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    • 专利摘要:
    Es wird eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Erfassen einer Mehrzahl von zu erfassenden physikalischen Größen bereitgestellt. Die Vorrichtung weist eine Mehrzahl von Sensoreinheiten, eine Mehrzahl von Prozessoren und ein Steuergerät auf. Die Sensoreinheiten sind auf dem gleichen Substrat ausgebildet, um einen einzigen Sensor auszubilden. Jede Sensoreinheit erfaßt jede physikalische Größe, um ein Spannungssignal auszugeben, welches sich in Abhängigkeit von jeder erfaßten physikalischen Größe ändert. Jeder der Prozessoren tastet ab und hält das von jeder der Sensoreinheiten ausgegebene Spannungssignal mit einer vorbestimmten Frequenz. Somit werden abgetastete und gehaltene Spannungssignale erzeugt und von der Vorrichtung als die Mehrzahl von physikalischen Größen angebende Information ausgegeben. In der Abtast-und-Halte-Verarbeitung steuert ein Steuergerät die Mehrzahl von Prozessoren so, daß die Prozessoren Abtastvorgänge mit vorbestimmten unterschiedlichen Phasen durchführen, die während eines durch die vorbestimmte Frequenz definierten Intervalls zueinander verschoben sind.
    公开号:DE102004012862A1
    申请号:DE200410012862
    申请日:2004-03-16
    公开日:2004-10-21
    发明作者:Toshikazu Kariya Itakura
    申请人:Denso Corp；
    IPC主号:G01D3-028
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung bezieht sich auf, eine Vorrichtung zum Erfasseneiner physikalischen Größe und insbesondereauf eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Erfassen einer Mehrzahlvon Arten physikalischer Größen wieetwa einer Beschleunigung.
    [0002] EinegroßeVielfalt von Typen von Erfassungsvorrichtungen zum Erfassen physikalischer Größen wieetwa Beschleunigung und Druck sind bekannt. Solche Erfassungsvorrichtungensind fürverschiedene industrielle Produkte einschließlich Fahrzeugen und Industrieroboternunverzichtbar.
    [0003] EinTyp einer solchen Vorrichtung zur Erfassung einer physikalischenGröße ist beispielsweise durchdie Japanischen Offenlegungsschriften Nrn. 8-145717 und 2000-221054offenbart. Diese Referenzen stellen eine Erfassungsvorrichtung vomKondensatortyp bereit, welche mit einem Sensorelement, einer C/V-(elektrischeKapazität/Spannung)-Wandlerschaltungund einer Signalverarbeitungsschaltung ausgerüstet ist. Das Sensorelementweist eine Kapazitätauf, welche sich in Reaktion auf eine mechanische Energie wie etwaBeschleunigung und Druck ändert.Die C/V-Wandlerschaltung ist angeordnet, um eine Spannung in Abhängigkeitvon Änderungen inder Kapazität desSensorelements umzuwandeln, um zu ermöglichen, daß die Spannung entsprechendeWerte aufweist. Die Signalverarbeitungsschaltung ist angeordnet,um eine von der C/V-Wandlerschaltungausgegebene Spannung abzutasten/zu halten. Die Ausgänge ausder Signalverarbeitungsschaltung werden einer Erfassung der physikalischenGrößen wieetwa Beschleunigung und Druck unterworfen.
    [0004] Esist häufigerwünscht,eine Beschleunigung zu erfassen, die in mehreren unterschiedlichen Richtungen(zum Zwecke der Vereinfachung der Erläuterung sollen solche RichtungenRichtungen einer X-Achse und einer Y-Achse des orthogonalen Koordinatensystemssein) erzeugt wird. Um eine solche Forderung zu erfüllen, kanndie vorgenannte herkömmlicheErfassungsvorrichtung in eine Vorrichtung geändert werden, die in der Lageist, durch sich selbst eine in den zwei oder mehr Richtungen erzeugteBeschleunigung zu erfassen.
    [0005] Esist erforderlich, daß einesolche Vorrichtung zwei Sätzeeiner Schaltungsanordnung aufweist. Ein Satz ist auf eine Beschleunigunggerichtet, die in der Richtung der X-Achse erzeugt wird, und der andereist auf eine Beschleunigung gerichtet, die in der Richtung der Y-Achseerzeugt wird. Um genau zu sein, besteht der eine Satz aus auf dieRichtung der X-Achse bezogenen Komponenten, welche ein Sensorelement,dessen Kapazitätvon der Beschleunigung in Richtung der X-Achse abhängig, eine C/V-Wandlerschaltungund eine Signalverarbeitungsschaltung aufweisen. Der andere Satzbesteht aus Komponenten bezüglichder Richtung der Y-Achse, welche ein Sensorelement, dessen Kapazität von derBeschleunigung in Richtung der Y-Achse abhängt, eine C/V-Wandlerschaltungund eine Signalverarbeitungsschaltung aufweisen.
    [0006] Indieser Konfiguration gibt es jedoch einen Nachteil. Dieser Nachteilwird in Erscheinung treten, wenn die Signalverarbeitungsschaltungenin Bezug auf die Richtung sowohl der X-Achse als auch der Y-Achsein synchrone Abtastvorgängegebracht werden. Das heißt,es ist schwierig fürdie Signalverarbeitungsschaltungen, die Spannungswerte präzise zuhalten, weil es verschiedene Einflüsse gibt, die von Faktoreneinschließlicheiner parasitärenKapazität,die unter Leitungsmustern vorliegen kann, herrühren. Solche Einflüsse werden,wenn sie tatsächlichauftreten, zu dem Problem führen,daß Änderungenin der Kapazitätan jedem Sensorelement nicht präziseerfaßtwerden können.
    [0007] DiesesProblem wird genauer beschrieben werden. Im allgemeinen verwendeteine Abtast-und-Halte-Schaltung einen Kondensator, welcher aufgeladenist, um eine Spannung zu halten (zu speichern). Falls zwischen Ausgangssignalleitungen vonbeiden C/V-Wandlerschaltungen in Bezug auf die Richtung der X-Achseein großerBetrag einer parasitärenKapazitätvorliegt, schwankt die von der C/V-Wandlerschaltung in Bezug aufdie Richtung der Y-Achse ausgegebene Spannung, wenn die Signalverarbeitungsschaltungin Bezug auf die Richtung der X-Achse eine Abtastung auf die vonder C/V-Wandlerschaltung in Bezug auf die Richtung der X-Achse ausgegebeneSpannung anwendet. Demzufolge ist die Signalverarbeitungsschaltungin Bezug auf die Richtung der Y-Achse gezwungen, die schwankendeSpannung abzutasten. Gleichzeitig ist ebenfalls wahr, daß, wenndie Signalverarbeitungsschaltung in Bezug auf die Richtung der Y-Achseeine Abtastung auf die von der C/V-Wandlerschaltung in Bezug aufdie Richtung der Y-Achseausgegebene Spannung anwendet, die Ausgangsspannung der C/V-Wandlerschaltungin Bezug auf die Richtung der X-AchseSchwankungen bewirkt. So hat die Signalverarbeitungsschaltung inBezug auf die Richtung der X-Achse keine andere Wahl, als die schwankendeSpannung abzutasten. Diese Abtastvorgänge ergeben Fehler in den durchdie jeweiligen Signalverarbeitungsschaltungen abgetasteten Spannungen.
