-
Stand der Technik
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Drehratensensor, insbesondere
zum Einsatz in Kraftfahrzeugen.
-
Ein
aus der
DE 10
2006 058 746 A1 bekannter Drehratensensor weist ein bewegliches
Element auf, das über einer Oberfläche eines Substrats
angeordnet ist und durch eine Antriebseinrichtung entlang einer
ersten, entlang der Oberfläche verlaufenden Achse zu Schwingungen
antreibbar ist, und das entlang einer zweiten, senkrecht zur Oberfläche
des Substrats verlaufenden Achse (out of plane) unter Einwirkung
einer Coriolis-Kraft auslenkbar ist, sowie eine Kompensationseinrichtung,
die eingerichtet ist, unerwünschte Schwingungen des beweglichen
Elements entlang der zweiten Achse zu kompensieren, die durch die
Antriebseinrichtung hervorgerufen werden.
-
Die
unerwünschten Schwingungen entlang der zweiten Achse werden
als so genannte Quadratursignale erfasst und verfälschen
die Messergebnisse. Ursache für die Quadratursignale sind
dabei typischerweise Asymmetrien der Sensorstruktur, wie sie durch
Fertigungstoleranzen hervorgerufen werden. Die unerwünschten
Schwingungen entlang der zweiten Achse haben die gleiche Frequenz
wie die Schwingungen entlang der ersten Achse. Ihre Richtung wird
durch die Art/Form der Asymmetrie bestimmt.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte
Kompensationseinrichtung für Quadratursignale in einem
Drehratensensor zu schaffen, der eingerichtet ist, eine senkrecht
zum Substrat gerichtete Coriolis-Kraft zu erfassen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Drehratensensor
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Vorteilhafterweise
lässt sich die beschriebene Kompensationseinrichtung besonders
leicht umsetzen, ist zuverlässig und kostengünstig.
Ferner wird ein Erfassungsmassenelement angegeben, das kompakt und
bezüglich seiner Außenkanten wenig zerklüftet
ist, wodurch die Robustheit des Sensors gegen einen Bruch einer
an dem Erfassungsmassenelement angeschlagenen Feder steigt. Die
Strukturen der vorgeschlagenen Kompensationseinrichtung sind vorteilhafterweise
kleiner als bislang bekannt und besitzen daher eine gesteigerte
Eigenfrequenz, wodurch die Neigung einer unerwünschten
Wechselwirkung mit dem Messvorgang verringert wird.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Im
folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine
Ansicht eines Drehratensensors mit einer Kompensationseinrichtung;
-
2a bis 2c Ansichten
einer Elektrodenkonstellation der Kompensationseinrichtung aus 1 in
unterschiedlichen Auslenkungen des Erfassungsmassenelements;
-
3a bis 3b zu 2a bis 2c korrespondierende
Ansichten einer alternativen Elektrodenkonstellation der Kompensationseinrichtung
aus 1.
-
Ausführungsformen
der Erfindung
-
1 zeigt
eine Ansicht eines Drehratensensors. Der Drehratensensor umfasst
zwei identische Strukturen 1, 2 mit einer konstanten
Dicke, die über einem in der Papierebene verlaufenden Substrat
angeordnet sind. Die Strukturen 1, 2 werden beispielsweise
erzeugt, indem eine elektrisch leitende Polysiliziumschicht auf
einer Oxidschicht abgeschieden wird, die wiederum auf einem Siliziumsubstrat vorgesehen
ist. In der Oxidschicht sind Aussparungen ausgebildet, so dass in
diesen Aussparungen Verbindungen von der Polysiliziumschicht zu
dem Silizi umsubstrat entstehen. Die Strukturen werden daraufhin
definiert und die Oxidschicht in einem Ätzprozess entfernt.
Die Polysiliziumschicht bleibt dabei mit dem Siliziumsubstrat verbunden.
-
Jede
der Strukturen 1, 2 weist zwei Antriebsmassenelemente 3 auf.
