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Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, an einem rotierbaren Körper einen Drehratensensor anzubringen, um eine Drehrate einer Rotationsbewegung des Körpers zu messen. Ein Drehratensensor weist in der Regel zwei schwingfähige Massen, welche auch als Teilschwinger bezeichnet werden können, auf. Also eine erste Schwingmasse und eine zweite Schwingmasse, welche mittels eines Antriebs zu einer gegenläufigen Schwingung angetrieben werden können. D. h., dass die erste Schwingmasse und die zweite Schwingmasse um 180° phasenversetzt (anti-parallel) zueinander schwingen. Man bezeichnet die Schwingbewegungen der ersten Schwingmasse und der zweiten Schwingmasse deshalb häufig auch als gegenphasige Schwingbewegungen oder auch als eine anti-parallele Mode.
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Führt der Körper mit dem daran angeordneten Drehratensensor bei gleichzeitiger Anregung der beiden Schwingmassen zu ihren anti-parallelen Schwingbewegungen einer Rotationsbewegung um eine zu der Schwingrichtung der Schwingmassen nicht-parallele Rotationsachse aus, so wirken Corioliskräfte auf die beiden schwingenden Schwingmassen. Durch die Corioliskräfte werden die beiden Schwingmassen jeweils senkrecht zu ihrer Schwingrichtung ausgelenkt. Aufgrund der Anti-Parallelität der Schwingbewegungen der beiden Schwingmassen werden die beiden Schwingmassen in entgegengesetzter Richtung ausgelenkt. Eine solche entgegengesetzte Schwingrichtung kann auch als eine anti-parallele Detektionsschwingung bezeichnet werden. Diese anti-parallele Detektionsschwingung kann kapazitiv erfasst und mittels einer Auswerteelektronik in eine Drehrate umgerechnet werden. Hierbei ist die Auslenkung einer Schwingmasse proportional zu der auf die Schwingmasse wirkenden Coriolis-Kraft. Somit entspricht die Auslenkung der Schwingmasse der Drehrate der Rotationsbewegung des Körpers.
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Ein solcher Drehratensensor ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 042 369 A1 bekannt.
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Solche Drehratensensoren im Stand der Technik können neben ihren beiden Nutzmoden, d. h. der Antriebsmode und der Detektionsmode, noch weitere Schwingungsmoden aufweisen, sogenannte Störmoden. Diese Störmoden überlagern sich in einem Betrieb des Drehratensensors und können zu Fehlsignalen führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Drehratensensor anzugeben, welcher die bekannten Nachteile überwindet und insbesondere Störmoden wirksam unterdrückt, so dass Fehlsignale vermieden werden.
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Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Drehratensensors nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
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Die Erfindung umfasst den Gedanken, einen Drehratensensor bereitzustellen, welcher eine Antriebseinrichtung, zumindest ein Coriolis-Element, und eine Detektionseinrichtung mit zumindest einem Rotor aufweist. Das Coriolis-Element umfasst insbesondere eine schwingfähige Masse. Ein Coriolis-Element kann auch als ein Coriolis-Schwinger bezeichnet werden. Vorzugsweise können auch mehrere Coriolis-Elemente vorgesehen sein, insbesondere sind zwei Coriolis-Elemente gebildet. Die Antriebseinrichtung ist ferner mit dem Coriolis-Element derart verbunden, dass das Coriolis-Element eine Schwingung ausführt. Wenn mehrere, insbesondere zwei Coriolis-Elemente gebildet sind, ist die Antriebseinrichtung mit den mehreren Coriolis-Elementen derart verbunden, dass die Coriolis-Elemente eine gegenläufige Schwingung ausführen. Insbesondere führen im Fall von zwei Coriolis-Elementen die zwei Coriolis-Elemente eine anti-parallele kollineare Antriebsschwingung aus.
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Ferner umfasst der Drehratensensor eine mit der Detektionseinrichtung und dem Coriolis-Element verbundene Koppeleinrichtung. Diese Koppeleinrichtung koppelt eine Auslenkung des Coriolis-Elements in der Schwingungsebene in einer Richtung orthogonal zu der Schwingung an die Detektionseinrichtung. Dadurch wird bei entsprechender Auslenkung des Coriolis-Elements ein Drehmoment von dem Coriolis-Element auf den zumindest einen Rotor übertragen, so dass der zumindest eine Rotor angetrieben wird. Vorzugsweise umfasst die Detektionseinrichtung einen Rotor. In anderen beispielhaften Ausführungsformen des Drehratensensors umfasst die Detektionseinrichtung mehrere Rotoren, insbesondere zwei Rotoren.
