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Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor.
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Stand der Technik
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Ein herkömmlicher mikromechanischer Drehratensensor umfasst in der Regel eine in einer Halterung beweglich angeordnete Masse, welche gegenüber der Halterung in eine Schwingbewegung versetzbar ist. Eine zu der Schwingbewegung nicht-parallele Drehbewegung eines rotierbaren Körpers, an welchem der mikromechanische Drehratensensor befestigt ist, bewirkt eine Corioliskraft auf die in die Schwingbewegung versetzte Masse, durch welche die bewegte Masse zusätzlich ausgelenkt wird. Über eine Sensoreinrichtung, welche beispielsweise einen Kondensator umfasst, kann diese zusätzliche Auslenkung der bewegten Masse detektiert und bzgl. einer die Drehbewegung des rotierbaren Körpers beschreibenden Größe ausgewertet werden. Eine derartige Größe ist beispielsweise eine Drehrate der Drehbewegung des rotierbaren Körpers.
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Die
US 2005 / 0 081 633 A1 , die
US 2006 / 0 219 006 A1 und die
US 2005 / 0 082 252 A1 beschreiben Drehratensensoren, deren bewegliche Massen in eine Schwingbewegung um eine erste Drehachse versetzbar sind. Eine Corioliskraft kann in diesem Fall eine zusätzliche Drehbewegung der schwingenden Masse in einer Schwingebene um eine zu der ersten Drehachse senkrecht ausgerichtete zweite Drehachse und damit ein VerstellenNerkippen der bewegten Masse aus der Schwingebene heraus bewirken.
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Allerdings weisen die Drehratensensoren der
US 2005 / 0 081 633 A1 , der
US 2006 / 0 219 006 A1 und der
US 2005 / 0 082 252 A1 den Nachteil auf, dass nur ein Teil der in die Schwingbewegung um die erste Drehachse versetzten Masse durch die Corioliskraft um die zweite Drehachse ausgelenkt wird. Die Corioliskraft bewirkt somit bei diesen Drehratensensoren ein vergleichsweise schwaches Signal, dessen Auswertung bezüglich der die Drehbewegung des rotierbaren Körpers wiedergebenden Information relativ ungenau und häufig fehlerbehaftet ist. Zusätzlich sind die Detektion und das Auswerten des durch die Corioliskraft bewirkten Verstellens/Verkippens der schwingenden Masse aus ihrer Schwingebene heraus vergleichsweise aufwendig.
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Zusätzlich beschreibt die
US 2003 / 0 110 858 A1 einen Drehratensensor mit einem mittels eines Antriebs in eine Schwingbewegung entlang einer Schwingachse versetzbaren Antriebrahmen, wobei die Schwingachse nicht-parallel zu einer von dem Antriebrahmen umrahmten Innenfläche ausgerichtet ist, mindestens einer Stator-Elektrode und mindestens einer Aktor-Elektrode. Die mindestens eine Aktor-Elektrode ist so an den Antriebrahmen gekoppelt, dass die mindestens eine Aktor-Elektrode bei einer Drehbewegung des Drehratensensors aufgrund einer Corioliskraft gegenüber der mindestens einen Stator-Elektrode verstellbar ist, wodurch eine Information bezüglich der Drehbewegung des Drehratensensors ermittelbar sein soll.
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Weitere Beispiele für Drehratensensoren sind in der
JP 2006 - 64 538 A , der
US 2008 / 0 053 224 A1 und in der
US 2006 / 0 010 978 A1 offenbart.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft einen Drehratensensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das Versetzen des Antriebrahmens in eine linear ausgerichtete Schwingbewegung entlang der Schwingachse zu dem Vorteil führt, dass eine Corioliskraft bei einer Drehbewegung des Drehratensensors eine lineare Auslenkung in mindestens eine erste Auslenkrichtung bewirkt. Die Schwingachse und die Auslenkrichtung sind Geraden. Somit entfallen bei der vorliegenden Erfindung das Detektieren und das Auswerten einer Verkippbewegung einer in eine Schwingung um eine Drehachse versetzten Masse, welches einen größeren Arbeitsaufwand fordert und zu ungenaueren Ergebnissen führt.
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Eine zunehmende Zahl von Anwendungen für Drehratensensoren verlangen nach zweiachsigen Drehratensensoren. Für derartige Zwecke ist aus dem Stand der Technik die Möglichkeit bekannt, mehrere einkanalige Drehratensensoren nebeneinander zu platzieren. Die Verwendung mehrerer getrennter einkanaliger Drehratensensoren weist jedoch große Nachteile hinsichtlich der Kosten, des Platzbedarfs, des Strombedarfs und der relativen Orientierungsgenauigkeit der sensitiven Achsen auf. Diese Nachteile sind mittels der vorliegenden Erfindung umgehbar.
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Gegenüber dem Stand der Technik weist der erfindungsgemäße Drehratensensor zusätzlich den Vorteil auf, dass die gesamte in eine Schwingbewegung versetzte Masse durch die Corioliskraft auslenkbar ist. Dies ermöglicht ein großes Coriolissignal.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Schwingachse in einem Neigungswinkel zwischen 85° bis 90° zu der von dem ersten Antriebrahmen umrahmten Innenfläche ausgerichtet. Diese Ausführungsform gewährleistet somit den Vorteil, dass aufgrund der linearen Schwingbewegung des Antriebrahmens senkrecht zu der Innenfläche ein Out-Of-Plane-Antrieb des Antriebrahmens aus einer Chipebene heraus vorliegt. Somit ist ein Detektieren der durch die Corioliskraft bewirkten Verstellbewegung des Antriebrahmens in der Chipebene möglich. Man kann dies als In-Plane-Detektieren bezeichnen.
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Beispielsweise ist die Schwingachse senkrecht zu der umrahmten Innenfläche ausgerichtet. Da die Amplitude der durch die Corioliskraft bewirkten Verstellbewegung in der Regel kleiner als die Amplitude der Schwingbewegung ist, ist auf diese Weise die Ausdehnung des Drehratensensors parallel zu dem Antriebrahmen reduzierbar. Dies ermöglicht eine Minimierung des Drehratensensors und somit ein einfaches Anordnen des Drehratensensors an einem rotierbaren Körper.
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Vorteilhaft ist die Out-Of-Plane-Schwingbewegung vor allem in den Fällen, in denen die gap-Abstände in der Chipebene nicht ausreichen, um eine ausreichend hohe Antriebsamplitude (Amplitude der Schwingbewegung) für den Drehratensensor sicherzustellen. In diesen Fällen kann der Out-Of-Plane-Antrieb genutzt werden, um den Flächenbedarf in der Chip-Ebene zu reduzieren. In der Chipebene werden in diesem Fall lediglich kleine gaps benötigt, die den Amplituden der durch die Corioliskraft bewirkten Verstellbewegungen entsprechen. Typischerweise sind die Amplituden der durch die Corioliskraft bewirkten Verstellbewegung eine Größenordnung kleiner als die Antriebsamplituden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Antrieb mindestens eine an dem ersten Antriebrahmen befestigte Antriebelektrode, mindestens eine gegenüber der Halterung fest angeordnete Gegenelektrode und eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, eine Antriebspannung zwischen der mindestens einen Antriebelektrode und der mindestens einen Gegenelektrode anzulegen. Unter der Beschreibung, dass eine Elektrode an einer Komponente befestigt ist, ist zu verstehen, dass die Elektrode so an die Komponente angekoppelt ist, dass sie nicht in eine signifikante Bewegung gegenüber der Komponente versetzbar ist. Der hier beschriebene kostengünstige Antrieb ermöglicht ein leicht ausführbares Versetzen des Antriebrahmens in die Schwingbewegung. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen elektrostatischen Antrieb eingeschränkt ist. Als Alternative zu dem elektrostatischen Antrieb kann beispielsweise auch ein magnetischer Antrieb oder ein piezoelektrischer Antrieb verwendet werden, um den Antriebrahmen in die gewünschte Schwingbewegung gegenüber der Halterung zu versetzen.