Die Antriebsmassenelemente 3 sind über vier Antriebsmassenfedern 4 an
den Enden 5 mit dem darunterliegenden Substrat verbunden.
Dabei liegen jeweils zwei Antriebsmassenfedern 4, die das
gleiche Antriebsmassenelement 3 mit dem darunterliegenden
Substrat verbinden, in einer y-Richtung, die entlang der Oberfläche
des Substrats verläuft, gegenüber. Die Auslenkungen
der Antriebsmassenelemente 3 sind somit durch die gegenüberliegenden
Enden 5 relativ zu dem darunterliegenden Substrat in y-Richtung
begrenzt. Die Antriebsmassenfedern 4 sind jeweils in einer
viereckigen Aussparung 6 in einem der Antriebmassenelemente 3 angeordnet.
Die Federn 4 sind wegen der Ausrichtung ihrer Faltungen
vor allem in y-Richtung dehnbar, während Schwingungen der
Antriebsmassenelemente 3 in x-Richtung unterdrückt
werden. Auf Grund der Anbringung der Antriebsmassenfedern 4 in
den Aussparungen 6 ist dabei noch genügend Raum
auf den Seiten der Antriebsmassenelemente 3 vorhanden, um
Kammantriebe 9 anzuordnen, mit denen die Antriebsmassenelemente 3 in
y-Richtung in Schwingungen versetzt werden können.
-
Die
zwei Antriebsmassenelemente 3 einer jeden Struktur 1, 2 sind über
acht Erfassungsmassenfedern 7 mit einem im wesentlichen
rechteckigen Erfassungsmassenelement 8 (zwei Federn 7 auf
jeder Seite) verbunden. Das Erfassungselement 8 kann mit
durchgehenden Löchern (z. B. Perforation) versehen sein.
Die zwei Antriebsmassenelemente 3 umgeben das Erfassungsmassenelement 8 fast
vollständig, lassen jedoch Raum, um eine Kopplungsfeder 10 und
eine Substratfeder 11 an das Erfassungsmassenelement 8 anzubinden.
Jeweils zwei der Erfassungsmassenfedern 7 sind gegenüberliegend
auf zwei Seiten des Erfassungsmassenelements 8 angebracht.
Durch die Ausbildung und diese Anbringung der Erfassungsmassenfedern 7 werden
Schwingungen des Erfassungsmassenelements 8 zu den Antriebselementen 3 in
y-Richtung und in x-Richtung unterdrückt, während
eine Relativbewegung des Erfassungsmassenelements 8 in
einer z-Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats
leicht möglich ist.
-
Die
Erfassungsmassenelemente 8 sind über die Kopplungsfeder 10 miteinander
gekoppelt. Die Erfassungsmassenelemente 8 sind zur Stabilisierung über
Substratfedern 11 an den Enden 12 der Substratfedern 11 mit
dem darunterliegenden Substrat verbunden.
-
Entlang
der y-Richtung sind an den gegenüberliegenden Seiten der
Erfassungsmassenelemente 8 viereckige Aussparungen 13 vorgesehen,
zwischen denen viereckige Vorsprünge 14 ausgebildet sind.
Auf dem Substrat sind unter den viereckigen Aussparungen 13 Elektrodenpaare 15, 16 ausgebildet,
die von dem Substrat elektrisch isoliert sind. Die Elektroden 15 sind
jeweils mit der Stromversorgung V1 elektrisch
verbunden und die Elektroden 16 sind jeweils mit einer
Stromversorgung V2 elektrisch verbunden,
so daß die Elektroden 15 mit einer anderen Spannung
versorgt werden können als die Elektroden 16.
Die Strukturen 1, 2 und somit die Vorsprünge 14 sind
mit der Stromversorgung V3 elektrisch verbunden.
