DE102013223227A1

DE102013223227A1 - Vibrationsrobuster Drehratensensor

Info

Publication number: DE102013223227A1
Application number: DE102013223227.6A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Neul
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-05-21
Also published as: US20150128700A1; CN104634338B; KR20150056050A; TW201522912A; US9863770B2; KR102160688B1; TWI652448B; CN104634338A

Abstract

Es wird ein Drehratensensor mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat und mehreren seismischen Massen vorgeschlagen, wobei für jede seismische Masse der mehreren seismischen Massen gilt: – die seismische Masse ist zu einer Antriebsschwingung antreibbar, wobei die Antriebsschwingung entlang einer zur Haupterstreckungsebene parallel angeordneten Antriebsrichtung erfolgt, – die seismische Masse ist entlang zweier unterschiedlicher Auslenkungsrichtungen auslenkbar, wobei die zwei unterschiedlichen Auslenkungsrichtungen senkrecht zur Antriebsrichtung angeordnet sind, wobei der Drehratensensor zur Erzeugung mehrerer Detektionssignale in Abhängigkeit mehrerer detektierter Auslenkungen der mehreren seismischen Massen konfiguriert ist, wobei jeder Auslenkungsrichtung der mehreren seismischen Massen ein Detektionssignal der mehreren Detektionssignale zugeordnet ist, wobei der Drehratensensor derart konfiguriert ist, dass eine Linearbeschleunigung, eine Drehbeschleunigung und eine Zentrifugalbeschleunigung des Drehratensensors bezogen auf wenigstens eine Drehachse des Drehratensensors durch Kompensation jeweils zweier korrespondierender Detektionssignale der mehreren Detektionssignale ausgeglichen wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Drehratensensoren sind allgemein bekannt. Die bekannten Drehratensensoren weisen jedoch eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit gegenüber Störungen von außen auf, wobei ein die Funktion des Drehratensensors beeinflussendes Störsignal im Drehratensensor erzeugt wird. Solche Störungen sind beispielsweise Beschleunigungen des Drehratensensors.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehratensensor mit verbesserter Vibrationsrobustheit bereitzustellen, sodass auch unter dem Einfluss äußerer Störungen ein zuverlässigerer Betrieb des Drehratensensors gewährleistet ist.
Der erfindungsgemäße Drehratensensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein Drehratensensor mit verbesserter Vibrationsrobustheit bereitgestellt wird, wobei der Drehratensensor auch unter dem Einfluss vergleichsweise stark ausgeprägter externer Störbeschleunigungen, beispielsweise Linear- und/oder Drehbeschleunigungen, mit bestimmten Spektralanteilen bzw. Vibrationen, zuverlässiger funktioniert. Der erfindungsgemäße Drehratensensor ist vergleichsweise unempfindlich gegenüber solchen Störbeschleunigungen, da der Drehratensensor in der Lage ist, externe Linearbeschleunigungen und/oder Drehbeschleunigungen während der Messung auszugleichen, sodass insbesondere die Messgenauigkeit verbessert wird. Hierbei werden die seismischen Massen des Drehratensensors derart angeordnet bzw. ausgebildet und/oder derart in Schwingung versetzt, dass die Empfindlichkeit bzw. Sensitivität auf externe Störungen – hier insbesondere Linearbeschleunigungen und/oder Drehbeschleunigungen – minimiert wird. Bevorzugt ist der Drehratensensor ein dreiachsiger Drehratensensor, wobei der dreiachsige Drehratensensor zur Detektion jeweils einer Drehrate bezüglich einer Rotationsbewegung um die erste, zweite und dritte Drehachse konfiguriert ist.
