DE19616412B4

DE19616412B4 - Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe

Info

Publication number: DE19616412B4
Application number: DE19616412A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Kariya Nonoyama; Takamoto Kariya Watanabe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-04-24
Filing date: 1996-04-24
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2016-04-25
Also published as: JP3322067B2; JPH08292206A; US5812427A; DE19616412A1

Abstract

Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe, die aufweist:
ein Sensorelement (16, 90), das von einer Versorgungsspannung (VDD) aktiviert wird und ein einer zu erfassenden physikalischen Größe entsprechendes elektrisches Signal (Vin) ausgibt;
einen Analog/Digitalwandler (20) zum Digitalisieren des elektrischen Signals (Vin) und zum Ausgeben digitaler Daten (Da);
eine Steuereinrichtung (22, 82, 100) zum Berechnen einer Steuergröße (D0) zur Steuerung des Sensorelements (16, 90) auf der Grundlage der durch den Analog/Digitalwandler (20) erzeugten digitalen Daten (Da), so dass das elektrische Signal (Vin) einem gewünschten Signal entspricht, und zum Erzeugen eines der Steuergröße (D0) entsprechenden Steuersignals (PT); und
eine Aktivierungseinrichtung (18), die das Sensorelement (16, 90) entsprechend dem Steuersignal (PT) aktiviert,
wobei die Steuereinrichtung (22, 82, 100) ein der Steuergröße oder dem Steuersignal entsprechendes Erfassungssignal (V0) ausgibt, das die physikalische Größe anzeigt, und
wobei der Analog/Digitalwandler (20) aufweist:
eine Pulsrotationsschaltung (52), die eine ungerade Anzahl von...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe zum Steuern eines Sensorelements, welches entsprechend einer zu erfassenden physikalischen Größe ein elektrisches Signal so ausgibt, daß es einem gewünschten Signal entspricht, und zum Ausgeben eines die physikalische Größe anzeigendes Erfassungssignals. Die vorliegende Erfindung wird bevorzugt für einen Beschleunigungssensor verwendet.
Im Stand der Technik ist eine Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe bekannt, die ein Sensorelement beinhaltet, welches auf einem Halbleitersubstrat einen beweglichen Abschnitt beinhaltet, der eine Trägerstruktur aufweist und desweiteren auf dem gleichen Substrat einen Beschleunigungssensor beinhaltet, der eine Steuerschaltung integriert, welche den beweglichen Abschnitt so steuert, daß er nicht gegen eine Beschleunigung, die auf das Sensorelement ausgeübt wird, verschoben wird, und entsprechend der Beschleunigung ein Steuersignal als ein Erfassungssignal ausgibt.
Bei dem vorhergehenden Beschleunigungssensor ist im allgemeinen eine bewegliche Elektrode an dem beweglichen Abschnitt des Sensorelements vorgesehen und feste Elektroden sind an beiden Seiten der beweglichen Elektrode auf dem Substrat vorgesehen. Wenn der bewegliche Abschnitt als Reaktion auf die Einwirkung einer Beschleunigung auf das Sensorelement verschoben wird, kann die Verschiebung des beweglichen Abschnitts entsprechend einer Änderung einer statischen Kapazität von zwei variablen Kondensatoren erfaßt werden, welche durch die bewegliche Elektrode und jede feste Elektrode ausgebildet sind. Wenn desweiteren eine Spannung zwischen die bewegliche Elektrode und die festen Elektroden angelegt wird, wird die Position des beweglichen Abschnitts durch eine statische elektrische Kraft gesteuert, die zwischen den Elektroden erzeugt wird.
Als eine Steuerschaltung, die das vorhergehende Sensorelement aufweist, offenbart zum Beispiel die JPP-4-504003 eine Signalquelle, die jeder festen Elektrode Trägerwellen zuführt, die jeweils entgegengesetzte Phasen aufweisen, und einen Demodulator, der ein zusammengesetztes Signal von zwei Trägerwellen, das an der Mittenelektrode vorhanden ist, demoduliert, und entsprechend einer Differenz einer statischen Kapazität (d.h., einer Verschiebungsgröße des beweglichen Abschnitts) ein Spannungssignal ausgibt. Das heißt, die Trägerwellen, die jeder festen Elektrode zugeführt werden, werden entsprechend der statischen Kapazität eines Kondensators einer variablen Kapazität, welcher zwischen der Mittenelektrode und jeder festen Elektrode ausgebildet ist, in der Phase moduliert und bei der beweglichen Elektrode zusammengesetzt. Da desweiteren das zusammengesetzte Signal entsprechend der statischen Kapazität jedes Kondensators in der Phase und Amplitude moduliert ist, wird entsprechend der Differenz der statischen Kapazität, d.h., der Verschiebung des beweglichen Abschnitts durch ein Modulieren des zusammengesetzten Signals ein Spannungssignal erzielt.
Desweiteren wird bei dieser Vorrichtung eine positive Vorspannung an eine feste Elektrode angelegt, eine negative Vorspannung wird an die andere feste Elektrode angelegt und eine Ausgangsspannung des Demodulators wird an die bewegliche Elektrode angelegt. Desweiteren wird die Potentialdifferenz zwischen der beweglichen Elektrode und jeder festen Elektrode auf der Grundlage einer Änderung des Potentials der beweglichen Elektrode entsprechend der Ausgangsspannung geändert und die statische elektrische Kraft wird gesteuert.
Desweiteren offenbart die JPP-1-253657 eine Steuerschaltung für ein Sensorelement, die einen Schaltkondensator zum Erfassen einer Änderung der statischen Kapazität eines Kondensators in zwei Kondensatoren variabler Kapazität, welche zwischen der beweglichen Elektrode und jeder festen Elektrode ausgebildet sind, und die sie in einen Spannungswert wandelt; eine Integrationsschaltung zum Integrieren des Spannungswerts, welcher von dem Schaltkondensator eingegeben wird; und eine PWM-Schaltung bzw. Pulsbreitenmodulationsschaltung zum Ausgeben des Ausgangssignals der Integrationsschaltung zu einer Erfassungseinrichtung und zum Ausgeben eines PWM-Signals, das eine vorbestimmte Amplitude und eine dem Ausgangssignal der Integrationsschaltung entsprechend Pulsbreite aufweist, beinhaltet.
Bei der Steuerschaltung wird die vorbestimmte Vorspannung an eine feste Elektrode angelegt und das PWM-Signal von der PWM-Schaltung wird an die andere feste Elektrode angelegt. Die Zeit eines Anlegens der Spannung zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode wird durch das PWM-Signal so gesteuert, daß die statische elektrische Kraft zwischen den Elektroden gesteuert werden kann.
Es besteht jedoch bei dem vorhergehenden Stand der Technik wie folgt ein Problem. Das heißt, da diese Steuerschaltungen durch eine analoge Schaltung ausgebildet sind, welche das Erfassungssignal von dem Sensorelement als ein analoges Signal verarbeitet, wird der Sensor groß, wenn der Sensor durch das Sensorelement und die Steuerschaltung auf dem gleichen Substrat integriert ausgebildet wird.
Die US-Patentschrift Nr. 5 095 750 beschreibt einen Beschleunigungssensor, der eine bewegliche Elektrode aufweist, die entsprechend einer Beschleunigung in Bezug auf eine feste Elektrode, die gegenüber der beweglichen Elektrode angeordnet ist, bewegt wird. Eine Ausgabevorrichtung erzeugt eine Ausgangsspannung, die proportional zur Beschleunigung ist, durch Messen einer Lücke zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode. Ein Pulsbreitenmodulator erzeugt Pulse, wobei eine Pulsbreite der Pulse entsprechend der Ausgangsspannung moduliert wird, und eine Rückführungsvorrichtung führt eine elektrostatische Kraft, die proportional zu der Pulsbreite der Pulse von dem Pulsmodulator ist, zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode zurück.
Die US-Patentschrift Nr. 5 345 824 beschreibt einen Beschleunigungsmesser, der einen Mikro-Beschleunigungssensor und eine monolithisch hergestellte Signalaufbereitungsschaltung aufweist. Der Sensor weist eine Differenzialkondensatoranordnung auf, die durch zwei Kondensatoren ausgebildet wird. Jeder Kondensator weist zwei Elektroden auf, von denen eine den beiden Kondensatoren gemeinsam ist. Diese gemeinsame Elektrode ist beweglich, und die andere jeweilige Elektrode ist stationär als Antwort auf eine ausgeübte Beschleunigung. Jeder Kondensator ist aus mehreren Elektrodenpaarsegmenten ausgebil det, die parallel geschaltet sind, und in dem Fall der beweglichen Elektroden mechanisch miteinander verbunden sind, um sich gemeinsam zu bewegen. Wenn eine Beschleunigung ausgeübt wird, bewegt sich die bewegliche Elektrode derart, dass die Kapazität von einem der Kondensatoren sich erhöht, während sich diejenige des anderen Kondensators verringert. Die beiden Kondensatoren sind mit der Signalaufbereitungsschaltung verbunden, die die Differenzkapazität zwischen diesen in eine entsprechende Spannung umwandelt.
Die Offenlegungsschrift Nr. WO 93/05401 beschreibt einen Kreisel, der eine Trägerstruktur enthält, die erste und zweite vibrierbare Strukturen aufweist. Jede vibrierbare Struktur ist erregbar, so dass sie seitlich innerhalb einer ersten Ebene entlang einer Achse normal zur drehempfindlichen Achse vibrieren kann. Die seitliche Vibration der ersten und zweiten vibrierbaren Strukturen bewirkt eine gleichzeitige vertikale oder Drehbewegung zumindest eines Abschnitts der Trägerstruktur aufgrund des Auftretens einer Winkeldrehung des Kreisels um die drehempfindliche Achse. Die vertikale oder Drehbewegung der Trägerstruktur wird durch Elektroden erfasst und es wird eine Spannung, die proportional zur Bewegung ist, erzeugt, um eine Winkelrate der Drehung, die durch den Kreisel erfasst wird, bereitzustellen.
Im Stand der Technik gibt es die folgenden Probleme:

a) Wenn eine Schaltung auf einem Substrat integriert ist, wird, da ein Widerstand und ein Kondensator verglichen mit einem Schaltelement, zum Beispiel einem Transistor, eine große Größe aufweisen, die Größe des Sensors in der analogen Schaltung, in welcher eine Menge von Widerständen und Kondensatoren verwendet werden, groß;
b) desweiteren werden eine Menge Zeit und Kosten für die Einstellung des Versatzes und der Empfindlichkeit benötigt, da es bei der Steuerschaltung, die durch die analoge Schaltung ausgebildet ist, notwendig ist, eine Einstellung eines Versatzes und einer Empfindlichkeit auf der Grundlage einer Abstimmung eines Dünnfilmwiderstands durchzuführen;
c) desweiteren erzeugt in der Steuerschaltung, die durch einen analogen Verstärker ausgebildet ist, wenn er bei einer hohen Temperatur verwendet wird, der analoge Verstärker einen Fehler, der durch einen Leckstrom verursacht wird; und
d) desweiteren ist es in einem System, das das Erfassungssignal aus dem Beschleunigungssensor in eine CPU eingibt und das Steuern von verschiedenen Teilen und einer gesteuerten Vorrichtung auf der Grundlage des Erfassungssignals ausführt, notwendig, das Sensorsignal unter Verwendung des A/D-Wandlers in den digitalen Wert zu wandeln, so daß es beschwerlich bzw. schwierig ist, das System auszugestalten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, eine Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe zu schaffen, die eine hohe Integration und eine einfache Einstellbarkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Da das Ausgangssignal des Sensorelements durch den A/D-Wandler digitalisiert wird und alle Verfahren auf der Grundlage der digitalen Daten durchgeführt werden, ist es möglich, unter Verwendung digitaler Schaltungen mit Ausnahme des Sensorelements alle Strukturen zu realisieren. Da es desweiteren im Vergleich zu einer analogen Schaltung möglich ist, eine hochintegrierte Schaltung zu realisieren, ist es möglich, die Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe zu miniaturisieren, wenn sie auf dem gleichen Substrat integriert wird.
Da desweiteren die Vorrichtung durch die digitalen Schaltungen realisiert ist, ist es möglich, auf der Grundlage digitaler Berechnungen einfach einen Versatz bzw. Offset und eine Empfindlichkeit einzustellen. Als Ergebnis ist es möglich, da es nicht notwendig ist, in einer analogen Schaltung eine Abgleichseinstellung eines Dünnfilms vorzusehen, was hohe Kosten und eine Menge Zeit benötigt, eine einfache Einstellung der Schaltungen zu realisieren.
