EP2997330A1 - Drehratensensor mit einem eine haupterstreckungsebene aufweisenden substrat zur detektion einer drehrate - Google Patents

Drehratensensor mit einem eine haupterstreckungsebene aufweisenden substrat zur detektion einer drehrate

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Publication number
EP2997330A1
EP2997330A1 EP14724417.2A EP14724417A EP2997330A1 EP 2997330 A1 EP2997330 A1 EP 2997330A1 EP 14724417 A EP14724417 A EP 14724417A EP 2997330 A1 EP2997330 A1 EP 2997330A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
mass
primary
rate sensor
pair
rotation rate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14724417.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Maul
Burkhard Kuhlmann
Mirko Hattass
Ralf AMELING
Benjamin Schmidt
Rolf Scheben
Thorsten Balslink
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2997330A1 publication Critical patent/EP2997330A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5705—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01C19/574—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
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    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/574—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
    • G01C19/5747—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion each sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames

Definitions

  • the invention relates to a rotation rate sensor according to the preamble of the main claim.
  • Rate of rotation sensors are known from the prior art and are able to determine the rotation rates of a rotational movement.
  • WO 03/064975 A1 discloses a rotation rate sensor with two oscillating mass elements (two-mass system).
  • such gyroscopes have two oscillatory masses (partial oscillators) which are driven to an anti-parallel mode.
  • In the presence of a rate of rotation is by the Coriolis force an antiparallel
  • a partial oscillator is composed of a drive oscillator and a Coriolis oscillator.
  • the drive oscillator only carries out the drive movement and not the detection oscillation.
  • the Coriolis element makes both the drive vibration and the
  • Rotational vibration about the sensitive axis leads directly to a rotation rate signal.
  • the rotational vibration takes place at the frequency with which the
  • Rotation rate sensor is driven and takes place in phase with a Coriolis force results in a particularly high degree of interference. Furthermore, a linear acceleration along the detection direction leads to an unwanted deflection of the partial oscillator.
  • rotation rate sensors are known in which a plurality of two-mass systems are connected by springs in order to detect rotation rates in more than one direction.
  • the necessary increase in complexity of the sensor structure makes the yaw rate sensor more susceptible to spurious modes and therefore makes it more difficult to assign the measured capacitances to the yaw rates. It is therefore an object of the present invention to provide a rotation rate sensor which does not have the disadvantages of the prior art and is nevertheless compact, in particular if it is a multi-channel rotation rate sensor.
  • a rotation rate sensor comprising four seismic masses, wherein the four seismic masses can be subdivided into a primary pair of seismic masses, consisting of a first primary mass and a second primary mass, and into a secondary pair of seismic masses, consisting of a first secondary mass and a second secondary mass. It is inventively provided that both the primary pair and the secondary pair are arranged directly or indirectly on the substrate, preferably via springs, so that all four seismic masses (ie, primary and secondary pair) extend in a direction parallel to the main plane of extension relative to the substrate can move (in particular, can be driven).
  • the primary pair moves substantially parallel to each other along a primary deflection direction and the secondary pair substantially parallel to each other along a secondary deflection direction, the primary deflection direction and the secondary deflection direction being perpendicular to each other.
  • the first and the second primary mass and, on the other hand, the first and the second secondary mass move either parallel to one another or antiparallel.
  • the first and the second oscillate move either parallel to one another or antiparallel.
  • the first and the second secondary mass in opposite phase to each other, ie. they are essentially moving in opposite directions.
  • the primary pair and the secondary pair of seismic masses are driven so that upon rotation of the
  • the first secondary mass and second secondary mass leads. It is provided that the rotation rate sensor can detect the rotation rate along at least one, preferably a plurality of directions. It is advantageous over the prior art that the movement of the primary pair of seismic masses or of the secondary pair of seismic masses can be both a drive movement and a Coriolis movement as well as a detection movement.
  • Drive movements are all movements that occur when the rotation rate sensor is not rotated, ie when there is no rate of rotation.
  • Coriolis movements are understood to mean those movements resulting from the action of the Coriolis force, and detection movements, those whose Capacitive movement, preferably via electrodes, is detected and thereby serve the quantitative determination of the rotation rate.
  • the yaw rate sensor can detect at least two yaw rates whose directions are also perpendicular to each other because the seismic masses of the first and second seismic mass masses are not just the same Drive movement, but also can perform the Coriolis movements.
  • a rotation rate sensor can be formed, which can simultaneously measure several, running in different directions rotation rate.
  • Main plane of extension the primary pair of seismic masses, the secondary pair of seismic masses, i. the first primary mass and the second primary mass are located opposite each other, and the secondary pair of seismic mass is between the first primary mass and the second primary mass.
  • the first and the second primary mass via two coupling elements, in particular two rocker-like coupling elements, connected to each other, wherein the secondary pair of seismic masses between both the first and the second primary mass and between the two (rocker-like) coupling elements is arranged.
  • the first and the second secondary mass are operatively connected via the (rocker-like) coupling elements and the primary pair of seismic masses such that the first and second secondary mass do not move parallel to each other along the secondary propagation direction can, or can be deflected. Rather, prevents the coupling of the first and the second secondary masses on the rocker-like coupling element, the deflection when first and second secondary mass to move in the same direction parallel to each other.
  • Deflection of the secondary pair along the secondary deflection direction is provided as a detection movement.
  • the coupling prevents first and second primary masses from being simultaneously moved in the same direction.
  • the primary pair of seismic masses drive drive along the primary deflection direction and the Coriolis motion along a plane perpendicular to the primary deflection axis (and parallel to
  • Main extension plane Main extension plane
  • the Coriolis motion causes the detection movement along the secondary deflection direction of the secondary pair of seismic masses (via a rocker-type coupling).
  • a rotation rate running perpendicular to the main extension plane can be determined.
  • a coupling of the primary pair and the secondary pair via a rocker-like coupling element can then reduce the sensitivity of the rotation rate sensor to linear accelerations and spins about a rotation axis perpendicular to the main plane of extension.
  • the force acts on the secondary pair of seismic mass in a direction parallel to the secondary deflection direction.
  • the force acts on the secondary pair of seismic mass in a direction parallel to the secondary deflection direction.
  • the (rocker-type) coupling between primary and secondary pairs of seismic masses is used to form a
  • first and the second primary mass preferably via
  • the secondary pair is driven via the coupling elements by the deflection movement of the primary pair to a deflection movement along the secondary deflection direction.
  • the detection movement takes place, both for the primary pair and for the secondary pair of seismic masses, along a direction perpendicular to the main extension plane.
  • the detection means are electrodes comprising substrate and seismic mass.
  • Such a rotation rate sensor is provided for determining rotation rates which are parallel to the main extension plane, and is in advantageous manner robust against disturbing influences whose force effect in a direction parallel to the main plane of extension, such as linear accelerations and
  • the coupling elements are designed such that the secondary pair of seismic masses can additionally perform a detection movement in a direction perpendicular to the secondary deflection direction and parallel to the main extension plane, i. first and second secondary mass are movable in this direction.
