Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungsmesser und
insbesondere auf einen Beschleunigungsmesser, der für ein
Karosserie-Steuerungssystem eines Fahrzeugs geeignet ist.
Ein Beschleunigungsmesser, der fähig ist den Bereich von 0 ± 1
(G) und 0 10 (Hz) genau zu erkennen, benötigt 1 (G), was
9,8 (m/s²) entspricht.
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Für einen solchen Beschleunigungsmesser sind viele Systeme
beschrieben worden. Zu den bekannten Systemen gehört ein
piezoelektrisches System, das den piezoelektrischen Effekt eines
piezoelektrischen Stoffes verwendet, ein Dehnungsmeßgerät, das
den Piezowiderstandseffekt verwendet, ein Servosystem mit einem
Kraftrückkoppelsystem, ein Magnetsystem, das einen
Differentialübertrager verwendet, ein optisches System, das einen
Photounterbrecher verwendet, ein Kapazitätssystem, das die
Miniaturisierungs-Ätztechnik von Silizium verwendet und so
weiter. Unter diesen Systemen wird davon ausgegangen, daß es
möglich ist, den Kapazitätssensor unter Verwendung einer
Miniaturisieurungs-Ätztechnik von Silizium durch eine
elektrostatische Servoeinrichtung anzutreiben.
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Das System, das den Kapazitätssensor unter Verwendung der
herkömmlichen Miniaturisierungs-Ätzchtechnik von Silizium durch
die elektrostatische Servoeinrichtung antreibt, weist den
Nachteil auf, daß eine Kompensationsschaltung zur Linearisierung
der Nicht-Linearität notwendig ist, da die Nicht-Linearität des
elektrostatischen Servomechanismuses groß ist, da die
Leistungsmerkmale leicht angepaßt werden können und da die
Produktionsleistung gering ist.
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Als Beispiele für eine solche Vorrichtung werden EP-A-0198724,
TRANSDUCERS '87, 4th International Conference Solit-State Sensors
and Actuators, Seiten 395 bis 398 und das U.S Patent mit der
Nummer 4.483.194 angegeben. EP-A-0198724 zeigt ferner einen
Halbleiter-Beschleunigungsmesser mit einer Einrichtung zur
Rückkopplung elektrostatischer Kraft zwischen beweglichen und
festen Elektroden, um die bewegliche Elektrode in fester
Beziehung zu den festen Elektroden beizubehalten.
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Der allgemein bekannte, kennzeichnende Aufbau der Elektroden (2)
bis (4) und des Auslegers (1) ist in Figur 2(b) dargestellt und
ein elektischer Schaltkreis davon ist in Figur 2(a) dargestellt.
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Eine auch als Gewicht dienende, bewegliche Elektrode (2) ist an
der Spitze eines Auslegers (1) durch Ätzen einer Silziumplatte
(6) von beiden Oberflächenseiten ausgebildet. Die festen
Elektroden (3, 4) sind aus einem Metall, wie zum Beispiel
Aluminium hergestellt und sie werden durch Metallisieren auf den
entsprechenden Glasplatten (7, 8) gebildet.
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Wenn davon ausgegangen wird, daß die Kapazitäten zwischen der
beweglichen Elektrode (2) und den festen Elektroden (3) und (4)
entsprechend C&sub1; und C&sub2; betragen, so sind die Werte von C&sub1; und C&sub2;
proportional zu der Verschiebung der beweglichen Elektrode (2),
das heißt, der Beschleunigug α(G). Das üblichste Meßverfahren des
herkömmlichen Kapazitäts-Beschleunigungsmessers ermittelt die
Beschleunigung α(G) aus den Absolutwerten der Kapazitäten C&sub1;, C&sub2;
oder aus deren Differenz ΔC. Wie dies als nächstes beschrieben
werden wird, beinhaltet dieses Meßverfahren das Problem, daß die
Produktionsleistung sinkt, da die Leistungsmerkmale stark
schwanken, aufgrund der Varianz des anfänglichen Zwischenraums
zwischen der beweglichen Elektrode (2) und den festen Elektroden
(3, 4), der während der Erzeugung auftritt.
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Die Figur 3 zeigt ein Beispiel für die Beziehung zwischen der
Beschleunigung und der Kapazität, wenn die bewegliche Elektrode
(2) gemäß der Beschleunigung α(G) verschoben wird. Das Diagramm
zeigt den Fall, in dem der anfängliche Zwischenraum do zwischen
der beweglichen Elektrode (2) und den festen Elektroden (3, 4)
3um beträgt. Wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, weisen
die Kapazitäten C&sub1;, C&sub2; und deren Differenz ΔC eine große Nicht-
Linearität zu der Verschiebung ω der beweglichen Elektrode auf
(die proportional zu der Beschleunigung α ist), und es ist
schwierig die Beschleunigung α höchstgenau zu ermitteln. Die
Kapazität zwichen den Elektroden ist durch die folgende bekannte
Formel gegeben:
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C = εos/d ...(1)
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worin gilt: εo: Vakuum-Dielektrizitätskonstante,
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s : Fläche der Elektrode,
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d : Zwischenraum zwischen Elektroden.