Da desweiteren die Steuergröße durch die digitalen Daten ausgebildet ist und als das digitale Erfassungssignal aus der Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe ausgegeben wird, ist es nicht notwendig, Erfassungssignale in einem System erneut zu digitalisieren, so daß es möglich ist, die Systemstruktur zu vereinfachen.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Beschleunigungssensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine perspektivische Ansicht eines in 1 gezeigten Sensorelements;
3 ein Flußdiagramm zum Erklären eines Verfahrens in einer Steuergrößeneinstelleinheit in 1;
4 ein Signalzeitablaufsdiagramm des Beschleunigungssensors in dem ersten Ausführungsbeispiel;
5 ein detailliertes Blockschaltbild eines A/D-Wandlers in 1;
6 ein Signalzeitablaufsdiagramm des A/D-Wandlers;
7 ein detailliertes Blockschaltbild einer PWM-Schaltung in 1;
8 ein Signalzeitablaufsdiagramm des Betriebs der PWM-Schaltung;
9 ein detailliertes Blockschaltbild eines Beschleunigungssensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 ein Flußdiagramm zum Erklären eines Betriebs der Erfassungseinheit in 9;
11 ein Signalzeitablaufsdiagramm für den Betrieb des Beschleunigungssensors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
12 eine perspektivische Ansicht des Sensorelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
13 ein detailliertes Blockschaltbild eines Beschleunigungssensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
14 ein Signalzeitablaufsdiagramm, wenn die Umschalteschaltung durch das pulsbreitenmodulierte Signal in dem ersten und dritten Ausführungsbeispiel gesteuert wird; und
15 ein detailliertes Blockschaltbild eines Beschleunigungssensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Beschleunigungssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie es in 1 gezeigt ist, ist der Beschleunigungssensor in diesem Ausführungsbeispiel durch ein Sensorelement 16, einen Analog/Digital- bzw. A/D-Wandler 20, eine Umschalteschaltung 18, eine Steuerschaltung 22, ein Tiefpaßfilter 24 und einen Taktoszillator bzw. -generator 26 ausgebildet.
Das Sensorelement 16 beinhaltet einen Differentialkapazitätskondensator, welcher durch erste und zweite Kondensatoren C1 bzw. C2 ausgebildet ist. Der erste Kondensator C1 ist durch eine erste verschiebbare Mittenelektrode 10 und eine erste Steuerelektrode 12 ausgebildet. Der zweite Kondensator C2 ist durch eine zweite verschiebbare Mittenelektrode 10 und eine zweite Steuerelektrode 14 ausgebildet.
Der A/D-Wandler 20 wandelt eine analoge Spannung Vin, welche eine Spannung der Mittenelektrode 10 anzeigt, in digitale Daten Da.
Die Steuerschaltung 22 beinhaltet Register 34, 36, 40 und 46, einen Subtrahierer 38, eine Steuergrößeneinstelleinheit 42, eine Addierer 44 und eine Pulsbreitenmodulations- bzw. PWM-Schaltung 48. Diese Schaltung 22 erzeugt auf der Grundlage der digitalen Daten Da ein PWM-Signal PT.
Die Umschalteschaltung 18 beinhaltet einen ersten Schalter S11 und einen zweiten Schalter S12, die beide das PWM-Signal PT aus der Steuerschaltung 22 aufnehmen, und gibt Steuerspannungen V1 und V2 zu den ersten bzw. zweiten Steuerelektroden 12 bzw. 14 aus.
Das Tiefpaßfilter bzw. LPF 24 erzeugt entsprechend einem Betriebsverhältnis des PWM-Signals PT aus der Steuerschaltung 22 ein analoges Erfassungssignal V0.
Der Taktoszillator 26 erzeugt Referenztakte CK0, um den A/D-Wandler 20 und die Steuerschaltung 22 zu betreiben, und geteilte Takte CK1, die aus den Referenztakten CK0 geteilt sind.
Desweiteren bezeichnet das Bezugszeichen Vb eine Vorspannung, die durch einen Strombegrenzungswiderstand Rb an die Mittenelektroden 10 angelegt wird.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Sensorelements. Wie es in 2 gezeigt ist, ist das Sensorelement 16 durch ein Paar von balkenähnlichen Trägern 30a und 30b, die parallel zueinander vorgesehen sind, wobei beide Enden jedes Trägers 30a und 30b durch einen Isolationsfilm 28 an einem Siliziumsubstrat befestigt sind; einen Masseabschnitt 32, der eine gitterähnliche Struktur aufweist und die Träger 30a und 30b überdrückt; Mittenelektroden 10a und 10b, die jeweils parallel zu beiden Trägern aus der Mitte des Massenabschnitts 32 hervorstehen, wobei die Mittenelektrode 10a auf einer Seite des Massenabschnitts 32 und die Mittenelektrode 10b auf der anderen Seite davon vorgesehen ist; und Steuerelektroden 12a, 12b, 14a und 14b ausgebildet, die auf beiden Seiten der Mittenelektroden 10 auf dem Siliziumsubstrat vorgesehen sind, wobei die Steuerelektroden 12a und 14a auf beiden Seiten der Mittenelektrode 10a und die Steuerelektroden 12b und 14b auf beiden Seiten der Mittenelektrode 10b vorgesehen sind.
Bei der vorhergehenden Struktur werden die Träger 30a und 30b, der Massenabschnitt 32 und die Mittenelektroden 10a und 10b als der bewegliche Abschnitt 16a bezeichnet. Desweiteren sind die Mittenelektroden 10a und 10b miteinander verbunden (demgemäß werden sie nachstehend einfach als "Mittenelektrode 10" bezeichnet). Die Steuerelektroden 12a und 12b sind miteinander verbunden (demgemäß werden sie nachstehend einfach als "Steuerelektrode 12" bezeichnet) und bilden den ersten Kondensator C1 mit der Mittenelektrode 10. Die Steuerelektroden 14a und 14b sind miteinander verbunden (demgemäß werden sie nachstehend einfach als "Steuerelektrode 14" bezeichnet) und bilden den zweiten Kondensator C2 mit der Mittenelektrode 10.
Der Betrieb der vorhergehenden Struktur wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 im Detail beschrieben.
Bei dem Sensorelement 16, das die vorhergehende Struktur aufweist, werden, wenn eine Beschleunigung so auf das Element 16 ausgeübt wird, daß der bewegliche Abschnitt 16a in eine Richtung verschoben wird, die orthogonal bzw. senkrecht zu der Längsrichtung der Träger 30a und 30b verläuft, die statischen Kapazitäten des ersten bzw. zweiten Kondensators C1 bzw. C2 geändert. Wenn zum Beispiel der bewegliche Abschnitt 16a in die Richtung X verschoben wird, wird der Spalt zwischen der Mittenelektrode 10 und der Steuerelektrode 12 schmal und der andere Spalt zwischen der Mittenelektrode 10 und der Steuerelektrode 14 wird breit. Demgemäß wird die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 erhöht und die des zweiten Kondensators C2 verringert. In diesem Fall wird, wenn keine Beschleunigung auf den beweglichen Abschnitt 16a ausgeübt wird, die Mittenelektrode 10 in der Mitte zwischen beiden Steuerelektroden 12 und 14 so positioniert, daß die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 gleich der des zweiten Kondensators C2 ist.
Desweiteren wird bei dem Sensorelement 16, wenn eine vorbestimmte Spannung zwischen der Mittenelektrode 10 und der Steuerelektrode 12 und zwischen der Mittenelektrode 10 und der Steuerelektrode 14 angelegt wird, die Position der Mittenelektrode 10 entsprechend einer statischen elektrischen Kraft geän dert, welche dazwischen erzeugt wird. Anders ausgedrückt ist es möglich, die Position (oder Verschiebung) der Mittenelektrode 10 als Reaktion auf das Steuern der statischen elektrischen Kraft zu steuern, welche durch eine externe Stufe gesteuert wird.
Die Umschalteschaltung 18, wie sie in 1 gezeigt ist, beinhaltet die ersten und zweiten Schalter S11 bzw. S12, welche selektiv entweder die Versorgungsspannung VDD oder die Vorspannung Vb an die Steuerelektroden 12 bzw. 14 anlegen. Die ersten und zweiten Schalter S11 bzw. S12 werden durch das PWM-Signal PT aus der Steuerschaltung 22 angesteuert. Wenn sich das PWM-Signal PT auf einem hohen Pegel befindet, wird die Versorgungsspannung VDD an die Steuerelektrode 12 angelegt und die Vorspannung Vb wird an die Steuerelektrode 14 angelegt. Wenn sich andererseits das PWM-Signal Pt auf einem niedrigen Pegel befindet, wird die Vorspannung Vb an die Steuerelektrode 12 angelegt und die Versorgungsspannung VDD wird an die Steuerelektrode 14 angelegt.
Die Steuerspannungen V1 und V2 werden entsprechend der Versorgungsspannung VDD und der Vorspannung Vb als Reaktion auf das PWM-Signal PT abwechselnd an die Steuerelektroden 12 bzw. 14 angelegt.
Wenn durch die Umschalteschaltung 18 die Versorgungsspannung VDD an die Steuerelektrode 12 und die Vorspannung Vb an die Steuerelektrode 14 angelegt wird, werden entsprechend einer Potentialdifferenz (VDD – Vb), die zwischen der Mittenelektrode 10 und der Steuerelektrode 12 erzeugt wird, Elektronenladungen in dem ersten Kondensator C1 erzeugt bzw. geladen. Desweiteren werden Elektronenladungen in dem zweiten Kondensator C2 entladen, da die Mittenelekt rode 10 und die Steuerelektrode 14 das gleiche Potential aufweisen.
Wenn die Steuerspannungen V1 und V2 an den Steuerelektroden 12 bzw. 14 durch die Umschalteschaltung 18 geändert werden, werden Elektronenladungen in dem ersten Kondensator C1 entladen und in dem zweiten Kondensator C2 geladen. Wie es zuvor erwähnt worden ist, werden die ersten und zweiten Kondensatoren C1 bzw. C2 entsprechend einem Umschalten der Steuerspannungen V1 und V2 an den Steuerelektroden 12 bzw. 14 durch die Umschalteschaltung 18 abwechselnd geladen/entladen.
Wenn die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 gleich der des zweiten Kondensators C2 ist, wird die Größe der Elektronenladungen, welche an beiden Kondensatoren C1 und C2 geladen und entladen werden, einander gleich. Da desweiteren alle Elektronenladungen, welche an einem Kondensator entladen werden, an dem anderen Kondensator geladen werden, wird das Potential der Mittenelektrode 10 immer auf der Vorspannung Vb gehalten.
Wenn andererseits die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 unterschiedlich zu der des zweiten Kondensators C2 ist, ist die Größe einer Elektronenladung, welche benötigt wird, um das gleiche Potential zwischen den Kondensatoren C1 und C2 zu erzeugen, unterschiedlich. Wenn die Steuerspannungen V1 und V2, die an die Steuerelektroden 12 bzw. 14 angelegt sind, umgeschaltet werden, werden demgemäß Elektronenladungen aus der Versorgungsquelle geladen/entladen, welche die Vorspannung Vb entsprechend der Differenz der statischen Kapazität zwischen den Kondensatoren C1 und C2 an die Mittenelektrode 10 anlegt.
Da der Strom jedoch durch den Widerstand Rb begrenzt ist, werden in einer kurzen Zeit die meisten Elektronenladungen in der Mittenelektrode 10 nicht bewegt, so daß das Potential der Mittenelektrode 10 auf eine solche Weise geändert wird, daß die Lade-/Entlademenge zwischen den Kondensatoren C1 und C2 gleich wird. Das heißt, das Potential der Mittenelektrode 10 wird auf eine solche Weise geändert, daß die Potentialdifferenz zwischen den Polen des Kondensators, in welchem die statische Kapazität verringert wird, groß wird, und die Potentialdifferenz zwischen den Polen des Kondensators, in welchem die statische Kapazität erhöht wird, klein wird.
Wenn zum Beispiel die Versorgungsspannung VDD an den zweiten Kondensator C2 angelegt wird, wird die Mittenelektrode 10 zu der Steuerelektrode 12 hin verschoben. Als Ergebnis wird, wenn die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 groß und die statische Kapazität des zweiten Kondensators C2 klein wird, die Potentialdifferenz zwischen den Polen des zweiten Kondensators C2 groß, so daß das Potential der Mittenelektrode 10 niedriger als die Vorspannung Vb wird.
Nachdem Vorhergehenden werden, wenn die Versorgungsspannung Vb an den Steuerelektroden 12 und 14 geändert wird und die Versorgungsspannung VDD an den ersten Kondensator C1 angelegt wird, die Elektronenladungen des zweiten Kondensators C2 entladen und die entladenen Elektronenladungen werden in den ersten Kondensator C1 geladen. Da jedoch die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 größer als die des zweiten Kondensators C2 ist, wird die Potentialdifferenz zwischen den Polen des ersten Kondensators C1 kleiner als der Wert (VDD – Vb), so daß das Potential der Mittenelektrode 10 höher als die Vorspannung Vb wird. Nach diesen Schritten werden die gleichen Schritte, wie sie zuvor beschrieben worden sind, wiederholt, während es die Differenz der statischen Kapazität zwischen den Kondensatoren C1 und C2 gibt, so daß das Potential der Mittenelektrode 10 um die Vorspannung Vb herum zentriert schwingt. In diesem Fall wird, wenn die Mittenelektrode 10 zu der Steuerelektrode 14 verschoben wird und die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 kleiner als die des zweiten Kondensators C2 ist, das Potential der zweiten Elektrode 10 niedriger als die Vorspannung Vb.
