CN101027536A - 旋转速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转速度传感器，包括一个基板；至少一个基础元件(1)，其包括一个框架(2)、一个位于基板上的框架(2)的悬挂装置(7)、至少一个振动装置(3)以及一个位于框架(2)上的振动装置(3)的悬挂装置(4、5)；一个传动装置(8)；以及一个读取装置(9、10)。根据本发明，传动装置这样构成，使得它作用在基础元件(1)的框架(2)上。

Description

旋转速度传感器
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的旋转速度传感器。
背景技术
旋转速度传感器通常用来测定物件围绕轴线的角速度。如果旋转速度传感器基于硅基板微机械地构成，那么它相对于精密机械技术的回转仪具有这样的优点，即它可以相对低的费用以非常小的尺寸构成。此外有利的是较小的测量不确定性和在运行过程中较小的能量消耗。旋转速度传感器的一个重要的应用领域是汽车技术，例如在行驶动力学调节系统如电子稳定程序中。防车辆抱死系统、自动的制动力分配、传动装置滑转调节装置和偏转力矩调节装置共同作用，使得汽车的横向以及纵向稳定通过有目的地刹止单个车轮实现。因此可以阻止汽车围绕其竖轴转动。旋转速度传感器的另外的应用在于与安全气囊控制单元和乘客的安全带拉回系统一起进行所谓的汽车倾翻探测。此外旋转速度传感器用于导航目的以及用于确定所有类型的汽车的位置和运动状况。其它的应用领域例如是用于摄像机的图像稳定器、卫星移入地球轨道时的动态调节或在备用位置调节系统时的民用飞行。
微机械制造的旋转速度传感器通常具有一个振动装置，其经由一个传动装置置于振动中。如果振动装置在一个旋转系统中径向向内或向外运动，那么它的轨道速度发生改变。它因此经历通过科氏力引起的切向加速。振动装置对于旋转的反应可以例如借助于一个其它的振动装置或其它的读取装置探测。
由德国专利文献DE19641284C1已知一种旋转速度探测器，其具有一个第一振动装置以及一个第二振动装置的构成为弹簧装置的脱离联系的传动以及读取结构。这种传感器构造以及其它类似的由现有技术已知的与科氏力相关的传感器的缺点在于，通过在此必需的脱离产生被动的振动质量，其又减小测量灵敏度，因为科氏力对振动质量不能产生影响。
国际公开文献WO03/104823A1公开了一种多轴的整体式加速度传感器，其具有直至四个振动质量，它们构成为浆形形状并且经由扭转弹簧悬挂在一个框架上。利用这种传感器可以测量各个主灵敏轴线方向上的加速度，然而不能测量旋转速度。
发明内容
本发明的目的在于使得旋转速度传感器对起作用的科氏力的灵敏度最大化。特别是应当提供尽可能不相关的传动以及读取结构。
根据本发明，上述目的通过如下旋转速度传感器实现，其具有一个基板；至少一个基础元件，其包括一个框架、一个位于基板上的框架的悬挂装置、至少一个振动装置以及一个位于框架上的振动装置的悬挂装置；一个传动装置；以及一个读取装置，其中传动装置这样构成，使得它作用在基础元件的框架上或经由框架整个基础单元被激励成振动。
因此根据本发明所有运动的结构在传动方向上被激励成振动，其中也包括对科氏力灵敏的振动装置，其然而还具有一个其它的运动自由度。与现有技术相比因此不存在静止的或惰性的(passive)质量，其减小旋转速度传感器的灵敏度，因为科氏力不能作用在静止的或惰性的质量上。
优选基础元件的框架构成为基本上仅可以在一个通过基板张开的平面内运动。在与之垂直的方向上，框架基本上是刚性的。振动装置这样构成，即它优选实施垂直于传动方向的运动。传动运动可以通过选择合适的振动装置的悬挂装置尽可能不激励沿其自由度的运动。振动装置的运动同样不干扰传动运动。换句话说，振动装置的感应运动与框架的传动运动是脱离联系的。这是本发明的优选的实施方式。特别有利的是，读取装置的灵敏度方向基本上垂直于传动装置的作用方向。
特别是每个基础元件具有一个单独的传动装置，从而每个基础元件可以彼此独立地被驱动或激励成振动。位于各个基础元件之间的耦合单元因此不再是必需的。
优选传动装置构成为具有一个电容性激励装置的传动齿梳(Antriebskamm)。激励装置或传动装置例如可以通过电气的、热学的、磁性的、压电的或其它合适的方式和方法实现。
