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DE102011006394A1 - Drehratensensor - Google Patents

Drehratensensor Download PDF

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Publication number
DE102011006394A1
DE102011006394A1 DE201110006394 DE102011006394A DE102011006394A1 DE 102011006394 A1 DE102011006394 A1 DE 102011006394A1 DE 201110006394 DE201110006394 DE 201110006394 DE 102011006394 A DE102011006394 A DE 102011006394A DE 102011006394 A1 DE102011006394 A1 DE 102011006394A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
axis
detection
rate sensor
drive
coriolis
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.)
Pending
Application number
DE201110006394
Other languages
English (en)
Inventor
Torsten Ohms
Burkhard Kuhlmann
Robert Sattler
Daniel Christoph Meisel
Rolf Scheben
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
Priority to DE201110006394 priority Critical patent/DE102011006394A1/de
Priority to US13/365,740 priority patent/US8943891B2/en
Priority to ITMI20120326 priority patent/ITMI20120326A1/it
Priority to TW101110697A priority patent/TWI580928B/zh
Priority to CN201210088784.9A priority patent/CN102735229B/zh
Publication of DE102011006394A1 publication Critical patent/DE102011006394A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719Turn-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
    • G01C19/5733Structural details or topology
    • G01C19/574Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
    • G01C19/5747Structural 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

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Abstract

Es wird eine Drehratensensor und eine Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors mit einem ersten Coriolis-Element und einem zweiten Corioliselement vorgeschlagen, wobei der Drehratensensor ein Substrat mit einer Haupterstreckungsebene aufweist, wobei der Drehratensensor ein erstes Antriebselement zum Antrieb des ersten Coriolis-Elements parallel zu einer zweiten Achse aufweist, wobei der Drehratensensor eine zweites Antriebselement zum Antrieb des zweiten Coriolis-Elements parallel zur zweiten Achse aufweist, wobei der Drehratensensor Detektionsmittel zur Detektion von Auslenkungen des ersten Coriolis-Elements und des zweiten Coriolis-Elements parallel zu einer ersten Achse aufgrund einer Coriolis-Kraft aufweist, wobei die zweite Achse senkrecht zur ersten Achse angeordnet ist, wobei die erste Achse und die zweite Achse parallel zur Haupterstreckungsebene angeordnet sind und wobei das erste Antriebselement und das zweite Antriebselement über ein Antriebskoppelelement mechanisch miteinander gekoppelt sind.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Solche Drehratensensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 10108196 A1 ein Drehratensensor bekannt, wobei der Drehratensensor Coriolis-Elemente aufweist, die von Antriebselementen umgeben sind, die auf den jeweils zugewandten Seiten durchbrochen sind. Die Coriolis-Elemente und die Antriebselemente sind mit Federn verbunden. Die Antriebselemente sind mittels Federn mit Lagerblöcken verbunden. Weiterhin sind bewegliche Elektroden, feststehende Elektroden und Lagerblöcke für die feststehenden Elektroden vorgesehen. Die beiden Corioliselemente sind mittels einer Koppelfeder verbunden. Für den Nachweis der Auslenkung der Coriolis-Elemente ist jeweils ein rahmenförmiges Nachweiselement im Inneren der rahmenförmigen Coriolis-Elemente vorgesehen. Die Nachweiselemente sind ebenfalls als rechteckige Rahmenstrukturen ausgeführt, die mittels Federelementen mit Lagerblöcken mit dem Substrat verbunden sind. Die Federelemente sind weich in X-Richtung und steif in Y-Richtung und erlauben somit im Wesentlichen nur, dass die Nachweisrahmen in X-Richtung auslenkbar sind. Die Nachweisrahmen sind durch Federelemente mit den entsprechenden Coriolis-Elementen verbunden. Die Federelemente sind in Y-Richtung weich und in X-Richtung steif ausgelegt und übertragen die Coriolis-Kräfte in X-Richtung. Im Inneren der Nachweisrahmen sind gitterförmige Nachweiselektroden angeordnet. Eine Drehrate mit eine Drehachse senkrecht zum Substrat (Z-Richtung) führt zu einer Kraftwirkung, die eine antiparallele und kollineare Detektionsschwingung der Coriolis-Elemente entlang der X-Achse verursacht. An dieser Schwingung nehmen die Coriolis-Elemente teil und übertragen ihre Bewegung an die Detektionsschwinger (Nachweiselemente); die Antriebselemente nehmen an der Detektionsschwingung nicht teil. Die beiden Nachweiselemente sind mittels einer zwischen ihnen liegenden Struktur miteinander gekoppelt. Diese Struktur koppelt sowohl die Antriebsbewegung als auch die Detektionsbewegung der Coriolis-Elemente. Neben den sog. Nutzmoden (Antriebsmode und Detektionsmode) weist der Drehratensensor gemäß dem Stand der Technik noch weitere Schwingungsmoden, sog. Störmoden, auf. Diese führen nachteilig zu Überlagerungen der Nutzmoden und können zu Fehlsignalen führen.