TWI711803B

TWI711803B - 用於自動化應用的雙軸超堅固轉速感應器

Info

Publication number: TWI711803B
Application number: TW105127420A
Authority: TW
Inventors: 安德烈亞斯拉瑟; 班傑明施米德; 布克哈德庫曼; 米爾科哈塔斯; 托斯頓巴斯林克; 克里斯堤安霍普納
Original assignee: 德商羅伯特博斯奇股份有限公司
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2020-12-01
Also published as: WO2017036627A1; TW201716748A; JP2018527571A; KR102431657B1; US10557710B2; CN107923751A; JP6538967B2; DE102015216460A1; KR20180044954A; CN107923751B; US20180231381A1

Abstract

本發明提出一種轉速感應器，包括具有主延伸平面的基板及至少一用於偵測該轉速感應器之圍繞大體上平行於平行該主延伸平面延伸的第一軸線之軸線的第一轉速的第一轉速感應器結構及至少一用於偵測該轉速感應器之圍繞大體上平行於垂直於該主延伸平面延伸的第二軸線之軸線的第二轉速的第二轉速感應器結構，其中該轉速感應器以某種方式包括驅動裝置

- 該驅動裝置既用於使得該第一轉速感應器結構之至少一相對該基板可動的第一結構以及該第一轉速感應器結構之至少一相對該基板及相對該第一結構可動的第二結構發生偏轉

- 又用於使得該第二轉速感應器結構之至少一相對該基板可動的第三結構以及該第二轉速感應器結構之至少一相對該基板及相對該第三結構可動的第四結構發生偏轉，使得該第一、第二、第三及第四結構可受到激勵發生機械耦合振動。

Description

用於自動化應用的雙軸超堅固轉速感應器

在自動化領域中之安全相關的應用中，係使用可圍繞定義之軸線各測量一轉速的單軸轉速感應器。在不同應用的組合中(例如電子穩定程式(ESP)或翻轉感應)則需要圍繞不同軸線同時測量轉速，目前透過使用多個感測器來實現此點。

本發明基於一種如申請專利範圍第1項之前言的轉速感應器。

此種轉速感應器例如由US 2012/0210788 A1已知。

與先前技術相比，本發明之轉速感應器的優點為，在相對先前技術有所減小的基板面積上提供一種相對線性加速度及旋轉加速度較為耐用的轉速感應器。該微機械結構僅需相對先前技術有所減小的基板面積來偵測轉速。

透過以下方式來實現此點：與先前技術不同，該第一結構及該第四結構可受到激勵以大體上平行於垂直於該第一軸線及垂直於該第二軸線延伸的第三軸線的運動分量發生相對彼此之大體上線性的同相振動，以及發生相對該第二結構及該第三結構之大體上線性的反相振動。其中該轉速感應器採用某種配置方案，使得對該第一結構的第一施力及相對該第一施力大體上反相之對該第二結構的第二施力可基於該第一轉速而被偵測到，以及使得對該第三結構的第三施力及相對該第三施力大體上反相之對該第四結構的第四施力可基於該第二轉速而被偵測到。

如此便特別是以簡單、機械堅固且成本低廉的方式提供一種相對線性加速度及旋轉加速度較為耐用的雙軸轉速感應器。特別是透過以下方式來實現此點：將兩個轉速感應器芯體組合且共同驅動。例如可藉由本發明將用於Z轉速的感測器芯體與用於X轉速的感測器芯體組合成新的感測器芯體，該芯體僅具有一個驅動電路，且可圍繞兩個軸線測量轉速。同時，該感測器針對外線性加速度及旋轉加速度較為耐用，從而滿足在自動化領域中安全相關之應用的要求。透過將兩個共同驅動的感測器芯體組合在一起，便能既在感測器芯體中又在ASIC(特定應用積體電路)中節省組件。採用上述方案後，該最終產品較兩個單個感測器更加緊湊且製造成本更加低廉。該共同驅動既能節省驅動結構，又能節省電連接焊盤。該共同驅動還實現ASIC的緊湊結構，因為僅需提供一個驅動控制電路。該共同驅動的優點特別是在於防止該二芯體出現兩個不同的驅動頻率。從而防止(例如)驅動力之寄生串擾造成相互影響。採用各單個芯體時，透過適宜的耦合結構將必然能在驅動方向及偵測方向上運動的科氏質量塊與僅在驅動方向上振動的驅動結構連接。在本發明中，將該等不同通道的科氏質量塊直接耦合。如此便能例如提供一種轉速感應器，在採用該轉速感應器的情況下，外科氏質量塊驅動內科氏質量塊。該等驅動結構例如僅卡在外科氏質量塊上面。