    [0008] DasAuftreten dieser Art fehlerhafter Abtastvorgänge ist nicht auf die Konfigurationbeschränkt, inwelcher ein Sensor vom Kapazitätstypverwendet wird, sondern kann auch möglich sein, wenn andere Artenvon Sensoren eingesetzt werden. Ganz obenan ist zu beachten, daß ein solcherNachteil deutlich wird, wenn eine Mehrzahl von Sensorelementen des kapazitivenTyps auf dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
    [0009] DieseAusbildung wird zu einer Konfiguration führen, in welcher die Ausgangsanschlüsse derSensorelemente in Bezug auf die Richtung sowohl der X-Achse alsauch der Y-Achsedurch eine parasitäre Kapazität auf demgleichen Halbleitersubstrat wechselweise verbunden sind. Somit sindsowohl eine erste Signalleitung von dem Sensorelement in Bezug aufdie. Richtung der X-Achse zu der C/V-Wandlerschaltung in Bezug auf die Richtungder X-Achse als auch eine zweite Signalleitung von dem Sensorelementin Bezug auf die Richtung der Y-Achse zu der C/V-Wandlerschaltungin Bezug auf die Richtung der Y-Achse über die parasitäre Kapazität auf demHalbleitersubstrat wechselweise verbunden. Der durch die eine Signalverarbeitungsschaltungausgeführte Abtastvorgangweist daher einen starken Einfluß auf den durch die andereSignalverarbeitungsschaltung ausgeführten auf.
    [0010] Dievorliegende Erfindung ist unter gehöriger Beachtung der vorstehendenSchwierigkeiten gemacht worden, und eine erste Aufgabe der vorliegendenErfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Erfassen einer Mehrzahlphysikalischer Größen zu schaffen,welche in der Lage ist, eine solche Mehrzahl physikalischer Größen präzise zuerfassen. Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,eine Vorrichtung zum Erfassen einer Mehrzahl physikalischer Größen zu schaffen,welche in der Lage ist, eine solche Mehrzahl physikalischer Größen präzise zuerfassen, währenddie Vorrichtung weiterhin größenmäßig kompaktgehalten wird.
    [0011] Umdie erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen, wirdals ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtungzum Erfassen einer zu erfassenden physikalischen Größe bereitgestellt.Diese Vorrichtung weist eine Mehrzahl von Sensoreinheiten, eineMehrzahl von Prozessoren und ein Steuergerät auf. Von diesen erfaßt jededer Mehrzahl von Sensoreinheiten die physikalische Größe, um einSpannungssignal auszugeben, welches sich in Abhängigkeit von der erfaßten physikalischenGröße ändert. Jederder Mehrzahl von Prozessoren tastet ab und hält in Intervallen das von jeder derSensoreinheiten ausgegebene Spannungssignal. Das Steuergerät steuertdie Mehrzahl von Prozessoren so, daß die Prozessoren Abtastvorgänge zu unterschiedlichenvorbestimmten Zeitpunkten, die zueinander verschoben sind, durchführen.
    [0012] Esist daher möglich,eine Situation zu beseitigen oder zu verbessern, in welcher derAbtastvorgang, der durch eine Abtast-und-Halte-Schaltung jedes derProzessoren ausgeführtwird, die andere in Bezug auf eine Abtastgenauigkeit in hohem Maße beeinflußt. Fehlerin den abgetasteten und gespeicherten Spannungssignalen in jederder Abtast-und-Halte-Schaltungen können vermieden oder stark verringertwerden. Demgemäß ist dieVorrichtung in der Lage, die physikalische Größe (z.B. Beschleunigung) präzise zuerfassen.
    [0013] Eswird bevorzugt, daß jededer Mehrzahl von Sensoreinheiten mit einem kapazitiven Sensorelement,dessen Kapazitätsich in Abhängigkeitvon der zu erfassenden physikalischen Größe ändert, und einem Kapazitäts/Spannungs-Wandler,der eine Änderungin der Kapazitätdes Sensorelements umwandelt, um das Spannungssignal auszugeben,versehen ist und die Sensorelemente der Mehrzahl von Sensoreinheitenauf dem gleichen Substrat ausgebildet sind, um einen einzigen Sensorauszubilden. In dieser Konfiguration ist eine Situation, in welcherder durch eine Abtast-und-Halte-Schaltung jedes der ProzessorenausgeführteAbtastvorgang den anderen in Bezug auf eine Abtastgenauigkeit starkbeeinflußt,noch immer verbessert. Dies vermehrt den von einer Ausbildung derzwei Sensorelemente auf dem gleichen Substrat stammenden Vorteil,kompakt zu sein, in hohem Maße.
    [0014] Eswird weiter bevorzugt, daß jedesder Sensorelemente einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensatoraufweist, die elektrisch in Reihe zueinander geschaltet sind, wobeiwenigstens einer des ersten und des zweiten Kondensators eine Kapazität aufweist,welche sich in Abhängigkeitvon der zu erfassenden physikalischen Größe ändert, und der erste und derzweite Kondensator ein erstes und ein zweites Ansteuerungs-Rechteckwellensignalempfängt,deren Phasen einander entgegengesetzt sind, und der Kapazitäts-Spannungs-Wandlereine Schaltung aufweist, welche eine Differenz zwischen Kapazitätswertendes ersten und des zweiten Kondensators in das Spannungssignal umwandelt,wobei ein Eingang der Schaltung mit einem Verknüpfungspunkt, der den erstenund den zweiten Kondensator elektrisch verbindet, elektrisch verbundenist.
    [0015] Diephysikalische Größe ist beispielsweise eineBeschleunigung, welche auf die Vorrichtung wirkt.
    [0016] Umdie zweite Aufgabe zu lösen,wird als ein zweiter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eineVorrichtung zum gleichzeitigen Erfassen einer Mehrzahl von zu erfassendenphysikalischen Größen bereitgestellt.Diese Vorrichtung weist eine Mehrzahl von Sensoreinheiten, eineMehrzahl von Prozessoren und ein Steuergerät auf. Die Mehrzahl von Sensoreinheitenist auf dem gleichen Substrat ausgebildet, um einen einzigen Sensorauszubilden, und erfaßtjeweils jede der physikalischen Größen, um ein Spannungssignalauszugeben, welches sich in Abhängigkeitvon jeder der erfaßendenphysikalischen Größen ändert. Jederder Mehrzahl von Prozessoren tastet ab und hält jeweils mit einer vorbestimmten Frequenzdas durch jede der Sensoreinheiten ausgegebene Spannungssignal,um abgetastete und gehaltene Spannungssignale zu erzeugen, die ausder Vorrichtung als Information, welche die Mehrzahl der zu erfassendenphysikalischen Größen angibt,auszugeben ist. Das Steuergerätsteuert die Mehrzahl von Prozessoren so, daß die Prozessoren Abtastvorgänge mitunterschiedlichen vorbestimmten Phasen, die zueinander verschobensind, währendeines durch die vorbestimmte Frequenz definierten Intervalls durchführen.
    [0017] DieErfassungsvorrichtung mit dieser Konfiguration ist in der Lage,eine Mehrzahl von physikalischen Größen präzise zu erfassen, während dieVorrichtung weiterhin größenmäßig kompaktgehalten wird.
    [0018] AndereAufgaben und Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung werden ausder nachstehenden Beschreibung und Ausführungsformen mit Bezug aufdie begleitenden Zeichnungen ersichtlich werden, in welchen:
    [0019] 1 ein Schaltbild ist, welchesdie Konfiguration einer Beschleunigungserfassungsvorrichtung gemäß einerAusführungsformder vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Beschleunigungserfassungsvorrichtungals eine Vorrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe gemäß der vorliegenden Erfindungdient;
    [0020] 2 ein Zeitablaufdiagrammist, welches die Vorgängeder Beschleunigungserfassungsvorrichtung der Ausführungsformerläutert;
    [0021] 3 ein Schaltbild ist, welcheseingesetzt ist, um Vorteile der Ausführungsform zusammen mit denGründenfür mitdem Stand der Technik verbundene Probleme zu erläutern;
    [0022] 4A ein Zeitablaufdiagrammist, welches ein Problem im Zusammenhang mit dem Stand der Technikerläutert;und
    [0023] 4B ein Zeitablaufdiagrammist, welches einen vorteilhaften Betrieb erläutert, der durch die Vorrichtunggemäß der Ausführungsformausgeführt wird.
