專利名稱：用于測量旋轉(zhuǎn)率的微型機(jī)械傳感器以及相應(yīng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量旋轉(zhuǎn)率(Drehrate)的微型機(jī)械傳感器、一種相應(yīng)的方法、一種用于制造測量旋轉(zhuǎn)率的微型機(jī)械傳感器的方法以及相應(yīng)的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
微型機(jī)械的旋轉(zhuǎn)率傳感器應(yīng)用在許多技術(shù)領(lǐng)域中，例如在慣性-和GPS-導(dǎo)航裝置或者在汽車技術(shù)中，例如用于行駛穩(wěn)定系統(tǒng)，如ESP等，或者用于汽車的導(dǎo)航。例如WO 03/064975 Al公開的旋轉(zhuǎn)率傳感器是以這樣的測量原理為依據(jù)，即在這種測量原理中測量作用到機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)的科氏力。為了能測量科氏力，驅(qū)動反向振動的地震質(zhì)量，所述地震質(zhì)量在出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)時要經(jīng)歷一種垂直于振動平面，并且垂直于鄰近的旋轉(zhuǎn)率的旋轉(zhuǎn)軸的科氏力并且因此發(fā)生偏移。為了測量科氏力通常將電極設(shè)置在地震質(zhì)量上，這些電極和相應(yīng)的對應(yīng)電極形成可變化的電容。當(dāng)?shù)卣鹳|(zhì)量通過作用到它的科氏力發(fā)生偏移時電容發(fā)生變化。 然后借助這種變化可確定科氏力，并且最后能確定旋轉(zhuǎn)率。本

發(fā)明內(nèi)容
在權(quán)利要求I中定義了一種用于測量旋轉(zhuǎn)率的微型機(jī)械傳感器，它包括第一和第二地震質(zhì)量，其中，第一和第二地震質(zhì)量借助彈簧元件彼此連接，用于在第一平面中驅(qū)動第一和第二地震質(zhì)量的第一和第二驅(qū)動裝置，其中，至少一個驅(qū)動裝置與地震質(zhì)量中的至少一個連接，用于補(bǔ)償垂直于第一平面地對至少一個驅(qū)動裝置施加作用的干擾力的補(bǔ)償裝置，以及用于測量旋轉(zhuǎn)率的測量裝置。在權(quán)利要求5中定義了一種用于測量旋轉(zhuǎn)率的方法，這種方法特別適合用按照權(quán)利要求1-4中的至少任一項所述的微型機(jī)械傳感器執(zhí)行，所述方法包括下述步驟
借助第一和第二驅(qū)動裝置驅(qū)動第一和第二地震質(zhì)量，其中，借助彈簧元件第一和第二地震質(zhì)量彼此連接；第一和第二地震質(zhì)量基本在第一平面中振動；測量垂直于第一平面地作用到至少一個驅(qū)動裝置的干擾力；補(bǔ)償作用到至少一個驅(qū)動裝置的測量的干擾力；測量朝被驅(qū)動的第一和/或第二地震質(zhì)量上的科氏力；以及借助作用到第一和/或第二地震質(zhì)量的科氏力求出旋轉(zhuǎn)率。在權(quán)利要求9中定義了用于制造特別是按照權(quán)利要求1-4中的至少任一項所述的微型機(jī)械傳感器的方法，它包括下述步驟
設(shè)置第一和第二地震質(zhì)量；將地震質(zhì)量中的至少一個地震質(zhì)量和至少一個驅(qū)動裝置連接起來；借助至少一個彈簧元件連接第一和第二地震質(zhì)量；設(shè)置用于測量旋轉(zhuǎn)率的測量裝置；以及設(shè)置用于補(bǔ)償作用到至少一個驅(qū)動裝置上的干擾力的補(bǔ)償裝置。在權(quán)利要求10中規(guī)定將按照權(quán)利要求1-4中的至少任一項所述的微型機(jī)械傳感器用于測量旋轉(zhuǎn)率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
