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Die Erfindung betrifft eine Rotationssensorvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Rotationssensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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An einem rotierbaren Körper wird häufig ein Drehratensensor angebracht, um eine Drehrate einer Rotationsbewegung des Körpers zu messen.
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1A bis 1C zeigen schematische Darstellungen eines herkömmlichen Drehratensensors zum Veranschaulichen seiner Funktionsweise. Dabei zeigt 1A einen Querschnitt durch den Drehratensensor, 1B eine Aufsicht auf die seismischen Massen des Drehratensensors und 1C eine Auswerteeinrichtung des Drehratensensors.
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Der dargestellte Drehratensensor 10 ist beispielsweise an einer (nicht skizzierten) rotierbaren Fahrzeugkomponente anbringbar. Vorzugsweise wird der Drehratensensor 10 so an der Fahrzeugkomponente befestigt, dass eine Rotationsachse, um welche die Fahrzeugkomponente drehbar ist, senkrecht zu der Bildebene der 1A liegt.
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Der Drehratensensor 10 weist zwei seismische Massen 12 und 14 auf, welche planar ausgebildet sind. Die beiden seismischen Massen 12 und 14 sind so zueinander angeordnet, dass ihre Oberflächen in einer gemeinsamen Ebene liegen. Auch die Unterflächen der seismischen Massen 12 und 14 liegen in einer gemeinsamen Ebene. Man spricht dabei von einer Anordnung der seismischen Massen 12 und 14 auf gleicher Höhe oder innerhalb einer gemeinsamen Ebene.
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Die seismischen Massen 12 und 14 sind über eine Koppelfeder 16 miteinander verbunden. Zusätzlich ist jede der seismischen Massen 12 und 14 über mindestens eine Feder 18 mit einer die beiden seismischen Massen 12 und 14 umrahmenden Halterung 20 verbunden. Beispielsweise ist die Halterung 20 ein Substrat, aus welchem die seismischen Massen 12 und 14, die Koppelfeder 16 und die Federn 18 herausstrukturiert sind. Eine Bodenplatte der Halterung 20 deckt eine Seite der seismischen Massen 12 und 14 ab. Die andere Seite der seismischen Massen 12 und 14 wird von einer an der Halterung 20 befestigten Kappe 22 abgedeckt.
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Die seismischen Massen 12 und 14 können über einen elektrostatischen Antrieb in Schwingungen entlang der Schwingungsrichtungen 24 und 26 versetzt werden. Die Elektroden 25 des elektrostatischen Antriebs zum Anregen der seismischen Massen 12 und 14 zu Schwingungen entlang der Schwingungsrichtungen 24 und 26 sind in 1B dargestellt. Die Schwingungsrichtung 24 der ersten seismischen Masse 12 ist parallel zu der Schwingungsrichtung 26 der zweiten seismischen Masse 14 ausgerichtet. Vorzugsweise verlaufen die Schwingungsrichtungen 24 und 26 parallel zu den Längsachsen der planaren seismischen Massen 12 und 14. Das Anregen der seismischen Massen 12 und 14 zu den auch als Oszillationen bezeichenbaren Schwingungen erfolgt in der Regel so, dass die beiden seismischen Massen 12 und 14 um 180° phasen-verschoben schwingen. Man spricht dabei auch von Schwingungen mit antiparallelen Oszillationsrichtungen.
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Führt gleichzeitig zu den phasen-verschobenen Schwingungen der seismischen Massen 12 und 14 die Fahrzeugkomponente eine Drehbewegung um eine Drehachse mit einer Komponente senkrecht zu der Bildebene der 1A aus, so bewirkt eine Corioliskraft eine zusätzliche Bewegung der seismischen Massen 12 und 14 parallel zu der Achse 28. Die seismischen Massen 12 und 14 werden durch die Corioliskraft relativ zu der Halterung 20 bewegt. Diese Relativbewegung der seismischen Massen 12 und 14 führt zu einer Veränderung der Abstände d1 und d2 der seismischen Massen 12 und 14 von der Bodenplatte der Halterung 20. Die Koppelfeder 16, über welche die beiden seismischen Massen 12 und 14 mechanisch gekoppelt sind, beeinflusst die Relativbewegung kaum.
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Die Abstände d1 und d2 sind über die Kapazitäten C1 und C2 zweier Kondensatoren 30 und 32 erfassbar, wobei jeder der beiden Kondensatoren 30 und 32 zwischen der Bodenplatte der Halterung 20 und einer der beiden seismischen Massen 12 oder 14 angeordnet ist.
