CN102269589B - 旋转速率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转速率传感器(101)，包括：一驱动装置(103，109)；至少一个科里奥利元件(113)；一具有至少两个检测元件(119)的检测装置，所述检测元件利用一耦联装置(121，121a，121b，123)相互耦联，其中，所述驱动装置(103，109)与所述科里奥利元件(113)连接用于驱动所述科里奥利元件(113)振动；以及一与所述检测装置和所述科里奥利元件(113)连接的另外的耦联装置(127)，用于将所述科里奥利元件(113)在振动平面中在与振动正交的方向上的偏转耦联到所述检测装置上。

Description

旋转速率传感器

技术领域

本发明涉及一种旋转速率传感器。

背景技术

已知的是，在可旋转的物体上安置旋转速率传感器，用于测量物体的旋转运动的旋转速率。旋转速率传感器通常具有两个能振动的质量，它们也可以被称为分振动器。这两个能振动的质量也可以被称为第一振动质量和第二振动质量，它们可以利用驱动器被驱动至相互反向的振动。也就是说，第一振动质量和第二振动质量相互错开180°相位地(逆平行地)振动。因此，第一振动质量和第二振动质量的振动运动通常也被称为相互反向的振动运动或者逆平行模式。

如果物体连同设置在其上的旋转速率传感器在两个振动质量被同时激励至其逆平行的振动运动时执行围绕不与振动质量的振动方向平行的旋转轴线的旋转运动，则科里奥利力作用于两个振动的振动质量上。通过科里奥利力使两个振动质量分别垂直于其振动方向偏转。由于两个振动质量的振动运动的逆平行性，两个振动质量在相反的方向上偏转。这种相反的振动方向也可以称为逆平行的检测振动。逆平行的检测振动可以电容式地获得并且利用分析处理电子装置换算成旋转速率。在此振动质量的偏转与作用于振动质量上的科里奥利力成比例。因此振动质量的偏转对应于物体的旋转运动的旋转速率。

例如由公开文献DE102008042369A1已知这种旋转速率传感器。

这种旋转速率传感器在现有技术中除了其两个有效模式、即驱动模式和检测模式以外还可能具有其它振动模式，即所谓的干扰模式。这些干扰模式在旋转速率传感器的运行中叠加并且可能导致错误信号。

发明内容

因此本发明的目的是，给出一种旋转速率传感器，它克服已知的缺陷并且尤其是有效地抑制干扰模式，由此避免错误信号。

这个目的利用如权利要求1所述的旋转速率传感器实现。本发明的有利扩展结构是从属权利要求的内容。

本发明包括以下构思：提供一种旋转速率传感器，它包括驱动装置、至少一个科里奥利元件和一个具有至少两个检测元件的检测装置。旋转速率传感器可以是例如微机械的旋转速率传感器。科里奥利元件尤其包括一个能振动的质量。科里奥利元件也可以称为科里奥利振动器。优选也可以设有多个科里奥利元件，尤其构成两个科里奥利元件。此外所述驱动装置这样与科里奥利元件连接，使得科里奥利元件执行振动。当构成多个、尤其两个科里奥利元件时，驱动装置与多个科里奥利元件这样连接，使得这些科里奥利元件执行反向的振动。尤其在两个科里奥利元件的情况下这两个科里奥利元件执行逆平行的共线的驱动振动。

根据本发明旋转速率传感器还包括耦联装置，该耦联装置使所述至少两个检测元件相互耦联。

此外所述旋转速率传感器包括一个与检测装置和科里奥利元件连接的另外的耦联装置。该耦联装置将科里奥利元件在振动平面中在与驱动振动正交的方向上的偏转耦联到检测装置上。因此，在科里奥利元件相应偏转时所述至少两个检测元件同样偏转。所述检测装置优选包括一个或多个检测电极，所述检测电极尤其与所述至少两个检测元件连接，使得检测元件的偏转也引起所述检测电极的偏转。该偏转可以例如利用一个相对于检测装置位置固定地设置的电极电容地检测，其中在此也可以设置多个位置固定地设置的电极。电容式检测尤其可以利用分析处理电子装置换算成旋转速率。位置固定地设置的电极也可以称为配对电极。检测元件相对于该或这些配对电极的偏转也可以称为差分偏转。

