DE19915257A1 - Drehratensensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor, insbesondere einen Coriolis-Drehratensensor, mit einer auf einem Grundelement drehbeweglich aufgehängten Schwingstruktur (2), an der durch eine extern einwirkende Drehrate eine Drehimpulsänderung bewirkbar ist. Eine kapazitive Sensoranordnung ist durch eine Mehrzahl von Kapazitäten (C¶1¶ bis C¶n¶) gebildet, wobei die einen Elektroden der Kapazitäten auf einem Kreisumfang der als die andere Elektrode wirkende Schwingstruktur (2) derart gegenüberliegen, dass eine kapazitive Detektion von Kippbewegungen der Schwingstruktur (2) in mehreren Richtungen der Kippbewegung durchführbar ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor zur Detekti­ on von Winkelgeschwindigkeiten rotierender Anordnungen, insbesondere einen Coriolis-Drehratensensor, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es sind solche als Coriolis-Drehratensensor ausgebildete Anordnungen nach dem Drehschwingerprinzip beispielsweise aus der WO 97/02467 A1 mit in einer Ebene schwingender Struktur mit seismischer Masse bekannt. Ein periodisch oszillierender Drehimpuls der schwingenden Struktur er­ fährt dabei durch eine externe Drehung (Drehrate) der ge­ samten Anordnung eine Drehimpulsänderung in Betrag und Richtung, dabei muss die zu detektierende Drehrate senk­ recht zur Drehimpulsachse stehen und die Drehimpulsachse steht senkrecht auf der schwingenden Struktur. Durch die gegenphasige Bewegungsrichtung der Schwingmasse aufgrund der entgegengesetzt gerichteten Coriolisbeschleunigung, die am Ort der Befestigungsachse, bzw. des Drehpunktes der schwingenden Struktur das Drehmoment, bzw. die Dre­ himpulsänderung bewirkt, hat dies damit eine Wippbewegung der gesamten Struktur zur Folge. Diese Dreh- oder Wipp­ schwingung wird beim Stand der Technik kapazitiv detek­ tiert und mittels einer geeigneten elektronischen Schal­ tung ausgewertet, wobei hier nur die Sensierung der Drehrate in nur einer einzigen Richtung, z. B. der x- Achse, mittels zweier einzelner Detektionskapazitäten durchgeführt wird.

Für eine Vielzahl technischer Anwendungen, wie z. B. die Rollover- und Crashsensierung bei Personen- und Last­ kraftwagen, ist eine jedoch die Detektion von nur einer Richtung der Drehrate nicht ausreichend. Um hier mehrere Achsen der Drehraten zu erfassen, müssten beim Stand der Technik der Einsatz mehrere einzelne Drehratensensoren mit einem erheblichen konstruktiven Mehraufwand vorgese­ hen werden.

Vorteile der Erfindung

Ein Drehratensensor der eingangs angegebenen Art, der mit einer auf einem Grundelement drehbeweglich aufgehängten periodisch schwingenden Schwingstruktur versehen ist, wird zur Erfassung einer extern einwirkende Drehrate bzw. Winkelbeschleunigung erfindungsgemäß mit einer kapaziti­ ven Sensoranordnung versehen, die die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Um die durch eine Dreh­ impulsänderung hervorgerufene Kippbewegung der Schwing­ struktur in vorteilhafter Weise auch in mehreren Richtun­ gen zu detektieren, ist die kapazitive Sensoranordnung durch eine Mehrzahl von Kapazitäten gebildet. Hierbei sind die einen Elektroden der Kapazitäten auf einem Um­ fang, z. B. eine Kreisumfang, am Grundelement angeordnet und jeweils der als die andere Elektrode wirkenden Schwingstruktur derart gegenüberliegend, dass eine kapa­ zitive Detektion von Kippbewegungen der Schwingstruktur in mehreren Richtungen der Kippbewegung durchführbar ist.

Ein solcher auf dem Drehschwingerprinzip basierender Drehratensensor bietet den großen Vorteil aus physikali­ schen Gründen (Drehimpulserhaltung) auf jeder Drehachse sensitiv zu sein, die senkrecht auf der Schwingungsachse steht. Prinzipiell können also immer mindestens zwei Drehratenrichtungen gleichzeitig sensiert werden. Grund­ lage der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist neben dem Vorhandensein von geeigneten Detektionskapazitäten vor allem ein durch die (Dreh-)Wippschwingung ungestörtes An­ triebssystem und eine geeignete Auswerteschaltung, die die Drehratenrichtung und -größe ermittelt und als analo­ ges oder digitales Signal am Sensorausgang zur Verfügung stellt. Für sich gesehen ist ein solches Antriebs- und Signalauswertesystem in der eingangs als Stand der gewür­ digtem WO 97/02467 A1 beschrieben.

