DE19811025A1

DE19811025A1 - Mechanical oscillator e.g. for mechanical or micromechanical rotation rate sensor

Info

Publication number: DE19811025A1
Application number: DE1998111025
Authority: DE
Inventors: Wolfram Geiger
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 1999-09-16
Anticipated expiration: 2018-03-14
Also published as: DE19811025B4; WO1999047888A1

Abstract

The mechanical oscillator has an oscillation body (106,114) which is excited to provide a required oscillation movement and a device (125), e.g. a mechanical stop, for limiting the oscillation amplitude of the oscillation body to a value which is less than a maximum oscillation amplitude obtained when the oscillation frequency corresponds to the resonance frequency. An Independent claim for a method of generating oscillation of a mechanical oscillator is also included.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mechanische Os zillatoren und insbesondere auf mechanische Oszillatoren, die eine erzwungene Schwingung ausführen.The present invention relates to mechanical Os zillators and especially mechanical oscillators, who perform a forced vibration.

Mechanische Oszillatoren sind in vielen Anwendungsbereichen von besonderem allgemeinen Interesse, z. B. als Komponenten von mechanischen und mikromechanischen Drehratensensoren. Allgemeine Schwerpunkte bei der Entwicklung von Oszillatoren liegen in dem Erreichen von möglichst linearen mechanischen Eigenschaften und häufig auch in einer sehr hohen Güte der Oszillatoren. Damit sind bei gegebenen Antriebs- bzw. Erre gungskräften theoretisch die maximalen Schwingungsamplituden des Oszillators erzielbar, wobei die Anregung hierbei mit der Resonanzfrequenz des Oszillators zu erfolgen hat. Um je doch den Oszillator dauernd auf seiner Resonanzstelle zu be treiben und dabei eine feste Schwingungsamplitude einzustel len, ist meist eine sehr aufwendige Regelung erforderlich, auf die sich ebenfalls beträchtliche Entwicklungsanstrengun gen richten. Insbesondere die Temperaturabhängigkeit der Re sonanzfrequenz, die Druckabhängigkeit der Resonatorgüte so wie andere Umwelteinflüsse, wie z. B. Vibrationen und Schockbelastungen, schränken auch mit aufwendiger Regelelek tronik den Einsatzbereich solcher Oszillatoren ein.Mechanical oscillators are used in many areas of particular general interest, e.g. B. as components of mechanical and micromechanical rotation rate sensors. General focus in the development of oscillators lie in achieving mechanical linear as possible Properties and often also in a very high quality Oscillators. This is given the drive or Erre Theoretically, the maximum vibration amplitudes of the oscillator can be achieved, with the excitation the resonance frequency of the oscillator has to take place. By ever but to keep the oscillator at its resonance point drive while setting a fixed vibration amplitude len, a very complex regulation is usually necessary, which is also a major development effort directed towards. In particular, the temperature dependence of Re resonance frequency, the pressure dependence of the resonator quality like other environmental influences, e.g. B. vibrations and Shock loads, restrict even with elaborate control electronics tronik the area of application of such oscillators.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mechanischen Oszillator bzw. ein Verfahren zum Erzeugen ei ner mechanischen Schwingung eines Schwingkörpers zu schaf fen, um eine stabile Schwingungsamplitude zu erreichen, ohne daß eine aufwendige Regelung für die Schwingungsfrequenz oder die Schwingungsamplitude benötigt wird.The object of the present invention is a mechanical oscillator or a method for generating egg ner mechanical vibration of a vibrating body fen to achieve a stable vibration amplitude without that a complex regulation for the vibration frequency or the vibration amplitude is required.

Diese Aufgabe wird durch einen mechanischen Oszillator gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Erzeugen einer me chanischen Schwingung eines Schwingkörpers gemäß Anspruch 7 gelöst.This task is accomplished by a mechanical oscillator Claim 1 and by a method for generating a me mechanical vibration of a vibrating body according to claim 7 solved.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auf elektronische Amplitudenregelungen verzichtet werden kann, wenn ein Schwingkörper eines Oszillators in seiner Schwingungsamplitude auf einen Wert begrenzt wird, der klei ner als eine auf eine Anregungsamplitude bezogene maximale Schwingungsamplitude des Schwingkörpers ist, die erreichbar wäre, wenn die Frequenz der erzwungenen Schwingung der Reso nanzfrequenz des Oszillators entspricht und keine Amplitu denbegrenzung stattfindet.The present invention is based on the finding that that electronic amplitude controls are dispensed with can when a vibrating body of an oscillator in its Vibration amplitude is limited to a value that is small ner than a maximum related to an excitation amplitude Vibration amplitude of the vibrating body is achievable would be if the frequency of the forced vibration of the reso corresponds to the frequency of the oscillator and no amplitude limitation takes place.

Vorzugsweise wird die Begrenzung der Schwingungsamplitude des Schwingkörpers durch einen mechanischen Anschlag reali siert, der im Auslenkungsweg des Schwingkörpers angeordnet ist. Damit wird auf mechanische Art und Weise eine maximale Amplitude des Schwingkörpers festgelegt, die der Schwingkör per nicht überschreiten kann, da er auf den Anschlag auf trifft. Somit führt eine Resonanzfrequenzverschiebung auf grund beispielsweise der Temperatur oder anderer Ursachen nicht mehr automatisch zu einer Amplitudenänderung der Schwingung, wie sie durch die Resonanzkurve an sich vorgege ben ist, solange bezüglich der Resonanzkurve die begrenzte Schwingungsamplitude kleiner oder gleich der Schwingungsam plitude des Oszillators ohne Begrenzung ist. Damit ist auf einfache Art und Weise lediglich durch Vorsehen einer Be grenzungseinrichtung jedwede Form der Amplituden- bzw. Fre quenzregelung hinfällig, da die Schwingungsamplitude durch die Begrenzungseinrichtung festgelegt wird, während die Schwingfrequenz bei Systemen, die eine erzwungene Schwingung ausführen, der Anregungsfrequenz entspricht.The limitation of the oscillation amplitude is preferred of the vibrating body through a mechanical stop reali Siert, which is arranged in the deflection path of the vibrating body is. This is a maximum in a mechanical way The amplitude of the vibrating body is determined by that of the vibrating body per can not exceed, as it hits the stop meets. Thus, a resonance frequency shift occurs for example due to temperature or other causes no longer automatically leads to an amplitude change in the Vibration as given by the resonance curve itself ben is as long as the limited with respect to the resonance curve Vibration amplitude less than or equal to the vibration am plitude of the oscillator is unlimited. So that's up simple way simply by providing a loading limiting device any form of amplitude or Fre sequence control lapses because of the vibration amplitude the limiting device is set while the Vibration frequency in systems that have a forced vibration execute that corresponds to the excitation frequency.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen detaillierter erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments of the present invention are referred to below with reference to the attached drawing nations explained in more detail. Show it:

Fig. 1a eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen mecha nischen Oszillator, der Teil eines mechanischen Drehratensensors in Form eines Vibrationsgyroskops ist; Figure 1a is a plan view of a mechanical oscillator African according to the invention, which is part of a mechanical rotation rate sensor in the form of a vibration gyroscope.

Fig. 1b einen Schnitt entlang der Linie A-A' des Vibra tionsgyroskops von Fig. 1a; Fig. 1b shows a section along the line AA 'of the vibratory gyroscope of Fig. 1a.

Fig. 2 ein Resonanzdiagramm eines Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung mit konstanter Kraftkon stante mit und ohne Anschlag; Figure 2 is a resonance diagram of an oscillator according to the present invention with constant Kraftkon constant with and without stop.

Fig. 3 ein Resonanzdiagramm eines Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung mit nichtlinearer Kraftkon stante ohne Anschlag; Figure 3 is a resonance diagram of an oscillator according to the present invention with non-linear force constant without stop.