在以下实施形式中描述根据本发明的例如具有两个科里奥利元件的旋转速率传感器。但是本发明不局限于此。在最简单的情况下一个科里奥利元件就足够了。

对于下面的其它实施例，如下地定义三个空间轴、即x轴、y轴和z轴。y轴平行于两个科里奥利元件的振动，即，驱动装置激励两个科里奥利元件至逆平行的共线的沿着y轴的驱动振动。x轴与y轴正交并且在驱动振动平面中。z轴与x和y轴正交并且垂直于驱动振动平面。

如果旋转速率传感器也旋转，以至于形成具有垂直于振动平面的分量(即z向的分量)的旋转速率，则这种旋转速率导致力作用，该力作用引起两个科里奥利元件沿着x轴的逆平行的且非共线的偏转。这种偏转也可以称为检测振动。科里奥利元件参与该振动并且利用所述另外的耦联装置传递其运动到检测装置、尤其所述至少两个检测元件上。所述检测装置优选也可以称为检测振动器。因为根据本发明所述至少两个检测元件利用耦联装置相互耦联，所以所述至少两个检测元件的平行振动模式(即两个检测元件同向或同相振动)比所述两个检测元件的逆平行振动模式(即两个检测元件相互错开180°相位地振动)具有更高的频率。

因此，与在已知的旋转速率传感器中相比，在按照本发明的旋转速率传感器中干扰模式、尤其是平行的检测模式和平行的驱动模式偏移到更高的频率。尤其在平行的检测模式中两个科里奥利元件同向地沿着x轴运动。尤其在平行的驱动模式中驱动器件和科里奥利元件同向地沿着y轴运动。有效模式和干扰模式在频率范围中的这种增强分离导致干扰模式的更少激励并由此尤其导致特别稳定的运行。

在旋转速率传感器的一种优选构型中，耦联装置包括至少一个双摆杆(Doppelwippe)。双摆杆可以尤其包括两个摆杆、尤其是耦联摆杆，它们分别使所述至少两个检测元件相互耦联。双摆杆可以尤其称为耦联元件。优选地，两个摆杆这样地设置在两个检测元件上，使得两个摆杆包围、尤其是至少部分地包围两个检测元件。由这些摆杆构成的双摆杆也可以被称为包围两个检测元件的双摆杆。在检测元件或检测振动器直线偏转时，耦联摆杆执行旋转运动。这尤其导致：两个检测元件的逆平行的振动模式比两个检测元件的平行的振动模式具有更低的频率。

在旋转速率传感器的一种示例性的实施形式中，两个耦合元件相互耦联。这种耦联可以例如利用耦联弹簧引起，即两个科里奥利元件利用这种耦联弹簧耦联。这尤其提供了优点，即能够消除平行的驱动模式与逆平行的驱动模式之间的简并。

按照旋转速率传感器的另一示例性的实施形式，所述驱动装置具有两个驱动器件，它们各与一个科里奥利元件连接。这种驱动器件也可以称为驱动振动器。驱动器件优选具有用于静电驱动的驱动梳。这种驱动梳尤其具有叉指式结构。在另一优选的示例性构型中，两个驱动器件、尤其是两个驱动梳相互耦联，优选利用耦联弹簧。按照另一示例性的实施形式，不仅两个驱动器件、尤其是两个驱动梳而且两个科里奥利元件相互耦联，例如利用弹簧，尤其利用耦联弹簧，优选扭簧、弯曲弹簧、U形弹簧或S形弹簧。

在另一优选的旋转速率传感器实施形式中，旋转速率传感器包括衬底。驱动装置、两个科里奥利元件和检测装置优选设置、尤其锚定在衬底上。但是在此两个科里奥利元件和检测装置这样设置在衬底上，使得不仅两个科里奥利元件而且检测装置、尤其是所述至少两个检测元件都还可以自由振动。衬底的使用尤其是提供了以下优点：这种旋转速率传感器可以简单并以微少的费用安装到装置如移动电话、便携式多媒体播放设备或移动计算机中。在这里应用不应只局限于上述装置。可以想到的是其中要确定旋转速率的所有装置。