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Die zu den Abständen d1 und d2 proportionalen Kapazitäten C1 und C2 der Kondensatoren 30 und 32 werden über je einen Spannungswandler 34 und 36 in jeweils ein Spannungssignal U1 und U2 umgewandelt (siehe 1C). Anschließend wird mittels eines Differenzierers 38 eine Differenz U1 – U2 der Spannungssignale U1 und U2 gebildet. Die auf diese Weise berechnete Differenz U1 – U2 ist abhängig von der auf die seismischen Massen 12 und 14 wirkenden Corioliskraft und entspricht somit einer aktuellen Drehrate der Rotation der Fahrzeugkomponente, an welcher der Drehratensensor 10 befestigt ist.
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Allerdings können bei einem Drehratensensor 10 parallel zu der Achse 28 gerichtete Beschleunigungen auf die Fahrzeugkomponente zu einem verfälschten Wert für die bestimmte Drehrate führen. Des Weiteren ist die anhand der 1C beschriebene Signalauswertung vergleichsweise teuer und benötigt relativ viel Bauraum. Ein weiterer Nachteil des anhand der 1A bis 1C beschriebenen Drehratensensors 10 liegt in der vergleichsweise großen Ausdehnung des Drehratensensors 10, insbesondere parallel zu den Schwingungsrichtungen 24 und 26. Diese große Ausdehnung erschwert das Anbringen des Drehratensensors 10 an einer Fahrzeugkomponente erheblich.
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Die
US 6 443 008 B1 und die
GB 2 113 842 A beschreiben weitere Beispiele für Drehratensensoren, bei welchen die (in Rotationsbewegungen versetzbaren) seismischen Massen in zwei verschiedenen und parallel zueinander ausgerichteten Ebenen angeordnet sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine Rotationssensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Rotationssensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Beschleunigung der Rotationssensorvorrichtung senkrecht zu der Schwingungsrichtung weniger zu einer Verfälschung der von der Rotationssensorvorrichtung ermittelten Information beiträgt, wenn anstelle der Relativbewegungen der Massen gegenüber einem Gehäuseteil eine erste Relativbewegung der beiden Massen zueinander ermittelt und ausgewertet wird. Zusätzlich beruht die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis, dass eine Rotationssensorvorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die erste Relativbewegung der beiden Massen zueinander zu ermitteln und auszuwerten, realisierbar ist, indem die beiden Massen so zueinander angeordnet werden, dass ein von dem ersten Massenmittelpunkt zu dem zweiten Massenmittelpunkt verlaufender Vektor eine senkrecht zu der Schwingungsrichtung gerichtete Vektorkomponente mit einem Betrag ungleich Null aufweist.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung der beiden Massenmittelpunkte zueinander und das Ermitteln und Auswerten der ersten Relativbewegung der ersten Masse gegenüber der zweiten Masse ist eine deutlich verbesserte Unterdrückung von externen Beschleunigungseinflüssen gewährleistet. Insbesondere werden bei der vorliegenden Erfindung externe Beschleunigungseinflüsse, welche senkrecht zu der Schwingungsrichtung der ersten Masse gerichtet sind, durch die mechanische Anordnung unterdrückt/herausgefiltert. Ein zusätzlicher Arbeitsaufwand ist dazu nicht notwendig.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die beiden Massen zumindest teilweise so zueinander angeordnet werden, dass sie senkrecht zu der Schwingungsrichtung zumindest teilweise übereinander liegen. Dies ermöglicht eine deutliche Reduktion der Ausdehnung der Rotationssensorvorrichtung entlang der Schwingungsrichtung.
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Die von der Rotationssensorvorrichtung ermittelte Information bezüglich der Rotationsbewegung der Rotationssensorvorrichtung kann beispielsweise beinhalten, ob ein Körper, an welchem die Rotationssensorvorrichtung fest angeordnet ist, gerade eine Drehbewegung ausführt. Dazu kann die Sensor- und Auswerteeinrichtung eine von einer Corioliskraft bewirkte erste Relativbewegung der ersten Masse gegenüber der zweiten Masse auswerten. Dazu wird die Rotationssensorvorrichtung so an dem drehbaren Körper angeordnet, dass eine Rotation des Körpers bei einer in die Schwingung versetzen ersten Masse die erste Relativbewegung bewirkt.
