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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Solche
Drehratensensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise sind aus
den Druckschriften
DE
101 08 196 A1 ,
DE
101 08 197 A1 und
DE
102 37 410 A1 Drehratensensoren mit Coriolis-Elementen bekannt,
wobei insbesondere ein erstes und ein zweites Coriolis-Element über
eine Feder miteinander verbunden sind und zu Schwingungen parallel
zu einer ersten Achse (X) angeregt werden, wobei ein erstes und
ein zweites Detektionsmittel eine Auslenkung des ersten und zweites
Coriolis-Elements aufgrund einer auf die Coriolis-Elemente wirkenden
Corioliskraft senkrecht zur dritten Achse (Y) detektieren, so dass
die Differenz aus einem ersten Detektionssignal des ersten Detektionsmittels
und einem zweiten Detektionssignal des zweiten Detektionsmittels
abhängig von der Corioliskraft und somit auch abhängig von
der Drehrate des Drehratensensors ist, wobei die Drehachse parallel
zur Flächennormalen einer Haupterstreckungsebene des Drehratensensors
ist. Allgemein bekannt ist es ebenfalls derartige Drehratensensoren
zur Detektion von Drehraten mit einer Drehachse in der Haupterstreckungsebene
des Drehratensensors, beispielsweise parallel zur dritten Achse
(Y), zu verwenden, wobei die erste und die zweite Schwingung parallel
zu einer ersten Achse (X) und antiparallel zueinander schwingen
und wobei die Auslenkungen des ersten und des zweiten Coriolis-Elements
parallel zu einer Flächennormalen der Haupterstreckungsebene
erfolgen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Drehratensensor und das erfindungsgemäße
Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors gemäß den
nebengeordneten Ansprüchen, haben gegenüber dem
Stand der Technik den Vorteil, dass aufgrund einer Unterdrückung einer
Levitationsbewegung des ersten und/oder des zweiten Coriolis-Elements
im Drehratensensor selbst in einfacher Weise eine erheblich genauere
Bestimmung der Drehrate ermöglicht wird, ohne dass vergleichsweise
aufwändige nachgeschaltete Korrekturverfahren benötigt
werden. Somit ist eine deutlich kostengünstigere Realisation
eines präzise messenden Drehratensensors möglich.
Bei der Erzeugung der ersten Schwingung erfährt das erste
Coriolis-Element durch das erste Anregungsmittel eine taktweise
Antriebskraft parallel zur ersten Achse. Zusätzlich wirkt
auf das erste Coriolis-Element jedoch auch eine taktweise Antriebskraftkomponente
parallel zur zweiten Achse, welche im Folgenden als Levitationskraft
bezeichnet wird und der Corioliskraft überlagert ist. Das
Signal des ersten Detektionsmittels würde somit einen Levitationsfehler aufweisen.
Zur Kompensation der Levitationskraft weist der erfindungsgemäße
Drehratensensor eine Kompensationselektrode auf, welche eine Kompensationskraft
auf das erste Coriolis-Element erzeugt, wobei die Kompensationskraft
insbesondere in Phase mit der Levitationskraft liegt. Der Levitationsfehler ist
somit in vergleichsweise einfacher und kostengünstig realisierbarer
Weise unterdrückt. Bevorzugt umfasst die Kompensationskraft
eine elektrostatische Kraftwirkung zwischen dem ersten Coriolis-Element
und der Kompensationselektrode. Die Erzeugung der Kompensationskraft
ist sowohl permanent, als auch zeitlich getaktet, insbesondere in
Phase mit der Levitationskraft, vorgesehen. Besonders bevorzugt
ist der Drehratensensor zum Nachweis von Drehraten parallel zur
ersten Achse, parallel zur zweiten Achse und/oder parallel zu einer
zur ersten und/oder zweiten Achse senkrechten dritten Achse vorgesehen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die ersten Detektionsmittel und/oder
die ersten Anregungsmittel die wenigstens eine Kompensationselektrode
aufweisen und/oder mit der wenigstens einen Kompensationselektrode elektrisch
leitfähig verbunden sind. In besonders vorteilhafter Weise
ist eine Realisation der Kompensationselektrode durch die entsprechende
Beschaltung von einer einzigen oder eine Vielzahl von ersten Anregungselektroden
des ersten Anregungsmittels und/oder von ersten Detektionselektrode
der ersten Detektionsmitteln vorgesehen, so dass keine zusätzlichen
Strukturen zur Bildung der Kompensationselektrode erzeugt werden
müssen. Vorzugsweise ist die Kompensationselektrode derart
ausgebildet, dass die Levitationskraft durch die Kompensationskraft
gerade kompensiert wird, wenn die Kompensationselektrode elektrisch
leitfähig an die ersten Anregungselektroden angeschlossen
ist. Die Kompensationselektrode befindet sich somit automatisch
in Phase mit den ersten Anregungsmitteln.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Projektion
des ersten Coriolis-Elements parallel zur zweiten Achse die Kompensationselektrode
und/oder das erste Detektionsmittel zumindest teilweise überdeckt.
