Titel

Koppelfeder für Drehratensensor Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Drehratensensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 10 2007 062 732 A1 ein Drehratensensor mit Corioliselementen bekannt, wobei insbesondere ein erstes und ein zweites Corioliselement über eine Feder miteinander verbunden sind und zu Schwingungen parallel zu einer ersten Achse angeregt werden, wobei ein erstes und ein zweites Detektionsmittel eine Auslenkung des ersten und zweiten Corioliselements aufgrund einer Corio- liskraft in Richtung einer zweiten Achse detektieren, so dass die Differenz aus einem ersten Detektionssignal des ersten Detektionsmittels und einem zweiten Detektionssignal des zweiten Detektionsmittels abhängig von der Corioliskraft und somit auch abhängig von der Drehrate des Drehratensensors ist.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drehratensensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Verbindung des ersten und des zweiten Corioliselementes erreicht wird, dass eine erste Eigenfrequenz eines Störeigenmodes höher als eine zweite Eigenfrequenz eines Detektionseigenmodes ist, wobei im Störeigenmode die Auslenkungen des ersten und des zweiten Corioliselementes parallel zur zweiten Achse gleichsinnig sind und wobei im Detektionseigenmode die Auslenkungen des ersten und des zweiten Corioliselementes parallel zur zweiten Achse gegensinnig sind. Diese höhere erste Eigenfrequenz des Störeigenmodes hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Auslenkungen des ersten und zweiten Corioliselementes im Störeigenmode verkleinert werden. Durch kleinere Auslenkungen ist es möglich, die elektromechanische Stabilität des Drehratensensors zu erhöhen. Höhere elektromechanische Stabilität hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass elektrostatische Kräfte, die z.B. von Elektroden, die in der Nähe des Drehratensensors angebracht sind, erzeugt werden und auf die Corioliselemente wirken, kleinere Auslenkungen der Corioli- selemente parallel zur zweiten Achse im Störeigenmode hervorrufen. Auch bei Auftreten von externen Störbeschleunigungen in Richtung der zweiten Achse (Translationsbeschleunigungen) werden die Corioliselemente im Störeigenmode ausgelenkt. Kleinere Auslenkungen im Störeigenmode haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein Anschlagen der Corioliselemente an die Drehratensensorstruktur verhindert wird. Weiterhin ist vorteilhaft, dass durch geringere Auslenkungen der Corioliselemente im Störeigenmode das Auftreten von elektrischen Störsignalen am Sensorausgang verringert wird. Insbesondere ist vorteilhaft, dass die Überlastfestigkeit des Drehratensensors erhöht wird. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Störsignale aufgrund der Auslenkung der Corioliselemente im Störeigenmode mittels eines Tiefpasses, der eine Grenzfrequenz aufweist, die zwischen der zweiten Eigenfrequenz des Detektionseigenmodes und der ersten Eigenfrequenz des Störeigenmodes liegt, herausgefiltert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Koppelelement einen ersten Federschenkel umfasst, wobei der erste Federschenkel mit dem Substrat verbunden ist. Aufgrund der Verbindung des Koppelelementes mit- tels des ersten Federschenkels an das Substrat wird in vorteilhafter Weise eine

Erhöhung der Biegesteifigkeit des Koppelelementes in Richtung der zweiten Achse erreicht, sodass das Koppelelement steifer ist bezüglich einer Schwingungsbewegung im Störeigenmode und die erste Eigenfrequenz im Störeigenmode erhöht wird. Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass sich der erste Federschenkel mit seiner Haupterstreckungsrichtung im Wesentlichen parallel zu einer dritten Achse erstreckt, wobei sich die dritte Achse senkrecht zur ersten Achse und senkrecht zur zweiten Achse erstreckt. Aufgrund der Erstre- 5 ckung des ersten Federschenkels mit seiner Haupterstreckungsrichtung im Wesentlichen parallel zur dritten Achse wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Steifigkeit des Koppelelementes bezüglich einer Schwingungsbewegung in Richtung der ersten Achse (Anregungsschwingung) verringert wird und somit die Auswirkung der Anbindung des Koppelelementes an das Substrat verringert wird.

