WO2019229663A1 - Yaw rate sensor comprising a substrate having a main extension plane and at least one mass oscillator - Google Patents

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WO2019229663A1
WO2019229663A1 PCT/IB2019/054433 IB2019054433W WO2019229663A1 WO 2019229663 A1 WO2019229663 A1 WO 2019229663A1 IB 2019054433 W IB2019054433 W IB 2019054433W WO 2019229663 A1 WO2019229663 A1 WO 2019229663A1
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mass oscillator
rate sensor
anchor element
rotation rate
anchor
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PCT/IB2019/054433
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Inventor
Stefano CARDANOBILE
Robert Maul
Rudy Eid
Markus LINCK-LESCANNE
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • 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
    • G01C19/5755—Structural details or topology the devices having a single sensing mass
    • G01C19/5762—Structural details or topology the devices having a single sensing mass the sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames

Definitions

  • Rate of rotation sensor with a a main extension plane having sub strate and at least one mass oscillator
  • the invention relates to a rotation rate sensor according to the preamble of claim 1.
  • Micromechanical rotation rate sensors are known from the prior art in minutias.
  • a common operating principle is the detection of a rate of rotation over the effect of the associated Coriolis force.
  • one or more mass oscillators are placed in periodic motion, so that by the rotation of a perpendicular to the direction of motion we kende force comes off.
  • the periodic movement is maintained by a drive structure, which is coupled by spring elements to the mass oscillator.
  • the mass vibrator In order to detect the Coriolis force, the mass vibrator must, in addition, be mounted so that it can swing in a direction perpendicular to the drive direction. This suspension is provided by spring elements which are anchored to the substrate.
  • the distances and relative positions of the anchor points can change, which distorts the dy namic properties of the suspended mass oscillator who the.
  • the gyroscope according to the invention according to the main claim has the advantage over the sensors known from the prior art that the effects of substrate distortions by the positioning of the anchoring elements are reduced. If it comes to compressions or strains of the substrate due to mechanical stresses or thermal factors, the distance change of two substrate points is greater the farther the two points are apart. Due to the inventive positioning of Ankerele elements in the vicinity of the geometric center of the mass oscillator move the anchor points closer together, so that the change in distance between the anchor points is reduced.
  • the geometrical center in this context is understood to mean the geometical center of gravity, i. the point that results from averaging all the points of the mass oscillator.
  • the geometric center is not identical to the center of mass, but the two points are usually close to each other in the cases relevant here. Since primarily the extent of the mass oscillator in the main plane of extension is relevant here, the geometric center substantially corresponds to the center of area of the projection of the mass oscillator on the main extension plane.
  • the position information of the anchor elements in each case relate to the points at which the anchor elements are connected to the substrate. In the following, these points are also referred to as anchor points.
  • the first and second anchor element are arranged symmetrically to the geometric center of the mass oscillator. This is particularly relevant in cases where the mass oscillator itself has a symmetry, such as an axis symmetry with respect to a central axis.
  • a suspension can be realized, which maintains the symmetry of the device and supports the mass oscillator in the middle of balanced manner.
  • the first and second anchor element are spaced apart in the excitation direction.
  • the mass oscillator is advantageously anchored at different locations in the substrate, with both locations being close to the geometric center, so that the robustness according to the invention is achieved with respect to substrate distortions.
  • the choice of the distance depends on additional factors, such as the design and positioning of the spring elements, so that the overall results in a well-balanced storage for the mass oscillator.
  • the first and second anchor element adjoin one another directly or substantially coincide.
  • the technical effect of the invention is maximized, as a distortion of the substrate practically does not change the relative distance of the anchor points. Fall the two anchor element together and form a single anchor element, with which both spring elements are connected, also results in an advantageous simplification of the overall structure of the micro-mechanical sensor.
  • the first and second anchor element are in the excitation direction on a line.
  • the connecting line between the two anchor points is parallel to the direction of excitation.
  • the mass oscillator has a frame and the first and second spring element are connected to the frame.
  • the first and second spring element each extend substantially in the direction of excitation between the first and second anchor point and the Rah men.
  • the springs can be present in this embodiment, for example, as a flexible beam, so that the deflection of the mass oscillator in the detection direction is made possible by a bending of the beams.
  • the Rah men is formed axisymmetric to a running through the geometric center of the mass oscillator and parallel to the detection direction central axis.
  • the rotation rate sensor has a fixedly connected to the substrate third and fourth to kerelement, wherein the mass oscillator is connected via a third spring element with the third anchor element and is connected via a fourth spring element with the fourth anchor element.
  • the mass oscillator is connected via springs with four anchor elements, which can be advantageously realized a particularly stable and balanced suspension.
  • the inventive concept is here realized by at least the first and second anchor element are arranged in the vicinity of the center, whereby compared to the conventional suspensions already results in a reduction of the distances of all anchor elements. Especially before given to the third and fourth anchor element as close to the center are arranged, unless such positioning is not precluded further constructive or other reasons.
  • the first and second anchor element are arranged within the frame and the third and fourth anchor element arranged outside the frame. Positioning the first and second anchor members within the frame facilitates positioning near the geometric center. Denk bar is also that the third and fourth anchor element are also arranged within the frame.