    [0024] MitBezug auf 1 bis 4A und 4B wird nun eine Ausführungsform einer Vorrichtungzur Erfassung einer physikalischen Größe gemäß der vorliegenden Erfindungbeschrieben werden.
    [0025] DieVorrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe gemäß der vorliegendenErfindung ist der Erfassung einer in einer Mehrzahl von Richtungen(in der vorliegenden Erfindung zwei Richtungen einer Richtung einerX-Achse und einerRichtung einer Y-Achse des füreinen durch diese Vorrichtung eingesetzten Sensor festgelegten orthogonalenKoordinatensystems) zu erzeugenden Beschleunigung zugeordnet undwird in der Praxis auf eine "Beschleunigungserfassungsvorrichtung" reduziert. Die Größen derzwei Arten von Beschleunigung, die in solchen zwei Richtungen erzeugtwerden, werden als eine Mehrzahl physikalischer Größen gemäß der vorliegendenErfindung behandelt.
    [0026] Wiein 1 gezeigt, weistdie Beschleunigungserfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden AusführungsformSensorelemente 10x und 10y auf, welche dafür verantwortlichsind, eine in der Richtung der X-Achse bzw. der Y-Achse zu erzeugendeBeschleunigung zu erfassen und Spannungssignale auszugeben, welcheder erfaßtenBeschleunigung entsprechen. Darüberhinaus weist die Beschleunigungserfassungsvorrichtung C/V-(Kapazität/Spannung)-Wandlerschaltungen 2x und 2y sowieSignalverarbeitungsschaltungen 3x und 3y auf, welchefür jedesder Sensorelemente 10x und 10y getrennt angeordnetsind.
    [0027] Indieser Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen zeigt einSuffix "x", welches den Bezügen für Komponenten,Blöckeund Signale angefügt ist,daß dieseKomponenten, Blöckeund Signale zu einer Konfiguration zur Erfassung der in der Richtung derX-Achse erzeugten Beschleunigung gehören. Dies trifft auf ein Suffix "y" zu, welches den Bezügen für Komponenten, Blöcke undSignale angefügtist, welches zeigt, daß dieseFaktoren zu einer weiteren Konfiguration zur Erfassung der in derRichtung der Y-Achse erzeugten Beschleunigung gehören. Nachstehend beziehtsich der Ausdruck "inBezug auf die Richtung der X-Achse" auf die Erfassung einer Beschleunigungin der Richtung der X-Achse, und ein Ausdruck "in Bezug auf die Richtung der Y-Achse" bezieht sich aufdie Erfassung einer Beschleunigung in der Richtung der Y-Achse.
    [0028] Vonden Sensorelementen 10x und 10y ist ein Element 10x mitfeststehenden Elektroden 11 und 13 und einer beweglichenElektrode 12, deren Position in Abhängigkeit von einer in der Richtungder X-Achse erzeugten Beschleunigung verschoben werden kann, ausgestattet.Somit ist zwischen der einen feststehenden Elektrode 11 undder beweglichen Elektrode 12 ein erster Kondensator (dieKapazität beträgt C1) ausgebildet,währendzwischen der anderen feststehenden Elektrode 13 und derbeweglichen Elektrode 12 ein zweiter Kondensator (die Kapazität beträgt C2) ausgebildetist. Sowohl der erste als auch der zweite Kondensator sind angeordnet, umihre KapazitätenC1 und C2 in einer differentiellen Kapazität auszubilden. In anderen Worten,der erste und der zweite Kondensator sind miteinander elektrischin Reihe gekoppelt, und eine Kapazitätsdifferenz (= C1–C2) ändert sich,wenn die bewegliche Elektrode 12 ihre Lage in Abhängigkeitvon einer Beschleunigung in der Richtung der X-Achse verschiebt.
    [0029] DasSensorelement 10x weist beide Knoten, die mit den feststehendenElektroden 11 bzw. 13 verbunden sind, auf. Ansteuerungs-RechteckwellenP1x und P2x, welche zueinander entgegengesetzte Phasen (d.h. einePhasendifferenz von 180 Grad) aufweisen , sind jeweils an die zweiKnoten angelegt. Jede der Ansteuerungs-Rechteckwellen P1x und P2xinvertiert mit einer Frequenz, die hinreichend höher als eine Resonanzfrequenzder beweglichen Elektrode 12 ist.
    [0030] Andererseitsweist das Sensorelement 10y nahezu die gleiche Konfigurationwie das Sensorelement 10x auf. Das heißt, feststehende Substrate 11 und 13 undein bewegliches Substrat 12 sind in dem Sensorelement 10y ingleicher Weise wie oben enthalten. Allerdings gibt es eine Ausnahmedahin, daß dieseSubstrate so angeordnet sind, daß sie der beweglichen Elektrode 12 erlauben,in Reaktion auf eine Beschleunigung in der Richtung der Y-Achse verschobenzu werden. Wie in dem Sensorelement 10x sind an beide Knotendes Sensorelements 10y, an welchen die feststehenden Elektroden 11 und 13 angekoppeltsind, gegenphasige Rechteckwellen P1y und P2y jeweils als Ansteuerungssignaleangelegt. Diese Ansteuerungs-Rechteckwellen invertieren ebenfallsmit einer Frequenz, die hinreichend höher als die Resonanzfrequenzder beweglichen Elektrode 12 ist.
    [0031] Inder vorliegenden Ausführungsformsind diese zwei Sensorelemente 10x und 10y aufdem gleichen Halbleitersubstrat SB ausgebildet, um einen einzigenBeschleunigungssensor 1 auszubilden.
    [0032] Nunwerden Beschreibungen der C/V-Wandlerschaltungen 2x und 2y undder Signalverarbeitungsschaltungen 3x und 3y gegebenwerden. Die beiden C/V-Wandlerschaltungen 2x und 2y weisen diegleiche Schaltungsanordnung auf, und die beiden Signalverarbeitungsschaltungen 3x und 3y weisen diedie gleiche Schaltungsanordnung auf, und die Beschreibung wird sichnun auf diejenigen in Bezug auf die Richtung der X-Achse (d.h. dieC/V-Wandlerschaltung 2x und die Signalverarbeitungsschaltung 3x)konzentrieren.
    [0033] DieC/V-Wandlerschaltung 2x ist mit einem Operationsverstärker 21,einem dritten Kondensator 22 und einem Schalter 23 ausgestattet,wie in 1 gezeigt. Von diesenstellt der Operationsverstärker 21 zweiAnschlüssebereit, die als ein Eingang und ein Ausgang dieser Schaltung 2x dienen.Der dritte Kondensator 22 (dessen Kapazität Cf beträgt) istzwischen einem invertierenden Eingangsanschluß (negativen Eingang) und einemAusgangsanschluß des Operationsverstärkers 21 elektrischangeschlossen. Der Schalter 23 ist ebenfalls parallel zudem Kondensator 22, das heißt, zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß und demAusgangsanschluß des Operationsverstärkers 21,angeschlossen. Somit ist die C/V-Wandlerschaltung 2x ineine Schaltkondensatorschaltung ausgebildet.
    [0034] Derinvertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 21 istmit einem Ausgangsanschluß desSensorelements 10x (um genau zu sein, der beweglichen Elektrode 12,die als ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensatorfungiert) elektrisch verbunden. Ein nichtinvertierender Eingangsanschluß (positiverEingang) des Operationsverstärkers 21 istelektrisch mit einer Energieversorgung elektrisch verbunden, um einekonstante Referenzspannung Vr hiervon zu empfangen. In der vorliegendenAusführungsformist die Referenzspannung Vr auf einen Wert (= 2,5 V) festgelegt,welcher die Hälfteder Energieversorgungsspannung (5V in der vorliegendenAusführungsform)für jedeSchaltungskomponente in der Vorrichtung ist. Der Schalter 23 istso konfiguriert, daß erdurch ein hieran angelegtes Schaltsignal SRx einausgeschaltet wird.