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Da die Kapazität C umgekehrt proportional zu dem Zwischenraum d
ist, gerät die Nicht-Linearität so groß wie dies in der Figur 3
dargestellt ist. Wie aus der Formel (1) und der Figur 3
festgestellt werden kann, gilt, daß wenn der anfängliche
Zwischenraum do zwischen der beweglichen Elektrode (2) und den
festen Elektroden (3, 4) bei beendeter Erzeugung größer als 3um
ist, die Empfindlichkeit und Nicht-Linearität der Kapazität C&sub1;,
C&sub2; und deren Differenz ΔC in bezug auf die Veränderung der
Beschleunigung α stark schwanken. Wenn somit die Beschleunigung α
über die Kapazitätsveränderung ermittelt wird, so muß es sich bei
der Varianz der Größe des anfänglichen Zwischenraums zu jeder
Zeit während der Erzeugung um einen äußerst geringen Wert
handeln. In der Praxis hat die herkömmliche Technik jedoch den
Nachteil, daß die anfängliche Zwischenraumgröße zur
Erzeugungszeit nicht konstant ist.
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In GB-A-2096326 wird ein Kräfteausgleich-
Pendelbeschleunigungsmesser offenbart, bei dem ein Pendel in
Scheibenform mit einer Drehachse, welche die Scheibe schneidet,
an einem Paar von Drähten angebracht ist, wobei die Drähte die
Scheibe von Stellen an ihrer Peripherie herunterhängen lassen.
Der Schwerpunkt der Scheibe liegt von der Drehachse entfernt und
zwei Kräfteausgleich-Platten sind auf jeder Seite der Scheibe
plaziert und es sind ferner zwei Sensorplatten an jeder Seite der
Scheibe plaziert, wobei ein Servokreis mit den Kräfteausgleich-
Platten verbunden ist und dieser über eine kraftbezogene Zeit für
ein Impulskennzeichen mit einer festen Spannung sorgt.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kapazitäts-
Beschleunigungsmesser bereitzustellen, der keine
Ausgleichsschaltung für Nicht-Linearität benötigt und der eine
hohe Erzeugungsleistung aufweist.
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Bereitgestellt wird gemäß der vorliegenden Erfindung, ein
Beschleunigungsmesser mit einer beweglichen Elektrode, die in
Abhängigkeit zur Beschleunigung beweglich ist, gekennzeichnet
durch eine feste Elektrode, die sich entgegengesetzt zu der
beweglichen Elektrode befindet und die von dieser durch einen
Zwischenraum getrennt ist, einen Schaltkreis, der eine Kapazität
zwischen der beweglichen und der festen Elektrode mißt, wobei die
Kapazität von dem Zwischenraum abhängt und wobei der Schaltkreis
abhängig von der Kapazität ein Spannungssignal mit einer Spannung
erzeugt, und ferner gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum
Erzielen eines Spannungsunterschieds zwischen der Spannung und
einer vorbestimmten Spannung, eine Rückkopplungseinrichtung zur
Rückkopplung einer elektrostatischen Kraft zwischen der festen
und der beweglichen Elektrode, so daß die Zwischenraumbreite bei
einem vorbestimmten konstanten Wert gehalten wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die genannte bewegliche Elektrode von einem
Ausleger (1) gehalten wird, und ferner gekennzeichnet durch eine
Pulsbreitenmodulationseinrichtung zur Pulserzeugung, wobei eine
Pulsbreite der Pulse gemäß dem Spannungsunterschied moduliert
wird, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte
Rückkopplungseinrichtung die von der
Pulsbreitenmodulationseinrichtung erzeugten Pulse zwischen der
beweglichen Elektrode und der festen Elektrode rückkoppelt und
wobei die genannte elektrostatische Kraft proportional zu der
Pulsbreite der Pulse ist, die durch die
Pulsbreitenmodulationseinrichtung erzeugt werden, und
gekennzeichnet durch eine Ausgangseinrichtung zur Erzeugung einer
Ausgangsspannung, die proportional zu der Pulsbreite ist, und
zwar als Signal, das auf der Basis des genannten
Spannungsunterschieds die Beschleunigung anzeigt.
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Bereitgestellt wird gemäß eines Aspekts der vorliegenden
Erfindung ein Beschleunigungsmesser, der dadurch gekennzeichnet
ist, daß eine zweite feste Elektrode mit Zwischenabstand zu der
genannten ersten Elektrode angeordnet ist und wobei sich die
genannte bewegliche Elektrode dazwischen befindet, so daß die
entsprechenden Kapazitäten zwischen den festen Elektroden und der
beweglichen Elektrode erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
die Pulsbreitenmodulationseinrichtung eine Modulation erzeugt, in
Abhängigkeit zu den Abweichungen der Zwischenräume zwischen der
beweglichen Elektrode und den festen Elektroden und wobei der
Ausgang der Pulsbreitenmodulationseinrichtung zwischen der
beweglichen Elektrode und einer oder beiden festen Elektroden
rückgekoppelt wird.