Bevorzugt wird jede seismische Masse in Abhängigkeit einer Beschleunigung entlang einer oder beider ihrer jeweiligen Auslenkungsrichtungen ausgelenkt, wobei die Beschleunigung eine Coriolisbeschleunigung, Linearbeschleunigung, Drehbeschleunigung, Zentrifugalbeschleunigung und/oder eine Summe der genannten Teilbeschleunigungen aufweist, wobei in Abhängigkeit der Auslenkung das jeweilige Detektionssignal erzeugt wird. Hierbei ist insbesondere die Coriolisbeschleunigung ein Maß für die Drehrate. Bevorzugt weist der Drehratensensor eine Detektionseinrichtung auf, wobei mittels der Detektionseinrichtung die mehreren Detektionssignale erzeugt werden, wobei insbesondere jeder Auslenkungsrichtung einer jeden seismischen Masse ein Detektionselement der Detektionseinrichtung zugeordnet ist. Die Detektionseinrichtung weist zur Detektion der Auslenkung insbesondere eine Kammelektrodenstruktur, eine Plattenelektrodenstruktur, eine piezoelektrische Struktur, eine piezoresistive Struktur, eine elektromagnetische Struktur, eine magnetostriktive Struktur und/oder eine optische Struktur auf. Insbesondere ist die Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der ersten, zweiten und/oder dritten Drehrate mittels elektronischer und/oder digitaler Signalverarbeitung konfiguriert.
Bevorzugt setzt sich eine Rotationsbewegung des Drehratensensors aus einer ersten Rotationsbewegung um die erste Drehachse, einer zweiten Rotationsbewegung um die zweite Drehachse und einer dritten Rotationsbewegung um die dritte Drehachse zusammen. Für die Drehbeschleunigung und die Zentrifugalbeschleunigung gilt dies entsprechend, wobei die jeweiligen Komponenten entsprechend als erste, zweite und dritte Drehbeschleunigung bzw. erste, zweite und dritte Zentrifugalbeschleunigung bezeichnet werden. Bevorzugt sind die seismischen Massen unabhängig voneinander zu den jeweiligen Antriebsschwingungen antreibbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Drehratensensor derart konfiguriert ist, dass die Linearbeschleunigung, die Drehbeschleunigung und die Zentrifugalbeschleunigung des Drehratensensors bezogen auf drei unterschiedliche Drehachsen des Drehratensensors in Abhängigkeit der mehreren Detektionssignale ausgeglichen werden.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass auch unter dem Einfluss äußerer Störungen auf alle drei Drehachsen bzw. Sensitivitätsachsen ein zuverlässigerer Betrieb des Drehratensensors gewährleistet ist, wobei bezüglich jeder Drehachse eine Linearbeschleunigung, eine Drehbeschleunigung und/oder eine Zentrifugalbeschleunigung ausgeglichen wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Drehratensensor derart konfiguriert ist, dass die Linearbeschleunigung, die Drehbeschleunigung und die Zentrifugalbeschleunigung durch Summenbildung und/oder Differenzbildung der mehreren Detektionssignale ausgeglichen werden.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass auf besonders effiziente und einfache Weise eine verbesserte Kompensation äußerer Störungen und ein zuverlässigerer Betrieb des Drehratensensors erreicht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Drehratensensor eine Auswerteeinrichtung aufweist, wobei die mehreren seismischen Massen derart angeordnet und zu den Antriebsschwingungen antreibbar sind, dass durch die Auswerteeinrichtung mittels Kompensation der korrespondierenden Detektionssignale die Linearbeschleunigung, die Drehbeschleunigung und die Zentrifugalbeschleunigung bezüglich jeder der drei Drehachsen ausgleichbar sind.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass die mehreren seismischen Massen derart angeordnet sind, dass eine erste Drehbeschleunigung bezüglich einer ersten Rotationsbewegung um die erste Drehachse, eine zweite Drehbeschleunigung bezüglich einer zweiten Rotationsbewegung um die zweite Drehachse und eine dritte Drehbeschleunigung bezüglich einer dritten Rotationsbewegung um die dritte Drehachse und weiterhin eine erste, zweite und dritte Linearbeschleunigung entlang der ersten, zweiten bzw. dritten Drehachse ausgeglichen wird. Somit kann die Drehrate mit höherer Messgenauigkeit detektiert werden, wobei in Abhängigkeit der Anordnung der seismischen Massen die Empfindlichkeit des Drehratensensors bezüglich externer Störungen – wie Linearbeschleunigungen und Drehbeschleunigungen – minimiert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mehreren seismischen Massen derart federelastisch miteinander und mit dem Substrat verbunden sind, dass die mehreren seismischen Massen so zu den Antriebsschwingungen antreibbar sind, dass die Linearbeschleunigung, die Drehbeschleunigung und die Zentrifugalbeschleunigung bezüglich der drei Drehachsen ausgleichbar sind.