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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Drehratensensorvorrichtung mit einer stimmgabelartig aufgebauten Schwinganordnung, die im wesentlichen parallel zu einander verlaufende schwingfähige Arme, ein mit je einem Endbereich der Arme verbundenes flexibles Basisteil, das ein gegenläufiges Verschieben der Arme entlang ihrer parallel verlaufenden Achsen ermöglicht, und einen parallel oder antiparallel zu den schwingfähigen Armen verlaufenden Anzeigearm zur Anzeige der gegenläufigen Verschiebung aufweist, dessen einer Endbereich ebenfalls mit dem Basisteil verbunden ist.
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Drehratensensorvorrichtungen sind allgemein zum Beispiel als mikromechanische Drehratensensoren mit einer Sensierachse bekannt. Derartige mikromechanische Drehratensensoren werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt: im Einsatzbereich von Kraftfahrzeugen zum Beispiel zur Fahrdynamikregelung bei ESP (ESP: Elektronisches Stabilitätsprogramm), Navigation und Roll-Over-Sensing (ROSE); im Privatkundenbereich zum Beispiel zur Bildstabilisierung und Bewegungsdetektion (Motion Detection) für Kameras, aber auch zur Navigation.
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Neben den gebräuchlichen oberflächenmikromechanischen Sensorprinzipien mit kapazitivem Antrieb und Detektion von Linear- oder Rotationsschwingern sind auch (meist piezoelektrisch betriebene) Drehratensensoren nach dem „Stimmgabelprinzip” bekannt. Diese Drehratensensoren zur Messung von Drehraten weisen eine stimmgabelartig aufgebaute Schwinganordnung auf. Aufgrund einer Drehbewegung bewegen sich die Arme der stimmgabelartigen Schwinganordnung nicht nur aufeinander zu und voneinander weg, wie bei einer Stimmgabel üblich, sondern sie führen zusätzlich quer dazu verlaufende Bewegungen gegeneinander aus, die durch die Corioliskraft verursacht werden. Die seitliche Auslenkung oder Geschwindigkeit aufgrund dieser Bewegung ist näherungsweise proportional zur Drehgeschwindigkeit und wird beispielsweise durch eine kapazitive, piezoelektrische, piezoresistive oder induktive Messung erfasst. Eine Beschränkung dieses herkömmlichen Stimmgabelprinzips ist, dass damit nur Drehraten in der Ebene der Stimmgabel detektiert werden können. Das führt dazu, dass Drehratensensoren, die Drehungen senkrecht zu einer Basis (z. B. einer Leiterplatte) detektieren sollen, eine große Bauhöhe haben, was die Einsatzbereiche für diese Sensorvorrichtungen stark einschränkt und die Aufbau- und Verbindungstechnik kompliziert und kostenintensiv gestaltet.
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Aus der
US 7,363,815 B2 ist eine Drehratensensorvorrichtung mit einer ebenfalls stimmgabelartig aufgebauten Schwinganordnung mit einer flexiblen Basis und zwei parallel verlaufenden Armen bekannt, deren jeweils einer Endbereich mit der Basis verbunden ist, wobei die flexible Basis ermöglicht, dass die Arme in zumindest einem Frequenzbereich entlang ihrer jeweiligen Längsachse gegenläufig verschiebbar sind. Die Auslenkung oder Geschwindigkeit eines ebenfalls mit der Basis verbundenen antiparallel zu den schwingfähigen Armen verlaufenden Anzeigearms zur Anzeige der gegenläufigen Verschiebung quer zur Schwingungsrichtung und quer zur Drehachse ist ebenfalls zumindest näherungsweise proportional zur Drehrate und wird zum Beispiel mittels einer kapazitiven, piezoelektrischen, piezoresistiven oder induktiven Messung erfasst. Der Aufbau einer solchen Sensorvorrichtung kann bezüglich der Ausrichtung der Drehachse besonders flach sein.
