DE102011006399A1

DE102011006399A1 - Schwingvorrichtung für einen Inertialsensor und Inertialsensor

Info

Publication number: DE102011006399A1
Application number: DE201110006399
Authority: DE
Inventors: Daniel Christoph Meisel; Jörg Hauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schwingvorrichtung (101) für einen Inertialsensor (201), mit einer Schwingmasse (103), einer Substrataufhängung (107) zum Aufhängen der Schwingmasse (103) an ein Substrat und einer Federeinrichtung (105) zum Koppeln der Schwingmasse (103) an die Substrataufhängung (107), wobei ein Einstellmittel (109) zum Einstellen einer Nichtlinearität einer Schwingung der Schwingmasse an der Federeinrichtung (105) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner einen Inertialsensor (201), insbesondere einen Drehratensensor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwingvorrichtung für einen Inertialsensor. Die Erfindung betrifft ferner einen Inertialsensor.
Stand der Technik
Drehratensensoren als solche sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 101 08 196 A1 bekannt. Sie umfassen in der Regel eine Schwingmasse, welche mittels eines oder mehrerer Biegebalken als Federaufhängung an einem Substrat aufgehängt ist. Hierbei kann eine geometrische Nichtlinearität nur sehr begrenzt durch die Wahl der Länge und der Breite der Biegebalken eingestellt werden. Im allgemeinen werden solche Balken bei großen Amplituden bzw. Auslenkungen hochgradig nichtlinear, wobei bei zunehmender Amplitude auch eine zunehmende Versteifung der Biegebalken auftreten kann. Nichtlinear bedeutet hierbei insbesondere, dass eine Federkonstante des Biegebalkens abhängig von der Auslenkungsamplitude ist. Aufgrund des nichtlinearen Verhaltens sind bekannte Rotationsschwinger auf kleine Auslenkungen beschränkt.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher dann gesehen werden, eine Schwingvorrichtung für einen Inertialsensor anzugeben, welche die bekannten Nachteile überwindet und eine Versteifung einer Federaufhängung auch bei großen Amplituden verringert oder vermeidet.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann auch dann gesehen werden, einen Inertialsensor anzugeben, welcher auch bei großen Amplituden stabil betrieben werden kann.
Diese Aufgaben werden mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt wird eine Schwingvorrichtung für einen Inertialsensor bereitgestellt. Die Schwingvorrichtung umfasst eine Schwingmasse und eine Substrataufhängung, mittels welcher die Schwingmasse an ein Substrat aufgehängt werden kann. Ferner ist eine Federeinrichtung vorgesehen, welche die Schwingmasse an die Substrataufhängung koppelt. Des Weiteren ist ein Einstellmittel zum Einstellen einer Nichtlinearität einer Schwingung, beispielsweise einer Antriebsschwingung und/oder einer Detektionsschwingung, der Schwingmasse gebildet, wobei das Einstellmittel an der Federeinrichtung angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Inertialsensor bereitgestellt, welcher die erfindungsgemäße Schwingvorrichtung aufweist.
Mittels des erfindungsgemäßen Einstellmittels ist es also ermöglicht, dass ein nichtlineares Verhalten bzw. eine Antwort bzw. Reaktion der Schwingvorrichtung auf eine Schwingung, beispielsweise einer Antriebsschwingung, welche die Schwingmasse auslenkt, eingestellt werden kann. Insbesondere kann das Einstellmittel auch eingerichtet sein, die Federkonstante der Federeinrichtung einzustellen. Nichtlinear im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet insbesondere, dass eine Federkonstante der Federeinrichtung insbesondere abhängig von einer Auslenkungsamplitude der Schwingmasse bzw. der Feder ist. Im Idealfall eines linearen Systems hängt die Federkonstante nicht von einer Auslenkung der Schwingmasse ab. Dadurch also, dass das Einstellmittel bevorzugterweise die Funktion k(x) definieren bzw. beeinflussen kann, wobei k für die Federkonstante steht und x für die Auslenkung, kann insbesondere eine Versteifung der Federeinrichtung auch bei großen Auslenkungen der Schwingmasse verringert oder sogar vermieden werden. Dadurch sind insbesondere in vorteilhafter Weise Auslenkungsamplituden von mehr als 1/10 der Balkenbreite oder 1 Balkenbreite oder 10 Balkenbreiten in beispielhaften Federeinrichtungen umfassend einen oder mehrere Biegebalken möglich. Die Auslenkung x muss sich nicht ausschließlich auf eine lineare Auslenkung beziehen. Die Auslenkung x kann beispielsweise auch eine rotatorische Auslenkung bzw. Drehauslenkung der Schwingmasse beschreiben, wobei in diesem Fall eine Auslenkung dann vorzugsweise ein Drehwinkel sein kann.
Es sei angemerkt, dass ein Einstellen einer Nichtlinearität auch ein Ausstellen bzw. Verhindern der Nichtlinearität umfassen soll. Mittels des Einstellmittels kann also insbesondere erreicht werden, dass die Federeinrichtung als ein lineares System beschrieben werden kann bzw., dass die Federeinrichtung ein lineares Verhalten zeigt. Das Einstellmittel stellt also eine Nichtlinearität aus. In einem solchen linearen System ist insbesondere die Federkonstante der Federeinrichtung unabhängig von einer Auslenkung der Schwingmasse.
Ein nichtlinearer Schwinger kann insbesondere durch einen Duffing-Oszillator und mathematisch entsprechend durch eine Duffing-Gleichung beschrieben werden. Hierbei ist die sogenannten kritische Amplitude eine wichtige physikalische Größe, die die Grenze zwischen einem linearen und einem nichtlinearen Verhalten des Schwingers kennzeichnet. Das soll im Folgenden näher erläutert werden.
Wenn eine Übertragungsfunktion, welche insbesondere allgemein die Abhängigkeit eines Ausgangssignals, hier die Amplitude F der Schwingmasse, von einem Eingangssignal, hier die Frequenz der Schwingung, beschreibt, graphisch aufgetragen wird, wobei die Frequenz auf der Abszisse und die Amplitude auf der Ordinate aufgetragen werden, zunehmender Amplitude der anregenden Kraft F₀, wobei F(t) = F₀·sin(ωt) mit t die Zeit und ω die Kreisfrequenz, das Maximum der Kurve nach links oder nach rechts kippen. An dem Wendepunkt der Kurve wird dann bei entsprechender Amplitude der Kraft F₀ eine senkrechte Wendetangente auftreten. Ab diesem Punkt gibt es dann Frequenzwerte der Schwingung, die nicht mehr einem einzigen Amplitudenwert zugeordnet werden können, sondern zwei. Das System springt sozusagen von einem Wert direkt zum nächsten. An dem Punkt selber kann der Frequenz noch ein einziger Amplitudenwert zugeordnet werden.
Die kritische Amplitude ist also ein Wert für die Schwingungsamplitude oberhalb derer nichtlineare Effekte auftreten können. Bei kleinen Auslenkungen, d. h. Auslenkungen unterhalb der kritischen Amplitude, ergibt sich ein lineares Verhalten. Eine kleine Auslenkung kann beispielsweise eine Auslenkung von 1/1000 oder 1/100 oder 1/10 der Biegebalkenbreite sein. Eine große Auslenkung ist insbesondere eine Auslenkung oberhalb der kritischen Amplitude. Mittels des erfindungsgemäßen Einstellmittels ist es also insbesondere ermöglicht, dass sich die Nichtlinearität, also beispielsweise der Kurvenverlauf oberhalb der kritischen Amplitude, einstellen lässt. Insbesondere kann selbst bei großen Amplituden ein lineares Verhalten erreicht werden. Das heißt insbesondere, dass sich jedem Frequenzwert ein einziger Amplitudenwert zuordnen lässt. Die Nichtlinearität wird sozusagen verhindert bzw. ausgestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Einstellmittel einstückig mit der Federeinrichtung gebildet. Somit können beispielsweise das Einstellmittel und die Federeinrichtung in vorteilhafter Weise in einem gemeinsamen Herstellungsschritt besonders einfach und effizient hergestellt werden. Weiterhin ist dadurch das Einstellmittel mit der Federeinrichtung außerordentlich fest verbunden, wodurch beispielsweise eine hohe Lebensdauer der Schwingvorrichtung erreicht werden kann.
In einer anderen Ausführungsform ist das Einstellmittel als ein Körper gebildet. Insbesondere ist es somit ermöglicht, dass beispielsweise über eine Geometrie und/oder über eine Masse und/oder eine Masseverteilung des Körpers eine besonders feine Einstellung der Nichtlinearität bzw. des nichtlinearen Verhaltens oder der Antwort der Schwingvorrichtung auf eine Antriebsschwingung eingestellt werden kann. Beispielsweise kann eine Länge und/oder eine Breite und/oder eine Höhe des Körpers variiert werden. Es kann vorzugsweise auch eine Wandstärke des Körpers varriert werden. Je nachdem wo genau der Körper an der Federeinrichtung angeordnet ist, ändert sich eine Schwerpunktlage der Schwingvorrichtung, was wiederum einen Effekt und somit eine Einstellmöglichkeit auf die Nichtlinearität hat. Vorzugsweise ist der Körper als ein elastischer Körper gebildet. Dadurch kann insbesondere eine Längenausdehnung der Federeinrichtung erreicht werden, so dass sich beispielsweise eine vorteilhafte Federerweichung ergeben kann. Somit können besonders große Amplituden bei gleichzeitigem linearen Verhalten für eine Auslenkung der Schwingmasse verwendet werden.
Der Körper kann vorzugsweise als ein Quader, insbesondere als ein Würfel, gebildet sein. Der Körper kann aber auch jede beliebige andere dreidimensionale Form aufweisen. Beispielsweise kann der Körper als ein Zylinder, ein Kegel, eine Kugel, ein Ellipsoid, ein Prisma, eine Pyramide, ein Oktaeder, ein Torus, ein Spat, ein Tetraeder oder als ein Hexaeder gebildet sein. Insbesondere kann der Körper als ein hohler Körper gebildet sein. Somit kann in vorteilhafter Weise Material eingespart werden, was die Schwingvorrichtung entsprechend leichter macht.
In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung kann der Körper als ein in sich geschlossener Rahmen gebildet sein, beispielsweise als ein dreidimensionaler Rahmen. Dadurch wird eine besonders stabile Struktur des Körpers bewirkt, so dass auch bei hohen Antriebsfrequenzen der Körper den entsprechenden Belastungen standhalten kann. Der Rahmen weist insbesondere eine Aussparung auf, welche vorzugsweise die gleiche Geometrie wie der Rahmen selber aufweist. Der Rahmen kann beispielsweise eine Höhe und/oder eine Breite und/oder eine Länge aufweisen. Der Querschnitt des Rahmens kann beispielsweise kreis- oder ellipsenförmig, rechteckig, quadratisch, dreieckig, trapezförmig, parallelogrammförmig oder drachenförmig gebildet sein. Der Rahmen kann vorzugsweise als ein kreis- oder ellipsenförmiger, rechteckiger, quadratischer, dreieckiger, trapezformiger, parallelogrammförmiger oder drachenförmiger Rahmen gebildet sein. Nach einer beispielhaften Ausgestaltung ist der Rahmen als einem oder mehreren Drähten gebildet. Der Rahmen kann dann auch als ein Drahtrahmen bezeichnet werden. Der Körper weist insofern eine Drahtstruktur aus. Insbesondere kann der Draht mit einem kreis- oder ellipsenförmigen oder rechteckigen oder quadratischen oder dreieckigen oder trapezförmigen oder parallelogrammförmigen oder drachenförmigen Querschnitt gebildet sein.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Federeinrichtung einen Biegebalken, an welchem das Einstellmittel angeordnet ist. Ein solcher Biegebalken ist vorteilhafterweise besonders einfach herzustellen. Weiterhin kann über eine Länge, eine Höhe und eine Breite des Biegebalkens auch ein weiterer Einfluss auf die Nichtlinearität genommen werden, so dass hier mehrere Möglichkeiten bestehen, die Nichtlinearität der Schwingung der Schwingmasse einzustellen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die Federeinrichtung zwei auf ihrer Längsachse hintereinander angeordnete Biegebalken, wobei das Einstellmittel zwischen den beiden Biegebalken, insbesondere auf der Längsachse, angeordnet ist. Die Biegebalken können unterschiedlich oder gleich gebildet sein.
Auch hier kann über die Länge und die Breite der Biegebalken Einfluss auf die Nichtlinearität genommen werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Einstellmittel aus einem oder mehreren Biegebalken gebildet ist. Die im Zusammenhang mit der Federeinrichtung genannten Vorteile gelten analog. Insbesondere ist der Rahmen aus einem oder mehreren Biegebalken gebildet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können auch mehrere Einstellmittel vorgesehen sein. Die Einstellmittel können gleich oder unterschiedlich gebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Einstellmittel an der Federeinrichtung geklebt und/oder geschweißt. Somit kann beispielsweise auch nachträglich eine vorhandene Federeinrichtung einer Schwingvorrichtung mit einem Einstellmittel nachgerüstet werden.
In einer anderen Ausführungsform ist die Schwingmasse aus einer Ringscheibe gebildet, wobei die Substrataufhängung einen im Wesentlichen im Mittelpunkt der Ringscheibe angeordneten Aufhängungsbereich aufweist und wobei der Biegebalken radial zwischen dem Aufhängungsbereich und der Ringscheibe angeordnet ist. Die Schwingmasse kann hier auch als ein Rotationsschwinger bezeichnet werden. Insbesondere ist eine solche Schwingvorrichtung für die Anwendung in einem Drehratensensor geeignet und kann erfindungsgemäß in einem solchen verwendet werden. Vorzugsweise kann der Aufhängungsbereich auch um den Mittelpunkt herum angeordnet sein, insbesondere zentrisch um den Mittelpunkt herum. Insbesondere kann jeder Biegebalken einen eigenen Aufhängungsbereich aufweisen, wobei diese Aufhängungsbereiche beispielsweise zusammenfallen können, also einen gemeinsamen Aufhängungsbereich bilden. Dieser eigene Aufhängungsbereich kann vorzugsweise im Wesentlichen im Mittelpunkt oder um den Mittelpunkt herum, insbesondere zentrisch um den Mittelpunkt herum, angeordnet sein. Aufgrund der möglichen Anordnung der Aufhängungsbereiche um den Mittelpunkt herum, ist ein zentraler freier Aufnahmebereich gebildet, welcher in vorteilhafter Weise weitere Elemente wie beispielsweise Anschläge aufnehmen kann.
In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere radial angeordnete Biegebalken gebildet, wobei vorzugsweise jeder Biegebalken ein eigenes Einstellmittel aufweist. Insbesondere kann aber auch vorgesehen sein, dass Biegebalken vorgesehen sind, welche einstellmittellos sind, d. h. sie weisen kein Einstellmittel auf.
In einer anderen Ausführungsform ist die Schwingmasse als ein mehreckiger Schwingkörper gebildet, wobei die Federeinrichtung zumindest eine an einer Ecke des Schwingkörpers angeordnete Koppelfeder zum federnden Verbinden der Ecke mit dem Substrat umfasst und das Einstellmittel an der Koppelfeder angeordnet ist. Insbesondere ist eine solche Schwingvorrichtung für die Anwendung in einem Drehratensensor geeignet und kann erfindungsgemäß in einem solchen verwendet werden. Vorzugsweise kann statt eines mehreckigen Schwingkörpers, insbesondere eines vier- bzw. rechteckigen Schwingkörpers, auch ein runder oder ein eckiger Schwingkörper mit Rundungen gebildet sein. Beispielsweise kann ein elliptischer Schwingkörper gebildet sein. In diesen Fällen kann die Koppelfeder an Randbereichen, insbesondere an runden Randbereichen, des Schwingkörpers angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Substrat gebildet, an welchem die Schwingmasse mittels der Federeinrichtung aufgehängt ist.
Nach einer anderen Ausführungsform ist eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben der Schwingmasse vorgesehen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Schwingmasse ausgelenkt werden und aufgrund der Federkopplung insbesondere eine periodische Schwingung ausführen. Vorzugsweise treibt die Antriebsvorrichtung die Schwingmasse kontinuierlich an, so dass in vorteilhafter Weise auch eine kontinuierliche Schwingung der Schwingmasse bewirkt wird, da Reibungsverluste durch die Antriebseinrichtung kompensiert werden.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung kann die Substrataufhängung einen oder mehrere Lagerblöcke umfassen, an welchen die Federeinrichtung angeordnet ist, wobei der Lagerblock oder die Lagerblöcke vorzugsweise auf einem Substrat befestigt werden können. Ein Lagerblock kann auch als ein Aufhängungsbereich bezeichnet werden.
In einer anderen Ausführungsform können auch mehrere Schwingmassen vorgesehen sein, welche untereinander mittels einer oder mehrerer Koppelfedern gekoppelt sind. Vorzugsweise weisen die Koppelfedern jeweils ein oder mehrere Einstellmittel auf. Vorzugsweise sind die Koppelfedern als Biegebalken gebildet. Die bevorzugten Ausführungsformen des Einstellmittels in Bezug auf die Federeinrichtung gelten insbesondere analog auch in Bezug auf die Koppelfedern.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann der Inertialsensor als ein Drehratensensor gebildet sein. Vorzugsweise ist der Inertialsensor als ein mikromechanischer Inertialsensor gebildet. Insbesondere kann der Inertialsensor im Automobilbereich verwendet werden, beispielsweise in einem Fahrzeug, beispielsweise in einem Navigationssystem des Fahrzeugs, wobei der Inertialsensor insbesondere in beliebigen Navigationssystemen verwendet werden kann. Insbesondere kann der Inertialsensor auch im Konsumentenbereich verwendet werden, beispielsweise in einem Handy. Vorzugsweise umfasst der Inertialsensor mehrere Schwingvorrichtungen, welche gleich oder unterschiedlich gebildet sein können.
Bei einer rotatorischen Auslenkung der Schwingmasse kann die Schwingvorrichtung als ein Rotationsschwinger bezeichnet werden. Bei einer geradlinigen Auslenkung der Schwingmasse kann die Schwingvorrichtung auch als ein Linearschwinger bezeichnet werden. Ein Drehratensensor mit einer entsprechenden Schwingvorrichtung kann insofern auch als ein rotatorisch schwingender oder drehschwingender Drehratensensor respektive ein linear oder geradlinig schwingender Drehratensensor bezeichnet werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird mittels mikromechanischer Strukturierungsmethoden die Schwingvorrichtung bzw. der Inertialsensor mit den entsprechenden Elementen aus einem Substrat mit entsprechend aufgetragenen Schichten gefertigt. Insbesondere ist das Substrat aus Silizium. Vorzugsweise wird also in Oberflächenmikromechanik gefertigt, d. h. Silizium als Material oder Substart und per Lithographie und Ätzverfahren strukturiert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Schwingvorrichtung,
2 einen Inertialsensor,
3a, 3b und 3c verschiedene Bewegungsbahnen von miteinander gekoppelten Punkten,
4a, 4b und 4c verschiedene Federeinrichtungen zur Kopplung zwischen zwei Punkten,
5a und 5b weitere Federeinrichtungen zur Kopplung zwischen mehreren Punkten,
6a, 6b und 6c jeweils einen Graphen, welcher eine Amplitudenabhängigkeit von einer Anregungsfrequenz in einem linearen bzw. nichtlinearen System zeigt,
7a und 7b jeweils einen Rotationsschwinger nach dem Stand der Technik,
8a, 8b und 8c jeweils eine erfindungsgemäße Schwingvorrichtung,
9a und 9b eine Federeinrichtung einer Schwingvorrichtung,
10a eine schräge Draufsicht auf die Federeinrichtung aus 9a und 9b,
10b eine Schnittansicht von oben auf die Federeinrichtung aus 10a und
11a, 11b und 11c jeweils einen Graphen, welcher eine Amplitudenabhängigkeit von einer Anregungsfrequenz bei zunehmender anregender Kraft zeigt.
Im Folgenden werden für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine Schwingvorrichtung 101, welche beispielsweise in einem Inertialsensor, insbesondere einem Drehratensensor, vorzugsweise einem mikromechanischem Drehratensensor, eingebaut werden kann. Die Schwingvorrichtung 101 umfasst eine Schwingmasse 103 und eine Federeinrichtung 105, mittels welcher die Schwingmasse 103 an eine Substrataufhängung 107 gekoppelt werden kann. Mittels der Substrataufhängung 107 ist es insbesondere ermöglicht, dass die Schwingmasse 103 an ein Substrat (nicht gezeigt) aufgehängt werden kann. Ferner ist ein Einstellmittel 109 zum Einstellen einer Nichtlinearität einer Schwingung, vorzugsweise einer Antriebsschwingung und/oder einer Detektionsschwingung, der Schwingmasse 103 an der Federeinrichtung 105 angeordnet. Obwohl in 1 das Einstellmittel 109 schematisch in die Federeinrichtung 105 eingezeichnet ist, soll das nicht zwangsläufig bedeuten, dass das Einstellmittel 109 in der Federeinrichtung 105 integriert ist. Das Einstellmittel 109 ist allgemein an der Federeinrichtung 105 angeordnet, wobei ein Anordnen insbesondere auch eine Integration umfassen kann.
