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Patent Searching and Data


Title:
ROTATION RATE SENSOR AND METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/173755
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a rotation rate sensor having a first rotationally suspended mass, which has a first rotation axis and a first rotation rate measurement element, which is designed to detect the rotation rate about the first rotation axis, having a second rotationally suspended mass, which has a second rotation axis, which is arranged parallel to the first rotation axis, and a second rotation rate measurement element, which is designed to detect the rotation rate about the second rotation axis, and having a drive device, which is designed to drive the first mass and the second mass such that the first mass and the second mass carry out rotational movements in opposite directions. The invention further relates to a corresponding method.

Inventors:
MAUL ROBERT (DE)
HATTASS MIRKO (DE)
HOEPPNER CHRISTIAN (DE)
Application Number:
PCT/EP2016/055215
Publication Date:
November 03, 2016
Filing Date:
March 11, 2016
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
International Classes:
G01C19/5705; G01C19/574
Foreign References:
DE19959369A12000-06-15
US20100263446A12010-10-21
DE102006052522A12008-05-29
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Claims:
Ansprüche

1. Drehratensensor (1-1 - 1-4) mit: einer ersten rotatorisch aufgehängten Masse (2), welche eine erste Drehachse (3) und ein erstes Drehratenmesselement (4) aufweist, welches ausgebildet ist die Drehrate (5) um die erste Drehachse (3) zu erfassen und in einem Signal (21) auszugeben; einer zweiten rotatorisch aufgehängten Masse (6), welche eine zweite Drehachse (7), welche parallel zu der ersten Drehachse (3) angeordnet ist, und ein zweites Drehratenmesselement (8) aufweist, welches ausgebildet ist die Drehrate (9) um die zweite Drehachse (7) zu erfassen und in einem Signal (22) auszugeben; mit einer Antriebseinrichtung (10), welche ausgebildet ist, die erste Masse (2) und die zweite Masse (6) derart anzutreiben, dass die erste Masse (2) und die zweite Masse (6) Rotationsbewegungen in entgegengesetzten Richtungen ausführen; und einer Auswerteeinrichtung (11), welche ausgebildet ist, eine Differenz (12) der Signale (21, 22) des ersten Drehratenmesselements (4) und des zweiten

Drehratenmesselements (8) als die zu messende Drehrate (30) auszugeben.

2. Drehratensensor nach Anspruch 1, mit einem Koppelelement (13), welches ausgebildet ist, die erste Masse (2) und die zweite Masse (6) derart miteinander zu koppeln, dass sich bei Antrieb der ersten Masse (2) und der zweiten Masse (6) eine gemeinsame Antriebsmode ausbildet.

3. Drehratensensor nach Anspruch 2, wobei das Koppelelement (13) als die Antriebseinrichtung (10) ausgebildet ist.

4. Drehratensensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Drehratenmesselement (4) eine erste bewegliche

Detektionsmasse (14) und eine zweite bewegliche Detektionsmasse (15) aufweist, wobei die erste Detektionsmasse (14) und die zweite Detektionsmasse (15) auf der ersten Masse (2) symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Drehachse (3) auf einer durch die erste Drehachse (3) verlaufenden ersten Linie (16) angeordnet sind; und wobei das zweite Drehratenmesselement (8) eine erste bewegliche

Detektionsmasse (14) und eine zweite bewegliche Detektionsmasse (15) aufweist, wobei die erste Detektionsmasse (14) und die zweite Detektionsmasse (15) auf der zweiten Masse (6) symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der zweiten Drehachse (7) auf einer durch die zweite Drehachse (7) verlaufenden zweiten Linie (17) angeordnet sind.

5. Drehratensensor nach Anspruch 4, wobei die erste Linie (16) und die zweite Linie (17) in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.