本發明的有利設計方案及改良方案參閱附屬項以及附圖描述。

根據一種較佳的改良方案，該第一轉速感應器結構包括至少一相對該基板及相對該第一及第二結構可動的第五結構以及至少一相對該基板及相對該第一、第二及第五結構可動的第六結構，其中該第五及第六結構可受到激勵發生該機械耦合振動，其中該第五結構可受到激勵以大體上平行於該第三軸線的運動分量發生相對該第二及第三結構之大體上線性的同相振動以及相對該第一、第四及第六結構發生大體上線性的反相振動，其中該轉速感應器採用某種配置方案，使得對該第五結構的第五施力及相對該第五施力大體上反相之對該第六結構的第六施力可基於該第一轉速而被偵測到。如此便能使得該第一轉速以緊湊、簡單特別是相對線性加速度及旋轉加速度較為耐用的方式被偵測到。特定言之，便能實現一種相對先前技術所需空間較小之圍繞兩個相互垂直延伸的轉速來偵測兩個轉速的轉速感應器。如此還能將具有四個質量塊之線性加速度及旋轉加速度耐用的X轉速感應器與具有兩個質量塊之線性加速度及旋轉加速度耐用的Z轉速感應器組合。

根據一種較佳的改良方案，該第二轉速感應器結構包括至少一相對該基板及相對該第三及第四結構可動的第七結構以及至少一相對該基板及相對該第三、第四及第七結構可動的第八結構，其中該第七及第八結構可受到激勵發生該機械耦合振動，其中該第七結構可受到激勵以大體上平行於該第三軸線的運動分量發生相對該第一及第四結構及/或第六結構之大體上線性的同相振動以及相對該第二及第三及第八及/或第五結構發生大體上線性的反相振動，其中該轉速感應器採用某種配置方案，使得對該第七結構的第七施力及相對該第七施力大體上反相之對該第八結構的第八施力可基於該第二轉速而被偵測到。如此便能使得該第二轉速以緊湊、簡單特別是相對線性加速度及旋轉加速度較為耐用的方式被偵測到。特定言之，便能使得該等向上或向下運動的質量塊相同。特定言之，便能使得該等同相振動結構的質量塊之和大體上為該等反相振動結構的質量塊之和。採用上述方案後，透過對稱性確保該等子振盪器的振幅在該驅動運動中皆相同，亦不會透過製程變化而有所不同。特定言之，對稱的佈置方案針對外加速度更加耐用，因為可激勵模式亦相應地對稱且由於微分分析而不提供信號。

根據一種較佳的改良方案，該驅動裝置包括至少一第一驅動單元以及至少一與該第一驅動單元耦合的第二驅動單元以及至少一與該第一及第二驅動單元空間分離的第三驅動單元以及至少一與該第三驅動單元耦合的第四驅動單元，其中該第一、第二、第三及第四驅動單元採用大體上相同的構建方案。如此便能透過機械耦合在該驅動裝置中使得該機械耦合振動與特別是該等單個結構之大體上線性的同相或反相振動，特別是在驅動頻率中相互提供輔助。

根據一種較佳的改良方案，該第三結構包括用於偵測該第三施力的第一子結構，該第四結構包括用於偵測該第四施力的第二子結構，其中該第一子結構及該第二子結構採用大體上相同的構建方案。如此便能將該驅動運動與該用於偵測該第二轉速的偵測運動機械分離。此種方案能夠基於該第二轉速對該偵測信號進行特別簡單的分析。