2 zeigt einen Inertialsensor umfassend eine Schwingvorrichtung 203. Bei der Schwingvorrichtung 203 kann es sich beispielsweise um die Schwingvorrichtung 101 handeln oder auch insbesondere um eine der im Folgenden beschriebenen Schwingvorrichtungen. Vorzugsweise ist der Inertialsensor 201 als ein Drehratensensor, insbesondere als ein mikromechanischer Drehratensensor gebildet. Der Inertialsensor 201 umfasst ferner eine Antriebsvorrichtung 205, mittels welcher eine Schwingmasse der Schwingvorrichtung 203 ausgelenkt werden kann. Insbesondere dadurch, dass erfindungsgemäß ein Einstellmittel zum Einstellen einer Nichtlinearität einer Schwingung der Schwingmasse vorgesehen ist, kann einer Versteifung einer Federeinrichtung auch bei hohen Auslenkungen der Schwingmasse entgegengewirkt werden bzw. es kann sogar auch in vorteilhafter Weise eine Federerweichung erreicht werden. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass der Inertialsensor 201 insbesondere auch bei größeren Schwingungsamplituden stabil betrieben werden kann.
3a, 3b und 3c zeigen Bewegungsbahnen von zwei miteinander gekoppelten Punkten A und B, wobei in den 3a und 3c der Punkt A fest mit einem Substrat 301 verbunden ist, so dass der Punkt A in den 3a und 3c keine Bewegung ausführen kann. Der Punkt A kann aber auch mit dem Substrat 301 gekoppelt sein, insbesondere mittels einer Koppelfeder, so dass der Punkt A eine Bewegung ausführen kann. Eine Bewegung der Punkte A und B ist schematisch mittels entsprechender Pfeile eingezeichnet. Eine Kopplung zwischen den beiden Punkten A und B ist schematisch mittels einer gestrichelten Linie mit dem Bezugszeichen 303 gekennzeichnet. Ferner ist jeweils ein x, y, z-Koordinatensystem eingezeichnet. Ebenfalls wurde in den weiteren Figuren ein solches Koordinatensystem eingezeichnet.
Es wird angemerkt, dass der Punkt A hier und im Folgenden insbesondere symbolisch eine Schwingmasse darstellen kann. Ebenfalls kann insbesondere der Punkt B hier und im Folgenden eine weitere Schwingmasse symbolisch darstellen. Der Punkt A kann aber auch hier, insbesondere in 3a und 3c, und im Folgenden symbolisch eine Substrataufhängung darstellen, mittels welcher der Punkt B, also insbesondere die weitere Schwingmasse, an dem Substrat 301 aufgehängt ist.
In der 3a bewegt sich der Punkt B bezogen auf die Papierebene geradlinig nach oben und nach unten, also in y-Richtung. In der 3b bewegen sich die Punkte A und B unterschiedlich, insbesondere entgegengesetzt bezogen auf die Papierebene nach oben und nach unten. Insbesondere können sich die Punkte A und B bezogen auf die Papierebene gemeinsam bzw. gleichsinnig nach oben oder nach unten bewegen. In 3c führt der Punkt B eine Rotationsschwingung aus bzw. bewegt sich auf einer gekrümmten Bahn mit einer x- und einer y-Komponente.
4a bis 4c zeigen respektive eine Schwingvorrichtung 400a, 400b und 400c mit einer entsprechenden Federeinrichtung 401a, 401b und 401c, mittels welcher die beiden Punkte A und B miteinander gekoppelt werden können.
Die Federeinrichtung 401a in 4a umfasst zwei Biegebalken 403a und 403b. Die beiden Biegebalken 403a und 403b sind gemeinsam auf ihrer Längsachse angeordnet. Zwischen den beiden Biegebalken 403a und 403b ist ein Einstellmittel 405 in Form eines rechteckigen Rahmens angeordnet. Der Rahmen ist vorzugsweise aus mehreren Biegebalken 405a gebildet gebildet.
Die Federeinrichtung 401b in 4b umfasst analog zur Federeinrichtung 401a in 4a zwei Biegebalken 403a und 403b, welche analog zu 4a angeordnet sind. Zwischen den beiden Biegebalken 403a und 403b ist ein Einstellmittel 407 in Form eines mäanderförmig gebildeten Rahmens gebildet. Jede Rahmenseite ist vorzugsweise aus einem Biegebalken 407a gebildet, wobei der Übersicht halber nicht jeder Rahmenseite mit dem Bezugszeichen 407a gekennzeichnet ist.
Die Federeinrichtung 401c in 4c umfasst analog zu den 4a und 4b ebenfalls zwei analog angeordnete Biegebalken 403a und 403b, wobei zwischen den beiden Biegebalken 403a und 403b ein weiteres Einstellmittel 409 in Form eines määnderförmig gebildeten Rahmens mit Biegebalken 409a als Rahmenseiten angeordnet ist.
Die Form bzw. Geometrie, die Masse und/oder die Masseverteilung der Einstellmittel 405, 407 und 409 wird insbesondere abhängig von der Schwingmasse B und/oder einer zu bereitstellenden Antriebsschwingung für die Schwingmasse B gewählt. Vorzugsweise sind die Biegebalken 403a und 403b sowie die entsprechenden Einstellmittel 405, 407 und 409 einstückig gebildet. Beispielsweise kann ein Draht verwendet werden, welcher entsprechend gebogen wird. Es können auch mehrere Drähte vorgesehen sein, welche entsprechend der Geometrie gebogen werden, wobei die mehreren Drähte anschließend insbesondere miteinander verbunden, beispielsweise geklebt oder geschweißt, werden können. Vorzugsweise wird mittels mikromechanischer Strukturierungsmethoden die Struktur, also insbesondere die einzelnen in den 4a bis 4c gezeigten Elemente, aus einem Stück gefertigt, insbesondere aus Silizium. Die Rahmen 405, 407 und 409 und hierbei insbesondere die Biegebalken 405a, 407a und 409a können also mikromechanisch gebildet sein.