振动装置优选构成为特别是浆形状的振动质量。优选设置弹簧用于将振动装置悬挂在框架上并且用于将框架悬挂在基板上。振动装置的悬挂装置在此通过扭转梁或弯曲梁构成。
特别有利的是，框架和振动装置的(共振)频率可以通过弹簧彼此不相关地调节，因为弹簧彼此不相关并且基本上不相互影响。
特别有利的是，旋转速度传感器具有至少两个基础元件，它们借助于一耦合单元相互连接。所述耦合构成为使得各个基础元件的运动只受到很小的影响。各基础元件优选彼此转动180°(在两个基础元件的情况下)或90°(在四个基础元件的情况下)，从而它们可以被激励成反相的振动，由此系统的整个重心保持静止。各基础元件通过耦合具有一个共同的共振频率。
尽管基础元件的运动原则上只受到很小的影响，但是有利的是，耦合单元在对置的逆相振动的基础元件的情况下将相对于所述基础元件分别转动90°设置的基础元件激励或强迫成逆相振动。
优选耦合单元环形或圆形构成并且在基础元件的共同的重心附近悬挂。
特别有利的是，存在至少两个读取装置，从而在不同方向上的两个旋转运动可以被感应或探测。一个读取装置优选探测框架在通过基板张开的平面内垂直于传动装置的作用方向的运动，并且另外一个读取装置探测振动装置垂直于通过基板张开的平面的运动。
在本发明的一个有利的方案中，也可以在每个框架上彼此转动180°地设置两个读取装置。
附图说明
在下面的说明中借助于附图和实施例详细阐述本发明的特征和细节。在各单个方案中描述的特征和关联原则上可以转移到所有的实施例中。其中：
图1示意示出本发明的第一实施例，其分别具有一个基础元件，所述基础元件具有一个振动装置(图1a和1b)或两个振动装置(图1c)；
图2根据本发明的另外一个实施例的本发明的旋转速度传感器的一部分的示意图，该旋转速度传感器具有两个耦合的基础元件；
图3本发明的第三实施例的示意图，其具有四个耦合的基础元件；
图4本发明的第四实施例的示意图，其具有两个耦合的基础元件；
图5一个按电容方式工作的读取装置的示意图。
具体实施方式
图1包含三个单个的附图1a至1c，在图1中示出基础元件1的不同的实施方式，它们可以应用在本发明中。一个微机械制造的旋转速度传感器通常包括多个元件。一个在附图中未示出的基板特别是具有一个平的表面，所述基板例如可以是一个硅晶片。
在基板上或内构成至少一个基础元件1，其包括一个或多个振动装置3。根据本发明，振动装置优选构成为振动质量3，其悬挂在一个框架2内。这个悬挂装置例如可以经由扭转梁5或弯曲梁4实现。弯曲梁4具有一个线性的弹簧特征曲线，然而本发明的旋转速度传感器的振动质量3优选经由扭转梁5固定在框架2上。根据图1c，基础元件1具有一个或多个振动质量3，例如两个具有对置的悬挂装置5的浆3。
悬挂装置4、5允许振动质量3的重心仅仅沿z方向垂直于框架2的平面运动。框架2的平面平行于基板或通过基板张开的平面(x/y平面)。
如图1c所示，基础元件1经由一个或多个其它的悬挂装置7固定在未示出的基板上。悬挂装置7优选由弹簧构成。这允许基础元件1沿第一轴线(y轴)方向y平行于基板运动。在这个实施例中弹簧7在垂直于第一轴线(y轴)的方向x、z上基本上刚性构成。根据下面描述的实施例，也可以的是，悬挂装置7仅仅在方向z上是刚性的。根据本发明的优选的实施形式，基础元件1的框架2在任何情况下仅仅在通过基板张开的平面(x/y平面)内是可以运动的。
旋转速度传感器此外具有至少一个在图1中未示出的激励装置或传动装置。传动装置是一个可以将基础元件1激励成沿着第一轴线(y轴)振动的装置。传动装置例如可以通过电气的、热学的、磁性的、压电的或其它合适的方式和方法实现。
旋转速度传感器最后还包括至少一个读取装置(在图1a至图1c中未示出)，它测量振动装置或振动质量3在z方向上、即在垂直于框架2的平面(x/y平面)的方向上的偏转。读取装置例如可以涉及电容的、压阻的、磁性的、压电的或光学的测量原理。
下面简述旋转速度传感器的工作原理。基础元件1或框架2被激励成沿第一轴线(y轴)周期性振动。在振动装置或振动质量3围绕第二轴线(x轴，在基板平面内并且垂直于第一轴线)作旋转运动时，出现一个垂直于第一以及第二轴线、即在第三轴线的方向z上的科氏力。科氏力不仅作用在框架2上，而且作用在悬挂装置在那儿的振动装置或振动装置3上。框架2然而在方向z上是刚性的，从而仅仅振动质量3沿着这个轴线偏转。这个偏转通过探测或读取装置探测并且是所出现的旋转速度的量度。