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehratensensor bereitzustellen, der die Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und bei dem insbesondere die Störmoden weitgehend unterdrückt werden bzw. die Störmoden bei vergleichsweise hohen Frequenzen liegen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Drehratensensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Störmoden weitgehend unterdrückt werden bzw. bei vergleichsweise hohen Frequenzen liegen, wodurch eine vergleichsweise deutliche Trennung von Nutzmoden und Störmoden im Frequenzbereich erzielbar ist. Dadurch ist vorteilhaft eine vergleichsweise geringe Anregung der Störmoden möglich, sodass der Betrieb des Drehratensensors vergleichsweise stabil ist.
  • Der Drehratensensor ist bevorzugt als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet. Das Substrat ist bevorzugt ein Halbleitersubstrat und besonders bevorzugt aus einem Siliziummaterial gefertigt. Die Anregung der Schwingung der Coriolis-Elemente erfolgt bevorzugt mittels elektrostatischer Kammantriebe an den Antriebselementen. Ein Nachweis der der Coriolis-Kraft erfolgt bevorzugt dadurch, dass das Coriolis-Element und/oder ein Detektionselement bewegliche Elektroden aufweist, die gegenüber feststehenden Elektroden angeordnet sind.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Antriebskoppelelement ein erstes Antriebskoppelteilelement und ein zweites Antriebskoppelteilelement aufweist, wobei bevorzugt das erste Antriebskoppelteilelement und/oder das zweite Antriebskoppelteilelement eine Balkenstruktur aufweist und besonders bevorzugt eine T-förmige Struktur und/oder eine V-förmige Struktur aufweist. Dadurch ist vorteilhaft eine vergleichsweise gute Trennung von Stör- und Nutzmoden möglich. Durch die Verwendung von zwei Antriebskoppelteilelementen, die bevorzugt symmetrisch zur Drehachsenlängsachse sind angeordnet, ist ein vergleichsweise stabiler Betrieb möglich.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Antriebskoppelelement mit dem Substrat mechanisch gekoppelt ist. Dadurch ist eine vergleichsweise gute Trennung von Stör- und Nutzmoden sowie ein vergleichsweiser stabiler Betrieb des Drehratensensors möglich. Die Befestigung am Substrat ermöglicht die Verschiebung der Störmoden zu vergleichsweise hohen Frequenzen.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Antriebskoppelelement weicher bezüglich einer Drehung um eine dritte Achse als bezüglich einer Drehung um die erste Achse ausgebildet ist, wobei die dritte Achse senkrecht zur Haupterstreckungsebene angeordnet ist, wobei das Antriebskoppelelement in der zweiten Achse steifer als in der ersten Achse ausbildet ist. Dadurch wird vorteilhaft der antiparallele Nutzmode zu niedrigen Frequenzen verschoben und der parallele Störmode zu hohen Frequenzen verschoben.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Detektionsmittel ein erstes Detektionsteilelement und ein zweites Detektionsteilelement aufweist, wobei das erste Detektionsteilelement und ein das zweite Detektionsteilelement über ein Detektionskoppelelement mechanisch miteinander gekoppelt sind. Durch die Koppelung der Detektionsteilelemente wird vorteilhaft erreicht, dass der antiparallele Nutzmode zu niedrigen Frequenzen verschoben und der parallele Störmode zu hohen Frequenzen verschoben wird.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Detektionskoppelelement mit dem Substrat mechanisch gekoppelt ist. Die Befestigung am Substrat ermöglicht die Verschiebung der Störmoden zu vergleichsweise hohen Frequenzen.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Detektionskoppelelement mindestens ein erstes Detektionskoppelteilelement und ein zweites Detektionskoppelteilelement aufweist, wobei bevorzugt das erste Detektionskoppelteilelement und/oder das zweite Detektionskoppelteilelement eine Balkenstruktur und besonders bevorzugt eine L-förmige Struktur und/oder eine T-förmige Struktur aufweist. Durch die Verwendung mehrerer Detektionskoppelteilelemente wird vorteilhaft erreicht, dass der antiparallele Nutzmode zu niedrigen Frequenzen verschoben und der parallele Störmode zu hohen Frequenzen verschoben wird.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Detektionskoppelelement weicher bezüglich einer Drehung um die dritte Achse als bezüglich einer Drehung um die erste Achse ausgebildet ist, wobei das Detektionskoppelelement in der zweiten Achse steifer als in der ersten Achse ausbildet ist. Dadurch wird vorteilhaft der antiparallele Nutzmode zu niedrigen Frequenzen verschoben und der parallele Störmode zu hohen Frequenzen verschoben.
  • Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors mit einem ersten Corioliselement und einem zweiten Corioliselement und mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat, wobei das erste Corioliselement durch ein erstes Anregungsmittel zu einer ersten Schwingung parallel zu einer zweiten Achse angeregt wird, wobei das zweite Corioliselement durch eine zweites Anregungsmittel zu einer zweiten Schwingung parallel zur zweiten Achse angeregt wird, wobei das erste Anregungsmittel mit einem ersten Antriebselement verbunden wird, wobei das zweite Anregungsmittel mit einem zweiten Antriebselement verbunden wird, wobei Auslenkungen des ersten Coriolis-Elements und des zweiten Corioliselements parallel zu einer ersten Achse durch Detektionsmittel detektiert werden, wobei die zweite Achse senkrecht zur ersten Achse angeordnet wird, wobei die erste Achse und die zweite Achse parallel zur Haupterstreckungsebene angeordnet werden, wobei die erste Schwingung und die zweite Schwingung über ein Antriebskoppelelement mechanisch miteinander gekoppelt werden.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen
  • 1 einen Drehratensensor gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 2a, 2b, 2c einen Drehratensensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 3a, 3c einen Drehratensensor gemäß zwei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
  • 3b eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 4 einen Drehratensensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 5a, 5b, 5c Detailansichten weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
  • 6a einen Drehratensensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
  • 6b, 6c Detailansichten weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • 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.
  • 1 zeigt einen Drehratensensor 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1 wird eine Aufsicht auf ein nicht näher dargestelltes Substrat mit einer Haupterstreckungsebene (X-Y-Ebene) gezeigt, in der ein erstes Coriolis-Element 100 und ein zweites Coriolis-Element 200 angeordnet sind. Das erste und das zweite Coriolis-Element 100, 200 sind als rahmenförmige Strukturen ausgebildet, die auf den jeweils zugewandten Seiten durchbrochen sind. Die Coriolis-Elemente 100, 200 sind von Antriebselementen 102, 202 umgeben, die auf den jeweils zugewandten Seiten durchbrochen sind. Der Drehratensensor ist symmetrisch aufgebaut, sodass im Folgenden – wenn möglich – aus Vereinfachungsgründen lediglich die linke Seite des Drehratensensors beschrieben wird. Die rechte Seite ist symmetrisch zur linken Seite aufgebaut. Das Coriolis-Element 100 und das Antriebselement 102 sind mit Biegefedern 103 verbunden. Die Biegefedern 103 sind so ausgelegt, dass sie in X-Richtung weich und in Y-Richtung steif ausgebildet sind. Das Antriebselement 102 ist mittels Federn 107 mit Lagerblöcken 106 verbunden, die fest mit dem Substrat verbunden sind. Die Federn 107 sind so ausgelegt, dass sie in Y-Richtung welch und in X-Richtung weich ausgebildet sind. An den Antriebselementen 102, 202 sind bewegliche Elektroden 104, 204 angeordnet, die kammartig in feststehende Elektroden (nicht dargestellt) greifen, die durch Lagerblöcke (nicht dargestellt) fest mit dem Substrat verbunden sind.
