oben beschriebenen ersten Beschleunigungsdetektionselement und dessen Detektionsschaltungen (der ersten C/V-Wandlerschaltung 312a, der ersten Verstärkerschaltung 322a und dem ersten ADC 323a) gebildet und eine zweite Detektionseinheit ist aus dem oben beschriebenen zweiten Beschleunigungsdetektionselement und dessen Detektionsschaltungen (der zweiten C/V-Wanderschaltung 321b, der zweiten Verstärkerschaltung 322b und dem zweiten ADC 323b) gebildet. Ferner ist das Signaldetektions-LSI 320 mit einer Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324, einem Oszillator und einer Takterzeugungsschaltung 325, einem Speicher 326, wie zum Beispiel einem EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), einem ROM (Read Only Memory), einem RAM (Random Access Memory) oder einem Register, einem Diagnosespannungsausgabe-DAC (Digital/Analog-Wandler) 327, einem Trägersignalerzeugungs-DAC 328, einem Substratspannungserzeugungs-DAC 329, einer DSP(Digitalsignalprozessor)-Schaltungseinheit 330, einer Energiequellenspannungseingabeeinheit 331 und einer Massespannungseingabeeinheit 332 versehen und ist die Anzahl dieser Komponenten geringer als die Anzahl der Detektionselemente. Genauer ist im Allgemeinen nur ein Satz dieser Komponenten vorgesehen. Der Grund dafür wird später beschrieben.
Der Beschleunigungsdetektionselementchip 311 und das Signaldetektions-LSI 320 sind elektrisch durch Bonddrähte 341 verbunden.
Betriebsabläufe des Verbindungsbeschleunigungssensors mit der oben beschriebenen Konfiguration werden beschrieben. In dem Signaldetektions-LSI 320 des Verbindungsbeschleunigungssensors wird Leistungsquellenspannung von außen durch die Leistungsquellenspannungseingabeeinheit 331 und die Massespannungseingabeeinheit 332 empfangen. Die empfangene Leistungsquellenspannung wird dann jeder/jedem der ersten C/V-Wandlerschaltung 321a, der ersten Verstärkerschaltung 322a, des ersten ADC 323a, der zweiten C/V-Wandlerschaltung 321b, der zweiten Verstärkerschaltung 322b, des zweiten ADC 323b, des Diagnosespannungsausgabe-DAC 327, des Trägersignalerzeugungs-DAC 328, des Substratspannungserzeugungs-DAC 329, der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324, der Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325, des Speichers 326 und der DSP-Schaltungseinheit 330 zugeführt, welche die in 11 gezeigten Schaltungselemente sind.
Die Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 hat auch eine Funktion des Erzeugens eines vorbestimmten konstanten Spannungspegels mit unterdrückten durch Leistungsquellenspannung oder Temperatur bedingten Schwankungen. Eine solche Bezugsspannung hat eine Funktion des Bestimmens der Empfindlichkeit des Sensors als eine Bezugsspannung des ADC und DAC. Die von der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 erzeugte Bezugsspannung wird dem ersten ADC 323a, dem zweiten ADC 323b, dem Diagnosespannungsausgabe-DAC 327, dem Trägersignalerzeugungs-DAC 328 und dem Substratspannungserzeugungs-DAC 329 zugeführt. Da die Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 sogar in einem wie oben beschriebenen Verbindungsbeschleunigungssensor von den Detektionseinheiten gemeinsam genutzt wird, kann eine Konfiguration mit nur einer Bezugsspannungserzeugungsschaltung übernommen werden. Eine solche Konfiguration ermöglicht es, das Signaldetektions-LSI 320 zu verkleinern und die Herstellungskosten zu senken.
Der Trägersignalerzeugungs-DAC 328 empfängt Takt-Trigger von der Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325 und legt Trägersignale, die durch Anpassung der Bezugsspannung an eine vorbestimmte Spannung durch Spannungsteilung oder Ähnliches erhalten werden, an die Trägerspannungsanlegeteile 315a und 315b an. Zu diesem Zeitpunkt werden der Trägersignalerzeugungs-DAC 328 und die Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325 von einer Vielzahl von Detektionseinheiten aus den gleichen Gründen wie denen bezüglich der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 gemeinsam genutzt.
In dem Beschleunigungsdetektionselementchip 311 werden, wenn eine Beschleunigung aufgebracht wird, die beweglichen Teile verlagert, so dass sich ihre relativen Abstände bezüglich der ortsfesten Teile ändern, das bedeutet, die elektrostatischen Kapazitäten der Detektionselektroden 313a und 313b ändern sich. Die Änderungsausmaße der elektrostatischen Kapazitäten der Detektionselektroden 313a und 313b, an die Trägersignale angelegt werden, werden den C/V-Wandlerschaltungen 321a und 321b in der Form von Strom zugeführt und in Spannungssignale umgewandelt. Die Beschleunigung, die in Spannungssignale umgewandelt wird, wird durch eine Kommunikationseinrichtung (Comm.), wie zum Beispiel SPI(Serial Peripheral Interface)-Kommunikation, an ein übergeordnetes System ausgegeben, nachdem sie die Verstärkerschaltungen 322a und 322b und die ADC 323a und 323b durchlaufen haben und einer Wellenformformung durch die DSP-Schaltungseinheit 330 unterzogen wurden, zum Beispiel Rauschreduzierung durch ein Tiefpassfilter (LPF) und Trimming(TRIM Punkt)-Anpassung von Nullpunkten oder Verstärkungen.
Zu diesem Zeitpunkt werden die DSP-Schaltungseinheit 330 und der Speicher 326 von den Detektionseinheiten aus dem gleichen Grund wie dem bezüglich der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 gemeinsam genutzt. Jedoch ist es, wie für die C/V-Wandlerschaltungen 321a und 321b, die Verstärkerschaltungen 322a und 322b und die ADC 323a und 323b, notwendig, sie in der gleichen Anzahl wie die Detektionselemente vorzusehen, da diese die Schaltungen zur Verarbeitung von Spannungssignalen kontinuierlicher Zeit sind und somit schwer von anderen Detektionseinheiten mit zu nutzen sind. Ferner wird der Diagnosespannungsausgabe-DAC 327 auch von den Detektionseinheiten gemeinsam genutzt. Der Diagnosespannungsausgabe-DAC 327 detektiert Fehler, wie zum Beispiel festen Kraftschluss, durch Erzeugen von elektrostatischer Kraft durch Anlegen einer Spannung an die Diagnoseelektroden 314a und 314b der Detektionselemente und Bestätigen das Auftretens von Verlagerung durch die DSP-Schaltungseinheit 330.
Ferner wird der Substratspannungserzeugung-DAC 329 auch von den Detektionseinheiten gemeinsam genutzt. Die Substratspannung ist eine Spannung des Dummy-Teils 316. Insbesondere ist es durch Einstellen der Substratspannung auf die gleiche Spannung wie die der beweglichen Teile 312a und 312b möglich, das Auftreten von unnötiger elektrostatischer Kraft zu unterdrücken, die zwischen den beweglichen Teilen 312a und 312b und dem Dummy-Musterteil 316 erzeugt wird, und Einflüsse von parasitärer Kapazität zu unterdrücken. Dementsprechend ist es wünschenswert, dass sogar das Dummy-Musterteil 316, das ein leitfähiger Körper ist, der nicht direkt für das Detektieren von Beschleunigung notwendig ist und keine Elektroden zum Realisieren einer Sensorfunktion bildet, eine Funktion des Fixierens seiner Spannung auf einen konstanten Wert hat, anstatt ihn in einem schwebenden Zustand zu lassen. Jedoch ist es, wie für die Spannung des Dummy-Musterteils, d. h. die Substratspannung, ausreichend, wenn die gleiche Spannung wie oben beschrieben an alle Detektionselemente angelegt wird, und ist es somit möglich, dass die Detektionseinheiten den Substratspannungserzeugung-DAC 329 gemeinsam nutzen.
Ferner ist es, wie in 11 gezeigt, wenn das Dummy-Musterteil 316 auf dem Chip des Beschleunigungsdetektionselementchips 311 ein leitfähiger Körper ist, der allen Detektionselementen gemeinsam ist und nicht zum Trennen von Spannungen konfiguriert ist, offensichtlich notwendig und ausreichend, einen einzigen Substratspannungserzeugung-DAC 329 auf der Seite des Signaldetektions-LSI 320 vorzusehen. Mit der oben beschriebenen Konfiguration werden in einem Beschleunigungssensor mit einer Vielzahl von Detektionselementen die gemeinsam nutzbaren Teile auf der Seite des Signaldetektions-LSI soweit wie möglich gemeinsam genutzt, so dass der Verbundsensor, der eine Herstellungskostensenkung erreicht, realisiert werden kann. Dementsprechend hat der Verbundsensor im Allgemeinen die oben beschriebene Konfiguration.
Ferner ist es aus der Perspektive der Verbesserung der Fehlertoleranz auch möglich, die Konfiguration zu verwenden, in der eine Vielzahl von in 11 gezeigten beweglichen Teilen 312a und 312b mit der gleichen physikalischen Größe und der gleichen Detektionsachse (nicht gezeigt) vorgesehen sind. Genauer ist dies ein Konzept eines redundanten Sensors, bei dem durch die Bereitstellung einer Anzahl von exakt den gleichen Detektionselementen, sogar, wenn eines der Detektionselemente fehlerhaft ist, andere nicht fehlerhafte Detektionselemente die erwünschte Sensorfunktion aufrechterhalten können. Eine Technologie, die solch ein Konzept verwendet, ist zum Beispiel das oben beschriebene Patentdokument 1.
Betrachtet man die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Fehlers in dem in 11 gezeigten Signaldetektions-LSI 320 und dem Beschleunigungsdetektionselementchip 311, ist der erstere ein sogenannter Festkörper und hat kein mechanisch bewegliches Teil und somit eine ausgezeichnete Schlagfestigkeit, während der letztere dafür konfiguriert ist, winzige mechanische Strukturen zu haben, die durch Beschleunigung oder elektrostatische Kraft konstant verlagert werden. Die Fehlerrate des Signaldetektions-LSI ist im Allgemeinen somit im Vergleich zu der des Beschleunigungsdetektionselementchips wesentlich niedriger. Auch im Vergleich zu Kontaktfehlern oder Kurzschlüssen von Bonddrähten für deren Verbindung ist die Fehlerrate des Signaldetektions-LSI selber im Allgemeinen bemerkenswert niedrig. Aus diesem Grund hat, sogar wenn zur Verbesserung der Fehlertoleranz die Konfiguration eines redundanten Sensors verwendet wird, das Signaldetektions-LSI im allgemeinen die Konfiguration, in der Schaltungselemente, die gemeinsam nutzbar sind, so weit wie möglich gemeinsam genutzt werden, wie in dem oben beschriebenen Beschleunigungssensor zum Detektieren von zweiachsiger Beschleunigung. Abgesehen davon besteht kein Unterschied zu dem Fall, in dem eine Vielzahl der gleichen Sensoren auf der gleichen Detektionsachse vorgesehen ist, und können hinsichtlich der Kosten keine Vorteile erreicht werden.
Zum Beispiel beschreibt das oben beschriebene Patentdokument 1 auch eine Konfiguration, in der eine Vielzahl von Winkelgeschwindigkeitssensoren in einem redundanten Sensor vorgesehen sind und eine Schaltung mit einer Einrichtung zum Detektieren von Fehlern davon und Auswählen von Ausgaben in dem redundanten Sensor vorgesehen ist. Genauer kann man sagen, dass Verbundsensoren und redundante Sensoren unter der Voraussetzung konfiguriert sind, dass Schaltungseinheiten selten versagen, während Beschleunigungssensorteile mit mechanischen Strukturen möglicherweise versagen. Mit anderen Worten versteht es sich, dass die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von gleichzeitigen Fehlern einer Vielzahl von Schaltungseinheiten des gleichen Sensors und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Fehlers einer Sensorschaltungseinheit mit einer Vielzahl von Detektionselementen im Wesentlichen als die gleichen wie die des mechanischen Strukturteils und des Bonddrahtteils betrachtet werden können.
Ferner beschreiben die oben beschriebenen Patentdokumente 2 und 3 auch eine Technologie der gemeinsamen Nutzung von Detektionsschaltungen von einer Vielzahl von Achsen unter Berücksichtigung der Vorteile hinsichtlich der Kosten von redundanten Sensoren. Zum Beispiel wird eine Diagnoseschaltungssteuereinheit in dem Patent Dokument 2 gemeinsam genutzt und wird eine Trägerwellenanlegungsschaltung in dem Patent Dokument 3 gemeinsam genutzt, um die Konfigurationen zu haben, die die Vorteile hinsichtlich der Kosten bieten können.
Als Ergebnis der Studien der Dokumente des Stands der Technik, einschließlich der oben beschriebenen Patentdokumente 1 bis 3, durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung hat sich zufällig Folgendes herausgestellt. Bei den Konfigurationen des Standes der Technik besteht nämlich das Problem, dass es nicht möglich ist, zu verhindern, dass ein Fehler eines Detektionselements, insbesondere ein mechanischer Fehler einer Detektionselementeinheit, sich auf die anderen Detektionseinheiten ausbreitet. Dieses Problem ist nachstehend beschrieben.
Der oben beschriebene in 11 gezeigte Beschleunigungsdetektionselementchip 311 hat eine winzige mechanische Struktur aus einem Material wie zum Beispiel Silizium, und wird durch Ätzprozesstechnologien, wie zum Beispiel DRIE (Deep Reactive Ion Etching) hergestellt. In dieser durch eine solche Mikrofabrikation erlangten mechanischen Struktur reicht die Masse der beweglichen Teile im Allgemeinen von etwa einigen Mikrogramm bis einigen 100 Mikrogramm, so dass die elektrische elektrostatische Kraft manchmal stärker ist als deren Verlagerung.
Wenn zum Beispiel eine große Verlagerung durch die Aufbringung einer extrem starken Beschleunigungskraft von außen (zum Beispiel in einer Situation, in der der Sensor runterfällt und auf dem Boden aufschlägt) bewirkt wird, kann in einigen Fällen ein Fehlermodus auftreten, in dem bewegliche Teile fest an einem ortsfesten Teil der Elektrode oder des Dummy-Musterteils durch schwebende elektrische Ladung haften. Ferner wird, wenn aus irgendwelchen Gründen leitfähige Partikel erzeugt werden oder während der Herstellung von außen eindringen, ein elektrischer Kurzschluss verursacht, wenn die Partikel zwischen leitfähigen Körpern mit verschiedenen Spannungen haften. Wie oben beschrieben, fließt, da sich nicht alle leitfähigen Körper des Beschleunigungsdetektionselementchips 311 in einem schwebenden Zustand befinden, sondern im Allgemeinen eine Art von Spannung daran angelegt wird, Strom, wenn eine Differenz zwischen deren Spannungen besteht.
Ein Fehlermodus von Kurzschlüssen, der durch Abfallen oder gegenseitigen Kontakt von Bonddrähten verursacht wird, kann auch aufgrund der Struktur des Sensors auftreten. Auch in diesem Fall wird aufgrund der Spannungsdifferenz ein anderer Strom als die bei der Gestaltung vorgesehene Strommenge erzeugt.
Aufgrund dieser Kurzschlüsse gelangen das Beschleunigungsdetektionselementteil und das Bonddrahtteil, die aus der Perspektive des Signaldetektions-LSI die Lastseiten sind, in einen Niedrig-Impedanz-Zustand, der zu einer anderen Situation führt als der bei der Gestaltung der Schaltung vorgesehenen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Fehlermodus, in dem Spannung oder Strom, die nicht im Bereich eines normalen Betriebs zugeführt werden, in der ersten und der zweiten C/V-Wandlerschaltung 321a und 321b, der ersten und der zweiten Verstärkerschaltung 322a und 322b und dem ersten und dem zweiten ADC 323a und 323b verursacht. Infolgedessen treten Fehler dahingehend auf, dass ein zu hoher Strom von einer Leistungsquelle fließt und eine zulässige Strommenge in der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 überschritten wird.