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Außerdem ist die Sensor- und Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, eine senkrecht zu der Schwingungsrichtung gerichtete zweite Relativbewegung der ersten Masse gegenüber einem Gehäuseteil der Rotationssensorvorrichtung und eine senkrecht zu der Schwingungsrichtung gerichtete dritte Relativbewegung der zweiten Masse gegenüber dem Gehäuseteil zu ermitteln. Des Weiteren ist die Sensor- und Auswerteeinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt, über einen Vergleich der zweiten Relativbewegung mit der dritten Relativbewegung eine Beschleunigung der Rotationssensorvorrichtung senkrecht zu der Schwingungsrichtung zu ermitteln. Somit gewährleistet die vorliegende Erfindung nicht nur ein Herausfiltern von externen Beschleunigungseinflüssen aus den von der Rotationssensorvorrichtung bestimmten Daten, sondern auch eine Möglichkeit zum Ermitteln der Beschleunigungseinflüsse. Das Ermitteln der Beschleunigungseinflüsse ist dabei ohne einen wesentlichen Mehraufwand an Arbeit möglich. Des Weiteren ist die Sensor- und Auswerteeinrichtung mit der erweiterten Einsatzmöglichkeit vergleichsweise kostengünstig realisierbar. Die Multifunktion der erfindungsgemäßen Rotationssensorvorrichtung kann somit zu einem Einsparen eines weiteren Beschleunigungssensors führen. Zusätzlich zu den eingesparten Kosten wird somit auch kein weiterer Anbringraum für den Beschleunigungssensor an dem rotierbaren Körper benötigt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung ist der von dem ersten Massenmittelpunkt zu dem zweiten Massenmittelpunkt verlaufende Vektor senkrecht zu der Schwingungsrichtung gerichtet. Dies ermöglicht ein vollständiges Übereinanderanordnen der beiden Massen senkrecht zu der Schwingungsrichtung und somit nahezu eine Halbierung der Ausdehnung der Rotationssensorvorrichtung in der Schwingungsrichtung. Diese deutliche Flächenreduktion erleichtert das Befestigen der Rotationssensorvorrichtung an einem rotierbaren Körper.
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Vorzugsweise ist die erste Relativbewegung senkrecht zu der Schwingungsrichtung gerichtet. Zusätzlich kann die Sensor- und Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt sein, unter Berücksichtigung der senkrecht zu der Schwingungsrichtung gerichteten ersten Relativbewegung eine Drehrate einer Rotationsbewegung der Rotationssensorvorrichtung mit einer Rotationsachse senkrecht zu der Schwingungsrichtung und senkrecht zu der ersten Relativbewegung zu ermitteln. Somit bietet die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit zum Ermitteln einer Drehrate eines rotierenden Körpers, ohne dass eine falsch ermittelte Drehrate aufgrund externer Beschleunigungseinflüsse befürchtet werden muss.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Sensor- und Auswerteeinrichtung einen zwischen der ersten Masse und der zweiten Masse angeordneten Kondensator auf, wobei eine erste Elektrode des Kondensators so an der erste Masse und eine zweite Elektrode des Kondensators so an der zweiten Masse angekoppelt sind, dass eine Kapazität des Kondensators über die erste Relativbewegung der ersten Masse gegenüber der zweiten Masse steigerbar oder reduzierbar ist. Da bei dieser Ausführungsform nur die Kapazität des einen Kondensators bezüglich der Information über die Rotationsbewegung ausgewertet werden muss, ist eine einfachere Signalauswertung mit weniger Auswertekomponenten möglich.
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Die in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile der Rotationssensorvorrichtung sind auch bei einem entsprechenden Verfahren zum Betreiben einer derartigen Rotationssensorvorrichtung gewährleistet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine von einer Corioliskraft bewirkte erste Relativbewegung der ersten Masse gegenüber der zweiten Masse ermittelt. Anschließend kann unter Berücksichtigung der ermittelten ersten Relativbewegung eine Drehrate einer Rotationsbewegung der Rotationssensorvorrichtung mit einer Rotationsachse senkrecht zu der Schwingungsrichtung und senkrecht zu der ersten Relativbewegung ermittelt werden. Eine der Corioliskraft entsprechende erste Relativbewegung lässt sich dabei leicht bezüglich einer Information über die Corioliskraft, eine Drehrate, eine Drehgeschwindigkeit und/oder einer räumlichen Lage einer Rotationsachse mit einem bekannten Betrag auswerten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1A bis 1C schematische Darstellungen eines herkömmlichen Drehratensensors zum Veranschaulichen seiner Funktionsweise. Dabei zeigt 1A einen Querschnitt durch den Drehratensensor, 1B eine Aufsicht auf die seismischen Massen des Drehratensensors und 1C eine Auswerteeinrichtung des Drehratensensors;
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2A bis 2F schematische Darstellungen einer erste Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung. Dabei zeigt 2A einen Querschnitt durch die Rotationssensorvorrichtung, 2B eine Aufsicht auf die Koppelfeder der Rotationssensorvorrichtung, 2C bis 2E Seitenansichten der Koppelfeder und 2F eine Auswerteeinrichtung der Rotationssensorvorrichtung;
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3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung; und
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4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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2A bis 2F zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung. Dabei zeigt 2A einen Querschnitt durch die Rotationssensorvorrichtung, 2B eine Aufsicht auf die Koppelfeder der Rotationssensorvorrichtung, 2C bis 2E Seitenansichten der Koppelfeder und 2F eine Auswerteeinrichtung der Rotationssensorvorrichtung.
