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Technisches Gebiet der Erfindung
und in Betracht gezogener Stand der Technik
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Inertialsensor, der im wesentlichen
eine Beschleunigung erfasst, sowie auf eine diesen Inertialsensor
umfassende Sensorkombination.
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In
jüngerer
Zeit erfreut sich ein System zunehmender Beliebtheit, das eine äußerst genaue
Navigation in Verbindung mit Schutzmaßnahmen bei einem Fahrzeug
durch Erfassung der Fahrzeugbeschleunigung ermöglicht. In diesem Zusammenhang sind
bereits verschiedene Sensoren bekannt, mit deren Hilfe eine Beschleunigung
oder eine Winkelgeschwindigkeit als Inertialgröße bzw. Trägheitsgröße eines Fahrzeugs erfasst
werden kann. Darüber
hinaus ist auch in Bezug auf die zukünftige Entwicklung bereits
erkennbar, dass mehrere Sensoren zur Bildung eines kostengünstigen
Sensors mit qualitativ hochwertigen Funktionen zusammengefasst werden.
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Bei
einigen bekannten Beschleunigungssensoren des elektrostatischen
Kapazitätstyps
erfolgt hierbei eine Auswertung der Veränderung von zwei elektrostatischen
Kapazitäten
(d. h., der Kapazitäten von
zwei Kondensatoren), die zwischen einander gegenüberliegenden und im Bereich
eines in Abhängigkeit
von der einwirkenden Beschleunigung verstellten freitragenden Auslegerelements
(Cantilever) angeordneten Elektroden erzeugt wird.
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In
Bezug auf einen solchen Sensor ist z. B. aus der
japanischen Patent-Offenlegungsschrift 4-504
003 ein in
10 dargestellter Beschleunigungsdetektor
bekannt, bei dem zwei Kondensatoren
101 und
102 im
Rahmen einer Brückenschaltung in
Reihe geschaltet sind. Der von diesen Kondensatoren
101 und
102 gebildeten
Brückenschaltung
wird von einem Oszillator
103 eine Signal-Wechselvorspannung
zugeführt.
Durch eine einwirkende Beschleunigung erfolgt hierbei eine Verstellung
eines (nicht dargestellten) freitragend angeordneten Auslegerelements
(Cantilever), wodurch an einem Verbindungspunkt
104 der
Brückenschaltung
ein elektrisches Spannungsteilerpotential erzeugt, von einem Verstärker
105 detektiert,
von einem Gleichrichter
106 gleichgerichtet und schließlich einer
Verstärkung durch
ein Tiefpassfilter
107 unterzogen wird. Auf diese Weise
kann ein einer einwirkenden Beschleunigung entsprechendes Signal
erhalten werden.
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Aus
der
japanischen Patent-Offenlegungsschrift
7-128 355 ist ein weiterer Sensor in Form eines in
11 dargestellten
einachsigen Winkelgeschwindigkeits-/Beschleunigungssensors bekannt, bei
dem Widerstände
110,
111 in
Form einer RC-Brückenschaltung
mit zwei Kondensatoren
108,
109 jeweils in Reihe
geschaltet sind. An diese RC-Brückenschaltung
wird von einem Oszillator
117 eine Signal-Wechselvorspannung
angelegt. Bei Einwirken einer Beschleunigung wird wiederum ein (nicht
dargestelltes) freitragend angeordnetes Auslegerelement (Cantilever)
verstellt, wodurch sich der Abgleichzustand einer Impedanz an Verbindungspunkten
112,
113 der
RC-Brückenschaltung
verändert.
Das elektrische Potential an den jeweiligen Verbindungspunkten
112,
113 wird
sodann von einem Differenzverstärker
114 erfasst,
von einem Gleichrichter
115 gleichgerichtet und schließlich von
einem Tiefpassfilter
116 einer Verstärkung unterzogen. Auf diese Weise
kann ein der einwirkenden Beschleunigung entsprechendes Signal erhalten
werden.
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Bei
den vorstehend beschriebenen bekannten Beschleunigungssensoren des
elektrostatischen Kapazitätstyps
kann zwar ein einer einwirkenden Beschleunigung entsprechendes Signal
erhalten werden, jedoch ist eine aktive Diagnose des Vorliegens oder
Nichtvorliegens eines Störzustands
oder einer Fehlfunktion des Sensors selbst nicht möglich.
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Ferner
ist aus der
US
2003/010123 A1 ein zumindest teilweise aus Silicium bestehender
Beschleunigungsmesser bekannt, der eine im wesentlichen planare
plattenartige Nachweis- oder Sensormasse und mehrere flexible Befestigungsbeine
umfasst, die in der gleichen Ebene wie die Sensormasse angeordnet
sind. Jedes Befestigungsbein ist an einem Ende mit der Sensormasse
und am anderen Ende mit der Halterung verbunden, sodass die Sensormasse
zur Ausführung
einer linearen Bewegung in einer Messrichtung in der die Sensormasse,
die Befestigungsbeine und die Halterung umfassenden Ebene angeordnet
ist. Wenn dann eine Beschleunigung auf die Sensormasse in der vorgegebenen Richtung
einwirkt, kann eine entsprechende Messung erfolgen. Zur Erfassung
der linearen Bewegung der Sensormasse in der Messrichtung sind hierbei planare
Kondensatorplatten vorgesehen, die mit einer Spannungsversorgungseinrichtung
verbunden sind, von der sie gegenphasig mit einer Spannung angesteuert
werden und somit einen unterschiedlichen Spannungspegel aufweisen.
Die die auf den Beschleunigungsmesser einwirkende Beschleunigung
angebenden Ausgangssignale werden zur Weiterverarbeitung und Anzeige
der jeweiligen Beschleunigungsintensität einer Datenauswertungsschaltung
zugeführt.
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Außerdem ist
aus der
WO 92 03740 ein
Beschleunigungsmesser bekannt, bei dem ein Sensor mit Sensorelementen
in Form einer Kondensatoranordnung von zwei, eine gewisse Phasenverschiebung
zueinander aufweisenden Wechselspannungen beaufschlagt wird und
mit einer Demodulatorschaltung zur weiteren Auswertung der Sensor-Ausgangssignale verbunden
ist. Der Demodulator sowie der von einer Differentialkondensatoranordnung
gebildete Sensor werden zur Durchführung des Messvorgangs mit
einer hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt. Die Differentialkondensatoranordnung
umfasst außerdem
eine Schaltungsanordnung zur Beaufschlagung der Kondensatoranordnung
(Brücke)
mit einer momentanen elektrostatischen Kraft, um eine entsprechende
Verschiebung (Unsymmetrie) im Ausgangssignal zum Wiederabgleichen
der Brücke
hervorzurufen. Wenn einer der Kondensatoren dieses Sensors und die
Schaltungsanordnung eine Störung
oder Fehlfunktion aufweisen, kann dies erfasst werden.
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Darüber hinaus
ist aus der
EP 1 367
367 A1 ein Winkelgeschwindigkeitssensor bekannt, bei dem Sensorelemente
in Form einer Kondensatorbrücke mit
einer Datenauswertungsschaltung zur Ableitung eines eine auf den
Sensor einwirkende Beschleunigung angebenden Ausgangssignals verbunden
sind. Die Datenauswertungsschaltung umfasst außerdem eine Störungserfassungsschaltung,
die aus dem Außenbereich
durch eine externe Anforderung betätigbar ist. Ein Überwachungssignal
wird dann von einer Schalteinrichtung über einen Kondensator einem
von zwei Differenzverstärkern
zur Störungserfassung
zugeführt.
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Ferner
ist aus der
JP 10 031
032 A ein Signalprozessor für einen Beschleunigungssensor
eines variablen elektrostatischen Kapazitätstyps bekannt, bei dem eine Kompensation
in Bezug auf Temperaturschwankungen und Schwingfrequenzschwankungen
erfolgt. Zu diesem Zweck wird ein Rechtecksignal von einem Phasenschieber
einer Elektrode des Sensors zugeführt, woraufhin eine weitere
Auswertung der Sensor-Ausgangssignale erfolgt. Außerdem wird
das Rechtecksignal auch einem Synchrondemodulator zur Detektion
zugeführt.
