DE19745083A1

DE19745083A1 - Drehratensensor

Info

Publication number: DE19745083A1
Application number: DE1997145083
Authority: DE
Inventors: Knut Dr Buettner; Walter Dr Bernard
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1997-10-11
Filing date: 1997-10-11
Publication date: 1999-04-15

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor zur Messung der Drehrate um eine Achse unter Ausnutzung des Coriolis-Effekts, mit einem kardanisch aufgehängten schwingenden Element.

Wenn sich in einem gegenüber dem inertialen Raum drehenden System eine Masse mit einer Geschwindigkeit radial zu der Drehachse bewegt, dann wirkt auf diese bewegte Masse eine Kraft, die Coriolis-Kraft, die senkrecht zu der Drehachse und senkrecht zu dem Geschwindigkeits-Vektor der Masse ist und die der Masse und dem Vektorprodukt von Drehrate und Geschwindigkeit proportional ist. Dieser Effekt kann zur Messung der Drehrate benutzt werden.

Bei mikromechanischen Bauteilen werden mittels der aus der Mikroelektronik bekannten Techniken sehr kleine, relativ zueinander bewegliche mechanische Baugruppen, z. B. auch Sensoren für mechanische Größen, aufgebaut. Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, unter Benutzung des Coriolis-Effekts mikromechanische Drehraten-Sensoren aufzubauen. Solche Drehraten-Sensoren enthalten ein schwingendes Element, das senkrecht zur Eingangsachse des Sensors schwingt, um welche die Drehrate gemessen werden soll. Dabei wirkt auf das schwingende Element eine Coriolis-Kraft. Diese Coriolis-Kraft ruft wieder eine Schwingung des Elements um eine andere Achse hervor. Dabei sollte die Masse und Geschwindigkeit des schwingenden Elements möglichst groß sein, weil diese die Größe des Meßsignals bestimmen. Dieses schwingende Element sollte möglichst spannungsfrei aufgehängt sein, weil der Grad der Spannungsfreiheit der Aufhängung in starkem Maße den Nullpunktfehler bestimmt.

Bei bekannten Sensoren, welche Drehraten unter Ausnutzung des Coriolis-Effektes messen sollen, ist ein schwingendes Element im Inneren eines Kardangelenks angeordnet. Das Kardangelenk ist mit seiner äußeren Umrandung auf dem der Drehbewegung unterworfenen Objekt fixiert. Dabei ist die Masse des schwingenden Elements gering. Die Aufhängung ist bei einer Auslenkung des schwingenden Elements relativ starken Spannungen bei Temperaturänderung unterworfen. Die Anregungskräfte, durch welche das schwingende Element zu Schwingungen angeregt wird, sind klein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehratensensor der eingangs genannten Art möglichst empfindlich und genau zu machen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das schwingende Element den Außenrahmen des Kardangelenks bildet.

Bei einem solchen Drehratensensor kann das schwingende Element bei gleichen Außenabmessungen des Drehratensensors verglichen mit dem Stand der Technik groß ausgebildet werden. Dadurch hat das schwingende Element eine relativ große Masse. Die - wieder relativ zum Stand der Technik - großen Abmessungen gestatten eine Anregung mit großen Kräften. Bei einer Auslenkung des schwingenden Elements aus seiner Ruhelage um einen vorgegebenen Weg entstehen wegen des längeren Hebelarmes geringere Spannungen in der Lagerung. Das schwingende Element führt Schwingungen mit größerer Wegamplitude und damit, bei vorgegebener Frequenz, mit höherer Geschwindigkeit aus.

Bei einer bevorzugten Ausführung ist der Drehratensensor als mikro-mechanisches Bauteil hergestellt. Der mikromechanische Bauteil weist den das schwingende Element bildenden Außenrahmen, einen innerhalb des Außenrahmens in der gleichen Ebene wie dieser liegenden Innenrahmen und einen feststehenden Träger auf. Der Außenrahmen ist durch ein erstes Paar von auf Torsion beanspruchbaren, fluchtenden Stegen um eine erste Achse verschwenkbar mit dem Innenrahmen verbunden. Der Innenrahmen ist durch ein zweites Paar von auf Torsion beanspruchbaren, fluchtenden Stegen um eine zweite, zu der ersten Achse senkrechte Achse verschwenkbar mit dem feststehenden Träger verbunden. Dabei sind vorzugsweise der Außenrahmen und der Innenrahmen aber nicht notwendigerweise rechteckig, wobei die Rechteckseiten des Außenrahmens und des Innenrahmens jeweils parallel zueinander verlaufen, und die erste und zweite Achse jeweils längs einer Mittellinie der Rechtecke verlaufen. Der Außenrahmen als schwingendes Element ist wesentlich breiter als der Innenrahmen. Die Ebene der Kardanrahmen ist im Abstand von einer Grundplatte gehalten. Die Grundplatte trägt zwei um 90° gegeneinander winkelversetzte Paare von Kondensatorplatten, welche mit jeweils einem Paar von gegenüberliegenden Seiten des das schwingende Element bildenden, rechteckigen Außenrahmens Paare von Kondensatoren bilden. Ein Paar von gegenüberliegenden Kondensatoren sind im Gegentakt mit einer Wechselspannung ansteuerbar, um den Außenrahmen als schwingendes Element zu Schwingungen um eine der Achsen anzuregen. Die bei Auftreten einer Drehrate um die andere Achse als die Eingangsachse durch den Coriolis-Effekt hervorgerufenen Schwingungen des Außenrahmens durch die dadurch bewirkten Kapazitätsänderungen des anderen Paares von Kondensatoren werden als Maß für die Drehrate abgegriffen.