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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Federschenkel eine Verbindungsfeder aufweist, wobei die Verbindungsfeder in Richtung der dritten Achse weicher ist als in Richtung der ersten Achse. Durch die Verbindungsfeder, die in Richtung der dritten Achse weicher ist als in Riehl s tung der ersten Achse, wird erreicht, dass das Koppelelement weicher ist bezüglich einer Schwingungsbewegung in Richtung der dritten Achse.

Gemäß anderer bevorzugter Weiterbildungen ist vorgesehen, dass sich das Koppelelement im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckt

20 und eine Mehrzahl an Federschenkeln aufweist, bzw. dass die Mehrzahl an Federschenkeln im Wesentlichen eine rahmenförmige Anordnung aufweist. Weiterhin weist die Mehrzahl an Federschenkeln eine Mehrzahl an ersten Federschenkeln (vertikale Federschenkel) und an zweiten Federschenkeln auf, wobei sich die Mehrzahl an ersten Federschenkeln mit ihrer Haupterstreckungsrichtung im

25 Wesentlichen parallel zur dritten Achse erstreckt und wobei sich die Mehrzahl an zweiten Federschenkeln mit ihrer Haupterstreckungsebene im Wesentlichen parallel zur ersten Achse erstreckt. Aufgrund dieser Weiterbildungen ist es in vorteilhafter Weise möglich, die erste Eigenfrequenz (des Störeigenmodes) zu erhöhen, sodass die erste Eigenfrequenz größer ist als die zweite Eigenfrequenz (des

30 Detektionseigenmodes). Das wird dadurch erreicht, dass bei einer Schwingungsbewegung des Koppelelementes im Störeigenmode die Mehrzahl an ersten Federschenkeln fast ausschließlich auf Biegung in Richtung der zweiten Achse beansprucht wird, während bei einer Schwingungsbewegung des Koppelelementes im Detektionseigenmode die Mehrzahl an ersten Federschenkeln fast aus-

35 schließlich auf Torsion um die dritte Achse beansprucht wird. Bei einer Haupterstreckungsrichtung der Mehrzahl an ersten Federschenkeln im Wesentlichen in Richtung der dritten Achse wird eine hohe Biegesteifigkeit des Koppelelementes erreicht, während das Koppelelement eine weiche Schwingungsbewegung im Detektionsmode ausführt, sodass die erste Eigenfrequenz des Störeigenmodes oberhalb der zweiten Eigenfrequenz des Detektionseigenmodes liegt.

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die rah- menförmige Anordnung parallel zur Haupterstreckungsebene einen inneren Bereich und einen äußeren Bereich aufweist, wobei der erste Federschenkel sich im inneren Bereich oder im äußeren Bereich erstreckt. Erstreckt sich der erste Federschenkel im inneren Bereich und befindet sich dadurch die Verbindung mit dem Substrat im inneren Bereich, so ist es möglich, die räumliche Ausdehnung des Koppelelementes in Richtung der dritten Achse kleiner zu gestalten als wenn sich der erste Federschenkel im äußeren Bereich erstreckt.

Gemäß zwei anderen bevorzugten Weiterbildungen ist vorgesehen, dass das Koppelelement eine weitere rahmenförmige Anordnung aufweist, wobei die weitere rahmenförmige Anordnung ausschließlich über die rahmenförmige Anordnung mit dem Substrat verbunden ist. Vorteilhafterweise weist die weitere rahmenförmige Anordnung bei Schwingungsbewegungen in Richtung der ersten Achse (Anregungsschwingung) eine vergleichsweise geringe Steifigkeit auf.