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In den nachfolgenden Ausführungen wird der erfindungsgemäße Drehratensensor beispielhaft mit zwei Coriolis-Elementen beschrieben. Die Erfindung ist aber hierauf nicht beschränkt. Im einfachsten Fall reicht ein Coriolis-Element. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Drehratensensor ein mikromechanischer Drehratensensor sein.
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Für die weiteren folgenden Ausführungen werden die drei Raumachsen, d. h. die x-Achse, die y-Achse und die z-Achse wie folgt definiert. Die y-Achse ist parallel zu der Schwingung der beiden Coriolis-Elemente, d. h. dass die Antriebseinrichtung die zwei Coriolis-Elemente zu einer anti-parallelen kollinearen Antriebsschwingung entlang der y-Achse anregt. Die x-Achse ist orthogonal zu der y-Achse und in der Ebene der Antriebsschwingung. Die z-Achse ist orthogonal zu der x- und der y-Achse und orthogonal zu der Ebene der Antriebsschwingung.
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Falls also der Drehratensensor gedreht wird, so dass eine Drehrate mit einer Komponente senkrecht zur Schwingungsebene, also eine Komponente in der z-Richtung, gebildet wird, führt eine solche Drehrate zu einer Kraftwirkung, welche eine anti-parallele und nicht kollineare Auslenkung der beiden Coriolis-Elemente entlang der x-Achse verursacht. Eine solche Auslenkung kann auch als eine Detektionsschwingung bezeichnet werden. An dieser Schwingung nehmen die Coriolis-Elemente teil und übertragen ihre Bewegung mittels der Koppeleinrichtung auf die Detektionseinrichtung, insbesondere auf den Rotor oder die Rotoren.
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Vorzugsweise kann die Detektionseinrichtung auch als ein Detektionsschwinger bezeichnet werden. Da die Detektionsschwingung der Coriolis-Elemente, bzw. der Coriolis-Schwinger, nicht kollinear verläuft, können sie eine rotatorische Bewegung des Detektionsschwingers bzw. der Detektionseinrichtung, insbesondere des zumindest einen Rotors, bewirken, auf den sie ein Drehmoment übertragen. Der Rotor wird also angetrieben, d. h. es wird eine rotatorische Auslenkung bewirkt. Diese rotatorische Auslenkung kann dann beispielsweise erfasst und insbesondere mittels einer Auswerteelektronik in eine Drehrate umgerechnet werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Drehratensensor sind Störmoden, insbesondere eine parallele Detektionsmode und eine parallele Antriebsmode, zu höheren Frequenzen als bei den bekannten Drehratensensoren verschoben. Insbesondere bei der parallelen Detektionsmode bewegen sich beide Coriolis-Elemente gleichsinnig entlang der x-Achse. Insbesondere bei der parallelen Antriebsmode bewegen sich die Antriebsmittel und die Coriolis-Elemente gleichsinnig entlang der y-Achse. Diese verstärkte Trennung von Nutzmoden und Störmoden im Frequenzbereich führt zu einer geringeren Anregung der Störmoden und somit insbesondere zu einem stabilen Betrieb.
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In einer beispielhaften Ausführungsform des Drehratensensors sind die zwei Coriolis-Elemente miteinander gekoppelt. Eine solche Kopplung kann beispielsweise mittels einer Koppelfeder bewirkt werden, d. h. dass die zwei Coriolis-Elemente mittels einer solchen Koppelfeder gekoppelt sind. Dies bietet insbesondere den Vorteil, dass eine Entartung zwischen einer parallelen und einer anti-parallelen Antriebsmode aufgehoben werden kann.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Drehratensensors weist die Antriebseinrichtung zwei Antriebsmittel auf, welche jeweils mit einem Coriolis-Element verbunden sind. Ein solches Antriebsmittel kann auch als ein Antriebsschwinger bezeichnet werden. Vorzugsweise weist ein Antriebsmittel einen Antriebskamm für einen elektrostatischen Antrieb auf. Insbesondere weist ein solcher Antriebskamm eine Interdigitalstruktur auf. Gemäß eine anderen bevorzugten Ausgestaltung des Drehratensensors sind die zwei Antriebsmittel miteinander gekoppelt, beispielsweise mittels einer Koppelfeder. Nach noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die zwei Coriolis-Elemente miteinander gekoppelt sind und dass die Antriebsmittel miteinander gekoppelt sind, beispielsweise mittels Federn, bevorzugterweise Koppelfedern, Torsionsfedern, Biegefedern, U-Federn oder S-Federn.