Der Außenrahmen wird um eine Achse zu Schwingungen angeregt. Damit bewegt sich die Masse radial zu einer um die andere Achse auftretenden Drehrate. Es tritt eine Coriolis-Kraft auf die auf den gegenüberliegenden Seiten des Außenrahmens gegensinnig gerichtet ist. Andererseits sind die Auslenkungen der beiden gegenüberliegenden Seiten und damit die Hebelarme der erzeugten Drehmomente ebenfalls stets, entgegengerichtet. Es werden dadurch bei Schwingungen des Außenrahmens um eine Achse auf den beiden Seiten des Außenrahmens Drehmomente im jeweils gleichen Sinne um die andere Achse erzeugt. Der Rahmen schwingt bei Auftreten einer Drehrate des Trägers um diese andere Achse. Diese Schwingung wird als Maß für die Drehrate abgegriffen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung eines innen festgehaltenen Kardangelenks mit einem als schwingende Masse dienenden Außenrahmen.

Fig. 2 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung eines Drehratensensors, welcher unter Ausnutzung des Coriolis-Effekts Drehraten um eine Eingangsachse mißt.

Fig. 1 zeigt ein Kardangelenk mit einem Außenrahmen 10, einem Innenrahmen 12 und einem feststehenden Träger 14. Der Außenrahmen 10 ist über ein erstes Paar von fluchtenden, auf Torsion beanspruchbaren Stegen 16, 18 um eine erste Achse 20 schwingbeweglich an dem Innenrahmen 12 gelagert. Der Innenrahmen 12 ist seinerseits über ein zweites Paar von auf Torsion beanspruchbaren Stegen 22, 24 um eine zweite Achse 26 schwingbeweglich an dem feststehenden, zentralen Träger 14 gelagert. Die erste Achse 20 und die zweite Achse 26 sind zueinander senkrecht. Die Achsen 20 und 26 schneiden sich auf dem feststehenden Träger 14. Der Außenrahmen 10 und der Innenrahmen 12 sind quadratisch. Die Seiten des Außenrahmens 10 und des Innenrahmens 12 sind paarweise parallel. Die erste Achse 20 verläuft längs der Mittellinie zwischen den in Fig. 1 linken und rechten Seiten des Außenrahmens 10 und des Innenrahmens 12. Die zweite Achse 26 verläuft längs der Mittellinie zwischen den in Fig. 1 vorderen und hinteren Seiten des Außenrahmens 10 und des Innenrahmens 12.

Die gesamte in Fig. 1 dargestellte Struktur liegt in einer Ebene und ist mit den aus der Mikroelektronik bekannten Techniken hergestellt.

Der Außenrahmen 10 ist breit verglichen mit dem Innenrahmen 12. Dadurch hat der Außenrahmen 10 eine große Fläche und eine große Masse.

Fig. 2 zeigt schematisch-perspektivisch einen mit dem Kardangelenk von Fig. 1 aufgebauten Drehratensensor.

Der Drehratensensor weist eine Grundplatte 28 auf Zentral auf der Grundplatte 28 sitzt eine Säule 30, auf welcher der feststehende Träger 14 des Kardanrahmens sitzt. Auf der Grundplatte 28 ist ein erstes Paar von diametral einander gegenüberliegenden Kondensatorplatten 32 und 34 vorgesehen. Die Kondensatorplatten 32 und 34 liegen unter den in Fig. 2 vorderen bzw hinteren Seiten des Außenrahmens 10. Die Kondensatorplatten 32 und 34 bilden auf diese Weise mit den darüberliegenden vorderen und hinteren Seiten des Außenrahmens 10 ein erstes Paar von Kondensatoren 36 bzw. 38. Auf der Grundplatte 28 ist weiterhin ein zweites Paar von Kondensatorplatten 40 und 42 vorgesehen. Die Kondensatorplatten 40 und 42 sind gegenüber den Kondensatorplatten 32 und 34 um 90° winkelversetzt. Die Kondensatorplatten 40 und 42 liegen unter den linken bzw. rechten Seiten des Außenrahmens 10. Die Kondensatorplatten 40 und 42 bilden auf diese Weise mit den darüberliegenden linken bzw. rechten Seiten des Außenrahmens 10 ein zweites Paar von Kondensatoren 44 bzw. 46. Durch die Breite des Außenrahmens 10 ergeben sich relativ große Flächen der rahmenseitigen Kondensatorplatten.