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Vorzugsweise ist zumindest die erste Aktor-Elektrode an einen Detektionsrahmen befestigt, welcher über mindestens eine Zwischenfeder mit dem ersten Antriebrahmen verbunden ist. Die mindestens eine Zwischenfeder kann in der Schwingrichtung eine erste Federsteifigkeit und in der ersten Auslenkrichtung eine zweite Federsteifigkeit aufweisen, wobei die zweite Federsteifigkeit größer als die erste Federsteifigkeit ist. Auf diese Weise kann der Detektionsrahmen von der Schwingbewegung des Antriebrahmens zumindest teilweise entkoppelt werden. Gleichzeitig ist gewährleistet, dass der Detektionsrahmen bei einer durch die Corioliskraft bewirkten Auslenkung des Antriebrahmens ebenfalls in die erste Auslenkrichtung ausgelenkt wird.
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Zusätzlich kann der Detektionsrahmen über mindestens eine innere Feder mit der Halterung verbunden sein. Die innere Feder kann in der Schwingrichtung eine erste Federsteifigkeit und in der ersten Auslenkrichtung eine zweite Federsteifigkeit aufweisen, wobei die zweite Federsteifigkeit kleiner als die erste Federsteifigkeit ist. Auch dies gewährleistet ein vorteilhaftes Entkoppeln des Detektionsrahmens von der Schwingbewegung des Antriebrahmens.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der erste Antriebrahmen von einem äußeren Antriebrahmen umrahmt, wobei der äußere Antriebrahmen über mindestens eine weitere Zwischenfeder mit dem ersten Antriebrahmen verbunden ist, und wobei der Antrieb zusätzlich dazu ausgelegt ist, den äußeren Antriebrahmen in die erste Schwingbewegung entlang der Schwingachse zu versetzen. Vorzugsweise wird der äußere Antriebrahmen somit zu einem phasengleichen Schwingen mit dem ersten Antriebrahmen angeregt. Des Weiteren kann der äußere Antriebrahmen so an der Halterung angekoppelt sein, dass er nicht in eine zu der Schwingachse nicht-parallel Richtung gegenüber der Halterung verstellbar ist. Die auf den äußeren Antriebrahmen wirkende Corioliskraft wird somit auf den Detektionsrahmen übertragen. Dies verbessert das Signal-Untergrund-Verhältnis des Drehratensensors.
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Vorzugsweise umfasst der Drehratensensor mehrere Aktor-Elektroden, welche zumindest teilweise parallel zu der ersten Aktor-Elektrode entlang einer ersten Längsachse angeordnet sind und ein erstes Elektrodengitter bilden. Durch das Anordnen der Aktor-Elektroden als erstes Elektrodengitter und das Befestigen der Stator-Elektroden an der Halterung ist eine große Detektionsfläche zum Erfassen der Bewegung der Aktor-Elektroden gegenüber den Stator-Elektroden gewährleistet.
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Insbesondere kann die erste Längsachse senkrecht zu der ersten Auslenkrichtung ausgerichtet sein. Somit ist gewährleistet, dass ein Verstellen der Aktor-Elektroden gegenüber den Stator-Elektroden entlang der ersten Auslenkrichtung eine signifikante Änderung der zwischen den Aktor-Elektroden und den Stator-Elektroden anliegenden Spannung bewirkt.
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Mit der Weiterbildung sind zwei orthogonale Drehraten in der Chip-Ebene erfassbar und beispielsweise für eine Stabilisierung einer Fotokamera auswertbar.
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Beispielsweise kann der Drehratensensor mehrere Aktor-Elektroden umfassen, welche zumindest teilweise parallel zu der zweiten Aktor-Elektrode entlang einer zweiten Längsachse angeordnet sind und ein zweites Elektrodengitter bilden. Auch auf diese Weise ist eine große Detektionsfläche zum Erfassen der Bewegung der Aktor-Elektroden gegenüber den Stator-Elektroden gewährleistet. Die hier beschriebene Weiterbildung weist somit zwei sensitive Achsen auf, wobei insbesondere zwei Elektrodengitter so zueinander angeordnet werden, dass jedes Elektrodengitter in seiner Ausrichtung für eine sensitive Achse optimiert ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Drehratensensor einen zweiten Antriebrahmen, welcher mittels des Antriebs in eine zu der ersten Schwingbewegung gegenphasige zweite Schwingbewegung entlang der Schwingachse versetzbar ist, mindestens eine dritte Stator-Elektrode und mindestens eine dritte Aktor-Elektrode, welche so an den zweiten Antriebrahmen gekoppelt ist, dass die mindestens eine dritte Aktor-Elektrode bei der Drehbewegung des Drehratensensors aufgrund der Corioliskraft gegenüber der mindestens einen dritten Stator-Elektrode in die erste Auslenkrichtung verstellbar ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass eine lineare Beschleunigung des Drehratensensors in die erste Auslenkrichtung nicht zu einem Verfälschen oder zu einer Ungenauigkeit der ermittelten Information bzgl. der Drehbewegung des Drehratensensors führt.
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Die Erfindung umfasst mehrkanalige Drehratensensoren, die kostengünstig in Oberflächen-Mikromechanik (bulk-Mikromechanik) herstellbar sind.
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Ein erfindungsgemäßer Drehratensensor ist beispielsweise in einem Kfz für die ESP, für die Navigation oder für das Roll-Over-Sensing (Rose) einsetzbar. Ebenso ist der Drehratensensor im Consumerbereich für eine Bildstabilisierung, für eine Bewegungsdetektion (Motion Detection) und/oder für eine Navigation verwendbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 10 erläutert, welche jeweils eine Draufsicht auf einen Antriebrahmen zum Darstellen eines Drehratensensors zeigen.
- Die 5, 6, 9 und 10 zeigen Ausführungsformen des Drehratensensors.
- Die Drehratensensoren der 1 bis 4, 7 und 8 fallen nicht unter die vorliegende Erfindung. Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Draufsicht auf einen Antriebrahmen zum Darstellen eines Drehratensensors, welcher nicht unter die vorliegende Erfindung fällt.
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Der schematisch wiedergegebene Drehratensensor umfasst einen Antriebrahmen 10, welcher mittels mindestens einer äußeren Feder 12 mit einer Grundplatte 14 einer Halterung verbunden ist. Die Grundplatte 14 ist beispielsweise Teil eines Gehäuses des Drehratensensors. In dem Beispiel der 1 weist der Drehratensensor vier äußere Federn 12 auf. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die äußeren Federn 12 so an dem Antriebrahmen 10 angeordnet sind, dass der Antriebrahmen 10 mit den äußeren Federn 12 eine Spiegelsymmetrie bzgl. zweier durch die Ebene des Antriebrahmens 10 verlaufende Mittelachsen 15 aufweist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die hier beschriebene Ausführungsform nicht auf eine bestimmte Anzahl und/oder Anordnung von äußeren Federn 12 an dem Antriebrahmen 10 beschränkt ist.