Die Kompensationselektrode ist somit zumindest teilweise "unter"
dem ersten Coriolis-Element angeordnet, so dass in besonders einfacher
Weise eine elektrostatische Kraftwirkung zwischen dem ersten Coriolis-Element
und der Kompensationselektrode erzielt wird, welche antiparallel
zur Levitationskraft und wirkt und die Levitationskraft daher kompensiert.
Vorzugsweise sind die Ausbildung der Kompensationselektrode und/oder
die Überdeckung der Kompensationselektrode derart vorgesehen,
dass die Kompensationskraft der Levitationskraft im Wesentlichen
dem Betrag nach gleich ist und daher der Levitationsfehler vergleichsweise
stark unterdrückt ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste
Achse parallel zur Haupterstreckungsebene und/oder die zweite Achse
senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufend vorgesehen ist,
so dass vorteilhafterweise eine Drehrate um eine im Wesentlichen
zur ersten und zur zweiten Achse senkrechten dritten Achse, welche
somit auch in der Haupterstreckungsebene liegt, detektierbar ist.
Die Drehrate um die dritte Achse erzeugt eine Corioliskraftwirkung
auf das erste Coriolis-Element parallel zur zweiten Achse und somit
die erste Auslenkung parallel zur zweiten Achse, welche mittels
der ersten Detektionsmittel gemessen wird.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Drehratensensor
mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisendem Substrat und
einem ersten Coriolis-Element, wobei das erste Coriolis-Element
mittels eines ersten Anregungsmittels zu einer ersten Schwingung
parallel zu einer ersten Achse anregbar vorgesehen ist, wobei eine
erste Auslenkung des ersten Coriolis-Elements aufgrund einer Corioliskraft
in einer im Wesentlichen zur ersten Achse senkrechten zweiten Achse
mittels erster Detektionsmittel nachweisbar vorgesehen ist und wobei das
erste Anregungsmittel auf einer ersten Seite des Coriolis-Elements
angeordnet ist und wobei ferner das erste Coriolis-Element mittels
eines zweiten Anregungsmittels zur ersten Schwingung anregbar vorgesehen
ist, wobei das zweite Anregungsmittel an einer der ersten Seite
in Richtung der ersten Achse gegenüberliegenden zweiten
Seite des ersten Coriolis-Elements angeordnet ist. Besonders vorteilhaft wird
durch diese Anordnung des ersten und zweiten Anregungsmittels an
den gegenüberliegenden Seiten des ersten Coriolis-Elements
der Levitationsfehler in erheblicher Weise reduziert. Die Coriolis-Kraft auf
das erste Coriolis-Element ist abhängig von der Geschwindigkeit
des ersten Coriolis-Elements parallel zur ersten Richtung. Beim
sogenannten Nulldurchgang der ersten Schwingung, d. h. an dem Punkt
der geringsten Auslenkung, ist die Geschwindigkeit des Coriolis-Elements
am größten. Dadurch ergibt sich für jeden
Takt der ersten Schwingung ein maximales Detektionssignal des ersten
Detektionsmittels zur Bestimmung der Drehrate. Dadurch dass erfindungsgemäß in
jedem Takt sowohl einmal das erste Anregungsmittel, als auch einmal
das zweite Anregungsmittel das erste Coriolis-Element zur ersten
Schwingung anregen, tritt die von den Anregungsmitteln erzeugte
Levitationskraft auf das erste Coriolis-Element zweimal in jedem
Takt auf, wobei Takt im Sinne der Erfindung synonym zur Schwingungsdauer
des ersten Coriolis-Elements ist. Somit ist die Anregungsfrequenz
und damit auch die erste Frequenz der auftretenden Levitationskräfte
im Wesentlichen doppelt so groß wie die zweite Frequenz der
ersten Schwingung und damit auch der auftretenden Corioliskraftfrequenz.
Vorzugsweise ist der Drehratensensor derart ausgebildet, dass die
Resonanzfrequenz des ersten Coriolis-Elements im Bereich der zweiten
Frequenz der ersten Schwingung liegt. Somit ist die erste Frequenz
gegenüber der zweiten Frequenz stark unterdrückt.
