CN101903740B - 偏航率传感器和用于运行偏航率传感器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有衬底和第一科氏元件的偏航率传感器，其中，设有用于激励所述第一科氏元件在第一方向上振动的激励装置，其中，设有用于检测所述第一科氏元件在与所述第一方向基本上垂直的第三方向上的第一偏移的第一检测装置，其特点在于，所述第一科氏元件构造为等臂梁。

Description

偏航率传感器和用于运行偏航率传感器的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的偏航率传感器。

背景技术

这样的偏航率传感器(Drehratensensoren)是普遍公知的。例如，由文献DE 19519488A1公开了一种具有第一和第二振动质量的偏航率传感器，其中，所述第一和第二振动质量借助激励装置被激励作振动，第一振动质量的第一偏移借助分析处理装置检测，而第二振动质量的第二偏移借助另外的分析处理装置检测，并且第一和第二偏移相互不平行地且与该振动不平行地设置。该偏航率传感器的缺点在于：第一偏移是不可差分地分析处理的，因此所述分析处理装置的第一分析处理信号除了与科氏力相关外还具有比较多的潜在干扰因素。

发明内容

与现有技术相比，根据并列权利要求所述的按本发明的偏航率传感器以及按本发明的用于运行偏航率传感器的方法具有如下优点：在比较小的结构空间面积上允许对第一偏移进行全差分的分析处理。第一科氏元件通过激励装置激励作平行于第一方向的振动。该偏航率传感器绕第二轴的第一偏航率产生作用在第一科氏元件上的第一科氏力，该第二轴平行于一个与第一方向及与第三方向基本上垂直的第二方向延伸，该第一科氏力平行于第三方向作用并且由于第一科氏元件被构造为摆杆而产生平行于第三方向的第一偏移。通过第一分析处理装置对第一偏移的测定产生第一检测信号，该第一检测信号取决于第一科氏力并且由此取决于绕第二轴的偏航率。尤其由于第一科氏元件绕尤其平行于主延伸平面布置的旋转轴的能扭振的支承，所述第一科氏力产生所述第一偏移，该第一偏移可通过第一检测装置测量。该检测装置优选包括一些检测电极，这些检测电极电容式地测量所述第一偏移。第一科氏元件作为摆杆的构造允许对第一检测装置的信号进行全差分的分析处理。因此，与仅具有一个唯一的科氏元件的现有技术相比，本发明能够实现对第一偏航率的全差分的检测，使得所需的结构空间与现有技术相比以显著的方式减小并且因而能够实现偏航率传感器的成本更有利的制造和偏航率传感器的更简单的实施。

本发明的有利的构造方案和扩展方案可由从属权利要求以及参照附图的说明书得出。

根据一种优选的扩展方案，所述偏航率传感器具有一第二科氏元件，其中，所述激励装置设置用于激励所述第二科氏元件在所述第一方向上振动，并且，还设有用于检测所述第二科氏元件在与所述第一方向及与所述第三方向都基本上垂直的第二方向上的第二偏移的第二检测装置。因此，特别优选地在比较小的结构空间面积上允许对第一偏移以及对第二偏移进行全差分的检测，其中，尤其是可全差分地分析处理绕第二轴的偏航率和绕第三轴的偏航率。第二科氏元件通过激励装置激励作平行于第一方向的振动。偏航率传感器绕平行于第三方向的第三轴的第二偏航率产生作用在第二科氏元件上的第二科氏力，该第二科氏力平行于第二方向作用并且由于第二科氏元件的一个至少能关于第二方向振动的支承结构引起第二科氏元件的第二偏移。通过第二分析处理装置对第二偏移的测定产生第二检测信号，该第二检测信号取决于第二科氏力并且因此取决于绕第三轴的第二偏航率。该第一分析处理装置优选包括用于执行电容式测量的梳形结构，该梳形结构尤其设置在第二科氏元件的内部，从而能够实现对第二检测信号的全差分的分析处理。

根据另一种优选的扩展方案，所述摆杆的旋转轴平行于主延伸平面延伸，其中，所述摆杆关于所述旋转轴优选具有非对称的质量分布并且特别优选所述旋转轴基本上平行于所述第一方向或平行于所述第二方向延伸。由于所述摆杆关于所述旋转轴的非对称的质量分布，第一科氏力以有利的方式产生摆杆绕旋转轴的旋转运动。该旋转运动引起第一偏移，该第一偏移优选通过第一检测装置检测并且被全差分地分析处理。特别优选的是，通过第一检测装置对第一偏移的测定基于检测电极与至少一个反电极之间的电容式测量，其中，所述反电极非常特别优选地设置在摆杆上和/或由摆杆自身构成。这些检测电极的信号可尤其是可全差分地分析处理的，在第一科氏元件的垂直于主延伸平面地与衬底相对置的侧面上无需其它的检测电极。