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass – neben der Linearbeschleunigung und der Drehbeschleunigung – zusätzlich auch die Zentrifugalbeschleunigung ausgeglichen bzw. kompensiert wird, wodurch die Empfindlichkeit bzw. Sensitivität des Drehratensensors bezüglich ungewünschter Störbeschleunigungen noch weiter verbessert wird. Bevorzugt wird die Linearbeschleunigung des Drehratensensors entlang der ersten, zweiten und/oder dritten Drehachse, die Drehbeschleunigung einer ersten, zweiten und/oder dritten Rotationsbewegung um die erste, zweite bzw. dritte Drehachse und die Zentrifugalbeschleunigung der ersten, zweiten und/oder dritten Rotationsbewegung um die erste, zweite bzw. dritte Drehachse ausgeglichen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mehreren seismischen Massen wenigstens vier seismische Massen umfassen, wobei sich die wenigstens vier seismischen Massen hauptsächlich entlang einer zur Haupterstreckungsebene des Substrats parallel angeordneten Antriebsebene erstrecken, wobei sich die den wenigstens vier seismischen Massen zugeordneten Antriebsrichtungen entlang der Antriebsebene erstrecken, wobei insbesondere die wenigstens vier seismischen Massen genau vier seismische Massen sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mehreren seismischen Massen wenigstens vier weitere seismische Massen umfassen, wobei sich die wenigstens vier weiteren seismischen Massen hauptsächlich entlang einer zur Haupterstreckungsebene des Substrats parallel angeordneten weiteren Antriebsebene erstrecken, wobei sich die den wenigstens vier weiteren seismischen Massen zugeordneten Antriebsrichtungen entlang der weiteren Antriebsebene erstrecken, wobei insbesondere die mehreren seismischen Massen genau acht seismische Massen sind.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, durch die Verwendung von achte seismischen Massen einen kompakten Drehratensensor bereitzustellen, welcher Drehraten um drei unterschiedliche Raumachsen detektieren kann und dennoch durch die besondere Art der Anordnung und des Antreibens der seismischen Massen sämtliche Störterme – Linearbeschleunigung, Drehbeschleunigung und Zentrifugalbeschleunigung – bezogen auf alle Drehachsen kompensieren kann. Somit wird ein verbesserter Drehratensensor bereitgestellt, welcher eine besonders präzise Detektion von Drehraten ermöglicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Antriebsebene und die weitere Antriebsebene entlang einer zur Haupterstreckungsebene des Substrats senkrechten Normalrichtung übereinander und voneinander beabstandet angeordnet sind oder in derselben Ebene angeordnet sind.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass durch eine überlappende Anordnung der ersten bis vierten seismischen Masse mit den fünften bis achten seismischen Masse der Platzbedarf des Drehratensensors in einfacher Weise reduziert wird. Insbesondere werden unter Verwendung einer Fertigungstechnologie mit mehreren Funktionsschichten bzw. funktionalen Schichten jeweils zwei seismische Massen entlang einer zur Z-Richtung parallelen Projektionsrichtung übereinander und zumindest teilweise überlappend oder vollständig überlappend angeordnet. Insbesondere überlappen in der angegebenen Weise die erste mit der fünften, die zweite mit der siebten, die dritte mit der sechsten und die vierte mit der achten seismischen Masse. Besonders bevorzugt wird durch eine symmetrische Anordnung der seismischen Massen der Drehratensensor hinsichtlich Platzbedarf und Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Störungen noch weiter verbessert.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
1 in schematischer Ansicht ein Referenzmodell,
2 bis 7 einen Drehratensensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht,
8 bis 13 einen Drehratensensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Explosionsdarstellung,
14 bis 19 einen Drehratensensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht,
20 einen Drehratensensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Ansicht.