Als nächstes wird entsprechend der Potentialdifferenz (VDD – Vb) eine statische elektrische Kraft zwischen den Steuerelektroden 12 und 14, an welche durch die Umschalteschaltung 18 die Versorgungsspannung VDD angelegt ist, und der Mittenelektrode 10 ausgeübt, an welche die Vorspannung Vb angelegt ist.
Wenn sich die Mittenelektrode 10 auf einer neutralen Position befindet, wenn das Betriebsverhältnis des PWM-Signals PT, das die Umschalteschaltung 18 ansteuert, mit 50% gegeben ist und wenn das Versorgungszeitverhältnis der Versorgungsspannung VDD an der Steuerelektrode 12 gleich dem an der Steuerelektrode 14 ist, wird demgemäß die gleiche mittlere statische elektrische Kraft zwischen der Mittenelektrode 10 und den Steuerelektroden 12 und 14 erzeugt. Da sich die statischen elektrischen Kräfte gegenseitig auslöschen, wirkt demzufolge die statische elektrische Kraft nicht auf die Mittenelektrode 10.
Wenn das Betriebsverhältnis des PWM-Signals andererseits nicht 50% beträgt und wenn das Versorgungszeitverhältnis der Versorgungsspannung VDD an der Steuerelektrode 12 nicht gleich dem an der Steuerelektrode 14 ist, tritt eine Differenz zwischen den mittleren statischen elektrischen Kräften auf, welche auf die Mittenelektrode 10 und die Steuerelektroden 12 und 14 ausgeübt werden. Als Ergebnis wird die Differenz der statischen elektrischen Kraft auf die Mittenelektrode 10 in Richtung der Steuerelektrode ausgeübt, von welcher die Versorgungszeit der Versorgungsspannung VDD lang ist.
Wie es zuvor erklärt worden ist, kann das Sensorelement 16 dieses Ausführungsbeispiels die Änderung der Kapazität der ersten und zweiten Kondensatoren C1 bzw. C2 (d.h., die Verschiebung der Mittenelektrode 10) entsprechend der Änderung des Potentials der Mittenelektrode 10 erfassen, welche bei dem Umschalten der Versorgungsspannung VDD an den Steuerelektroden 12 und 14 auftritt. Desweiteren ist es durch ein Steuern des Betriebsverhältnisses des PWM-Signals PT, welches die Umschalteschaltung 18 ansteuert, d.h., des Zeitverhältnisses der Versorgungsspannung VDD an den Steuerelektroden 12 und 14, möglich, die statische elektrische Kraft, welche zwischen der Mittenelektrode 10 und den Steuerelektroden 12 und 14 ausgeübt wird, und die Position der Mittenelektrode 10 zu steuern. In diesem Fall ist die Periode des PWM-Signals PT verglichen mit der Periode der Eigenoszillation (von einigen hundert Hz bis mehreren kHz) des beweglichen Abschnitts 16a auf einen ausreichend kleinen Wert eingestellt, da der bewegliche Abschnitt 16a nicht entsprechend dem Umschalten der Versorgungsspannung VDD schwingt.
Als nächstes wird die Steuerschaltung 22 in diesem Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben.
Wie es in 1 gezeigt ist, beinhaltet die Steuerschaltung 22 das erste Register 34 zum Halten der digitalen Daten Da, welche das Potential der Mittenelektrode 10, das aus dem A/D-Wandler 20 ausgegeben wird, digitalisieren; das zweite Register 36 zum Übertragen der Daten, die in dem ersten Register 34 gespeichert sind; die Subtraktionsschaltung 38 zum Berechnen der Differenz zwischen den Daten, die in dem ersten Register 34 gespeichert sind, und den Daten, die in dem zweiten Register 36 gespeichert sind; das dritte Register 40 zum Speichern der resultierenden Daten der Substraktionsschaltung 38; die Steuergrößeneinstelleinheit 42 zum Einstellen der Differentialsteuergröße ΔDo, um die Mittenelektrode 10 in die neutrale Position zu steuern; das vierte Register 46 zum Speichern der momentanen Steuergröße Do; die Additionsschaltung 44 zum Addieren der Differentialsteuergröße ΔDo zu der momentanen Steuergröße Do, die in dem vierten Register 46 gespeichert ist; und die PWM-Schaltung 48 zum Erzeugen des PWM-Signals PT, welches die breitere Pulsbreite (Wert des hohen Pegels) aufweist, wenn die Steuergröße Do groß ist, auf der Grundlage der Steuergröße Do.
In diesem Fall wird die Steuergröße Do, welche ein Ausgangssignal des vierten Registers 46 ist, als der digitale Erfassungswert des Beschleunigungssensors zu einer externen Stufe ausgegeben. Die Register 34, 36, 40 und 46 und die Steuergrößeneinstelleinheit 42 werden auf der Grundlage der Referenztakte CK0 synchron betrieben und die PWM-Schaltung 48 wird auf der Grundlage der geteilten Takte CK1 synchron betrieben.
Bei der vorhergehenden Steuerschaltung 22 nimmt das erste Register 34 digitale Daten Da als Reaktion auf die Referenztakte CK0 aus dem A/D-Wandler 20 auf. Bei dem nächsten Takt subtrahiert die Subtraktionsschaltung 38 die vorliegenden digitalen Daten, welche in dem ersten Register 34 gespeichert sind, von den gerade vorhergehenden digitalen Daten, welche in dem zweiten Register 36 gespeichert sind. Die sich ergebenden Daten werden in dem dritten Register 40 gespeichert.
Wenn die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 gleich der des zweiten Kondensators C2 ist, wird demgemäß das Potential der Mittenelektrode 10 konstant und die digitalen Daten Da des Potentials werden ebenso konstant, so daß der berechnete Wert Db, welcher in dem dritten Register 40 gespeichert ist, null wird. Wenn andererseits die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 nicht gleich der des zweiten Kondensators C2 ist, wird der berechnete Wert Db (≠ 0) entsprechend der Differenz der statischen Kapazität in dem dritten Register 40 gespeichert.
In diesem Fall schwingt bzw. oszilliert das Potential der Mittenelektrode 10 entsprechend den Steuerspannungen V1 und V2 und das Vorzeichen des berechneten Werts Db wird entsprechend der Oszillation gewandelt. In diesem Fall wird der Wert, welcher von den digitalen Daten Da, wenn die Spannung an den zweiten Kondensator C2 angelegt ist, von den digitalen Daten Da subtrahiert, wenn die Spannung an den ersten Kondensator C1 angelegt ist, auf einen positiven Datenwert (ST = 0) eingestellt. Im Gegensatz dazu wird der Wert, welcher von den digitalen Daten Da (wenn die Spannung an den ersten Kondensa tor C1 angelegt ist) von den digitalen Daten Da (wenn die Spannung an den zweiten Kondensator C2 angelegt ist) subtrahiert wird, auf einen invertierten Datenwert (ST = 1) eingestellt.
Da die Steuergrößeneinstelleinheit 42, welche die Differentialsteuergröße ΔDo entsprechend dem berechneten Wert Db des dritten Registers 40 einstellt, entsprechend den Einstellungen der Logikschaltung einfach strukturiert ist, wird der detaillierte Schaltungsaufbau weggelassen und lediglich das Verfahren in der Steuergrößeneinstelleinheit 42 mit Bezug auf das Flußdiagramm in 3 im Detail beschrieben.
3 zeigt ein Flußdiagramm zum Erklären des Verfahrens in der Steuergrößeneinstelleinheit 42.
Im Schritt 100 bestimmt die Steuergrößeneinstelleinheit 42, ob der berechnete Wert Db, welcher in dem dritten Register 40 gespeichert ist, der positive Datenwert (ST = 0) ist. Wenn er der positive Datenwert ist (JA), wird der berechnete Wert Db im Schritt S110 als ein Entscheidungswert Dr bestimmt und das Verfahren geht zum Schritt S130. Wenn der berechnete Wert Db im Schritt S100 nicht der positive Wert ist, d.h., wenn er ein invertierter Wert (ST = 1) ist, geht das Verfahren zum Schritt S120. Der invertierte Wert Dr wird im Schritt S120 als der Entscheidungswert Dr bestimmt und das Verfahren geht zum Schritt S130.
Das heißt, in den Schritten S110 und S120 wird der Entscheidungswert Dr auf den positiven Wert eingestellt, wenn die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 größer als die des zweiten Kondensators C2 ist. Im Gegensatz dazu wird der Entschei dungswert Dr auf den negativen Wert eingestellt, wenn die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 kleiner als die des zweiten Kondensators C2 ist. Desweiteren wird der Entscheidungswert auf null eingestellt, wenn die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 gleich der des zweiten Kondensators C2 ist.
Im Schritt S130 bestimmt die Steuergrößeneinstelleinheit 42, ob der Entscheidungswert Dr größer als null ist. Wenn er größer als null ist, geht das Verfahren zum Schritt S150. Im Schritt S150 stellt die Steuergrößeneinstelleinheit 42 einen vorbestimmten Wert Dp als die Differentialsteuergröße ΔDo ein, um die vorliegende Steuergröße Do zu korrigieren. Wenn der Entscheidungswert Dr andererseits kleiner als null ist, geht das Verfahren zum Schritt S140.
Im Schritt S140 bestimmt die Steuergrößeneinstelleinheit 42, ob der Entscheidungswert Dr gleich null ist. Wenn er gleich null ist, geht das Verfahren zum Schritt S160. Die Steuergrößeneinstelleinheit 42 stellt null als die Differentialsteuergröße ΔDo ein. Wenn andererseits im Schritt S140 der Entscheidungswert Dr kleiner als null ist, geht das Verfahren zum Schritt S170. Die Steuergrößeneinstelleinheit 42 stellt als die Differentialsteuergröße ΔDo einen vorbestimmten Wert (–Dp) ein.
Die Differentialsteuergröße ΔDo, welche durch die vorhergehenden Schritte eingestellt worden ist, wird in die Additionsschaltung 44 eingegeben. Die Additionsschaltung 44 addiert die Differentialsteuergröße ΔDo zu der Steuergröße Do, welche in dem vierten Register 46 gespeichert ist, und aktualisiert die Steuergröße Do. Die aktualisierte Steuer größe Do wird in die PWM-Schaltung 48 eingegeben. Als Ergebnis erzeugt die PWM-Schaltung 48 das PWM-Signal PT, das eine der aktualisierten Steuergröße Do entsprechende Pulsbreite aufweist.
Das heißt, wenn die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 größer als die des zweiten Kondensators C2 ist, wird die Steuergröße Do auf lediglich den vorbestimmten Wert Dp erhöht, so daß das PWM-Signal PT, dessen Pulsbreite breiter wird (d.h., die statische elektrische Kraft der Steuerelektrode 12 wird erhöht), von der PWM-Schaltung 48 erzeugt wird. Wenn im Gegensatz dazu die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 kleiner als die des zweiten Kondensators C2 ist, wird die Steuergröße Do lediglich auf den vorbestimmten Wert Dp verringert, so daß das PWM-Signal PT, dessen Pulsbreite schmäler wird (d.h., die statische elektrische Kraft der Steuerelektrode 14 wird erhöht), von der PWM-Schaltung 48 erzeugt wird. Wenn die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 gleich der des zweiten Kondensators C2 ist, wird desweiteren die vorliegende Steuergröße Do aufrechterhalten und das PWM-Signal PT, das den vorliegenden Zustand aufrechterhält, wird erzeugt.
4 zeigt ein Signalzeitablaufdiagramm des Beschleunigungssensors in dem ersten Ausführungsbeispiel. Wenn die Beschleunigung nicht auf den Beschleunigungssensor 16 ausgeübt wird (d.h., G = 0), gibt die Steuerschaltung 22 ein PWM-Signal PT aus, das das Betriebsverhältnis von 50% aufweist. Demgemäß wird die gleiche statische elektrische Kraft zwischen der Mittenelektrode 10 und den Steuerelektroden 12 bzw. 14 ausgeübt, so daß die Position der Mittenelektrode 10 in der neutralen Position gehalten wird. Zu diesem Zeitpunkt wird, da die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 gleich der des zweiten Kondensators C2 ist, das Potential der Mittenelektrode 10 bezüglich der Vorspannung Vb ohne Änderung immer konstant aufrechterhalten, wenn die Spannung an die Steuerelektroden 12 und 14 angelegt wird.
Als nächstes wird, wenn die Beschleunigung auf den Beschleunigungssensor 16 ausgeübt wird (G ≠ 0), die Mittenelektrode 10 in der Richtung verschoben, in welcher der Spalt zwischen der Mittenelektrode 10 und der Steuerelektrode 12 schmal wird. Als Ergebnis schwingt, wenn die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 größer als die des zweiten Kondensators C2 ist, das Potential der Mittenelektrode 10 entsprechend einem Umschalten der Versorgungsspannung an den Steuerelektroden 12 bzw. 14.