根据另一种优选的扩展方案，所述第一检测装置包括一个第一检测装置部件和另一个第一检测装置部件，其中，在所述第一检测装置部件与所述另一个第一检测装置部件之间优选设有所述旋转轴或一个平行于所述旋转轴且平行于所述第三方向延伸的平面。因此，特别有利的是允许对第一偏航率进行全差分的分析处理，其中，第一检测装置部件的第一检测信号与另一个检测装置部件的另一个第一检测信号被全差分地分析处理。

根据另一种优选的扩展方案，所述第一科氏元件借助第一弹簧固定在框架上，所述第二科氏元件借助第二弹簧固定在框架上，并且，优选所述框架借助第三弹簧固定在衬底上，特别优选所述激励装置激励所述框架作振动。所述第一和第二科氏元件以特别有利的方式相互通过框架连接，使得仅仅通过对框架的激励就能实现对第一科氏元件及对第二科氏元件的相同的振动激励。该激励装置特别优选地构造为梳形驱动装置，其非常特别优选地设置在框架的相对两侧上并且交替地激励框架的谐振频率。

根据另一种优选的扩展方案，所述第二弹簧和/或所述第三弹簧包括U弹簧和优选曲折的U弹簧，和/或，所述第一弹簧包括扭簧和优选具有开口结构或导体结构的扭簧，其中，优选所述第二弹簧仅仅在所述第二方向上构造为柔性的，所述第三弹簧仅仅在所述第一方向上构造为柔性的和/或所述第一弹簧仅仅关于绕所述旋转轴的扭转构造为柔性的。通过将扭簧构造为带切口的弹簧或者构造为导体弹簧，以有利的方式抑制了第一科氏元件的由振动引起的不期望的旋转运动，因为这样的扭簧允许绕旋转轴的旋转运动，同时相对于垂直于主延伸平面的旋转运动是比较抗扭的。所述导体弹簧尤其具有两个平行的梁，这些梁通过多个横臂相互连接。特别有利的是，第二和/或第三弹簧构造为U弹簧，因为U弹簧具有比较小的非线性。特别优选的是，这些弹簧被曲折化，从而能在优选方向上实现比较小的弹簧刚度。

根据另一种优选的扩展方案，所述第三检测装置设置用于检测所述框架的所述振动，其中，所述第三检测装置和/或所述激励装置优选构造为梳形结构。因为第一和第二科氏力除了取决于第一和第二偏航率外还与平行于第一轴的振动有关，所以有利的是通过第三检测装置测定该振动。特别有利的是由于第一和第二科氏元件通过框架连接，仅需要用于测定框架的振动的第三检测装置。非常特别优选的是，第三检测装置构造为框架的相对两侧上的进行电容式测量的梳形结构。

根据另一种优选的扩展方案，所述第二检测装置构造为梳形结构，其优选与所述第二科氏元件一起设置在一个与所述衬底的主延伸平面平行的平面中，和/或，所述第一检测装置在一个垂直于主延伸平面的方向上与所述第一科氏元件重叠地设置。非常特别优选的是，第二检测装置设置在第二科氏元件的空槽的内部，使得偏航率传感器的所需的基面比较小。

根据另一种优选的扩展方案，设有用于限制所述第一科氏元件在所述第一、第二和/或第三方向上的第一运动的第一止挡，设有用于限制所述第二科氏元件在第一、第二和/或第三方向上的第二运动的第二止挡，和/或，设有用于限制所述框架在第一、第二和/或第三方向上的第三运动的第三止挡。因此，特别有利的是，偏航率传感器在比较大的加速度的作用下免受损坏。尤其地，在过载情况中通过限制可运动的元件的可运动性避免了短接、弹簧断裂、锁闭或形成微粒。优选地，设置了弹性的或能弹动的止挡。

根据另一种优选的扩展方案，为了使框架在振动方面平衡，设置所述框架的适配的质量分布、所述第三弹簧的适配的布置和/或所述偏航率传感器关于与所述第一方向平行的对称轴线的镜像对称的构造。特别优选的是，通过这样的径向对称的构造，抑制了框架振动中的转动分量的出现，所述转动分量尤其通过摆杆的非对称的质量分布引起。尤其地，该框架具有一个关于第一轴或振动方向完全质量对称的分布。特别优选的是，也可以通过第三弹簧的适配的布置抑制框架的不均匀的质量分布和/或不均匀的形状，以抑制振动过程中的转动分量。为此，这样地设置第三弹簧，使得框架在其振动方面基本上是完全平衡的。

本发明的另一个主题是用于运行偏航率传感器的方法，其中，所述第一检测装置产生至少一个第一检测信号和另一个第一检测信号，其中，所述第一检测信号和所述另一个第一检测信号取决于所述偏航率传感器绕平行于所述第二方向的第二轴的旋转运动。因此，特别有利的是，能够仅通过一个单独的科氏元件实现对绕第二轴的偏航率的全差分的分析处理。

根据一种优选的扩展方案，由所述第一检测装置部件产生所述第一检测信号，由所述另一个检测装置部件产生所述另一个检测信号。因此，特别有利的是，第一科氏元件由于第一科氏力而绕旋转轴的转动不但由所述第一检测装置部件，而且由所述另一个检测装置部件测量，使得为了以尽可能少的干扰因素比较精确地检测第一偏航率，可将第一检测信号与所述另一个第一检测信号全差分地分析处理。

根据另一种优选的扩展方案，由第二检测装置产生第二检测信号和另一个第二检测信号，其中，所述第二检测信号和所述另一个第二检测信号取决于所述偏航率传感器绕平行于所述第三方向的第三轴的旋转运动。因此，特别有利的是，通过一个单独的、仅具有两个科氏元件的偏航率传感器可同时对绕第二轴的第一偏航率以及对绕第三轴的第二偏航率进行全差分的测定。由于仅通过两个科氏元件检测偏航率，与现有技术相比允许显著节省结构空间地且因此成本有利地实现偏航率传感器。

根据一种优选的扩展方案，差分地分析处理所述第一检测信号和所述另一个第一检测信号，和/或，差分地分析处理所述第二检测信号和所述另一个第二检测信号。因此，特别有利的是，显著地提高了对第一和/或第二偏航率的测定精度，因为第一检测装置的信号以及第二检测装置的信号在潜在的误差因素方面在全差分的信号处理的情况下可被校正。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在以下说明书中详细地阐述。其中：

图1示出根据本发明的第一实施方式的偏航率传感器的示意性俯视图；

图2a示出根据本发明的第一实施方式的偏航率传感器的部分区域的示意性俯视图；

图2b示出根据本发明的第二实施方式的偏航率传感器的部分区域的示意性俯视图；

图2c示出根据本发明的第三实施方式的偏航率传感器的部分区域的示意性俯视图；

图3示出根据本发明的第四实施方式的偏航率传感器的另一个部分区域的示意性俯视图；

图4示出根据本发明的第五实施方式的偏航率传感器的示意性俯视图。

具体实施方式

在各幅图中，相同的部分始终配设相同的附图标记，因此通常也总是仅提到一次。

在图1中示出根据本发明的示例性的第一实施方式的偏航率传感器1的示意性俯视图，其中，该偏航率传感器1具有一衬底13、一第一科氏元件3和一第二科氏元件2，其中，设有构造为梳形结构的激励装置4，用于电容式地激励第一和第二科氏元件3，2在第一方向X上振动6，其中，设有第二检测装置7，用于检测第二科氏元件2在与第一方向X基本上垂直的第二方向Y上的第二偏移，并且设有第一检测装置，用于检测第一科氏元件3在与第一方向X及第二方向Y基本上都垂直的第三方向Z上的第一偏移。第一科氏元件3构造为摆杆，其中，该摆杆具有一个平行于衬底13的主延伸平面100且平行于第一方向X的旋转轴8，该摆杆关于该旋转轴8具有非对称的质量分布。第一检测装置的第一检测电极设置在该摆杆下方或者垂直于主延伸平面100地设置在衬底13相对于摆杆的侧面上，该第一检测装置根据作用在摆杆上的第一科氏力并且因而也根据偏航率传感器1绕平行于第二方向Y的第二轴的第一偏航率产生第一检测信号和另一个第一检测信号。第一检测信号和另一个第一检测信号被相互全差分地分析处理。第二检测装置7构造为在与主延伸平面100平行的、具有第二科氏元件2的平面中进行电容式测量的梳形结构，其中，该第二检测装置7设置在第二科氏元件2内部的空槽中，第二检测装置7根据平行于第二方向Y作用在第二科氏元件2上的第一科氏力并且因而也根据偏航率传感器1绕平行于第三方向Z的第三轴的第二偏航率产生一个第二检测信号和另一个第二检测信号。该第二检测信号和另一个第二检测信号优选同样被全差分地分析处理。该第二科氏元件2借助第二弹簧9固定在框架11上，而第一科氏元件3借助第一弹簧10固定在框架11上，其中，该框架11借助第三弹簧12固定在衬底13上。对第一和第二科氏元件3，2的振动激励通过激励装置4对框架11的振动激励实现，该激励装置作为梳形结构在框架11上设置在框架11的沿第一方向X相互对置的两侧上。在第二方向上，同样构造为梳形结构的第三检测装置14设置在激励装置4旁边，该第三检测装置电容式地测量框架11的振动。第二和第三弹簧9，12构造为曲折的U弹簧，而第一弹簧10包括具有导体结构的扭簧，其中，第二弹簧9仅仅在第二方向Y上构造成柔性的，第三弹簧12仅仅在第一方向X上构造为柔性的，并且第一弹簧10仅仅在绕旋转轴8的扭转方面构造为柔性的。此外，第三弹簧12优选地这样构造或者设置在框架11上，使得该框架11关于振动6是平衡的。