  • the third and fourth anchor element are arranged symmetrically to the center point passing through the geometric center of the mass oscillator and parallel to the direction of detection. Similar to the above-proposed imple mentation form, in which the first and second anchor element are symmetrical to the central axis, can also be realized in this way a uniform and ausba launched suspension.
  • the third and fourth spring element are each connected to a corner of the frame.
  • the third and fourth anchor element are arranged offset with respect to the corners of the mass oscillator in the direction of the central axis extending through the geometric center of the mass oscillator and parallel to the direction of detection.
  • the offset of the third and fourth anchor element in the direction of the central axis allows a suspension in which all four anchor elements approach closer to the geo metric center, whereby the technical effect of robustness to substrate distortions advantageously comes particularly strong effect.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a rotation rate sensor according to the prior art.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a rotation rate sensor according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a rotation rate sensor according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • the mass oscillator 2 consists of a frame 11 which is connected via the coupling elements 3 with a Anstriebsmechanismus (not shown), so that the mass oscillator 2 via the drive in a vibra tion in the excitation 4 can be added.
  • a Coriolis force which is directed perpendicular to the excitation direction 4 and perpendicular to the axis of rotation. Does this force a component in the detection direction 5, this leads to a deflection of the Massenschwin gers 2 in this direction.
  • the mass oscillator 2 electrodes 18 which are displaced during the deflection relative to substrate-fixed electrodes 17, so that the deflection can be measured by an electrical signal caused thereby.
  • the rotation rate sensor 1 shown has four suspensions for the mass oscillator 2.
  • the suspension of the mass oscillator 2 with springs 8, 9, 15, 16 is connected, in turn, via the anchor elements 6, 7, 13, 14 fixed with connected to the substrate.
  • the anchor points are at 6, 7, 13, 14 at the corners of the mass oscillator 2 and the springs 8, 9, 15, 16 are connected at the corners with the mass oscillator 2.
  • Figure 2 shows a schematic representation of an embodiment of the inventions to the invention suspension.
  • the coupling to the drive and the shape of the frame 11 of the mass oscillator 2 are identical to the presented in Figure 1 Darge embodiment of the prior art.
  • the first and second anchor members of the present invention are centrally positioned near the geometric center 10. Since the shape of the mass oscillator 2 is formed axially symmetrical to the center axis 12 extending through the center 10, it is advantageous here to arrange the armature elements 6, 7 likewise symmetrically to this axis 12 and in particular also symmetrically to the center 10.
  • the armature elements 6, 7 are spaced apart in the excitation direction 4 and lie with respect to this direction 4 in a line.
  • the first spring elements 8 extends in the direction of excitation 4 between the anchoring element 6 and the frame 11, while the second spring element 9 symmetrically extends between the anchor element 7 and the frame 11.
  • suspension of the mass oscillator 2 is mounted so that it is deflected onscardi 5 due to the Coriolis force by a deflection of the spring elements 8, 9 in Detekti.
  • the armature elements 6, 7 are in this case according to fiction close to each other, so that a deformation of the substrate due to mechanically or thermally induced stresses the relative distance between the armature elements 6, 7 changed only slightly.
  • the illustrated rotation rate sensor 1, in addition to the first and second on kerelement 6, 7 further comprises a third and fourth anchor element 13, 14.
  • At the kerieri 6, 7 are arranged in the interior of the frame 11, while the Po sites of the anchor members 13, 14 are outside of the frame 11.
  • the associated with the anchor elements 13, 14 spring elements 15, 16 are connected to the corners of the mass oscillator 2, the anchor elements 13, 14 are each but each offset from the corner positions in the direction of the central axis 12 is arranged so that they are closer to the anchor elements. 6 , 7 and approach the center 10.
  • the idea of the invention is expressed that the Reduced distance between the anchor elements 6, 7, 13, 14 leads to a size ren robustness to substrate distortions.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of another embodiment of the suspension according to the invention. This embodiment corresponds in large

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Abstract

The invention relates to a yaw rate sensor comprising a substrate having a main extension plane and at least one mass oscillator, wherein the mass oscillator is connected to a drive structure via one or more spring elements and can be excited to an oscillation in an excitation direction running parallel to the main extension plane, wherein the yaw rate sensor has a first and second anchor element which are fixedly connected to the substrate, wherein the mass oscillator is connected to the first anchor element via a first spring element and is connected to the second anchor element via a second spring element, wherein the mass oscillator can be deflected along a detection direction running parallel to the main extension plane and perpendicular to the excitation direction, wherein the first and second anchor elements are arranged in the vicinity of a geometrical center point of the mass oscillator.

Description

Beschreibung  description
Titel title
Drehratensensor mit einem, eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Sub strat und mindestens einem Massenschwinger  Rate of rotation sensor with a, a main extension plane having sub strate and at least one mass oscillator
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a rotation rate sensor according to the preamble of claim 1.
Mikromechanische Drehratensensoren sind aus dem Stand der Technik in vielfäl tigen Ausführungsformen bekannt. Ein gängiges Funktionsprinzip ist dabei die Detektion einer Drehrate über die Wirkung der damit verbundenen Corioliskraft. Dazu werden eine oder mehrere Massenschwinger in periodische Bewegung versetzt, so dass durch die Drehung eine zur Bewegungsrichtung senkrecht wir kende Kraft zustande kommt. Die periodische Bewegung wird dabei von einer Antriebsstruktur aufrecht erhalten, die durch Federelemente an den Massen schwinger gekoppelt ist. Zur Detektion der Corioliskraft muss der Massenschwin ger darüber hinaus in eine, zur Antriebsrichtung senkrechte Richtung schwi- nungsfähig gelagert sein. Diese Aufhängung wird durch Federelemente geleistet, die am Substrat verankert sind. Micromechanical rotation rate sensors are known from the prior art in vielfäl term embodiments. A common operating principle is the detection of a rate of rotation over the effect of the associated Coriolis force. For this purpose, one or more mass oscillators are placed in periodic motion, so that by the rotation of a perpendicular to the direction of motion we kende force comes off. The periodic movement is maintained by a drive structure, which is coupled by spring elements to the mass oscillator. In order to detect the Coriolis force, the mass vibrator must, in addition, be mounted so that it can swing in a direction perpendicular to the drive direction. This suspension is provided by spring elements which are anchored to the substrate.
Durch mechanische Spannungen oder thermische Ausdehnung können sich die Abstände und relativen Positionen der Ankerpunkte verändern, wodurch die dy namischen Eigenschaften des aufgehängten Massenschwingers verfälscht wer den. By mechanical stresses or thermal expansion, the distances and relative positions of the anchor points can change, which distorts the dy namic properties of the suspended mass oscillator who the.
Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehratensensor zur Verfügung zu stellen, der eine reduzierte Stressempfindlich keit bezüglich Offset, Quadratur und Sensitivität aufweist. Disclosure of the invention Against this background, it is an object of the present invention to provide a rotation rate sensor having a reduced stress sensitivity with respect to offset, quadrature and sensitivity.
Der erfindungsgemäße Drehratensenor gemäß dem Hauptanspruch hat gegen über den aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren den Vorteil, dass die Auswirkungen von Substratverzerrungen durch die Positionierung der Ankerele mente vermindert werden. Kommt es durch mechanische Spannungen oder ther mische Faktoren zu Stauchungen oder Dehnungen des Substrats, ist die Ab standsänderung zweier Substratpunkte umso größer, je weiter die beiden Punkte außeinander liegen. Durch die erfindungsgemäße Positionierung der Ankerele mente in der Nähe des geometrischen Mittelpunkts des Massenschwinger rücken die Ankerpunkte näher zusammen, so dass die Abstandsänderung zwischen den Ankerpunkten vermindert wird. The gyroscope according to the invention according to the main claim has the advantage over the sensors known from the prior art that the effects of substrate distortions by the positioning of the anchoring elements are reduced. If it comes to compressions or strains of the substrate due to mechanical stresses or thermal factors, the distance change of two substrate points is greater the farther the two points are apart. Due to the inventive positioning of Ankerele elements in the vicinity of the geometric center of the mass oscillator move the anchor points closer together, so that the change in distance between the anchor points is reduced.
Unter dem geometrischen Mittelpunkt ist in diesem Zusammenhang der geomet rische Schwerpunkt zu verstehen, d.h. der Punkt der sich durch Mittelung aller Punkte des Massenschwingers ergibt. Der geometrische Mittelpunkt ist nicht identisch mit dem Massenmittelpunkt, die beiden Punkte liegen jedoch in den hier relevanten Fällen in der Regel nahe beeinander. Da hier in erster Linie die Ausdehnung des Massenschwingers in der Haupterstreckungsebene maßgeblich ist, entspricht der geometrische Mittelpunkt im Wesentlichen dem Flächenmittel punkt der Projektion des Massenschwingers auf die Haupterstreckungsebene.The geometrical center in this context is understood to mean the geometical center of gravity, i. the point that results from averaging all the points of the mass oscillator. The geometric center is not identical to the center of mass, but the two points are usually close to each other in the cases relevant here. Since primarily the extent of the mass oscillator in the main plane of extension is relevant here, the geometric center substantially corresponds to the center of area of the projection of the mass oscillator on the main extension plane.
Die Positionsangaben der Ankerelemente beziehen sich jeweils auf die Punkte, an denen die Ankerelemente mit dem Substrat verbunden sind. Im Folgenden werden diese Punkte auch als Ankerpunkte bezeichnet. The position information of the anchor elements in each case relate to the points at which the anchor elements are connected to the substrate. In the following, these points are also referred to as anchor points.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter ansprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar. Advantageous embodiments and modifications of the invention are the sub-claims, and the description with reference to the drawings removed.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das erste und zweite Ankerelement symmetrisch zum geometrischen Mittelpunkt des Massen schwingers angeordnet. Dies ist insbesondere in den Fällen relevant, in denen der Massenschwinger selbst eine Symmetrie, wie beispielsweise eine Achsen symmetrie bezüglich einer Mittelachse aufweist. Durch eine entsprechend sym metrische Anordnung der Ankerpunkte lässt sich eine Aufhängung realisieren, die die Symmetrie der Vorrichtung erhält und den Massenschwinger mittig in aus balancierter Weise unterstützt. According to a preferred embodiment of the invention, the first and second anchor element are arranged symmetrically to the geometric center of the mass oscillator. This is particularly relevant in cases where the mass oscillator itself has a symmetry, such as an axis symmetry with respect to a central axis. By a correspondingly symmetrical arrangement of the anchor points, a suspension can be realized, which maintains the symmetry of the device and supports the mass oscillator in the middle of balanced manner.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das erste und zweite Ankerelement in Anregungsrichtung beabstandet. Dadurch wird der Massenschwinger vorteilhafterweise an verschiedenen Stellen im Substrat verankert, wobei sich beide Stellen in der Nähe des geometrischen Mittelpunkts befinden, so dass die erfindungsgemäße Robustheit gegenüber Substratverzer rungen erzielt wird. Die Wahl des Abstandes hängt von zusätzlichen Faktoren, wie der Gestaltung und Positionierung der Federelemente ab, so dass sich ins gesamt eine gut ausgewogene Lagerung für den Massenschwinger ergibt. According to a further preferred embodiment of the invention, the first and second anchor element are spaced apart in the excitation direction. As a result, the mass oscillator is advantageously anchored at different locations in the substrate, with both locations being close to the geometric center, so that the robustness according to the invention is achieved with respect to substrate distortions. The choice of the distance depends on additional factors, such as the design and positioning of the spring elements, so that the overall results in a well-balanced storage for the mass oscillator.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung grenzen das erste und zweite Ankerelement direkt aneinander an oder fallen im Wesentlichen zusammen. Bei dieser Ausführungsform wird der technische Effekt der Erfindung maximiert, da eine Verzerrung des Substrats den relativen Abstand der Anker punkte praktisch nicht verändert. Fallen die beiden Ankerelement zusammen und bilden ein einziges Ankerelement, mit dem beide Federelemente verbunden sind, ergibt sich zudem eine vorteilhafte Vereinfachung der Gesamtstruktur des mikro mechanischen Sensors. According to a further preferred embodiment of the invention, the first and second anchor element adjoin one another directly or substantially coincide. In this embodiment, the technical effect of the invention is maximized, as a distortion of the substrate practically does not change the relative distance of the anchor points. Fall the two anchor element together and form a single anchor element, with which both spring elements are connected, also results in an advantageous simplification of the overall structure of the micro-mechanical sensor.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen das erste und zweite Ankerelement in Anregungsrichtung auf einer Linie. Anders aus gedrückt liegt die Verbindungslinie zwischen den beiden Ankerpunkten also pa rallel zur Anregungsrichtung. Da die mit den Ankerelementen verbundenen Fe dern den Massenschwinger so lagern, dass dieser in Detektionsrichtung frei schwingen kann, ist es vorteilhaft, wenn die Ankerpunkte keinen Versatz in De tektionsrichtung aufweisen. Ist die Form des Massenschwingers insbesondere symmetrisch bezüglich der Detektionsrichtung ausgebildet, würde ein solcher Versatz darüber hinaus die Symmetrie der Anordnung verfälschen. Eine bevor- zugte Positionierungsmöglichkeit besteht in einem solchen Fall darin, die An kerelemente in Detektionsrichtung beabstandet und symmetrisch zur Symmetrie achse des Massenschwingers anzuordnen. According to a further preferred embodiment of the invention, the first and second anchor element are in the excitation direction on a line. In other words, the connecting line between the two anchor points is parallel to the direction of excitation. Since the Fe associated with the anchor elements store the mass oscillator so that it can swing freely in the detection direction, it is advantageous if the anchor points have no offset in De tectionrichtung. In addition, if the shape of the mass oscillator is symmetrical with respect to the detection direction, such an offset would falsify the symmetry of the arrangement. A favorite zugte positioning option is in such a case in the kerelemente spaced in the detection direction and symmetrical to the symmetry axis of the mass oscillator.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Massenschwinger einen Rahmen auf und das erste und zweite Federelement sind mit dem Rahmen verbunden. According to a further preferred embodiment of the invention, the mass oscillator has a frame and the first and second spring element are connected to the frame.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorge sehen, dass sich das erste und zweite Federelement jeweils im Wesentlichen in Anregungsrichtung zwischen dem ersten bzw. zweiten Ankerpunkt und dem Rah men erstrecken. Die Federn können bei dieser Ausgestaltung beispielsweise als biegsame Balken vorliegen, so dass die Auslenkung des Massenschwingers in Detektionsrichtung durch eine Biegung der Balken ermöglicht wird. According to a further preferred embodiment of the invention, it is ensured that the first and second spring element each extend substantially in the direction of excitation between the first and second anchor point and the Rah men. The springs can be present in this embodiment, for example, as a flexible beam, so that the deflection of the mass oscillator in the detection direction is made possible by a bending of the beams.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rah men achsensymmetrisch zur einer durch den geometrischen Mittelpunkt des Massenschwingers und parallel zur Detektionsrichtung verlaufenden Mittelachse ausgebildet. According to a further preferred embodiment of the invention, the Rah men is formed axisymmetric to a running through the geometric center of the mass oscillator and parallel to the detection direction central axis.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Drehratensensor ein fest mit dem Substrat verbundenes drittes und viertes An kerelement auf, wobei der Massenschwinger über ein drittes Federelement mit mit dem dritten Ankerelement verbunden ist und über ein viertes Federelement mit dem vierten Ankerelement verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Massenschwinger über Federn mit vier Ankerelementen verbunden, wodurch sich vorteilhafterweise eine besonders stabile und ausbalancierte Aufhängung realisieren lässt. Der Erfindungsgedanke wird hier dadurch verwirklicht, dass zu mindest das erste und zweite Ankerelement in der Nähe des Mittelpunkts ange ordnet sind, wodurch sich gegenüber den herkömmlichen Aufhängungen bereits eine Verringerung der Abstände aller Ankerelemente ergibt. Besonders bevor zugt sind auch das dritte und vierte Ankerelement möglichst nahe am Mittelpunkt angeordnet, sofern einer solche Positionierung nicht weitere konstruktive oder andere Gründe entgegenstehen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das erste und zweite Ankerelement innerhalb des Rahmens angeordnet und das dritte und vierte Ankerelement außerhalb des Rahmens angeordnet. Durch die Anordnung des ersten und zweiten Ankerelements innerhalb des Rahmens wird die Positionierung in der Nähe des geometrischen Mittelpunkts erleichtert. Denk bar ist auch, dass auch das dritte und vierte Ankerelement ebenfalls innerhalb des Rahmens angeordnet sind. According to a further preferred embodiment of the invention, the rotation rate sensor has a fixedly connected to the substrate third and fourth to kerelement, wherein the mass oscillator is connected via a third spring element with the third anchor element and is connected via a fourth spring element with the fourth anchor element. In this embodiment, the mass oscillator is connected via springs with four anchor elements, which can be advantageously realized a particularly stable and balanced suspension. The inventive concept is here realized by at least the first and second anchor element are arranged in the vicinity of the center, whereby compared to the conventional suspensions already results in a reduction of the distances of all anchor elements. Especially before given to the third and fourth anchor element as close to the center are arranged, unless such positioning is not precluded further constructive or other reasons. According to a further preferred embodiment of the invention, the first and second anchor element are arranged within the frame and the third and fourth anchor element arranged outside the frame. Positioning the first and second anchor members within the frame facilitates positioning near the geometric center. Denk bar is also that the third and fourth anchor element are also arranged within the frame.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das dritte und vierte Ankerelement symmetrisch zu der durch den geometrischen Mit telpunkt des Massenschwingers und parallel zur Detektionsrichtung verlaufenden Mittelachse ange-ordnet. Ähnlich wie bei der weiter oben vorgeschlagenen Aus führungform, bei der das erste und zweite Ankerelement symmetrisch zur Mittel achse liegen, lässt sich auch hier auf diese Weise eine gleichmäßige und ausba lancierte Aufhängung realisieren. According to a further preferred embodiment of the invention, the third and fourth anchor element are arranged symmetrically to the center point passing through the geometric center of the mass oscillator and parallel to the direction of detection. Similar to the above-proposed imple mentation form, in which the first and second anchor element are symmetrical to the central axis, can also be realized in this way a uniform and ausba launched suspension.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wobei das dritte und vierte Federelement jeweils mit einer Ecke des Rahmens verbunden sind. According to a further preferred embodiment of the invention, wherein the third and fourth spring element are each connected to a corner of the frame.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das dritte und vierte Ankerelement gegenüber den Ecken des Massenschwingers in Richtung der durch den geometrischen Mittelpunkt des Massenschwingers und parallel zur Detektionsrichtung verlaufenden Mittelachse versetzt angeordnet.According to a further preferred embodiment of the invention, the third and fourth anchor element are arranged offset with respect to the corners of the mass oscillator in the direction of the central axis extending through the geometric center of the mass oscillator and parallel to the direction of detection.
Der Versatz des dritten und vierten Ankerelements in Richtung der Mittelachse ermöglicht eine Aufhängung, bei der alle vier Ankerelemente näher an den geo metrischen Mittelpunkt heranrücken, wodurch der technische Effekt der Robust heit gegenüber Substratverzerrungen in vorteilhafter Weise besonders stark zum Tragen kommt. The offset of the third and fourth anchor element in the direction of the central axis allows a suspension in which all four anchor elements approach closer to the geo metric center, whereby the technical effect of robustness to substrate distortions advantageously comes particularly strong effect.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Drehratensensor gemäß dem Stand der Technik. Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Drehratensensor gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figure 1 shows a schematic representation of a rotation rate sensor according to the prior art. FIG. 2 shows a schematic representation of a rotation rate sensor according to a first exemplary embodiment of the present invention.
Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Drehratensensor gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. FIG. 3 shows a schematic representation of a rotation rate sensor according to a second exemplary embodiment of the present invention.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugs zeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal be nannt bzw. erwähnt. In the various figures, the same parts are always provided with the same reference signs and therefore usually only once called or mentioned be.
In Figur 1 ist schematisch ein Drehratensensors 1 gemäß dem Stand der Tech nik dargestellt. Der Massenschwinger 2 besteht aus einem Rahmen 11 der über die Kopplungselemente 3 mit einem Anstriebsmechanismus (nicht dargestellt) verbunden ist, so dass der Massenschwinger 2 über den Antrieb in eine Schwin gung in Anregungsrichtung 4 versetzt werden kann. Bei einer Drehung des Sen sors 1 um eine Achse, die nicht parallel zur Anregungsrichtung 4 liegt, wirkt auf den Massenschwinger 2 eine Corioliskraft die senkrecht zur Anregungsrichtung 4 und senkrecht zur Drehachse gerichtet ist. Weist diese Kraft eine Komponente in Detektionsrichtung 5 auf, so führt dies zu einer Auslenkung des Massenschwin gers 2 in diese Richtung. Zur Messung dieser Auslenkung weist der Massen schwinger 2 Elektroden 18 auf, die bei der Auslenkung relativ zu substratfesten Elektroden 17 verschoben werden, so dass die Auslenkung durch ein dadurch hervorgerufenes elektrisches Signal gemessen werden kann. 1 shows a rotation rate sensor 1 according to the prior Tech technology is shown schematically. The mass oscillator 2 consists of a frame 11 which is connected via the coupling elements 3 with a Anstriebsmechanismus (not shown), so that the mass oscillator 2 via the drive in a vibra tion in the excitation 4 can be added. Upon rotation of the Sen sors 1 about an axis which is not parallel to the excitation direction 4, acts on the mass oscillator 2, a Coriolis force which is directed perpendicular to the excitation direction 4 and perpendicular to the axis of rotation. Does this force a component in the detection direction 5, this leads to a deflection of the Massenschwin gers 2 in this direction. To measure this deflection, the mass oscillator 2 electrodes 18 which are displaced during the deflection relative to substrate-fixed electrodes 17, so that the deflection can be measured by an electrical signal caused thereby.
Für dieses Funktionsprinzip ist es notwendig, dass die Aufhängung des Massen schwingers 2 eine solche Auslenkung in Detektionsrichtung 5 ermöglicht. Der dargestellte Drehratensensor 1 weist dazu vier Aufhängungen für den Massen schwinger 2 auf. Für die Aufhängung ist der Massenschwinger 2 mit Federn 8, 9, 15, 16 verbunden, die wiederum über die Ankerelemente 6, 7, 13, 14 fest mit dem Substrat verbunden sind. In dieser Ausführungsform befinden sich die An kerpunkte 6, 7, 13, 14 an den Ecken des Massenschwingers 2 und die Federn 8, 9, 15, 16 sind an den Ecken mit dem Massenschwinger 2 verbunden. For this operating principle, it is necessary that the suspension of the mass oscillator 2 allows such a deflection in the detection direction 5. The rotation rate sensor 1 shown has four suspensions for the mass oscillator 2. For the suspension of the mass oscillator 2 with springs 8, 9, 15, 16 is connected, in turn, via the anchor elements 6, 7, 13, 14 fixed with connected to the substrate. In this embodiment, the anchor points are at 6, 7, 13, 14 at the corners of the mass oscillator 2 and the springs 8, 9, 15, 16 are connected at the corners with the mass oscillator 2.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Aufhängung. Die Kopplung an den Antrieb und die Form des Rahmens 11 des Massenschwingers 2 sind identisch zu der in Figur 1 darge stellten Ausführungsform aus dem Stand der Technik. Bei der dargestellten Aus führungsform sind jedoch das erste und zweite Ankerelement gemäß dem Kon zept der vorliegenden Erfindung zentral in Nähe des geometrischen Mittelpunkts 10 positioniert. Da die Form des Massenschwingers 2 achsensymmetrisch zu der, durch den Mittelpunkt 10 verlaufenden Mittelachse 12 ausgebildet ist, ist es hier von Vorteil, die Ankerelemente 6, 7 ebenfalls symmetrsich zu dieser Achse 12 und insbesondere auch symmetrisch zum Mittelpunkt 10 anzuordnen. In der dargestellten Ausführungsform sind die Ankerelemente 6, 7 in Anregungsrichtung 4 beabstandet und liegen bezüglich dieser Richtung 4 auf einer Linie. Das erste Federelemente 8 erstreckt sich in Anregungsrichtung 4 zwischen dem Ankerele ment 6 und dem Rahmen 11, während sich das zweite Federelement 9 symmet risch dazu zwischen dem Ankerelement 7 und dem Rahmen 11 erstreckt. Durch die so gestaltete Aufhängung ist der Massenschwinger 2 so gelagert, dass er aufgrund der Corioliskraft durch eine Biegung der Federelemente 8, 9 in Detekti onsrichtung 5 ausgelenkt wird. Die Ankerelemente 6, 7 liegen dabei erfindungs gemäß nahe beieinander, so dass eine Verformung des Substrats aufgrund von mechanisch oder thermisch hervorgerufenen Spannungen den relativen Abstand zwischen den Ankerelementen 6, 7 nur unwesentlich verändert. Figure 2 shows a schematic representation of an embodiment of the inventions to the invention suspension. The coupling to the drive and the shape of the frame 11 of the mass oscillator 2 are identical to the presented in Figure 1 Darge embodiment of the prior art. However, in the illustrated embodiment, the first and second anchor members of the present invention are centrally positioned near the geometric center 10. Since the shape of the mass oscillator 2 is formed axially symmetrical to the center axis 12 extending through the center 10, it is advantageous here to arrange the armature elements 6, 7 likewise symmetrically to this axis 12 and in particular also symmetrically to the center 10. In the illustrated embodiment, the armature elements 6, 7 are spaced apart in the excitation direction 4 and lie with respect to this direction 4 in a line. The first spring elements 8 extends in the direction of excitation 4 between the anchoring element 6 and the frame 11, while the second spring element 9 symmetrically extends between the anchor element 7 and the frame 11. By so designed suspension of the mass oscillator 2 is mounted so that it is deflected onsrichtung 5 due to the Coriolis force by a deflection of the spring elements 8, 9 in Detekti. The armature elements 6, 7 are in this case according to fiction close to each other, so that a deformation of the substrate due to mechanically or thermally induced stresses the relative distance between the armature elements 6, 7 changed only slightly.
