ES2333890T3 - Sensor de velocidad angular. - Google Patents

Abstract

Sensor de velocidad angular con un sustrato, como mínimo un elemento base (1), que comprende un marco (2), una suspensión (7) del marco (2) en el sustrato, como mínimo una unidad de oscilación (3) y una suspensión (4, 5) de la unidad de oscilación (3) en el marco (2), un medio de accionamiento (8) y una unidad de lectura (9, 10), estando dispuesto el medio de accionamiento (8) de tal forma que influya en el marco (2) del elemento base (1, 11, 12, 13, 14), presentando el sensor de velocidad angular dos elementos base (1) conectados entre sí mediante una unidad de acoplamiento (6), estando orientados los elementos base (1) cada uno hacia el otro mediante un giro de 180º y pudiendo ponerlos en oscilación en oposición de fase y presentando una frecuencia de resonancia en común, estando dispuesta la unidad de oscilación (3) como masa sísmica en forma de remo, caracterizado porque el eje de rotación del remo está en paralelo a la dirección de accionamiento (y).

Description

Sensor de velocidad angular.

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La presente invención se refiere a un sensor de velocidad angular según el preámbulo de la reivindicación 1.

Habitualmente, para determinar la velocidad angular de un objeto alrededor de un eje, se utilizan sensores de velocidad angular. Si se fabrica el sensor de velocidad angular micromecánicamente a base de sustrato de silicio, se obtiene la ventaja de que éste puede fabricarse con unas dimensiones muy reducidas a unos costes relativamente bajos, en comparación con un giroscopio de alta precisión. Además, ofrece otras ventajas adicionales como una incertidumbre de medida relativamente baja y un consumo de energía reducido durante el funcionamiento. Una importante aplicación de los sensores de velocidad angular se encuentra en la industria automovilística como, por ejemplo, en sistemas de control de la dinámica de vehículos como el programa de estabilidad electrónico (ESP). Para ello funcionan en conjunto un sistema de antibloqueo, una distribución automática de la fuerza de frenado, un sistema de control de tracción (ASR) y una regulación del momento de guiñada de tal manera que se consigue una estabilización transversal y longitudinal del vehículo mediante el frenado controlado de ruedas individuales. De esta manera es posible evitar que el vehículo gire alrededor de su propio eje perpendicular. Otro campo de aplicación de los sensores de velocidad angular se encuentra en la denominada detección para sistemas antivuelco de vehículos en combinación con unidades de control de airbags y sistemas de sujeción para los ocupantes del vehículo. Pero también se emplean sensores de velocidad angular con fines de navegación, así como para la determinación de la ubicación y del estado de movimiento de vehículos de todo tipo. Adicionalmente, también se los utiliza, por ejemplo, para estabilizadores de imágenes para cámaras de vídeo, la regulación de la dinámica de satélites al ser expuestos en la órbita terrestre o en la aviación civil para sistemas de control de posición de seguridad.

Los sensores de velocidad angular de fabricación micromecánica presentan generalmente una unidad de oscilación que comienza a oscilar a través de un accionamiento. Si la unidad de oscilación se mueve dentro de un sistema de rotación de manera radial hacia el interior o exterior, su velocidad orbital se ve modificada. De esta manera la unidad experimenta una aceleración tangencial provocada por la fuerza de Coriolis. Se puede detectar la reacción de la unidad de oscilación a la rotación, por ejemplo, mediante otra unidad de oscilación adicional u otras unidades de lectura.

Por la patente alemana DE 196 41 284 C1 se conoce un sensor de velocidad angular que presenta una estructura desacoplada de accionamiento y lectura, dispuesta en forma de una unidad con resorte, de una primera y otra segunda unidad de oscilación. Esta y otras configuraciones de sensores parecidas, conocidas a día de hoy por la tecnología y que se basan en la fuerza de Coriolis, tienen la desventaja que, debido al desacoplamiento necesario para ello, se genera una masa pasiva inercial, la que a su vez reduce la sensibilidad de medición, ya que la fuerza de Coriolis no puede influir en esta masa pasiva.