Wenn ein solcher Überstrom erzeugt wird, tritt zum Beispiel ein durch den Ausgangswiderstand der Leistungsquellenschaltung und der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 bedingter Spannungsabfall auf und wird die Ausgangsspannung der Bezugsspannungserzeugungsschaltung in einen anderen Wert als der ursprünglich ausgelegte Spannungswert geändert. Insbesondere bewirkt, da die Bezugsspannung als eine Bezugsspannung für die entsprechenden Elemente der oben beschriebenen Detektionsschaltungen dienen, die Änderung der Bezugsspannung aufgrund des Kurzschlusses eines Detektionselements häufig Defektmodi wie zum Beispiel einen Offset-Drift und eine Änderung der Empfindlichkeit anderer Detektionseinheiten, in denen kein Fehler auftritt.
Hier zeigt 12 ein Beispiel einer C/V-Wandlerschaltung, die eine Beschleunigung durch die Änderung der elektrostatischen Kapazität Cs detektiert. In 12 bezeichnet 2001 einen Schalter, 2002 einen Ausgangsanschluss, 2003 einen Trägersignalgenerator mit einer Spannungsamplitude (Trägerspannung) Vc, 2004 eine Vorspannung und 2005 einen Funktionsverstärker. In dieser C/V-Wandlerschaltung wird eine Beschleunigungsausgabe Vout, die an dem Ausgangsanschluss 2002 auftritt, durch die Beziehung von Vout = Cs/Cf × Vc unter Verwendung von Rückkopplungskapazität Cf ausgedrückt. Ferner ändert, da die Trägerspannung durch Teilen der Bezugsspannung zum Erreichen von Genauigkeit erzeugt wird, die Änderung der Bezugsspannung die Trägerspannung Vc. Dementsprechend wird, wenn sich die Bezugsspannung ändert, diese als Änderung der elektrostatischen Kapazität Cs durch ein übergeordnetes System detektiert, obwohl keine Änderung der elektrostatischen Kapazität Cs zum Detektieren der Beschleunigung auftritt, und wird ein Fehlermodus, in dem die Ausgabe des Sensors durch die Änderung der Trägerspannung Vc Schwankungen unterworfen ist, verursacht.
Genauer besteht ein Risiko, dass ein Fehler eines bestimmten Detektionselements sich auf andere fehlerfreie Detektionseinheiten ausbreitet. Ferner werden, da die Spannung des Schaltungsnetzwerks aufgrund des Auftretens eines Kurzschlusses oder Überstroms wie oben beschrieben anders wird als die bei der Gestaltung vorgesehene, die Interaktionen durch parasitäre Kapazität und parasitären Widerstand in der Schaltung auch anders als die bei der Gestaltung vorgesehenen. Zum Beispiel besteht eine Möglichkeit, dass eine parasitäre Kapazität, die nicht gefunden wurde, da leitfähige Körper die gleiche Spannung haben, als eine parasitäre Kapazität erscheint, wenn ein leitfähiger Körper auf einen Massepegel abfällt, so dass eine Verzerrung beim Anstieg eines Trägersignals bewirkt wird und eine Spannung an einen leitfähigen Körper angelegt wird, der ursprünglich auf Massepegel sein sollte, mit dem Ergebnis, dass der Massepegel der gesamten Schaltung Schwankungen unterworfen ist. Diese Phänomene bergen auch das Risiko, dass Defektmodi, wie zum Beispiel Offset-Drift und die Änderung der Empfindlichkeit von Sensorausgaben, sich auf andere Detektionseinheit ausbreiten, in denen kein Fehler aufgetreten ist.
Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der oben beschriebenen Probleme gemacht, und eine typische Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Technologie, die in einem Verbundsensor mit einer Vielzahl von Detektionselementen oder redundanten Detektionselementen einen Fehler, der in einem bestimmten Detektionselement aufgetreten ist, daran hindert, andere Detektionseinheiten zu beeinflussen, in denen kein Fehler aufgetreten ist.
Die oben genannten und anderen Aufgaben und neuen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung der vorliegenden Spezifikation und der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.
WEGE ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
Es folgt eine kurze Beschreibung eines Überblickes über die in der vorliegenden Anmeldung offenbarte typische Erfindung.
Genauer ist ein typischer Verbundsensor ein Verbundsensor, der eine Vielzahl von Detektionselementen zum Detektieren einer Vielzahl von physikalischen Größen umfasst. Der Verbundsensor umfasst: eine Vielzahl von Detektionseinheiten, die aus Signaldetektionsschaltungen gemacht sind, die für jedes der Vielzahl von Detektionselementen vorgesehen sind; eine Leistungsquelle, die von jeder der Vielzahl von der Detektionseinheiten gemeinsam genutzt wird; und eine Vielzahl von Fehlerdetektionsschaltungen, die für jede der Vielzahl von Detektionseinheiten zum Detektieren eines Fehlers jedes Detektionselements und zum Unterbrechen der Leistungsversorgung einer fehlerhaften Detektionseinheit vorgesehen sind.
Die durch typische Ausführungsformen der in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Erfindung erlangten Wirkungen sind nachstehend kurz beschrieben.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Durch die typische Wirkung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, zu verhindern, dass in einem Verbundsensor mit einer Vielzahl von Detektionselementen oder redundanten Detektionselementen ein Fehler, der in einem bestimmten Detektionselement aufgetreten ist, andere Detektionseinheiten, in denen kein Fehler aufgetreten ist, beeinflusst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Gesamtkonfiguration eines Verbundsensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration einer Überstromschaltschaltung zum Realisieren der Detektion von Überstrom und Unterbrechen einer Leistungsquelle in dem in 1 gezeigten Verbundsensor zeigt;
3 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel einer Konfiguration einer Überstromschaltschaltung zum Realisieren der Detektion von Überstrom und der Unterbrechung einer Leistungsquelle in dem in 1 gezeigten Verbundsensor zeigt;
4(a) und 4(b) sind Diagramme, die ein Beispiel einer Konfiguration einer Überstromschaltschaltung zum Realisieren der Trennung eines Einflusses von Überstrom und der Unterbrechung einer Leistungsquelle bezüglich einer Bezugsspannung in dem in 1 gezeigten Verbundsensor zeigt;
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Änderung der Sensorausgabe zu dem Zeitpunkt zeigt, zu dem ein Fehler auftritt, auf einer Zeitachse in dem in 1 gezeigten Verbundsensor;
6(a) und 6(b) sind Diagramme, die ein Beispiel von Sensorausgabeformaten zu dem Zeitpunkt eines normalen Zustands und zu dem Zeitpunkt des Auftretens eines Fehlers in dem in 1 gezeigten Verbundsensor zeigen;
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Montageverfahrens eines Signaldetektions-LSI in dem in 1 gezeigten Verbundsensor zeigt.
8 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel eines Montageverfahrens eines Signaldetektions-LSI in dem in 1 gezeigten Verbundsensor zeigt;
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Gesamtkonfiguration eines Verbundsensors gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
10(a) und 10(b) sind Diagramme, die ein Beispiel von Sensorausgabeformaten zu dem Zeitpunkt eines normalen Zustands und zu dem Zeitpunkt des Auftretens eines Fehlers in dem in 9 gezeigten Verbundsensor zeigen;
11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Gesamtkonfiguration eines Verbundsensors zeigt, die als Voraussetzung für die vorliegende Erfindung studiert wurde; und
12 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration einer C/V-Wandlerschaltung zum Detektieren von Beschleunigung auf der Grundlage einer Änderung der elektrostatischen Kapazität in der Beschreibung der von dieser vorliegenden Erfindung zu lösenden Probleme zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen wird die Erfindung in einer Vielzahl von Abschnitten oder Ausführungsformen beschrieben, wo dies zum besseren Verständnis notwendig ist. Diese Abschnitte oder Ausführungsformen sind jedoch nicht irrelevant füreinander, sofern nicht anders angegeben, und die eine bezieht sich auf die vollständige oder einen Teil der anderen als ein Modifikationsbeispiel, oder eine ausführliche oder eine ergänzende Erklärung davon. Außerdem ist in den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen bei Bezugnahme auf die Anzahl von Elementen (einschließlich der Anzahl von Teilen, Werten, Mengen, Bereichen und Ähnlichem) die Anzahl der Elemente nicht auf eine spezielle Anzahl beschränkt, sofern nicht anders angegeben oder mit Ausnahme des Falles, in dem die Anzahl offensichtlich prinzipiell auf eine spezielle Anzahl beschränkt ist und auch eine größere oder kleinere Anzahl als die angegebene Anzahl anwendbar ist.
Außerdem versteht es sich in den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen von selber, dass die Komponenten (einschließlich Elementschritten) nicht immer unverzichtbar sind, sofern nicht anders angegeben oder mit Ausnahme des Falles, in dem die Komponenten offensichtlich prinzipiell unverzichtbar sind. Auf ähnliche Weise sind in den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen bei Erwähnung der Form der Komponenten, deren Positionsbeziehung und Ähnlichem die im Wesentlichen annähernden und ähnlichen Formen und Ähnliches eingeschlossen, sofern nicht anders angegeben oder mit Ausnahme des Falles, in dem es denkbar ist, dass sie offensichtlich prinzipiell ausgeschlossen sind. Das gleiche gilt für die vorstehend beschriebenen numerischen Werte und Bereiche.
[Grundzüge von Ausführungsformen]
Zuerst werden Grundzüge der Ausführungsformen beschrieben. In den Grundzügen der vorliegenden Ausführungsformen werden Beschreibungen gegeben, in denen entsprechende Komponenten und Bezugszeichen in entsprechenden Ausführungsformen in Klammern zugeordnet werden.
Ein typischer Verbundsensor der Ausführungsformen ist ein Verbundsensor, der eine Vielzahl von Detektionselementen zum Detektieren einer Vielzahl von physikalischen Größen umfasst (erste Ausführungsform: erstes und zweites Beschleunigungsdetektionselement 311a und 311b, zweite Ausführung: erstes und zweites Beschleunigungsdetektionselement 311a und 311b und erstes Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a). Der Verbundsensor umfasst: eine Vielzahl von Detektionseinheiten, die aus Signaldetektionsschaltungen gebildet sind, die für jedes der Vielzahl von Detektionselementen vorgesehen sind (C/V-Wandlerschaltungen 321a, 321b, 1001 und 1004, Verstärkerschaltungen 322a, 332b, 1002, 1005, ADC 323a, 323b, 1003 und 1006, Diagnosespannungsausgabe-DAC 327a und 327b, Trägersignalerzeugungs-DAC 328a, 328b und 1008, Substratspannungserzeugungs-DAC 329a, 329b und 1009 und Treiberspannungserzeugungs-DAC 1007); eine Leistungsquelle (Leistungsquellenspannungseingabeeinheit 331 und Massespannungseingabeeinheit 332), die von jeder der Vielzahl von der Detektionseinheiten gemeinsam genutzt werden; und eine Vielzahl von Fehlerdetektionsschaltungen (Überstromschaltschaltungen 101a, 101b und 104), die für jede der Vielzahl von Detektionseinheiten zum Detektieren von Fehlern der Detektionselemente und Stoppen der Leistungszuführung zu der Detektionseinheit, in der ein Fehler aufgetreten ist, vorgesehen sind.
Noch bevorzugter umfasst der Verbundsensor eine Bezugsspannungserzeugungsschaltung (Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324) und eine Takterzeugungsschaltung (Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325), die von der Vielzahl von Detektionseinheiten gemeinsam genutzt werden. Ferner umfasst jede der Vielzahl von Fehlerdetektionsschaltungen (Überstromschaltschaltungen 102a, 102b, 103a, 103b und 105 bis 107) eine Pufferschaltung (Funktionsverstärker 701). Dann wird mindestens eines des Spannungssignals der von der Bezugsspannungserzeugungsschaltung erzeugten Bezugsspannung und des von der Takterzeugungsschaltung erzeugten Taktspannungssignals den Detektionseinheiten über die Vielzahl von Pufferschaltungen zugeführt.
Nachstehend werden Ausführungsformen auf der Grundlage der oben beschriebenen Grundzüge der Ausführungsformen ausführlich mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Man beachte, dass die gleichen Komponenten in allen Zeichnungen zur Beschreibung der Ausführungsformen von den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden und eine sich wiederholende Beschreibung davon weggelassen wird. Ferner werden sich wiederholende Beschreibungen weggelassen, da Elemente, die mit denen aus 11, die als eine Voraussetzung der vorliegenden Erfindung studiert wurde, identisch sind, auch von den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
In den vorliegenden Ausführungsformen werden Beschreibungen auf der Grundlage der Beispiele eines Verbundsensors zum Realisieren von zweiachsiger Beschleunigungsdetektion (erste Ausführungsform) und eines Verbundsensors zum Realisieren von zweiachsiger Beschleunigungsdetektion und einachsiger Winkelgeschwindigkeitsdetektion (zweite Ausführungsform) gegeben. Die in dieser Beschreibung gezeigte Technologie ist nicht notwendigerweise auf die vorstehend beschriebenen Konfigurationen beschränkt und kann breit auf Verbundsensoren insgesamt angewendet werden, die dafür konfiguriert sind, mehrere Detektionsachsen zu haben, und dafür konfiguriert sind, andere physikalische Größen als Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit zu detektieren.
Ferner beziehen sich die vorliegenden Ausführungsformen auf eine Konfiguration eines Verbundsensors, der mit der sogenannten Funktionssicherheit angewendet wird, die durch eine Funktion des Detektierens des Auftretens von Fehlern in Detektionselementen von physikalischen Größen und eine Funktion des Verhinderns, dass Einflüsse der Fehler sich auf andere Detektionseinheiten ausbreiten, gekennzeichnet ist. Die vorliegenden Ausführungsformen können nämlich einen Sensor realisieren, der mit der sogenannten Funktionssicherheit angewendet wird, die dazu in der Lage ist, das Problem zu lösen, dass ein in einem bestimmten Detektionselement aufgetretener Fehler, insbesondere das Auftreten von Überstrom bedingt durch einen Kurzschluss, andere fehlerfreie Detektionseinheiten in einem Verbundsensor, der eine Vielzahl von Detektionselementen oder redundanten Detektionselementen umfasst, in denen Funktionen eines Signaldetektions-LSI teilweise gemeinsam genutzt werden, beeinflusst.
[Erste Ausführungsform]
Der Verbundsensor gemäß der ersten Ausführungsform wird mit Bezugnahme auf 1 bis 8 beschrieben.
<Konfiguration und Betrieb des Verbundsensors>
Zuerst wird die Konfiguration des Verbundsensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Gesamtkonfiguration des Verbundsensors zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Konfigurationsbeispiel eines Verbundsensors für zweiachsige Beschleunigung beschrieben, nämlich ein Verbundsensor, der zwei Beschleunigungsdetektionselemente eines ersten Beschleunigungsdetektionselements und eines zweiten Beschleunigungsdetektionselements umfasst, beschrieben.
Der Verbundsensor aus 1 ist dafür konfiguriert, einen Beschleunigungsdetektionselementchip 311 und ein Signaldetektions-LSI 320 zu umfassen.