6. Drehratensensor nach einem der vorherigen Ansprüche 4 und 5, mit mindestens zwei ersten Auswerteelektroden (18-1, 18-2), welche an jeder der Detektionsmassen (14, 15) derart angeordnet sind, dass sich bei einer Drehung der jeweiligen Masse (2, 6) um die entsprechende Drehachse eine messbare physikalische Größe zwischen den jeweiligen ersten Auswerteelektroden (18-1, 18-2) verändert; wobei die ersten Auswerteelektroden (18-1, 18-2) der ersten Masse (2) und die ersten Auswerteelektroden (18-1, 18-2) der zweiten Masse (6) in einer

Differenzschaltung angeordnet sind.

7. Drehratensensor nach Anspruch 6, wobei die Differenzschaltung durch eine vertauschte Polarität der ersten

Auswerteelektroden (18-1, 18-2) der ersten Masse (2) gegenüber den ersten Auswerteelektroden (18-1, 18-2) der zweiten Masse (6) bereitgestellt wird.

8. Drehratensensor nach einem der vorherigen Ansprüche, mit mindestens zwei zweiten Auswerteelektroden (19-1, 19-2), welche jeweils an der ersten Masse (2) und an der zweiten Masse (6) derart angeordnet sind, dass sich bei einer Drehung der jeweiligen Masse (2, 6) um eine zu der jeweiligen Drehachse senkrechten ersten Achse eine messbare physikalische Größe zwischen den jeweiligen zweiten Auswerteelektroden (19-1, 19-2) verändert; und mit mindestens zwei dritten Auswerteelektroden (20-1, 20-2), welche jeweils an der ersten Masse (2) und an der zweiten Masse (6) derart angeordnet sind, dass sich bei einer Drehung der jeweiligen Masse (2, 6) um eine zu der jeweiligen Drehachse und der jeweiligen ersten Achse senkrechten zweiten Achse eine messbare physikalische Größe zwischen den jeweiligen dritten

Auswerteelektroden (20-1, 20-2) verändert.

9. Verfahren zum Erfassen einer Drehrate (30), aufweisend:

Versetzen (Sl) einer ersten rotatorisch aufgehängten Masse (2) in eine

Schwingung um eine erste Drehachse (3);

Versetzen (S2) einer zweiten rotatorisch aufgehängten Masse (6) in eine Schwingung, welche gegensinnig zu der Schwingung der ersten Masse (2) ist, um eine zweite Drehachse (7), welche parallel zu der ersten Drehachse (3) angeordnet ist,

Erfassen (S3) einer Drehrate (30) in einer zu der ersten Drehachse (3) und der zweiten Drehachse (7) parallelen dritten Drehachse durch Differenzbildung aus dem Signal eines ersten Drehratenmesselements (4), welches auf der ersten Masse (2) angeordnet ist, und eines zweites Drehratenmesselements (8), welches auf der zweiten Masse (6) angeordnet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, aufweisend:

Koppeln der ersten Masse (2) und der zweiten Masse (6) derart, dass sich bei der Schwingung der ersten Masse (2) und der Schwingung der zweiten Masse (6) eine gemeinsame Antriebsmode ausbildet.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 und 10, aufweisend

Anordnen einer ersten Detektionsmasse (14) und einer zweiten Detektionsmasse (15) auf der ersten Masse (2) als das erste Drehratenmesselement (4), wobei die erste Detektionsmasse (14) und die zweite Detektionsmasse (15) auf der ersten Masse (2) symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Drehachse (3) auf einer durch die erste Drehachse (3) verlaufenden ersten Linie (16) angeordnet werden; und

Anordnen einer ersten Detektionsmasse (14) und einer zweiten Detektionsmasse (15) auf der zweiten Masse (6) als das zweite Drehratenmesselement (8), wobei die erste Detektionsmasse (14) und die zweite Detektionsmasse (15) auf der zweiten Masse (6) symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der zweiten Drehachse (7) auf einer durch die zweite Drehachse (7) verlaufenden zweiten Linie (17) angeordnet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Detektionsmassen (14, 15) derart angeordnet werden, dass die erste Linie (16) und die zweite Linie (17) in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet werden.

