TWI580928B - 轉速感測器及其操作方法 - Google Patents

轉速感測器及其操作方法 Download PDF

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布克哈德 庫曼
羅伯 薩特勒
羅夫 謝本
丹尼爾 克里斯多福 麥瑟
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羅伯特博斯奇股份有限公司
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Description

轉速感測器及其操作方法
本發明關於申請專利範圍第1項的引文的一種轉速感測器。
這類轉速感測器係一般習知者。舉例而言，在文獻DE 10108196 A1提到一種轉速感測器，其中該轉速感測器具有克氏力元件，它們被驅動元件圍住，驅動元件互相朝向的側邊係貫通開放者。該克氏力元件和驅動元件與彈簧連接，驅動元件利用彈簧與軸承塊連接。此外設有可動電極、固定電極，以及固定電極用的軸承塊，此二克氏力元件利用「耦合彈簧」連接。為了指示克氏力元件的偏轉，在該框形克氏力元件內部各設有一框形的指示元件。這些指示元件同樣做成長方形框構造，該構造利用具有軸承塊的彈簧元件與基材連接。彈簧元件沿X方向呈軟性而沿Y方向呈剛性，且因此大致只能使「指示框」沿X方向偏轉。這些指示框利用彈簧元件與相關克氏力元件連接。這些彈簧元件設計成沿Y方向呈軟性而沿X方向呈剛性。在指示框內部設有格狀之「指示電極」。一種轉速〔所繞之旋轉軸垂直於基材(Z方向)〕造成一種力作用，此力作用造成克氏力元件沿X軸作反向平行及共線之「檢出振動」。克氏力元件參與這種振動，且將其運動傳輸到「檢出振動器」(指示元件)；驅動元件不參與此「檢出振動」。二指示 元件利用它們之間的構造互相耦合，這種構造將克氏元件的驅動運動及檢出運動耦合。依此先前技術的轉速感測器除了所謂的「使用模式」(驅動模式和檢出模式)外，還有其他的振動模式--所謂的「干擾模式」。這些干擾模式不利地造成使用模式的重疊且會造成錯誤信號。
因此本發明的目的在提供一種轉速感測器，它沒有先前技術的缺點，且其中特別是干擾模式受壓制或干擾模式位在較高的頻率。
依申請專利範圍的獨立項的本發明之轉速感測器以及本發明之操作轉速感測器的方法相較於先前技術有一優點：干擾模式受壓制或在較高的頻率存在，如此使用模式和干擾模式在頻域中可達成較明顯的分隔。如此，可有利地使干擾模式的激發作用較少，因此干擾模式的激發作用較小，故轉速感測器的操作較穩定。
轉速感測器宜設計成微電機械系統(MEMS)形式。基材宜為一個半導體基材，尤宜由一矽材料製造。克氏力元件的振動的激發作用宜在驅動元件上利用靜定梳形驅動器達成。克氏力的指示宜利用以下方式達成：克氏力元件及/或一檢出元件有可動的電極，它們相對於固定的電極設成可動。
本發明的有利設計和進一步特點見於申請專利範圍附屬項及配合圖式的說明。
依一較佳的進一步特點，該驅動耦合部分元件包一第一驅動耦合部分元件和一第二驅動耦合部分元件。
其中，最好該第一驅動耦合部分元件及/或該第二驅動耦合部分元件具有一樑構件，且尤宜具有一T形構造及/或一V形構造，如此可有利地將干擾模式和使用模式較佳地分隔。藉著使用二個驅動器耦合元件(它們宜對旋轉軸縱軸對稱設置)，可使操作較穩定。
依另一較佳之進一步特點，該二驅動耦合部分元件與基材呈機械式耦合，如此干擾模式和使用模式可較佳的隔開，且轉速感測器的操作可較穩定，固定在基材上可使干擾模式移動到較高的頻率。
依又一較佳的進一步特點，該驅動耦合部分元件在繞一第三軸(Z)的旋轉作用方面設計成比繞該第一軸(X)的旋轉作用更軟，其中該第三軸(Z)垂直於該主延伸平面設置，其中該驅動耦合部分元件在該第二軸(Y)設計成比在該第一軸(X)更剛性。
如此，該反向平行的使用模式可有利地移向低頻，且平行的干擾模式移向高頻。
依再一較佳的進一步特點，該檢出手段有一第一「檢出部分元件」及一第二「檢出部分元件」，其中該第一檢出部分元件與該第二檢出部分元件經一檢出耦合元件以機械方式互相耦合。