  • Durch Anlegen von elektrischen Spannungen zwischen den beweglichen Elektroden 104, 204 und den feststehenden Elektroden werden die Antriebselemente 102, 202 zu Schwingungen angeregt. Entsprechend werden auch die Coriolis-Elemente 100, 200 zu Schwingungen angeregt. Der Schwerpunkt der Coriolis-Elemente 100, 200 bewegt sich dann jeweils auf einer Achse, die parallel zur Y-Achse ist. Die Bewegungen der beiden Coriolis-Elemente 100, 200 erfolgen somit in Achsen, die parallel zueinander ausgebildet sind. Die Schwerpunkte bewegen sich dabei ohne die Einwirkung einer Corioliskraft (d. h. ohne eine Drehbewegung des Substrats um eine Achse die senkrecht auf dem Substrat steht) auf Geraden die zueinander parallel sind. Wenn es dabei zu einer Drehung des Substrats um die Z-Achse kommt, d. h. um die Achse, die senkrecht auf dem Substrat steht, so wirken auf jedes der Coriolis-Elemente 100, 200 Coriolis-Kräfte, die senkrecht zu der Drehachse Z und senkrecht zu der Bewegungsachse Y sind. Diese Kräfte wirken dann in X-Richtung.
  • Die beweglichen Elektroden 104, 204, zusammen mit den feststehenden Elektroden und den Antriebselementen 102, 202 bilden somit Anregungsmittel, durch die die Coriolis-Elemente 100, 200 zu Schwingungen angeregt werden, bei denen die Schwingungsachsen der Schwerpunkte zueinander parallel ausgerichtet sind. Die Antriebselemente 102, 202 werden linear und gegenphasig in der X-Y-Ebene angetrieben.
  • Für den Nachweis der Auslenkung der Coriolis-Elemente 100, 200 in Z-Richtung (senkrecht zur X-Y-Ebene) ist jeweils ein rahmenförmiges Detektionsmittel 140, 240 im Inneren der rahmenförmigen Coriolis-Elemente 100, 200 vorgesehen. Die Detektionsmittel 140, 240 sind als rechteckige Rahmenstrukturen ausgeführt, die mittels Federelementen 141 mit Lagerblöcken 106' mit dem Substrat verbunden sind. Die Federelemente 141 sind welch in X-Richtung und steif in Y-Richtung ausgelegt. Die Nachweisrahmen 140, 240 sind durch Federelemente 142 mit den entsprechenden Coriolis-Elementen 100, 200 verbunden. Die Federelemente 142 sind in Y-Richtung weich und in X-Richtung steif ausgelegt und übertragen somit besonders gut die Coriolis-Kräfte in X-Richtung. Im Inneren der Nachweisrahmen 140, 240 sind gitterförmige Nachweiselektroden 143 angeordnet, die nur angedeutet werden. Die gitterförmigen Nachweiselektroden 143 sind zwischen nicht dargestellten feststehenden Elektroden angeordnet, die durch Lager auf dem Substrat befestigt sind und sich nicht relativ zum Substrat bewegen.
  • Erfindungsgemäß sind das erste Antriebselement 102 und das zweite Antriebselement 202 über ein Antriebskoppelelement mit den Antriebskoppelteilelementen 301, 302 miteinander verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Antriebskoppelteilelemente 301, 302 symmetrisch aufgebaut, daher wird nur das Antriebskoppelteilelement 301 detailliert beschrieben. Das Antriebskoppelteilelement 301 weist einen biegesteifen Balken 312 und drei biegeweiche Balken 311, 314, 316 auf, die über Lagerstellen 313, 315 mit dem Substrat fest verbunden sind. Der Balken 312 ist über die Balken 311, 316 fest mit den Antriebselementen 102, 202 verbunden. Durch die Koppelung über die Antriebskoppelteilelemente 301, 302 wird vorteilhaft erreicht, dass die antiparallele Schwingungsmode (Nutzmode) niederfrequenter ist als die parallele Schwingungsmode.
