CN110998232B - 单轴和双轴的转速传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明要求保护一种转速传感器(1)，具有带着主延伸平面的衬底和第一质量振动器(2)和第二质量振动器(3)，其中，所述第一和第二质量振动器(2、3)与所述衬底能振动地连接，并且此外，所述第一质量振动器(2)和所述第二质量振动器(3)能振动地相互连接，其中，所述第一质量振动器(2)包括第一电极组件(7)，其中，所述第二质量振动器(3)包括第二电极组件(8)，其中，所述衬底包括第三电极组件(9)，其中，所述转速传感器(1)配置为用于探测围绕第一旋转轴线的第一转速和/或所述转速传感器(1)配置为用于探测围绕第二旋转轴线的第二转速，其中，所述第一旋转轴线沿着基本上平行于所述主延伸平面布置的X方向(101)延伸，其中，所述第二旋转轴线沿着基本上垂直于所述主延伸平面布置的Z方向(103)延伸，其中，所述第一质量振动器(2)和所述第二质量振动器(3)在驱动运动方向上能沿着垂直于所述X方向(101)并且垂直于所述Z方向(103)布置的Y方向(102)反相地偏移，其中，所述第一和第二质量振动器(2、3)在围绕所述第一旋转轴线旋转时受到沿Z方向(103)的第一力，其中，所述第一和第二质量振动器(2、3)在围绕所述第二旋转轴线旋转时受到沿X方向(101)的第二力。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的转速传感器。
背景技术
由现有技术已知这类传感器例如用在汽车技术、导航和娱乐电子设备中的多种实施方式。在汽车领域中的与安全性相关的应用中，使用单轴转速传感器，所述单轴转速传感器分别测量围绕限定轴线的转速。这种传感器的功能原理通常基于：在旋转和线性加速的情况下在传感器中作用有惯性力，所述惯性力能通过由这些惯性力所引起的振动质量的偏移来测量。因为转速、旋转加速度和线性加速度原则上能够同样地引起偏移，所以值得追求的技术特性在于，探测原理相对于外部的旋转加速度和线性加速度是稳定的并且因而能够尽可能无偏差地测量转速。在某些应用情况下、例如在侧倾识别的情况下需要同时测量围绕不同轴线的转速，这当前通过使用多个单独的传感器来实现。
发明内容
本发明的任务是能够以唯一的传感器元件感测围绕一个或两个轴线的转速。为了满足针对汽车技术中的与安全性相关的应用的要求，所述传感器还应相对于外部的线性加速度和旋转加速度是稳定的。此外，所述传感器应具有数量小的可运动质量，以避免相对于外部振动的敏感性。
根据本发明的转速传感器为了该目的而设计为，使得能够通过两个振动质量的运动来测量关于相对彼此正交的两个轴线的转速。该功能方式相对于单轴传感器的组合提供多个优点。这样一方面仅需要一个驱动电路，使得在传感器芯中可以省去驱动结构以及连接垫和对应的布线。此外，传感器的结构可以更紧凑地构型，因为仅须提供一个驱动调节电路。另外的决定性优点在于，与具有不同驱动频率的两个传感器芯不同，在仅一个驱动装置的情况下避免例如由驱动力的寄生串扰引起的相互影响。
多轴传感器方案的另外的优点在于避免了干扰模式，所述干扰模式能够以多种方式引起传感器的错误信号，例如由于通过外部振动或通过系统的机械力学或静电中的非线性串扰而引起的激励。如果使用多个相同的单轴传感器，则全部传感器具有相同的干扰模式，这些相同的干扰模式由过程决定地处于稍微不同的频率中，使得干扰模式的数量在所考虑的频率范围内总体上倍增。相反地，多轴传感器元件通常具有较少数量的故障模式。此外，如果将同一振动质量或同一传感器芯用于超过仅一个测量轴线，则由此能够实现干扰模式的显著减少。
由从属权利要求以及参考附图的说明能获知本发明的有利构型和扩展方案。
