DE19745083A1 - Rotation rate sensor using Coriolis effect - Google Patents
Rotation rate sensor using Coriolis effectInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor zur Messung der Drehrate um eine Achse unter Ausnutzung des Coriolis-Effekts, mit einem kardanisch aufgehängten schwingenden Element.The invention relates to a rotation rate sensor for measuring the rotation rate around an axis taking advantage of the Coriolis effect, with a gimbal vibrating 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.If a mass rotates in a system that rotates in relation to the inertial space a speed moved radially to the axis of rotation, then acts on this moved Mass a force, the Coriolis force, perpendicular to the axis of rotation and perpendicular to is the velocity vector of the mass and that of the mass and the vector product of rotation rate and speed is proportional. This effect can be used to measure the Rotation rate can be used.
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.In the case of micromechanical components, those known from microelectronics are used Techniques very small, relatively movable mechanical assemblies, e.g. B. also sensors for mechanical quantities. There are different attempts undertaken using the Coriolis micromechanical effect Set up rotation rate sensors. Such rotation rate sensors contain an oscillating one Element that swings perpendicular to the input axis of the sensor, around which the rotation rate should be measured. A Coriolis force acts on the vibrating element. This Coriolis force again causes the element to vibrate around another axis forth. The mass and speed of the vibrating element should be considered be as large as possible because they determine the size of the measurement signal. This vibrating element should be suspended as stress-free as possible because of the degree of De-energizing the suspension largely determines the zero point error.
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.In known sensors, which rotation rates using the Coriolis effect to measure is a vibrating element inside a universal joint arranged. The outer edge of the universal joint is on that of the Subject subject to rotational movement fixed. The mass of the vibrating Elements low. The suspension is at a deflection of the vibrating element subject to relatively strong stresses when the temperature changes. The stimulating forces through which the vibrating element is excited to vibrate are small.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehratensensor der eingangs genannten Art möglichst empfindlich und genau zu machen.The invention has for its object a rotation rate sensor of the beginning to make the type mentioned as sensitive and precise as possible.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das schwingende Element den Außenrahmen des Kardangelenks bildet.According to the invention this object is achieved in that the vibrating element Forms the outer frame of the universal joint.
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.With such a rotation rate sensor, the vibrating element can be the same Outer dimensions of the rotation rate sensor are large compared to the prior art be formed. As a result, the vibrating element has a relatively large mass. The large dimensions - again relative to the state of the art - allow an excitation with great strength. When the vibrating element is deflected out of it Rest position around a given path arise because of the longer lever arm lower tensions in the bearing. The vibrating element vibrates with a larger path amplitude and thus, at a given frequency, with a higher one Speed off.
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.In a preferred embodiment, the rotation rate sensor is a micro-mechanical one Component manufactured. The micromechanical component has the vibrating element outer frame, one within the outer frame in the same plane as this lying inner frame and a fixed support. The outer frame is by a first pair of aligned webs that can be subjected to torsion, around a first Swivel axis connected to the inner frame. The inner frame is through a second pair of aligned webs that can be subjected to torsion by a second, too the first axis, the vertical axis can be pivoted with the fixed support connected. The outer frame and the inner frame are preferably not necessarily rectangular, the rectangular sides of the outer frame and the Inner frame run parallel to each other, and the first and second axes each run along a center line of the rectangles. The outer frame as vibrating element is much wider than the inner frame. The level of Gimbal frame is held at a distance from a base plate. The base plate carries two by 90 ° mutually angularly offset pairs of capacitor plates, each with a pair of opposite sides of the vibrating element forming the rectangular outer frame form pairs of capacitors. A couple of opposite capacitors are push-pull with an alternating voltage controllable to vibrate around the outer frame as a vibrating element of the axes. The when a rotation rate occurs around the other axis than that Vibrations of the input axis caused by the Coriolis effect Outer frame due to the resulting change in capacity of the other pair capacitors are used as a measure of the yaw rate.
