DE19811025B4

DE19811025B4 - Mechanical oscillator and method for generating a mechanical vibration

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Publication number: DE19811025B4
Application number: DE1998111025
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Phys. Geiger
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2018-03-14
Also published as: DE19811025A1; WO1999047888A1

Abstract

Mechanischer Oszillator, mit folgenden Merkmalen:
einem Schwingkörper (106, 114), der durch eine Anregungsschwingung mit einer Anregungsamplitude anregbar ist, um eine erzwungene Schwingung, die eine Betriebsschwingungsamplitude hat, auszuführen, und
einem mechanischen Anschlag (125), der im Auslenkungsweg des Schwingkörpers angeordnet ist, zum Begrenzen der Betriebsschwingungsamplitude des Schwingkörpers auf einen Wert, der kleiner als eine auf die Anregungsamplitude bezogene maximale Schwingungsamplitude des Schwingkörpers ist, die erreichbar wäre, wenn die Frequenz der Anregungsschwingung der Resonanzfrequenz des Oszillators entspricht und der mechanische Anschlag nicht vorhanden ist,
wobei der mechanische Oszillator eine zusätzliche nichtlineare Kraftkonstante aufweist, die mit zunehmender Auslenkung des Schwingkörpers (106, 114) entweder zunimmt oder abnimmt, so daß der Zusammenhang zwischen der Auslenkung des Schwingkörpers (106, 114) und der Kraft, die auf den Schwingkörper wirkt, nichtlinear ist.Mechanical oscillator with the following features:
a vibrating body (106, 114) which can be excited by an excitation oscillation with an excitation amplitude in order to execute a forced oscillation which has an operating oscillation amplitude, and
a mechanical stop (125), which is arranged in the deflection path of the vibrating body, for limiting the operating vibration amplitude of the vibrating body to a value which is smaller than a maximum vibrational amplitude of the vibrating body, which would be attainable if the frequency of the excitation vibration of the resonance frequency of the oscillator and there is no mechanical stop,
the mechanical oscillator having an additional nonlinear force constant which either increases or decreases with increasing deflection of the vibrating body (106, 114), so that the relationship between the deflection of the vibrating body (106, 114) and the force acting on the vibrating body, is nonlinear.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mechanische Oszillatoren und insbesondere auf mechanische Oszillatoren, die eine erzwungene Schwingung ausführen.The present invention relates mechanical oscillators, especially mechanical ones Oscillators that perform a forced oscillation.

Mechanische Oszillatoren sind in vielen Anwendungsbereichen von besonderem allgemeinen Interesse, z. B. als Komponenten von mechanischen und mikromechanischen Drehratensensoren. Allgemeine Schwerpunkte bei der Entwicklung von Oszillatoren liegen in dem Erreichen von möglichst linearen mechanischen Eigenschaften und häufig auch in einer sehr hohen Güte der Oszillatoren. Damit sind bei gegebenen Antriebs- bzw. Erregungskräften theoretisch die maximalen Schwingungsamplituden des Oszillators erzielbar, wobei die Anregung hierbei mit der Resonanzfrequenz des Oszillators zu erfolgen hat. Um jedoch den Oszillator dauernd auf seiner Resonanzstelle zu betreiben und dabei eine feste Schwingungsamplitude einzustellen, ist meist eine sehr aufwendige Regelung erforderlich, auf die sich ebenfalls beträchtliche Entwicklungsanstrengungen richten. Insbesondere die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz, die Druckabhängigkeit der Resonatorgüte sowie andere Umwelteinflüsse, wie z. B. Vibrationen und Schockbelastungen, schränken auch mit aufwendiger Regelelektronik den Einsatzbereich solcher Oszillatoren ein.Mechanical oscillators are in many areas of application of particular general interest, z. B. as components of mechanical and micromechanical rotation rate sensors. The general focus is on the development of oscillators in achieving as much as possible linear mechanical properties and often also in a very high Goodness of Oscillators. This is theoretical for given driving or excitation forces the maximum oscillation amplitudes of the oscillator can be achieved, whereby the excitation increases with the resonance frequency of the oscillator has taken place. However, around the oscillator constantly on its resonance point to operate and to set a fixed vibration amplitude, is usually a very complex regulation required, which also applies considerable Direct development efforts. In particular, the temperature dependence of the Resonance frequency, the pressure dependence the resonator quality as well as other environmental influences, such as B. vibrations and shock loads, also restrict the use of such oscillators with complex control electronics on.

Die DE 296 17 410 U1 offenbart einen Drehratensensor mit entkoppelten orthogonalen Primär- und Sekundärschwingungen. Dieser Drehratensensor umfaßt einen Primärschwinger, der durch eine Anregungsschwingung anregbar ist, und einen Sekundärschwinger, auf den die Primärschwingung übertragen wird, derart, daß der Sekundärschwinger aufgrund einer Coriolis-Kraft ausgelenkt wird, wenn der Drehratensensor um eine Achse gedreht wird. Die Eigenfrequenzen des Primär- und des Sekundärschwingers können elektrostatisch angepaßt werden, indem eine Gleichspannung angelegt wird, um die Eigenfrequenz des Sekundärschwingers zu verringern, oder indem eine Wechselspannung rückgekoppelt wird, um die Eigenfrequenz des Sekundärschwingers zu erhöhen. Damit kann der Drehratensensor für kleinere bzw. größere Geschwindigkeiten empfindlicher gemacht werden.The DE 296 17 410 U1 discloses a rotation rate sensor with decoupled orthogonal primary and secondary vibrations. This rotation rate sensor comprises a primary oscillator, which can be excited by an excitation oscillation, and a secondary oscillator, to which the primary oscillation is transmitted, such that the secondary oscillator is deflected due to a Coriolis force when the rotation rate sensor is rotated about an axis. The natural frequencies of the primary and secondary vibrators can be adjusted electrostatically by applying a DC voltage to reduce the natural frequency of the secondary vibrator or by feeding back an AC voltage to increase the natural frequency of the secondary vibrator. This can make the rotation rate sensor more sensitive to lower or higher speeds.

Die DE 195 26 903 A1 beschreibt einen Drehratensensor, bei dem auf einem Schwinger ein Beschleunigungssensor angeordnet ist. Um die Auslenkungen des Schwingers zu begrenzen, sind hierbei Anschläge vorgesehen, die die Auslenkung des Schwingers sowohl in x-, z- und y-Richtung begrenzen. Die Anschläge sind jedoch lediglich dazu vorgesehen, um die Betriebssicherheit und Robustheit des Sensors zu erhöhen. Insbesondere wird durch die Verwendung von Anschlägen die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber großen Linearbeschleunigungen verringert, wenn beispielsweise ein unbeabsichtigter Stoß, der zu einer großen Beschleunigung des Schwingers führen kann, auf den Sensor ausgeübt wird, der sonst, d. h. ohne Anschläge, zerstört werden würde. Die Anschläge, sind jedoch derart ausgestaltet, daß sie nicht in die normale Betriebssituation des Drehratensensors eingreifen, sondern daß sie einen Schutz vor außergewöhnlichen Situationen liefern.The DE 195 26 903 A1 describes a rotation rate sensor in which an acceleration sensor is arranged on an oscillator. In order to limit the deflections of the vibrator, stops are provided which limit the deflection of the vibrator in both the x, z and y directions. However, the stops are only intended to increase the operational reliability and robustness of the sensor. In particular, the use of stops reduces the sensitivity of the sensor to large linear accelerations if, for example, an unintentional impact, which can lead to a large acceleration of the vibrator, is exerted on the sensor, which would otherwise be destroyed, ie without stops. The stops, however, are designed in such a way that they do not intervene in the normal operating situation of the rotation rate sensor, but rather that they provide protection against unusual situations.