Wenn die Steuerschaltung 22 das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 20 berechnet und die Verschiebung der Mittenelektrode 10 erfaßt, gibt die Steuerschaltung 22 desweiteren ein PWM-Signal PT aus, welches einen hohen Pegel kurzer Dauer und einen niedrigen Pegel langer Dauer aufweist, wenn die statische elektrische Kraft, die die Mittenelektrode 10 verschiebt, an der Steuerelektrode 14 groß wird. Als Ergebnis wird die Mittenelektrode 10 zu der Steuerelektrode 14 verschoben und die Mittenelektrode 10 wird zu der Gleichgewichtsposition zwischen der statischen Kraft und der Kraft aufgrund der Beschleunigung bewegt.
Auf der Grundlage von Wiederholungen der zuvor erwähnten Funktionsweisen ist die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 gleich der des zweiten Kondensators C2 und das Potential der Mittenelektrode 10 wird konstant (d.h., die Vorspannung Vb), wenn die Mittenelektrode 10 zu der neutralen Position zurückkehrt. Nach diesem Schritt gibt die Steuerschaltung 22 das PWM-Signal PT aus, dessen Betriebsverhältnis zu diesem Zeitpunkt aufrechterhalten wird.
Da sich zu diesem Zeitpunkt die Kraft, die auf den Beschleunigungssensor 16 ausgeübt wird, zu der statischen elektrischen Kraft, die auf die Mittenelektrode 10 ausgeübt wird, im Gleichgewicht befindet, werden die Steuergröße Do, welche die statische elektrische Kraft erzeugt, und ein analoger Erfassungswert Vo, welcher eine mittlere Spannung des PWM-Signals PT anzeigt, die durch das Tiefpaßfilter 24 erzielt wird, entsprechend der Beschleunigung eingestellt.
Der A/D-Wandler 20 arbeitet zu dem Zeitpunkt der abfallenden Flanke des Referenztakts CK0. Das erste, zweite, dritte und vierte Register 34, 36, 40 bzw. 44 arbeiten zu dem Zeitpunkt der ansteigenden Flanke des Referenztakts CK0. Demgemäß liegt tatsächlich eine Verzögerung von mindestens drei Takten von der Änderung der Beschleunigung bis zu der Änderung des Betriebsverhältnis des PWM-Signals, d.h., des Zeitverhältnis der Versorgungsspannung an den Steuerelektroden 12 bzw. 14, vor. Um das Zeitablaufsdiagramm zu vereinfachen, wird jedoch in 4 die Änderung des PWM-Signals gestartet, nachdem zwei Takte Verzögerung aufgetreten sind. Die gleichen Bedingungen wie in 4 werden auf die 11 und 14 angewendet.
5 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild des A/D-Wandlers 20 und 6 zeigt ein Signalzeitablaufsdiagramm des A/D-Wandlers 20. Der A/D-Wandler 20 beinhaltet eine Pulsphasendifferenzcodierungs schaltung 50 zum Codieren der Phasendifferenz zwischen Eingangspulsen PA und PB und eine Steuerschaltung 51 zum Erzeugen der Pulssignale PA und PB als Reaktion auf den Referenztakt CK0.
Desweiteren beinhaltet die Pulsphasendifferenzcodierungsschaltung 50 eine Pulsrotationsschaltung 52, die ein negiertes UND-Gatter NAND und eine Mehrzahl von ringverbundenen Invertern INV (gerade Anzahl) (d.h., einen Ringoszillator) aufweist; einen Zähler 54; eine Signalspeicherschaltung bzw. Verriegelungsschaltung 56; eine Pulsauswahleinrichtung 58; einen Codierer 60; und eine Signalverarbeitungsschaltung 60. Obgleich die Erklärungen für einen Ringoszillator gegeben werden, der durch eine ungerade Anzahl von Inverterschaltungen aufgebaut ist, ist es möglich, den Oszillator durch eine gerade Anzahl von Inverterschaltungen aufzubauen.
Die Pulsphasendifferenzcodierungsschaltung 50 arbeitet wie folgt (vgl. JPP-4-58027 ).
Das heißt, wenn die Pulssignale PA, welche in das negierte UND-Gatter NAND eingegeben werden, einen hohen Pegel gehen, einnehmen die Pulssignale PA einen Rotationsbetrieb in der Pulsrotationsschaltung 52 und der Rotationsbetrieb der Pulssignale PA wird während ihres hohen Pegels fortgesetzt. Die Anzahl der Rotationen wird in dem Zähler 54, welcher die Anzahl von Inversionen eines Ausgangssignals des Inverters INV zählt, gezählt. Wenn die Pulssignale PB, welche aus der Steuerschaltung 51 ausgegeben werden, einen hohen Pegel einnehmen, wird das Ergebnis des Zählers 54 in der Signalspeicherschaltung 56 gespeichert.
Wenn andererseits die Pulssignale PB, welche aus der Steuerschaltung 51 ausgegeben werden, einen hohen Pegel einnehmen, erfaßt die Pulsauswahleinrichtung 58 die Rotationsposition der Pulssignale in der Pulsrotationsschaltung 52 auf der Grundlage des Ausgangssignals jeder Inverterschaltung (negiertes UND NAND und Inverter INV) in der Pulsrotationsschaltung 52 und der Codierer 60 erzeugt binäre digitale Daten, die der Rotationsposition entsprechen. Desweiteren erzeugt die Signalverarbeitungsschaltung 62 die binären digitalen Daten, die dem Zeitpunkt Tc von der ansteigenden Flanke des Pulssignals PA bis zu der ansteigenden Flanke des Pulssignals PB entsprechen, unter Verwendung binärer digitaler Daten (niedriges Bit) aus dem Codierer 60 und binärer digitaler Daten (höheres Bit), die in der Signalspeicherschaltung 56 gespeichert sind.
In dem A/D-Wandler 20 ist ein Eingangsanschluß 20a für ein Spannungssignal Vin, das A/D-zu-wandeln ist, an eine Versorgungsleitung 52a angeschlossen, welche die Energieversorgungsspannung an jede Inverterschaltung (negiertes UND NAND und Inverter INV) in der Pulsrotationsschaltung 52 anlegt, so daß das Spannungssignal Vin an jede Inverterschaltung angelegt wird. Da die Inversionsbetriebszeit in jeder Inverterschaltung entsprechend der Versorgungsspannung geändert wird, werden, wenn die Zeit Tc konstant ist, die digitalen Daten Da, welche aus der Signalverarbeitungsschaltung 62 ausgegeben werden, entsprechend dem Spannungspegel des Spannungssignals Vin eingestellt.
Desweiteren beinhaltet die Steuerschaltung 51 eine Flankenerfassungsschaltung zum Erfassen der ansteigenden Flanke des Referenztakts CK0; eine Verzögerungsschaltung, um das erfaßte Flankensignal für die Dauer zum Halten des Pulssignals PA auf dem hohen Pegel zu verzögern; und eine RS-Flipflopschaltung, welche durch das Flankensignal gesetzt und durch das Verzögerungssignal zurückgesetzt wird, und erzeugt die Pulssignale PA, die die gleiche Periode wie der Referenztakt CK0 aufweisen. Die Flankenerfassungsschaltung erfaßt die ansteigende Flanke des Referenztakts CK0. Die Verzögerungsschaltung verzögert die Pulssignale PB für die Dauer zum Halten der Pulssignale PB auf dem hohen Pegel und erzeugt das Pulssignal PB, welches nach der Verzögerungszeit Tc (d.h., einer Hälfte einer Periode des Referenztakts CK0) nach der ansteigenden Flanke des Pulssignals PA ansteigt.
Wie es durch das Zeitablaufsdiagramm in 6 gezeigt ist, werden die digitalen Daten Da, die dem Spannungssignal Vin entsprechen, aus der Pulsphasendifferenzcodierungsschaltung 50 ausgegeben. Da desweiteren die A/D-Wandlung als Reaktion auf die Periode der Pulssignale PA und PB der Steuerschaltung 51 periodisch ausgeführt wird, d.h., der Referenztakt CK0 in die Steuerschaltung 51 eingegeben wird, werden die digitalen Daten Da entsprechend der Änderung des Spannungssignals Vin so geändert, wie sie durch D0 bis D4 gezeigt sind.
Eine detaillierte Beschreibung der Pulsphasendifferenzcodierungsschaltung 50 wird weggelassen, da die Inhalte in der JPP-4-58027 offenbart sind.
Wie vorhergehend erläutert worden ist, ist der A/D-Wandler 20 ohne die Verwendung von analogen Schaltungen ausgebildet und wandelt die Änderung des Spannungssignals Vin in die Änderung der Verzögerungszeit der Inverterschaltung. Da der A/D-Wandler 20 desweiteren die Verzögerung an der Inverterschal tung digitalisiert, ist es möglich, die geringe Änderung des Spannungssignals Vin zu digitalisieren, so daß es möglich ist, genaue digitale Daten Da zu erzielen, die dem Spannungssignal Vin entsprechen.
7 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild der in 1 gezeigten PWM-Schaltung 48. Die PWM-Schaltung 48 ist ohne Verwendung analoger Schaltungen oder eines A/D-Wandlers ausgebildet. In 7 beinhaltet die PWM-Schaltung 48 eine Datensignalspeicherschaltung 64, einen Oszillator 66, einen Abwärtszähler 68, eine Pulserzeugungsschaltung 70, eine programmierbare Verzögerungsleitung 72, eine Flankenerfassungsschaltung 74 und ein RS-Flipflop 76. Die PWM-Schaltung 48 gibt das PWM-Signal PT aus.
Die Datensignalspeicherschaltung 64 speichert die Steuergröße Do, welche durch eine externe Stufe eingegeben wird, teilt die Steuergröße Do in die Daten CDL niedrigerer Bits, die durch niedrigere fünf Bits ausgebildet sind, und die Daten CDH höherer Bits, die durch die anderen Bits ausgebildet sind, und gibt sie aus.
Der Oszillator gibt in einem vorbestimmten Zeitintervall T einen Oszillationspuls CKr aus, wenn der Steuerpuls PT, welcher von dem RS-Flipflop 76 eingegeben wird, einen hohen Pegel aufweist.
Der Abwärtszähler 68 zählt den Oszillationspuls CKr, welcher aus dem Oszillator 66 ausgegeben wird, und gibt ein Erfassungssignal TCP aus, wenn ein Zählwert die Daten CDH der höheren Bits erreicht, welche aus der Datensignalspeicherschaltung 64 ausgegeben werden.
Die Pulserzeugungsschaltung 70 nimmt den Oszillationspuls CKr auf und gibt das Pulssignal DI aus, wenn das Erfassungssignal TCP aus dem Abwärtszähler 68 ausgegeben wird.
Die programmierbare Verzögerungsleitung 72 verzögert das Pulssignal DI, welches aus der Pulserzeugungsschaltung 70 ausgegeben wird, mit der Verzögerungszeit, die den Daten CDL der niedrigeren Bits entspricht, welche aus der Datensignalspeicherschaltung 64 ausgegeben werden.
Die Flankenerfassungsschaltung 74 erfaßt die ansteigende Flanke des Takts CK1, welcher von der externen Stufe eingegeben wird.
Die RS-Flipflopschaltung 76 startet eine Oszillation des Oszillators 66 durch einen Steuerpuls PT des hohen Pegels, wenn das Flankensignal aus der Flankenerfassungsschaltung 74 eingegeben wird, und stoppt eine Oszillation des Oszillators 66 durch einen Steuerpuls PT des niedrigen Pegels, wenn der Verzögerungspuls P0 aus der programmierbaren Verzögerungsleitung 72 eingegeben wird.
Desweiteren beinhaltet der Oszillator 66 einen Ringoszillator, in welchem das negierte UND-Gatter und mehrere Inverter in einem Ring verbunden sind, und der Steuerpuls PT aus der RS-Flipflopschaltung 76 wird in einen Eingangsanschluß des negierten UND-Gatters eingegeben. Wenn der Steuerpuls PT den hohen Pegel aufweist, wird desweiteren das Pulssignal in dem Ringoszillator rotiert und der Oszillationspuls CKr, der mit der Rotationsperiode synchronisiert ist, wird aus dem vorbestimmten Inverter ausgegeben. Desweiteren wird das Zeitintervall T des Oszillationspulses CKr so eingestellt, daß es der Verzögerung von zweiunddreißig Invertern entspricht.
Desweiteren ist die programmierbare Verzögerungsleitung 72 durch fünf kaskadenverbundene Verzögerungsstufen ausgebildet, von denen jede aus einer Grundleitung zum Durchlassen des Eingangssignals; einer Verzögerungsleitung zum Verzögern des Eingangssignals für die vorbestimmte Zeit an der Grundleitung und zum Durchlassen des verzögerten Eingangssignals; und einen Multiplexer zum Auswählen entweder der Grundleitung oder der Verzögerungsleitung als einen Eingangspfad besteht.