5a und 5b zeigen respektive eine weitere Schwingvorrichtung 500a und 500b mit einer entsprechenden Federeinrichtung 501a und 501b.
In 5a wird der Punkt A mit vier Punkten B gekoppelt. Die Punkte B sind gleichmäßig im 90° Winkel zueinander auf einem Kreis angeordnet. Der Punkt A bildet somit ein Symmetriezentrum für eine Punktsymmetrie für die Punkte B. Für die Kopplung des Punktes A mit den Punkten B ist die Federeinrichtung 501a vorgesehen, welche mehrere radial angeordnete Biegebalken 503 umfasst. Hierbei sind jeweils zwei Biegebalken 503 radial zwischen dem Punkt A und einem Punkt B angeordnet. Zwischen zwei solchen Biegebalken 503 ist jeweils ein Einstellmittel 505 angeordnet. Die Einstellmittel 505 weisen eine Form entsprechend eines Teilabschnitts eines Kreisrings auf. Diese Form kann als Teilkreisringsform bezeichnet werden. Die Einstellmittel 503 sind bezogen auf den Punkt A in einem gleichen Abstand zum Punkt A angeordnet.
5b zeigt eine ähnliche Kopplungsmöglichkeit wie die 5a in Form der weiteren Federeinrichtung 501b zwischen dem Punkt A und den Punkten B, wobei hier acht Punkte B vorgesehen sind. Auch hier sind mehrere Biegebalken 503 vorgesehen, wobei jeweils zwei solcher Biegebalken 503 radial zwischen dem Punkt A und einem Punkt B angeordnet sind. Zwischen zwei solcher Biegebalken 503 ist ein Einstellmittel 505 in Teilkreisringform angeordnet. Hierbei sind die Abstände der einzelnen Einstellmittel 505 bezogen auf den Punkt A zum Punkt A unterschiedlich, so dass bei einer rotatorischen Auslenkung der Punkte B sich die einzelnen Einstellmittel 505 in vorteilhafter Weise nicht berühren können.
In den 5a und 5b können die Punkte B Punkte auf einer Kreisscheibe darstellen, welche dann eine Schwingmasse darstellt. Insofern ist die Schwingmasse in den Schwingvorrichtungen 500a und 500b als eine Kreisscheibe gebildet (vgl. auch 8a bis 8c). Die Einstellmittel 505 können vorzugsweise aus einem oder mehreren Biegebalken in einer Rahmenstruktur gebildet sein.
Die in den 4a bis 4c und 5a und 5b gezeigten Schwingvorrichtungen 400a, 400b, 400c, 500a und 500b können insbesondere in einem Drehratensensor, insbesondere einem mikromechanischen Drehratensensor, verwendet werden. Die Schwingvorrichtungen 400a, 400b, 400c, 500a und 500b sind in diesem Fall vorzugsweise an einem nicht gezeigten Substrat aufgehängt.
6a, 6b und 6c zeigen jeweils einen Graphen, welcher schematisch eine Amplitude einer Schwingmasse in Abhängigkeit von einer Frequenz einer Schwingung zeigt. Hierbei kennzeichnet die in der 6a gezeigte Kurve ein lineares System. D. h., dass in diesem System eine Federkonstante der Federeinrichtung nicht von der Amplitude abhängt. 6b und 6c zeigen typische Kurvenverläufe für ein nichtlineares System. Die in den Graphen graphisch dargestellte Funktion kann auch als eine Übertragungsfunktion bezeichnet werden. Eine Übertragungsfunktion beschreibt insbesondere die Abhängigkeit eines Ausgangssignals (Amplitude der Schwingmasse) von einem Eingangssignal (Frequenz der Schwingung). Es tritt bei einem nichtlinearem Verhalten eine Änderung der Resonanzfrequenz mit der Schwingungsamplitude auf, eine Hysterese oder eine instabile oder im Extremfall eine chaotische Schwingung.
7a zeigt einen Rotationsschwinger 701 nach dem Stand der Technik. 7b zeigt den Rotationsschwinger 701 aus 7a in einer rotatorischen Auslenkung.
Der Rotationsschwinger 701 umfasst eine Masse 703 in Form eines Kreisrings. Im Mittelpunkt des Kreisrings ist eine Substrataufhängung 705 gebildet, wobei der Kreisring 703 mittels vier radial und im 90 Grad Winkel zueinander angeordneten Biegebalken 707 an der Substrataufhängung 705 aufgehängt ist.
In 7b ist der Rotationsschwinger 701 in eine Rotationsschwingung versetzt, was symbolisch mit einem Pfeil mit dem Bezugszeichen 709 gekennzeichnet ist. Die Rotationsschwingung des Rotationsschwingers 701 ist bei Amplituden oberhalb der kritischen Amplitude nichtlinear, was mittels einer Übertragungsfunktion gemäß den Graphen in den 6b oder 6c beschrieben werden kann. Dies liegt insbesondere daran, dass bei größeren Auslenkungen eine axiale Zugbelastung an den Biegebalken 707 zu einer Versteifung der Biegebalken 707 führt. Dieses Verhalten kann beispielsweise in einer Nährung durch einen Duffing-Oszillator beschrieben werden.