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Die in 2A dargestellte Rotationssensorvorrichtung 50 kann an einem (nicht skizzierten) rotierbaren Körper befestigt werden. Der rotierbare Körper ist beispielsweise eine Fahrzeugkomponente. Vorzugsweise wird die Rotationssensorvorrichtung 50 dabei so an dem rotierbaren Körper befestigt, dass eine bevorzugte Rotationsachse senkrecht durch die Bildebene der 2A verläuft.
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Die Rotationssensorvorrichtung 50 hat eine erste seismische Masse 52 und eine zweite seismische Masse 54. Die beiden seismischen Massen 52 und 54 können eine planare Form aufweisen. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf seismische Massen 52 und 54 mit einer planaren Form beschränkt ist.
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Für jede der beiden seismischen Massen 52 und 54 ist ein Massenmittelpunkt 52a oder 54a definierbar. Des Weiteren kann jede der seismischen Massen 52 und 54 über einen elektrostatischen Antrieb in Schwingungen versetzt werden. Insbesondere können die beiden seismischen Massen 52 und 54 mittels des elektrostatischen Antriebs gleichzeitig so in Schwingungen versetzt werden, dass sie anti-parallel zueinander schwingen. Die beiden seismischen Massen 52 und 54 schwingen somit um 180° phasen-verschoben.
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Dabei wird die erste seismische Masse 52 so zu Schwingungen angeregt, dass sie harmonisch parallel zu einer Schwingungsrichtung 56 schwingt. Entsprechend kann auch die zweite seismische Masse 54 durch den elektrostatischen Antrieb zu Schwingungen entlang der Schwingungsrichtung 58 angelegt werden. Vorzugsweise ist die Schwingungsrichtung 58 der zweiten seismischen Masse 54 parallel zu der Schwingungsrichtung 56 der ersten seismischen Masse 52. Zumindest eine der Schwingungsrichtungen 56 oder 58 kann zudem parallel zu einer Längsachse der zugehörigen seismischen Masse 52 oder 54 ausgerichtet sein.
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Die beiden seismischen Massen 52 und 54 sind im Betriebsmodus der Rotationssensorvorrichtung 50 so zueinander angeordnet, dass ein vom Massenmittelpunkt 52a der ersten seismischen Masse 52 zu dem Massenmittelpunkt 54a der zweiten seismischen Masse 54 verlaufender Vektor 60 eine senkrecht zu der Schwingungsrichtung 56 der ersten seismischen Masse 52 gerichtete Vektorkomponente mit einem Betrag ungleich Null aufweist.
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Vorzugsweise sind die beiden Massen 52 und 54 in ihrer Ruhelage, d. h. bei einem deaktivierten elektrostatischen Antrieb, so zueinander angeordnet, dass der Vektor 60 senkrecht zu der Schwingungsrichtung 56 der ersten seismischen Masse 52 ausgerichtet ist. Der Vektor 60 liegt dann auf einer Achse 61, welche senkrecht zu der Schwingungsrichtung 56 der ersten seismischen Masse 52 durch den Massenmittelpunkt 52a verläuft. In diesem Fall sind die seismischen Massen 52 und 54 in ihrer Ruhelage übereinander angeordnet. Man kann dies auch als eine horizontale Anordnung der zwei seismischen Massen 52 und 54 bezeichnen. In der Ruhelage der seismischen Massen 52 und 54 weisen diese zueinander einen Abstand d auf.
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Die beiden seismischen Massen 52 und 54 können über mindestens eine Koppelfeder 62 miteinander verbunden sein. Bei dem in 2A bis 2F dargestellten Beispiel sind jeweils zwei gegenüberliegende seitliche Enden der seismischen Massen 52 und 54 über je eine Koppelfeder 62 miteinander verbunden. Es wird hier allerdings darauf hingewiesen, dass eine mechanische Kopplung zwischen den beiden seismischen Massen 52 und 54 über mindestens eine Koppelfeder 62 zur Realisierung der Rotationssensorvorrichtung 50 nicht notwendig ist. Beispielsweise ist auch eine Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung 50 möglich, welche keine mechanische Kopplung zwischen den beiden seismischen Massen 52 und 54 aufweist. Stattdessen können die seismischen Massen 52 und 54 rein elektrisch miteinander gekoppelt werden.
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Die beiden seismischen Massen 52 und 54 sind innerhalb eines Gehäuses aus einer Halterung 64 und einer Abdeckkappe 66 angeordnet. Dabei kann die Abdeckkappe 66 luftdicht an der Halterung 64 befestigt sein. Vorzugsweise herrscht im Inneren des aus der Abdeckkappe 66 und der Halterung 64 gebildeten Gehäuses ein Unterdruck. Über den Unterdruck im Inneren des Gehäuses aus den Komponenten 64 und 66 kann ein Vakuum angenähert werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die seismischen Massen 52 und 54 nahezu reibungsfrei schwingen.