In der ersten Verzögerungsstufe wird die Differenz der Durchlaufszeit des Eingangssignals zwischen der Grundleitung und der Verzögerungsleitung so ausgebildet, daß sie die Hälfte des Zeitintervalls des Oszillationspulses CK0 beträgt. Auf eine ähnliche Weise wird in der zweiten Verzögerungsstufe die Differenz der Durchlaufszeit so ausgebildet, daß sie ein Viertel (1/4) des Zeitintervalls beträgt; in der dritten Verzögerungsstufe wird die Differenz der Durchlaufszeit so ausgebildet, daß sie ein Achtel (1/8) des Zeitintervalls beträgt, in der vierten Verzögerungsstufe wird die Differenz der Durchlaufszeit so ausgebildet, daß sie ein Sechzehntel (1/16) des Zeitintervalls beträgt, und in der fünften Verzögerungsstufe wird die Differenz der Durchlaufszeit so ausgebildet, daß sie ein Zweiunddreißigstel (1/32) des Zeitintervalls beträgt.
Das heißt, in der fünften Verzögerungsstufe wird die Verzögerungszeit so eingestellt, daß sie einer Stufe des Inverters entspricht. Wie es zuvor erwähnt worden ist, können diese Verzögerungen durch kaskadenverbundene Inverter erzielt werden, welche den Ringoszillator ausbilden. Das heißt, in der programmierbaren Verzögerungsleitung 72 ist es durch Auswählen der Verzögerungsleitung, wenn der digitale Wert "1" an dem Multiplexer eingestellt ist, möglich, die Verzögerungszeit entsprechend den niedrigeren Daten CDL als eine Einheit der Verzögerungszeit für eine Stufe des Inverters in zweiunddreißig Schritten umzuschalten.
In diesem Fall weisen die Haupteinheiten der PWM-Schaltung 48 (Datensignalspeicherschaltung 64, Oszillator 66, Abwärtszähler 68, Pulsoszillationsschaltung 70 und programmierbare Verzögerungsleitung 72) die gleichen Inhalte auf, wie sie durch die gleiche Anmelderin in der JPP-4-227492 offenbart sind, wobei die detaillierte Beschreibung weggelassen wird.
8 zeigt ein Signalzeitablaufsdiagramm der Funktionsweise der PWM-Schaltung 48. Wenn ein geteilter Takt CK1 ansteigt, geht der Steuerpuls PT auf den hohen Pegel und rotiert in dem Ringoszillator der Oszillationsschaltung 66. Demgemäß werden in dem vorbestimmten Zeitintervall, das der Verzögerungszeit von zweiunddreißig Invertern entspricht, Oszillationspulse CKr aus der Oszillationsschaltung 66 ausgegeben und die Oszillationspulse CKr werden durch den Abwärtszähler gezählt.
Der Abwärtszähler 68 gibt ein Erfassungssignal TCP aus, wenn die Daten CDH (= m) der höheren Bits der Oszillationspulse CKr aus der Oszillationsschaltung 66 ausgegeben werden. Das Erfassungssignal TCP ist durch die Pulserzeugungsschaltung 70 so verzögert, daß das Pulssignal DI, welches zu dem Oszillationspuls CKr, der aus der Oszillationsschaltung 66 ausgegeben wird, synchronisiert ist, aus der Pulserzeugungsschaltung 70 ausgegeben wird. In diesem Fall wird der Abwärtszähler 68 durch den ersten Oszillationspuls CK0 nach einer Ausgabe des Erfassungssignals TCP voreingestellt.
Das Pulssignal DI, welches aus der Pulserzeugungsschaltung 70 ausgegeben wird, ist entsprechend den Daten CDL der niedrigeren Bits in der programmierbaren Verzögerungsleitung 72 für die vorbestimmte Zeit verzögert und wird als der Verzögerungspuls P0 ausgegeben. Der Verzögerungspuls P0 setzt die RS-Flipflopschaltung 76 zurück und stellt den Steuerpuls PT auf den niedrigen Pegel ein, so daß die Oszillation der Oszillationsschaltung 66 gestoppt wird. Demgemäß entspricht der Steuerpuls PT dem PWM-Signal, das eine Pulsbreite aufweist, die auf der Steuergröße Do basiert, welche in der Datensignalspeicherschaltung 64 gespeichert ist. Desweiteren wird der Verzögerungspuls P0 in die Datensignalspeicherschaltung 64 eingegeben, um die Steuerdaten CDI zu aktualisieren.
Wie zuvor erklärt worden ist, ist die PWM-Schaltung 48 ohne Verwendung einer analogen Schaltung ausgebildet und kann die Pulsbreite entsprechend der Verzögerungszeit der Inverterschaltung so einstellen, daß es möglich ist, ein feines Steuern der statischen elektrischen Kraft zwischen der Mittenelektrode 10 und den Steuerelektroden 12 bzw. 14 zu realisieren.
Gemäß dem Beschleunigungssensor in diesem Ausführungsbeispiel ist es, da alle Strukturen mit Ausnahme des Sensorelements 16 ohne Verwendung einer analogen Schaltung durch digitale Schaltungen ausgebildet sind, möglich, mit Ausnahme des Sensorelements 16 eine hochintegrierte Schaltung zu realisie ren, wenn alle Strukturen auf einem einzigen Siliziumsubstrat ausgebildet werden, so daß es möglich ist, die Elemente des Beschleunigungssensors beträchtlich zu miniaturisieren.
Da der Beschleunigungssensor durch die digitalen Schaltungen ausgebildet ist, können desweiteren die Rauschcharakteristiken des Sensors und der Schaltung verbessert werden. Da die Temperaturcharakteristiken ebenso verbessert werden können, kann desweiteren der Beschleunigungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung auf verschiedenen Gebieten und in verschiedenen Umgebungen verwendet werden.
Da der A/D-Wandler das Spannungssignal Vin digitalisiert, welches die Verschiebung des beweglichen Abschnitts 16a des Sensorelements 16 anzeigt, und die Steuergröße Do auf der Grundlage einer digitalen Berechnung erhält, ist es desweiteren möglich, eine Einstellung eines Versatzes und einer Empfindlichkeit auf der Grundlage der digitalen Berechnung einfach auszuführen.
Zum Beispiel ist es möglich, durch Addieren der Versatzdaten zu den digitalen Daten Db, welche in dem dritten Register gespeichert sind, Fehler zu beseitigen, die in den digitalen Daten Da aus dem A/D-Wandler 20 enthalten sind. Desweiteren ist es möglich, durch Multiplizieren der digitalen Daten mit einer bevorzugten Vergrößerung und durch Ändern der Differentialsteuergröße ΔDo, welche von der Steuergrößeneinstelleinheit 42 eingestellt wird, die Empfindlichkeit einzustellen.
Gemäß dem Beschleunigungssensor dieses Ausführungsbeispiels, wie es zuvor beschrieben worden ist, kann der Beschleunigungssensor, da der A/D-Wandler 20 die Änderung der Spannung digitalisiert und da die PWM-Schaltung 48 die Pulsbreite entsprechend der Verzögerungszeit des Inverters moduliert, desweiteren eine feine Änderung des Potentials der Mittenelektrode 10 erfassen und dessen digitalen Wert so erhalten, daß es möglich ist, eine feine Einstellung der statischen elektrischen Kraft und ein feines Steuern der Position des beweglichen Abschnitts 16a zu realisieren. Als Ergebnis ist es möglich, die Beschleunigung, welche auf den Beschleunigungssensor ausgeübt wird, mit einer sehr hohen Genauigkeit zu erfassen.
Gemäß dem Beschleunigungssensor dieses Ausführungsbeispiels ist es, da die digitale Steuergröße Do als Reaktion auf die Beschleunigung, die auf den Beschleunigungssensor ausgeübt wird, ausgegeben wird, desweiteren möglich, direkt das Ausgangssignal des Sensors in eine zentrale Verarbeitungseinheit bzw. CPU einzugeben, so daß es möglich ist, die Struktur eines Systems, welches verschiedene Steuerungen ausführt, unter Verwendung des Beschleunigungssensors und der CPU zu vereinfachen.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Als nächstes wird der Beschleunigungssensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben.
Wie es zuvor in dem ersten Ausführungsbeispiel erklärt worden ist, erzeugt die Steuerschaltung 22, um die Position der Mittenelektrode 10 zu steuern, das PWM-Signal und steuert die Spannungsversorgungszeit an den Steuerelektroden 12 und 14 so, daß die statische elektrische Kraft zwischen der Mitten elektrode 10 und jeder Steuerelektrode 12 und 14 gesteuert wird. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel werden zwei Arten von Spannungen, die an der Mittenelektrode 10 jeweils eine entgegengesetzte Polarität aufweisen, an die Steuerelektroden 12 und 14 angelegt, um die statische elektrische Kraft durch Steuern des Potentials der Mittenelektrode 10 zu steuern.
9 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild des Beschleunigungssensors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Beschleunigungssensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist durch ein Sensorelement 16, eine Umschalteschaltung 80, einen A/D-Wandler 20, eine Steuerschaltung 82, einen D/A-Wandler 84 und einen Taktgenerator 26 ausgebildet.
Das Sensorelement 16 beinhaltet erste und zweite Kondensatoren C1 bzw. C2, die aus der Mittenelektrode 10 und den Steuerelektroden 12 bzw. 14 bestehen, und ein Differentialkapazitätskondensator verwendet die Kondensatoren C1 und C2.
Die Umschalteschaltung 80 legt die Steuerspannungen V1 bzw. V2 an die Steuerelektroden 12 bzw. 14 an. Der A/D-Wandler 20 digitalisiert das Spannungssignal Vin aus der Mittenelektrode 10 und gibt die digitalen Daten Da aus. Die Steuerschaltung 82 stellt das Potential der Mittenelektrode 10 auf der Grundlage der digitalen Daten aus dem A/D-Wandler 20 auf die Steuergröße Do ein. Der D/A-Wandler 84 erzeugt die Vorspannung Vb auf der Grundlage der Steuergröße Do aus der Steuerschaltung 82. Der Taktgenerator 26 erzeugt den Referenztakt CK0 und den geteilten Takt CK1, der daraus geteilt ist. Die Vorspannung Vb, die von dem D/A-Wandler 84 erzeugt wird, wird durch den Widerstand Rb zur Strombegrenzung an die Mittenelektrode 10 angelegt.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel werden, da das Sensorelement 16, der A/D-Wandler 20 und der Taktgenerator 26 die gleichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel sind, deren Beschreibungen weggelassen.
Als erstes besteht die Umschalteschaltung 80 aus einem ersten Schalter S21 zum selektiven Anlegen entweder einer ersten Ansteuerspannung VDD oder einer zweiten Ansteuerspannung VH an die Steuerelektrode 12 und einem zweiten Schalter S22 zum selektiven Anlegen entweder einer dritten Ansteuerspannung VSS oder einer vierten Ansteuerspannung VL an die Steuerelektrode 14. Die Umschalteschaltung 80 wird durch den geteilten Takt CK1 angesteuert und legt die ersten bzw. dritten Ansteuerspannungen VDD bzw. VSS an, wenn sich der geteilte Takt CK1 den hohen Pegel aufweist, und legt die zweiten bzw. vierten Spannungen VH bzw. VL an, wenn der geteilte Takt CK1 den niedrigen Pegel aufweist.
In diesem Fall ist jede Spannung VDD, VH, VSS und VL durch die folgenden Gleichungen (1) und (2) festgelegt: VDD > VH > VL > VSS (1) VDD – VH = VL – VSS (2)
Desweiteren wird die Vorspannung Vb, welche von dem D/A-Wandler 84 entsprechend der Steuergröße Do erzeugt wird, auf den Bereich zwischen der zweiten Ansteuerspannung VH und der vierten Ansteuerspannung VL eingestellt, d.h., sie wird auf den Bereich (VH > Vb > VL) eingestellt und durch den Widerstand Rb zur Strombegrenzung an die Mittenelektrode 10 angelegt.
Das heißt, die Steuerspannungen V1 und V2, die jeweils zu dem Potential der Mittenelektrode 10 eine entgegengesetzte Polarität aufweisen, werden an die Steuerelektroden 12 und 14 angelegt. In diesem Fall wird die Potentialdifferenz zwischen der Mittenelektrode 10 und jeder Steuerspannung V1 bzw. V2 für die gleiche Spannung (VDD – VH, VL – VSS) periodisch geändert.
Desweiteren wird in dem Sensorelement 16, an welches die Umschalteschaltung 18 angeschlossen ist, wenn die Mittenelektrode 10 in der Mitte positioniert ist und wenn sich das Potential der Mittenelektrode 10 auf dem Mittenpotential Vc der Versorgungsspannung (d.h. (VDD + VSS)/2 = (VH + VL)/2) an den Steuerelektroden 12 und 14 befindet, wird die Potentialdifferenz zwischen der Mittenelektrode 10 und der Steuerelektrode 12 die gleiche wie die Potentialdifferenz zwischen der Mittenelektrode 10 und der Steuerelektrode 14. Demgemäß werden die statischen elektrischen Kräfte zwischen diesen Elektroden die gleichen, so daß sich die statischen elektrischen Kräfte gegenseitig auslöschen; dann ist es offensichtlich, daß keine statische Kraft auf die Mittenelektrode 10 wirkt.