  • the rotation rate sensor can detect both rotation rates which extend parallel to the main extension plane as well as those which extend perpendicular to the main extension plane, and is advantageously robust against
  • Main extension plane in particular linear accelerations and
  • both the primary pair of seismic masses and the secondary pair of seismic masses are exclusively via the
  • Coupling element connected to the substrate.
  • the seismic masses advantageously as much freedom of movement for
  • Freedom of movement is not limited only the coupling via a spring to the substrate.
  • the primary pair and / or the secondary pair comprises a detection mass.
  • the detection mass may be arranged so that it performs only a detection movement.
  • FIG. 1 shows an embodiment according to the invention of a single-channel ⁇ rotation rate sensor, wherein FIG. 1 (a) shows the operating state without yaw rate and FIG. 1 (b) the operating state with a yaw rate along a direction perpendicular to the main extension plane (z direction),
  • FIG. 2 shows a first embodiment according to the invention of a two-channel Qxy yaw rate sensor, FIG. 2 (a) the operating state without yaw rate, FIG. 2 (b) the operating state with a yaw rate along a first yaw rate direction parallel to the main extension plane (y direction) and FIG ) the operating state with a Rotation rate along a second rotation rate direction parallel to the main extension plane (x direction),
  • FIG. 3 shows a (b) the operating state with a rotation rate along a first rotation rate direction parallel to the main extension plane (y-direction),
  • FIG. 3 (a) shows the operating state without rotational rate.
  • 3 shows the operating state with a rotation rate along a direction perpendicular to the main extension plane (z-direction)
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a three-channel Qxyz according to the invention -
  • FIG. 4 (b) shows the operating state with a rotation rate along a first rotation rate direction parallel to the main extension plane (y-direction)
  • FIG. 4 (c) shows the operating state with a rotation rate along a second rotation rate direction in parallel to the main extension plane (x direction)
  • Figure 4 (d) represents the operating state with a rotation rate along a direction perpendicular to the main extension plane (z direction)
  • FIG. 5 shows a second embodiment according to the invention of a two-channel Qxy yaw rate sensor in the operating state without yaw rate.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an ⁇ rotation rate sensor 100 according to the invention in a schematic representation.
  • This ⁇ yaw rate sensor is designed to measure yaw rates that are along the z direction (that is, perpendicular to the yaw rate)
  • Rotation rate sensor in operating state, if there is no yaw rate in z-direction.
  • the movements of one or more seismic masses in this state are
  • the illustrated rotation rate sensor comprises a first primary mass 11 and a second primary mass 12, which face each other and in this embodiment function as Coriolis masses.
  • Coriolis masses are to be understood as meaning those seismic masses which, due to the Coriolis force, carry out a Coriolis movement (without any relevant rate of rotation in the illustrated operating state
  • the first and second Primary mass 11 and 12 are via drive masses 2 (which are coupled via springs 9 to the substrate 1 of the rotation rate sensor,) to oscillate in a primary
  • the yaw rate sensor has comb drive structures that control the movement of the drive masses 2. It is intended that the
  • first and the second primary mass PI and P2 takes place in anti-phase, i. the movements of the first and second primary masses 11 and 12 are anti-parallel (in opposite directions).
  • a rocker structure or rocker 30 is arranged at two locations as an example of a (rocker-type) coupling element. The single one
  • Rocker structure 30 is fixedly connected to the substrate 1 and has a rocker base 33 and a rocker beam 31.
  • the rocker base 33 may also be part of the substrate 1.
  • the rocker beam 31 is arranged on the rocker base 33 that the
  • Rocker beam 31 a rotational movement about an axis of rotation perpendicular to
  • rocker movement Main extension plane (hereinafter referred to as rocker movement).
  • rocker beam 31 is operatively connected via springs 32 both with the first primary mass 11 and with the second primary mass 12.
  • the two rocker structures between the first and the second primary mass 11 and 12 are so to each other
  • Rocker structure with the first secondary mass 21 and the other rocker structure is operatively connected to the second secondary mass 22.
  • the first and the second secondary mass 21 and 22 are in the present
  • Embodiment movable in a direction perpendicular to the primary deflection direction secondary deflection direction and coupled via further springs 8 to the substrate 1. They function as detection masses in the illustrated embodiment. That their movement along the secondary deflection direction corresponds to one
  • detection means preferably comb structures or electrodes, in the region of the secondary pair 21,22 of the
  • Rotation rate sensor it is advantageous to arrange the secondary pair of seismic masses 21,22 so that they are surrounded / enclosed by the primary pair of seismic masses.
  • the primary pair 11, 12 formally frames the secondary pair 21, 22 in a plane parallel to the main plane of extension.
  • the first secondary mass 21 and the second secondary mass 22 are above the two rocker structures 30 and the primary pair of seismic masses 11, 12
  • this active compound prevents the first
  • Secondary mass 21 and the second secondary mass 22 can move simultaneously in the same direction along the detection direction.
  • the active compound prevents the first primary mass and the second primary mass from simultaneously moving in the same direction.
  • the first and second primary masses 11 and 12 move either toward or away from each other.
  • FIG. 1 (b) shows the ⁇ rotation rate sensor in the operating state when there is a yaw rate in the z direction.
  • the Coriolis force acts on the first and second primary masses 11 and 12.
  • the driven movement of the first and second primary masses 11 and 12 is superimposed (along the primary deflection direction) with one
  • Coriolis motion is the movement caused by the Coriolis force. Since the first and second primary masses 11 and 12 are driven to vibrate in an anti-parallel mode (i.e., out of phase), the Coriolis motion of the first primary mass PI * is also opposite to the Coriolis motion of the second primary mass P2 *. This supports the rocker movement. In the rocker movement, the rocker structure 30 transmits its rotational movement to the first and second
  • Secondary mass 21 or 22 whereby the first (or second secondary mass) is deflected along a secondary deflection direction Sl * or S2 *, wherein the secondary deflection direction is perpendicular to the primary deflection direction (i.e.
  • Rotational movement of the rocker structure is transferred to a translational movement of the first and second secondary masses 21 and 22, respectively).
  • the rocker movements of the two rocker structures in the present embodiment are in opposite directions (i.e., the rotational movement of one rocker structure takes place in a clockwise direction, while the other rotational movement takes place in a counterclockwise direction).
  • the first and second secondary masses 21 and 22 move past each other in opposite directions.
  • the rocker structure 30 prevents the first and second primary masses 11 and 12 and the first and second secondary masses 21 and 22 from being simultaneously moved in the same direction.
  • the yaw rate sensors 100 illustrated in the following FIGS. 2 to 4 essentially differ from the yaw rate sensor of FIG. 1 in that both the primary pair 11, 12 of seismic masses and the secondary pair of seismic masses 21, 22 are drive mass, coriolis mass and detection mass , Therefore, an additional drive mass is usually not required and therefore not included in the following figures.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a two-channel qxy yaw rate sensor according to the invention in a schematic representation.
  • This Qxy yaw rate sensor is designed to measure yaw rates that are along the x-direction and the y-axis (that is, parallel to the main extension plane of the yaw-rate sensor).
  • FIG. 2 (a) shows the rotation rate sensor in the operating state when there is neither a yaw rate in the y direction nor in the x direction.
  • both the primary pair of seismic masses and the secondary pair of seismic masses are contemplated that both the primary pair of seismic masses and the secondary pair of seismic masses.
  • Figure 2 (b) illustrates the qxy yaw rate sensor of Figure 2 (a) in the operating state when yaw rate is in the y-direction (i.e., parallel to the main plane of extension and perpendicular to the secondary yaw direction).
  • the first and second secondary mass move perpendicular to the yaw rate in the y-direction and in opposite directions.
  • a Coriolis force acts on them and it comes to the Coriolis movement of the first and the second secondary mass (Sl * and S2 *) in a perpendicular to
  • Figure 2 (c) illustrates the qxy yaw rate sensor of Figure 2 (a) in the operating state when there is a yaw rate in the x direction (i.e., parallel to the main plane of extension and to the secondary yaw direction). In this situation, the first and second move
  • a two-channel Qxy yaw rate sensor it is provided that it comprises at least two detection means, wherein a first detection means detects the detection movement of the first and second secondary masses 12 and 22 and the second detection means detects the detection movement of the first and second primary masses 11 and 12.
  • a qxy yaw rate sensor as described in FIGS. 2 (a) - (c), has the advantage of being robust to linear accelerations and spins, of which
  • the three-channel Qxyz rotation rate sensor of Figure 3 in addition to the two-channel Qxy yaw rate sensor, a coupling system (not shown), with which it is possible to move the first and the second secondary mass along a further detection direction perpendicular to the secondary deflection direction when move the first primary mass 11 and the second primary mass 12 parallel to the main extension plane or move away from each other.
  • the Coriolis force acts so that the first primary mass 11 and the second primary mass 12 are vertical to the primary deflection direction (drive movement) moved toward each other or
  • a three-channel Qxyz yaw rate sensor it is provided that it comprises at least three detection means, wherein a first detection means the
  • the second detection means detects the detection movement of the first and second primary mass 11 and 12 and the third detection means, the detection movement of the first and second secondary mass 21 and 22 in a detected parallel to the main extension plane extending further detection direction (S1 **, S2 **).
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a three-channel Qxyz yaw rate sensor according to the invention in a schematic representation.
  • This Qxyz yaw rate sensor is designed to measure yaw rates that are along the x, y, and z axes (that is, parallel and perpendicular to the main plane of the yaw rate sensor).
  • the three-channel qxyz yaw rate sensor differs from that of FIG. 3 only in that the secondary pair of seismic masses 21, 22 includes detection masses 6. In this case, the detection mass 6 are connected to the secondary pair 21, 22 in such a way that it does not hinder the detection movement of the first and second secondary masses 21 and 22 in a direction perpendicular to the main extension plane. This results in the same for the in Figures 4 (a) to (c)
  • the first and the second secondary masses 21 and 22 are each connected to a detection mass 6, wherein the respective detection mass 6 can move in a direction parallel to the main extension plane and perpendicular to the secondary deflection direction.
  • the detection masses perform a detection movement when the first and second secondary masses 21 and 22 are brought to a Coriolis motion by a Coriolis force.
  • the robustness against interference accelerations is advantageously increased.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a two-channel qxy yaw rate sensor according to the invention in a schematic representation.
  • This Qxy yaw rate sensor is designed to measure yaw rates that are along the x-direction and y-axis (ie, parallel to the main extension plane of the yaw-rate sensor).
  • Figure 5 (a) shows the Rotation rate sensor in the operating state, if neither a yaw rate in the y-direction nor one in the x-direction exists.
  • the illustrated rotation rate sensor differs from the embodiment described in FIG. 2 in that the rocker structures 30 are attached at other locations.
  • the drive movements of the individual masses (PI, P2, Sl and S2) and their detection movement run both in the operating state without rotation rate as well as in the operating state with yaw rate in the same directions.
  • the coupling elements can transmit the drive movement of the primary pair to the drive movement of the second pair. It is advantageous in this embodiment that the connected to the substrate 3

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Abstract

Es wird ein Drehratensensor (100) mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat (1) zur Detektion einer Drehrate, wobei sich die Drehrate in eine sich entweder parallel zur Haupterstreckungsebene oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung erstreckt, wobei der Drehratensensor ein primäres Paar seismischer Massen (11,12) und eine sekundäres Paar seismischer Massen (21,22) umfasst, wobei das primäre Paar seismischer Massen eine erste Primärmasse (11) und eine zweite Primärmasse (12) aufweist und das sekundäre Paar seismischer Massen eine erste Sekundärmasse (21) und eine zweite Sekundärmasse (22) aufweist, wobei die erste Primärmasse und die zweite Primärmasse zueinander entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors verlaufenden primären Auslenkungsrichtung (P) relativ zum Substrat bewegbar sind und die erste Sekundärmasse und die zweite Sekundärmasse entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors verlaufenden sekundären Auslenkungsrichtung (S) relativ zum Substrat bewegbar sind, wobei einerseits die erste und zweite Primärmasse und andererseits die erste und die zweite Sekundärmasse entweder antiparallel oder parallel zueinander gemäß der jeweiligen Auslenkungsrichtung bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die primäre Auslenkungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur sekundären Auslenkungsrichtung erstreckt und wobei das primäre Paar seismischer Massen und/oder das sekundäre Paar seismischer Massen so antreibbar sind, dass bei einer Rotation des Drehratensensor die Corioliskraft zur Auslenkung der ersten Primärmasse und der zweiten Primärmasse und/oder der ersten Sekundärmasse und der zweiten Sekundärmasse führt.

Description

Beschreibung:
Titel: Drehratensensor mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisenden
Substrat zur Detektion einer Drehrate
Stand der Technik:
Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Drehratensensoren sind aus dem Stand der Technik bekannt und sind in der Lage, die Drehraten einer Rotationsbewegung zu bestimmen. Beispielsweise ist aus der Druckschrift WO 03064975 AI ein Drehratensensor mit zwei schwingenden Massenelementen (Zwei- Massensystem) bekannt. Typischerweise weisen solche Drehratensensoren zwei schwingfähige Massen (Teilschwinger) auf, welche zu einer antiparallelen Mode angetrieben werden. Bei Vorliegen einer Drehrate wird durch die Corioliskraft eine antiparallele
Detektionsschwingung angeregt, welche kapazitiv erfasst wird und mittels einer
Auswerteelektronik in eine Drehrate umgerechnet wird. Es ist Stand der Technik, dass ein Teilschwinger aus einem Antriebsschwinger und einem Coriolisschwinger aufgebaut ist. Der Antriebsschwinger macht nur die Antriebsbewegung mit und nicht die Detektionsschwingung. Das Corioliselement macht sowohl die Antriebsschwingung als auch die
Detektionsschwingung mit. Neben der Corioliskraft gibt es für praktisch relevante Einsatzfälle weitere Kräfte, denen Sensoren bzw. Teile davon ausgesetzt sind und die ebenfalls ein Signal hervorrufen können bzw. die das der Corioliskraft zugeordnete Signal verfälschen können, insbesondere Trägheitskräfte hervorgerufen durch Linearbeschleunigungen und durch Drehbeschleunigungen. Das Auftreten dieser Kräfte führt nachteilig zu Fehlsignalen im Betrieb, weil beispielsweise eine Drehbeschleunigung, zum Beispiel in Form einer
Rotationsschwingung um die empfindliche Achse, direkt zu einem Drehratensignal führt. Insbesondere, wenn die Rotationsschwingung mit der Frequenz erfolgt, mit der der
Drehratensensor angetrieben wird und in Phase mit einer Corioliskraft erfolgt, resultiert eine besonders große Störbarkeit. Ferner führt auch eine Linearbeschleunigung entlang der Detektionsrichtung zu einer ungewollten Auslenkung der Teilschwinger.
Weiterhin sind solche Drehratensensoren bekannt, bei denen mehrere Zwei- Massensysteme durch Federn verbunden sind, um Drehraten in mehr als eine Richtung zu detektieren. Die dazu notwendige Komplexitätssteigerung des Sensoraufbaus macht den Drehratensensor dabei anfälliger für Störmoden und erschwert deshalb die Zuordnung der gemessenen Kapazitäten zu den Drehraten. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehratensensor zur Verfügung zu stellen, welcher die Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und dabei trotzdem kompakt ist, insbesondere wenn es sich um einen mehrkanaligen Drehratensensor handelt.
Offenbarung der Erfindung: Die Aufgabe wird gelöst durch einen Drehratensensor der vier seismische Massen umfasst, wobei sich die vier seismischen Massen unterteilen lassen in ein primäres Paar seismischer Massen, bestehend aus einer ersten Primärmasse und einer zweiten Primärmasse, und in ein sekundäres Paar seismischer Massen, bestehend aus einer ersten Sekundärmasse und einer zweiten Sekundärmasse. Es ist dabei erfindungsgemäß vorgesehen, dass sowohl das primäre Paar als auch das sekundäre Paar direkt oder indirekt am Substrat, vorzugsweise über Federn, so angeordnet sind, dass sich alle vier seismischen Massen (d.h. primäres und sekundäres Paar) in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung relativ zum Substrat bewegen können(, insbesondere angetrieben werden können). Dabei bewegt sich das primäre Paar im Wesentlichen jeweils parallel entlang einer primären Auslenkungsrichtung und das sekundäre Paar im Wesentlichen jeweils parallel entlang einer sekundären Auslenkungsrichtung, wobei die primäre Auslenkungsrichtung und die sekundäre Auslenkungsrichtung senkrecht zueinander verlaufen. Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich einerseits die erste und die zweite Primärmasse und andererseits die erste und die zweite Sekundärmasse entweder zueinander parallel oder antiparallel bewegen. Vorzugsweise schwingen einerseits die erste und die zweite
Primärmasse bzw. andererseits die erste und die zweite Sekundärmasse gegenphasig zueinander, d.h. sie bewegen sich im Wesentlichen in entgegengesetzte Richtungen.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das primäre Paar und das sekundäre Paar seismischer Massen so angetrieben werden, dass bei einer Rotation des
Drehratensensors die Corioliskraft zu einer Auslenkung
-- der ersten Primärmasse und der zweiten Primärmasse
und/oder
-- der ersten Sekundärmasse und zweiten Sekundärmasse führt. Dabei ist es vorgesehen, dass der Drehratensensor die Drehrate entlang mindestens einer, vorzugsweise mehrerer Richtungen erfassen kann. Es ist dabei gegenüber dem Stand der Technik von Vorteil, dass die Bewegung des primären Paares seismischer Massen bzw. des sekundären Paares seismischer Massen sowohl eine Antriebsbewegung, als auch eine Coriolisbewegung als auch ein Detektionsbewegung sein kann. Als Antriebsbewegungen werden alle Bewegungen bezeichnet, die erfolgen, wenn der Drehratensensor nicht gedreht wird, d.h. wenn keine Drehrate vorliegt. Unter Coriolisbewegungen werden solche Bewegungen verstanden, die aus der Wirkung der Corioliskraft resultieren, und Detektionsbewegungen, diejenigen, deren Bewegung kapazitiv, vorzugsweise über Elektroden, erfasst wird und dadurch der quantitativen Bestimmung der Drehrate dienen. Da sich das primäre und das sekundäre Paar seismischer Massen in senkrecht zueinander stehenden Richtungen bewegen, können dementsprechend vom Drehratensensor zumindest zwei Drehraten ermittelt werden, deren Richtungen ebenfalls zueinander senkrecht stehen, weil die seismischen Massen des ersten und des zweite Paares seismische Masse nicht nur jeweils die Antriebsbewegung, sondern auch die Coriolisbewegungen vollziehen können. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass in sehr kompakter Form, bestehend aus nur vier seismischen Massen, ein Drehratensensor gebildet werden kann, der gleichzeitig mehrere, in verschiedene Richtung verlaufende Drehraten messen kann.
In einer besonders kompakten Ausführungsform umrahmt in der Ebene parallel zu
Haupterstreckungsebene das primäre Paar seismischer Massen das sekundäre Paar seismischer Massen, d.h. die erste Primärmasse und die zweite Primärmasse sind einander gegenüber angeordnet und das sekundäre Paar seismische Masse liegt zwischen der ersten Primärmasse und der zweiten Primärmasse.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die erste und die zweite Primärmasse über zwei Kopplungselemente, insbesondere zwei wippenartige Kopplungselemente, miteinander verbunden, wobei das sekundäre Paar seismischer Massen zwischen sowohl der ersten und der zweiten Primärmasse als auch zwischen den beiden (wippenartige) Kopplungselementen angeordnet ist. Weiterhin ist es in dieser Ausführungsform vorgesehen, dass die erste und die zweite Sekundärmasse über die (wippenartigen) Kopplungselemente und über das primäre Paar seismischer Massen derart wirkverbunden sind, dass sich die erste und die zweite Sekundärmasse nicht parallel (zueinander) entlang der sekundären Ausbreitungsrichtung bewegen können, bzw. auslenken lassen. Vielmehr verhindert bzw. blockiert die Kopplung der ersten und der zweiten Sekundärmassen über das wippenartige Kopplungselement die Auslenkung, wenn sich erste und zweite Sekundärmasse in dieselbe parallel zueinander liegende Richtung bewegen wollen. Externe Kraftwirkungen, die die erste und die zweite Sekundärmasse in die sekundäre Auslenkungsrichtung auslenken würden, (wie z.B. eine Linearbeschleunigung entlang der sekundären Auslenkungsrichtung und/oder eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene ausgerichtete Drehbeschleunigung), können daher auf vorteilhafte Weise in der Regel nicht zu einem Störsignal führen, wenn die
Auslenkung des sekundären Paares entlang der sekundären Auslenkungsrichtung als Detektionsbewegung vorgesehen ist. Zusätzlich verhindert die Kopplung, dass erste und zweite Primärmasse gleichzeitig in dieselbe Richtung bewegt werden können. In einer alternativen Ausführungsform, führt das primäre Paar seismischer Massen die Antriebsbewegung entlang der primären Auslenkungsrichtung und die Coriolisbewegung entlang einer senkrecht zur primären Auslenkungsachse (und parallel zur
Haupterstreckungsebene verlaufenden ) Richtung aus, und die Coriolisbewegung verursacht die Detektionsbewegung entlang der sekundären Auslenkungsrichtung des sekundären Paares seismischer Massen (über eine wippenartige Kopplung). Mit einem solchen Sensor kann eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Drehrate bestimmt werden. Eine Kopplung des primären Paares und des sekundären Paares über ein wippenartiges Kopplungselement kann dann die Empfindlichkeit des Drehratensensors gegenüber Linearbeschleunigungen und Drehbeschleunigungen um eine Drehachse senkrecht zur Haupterstreckungsebene reduzieren. (D.h. es können die Signalbeiträge von solchen Störeinflüssen in vorteilhafter Weise reduziert werden, deren Kraftwirkungen auf das sekundäre Paar seismische Masse in eine sich parallel zur sekundären Auslenkungsrichtung verlaufende Richtung erfolgen.) Dabei verhindert einerseits die (wippenartige) Kopplung, dass die Detektionsbewegung des sekundären Paares störend beeinflusst wird, und andererseits kann die externe Kraftwirkung nicht die Coriolisbewegung des primären Paares der seismischen Massen (und damit über die wippenartige Kopplung die
Detektionsbewegung des sekundären Paares der seismischen Massen) beeinflussen.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform wird die (wippenartige) Kopplung zwischen primären und sekundären Paar seismischer Massen dazu genutzt, eine
Antriebsbewegung des sekundären Paares seismischer Massen zu realisieren. Dabei ist es vorgesehen, dass die erste und die zweite Primärmasse, vorzugsweise über
Antriebselektroden, zu eine antiparallelen Schwingung angeregt werden. Diese antiparallele Schwingung bewirkt ihrerseits, dass über die Kopplungselement die erste und die zweite Sekundärmasse angetrieben werden, wobei sich diese beiden seismischen Massen ebenfalls zueinander antiparallel bewegen. Das verringert in vorteilhafter Weise die
Komplexität der zum Antrieb der seismischen Massen notwendigen Antriebs- und
Auswertungsschaltungen des Drehratensensors, da andernfalls das primäre Paar seismischer Massen und das sekundäre Paar seismischer Massen jeweils einzeln angetrieben werden müssten.
In einer weiteren Ausführungsform wird das sekundäre Paar über die Kopplungselemente durch die Auslenkungsbewegung des primären Paares zu einer Auslenkungsbewegung entlang der sekundären Auslenkungsrichtung angetrieben. Dabei ist es vorgesehen, dass die Detektionsbewegung, sowohl für das primäre Paar als auch für das sekundäre Paar seismischer Massen entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung erfolgt. Vorzugsweise handelt es sich bei den Detektionsmitteln um Elektroden, die Substrat und seismische Masse aufweisen. Solch ein Drehratensensor ist vorgesehen zur Bestimmung von Drehraten, die parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufen, und ist in vorteilhafte Weise robust gegenüber Störeinflüssen, deren Kraftwirkung in eine parallel zur Haupterstreckungsebene Richtung erfolgen, wie z.B. Linearbeschleunigungen und
Drehbeschleunigungen.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Kopplungselemente so ausgebildet, dass das sekundäre Paar seismischer Massen zusätzlich eine Detektionsbewegung in eine senkrecht zur sekundären Auslenkungsrichtung und parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung vollziehen kann, d.h. erste und zweite Sekundärmasse sind in diese Richtung bewegbar. In dieser Ausführungsform kann der Drehratensensor sowohl Drehraten ermitteln, die sich parallel zur Haupterstreckungsebene erstrecken als auch solche, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufen, und ist in vorteilhafter Weise robust gegenüber
Störeinflüssen, deren Kraftwirkung in ein Richtung parallel und senkrecht zur
Haupterstreckungsebene erfolgen, insbesondere Linearbeschleunigungen und
Drehbeschleunigungen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind sowohl das primäre Paar seismischer Massen als auch das sekundäre Paar seismischer Massen ausschließlich über das
Kopplungselement mit dem Substrat verbunden. In dieser Ausführungsform wird den seismischen Massen in vorteilhafter Weise möglichst viel Bewegungsfreiheit für
Antriebsbewegung, Coriolisbewegung und Detektionsbewegung gegeben, da ihre
Bewegungsfreiheit nicht nur die Kopplung über eine Feder mit dem Substrat eingeschränkt wird.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das primäre Paar und/oder das sekundäre Paar eine Detektionsmasse. Dabei kann die Detektionsmasse so angeordnet sein, dass sie ausschließlich eine Detektionsbewegung vollzieht. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Robustheit gegenüber Störbeschleunigungen gesteigert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
Figur 1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines einkanaligen Ωζ- Drehratensensors, wobei Figur 1(a) den Betriebszustand ohne Drehrate und Figur 1(b) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene (z- Richtung) darstellt,
Figur 2 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines zweikanaligen Qxy- Drehratensensors, wobei Figur 2(a) den Betriebszustand ohne Drehrate, Figur 2(b) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer ersten Drehratenrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene (y-Richtung) und Figur 2(c) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer zweiten Drehratenrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene (x- Richtung) darstellt,
Figur 3 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines dreikanaligen Qxyz- Drehratensensors wobei Figur 3(a) den Betriebszustand ohne Drehrate, Figur 3(b) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer ersten Drehratenrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene (y-Richtung) , Figur 3(c) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer zweiten Drehratenrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene (x- Richtung) und Figur 3(d) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene (z-Richtung) darstellt, Figur 4 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines dreikanaligen Qxyz-