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In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Drehratensensors umfasst der Drehratensensor ein Substrat. Vorzugsweise sind die Antriebseinrichtung, die zwei Coriolis-Elemente und die Detektionseinrichtung auf dem Substrat angeordnet, insbesondere verankert. Hierbei sind allerdings die zwei Coriolis-Elemente und die Detektionseinrichtung derart auf dem Substrat angeordnet, dass sowohl die zwei Coriolis-Elemente als auch die Detektionseinrichtung, insbesondere der zumindest eine Rotor, noch frei schwingen können. Die Verwendung eines Substrats bietet insbesondere den Vorteil, dass ein solcher Drehratensensor einfach und mit wenig Aufwand in Vorrichtungen wie beispielsweise Mobiltelefonen, tragbaren Multimedia-Abspieleinrichtungen oder Mobilcomputern eingebaut werden kann. Hier soll sich die Verwendung nicht allein auf die vorgenannten Vorrichtungen beschränken. Denkbar sind sämtliche Vorrichtungen, in welchen eine Drehrate bestimmt werden soll.
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In einer anderen beispielhaften Ausgestaltung des Drehratensensors weist der zumindest eine Rotor zwei konzentrisch angeordnete Kreiselemente mit jeweils unterschiedlichen Radii auf. Zwischen den beiden Kreiselementen ist radial bzw. speichenförmig eine Elektrode angeordnet. Vorzugsweise sind zwischen den beiden Kreiselementen mehrere Elektroden radial bzw. speichenförmig angeordnet. Vorzugsweise ist ein solcher Rotor zentral im inneren Kreiselement am Substrat befestigt, insbesondere ist der Rotor zentral über Biegefedern im inneren Kreiselement am Substrat aufgehängt. Vorzugsweise kann eine Biegefeder als eine Torsionsfeder, Dehnungsfeder, U-Feder oder S-Feder gebildet sein. Die rotatorische Auslenkung, d. h. eine Rotation des Rotors, also eine Rotation der radial angeordneten Elektrode bzw. der radial angeordneten Elektroden, kann dann beispielsweise mittels einer ortsfest angeordneten Elektrode oder mittels mehrerer ortsfest angeordneten Elektroden kapazitiv erfasst werden. Die ortsfest angeordnete Elektrode kann auch als eine Gegenelektrode bezeichnet werden. Bevorzugterweise ist die Gegenelektrode bzw. sind die Gegenelektroden von der Detektionseinrichtung umfasst. Die kapazitiv erfasste rotatorische Auslenkung kann dann beispielsweise mittels einer Auswerteelektronik in eine Drehrate umgerechnet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen
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1 einen Drehratensensor;
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2 den Drehratensensor aus 1 mit einem Umlenkrahmen;
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3 einen Drehratensensor mit zwei Rotoren;
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4 einen anderen Drehratensensor mit einem Rotor;
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5 den Drehratensensor auf 4 mit zwei Rotoren;
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6 noch einen weiteren Drehratensensor; und
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7 einen Rotor.
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Im Folgenden kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Figuren.
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1 zeigt einen Drehratensensor 101 umfassend ein Substrat 102. In einer nicht gezeigten Ausführungsform ist der Drehratensensor als ein mikromechanischer Drehratensensor gebildet. Das Substrat 102 weist eine Rechteckform auf. D. h., dass das Substrat 102 ein rechteckiges Substrat ist. In einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann das Substrat 102 auch eine quadratische Form aufweisen. In anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann das Substrat 102 auch eine Dreiecksform oder eine Mehrecksform, insbesondere eine Fünf-, Sechs- oder Achtecksform, aufweisen. In einer besonders bevorzugten, hier nicht gezeigten Ausführungsform kann das Substrat 102 auch eine Kreis- oder Ellipsenform aufweisen.
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Der Drehratensensor 101 weist ferner eine Antriebseinrichtung mit zwei Antriebsmitteln 103 auf. Die beiden Antriebsmittel 103 sind jeweils in einem oberen und einem unteren Bereich des Substrats 102 angeordnet. Hierbei sind die Antriebsmittel 103 über Aufhängungsmittel 105 an Verankerungsmitteln 107 an dem Substrat 102 befestigt. Die Aufhängungsmittel 105 bewirken, dass die Antriebsmittel 103 in Richtung der y-Achse bewegbar sind. Bevorzugterweise sind die Antriebsmittel 103 mittels einer Feder (105) als Aufhängungsmittel an den Verankerungsmitteln 107 aufgehängt. Vorzugsweise ist die Feder eine U-Feder.
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Die Antriebsmittel 103 umfassen jeweils Antriebskämme 109. Vorzugsweise sind die Antriebskämme 109 als eine Interdigitalstruktur ausgebildet. Die Antriebskämme 109 sind vorzugsweise für einen elektrostatischen Antrieb konfiguriert.
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Die Antriebsmittel 103 weisen jeweils einen zu den Antriebskämmen 109 senkrecht angeordneten Koppelsteg 111 auf, welcher die Antriebsmittel 103 jeweils an ein Coriolis-Element 113 koppelt. D. h., dass die Koppelstege 111 die zwei Antriebsmittel 103 mit den zwei Coriolis-Elementen 113 zum Antreiben einer gegenläufigen Schwingung der zwei Coriolis-Elemente 113 verbindet. Die beiden Coriolis-Elemente 113 weisen beispielsweise eine brückenbogenähnliche Form auf. Die Coriolis-Elemente 113 sind über Coriolis-Aufhängungsmittel 117 an Verankerungsmitteln 107 aufgehängt, wobei die Verankerungsmittel 107 auf dem Substrat 102 befestigt sind. Die Coriolis-Aufhängungsmittel 117 bewirken insbesondere, dass die Coriolis-Elemente 113 in Richtung der x- und der y-Achse bewegbar sind. Vorzugsweise sind die Coriolis-Aufhängungsmittel 117 als Biegefedern gebildet, insbesondere als mäandrierte Biegefedern. D. h. die Biegefedern können eine Mäanderform aufweisen. Insbesondere sind die Schlingen des Mäanders parallel zu der x- und y-Achse. Vorzugsweise kann eine eckige Mäanderform vorgesehen sein. Die mäandrierte Biegefedern werden sozusagen um die Ecke ausgeführt.
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Die Pfeile 114 kennzeichnen beispielsweise eine Bewegung der zwei Coriolis-Elemente 113 während einer Halbphase. D. h., wenn die beiden Antriebsmittel 103 die beiden Coriolis-Elemente 113 für eine gegenläufige Schwingung antreiben.
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Der Drehratensensor 101 weist ferner eine Detektionseinrichtung umfassend einen Rotor 119 auf. Der Rotor 119 ist mittels einer Koppeleinrichtung an die zwei Coriolis-Elemente 113 gekoppelt. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Koppeleinrichtung zwei Koppelfedern 121, welche jeweils ein Coriolis-Element 113 an den Rotor 119 ankoppeln. Die Detektionseinrichtung ist also mit den zwei Coriolis-Elementen 113 derart verbunden, dass eine Auslenkung in der Schwingungsebene der zwei Coriolis-Elemente, d. h. in der x-y-Ebene, in einer Richtung orthogonal zu der Schwingung, d. h. in Richtung der x-Achse, an die Detektionseinrichtung gekoppelt wird. Hierbei wird also bei entsprechender Auslenkung der zwei Coriolis-Elemente 113 in Richtung der x-Achse ein Drehmoment zum Antreiben des Rotors 119 von den zwei Coriolis-Elementen 113 auf den Rotor 119 übertragen.
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Der Rotor 119 selber ist mittels mindestens eines Biegebalkens 123 aufgehängt, d. h. es können auch mehrere Biegebalken zur Aufhängung vorgesehen sein, wobei der Biegebalken 123 mittels eines zentral angeordneten Rotorsubstratverankerungsmittels 125 auf dem Substrat 102 angeordnet ist. Ferner weist der Rotor 119 seitlich angeordnete Rotorsubstrataufhängungsmittel 127 auf, welche mittels Verankerungsmitteln 107 auf dem Substrat 102 befestigt bzw. verankert sind. Insbesondere können die Rotorsubstrataufhängungsmittel 127 U-Federn umfassen, vorzugsweise eine oder mehrere doppelte U-Federn. Vorzugsweise können die Rotorsubstrataufhängungsmittel 127 eine oder mehrere Torsionsfedern und/oder eine oder mehrere Biegefedern umfassen.
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Der Rotor 119 weist mehrere radial angeordnete Detektionselektroden 129 auf. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind sechzehn Detektionselektroden gebildet. In einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können auch vier Detektionselektroden, insbesondere 16, vorzugsweise 32, beispielsweise 64 Detektionselektroden gebildet sein. In einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Detektionselektroden durch vier teilbar. Die Detektionselektroden 129 sind beidseitig von ortsfest angeordneten Elektroden (nicht gezeigt) umfasst, wodurch eine Auslenkung der Detektionselektroden 129 kapazitiv erfasst werden kann. Diese rotatorische Auslenkung gegenüber den ortsfest angeordneten Elektroden, welche auch als Gegenelektroden bezeichnet werden können, kann dann mittels einer nicht gezeigten Auswerteelektronik in eine Drehrate umgerechnet werden.
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In einem Betrieb des Drehratensensors 101 werden die Antriebsmittel 103 die beiden Coriolis-Elemente 113 zu einer anti-parallelen und kollinearen Antriebsschwingung entlang der y-Achse anregen. An dieser Antriebsschwingung nehmen sowohl die Antriebskämme 109 und Antriebsmittel 103 als auch die beiden Coriolis-Elemente 113 teil. Die Detektionseinrichtung, welche auch als ein Detektionsschwinger bezeichnet werden kann, nimmt an dieser Antriebsschwingung nicht teil. Dies wird insbesondere mittels geeigneter Federaufhängungen zum Substrat 102 und mittels geeigneter Federn zwischen den einzelnen Bestandteilen erreicht.
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Eine Drehrate des Drehratensensors 101 mit einer Komponente senkrecht zum Substrat 102, d. h. in Richtung der z-Achse, führt zu einer Kraftwirkung, welche eine anti-parallele und nicht kollineare Auslenkung der Coriolis-Elemente 113 entlang der x-Achse verursacht. Diese Auslenkung entlang der x-Achse kann auch als eine Detektionsschwingung bezeichnet werden. An dieser Detektionsschwingung nehmen die beiden Coriolis-Elemente 113 teil und übertragen ihre Bewegung an die Detektionseinrichtung bzw. den Detektionsschwinger. Die Antriebskämme 109 nehmen an der Detektionsschwingung nicht teil. Da die Detektionsschwingung der Coriolis-Elemente 113 nicht kollinear verläuft, können die Coriolis-Elemente 113 eine rotatorische Bewegung des Detektionsschwingers bewirken, auf den sie ein Drehmoment übertragen.
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Aufgrund dieser Drehmomentübertragung wird der Rotor 119 rotatorisch ausgelenkt, was in 1 mittels zweier gekrümmter kreisförmig angeordneter Pfeile dargestellt ist.
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Die beiden Coriolis-Elemente 113 sind in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mittels einer Coriolis-Koppelfeder 115 miteinander gekoppelt. Die Coriolis-Koppelfeder 115 bewirkt insbesondere, dass eine Entartung zwischen der parallelen und der anti-parallelen Antriebsmode aufgehoben wird. Die Coriolis-Koppelfeder 115 ist lediglich optional, d. h. dass der Drehratensensor 101 auch keine solche Coriolis-Koppelfeder 115 aufweisen kann. D. h., dass die beiden Coriolis-Elemente 113 nicht miteinander gekoppelt sind. Insofern sind die beiden Coriolis-Elemente 113 in diesem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel entkoppelt.
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Die erfindungsgemäße Idee, die beiden Coriolis-Elemente 113 mittels einer Koppeleinrichtung, hier beispielsweise umfassend Koppelfedern 121, an eine Detektionseinrichtung mit einem Rotor 119 zu koppeln, bietet insbesondere den Vorteil, dass Störmoden, insbesondere die parallele Detektionsmode und die parallele Antriebsmode, zu höheren Frequenzen als bei den bisher bekannten Drehratensensoren verschoben sind. Hierbei bewegen sich bei der parallelen Detektionsmode die beiden Coriolis-Elemente 113 gleichsinnig entlang der x-Achse. Bei der parallelen Antriebsmode bewegen sich die Antriebsmittel 113 und die Coriolis-Elemente 113 gleichsinnig entlang der y-Achse.