La publicación internacional WO 03/104823 A1 presenta un acelerómetro monolítico de varios ejes con hasta cuatro masas sísmicas que están dispuestas en forma de remos y que están suspendidas en un marco a través de unos resortes de torsión. Mediante este sensor pueden medirse aceleraciones en dirección de los ejes principales de sensibilidad respectivos; sin embargo, no pueden medirse tasas de giro.

Por la US 2004/0035204 A1 se conoce un sensor de velocidad angular con las características del preámbulo de la reivindicación 1. Debido a la distribución de los elementos base son necesarios resortes de torsión con una elevada rigidez para la suspensión de las masas sísmicas en el marco abierto. Esto resulta en una sensibilidad de medición relativamente reducida de un sensor de velocidad angular de este tipo.

El objeto de la presente invención es maximizar la sensibilidad del sensor de velocidad angular a las fuerzas de Coriolis que actúan sobre él. Se pretende especialmente crear unas estructuras de accionamiento y lectura lo más independientes posible.

Este objetivo se alcanza de acuerdo con la invención mediante un sensor de velocidad angular con las características de la reivindicación 1.

De esta manera todas las estructuras móviles son puestas en oscilación en la dirección de accionamiento, entre ellas también las unidades de oscilación sensibles a las fuerzas de Coriolis, aunque éstas últimas disponen de un margen adicional para una mayor movilidad. De esta forma ya no existen masas inerciales o pasivas que disminuyan la sensibilidad del sensor de velocidad angular, dado que la fuerza de Coriolis no puede influir en las masas inerciales o pasivas.

El marco del elemento base está concebido preferiblemente de tal manera que sea móvil prácticamente sólo en un plano generado por el sustrato. Es decir, en la dirección perpendicular, el marco es prácticamente rígido. La unidad de oscilación se na dispuesto de tal forma que efectúa preferiblemente un movimiento perpendicular al movimiento de accionamiento. Seleccionado las suspensiones adecuadas de la unidad de oscilación, el movimiento de accionamiento prácticamente no puede generar movimientos a lo largo de su grado de libertad. Asimismo, la unidad de oscilación tampoco puede perturbar el movimiento de accionamiento con sus movimientos. Con otras palabras, el movimiento detector de la unidad de oscilación está desacoplado del movimiento de accionamiento del marco. Esta es la forma preferida de ejecución de la presente invención. También resulta ventajosa la dirección de sensibilidad de la unidad de lectura prácticamente perpendicular al sentido de acción del medio de accionamiento.

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Cada elemento base presenta principalmente un medio de accionamiento individual, por lo que puede accionarse o ponerse en oscilación cada elemento base de manera independiente de otros elementos base.

El medio de accionamiento está preferiblemente dispuesto en forma de un peine de accionamiento con una excitación capacitiva. Sin embargo, también es posible realizar la excitación o el accionamiento de manera eléctrica, térmica, magnética, piezoeléctrica o de alguna otra forma.

La unidad de oscilación está dispuesta como masa sísmica, en forma de remo. Para la suspensión de la unidad de oscilación en el marco y para la suspensión del marco en el sustrato están previstos preferiblemente resortes. La suspensión de la unidad de oscilación está realizada preferiblemente a través de resortes dispuestos en forma de barras de torsión o flexión.

Una ventaja importante supone que las frecuencias (de resonancia) del marco y de la unidad de oscilación son ajustables de manera independiente mediante los resortes, ya que los resortes son independientes entre sí y prácticamente no se influyen mutuamente.

El sensor de velocidad angular presenta dos elementos base que están unidos entre sí mediante una unidad de acoplamiento. El acoplamiento está concebido preferiblemente de tal manera que los movimientos de los elementos base se influyan sólo muy poco entre sí. Los elementos bases están orientados cada uno hacia el otro mediante un giro de 180º de tal manera que se les puede poner en oscilación en oposición de fase, por lo que el centro de gravedad entero del sistema permanece inmóvil. A través del acoplamiento, los elementos base pueden presentar así una frecuencia de resonancia en común.