Fig. 4 ein Resonanzdiagramm eines Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung mit nichtlinearer Kraft konstante und geringer Güte mit eingezeichnetem Anschlag; Fig. 4 is a diagram of resonance of the present invention constant of an oscillator in accordance with a nonlinear force and low quality with plotted stop;

Fig. 5 ein Resonanzdiagramm eines Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung mit nichtlinearer Kraft konstante und hoher Güte mit eingezeichnetem Anschlag; und Fig. 5 is a diagram of a resonance oscillator according to the present invention with non-linear force constant and high quality with plotted stop; and

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen weiteren erfindungsge mäßen Oszillator mit kapazitivem Anschlag. Fig. 6 is a plan view of a further erfindungsge MAESSEN oscillator with a capacitive stop.

In Fig. 1a ist eine Draufsicht auf einen Drehratensensor 100 gezeigt, der einen Oszillator gemäß einem bevorzugten Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist. Fig. 1b zeigt einen schematischen Querschnitt des Drehratensen sors 100 entlang einer Linie A-A' von Fig. 1a. Der Drehra tensensor 100 weist einen Grundkörper 102 auf, an dem mit tels einer Primärschwingeraufhängung 104, die eine Veranke rung 104a sowie vier Federbalken 104b aufweist, ein Primär schwinger 106 befestigt ist. Der Primärschwinger 106 weist einen äußeren Ring 106a und einen inneren Ring 106b auf. Zwischen dem äußeren Ring 106a und dem inneren Ring 106b des Primärschwingers 106 sind Gruppen von kammartigen Elektroden 108 angeordnet. Die Elektrodengruppen 108 des Primärschwin gers greifen jeweils fingerartig in gegenüberliegende fest stehende Elektrodengruppen 110 ein. Eine Elektrodengruppe 108 des Primärschwingers bildet mit einer gegenüber angeord neten feststehenden Elektrodengruppe 110 einen sogenannten Comb-Drive oder Kammantrieb, dessen Funktionsweise bekannt ist. Die feststehenden Elektrodengruppen 110 können bei spielsweise mit dem Grundkörper 102 verbunden oder auf ande re Weise dem Primärschwinger gegenüber fest angeordnet sein, was in Fig. 1b aus Übersichtlichkeitsgründen nicht darge stellt ist. Der Primärschwinger 106 ist über Torsionsfedern 112 mit einem Sekundärschwinger 114 verbunden. Die Torsions feder 112 stellt somit die Sekundärschwingeraufhängung dar, mittels der der Sekundärschwinger 114 mit dem Primär schwinger 106 mechanisch gekoppelt ist.In Fig. 1a is a plan view of a rotation rate sensor 100 is shown, which has an oscillator according to a preferred exemplary embodiment of the present invention. Fig. 1b shows a schematic cross section of the rotation rate sensor 100 along a line AA 'of Fig. 1a. The Drehra least ensor 100 has a main body 102 having on the means of having a primary oscillator suspension 104 tion an anchorage 104 a and four spring beams 104 b, a primary vibrator is attached 106th The primary oscillator 106 has an outer ring 106 a and an inner ring 106 b. Groups of comb-like electrodes 108 are arranged between the outer ring 106 a and the inner ring 106 b of the primary vibrator 106 . The electrode groups 108 of the primary oscillator each engage finger-like in opposite fixed electrode groups 110 . An electrode group 108 of the primary oscillator forms a so-called comb drive or comb drive with a fixed electrode group 110 , the operation of which is known. The fixed electrode groups 110 can, for example, be connected to the base body 102 or fixedly arranged in another way in relation to the primary oscillator, which is not shown in FIG. 1b for reasons of clarity. The primary oscillator 106 is connected to a secondary oscillator 114 via torsion springs 112 . The torsion spring 112 thus represents the secondary oscillator suspension, by means of which the secondary oscillator 114 is mechanically coupled to the primary oscillator 106 .

Wie es aus Fig. 1a deutlich wird, weist der Sekundärschwin ger 114 eine Ausnehmung auf, in der der Primärschwinger 106 angeordnet ist. Mittels Erfassungselektroden (nicht gezeigt) sowohl auf dem Substrat als auch auf der Unterseite des Se kundärschwingers 114 kann eine Auslenkung des Sekundär schwingers in z-Richtung, d. h. in die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene heraus, gemessen werden.As is clear from FIG. 1 a, the secondary oscillator 114 has a recess in which the primary oscillator 106 is arranged. By means of detection electrodes (not shown) both on the substrate and on the underside of the secondary oscillator 114 , a deflection of the secondary oscillator in the z direction, ie into or out of the drawing plane, can be measured.

Zur Erläuterung der Funktionsweise des Drehratensensors 100, der einen Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung um faßt, wird nun auf das links in Fig. 1a dargestellte karte sische Koordinatensystem mit den zueinander orthogonalen Achsen x, y und z Bezug genommen.To explain the operation of the rotation rate sensor 100 , which includes an oscillator according to the present invention, reference is now made to the map coordinate system shown on the left in FIG. 1a with the mutually orthogonal axes x, y and z.

Wenn der Drehratensensor 100 verwendet wird, um eine Drehung desselben um die x-Achse mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω_x zu erfassen, so muß der Primärschwinger 106 zu einer Dreh schwingung angeregt werden. Dies geschieht auf für Fachleute bekannte Art und Weise durch Anlegen geeigneter Wechselspan nungen an jeweils gegenüberliegende Comb-Drives, welche aus den jeweils ineinandergreifenden Elektrodengruppen 108 des Primärschwingers 106 sowie aus den denselben jeweils gegen überliegenden feststehenden Elektrodengruppen 110 gebildet werden. Ein Comb-Drive nützt das für Fachleute bekannte ka pazitive Antriebsprinzip aus. Zum Erregen des Primärschwin gers 106 zu einer Drehschwingung in der x-y-Ebene können beispielsweise vier Comb-Drives verwendet werden, während die anderen vier Comb-Drives zur kapazitiven Erfassung eben dieser Drehschwingung in der x-y-Ebene verwendet werden. Bei einer Drehung des Primärschwingers 106 um die z-Achse werden die vier Federbalken 104b jeweils durch ein Drehmoment um die z-Achse abgebogen. Wie es aus Fig. 1b ersichtlich ist, weisen die vier Federbalken 106b einen rechteckigen Quer schnitt auf, wobei die lange Seite des Querschnitts entlang der z-Richtung verläuft, während die kurze Seite derselben in der x-y-Ebene angeordnet ist.If the rotation rate sensor 100 is used to detect a rotation of the same about the x-axis with an angular velocity Ω _x , the primary oscillator 106 must be excited to a rotation. This is done in a manner known to those skilled in the art by applying suitable alternating voltages to opposing comb drives, which are formed from the interdigitated electrode groups 108 of the primary vibrator 106 and from the same in each case opposite fixed electrode groups 110 . A comb drive takes advantage of the capacitive drive principle known to experts. For example, four comb drives can be used to excite the primary vibrator 106 to a torsional vibration in the xy plane, while the other four comb drives are used for capacitive detection of this torsional vibration in the xy plane. When the primary oscillator 106 is rotated about the z axis, the four spring bars 104 b are each bent by a torque about the z axis. As can be seen from FIG. 1b, the four spring bars 106b have a rectangular cross section, the long side of the cross section running along the z direction, while the short side thereof is arranged in the xy plane.

Die Schwingung des Primärschwingers 106 in der x-y-Ebene wird somit über die Torsionsfedern 112 auf den Sekundär schwinger übertragen, wodurch derselbe ebenfalls eine Dre hung in der x-y-Ebene vollführt, wie es durch einen links in Fig. 1a gezeichneten Pfeil 120 schematisch gezeigt ist. Da durch ergeben sich die in Fig. 1a als Phantomlinien 121 ein gezeichneten Positionen des Drehratensensors 100 bzw. des Sekundärschwingers 114.The oscillation of the primary oscillator 106 in the xy plane is thus transmitted to the secondary oscillator via the torsion springs 112 , as a result of which the oscillator also rotates in the xy plane, as is shown schematically by an arrow 120 drawn on the left in FIG. 1a . As a result, the positions of the rotation rate sensor 100 or the secondary oscillator 114 drawn as phantom lines 121 in FIG. 1 a result.

