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Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, an einem rotierbaren Körper einen Drehratensensor anzubringen, um eine Drehrate einer Rotationsbewegung des Körpers zu messen. Ein Drehratensensor weist in der Regel zwei schwingfähige Massen, welche auch als Teilschwinger bezeichnet werden können, auf. Die zwei schwingfähigen Massen können auch als eine erste Schwingmasse und als eine zweite Schwingmasse bezeichnet werden, welche mittels eines Antriebs zu einer gegenläufigen Schwingung angetrieben werden können. D. h., dass die erste Schwingmasse und die zweite Schwingmasse um 180° phasenversetzt (anti-parallel) zueinander schwingen. Man bezeichnet die Schwingbewegungen der ersten Schwingmasse und der zweiten Schwingmasse deshalb häufig auch als gegenphasige Schwingbewegungen oder auch als eine anti-parallele Mode.
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Führt der Körper mit dem daran angeordneten Drehratensensor bei gleichzeitiger Anregung der beiden Schwingmassen zu ihren anti-parallelen Schwingbewegungen einer Rotationsbewegung um eine zu der Schwingrichtung der Schwingmassen nicht-parallele Rotationsachse aus, so wirken Corioliskräfte auf die beiden schwingenden Schwingmassen. Durch die Corioliskräfte werden die beiden Schwingmassen jeweils senkrecht zu ihrer Schwingrichtung ausgelenkt. Aufgrund der Anti-Parallelität der Schwingbewegungen der beiden Schwingmassen werden die beiden Schwingmassen in entgegengesetzter Richtung ausgelenkt. Eine solche entgegengesetzte Schwingrichtung kann auch als eine anti-parallele Detektionsschwingung bezeichnet werden. Diese anti-parallele Detektionsschwingung kann kapazitiv erfasst und mittels einer Auswerteelektronik in eine Drehrate umgerechnet werden. Hierbei ist die Auslenkung einer Schwingmasse proportional zu der auf die Schwingmasse wirkenden Coriolis-Kraft. Somit entspricht die Auslenkung der Schwingmasse der Drehrate der Rotationsbewegung des Körpers.
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Ein solcher Drehratensensor ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 042 369 A1 bekannt.
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Solche Drehratensensoren im Stand der Technik können neben ihren beiden Nutzmoden, d. h. der Antriebsmode und der Detektionsmode, noch weitere Schwingungsmoden aufweisen, sogenannte Störmoden. Diese Störmoden überlagern sich in einem Betrieb des Drehratensensors und können zu Fehlsignalen führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Drehratensensor anzugeben, welcher die bekannten Nachteile überwindet und insbesondere Störmoden wirksam unterdrückt, so dass Fehlsignale vermieden werden.
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Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Drehratensensors nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
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Die Erfindung umfasst den Gedanken, einen Drehratensensor bereitzustellen, welcher eine Antriebseinrichtung, zumindest ein Coriolis-Element, und eine Detektionseinrichtung mit zumindest zwei Detektionselementen umfasst. Der Drehratensensor kann beispielsweise ein mikromechanischer Drehratensensor sein. Das Coriolis-Element umfasst insbesondere eine schwingfähige Masse. Ein Coriolis-Element kann auch als ein Coriolis-Schwinger bezeichnet werden. Vorzugsweise können auch mehrere Coriolis-Elemente vorgesehen sein, insbesondere sind zwei Coriolis-Elemente gebildet. Die Antriebseinrichtung ist ferner mit dem Coriolis-Element derart verbunden, dass das Coriolis-Element eine Schwingung ausführt. Wenn mehrere, insbesondere zwei Coriolis-Elemente gebildet sind, ist die Antriebseinrichtung mit den mehreren Coriolis-Elementen derart verbunden, dass die Coriolis-Elemente eine gegenläufige Schwingung ausführen. insbesondere führen im Fall von zwei Coriolis-Elementen die zwei Coriolis-Elemente eine anti-parallele kollineare Antriebsschwingung aus.
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Erfindungsgemäß umfasst der Drehratensensor ferner eine Koppeleinrichtung, welche die zumindest zwei Detektionselemente miteinander koppelt.