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An einer Oberfläche des Antriebrahmens 10, welche parallel zu einer von dem Antriebrahmen 10 umrahmten Innenfläche ausgerichtet ist, ist mindestens eine Antriebelektrode 16 befestigt. Vorzugsweise wird die Oberfläche zu einem hohen Prozentsatz oder vollständig von mindestens einer Antriebelektrode 16 abgedeckt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind beide Oberflächen des Antriebrahmens 10, welche parallel zu der von dem Antriebrahmen 10 umrahmten Innenfläche verlaufen, zumindest teilweise mit Antriebelektroden 16 abgedeckt.
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Benachbart zu der mindestens einen Antriebelektrode 16 des Antriebrahmens 10 ist mindestens eine (nicht skizzierte) Gegenelektrode an der Halterung, beispielsweise auf der Grundplatte 14, befestigt. Dabei ist die mindestens eine Gegenelektrode so angeordnet, dass ihre Position bzgl. der Halterung durch eine Bewegung des Antriebrahmens 10 gegenüber der Halterung nicht beeinträchtigt wird.
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Mittels einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung kann eine Antriebsspannung zwischen der mindestens einen Antriebelektrode 16 und der mindestens einen Gegenelektrode angelegt werden. Auf diese Weise kann der Antriebrahmen 10 in eine lineare Schwingbewegung entlang einer Schwingachse gegenüber der Halterung versetzt werden. In dem dargestellten Beispiel der 1 liegt die von dem nicht-bewegten Antriebrahmen 10 umrahmte Innenfläche in der xy-Ebene und die Schwingachse ist parallel zu der z-Achse ausgerichtet.
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Die mindestens eine äußere Feder 12 weist vorzugsweise in Richtung der Schwingachse (z-Richtung) eine vergleichsweise kleine Biegesteifigkeit auf. Somit erlaubt die mindestens eine äußere Feder 12 ein verlässliches Einhalten der linearen Schwingbewegung entlang der Schwingachse mit einer relativ großen Amplitude. Auf weitere vorteilhafte Eigenschaften der mindestens einen äußeren Feder 12 wird unten noch eingegangen. Des Weiteren ist durch die spiegelsymmetrische Ausbildung des Antriebrahmens 10 und der daran angeordneten äußeren Federn 12 sichergestellt, dass die Linearität der Schwingbewegung des Antriebrahmens 10 verlässlich eingehalten wird.
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In der von dem Antriebrahmen 10 umrahmten Innenfläche ist ein Elektrodengitter 18 aus parallel zueinander angeordneten Aktor-Elektroden 20 befestigt. In der dargestellten Ausführungsform sind die Aktor-Elektroden 20 direkt an den Innenflächen des Antriebrahmens 10 befestigt. Die Aktor-Elektroden 20 weisen eine gemeinsame Längsachse auf, welche senkrecht zu der Schwingachse und parallel zu der y-Achse ausgerichtet ist. Der hier beschriebene Drehratensensor ist nicht auf eine bestimmte Anzahl von Aktor-Elektroden 20 beschränkt.
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Benachbart zu jeder Aktor-Elektrode 20 ist mindestens eine Stator-Elektrode 22 fest an der Halterung angeordnet. Beispielsweise sind die Stator-Elektroden 22 so an der Grundplatte 14 befestigt, dass sie durch eine Bewegung des Antriebrahmens 10 und der Aktor-Elektroden 20 gegenüber der Grundplatte 14 nicht in ihrer Position bzgl. der Grundplatte 14 beeinträchtigt werden.
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Vorzugsweise weist jede Aktor-Elektrode 20 an jeder der beiden Seitenflächen je eine zugehörige Stator-Elektrode 22 auf. Jede der Aktor-Elektroden 20 bildet damit mit ihren zusammenwirkenden Stator-Elektroden 22 zwei Kondensatoren aus der Aktor-Elektrode 20 und einer Stator-Elektrode 22.
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Der Drehratensensor der 1 kann an einem rotierbaren Körper befestigt werden. Führt der rotierbare Körper mit dem in die lineare Schwingbewegung versetzten Antriebrahmen 10 eine Drehbewegung um eine senkrecht zu der Schwingachse ausgerichtete Drehachse aus, so wirkt auf den Antriebrahmen 10 eine Corioliskraft, welche senkrecht zu der Drehachse des rotierbaren Körpers und der Schwingachse ausgerichtet ist.
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Die mindestens eine äußere Feder 12 ist so ausgelegt, dass eine Verstellbewegung des Antriebrahmens 10 und der Aktor-Elektroden 20 entlang einer Auslenkrichtung 24 gegenüber der Halterung aufgrund einer x-Komponente der Corioliskraft möglich ist. Die Auslenkrichtung 24 ist bei dem dargestellten Beispiel parallel zu der x-Achse ausgerichtet. Somit ist die hier beschriebene Ausführungsform am Besten dazu geeignet, eine Information bezüglich einer Drehbewegung des rotierbaren Körpers mit einer parallel zu der y-Achse verlaufenden Drehachse zu ermitteln.
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Vorzugsweise ist die Biegesteifigkeit der mindestens einen äußeren Feder 12 in y-Richtung signifikant größer als entlang der Auslenkrichtung 24. Beispielsweise ist die mindestens eine äußere Feder 12 eine U-Feder und/oder eine Torsionsfeder. Die als U-Feder ausgebildete mindestens eine äußere Feder 12 kann so mit einem ersten Ende an der Grundplatte 14 und mit einem zweiten Ende an dem Antriebrahmen 10 befestigt werden, dass sich die befestigte äußere Feder 12 senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der Auslenkrichtung 24 erstreckt. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Form oder Anordnung der mindestens einen äußeren Feder 12 beschränkt ist.
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Die Verstellbewegung der Aktor-Elektroden 20 entlang der Auslenkrichtung 24 bewirkt eine Zu- oder Abnahme des Abstands zwischen zwei zu einem Kondensator zusammengeschlossenen Elektroden 20 und 22 und somit eine Änderung der zwischen den Elektroden 20 und 22 anliegenden Spannung (bzw. einer Kapazität des Kondensators). Da die Zu- oder Abnahme des Abstands zwischen zwei Elektroden 20 und 22 und die Änderung der anliegenden Spannung in erster Näherung proportional zu der Corioliskraft ist, ist es über ein Auswerten der Spannungsänderung mittels einer (nicht dargestellten) Auswerteeinrichtung möglich, eine die Drehbewegung des rotierenden Körpers beschreibende Information verlässlich zu ermitteln. Eine Größe, welche beispielsweise proportional zu der Corioliskraft ist, ist die Drehrate bzw. die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Körpers.