8a bis 8c zeigen respektive eine Schwingvorrichtung 801a, 801b und 801c, welche jeweils eine kreisringförmige Schwingmasse 803 umfasst, wobei im Mittelpunkt der Schwingmasse 803 eine Substrataufhängung 805 gebildet ist, beispielsweise ein Lagerblock. Die Schwingmasse 803 ist an der Substrataufhängung 805 in den 8a bis 8c respektive mittels einer Federeinrichtung 807a, 807b und 807c aufgehängt.
Die Federeinrichtung 807a umfasst acht radial angeordnete Biegebalken 809, wobei jeweils zwei Biegebalken 809 auf ihrer Längsachse angeordnet sind und wobei jedes so angeordnete Biegebalkenpaar im 90 Grad Winkel benachbart zu einem weiteren Biegebalken angeordnet ist. Zwischen den beiden Biegebalken 809 eines jeden Biegebalkenpaars ist ein Einstellmittel 811 zum Einstellen einer Nichtlinearität einer Schwingung der Schwingmasse 803 angeordnet. Die Einstellmittel 811 sind als rechteckiger geschlossener Rahmen gebildet. Die Rahmen 811 als sogenannte Rahmenstrukturen verbinden sozusagen die Biegebalkenstrukturen. Vorzugsweise sind die Biegebalken 809 und die entsprechenden Einstellmittel 811 einstückig gebildet, insbesondere mittels eines Drahtes. Die Einstellmittel 811 sind in Bezug auf die Substrataufhängung 805 in einem gleichen Abstand zu der Substrataufhängung 805 angeordnet, wobei ein Abstand zwischen den Einstellmitteln 811 und der Substrataufhängung 805 ungleich einem Abstand zwischen den Einstellmitteln 811 und dem Kreisring ist. Vorzugsweise können die Einstellmittel 811 auch mittig zwischen den beiden Biegebalken 809 eines Biegebalkenpaares angeordnet sein. Die Einstellmittel 811 sind vorzugsweise aus Biegebalken gebildet. Das heißt insbesondere, dass die Rahmenseiten der Einstellmittel 811 analog zu 4a bis 4c aus einem Biegebalken gebildet sind.
Die in 8b und 8c gezeigten Federeinrichtungen 807b und 807c sind mittels der gleichen Merkmale aufgebaut. Die Ausführungen in Bezug zu 8a gelten analog auch für die 8b und 8c.
Im Gegensatz zu der Federeinrichtung 807a umfasst die Federeinrichtung 807b 16 Biegebalken 809, welche aber ebenfalls paarweise radial angeordnet sind und jeweils ein Einstellmittel 811 aufweisen. Benachbarte radial angeordnete Biegebalkenpaare sind im 45 Grad Winkel zueinander angeordnet. Die Einstellmittel 811 sind altemierend in einem wechselnden Abstand zu der Substrataufhängung zwischen den beiden Biegebalken 809 eines Biegebalkenpaares angeordnet. So stoßen benachbarte Einstellmittel 811 in vorteilhafter Weise bei einer Rotationsschwingung nicht gegeneinander, so dass insbesondere auch große Auslenkungen der Schwingmasse 803 ermöglicht sind.
Im Gegensatz zu der Federeinrichtung 807a umfasst die Federeinrichtung 807c eine Anzahl von 4 Biegebalken 809, welche ebenfalls paarweise radial angeordnet sind und jeweils ein Einstellmittel 811 aufweisen. Die beiden Biegebalkenpaare sind im 180 Grad Winkel zueinander angeordnet.
Die Federeinrichtungen 807a, 807b und 807c können in nicht gezeigten Ausführungsformen auch durch die Federeinrichtungen 401a, 401b, 401c aus den 4a bis 4c oder durch die Federeinrichtungen 501a und 501b aus den 5a und 5b ersetzt werden.
9a zeigt eine Federeinrichtung 901 für eine erfindungsgemäße Schwingvorrichtung (nicht gezeigt) mit zwei längs hintereinander angeordneten Biegebalken 903, wobei zwischen den beiden Biegebalken 903 ein Einstellmittel 905 in Form eines Rahmens angeordnet ist. Der Rahmen 905 als sogenannte Rahmenstruktur verbindet sozusagen die Biegebalkenstruktur. Die beiden Biegebalken 903 und das Einstellmittel 905 sind vorzugsweise einstückig aus einem Material der Höhe H bezogen auf die z-Richtung (vgl. 10a und 10b) gebildet. Es kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass der Rahmen 905 an die beiden Biegebalken 903 geklebt und/oder geschweißt ist. Einer der beiden Biegebalken 903 ist mit einer Substrataufhängung 907 verbunden. Eine Auslenkung bzw. Verbiegung der Federeinrichtung 901 ist mittels eines Pfeils mit dem Bezugszeichen 909 gekennzeichnet. Der Rahmen 905 kann aus mehreren Biegebalken, insbesondere 4 Biegebalken, gebildet sein.
9b zeigt die Federeinrichtung 901 aus 9a, wobei hier symbolisch die einzelnen Geometrieparameter der Federeinrichtung 901 dargestellt sind. Das Bezugszeichen 911 kennzeichnet eine Länge des Rahmens 905. Die Bezugszeichen 913 und 915 kennzeichnen jeweils eine Länge der Biegebalken 903. Die Bezugszeichen 917 und 919 kennzeichnen eine Dicke des Rahmens 905, welcher insbesondere als ein Biegebalken gebildet sein kann. Das Bezugszeichen 921 kennzeichnet eine Breite des Rahmens 905. Das Bezugszeichen 921 kennzeichnet eine Dicke der Biegebalken 923. Durch geeignete Wahl der Geometrieparameter lässt sich in vorteilhafter Weise die Form der Nichtlinearität einstellen bzw. ein lineares Verhalten einstellen.