在權(quán)利要求I中定義的微型機(jī)械傳感器、在權(quán)利要求5中定義的用于測量旋轉(zhuǎn)率的方法以及在權(quán)利要求9中定義的用于制造微型機(jī)械傳感器的方法具有如下優(yōu)點(diǎn)，即可補(bǔ)償在制造微型機(jī)械傳感器時的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)或者缺陷，而這些缺點(diǎn)或者缺陷會導(dǎo)致在確定旋轉(zhuǎn)率時出現(xiàn)干擾信號。這可改進(jìn)測量旋轉(zhuǎn)率時的精確度，因?yàn)槔缈杀苊猓欢辽倏纱蟠鬁p少旋轉(zhuǎn)率出現(xiàn)偏差，所謂的偏移。其中，這類偏移可通過地震質(zhì)量的振動平面、測量裝置的平面、 例如基質(zhì)的平面一在其中設(shè)置有作為測量裝置的對應(yīng)電極一的非平行設(shè)置出現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中列出的特征涉及本發(fā)明的有關(guān)主題的一些有利的改進(jìn)方案。根據(jù)一個優(yōu)選的改進(jìn)方案，補(bǔ)償裝置基本垂直地在驅(qū)動裝置的上面和/或下面的區(qū)域中有間距地設(shè)置。其中，這種做法的優(yōu)點(diǎn)是，由此可以直接和簡單的方式補(bǔ)償作用到驅(qū)動裝置的干擾力。根據(jù)另一有利的改進(jìn)方案補(bǔ)償裝置，和/或驅(qū)動裝置包括至少一個，特別是兩個電極。借助至少一個電極可以簡單和成本有利的方式補(bǔ)償垂直于第一平面作用到驅(qū)動裝置的干擾力，并且進(jìn)一步改進(jìn)測量旋轉(zhuǎn)率的精確度。根據(jù)另一有利的改進(jìn)方案，許多補(bǔ)償裝置基本平行，和/或垂直于第一平面和第一和第二地震質(zhì)量的偏移方向地設(shè)置在第二平面中。當(dāng)補(bǔ)償裝置沿著地震質(zhì)量的所希望的偏移方向平行設(shè)置時可補(bǔ)償干擾力，因?yàn)殡S著偏移的增加沿驅(qū)動方向的干擾力也增加，并且補(bǔ)償裝置相應(yīng)地能將補(bǔ)償力最佳地傳送到驅(qū)動裝置。這種補(bǔ)償例如可通過作為補(bǔ)償裝置的電極來完成。通過平行于第一平面和平行于驅(qū)動裝置的偏移方向合適地設(shè)置電極，當(dāng)偏移變得更大時可達(dá)到電極和驅(qū)動裝置的更大的覆蓋，這樣，通過電極有相應(yīng)更大的力到達(dá)驅(qū)動裝置。當(dāng)許多補(bǔ)償裝置垂直于地震質(zhì)量的偏移方向地設(shè)置時，可以補(bǔ)償導(dǎo)致驅(qū)動裝置沿著垂直于偏移方向的Z方向的不同偏移的力，例如驅(qū)動裝置內(nèi)部的彎曲。然后按照這種方式根據(jù)相應(yīng)驅(qū)動裝置的X或者Y位置，不同大小的補(bǔ)償力可作用到驅(qū)動裝置上。總之，這進(jìn)一步改進(jìn)了旋轉(zhuǎn)率的測量精度。按照本發(fā)明的另一優(yōu)選改進(jìn)方案，借助電磁力和/或靜電力進(jìn)行補(bǔ)償。其中所得到的優(yōu)點(diǎn)是，采用此措施能以簡單和成本有利的方式補(bǔ)償作用到驅(qū)動裝置的干擾力。根據(jù)本方法的另一有利方案，補(bǔ)償可根據(jù)驅(qū)動裝置的偏移方向，和/或偏移而變化。