在旋转速率传感器的另一示例性的构型中，所述至少两个检测元件具有格栅形状。优选格栅形状利用多个检测电极构成。尤其是检测元件包括多个相互平行设置的检测电极。

附图说明

下面借助于优选的实施形式参照附图详细解释本发明。在此：

图1示出一个旋转速率传感器；

图2示出图1的旋转速率传感器在检测模式中的运动的示意图；

图3示出图1的具有转向框架的旋转速率传感器；

图4示出图3的旋转速率传感器的驱动模式的示意图；

图5示出另一具有转向框架的旋转速率传感器；

图6示出图5的没有转向框架的旋转速率传感器；

图7示出一个另外的旋转速率传感器；和

图8示出另一个旋转速率传感器。

下面在图中相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

图1示出包括衬底102的旋转速率传感器101。该衬底102具有矩形形状。即，衬底102是矩形衬底。在另一未示出的实施例中衬底102也可以具有正方形形状。在另一未示出的实施例中衬底102也可以具有三角形状或多角形状，尤其五角形状、六角形状或八角形状。在特别优选的在此未示出的实施形式中衬底102也可以具有圆形形状或椭圆形状。在另一未示出的实施例中旋转速率传感器101可以构造为微机械的旋转速率传感器。

旋转速率传感器101还具有一驱动装置，该驱动装置具有两个驱动器件103。两个驱动器件103分别设置在衬底102的上部区域和下部区域中。在此驱动器件103通过悬挂器件105固定在衬底102上的锚定器件107上。悬挂器件105的作用是使驱动器件103可在y轴方向上运动。优选驱动器件103利用作为悬挂器件的弹簧悬挂在锚定器件107上。弹簧优选是U形弹簧。

驱动器件103分别包括驱动梳109。优选驱动梳109构成为叉指式结构。驱动梳109优选被配置用于静电驱动。

所述驱动器件103分别具有垂直于驱动梳109设置的耦联臂111，耦联臂将驱动器件103分别耦联到一个科里奥利元件113上。即，耦联臂111将两个驱动器件103与两个科里奥利元件113连接，用于驱动两个科里奥利元件113反向振动。科里奥利元件113通过科里奥利悬挂器件117悬挂在锚定器件107上，其中锚定器件107固定在衬底102上。科里奥利悬挂器件107的作用尤其是，使科里奥利元件113可在x和y轴方向上运动。科里奥利悬挂器件117优选构成为弯曲弹簧，尤其曲折的弯曲弹簧。即，弯曲弹簧可以具有曲折形状。尤其曲折的回环平行于x轴和y轴。优选可以设有带拐角的曲折形状。可以说曲折的弯曲弹簧围绕拐角构成。

箭头114例如表征两个科里奥利元件113在半相期间、即当两个驱动器件103驱动两个科里奥利元件113反向振动时的运动。

旋转速率传感器101还具有包括两个检测元件119的检测装置。这两个检测元件119利用耦联装置相互耦联。在这里所示的实施例中耦联装置包括一个包围两个检测元件119的双摆杆121，该双摆杆由两个设置在检测元件119侧旁的耦联摆杆121a和121b构成。两个耦联摆杆121a和121b分别利用两个耦联梁123与检测元件119连接。耦联摆杆121a和121b利用检测衬底锚定器件125设置、尤其锚定在衬底上。

这两个检测元件119还利用一个另外的耦联装置耦联到两个科里奥利元件113上。在这里所示的实施例中，该另外的耦联装置包括两个耦联弹簧127，这些耦联弹簧各将一个科里奥利元件113耦联到一个检测元件119上。即，检测装置与两个科里奥利元件113这样连接，使得两个科里奥利元件113的在振动平面中、即在x-y平面中在与驱动振动正交的方向上、即在x轴方向上的偏转被耦联在检测装置上。在此当两个科里奥利元件113在x轴方向上相应偏转时两个检测元件119同样偏转，尤其是在x轴方向上偏转。

检测元件119具有多个平行设置的检测电极129。检测电极129在两侧由位置固定设置的电极(未示出)包围，由此可以电容地获得检测电极129的偏转。然后可以利用未示出的分析处理电子装置将这种相对于位置固定设置的电极的偏转换算成旋转速率，位置固定设置的电极也可以称为配对电极。

在旋转速率传感器101的运行中驱动器件103激励两个科里奥利元件113至逆平行且共线的沿着y轴的驱动振动。不仅驱动梳109而且两个科里奥利元件113也参与该驱动振动。具有两个检测元件119的检测装置不参与该驱动振动，检测元件也可以称为检测振动器。这一点尤其利用适合的相对于衬底102的弹簧悬挂并且利用各个组成部分之间的适合的弹簧实现。