Der Levitationsfehler des ersten Detektionssignals ist daher vergleichsweise
gering. Besonders bevorzugt wird das erste Detektionssignal mit
der zweiten Frequenz demoduliert, so dass die erste Frequenz weit
außerhalb des Demodulationsbandes liegt und somit der Levitationsfehler
in zusätzlicher Weise weiter reduziert wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Drehratensensor ein
zweites Coriolis-Element aufweist, wobei insbesondere das zweite
Coriolis-Element parallel zur Haupterstreckungsebene neben dem ersten
Coriolis-Element angeordnet ist, wobei ein drittes und ein viertes
Anregungsmittel das zweite Coriolis-Element zu einer zweiten Schwingung
anregen, wobei die erste und die zweite Schwingung parallel zur
ersten Achse und zueinander antiparallel vorgesehen sind, wobei
zweite Detektionsmittel zum Nachweis einer zweiten Auslenkung des
zweiten Coriolis-Elements aufgrund einer Corioliskraft parallel
zur zweiten Achse vorgesehen sind und wobei das dritte Anregungsmittel
auf einer dritten Seite des zweiten Coriolis-Elements und das vierte
Anregungsmittel an einer der dritten Seite in Richtung der ersten
Achse gegenüberliegenden vierten Seite des zweiten Coriolis-Elements
angeordnet ist. Durch die Verwendung von zwei Coriolis-Elementen
wird insbesondere die Bildung eines Differenzsignals aus dem ersten
Detektionssignal des ersten Detektionsmittels und dem zweiten Detektionssignals
des zweiten Detektionsmittels ermöglicht, welches im Wesentlichem
abhängig von einer Drehrate des Drehratensensors mit einer
Drehachse parallel einer zur ersten Achse senkrechten dritten Achse
in der Haupterstreckungsebene ist. Diese differenzielle Auswertung
des ersten und des zweiten Detektionssignals ermöglicht
eine deutliche Unterdrückung des Levitationsfehler, da der
Levitationsfehler durch die erfindungsgemäße Anordnung
der ersten, zweiten, dritten und vierten Anregungsmittel in jedem
Takt im Wesentlichen gleich groß ist und sich somit bei
der Differenzbildung aus dem ersten und zweitem Detektionssignals
aufhebt.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste, zweite,
dritte und/oder vierte Anregungsmittel parallel zu einer dritten
Achse in weitere erste, weitere zweite, weitere dritte und/oder
weitere vierte Anregungsmittel unterteilt ist, wobei die dritte
Achse bevorzugt senkrecht zur ersten Achse und/oder senkrecht zur
zweiten Achse verlaufend vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist
somit eine symmetrische Anordnung der Anregungsmittel auf den jeweils
gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Coriolis-Elements
in einfacher Weise realisierbar, wobei zwischen den jeweils weiteren
Anregungsmitteln eine Anordnung von zusätzlichen Elementen,
wie beispielsweise Befestigungselementen und/oder Koppelelementen,
ermöglicht wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im Bereich des ersten,
zweiten, dritten, vierten, weiteren ersten, weiteren zweiten, weiteren
dritten und/oder weiteren vierten Anregungsmittel erste, zweite,
dritte, vierte, weitere erste, weitere zweite, weitere dritte und/oder
weitere vierte Detektionselemente angeordnet sind, welche jeweils die
erste Schwingung und/oder die zweite Schwingung detektieren. Die
Corioliskraft auf das erste und/oder zweite Coriolis-Element ist
Abhängig von der Geschwindigkeit des ersten und/oder zweiten Corioliselement
während der ersten und/oder zweiten Schwingung. Zur Auswertung
des ersten Detektionssignals, des zweiten Detektionssignals und/oder des
Differenzsignals ist es somit besonders vorteilhaft weitere Detektionselemente
zur Detektion der Geschwindigkeit des ersten und/oder des zweiten Coriolis-Elements
vorzusehen.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das die ersten, zweiten,
dritten, vierten, weiteren ersten, weiteren zweiten, weiteren dritten
und/oder weiteren vierten Anregungsmittel und/oder ersten, zweiten,
dritten, vierten, weiteren ersten, weiteren zweiten, weiteren dritten
und/oder weiteren vierten Detektionselemente jeweils Kammelektroden
umfassen. Besonders vorteilhaft sind die jeweiligen weiteren Anregungsmittel
mit den entsprechenden jeweiligen weiteren Detektionselemente jeweils
als gemeinsame Kammstruktur ausgebildet, wobei durch eine entsprechende
Verschaltung erste Kammelektroden der gemeinsamen Kammstruktur als
Anregungselektroden und zweite Kammelektroden der gemeinsamen Kammstruktur