根據一種較佳的改良方案，該第七結構包括用於偵測該第七施力的第三子結構，該第八結構包括用於偵測該第八施力的第四子結構，其中該第三子結構及該第四子結構採用大體上相同的構建方案。因此，便能將該驅動運動與該用於偵測該第二轉速的偵測運動機械分離，且提供一種相對線性加速度及旋轉加速度較為耐用的轉速感應器。在採用相對線性加速度及旋轉加速度較為耐用之轉速感應器的情況下，此種方案可基於該第二轉速對該偵測信號進行特別簡單的分析。在將該Z偵測脊部縮短一半以實現與不設第七及第八結構之不對稱情形相同之偵測電容的情況下，雙重提供科氏框架及偵測框架。

根據一種較佳的改良方案，該轉速感應器包括至少一第一耦合構件，

- 用於將該第一、第二、第三及第四結構與該驅動裝置以及/或者將該第三結構與該第五結構以及/或者將該第四結構與該第六結構耦合

- 或用於將該第三、第四、第七及第八結構與該驅動裝置以及將該第一結構與該第七結構以及將該第二結構與該第八結構以及/或者將該第三結構與該第五結構以及/或者將該第四結構與該第六結構耦合，其中該第一耦合構件在大體上平行於該第一軸線的方向上及大體上平行於該第二軸線的方向上可彈性變形，在大體上平行於該第三軸線的方向上大體上形狀穩定。該第一耦合構件在該X與Z通道的科氏質量塊之間例如採用某種構建方案，從而將驅動方向上的力，即平行於該Y軸作用的力，良好地自一個科氏質量塊轉移至另一科氏質量塊，同時將該等連接之質量塊的偵測方向上的力，即平行於該X及Z軸作用的力，儘可能少地自一個科氏質量塊轉移至另一科氏質量塊，以便該等直接相互耦合的質量塊不相互干擾。如此便以簡單、機械堅固且成本低廉的方式提供具有兩個感測器芯體與共同驅動之組合的轉速感應器。特定言之，便能將驅動運動自該等外結構，即自該等透過該第一耦合構件直接同該驅動裝置交互作用的結構，轉移至該等內結構，即轉移至該等透過該第一耦合構件不直接同該驅動裝置交互作用的結構，因此，該等內外結構可受到激勵發生機械耦合振動。

根據一種較佳的改良方案，該轉速感應器包括至少一用於將該第一子結構與該第二子結構耦合及/或將該第三子結構與該第四子結構耦合的第二耦合構件，其中該第二耦合構件採用某種構建方案，使得該第一子結構及該第二子結構可相對彼此大體上僅反相地偏轉以及/或者該第三子結構及該第四子結構可相對彼此大體上僅反相地偏轉。如此便能提供一種用於偵測該第二轉速的轉速感應器，該轉速感應器具有相對線性加速度及旋轉加速度有所提高的耐用性。

根據一種較佳的改良方案，該轉速感應器包括至少一用於將該第一、第二、第五及第六結構耦合的第三耦合構件，其中該第三耦合構件以某種方式包括該第一耦合構件結構及該第二耦合構件結構，使得該第一耦合構件結構及該第二耦合構件結構可圍繞大體上平行於該第三軸線延伸的軸線大體上在相反的方向上翻轉。如此便能提供一種用於偵測該第一轉速的轉速感應器，該轉速感應器具有相對線性加速度及旋轉加速度有所提高的耐用性。特定言之，便能以某種方式將該第一、第二、第五及第六結構耦合，使得該第一、第二、第五及第六結構可受到激勵發生機械耦合振動，同時可沿該第一、第二、第五及第六施力偏轉。

根據一種較佳的改良方案，該轉速感應器包括至少一用於將該第一結構與該第五結構耦合及將該第二結構與該第六結構耦合的第四耦合構件，其中該第四耦合構件採用可圍繞大體上平行於該第一軸線延伸的軸線翻轉的構建方案，其中該第四耦合構件的質心在發生機械耦合振動的情況下係相對該基板大體上固定。如此便能使得該第四耦合構件在該驅動運動中靜止下來且在該偵測運動中自一平行於該主延伸平面的平面實施翻轉運動。由此，不僅可將該第四耦合構件用作機械耦合結構，而且同時可將其用作用於科氏偵測或共同耦合的電極。如此便能實現一種緊湊型感測器設計。