其中所得到的優(yōu)點(diǎn)是，采用此措施可進(jìn)行精確的補(bǔ)償，并且因此達(dá)到在測量旋轉(zhuǎn)率時的改進(jìn)的精確度。根據(jù)本方法的另一有利的改進(jìn)方案，電磁力隨時間，特別是隨時間正弦形地變化。 按照這種方式可只使用一個補(bǔ)償裝置，例如一個唯一的電極，這樣就節(jié)省了原料和成本。例如當(dāng)?shù)卣鹳|(zhì)量根據(jù)時間正弦形地振動時，驅(qū)動裝置相應(yīng)地也正弦形地偏移。通過電壓，借助對應(yīng)電極可在驅(qū)動裝置上產(chǎn)生補(bǔ)償力?，F(xiàn)在電壓是如此地變化的，即當(dāng)偏移度更大時有更大的補(bǔ)償力作用到驅(qū)動裝置上，這樣，它的偏移可盡可能的小。


在附圖中示出了本發(fā)明的一些實(shí)施例，在下面的說明中將更加詳細(xì)地對這些實(shí)施例進(jìn)行說明。這些附圖是
圖la、lb :根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實(shí)施形式的微型機(jī)械傳感器的頂視原理圖。圖2a_c :沒有補(bǔ)償?shù)牟煌茽顟B(tài)的第一實(shí)施形式的根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)率傳感器的側(cè)面原理圖。圖3a_c :具有補(bǔ)償?shù)牟煌钠茽顟B(tài)的第一實(shí)施形式的根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)率傳感器的側(cè)面原理圖。圖4a_c :具有多個平行于偏移方向設(shè)置的電極的第一實(shí)施形式的微型機(jī)械傳感器的側(cè)面原理圖。圖5a_c :具有多個垂直于偏移方向設(shè)置的電極的根據(jù)第一實(shí)施形式的微型機(jī)械傳感器的頂視原理圖。
具體實(shí)施例方式
圖I示出根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實(shí)施形式的微型機(jī)械傳感器的頂視原理圖。在圖Ia中示出了兩個地震質(zhì)量2a、2b的頂視圖。地震質(zhì)量2a、2b通過彈簧元件3 彼此彈性連接。在相應(yīng)的地震質(zhì)量2a、2b的相應(yīng)的對置側(cè)上相應(yīng)的地震質(zhì)量2a、2b通過相應(yīng)地沿驅(qū)動方向剛性的元件4a、4b與相應(yīng)的驅(qū)動裝置la、lb連接。驅(qū)動裝置la、lb在X-Y 平面E中一所述平面相當(dāng)于圖I中的圖平面一沿X軸線產(chǎn)生地震質(zhì)量2a、2b的反平行的和共線的運(yùn)動。當(dāng)為了測量旋轉(zhuǎn)率以平行于Y軸線的旋轉(zhuǎn)軸線使用這種類型的微型機(jī)械傳感器時，借助驅(qū)動裝置la、lb被驅(qū)動的地震質(zhì)量2a，2b要經(jīng)歷沿Z方向的科氏力，也就是說， 從圖中平面出來，或者進(jìn)入圖中平面，并且沿Z方向偏移。借助這種偏移可確定旋轉(zhuǎn)率。在圖Ib中示出了微型機(jī)械的傳感器的另一實(shí)施形式。與圖Ia的不同之處是，地震質(zhì)量2a、2b借助相應(yīng)地兩個沿著驅(qū)動方向剛性的元件4a、4a’ ’和4b、4b’基本垂直于地震質(zhì)量2a、2b借助彈簧元件3的連接并且通過連接元件10a、10a’、10b、10b’分別與驅(qū)動裝置la、la’、lb、lb’連接。在這種情況中，這些地震質(zhì)量沿著Y方向反平行地借助驅(qū)動裝置 la、la，、lb、lb，被驅(qū)動。