Otra ventaja importante supone que existen, como mínimo, dos unidades de lectura, por lo que se pueden sensorizar o detectar dos movimientos giratorios en diferentes direcciones. Así, una unidad de lectura registra principalmente movimientos del marco en el plano generado por el sustrato y perpendicular al sentido de acción del medio de accionamiento y la otra unidad de lectura detecta movimientos de la unidad de oscilación perpendicular al plano generado por el sustrato.

En una variante de la presente invención también pueden estar previstos cada uno de los marcos o elementos base de dos unidades de lectura orientadas cada una hacia la otra mediante un giro de 180º.

En la descripción indicada a continuación se explicarán más detalladamente las características y detalles de la invención a base de ejemplos de ejecución y haciendo referencia a los dibujos adjuntos. Las características y relaciones en conjunto descritas para variantes individuales generalmente se pueden aplicar a todos los ejemplos de ejecución. En los dibujos se muestran:

Fig. 1 primeros ejemplos de ejecución de la invención en vista esquemática con un elemento base respectivamente que presenta una (Fig. 1a y 1b) o dos (Fig. 1c) unidades de oscilación,

Fig. 2 una vista esquemática de una parte de un sensor de velocidad angular de acuerdo con la invención con dos elementos base acoplados según otro ejemplo de disposición de acuerdo con la invención,

Fig. 3 un tercer ejemplo de ejecución en vista esquemática de la presente invención con dos elementos base acoplados y

Fig. 4 una vista esquemática de una unidad de lectura que actúa de manera capacitiva.

En la Fig. 1, que a su vez contiene las tres figuras individuales de Fig. la hasta 1c, se muestran diferentes formas de ejecución de elementos base 1, que se pueden utilizar en la presente invención. Un sensor de velocidad angular de fabricación micromecánica habitualmente comprende varios componentes. Un sustrato no mostrado en las figuras, aquí se puede tratar, por ejemplo, de una oblea de silicio, presenta en particular una superficie plana.

En o dentro del sustrato esta dispuesto, como mínimo, un elemento base 1 que comprende una o varias unidades de oscilación 3. De acuerdo con la presente invención, las unidades de oscilación están dispuestas en forma de masas sísmicas 3 que están suspendidas en un marco 2. Esta suspensión se puede realizar, por ejemplo, mediante barras de torsión 5 o barras de flexión 4. Barras de flexión 4 tienen una característica de elasticidad lineal, sin embargo, es preferible fijar las masas sísmicas de los sensores de velocidad angular de acuerdo con la invención a través de barras de torsión 5 en el marco 2. Según la Fig. 1c, el elemento base 1 puede presentar una o varias masas sísmicas 3, por ejemplo, dos remos 3 con la suspensión 5 en el lado opuesto.

La suspensión 4, 5 sólo permite un movimiento del centro de gravedad de la masa sísmica 3 en la dirección Z perpendicular al plano del marco 2. El plano del marco 2 está en paralelo al sustrato o al plano generado por el sustrato (plano x/y).

Tal y como se puede observar en la Fig. 1c, el elemento base 1 está fijado en el sustrato no mostrado a través de una o varias suspensiones adicionales 7. La suspensión 7 está dispuesta preferiblemente en forma de resortes. Estos permiten un movimiento del elemento base 1 en dirección Y de un primer eje (eje Y) en paralelo al sustrato.

En este ejemplo de ejecución, los resortes 7 son prácticamente rígidos en las direcciones X, Z perpendicular al primer eje (eje Y). Pero, tal y como se describe más adelante en otros ejemplos de ejecución, también es posible que la suspensión 7 sólo sea rígida en una dirección Z. Según la forma preferida de ejecución de la presente invención, el marco 2 del elemento base 1 en todo caso sólo se puede mover en el plano generado por el sustrato (plano x/y).

Adicionalmente, el sensor de velocidad angular presenta por lo menos una excitación o un medio de accionamiento que no se muestra en las Fig. la hasta 1c. El medio de accionamiento es un dispositivo que puede poner el elemento base 1 en oscilación a lo largo del primer eje (eje Y). Esto se puede realizar, por ejemplo, de manera eléctrica, térmica, magnética, piezoeléctrica o de alguna otra forma.