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.
In 1 ist in schematischer Ansicht ein Referenzmodell dargestellt. Hier sind die grundsätzlichen Zusammenhänge einer Relativbewegung einer seismischen Masse im System der seismischen Masse (Bezugszeichen 202) in einem Referenzsystem (Bezugszeichen 201) dargestellt, dessen Bewegung bezüglich eines Inertialsystems 200 gemessen werden soll. Dargestellt ist die Relativbewegung einer seismische Masse mit dem körperfesten System 202 (Koordinaten x₂, y₂, z₂) im Referenzsystem 201 (Koordinaten x₁, y₂, z₁), das sich wiederum beliebig im Inertialsystem 200 (Koordinaten x₀, y₀, z₀) bewegt.
Die Beschleunigung der seismischen Masse setzt sich aus einer Coriolisbeschleunigung, einer Linearbeschleunigung, einer Drehbeschleunigung und einer Zentrifugalbeschleunigung zusammen. Es wurde festgestellt, dass der Linearbeschleunigungsanteil und der Drehbeschleunigungsanteil einen dominierenden Einfluss auf das jeweilige Messsignal im Vergleich zum Zentrifugalbeschleunigungsanteil haben. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird daher der Linearbeschleunigungsanteil und der Drehbeschleunigungsanteil mit höchster Priorität kompensiert.
In 2 bis 9 ist ein Drehratensensor 1 gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht dargestellt. Sämtliche dargestellte Drehratensensoren 1 weisen mehrere mit dem Substrat verbundene seismische Massen 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, auf, die insbesondere mittels flexiblen Federstrukturen federelastisch miteinander und mit dem Substrat verbunden sind. Die seismischen Massen 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 sind insbesondere derart konfiguriert sind, dass die Antriebsschwingungen (Antriebsbewegungen) und/oder Auslenkungsbewegungen – welche auch als Detektionsbewegung bezeichnet wird – ermöglicht werden. Bevorzugt sind sämtliche Antriebsschwingungen periodische, besonders bevorzugt sinusförmige, Antriebsschwingungen.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform des Drehratensensors 1 weist acht seismische Massen 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 auf, die derart angeordnet und zu den jeweiligen Antriebsschwingungen angetrieben werden, dass jeweils eine Komponente der Linearbeschleunigung entlang der X-Richtung 101, Y-Richtung 102 und Z-Richtung 103 so ausgeglichen wird, dass jeweils eine Komponente der Zentrifugalbeschleunigung bezüglich einer ersten Rotationsbewegung des Drehratensensors 1 um die erste Drehachse 101‘, einer zweiten Rotationsbewegung um die zweite Drehachse 102‘ und einer dritten Rotationsbewegung um die dritte Drehachse 103‘ ausgeglichen wird und dass jeweils eine Komponente der Drehbeschleunigung bezüglich der zweiten Rotationsbewegung und der dritten Rotationsbewegung ausgeglichen wird.