als Detektionselementelektroden ausgeführt sind. Das erste und/oder
zweite Coriolis-Element weist vorzugsweise weitere Kammelektroden
auf, welche in die Kammstruktur eingreifen und bezüglich
der Anregungselektroden und/oder der Detektionselementelektrode
als Gegenelektroden fungieren.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste und das
zweite Coriolis-Element über ein Koppelelement miteinander
verbunden sind, und/oder dass das erste und/oder das zweite Coriolis-Element über
weitere Koppelelemente mit dem Substrat verbunden sind. Vorteilhafterweise
ermöglichen die weiteren Koppelelemente eine schwingfähige
Lagerung des ersten und/oder zweiten Coriolis-Elements gegenüber
dem Substrat, wobei vorzugsweise die Ausbildung der weiteren Koppelelemente
eine Einstellung der Resonanzfrequenz des ersten und/oder des zweiten
Coriolis-Elements ermöglicht. Das Koppelelement ermöglicht
insbesondere die Einstellung spezieller Schwingungsmoden zwischen
dem ersten und dem zweiten Coriolis-Element.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Betrieb eines Drehratensensors, wobei eine auf das erste Coriolis-Element
zur ersten Auslenkung parallel wirkende Levitationskraft zumindest
teilweise durch die Steuerung der Kompensationselektrode kompensiert
wird, so dass in besonders vorteilhafter Weise der Levitationsfehler
minimiert wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das die Kompensationselektrode mit
einer Frequenz gesteuert wird, welche im Wesentlichen einer Anregungsfrequenz,
d. h. der ersten Frequenz, wenigstens einem der ersten, zweiten, dritten,
vierten, weiteren ersten, weiteren zweiten, weiteren dritten und/oder
weiteren vierten Anregungsmittel entspricht und/oder dass die Kompensationselektrode
mit einem Anregungssignal der ersten, zweiten, dritten, vierten,
weiteren ersten, weiteren zweiten, weiteren dritten und/oder weiteren
vierten Anregungsmittel gesteuert wird. Besonders vorteilhaft wird
somit die Kompensation der Levitationskraft in gleicher Phase mit
der auftretenden Levitationskraft durchgeführt. Eine geeignete
Ausbildung der Kompensationselektrode erlaubt die Ansteuerung der
Kompensationselektrode allein durch das entsprechende Anregungssignal,
wodurch die Levitationskompensation in vergleichsweise einfacher und
kostengünstig herstellbarer Weise realisierbar wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem ersten Takt
auf das erste Coriolis-Element von dem ersten Anregungsmittel eine
Kraft ausgeübt wird, während in einem nachfolgendem
zweiten Takt auf das erste Coriolis-Element von dem zweiten Anregungsmittel
eine Kraft ausgeübt wird, so dass in vorteilhafter Weise
die Levitationskraftwirkung auf das erste Coriolis-Element mit einer
im wesentlichen doppelten ersten Frequenz gegenüber der
zweiten Frequenz der Corioliskraftwirkung erfolgt. Der Levitationskraftfehler
wird somit vergleichsweise stark unterdrückt, da insbesondere die
Resonanzfrequenz des ersten Coriolis-Elements auf die zweite Frequenz
abgestimmt ist und/oder die Auswertung des ersten Detektionssignals
mittels einer Demodulationsfrequenz im Wesentlichen gleich der zweiten
Frequenz erfolgt.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im ersten Takt auf
das zweite Coriolis-Element von dem vierten Anregungsmittel eine Kraft
ausgeübt wird, während im zweiten Takt auf das zweite
Coriolis-Element von dem dritten Anregungsmittel eine Kraft ausgeübt
wird. Besonders vorteilhaft wird somit der Levitationsfehler deutlich
reduziert, da der Levitationsfehler im ersten und im zweiten Detektionssignal
im Wesentlichen gleich groß ist und sich daher bei einer
differenziellen Auswertung des ersten und des zweiten Detektionssignals
selbst kompensiert.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Coriolis-Element
mittels des ersten und/oder des zweiten Anregungsmittels derart
zur ersten Schwingung angeregt wird, dass eine erste Frequenz einer
ersten Levitationsschwingung des ersten Coriolis-Elements parallel
zur zweiten Achse im Wesentlichen doppelt so groß wie die zweite
Frequenz der ersten Schwingung ist. Dies ermöglicht in
besonders vorteilhafter Weise eine Ausbildung des Drehratensensors
und/oder ein Ausleseverfahren des Drehratensensors, wobei die erste Frequenz
gegenüber der zweiten Frequenz vergleichsweise stark unterdrückt
wird und somit auch der Levitationsfehler deutlich reduziert wird.
