DE102008044053B4 - Quadraturkompensation für einen Drehratensensor - Google Patents
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Abstract
Drehratensensor, umfassend- ein Substrat mit einer Oberfläche;- ein über der Oberfläche angeordnetes bewegliches Element (8), das entlang einer ersten, senkrecht zur Oberfläche verlaufenden Achse (z) auf Grund einer Coriolis-Kraft auslenkbar ist;- eine Antriebseinrichtung, die eingerichtet ist, das bewegliche Element (8) entlang einer zweiten, parallel zur Oberfläche verlaufenden Achse (y) anzutreiben;- wobei eine Kompensationseinrichtung zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft entlang der ersten Achse (z) zueinander korrespondierende, an dem Substrat und an dem beweglichen Element (8) ausgebildete Elektroden (14, 15, 16) umfasst, wobei ein relativer Überdeckungsgrad der Elektroden (14, 15, 16) in Richtung der ersten Achse (z) von einer Auslenkung des beweglichen Elements (8) entlang der zweiten Achse (y) abhängig ist;- wobei die an dem beweglichen Element (8) ausgebildete Elektrode (14) einen isolierenden Bereich des beweglichen Elements (8) umläuft- wobei eine Anzahl isolierender Bereiche im Randbereich des beweglichen Elements (8) derart von der Elektrode (14) umlaufen werden, dass eine parallel zur zweiten Achse (y) verlaufende Kante der Elektrode (14) gerade ist;- dadurch gekennzeichnet, dass die isolierenden Bereiche im Randbereich des beweglichen Elements (8) in zwei linearen Gruppierungen angeordnet sind, und dass die linearen Gruppierungen nahe den parallel zur zweiten Achse (y) verlaufenden Kanten der Elektrode (14) angeordnet und entlang der parallel zur zweiten Achse (y) verlaufenden Kanten der Elektrode (14) angeordnet sind.
Description
- 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. - In der Druckschrift
US 6 619 121 B1 wird ebenfalls ein Drehratensensor mit Kompensationseinrichtung offenbart. - In der Druckschrift
DE 600 32 373 T2 wird ebenfalls ein Drehratensensor offenbart. - 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.
- Figurenliste
- Im folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine Ansicht eines Drehratensensors mit einer Kompensationseinrichtung; -
2a bis2c Ansichten einer Elektrodenkonstellation der Kompensationseinrichtung aus1 in unterschiedlichen Auslenkungen des Erfassungsmassenelements; -
3a bis3c zu2a bis2c korrespondierende Ansichten einer alternativen Elektrodenkonstellation der Kompensationseinrichtung aus1 . - 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 Siliziumsubstrat 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 Yo 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 RuhepositionYo. 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 Yo + 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 von2a . F ist größer als in der Darstellung von2a . -
2c zeigt eine Ansicht eines Elektrodenpaars 15, 16 der Kompensationseinrichtung mit einem in einer entgegengesetzten Richtung ausgelenkten Erfassungsmassenelement 8. In der ausgelenkten Position Yo + 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 von2a . F ist kleiner als in der Darstellung von2a . - 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 bis3c zeigen eine alternative Ausgestaltung der Elektroden der Kompensationseinrichtung aus2a bis2c . 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 den2a bis2c , 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 bis3c dargestellte Elektrodenform kann beispielsweise entlang zweier einander gegenüberliegenden Kanten des Erfassungsmassenelements 8 angebracht werden (vgl. Position der Elektroden 14 in1 ). Das Erfassungsmassenelement 8 mit den Elektroden nach3a bis3c ist deutlich kompakter als in1 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, starkem Bremsen oder schneller Kurvenfahrt entstehen. - Ein weiterer Vorteil der gezeigten in den
3a bis3c 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.
Claims (8)
- Drehratensensor, umfassend - ein Substrat mit einer Oberfläche; - ein über der Oberfläche angeordnetes bewegliches Element (8), das entlang einer ersten, senkrecht zur Oberfläche verlaufenden Achse (z) auf Grund einer Coriolis-Kraft auslenkbar ist; - eine Antriebseinrichtung, die eingerichtet ist, das bewegliche Element (8) entlang einer zweiten, parallel zur Oberfläche verlaufenden Achse (y) anzutreiben; - wobei eine Kompensationseinrichtung zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft entlang der ersten Achse (z) zueinander korrespondierende, an dem Substrat und an dem beweglichen Element (8) ausgebildete Elektroden (14, 15, 16) umfasst, wobei ein relativer Überdeckungsgrad der Elektroden (14, 15, 16) in Richtung der ersten Achse (z) von einer Auslenkung des beweglichen Elements (8) entlang der zweiten Achse (y) abhängig ist; - wobei die an dem beweglichen Element (8) ausgebildete Elektrode (14) einen isolierenden Bereich des beweglichen Elements (8) umläuft - wobei eine Anzahl isolierender Bereiche im Randbereich des beweglichen Elements (8) derart von der Elektrode (14) umlaufen werden, dass eine parallel zur zweiten Achse (y) verlaufende Kante der Elektrode (14) gerade ist; - dadurch gekennzeichnet, dass die isolierenden Bereiche im Randbereich des beweglichen Elements (8) in zwei linearen Gruppierungen angeordnet sind, und dass die linearen Gruppierungen nahe den parallel zur zweiten Achse (y) verlaufenden Kanten der Elektrode (14) angeordnet und entlang der parallel zur zweiten Achse (y) verlaufenden Kanten der Elektrode (14) angeordnet sind.
- Drehratensensor nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der isolierende Bereich eine Aussparung in dem beweglichen Element (8) ist. - Drehratensensor nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element (8) vier im Wesentlichen gerade Außenkanten aufweist. - Drehratensensor nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl elastischer Elemente an den Außenkanten des beweglichen Elements (8) angeschlagen sind. - Drehratensensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei auf dem Substrat ausgebildete Elektroden (15, 16) auf unterschiedlichen Seiten einer Mittellinie angeordnet sind, die in Richtung einer dritten, senkrecht zur zweiten Achse (y) und parallel zur Oberfläche verlaufenden Achse (x) verläuft.
- Drehratensensor nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass in einer auslenkungsfreien Position des beweglichen Elements (8) in Richtung der zweiten Achse (y) ein isolierender Bereich des beweglichen Elements (8) symmetrisch über der Mittellinie angeordnet ist. - Drehratensensor nach einem der
Ansprüche 5 oder6 , dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen der Elektrode (14) des beweglichen Elements (8) und der ersten Elektrode (15) angelegte Spannung unterschiedlich von einer zwischen der Elektrode (14) des beweglichen Elements (8) und der zweiten Elektrode (16) angelegte Spannung ist. - Drehratensensor nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Spannungen im Vorzeichen unterscheiden, so dass in Abhängigkeit eines Vorzeichens einer Auslenkung des beweglichen Elements (8) entlang der zweiten Achse (y) eine attraktive oder abstoßende Kraft zwischen dem beweglichen Element (8) und dem Substrat entlang der ersten Achse (z) ausgeübt wird.
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |