FR2957145A1

FR2957145A1 - Montage d'electrodes de capteur de vitesse de rotation ainsi que capteur equipe et procede de determination d'une vitesse de rotation

Info

Publication number: FR2957145A1
Application number: FR1151805A
Authority: FR
Inventors: Torsten Ohms; Daniel Christoph Meisel; Joerg Hauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2011-09-09
Anticipated expiration: 2031-03-07
Also published as: DE102010002657A1; CN102192733B; CN102192733A; FR2957145B1

Abstract

Montage d'électrodes de capteur de vitesse de rotation comportant un montage oscillant ayant au moins une électrode excitée pour osciller dans un plan prédéfini par le montage d'électrodes et/ou perpendiculaire à ce plan, le montage d'électrodes ayant au moins une contre électrode fixe pour la saisie capacitive du débattement une partie du dispositif oscillant comportant l'électrode, transversalement au plan. Le montage comporte plusieurs électrodes fixes (18, 19) et au moins une contre-électrode (18) sur un côté du plan (15) et au moins une autre contre-électrode (19) sur l'autre côté du plan (15) pour former une paire d'électrodes (16, 17) suivant une disposition pratiquement symétrique plane.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à montage d'électrodes pour un capteur de vitesse de rotation comportant un montage oscillant ayant au moins une électrode qui peut être excitée pour osciller dans un plan prédéfini par le montage d'électrodes et/ou perpendiculairement à ce plan, le montage d'électrodes ayant au moins une contre électrode fixe pour la saisie capacitive du débattement d'une partie du dispositif oscillant comportant l'électrode, transversalement au plan.

L'invention se rapporte également à un capteur de vitesse de rotation avec un montage d'électrodes ainsi qu'un procédé pour déterminer la vitesse de rotation à l'aide d'un montage d'électrodes ayant au moins un montage oscillant comportant au moins une électrode excitée pour se déplacer dans un plan d'un système de référence du montage d'électrodes et d'au moins une contre-électrode fixe dans le système de référence pour la saisie capacitive du débattement d'au moins une partie du montage oscillant comportant l'électrode, transversalement au plan. Etat de la technique Les montages d'électrodes notamment ceux de capteurs de vitesse de rotation sont connus ; il s'agit par exemple de montage d'électrodes ayant des structures constituées par des éléments massiques susceptibles d'osciller dans un plan. Ces structures sont soumises à un mouvement linéaire périodique dans le plan, par des installations d'entraînement. Si sous l'effet d'un mouvement de rotation une accélération de Coriolis agit sur la structure qui oscille dans le plan, cette structure sera déviée transversalement au plan. Le débattement engendré est saisi de manière capacitive pour être exploité. Le document WO 97/02467 décrit un capteur de vitesse de rotation dans lequel on saisit un débattement perpendiculaire au plan à l'aide de contre-électrodes. Ces contre-électrodes réalisées sous la forme d'électrodes de détection sont installées sous la structure oscillante.

2 But de l'invention La présente invention a pour but de développer un montage d'électrodes pour un capteur de vitesse de rotation ainsi qu'un capteur de vitesse de rotation et un procédé pour déterminer la vitesse de rotation, permettant de mieux utiliser la surface de base du montage des électrodes et d'augmenter la précision de la mesure. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention a pour objet un montage d'électrodes du type défini ci-dessus caractérisé en ce que il comporte plusieurs contre-électrodes fixes - au moins une contre-électrode étant prévue sur un côté du plan et au moins une autre contre-électrode, sur l'autre côté du plan pour former au moins une paire d'électrodes suivant une disposition pratiquement symétrique plane.

Le montage d'électrodes selon l'invention a l'avantage que la mise en place des contre-électrodes sur les deux faces permet d'avoir une capacité de mesure double pour un même encombrement en surface par comparaison avec un montage sur une seule face. Le montage de mesure selon l'invention repose sur l'idée d'utiliser de manière optimale la surface du montage oscillant et de doubler la capacité de mesure pour un même encombrement en surface. Cela se fait grâce au montage de contre-électrodes fixes sur deux côtés, et ces montages forment un montage d'électrodes avec une électrode excitée pour osciller. Le montage des contre-électrodes sur les deux côtés, double la capacité de détection pour un même encombrement en surface. Ce montage d'électrodes peut servir à la fois pour des électrodes de détection et aussi pour des électrodes de régulation de position en retour ou encore des électrodes d'entraînement ou autres électrodes de compensation (par exemple des électrodes de compensation en quadrature). Le montage sur un côté des contre-électrodes fixes dans le cas d'électrodes de régulation de position en retour permet à la force électrostative assurant la régulation de position en retour seulement d'un côté sur le capteur ce qui se traduit par une asymétrie et une réduction de la capacité de régulation. Grâce au montage des éléments