    [0035] DieSignalverarbeitungsschaltung 3x ist angeordnet, um eineAusgangsspannung Vsx aus der C/V-Wandlerschaltung 2x (d.h. dem Ausgangdes Operationsverstärkers 21)in Intervallen synchron mit den Rechteckwellen P1x und P2x abzutastenund zu halten. In dieser Schaltung 3x werden von der Abtast-und-Halte-Verarbeitungresultierende Signale dann einer vorbestimmten Signalverarbeitungunterzogen, um ein Erfassungssignal OUTx auszugeben, welches voneiner auf die bewegliche Elektrode 12 des Sensorelements 10x wirkendenBeschleunigung in Richtung der X-Achse abhängt. Um solche Operationenaufzuweisen, ist die Signalverarbeitungsschaltung 3x mitzwei Abtast-und-Halte-Schaltungen 4x und 5x,einer Differentialverstärkerschaltung 6x und einemTiefpaßfilter(LPF) 7x ausgestattet. Die Differentialverstärkerschaltung 6x wendeteine Differentialverstärkungauf die Ausgängeaus den zwei Abtast-und-Halte-Schaltungen 4x und 5x an.
    [0036] DieAbtast-und-Halte-Schaltung 4x ist mit einem Operationsverstärker 41,dessen invertierender Eingangsanschluß elektrisch mit seinem Ausgangsanschluß verbundenist, einem Kondensator 42 zur Abtast-und-Halte-Verarbeitungund einem Schalter 43 ausgestattet. Der Kondensator 42 istzwischen einem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 41 undder Masse (das Potential beträgt0 V) eingesetzt. Ferner ist der Schalter 43 angeordnet,um zwischen dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 41 unddem Ausgangsanschluß desOperationsverstärkers 21 derC/V-Wandlerschaltung 2x zu öffnen und zuschließen.
    [0037] Wennder Schalter 43 in Reaktion auf ein Schaltsignal S1x eingeschaltetwird, arbeitet die Abtast-und-Halte-Schaltung 4x, um die AusgangsspannungVsx aus der C/V-Wandlerschaltung 2x abzutasten(zu speichern) und die abgetastete Spannung Vsx auch nach Ausschaltendes Schalters 43 zu halten. Dieser Haltevorgang ermöglicht demOperationsverstärker 41,seinen Ausgang auf der abgetasteten Spannung Vsx aufrechtzuerhalten.
    [0038] Wiedie Abtast-und-Halte-Schaltung 4x ist die andere Abtast-und-Halte-Schaltung 5x miteinem Operationsver stärker 51,dessen invertierender Eingangsanschluß mit seinem Ausgangsanschluß elektrischverbunden ist, einem Kondensator 52 und einem Schalter 53 ausgestattet.Der Kondensator 52 ist zwischen einem nichtinvertierendenEingangsanschluß desOperationsverstärkers 51 undder Masse eingesetzt. Ferner ist der Schalter 53 angeordnet,um zwischen dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 51 unddem Ausgangsanschluß desOperationsverstärkers 21 der C/V-Wandlerschaltung2x zu öffnenund zu schließen.
    [0039] Indieser Abtast-und-Halte-Schaltung 5x wird der gleiche Abtast-und-Halte-Vorgangwie oben ausgeführt.Das heißt,wenn der Schalter 53 in Reaktion auf ein Schaltsignal S2xeingeschaltet wird, arbeitet die Abtast-und-Halte-Schaltung 5x, um dieAusgangsspannung Vsx aus der C/V-Wandlerschaltung 2x abzutastenund die abgetastete Spannung Vsx auch nach Ausschalten des Schalters 53 zuhalten. Dieser Haltevorgang ermöglichtdem Operationsverstärker 51,seinen Ausgang auf der abgetasteten Spannung Vsx aufrechtzuerhalten.
    [0040] DieDifferentialverstärkerschaltung 6x istmit einem Operationsverstärker 61 undWiderständen 62 bis 65 versehen.Von den Widerständen 62 bis 65 ist derWiderstand 62 zwischen einem invertierenden Eingangsanschluß und einemAusgangsanschluß desOperationsverstärkers 61 angeschlossen.Der Widerstand 63 ist zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 61 und demAusgangsanschluß desvorherigen Operationsverstärkers 41 angeschlossen.Der Widerstand 64 tritt dazwischen, um einen nichtinvertierendenEingangsanschluß desOperationsverstärkers 61 mitder Masse zu verbinden. Ferner ist der Widerstand 65 angeordnet,um den nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 61 mitdem Ausgangsanschluß desOperationsverstärkers 51 zuverbin den. Somit bewirkt die Differentialverstärkerschaltung 6x,daß ihrOperationsverstärker 61 aneinem Ausgangsanschluß hiervonein Spannungssignal bereitstellt, welches einer Differenz zwischeneinem Ausgang aus der einen Abtast-und-Halte-Schaltung 5x (d.h.der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 51) und einemAusgang aus der anderen Abtast-und-Halte-Schaltung 4x (d.h.der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 41) entspricht.
    [0041] DerTiefpaßfilter 7x istnach der Differentialverstärkerschaltung 6x soangeordnet, daß derAusgang der Differentialverstärkerschaltung 6x einer Tiefpaßfilterungunterworfen wird, wodurch hochfrequentes Rauschen aus dem Ausgangssignalentfernt wird. Das entstörte(d.h. das tiefpaßgefilterte)Ausgangssignal wird als das Erfassungssignal OUTx bereitgestellt.
    [0042] Darüber hinausist in der C/V-Wandlerschaltung in Bezug auf die Richtung der Y-Achse 2y eininvertierender Eingangsanschluß einesOperationsverstärkers 21 mitdem Ausgangsanschluß (d.h.der beweglichen Elektrode 12) des Sensorelements 10y elektrischverbunden und spricht ein Schalter 23 auf ein SchaltsignalSRy an, um Ein/Aus zu machen. In der Signalverarbeitungsschaltungin Bezug auf die Richtung der Y-Achse 3y sind Abtast-und-Halte-Schaltungen 4y und 5y vorgesehen,welche Schalter 43 bzw. 53 enthalten. Die Schalter 43 und 53 können imAnsprechen auf ein Schaltsignal S1y bzw. S2y ein-/ausgeschaltetwerden.
    [0043] Zusätzlich zuden vorgenannten Konfigurationen ist die Beschleunigungserfassungsvorrichtung gemäß der vorliegendenAusführungsformmit einer Steuerschaltung 8 versehen. Diese Steuerschaltung 8 beinhaltetals ihre wesentliche Komponente einen Mikrocomputer 8A.Somit wird der Steuerschaltung 8 auf der Grundlage einesSoftware basierten Vorgangs des Mikrocomputers (CPU) 8A ermöglicht,die vorgenannten Rechteckwellen P1x, P2x, P1y und P2y und die SchaltsignaleSRx, S1x, S2x, SRy, S1y und S2y zu Zeitpunkten, die in 2 gezeigt sind, bereitzustellen.Die vorgenannte Ausführungsformsetzt an den entsprechenden Schaltern eine Schaltweise ein, wenndie Schaltsignale SRx, S1x, S2x, SRy, S1y und S2y einen hohen Pegelannehmen. Die Steuerschaltung 8 kann, falls erforderlich,durch Verwendung digitaler Logikschaltungen hergestellt sein.