13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 11 und 12, aufweisend:

Anordnen von mit mindestens zwei ersten Auswerteelektroden (18-1, 18-2) an jeder der Detektionsmassen (14, 15) derart, dass sich bei einer Drehung der jeweiligen Masse (2, 6) um die entsprechende Drehachse eine messbare physikalische Größe zwischen den jeweiligen ersten Auswerteelektroden (18-1, 18-2) verändert; wobei die ersten Auswerteelektroden (18-1, 18-2) der ersten Masse (2) und die ersten Auswerteelektroden (18-1, 18-2) der zweiten Masse (6) in einer

Differenzschaltung verschaltet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Differenzschaltung durch eine vertauschte Polarität der ersten

Auswerteelektroden (18-1, 18-2) der ersten Masse (2) gegenüber den ersten Auswerteelektroden (18-1, 18-2) der zweiten Masse (6) bereitgestellt wird.

Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 14, aufweisend Erfassen einer messbaren physikalischen Größe bei einer Drehung der jeweiligen Masse (2, 6) um eine zu der jeweiligen Drehachse senkrechten ersten Achse mit mindestens zwei zweiten Auswerteelektroden (19-1, 19-2), welche an der jeweiligen Masse (2, 6) angeordnet sind; und

Erfassen einer messbaren physikalischen Größe bei einer Drehung der jeweiligen Masse (2, 6) um eine zu der jeweiligen Drehachse und der jeweiligen ersten Achse senkrechten zweite Achse mit mindestens zwei dritten

Auswerteelektroden (20-1, 20-2), welche an der jeweiligen Masse (2, 6) angeordnet sind.

Description:
Beschreibung Titel

DREHRATENSENSOR UND VERFAHREN

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehratensensor

entsprechendes Verfahren zum Erfassen einer Drehrate.

Stand der Technik

Drehratensensoren werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise können Drehratensensoren in Fahrzeugen eingesetzt werden, um die aktuelle Bewegung des Fahrzeugs zu erfassen. Diese Daten werden benötigt, um z.B. ein elektronisches Stabilitätsprogram in Fahrzeugen

bereitstellen zu können.

Drehratensensoren können aber z.B. auch in mobilen Kommunikationsgeräten, wie z.B. Smartphones, eingesetzt werden, um eine Bewegung des Smartphones zu erfassen. Dies ermöglicht es z.B. Eingaben an eine Anwendung des

Smartphones durch die Bewegung des Smartphones zu erfassen. Beispielsweise kann eine Kartenansicht eines Stadtplans entsprechend der Bewegung des Smartphones bewegt werden.

Drehratensensoren können dabei z.B. als mikroelektromechanische Systeme aufgebaut sein. Üblicherweise bestehen solche mikroelektromechanischen Systeme dabei aus antiparallel schwingenden Massensystemen. Durch die Corioliskraft wird eine Auslenkung senkrecht zur Antriebsbewegung erzeugt, die mittels geeigneter Auswertungsschaltungen gemessen werden kann.

Alternativ können auch rotatorisch arbeitende Konzepte eingesetzt werden, bei welchen eine Masse in eine Rotation bzw. eine Rotationsschwingung versetzt wird und eine Drehrate um die X- bzw. Y-Achse durch ein Verkippen aus dieser Ebene gemessen wird.

Die DE10 2006 / 052 522 AI zeigt einen solchen Drehratensensor, welcher Drehraten um zwei senkrecht aufeinander stehende Achsen erfassen kann. Soll eine Struktur für die Erfassung der Drehrate um eine dritte Achse, z.B. die Z- Achse, in einem solchen Sensor integriert werden, wird hierfür üblicherweise eine Struktur außerhalb des Rotors verwendet. Würde diese Struktur auf dem Rotor integriert, würde dies dazu führen, dass die Zentrifugalkraft die Corioliskraft überlagern würde, und eine Auswertung des Signals erschweren würde.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart einen Drehratensensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des

Patentanspruchs 9. Demgemäß ist vorgesehen:

Ein Drehratensensor mit einer ersten rotatorisch aufgehängten Masse, welche eine erste Drehachse und ein erstes Drehratenmesselement aufweist, welches ausgebildet ist die Drehrate um die erste Drehachse zu erfassen und in einem Signal auszugeben, mit einer zweiten rotatorisch aufgehängten Masse, welche eine zweite Drehachse, welche parallel zu der ersten Drehachse angeordnet ist, und ein zweites Drehratenmesselement aufweist, welches ausgebildet ist die Drehrate um die zweite Drehachse zu erfassen und in einem Signal auszugeben, und mit einer Antriebseinrichtung, welche ausgebildet ist, die erste Masse und die zweite Masse derart anzutreiben, dass die erste Masse und die zweite Masse

Rotationsbewegungen in entgegengesetzten Richtungen ausführen, und einer Auswerteeinrichtung, welche ausgebildet ist, eine Differenz der Signale des ersten Drehratenmesselements und des zweiten Drehratenmesselements als die zu messende Drehrate auszugeben.

Ferner ist vorgesehen:

Ein Verfahren zum Erfassen einer Drehrate, aufweisend Versetzen einer ersten rotatorisch aufgehängten Masse in eine Schwingung um eine erste Drehachse, Versetzen einer zweiten rotatorisch aufgehängten Masse in eine Schwingung, welche gegensinnig zu der Schwingung der ersten Masse ist, um eine zweite Drehachse, welche parallel zu der ersten Drehachse angeordnet ist, und

Erfassen einer Drehrate in einer zu der ersten Drehachse und der zweiten Drehachse parallelen dritten Drehachse durch Differenzbildung aus dem Signal eines ersten Drehratenmesselements (4), welches auf der ersten Masse angeordnet ist, und eines zweites Drehratenmesselements, welches auf der zweiten Masse angeordnet ist.

Vorteile der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass die Zentrifugalkraft bei einer Rotationsbewegung immer von dem Zentrum der Rotation weg gerichtet ist, während die Corioliskraft von der Drehrichtung abhängt.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und einen Drehratensensor vorzusehen, bei welchem zwei Massen derart angetrieben werden, dass die Massen in entgegengesetzten Richtungen um ihre jeweilige Drehachse rotieren bzw. eine rotatorische Schwingung ausführen.

Die vorliegende Erfindung sieht ferner auf jeder der Massen ein

Drehratenmesselement vor. Wie oben bereits erläutert, zeigt die Zentrifugalkraft bei einer Rotation immer von dem Zentrum der Rotation weg.

Durch eine Differenzbildung der Ausgangssignale der Drehratenmesselemente löschen sich folglich die Signalanteile, welche durch die Zentrifugalkraft hervorgerufen werden gegenseitig aus.

Da aber die Corioliskraft von der Drehrichtung abhängig ist, erzeugt eines der Drehratenmesselemente ein positives Signal und eines der

Drehratenmesselemente ein negatives Signal. Durch die Differenzbildung aus den beiden Signalanteilen mit den umgekehrten Vorzeichen ergibt sich somit ein Drehratensignal, welches die in etwa doppelte Amplitude der einzelnen

Drehratensignale aufweist.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren. In einer Ausführungsform weist der Drehratensensor ein Koppelelement auf, welches ausgebildet ist, die erste Masse und die zweite Masse derart miteinander zu koppeln, dass sich bei Antrieb der ersten Masse und der zweiten Masse eine gemeinsame Antriebsmode ausbildet. Dies führt zu einer gemeinsamen bzw. gleichzeitigen Bewegung der einzelnen Massen und ermöglicht eine einfache Differenzbildung.

In einer Ausführungsform ist das Koppelelement als die Antriebsvorrichtung ausgebildet. Dies ermöglicht einen einfachen und wenig komplexen Aufbau des Drehratensensors.