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2B zeigt eine Aufsicht auf eine der beiden Koppelfedern 62 nach einem Abnehmen der Abdeckkappe 66. Das skizzierte obere Ende der Koppelfeder 62 ist an einer Ecke der zweiten seismischen Masse 54 angeordnet. Das darunter liegende zweite Ende der Koppelfeder 62 ist an einer entsprechenden Ecke der (nicht dargestellten) ersten seismischen Masse 52 befestigt. Benachbart zu der Koppelfeder 62 sind Elektroden 70 des elektrostatischen Antriebs angeordnet.
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Die Koppelfedern 62 weisen Befestigungsstege 63 auf, welche an der Innenwand der Halterung 64 befestigt sind. Die seismischen Massen 52 und 54 sind somit über die Koppelfedern 62 mit der Halterung 64 verbunden.
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Die Halterung 64 kann gleichzeitig mit den seismischen Massen 52 und 54 und den Koppelfedern 62 hergestellt werden, indem eine Kaverne 68 in ein Substrat aus einem leitfähigen Material geätzt wird. Bei einem Ätzen der Kaverne 68 werden die seismischen Massen 52 und 54 und die Koppelfedern 62 aus dem Substrat herausstrukturiert. Die Kaverne 68 wird dabei ausreichend groß geformt, um ein freies Schwingen der seismischen Massen 52 und 54 in die Schwingungsrichtungen 56 und 58 und ein Auslenken der seismischen Massen 52 und 54 in Richtung der Achse 61 zu ermöglichen.
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Bei dem Ätzen der Kaverne 68 können auch die (in 2A bis 2E nur schematisch skizzierten) Elektroden 70 an der Innenseite der Halterung 64, an den Koppelfedern 62 und/oder an den seismischen Massen 52 und 54 gebildet werden. Da das Ausbilden von derartigen Elektroden 70 bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird hier nicht genauer darauf eingegangen.
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Nach dem Bilden der seismischen Massen 52 und 54, der Koppelfedern 62 und/oder der Elektroden 70 kann die Abdeckkappe 66, beispielsweise über ein Anodisches Bonden, auf der Halterung 64 befestigt werden. Dabei führt das Anodische Festbonden der Abdeckkappe 66 auf der Halterung 64 automatisch zu dem gewünschten Unterdruck im Inneren des Gehäuses.
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Die Rotationssensorvorrichtung 50 kann anschließend an dem rotierbaren Körper fest angeordnet und in Betrieb genommen werden. Dazu werden die seismischen Massen 52 und 54 parallel zu ihren Schwingungsrichtungen 56 oder 58 in Schwingungen versetzt. Dreht sich der rotierbare Körper um eine Rotationsachse senkrecht zu der Schwingungsrichtung 56 der schwingenden ersten seismischen Masse 52, so wirkt eine Corioliskraft auf die erste seismische Masse 52. Vorzugsweise ist die Corioliskraft orthogonal zu der Schwingungsrichtung 56 entlang der Achse 61 gerichtet. Eine entsprechende Corioliskraft kann auch in Richtung der Achse 61 auf die zweite seismische Masse 54 wirken. Ist dies der Fall, so werden die beiden seismischen Massen 52 und 54 durch die Corioliskräfte in entgegen gerichtete Richtungen parallel zur Achse 61 bewegt. Die Corioliskräfte bewirken somit eine Zunahme und/oder eine Abnahme des Abstands d zwischen den beiden seismischen Massen 52 und 54.
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2C bis 2E zeigen Seitenansichten einer Koppelfeder 62 zum Darstellen unterschiedlicher Schwingungsmoden der Koppelfeder 62. In 2C befindet sich die Koppelfeder 62 in ihrer Ruhestellung bei nicht schwingenden seismischen Massen 52 und 54. Demgegenüber wird in 2D die erste seismische Masse 52 durch den elektrostatischen Antrieb in eine erste Richtung 74 bewegt. Gleichzeitig wird die zweite seismische Masse 54 durch den elektrostatischen Antrieb in eine der ersten Richtung 74 entgegen gerichtete zweite Richtung 76 bewegt. Die Koppelfeder 62 unterstützt die um 180° versetzte Bewegung der beiden seismischen Massen 52 und 54 in die entgegen gerichteten Richtungen 74 und 76. Die Massen 52 und 54 sind über die Koppelfeder 62 mechanisch so gekoppelt, dass die anti-parallele Kopplung bei der Detektionsbewegung optimiert wird. Vorzugsweise ist die Koppelfeder 62 dazu wie eine vertikale Wippe aufgebaut.
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Wirken keine Kräfte parallel zu der Achse 61 auf die seismischen Massen 52 und 54, so sorgt die Koppelfeder 62 dafür, dass der Abstand d der Ruhestellung der seismischen Massen 52 und 54 auch bei einer Bewegung der seismischen Massen 52 und 54 in die entgegen gerichteten Richtungen 74 und 76 eingehalten wird.