Die auf den Sekundärschwinger wirkende Coriolis-Kraft auf grund der Drehung des Drehratensensors 100 um eine zur x-Achse parallele Achse führt also zu einer Drehschwingung des Sekundärschwingers 114 um die y-Achse bzw. um eine bezüglich der y-Achse schräg gestellte Achse, wenn der Primärschwinger und der Sekundärschwinger gerade ausgelenkt ist, wie es durch die Phantomlinien 121 angedeutet ist.The Coriolis force acting on the secondary vibrator due to the rotation of the rotation rate sensor 100 about an axis parallel to the x-axis thus leads to a torsional vibration of the secondary vibrator 114 about the y-axis or about an axis inclined with respect to the y-axis, if the primary oscillator and the secondary oscillator are just deflected, as indicated by the phantom lines 121 .

An dieser Stelle sei angemerkt, daß es sich bei dem Drehra tensensor 100 zunächst um einen Oszillator handelt, wobei der Schwingungskörper des Oszillators allgemein gesagt durch den Primärschwinger 106 und den Sekundärschwinger 114 gebil det ist. Die Unterscheidung bzw. Aufteilung des Schwingkör pers in Primär- und Sekundärschwinger findet lediglich dann Anwendung, wenn auf den Drehratensensor 100 eine Coriolis- Kraft wirkt, und der Sekundärschwinger 114 zusätzlich zu der Anregungsschwingung eine dazu orthogonale Schwingung aus führt, mittels der eine Wechselgeschwindigkeit gemessen wer den kann, der der Drehratensensor 100 unterworfen ist.At this point, it should be noted that the rotary sensor 100 is initially an oscillator, the oscillating body of the oscillator being generally formed by the primary oscillator 106 and the secondary oscillator 114 . The differentiation or division of the Schwingkör pers into primary and secondary vibrators only applies when a Coriolis force acts on the rotation rate sensor 100 and the secondary vibrator 114 performs an orthogonal vibration in addition to the excitation vibration by means of which an alternating speed is measured that the rotation rate sensor 100 is subjected to.

Der mechanische Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ferner neben dem Schwingkörper eine Einrichtung 125 zum Begrenzen der Schwingungsamplitude des Schwingkörpers. Diese Einrichtung 125 zum Begrenzen der Schwingungsamplitude des Schwingkörpers wird nachfolgend auch als Anschlag be zeichnet. Wie es aus den Phantomlinien 121 ersichtlich ist, vollführt der Schwingkörper (106, 114) eine Drehschwingung um eine zur z-Achse parallele Mittelachse des Primärschwin gers, wobei die Amplitude bzw. Auslenkung dieser Drehschwin gung durch die beiden Anschläge 125 begrenzt wird.The mechanical oscillator according to the present invention further comprises, in addition to the oscillating body, a device 125 for limiting the oscillation amplitude of the oscillating body. This device 125 for limiting the vibration amplitude of the vibrating body is also referred to below as a stop. As can be seen from the phantom lines 121 , the vibrating body ( 106 , 114 ) carries out a torsional vibration about a central axis of the primary vibrator parallel to the z-axis, the amplitude or deflection of this torsional vibration being limited by the two stops 125 .

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß trotz der Tat sache, daß ein Drehratensensor mit einem Schwingkörper, der eine Drehschwingung ausführt, gezeigt ist, die vorliegende Erfindung auch jeden anderen mechanischen Oszillator umfaßt, wenn im Auslenkungsweg eines Schwingkörpers desselben ein Anschlag angebracht ist, der die Auslenkung des Schwingkör pers begrenzt. Der mechanische Oszillator gemäß der vorlie genden Erfindung umfaßt somit auch Oszillatoren mit linea rer, rotatorischer oder einer Formschwingung.At this point it should be noted that despite the fact thing that a rotation rate sensor with a vibrating body, the executes a torsional vibration, the present Invention also includes any other mechanical oscillator, if one in the deflection path of a vibrating body Stop is attached, the deflection of the Schwingkör pers limited. The mechanical oscillator according to the present The present invention thus also includes linea oscillators rer, rotational or a shape vibration.

Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß die Einrichtung 125 zum Begrenzen der Schwingungsamplitude des Schwingkörpers auf einen Wert, der kleiner als eine auf eine Anregungsam plitude bezogene maximale Schwingungsamplitude des Schwing körpers ist, die erreichbar wäre, wenn die Frequenz der er zwungenen Schwingung der Resonanzfrequenz des Oszillators entspricht und die Einrichtung 125 zum Begrenzen nicht vor handen ist, nicht nur als mechanischer Anschlag ausgeführt sein kann, sondern ebenfalls als elektromagnetischer An schlag beispielsweise in einer zu einer Wirbelstrombremse ähnlichen Funktionsweise.Furthermore, it should be pointed out that the device 125 for limiting the vibration amplitude of the vibrating body to a value which is smaller than a maximum vibrational amplitude of the vibrating body, based on an excitation amplitude, which would be achievable if the frequency of the forced vibration of the resonant frequency of the oscillator corresponds and the device 125 for limiting is not available before, not only can be designed as a mechanical stop, but also as an electromagnetic impact, for example, in a function similar to an eddy current brake.

Eine weitere Realisierungsform für einen Anschlag ist in Fig. 6 dargestellt, die einen kapazitiven Anschlag zeigt. Ein Drehschwinger 150 mit einer Drehfeder 152 umfaßt als An schlag zusätzlich zwei feste Elemente 154a, 154b, die je weils mit einer Kondensatorplatte 156a und 156b versehen sind. Diesen Kondensatorplatten liegen jeweils Kondensator platten 158a und 158b gegenüber, wenn sich der Drehschwinger in einer bezüglich seiner Ruheposition 160 ausgelenkten Po sition befindet, die zugleich die Anschlagposition ist. Durch die elektrostatische Kraft zwischen den jeweiligen Kondensatorplatten 156a und 158a bzw. 156b und 158b, die am größten ist, wenn sich die Platten direkt parallel gegen überliegen, wird der Drehschwinger abgebremst, wodurch seine Amplitude begrenzt wird. Alternativ ist es möglich, über die festen Elemente 154a bzw. 154b das elektrische Feld zwischen den Kondensatorplatten zu steuern, derart, daß immer dann, wenn der Drehschwinger in der Nähe der "Anschlags"-Position kommt, ein elektrisches Feld angelegt wird, um die Amplitude der Schwingung des Schwingers 150 zu begrenzen. Weitere Steuerungsmöglichkeiten sind ebenfalls möglich.Another form of realization for a stop is shown in FIG. 6, which shows a capacitive stop. A torsional vibrator 150 with a torsion spring 152 includes an additional two fixed elements 154 a, 154 b, which are each provided with a capacitor plate 156 a and 156 b. These capacitor plates are each capacitor plates 158 a and 158 b opposite when the rotary transducer is in a position deflected with respect to its rest position 160 , which is also the stop position. The rotary oscillator is braked by the electrostatic force between the respective capacitor plates 156 a and 158 a or 156 b and 158 b, which is greatest when the plates lie directly parallel to one another, as a result of which its amplitude is limited. Alternatively, it is possible, via the fixed elements 154 a and 154 b, the electric field between the capacitor plates to control such that whenever the rotational vibrator comes near the "stop" position, an electrical field is applied, to limit the amplitude of the vibration of the vibrator 150 . Other control options are also possible.

Es bleibt somit festzuhalten, daß die Anschlageinrichtung nicht auf einen mechanischen, Wirbelstrom- oder kapazitiven Anschlag begrenzt ist. Allgemein ausgedrückt ist als An schlag jede Anordnung geeignet, die einen geeigneten Kraft verlauf aufweist. Dieser muß sehr stark nichtlinear sein, derart, daß die Rückstellkraft an der Stelle, an der der Oszillator stoppen soll, sehr stark ansteigt, was auch als Potentialtopffunktion bezeichnet werden kann.It must therefore be noted that the anchor device not on a mechanical, eddy current or capacitive Stop is limited. Generally expressed as An suggest any suitable arrangement that has a suitable force has history. This has to be very non-linear, such that the restoring force at the point where the Oscillator is supposed to stop, rising very sharply, which as well Potential pot function can be called.

Die Wirkung des Anschlags besteht also darin, einen gewissen Teil der in dem Drehratensensor 100, der den Oszillator ge mäß der vorliegenden Erfindung darstellt, gespeicherten Energie aus dem Schwingungssystem zu entfernen, indem kine tische Energie des Schwingkörpers durch Einwirkung der An schläge 125 auf den Schwingkörper 106, 114 in Wärme bzw. Verformung umgesetzt wird. Dafür ist es nicht entscheidend, ob der Schwingkörper selbst an den Stellen, an denen er mit dem Anschlag Eingriff nimmt, entsprechend konstruiert ist, um verformbar zu sein, bzw. ob die Anschläge entsprechend gestaltet sind. Wesentlich ist nur, daß die Amplitude des Schwingkörpers auf einen festen Wert bzw. auf einen begrenz ten Wertebereich beschränkt wird, wenn die Anschläge bzw. der Schwingkörper nachgiebig gestaltet sind, wobei bei spielsweise die Anschläge etwas nachgeben würden, wenn der Schwingkörper auf dieselben "aufschlägt". Ähnliche analoge Funktionen sind unter geeigneter Steuerung auch für nichtme chanische Anschläge implementierbar.The effect of the stop is thus to remove a certain part of the energy stored in the yaw rate sensor 100 , which is the oscillator according to the present invention, from the vibration system by the kinetic energy of the vibrating body by the action of the strikes 125 on the vibrating body 106 , 114 is converted into heat or deformation. For this, it is not critical whether the vibrating body itself is designed to be deformable at the points where it engages with the stop, or whether the stops are designed accordingly. It is only important that the amplitude of the vibrating body is limited to a fixed value or to a limited range of values if the stops or the vibrating body are designed to be flexible, with the stops, for example, giving way somewhat if the vibrating body hits the same "". Similar analog functions can also be implemented for non-mechanical attacks under suitable control.

Alternativ können die Anschläge bzw. zumindest ein entspre chender Teil des Schwingkörpers vollständig elastisch ge staltet werden, derart, daß der Schwingkörper, wenn er auf einen Anschlag auftrifft, elastisch abprallt, was zu keinem Energieverlust führt, sondern lediglich zu einer Impulsum kehr. In diesem Fall tritt kein Energieverlust durch Wärme bzw. Verformung in dem System auf, was es möglich macht, die Amplitude der Erregungsschwingung, die an den Comb-Drive-An trieb angelegt wird, im Vergleich zu einem verlustbehafteten Fall zu reduzieren.Alternatively, the stops or at least one can correspond Part of the vibrating body completely elastic be designed such that the vibrating body when it is on hits a stop, bounces elastically, which to none Loss of energy leads, but only to an impulse return. In this case there is no loss of energy due to heat or deformation in the system on what makes it possible for the Amplitude of the excitation vibration that is applied to the Comb-Drive-An drive is created compared to a lossy Reduce case.

Im nachfolgenden wird auf die Funktionsweise des mechani schen Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung unter Be zugnahme auf Fig. 2 eingegangen. Fig. 2 zeigt ein Diagramm, bei dem der Amplitudengang eines Oszillators über der Fre quenz aufgezeichnet ist. Die Ordinate stellt eine normierte Schwingungsamplitude dar, die beispielsweise auf die Ampli tude der Anregungsschwingung, d. h. der durch die an den Comb-Drives angelegten Wechselspannung bewirkten Schwingung, normiert ist, wenn sich die Anregungsfrequenz weit außerhalb des Resonanzbereichs befindet (Wert 1). Die Abszisse dagegen zeigt die normierte Frequenz des Oszillators, die wie üblich auf die Resonanzfrequenz desselben normiert ist. Fig. 2 zeigt somit die normierte Ausgangsamplitude des Oszillators, wenn am Eingang eine Erregungsschwingung mit einer bestimm ten normierten Frequenz angelegt wird. Die Ausgangsamplitu de, d. h. die Auslenkung des Schwingkörpers 106, 114 nimmt mit größer werdender Frequenz zu, um einen Maximalwert zu erreichen, wenn die Resonanzfrequenz des Oszillators mit der Frequenz der Erregungsschwingung übereinstimmt. Bei Anre gungsschwingungen oberhalb der Resonanzfrequenz nimmt die Amplitude wieder ab, um schließlich auf Null abzusinken, wenn die Anregungsfrequenz ausreichend hoch ist. Wie üblich wird der Bereich, in dem die Ausgangsamplitude des Oszilla tors über der statischen Amplitude ist, als Resonanzüber höhungsbereich bezeichnet.The mode of operation of the mechanical oscillator according to the present invention is discussed below with reference to FIG. 2. Fig. 2 shows a diagram in which the amplitude response of an oscillator is recorded over the frequency. The ordinate represents a normalized vibration amplitude, which is standardized, for example, to the amplitude of the excitation vibration, ie the vibration caused by the AC voltage applied to the comb drives, if the excitation frequency is far outside the resonance range (value 1). The abscissa, on the other hand, shows the normalized frequency of the oscillator, which, as usual, is normalized to the resonance frequency of the same. Fig. 2 thus shows the normalized output amplitude of the oscillator when an excitation oscillation with a specific th normalized frequency is applied to the input. The output amplitude, ie the deflection of the oscillating body 106 , 114 increases with increasing frequency in order to reach a maximum value when the resonance frequency of the oscillator matches the frequency of the excitation oscillation. In the case of excitation vibrations above the resonance frequency, the amplitude decreases again in order to finally drop to zero when the excitation frequency is sufficiently high. As usual, the area in which the output amplitude of the oscillator is above the static amplitude is referred to as the resonance elevation range.

Fig. 2 zeigt drei Kurven. Die Kurve 1 entspricht beispiels weise dem Amplitudengange des Oszillators bei einer Nenntem peratur, während die Kurven 2 und 3 den Amplitudenverlauf des Oszillators über der Frequenz bei einer maximalen bzw. minimalen Betriebstemperatur darstellen. Daraus ergibt sich, wenn kein Anschlag vorhanden ist, eine maximale Schwankung der Amplitude in der Resonanzfrequenz, wie es durch die Pfeile 200 dargestellt ist. Drastischer wirkt sich die Si tuation jedoch auf einen festen Arbeitspunkt aus. Wird als Arbeitspunkt bei Nenntemperatur die Resonanzfrequenz ge wählt, so erhält die Ausgangsamplitude einen Wert von 10. Verschiebt sich nun jedoch aufgrund beispielsweise einer Temperaturänderung die Amplitudenverlaufskurve, so wird die Ausgangsamplitude des Oszillators beispielsweise nur noch einen normierten Wert von 7 anstatt von 10 bei Nenntempera tur haben. Wie es bekannt ist, wird die Frequenz der Aus gangsschwingung eines Oszillators, der zu erzwungenen Schwingungen angeregt ist, durch die Anregungsschwingung be stimmt. Damit nimmt bei sich ändernder Temperatur die Aus gangsamplitude ab, da die Anregungsschwingung nicht mehr ge nau die gleiche Frequenz wie der Oszillator besitzt. Daher waren im Stand der Technik aufwendige Amplitudenregelungen auf elektronischer Basis erforderlich. Gemäß der vorliegen den Erfindung wird nun eine Schwingungsamplitude durch bei spielsweise einen mechanischen Anschlag 125 auf einen gerin geren Wert begrenzt, wobei jedoch sichergestellt ist, daß die Ausgangsamplitude des Systems über dem gesamten Tempera turbereich des Oszillators konstant ist. Es wird somit ei nerseits die Ausgangsamplitude des Oszillators gegenüber einem System ohne Anschlag verringert, während andererseits auf äußerst einfache Art und Weise sichergestellt wird, daß die Amplitude über dem gesamten Betriebsbereich, der in Fig. 2 als dicke Linie eingezeichnet ist, konstant bleibt. Fig. 2 shows three curves. Curve 1 corresponds, for example, to the amplitude response of the oscillator at a nominal temperature, while curves 2 and 3 represent the amplitude response of the oscillator over frequency at a maximum or minimum operating temperature. If there is no stop, this results in a maximum fluctuation in the amplitude in the resonance frequency, as represented by the arrows 200 . However, the situation has a more drastic effect on a fixed working point. If the resonance frequency is selected as the operating point at nominal temperature, the output amplitude is given a value of 10. However, if the amplitude profile curve shifts due to, for example, a temperature change, the output amplitude of the oscillator is, for example, only a normalized value of 7 instead of 10 at nominal temperature to have. As is known, the frequency of the output vibration of an oscillator, which is excited to forced vibrations, is determined by the excitation vibration. The output amplitude thus decreases as the temperature changes, since the excitation oscillation no longer has the exact same frequency as the oscillator. Therefore, complex amplitude controls on an electronic basis were required in the prior art. According to the present invention, a vibration amplitude is now limited by a mechanical stop 125, for example, to a lower value, but it is ensured that the output amplitude of the system is constant over the entire temperature range of the oscillator. Thus, on the one hand, the output amplitude of the oscillator is reduced compared to a system without a stop, while on the other hand it is ensured in an extremely simple manner that the amplitude remains constant over the entire operating range, which is shown in FIG. 2 as a thick line.

