JP2009503472A - 角速度センサ - Google Patents

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Abstract

静電的に励振可能な振動エレメントの駆動のための及び前記静電的に励振可能な振動エレメントの変位(x(t))及び/又は運動速度(v(t))の同時決定のための方法が記述され、この方法において、振動エレメントの変位(x(t))及び/又は運動速度(v(t))の決定は静電的な励振において流れる励振電流(i(t)、i(t))に基づいて行われる。さらに、この方法を実施するための装置が記述され、ならびにこの方法及び装置と結びついて使用するための角速度センサ(40)が記述される。

Description

本発明は、請求項1の上位概念記載の静電的に励振可能な振動エレメントの駆動のための及び静電的に励振可能な振動エレメントの変位(x(t))及び/又は運動速度(v(t))の同時決定のための方法ならびに請求項8の上位概念記載のこの方法を実施するための回路装置及び請求項10の上位概念記載の角速度センサに関する。
従来技術
マイクロメカニカル角速度センサは今日例えば自動車において例えばエレクトロ二カルスタビリティプログラムESP又はロール傾斜バランシングのような走行アシスタンスシステムのためのセンサとして使用される。これらのセンサはコリオリ効果によって例えば車両の垂直軸(揺れ)又は車両の長手方向軸(ローリング)の周りの角速度を測定する。
マイクロメカニカル角速度センサには1つ又は複数の振動エレメントが存在し、この1つの又は複数の振動エレメントは静電力によって周期的な振動にもたらされる。振動エレメントはその都度停止位置の周りの平面内で振動可能に配置された質量mを有する。振動エレメントを静電的な励振による代わりに例えば電気力学的に又は圧電的に励振することも公知である。
以下においては簡略化のために振動する質量のみを考察する。マイクロメカニカル角速度センサは振動エレメントの励振のために及び振動運動の測定のためにそれぞれ1つ又は複数のコンデンサから成る4つのコンデンサ群を有し、これは図1に概略的に図示されている。図1では、機械的なバネ及びダンパエレメントが簡略化のために図示されていない。面状の振動エレメントがある平面はx−y平面であるとする。静電力はコンデンサにおいて常に引っ張るだけに作用するので、駆動のためには振動エレメントの両側に設けられた2つのコンデンサ群C及びCが必要である。コンデンサ群Cは正のx方向に力Fを発生し、コンデンサ群Cは競合して力Fを負のx方向に発生する。別個のコンデンサ群C及びCは振動エレメントの変位x(t)及び/又は運動速度v(t)の測定のために使用され、これによって振動周波数及び振動振幅が適当な手段によって振動運動の機械的な共振周波数乃至は一定の予め設定された振幅に調整されうる。大抵の場合、コンデンサ群C及びCは、例えば寄生容量を除去するために差測定において使用される。
x方向に振動する質量mがz軸の周りを回転される場合、この質量は角速度に比例するy方向の付加的な周期的な加速度をうけている。この加速度を測定するためには、特別な測定装置が必要であり、例えば質量mに弾性的に結合されたy方向に振動することができる第2の質量ならびに例えば2つの付加的な測定コンデンサ群がy振動振幅の測定のために必要である。このような測定装置を有する角速度センサは例えばDE10237410A1及びDE10237411A1から公知である。y方向の変位又は力の検出は本出願の対象ではない。
従来技術によれば、静電的な励振及び振動エレメントの変位x(t)及び/又は運動速度v(t)の測定のためには4つのコンデンサ群C、C、C及びCが必要であり、これは一方で高い製造コストを意味し、他方で今日の角速度センサの大きな寸法を意味する。
発明の開示及びその利点
従来技術の欠点は冒頭に挙げた上位概念の本発明の方法において静電的な励振において流れる励振電流に基づいて振動エレメントの変位及び/又は運動速度を決定することによって回避される。
本発明の核心はこの場合2つのコンデンサ群C及びCを使用するだけで駆動力F1及びF2の発生及び変位x(t)及び/又は振動速度v(t)の同時測定である。
本発明は、コンデンサ群C及びCに印加される励振電圧U(t)及びU(t)の特別な形態に基づき、同時にコンデンサ群C及びCに流れ込む電流i(t)及びi(t)の和が評価される。
本発明によって従来技術に比べてコンデンサ群C及びCが節減でき、これによって例えばセンサが小型化できる。C及びCによって空いてしまうセンサのチップ面積がコンデンサ群C及びCに加えられる場合、同一のチップ面積において例えば必要な励振電圧を少なくすることができる。従って、例えば使用可能な動作電圧を越えて励振電圧を高めるためにチャージポンプを放棄することができる。
図面の短い記述
図1は従来技術によるマイクロメカニカル角速度センサの構造の概略図を示し、ならびに、
図2は角度センサの同時的な駆動及び同時的な速度測定のための本発明の回路装置を示す。
本発明の実施例