Der Beschleunigungsdetektionselementchip 311 umfasst ein erstes Beschleunigungsdetektionselement 311a und ein zweites Beschleunigungsdetektionselement 311b. Das erste Beschleunigungsdetektionselement 311a umfasst ein erstes bewegliches Teil 312a, das durch eine Beschleunigung verlagert wird, und erste Detektionselektroden 313a, die zusammen mit einem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 312a nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und eine Beschleunigung detektieren, und das zweite Beschleunigungsdetektionselement 311b umfasst ein zweites bewegliches Teil 312b, das durch eine Beschleunigung verlagert wird, und zweite Detektionselektroden 313b, die zusammen mit einem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 312b nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und eine Beschleunigung detektieren. Ferner umfasst das erste Beschleunigungsdetektionselement 311a das bewegliche Teil 312a und erste Diagnoseelektroden 314a, die zusammen mit dem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 312a nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und eine Funktion des Zwingens des beweglichen Teils 312a zur Verlagerung durch eine elektrostatische Kraft realisieren, und umfasst das zweite Beschleunigungsdetektionselement 311b das bewegliche Teil 312b und zweite Diagnoseelektroden 314b, die zusammen mit dem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 312b nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und eine Funktion des Zwingens des beweglichen Teils 312b zur Verlagerung durch eine elektrostatische Kraft realisieren. Außerdem sind ein erstes und ein zweites Trägerspannungsanlegungsteil 315a und 315b zum Zuführen von Trägerspannung zu den jeweiligen Detektionselektroden 313a bzw. 313b in dem ersten und dem zweiten Beschleunigungsdetektionselement 311a und 311b vorgesehen. Zusätzlich sind ein erster und ein zweiter Trägerbalken 317a und 317b zum Tragen der beweglichen Teile 312a und 312b und ein erstes und zweites Dummy-Musterteil 316a und 316b, die ein anderer Bereich als die beweglichen Teile und die ortsfesten Teile sind, in dem ersten und zweiten Beschleunigungsdetektionselement 311a bzw. 311b vorgesehen.
Das Signaldetektions-LSI 320 umfasst eine erste und eine zweite C/V-Wandlerschaltung 312a und 312b, eine erste und eine zweite Verstärkerschaltung 322a und 322b und einen ersten und einen zweiten ADC 323a bzw. 323b, einen ersten und einen zweiten Diagnosespannungsausgabe-DAC 327a und 327b, einen ersten und einen zweiten Trägersignalerzeugungs-DAC 328a und 328b und einen ersten und einen zweiten Substratspannungserzeugungs-DAC 239a und 329b für jedes der Detektionselemente. Eine erste Beschleunigungsdetektionseinheit ist aus dem oben beschriebenen ersten Beschleunigungsdetektionselement 311a und dessen Detektionsschaltungen (der ersten C/V-Wandlerschaltung 312a, der ersten Verstärkerschaltung 322a und dem ersten ADC 323a, dem ersten Diagnosespannungsausgabe-DAC 327a, dem ersten Trägersignalerzeugungs-DAC 328a und dem ersten Substratspannungserzeugungs-DAC 239a) gebildet, und eine zweite Beschleunigungsdetektionseinheit ist aus dem oben beschriebenen zweiten Beschleunigungsdetektionselement und dessen Detektionsschaltungen (der zweiten C/V-Wanderschaltung 321b, der zweiten Verstärkerschaltung 322b und dem zweiten ADC 323b, dem zweiten Diagnosespannungsausgabe-DAC 327b, dem zweiten Trägersignalerzeugungs-DAC 328b und dem zweiten Substratspannungserzeugungs-DAC 239b) gebildet. Ferner ist das Signaldetektions-LSI 320 mit einer Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324, einer Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325, einem Speicher 326, wie zum Beispiel einem EPROM, einem ROM, einem RAM oder einem Register, einer DSP-Schaltungseinheit 330, einer Energiequellenspannungseingabeeinheit 331 und einer Massespannungseingabeeinheit 332 versehen und ist die Anzahl dieser Komponenten geringer als die Anzahl der Detektionselemente. Genauer ist im Allgemeinen nur ein Satz dieser Komponenten vorgesehen. Der Grund dafür wurde oben beschrieben.
Der Beschleunigungsdetektionselementchip 311 und das Signaldetektions-LSI 320 sind elektrisch durch Bonddrähte 341 verbunden.
Betriebsabläufe des wie oben beschrieben konfigurierten Verbindungsbeschleunigungssensors werden beschrieben. In dem Signaldetektions-LSI 320 des Verbindungsbeschleunigungssensors wird Leistungsquellenspannung von außen durch die Leistungsquellenspannungszuführeingabeeinheit 331 und die Massespannungszuführeingabeeinheit 332 empfangen. Dann wird die empfangene Leistungsquellenspannung jeder der ersten und der zweiten C/V-Wandlerschaltung 321a und 321b, der ersten und der zweiten Verstärkerschaltung 322a und 322b, des ersten und des zweiten ADC 323a und 323b, des ersten und des zweiten Diagnosespannungsausgabe-DAC 327a und 327b, des ersten und des zweiten Trägersignalerzeugungs-DAC 328a und 328b und des ersten und des zweiten Substratspannungserzeugungs-DAC 329a und 329b, welche die in 1 gezeigten Schaltungselemente sind, durch die erste und die zweite Überstromschaltschaltung 101a und 101b, die für jede der Detektionseinheiten vorgesehen sind, zugeführt. Die von außen empfangene Leistungsquellenspannung wird direkt der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324, der Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325, dem Speicher 326 und der DSP-Schaltungseinheit 330 zugeführt.
Die von der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 erzeugte Bezugsspannung wird jedem des ersten und des zweiten ADC 323a und 323b, dem ersten und dem zweiten Diagnosespannungsausgabe-DAC 327a und 327b, dem ersten und dem zweiten Trägersignalerzeugungs-DAC 328a und 328b und dem ersten und dem zweiten Substratspannungserzeugungs-DAC 329a und 329b durch die erste und die zweite Überstromschaltschaltung 102a und 102b zugeführt, die für jede der Detektionseinheiten vorgesehen sind. Die Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 wird auch in der vorliegenden Ausführungsform von den entsprechenden Detektionseinheiten gemeinsam genutzt. Eine solche Konfiguration ermöglicht es, eine Verkleinerung des Signaldetektions-LSI 320 und eine Kostensenkung zu erreichen.
Auch die Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324, die Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325, der Speicher 326, die DSP-Schaltungseinheit 330, die Leistungsquellenspannungseingabeeinheit 331 und die Massespannungseingabeeinheit 332 werden von allen Detektionseinheiten gemeinsam genutzt, und in der vorliegenden Ausführungsform ist nur ein Satz davon vorgesehen. Die Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325 gibt Trigger zum Liefern von Zeitsteuerung von Trägererzeugung an jedes des ersten und des zweiten Trägersignalerzeugungs-DAC 328a und 328b durch die erste und die zweite Überstromschaltschaltung 103a und 103b, die für jede der Detektionseinheiten vorgesehen sind, aus.
Auf Empfang der Bezugsspannung hin empfangen der erste Trägersignalerzeugungs-DAC 328a und der zweite Trägersignalerzeugungs-DAC 328b Takt-Trigger von der gemeinsamen Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325 und legen Trägersignale an den ersten Trägerspannungsanlegungsteil 315a beziehungsweise den zweiten Trägerspannungsanlegungsteil 315b an. Zu diesem Zeitpunkt wird die Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325 von dem ersten und dem zweiten Beschleunigungsdetektionselement 311a und 311b gemeinsam genutzt. Jedoch werden unterschiedliche Trägersignalerzeugungs-DAC 328a und 328b für das erste Beschleunigungsdetektionselement 311a beziehungsweise das zweite Beschleunigungsdetektionselement 311b verwendet.
Man beachte, dass, da die Trägersignale der entsprechenden Beschleunigungsdetektionselemente 311a und 311b voneinander unabhängig sind, es nicht immer notwendig ist, dass Frequenzen, Amplituden und Phasen der Trägersignale identisch sind, und es auch möglich ist, dass die Frequenzen, Amplituden und Phasen vollständig identisch sind, sogar wenn unterschiedliche Trägersignalerzeugungs-DAC verwendet werden.
In dem ersten und dem zweiten Beschleunigungsdetektionselement 311a und 311b werden, wenn eine Beschleunigung aufgebracht wird, die beweglichen Teile verlagert, um den relativen Abstand bezüglich der ortsfesten Teile zu ändern. Zum Beispiel ändert sich, wenn eine Beschleunigung in eine Richtung der Empfindlichkeit des ersten Beschleunigungsdetektionselements 311a aufgebracht wird, die elektrostatische Kapazität der ersten Detektionselektrode 313a. Das Ausmaß der Änderung der elektrostatischen Kapazität der ersten Detektionselektrode 313a, an die das Trägersignal angelegt wird, wird in die erste C/V-Wandlerschaltung 321a in Form von Strom eingegeben und in ein Spannungssignal umgewandelt. Die in die Richtung der Empfindlichkeit des ersten Beschleunigungsdetektionselements 311a aufgebrachte Geschwindigkeit, die in ein Spannungssignal umgewandelt wird, wird an ein übergeordnetes System durch eine Kommunikationseinrichtung, wie zum Beispiel SPI-Kommunikation, ausgegeben nach dem Durchlaufen der ersten Verstärkerschaltung 322a und dem ersten ADC 323a und Wellenformformung durch die DSP-Schaltungseinheit 330, zum Beispiel Rauschreduzierung durch ein LPF und Trimm-, Anpassung von Nullpunkten oder Verstärkungen. Zu diesem Zeitpunkt werden die DSP-Schaltungseinheit 330 und der Speicher 326 von den Beschleunigungsdetektionselementen 311a und 311b aus dem gleichen Grund wie jenem bezüglich der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 gemeinsam genutzt. Da Funktionen des zweiten Beschleunigungsdetektionselements 311b identisch mit jenen des ersten Beschleunigungsdetektionselements 311a sind, werden diese nicht beschrieben.
<Funktionen der Überstromschaltschaltung>
Funktionen der oben beschriebenen ersten und zweiten Überstromschaltschaltung (101a, 101b, 102a, 102b, 103a und 103b) werden mit Bezugnahme auf 2 bis 4 beschrieben. 2 und 3 sind Diagramme, die Konfigurationsbeispiele einer Überstromschaltschaltung zur Realisierung der Detektion von Überstrom und des Stoppens der Leistungsquelle zeigen. 4(a) und 4(b) sind Diagramme, die ein Beispiel einer Überstromschaltschaltung zum Realisieren der Trennung des Einflusses von Überstrom und des Stoppens der Leistungsquelle bezüglich einer Bezugsspannung zeigen.
Die in 2 gezeigte Überstromschaltschaltung ist sowohl auf eine Leistungsquellenspannungseingabe von außerhalb des Signaldetektions-LSI 320 als auch auf die Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 anwendbar. Sie ist nämlich auf die erste und die zweite Überstromschaltschaltung 101a und 101b und die erste und die zweite Überstromschaltschaltung 102a und 102b anwendbar. Nachstehend sind in der Beschreibung der Überstromschaltschaltung Funktionen der Überstromschaltschaltungen 101a und 101b zum Detektieren des Überstroms der Leistungsquellenspannung beschrieben, aber bei Anlegung an die Überstromschaltschaltungen 102a und 102b ist „Leistungsquellenspannung” direkt ersetzbar durch „Bezugsspannung”. Diesbezüglich versteht sich, dass sie auf ähnliche Weise auf die Überstromschaltschaltungen 103a und 103b der Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325 anwendbar ist.
Die in 2 gezeigten Überstromschaltschaltungen 101a und 101b sind aus beispielsweise einer Spannungseingabeeinheit 501, einem Schalter 502 aus einem MOS-Transistor, einer Stromdetektionsschaltungseinheit 503 aus einem Widerstand und einem Funktionsverstärker, einer Vergleichseinrichtung 505 mit einem Bestimmungsschwellenwert 504, einem LPF 506 und einer Fehlerbestimmungsausgabeeinheit 507 aus einem Wechselrichter gebildet.
Die Leistungsquellenspannung, die an die Überstromschaltschaltungen 101a und 101b angelegt wird, wird der Stromdetektionsschaltungseinheit 503 durch die Spannungseingabeeinheit 501 und den Schalter 502 zugeführt und eine Ausgabe davon wird als eine Detektionseinheiten zuzuführende Leistungsquellenspannung ausgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird die Ausgabe der Stromdetektionsschaltungseinheit 503 mit dem Bestimmungsschwellenwert 504 in der Vergleichseinrichtung 505 verglichen, durchläuft den LPF 506 zur Entfernung von Taktrauschen, das durch digitale Schaltungen und Stromkomponenten in hohen Frequenzen erzeugt wird, und wird dann von der Fehlerbestimmungsausgabeeinheit 507 an die externe DSP-Schaltungseinheit 330 geschickt. Die Vergleichseinrichtung 505 kann jedoch nicht nur eine Konfiguration haben, um zu detektieren, dass ein Wert größer ist als ein vorbestimmter Wert, sondern auch eine Konfiguration, um zu detektieren, dass ein Wert kleiner als ein vorbestimmter Wert oder innerhalb eines vorbestimmten Bereichs ist. Das LPF 506 kann auch in der DSP-Schaltungseinheit 330 angeordnet sein. Der Grund dafür ist, dass eine Möglichkeit besteht, dass ein durch einen Kurzschluss bedingter Fehler einen Fehlermodus bewirkt, in dem eine Spannung verschwindet, obwohl eine Spannung anwesend sein sollte. Ferner ändert die DSP-Schaltungseinheit 330 ein Aktivierungssignal in ein Deaktivierungssignal, um den Schalter 502 auszuschalten, d. h. den leitfähigen den Zustand in einen isolierten Zustand zu ändern für die Detektionsschaltschaltung eines Detektionselements, das benachrichtigt wird, dass die Fehlerbestimmung zutrifft.
Auf diese Weise wird durch die durch Kombination einer Analogschaltung und einer Digitalschaltung (DSP-Schaltungseinheit) erlangte Funktion die Leistungsquellenspannung eines Detektionselements, in dem aufgrund eines Kurzschlussfehlers Strom mit einer anderen Größe als in einem gewöhnlichen Fall fließt, von anderen Detektionseinheiten isoliert. Dementsprechend breiten sich durch anormalen Strom aufgrund eines Kurzschlusses eines fehlerhaften Detektionselements bewirkte Defekte nicht auf die Leistungsquellenspannung, die Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324, die Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325, den Speicher 326 und die DSP-Schaltungseinheit 330, die von entsprechenden Detektionseinheiten gemeinsam genutzt werden, aus. Solche Defekte umfassen die Reduzierung der Leistungsquellenspannung und andere wie oben beschriebene. Da die Defekte eines fehlerhaften Detektionselements sich nicht auf andere fehlerfreie Detektionseinheiten ausbreiten, ist es möglich, sogar nach dem Auftreten des Fehlers weiterhin Ausgaben von fehlerfreie Detektionseinheiten auszugeben.
Man beachte, dass in den Überstromschaltschaltungen 101a und 101b der Schalter 502 und der Ausgang der Vergleichseinrichtung 505 verbunden sein können, ohne die DSP-Schaltungseinheit 330 dazwischen zu schalten. Zum Beispiel wird das Auftreten von Defekten durch Sicherungen oder Ähnliches auf der Grundlage von Ausgaben der Vergleichseinrichtung 505 gespeichert und werden die Ausgaben davon dem Schalter 502 zugeführt. Alternativ ist es auch möglich, eine Konfiguration zu verwenden, in der Eingaben in den Schalter 502 auch parallel in die DSP-Schaltungseinheit 330 eingegeben werden, um eine Fehlermeldung in einen Ausgaberahmen des Sensors zu geben, oder eine Konfiguration, in der Eingaben direkt an einen externen Ausgangsanschluss (nicht gezeigt) ausgegeben werden und ein Fehlermeldungsanschluss vorgesehen ist.
In einem weiteren Konfigurationsbeispiel kann die Überstromschaltschaltung die in 3 gezeigte Konfiguration haben. Die in 3 gezeigten Überstromschaltschaltungen 101a und 101b sind aus zum Beispiel einer Spannungseingabeeinheit 601, einem Schalter 602 aus zwei MOS-Transistoren, einer Stromdetektionsschaltungseinheit 603 aus einem Widerstand, einer Vergleichseinrichtung 605 mit einem Bestimmungsschwellenwert 604, einer Fehlerbestimmungsausgabeeinheit 606 aus einem Wechselrichter und einer Treiberschaltung 607 gebildet.