Im nachfolgenden wird auf verschiedene Betriebsarten einge stellt, die sich im wesentlichen darin unterscheiden, wie viel kinetische Energie des Schwingungskörpers beim Aufein andertreffen von Schwingungskörper und Anschlag umgesetzt wird.In the following, different operating modes will be discussed that differ essentially in how a lot of kinetic energy of the vibrating body when open meeting of vibration body and stop implemented becomes.

Die bevorzugte Betriebsart des Oszillators besteht darin, daß der Schwingkörper im Verlauf jeder Schwingungsperiode den Anschlag normalerweise ein- oder zweimal nur leicht be rührt, was auch als "Betriebsart des weichen Anschlags" be zeichnet wird. Dies bedeutet jedoch nicht eine geringe Fe dersteifigkeit des Anschlags. Statt dessen kann bei dieser Betriebsart der Anschlag so starr als möglich ausgeführt sein. Derselbe könnte jedoch auch elastischer gebildet sein, da der Schwingkörper lediglich mit geringer kinetischer Energie auf denselben auftrifft. In der Betriebsart des wei chen Anschlags findet somit im Verhältnis zur Gesamtenergie des Oszillators nur ein geringer Energieverlust am Anschlag statt. Der Energieverlust am Anschlag durch Umsatz von kine tischer Energie in Verformung bzw. Wärme liegt üblicher unter 50%. Bevorzugterweise ist jedoch der Anschlag abhängig von der zu erwartenden Variation der Eigenresonanzfrequenz des Oszillators so weich als möglich zu wählen, weshalb es bevorzugt wird, lediglich weniger als 10% der Gesamtenergie pro Anschlag aus dem Schwingungssystem zu entziehen. Damit ist es für einen weiten Bereich der Amplitude und der Frequenz der Antriebs- oder Erregungskraft eine im wesentli chen ungestörte harmonische Schwingung mit fester Amplitude erzielbar, d. h. auf eine Regelung der Antriebskraft kann vollständig verzichtet werden. Temperaturbedingte Änderungen der Resonanzfrequenz, druckabhängige Änderungen der Güte und andere Umwelteinflüsse haben über einen weiten Bereich kei nen Einfluß mehr auf die Schwingungsamplitude des Oszilla tors.The preferred mode of operation of the oscillator is that the vibrating body in the course of each oscillation period normally only lightly hit the stop once or twice stirs what is also called the "soft stop mode" is drawn. However, this does not mean a small Fe the rigidity of the stop. Instead, this can Operating mode of the stop as rigid as possible be. However, it could also be made more elastic, since the vibrating body has only a low kinetic Energy hits them. In the operating mode of the white Chen attack takes place in relation to the total energy of the oscillator only a small energy loss at the stop instead of. The energy loss at the stop due to kine's sales tical energy in deformation or heat is more common less than 50%. However, the stop is preferably dependent of the expected variation of the natural resonance frequency of the oscillator to choose as soft as possible, which is why is preferred, only less than 10% of the total energy to be withdrawn from the vibration system per stop. In order to it is for a wide range of amplitude and the Frequency of the driving or excitement one essentially Chen undisturbed harmonic vibration with a fixed amplitude achievable, d. H. can regulate the driving force be completely dispensed with. Changes due to temperature the resonance frequency, pressure-dependent changes in quality and other environmental influences have no wide range influence more on the oscillation amplitude of the Oszilla tors.

Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, beträgt die Güte des mechani schen Resonators, der Fig. 2 zugrunde liegt, lediglich 10. In der Praxis treten jedoch Güten bis zu über 100 000 auf. Wie es bekannt ist, ist bei Oszillatoren hoher Güte der Resonanzüberhöhungsbereich enger, da die Güte eben durch die Breite des Resonanzüberhöhungsbereichs definiert ist, d. h. durch das Verhältnis der Resonanzfrequenz zur 3 dB Bandbrei te, d. h. dem Frequenzbereich, bei dem die Amplitude auf das 1/√2fache der Amplitude in der Resonanzfrequenz abgefallen ist.As shown in FIG. 2, the quality of the mechanical resonator on which FIG. 2 is based is only 10. In practice, however, qualities up to over 100,000 occur. As is known, in the case of high-quality oscillators, the resonance increase range is narrower, since the quality is defined precisely by the width of the resonance increase range, ie by the ratio of the resonance frequency to the 3 dB band width, ie the frequency range in which the amplitude is 1 / √2 times the amplitude in the resonance frequency has dropped.

Ein Oszillator mit Anschlag kann somit bei einem festen Ar beitspunkt betrieben werden. Dieser hat, wenn auf Fig. 2 Be zug genommen wird, die feste normierte Kreisfrequenz, die durch die Anregungsschwingung eingestellt wird, und eine fe ste Kraftamplitude, die zur Erzielung der Resonanzstelle der Kurve 1 erforderlich wäre. Unter diesen Bedingungen wird im Rahmen der dargestellten Schwankungen stets dieselbe Ampli tude, die durch den Anschlag vorgegeben ist, erzielt. In dem dargestellten Beispiel ist die Amplitude gegenüber dem Os zillator ohne Anschlag zwar um 30% kleiner, durch den An schlag kann aber auf jede Regelung der Antriebskraft ver zichtet werden, wie es bereits erwähnt wurde.An oscillator with a stop can thus be operated at a fixed operating point. This has, if reference is made to FIG. 2 Be, the fixed normalized angular frequency, which is set by the excitation vibration, and a fe ste force amplitude, which would be required to achieve the resonance point of curve 1. Under these conditions, the same amplitude, which is predetermined by the stop, is always achieved within the scope of the fluctuations shown. In the example shown, the amplitude compared to the Os zillator without a stop is 30% smaller, but the stop can be used to dispense with any regulation of the driving force, as has already been mentioned.

Der Arbeitsbereich des Oszillators wird als der Frequenzbe reich definiert, in welchem der Oszillator bei konstanter Amplitude der Antriebskraft und bei konstanter Temperatur mit fester Amplitude betrieben werden kann. Der Arbeitsbe reich verschiebt sich bei veränderten Umweltbedingungen und wird im allgemeinen bei größeren Antriebskräften breiter. Das Verschieben des Arbeitsbereichs ist analog zum Verschie ben der Resonanzstelle bei einem Oszillator ohne Anschlag. Bei einem Oszillator mit Anschlag bleibt die Schwingungsam plitude allerdings konstant, solange der verschobene Ar beitsbereich den Arbeitspunkt enthält.The operating range of the oscillator is called the frequency rich defines in which the oscillator at constant Amplitude of the driving force and at constant temperature can be operated with a fixed amplitude. The Arbeitsbe rich shifts with changing environmental conditions and generally becomes wider with larger driving forces. Moving the work area is analogous to moving ben the resonance point in an oscillator without a stop. In the case of an oscillator with a stop, the vibration remains plitude, however, constant as long as the shifted ar working area contains the operating point.