In einer Ausführungsform weist das erste Drehratenmesselement eine erste bewegliche Detektionsmasse und eine zweite bewegliche Detektionsmasse auf, wobei die erste Detektionsmasse und die zweite Detektionsmasse auf der ersten Masse symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Drehachse auf einer durch die erste Drehachse verlaufenden ersten Linie angeordnet sind. Dies ermöglicht eine einfache Messung der Kräfte, welche bei einer Drehung um die erste Drehachse entstehen.

In einer Ausführungsform weist das zweite Drehratenmesselement eine erste bewegliche Detektionsmasse und eine zweite bewegliche Detektionsmasse auf, wobei die erste Detektionsmasse und die zweite Detektionsmasse auf der zweiten Masse symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der zweiten Drehachse auf einer durch die zweite Drehachse verlaufenden zweiten Linie angeordnet sind. Dies ermöglicht eine einfache Messung der Kräfte, welche bei einer Drehung um die zweite Drehachse entstehen.

In einer Ausführungsform weist der Drehratensensor mindestens zwei erste Auswerteelektroden auf, welche an jeder der Detektionsmassen derart angeordnet sind, dass sich bei einer Drehung der jeweiligen Masse um die entsprechende Drehachse eine messbare physikalische Größe zwischen den jeweiligen ersten Auswerteelektroden verändert. Beispielsweise kann eine der ersten Auswerteelektroden als die jeweilige Detektionsmasse oder ein Teil der jeweiligen Detektionsmasse ausgebildet sein. Die zweite der ersten

Auswerteelektroden kann z.B. derart in der Nähe der entsprechenden

Detektionsmasse angeordnet sein, dass sich bei einer Bewegung der

Detektionsmassen eine Kapazität, eine Spannung, eine andere elektrische Größe oder dergleichen zwischen den ersten Auswerteelektroden verändert. In einer Ausführungsform sind die ersten Auswerteelektroden der ersten Masse und die ersten Auswerteelektroden der zweiten Masse in einer

Differenzschaltung angeordnet. Dies führt dazu, dass sich diejenigen

Signalanteile, welche durch die Zentrifugalkraft hervorgerufen werden subtrahieren und diejenigen Signalanteile, welche durch die

Coriolisbeschleunigung hervorgerufen werden, sich addieren.

In einer Ausführungsform wird die Differenzschaltung durch eine vertauschte Polarität der ersten Auswerteelektroden der ersten Masse gegenüber den ersten Auswerteelektroden der zweiten Masse bereitgestellt. Dies ermöglicht eine sehr einfache Bildung der Differenz, da die elektrischen Anschlüsse der ersten Auswerteelektroden der ersten Masse und die elektrischen Anschlüsse der ersten Auswerteelektroden der zweiten Masse einfach elektrisch miteinander verbunden werden können.

In einer Ausführungsform weist der Drehratensensor mindestens zwei zweite Auswerteelektroden auf, welche jeweils an der ersten Masse und an der zweiten Masse derart angeordnet sind, dass sich bei einer Drehung der jeweiligen Masse um eine zu der jeweiligen Drehachse senkrechten ersten Achse eine messbare physikalische Größe zwischen den jeweiligen zweiten Auswerteelektroden verändert. Dies ermöglicht eine Messung der Drehrate und/oder der

Beschleunigung in einer ersten weiteren Achse.

In einer Ausführungsform weist der Drehratensensor mindestens zwei dritte Auswerteelektroden auf, welche jeweils an der ersten Masse und an der zweiten Masse derart angeordnet sind, dass sich bei einer Drehung der jeweiligen Masse um eine zu der jeweiligen Drehachse und der jeweiligen ersten Achse senkrechten zweite Achse eine messbare physikalische Größe zwischen den jeweiligen dritten Auswerteelektroden verändert. Dies ermöglicht eine Messung der Drehrate und/oder der Beschleunigung in einer zweiten weiteren Achse.