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Diese Sensorvorrichtung mit dem flachen Aufbau ist jedoch empfindlich gegen eventuell anliegende Querbeschleunigungen in der Ebene des Aufbaus quer zur Längsrichtung der Arme. Eine Drehrate einer Drehung mit Drehachse quer zu dem flachen Aufbau kann daher nicht von einer Querbeschleunigung im Frequenzbereich der Schwingung unterschieden werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Drehratensensorvorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass die Sensorvorrichtung zwischen ihrer Drehung mit Drehachse quer zur Ebene der Schwinganordnung eindeutig von einer Querbeschleunigung in der Ebene quer zum Verlauf der schwingfähigen Arme unterschieden werden kann. Die erfindungsgemäße Drehratensensorvorrichtung weist dazu mindestens einen weiteren Anzeigearm auf, der antiparallel zu dem einen Anzeigearm ausgerichtet ist. Die antiparallele Ausrichtung bezieht sich dabei auf die Ausrichtung des jeweilig mit dem Basisteil verbundenen „festen Endes” beziehungsweise des jeweils gegenüberliegenden „freien Endes” des einen und des weiteren Anzeigearms.
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Während die von der zu detektierenden Drehbewegung hervorgerufenen Auslenkungen oder Geschwindigkeiten der Anzeigearme aufgrund der Geometrie von Schwingungsrichtung (Y-Richtung), Drehachse (Z-Achse) und Corioliskraft (X-Richtung) in einander entgegengesetzte Richtungen verlaufen, ist eine von einer Querbeschleunigung hervorgerufene Auslenkung oder Geschwindigkeit für beide Anzeigearme in die gleiche Richtung – nämlich die Richtung dieser Querbeschleunigung – gerichtet.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der eine und der weitere Anzeigearm identisch aufgebaut sind.
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Die stimmgabelartig aufgebaute Schwinganordnung mit dem flexiblen Basisteil (kurz: der Basis) weist insbesondere zwei parallel verlaufende schwingfähig angeordnete Arme auf, deren jeweils einer Endbereich mit dem Basisteil verbunden ist, wobei der flexible Basisteil ermöglicht, dass die Arme in zumindest einem Frequenzbereich entlang ihrer jeweiligen Längsachse gegenläufig verschiebbar sind beziehungsweise schwingen können. Die Auslenkung oder Geschwindigkeit des einen ebenfalls mit dem Basisteil verbundenen parallel und/oder antiparallel zu den schwingfähigen Armen verlaufenden Anzeigearms zur Anzeige der gegenläufigen Verschiebung/Schwingung quer zur Schwingungsrichtung und quer zur Drehachse ist ebenfalls zumindest näherungsweise proportional zur Drehrate und wird wie die Auslenkung oder Geschwindigkeit des weiteren Anzeigearms zum Beispiel mittels einer kapazitiven, piezoelektrischen, piezoresistiven oder induktiven Messung erfasst.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der weitere Anzeigearm mit seinem einen Endbereich ebenfalls am Basisteil der einen Schwinganordnung verbunden ist. Es handelt sich also um eine Drehratensensorvorrichtung mit einer stimmgabelartig aufgebauten Schwinganordnung, die zwei antiparallel zueinander ausgerichtete Anzeigearme aufweist. Insbesondere sind die beiden Anzeigearme koaxial, jedoch antiparallel ausgerichtet.
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Während die die eigentliche Schwinganordnung ausmachenden schwingfähigen Arme und einer der beiden Anzeigearme (also der eine oder der weitere Anzeigearm) auf einer Seite des Basisteils angeordnet sind, ist der andere der beiden Anzeigearme (also der weitere oder der eine Anzeigearm) auf der entgegengesetzten Seite des Basisteils angeordnet.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehratensensorvorrichtung weiterhin eine andere stimmgabelartig aufgebaute Schwinganordnung aufweist, wobei der weitere Anzeigearm mit seinem einen Endbereich am Basisteil der anderen Schwinganordnung verbunden ist. Die beiden Schwinganordnungen sind innerhalb der Drehratensensorvorrichtung fest miteinander verbunden beziehungsweise verbindbar.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die eine und die andere Schwinganordnung im Wesentlichen identisch aufgebaut sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehratensensorvorrichtung eine Vorrichtung zur Anregung der Schwinganordnungen aufweist, wobei die Antriebsmoden der beiden Schwinganordnungen gekoppelt sind, d. h. mit einer festen Frequenz- und Phasenbeziehung zueinander schwingen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die andere Schwinganordnung parallel oder antiparallel zu der einen Schwinganordnung angeordnet ist. Dabei ist der weitere Anzeigearm jedoch stets antiparallel zu dem einen Anzeigearm ausgerichtet angeordnet.