Das erhaltene Ausgangssignal wird dann von einem Tiefpassfilter
geglättet.
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Schließlich ist
aus der
US 5 583 290 ein
Beschleunigungsmesser bekannt, bei dem die Ausgangsfrequenz eines
Oszillators einem Sensorelement und einem Demodulator zugeführt wird.
Hierbei kann eine Kapazitätsbrücke der
Sensorelemente von einer Gleichvorspannung zu Prüfzwecken beeinflusst werden.
Außerdem
wird einer Datenauswertungsschaltung ein externes Testsignal zugeführt.
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Der
Erfindung liegt demgegenüber
die Aufgabe zu Grunde, einen Inertialsensor anzugeben, der eine
dahingehende aktive Diagnose ermöglicht, ob
bei dem Sensor selbst eine Störung
bzw. eine Fehlfunktion vorliegt oder nicht. Außerdem soll eine diesen Inertialsensor
umfassende Sensorkombination angegeben werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Inertialsensor gemäß den Patentansprüchen gelöst.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Inertialsensor ein Detektionselement mit
einem ersten Kondensatorabschnitt, der eine an einem unbeweglichen
Bauteil angeordnete erste Detektionselektrode und eine an einem
beweglichen Bauteil angeordnete bewegliche Elektrode umfasst, und
einem zweiten Kondensatorabschnitt, der eine an dem unbeweglichen
Bauteil angeordnete zweite Detektionselektrode und eine an dem beweglichen
Bauteil angeordnete bewegliche Elektrode umfasst, eine Ansteuerschaltung
zum Anlegen einer Signal-Wechselvorspannung
an die bewegliche Elektrode, eine Detektorschaltung, die einen Differenzdetektor,
der die Differenz der elektrischen Ladungsmenge zwischen der ersten
und der zweiten Detektionselektrode erfasst, die derart angeordnet sind,
dass eine Verstellung der beweglichen Elektrode in Abhängigkeit
von einer auf das Detektionselement wirkenden Beschleunigung erfolgt,
wobei die in der zweiten Detektionselektrode erzeugte elektrische Ladungsmenge
abnimmt, wenn die in der ersten Detektionselektrode erzeugte elektrische
Ladungsmenge zunimmt und in umgekehrter Weise die in der zweiten
Detektionselektrode erzeugte elektrische Ladung zunimmt, wenn die
in der ersten Detektionselektrode erzeugte elektrische Ladung abnimmt,
einen Synchrondemodulator, der das Ausgangssignal des Differenzdetektors
synchron mit der Signal-Wechselvorspannung demoduliert, und einen
das Ausgangssignal des Synchrondemodulators regelnden Ausgangsverstärker aufweist,
und eine Selbstdiagnoseschaltung, die dem Synchrondemodulator vorgeschaltet
ist und die Signal-Wechselvorspannung als Diagnosesignal zur Erfassung
eines Störzustands bei
dem Detektionselement und/oder der Detektorschaltung abgibt.
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Bei
diesem Inertialsensor wird somit überwacht, ob an einem Ausgangssignalanschluss
des Inertialsensors ein vorgegebenes Offset-Gleichspannungssignal
oder -Gleichstromsignal erhalten wird. Hierdurch kann bereits aktiv
diagnostiziert werden, ob bei dem Sensor selbst ein Störzustand
vorliegt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine Sensorkombination einen Winkelgeschwindigkeitssensor und
den vorstehend beschriebenen Inertialsensor, wobei der Winkelgeschwindigkeitssensor
ein Schwingungselement und einen selbsterregten Schwingkreis zur
Zuführung
einer selbsterregten Schwingungssignalspannung mit einer Erregungsfrequenz
von 50 kHz oder weniger zur Konstanthaltung der Amplitude des Schwingungselements
aufweist und die selbsterregte Schwingungssignalspannung des Winkelgeschwindigkeitssensors
als Signal-Wechselvorspannung
des Inertialsensors Verwendung findet.
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Bei
dieser Sensorkombination ist somit eine nur zur Erzeugung der Signal-Wechselvorspannung für den Inertialsensor
dienende spezifische Schaltungsanordnung nicht erforderlich. Darüber hinaus kann
ein stabiles Signal als Signal-Wechselvorspannung für den Inertialsensor
erhalten werden.
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Weitere
Zielsetzungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung, die in Verbindung
mit den zugehörigen
Zeichnungen erfolgt. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Inertialsensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 ein
Ersatzschaltbild eines Detektionselements des Inertialsensors gemäß 1,
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3 Signalverläufe, die
Betrieb und Arbeitsweise von jeweiligen Abschnitten des Inertialsensors
gemäß 1 veranschaulichen,
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4 Signalverläufe, die
Betrieb und Arbeitsweise von jeweiligen Abschnitten des Inertialsensors
gemäß 1 für den Fall
veranschaulichen, dass an einem Punkt Y und einem Punkt Z Unterbrechungen
vorliegen,
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5 Signalverläufe, die
Betrieb und Arbeitsweise von jeweiligen Abschnitten des Inertialsensors
gemäß 1 für den Fall
veranschaulichen, dass dem Inertialsensor ein externes Diagnose-Anforderungssignal
zugeführt
wird,
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6 eine
Seitenansicht des Aufbaus eines Detektionselements eines Inertialsensors
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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7 ein
Blockschaltbild eines Inertialsensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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8 ein
Blockschaltbild einer Sensorkombination gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
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9 Signalverläufe, die
Betrieb und Arbeitsweise von jeweiligen Abschnitten der Sensorkombination
gemäß 8 veranschaulichen,
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10 ein
Blockschaltbild eines bekannten Beschleunigungssensors des elektrostatischen
Kapazitätstyps,
und
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11 ein
Blockschaltbild eines weiteren bekannten Beschleunigungssensors
des elektrostatischen Kapazitätstyps.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Erstes Ausführungsbeispiel
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1 zeigt
ein Blockschaltbild eines Inertialsensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild
eines Detektionselements dieses Inertialsensors. 3 zeigt
Signalverläufe,
die Betrieb und Arbeitsweise von jeweiligen Abschnitten des Inertialsensors
veranschaulichen. 4 zeigt Signalverläufe, die
Betrieb und Wirkungsweise von jeweiligen Abschnitten des Inertialsensors
für den
Fall veranschaulichen, dass an einem Punkt Y und einem Punkt Z Unterbrechungen
vorliegen. 5 zeigt Signalverläufe, die
Betrieb und Arbeitsweise von jeweiligen Abschnitten des Inertialsensors
für den
Fall veranschaulichen, dass dem Inertialsensor ein externes Diagnose-Anforderungssignal
zugeführt
wird.
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Der
Inertialsensor gemäß 1 umfasst
ein Detektionselement 6, eine Ansteuerschaltung 12, eine
Detektorschaltung 27 sowie eine Selbstdiagnoseschaltung 41.
Das Detektionselement 6 umfasst seinerseits ein unbewegliches
Bauteil 1, eine erste Detektionselektrode 2a und
eine zweite Detektionselektrode 2b, einen ersten Ausgang 3a und
einen zweiten Ausgang 3b, ein bewegliches Bauteil 4,
eine erste bewegliche Elektrode 4a und eine zweite bewegliche
Elektrode 4b sowie einen Eingang 5.
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An
dem aus Silicium bestehenden unbeweglichen Bauteil 1 sind
die erste Detektionselektrode 2a und die zweite Detektionselektrode 2b einander
gegenüberliegend
in einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordnet. Das bewegliche
Bauteil 4 besteht ebenfalls aus Silicium und verläuft in Bezug
auf das unbewegliche Bauteil 1 annähernd in der Mitte zwischen
der ersten Detektionselektrode 2a und der gegenüberliegend
angeordneten zweiten Detektionselektrode 2b. Die erste
bewegliche Elektrode 4a und die zweite bewegliche Elektrode 4b sind
an beiden Oberflächen
des beweglichen Bauteils 4 derart angeordnet, dass sie
jeweils der ersten Detektionselektrode 2a bzw. der zweiten
Detektionselektrode 2b gegenüberliegen. Der Eingang 5 ist
in Form eines an einer Seite des unbeweglichen Bauteils 1 vorgesehenen
Anschlusses in dem beweglichen Bauteil 4 angeordnet, sodass über ihn
ein Signal der ersten beweglichen Elektrode 4a und der
zweiten beweglichen Elektrode 4b zugeführt werden kann. Der erste
Ausgang 3a und der zweite Ausgang 3b sind ebenfalls
in Form von Anschlüssen
an einer Seite des unbeweglichen Bauteils 1 in der ersten
Detektionselektrode 2a bzw. der zweiten Detektionselektrode 2b angeordnet, sodass
eine erhaltene elektrische Ladung von der ersten Detektionselektrode 2a und
der zweiten Detektionselektrode 2b abgeführt werden
kann.