Drehratensensors wobei Figur 4(a) den Betriebszustand ohne Drehrate, Figur 4(b) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer ersten Drehratenrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene (y-Richtung) , Figur 4 (c) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer zweiten Drehratenrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene (x- Richtung) und Figur 4(d) den Betriebszustand mit einer Drehrate entlang einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene (z-Richtung) darstellt, und
Figur 5 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines zweikanaligen Qxy- Drehratensensors im Betriebszustand ohne Drehrate.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ωζ- Drehratensensors 100 in einer schematischen Darstellung. Dieser Ωζ- Drehratensensor ist zur Messung von Drehraten vorgesehen, die entlang der z-Richtung (d. h. senkrecht zur
Haupterstreckungsebene des Drehratensensors) verlaufen. Figur 1(a) zeigt den
Drehratensensor im Betriebszustand, wenn keine Drehrate in z-Richtung vorliegt. Die Bewegungen einer oder mehrerer seismischer Massen in diesem Zustand sind
ausschließlich Antriebsbewegungen. Der dargestellte Drehratensensor umfasst eine erste Primärmasse 11 und eine zweite Primärmasse 12, die einander gegenüberliegen und in dieser Ausführungsform als Coriolismassen fungieren. Als Coriolismassen sind solche seismische Massen zu verstehen, die aufgrund der Corioliskraft eine Coriolisbewegung ausführen (, wobei im dargestellten Betriebszustand ohne relevante Drehrate keine
Corioliskraft und damit auch keine Coriolisbewegung vorliegt). Die erste und zweite Primärmasse 11 und 12 werden über Antriebsmassen 2 (, die über Federn 9 an das Substrat 1 des Drehratensensors gekoppelt sind,) zu Schwingungen in eine primäre
Auslenkungsrichtung PI bzw. P2 angeregt, die parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft. Typischerweise verfügt der Drehratensensor über Kammantriebsstrukturen, die die Bewegung der Antriebsmassen 2 steuern. Es ist vorgesehen, dass die
Auslenkungsbewegung der ersten und der zweiten Primärmasse PI und P2 dabei gegenphasig erfolgt, d.h. die Bewegungen der ersten und der zweiten Primärmasse 11 und 12 verlaufen antiparallel (in entgegengesetzten Richtungen). Zwischen erster und zweiter Primärmasse 11 und 12 ist an zwei Stellen jeweils als ein Beispiel für ein (wippenartiges) Kopplungselement eine Wippenstruktur bzw. Wippe 30 angeordnet. Die einzelne
Wippenstruktur 30 ist ortsfest mit dem Substrat 1 verbunden und weist eine Wippenbasis 33 und einen Wippenbalken 31 auf. Dabei kann die Wippenbasis 33 auch ein Teil des Substrats 1 sein. Der Wippenbalken 31 ist so an der Wippenbasis 33 angeordnet, dass der
Wippenbalken 31 eine Drehbewegung um eine Rotationsachse senkrecht zur
Haupterstreckungsebene vollziehen kann (im Folgenden als Wippenbewegung bezeichnet). Dabei ist der Wippenbalken 31 über Federn 32 sowohl mit der ersten Primärmasse 11 als auch mit der zweiten Primärmasse 12 wirkverbunden. Die beiden Wippenstrukturen zwischen der ersten und der zweiten Primärmasse 11 und 12 sind so zueinander
angeordnet, dass ihre Wippenbewegungen in einer Ebene parallel zur
Haupterstreckungsebene erfolgen, und zwischen den Wippenstrukturen 30 eine erste und eine zweite Sekundärmasse 21 und 22 angeordnet sind. Darüber hinaus ist die eine
Wippenstruktur mit der ersten Sekundärmasse 21 und die andere Wippenstruktur ist mit der zweiten Sekundärmasse 22 wirkverbunden.
Die erste und die zweite Sekundärmasse 21 und 22 sind dabei in der vorliegenden
Ausführungsform in eine senkrecht zur primären Auslenkungsrichtung verlaufenden sekundären Auslenkungsrichtung bewegbar und über weitere Federn 8 an das Substrat 1 gekoppelt. Sie fungieren in der dargestellten Ausführungsform als Detektionsmassen. D.h. ihre Bewegung entlang der sekundären Auslenkungsrichtung entspricht einer
Detektionsbewegung, die kapazitiv erfasst wird. Dazu sind Detektionsmittel, vorzugsweise Kammstrukturen oder Elektroden, im Bereich des sekundären Paares 21,22 der
seismischen Masse angeordnet. Für eine besonders kompakte Bauweise des
Drehratensensor ist es vorteilhaft, das sekundäre Paar seismischer Massen 21,22 so anzuordnen, dass sie vom primären Paar seismischer Massen umgeben/eingeschlossen werden. Beim dargestellten Drehratensensor umrahmt das primäre Paar 11,12 förmlich das sekundäre Paar 21,22 in einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene. Insbesondere stehen die erste Sekundärmasse 21 und die zweite Sekundärmasse 22 über die beiden Wippenstrukturen 30 und das primäre Paar seismischer Massen 11,12 in
Wirkverbindung. Insbesondere verhindert diese Wirkverbindung, dass sich die erste
Sekundärmasse 21 und die zweite Sekundärmasse 22 gleichzeitig in dieselbe Richtung entlang der Detektionsrichtung bewegen können. Zusätzlich verhindert die Wirkverbindung, dass die erste Primärmasse und die zweite Primärmasse sich gleichzeitig in dieselbe Richtung bewegen können.
Im dargestellten Betriebszustand (ohne Drehrate in z-Richtung) bewegen sich die erste und die zweite Primärmasse 11 und 12 entweder auf einander zu oder voneinander weg.
Dadurch kann es zu keiner Wippenbewegung kommen.
Figur 1(b) zeigt Ωζ- Drehratensensor im Betriebszustand, wenn eine Drehrate in z-Richtung vorliegt. In diesem Fall wirkt die Corioliskraft auf die erste und die zweite Primärmasse 11 und 12. Dadurch überlagert sich die angetriebene Bewegung der ersten und der zweiten Primärmasse 11 und 12 (entlang der primären Auslenkungsrichtung) mit einer
Coriolisbewegung PI* und P2* senkrecht zur primären Auslenkungsrichtung. Als
Coriolisbewegung wird diejenige Bewegung bezeichnet, die durch die Corioliskraft verursacht wird. Da die erste und zweite Primärmasse 11 und 12 zu eine Schwingung in einer antiparallelen Mode (d.h. gegenphasig) angetrieben werden, ist die Coriolisbewegung der ersten Primärmasse PI* der Coriolisbewegung der zweiten Primärmasse P2* ebenfalls entgegengerichtet. Dies unterstützt die Wippenbewegung. Bei der Wippenbewegung überträgt die Wippenstruktur 30 seine Rotationsbewegung auf die erste bzw. zweite
Sekundärmasse 21 bzw. 22, wodurch die erster (bzw. zweite Sekundärmasse) entlang einer sekundären Auslenkungsrichtung Sl* oder S2* ausgelenkt wird, wobei die sekundäre Auslenkungsrichtung senkrecht zur primären Auslenkungsrichtung verläuft, (d.h. die
Rotationsbewegung der Wippenstruktur wird auf eine Translationsbewegung der ersten bzw. zweiten Sekundärmasse 21 bzw. 22 übertragen). Dabei erfolgen die Wippenbewegungen der beiden Wippenstrukturen in der vorliegenden Ausführungsform gegensinnig (d.h. die Drehbewegung der einen Wippenstruktur erfolgt im Uhrzeigersinn, während die andere Drehbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgt). Als Resultat bewegen sich die erste und die zweite Sekundärmasse 21 und 22 in entgegengesetzten Richtungen aneinander vorbei.
Vorteil dieser Anordnung ist, dass bei Einwirken einer Drehbeschleunigung um die z-Achse weder die Antriebsbewegungen noch die Detektionsbewegung so beeinflusst wird, dass die Drehbeschleunigung im Wesentlichen kein Beitrag zum Detektionssignal verursacht. Im Falle einer Drehbeschleunigung um die z-Richtung wirkt auf alle vier seismischen Massen eine gleichsinnige Kraft, deren Richtung parallel zur ersten primären Auslenkungsrichtung PI, P2 bzw. zur Detektionsrichtung Sl*, S2* verläuft. Damit kann einerseits keine Coriolisbewegung der ersten und der zweiten Primärachse 11 und 12 verursacht werden (,die dann wiederum über die Wippenbewegung die erste und die zweite Sekundärmasse 21 und 22 in
Detektionsrichtung bewegen ließen). Andererseits verhindert die Wippenstruktur 30 bei einer Linearbeschleunigung das erste und zweite Primärmasse 11 und 12 bzw. das erste und zweite Sekundärmasse 21 und 22 gleichzeitig in dieselbe Richtung bewegt werden können.