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Die vorliegend beschriebene Aufgabe kann dadurch erfüllt werden,
daß mindestens eine feste Elektrode auf eine Weise plaziert wird,
daß sie gegenüber einer beweglichen Elektrode liegt, die an der
Spitze eines Auslegers durch eine Miniatur-Silizium-Ätztechnik
gebildet ist, wobei die elektrostatischen Kräfte zwischen beiden
Elektroden wirken, so daß die Kapazität zwischen der beweglichen
Elektrode und der/den festen Elektrode(n) einen vorbestimmten
Wert erreicht (das heißt, in einer solchen Weise, daß die
Verschiebung der beweglichen Elektrode beschränkt wird) und durch
Steuerung der elektrostatischen Kraft zwischen beiden Elektroden
durch ein Pulsbreitenmodulationssystem und vorzugsweise durch die
Bereitstellung der elektrostatischen Kraft mit einer
vorgespannten elektrostatischen Kraftkomponente, um so ohne die
Verwendung einer Linearitätsschaltung eine wesentliche Linearität
zu bewirken und durch Entnahme eines Ausgangssignals, daß
proportional zu der Beschleunigung durch diese elektrostatische
Kraft ist.
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In der vorliegenden Erfindung gilt zuerst, wenn die
elektrostatische Kraft (deren Größe proportional zu dem Quadrat
der zwischen den beiden Elektroden angelegten Spannung ist) der
Rückkopplungssteuerung durch ein Plusbreitenmodulationssystem
ausgesetzt wird, daß diese Pulsbreite primär genau proportional
zu der zu ermittelnden Beschleunigung ist. Zweitens wird eine
verhältnismäßig große unter Vorspannung stehende elektrostatische
Kraft zwischen der beweglichen Elektrode und einer der festen
Elektroden angelegt und die zwischen der beweglichen Elektrode
und der anderen festen Elektrode angelegte elektrostatische
Kraft, unterliegt der Rückkopplungssteuerung. In diesem Fall ist
der Veränderungsgrad der, zwischen beiden Elektroden zur
Erzeugung der letzteren elektrostatischen Kraft, angelegten
Spannung, primär proportional zu der zu ermittelnden
Beschleunigung.
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In der vorstehend beschriebenen Erfindung kann die Beschleunigung
mit hoher Linearität und einer hohen Genauigkeit aus der
elektrostatischen Kraft ermittelt werden, welche der
Rückkopplungssteuerung so ausgesetzt ist, daß die Position der
beweglichen Elektrode ohne die Verwendung einer
Linearitätsschaltung eingeschränkt wird.
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Wie dies bereits vorstehend angeführt worden ist, weisen die
Empfindlichkeit und der Nullpunkt des Beschleunigungsmessers
allgemein Varianzen in bestimmten Bereichen auf, und zwar
aufgrund von verschiedenen Faktoren zur Erzeugungszeit. Aus
diesem Grund müssen sie angepaßt werden. Der erfindungsgemäße
Beschleunigungsmesser kann einfach angepaßt werden, da er die
Beschleunigung linear ermitteln kann. Folglich stellt die
vorliegenden Erfindung einen Kapazitäts-Beschleunigungsmesser mit
hoher Erzeugungsleistung bereit.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 zeigt den Grundaufbau eines Beschleunigungsmessers
gemaß der vorliegenden Erfindung;
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Figur 2(b) zeigt einen kennzeichnenden Aufbau eines
herkömmlichen Beschleunigungsmessers und in Figur 2(a) ist dessen
elektrischer Schaltkreis dargestellt.
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Figur 3 zeigt ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen
der Verschiebung der beweglichen Elektrode und einer Kapazität in
dem herkömmlichen Beschleunigungsmesser darstellt;
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Die Figuren 4(a) und 4(b) zeigen den Varianzzustand der
anfänglichen Zwischenraumgröße zwischen Elektroden;
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Figur 5 zeigt eine genaue Ansicht des Aufbaus des
Erkennungsteils des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers;
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Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf den Erkennungsteil aus
Figur 5.
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Figur 7 zeigt eine Ausführung eines elektrostatischen
Servosteuerungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Figur 8 zeigt eine genaue erklärende Ansicht eines linearen,
elektrostatischen Kraftumwandlungsteils der Figur 7;
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Figur 9 zeigt eine weitere Ausführung des elektrostatischen
Servosteuerungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Figur 10 zeigt ein Beispiel für den Aufbau der
Ermittlungsschaltung des erfindungsgemäßen
Beschleunigungsmessers;
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Die Figuren 11 und 12 zeigen Leistungseigenschaften des
erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung in bezug auf die Figur 1 beschrieben. Der
Ermittlungsteil der erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers
umfaßt eine bewegliche Elektrode (2), die an der Spitze eines
Siliziumauslegers (1) ausgebildet ist und die festen Elektroden
(3) und (4), die gegenüberliegend zu der beweglichen Elektrode
(2) angeordnet sind. Die bewegliche Elektrode (2) wird vertikal
zwischen den festen Elektroden (3) und (4) verschoben, und zwar
abhängig von dem ermittelten Ausmaß und der Richtung der
Beschleunigung α(G). Die festen Elektroden (3, 4) und die
bewegliche Elektrode (2) sind elektrisch mit einem
elektrostatischen Servokreis (5) gekoppelt. Dabei ist die
bewegliche Elektrode (2) über den Ausleger (1) gekoppelt.
