Schwingende Strukturen haben in der Technik vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Sie werden beispielsweise als Beschleunigungs-und/oder Drehratensensoren eingesetzt, wobei sich aus den Schwingungscharakteristika Bewegungsgrößen ermitteln lassen.

In der US Patentschrift 4,598,585 ist ein Drehratensensor beschrieben, bei dem eine Masse schwingbar um zwei senkrecht zueinanderstehende Achsen (x-Achse, y-Achse) gelagert ist. Um eine Drehrate um die z-Achse zu bestimmen, die senkrecht zur x-und y- Achse verläuft, wird das Element zu einer periodischen Schwingung um die y-Achse angeregt. Aufgrund der Corioliskraft während der Drehung erfolgt eine weitere Schwingung des Elements um die x-Achse, wobei die Amplitude ein Maß für die Drehrate ist. Ein derartiger Drehratensensor mit doppelt-kardanischer Aufhängung ist in Figur 3 gezeigt.

Weiterhin sind Beschleunigungssensoren bekannt, die eine oszillierende Bewegung ausführen, wobei die Frequenz ein Maß für die in einer bestimmten Richtung wirkende Beschleunigung ist.

Die bekannten schwingenden Strukturen haben jedoch den Nachteil, daß nicht zwischen einer Änderung der Schwingungsamplitude und einer Parallelverschiebung des schwingenden Elements unterschieden werden kann. So können z. B. Abstandsänderungen der Aufhängung des beweglichen Elements auftreten, die die Meßgrößen verfälschen. Bei einem Abgriff der Position bzw. Auslenkung des schwingenden Elements mit einem Kondensator können kleinste Änderungen des Abstands der Kondensatorplatten die tatsächliche Schwingungsamplitude so überlagern, daß genaue Meßergebnisse nicht mehr

möglich sind. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Störung bzw. Parallelverschiebung im gleichen Frequenzbereich liegt wie die angeregte Schwingung.

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung von Frequenz und/oder Amplitude einer schwingenden Struktur zu schaffen und ein Verfahren anzugeben, mit dem die Schwingungsamplitude mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann, wobei Störungen, z. B. durch eine Parallelverschiebung oder Verzug der Struktur, wirksam unterdrückt werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und das Verfahren gemäß Patentanspruch 8. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Frequenz und/oder Amplitude einer schwingenden Struktur ist insbesondere zur Messung von Beschleunigungen oder Drehraten geeignet und hat ein bewegliches Element, das zu einer Schwingung anregbar ist, ein Paar von Positionssensoren zur Bestimmung der Auslenkung des beweglichen Elements, die derart angeordnet sind, daß sich ihre Meßwerte während einer Halbwelle der Schwingung gegenseitig über-und/oder unterschreiten, eine Schaltung zum Vergleich der Meßwerte beider Positionssensoren um daraus einen Schwellwert für die Halbwelle der Schwingung zu bestimmen, und eine Einrichtung zur Bestimmung der Zeitdauer, in welcher der Meßwert einer der beiden Positionssensoren den Schwellwert überschreitet und/oder unterschreitet.

Durch die besondere Anordnung der Positionssensoren und den Vergleich der Meßwerte mit Schwellwertbestimmung in einer Halbwelle der Schwingung wird erreicht, daß sich die Schwingungsamplitude selbst bei einer Störung der Messung durch Parallelverschiebung des schwingenden Elements genau ermitteln täßt. Fehler in der Amplitudenbestimmung werden vermieden.

Vorteilhafterweise umfaßt die Vorrichtung ein weiteres Paar von Abstandssensoren zur Bestimmung eines zweiten Schwellwerts für die zweite Halbwelle der Schwingung. Dabei sind die Abstandssensoren bevorzugt so angeordnet, daß die Schwellwerte in der positiven und in der negativen Halbwelle den gleichen Betrag haben. Insbesondere bei einer mechanischen Struktur, die um eine definierte Achse schwingt, hat eine senkrecht zur Schwingungsachse A wirkende Beschleunigung keine Fehler in der Amplitudenmessung mehr zur Folge.

