DE4403646A1

DE4403646A1 - Rotational speed sensor with transmitter and two receivers

Info

Publication number: DE4403646A1
Application number: DE19944403646
Authority: DE
Inventors: Wolfram Kern
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1994-02-05
Filing date: 1994-02-05
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2014-02-06
Also published as: DE4403646B4

Abstract

The sensor includes a metallic interdigital structure (2) arranged on a planar piezoelectric layer (1). The structure is supplied with a periodic electrical signal and acts as a transmitting transducer for an acoustic wave propagated at right angles to it. Two receiving transducers on the same piezoelectric layer have similar interdigital structures (3,4) which convert the acoustic wave into amplitude-modulated electrical signals. The difference between these is proportional to the angular velocity of the substrate (5) on which the appts. is mounted.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehgeschwindigkeitssensor mit einer schwingungserzeugenden Sendevorrichtung und zwei Empfangsvorrichtungen, die die Drehbewegung eines Festkör pers um seine Längsachse detektieren und unter Differenz bildung der beiden Einzelsignale in eine elektrische Größe umwandeln.The invention relates to a rotational speed sensor a vibration generating transmitter and two Receiving devices that the rotational movement of a solid Detect pers about its longitudinal axis and under difference formation of the two individual signals into an electrical quantity convert.

Zur präzisen und empfindlichen Erfassung von Drehgeschwin digkeiten sind Sensoren bekannt, welche den Corioliseffekt nutzen.For precise and sensitive detection of rotary speed sensors are known which have the Coriolis effect use.

Solche Gyrometer koppeln den in einem piezoelektrischen Sender erzeugten Schall über eine Verbindungsschicht, die in der Regel als Klebeverbindung ausgeführt ist, in einen nichtpiezoelektrischen Schwingkörper. Zwei Schallempfänger, die ebenfalls auf dem prismatischen Schallkörper in engem akustischen Kontakt montiert sind, wandeln jede Dreh bewegung des Schwingkörpers um seine Längsachse unter Dif ferenzbildung der beiden Einzelsignale in eine elektrische Größe um. Diese Anordnungen reagieren sehr empfindlich unter Ausnutzung des Corioliseffektes auf Drehbewegungen.Such gyrometers couple the in a piezoelectric Transmitters generated sound through a connection layer that is usually designed as an adhesive connection in one non-piezoelectric vibrating body. Two sound receivers, which also on the prismatic sound body in close acoustic contact are mounted, convert every turn movement of the vibrating body about its longitudinal axis under Dif Reference formation of the two individual signals in an electrical Size around. These arrangements are very sensitive using the Coriolis effect on rotary movements.

Nachteilig bei diesen Konstruktionen ist aber, daß die Ver bindungsstellen zwischen den Piezoelementen und dem Schwingkörper temperaturabhängig mechanischen Spannungen unterworfen sind, die ihrerseits als Störgrößen das elek trische Ausgangssignal unerwünscht beeinflussen. Außerdem sind diese Stellen Alterungseinflüssen ausgesetzt, wie z. B. durch Feuchtigkeit oder chemische Korrosion.A disadvantage of these constructions is that the Ver binding points between the piezo elements and the Vibrating body mechanical stresses depending on temperature are subject, which in turn as the disturbance variables the elek undesirable influence trical output signal. also are these places exposed to aging influences, e.g. B. due to moisture or chemical corrosion.

Bei einer anderen Anordnung wird der Schwingkörper an den mechanischen Schwingungsknoten durch Stäbe bzw. Drähte gelagert, die im Vergleich zum Schwingkörper relativ dünn sind. Eine solche Anordnung weist Probleme hinsichtlich der mechanischen Schockbelastbarkeit auf.In another arrangement, the vibrating body is attached to the mechanical vibration nodes through rods or wires stored, which is relatively thin compared to the vibrating body are. Such an arrangement has problems in terms of mechanical shock resistance.

Gleiches gilt auch für mikromechanische Schwingkörper oder auch größere geätzte Strukturen, da bei diesen Anordnungen eine im Vergleich zur Dimensionierung ihrer Lager bei Schockbelastung große Massen von denselben aufgefangen wer den müssen bzw. deren Störbewegung unterdrückt werden muß.The same also applies to micromechanical vibrating bodies or also larger etched structures, since with these arrangements one compared to the dimensioning of their bearings Shock loads large masses of the same who caught the must or their disturbing movement must be suppressed.