Beim erfindungsgemäßen Drehratensensor sind jedoch auf einfache Weise eine Vielzahl von Elektroden einzeln oder in Gruppen in einem gleichmäßigen Winkelabstand voneinan­ der entfernt angeordnet, so dass eine Vielzahl von Kapa­ zitäten C₁ bis C₁₂ (bzw. C_n) entsprechend einer gewählten Ausführungsform gebildet sind. Für eine Sensierung der Kippbewegung der Schwingstruktur in einer oder mehreren Achsen (x, y, z) sind dabei in vorteilhafter Weise aus den Kapazitätsänderungen der sich in etwa gegenüberliegenden Kapazitäten die Sensorsignale herleitbar.

Im einfachsten Fall einer Erweiterung auf zwei Sensier­ achsen x, y können die zwei sich gegenüberliegenden Detek­ tionskapazitäten nochmals in jeweils zwei Teile unter­ teilt werden. Es werden dabei beispielsweise jeweils zwei Elektroden beidseitig der x-Achse in der Hauptkipprich­ tung angeordnet, so dass an einem Ende Kapazitäten C₁ und C₂ und am anderen Ende Kapazitäten C₃ und C₄ gebildet sind. Für eine Sensierung in der Hauptkippachse (x-Achse) ist das Sensorsignal in einfacher Weise aus der Beziehung

C₁ + C₂/C₃ + C₄

herleitbar. Für einen Sensierung in der senkrecht dazu verlaufenden y-Achse ist das entsprechende Sensorsignal aus der Beziehung

C₂ + C₄/C₁ + C₃

herleitbar.

Mit dieser vorgeschlagenen Anordnung ist somit bereits eine einfache Sensierung auf der x- und der y-Achse mög­ lich. Die Auswertung erfolgt mittels einer einfachen Lo­ gikschaltung und liefert die jeweilige Drehratengröße und richtung.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Durchführung einer x, y 90° Drehratensensierung ist mit Hilfe zweier weiterer Detektionskapazitäten, senkrecht zu den oben be­ schriebenen, gegeben. Zusätzlich lässt sich hier durch Kombination und Interpolation der einzelnen Kapazitätsän­ derungen auch eine 45° Sensierung durchführen.

Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehra­ tensensors sind somit vier Elektroden jeweils in einem Winkelabstand von 45° so angeordnet, dass auf der x-Achse in der Hauptkipprichtung Kapazitäten C₁ und C₃ und in der anderen Richtung (y-Achse) Kapazitäten C₂ und C₄ ge­ bildet sind, so dass für eine Sensierung in der Hauptkipp­ achse das Sensorsignal aus der Beziehung

C₁/C₃

herleitbar ist und für eine Sensierung in der senkrecht dazu verlaufenden y-Achse das entsprechende Sensorsignal aus der Beziehung

C₂/C₄

herleitbar ist.

Eine genauere Auflösung der Drehratenrichtungssensierung ist in Weiterbildung der vorgeschlagenen Ausführungsfor­ men mit weiteren Detektionskapazitäten möglich. Für eine Winkelauflösung von 30° sind somit zwölf einzelne elek­ trisch voneinander getrennte Detektionskapazitäten C₁ bis C₁₂, wie oben erwähnt, erforderlich. Je nach Auflösung kann hier eine Anzahl C₁ bis C_n gewählt werden.

Zur Empfindlichkeitseinstellung der Sensierrichtungen ist das Aspektverhältnis (Verhältnis Höhe/Breite) der Aufhän­ gefedern oder -balken der Schwingstruktur geeignet zu di­ mensionieren. Eine geeignete Aufhängung der Schwingstruk­ tur ermöglicht entweder eine einheitliche Empfindlichkeit in allen Richtungen oder eine gezielt differenzierte Ein­ stellung der Empfindlichkeit für unterschiedliche Sensie­ rungsrichtungen. Bei geeignetem Abstand der beiden Anker­ punkte an der Schwingstruktur und gezielter Wahl der Auf­ hängungs- und Drehbalken läßt sich eine gezielte Einstel­ lung der Richtungsempfindlichkeit vorgeben.