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2E zeigt einen Einfluss der Corioliskraft auf die Koppelfeder 62 und den Abstand d der beiden seismischen Massen 52 und 54 zueinander. Über die Corioliskraft werden die beiden seismischen Massen 52 und 54 in dem dargestellten Beispiel so aufeinander zu bewegt, dass der Abstand d abnimmt. Dabei wird das untere Ende der Koppelfeder 62 in Richtung des oberen Endes der Koppelfeder 62 gebogen. Die Koppelfeder 62 ist so flexibel ausgebildet, dass die von den Corioliskräften bewirkten Bewegungen von den seismischen Massen 52 und 54 ausgeführt werden können.
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Vorteilhafterweise bewegen sich die seismischen Massen 52 und 54 der Rotationssensorvorrichtung 50 bei einer Rotationsbewegung des rotierbaren Körpers gegenphasig. Dies bewirkt eine signifikantere Zu- oder Abnahme des Abstands d zwischen den beiden seismischen Massen 52 und 54. Durch das anti-parallele Oszillieren der seismischen Massen 52 und 54 wird die Sensitivität der Messung somit erhöht. Gleichzeitig trägt das anti-parallele Oszillieren der seismischen Massen 52 und 54 zur Unterdrückung von gleichen Moden bei.
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Die Zu- oder Abnahme des Abstands d kann über einen geeigneten Sensor ermittelt werden. Beispielsweise ist zwischen den beiden seismischen Massen 52 und 54 ein Kondensator 72 angeordnet, dessen erste Elektrode an der ersten seismischen Masse 52 und dessen zweite Elektrode an der zweiten seismischen Masse 54 angekoppelt sind. Die Zu- oder Abnahme des Abstands d bewirkt somit eine Veränderung des Abstands zwischen den beiden Elektroden des Kondensators 72. Entsprechend nimmt auch die Kapazität C des Kondensators 72 zu oder ab. Dabei ändert sich die Kapazität C des Kondensators 72 proportional zur Corioliskraft.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung 50 liegt die erste seismische Masse 52 auf dem gleichen ersten Potenzial wie die Halterung 64. Demgegenüber liegt an der zweiten seismischen Masse 54 ein zweites Potenzial ungleich dem ersten Potential an. Selbstverständlich ist die Rotationssensorvorrichtung 50 bezüglich der an den seismischen Massen 52 und 54 anliegenden Potenziale für einen Fachmann leicht veränderbar.
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2F zeigt eine schematische Darstellung der Auswerteeinrichtung der Rotationsvorrichtung 50. Eine Kapazität C des Kondensators 72, welche dem Abstand d zwischen den beiden seismischen Massen 52 und 54 entspricht, wird von einem Kapazitäts-Spannungswandler 78 in ein Spannungssignal U umgewandelt. Das Spannungssignal U kann anschließend bezüglich einer Information über eine Rotation des rotierbaren Körpers ausgewertet werden. Beispielsweise wird anhand des Spannungssignals U bestimmt, ob sich der rotierbare Körper gerade dreht. Zusätzlich kann unter Berücksichtigung des Spannungssignals U der Abstand d, die auf die seismischen Massen 52 und 54 wirkenden Corioliskräfte, eine Drehrate und/oder eine Drehgeschwindigkeit des rotierbaren Körpers berechnet werden. Ist die Drehgeschwindigkeit des rotierbaren Körpers bekannt, so kann auch eine räumliche Lage der Rotationsachse anhand des Spannungssignals U festgelegt werden. Da die Corioliskraft, welche die beiden seismischen Massen 52 und 54 aufeinander zu oder voneinander weg bewegt, abhängig von der Rotationsbewegung des rotierenden Körpers ist, lassen sich anhand des Spannungssignals U die Rotationsbewegung beschreibende Größen leicht bestimmen.
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Bei der Rotationssensorvorrichtung 50 ist eine elektrische Differenzbildung, wie sie herkömmlicherweise bei einem Drehratensensor notwendig ist (siehe 1C), durch eine mechanische Differenzbildung ersetzt. Die mechanische Differenzbildung ist gewährleistet durch das Anordnen der beiden seismischen Massen 52 und 54 so, dass der Vektor 60 von dem Massenmittelpunkt 52a zu dem Massenmittelpunkt 54a eine Vektorkomponente senkrecht zu der Schwingungsrichtung 56 der ersten seismischen Masse 52 mit einem Betrag ungleich Null aufweist. Des Weiteren ist die mechanische Differenzbildung durch das direkte Erfassen der Zu- oder Abnahme des Abstands d zwischen den beiden seismischen Massen 52 und 54 realisiert.