Finalmente, el sensor de velocidad angular comprende además, como mínimo, una unidad de lectura (no se muestra en las Fig. la hasta 1c). Se trata de un dispositivo que mide una elongación de la unidad de oscilación o de la masa sísmica 3 perpendicular al plano (plano X/Y) del marco 2, es decir, en dirección Z. La unidad de lectura se puede basar, por ejemplo, en un principio de medición capacitivo, piezorresistente, magnético, piezoeléctrico u óptico.

El principio de funcionamiento general del sensor de velocidad angular se describe brevemente a continuación. El elemento base 1 o el marco 2 es puesto en oscilación periódicamente a lo largo del primer eje (eje Y). Con un movimiento giratorio de la unidad de oscilación o de la masa sísmica 3 alrededor del segundo eje (eje X, en el plano del sustrato y perpendicular al primer eje) surge una fuerza de Coriolis perpendicular al primer y segundo eje, es decir, en dirección Z del tercer eje. La fuerza de Coriolis influye tanto en el marco 2 como también en la masa sísmica o la unidad de oscilación 3 suspendida ahí. Sin embargo, el marco 2 está rígido en la dirección Z, por lo que sólo se elonga la masa sísmica 3 a lo largo de este eje. Esta elongación se detecta mediante la unidad de detección o lectura y es una medida para la velocidad de rotación surgida.

En relación a la Fig. 2 y explicado con otras palabras, se excita a un marco prácticamente rígido 2 en la dirección Y del medio de accionamiento 8 y es preferiblemente sólo móvil en esta dirección Y. Este movimiento es transferido a la masa sísmica 3, que está suspendida de manera blanda sólo en la dirección de lectura Z (perpendicular a la dirección de excitación Y). De esta manera la masa sísmica 3 permanece prácticamente inmóvil durante el movimiento de accionamiento puro. La fuerza de Coriolis sólo mueve la masa sísmica 3, el marco movido 2 es prácticamente rígido en esta dirección. El movimiento de accionamiento prácticamente no se ve perturbado por esto. El movimiento de accionamiento en sentido contrario no influye prácticamente en la lectura de señales de la unidad de lectura (no se muestra en la Fig. 2), es decir, en un principio el movimiento de lectura no tiene ninguna retroacción para el movimiento de accionamiento.

La excitación se realiza preferiblemente mediante estructuras de peine capacitivas (Fig. 2) como medio de accionamiento 8, pero también se podría realizar, por ejemplo, mediante piezorresistencias en la suspensión de la masa sísmica 3 (no se muestra), por lo que se mediría entonces la tensión en la suspensión 5 en el caso de producirse una elongación. La lectura se realiza, por ejemplo, de manera capacitiva mediante contraelectrodos distribuidos a una distancia definida de la masa sísmica 3.

El medio de accionamiento 8 influye de manera directa o indirecta en el marco 2 del elemento base 1 o se pone el elemento base completo 1 en oscilación a través del marco 2. De esta manera todas las estructuras móviles en dirección de accionamiento y son puestas en oscilación, entre ellas también las unidades de oscilación sensibles a las fuerzas de Coriolis, sin embargo, éstas últimas disponen de un margen adicional para una mayor movilidad. De esta forma ya no existen masas inerciales o pasivas que disminuyan la sensibilidad del sensor de velocidad angular, dado que la fuerza de Coriolis no puede influir en masas inerciales o pasivas.

La Fig. 2 muestra un ejemplo de ejecución de un sensor de velocidad angular de acuerdo con la invención con dos elementos base 1 acoplados, girados 180º con dos masas sísmicas 3 respectivamente, que son puestos en oscilación en oposición de fase. Esto supone la siguiente ventaja. Debido a la oscilación en oposición de fase de los dos elementos base 1 distribuidos simétricamente, el centro de gravedad entero del sistema permanece inmóvil, ninguna energía influye en la estructura del chip en el caso óptimo. Aceleraciones lineales (por ejemplo, vibraciones) en dirección del eje Z se pueden eliminar mediante un análisis diferencial de señales. Vibraciones en dirección X no tienen ninguna influencia en el funcionamiento del sensor de velocidad angular debido a la elevada rigidez de la suspensión utilizada. Una unidad de acoplamiento 6 entre los elementos base 1 requiere obligatoriamente una frecuencia de resonancia en común de ambos elementos base 1 para obtener movimientos en oposición de fase en dirección Y.