10a zeigt die beiden Biegebalken 903 mit dem Einstellmittel 905 aus 9a in einer schrägen Draufsicht. 10b zeigt eine Schnittansicht von oben der Biegebalken 903 und des Einstellmittels 905 aus 10a. Der Doppelpfeil mit dem Bezugszeichen 1001 kennzeichnet die Höhe H.
11a bis 11b zeigen analog zu 6a bis 6c jeweils einen Graphen, welcher schematisch eine Amplitude einer Schwingmasse in Abhängigkeit von einer Frequenz einer Schwingung zeigt. Auf die dortigen Ausführungen kann insofern verwiesen werden. Jeder Graph zeigt drei Kurven, welche eine Amplitude F als Reaktion auf eine zunehmende anregende Kraft F₀, wobei F(t) = F₀·sin(wt), zeigen. Bezogen auf die 11a zeigen die Kurven mit den Bezugszeichen in der Reihenfolge 1101a, 1101b und 1101c die entsprechende Abhängigkeit von der zunehmenden anregenden Kraft F₀. Analog zeigen bezogen auf die 11b die Kurven mit den Bezugszeichen in der Reihenfolge 1103a, 1103b und 1103c die entsprechende Abhängigkeit von der zunehmenden anregenden Kraft F₀. Analog zeigen bezogen auf die 11c die Kurven mit den Bezugszeichen in der Reihenfolge 1105a, 1105b und 1105c die entsprechende Abhängigkeit von der zunehmenden anregenden Kraft F₀.
Die gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen 1107 kennzeichnet einen Verlauf des Amplitudenmaximums. Solange die Wendetangente nicht senkrecht ist, wie bei den Kurven 1101a, 1101b, 1101c, 1103a, 1103b, 1105a und 1105b, ist das System linear. In den Kurven 1103c und 1105c gibt es jedoch Frequenzwerte, die zwei Amplitudenwerten zugeordnet werden können. Das System ist hier insofern nichtlinear.
Da allgemein insbesondere über die Geometrie der Federeinrichtung eine Nichtlinearität bzw. Linearität eingestellt werden kann, kann dies auch so bezeichnet werden, dass die Federeinrichtung insbesondere eine Federgeometrie mit einstellbarer Nichtlinearität aufweist.
Zusammenfassend stellt die Erfindung insbesondere eine Möglichkeit bereit, Drehratensensoren, insbesondere mikromechanische Drehratensensoren, herzustellen, welche bei größeren Schwingungsamplituden betrieben werden können, was in vorteilhafter Weise eine besonders empfindliche Messung von Drehraten ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10108196 A1 [0002]

Claims

Schwingvorrichtung (101) für einen Inertialsensor (201), mit einer Schwingmasse (103), einer Substrataufhängung (107) zum Aufhängen der Schwingmasse (103) an ein Substrat und einer Federeinrichtung (105) zum Koppeln der Schwingmasse (103) an die Substrataufhängung (107), dadurch gekennzeichnet, dass ein Einstellmittel (109) zum Einstellen einer Nichtlinearität einer Schwingung der Schwingmasse an der Federeinrichtung (105) angeordnet ist.
Schwingvorrichtung (101) nach Anspruch 1, wobei das Einstellmittel (109) eingerichtet ist, eine Federkonstante der Federeinrichtung (105) einzustellen.
Schwingvorrichtung (101) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Einstellmittel (109) einstückig mit der Federeinrichtung (105) gebildet ist.
Schwingvorrichtung (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Einstellmittel (109) als ein Körper, insbesondere elastischer Körper, gebildet ist.
Schwingvorrichtung (101) nach Anspruch 4, wobei der Körper als ein in sich geschlossener Rahmen gebildet ist.
Schwingvorrichtung (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Federeinrichtung (105) einen Biegebalken (903) umfasst, an welchem das Einstellmittel (109) angeordnet ist.
Schwingvorrichtung (101) nach Anspruch 6, wobei die Federeinrichtung (105) zwei auf ihrer Längsachse hintereinander angeordnete Biegebalken (903) umfasst und das Einstellmittel (109) zwischen den beiden Biegebalken (903) angeordnet ist.
Schwingvorrichtung (101) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Schwingmasse (103) als eine Ringscheibe (803) gebildet ist, die Substrataufhängung (107) einen im Wesentlichen im Mittelpunkt der Ringscheibe angeordneten Aufhängungsbereich aufweist und der Biegebalken (903) radial zwischen dem Aufhängungsbereich und der Ringscheibe (803) angeordnet ist.
Schwingvorrichtung (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schwingmasse (103) als ein mehreckiger Schwingkörper gebildet ist, die Federeinrichtung (105) zumindest eine am Schwingkörper angeordnete Koppelfeder zum federnden Verbinden mit dem Substrat umfasst und das Einstellmittel (109) an der Koppelfeder angeordnet ist.
Inertialsensor (201), insbesondere Drehratensensor, mit einer Schwingvorrichtung (101) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Inertialsensor (201) nach Anspruch 10, wobei der Inertialsensor (201) als ein mikromechanischer Inertialsensor gebildet ist.