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Ferner umfasst der Drehratensensor eine mit der Detektionseinrichtung und dem Coriolis-Element verbundene weitere Koppeleinrichtung. Diese Koppeleinrichtung koppelt eine Auslenkung des Coriolis-Elements in der Schwingungsebene in einer Richtung orthogonal zu der Antriebs-Schwingung an die Detektionseinrichtung. Dadurch werden bei entsprechender Auslenkung des Coriolis-Elements die zumindest zwei Detektionselemente ebenfalls ausgelenkt. Vorzugsweise umfasst die Detektionseinrichtung eine oder mehrere Detektionselektroden, welche insbesondere mit den zumindest zwei Detektionselementen verbunden sind, so dass eine Auslenkung der Detektionselemente auch eine Auslenkung der Detektionselektroden bewirkt. Diese Auslenkung kann beispielsweise mittels einer relativ zu der Detektionseinrichtung ortsfest angeordneten Elektrode, wobei hier auch mehrere ortsfest angeordnete Elektroden vorgesehen sein können, kapazitiv erfasst werden. Diese kapazitive Erfassung kann insbesondere mittels einer Auswerteelektronik in eine Drehrate umgerechnet werden kann. Die ortsfest angeordneten Elektroden können auch als Gegenelektroden bezeichnet werden. Eine Auslenkung der Detektionselemente relativ zu der oder den Gegenelektroden kann auch als eine Differenzauslenkung bezeichnet werden.
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In den nachfolgenden Ausführungen wird der erfindungsgemäße Drehratensensor beispielhaft mit zwei Coriolis-Elementen beschrieben. Die Erfindung ist aber hierauf nicht beschränkt. Im einfachsten Fall reicht ein Coriolis-Element.
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Für die weiteren folgenden Ausführungen werden die drei Raumachsen, d. h. die x-Achse, die y-Achse und die z-Achse wie folgt definiert. Die y-Achse ist parallel zu der Schwingung der beiden Coriolis-Elemente, d. h. dass die Antriebseinrichtung die zwei Coriolis-Elemente zu einer anti-parallelen kollinearen Antriebsschwingung entlang der y-Achse anregt. Die x-Achse ist orthogonal zu der y-Achse und in der Ebene der Antriebsschwingung. Die z-Achse ist orthogonal zu der x- und der y-Achse und orthogonal zu der Ebene der Antriebsschwingung.
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Falls also der Drehratensensor gedreht wird, so dass eine Drehrate mit einer Komponente senkrecht zur Schwingungsebene, also eine Komponente in der z-Richtung, gebildet wird, führt eine solche Drehrate zu einer Kraftwirkung, welche eine anti-parallele und nicht kollineare Auslenkung der beiden Coriolis-Elemente entlang der x-Achse verursacht. Eine solche Auslenkung kann auch als eine Detektionsschwingung bezeichnet werden. An dieser Schwingung nehmen die Coriolis-Elemente teil und übertragen ihre Bewegung mittels der weiteren Koppeleinrichtung auf die Detektionseinrichtung, insbesondere auf die zumindest zwei Detektionselemente. Vorzugsweise können die Detektionselemente auch als Detektionsschwinger bezeichnet werden. Da erfindungsgemäß die zumindest zwei Detektionselemente mittels einer Koppeleinrichtung miteinander gekoppelt sind, weist eine parallele Schwingungsmode der zumindest zwei Detektionselemente, d. h. dass die beiden Detektionselemente gleichsinnig bzw. gleichphasig schwingen, eine höhere Frequenz auf als eine antiparallele Schwingungsmode der beiden Detektionselemente, d. h. dass die beiden Detektionselemente um 180°Grad phasenversetzt zueinander schwingen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Drehratensensor sind somit Störmoden, insbesondere eine parallele Detektionsmode und eine parallele Antriebsmode, zu höheren Frequenzen als bei den bekannten Drehratensensoren verschoben. Insbesondere bei der parallelen Detektionsmode bewegen sich beide Coriolis-Elemente gleichsinnig entlang der x-Achse. Insbesondere bei der parallelen Antriebsmode bewegen sich die Antriebsmittel und die Coriolis-Elemente gleichsinnig entlang der y-Achse. Diese verstärkte Trennung von Nutzmoden und Störmoden im Frequenzbereich führt zu einer geringeren Anregung der Störmoden und somit insbesondere zu einem besonders stabilen Betrieb.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Drehratensensors umfasst die Koppeleinrichtung zumindest eine Doppelwippe. Die Doppelwippe kann insbesondere zwei Wippen, insbesondere Koppelwippen, umfassen, welche jeweils die zumindest zwei Detektionselemente miteinander koppeln. Die Doppelwippe kann insbesondere als ein Koppelelement bezeichnet werden. Vorzugsweise sind die zwei Wippen an den beiden Detektionselementen derart angeordnet, dass die zwei Wippen die beiden Detektionselemente umklammern, insbesondere zumindest teilweise umklammern. Eine aus solchen Wippen gebildete Doppelwippe kann auch als eine die zwei Detektionselemente umklammernde Doppelwippe bezeichnet werden. Bei einer linearen Auslenkung der Detektionselemente bzw. Detektionsschwinger führen die Koppelwippen eine Drehbewegung aus. Das bewirkt insbesondere, dass die antiparallele Schwingungsmode der beiden Detektionselemente eine niedrigere Frequenz aufweist als die parallele Schwingungsmode der beiden Detektionselemente.