In vorteilhafter Weise kann dabei die Schwingstruktur an mehreren radial verteilten, jeweils quer zur zu sensie­ renden Kipprichtung ausgerichteten, Aufhängebalken dreh­ beweglich aufgehängt werden, deren Aspektverhältnis so gestaltet ist, dass die Empfindlichkeit des Drehratensen­ sors in der jeweils zu sensierenden Richtung am größten ist. Andererseits gewährleistet die Gleichartigkeit der Aufhängebalken dabei die Richtungsunabhängigkeit der Emp­ findlichkeit.

Die Aufhängebalken können beispielsweise an einem zentra­ len Aufhängepunkt am Grundelement oder jeweils an mehre­ ren nichtzentralen Aufhängepunkten am Grundelement gela­ gert werden.

In besonders vorteilhafter Weise kann der erfindungsgemä­ ße Drehratensensor als Beschleunigungssensor zur Erfas­ sung von Winkelbeschleunigungen in einem Kraftfahrzeug z. B. zur Auslösung von Sicherheitssystemen herangezogen werden. Beispielsweise bei einer Rollover- oder Crash- Überschlag-Sensierung aber auch zur Erfassung der Schlin­ gerdämpfung von Schiffen, zur besseren Steuerung fernge­ steuerte Modelle (Autos, Flugzeuge und Boote), bei Joy­ sticks, Visionhelmen, Sensorhandschuh, 3D-Maus oder auch bei Videocameras.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun­ gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre­ ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs­ form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh­ rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Drehraten­ sensors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungs­ beispiels eines mit je zwei gegenüberliegenden Kapa­ zitäten zur Detektierung von Kippschwingungen einer Schwingstruktur;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungs­ beispiels eines mit vier, beispielsweise auf einem Kreis verteilten, Kapazitäten zur Detektierung der Kippschwingungen;

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungs­ beispiels mit einer Vielzahl von gleichmäßig auf ei­ nem Kreis verteilten Kapazitäten zur Detektierung der Kippschwingungen;

Fig. 4 und 5 Darstellungen von verschiedenen Auf­ hängebalken der schwingenden Struktur nach den vor­ herigen Figuren und

Fig. 6 und 7 Darstellungen der Anordnung von meh­ reren Aufhänge- oder Lagerpunkten der schwingenden Struktur nach den Fig. 1 bis 3.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt die wesentlichen Bauelemente eines Drehra­ tensensors 1, wie er in einigen grundsätzlichen Funktio­ nen dem Sensor aus dem eingangs erwähnten Stand der Tech­ nik WO 97/02467 A1 entspricht. Der Drehratensensor 1 be­ sitzt eine Schwingstruktur 2 mit einer Schwingmasse wel­ che ein Drehpendel bildet. Die Schwingstruktur 2 ist auf einem Lagerpunkt 5 schwebend gelagert, der mit dem Masse­ mittelpunkt der Schwingstruktur 2 zusammenfällt und sich auf einem hier nicht gezeigten Grundelement, beispiels­ weise ein Substrat, befindet. Die Schwingmasse ist als Bestandteil der Schwingstruktur 2 spiegelsymmetrisch zu dem Lagerpunkt 5 angeordnet, so dass die Schwingstruktur 2 ohne äußere Einflüsse auf den Lagerpunkt 5 eben schwe­ bend, lediglich von dem Lagerpunkt 5 abgestützt, ruht und in einem vorgegebenen Abstand zum Grundelement elektrisch isoliert gehalten ist. Die Schwingstruktur 2 kann bei­ spielsweise mit einem an sich bekannten Verfahren der Oberflächen-Mikromechanik aus einem Poly-Silizium-Mate­ rial strukturiert werden.

Die Aufhängung der Schwingstruktur 2 an dem Lagerpunkt 5 erfolgt mit mindestens einem Aufhänge- oder Drehbalken 6 und für eine Detektion in mehreren Richtungen, beispiels­ weise in y-Richtung, mindestens auch mit einem senkrecht dazu stehenden Aufhängebalken 3. Diese für sich gesehen auch schon im eingangs erwähnten Stand der Technik be­ schriebenen Aufhängebalken 6 besitzen beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ein hohes Aspektverhältnis, das heißt, diese sind im Verhältnis zu ihrer Höhe, die der Dicke der Schwingstruktur 2 entspricht, schmal. Dieses hohe Aspektverhältnis, z. B. des Aufhängebalken 6, ist hier nicht zwangsläufig notwendig, es führt jedoch zu ei­ ner relativ großen Empfindlichkeit der Schwingstruktur 2 in x-Richtung um eine große Unterdrückung von externen Störbeschleunigungen gegenüber den zu messenden Coriolis­ beschleunigungen zu erreichen.

Als Beispiel für eine gezielte Richtungsempfindlichkeit kann der Querschnitt des in x-Richtung verlaufenden Auf­ hängebalkens 3 einen quadratischen und der in y-Richtung verlaufende Aufhängebalken 6 den oben erwähnten rechteckigen Querschnitt aufweisen. Dieses Aspektverhältnis er­ möglicht eine leichte Drehung um die y-Achse, da hier ei­ ne Torsion des Y-Aufhängebalkens 6 und eine Biegung des x-Aufhängebalkens 3 erleichtert ist. Bei einer Drehung um die x-Achse ist diese hier erschwert, da eine relativ große Biegesteifigkeit des Y-Aufhängebalkens 6 und eine relativ große Torsionssteifigkeit des x-Aufhängebalkens 3 vorliegt.

Neben der in der Fig. 1 dargestellten zentralen Aufhän­ gung am Lagerpunkt 5 im Mittelpunkt der Anordnung kann auch eine Aufhängung der Schwingstruktur 2 an mehreren Aufhängepunkten erfolgen, was weiter unten anhand von Fig. 6 und 7 erläutert wird.

An radialen Stirnflächen der Schwingstruktur 2 nach der Fig. 1 sind jeweils Kammstrukturen zugeordnet, die beid­ seitig aus mit der Schwingstruktur 2 verbundenen und mit beweglichen Kämmen 7 und 8 und jeweils mit einem Kamm 9 bzw. 10 in Eingriff stehenden, die auf dem Grundelement fest angeordnet sind. Die feststehenden Kämme 9 und 10 sind über eine Kontaktierung 11 mit einer hier zunächst nicht dargestellten elektronischen Schaltungsanordnung verbunden. Eine elektrische Verbindung der Schwingstruk­ tur 2 und damit der an der Schwingstruktur 2 angeordneten beweglichen Kämme 7 und 8 an die Schaltungsanordnung er­ folgt über einen Massekontakt, der über den Lagerpunkt 5 und den Aufhängebalken 6 geführt ist. Alle Strukturen können hierbei über ein Zwischenoxid vom Grundelement bzw. vom Substrat elektrisch isoliert oder aber je nach Anschlußtechnik durch pn-Übergänge im Substrat elek­ trisch voneinander getrennt sein.

Unterhalb der Schwingmassen auf der Schwingstruktur 2 sind auf dem Grundelement jeweils Elektroden 20, 21 und 22, 23 angeordnet, die zur kapazitiven Erfassung der Kippschwingungen der Schwingstruktur 2 dienen und hier gestrichelt eingezeichnet sind. Die Elektroden 20, 21 und 22, 23 sind beispielsweise über eine Isolationsschicht, beispielsweise einem Siliziumoxid, auf dem Grundelement bzw. dem Substrat angeordnet, wobei in Draufsicht gesehen die Elektroden 20, 21 und 22, 23 mit ihrer Kontur den Kreissektorabschnitten der Schwingmassen auf der Schwing­ struktur 2 weitgehend angepasst sind, jedoch kleiner sind als die Projektionen der jeweiligen Kreissektorabschnit­ te. Die Elektroden 20, 21 und 22, 23 sind jeweils über eine hier nicht erkennbare Kontaktierung mit der oben er­ wähnten Schaltungsanordnung verbunden.

Die Funktion des in der Fig. 1 dargestellten Drehraten­ sensors 1 wird folgend erläutert:
Mittels der Kämme 9 und 10 wird die Schwingstruktur 2 in eine planare Drehschwingung um den Lagerpunkt 5 gemäß der Pfeile 12 versetzt, wobei Kämme 7 und 8 an der Schwing­ strukur 2 als elektrostatische Kammantriebe wirken. Die Schwingstruktur 2 vollführt somit eine planare Torsions- bzw. Drehschwingung um den Lagerpunkt 5. Die an der Schwingstruktur 2 angeordneten Kämme 7 und 8 bilden dar­ über hinaus einen kapazitiven Schwingungsabgriff für die Drehschwingung der Schwingstruktur 2 und können für eine Amplitudenstabilisierung der Drehschwingung und eine elektronische Rückkopplung zur Entdämpfung der Dreh­ schwingung genutzt werden.

