DE102016223067A1

DE102016223067A1 - Schwingungsanordnung für einen Inertialsensor und Inertialsensor

Info

Publication number: DE102016223067A1
Application number: DE102016223067.0A
Authority: DE
Inventors: Dimitri Zimanovic
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2018-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schwingungsanordnung (1) für einen Inertialsensor, mit einer Schwingmasse (SM), welche über mindestens ein Federelement (F1, F2) schwingfähig mit mindestens einem Festlager (3) gekoppelt ist, und einer Messvorrichtung (20), welche eine Auslenkung der Schwingmasse (SM) als Messgröße bestimmt, wobei mindestens eine Stellvorrichtung (10) die Auslenkung der Schwingmasse (SM) beeinflusst, sowie einen Inertialsensor mit einer solchen Schwingungsanordnung (10). Hierbei erzeugt die mindestens eine Stellvorrichtung (10) ein elektrisches Signal (U) und stellt über das erzeugte elektrische Signal (U) eine Federkonstante des mindestens einen Federelements (F1, F2) und damit eine Resonanzfrequenz der Schwingungsanordnung (1) ein.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schwingungsanordnung für einen Inertialsensor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Inertialsensor mit einer solchen Schwingungsanordnung.
In modernen Kraftfahrzeugen werden aktive und passive Sicherheitssysteme, wie beispielsweise Rückhaltesysteme, wie z.B. Airbags, Gurtstraffer usw., sowie Systeme zur Regelung der Fahrdynamik, wie z.B. ESP, ABS usw. eingesetzt. Ein wesentlicher Bestandteil solcher Systeme sind Inertialsensoren, welche für die Messung von Beschleunigungen und/oder von Gier- bzw. Drehraten des Kraftfahrzeugs verwendet werden und bevorzugt als mikromechanische bzw. mikroelektromechanische Sensoren ausgeführt sind. Das Hauptmessprinzip solcher mikromechanischen Inertialsensoren besteht in der Messung einer auf eine Schwingmasse wirkende Trägheitskraft. Diese Trägheitskraft wird in der Regel durch die Höhe der Auslenkung der federgelagerten Schwingmasse bestimmt. Hierbei wird häufig das Prinzip des Differentialkondensators benutzt, bei welchem eine bewegliche Schwingmasse mit festen Referenzelektroden zwei Messkapazitäten bildet. Wirkt eine Beschleunigung auf die Schwingmasse, so wird diese ausgelenkt und die Messkapazitäten ändern sich. Die Differenz der Messkapazitäten wird mittels einer elektronischen Schaltung, einem so genannten Kapazitäts-Spannungs-Wandler, in ein im Wesentlichen zur Beschleunigung proportionalen Spannungssignal gewandelt. Je nach Auslegung haben die Schwingmassen unterschiedliche mechanische Resonanzfrequenzen, wobei die einzelnen Schwingmassen in der Regel nur eine konstante Resonanzfrequenz haben. Falls äußere Vibrationen ungünstige Parameter für den Inertialsensor haben, so dass die Schwingmasse auf Resonanzfrequenz zum Schwingen gebracht wird, kann der Inertialsensor gestört werden. In ungünstigen Fällen kann die Schwingmasse einen mechanischen Schaden bekommen und den ganzen Inertialsensor außer Funktion setzen.
Aus der DE 103 57 870 B4 ist beispielsweise ein Sensor mit einer seismischen Masse, wenigstens einem mechanischen Anschlag und mit Mitteln zur Detektion einer Auslenkung der seismischen Masse und Umwandlung der detektierten Auslenkung in ein elektrisches Signal bekannt. Die Mittel zur Detektion der Auslenkung sind als Elektroden ausgebildet, welche einen kapazitiven Messfühler insbesondere nach dem Prinzip der Differentialkapazität darstellen.