En particular, cada elemento base puede presentar un medio de accionamiento 8 individual, por lo que se puede accionar o poner en oscilación cada elemento base de manera independiente de otros elementos base.

En la Fig. 3 se muestra como otro ejemplo de ejecución adicional de la presente invención un sensor de velocidad angular X/Y de varios ejes. En base al sensor de velocidad angular de un sólo eje descrito en la Fig. 2, se puede realizar mediante este ejemplo de ejecución un sensor de velocidad angular con dos ejes con las direcciones de sensibilidad X y Z. Aquí están suspendidos dos elementos base 1 con un sistema de suspensiones 7 dispuestas en forma de resortes de tal manera, que así resultan móviles tanto en dirección Y como en dirección X. Los elementos base 1 son puestos en una oscilación en oposición de fase a lo largo de la dirección Y a través de medios de accionamiento 8 dispuestos en forma de estructuras capacitivas o peines de accionamiento.

El sensor X funciona de la siguiente manera. Al surgir una velocidad angular en dirección X se aplica una fuerza en dirección Z sobre las masas sísmicas o los remos 3 suspendidos de manera móvil en el elemento base 1. La inclinación que surge alrededor de la suspensión o la barra de torsión 5 se detecta como una modificación de capacidad mediante una unidad de lectura no mostrada en la Fig. 3 que puede estar dispuesta, por ejemplo, en forma de electrodos ubicados en la parte superior.

En la Fig. 4 se muestra a modo de ejemplo una unidad de lectura 10 de este tipo, que puede registrar el movimiento de la masa sísmica 3 mediante modificaciones de capacidad \Deltac. Además, existe un contraelectrodo fijado en el sustrato.

De vuelta con la Fig. 3, según la que el sensor Z trabaja de la siguiente manera. Una velocidad angular en dirección Z provoca una desviación del elemento base 1 en dirección X.

Esta desviación se detecta mediante una unidad de lectura 9 dispuesta en forma de estructuras de peine capacitivas. Se da una distribución especialmente ventajosa, si se fijan en cada elemento base 1 dos unidades de lectura 9 orientadas por un giro de 180º. De esta manera puede evaluarse la señal diferencial de cada elemento base 1.

La ventaja particular de la forma de ejecución de acuerdo con la invención según la Fig. 3 consiste en lo siguiente. Mediante la distribución mostrada se puede medir simultáneamente una tasa de giro en dirección X y una tasa de giro en dirección Z. Las unidades de lectura 9, 10 en estos dos ejes están prácticamente desacopladas. Mediante la aplicación de principios de lectura diferenciales se pueden prácticamente suprimir o compensar aceleraciones lineales a lo largo del eje X o Z. La disposición de dos ejes del sensor de velocidad angular de acuerdo con la invención también es posible con unas dimensiones relativamente reducidas, ya que se pueden utilizar para ambos ejes de detección o direcciones de sensibilidad U, W de las unidades de lectura 9, 10 los mismos elementos base 1.

En todos los ejemplos de ejecución, las suspensiones o resortes 4, 5, 7, que determinan la frecuencia de resonancia del movimiento del marco 2 y del movimiento de lectura de la masa sísmica o de la unidad de oscilación 3, pueden estar dispuestas prácticamente independientes entre sí. Una ventaja especial también supone que de esta manera se pueden ajustar las frecuencias de forma independiente entre sí.