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Die in der 2F dargestellte Auswerteeinrichtung der Rotationssensorvorrichtung 50 benötigt nur einen Kapazitäts-Spannungswandler 78. Ein zweiter Spannungswandler oder ein Differenzierer wird von der Rotationssensorvorrichtung 50 nicht benötigt. Dies stellt einen Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Drehratensensor der 1A bis 1C dar, welcher mindestens zwei Spannungswandler und einen Differenzierer haben muss. Durch das Einsparen des zweiten Spannungswandlers und des Differenzierers ist die in der 2F dargestellte Auswerteeinrichtung kostengünstiger herstellbar und benötigt weniger Bauraum.
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Die Rotationssensorvorrichtung 50 weist zusätzlich gegenüber dem herkömmlichen Drehratensensor der 1A bis 1C den Vorteil auf, dass Beschleunigungen in Richtung der Achse 61 auf das aus den Komponenten 64 und 66 gebildete Gehäuse über die Koppelfedern 62 gleichermaßen auf die beiden seismischen Massen 52 und 54 übertragen werden. Somit bewirken die Beschleunigungen eine gleichförmige Bewegung der beiden seismischen Massen 52 und 54 gegenüber dem Gehäuse, aber keine Relativbewegung einer der ersten seismischen Masse 52 und gegenüber der zweiten seismischen Masse 54. Somit führen die Beschleunigungen in Richtung der Achse 61 zu keiner Änderung des Abstands d der beiden seismischen Massen 52 und 54 zueinander. Eine Zu- oder Abnahme der Kapazität C des Kondensators 72 wird durch die in Richtung der Achse 61 gerichteten Beschleunigungen nicht bewirkt. Bei der Rotationssensorvorrichtung 50 werden die Beschleunigungen in Richtung der Achse 61 somit ohne einen zusätzlichen Arbeitsaufwand „herausgefiltert”. Eine Verfälschung der unter Berücksichtigung des Spannungssignals U ermittelten Information muss somit auch bei großen Beschleunigungen nicht befürchtet werden.
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Die anhand der 2A bis 2F erläuterte Rotationssensorvorrichtung 50 kann in einer alternativen Ausführungsform auch so ausgebildet werden, dass nur die erste seismische Masse 52 über den elektrostatischen Antrieb zu Schwingungen entlang der Schwingungsrichtung 56 anregbar ist. Die zweite seismische Masse 54 ist bei einer derartigen Ausführungsform zwar über Federn im Inneren des Gehäuses aufgehängt, wird jedoch nicht in Oszillationen versetzt. Bei einer derartigen alternativen Ausführungsform wird eine Differenzauswertung zum Ermitteln der Relativbewegung der beiden seismischen Massen 52 und 54 zueinander über einen zweiten Spannungswandler ausgeführt. Der Vorteil einer starken Unterdrückung von Beschleunigungen in Richtung der Achse 61 ist auch bei dieser alternativen Ausführungsform gewährleistet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung.
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Die dargestellte Rotationssensorvorrichtung 80 weist die bereits beschriebenen Komponenten 52, 54, 62 bis 72 und 78 auf. Zusätzlich umfasst die Rotationssensorvorrichtung 80 einen zweiten Kondensator 82 und einen dritten Kondensator 84, über welche eine Relativbewegung der beiden seismischen Massen 52 und 54 bezüglich eines Gehäuseteils oder des aus den Komponenten 64 und 66 zusammengesetzten Gehäuses bestimmbar ist.
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Der Kondensator 82 ist so zwischen der ersten seismischen Masse 52 und der benachbarten Wand der Halterung 64 angeordnet, dass eine erste Elektrode fest an der ersten seismischen Masse 52 und eine zweite Elektrode des Kondensators 82 an einer Innenseite der Wand angekoppelt ist. Eine Bewegung der ersten seismischen Masse 52 bezüglich der Halterung 64 bewirkt somit eine Zu- oder Abnahme der Kapazität CR1 des Kondensators 82.
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Entsprechend ist eine erste Elektrode des Kondensators 84 an der zweiten seismischen Masse 54 befestigt. Die zweite Elektrode des Kondensators 84 ist an die Abdeckkappe 66 angekoppelt. Bewegt sich die zweite seismische Masse 54 auf die Abdeckung 66 zu, so nimmt eine Kapazität CR2 des Kondensators 84 zu. Eine Bewegung der zweiten seismischen Masse 54 weg von der Abdeckung 66 führt hingegen zu einer Reduzierung der Kapazität CR2 des Kondensators 84.
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Die Kapazitäten CR1 und CR2 der Kondensatoren 82 und 84 können zum Ermitteln einer entlang der Achse 61 gerichteten Beschleunigung der Rotationssensorvorrichtung 80 ausgewertet werden. Beispielsweise wird dabei eine Differenz CR1 – CR2 zwischen den Kapazitäten CR1 und CR2 berechnet.
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Die Rotationssensorvorrichtung 80 ist somit zusätzlich als Beschleunigungssensor verwendbar. Durch diese Multifunktionalität der Rotationssensorvorrichtung 80 kann ein zusätzlicher Beschleunigungssensor an dem rotierenden Körper eingespart werden.