本发明基于，通过作用在两个质量振动器上的科氏力来探测传感器的转速。为了能够将科氏力与通过传感器的离心加速度和线性加速度或旋转加速度而产生的其他力可测量地区分开，本发明的基本构思在于，使两个质量振动器设置这样地处于反相的振动运动中，使得在每个时间点这两个质量振动器的位置和运动在以下意义上是相对彼此对称的：通过反相的运动本身来确保这两个质量振动器的速度在每个时间点大小相等，但相反地定向。因此，通过速度确定的科氏力和由该科氏力引起的偏移同样大小相等且相反地定向。如果当前质量振动器实现为，使得由线性加速度或旋转加速度或离心加速度引起的所有其他影响引起相同的、尤其相同定向的偏移，则能够通过比较这些偏移孤立出科氏力的作用。传感器原理在该意义上相对于由线性加速度、离心加速度和旋转加速度引起的影响是稳定的。为了保证相同定向的偏移，在这里提出的转速传感器具有四个对称条件，根据本发明必须要满足这四个对称条件。
为了实现相对于线性加速度的稳定性，两个质量振动器的质量必须是大小相等的。如果传感器作为整体受到线性加速度，则由于相等的质量，这两个质量振动器的加速度和所引起的偏移也是相等的。如进一步在下面所说明的，通过多个电极组件的相对运动来测量偏移，这些电极组件中的一个电极组件相应地与每个质量振动器固定连接而另一个电极组件与衬底固定连接。在此，电极相对彼此的相对位置的变化引起可测量的电容变化，该电容变化以电信号表示。因此，两个质量振动器的运动通过两个不同的信号来量化。现在通过这两个信号的差值形成来除去基于相同偏移的分量，使得保留由相反偏移引起的其余分量。如上所述，科氏力现在引起恰好相反的偏移，而在差值形成的情况下消除基于同时作用的线性加速度的偏移。
类似的原理也适用于针对旋转加速度的稳定性。与依赖于运动方向的科氏力不同，在转速变化时产生的加速度与速度和其方向无关并且能够以与线性加速度类似的方式通过差值形成来消除。对此的前提是，在与质量振动器相连接的两个电极中的由旋转加速度所引起的偏移是相等的。该条件可以如下满足：这两个电极构型为使得这两个电极具有相等的面积，并且使得一方面所述电极的面积形心重合并且另一方面所述电极的面积形心与质量振动器的重心重合。
为了实现针对离心加速度的稳定性需要满足：两个质量振动器的质心重合。由此，这两个质量振动器在离心加速度下以相同方式偏移。
通过满足所提到的对称条件的设备能够实施关于彼此垂直的两个旋转轴线的转速测量。为了清楚地说明各个振动和偏移的方向，引入坐标系是有意义的。如果传感器实现为微机械结构，则该结构具有与衬底平行的主延伸平面。两个质量振动器的反相振动位于该主延伸平面中并且限定坐标系的Y轴。现在通过Y轴，垂直于该Y轴在主延伸平面中确定X轴并且垂直于该主延伸平面确定Z轴。在围绕X轴旋转时，在沿Y方向振动的质量上作用有使该质量沿Z方向偏移的科氏力。类似地，围绕Z轴的旋转引起沿X方向的偏移。
为了能够实现用于探测转速的运动，将两个质量一方面与衬底可振动地连接，其中，耦合构型为使得不但能够实现由驱动装置引起的振动运动，而且能够实现基于科氏力的偏移。此外，这两个质量振动器彼此可振动地耦合，使得允许反相的驱动运动并且有利于基于科氏力的反相偏移。
例如可以借助静电力驱动沿Y方向的振动。为此，一方面存在与衬底固定连接的电极，并且另一方面存在分别为两个质量振动器的一部分的其他电极。通过在电极之间施加电压使在质量振动器和衬底之间的静电力有效，利用该衬底能够激励反相振动。
由科氏力引起的沿X或Z方向的偏移也能够通过电极来探测，这些电极也可以至少部分地与驱动电极相同。质量振动器的偏移伴随有与质量振动器连接的电极相对于衬底电极的位移。该位移能通过电极组件的电容变化来测量，使得配属于质量振动器的两个电信号能够实现对电极位移的差分的分析处理。在此，上述对称条件确保在该分析处理中能够消除旋转加速度和线性加速度和离心加速度的影响。
根据本发明的一个优选实施方式，质量振动器沿Y方向的反相振动通过驱动框架来激励，所述驱动框架与两个质量振动器可振动地连接。在此，驱动框架例如由驱动梳来静电促动。
根据本发明的另一优选实施方式，质量振动器沿Y方向的反相振动通过两个驱动框架来激励，这两个驱动框架中的一个与第一质量振动器可振动地连接并且另一个与第二质量振动器可振动地连接。在这里这两个驱动框架也可以经由驱动梳来静电促动。
附图说明
图1示出根据本发明的一个实施方式的转速传感器的示意性俯视图。
图2示意性示出用于本发明的一个实施方式的耦合元件。
图3示意性示出用于本发明的一个实施方式的另一耦合元件。
图4示意性示出基于外部旋转加速度的在电极之间的两种相对偏移。
图5示出本发明的一个实施方式，在该实施方式中两个质量振动器被两个驱动框架驱动。
