DE102006058806A1 - Device for measuring acceleration of object, has elastic element with two areas, and deflections of flexible element are measured by slot shutter, light source and position-sensitive detector - Google Patents

Device for measuring acceleration of object, has elastic element with two areas, and deflections of flexible element are measured by slot shutter, light source and position-sensitive detector Download PDF

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Abstract

The device has an elastic element (20) with an area (21) and another area (22). The elastic element is connected with an object (1) and is movable in a direction (10). The former area and the latter area are so arranged that they are moved together similarly during a linear acceleration and are moved together oppositely during an angular acceleration. The deflections of the flexible element (20) are measured by slot shutter (23), light source (32) and a position-sensitive detector (31).

Description

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Beschleunigungen und Drehraten eines Gegenstands.The The invention relates to a device for measuring accelerations and rate of rotation of an item.

2. Der Stand der Technik2. The state of the art

Für die Messung von Bewegungen, insbesondere von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte in Kraft- oder Momentensensoren, sind Anordnungen mit optoelektronischen Messzellen bekannt, beispielsweise aus der DE 36 11 337 A1 . Ferner sind Anordnungen mit Dehnungsmessstreifen z.B. aus der EP 0 117 334 A2 bekannt. Dabei haben sich Anordnungen mit optoelektronischen Messzellen weitgehend durchgesetzt. Der Grund ist der einfache Aufbau verbunden mit einer hohen Präzision und Zuverlässigkeit.For the measurement of movements, in particular of relative movements or relative positions of two objects in force or moment sensors, arrangements with optoelectronic measuring cells are known, for example from US Pat DE 36 11 337 A1 , Furthermore, arrangements with strain gauges, for example, from EP 0 117 334 A2 known. In this case, arrangements with optoelectronic measuring cells have largely prevailed. The reason is the simple construction combined with high precision and reliability.

Eine der bekanntesten Anordnungen ist das Messprinzip, das in der DE 36 11 337 A1 beschrieben ist. Es umfasst eine optoelektronische Anordnung, die in einer Kunststoffkugel untergebracht ist und gleichzeitig sechs Komponenten, nämlich Verschiebungen entlang dreier Achsen und Winkeldrehungen um diese drei Achsen erfassen kann. Allerdings ist dieser Aufbau nur schlecht zur Messung von dynamischen Größen geeignet.One of the most well-known arrangements is the measurement principle, which in the DE 36 11 337 A1 is described. It includes an optoelectronic assembly housed in a plastic sphere which can simultaneously detect six components, namely displacements along three axes and angular rotations about these three axes. However, this structure is poorly suited for the measurement of dynamic quantities.

Weitere Dokumente, die den technischen Hintergrund für die Erfindung zeigen, sind die DE 101 58 775 A1 , DE 101 58 776 A1 , und die DE 101 58 777 A1 .Other documents that show the technical background of the invention are the DE 101 58 775 A1 . DE 101 58 776 A1 , and the DE 101 58 777 A1 ,

Weiterhin ist ein optischer Beschleunigungssensor bekannt, der auf photonischen Kristallen basiert (CECOS®). Das Messprinzip dieses Beschleunigungssensors wird in der WO 2003/064988 beschrieben. Dieser Beschleunigungssensor ist aber auf die Messungen von Linearbeschleunigungen eingeschränkt.Furthermore, an optical acceleration sensor is known which is based on photonic crystals (CECOS ®). The measurement principle of this acceleration sensor is in the WO 2003/064988 described. However, this acceleration sensor is limited to the measurements of linear accelerations.

Weiterhin sind im Stand der Technik mikromechanische Bewegungssensoren aus Silizium bekannt. Allerdings erfordert die Entwicklung solcher Sensoren einen hohen Aufwand, und sie müssen in einem komplizierten Prozess hergestellt werden.Farther are micromechanical motion sensors in the prior art Silicon known. However, the development of such sensors requires a lot of effort, and they have to be made in a complicated process.

Andere Bewegungssensoren beruhen auf bestimmten physikalischen Effekten, zum Beispiel magnetische Sensoren, die Bewegungen mit Hilfe des Hall-Effekts messen. Wie die mikromechanischen Sensoren arbeiten diese Sensoren allerdings mit schwachen elektrischen Signalen, die elektromagnetischen Feldern ausgesetzt und dadurch sehr störungsempfindlich sind.Other Motion sensors are based on certain physical effects, For example, magnetic sensors that move with the help of Measure the hall effect. How the micromechanical sensors work These sensors, however, with weak electrical signals, the exposed to electromagnetic fields and thus very susceptible to interference are.

Gemäß einem ersten Aspekt ist das Problem der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung für die Messungen von Beschleunigungen anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere einen einfachen und robusten Aufbau hat. Gemäß einem weiteren Aspekt soll auch eine Vorrichtung für die Messung von Drehraten angegeben werden.According to one The first aspect is the problem of the present invention, a device for the measurements of accelerations indicating the disadvantages of the prior art Technology overcomes and in particular has a simple and robust construction. According to one Another aspect is also a device for the measurement of rotation rates be specified.