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Bevorzugt ist die Längsachse mindestens eines der Anzeigearme zwischen den Längsachsen der schwingfähigen Arme der zugeordneten Schwinganordnung angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das flexible Basisteil der einen Schwinganordnung in einem Rahmen gehalten ist, wobei das Basisteil der einen Schwinganordnung diesen Rahmen mitbildet. Bevorzugt sind die schwingfähigen Arme der einen Schwinganordnung auf der Außenseite des Rahmens und der Anzeigearm der einen Schwinganordnung im Inneren des Rahmens angeordnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das flexible Basisteil der anderen Schwinganordnung in dem Rahmen gehalten ist, wobei das Basisteil der anderen Schwinganordnung diesen Rahmen mitbildet. Bevorzugt sind die schwingfähigen Arme der anderen Schwinganordnung auf der Außenseite des Rahmens und der Anzeigearm der anderen Schwinganordnung im Inneren des Rahmens angeordnet.
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Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Drehratensensorvorrichtung eine Messeinrichtung zur induktiven, piezoelektrischen, piezoresistiven oder kapazitiven Messung der Auslenkung oder Geschwindigkeit des einen Anzeigearms und/oder des weiteren Anzeigearms aufweist.
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Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Drehratensensorvorrichtung eine Ermittlungseinheit zur Ermittlung der Drehrate aus den Messungen der Auslenkungen oder Geschwindigkeiten aufweist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Ermittlung einer Drehrate mittels einer Drehratensensorvorrichtung mit einer stimmgabelartig aufgebauten Schwinganordnung, die im wesentlichen parallel zu einander verlaufende schwingfähige Arme, ein mit je einem Endbereich der Arme verbundenes flexibles Basisteil, das ein gegenläufiges Verschieben der Arme entlang ihrer parallel verlaufenden Achsen ermöglicht, und einen parallel oder antiparallel zu den schwingfähigen Armen verlaufenden Anzeigearm zur Anzeige der gegenläufigen Verschiebung aufweist, dessen einer Endbereich ebenfalls mit dem Basisteil verbunden ist. Es ist vorgesehen, dass die Drehratensensorvorrichtung mindestens einen weiteren Anzeigearm aufweist, der antiparallel zu dem einen Anzeigearm ausgerichtet ist, und dass die Drehrate mittels vektorieller Addition der Auslenkungen oder Geschwindigkeiten des einen Anzeigearms und des weiteren Anzeigearms ermittelt wird.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der weitere Anzeigearm mit seinem einen Endbereich ebenfalls am Basisteil der einen Schwinganordnung verbunden ist.