Elektrostatische Kraft wird in einer
Rückkopplungssteuerungsanordnung zwischen der beweglichen
Elektrode (2) und der festen Elektrode (3) oder (4) angelegt, so
daß die Größe des Zwischenraums zwischen der beweglichen
Elektrode (2) und einer der festen Elektroden (in der Zeichnung,
die Elektrode (4)) einen vorbestimmten Wert d&sub0; erreicht und ein
Ausgangssignal Vout, das proportional zu der Beschleunigung α
ist, kann dieser elektrostatischen Kraft entnommen werden. Der
elektrostatische Servokreis (5) stellt den Hauptpunkt der
vorliegenden Erfindung mit dem Aufbau des Ermittlungsteils dar,
wobei dessen Einzelheiten an einer späteren Stelle beschrieben
werden.
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Die Figuren 4(a) und 4(b) zeigen ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, das anzeigt, wie der Varianzzustand der
anfänglichen Zwischenraumgröße zwischen den Elektroden korrigiert
werden kann. Die durchgezogene Linie in Figur 4(a) stellt den
Zustand da, bei dem sich die bewegliche Elektrode (2) an einer
gewünschten Position befindet, wenn die auf den
Beschleunigungsmesser wirkende Beschleunigung α gleich null ist.
Die Größe des Zwischenraums zwischen der beweglichen Elektrode
(2) und der festen Elektrode (3) wird in diesem Fall als d&sub0;
angenommen. Wie dies in Figur 2 dargestellt wird, ist die
bewegliche Elektrode (2) nicht immer an der zwischenliegenden
Position zwischen den festen Elektroden (3) und (4) plaziert,
aufgrund von Wärmebeanspruchungen des verbundenen Teils, wenn die
Glasplatten (7, 8) mit der Siliziumplatte (6) verbunden werden.
Sie befindet sich zum Beispiel in der durch die gestrichelte
Linie in Figur 4(a) dargestellten Position, näher an der festen
Elektrode (3). Eine ungleichmäßige Wärmebeanspruchung an dem
verbundenen Teil wird an das befestigte Ende des Auslegers (1)
übertragen und der Ausleger (1) wird entweder nach oben oder nach
unten verschoben, wobei dessen eigenes befestigtes Ende den
Stützpunkt darstellt. Wenn angenommen wird, daß die Größe des
Zwischenraums zwischen der beweglichen Elektrode (2) und der
festen Elektrode (3) d&sub1; ist, so nimmt d&sub1; während der Erzeugung
verschiedene Werte an und das herkömmliche, übliche Meßverfahren
zeigt eine starke Varianz der Leistungsmerkmale an und bietet den
Fall der Erzeugungsleistung an.
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Demgemäß wird in der vorliegenden Erfindung bewirkt, daß die
bewegliche Elektrode (2) durch eine zwischen der beweglichen
Elektrode (2) und den festen Elektroden (3, 4) angelegte
elektrostatische Kraft verschoben wird, so daß die bewegliche
Elektrode (2) an die zwischenliegende Position zwischen den
festen Elektroden (3) und (4) (die Zwischenraumgröße d&sub0;) tritt,
und zwar bei jedem Wert, den die Zwischenraumgröße d&sub1; zwischen
der beweglichen Elektrode (2) und der festen Elektrode (3) zur
Zeit der Erzeugung auch aufweist, wie dies in der Figur 4(a)
dargestellt ist und wobei die Zwischenraumgröße den gewünschten
Wert (in der Zeichnung bei d&sub0;) beibehält. Dann wird das
Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers der zwischen den
Elektroden angelegten elektrostatischen Kraft entnommen.
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Die Position der beweglichen Elektrode (2) muß bei einer
Beschleunigung von α gleich null, nicht immer an der
zwischenliegenden Position zwischen den festen Elektroden (3) und
(4) gehalten werden und die Zwischenraumgröße zwischen der
beweglichen Elektrode und der festen Elektrode kann bei ds
gehalten werden, wobei diese näher an einer der Elektroden liegt,
wie dies in der Figur 4(b) dargestellt ist.
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Folglich kann die Zwischenraumgröße zwischen der beweglichen
Elektrode und den festen Elektroden durch die elektrostatische
Kraft bei d&sub0; oder ds gehalten werden, obwohl die
Zwischenraumgröße zwischen den Elektroden schwanken kann, wenn
eine große Anzahl von Beschleunigungsmessern erzeugt wird.
Demgemäß können die Abweichungen der Leistungsmerkmale bei
Massenproduktions-Beschleunigungsmessers, die bei den üblichen
herkömmlichen Meßverfahren ein Problem darstellten, jetzt
reduziert werden.
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Desweiteren stehen die zwischen den Elektroden angelegte
Gleichstromspannung und die resultierende elektrostatische Kraft
in nicht-linearer Beziehung, wie dies an späterer Stelle
beschrieben werden wird.
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Demgemäß liegt der Hauptpunkt der vorliegenden Erfindung darin,
daß wenn ein Ausgangssignal, welches der Beschleunigung
entspricht, von der elektrostatischen Kraft zwischen der
beweglichen und den festen Elektroden abgeleitet wird, wobei die
bewegliche Elektrode durch die elektrostatische Kraft an einer
gewünschten Position gehalten wird, für Linearität gesorgt wird.