藉著將檢出部分元件耦合，可有利地反向平行的使用模式移向低頻，而平行的平擾模式移向高頻。
依另一較佳的進一步特點，該檢出耦合元件與該基材用機械方式耦合，固定在基材上可使干擾模式移向較高頻率。
依又一較佳的進一步特點，該檢出耦合元件至少具一檢出耦合部分元件及一第二檢出耦合部分元件，其中該第一檢出耦合部分元件及/或該第二檢出耦合部分元件宜具有一種樑構造。且尤宜較有一L形構造及/或一T形構造，藉著使用數個檢出耦合元件，可有利地使反向平行的使用模式移向低頻且平行的干擾模式移向高頻。
依再一較佳的進一步特點，該檢出耦合元件就其繞該第三軸(Z)的旋轉作用而言設計成比繞該該第一軸(X)的旋轉作用更軟，其中該檢出耦合元件沿第二軸(Y)設計成比沿第一軸(X)更剛性。如此可有利地使反向平行的使用模式移向低頻，而平行的干擾模式移向高頻。
本發明的另一標的係為一種用於操作一轉速感測器的方法，該轉速感測器具有一第一克氏力元件及一第二克氏力元件及一具有一主延伸平面的基材，其中該第一克氏力元件利用一第一驅動元件激發成平行於一第二軸(Y)的第一振動；其中該第二克氏力元件利用一第二驅動元件激發成平行於該第二軸(Y)的第二振動；其中該第一克氏力元件與該第二克氏力元件平行於一第一軸(X)的偏轉利用檢出手段檢出，其中該第二軸(Y)設成垂直於該第一軸(X)，其中該第一軸(X)和第二軸(Y)設成平行於該主延伸平面，其中，該第一 振動與該第二振動經由一驅動耦合部分元件(301)(302)以機械方式互相耦合。
本發明的實施例示於圖式中並在以下說明中詳細敘述。
在不同的圖中，相同的部分始終用相同的圖號表示，因此一般也只說明一次。
圖1係示依本發明一例示實施例的一轉速感測器(1)。圖1係一基材(不詳示)的上視圖，它具有一主延伸平面(X-Y平面)，主延伸平面中設有一第一克氏力元件(100)及一第二克氏力元件(200)，第一和第二克氏力元件(100)(200)設計成框形構造，這些構造在互相朝向的面係呈貫通開放者。克氏力元件(100)(200)被驅動元件(102)(202)包圍，該驅動元件在互相朝向的側邊係貫通開放者，轉速感測器建構成對稱，因此在以下--如有可能--基於簡明理由只說明轉速感測器的左邊，右邊和左邊的構造係對稱者。克氏力元件(100)和驅動元件(102)與「彎曲彈簧」(Biegefeder)(103)連接。彎曲彈簧(103)設計成使它們沿X方向呈軟性而沿Y方向呈剛韌。驅動元件(102)利用彈簧(107)與軸承塊(106)連接，軸承塊(106)與基材牢接。彈簧(107)設計成使它們沿YY戶向呈軟性而沿X方向為軟性。在驅動元件(102)(202)上設有可動的電極(104)(204)，它們呈梳狀嵌合到固定的電極(圖未示)中，固定的電極利用軸 承塊(圖未示)與基材牢接。
藉著在可動電極(104)(204)與固定電極間施電壓，使驅動元件(102)(202)激發而振動。如此，克氏力元件(100)(200)的重心在一軸上移動，該軸平行於Y軸。二個克氏力元件(100)(200)的運動因此係在一些軸中，這些軸設成互相平行。在此，重心在沒有克氏力的影響時(亦即基材不繞一垂直於基材的軸轉動)係在互相平行的直線上運動。如果基材繞Z軸轉動，亦即繞一垂直於基材的軸轉動，則各有克氏力作用到各克氏力元件(100)(200)上，該克氏力垂直於旋轉軸Z及垂直於運動軸Y。如此，這些力量沿X方向作用。
可動的電極(104)(204)和固定的電極以及驅動元件(102)(202)一起形成激發手段，利用它們激發克氏力元件(100)(200)作振動，在這種振動時，重心的振動軸互相平行朝向，驅動元件(102)(202)係呈線而互相反相地在XY平面中受驅動。