Der dargestellte Drehratensensor 1 weist neben dem ersten und zweiten An kerelement 6, 7 weiterhin ein drittes und viertes Ankerelement 13, 14 auf. Die An kerelemente 6, 7 sind im Inneren des Rahmens 11 angeordnet, während die Po sitionen der Ankerelemente 13, 14 außerhalb des Rahmens 11 liegen. Die zu den Ankerelementen 13, 14 gehörigen Federelemente 15, 16 sind mit den Ecken des Massenschwingers 2 verbunden, die Ankerelemente 13, 14 selbst sind je doch gegenüber den Eckpositionen in Richtung der Mittelachse 12 versetzt ange ordnet, so dass sie näher an die Ankerelemente 6, 7 und an den Mittelpunkt 10 heranrücken. Auch hier kommt der Erfindungsgedanke zum Ausdruck, dass der verringerte Abstand zwischen den Ankerelementen 6, 7, 13, 14 zu einer größe ren Robustheit gegenüber Substratverzerrungen führt. The illustrated rotation rate sensor 1, in addition to the first and second on kerelement 6, 7 further comprises a third and fourth anchor element 13, 14. At the kerelemente 6, 7 are arranged in the interior of the frame 11, while the Po sites of the anchor members 13, 14 are outside of the frame 11. The associated with the anchor elements 13, 14 spring elements 15, 16 are connected to the corners of the mass oscillator 2, the anchor elements 13, 14 are each but each offset from the corner positions in the direction of the central axis 12 is arranged so that they are closer to the anchor elements. 6 , 7 and approach the center 10. Again, the idea of the invention is expressed that the Reduced distance between the anchor elements 6, 7, 13, 14 leads to a size ren robustness to substrate distortions.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufhängung. Diese Ausführungsform entspricht in großenFigure 3 shows a schematic representation of another embodiment of the suspension according to the invention. This embodiment corresponds in large
Teilen der Ausführungsform in Figur 2, wobei hier jedoch die Ankerelemente 6 und 7 im Wesentlichen zusammenfallen und zusammen mit den Federn 8, 9 eine gemeinsame, zentral positionierte Aufhängung für den Massenschwinger 2 bil den. Parts of the embodiment in Figure 2, but here the anchor elements 6 and 7 substantially coincide and together with the springs 8, 9 a common, centrally positioned suspension for the mass oscillator 2 bil the.

Claims

Ansprüche claims
1. Drehratensensor (1) mit einem, eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat und mindestens einem Massenschwinger (2), wobei der Massen schwinger (2) über ein oder mehrere Federelemente (3) mit einer Antriebs struktur verbunden ist und zu einer Schwingung in einer parallel zu der Haupterstreckungsebene verlaufenden Anregungsrichtung (4) anregbar ist, wobei der Drehratensensor (1) ein fest mit dem Substrat verbundenes erstes und zweites Ankerelement (6, 7) aufweist, wobei der Massenschwinger (2) über ein erstes Federelement (8) mit dem ersten Ankerelement (6) verbunden ist und über ein zweites Federelement (9) mit dem zweiten Ankerelement (7) verbunden ist, wobei der Massenschwinger (2) entlang einer parallel zu der Haupterstreckungsebene verlaufenden und auf der Anregungsrichtung (4) senkrecht stehenden Detektionsrichtung (5) auslenkbar ist, dadurch gekenn zeichnet, dass das erste und zweite Ankerelement (6, 7) in der Nähe eines geometrischen Mittelpunkts (10) des Massenschwingers (2) angeordnet sind. 1. rotation rate sensor (1) having a, a main extension plane having substrate and at least one mass oscillator (2), wherein the mass oscillator (2) via one or more spring elements (3) is connected to a drive structure and to a vibration in a parallel to The rotation rate sensor (1) has a fixedly connected to the substrate first and second anchor element (6, 7), wherein the mass oscillator (2) via a first spring element (8) with the first anchor element (6) and is connected via a second spring element (9) with the second anchor element (7), wherein the mass oscillator (2) along a parallel to the main extension plane extending and on the excitation direction (4) perpendicular to the detection direction (5) deflectable is characterized in that the first and second anchor element (6, 7) in the vicinity of a geometric center (10) of the Massenschw ingers (2) are arranged.