圖2示出沒有補(bǔ)償?shù)牟煌钠茽顟B(tài)的第一實(shí)施形式的根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)率傳感器的側(cè)面原理圖。在圖2a中示出圖Ia的微型機(jī)械傳感器的側(cè)面圖。其中，兩個地震質(zhì)量2a、2b處于靜止?fàn)顟B(tài)中，也就是說，它們未被驅(qū)動。與2a不同的是圖2b示出當(dāng)通過驅(qū)動裝置la、lb 驅(qū)動地震質(zhì)量2a、2b時地震質(zhì)量2a、2b沿方向R1向左或向右偏移。這樣,彈簧元件3伸展, 左邊的驅(qū)動裝置Ia經(jīng)受一種向下的力，也就是在負(fù)的Z方向，并且右邊的驅(qū)動裝置Ib同時經(jīng)歷向上的力，也就是沿正的Z方向。如是驅(qū)動裝置la、lb由于干擾力向上或向下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。圖2c示出了與圖2b相反的情況，即地震質(zhì)量2&、213沿R2方向，也就是向內(nèi)偏移。 相應(yīng)相反的干擾力作用到圖2b的驅(qū)動裝置la、Ib上，也就是說，左邊的驅(qū)動裝置Ia經(jīng)歷一種沿正的Z方向的偏移，相反地右邊的驅(qū)動裝置Ib經(jīng)歷一種沿負(fù)的Z方向的偏移。在圖 2a_2c中，剛性的元件4a、4b在它們的延伸方面是恒定的，也就是說相應(yīng)的地震質(zhì)量2a、2b 即使沿正的，或者負(fù)的Z方向有相應(yīng)的偏移時距離相應(yīng)的驅(qū)動裝置la、lb也有相同的間距。 也設(shè)置相應(yīng)的測量裝置M，以測量作用到地震質(zhì)量2a、2b的科氏力。圖3示出具有干擾力補(bǔ)償?shù)牟煌钠茽顟B(tài)時的第一實(shí)施形式的根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)率傳感器的側(cè)面原理圖。圖3a示出又是圖2a中的情況。與圖2a的不同之處是，現(xiàn)在在驅(qū)動裝置la、lb的下面設(shè)置有補(bǔ)償電極5a、5b。所述補(bǔ)償電極在驅(qū)動裝置la、lb的區(qū)域中是在它們的下面延伸，然而基本不是在地震質(zhì)量2a、2b的區(qū)域中，其中，補(bǔ)償電極5a、5b位于第二平面F中，這個第二平面與平面E平行。在所述平面E中，第一和第二地震質(zhì)量2a、 2b在沒有干擾力的情況下通過驅(qū)動裝置la、lb的驅(qū)動時產(chǎn)生運(yùn)動?，F(xiàn)在圖3b示出圖2b的情況，然而，對作用到驅(qū)動裝置la、lb的干擾力有相應(yīng)的補(bǔ)償，也就是說驅(qū)動裝置la、lb沒有從E平面偏移，因?yàn)樽饔玫剿鼈兊牧柚a(bǔ)償電極5a、5b得到補(bǔ)償。如是E平面和F平面彼此平行。圖3c示出了對圖2c中的作用到驅(qū)動裝置la、lb的干擾力的相應(yīng)的補(bǔ)償，也就是說，地震質(zhì)量la、Ib向內(nèi)偏移時。為了測量用于測量旋轉(zhuǎn)率的地震質(zhì)量2a、2b的偏移, 設(shè)置了相應(yīng)的測量裝置，例如電極。圖4不出具有多個平行于振動方向的電極的第一實(shí)施形式的微型機(jī)械傳感器的側(cè)面原理圖。圖4a示出在E平面中的驅(qū)動裝置la。所述驅(qū)動裝置在平面F中，平行地，且在E 平面的下面具有兩個補(bǔ)償電極5a、5a’。其中，驅(qū)動裝置Ia基本上在上部，并且在兩個補(bǔ)償電極5a、5a’之間的中間處于靜止?fàn)顟B(tài)。