Dies ermöglicht eine deutlich präzisere Messung
der Drehrate.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das zweite Coriolis-Element
mittels des dritten und/oder des vierten Anregungsmittels derart
zur zweiten Schwingung angeregt wird, dass eine dritte Frequenz
einer zweiten Levitationsschwingung des zweiten Coriolis-Elements
parallel zur zweiten Achse im Wesentlichen doppelt so groß wie
die Frequenz der vierten Schwingung ist, so dass eine differenzielle
Auswertung des ersten und des zweiten Detektionssignals zur Kompensation
der Levitationsfehler realisierbar ist. Insbesondere ist die erste
Frequenz gleich der dritten Frequenz und die zweite Frequenz gleich
der vierten Frequenz.
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Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Aufsicht und eine schematische Seitenansicht eines
Drehratensensors gemäß dem Stand der Technik,
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2 schematische
Seitenansichten eines Drehratensensors gemäß dem
Stand der Technik,
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3 weitere
schematische Seitenansichten eines Drehratensensors gemäß dem
Stand der Technik,
-
4 eine
schematische Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer
ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
-
5 eine
schematische Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer
zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
-
6 schematische
Seitenansichten eines Drehratensensors gemäß der
ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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7 eine
graphische Darstellung von Zeitsignalen einer Antriebsbewegung und
einer Levitationsbewegung eines Drehratensensors gemäß der ersten
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
und
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8 eine
graphische Darstellung der frequenzabhängigen Dämpfung
einer Antriebsbewegung und einer Levitationsbewegung eines Drehratensensors
gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In
den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen
Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils
nur einmal genannt.
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In 1 ist
eine schematische Aufsicht und unterhalb der schematischen Aufsicht
eine schematische Seitenansicht eines Drehratensensors 1 gemäß dem
Stand der Technik dargestellt, wobei der Drehratensensor 1 ein
eine Haupterstreckungsebene 100 aufweisendes Substrat 2,
ein erstes Coriolis-Element 3 und ein zweites Coriolis-Element 23 aufweist,
wobei das zweite Coriolis-Element 23 parallel zur Haupterstreckungsebene 100 neben
dem ersten Coriolis-Element (3) angeordnet ist. Das erste
Coriolis-Element 3 wird mittels eines ersten Anregungsmittels 4 zu
einer ersten Schwingung 5 parallel zu einer ersten Achse
X in der Haupterstreckungsebene 100 angeregt, während
ein drittes Anregungsmittel 24 das zweite Coriolis-Element 23 zu
einer zweiten Schwingung 25 parallel zur ersten Achse X
anregt. Die erste und die zweite Schwingung 5, 25 schwingen
gegenphasig zueinander, d. h. dass sie sich antiparallel zueinander
bewegen. Eine erste Auslenkung des ersten Coriolis-Elements 3 in
einer im Wesentlichen zur Haupterstreckungsebene 100 senkrechten
zweiten Achse Z aufgrund einer auf das erste Coriolis-Element 3 wirkenden
Corioliskraft wird mittels erster Detektionsmittel 6 nachgewiesen,
während eine zweite Auslenkung des zweiten Coriolis-Elements 23 in
einer im Wesentlichen zur Haupterstreckungsebene 100 senkrechten
zweiten Achse Z aufgrund einer auf das zweite Coriolis-Element 3 wirkenden
Corioliskraft mittels zweiter Detektionsmittel 26 nachgewiesen wird.
Die Corioliskraft auf das erste und/oder zweite Coriolis-Element 3, 23 wirkt
im Falle einer Drehrate des Drehratensensors 1, welche
im Wesentlichen parallel zur einer dritten Achse Y verläuft,
welche in der Haupterstreckungsebene 100 und senkrecht
zur ersten und zweiten Achse X, Z angeordnet ist. Aufgrund der antiparallelen
Schwingung 5, 25 des ersten und zweiten Coriolis-Elements 3, 23 bewirken
die Corioliskräfte bezüglich der zweiten Achse
Z eine zueinander antiparallele erste und zweite Auslenkung. Die Differenz
eines ersten Detektionssignals des ersten Detektionsmittels 6 und
eines zweiten Detektionssignals des zweiten Detektionsmittels 26 ist
insbesondere abhängig von den Corioliskräften
und somit auch abhängig von Drehrate. Da die Corioliskräfte ebenfalls
von den Geschwindigkeiten des ersten und zweiten Coriolis-Elements 3, 23 in
der ersten und zweiten Schwingung 5, 25 sind,
wird die erste Schwingung 5 mittels eines ersten Detektionselements 40 und
die zweite Schwingung 25 mittels eines dritten Detektionselements 42 vermessen.