Im Ausgangszustand des Drehratensensors 1 befindet sich somit die Schwingstruktur 2 in einer gleichmäßigen ebenen Drehschwingung um den Lagerpunkt 5. Die, wie oben be­ schrieben, ein hohes Aspektverhältnis aufweisenden Auf­ hängebalken 6 und 3 sind sowohl weich gegenüber dieser ebenen Drehschwingung als auch gegenüber einer sog. out- of-plane Torsion, was eine relativ niedrige Resonanzfre­ quenzen der entsprechenden Moden zur Folge hat. Für eine externe Störbeschleunigung sind die Aufhängebalken 6 und 3 dagegen biegesteif, so dass diese vor Ort unterdrückt werden.

Beim Auftreten einer Coriolisbeschleunigung, die auf den Drehratensensor einwirkt, wird die sich um den Lagerpunkt 5 in ebenen Drehschwingung befindende Schwingstruktur 2 um die Befestigungsachse periodisch ausgelenkt, so dass die ebene Drehschwingung der Schwingstruktur 2 in eine Dreh-Kipp-Schwingung überführt wird. Es findet somit zu­ sätzlich eine out-of-plane-Schwingung der Schwingstruktur 2 statt, durch die eine Abstandsänderung zwischen den Schwingmassen auf der Schwingstruktur 2 und den jeweils darunter befindlichen Elektroden 20, 21 bzw. 22, 23 er­ folgt. Diese Abstandsänderung kann über die Elektroden 20, 21, und 22, 23 und die über den Massekontakt kontak­ tierte Schwingstruktur 2 kapazitiv detektiert werden. In­ folge der out-of-plane-Schwingung wird beispielsweise der Abstand zwischen der Schwingstruktur 2 und den Elektroden 20, 21 verringert, während gleichzeitig sich der Abstand zwischen der Schwingstruktur 2 und den Elektroden 22, 23 vergrößert wird.

Bei einer Umkehr der Schwingung wird der Abstand zwischen der Schwingstruktur 2 und den Elektroden 22, 23 verrin­ gert, während sich der Abstand zwischen der Schwingstruk­ tur 2 und den Elektroden 20, 21 vergrößert. Hiermit steigt die Kapazität zwischen den Schwingmassen und den Elektroden 20, 21 beziehungsweise 22, 23 periodisch an oder fällt periodisch ab. Mittels der beschriebenen elek­ trischen Kontaktierungen können diese Kapazitätsvariatio­ nen mit der nicht dargestellten Schaltungsanordnung, aus­ gewertet werden und ein der Kapazitätsvariation propor­ tionales Signal, das ein Maß für die am Drehratensensor 1 erfolgende Drehimpulsänderung liefert, überführt werden. Die Elektroden 20, 21 und 22, 23 sind in Draufsicht etwas kleiner als die gegenüberliegende Schwingstruktur 2, so­ mit verbleiben diese auch während der ebenen Drehschwin­ gung der Schwingstruktur 2 vollständig unterhalb der je­ weils gegenüberliegenden Schwingmassen, wodurch keine Ka­ pazitätsvariation entstehen können, die zu einer Signal­ veränderung führen würde.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 bildet jeweils die Schwingstruktur 2 mit der Elektrode 22 eine Kapazität C₁ und mit der Elektrode 23 eine Kapazität C₂ sowie mit der Elektrode 20 eine Kapazität C₃ und mit der Elektrode 21 eine Kapazität C₄. Bei einer in x-Richtung vorhandenen Drehrate wird das durch die Drehimpulsänderung verursach­ te Verkippen der Schwingstruktur 2 im Verhältnis der Ka­ pazitätsänderungen der Kapazitäten C₁ und C₂ zu den Ka­ pazitäten C₃ und C₄ detektiert; es gilt somit für eine X- Sensierung:

C₁ + C₂/C₃ + C₄.