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2 zeigt den Drehratensensor 101 aus 1, wobei in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Drehratensensor 101 einen Umlenkrahmen 131 aufweist. Der Umlenkrahmen 131 ist umlaufend um die Coriolis-Elemente 113 und die Detektionseinrichtung mit dem Rotor 119 gebildet. Der Umlenkrahmen 131 ist mittels vier Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d gebildet, wobei die Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d jeweils eine rechtwinklige Winkelform aufweisen. Die Schenkel 133a, und 133d sind jeweils mittels einer Schenkelkoppelfeder 134 mit den entsprechenden Schenkeln 133c und 133b gekoppelt. Weiterhin sind die Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d jeweils mittels eines weiteren Koppelstegs 111a an die Antriebskämme 109 gekoppelt, so dass bei einer Antriebsbewegung der Antriebskämme 109 auch die entsprechenden Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d angetrieben werden. Die Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d sind mittels Umlenkrahmenaufhängungsmittel 135 an das Substrat aufgehängt. Insbesondere umfassen die Umlenkrahmenaufhängungsmittel 135 Substratverankerungsmittel und Federn, insbesondere Biege-, Torsions-, U- oder S-Federn. Die Aufhängung ist derart angeordnet, dass bei einer Antriebsbewegung der Antriebskämme 109 die Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d eine Bewegung um einen imaginären Drehpunkt 139 ausführen können. Diese Bewegung der Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d ist mittels gekrümmter gestrichelter Pfeile 137 gekennzeichnet.
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Mittels des Umlenkrahmens 131, welcher die Antriebsmittel 103 miteinander koppelt, wird eine Entartung zwischen der parallelen (Störmode) und der antiparallelen (Nutzmode) Antriebsmode aufgehoben und die Störmode wird steifer als die Nutzmode. Dies ist durch die unterschiedliche Steifigkeit der Schenkelkoppelfeder 134, welche auch als eine Übertragungsfeder bezeichnet werden kann, gegenüber gleichsinniger (Biegung) bzw. gegensinniger (Scherung) Belastung bedingt.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Drehratensensors 101, wobei die Detektionseinrichtung hier zwei Rotoren 119 und 119a aufweist. Die beiden Rotoren 119, 119a sind analog zu den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen auf dem Substrat 102 aufgehängt. Auch hier wird mittels der Koppelfedern 121, welche ein Drehmoment von den Coriolis-Elementen 113 auf die Rotoren 119, 119a übertragen, eine besonders effiziente Unterdrückung von Moden, insbesondere von Störmoden, erreicht. Die Coriolis-Elemente 113 weisen in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Doppelbogenbrückenform auf.
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4 zeigt ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors 101, wobei hier zusätzlich zu den bisherigen Ausführungsbeispielen die Coriolis-Elemente 113 jeweils mehrere weitere Detektionselektroden 141 aufweisen. Vorzugsweise sind die weiteren Detektionselektroden 141 in und/oder unter den Coriolis-Elementen 113 angeordnet. Insbesondere sind die weiteren Detektionselektroden 141 parallel zueinander angeordnet. Insbesondere bilden die weiteren Detektionselektroden 141 eine Gitterstruktur. Vorzugsweise sind zwei weitere Detektionselektroden gebildet. Beispielsweise können auch mehr als zwei weitere Detektionselektroden gebildet sein. Die weiteren Detektionselektroden sind vorzugsweise sowohl in den Coriolis-Elementen 113 als auch unter den Coriolis-Elementen 113 angeordnet. Es kann hierbei auch vorgesehen sein, dass eine oder mehrere der Detektionselektroden 141 an und/oder unter anderen Elementen des Drehratensensors angeordnet sind. Somit kann in vorteilhafter Weise ein Quadraturabgleich und eine elektrostatische Mitkopplung erreicht werden. Weiterhin wird mittels der weiteren Detektionselektroden 141 in vorteilhafter Weise eine besonders empfindliche kapazitive Erfassung der rotatorischen Auslenkung des Rotors 119 ermöglicht.
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5 zeigt den Drehratensensor 101 aus 4 in einer Variante mit zwei Rotoren 119 und 119a. Diese Ausführungsform bietet insbesondere den Vorteil, dass Störmoden besonders effizient unterdrückt werden können.