-
Wenn
der Sensor um die x-Achse gedreht wird, werden die Antriebsmassenelemente 3 für
alle Ausführungsformen durch die Kammantriebe 9 zu Schwingungen
entlang der y-Achse angeregt. Die Coriolis-Kraft ist dann in z-Richtung
senkrecht zu der Oberfläche des Substrats gerichtet. Dabei
wird die Frequenz der Kammantriebe 9 vorzugsweise so gewählt,
dass die Erfassungsmassenelemente 8 auf Grund der Kopplung
zu gegenphasigen Schwingungen angeregt werden. Unter den Erfassungsmassenelementen 8 ist
jeweils im Substrat eine Elektrode als Erfassungseinrichtung ausgebildet.
Werden die Erfassungsmassenelemente 8 durch die Coriolis-Kraft in
z-Richtung in Schwingungen versetzt, verändern sich die
Kapazitäten zwischen den Elektroden zu den darüberliegenden
Erfassungsmassenelementen. Durch Differenzbildung der Signale von
den Elektroden können Störbeschleunigungen, beispielsweise durch
Translation des Sensors, einfach kompensiert werden. Zudem wird
durch geeignete Dimensionierung der Antriebsmassenelemente 3 und
Erfassungsmassenelemente 8 dafür gesorgt, dass
ihr gemeinsamer Schwerpunkt zeitinvariant ist.
-
Zwischen
den Antriebsmassenelementen 3 und den Erfassungsmassenelementen 8 können auch
weitere Schwingmassenelemente vorgesehen sein, die miteinander gekoppelt
sind. So ist es möglich, nur die Schwingung in z-Richtung
auf Grund der Coriolis-Kraft auf die Erfassungsmassenelemente 8 zu übertragen.
-
2a zeigt
ein Elektrodenpaar der Kompensationseinrichtung, die unter dem nicht
ausgelenkten Erfassungsmassenelement 8 angeordnet sind.
In der nicht ausgelenkten Position Y0 sind
ein überdeckender Bereich zwischen der Elektrode 15 und
dem Vorsprung 14 und ein überdeckender Bereich
zwischen der Elektrode 16 und dem Vorsprung 14 gleich
groß. Auf Grund der an das Erfassungsmassenelement 8 angelegten
Spannung V3, der an die Elektrode 15 angelegten
Spannung V2 und der an die Elektrode 16 angelegten
Spannung V1 wirkt eine Kraft zwischen den
Elektroden 15, 16 und dem Vorsprung 14,
welche das Erfassungselement 8 in abnehmender z-Richtung
geringfügig verschiebt.
-
Die
auf das Erfassungsmassenelement 8 entlang der z-Achse wirkende
elektrostatische Kompensationskraft bestimmt sich aus entlang der
z-Achse wirkenden Kräften Fstatisch und
Fdynamisch. Fstatisch ist ein
Kraftanteil, der auslenkungsunabhängig wirkt. Fdynamisch ist abhängig von einer
Auslenkung ΔY des Erfassungsmassenelements entlang der
y-Achse aus der Ruheposition Y0. In 2a ist
die Auslenkung Null und Fdynamisch ist Null;
die resultierende Kraft ist Fstatisch.
-
2b zeigt
eine Ansicht eines Elektrodenpaars 15, 16 der
Kompensationseinrichtung mit einem in einer Richtung ausgelenkten
Erfassungsmassenelement 8. In der ausgelenkten Position
Y0 + ΔY ist ein überdeckender
Bereich zwischen der Elektrode 15 und dem Vorsprung 14 kleiner
als ein überdeckender Bereich zwischen der Elektrode 16 und
dem Vorsprung 14. Fdynamisch wirkt
in Richtung von Fstatisch da nun die Elektrode 16 einen
größeren Einfluss auf das Erfassungsmassenelement 8 hat
als in der nicht ausgelenkten Position von 2a. F
ist größer als in der Darstellung von 2a.
-
2c zeigt
eine Ansicht eines Elektrodenpaars 15, 16 der
Kompensationseinrichtung mit einem in einer entgegengesetzten Richtung
ausgelenkten Erfassungsmassenelement 8. In der ausgelenkten
Position Y0 + ΔY ist ein überdeckender
Bereich zwischen der Elektrode 15 und dem Vorsprung 14 größer
als ein überdeckender Bereich zwischen der Elektrode 16 und
dem Vorsprung 14. Fdynamisch wirkt
entgegengesetzt zu Fstatisch, da nun die
Elektrode 15 einen größeren Einfluß auf
das Erfassungsmassenelement 8 hat als in der nicht ausgelenkten
Position von 2a. F ist kleiner als in der
Darstellung von 2a.