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Somit ist es nicht nur möglich, anhand der ermittelten Spannungsänderung die Drehbewegung des rotierbaren Körpers um eine senkrecht zu der Schwingachse liegende Drehachse (in der xy-Ebene) nachzuweisen, sondern man kann zusätzlich eine senkrecht zu der Schwingachse und der Auslenkrichtung 24 liegende Komponente der Drehrate (y-Komponente) festlegen. Insbesondere eignet sich der Drehratensensor der 1 besonders gut für ein Erkennen einer Drehbewegung des rotierbaren Körpers um die y-Achse und/oder zum Ermitteln der zugehörigen Drehrate bzw. der zugehörigen Drehgeschwindigkeit.
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1 stellt eine Grundstruktur für einen einkanaligen, Out-Of-Plane-angetriebenen Drehratensensor dar, dessen durch Corioliskräfte verursachte In-Plane-Verschiebung (entlang der Auslenkrichtung 24) für ein Ermitteln einer Information bzgl. einer Drehbewegung des rotierbaren Körpers kapazitiv auslesbar ist. Dabei ist es vorteilhaft, beim Auswerten der Spannungsänderungen zusätzlich zu berücksichtigen, dass die lineare Schwingbewegung des Antriebrahmens 10 ebenfalls Änderungen der zwischen den Elektroden 20 und 22 anliegenden Spannungen bewirkt. Die durch die lineare Schwingbewegung des Antriebrahmens 10 bewirkten Änderungen der zwischen den Elektroden 20 und 22 anliegenden Spannungen werden häufig als Quadratur bezeichnet.
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Der Out-Of-Plane-angetriebene Drehratensensor weist den Vorteil auf, dass die Schwingbewegung des Antriebrahmens 10 nicht in der Ebene der von dem Antriebrahmen 10 umrahmten Innenfläche liegt. Nur die von der Corioliskraft bewirkte Auslenkbewegung entlang der Auslenkrichtung 24 liegt in der Ebene des Antriebrahmens 10. Somit ist es nicht notwendig, aufgrund der gegenüber der Auslenkbewegung relativ großen Amplituden der Schwingbewegung die Grundfläche des Drehratensensors parallel zu der Ebene des Antriebrahmens 10 zu vergrößern. Dies gewährleistet eine Reduzierung der Größe des Drehratensensors.
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Zusätzlich gewährleistet das Elektrodengitter 18 eine vergleichsweise große Kontaktfläche zwischen den Elektroden 20 und 22 für ein kapazitives Auslesen der durch die Corioliskraft bewirkten Auslenkung der schwingenden Masse. Insbesondere ist dabei das Verhältnis zwischen der Kontaktfläche und der schwingenden Masse vorteilhaft groß. Ebenso ist es von Vorteil, dass die gesamte in eine Schwingbewegung versetzte Masse durch die Corioliskraft ausgelenkt wird und somit ein vergleichsweise großes Coriolissignal liefert. Dies verbessert die Messgenauigkeit beim Ermitteln eines Werts bezüglich der zwischen den Elektroden 20 und 22 anliegenden Spannung.
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Die in den oberen Abschnitten beschriebenen Komponenten 10 bis 22 des Drehratensensors können aus einer auf einem Substrat aufgebrachten Materialschicht herausgeätzt werden. Die Herstellung des Drehratensensors ist somit auch bei einer relativ kleinen Größe der Komponenten 10 bis 22 vergleichsweise einfach und kostengünstig, wobei insbesondere die Justage der Komponenten 10 bis 22 zueinander entfällt.
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Nachfolgend werden vorteilhafte Weiterbildungen der Grundstruktur beschrieben.
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2 zeigt eine Draufsicht auf einen weiteren Antriebrahmen zum Darstellen eines Drehratensensors, welcher nicht unter die vorliegende Erfindung fällt.
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Der schematisch dargestellte Drehratensensor umfasst die schon beschriebenen Komponenten 10 bis 22. Der Antriebrahmen 10 ist somit auch bei dieser Ausführungsform in eine lineare Schwingbewegung entlang der z-Achse versetzbar. Ebenso ist das Elektrodengitter 18 des Drehratensensors der 2 in die parallel zu der x-Achse ausgerichtete Auslenkrichtung 24 auslenkbar.
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Im Gegensatz zu der vorhergehenden Ausführungsform sind die Aktor-Elektroden 20 jedoch nicht direkt an dem Antriebrahmen 10 befestigt. Stattdessen ist das aus den Aktor-Elektroden 20 gebildete Elektrodengitter 18 in einem Detektionsrahmen 26 eingespannt, welcher innerhalb der von dem Antriebrahmen 10 umrahmten Innenfläche angeordnet ist.
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Vorzugsweise sind lediglich die Oberflächen des Antriebrahmens 10 mit mindestens einer Antriebelektrode 16 bedeckt, während der Detektionsrahmen 26 keine Antriebelektrode 16 aufweist. Der Detektionsrahmen 26 wird somit nicht direkt zu einer Schwingbewegung angeregt. Auf die Vorteile dieser Vorgehensweise wird unten noch genauer eingegangen.
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Der Detektionsrahmen 26 ist über mindestens eine Zwischenfeder 28 mit dem Antriebrahmen 10 verbunden. Vorzugsweise weist die mindestens eine Zwischenfeder 28 eine große Federsteifigkeit in x-Richtung und eine signifikant kleine Federsteifigkeit in z-Richtung auf. Die mindestens eine Zwischenfeder 28 kann beispielsweise eine U-Feder sein, deren Ausrichtung parallel zu der x-Achse liegt. Selbstverständlich kann die mindestens eine Zwischenfeder 28 auch eine Torsionsfeder sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Anordnung von mehreren Zwischenfedern 28 so ausgeführt, dass der Antriebrahmen 10 und der mittels der Zwischenfedern 28 mit dem Antriebrahmen 10 verbundene Detektionsrahmen 26 spiegelsymmetrisch bezüglich zweier durch die Rahmen 10 und 26 verlaufende Mittelachsen 15 sind. Die hier beschriebene Ausführungsform ist jedoch nicht auf eine bestimmte Anzahl oder Anordnung der Zwischenfedern 28 beschränkt.
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Des Weiteren kann der Detektionsrahmen 26 über mindestens eine innere Feder 30 an die Halterung, beispielsweise an die Grundplatte 14, angekoppelt werden. Die mindestens eine innere Feder 30 weist dabei vorzugsweise eine große Federsteifigkeit in y-Richtung und in z-Richtung und eine signifikant kleinere Federsteifigkeit in x-Richtung auf. Beispielsweise ist die mindestens eine innere Feder 30 eine U-Feder oder eine Torsionsfeder. Die Anordnung von mehreren inneren Federn 30 zwischen der Halterung und dem Detektionsrahmen 26 kann dabei so erfolgen, dass die inneren Federn 30 spiegelsymmetrisch bezüglich der durch die Flächen der Rahmen 10 und 26 verlaufenden Mittelachsen 15 ausgerichtet sind.
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Durch die Ausbildung eines von dem Antriebrahmen 10 getrennten Detektionsrahmens 26 und die Verwendung der zusätzlichen Federn 28 und 30 ist eine Entkoppelung der Detektionsbewegung entlang der Auslenkrichtung 24 von der linearen Schwingbewegung realisierbar. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass das aus den Aktor-Elektroden 20 zusammengesetzte Elektrodengitter 18 verglichen mit dem Antriebrahmen 10 zumindest mit einer kleineren Amplitude entlang der z-Achse schwingt. Das Entkoppeln der Detektionsbewegung von der linearen Schwingbewegung bewirkt zumindest eine Reduzierung der durch die lineare Schwingbewegung induzierte Spannungsänderung zwischen den Elektroden 20 und 22. Auf diese Weise wird die Quadratur zumindest minimiert. Vorzugsweise ist die Detektionsbewegung so von der lineare Schwingbewegung entkoppelt, dass die lineare Schwingbewegung des Antriebrahmens 10 keine Änderung der zwischen den Elektroden 20 und 22 anliegenden Spannung bewirkt.
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Gleichzeitig ist aufgrund der Schwingbewegung des Antriebrahmens 10 entlang der z-Achse gewährleistet, dass eine ausreichend große Corioliskraft auf den Antriebrahmen 10 wirkt und über die Zwischenfedern 28 auf den Detektionsrahmen 26 übertragbar ist. Die Auslenkbewegung des Elektrodengitters 18 entlang der Auslenkrichtung 24, welche ein als Coriolissignal bezeichenbares Messsignal liefert, ist somit weiterhin möglich. Dabei ist es von Vorteil, dass bei der hier beschriebenen Ausführungsform das Coriolissignal weniger stark oder nicht durch die Quadratur überlagert oder gestört wird. Das herkömmlicherweise häufig als Belasten des Kapazitätssignals mit einer Quadratur bezeichnete Phänomen tritt somit zumindest weniger ausgeprägt auf. Somit ist bei der Auswertung des Coriolissignals ein geringerer Rechenaufwand notwendig, da das Herausfiltern der Quadratur häufig entfällt oder einen kleineren Aufwand erfordert.
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3 zeigt eine Draufsicht auf einen weiteren Antriebrahmen zum Darstellen eines Drehratensensors, welcher nicht unter die vorliegende Erfindung fällt.
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Der anhand der 3 schematisch wiedergegebene Drehratensensor umfasst die Komponenten 10 bis 22 und 26 bis 30 der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Als Ergänzung weist der hier beschriebene Drehratensensor zusätzliche Stegelemente 32 und 34 auf, wobei die zwei äußeren Stegelemente 32 je zwei äußere Federn 12 und die zwei inneren Stegelemente 34 je zwei Zwischenfedern 28 miteinander verbinden. Während die äußeren Stegelemente 32 parallel zur x-Achse verlaufen, sind die inneren Stegelemente 34 parallel zur y-Achse ausgerichtet. Vorzugsweise sind die äußeren Stegelemente 32 einstückig mit den zugehörigen äußeren Federn 12 und die inneren Stegelemente 34 einstückig mit den zugehörigen Zwischenfedern 28 ausgebildet.
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Durch die zusätzlichen Stegelemente 32 und 34 wird einem nicht erwünschten Drehen der Rahmen 10 und 26 um die x-Achse oder um die y-Achse entgegengewirkt. Somit stabilisieren die Stegelemente 32 und 34 zusätzlich die lineare Schwingbewegung des Antriebrahmens 10 entlang der z-Achse.
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4 zeigt eine Draufsicht auf einen Antriebrahmen zum Darstellen eines Drehratensensors, welcher nicht unter die vorliegende Erfindung fällt.
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Die Ausführungsform der 4 weist gegenüber der Ausführungsform der 2 zusätzlich zu den Komponenten 10 bis 22 und 26 bis 30 einen äußeren Antriebrahmen 36 auf. Der äußere Antriebrahmen 36 umrahmt den (inneren) Antriebrahmen 10, wobei beide Antriebrahmen 10 und 36 parallel zueinander angeordnet sind. Der Detektionsrahmen 26 ist, wie bei dem vorhergehenden Beispiel der 2 in der Innenfläche des inneren Antriebrahmens 10 angeordnet und mit diesem über die mindestens eine Zwischenfeder 28 verbunden.
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Entsprechend dem inneren Antriebrahmen 10 weist auch der äußere Antriebrahmen 36 mindestens eine Antriebelektrode 16 auf, welche über ein Zusammenwirken mit einer benachbarten, gegenüber der Halterung fest angeordneten (nicht dargestellten) Gegenelektrode den äußeren Antriebrahmen 36 in eine Schwingbewegung entlang der z-Achse versetzt. Insbesondere kann die Schwingbewegung des äußeren Antriebrahmens 36 gleichphasig mit der Schwingbewegung des inneren Antriebrahmens 10 sein.
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Bei der dargestellten Ausführungsform weist der innere Antriebrahmen 10 keine (äußere) Feder auf, über welche er direkt mit der Grundplatte 14 der Halterung verbunden ist. Stattdessen ist der innere Antriebrahmen 10 mittels mindestens einer weiteren Zwischenfeder 38 mit dem äußeren Antriebrahmen 36 verbunden. Vorzugsweise weist die mindestens eine weitere Zwischenfeder 38 in y-Richtung eine deutlich größere Federsteifigkeit als in x-Richtung oder in z-Richtung. Auf die Vorteile einer derartigen weiteren Zwischenfeder 38 wird im Folgenden noch genauer eingegangen. Der äußere Antriebrahmen 36 ist mittels mehrerer Befestigungsfedern 40 so mit der Grundplatte 14 verbunden, dass eine Auslenkung des äußeren Antriebrahmens 36 gegenüber der Grundplatte 14 in x-Richtung und in y-Richtung nur bei einer vergleichsweise großen Kraft, welche zu einer Beschädigung des Drehratensensors führen könnte, möglich ist. Eine auf den äußeren Antriebrahmen 36 wirkende Corioliskraft führt somit nicht zu einem Verstellen des äußeren Antriebrahmens 36 gegenüber der Grundplatte 14, auch wenn der äußere Antriebrahmen 36 zu einer Schwingbewegung entlang der z-Achse angeregt wird. Somit ist gewährleistet, dass eine von der Corioliskraft bewirkte Verstellbewegung des inneren Antriebrahmens 10 entlang der Auslenkrichtung 24 gut auf den Detektionsrahmen 26 übertragbar ist.
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Gleichzeitig kann der Detektionsrahmen 26 auf die oben schon beschriebene Weise von den Schwingbewegungen der beiden Antriebrahmen 10 und 36 zumindest teilweise entkoppelt werden. Dies ermöglicht ein einfacher ausführbares Auswerten der zwischen den Elektroden 20 und 22 anliegenden Spannungen zum Ermitteln mindestens einer Information bezüglich einer Drehbewegung eines rotierbaren Körpers mit dem hier beschriebenen Drehratensensor.
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Des Weiteren können die Federn 12, 28, 38 und 40 so ausgebildet werden, dass sie in z-Richtung eine vergleichsweise kleine Federsteifigkeit aufweisen. Demgegenüber ist es vorteilhaft, die inneren Federn 30 mit einer hohen Federsteifigkeit in z-Richtung auszustatten.
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Weitere Möglichkeiten zum Reduzieren oder Unterdrücken des Einflusses der Quadratur auf das an den Elektroden 20 und 22 abgegriffene Messsignal werden hier kurz beschrieben:
- Beispielsweise können die Stator-Elektroden 22 so an der Halterung angeordnet werden, dass sie bezüglich einer durch den nicht bewegten Antriebsrahmen 10 verlaufende Mittelebene, welche alle Aktor-Elektroden 20 schneidet, spiegelsymmetrisch sind. Der Einfluss der Quadratur bei einem Bewegen der Aktor-Elektroden 20 entlang der Schwingachse ist in diesem Fall vernachlässigbar.