1‧‧‧轉速感應器

2‧‧‧第一轉速感應器結構

3‧‧‧基板

4‧‧‧第二轉速感應器結構

5‧‧‧第一結構/結構

7‧‧‧第五結構/結構

9‧‧‧第二結構/結構

11‧‧‧第六結構/結構

13‧‧‧第三結構/結構

15‧‧‧第四結構/結構

17‧‧‧驅動裝置

21‧‧‧第一驅動單元

27‧‧‧第三驅動單元

31‧‧‧第二驅動單元

37‧‧‧第四驅動單元

51‧‧‧第七結構

53‧‧‧第八結構

100‧‧‧主延伸平面

101‧‧‧第一耦合構件

102‧‧‧第二耦合構件

103‧‧‧第三耦合構件

104‧‧‧第四耦合構件

213‧‧‧第一子結構

215‧‧‧第二子結構

251‧‧‧第三子結構

253‧‧‧第四子結構

1103‧‧‧第一耦合構件結構

2103‧‧‧第二耦合構件結構

K1‧‧‧耦合彈簧

K2‧‧‧耦合結構

K3‧‧‧耦合結構

K4‧‧‧驅動翹板/耦合翹板

X‧‧‧第一軸線

Y‧‧‧第三軸線/驅動方向

Z‧‧‧第二軸線

圖1為本發明之第一示例性實施方式中的轉速感應器的示意圖。

圖2為圖1所示轉速感應器的示意圖。

圖3為本發明之第二示例性實施方式中的轉速感應器的示意圖。

圖4為圖3所示轉速感應器的示意圖。

不同附圖中相同的部件總是用同一元件符號表示，因而通常僅命名或提及一次。

圖1為本發明之第一示例性實施方式中的轉速感應器1的示意圖，其中轉速感應器1包括具有主延伸平面100的基板3及用於偵測轉速感應器1之圍繞大體上平行於第一軸線X之軸線的第一轉速的第一轉速感應器結構2及用於偵測轉速感應器1之圍繞大體上平行於第二軸線Z之軸線的第二轉速的第二轉速感應器結構4。此外，轉速感應器1以某種方式包括驅動裝置17

- 其既用於使得第一轉速感應器結構2之相對基板3可動的第一結構5以及相對基板3及第一結構5可動的第二結構9以及相對基板3及第一及第二結構5、9可動的第五結構7以及相對基板3及第一及第二及第五結構5、9、7可動的第六結構11發生偏轉

- 又用於使得第二轉速感應器結構4之相對基板3可動的第三結構13以及相對基板3及第三結構13可動的第四結構15發生偏轉，使得第一、第二、第三、第四、第五、第六結構5、9、13、15、7、11可受到激勵發生機械耦合振動。

舉例而言，第一結構5及第四結構15及第六結構11可以大體上平行於第三軸線Y的運動分量受到激勵發生相對彼此之大體上線性的同相振動，以及發生相對第二結構9及第三結構13及第五結構7之大體上線性的反相振動。此外，轉速感應器1例如採用某種配置方案，使得對第一結構5的第一施力及相對第一施力大體上反相之對第二結構9的第二施力，以及對第五結構7的第五施力及相對第五施力大體上反相之對第六結構11的第六施力皆可基於第一轉速而被偵測到。此外，轉速感應器1例如採用某種配置方案，使得對第三結構13的第三施力及相對第三施力大體上反相之對第四結構15的第四施力可基於第二轉速而被偵測到。

圖2為圖1所示轉速感應器的示意圖，其中圖2示意性顯示轉速感應器1的運動形式。箭頭除表示質量塊或結構5、7、9、11、13及15外，還示例性地表示驅動運動。此外，虛線箭頭表示待測量的外轉速。此點在圖2中示例性地為結構5、7、9、11上的第一轉速及結構13及15上的第二轉速。此外，質量塊上的實線箭頭表示總施力，其基於所施加的第一及二轉速，例如導致質量塊沿相應的施力偏轉。