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Hierbei
können
das unbewegliche Bauteil 1 und das bewegliche Bauteil 4 aus
einem Kristallmaterial, Keramikmaterial oder dergleichen sowie aus Silicium
bestehen. Auf diese Weise lässt
sich ein Inertialsensor mit einem eine stabile Form aufweisenden
Detektionselement erhalten.
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Wie
in 2 veranschaulicht ist, wird ein erster Kondensatorabschnitt
mit einer elektrostatischen Kapazität C1 von der mit dem ersten
Ausgang 3a verbundenen ersten Detektionselektrode 2a und der
dieser gegenüberliegenden
ersten beweglichen Elektrode 4a gebildet, während ein
zweiter Kondensatorabschnitt mit einer elektrostatischen Kapazität C2 von
der mit dem zweiten Ausgang 3b verbundenen zweiten Detektionselektrode 2b und
der dieser gegenüberliegenden
zweiten beweglichen Elektrode 4b gebildet wird. Die erste
bewegliche Elektrode 4a und die zweite bewegliche Elektrode 4b sind
miteinander sowie außerdem
mit dem Eingang 5 verbunden. Üblicherweise wird bei den elektrostatischen Kapazitäten C1 und
C2 eine derartige Voreinstellung vorgenommen, dass sie annähernd gleich
sind.
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Wie
in 1 dargestellt ist, wird eine vorgegebene Spannung
einem Spannungsversorgungsanschluss 10 zugeführt, während ein
Masseanschluss 11 an Masse liegt. Der Stromversorgungsanschluss 10 und
der Masseanschluss 11 sind hierbei zur Gewährleistung
einer Stromzufuhr mit jeder Schaltungsanordnung verbunden. Die Ansteuerschaltung 12 umfasst
eine Phasenwandlereinrichtung 13, über die eine Phasenverschiebung
einer Signal-Wechselvorspannung um einen Winkel von 90° erfolgen
kann, wobei diese Signal-Wechselvorspannung
dem Eingang 5 zugeführt
wird.
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Die
Detektorschaltung 27 umfasst einen Differenzdetektor 22,
einen Regelverstärker 23,
einen Synchrondemodulator 24, einen Ausgangsverstärker 25 sowie
einen Sensor-Ausgangsanschluss 26,
der nachstehend vereinfacht als Sensorausgang bezeichnet ist.
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Der
Differenzdetektor 22 wird von Stromverstärkern 20a und 20b sowie
einem Differenzdetektor 21 gebildet. Den Stromverstärkern 20a und 20b wird jeweils
eine elektrische Ladung zugeführt,
die in der ersten Detektionselektrode 2a bzw. der zweiten
Detektionselektrode 2b erzeugt worden ist. Die jeweiligen
Ausgangssignale der Stromverstärker 20a und 20b werden
dann dem Differenzdetektor 21 zugeführt.
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Das
Ausgangssignal des Differenzdetektors 21 wird wiederum
dem Regelverstärker 23 zugeführt. Der
Synchrondemodulator 24 detektiert synchron den Ausgangssignalverlauf
des Regelverstärkers 23 unter
Verwendung der durch die Phasenwandlereinrichtung 13 hindurchgeführten Signal-Wechselvorspannung.
Das Ausgangssignal des Synchrondemodulators 24 wird dann
dem Ausgangsverstärker 25 zugeführt, sodass über den
Sensorausgang 26 ein geglättetes und von dem Ausgangsverstärker 25 eingestelltes
Signal in den Außenbereich
abgegeben wird.
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Die
Selbstdiagnoseschaltung 41 umfasst ein Dämpfungsglied 30,
einen Kondensator 31, einen Trennschalter 32,
einen Diagnoseanschluss 33 und einen ODER-Schaltungsblock 40.
Dem Dämpfungsglied 30 wird
die durch die Phasenwandlereinrichtung 13 hindurchgeführte Signal-Wechselvorspannung
zugeführt,
sodass das Dämpfungsglied 30 als Regler
wirkt. Das Ausgangssignal des Dämpfungsglieds 30 wird
dann dem Kondensator 31 zugeführt, der dieses Ausgangssignal
wiederum einem invertierenden Eingang des Stromverstärkers 20b zuführt und
auf diese Weise als Injektor wirkt. Der Trennschalter 32 ist
zwischen dem Dämpfungsglied 30 und dem
Kondensator 31 angeordnet und führt in Abhängigkeit von einer extern erfolgenden
Betätigung
eine Durchschaltung/Unterbrechung der zum Kondensator 31 führenden
Ausgangsleitung des Dämpfungsgliedes 30,
d. h., der Signalleitung durch, über
die eine von der Ansteuerschaltung 12 abgegebene Signal-Wechselvorspannung
zugeführt
wird, sodass er als Schalter wirkt. Über den Diagnoseanschluss 33 wird
ein externes Diagnose-Anforderungssignal zugeführt, d. h., ein Signal zur
Umschaltung des Trennschalters 32 aus seinem geöffneten
Zustand in den geschlossenen Zustand, sodass das Ausgangssignal des
Dämpfungsgliedes 30 dem
Kondensator 31 zugeführt
werden kann. Der Diagnoseanschluss 33 dient somit zur Zuführung dieses
Diagnose-Anforderungssignals zu dem Trennschalter 32.
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Der
ODER-Schaltungsblock 40 umfasst Gleichrichter 34, 36,
Vergleicher 35, 37, ein ODER-Glied 38 sowie
einen Störungsausgang 39. Dem
Gleichrichter 34 wird die durch die Phasenwandlereinrichtung 13 hindurchgeführte Signal-Wechselvorspannung
zugeführt. Über den Gleichrichter 34 erfolgt
eine Gleichrichtung und anschließende Glättung dieses Signals. Das Ausgangssignal
des Gleichrichters 34 wird wiederum dem Vergleicher 35 zugeführt, der
einen Vergleich und eine Bestimmung des Ausgangssignalwertes durchführt. Dem
Gleichrichter 36 wird dagegen das Ausgangssignal des Regelverstärkers 23 zugeführt, wobei über den
Gleichrichter 36 ebenfalls eine Gleichrichtung und anschließende Glättung dieses
Signals erfolgt. Das Ausgangssignal des Gleichrichters 36 wird
dem Vergleicher 37 zugeführt, der dann einen Vergleich und
eine Bestimmung des Ausgangssignalwertes durchführt. Das jeweilige Ausgangssignal
der Vergleicher 35, 37 wird in das ODER-Glied 38 eingegeben, über das
eine logische ODER-Verknüpfung erfolgt,
woraufhin das Ausgangssignal des ODER-Gliedes 38 dem Störungsausgang 39 zugeführt wird.
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Wie
vorstehend beschrieben, umfasst die Selbstdiagnoseschaltung 41 somit
das Dämpfungsglied 30,
das eine von der Ansteuerschaltung 12 abgegebene Signal-Wechselvorspannung
regelt, sowie den Kondensator 31, der ein von dem Dämpfungsglied 30 abgegebenes
Signal einer dem Synchrondemodulator 24 vorgeschalteten
Schaltungsanordnung zuführt.
Auf diese Weise kann ein Inertialsensor erhalten werden, der eine
beliebige Einstellung eines Offset-Gleichspannungssignals bzw. -Gleichstromsignals
zur aktiven Diagnose des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Störzustands
im Sensor selbst ermöglicht.