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In einer beispielhaften Ausführungsform des Drehratensensors sind die zwei Coriolis-Elemente miteinander gekoppelt. Eine solche Kopplung kann beispielsweise mittels einer Koppelfeder bewirkt werden, d. h. dass die zwei Coriolis-Elemente mittels einer solchen Koppelfeder gekoppelt sind. Dies bietet insbesondere den Vorteil, dass eine Entartung zwischen einer parallelen und einer anti-parallelen Antriebsmode aufgehoben werden kann.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Drehratensensors weist die Antriebseinrichtung zwei Antriebsmittel auf, welche jeweils mit einem Coriolis-Element verbunden sind. Ein solches Antriebsmittel kann auch als ein Antriebsschwinger bezeichnet werden. Vorzugsweise weist ein Antriebsmittel einen Antriebskamm für einen elektrostatischen Antrieb auf. Insbesondere weist ein solcher Antriebskamm eine Interdigitalstruktur auf. In einer anderen beispielhaften Ausgestaltung sind die beiden Antriebsmittel, insbesondere die beiden Antriebskämme, miteinander gekoppelt, vorzugsweise mittels einer Koppelfeder. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind sowohl die beiden Antriebsmittel, insbesondere die beiden Antriebskämme, als auch die beiden Coriolis-Elemente miteinander gekoppelt, beispielsweise mittels Federn, insbesondere mittels Koppelfedern, vorzugsweise Torsionsfedern, Biegefedern, U-Federn oder S-Federn.
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In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Drehratensensors umfasst der Drehratensensor ein Substrat. Vorzugsweise sind die Antriebseinrichtung, die zwei Coriolis-Elemente und die Detektionseinrichtung auf dem Substrat angeordnet, insbesondere verankert. Hierbei sind allerdings die zwei Coriolis-Elemente und die Detektionseinrichtung derart auf dem Substrat angeordnet, dass sowohl die zwei Coriolis-Elemente als auch die Detektionseinrichtung, insbesondere die zumindest zwei Detektionselemente, noch frei schwingen können. Die Verwendung eines Substrats bietet insbesondere den Vorteil, dass ein solcher Drehratensensor einfach und mit wenig Aufwand in Vorrichtungen wie beispielsweise Mobiltelefonen, tragbaren Multimedia-Abspieleinrichtungen oder Mobilcomputern eingebaut werden kann. Hier soll sich die Verwendung nicht allein auf die vorgenannten Vorrichtungen beschränken. Denkbar sind sämtliche Vorrichtungen, in welchen eine Drehrate bestimmt werden soll.
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In einer anderen beispielhaften Ausgestaltung des Drehratensensors weisen die zumindest zwei Detektionselemente eine Gitterform auf. Vorzugsweise ist die Gitterform mittels mehrerer Detektionselektroden gebildet. Insbesondere umfassen die Detektionselemente mehrere parallel zueinander angeordnete Detektionselektroden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen
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1 einen Drehratensensor;
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2 eine schematische Darstellung der Bewegung in der Detektionsmode bei dem Drehratensensor aus 1;
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3 den Drehratensensor aus 1 mit einem Umlenkrahmen;
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4 eine schematische Darstellung der Antriebsmode bei dem Drehratensensor aus 3;
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5 ein weiteren Drehratensensor mit einem Umlenkrahmen;
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6 den Drehratensensor aus 5 ohne den Umlenkrahmen;
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7 einen weiteren Drehratensensor; und
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8 noch einen weiteren Drehratensensor.