In einer Ausführungsform sind die erste Linie und die zweite Linie in einem Winkel von 90° zueinander bzw. jeweils in einem Winkel von 45° zu einer Achse angeordnet, welche zwischen der ersten Masse und der zweiten Masse liegt, angeordnet. In solch einer Anordnung sind die erste weitere Achse und die zweite weitere Achse nicht in einem 90° Winkel zueinander angeordnet sind, daher werden die Drehraten z.B. um die X-Achse und die Y-Achse nicht direkt gemessen. Vielmehr werden die Drehraten in einem um 45° gekippten

Koordinatensystem erfasst und können auf ein übliches 3-achsiges

Koordinatensystem mit 90° Winkeln zwischen den Achsen umgerechnet werden. Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen,

Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder

Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnun

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehratensensors;

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines

erfindungsgemäßen Drehratensensors; Fig. 4 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines

erfindungsgemäßen Drehratensensors.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts Anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.

Ausführungsformen der Erfindung Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehratensensors 1-1. In Fig. 1 ist ferner ein Koordinatensystem gezeigt, bei welchem die X-Achse nach rechts zeigt, die Y-Achse in einem 90° Winkel zur X- Achse nach oben zeigt und die Z-Achse in einem 90° Winkel zur X-Achse und in einem 90° Winkel zur Y-Achse aus der Zeicheneben heraus zeigt.

Der Drehratensensor 1-1 der Fig. 1 weist zwei Massen 2 und 6 auf, welche rotatorisch aufgehängt sind. Rotatorisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Massen 2, 6 zumindest eine rotatorische Schwingung ausführen.

Rotatorisch muss nicht bedeuten, dass die Massen 2, 6 eine kontinuierliche Rotationsbewegung ausführen.

Die erste Masse 2 ist dabei derart aufgehängt bzw. befestigt, dass sie eine rotatorische Bewegung um eine erste Drehachse 3 ausführt. Die zweite Masse 6 ist derart aufgehängt bzw. befestigt, dass sie eine rotatorische Bewegung um eine zweite Drehachse 7 ausführt. Die erste Drehachse 3 und die zweite Drehachse 7 sind dabei insbesondere parallel zueinander angeordnet. Jede der Massen 2, 6 weist ferner ein Drehratenmesselement 4, 8 auf, welches dazu ausgebildet ist, eine Drehrate 5, 9 der jeweiligen Masse 2, 6 um die jeweilige Drehachse 3, 7 zu erfassen und ein entsprechendes Signal 21, 22 auszugeben. Das Signal 21 des Drehratenmesselements 4 und das Signal 22 des

Drehratenmesselements 8 werden von einer Auswerteeinrichtung 11 abgefragt und subtrahiert. Die Auswerteeinrichtung 11 gibt das Ergebnis der Subtraktion 12 als die zu erfassende Drehrate 30 aus. Der Drehratensensor 1-1 weist ferner eine Antriebseinrichtung 10 auf, die die zwei Massen 2, 6 derart antreibt, dass diese bei aktivem Antrieb eine

gegensinnige rotatorische Bewegung ausführen, also eine rotatorische

Bewegung in entgegengesetzte Richtungen ausführen. Der erfindungsgemäße Drehratensensor 1-1 kann in einer Ausführungsform z.B. als mikroelektromechanischer, MEMS, Drehratensensor 1-1 ausgebildet sein. Dabei kann die Antriebseinrichtung 10 z.B. als eine elektrostatische

Antriebseinrichtung 10 oder dergleichen ausgebildet sein. Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erfassen einer Drehrate 30.

Das Verfahren sieht das Versetzen, Sl, einer ersten rotatorisch aufgehängten Masse 2 in eine Schwingung um eine erste Drehachse 3 vor. Ferner wird eine zweite rotatorisch aufgehängte Masse 6 in eine Schwingung um eine zweite Drehachse 7, welche parallel zu der ersten Drehachse 3 angeordnet ist, versetzt, welche gegensinnig zu der Schwingung der ersten Masse 2 ist.