Demgemäß wird die Erzeugungsleistung verbessert und es kann ein
Präzisionsbeschleunigungsmesser bei geringeren Herstellungskosten
bereitgestellt werden.
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Die Figur 5 zeigt den genauen Aufbau des Erkennungsteils des
erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers. Die auch als Gewicht
dienende bewegliche Elektrode (2) ist an der Spitze des Auslegers
(1) durch Ätzen der Siliziumplatte (6) von beiden Oberflächen
ausgebildet. Da die Peripherie der beweglichen Elektrode (2)
durch die durchkontaktierte Nut (9) von der Siliziumplatte (6)
getrennt ist, spricht die bewegliche Elektrode (2) auf die
ermittelte Beschleunigung an und bewegt sich vertikal zwischen
den festen Elektroden (3) und (4), die an den Glasplatten (7) und
(8) durch Bedampfen oder dergleichen gegen das befestigte Ende
(10) des Auslegers (1) an einer Stützstelle ausgebildet sind.
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Ein Sensorstück, das durch Verbindung der Glasplatte (7), der
Siliziumplatte (6) und der Glasplatte (8) durch anodische
Verbindung oder ein anderes Verfahren gebildet worden ist, wird
unter Verwendung eines organischen Bindemitels (11) (z.B.
Silikongummi) mit einem kleinen vertikalen Elastizitätmodul (oder
einem Weichklebstoff) auf einem Steg (12) befestigt. Ein Loch
(13) wird auf diesem Metallsteg (12) gebohrt und ein Anschluß
(15) wird luftdicht durch einen Glaswerkstoff (14) abgeschlossen
und eingepaßt. Da die thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten
des Stegs (12) und der Glasplatte (8) voneinander verschieden
sind, eignet sich ein Gummi oder dergleichen als Bindemittel
(11), so daß die Haftfestigkeit an diesem Teil zu dem
darüberliegenden Sensorstück übertragen wird.
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Als nächstes werden die Anschlußdrähte (17) als Drahtverbindung
mit einer Anschlußverlängerungselektrode (16) und mit dem
Anschluß (15) verbunden und dann damit elektrisch verbunden. Der
in bezug auf die Figur 1 beschriebene elektrostatische Servokreis
(5) und Ermittlungsteil, werden elektrisch durch die Anschlüsse
(15) verbunden. An dem Steg (12) wird in einem Vakuum oder einer
Stickstoffumgebung eine Abdeckung (18) eingepaßt und das Innere
einer Kammer (19) wird luftdicht abgeschlossen.
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Die Figur 6 zeigt eine Ansicht entlang der Linie A-A des
Ermittlungsteilzusammenbaus, das heißt, eine Draufsicht. Die
feste Elektrode (3), die bewegliche Elektrode (2) und die feste
Elektrode (4) sind über die entsprechenden
Anschlußverlängerungselektroden (22, 16, 23) und die Anschlüsse
(20, 15, 21) mit dem elektrostatischen Servokreis (5) verdrahtet.
Ferner ist das Loch (24) zur elektrischen Verbindung der
Elektrode (3) mit der Anschlußverlängerungselektrode (22) auf der
unteren Oberfläche der Glasplatte (7) ausgebildet und die
Verdrahtung erfolgt durch Metallisieren in das Loch (24) oder
dergleichen.
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Die Figur 7 zeigt das elektrostatische Servosteuerungsverfahren
gemäß der vorliegenden Erfindung. Wenn die bewegliche Elektrode
(2) mit einer Masse in die Beschleunigung α(G) (1G = 9,8 m/s²)
empfängt, so bewegt sie sich als Reaktion auf die Kraft f&sub1;,
dargestellt durch die Formel (2), unter das befestigte Ende (10)
des Auslegers (1) als Mitte:
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f&sub1; = mα ... (2)
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Wenn davon ausgegangen wird, daß die rückkoppelnde
elektrostatische Kraft, die auf die bewegliche Elektrode (2)
einwirkt gleich f&sub2; ist, so unterliegt die Elektrode (2) aufgrund
der Kraft Δf der Verschiebung Δd:
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Δf = f&sub1; - f&sub2; ... (3)
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Δd = Δf / ms² + rs + k ... (4)
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Hierbei ist s eine Laplacesche Konstante, r ein
Widerstandskoeffizient und k die Federkonstante des Auslegers
(1). Der Koeffizient r wird durch die Dichte eines Fluids um die
bewegliche Elektrode (2), die Größe der durchkontaktierten Nut
(9) und des Zwischenraums zwischen den Elektroden ermittelt.
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Da sich die Zwischenraumgröße d zwischen der beweglichen
Elektrode und der festen Elektrode aufgrund der Verschiebung der
beweglichen Elektrode (2) verändert, kann Δd aus der elektrischen
Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode und der festen
Elektrode ermittelt werden.
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In Figur 7 entspricht der Block (100) den Elektroden (2) bis (4)
und dem Ausleger (1) in Figur 1 und der Block (200) entspricht
dem elektrostatischen Servokreis (5) in Figur 1.
