专利名称：惯性传感器以及采用该传感器的复合传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种主要用于检测加速度的惯性传感器(Inertial Sensor)以及采用该传感器的复合传感器(Combined Sensor)。
背景技术：
近几年，通过检测车辆的加速度，从而提高导航(navigation)的准确度及对车辆进行安全控制的系统已经得到普及。其中，有用于检测表示车辆的惯性量的加速度或角速度的各种各样的传感器，并可以展望，今后，为了廉价提供具有高功能的传感器，将多个传感器进行复合化已经成为发展的趋势。
作为以往的静电容量式(electrostatic capacity type)加速度传感器，有一种用来捕捉对置的电极之间所产生的两个静电容量(即2个电容器的容量)的变化的传感器，而所述对置的电极，被设置在按照所施加的加速度而进行移位的悬臂(cantilever)的附近。
作为这样的传感器，有一种例如在专利公开公报平成第4-504003号所公开的加速度检测器。在此加速度检测器中，如图10所示，有2个电容器101、102被桥式串接，从振荡器103发出的交流偏压信号电压，被施加在由此电容器101、102构成的电桥(bridge)上，通过施加加速度，而使悬臂(未图示)发生移位。因此，在对应于此悬臂移位的电桥的连接点104出现的分压电位，可以通过放大器105而检测出来，接着，由整流器106对其进行整流，最后，由LPF107放大，从而可以获得与所施加的加速度相对应的信号。
另外，作为其他的类型，还有一种例如，专利公开公报平成第7-128355号所公开的1轴角速度/加速度传感器已众所周知。此传感器，如图11所示，在2个电容器108、109上分别串接了电阻110、111从而形成一种CR电桥结构，从振荡器117发出的交流偏压信号电压，被施加在此CR电桥上，通过施加加速度，而使悬臂(未图示)发生移位。因此，因对应于此悬臂移位的CR电桥连接点112、113的阻抗平衡变化所产生的各连接点112、113的电位，可以通过差动放大器114而被检测出来，接着，由整流器115对其进行整流，最后，由LPF116放大，从而可以获得与所施加的加速度相对应的信号。
然而，对于上述以往的静电容量式的加速度传感器来说，虽然可以获得与所施加的加速度相对应的信号，但却不能主动地诊断传感器自身是否有异常。
所以，本发明的目的在于提供一种可以主动地诊断传感器自身是否有异常的惯性传感器以及采用该传感器的复合传感器。
发明内容
本发明所提供的惯性传感器，包括具有第1电容器和第2电容器的检测元件，其中，第1电容器由设置在固定部的第1检测电极和设置在可动部的可动电极所构成，而第2电容器是由设置在所述固定部的第2检测电极和设置在所述可动部的可动电极构成、用于给可动电极施加交流偏压信号电压的驱动电路、具备差动型检测器、同步解调器以及输出放大器的检测电路，其中，差动型检测器用于检测所述第1检测电极和第2检测电极的电荷量之差，而此电荷量之差是这样产生的，即，可动电极，按照在检测元件上施加的加速度而发生移位，当在第1检测电极产生的电荷量增加时，在第2检测电极产生的电荷量则减少，相反，当在第1检测电极产生的电荷量减少时，在第2检测电极产生的电荷量则增加，而同步解调器则与交流偏压信号电压同步，来解调差动型检测器的输出信号，输出放大器用于调整来自同步解调器的输出信号、提供诊断信号的自我诊断电路，通过在所述同步解调器之前施加所述交流偏压信号电压，检测出所述检测元件和所述检测电路的至少其中之一所发生的异常。
此惯性传感器，只要监视是否从惯性传感器的输出信号端子得到预先指定的DC偏置信号，就可以主动地诊断传感器自身是否有异常。
本发明提供的另一种惯性传感器，包括检测元件，其具有由设置在固定部的第1检测电极和设置在可动部的第1可动电极所构成的第1电容器、由设置在固定部的第2检测电极和设置在可动部的第2可动电极构成的第2电容器，第1和第2检测电极，被以一指定的间隙而配置在固定部的同一平面内，可动部的两端由固定部支撑，第1和第2可动电极，被以一指定的间隙而配置在可动部的同一平面内，分别与第1和第2检测电极相对，在设置于可动部的第1和第2可动电极的相反一侧，设有附加质量单元，通过在与第1和第2检测电极的电极面平行的方向上施加加速度，而使第1和第2可动电极以附加质量单元为中心，在第1和第2检测电极的电极面的方向上旋转，当旋转的第1可动电极的电极面接近第1检测电极的电极面时，第2可动电极的电极面则向远离第2检测电极的电极面的方向移位，相反，当第1可动电极的电极面远离第1检测电极的电极面时，第2可动电极的电极面则向接近第2检测电极的电极面的方向移位、用于给第1和第2可动电极分别施加交流偏压信号电压的驱动电路、包括有差动型检测器、同步解调器以及输出放大器的检测电路，其中，差动型检测器用于检测所述第1检测电极和第2检测电极的电荷量之差，而此电荷量之差是这样产生的，即，第1和第2可动电极，按照在与第1和第2检测电极的电极面平行的方向上所施加的加速度而发生移位，当在第1检测电极产生的电荷量增加时，在第2检测电极产生的电荷量则减少，相反，当在第1检测电极产生的电荷量减少时，在第2检测电极产生的电荷量则增加，而同步解调器则与交流偏压信号电压同步，来解调差动型检测器的输出信号，输出放大器用于调整来自同步解调器的输出信号、为了能够设定不同于交流偏压信号电压值的指定交流偏压信号电压值，而被插装在驱动电路和第1可动电极、第2可动电极的其中任何之一之间的网络电阻网、被插装在网络电阻网的一端和地面之间的开关器。在检测加速度时，开关器被设定在打开状态，而在提供诊断信号，以检测检测元件、驱动电路及检测电路的至少其中之一所发生的异常时，开关器则被设定在关闭状态。