在图2a中示出根据本发明的第一实施方式的偏航率传感器1的部分区域20的示意性俯视图，其中，所绘出的部分区域20绘出第一弹簧10，该第一弹簧10具有两个平行的梁，这些梁通过多个横臂相互连接。这样构造的扭簧或第一弹簧10尤其允许绕旋转轴8的旋转运动，而它们同时相对于垂直主延伸平面的旋转运动是比较抗扭的。因此，尤其是抑制平行于第二方向Y作用在第一科氏元件3上的科氏力，以及抑制第一科氏元件3的由框架平行于第一方向X的振动和由摆杆的非对称的质量分布引起的、绕着与第三方向Z平行的轴的左右摇摆运动和/或旋转运动。

在图2b中示出根据本发明的第二实施方式的偏航率传感器的部分区域20的示意性俯视图，其中，该第二实施方式与在图1和2a中绘出的第一实施方式完全相同，其中，仅仅第一弹簧10构造为单根弹簧(Einfachfeder)。

在图2c中示出根据本发明的第三实施方式的偏航率传感器1的部分区域20的示意性俯视图，其中，该第三实施方式与在图1和2a中示出的第一实施方式相同，其中，偏航率传感器1附加地具有一第一止挡15，该第一止挡既限制第一科氏元件3在第一方向X上的运动，也限制第一科氏元件3在第二方向Y上的运动。该第一止挡15尤其是构造为能弹动的第一止挡15，从而通过由第一止挡15清晰地定义的相应的最大偏摆相对柔和地使第一科氏元件3在第一和/或第二方向X，Y上的运动停止。该第一科氏元件3还具有穿孔22。

在图3中示出根据本发明的第四实施方式的偏航率传感器1的另一个部分区域2的示意性俯视图，其中，该第四实施方式与第一实施方式基本上相同，其中，该另一个部分区域具有框架11和一第三止挡16。该第三止挡16尤其是与衬底13固定地连接并且这样地设置在框架11的空槽23中，使得该框架在第一方向X上及在第二方向Y上的运动通过相应的与第三止挡16的止挡接触被限制。该第三止挡16还优选地具有止挡突舌24。

在图4中示出根据本发明的第五实施方式的偏航率传感器的示意性俯视图，其中，该第五实施方式与在图1中示出的第一实施方式基本上相同，其中，第一和第二科氏元件3，2这样地设置，使得偏航率传感器1或者至少所述框架11关于一个在第一方向X上延伸的对称轴线16基本上对称地且尤其质量对称地构造，该对称轴线关于第二方向Y设置在框架的中心。该第一科氏元件3具有一个平行于第二方向Y的旋转轴，而第二科氏元件2关于对称轴线16分成第一和第二部分30，31。第一和第二部分30，31通过一个刚性的连接隔板32刚性地相互连接，其中，第一科氏元件3设置在第一和第二部分30，31之间。

Claims (13)