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Koppelelement einen zweiten Federschenkel umfasst, wobei der zweite Federschenkel mit dem Substrat verbunden ist. Aufgrund der Verbindung des Koppelelemen tes mittels des zweiten Federschenkels an das Substrat wird in vorteilhafter Weise eine weitere Erhöhung der Biegesteifigkeit des Koppelelementes in Richtung der zweiten Achse erreicht, sodass die Auslenkung der Schwingungsbewegung des Koppelelementes im Störeigenmode weiter herabgesetzt wird und die erste Eigenfrequenz (im Störeigenmode) erhöht wird.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors, wobei der Drehratensensor ein eine Haupterstreckungsebene aufweisendes Substrat sowie ein erstes und ein zweites Corioliselement aufweist, wobei das erste Corioliselement zu einer ersten Schwingung pa rallel zu einer zur Haupterstreckungsebene parallelen ersten Achse angeregt wird, wobei eine Corioliskraft das erste Corioliselement in Richtung einer im We- sentlichen zur ersten Achse senkrechten zweiten Achse auslenkt, wobei das zweite Corioliselement parallel zur Haupterstreckungsebene neben dem ersten Corioliselement angeordnet ist, wobei das zweite Corioliselement zu einer zweiten Schwingung parallel zur ersten Achse angeregt wird, wobei eine Corioliskraft das zweite Corioliselement in Richtung der zweiten Achse auslenkt, wobei das erste und das zweite Corioliselement parallel zur zweiten Achse in einem Störeigenmode mit einer ersten Eigenfrequenz und in einem Detektionseigenmode mit einer zweiten Eigenfrequenz schwingt, wobei im Störeigenmode parallel zur zweiten Achse das erste Corioliselement gleichsinnig zum zweiten Coriolisele- ment ausgelenkt wird und wobei im Detektionseigenmode parallel zur zweiten

Achse das erste Corioliselement gegensinnig zum zweiten Corioliselement ausgelenkt wird, wobei das erste Corioliselement über ein Koppelelement mit dem zweiten Corioliselement derart verbunden ist, dass die erste Eigenfrequenz größer ist als die zweite Eigenfrequenz, wobei das Koppelelement am Substrat an- gebunden ist.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors, Figur 2 zwei schematische Darstellungen in Seitenansicht eines Drehratensen- sors,

Figur 3 eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 4 eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 5 eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und

Figur 6 eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.

Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren 1 und 2 zunächst schematische Prinzipdarstellungen von Drehratensensoren mit zwei Corioliselementen abgebildet, die jedoch keine Ausführungsformen der Erfindung darstellen.

In Figur 1 ist eine solche schematische Prinzipdarstellung eines Drehratensensors 1 in Aufsicht dargestellt, wobei der Drehratensensor 1 ein eine Haupterstreckungsebene 100 aufweisendes Substrat 2 und ein erstes und ein zweites Corio- liselement 31 , 32 aufweist. Das erste Corioliselement 31 ist zu einer ersten Schwingung 51 parallel zu einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen ersten Achse X anregbar, wobei eine Corioliskraft eine erste Auslenkung des ersten Corioliselements 31 in Richtung einer im Wesentlichen zur ersten Achse X senkrechten zweiten Achse Z (in Figur 1 senkrecht zur Zeichenebene) bewirkt. Das zweite Corioliselement 32 ist parallel zur Haupterstreckungsebene 100 neben dem ersten Corioliselement 31 angeordnet ist zu einer zweiten Schwingung 52 parallel zur ersten Achse X anregbar, wobei eine Corioliskraft eine zweite Auslenkung des zweiten Corioliselements 32 in Richtung der zweiten Achse Z bewirkt.

In Figur 2 sind zwei solche schematische Prinzipdarstellungen des Drehraten- sensors 1 in Seitenansicht dargestellt, wobei in der linken schematischen Prinzipdarstellung ein Störeigenmode 81 dargestellt ist und wobei in der rechten schematischen Prinzipdarstellung ein Detektionseigenmode 82 dargestellt ist. In beiden Darstellungen ist die Gleichgewichtslage mit durchgehenden Linien und eine ausgelenkte Position mit gestrichelten Linien dargestellt. Im Störeigenmode 81 (linke Abbildung) sind die Auslenkungen des ersten und des zweiten Corioli- selementes 31 , 32 parallel zur zweiten Achse Z gleichsinnig (bzw. gleichphasig). Im Detektionseigenmode 82 (rechte Abbildung) sind die Auslenkungen des ersten und des zweiten Corioliselementes 31 , 32 parallel zur zweiten Achse Z gegensinnig (bzw. gegenphasig). In den Figuren 3 - 6 sind vier verschiedene Beispiele von erfindungsgemäßen Ausführungen dargestellt. Entsprechend der Beschreibungen der Prinzipdarstellungen (Figur 1 und 2) weist ein erfindungsgemäßer Drehratensensor 1 (Fig. 3-6) ein eine Haupterstreckungsebene 100 aufweisendes Substrat 2 sowie ein erstes und ein zweites Corioliselement 31 , 32 auf, wobei die Corioliselemente 31 , 32 parallel zur ersten Achse X anregbar sind und parallel zur zweiten Achse Z durch eine Corioliskraft auslenkbar sind. Das erste und das zweite Corioliselement 31 , 32 sind in allen Ausführungsformen der Erfindung über ein Koppelelement 9 verbunden, wobei das Koppelelement 9 (im Gegensatz zu den Prinzipdarstellungen in Figur 1 und 2) mit dem Substrat 2 verbunden ist.