3. Zusammenfassung der Erfindung3. Summary of the invention

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird dieses Problem gelöst durch eine Vorrichtung zum Messen einer Beschleunigung eines Gegenstandes, die ein elastisches Element mit einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich aufweist, wobei das elastische Element mit dem Gegenstand verbunden ist und in einer ersten Richtung beweglich ist. Der erste Bereich und der zweite Bereich sind so angeordnet sind, dass sie bei einer Linearbeschleunigung gleichsinnig zueinander ausgelenkt werden und bei einer Drehbeschleunigung entgegengesetzt zueinander ausgelenkt werden. Eine Auslenkung des elastischen Elements wird mittels mindestens einer Schlitzblende, mindestens einer Lichtquelle und mindestens eines positionsempfindlichen Detektors gemessen.According to one The first aspect of the invention solves this problem a device for measuring an acceleration of an object, which is an elastic element having a first area and a second area Area, wherein the elastic element with the object is connected and is movable in a first direction. The first Area and the second area are arranged so that they at a linear acceleration in the same direction to each other deflected are opposite and at a spin opposite to each other be deflected. A deflection of the elastic element is by means of at least one slit diaphragm, at least one light source and at least one position sensitive detector.

Auf diese Weise können Beschleunigungen mit einer sehr einfachen Messanordnung aus Lichtquelle, Schlitzblende und positionsempfindlichem Detektor (Position Sensitive Device, PSD) ermittelt werden, indem die Auslenkung eines elastischen Elements gemessen wird. Außerdem ist es möglich, zwischen einer Linearbeschleunigung und einer Drehbeschleunigung zu unterscheiden, da bei einer Linearbeschleunigung ein erster und ein zweiter Bereich des elastischen Elements gleichsinnig zueinander und bei einer Drehbeschleunigung gegensinnig zueinander ausgelenkt werden.On this way you can Accelerations with a very simple measuring arrangement of light source, Slit diaphragm and position sensitive detector (position Sensitive Device, PSD) are determined by the deflection of an elastic element is measured. Furthermore is it possible between to distinguish a linear acceleration and a spin, because at a linear acceleration, a first and a second area the elastic element in the same direction to each other and at a rotational acceleration be deflected in opposite directions to each other.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schlitzblende an dem elastischen Element angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Anordnung der Schlitzblende am äußeren Ende des ersten Bereichs oder am äußeren Ende des zweiten Bereichs des elastischen Elements. Durch die Anordnung am äußeren Ende eines Bereichs wird eine möglichst große Änderung des Lichteinfalls auf dem positionsempfindlichen Detektor und damit eine möglichst große Auflösung des Messsignals erreicht.In a preferred embodiment the slit diaphragm is arranged on the elastic element. Especially preferred is the arrangement of the slit diaphragm at the outer end of the first area or at the outer end of the second region of the elastic element. By the arrangement at the outer end an area becomes one as possible big change the incidence of light on the position sensitive detector and thus one possible great resolution of the Measurement signal reached.

Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Lichtquelle an dem Gegenstand angeordnet ist. Dies erlaubt eine besonders gute Raumausnutzung und führt zu einer kompakten Bauweise. Alternativ kann die Lichtquelle an dem elastischen Element angeordnet sein.Farther it is preferred if the light source is arranged on the object is. This allows a particularly good use of space and leads to a compact design. Alternatively, the light source on the elastic Be arranged element.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das elastische Element eine zweite Schlitzblende, eine zweite Lichtquelle und einen zweiten positionsempfindlichen Detektor auf. Dies erlaubt eine symmetrische Anordnung der Messvorrichtung und eine unabhängige Messung der Auslenkungen des ersten und des zweiten Bereichs des elastischen Elements.In a further preferred embodiment The elastic element has a second slit diaphragm, a second light source and a second position-sensitive detector. This allows a symmetrical arrangement of the measuring device and an independent measurement of the deflections of the first and the second region of the elastic element.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der erste und der zweite Bereich so angeordnet sind, dass sie bei einer Linearbeschleunigung oder einer Drehbeschleunigung um denselben Betrag ausgelenkt werden. Dies ermöglicht gleiche Messsignale, so dass eine nachfolgende Auswertung der Messsignale besonders einfach ist.In a further preferred embodiment the first and the second area are arranged so that they at a linear acceleration or a spin around the same amount. This allows the same measurement signals, so that a subsequent evaluation of the measurement signals is particularly simple is.

In einer weiteren Ausführungsform sind der erste und der zweite Bereich des elastischen Elements auf gegenüberliegenden Seiten des Gegenstandes angeordnet. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn das elastische Element durch einen blattfederartigen Träger gebildet wird. Damit wird ein besonders einfacher mechanischer Aufbau der Messvorrichtung ermöglicht.In a further embodiment the first and the second region of the elastic element are on opposite Pages of the item arranged. It is particularly preferred when the elastic element is formed by a leaf spring-like carrier becomes. This is a particularly simple mechanical construction of the Measuring device allows.

In einer Ausführungsform weist eine Vorrichtung zum Messen einer 3D-Beschleunigung drei der oben beschriebenen Messvorrichtungen auf, die jeweils eine Beschleunigung in einer der drei Raumrichtungen messen. Damit erhält man einen besonders einfachen 3D-Sensor, der alle Freiheitsgrade einer beschleunigten Bewegung im Raum messen kann.In an embodiment has a device for measuring 3D acceleration three of those described above Measuring devices, each having an acceleration in one measure the three spatial directions. This gives you a particularly simple 3D sensor, all the degrees of freedom of an accelerated movement in the room can measure.

