CN102435183A - 旋转率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特别是在汽车中使用的微型机械旋转率传感器，它包括基质，至少一个在基质上弹性设置的地震质量、用于地震质量产生周期运动的驱动装置，用于检测由于绕一个与激发方向垂直的旋转轴转动作用到地震质量上的科氏力的力探测装置，以及测量装置，其中，将测量装置设计成用于测量旋转率传感器的结构偏差。

Description

旋转率传感器

技术领域

本发明涉及一种特别是在汽车中使用的旋转率传感器。

背景技术

用于检测实际的运动状态的微型机械的旋转率传感器应用在各式各样的技术领域中，例如用在汽车的行驶稳定系统中，或者也应用在导航中。

通常这样一种旋转率传感器包括一个所谓的弹簧一质量系统，该系统具有一个用作基准的基质和一个相对于该基质运动设置的地震质量。为了确定旋转运动为此求出地震质量对旋转运动的反应。如是在旋转率传感器中—它对旋转率的探测是以科氏效应为依据—地震质量垂直于旋转轴地发生偏移。在旋转的系统中通过地震质量的径向运动它的轨道速度发生变化，这导致对地震质量施加作用的相应的科氏力。可将这种科氏力作为切向加速度测量。若旋转率传感器的特性，也就是例如弹簧—质量系统的机械特性是已知的，则可从中计算出实际的旋转速度，并且因此计算出旋转率。

为了测量科氏力首先需要地震质量的规定的运动。为此例如借助一个电容驱动装置产生地震质量的周期运动。这个电容驱动装置也可用于探科氏力。例如DE 10 2009 000 679 A1公开了这种类型的传感器。

总之地震质量的运动既在驱动装置这一级进行，也由于垂直于它的科氏力进行。其中，出现了通过驱动装置引起不希望的振动。这些所不希望的振动作为所谓的方形原信号一起检测，并且使测量结果失真。这些所不希望的振动的原因例如是在旋转率传感器的结构中的变形、非对称等，这些问题是在旋转率传感器的制造中的制造公差引起的。

环境温度的变化会导致旋转率传感器内部的测量结构的变形。由此旋转率传感器的测量敏感度变化或者漂移部分地直到10%。因此在制造旋转率传感器时要求例如按照温度曲线对这些变形进行平衡。

发明内容

在权利要求1中定义的，特别是在汽车中使用的微型机械旋转率传感器包括一个基质、至少一个在基质上弹性设置的地震质量、用于产生地震质量的周期运动的驱动装置、用于检测由于绕一个垂直于激励方向的旋转轴线旋转而作用到地震质量的科氏力的力探测装置，以及测量装置，其中，将测量装置设计成用于测量旋转率传感器的结构偏差。

在权利要求10中定义的用于为测量旋转率传感器的测量敏感度提供测量信号的方法，此方法特别适合用按照权利要求1-9的至少任一项所述的旋转率传感器予以实施，此方法包括下述步骤：

- 在振动平面中产生至少两个地震质量的反相振动，

- 作用科氏力到地震质量上，

- 由于科氏力地震质量垂直于振动平面地偏移，

- 应力作用到旋转率传感器上，

- 通过起作用的应力产生旋转率传感器的结构偏差，

- 由于结构的偏差改变旋转率传感器的测量灵敏度，

- 产生与旋转率传感器的结构偏差无关的测试信号，以测量旋转率传感器的测量灵敏度。

在说明书中，特别是在权利要求书中有关结构偏差例如应理解为旋转率传感器、特别是基质等的变形和变化。

因此所得到的好处是能因此可靠地识别结构的变化，例如旋转率传感器的基质的变形。借助这些测量装置检测到的结构偏差例如通过这些测量装置本身或者通过其它一些合适的补偿装置可产生相应的测试们号，这基本与结构偏差，例如基质的变形无关。然后这个测试信号可通过已设置的电路等进行分析，并且在旋转率传感器以后的运行中用作测量测量灵敏度的基准。