    [0044] Inder vorliegenden Beschleunigungserfassungsvorrichtung werden dieErfassungssignale OUTx und OUTy aus den Signalverarbeitungsschaltungen 3x und 3y derSteuerschaltung 8 oder einem von der Steuerschaltung 8 verschiedenenProzessor zugeführt.Entweder die Steuerschaltung 8 oder der Prozessor verwendetdie Erfassungssignale OUTx und OUTy, um Werte der Beschleunigungzu berechnen, die in der Richtung sowohl der Y-Achse als auch derY-Achse erzeugt werden.
    [0045] DieVorgängeder vorliegenden Beschleunigungserfassungsvorrichtung werden nunmit Bezug auf 2 erläutert werden.
    [0046] Zuerstwird eine Erläuterungbezüglicheines Kanals in Bezug auf die Richtung der X-Achse gegeben werden,der aus dem Sensorelement 10x, der C/V-Wandlerschaltung2x und der Signalverarbeitungsschaltung 3x besteht.
    [0047] Wiebeschrieben, werden den feststehenden Elektroden 11 und 13 desSensorelements 10x die zueinander gegenphasigen RechteckwellenP1x und P2x als Ansteuerungssignale zugeführt, welche in 2 in dem ersten und zweiten Ablaufdiagramm vonoben gezeigt sind. Jede der Rechteck wellen P1x und P2x weist eineAmplitude von 5 V auf (hoch = 0 V; tief = 5 V) .
    [0048] Diebewegliche Elektrode 12 in dem Sensorelement 10x empfängt dasAnlegen einer Referenzspannung Vr von 2,5 V als eine Vorspannungunter dem Betrieb des Operationsverstärkers 21 in der C/V-Wandlerschaltung 2x.Diese Spannungsanlegung erzeugt eine Spannungsdifferenz von 2,5V, welche stets an den zwischen der beweglichen und der feststehendenElektrode 12 und 11 ausgebildeten ersten Kondensator(KapazitätC1) und den zwischen der beweglichen und der feststehenden Elektrode 12 und 13 ausgebildetenzweiten Kondensator (KapazitätC2) angelegt wird.
    [0049] Daeine Phasendifferenz zwischen den zwei Ansteuerungs-RechteckwellenP1x und P2x von 180 Grad vorliegt, wird in der beweglichen Elektrode 12, diegemeinsam fürsowohl den ersten als auch den zweiten Kondensator verwendet wird,eine elektrische Ladung aufgespeichert, deren Betrag proportionalzu sowohl einer Differenz von "C1-C2" als auch der Amplitude(= 5V) jeder Rechteckwelle P1x (P2x) ist. Änderungen in der Differenz "C1-C2" sind Positionsverschiebungender beweglichen Elektrode 12 zuordenbar, welche somit proportionalzu Änderungenin der Beschleunigung sind. Es ist daher möglich, Änderungen in der Kapazität (d.h. Änderungenin der Beschleunigung) durch Erfassen von Änderungen in dem Betrag derelektrischen Ladung zu erfassen.
    [0050] Wiein 2 dargestellt, wirdder Erfassungszustand in vier Stufen (I) bis (IV) klassifiziert. DieStufe (I) gibt einen Rücksetzvorgang,die Stufe (II) gibt einen Abtast-und-Halte-Vorgang 1, dieStufe (III) gibt einen Schaltvorgang der Rechteckwellen, und dieStufe (IV) gibt einen Abtast-und-Halte-Vorgang 2. EineKette dieser Stufen, beginnend mit der Rücksetzung, dem Abtasten und Halten1, dem Umschalten der Rechteckwellen, und dem Abtasten und Halten 2,wird beispielsweise mit Intervallen von 10 μs wiederholt. In dieser Ausführungsformwird eine Annahme derart vorgenommen, daß die Kondensatoren C1 undC2 so festgelegt sind, daß C1>C2.
    [0051] Während desIntervalls der Rücksetzstufe(I) bewirkt das Schaltsignal SRx, daß der Schalter 23 derC/V-Wandlerschaltung 2x einschaltet, wodurch die Endendes Kondensators 22 kurzgeschlossen werden (was als einReferenzzustand bezeichnet wird). In diesem Referenzzustand bewirkensowohl die Beziehung von C1>C2als auch die Beziehung der an die feststehenden Elektroden 11 und 13 angelegtenSpannungen (das heißt,P1x = 5 V und P2x = 0 V), daß diebewegliche Elektrode 12 eine negative elektrische Ladungaufweist, deren Betrag größer als derpositive ist.
    [0052] Inder nächstenStufe (II) wird die Ausgangsspannung Vsx der C/V-Wandlerschaltung 2x,welche in dem Referenzzustand (der Schalter 23 ist aufEin gestellt) erhalten wird, durch die Abtast-und-Halte-Schaltung 4x zurSpeicherung abgetastet. Diese Abtastung wird durch das Schaltsignal S1x,welches ermöglicht,daß derSchalter 43 in der Abtast-und-Halte-Schaltung 4x nurwährendeiner vorbestimmten Zeitdauer einschaltet, verwirklicht.
    [0053] DieStufe (II) wird von der Stufe (III) gefolgt, welche mit einer Inversionder Spannung jeder der Rechteckwellen P1x und P2x, die an die feststehendenElektroden 11 und 13 angelegt sind, von 5 V auf 0V bzw. von 0 V auf 5 V beginnt. Im Ansprechen auf diese Inversionender Ansteuerungs-Rechteckwellen P1x und P2x wird die beweglicheElektrode 12 gezwungen, die elektrische Ladung aufzuweisen,in welcher die positive im Betrag größer als die negative ist. Daein geschlossener Kreis die bewegliche Elektrode 12 undden Kondensator 22 der C/V-Wandlerschaltung 2x verbindet,ist der Betrag der während derStufe (I) erhaltenen elektrischen Ladung bewahrt worden. Demzufolgeist die negative elektrische Ladung, die von den ausgeglichenennegativen und positiven elektrischen Ladungen an der beweglichen Elektrode 12 überfließt, gezwungen,sich in den Kondensator 22 zu bewegen (welcher mit demnichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 21 verbundenist).
    [0054] Aufgrunddieser Bewegung der negativen elektrischen Ladung wird die positiveelektrische Ladung erzwungenermaßen an der gegenüberliegendenElektrode des Kondensators 22 aufgespeichert, welche mitdem Ausgangsanschluß desOperationsverstärkers 21 verbundenist. Somit erfährtdie Ausgangsspannung Vsx der C/V-Wandlerschaltung 2x eine Änderungin Proportionalitätzu einem Betrag der bewegten elektrischen Ladung (entsprechend "C1-C2") und in umgekehrterProportionalitätzu einer KapazitätCf des Kondensators 22 auf der Grundlage einer Formel vonQ = Cf·V.
    [0055] Dannfolgt die Stufe (IV). In dieser Stufe wird zu einer vorbestimmtenZeit, unmittelbar wenn der Ausgang Vsx der C/V-Wandlerschaltung 2x nach Umschaltender Rechteckwellen P1x und P2x als hinreichend stabilisiert angenommenwerden kann, die Abtastung durchgeführt. Das heißt, zu dieserZeit wird die Ausgangsspannung Vsx durch die Abtast-und-Halte-Schaltung 5x abgetastetund gespeichert. Insbesondere bewirkt das Schaltsignal S2x, daß der Schalter 53 derAbtast-und-Halte-Schaltung 5x während einer vorbestimmten Zeitdauereinschaltet.