In Figur 3 ist eine schematische Darstellung in Aufsicht des Drehratensensors 1 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet, wobei ein erster Federschenkel 91 und ein zweiter Federschenkel 92 mit dem Substrat 2 verbunden sind. Weiterhin weist der erste Federschenkel 91 eine Verbindungsfeder 93 auf und der zweite Federschenkel 92 weist eine weitere Verbindungsfeder 94 auf. Der erste Federschenkel 91 und der zweite Federschenkel 92 erstrecken sich mit ihren Haupterstreckungsrichtungen im Wesentlichen parallel zu einer dritten Achse Y, wobei sich die dritte Achse Y senkrecht zur ersten Achse X und senkrecht zur zweiten Achse Z erstreckt. Die Verbindungsfeder 93 ist in Richtung der dritten Achse Y weicher als in Richtung der ersten Achse X. Ebenfalls ist die weitere Verbindungsfeder 94 in Richtung der dritten Achse Y weicher als in Richtung der ersten Achse X. Weiterhin erstreckt sich das Koppelelement 9 im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 und weist eine Mehrzahl an Federschenkeln auf. Ein Teil dieser Federschenkel bildet eine rahmenförmige Anordnung 4. Die rahmenförmige Anordnung 4 weist parallel zur Haupterstreckungsebene 100 einen inneren Bereich und einen äußeren Bereich auf, wobei der erste Federschenkel 91 und die Verbindungsfeder 93 sowie der zweite Federschenkel 92 und die weitere Verbindungsfeder 94 sich im inneren Bereich erstrecken. Alternativ erstrecken sich die Federschenkel 91 , 92 und die Verbindungsfedern 93, 94 im äußeren Bereich. Die Verbindungsfedern 93, 94 weisen die Form einer doppelten U-Feder auf. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Verbindungsfedern 93, 94 mäanderförmig ausgebildet sind. Weiterhin weist das Koppelelement 9 eine weitere rahmenförmige Anordnung 41 auf, wobei die weitere rahmenförmige Anordnung 41 ausschließlich über die rahmenförmige Anordnung 4 mit dem Substrat 2 verbunden ist. In Figur 4 ist eine schematische Darstellung in Aufsicht des Drehratensensors 1 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet, wobei der erste Federschenkel 91 und der zweite Federschenkel 92 mit dem Substrat 2 verbunden sind. Wiederum weist der erste Federschenkel 91 die Verbindungsfeder 93 auf und der zweite Federschenkel 92 weist die weitere Verbindungsfeder 94 auf. Der erste Federschenkel 91 und der zweite Federschenkel 92 erstrecken sich mit ihren Haupterstreckungsrichtungen im Wesentlichen parallel zur dritten Achse Y. Die Verbindungsfeder 93 ist in Richtung der dritten Achse Y weicher als in Richtung der ersten Achse X. Ebenfalls ist die weitere Verbindungsfeder 94 in Richtung der dritten Achse Y weicher als in Richtung der ersten Achse X. Die Verbindungsfedern 93, 94 sind mäanderförmig ausgebildet. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Verbindungsfedern 93, 94 als doppelte U-Federn ausgeführt sind. Das Koppelelement 9 erstreckt im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 und weist die Mehrzahl an Federschenkeln auf. Ein Teil dieser Federschenkel bildet die rahmenförmige Anordnung 4. Die rahmenförmige Anordnung 4 weist parallel zur Haupterstreckungsebene 100 den inneren Bereich und den äußeren Bereich auf, wobei der erste Federschenkel 91 und die Verbindungsfeder 93 sowie der zweite Federschenkel 92 und die weitere Verbindungsfeder 93 sich im äußeren Bereich erstrecken. Alternativ erstrecken sich die Federschenkel 91 , 92 und die Verbindungsfedern 93, 94 im inneren Bereich. Weiterhin weist das Koppelelement 9 die weitere rahmenförmige Anordnung 41 auf, wobei die weitere rahmenförmige Anordnung 41 ausschließlich über die rahmenförmigen Anordnung 4 mit dem Substrat 2 verbunden ist.

