DE4403646A1 - Drehgeschwindigkeitssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehgeschwindigkeitssensor mit einer schwingungserzeugenden Sendevorrichtung und zwei Empfangsvorrichtungen, die die Drehbewegung eines Festkör­ pers um seine Längsachse detektieren und unter Differenz­ bildung der beiden Einzelsignale in eine elektrische Größe umwandeln.

Zur präzisen und empfindlichen Erfassung von Drehgeschwin­ digkeiten sind Sensoren bekannt, welche den Corioliseffekt nutzen.

Solche Gyrometer koppeln den in einem piezoelektrischen Sender erzeugten Schall über eine Verbindungsschicht, die in der Regel als Klebeverbindung ausgeführt ist, in einen nichtpiezoelektrischen Schwingkörper. Zwei Schallempfänger, die ebenfalls auf dem prismatischen Schallkörper in engem akustischen Kontakt montiert sind, wandeln jede Dreh­ bewegung des Schwingkörpers um seine Längsachse unter Dif­ ferenzbildung der beiden Einzelsignale in eine elektrische Größe um. Diese Anordnungen reagieren sehr empfindlich unter Ausnutzung des Corioliseffektes auf Drehbewegungen.

Nachteilig bei diesen Konstruktionen ist aber, daß die Ver­ bindungsstellen zwischen den Piezoelementen und dem Schwingkörper temperaturabhängig mechanischen Spannungen unterworfen sind, die ihrerseits als Störgrößen das elek­ trische Ausgangssignal unerwünscht beeinflussen. Außerdem sind diese Stellen Alterungseinflüssen ausgesetzt, wie z. B. durch Feuchtigkeit oder chemische Korrosion.

Bei einer anderen Anordnung wird der Schwingkörper an den mechanischen Schwingungsknoten durch Stäbe bzw. Drähte gelagert, die im Vergleich zum Schwingkörper relativ dünn sind. Eine solche Anordnung weist Probleme hinsichtlich der mechanischen Schockbelastbarkeit auf.

Gleiches gilt auch für mikromechanische Schwingkörper oder auch größere geätzte Strukturen, da bei diesen Anordnungen eine im Vergleich zur Dimensionierung ihrer Lager bei Schockbelastung große Massen von denselben aufgefangen wer­ den müssen bzw. deren Störbewegung unterdrückt werden muß.

Eine hohe Störunterdrückung des Sensors wird dadurch erreicht, daß der mechanische Schwingkörper nur bei Frequenzen erregbar ist, die einen großen Frequenzabstand zwischen Frequenzspektrum des mechanischen Störsignales und dem mechanischen Nutzsignal sicherstellen.

Eine Anordnung mit hohen Eigenfrequenzen ist z. B. ein im gesamten Volumen scherschwingender piezoelektrischer Kör­ per, welcher wiederum im Schwingungsknoten mit speziellen Schneidenlagern gehalten ist. Der Montageaufwand für solche Sensoren ist sehr hoch, so daß diese Sensoren für die Mas­ senproduktion nicht geeignet sind.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Dreh­ geschwindigkeitssensor anzugeben, der den Gearwinkel prä­ zise und langzeitstabil erfaßt, schockbelastbar ist sowie mit preiswerten Technologien in großen Stückzahlen reali­ sierbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Sende- und Empfangsvorrichtung eine Wandlerstruktur aufweisen, welche auf ein und demselben Festkörper angeordnet ist, wobei die an der Oberfläche des Festkörpers erzeugte akustische Welle von der Drehbewegung des Festkörpers beeinflußbar ist.

Die Lösung arbeitet nach dem Coriolisprinzip auf SAW-Basis (surface acustic wave).

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Sender und Empfänger sowie der Schwingkörper ein Element darstellen. Dadurch entfallen zusätzliche Maßnahmen zur Kopplung von Sender und Empfänger mit dem Schwingkörper.

Es ist eine hybride Lösung oder eine Lösung auf einem Chip realisierbar, so daß der Drehgeschwindigkeitssensor beson­ ders einfach im Kollektiv herstellbar ist.

Vorteilhafterweise ist dabei der Festkörper eine piezoelek­ trische Schicht.

Sender- und Empfängerelektroden, die auf der piezoelektri­ schen Schicht angeordnet sind, weisen annähernd gleiche Strukturen auf, wobei die Empfängerelektroden symmetrisch zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle angeordnet sind. Durch diese symmetrische Anordnung wird die Empfind­ lichkeit des Sensors erhöht und gleichartig auf die Empfän­ ger wirkende Störsignale werden unterdrückt.

Aufgrund des kompakten Aufbaus des Drehgeschwindigkeitssen­ sors ist eine Anordnung auf einem Substrat, welches mit einem Gehäusedeckel abdeckbar ist, möglich, wodurch eine eventuell notwendige Temperaturkompensation realisierbar ist.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Drehge­ schwindigkeitssensors,

Fig. 2 Anordnung des Drehgeschwindigkeitssensors auf einem Substrat,

Fig. 3 Ausbreitung der Oberflächenwelle

Fig. 4 bis 7 vektorielle Anteile der Oberflächenwelle hin­ sichtlich der Empfängerstrukturen.

Gemäß Fig. 1 ist auf einer planaren piezoelektrischen Schicht 1 eine metallische Interdigitalstruktur 2 angeord­ net, welche mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden ist, die die Interdigitalstruktur 2 mit einem periodischen elektrischen Signal versorgt. Dabei bildet die piezoelektrische Schicht 1 mit der Interdigitalstruktur 2 einen Sendewandler 1, 2.