Das Prinzip des Ausgleichs der ungewünschten Beschleunigungen wird hier beispielhaft anhand der in 2 dargestellten Ausführungsform beschrieben, wobei das Prinzip analog für jeweils korrespondierende seismische Massen und die entsprechenden Auslenkungsrichtungen 12, 12‘, ... 82, 82‘ der anderen Ausführungsformen gilt. Hier wird beispielsweise die erste Komponente bzw. X-Komponente der Linearbeschleunigung dadurch ausgeglichen, dass die erste und zweite seismische Masse 10, 20 gegenphasig zueinander entlang der ersten und zweiten Antriebsrichtung 11, 21 – hier parallel zur Y-Richtung 102 – angetrieben werden und – in Abhängigkeit einer dritten Drehrate um die dritte Drehachse 103‘ – gegenphasig in die erste und zweite Auslenkungsrichtung 12, 22 – hier parallel zur X-Richtung 101 – ausgelenkt werden. Der Ausgleich wird beispielsweise mittels Differenz eines ersten Detektionssignals 112, welches der ersten Auslenkungsrichtung 12 zugeordnet ist, und eines zweiten Detektionssignals, welches der zweiten Auslenkungsrichtung 22 zugeordnet ist, durchgeführt. Mit der in 2 dargestellten Anordnung (linke Seite) lässt sich eine dritte Komponente der Drehbeschleunigung bezüglich der dritten Rotationsbewegung um die dritte Drehachse nicht ausgleichen, da die erste, zweite, dritte und vierte seismische Masse 10, 20, 30, 40 entlang eines zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen Umlaufs um die dritte Drehachse 103‘ gleichsinnig in die erste, zweite, dritte bzw. vierte Auslenkungsrichtung 12, 22, 32, 42 ausgelenkt werden. Gleiches gilt entsprechend für die fünfte, sechste, siebte und achte seismische Masse 50, 60, 70, 80. Hingegen kann mit der in 2 dargestellten Anordnung (Mitte) eine erste und zweite Komponente der Drehbeschleunigung bezüglich der ersten bzw. zweiten Rotationsbewegung um die erste bzw. zweite Drehachse 101‘, 102‘ ausgeglichen werden. Beispielsweise wird die Unempfindlichkeit gegenüber einer Drehbeschleunigung bezüglich der ersten Rotationsbewegung um die erste Drehachse 101‘ dadurch erreicht, dass die weitere erste, weitere zweite, weitere fünfte und weitere sechste Auslenkungsrichtung 12‘, 22‘, 52‘, 62‘ im Wesentlichen senkrecht zu der jeweiligen Richtung der Drehbeschleunigung auf die entsprechende seismische Masse 10, 20, 50, 60 orientiert sind. Entsprechend gilt dies auch für die Zentrifugalbeschleunigung.
Die in 3 dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in 2 beschriebenen Ausführungsform, wobei der Drehratensensor 1 hier acht seismische Massen 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 aufweist, die derart angeordnet sind und zu den jeweiligen Antriebsschwingungen angetrieben werden, dass jeweils eine Komponente der Linearbeschleunigung entlang der X-Richtung 101, Y-Richtung 102 und Z-Richtung 103 ausgeglichen wird, dass jeweils eine erste, zweite und dritte Komponente der Zentrifugalbeschleunigung bezüglich der ersten Rotationsbewegung, der zweiten Rotationsbewegung bzw. der dritten Rotationsbewegung ausgeglichen wird und dass lediglich eine dritte Komponente der Drehbeschleunigung bezüglich der dritten Rotationsbewegung ausgeglichen wird.
Die in 4 dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den bereits beschriebenen Ausführungsformen, wobei der Drehratensensor 1 hier acht seismische Massen 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 aufweist, die derart angeordnet sind und zu den jeweiligen Antriebsschwingungen angetrieben werden, dass jeweils alle drei Komponenten der Linearbeschleunigung, alle drei Komponenten der Zentrifugalbeschleunigung und alle drei Komponenten der Drehbeschleunigung ausgeglichen werden.
Die in 5 dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den bereits beschriebenen Ausführungsformen, wobei der Drehratensensor 1 hier acht seismische Massen 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 aufweist, die derart angeordnet sind und zu den jeweiligen Antriebsschwingungen angetrieben werden, dass jeweils alle drei Komponenten der Linearbeschleunigung, nur die dritte Komponente der Drehbeschleunigung bezüglich der dritten Rotationsbewegung um die dritte Drehachse 103‘ und nur die erste und zweite Komponente der Zentrifugalbeschleunigung bezüglich der ersten und zweiten Rotationsbewegung um die erste bzw. zweite Drehachse 101‘, 102‘ ausgeglichen werden.