為了指示克氏力元件(100)(200)沿Z方向(垂直於XY平面)的偏轉，在該框形克氏力元件(100)(200)的內部各設有一框形的檢出手段(140)(240)。這些檢出手段(140)(240)設計成長方形擴構造，它們具有軸承塊(106’)的彈簧元件(141)與基材連接。彈簧元件(141)設計成沿X方向呈軟性而沿Y方向呈剛性。指示框(140)(240)利用彈簧元件(142)與相關的克氏力元件(100)(200)連接，彈簧元件(142)設計成沿Y軸呈軟性而沿X軸呈剛性且因此沿X將克氏力傳送得特別 好。在指示框(140)(240)內部中設有格狀指示電極(143)，它們只作示意圖示，格狀指示電極(143)設在圖未示的固定電極間，這些固定電極利用軸承固定在基材上且不能相對於基材運動。
依本發明，第一驅動元件(102)與第二驅動元件(202)經一「驅動耦合部分元件」與該「驅動耦合部分元件」(301)(302)互相連接。在此實施例中，驅動耦合部分元件(301)(302)建構成對稱，因此只詳述該驅動耦合部分元件(301)。驅動耦合部分元件(301)有一抗彎的樑(312)及三條軟性可彎的樑(311)(314)(316)，後者經軸承位置(313)(315)與基材牢接。樑(312)經由樑(311)(316)與驅動元件(102)(202)牢接。經由驅動耦合部分元件(301)(302)耦合，可有利地使該反向平行的振動模式(使用模式)比該平行的振動模式頻率更氐。
最好，框形檢出手段(140)(240)經一「檢出耦合元件」(400)與四個同型的「檢出耦合部分元件」(31)(31’)(在以下也稱轉向構造)互相連接，它們相對於二條對稱軸互相對稱設置，且它們在以下詳述。藉著經由檢出耦合元件(400)將檢出手段(140)(240)耦合，可有利地使反向平行的振動模式(使用模式)比平行的振動模式的頻率更低。
一較佳實施例的轉速感測器中，克氏力框係打開者，而檢出元件利用一特別之耦合構造(耦合十字形)互相連接，耦合構造有四個(L形或T形)的轉向角度，且有一中央之基材結合部，利用此實施例，干擾模式在某方面受壓制，亦即：它們的頻率位置比使用模式更高。這種使用莫 式和干擾模式的頻率範圍較佳的分離使干擾模式較少激發且因此使操作穩定。該二部分振動器的驅動運動係利用克氏力振動器之間的分別的耦合構造(T形)耦合。
最好，轉速感測器有二個具有梳形構造的驅動振動器，它們在平面中呈直線反相連動且利用耦合構造耦合，因此反向平行的振動模式比平行振動模式頻率更多，最好至少有二個克氏力振動器在平面中直線運動，尤宜至少有二個「檢出振動器」在平面中運動及/或利用耦合十字形(它有至少一基材連接部)耦合，因此反向平行振動模式比平行振動模式頻率更多(使用頻式=反向平行振動形式)。
驅動振動器宜利用轉向/耦合構造互相耦合，這些構造有「彎曲樑」及剛性樑及一基材結合部。這些檢出振動器宜利用它們之間的構造(耦合十字形)直接互相耦合，耦合十字形又宜由四個轉向構造建構而成，它們各作一旋轉速動。轉向構造(T形或L形)宜懸掛在U形彈簧上或在簡單的彎曲樑上，該彈簧或樑在中間且鎖固在基材上。檢出振動器呈直線互相移近或移離。利用耦合十字形的特別形狀，使該反向平行的振動模式的頻率比平行的振動模式更低。
轉速感測器宜具有用於作共線(亦即互相靠近或互相離開的)反相運動(所謂的耦合十字形)的耦合構造。最好，轉速感測器利用有耦合構件以作非共線的(亦即互相擦身而過的)反向平行的(反相的)運動。如不用此方式， 也可將驅動運動和檢出運動互相交換(反相操作)。最好，克氏力元件設計成框形式。其中，框尤宜為開放者，且驅動元件利用一T形構造以機構方式耦合。
圖2a、2b、2c中顯示一本發明的轉速感測器在驅動運動的三個不同的振動位置。虛線的箭頭表示驅動運動的運動方向，視需要而設的檢出元件用虛線圖表示，它在此處不進一步說明。在說明點t=0時，轉速感測器在圖2a所示位置。在時間點t=T/4(T代表一振動週期)轉速感測器在圖2b所示位置，在時間點t=T/2時，轉速感測器在圖2c所示位置。