Die an die Überstromschaltschaltungen 101a und 101b angelegte Leistungsquellenspannung wird in die Stromdetektionsschaltungseinheit 603 nach Durchlaufen der Spannungseingabeeinheit 601 und ferner des Schalters 602 eingegeben und eine Ausgabe davon wird als eine den Detektionseinheiten zuzuführende Energiequellenspannung ausgegeben. Hier besteht der Schalter 602 aus Transistoren, die einen Shunt-MOS bilden, und ist dafür konfiguriert, zu veranlassen, dass eine Strommenge, die auf der Leistungsquellenseite fließt, zu der Stromdetektionsschaltungseinheit 603 auf der Grundlage einer MOS-Größe oder eines Verhältnisses paralleler Zahl fließt. Durch Verwendung des Shunt-MOS ist es möglich, die Wirkung der Aufrechterhaltung der Spannung der ausgegebenen Leistungsquellenspannung unabhängig von der Größe des Verbraucherstroms auf einem konstanten Wert und der Wirkung der Unterdrückung des Einflusses des Verbraucherstroms oder Ähnliches der Stromdetektionsschaltungseinheit 603 auf die Leistungsquellenspannungsausgabeseite zu erlangen. Die in der Stromdetektionsschaltungseinheit 603 in Spannung umgewandelte Stromgröße wird in der Vergleichseinrichtung 605 mit dem Bestimmungsschwellenwert 604 verglichen und dann von der Fehlerbestimmungsausgabeeinheit 636 an die externe DSP-Schaltungseinheit 330 geschickt. Die DSP-Schaltungseinheit 330 ändert ein Aktivierungssignal in ein Deaktivierungssignal, um den Schalter 602 für diejenige Detektionseinheit auszuschalten, die benachrichtigt wird, dass die Fehlerbestimmung zutrifft. Das Deaktivierungssignal schaltet den Schalter 602 über die Treiberschaltung 607 aus. Es versteht sich von selber, dass es für die Konfiguration der Vergleichseinrichtung, den Unterschied von analogen und digitalen und ausführliche Konfigurationen der Schaltungen breite Variationen gibt, wie zum Beispiel eine Einfügeposition des LPF wie die in 2 gezeigte Überstromschaltschaltung.
Auch wenn die zwei als die vorstehend beschriebenen als Konfigurationsbeispiele gezeigten Überstromschaltschaltungen sowohl auf die Leistungsquellenspannung als auch die Bezugsspannung anwendbar sind, kann eine Überstromschaltschaltung dafür konfiguriert sein, eine Konfiguration zu haben, die eine wie in 4(a) und 4(b) gezeigte Pufferschaltung verwendet, die nachstehend nur für die Bezugsspannung beschrieben ist, die im Allgemeinen so eingestellt wird, dass sie niedriger ist als die Leistungsquellenspannung. Zum Beispiel kann die Pufferschaltung durch Konfigurieren eines Spannungsfolgers, der Funktionsverstärker verwendet, oder durch Konfigurieren einer Quellenfolgerschaltung, die Transistoren verwendet, realisiert werden, und da sie zusätzlich dazu, dass sie eine Ausgangsimpedanz reduzieren und vorteilhaftere Eigenschaften als eine Bezugsspannung realisieren kann, einen Impedanzwandlungseffekt hat, ist es möglich, die Wirkung der Unterdrückung der Schwankungen in der Bezugsspannung sogar im Falle des Auftretens von durch einen Kurzschluss bedingtem Überstrom in einem Detektionselement oder Ähnlichem zu erlangen.
Die in 4(a) gezeigten Überstromschaltschaltungen 102a und 102b sind aus beispielsweise einem Funktionsverstärker 701 aus acht MOS-Transistoren und einer Stromquelle, einer Vergleichseinrichtung 703 mit einem Bestimmungsschwellenwert 702, einer Fehlerbestimmungsausgabeeinheit 704 aus einem Wechselrichter und einem Widerstand R gebildet. 4 zeigt eine Schaltungskonfiguration, in der ein Spannungsfolger durch Verbinden eines Vn-Eingangs und eines Ausgangsanschlusses des Funktionsverstärkers 701 aus den MOS-Transistoren konfiguriert ist, eine Bezugsspannung einem Vp-Eingang zugeführt wird und die gleiche Spannung wie die eingegebene Bezugsspannung am Ausgangsanschluss erlangt wird. Hier ist der Widerstand R in eine Ausgangsstufe des Funktionsverstärkers 701 eingefügt. Dies schafft eine Wirkung der Erzeugung des Spannungsabfalls durch den Widerstand R, wenn ein Kurzschluss in einem Schaltungsnetzwerk auftritt, das mit der Bezugsspannungsausgabeeinheit verbunden ist. Da der Spannungsabfall die Source-Drain-Spannung Vds eines Transistors TrO reduziert und kein Drain-Strom zum Fließen gebracht werden kann, wird die von der Bezugsspannungsausgabeeinheit ausgegebene Strommenge folglich durch den Widerstand R begrenzt. Mit anderen Worten bildet diese Konfiguration eine Schaltung, die als ein Isolierschalter der Detektionseinheit dient, die mit der Detektion von Überstrom im Zusammenhang steht.
Wenn jedoch ein übermäßiger Strom durch einen Kurzschluss erzeugt wird, tritt ein Problem der Zunahme der Menge von Verbraucherstrom in dem gesamten Sensor auf. Die Zunahme der Menge von Verbraucherstrom bewirkt Defekte in dem System, wie zum Beispiel einen Mangel in der Kapazität eines Back-up-Kondensators für den Umgang mit sofortiger Leistungsunterbrechung und ein Problem der Wärmeerzeugung, sogar wenn in Sensorausgaben Anormalitäten nicht unmittelbar beobachtet werden. Ferner fließt, wenn die Strommenge einen Wert überschreitet, der durch die Pufferschaltung fließen kann, übermäßiger Strom von der Pufferschaltung mit der Folge, dass ein Problem eines Abfalls der Ausgangsspannung der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 oder Ähnliches auf die gleiche Weise auftritt. Dementsprechend hat sogar die Konfiguration, die eine Pufferschaltung verwendet, wünschenswerterweise die Funktion des Detektierens von Überstrom, des Stoppens der Leistungsquellenspannung der entsprechenden Detektionseinheit und der Leistungszufuhr zu der Pufferschaltung und des Isolierens der Detektionseinheit. Um dies zu realisieren, wird eine Fehlermeldung an ein übergeordnetes System durch Vergleichen der Spannungen an beiden Enden des Widerstandes R mit dem Bestimmungsschwellenwert 702 in der Vergleichseinrichtung 703 und Schicken des Ergebnisses von der Fehlerbestimmungsausgabeeinheit 704 an die externe DSP-Schaltungseinheit 330 ausgeführt. Das übergeordnete System führt ein Deaktivierungssignal nicht nur einem (nicht gezeigten) Schalter zum Ausschalten der Leistungsquellenspannung der Pufferschaltung, sondern auch einem (nicht gezeigten) Schalter zum Ausschalten sämtlicher Leistungsquellenspannungen der Schaltungen der entsprechenden Detektionseinheiten zu.
Die in 4(b) gezeigte Überstromschaltschaltung ist auch aus einem Transistor, einem Widerstand R und einer Niedrigstromschaltung mit einem Strom Isink gebildet und gibt Vin bis Vout bei einer niedrigen Impedanz durch eine Quellenfolgerschaltung aus. Andererseits wird, wenn übermäßiger Strom von Vout fließt, da der Spannungsabfall an dem Widerstand R die Source-Drain-Spannung Vds des Transistors reduziert und nicht bewirkt werden kann, dass Drain-Strom fließt, die von der Bezugsspannungsausgabeeinheit ausgegebene Strommenge folglich von dem Widerstand R beschränkt. Mit anderen Worten bildet diese Konfiguration eine Schaltung, die als ein Isolierschalter der mit der Detektion von Überstrom in Verbindung stehenden Detektionseinheit dient.
Die vorstehend in 4(a) und 4(b) gezeigten Konfigurationen ermöglichen, dass die Schaltung die Detektion von Überstrom sowie die daraus folgende Isolierung der entsprechenden Detektionseinheit wie der in 2 und 3 gezeigte Überstromschaltschaltung ausführt.
Ferner ist natürlich eine Konfiguration denkbar, in der der Widerstand R weggelassen wird und der Überstrom durch Detektieren des Ausgangsstroms der Pufferschaltung und Strom, der zu der Leistungsquellenspannung der Pufferschaltung fließt, detektiert wird. In diesem Fall werden Ausgangsstrom der Pufferschaltung und Strom, der zu der Leistungsquellenspannung der Pufferschaltung fließt, detektiert und wird die Detektion von Überstrom der DSP-Schaltungseinheit durch die in 2 gezeigte Stromdetektionsschaltung mitgeteilt, d. h. durch die Stromdetektionsschaltungseinheit, den Bestimmungsschwellenwert, die Vergleichseinrichtung und die Fehlerbestimmungsausgabeeinheit. Dann ist es auch möglich, die Überstromschaltschaltung durch Zuführen eines Deaktivierungssignals zu konfigurieren, das von der DSP-Schaltungseinheit ausgegeben wird, zu der Leistungsquellenschaltung der Pufferschaltung oder dem in der Ausgabeschaltung der Pufferschaltung vorgesehenen Schalter.
Man beachte, dass die Konfiguration, die die Pufferschaltung für die Leistungsquellenspannung verwendet, nicht immer vorteilhaft ist, da es schwierig ist, die Ausgangsspannung der Pufferschaltung auf den gleichen Pegel einzustellen wie den der Leistungsquellenspannung (um Schwingungen sicherzustellen), und es notwendig ist, eine große Treibbarkeit der Pufferschaltung zu haben. Da diese Konfiguration jedoch nicht unrealisierbar ist, wenn sogenannte Rail-to-Rail-Funktionsverstärker verwendet werden, ist es auch möglich, die Konfiguration, die die Pufferschaltung verwendet, auch für die Leistungsquellenspannung zu verwenden.
Wenn die Bezugsspannung niedriger eingestellt ist als die Leistungsquellenspannung, kann die Schaltung zum Detektieren der Schwankungen in der Bezugsspannung die Konfiguration haben, in der der Überstrom indirekt auf der Grundlage der Änderung des Unterschieds zwischen der Leistungsquellenspannung und der Bezugsspannung detektiert wird. Da die Wirkung der vorliegenden Ausführungsform nicht die Detektion von Überstrom ist, sondern die Isolierung der Leistungsquellenschaltung auf die Detektion des Fehlers hin, ist das Verfahren der Fehlerdetektion nicht auf das Verfahren des direkten Messens des Überstroms beschränkt und kann das Verfahren des Messens der Spannung wie vorstehend beschrieben sein.
In der bis jetzt beschriebenen Überstromschaltschaltung können ferner an jeglichen Positionen Schalter zu Isolierungszwecken hinzugefügt werden und können die Transistoren auch durch ein anderes Verfahren als jenes für MOS-FET-Transistoren montiert werden.
Die in 2, 3 und 4 gezeigten Schaltungen sind Schaltungen, die für die Beschreibung der Funktionen der vorliegenden Erfindung minimal erforderlich sind und 2, 3 4 sind lediglich abstrakte Schaltungsdiagramme zum Beschreiben der Funktionen. Da die vorliegende Erfindung eine Konfiguration eines Sensors betrifft, sind die Schaltungskonfigurationen von 2, 3 und 4 lediglich Beispiele für die Montage beim tatsächlichen Verwenden der vorliegenden Erfindung. Das Montageverfahren der Schaltungen ist kein Konzept, das die Konfiguration des in der vorliegenden Ausführungsform offenbarten Sensors erweitert.
<Änderung der Sensorausgabe zum Zeitpunkt des Auftretens von Fehlern>
Die Änderung der Sensorausgabe zum Zeitpunkt des Auftretens von Fehlern wird mit Bezugnahme auf 5 beschrieben. 5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Änderung der Sensorausgabe zum Zeitpunkt des Auftretens von Fehlern auf einer Zeitachse zeigt. Die Änderung der Sensorausgabe zum Zeitpunkt des Auftretens eines Fehlers bezieht sich auf eine Beziehung des Ansprechvermögens der Überstromschaltschaltung und der LPF-Ausgabe des Sensors.
5 ist ein Zeit-Reihen-Graph, in dem die Beschleunigungsausgabe des ersten Beschleunigungsdetektionselements 311a als Y_G gegeben ist, die Beschleunigungsausgabe des zweiten Beschleunigungsdetektionselements 311b als X_G gegeben ist und der Verbraucherstrom des ersten Beschleunigungsdetektionselements 311a als I_Y gegeben ist. Zum Zeitpunkt des Auftretens eines Fehlers ist ein Kurzschluss in dem ersten Beschleunigungsdetektionselement 311a aufgetreten und werden Offsets in der Beschleunigungsausgabe Y_G des ersten Beschleunigungsdetektionselements 311a und der Beschleunigungsausgabe X_G des zweiten Beschleunigungsdetektionselements 311b aufgrund des Spannungsabfalls der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 bewirkt. Hier führt die Überstromschaltschaltung Fehlerbestimmung auf der Grundlage der Zunahme des Verbraucherstroms I_Y des ersten Beschleunigungsdetektionselements 311a aus und stoppt die Leistungszufuhr zu dem ersten Beschleunigungsdetektionselement 311a. Folglich kehrt die Beschleunigungsausgabe X_G des zweiten Beschleunigungsdetektionselements 311b zu dem normalen Wert zurück, aber kann auch die Schwankung in der Ausgabe in der Beschleunigungsausgabe X_G des zweiten fehlerfreien Beschleunigungsdetektionselements 311b während einer Periode von dem Auftreten des Fehlers des ersten Beschleunigungsdetektionselements 311a bis zum Abschluss der Wiederherstellung beobachtet werden. Es ist ein Prinzip, dass eine Verzögerungszeit T_d von dem Auftreten eines Kurzschlusses in dem ersten Beschleunigungsdetektionselement 311a und dessen Detektion bis zu dem Stoppen der Leistungszufuhr nicht vollständig eliminiert werden kann. Mit anderen Worten ist es unmöglich, die Ausbreitung des Fehlers auf die Ausgabe des zweiten fehlerfreien Beschleunigungsdetektionselements 311b während der Zeit T_d ab dem Auftreten des Fehlers prinzipiell zu verhindern.
Ein Sensor ist jedoch im Allgemeinen dafür konfiguriert, ein LPF in der letzten Stufe zu haben (in der vorliegenden Ausführungsform in der DSP-Schaltungseinheit 330 enthalten) und Rauschkomponenten außer einer erwünschten Bandbreite werden eliminiert. Aus diesem Grund ist es, wenn die Verzögerungszeit T_d vom Auftreten von Überstrom und dessen Detektion durch die Überstromschaltschaltung bis zur Wiederherstellung nach Isolierung der fehlerhaften Detektionseinheit kürzer ist als eine Verzögerungszeit T_LPF, die durch die Bandbreite des LPF in der letzten Stufe des Sensors bestimmt wird, möglich, den Einfluss davon so zu beschränken, dass er, nach Durchlaufen des LPF in der letzten Stufe wie der durch die gestrichelte Linie in der Beschleunigungsausgabe X_G des zweiten Beschleunigungsdetektionselements 311b in 5 gezeigten klein ist. Durch Konfigurieren der Überstromschaltschaltung derart, dass sie die Beziehung T_d < T_LPF erfüllt, kann die Unabhängigkeit von entsprechenden Detektionselementen in einer Gestaltung mit einem für den tatsächlichen Gebrauch ausreichenden Bereich somit sichergestellt werden.
Ferner ist es offensichtlich wünschenswert, T_d kürzer zu machen, wenn es möglich ist. Somit wird durch Vorsehen von Ladekondensatoren an entsprechenden Ausgabeeinheiten zum Unterdrücken der Abfälle der Bezugsspannung und der Leistungsquellenspannung zum Zeitpunkt des Auftretens von Überstrom aufgrund eines Kurzschlusses die Zeit bis zum Auftreten eines Spannungsabfalls vom Auftreten des Überstroms verlängert und kann die Wirkung einer wesentlichen Verkürzung der Verzögerungszeit T_d erlangt werden.
