DE102013208817A1

DE102013208817A1 - Drehratensensor mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat zur Detektion einer Drehrate

Info

Publication number: DE102013208817A1
Application number: DE102013208817.5A
Authority: DE
Inventors: Robert Maul; Burkhard Kuhlmann; Mirko Hattass; Ralf Ameling; Benjamin Schmidt; Rolf Scheben; Thorsten BALSLINK
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2014-11-20
Also published as: CN105324634B; US9823073B2; WO2014184225A1; CN105324634A; EP2997330A1; US20160069682A1

Abstract

Es wird ein Drehratensensor mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat zur Detektion einer Drehrate, wobei sich die Drehrate in eine sich entweder parallel zur Haupterstreckungsebene oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung erstreckt, wobei der Drehratensensor ein primäres Paar seismischer Massen und eine sekundäres Paar seismischer Massen umfasst, wobei das primäre Paar seismischer Massen eine erste Primärmasse und eine zweite Primärmasse aufweist und das sekundäre Paar seismischer Massen eine erste Sekundärmasse und eine zweite Sekundärmasse aufweist, wobei die erste Primärmasse und die zweite Primärmasse zueinander entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors verlaufenden primären Auslenkungsrichtung relativ zum Substrat bewegbar sind und die erste Sekundärmasse und die zweite Sekundärmasse entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors verlaufenden sekundären Auslenkungsrichtung relativ zum Substrat bewegbar sind, wobei einerseits die erste und zweite Primärmasse und andererseits die erste und die zweite Sekundärmasse entweder antiparallel oder parallel zueinander gemäß der jeweiligen Auslenkungsrichtung bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die primäre Auslenkungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur sekundären Auslenkungsrichtung erstreckt und wobei das primäre Paar seismischer Massen und/oder das sekundäre Paar seismischer Massen so antreibbar sind, dass bei einer Rotation des Drehratensensor die Corioliskraft zur Auslenkung der ersten Primärmasse und der zweiten Primärmasse und/oder der ersten Sekundärmasse und der zweiten Sekundärmasse führt.

Description

Stand der Technik:
Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Drehratensensoren sind aus dem Stand der Technik bekannt und sind in der Lage, die Drehraten einer Rotationsbewegung zu bestimmen. Beispielsweise ist aus der Druckschrift WO 03064975 A1 ein Drehratensensor mit zwei schwingenden Massenelementen (Zwei-Massensystem) bekannt. Typischerweise weisen solche Drehratensensoren zwei schwingfähige Massen (Teilschwinger) auf, welche zu einer antiparallelen Mode angetrieben werden. Bei Vorliegen einer Drehrate wird durch die Corioliskraft eine antiparallele Detektionsschwingung angeregt, welche kapazitiv erfasst wird und mittels einer Auswerteelektronik in eine Drehrate umgerechnet wird. Es ist Stand der Technik, dass ein Teilschwinger aus einem Antriebsschwinger und einem Coriolisschwinger aufgebaut ist. Der Antriebsschwinger macht nur die Antriebsbewegung mit und nicht die Detektionsschwingung. Das Corioliselement macht sowohl die Antriebsschwingung als auch die Detektionsschwingung mit. Neben der Corioliskraft gibt es für praktisch relevante Einsatzfälle weitere Kräfte, denen Sensoren bzw. Teile davon ausgesetzt sind und die ebenfalls ein Signal hervorrufen können bzw. die das der Corioliskraft zugeordnete Signal verfälschen können, insbesondere Trägheitskräfte hervorgerufen durch Linearbeschleunigungen und durch Drehbeschleunigungen. Das Auftreten dieser Kräfte führt nachteilig zu Fehlsignalen im Betrieb, weil beispielsweise eine Drehbeschleunigung, zum Beispiel in Form einer Rotationsschwingung um die empfindliche Achse, direkt zu einem Drehratensignal führt. Insbesondere, wenn die Rotationsschwingung mit der Frequenz erfolgt, mit der der Drehratensensor angetrieben wird und in Phase mit einer Corioliskraft erfolgt, resultiert eine besonders große Störbarkeit. Ferner führt auch eine Linearbeschleunigung entlang der Detektionsrichtung zu einer ungewollten Auslenkung der Teilschwinger.
Weiterhin sind solche Drehratensensoren bekannt, bei denen mehrere Zwei-Massensysteme durch Federn verbunden sind, um Drehraten in mehr als eine Richtung zu detektieren. Die dazu notwendige Komplexitätssteigerung des Sensoraufbaus macht den Drehratensensor dabei anfälliger für Störmoden und erschwert deshalb die Zuordnung der gemessenen Kapazitäten zu den Drehraten.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehratensensor zur Verfügung zu stellen, welcher die Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und dabei trotzdem kompakt ist, insbesondere wenn es sich um einen mehrkanaligen Drehratensensor handelt.
Offenbarung der Erfindung:
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Drehratensensor der vier seismische Massen umfasst, wobei sich die vier seismischen Massen unterteilen lassen in ein primäres Paar seismischer Massen, bestehend aus einer ersten Primärmasse und einer zweiten Primärmasse, und in ein sekundäres Paar seismischer Massen, bestehend aus einer ersten Sekundärmasse und einer zweiten Sekundärmasse. Es ist dabei erfindungsgemäß vorgesehen, dass sowohl das primäre Paar als auch das sekundäre Paar direkt oder indirekt am Substrat, vorzugsweise über Federn, so angeordnet sind, dass sich alle vier seismischen Massen (d.h. primäres und sekundäres Paar) in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung relativ zum Substrat bewegen können(, insbesondere angetrieben werden können). Dabei bewegt sich das primäre Paar im Wesentlichen jeweils parallel entlang einer primären Auslenkungsrichtung und das sekundäre Paar im Wesentlichen jeweils parallel entlang einer sekundären Auslenkungsrichtung, wobei die primäre Auslenkungsrichtung und die sekundäre Auslenkungsrichtung senkrecht zueinander verlaufen. Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich einerseits die erste und die zweite Primärmasse und andererseits die erste und die zweite Sekundärmasse entweder zueinander parallel oder antiparallel bewegen. Vorzugsweise schwingen einerseits die erste und die zweite Primärmasse bzw. andererseits die erste und die zweite Sekundärmasse gegenphasig zueinander, d.h. sie bewegen sich im Wesentlichen in entgegengesetzte Richtungen. Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das primäre Paar und das sekundäre Paar seismischer Massen so angetrieben werden, dass bei einer Rotation des Drehratensensors die Corioliskraft zu einer Auslenkung

– der ersten Primärmasse und der zweiten Primärmasse und/oder
– der ersten Sekundärmasse und zweiten Sekundärmasse führt. Dabei ist es vorgesehen, dass der Drehratensensor die Drehrate entlang mindestens einer, vorzugsweise mehrerer Richtungen erfassen kann. Es ist dabei gegenüber dem Stand der Technik von Vorteil, dass die Bewegung des primären Paares seismischer Massen bzw. des sekundären Paares seismischer Massen sowohl eine Antriebsbewegung, als auch eine Coriolisbewegung als auch ein Detektionsbewegung sein kann. Als Antriebsbewegungen werden alle Bewegungen bezeichnet, die erfolgen, wenn der Drehratensensor nicht gedreht wird, d.h. wenn keine Drehrate vorliegt. Unter Coriolisbewegungen werden solche Bewegungen verstanden, die aus der Wirkung der Corioliskraft resultieren, und Detektionsbewegungen, diejenigen, deren Bewegung kapazitiv, vorzugsweise über Elektroden, erfasst wird und dadurch der quantitativen Bestimmung der Drehrate dienen. Da sich das primäre und das sekundäre Paar seismischer Massen in senkrecht zueinander stehenden Richtungen bewegen, können dementsprechend vom Drehratensensor zumindest zwei Drehraten ermittelt werden, deren Richtungen ebenfalls zueinander senkrecht stehen, weil die seismischen Massen des ersten und des zweite Paares seismische Masse nicht nur jeweils die Antriebsbewegung, sondern auch die Coriolisbewegungen vollziehen können. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass in sehr kompakter Form, bestehend aus nur vier seismischen Massen, ein Drehratensensor gebildet werden kann, der gleichzeitig mehrere, in verschiedene Richtung verlaufende Drehraten messen kann.

In einer besonders kompakten Ausführungsform umrahmt in der Ebene parallel zu Haupterstreckungsebene das primäre Paar seismischer Massen das sekundäre Paar seismischer Massen, d.h. die erste Primärmasse und die zweite Primärmasse sind einander gegenüber angeordnet und das sekundäre Paar seismische Masse liegt zwischen der ersten Primärmasse und der zweiten Primärmasse.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die erste und die zweite Primärmasse über zwei Kopplungselemente, insbesondere zwei wippenartige Kopplungselemente, miteinander verbunden, wobei das sekundäre Paar seismischer Massen zwischen sowohl der ersten und der zweiten Primärmasse als auch zwischen den beiden (wippenartige) Kopplungselementen angeordnet ist. Weiterhin ist es in dieser Ausführungsform vorgesehen, dass die erste und die zweite Sekundärmasse über die (wippenartigen) Kopplungselemente und über das primäre Paar seismischer Massen derart wirkverbunden sind, dass sich die erste und die zweite Sekundärmasse nicht parallel (zueinander) entlang der sekundären Ausbreitungsrichtung bewegen können, bzw. auslenken lassen. Vielmehr verhindert bzw. blockiert die Kopplung der ersten und der zweiten Sekundärmassen über das wippenartige Kopplungselement die Auslenkung, wenn sich erste und zweite Sekundärmasse in dieselbe parallel zueinander liegende Richtung bewegen wollen. Externe Kraftwirkungen, die die erste und die zweite Sekundärmasse in die sekundäre Auslenkungsrichtung auslenken würden, (wie z.B. eine Linearbeschleunigung entlang der sekundären Auslenkungsrichtung und/oder eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene ausgerichtete Drehbeschleunigung), können daher auf vorteilhafte Weise in der Regel nicht zu einem Störsignal führen, wenn die Auslenkung des sekundären Paares entlang der sekundären Auslenkungsrichtung als Detektionsbewegung vorgesehen ist. Zusätzlich verhindert die Kopplung, dass erste und zweite Primärmasse gleichzeitig in dieselbe Richtung bewegt werden können.