旋转速率传感器101的具有垂直于衬底102、即在z轴方向上的分量的旋转速率导致力作用，它引起科里奥利元件113沿着x轴的逆平行且非共线的偏转。这个沿着x轴的偏转也可以称为检测振动。两个科里奥利元件113参与这个检测振动并且将其运动传递到检测装置或检测振动器、即检测元件119上。驱动梳109不参与该检测振动。由于两个检测元件119根据本发明利用两个位于外部的摆杆结构、即双摆杆121耦联，双摆杆121a和121b执行旋转运动，其中，检测元件119直线地沿着x轴运动。这导致，逆平行的振动模式比平行的振动模式具有更低的频率。相对于位置固定设置的配对电极的差分偏转被电容式地检测并且利用分析处理电子装置换算为旋转速率。该偏转在图1中利用箭头130表示。

在图1中所示的实施例中两个科里奥利元件113利用两个科里奥利耦联弹簧115相互耦联。科里奥利耦联弹簧115的作用尤其是，消除平行的驱动模式与逆平行的驱动模式之间的简并。科里奥利耦联弹簧115仅仅是可选择的，即，旋转速率传感器101也可以没有这种科里奥利耦联弹簧115。也就是说，两个科里奥利元件113不相互耦联。就此而言两个科里奥利元件113在这个未示出的实施例中去耦联。按照一种示例性的构型可以规定，两个驱动器件103、尤其是两个驱动梳109相互耦联作为两个科里奥利元件113的耦联的附加或替代。优选地，该耦联可以利用一个或多个耦联弹簧实现。

按照本发明的构思，即两个检测元件119利用耦联装置(在这里例如包括双摆杆121)相互耦联，尤其提供了以下优点：干扰模式、尤其平行的检测模式和平行的驱动模式偏移到比在目前已知的旋转速率传感器中更高的频率。在此在平行的检测模式中两个科里奥利元件113同向地沿着x轴运动。在平行的驱动模式中驱动器件103和科里奥利元件113同向地沿着y轴运动。

图2示出图1的旋转速率传感器101在检测模式中的运动的示意图，其中出于清楚的考虑不是所有的元件都具有附图标记。该检测模式利用科里奥利力被激励。两个检测元件119的同向的平行运动被抑制。相应的运动在图2中利用箭头标出。

图3示出图1的旋转速率传感器101，其中，在图3中所示的实施例中旋转速率传感器101具有转向框架131。转向框架131环绕地围绕科里奥利元件113和具有两个检测元件119的检测装置构成。利用四个臂133a、133b、133c和133d形成转向框架131，其中臂133a、133b、133c和133d各具有一个直角的有角形状。臂133a和133d分别利用臂耦联弹簧134与相应的臂133c和133b耦联。此外臂133a、133b、133c和133d分别利用一个另外的耦联短臂111a耦联在驱动梳109上，由此在驱动梳109的驱动运动中也驱动相应的臂133a、133b、133c和133d。臂133a、133b、133c和133d利用转向框架悬挂器件135悬挂在衬底上，其中，转向框架悬挂器件135尤其包括弹簧和衬底悬挂。这样设置该悬挂，使得在驱动梳109的驱动运动中臂133a、133b、133c和133d可以执行围绕想象的旋转点139的运动。利用弯曲的虚线箭头137表征臂133a、133b、133c和133d的该运动。

利用转向框架131(它使驱动器件103相互耦联)消除平行的(干扰的)驱动模式与逆平行的(有效模式)驱动模式之间的简并并且使干扰模式比有效模式更刚性。这一点通过也可以称为传递弹簧的臂耦联弹簧134相对于同向(弯曲)或反向(剪切)负荷的不同刚性引起。

图4示出图3的旋转速率传感器101的驱动模式的示意图，该驱动模式通过驱动器件103激励。此外示出转向框架131的臂133a、133b、133c和133d的相应运动。与图2类似，出于清楚的考虑没有标出所有的附图标记。

图5示出具有转向框架131的旋转速率传感器101的另一实施形式。但是在此检测元件119和科里奥利元件113整体地构成。也就是说，它们形成一个单元并且可以说叠合到一起，其中，它们即不仅检测元件119而且科里奥利元件113参与驱动运动。该实施形式尤其具有结构特别紧凑的优点。

图6示出图5的在没有转向元件131的实施形式中的旋转速率传感器。驱动模式的简并在此利用耦联弹簧元件140消除，该耦联弹簧元件布置在整体地构成的两个检测元件119或科里奥利元件113之间以使它们耦联。

图7示出旋转速率传感器101的另一个示例性的实施例，其中，在这里对于目前的实施例附加地使科里奥利元件113分别具有多个另外的检测电极141。这些另外的检测电极141优选设置在科里奥利元件113下面。因此以有利的方式实现了围绕z轴和围绕x轴的旋转速率的同时测量。这种旋转速率传感器101也可以称为双通道的旋转速率传感器。在出现围绕x轴的旋转速率时，在科里奥利元件113上作用一个在z方向上的科里奥利力143，它可以利用另外的检测电极141被分析处理。