Eine hohe Störunterdrückung des Sensors wird dadurch erreicht, daß der mechanische Schwingkörper nur bei Frequenzen erregbar ist, die einen großen Frequenzabstand zwischen Frequenzspektrum des mechanischen Störsignales und dem mechanischen Nutzsignal sicherstellen.This results in a high interference suppression of the sensor achieved that the mechanical vibrating body only at Frequencies is excitable, which has a large frequency spacing between the frequency spectrum of the mechanical interference signal and ensure the mechanical useful signal.

Eine Anordnung mit hohen Eigenfrequenzen ist z. B. ein im gesamten Volumen scherschwingender piezoelektrischer Kör per, welcher wiederum im Schwingungsknoten mit speziellen Schneidenlagern gehalten ist. Der Montageaufwand für solche Sensoren ist sehr hoch, so daß diese Sensoren für die Mas senproduktion nicht geeignet sind.An arrangement with high natural frequencies is e.g. B. an im entire volume of shear vibrating piezoelectric bodies per, which in turn in the vibration node with special Cutting edge bearings is held. The assembly effort for such Sensors is very high, so these sensors for the mas production are not suitable.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Dreh geschwindigkeitssensor anzugeben, der den Gearwinkel prä zise und langzeitstabil erfaßt, schockbelastbar ist sowie mit preiswerten Technologien in großen Stückzahlen reali sierbar ist.The invention is therefore based on the task of turning speed sensor to indicate the gear angle pre captured quickly and with long-term stability, is shock-resistant as well with inexpensive technologies in large numbers reali is sizable.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Sende- und Empfangsvorrichtung eine Wandlerstruktur aufweisen, welche auf ein und demselben Festkörper angeordnet ist, wobei die an der Oberfläche des Festkörpers erzeugte akustische Welle von der Drehbewegung des Festkörpers beeinflußbar ist.According to the invention, the object is achieved in that transmission and receiving device have a transducer structure, which is arranged on one and the same solid, where the generated on the surface of the solid acoustic wave from the rotation of the solid can be influenced.

Die Lösung arbeitet nach dem Coriolisprinzip auf SAW-Basis (surface acustic wave).The solution works on the Coriolis principle on a SAW basis (surface acoustic wave).

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Sender und Empfänger sowie der Schwingkörper ein Element darstellen. Dadurch entfallen zusätzliche Maßnahmen zur Kopplung von Sender und Empfänger mit dem Schwingkörper.The advantage of the invention is that transmitters and The receiver and the vibrating body represent an element. This eliminates additional measures for coupling Transmitter and receiver with the vibrating body.

Es ist eine hybride Lösung oder eine Lösung auf einem Chip realisierbar, so daß der Drehgeschwindigkeitssensor beson ders einfach im Kollektiv herstellbar ist.It is a hybrid solution or a solution on a chip feasible so that the rotational speed sensor which is easy to produce in a collective.

Vorteilhafterweise ist dabei der Festkörper eine piezoelek trische Schicht.The solid is advantageously a piezoelectric trical layer.

Sender- und Empfängerelektroden, die auf der piezoelektri schen Schicht angeordnet sind, weisen annähernd gleiche Strukturen auf, wobei die Empfängerelektroden symmetrisch zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle angeordnet sind. Durch diese symmetrische Anordnung wird die Empfind lichkeit des Sensors erhöht und gleichartig auf die Empfän ger wirkende Störsignale werden unterdrückt.Transmitter and receiver electrodes on the piezoelectric layer are arranged approximately the same Structures with the receiver electrodes symmetrical arranged to the direction of propagation of the acoustic wave are. This symmetrical arrangement makes the sensation sensitivity of the sensor increased and similar to the receiver Interfering signals with a lower effect are suppressed.

Aufgrund des kompakten Aufbaus des Drehgeschwindigkeitssen sors ist eine Anordnung auf einem Substrat, welches mit einem Gehäusedeckel abdeckbar ist, möglich, wodurch eine eventuell notwendige Temperaturkompensation realisierbar ist.Due to the compact design of the speed of rotation sors is an arrangement on a substrate, which with a housing cover can be covered, possible, whereby a any necessary temperature compensation can be implemented is.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.The invention permits numerous embodiments. A of which is to be based on that shown in the drawing Figures are explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Drehge schwindigkeitssensors, Fig. 1 is a basic representation of the Drehge velocity sensor according to the invention,

Fig. 2 Anordnung des Drehgeschwindigkeitssensors auf einem Substrat, Fig. 2 arrangement the rotational speed sensor on a substrate,

Fig. 3 Ausbreitung der Oberflächenwelle Fig. 3 propagation of the surface wave

Fig. 4 bis 7 vektorielle Anteile der Oberflächenwelle hin sichtlich der Empfängerstrukturen. Fig. 4 to 7 vectorial components of the surface wave towards the receiver visibly structures.