In einer Ausführungsform ist das elastische Element weiterhin in einer zweiten Richtung beweglich, wobei die Auslenkungen des elastischen Elements mittels einer weiteren Schlitzblende gemessen werden können. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die weitere Schlitzblende senkrecht neben der ersten Schlitzblende angeordnet ist. Durch diese einfache Erweiterung kann die Messvorrichtung sogar Linear- und Drehbeschleunigungen in zwei Dimensionen erfassen.In an embodiment is the elastic element still movable in a second direction, wherein the deflections of the elastic element by means of another Slit diaphragm can be measured. It is particularly preferred if the further slit diaphragm is arranged perpendicular to the first slit diaphragm. Through this simple extension, the measuring device can even be linear and Capture spins in two dimensions.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zum Messen einer Drehrate um eine Drehachse bereitgestellt. Diese Vorrichtung weist ein erstes und ein zweites elastisches Element auf, die mit der Drehachse verbunden sind und die radial zu der Drehachse und entgegengesetzt zueinander schwingen. Weiterhin weist sie eine Messvorrichtung zur Messung einer Torsion auf, die auf die Drehachse in Richtung der Drehachse ausgeübt wird.According to one Another aspect is a device for measuring a rate of rotation provided around a rotation axis. This device has a first and a second elastic member connected to the rotation axis are and which swing radially to the axis of rotation and opposite to each other. Furthermore, it has a measuring device for measuring a torsion on, which is exerted on the axis of rotation in the direction of the axis of rotation.

Da das erste und das zweite elastische Element durch ihre entgegengesetzten radialen Schwingungen das Trägheitsmoment der Drehachse im Takte der Schwingungsfrequenz ändern, wird auf die Drehachse mit der derselben Frequenz eine Torsionskraft ausgeübt. Die Größe der Torsionskraft hängt gleichzeitig von der Drehrate ab. Daher lässt sich durch Messung der Torsionskraft die Drehrate ermitteln.There the first and the second elastic element by their opposite Radial oscillations the moment of inertia Change the axis of rotation in the cycle of the oscillation frequency is on the axis of rotation with the same frequency exercised a torsional force. The Magnitude of torsional force hangs simultaneously from the rotation rate. Therefore lets determine the rate of rotation by measuring the torsional force.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Messen einer Drehrate sind das erste und zweite elastische Element an einer Stelle mit der Drehachse verbunden und erstrecken sich wie eine Stimmgabel parallel zu der Drehachse. Dies erlaubt einen besonders einfachen Aufbau der Vorrichtung. In einer Ausführungsform wird die Torsion durch ein optisches Verfahren, bevorzugt mit einer Lichtquelle, einer Schlitzblende und einem positionsempfindlichen Detektor gemessen. In einer weiteren Ausführungsform wird die Torsion durch einen Dehnungsmessstreifen an der Drehachse gemessen.In a preferred embodiment The apparatus for measuring a yaw rate are the first and second elastic element connected at one point with the axis of rotation and extend like a tuning fork parallel to the axis of rotation. This allows a particularly simple construction of the device. In a embodiment the torsion by an optical method, preferably with a Light source, a slit and a position sensitive Detector measured. In another embodiment, the torsion measured by a strain gauge at the axis of rotation.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in weiteren abhängigen Patentansprüchen beschrieben.Further preferred embodiments are in other dependent claims described.

4. Kurze Beschreibung der Zeichnungen4. Brief description of the drawings

In der folgenden detaillierten Beschreibung werden gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben:In The following detailed description is presently preferred embodiments of the invention with reference to the following figures:

1: zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Beschleunigungssensors gemäß der Erfindung; 1 Fig. 3 shows a perspective view of a preferred embodiment of an acceleration sensor according to the invention;

2: zeigt eine Seitenansicht des Beschleunigungssensors aus 1 bei einer Linearbeschleunigung; 2 : shows a side view of the acceleration sensor 1 at a linear acceleration;

3: zeigt eine Seitenansicht des Beschleunigungssensors aus 1 bei einer Drehbeschleunigung; 3 : shows a side view of the acceleration sensor 1 at a spin;

4: zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Beschleunigungssensors gemäß der Erfindung; 4 Fig. 1 shows a perspective view of a further preferred embodiment of an acceleration sensor according to the invention;

5: zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Drehratensensors gemäß der Erfindung; und 5 Fig. 1 shows a perspective view of a preferred embodiment of a rotation rate sensor according to the invention; and

6: zeigt eine Darstellung eines Messprinzips zum Erfassen von Bewegungen. 6 : shows a representation of a measuring principle for detecting movements.

5. Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele5. Detailed description of the preferred embodiments

Im Folgenden werden gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf eine Vorrichtung zum Messen einer Beschleunigung und auf eine Vorrichtung zum Messen einer Drehrate beschrieben.in the Following will be present preferred embodiments of the present invention with reference to a device for measuring an acceleration and a device for measuring a rate of rotation described.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung 2 zum Messen einer Beschleunigung gemäß der Erfindung, die auch als Beschleunigungssensor bezeichnet wird. Man erkennt darin einen Gegenstand 1, an dem ein elastisches Element 20 befestigt. Die Befestigung kann zum Beispiel durch einen Deckel (nicht gezeigt) erfolgen, mit dem das elastische Element 20 an dem Gegenstand 1 eingespannt wird. 1 shows a perspective view of a preferred embodiment of a device 2 for measuring an acceleration according to the invention, which is also referred to as an acceleration sensor. You can see an object in it 1 on which an elastic element 20 attached. The attachment can be made for example by a lid (not shown), with which the elastic element 20 on the object 1 is clamped.

Das elastische Element 20 ist in einer ersten Richtung 10 beweglich, so dass das elastische Element 20 bei einer Beschleunigung ausgelenkt wird. Wenn der Gegenstand 1 zum Beispiel nach oben beschleunigt wird, dann wird das elastische Element 20 nach unten ausgelenkt. Wenn der Gegenstand 1 nach unten beschleunigt wird, dann wird das elastische Element 20 nach oben ausgelenkt. In einer Richtung senkrecht zu der ersten Richtung ist das elastische Element 20 im Wesentlichen starr.The elastic element 20 is in a first direction 10 movable, so that the elastic element 20 is deflected during acceleration. If the object 1 For example, accelerating upward, then the elastic element 20 deflected downwards. If the object 1 is accelerated down, then the elastic element 20 deflected upwards. In a direction perpendicular to the first direction is the elastic element 20 essentially rigid.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das elastische Element 20 in besonders einfacher Form durch einen blattfederartigen Träger gebildet, der in der Mitte an dem Gegenstand 1 befestigt ist.In a preferred embodiment, the elastic element 20 formed in a particularly simple form by a leaf spring-like carrier in the middle of the object 1 is attached.

Weiter erkennt man in 1, dass das elastische Element 20 einen ersten Bereich 21 und einen zweiten Bereich 22 aufweist. In der bevorzugten Ausführungsform von 1 sind der erste und der zweite Bereich 21, 22 auf gegenüberliegenden Seiten des Gegenstandes 1 angeordnet.Next you can see in 1 that the elastic element 20 a first area 21 and a second area 22 having. In the preferred embodiment of 1 are the first and the second area 21 . 22 on opposite sides of the object 1 arranged.

In einer weiteren Ausführungsform (nicht gezeigt) weist das elastische Element mehr als zwei Bereiche auf, die auch nicht zusammenhängend sein können. Durch eine größere Anzahl von Bereichen kann zum Beispiel die Ausfallsicherheit verbessert werden, oder es kann durch eine Kombination von Messsignalen die Genauigkeit einer Messung erhöht werden.In a further embodiment (not shown), the elastic element has more than two areas on, which also not coherent could be. By a larger number of areas, for example, the reliability can be improved, or it can by a combination of measurement signals accuracy a measurement can be increased.

Der erste und der zweite Bereich 21, 22 weisen jeweils am Ende eine Schlitzblende 23 und eine Masse 24 auf. Mit der Masse 24 kann eine Auslenkung des ersten und der zweiten Bereichs 21, 22 reguliert werden. Weiterhin erkennt man in 1 zwei Lichtquellen 32, die an dem Gegenstand 1 befestigt sind. Jede Lichtquelle 32 korrespondiert mit einem lichtempfindlichen Detektor 31, der so angeordnet ist, dass Licht aus den Lichtquelle 32 durch die Schlitzblende 23 auf den Detektor 32 fällt.The first and the second area 21 . 22 each have a slit at the end 23 and a mass 24 on. With the crowd 24 can be a deflection of the first and the second area 21 . 22 be regulated. Furthermore one recognizes in 1 two light sources 32 attached to the object 1 are attached. Every light source 32 corresponds to a photosensitive detector 31 which is arranged so that light from the light source 32 through the slit 23 on the detector 32 falls.

Besonders bevorzugt ist es, wenn für den Detektor 31 ein positionsempfindlicher Detektor PSD(Position Sensitive Device) verwendet wird. Mit dieser Komponente kann auf eine sehr einfache Weise die Position der Schlitzblende gemessen werden. Insbesondere kann durch Messungen von zwei Spannungen an dem PSD linear eine Position des Lichteinfalls auf den PSD gemessen werden.It is particularly preferred, if for the detector 31 a position-sensitive detector PSD (Position Sensitive Device) is used. With this component, the position of the slit can be measured in a very simple manner. In particular, by measuring two voltages on the PSD, a position of the light incident on the PSD can be linearly measured.

In weiteren Ausführungsformen (nicht gezeigt) befindet sich die Lichtquelle 32 an anderen Stellen. Zum Beispiel kann sie oberhalb im mittleren Bereich des elasti schen Elements 20 angeordnet sein. In dieser Anordnung könnte eine geeignete Lichtquelle auch mehr als einen Schlitz beleuchten. Alternativ könnte eine Lichtquelle auch an dem ersten Bereich 21 und/oder dem zweiten Bereich 22 angeordnet sein.In further embodiments (not shown), the light source is located 32 in other places. For example, it may be above in the middle region of the elastic element 20 be arranged. In this arrangement, a suitable light source could also illuminate more than one slot. Alternatively, a light source could also be on the first area 21 and / or the second area 22 be arranged.