图6示出本发明的替代实施方式，在该实施方式中第二质量振动器通过敞开的探测框架得到。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的零件始终设有相同的附图标记并且因此通常也仅分别命名或提及一次。
在图1中示出根据本发明的一个实施方式的转速传感器1的示意性俯视图。传感器1的主延伸平面在这里是附图平面。在此，通过内部探测框架得到第一质量振动器2并且通过外部探测框架得到第二质量振动器3。两个质量振动器2、3通过耦合元件4相互连接并且通过(未示出的)驱动机构激励，使得这两个质量振动器沿Y方向102相对彼此反相地振动。如果传感器处于旋转中，则与此相关的科氏力沿垂直于旋转轴线并且垂直于质量振动器2、3的速度的方向起作用。因此，仅当旋转轴线不与Y方向102重合时，才有偏转力作用到沿Y方向102的反相振动上。因此，传感器相对于沿X方向101(在主延伸平面中并且垂直于Y方向)和沿Z方向103(垂直于主延伸平面)的旋转轴线敏感。在围绕X轴线旋转时，质量振动器2、3由于科氏力沿着Z轴103偏移，而围绕Z轴103的旋转引起沿着X轴的偏移。在反相振动的情况下两个质量振动器2、3的速度在每个时间点相反地定向，由此由科氏力引起的偏移也反相地发生。两个质量振动器2、3相互耦合，使得允许沿Y方向102的反相运动并且有利于由科氏力引起的反相偏移。
质量振动器2、3分别具有电极组件7、8，这些电极组件在运动时被一起引导。另一(未示出的)电极组件9与衬底连接，使得能够通过电容变化来测量第一电极组件7相对于衬底电极组件9的相对位移，而第二电极组件8相对于衬底电极组件9的位移类似地引起第二电容变化。
根据本发明的传感器方案要求几何形状的高度对称，所述几何形状的高度对称通过四个对称条件得到。根据第一对称条件，第一质量振动器2的质心5与第二质量振动器3的第二质心6重合。根据第二对称条件，第一电极组件7的面积形心与第二电极组件7的面积形心重合。第三对称条件要求这两个面积形心与质量振动器的两个质心5、6重合。第四对称条件要求两个电极组件7、8具有大小相等的面积并且质量振动器2、3具有大小相等的质量。
在图2中示意性示出耦合元件3，所述耦合元件可以用于第一质量振动器2与第二质量振动器3的可振动耦合。在图2a中所示出的耦合元件3的状态下，相互耦合的两个部件不相对彼此偏移。在图2b-2d中分别示出沿不同耦合方向的反相偏移。在耦合元件允许2b中的反相运动的同时也有利于在2c和2d中的反相运动。对于根据本发明的传感器，这种耦合元件例如能够以有利的方式用于允许沿Y方向102的反相振动，而所述反相振动有利于由科氏力引起的沿X或Z方向(102或103)的反相偏移。
在图3示出另一个耦合元件3，所述另一个耦合元件可以用于第一质量振动器2与第二质量振动器3的可振动的耦合。图3a类似于图2a示出未偏移状态，而图2b和2c示出不同的耦合方向。在此，允许图2b中的耦合方向，有利于图2c中的方向并且抑制第三偏移方向。这种元件能够用于耦合根据本发明的一个实施方式的两个质量振动器2、3，在该实施方式中，这些对称条件保证相对于线性和旋转加速度并且相对于离心加速度的稳定性，然而在该实施方式中仅能够实现一个偏移方向并且因此仅能够探测一个旋转轴线。
在图4中示出在与质量振动器2、3连接的电极7、8和与衬底连接的电极组件9之间的两种相对偏移。通过外部的旋转加速度使与质量振动器2、3连接的电极组件7、8相对于衬底电极组件9倾斜。在图4a中示出在围绕Z轴103旋转的情况下的倾斜并且在图4b中示出在围绕X轴101旋转的情况下的倾斜。面积形心和质心5、6的等同性与差分的电容分析处理一起确保针对这种旋转加速度的稳定性。
在图5中示出本发明的另外的实施方式，在所述另外的实施方式中，通过内部和外部探测框架得到两个质量振动器2、3并且通过两个驱动框架10进行振动的激励。在此，内部驱动框架10驱动第一质量振动器2，而两个外部驱动框架10、11驱动第二质量振动器3。为此，这两个外部驱动框架10、11一方面与第二质量振动器3可振动地耦合，并且另一方面相对彼此可振动地耦合。在这种布置中，(第二质量振动器3)的外部探测框架与内部驱动框架10的交叉是必要的，所述交叉能够以机械式的第二层12实现，所述第二层在第一层上方或下方走向并且与第一层连接。而在替代的实施方式中，第二层也可以将内部驱动框架10与(第二质量振动器3)的外部探测框架连接。