兩個補(bǔ)償電極中之一 5a相對于驅(qū)動裝置Ia具有比另一補(bǔ)償電極5a’相對于驅(qū)動裝置Ib更大的電位差，這樣，例如在靜止位置時在補(bǔ)償電極5a和驅(qū)動裝置Ia之間的補(bǔ)償力要比補(bǔ)償電極5a’和驅(qū)動裝置Ia之間的更大。現(xiàn)在在圖4b中，相當(dāng)于圖3b，發(fā)生沿R1方向向左偏移，驅(qū)動裝置Ia蓋住補(bǔ)償電極5a的較大區(qū)域 (朝Z方向看)，并且補(bǔ)償力根據(jù)偏移沿R1方向增加，為的是連續(xù)地補(bǔ)償也是隨偏移增加的干擾力。其中，朝著沿Z方向看驅(qū)動裝置Ia與第二補(bǔ)償電極5a’的重疊較小。圖4c示出沿 R2方向向右偏移時的類似情況。在這種情況中補(bǔ)償電極5a的較小區(qū)域被驅(qū)動裝置Ia覆蓋，并且因此相應(yīng)地補(bǔ)償也減小的干擾力。在圖4a和圖4b的這兩種情況中，通過驅(qū)動裝置 Ia和分別相應(yīng)的補(bǔ)償電極5a或者5a’變得越來越大的覆蓋有更大的力施加到驅(qū)動裝置Ia 上，也就是說，根據(jù)圖4b或圖4c，沿著方向R1或方向R2方向的偏移A的增加導(dǎo)致在驅(qū)動裝置Ia和相應(yīng)的補(bǔ)償電極5a或5a’之間的更大的靜電補(bǔ)償力。圖4中的驅(qū)動裝置Ia如同所有其他附圖一樣都是如此地設(shè)計的，即，電磁力可對它施加作用。圖5不出具有多個垂直于偏移方向的電極的第一實(shí)施形式的微型機(jī)械傳感器的頂視(沿Z方向看)原理圖。圖5a示出矩形的驅(qū)動裝置Ia的頂視圖。在驅(qū)動裝置的下面設(shè)置也是矩形的補(bǔ)償電極5a。所述補(bǔ)償電極在頂視圖中在它的表面方面完全包圍和蓋住驅(qū)動裝置la。在這種情況中驅(qū)動裝置Ia基本設(shè)置在中間和補(bǔ)償電極5a的上面，并且因此驅(qū)動裝置Ia處于靜止?fàn)顟B(tài)中。在圖5b中，與圖5a不同之處是，電極5a沿著Y方向分成兩個部分補(bǔ)償電極5al和5a2。圖5c示出補(bǔ)償電極5a三分為部分補(bǔ)償電極5al、5a2、5a3。這種沿Y方向類型的劃分方法可補(bǔ)償導(dǎo)致沿Y軸線在驅(qū)動裝置Ia的Z方向產(chǎn)生不同偏移的干擾力。這樣可以簡單和有效方式補(bǔ)償驅(qū)動裝置Ia本身內(nèi)部的彎曲或者扭曲。根據(jù)Y位置可對驅(qū)動裝置Ia的相應(yīng)的部分區(qū)域施加大小不同的補(bǔ)償力，這樣就避免了驅(qū)動裝置Ia的彎曲或者扭曲，然而至少可大大的減小。雖然本發(fā)明在上文借助一些優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行了說明，然而本發(fā)明并不局限于此，而是可進(jìn)行多種多樣的改型。
權(quán)利要求
1.用于測量旋轉(zhuǎn)率的微型機(jī)械傳感器，包括-第一和第二地震質(zhì)量(2a、2b),其中，第一和第二地震質(zhì)量(2a、2b)借助彈簧兀件 (3)彼此連接，-用于在第一平面(E)中驅(qū)動第一和第二地震質(zhì)量(2a、2b)的第一和第二驅(qū)動裝置 (la、lb)，其中，至少一個驅(qū)動裝置(la、lb)與地震質(zhì)量(2a、2b)中的至少一個連接，-用于補(bǔ)償垂直于第一平面(E)地作用到第一和/或第二驅(qū)動裝置(la、Ib)的干擾力的補(bǔ)償裝置(5a、5b),-用于測量旋轉(zhuǎn)率的測量裝置(Μ)。