2 zeigt eine Seitenansicht des Beschleunigungssensors aus 1 bei einer Linearbeschleunigung. Man erkennt darin wieder den Gegenstand 1, das elastische Element 20 mit dem ersten und zweiten Bereich 21, 22 sowie die Messanordnung aus Lichtquellen 32, Schlitzblenden 23 und Detektoren 31. Insbesondere zeigt diese Figur eine Situation, in der der Gegenstand 1 in einer Richtung 51 beschleunigt wird. Dadurch werden die Bereiche 21, 22 um die Größen 41 und 42 gegenüber ihrer Ruhelage ausgelenkt, und zwar entgegengesetzt zu der Richtung 51. Durch die symmetrische Form und Anordnung der Bereiche 21, 22 haben die Auslenkungen 41 und 42 denselben Betrag und dieselbe Richtung. 2 shows a side view of the acceleration sensor 1 at a linear acceleration. It recognizes the object again 1 , the elastic element 20 with the first and second area 21 . 22 and the measuring arrangement of light sources 32 , Slit diaphragms 23 and detectors 31 , In particular, this figure shows a situation in which the subject 1 in one direction 51 is accelerated. This will make the areas 21 . 22 around the sizes 41 and 42 deflected towards their rest position, and opposite to the direction 51 , Due to the symmetrical shape and arrangement of the areas 21 . 22 have the distractions 41 and 42 the same amount and the same direction.

3 zeigt in derselben Seitenansicht wie 2 eine Situation, in der der Gegenstand 1 in einer Richtung 52 beschleunigt gedreht wird. Dadurch werden die Bereiche 21, 22 um die Größen 43 und 44 gegenüber ihrer Ruhelage ausgelenkt, die wiederum denselben Betrag haben. In dieser Situation der Drehbeschleunigung haben sie allerdings entgegengesetzte Richtungen. 3 shows in the same side view as 2 a situation in which the object 1 in one direction 52 is spun faster. This will make the areas 21 . 22 around the sizes 43 and 44 distracted from their rest position, which in turn have the same amount. In this situation of spin, however, they have opposite directions.

Im Falle einer Beschleunigung, die sowohl linear als auch rotierend erfolgt, kann mit der Messung der Auslenkungen der Bereiche sowohl der lineare Anteil der Beschleunigung als auch der rotierende Anteil der Beschleunigung berechnet werden.in the Trap of acceleration, both linear and rotating can be done by measuring the deflections of the areas both the linear part of the acceleration as well as the rotating part the acceleration can be calculated.

4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Beschleunigungssensors 3 gemäß der Erfindung. Wiederum erkennt man in darin den Gegenstand 1, ein elastisches Element 40 mit einem ersten und einem zweiten Bereich 41, 42. In dieser Ausführungsform ist das elastische Element 40 allerdings sowohl in der ersten Richtung 10 als auch in einer zweiten Richtung 11 beweglich. Wenn der Gegenstand 1 zum Beispiel nach vorne oder hinten, also in Richtung 11, beschleunigt wird, dann wird das elastische Element entgegengesetzt dazu nach vorne bzw. nach hinten ausgelenkt. Damit lassen sich zusätzlich zu der vorher beschriebenen Ausführungsform lineare Beschleunigungen in der Richtung 11 und Drehbeschleunigungen um eine senkrechte Achse 44 durch den Gegenstand 1 messen. 4 shows a perspective view of another preferred embodiment of an acceleration sensor 3 according to the invention. Again, one recognizes in it the object 1 , an elastic element 40 with a first and a second area 41 . 42 , In this embodiment, the elastic element 40 however, both in the first direction 10 as well as in a second direction 11 movable. If the object 1 For example, to the front or back, so in the direction 11 is accelerated, then the elastic element is deflected opposite to forward or backward. Thus, in addition to the previously described embodiment, linear accelerations in the direction can be achieved 11 and spins about a vertical axis 44 through the object 1 measure up.

Weiter erkennt man in 4, dass die Schlitzblenden 23 neben einem ersten Schlitz 25 auch noch einen zweiten Schlitz 26 aufweisen, der senkrecht zu dem ersten angeordnet ist. Mit dieser einfachen Erweiterung lässt sich die weitere Dimension der Auslenkung messen. In einer alternativen Ausführungsform wird die zweidimensionale Bewegung durch eine Punktblende (nicht gezeigt) und durch einen positionsempfindlichen Detektor gemessen, der die zweidimensionale Lage des Lichtpunkts auf der Detektorfläche misst.Next you can see in 4 that the slit diaphragms 23 next to a first slot 25 also a second slot 26 have, which is arranged perpendicular to the first. With this simple extension, the further dimension of the deflection can be measured. In an alternative embodiment, the two-dimensional movement is measured through a point stop (not shown) and through a position sensitive detector which measures the two-dimensional position of the spot of light on the detector surface.