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Ebenso kann der Drehratensensor für eine rotierende Schwingbewegung des Detektionsrahmens 26 ausgelegt werden. In diesem Fall drehen sich die angetriebenen Aktor-Elektroden 20 gegenüber den Stator-Elektroden 22. Auch bei dieser Modifizierung ist der Einfluss der Quadratur vernachlässigbar. Des Weiteren können die Stator-Elektroden 22 so an der Halterung angeordnet werden, dass sie sich mit den schwingenden Aktor-Elektroden 20 entlang der z-Achse bewegen. Die Schwingbewegung der Aktor-Elektroden 20 hat in diesem Fall keinen Einfluss auf die zwischen den Elektroden 20 und 22 anliegenden Spannungen. Zusätzlich können die Stator-Elektroden 22 so an der Halterung angeordnet werden, dass sie in die Auslenkrichtung 24 nur durch eine vergleichsweise große Kraft, welche zu einer Beschädigung des Drehratensensors führt, bewegbar sind.
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Als Alternative dazu können die Stator-Elektroden 22 in z-Richtung eine Höhe aufweisen, welche deutlich größer als die Höhe der Aktor-Elektroden 20 ist. Beispielsweise ist die Höhe der Stator-Elektrode 22 mindestens die doppelte Amplitude der Schwingbewegung der Aktor-Elektroden 20. In diesem Fall führt die Schwingbewegung der Aktor-Elektroden 20 nicht zu einer Kapazitätsänderung.
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Die in den oberen Abschnitten beschriebenen alternativen Ausführungsformen sind für einen Fachmann anhand der Beschreibungen leicht ausführbar. Auf eine genauere Beschreibung der alternativen Ausführungsformen wird deshalb verzichtet.
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5 zeigt eine Draufsicht auf einen weiteren Antriebrahmen zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des Drehratensensors.
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Die hier dargestellte Weiterbildung des Drehratensensors der 2 weist zwei Elektrodengitter 18 und 18' aus Aktor-Elektroden 20 und 20' auf. Jedes der beiden Elektrodengitter 18 und 18' ist an einem eigenen Detektionsrahmen 26 und 26' befestigt.
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Die von dem Antriebrahmen 10 umrahmte Innenfläche ist mittels einer Unterteilung 44 in zwei voneinander getrennte Teilflächen unterteilt. Dabei ist jeder der beiden Detektionsrahmen 26 und 26' in einer eigenen Teilfläche angeordnet.
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Der erste Detektionsrahmen 26 mit dem ersten Elektrodengitter 18 ist über die Zwischenfedern 28 so mit dem Antriebrahmen 10 verbunden, dass die Aktor-Elektroden 20 des ersten Elektrodengitters 18 parallel zur y-Achse ausgerichtet sind. Entsprechend sind auch die zugehörigen Stator-Elektroden 22 parallel zur y-Achse an der Halterung fest angeordnet. Die Anordnung der Zwischenfedern 28, über welche der erste Detektionsrahmen 26 an den Antriebrahmen 10 gekoppelt ist, ist so gewählt, dass der erste Detektionsrahmen 26 durch eine Corioliskraft in eine erste Auslenkrichtung 24 gegenüber dem Antriebrahmen 10 auslenkbar ist. Die erste Auslenkrichtung 24 verläuft parallel zu der x-Achse. Demgegenüber ist der zweite Detektionsrahmen 26' mit dem zweiten Elektrodengitter 18' so über die Zwischenfedern 28' an zwei gegenüberliegende Innenflächen des Antriebrahmens 10 gekoppelt, dass die Aktor-Elektroden 20' des zweiten Elektrodengitters 18' eine gemeinsame Längsrichtung parallel zur x-Achse aufweisen. Auch die mit dem zweiten Elektrodengitter 18' zusammenwirkenden Stator-Elektroden 22' sind parallel zur x-Achse ausgerichtet. Im Gegensatz zu dem ersten Elektrodengitter 18 ist das zweite Elektrodengitter 18' so an dem Antriebrahmen 10 angekoppelt, dass das zweite Elektrodengitter 18' durch eine Corioliskraft gegenüber dem Antriebrahmen 10 in eine parallel zu der y-Achse ausgerichtete zweite Auslenkrichtung 42 auslenkbar ist.
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Zwischen der ersten Auslenkrichtung 24 und der zweiten Auslenkrichtung 42 liegt bei der hier beschriebenen Ausführungsform ein Winkel von 90°. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass bei einem Drehratensensor mit zwei Elektrodengittern 18 und 18' die Längsrichtung der Aktor-Elektroden 20 und 20' auch so gewählt werden kann, dass die Aktor-Elektroden 20 und 20' der beiden Elektrodengitter 18 und 18' zueinander in einem Neigungswinkel zwischen 0 und 90° angeordnet sind.
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Zusätzlich kann jeder der beiden Detektionsrahmen 26 und 26' über mindestens eine innere Feder 30 und 30' an die Grundplatte 14 der Halterung angekoppelt werden. Somit ist es auch bei dieser Ausführungsform möglich, die Detektionsrahmen 26 und 26' zumindest teilweise von der Schwingbewegung des Antriebrahmens 10 zu entkoppeln und den Einfluss der Quadratur auf das Messergebnis zu minimieren.
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Mittels der an dem Antriebrahmen 10 befestigten Antriebelektroden 16 und den (nicht skizzierten) Gegenelektroden kann auch bei dieser Ausführungsform der Antriebrahmen 10 in eine Schwingbewegung entlang der z-Achse versetzt werden. Erfährt während der Schwingbewegung des Antriebrahmens 10 der rotierbare Körper mit dem hier beschriebenen Drehratensensor eine Drehung um die y-Achse, so bewirkt eine Corioliskraft eine Verstellbewegung des ersten Detektionsrahmens 26 entlang der ersten Auslenkrichtung 24. Diese Verstellbewegung des ersten Detektionsrahmens 26 entlang der ersten Auslenkrichtung 24 ist mit einer deutlichen Veränderung der zwischen den Elektroden 20 und 22 anliegenden Spannung verbunden. Entsprechend führt eine Drehbewegung des rotierbaren Körpers um die x-Achse zu einer signifikanten Veränderung der zwischen den Aktor-Elektroden 20' des zweiten Elektrodengitters 18' und dem zugehörigen Stator-Elektroden 22' anliegenden Spannung.
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Die hier beschriebene Ausführungsform ist somit dazu ausgelegt, Drehraten des rotierenden Körpers um eine in der xy-Ebene liegende Drehachse zu ermitteln. Man kann die Ausführungsform deshalb als zweikanaligen, Out-Of-Plane-angetriebenen Drehratensensor bezeichnen.
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Der in 5 schematisch wiedergegebene Drehratensensor weist insbesondere den Vorteil auf, dass der von ihm benötigte Bauraum deutlich kleiner als die Summe zweier Drehratensensoren gemäß der 2 ist. Somit bietet es sich zur Einsparung von Kosten und zur Reduzierung eines benötigten Bauraums an, den Drehratensensor der 5 anstelle zweier Drehratensensoren der 2 zum Bestimmen einer Information bezüglich einer Drehbewegung des rotierbaren Körpers um eine in der xy-Ebene liegende Drehachse zu verwenden.