    [0056] Schließlich stelltder LPF 7x der Signalverarbeitungsschaltung 3x alsdas Erfassungssignal OUTx ein Spannungssignal bereit, welches vonder in der Richtung der X-Achse erzeugten Beschleunigung abhängt. DasSpan nungssignal, welches einen durch Subtrahieren eines AusgangswertsSH1 der Abtast-und-Halte-Schaltung 4x von einem AusgangswertSH2 der Abtast-und-Halte-Schaltung 5x erhaltenen Betragaufweist, ist sowohl zu der Differenz "C1-C2" als auch zu den Amplituden (= 5 V)der Ansteuerungs-Rechteckwellen P1x und P2x proportional und istzu der KapazitätCf des Kondensators 22 umgekehrt proportional, wobei dieAusgangswerte SH1 und SH2 Ausgangsspannungen der C/V-Wandlerschaltung2x sind, die in den Stufen (II) bzw. (IV) gespeichert wurden. Dieumgekehrt proportionale Spannung ist definiert durch SH2-SH1 = {(C1-C2)/Cf}·5 [V].
    [0057] Andererseitswird der Kanal in Bezug auf die Richtung der Y-Achse, der aus demSensorelement 10y, der C/V-Wandlerschaltung 2y und derSignalverarbeitungsschaltung 3y besteht, mit Ausnahme derZeitabstimmung der Steuerung im Wesentlichen in gleicher Weise wieder Kanal in Bezug auf die Richtung der X-Achse gesteuert. In derPraxis werden Schalter 43 und 53 von Abtast-und-Halte-Schaltungen 4y und 5y ineiner Zeitabstimmung, die sich von jener der Abtast-und-Halte-Schaltungen 4x und 5x unterscheidet,ein- und ausgeschaltet.
    [0058] Wiein 2 gezeigt, sind,obwohl Rechteckwellen P1y und P2y und ein Schaltsignal SRy in Bezugauf die Richtung der Y-Achse aus der Steuerschaltung 8 zurgleichen Zeit wie jene fürdie Richtung der X-Achse ausgegeben werden, Schaltsignale S1y undS2y in Bezug auf die Richtung der Y-Achse in einer Zeitabstimmungvon den Schaltsignalen S1x und S2x in Bezug auf die Richtung derX-Achse verschieden. Um genau zu sein, ist die Steuerschaltung 8 sokonfiguriert, daß dieSchaltsignale S1y und S2y in Bezug auf die Richtung der Y-Achsewährendder in 2 gezeigten Stufen(II) und (IV) in ihren Ausgabezeitpunkten bezüglich den Schaltsignalen S1xund S2x in Bezug auf die Richtung der X-Achse positiv verschobensind. Diese Zeitverschiebung macht es möglich, die Abtastzeit zwischenden Signalverarbeitungsschaltungen 3x und 3y inBezug auf die Richtung der X-Achse und der Y-Achse positiv zu verschieben.
    [0059] Einegenauere Erläuterungkann wie folgt gegeben werden. Das Schaltsignal S1y wächst aufeinen hohen Pegel, der nur füreine vorbestimmte Zeitdauer innerhalb eines verbleibenden IntervallsIL1 der Stufe (II) anhält,wobei das Intervall IL1 von der Rückkehr des Schaltsignals S1xauf seinen niedrigen Pegel bis zu dem Ende der Stufe (II) beginnt.In einer ähnlichenWeise wie dieser wächstdas Schaltsignal S2y auf einen hohen Pegel, der nur für eine vorbestimmteZeitdauer innerhalb eines verbleibenden Intervalls IL2 der Stufe(IV) anhält,wobei das Intervall IL2 von der Rückkehr des Schaltsignals S2xauf seinen niedrigen Pegel bis zu dem Ende der Stufe (IV) beginnt.Demgemäß ist dieAbtastzeit in den Abtast-und-Halte-Schaltungen 4x und 4y zueinander verschobenund ist auch die Abtastzeit in den Abtast-und-Halte-Schaltungen 5x und 5y zueinander verschoben.
    [0060] DerGrund dafür,daß dieAbtastzeit zwischen der Schaltungsanordnung in Bezug auf die Richtungder X-Achse und der Schaltungsanordnung in Bezug auf die Richtungder Y-Achse wie vorstehend gegenseitig verschoben ist, liegt ineiner Vermeidung einer Interferenz hierzwischen. In anderen Worten,die Interferenz wird auftreten, wenn abgetastete Signale in derSchaltungsanordnung einer Seite aufgrund einer Kopplung zwischenden Schaltungssignalleitungen im Wege einer parasitären Kapazität, von Schwankungenin dem Potential des Sensorsubstrats, eines Bypass-Signals und anderenin die Schaltungsanordnung der anderen Seiten eindringen. Fallssolch ein Ereignis eintritt, werden die abgetasteten Signale fehlerhaft.
    [0061] Dieserfehlerhafte Abtastvorgang kann vermieden oder stark verbessert werden,indem die Abtastzeit wie oben verschoben wird.
    [0062] Einpraktisches Beispiel ist wie folgt. Zuerst sei, wie in 3 gezeigt, angenommen, daß es einen parasitären Kondensator 31 zwischenden Ausgangssignalleitungen von den C/V-Wandlerschaltungen in Bezugauf die Richtung sowohl der X-Achse als auch der Y-Achse 2x und 2y gibt.
    [0063] Indieser Situation gibt es eine Möglichkeit, daß die Abtastvorgänge derAbtast-und-Halte-Schaltungen in Bezug auf die Richtung der X-Achse 4x und 5x gegendie Ausgangsspannung Vsx der C/V-Wandlerschaltung in Bezug auf dieRichtung der X-Achse 2x bewirken, daß die Ausgangsspannung Vsyder C/V-Wandlerschaltung in Bezug auf die Y-Achse 2y schwankt. In ähnlicherWeise wie vorstehend gibt es eine Möglichkeit, daß die Abtastvorgänge derAbtast-und-Halte-Schaltungenin Bezug auf die Richtung der Y-Achse 4y und 5y gegendie Ausgangsspannung Vsy der C/V-Wandlerschaltungin Bezug auf die Richtung der Y-Achse 2y bewirken, daß die AusgangsspannungVsx der C/V-Wandlerschaltung in Bezug auf die X-Achse 2x schwankt.
    [0064] Dahertreten dann, wenn die Abtast-und-Halte-Schaltungen in Bezug aufdie Richtung sowohl der X-Achse als auch der Y-Achse 4x und 4y zurgleichen Zeit Signale abtasten, wie in 4A dargestellt, verschiedene Problemeauf. Das heißt,es gibt eine Möglichkeit,daß dieAusgangsspannung Vsy der C/V-Wandlerschaltung 2y, welche aufgrundeines Einflusses des Abtastvorgangs an der Abtast-und-Halte-Schaltung 4x geschwankthat, durch die Abtast-und-Halte-Schaltung 4y in Bezug aufdie Richtung der Y-Achse fehlerhaft gespeichert wird. Die gegenüber Vorstehendemgegenteilige Situation ist ebenfalls zutreffend. Es gibt auch eineMöglichkeit,daß dieAusgangs spannung Vsx der C/V-Wandlerschaltung 2x, welcheaufgrund eines Einflusses des Abtastvorgangs an der Abtast-und-Halte-Schaltung 4y geschwankthat, durch die Abtast-und-Halte-Schaltung 4x inBezug auf die Richtung der X-Achse fehlerhaft gespeichert wird.
    [0065] Demzufolgewerden die durch die Abtast- und Halteschaltungen 4x und 4y abgetastetenund gespeicherten Spannungssignale fehlerhaft und sind nicht zuverlässig. Diein der Richtung sowohl der X-Achse als auch der Y-Achse zu erzeugendeBeschleunigung kann nicht mehr akkurat erfaßt werden. Dieser Nachteiltrifft auf die Beziehung zwischen den Abtast- und Halteschaltungenin Bezug auf die Richtung der X-Achse und der Y-Achse 5x und 5y zu.