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Außerdem umfasst
die Selbstdiagnoseschaltung 41 den Trennschalter 32, über den
die Selbstdiagnoseschaltung 41 von einem Zustand, in dem
sie sich in Betrieb befindet, auf einen Zustand umgeschaltet werden
kann, bei dem sie außer
Betrieb ist. Der Trennschalter 32 ist hierbei zwischen
dem Dämpfungsglied 30 und
dem Kondensator 31 angeordnet, sodass in Abhängigkeit
von einer externen Diagnose-Anforderung jederzeit oder ständig eine aktive
Diagnose in Bezug auf das Vorliegen eines Störzustands erfolgen kann.
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Weiterhin
dient der Trennschalter 32 in seiner Eigenschaft als extern
betätigbarer
Schalter zur Herstellung oder Unterbrechung der Zuführung einer von
der Ansteuerschaltung 12 abgegebenen Signal-Wechselvorspannung
zu dem Kondensator 31. Die Selbstdiagnoseschaltung 41 kann
daher unter Verwendung eines einfachen Aufbaus zwischen einem Zustand,
bei dem sie sich in Betrieb befindet, und einem Zustand umgeschaltet
werden, bei dem sie außer
Betrieb ist.
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Ferner
findet das Dämpfungsglied 30 als Regler
Verwendung, sodass eine genaue Initialisierung der Größe eines
Offset-Gleichspannungssignals
bzw. -Gleichstromsignals für
eine aktive Diagnose erfolgen kann. Als Regler kann hierbei auch
eine Phasenwandlereinrichtung in Betracht gezogen werden, wobei
sich auch in diesem Falle die gleichen Vorteile erzielen lassen.
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Außerdem wird
der Kondensator 31 als Injektor verwendet, sodass unter
Verwendung eines einfachen Aufbaus eine genaue Initialisierung der Größe eines
Offset-Gleichspannungssignals
bzw. -Gleichstromsignals für
eine aktive Diagnose erfolgen kann. Als Injektor kann hierbei auch
ein Widerstand in Betracht gezogen werden, wobei sich auch in diesem
Fall die gleichen Vorteile erzielen lassen.
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Weiterhin
erfolgt über
die Selbstdiagnoseschaltung 41 eine konstante Überwachung
des Vorliegens eines Störzustands
in der Ansteuerschaltung 12 und dem Detektionselement 6 in
Verbindung mit der Abgabe eines Diagnosesignals in den Außenbereich.
Zu diesem Zweck umfasst die Selbstdiagnoseschaltung 41 den
Gleichrichter 34 und den Vergleicher 35 als Ansteuersystem-Beurteilungseinrichtung zur Überwachung
des Pegels der Signal-Wechselvorspannung sowie den Gleichrichter 36 und
den Vergleicher 37 als Detektionssystem-Beurteilungseinrichtung
zur Überwachung
des Pegels des Ausgangssignals des Differenzdetektors 22 sowie
das ODER-Glied 38, über
das das jeweilige Ausgangssignal dieser Ansteuersystem-Beurteilungseinrichtung und
Detektionssystem-Beurteilungseinrichtung
in den Außenbereich
abgegeben wird. Der Pegel der Signal-Wechselvorspannung sowie der
Pegel des Ausgangssignals des Differenzdetektors 22 werden somit
ständig überwacht.
Bei Vorliegen oder Auftreten eines Störzustands im Ansteuersystem
(einschließlich
der zugehörigen
Verbindungsleitungen) oder im Detektionssystem (einschließlich der
zugehörigen
Verbindungsleitungen zwischen dem Detektionselement 6 und
der Detektorschaltung 27) kann daher sofort ein Störungsdiagnosesignal
in den Außenbereich
des Sensors abgegeben werden.
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Im übrigen ist
die Ausgestaltung des Trennschalters 32 nicht speziell
auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern
es kann z. B. auch ein Trennschalter mit einer Zeitgeberschaltung
Verwendung finden, die eine vorgegebene Zeitdauer einsteuert. In
diesem Falle wird in Abhängigkeit
von einer extern erfolgenden Betätigung
die Zuführung
einer von der Ansteuerschaltung 12 abgegebenen Signal-Wechselvorspannung
zu dem Kondensator 31 für
eine vorgegebene Zeitdauer hergestellt oder unterbrochen. Hierdurch
wird die Durchführung
einer aktiven Störungsdiagnose
in Abhängigkeit
von einer extern zugeführten
Diagnose-Anforderung für
eine vorgegebene Zeitdauer ermöglicht.
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Nachstehend
werden der grundlegende Betrieb und die grundlegende Arbeitsweise
dieses Inertialsensors unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 näher beschrieben.
Der ersten beweglichen Elektrode 4a und der zweiten beweglichen
Elektrode 4b wird über
den Eingang 5 von der Ansteuerschaltung 12 eine
durch die Phasenwandlereinrichtung 13 hindurchgetretene
Signal-Wechselvorspannung
V (mit dem unter dem Punkt A dargestellten Verlauf) zugeführt.
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Wenn
sodann eine Beschleunigung in Richtung der in 1 dargestellten
Detektionsachse einwirkt, führt
dies zu einer Verbiegung des beweglichen Bauteils 4. Wenn
sich bei dieser Verbiegung des beweglichen Bauteils 4 z.
B. die erste bewegliche Elektrode 4a der ersten Detektionselektrode 2a nähert, steigt
hierdurch die elektrostatische Kapazität C1 an, was zu einem Anstieg
der elektrischen Ladung Q1 = C1 V führt. Hierbei entfernt sich
die zweite bewegliche Elektrode 4b von der zweiten Detektionselektrode 2b,
wodurch die elektrostatische Kapazität C2 abnimmt, was zu einer
Abnahme der elektrischen Ladung Q2 = C2·V führt. Wenn sich dagegen das
bewegliche Bauteil 4 in Bezug auf den vorstehend beschriebenen
Fall in der Gegenrichtung verbiegt, führt dies entsprechend zu einem
entgegengesetzten Anstieg und Abfall der elektrischen Ladungen Q1
und Q2.
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Hierbei
ist der mit der ersten Detektionselektrode 2a verbundene
erste Ausgang 3a mit dem invertierenden Eingang des Stromverstärkers 20b verbunden,
während
der mit der zweiten Detektionselektrode 2b verbundene zweite
Ausgang 3b mit dem invertierenden Eingang des Stromverstärkers 20a verbunden
ist. Der jeweilige nichtinvertierende Eingang der Stromverstärker 20a und 20b wird
hierbei auf einer bestimmten Spannung gehalten (die z. B. auf einen
virtuellen Massepegel von 2,5 V eingestellt ist).
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Der
Verlauf der an den Punkten C und D gemäß 1 auftretenden
Auslenkungsströme
ist somit in der in 3 veranschaulichten Weise durch
i2 = dQ2/dt und i1 = dQ1/dt gegeben. Die jeweiligen Ausgangssignale
der Stromverstärker 20a und 20b werden
dann in den Differenzdetektor 21 eingegeben, dessen Ausgangssignal
(am Punkt E gemäß 1)
in 3 durch einen entsprechenden Signalverlauf veranschaulicht
ist.
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Sodann
wird unter Verwendung des Regelverstärkers 23 eine Phasenvoreilung
des Ausgangssignals des Differenzdetektors 21 um 90° herbeigeführt und
das Ausgangssignal nach seiner Verstärkung (mit dem in 3 dargestellten
Verlauf) abgegeben (am Punkt F gemäß 1), wodurch
das Ausgangssignal des Regelverstärkers 23 in den Synchrondemodulator 24 eingegeben
wird. Gleichzeitig wird das an dem Punkt A gemäß 1 anstehende Signal
dem Synchrondemodulator 24 über den Eingang 5 (und
einen Punkt B gemäß 1)
zugeführt. Der
Verlauf des Ausgangssignals des Regelverstärkers 23 wird somit
unter Verwendung des am Punkt B dargestellten Signals (d. h. der
Signal-Wechselvorspannung
V) synchron detektiert. Der Verlauf des Ausgangssignals des Synchrondemodulators 24 nach
dieser Synchrondetektion (am Punkt G gemäß 1) ist in 3 dargestellt.