此惯性传感器，根据开关器的开关状况，不仅可以明确是用来检测加速度的，还是提供用来检测异常的诊断信号的，而且还可以根据分别施加在第1和第2可动电极上的交流偏压信号电压的大�。は壬瓒ㄓ美粗鞫姓锒系腄C偏置信号量。
本发明还提供一种复合传感器，具备角速度传感器和上述任何一种惯性传感器，而角速度传感器包括振荡元件、以及为了维持振荡元件的振幅为一定而使自激振荡环路信号电压的激励频率在50kHz以下的自激振荡环路电路，其中，角速度传感器的自激振荡环路信号电压，也被用于惯性传感器的交流偏压信号电压。
此复合传感器，不仅不需要只为了产生惯性传感器的交流偏压信号电压的专用电路，而且作为惯性传感器的交流偏压信号电压，可以获得稳定的信号。
图1是本发明的第1实施例的惯性传感器的方框图。
图2是构成图1所示的惯性传感器的检测元件的等效电路示意图。
图3是图1所示的惯性传感器各部分的工作波形示意图。
图4是图1所示的惯性传感器在Y点和Z点断线时的各部分的工作波形示意图。
图5是在给图1所示的惯性传感器施加来自外部诊断要求信号时的各部分的工作波形示意图。
图6是说明本发明的第2实施例的惯性传感器的检测元件结构的模式图。
图7是本发明的第3实施例的惯性传感器的方框图。
图8是本发明的第4实施例的复合传感器的方框图。
图9是图8所示的复合传感器各部分的工作波形示意图。
图10是以往的一种静电容量式的加速度传感器的方框图。
图11是以往的另一种静电容量式的加速度传感器的方框图。
具体实施例方式
实施例1图1是本发明的第1实施例的惯性传感器的方框图，图2是构成该惯性传感器的检测元件的等效电路示意图，图3是该惯性传感器各部分的工作波形示意图，图4是该惯性传感器在Y点和Z点断线时的各部分的工作波形示意图，图5是在给该惯性传感器施加来自外部诊断要求信号时的各部分的工作波形示意图。
图1所示的惯性传感器，包括检测元件6、驱动电路12、检测电路27以及自我诊断电路41。检测元件6，包括固定部1、第1和第2检测电极2a、2b、第1和第2输出端子3a、3b、可动部4、第1和第2可动电极4a、4b以及输入端子5。
固定部1由硅构成，第1和第2检测电极2a、2b，被以一指定的间隙对置地设置在固定部1上。可动部4由硅构成，在相互对面设置的第1和第2检测电极2a、2b的大致中间部位从固定部1伸出，第1和第2可动电极4a、4b，被设置在可动部4的两个表面，与第1和第2检测电极2a、2b相互对面。输入端子5，被设置在可动部4的固定部1的一侧，以便向第1和第2可动电极4a、4b传送信号。第1和第2输出端子3a、3b，被设置在第1和第2检测电极2a、2b的固定部1的一侧，以便从第1和第2检测电极2a、2b取出电荷。
另外，固定部1和可动部4，除了上述的硅以外，最好是由水晶、陶瓷等来构成。这样，就可以得到具有稳定形状的检测元件的惯性传感器。如图2所示，由连接在第1输出端子3a上的第1检测电极2a和与其相互对面的第1可动电极4a，可以构成静电容量为C1的第1电容器。由连接在第2输出端子3b上的第2检测电极2b和与其相互对面的第2可动电极4b，可以构成静电容量为C2的第2电容器。第1可动电极4a和第2可动电极4b被相互连接，再进一步与输入端子5连接。在通常的设计中，可以进行初期调整，以使静电容量C1和静电容量C2大体上处于相等。再来参照图1，指定电压被提供给电源端子10，而地线端子11则被接地，通过将电源端子10和地线端子11与各电路连接起来，则可以进行供电。驱动电路12，包括用来使交流偏压信号电压的相位转变90度的相位转变器13，并向输入端子5提供交流偏压信号电压。
检测电路27，包括差动型检测器22、增益放大器23、同步解调器24、输出放大器25以及传感器输出端子26。差动型检测器22包括电流放大器20a、20b以及差动检测器21。电流放大器20a、20b，被分别输入了产生在第1和第2检测电极2a、2b的电荷。而电流放大器20a、20b的输出，则被分别输入给差动检测器21。
差动检测器21的输出被输入到增益放大器23。同步解调器24，根据已通过了相位转变器13的交流偏压信号电压，对增益放大器23的输出进行同步检测。同步解调器24的输出被输入到输出放大器25。传感器输出端子26，则被用来向外部输出通过输出放大器25而被平滑化及受到输出调整的信号。
自我诊断电路41，包括衰减器30、电容器31、开关器32、诊断端子33以及逻辑或电路40。衰减器30，被输入了已通过了相位转变器13的交流偏压信号电压，作为调整器而发挥其作用。电容器31，被输入衰减器30的输出，并将其输出提供给电流放大器20b的反向输入端子，作为注入器而发挥其作用。开关器32被设置在衰减器30和电容器31之间，可以按照外部的操作，将提供由驱动电路12输出的交流偏压信号电压的信号线、即衰减器30的输出线同电容器31进行连接或切断，作为转换器而发挥其作用。诊断端子33，用于接收外部发来的诊断要求信号、即，将开关器32从打开的状态转变成关闭状态，以便将衰减器30的输出提供给电容器31的信号，并向开关器32发出此诊断要求信号。