En los ejemplos de ejecución también se pueden elegir las suspensiones 4, 5, 7 de las masas sísmicas 3 y el marco 2 preferiblemente de tal manera, que existe un acoplamiento reducido del movimiento de la masa sísmica o de la unidad de oscilación 3 dentro del primer elemento base 1 a la unidad de oscilación 3 dentro del segundo elemento base 1. De esta manera, los movimientos de ambas masas sísmicas 3 no son completamente independientes entre sí, por lo que se ajustan dos frecuencias de resonancia en común de ambos elementos base. En un modo de trabajo, excitado por fuerzas de Coriolis actuantes, las masas sísmicas 3 de los elementos base 1 oscilan entre sí desfasados mediante un giro de 180º. Un modo parásito, que representa la oscilación en fase (0º desfase) de las masas sísmicas o de las unidades de oscilación 3, se encuentra en otra banda de frecuencias y se puede eliminar mediante un filtrado adecuado. De esta manera se pueden suprimir señales provocadas por asimetrías reducidas entre los elementos base 1 acoplados de esta forma.

Índice de referencias

1

Elemento base

2

Marco

3

Unidad de oscilación o masa sísmica

4

Suspensión o barra de flexión

5

Suspensión o barra de torsión

6

Unidad de acoplamiento

7

Suspensión del marco en el sustrato

8

Medio de accionamiento

9

Unidad de lectura

10

Unidad de lectura

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\Deltac

Modificación de capacidad

U

Dirección de sensibilidad de una unidad de lectura

V

Sentido de acción del medio de accionamiento

W

Dirección de sensibilidad de una unidad de lectura

X

Dirección (plano del sustrato)

Y

Dirección (plano del sustrato)

Z

Dirección (perpendicular al plano del sustrato)

Claims (10)

1. Sensor de velocidad angular con un sustrato, como mínimo un elemento base (1), que comprende un marco (2), una suspensión (7) del marco (2) en el sustrato, como mínimo una unidad de oscilación (3) y una suspensión (4, 5) de la unidad de oscilación (3) en el marco (2), un medio de accionamiento (8) y una unidad de lectura (9, 10), estando dispuesto el medio de accionamiento (8) de tal forma que influya en el marco (2) del elemento base (1, 11, 12, 13, 14), presentando el sensor de velocidad angular dos elementos base (1) conectados entre sí mediante una unidad de acoplamiento (6), estando orientados los elementos base (1) cada uno hacia el otro mediante un giro de 180º y pudiendo ponerlos en oscilación en oposición de fase y presentando una frecuencia de resonancia en común, estando dispuesta la unidad de oscilación (3) como masa sísmica en forma de remo, caracterizado porque el eje de rotación del remo está en paralelo a la dirección de accionamiento (y).

2. Sensor de velocidad angular según la reivindicación 1, caracterizado porque el marco (2) del elemento base (1) es prácticamente móvil sólo en un plano generado por el sustrato (plano X/Y).

3. Sensor de velocidad angular según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada elemento base (1) presenta un medio de accionamiento (8) individual.

4. Sensor de velocidad angular según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el medio de accionamiento (8) está dispuesto en forma de peine de accionamiento con una excitación capacitiva.

5. Sensor de velocidad angular según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una dirección de sensibilidad (U, W) de la unidad de lectura (9, 10) es prácticamente perpendicular al sentido de acción (V) del medio de accionamiento (8).

6. Sensor de velocidad angular según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la suspensión (4, 5) de la unidad de oscilación (3) y la suspensión (7) del marco (2) están dispuestas en forma de resortes.

7. Sensor de velocidad angular según la reivindicación 6, caracterizado porque las frecuencias de resonancia del marco (2) y la unidad de oscilación (3) son ajustables mediante los resortes (4, 5, 7) de forma independiente entre sí.

8. Sensor de velocidad angular según la reivindicación 1, caracterizado porque en el sensor de velocidad angular están previstas, como mínimo, dos unidades de lectura (9, 10).

9. Sensor de velocidad angular según la reivindicación 8, caracterizado porque una unidad de lectura (9) detecta movimientos (U) del marco (2) en el plano generado por el sustrato y perpendicular al sentido de acción (V) del medio de accionamiento (8) y la otra unidad de lectura (10) detecta movimientos (W) de la unidad de oscilación (3) perpendicular al plano generado por el sustrato.

10. Sensor de velocidad angular según una de las reivindicaciones 8 ó 9, caracterizado porque en cada marco (2) están previstas dos unidades de lectura (9) orientadas cada una hacia la otra mediante un giro de 180º.