Wenn andererseits das Potential der Mittenelektrode 10 nicht das Mittenpotential Vc ist, wird die Potentialdifferenz zwischen der Mittenelektrode 10 und jeder Steuerelektrode 12 bzw. 14 unterschiedlich. Demgemäß wird die statische Kraft an der Mittenelektrode 10 in Richtung der Steuerelektrode ausgeübt, die die größere Potentialdifferenz aufweist.
Desweiteren wird die Größe einer Elektronenladung in den ersten und zweiten Kondensatoren C1 bzw. C2 zu dem Zeitpunkt geändert, zu dem die Umschalteschaltung 80 die Versorgungsspannung zwischen den Steuerelektroden 12 und 14 umschaltet. Im Gegensatz dazu wird die Größe einer Elektronenladung an der Mittenelektrode 10 für eine kurze Periode entsprechend der Wirkung einer Strombegrenzung durch den Widerstand Rb nicht geändert, so daß Elektronenladungen, die die gleiche Größe, aber unterschiedliche Polarität aufweisen, einander auslöschen oder polarisieren. Als Ergebnis wird die Größe der Elektronenladung der Kondensatoren C1 und C2 entsprechend der gleichen Größe der Elektronenladungen immer geändert (erhöht/verringert).
Wenn die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 gleich der des zweiten Kondensators C2 ist, wird, da die Änderung der Potentialdifferenz zwischen den Polen jedes Kondensators C1 und C2 die gleiche ist, desweiteren das Potential der Mittenelektrode 10 ohne eine Änderung vor und nach einem Umschalten der Versorgungsspannung konstant aufrechterhalten.
Wenn andererseits die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 unterschiedlich zu der des zweiten Kondensators C2 ist, wird, da die Änderung der Potentialdifferenz zwischen den Polen jeden Kondensators C1 und C2 unterschiedlich ist, das Potential der Mittenelektrode 10 vor und nach einem Umschalten der Versorgungsspannung geändert. Da das Umschalten der Versorgungsspannung periodisch durchgeführt wird, schwingt desweiteren das Potential der Mittenelektrode 10 immer, wenn es eine Differenz der statischen Kapazitäten zwischen den Kondensatoren C1 und C2 gibt.
Wie es zuvor erklärt worden ist, kann in dem Sensorelement 16 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die Änderung einer Kapazität der ersten und zweiten Kondensatoren C1 bzw. C2 (d.h., eine Änderung eines Potentials der Mittenelektrode 10) auf der Grundlage der Änderung des Potentials der Mittenelektrode 10, welches erzeugt wird, wenn die Versorgungsspannung der Steuerelektroden 12 und 14 umgeschaltet wird, erfaßt werden. Desweiteren ist es durch ein Steuern des Potentials der Mittenelektrode 10 möglich, die statische elektrische Kraft, die zwischen der Mittenelektrode 10 und jeder Steuerelektrode 12 und 14 ausgeübt wird, zu steuern, so daß es möglich ist, die Position der Mittenelektrode 10 zu steuern.
Als nächstes wird die Funktionsweise der Steuerschaltung 82 im Detail beschrieben. Die Steuerschaltung 82 stellt die Steuergröße Do ein, welche zum Erzeugen der Vorspannung Vb aus dem D/A-Wandler 84 verwendet wird. Wie es in 9 gezeigt ist, beinhaltet die Steuerschaltung 82 die ersten, zweiten und dritten Register 34, 36 und 40; eine Subtraktionsschaltung 38; einen Aufwärts-/Abwärtszähler 88 zum Ausgebend es Zählwerts, der als die Steuergröße Do verwendet wird, um die Vorspannung Vb, die an die Mittenelektrode 10 anzulegen ist, zu erzeugen; und eine Entscheidungseinheit 86 zum Bestimmen eines Inkrement ierens/Dekrementierens des Aufwärts-/Abwärtszählers 88 auf der Grundlage von digitalen Daten Db, die in dem dritten Register 40 gespeichert sind, und zum Ausgeben entweder eines Aufwärtszählsignals UC oder eines Abwärtszählsignals DC, um den Aufwärts-/Abwärtszähler 88 entsprechend dem Ergebnis der Bestimmung zu betreiben.
In diesem Fall wird die Beschreibung der Funktionsweisen der ersten, zweiten und dritten Register 34, 36 und 40 und der Subtraktionsschaltung 38 weggelassen, da diese die gleichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel sind.
Da die Entscheidungseinheit 86 einfach durch Einstellungen von logischen Schaltungen ausgebildet ist, wird der detaillierte Schaltungsaufbau weggelassen und die Funktionsweise der Entscheidungseinheit wird im Detail unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm in 10 nachstehend erklärt.
10 zeigt ein Flußdiagramm zum Erklären der Funktionsweise der Entscheidungseinheit. In 10 sind als erstes die Schritte S210 und S220 die gleichen Schritte wie die Schritte S110 bzw. S120, die in dem ersten Ausführungsbeispiel die Prozesse an der Steuergrößeneinstelleinheit 42 angeben. In den Schritten S210 und S220 wird der Entscheidungswert Dr durch die digitalen Daten Db eingestellt und das Verfahren geht zum Schritt S230. In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird jedoch der digitale Wert Db auf den positiven Datenwert (ST = 0) eingestellt, welcher den A/D-gewandelten Wert, wenn die zweiten und vierten Ansteuerspannungen VDD und VSS an die Steuerelektroden 12 und 14 angelegt werden, von dem A/D-gewandelten Wert subtrahiert, wenn die ersten und dritten Ansteuerspannungen VDD bzw. VSS and die Steuerelektroden 12 und 14 angelegt werden. Andererseits wird der digitale Wert Db auf den invertierten Datenwert (ST = 1) eingestellt, welcher den A/D-gewandelten Wert, wenn die ersten und dritten Ansteuerspannungen VDD bzw. VSS angelegt werden, von dem A/D-gewandelten Wert subtrahiert, wenn die zweiten und vierten Ansteuerspannungen VDD bzw. VSS angelegt werden.
Im Schritt S230 bestimmt die Entscheidungseinheit 86, ob der Entscheidungswert Dr "0" ist oder nicht. Wenn der Wert "0" (JA) ist, ist das Verfahren beendet. Wenn der Wert nicht "0" (NEIN) ist, geht das Verfahren zum Schritt 240.
Im Schritt S240 bestimmt die Entscheidungseinheit 86, ob der Entscheidungswert Dr größer als "0" ist oder nicht. Wenn der Wert größer als "0" ist (JA), geht das Verfahren zu einem Schritt S250. Im Schritt S250 gibt die Entscheidungseinheit 86 das Aufwärtszählsignal UC aus, welches den Auf-/Abwärtszähler 88 inkrementiert. Wenn andererseits der Entscheidungswert Dr kleiner als "0" ist (NEIN im Schritt S240), geht das Verfahren zum Schritt S260. Im Schritt S260 gibt die Entscheidungseinheit 86 das Abwärtszählsignal DC aus, welches den Auf-/Abwärtszähler 88 dekrementiert.
Desweiteren wird der Zählwert des Auf-/Abwärtszählers 88 entsprechend dem Aufwärtszählsignal UC oder dem Abwärtszählsignal DC, die jeweils aus der Entscheidungseinheit 86 ausgegeben werden, erhöht oder verringert.
Das heißt, die Entscheidungseinheit 86 erhöht den Zählwert (d.h., die Steuergröße Do), wenn die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 größer als die des zweiten Kondensators C2 ist. Im Gegensatz dazu verringert die Entscheidungseinheit 86 die Steuergröße Do, wenn die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 kleiner als die des zweiten Kondensators C2 ist. Desweiteren hält die Entscheidungseinheit 86 die vorliegend Steuergröße Do aufrecht, wenn die statische Kapazität des ersten Kon densators C1 gleich der des zweiten Kondensators C2 ist.
Die Steuergröße Do wird in dem D/A-Wandler 84 in eine vorbestimmte Spannung gewandelt und als die Vorspannung Vb an die Mittenelektrode 10 angelegt.
11 zeigt ein Signalzeitablaufdiagramm für die Funktionsweise des Beschleunigungssensors in dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Wenn keine Beschleunigung auf dem Beschleunigungssensor wirkt (G = 0), wird das Potential der Mittenelektrode 10 von dem D/A-Wandler 84 auf das Mittenpotential Vc eingestellt. Als Ergebnis werden die statischen elektrischen Kräfte, die beide die gleiche Intensität, aber eine entgegengesetzte Richtung zueinander aufweisen, zwischen der Mittenelektrode 10 und beiden Steuerelektroden 12 und 14 ausgeübt. Desweiteren wird zu diesem Zeitpunkt, da die statische Kapazität des Kondensators C1 gleich der des zweiten Kondensators C2 ist, das Potential der Mittenelektrode 10 ohne Änderung, wenn die Versorgungsspannung an den Steuerelektroden 12 und 14 umgeschaltet wird, konstant gehalten (Mittenpotential Vc).
Wenn eine Beschleunigung an dem Beschleunigungssensor ausgeübt wird (G ≠ 0), wird als nächstes die Mittenelektrode 10 in die Richtung verschoben, in welcher der Spalt zwischen der Mittenelektrode 10 und der Steuerelektrode 12 schmal wird. Als Ergebnis wird, wenn die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 größer als die des zweiten Kondensators C2 wird, das Potential der Mittenelektrode 10 größer als das Mittenpotential Vc und schwingt entsprechend dem Umschalten der Versorgungsspannung an den Steuerelektroden 12 und 14.
Wenn die Steuerschaltung 82 das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 20 berechnet und die Änderung des Potentials der Mittenelektrode 10 erfaßt, gibt des weiteren die Steuerschaltung 82 die Steuergröße Do zum Erzeugen der Vorspannung Vb aus dem D/A-Wandler 84 und zum Erhöhen der statischen elektrischen Kraft aus, um die Mittenelektrode 10 zu der Steuerelektrode 14 hin zu ziehen. Auf der Grundlage der Steuergröße Do erzeugt der D/A-Wandler 84 die Vorspannung Vb (in 11 durch die gestrichelte Linie gezeigt) und legt sie an die Mittenelektrode 10 an.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Ladung zum Erzeugen der statischen elektrischen Kraft an der Mittenelektrode 10 allmählich aufgeladen, so daß die Mittenelektrode 10 bis zu der Gleichgewichtsposition zwischen der statischen elektrischen Kraft und der Kraft, die durch die Beschleunigung verursacht wird, zu der Steuerelektrode 14 gezogen wird. Nachdem die vorhergehenden Funktionsweisen wiederholt worden sind, ist, wenn die Mittenelektrode 10 zu der neutralen Position zurückgekehrt ist, die statische Kapazität des ersten Kondensators C1 gleich der des zweiten Kondensators C2, so daß das Potential der Mittenelektrode 10 wie die Vorspannung Vb, welche aus dem D/A-Wandler 84 ausgegeben wird, konstant wird.
In diesem Fall sind, da die statische elektrische Kraft, die auf die Mittenelektrode 10 ausgeübt wird, durch eine Kraft, die auf dem Beschleunigungssensor ausgeübt wird, ausgeglichen wird, die Steuergröße Do zum Erzeugen der statischen elektrischen Kraft und das Potential Vo (= Vin) der Mittenelektrode 10 entsprechend der Beschleunigung gegeben.
Wie es zuvor erwähnt worden ist, ist es entsprechend dem Beschleunigungssensor des zweiten Ausführungsbeispiels, da mit Ausnahme des Sensorelements 16 und des D/A-Wandlers 84 alle Strukturen durch digitale Schaltungen ausgebildet sind, möglich, leicht die gleichen Effekte wie in dem ersten Ausführungsbeispiel zu erzielen.
Gemäß dem Beschleunigungssensor des zweiten Ausführungsbeispiels wandelt der A/D-Wandler 20 immer analoge Signale, welche sich in gleichen Zeitintervallen ändern, in digitale Signale, so daß der A/D-Wandler 20 verglichen mit einer A/D-Wandlung des ersten Ausführungsbeispiels ausreichend Zeit zum Durchführen einer A/D-Wandlung aufweist, d.h., in dem ersten Ausführungsbeispiel wird das Betriebsverhältnis des Signals geändert. Als Ergebnis ist es möglich, den A/D-Wandler 20 verglichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel einfach auszugestalten.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal des Auf-/Abwärtszählers 88 durch den D/A-Wandler 84 in den Spannungswert gewandelt und durch den Widerstand an die Mittenelektrode 10 angelegt. Wie es in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, wird desweiteren das PWM-Signal entsprechend der Steuergröße Do erzeugt und durch das Tiefpaßfilter übertragen, um die analoge Spannung zu erzeugen. Die analoge Spannung wird durch den Widerstand Rb an die Mittenelektrode 10 angelegt. In diesem Fall ist es, da der D/A-Wandler 84 nicht verwendet wird, möglich, den gleichen Effekt wie in dem ersten Ausführungsbeispiel zu erzielen.
Bei dem Beschleunigungssensor des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels ist es, obgleich das Sensorelement 16 eine Verschiebungserfassung und ein Positionsteuern des beweglichen Abschnitts entsprechend den Funktionsweisen der Mittenelektrode 10 und den Steuerelektroden 12 und 14 durchführt, möglich, eine Verschiebungserfassung des beweglichen Abschnitts, wie es in 12 gezeigt wird, unter Verwendung des Sensorelements 90 durchzuführen, wie es nachstehend erklärt wird.