逻辑或电路40，包括整流器34、36、比较器35、37、逻辑或电路38以及故障输出端子(fail output terminal)39。
整流器34，被输入有通过了相位转变器13的交流偏压信号电压，并将此信号整流之后进行平滑。比较器35，被输入了整流器34的输出，对其输出电平进行比较判断。整流器36，被输入有增益放大器23的输出，并将此信号整流之后进行平滑。比较器37，被输入了整流器36的输出，对其输出电平进行比较判断。逻辑或电路38，被分别输入有来自比较器35、37的输出，并输出其逻辑或值。而逻辑或电路38的输出则被输入到故障输出端子39。
如上所述，由于自我诊断电路41包括，用来调整由驱动电路12输出的交流偏压信号电压的衰减器30、以及用来在同步解调器24的前段的电路上施加衰减器30输出的信号的电容器31，所以，可以获得一种惯性传感器，该传感器能够任意调整用于主动地诊断传感器本身是否有异常的DC偏置信号(DC offset signal)。
而且，自我诊断电路41，还包括将自我诊断电路41从工作状态到非工作状态进行相互转换的开关器32。由于开关器32被设置在衰减器30和电容器31之间，所以，可根据外部发来的诊断要求的情况，总是或只在某一任意的时间内，主动地进行异常诊断。而且，作为转换器，由于使用了能够按照外部的操作，而将由驱动电路12输出的交流偏压信号电压提供给电容器31，或者停止提供的开关器32，所以，可以用简单的结构，使自我诊断电路41处于工作状态或者非工作状态。
而且，作为调整器，由于使用了衰减器30，所以，可以较好的准确度对用来主动进行诊断的DC偏置信号量进行初期设定。另外，作为调整器，也可以使用相位转变器，在此情况下，也可以得到同样的效果。
而且，作为注入器，由于使用了电容器31，所以，可以用简单的结构，以较好的准确度对用来主动进行诊断的DC偏置信号量进行初期设定。另外，作为注入器，也可以使用电阻器，在此情况下，也可以得到同样的效果。
进一步，由于自我诊断电路41，为了经常监视驱动电路12和检测元件6的异常而向外部输出诊断信号，具有作为监视交流偏压信号电压的电平的驱动系统判断器的整流器34和比较器35、作为监视差动型检测器22的输出信号的电平的检测系统判断器的整流器36和比较器37、将这些驱动系统判断器和检测系统判断器的输出向外部进行输出的逻辑或电路38，所以，可以经常监视交流偏压信号电压的电平和差动型检测器22的输出信号的电平，如果在驱动系统(也包括互相连接的线)、或检测系统(也包括从检测元件6到检测电路27之间的互相连接的线)有异常，则可以瞬间向传感器之外输出异常诊断信号。
另外，开关器32的结构，并不只局限于上述的例子，例如，也可以使用具有计时指定期间的计时电路的开关器，按照外部的操作，只在指定的期间，将从驱动电路12输出的交流偏压信号电压同电容器31进行连接或切断。此时，可以在一定的时间，对外部的诊断要求主动地进行异常诊断。接着，参照图1～图3，就本惯性传感器的基本工作过程进行以下的说明。交流偏压信号电压V(A点所示的波形)，从驱动电路12，通过相位转变器(phase-transition device)13，介于输入端子5，被施加到第1可动电极4a和第2可动电极4b。
其次，一旦在图1所示的检测轴的方向上施加了加速度，可动部4则发生弯曲。由于可动部4的弯曲，例如，当第1可动电极4a和第1检测电极2a之间的距离接近时，静电容量C1增大，电荷Q1＝C1·V则增大。此时，第2可动电极4b和第2检测电极2b之间的距离疏远，静电容量C2减�。绾蒕2＝C2·V则减小。当可动部4的弯曲与上述的情况相反时，电荷Q1、Q2的增减现象也相反。
在此，与第1检测电极2a连接的第1输出端子3a，被连接在电流放大器20b的反向输入端子上，与第2检测电极2b连接的第2输出端子3b，被连接在电流放大器20a的反向输入端子上，电流放大器20a、20b的非反向(正向)输入端子，则分别保持在一定的电压上(例如，设定在2.5V的假想地线上)。
因此，图1所示的C点和D点的变位电流的波形，如图3所示，分别成为i2＝dQ2/dt、i1＝dQ1/dt。进一步，电流放大器20a、20b的输出，又被分别输入到差动检测器21，而差动检测器21的输出(图1所示的E点)则成为图3所示的波形。
其次，差动检测器21的输出，其相位通过增益放大器23而向前位移90°，并在放大之后被输出(图1所示的F点，其波形如图3所示)。接着，由于在增益放大器23的输出被输入到同步解调器24的同时，图1的A点所示的信号，也经过输入端子5(图1所示的B点)而被输入到同步解调器24，增益放大器23的输出，则通过B点所示的信号(即，交流偏压信号电压V)而接受同步检测。同步检测之后的同步解调器24的输出(图1所示G)的波形，如图3所示。
最后，由输出放大器25对同步解调器24的输出进行平滑、输出调整之后(图1所示的H点)，与所施加的加速度的大小相对应的信号(图3所示的H的波形)，则被提供给传感器输出端子26。