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Die Verschiebung Δd der beweglichen Elektrode (2) wird durch
einen geschalteten Kapazitätsschaltkreis (25) mit einer
Verstärkung K&sub1; in eine Spannung V* umgewandelt und mit einer
Bezugsspannung Vref verglichen. Wie nachstehend beschrieben
werden wird, legt der geschaltete Kapazitätsschaltkreis (25)
zwischen den Elektroden einen Rechteckspannungswellenzug an, und
die Größe d des Zwischenraums kann direkt aus der Kapazität
zwischen den Elektroden erinittelt werden. Der elektrostatische
Servokreis der Zeichnung unterliegt Rückkopplungssteuerungen, um
der folgendem Formel zu genügen,
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Vref - V* = 0 ... (5)
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und der Zwischenraum zwischen der beweglichen Elektrode (2) und
einer der festen Elektroden wird auf einem konstanten Wert
gehalten Wie dies in Figur 4(a) und Figur 4(b) dargestellt ist,
so kann die Größe des Zwischenraums d&sub0; oder ds zwischen der
beweglichen Elektrode (2) und der festen Elektrode (4) immer auf
einem gewünschten Wert gehalten werden, ungeachtet des Ausmaßes
und der Richtung der Beschleunigung α. Gleichzeitig können die
Probleme überwunden werden, die aus der Varianz der
Zwischenraumgröße zwischen der beweglichen Elektrode und der
festen Elektrode zu Zeit der Erzeugung entstehen und es kann ein
Hochleistungs-Beschleunigungsmesser mit geringen
Herstellungskosten bereitgestellt werden.
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Der elektrostatische Servomechanismus unterliegt der
Rückkopplungssteuerung durch die Spannung, die zwischen der
beweglichen Elektrode und der festen Elektrode in einer Weise
angelegt worden ist, die der Formel (5) genügt und das
Ausgangssignal Vout, das primär genau proportional zu der zu
ermittelnden Beschleunigung α ist, wird durch einen Integrator
(26) entnommen.
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Die elektrostatische Kraft f&sub2; wird linear durch einen linearen,
elektrostatischen Kraftumwandlungsteil (27)
rückkopplungsgesteuert, und zwar in bezug auf die zu ermittelnde
Beschleunigung α auf der Basis des Ausgangssignals Vout. Wie in
bezug auf die nächste Zeichnung genau beschrieben werden wird,
wird die elektrostatische Kraft f&sub2;, die so wirkt, daß sie die
bewegliche Elektrode (2) zu der festen Elektrode (4) anzieht, im
wesentlichen linear gesteuert, ohne daß eine Linearitätsschaltung
notwendig ist.
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Der lineare, elektrostatische Kraftumwandlungsteil (27) umfaßt
einen Pulsbreitenmodulator (28) mit einer Verstärkung K&sub2; und
einen elektrostatischen Kraftumwandlungsteil (29) mit einer
Verstärkung K&sub3;.
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Als nächstes werden die Einzelheiten des linearen,
elektrostatischen Kraftumwandlungsteils (27) in bezug auf die
Figur 8 beschrieben.
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Das Ausgangssignal Vout wird durch den Pulsbreitenmodulator (28)
zu einer Impulsfolge mit einer Periode T moduliert und die
Pulsbreite wird a + a&sub0;. Hier steht a für einen variablen Teil der
Pulsbreite, der proportional zu der Beschleunigung α verändert
wird und a&sub0; ist der Basisteil der Pulsbreite bei einer
Beschleunigung von α gleich null. Die Periode T der Impulsfolge
wird so ausgewählt, daß die Frequenz der Impulsfolge ausreichend
größer wird als die inhärente Frequenz des Ermittlungsteils, der
den Ausleger (1) und die bewegliche Elektrode (2) umfaßt. Die
inhärente Frequenz des Ermittlungsteils, die vorübergehend
erzeugt wird, liegt bei 1,5 (KHz) und in diesem Fall ist die
Periode T bei 50 (us) eingestellt. Ferner ist die Spitzenspannung
E der Impulsfolge immer konstant.
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Die proportionale Verstärkung K&sub3; des elektrostatischen
Kraftumwandlungsteils (29) wird physikalisch bestimmt und ist wie
folgt gegeben, wenn die bewegliche Elektrode (2) den Grundzustand
beibehält und wenn die vorstehend beschriebene Impulsfolge der
festen Elektrode (4) zugeführt wird:
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Die elektrostatische Kraft f&sub2;, welche die bewegliche Elektrode
(2) zu der festen Elektrode (4) zieht, ist wie folgt gegeben:
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In der vorstehenden Formel (7) ist wichtig, daß die
Spitzenspannung E der zwischen der beweglichen Elektrode (2) und
der festen Elektrode (4) angelegten Impulsfolge, die Periode T
und die Zwischenraumgröße ds zwischen den Elektroden konstant
sind, und daß die elektrostatische Kraft f&sub2; primär proportional
zu (a + a&sub0;) ist, was durch die Pulsbreitenmodulation des
Ausgangssignal Vout erreicht wird und der Rückkopplungssteuerung
in eine Vollständig linear Form unterliegt, ohne daß eine
Linearitätsschaltung notwendig ist.