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Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Drehratensensorvorrichtung eine andere stimmgabelartig aufgebaute Schwinganordnung aufweist, wobei der weitere Anzeigearm mit seinem einen Endbereich an einem flexiblen Basisteil einer anderen Schwinganordnung verbunden ist, die ebenfalls schwingfähige Arme aufweist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Drehratensensorvorrichtung eine Vorrichtung zur Anregung der Schwinganordnungen aufweist, wobei die Antriebsmoden der beiden Schwinganordnungen gekoppelt sind.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt die
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1 eine Drehratensensorvorrichtung mit zwei stimmgabelartig aufgebauten Schwinganordnungen gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine Drehratensensorvorrichtung mit zwei stimmgabelartig aufgebauten Schwinganordnungen gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
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3 eine Drehratensensorvorrichtung mit zwei stimmgabelartig aufgebauten Schwinganordnungen gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Die 1 zeigt eine Drehratensensorvorrichtung 10 mit einer stimmgabelartigen Schwinganordnung 12 und einer anderen stimmgabelartigen Schwinganordnung 14, die jeweils identisch aufgebaut, jedoch um 180° gegeneinander gedreht (also antiparallel zueinander) angeordnet sind. Jede der Schwinganordnungen 12, 14 weist zwei parallel zu einander verlaufende schwingfähige Arme 16, 18; 20, 22 und ein mit je einem Endbereich 24 der Arme 16, 18; 20, 22 verbundenes flexibles Basisteil 26, 28 auf. Jedes der flexiblen Basisteile 26, 28 ermöglicht ein gegenläufiges Verschieben beziehungsweise Schwingen der zugeordneten schwingfähigen Arme 16, 18; 20, 22 entlang ihrer parallel verlaufenden Achsen 30, 32; 34, 36. Jede der Schwinganordnungen 12, 14 weist weiterhin je einen antiparallel zu den zugehörigen schwingfähigen Armen 16, 18; 20, 22 verlaufenden Anzeigearm 38, 40 zur Anzeige der gegenläufigen Verschiebung beziehungsweise Schwingung (Pfeile A, B) der zugehörigen schwingfähigen Armen 16, 18; 20, 22 auf. Ein jeweiliger Endbereich 42 der Anzeigearme 38, 40 ist ebenfalls mit dem zugehörigen Basisteil 26, 28 verbunden. Die beiden flexiblen Basisteile 26, 28 sind über eine Rahmenanordnung 44 fest miteinander verbunden.
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Die Rahmenanordnung 44 weist zwei Rahmen 46, 48 auf, wobei der eine Rahmen 46 mit der einen Schwinganordnung 12 und der andere Rahmen 48 der anderen Schwinganordnung 14 verbunden ist.
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Die Drehratensensorvorrichtung 10 weist weiterhin eine in der Figur nicht gezeigte Messeinrichtung zur induktiven, piezoelektrischen, piezoresistiven oder kapazitiven Messung der Auslenkung oder Geschwindigkeit des einen Anzeigearms 38 und/oder des weiteren Anzeigearms 40 und eine ebenfalls nicht gezeigte Ermittlungseinheit zur Ermittlung der Drehrate aus den Messungen dieser Auslenkungen oder Geschwindigkeiten und der Schwingung der Arme 16, 18; 20, 22 auf.
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Das flexible Basisteil 26 der einen Schwinganordnung 12 ist in dem ihr zugeordneten Rahmen 46 gehalten, wobei das Basisteil 26 der einen Schwinganordnung 12 diesen Rahmen 46 mitbildet. Die schwingfähigen Arme 16, 18 der einen Schwinganordnung 12 sind außerhalb des Rahmens 46 angeordnet, der eine Anzeigearm 38 innerhalb dieses Rahmens 46. Das flexible Basisteil 28 der anderen Schwinganordnung 14 ist in dem ihr zugeordneten Rahmen 48 gehalten, wobei das Basisteil 28 der anderen Schwinganordnung 14 diesen Rahmen 48 mitbildet. Die schwingfähigen Arme 20, 22 der anderen Schwinganordnung 12 sind außerhalb des Rahmens 46 angeordnet, der weitere Anzeigearm 40 der anderen Schwinganordnung 12 innerhalb des Rahmens 48.