Das erste und zweite Coriolis-Element 3, 23 sind
durch Koppelelemente 44 miteinander und jeweils durch weitere Koppelelementen 45 mit
dem Substrat 2 verbunden. Die Koppelelemente 44, 45 umfassen
vorzugsweise Federelemente. Die ersten und dritten Anregungsmittel,
sowie die erste und dritten Detektionselemente 40, 42 umfassen
Kammelektroden und basieren wie die ersten und zweiten Detektionsmittel 6, 26 insbesondere
auf einer elektrostatischen Funktionsweise.
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In 2 sind
schematische Seitenansichten eines Drehratensensors 1 gemäß dem
Stand der Technik dargestellt, wobei der Drehratensensor 1 identisch
zu dem Drehratensensor aus der 1 ist und
wobei die Seitenansichten schematisch die erste und die zweite Schwingung,
sowie eine erste und eine zweite Levitationsauslenkung des ersten
und des zweiten Coriolis-Elements anhand zweier Momentaufnahmen
zweier aufeinanderfolgender Takte illustrieren, wobei der Drehratensensor
keine Drehrate aufweist und somit keine Corioliskräfte
auf die Coriolis-Elemente 3, 23 wirken. In der
oberen den ersten Takt darstellenden Darstellung bewegt 204 sich
das erste Coriolis-Element 3 in Richtung des zweiten Coriolis-Elements 23,
während sich das zweite Coriolis-Element 23 aufgrund
einer Kraftwirkung durch das dritte Anregungsmittel 24 in
Richtung des ersten Coriolis-Elements 3 bewegt 205.
Das dritte Anregungsmittel 24 wird zum Antrieb des zweiten
Coriolis-Elements mit einer dritten Antriebsspannung 208 versorgt.
Die Anregung des zweiten Coriolis-Elements 23 durch das
dritte Anregungsmittel 24 bewirkt nicht nur eine Kraftwirkung
auf das zweite Coriolis-Element 23 parallel zur ersten
Achse X, sondern auch eine Kraftwirkung auf das zweite Coriolis-Element 23 parallel
zur zweiten Achse Z, so dass sich das zweite Coriolis-Element 23 gegenüber
dem Substrat 2 hebt. Diese Kraftwirkung parallel zur zweiten
Achse Z resultiert aus der Asymmetrie der Elektrodenanordnung der
Anregungsmittel, da das Substrat 2 lediglich unterhalb
der Coriolis-Elemente 3, 23 angeordnet ist. Das
erste Coriolis-Element 3 wurde in einem vorhergehenden
Takt durch das erste Anregungsmittel 4 angehoben, so dass
es sich in diesem ersten Takt in welchem keine Antriebwirkung auf
das erste Coriolis-Element 3 durch das erste Anregungsmittel 4 erfolgt
parallel zur zweiten Achse Z senkt. Im zweiten Takt wird durch das
erste Anregungsmittel 4 eine Kraftwirkung auf das erste
Coriolis-Element 3 aufgrund einer ersten Antriebsspannung 209 bewirkt, wodurch
sich nun das erste Coriolis-Element 3 parallel zur zweiten
Achse Z hebt. Aufgrund der fehlenden dritten Antriebsspannung am
dritten Anregungsmittel 21 senkt sich das zweite Coriolis-Element 23 in
diesem zweiten Takt. Dieses Anheben des jeweiligen Coriolis-Elements 3, 23 aufgrund
der Antriebswirkung des jeweiligen Anregungsmittels 4, 24 wird
im Folgenden beim ersten Coriolis-Element 3 erste Levitationsauslenkung 202 und
beim zweiten Coriolis-Element 23 zweite Levitationsauslenkung 201 genannt.
Die erste Levitationsauslenkung 202 ist der ersten Auslenkung
und die zweite Levitationsauslenkung 201 der zweiten Auslenkung überlagert,
so dass auch die erste und zweite Levitationsauslenkung 202, 201 vom
ersten und zweitem Detektionsmittel 6, 26 detektiert
werden.
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In 3 sind
weitere schematische Seitenansichten eines Drehratensensors 1 gemäß dem Stand
der Technik dargestellt, wobei der Drehratensensor identisch zu
dem Drehratensensor der 1 und 2 ist, und
wobei die weiteren Seitenansichten weitere Momentaufnahmen des ersten
und des zweiten Taktes gemäß der 2 darstellen.
Die Pfeile 301 und 303 zeigen den Bewegungsverlauf
des erste Coriolis-Elements 3 im ersten und im zweiten Takt,
während die Pfeile 302 und 304 den Bewegungsverlauf
des zweiten Coriolis-Element 23 im ersten und zweiten Takt
zeigen, wobei die Pfeile 301 und 303 eine Überlagerung
der ersten Schwingung 5 und der ersten Levitationsauslenkungsbewegung 202 und
wobei die Pfeile 302 und 304 eine Überlagerung der
zweiten Schwingung 25 mit der zweiten Levitationsauslenkungsbewegung 201 umfassen.