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6 zeigt eine Draufsicht auf einen weiteren Antriebrahmen zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des Drehratensensors.
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Die von dem Antriebrahmen 10 des schematisch wiedergegebenen Drehratensensors umrahmte Innenfläche wird mittels zweier Unterteilungen 44 in drei Teilflächen unterteilt. Dabei sind die beiden parallel zu der x-Achse ausgerichteten Unterteilungen 44 so angeordnet, dass die mittlere Teilfläche signifikant größer als die äußeren Teilflächen ist.
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In jeder der drei Teilflächen ist ein Detektionsrahmen 26 oder 26' mit einem daran befestigten Elektrodengitter 18 oder 18' angeordnet. Der mittlere Detektionsrahmen 26 mit dem mittleren Elektrodengitter 18 ist deutlich größer als die beiden äußeren Detektionsrahmen 26' mit jeweils einem äußeren Elektrodengitter 18' ausgebildet. Der mittlere Detektionsrahmen 26 ist deshalb in der mittleren Teilfläche des Antriebrahmens 10 befestigt. Die beiden äußeren Detektionsrahmen 26' sind jeweils in einer eigenen äußeren Teilfläche angeordnet.
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Vorzugsweise ist auch die Fläche des mittleren Elektrodengitters 18 deutlich größer als die Einzelflächen der beiden äußeren Elektrodengitter 18'. Beispielsweise kann die Fläche des mittleren Elektrodengitters 18 das Doppelte der Einzelflächen der äußeren Elektrodengitter 18' sein.
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Jeder der Detektionsrahmen 26 oder 26' ist auf die schon beschriebene Weise mittels mindestens einer Zwischenfeder 28 oder 28' mit dem Antriebrahmen 10 verbunden. Zusätzlich ist jeder der Detektionsrahmen 26 und 26' über mindestens eine innere Feder 30 oder 30' an die Halterung, beispielsweise an die Grundplatte 14, angekoppelt. Auf diese Weise ist ein Entkoppeln der Detektionsrahmen 26 und 26' von der Schwingbewegung des Antriebrahmens 10 zumindest teilweise gewährleistet.
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Bei den äußeren Elektrodengittern 18' sind die Aktor-Elektroden 20' jeweils in einer gemeinsamen Längsrichtung parallel zur x-Achse ausgerichtet. Demgegenüber sind die Aktor-Elektroden 20 des mittleren Elektrodengitters 18 parallel zur y-Achse ausgerichtet. Die Anordnung der Detektionsrahmen 26 und 26' ist somit so ausgeführt, dass die beiden äußeren Elektrodengitter 18' parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei jedes der beiden äußeren Elektrodengitter 18' senkrecht zu dem mittleren Elektrodengitter 18 ausgerichtet ist.
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Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die hier beschriebene Ausführungsform nicht auf eine senkrechte Ausrichtung der äußeren Elektrodengitter 18' bzgl. des mittleren Elektrodengitters 18 beschränkt ist. Stattdessen können die beiden parallel zueinander ausgerichteten äußeren Elektrodengitter 18' auch in einen anderen Neigungswinkel zwischen 0 und 90° gegenüber dem mittleren Elektrodengitter 18 ausgerichtet werden.
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Die Detektionsrahmen 26 oder 26' sind jeweils so über die zugehörigen Zwischenfedern 28 oder 28' an dem Antriebsrahmen 10 angekoppelt, dass der mittlere Detektionsrahmen 26 entlang der ersten Auslenkrichtung 24 und die beiden äußeren Detektionsrahmen 26' entlang der zweiten Auslenkrichtung 42 durch eine Corioliskraft verstellbar sind. Aufgrund der Ausrichtung der drei Elektrodengitter 18 und 18' und ihrer Auslenkbarkeit in eine Auslenkrichtung 24 oder 42 ist der hier beschriebene Drehratensensor dazu geeignet, bei einer Drehbewegung des rotierbaren Körpers mit dem Drehratensensor um eine beliebige in der xy-Ebene liegende Achse eine Bewegungsinformation, beispielsweise die Drehrate, zu ermitteln.
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Zusätzlich weist der hier schematisch dargestellte Drehratensensor gegenüber dem Drehratensensor der 5 den Vorteil auf, dass er spiegelsymmetrisch zu den beiden parallel zu der x-Achse oder der y-Achse ausgerichteten Mittelachsen 15 ist. Bei der Schwingbewegung des Antriebrahmens 10 entlang der z-Achse ist aufgrund der gleichmäßigen Masseverteilung somit sichergestellt, dass die gewünschte Schwingrichtung parallel zu der x-Achse sicher eingehalten wird.
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7 und 8 zeigen jeweils eine Draufsicht auf einen weiteren Antriebrahmen zum Darstellen von Drehratensensoren. Die in den 7 und 8 schematisch dargestellten Drehratensensoren sind Weiterbildungen des Drehratensensors der 4.
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Der Drehratensensor der 7 kann als Doppelschwing-Struktur aus zwei Strukturen A und B gemäß der 4 bezeichnet werden. Dabei weist jede der beiden Strukturen A und B die anhand der 4 bereits erläuterten Komponenten 10 bis 22, 26 bis 30, 36 und 38 auf. Die Anordnung der Federn 28, 30, 38 und 40 entspricht bei beiden Strukturen A und B der Ausführungsform der 4.
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Die Elektrodengitter 18 von beiden Strukturen A und B sind so zueinander ausgerichtet, dass ihre Aktor-Elektroden 20 parallel zueinander entlang der y-Achse verlaufen. Die Elektrodengitter 18 sind an beide Strukturen A und B so angekoppelt, dass sie durch eine Corioliskraft entlang der gemeinsamen Auslenkrichtung 24 gegenüber den Stator-Elektroden 22 verstellbar sind.
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Der Drehratensensor der 7 umfasst somit zwei innere Antriebrahmen 10 und zwei äußere Antriebrahmen 36, von denen jeder gegenüber der Halterung mit der Grundplatte 14 in eine Schwingbewegung entlang der z-Achse versetzbar ist. Dabei wird eine erste Struktur A aus einem inneren Antriebrahmen 10 und einem benachbarten äußeren Antriebrahmen 36 so in eine erste Schwingbewegung versetzt, dass sie gegenphasig zu einer zweiten Schwingbewegung der zweiten Struktur B aus einem inneren Antriebrahmen 10 und einem benachbarten äußeren Antriebrahmen 36 schwingt. Die Phasendifferenz der Schwingbewegungen der beiden Strukturen A und B beträgt somit 180°. Man kann dies auch als antiparalleles Schwingen der Strukturen A und B bezeichnen.
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Über eine Koppeleinrichtung 50, über welche der innere Antriebrahmen 10 der ersten Struktur A mit dem inneren Antriebrahmen 10 der zweiten Struktur B verbunden ist, wird zusätzlich sichergestellt, dass die gegenphasigen Schwingbewegungen der beiden Strukturen A und B verlässlich eingehalten werden. Die Koppeleinrichtung 50 kann beispielsweise aus mehreren U-Federn 52 zusammengesetzt sein. Die U-Federn 52 weisen vorzugsweise eine hohe Biegesteifigkeit entlang ihrer Längsrichtung und eine kleine Biegesteifigkeit senkrecht zu ihrer Längsrichtung auf. Die Koppeleinrichtung 50 kann zusätzlich Winkelfedern 54 aufweisen, die so ausgelegt sind, dass ihre beiden Schenkel zueinander aus einer Ausgangsstellung, in welche die beiden Schenkel in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, verstellbar sind.