Die DE 3536643 A1 offenbart einen mechanischen Schwinger mit einem Schwingarm, der an einem Drehpunkt aufgehängt ist. An dem Drehpunkt des Schwingarms greift eine Spiralfeder an, so daß ein schwingendes Masse-Feder-System mit einer bestimmten Resonanz-Frequenz entsteht. Die vorhandene, auf die Drehachse wirkende Feder hat einen linearen Kennlinienverlauf, also eine lineare Federkennlinie. An dem Schwingarm ist ein erster Permanentmagnet angebracht. An einem diesem Magneten bei maximalem Pendelausschlag gegenüberliegenden Gehäuseteil ist ein zweiter Magnet so angeordnet, daß im Bereich des Endausschlags auf den ersten Magnet eine abstoßende Kraft ausgeübt wird. Dies ist mit einer Veränderung der Federkennlinie gleichzusetzen, derart, daß aufgrund der Auswirkung des ersten und zweiten Magneten, die einen magnetischen Anschlag definieren, das Gesamtsystem aus Feder und Anschlag durch eine nichtlineare Federkennlinie dargestellt werden kann. Auf der anderen Seite der Auslenkung des Schwingers kann ein weiterer magnetischer Anschlag angebracht sein, so daß die Amplitude auf beiden Seiten der Halbschwingungen von einer Mindestantriebsenergie an nahezu konstant ist. Bei der magnetischen Anregung des Oszillators ist die Schwingfrequenz elektrisch variierbar.The DE 3536643 A1 discloses a mechanical vibrator with a swing arm suspended from a fulcrum. A coil spring acts on the pivot point of the swing arm, so that a vibrating mass-spring system with a certain resonance frequency is created. The existing spring acting on the axis of rotation has a linear characteristic curve, ie a linear spring characteristic. A first permanent magnet is attached to the swing arm. A second magnet is arranged on a housing part opposite this magnet with a maximum pendulum deflection in such a way that a repulsive force is exerted on the first magnet in the region of the end deflection. This is equivalent to a change in the spring characteristic, such that, due to the effect of the first and second magnets, which define a magnetic stop, the entire system of spring and stop can be represented by a non-linear spring characteristic. On the other side of the deflection of the vibrator, a further magnetic stop can be attached, so that the amplitude on both sides of the half-vibrations is almost constant from a minimum drive energy. The oscillation frequency can be varied electrically when the oscillator is magnetically excited.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mechanischen Oszillator bzw. ein Verfahren zum Erzeugen einer mechanischen Schwingung eines Schwingkörpers zu schaffen, um eine stabile Schwingungsamplitude zu erreichen, ohne daß eine aufwendige Regelung für die Schwingungsfrequenz oder die Schwingungsamplitude benötigt wird.The object of the present invention consists of a mechanical oscillator or a method to generate a mechanical vibration of a vibrating body create to achieve a stable vibration amplitude without that a elaborate regulation for the oscillation frequency or the oscillation amplitude is required.

Diese Aufgabe wird durch einen mechanischen Oszillator gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Erzeugen einer mechanischen Schwingung eines Schwingkörpers gemäß Anspruch 4 gelöst.This task is accomplished by a mechanical Oscillator according to claim 1 and by a method for generating a mechanical vibration of a vibrating body according to claim 4 solved.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auf elektronische Amplitudenregelungen verzichtet werden kann, wenn ein Schwingkörper eines Oszillators in seiner Schwingungsamplitude auf einen Wert begrenzt wird, der kleiner als eine auf eine Anregungsamplitude bezogene maximale Schwingungsamplitude des Schwingkörpers ist, die erreichbar wäre, wenn die Frequenz der erzwungenen Schwingung der Resonanzfrequenz des Oszillators entspricht und keine Amplitudenbegrenzung stattfindet.The present invention is based on the knowledge that electronic amplitude controls can be dispensed with if an oscillating body of an oscillator is limited in its oscillation amplitude to a value which is smaller than a maximum oscillation amplitude of the oscillating body based on an excitation amplitude, which would be achievable if that Frequency of he forced oscillation corresponds to the resonance frequency of the oscillator and there is no amplitude limitation.

Vorzugsweise wird die. Begrenzung der Schwingungsamplitude des Schwingkörpers durch einen mechanischen Anschlag realisiert, der im Auslenkungsweg des Schwingkörpers angeordnet ist. Damit wird auf mechanische Art und Weise eine maximale Amplitude des Schwingkörpers festgelegt, die der Schwingkörper nicht überschreiten kann, da er auf den Anschlag auftrifft. Somit führt eine Resonanzfrequenzverschiebung aufgrund beispielsweise der Temperatur oder anderer Ursachen nicht mehr automatisch zu einer Amplitudenänderung der Schwingung, wie sie durch die Resonanzkurve an sich vorgegeben ist, solange bezüglich der Resonanzkurve die begrenzte Schwingungsamplitude kleiner oder gleich der Schwingungsamplitude des Oszillators ohne Begrenzung ist. Damit ist auf einfache Art und Weise lediglich durch Vorsehen einer Begrenzungseinrichtung jedwede Form der Amplituden- bzw. Frequenzregelung hinfällig, da die Schwingungsamplitude durch die Begrenzungseinrichtung festgelegt wird, während die Schwingfrequenz bei Systemen, die eine erzwungene Schwingung ausführen, der Anregungsfrequenz entspricht.Preferably the. limit the vibration amplitude of the vibrating body by a mechanical Realized stop, which is arranged in the deflection path of the vibrating body is. This is a maximum amplitude in a mechanical manner of the vibrating body set the the vibrating body do not exceed can, since it hits the stop. Thus there is a resonance frequency shift due to temperature or other causes, for example more automatically to a change in amplitude of the vibration, such as it is predetermined by the resonance curve itself, as long as the Resonance curve the limited vibration amplitude less than or equal to the oscillation amplitude of the oscillator is unlimited. In order to is in a simple manner only by providing a limiting device any form of amplitude or frequency control lapses because the vibration amplitude determined by the limiting device will while the vibration frequency in systems that have a forced vibration To run, corresponds to the excitation frequency.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter erläutert. Es zeigensPreferred embodiments of the present Invention are hereinafter made with reference to the accompanying drawings explained in more detail. It shows

1a eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen mechanischen Oszillator, der Teil eines mechanischen Drehratensensors in Form eines Vibrationsgyroskops ist; 1a a plan view of a mechanical oscillator according to the invention, which is part of a mechanical rotation rate sensor in the form of a vibration gyroscope;

1b einen Schnitt entlang der Linie A-A' des Vibrationsgyroskops von 1a; 1b a section along the line AA 'of the vibrating gyroscope of 1a ;

2 ein Resonanzdiagramm eines Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung mit konstanter Kraftkonstante mit und ohne Anschlag; 2 a resonance diagram of an oscillator according to the present invention with constant force constant with and without stop;

3 ein Resonanzdiagramm eines Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung mit nichtlinearer Kraftkonstante ohne Anschlag; 3 a resonance diagram of an oscillator according to the present invention with non-linear force constant without stop;

4 ein Resonanzdiagramm eines Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung mit nichtlinearer Kraftkonstante und geringer Güte mit eingezeichnetem Anschlag; 4 a resonance diagram of an oscillator according to the present invention with non-linear force constant and low quality with drawn stop;

5 ein Resonanzdiagramm eines Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung mit nichtlinearer Kraftkonstante und hoher Güte mit eingezeichnetem Anschlag; und 5 a resonance diagram of an oscillator according to the present invention with non-linear force constant and high quality with drawn stop; and

6 eine Draufsicht auf einen weiteren erfindungsgemäßen Oszillator mit kapazitivem Anschlag. 6 a plan view of another oscillator according to the invention with a capacitive stop.