  • Bevorzugt sind die rahmenförmige Detektionsmittel 140, 240 über ein Detektionskoppelelement 400 mit vier gleichartigen Detektionskoppelteilelementen 31, 31' (im Folgenden auch Umlenkstrukturen genannt) miteinander verbunden, die bezüglich zweier Symmetrieachse symmetrisch zueinander angeordnet sind und welche in den folgenden Figuren detailliert beschrieben werden. Durch die Koppelung der Detektionsmittel 140, 240 über das Detektionskoppelelement 400 wird vorteilhaft erreicht, dass die antiparallele Schwingungsmode (Nutzmode) niederfrequenter ist als die parallele Schwingungsmode.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform ist ein Drehratensensor, bei dem die Coriolis-Rahmen geöffnet sind und die Detektions-Elemente mittels einer speziellen Koppelstruktur (Koppelkreuz) miteinander verbunden sind. Diese Koppelstruktur weist 4 (L- oder T-förmige) Umlenkwinkel und eine zentrale Substratanbindung auf. Durch die Ausführungsform werden Störmoden in dem Sinne unterdrückt, dass sie in ihrer Frequenzlage höher als die Nutzmoden liegen. Diese verbesserte Trennung von Nutzmoden und Störmoden im Frequenzbereich führt zu einer geringeren Anregung der Störmoden und somit zu einem stabilen Betrieb. Die Kopplung der Antriebsbewegung der beiden Teilschwinger wird über separate Koppelstrukturen (T-förmig) zwischen den Coriolis-Schwingern realisiert.
  • Bevorzugt weist der Drehratensensor mindestens zwei Antriebsschwinger mit Kammstrukturen, die linear und gegenphasig in der Ebene bewegt und mittels Koppelstrukturen gekoppelt sind, so dass die antiparallele Schwingungsmode niederfrequenter ist als die parallele. Bevorzugt sind mindestens zwei Coriolis-Schwinger, die linear in der Ebene bewegt sind. Weiter bevorzugt sind mindestens zwei Detektionsschwinger, die linear in der Ebene bewegt sind und/oder mittels Koppelkreuz, welches mindestens eine Substratanbindung aufweist, gekoppelt ist. so dass die antiparallele Schwingungsmode niederfrequenter ist als die parallele (Nutzmoden = antiparallele Schwingungsformen).
  • Die Antriebsschwinger sind bevorzugt mittels Umlenk-/Koppelstrukturen miteinander gekoppelt. Diese Strukturen weisen Biegebalken, sowie steife Balken und eine Substratanbindung auf. Die Detektionsschwinger sind bevorzugt mittels einer zwischen ihnen liegenden Struktur (Koppelkreuz) direkt miteinander gekoppelt. Das Koppelkreuz wiederum ist bevorzugt aus vier Umlenkstrukturen aufgebaut, welche jeweils eine Drehbewegung ausführen. Die Umlenkstrukturen (T- oder L-förmig) sind bevorzugt an U-Federn oder an einfachen Biegebalken aufgehängt, welche sich in der Mitte treffen und am Substrat verankert sind. Die Detektionsschwinger bewegen sich linear aufeinander zu oder voneinander weg. Durch die spezielle Form des Koppelkreuzes ergibt es sich, dass die antiparallele Schwingungsmode eine niedrigere Frequenz aufweist als die parallele Schwingungsmode.
  • Bevorzugt weist der Drehratensensor Koppelstrukturen für kollineare (d. h. aufeinander zu oder voneinander weg schwingend) gegenphasige Bewegungen (sog. Koppelkreuz) auf. Bevorzugt weist der Drehratensensor zusätzlich Koppelstrukturen für nicht kollineare (d. h. aneinander vorbeistreichend) antiparallele (gegenphasige) Bewegungen auf. Alternativ ist es möglich, dass Antriebs- und Detektionsbewegung miteinander vertauscht werden (inverser Betrieb). Bevorzugt sind die Coriolis-Elemente als Rahmen ausgebildet, wobei besonders bevorzugt die Rahmen geöffnet sind und die Antriebselemente mittels einer T-förmigen Struktur mechanisch gekoppelt sind.