2.按照權(quán)利要求I所述的微型機(jī)械傳感器，其中，補(bǔ)償裝置(5a、5b)基本垂直地在驅(qū)動裝置(la、Ib)的下面和/或上面的區(qū)域中與第一平面(E)間隔設(shè)置。
3.按照權(quán)利要求I或2所述的微型機(jī)械傳感器，其中，補(bǔ)償裝置(5a、5b)，和/或驅(qū)動裝置(la、lb)包括至少一個，特別是兩個電極。
4.按照權(quán)利要求1-3中的任一項所述的微型機(jī)械傳感器，其中，多個補(bǔ)償裝置(5a、5b) 基本平行，和/或垂直于第一平面(E)和第一、第二地震質(zhì)量(2a、2b)的偏移方向(RpR2)地設(shè)置在第二平面(F)中。
5.用于測量旋轉(zhuǎn)率的方法，它特別適合用按照權(quán)利要求1-4中的任一項所述的微型機(jī)械傳感器執(zhí)行，此方法包括下述步驟-借助第一和第二驅(qū)動裝置(la、lb)驅(qū)動第一和第二地震質(zhì)量(2a、2b),其中,第一和第二地震質(zhì)量(2a、2b)借助彈簧元件(3)彼此連接，-第一和第二地震質(zhì)量(2a、2b)基本在第一平面(E)中振動，-測量垂直于第一平面(E)地作用到至少一個驅(qū)動裝置(la、Ib)的干擾力，-補(bǔ)償作用到所述至少一個驅(qū)動裝置(la、Ib)的測量的干擾力，-測量作用到被驅(qū)動的第一和/或第二地震質(zhì)量(2a、2b)的科氏力，-借助作用到第一和/或第二地震質(zhì)量(2a、2b)的科氏力求出旋轉(zhuǎn)率。
6.按照權(quán)利要求5所述的方法，其中，借助電磁力，和/或者靜電力進(jìn)行補(bǔ)償。
7.按照權(quán)利要求5-6中的任一項所述的方法,其中,補(bǔ)償根據(jù)偏移方向(RpR2),和/或根據(jù)偏移(A)變化。
8.按照權(quán)利要求5-7中的任一項所述的方法，其中，電磁力隨時間，特別是隨時間正弦形地變化。
9.用于制造特別是按照權(quán)利要求I至4中的任一項所述的微型機(jī)械傳感器的方法，包括下述步驟-設(shè)置第一和第二地震質(zhì)量(2a、2b),-將地震質(zhì)量(2a、2b)中的至少一個與至少一個驅(qū)動裝置(la、lb)連接，-借助至少一個彈簧元件(3)連接第一和第二地震質(zhì)量(2a、2b)，-設(shè)置用于測量旋轉(zhuǎn)率的測量裝置(M)，-設(shè)置用于補(bǔ)償作用到至少一個驅(qū)動裝置(la、lb)上的干擾力的補(bǔ)償裝置(5a、5b)。
10.將按照權(quán)利要求1-4中的任一項所述的微型機(jī)械傳感器用于測量旋轉(zhuǎn)率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量旋轉(zhuǎn)率的微型機(jī)械傳感器。所述微型機(jī)械傳感器包括-第一和第二地震質(zhì)量，其中，第一和第二地震質(zhì)量借助彈簧元件彼此連接，-用于在第一平面中驅(qū)動第一和第二地震質(zhì)量的第一和第二驅(qū)動裝置，其中，至少一個驅(qū)動裝置基本以恒定的間距與至少其中一個地震質(zhì)量連接，-用于補(bǔ)償垂直于第一平面地作用到第一和/或第二驅(qū)動裝置的干擾力的補(bǔ)償裝置。本發(fā)明也涉及一種用于測量旋轉(zhuǎn)率的方法，用于制造微型機(jī)械傳感器的方法，以及微型機(jī)械傳感器的應(yīng)用。
文檔編號G01C19/5712GK102589539SQ201110432509
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者B.施密特, D.C.梅塞爾, R.舍本, T.奧姆斯, T.林德曼 申請人:羅伯特·博世有限公司