根据如上的工作过程，重叠在检测元件6的输出上的外来杂波、因来自其他电路的静电结合等而产生的同相杂波成份(in-phase noisecomponent)，可以通过使用差动型检测器22而大幅度的减低。而且，通过同步解调器24的信号，如同图3所示的F点的波形，只剩下相位与交流偏压信号电压V(A点所示的波形)相同(或相反)的成份，而混入杂波、电路的DC偏置等与交流偏压信号电压V不同步的成份则全部被排除。因此，通过差动型检测器22和同步解调器24的组合，可以构成S/N比为较大的惯性传感器。这对于在设想比较小型的检测元件时，更能有效地使即能维持性能、又可以控制其大小和成本这样的通常是互相矛盾的条件得以成立。
接着，参照图1及图4，就图1所示的Y点或Z点断线时的平时诊断功能的基本工作过程，进行以下的说明。首先，说明图1所示的Y点断线时的基本工作过程。在正常情况下，由于第1输出端子3a的输出信号(D点的波形)和第2输出端子3b的输出信号(C点的波形)大体上相同，所以，它们相互抵消，而使差动检测器21的输出信号(E点的波形)为零。
然而，一旦在Y点发生断线，第1输出端子3a的输出信号和第2输出端子3b的输出信号则不能在差动检测器21被抵消，在差动检测器21出现振幅较大的信号(E点的波形)。此信号，再通过增益放大器23，变成一种其相位向前位移了90度的振幅较大的信号(F点的波形)而出现。将此信号输入到整流器36，由比较器37将整流器36的输出(L点的波形)和参照电压M(图4示意了其电平的一个例子)进行比较判断之后，从比较器37输出(N点的波形)。此信号又经过逻辑或电路38，被输入到故障输出端子39(O点的波形)。由此，就可以瞬间地向传感器的外部输出表示检测电路系有异常的信号。
而且，通过在初期设计时，将差动检测器21的输出信号(E点的波形)设定成除零以外的一固定信号，同时也将比较器37的设定电平设定成另外一固定值，这样，也就可能瞬间地检测出，因差动检测器21的输出信号(E点的波形)为零，例如因接地等所引起的检测元件6的异常。
其次，来说明图1所示的Z点断线时的基本工作过程。一旦在Z点发生断线，则由于交流偏压信号电压V(A点的波形)不能到达整流器34，而使得整流器34的输出信号(I点的波形)成为零。因此，该整流器34的输出信号(I点的波形)，通过比较器35，同参照电压J(图4示意了其电平的一个例子)进行比较判断之后，从比较器35输出(K点的波形)。此信号又经过逻辑或电路38，被输入到故障输出端子39(O点的波形)。由此，就可以瞬间地向传感器的外部输出表示驱动电路系有异常的信号。
接着，参照图1和图5，就图1所示的该传感器当施加有来自外部的诊断要求信号时的基本工作过程进行说明。在有诊断要求信号施加到诊断端子33(例如，图5的P点所示的高电平信号)的期间，开关器32处于关闭状态，交流偏压信号电压V(A点和B点所示的波形)则变成在衰减器30被衰减的信号(Q点所示的波形)。
然后，Q点所示的信号，通过开关器32，作为如R点所示的波形的信号而被施加到电容器31。而R点所示的信号，则介于电容器31，作为如S点所示的波形的信号(此信号不是与实际被施加的加速度相对应的，而是模拟的电信号)，被施加到电流放大器20b的反向输入端子。这样，就可以从差动检测器21获得如图5所示的E点的信号，此差动检测器21的输出，其相位通过增益放大器23而向前位移90°，并在增幅之后输出(图1的F点所示，其波形如图5所示)。
然后，由同步解调器24，对此增益放大器23的输出进行同步检测。同步检测后的同步解调器24的输出(图1的G点所示)波形，如图5所示。最后，由输出放大器25对同步解调器24的输出进行平滑、输出调整之后，可以得到图5的H点所示的DC输出。
这样，例如，在施加了诊断要求信号时，如果传感器为正常的，而且H点所示的DC输出被设定为500mV，则即使存在构成检测电路27的元件(例如，未进行图示的放大用的反馈电阻)的短路或老化等对传感器的输出灵敏度有很大影响的异常，也可以准确地检测出来。根据上述所示的结构，由于没有必要特地在检测元件6上设置专用的电极等，所以，可以实现一种小型而简化的检测元件6。
如上所述，本实施例，由于即可以得到简单结构的惯性传感器，又具备使平常的诊断功能和适应外部的诊断要求信号的诊断功能混合在一起的自我诊断电路41，因此基本上可以完全地检测出传感器的所谓异常模式，从而可以获得有较高信赖度的传感器。
实施例2图6是说明本发明的第2实施例的惯性传感器的检测元件结构的模式图。在本实施例中，由于驱动电路、检测电路及自我诊断电路等都与上述的实施例1有相同的结构，所以，将省略其图示及说明，只就不同的部分进行详细的说明。
在图6所示的检测元件的固定部50，设置有第1和第2检测电极51、52，在可动部53，设置有可动电极56，并与第1和第2检测电极51、52相互对面。第1和第2检测电极51、52，以一指定的间隙被配置在固定部50的同一平面内。而可动电极56，与第1和第2检测电极51、52分别具有一指定的间隙并被相互对面地配置。而且，可动电极56还被施加有交流偏压信号电压V。