5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung 4 zum Messen einer Drehrate gemäß der Erfindung, die auch als Drehratensensor bezeichnet wird. Man erkennt darin einen Stab 100, der an seiner Basis 110 starr befestigt ist und zusammen mit der Basis 110 um seine Längsachse 104 drehbar ist Weiterhin erkennt man darin ein erstes und ein zweites elastisches Element 102, 103, die an dem Stab 100 befestigt sind. Bevorzugt sind die Elemente 102, 103 an einer Stelle 101 des Stabes 100 befestigt und erstrecken sich wie eine Stimmgabel parallel zu der Drehachse des Stabes 100. 5 shows a perspective view of a preferred embodiment of a device 4 for measuring a rate of rotation according to the invention, which is also referred to as a rotation rate sensor. You can see a staff in it 100 who is at his base 110 is fixed rigidly and together with the base 110 around its longitudinal axis 104 Furthermore, it can be seen in a first and a second elastic element 102 . 103 on the staff 100 are attached. The elements are preferred 102 . 103 at one point 101 of the staff 100 attached and extend like a tuning fork parallel to the axis of rotation of the rod 100 ,

Die elastischen Elemente 102, 103 sind so ausgebildet, dass sie radial zu der Drehachse des Stabes und gegenphasig zueinander schwingen können. Die Schwingungen werden durch eine geeignete Vorrichtung 105 angeregt. In einer Ausführungsform werden die Schwingungen durch eine oder mehrere magnetische Spulen 105 angeregt.The elastic elements 102 . 103 are formed so that they can vibrate radially to the axis of rotation of the rod and out of phase with each other. The vibrations are controlled by a suitable device 105 stimulated. In one embodiment, the vibrations are by one or more magnetic coils 105 stimulated.

Da das erste und das zweite elastische Element durch ihre entgegengesetzten radialen Schwingungen das Trägheitsmoment der Drehachse im Takte der Schwingungsfrequenz ändern, wird auf die Drehachse mit der derselben Frequenz eine Torsionskraft ausgeübt. Insbesondere bewirken die Schwingungen der elastischen Element 102, 103 eine sinusförmige Torsionskraft, die an der Stelle 101 des Stabes 100 angreift, an der die elastischen Element 102, 103 befestigt sind. Die Größe der Torsionskraft hängt dabei von der Drehrate ab. Daher lässt sich durch Messung der Torsionskraft die Drehrate ermitteln.Since the first and second elastic members change the moment of inertia of the rotation axis in the cycle of the vibration frequency by their opposite radial vibrations, a torsional force is applied to the rotation axis at the same frequency. In particular, cause the vibrations of the elastic element 102 . 103 a sinusoidal torsional force acting at the site 101 of the staff 100 attacks, on which the elastic element 102 . 103 are attached. The magnitude of the torsional force depends on the rate of rotation. Therefore, the rate of rotation can be determined by measuring the torsional force.

Zum Messen der Torsionskraft weist der Drehratensensor in einer Ausführungsform weiterhin eine Messvorrichtung an der Stelle 101 auf. Dafür ist ein Dehnungsmessstreifen (nicht gezeigt) bevorzugt, der an dem Stab 100 angeordnet ist.For measuring the torsional force, in one embodiment, the rotation rate sensor further comprises a measuring device in place 101 on. For this purpose, a strain gauge (not shown) which is attached to the rod is preferred 100 is arranged.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die durch die Torsionskraft bewirkte Torsion des Stabes 100 durch eine optische Messvorrichtung 120 mit einer Lichtquelle 121, einer Schlitzblende 122 und einem positionsempfindlichen Detektor 123 gemessen. Der Schlitz der Schlitzblende 122 erstreckt sich in radialer Richtung der Drehachse 104. Die Schlitzblende 122 ist starr mit dem Stab 100 verbunden, vorzugsweise an der Stelle 101, so dass sie der Torsion unterliegt. Die Lichtquelle 120 und die Schlitzblende 122 sind starr mit der Basis 110 verbunden (nicht gezeigt). Mittels einer zweiten Messvorrichtung 125, die gegenüber der ersten Messvorrichtung 120 angeordnet ist, wie in 6 zu erkennen, können überlagerte andere Torsionskräfte ausgefiltert werden.In a preferred embodiment, torsion of the rod caused by the torsional force 100 through an optical measuring device 120 with a light source 121 , a slit diaphragm 122 and a position sensitive detector 123 measured. The slot of the slit 122 extends in the radial direction of the axis of rotation 104 , The slit diaphragm 122 is rigid with the rod 100 connected, preferably in the place 101 so that she is subject to torsion. The light source 120 and the slit diaphragm 122 are rigid with the base 110 connected (not shown). By means of a second measuring device 125 facing the first measuring device 120 is arranged as in 6 To detect overlapping other torsional forces can be filtered out.

In einer Ausführungsform ist der Stab 100 so ausgebildet, dass er in radialer Richtung im Wesentlichen starr ist und gegenüber einer Torsion, der Drehachse des Stabes 100 elastisch ist. Dies unterstützt die Messung der Torsionskraft, die bei einem vollständig starren Stab 100 nicht möglich wäre. Bevorzugt wird diese Elastizität dadurch erreicht, dass der Stab 100 in seinem Inneren durch Ebenen in radialer Richtung gebildet wird, so dass er einen sternförmigen Querschnitt 100 erhält, wie in dem Ausschnittsbild von 5 angedeutet.In one embodiment, the rod is 100 is formed so that it is substantially rigid in the radial direction and against a torsion, the axis of rotation of the rod 100 is elastic. This helps to measure the torsional force associated with a completely rigid rod 100 would not be possible. Preferably, this elasticity is achieved in that the rod 100 in its interior is formed by planes in the radial direction, so that it has a star-shaped cross-section 100 receives as in the clipping image of 5 indicated.