Die in den folgenden Figuren 2 bis 4 dargestellten Drehratensensoren 100 unterscheiden sich im Wesentlichen von dem Drehratensensor aus Figur 1 dadurch, dass sowohl das primäre Paar 11,12 seismischer Massen als auch das sekundäre Paar seismischer Massen 21,22 gleichzeitig Antriebsmasse, Coriolismasse und Detektionsmasse sind. Daher ist eine zusätzliche Antriebsmasse in der Regel nicht weiter erforderlich und daher in den folgenden Figuren nicht mehr enthalten.
Im Wesentlichen weisen die Drehratensensor aus den folgenden Figuren aber dieselben Merkmale auf wie der Drehratensensor aus Figur 1. Deshalb wird die Beschreibung der Merkmale vermieden oder vereinfacht dargestellt, die bereits in Figur 1 beschrieben wurden.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zweikanaligen Qxy- Drehratensensors in einer schematischen Darstellung. Dieser Qxy- Drehratensensor ist zur Messung von Drehraten vorgesehen, die entlang der x-Richtung und der y-Achse (d. h. parallel zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors) verlaufen. Figur 2(a) zeigt den Drehratensensor im Betriebszustand, wenn weder eine Drehrate in y-Richtung noch eine in x-Richtung vorliegt. In dieser Ausführungsform ist es vorgesehen, dass sowohl das primäre Paar seismischer Massen als auch das sekundär Paar seismischer Massen eine
Antriebsbewegung vollziehen. Dabei erfolgt die Auslenkung der ersten und der zweiten Primärmasse so, dass ihre antiparallele Schwingungsbewegung (PI und P2) eine
Wippenbewegung in beiden Wippenstrukturen verursachen, die zusammen wiederum die erste und die zweite Sekundärmasse entlang der sekundären Auslenkungsrichtung (Sl und S2) gegenphasig zueinander schwingen lassen.
Figur 2 (b) stellt den Qxy- Drehratensensor aus Figur 2(a) im Betriebszustand dar, wenn eine Drehrate in y-Richtung (d.h. parallel zur Haupterstreckungsebene und senkrecht zur sekundären Auslenkungsrichtung) vorliegt. In dieser Situation bewegen sich die erste und zweite Sekundärmasse senkrecht zur Drehrate in y-Richtung und in entgegengesetzten Richtungen. Damit wirkt eine Corioliskraft auf sie und es kommt zur Coriolisbewegung der ersten und der zweiten Sekundärmasse (Sl* und S2*) in eine senkrecht zur
Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung, wobei wegen der antiparallelen Antriebsbewegung auch die jeweils auf die erste und zweite Sekundärmasse wirkenden Corioliskräfte zueinander antiparallel gerichtet sind
Figur 2 (c) stellt den Qxy- Drehratensensor aus Figur 2(a) im Betriebszustand dar, wenn eine Drehrate in x- Richtung (d.h. parallel zur Haupterstreckungsebene und zur sekundären Auslenkungsrichtung) vorliegt. In dieser Situation bewegen sich die erste und zweite
Primärmasse senkrecht zur Drehrate in x- Richtung. Damit wirkt eine Corioliskraft auf sie und es kommt zur Coriolisbewegung der ersten und der zweiten Primärmasse (PI* und P2*) in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung.
Für solche zweikanaligen Qxy- Drehratensensor ist es vorgesehen, dass er mindestens zwei Detektionsm ittel umfasst, wobei ein erstes Detektionsmittel die Detektionsbewegung der ersten und der zweiten Sekundärmasse 12 und 22 erfasst und das zweite Detektionsmittel die Detektionsbewegung der ersten und zweiten Primärmasse 11 und 12.
Ein Qxy- Drehratensensor, wie in den Figuren 2 (a)-(c) beschrieben, hat den Vorteil, dass er robust gegenüber Linearbeschleunigungen und Drehbeschleunigungen ist, deren
Kraftwirkung in einer Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene erfolgt, da
Detektionsbewegungen ausschließlich in z-Richtung beobachtbar/messbar sind (und damit parallel zur Haupterstreckungsebene liegende Bewegungen nicht beobachtbar sind). Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass das sekundäre Paar seismische Masse 21,22 über das primäre Paar 11,12 (mit Hilfe der Wippenstruktur) angetrieben wird. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich die Komplexität der elektronischen Antriebs- und
Auswerteschaltung zu reduzieren.
Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen dreikanaligen Qxyz- Drehratensensors in einer schematischen Darstellung. Dieser Qxyz- Drehratensensor ist zur Messung von Drehraten vorgesehen, die entlang der x-Richtung, der y-Achse und der z- Achse (d. h. parallel und senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors) verlaufen. Zur Bestimmung der Drehraten in x-Richtung und y-Richtung werden dieselbe Anordnung und dasselbe Funktionsprinzip verwendet, die vom Qxy- Drehratensensor aus Figur 2 bekannt sind. Dies zeigen die Figuren 3 (a)-(c). Der dreikanalige Qxyz- Drehratensensor aus Figur 3 weist zusätzlich zu dem zweikanaligen Qxy- Drehratensensor ein Kopplungssystem (nicht eingezeichnet) auf, mit dem es möglich ist, die erste und die zweite Sekundärmasse entlang einer senkrecht zur sekundären Auslenkungsrichtung verlaufenden weiteren Detektionsrichtung zu bewegen, wenn sich die erste Primärmasse 11 und die zweite Primärmasse 12 parallel zur Haupterstreckungsebene aufeinander zubewegen bzw. voneinander wegbewegen. Im Falle einer Drehrate in z-Richtung wirkt die Corioliskraft so, dass die erste Primärmasse 11 und die zweite Primärmasse 12 senkrecht zur primären Auslenkungsrichtung (Antriebsbewegung) aufeinander zubewegt bzw.
voneinander wegbewegt werden (PI**, P2**) und damit dann erste und zweite
Sekundärmasse in die weitere Detektionsrichtung bewegt werden (S1**,S2**).
Für einen solchen dreikanaligen Qxyz- Drehratensensor ist es vorgesehen, dass er mindestens drei Detektionsmittel umfasst, wobei ein erstes Detektionsmittel die
Detektionsbewegung der ersten und der zweiten Sekundärmasse 21 und 22 in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Detektionsrichtung erfasst, das zweite Detektionsmittel die Detektionsbewegung der ersten und zweiten Primärmasse 11 und 12 erfasst und das dritte Detektionsmittel die Detektionsbewegung der ersten und der zweiten Sekundärmasse 21 und 22 in eine parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden weiteren Detektionsrichtung (S1**,S2**) erfasst.
Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen dreikanaligen Qxyz- Drehratensensors in einer schematischen Darstellung. Dieser Qxyz- Drehratensensor ist zur Messung von Drehraten vorgesehen, die entlang der x-Richtung, der y-Achse und der z- Achse (d. h. parallel und senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors) verlaufen. Der dreikanalige Qxyz- Drehratensensor unterscheidet sich von dem aus Figur 3 lediglich dadurch, dass das sekundäre Paar seismischer Massen 21,22 Detektionsmassen 6 umfasst. Dabei sind die Detektionsmasse 6 mit dem sekundären Paar 21,22 derart verbunden, dass sie die Detektionsbewegung der ersten und der zweiten Sekundärmasse 21 und 22 in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung nicht behindert. Damit ergeben sich für den in den Figuren 4 (a) bis (c) dieselben
Funktionsprinzipien bei denselben Betriebszuständen, wie sie entsprechend in den Figuren 3 (a) bis (c) vorgestellt wurden.
In Figur 4 (d) sind die erste und die zweite Sekundärmasse 21 und 22 mit jeweils einer Detektionsmasse 6 verbunden, wobei sich die jeweilige Detektionsmasse 6 in eine Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene und senkrecht zur sekundären Auslenkrichtung bewegen kann. Insbesondere vollziehen die Detektionsmassen eine Detektionsbewegung, wenn die erste und zweite Sekundärmasse 21 und 22 durch eine Corioliskraft zu einer Coriolisbewegung gebracht wird. Dadurch wird in vorteilhafterweise die Robustheit gegenüber Störbeschleunigungen erhöht.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zweikanaligen Qxy- Drehratensensors in einer schematischen Darstellung. Dieser Qxy- Drehratensensor ist zur Messung von Drehraten vorgesehen, die entlang der x-Richtung und der y-Achse (d. h. parallel zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors) verlaufen. Figur 5 (a) zeigt den Drehratensensor im Betriebszustand, wenn weder eine Drehrate in y-Richtung noch eine in x-Richtung vorliegt.
Der dargestellte Drehratensensor unterscheidet sich von der in Figur 2 beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass die Wippenstrukturen 30 an anderen Stellen angebracht sind. Die Antriebsbewegungen der einzelnen Massen (PI, P2, Sl und S2) sowie deren Detektionsbewegung verlaufen sowohl im Betriebszustand ohne Drehrate als auch im Betriebszustand mit Drehrate in dieselbe Richtungen.
Auch in dieser Ausführungsform können die Kopplungselemente die Antriebsbewegung des primären Paares auf die Antriebsbewegung des zweiten Paares übertragen. Dabei ist es in dieser Ausführungsform von Vorteil, dass die mit dem Substrat 3 verbundenen
Wippenstrukturen/Kopplungselemente zwischen der ersten bzw. zweiten Primärmasse 11 bzw. 12 und dem sekundären Paar seismischer Massen 21,22 angeordnet sind, wodurch der Drehsensor noch kompakter wird im Vergleich zu den Ausführungsformen aus den Figuren 1 bis 4.

Claims

Patenansprüche
1) Drehratensensor (100) mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisenden
Substrat (1) zur Detektion einer Drehrate, wobei sich die Drehrate in eine sich entweder parallel zur Haupterstreckungsebene oder senkrecht zur
Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung erstreckt, wobei der Drehratensensor (100) ein primäres Paar seismischer Massen (11,12) und eine sekundäres Paar seismischer Massen (21,22) umfasst, wobei
-- das primäre Paar seismischer Massen eine erste Primärmasse (11) und eine zweite Primärmasse (12) aufweist und
-- das sekundäre Paar seismischer Massen eine erste Sekundärmasse (21) und eine zweite Sekundärmasse (22) aufweist,
wobei
-- die erste Primärmasse (11) und die zweite Primärmasse (12) jeweils parallel zu einer zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors parallel verlaufenden primären Auslenkungsrichtung (P) relativ zum Substrat bewegbar sind
und
-- die erste Sekundärmasse (21) und die zweite Sekundärmasse (22) jeweils parallel zu einer zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors (100) parallel
verlaufenden sekundären Auslenkungsrichtung (S) relativ zum Substrat (1) bewegbar sind, wobei einerseits die erste Primärmasse (11) und zweite Primärmasse (12) andererseits die erste Sekundärmasse (21) und die zweite Sekundärmasse (22) entweder antiparallel oder parallel zueinander gemäß der jeweiligen
Auslenkungsrichtung bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die primäre Auslenkungsrichtung (P) im Wesentlichen senkrecht zur sekundären
Auslenkungsrichtung (S) erstreckt und wobei das primäre Paar seismischer Massen (11,12) und/oder das sekundäre Paar (21,22) seismischer Massen so antreibbar sind, dass bei einer Rotation des Drehratensensor die Corioliskraft zur Auslenkung
-- der ersten Primärmasse (11) und der zweiten Primärmasse (12)
und/oder
-- der ersten Sekundärmasse (21) und der zweiten Sekundärmasse (22) führt.
2) Drehratensensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Primärmasse (11) und/oder die zweite Primärmasse (12) mit der ersten
Sekundärmasse (21) und/oder zweiten Sekundärmasse (22) über ein
Kopplungselement (30) derart verbunden sind, dass eine durch Antriebsmittel verursachte primäre Antriebsbewegung (P) der ersten Primärmasse (11) und der zweite Primärmasse (12) zu einer sekundären Antriebsbewegung (S) der ersten Sekundärmasse (21) und der zweiten Sekundärmasse (22) führt, und/oder derart verbunden, dass eine durch Corioliskräfte verursachte primäre Coriolisbewegung der ersten Primärmasse (11) und der zweite Primärmasse (12) zu einer sekundären Detektionsbewegung (S) der ersten Sekundärmasse (21) und der zweiten
Sekundärmasse (22) führt.
3) Drehratensensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (30) eine Wippenstruktur aufweist.
4) Drehratensensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass sowohl das primäre Paar seismischer Massen (11,12) als auch das sekundäre Paar seismischer Massen (21,22) durch die Corioliskraft in eine Detektionsrichtung bewegt werden, wobei die Detektionsrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft.
5) Drehratensensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das erste Sekundärmasse (21) und zweite Sekundärmasse (22) in eine weitere Detektionsrichtung bewegbar sind, wobei die weitere Detektionsrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene und senkrecht zur sekundären
Auslenkungsrichtung (S) verläuft.
6) Drehratensensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch dass das primäre Paar seismische Masse (11,12) und das sekundäre Paar seismischer Massen (21,22) nur über das Kopplungselement (30) mit dem Substrat verbunden ist.
7) Drehratensensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das das primäre Paar seismischer Massen (11,12) und/oder das sekundäre Paar seismischer Massen (21,22) eine Detektionsmasse (6) umfasst.
EP14724417.2A 2013-05-14 2014-05-14 Drehratensensor mit einem eine haupterstreckungsebene aufweisenden substrat zur detektion einer drehrate Withdrawn EP2997330A1 (de)

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