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.The outer frame is excited to vibrate about an axis. So that moves the mass radial to a rotation rate occurring around the other axis. There is one Coriolis force on the opposite sides of the outer frame is directed in opposite directions. On the other hand, the deflections of the two opposite sides and thus the lever arms of the torques generated also always opposite. As a result, vibrations of the Outer frame around an axis on both sides of the outer frame torques generated in the same sense around the other axis. The frame swings Occurrence of a rotation rate of the carrier around this other axis. This vibration is called Measure of the yaw rate.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.An embodiment of the invention is below with reference to the associated drawings explained in more detail.
Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung eines innen festgehaltenen Kardangelenks mit einem als schwingende Masse dienenden Außenrahmen. Fig. 1 is a schematic perspective view of an internally held universal joint with an outer frame serving as a vibrating mass.
Fig. 2 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung eines Drehratensensors, welcher unter Ausnutzung des Coriolis-Effekts Drehraten um eine Eingangsachse mißt. FIG. 2 is a schematic perspective illustration of a rotation rate sensor, which uses the Coriolis effect to measure rotation rates about an input axis.
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. Fig. 1 shows a universal joint with an outer frame 10, an inner frame 12 and a fixed support 14. The outer frame 10 is mounted on the inner frame 12 so as to be able to oscillate about a first axis 20 via a first pair of aligned webs 16 , 18 which can be subjected to torsion. The inner frame 12 is in turn mounted on the fixed, central support 14 so as to be able to oscillate about a second axis 26 via a second pair of webs 22 , 24 that can be subjected to torsion. The first axis 20 and the second axis 26 are perpendicular to one another. The axes 20 and 26 intersect on the fixed support 14 . The outer frame 10 and the inner frame 12 are square. The sides of the outer frame 10 and the inner frame 12 are parallel in pairs. The first axis 20 runs along the center line between the left and right sides of the outer frame 10 and the inner frame 12 in FIG. 1. The second axis 26 runs along the center line between the front and rear sides of the outer frame 10 and the inner frame 12 in FIG. 1.
Die gesamte in Fig. 1 dargestellte Struktur liegt in einer Ebene und ist mit den aus der Mikroelektronik bekannten Techniken hergestellt.The entire structure shown in FIG. 1 lies in one plane and is produced using the techniques known from microelectronics.
Der Außenrahmen 10 ist breit verglichen mit dem Innenrahmen 12. Dadurch hat der Außenrahmen 10 eine große Fläche und eine große Masse.The outer frame 10 is wide compared to the inner frame 12 . As a result, the outer frame 10 has a large area and a large mass.
Fig. 2 zeigt schematisch-perspektivisch einen mit dem Kardangelenk von Fig. 1 aufgebauten Drehratensensor. FIG. 2 shows a perspective view of a rotation rate sensor constructed with the universal joint of FIG. 1.
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.The rotational speed sensor comprises a base plate 28 on the central plate 28 is seated on the base, a column 30 on which the fixed support sits 14 of the gimbal. A first pair of diametrically opposed capacitor plates 32 and 34 are provided on the base plate 28 . The capacitor plates 32 and 34 are located under the front and rear sides of the outer frame 10 in FIG. 2. The capacitor plates 32 and 34 thus form a first pair of capacitors 36 and 38 with the overlying front and rear sides of the outer frame 10 . A second pair of capacitor plates 40 and 42 are also provided on the base plate 28 . The capacitor plates 40 and 42 are angularly offset from the capacitor plates 32 and 34 by 90 °. The capacitor plates 40 and 42 are located under the left and right sides of the outer frame 10, respectively. The capacitor plates 40 and 42 thus form a second pair of capacitors 44 and 46 with the overlying left and right sides of the outer frame 10, respectively. The width of the outer frame 10 results in relatively large areas of the capacitor plates on the frame side.