Die Positionssensoren sind vorteilhafterweise Kapazitäten, wodurch sich eine kostengünstige Bauart ergibt. Sie können aber auch durch optische Elemente oder ähnliche dem Fachmann bekannte Sensoren zur Positions-bzw. Abstandsmessung gebildet werden.

Bevorzugt ist ein Element eines Paars von Positionssensoren überhöht angeordnet, so daß sich der Schwellwert bei einer definierten Auslenkung des beweglichen Elements einstellt.

Die Schwellwerte können z. B. durch mechanische Stufen hervorgerufen werden, bzw. durch die stufenartige Anordnung von Elektroden an einem schwingbaren Element oder an einer dem Element gegenüberliegenden Fläche. Dabei sind die Positionssensoren bevorzugt in unterschiedlichem Abstand von der Drehachse des beweglichen Elements angeordnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Frequenz und/oder Amplitude einer schwingenden Struktur umfaßt die Schritte : Bestimmen eines Schwellwertes in der positiven und/oder negativen Halbwelle einer Schwingung, Bestimmen der Zeitdauer, in welcher der Schwellwert während der Schwingung überschritten und/oder unterschritten wird, und Ermitteln der Frequenz und/oder der Amplitude aus der Zeitdauer des Überschreitens und/oder Unterschreitens des Schwellwertes. Dadurch kann die Schwingungsamplitude unabhängig vom Abstand zwischen dem schwingbaren Element und einem fixen Element bestimmt und die Frequenz der Schwingung ermittelt werden.

Vorteilhafterweise wird für die positive und für die negative Halbwelle der Schwingung jeweils ein Schwellwert bestimmt und aus der jeweiligen Zeitdauer des Über-und/oder

Unterschreitens beider Schwellwerte wird die Frequenz und/oder die Amplitude ermittelt.

Dabei können die Schwellwerte in der positiven und in der negativen Halbwelle den gleichen Betrag haben. Insbesondere können sie durch mechanische Stufen gebildet werden.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. In den Figuren zeigt Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Schnittansicht ; Figur 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Schwingung und der charakteristischen Größen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Amplituden-und Frequenzbestimmung verwendet werden ; und Figur 3 einen bekannten Drehratensensor mit einer schwingungsfähigen Struktur.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem beweglichen Element 2 bzw. einer Wippe, die um eine Achse A schwingbar gelagert ist. Die Wippe 2 kann beispielsweise in Form eines Balkens oder einer plattenartigen Struktur vorliegen und wird durch Anregung in eine periodische Schwingung versetzt. Der Wippe 2 gegenüberliegend ist ein fixiertes Element 1 in Form einer Platte angeordnet. Ein erstes Paar von Positionssensoren 10,11 dient zur Bestimmung des Abstands zwischen dem beweglichen Element 2 und dem fixierten Element 1 und somit zur Bestimmung der jeweiligen Auslenkung während der Schwingung des Elements 2 um die Achse A. Dabei sind die Positionssensoren 10,11 so angeordnet, daß sich ihre Meßwerte während einer Halbwelle der Schwingung gegenseitig überschreiten und/oder unterschreiten. D. h., bei einer bestimmten Auslenkung um den Winkel (p sind die Meßwerte der beiden Positionssensoren 10,11 gteich groß, während beim Überschreiten des Winkels (p der Sensor 10 einen größeren Meßwert anzeigt als der Sensor 11, und beim Unterschreiten des Winkels (p der Sensor 10 einen kleineren Meßwert anzeigt als der Sensor 11.

Die Positionssensoren 10,11 sind mit einem Komparator verbunden, welcher die Meßwerte beider Sensoren 10,11 vergleicht und einen Schwellwert Us bestimmt, bei dem sich für beide Sensoren 10,11 der gleiche Meßwert ergibt. Mittels einer Einrichtung zur Zeitmessung kann aus dem Schwellwert Us und dem Signal eines Sensors die Schwingungsamplitude As und die Frequenz fs der Schwingung ermittelt werden, wie es später noch im Detail erläutert wird.