In einer alternativen Ausführungsform, führt das primäre Paar seismischer Massen die Antriebsbewegung entlang der primären Auslenkungsrichtung und die Coriolisbewegung entlang einer senkrecht zur primären Auslenkungsachse (und parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden) Richtung aus, und die Coriolisbewegung verursacht die Detektionsbewegung entlang der sekundären Auslenkungsrichtung des sekundären Paares seismischer Massen (über eine wippenartige Kopplung). Mit einem solchen Sensor kann eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Drehrate bestimmt werden. Eine Kopplung des primären Paares und des sekundären Paares über ein wippenartiges Kopplungselement kann dann die Empfindlichkeit des Drehratensensors gegenüber Linearbeschleunigungen und Drehbeschleunigungen um eine Drehachse senkrecht zur Haupterstreckungsebene reduzieren. (D.h. es können die Signalbeiträge von solchen Störeinflüssen in vorteilhafter Weise reduziert werden, deren Kraftwirkungen auf das sekundäre Paar seismische Masse in eine sich parallel zur sekundären Auslenkungsrichtung verlaufende Richtung erfolgen.) Dabei verhindert einerseits die (wippenartige) Kopplung, dass die Detektionsbewegung des sekundären Paares störend beeinflusst wird, und andererseits kann die externe Kraftwirkung nicht die Coriolisbewegung des primären Paares der seismischen Massen (und damit über die wippenartige Kopplung die Detektionsbewegung des sekundären Paares der seismischen Massen) beeinflussen.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform wird die (wippenartige) Kopplung zwischen primären und sekundären Paar seismischer Massen dazu genutzt, eine Antriebsbewegung des sekundären Paares seismischer Massen zu realisieren. Dabei ist es vorgesehen, dass die erste und die zweite Primärmasse, vorzugsweise über Antriebselektroden, zu eine antiparallelen Schwingung angeregt werden. Diese antiparallele Schwingung bewirkt ihrerseits, dass über die Kopplungselement die erste und die zweite Sekundärmasse angetrieben werden, wobei sich diese beiden seismischen Massen ebenfalls zueinander antiparallel bewegen. Das verringert in vorteilhafter Weise die Komplexität der zum Antrieb der seismischen Massen notwendigen Antriebs- und Auswertungsschaltungen des Drehratensensors, da andernfalls das primäre Paar seismischer Massen und das sekundäre Paar seismischer Massen jeweils einzeln angetrieben werden müssten.
In einer weiteren Ausführungsform wird das sekundäre Paar über die Kopplungselemente durch die Auslenkungsbewegung des primären Paares zu einer Auslenkungsbewegung entlang der sekundären Auslenkungsrichtung angetrieben. Dabei ist es vorgesehen, dass die Detektionsbewegung, sowohl für das primäre Paar als auch für das sekundäre Paar seismischer Massen entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung erfolgt. Vorzugsweise handelt es sich bei den Detektionsmitteln um Elektroden, die Substrat und seismische Masse aufweisen. Solch ein Drehratensensor ist vorgesehen zur Bestimmung von Drehraten, die parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufen, und ist in vorteilhafte Weise robust gegenüber Störeinflüssen, deren Kraftwirkung in eine parallel zur Haupterstreckungsebene Richtung erfolgen, wie z.B. Linearbeschleunigungen und Drehbeschleunigungen.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Kopplungselemente so ausgebildet, dass das sekundäre Paar seismischer Massen zusätzlich eine Detektionsbewegung in eine senkrecht zur sekundären Auslenkungsrichtung und parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung vollziehen kann, d.h. erste und zweite Sekundärmasse sind in diese Richtung bewegbar. In dieser Ausführungsform kann der Drehratensensor sowohl Drehraten ermitteln, die sich parallel zur Haupterstreckungsebene erstrecken als auch solche, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufen, und ist in vorteilhafter Weise robust gegenüber Störeinflüssen, deren Kraftwirkung in ein Richtung parallel und senkrecht zur Haupterstreckungsebene erfolgen, insbesondere Linearbeschleunigungen und Drehbeschleunigungen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind sowohl das primäre Paar seismischer Massen als auch das sekundäre Paar seismischer Massen ausschließlich über das Kopplungselement mit dem Substrat verbunden. In dieser Ausführungsform wird den seismischen Massen in vorteilhafter Weise möglichst viel Bewegungsfreiheit für Antriebsbewegung, Coriolisbewegung und Detektionsbewegung gegeben, da ihre Bewegungsfreiheit nicht nur die Kopplung über eine Feder mit dem Substrat eingeschränkt wird.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das primäre Paar und/oder das sekundäre Paar eine Detektionsmasse. Dabei kann die Detektionsmasse so angeordnet sein, dass sie ausschließlich eine Detektionsbewegung vollzieht. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Robustheit gegenüber Störbeschleunigungen gesteigert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines einkanaligen Ωz-Drehratensensors, wobei 1(a) den Betriebszustand ohne Drehrate und 1(b) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene (z-Richtung) darstellt,
2 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines zweikanaligen Ωxy-Drehratensensors, wobei 2(a) den Betriebszustand ohne Drehrate, 2(b) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer ersten Drehratenrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene (y-Richtung) und 2(c) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer zweiten Drehratenrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene (x-Richtung) darstellt,
3 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines dreikanaligen Ωxyz-Drehratensensors wobei 3(a) den Betriebszustand ohne Drehrate, 3(b) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer ersten Drehratenrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene (y-Richtung), 3(c) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer zweiten Drehratenrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene (x-Richtung) und 3(d) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene (z-Richtung) darstellt,
4 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines dreikanaligen Ωxyz-Drehratensensors wobei 4(a) den Betriebszustand ohne Drehrate, 4(b) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer ersten Drehratenrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene (y-Richtung), 4(c) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer zweiten Drehratenrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene (x-Richtung) und 4(d) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene (z-Richtung) darstellt, und
5 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines zweikanaligen Ωxy-Drehratensensors im Betriebszustand ohne Drehrate.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ωz-Drehratensensors 100 in einer schematischen Darstellung. Dieser Ωz-Drehratensensor ist zur Messung von Drehraten vorgesehen, die entlang der z-Richtung (d. h. senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors) verlaufen. 1(a) zeigt den Drehratensensor im Betriebszustand, wenn keine Drehrate in z-Richtung vorliegt. Die Bewegungen einer oder mehrerer seismischer Massen in diesem Zustand sind ausschließlich Antriebsbewegungen. Der dargestellte Drehratensensor umfasst eine erste Primärmasse 11 und eine zweite Primärmasse 12, die einander gegenüberliegen und in dieser Ausführungsform als Coriolismassen fungieren. Als Coriolismassen sind solche seismische Massen zu verstehen, die aufgrund der Corioliskraft eine Coriolisbewegung ausführen (, wobei im dargestellten Betriebszustand ohne relevante Drehrate keine Corioliskraft und damit auch keine Coriolisbewegung vorliegt). Die erste und zweite Primärmasse 11 und 12 werden über Antriebsmassen 2 (, die über Federn 9 an das Substrat 1 des Drehratensensors gekoppelt sind,) zu Schwingungen in eine primäre Auslenkungsrichtung P1 bzw. P2 angeregt, die parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft. Typischerweise verfügt der Drehratensensor über Kammantriebsstrukturen, die die Bewegung der Antriebsmassen 2 steuern. Es ist vorgesehen, dass die Auslenkungsbewegung der ersten und der zweiten Primärmasse P1 und P2 dabei gegenphasig erfolgt, d.h. die Bewegungen der ersten und der zweiten Primärmasse 11 und 12 verlaufen antiparallel (in entgegengesetzten Richtungen). Zwischen erster und zweiter Primärmasse 11 und 12 ist an zwei Stellen jeweils als ein Beispiel für ein (wippenartiges) Kopplungselement eine Wippenstruktur bzw. Wippe 30 angeordnet. Die einzelne Wippenstruktur 30 ist ortsfest mit dem Substrat 1 verbunden und weist eine Wippenbasis 33 und einen Wippenbalken 31 auf. Dabei kann die Wippenbasis 33 auch ein Teil des Substrats 1 sein. Der Wippenbalken 31 ist so an der Wippenbasis 33 angeordnet, dass der Wippenbalken 31 eine Drehbewegung um eine Rotationsachse senkrecht zur Haupterstreckungsebene vollziehen kann (im Folgenden als Wippenbewegung bezeichnet). Dabei ist der Wippenbalken 31 über Federn 32 sowohl mit der ersten Primärmasse 11 als auch mit der zweiten Primärmasse 12 wirkverbunden. Die beiden Wippenstrukturen zwischen der ersten und der zweiten Primärmasse 11 und 12 sind so zueinander angeordnet, dass ihre Wippenbewegungen in einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene erfolgen, und zwischen den Wippenstrukturen 30 eine erste und eine zweite Sekundärmasse 21 und 22 angeordnet sind. Darüber hinaus ist die eine Wippenstruktur mit der ersten Sekundärmasse 21 und die andere Wippenstruktur ist mit der zweiten Sekundärmasse 22 wirkverbunden.
Die erste und die zweite Sekundärmasse 21 und 22 sind dabei in der vorliegenden Ausführungsform in eine senkrecht zur primären Auslenkungsrichtung verlaufenden sekundären Auslenkungsrichtung bewegbar und über weitere Federn 8 an das Substrat 1 gekoppelt. Sie fungieren in der dargestellten Ausführungsform als Detektionsmassen. D.h. ihre Bewegung entlang der sekundären Auslenkungsrichtung entspricht einer Detektionsbewegung, die kapazitiv erfasst wird. Dazu sind Detektionsmittel, vorzugsweise Kammstrukturen oder Elektroden, im Bereich des sekundären Paares 21, 22 der seismischen Masse angeordnet. Für eine besonders kompakte Bauweise des Drehratensensor ist es vorteilhaft, das sekundäre Paar seismischer Massen 21, 22 so anzuordnen, dass sie vom primären Paar seismischer Massen umgeben/eingeschlossen werden. Beim dargestellten Drehratensensor umrahmt das primäre Paar 11, 12 förmlich das sekundäre Paar 21, 22 in einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene.
Insbesondere stehen die erste Sekundärmasse 21 und die zweite Sekundärmasse 22 über die beiden Wippenstrukturen 30 und das primäre Paar seismischer Massen 11, 12 in Wirkverbindung. Insbesondere verhindert diese Wirkverbindung, dass sich die erste Sekundärmasse 21 und die zweite Sekundärmasse 22 gleichzeitig in dieselbe Richtung entlang der Detektionsrichtung bewegen können. Zusätzlich verhindert die Wirkverbindung, dass die erste Primärmasse und die zweite Primärmasse sich gleichzeitig in dieselbe Richtung bewegen können.
Im dargestellten Betriebszustand (ohne Drehrate in z-Richtung) bewegen sich die erste und die zweite Primärmasse 11 und 12 entweder auf einander zu oder voneinander weg. Dadurch kann es zu keiner Wippenbewegung kommen.
1(b) zeigt Ωz-Drehratensensor im Betriebszustand, wenn eine Drehrate in z-Richtung vorliegt. In diesem Fall wirkt die Corioliskraft auf die erste und die zweite Primärmasse 11 und 12. Dadurch überlagert sich die angetriebene Bewegung der ersten und der zweiten Primärmasse 11 und 12 (entlang der primären Auslenkungsrichtung) mit einer Coriolisbewegung P1* und P2* senkrecht zur primären Auslenkungsrichtung. Als Coriolisbewegung wird diejenige Bewegung bezeichnet, die durch die Corioliskraft verursacht wird. Da die erste und zweite Primärmasse 11 und 12 zu eine Schwingung in einer antiparallelen Mode (d.h. gegenphasig) angetrieben werden, ist die Coriolisbewegung der ersten Primärmasse P1* der Coriolisbewegung der zweiten Primärmasse P2* ebenfalls entgegengerichtet. Dies unterstützt die Wippenbewegung. Bei der Wippenbewegung überträgt die Wippenstruktur 30 seine Rotationsbewegung auf die erste bzw. zweite Sekundärmasse 21 bzw. 22, wodurch die erster (bzw. zweite Sekundärmasse) entlang einer sekundären Auslenkungsrichtung S1* oder S2* ausgelenkt wird, wobei die sekundäre Auslenkungsrichtung senkrecht zur primären Auslenkungsrichtung verläuft, (d.h. die Rotationsbewegung der Wippenstruktur wird auf eine Translationsbewegung der ersten bzw. zweiten Sekundärmasse 21 bzw. 22 übertragen). Dabei erfolgen die Wippenbewegungen der beiden Wippenstrukturen in der vorliegenden Ausführungsform gegensinnig (d.h. die Drehbewegung der einen Wippenstruktur erfolgt im Uhrzeigersinn, während die andere Drehbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgt). Als Resultat bewegen sich die erste und die zweite Sekundärmasse 21 und 22 in entgegengesetzten Richtungen aneinander vorbei.
Vorteil dieser Anordnung ist, dass bei Einwirken einer Drehbeschleunigung um die z-Achse weder die Antriebsbewegungen noch die Detektionsbewegung so beeinflusst wird, dass die Drehbeschleunigung im Wesentlichen kein Beitrag zum Detektionssignal verursacht. Im Falle einer Drehbeschleunigung um die z-Richtung wirkt auf alle vier seismischen Massen eine gleichsinnige Kraft, deren Richtung parallel zur ersten primären Auslenkungsrichtung P1, P2 bzw. zur Detektionsrichtung S1*, S2* verläuft. Damit kann einerseits keine Coriolisbewegung der ersten und der zweiten Primärachse 11 und 12 verursacht werden (, die dann wiederum über die Wippenbewegung die erste und die zweite Sekundärmasse 21 und 22 in Detektionsrichtung bewegen ließen). Andererseits verhindert die Wippenstruktur 30 bei einer Linearbeschleunigung das erste und zweite Primärmasse 11 und 12 bzw. das erste und zweite Sekundärmasse 21 und 22 gleichzeitig in dieselbe Richtung bewegt werden können.
Die in den folgenden 2 bis 4 dargestellten Drehratensensoren 100 unterscheiden sich im Wesentlichen von dem Drehratensensor aus 1 dadurch, dass sowohl das primäre Paar 11, 12 seismischer Massen als auch das sekundäre Paar seismischer Massen 21, 22 gleichzeitig Antriebsmasse, Coriolismasse und Detektionsmasse sind. Daher ist eine zusätzliche Antriebsmasse in der Regel nicht weiter erforderlich und daher in den folgenden Figuren nicht mehr enthalten.
Im Wesentlichen weisen die Drehratensensor aus den folgenden Figuren aber dieselben Merkmale auf wie der Drehratensensor aus 1. Deshalb wird die Beschreibung der Merkmale vermieden oder vereinfacht dargestellt, die bereits in 1 beschrieben wurden.
2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zweikanaligen Ωxy-Drehratensensors in einer schematischen Darstellung. Dieser Ωxy-Drehratensensor ist zur Messung von Drehraten vorgesehen, die entlang der x-Richtung und der y-Achse (d. h. parallel zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors) verlaufen. 2(a) zeigt den Drehratensensor im Betriebszustand, wenn weder eine Drehrate in y-Richtung noch eine in x-Richtung vorliegt. In dieser Ausführungsform ist es vorgesehen, dass sowohl das primäre Paar seismischer Massen als auch das sekundär Paar seismischer Massen eine Antriebsbewegung vollziehen. Dabei erfolgt die Auslenkung der ersten und der zweiten Primärmasse so, dass ihre antiparallele Schwingungsbewegung (P1 und P2) eine Wippenbewegung in beiden Wippenstrukturen verursachen, die zusammen wiederum die erste und die zweite Sekundärmasse entlang der sekundären Auslenkungsrichtung (S1 und S2) gegenphasig zueinander schwingen lassen.
2(b) stellt den Ωxy-Drehratensensor aus 2(a) im Betriebszustand dar, wenn eine Drehrate in y-Richtung (d.h. parallel zur Haupterstreckungsebene und senkrecht zur sekundären Auslenkungsrichtung) vorliegt. In dieser Situation bewegen sich die erste und zweite Sekundärmasse senkrecht zur Drehrate in y-Richtung und in entgegengesetzten Richtungen. Damit wirkt eine Corioliskraft auf sie und es kommt zur Coriolisbewegung der ersten und der zweiten Sekundärmasse (S1* und S2*) in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung, wobei wegen der antiparallelen Antriebsbewegung auch die jeweils auf die erste und zweite Sekundärmasse wirkenden Corioliskräfte zueinander antiparallel gerichtet sind
2(c) stellt den Ωxy-Drehratensensor aus 2(a) im Betriebszustand dar, wenn eine Drehrate in x-Richtung (d.h. parallel zur Haupterstreckungsebene und zur sekundären Auslenkungsrichtung) vorliegt. In dieser Situation bewegen sich die erste und zweite Primärmasse senkrecht zur Drehrate in x-Richtung. Damit wirkt eine Corioliskraft auf sie und es kommt zur Coriolisbewegung der ersten und der zweiten Primärmasse (P1* und P2*) in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung.
Für solche zweikanaligen Ωxy-Drehratensensor ist es vorgesehen, dass er mindestens zwei Detektionsmittel umfasst, wobei ein erstes Detektionsmittel die Detektionsbewegung der ersten und der zweiten Sekundärmasse 12 und 22 erfasst und das zweite Detektionsmittel die Detektionsbewegung der ersten und zweiten Primärmasse 11 und 12.