-
Bei
geeigneter Einstellung der Spannungen V1 und
V2 lassen sich durch die Krafteinwirkung
der Elektroden 15 und 16 auf die Elektrode 14 die
Kräfte kompensieren, die zu den unerwünschten
Schwingungen des Erfassungsmassenelement 8 in z-Richtung
und somit zu Quadratursignalen führen. Auf Grund der separaten
Stromversorgungen für die Elektroden 15 und 14 können
die Quadratursignale dabei individuell in zwei entgegengesetzte
Richtungen berichtigt werden. Alternativ hierzu kann auch nur eine
Berichtigung in einer Richtung bei Einsatz nur einer Spannung realisiert
werden.
-
3a bis 3c zeigen
eine alternative Ausgestaltung der Elektroden der Kompensationseinrichtung
aus 2a bis 2c. Das
Erfassungsmassenelement 8 ist hier nicht dargestellt; es erstreckt
sich von Elektrode 14 aus entgegen der x-Richtung in der
x-y-Ebene. Die Elektrode 14 des Erfassungsmassenelements 8 ist
jedoch nicht fingerförmig wie in den 2a bis 2c,
sondern umläuft einen isolierenden Bereich in dem Erfassungsmassenelement 8,
so dass die dem Betrachter zugewandte, in y-Richtung verlaufende
Kante der Elektrode 14 gerade abschließt. Der
isolierende Bereich kann eine Aussparung im Erfassungsmassenelement 8 sein.
Alternativ kann der isolierende Bereich aus einem elektrisch isolierenden
Material bestehen. In einer anderen Ausführungsform kann
auch eine sich in diesem Bereich erstreckende Elektrode 14, beispielsweise
mittels einer elektrisch leitenden Abdeckung (nicht gezeigt), gegen
elektrostatische Kräfte abgeschirmt sein.
-
Die
in den 3a bis 3c dargestellte Elektrodenform
kann beispielsweise entlang zweier einander gegenüberliegenden
Kanten des Erfassungsmassenelements 8 angebracht werden
(vgl. Position der Elektroden 14 in 1). Das
Erfassungsmassenelement 8 mit den Elektroden nach 3a bis 3c ist
deutlich kompakter als in 1 gezeigt
und weist vier gerade Aussenkanten auf. Durch diese Minimierung
einer Zerklüftung der Aussenkante wird die Gefahr, dass
an das Erfassungsmassenelement 8 angrenzende bzw. angeschlagene,
filigrane Federstrukturen (z. B. Erfassungsmassenfedern 7,
Kopplungsfeder 10, Substratfeder 11) bei starker
Auslenkung des Erfassungsmassenelements 8 brechen, signifikant
verringert. Solche starken Auslenkungen können im Kraftfahrzeug-Umfeld beispielsweise
auf Grund von Bodenunebenheiten, starker Bremsen oder schneller
Kurvenfahrt entstehen.
-
Ein
weiterer Vorteil der gezeigten in den 3a bis 3c gezeigten
Elektrodenform besteht darin, dass die Längen der einzelnen
Strukturen der Kompensationseinrichtung designbedingt kurz gehalten
werden können. Die Eigenfrequenzen der Strukturen der Elektrode 14 liegen
daher oberhalb eines Bereichs, in dem eine Beeinflussung von Funktionen
des Sensorelements stattfinden kann, z. B. durch Anregung einer
solchen Eigenfrequenz (Eigenmode) durch die Antriebsbewegung des
Erfassungsmassenelements 8. Darüber hinaus versteift
die gerade Aussenkante der Elektrode 14 das Erfassungsmassenelement 8 derart,
dass eventuell auftretende Eigenschwingungen wirksam gedämpft
werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006058746
A1 [0002]