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Anstelle eines elektrostatischen Antriebs oder als Ergänzung zu diesem können die Rotationssensorvorrichtungen 50 und 80 auch einen anderen Antrieb, beispielsweise einen magnetischen Antrieb, zum Oszillieren mindestens einer der seismischen Massen 52 oder 54 aufweisen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung.
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Die dargestellte Rotationssensorvorrichtung 100 ist spiegelsymmetrisch zu einer Mittelachse 102 aufgebaut.
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Die Rotationssensorvorrichtung 100 ist über ein kostengünstiges und einfach ausführbares Herstellungsverfahren herstellbar. Dabei werden in einem ersten Schritt des Herstellungsverfahrens eine Vielzahl von Massen 104 und 106 und eine Vielzahl von (nicht dargestellten) Aufhängefedern aus einem Grundsubstrat heraus strukturiert. Das Grundsubstrat kann beispielsweise Silizium und/oder ein Metall umfassen. Das Herausstrukturieren der Massen 104 und 106 erfolgt dabei so, dass jede der Massen 104 und 106 über mindestens eine der Aufhängefedern mit dem Grundsubstrat verbunden wird. Beim Herausstrukturieren der Vielzahl von Massen 104 und 106 kann auch eine Abdeckung für die Massen 104 und 106 gebildet werden, welche eine gemeinsame Seite der Massen 104 und 106 abgedeckt. Beispielsweise erfolgt das Bilden der Abdeckung durch Ätzen von Kavernen 108 unter den Massen 104 und 106. Als Alternative zu dem Ätzen der Kavernen 108 kann jedoch auch ein weiterer Wafer an dem Grundsubstrat als Abdeckung befestigt werden.
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Anschließend werden das Grundsubstrat und die Abdeckung in mindestens einen ersten Chip 110 und einen zweiten Chip 112 unterteilt. Der erste Chip 110 weist eine erste seismische Masse 104 auf, welche auf einer Seite durch eine Abdeckkappe 114 abgedeckt ist. Zusätzlich umrahmt die Abdeckkappe 114 die erste seismische Masse 104. Auch der zweite Chip 112 mit einer zweiten seismischen Masse 104 weist eine entsprechende zweite Abdeckkappe 116 auf.
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In einem weiteren Schritt des Herstellungsverfahrens wird der erste Chip 110 an den zweiten Chip 112 befestigt. Dabei wird eine der Abdeckkappe 114 entgegen gerichtete Seite des ersten Chips 110 mit einer der Abdeckkappe 116 entgegen gerichteten Seite des zweiten Chips 112 in Kontakt gebracht. Das Befestigen der beiden Chips 110 und 112 aneinander erfolgt beispielsweise über ein Anodisches Bonden. Die mittels des Anodischen Bondens erzeugte Verbindungsstelle 118 der beiden Chips 110 und 112 ist luftdicht und ermöglicht einen Unterdruck im Inneren der Rotationssensorvorrichtung 100.
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Durch das Befestigen des ersten Chips 110 an dem zweiten Chip 112 werden die beiden seismischen Massen 104 und 106 übereinander angeordnet. Über einen Antrieb, beispielsweise einen elektrostatischen Antrieb, kann zumindest die erste seismische Masse 104 in eine harmonische Schwingung entlang einer Schwingungsrichtung 120 versetzt werden.
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Die fertig hergestellte Rotationssensorvorrichtung 100 kann an einen rotierbaren Körper, beispielsweise an einer Fahrzeugkomponente, fest angeordnet werden. Rotiert der Körper bei einer harmonisch schwingenden ersten seismischen Masse 104, so wirkt eine Corioliskraft in Richtung der Achse 122 zumindest auf die erste seismische Masse 104. Durch die Corioliskraft wird der Abstand d zwischen den beiden seismischen Massen 104 und 106 verändert. Die Veränderung des Abstands d kann ermittelt werden und anschließend zur Berechnung einer die Rotationsbewegung des Körpers beschreibenden Größe herangezogen werden. Da eine mögliche Auswerteeinrichtung zum Auswerten des Abstands d oben bereits beschrieben ist, wird hier nicht noch einmal darauf eingegangen.
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Die in den oberen Absätzen beschriebenen Ausführungsformen einer Rotationssensorvorrichtung können in einer Weiterbildung anstelle der ersten seismischen Masse und anstelle der zweiten seismischen Masse je zwei vertikal angeordnete Schwingmassen aufweisen. Diese vertikal angeordneten doppelten Schwingmassen ermöglichen somit eine Weiterbildung der Erfindung. Durch die auf diese Weise realisierbare doppelte Gleichwertentkopplung und Vervierfachung der Direktionskapazitäten kann eine Information über eine Rotationsbewegung eines Körpers genauer bestimmt werden.