Die in 6 dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den bereits beschriebenen Ausführungsformen, wobei der Drehratensensor 1 hier acht seismische Massen 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 aufweist, die derart angeordnet sind und zu den jeweiligen Antriebsschwingungen angetrieben werden, dass jeweils alle drei Komponenten der Linearbeschleunigung, nur die dritte Komponente der Drehbeschleunigung bezüglich der dritten Rotationsbewegung um die dritte Drehachse 103‘ und alle drei Komponenten der Zentrifugalbeschleunigung ausgeglichen werden.
Die in 7 dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den bereits beschriebenen Ausführungsformen, wobei der Drehratensensor 1 hier acht seismische Massen 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 aufweist, die derart angeordnet sind und zu den jeweiligen Antriebsschwingungen angetrieben werden, dass jeweils alle drei Komponenten der Linearbeschleunigung, alle drei Komponenten der Zentrifugalbeschleunigung und alle drei Komponenten der Drehbeschleunigung ausgeglichen werden.
In 8 bis 13 ist ein Drehratensensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Explosionsdarstellung dargestellt. Hier erstrecken sich die erste, zweite, dritte und vierte Antriebsrichtung 12, 22, 32, 42 entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 im Wesentlichen parallelen ersten Ebene und die fünfte, sechste, siebte und achte Antriebsrichtung 52, 62, 72, 82 entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 im Wesentlichen parallelen zweiten Ebene, wobei die erste und zweite Ebene entlang der Z-Richtung 103 voneinander beabstandet sind.
Die in 8 bis 13 dargestellten Ausführungsform entsprechen im Wesentlichen den in 2 bis 7 beschriebenen Ausführungsformen, wobei sich die Ausführungsformen dadurch unterscheiden, dass bei den in 8 bis 13 dargestellten Ausführungsformen die erste bis vierte seismische Masse 10, 20, 30, 40 in der ersten Ebene und die fünfte bis achte seismische Masse 50, 60, 70, 80 in der zweiten Ebene derart angeordnet sind, dass stets im Wesentlichen jeweils alle drei Komponenten der Linearbeschleunigung, alle drei Komponenten der Zentrifugalbeschleunigung und alle drei Komponenten der Drehbeschleunigung ausgeglichen werden. Beispielsweise sind in der in 8 dargestellten Ausführungsform (siehe linke Seite) jeweils die erste und fünfte seismische Masse 10, 50, die zweite und sechste seismische Masse 20, 60, die dritte und siebte seismische Masse 30, 70 sowie die vierte und achte seismische Masse 40, 80 entlang einer zur Z-Richtung 103 parallelen Projektionsrichtung vollständig überlappend angeordnet. Hierdurch ist es durch eine solche Anordnung vorteilhaft möglich – beispielsweise im Unterschied zu der in 2 beschriebenen Ausführungsform – auch die Drehbeschleunigung bezüglich der dritten Rotationsbewegung um die dritte Drehachse 103‘ auszugleichen.
In 14 bis 19 ist ein Drehratensensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht dargestellt. Die hier dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den bereits beschriebenen Ausführungsformen, wobei der Drehratensensor hier vier seismische Massen 10, 20, 30, 40 aufweist. Hierdurch lassen sich nicht jeweils alle drei Komponenten der Linearbeschleunigung, der Drehbeschleunigung und der Zentrifugalbeschleunigung ausgleichen. Beispielsweise weist der in 18 dargestellte Drehratensensor 1 vier seismische Massen 10, 20, 30, 40 auf, die derart angeordnet sind und zu den jeweiligen Antriebsschwingungen angetrieben werden, dass jeweils alle drei Komponenten der Linearbeschleunigung, nur eine dritte Komponente der Drehbeschleunigung bezüglich einer dritten Rotationsbewegung um die dritte Drehachse 103‘ und nur eine dritte Komponente der Zentrifugalbeschleunigung bezüglich der dritten Rotationsbewegung um die dritte Drehachse 103‘ ausgeglichen wird.