在图6中示出本发明的另外的实施方式，在所述另外的实施方式中通过敞开的探测框架得到第二质量振动器3。该变型方案的优点是，在增添驱动框架时不需要机械结构的交叉，并因此不必使用机械式的第二层12。与图1中的结构不同，在该附图中的结构不关于两个质量振动器2、3的共同质心5、6点对称，但仍然满足根据本发明的对称条件。
Claims (3)
1.转速传感器(1)，具有带着主延伸平面的衬底并具有第一质量振动器(2)和第二质量振动器(3)，其中，所述第一质量振动器(2)和所述第二质量振动器(3)与所述衬底能振动地连接，并且此外，所述第一质量振动器(2)和所述第二质量振动器(3)能振动地相互连接，其中，所述第一质量振动器(2)包括第一电极组件(7)，其中，所述第二质量振动器(3)包括第二电极组件(8)，其中，所述衬底包括第三电极组件(9)，其中，所述转速传感器(1)配置为用于探测围绕第一旋转轴线的第一转速和/或所述转速传感器(1)配置为用于探测围绕第二旋转轴线的第二转速，其中，所述第一旋转轴线沿着基本上平行于所述主延伸平面布置的X方向(101)延伸，其中，所述第二旋转轴线沿着基本上垂直于所述主延伸平面布置的Z方向(103)延伸，其中，所述第一质量振动器(2)和所述第二质量振动器(3)在驱动运动方向上能沿着垂直于所述X方向(101)并且垂直于所述Z方向(103)布置的Y方向(102)反相地偏移，其中，所述第一质量振动器(2)和所述第二质量振动器(3)在围绕所述第一旋转轴线旋转时受到沿Z方向(103)的第一力，其中，所述第一质量振动器(2)和所述第二质量振动器(3)在围绕所述第二旋转轴线旋转时受到沿X方向(101)的第二力，其特征在于：
-所述第一质量振动器(2)具有第一质心(5)并且所述第二质量振动器(3)具有第二质心(6)，其中，所述第一质心(5)和所述第二质心(6)重合，
-所述第一电极组件(7)具有第一面积形心并且所述第二电极组件(8)具有第二面积形心，其中，所述第一面积形心和所述第二面积形心重合，
-所述第一质心与所述第一面积形心重合，
-所述第一质量振动器(2)具有第一质量并且所述第二质量振动器(3)具有第二质量，其中，所述第一质量和所述第二质量相等，
-所述第一电极组件(7)具有第一面积并且所述第二电极组件(8)具有第二面积，其中，所述第一面积和所述第二面积是大小相等的，其中，所述第一力引起所述第一质量振动器(2)和所述第二质量振动器(3)沿Z方向(103)的第一探测运动，所述第一探测运动与第一电极组件(7)与第三电极组件(9)之间的第一电容变化和第二电极组件(8)与第三电极组件(9)之间的第二电容变化相关，其中，所述第二力引起所述第一质量振动器(2)和所述第二质量振动器(3)沿X方向(101)的第二探测运动，所述第二探测运动与第一电极组件(7)与第三电极组件(9)之间的第三电容变化和第二电极组件(8)与第三电极组件(9)之间的第四电容变化相关，其中，通过对第一电容变化和第二电容变化的差分分析处理能够测量所述第一转速，并且通过对第三电容变化和第四电容变化的差分分析处理能够测量所述第二转速。
2.根据权利要求1所述的转速传感器(1)，其中，所述转速传感器(1)具有第一驱动框架(10)，所述第一驱动框架能够沿驱动运动方向偏移并且能振动地耦合到所述第一质量振动器(2)和所述第二质量振动器(3)上。
3.根据权利要求1所述的转速传感器(1)，其中，所述转速传感器(1)具有第一驱动框架(10)和第二驱动框架(11)，其中，所述第一驱动框架(10)能够沿所述驱动运动方向偏移并且能振动地耦合到所述第一质量振动器(2)上，其中，所述第二驱动框架(11)能够沿驱动运动方向偏移并且能振动地耦合到所述第二质量振动器(3)上。
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2018
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