質量mを有する振動運動に励振可能な振動エレメントの励振のためにはこの振動エレメントの両側に振動運動の平面内に配置された2つのコンデンサ群C及びCが使用される。コンデンサ群C及びCはそれぞれ少なくとも1つのコンデンサから成る。コンデンサという概念はこの場合あらゆる種類の容量性エレメントを含み、これらの容量性エレメントにおいて電圧の印加によって静電力がキャパシタンスを形成する電荷担体の間に発生され、さらにこれらの電荷担体の間の間隔の互いの変化がキャパシタンスの変化を引き起こす。
振動エレメントの駆動に使用される2つのコンデンサ群C及びCには励振電圧U(t)及びU(t)が印加される。これらの2つの励振電圧はそれぞれ直流成分Uを有し、この直流成分Uは異なる正負の符号を有するコサイン状の交流電圧Ua(t)によって重畳される:
Figure 2009503472
コンデンサにおいては印加された電圧と作用した静電力との間に2乗の関係が当てはまる。x方向及び負のx方向に作用する力F(t)及びF(t)の差から計算される、結果的に生じる振動エレメントの質量mに作用する力F(t)に対しては、それゆえ次式が当てはまる:
Figure 2009503472
a(t)と作用する静電力F(t)との間には線形関係が生じる。Ua(t)は高調波振動であるので、質量mにより生じた変位x(t)ならびに運動速度v(t)も定常状態では高調波振動を次式に従って示す:
Figure 2009503472
最大変位
Figure 2009503472
及び位相ψは励振電圧の大きさ、励振周波数及び振動特性に依存する。振動共振周波数においてはψ=−π/2が妥当し、この場合v(t)はUa(t)と同相である。
コンデンサ群C及びCのキャパシタンスC(t)及びC(t)に対しては次の線形乃至は場合によっては線形化された依存関係が成り立つ:
Figure 2009503472
この場合Cは変位x=0の場合の基本キャパシタンスであり、kはコンデンサジオメトリに起因する定数である。コンデンサにおける瞬時の電荷に対しては次式:
Figure 2009503472
が妥当する。
これにより2つのコンデンサに流れ込む瞬時の励振電流i(t)及びi(t)が次のように計算される:
Figure 2009503472
2つの励振電流i(t)及びi(t)の和が形成され、これが上記の関係式に代入されると、次の関係が認められる:
Figure 2009503472
2つの励振電流i(t)及びi(t)の和を振動エレメントの運動速度v(t)
Figure 2009503472
と比較すると、2つの励振電流i(t)及びi(t)の和が振動エレメントの運動速度v(t)と同じパラメータ振幅及び位相の一定の主要ファクタ(Vorfaktoren)まで有していることが認められる。しかし、周波数は2倍である。
図2は励振電流i(t)及びi(t)のもとめられるパラメータ振幅及び位相を決定するための回路装置を示す。信号発生器10は信号Ua(t)を次式により供給する:
Figure 2009503472
有利には制御可能な直流電圧源20が信号Uを供給する。加算器乃至は減算器段を介して励振電圧
Figure 2009503472
が形成され、これらの励振電圧は2つの演算増幅器31、32の非反転入力側に供給される。これらの演算増幅器31、32はそれぞれ抵抗Rを介してネガティブフィードバックされている。演算増幅器31、32の反転入力側は角速度センサ40のコンデンサ群C及びCに接続されている。角速度センサ40では1つ又は複数の振動エレメントが設けられており、振動エレメントはコンデンサ群C及びCに印加される電圧によって静電的に振動させられる。こうしてコンデンサ群C及びCには励振電圧U(t)及びU(t)が角速度センサ40の振動エレメントの駆動のために供給される。2つの演算増幅器31、32の出力電圧はU+R・i(t)及びU+R・i(t)となり、これによって励振電流i(t)及びi(t)が決定される。次いでこれら2つの励振電流を含んでいる出力電圧の和が形成され、オフセット2・Uが差し引かれる。結果的に生じる信号から今や位相及び値測定装置50において公知のやり方で位相及び値がもとめられる。このために位相及び値測定装置50には同様に信号発生器10により発生された、2倍の励振周波数を有するサイン乃至はコサイン状の基準信号cos(2・ω・t)及びsin(2・ω・t)が供給される。
測定された値から最大変位に相応する振動振幅が決定され、この結果、例えばこれをU又は
Figure 2009503472
の変化によって所定の値に閉ループ制御する。測定された位相から閉ループ制御量が決定され、この閉ループ制御量の助けによって駆動周波数が常に機械的共振周波数に保持される。共振の際には要求される位相はちょうど−π/2である。
産業上の適用可能性:
本発明はとりわけ例えばESP、ロール傾斜バランシング、ナビゲーションなどのような走行アシスタンスシステムと結びついて使用するためのマイクロメカニカル角速度センサの製造のために産業上は適用可能である。
従来技術によるマイクロメカニカル角速度センサの構造の概略図を示す。 角度センサの同時的な駆動及び同時的な速度測定のための本発明の回路装置を示す。
符号の説明
10 信号発生器
20 直流電圧源
31 演算増幅器
32 演算増幅器
40 角速度センサ
50 位相及び値測定装置