Bei einer in y-Richtung vorhandenen Drehrate wird das durch die Drehimpulsänderung verursachte Verkippen im Verhältnis der Kapazitätsänderungen der Kapazitäten C₁ und C₃ zu den Kapazitäten C₂ und C₄ detektiert; es gilt somit für eine Y-Sensierung:

C₂ + C₄ / C₁ + C₃.

Bei einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind Elektro­ den 30, 31, 32 und 33 so angeordnet, dass sie der Schwingstruktur 2 kreisförmig verteilt gegenüberliegen. Die gleich wirkenden Bauelemente sind hier mit den glei­ chen Bezugszeichen wie bei der Fig. 1 versehen. Die Schwingstruktur 2 bildet hier mit der Elektrode 30 eine Kapazität C₁, mit der Elektrode 31 eine Kapazität C₂, mit der Elektrode 32 eine Kapazität C₃ und mit der Elektrode 33 eine Kapazität C₄. Die Elektroden liegen sich hierbei jeweils senkrecht gegenüber. Bei einer in x-Richtung vor­ handenen Drehrate wird das durch die Drehimpulsänderung verursachte Verkippen der Schwingstruktur 2 im Verhältnis der Kapazitätsänderungen der Kapazität C₁ zu der Kapa­ zität C₃ detektiert; es gilt somit für eine X- Sensierung:

C₁/C₃.

Bei einer in y-Richtung vorhandenen Drehrate wird das durch die Drehimpulsänderung verursachte Verkippen im Verhältnis der Kapazitätsänderungen der Kapazität C₂ zu der Kapazität C₄ detektiert; es gilt somit für eine Y- Sensierung:

C₂/C₄

Bei dieser Anordnung läßt sich bei einem geeigneten Ab­ stand der Ankerpunkte und gezielter Wahl der Aufhängebal­ ken eine genaue Einstellung der Richtungsempfindlichkeit vornehmen. Eine geeignete Auswerteschaltung kann über die gemessenen Kapazitätsänderungen die jeweilige Orientie­ rung der Drehratenrichtung ermitteln. Zusätzlich lässt sich hierbei durch Kombination und Interpolation der ein­ zelnen Kapazitätsänderungen eine 45° Sensierung durchfüh­ ren.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drehratensensors nach Fig. 3 zeigt eine noch erweiterte Elektrodenanordnung, bei der Elektroden 40 bis 51, hier auf einem Kreis verteilt, der Schwingstruktur 2 gegen­ überliegen. Es sind auch andere geometrische Anordnungen als die Kreisform möglich mit Detektionskapazitäten C₁ bis C_n. Für eine Winkelauflösung von 30° sind somit hier 12 elektrisch voneinander isolierte Detektionskapazitäten C₁ bis C₁₂ gebildet, deren Ausgangssignale in einer der oben beschriebenen Weise vergleichbaren Technik ausgewer­ tet werden können. Bei einer höheren Auflösung werden entsprechend mehr Detektionskapazitäten angeordnet. Die Aufhängung der Schwingstruktur 2 kann gemäß Fig. 4 oder Fig. 5 über mehrere radial verlaufende Strukturen zu ei­ nem zentralen Punkt 5 oder auch, wie oben erwähnt, zu mehreren Aufhängepunkten erfolgen. Die in der Fig. 4 ge­ zeigten Aufhängebalken 52 sind jeweils mit einem Win­ kelabstand von 45° und die in der Fig. 5 gezeigten Auf­ hängebalken 53 sind jeweils mit einem Winkelabstand von 30° über den zentralen Aufhängepunkt 5 verteilt. Die Gleichartigkeit der Aufhängebalken 52 oder 53 gewährlei­ stet dabei die Richtungsunabhängigkeit der Empfindlich­ keit. Das jeweilige Aspektverhältnis kann dabei in Anleh­ nung an die anhand der Fig. 1 beschriebenen geometri­ schen Gestaltung, ev. mit Zwischenstufen, gewählt werden.

In den Fig. 6 und 7 sind beispielhaft auch die Aufhän­ gung der Schwingstruktur 2 an mehreren Lagerpunkten 60 und 61 (Fig. 6) und 62 und 63 (Fig. 7) gezeigt. Bei dieser Aufhängung kann jeweils eine leichte Drehung um die y-Achse erfolgen, jedoch ist hier keine Drehung um die x-Achse möglich, was dann zu einer erhöhten Rich­ tungssensitivität führt und bei der Gestaltung des Aspektverhältnisses in geeigneter Weise zu berücksichti­ gen ist. Unterschiedlich große Richtungssensitivitäten lassen sich hierbei auch durch unterschiedlich große De­ tektionskapazitäten erreichen.