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Abschließend wird
das Ausgangssignal des Synchrondemodulators 24 über den
Ausgangsverstärker 25 geglättet und
eingestellt. Sodann wird ein (am Punkt H gemäß 1) erhaltenes
und dem Betrag der einwirkenden Beschleunigung entsprechendes Signal
(mit dem in 3 dargestellten Verlauf) dem
Sensorausgang 26 zugeführt.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen Vorgang lassen sich durch Verwendung
des Differenzdetektors 22 externe Störungen, die sich dem Ausgangssignal
des Detektionselements 6 überlagert haben, sowie durch
elektrostatische Einstreuungen von einer anderen Schaltung oder
dergleichen hervorgerufene phasengleiche Rauschkomponenten weitgehend
reduzieren. Wie aus dem unter Punkt F in 3 dargestellten
Signalverlauf ersichtlich ist, besitzt außerdem ein durch den Synchrondemodulator 24 hindurchgetretenes
Signal in Bezug auf die Signal-Wechselvorspannung V (deren Verlauf
unter dem Punkt A dargestellt ist) nur eine phasengleiche (oder
phasennegative) Komponente, was beinhaltet, dass mit der Signal-Wechselvorspannung
V nicht synchronisierte Komponenten wie eingestreute Störungen und Schaltungs-Gleichspannungsabweichungen
sämtlich
unterdrückt
sind. Durch diese Kombination des Differenzdetektors 22 mit
dem Synchrondemodulator 24 kann somit ein Inertialsensor
erhalten werden, der einen hohen Störabstand bzw. ein hohes Signal-Rauschverhältnis aufweist,
was sich insbesondere bei Verwendung eines kleineren Detektionselements
als äußerst vorteilhaft
erweist. Insbesondere ist jedoch die Aufrechterhaltung einer guten
Leistungsfähigkeit
gewährleistet,
während
gleichzeitig die Abmessungen klein gehalten und ein Kostenanstieg
verhindert werden können. Üblicherweise
ist die gleichzeitige Realisierung dieser Interessengegensätze mit
Schwierigkeiten verbunden.
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Nachstehend
wird ein grundlegender Vorgang in Bezug auf eine ständige Diagnosefunktion
für den
Fall einer an einem Punkt Y und einem Punkt Z gemäß 1 jeweils
auftretenden bzw. vorliegenden Unterbrechung unter Bezugnahme auf
die 1 und 4 näher beschrieben. Zunächst wird
hierbei auf den grundlegenden Ablauf für den Fall eingegangen, dass
eine Unterbrechung an dem Punkt Y gemäß 1 vorliegt.
Im Normalzustand ist das Ausgangssignal am ersten Ausgang 3a (d.
h. der Signalverlauf am Punkt D) weitgehend gleich dem Ausgangssignal am
zweiten Ausgang 3b (d. h., dem Signalverlauf am Punkt C),
sodass sie sich gegenseitig aufheben und das Ausgangssignal des
Differenzdetektors 21 (d. h., der Signalverlauf am Punkt
E) den Wert 0 annimmt.
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Wenn
jedoch eine Unterbrechung am Punkt Y auftritt, erfolgt durch den
Differenzdetektor 21 keine gegenseitige Aufhebung der über den
ersten Ausgang 3a und über
den zweiten Ausgang 3b erhaltenen Ausgangssignale, sodass
der Differenzdetektor 21 ein Signal mit einer großen Amplitude
abgibt (d. h., den Signalverlauf am Punkt E). Dieses Signal durchläuft den
Regelverstärker 23 und
wird auf diese Weise zu einem Signal mit großer Amplitude und einer Phasenvoreilung
von 90° (d.
h., dem Signalverlauf am Punkt F), das dem Gleichrichter 36 zugeführt wird.
Das von dem Gleichrichter 36 abgegebene Ausgangssignal
(d. h., der Signalverlauf am Punkt L) wird dann von dem Vergleicher 37 mit
einer Bezugsspannung M (deren Pegel in Form eines Beispiels in 4 veranschaulicht
ist) verglichen, wodurch eine Beurteilung erfolgt. Von dem Vergleicher 37 wird
anschließend
ein Signal (d. h., der Signalverlauf an einem Punkt N) abgegeben,
das dann über
das ODER-Glied 38 (in Form des Signalverlaufs an einem
Punkt O) dem Störungsausgang 39 zugeführt wird.
Auf diese Weise kann sofort ein das Vorliegen eines Störzustands
im Detektionsschaltungssystem anzeigendes Signal in den Außenbereich
des Sensors abgegeben werden.
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Außerdem kann
bei der ursprünglichen
Auslegung das Ausgangssignal des Differenzdetektors 21 (d.
h., der Signalverlauf am Punkt E) auch dahingehend ausgestaltet
werden, dass er einen anderen bestimmten Signalwert als 0 annimmt,
wobei gleichzeitig der Sollpegel des Vergleichers 37 einen
bestimmten unterschiedlichen Wert aufweist. Auch in diesem Falle
kann das Vorliegen eines Störzustands bei
dem Detektionselement 6 sofort erfasst werden, und zwar
auch dann, wenn es sich z. B. um einen Störzustand handelt, der durch
einen Leitungs-Masseschluss oder dergleichen verursacht worden ist, bei
dem das Ausgangssignal des Differenzdetektors 21 (d. h.,
der Signalverlauf am Punkt E) den Wert 0 annimmt.
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Nachstehend
wird der grundlegende Ablauf für
den Fall beschrieben, dass eine Unterbrechung am Punkt Z gemäß 1 auftritt.
Bei einer Unterbrechung am Punkt Z wird die Signal-Wechselvorspannung
V (d. h., der Signalverlauf am Punkt A) dem Gleichrichter 34 nicht
zugeführt,
sodass das Ausgangssignal des Gleichrichters 34 (d. h.,
der Signalverlauf am Punkt I) zu 0 wird. Unter Verwendung des Vergleichers 35 wird
dieses Ausgangssignal des Vergleichers 34 (d. h., der Signalverlauf
am Punkt I) mit einer Bezugsspannung J (deren Pegel in Form eines Beispiels
in 4 veranschaulicht ist) verglichen und eine Beurteilung
getroffen. Sodann wird von dem Vergleicher 35 ein Signal
(in Form des Signalverlaufs am Punkt K) abgegeben, das über das
ODER-Glied 38 (in Form des Signalverlaufs am Punkt O) dem
Störungsausgang 39 zugeführt wird.
Auf diese Weise kann sofort ein das Vorliegen eines Störzustands
im Detektionsschaltungssystem anzeigendes Signal in den Außenbereich
des Sensors abgegeben werden.
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Nachstehend
wird der bei der Zuführung
eines externen Diagnose-Anforderungssignals zu dem Sensor gemäß 1 erfolgende
grundlegende Vorgang unter Bezugnahme auf die 1 und 5 näher beschrieben.
Wenn dem Diagnoseanschluss 33 ein Diagnose-Anforderungssignal
(z. B. in Form des am Punkt P gemäß 5 dargestellten
Signals hohen Pegels) zugeführt
wird, wird der Trennschalter 32 geschlossen.
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Hierbei
wird die Signal-Wechselvorspannung V (d. h., der am Punkt A und
am Punkt B jeweils auftretende Signalverlauf) von dem Dämpfungsglied 30 zu
einem am Punkt Q auftretenden Signal (d. h., zu dem unter Q dargestellten
Signalverlauf) gedämpft.
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Das
unter dem Punkt Q dargestellte Signal wird sodann über den
Trennschalter 32 weitergeleitet und wird auf diese Weise
zu einem Signal mit dem unter dem Punkt R dargestellten Verlauf,
das sodann dem Kondensator 31 zugeführt wird. Das unter dem Punkt
R dargestellte Signal wird von dem Kondensator 31 in Form
eines den unter dem Punkt S dargestellten Verlauf aufweisenden Signals
weitergeleitet (das ein falsches elektrisches Signal darstellt,
das keiner tatsächlich
einwirkenden Beschleunigung entspricht). Dieses Signal wird sodann
dem invertierenden Eingang des Stromverstärkers 20b zugeführt, wodurch über den
Differenzdetektor 21 das unter dem Punkt E in 5 dargestellte
Signal erhalten wird. Unter Verwendung des Regelverstärkers 23 wird
dem Ausgangssignal des Differenzdetektors 21 anschließend eine
Phasenvoreilung von 90° in
Verbindung mit einer Verstärkung
erteilt, woraufhin es (am Punkt F gemäß 1) abgegeben
wird (in Form des in 5 dargestellten Signalverlaufs).