圖3為本發明之第二示例性實施方式中的轉速感應器1的示意圖，其中第二轉速感應器結構4包括相對基板3及相對第三及第四結構13、15可動的第七結構51，以及相對基板3及相對第三、第四及第七結構13、15、51可動的第八結構53，其中第七及第八結構51、53可受到激勵發生機械耦合振動。例如第七結構51可受到振動以大體上平行於第三軸線Y的運動分量發生相對第一、第四、第六結構5、15、11之大體上線性的反相振動及發生相對第二及第三及第八及第五結構9、13、53、7之大體上線性的反相振動。此外，轉速感應器1例如採用某種佈置方案，使得對第七結構51的第七施力及相對第七施力大體上反相之對第八結構53的第八施力可基於第二轉速被偵測到。圖3顯示的轉速感應器例如額外包括將第三結構13與第七結構51及第四結構15與第八結構53耦合的兩個側向翹板。如此便能獲得同一Z偵測頻率。

圖4為圖3所示轉速感應器1的示意圖，其中圖4示意性顯示轉速感應器1的運動形式。類似於圖2，箭頭除質量塊外還示例性地表示驅動運動，虛線箭頭表示待測量的外轉速，實線箭頭表示施加在質量塊上的總施力。

在圖1及3所示實施例中，驅動裝置17包括第一驅動單元21以及與第一驅動單元21耦合的第二驅動單元31以及與第一及第二驅動單元21、31空間分離的第三驅動單元27以及與第三驅動單元27耦合的第四驅動單元37。在圖1及3所繪示的實施例中，第一、第二、第三及第四驅動單元21、31、27、37採用大體上相同的構建方案。第一驅動單元21與第二驅動單元31及第三驅動單元27與第四驅動單元37例如係藉由DE 10 2011 006 394 A1中的驅動翹板K4耦合。

此外在圖1及3示例性繪示的實施例中，第三結構13包括用於偵測第三施力的第一子結構213，第四結構15包括用於偵測第四施力的第二子結構215，其中第一子結構213及第二子結構215採用大體上相同的構建方案。在圖3示例性繪示的實施例中，第七結構51包括用於偵測第七施力的第三子結構251，第八結構53包括用於偵測第八施力的第四子結構253，其中第三子結構251及第四子結構253採用大體上相同的構建方案。

此外，圖1及3所示的轉速感應器1包括第一耦合構件101、第二耦合構件102、第三耦合構件103及第四耦合構件104。第一耦合構件101例如包括在X向及Z向上較軟且在驅動方向Y上較硬的耦合彈簧K1，第二耦合構件102包括DE 10 2011 006 394 A1中之Z偵測的耦合結構K2，第三耦合構件103包括DE 10 2010 061 755 A1中之X通道的耦合結構K3，第四耦合構件104包括DE 10 2010 061 755 A1中之X通道的耦合翹板K4。

設有第一耦合構件101

- 如圖1所示，用於將第一、第二、第三及第四結構5、9、13、15與驅動裝置17以及將第三結構13與第五結構7以及將第四結構15與第六結構11耦合

- 或如圖3所示，用於將第三、第四、第七及第八結構13、15、51、53與驅動裝置17以及將第一結構5與第七結構51以及將第二結構9與第八結構53以及將第三結構13與第五結構7以及將第四結構15與第六結構11耦合。第一耦合構件101在大體上平行於第一軸線X的方向上及大體上平行於第二軸線Z的方向上可彈性變形或較軟，在大體上平行於第三軸線Y的方向上大體上形狀穩定或較硬。

此外，設有用於將第一子結構213與第二子結構215(圖1)耦合及/或將第三子結構251與第四子結構253(圖3)耦合的第二耦合構件102。第二耦合構件102採用某種構建方案，使得第一子結構213及第二子結構215可相對彼此大體上僅反相地偏轉以及/或者第三子結構251及第四子結構253可相對彼此大體上僅反相地偏轉。

此外，設有用於將第一、第二、第五及第六結構5、9、7、11耦合的第三耦合構件103。第三耦合構件103以某種方式包括第一耦合構件結構1103及第二耦合構件結構2103，使得第一耦合構件結構1103及第二耦合構件結構2103可圍繞大體上平行於第三軸線Y延伸的軸線大體上在相反的方向上翻轉。

最後，設有用於將第一結構5與第五結構7耦合及將第二結構9與第六結構11耦合的第四耦合構件104。第四耦合構件104採用可圍繞大體上平行於第一軸線X延伸的軸線翻轉的構建方案。此外，第四耦合構件104的質心在發生該機械耦合振動的情況下係相對基板3大體上固定。