    [0066] Insbesonderesetzt die vorliegende Beschleunigungserfassungsvorrichtung den einzigenBeschleunigungssensor 1 ein, der aus den zwei auf dem gleichenHalbleitersubstrat ausgebildeten Sensorelementen 10x und 10y besteht.Daher ist eine Möglichkeitunvermeidlich, daß diezwei Ausgangsanschlüsse(das heißt,die beweglichen Elektroden 12) der zwei Sensorelemente 10x und 10y durcheinen parasitärenKondensator 15 auf dem Halbleitersubstrat des Sensors 1 miteinanderverknüpftwerden. Signalleitungen, die aus den Sensorelementen 10x und 10y zuden C/V-Wandlerschaltungen 2x und 2y führen, werdensomit durch den parasitärenKondensator 15 miteinander verknüpft. Aufgrund dieses Verknüpfungswegsweist der durch die Abtast-und-Halte-Schaltungin der einen der Signalverarbeitungsschaltungen 3x und 3y ausgeführte Abtastvorgangin einer Abtastgenauigkeit einen großen Einfluß auf den durch die Abtast-und-Halte-Schaltungin der anderen Signalverarbeitungsschaltung ausgeführten auf.
    [0067] Umeinen solchen Nachteil zu beseitigen oder eine solche Unannehmlichkeitstark zu verbessern, hat die vorliegende Beschleunigungsvorrichtungdie Art und Weise der positiven Zeitverschiebung eingesetzt, wiein 2 gezeigt. Die Abtastzeit zwischenden Signalverarbeitungsschaltungen 3x und 3y (genauergesagt, die Abtastzeit zwischen den Abtast-und-Halte-Schaltungen 4x und 4y unddie zwischen den Abtast-und-Halte-Schaltungen 5x und 5y)ist bewußtverzögert,wie zuvor erläutert.
    [0068] Esist daher möglich,eine Situation, in welcher der durch die Abtast-und-Halte-Schaltungjeder der Signalverarbeitungsschaltungen 3x und 3y ausgeführte Abtastvorgangden anderen in Bezug auf die Abtastgenauigkeit stark beeinflußt, zu beseitigen oderzu verbessern. Fehler der in jeder Abtast-und-Halte-Schaltung abgetastetenund gespeicherten Spannungssignale können vermieden oder stark vermindertwerden.
    [0069] Beispielsweisekann, wie in 4B dargestellt,ein fehlerhafter Abtastvorgang vermieden werden. Genauer gesagtwird selbst dann, wenn eine Schwankung in der Ausgangsspannung Vsyder C/V-Wandlerschaltung in Bezug auf die Richtung der Y-Achse 2y während desdurch die Abtast-und-Halte-Schaltung 4x in Bezug auf dieRichtung der X-Achse ausgeführtenAbtastvorgangs vorliegt, vermieden, daß die Abtast-und-Halte-Schaltung 4y einefehlerhafterweise schwankende Ausgangsspannung Vsy der C/V-Wandlerschaltung 2y,die durch den Abtastvorgang an der Abtast-und-Halte-Schaltung 4x verursachtwird, speichert. Dies liegt daran, daß die Abtast-und-Halte-Schaltungin Bezug auf die Richtung der Y-Achse 4y so gesteuert wird,daß siedie Ausgangsspannung Vsy der C/V-Wandlerschaltung 2y zuZeiten abtastet, die sich von denen der Abtast-und-Halte-Schaltung 4x unterscheiden.
    [0070] Diegleiche Zeitsteuerung wird auf die Abtast-und-Halte-Schaltung in Bezug auf die Richtung derX-Achse 4x angewendet. Das heißt, selbst wenn es eine Schwankungin der Ausgangsspannung Vsx der C/V-Wandlerschaltung in Bezug aufdie Richtung der X-Achse 2x während des durch die Abtast-und-Halte-Schaltungin Bezug auf die Richtung der Y-Achse 4y ausgeführten Abtastvorgangsgibt, wird verhindert, daß dieAbtast-und-Halte-Schaltung 4x eine fehlerhafterweise schwankendeAusgangsspannung Vsx der C/V-Wandlerschaltung 2x, die durchden Abtastvorgang an der Abtast-und-Halte-Schaltung 4y verursachtwird, speichert. Dies liegt daran, daß die Abtast-und-Halte-Schaltungin Bezug auf die Richtung der X-Achse 4x so gesteuert wird, daß sie dieAusgangsspannung Vsx der C/V-Wandlerschaltung 2x zu anderenZeiten als denen fürdie Abtast-und-Halte-Schaltung 4y abtastet.
    [0071] DiesesPrinzip trifft auch auf die Beziehung zwischen den Abtast-und-Halte-Schaltungenin Bezug auf die Richtung der X-Achse und der Y-Achse 5x und 5y zu.
    [0072] Demgemäß ist dieBeschleunigungserfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsformin der Lage, eine in Richtungen sowohl der X-Achse als auch derY-Achse erzeugte Beschleunigung auf den Sensor 1 präzise zuerfassen. Dies verbessert den Vorteil, kompakt zu sein, der ausder Ausbildung der zwei Sensorelemente 10x und 10y aufdem gleichen Substrat SB stammt, in hinreichender Weise.
    [0073] Inder vorliegenden Ausführungsformentsprechen ein Bauteil, das aus dem Sensorelement 10x undder C/V-Wandlerschaltung 2x in Bezug auf die Richtung der X-Achsebesteht, und ein weiteres Bauteil, das aus dem Sensorelement 10y undder C/V-Wandlerschaltung 2y in Bezug auf die Richtung der Y-Achsebesteht, einer Mehrzahl von Sensor einheiten, von welchen jede einezu erfassende physikalische Größe erfaßt und einSpannungssignal ausgibt, dessen Wert von der physikalischen Größe abhängt.
    [0074] VerschiedeneModifikationen der vorstehenden Ausführungsform können alseine Konfiguration vorgesehen sein, die noch immer in den Kerngehalt dervorliegenden Erfindung fällt.
    [0075] Beispielsweiseist die Anzahl der Sensorelemente nicht immer auf die vorstehendenzwei Sensorelemente 10x und 10y, um die Beschleunigungin den zwei Richtungen zu erfassen, beschränkt. Es können drei oder mehr Sensorelementeeingesetzt werden, solange an den drei oder mehr Sensorelementenjeweils Signalverarbeitungsschaltungen vorgesehen sind, die ausgelegtsind, um zu gegenseitig verschobenen Abtastzeiten zu arbeiten.
    [0076] Bezüglich derzu erfassenden physikalischen Größe sindebenfalls Variationen vorgesehen. Andere physikalische Größen alseine Beschleunigung, wie etwa eine Gierrate und ein Druck, können inder gleichen Weise wie vorstehend erfaßt werden. Ferner kann derals die Erfassungseinrichtung fungierende Sensor in anderen Typenhergestellt sein, ohne auf den kapazitiven Sensor, dessen Kondensatorvon einer mechanischen Energie abhängt, beschränkt zu sein. Die anderen Typenvon Sensoren beinhalten beispielsweise einen Temperatursensor, welcherein Spannungssignal in Übereinstimmung mit Änderungenin einer Temperatur ausgibt.