1.具有一衬底(13)和一第一科氏元件(3)的偏航率传感器(1)，其中，设有用于激励所述第一科氏元件(3)在第一方向(X)上振动(6)的激励装置(4)，其中，设有用于检测所述第一科氏元件(3)在与所述第一方向(X)基本上垂直的第三方向(Z)上的第一偏移的第一检测装置，其中，所述第一科氏元件(3)构造为摆杆，所述摆杆的旋转轴(8)平行于所述衬底(13)的主延伸平面(100)延伸，其中，所述摆杆关于所述旋转轴(8)具有非对称的质量分布，其特征在于，所述偏航率传感器具有一第二科氏元件(2)，其中，所述激励装置(4)设置用于激励所述第二科氏元件(2)在所述第一方向(X)上振动(6)，并且，还设有用于检测所述第二科氏元件(2)在与所述第一方向(X)及与所述第三方向(Z)都基本上垂直的第二方向(Y)上的第二偏移的第二检测装置(7)。

2.根据权利要求1的偏航率传感器(1)，其特征在于，所述第一检测装置包括一个第一检测装置部件和另一个第一检测装置部件，其中，在所述第一检测装置部件与所述另一个第一检测装置部件之间设有所述旋转轴(8)或一个平行于所述旋转轴(8)且平行于所述第三方向(Z)延伸的平面。

3.根据权利要求1或2的偏航率传感器(1)，其特征在于，所述第一科氏元件(3)借助第一弹簧(10)固定在框架(11)上，和/或，所述第二科氏元件(2)借助第二弹簧(9)固定在框架(11)上，并且，所述框架(11)借助第三弹簧(12)固定在所述衬底(13)上，所述激励装置(4)激励所述框架作所述振动(6)。

4.根据权利要求3的偏航率传感器(1)，其特征在于，所述第二弹簧(9)和/或所述第三弹簧(12)包括U弹簧，和/或，所述第一弹簧(10)包括扭簧，其中，所述第二弹簧(9)仅仅在所述第二方向(Y)上构造为柔性的，所述第三弹簧(12)仅仅在所述第一方向(X)上构造为柔性的和/或所述第一弹簧(10)仅仅在绕所述旋转轴(8)的扭转方面构造为柔性的。

5.根据权利要求3或4的偏航率传感器(1)，其特征在于，第三检测装置(14)设置用于检测所述框架(11)的所述振动(6)，其中，所述第三检测装置(14)和/或所述激励装置(4)构造为梳形结构。

6.根据权利要求1或2的偏航率传感器(1)，其特征在于，所述第二检测装置(7)构造为梳形结构，其与所述第二科氏元件(2)一起设置在一个与所述衬底(13)的主延伸平面(100)平行的平面中，和/或，所述第一检测装置在所述第三方向(Z)上与所述第一科氏元件(3)重叠地设置。

7.根据权利要求3的偏航率传感器(1)，其特征在于，设有用于限制所述第一科氏元件(3)在所述第一、第二和/或第三方向(X，Y，Z)上的第一运动的第一止挡(15)，设有用于限制所述第二科氏元件(2)在所述第一、第二和/或第三方向(X，Y，Z)上的第二运动的第二止挡，和/或，设有用于限制所述框架(11)在所述第一、第二和/或第三方向(X，Y，Z)上的第三运动的第三止挡(16)。

8.根据权利要求3的偏航率传感器(1)，其特征在于，为了使所述框架(11)在所述振动(6)方面平衡，设有所述偏航率传感器(1)关于与所述第一方向(X)平行的对称轴线(16)的镜像对称的构造。

9.根据权利要求4的偏航率传感器(1)，其特征在于，所述第二弹簧(9)和/或所述第三弹簧(12)包括曲折的U弹簧，和/或，所述第一弹簧(10)包括具有开口结构或导体结构的扭簧。

10.用于运行根据以上权利要求之一的偏航率传感器(1)的方法，其特征在于，所述第一检测装置至少产生一个第一检测信号和另一个第一检测信号，其中，所述第一检测信号和所述另一个第一检测信号取决于所述偏航率传感器(1)绕与所述第二方向(Y)平行的第二轴的旋转运动。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于，由所述第一检测装置的第一检测装置部件产生所述第一检测信号，由所述第一检测装置的另一个第一检测装置部件产生所述另一个第一检测信号。

12.根据权利要求11的方法，其特征在于，由第二检测装置产生一个第二检测信号和另一个第二检测信号，其中，所述第二检测信号和所述另一个第二检测信号取决于所述偏航率传感器(1)绕与所述第三方向(Z)平行的第三轴的旋转运动。

13.根据权利要求12的方法，其特征在于，差分地分析处理所述第一检测信号和所述另一个第一检测信号，和/或，差分地分析处理所述第二检测信号和所述另一个第二检测信号。

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