与图2相联系并且换句话说，一个尽可能刚性的框架2在传动装置8的方向y上被激励并且优选仅仅在方向y上是可以运动的。这个运动被转移到振动质量3上，其仅仅在读取方向z(垂直于激励方向y)上柔软地悬挂装置。由此振动质量3尽可能在单纯的传动运动中保持静止。科氏力仅仅移动振动质量3，被移动的框架2在这个方向上尽可能刚性。传动运动由此基本上不受干扰。传动运动反之也尽可能不影响读取装置(在图2中未示出)的信号读取，读取运动原则上对传动运动没有反馈。
优选通过构成为传动装置8的电容性的齿梳结构(图2)实现激励，它例如也可以通过振动质量3的悬挂装置中的压阻实现(未示出)，其中测量在一个偏转过程中悬挂装置5中的应力。读取例如通过对应电极电容性地实现，其与振动质量3隔开设定的距离设置。
根据本发明，传动装置8直接或间接作用在基础元件1的框架2上，或整个基础元件1经由框架2被激励成振动。因此所有的运动的结构在传动方向y上被激励成振动，其中也包括对科氏力灵敏的振动装置3，其然而还具有一个其它的运动自由度。与现有技术相比因此不存在静止的或惰性的质量，其减小旋转速度传感器的灵敏度，因为科氏力不能作用在静止的或惰性的质量上。
图2示出了本发明的旋转速度传感器的一个实施例，其具有两个耦合的转动180°的基础元件1，所述基础元件分别具有两个振动质量3，它们被激励成逆相的振动。这具有下面的优点。通过两个对称设置的基础元件1的逆相的振动，系统的整个重心保持静止，以理想的方式不在芯片构造上作用能量。沿z轴方向的线性加速度(例如振动)可以通过差异的信号评价消除。在x方向上的振动由于所使用的悬挂装置的高刚性对旋转速度传感器的运行不产生影响。一个位于各基础元件1之间的耦合单元6促成两个基础元件1在y方向上逆相运动的共同的共振频率。
图3示出了本发明的多轴的x/y-旋转速度传感器的实施例。这意味着，在x和y方向上的旋转方向因此可以被探测。在此，四个彼此转动90°的基础元件11、12、13、14彼此耦合，使得各两个基础元件11、13或12、14可以在x方向或y方向上逆相振动。两个振动方向x、y位于一个平面内并且相互垂直。所选择的耦合单元6支持振动装置或振动质量3的逆相振动特性。在这种设置的情况下，沿着方向y设置的基础元件12、14不仅彼此之间而且与在方向y上设置的基础元件11、13相位移动180°。由于未示出的读取装置相对于传动装置8的信号的相位关系，也可以探测和区别位于基片平面内和位于精确的x方向和y方向之间的旋转方向。
特别是每个基础元件11、12、13、14具有一个单独的传动装置8，从而每个基础元件11、12、13、14可以彼此独立地被驱动或激励成振动。位于各个基础元件11、12、13、14之间的耦合单元6因此不再是必需的，但是仍然具有上述的优点。
优选耦合单元6环形或圆形构成并且与基础元件11、12、13、14共同的重心邻近地悬挂。
作为本发明的另外一个实施例，在图4中示出一个多轴的x/z旋转速度传感器。基于在图2中描述的单轴的旋转速度传感器，通过这个实施例可以实现一个具有灵敏度方向x和z的两轴的旋转速度传感器。两个基础元件1在此利用一个构成为弹簧的悬挂装置7的系统这样悬挂，使得它们不仅在y方向上而且在x方向上可以运动。基础元件1沿着方向y经由构成为电容性结构或传动齿梳的传动装置8被激励成逆相的振动。
x传感器按照下面的方式工作。在出现x方向上的旋转速度时，对在基础元件1内移动地悬挂的振动质量或浆3施加一个在z方向上力。在此出现的围绕悬挂装置或扭转梁5的翻转借助于一个在图4中未示出的读取装置被探测为电容变化，所述读取装置例如可以借助于位于上方的电极构成。
在图5中示出例如一个这种类型的读取装置10，其可以通过电容变化测定振动质量3的运动。在此存在一个固定在基板上的对应电极。
再参考图4，在图4中z传感器按照如下方式工作。z方向上的旋转速度引起基础元件1在x方向上的移动。这种移动借助于一个构成为电容性齿梳结构的读取装置9探测。特别有利的是，在每个基础元件1上转动180度地固定两个读取装置9。因此在每个基础元件1上可以评测信号差。