Aus der DE 10 2011 006 399 A1 sind eine gattungsgemäße Schwingvorrichtung für einen Inertialsensor und ein Inertialsensor mit einer Schwingmasse, einer Substrataufhängung zum Aufhängen der Schwingmasse an ein Substrat und einer Federvorrichtung zum Koppeln der Schwingmasse an die Substrataufhängung bekannt. Zudem ist ein mechanisches Einstellmittel zum Einstellen einer Nichtlinearität einer Schwingung der Schwingmasse an der Federvorrichtung angeordnet. Das Einstellmittel ist eingerichtet, eine Federkonstante der Federeinrichtung einzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die Schwingungsanordnung für einen Inertialsensor und ein korrespondierender Inertialsensor mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10 haben den Vorteil, dass durch eine variable Veränderung der Federsteifigkeit mindestens eines Federelements die Resonanzfrequenz der Schwingungsanordnung variabel verändert werden kann. Durch eine geeignete Wahl des Gewichts und/oder des Designs einer Schwingmasse kann die Resonanzfrequenz der Schwingungsanordnung grob vorgegeben werden. Die variable Veränderung der Federsteifigkeit und die dadurch bewirkte variable Veränderung der Resonanzfrequenz ermöglicht im Falle einer für die Schwingmasse zu gefährlichen äußeren Vibration, die zu einer mechanischen Schädigung der Sensoranordnung führen kann, eine Erhöhung der Federsteifigkeit des mindestens einen Federelements. Eine solche gefährliche äußere Vibration kann beispielsweise durch eine Auswerte- und Steuereinheit erkannt werden, welche über eine Stellvorrichtung ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, welches Federsteifigkeit des mindestens einen Federelements erhöht. Dadurch verringert sich die Schwingungsamplitude der Schwingmasse und es stellt sich ein stabilerer Zustand des Systems ein. Zudem wird verhindert, dass die Schwingmasse mit benachbarten Komponenten kollidiert. Des Weiteren können durch die einstellbare Federsteifigkeit auch schwache Kollisionen zwischen der Schwingmasse und benachbarten Komponenten vermieden werden, welche eine Messgröße verfälschen können. Zudem kann es insbesondere bei Drehratesensoren im Falle einer äußeren Vibration, deren Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz der Schwingmasse liegt, zu Signalverfälschungen kommen, weil eine Signalverarbeitungseinheit die äußeren Vibrationen als eine Drehung erkennt. Dieser Effekt kann ebenfalls durch Variieren der Federsteifigkeit und somit der Resonanzfrequenz der Schwingungsanordnung erkannt und vermieden werden. Somit sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schwingungsanordnung für einen Inertialsensor weniger abhängig von äußeren Vibrationen als die aktuell verbreiteten mikromechanischen Inertialsensoren. Es werden zwar unterschiedliche vibrationsmindernde Designmaßnahmen, wie beispielsweise Sensorfederlagerung durchgeführt, welche aber nur die Resonanzfrequenzen von einem vermeintlich gefährlichen Frequenzspektrum weg verschieden. Die herkömmlichen Inertialsensoren selbst haben aber trotzdem eine Resonanzfrequenzabhängigkeit, wodurch die Signalverfälschung bzw. eine Schädigung der korrespondierenden Schwingungsanordnungen auftreten kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Schwingungsanordnung für einen Inertialsensor zur Verfügung, welche eine Schwingmasse und eine Messvorrichtung umfasst. Die Schwingmasse ist über mindestens ein Federelement schwingfähig mit mindestens einem Festlager gekoppelt. Die Messvorrichtung bestimmt eine Auslenkung der Schwingmasse als Messgröße, wobei mindestens eine Stellvorrichtung die Auslenkung der Schwingmasse beeinflusst. Hierbei erzeugt die mindestens eine Stellvorrichtung ein elektrisches Signal und stellt über das erzeugte elektrische Signal eine Federkonstante des mindestens einen Federelements und damit eine Resonanzfrequenz der Schwingungsanordnung ein.