在从属权利要求中对本发明的其它特征和优点进行了说明。

根据本发明的一个有利的改进方案将测量装置设置在地震质量上，和/或设置在基质上。其中的优点是，可以简单方式通过测量装置探测结构变化或者偏差。若将这些测量装置既设置在地震质量上，也设置在基质上，则这些测量装置既可探测地震质量的，也可探测基质的结构偏差，也可探测两个结构偏差的可能的补偿，例如探测地震质量和基质的同时变形。

根据本发明的另一有利的改进方案测量装置包括至少一个电极结构。这个电极结构具有至少两个共同作用的电极。借助这个电极结构可简单和成本有利地形成测量装置，并且也能可靠地测量旋转率传感器的结构偏差。

根据本发明的另一有利的改进方案将其中至少一个共同作用的电极设计为基质电极，并且将其中至少一个电极设计为质质电极。其中所得到的优点是，由此可直接地测量基质和地震质量之间的例如相对的结构变化。

根据本发明的另一有利的改进方案，电极结构包括至少两个特别是彼此对称设置的质量电极。通过对称设置质量电极和同至少一个基质电极的共同作用可可靠地探测旋转率传感器的结构偏差，因为通过在相应的质量电极和基质电极之间的电容的平均值的形成可以减小电容的偏差和/或漂移。

根据本发明的另一有利的改进方案，质量电极和基质电极彼此对称地至少设置在一种静止位置中。其中所得到的好处是，由此在静止状态时，或者在过零点时，或者通常在一定的偏移时，优选地在最大偏移时，在地震质量振动时质量电极和基质电极分别对置设置。当在静止位置中对称设置时在地震质量相应地振动时在过零点时在和振动方向的一致方向上出现力脉冲，这样就出现了电极结构的信号，该信号为驱动装置的驱动频率的两倍。然后这个信号用作旋转率传感器的测量敏感度的基准信号。

根据本发明的另一有利的改进方案至少一个质量电极设置在地震质量的一个空隙中，并且基质电极设计为至少部分地啮合到该空隙之中。这样可以简单和可靠的方式实现基质电极和质量电极的共同作用。

根据本发明的另一有利的改进方案大量的电极结构基本上设置在一个垂直于地震质量的周期性运动的方向的延伸段中。通过大量的电极结构使得更加可靠地测量旋转率传感器的结构偏差成为可能。

根据本发明的另一有利的改进方案，将力探测装置设计成用于测量旋转率传感器的结构偏差的测量装置。这样就可以简单和成本有利的方式既探测科氏力，也能为旋转率传感器的结构偏差提供信号。这例如可通过对相应的基质电极和质量电极的合适的节拍控制的触发完成。

附图说明

在附图中示出了本发明的另一些特征，并且在下述说明中对它们进行详细的说明。

这些附图是：

图1：传统的旋转率传感器的原理结构侧视简图。

图2：有应力引入的图1的传统的旋转率传感器的原理结构简图。

图3：根据本发明的第一实施形式的电极结构侧视图。

图4：在穿过静止位置和处于偏移位置中的图3的电极结构的俯视图。

图5：根据本发明的第二实施形式的旋转率传感器处于静止位置中的俯视图。

图6：根据本发明的第三和第四实施形式的旋转率传感器的俯视图。

图7：根据本发明的第一实施形式的方法的步骤。

具体实施方式

在这些图中相同的附图标记表示相同的部件或者相同功能的部件。

图1示出了传统的旋转率传感器的原理结构的侧视简图。

在图1中附图标记M₁、M₂表示旋转率传感器的两个地震质量。这些地震质量分别借助一个弹簧F₁、F₂弹性地固定在一个基质S上。此外，这些弹簧F₁、F₂分别和驱动装置A连接。这些驱动装置用于沿相反的水平方向R₁、R₂产生地震质量M₁、M₂周期性的振动。其中，这些地震质量M₁、M₂在页面中的左边和右边朝所述方向R₁、R₂振动。在地震质量M₁、M₂的下侧设置有质量电极B’₁、B’₂。这些质量电极和设置在基质S上，且用于测量作用到地震质量M₁、M₂上的科氏力的相应的基质电极B₁、B₂共同作用。然后从相应的基质电极B₁、B₂和相应的质量电极B’₁、B’₂之间电容C₁、C₂的电容变化中可求出旋转率。