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Im Folgenden kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Figuren.
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1 zeigt einen Drehratensensor 101 umfassend ein Substrat 102. Das Substrat 102 weist eine Rechteckform auf. D. h., dass das Substrat 102 ein rechteckiges Substrat ist. In einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann das Substrat 102 auch eine quadratische Form aufweisen. In anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann das Substrat 102 auch eine Dreiecksform oder eine Mehrecksform, insbesondere eine Fünf-, Sechs- oder Achtecksform, aufweisen. In einer besonders bevorzugten, hier nicht gezeigten Ausführungsform kann das Substrat 102 auch eine Kreis- oder Ellipsenform aufweisen. In einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Drehratensensor 101 als ein mikromechanischer Drehratensensor gebildet sein.
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Der Drehratensensor 101 weist ferner eine Antriebseinrichtung mit zwei Antriebsmitteln 103 auf. Die beiden Antriebsmittel 103 sind jeweils in einem oberen und einem unteren Bereich des Substrats 102 angeordnet. Hierbei sind die Antriebsmittel 103 über Aufhängungsmittel 105 an Verankerungsmitteln 107 an dem Substrat 102 befestigt. Die Aufhängungsmittel 105 bewirken, dass die Antriebsmittel 103 in Richtung der y-Achse bewegbar sind. Bevorzugterweise sind die Antriebsmittel 103 mittels einer Feder als Aufhängungsmittel an den Verankerungsmitteln 107 aufgehängt. Vorzugsweise ist die Feder eine U-Feder.
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Die Antriebsmittel 103 umfassen jeweils Antriebskämme 109. Vorzugsweise sind die Antriebskämme 109 als eine Interdigitalstruktur ausgebildet. Die Antriebskämme 109 sind vorzugsweise für einen elektrostatischen Antrieb konfiguriert.
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Die Antriebsmittel 103 weisen jeweils einen zu den Antriebskämmen 109 senkrecht angeordneten Koppelsteg 111 auf, welcher die Antriebsmittel 103 jeweils an ein Coriolis-Element 113 koppelt. D. h., dass die Koppelstege 111 die zwei Antriebsmittel 103 mit den zwei Coriolis-Elementen 113 zum Antreiben einer gegenläufigen Schwingung der zwei Coriolis-Elemente 113 verbinden. Die Coriolis-Elemente 113 sind über Coriolis-Aufhängungsmittel 117 an Verankerungsmitteln 107 aufgehängt, wobei die Verankerungsmittel 107 auf dem Substrat 102 befestigt sind. Die Coriolis-Aufhängungsmittel 117 bewirken insbesondere, dass die Coriolis-Elemente 113 in Richtung der x- und der y-Achse bewegbar sind. Vorzugsweise sind die Coriolis-Aufhängungsmittel 117 als Biegefedern gebildet, insbesondere als mäandrierte Biegefedern. D. h. die Biegefedern können eine Mäanderform aufweisen. Insbesondere sind die Schlingen des Mäanders parallel zu der x- und y-Achse. Vorzugsweise kann eine eckige Mäanderform vorgesehen sein. Die mäandrierte Biegefedern werden sozusagen um die Ecke ausgeführt.
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Die Pfeile 114 kennzeichnen beispielsweise eine Bewegung der zwei Coriolis-Elemente 113 während einer Halbphase. D. h., wenn die beiden Antriebsmittel 103 die beiden Coriolis-Elemente 113 für eine gegenläufige Schwingung antreiben.
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Der Drehratensensor 101 weist ferner eine Detektionseinrichtung umfassend zwei Detektionselemente 119 auf. Die beiden Detektionselemente 119 sind mittels einer Koppeleinrichtung miteinander gekoppelt. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Koppeleinrichtung eine die beiden Detektionselemente 119 umklammernde Doppelwippe 121, gebildet aus zwei seitlich von den Detektionselementen 119 angeordneten Koppelwippen 121a und 121b. Die beiden Koppelwippen 121a und 121b sind jeweils mittels zweier Koppelbalken 123 mit den Detektionselementen 119 verbunden. Die Koppelwippen 121a und 121b sind mittels Detektionssubstratverankerungsmitteln 125 auf dem Substrat angeordnet, insbesondere verankert.