Der Außenrahmen 10 wird mit dem Innenrahmen 12 zu Schwingungen um die zweite Achse 26 angeregt. Zu diesem Zweck werden Wechselspannungen im Gegentakt an die Kondensatoren 36 und 38 angelegt. Dabei wirken elektrostatische Kräfte zwischen den Kondensatorplatten 32 und 34 und den vorderen bzw. hinteren Seiten des Außenrahmens 10. Bei den Schwingungen werden die Stege 22 und 24 auf Torsion beansprucht. Wegen des relativ großen Hebelarmes sind dabei bei relativ hohen Geschwindigkeiten der vorderen und der hinteren Seite des Außenrahmens die mechanischen Spannungen an den Stegen 22 und 24 gering.

Durch die Bewegung der Massen der vorderen und hinteren Seiten des Außenrahmens quer zur Richtung des Drehraten-Vektors treten an den Seiten des Außenrahmens Coriolis-Kräfte nach rechts oder links in Fig. 2 auf. Die Coriolis-Kräfte sind an der hinteren Seite des Außenrahmens 10 entgegengesetzt gerichtet wie an der vorderen Seite, da die Geschwindigkeiten vorn und hinten in Fig. 2 entgegengesetzt gerichtet sind. Wenn sich bei der Schwingung um die Achse 26 die vordere Seite des Außenrahmens nach oben bewegt, dann bewegt sich die hintere Seite des Außenrahmens nach unten. Durch die Auslenkung des Außenrahmens aus der Ruhelage greifen die Coriolis-Kräfte jeweils an einem Hebelarm an. Die Auslenkungen der beiden gegenüberliegenden Seiten des Außenrahmens sind ebenfalls entgegengesetzt und damit die Hebelarme, an denen die Coriolis-Kräfte angreifen. Dadurch werden Drehmomente um die Achse 20 hervorgerufen, die auf beiden Seiten des Außenrahmens gleich sind. Der Außenrahmen wird zu Schwingungen um die Achse 20 angeregt.

Diese Schwingungen liefern ein Maß für die Drehrate um die erste Achse 20. Diese Schwingungen bewirken eine periodische, gegensinnige Änderung der Kapazitäten der Kondensatoren 44 und 46. Diese periodische Änderung der Kapazitäten wird abgegriffen und in ein elektrisches Signal umgesetzt, das ein Mß für die Drehrate liefert.

Das Bewegungsverhalten des äußeren Rahmens 10 läßt sich durch folgende Differentialgleichung vom Mathieu'schen Typ bei einer relativ zur Schwingungsfrequenz Ω langsamen Drehrate beschreiben:

Dabei sind C₁, C₂ (Ω) und C₃ (Ω) näherungsweise Konstanten. ϕ ist der Winkel der Auslenkung des Außenrahmens 10 und ω die Schwingfrequenz des Innenrahmens 12.

Claims

1. Drehratensensor zur Messung der Drehrate um eine Achse (20) unter Ausnutzung des Coriolis-Effekts, mit einem über ein Kardangelenk aufgehängten schwingenden Element dadurch gekennzeichnet, daß das schwingende Element den Außenrahmen (10) des Kardangelenks bildet.

2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als mikro-mechanischer Bauteil hergestellt ist.

3. Drehratensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mikromechanische Bauteil den das schwingende Element bildenden Außenrahmen (10), einen innerhalb des Außenrahmens (10) in der gleichen Ebene wie dieser liegenden Innenrahmen (12) und einen feststehenden Träger (14) aufweist, wobei der Außenrahmen (10) durch ein erstes Paar von auf Torsion beanspruchbaren, fluchtenden Stegen (16, 18) um eine erste Achse (20) verschwenkbar mit dem Innenrahmen (12) und der Innenrahmen (12) durch ein zweites Paar von auf Torsion beanspruchbaren, fluchtenden Stegen (22, 24) um eine zweite, zu der ersten Achse (20) senkrechte Achse (26) verschwenkbar mit dem feststehenden Träger (14) verbunden ist.

4. Drehratensensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenrahmen (10) als schwingendes Element wesentlich breiter ist als der Innenrahmen (12).

5. Drehratensensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Ebene der Kardanrahmen im Abstand von einer Grundplatte (28) gehalten ist und
(b) die Grundplatte (28) zwei um 90° gegeneinander winkelversetzte Paare von Kondensatorplatten (32, 34; 40, 42) trägt, welche mit jeweils einem Paar von gegenüberliegenden Seiten des das schwingende Element bildenden, rechteckigen Außenrahmens (10) Paare von Kondensatoren (36, 38; 44, 46) bilden,
(c) ein Paar von gegenüberliegenden Kondensatoren (36, 38) im Gegentakt mit einer Wechselspannung ansteuerbar sind, um den Außenrahmen (10) als schwingendes Element zu Schwingungen um eine der Achsen (26) anzuregen und
(d) die bei Auftreten einer Drehrate um die andere Achse (20) als Eingangsachse durch den Coriolis-Effekt hervorgerufenen Schwingungen des Außenrahmens (10) um dieses andere Achse (20) durch die dadurch bewirkten Kapazitätsänderungen des anderen Paares von Kondensatoren (44, 46) als Maß für die Drehrate abgegriffen werden.