Gemäß Fig. 1 ist auf einer planaren piezoelektrischen Schicht 1 eine metallische Interdigitalstruktur 2 angeord net, welche mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden ist, die die Interdigitalstruktur 2 mit einem periodischen elektrischen Signal versorgt. Dabei bildet die piezoelektrische Schicht 1 mit der Interdigitalstruktur 2 einen Sendewandler 1, 2.Referring to FIG. 1, a metallic interdigital structure 2 is angeord net on a planar piezoelectric layer 1, which is connected to an unillustrated voltage source which supplies the interdigital structure 2 with a periodic electrical signal. The piezoelectric layer 1 with the interdigital structure 2 forms a transmitter converter 1 , 2 .

Mittels dieses Sendewandlers 1, 2 wird aus dem periodischen elektrischen Signal eine akustische Welle erzeugt, die sich senkrecht zur Kammstruktur der Senderelektrode 2 ausbrei tet.By means of this transmitter converter 1 , 2 , an acoustic wave is generated from the periodic electrical signal, which propagates perpendicular to the comb structure of the transmitter electrode 2 .

Zwei Empfängerelektroden 3, 4, die ebenfalls auf der piezoelektrischen Schicht 1 angeordnet sind, weisen eine ähnliche Interdigitalstruktur 3, 4 wie die Senderelektrode 2 auf. Die Empfangswandler 1, 3 und 1, 4 erzeugen aus dem mechanischen Signal, welches die Oberflächenwelle liefert, jeweils eine amplitudenmodulierte elektrische Abbildgröße, deren Differenz der zu erfassenden Drehgeschwindigkeit proportional ist, welche in einer nicht dargestellten Schaltung ausgewertet wird.Two receiver electrodes 3 , 4 , which are also arranged on the piezoelectric layer 1 , have a similar interdigital structure 3 , 4 as the transmitter electrode 2 . The receiving transducers 1 , 3 and 1 , 4 each generate an amplitude-modulated electrical image variable from the mechanical signal that supplies the surface wave, the difference between which is proportional to the rotational speed to be detected, which is evaluated in a circuit, not shown.

Die piezoelektrische Schicht 1 wird, wie in Fig. 2 darge stellt, auf einem Substrat 5 montiert.The piezoelectric layer 1 is, as shown in Fig. 2 Darge, mounted on a substrate 5 .

In Fig. 3 wird die Ausbreitung der Oberflächenwelle ver deutlicht, wobei zu erkennen ist, daß die Empfangswandler 1, 3; 1, 4 nur für die vektoriellen Anteile der Welle empfindlich sind, die senkrecht zu ihren Interdigitalstruk turen 3, 4 verlaufen.In Fig. 3, the propagation of the surface wave is clarified ver, it can be seen that the receiving transducer 1 , 3 ; 1 , 4 are only sensitive to the vector components of the wave, which are perpendicular to their interdigital structures 3 , 4 .

Die beiden Anteile der Oberflächenwelle werden mit gleicher Amplitude empfangen, wenn der Sensor nicht um die Z-Achse des Koordinatorsystems (Fig. 2) gedreht wird.The two components of the surface wave are received with the same amplitude if the sensor is not rotated about the Z axis of the coordinator system ( FIG. 2).

Die vektoriellen Anteile der Oberflächenwelle a₃ und a₄, die die Empfangswandler 1, 3; 1, 4 erregen, sind in den Fig. 4 und 5 deshalb gleich groß.The vectorial components of the surface waves a₃ and a₄, which the receiving transducers 1 , 3 ; 1 , 4 excite, are therefore the same size in Figs. 4 and 5.

Wird die gesamte Anordnung um die Z-Achse gedreht, verän dern sich die Beträge der Vektoren a₃ und a₄ in Abhängig keit von der Drehrichtung gegensinnig.If the entire arrangement is rotated around the Z axis, change the amounts of the vectors a₃ and a₄ are dependent opposite direction of rotation.

Bei mathematisch negativer Drehrichtung vergrößert sich a₃, während sich a₄ proportional verkleinert (Fig. 6). Bei mathematisch positiver Drehrichtung sind die Verhältnisse umgekehrt (Fig. 7).With mathematically negative direction of rotation a₃ increases, while a₄ decreases proportionally ( Fig. 6). In the case of a mathematically positive direction of rotation, the relationships are reversed ( FIG. 7).