In 1a ist eine Draufsicht auf einen Drehratensensor 100 gezeigt, der einen Oszillator gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist. 1b zeigt einen schematischen Querschnitt des Drehratensensors 100 entlang einer Linie A-A' von 1a. Der Drehratensensor 100 weist einen Grundkörper 102 auf, an dem mittels einer Primärschwingeraufhängung 104, die eine Verankerung 104a sowie vier Federbalken 104b aufweist, ein Primärschwinger 106 befestigt ist. Der Primärschwinger 106 weist einen äußeren Ring 106a und einen inneren Ring 106b auf. Zwischen dem äußeren Ring 106a und dem inneren Ring 106b des Primärschwingers 106 sind Gruppen von kammartigen Elektroden 108 angeordnet. Die Elektrodengruppen 108 des Primärschwingers greifen jeweils fingerartig in gegenüberliegende feststehende Elektrodengruppen 110 ein. Eine Elektrodengruppe 108 des Primärschwingers bildet mit einer gegenüber angeordneten feststehenden Elektrodengruppe 110 einen sogenannten Comb-Drive oder Kammantrieb, dessen Funktionsweise bekannt ist. Die feststehenden Elektrodengruppen 110 können beispielsweise mit dem Grundkörper 102 verbunden oder auf andere Weise dem Primärschwinger gegenüber fest angeordnet sein, was in 1b aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist. Der Primärschwinger 106 ist über Torsionsfedern 112 mit einem Sekundärschwinger 114 verbunden. Die Torsionsfeder 112 stellt somit die Sekundärschwingeraufhängung dar, mittels der der Sekundärschwinger 114 mit dem Primärschwinger 106 mechanisch gekoppelt ist.In 1a is a top view of a rotation rate sensor 100 shown, which has an oscillator according to a preferred embodiment of the present invention. 1b shows a schematic cross section of the rotation rate sensor 100 along a line AA 'from 1a , The rotation rate sensor 100 has a basic body 102 on which by means of a primary vibration suspension 104 that anchoring 104a and four cantilevers 104b has a primary oscillator 106 is attached. The primary vibrator 106 has an outer ring 106a and an inner ring 106b on. Between the outer ring 106a and the inner ring 106b of the primary transducer 106 are groups of comb-like electrodes 108 arranged. The electrode groups 108 of the primary transducer each grip like a finger in opposite, fixed electrode groups 110 on. An electrode group 108 of the primary transducer forms with a fixed electrode group arranged opposite 110 a so-called comb drive or comb drive, the functioning of which is known. The fixed electrode groups 110 can, for example, with the main body 102 connected or otherwise fixed to the primary transducer, what in 1b is not shown for reasons of clarity. The primary vibrator 106 is about torsion springs 112 with a secondary transducer 114 connected. The torsion spring 112 thus represents the secondary oscillator suspension, by means of which the secondary oscillator 114 with the primary transducer 106 is mechanically coupled.

Wie es aus 1a deutlich wird, weist der Sekundärschwinger 114 eine Ausnehmung auf, in der der Primärschwinger 106 angeordnet ist. Mittels Erfassungselektroden (nicht gezeigt) sowohl auf dem Substrat als auch auf der Unterseite des Sekundärschwingers 114 kann eine Auslenkung des Sekundärschwingers in z-Richtung, d. h. in die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene heraus, gemessen werden.Like it out 1a the secondary vibrator points out 114 a recess in which the primary transducer 106 is arranged. By means of detection electrodes (not shown) both on the substrate and on the underside of the secondary vibrator 114 can be measured a deflection of the secondary transducer in the z direction, ie into the drawing plane or out of the drawing plane.

Zur Erläuterung der Funktionsweise des Drehratensensors 100, der einen Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt, wird nun auf das links in 1a dargestellte kartesische Koordinatensystem mit den zueinander orthogonalen Achsen x, y und z Bezug genommen.To explain how the yaw rate sensor works 100 comprising an oscillator according to the present invention is now pointed to the left in FIG 1a Cartesian coordinate system shown with the mutually orthogonal axes x, y and z referenced.

Wenn der Drehratensensor 100 verwendet wird, um eine Drehung desselben um die x-Achse mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω_x zu erfassen, so muß der Primärschwinger 106 zu einer Drehschwingung angeregt werden. Dies geschieht auf für Fachleute bekannte Art und Weise durch Anlegen geeigneter Wechselspan nungen an jeweils gegenüberliegende Comb-Drives, welche aus den jeweils ineinandergreifenden Elektrodengruppen 108 des Primärschwingers 106 sowie aus den denselben jeweils gegenüberliegenden feststehenden Elektrodengruppen 110 gebildet werden. Ein Comb-Drive nützt das für Fachleute bekannte kapazitive Antriebsprinzip aus. Zum Erregen des Primärschwingers 106 zu einer Drehschwingung in der x-y-Ebene können beispielsweise vier Comb-Drives verwendet werden, während die anderen vier Comb-Drives zur kapazitiven Erfassung eben dieser Drehschwingung in der x-y-Ebene verwendet werden. Bei einer Drehung des Primärschwingers 106 um die z-Achse werden die vier Federbalken 104b jeweils durch ein Drehmoment um die z-Achse abgebogen. Wie es aus 1b ersichtlich ist, weisen die vier Federbalken 106b einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die lange Seite des Querschnitts entlang der z-Richtung verläuft, während die kurze Seite derselben in der x-y-Ebene angeordnet ist.If the rotation rate sensor 100 is used to detect a rotation of the same about the x-axis with an angular velocity Ω _x , so the primary oscillator 106 be excited to a torsional vibration. This is done in a manner known to those skilled in the art by applying suitable alternating voltages to opposing comb drives, which consist of the interdigitated electrode groups 108 of the primary transducer 106 as well as from the same fixed electrode groups opposite each other 110 be formed. A comb drive uses the capacitive drive principle known to experts. To excite the primary vibrator 106 For example, four comb drives can be used for a torsional vibration in the xy plane, while the other four comb drives can be used for capacitive detection this torsional vibration can be used in the xy plane. When the primary transducer rotates 106 the four cantilevers around the z-axis 104b each bent by a torque around the z axis. Like it out 1b can be seen, the four cantilevers 106b a rectangular cross-section, the long side of the cross-section running along the z-direction, while the short side thereof is arranged in the xy-plane.

Die Schwingung des Primärschwingers 106 in der x-y-Ebene wird somit über die Torsionsfedern 112 auf den Sekundärschwinger übertragen, wodurch derselbe ebenfalls eine Drehung in der x-y-Ebene vollführt, wie es durch einen links in 1a gezeichneten Pfeil 120 schematisch gezeigt ist. Dadurch ergeben sich die in 1a als Phantomlinien 121 eingezeichneten Positionen des Drehratensensors 100 bzw. des Sekundärschwingers 114.The vibration of the primary vibrator 106 in the xy plane is thus via the torsion springs 112 transferred to the secondary transducer, whereby the same also makes a rotation in the xy-plane, as indicated by a left in 1a drawn arrow 120 is shown schematically. This results in the 1a as phantom lines 121 positions of the rotation rate sensor 100 or the secondary transducer 114 ,

Die auf den Sekundärschwinger wirkende Coriolis-Kraft aufgrund der Drehung des prehratensensors 100 um eine zur x-Achse parallele Achse führt also zu einer Drehschwingung des Sekundärschwingers 114 um die y-Achse bzw. um eine bezüglich der y-Achse schräg gestellte Achse, wenn der Primärschwinger und der Sekundärschwinger gerade ausgelenkt sind, wie es durch die Phantomlinien 121 angedeutet ist.The Coriolis force acting on the secondary transducer due to the rotation of the prehrate sensor 100 around an axis parallel to the x-axis thus leads to a torsional vibration of the secondary vibrator 114 about the y-axis or about an axis inclined with respect to the y-axis when the primary oscillator and the secondary oscillator are just deflected, as is by the phantom lines 121 is indicated.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß es sich bei dem Drehratensensor 100 zunächst um einen Oszillator handelt, wobei der Schwingungskörper des Oszillators allgemein gesagt durch den Primärschwinger 106 und den Sekundärschwinger 114 gebildet ist. Die Unterscheidung bzw. Aufteilung des Schwingkörpers in Primär- und Sekundärschwinger findet lediglich dann Anwendung, wenn auf den Drehratensensor 100 eine Coriolis-Kraft wirkt, und der Sekundärschwinger 114 zusätzlich zu der Anregungsschwingung eine dazu orthogonale Schwingung ausführt, mittels der eine Winkelgeschwindigkeit gemessen werden kann, der der Drehratensensor 100 unterworfen ist.At this point it should be noted that it is the rotation rate sensor 100 is initially an oscillator, the oscillating body of the oscillator generally speaking by the primary oscillator 106 and the secondary transducer 114 is formed. The differentiation or division of the vibrating body into primary and secondary vibrators only applies when the rotation rate sensor is used 100 a Coriolis force acts, and the secondary vibrator 114 in addition to the excitation oscillation, executes an orthogonal oscillation by means of which an angular velocity can be measured, which is the rate of rotation sensor 100 is subject.

Der mechanische Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ferner neben dem Schwingkörper eine Einrichtung 125 zum Begrenzen der Schwingungsamplitude des Schwingkörpers. Diese Einrichtung 125 zum Begrenzen der Schwingungsamplitude des Schwingkörpers wird nachfolgend auch als Anschlag bezeichnet. Wie es aus den Phantomlinien 121 ersichtlich ist, vollführt der Schwingkörper (106, 114) eine Drehschwingung um eine zur z-Achse parallele Mittelachse des Primärschwingers, wobei die Amplitude bzw. Auslenkung dieser Drehschwingung durch die beiden Anschläge 125 begrenzt wird.The mechanical oscillator according to the present invention further comprises a device in addition to the oscillating body 125 to limit the vibration amplitude of the vibrating body. This facility 125 to limit the vibration amplitude of the vibrating body is also referred to below as a stop. Like it from the phantom lines 121 can be seen, the vibrating body ( 106 . 114 ) a torsional vibration about a central axis parallel to the z-axis of the primary vibrator, the amplitude or deflection of this torsional vibration by the two stops 125 is limited.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß trotz der Tatsache, daß ein Drehratensensor mit einem Schwingkörper, der eine Drehschwingung ausführt, gezeigt ist, die vorliegende Erfindung auch jeden anderen mechanischen Oszillator umfaßt, wenn im Auslenkungsweg eines Schwingkörpers desselben ein Anschlag angebracht ist, der die Auslenkung des Schwingkörpers begrenzt. Der mechanische Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt somit auch Oszillatoren mit linearer, rotatorischer oder einer Formschwingung.At this point it should be noted that despite the fact that a Rotation rate sensor with a vibrating body, the torsional vibration executing, is shown, the present invention also any other mechanical Includes oscillator, if there is a stop in the deflection path of a vibrating body is attached, which limits the deflection of the vibrating body. The mechanical Oscillator according to the present Invention includes thus also oscillators with linear, rotary or a shape vibration.

Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß die Einrichtung 125 zum Begrenzen der Schwingungsamplitude des Schwingkörpers auf einen Wert, der kleiner als eine auf eine Anregungsamplitude bezogene maximale Schwingungsamplitude des Schwingkörpers ist, die erreichbar wäre, wenn die Frequenz der erzwungenen Schwingung der Resonanzfrequenz des Oszillators entspricht und die Einrichtung 125 zum Begrenzen nicht vorhanden ist, nicht nur als mechanischer Anschlag ausgeführt sein kann, sondern ebenfalls als elektromagnetischer Anschlag beispielsweise in einer zu einer Wirbelstrombremse ähnlichen Funktionsweise.It should also be noted that the facility 125 for limiting the oscillation amplitude of the oscillating body to a value which is smaller than a maximum oscillation amplitude of the oscillating body relating to an excitation amplitude, which would be achievable if the frequency of the forced oscillation corresponds to the resonance frequency of the oscillator and the device 125 is not available for limitation, can not only be designed as a mechanical stop, but also as an electromagnetic stop, for example in a mode of operation similar to an eddy current brake.

Eine weitere Realisierungsform für einen Anschlag ist in 6 dargestellt, die einen kapazitiven Anschlag zeigt. Ein Drehschwinger 150 mit einer Drehfeder 152 umfaßt als Anschlag zusätzlich zwei feste Elemente 154a, 154b, die jeweils mit einer Kondensatorplatte 156a und 156b versehen sind. Diesen Kondensatorplatten liegen jeweils Kondensatorplatten 158a und 158b gegenüber, wenn sich der Drehschwinger in einer bezüglich seiner Ruheposition 160 ausgelenkten Position befindet, die zugleich die Anschlagposition ist. Durch die elektrostatische Kraft zwischen den jeweiligen Kondensatorplatten 156a und 158a bzw. 156b und 158b, die am größten ist, wenn sich die Platten direkt parallel gegenüberliegen, wird der Drehschwinger abgebremst, wodurch seine Amplitude begrenzt wird. Alternativ ist es möglich, über die festen Elemente 154a bzw. 154b das elektrische Feld zwischen den Kondesatorplatten zu steuern, derart, daß immer dann, wenn der Drehschwinger in der Nähe der "Anschlags"-Position kommt, ein elektrisches Feld angelegt wird, um die Amplitude der Schwingung des Schwingers 150 zu begrenzen. Weitere Steuerungsmöglichkeiten sind ebenfalls möglich.Another form of realization for an attack is in 6 shown, which shows a capacitive stop. A swivel arm 150 with a torsion spring 152 includes two fixed elements as a stop 154a . 154b , each with a capacitor plate 156a and 156b are provided. These capacitor plates are each capacitor plates 158a and 158b opposite when the rotary transducer is in a position of rest 160 deflected position, which is also the stop position. Due to the electrostatic force between the respective capacitor plates 156a and 158a respectively. 156b and 158b , which is greatest when the plates face each other directly in parallel, the rotary transducer is braked, limiting its amplitude. Alternatively, it is possible to use the fixed elements 154a respectively. 154b control the electric field between the capacitor plates such that whenever the rotary transducer comes near the "stop" position, an electric field is applied to the amplitude of the vibration of the transducer 150 to limit. Other control options are also possible.

Es bleibt somit festzuhalten, daß die Anschlageinrichtung nicht auf einen mechanischen, Wirbelstrom- oder kapazitiven Anschlag begrenzt ist. Allgemein ausgedrückt ist als Anschlag jede Anordnung geeignet, die einen geeigneten Kraftverlauf aufweist. Dieser muß sehr stark nichtlinear sein, derart, daß die Rückstellkraft an der Stelle, an der der Oszillator stoppen soll, sehr stark ansteigt, was auch als Potentialtopffunktion bezeichnet werden kann.It should therefore be noted that the anchor device not to a mechanical, eddy current or capacitive stop is limited. Generally speaking is suitable as a stop any arrangement that has a suitable force curve having. This must be very be strongly non-linear, such that the restoring force at the point where the oscillator is supposed to stop, increases very much, which also can be called a potential pot function.

Die Wirkung des Anschlags besteht also darin, einen gewissen Teil der in dem Drehratensensor 100, der den Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, gespeicherten Energie aus dem Schwingungssystem zu entfernen, indem kine tische Energie des Schwingkörpers durch Einwirkung der Anschläge 125 auf den Schwingkörper 106, 114 in Wärme bzw. Verformung umgesetzt wird. Dafür ist es nicht entscheidend, ob der Schwingkörper selbst an den Stellen, an denen er mit dem Anschlag Eingriff nimmt, entsprechend konstruiert ist, um verformbar zu sein, bzw. ob die Anschläge entsprechend gestaltet sind. Wesentlich ist nur, daß die Amplitude des Schwingkörpers auf einen festen Wert bzw. auf einen begrenzten Wertebereich beschränkt wird, wenn die Anschläge bzw. der Schwingkörper nachgiebig gestaltet sind, wobei beispielsweise die Anschläge etwas nachgeben würden, wenn der Schwingkörper auf dieselben "aufschlägt". Ähnliche analoge Funktionen sind unter geigneter Steuerung auch für nichtmechanische Anschläge implementierbar.The effect of the stop is therefore a certain part of that in the rotation rate sensor 100 , which represents the oscillator according to the present invention, to remove stored energy from the vibration system by kinetic energy of the vibrating body by the action of the stops 125 on the vibrating body 106 . 114 is converted into heat or deformation. It is for that not decisive whether the vibrating body itself is designed to be deformable at the points where it engages with the stop, or whether the stops are designed accordingly. It is only important that the amplitude of the vibrating body is limited to a fixed value or to a limited range of values if the stops or the vibrating body are designed to be flexible, the stops, for example, giving way somewhat if the vibrating body "hits" them. Similar analog functions can also be implemented under suitable control for non-mechanical stops.

Alternativ können die Anschläge bzw. zumindest ein entsprechender Teil des Schwingkörpers vollständig elastisch gestaltet werden, derart, daß der Schwingkörper, wenn er auf einen Anschlag auftrifft, elastisch abprallt, was zu keinem Energieverlust führt, sondern lediglich zu einer Impulsumkehr. In diesem Fall tritt kein Energieverlust durch Wärme bzw. Verformung in dem System auf, was es möglich macht, die Amplitude der Erregungsschwingung, die an den Comb-Drive-Antrieb angelegt wird, im Vergleich zu einem verlustbehafteten Fall zu reduzieren.Alternatively, the stops or at least a corresponding part of the vibrating body is completely elastic be designed such that the Oscillating body, when it hits a stop, it bounces elastically, which too leads to no loss of energy, but only for a reversal of impulses. In this case, no Energy loss through heat or deformation in the system, which makes it possible to determine the amplitude the excitation vibration applied to the comb drive will reduce compared to a lossy case.

Im nachfolgenden wird auf die Funktionsweise des mechanischen Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 2 eingegangen. 2 zeigt ein Diagramm, bei dem der Amplitudengang eines Oszillators über der Frequenz aufgezeichnet ist. Die Ordinate stellt eine normierte Schwingungsamplitude dar, die beispielsweise auf die Amplitude der Anregungsschwingung, d. h. der durch die an den Comb-Drives angelegten Wechselspannung bewirkten Schwingung, normiert ist, wenn sich die Anregungsfrequenz weit außerhalb des Resonanzbereichs befindet (Wert 1). Die Abszisse dagegen zeigt die normierte Frequenz des Oszillators, die wie üblich auf die Resonanzfrequenz desselben normiert ist. 2 zeigt somit die normierte Ausgangsamplitude des Oszillators, wenn am Eingang eine Erregungsschwingung mit einer bestimmten normierten Frequenz angelegt wird. Die Ausgangsamplitude, d. h. die Auslenkung des Schwingkörpers 106, 114 nimmt mit größer werdender Frequenz zu, um einen Maximalwert zu erreichen, wenn die Resonanzfrequenz des Oszillators mit der Frequenz der Erregungsschwingung übereinstimmt. Bei Anregungsschwingungen oberhalb der Resonanzfrequenz nimmt die Amplitude wieder ab, um schließlich auf Null abzusinken, wenn die Anregungsfrequenz ausreichend hoch ist. Wie üblich wird der Bereich, in dem die Ausgangsamplitude des Oszillators über der statischen Amplitude ist, als Resonanzüberhöhungsbereich bezeichnet.The following describes the operation of the mechanical oscillator according to the present invention with reference to 2 received. 2 shows a diagram in which the amplitude response of an oscillator is plotted against the frequency. The ordinate represents a normalized vibration amplitude, which is standardized, for example, to the amplitude of the excitation vibration, ie the vibration caused by the AC voltage applied to the comb drives, if the excitation frequency is far outside the resonance range (value 1). The abscissa, on the other hand, shows the normalized frequency of the oscillator, which, as usual, is normalized to the resonance frequency of the same. 2 thus shows the normalized output amplitude of the oscillator when an excitation oscillation with a certain normalized frequency is applied to the input. The output amplitude, ie the deflection of the vibrating body 106 . 114 increases with increasing frequency in order to reach a maximum value when the resonance frequency of the oscillator matches the frequency of the excitation oscillation. In the case of excitation vibrations above the resonance frequency, the amplitude decreases again in order finally to drop to zero when the excitation frequency is sufficiently high. As usual, the area in which the output amplitude of the oscillator is above the static amplitude is referred to as the resonance exaggeration area.

2 zeigt drei Kurven. Die Kurve 1 entspricht beispielsweise dem Amplitudengange des Oszillators bei einer Nenntemperatur, während die Kurven 2 und 3 den Amplitudenverlauf des Oszillators über der Frequenz bei einer maximalen bzw. minimalen Betriebstemperatur darstellen. Daraus ergibt sich, wenn kein Anschlag vorhanden ist, eine maximale Schwankung der Amplitude in der Resonanzfrequenz, wie es durch die Pfeile 200 dargestellt ist. Drastischer wirkt sich die Situation jedoch auf einen festen Arbeitspunkt aus. Wird als Arbeitspunkt bei Nenntemperatur die Resonanzfrequenz gewählt, so erhält die Ausgangsamplitude einen Wert von 10. Verschiebt sich nun jedoch aufgrund beispielsweise einer Temperaturänderung die Amplitudenverlaufskurve, so wird die Ausgangsamplitude des Oszillators beispielsweise nur noch einen normierten Wert von 7 anstatt von 10 bei Nenntemperatur haben. Wie es bekannt ist, wird die Frequenz der Ausgangsschwingung eines Oszillators, der zu erzwungenen Schwingungen angeregt ist, durch die Anregungsschwingung bestimmt. Damit nimmt bei sich ändernder Temperatur die Ausgangsamplitude ab, da die Anregungsschwingung nicht mehr genau die gleiche Frequenz wie der Oszillator besitzt. Daher waren im Stand der Technik aufwendige Amplitudenregelungen auf elektronischer Basis erforderlich. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun eine Schwingungsamplitude durch bei spielsweise einen mechanischen Anschlag 125 auf einen geringeren Wert begrenzt, wobei jedoch sichergestellt ist, daß die Ausgangsamplitude des Systems über dem gesamten Temperaturbereich des Oszillators konstant ist. Es wird somit einerseits die Ausgangsamplitude des Oszillators gegenüber einem System ohne Anschlag verringert, während andererseits auf äußerst einfache Art und Weise sichergestellt wird, daß die Amplitude über dem gesamten Betriebsbereich, der in 2 als dicke Linie eingezeichnet ist, konstant bleibt. 2 shows three curves. The curve 1 corresponds, for example, to the amplitude response of the oscillator at a nominal temperature during the curves 2 and 3 represent the amplitude curve of the oscillator over frequency at a maximum or minimum operating temperature. If there is no stop, this results in a maximum fluctuation in the amplitude in the resonance frequency, as indicated by the arrows 200 is shown. However, the situation has a more drastic effect on a fixed working point. If the resonance frequency is selected as the operating point at nominal temperature, the output amplitude is given a value of 10. However, if the amplitude curve is shifted due to a temperature change, for example, the output amplitude of the oscillator will only have a normalized value of 7 instead of 10 at nominal temperature. As is known, the frequency of the output vibration of an oscillator that is excited to forced vibrations is determined by the excitation vibration. The output amplitude thus decreases as the temperature changes, since the excitation oscillation no longer has exactly the same frequency as the oscillator. Therefore, complex amplitude controls on an electronic basis were required in the prior art. According to the present invention, an oscillation amplitude is now caused by a mechanical stop, for example 125 limited to a lower value, but it is ensured that the output amplitude of the system is constant over the entire temperature range of the oscillator. Thus, on the one hand, the output amplitude of the oscillator is reduced compared to a system without a stop, while, on the other hand, it is ensured in an extremely simple manner that the amplitude over the entire operating range which is in 2 is drawn as a thick line, remains constant.

Im nachfolgenden wird auf verschiedene Betriebsarten eingegangen, die sich im wesentlichen darin unterscheiden, wieviel kinetische Energie des Schwingungskörpers beim Aufeinandertreffen von Schwingungskörper und Anschlag umgesetzt wird.The following is different Operating modes that differ essentially in how much kinetic energy of the vibrating body when they meet of vibrating body and stop is implemented.

Die bevorzugte Betriebsart des Oszillators besteht darin, daß der Schwingkörper im Verlauf jeder Schwingungsperiode den Anschlag normalerweise ein- oder zweimal nur leicht berührt, was auch als "Betriebsart des weichen Anschlags" bezeichnet wird. Dies bedeutet jedoch nicht eine geringe Federsteifigkeit des Anschlags. Stattdessen kann bei dieser Betriebsart der Anschlag so starr als möglich ausgeführt sein. Derselbe könnte jedoch auch elastischer gebildet sein, da der Schwingkörper lediglich mit geringer kinetischer Energie auf denselben auftrifft. In der Betriebsart des weichen Anschlags findet somit im Verhältnis zur Gesamtenergie des Oszillators nur ein geringer Energieverlust am Anschlag statt. Der Energieverlust am Anschlag durch Umsatz von kinetischer Energie in Verformung bzw. Wärme liegt üblicherweise unter 50%. Bevorzugterweise ist jedoch der Anschlag abhängig von der zu erwartenden Variation der Eigenresonanzfrequenz des Oszillators so weich als möglich zu wählen, weshalb es bevorzugt wird, lediglich weniger als 10% der Gesamtenergie pro Anschlag aus dem Schwingungssystem zu entziehen. Damit ist es für einen weiten Bereich der Amplitude und der Frequenz der Antriebs- oder Erregungskraft eine im wesentlichen ungestörte harmonische Schwingung mit fester Amplitude erzielbar, d. h. auf eine Regelung der Antriebskraft kann vollständig verzichet werden. Temperaturbedingte Änderungen der Resonanzfrequenz, druckabhängige Änderungen der Güte und andere Umwelteinflüsse haben über einen weiten Bereich keinen Einfluß mehr auf die Schwingungsamplitude des Oszillators.The preferred operating mode of the oscillator is that the vibrating body normally only slightly touches the stop once or twice in the course of each oscillation period, which is also referred to as the "soft stop operating mode". However, this does not mean a low spring stiffness of the stop. Instead, the stop can be made as rigid as possible in this mode. However, the same could also be made more elastic, since the vibrating body strikes the vibrating body only with low kinetic energy. In the operating mode of the soft stop, there is therefore only a small energy loss at the stop in relation to the total energy of the oscillator. The energy loss at the stop due to the conversion of kinetic energy in deformation or heat is usually less than 50%. However, depending on the expected variation in the natural resonance frequency of the oscillator, the stop should preferably be chosen as soft as possible, which is why it is preferred to use only less than 10% of the Ge withdraw total energy per stroke from the vibration system. It is therefore possible to achieve an essentially undisturbed harmonic oscillation with a fixed amplitude for a wide range of the amplitude and the frequency of the driving or excitation force, ie there is no need to regulate the driving force. Temperature-related changes in the resonance frequency, pressure-dependent changes in the quality and other environmental influences have no influence over a wide range on the oscillation amplitude of the oscillator.

Wie es in 2 gezeigt ist, beträgt die Güte des mechanischen Resonators, der 2 zugrunde liegt, lediglich 10. In der Praxis treten jedoch Güten bis zu über 100.000 auf. Wie es bekannt ist, ist bei Oszillatoren hoher Güte der Resonanzüberhöhungsbereich enger, da die Güte eben durch die Breite des Resonanzüberhöhungsbereichs definiert ist, d. h. durch das Verhältnis der Resonanzfrequenz zur 3 dB Bandbreite, d. h. dem Frequenzbereich, bei dem die Amplitude auf das 1/√2-fache der Amplitude in der Resonanzfrequenz abgefallen ist.Like it in 2 is shown, the quality of the mechanical resonator, the 2 is based on only 10. In practice, however, grades up to over 100,000 occur. As is known, in the case of high-quality oscillators, the resonance increase range is narrower because the quality is defined precisely by the width of the resonance increase range, ie by the ratio of the resonance frequency to the 3 dB bandwidth, ie the frequency range in which the amplitude is 1 / √ 2 times the amplitude in the resonance frequency has dropped.

Ein Oszillator mit Anschlag kann somit bei einem festen Arbeitspunkt betrieben werden. Dieser hat, wenn auf 2 Bezug genommen wird, die feste normierte Kreisfrequenz, die durch die Anregungsschwingung eingestellt wird, und eine feste Kraftamplitude, die zur Erzielung der Resonanzstelle der Kurve 1 erforderlich wäre. Unter diesen Bedingungen wird im Rahmen der dargestellten Schwankungen stets dieselbe Amplitude, die durch den Anschlag vorgegeben ist, erzielt. In dem dargestellten Beispiel ist die Amplitude gegenüber dem Oszillator ohne Anschlag zwar um 30% kleiner, durch den Anschlag kann aber auf jede Regelung der Antriebskraft verzichtet werden, wie es bereits erwähnt wurde.An oscillator with a stop can therefore be operated at a fixed operating point. This has when on 2 Reference is made to the fixed normalized angular frequency, which is set by the excitation oscillation, and a fixed force amplitude, which is used to achieve the resonance point of the curve 1 would be required. Under these conditions, the same amplitude, which is predetermined by the stop, is always achieved within the scope of the fluctuations shown. In the example shown, the amplitude is 30% smaller than the oscillator without a stop, but the stop can be used to dispense with any regulation of the drive force, as has already been mentioned.

Der Arbeitsbereich des Oszillators wird als der Frequenzbereich definiert, in welchem der Oszillator bei konstanter Amplitude der Antriebskraft und bei konstanter Temperatur mit fester Amplitude betrieben werden kann. Der Arbeitsbereich verschiebt sich bei veränderten Umweltbedingungen und wird im allgemeinen bei größeren Antriebskräften breiter. Das Verschieben des Arbeitsbereichs ist analog zum Verschie ben der Resonanzstelle bei einem Oszillator ohne Anschlag. Bei einem Ozillator mit Anschlag bleibt die Schwingungsamplitude allerdings konstant, solange der verschobene Arbeitsbereich den Arbeitspunkt enthält.The operating range of the oscillator is defined as the frequency range in which the oscillator at a constant amplitude of the driving force and at a constant temperature can be operated with a fixed amplitude. The work area is shifting with changed Environmental conditions and generally becomes wider with larger driving forces. The Moving the work area is analogous to moving the resonance point with an oscillator without a stop. With an oscillator with a stop however, the vibration amplitude remains constant as long as the shifted one Work area contains the working point.

Der Arbeitsbereich mit im wesentlichen harmonischer Schwingung ist eng mit der durch den Anschlag vorgegebenen Auslenkung verknüpft. Wie aus 2 deutlich ist, führt eine Erweiterung des Arbeitsbereichs zu einer Reduzierung der Schwingungsamplitude. Anders ausgedrückt, wird zu einer Erweiterung des Arbeitsbereichs der Anschlag auf eine niedrigere Amplitude gesetzt. Der Erweiterung des Arbeitsbereiches sind außerdem weitere Grenzen gesetzt. Bei bestimmten Grenzwerten der Antriebskraft, der Eigenschaften des Oszillators, d. h. der Dämpfung und der Resonanzfrequenz, und der Dämpfung und Kraftkonstante des Anschlags 125 wird die Oszillatorschwingung gestört, d. h. die Schwingung ist nicht mehr im wesentlichen harmonisch. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Energieverlust des Oszillators beim Anschlag im Verhältnis zur Gesamtenergie des Oszillators nicht mehr gering ist.The work area with essentially harmonic vibration is closely linked to the deflection specified by the stop. How out 2 it is clear that an expansion of the working area leads to a reduction in the vibration amplitude. In other words, the stop is set to a lower amplitude to expand the working range. There are further limits to expanding the work area. At certain limit values of the driving force, the properties of the oscillator, ie the damping and the resonance frequency, and the damping and force constant of the stop 125 the oscillator oscillation is disturbed, ie the oscillation is no longer essentially harmonic. This is particularly the case when the energy loss of the oscillator is no longer small in relation to the total energy of the oscillator.

Steht bei einer Anwendung ausreichend Antriebskraft über die Comb-Drives zur Verfügung, so kann der Oszillator auf eine Betriebsart mit "hartem Anschlag" eingestellt werden. Vorteilhaft ist hier eine Anregungsfrequenz, die deutlich von der Resonanzfrequenz abweicht. Der Effekt der Resonanzüberhöhung wird dabei weitgehend nicht ausgenützt, d. h. der Oszillator arbeitet im wesentlichen mit der statischen Amplitude. In der Betriebsart mit "hartem Anschlag" verliert der Oszillator beim Anschlag (annähernd) die gesamte kinetische Energie. Er wird durch die Antriebskräfte am Anschlag gehalten und führt bei Umkehr der Kraftrichtung bzw. bei Phasenumkehr der Anregungswechselspannung eine durch den zeitlichen Verlauf der Antriebskraft bestimmte Bewegung bis zum nächsten Anschlagen am Anschlag aus. Anders ausgedrückt wird der Schwingkörper mit relativ hoher kinetischer Energie auf den Anschlag gefahren, wobei die kinetische Energie in Wärme und Verformung des Anschlags bzw. des Schwingkörpers umgesetzt wird. Die Anregungswechselspannung, die hier beispielsweise eine Rechteckspannung sein könnte, ist so gewählt, daß der Schwingkörper noch eine kurze Zeitspanne nach dem Anschlagen auf den Anschlag gegen den Anschlag gedrückt wird, um ein Abprallen bzw. einen Effekt ähnlich eines mehrmals aufprallenden Gummiballs zu verringern oder sogar zu unterdrücken. Ruht der Schwingkörper am Anschlag, wird die Phase der Anregungsschwingung wieder umgekehrt, was dazu führt, daß der Schwingkörper in die andere Richtung getrieben wird, um wieder auf einen Anschlag aufzuschlagen. Es sei angemerkt, daß in dieser Betriebsart die Elastizität bzw. Beschaffenheit des Anschlags und des Schwingkörpers nicht wesentlich sind, da ein eventuell unerwünschtes Abprallen durch eine entsprechende Phasensteuerung der Anregungswechselspannung erreicht wird. Ist der Anschlag aus einem eher absorbierenden Material hergestellt, so könnte die Zeit, in der der Schwingkörper nach dem Aufprall noch gegen den Anschlag gedrückt wird, verkürzt bzw. eliminiert werden.Sufficient for one application Driving force over the comb drives are available so the oscillator can be set to an operating mode with a "hard stop". It is advantageous here an excitation frequency that is significantly different from the resonance frequency differs. The effect of the excessive resonance is largely not exploited, d. H. the oscillator essentially works with the static one Amplitude. In the "hard stop" operating mode, the oscillator loses when struck (nearly) the total kinetic energy. It is at the stop by the driving forces kept and leads Reversal of the direction of force or, if the phase of the excitation AC voltage is reversed a movement determined by the time course of the driving force Until next time Stop at the stop. In other words, the vibrating body is included relatively high kinetic energy driven to the stop, where the kinetic energy in heat and Deformation of the stop or the vibrating body is implemented. The excitation AC voltage, which could be a square wave voltage here, for example chosen so that the oscillating body a short time after hitting the stop pressed against the stop to a ricochet or an effect similar to a multiple bouncing Reduce or even suppress rubber balls. The vibrating body rests on Stop, the phase of the excitation oscillation is reversed again, which leads to, that the oscillating body driven in the other direction to get back on a stop to pitch. It should be noted that in this mode the elasticity or the nature of the stop and the vibrating body are essential, as a possibly undesirable bouncing by appropriate phase control of the AC excitation voltage is achieved becomes. If the stop is made of a more absorbent material, so could the time in which the vibrating body after the impact is still pressed against the stop, shortened or be eliminated.