3 massiques selon l'invention avec des contre-électrodes installées sur les deux faces on évite ces difficultés et on augmente la plage de commande. Le montage d'électrodes peut également se transposer et s'utiliser comme montage avec des électrodes d'entraînement, qui régule l'entraînement hors du plan et le long du plan. Dans le cas d'un montage sur une face des contre-électrodes fixes pour des électrodes d'entraînement, on a également une asymétrie gênante et qui présente un plus grand encombrement en surface. Le montage des contre- électrodes sur les deux faces permet d'éviter ces inconvénients et d'augmenter en outre l'efficacité de l'entraînement. Les contre-électrodes du montage d'électrodes sont fixes sur un côté (montage fixe) et forment avec une paire d'électrodes d'autres contre-électrodes fixes (montage fixe) sur l'autre côté du plan.

Les expressions « fixe » ou « montage fixe » signifient une position fixe dans le montage des électrodes. L'invention a également pour objet un capteur de vitesse de rotation équipé d'un montage d'électrodes comme défini ci-dessus et ayant un montage oscillant avec au moins une électrode excitée pour osciller dans un plan prédéfini par le montage d'électrodes et/ou perpendiculairement à ce plan. Selon un développement avantageux de l'invention on utilise au moins deux paires d'électrodes. Ces paires d'électrodes sont associées respectivement en opposition de phase à des segments à dévier du montage oscillant. Chaque fois une contre-électrode de la paire d'électrodes est court-circuitée avec une autre contre-électrode d'une autre paire d'électrodes sur l'autre côté du plan ce qui crée un montage différentiel pour les capacités augmentant d'autant la précision de la mesure.

De façon avantageuse, le montage oscillant se compose d'au moins deux segments qui peuvent par exemple être mis en oscillation par une installation d'entraînement. Les deux segments sont de préférence de construction pratiquement symétrique et installés pratiquement sur un montage symétrique. Pour exciter le montage oscillant on peut par exemple utiliser un entraînement électrostatique à

4 peignes. Les deux segments du dispositif oscillant sont de préférence des éléments massiques susceptibles d'osciller et qui sont installés en opposition de phase l'un par rapport à l'autre pour osciller. L'oscillation en opposition de phase peut être une oscillation en translation ou une oscillation en rotation. Les perturbations liées aux accélérations transversales agissant sur les deux segments dans la même direction pourront être facilement éliminées. Un montage différentiel, élimine automatiquement ces perturbations. Il est également avantageux que les éléments massiques io susceptibles d'osciller soient reliés entre eux et qu'ils soient reliés par d'autres éléments à ressort au montage de mesure, aux points d'ancrage. Il est avantageux que les contre-électrodes possèdent des surfaces d'électrodes alignées sur des éléments massiques susceptibles 15 d'osciller, et plus petites que la surface correspondante des éléments massiques associés, susceptibles d'osciller. Ainsi à tout instant du mouvement des éléments massiques oscillants, les contre-électrodes resteront au niveau des contre-électrodes associées. Le capteur de vitesse de rotation selon un mode de 20 réalisation préférentiel de l'invention comporte une installation de détermination pour déterminer une vitesse de rotation. La vitesse de rotation s'obtient à partir de la différence mesurée des capacités d'au moins une électrode du montage oscillant et des contre-électrodes de la paire d'électrodes associée et d'au moins un paramètre d'oscillation. Ce 25 paramètre d'oscillation est notamment une position dépendant du temps d'un point de référence du montage oscillant. Le paramètre d'oscillation est déterminé de préférence à l'aide d'un dispositif de capteurs. Ce dispositif de capteurs peut être par exemple un peigne électrostatique et les éléments massiques susceptibles d'osciller peuvent 30 également avoir un peigne mobile et former un peigne fixe sur le substrat constituant un condensateur. L'oscillation peut ainsi se saisir dans le plan prédéfini. L'invention a également pour objet un procédé de détermination de la vitesse de rotation du type défini ci-dessus, ce 35 procédé étant caractérisé en ce que plusieurs contre-électrodes installées de part et d'autre du plan, par paire, avec pratiquement une symétrie plane et on détermine le débattement en mesurant une différence des capacités d'au moins une électrode et de la contre-électrode de la paire d'électrodes. 5 L'électrode est excitée pour bouger dans un plan d'un système de référence du montage d'électrodes et le montage d'électrodes saisit de manière capacitive avec au moins une contre-électrode fixe dans le système de référence, un débattement au moins du segment du montage oscillant comportant l'électrode, transversalement au plan.