In 20 ist ein Drehratensensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Ansicht dargestellt. Der Drehratensensor 1 weist hier acht seismische Massen 10, ..., 80 auf und ist zur Erzeugung mehrerer Detektionssignale 112, 112‘, ... 182, 182‘ – hier sechzehn – in Abhängigkeit einer Beschleunigung des Drehratensensors 1 konfiguriert. Jedes Detektionssignal der mehreren Detektionssignale 112, 112‘, ..., 182, 182‘ ist jeweils einer der ersten, weiteren ersten, zweiten, weiteren zweiten, dritten, weiteren dritten, vierten, weiteren vierten, fünften, weiteren fünften, sechsten, weiteren sechsten, siebten, weiteren siebten, achten oder weiteren achten Auslenkungsrichtung 12, 12‘, ..., 82, 82‘ zugeordnet, wobei die Auswerteeinrichtung 90 zur Bestimmung der ersten, zweiten und dritten Drehrate derart konfiguriert ist, dass alle drei Komponenten der Linearbeschleunigung, alle drei Komponenten der Drehbeschleunigung und/oder alle drei Komponenten der Zentrifugalbeschleunigung in Abhängigkeit einer Kompensation von wenigstens zwei korrespondierenden Detektionssignalen der mehreren Detektionssignale 112, 112‘, ..., 182, 182‘ ausgeglichen wird. Hier umfasst die Beschleunigung des Drehratensensors insbesondere die Linearbeschleunigung, die Drehbeschleunigung und/oder die Zentrifugalbeschleunigung. Die bestimmte erste, zweite und/oder dritte Drehrate wird insbesondere mittels eines, zweier und/oder dreier erzeugter Drehratensignale 90‘ an einen Signalausgang des Drehratensensors 1 übertragen.

Claims

Drehratensensor (1) mit einem eine Haupterstreckungsebene (100) aufweisenden Substrat und mehreren seismischen Massen (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80), wobei für jede seismische Masse (10) der mehreren seismischen Massen (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80) gilt: – die seismische Masse ist zu einer Antriebsschwingung antreibbar, wobei die Antriebsschwingung entlang einer zur Haupterstreckungsebene (100) parallel angeordneten Antriebsrichtung (11) erfolgt, – die seismische Masse (10) ist entlang zweier unterschiedlicher Auslenkungsrichtungen (12, 12‘) auslenkbar, wobei die zwei unterschiedlichen Auslenkungsrichtungen (12, 12‘) senkrecht zur Antriebsrichtung (11) angeordnet sind, wobei der Drehratensensor (1) zur Erzeugung mehrerer Detektionssignale (112, 112‘, ..., 182, 182‘) in Abhängigkeit mehrerer detektierter Auslenkungen der mehreren seismischen Massen (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80) konfiguriert ist, wobei jeder Auslenkungsrichtung (12, 12‘) der mehreren seismischen Massen (10) ein Detektionssignal (112, 112‘) der mehreren Detektionssignale (112, 112‘, ..., 182, 182‘) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor (1) derart konfiguriert ist, dass eine Linearbeschleunigung, eine Drehbeschleunigung und eine Zentrifugalbeschleunigung des Drehratensensors (1) bezogen auf wenigstens eine Drehachse (101‘, 102‘, 103‘) des Drehratensensors (1) durch Kompensation jeweils zweier korrespondierender Detektionssignale der mehreren Detektionssignale (112, 112‘, ..., 182, 182‘) ausgeglichen wird.
Drehratensensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor (1) derart konfiguriert ist, dass die Linearbeschleunigung, die Drehbeschleunigung und die Zentrifugalbeschleunigung des Drehratensensors (1) bezogen auf drei unterschiedliche Drehachsen (101‘, 102‘, 103‘) des Drehratensensors (1) in Abhängigkeit der mehreren Detektionssignale (112, 112‘, ..., 182, 182‘) ausgeglichen werden.
Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor (1) derart konfiguriert ist, dass die Linearbeschleunigung, die Drehbeschleunigung und die Zentrifugalbeschleunigung durch Summenbildung und/oder Differenzbildung der mehreren Detektionssignale (112, 112‘, ..., 182, 182‘) ausgeglichen werden.
Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor (1) eine Auswerteeinrichtung (90) aufweist, wobei die mehreren seismischen Massen (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80) derart angeordnet und zu den Antriebsschwingungen antreibbar sind, dass durch die Auswerteeinrichtung (90) mittels Kompensation der korrespondierenden Detektionssignale (112, 112‘, ..., 182, 182‘) die Linearbeschleunigung, die Drehbeschleunigung und die Zentrifugalbeschleunigung bezüglich jeder der drei Drehachsen (101‘, 102‘, 103‘) ausgleichbar sind.
Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren seismischen Massen (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80) derart federelastisch miteinander und mit dem Substrat verbunden sind, dass die mehreren seismischen Massen (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80) so zu den Antriebsschwingungen antreibbar sind, dass die Linearbeschleunigung, die Drehbeschleunigung und die Zentrifugalbeschleunigung bezüglich der drei Drehachsen (101‘, 102‘, 103‘) ausgleichbar sind.
Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren seismischen Massen (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80) wenigstens vier seismische Massen (10, 20, 30, 40) umfassen, wobei sich die wenigstens vier seismischen Massen (10, 20, 30, 40) hauptsächlich entlang einer zur Haupterstreckungsebene (100) des Substrats parallel angeordneten Antriebsebene erstrecken, wobei sich die den wenigstens vier seismischen Massen (10, 20, 30, 40) zugeordneten Antriebsrichtungen (11, 21, 31, 41) entlang der Antriebsebene erstrecken, wobei insbesondere die wenigstens vier seismischen Massen (10, 20, 30, 40) genau vier seismische Massen (10, 20, 30, 40) sind.
Drehratensensor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren seismischen Massen (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80) wenigstens vier weitere seismische Massen (50, 60, 70, 80) umfassen, wobei sich die wenigstens vier weiteren seismischen Massen (50, 60, 70, 80) hauptsächlich entlang einer zur Haupterstreckungsebene (100) des Substrats parallel angeordneten weiteren Antriebsebene erstrecken, wobei sich die den wenigstens vier weiteren seismischen Massen (50, 60, 70, 80) zugeordneten Antriebsrichtungen (51, 61, 71, 81) entlang der weiteren Antriebsebene erstrecken, wobei insbesondere die mehreren seismischen Massen (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80) genau acht seismische Massen (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80) sind.
Drehratensensor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsebene und die weitere Antriebsebene entlang einer zur Haupterstreckungsebene (100) des Substrats senkrechten Normalrichtung (103) übereinander und voneinander beabstandet angeordnet sind oder in derselben Ebene angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebsschritt der Drehratensensor (1) mit einer ersten Drehrate um eine erste Drehachse (101‘) des Drehratensensors (1), einer zweiten Drehrate um eine zweite Drehachse (102‘) des Drehratensensors (1) und/oder einer dritten Drehrate um eine dritte Drehachse (103‘) des Drehratensensors (1) beaufschlagt wird, wobei der Drehratensensor (1) mit einer Linearbeschleunigung, einer Drehbeschleunigung und einer Zentrifugalbeschleunigung beaufschlagt wird, wobei in einem zweiten Betriebsschritt die mehreren seismischen Massen (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80) zu den Antriebsschwingungen entlang der zugeordneten Antriebsrichtungen (11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81) angetrieben werden, wobei in einem dritten Betriebsschritt die mehreren seismischen Massen (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80) in Abhängigkeit der ersten, zweiten und/oder dritten Drehrate ausgelenkt werden, wobei in einem vierten Betriebsschritt die mehreren Detektionssignale (112, 112‘, ..., 182, 182‘) in Abhängigkeit der Auslenkungen der mehreren seismischen Massen (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80) erzeugt werden, wobei in einem fünften Betriebsschritt durch den Drehratensensor (1) die erste, zweite und/oder dritte Drehrate bestimmt wird, wobei die Linearbeschleunig, die Drehbeschleunigung und Zentrifugalbeschleunigung durch Kompensation jeweils zweier korrespondierender Detektionssignale der mehreren Detektionssignale (112, 112‘, ..., 182, 182‘) ausgeglichen wird.