Zudem wird ein Inertialsensor mit einer solchen Schwingungsanordnung vorgeschlagen. Der Inertialsensor kann beispielsweise als Beschleunigungssensor oder als Drehratensensor ausgeführt werden.
Unter der Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend ein elektrisches Gerät, wie beispielsweise ein Steuergerät, insbesondere ein Airbagsteuergerät, verstanden werden, welches erfasste Sensorsignale verarbeitet bzw. auswertet. Die Auswerte- und Steuereinheit kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Auswerte- und Steuereinheit beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung der Auswertung verwendet wird, wenn das Programm von der Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Schwingungsanordnung für einen Inertialsensor möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die mindestens eine Stellvorrichtung eine Spannungsquelle und einen Stellkondensator umfassen kann. Hierbei kann die Spannungsquelle eine Spannung als elektrisches Signal erzeugen und an den Stellkondensator ausgeben, welche eine Ladung des Stellkondensators bestimmen kann. So kann beispielsweise ein Ladevorgang des Stellkondensators die Federsteifigkeit erhöhen und ein Entladevorgang des Stellkondensators kann die Federsteifigkeit reduzieren.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Schwingungsanordnung kann das mindestens eine Federelement als Biegefeder oder als Torsionsfeder ausgeführt werden.
Dies ermöglicht eine kostengünstige und funktionssichere Umsetzung des mindestens einen Federelements.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Schwingungsanordnung kann die Messvorrichtung mindestens eine Messkapazität umfassen, welche sich zwischen mindestens einem Messfinger, welcher an der Schwingmasse angeordnet ist, und mindestens einem Referenzfinger einer korrespondierenden Referenzstruktur ausbilden kann. Hierbei kann eine Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Messfingers und dem mindestens einen Referenzfinger eine Kapazitätsänderung der mindestens einen Messkapazität bewirken.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können mehrere Messfinger mit mehreren Referenzfingern eine differenzielle Messstruktur mit mehreren Messkapazitäten ausbilden. So kann sich beispielsweise eine erste Messkapazität zwischen einer mit den Messfingern elektrisch verbundenen ersten Messelektrode und einer mit den Referenzfingern einer ersten Referenzstruktur verbundenen ersten Referenzelektrode ausbilden. Eine zweite Messkapazität kann sich zwischen einer mit den Messfingern elektrisch verbundenen zweiten Messelektrode und einer mit den Referenzfingern einer zweiten Referenzstruktur verbundenen zweiten Referenzelektrode ausbilden. Durch die Anwendung des Prinzips der Differentialkapazität können aus dem Stand der Technik bekannte und ausgereifte Auswerteverfahren eingesetzt werden, um die korrespondierende Beschleunigung bzw. Drehrate zu berechnen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Schwingungsanordnung kann die Schwingmasse zwischen zwei Federelementen eingespannt werden, welche jeweils als erste Biegebalken ausgeführt sind. Hierbei können die ersten Biegebalken an den Enden jeweils mit zweiten Biegebalken gekoppelt werden, welche jeweils zwischen zwei Festlagern eingespannt werden können. Die zweiten Biegebalken können jeweils eine Elektrode bzw. Platte eines korrespondierenden Stellkondensators ausbilden, so dass die Federsteifigkeit des ersten Biegebalkens einfach über die Ladung des Stellkondensators variiert werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schwingungsanordnung für einen als Beschleunigungssensor ausgebildeten Inertialsensor.

Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer Schwingungsanordnung 1 für einen Inertialsensor eine Schwingmasse SM, welche über mindestens ein Federelement F1, F2 schwingfähig mit mindestens einem Festlager 3 gekoppelt ist, und eine Messvorrichtung 20, welche eine Auslenkung der Schwingmasse SM als Messgröße bestimmt. Zudem beeinflusst mindestens eine Stellvorrichtung 10 die Auslenkung der Schwingmasse SM. Hierbei erzeugt die mindestens eine Stellvorrichtung 10 ein elektrisches Signal U und stellt über das erzeugte elektrische Signal U eine Federkonstante des mindestens einen Federelements F1, F2 und damit eine Resonanzfrequenz der Schwingungsanordnung 1 ein.
Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, umfasst die Messvorrichtung 20 im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Messkapazitäten C1, C2, welche sich zwischen mehreren Messfingern MF, welcher an der Schwingmasse SM angeordnet sind, und mehreren Referenzfingern RF einer korrespondierenden Referenzstruktur RS1, RS2 ausbildet. Somit bilden die Messfinger MF mit den Referenzfingern RF eine differenzielle Messstruktur mit zwei Messkapazitäten C1, C2 aus. Die Schwingmasse SM ist zwischen zwei Federelementen F1, F2 eingespannt, welche jeweils als erste Biegebalken ausgeführt sind, wobei die ersten Biegebalken an den Enden jeweils mit zweiten Biegebalken 16 gekoppelt sind, welche jeweils zwischen zwei Festlagern 3 eingespannt sind. Die Schwingmasse SM hat im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Bewegungsfreiheit in vertikaler Richtung, welche durch einen Richtungspfeil R bezeichnet ist. Die Schwingmasse SM schwingt auf den ersten Biegebalken des ersten und zweiten Federelements F1, F2. Die Schwingung und eine korrespondierende Relativbewegung zwischen den Messfingern MF und den Referenzfingern RF bewirkt eine Kapazitätsänderung der beiden Messkapazitäten C1, C2.
Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, bildet sich eine erste Messkapazität C1 zwischen einer mit den Messfingern MF elektrisch verbundenen ersten Messelektrode ME1 und einer mit den Referenzfingern RF einer ersten Referenzstruktur RS1 verbundenen ersten Referenzelektrode RE1 aus. Eine zweite Messkapazität C2 bildet sich zwischen einer mit den Messfingern MF elektrisch verbundenen zweiten Messelektrode ME2 und einer mit den Referenzfingern RF einer zweiten Referenzstruktur RS2 verbundenen zweiten Referenzelektrode RE2 aus. Die Beschleunigung a kann dann von einer nicht dargestellten Auswerte- und Steuereinheit unter Verwendung des Zusammenhangs (1) bestimmt werden. $a \approx \frac{c_{1} - c_{2}}{c_{1} + c_{2}}$
Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, weist die dargestellte Schwingungsanordnung 1 vier Stellvorrichtungen 10 auf, welche jeweils eine Spannungsquelle 12 und einen Stellkondensator CS mit zwei Elektroden 14, 16 umfassen. Hierbei bilden die zweiten Biegebalken 16 der beiden Federelemente F1, F2 jeweils eine Elektrode 16 bzw. Platte eines korrespondierenden Stellkondensators CS aus. Die Spannungsquellen 12 erzeugen jeweils eine Spannung als elektrisches Signal U und geben diese an den korrespondierenden Stellkondensator CS aus. Die ausgegebenen Spannungen bestimmen die jeweilige Ladung des korrespondierenden Stellkondensators CS. Hierbei kann ein Aufladevorgang bzw. ein Entladevorgang der vier Stellkondensatoren CS über eine Veränderung des elektrischen Signals bzw. der ausgegebenen Spannung variiert werden. Dabei erhöht ein Ladevorgang des Stellkondensators CS die Federsteifigkeit des zugehörigen Federelements F1, F2 und ein Entladevorgang des Stellkondensators CS reduziert die Federsteifigkeit des zugehörigen Federelements F1, F2. Diese Veränderung der Federsteifigkeit wird von der nicht näher dargestellten Auswerte- und Steuereinheit bei der Berechnung der gemessenen Beschleunigung berücksichtigt. Zudem kann diese Steifigkeitsveränderung der Federelemente F1, F2 in vorteilhafter Weise einen Langzeitoffsetdrift kompensieren.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schwingungsanordnung 1, welche für einen als Beschleunigungssensor ausgeführten Inertialsensor eingesetzt werden kann. Bei einem als Drehratensensor ausgeführten Inertialsensor kann ein ähnliches Prinzip angewendet werden. Bei einem Drehratensensor kann das mindestens eine Federelement F1, F2, welche die Schwingmasse SM schwingfähig mit mindestens einem Festlager koppelt, als Torsionsfeder ausgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10357870 B4 [0003]