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In 4 ist
eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors 1 gemäß einer
beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Der Drehratensensor 1 weist ein
eine Haupterstreckungsebene 100 aufweisendes Substrat 2 und
ein erstes Coriolis-Element 3 auf, wobei das erste Coriolis-Element 3 mittels
erster Anregungsmittel 4 zu einer ersten Schwingung 5 parallel
zu einer ersten Achse X in der Haupterstreckungsebene 100 anregbar
vorgesehen ist. Eine erste Auslenkung des ersten Coriolis-Elements 3 aufgrund
einer Corioliskraft in einer im Wesentlichen zur Haupterstreckungsebene 100 senkrechten
zweiten Achse Z ist mittels erster Detektionsmittel 6 nachweisbar,
wobei der Drehratensensor 1 ferner eine Kompensationselektrode 7 aufweist,
welche zur zumindest teilweisen Kompensation einer auf das erste
Coriolis-Element 3 zur ersten Auslenkung parallel wirkenden
Levitationskraft vorgesehen ist. Weitere Koppelelemente 45, insbesondere
Federelemente, lagern das erste Coriolis-Element 3 schwingfähig
gegenüber dem Substrat 2. Ferner wird die erste
Schwingung 5 mittels erster Detektionselemente 40 vermessen.
Die Kompensationselektrode 7 ist derart ausgeformt und/oder
mit dem Coriolis-Element in einer Richtung parallel zur zweiten
Achse Z derart überlappend, dass die erste Levitationsauslenkung 202,
illustriert in den 2 und 3, durch
eine elektrostatische Kraftwirkung der Kompensationselektrode 7 zumindest
teilweise verhindert wird. Die Kompensationselektrode ist vorzugsweise
mit den ersten Anregungsmittel 4 und insbesondere mit den
ersten Antriebselektroden der ersten Anregungsmittel 4 elektrisch
leitfähig verbunden. Alternativ ist es vorgesehen, dass
die Kompensationselektrode 7 durch eine der Elektroden
der ersten Detektionsmittel 6 gebildet wird.
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In 5 ist
eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer
beispielhaften zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dargestellt, wobei der Drehratensensor 1 im Wesentlichen
dem Drehratensensor illustriert in 1 gleicht,
wobei das erste Coriolis-Element 3 sowohl mittels des ersten
Anregungsmittels 4, als auch mittels eines zweiten Anregungsmittels 4' zur
ersten Schwingung 5 anregbar vorgesehen ist, wobei das erste
Anregungsmittel 4 an einer ersten Seite 10 des ersten
Coriolis-Elements 3 angeordnet ist und wobei das zweite
Anregungsmittel 4' an einer der erste Seite 10 in
Richtung der ersten Achse X gegenüberliegenden zweiten
Seite 11 des ersten Coriolis-Elements 3 angeordnet
ist. Ferner weist der Drehratensensor zur Anregung des zweiten Coriolis-Elements 23 das
dritte und zusätzlich ein viertes Anregungsmittel 24, 24' auf,
wobei das dritte Anregungsmittel 24 auf einer dritten Seite 12 des
zweiten Coriolis-Elements 23 und das vierte Anregungsmittel 24' an
einer der dritten Seite 12 in Richtung der ersten Achse
X gegenüberliegenden vierten Seite 13 des zweiten Coriolis-Elements 23 angeordnet
ist. Im Bereich der ersten und zweiten Anregungsmittel 4, 4' sind
erste und zweite Detektionselemente 40, 41 zur
Detektion der ersten Schwingung 5 angeordnet, während
im Bereich der dritten und vierten Anregungsmittel 24, 24' dritte
und vierte Detektionselement 42, 43 zur Detektion
der zweiten Schwingung 25 angeordnet sind. Die ersten,
zweiten, dritten und/oder vierten Anregungsmittel 4, 4', 24, 24' sind
parallel zur dritten Achse Y in weitere erste, weitere zweite, weitere
dritte und weitere vierte Anregungsmittel unterteilt, so dass zwischen
den weiteren zweiten und den weiteren dritten Elektroden jeweils
das Kopplungselement 44 verläuft. Ferner sind
die ersten, zweiten, dritten und vierten Detektionselemente 40, 41, 42, 43 jeweils
in weitere erste, weitere zweite, weitere dritte und weitere vierte
Detektionselemente unterteilt. Die ersten, zweiten, dritten, vierten,
weiteren ersten, weiteren zweiten, weiteren dritten und weiteren
vierten Anregungsmittel 4, 4', 24, 24' und
die ersten, zweiten, dritten, vierten, weiteren ersten, weiteren
zweiten, weiteren dritten und weiteren vierten Detektionselemente 40, 41, 42, 43 sind
jeweils als Kammstrukturen ausgebildet, dessen Funktionsweise wie
die des ersten und zweiten Detektionsmittels 6, 26 insbesondere auf
einer elektrostatischen bzw. kapazitiven Kraftwirkung basieren.
