CN102353368B - 旋转速率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转速率传感器，包括：一驱动装置(103，109)；至少一个科里奥利元件(113)；一检测装置，其中，所述驱动装置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，其特征在于，所述检测装置具有至少一个转子(119，119a)，以及一与所述检测装置和所述科里奥利元件(113)连接的耦联装置(121)被构成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，使得在所述科里奥利元件(113)的相应偏转中一用于驱动所述至少一个转子(119，119a)的转矩从所述科里奥利元件(113)传递到所述至少一个转子(119，119a)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。即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DE 10 2008 042 369 A1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以具有其它振动模式，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一个转子的检测装置。科里奥利元件尤其包括一个能振动的质量。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振动。尤其在两个科里奥利元件的情况下两个科里奥利元件执行逆平行的共线的驱动振动。

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耦联装置。该耦联装置将科里奥利元件在振动平面中在与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转矩从科里奥利元件传递到所述至少一个转子上，由此驱动所述至少一个转子。所述检测装置优选包括一个转子。在旋转速率传感器的另一示例的实施形式中所述检测装置包括多个转子、尤其两个转子。

在下面的实施例中描述按照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。在一种优选的构型中所述旋转速率传感器可以是微机械的旋转速率传感器。

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的平面中。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耦联装置传递其运动到检测装置、尤其该转子或这些转子上。

所述检测装置优选也可以称为检测振动器。因为科里奥利元件或科里奥利振动器的检测振动不共线地延伸，所以它们可以引起检测振动器或检测装置、尤其是至少一个转子的旋转运动，它们传递转矩到转子上。转子也被驱动，即，引起旋转的偏转。然后该旋转的偏转例如可以被检测并且尤其利用分析处理电子装置换算成旋转速率。

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稳定的运行。

在旋转速率传感器的示例实施形式中两个科里奥利元件相互耦联。这种耦联例如可以利用耦联弹簧引起，即，两个科里奥利元件利用这种耦联弹簧耦联。其尤其是提供以下优点：可以消除平行的与逆平行的驱动模式之间的简并(Entartung)。

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。按照另一优选的旋转速率传感器构型，两个驱动器件相互耦联，例如利用耦联弹簧。按照另一示例性的实施形式可以规定，两个科里奥利元件相互耦联并且驱动器件相互耦联，例如利用弹簧，优选耦联弹簧、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、尤其是所述至少一个转子都还可以自由振动。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，所述至少一个转子具有两个同心设置的分别具有不同半径的圆形元件。在两个圆形元件之间径向地或轮辐形地设置电极。优选的是在两个圆形元件之间径向地或轮辐形地设置多个电极。优选这种转子中心地在内部的圆形元件中固定在衬底上，尤其是转子中心地通过弯曲弹簧在内部的圆形元件中悬挂在衬底上。优选可以将弯曲弹簧构造为扭簧、膨胀弹簧、U形弹簧或S形弹簧。旋转的偏转、即转子的旋转、也就是该径向设置的电极或者这些径向设置的电极的旋转例如可以利用一个位置固定设置的电极或利用多个位置固定设置的电极电容式地检测。位置固定设置的电极也可以称为配对电极。优选检测装置包括该配对电极或这些配对电极。电容式检测到的旋转式偏转例如可以利用分析处理电子装置换算成旋转速率。

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的具有转向框架的旋转速率传感器；

图3示出具有两个转子的旋转速率传感器；

图4示出具有一个转子的另一旋转速率传感器；

图5示出图4的具有两个转子的旋转速率传感器；

图6示出另一旋转速率传感器；和

图7示出一个转子。

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。在所示的实施形式中旋转速率传感器构造为微机械的旋转速率传感器。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。

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105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。两个科里奥利元件113具有例如类似桥拱的形状。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还具有包括转子119的检测装置。该转子119利用耦联装置耦联在两个科里奥利元件113上。在这里所示的实施例中耦联装置包括两个耦联弹簧121，它们分别使科里奥利元件113耦联在转子119上。检测装置也与两个科里奥利元件113这样连接，使得两个科里奥利元件的在振动平面、即在x-y平面中在与振动正交的方向上、即在x轴的方向上的偏转耦联在检测装置上。在此在两个科里奥利元件113在x轴的方向上相应偏转时用于驱动转子119的转矩从两个科里奥利元件113传递到转子119上。

转子119本身利用至少一个弯曲梁123悬挂，即，也可以设有多个用于悬挂的弯曲梁，其中弯曲梁123利用中心地设置的转子衬底锚定器件125设置在衬底102上。此外转子119具有侧面设置的转子衬底悬挂器件127，它们利用锚定器件107固定或锚接在衬底102上。转子衬底悬挂器件127尤其可以包括U形弹簧，优选一个或多个双U形弹簧。转子衬底悬挂器件127优选可以包括一个或多个扭簧和/或一个或多个弯曲弹簧。

转子119具有多个径向设置的检测电极129。在这里所示的实施例中形成十六个检测电极。在另一未示出的实施例中也可以形成四个检测电极、尤其16个、优选32个、例如64个检测电极。在另一未示出的实施例中检测电极的数量可以被4整除。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旋转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和驱动器件103而且两个科里奥利元件113也参与该驱动振动。检测装置，也可以称为检测振动器，不参与该驱动振动。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上。驱动梳109不参与该检测振动。因为科里奥利元件113的检测振动非共线地延伸，科里奥利元件113可以引起检测振动器的旋转运动，它们将转矩传递到检测振动器上。

由于所述转矩传递使转子119旋转地偏转，这在图1中利用两个弯曲的圆形设置的箭头表示。

在图1中所示的实施例中两个科里奥利元件113利用科里奥利耦联弹簧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。即，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。