Plusieurs contre-électrodes sont prévues par paire de part et d'autre du plan selon un montage avec pratiquement une symétrie plane et le débattement est fourni par une mesure des différences de capacités. Vis-à-vis d'une mesure de capacités à l'aide de simples paires électrodes/contre-électrodes a l'avantage d'offrir une capacité de mesure double par comparaison à l'encombrement en surface. Selon un développement avantageux de l'invention, la vitesse de rotation se détermine à partir de la différence des capacités mesurées et d'au moins un paramètre d'oscillation, obtenu. La contre-électrode ci-dessus peut être réalisée par un capuchon 20 structuré mis en place a posteriori ou par le dépôt d'une autre couche au cours de l'application du procédé. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un capteur de vitesse de rotation représenté 25 schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue de dessus d'un capteur de vitesse de rotation avec un montage d'électrodes, - la figure 2 est une vue de côté du montage des électrodes du capteur de vitesse de rotation de la figure 1. 30 Description du mode de réalisation de l'invention La figure 1 montre schématiquement et à titre d'exemple un mode de réalisation d'un montage d'électrodes 1 selon la présente invention. Le montage d'électrodes 1 de cet exemple est installé dans un capteur de vitesse de rotation 2 dont il fait partie.

6 Le capteur de vitesse de rotation 2 comporte un montage oscillant 3 formé de deux parties 4, 5. Les deux parties 4, 5 de structure et d'installation symétriques, se composent d'éléments de ressort 6, 7 et d'éléments massiques 8, 9 susceptibles d'osciller (encore appelés éléments de Coriolis). Les éléments massiques 8 ,9 ont la même masse. Le montage oscillant 3 est fixé de manière à pouvoir osciller dans un support non représenté du montage d'électrodes 1 par l'intermédiaire de points d'ancrage 10. Chaque élément massique 8, 9 est relié à deux points d'ancrage 10 par l'intermédiaire d'un élément de ressort 6 et les deux éléments massiques 8, 9 sont en outre reliés l'un à l'autre par deux autres éléments de ressort 7. Les deux parties 4, 5 résultent des éléments de ressort 6 reliant chacun l'élément massique correspondant 8, 9 aux points d'ancrage 10 respectifs et des éléments de ressort 7 reliant élastiquement chacun une partie des deux éléments massiques 8,9. Chaque segment 4, 5 comporte au moins une électrode 11, 12. Les éléments massiques 8, 9 sont électro-conducteurs ou des éléments massiques semi-conducteurs constituant directement les électrodes 11, 12. En variante, les électrodes 11, 12 sont par exemple réalisées comme des électrodes 11, 12 sur les faces 13, 14 de chaque élément massique 8, 9. Les points d'ancrage 10 se situent dans un plan 15 du montage d'électrodes 1. Ce plan 15 est sous-tendu dans le plan x-y du système de coordonnées présenté aux figures 1 et 2. Le montage oscillant 3 peut osciller dans le plan 15. Pour cela, les éléments massiques 8, 9 des deux parties 4, 5 du montage oscillant 3 pourront osciller en phase ou en opposition de phase l'un par rapport à l'autre. Une paire d'électrodes 16, 17 est prévue transversalement aux faces 13, 14 des électrodes 11, 12 de chacun des éléments massiques 8, 9 avec chaque fois deux contre-électrodes 18, 19 installées de manière fixe des deux côtés des électrodes 11, 12 par rapport au montage d'électrodes 1. Les contre-électrodes 18, 19 sont représentées à la figure 2 comme étant au-dessus et en-dessous des éléments massiques 8, 9. Les contre-électrodes 18, 19 sont installées de manière fixe sur le substrat d'un montage d'électrodes 1. Le montage