Der Arbeitsbereich mit im wesentlichen harmonischer Schwin gung ist eng mit der durch den Anschlag vorgegebenen Aus lenkung verknüpft. Wie aus Fig. 2 deutlich ist, führt eine Erweiterung des Arbeitsbereichs zu einer Reduzierung der Schwingungsamplitude. Anders ausgedrückt, wird zu einer Er weiterung des Arbeitsbereichs der Anschlag auf eine niedri gere Amplitude gesetzt. Der Erweiterung des Arbeitsbereiches sind außerdem weitere Grenzen gesetzt. Bei bestimmten Grenz werten der Antriebskraft, der Eigenschaften des Oszillators, d. h. der Dämpfung und der Resonanzfrequenz, und der Dämp fung und Kraftkonstante des Anschlags 125 wird die Oszilla torschwingung gestört, d. h. die Schwingung ist nicht mehr im wesentlichen harmonisch. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Energieverlust des Oszillators beim Anschlag im Verhältnis zur Gesamtenergie des Oszillators nicht mehr gering ist.The work area with essentially harmonic vibration is closely linked to the deflection specified by the stop. As is clear from FIG. 2, an expansion of the working area leads to a reduction in the vibration amplitude. In other words, the stop is set to a lower amplitude to extend the working range. There are further limits to expanding the work area. At certain limit values of the driving force, the properties of the oscillator, ie the damping and the resonance frequency, and the damping and force constant of the stop 125 , the oscillation of the gate is disturbed, ie the oscillation is no longer essentially harmonic. This is particularly the case when the energy loss of the oscillator is no longer small in relation to the total energy of the oscillator.

Steht bei einer Anwendung ausreichend Antriebskraft über die Comb-Drives zur Verfügung, so kann der Oszillator auf eine Betriebsart mit "hartem Anschlag" eingestellt werden. Vor teilhaft ist hier eine Anregungsfrequenz, die deutlich von der Resonanzfrequenz abweicht. Der Effekt der Resonanzüber höhung wird dabei weitgehend nicht ausgenützt, d. h. der Os zillator arbeitet im wesentlichen mit der statischen Ampli tude. In der Betriebsart mit "hartem Anschlag" verliert der Oszillator beim Anschlag (annähernd) die gesamte kinetische Energie. Er wird durch die Antriebskräfte am Anschlag gehal ten und führt bei Umkehr der Kraftrichtung bzw. bei Phasen umkehr der Anregungswechselspannung eine durch den zeitli chen Verlauf der Antriebskraft bestimmte Bewegung bis zum nächsten Anschlagen am Anschlag aus. Anders ausgedrückt wird der Schwingkörper mit relativ hoher kinetischer Energie auf den Anschlag gefahren, wobei die kinetische Energie in Wärme und Verformung des Anschlags bzw. des Schwingkörpers umge setzt wird. Die Anregungswechselspannung, die hier bei spielsweise eine Rechteckspannung sein könnte, ist so ge wählt, daß der Schwingkörper noch eine kurze Zeitspanne nach dem Anschlagen auf den Anschlag gegen den Anschlag gedrückt wird, um ein Abprallen bzw. einen Effekt ähnlich eines mehr mals aufprallenden Gummiballs zu verringern oder sogar zu unterdrücken. Ruht der Schwingkörper am Anschlag, wird die Phase der Anregungsschwingung wieder umgekehrt, was dazu führt, daß der Schwingkörper in die andere Richtung getrie ben wird, um wieder auf einen Anschlag aufzuschlagen. Es sei angemerkt, daß in dieser Betriebsart die Elastizität bzw. Beschaffenheit des Anschlags und des Schwingkörpers nicht wesentlich sind, da ein eventuell unerwünschtes Abprallen durch eine entsprechende Phasensteuerung der Anregungswech selspannung erreicht wird. Ist der Anschlag aus einem eher absorbierenden Material hergestellt, so könnte die Zeit, in der der Schwingkörper nach dem Aufprall noch gegen den An schlag gedrückt wird, verkürzt bzw. eliminiert werden.If there is an application, there is sufficient driving force above the Comb drives are available, so the oscillator can be set to one Operating mode can be set with "hard stop". Before an excitation frequency which is clearly of deviates from the resonance frequency. The effect of resonance Elevation is largely not used, d. H. the Os zillator essentially works with the static ampli tude. In the "hard stop" operating mode, the Oscillator on impact (almost) the entire kinetic Energy. It is held at the stop by the driving forces and leads when the direction of force is reversed or during phases reversal of the excitation alternating voltage by the temporal Chen course of the driving force certain movement up to next stops at the stop. In other words the vibrating body with relatively high kinetic energy drove the stop, using the kinetic energy in heat and deformation of the stop or the vibrating body vice versa is set. The excitation AC voltage, which here at example could be a square wave voltage is so ge chooses that the vibrating body after a short period of time pressing the stop against the stop to a ricochet or an effect similar to one more times to reduce or even to impact rubber balls suppress. If the vibrating body is at the stop, the Phase of the excitation oscillation reversed again, what about this causes the vibrating body to drive in the other direction is used to hit a stop again. It is noted that in this mode the elasticity or Condition of the stop and the vibrating body not are essential, as a possibly unwanted bouncing by an appropriate phase control of the change of excitation voltage is reached. Is the attack from one rather absorbent material, so the time in that the vibrating body after the impact against the impact is pressed, shortened or eliminated.

Eine weitere Betriebsart des Oszillators besteht darin, am Anschlag eine Impulsumkehr des Schwingkörpers herbeizufüh ren. Der Schwingkörper prallt somit im wesentlichen ohne Energieverlust in Form eines elastischen Stoßes von dem An schlag ab. Hier tritt also kein Energieverlust auf, es muß also weniger Energie über die Amplitude der Erregungsschwin gung in den Oszillator hineingesteckt werden.Another mode of operation of the oscillator is on Stop bring about a pulse reversal of the vibrating body ren. The vibrating body thus bounces essentially without Energy loss in the form of an elastic shock from the on tee off. So there is no loss of energy here, it must so less energy over the amplitude of the excitation oscillation be inserted into the oscillator.

Wie es aus den beschriebenen Betriebsarten deutlich wird, muß für jede Betriebsart eine Abstimmung der Antriebskraft, d. h. der Amplitude, Frequenz und des zeitlichen Verlaufs, der Eigenschaften des Oszillators, d. h. der Dämpfung und der Resonanzfrequenz, und den Eigenschaften des Anschlags, d. h. der Dämpfung und der Kraftkonstante bzw. Steifigkeit, durchgeführt werden. Der Arbeitsbereich des Oszillators kann bei Verwendung nichtlinearer Kraftkonstanten bzw. Steifig keiten des Oszillators erweitert werden. Dies ist vor allem im Zusammenhang mit der Betriebsart des weichen Anschlags von Interesse. Die Resonanzüberhöhung kann dann weitgehend ausgenutzt werden, und der Arbeitsbereich kann deutlich ver größert werden, ohne allzu große Amplitudenverluste hinneh men zu müssen.As is clear from the operating modes described, The drive power must be adjusted for each operating mode, d. H. the amplitude, frequency and the time course, the properties of the oscillator, d. H. damping and the resonance frequency, and the characteristics of the attack, d. H. the damping and the force constant or rigidity, be performed. The operating range of the oscillator can when using non-linear force constants or stiffness capabilities of the oscillator. Most of all, this is in connection with the operating mode of the soft stop of interest. The excessive resonance can then largely be exploited, and the work area can ver be enlarged without accepting too great an amplitude loss to have to.

Zunächst sei bezugnehmend auf Fig. 3 auf Eigenschaften von Oszillatoren mit nichtlinearen Kraftkonstanten eingegangen. Kurve 4 zeigt dabei den Frequenzgang eines nichtlinearen me chanischen Oszillators, bei welchem die Steifigkeit mit zu nehmender Auslenkung zunimmt. Wird die in Fig. 3 gezeigte Kurve von links nach rechts durchlaufen, so steigt die Am plitude langsamer als bei einem linearen Oszillator, der zu Vergleichszwecken durch die Kurve 1 in Fig. 3 dargestellt ist. An dem Punkt a springt die Amplitude dann auf den Punkt b herunter. Wird die Kurve dagegen von rechts nach links durchlaufen, folgt die Amplitude zwischen den Punkten b und c dem unteren Ast, und am Punkt c springt die Amplitude dann auf den Punkt d. Der Kurventeil, der die Punkte a und c di rekt miteinander verbindet, stellt instabile Zustände dar.First, referring to FIG. 3, properties of oscillators with non-linear force constants are discussed. Curve 4 shows the frequency response of a nonlinear mechanical oscillator, in which the stiffness increases with increasing displacement. If the curve shown in FIG. 3 is run through from left to right, the amplitude increases more slowly than in the case of a linear oscillator, which is represented by curve 1 in FIG. 3 for comparison purposes. At point a, the amplitude then jumps down to point b. If, on the other hand, the curve is traversed from right to left, the amplitude between points b and c follows the lower branch, and at point c the amplitude then jumps to point d. The part of the curve that connects points a and c directly represents unstable conditions.