Eine weitere Betriebsart des Oszillators besteht darin, am Anschlag eine Impulsumkehr des Schwingkörpers herbeizuführen. Der Schwingkörper prallt somit im wesentlichen ohne Energieverlust in Form eines elastischen Stoßes von dem Anschlag ab. Hier tritt also kein Energieverlust auf, es muß also weniger Energie über die Amplitude der Erregungsschwingung in den Oszillator hineingesteckt werden.Another mode of operation of the oscillator is to bring about a pulse reversal of the vibrating body at the stop. The Vibrating body bounces thus essentially without energy loss in the form of an elastic shock from the attack. So there is no loss of energy here so less Energy over the amplitude of the excitation vibration inserted into the oscillator become.

Wie es aus den beschriebenen Betriebsarten deutlich wird, muß für jede Betriebsart eine Abstimmung der Antriebskraft, d. h. der Amplitude, Frequenz und des zeitlichen Verlaufs, der Eigenschaften des Oszillators, d. h. der Dämpfung und der Resonanzfrequenz, und den Eigenschaften des Anschlags, d. h. der Dämpfung und der Kraftkonstante bzw. Steifigkeit, durchgeführt werden. Der Arbeitsbereich des Oszillators kann bei Verwendung nichtlinearer Kraftkonstanten bzw. Steifigkeiten des Oszillators erweitert werden. Dies ist vor allem im Zusammenhang mit der Betriebsart des weichen Anschlags von Interesse. Die Resonanzüberhöhung kann dann weitgehend ausgenutzt werden, und der Arbeitsbereich kann deutlich vergrößert werden, ohne allzu große Amplitudenverluste hinnehmen zu müssen.As it is from the operating modes described is clear, for each mode of operation, a coordination of the driving force, ie the amplitude, frequency and the time profile, the properties of the oscillator, ie the damping and the resonance frequency, and the properties of the stop, ie the damping and the force constant or rigidity, be performed. The operating range of the oscillator can be expanded when using non-linear force constants or stiffnesses of the oscillator. This is of particular interest in connection with the soft stop operating mode. The excessive resonance can then be used to a large extent, and the working area can be significantly enlarged without having to accept excessive amplitude losses.

Zunächst sei bezugnehmend auf 3 auf Eigenschaften von Oszillatoren mit nichtlinearen Kraftkonstanten eingegangen. Kurve 4 zeigt dabei den Frequenzgang eines nichtlinearen mechanischen Oszillators, bei welchem die Steifigkeit mit zunehmender Auslenkung zunimmt. Wird die in 3 gezeigte Kurve von links nach rechts durchlaufen, so steigt die Amplitude langsamer als bei einem linearen Oszillator, der zu Vergleichszwecken durch die Kurve 1 in 3 dargestellt ist. An dem Punkt a springt die Amplitude dann auf den Punkt b herunter. Wird die Kurve dagegen von rechts nach links durchlaufen, folgt die Amplitude zwischen den Punkten b und c dem unteren Ast, und am Punkt c springt die Amplitude dann auf den Punkt d. Der Kurventeil, der die Punkte a und c direkt miteinander verbindet, stellt instabile Zustände dar.First, refer to 3 discussed properties of oscillators with non-linear force constants. Curve 4 shows the frequency response of a nonlinear mechanical oscillator, in which the stiffness increases with increasing deflection. Will the in 3 run through the curve shown from left to right, the amplitude increases more slowly than with a linear oscillator, which for comparison purposes through the curve 1 in 3 is shown. At point a, the amplitude then jumps down to point b. If, on the other hand, the curve is traversed from right to left, the amplitude between points b and c follows the lower branch, and at point c the amplitude then jumps to point d. The part of the curve that connects points a and c directly represents unstable states.

Im Unterschied zum linearen Oszillator ist somit beim Einschalten, d. h. beim Einschwingen des Oszillators, die Vorzugsrichtung beim Durchfahren der Frequenz durch die Art der Nichtlinearität festgelegt. Nimmt die Steifigkeit mit zunehmender Auslenkung zu, wie es in den 3, 4 und 5 dargestellt ist, beginnt man vorzugsweise bei kleineren Frequenzen und erhöht beim Einschalten die Frequenz. Nimmt die Steifigkeit dagegen mit zunehmender Auslenkung ab, beginnt man vorzugsweise bei größeren Frequenzen und verkleinert während des Einschwingens die Frequenz. Eine mit zunehmender Auslenkung abnehmende Steifigkeit tritt beispielsweise bei Systemen mit elektrostatischen Komponenten der Steifigkeit auf .In contrast to the linear oscillator, the preferred direction when passing through the frequency is thus determined by the type of non-linearity when the oscillator is switched on, that is when the oscillator settles. Stiffness increases with increasing deflection, as in the 3 . 4 and 5 is shown, one preferably starts at lower frequencies and increases the frequency when switched on. If, on the other hand, the stiffness decreases with increasing deflection, it is preferable to start at higher frequencies and decrease the frequency during the transient response. A stiffness that decreases with increasing deflection occurs, for example, in systems with electrostatic components of the stiffness.

4 zeigt nun die Kombination eines nichtlinearen Oszillators, wie er bezugnehmend auf 3 beschrieben wurde, mit einem Anschlag. Wird die Kurve hier von links nach rechts durchlaufen, so nimmt die Amplitude bis zu einem Punkt e zu. Vom Punkt e an ist die Amplitude durch den Anschlag auf einen festen Wert begrenzt. Am Punkt f springt die Kurve auf den Punkt g auf dem unteren Ast. Der Punkt f wird durch die Antriebskraft, d. h. deren Amplitude, Frequenz und zeitlicher Verlauf, die Eigenschaften des Oszillators, d. h. Dämpfung und Resonanzfrequenz, und die Eigenschaften des Anschlags, d. h. Dämpfung und Kraftkonstante bestimmt und besitzt eine Frequenz zwischen der Frequenz der Punkte e und k. 4 now shows the combination of a nonlinear oscillator as referring to 3 has been described with an attack. If the curve is traversed from left to right, the amplitude increases up to a point e. From point e onwards, the amplitude is limited to a fixed value by the stop. At point f the curve jumps to point g on the lower branch. The point f is determined by the driving force, ie its amplitude, frequency and time course, the properties of the oscillator, ie damping and resonance frequency, and the properties of the stop, ie damping and force constant, and has a frequency between the frequency of points e and k ,

Beim Durchlaufen der Kurve von rechts nach links erfolgt erst beim Punkt h ein Sprung auf den Punkt i . Bei dem dargestellten Beispiel springt die Amplitude auf die maximale, lediglich durch den Anschlag festgelegte Amplitude.When passing the curve from the right to the left there is a jump to point i only at point h , In the example shown, the amplitude jumps to the maximum, only amplitude determined by the stop.