Das erste und das zweite Coriolis-Element 3, 23 weisen
an der ersten, zweiten, dritten und vierten Seite Gegenelektroden
zum Eingriff in die jeweiligen Kammstrukturen.
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In 6 sind
schematische Seitenansichten eines Drehratensensors gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei
die Seitenansichten gemäß der 3 anhand der
Pfeile 601, 602, 603, 604 die
Bewegungsverläufe des ersten und des zweiten Coriolis-Elements 3, 23 im
ersten und im zweiten Takt illustrieren. Im ersten Takt wird im
Gegensatz zur Darstellung der 2 sowohl
das zweite Anregungsmittel 4', als auch das dritte Anregungsmittel 24 jeweils
mit einer ersten und einer zweiten Antriebsspannung 605, 606 angetrieben, so
dass im ersten Takt das erste Coriolis-Element 3, als auch
das zweite Coriolis-Element 23 gleichzeitig angetrieben
werden. Im darunter abgebildeten zweiten Takt werden ebenfalls beide
Coriolis-Elemente gleichzeitig angetrieben, wobei das erste Anregungsmittel 4 mittels
einer ersten Antriebsspannung 607 das erste Coriolis-Element 3 zur
ersten Schwingung 5 und das vierte Anregungsmittel 24' mittels
einer vierten Antriebsspannung 608 das zweite Coriolis-Element 23 zur
zweiten Schwingung 25 anregt. Eine zweite Frequenz der
ersten und der zweiten Schwingung 5, 25 bleibt
dabei im Vergleich zur 2 unverändert, während
sich eine erste Frequenz der auf das erste und das zweite Coriolis-Element 3, 23 wirkenden
Levitationskraft verdoppelt und insbesondere im Wesentlichen doppelt
so groß ist wie die zweie Frequenz. Weiterhin wirkt die
Levitationskraft nun in jedem Takt sowohl auf das erste, als auch
auf das zweite Coriolis-Element 3, 23, so dass
bei der Differenzbildung des ersten Detektionssignals mit dem zweiten
Detektionssignal sich der Levitationsfehler der ersten Levitationsauslenkung
mit dem Levitationsfehler der zweiten Levitationsauslenkung im Wesentlichen
kompensiert.
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In 7 ist
eine graphische Darstellung von Zeitsignalen einer Antriebsbewegung
und einer Levitationsbewegung eines Drehratensensors gemäß der
ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dargestellt, wobei auf der Ordinate 703 eine
Amplitudenskala und auf der Abszisse 702 eine Zeitskala aufgetragen
ist. Die Amplitude der ersten und der zweiten Schwingung 5, 25 in
Abhängigkeit der Zeit wird durch die erste Kurve 705 dargestellt,
während die zweite Kurve 706 die Amplitude der
ersten und der zweiten Levitationsauslenkung in Abhängigkeit
der Zeit darstellt. Eine zweite Wellenlänge 701 der
ersten Kurve 705 ist im Wesentlichen doppelt so groß wie
eine erste Wellenlänge 702 der zweiten Kurve 706.
Daraus resultiert, dass die zur ersten Wellenlänge äquivalente
erste Frequenz im Wesentlichen doppelt so groß ist wie
die zur zweiten Wellenlänge äquivalente zweite
Frequenz.
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In 8 ist
eine graphische Darstellung der frequenzabhängigen Dämpfung
einer Antriebsbewegung und einer Levitationsbewegung eines Drehratensensors
gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei auf der Ordinate 803 die
Dämpfung und auf der Abszisse 804 die Frequenz
aufgetragen ist. Das Diagramm zeigt eine Kurve mit einem Maximum 801, welches
der zweiten Frequenz und insbesondere der Resonanzfrequenz des ersten
und des zweiten Coriolis-Elements 3, 23 bezüglich
der ersten und der zweiten Schwingung 5, 25 entspricht.
Ferner ist die Kurve im Bereich 802 der ersten Frequenz
markiert, wobei die erste Frequenz im Wesentlichen doppelt so groß wie
die zweite Frequenz ist und wobei die Kurve im Bereich 802 der
ersten Frequenz im Vergleich zum Maximum 801 sehr stark
gedämpft ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10108196
A1 [0002]
- - DE 10108197 A1 [0002]
- - DE 10237410 A1 [0002]