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Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass Drehratensensoren mit zwei gegenphasig schwingenden Strukturen A und B nicht auf die in den 7 und 8 dargestellte Koppeleinrichtung 50 beschränkt sind. Beispielsweise kann eine geeignete Koppeleinrichtung auch aus mehreren Winkelelementen gebildet werden, deren Schenkel zueinander unbeweglich angeordnet sind. Jedes der Winkelelemente kann dabei so angeordnet sein, dass es sich um eine Drehachse, welche senkrecht zu den beiden Schenkeln durch einen Zwischenbereich zwischen den beiden Schenkeln verläuft, drehbar ist. Auch bei einer aus mehreren derartigen Winkelelementen zusammengesetzten Koppeleinrichtung ist gewährleistet, dass die gegenphasigen Schwingbewegungen der beiden Strukturen A und B sicher eingehalten werden.
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Die beiden gegenphasig schwingenden Strukturen A und B sind für ein Erkennen einer Drehbewegung des Drehratensensors um die y-Achse und/oder ein Bestimmen der zugehörigen Drehrate optimiert. Aufgrund des gegenphasigen Schwingens der beiden Strukturen A und B führt eine Drehung des Drehratensensors um die y-Achse jedoch zu Corioliskräften, welche die Elektrodengitter 18 der beiden Strukturen A und B gegenüber ihren Stator-Elektroden 22 in unterschiedliche Richtungen entlang der Auslenkrichtung 24 verstellen. Dies hat gegenüber dem Drehratensensor der 4 den Vorteil, dass eine auf dem Drehratensensor wirkende Beschleunigung in x-Richtung deutlich von einer Drehung des Drehratensensors um die y-Achse unterscheidbar ist.
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Wirkt auf den Drehratensensor der 7 eine Beschleunigung in x-Richtung, so führt diese zu einem Auslenken der Elektrodengitter 18 der beiden Strukturen A und B gegenüber ihren Stator-Elektroden 22 in eine gemeinsame Richtung entlang der Auslenkrichtung 24. Dies ist ein signifikanter Unterschied zu dem Auslenken der Elektrodengitter 18 der beiden Strukturen A und B in unterschiedliche Richtungen entlang der Auslenkrichtung 24 bei einer Drehung des Drehratensensors um die y-Achse. Da sich eine Linearbeschleunigung gleichphasig auf die Verstellbewegungen der Strukturen A und B auswirkt, ist sie deutlich von einem Drehen des Drehratensensors um eine Achse, welche sich gegenphasig auf die Verstellbewegungen der Strukturen A und B auswirkt, unterscheidbar.
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Der Drehratensensor umfasst eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, bei einem Verstellen der beiden Elektrodengitter 18 in die gemeinsame Richtung entlang der Auslenkrichtung 24 gegenüber den Stator-Elektroden 22 zu erkennen, dass die Verstellbewegungen der Elektrodengitter 18 nicht auf eine Drehung des Drehratensensors um eine Drehachse zurückzuführen ist. Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, die bei einem Verstellen der Elektrodengitter 18 auftretenden Spannungsänderungen miteinander zu vergleichen und somit eine Drehrate nur anhand einer Spannungsänderung oder einer Teil-Spannungsänderung festzulegen, bei welcher sichergestellt ist, dass die Spannungsänderung oder die Teil-Spannungsänderung auch wirklich auf eine Drehung des Drehratensensors um die y-Achse zurückzuführen ist.
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Beispielsweise umfasst die Auswerteeinrichtung eine Einheit zur elektrischen Differenzbildung der abgegriffenen Spannungssignale der Strukturen A und B. Die aus einer Linearbeschleunigung resultierenden Spannungsänderungen kompensieren sich. Demgegenüber addieren sich die Spannungsänderungen der gegenphasigen Beschleunigungen bei einer Corioliskraft. Mittels einer derartigen Einheit zur elektrischen Differenzbildung können die Quereinflüsse einer Linearbeschleunigung auf die Drehrate auf einfache Weise unterdrückt werden. Zusätzlich ist eine derartige Einheit zur elektrischen Differenzbildung relativ kostengünstig realisierbar.
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Durch das Ausbilden des Drehratensensors als Doppelschwing-Struktur mit zwei exakt gegenphasig schwingenden Strukturen A und B kann somit eine Signalverfälschung aufgrund einer Linearbeschleunigung weitgehend verhindert werden.
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Die in 8 schematisch wiedergegebene Ausführungsform des Drehratensensors weist den oben schon beschriebenen Vorteil auf.
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Als Ergänzung zu der Ausführungsform der 7 weist der Drehratensensor der 8 zwei Koppelelemente 56 auf, wobei jeder der beiden inneren Antriebrahmen 10 über ein Koppelelement 56 mit der Halterung verbunden ist. Auch die Koppelelemente 56 können aus U-Federn 52, Winkelfedern 54 und/oder (nicht dargestellten) Winkelelementen, wie sie oben beschrieben sind, zusammengesetzt sein. Durch die zusätzliche Verwendung der Koppelelemente 56 kann sichergestellt werden, dass die gegenphasigen Schwingbewegungen der beiden Strukturen A und B verlässlich eingehalten werden.
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9 und 10 zeigen jeweils eine Draufsicht auf einen weiteren Antriebrahmen zum Darstellen einer dritten und vierten Ausführungsform des Drehratensensors. Die in den 9 und 10 schematisch dargestellten Drehratensensoren sind Weiterbildungen des Drehratensensors der 5 und 6.
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Jeder der zwei Drehratensensoren umfasst zwei Strukturen A und B, welche zu gegenphasigen Out-Of-Plane-Schwingungsbewegungen anregbar sind. Dabei weist jede der Strukturen A und B mindestens zwei orthogonal zueinander ausgerichtete Elektrodengitter 18 und 18' auf.
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Die Drehratensensoren der 9 und 10 können somit als zweikanalige oder zwei-Achsen Drehratensensoren, welcher als Doppelschwinger ausgebildet sind, bezeichnet werden. Durch den gegenphasigen Antrieb und die differentielle Auswertung der Spannungsänderungen kann eine durch eine Linearbeschleunigung bewirkte Spannungsänderung leicht eliminiert werden.
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Die Drehratensensoren der 9 und 10 gewährleistet somit die Vorteile der Ausführungsformen der 5 bis 8. Da sich die Funktionsweise und die Vorteile der Weiterbildungen der 9 und 10 für einen Fachmann anhand der oberen Erläuterungen ergeben, wird hier nicht darauf eingegangen.
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Die Ausführungsform der 10 weist gegenüber der Ausführungsform der 9 den Vorteil auf, dass die Massen exakt spiegelsymmetrisch gegenüber zwei in der xy-Ebene verlaufende Mittelachsen 15 verteilt sind. Auf diese Weise ist ein besseres Einhalten der Schwingbewegungen entlang der z-Achse gewährleistet.