  • In den 2a, 2b, 2c ist ein erfindungsgemäßer Drehratensensor in drei unterschiedlichen Schwingungspositionen der Antriebsbewegung dargestellt. Die gestrichelten Pfeile bezeichnen die Bewegungsrichtung der Antriebsstrukturen. Als gestrichelter Kreis ist ein optionales Detektionskoppelelement angedeutet, welches hier nicht weiter beschrieben wird. Zum Zeitpunkt t = 0 befindet sich der Drehratensensor in der in 2a dargestellten Position. Zum Zeitpunkt t = T/4 (T steht für eine Schwingungsperiode) befindet sich der Drehratensensor in der in 2b dargestellten Position. Zum Zeitpunkt t = T/2 befindet sich der Drehratensensor in der in 2c dargestellten Position.
  • 3a zeigt einen Drehratensensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Als gestrichelter Kreis ist ein optionales Detektionskoppelelement angedeutet, welches hier nicht weiter beschrieben wird. Im Vergleich zur Ausführungsform aus 1 sind die Antriebskoppelteilelemente 301, 302 kleiner ausgebildet, d. h. der Abstand der Befestigungspunkte an den Antriebselementen ist vergleichsweise klein. Dadurch ist vorteilhaft eine vergleichsweise kompakte Bauweise der Antriebskoppelteilelemente 301, 302 möglich. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Antriebskoppelteilelemente 301, 302 im Wesentlichen außerhalb desjenigen Bereichs angeordnet, der von den Antriebselementen 102, 202 umgeben wird. 3c zeigt einen Drehratensensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich zur Ausführungsform aus 3a sind die Antriebskoppelteilelemente 301, 302 im Wesentlichen innerhalb desjenigen Bereichs angeordnet, der von den Antriebselementen 102, 202 umgeben wird. Dadurch ist vorteilhaft eine vergleichsweise kompakte Bauweise des Drehratensensors möglich. Bevorzugt sind die T-förmigen Koppelstrukturen vergleichsweise nah beieinander liegend angeordnet und besonders bevorzugt zwischen den Antriebselementen angeordnet.
  • 3b zeigt eine Detailansicht des Antriebskoppelteilelements 301 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Die T-förmigen Elemente 301 bestehen aus einem Biegebalken 21, der über einen Ankerpunkt 7 am Substrat befestigt ist. Am anderen Ende des Biegebalkens 21 schließt sich mittig und quer liegend ein steifer Balken 22 an, an dessen Enden sich wiederum Biegebalken 23 befinden, die an den Antriebselementen angebracht sind.
  • 4 zeigt einen Drehratensensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Als gestrichelter Kreis ist ein optionales Detektionskoppelelement angedeutet, welches hier nicht weiter beschrieben wird. Bei dieser Ausführungsform sind die Antriebskoppelteilelemente 301, 302 V-förmig ausgebildet.
  • 5a, 5b, 5c zeigen Detailansichten weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. 5a zeigt ein Detektionskoppelteilelement 31 (Umlenkstruktur) z. B. des Detektionskoppelelements 400 aus 1. Detektionskoppelteilelement 31 weist einen L-förmigen steifen gleichschenkligen Balken 32 auf. Der Balken 32 ist über zwei U-Federn 33, die sich in der Mitte treffen, fest mit dem Substrat verbunden (Lagerstelle 7). An den Enden des Balkens 32 schließen sich Biegebalken 34 an, die in biegesteife Balken 35 münden. Durch diese Detektionskoppelteilelemente 31 wird eine Drehbewegung um den Drehpunkt 40 vermittelt (5b). 5c zeigt eine alternative Ausführungsform des Detektionskoppelelements 400, wobei das Detektionskoppelelement 400 Detektionskoppelteilelemente mit nicht gleichschenkligen Balken 32 aufweist.