Ein Ωxy-Drehratensensor, wie in den 2(a)–(c) beschrieben, hat den Vorteil, dass er robust gegenüber Linearbeschleunigungen und Drehbeschleunigungen ist, deren Kraftwirkung in einer Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene erfolgt, da Detektionsbewegungen ausschließlich in z-Richtung beobachtbar/messbar sind (und damit parallel zur Haupterstreckungsebene liegende Bewegungen nicht beobachtbar sind). Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass das sekundäre Paar seismische Masse 21, 22 über das primäre Paar 11, 12 (mit Hilfe der Wippenstruktur) angetrieben wird. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich die Komplexität der elektronischen Antriebs- und Auswerteschaltung zu reduzieren.
3 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen dreikanaligen Ωxyz-Drehratensensors in einer schematischen Darstellung. Dieser Ωxyz-Drehratensensor ist zur Messung von Drehraten vorgesehen, die entlang der x-Richtung, der y-Achse und der z-Achse (d. h. parallel und senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors) verlaufen. Zur Bestimmung der Drehraten in x-Richtung und y-Richtung werden dieselbe Anordnung und dasselbe Funktionsprinzip verwendet, die vom Ωxy-Drehratensensor aus 2 bekannt sind. Dies zeigen die 3(a)–(c). Der dreikanalige Ωxyz-Drehratensensor aus 3 weist zusätzlich zu dem zweikanaligen Ωxy-Drehratensensor ein Kopplungssystem (nicht eingezeichnet) auf, mit dem es möglich ist, die erste und die zweite Sekundärmasse entlang einer senkrecht zur sekundären Auslenkungsrichtung verlaufenden weiteren Detektionsrichtung zu bewegen, wenn sich die erste Primärmasse 11 und die zweite Primärmasse 12 parallel zur Haupterstreckungsebene aufeinander zubewegen bzw. voneinander wegbewegen. Im Falle einer Drehrate in z-Richtung wirkt die Corioliskraft so, dass die erste Primärmasse 11 und die zweite Primärmasse 12 senkrecht zur primären Auslenkungsrichtung (Antriebsbewegung) aufeinander zubewegt bzw. voneinander wegbewegt werden (P1**, P2**) und damit dann erste und zweite Sekundärmasse in die weitere Detektionsrichtung bewegt werden (S1**, S2**).
Für einen solchen dreikanaligen Ωxyz-Drehratensensor ist es vorgesehen, dass er mindestens drei Detektionsmittel umfasst, wobei ein erstes Detektionsmittel die Detektionsbewegung der ersten und der zweiten Sekundärmasse 21 und 22 in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Detektionsrichtung erfasst, das zweite Detektionsmittel die Detektionsbewegung der ersten und zweiten Primärmasse 11 und 12 erfasst und das dritte Detektionsmittel die Detektionsbewegung der ersten und der zweiten Sekundärmasse 21 und 22 in eine parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden weiteren Detektionsrichtung (S1**, S2**) erfasst.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen dreikanaligen Ωxyz-Drehratensensors in einer schematischen Darstellung. Dieser Ωxyz-Drehratensensor ist zur Messung von Drehraten vorgesehen, die entlang der x-Richtung, der y-Achse und der z-Achse (d. h. parallel und senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors) verlaufen. Der dreikanalige Ωxyz-Drehratensensor unterscheidet sich von dem aus 3 lediglich dadurch, dass das sekundäre Paar seismischer Massen 21, 22 Detektionsmassen 6 umfasst. Dabei sind die Detektionsmasse 6 mit dem sekundären Paar 21, 22 derart verbunden, dass sie die Detektionsbewegung der ersten und der zweiten Sekundärmasse 21 und 22 in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung nicht behindert. Damit ergeben sich für den in den 4(a) bis (c) dieselben Funktionsprinzipien bei denselben Betriebszuständen, wie sie entsprechend in den 3(a) bis (c) vorgestellt wurden.
In 4(d) sind die erste und die zweite Sekundärmasse 21 und 22 mit jeweils einer Detektionsmasse 6 verbunden, wobei sich die jeweilige Detektionsmasse 6 in eine Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene und senkrecht zur sekundären Auslenkrichtung bewegen kann. Insbesondere vollziehen die Detektionsmassen eine Detektionsbewegung, wenn die erste und zweite Sekundärmasse 21 und 22 durch eine Corioliskraft zu einer Coriolisbewegung gebracht wird. Dadurch wird in vorteilhafterweise die Robustheit gegenüber Störbeschleunigungen erhöht.
5 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zweikanaligen Ωxy-Drehratensensors in einer schematischen Darstellung. Dieser Ωxy-Drehratensensor ist zur Messung von Drehraten vorgesehen, die entlang der x-Richtung und der y-Achse (d. h. parallel zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors) verlaufen. 5(a) zeigt den Drehratensensor im Betriebszustand, wenn weder eine Drehrate in y-Richtung noch eine in x-Richtung vorliegt.