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Die zwei Detektionselemente 119 sind weiterhin mittels einer weiteren Koppeleinrichtung an die zwei Coriolis-Elemente 113 gekoppelt. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die weitere Koppeleinrichtung zwei Koppelfedern 127, welche jeweils ein Coriolis-Element 113 an ein Detektionselement 119 ankoppeln. Die Detektionseinrichtung ist also mit den zwei Coriolis-Elementen 113 derart verbunden, dass eine Auslenkung in der Schwingungsebene der zwei Coriolis-Elemente 113, d. h. in der x-y-Ebene, in einer Richtung orthogonal zu der Antriebs-Schwingung, d. h. in Richtung der x-Achse, an die Detektionseinrichtung gekoppelt wird. Hierbei werden also bei entsprechender Auslenkung der zwei Coriolis-Elemente 113 in Richtung der x-Achse die beiden Detektionselemente 119 ebenfalls ausgelenkt, insbesondere in Richtung der x-Achse.
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Die Detektionselemente 119 weisen mehrere parallel angeordnete Detektionselektroden 129 auf. Die Detektionselektroden 129 sind beidseitig von ortsfest angeordneten Elektroden (nicht gezeigt) umfasst, wodurch eine Auslenkung der Detektionselektroden 129 kapazitiv erfasst werden kann. Diese Auslenkung gegenüber den ortsfest angeordneten Elektroden, welche auch als Gegenelektroden bezeichnet werden können, kann dann mittels einer nicht gezeigten Auswerteelektronik in eine Drehrate umgerechnet werden.
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In einem Betrieb des Drehratensensors 101 werden die Antriebsmittel 103 die beiden Coriolis-Elemente 113 zu einer anti-parallelen und kollinearen Antriebsschwingung entlang der y-Achse anregen. An dieser Antriebsschwingung nehmen sowohl die Antriebskämme 109 als auch die beiden Coriolis-Elemente 113 teil. Die Detektionseinrichtung mit den beiden Detektionselementen 119, welche auch als Detektionsschwinger bezeichnet werden können, nimmt an dieser Antriebsschwingung nicht teil. Dies wird insbesondere mittels geeigneter Federaufhängungen zum Substrat 102 und mittels geeigneter Federn zwischen den einzelnen Bestandteilen erreicht.
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Eine Drehrate des Drehratensensors 101 mit einer Komponente senkrecht zum Substrat 102, d. h. in Richtung der z-Achse, führt zu einer Kraftwirkung, welche eine anti-parallele und nicht kollineare Auslenkung der Coriolis-Elemente 113 entlang der x-Achse verursacht. Diese Auslenkung entlang der x-Achse kann auch als eine Detektionsschwingung bezeichnet werden. An dieser Detektionsschwingung nehmen die beiden Coriolis-Elemente 113 teil und übertragen ihre Bewegung an die Detektionseinrichtung bzw. die Detektionsschwinger, d. h. die Detektionselemente 119. Die Antriebskämme 109 nehmen an der Detektionsschwingung nicht teil. Aufgrund der erfindungsgemäßen Koppelung der beiden Detektionselemente 119 mittels zweier außen liegender Wippenstrukturen, d. h. der Doppelwippe 121, führen die Koppelwippen 121a und 121b eine Drehbewegung aus, wobei sich die Detektionselemente 119 hingegen linear entlang der x-Achse bewegen. Das bewirkt, dass die antiparallele Schwingungsmode eine niedrigere Frequenz aufweist als die parallele Schwingungsmode. Die Differenzauslenkung gegenüber den ortsfest angeordneten Gegenelektroden wird kapazitiv erfasst und mittels der Auswertelektronik in eine Drehrate umgerechnet. Diese Auslenkung ist in 1 mittels der Pfeile 130 gekennzeichnet.
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Die beiden Coriolis-Elemente 113 sind in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mittels zweier Coriolis-Koppelfedern 115 miteinander gekoppelt. Die Coriolis-Koppelfedern 115 bewirken insbesondere, dass eine Entartung zwischen der parallelen und der anti-parallelen Antriebsmode aufgehoben wird. Die Coriolis-Koppelfedern 115 sind lediglich optional, d. h. dass der Drehratensensor 101 auch keine solchen Coriolis-Koppelfedern 115 aufweisen kann. D. h., dass die beiden Coriolis-Elemente 113 nicht miteinander gekoppelt sind. Insofern sind die beiden Coriolis-Elemente 113 in diesem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel entkoppelt. Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, die beiden Antriebsmittel 103, insbesondere die beiden Antriebskämme 109, zusätzlich oder alternativ zu einer Kopplung der beiden Coriolis-Elemente 113 miteinander zu koppeln. Vorzugsweise kann diese Kopplung mittels einer oder mehrerer Koppelfedern realisiert werden.