Schließlich ist das Erfassen, S3, einer Drehrate 30 in einer zu der ersten

Drehachse 3 und der zweiten Drehachse 7 parallelen dritten Drehachse durch Differenzbildung aus dem Signal eines ersten Drehratenmesselements 4, welches auf der ersten Masse 2 angeordnet ist, und eines zweites

Drehratenmesselements 8, welches auf der zweiten Masse 6 angeordnet ist, vorgesehen.

Zur einfacheren Auswertung der Signale 21, 22 der zwei Massen 2, 6 können die erste Masse 2 und der zweite Masse 6 derart miteinander gekoppelt werden, dass sich bei der Schwingung der ersten Masse 2 und der Schwingung der zweiten Masse 6 eine gemeinsame Antriebsmode ausbildet.

In einer Ausführungsform kann das Verfahren das Anordnen einer ersten Detektionsmasse 14 und einer zweiten Detektionsmasse 15 als das erste Drehratenmesselement 4 auf der ersten Masse 2 und das Anordnen einer ersten Detektionsmasse 14 und einer zweiten Detektionsmasse 15 als das zweite Drehratenmesselement 8 auf der zweiten Masse 6 vorsehen.

Dabei können die erste Detektionsmasse 14 und die zweite Detektionsmasse 15 auf der ersten Masse 2 symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Drehachse 3 auf einer durch die erste Drehachse 3 verlaufenden ersten Linie 16 angeordnet werden. Ferner können die erste Detektionsmasse 14 und die zweite Detektionsmasse 15 auf der zweiten Masse 6 symmetrisch auf

gegenüberliegenden Seiten der zweiten Drehachse 7 auf einer durch die zweite Drehachse 7 verlaufenden zweiten Linie 17 angeordnet werden. In einer

Ausführungsform können die Detektionsmassen 14, 15 dabei derart angeordnet werden, dass die erste Linie 16 und die zweite Linie 17 in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet werden. Zur einfachen Auswertung der Drehratenmesselemente 4, 8 können mindestens zwei erste Auswerteelektroden 18-1, 18-2 an jeder der Detektionsmassen 14, 15 derart angeordnet werden, dass sich bei einer Drehung der jeweiligen Masse 2, 6 um die entsprechende Drehachse eine messbare physikalische Größe zwischen den jeweiligen ersten Auswerteelektroden 18-1, 18-2 verändert. Beispielsweise kann sich eine Kapazität oder eine elektrische Spannung zwischen den ersten Auswerteelektroden 18-1, 18-2 verändern.

Eine einfache Möglichkeit der Auswertung besteht in einer Ausführungsform darin, die ersten Auswerteelektroden 18-1, 18-2 der ersten Masse 2 und die ersten Auswerteelektroden 18-1, 18-2 der zweiten Masse 6 in einer

Differenzschaltung zu verschalten.

In einer Ausführungsform kann die Differenzschaltung als eine passive

Differenzschaltung bereitgestellt werden, bei welcher die Kontakte der ersten Auswerteelektroden 18-1, 18-2 direkt elektrisch miteinander gekoppelt werden. Die Differenzbildung kann durch eine vertauschte Polarität der ersten

Auswerteelektroden 18-1, 18-2 der ersten Masse 2 gegenüber den ersten Auswerteelektroden 18-1, 18-2 der zweiten Masse 6 bereitgestellt werden.

Beispielsweise können die ersten Auswerteelektroden 18-1, 18-2 der ersten Masse 2 derart ausgebildet sein, dass diese bei einer zu messenden Drehrate 30 in einer vorgegebenen Richtung ein positives Signal ausgeben und die ersten Auswerteelektroden 18-1, 18-2 der zweiten Masse 6 können ausgebildet sein, bei einer Drehrate in die vorgegebene Richtung ein negatives Signal

auszugeben.