7 fixe des contre-électrodes 18, 19 sur le substrat se fait par exemple par l'intermédiaire d'une couche d'isolation, en particulier d'une couche d'oxyde de silicium. Les contre-électrodes 18, 19 ont chacune une surface d'électrodes 20, alignée par rapport aux éléments massiques 8, 9 susceptibles d'osciller ; cette surface d'électrode est plus petite que la surface correspondante 13, 14 de l'électrode 11, 12 associée. Les contre-électrodes 18, 19 sont associées à un dispositif de saisie du capteur de vitesse de rotation 2 pour une saisie capacitive du débattement des parties 4, 5 avec les électrodes 11, 12 du montage oscillant 3 transversal au plan 15. La figure 1 montre que le contour des contre-électrodes 18, 19 est adapté au contour des éléments massiques 8, 9 susceptibles d'osciller et qui correspondent aux électrodes 11, 12. Les contre-électrodes sont dimensionnées pour que la capacité entre les électrodes 11, 12 et leurs contre-électrodes 18, 19 des paires d'électrodes 17, 18 ne soit pas modifiée ou ne le soit que très peu par l'oscillation du montage oscillant 3 dans le plan 15. Une installation d'entraînement non représentée (cette installation peut être par exemple un entraînement électrostatique de type peigne) permet d'exciter les éléments massiques susceptibles d'osciller 8, 9 dans le plan 15. Les éléments massiques 8, 9 susceptibles d'osciller se déplacent en opposition de phase. Cela apparaît aux flèches à la figure 1. La détection du mouvement oscillant des éléments massiques oscillants 4, 5 se fait à l'aide d'éléments de détection non détaillés qui déterminent au moins un paramètre de l'oscillation. C'est ainsi que l'on peut par exemple utiliser une structure électrostatique de peigne, les éléments massiques susceptibles d'osciller 8, 9 ayant chacun un peigne formant un condensateur avec un peigne installé de manière fixe sur le substrat. Cela permet une saisie capacitive du mouvement oscillant plan. La figure 2 montre que les contre-électrodes 18, 19 des paires d'électrodes 16, 17 sont branchées de manière croisée. Pour cela une contre-électrode 18 d'une paire d'électrode 16, 17 est reliée d'un côté du plan 15 avec une contre-électrode respective 19 d'une autre

8 paire d'électrodes 17, 16 de l'autre côté du plan 15. Ce montage différentiel des capacités augmente la précision de la mesure. La prise capacitive Cl contient ainsi les données de la contre-électrode 18 de l'une des paires d'électrodes 16 et les données de la contre-électrode 19 de l'autre paire d'électrodes 16 ; la prise capacitive C2 reçoit les données de la contre-électrode 19 d'une paire d'électrodes 16 et les données de la contre-électrode 18 de l'autre paire d'électrodes 17. Le fonctionnement est le suivant : le montage d'électrodes 1 ou du capteur de vitesse de rotation 2 équipe une installation en rotation dont on veut déterminer la vitesse de rotation. L'oscillation du dispositif oscillant 3 (par exemple comme présenté aux figures 1 et 2) se fait en faisant osciller l'un par rapport à l'autre les deux éléments massiques 8, 9 en opposition de phase, dans la direction radiale de l'installation qui tourne. La vitesse de rotation est par exemple la vitesse de rotation Wy autour de l'axe Y. La rotation de l'installation et l'oscillation se traduisent par une force de Coriolis Fc = 2m (v x w) qui agit sur les parties en oscillation 4, 5 du dispositif oscillant 3 en particulier sur les deux éléments massiques 8, 9 et assure le débattement de ces éléments transversalement au plan 15 (notamment perpendiculairement au plan). La saisie de ce débattement transversalement au plan 15 se fait de manière capacitive en utilisant les différences de capacités entre les électrodes 11, 12 et les contre-électrodes 18, 19 des paires d'électrodes 16, 17. Ensuite on calcule la vitesse de rotation à partir du paramètre d'oscillation pour l'oscillation dans le plan 15 et le débattement transversal au plan 15 sous l'effet de la force de Coriolis par l'intermédiaire de l'installation de détermination. L'utilisation du principe des contre-électrodes 18, 19 sur les deux faces peut également s'appliquer à une installation de régulation de retour en position et/ou d'une installation d'entraînement et/ou d'électrodes de compensation et/ou autres électrodes. De telles installations de régulation de retour en position et/ou d'installation d'entraînement doublent la capacité de mesure pour un même encombrement en surface.35 NOMENCLATURE 1 montage d'électrodes 2 capteur de vitesse de rotation 3 montage oscillant 4/5 partie de montage oscillant/élément massique 6/7 élément de ressort 8/9 élément massique point d'ancrage l0 Il/ 12 électrode 13/ 14 surface des éléments massiques 16/17 paire d'électrodes 18/ 19 contre-électrode 20 surface d'électrode15