圖3a顯示依本發明另一實施例的一轉速感測器。一視需要的檢出耦合元件用虛線圓表示，它在此處不進一步說明。相較於圖1的實施例，驅動耦合部分元件(301)(302)設計成較小，換言之，在驅動元件上的固定點的距離較小，如此，驅動耦合部分元件(301)(302)的構造方式可有利地較緊密。在此實施例中，驅動耦合部分元件(301)(302)大致設在一區域外，此區域被驅動元件(102)(202)包圍。圖3c顯示依本發明又一實施例，相較於圖3a的實施例。驅動耦合部分元件(301)(302)大致設在一區域中，此區域被驅動元件(102)(202)包圍。如此，轉速感測器可有利地有較緊密的構造方式。最好T形耦合構造設成互相較靠近，尤宜設在驅動元件之間。
圖3b顯示依一實施例的驅動耦合部分元件(301)的一詳圖。T形元件(301)由一彎曲樑(21)構成。該彎曲樑(21)經 一鎖固點(7)固定在基材上，一剛性樑(22)的中央固定在彎曲樑(21)另一端上且係和它垂直，剛性樑末端上又有彎曲樑(23)，它們設在驅動元件上。
圖4顯示依本發明另一實施例的轉速感測器，一視需要的檢出耦合元件用虛線圖表示，它在此處不進一步說明。在此實施例，驅動耦合部分元件(301)(302)設計成V形。
5a、5b、5c顯示本發明其他實施例的詳圖。圖5a顯示例如圖1之檢出耦合部分元件(31)的一檢出耦合部分元件(31)(轉向構造)。檢出耦合部分元件(31)有一L形剛形之具相同的腿的樑(32)。樑(32)經由二個U形彈簧(33)(它位在中央)與基材牢接〔軸承位置(7)〕。彎曲樑(34)接在樑(32)末端，彎曲樑開口到抗彎的樑(35)中，利用檢出耦合部分元件(31)造成繞旋轉點(40)的旋轉運動(圖5b)。圖5c顯示檢出耦合元件(400)的另一變更實施例，其中「檢出耦合元件」(400)具有腿不同之樑(32)的檢出耦合部分元件。
圖6a顯示依再一實施例的轉速感測器，相較於圖1的實施例，檢出耦合元件由檢出耦合部分元件(31)構成，它們(如圖6b之詳細所示)具有一條直之抗彎的樑(32)，且其中央經一彎曲樑(36)鎖固在基材上(軸承位置)。如不用此方式，也可將抗彎的樑設計成L形(圖6c)。
(1)‧‧‧轉速感測器
(100)‧‧‧第一克氏力元件
(102)‧‧‧驅動元件
(103)‧‧‧彎曲彈簧
(104)‧‧‧電極(可動)
(106)‧‧‧軸承塊
(106’)‧‧‧軸承塊
(107)‧‧‧彈簧
(140)‧‧‧第一檢出部分元件
(141)‧‧‧彈簧元件
(142)‧‧‧彈簧元件
(143)‧‧‧格狀指示電極
(200)‧‧‧第二克氏力元件
(202)‧‧‧驅動元件
(204)‧‧‧電極(可動)
(240)‧‧‧第二檢出部分元件
(21)‧‧‧彎曲樑
(22)‧‧‧剛性樑
(23)‧‧‧彎曲樑
(31)‧‧‧檢出耦合部分元件
(31’)‧‧‧檢出耦合部分元件
(32)‧‧‧樑
(33)‧‧‧U形彈簧
(35)‧‧‧抗彎的樑
(301)‧‧‧驅動耦合部分元件
(302)‧‧‧驅動耦合部分元件
(311)‧‧‧可彎的樑
(312)‧‧‧抗彎的樑
(313)‧‧‧軸承位置
(314)‧‧‧可彎的樑
(315)‧‧‧軸承位置
(316)‧‧‧可彎的樑
(40)‧‧‧旋轉點
(400)‧‧‧檢出耦合元件
圖1係依本發明之一例示之實施例的一轉速感測器；圖2a、2b、2c係依本發明之另一個實施例的一轉速感 測器；圖3a、3c係依本發明之另二個實施例的一轉速感測器；圖3b係本發明之另一個實施例的一轉速感測器的詳細示圖；圖4係依本發明另一個實施例的一轉速感測器的詳細示圖；圖5a、5b、5c係依本發明另二個實施例的一轉速感測器的詳細示圖；圖6a係依本發明另二個實施例的一轉速感測器的詳細示圖；圖6b、6c係依本發明另二個實施例的一轉速感測器的詳細示圖。
(1)‧‧‧轉速感測器
(100)‧‧‧第一克氏力元件
(102)‧‧‧驅動元件
(103)‧‧‧彎曲彈簧
(106)‧‧‧軸承塊
(106’)‧‧‧軸承塊
(107)‧‧‧彈簧
(140)‧‧‧第一檢出部分元件
(141)‧‧‧彈簧元件
(142)‧‧‧0彈簧元件
(143)‧‧‧格狀指示電極
(200)‧‧‧第二克氏力元件
(202)‧‧‧驅動元件
(204)‧‧‧電極(可動)
(240)‧‧‧第二檢出部分元件
(31)‧‧‧檢出耦合部分元件
(31’)‧‧‧檢出耦合部分元件
(301)‧‧‧驅動耦合部分元件