In Abweichung vom vorliegenden Ausführungsbeispiel sei nocheinmal darauf hingewiesen, daß die Kombination eines Anschlags mit einem Schwingkörper nicht auf einen in 1a gezeigten Drehschwinger begrenzt ist, sondern auf jeden anderen Schwinger angewendet werden kann. Ebenfalls könnte beispielsweise bezugnehmend auf 1a in dem Fall, in dem der Sekundärschwinger aus bestimmten Entwurfsgründen ebenfalls kreisförmig ausgebildet ist, eine Anschlageinrichtung innerhalb der quadratischen Ausnehmung, in der sich der Primärschwinger befindet, vorgesehen sein. Alternativ könnte eine weitere Möglichkeit darin bestehen, beispielsweise in einem flächigen Schwingkörper eine Ausnehmung vorzusehen, in der sich lediglich ein einziger Anschlag befindet, der durch Interaktion mit den Begrenzungen der Ausnehmung die maximale Schwingungsamplitude festlegt und somit eine stabile Ausgangsamplitude über einen bestimmten Arbeitsbereich bietet.In deviation from the present embodiment, it should be pointed out again that the combination of a stop with a vibrating body does not affect one in 1a shown rotary vibrator is limited, but can be applied to any other vibrator. Could also refer to, for example 1a in the case in which the secondary oscillator is also circular for certain design reasons, a stop device can be provided within the square recess in which the primary oscillator is located. Alternatively, a further possibility could be to provide, for example, a recess in a flat vibrating body, in which there is only a single stop, which, by interacting with the boundaries of the recess, defines the maximum vibration amplitude and thus offers a stable output amplitude over a certain working range.

Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß der Anschlag nicht auf einen mechanischen Anschlag begrenzt ist, sondern auch einen elektromagnetischen Anschlag umfassen kann, wenn beispielsweise an eine Wirbelstrombremse und dergleichen gedacht wird, bzw. an Kräfte, die auf Kondensatorplatten wirken, wenn diese aufeinander hin bzw. voneinander weg bewegt wer den.Furthermore, it should be noted that the attack is not limited to a mechanical stop, but also may include an electromagnetic stop if, for example is thought of an eddy current brake and the like, or forces that act on capacitor plates when they face each other or moving away from each other.

Der Vorteil des Anschlags in Verbindung mit nichtlinearen Kraftkonstanten wird insbesondere bei sehr hohen Güten deutlich. In bestimmten Fällen kann der Arbeitsbereich des Oszillators um den Faktor 1000 und mehr vergrößert werden. Dies ist in 5 dargestellt, welche einen Oszillator mit einer Güte von 1000 beschreibt. Die Punkte l, m, n, o, p in 5 entsprechen der Reihe nach den Punkten e, f, g, h, i, k in 4. Im Gegensatz zum Punkt i in 4 liegt der Punkt o in 5 jedoch nicht auf dem Plateau des Anschlags.The advantage of the stop in connection with non-linear force constants is particularly clear with very high grades. In certain cases, the operating range of the oscillator can be increased by a factor of 1000 and more. This is in 5 shown, which describes an oscillator with a quality of 1000. The points l, m, n, o, p in 5 correspond to the points e, f, g, h, i, k in 4 , In contrast to point i in 4 is the point o in 5 but not on the plateau of the attack.

Oszillatoren gemäß der vorliegenden Erfindung können mittels einer Vielzahl von bekannten Herstellungsverfahren produziert werden, beispielsweise mittels Feinmechanik, Mikromechanik, Funkenerrosion, Spritzguß, Stanzen, Sägen, Schneiden, Laser-Trennverfahren, Tiefenlithographie und Galvanik oder LIGA.Oscillators in accordance with the present invention can produced by a variety of known manufacturing processes are, for example by means of precision mechanics, micromechanics, spark erosion, injection molding, Punching, sawing, Cutting, laser cutting, depth lithography and electroplating or LIGA.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf alle Oszillatoren mit periodischer Bewegung und reduziert vorteilhafterweise den Aufwand für die Regelung der Amplitude bzw. erübrigt diese. Beispiele für Oszillatoren sind oszillierende Coriolis-Kraft-Drehratensensoren oder oszillierende Vakuumsensoren.The present invention relates on all oscillators with periodic movement and reduced advantageously the effort for the regulation of the amplitude or unnecessary. Examples of oscillators are oscillating Coriolis force rotation rate sensors or oscillating Vacuum sensors.

Claims

Mechanical oscillator with the following features: a vibrating body ( 106 . 114 ) which can be excited by an excitation oscillation with an excitation amplitude in order to carry out a forced oscillation which has an operating oscillation amplitude, and a mechanical stop ( 125 ), which is arranged in the deflection path of the vibrating body, for limiting the operating vibration amplitude of the vibrating body to a value which is smaller than a maximum vibrational amplitude of the vibrating body, based on the excitation amplitude, which would be achievable if the frequency of the excitation vibration corresponds to the resonance frequency of the oscillator and the there is no mechanical stop, the mechanical oscillator having an additional non-linear force constant which increases with increasing deflection of the oscillating body ( 106 . 114 ) either increases or decreases, so that the relationship between the deflection of the vibrating body ( 106 . 114 ) and the force that acts on the vibrating body is non-linear.

The mechanical oscillator of claim 1, further comprising: a substrate ( 102 ); at least one comb electrode connected to the substrate ( 110 ), which in a on the vibrating body ( 106 . 114 ) attached comb electrode ( 108 ) intervenes; and an AC voltage source connected to the comb electrodes ( 108 . 110 ) is electrically connected to excite the vibrating body ( 106 . 114 ) to a forced vibration.

Mechanical oscillator according to one of the preceding claims, in which the mechanical stop ( 125 ) is designed in such a way that it ensures a substantially constant vibration amplitude of the vibrating body, regardless of the kinetic energy of the vibrating body at the time when the vibrating body interacts with the mechanical stop.

Method for generating a mechanical vibration of a vibrating body ( 106 . 114 ) an oscillator ( 100 ), the oscillator making a mechanical stop ( 125 ), which is arranged in the deflection path of the vibrating body, and an additional non-linear force constant. has, which with increasing deflection of the vibrating body ( 106 . 114 ) either increases or decreases, so that the relationship between the deflection of the vibrating body ( 106 . 114 ) and the force acting on the vibrating body is non-linear, with the following steps: exciting the vibrating body by means of an excitation oscillation with an excitation amplitude so that the vibrating body executes a forced oscillation which has an operating vibration amplitude; Limiting the operating vibration amplitude of the vibrating body by means of the mechanical stop to a value which is less than a maximum vibrational amplitude of the vibrating body related to the excitation amplitude, which would be achievable if the frequency of the excitation vibration corresponds to the resonance frequency of the oscillator and no limitation is carried out, with the step the limitation in each vibration period of the vibrating body ( 106 . 114 ) is acted on in the steady state from a certain vibration position, and the value of the limited operating vibration amplitude of the vibrating body despite a variation in the resonance frequency of the oscillator or despite a variation in the frequency of the excitation vibration in a range of the ratio of the excitation frequency to that defined by the limitation Resonance frequency of the oscillator is essentially constant.

The method of claim 4, wherein the by the Limit the vibration amplitude in relation to the energy lost Total energy stored in the oscillator is small.

Method according to Claim 4 or 5, in which the excitation of the oscillating body is a sinusoidal excitation with a frequency in the vicinity of the resonance frequency of the oscillator ( 100 ) is.

The method of claim 4, wherein the by the Almost limit lost energy is the total energy stored in the oscillator.

The method of claim 7, wherein exciting the oscillating body performed at a frequency that is essentially outside of the resonance exaggeration range of the oscillator.

The method of claim 4, wherein by the limiting an impulse reversal of the vibrating body a deflection determined by the limitation is brought about.

The method of claim 9, wherein the excitation of the vibrating body by means of a rectangular or triangular oscillation with a frequency in the resonance exaggeration range of the oscillator becomes.

Method according to one of Claims 4 to 10, in which the force constant of the oscillator falls with increasing deflection, and in which the step of excitation further comprises the following steps: excitation of the oscillating body at a frequency which is greater than a desired working frequency; and Decrease the frequency until the working frequency is reached.

Method according to one of claims 4 to 10, wherein the force constant of the oscillator increases with increasing displacement, and at which the step of stimulating further comprises the following steps: Stimulating the oscillating body at a frequency that is less than a desired operating frequency; and Increase the frequency until the desired Working frequency is reached.