  • 6a zeigt einen Drehratensensor gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform. Im Vergleich zu der Ausführungsform aus der 1 ist das Detektionskoppelelement aus Detektionskoppelteilelementen 31 gebildet, die – wie in der Detailansicht aus 6b ersichtlich ist – einen geraden biegesteifen Balken 32 aufweisen und mittig über einen Biegebalken 36 am Substrat verankert sind (Lagerstelle 7). Alternativ ist es möglich, dass der biegesteife Balken L-förmig ausgebildet ist (6c).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10108196 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Drehratensensor (1) mit einem ersten Coriolis-Element (100) und einem zweiten Coriolis-Element (200), wobei der Drehratensensor (1) ein Substrat mit einer Haupterstreckungsebene aufweist, wobei der Drehratensensor (1) ein erstes Antriebselement (102) zum Antrieb des ersten Coriolis-Elements (100) parallel zu einer zweiten Achse (Y) aufweist, wobei der Drehratensensor (1) eine zweites Antriebselement (202) zum Antrieb des zweiten Coriolis-Elements (200) parallel zur zweiten Achse (Y) aufweist, wobei der Drehratensensor (1) Detektionsmittel (140, 240) zur Detektion von Auslenkungen des ersten Coriolis-Elements (100) und des zweiten Coriolis-Elements (200) parallel zu einer ersten Achse (X) aufgrund einer Coriolis-Kraft aufweist, wobei die erste Achse (X) senkrecht zur zweiten Achse (Y) angeordnet ist, wobei die erste Achse (X) und die zweite Achse (Y) parallel zur Haupterstreckungsebene angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebselement (102) und das zweite Antriebselement (202) über ein Antriebskoppelelement (301, 302) mechanisch miteinander gekoppelt sind.
  2. Drehratensensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebskoppelelement (301, 302) ein erstes Antriebskoppelteilelement (301) und ein zweites Antriebskoppelteilelement (302) aufweist.
  3. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebskoppelteilelement (301) und/oder das zweite Antriebskoppelteilelement (302) Balkenstruktur aufweist.
  4. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebskoppelelement (301, 302) mit dem Substrat mechanisch gekoppelt ist.
  5. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebskoppelelement (301, 302) weicher bezüglich einer Drehung um eine dritte Achse (Z) als bezüglich einer Drehung um die erste Achse (X) ausgebildet ist, wobei die dritte Achse (Z) senkrecht zur Haupterstreckungsebene angeordnet ist, wobei das Antriebskoppelelement (301, 302) in der zweiten Achse (Y) steifer als in der ersten Achse (X) ausbildet ist.
  6. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsmittel ein erstes Detektionsteilelement (140) und ein zweites Detektionsteilelement (240) aufweist, wobei das erste Detektionsteilelement (140) und ein das zweite Detektionsteilelement (240) über ein Detektionskoppelelement (400) mechanisch miteinander gekoppelt sind.
  7. Drehratensensor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionskoppelelement (400) mit dem Substrat mechanisch gekoppelt ist.
  8. Drehratensensor (1) nach Anspruch 6 oder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionskoppelelement (400) mindestens ein erstes Detektionskoppelteilelement (31) und ein zweites Detektionskoppelteilelement (31') aufweist, wobei bevorzugt das erste Detektionskoppelteilelement (31) und/oder das zweite Detektionskoppelteilelement (31') eine Balkenstruktur aufweist.
  9. Drehratensensor (1) nach einem der Ansprüche 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionskoppelelement (400) weicher bezüglich einer Drehung um die dritte Achse (Z) als bezüglich einer Drehung um die erste Achse (X) ausgebildet ist, wobei das Detektionskoppelelement (400) in der zweiten Achse (Y) steifer als in der ersten Achse (X) ausbildet ist.
  10. Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors (1) mit einem ersten Corioliselement (100) und einem zweiten Corioliselement (200) und mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat, wobei das erste Corioliselement (100) durch ein erstes Antriebselement (102) zu einer ersten Schwingung parallel zu einer zweiten Achse (Y) angeregt wird, wobei das zweite Corioliselement (200) durch eine zweites Antriebselement (202) zu einer zweiten Schwingung parallel zur zweiten Achse (Y) angeregt wird, wobei Auslenkungen des ersten Coriolis-Elements (100) und des zweiten Corioliselements (200) parallel zu einer ersten Achse (X) durch Detektionsmittel (140, 240) detektiert werden, wobei die zweite Achse (Y) senkrecht zur ersten Achse (X) angeordnet wird, wobei die erste Achse (X) und die zweite Achse (Y) parallel zur Haupterstreckungsebene angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schwingung und die zweite Schwingung über ein Antriebskoppelelement (301, 302) mechanisch miteinander gekoppelt werden.
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