本发明根据图4的实施方式的特别的优点如下所述。通过所示的设置，可以同时测量在x方向上的旋转速度和在z方向上的旋转速度。读取装置9、10在这两个轴线上尽可能脱离耦合。通过使用差异的读取原理可以尽可能抑制或补偿沿着x或z轴线的线性加速度。本发明的旋转速度传感器的两轴的实施方式也可以相对较小，因为对于读取装置9、10的两个探测轴线或灵敏度方向u、w而言可以使用同一个基础元件1。
在所有的实施例中悬挂装置或弹簧4、5、7尽可能彼此不相关地构成，它们确定框架2的激励运动和振动质量或振动装置3的读取运动的共振频率。特别是有利的是，频率因此也可以彼此不相关地调节。
在具有至少两个基础元件1的实施例中，振动质量3和框架2的悬挂装置4、5、7优选也可以这样选择，使得第一基础元件1中的振动质量或振动装置3的运动对第二基础元件1中的振动装置3的运动有较小的耦合。因此两个振动质量3不是完全彼此不相关，从而产生两个基础元件的两个共同的共振频率。在一个通过作用的科氏力激励的使用模式中，基础元件1的各振动质量3相位彼此偏移180度地振动。一个其表示为振动质量或振动装置3的同相振动(零相偏移)的寄生模式存在于一个另外的频率带内并且可以通过合适的过滤消除。由此可以抑制通过这样耦合的基础元件1的较小不对称引起的信号。

Claims (16)

1.旋转速度传感器，包括一个基板；至少一个基础元件(1、11、12、13、14)，其包括一个框架(2)、一个位于基板上的框架(2)的悬挂装置(7)、至少一个振动装置(3)以及一个位于框架(2)上的振动装置(3)的悬挂装置(4、5)；一个传动装置(8)；以及一个读取装置(9、10)，其中传动装置(8)这样构成，使得它作用在基础元件(1、11、12、13、14)的框架(2)上。
2.如权利要求1所述的旋转速度传感器，其特征在于，基础元件(1、11、12、13、14)的框架(2)基本上仅仅可以在一个通过基板张开的平面(x/y平面)内运动。
3.如权利要求1或2所述的旋转速度传感器，其特征在于，每个基础元件(1、11、12、13、14)具有一个单独的传动装置(8)。
4.如上述权利要求之一所述的旋转速度传感器，其特征在于，传动装置(8)构成为具有一个电容性激励装置的传动齿梳。
5.如上述权利要求之一所述的旋转速度传感器，其特征在于，振动装置(3)构成为特别是浆形状的振动质量。
6.如上述权利要求之一所述的旋转速度传感器，其特征在于，读取装置(9、10)的灵敏度方向(u、w)基本上垂直于传动装置(8)的作用方向(v)。
7.如上述权利要求之一所述的旋转速度传感器，其特征在于，振动装置(3)的悬挂装置(4、5)以及框架(2)的悬挂装置(7)构成为弹簧。
8.如权利要求7所述的旋转速度传感器，其特征在于，框架(2)和振动装置(3)的共振频率可以通过弹簧(4、5、7)彼此不相关地调节。
9.如上述权利要求之一所述的旋转速度传感器，其特征在于，旋转速度传感器具有至少两个基础元件(1、11、12、13、14)，它们借助于一耦合单元(6)彼此连接。
10.如权利要求9所述的旋转速度传感器，其特征在于，基础元件(1、11、12、13、14)具有一共同的共振频率。
11.如权利要求9或10所述的旋转速度传感器，其特征在于，旋转速度传感器具有四个彼此转动90度的基础元件(11、12、13、14)。
12.如权利要求11所述的旋转速度传感器，其特征在于，耦合单元(6)在对置的逆相振动的基础元件(11、13)的情况下将相对于所述基础元件分别转动90°设置的基础元件(12、14)激励成逆相振动。
13.如权利要求9至12之一所述的旋转速度传感器，其特征在于，耦合单元(6)环形或圆形地构成并且在基础元件(1、11、12、13、14)的共同的重心附近悬挂。
14.如权利要求9至13之一所述的旋转速度传感器，其特征在于，在旋转速度传感器上设置至少两个读取装置(9、10)。
15.如权利要求14所述的旋转速度传感器，其特征在于，一个读取装置(9)探测框架(2)在通过基板张开的平面内垂直于传动装置(8)的作用方向(v)的运动，并且另外一个读取装置(10)探测振动装置(3)垂直于通过基板张开的平面的运动(w)。
16.如权利要求14或15所述的旋转速度传感器，其特征在于，在每个框架(2)上彼此转动180°地设置两个读取装置(9)。
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