    [0077] Diein 1 gezeigte Steuerschaltung 8 kannweiterhin in andere Konfigurationen modifiziert sein, ohne auf diein 1 gezeigte Konfigurationbeschränktzu sein, in welcher die Rechteckwellen P1x und P2x und das SchaltsignalSRx, welche alle für denKanal in Bezug auf die Richtung der X-Achse vorgesehen sind, unddie Rechteckwellen P1y und P2y und das Schaltsignal SRy, welchealle fürden Kanal in Bezug auf die Richtung der Y-Achse vorgesehen sind,voneinander getrennt sind. Eine Modifikation besteht darin, dieSteuerschaltung 8 so auszubilden, daß sie nur die Wellen und dasSignal fürden Kanal in Bezug auf eine Richtung bereitstellt; beispielsweisedie Rechteckwellen P1x und P2x sowie das Schaltsignal SRx, ohnedie Rechteckwellen P1y und P2y und das Schaltsignal SRy zu verwenden.In einem solchen Fall werden die Rechteckwellen P1x und P2x ebensoden feststehenden Elektroden 11 und 13 des Sensorelements 10y inBezug auf die Richtung der Y-Achse zugeführt und wird das SchaltsignalSRx ebenso dem Schalter 23 der C/V-Wandlerschaltung 2yin Bezug auf die Richtung der Y-Achse zugeführt.
    [0078] Dievorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgebildetsein, ohne von der Idee und den wesentlichen Eigenschaften hiervon abzuweichen.Die vorliegenden Ausführungsformen sinddaher in jeder Hinsicht als erläuternd,aber nicht als einschränkendzu betrachten, wobei der Umfang der vorliegenden Erfindung eherdurch die beigefügtenAnsprücheangegeben ist als durch die vorstehende Beschreibung, und alle Änderungen,die innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzbereichs der Ansprüche kommen,sind daher als hiervon umfaßtbeabsichtigt.
    [0079] Diegesamte Offenbarung der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2003-72175,hinterlegt am 17. März2003, enthaltend die Beschreibung, Ansprüche, Zeichnungen und Zusammenfassung,wird hierin durch vollumfänglicheBezugnahme eingeschlossen.
    权利要求:
    Claims (11)
    [1] Vorrichtung zum Erfassen einer zu erfassendenphysikalischen Größe, welcheaufweist: eine Mehrzahl von Sensoreinheiten, welche jeweils diephysikalische Größe erfassen,um ein Spannungssignal auszugeben, welches sich in Abhängigkeitvon der erfaßtenphysikalischen Größe ändert; eineMehrzahl von Prozessoren, welche jeweils in Abständen das durch jede der Sensoreinheitenausgegebene Spannungssignal abtasten und halten; und ein Steuergerät, welchesdie Mehrzahl von Prozessoren so steuert, daß die Prozessoren Abtastvorgänge zu unterschiedlichenvorbestimmten Zeitpunkten, die zueinander verschoben sind, durchführen.
    [2] Vorrichtung gemäß Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß jededer Mehrzahl von Sensoreinheiten mit einem kapazitiven Sensorelement,dessen Kapazitätsich in Abhängigkeitvon der zu erfassenden physikalischen Größe ändert, und einem Kapazitäts/Spannungs-Wandler,welcher eine Änderungin der Kapazitätdes Sensorelements umwandelt, um das Spannungssignal auszugeben,versehen ist, und wobei die Sensorelemente der Mehrzahl von Sensoreinheitenauf dem gleichen Substrat ausgebildet sind, um einen einzigen Sensorauszubilden.
    [3] Vorrichtung gemäß Anspruch2, dadurch gekennzeichnet, daß jedesder Sensorelemente einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator,welche elektrisch in Reihe zueinander geschaltet sind, aufweist,wobei wenigstens einer des ersten und des zweiten Kondensators eineKapazitätaufweist, die sich in Abhängigkeitvon der zu erfassenden physikalischen Größe ändert, und der erste und derzweite Kondensator erste und zweite Ansteuerungs-Rechteckwellensignale,deren Phasen zueinander entgegengesetzt sind, empfangen und derKapazitäts/Spannungs-Wandlereine Schaltung aufweist, welche eine Differenz zwischen Kapazitätswertendes ersten und des zweiten Kondensators in das Spannungssignal umwandelt,wobei ein Eingang der Schaltung elektrisch mit einem Verbindungspunkt verbundenist, der elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Kondensator verbundenist.
    [4] Vorrichtung gemäß Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß diephysikalische Größe eineauf die Vorrichtung wirkende Beschleunigung ist.
    [5] Vorrichtung zum gleichzeitigen Erfassen einer Mehrzahlvon zu erfassenden physikalischen Größen, welche aufweist: eineMehrzahl von Sensoreinheiten, die auf dem gleichen Substrat ausgebildetsind, um einen einzigen Sensor auszubilden, und jeweils jede derphysikalischen Größen erfassen,um ein Spannungssignal auszugeben, welches sich in Abhängigkeitvon jeder der erfaßtenphysikalischen Größen ändert; eineMehrzahl von Prozessoren, welche jeweils das durch jede der Sensoreinheitenausgegebene Span nungssignal mit einer vorbestimmten Frequenz abtastenund halten, um abgetastete und gehaltene Spannungssignale zu erzeugen,die von der Vorrichtung aus als die Mehrzahl von zu erfassendenphysikalischen Größen angebendeInformation auszugeben sind; und ein Steuergerät, welchesdie Mehrzahl von Prozessoren so steuert, daß die Prozessoren Abtastvorgänge in unterschiedlichenvorbestimmten Phasen, die währendeines durch die vorbestimmte Frequenz definierten Intervalls zueinanderverschoben sind, durchführen.
    [6] Vorrichtung gemäß Anspruch5, dadurch gekennzeichnet, daß jededer Mehrzahl von Sensoreinheiten mit einem kapazitiven Sensorelement,dessen Kapazitätsich in Abhängigkeitvon jeder der zu erfassenden physikalischen Größe ändert, und einem Kapazitäts/Spannungs-Wandler,der eine Änderungin der Kapazitätdes Sensorelements umwandelt, um das Spannungssignal auszugeben,versehen ist.
    [7] Vorrichtung gemäß Anspruch6, dadurch gekennzeichnet, daß daskapazitive Sensorelement mit zwei feststehenden Substraten und einembeweglichen Substrat versehen ist, die mit dem Kapazitäts/Spannungs-Wandlerelektrisch verbunden sind, wobei die drei Substrate in einer Erfassungsachsein einer Reihenfolge der einen feststehenden Elektrode, der beweglichenElektrode und der anderen feststehenden Elektrode ausgerichtet sind,um zwei elektrisch in Reihe geschaltete Kondensatoren auszubilden,wobei der erste und der zweite Kondensator erste und zweite Ansteuerungs-Rechteckwellensignale,deren Phasen zueinander entgegengesetzt sind, empfangen und dieEr fassungsachse festgelegt ist, um eine der Mehrzahl von physikalischenGrößen zu erfassen.
    [8] Vorrichtung gemäß Anspruch7, dadurch gekennzeichnet, daß derKapazitäts-Spannungs-Wandlereine Schaltung aufweist, welche eine Differenz zwischen Kapazitätswertendes ersten und des zweiten Kondensators in das Spannungssignal umwandelt,wobei ein Eingang der Schaltung mit einem Verbindungspunkt, derden ersten und den zweiten Kondensator elektrisch verbindet, elektrischverbunden ist.
    [9] Vorrichtung gemäß Anspruch5, dadurch gekennzeichnet, daß dieMehrzahl von physikalischen Größen eineMehrzahl von Beschleunigungsarten ist, die in einer Mehrzahl vonin Bezug auf den Sensor festgelegten Richtungen erzeugt werden.
    [10] Vorrichtung gemäß Anspruch5, dadurch gekennzeichnet, daß dieMehrzahl von Beschleunigungsarten zwei Beschleunigungsarten sind,die in zwei unterschiedlichen in Bezug auf den Sensor festgelegtenRichtungen erzeugt werden.
    [11] Vorrichtung gemäß Anspruch10, dadurch gekennzeichnet, daß diezwei unterschiedlichen Richtungen zwei von drei zueinander orthogonalenAchsenrichtungen sind, die in Bezug auf den Sensor festgelegt sind.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    JP2004279261A|2004-10-07|
    US6952966B2|2005-10-11|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2011-01-20| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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