(302)‧‧‧驅動耦合部分元件
(311)‧‧‧可彎的樑
(312)‧‧‧抗彎的樑
(313)‧‧‧軸承位置
(314)‧‧‧可彎的樑
(315)‧‧‧軸承位置
(316)‧‧‧可彎的樑
(400)‧‧‧檢出耦合元件

Claims (9)

  1. 一種轉速感測器(1)，具有一第一克氏力元件(100)及一第二克氏力元件(200)，其中該轉速感測器(1)有一個具一主延伸平面的基材；其中該轉速感測器(1)有一第一驅動元件(102)以將該第一克氏力元件(100)平行於一第二軸(Y)驅動；其中該轉速感測器(1)有一第二驅動元件(202)以將該第二克氏力元件(200)平行於該第二軸(Y)驅動；其中該轉速感測器(1)有檢出手段(140)(240)以根據一克氏力檢出該第一克氏力元件(100)及該第二克氏力元件(200)平行於一第一軸(X)的偏轉；其中該第一軸(X)設成垂直於該第二軸(Y)；其中該第一軸(X)與該第二軸(Y)設成平行於該主延伸平面；該第一驅動元件(102)與該第二驅動元件(202)經二個驅動耦合部分元件(301)(302)互相呈機械方式耦合，其特徵在：該二驅動耦合部分元件(301)(302)與基材直接呈機械式耦合。
  2. 如申請專利範圍第1項之轉速感測器，其中：該驅動耦合部分元件(301)(302)包含一第一驅動耦合部分元件(301)和一第二驅動耦合部分元件(302)。
  3. 如申請專利範圍第2項之轉速感測器，其特徵在：該第一驅動耦合部分元件(301)及/或該第二驅動耦合部分元件(302)具有一樑構造。
  4. 如申請專利範圍第1或第2項之轉速感測器，其中：該驅動耦合部分元件(301)(302)在繞一第三軸(Z)的旋轉作用方面設計成比繞該第一軸(X)的旋轉作用更軟，其中該第三軸(Z)垂直於該主延伸平面設置，其中該驅動耦合部分元件(301)(302)在該第二軸(Y)設計成比在該第一軸(X)更剛性。
  5. 如申請專利範圍第1或第2項之轉速感測器，其中：該檢出手段有至少一第一檢出部分元件(140)及一第二檢出部分元件(240)，其中該第一部分檢出元件(140)與該第二檢出部分元件(240)經一檢出耦合元件(400)以機械方式互相耦合。
  6. 如申請專利範圍第5項之轉速感測器，其中：該檢出耦合元件(400)與該基材用機械方式耦合。
  7. 如申請專利範圍第6項之轉速感測器，其中：該檢出耦合元件(400)至少包含一第一檢出耦合部分元件(31)及一第二檢出耦合部分元件(31’)，其中該第一檢出耦合部分元件(31)或該第二檢出耦合部分元件(31’)二者至少有一個具有一種樑構造。
  8. 如申請專利範圍第5項之轉速感測器，其中：該檢出耦合元件(400)就其繞該第三軸(Z)的旋轉作用.而言設計成比繞該第一軸(X)的旋轉作用更軟，其中該檢出耦合元件(400)沿第二軸(Y)設計成比沿第一軸(X)更剛性。
  9. 一種用於操作一轉速感測器(1)的方法，該轉速感測器(1)具有一第一克氏力元件(100)及一第二克氏力元件(200) 及一具有一主延伸平面的基材，其中該第一克氏力元件(100)利用一第一驅動元件(102)激發成平行於一第二軸(Y)的第一振動；其中該第二克氏力元件(200)利用一第二驅動元件(202)激發成平行於該第二軸(Y)的第二振動；其中該第一克氏力元件(100)與該第二克氏力元件(200)平行於一第一軸(X)的偏轉利用檢出手段(140)(240)檢出，其中該第二軸(Y)設成垂直於該第一軸(X)，其中該第一軸(X)和第二軸(Y)設成平行於該主延伸平面，該第一振動與該第二振動經由一驅動耦合部分元件(301)(302)以機械方式互相耦合，且其特徵在：將該驅動耦合部分元件(301)(302)以機械方式與該基材直接耦合。
TW101110697A 2011-03-30 2012-03-28 轉速感測器及其操作方法 TWI580928B (zh)

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