In der hier gezeigten Ausführungsform sind die Positionssensoren 10,11 durch Kapazitäten gebildet. Dabei befindet sich in der bevorzugten Ausführungsform auf jeder Seite der Drehachse A der Wippe 2 ein Paar von Positionssensoren 10,11 und 20,21 bzw.

Kapazitäten. Jeweils eine Elektrode 11 a, 21 a eines Kapazitätenpaars 10,11 bzw. 20,21 ist erhaben auf der Wippe 2 aufgebracht. Daraus ergibt sich, daß die erhaben angeordneten Elektroden 11a, 21a in Ruhestellung der Wippe, d. h. bei einem Auslenkungswinkel (p = 0, näher an ihren Gegenelektroden liegen als die beiden anderen Elektroden 10a, 20a. Dies ist im vorliegenden Fall dadurch realisiert, daß die Oberfläche 8 der Wippe 2, auf der die Elektroden 1Oa, 1 1a, 20a, 21a angeordnet sind, stufenförmig ausgestaltet ist. Zur Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es aber auch möglich, anstelle der Wippe 2 die gegenüberliegende Platte 1 mit Elektroden auf unterschiedlichen Niveaus zu versehen. Unabhängig von der jeweiligen Ausführungsform bzw. der konkreten Ausgestaltung der Positionssensoren 10,11 bzw. 20,21 kommt es darauf an, daß bei einer definierten Auslenkung der Wippe 2 um den Winkel (p zwei Positionssensoren 10,11 den gleichen Meßwert anzeigen, während sich ihre Werte bei anderen Winkeln unterscheiden.

Durch das zweite Paar 20,21 von Positionssensoren bzw. Kapazitäten wird erreicht, daß bei einer bestimmten Auslenkung in jeder Richtung jeweils ein Paar von Positionssensoren den gleichen Meßwert anzeigt. Dieser Wert definiert den Schwellwert Us der jeweiligen Halbwelle der Schwingung, der bei einer weiteren Auslenkung über den Winkel + (p bzw.-(p hinaus von einem der Meßsignale überschritten wird.

Die Höhe der Erhebung bzw. die Überhöhung jeweils einer Elektrode 11a, 21a eines Kapazitätenpaars 10,11 bzw. 20,21 bestimmt den Schwellwert Us. Somit kann der Schwellwert Us je nach Anforderung unterschiedlich eingestellt werden.

Anhand von Figur 2 wird erläutert, wie aus den Meßsignalen der Positionssensoren 10,11, 20,21 bzw. Kapazitäten die Schwingungsamplitude unabhängig vom Abstand d zwischen der Wippe 2 und der Platte 1 ermittelt wird. Die Signalamplitude As wird beispielsweise mit dem Positionssensor 10 aufgenommen, der in Figur 1 am rechten Teil der Wippe 2 in ihrem äußeren Bereich angeordnet ist. Bei einer Auslenkung aus der Nullage um den Winkel (p nähert sich der rechte Teil der Wippe 2 der gegenüberliegenden Platte 1, wobei bei einem definierten Winkel (p-die beiden Positionssensoren 10 und 11 den gleichen Wert anzeigen, der vom Komparator als Schwellwert +Us ermittelt wird. Bei fortschreitender Auslenkung in positiver Richtung überschreitet das Meßsignal des Positionssensors 10 den positiven Schwellwert bzw. die Schwellspannung +Us, erreicht anschließend ihr Maximum und unterschreitet dann bei der Bewegung der Wippe 2 in Gegenrichtung wieder die Schwellspannung +Us. Die Zeitdauer Tp zwischen dem Über-und Unterschreiten der Schwellspannung +Us wird gemessen. Anschließend durchschreitet die Wippe 2 ihre Nullage und es erfolgt eine Auslenkung in der Gegenrichtung, so daß bei einer negativen Auslenkung um den Winkel-(p die beiden Positionssensoren 20,21 im linken Teil der Wippe 2 den gleichen Wert anzeigen, aus dem der Schwellwert-Us für die zweite bzw. negative Halbwelle gebildet wird. Bei einer weiteren Auslenkung in dieser Richtung überschreitet das Meßsignal diesen Schwellwert während des Zeitraumes Tn.