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Die erfindungsgemäße Idee, die beiden Detektionselemente 119 mittels einer Koppeleinrichtung, hier beispielsweise umfassend eine Doppelwippe 121, miteinander zu koppeln, bietet insbesondere den Vorteil, dass Störmoden, insbesondere die parallele Detektionsmode und die parallele Antriebsmode, zu höheren Frequenzen als bei den bisher bekannten Drehratensensoren verschoben sind. Hierbei bewegen sich bei der parallelen Detektionsmode die beiden Coriolis-Elemente 113 gleichsinnig entlang der x-Achse. Bei der parallelen Antriebsmode bewegen sich die Antriebsmittel 103 und die Coriolis-Elemente 113 gleichsinnig entlang der y-Achse.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Bewegung in der Detektionsmode bei dem Drehratensensor 101 aus 1, wobei der Übersicht halber nicht alle Elemente Bezugszeichen aufweisen. Die Detektionsmode wird mittels der Coriolis-Kraft angeregt. Eine gleichsinnige parallele Bewegung der beiden Detektionselemente 119 wird unterdrückt. Die entsprechenden Bewegungen sind 2 mittels Pfeilen gekennzeichnet.
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3 zeigt den Drehratensensor 101 aus 1, wobei in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Drehratensensor 101 einen Umlenkrahmen 131 aufweist. Der Umlenkrahmen 131 ist umlaufend um die Coriolis-Elemente 113 und die Detektionseinrichtung mit dem zwei Detektionselementen 119 gebildet. Der Umlenkrahmen 131 ist mittels vier Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d gebildet, wobei die Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d jeweils eine rechtwinklige Winkelform aufweisen. Die Schenkel 133a, und 133d sind jeweils mittels einer Schenkelkoppelfeder 134 mit den entsprechenden Schenkeln 133c und 133b gekoppelt. Weiterhin sind die Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d jeweils mittels eines weiteren Koppelstegs 111a an die Antriebskämme 109 gekoppelt, so dass bei einer Antriebsbewegung der Antriebskämme 109 auch die entsprechenden Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d angetrieben werden. Die Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d sind mittels Umlenkrahmenaufhängungsmittel 135 an das Substrat aufgehängt, wobei die Umlenkrahmenaufhängungsmittel 135 Federn und Substrataufhängungen umfassen. Die Aufhängung ist derart angeordnet, dass bei einer Antriebsbewegung der Antriebskämme 109 die Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d eine Bewegung um einen imaginären Drehpunkt 139 ausführen können. Diese Bewegung der Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d ist mittels gekrümmter gestrichelter Pfeile 137 gekennzeichnet.
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Mittels des Umlenkrahmens 131, welcher die Antriebsmittel 103 miteinander koppelt, wird eine Entartung zwischen der parallelen (Störmode) und der antiparallelen (Nutzmode) Antriebsmode aufgehoben und die Störmode wird steifer als die Nutzmode. Dies ist durch die unterschiedliche Steifigkeit der Schenkelkoppelfeder 134, welche auch als eine Übertragungsfeder bezeichnet werden kann, gegenüber gleichsinniger (Biegung) bzw. gegensinniger (Scherung) Belastung bedingt.
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4 zeigt eine schematische Darstellung der Antriebsmode bei dem Drehratensensor 101 aus 3, welche durch die Antriebsmittel 103 angeregt wird. Weiterhin gezeigt ist die entsprechende Bewegung der Schenkel 133a, 133b, 133c und 133d des Umlenkrahmens 131. Analog zur 2 sind der Übersicht halber nicht alle Bezugszeichen eingezeichnet.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Drehratensensors 101 mit einem Umlenkrahmen 131. Hier allerdings sind die Detektionselemente 119 und die Coriolis-Elemente 113 integral gebildet. D. h. sie bilden eine Einheit und fallen sozusagen zusammen, wobei sie, d. h. sowohl die Detektionselemente 119 als auch die Coriolis-Elemente 113, an der Antriebsbewegung teilnehmen. Diese Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil eines besonders kompakten Aufbaus.