按照本发明的构思，两个科里奥利元件113利用耦联装置、在这里例如包括耦联弹簧121耦联到具有转子119的检测装置上，其优点尤其是，使干扰模式、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，其中在图2中示出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和具有转子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。转向框架悬挂器件135尤其包括衬底锚定器件和弹簧、尤其弯曲弹簧、扭簧、U形弹簧或S形弹簧。这样设置悬挂，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)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3示出旋转速率传感器101的另一实施形式，其中检测装置在这里具有两个转子119和119a。两个转子119，119a与在图1和2中所示的实施例类似地悬挂在衬底102上。在这里也利用将转矩从科里奥利元件113传递到转子119，119a上的耦联弹簧121特别有效地抑制模式、尤其是干扰模式。科里奥利元件113在图3所示的实施例中具有双拱桥形状。

图4示出旋转速率传感器101的另一实施例，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中或下面。这些另外的检测电极141尤其相互平行地设置。所述另外的检测电极141尤其形成格栅结构。优选形成两个另外的检测电极。例如也可以形成多于两个另外的检测电极。另外的检测电极优选不仅设置在科里奥利元件113中而且设置在科里奥利元件113下面。在此也可以规定，一个或多个检测电极141设置在旋转速率传感器的其它元件的上面和/或下面。因此以有利的方式可以实现正交校准和静电正反馈。此外利用所述另外的检测电极141以有利的方式实现对转子119的旋转偏转的特别灵敏的电容式检测。

图5示出图4的旋转速率传感器101，不同之处是具有两个转子119和119a。该实施形式尤其提供优点，即可以特别有效地抑制干扰模式。

图6示出旋转速率传感器101的另一实施形式。在这里科里奥利元件113具有另外的电极143，由此可以同时测量围绕z轴和围绕x轴的旋转速率。因此这个旋转速率传感器101也可以称为两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z轴方向上的科里奥利力145，该科里奥利力然后可以利用所述另外的电极143分析处理。在另一未示出的实施例中，在图6中所示的旋转速率传感器101也包括两个转子。另外的电极143设置在科里奥利元件113下面，优选在衬底上。按照另一未示出的实施形式，另外的电极143也可以设置在该转子119下面或这些转子119和119a下面，尤其在衬底上。按照另一优选的扩展结构另外的电极143设置在科里奥利电极113和/或该转子119或这些转子119，119a上方。例如在衬底上可以设有一个悬臂、尤其多个悬臂，它与吊车类似地将另外的电极143保持在科里奥利元件113和转子119，119a上方。

按照另一优选的实施形式，所述另外的电极143也可以集成到一个盖(未示出)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143也可以称为盖电极。负压的作用尤其是，降低振动的和旋转元件的运动阻力。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。优选转子衬底悬挂器件127可以包括一个或多个扭簧和/或一个或多个弯曲弹簧。由此尤其形成一个所谓的平面外(out-of-plane)检测装置。即，转子119在旋转速率传感器101相应旋转、即围绕x轴相应旋转时也可以从纸面中倾斜或弯曲出来。所述另外的电极143检测转子119的从纸面出来的运动并且将其换算成相对于x轴的旋转速率。

如结合对于图6的附图说明被描述的盖那样，一个盖也可以用于在图1至5中所示的其它实施例。在此盖可以具有或没有盖电极。

图7示出转子147，它尤其可以在图1至6中所示的实施形式中使用。该转子147包括三个同心设置的转子环149，151和153。利用转子环149和151形成一个外部的圆形条并利用转子环151和153形成一个内部的圆形条。在这些条上径向地、类似车轮轮辐地设置多个检测电极129。因此以有利的方式可以比在转子119和119a中为每个圆段设置更多的检测电极129。由此尤其可以更好地检测旋转速率传感器的旋转速率。因此能够实现改善的时间分辨率。即，旋转速率传感器也可以在小的时间窗、例如微秒或毫秒范围中检测旋转速率变化。在另一未示出的示例性的实施形式中检测电极129两侧被配对电极侧面地包围，即，配对电极分别设置在检测电极129的左侧和右侧。

Claims (9)

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)，

一检测装置，

其中，所述驱动装置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，

所述检测装置具有至少一个转子(119，119a)，以及

一与所述检测装置和所述科里奥利元件(113)连接的耦联装置(121)被构成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，使得当所述科里奥利元件(113)相应偏转时一用于驱动所述至少一个转子(119，119a)的转矩从所述科里奥利元件(113)传递到所述至少一个转子(119，119a)上，

其中，所述耦联装置直接连接所述科里奥利元件，所述耦联装置与一至少部分地围绕所述科里奥利元件的转向框架是分离开并且不同的，

其中，构成有两个科里奥利元件(113)，

其中，所述两个科里奥利元件(113)利用科里奥利耦联弹簧(115)相互耦联。

2.如权利要求1所述的旋转速率传感器，其中，所述驱动装置具有两个驱动器件(103)，所述驱动器件各与一个科里奥利元件(113)连接。

3.如权利要求2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。

4.如权利要求3所述的旋转速率传感器，其中，所述两个驱动器件(103)利用一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。

5.如权利要求4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个部分相互耦联。

6.如上述权利要求中任一项所述的旋转速率传感器，其中，所述至少一个转子(119，119a)具有径向地设置的检测电极(129)。

7.如上述权利要求中任一项所述的旋转速率传感器，其中，所述检测装置具有位置固定地设置的电极。

8.如上述权利要求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)中的至少一个科里奥利元件具有另外的电极(143)。

9.如上述权利要求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)中的至少一个科里奥利元件具有至少一个另外的检测电极(141)。