DE 102011006399 A1 [0004]

Claims

Schwingungsanordnung (1) für einen Inertialsensor, mit einer Schwingmasse (SM), welche über mindestens ein Federelement (F1, F2) schwingfähig mit mindestens einem Festlager (3) gekoppelt ist, und einer Messvorrichtung (20), welche eine Auslenkung der Schwingmasse (SM) als Messgröße bestimmt, wobei mindestens eine Stellvorrichtung (10) die Auslenkung der Schwingmasse (SM) beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stellvorrichtung (10) ein elektrisches Signal (U) erzeugt und über das erzeugte elektrische Signal (U) eine Federkonstante des mindestens einen Federelements (F1, F2) und damit eine Resonanzfrequenz der Schwingungsanordnung (1) einstellt.
Schwingungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stellvorrichtung (10) eine Spannungsquelle (12) und einen Stellkondensator (CS) umfasst, wobei die Spannungsquelle (12) eine Spannung als elektrisches Signal (U) erzeugt und an den Stellkondensator (CS) ausgibt, welche eine Ladung des Stellkondensators (CS) bestimmt.
Schwingungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladevorgang des Stellkondensators (CS) die Federsteifigkeit erhöht und ein Entladevorgang des Stellkondensators (CS) die Federsteifigkeit reduziert.
Schwingungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Federelement (F1, F2) als Biegefeder oder als Torsionsfeder ausgeführt ist.
Schwingungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (20) mindestens eine Messkapazität (C1, C2) umfasst, welche sich zwischen mindestens einem Messfinger (MF), welcher an der Schwingmasse (SM) angeordnet ist, und mindestens einem Referenzfinger (RF) einer korrespondierenden Referenzstruktur (RS1, RS2) ausbildet, wobei eine Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Messfingers (MF) und dem mindestens einen Referenzfinger (RF) eine Kapazitätsänderung der mindestens einen Messkapazität (C1, C2) bewirkt.
Schwingungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messfinger (MF) mit mehreren Referenzfingern (RF) eine differenzielle Messstruktur mit mehreren Messkapazitäten (C1, C2) ausbilden.
Schwingungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine erste Messkapazität (C1) zwischen einer mit den Messfingern (MF) elektrisch verbundenen ersten Messelektrode (ME1) und einer mit den Referenzfingern (RF) einer ersten Referenzstruktur (RS1) verbundenen ersten Referenzelektrode (RE1) ausbildet, und sich eine zweite Messkapazität (C2) zwischen einer mit den Messfingern (MF) elektrisch verbundenen zweiten Messelektrode (ME2) und einer mit den Referenzfingern (RF) einer zweiten Referenzstruktur (RS2) verbundenen zweiten Referenzelektrode (RE2) ausbildet.
Schwingungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse (SM) zwischen zwei Federelementen (F1, F2) eingespannt ist, welche jeweils als erste Biegebalken ausgeführt sind, wobei die ersten Biegebalken an den Enden jeweils mit zweiten Biegebalken (16) gekoppelt sind, welche jeweils zwischen zwei Festlagern (3) eingespannt sind.
Schwingungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Biegebalken (16) jeweils eine Elektrode (16) eines korrespondierenden Stellkondensators (CS) ausbilden.
Inertialsensor, gekennzeichnet durch eine Schwingungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.