Eine Differenzbildung der elektrischen Abbildgrößen, die aus den von den Empfangswandlers 1, 3 und 1, 4 empfangenen Signalen gebildet werden, ergibt bei ideal symmetrischer Anordnung eine doppelte Empfindlichkeit bezogen auf den Einzelempfänger und unterdrückt Störsignale, die gleichar tig auf die Empfangswandler 1, 3 und 1, 4 wirken.A difference between the electrical image quantities, which are formed from the signals received by the receiving transducers 1 , 3 and 1 , 4 , results in an ideally symmetrical arrangement, a double sensitivity with respect to the individual receiver and suppresses interference signals, which are equal to the receiving transducers 1 , 3 and 1 , 4 act.

Diese Anordnung kann leicht auf hohe mechanische Eigenreso nanzen abgestimmt werden, so daß die Forderung nach Schock belastbarkeit gut realisierbar ist.This arrangement can easily be based on high mechanical resonance be matched so that the demand for shock resilience is well feasible.

Gleichzeitig kann das Substrat 5 in Verbindung mit einem Gehäusedeckel als hermetischer Schutz vor Störeinflüssen, wie Feuchtigkeit, verschiedene Gase, starke Konvektion der Luft an der schwingenden Oberfläche und anderes für die sensorische piezoelektrische Schicht genutzt werden.At the same time, the substrate 5 can be used in conjunction with a housing cover as hermetic protection against interferences, such as moisture, various gases, strong convection of the air on the vibrating surface and others for the sensory piezoelectric layer.

Die Frequenz f der mechanischen Welle ist näherungsweise gleich der Frequenz des elektrischen Signals, mit dem der Sendewandler 1, 2 erregt wird.The frequency f of the mechanical wave is approximately equal to the frequency of the electrical signal with which the transmitter converter 1 , 2 is excited.

Die Wellenlänge λ der mechanischen Schwingung ergibt sich aus λ = c_piezo×f, wobei c_piezo die Schallgeschwindigkeit der Oberflächenwelle ist.The wavelength λ of the mechanical vibration results from λ = c _piezo × f, where c _{piezo is} the speed of sound of the surface wave.

Beträgt die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht 1 ein Vielfaches von λ/2 erzeugt die Interdigitalstruktur 2 des Sendewandlers 1, 2 an der Oberfläche vor allem Rayleigh- Wellen, deren Eindringtiefe im piezoelektrischen Material gering ist.The layer thickness of the piezoelectric layer 1 is a multiple of λ / 2 generates the interdigital structure 2 of the transmitting transducer 1, 2 at the surface mainly Rayleigh waves, the depth of penetration in the piezoelectric material is small.

Dadurch wird das Substrat 5 (Fig. 2) nicht mit in Schwin gung versetzt und es kann eine sicher haftende Verbindung zwischen piezoelektrischer Schicht 1 und Substrat 5 reali siert werden.As a result, the substrate 5 ( FIG. 2) is not set in vibration and a securely adhering connection between the piezoelectric layer 1 and the substrate 5 can be realized.

Claims

1. rotational speed sensor with a vibration-generating transmitter and two receive devices that detect the rotational movement of a solid body about its longitudinal axis and convert the difference between the two individual signals into an electrical variable, characterized in that both transmitter ( 1 , 2 ) and receiver device (1, 3; 1, 4) is a transducer structure (2, 3, 4) which are arranged on one and demsel ben solid (1), wherein the acoustic wave generated on the surface of the solid body (1) of the rotary movement the solid ( 1 ) is influenced.

2. rotational speed sensor according to claim 1, characterized in that the solid body ( 1 ) is a piezoelectric layer.

3. rotational speed sensor according to claim 1 or 2, characterized in that transmitter ( 1 , 2 ) and receiving device ( 1 , 3 ; 1 , 4 ) have approximately the same structures ( 2 , 3 , 4 ).

4. rotational speed sensor according to claim 3, characterized in that the structures ( 2 , 3 , 4 ) are interdigital tal structures.

5. rotational speed sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the receivers ( 1 , 3 ; 1 , 4 ) are arranged symmetrically to the direction of preparation of the acoustic wave.

6. rotational speed sensor according to claim 5, characterized in that the receiver ( 1 , 3 ; 1 , 4 ) are arranged at an angle of approximately 45 ° to the direction of propagation of the acoustic wave.

7. rotational speed sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the piezoelectric cal layer ( 1 ) is arranged on a substrate ( 5 ) which can be covered with a housing cover.

8. rotational speed sensor according to claim 7, characterized in that the thickness of the piezoelectric layer ( 1 ) is a multiple of λ / 2 of the mechanical vibration.