Claims

REVENDICATIONS1 °) Montage d'électrodes de capteur de vitesse de rotation comportant un montage oscillant ayant au moins une électrode qui peut être excitée pour osciller dans un plan prédéfini par le montage d'électrodes et/ou perpendiculaire à ce plan, le montage d'électrodes ayant au moins une contre électrode fixe pour la saisie capacitive du débattement d'une partie du dispositif oscillant comportant l'électrode, transversalement au plan, montage caractérisé par io - plusieurs contre-électrodes fixes (18, 19), et - au moins une contre-électrode (18) sur un côté du plan (15) et au moins une autre contre-électrode (19) sur l'autre côté du plan (15) pour former au moins une paire d'électrodes (16, 17) suivant une disposition pratiquement symétrique plane. 15 2°) Montage d'électrodes selon la revendication 1, caractérisé par au moins deux paires d'électrodes (16, 17) ayant des parties (4, 5) du montage oscillant (3) qui sont déviées chaque fois en opposition de 20 phase et chaque fois une contre-électrode (18) d'une paire d'électrodes (16, 17) se trouve d'un côté du plan (15) en court-circuit avec une contre-électrode (19) d'une autre paire d'électrodes (16, 17) sur l'autre côté du plan (15). 25 3°) Capteur de vitesse de rotation, caractérisé en ce qu' il comporte un montage d'électrodes (1) selon l'une des revendications 1 ou 2 et un montage oscillant (3) ayant au moins une électrode (11, 12) 30 qui peut être excitée pour osciller dans un plan (15) prédéfini par le montage d'électrodes (1) et/ ou perpendiculaire à ce plan (15). 4°) Capteur de vitesse de rotation selon la revendication 3, caractérisé en ce que 511 le montage oscillant (3) se compose d'au moins deux parties (4, 5), chaque partie (4, 5) du montage (3) ayant un élément massique (8, 9) et les éléments massiques (8, 9) sont montés de manière à osciller en opposition de phase dans le montage oscillant (3). 5°) Capteur de vitesse de rotation selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les éléments massiques (8, 9) sont reliés par des éléments de ressort (7). 10 6°) Capteur de vitesse de rotation selon la revendication 3, caractérisé en ce que les contre-électrodes (18, 19) ont chacune une surface d'électrodes (20) alignée sur les éléments massiques (8, 9) susceptibles d'osciller et cette surface est plus petite que la surface correspondante (13, 14) de 15 l'électrode (11, 12) associée. 7°) Capteur de vitesse de rotation selon la revendication 3, caractérisé par une installation pour déterminer la vitesse de rotation à partir de la 20 différence mesurée des capacités d'au moins une électrode (11, 12) et de la contre-électrode (18, 19) de la paire d'électrodes associées (16, 17) et d'au moins un paramètre d'oscillation. 8°) Capteur de vitesse de rotation selon la revendication 7, 25 caractérisé en ce que le paramètre d'oscillation se détermine à l'aide d'un dispositif de capteur. 9°) Procédé pour déterminer la vitesse de rotation à l'aide d'un montage 30 d'électrodes ayant au moins un montage oscillant comportant au moins une électrode excitée pour se déplacer dans un plan d'un système de référence du montage d'électrodes et d'au moins une contre-électrode fixe dans le système de référence pour la saisie capacitive d'un débattement d'au moins une partie du montage oscillant comportant 35 l'électrode, transversalement au plan, 12 procédé caractérisé par plusieurs contre-électrodes installées de part et d'autre du plan, par paire de manière pratiquement symétrique plane et on détermine le débattement en mesurant la différence des capacités d'au moins une électrode et de la contre-électrode de la paire d'électrodes. 10°) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu' on détermine la vitesse de rotation à partir de la différence mesurée des 10 capacités et d'au moins un paramètre d'oscillation obtenu.