2. Drehratensensor (1) nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Ankerele ment (6, 7) symmetrisch zum geometrischen Mittelpunkt (10) des Massen schwingers (2) angeordnet sind. 2. rotation rate sensor (1) according to claim 1, wherein the first and second Ankerele element (6, 7) symmetrically to the geometric center (10) of the mass oscillator (2) are arranged.
3. Drehratensensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und zweite An kerelement (6, 7) in Anregungsrichtung (4) beabstandet sind. 3. rotation rate sensor (1) according to claim 1 or 2, wherein the first and second to kerelement (6, 7) in the excitation direction (4) are spaced.
4. Drehratensensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und zweite An kerelement (6, 7) direkt aneinander angrenzen oder im Wesentlichen zusam menfallen. 4. Rate of rotation sensor (1) according to claim 1 or 2, wherein the first and second on kerelement (6, 7) directly adjacent to each other or substantially together men fall.
5. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und zweite Ankerelement (6, 7) in Anregungsrichtung (4) auf einer Linie liegen. 5. rotation rate sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the first and second anchor element (6, 7) in the excitation direction (4) lie on a line.
6. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Massenschwinger (2) einen Rahmen (11) aufweist und das erste und zweite Federelement (8, 9) mit dem Rahmen (11) verbunden sind. 6. rotation rate sensor (1) according to any one of the preceding claims, wherein the mass oscillator (2) has a frame (11) and the first and second spring element (8, 9) are connected to the frame (11).
7. Drehratensensor (1) nach Anspruch 6, wobei sich das erste und zweite Fe derelement (8, 9) jeweils im Wesentlichen in Anregungsrichtung (4) zwischen dem ersten bzw. zweiten Ankerelement (6, 7) und dem Rahmen (11) erstre cken. 7. rate of rotation sensor (1) according to claim 6, wherein the first and second Fe derelement (8, 9) in each case substantially in the excitation direction (4) between the first and second anchor element (6, 7) and the frame (11) erstre CKEN.
8. Drehratensensor (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Rahmen (11) ach sensymmetrisch zur einer durch den geometrischen Mittelpunkt (10) des Massenschwingers und parallel zur Detektionsrichtung (5) verlaufenden Mit telachse (12) ausgebildet ist. 8. rate of rotation sensor (1) according to claim 6 or 7, wherein the frame (11) axially symmetrical to a through the geometric center (10) of the mass oscillator and parallel to the detection direction (5) extending with telachse (12) is formed.
9. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drehratensensor (11) ein fest mit dem Substrat verbundenes drittes und vier tes Ankerelement (13, 14) aufweist, wobei der Massenschwinger (2) über ein drittes Federelement (15) mit mit dem dritten Ankerelement (13) verbunden ist und über ein viertes Federelement (16) mit dem vierten Ankerelement (14) verbunden ist. 9. rotation rate sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the rotation rate sensor (11) has a fixedly connected to the substrate third and four tes anchor element (13, 14), wherein the mass oscillator (2) via a third spring element (15) is connected to the third anchor element (13) and is connected via a fourth spring element (16) with the fourth anchor element (14).
10. Drehratensensor (1) nach Anspruch 9, wobei das erste und zweite Ankerele ment (6, 7) innerhalb des Rahmens (11) angeordnet sind und das dritte und vierte Ankerelement (13, 14) außerhalb des Rahmens (11) angeordnet sind. 10. gyratory sensor (1) according to claim 9, wherein the first and second Ankerele element (6, 7) within the frame (11) are arranged and the third and fourth anchor element (13, 14) outside of the frame (11) are arranged.
11. Drehratensensor (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei das dritte und vierte Ankerelement (13, 14) symmetrisch zu der durch den geometrischen Mittel punkt (10) des Massenschwingers (2) und parallel zur Detektionsrichtung (5) verlaufenden Mittelachse (12) angeordnet sind. 11. rotation rate sensor (1) according to claim 9 or 10, wherein the third and fourth anchor element (13, 14) symmetrically to the point by the geometric center (10) of the mass oscillator (2) and parallel to the detection direction (5) extending central axis (12 ) are arranged.
12. Drehratensensor (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das dritte und vierte Federelement (15 jeweils mit einer Ecke des Rahmens (11) ver bunden sind. 12. rotation rate sensor (1) according to one of claims 9 to 11, wherein the third and fourth spring element (15 each with a corner of the frame (11) are connected ver.
13. Drehratensensor (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das dritte und vierte Ankerelement (13, 14) gegenüber den Ecken des Massenschwin gers (2) in Richtung der durch den geometrischen Mittelpunkt (10) des Mas senschwingers (2) und parallel zur Detektionsrichtung verlaufenden Mittel achse (12) versetzt angeordnet sind. 13. rotation rate sensor (1) according to one of claims 9 to 12, wherein the third and fourth anchor element (13, 14) relative to the corners of the Massenschwin gers (2) in the direction of the geometric center (10) of the Mas senschwingers (2). and parallel to the detection direction extending center axis (12) are arranged offset.
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