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.The outer frame 10 is excited with the inner frame 12 to vibrate about the second axis 26 . For this purpose, AC voltages are applied to capacitors 36 and 38 in push-pull. Electrostatic forces act between the capacitor plates 32 and 34 and the front and rear sides of the outer frame 10 . The webs 22 and 24 are subjected to torsion during the vibrations. Because of the relatively large lever arm, the mechanical stresses on the webs 22 and 24 are low at relatively high speeds of the front and rear side of the outer frame.
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.Due to the movement of the masses of the front and rear sides of the outer frame transversely to the direction of the rotation rate vector, Coriolis forces occur on the sides of the outer frame to the right or left in FIG. 2. The Coriolis forces are directed opposite on the rear side of the outer frame 10 as on the front side, since the front and rear speeds in FIG. 2 are opposite. When the front side of the outer frame moves upward in vibration about axis 26 , the rear side of the outer frame moves downward. By deflecting the outer frame from the rest position, the Coriolis forces act on one lever arm each. The deflections of the two opposite sides of the outer frame are also opposite and thus the lever arms on which the Coriolis forces act. This causes torques about the axis 20 which are the same on both sides of the outer frame. The outer frame is excited to vibrate about the axis 20 .
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.These vibrations provide a measure of the rate of rotation about the first axis 20 . These vibrations cause a periodic, opposite change in the capacitance of the capacitors 44 and 46 . This periodic change in capacitance is tapped and converted into an electrical signal that provides a measure of the rate of rotation.
Das Bewegungsverhalten des äußeren Rahmens 10 läßt sich durch folgende
Differentialgleichung vom Mathieu'schen Typ bei einer relativ zur Schwingungsfrequenz
Ω langsamen Drehrate beschreiben:
The movement behavior of the outer frame 10 can be described by the following Mathieu-type differential equation at a rotation rate slow relative to the oscillation frequency Ω:
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.C 1 , C 2 (Ω) and C 3 (Ω) are approximate constants. ϕ is the angle of the deflection of the outer frame 10 and ω is the oscillation frequency of the inner frame 12 .
Claims (5)
- (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.
- (a) the plane of the gimbals is held at a distance from a base plate ( 28 ) and
- (b) the base plate ( 28 ) carries two pairs of capacitor plates ( 32 , 34 ; 40 , 42 ) which are angularly offset from one another by 90 °, each having a pair of opposite sides of the rectangular outer frame ( 10 ) forming the oscillating element, pairs of capacitors ( 36 , 38 ; 44 , 46 ) form,
- (c) a pair of opposing capacitors ( 36 , 38 ) can be controlled in a push-pull manner with an alternating voltage in order to excite the outer frame ( 10 ) as a vibrating element to vibrate around one of the axes ( 26 ) and
- (d) the vibrations of the outer frame ( 10 ) about this other axis ( 20 ) caused by the Coriolis effect when an angular rate about the other axis ( 20 ) occurs as an input axis due to the changes in capacitance of the other pair of capacitors ( 44 , 46 ) can be tapped as a measure of the yaw rate.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1997145083 DE19745083A1 (en) | 1997-10-11 | 1997-10-11 | Rotation rate sensor using Coriolis effect |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE1997145083 DE19745083A1 (en) | 1997-10-11 | 1997-10-11 | Rotation rate sensor using Coriolis effect |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19745083A1 true DE19745083A1 (en) | 1999-04-15 |
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ID=7845333
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE1997145083 Withdrawn DE19745083A1 (en) | 1997-10-11 | 1997-10-11 | Rotation rate sensor using Coriolis effect |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19745083A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10040537B4 (en) * | 2000-08-18 | 2004-05-13 | Eads Deutschland Gmbh | Micromechanical rotation rate sensor and method for its production |
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| US5329815A (en) * | 1991-12-19 | 1994-07-19 | Motorola, Inc. | Vibration monolithic gyroscope |
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| US5488862A (en) * | 1993-10-18 | 1996-02-06 | Armand P. Neukermans | Monolithic silicon rate-gyro with integrated sensors |
-
1997
- 1997-10-11 DE DE1997145083 patent/DE19745083A1/en not_active Withdrawn
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