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Sodann
wird der Ausgangssignalverlauf des Regelverstärkers 23 von dem Synchrondemodulator 24 synchron
detektiert. Der nach dieser Synchrondetektion (am Punkt G gemäß 1)
erhaltene Ausgangssignalverlauf des Synchrondemodulators 24 ist in 5 dargestellt.
Schließlich
wird das Ausgangssignal des Synchrondemodulators 24 über den
Ausgangsverstärker 25 geglättet und
eingestellt, woraufhin ein unter dem Punkt H in 5 dargestelltes Gleichspannungs-Ausgangssignal
erhalten wird.
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Wenn
somit z. B. im Normalzustand des Sensors und Einstellung des unter
dem Punkt H dargestellten Gleichspannungs-Ausgangssignals auf 500
mV ein Diagnose-Anforderungssignal
P zugeführt
wird, lässt
sich das Vorliegen eines Störzustands
genau feststellen, und zwar auch dann, wenn es sich um einen die
Ausgangsempfindlichkeit des Sensors in erheblichem Umfang beeinträchtigenden Störzustand
wie einen Kurzschluss und/oder eine Schwankung der Lebensdauer von
Teilen der Detektorschaltung 27 (z. B. bei einem (nicht
dargestellten) Verstärkungs-Rückkopplungswiderstand)
handelt. Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist es nicht
erforderlich, bei dem Detektionselement 6 eine spezielle
Elektrode oder andere spezielle Maßnahmen dieser Art vorzusehen,
wodurch sich das Detektionselement 6 kleiner und einfacher
ausführen lässt.
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Wie
vorstehend beschrieben, kann durch dieses Ausführungsbeispiel somit ein Inertialsensor mit
einem einfachen Aufbau erhalten werden. Außerdem ist die Selbstdiagnoseschaltung 41 vorgesehen, bei
der eine ständige
Diagnosefunktion mit einer auf ein extern zugeführtes Diagnose-Anforderungssignal ansprechenden
Diagnosefunktion kombiniert ist. Dies ermöglicht eine weitgehend vollständige Erfassung
eines jeden Störzustands
bei dem Sensor, wodurch sich die Zuverlässigkeit des Sensors erhöht.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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6 zeigt
eine Seitenansicht des Aufbaus eines Detektionselements eines Inertialsensors
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind die Ansteuerschaltung, die Detektionsschaltung bzw. die Selbstdiagnoseschaltung
in der gleichen Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
ausgestaltet, sodass entsprechende Figuren und ihre Beschreibung
sich erübrigen
und nachstehend nur auf unterschiedliche Elemente im einzelnen eingegangen
wird.
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Bei
dem Detektionselement gemäß 6 sind
an einem unbeweglichen Bauteil 50 eine erste Detektionselektrode 51 und
eine zweite Detektionselektrode 52 angebracht. An einem
beweglichen Bauteil 53 ist eine bewegliche Elektrode 56 gegenüber der
ersten Detektionselektrode 51 und der zweiten Detektionselektrode 52 angeordnet.
Die erste Detektionselektrode 51 und die zweite Detektionselektrode 52 sind
hierbei in einem vorgegebenen Abstand in der gleichen Ebene des
unbeweglichen Bauteils 50 angeordnet. Die bewegliche Elektrode 56 ist
hierbei in einem vorgegebenen Abstand gegenüber sowohl der ersten Detektionselektrode 51 als
auch der zweiten Detektionselektrode 52 angeordnet, wobei
der beweglichen Elektrode 56 eine Signal-Wechselvorspannung
V zugeführt
wird.
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An
der der beweglichen Elektrode 56 gegenüberliegenden Seite des beweglichen
Bauteils 53 ist ein zusätzliches
Masseelement 57 derart angeordnet, dass sein Mittelpunkt
in der Mitte zwischen der ersten Detektionselektrode 51 und
der zweiten Detektionselektrode 52 liegt. Die beiden Enden
des beweglichen Bauteils 53 sind über Halterungselemente 54 und 55 jeweils
mit dem unbeweglichen Bauteil 50 verbunden. Das bewegliche
Bauteil 53 ist hierbei derart gelagert, dass sich die bewegliche
Elektrode 56 um das zusätzliche
Masseelement 57 herum in die Richtung der Elektrodenflächen der
ersten Detektionselektrode 51 und der zweiten Detektionselektrode 52 drehen
kann.
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Nachstehend
wird auf die grundlegende Wirkungsweise dieses Inertialsensors näher eingegangen.
Eine Beschleunigung wirkt in einer parallel zu den Elektrodenflächen der
ersten Detektionselektrode 51 und der zweiten Detektionselektrode 52 verlaufenden
Richtung (d. h., in den Richtungen der Detektionsachse gemäß 6).
Hierdurch dreht sich die bewegliche Elektrode 56 um das
zusätzliche
Masseelement 57 herum in die Richtung der Elektrodenflächen der
ersten Detektionselektrode 51 und der zweiten Detektionselektrode 52.
Wenn hierbei ein Ende der Elektrodenfläche der sich drehenden beweglichen
Elektrode 56 in die Nähe
der Elektrodenfläche
der ersten Detektionselektrode 51 gelangt, entfernt sich
das andere Ende der Elektrodenfläche der
beweglichen Elektrode 56 von der Elektrodenfläche der
zweiten Detektionselektrode 52. Wenn dagegen ein Ende der
Elektrodenfläche
der beweglichen Elektrode 56 sich von der Elektrodenfläche der
ersten Detektionselektrode 51 entfernt, nähert sich
das andere Ende der Elektrodenfläche
der beweglichen Elektrode 56 der Elektrodenfläche der
zweiten Detektionselektrode 52.
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Eine
einwirkende Beschleunigung führt
somit zu einer Drehung der Elektrodenfläche der beweglichen Elektrode 56.
Dies führt
zu einer Zunahme und Abnahme der elektrischen Ladungen Q1 und Q2 (wobei
es sich bei der ersteren Ladung um eine elektrische Ladung handelt,
die an der Elektrodenfläche der
ersten Detektionselektrode 51 erzeugt wird, während es
sich bei der letzteren Ladung um eine elektrische Ladung handelt,
die an der Elektrodenfläche
der zweiten Detektionselektrode 52 erzeugt wird). Eine solche
Ladungszunahme und Ladungsabnahme wird dann von der Detektorschaltung 27 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
erfasst. Auf diese Weise kann dem Sensorausgang 26 ein
dem Betrag der einwirkenden Beschleunigung entsprechendes Signal zugeführt werden.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Konfiguration dieses Ausführungsbeispiels
können
die gleichen Vorteile wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels
erhalten werden. Außerdem
ist die bewegliche Elektrode 56 nur an einer Seite des
beweglichen Bauteils 53 angeordnet, sodass ein Kondensatorabschnitt
zur Detektion auch nur auf einer Seite des beweglichen Bauteils 53 angeordnet
werden kann. Hierbei wird der Kondensatorabschnitt von der beweglichen
Elektrode 56 sowie der ersten Detektionselektrode 51 und
der zweiten Detektionselektrode 52 gebildet.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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7 zeigt
ein Blockschaltbild eines Inertialsensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel tragen
Teile mit einer dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel entsprechenden
Konfiguration die gleichen Bezugszahlen, sodass sich ihre erneute
detaillierte Beschreibung erübrigt
und nachstehend nur auf unterschiedliche Merkmale und Elemente im
einzelnen eingegangen wird.