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6 zeigt noch eine weitere Ausführungsform eines Drehratensensors 101. Hier weisen die Coriolis-Elemente 113 weitere Elektroden 143 auf, so dass gleichzeitig eine Drehrate um die z- und um die x-Achse gemessen werden kann. Der Drehratensensor 101 kann insofern auch als ein zweikanaliger Drehratensensor bezeichnet werden. Bei Vorliegen einer Drehrate um die x-Achse wirkt auf die Coriolis-Elemente 113 eine Coriolis-Kraft 145 in Richtung der z-Achse, welche dann mittels der weiteren Elektroden 143 ausgewertet werden kann. In einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann der in 6 gezeigte Drehratensensor 101 auch zwei Rotoren umfassen. Die weiteren Elektroden 143 sind unter den Coriolis-Elementen 113 angeordnet, vorzugsweise auf dem Substrat. Gemäß einer anderen nicht gezeigten Ausführungsform können die weiteren Elektroden 143 auch unter dem Rotor 119 oder unter den Rotoren 119 und 119a angeordnet sein, insbesondere auf dem Substrat. Nach noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die weiteren Elektroden 143 oberhalb der Coriolis-Elemente 113 und/oder dem Rotor 119 oder den Rotoren 119, 119a angeordnet. Beispielsweise kann ein Ausleger, insbesondere mehrere Ausleger, auf dem Substrat vorgesehen sein, welcher ähnlich wie ein Kran die weiteren Elektroden 143 über den Coriolis-Elementen 113 und den Rotoren 119, 119a hält.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die weiteren Elektroden 143 auch in einen Deckel (nicht gezeigt) integriert oder auf einem solchen angeordnet sein. Dieser Deckel bedeckt vorzugsweise das Substrat 102, so dass ein Drehratensensorgehäuse gebildet ist. Vorzugsweise ist der Deckel mit dem Substrat 102 verklebt. Beispielsweise ist ein Innenraum des Drehratensensorgehäuses evakuiert. D. h. es herrscht ein Vakuum bzw. Unterdruck im Innenraum. Weitere Elektroden 143, welche in einem solchen Deckel angeordnet sind bzw. integriert sind, können auch als Deckelelektroden bezeichnet werden. Ein Unterdruck bewirkt insbesondere, dass ein Bewegungswiderstand für die schwingenden und rotierenden Elemente erniedrigt ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine niedrigere Antriebsspannung an die Antriebseinrichtung angelegt werden. Vorzugsweise können die Rotorsubstrataufhängungsmittel 127 eine oder mehrere Torsionsfedern und/oder eine oder mehrere Biegefedern umfassen. Dadurch wird insbesondere eine sogenannte out-of-plane-Detektionseinrichtung gebildet. D. h. der Rotor 119 kann bei entsprechender Drehung des Drehratensensors 101, also um die x-Achse, auch aus der Papierebene heraus gekippt bzw. gebogen werden. die weiteren Elektroden 143 detektieren diese Bewegung des Rotors 119 aus der Papierebene heraus und rechnen diese in eine Drehrate relativ zur x-Achse um.
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Ein Deckel wie er im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung zu 6 beschrieben wurde, kann auch für die weiteren in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele verwendet werden. Hierbei kann der Deckel Deckelelektroden aufweisen oder nicht.
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7 zeigt einen Rotor 147, welcher insbesondere in den in 1 bis 6 gezeigten Ausführungsformen verwendet werden kann. Der Rotor 147 umfasst drei konzentrisch angeordnete Rotorringe 149, 151 und 153. Mittels der Rotorringe 149 und 151 ist ein äußerer kreisförmiger Streifen und mittels der Rotorringe 151 und 153 ist ein innerer kreisförmiger Streifen gebildet. An diesen Streifen sind mehrere Detektionselektroden 129 radial, ähnlich wie Speichen eines Rades, angeordnet. Somit können in vorteilhafter Weise mehr Detektionselektroden 129 pro Kreisabschnitt angeordnet werden als bei den Rotoren 119 und 119a. Dadurch kann insbesondere eine verbesserte Detektion einer Drehrate des Drehratensensors erreicht werden. Auch eine verbesserte Zeitauflösung ist somit ermöglicht. D. h. der Drehratensensor kann auch Drehratenänderungen in kleinen Zeitfenstern, beispielsweise im μs- oder ms-Bereich, detektieren. In einer anderen beispielhaften nicht gezeigten Ausführungsform sind die Detektionselektroden 129 beidseitig von Gegenelektroden flankiert, d. h. diese sind jeweils links und rechts von den Detektionselektroden 129 angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008042369 A1 [0004]