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6 zeigt den Drehratensensor aus 5 in einer Ausführungsform ohne den Umlenkrahmen 131. Die Entartung der Antriebsmode wird hier aufgehoben mittels eines Koppelfederelementes 140, welches zwischen den beiden Detektionselementen 119 bzw. Corioliselementen 113, welche ja integral gebildet sind, angeordnet ist zur Koppelung derselben.
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7 zeigt ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors 101, wobei hier zusätzlich zu den bisherigen Ausführungsbeispielen die Coriolis-Elemente 113 jeweils mehrere weitere Detektionselektroden 141 aufweisen. Vorzugsweise sind die weiteren Detektionselektroden 141 unter den Coriolis-Elementen 113 angeordnet. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine gleichzeitige Messung der Drehrate um die z- und um die x-Achse ermöglicht. Ein solcher Drehratensensor 101 kann auch als ein zweikanaliger Drehratensensor bezeichnet werden. Bei Vorliegen einer Drehrate um die x-Achse wirkt auf die Coriolis-Elemente 113 eine Coriolis-Kraft 143 in z-Richtung, welche mittels der weiteren Detektionselektroden 141 ausgewertet werden kann.
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8 zeigt noch ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors 101. Hier sind analog zu den in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispielen die Detektionselemente 119 und die Coriolis-Elemente 113 integral gebildet, d. h. sie fallen zusammen und nehmen als eine Einheit an der Antriebsbewegung teil. Analog zu dem in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Drehratensensor 101 in 8 weitere Detektionselektroden 141 auf, welche von den Coriolis-Elementen 113 bzw. den Detektionselementen 119 umfasst sind. Beispielhaft sind hier nur zwei weitere Detektionselektroden 141 gezeichnet. Es können vorzugsweise auch mehrere weitere Detektionselektroden 141 vorgesehen sein. Somit kann in vorteilhafter Weise ein Quadraturabgleich und eine elektrostatische Mitkopplung erreicht werden. Die Detektionselektroden 141 werden vorzugsweise unter den Coriolis-Elementen 113, insbesondere auf dem Substrat angeordnet. Es kann auch beispielsweise vorgesehen sein, dass die Detektionselektroden 141 unter den Detektionselementen 119 und/oder auf weiteren Elementen des Drehratensensors 101 angeordnet sind, insbesondere auf dem Substrat 102. Vorzugsweise sind die weiteren Detektionselektroden 141 unter den Coriolis-Elementen 113 angeordnet. Mittels des in 8 gezeigten Drehratensensors 101 ist es ermöglicht, gleichzeitig eine Drehraten um die z- und um die x-Achse zu messen. Bei Vorliegen einer Drehrate um die x-Achse wirkt analog zu 7 auf die Coriolis-Elemente 113 eine Coriolis-Kraft 143 in z-Richtung, welche mittels der weiteren Detektionselektroden 141 ausgewertet werden kann. Die umklammernden Koppelwippen 121a und 121b wirken in gleicher Weise bei der Bewegung in der x,y-Ebene wie auch bei der Bewegung aus der x,y-Ebene hinaus. Bei der Bewegung aus der x,y-Ebene heraus ist wieder die antiparallele Bewegung niederfrequenter als die paralle Bewegung, so dass insbesondere eine Trennung zwischen Stör- und Nutzmoden erreicht wird. Auch der in 8 gezeigte Drehratensensor 101 kann als ein zweikanaliger Drehratensensor bezeichnet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten nicht gezeigten Ausführungsform können die weiteren Detektionselektroden 141 auch in einen Deckel integriert oder auf einem solchen angeordnet sein. Dieser Deckel bedeckt vorzugsweise das Substrat 102, so dass ein Drehratensensorgehäuse gebildet ist. Vorzugsweise ist der Deckel mit dem Substrat 102 verklebt. Beispielsweise ist ein Innenraum des Drehratensensorgehäuses evakuiert. D. h. es herrscht ein Vakuum bzw. Unterdruck im Innenraum. Weitere Elektroden 141, welche in einem solchen Deckel angeordnet sind bzw. integriert sind, können auch als Deckelelektroden bezeichnet werden. Ein Unterdruck bewirkt insbesondere, dass ein Bewegungswiderstand für die schwingenden und rotierenden, also sich bewegenden, Elemente erniedrigt ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine niedrigere Antriebsspannung an die Antriebseinrichtung angelegt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008042369 A1 [0004]