6 zeigt eine weitere optische Messvorrichtung 5 zum Erfassen von Bewegungen gemäß der Erfindung. Man erkennt darin eine Lichtquelle 61, zwei lichtempfindliche Sensoren 62, 63 und einen Gegenstand 60, dessen Bewegung gegenüber der Messvorrichtung 5 gemessen werden soll und der einen Schatten auf die aktiven Flächen der lichtempfindlichen Sensoren 62, 63 wirft. Durch den Schatten wird nur ein Teil 65 aktiven Fläche der lichtempfindlichen Sensoren 62, 63 beleuchtet, während der andere Teil 64 im Halbschatten bleibt. Einer Messung der Photoströme der beiden lichtempfindlichen Sensoren 62, 63 lässt sich damit eine Position des Gegenstandes zuordnen. Diese Messvorrichtung ist durch ihren einfachen Aufbau und ihre geringen Kosten vorteilhaft. 6 shows a further optical measuring device 5 for detecting movements according to the invention. One recognizes therein a light source 61 , two photosensitive sensors 62 . 63 and an object 60 , whose movement relative to the measuring device 5 should be measured and a shadow on the active surfaces of the photosensitive sensors 62 . 63 throws. Through the shadow is only a part 65 active area of the photosensitive sensors 62 . 63 illuminated, while the other part 64 remains in partial shade. A measurement of the photocurrents of the two photosensitive sensors 62 . 63 can be used to assign a position of the object. This measuring device is advantageous because of its simple structure and its low cost.

Die in 6 gezeigte Messvorrichtung zum Erfassen von Bewegungen lässt sich in allen gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Erfassen von Bewegungen einsetzen, sowohl anstelle von als auch in Kombination mit den vorher erläuterten Anordnungen aus Lichtquelle, Schlitzblende und positionsempfindlichem Detektor. Zum Beispiel könnte die Messvorrichtung anstelle der Messvorrichtung 120 in 5 verwendet werden, so dass ein Schatten des elastischen Elements 102 auf die zwei lichtempfindlichen Detektoren 62, 63 fällt. Gleiches gilt für die Messvorrichtung 125.In the 6 The motion detection apparatus shown can be used to detect motion in all of the illustrated embodiments of the present invention, both instead of and in combination with the previously discussed light source, slit and position sensitive detector arrangements. For example, the measuring device could be used instead of the measuring device 120 in 5 be used, leaving a shadow of the elastic element 102 on the two photosensitive detectors 62 . 63 falls. The same applies to the measuring device 125 ,

Claims (18)