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Wie
in 7 dargestellt ist, sind eine erste bewegliche
Elektrode 58 und eine zweite bewegliche Elektrode 59 in
einem vorgegebenen Abstand zueinander in der gleichen Ebene an dem
beweglichen Bauteil 53 jeweils gegenüber der ersten Detektionselektrode 51 und
der zweiten Detektionselektrode 52 angeordnet. Zwischen
die Ansteuerschaltung 12 und die zweite bewegliche Elektrode 59 ist
ein erster Widerstand 60 eingefügt, der zur Einstellung eines
in Bezug auf die Signal-Wechselvorspannung V unterschiedlichen,
vorgegebenen Signal-Wechselvorspannungswertes dient. Ein zweiter
Widerstand 62 ist mit einem Knotenpunkt 61 verbunden,
bei dem die zweite bewegliche Elektrode 59 und der erste Widerstand 60 miteinander
verbunden sind. Ein die Funktion des Schalters aufweisender Trennschalter 64 ist zwischen
dem zweiten Widerstand 62 und Masse 63 angeordnet. Über einen
Diagnoseanschluss 65 kann ein externes Diagnose-Anforderungssignal
zugeführt werden,
durch das der Trennschalter 64 dann vom geöffneten
in den geschlossenen Zustand umgeschaltet wird.
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Nachstehend
wird auf die grundlegende Wirkungsweise dieses Inertialsensors näher eingegangen.
Wenn kein externes Diagnose-Anforderungssignal ansteht (d. h., wenn
der Trennschalter 64 im geöffneten Zustand gehalten wird),
wird die Signal-Wechselvorspannung V der ersten beweglichen Elektrode 58 und
der zweiten beweglichen Elektrode 59 zugeführt (sodass
die erste bewegliche Elektrode 58 und die zweite bewegliche
Elektrode 59 das gleiche elektrische Potential aufweisen).
Hierbei wird eine Beschleunigung in der in Verbindung mit dem zweiten
Ausführungsbeispiel
beschriebenen Weise erfasst. Im übrigen
findet bei diesem Ausführungsbeispiel
auch die Detektorschaltung 27 gemäß 1 Verwendung,
obwohl sie in der Figur nicht dargestellt ist.
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Wenn
dagegen ein externes Diagnose-Anforderungssignal ansteht (d. h.,
wenn der Trennschalter 64 im geschlossenen Zustand gehalten wird),
nimmt die der zweiten beweglichen Elektrode 59 zugeführte Signal-Wechselvorspannung
den halben Wert der an die erste bewegliche Elektrode 58 angelegten
Signal-Wechselvorspannung an, was darauf beruht, dass der Widerstandswert
R1 des ersten Widerstands 60 und der Widerstandswert R2
des zweiten Widerstands 62 auf gleiche Werte eingestellt sind.
Wenn bei dem Sensor kein Störzustand
vorliegt, wird bei dieser Konfiguration über den Sensorausgang ein vorgegebenes
Offset-Gleichspannungssignal
abgegeben. Wenn jedoch bei dem Detektionselement und/oder der Ansteuerschaltung
und/oder der Detektorschaltung ein Störzustand auftritt, wird dieses
vorgegebene Offset-Gleichspannungssignal nicht abgegeben.
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Wie
vorstehend beschrieben, wird das Widerstandsnetzwerk von dem zwischen
der Ansteuerschaltung 12 und der zweiten beweglichen Elektrode 59 angeordneten
ersten Widerstand 60 und dem zwischen dem Trennschalter 64 und
dem Verbindungspunkt 61 der zweiten beweglichen Elektrode 59 mit dem
ersten Widerstand 60 angeordneten zweiten Widerstand 62 gebildet.
Trotz dieser einfachen Konfiguration kann somit eine aktive Diagnose
eines Störzustands
erfolgen. Außerdem
wird über
einen Sensorausgang ein vorgegebenes Offset-Gleichspannungssignal
abgegeben, was die genaue Voreinstellung der Höhe einer Signal-Wechselvorspannung
V ermöglicht,
die an die erste bewegliche Elektrode 58 und die zweite
bewegliche Elektrode 59 angelegt wird.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist zwar ein Fall in Betracht gezogen worden, bei dem der Widerstandswert
R1 des ersten Widerstands 60 und der Widerstandswert R2
des zweiten Widerstands 62 gleich sind, jedoch sind die
Relativwerte dieser Widerstände
nicht zwangsläufig
darauf beschränkt.
Im übrigen
bezieht sich die Beschreibung zwar nur auf eine Konfiguration, bei
der der erste Widerstand 60 und der zweite Widerstand 62 Verwendung
finden, jedoch ist auch die Widerstandskonfiguration nicht zwangsläufig darauf
beschränkt,
sondern es können auch
ein Widerstandsnetzwerk oder eine andere Art von Konfiguration Verwendung
finden.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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8 zeigt
ein Blockschaltbild einer Sensorkombination gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, während 9 Signalverläufe zeigt,
die Betrieb und Wirkungsweise von jeweiligen Abschnitten dieser
Sensorkombination veranschaulichen. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
tragen Teile und Elemente mit der gleichen Konfiguration wie im
Falle des vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels die gleichen,
Bezugszahlen und Bezugszeichen, sodass sich ihre erneute detaillierte
Beschreibung erübrigt
und nachstehend nur auf unterschiedliche Bauteile und Elemente im
einzelnen eingegangen wird.
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Die
in 8 dargestellte Sensorkombination umfasst einen
ersten Inertialsensor 80 und einen zweiten Inertialsensor 90 sowie
einen Winkelgeschwindigkeitssensor 75 in Form eines Stimmgabeltyps,
der ein Schwingungselement 70, eine Ansteuerschaltung 71 und
eine Detektorschaltung 72 aufweist. Die Ansteuerschaltung 71 dient
zur Ansteuerung des Schwingungselements 70, während die
Detektorschaltung 72 die Elektrizitätsmenge verarbeitet, die einer
einwirkenden und von dem Schwingungselement 70 abgeleiteten
Winkelgeschwindigkeit entspricht. Einem Spannungsversorgungsanschluss 73 wird
eine vorgegebene Spannung zugeführt,
während
ein Masseanschluss 74 an Masse liegt. Der Stromversorgungsanschluss 73 und
der Masseanschluss 74 sind mit jeder Schaltungsanordnung
verbunden, wodurch die elektrische Stromversorgung gewährleistet
ist.
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Die
beiden Inertialsensoren 80 und 90 sind dicht beieinander
angeordnet, sodass ein Koppelkondensator 91 zwischen einer
dem ersten Inertialsensor 80 zugeführten Signal-Wechselvorspannung und
einem von dem zweiten Inertialsensor 90 erfassten Signal
gebildet wird, während
zwischen einer dem zweiten Inertialsensor 90 zugeführten Signal-Wechselvorspannung
und einem von dem ersten Inertialsensor 80 erfassten Signal
ein Koppelkondensator 92 gebildet wird. Hierbei verlaufen
die Detektionsachsen des ersten Inertialsensors 80 und
des zweiten Inertialsensors 90 senkrecht zueinander (wobei
sie z. B. eine X-Achse und eine Y-Achse bilden).
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Nachstehend
wird auf die grundlegende Wirkungsweise dieser Sensorkombination
unter Bezugnahme auf die 8 und 9 näher eingegangen. Wie
in 8 veranschaulicht ist, steuert die Ansteuerschaltung 71 (d.
h., ein selbsterregter Schwingkreis mit einer Schaltungsanordnung
zur automatischen Verstärkungssteuerung)
das Schwingungselement 70 mit einer Erregungsfrequenz von
50 kHz oder weniger an, wodurch die Amplitude des Schwingungselements 70 konstant
gehalten werden kann. An einem Punkt A wird ein Überwachungssignal erhalten, durch
das die Amplitude des angesteuerten Schwingungselements 70 überwacht
wird. Dieses Überwachungssignal
tritt durch die in dem ersten Inertialsensor 80 vorgesehene
Phasenwandlereinrichtung 13 hindurch und wird sodann (an
einem Punkt B gemäß 8)
dem Eingang 5 als Signal-Wechselvorspannung zugeführt, die
in Bezug auf das am Punkt A auftretende Überwachungssignal eine Phasennacheilung
von 90° aufweist.
Das Überwachungssignal
wird außerdem
(an einem Punkt G gemäß 8)
als Signal-Wechselvorspannung direkt dem Eingang 5 des zweiten
Inertialsensors 90 zugeführt.