附加质量单元57被设置在可动部53上与可动电极56相反的一侧，其中心位于第1和第2检测电极51、52的中间部位。可动部53的两端和固定部50，分别通过支撑部54、55连接，而可动部53，是以可动电极56以附加质量单元57为中心在第1和第2检测电极51、52的电极面的方向上可旋转的状态，受到支撑。其次，就本惯性传感器的基本工作过程进行以下的说明。通过在与第1和第2检测电极51、52的电极面平行的方向(图6所示的检测轴的方向)上施加加速度，而使可动电极56以附加质量单元57为中心，在第1和第2检测电极51、52的电极面的方向上旋转。此时，当旋转的可动电极56的电极面的一端接近第1检测电极51的电极面时，可动电极56的电极面的另一端则向远离第2检测电极52的电极面的方向移位，相反，当可动电极56的电极面的一端远离第1检测电极51的电极面时，可动电极56的电极面的另一端则向接近第2检测电极52的电极面的方向移位。
这样，因施加加速度引起可动电极56的电极面的旋转，而由此带来的电荷Q1(在第1检测电极51的电极面上产生的电荷)、Q2(在第2检测电极52的电极面上产生的电荷)的增减，可以通过实施例1所示的检测电路27来检测，所以，可以向传感器输出端子26提供与所施加的加速度大小相对应的信号。根据上述的结构，在本实施例中，即可以获得与实施例1相同的效果，又在可动部53的其中一侧配置可动电极56，所以，可以只在可动部53的其中一侧，设置由可动电极56、第1和第2检测电极51、52构成的用来进行检测的电容器单元。
实施例3图7是本发明的第3实施例的惯性传感器的方框图。在本实施例中，在与上述的实施例1和实施例2有相同结构的部分，标有同一序号，并省略其详细的说明，只就不同的部分进行详细的说明。
如图7所示，第1和第2可动电极58、59，以一指定的间隙被配置在可动部53的同一平面内，并被设置成分别与第1和第2检测电极51、52相互对面。第1电阻60，被插入到驱动电路12和第2可动电极59之间，其用途在于能设定与交流偏压信号电压V有所不同的指定交流偏压信号电压。第2电阻62，被连接在第2可动电极59和第1电阻60的连接点61处。开关器64，被装配在第2电阻62和接地线63之间，作为转换器而发挥其功能。诊断端子65，其用途在于，受理外部发来的诊断要求信号，并根据此诊断要求信号，向开关器64输出用来将开关器64从打开状态转换到关闭状态的信号。
接着，就本发明的惯性传感器的基本工作过程给予以下的说明。在没有来自外部的诊断要求信号时(即，开关器64处于打开的状态)，交流偏压信号电压V被施加在第1和第2可动电极58、59上(也就是，第1和第2可动电极58、59为同一电位)。在这种情况下，如实施例2所说明过的，进行通常的加速度检测。另外，虽然省略了图示，但在本实施例中，也使用图1所示的检测电路27。
当有来自外部的诊断要求信号时(即，开关器64处于关闭的状态)，第1电阻60的电阻值R1和第2电阻62的电阻值R2，被设定为相等，从而使施加在第2可动电极59的交流偏压信号电压值，成为施加在第1可动电极58的交流偏压信号电压值的一半。根据此结构，在传感器没有异常的情况下，则由传感器输出端子提供指定的DC偏置输出。然而，一旦检测元件、驱动电路及检测电路中的至少其中之一发生了异常，则上述的指定DC偏置输出就不能得到提供。
如上所述，由于网络电阻网包括，插装在驱动电路12和第2可动电极59之间的第1电阻60、插装在第2可动电极59与第1电阻60的连接点61和开关器64之间的第2电阻62，所以，虽然结构简单，却可以主动地对异常情况进行诊断，而且为了从传感器输出端子提供指定的DC偏置输出，还可以预先准确地设定分别施加在第1和第2可动电极58、59上的交流偏压信号电压的大小。
本实施例是就第1电阻60的电阻值R1和第2电阻62的电阻值R2相等的情况，来进行说明的，但也并不一定只局限于此。而且，虽然也只是就采用了第1电阻60和第2电阻62的结构来进行了说明，但也不一定局限于此，也可以是采用如网络电阻网或其他各种各样的结构。
实施例4图8是本发明的第4实施例的复合传感器的方框图。图9是该传感器各部分的工作波形示意图。在本实施例中，在与上述的实施例1有相同结构的部分，标有同一序号，并省略其详细的说明，只就不同的部分进行详细的说明。图8所示的复合传感器包括，音叉型角速度传感器75以及第1和第2惯性传感器80、90。音叉型角速度传感器75包括，振荡元件70、驱动电路71以及检测电路72。驱动电路71驱动振荡元件70，检测电路72处理与从振荡元件70抽出的输入角速度Ω相对应的电量。指定电压被提供给电源端子73，而地线端子74则被接地，电源端子73和地线端子74与各电路连接，以提供电力。
而且，由于2个惯性传感器80、90处于接近的位置，则在向第1惯性传感器80输入的交流偏压信号电压和第2惯性传感器90的检测信号之间，形成耦合电容91，而在向第2惯性传感器90输入的交流偏压信号电压和第1惯性传感器80的检测信号之间，形成耦合电容92。另外，第1惯性传感器80和第2惯性传感器90，其检测轴是相互垂直的(例如，分别设定为X轴、Y轴)。