Man beachte, dass in dem Konfigurationsbeispiel der vorliegenden Ausführungsform die Diagnosespannungsausgabe-DAC 327a und 327b für jedes der Detektionselemente vorgesehen sind. Das erste Beschleunigungsdetektionselement 311a umfasst den ersten Diagnosespannungsausgabe-DAC 327a und das zweite Beschleunigungsdetektionselement 311b umfasst den zweiten Diagnosespannungsausgabe-DAC 327b. Der Grund, aus dem die Diagnosespannungsausgabe-DAC 327a und 327b getrennt vorgesehen sind, ist der, dass die Anlegung einer Diagnosespannung und die Fehlerdiagnose auf der Grundlage der Detektion von Verlagerung durch das Beschleunigungsdetektionselement, das keinen Kurzschluss aufweist, ausgeführt werden können, sogar wenn ein Kurzschluss in der Diagnoseelektrode aufgetreten ist.
Zum Beispiel wird in dem Fall, in dem ein Fehlerdiagnoseausgabe-DAC von dem ersten Beschleunigungsdetektionselement und dem zweiten Beschleunigungsdetektionselement wie im Stand der Technik gemeinsam genutzt wird, obwohl dies von der Beziehung der Impedanz der entsprechenden Elektroden, in denen der Kurzschluss aufgetreten ist, abhängt, der Spannungsausgabewert des Fehlerdiagnoseausgabe-DAC nicht die ausgelegte Spannung sein, wenn ein durch einen Kurzschluss bedingter Fehler in den Diagnoseelektroden beispielsweise des ersten Beschleunigungsdetektionselements aufgetreten ist. Dementsprechend ist es für eine zuverlässige Unterdrückung der Ausbreitung des Fehlers eines Beschleunigungsdetektionselements auf andere fehlerfreie Beschleunigungsdetektionseinheiten notwendig, eine Konfiguration anzuwenden, in der ein unabhängiger Diagnosespannungsausgabe-DAC für jedes der Detektionselemente durch die Schaltung zur Ausführung der Detektion von Überstrom und der Isolierung der entsprechenden Detektionseinheit vorgesehen ist, wie in der vorliegenden Ausführungsform, selbst wenn die Schaltung redundant wird.
Die Substratspannungserzeugungs-DAC 329a und 329b sind auch als unabhängige Schaltungen durch die Schaltung zum Ausführen der Detektion von Überstrom und der Isolierung der entsprechenden Detektionseinheit für das erste Beschleunigungsdetektionselement 311a und das zweite Beschleunigungsdetektionselement 311b vorgesehen. Mit einer solchen Konfiguration sind die Substratspannungserzeugungs-DAC 329a und 329b getrennt vorgesehen, so dass Substratspannung in dem Beschleunigungsdetektionselement, das keinen Kurzschluss aufweist, angelegt werden kann, selbst wenn ein Kurzschluss in einer mit dem Substratspannungserzeugungs-DAC im Zusammenhang stehenden Schaltung aufgetreten ist. Wie in dem Absatz des Standes der Technik erwähnt, gibt die Substratspannung die Spannung der Dummy-Musterteile 316a und 316b an und ist es im Allgemeinen wünschenswert, eine Funktion der Fixierung der Spannung auf einen konstanten Wert zu schaffen, anstatt sie in einem schwebenden Zustand zu lassen.
Die Trägersignalerzeugungs-DAC 328a und 328b sind auch als unabhängige Schaltungen vorgesehen durch die Schaltung zum Ausführen der Detektion von Überstrom und der Isolierung der entsprechenden Detektionseinheit für das erste Beschleunigungsdetektionselement 311a und das zweite Beschleunigungsdetektionselement 311b. Mit einer solchen Konfiguration sind die Trägersignalerzeugungs-DAC 328a und 328b getrennt vorgesehen, so das Trägerspannung in dem Beschleunigungsdetektionselement, das keinen Kurzschluss aufweist, angelegt werden kann, selbst wenn ein Kurzschluss in einer mit dem Trägersignalerzeugungs-DAC im Zusammenhang stehenden Schaltung aufgetreten ist.
Das erste Beschleunigungsdetektionselement 311a und das zweite Beschleunigungsdetektionselement 311b können auch auf dem gleichen Chip, wie dem Beschleunigungsdetektionselementchip 311 wie in 1 gezeigt, hergestellt sein oder auf unterschiedlichen Chips hergestellt sein. In dem Fall, in dem sie jeweils auf unterschiedlichen Chips hergestellt sind, breitet sich der Fehler nicht auf andere Beschleunigungsdetektionseinheiten aus, da Substratspannungen unabhängig eingestellt werden können, sogar wenn ein Kurzschlussfehler im Zusammenhang mit der Substratspannung aufgetreten ist. In dem Fall, in dem eine Vielzahl von Beschleunigungsdetektionselementen auf dem gleichen Chip hergestellt sind, ist es wünschenswert, eine Konfiguration anzuwenden, in der Substratspannungen unabhängig eingestellt werden wie in dem Fall, in dem die Beschleunigungsdetektionselemente auf getrennten Chips hergestellt sind (1). Zum Beispiel durch Bilden von tiefen Rillen in einem Siliziumsubstrat mittels Ätzen, wie zum Beispiel DRIE, und Bilden eines Oxidfilms in den tiefen Rillen, wobei entsprechende durch die tiefen Rillen getrennte leitfähige Teile durch den Oxidfilm isoliert werden und eine Spannungstrennung auf dem gleichen Siliziumsubstrat erreicht werden kann.
Ferner ist es in der vorliegenden Ausführungsform denkbar, die Konfiguration anzuwenden, in der gezielt ein gewisser Unterschied zwischen den Spannungen der Detektionselektroden 313a und 313b, der Diagnoseelektroden 314a und 314b und der beweglichen Teile 312a und 312b und den Gleichspannungen der Substratspannungen der Dummy-Musterteile 316a und 316b geschaffen wird. Der Grund dafür ist, dass, da kein Strom fließt, sogar wenn leitfähige Körper mit der gleichen Spannung in Kontakt miteinander kommen, Fehlerdetektion auf der Grundlage von Strom nicht ausgeführt werden kann, sogar wenn der Kontakt in einem Fehlermodus ist. Dementsprechend ist es denkbar, die Konfiguration anzuwenden, in der Spannungen einschließlich der Substratspannung so zugeführt werden, dass sie Unterschiede in Gleichstrompegeln in allen leitfähigen Körpern haben. Zu diesem Zeitpunkt ist es, wenn der Spannungsunterschied groß ist, da Einflüsse von parasitären Komponenten und elektrostatischer Kraft wie vorstehend beschrieben groß werden, wünschenswert, dass der Gleichspannungsunterschied zwischen Elektroden und leitfähigen Körpern klein ist. Der Spannungsunterschied ist nicht auf Gleichstromkomponenten beschränkt, sondern kann auch Wechselstromkomponenten betreffen, und wenn Frequenzen davon ausreichend höher sind als Ansprechfrequenzen der beweglichen Teile der Beschleunigungsdetektionselemente 311a und 311b, verursacht die zwischen den leitfähigen Körpern durch Spannung erzeugte elektrostatische Kraft keine Verlagerung der beweglichen Teile. Auf der Seite der Überstromschaltschaltung kann Strom bei hohem SNR durch Ausführung von synchroner Detektion, bei den gleichen Frequenzen wie jenen der Wechselstromkomponenten, des Spannungsunterschiedes detektiert werden.
<Sensorausgabeformat in normalem Zustand und bei Auftreten von Fehlern>
Sensorausgabeformate in einem normalen Zustand und zum Zeitpunkt des Auftretens von Fehlern werden mit Bezugnahme auf 6 beschrieben. 6 ist ein Diagramm, das Beispiele von Sensorausgabeformaten zeigt, und 6(a) zeigt ein Format in einem normalen Zustand und 6(b) zeigt ein Format zum Zeitpunkt des Auftretens eines Fehlers.
Wenn der Verbundsensor der vorliegenden Ausführungsform einem übergeordneten System durch eine Kommunikationseinrichtung, wie zum Beispiel SPI-Kommunikation, die in der DSP-Schaltung Einheit 330 enthalten ist, eine detektierte Beschleunigung mitteilt, wird eine Diagnosemarkierung (DIAG), die einen Betriebszustand der Überstromschaltschaltung angibt, zusammen mit einer Beschleunigungsausgabe (YG) des ersten Beschleunigungsdetektionselements 311a und einer Beschleunigungsausgabe (XG) des zweiten Beschleunigungsdetektionselements 311b wie in 6(a) gezeigt, ausgegeben. Auf diese Weise ist es, da das übergeordnete System das Beschleunigungsdetektionselement, in dem ein Fehler aufgetreten ist, bestätigen kann, möglich, zu bestimmen, die Systemfunktionen unter Verwendung des fehlerfreien Beschleunigungsdetektionselements fortzuführen. Außerdem kann durch weiteres Detektieren der Tatsache, dass der Verbraucherstrom an den entsprechenden Teil den Überstrom durch das Stoppen der Leistungszuführung nach dem Auftreten eines Fehlers verlassen hat, eine Markierung, die den Abschluss der Fehlerbehandlung anzeigt und anzeigt, dass das fehlerhafte Teil angemessen isoliert ist, ausgegeben werden.
Zum Zeitpunkt des Auftretens eines Fehlers kann zusätzlich zu der Anbringung einer Diagnosemarkierung wie in 6(a) ein Ausgabewert des Beschleunigungsdetektionselements, in dem der Fehler aufgetreten ist, (Beschleunigungsausgabe des ersten in 6(b) mit „YG” bezeichneten Beschleunigungsdetektionselements) auf einen Wert außerhalb eines normalen Ausgabebereichs eingestellt werden. Im Fall der 16-Bit-Ausgabe, sind +32767 und –32768 Beispiele dafür.
In dem Beispiel von 6(b) wird die Diagnosemarkierung (DIAG) zu „0x0202” von „0x0000” in einem Normalzustand geändert und kann von „2” der ersten Ziffer bestimmt werden, dass ein Fehler in dem ersten Beschleunigungsdetektionselement 311a aufgetreten ist, und kann von „2” der dritten Ziffer bestimmt werden, dass das erste Beschleunigungsdetektionselement 311a zuverlässig isoliert ist. Ferner wird die Beschleunigungsausgabe (YG) des ersten Beschleunigungsdetektionselements 311a zu „0x8000” von „0xFE00” in einem normalen Zustand geändert und kann das Auftreten eines Fehlers aus dem Wert außerhalb des normalen Bereiches bestimmt werden. Man beachte, dass, da die Beschleunigungsausgabe (XG) das zweiten Beschleunigungsdetektionselements 311b „0x0200” gleich wie die in einen normalen Zustand bleibt, bestimmt werden kann, dass kein Fehler aufgetreten ist.
Durch Vorsehen dieser Funktion ist es möglich, die Möglichkeit zu verringern, irrtümlich die zum Zeitpunkt des Auftretens ausgegebene Beschleunigung oder Winkelgeschwindigkeit in einem übergeordneten System zu verwenden.
Wie oben beschrieben, kann in einem Verbundsensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch kollektives Eingeben der Ausgaben aller von dem Verbundsensor detektierten Detektionselemente und der Diagnosemarkierungen, die eine Anwesenheit oder Abwesenheit von Überstromdetektion und Ergebnisse des Umgangs anzeigen, in eine Reihe von Kommunikationsrahmen ein übergeordnetes System vorteilhafterweise die Anzahl von Kommunikationen im Vergleich zu dem Fall der Verwendung einer Vielzahl von individuellen Sensoren reduzieren. Darüber hinaus ist es bei Verbindung mit einem Netzwerk, mit dem eine große Anzahl von Knoten verbunden ist, wie zum Beispiel ein CAN (Controller Area Network), möglich, einen Kommunikationsstau zu unterdrücken.
<Montageverfahren des Signaldetektions-LSI>
Ein Montageverfahren eines Signaldetektions-LSI wird mit Bezugnahme auf 7 und 8 beschrieben. 7 und 8 sind Diagramme, die jeweils ein Beispiel eines Montageverfahrens eines Signaldetektion-LSI zeigen. Dieses Signaldetektions-LSI entspricht dem in 1 gezeigten Signaldetektions-LSI 320.
In dem Montageverfahren des in 7 gezeigten Signaldetektions-LSI unterscheiden sich Größen der entsprechenden Teile zwecks der Beschreibung deren Funktionen stark von den tatsächlichen. Außerdem ist in 7 der obere Teil der Zeichnung eine Draufsicht und der untere Teil der Zeichnung eine Schnittansicht, die entlang der Schnittlinie A-A' der Draufsicht in dem oberen Teil genommen wurde.
In dem Montageverfahren des in 7 gezeigten Signaldetektions-LSI sind eine Vielzahl von Kontaktflächen 202 zur Herstellung von elektrischem Kontakt mit außen, ein Schaltungsmontageteil 203, das dem ersten und dem zweiten Beschleunigungsdetektionselement 311a und 311b gemeinsam ist, ein erstes Signalverarbeitungsschaltungsteil 204 für das erste Beschleunigungsdetektionselement 311a und ein zweites Signalverarbeitungsschaltungsteil 205 für das zweite Beschleunigungsdetektionselement 311b auf dem Signaldetektions-LSI 201 gebildet. Ferner sind Schutzringe 206, die so gebildet sind, dass sie den ersten Signalverarbeitungsschaltungsteil 204 und den zweiten Signalverarbeitungsschaltungsteil 205 umgeben, auf dem Signaldetektions-LSI 201 gebildet. Die entsprechenden Kontaktflächen 202, das Schaltungsmontageteil 203, die Signalverarbeitungsschaltungsteile 204 und 205 und die Schutzringe 206 sind auf einem Substratteil 207 gebildet. In dem ersten und dem zweiten Signalverarbeitungsschaltungsteil 204 und 205 sind eine Vielzahl von MOS-Transistoren 201 gebildet.
Hier ist der Schutzring 206 eine Diffusionsschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie jener des Substratteils 207 und hat eine höhere Konzentration als jener des Substratteils 207. Zum Beispiel ist der Schutzring vom n⁺-Typ, wenn das Substratteil ein n^–-Typ-Substrat ist.
Die Schutzringe 206 sind zum Verhindern von beispielsweise der Schwankung der Spannung das Substratteils 207 der zweiten Signalverarbeitungsschaltungseinheit 205 vorgesehen, wenn ein Kurzschluss des Substratteils 207 und von Schaltungselementen in der ersten Signalverarbeitungsschaltungseinheit 204 aufgetreten ist. Insbesondere wird der Schutzring 206, wenn das Substratteil 207 auf dem Massepegel ist, auch auf den Massepegel gebracht, wodurch selbst beim Auftreten eines Kurzschlusses zwischen dem ersten Signalverarbeitungsschaltungsteil 204 und dem Substratteil 207 und beim Schwanken des Spannungspegels des Substratteils 207 aufgrund der Impedanzkomponenten in dem Substrat (n^–), da der Spannungspegel der niedrigen Impedanz (n⁺) um den ersten Signalverarbeitungsschaltungsteil 204 vorhanden ist, der Strom zu dem Schutzring des ersten Signalverarbeitungsschaltungsteils 204 fließt. Aus diesem Grund ist es möglich, die Wirkung zu erreichen, dass das zweite Signalverarbeitungsschaltungsteil 205 kaum durch den Kurzschluss, der zwischen dem ersten Signalverarbeitungsschaltungsteil 204 und dem Substratteil 207 auftritt, beeinflusst wird. Da diese Wirkung nicht auf den Kurzschlussdefekt auf der Seite des Signalverarbeitungsschaltungsteils beschränkt ist, sondern auch für die Schwankung der Substratspannung des Signalverarbeitungsschaltungsteils aufgrund des Kurzschlusses eines Detektionselements auf der Lastseite oder Ähnliches gilt, führt die Verwendung dieses Montageverfahrens in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu einer weiteren Verbesserung der Wirkung der vorliegenden Erfindung. Obwohl hier der Fall, in dem zwei Detektionselemente vorgesehen sind, beschrieben wurde, wird, wenn mehr Detektionselemente vorgesehen sind, eine Konfiguration angewendet, in der elektrische Trennung für jedes der Detektionselemente vorgenommen wird. Die Detektionselemente können auch unterschiedliche physikalische Größen detektieren, zum Beispiel Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit.