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Ferner erzeugt der Basisteil a&sub0; der Pulsbreite eine
elektrostatische Kraft zur Einstellung der Zwischenraumgröße
zwischen der beweglichen Elektrode (2) und der festen Elektrode
(4) auf ds, unter dem Zustand der Beschleunigung von null. Mit
anderen Worten heißt dies, je kleiner die Zwischenraumgröße d
zwischen der beweglichen Elektrode (2) und der festen Elektrode
(4) zur Zeit der Erzeugung, desto kleiner wird a&sub0; und je größer
der Wert von d ist, desto größer wird der Wert von a&sub0;.
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Der variable Teil a der Pulsbreite verändert die elektrostatische
Kraft f&sub2; proportional zu der zu erinittelnden Beschleunigung α und
er befindet sich in Übereinstimmung mit der Polarität der
Beschleunigung α, wie dies durch die folgende Formel ausgedrückt
wird:
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wenn α > =< 0, a > =< 0 ... (8)
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Wenn die Beschleunigung mit anderen Worten in Richtung von der
Seite der festen Elektrode (4) zu der Seite der festen Elektrode
(3) als α > 0 definiert ist, so erhöht sich die Breite der
Impulsfolge bei α > 0, wie dies durch die gestrichelte Linie in
der Zeichnung dargestellt ist und die Breite verringert sich bei
α < 0. Die Proportion der Erhöhung bzw. Verringerung der
Impulsfolge verändert sich linear in bezug auf die Beschleunigung
α (primär genau proportional). Als Folge daraus begründen sich
die folgende Formel des Ausgangssignals Vout:
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Vout ∞ Kmα ... (9)
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wobei K proportional konstant ist.
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Wie dies durch die Formel (9) ausgedrückt wird, kann die
Beschleunigung α mit hoher Linearität ermittelt werden, ohne
dabei durch die Varianz der Zwischenraumgröße zwischen der
beweglichen Elektrode (2) und der festen Elektrode (4)
beeinträchtigt zu werden, welche zur Zeit der Erzeugung auftritt
und ohne durch die Einwirkung der Federkonstante k des Auslegers
(1) beeinflußt zu werden.
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Desweiteren kann das Ausgangssignal Vout von der Ausgangsseite
des Pulsbreitenmodulators (28) entnommen werden.
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Ferner ermittelt die geschaltete Kapazitätsschaltung (25) die
Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode (2) und der festen
Elektrode (4) durch Verwendung der Impulsfolge zur Erzeugung der
elektrostatischen Kraft, die zwischen den beiden Elektroden (2)
und (4) angelegt wird. Zwar wird nachstehend ein Beispiel der
Ermittlungsschaltung beschrieben, doch kann die Kapazität Cs aus
der folgenden Formel dadurch ermittelt werden, daß die Ladung Q
in der Kapazität Cs zwischen den beiden Elektroden in dem Moment
gebildet wird, wenn die einen konstanten Spitzenwert aufweisende
Spannung E zwischen beiden Elektroden angelegt wird und dadurch,
daß diese Ladung Q in dem Moment in eine bekannte Kapazität Cref
übertragen wird, wenn die Spannung E null wird:
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Q = CsE ... (10)
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Q = Cref E* ... (11)
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Aus den Formeln (10) und (11),
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Cs = Cref E*/E ... (12)
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Somit kann die Kapazität Cs zwischen beiden Elektroden dadurch
ermittelt werden, daß die in der bekannten Kapazität Cref
auftretende Spannung E* gemessen wird. Wenn die Kapazität Cs wie
folgt definiert ist,
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Cs = ε&sub0;s/ds ... (13)
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so arbeitet der in der Figur 7 dargestellte elektrostatische
Servomechanismus wie dies durch die Formel (5) ausgedrückt wird
und die Kapazität zwischen beiden Elektroden wird auf Cs
geregelt. Desweiteren wird der Zwischenraum zwischen der
beweglichen Elektrode (2) und der festen Elektrode (4) auf einem
gewünschten vorbestimmten Wert ds beibehalten, ohne Abhängigkeit
von dem Ausmaß und der Richtung der zu erkennenden Beschleunigung
α.
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In dem in den Figuren 7 und 8 dargestellten System erfolgt die
Erkennung der Kapazität und die Erzeugung der elektrostatischen
Kraft zwischen den gleichen Elektroden und es besteht nur eine
feste Elektrode, die gegenüber der beweglichen Elektrode (2)
liegt. Aus diesem Grund ist der Aufbau des Erkennungsteils
äußerst einfach.
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Wenn die Zwischenraumgröße d zwischen der beweglichen Elektrode
(2) und der festen Elektrode (4) kleiner ist als der gewünschte
eingestellte Wert ds, so wird die Erkennung der Beschleunigung α
in Übereinstimmung mit dem in der Figur 4(b) dargestellten
Verfahren schwierig.