当例如沿着顺时针方向D绕一个轴线Z—该轴线垂直地伸入画平面—转动，则地震质量M₂在右侧沿方向R₄向上地在图1的画平面中得到一个加速度。在基质电极B₂和质量电极B₂’之间的间距d0—这个间距相应于没有旋转时的静止状态—变大，而与此相应地基质电极R1和质量电极B’₁之间的间距d₀则减小，因为其朝R₃方向作了运动，而这个方向与方向R₄相反。

通过基质电极和质量电极B1、B₁’、B₂、B₂’之间的间距变化在基质电极和质量电极B1、B₁’、B₂、B₂’之间的相应电容C₁、C₂也发生变化。对这些电容变化进行测量，并且基本上借助这些电容变化来确定旋转率。

图2示出了有应力引入的图1的传统的旋转率传感器的原理结构简图。

与图1的不同在于在图2中的旋转率传感器得到了一种应力。这样使固定在基质S上的基质电极B₁、B₂发生变形。这样相应的质量电极和基质电极B₁、B₁’、B₂、B₂’之间的间距d₁、d₂与相应的驱动方向R₁、R₂平行地发生变化。这损害了旋转率传感器的测量敏感度。

图3示出了根据本发明的第一实施形式的电极结构的侧视图。

在图3中示出了一个基质电极E。这个基质电极设计为竖直设置的指形电极。在基质电极E的左和右设置有一个地震质量M₁。这个地震质量基本为矩形示出，并且在它们的也为矩形示出的基质电极E上分别具有质量电极Ea’、Eb’。在静止状态时基质电极E的上边缘和质量电极Ea’、Eb’的上边缘处于基本相同的高度。然而，基质电极E在它的竖直延伸上设计得比质量电极Ea’、Eb’更长，并且由于边缘场在给质量电极Ea’、Eb’的下边缘上的基质电极和质量电极E、Ea’、Eb’提供某种电压之后产生图3中的向下作用到质量电极Ea’、Eb’的边缘力。由于这种边缘力相应地使质量M₁从它的位置产生位移。这引起基质电极和质量电极B、B₁’、B2、B₂’之间的电容变化。这些变化用于测量科氏力（见图1）。这些附加的电容变化产生一种附加的信号，也叫做测试信号。这种信号通过与应测量的旋转速度相同的信号线路可借助旋转率传感器进行分析。因为边缘力和可能发生的基质变形无关，所以在信号线路的端部上输出的测试信号的大小使得求出旋转率传感器的测量灵敏度成为可能。

通过给基质电极E和质量电极Ea’、Eb’提供电压，形成电容C₃、C₄。可附加地测量这些电容C₃、C₄的这种变化，以提高旋转率传感器的可靠性以及测量灵敏度的测量。当电压没有变化时测量出电容C₃、C₄有变化，则表明边缘力有变化，并且因此基质S和/或地震质量M₁有变形。

图4示出了在穿过静止位置和处于偏移位置时的图3的电极结构的俯视图。

在图4中在左边的一侧示出当地震质量M₁根据图4在垂直方向R₁、R₂发生偏移时地震质量M₁通过静止位置时的情形。在这种情况中质量电极Ea’、Eb’以及基质电极E基本设置在一条共同的图4示出的水平延伸的线L上。

在图4的右侧示出的是基本上是基质电极E和质量电极Ea’、Eb’的设置情况，其中，地震质量M₁和质量电极Ea’、Eb’一起向上偏移。地震质量M₁的偏移状态中的电容C3’、C4’和静止状态中，或者在通过零位置时的电容C3、C4是不相同的，并且只要在R₁或者R₂方向所测量的基质电极E和相应的质量电极Ea’、Eb’的重叠长度小于通过驱动装置A产生的地震质量的振幅，对由于前面所述的边缘场所产生的边缘力进行补偿。其结果是地震质量M₁的过零点导致作用到地震质量的力脉冲。这个力脉冲基本上和电容C3、C3’或者C4、C4’之间的电容变化成比例，并且和所施加的电压成平方关系。然后借助用力脉冲产生的信号求出旋转率传感器的测量灵敏度。