In einem anderen in 8 gezeigten Montageverfahren des Signaldetektions-LSI unterscheiden sich Größen der entsprechenden Teile zwecks der Beschreibung der Funktionen auch stark von den tatsächlichen. In 8 ist der obere Teil der Zeichnung auch eine Draufsicht und der untere Teil der Zeichnung eine Schnittansicht, die entlang der Schnittlinie A-A' der Draufsicht in dem oberen Teil genommen wurde.
Dieses in 8 gezeigten Montageverfahren das Signaldetektions-LSI zeigt ein Beispiel für die Herstellung auf einem SOI(Silicon On Insulator)-Substrat 210. Das SOI-Substrat 210 hat eine Struktur, in der eine Isolierschicht 208 zwischen einem Substratteil 207 und einem Substratteil 209 angeordnet ist. Isolierschichten 211 sind in eine Tiefenrichtung des SOI-Substrats 210 gebildet, so dass sie die Signalverarbeitungsschaltungsteile 204 und 205 umgeben. Da das Substratteil 207 zwischen dem ersten Signalverarbeitungsschaltungsteil 204 und dem zweiten Signalverarbeitungsschaltungsteil 205 durch die Isolierschicht 208 des SOI-Substrats 210 und die hergestellten Isolierschichten 211 elektrisch getrennt ist, ist es möglich, die Spannungsschwankungen des Substratteils 207 auf der Seite des Detektionselements, in dem ein Fehler, wie zum Beispiel ein Kurzschluss, aufgetreten ist, daran zu hindern, sich auf das Substratteil 207 des Detektionselements auszubreiten, in dem kein Fehler aufgetreten ist, wie oben beschrieben. Obwohl hier der Fall, in dem zwei Detektionselemente vorgesehen sind, beschrieben wurde, wird, wenn mehr Detektionselemente vorgesehen sind, eine Konfiguration, in der elektrische Trennung für jedes der Detektionselemente vorgenommen wird, verwendet. Die Detektionselemente können auch unterschiedliche physikalische Größen detektieren, zum Beispiel Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit.
Diese Montageverfahren des Signaldetektions-LSI spielen eine unterstützende Rolle bei der Ausführung der Detektion von Überstrom und der Isolierung der entsprechenden Detektionselemente durch die Schaltung, wie in der vorliegenden Erfindung offenbart, und diese Verfahren alleine lösen nicht die von der vorliegenden Erfindung angegangenen Probleme. Es ist jedoch möglich, elektrische Isolation jeder der Detektionseinheiten zuverlässiger durch das Kombinieren der Schaltung zur Detektion von Überstrom und die Isolierung der entsprechenden Detektionseinheit wie in der vorliegenden Erfindung offenbart, mit den oben beschriebenen Montageverfahren das Signaldetektions-LSI zu realisieren. Dementsprechend ist es wünschenswert, das Signaldetektions-LSI mittels der Montageverfahren des Signaldetektions-LSI beim Ausführen der vorliegenden Erfindung zu montieren.
<Wirkung der ersten Ausführungsform>
Gemäß der vorstehend beschriebenen vorliegenden Ausführungsform können die folgenden Wirkungen in einem Verbundsensor erreicht werden, der die zweiachsige Beschleunigungsdetektion realisiert. Durch das Vorsehen von Überstromschaltschaltungen 101a, 101b, 102a, 102b, 103a, und 103b für entsprechende Detektionseinheiten, so dass die Schaltung zur Ausführung der Detektion von Überstrom und der Isolierung der entsprechenden Detektionseinheit mit der Konfiguration gebildet ist, um die Leistungszufuhr zu einer fehlerhaften Detektionseinheit zu stoppen, wenn ein elektrischer Fehler, wie zum Beispiel ein Kurzschluss, aufgetreten ist, ist es nämlich möglich, die Ausbreitung des Fehlers auf andere Detektionseinheiten aufgrund mechanischer Fehler zu verhindern. Ferner ist es in Anbetracht der Tatsache, dass die Fehlerauftrittsrate eines Festkörper-Signaldetektions-LSI 320 im Vergleich zu der Fehlerauftrittsrate des Beschleunigungsdetektionselementchips 311 mit einer mechanischen Struktur ausreichend niedrig ist, möglich, die Wahrscheinlichkeit von gleichzeitigem Auftreten von Fehlern in Detektionseinheiten des Verbundsensors zu reduzieren.
Ferner fällt, neben dem Überstrom, eine Konfiguration, in der eine Anormalität einer Detektionseinheit elektrisch detektiert wird und die Leistungszufuhr zu der entsprechenden Detektionseinheit gestoppt wird, auch in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung. Die Fehler einer Detektionseinheit umfassen einen Fehler, durch den eine Schaltung offen wird, und eine solche Konfiguration kann durch Detektieren der Änderung der zwischen Elektroden erzeugten Ladungsmenge, bedingt durch den offen-Fehler der Schaltung, in Form von Strom durch die C/SV-Wandlerschaltung realisiert werden.
Genauer können die folgenden Wirkungen erreicht werden.

(1) Durch Vorsehen einer Vielzahl von Detektionseinheiten, die aus den C/V-Wandlerschaltungen 321a und 321b, den Verstärkerschaltungen 322a und 322b, den ADC 323a und 323b, den Diagnosespannungsausgabe-DAC 372a und 372b, den Trägersignalerzeugungs-DAC 321a und 328b und den Substratspannungserzeugungs-DAC 329a und 329b, die Signaldetektionsschaltungen sind, die für jedes einer Vielzahl von Detektionselementen vorgesehen sind, der Leistungsquellenspannungseingabeeinheit 331 und der Massespannungseingabeeinheit 332, die von der Vielzahl von Detektionseinheiten gemeinsam genutzt werden, und den Überstromschaltschaltungen 101a und 101b, die Fehlerdetektionsschaltungen sind, die für jede der Vielzahl von Detektionseinheiten zum Detektieren von Fehlern der Detektionselemente und Stoppen der Leistungszufuhr zu der fehlerhaften Detektionseinheit vorgesehen sind, gebildet sind, ist es möglich, zu unterdrücken, dass ein Fehler, der in einem bestimmten Detektionselement aufgetreten ist, andere Detektionseinheiten, in denen kein Fehler aufgetreten ist, beeinflusst. Dementsprechend kann ein Verbundsensor konfiguriert werden, der robust gegen Fehler ist und in dem ein Fehler eines bestimmten Detektionselements sich nicht auf andere Detektionseinheiten ausbreitet.
(2) Die Überstromschaltschaltungen 101a und 101b detektieren das Auftreten eines Fehlers, wenn sich ein Strom nicht bei einem vorbestimmten Wert befindet oder wenn ein Strom größer als ein Schwellenwert ist, das heißt Überstrom, so dass die Schaltung zum Ausführen der Detektion von Überstrom und der begleitenden Isolierung der entsprechenden Detektionseinheit realisiert werden kann.
(3) Es ist möglich, zweiachsige Beschleunigungsdetektion durch Vorsehen des ersten und des zweiten Beschleunigungsdetektionselements 311a und 311b als eine Vielzahl von Detektionselementen zu realisieren.
(4) Durch ferner Vorsehen der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 und der Oszillator-und Takterzeugungsschaltung 325, die von jeder der Vielzahl von Detektionseinheiten gemeinsam genutzt werden, und das Vorsehen von Pufferschaltungen für die Überstromschaltschaltungen 102a, 102b, 103a und 103b kann mindestens eines des Spannungssignals der von der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 erzeugten Bezugsspannung und des von der Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325 erzeugten Taktspannungssignals entsprechenden Detektionseinheiten durch jede der Pufferschaltungen zugeführt werden. Dann können die Überstromschaltschaltungen 102a, 102b, 103a und 103b die Änderung des Verbraucherstroms der Pufferschaltungen überwachen, den Fehler von Detektionselementen bestimmen, wenn der Strom nicht bei einem vorbestimmten Stromwert ist, und die Leistungszufuhr zu der fehlerhaften Detektionseinheit stoppen.
(5) Durch Vorsehen eines LPF für die DSP-Schaltungseinheit 330 und das derartige Einstellen der Antwortzeit (T_d) von der Detektion eines Fehlers jedes Detektionselements bis zu dem Stoppen der Leistungszufuhr zu dem fehlerhaften Detektionselement, dass diese kürzer ist als eine Zeitkonstante des LPF (T_LPF) in den Überstromschaltschaltungen 101a, 101b, 102a, 102b, 103a und 103b kann die Unabhängigkeit von entsprechenden Detektionselementen in einer Gestaltung innerhalb eines Bereichs, der für den tatsächlichen Gebrauch ausreicht, sichergestellt werden.
(6) Durch Vorsehen einer Kommunikationsschaltung, wie zum Beispiel einer SPI-Kommunikation, in der DSP-Schaltungseinheit 330, ist es möglich, ein übergeordnetes System durch einen Ausgabekommunikationsrahmen zu benachrichtigen, dass die Überstromschaltschaltungen 101a, 101b, 102a, 102b, 103a und 103b die Leistungszufuhr zu der fehlerhaften Detektionseinheit gestoppt haben. Ferner kann der Ausgabekommunikationsrahmen die Inhalte zur Mitteilung, dass die Leistungszufuhr zu der fehlerhaften Detektionseinheit gestoppt wurde, und die Ausgabewerte der Vielzahl von Detektionselementen enthalten.
(7) In jedem der Detektionselemente, die die beweglichen Teile 312a und 312b, die Detektionselektroden 313a und 313b, die Diagnoseelektroden 314a und 314b, die Dummy-Musterteile 316a und 316b und andere Elemente umfassen, ist es durch gezieltes Einstellen der Spannungen der Dummy-Musterteile 316a und 316b auf andere als die Spannungen der beweglichen Teile 312a und 312b, der Detektionselektroden 313a und 313b und der Diagnoseelektroden 314a und 314b möglich, einen Fehler im Fall eines Fehlermodus aufgrund eines Kontakts oder Ähnlichem zu detektieren.

[Zweite Ausführungsform]
Der Verbundsensor gemäß der zweiten Ausführungsform wird mit Bezugnahme auf 9 und 10 beschrieben. In der zweiten Ausführungsform werden Beschreibungen der Teile, die identisch mit denen der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform sind, weggelassen und hauptsächlich sich unterscheidende Teile beschrieben.
<Konfiguration und Betrieb des Verbundsensors>
Die Konfiguration des Verbundsensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird mit Bezugnahme auf 9 beschrieben. 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Gesamtkonfiguration des Verbundsensors zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform werden ein Konfigurationsbeispiel für einen Verbundsensor mit zweiachsigen Beschleunigungsdetektionselementen und einem einachsigen Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement beschrieben. Dies ist nämlich ein Konfigurationsbeispiel, in dem der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ein einachsiges Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement hinzugefügt wird.
Der Verbundsensor aus 9 ist so konfiguriert, dass er einen Beschleunigungs-/Winkelgeschwindigkeitsdetektionselementchip 1013 und ein Signaldetektions-LSI 320 umfasst. Der Beschleunigungs-/Winkelgeschwindigkeitsdetektionselementchip 1013 umfasst ein erstes Beschleunigungsdetektionselement 311a, ein zweites Beschleunigungsdetektionselement 311b und ein erstes Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013.
Das erste Beschleunigungsdetektionselement 311a des Beschleunigungs-/Winkelgeschwindigkeitsdetektionselementchips 1013 umfasst ein erstes bewegliches Teil 312a, das durch eine Beschleunigung verlagert wird, und erste Detektionselektroden 313a, die zusammen mit einem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 312a nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und eine Beschleunigung detektieren, und das zweite Beschleunigungsdetektionselement 311b davon umfasst ein zweites bewegliches Teil 312b, das durch eine Beschleunigung verlagert wird, und zweite Detektionselektroden 313b, die zusammen mit einem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 312b nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und eine Beschleunigung detektieren. Ferner umfasst das erste Beschleunigungsdetektionselement 311a das bewegliche Teil 312a und erste Diagnoseelektroden 314a, die zusammen mit dem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 312a nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und eine Funktion des Anlegens einer Spannung realisieren, um das bewegliche Teil 312a durch eine elektrostatische Kraft zur Verlagerung zu zwingen, und umfasst das zweite Beschleunigungsdetektionselement 311b das bewegliche Teil 312b und zweite Diagnoseelektroden 314b, die zusammen mit dem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 312b nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und eine Funktion des Anlegens einer Spannung realisieren, um das bewegliche Teil 312a durch eine elektrostatische Kraft zur Verlagerung zu zwingen. Darüber hinaus sind ein erstes und ein zweites Trägerspannungsanlegeteil 315a und 315b zum Zuführen von Trägerspannung zu den entsprechenden Detektionselektroden 313a und 313b in dem ersten und dem zweiten Beschleunigungsdetektionselement 311a beziehungsweise 311b vorgesehen. Zusätzlich sind ein erster und ein zweiter Trägerbalken 317a und 317b zum Tragen der beweglichen Teile 312a und 312b und ein erstes und ein zweites Dummy-Musterteil 316a und 316b, die andere Bereiche als die beweglichen Teile und die ortsfesten Teile sind, in dem ersten und dem zweiten Beschleunigungsdetektionselement 311a beziehungsweise 311b vorgesehen.
Das erste Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a des Beschleunigungs-/Winkelgeschwindigkeitsdetektionselementchips 1013 umfasst ein bewegliches Teil 1014, das durch eine Winkelgeschwindigkeit verlagert wird, und eine elektrostatische Treiberkraft und Treiberelektroden 1010, die zusammen mit einem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 1014 nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und eine elektrostatische Kraft erzeugen, um das bewegliche Teil 1014 bei einer konstanten Amplitude und Frequenz zum Vibrieren zu bringen. Ferner umfasst das erste Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a Überwachungselektroden 1011, die zusammen mit einem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 1014 nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und die Verlagerung des beweglichen Teils 1014 detektieren. Darüber hinaus umfasst das erste Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a Detektionselektroden 1012, die zusammen mit einem ortsfesten Teil, das bezüglich des beweglichen Teils 1014 nicht verlagert wird, einen Kondensator bilden und die Verlagerung des beweglichen Teils 1014 detektieren, das eine Corioliskraft in eine zu der Vibrationsrichtung orthogonale Richtung empfangen hat, was als Ergebnis des Aufbringens einer Winkelgeschwindigkeit auf das zum Vibrieren gebrachte bewegliche Teil 1014 bewirkt wird. Zusätzlich umfasst das erste Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a einen Trägerspannungsanlegeteil 1016 zum Anlegen von Trägerspannungen an die Überwachungselektrode 1011 und die Detektionselektrode 1012. Außerdem umfasst das erste Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a einen Trägerbalken 1015 zum Tragen des beweglichen Teils 1014 und ein Dummy-Musterteil 1017, das ein anderer Bereich ist als die beweglichen Teile und die ortsfesten Teile.