12 zeigt eine perspektivische Ansicht des Sensorelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich zu dem Sensorelement 16 des ersten Ausführungsbeispiels beinhaltet das Sensorelement 90 zwei bewegliche Elektroden G und zwei Transistoren 92 und 94 des MIS- bzw. Metall-Isolator-Halbleiter-Typs). Jede bewegliche Elektrode G wird zur Erfassung der Verschiebung verwendet und steht aus einer ungefähren Mitte der entsprechenden Träger 30a bzw. 30b nach außen davon hervor.
Die zwei Transistoren 92 und 94 des MIS-Typs werden als ein Paar eines Transistors eines MIS-Typs verwendet. Jeder Transistor des MIS-Typs beinhaltet feste Elektroden S und D (d.h., feste Elektroden zur Verschiebungserfassung), von denen eine jede aus einer Störstellendiffusionsschicht besteht, die auf dem Siliziumsubstrat genau unter der beweglichen Elektrode G ausgebildet ist, so dass sie parallel zu der beweglichen Elektrode G und an beiden Seiten der beweglichen Elektrode G positioniert ist. Desweiteren wird bei dem Transistor des MIS-Typs die bewegliche Elektrode G als ein bewegliches Gate verwendet, und die festen Elektroden S und D werden als die Source bzw. der Drain verwendet. Desweiteren wird ein Spalt zwischen der beweglichen Elektrode G und den festen Elektroden S und D als eine Isolationsschicht verwendet. In diesem Fall steht, wenn die bewegliche Elektrode G auf der neutralen Position positioniert ist, eine Hälft der Fläche der beweglichen Elektrode G einer Hälft der Fläche jeder festen Elektrode S bzw. D gegenüber. Die Träger 30a und 30b, der Massenabschnitt 32, die Mittenelektrode 10 und die bewegliche Elektrode G werden als eine bewegliche Einheit 90a bezeichnet.
Bei dem Sensorelement 90, das strukturiert ist, wie es zuvor beschrieben worden ist, wird, wenn die Spannung an die beweglichen Elektroden G der Transistoren 92 und 94 des MIS-Typs angelegt wird, ein Kanal in einem Bereich gegenüber der beweglichen Elektrode G zwischen den festen Elektroden S und D ausgebildet und ein Drainstrom fließt in dem Kanal. Desweiteren wird die Kanalbreite, welche zwischen den festen Elektroden S und D ausgebildet wird, entsprechend dem Potential der beweglichen Elektroden G so geändert, daß der Drainstrom moduliert wird.
In diesem Fall sind die beweglichen Elektroden G jedes Transistors 92 und 94 in zueinander entgegengesetzter Richtung entlang der Richtung der Verschiebung des beweglichen Abschnitts 90a ausgebildet. Wenn der bewegliche Abschnitt 90a in die Richtung verschoben wird, in welcher der Spalt zwischen der Mittenelektrode 10 und der Steuerelektrode 12 schmal wird, wird demgemäß der Bereich, welcher den beweglichen Elektroden G und den festen Elektroden S und D gegenüberliegt, so erhöht, daß der Drainstrom in dem Transistor 92 des MIS-Typs erhöht wird. Andererseits wird der Bereich so verringert, daß der Drainstrom in dem Transistor 94 des MIS-Typs verringert wird.
Wie es zuvor erklärt worden ist, werden in dem Sensorelement 90 die Mittenelektrode 10 und die Steuerelektrode 12 lediglich für ein Positionssteuern des beweglichen Abschnitts 90a verwendet und die Transistoren 92 und 94 des MIS-Typs werden für eine Verschiebungserfassung des beweglichen Abschnitts 90a verwendet.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Als nächstes wird der Beschleunigungssensor gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
13 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild des Beschleunigungssensors des dritten Ausführungsbeispiels und 14 zeigt ein Signalzeitablaufdiagramm, wenn die Umschalteschaltung 18 durch das pulsbreitenmodulierte Signal in dem ersten und dritten Ausführungsbeispiel gesteuert wird.
Der Beschleunigungssensor dieses Ausführungsbeispiels beinhaltet ein Sensorelement 90, das eine Mittenelektrode 10, Steuerelektroden 12 und 14 und Transistoren 92 und 94 des MIS-Typs aufweist; Widerstände 96 und 98, die jeweils an den entsprechenden Transistor 92 und 94 des MIS-Typs angeschlossen sind und einen Drainstrom in ein Spannungssignal wandeln; A/D-Wandler 20a und 20b, die jeweils an die entsprechenden Widerstände 96 und 98 angeschlossen sind, die Spannungssignale Vx bzw. Vy eingeben, welche aus dem Sensorelement 90 erhalten werden, und die digitale Daten Dx bzw. Dy ausgeben; eine Steuerschaltung 100 zum Erzeugen des pulsbreitenmodulierten Signals PT auf der Grundlage der digitalen Daten Dx bzw. Dy aus den A/D-Wandlern 20a bzw. 20b; eine Umschalteschaltung 18; ein Tiefpaßfilter 24; und einen Taktgenerator 28 (die Bezugszeichen 18, 24 und 26 bezeichnen die gleichen Elemente wie in dem ersten Ausführungsbeispiel). Die Versorgungsspannung VDD wird an die Mittenelektrode 10 und die beweglichen Elektroden G der Transistoren 92 und 94 des MIS-Typs angelegt und die statische elektrische Kraft wird auf die Mittenelektrode 10 ausgeübt, wenn die Vorspannung Vb an die Steuerelektroden 12 und 14 angelegt wird.
Als nächstes wird die Steuerschaltung 100 im Detail beschrieben.
Wie es zuvor erklärt worden ist, hält in der Steuerschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel das erste Register 34 den momentan A/D-gewandelten Wert, das zweite Register 36 hält den gerade vorhergehend A/D-gewandelten Wert, die Subtraktionsschaltung 38 berechnet die Differenz zwischen dem momentan A/D-gewandelten Wert und dem vorhergehend A/D-gewandelten Wert und das dritte Register hält den Wert, der von der Subtraktionsschaltung 38 berechnet wird.
In der Steuerschaltung 100 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel hält das erste Register 34a die digitalen Daten Dx und das zweite Register 34b hält die digitalen Daten Dy, die Subtraktionsschaltung 38 berechnet die Differenz zwischen Ausgangssignalen aus den ersten und zweiten Registern 34a und 34b und das dritte Register 40 speichert den Wert, der von der Subtraktionsschaltung 38 berechnet wird.
Demgemäß werden die Ausgangssignale der Transistoren 92 und 94 des MIS-Typs in ein einziges Aus gangssignal gewandelt, welches als Reaktion auf die Verschiebung des beweglichen Abschnitts 90a einen Signalpegel anzeigt und aus dem dritten Register 40 ausgegeben wird. Als Ergebnis ist es nicht notwendig, die digitalen Daten Db, die in dem dritten Register 40 gespeichert sind, zu invertieren, und die digitalen Daten Db können ohne jede Änderung als der Entscheidungswert Dr verwendet werden. Demgemäß ist es möglich, die Schritte S100 bis S130 in der Steuergrößeneinstelleinheit 42, die in 3 gezeigt ist, wegzulassen.
Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel stellt die Steuergrößeneinstelleinheit 42 in dem dritten Ausführungsbeispiel die Differentialsteuergröße ΔDo auf der Grundlage des Entscheidungswerts Dr ein, berechnet die Steuergröße Do aus der gespeicherten Differentialsteuergröße ΔDo, erzeugt das PWM-Signal PT in der PWM-Schaltung 48 auf der Grundlage der Steuergröße Do und führt ein Positionssteuern des beweglichen Abschnitts 90a durch.
In dem Beschleunigungssensor gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, wie es zuvor beschrieben worden ist, wird die Erfassung einer Verschiebung des beweglichen Abschnitts 90a durch die Transistoren 92 und 94 des MIS-Typs durchgeführt, ein großer Strom kann verglichen mit dem Ausgangssignal des Differentialkapazitätskondensators, welcher durch die Mittenelektrode 10 und die Steuerelektroden 12 und 14 ausgebildet ist, in die Steuerschaltung 100 fließen und die Eingangsimpedanz der A/D-Wandler 20a bzw. 20b kann auf einen niedrigeren Wert gedrückt werden. Als Ergebnis der vorhergehenden Struktur ist es möglich, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine verbesserte Antirauschcharakteristik aufweist.
Wie es zuvor beschrieben worden ist, ist es, da die Ausgangssignale der Transistoren 92 und 94 des MIS-Typs zu einem einzigen Ausgangssignal geändert werden, das den Signalpegel entsprechend der Verschiebung des beweglichen Abschnitts 90a aufweist, nicht notwendig, für jeden Takt die digitalen Daten Db, welche in dem dritten Register 40 gespeichert sind, zu invertieren, so daß es möglich ist, die Struktur der Vorrichtung zu vereinfachen.
Obgleich in dem dritten Ausführungsbeispiel zwei A/D-Wandler 20a bzw. 20b vorgesehen sind, ist es desweiteren möglich, einen einzigen Wandler zu verwenden, welcher abwechselnd durch eine Zeitteilung jedes Ausgangssignals aus den Transistoren 92 und 94 des MIS-Typs abwechselnd numerische Werte erhält.
Desweiteren können das Sensorelement und die Schaltung auf einem anderen Chip aufgebaut sein.
Nunmehr erfolgt die Beschreibung eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
15 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild eines Beschleunigungssensors gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das vierte Ausführungsbeispiel in 15 ist mit Ausnahme dessen äquivalent zu dem ersten Ausführungsbeispiel in 1, daß es zwei Unterscheidungspunkte gibt, d.h., ein Schalter S30, welcher durch einen Takt CK2 ein-/ausgeschaltet wird, ist anstelle des Widerstands Rb in 1 vorgesehen und die PWM-Schaltung 48 gibt zwei PWM-Signale PT1 und PT2 aus. Das heißt, eines der zwei PWM-Signale (PT1) wird in den Schalter S11 eingegeben und das andere (PT2) wird in den Schalter S12 eingegeben.
Obgleich es nicht notwendig ist, einen sehr hohen Widerstandswert (zum Beispiel mehrere MΩ) für den Widerstand Rb in 1 durch Bereitstellen des Schalters S30 anstelle des Widerstands Rb, wie es in 15 gezeigt ist, vorzusehen, ist es möglich, auf einfache Weise einen Vorladungsbetrieb an der Mittenelektrode 10 des Sensorelements 16 durchzuführen.
Da das Betriebsverhältnis entsprechend den PWM-Signalen PT1 und PT2 getrennt gesteuert werden kann, ist es desweiteren möglich, eine Feineinstellung zu realisieren. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Tiefpaßfilter 24 wahlweise entweder das Signal PT1 oder das Signal PT2 aufnehmen.
Desweiteren ist es möglich, das Mittenpotential Vb zu löschen, wenn die Vorspannung der Mittenelektrode auf VDD (oder Masse GND) eingestellt ist, und die Spannung VDD und die Masse GND werden unter Verwendung der Schalter S11 und S12 abwechselnd umgeschaltet.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorhergehenden Ausführungsbeispiele beschränkt und es sind verschiedene Ausführungsbeispiele möglich, um die vorliegende Erfindung innerhalb des Bereichs der Ansprüche zu realisieren.