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Das Erkennungssystem für diesen Fall ist in der Figur 9
dargestellt. In dieser Zeichnung wird die gleichstromgerichtete
elektrostatische Kraft fbias in vorgespannter Weise zu dem
Verfahren aus Figur 7 addiert. Die bewegliche Elektrode (2) kann
durch Anlegen von fbias zwischen der festen Elektrode (3) und der
beweglichen Elektrode (2) in die Richtung der festen Elektrode
(3) bewegt werden. Als Folge daraus kann auch dann eine Erkennung
der Beschleunigung α erfolgen, wenn der Zwischenraum zwischen der
beweglichen Elektrode (2) und der festen Elektrode (4) kleiner
ist als ds. Wie dies in der Figur 4(a) dargestellt ist, kann die
Beschleunigung α auch durch Halten der Position der beweglichen
Elektrode (2) an der zwischenliegenden Position zwischen den
festen Elektroden (3) und (4) ermittelt werden, und zwar durch
die elektrostatische Kraft in der
Rückkopplungssteuerungsanordnung, wie dies in der Figur 4(a)
dargestellt ist.
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Als nächstes zeigt die Figur 10 einen Beispielaufbau des
Ermittlungsschaltkreises des erfindungsgemäßen
Beschleunigungsmessers. Die Zeichnung zeigt den Schaltkreis, der
unter Verwendung des in der Figur 7 dargestellten
elektrostatischen Servosteuerungsverfahrens die Beschleunigung α
ermittelt und die dem Schaltkreis zugeführte Kraft fbias, die in
der Figur 9 dargestellt ist, ist in dem in der Figur 10
abgebildeten Schaltkreis nicht enthalten. Dieser Schaltkreis
umfaßt einen Leistungsquellen-Schutzschaltkreisteil (31), einen
Schaltkreisteil (32) mit konstanter Spannung, einen geschalteten
Kapazitätsschaltkreisteil (33), einen Integrator (34), einen
Pulsbreitenmodulator (35) und einen Ausgangsregelungs-
Schaltkreisteil (36). In der Zeichnung stellt VB die Spannung der
Batterie eines Fahrzeugs dar.
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Wenn der Schalter (37) auf EIN steht, so wird von einem
Widerstand (38) Strom zwischen die bewegliche Elektrode (2) und
eine der festen Elektroden (4) an dem Erkennungsteil des
Beschleunigungsmessers geleitet, um die Ladung in der Kapazität
Cs (39) aufzuladen. Als nächstes wird in dem Moment in dem die
Stromzufuhr beendet wird, der Schalter (37) auf AUS geschaltet
und die Ladung der Kapazität Cs (39) wird zu der bekannten
Kapazität Cref (40) übertragen. Als Folge daraus wird der Wert
der Kapazität Cs zwischen der beweglichen Elektrode (2) und der
festen Elektrode (4) in Übereinstimmung mit der Formel (12)
ermittelt.
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Die zwischen der beweglichen Elektrode (2) und der festen
Elektrode (4) durch den Pulsbreitenmodulator 35) angelegte
elektrostatische Kraft, wird rückkopplungsgesteuert, so daß die
Kappazität Cs einen vorbestimmten konstanten Wert erreicht. Das
zu der Beschleunigung genau proportionale Ausgangssignal Vout
wird der Pulsbreite durch den Ausgangsregelungs-Schaltkreisteil
(36) entnommen.
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Desweiteren haben die vorstehend angeführten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung den Fall dargestellt, in dem nur ein
Zwischenraum zwischen der beweglichen Elektrode und einer der
beiden festen Elektroden gemessen wird. Wie dies in der Figur 1
dargestellt ist, können aber beide Zwischenräume zwischen der
beweglichen Elektrode (2) und den festen Elektroden (3) und (4)
ermittelt werden. In diesem Fall wird der Pulsbreitenmodulator
(35) gemäß einer Abweichung der beiden Zwischenräume moduliert
und die Ausgabe des Pulsbreitenmodulators (35) wird zwischen die
bewegliche Elektrode und wenigstens eine der beiden festen
Elektroden zurückgeführt.
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Als nächstes zeigen die Figuren 11 und 12 Beispiele der
Leistungsmerkmale des Beschleunigungsmesser-Prototyps, wobei die
Merkmale unter Verwendung dieses Schaltkreises gemessen wurden.
Die Figur 11 zeigt statische Merkmale, und daß die Beschleunigung
von 0 bis ±1 (G) mit hoher Linearität ermittelt werden kann. Die
Figur 12 zeigt dynamische Merkmale, und daß die
Ermittlungsempfindlichkeit zwischen der Frequenz von 0 bis 50
(Hz) im wesentlichen konstant ist.
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Wie dies bereits vorstehend beschrieben worden ist, ist der
erfindungsgemäße Beschleunigungsmesser als Tastsensor zur
Steuerung einer Autokarosserie geeignet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der elektrostatische
Servomechanismus in bezug auf die durch den elektrostatischen
Pulsbreitenmodulator zu ermittelnde Beschleunigung, im
wesentlichen linear betrieben werden, wobei die bewegliche
Elektrode elektrostatisch im Servobetrieb an einer gewünschten
Position gehalten wird. Demgemäß kann die Beschleunigung mit
einem hohen Grad an Genauigkeit ermittelt werden, ohne daß eine
Linearitäts-Kompensationsschaltung notwendig ist.