Das Signaldetektions-LSI 320 umfasst eine erste und eine zweite C/V-Wandlerschaltung 321a und 321b, eine erste und eine zweite Verstärkerschaltung 322a und 322b, einen ersten und einen zweiten ADC 323a und 323b, einen ersten und einen zweiten Diagnosespannungsausgabe-DAC 327a und 327b, einen ersten und einen zweiten Trägersignalerzeugungs-DAC 328a und 328b und einen ersten und einen zweiten Substratspannungserzeugungs-DAC 329a und 329b für jedes der Detektionselemente. Eine erste Beschleunigungsdetektionseinheit ist aus dem vorstehend beschriebenen ersten Beschleunigungsdetektionselement 311a und dessen Detektionsschaltungen (der ersten C/V-Wandlerschaltung 321a, der ersten Verstärkerschaltung 322a, dem ersten ADC 323a, dem ersten Diagnosespannungsausgabe-DAC 327a, dem ersten Trägersignalerzeugungs-DAC 328a und dem ersten Substratspannungserzeugungs-DAC 329a) gebildet, und eine zweite Beschleunigungsdetektionseinheit ist aus dem vorstehend beschriebenen zweiten Beschleunigungsdetektionselement 311b und dessen Detektionsschaltungen (der zweiten C/V-Wandlerschaltung 321b, der zweiten Verstärkerschaltung 322b, dem zweiten ADC 323b, dem zweiten Diagnosespannungsausgabe-DAC 327b, dem zweiten Trägersignalerzeugungs-DAC 328b und dem zweiten Substratspannungserzeugungs-DAC 329b) gebildet. Das Signaldetektions-LSI 320 umfasst ferner eine dritte C/V-Wandlerschaltung 1001, eine dritte Verstärkerschaltung 1002, einen dritten ADC 1003, eine vierte C/V-Wandlerschaltung 1004, eine vierte Verstärkerschaltung 1005, einen vierten ADC 1006, einen ersten Treiberspannungserzeugungs-DAC 1007, einen dritten Trägersignalerzeugungs-DAC 1008 und einen dritten Substratspannungserzeugungs-DAC 1009. Eine erste Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheit ist aus dem vorstehend beschriebenen ersten Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a und dessen Detektionsschaltungen (der dritten C/V-Wandlerschaltung 1001, der dritten Verstärkerschaltung 1002, dem dritten ADC 1003, der vierten C/V-Wandlerschaltung 1004, der vierten Verstärkerschaltung 1005, dem vierten ADC 1006, dem ersten Treiberspannungserzeugungs-DAC 1007, dem dritten Trägersignalerzeugungs-DAC 1008 und dem dritten Substratspannungserzeugungs-DAC 1009) gebildet. Ferner ist das Signaldetektions-LSI 320 mit einer Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324, einer Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325, einem Speicher 326, wie zum Beispiel einem EPROM, einem ROM, einem RAM oder einem Register, einer DSP-Schaltungseinheit 330, einer Leistungsquellenspannungseingabeeinheit 331 und einer Massespannungseingabeeinheit 332 versehen, und es ist nur ein Satz davon vorgesehen.
Der Beschleunigungs-/Winkelgeschwindigkeitsdetektionselementchip 1013 des ersten und des zweiten Beschleunigungsdetektionselements 311a und 311b und des ersten Winkelgeschwindigkeitsdetektionselements 1013a und das Signaldetektions-LSI 320 sind elektrisch durch Bonddrähte 341 verbunden.
Betriebsabläufe des wie vorstehend beschrieben konfigurierten Verbundsensors für Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit werden beschrieben. In dem Signaldetektions-LSI 320 des Verbundsensors wird eine Leistungsquellenspannung von außen von der Leistungsquellenspannungseingabeeinheit 331 und der Massespannungseingabeeinheit 332 empfangen. Dann wird die empfangene Leistungsquellenspannung jeder der ersten bis vierten C/V-Wandlerschaltung 321a, 321b, 1010 und 1004, der ersten bis vierten Verstärkerschaltung 322a, 322b, 1002 und 1005, dem ersten bis vierten ADC 323a, 323b, 1003 und 1006, dem ersten und dem zweiten Diagnosespannungsausgabe-DAC 327a und 327b, dem ersten bis dritten Trägersignalerzeugungs-DAC 328a, 328b und 1008, dem ersten bis dritten Substratspannungserzeugungs-DAC 329a, 329b und 1009 und dem Treiberspannungserzeugungs-DAC 1007, welche die in 9 gezeigten Schaltungselemente sind, durch die Überstromschaltschaltungen 101a, 101b und 104, die für jede der Detektionseinheiten vorgesehen sind, zugeführt. Die von außen empfangene Leistungsquellenspannung wird direkt der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324, der Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325, dem Speicher 326 und der DSP-Schaltungseinheit 330 zugeführt.
Die von der Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 erzeugte Bezugsspannung wird jedem des ersten bis vierten ADC 323a, 323b, 1003 und 1006, dem ersten und dem zweiten Diagnosespannungsausgabe-DAC 327a und 327b, dem ersten bis dritten Trägersignalerzeugungs-DAC 328a, 328b und 1008, dem ersten bis dritten Substratspannungserzeugungs-DAC 329a, 329b und 1009 und dem Treiberspannungserzeugungs-DAC 1007 durch die Überstromschaltschaltungen 102a, 102b und 105, die für jede der Detektionseinheiten vorgesehen sind, zugeführt. Da die Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 von den entsprechenden Detektionseinheiten sogar in dem Verbundsensor der vorliegenden Ausführungsform wie vorstehend beschrieben gemeinsam genutzt wird, ist nur eine Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324 in dem Verbundsensor vorgesehen. Eine solche Konfiguration ermöglicht es, das Signaldetektions-LSI 320 zu verkleinern und die Herstellungskosten zu senken.
Auch die Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324, die Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325, der Speicher 326, die DSP-Schaltungseinheit 330, die Leistungsquellenspannungseingabeeinheit 331 und die Massespannungseingabeeinheit 332 werden von allen Detektionseinheiten gemeinsam genutzt, und es ist nur ein Satz davon in der vorliegenden Ausführungsform vorgesehen. Die Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325 gibt Trigger zur Vorgabe von Zeitsteuerung von Trägererzeugung in den ersten bis dritten Trägersignalerzeugungs-DAC 328a, 328b und 1008 durch die Überstromschaltschaltungen 103a, 103b und 107, die für jede der Detektionseinheiten vorgesehen sind, ein.
Auf den Empfang der Bezugsspannung hin empfangen der erste Trägersignalerzeugungs-DAC 328a, der zweite Trägersignalerzeugungs-DAC 328b und der dritte Trägersignalerzeugungs-DAC 1008 Takt-Trigger von der gemeinsamen Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325 und legen Trägersignale an den ersten Trägerspannungsanlageteil 305a, den zweiten Trägerspannungsanlegeteil 315b und den dritten Trägerspannungsanlegeteil 1016 an. Zu diesem Zeitpunkt wird die Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325 von der Vielzahl von Detektionseinheiten gemeinsam genutzt. Es werden jedoch unterschiedliche Trägersignalerzeugungs-DAC 328a, 328b und 1008 für die entsprechenden Detektionselemente verwendet.
Man beachte, dass, da die Trägersignale der entsprechenden Detektionselemente unabhängig voneinander sind, es nicht immer notwendig ist, dass Frequenzen, Amplituden und Phasen der Trägersignale identisch sind, und es auch möglich ist, dass die Frequenzen, Amplituden und Phasen vollständig identisch sind, sogar wenn unterschiedliche Trägersignalerzeugungs-DAC verwendet werden.
Da der Prozess der Detektion und Ausgabe von Beschleunigung durch das erste und das zweite Beschleunigungsdetektionselement 311a und 311b identisch ist wie in der ersten Ausführungsform, werden Beschreibungen davon weggelassen.
In dem ersten Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a führt auf Empfang eines von der Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325 zugeführtes Takt-Triggers der Treiberspannungserzeugungs-DAC 1007 der Treiberelektrode 1010 eine Spannung zu und bringt das von dem Trägerbalken 1015 getragene bewegliche Teil 1014 zum Oszillieren. Die durch die Oszillation bewirkte Verlagerung erzeugt eine Änderung der Kapazität der Überwachungselektrode 1011. Aus diesem Grund wird ein in dem dritten Trägersignalerzeugungs-DAC 1008 erzeugtes Trägersignal auf den ähnlichen Empfang eines von der Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325 zugeführten Takt-Triggers hin durch den Trägerspannungsanlegeteil 1016 an die Überwachungselektrode 1011 angelegt und wird die Änderung der Kapazität der Überwachungselektrode 1101 in die dritte C/V-Wandlerschaltung 1001 in der Form von Strom eingegeben. Daraufhin wird das Ausmaß der Verlagerung der Überwachungselektrode 1011 in Spannung umgewandelt und dann durch die dritte Verstärkerschaltung 1002 und den dritten ADC 1003 in die DSP-Schaltungseinheit 330 eingegeben. In der DSP-Schaltungseinheit 330 wird das eingegebene Ausmaß von Verlagerung der Überwachungselektrode 1011 synchroner Detektion bei der gleichen Frequenz unterzogen wie jener der von dem Treiberspannungserzeugungs-DAC 1007 ausgegeben Treiberspannung, um Phaseninformationen und Amplitudeninformation der Verlagerung der Überwachungselektrode 1011 zu erlangen. Als Antwort darauf steuert die DSP-Schaltungseinheit 330 die Oszillationsfrequenz der Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325 derart, dass die Oszillation des beweglichen Teils 1014 eine Resonanzfrequenz eines Oszillationssystems wird, das aus dem beweglichen Teil 1014 und dem Trägerbalken 1015 gebildet ist. Ferner steuert die DSP-Schaltungseinheit 330 die Ausgangsspannung des Treiberspannungserzeugungs-DAC 1007 derart, dass die Amplitude der Oszillation konstant wird. Diese Frequenzsteuerung kann die Wirkung erreichen, eine maximale Amplitude mit einer niedrigen Treiberspannung zu erlangen, und die Amplitudensteuerung kann die Wirkung erreichen, die an dem beweglichen Teil 1014 aufgrund von an den Sensor angelegter Winkelgeschwindigkeit auftretende Corioliskraft immer konstant zu halten. Es wird angenommen, dass die Detektion von Winkelgeschwindigkeit in einem Zustand ausgeführt wird, in dem die Resonanzfrequenzsteuerung und die Amplitudensteuerung ausgeführt werden.
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit auf den Verbundsensor aufgebracht wird, wird am beweglichen Teil 1014 eine Corioliskraft erzeugt und wird das bewegliche Teil 1014 in eine zu einer Vibrationsachse orthogonale axiale Richtung verlagert. Hier wird, ähnlich wie bei der Überwachungselektrode 1011, auf Empfang eines von der Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325 zugeführten Takt-Triggers hin das in dem dritten Trägersignalerzeugungs-DAC 1008 erzeugte Trägersignal durch den Trägerspannungsanlegeteil 1016 an die Detektionselektrode 1012 angelegt und wird die Änderung der Kapazität der Detektionselektrode 1012 in die vierte C/V-Wandlerschaltung 1004 in der Form von Strom eingegeben. Daraufhin wird das Ausmaß an Verlagerung in eine Spannung umgewandelt und dann durch die vierte Verstärkerschaltung 1005 und den vierten ADC 1006 in die DSP-Schaltungseinheit 330 eingegeben. In der DSP-Schaltungseinheit 330 wird das eingegebene Ausmaß von Verlagerung der Detektionselektrode 1012 synchroner Detektion unterzogen bei der gleichen Frequenz wie der der von dem Treiberspannungserzeugungs-DAC 1007 ausgegebenen Treiberspannung, um Amplitudeninformation der Verlagerung der Detektionselektrode 1012 zu erlangen. Als Antwort darauf führt die DSP-Schaltungseinheit 330 Wellenformformung der Amplitudeninformation aus, nämlich Rauschreduzierung durch das LPF und Trimm-Anpassung von Nullpunkten oder Verstärkungen und wird die aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit an ein übergeordnetes System über eine Kommunikationseinrichtung, beispielsweise SPI-Kommunikation, ausgegeben.
Hier haben die an dem Signaldetektions-LSI montierten Überstromschaltschaltungen 101a, 101b, 102a, 102b, 103a, 103b und 104 bis 107 die gleiche Konfiguration wie in der ersten Ausführungsform. Nämlich wird, da Kurzschlüsse an einem Beschleunigungsdetektionselement bewirkt werden und ein Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement eine Strommenge erzeugt, die sich von der eines normalen Zustands unterscheidet, die Leistungsquellenspannung der entsprechenden Detektionseinheit des Elements von anderen Detektionseinheiten isoliert.
Aus diesem Grund breitet sich ein Defekt, wie zum Beispiel die Reduzierung der Bezugsspannung oder Ähnliches, der bedingt ist durch anormalen Strom aufgrund von einem Kurzschluss, nicht auf die Leistungsquellenspannung, die Bezugsspannungserzeugungsschaltung 324, die Oszillator- und Takterzeugungsschaltung 325, den Speicher 326 und die DSP-Schaltungseinheit 330, die den entsprechenden Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitsdetektionseinheiten gemeinsam sind, aus. Dementsprechend breitet sich der Defekt eines fehlerhaften Detektionselements nicht auf andere fehlerfreie Detektionseinheiten aus und können Ausgaben der fehlerfreien Detektionselemente weiterhin für den Verbundsensor verwendet werden.
Da die Beziehung des Ansprechverhaltens der Überstromschaltschaltungen 101a, 101b, 102a, 102b, 103a, 103b und 104 und 107 des Sensorausgabe-LPF identisch ist wie die der ersten Ausführungsform, werden Beschreibungen davon weggelassen.
Man beachte, dass in der vorliegenden Ausführungsform, wie für die Substratspannungserzeugungs-DAC 329a, 329b und 1009, jeweils unabhängige Schaltungen für das Beschleunigungsdetektionselement 311a, das das erste Detektionselement ist, das Beschleunigungsdetektionselement 311b, das das zweite Detektionselement ist, und das Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a, das das dritte Detektionselement ist, von der Schaltung zum Detektieren von Überstrom und Isolierung der entsprechenden Detektionseinheit vorgesehen sind. Mit einer solchen Konfiguration sind die Substratspannungserzeugungs-DAC getrennt vorgesehen, so dass Substratspannung in dem Detektionselement, das keinen Kurzschluss aufweist, angelegt werden kann, selbst wenn ein Kurzschluss in einer mit dem Substratspannungserzeugungs-DAC 329a, 329b und 1001 im Zusammenhang stehender Schaltung aufgetreten ist. Wie in dem Absatz des Standes der Technik erwähnt, zeigt die Substratspannung die Spannung der Dummy-Musterteile 316a, 316b und 1017 an, und ist es im Allgemeinen wünschenswert, eine Funktion der Fixierung der Spannung auf einen konstanten Wert vorzusehen, anstatt sie in einem schwebenden Zustand zu lassen.
Die Trägersignalerzeugungs-DAC 328a, 328b und 1008 sind auch als unabhängige Schaltungen durch die Schaltung zur Detektion von Überstrom und Isolierung der entsprechenden Detektionseinheit für das Beschleunigungsdetektionselement 311a, das Beschleunigungsdetektionselement 311b und das Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a vorgesehen. Mit einer solchen Konfiguration sind die Trägersignalerzeugungs-DAC getrennt vorgesehen, so dass Trägerspannung in dem Detektionselement, das keinen Kurzschluss aufweist, angelegt werden kann, sogar wenn ein Kurzschluss in einer mit den Trägersignalerzeugungs-DAC 328a, 328b und 1008 im Zusammenhang stehenden Schaltung aufgetreten ist.
Auch das erste Beschleunigungsdetektionselement 311a, das zweite Beschleunigungsdetektionselement 311b und das erste Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a können, wie in 9 gezeigt, auf dem gleichen Chip oder auf verschiedenen Chips hergestellt sein. In dem Fall, in dem sie jeweils auf verschiedenen Chips hergestellt sind, breitet sich der Fehler nicht auf andere Detektionseinheiten aus, da Substratspannungen unabhängig eingestellt werden können, sogar wenn ein Kurzschlussfehler in Verbindung mit der Substratspannung aufgetreten ist. In dem Fall, in dem eine Vielzahl von Detektionselementen auf dem gleichen Chip hergestellt sind, ist es wünschenswert, eine Konfiguration anzuwenden, in der Substratspannungen unabhängig eingestellt werden, wie in dem Fall, in dem die Detektionselemente auf getrennten Chips hergestellt sind (9). Zum Beispiel ist das in der ersten Ausführungsform beschriebene Verfahren des elektrischen Trennens der Substratspannung bekannt.