Im Unterschied zum linearen Oszillator ist somit beim Ein schalten, d. h. beim Einschwingen des Oszillators, die Vor zugsrichtung beim Durchfahren der Frequenz durch die Art der Nichtlinearität festgelegt. Nimmt die Steifigkeit mit zuneh mender Auslenkung zu, wie, es in den Abb. 3, 4 und 5 dargestellt ist, beginnt man vorzugsweise bei kleineren Fre quenzen und erhöht beim Einschalten die Frequenz. Nimmt die Steifigkeit dagegen mit zunehmender Auslenkung ab, beginnt man vorzugsweise bei größeren Frequenzen und verkleinert während des Einschwingens die Frequenz. Eine mit zunehmender Auslenkung abnehmende Steifigkeit tritt beispielsweise bei Systemen mit elektrostatischen Komponenten der Steifigkeit auf.In contrast to the linear oscillator, when switching on, ie when the oscillator settles, the direction before pulling through the frequency is determined by the type of non-linearity. If the stiffness increases with increasing deflection, as shown in Figs. 3, 4 and 5, one preferably starts at smaller frequencies and increases the frequency when switching on. If, on the other hand, the stiffness decreases with increasing deflection, it is preferable to start at higher frequencies and to decrease the frequency during the transient response. A stiffness that decreases with increasing deflection occurs, for example, in systems with electrostatic components of the stiffness.

Fig. 4 zeigt nun die Kombination eines nichtlinearen Oszil lators, wie er bezugnehmend auf Fig. 3 beschrieben wurde, mit einem Anschlag. Wird die Kurve hier von links nach rechts durchlaufen, so nimmt die Amplitude bis zu einem Punkt e zu. Vom Punkt e an ist die Amplitude durch den An schlag auf einen festen Wert begrenzt. Am Punkt f springt die Kurve auf den Punkt g auf dem unteren Ast. Der Punkt f wird durch die Antriebskraft, d. h. deren Amplitude, Fre quenz und zeitlicher Verlauf, die Eigenschaften des Oszil lators, d. h. Dämpfung und Resonanzfrequenz, und die Eigen schaften des Anschlags, d. h. Dämpfung und Kraftkonstante bestimmt und besitzt eine Frequenz zwischen der Frequenz der Punkte e und k. Fig. 4 now shows the combination of a non-linear oscillator, as described with reference to Fig. 3, with a stop. If the curve is traversed from left to right, the amplitude increases up to a point e. From point e on, the amplitude is limited to a fixed value by the impact. At point f the curve jumps to point g on the lower branch. The point f is determined by the driving force, ie its amplitude, frequency and time course, the properties of the oscillator, ie damping and resonance frequency, and the properties of the stop, ie damping and force constant, and has a frequency between the frequency of the points e and k.

Beim Durchlaufen der Kurve von rechts nach links erfolgt erst beim Punkt h ein Sprung auf den Punkt i. Bei dem dar gestellten Beispiel springt die Amplitude auf die maximale, lediglich durch den Anschlag festgelegte Amplitude.When walking through the curve from right to left only at point h a jump to point i. At that example, the amplitude jumps to the maximum, only amplitude determined by the stop.

In Abweichung vom vorliegenden Ausführungsbeispiel sei noch einmal darauf hingewiesen, daß die Kombination eines An schlags mit einem Schwingkörper nicht auf einen in Fig. 1a gezeigten Drehschwinger begrenzt ist, sondern auf jeden an deren Schwinger angewendet werden kann. Ebenfalls könnte beispielsweise bezugnehmend auf Fig. 1a in dem Fall, in dem der Sekundärschwinger aus bestimmten Entwurfsgründen eben falls kreisförmig ausgebildet ist, eine Anschlageinrichtung innerhalb der quadratischen Ausnehmung, in der sich der Pri märschwinger befindet, vorgesehen sein. Alternativ könnte eine weitere Möglichkeit darin bestehen, beispielsweise in einem flächigen Schwingkörper eine Ausnehmung vorzusehen, in der sich lediglich ein einziger Anschlag befindet, der durch Interaktion mit den Begrenzungen der Ausnehmung die maximale Schwingungsamplitude festlegt und somit eine stabile Aus gangsamplitude über einen bestimmten Arbeitsbereich bietet.In deviation from the present embodiment, it should be pointed out again that the combination of an impact with a vibrating body is not limited to a torsional vibrator shown in FIG. 1a, but can be applied to any other vibrator. Likewise, for example with reference to FIG. 1a, in the case in which the secondary oscillator is also circular for certain design reasons, a stop device could be provided within the square recess in which the primary oscillator is located. Alternatively, a further possibility could be to provide, for example, a recess in a flat oscillating body, in which there is only a single stop which, by interacting with the boundaries of the recess, defines the maximum oscillation amplitude and thus offers a stable output amplitude over a certain working range.

Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß der Anschlag nicht auf einen mechanischen Anschlag begrenzt ist, sondern auch einen elektromagnetischen Anschlag umfassen kann, wenn beispiels weise an eine Wirbelstrombremse und dergleichen gedacht wird, bzw. an Kräfte, die auf Kondensatorplatten wirken, wenn diese aufeinander hin bzw. voneinander weg bewegt wer den.Furthermore, it should be noted that the stop is not on a mechanical stop is limited, but also one may include electromagnetic attack, for example thought of an eddy current brake and the like or forces that act on capacitor plates, if they are moved towards or away from each other the.

Der Vorteil des Anschlags in Verbindung mit nichtlinearen Kraftkonstanten wird insbesondere bei sehr hohen Güten deut lich. In bestimmten Fällen kann der Arbeitsbereich des Os zillators um den Faktor 1000 und mehr vergrößert werden. Dies ist in Fig. 5 dargestellt, welche einen Oszillator mit einer Güte von 1000 beschreibt. Die Punkte l, m, n, o, p in Abb. 5 entsprechen der Reihe nach den Punkten e, f, g, h, i, k in Fig. 4. Im Gegensatz zum Punkt i in Fig. 4 liegt der Punkt o in Fig. 5 jedoch nicht auf dem Plateau des An schlags.The advantage of the stop in connection with non-linear force constants is particularly evident with very high grades. In certain cases, the operating range of the oscillator can be increased by a factor of 1000 and more. This is shown in FIG. 5, which describes an oscillator with a quality factor of 1000. The points l, m, n, o, p in Fig. 5 correspond in sequence to the points e, f, g, h, i, k in Fig. 4. In contrast to the point i in Fig. 4, the point is o in Fig. 5 but not on the plateau of the impact.

Oszillatoren gemäß der vorliegenden Erfindung können mittels einer Vielzahl von bekannten Herstellungsverfahren produ ziert werden, beispielsweise mittels Feinmechanik, Mikrome chanik, Funkenerosion, Spritzguß, Stanzen, Sägen, Schnei den, Laser-Trennverfahren, Tiefenlithographie und Galvanik oder LIGA.Oscillators according to the present invention can be by means of a variety of known manufacturing processes produ be decorated, for example by means of precision engineering, microme mechanics, spark erosion, injection molding, punching, sawing, cutting , laser separation, depth lithography and electroplating or LIGA.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf alle Oszillatoren mit periodischer Bewegung und reduziert vorteilhafterweise den Aufwand für die Regelung der Amplitude bzw. erübrigt diese. Beispiele für Oszillatoren sind oszillierende Corio lis-Kraft-Drehratensensoren oder oszillierende Vakuumsenso ren.The present invention relates to all oscillators with periodic movement and advantageously reduced the effort for regulating the amplitude or unnecessary this. Examples of oscillators are oscillating Corio lis force rotation rate sensors or oscillating vacuum sensors ren.