Der dargestellte Drehratensensor unterscheidet sich von der in 2 beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass die Wippenstrukturen 30 an anderen Stellen angebracht sind. Die Antriebsbewegungen der einzelnen Massen (P1, P2, S1 und S2) sowie deren Detektionsbewegung verlaufen sowohl im Betriebszustand ohne Drehrate als auch im Betriebszustand mit Drehrate in dieselbe Richtungen.
Auch in dieser Ausführungsform können die Kopplungselemente die Antriebsbewegung des primären Paares auf die Antriebsbewegung des zweiten Paares übertragen. Dabei ist es in dieser Ausführungsform von Vorteil, dass die mit dem Substrat 3 verbundenen Wippenstrukturen/Kopplungselemente zwischen der ersten bzw. zweiten Primärmasse 11 bzw. 12 und dem sekundären Paar seismischer Massen 21, 22 angeordnet sind, wodurch der Drehsensor noch kompakter wird im Vergleich zu den Ausführungsformen aus den 1 bis 4.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 03064975 A1 [0002]

Claims

Drehratensensor (100) mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat (1) zur Detektion einer Drehrate, wobei sich die Drehrate in eine sich entweder parallel zur Haupterstreckungsebene oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung erstreckt, wobei der Drehratensensor (100) ein primäres Paar seismischer Massen (11, 12) und eine sekundäres Paar seismischer Massen (21, 22) umfasst, wobei – das primäre Paar seismischer Massen eine erste Primärmasse (11) und eine zweite Primärmasse (12) aufweist und – das sekundäre Paar seismischer Massen eine erste Sekundärmasse (21) und eine zweite Sekundärmasse (22) aufweist, wobei – die erste Primärmasse (11) und die zweite Primärmasse (12) jeweils parallel zu einer zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors parallel verlaufenden primären Auslenkungsrichtung (P) relativ zum Substrat bewegbar sind und – die erste Sekundärmasse (21) und die zweite Sekundärmasse (22) jeweils parallel zu einer zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors (100) parallel verlaufenden sekundären Auslenkungsrichtung (S) relativ zum Substrat (1) bewegbar sind, wobei einerseits die erste Primärmasse (11) und zweite Primärmasse (12) andererseits die erste Sekundärmasse (21) und die zweite Sekundärmasse (22) entweder antiparallel oder parallel zueinander gemäß der jeweiligen Auslenkungsrichtung bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die primäre Auslenkungsrichtung (P) im Wesentlichen senkrecht zur sekundären Auslenkungsrichtung (S) erstreckt und wobei das primäre Paar seismischer Massen (11, 12) und/oder das sekundäre Paar (21, 22) seismischer Massen so antreibbar sind, dass bei einer Rotation des Drehratensensor die Corioliskraft zur Auslenkung – der ersten Primärmasse (11) und der zweiten Primärmasse (12) und/oder – der ersten Sekundärmasse (21) und der zweiten Sekundärmasse (22) führt.
Drehratensensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Primärmasse (11) und/oder die zweite Primärmasse (12) mit der ersten Sekundärmasse (21) und/oder zweiten Sekundärmasse (22) über ein Kopplungselement (30) derart verbunden sind, dass eine durch Antriebsmittel verursachte primäre Antriebsbewegung (P) der ersten Primärmasse (11) und der zweite Primärmasse (12) zu einer sekundären Antriebsbewegung (S) der ersten Sekundärmasse (21) und der zweiten Sekundärmasse (22) führt, und/oder derart verbunden, dass eine durch Corioliskräfte verursachte primäre Coriolisbewegung der ersten Primärmasse (11) und der zweite Primärmasse (12) zu einer sekundären Detektionsbewegung (S) der ersten Sekundärmasse (21) und der zweiten Sekundärmasse (22) führt.
Drehratensensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (30) eine Wippenstruktur aufweist.
Drehratensensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das primäre Paar seismischer Massen (11, 12) als auch das sekundäre Paar seismischer Massen (21, 22) durch die Corioliskraft in eine Detektionsrichtung bewegt werden, wobei die Detektionsrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft.
Drehratensensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sekundärmasse (21) und zweite Sekundärmasse (22) in eine weitere Detektionsrichtung bewegbar sind, wobei die weitere Detektionsrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene und senkrecht zur sekundären Auslenkungsrichtung (S) verläuft.
Drehratensensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch dass das primäre Paar seismische Masse (11, 12) und das sekundäre Paar seismischer Massen (21, 22) nur über das Kopplungselement (30) mit dem Substrat verbunden ist.
Drehratensensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das primäre Paar seismischer Massen (11, 12) und/oder das sekundäre Paar seismischer Massen (21, 22) eine Detektionsmasse (6) umfasst.