Die Schwingungsamplitude äßt sich nun aus der Schwellspannung Us, der Frequenz fs und der Zeitdauer Tp des Überschreitens des Schwellwertes +Us nach der Formel ermitteln. Die Frequenz fs kann dabei aus den aufeinanderfolgenden Schwellwertüberschreitungen in einer Richtung ermittelt werden, weshalb in diesem Fall

nur ein Paar von Positionssensoren zur Ermittlung des Schwellwertes einer Halbwelle notwendig ist.

Bei zwei Paaren von Positionssensoren 10,11 und 20,21, von denen jedes auf einer Seite der Drehachse A angeordnet ist, läßt sich die Frequenz fs bzw. 5'aus der Zeitdauer Tfp bzw. Tfn nach der Formel fs=*Tfp(2) bzw. fus'==*Tfn(3) ermitteln. Dabei ist Tfp die Zeitdauer zwischen dem Überschreiten des Schwellwertes der positiven Halbwelle und dem Überschreiten des Schwellwertes der negativen Halbwelle.

Tfn ist die Zeitdauer zwischen dem Unterschreiten des Schwellwertes der positiven Halbwelle und dem Unterschreiten des Schwellwertes der negativen Halbwelle.

Aus der Zeitdauer Tp, in der die Amplitude über der Schwellspannung +Us liegt und aus der Zeitdauer T, in der die Amplitude unter der negativen Schwellspannung-US, liegt, werden stufenförmige Signale Sp bzw. Sn gebildet und verarbeitet um damit die Amplitude und/oder Frequenz der Schwingung unabhängig vom Abstand d zwischen der Wippe 2 und der Platte 1 zu berechnen.

Die Struktur bzw. Vorrichtung ist mikromechanisch hergestellt, wodurch eine kostengünstige Serienfertigung bei kleiner Bauweise ermöglicht wird. Durch die Erfindung wird erreicht, daß bei einer Parallelverschiebung des beweglichen Elements 2, die beispielsweise durch eine auf die Struktur wirkende Beschleunigung in einer Richtung senkrecht zur Drehachse A erfolgen kann, keine Fehler in der Amplitudenmessung enstehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise im Zusammenhang mit dem in Figur 3 gezeigten, bekannten Drehratensensor verwendet werden. Dort ist in einem um die y-Achse drehbaren Rahmen 30 ein inneres Element 31 schwenkbar um die x-Achse gelagert. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Auslenkung des inneren Elements 31 bzw. des Rahmens 30 ermittelt werden, ohne daß eine Parallelverschiebung des Rahmens 30 bzw. des Elements 31 und die damit verbundene Änderung von Meßwerten einzelner Positionssensoren eine Störung der Amplitudenmessung zur Folge hat. Zur Realisierung werden Paare von Positionssensoren am Rahmen 30 und/oder am inneren Element 31 angeordnet, um die Auslenkung zu messen und den Schwellwert zu bestimmen. Amplitude und Frequenz können dann wie oben beschrieben aus den Meßwerten ermittelt werden, ohne daß Störungen durch Verschiebungen die ermittelten Werte für Amplitude bzw. Frequenz beeinflussen.

Neben diesem Beispiel sind aber auch zahlreiche andere Anwendungen möglich, bei denen eine Auslenkung drehbar bzw. schwingbar gelagerter Elemente zur Messung physikalischer Größen verwendet wird. Unabhängig von der jeweiligen Anwendung ist die Tatsache entscheidend, daß Störungen bei der Bestimmung von Frequenz bzw. Amplitude, die durch Parallelverschiebung bzw. Verzug entstehen, vermieden werden.