Claims (9)

1. Drehratensensor, insbesondere ein Coriolis- Drehratensensor, mit
einer auf einem Grundelement drehbeweglich aufgehängten Schwingstruktur (2), an der durch eine extern einwirkende Drehrate eine Drehimpulsänderung bewirkbar ist und mit
einer kapazitiven Sensoranordnung, mit der die durch die Drehimpulsänderung hervorgerufene Kippbewegung der Schwingstruktur (2) detektierbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, dass
die kapazitive Sensoranordnung durch eine Mehrzahl von Kapazitäten (C₁ bis C₁₂, C_n) gebildet ist, wobei die ei­ nen Elektroden der Kapazitäten auf einem Kreisumfang der als die andere Elektrode wirkende Schwingstruktur (2) derart gegenüberliegen, dass eine kapazitive Detektion von Kippbewegungen der Schwingstruktur (2) in mehreren Richtungen der Kippbewegung durchführbar ist.

2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass
eine Vielzahl von Elektroden (20 bis 23; 30 bis 33; 40 bis 51) einzeln oder in Gruppen angeordnet sind, so dass eine Vielzahl von Kapazitäten C₁ bis C₁₂ gebildet sind, und dass für eine Sensierung der Kippbewegung der Schwingstruktur (2) in einer oder mehreren Achsen (x, y, z) aus den Kapazitätsänderungen der sich in etwa gegenüber­ liegenden Kapazitäten die Sensorsignale herleitbar sind.

3. Drehratensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, dass
jeweils zwei Elektroden (20, 21 und 22, 23) beidseitig ei­ ner Achse (x) in der Hauptkipprichtung sich gegenüberlie­ gend angeordnet sind, so dass an einem Ende Kapazitäten C₁ und C₂ mit den Elektroden (22, 23) und am anderen Ende Kapazitäten C₃ und C₄ mit den Elektroden (21, 22) gebildet sind, so dass für eine Sensierung in der Hauptkippachse (x) das Sensorsignal aus der Beziehung
C₁ +C₂/C₃ + C₄
gebildet ist und für eine Sensierung in der senkrecht da­ zu verlaufenden Achse (y) das entsprechende Sensorsignal aus der Beziehung
C₂ + C₄/C₁ + C₃
herleitbar ist.

4. Drehratensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, dass
vier Elektroden (30, 31, 32, 33) jeweils in einem Winkelab­ stand von 45° so angeordnet sind, dass auf einer Achse (x) in der Hauptkipprichtung die Elektroden (30,32) sich gegenüberliegen, so dass in dieser Richtung Kapazitäten C₁ und C₃ und in der anderen Richtung (y) Kapazitäten C₂ und C₄ mit den Elektroden (31, 33) gebildet sind, so dass für eine Sensierung in der Hauptkippachse (x) das Sensor­ signal aus der Beziehung
C₁/C₃
gebildet ist und für einen Sensierung in der senkrecht dazu verlaufenden Achse (y) das entsprechende Sensorsig­ nal aus der Beziehung
C₂/C₄
herleitbar ist.

5. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schwingstruktur (2) an mehreren radial verteilten je­ weils quer zur zu sensierenden Kipprichtung ausgerichte­ ten Aufhängebalken (6) drehbeweglich aufgehängt ist, de­ ren Aspektverhältnis so gestaltet ist, dass die Empfind­ lichkeit des Drehratensensor in der jeweils zu sensieren­ den Richtung am größten ist.

6. Drehratensensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, dass
die Aufhängebalken (6; 52; 53) an einem zentralen Aufhänge­ punkt (5) am Grundelement gelagert sind.

7. Drehratensensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, dass
die Aufhängebalken jeweils an mehreren nichtzentralen Aufhängepunkten (60, 61; 62, 63) am Grundelement gelagert sind.

8. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass
der Drehratensensor als Beschleunigungssensor zur Erfas­ sung von Winkelbeschleunigungen in einem beweglichen mo­ bilen System zur Auslösung von Sicherheits- oder sonsti­ gen Systemen heranziehbar ist.

9. Drehratensensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, dass
das bewegliche mobile System eine Kraftfahrzeug ist.