图5示出根据本发明的第二实施形式的旋转率传感器处于静止位置中的俯视图。

在图5中借助弹簧F₁、F₂将两个地震质量M₁、M₂固定在一个基质（未示出）上。地震质量M₁、M₂在画面上沿着竖直方向R₁、R₂反相地振动，为的是探测绕在画面上水平设置的轴线Z的旋转D。这些地震质量M₁、M₂在与相应的另外的地震质量M₁、M₂相邻的区域中垂直于偏移方向地分别具有四个矩形的空隙10。在这些空隙中分别在左侧和右边设置两个质量电极Ea’、Eb’。如在图3中示出的分别一个基质E在这些质量电极Ea’、Eb’之间延伸，并且如在前面的图中所述的分别形成两个电容。在这个旋转率传感器中每当地震质量M₁、M₂的振动过零点时沿这个方向出现前述的力脉冲，这样，就提供一种用于用驱动装置的振动的双倍的频率f测量旋转率传感器的测量灵敏度的信号。在这种情况中可通过对地震质量M₁、M₂的振动控制在给电极E、Ea’、Eb’提供电压的时间节拍运行中只是在两个过零点的一个中（一次沿R₁方向，一次沿R₂方向）得到力脉冲。

图6示出了本发明的第三和第四实施形式的旋转率传感器的俯视图。

在图6中的左边和右边所示的旋转率传感器的结构和图5中所示的旋转率传感器的结构的不同之处只在于质量—和基质电极E、Ea’、Eb’的电极结构的设计以及电极结构的数量（对于每个地震质量M₁、M₂中是五个而不是四个）。在图6中在左侧示出了两个地震质量M₁、M₂的静止位置。其中，质量电极Ea’、Eb’分别是如此设置的，即当各地震质量M₁、M₂为最大偏移时这些质量电极和基质电极E有最大的重叠。其中，相应地只有一个地震质量M₁、M₂和所属的质量电极Ea’、Eb’在它沿一个方向最大偏移时具有重叠。因此，地震质量M₁、M₂的质量电极Ea’、Eb’是如此设置的，即按照图6左侧设置在上面的地震质量M₂的质量电极从垂直于旋转轴线的方向看设置在相应所属的基质电极E的后面，而从旋转轴线Z到下地震质量M₁的视觉方向看质量电极Ea’、Eb’设置在质量电极E的前面。这样借助力脉冲可产生一种信号。这个信号在相位上具有一个1f 90°相位差信号（Quadratursignal）。

在图6的右侧又是示出两个地震质量M₁、M₂的静止位置。在矩形的空隙10中示出了四个质量电极Ea’、Eb’、Ec’、Ed’。这些质量电极对称地设置在矩形的空隙的内部：在空隙10的左侧和右侧分别设置四个质量Ea’、Eb’、Ec’、Ed’中的两个。其中，基质电极E伸入到这四个质量电极Ea’、Eb’、Ec’、Ed’之间。从旋转轴线Z朝相应的地震质M₁、M₂的视觉方向看设置有两个质量电极Ea’、Eb’、基质电极E，最后是另两个质量电极Ec’、Ed’。这样，分别在地震质量M₁、M₂的两个最大的偏移处产生一种重叠，并且因此产生一种力脉冲，这样，总共产生一个2f 90°相位差信号。