In Figur 5 ist eine schematische Darstellung in Aufsicht des Drehratensensors 1 gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet, wobei der erste Federschenkel 91 und der zweite Federschenkel 92 mit dem Substrat 2 verbunden sind. Weiterhin weist der erste Federschenkel 91 die Verbindungsfeder 93 auf und der zweite Federschenkel 92 weist die weitere Verbindungsfeder 94 auf. Der erste Federschenkel 91 und der zweite Federschenkel 92 erstrecken sich mit ihren Haupterstreckungsrichtungen im Wesentlichen parallel zur dritten Achse Y. Die Verbindungsfeder 93 ist in Richtung der dritten Achse Y weicher als in Richtung der ersten Achse X. Die weitere Verbindungsfeder 94 ist in Richtung der dritten Achse Y weicher als in Richtung der ers- ten Achse X. Die Verbindungsfedern 93, 94 weisen die Form von doppelten U- Federn auf. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Verbindungsfedern 93, 94 mäanderförmig ausgebildet sind. Das Koppelelement 9 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 und weist die Mehrzahl an Federschenkeln auf. Ein Teil dieser Federschenkel bildet die rahmenförmige Anordnung 4. Die rahmenförmige Anordnung 4 weist parallel zur Haupterstreckungsebene 100 den inneren Bereich und den äußeren Bereich auf, wobei sich der erste Federschenkel 91 und die Verbindungsfeder 93 sowie der zweite Federschenkel 92 und die weitere Verbindungsfeder 93 im inneren Bereich erstre- cken. Alternativ erstrecken sich die Federschenkel 91 , 92 und die Verbindungsfedern 93, 94 im äußeren Bereich.

In Figur 6 ist eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors 1 gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfin- dung abgebildet, wobei der erste Federschenkel 91 und der zweite Federschenkel 92 mit dem Substrat 2 verbunden sind. Weiterhin weist der erste Federschenkel 91 die Verbindungsfeder 93 auf und der zweite Federschenkel 92 weist die weitere Verbindungsfeder 94 auf. Der erste Federschenkel 91 und der zweite Federschenkel 92 erstrecken sich mit ihren Haupterstreckungsrichtungen im We- sentlichen parallel zur dritten Achse Y. Die Verbindungsfeder 93 ist in Richtung der dritten Achse Y weicher als in Richtung der ersten Achse X. Die weitere Verbindungsfeder 94 ist in Richtung der dritten Achse Y weicher als in Richtung der ersten Achse X. Die Verbindungsfedern 93, 94 weisen die Form von doppelten U-Federn auf. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Verbindungsfedern 93, 94 mäanderförmig ausgebildet sind. Das Koppelelement 9 erstreckt sich im

Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 und weist die Mehrzahl an Federschenkeln auf. Ein Teil dieser Federschenkel bildet die rahmenförmige Anordnung 4. Die rahmenförmige Anordnung 4 weist parallel zur Haupterstreckungsebene 100 den inneren Bereich und den äußeren Bereich auf. Der erste Federschenkel 91 und die Verbindungsfeder 93 sowie der zweite Federschenkel

92 und die weitere Verbindungsfeder 94 erstrecken sich im inneren Bereich. Alternativ erstrecken sich die Federschenkel 91 , 92 und die Verbindungsfedern 93, 94 im äußeren Bereich. Weiterhin ist das erste Corioliselement 31 mit dem zweiten Corioliselement 32 über ein erstes weiteres Koppelelement 95 und über ein zweites weiteres Koppelelement 96 verbunden. Dabei verhalten sich die weiteren

Koppelelement 95, 96 ähnlich wie eine doppelte U-Feder, d.h. dass eine weiche Schwingungsbewegung der Corioliselemente 31 , 32 in Richtung der ersten Achse X (Anregungsrichtung) ermöglicht wird.