其次，参照图8及图9，就本发明的复合传感器的基本工作过程给予说明。如图8所示，为了使振荡元件70的振幅维持为一定，驱动电路71(包含AGC电路的自激振荡环路)，以50kHz以下的激励频率来驱动振荡元件70。监视被驱动的振荡元件70的振幅的监视信号，则出现在A点。此监视信号，经过设置在第1惯性传感器80内的相位转变器13，作为其相位比A点所示的监视信号落后90度的交流偏压信号电压(图8的B点所示)，被施加于输入端子5。而且，此监视信号，还作为交流偏压信号电压(图8的G点所示)，直接被施加于第2惯性传感器90内的输入端子5。接着，在第1惯性传感器80的X轴方向上施加了加速度的情况下，第1惯性传感器80内的增益放大器23的输出(图9的D点所示的波形)，除了有与所施加的加速度相对应的信号以外，还包括由耦合电容92所引起的遗漏信号。通过利用B点所示的交流偏压信号电压，由同步解调器24来对增益放大器23的输出进行检测，从而得到如图9的E点所示的波形。通过输出放大器25对此增益放大器23的输出(如图9的E点所示的波形)进行平滑并输出调整，由耦合电容92所引起的遗漏信号则被消除，从而得到如图9的F点所示的波形。
又，在第2惯性传感器90的Y轴方向上施加了加速度的情况下，第2惯性传感器90内的增益放大器23的输出(图9的H点所示的波形)，除了有与所施加的加速度对应的信号以外，还包括由耦合电容91所引起的遗漏信号。通过利用G点所示的交流偏压信号电压(相位与A点所示的信号相同)，由同步解调器24来对增益放大器23的输出进行检测，从而得到如图9的I点所示的波形。通过输出放大器25对增益放大器23的输出(如图9的I点所示的波形)进行平滑并输出调整，由耦合电容91所引起的遗漏信号则被消除，从而得到如图9的J点所示的波形。
如上所述，在本实施例中，因为施加在第1惯性传感器80和第2惯性传感器90的交流偏压信号电压的相位相差90度，所以，从第1惯性传感器80及第2惯性传感器90的各自的输出放大器25，不会出现由耦合电容92所引起的遗漏信号和由耦合电容91所引起的遗漏信号。也就是说，由于作为惯性传感器80的驱动电路，可以使用相变器13，以使得2个惯性传感器80、90的交流偏压信号电压的相位相差90度，所以，可以抑制因相互靠近的2个惯性传感器80、90彼此的信号遗漏所引起的互相干涉。还由于在第1惯性传感器80内设有90度相位转变器，可以使相位落后90度，所以，只要在一个惯性传感器内设置相位转变器，就可以获得上述的效果。
而且，在本实施例中，由于在第1和第2惯性传感器80、90的交流偏压信号电压中，使用了由音叉型角速度传感器75的驱动电路(包括AGC电路在内的自激振荡环路电路)71提供的50kHz以下的激励频率，所以，不仅不需要只用于产生第1和第2惯性传感器80、90的交流偏压信号电压的专用电路，而且，作为惯性传感器的交流偏压信号电压，也可以获得稳定的信号。
在本实施例中，由于第1和第2惯性传感器80、90的检测轴的方向还是互相垂直的，所以，即可以抑制因2个惯性传感器80、90彼此的信号遗漏所引起的互相干涉，又可以较精确地检测出互相垂直的2轴的加速度。
这样，本实施例就可以提供一种复合传感器，即可以防止因惯性传感器80、90的检测元件的集成化和复合化所引起的互相干涉，又能够抑制灵敏性和温度特性的恶化。
另外，在本实施例中，就只在第1惯性传感器80内，产生其相位比A点所示的监视信号落后90度的交流偏压信号电压的例子进行了说明，但也并不一定局限于此，只要施加在第1惯性传感器80和第2惯性传感器90上的交流偏压信号电压的相位相差90度就可以。
而且，在本实施例中，就在惯性传感器80、90内没有图1所示的自我诊断电路的例子进行了说明，当然，酌情设置自我诊断电路也是可能的。
在本实施例中，尽管只就构成复合传感器的、作为角速度传感器的音叉型传感器、作为惯性传感器的检测元件的、如图1所示的传感器之例进行了说明，但也并不一定局限于此，也可以将各种各样的传感器进行组合，并提高设计的自由度。
权利要求
1.一种惯性传感器，其特征在于包括检测元件，具有第1电容器和第2电容器，其中，所述第1电容器由设置在固定部的第1检测电极和设置在可动部的可动电极所构成，而所述第2电容器是由设置在所述固定部的第2检测电极和设置在所述可动部的可动电极构成；驱动电路，用于向所述可动电极施加交流偏压信号电压；检测电路，具有差动型检测器、同步解调器以及输出放大器，其中，所述差动型检测器用于检测所述第1检测电极和第2检测电极的电荷量之差，而此电荷量之差是这样产生的，即，所述可动电极，按照在所述检测元件上施加的加速度而发生移位，当在所述第1检测电极产生的电荷量增加时，在所述第2检测电极产生的电荷量则减少，相反，当在所述第1检测电极产生的电荷量减少时，在所述第2检测电极产生的电荷量则增加，所述同步解调器则与所述交流偏压信号电压同步，来解调所述差动型检测器的输出信号，所述输出放大器则用于调整来自所述同步解调器的输出信号；自我诊断电路，通过在所述同步解调器之前施加所述交流偏压信号电压，用于提供检测所述检测元件和所述检测电路的至少其中之一所发生的异常的诊断信号。
2.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于所述第1检测电极和第2检测电极，以一指定的间隙而相互对置，所述可动电极，包括第1和第2可动电极，被配置在所述第1和第2检测电极的大致中间部位，且分别与所述第1和第2检测电极相互对置；所述固定部和所述可动部被设置成，通过在与所述第1检测电极和第2检测电极的电极面垂直的方向上施加加速度，而使所述第1和第2可动电极的电极面，向与所述第1检测电极和第2检测电极的电极面垂直的方向移位。