图8示出旋转速率传感器101的另一个优选的实施例。在这里与在图5和6中所示的实施例类似，检测元件119和科里奥利元件113整体地构成，即它们叠合到一起并且作为一个单元参与驱动运动。与在图7中所示的实施例类似，图8中的旋转速率传感器101具有另外的检测电极141，它们被科里奥利元件113或检测元件119包围。例如在此仅示出两个另外的检测电极141。也可以优选地设置多个另外的检测电极141。因此，以有利的方式可以实现正交校准和静电正反馈。检测电极141优选设置在科里奥利元件113下面、尤其是设置在衬底上。也可以例如规定，检测电极141设置在检测元件119下面和/或在旋转速率传感器101的其它元件上，尤其是在衬底102上。优选地，所述另外的检测电极141设置在科里奥利元件113下面。利用在图8中所示的旋转速率传感器101能够同时测量围绕z轴的旋转速率和围绕x轴的旋转速率。在出现围绕x轴的旋转速率时，与图7类似地在科里奥利元件113上作用一个在z方向上的科里奥利力143，它可以利用所述另外的检测电极141被分析处理。包围的耦联摆杆121a和121b在x、y平面中运动时以在从x、y平面中运动出来时相同的方式作用。在从x、y平面运动出来时，逆平行的运动比平行的运动频率更低，使得尤其是实现干扰模式与有效模式之间的分离。在图8中所示的旋转速率传感器101也可以称为双通道的旋转速率传感器。

按照另一优选的未示出的实施形式，所述另外的检测电极141也可以集成到一个盖中或者设置在这样的盖上。这个盖优选覆盖衬底102，由此构成一个旋转速率传感器壳体。优选使盖与衬底102粘接。例如使旋转速率传感器壳体的内室抽真空。即，在内室中存在真空或负压。设置或集成到这个盖中的另外的电极141也可以称为盖电极。负压的作用尤其是，降低振动的且旋转的、即运动的元件的运动阻力。由此可以以有利的方式施加更低的驱动电压到驱动装置上。

Claims (12)

1.旋转速率传感器(101)，包括：

一驱动装置(103，109)，

至少一个科里奥利元件(113)，

一具有至少两个检测元件(119)的检测装置，所述检测元件利用一耦联装置(121，121a，121b，123)相互耦联，

其中，所述驱动装置(103，109)与所述科里奥利元件(113)连接用于驱动所述科里奥利元件(113)振动，以及

一与所述检测装置和所述科里奥利元件(113)连接的另外的耦联装置(127)，用于将所述科里奥利元件(113)在振动平面中在与振动正交的方向上的偏转耦联到所述检测装置上。

2.如权利要求1所述的旋转速率传感器(101)，其中，构成有两个科里奥利元件(113)。

3.如权利要求1所述的旋转速率传感器，其中，所述耦联装置(121，121a，121b，123)包括至少一个双摆杆(121)。

4.如权利要求2所述的旋转速率传感器，其中，所述耦联装置(121，121a，121b，123)包括至少一个双摆杆(121)。

5.如权利要求3和4中任一项所述的旋转速率传感器，其中，所述至少一个双摆杆(121)利用至少一个耦联梁(123)与所述两个检测元件(119)连接。

6.如权利要求2和4中任一项所述的旋转速率传感器，其中，所述两个科里奥利元件(113)和所述至少两个检测元件(119)整体地构成。

7.如权利要求2和4中任一项所述的旋转速率传感器，其中，所述两个科里奥利元件(113)相互耦联。

8.如权利要求2和4中任一项所述的旋转速率传感器，其中，所述驱动装置(103，109)具有两个驱动器件(103)，所述驱动器件各与一个科里奥利元件(113)连接。

9.如权利要求8所述的旋转速率传感器，其中，所述两个驱动器件(103)相互耦联。

10.如权利要求9所述的旋转速率传感器，其中，所述两个驱动器件(103)利用一个至少部分地环绕所述科里奥利元件(113)的转向框架(131)相互耦联。

11.如权利要求10所述的旋转速率传感器，其中，所述转向框架(131)至少两部分地构成并且所述转向框架的所述至少两部分相互耦联。

12.如权利要求1至4中任一项所述的旋转速率传感器，其中，所述科里奥利元件(113)具有至少一个另外的电极(141)。