Ferner ist es in der vorliegenden Ausführungsform denkbar, die Konfiguration anzuwenden, in der gezielt ein gewisser Unterschied der Spannungen der Detektionselektroden 313a, 313b und 1012, der Diagnoseelektroden 314a und 314b, der Treiberelektrode 1010, der Überwachungselektrode 1011 und der beweglichen Teile 312a, 312b und 1014 und der Gleichspannungen der Substratspannungen der Dummy-Musterteile 316a, 316b und 1017 gegeben ist. Der Grund dafür ist der, dass, da kein Strom fließt, selbst wenn leitfähige Körper mit der gleichen Spannung in Kontakt kommen, Fehlerdetektion auf der Grundlage von Strom nicht ausgeführt werden kann, selbst wenn der Kontakt ein Fehlermodus ist. Dementsprechend ist es denkbar, die Konfiguration anzuwenden, in der Spannungen einschließlich der Substratspannung derart zugeführt werden, dass sie Unterschiede auf Gleichstrompegeln in allen leitfähigen Körpern haben. Zu diesem Zeitpunkt ist es, wenn der Spannungsunterschied groß ist, da Einflüsse von parasitären Komponenten und elektrostatischer Kraft wie vorstehend beschrieben groß werden, wünschenswert, dass der Gleichspannungsunterschied zwischen Elektroden und leitfähigen Körpern klein ist. Der Spannungsunterschied ist nicht auf Gleichstromkomponenten beschränkt, sondern kann auch Wechselstromkomponenten betreffen, und wenn Frequenzen davon ausreichend höher sind als Antwortfrequenzen der beweglichen Teile der Beschleunigungsdetektionselemente 311a und 311b und des Winkelgeschwindigkeitsdetektionselements 1013a, bewirkt die durch Spannung erzeugte elektrostatische Kraft keine Verlagerung der beweglichen Teile. Auf der Seite der Überstromschaltschaltung kann Strom bei hohem SNR durch Ausführung von synchroner Detektion, bei den gleichen Frequenzen wie denen der Wechselstromkomponenten, des Spannungsunterschiedes detektiert werden.
<Sensorausgabeformat in normalem Zustand und beim Auftreten von Fehlern>
Sensorausgabeformate in einem normalen Zustand und zum Zeitpunkt des Auftretens von Fehlern werden mit Bezugnahme auf 10 beschrieben. 10 ist ein Diagramm, das Beispiele von Sensorausgabeformaten zeigt, und 10(a) zeigt ein Format in einen normalen Zustand, und 10(b) zeigt ein Format zum Zeitpunkt des Auftretens eines Fehlers.
Wenn der Verbundsensor der vorliegenden Ausführungsform detektierte Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit einem übergeordneten System durch eine Kommunikationseinrichtung, wie zum Beispiel in der DSP-Schaltungseinheit 330 enthaltenen SPI-Kommunikation, mitteilt, wird eine Diagnosemarkierung (DIAG), die einen Betriebszustand der Überstromschaltschaltung anzeigt, zusammen mit einer Beschleunigungsausgabe (YG) des ersten Beschleunigungsdetektionselements 311a, einer Beschleunigungsausgabe (XG) des zweiten Beschleunigungsdetektionselements 311b und einer Winkelgeschwindigkeitsausgabe (YAW) des ersten Winkelgeschwindigkeitsdetektionselements 1013a ausgegeben, wie in 10(a) gezeigt. Auf diese Weise ist es, da das übergeordnete System das Detektionselement bestätigen kann, in dem ein Fehler aufgetreten ist, möglich, zu bestimmen, die Systemfunktionen unter Verwendung des fehlerfreien Detektionselements weiterzuführen. Auch kann durch weiteres Detektieren der Tatsache, dass der Verbraucherstrom an dem entsprechenden Teil durch Stoppen der Leistungszufuhr nach Auftreten eines Fehlers nicht mehr der Überstrom ist, eine Markierung, die den Abschluss der Fehlerbehandlung anzeigt und anzeigt, dass das Fehlerteil geeignet isoliert ist, ausgegeben werden.
Zum Zeitpunkt des Auftretens eines Fehlers kann zusätzlich zur Anbringung einer Diagnosemarkierung, wie in 10(b) ein Ausgabewert des Detektionselements, in dem der Fehler aufgetreten ist (Winkelgeschwindigkeitsausgabe des ersten Winkelgeschwindigkeitsdetektionselements, in 10(b) mit „YAW” bezeichnet), auf einen Wert außerhalb eines normalen Ausgabebereichs eingestellt werden. Im Fall einer 16 Bit-Ausgabe sind +32767 und –32768 Beispiele dafür.
In dem Beispiel aus 10(b) wird die Diagnosemarkierung (DIAG) zu „0x0404” von „0x0000” in einen normalen Zustand geändert und kann von „4” der ersten Ziffer bestimmt werden, dass ein Fehler in dem Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a aufgetreten ist, und kann von „4” der dritten Ziffer bestimmt werden, dass das Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a zuverlässig isoliert ist. Ferner wird die Winkelgeschwindigkeitsausgabe (YAW) des Winkelgeschwindigkeitsdetektionselements 1013 zu „0x8000” von „0x0120” in einen normalen Zustand geändert und kann das Auftreten eines Fehlers von dem Wert außerhalb des normalen Bereiches bestimmt werden. Man beachte, dass, da die Beschleunigungsausgabe (YG) des ersten Beschleunigungsdetektionselement 311a „0xFE00” gleich dem in einen normalen Zustand bleibt, und die Beschleunigungsausgabe (XG) des zweiten Beschleunigungsdetektionselements 311b „0x0200” gleich dem in einen normalen Zustand bleibt, bestimmt werden kann, dass kein Fehler darin aufgetreten ist.
Durch Vorsehen dieser Funktion ist es möglich, die Möglichkeit zu verringern, irrtümlich die zum Zeitpunkt des Auftretens eines Fehlers in einem übergeordneten System ausgegebene Beschleunigung zu verwenden.
Wie oben beschrieben, kann in einem Verbundsensor zum Detektieren einer Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung durch kollektives Eingeben der Ausgaben aller von den Verbundsensor detektierten Detektionselemente und der Diagnosemarkierungen, die eine Anwesenheit oder Abwesenheit von Überstromdetektion und Ergebnisse des Umgangs anzeigen, in eine Reihe von Kommunikationsrahmen ein übergeordnetes System vorteilhafterweise die Anzahl von Kommunikationen reduzieren. Darüber hinaus ist es bei Verbindung mit einem Netzwerk, mit dem eine große Anzahl von Knoten verbunden ist, wie zum Beispiel ein CAN, möglich, einen Kommunikationsstau zu unterdrücken.
Man beachte, dass, da das Montageverfahren des Signaldetektions-LSI mit dem der ersten Ausführungsform identisch ist, Beschreibungen davon weggelassen werden.
<Wirkung der zweiten Ausführungsform>
Gemäß der vorstehend beschriebenen vorliegenden Ausführungsform können die folgenden Wirkungen in einem Verbundsensor erreicht werden, der die zweiachsige Beschleunigungsdetektion und die einachsige Winkelgeschwindigkeitsdetektion realisiert. Durch das Vorsehen von Überstromschaltschaltungen 101a, 101b, 102a, 102b, 103a, und 103b und 104 bis 107 für entsprechende Detektionseinheiten, so dass die Schaltung zur Ausführung der Detektion von Überstrom und der Isolierung der entsprechenden Detektionseinheit mit der Konfiguration gebildet ist, um die Leistungszufuhr zu einer fehlerhaften Detektionseinheit zu stoppen, wenn ein elektrischer Fehler, wie zum Beispiel ein Kurzschluss, aufgetreten ist, ist es nämlich auch in der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Ausbreitung des Fehlers auf andere Detektionseinheiten durch mechanische Fehler wie in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform zu verhindern. Ferner ist es in Anbetracht der Tatsache, dass die Fehlerauftrittsrate eines Festkörper-Signaldetektions-LSI 320 im Vergleich zu der Fehlerauftrittsrate des Beschleunigungs-/Winkelgeschwindigkeitsdetektionselementchips 1013 mit einer mechanischen Struktur ausreichend niedrig ist, möglich, die Wahrscheinlichkeit von gleichzeitigem Auftreten von Fehlern in Detektionseinheiten des Verbundsensors zu reduzieren.
Genauer können die gleichen Wirkungen wie jene der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform erreicht werden. Jedoch können, da das einachsige Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a in dem Konfigurationsbeispiel der vorliegenden Ausführungsform hinzugefügt wird, die entsprechenden Wirkungen ((1) bis (7)) der ersten Ausführungsform in der Konfiguration, die dieses Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement 1013a und entsprechende Komponenten der Signaldetektionsschaltungen umfasst, erlangt werden.
Vorstehend wurde die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung gemachte Erfindung konkret auf Grundlage der Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Änderungen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung möglich sind. Zum Beispiel wurden die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausführlich beschrieben, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern und ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsform mit allen beschriebenen konstituierenden Elementen beschränkt. Ein Teil der Konfiguration einer Ausführungsform kann möglicherweise durch die Konfiguration einer anderen Ausführungsform ersetzt werden, und die Konfiguration einer Ausführungsform kann möglicherweise der Konfiguration einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Ferner kann eine weitere Konfiguration einem Teil der Konfiguration jeder Ausführungsform hinzugefügt werden und kann ein Teil der Konfiguration jeder Ausführungsform weggelassen werden oder durch eine andere Konfiguration ersetzt werden.
Bezugszeichenliste

101a, 101b, 102a, 102b, 103a, 103b, und 104 bis 107: Überstromschaltschaltung
201: Signaldetektions-LSI
202: Kontaktfläche
203: Schaltungsmontageteil
204: Signalverarbeitungsschaltungsteil
205: Signalverarbeitungsschaltungsteil
206: Schutzring
207: Substratteil
208: Isolierschicht
209: Substratteil
210: SOI-Substrat
211: Isolierschicht
212: MOS-Transistor
311: Beschleunigungsdetektionselementchip
311a, 311b: Beschleunigungsdetektionselement
312a, 312b: bewegliches Teil
313a, 313b: Detektionselektrode
314a, 314b: Diagnoseelektrode
315a, 315b: Trägerspannungsanlegeteil
316, 316a, 316b: Dummy-Musterteil
317a, 317b: Trägerbalken
320: Signaldetektions-LSI
321a, 321b: C/V-Wandlerschaltung
322a, 322b: Verstärkerschaltung
323a, 323b: ADC
324: Bezugsspannungserzeugungsschaltung
325: Oszillator-und Takterzeugungsschaltung
326: Speicher
327a, 327b: Diagnosespannungsausgabe-DAC
328a, 328b: Trägersignalerzeugungs-DAC
329a, 329b: Substratspannungserzeugungs-DAC
330: DSP-Schaltungseinheit
331: Leistungsquellenspannungseingabeeinheit
332: Massespannungseingabeeinheit
341: Bonddraht
501: Spannungseingabeeinheit
502: Schalter
503: Stromdetektionsschaltungseinheit
504: Bestimmungsschwellenwert
505: Vergleichseinrichtung
506: LPF
507: Fehlerbestimmungsausgabeeinheit
601: Spannungseingabeeinheit
602: Schalter
603: Stromdetektionsschaltungseinheit
604: Bestimmungsschwellenwert
605: Vergleichseinrichtung
606: Fehlerbestimmungsausgabeeinheit
607: Treiberschaltung
701: Funktionsverstärker
702: Bestimmungsschwellenwert
703: Vergleichseinrichtung
704: Fehlerbestimmungsausgabeeinheit
1001: C/V-Wandlerschaltung
1002: Verstärkerschaltung
1003: ADC
1004: C/V-Wandlerschaltung
1005: Verstärkerschaltung
1006: ADC
1007: Treiberspannungserzeugungs-DAC
1008: Trägersignalerzeugungs-DAC
1009: Substratspannungserzeugungs-DAC
1010: Treiberelektrode
1011: Überwachungselektrode
1012: Detektionselektrode
1013: Beschleunigungs-/Winkelgeschwindigkeitsdetektionselementchip
1013: Winkelgeschwindigkeitsdetektionselement
1014: bewegliches Teil
1015: Trägerbalken
1016: Trägerspannungsanlegeteil
1017: Dummy-Musterteil
2001: Schalter
2002: Ausgangsanschluss
2003: Trägersignalgenerator
2004: Vorspannung
2005: Funktionsverstärker

Claims

Verbundsensor, der eine Vielzahl von Detektionselementen zum Detektieren einer Vielzahl von physikalischen Größen umfasst, wobei der Verbundsensor umfasst: eine Vielzahl von Detektionseinheiten, die aus Signaldetektionsschaltungen gebildet sind, die für jedes der Vielzahl von Detektionselementen vorgesehen sind; eine Leistungsquelle, die von jeder der Vielzahl von Detektionseinheiten gemeinsam genutzt wird; und eine Vielzahl von Fehlerdetektionsschaltungen, die für jede der Vielzahl von Detektionseinheiten zum Detektieren eines Fehlers jedes Detektionselements und zum Stoppen der Leistungszufuhr zu einer fehlerhaften Detektionseinheit vorgesehen sind.
Verbundsensor nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Fehlerdetektionsschaltungen das Auftreten eines Fehlers detektiert, wenn ein Strom nicht bei einem vorbestimmten Wert ist oder wenn ein Strom größer als ein Schwellenwert ist.
Verbundsensor nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl von Detektionselementen ein erstes und ein zweites Beschleunigungsdetektionselement zum Detektieren von zweiachsiger Beschleunigung umfasst.
Verbundsensor nach Anspruch 1, der ferner umfasst: eine Bezugsspannungserzeugungsschaltung und eine Takterzeugungsschaltung, die von der Vielzahl von Detektionseinheiten gemeinsam genutzt werden, wobei jede der Vielzahl von Fehlerdetektionsschaltungen eine Pufferschaltung hat, und mindestens eines von einem Spannungssignal der von der Bezugsspannungserzeugungsschaltung erzeugten Bezugsspannung und einem von der Takterzeugungsschaltung erzeugten Taktspannungssignal jeder der Detektionseinheiten durch jede der Vielzahl von Pufferschaltungen zugeführt wird.
Verbundsensor nach Anspruch 4, wobei jede der Vielzahl von Fehlerdetektionsschaltungen eine Änderung in dem Verbraucherstrom der Pufferschaltung überwacht, einen Fehler eines Detektionselements bestimmt, wenn er nicht bei einem vorbestimmten Stromwert ist, und die Leistungszufuhr zu der Detektionseinheit, in der der Fehler aufgetreten ist, stoppt.
Verbundsensor nach Anspruch 1, der ferner umfasst: ein LPF an einer Ausgangsstufe, wobei eine Antwortzeit von der Detektion eines Fehlers jedes Detektionselements bis zum Stoppen der Leistungszufuhr zu der Detektionseinheit, in der der Fehler aufgetreten ist, in jeder der Vielzahl von Fehlerdetektionsschaltungen kürzer ist als eine Zeitkonstante des LPF.
Verbundsensor nach Anspruch 1, der ferner umfasst: eine Kommunikationsschaltung, die durch einen Ausgabekommunikationsrahmen mitteilt, dass jede der Vielzahl von Fehlerdetektionsschaltungen die Leistungszufuhr zu der Detektionseinheit, in der der Fehler aufgetreten ist, gestoppt hat.
Verbundsensor nach Anspruch 7, wobei der Ausgabekommunikationsrahmen Inhalte zum Mitteilen, dass die Leistungszufuhr zu der Detektionseinheit, in der der Fehler aufgetreten ist, gestoppt wurde, und zum Ausgeben von Werten der Vielzahl von Detektionselementen enthält.
Verbundsensor nach Anspruch 2, wobei jedes der Vielzahl von Detektionselementen bewegliche Teile, Elektroden und Dummy-Musterteile umfasst und eine Spannung der Dummy-Musterteile sich von jeglichen Spannungen der beweglichen Teile und Elektroden unterscheidet.