3.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于所述第1和第2检测电极，被以一指定的间隙配置在同一平面内，所述可动部的两端由所述固定部支撑，所述可动电极，以一指定的间隙，分别与所述第1和第2检测电极相对置，在所述可动电极的相反一侧，设置有附加质量单元；所述固定部和所述可动部被设置成，通过在与所述第1检测电极和第2检测电极的电极面平行的方向上施加加速度，而使所述可动电极以所述附加质量单元为中心，沿所述第1和第2检测电极的电极面方向旋转，当旋转的所述可动电极的电极面的一侧接近所述第1检测电极的电极面时，所述可动电极的电极面的另一侧则向远离所述第2检测电极的电极面的方向移位，相反，当所述可动电极的电极面的一侧远离所述第1检测电极的电极面时，所述可动电极的电极面的另一侧则向接近所述第2检测电极的电极面的方向移位。
4.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于所述固定部和所述可动部，由水晶、硅或者陶瓷构成。
5.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于所述自我诊断电路包括用于调整从所述驱动电路输出的交流偏压信号电压的调整器，和用于将来自所述调整器的信号施加在所述同步解调器之前的注入器。
6.根据权利要求5所述的惯性传感器，其特征在于所述自我诊断电路还包括可将所述自我诊断电路转换到工作状态或非工作状态的其中任何之一的转换器；所述转换器，被配置在所述调整器和注入器之间。
7.根据权利要求6所述的惯性传感器，其特征在于所述转换器包括有开关器，可按照外部的操作，将从所述驱动电路输出的交流偏压信号电压同所述注入器进行连接或切断。
8.根据权利要求6所述的惯性传感器，其特征在于所述转换器是具有计时电路的开关器，可按照外部的操作，仅在规定的期间，将从所述驱动电路输出的交流偏压信号电压同所述注入器进行连接或切断。
9.根据权利要求5所述的惯性传感器，其特征在于所述调整器为衰减器或相位转变器。
10.根据权利要求5所述的惯性传感器，其特征在于所述注入器为电容器。
11.根据权利要求5所述的惯性传感器，其特征在于所述注入器为电阻器。
12.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于所述自我诊断电路包括驱动系统判断器，为了经常监视所述驱动电路和所述检测元件的异常而向外部输出诊断信号，用来监视交流偏压信号电压的电平；检测系统判断器，用于监视所述差动型检测器的输出信号的电平；逻辑或电路，用于向外部输出所述驱动系统判断器和所述检测系统判断器的输出。
13.一种惯性传感器，其特征在于包括检测元件，具有由设置在固定部的第1检测电极和设置在可动部的第1可动电极所构成的第1电容器、由设置在所述固定部的第2检测电极和设置在所述可动部的第2可动电极构成的第2电容器，其中所述第1和第2检测电极，被以一指定的间隙而配置在所述固定部的同一平面内，所述可动部的两端由所述固定部支撑，所述第1和第2可动电极，被以一指定的间隙而配置在所述可动部的同一平面内，并分别与所述第1和第2检测电极相对置，在设置于所述可动部的所述第1和第2可动电极的相反一侧，设有附加质量单元，通过在与所述第1和第2检测电极的电极面平行的方向上施加加速度，而使所述第1和第2可动电极以所述附加质量单元为中心，在所述第1和第2检测电极的电极面的方向上旋转，当旋转的所述第1可动电极的电极面接近所述第1检测电极的电极面时，所述第2可动电极的电极面则向远离所述第2检测电极的电极面的方向移位，相反，当所述第1可动电极的电极面远离所述第1检测电极的电极面时，所述第2可动电极的电极面则向接近所述第2检测电极的电极面的方向移位；驱动电路，用于向所述第1和第2可动电极分别施加交流偏压信号电压；检测电路，具有差动型检测器、同步解调器以及输出放大器，其中，所述差动型检测器用于检测所述第1检测电极和第2检测电极的电荷量之差，而此电荷量之差是这样产生的，即，所述第1和第2可动电极，按照在与所述第1和第2检测电极的电极面平行的方向上所施加的加速度而发生移位，当在所述第1检测电极产生的电荷量增加时，在所述第2检测电极产生的电荷量则减少，相反，当在所述第1检测电极产生的电荷量减少时，在所述第2检测电极产生的电荷量则增加，所述同步解调器则与所述交流偏压信号电压同步，来解调所述差动型检测器的输出信号，所述输出放大器则用于调整来自所述同步解调器的输出信号；网络电阻网，为了能够设定一个不同于所述交流偏压信号电压值的指定交流偏压信号电压值，而被插装在所述驱动电路和所述第1可动电极或所述第2可动电极的其中任何之一之间；开关器，被插装在所述网络电阻网的一端和地面之间；其中，所述开关器，在检测加速度时被设定为打开状态，而在提供用于检测所述检测元件、所述驱动电路及所述检测电路的至少其中之一所发生的异常的诊断信号时，则被设定为关闭状态。
14.根据权利要求13所述的惯性传感器，其特征在于所述网络电阻网包括第1电阻，被插装在所述驱动电路和所述第1可动电极或所述第2可动电极的其中之一之间；第2电阻，被插装在可动电极、与所述第1电阻器相连接的连接点以及所述开关器之间，其中，所述可动电极是指插装了所述第1电阻器的第1或第2可动电极其中之一。
15.一种复合传感器，包括角速度传感器和惯性传感器，其特征在于，所述角速度传感器包括振荡元件；自激振荡环路电路，为了维持所述振荡元件的振幅为一定，而使自激振荡环路信号电压的激励频率在50kHz以下；所述惯性传感器包括检测元件，具有第1电容器和第2电容器，其中，所述第1电容器由设置在固定部的第1检测电极和设置在可动部的可动电极所构成，而所述第2电容器是由设置在所述固定部的第2检测电极和设置在所述可动部的可动电极构成；驱动电路，用于向所述可动电极施加交流偏压信号电压；检测电路，具有差动型检测器、同步解调器以及输出放大器，其中，所述差动型检测器用于检测所述第1检测电极和第2检测电极的电荷量之差，而此电荷量之差是这样产生的，即，所述可动电极，按照在所述检测元件上施加的加速度而发生移位，当在所述第1检测电极产生的电荷量增加时，在所述第2检测电极产生的电荷量则减少，相反，当在所述第1检测电极产生的电荷量减少时，在所述第2检测电极产生的电荷量则增加，所述同步解调器则与所述交流偏压信号电压同步，来解调所述差动型检测器的输出信号，所述输出放大器则用于调整来自所述同步解调器的输出信号；自我诊断电路，通过在所述同步解调器之前施加所述交流偏压信号电压，用于提供检测出所述检测元件和所述检测电路的至少其中之一所发生的异常的诊断信号；其中，所述角速度传感器的自激振荡环路信号电压，被用于所述惯性传感器的交流偏压信号电压。
16.根据权利要求15所述的复合传感器，其特征在于所述惯性传感器包括2个惯性传感器；所述2个惯性传感器的驱动电路的至少其中之一具备相位转变器，以使所述2个惯性传感器的交流偏压信号电压的相位相差90度。
17.根据权利要求16所述的复合传感器，其特征在于所述相位转变器是90度相位转变器。
18.根据权利要求16所述的复合传感器，其特征在于所述2个惯性传感器的检测元件，被设置成使所述2个惯性传感器的检测轴的方向相互垂直。
19.一种复合传感器，包括角速度传感器和惯性传感器，其特征在于所述角速度传感器包括振荡元件；自激振荡环路电路，为了维持所述振荡元件的振幅为一定，而使自激振荡环路信号电压的激励频率在50kHz以下；所述惯性传感器包括检测元件，具有由设置在固定部的第1检测电极和设置在可动部的第1可动电极所构成的第1电容器、由设置在所述固定部的第2检测电极和设置在所述可动部的第2可动电极构成的第2电容器，其中所述第1和第2检测电极，被以一指定的间隙而配置在所述固定部的同一平面内，所述可动部的两端由所述固定部支撑，所述第1和第2可动电极，被以一指定的间隙而配置在所述可动部的同一平面内，并分别与所述第1和第2检测电极相对置，在设置于所述可动部的所述第1和第2可动电极的相反一侧，设有附加质量单元，通过在与所述第1和第2检测电极的电极面平行的方向上施加加速度，而使所述第1和第2可动电极以所述附加质量单元为中心，在所述第1和第2检测电极的电极面的方向上旋转，当旋转的所述第1可动电极的电极面接近所述第1检测电极的电极面时，所述第2可动电极的电极面则向远离所述第2检测电极的电极面的方向移位，相反，当所述第1可动电极的电极面远离所述第1检测电极的电极面时，所述第2可动电极的电极面则向接近所述第2检测电极的电极面的方向移位；驱动电路，用于向所述第1和第2可动电极施加交流偏压信号电压；检测电路，具有差动型检测器、同步解调器以及输出放大器，其中，所述差动型检测器用于检测所述第1检测电极和第2检测电极的电荷量之差，而此电荷量之差是这样产生的，即，所述第1和第2可动电极，按照在与所述第1和第2检测电极的电极面平行的方向上所施加的加速度而发生移位，当在所述第1检测电极产生的电荷量增加时，在所述第2检测电极产生的电荷量则减少，相反，当在所述第1检测电极产生的电荷量减少时，在所述第2检测电极产生的电荷量则增加，所述同步解调器则与所述交流偏压信号电压同步，来解调所述差动型检测器的输出信号，所述输出放大器用于调整来自所述同步解调器的输出信号；网络电阻网，为了能够设定一个与所述交流偏压信号电压值不同的指定交流偏压信号电压值，而被插装在所述驱动电路和所述第1可动电极或所述第2可动电极的其中任何之一之间；开关器，被插装在所述网络电阻网的一端和地面之间；其中，所述开关器，在检测加速度时则被设定为打开状态，而在提供用于检测所述检测元件、所述驱动电路及所述检测电路的至少其中之一所发生的异常的诊断信号时，则被设定为关闭状态；所述角速度传感器的自激振荡环路信号电压，被用于所述惯性传感器的交流偏压信号电压。
全文摘要
本发明所提供的惯性传感器，包括有提供诊断信号的自我诊断电路，通过在同步解调器之前施加交流偏压信号电压，检测出检测元件和检测电路的至少其中之一所发生的异常，只要监视是否从惯性传感器的传感器输出端子获得预先指定的DC偏置信号，就可以主动地诊断传感器自身是否有异常。
文档编号G01C19/56GK1603842SQ20041008338
公开日2005年4月6日 申请日期2004年10月8日 优先权日2003年10月3日
发明者野添利幸 申请人:松下电器产业株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