Vorrichtung (2) zum Messen einer Beschleunigung eines Gegenstandes (1), aufweisend: a. ein elastisches Element (20) mit einem ersten Bereich (21) und einem zweiten Bereich (22), wobei das elastische Element (20) mit dem Gegenstand (1) verbunden ist und in einer ersten Richtung (10) beweglich ist; b. wobei der erste Bereich (21) und der zweite Bereich (22) so angeordnet sind, dass sie bei einer Linearbeschleunigung gleichsinnig zueinander ausgelenkt werden und bei einer Drehbeschleunigung entgegengesetzt zueinander ausgelenkt werden; und c. wobei Auslenkungen (41, 42, 43, 44) des elastischen Elements (20) mittels mindestens einer Schlitzblende (23), mindestens einer Lichtquelle (32) und mindestens einem positionsempfindlichen Detektor (31) gemessen werden.Contraption ( 2 ) for measuring an acceleration of an object ( 1 ), comprising: a. an elastic element ( 20 ) with a first area ( 21 ) and a second area ( 22 ), wherein the elastic element ( 20 ) with the object ( 1 ) and in a first direction ( 10 ) move is; b. the first area ( 21 ) and the second area ( 22 ) are arranged so that they are deflected in the same direction with each other in a linear acceleration and are deflected opposite to each other in a rotational acceleration; and c. with deflections ( 41 . 42 . 43 . 44 ) of the elastic element ( 20 ) by means of at least one slit diaphragm ( 23 ), at least one light source ( 32 ) and at least one position-sensitive detector ( 31 ) are measured. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, wobei die Schlitzblende (23) an dem elastischen Element (20) angeordnet ist.Contraption ( 2 ) according to claim 1, wherein the slit diaphragm ( 23 ) on the elastic element ( 20 ) is arranged. Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schlitzblende (23) am äußeren Ende des ersten Bereichs (21) oder am äußeren Ende des zweiten Bereichs (22) angeordnet ist.Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, wherein the slit diaphragm ( 23 ) at the outer end of the first area ( 21 ) or at the outer end of the second area ( 22 ) is arranged. Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle (32) an dem Gegenstand (1) angeordnet ist.Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, wherein the light source ( 32 ) on the object ( 1 ) is arranged. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lichtquelle (32) an dem elastischen Element (20) angeordnet ist.Contraption ( 2 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the light source ( 32 ) on the elastic element ( 20 ) is arranged. Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das elastische Element (20) eine zweite Schlitzblende (23), eine zweite Lichtquelle (32) und einen zweiten positionsempfindlichen Detektor (31) aufweist.Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, wherein the elastic element ( 20 ) a second slit diaphragm ( 23 ), a second light source ( 32 ) and a second position-sensitive detector ( 31 ) having. Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Bereich (21, 22) so angeordnet sind, dass sie bei einer Linearbeschleunigung oder einer Drehbeschleunigung um denselben Betrag ausgelenkt werden.Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, wherein the first and the second area ( 21 . 22 ) are arranged so that they are deflected at a linear acceleration or a spin by the same amount. Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Bereich (21, 22) auf gegenüberliegenden Seiten des Gegenstands (1) angeordnet sind.Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, wherein the first and the second area ( 21 . 22 ) on opposite sides of the article ( 1 ) are arranged. Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das elastische Element (20) durch einen blattfederartigen Träger gebildet wird.Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, wherein the elastic element ( 20 ) is formed by a leaf spring-like carrier. Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das elastische Element (20) senkrecht zu der ersten Richtung (10) im Wesentlichen starr ist.Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, wherein the elastic element ( 20 ) perpendicular to the first direction ( 10 ) is substantially rigid. Vorrichtung zum Messen einer 3D-Beschleunigung, aufweisend drei Vorrichtungen (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die jeweils eine Beschleunigung in einer der drei Raumrichtungen messen.Device for measuring 3D acceleration, comprising three devices ( 2 ) according to one of the preceding claims, each measuring an acceleration in one of the three spatial directions. Vorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das elastische Element (40) weiterhin in einer zweiten Richtung (11) beweglich ist und wobei die Auslenkung des elastischen Elements (40) mittels der ersten Schlitzblende (25) und einer dritten Schlitzblende (26) gemessen wird.Contraption ( 3 ) according to one of claims 1 to 9, wherein the elastic element ( 40 ) continue in a second direction ( 11 ) is movable and wherein the deflection of the elastic element ( 40 ) by means of the first slit diaphragm ( 25 ) and a third slit ( 26 ) is measured. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die dritte Schlitzblende (26) senkrecht neben der ersten Schlitzblende (25) angeordnet ist.Apparatus according to claim 12, wherein the third slit ( 26 ) perpendicular to the first slit ( 25 ) is arranged. Vorrichtung (4) zum Messen einer Drehrate um eine Drehachse (100), aufweisend: a. ein erstes und ein zweites elastisches Element (102, 103), die mit der Drehachse (100) verbunden sind und die radial zu der Drehachse (100) und entgegengesetzt zueinander schwingen; b. eine Messvorrichtung zur Messung einer Torsion, die auf die Drehachse (100) in Richtung der Drehachse (100) ausgeübt wird.Contraption ( 4 ) for measuring a rate of rotation about a rotation axis ( 100 ), comprising: a. a first and a second elastic element ( 102 . 103 ), with the axis of rotation ( 100 ) are connected and the radial to the axis of rotation ( 100 ) and swing opposite to each other; b. a measuring device for measuring a torsion acting on the axis of rotation ( 100 ) in the direction of the axis of rotation ( 100 ) is exercised. Vorrichtung zum Messen einer Drehrate nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das erste und zweite elastisches Element (102, 103) an einer Stelle (101) mit der Drehachse (100) verbunden sind und sich wie eine Stimmgabel parallel zu der Drehachse (100) erstrecken.Device for measuring a rate of rotation according to the preceding claim, wherein the first and second elastic elements ( 102 . 103 ) in one place ( 101 ) with the axis of rotation ( 100 ) and like a tuning fork parallel to the axis of rotation ( 100 ). Vorrichtung zum Messen einer Drehrate nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die Torsion durch ein optisches Verfahren mit einer Lichtquelle (120), einer Schlitzblende (121) und einem positionsempfindlichen Detektor (122) gemessen wird.Apparatus for measuring a rate of rotation according to any one of claims 14 or 15, wherein the torsion by an optical method with a light source ( 120 ), a slit ( 121 ) and a position sensitive detector ( 122 ) is measured. Vorrichtung zum Messen einer Drehrate nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die Torsion durch ein optisches Verfahren mit einer Lichtquelle (61) und zwei lichtempfindlichen Detektoren (62, 63) gemessen wird, und wobei ein Schatten des ersten oder des zweiten elastischen Elements (102, 103) auf die zwei lichtempfindlichen Detektoren (62, 63) fällt.Apparatus for measuring a rate of rotation according to any one of claims 14 or 15, wherein the torsion by an optical method with a light source ( 61 ) and two photosensitive detectors ( 62 . 63 ), and wherein a shadow of the first or the second elastic element ( 102 . 103 ) on the two photosensitive detectors ( 62 . 63 ) falls. Vorrichtung zum Messen einer Drehrate nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die Torsion durch einen Dehnungsmessstreifen an der Drehachse (100) gemessen wird.Device for measuring a rate of rotation according to one of claims 14 or 15, wherein the torsion by a strain gauge on the axis of rotation ( 100 ) is measured.
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