Claims (11)

  1. 静電的に励振可能な振動エレメントの駆動のための及び前記静電的に励振可能な振動エレメントの変位(x(t))及び/又は運動速度(v(t))の同時決定のための方法において、
    振動エレメントの変位(x(t))及び/又は運動速度(v(t))の決定は静電的な励振において流れる励振電流(i(t)、i(t))に基づいて行われることを特徴とする、静電的に励振可能な振動エレメントの駆動のための及び前記静電的に励振可能な振動エレメントの変位(x(t))及び/又は運動速度(v(t))の同時決定のための方法。
  2. 静電的励振は振動エレメントの両側に振動運動の平面内に設けられたコンデンサ群(C、C)を用いておこなわれ、該コンデンサ群(C、C)に印加される励振電圧(U(t)、U(t))が個別に形成されることを特徴とする、請求項1記載の方法。
  3. 両方のコンデンサ群(C、C)に印加される励振電圧(U(t)、U(t))はそれぞれ直流成分(U)を有し、該直流成分(U)はこれら両方のコンデンサ群(C、C)に対して異なる正負の符号を有するコサイン状の交流電圧(Ua(t))によって重畳されることを特徴とする、請求項2記載の方法。
  4. コンデンサ群(C、C)の中に流れ込む励振電流(i(t)、i(t))の和(i(t)+i(t))が変位(x(t))及び/又は運動速度(v(t))の決定のために評価されることを特徴とする、請求項2又は3記載の方法。
  5. 振動エレメントの変位及び/又は運動速度は励振電流(i(t)、i(t))の和(i(t)+i(t))を介して決定可能なコンデンサ群(C、C)のキャパシタンス変化(C(t)、C(t))に基づいて計算されることを特徴とする、請求項4記載の方法。
  6. 振動エレメントは振動運動へとその共振周波数において励振されることを特徴とする、請求項1〜5のうちの1項記載の方法。
  7. 運動速度v(t)は直接的に励振電流(i(t)、i(t))の和から計算され、ここで
    Figure 2009503472
    及び
    Figure 2009503472
    が成り立ち、励振電流の和は振動エレメントの運動速度の2倍の周波数を有することを特徴とする、請求項1〜6のうちの1項記載の方法。
  8. 請求項1〜7のうちの1項記載の方法を実施するための回路装置であって、振動運動に励振可能な少なくとも1つの振動エレメントを有する角速度センサ(40)ならびに前記振動エレメントの静電的励振のための手段(C、C)を含む、請求項1〜7のうちの1項記載の方法を実施するための回路装置において、
    前記振動エレメントの静電的励振において流れる励振電流(i(t)、i(t))を測定するための手段(31、32、50)と、前記励振電流(i(t)、i(t))の和(i(t)+i(t))を形成するための手段、ならびに、前記励振電流(i(t)、i(t))の和(i(t)+i(t))に基づいて前記振動エレメントの運動速度(v(t))を計算するための手段(50)を有することを特徴とする、請求項1〜7のうちの1項記載の方法を実施するための回路装置。
  9. 振動エレメントを振動させる手段(C、C)の容量性変化を測定された励振電流(i(t)、i(t))及び励振電圧(U(t)、U(t))に基づいて計算するための手段、ならびに、前記振動エレメントの変位を前記キャパシタンス変化に基づいて計算するための手段を有することを特徴とする、請求項8記載の回路装置。
  10. 角速度センサ(40)であって、振動運動に励振可能な少なくとも1つの振動エレメント、該振動エレメントを振動運動に静電的に励振するための手段ならびに振動運動の変位及び/又は振動速度を検出するための手段を有する、角速度センサ(40)において、
    前記振動エレメントを振動運動に静電的に励振するための及び振動運動の変位及び/又は振動速度を検出するための共通の手段(C、C)を有することを特徴とする、角速度センサ(40)。
  11. 振動エレメントを振動運動に静電的に励振するための及び振動運動の変位及び/又は振動速度を検出するための共通の手段(C、C)は、前記振動エレメントの変位に比例して変化するキャパシタンスを有する振動運動の平面内に前記振動エレメントの両側に設けられた2つのコンデンサ群(C、C)ならびに前記振動エレメントの振動運動への静電的な励振において流れる励振電流(i(t)、i(t))の検出のための手段を含むことを特徴とする、請求項10記載の角速度センサ。
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