Zum Beispiel ist es in dem Sensorelement 16 (90), obgleich die Mittenelektrode 10 auf dem beweglichen Abschnitt 16a (90a) vorgesehen ist und die Steuerelektroden 12 und 14 auf dem Substrat vorgesehen sind, im Gegensatz dazu in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen möglich, die Mittenelektrode 10 auf dem Substrat vorzusehen und die Steuerelekt roden 12 und 14 auf dem beweglichen Abschnitt 16a (90a) vorzusehen. Obgleich die Mittenelektrode 10 und die Steuerelektroden 12 und 14 jeweils auf beiden Seiten des Masseabschnitts 32 in zwei Elektroden vorgesehen sind, ist es möglich, drei oder mehr Elektroden für die Mittenelektrode 10 und die Steuerelektrode 12 und 14 vorzusehen.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe, die aufweist: ein Sensorelement (16, 90), das von einer Versorgungsspannung (VDD) aktiviert wird und ein einer zu erfassenden physikalischen Größe entsprechendes elektrisches Signal (Vin) ausgibt; einen Analog/Digitalwandler (20) zum Digitalisieren des elektrischen Signals (Vin) und zum Ausgeben digitaler Daten (Da); eine Steuereinrichtung (22, 82, 100) zum Berechnen einer Steuergröße (D0) zur Steuerung des Sensorelements (16, 90) auf der Grundlage der durch den Analog/Digitalwandler (20) erzeugten digitalen Daten (Da), so dass das elektrische Signal (Vin) einem gewünschten Signal entspricht, und zum Erzeugen eines der Steuergröße (D0) entsprechenden Steuersignals (PT); und eine Aktivierungseinrichtung (18), die das Sensorelement (16, 90) entsprechend dem Steuersignal (PT) aktiviert, wobei die Steuereinrichtung (22, 82, 100) ein der Steuergröße oder dem Steuersignal entsprechendes Erfassungssignal (V0) ausgibt, das die physikalische Größe anzeigt, und wobei der Analog/Digitalwandler (20) aufweist: eine Pulsrotationsschaltung (52), die eine ungerade Anzahl von zueinander ringverbundenen Inverterschaltungen zum Invertieren eines Eingangssignals und zum Ausgeben eines invertierten Signals aufweist, wobei eine Inversionsbetriebszeit entsprechend einer Versorgungsspannung geändert wird und wobei eine der Inverterschaltungen als eine Startinverterschaltung ausgebildet ist, deren Inversionsbetrieb durch eine externe Stufe steuerbar ist, und wobei als Reaktion auf einen Start der Startinverter schaltung ein Pulssignal (PA) durch die Inverterschaltungen rotiert; einen Zähler (54), der an die Pulsrotationsschaltung (52) angeschlossen ist, zum Zählen der Anzahl von Rotationen des Pulssignals (PA) in der Pulsrotationsschaltung (52) und zum Ausgeben des gezählten Ergebnisses als binäre digitale Daten; eine Rotationspositionserfassungseinrichtung (58) zum Erfassen der Rotationsposition des Pulssignals (PA) in der Pulsrotationsschaltung (52) auf der Grundlage eines invertierten Signals aus jeder Inverterschaltung und zum Erzeugen von der Rotationsposition entsprechenden binären digitalen Daten; und eine Erfassungssteuereinrichtung (51) zum Betreiben der Startinverterschaltung und zum Starten eines Rotationsbetriebs der Pulsrotationsschaltung (52) und zum Betreiben der Rotationspositionserfassungseinrichtung (58) zu einem Zeitpunkt nach einer vorbestimmten verstrichenen Zeit; wobei der Analog/Digitalwandler (20) entweder das elektrische Signal (Vin) aus dem Sensorelement (16, 90) oder ein anderes elektrisches Signal, das sich entsprechend dem elektrischen Signal (Vin) aus dem Sensorelement (16) ändert, auf die Versorgungsspannung für die Pulsrotationsschaltung (52) einstellt und als die sich ergebenden Daten der Analog/Digitalwandlung die digitalen Daten (Da) ausgibt, die mehrere Bits aufweisen, die aus niedrigeren Bits und höheren Bits bestehen, wobei die niedrigen Bits die binären digitalen Daten aus der Rotationspositionserfassungseinrichtung (58) sind und die höheren Bits die binären digitalen Daten aus dem Zähler (54) sind.
Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22, 82, 100) eine Pulsbreitenmodulationsschaltung (48) aufweist, die aufweist: einen Oszillator (66), der eine ungerade Anzahl von zueinander ringverbundenen Inverterschaltungen aufweist, wobei eine der Inverterschaltungen als eine Startinverterschaltung ausgebildet ist, deren Inversionsbetrieb durch eine externe Stufe steuerbar ist, und der das Steuersignal rotiert, wenn die Startinverterschaltung von einem Eingangssignal gestartet wird, und in einem vorbestimmten Zeitintervall Oszillationspulse (CKr) ausgibt; eine Zähleinrichtung (68) zum Zählen des Oszillationspulses (CKr) aus dem Oszillator (66) und zum Ausgeben eines Pulssignals (TCP), wenn der Zählwert einen vorhergehend eingestellten Wert erreicht; eine programmierbare Verzögerungsleitung (72), die eine Mehrzahl von zueinander kaskadenverbundenen Verzögerungsstufen beinhaltet, wobei die Mehrzahl von Verzögerungsstufen aus einem Grundpfad zum Durchlassen des Pulssignals (TCP) aus der Zähleinrichtung (68), einem Verzögerungspfad, der durch eine Mehrzahl von zueinander kaskadenverbundenen Inverterschaltungen ausgebildet ist und der das Pulssignal (TCP) um eine vorbestimmte Verzögerungszeit verzögert durchlässt, und einer Auswahleinrichtung zum Auswählen entweder des Grundpfads oder des Verzögerungspfads als den Pfad des der Steuergröße (D0), welche von der externen Stufe eingegeben wird, entsprechenden Eingangssignals besteht, wobei die programmierbare Verzögerungsleitung (72) ein Verzögerungssignal (P0) ausgibt, welches um eine Verzögerungszeit verzögert ist, welche kürzer als das Zeitintervall der Oszillationszeit des Oszillators (66) ist; eine Datensteuerversorgungseinrichtung (64) zum Aufnehmen digitaler Steuerdaten, die vorbestimmte Bits aufweisen, die die Verzögerungszeit des Eingangssignals anzeigen, zum Einstellen höherer Bits der digitalen Steuerdaten als Zählwerte der Zähleinrichtung (68), zum Anlegen niedrigerer Bits der digitalen Steuerdaten an die programmierbare Verzögerungsleitung (72) und zum Einstellen der Verzögerungszeit der programmierbaren Verzögerungsleitung (72); und eine Ausgabeeinrichtung (76) zum Erzeugen des Eingangssignals für eine vorbestimmte Periode, um den Oszillator (66) zu starten, zum Stoppen des Oszillators (66), wenn das Verzögerungssignal (P0) aus der programmierbaren Verzögerungsleitung (72) ausgegeben ist, und zum Erzeugen eines Signals eines hohen Pegels, bis das Verzögerungssignal (P0) aus der programmierbaren Verzögerungsleitung (72) ausgegeben ist, nachdem das Eingangssignal erzeugt worden ist, wobei die Pulsbreitenmodulationsschaltung (48) das Steuersignal (PT) ausgibt, das eine der Steuergröße entsprechende Pulsbreite aufweist, und die die Zeitdauer der Energieversorgung des Sensorelements aus der Energieversorgungseinrichtung entsprechend dem pulsbreitenmodulierten Steuersignal (PT) steuert, welches aus der Pulsbreitenmodulationsschaltung ausgegeben wird.
Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22, 82, 100) aufweist: eine Vergleichseinrichtung (86) zum Vergleichen der digitalen Daten (Da) mit vorbestimmten Referenzdaten; und einen Auf/Abwärtszähler (88) zum Erhöhen und Verringern eines Zählwerts auf der Grundlage eines Ergebnisses der Vergleichseinrichtung (86) und zum Ausgeben des Zählwerts als die Steuergröße (D0), wobei die Steuereinrichtung (22, 82, 100) die Energieversorgung des Sensorelements (16, 90) aus der Energieversorgungseinrichtung entsprechend einer Spannung auf der Grundlage des Zählwerts, der von dem Auf/Abwärtszähler (88) ausgegeben wird, steuert.
Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (16, 90) aufweist: einen beweglichen Abschnitt (10a, 10b, 30a, 30b, 32), der so ausgebildet ist, dass er in der Lage ist, einen Sensorelementkörper zu verschieben; eine Mittenelektrode (10), die sowohl für den beweglichen Abschnitt als auch den Sensorelementkörper vorgesehen ist; Steuerelektroden (12, 14), die jeweils auf beiden Seiten der Mittenelektrode (10) und zueinander gegenüberliegend in der Nähe der Mittenelektrode (10) vorgesehen sind; und eine Verschiebungserfassungseinrichtung zum Ausgeben des elektrischen Signals (Vin) entsprechend der Verschiebung des beweglichen Abschnitts; wobei das Ausgangssignal der Verschiebungserfassungseinrichtung in den Analog/Digitalwandler (20) eingegeben wird und die Position des beweglichen Abschnitts durch eine statische elektrische Kraft eingestellt wird, welche durch eine Versorgungsspannung zwischen der Mittenelektrode (10) und jeder Steuerelektrode (12, 14) auftritt, und die Aktivierungseinrichtung (18) ein Paar von Schaltern (S11, S12) zum Anlegen einer vorbestimmten Ansteuerspannung (Vb, VDD) an zwei Elektroden beinhaltet, welche durch die Mittenelektrode (10) und jede Steuerelektrode (12, 14)) ausgebildet sind, und die als Reaktion auf das pulsbreitenmodulierte Steuersignal (PT) aus der Pulsbreitenmodulationsschaltung (48) abwechselnd ein/ausgeschaltet werden.
Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (16, 90) aufweist: einen beweglichen Abschnitt (10a, 10b, 30a, 30b, 32), der so ausgebildet ist, dass er in der Lage ist, einen Sensorelementkörper zu verschieben; eine Mittenelektrode (10), die sowohl für den beweglichen Abschnitt als auch den Sensorelementkörper vorgesehen ist; Steuerelektroden (12, 14), die jeweils auf beiden Seiten der Mittenelektrode (10) und zueinander gegenüberliegend in der Nähe der Mittenelektrode (10) vorgesehen sind; und eine Verschiebungserfassungseinrichtung zum Ausgeben des elektrischen Signals (Vin) entsprechend der Verschiebung des beweglichen Abschnitts; wobei das Ausgangssignal der Verschiebungserfassungseinrichtung in den Analog/Digitalwandler (20) eingegeben wird und die Position des beweglichen Abschnitts durch eine statische elektrische Kraft eingestellt wird, welche durch eine Versorgungsspannung zwischen der Mittenelektrode (10) und jeder Steuerelektrode (12, 14) erzeugt wird, wobei die Aktivierungseinrichtung (18) aufweist: eine Mittenspannungsversorgungseinrichtung zum Anlegen eines Potentials an die Mittenelektrode (10), welches dem Zählwert des Auf/Abwartszählers (88) entspricht; und eine Steuerspannungsversorgungseinrichtung (80) zum Steuern des Potentials jeder Steuerelektrode (12, 14) auf eine solche Weise, dass die Potentiale der Steuerelektroden (12, 14) zu dem Potential der Mittenelektrode (10) einander entgegengesetzt sind und sich die Potentialdifferenz zwischen der Mittenelektrode (10) und jeder Steuerelektrode (12, 14) periodisch mit dem gleichen Wert ändert.
Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungserfassungseinrichtung das Potential der Mittenelektrode (10) des Sensorelements (16, 90) als das elektrische Signal (Vin), das die Verschiebung des beweglichen Abschnitts anzeigt, in den Analog/Digitalwandler (20) eingibt.
Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungserfassungseinrichtung zwei Transistoren (92, 94) des Metall-Isolator-Halbleiter- bzw. MIS-Typs beinhaltet, von denen jeder durch eine bewegliche Elektrode (G) zur Verschiebungserfassung, die für den beweglichen Abschnitt vorgesehen ist, und feste Elektroden (D, S) zur Verschiebungserfassung ausgebildet ist, die auf beiden Seiten der beweglichen Elektrode (G) auf einem Substrat vorgesehen sind, das durch eine Störstellendiffusionsschicht ausgebildet ist, wobei die Verschiebung des beweglichen Abschnitts aus einer Änderung des Stroms erfasst wird, der zwischen der beweglichen Elektrode (G) und jeder festen Elektrode (D, S) fließt.
Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Größe eine Beschleunigung ist, und das Erfassungssignal, das von der Steuereinrichtung (22, 82, 100) ausgegeben wird, die Beschleunigung anzeigt.
Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (16, 90) ein Element beinhaltet, das eine erste Elektrode (10), eine zweite Elektrode (12), die einen vorbestimmten Spalt zu der ersten Elektrode (10) aufweist, wobei der Spalt relativ bezüglich der ersten Elektrode (10) entsprechend einer zu erfassenden Beschleunigung geändert wird, und eine dritte Elektrode (14) aufweist, die gegenüber der zweiten Elektrode vorgesehen ist, wobei die erste Elektrode (10) zwischen der zweiten und dritten Elektrode (12, 14) angeordnet ist, und wobei die dritte Elektrode (14) einen anderen Spalt zu der ersten Elektrode (10) aufweist, welcher relativ bezüglich der ersten Elektrode (10) entsprechend der Beschleunigung geändert wird, wobei das Element das der Beschleunigung entsprechende elektrische Signal (Vin) ausgibt; eine Pulserzeugungseinrichtung (48) zum Aufnehmen der Steuergröße (D0) aus der Steuereinrichtung und zum Ausgeben des Steuersignals (PT), das eine der Steuergröße (D0) entsprechende Pulsbreite aufweist, vorgesehen ist; und ein Schalteinrichtung (18) zum Aufnehmen des Steuersignals (PT) aus der Pulserzeugungseinrichtung (48) und zum Durchlassen von Elektronenladungen zu oder von der zweiten Elektrode (12) und von oder zu der dritten Elektrode entsprechend einem Betriebsverhältnis und der Pulsbreite des Steuersignals (PT) vorgesehen ist, wobei das elektrische Signal (Vin) aus dem Element des Sensorelements (16, 90) als die Versorgungsspannung für jede Inverterschaltung in der Pulsrotationsschaltung (52) verwendet wird und die binären digitalen Daten aus dem Zähler (54) und die binären digitalen Daten aus der Rotationspositionserfassungseinrichtung (58) als die digitalen Daten (Da) ausgegeben werden.