Mittels dieses Sendewandlers 1, 2 wird aus dem periodischen elektrischen Signal eine akustische Welle erzeugt, die sich senkrecht zur Kammstruktur der Senderelektrode 2 ausbrei­ tet.

Zwei Empfängerelektroden 3, 4, die ebenfalls auf der piezoelektrischen Schicht 1 angeordnet sind, weisen eine ähnliche Interdigitalstruktur 3, 4 wie die Senderelektrode 2 auf. Die Empfangswandler 1, 3 und 1, 4 erzeugen aus dem mechanischen Signal, welches die Oberflächenwelle liefert, jeweils eine amplitudenmodulierte elektrische Abbildgröße, deren Differenz der zu erfassenden Drehgeschwindigkeit proportional ist, welche in einer nicht dargestellten Schaltung ausgewertet wird.

Die piezoelektrische Schicht 1 wird, wie in Fig. 2 darge­ stellt, auf einem Substrat 5 montiert.

In Fig. 3 wird die Ausbreitung der Oberflächenwelle ver­ deutlicht, wobei zu erkennen ist, daß die Empfangswandler 1, 3; 1, 4 nur für die vektoriellen Anteile der Welle empfindlich sind, die senkrecht zu ihren Interdigitalstruk­ turen 3, 4 verlaufen.

Die beiden Anteile der Oberflächenwelle werden mit gleicher Amplitude empfangen, wenn der Sensor nicht um die Z-Achse des Koordinatorsystems (Fig. 2) gedreht wird.

Die vektoriellen Anteile der Oberflächenwelle a₃ und a₄, die die Empfangswandler 1, 3; 1, 4 erregen, sind in den Fig. 4 und 5 deshalb gleich groß.

Wird die gesamte Anordnung um die Z-Achse gedreht, verän­ dern sich die Beträge der Vektoren a₃ und a₄ in Abhängig­ keit von der Drehrichtung gegensinnig.

Bei mathematisch negativer Drehrichtung vergrößert sich a₃, während sich a₄ proportional verkleinert (Fig. 6). Bei mathematisch positiver Drehrichtung sind die Verhältnisse umgekehrt (Fig. 7).

Eine Differenzbildung der elektrischen Abbildgrößen, die aus den von den Empfangswandlers 1, 3 und 1, 4 empfangenen Signalen gebildet werden, ergibt bei ideal symmetrischer Anordnung eine doppelte Empfindlichkeit bezogen auf den Einzelempfänger und unterdrückt Störsignale, die gleichar­ tig auf die Empfangswandler 1, 3 und 1, 4 wirken.

Diese Anordnung kann leicht auf hohe mechanische Eigenreso­ nanzen abgestimmt werden, so daß die Forderung nach Schock­ belastbarkeit gut realisierbar ist.

Gleichzeitig kann das Substrat 5 in Verbindung mit einem Gehäusedeckel als hermetischer Schutz vor Störeinflüssen, wie Feuchtigkeit, verschiedene Gase, starke Konvektion der Luft an der schwingenden Oberfläche und anderes für die sensorische piezoelektrische Schicht genutzt werden.

Die Frequenz f der mechanischen Welle ist näherungsweise gleich der Frequenz des elektrischen Signals, mit dem der Sendewandler 1, 2 erregt wird.

Die Wellenlänge λ der mechanischen Schwingung ergibt sich aus λ = c_piezo×f, wobei c_piezo die Schallgeschwindigkeit der Oberflächenwelle ist.

Beträgt die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht 1 ein Vielfaches von λ/2 erzeugt die Interdigitalstruktur 2 des Sendewandlers 1, 2 an der Oberfläche vor allem Rayleigh- Wellen, deren Eindringtiefe im piezoelektrischen Material gering ist.

Dadurch wird das Substrat 5 (Fig. 2) nicht mit in Schwin­ gung versetzt und es kann eine sicher haftende Verbindung zwischen piezoelektrischer Schicht 1 und Substrat 5 reali­ siert werden.

Claims (8)

1. Drehgeschwindigkeitssensor mit einer schwingungserzeu­ genden Sendevorrichtung und zwei Empfangsvorrichtun­ gen, die die Drehbewegung eines Festkörpers um seine Längsachse detektieren und unter Differenzbildung der beiden Einzelsignale in eine elektrische Größe umwan­ deln, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Sende- (1, 2) als auch Empfangsvorrichtung (1, 3; 1, 4) eine Wandler­ struktur (2, 3, 4) aufweisen, welche auf ein und demsel­ ben Festkörper (1) angeordnet sind, wobei die an der Oberfläche des Festkörpers (1) erzeugte akustische Welle von der Drehbewegung des Festkörpers (1) beein­ flußbar ist.

2. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (1) eine piezoelek­ trische Schicht ist.

3. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Sender- (1, 2) und Empfangsvorrichtung (1, 3; 1, 4) annähernd gleiche Struk­ turen (2, 3, 4) aufweisen.

4. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen (2, 3, 4) Interdigi­ talstrukturen sind.

5. Drehgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger (1, 3; 1, 4) symmetrisch zur Ausbereitungsrichtung der akustischen Welle angeordnet sind.

6. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger (1, 3; 1, 4) in einem Winkel von annähernd 45° zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle angeordnet sind.

7. Drehgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektri­ sche Schicht (1) auf einem Substrat (5) angeordnet ist, welches mit einem Gehäusedeckel abdeckbar ist.

8. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der piezoelektrischen Schicht (1) ein Vielfaches von λ/2 der mechanischen Schwingung beträgt.