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Es ergibt sich folgende Funktion der Drehratensensorvorrichtung: Das flexible Basisteil 26, 28 jeder der Schwinganordnungen 12, 14 ermöglicht, dass die entsprechenden schwingfähigen Arme 16, 18; 20, 22 der jeweiligen Schwinganordnung 12, 14 in zumindest einem Frequenzbereich entlang ihrer jeweiligen Längsachse 30, 32 (parallel/antiparallel zur Y-Achse der Figur) gegenläufig verschiebbar sind. Die Auslenkung oder Geschwindigkeit des über das jeweilige flexible Basisteil 26, 28 mit den zugeordneten schwingfähigen Armen 16, 18; 20, 22 verbundenen und antiparallel zu diesen zugeordneten Armen 16, 18; 20, 22 verlaufenden einen Anzeigearms 38 (Pfeil C) beziehungsweise weiteren Anzeigearms 40 (Pfeil C') zur Anzeige der gegenläufigen Verschiebung quer zur Schwingungsrichtung (Y-Achse in der Figur) und quer zur Drehachse (Z-Achse in der Figur) ist ebenfalls zumindest näherungsweise proportional zur Drehrate und wird jeweils mittels einer kapazitiven, piezoelektrischen, piezoresistiven oder induktiven Messung mittels der Messeinrichtung erfasst. Dadurch, dass die beiden Anzeigearme 38, 40 antiparallel zu einander ausgerichtet sind und die beiden Schwinganordnungen 12, 14 identisch aufgebaut sind, kann die Drehrate mittels vektorieller Addition der Auslenkungen oder Geschwindigkeiten des einen Anzeigearms 38 und des weiteren Anzeigearms 40, also einer Differenzbildung der gegenläufigen Auslenkungen oder Geschwindigkeiten, ermittelt werden. Eine Auslenkung oder Geschwindigkeit der Anzeigearme 38, 40 aufgrund von Querbeschleunigungen erfolgt für beide Anzeigearme 38, 40 in die gleiche Richtung und geht daher in die vektorielle Addition nicht ein.
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Der Aufbau einer solchen Sensorvorrichtung 10 ist bezüglich der Ausrichtung zur Drehachse (Z-Achse in der Figur) besonders flach.
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Alternativ oder zusätzlich kann die eine und/oder andere Schwinganordnung 12, 14 auch als herkömmliche stimmgabelartig aufgebaute Schwinganordnung zur Detektion einer im Wesentlichen in Richtung der Achsen 30, 32; 34, 36 der schwingfähigen Arme 16, 18; 20, 22 ausgerichteten Drehachse (in der Figur also die Y-Achse) genutzt werden. Dazu werden die schwingfähigen Arme 16, 18; 20, 22 zur Schwingung gegeneinander angeregt und eine gegenläufige Schwingungskomponente der Arme 16, 18; 20, 22 aus der Ebene der Schwinganordnung(en) heraus erfasst. Das Erfassen erfolgt dabei vorzugsweise mittels einer kapazitiven, piezoelektrischen, piezoresistiven oder induktiven Messung.
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Die Drehratensensorvorrichtungen der 2 und 3 entsprechen im Wesentlichen der Drehratensensorvorrichtung der 1, sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Während die in 1 gezeigte Drehratensensorvorrichtung 10 zwei bezüglich der Längsachsen 30, 32; 34, 36 der schwingfähigen Arme 16, 18; 20, 22 „hintereinander” angeordnete stimmgabelartige Schwinganordnungen 12, 14 aufweist, sind die stimmgabelartigen Schwinganordnungen 12, 14 der Drehratensensorvorrichtung 10 der 2 in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander angeordnet und dabei antiparallel ausgerichtet. Die Verbindung der stimmgabelartigen Schwinganordnungen 12, 14 erfolgt über ein Verbindungselement 50, das in seiner Funktion der Rahmenanordnung 44 mit Rahmen 46, 48 der 1 entspricht.
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Die Drehratensensorvorrichtung 10 der 3 weist zwei übereinander angeordnete (übereinander „gestapelte”) stimmgabelartige Schwinganordnungen 12, 14 auf, die somit in zwei parallel verlaufenden Ebenen angeordnet sind. Die Verbindung der stimmgabelartigen Schwinganordnungen 12, 14 erfolgt über Verbindungselemente 52, 54 die in ihrer Funktion der Rahmenanordnung 44 mit Rahmen 46, 48 der 1 bzw. dem Verbindungselement 50 der 2 entspricht. Bevorzugt sind die stimmgabelartigen Schwinganordnungen 12, 14 – in Blickrichtung senkrecht zu den Ebenen – übereinander Angeordnet.
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Wichtig ist, dass die Antriebsmoden der beiden Schwinganordnungen 12, 14 gekoppelt sind, d. h. mit einer festen Frequenz- und Phasenbeziehung zueinander schwingen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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