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Wenn
sodann eine Beschleunigung in Richtung der X-Achse des ersten Inertialsensors 80 wirkt, enthält ein Ausgangssignal
(mit dem unter Punkt D in 9 dargestellten
Verlauf) des Regelverstärkers 23 des
ersten Inertialsensors 80 zusätzlich zu einem der einwirkenden
Beschleunigung entsprechenden Signalanteil auch einen von dem Koppelkondensator 92 stammenden
Lecksignalanteil. Unter Verwendung der am Punkt B auftretenden Signal- Wechselvorspannung
wird dann der Ausgangssignalverlauf des Regelverstärkers 23 von
dem Synchrondemodulator 24 detektiert, wodurch der unter
Punkt E in 9 dargestellte Signalverlauf
erhalten wird. Über
den Ausgangsverstärker 25 erfolgt
sodann eine Glättung und
Einstellung dieses Ausgangssignals des Synchrondemodulators 24 (d.
h., des unter E in 9 dargestellten Signalverlaufs),
wodurch der von dem Koppelkondensator 92 stammende Lecksignalanteil unterdrückt und
der unter F in 9 dargestellte Signalverlauf
erhalten werden.
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Wenn
eine Beschleunigung in Richtung der Y-Achse des zweiten Inertialsensors 90 wirkt,
umfasst das Ausgangssignal (mit dem unter H in 9 dargestellten
Signalverlauf) des Regelverstärkers 23 des
zweiten Inertialsensors 90 zusätzlich zu einem der einwirkenden
Beschleunigung entsprechenden Signalanteil ebenfalls einen Lecksignalanteil,
der in diesem Falle von dem Koppelkondensator 91 stammt.
Unter Verwendung der am Punkt G auftretenden (und dem Signal am
Punkt A entsprechenden) Signal-Wechselvorspannung wird dann der Ausgangssignalverlauf
des Regelverstärkers 23 von dem
Synchrondemodulator 24 detektiert, wodurch der unter I
in 9 dargestellte Signalverlauf erhalten wird. Über den
Ausgangsverstärker 25 erfolgt dann
eine Glättung
und Einstellung dieses Ausgangssignals (d. h., des unter I in 9 dargestellten Signalverlaufs)
des Synchrondemodulators 24, wodurch der von dem Koppelkondensator 91 stammende
Lecksignalanteil unterdrückt
und der unter J in 9 dargestellte Signalverlauf
erhalten werden.
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Wie
vorstehend beschrieben, weisen bei diesem Ausführungsbeispiel die dem ersten
Inertialsensor 80 und dem zweiten Inertialsensor 90 jeweils
zugeführten
Signal- Wechselvorspannungen
eine Phasendifferenz von 90° zueinander
auf. Der von dem Koppelkondensator 92 stammende Lecksignalanteil und
der von dem Koppelkondensator 91 stammende Lecksignalanteil
können
somit von dem Ausgangsverstärker 25 des
ersten Inertialsensors 80 und des zweiten Inertialsensors 90 nicht
abgegeben werden. Da nämlich
als Ansteuerschaltung für
den Inertialsensor 80 die Phasenwandlereinrichtung 13 Verwendung
findet, tritt zwischen den Signal-Wechselvorspannungen für die beiden
Inertialsensoren 80 und 90 eine Phasendifferenz
von 90° auf.
Hierdurch kann verhindert werden, dass sich die Lecksignalanteile der
beiden benachbarten Inertialsensoren 80 und 90 gegenseitig
beeinflussen. Weiterhin ist bei dem ersten Inertialsensor 80 eine
90°-Phasenwandlereinrichtung
vorgesehen, die eine Phasennacheilung um 90° ermöglicht. Auf diese Weise lassen
sich die vorstehend beschriebenen Vorteile erzielen, wenn eine solche
Phasenwandlereinrichtung bei einem der Inertialsensoren vorgesehen
ist.
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Außerdem wird
bei diesem Ausführungsbeispiel
eine von der Ansteuerschaltung 71 (d. h., dem selbsterregten
Schwingkreis mit einer Schaltungsanordnung zur automatischen Verstärkungsregelung) des
Stimmgabeltyp-Winkelgeschwindigkeitssensors 75 abgegebene
Erregungsfrequenz von 50 kHz oder weniger für die Signal-Wechselvorspannung
des ersten Inertialsensors 80 und des zweiten Inertialsensors 90 verwendet.
Auf diese Weise erübrigt
sich eine spezielle Schaltungsanordnung, die nur zur Erzeugung der
Signal-Wechselvorspannung für
den ersten Inertialsensor 80 und den zweiten Inertialsensor 90 dient.
Darüber
hinaus kann in Bezug auf die Signal-Wechselvorspannung des ersten Inertialsensors 80 und
des zweiten Inertialsensors 90 ein stabiles Signal erhalten
werden.
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Außerdem sind
bei diesem Ausführungsbeispiel
die Detektionsachsen des ersten Inertialsensors 80 und
des zweiten Inertialsensors 90 dahingehend ausgestaltet,
dass sie senkrecht zueinander verlaufen. Auf diese Weise kann verhindert
werden, dass sich jeweilige Lecksignalanteile bei den beiden Inertialsensoren 80 und 90 gegenseitig
beeinflussen, sodass sich eine Beschleunigung in der jeweiligen Richtung
der sich unter rechten Winkeln schneidenden beiden Achsen genau
erfassen lässt.
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Auf
diese Weise kann bei diesem Ausführungsbeispiel
auch bei einer Kombination und Integration der Detektionselemente
der beiden Inertialsensoren 80 und 90 verhindert
werden, dass Interferenzen zwischen ihnen auftreten. Außerdem kann eine
Sensorkombination mit einer beständigen
Empfindlichkeit bzw. Temperaturcharakteristik erhalten werden.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist zwar in Betracht gezogen worden, nur bei dem ersten Inertialsensor 80 eine
Signal-Wechselvorspannung
mit einer Phasennacheilung von 90° in
Bezug auf das am Punkt A auftretende Überwachungssignal zu erzeugen,
jedoch ist die Konfiguration nicht zwangsläufig auf diese Maßnahme beschränkt, solange
gewährleistet
ist, dass zwischen den dem ersten Inertialsensor 80 und
dem zweiten Inertialsensor 90 jeweils zugeführten Signal-Wechselvorspannungen
eine Phasendifferenz von 90° besteht.
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Ferner
ist in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel
gemäß 8 zwar
nicht beschrieben worden, in welcher Form die Selbstdiagnoseschaltung
gemäß 1 bei
den Inertialsensoren 80, 90 vorgesehen ist, jedoch
liegt auf der Hand, dass die Selbstdiagnoseschaltung in geeigneter
Weise vorgesehen werden kann.
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Darüber hinaus
ist bei diesem Ausführungsbeispiel
ein Fall beschrieben worden, bei dem ein Sensor eines Stimmgabeltyps
als Winkelgeschwindigkeitssensor im Rahmen der Sensorkombination Verwendung
findet und als Detektionselement des Inertialsensors ein Sensor
der in 1 veranschaulichten Art eingesetzt wird. Die Konfiguration
ist jedoch nicht zwangsläufig
auf eine solche Anordnung beschränkt,
sondern es können
verschiedene Sensoren miteinander kombiniert werden, wobei in Bezug
auf die Konfiguration auch eine größere Gestaltungsfreiheit besteht.
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Obwohl
die Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die zugehörigen
Zeichnungen vollständig
beschrieben worden ist, ist für
den Fachmann ersichtlich, dass auch verschiedene Änderungen
und Modifikationen in Betracht gezogen werden können.
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Der
vorstehend beschriebene Inertialsensor umfasst somit eine einem
Synchrondemodulator vorgeschaltete Selbstdiagnoseschaltung, die
eine Signal-Wechselvorspannung abgibt und auf diese Weise ein Diagnosesignal
zur Erfassung eines Störzustands
bei einem Detektionselement und/oder einer Detektorschaltung zuführt. Mit
Hilfe dieses Inertialsensors kann eine aktive Diagnose in Bezug
auf das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Störzustands bei dem Sensor selbst
lediglich durch eine dahingehende Überwachung erfolgen, ob ein
vorgegebenes Offset-Gleichspannungssignal bzw. -Gleichstromsignal an
einem Sensorausgang des Inertialsensors erhalten wird.