Claims

1. Mechanischer Oszillator mit folgenden Merkmalen:
einem Schwingkörper (106, 114), der anregbar ist, um eine erzwungene Schwingung auszuführen; und
einer Einrichtung (125) zum Begrenzen der Schwingungs amplitude des Schwingkörpers auf einen Wert, der klei ner als eine auf eine Anregungsamplitude bezogene maxi male Schwingungsamplitude des Schwingkörpers ist, die erreichbar wäre, wenn die Frequenz der erzwungenen Schwingung der Resonanzfrequenz des Oszillators ent spricht und die Einrichtung zum Begrenzen nicht vorhan den ist.1. Mechanical oscillator with the following features:
a vibrating body ( 106 , 114 ) that is stimulable to perform a forced vibration; and
means ( 125 ) for limiting the vibration amplitude of the vibrating body to a value which is smaller than a maximum vibrational amplitude of the vibrating body related to an excitation amplitude, which would be achievable if the frequency of the forced vibration corresponds to the resonance frequency of the oscillator and the Limiting device does not exist.

2. Mechanischer Oszillator nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Begrenzen einen mechanischen Anschlag (125) aufweist, der im Auslenkungsweg des Schwingkör pers angeordnet ist.2. Mechanical oscillator according to claim 1, wherein the means for limiting a mechanical stop ( 125 ) which is arranged in the deflection path of the Schwingkör pers.

3. Mechanischer Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Einrichtung zum Begrenzen stark nichtlinear wirkt, derart, daß eine Rückstellkraft an der Stelle, an der die Schwingungsamplitude zu begrenzen ist, sehr stark ansteigt.3. Mechanical oscillator according to claim 1 or 2, in which the limitation device has a highly non-linear effect, such that a restoring force at the point where to limit the vibration amplitude is very strong increases.

4. Mechanischer Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner folgende Merkmale aufweist:
ein Substrat (102);
zumindest einer mit dem Substrat verbundenen Kammelek trode (110), die in eine an dem Schwingkörper (106, 114) angebrachte Kammelektrode (108) eingreift;
einer Verankerung (104a), die den Schwingkörper bezüg lich des Substrats elastisch hält; und
einer Wechselspannungsquelle, die mit den Kammelektro den (108, 110) elektrisch verbunden ist, zum Anregen des Schwingkörpers (106, 114) zu einer erzwungenen Schwingung.4. Mechanical oscillator according to one of the preceding claims, further comprising the following features:
a substrate ( 102 );
at least one comb electrode connected to the substrate ( 110 ), which engages in a comb electrode ( 108 ) attached to the oscillating body ( 106 , 114 );
an anchor ( 104 a) which keeps the vibrating body elastically bezüg Lich of the substrate; and
an AC voltage source, which is electrically connected to the comb electrodes ( 108 , 110 ), for exciting the oscillating body ( 106 , 114 ) to a forced oscillation.

5. Mechanischer Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung (125) zum Begrenzen derart ausgeführt ist, daß sie eine im wesentlichen konstante Schwingungsamplitude des Schwingkörpers unab hängig von der kinetischen Energie des Schwingkörpers zu dem Zeitpunkt, zu dem der Schwingkörper in Wech selwirkung mit der Einrichtung zum Begrenzen kommt, si cherstellt.5. Mechanical oscillator according to one of the preceding claims, wherein the means ( 125 ) for limiting is designed such that it a substantially constant vibration amplitude of the vibrating body regardless of the kinetic energy of the vibrating body at the time when the vibrating body in alternation interaction with the device comes into being.

6. Mechanischer Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine nichtlineare Kraftkonstante auf weist, die entweder mit zunehmender Auslenkung des Schwingkörpers zu- oder abnimmt.6. Mechanical oscillator according to one of the preceding Claims that have a nonlinear force constant points that either with increasing deflection of the Vibrating body increases or decreases.

7. Verfahren zum Erzeugen einer mechanischen Schwingung eines Schwingkörpers (106, 114) in einem Oszillator (100), mit folgenden Schritten:
Anregen des Schwingkörpers, damit derselbe eine erzwun gene Schwingung ausführt;
Begrenzen der Schwingungsamplitude des Schwingkörpers auf einen Wert, der kleiner als eine auf eine Anre gungsamplitude bezogene maximale Schwingungsamplitude des Schwingkörpers ist, die erreichbar wäre, wenn die Frequenz der erzwungenen Schwingung der Resonanzfre quenz des Oszillators entspricht und keine Begrenzung durchgeführt wird.7. A method for generating a mechanical vibration of a vibrating body ( 106 , 114 ) in an oscillator ( 100 ), comprising the following steps:
Exciting the vibrating body so that it carries out an forced vibration;
Limiting the vibration amplitude of the vibrating body to a value which is less than a maximum vibration amplitude of the vibrating body, based on an excitation amplitude, which would be achievable if the frequency of the forced vibration corresponds to the resonance frequency of the oscillator and no limitation is carried out.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die durch das Be grenzen der Schwingungsamplitude verlorene Energie im Verhältnis zur Gesamtenergie, die in dem Oszillator ge speichert ist, klein ist.8. The method of claim 7, wherein the by the Be limit the vibration amplitude lost energy in the Relationship to the total energy in the oscillator saves is small.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Anregen des Schwingkörpers ein sinusförmiges Anregen mit einer Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz des Oszilla tors (100) ist.9. The method of claim 7 or 8, wherein the excitation of the vibrating body is a sinusoidal excitation with a frequency in the vicinity of the resonance frequency of the oscillator ( 100 ).

10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die durch das Be grenzen verlorene Energie annähernd die gesamte im Os zillator gespeicherte Energie ist.10. The method according to claim 7, wherein the by the Be limit lost energy almost all in the os zillator is stored energy.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Anregen des Schwingkörpers mit einer Frequenz durchgeführt wird, die im wesentlichen außerhalb des Resonanzüberhöhungs bereichs des Oszillators liegt.11. The method according to claim 10, wherein the excitation of the Vibrating body is carried out at a frequency which is essentially outside of the resonance exaggeration range of the oscillator.

12. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem durch das Begrenzen eine Impulsumkehr des Schwingkörpers bei einer durch das Begrenzen festgelegten Auslenkung herbeigeführt wird.12. The method of claim 7, wherein by the limiting a pulse reversal of the vibrating body at a limited limiting displacement becomes.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Anregung des Schwingkörpers mittels einer Rechteck- oder Dreieck schwingung mit einer Frequenz im Resonanzüberhöhungs bereich des Oszillators durchgeführt wird.13. The method according to claim 12, wherein the excitation of the Vibrating body using a rectangle or triangle vibration with a frequency in the resonance exaggeration area of the oscillator is performed.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem der Oszillator eine bezüglich der Auslenkung des Schwingkörpers nichtlineare Kraftkonstante aufweist.14. The method according to any one of claims 7 to 13, in which the oscillator is one with respect to the deflection of the Vibrating body has non-linear force constant.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Kraftkonstante des Oszillators bei zunehmender Auslenkung fällt, und bei dem der Schritt des Anregens ferner folgende Schritte aufweist:
Anregen des Schwingkörpers mit einer Frequenz, die größer als die gewünschte Arbeitsfrequenz ist; und
Erniedrigen der Frequenz, bis eine Arbeitsfrequenz er reicht ist.15. The method according to claim 14, in which the force constant of the oscillator falls with increasing deflection, and in which the step of excitation further comprises the following steps:
Exciting the vibrating body with a frequency that is greater than the desired working frequency; and
Lower the frequency until a working frequency is sufficient.

16. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Kraftkonstante des Oszillators bei zunehmender Auslenkung steigt, und bei dem der Schritt des Anregens ferner folgende Schritte aufweist:
Anregen des Schwingkörpers mit einer Frequenz, die kleiner als eine gewünschte Arbeitsfrequenz ist; und
Erhöhen der Frequenz, bis eine gewünschte Arbeitsfre quenz erreicht ist.16. The method according to claim 14, in which the force constant of the oscillator increases with increasing deflection, and in which the step of excitation further comprises the following steps:
Exciting the vibrating body at a frequency which is less than a desired working frequency; and
Increase the frequency until a desired working frequency is reached.