在图7中示出了根据本发明的第一实施形式的方法的一些步骤。

在图7中，附图标记100表示在一个振动平面中产生至少两个地震质量M₁、M₂的反相的振动的步骤，附图标记101表示科氏力作用于地震质量M₁、M₂的步骤，附图标记102表示由于科氏力使地震质量垂直于振动平面的偏移的步骤、附图标记103表示应力作用到旋转率传感器上的步骤，附图标记104表示通过作用的应力使旋转率传感器产生结构偏差的步骤，附图标记105表示由于结构偏差而改变旋转率传感器的测量灵敏度的步骤，附图标记106表示产生一种与旋转率传感器的结构偏差无关的测试信号的步骤，用于借助所测量的结构偏差测量旋转率传感器的测量灵敏度。

Claims (10)

1.特别是在汽车中使用的微型机械旋转率传感器，包括：

- 基质（S），

- 至少一个在基质（S）上弹性设置的地震质量（M₁、M₂），

- 用于产生地震质量（M₁、M₂）的周期运动的驱动装置，

- 用于检测由于绕与激发方向垂直的旋转轴线（Z）旋转（D）作用到地震质量（M₁、M₂）上的科氏力的力探测装置（B₁、B₁’、B₂、B₂’），以及测量装置（E、Ea’、Eb’、Ec’、Ed’），

- 其中，将测量装置（E、Ea’、Eb’、Ec’、Ed’）设计成用于测量旋转率传感器的结构偏差。

2.按照权利要求1所述的旋转率传感器，其中，将测量装置设置在地震质量（M₁、M₂）上和/或基质（S）上。

3.按照权利要求1-2的至少任一项所述的旋转率传感器，其中，测量装置（E、Ea’、Eb’、Ec’、Ed’）包括至少一个电极结构，该电极结构具有至少两个共同作用的电极（E、Ea’、Eb’、Ec’、Ed’）。

4.按照权利要求1-3的至少任一项所述的旋转率传感器，其中至少一个共同作用的电极设计为基质电极（E），并且其中至少一个电极设计为质量电极（Ea’、Eb’、Ec’、Ed’）。

5.按照权利要求1-4的至少任一项所述的旋转率传感器，其中，电极结构（E、Ea’、Eb’、Ec’、Ed’）包括至少两个特别是彼此对称设置的质量电极（Ea’、Eb’、Ec’、Ed’）。

6.按照权利要求1-5的至少任一项所述的旋转率传感器，其中，质量电极（Ea’、Eb’、Ec’、Ed’）和基质电极（E）至少在静止位置中彼此对称地设置。

7.按照权利要求1-6的至少任一项所述的旋转率传感器，其中至少一个质量电极（Ea’、Eb’、Ec’、Ed’）布置在地震质量（M₁、M₂）的空隙（10）中，并且基质电极（E）设计为至少部分地啮合到空隙（10）中。

8.按照权利要求1-7的至少任一项所述的旋转率传感器，其中，大量的电极结构（E、E₂、Ea’、Eb’、Ec’、Ed’、E2a’、E2b’、E2c’、E2d’）基本上设置在垂直于地震质量（M₁、M₂）的周期性运动的方向（R₁、R₂）的延伸段中。

9.按照权利要求1-8的至少任一项所述的旋转率传感器，其中，将力探测装置（B₁、B₁’、B₂、B₂’）设计成用于测量旋转率传感器的结构偏差的测量装置（E、Ea’、Eb’、Ec’、Ed’）。

10.用于提供为测量旋转率传感器的测量灵敏度用的检测信号的方法，此方法特别适合用按照权利要求1-9的至少任一项所述的旋转率传感器予以实施，此方法包括下述步骤：

- 在振动平面中产生（100）至少两个地震质量（M₁、M₂）的反相的振动（R₁、R₂），

- 科氏力作用（101）到地震质量（M₁、M₂）上，

- 由于科氏力地震质量（M₁、M₂）垂直于振动平面地偏移（102），

- 应力作用（103）到旋转率传感器上，

- 通过作用的应力产生（104）旋转率传感器的结构偏差，

- 由于结构的偏差改变（105）旋转率传感器的测量灵敏度，

- 产生（106）与旋转率传感器的结构偏差无关的测量信号，以借助所测量的结构偏差测量旋转率传感器的测量灵敏度。

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