Es ist ferner möglich, die Massen 2 und 6 zu weiteren Drehratenmessungen zu nutzen, dazu können messbare physikalische Größen bei einer Drehung der jeweiligen Masse 2, 6 um eine zu der jeweiligen Drehachse 3, 7 senkrechten ersten Achse mit mindestens zwei zweiten Auswerteelektroden 19-1, 19-2, welche an der jeweiligen Masse 2, 6 angeordnet sind erfasst werden. Ferner können messbare physikalische Größen bei einer Drehung der jeweiligen Masse 2, 6 um eine zu der jeweiligen Drehachse 3, 7 und der jeweiligen ersten Achse senkrechten zweite Achse mit mindestens zwei dritten Auswerteelektroden 20-1, 20-2, welche an der jeweiligen Masse 2, 6 angeordnet sind, erfasst werden. Dadurch wird es möglich, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens

Drehraten in drei Achsen, also z.B. in der X-, Y- und der Z- Achse des in den weiteren Figuren gezeigten Koordinatensystems zu erfassen.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines

erfindungsgemäßen Drehratensensors 1-2.

Der Drehratensensors 1-2 der Fig. 3 basiert auf dem Drehratensensor 1-1 der Fig. 1 und unterscheidet sich von diesem dahingehend, dass die

Drehratenmesselemente 4 bzw. 8 nicht explizit dargestellt sind, sondern jeweils durch zwei Detektionsmassen 14, 15 repräsentiert werden.

Ferner sind die Detektionsmassen 14, 15 der ersten Masse 2 auf einer Linie 16 angeordnet, welche in einem 45° Winkel zu einer Senkrechten zwischen den zwei Massen 2, 7 steht. Die Detektionsmasse 14 zeigt dabei nach außen, also von der zweiten Masse 6 weg und die Detektionsmasse 15 zeigt dabei nach innen, also zu der zweiten Masse 6 hin.

Die Detektionsmassen 14, 15 der zweiten Masse 2 sind ebenfalls auf einer Linie 17 angeordnet, welche in einem 45° Winkel zu einer Senkrechten zwischen den zwei Massen 2, 7 steht. Dabei steht die Linie 17 in einem 90° Winkel zu der Linie 16. Die Detektionsmasse 14 zeigt dabei nach außen, also von der ersten Masse 2 weg und die Detektionsmasse 15 zeigt dabei nach innen, also zu der ersten Masse 2 hin.

Diese Anordnung der Massen 2 und 6 führt dazu, dass eine Verkippung der Massen 2 und 6 aus der X-Achse bzw. der Y-Achse heraus nicht direkt erfasst wird. Vielmehr wird bei einer Verkippung der Massen 2 und 6 aus der X-Achse bzw. der Y-Achse heraus eine Drehrate in einem um 45° verkippten

Koordinatensystem erfasst. Bei einer reinen Verkippung um die Y-Achse oder die Z-Achse können folglich Anteile der entsprechenden Drehraten an beiden Massen 2 und 6 erfasst werden. Diese Anteile können bei der Auswertung z.B. durch eine Recheneinrichtung, wie z.B. einen ASIC, einen Mikrocontroller oder dergleichen, verrechnet werden, um die jeweilige Drehrate zu berechnen.

Dies hat ferner den Vorteil, dass die Drehraten um die X-Achse und die Y-Achse redundant, also in zwei Kanälen erfasst werden. Die Detektionsmassen 14, 15 können z.B. als federnd aufgehängte Massen 14, 15 ausgebildet sein, die durch eine auf die jeweilige Detektionsmasse 14, 15 wirkende Kraft aus ihrer Ruheposition herausbewegt werden können. Die Bewegung der Detektionsmassen 14, 15 aus ihrer Ruheposition kann, wie in Fig. 3 gezeigt, z.B. durch geeignet angebrachte Auswerteelektroden 18-1, 18-2 erfasst werden.

In der Ausführungsform der Fig. 3 sind dazu an jeder der Detektionsmassen 14, 15 zwei Auswerteelektroden 18-1, 18-2 angebracht. Dabei ist in Fig. 3 die erste Auswerteelektrode 18-1 neben der jeweiligen Detektionsmasse 14, 15 angeordnet. In Fig. 3 ist die jeweils zweite Auswerteelektrode 18-2 als die jeweilige Detektionsmasse 14, 15 selbst ausgebildet. In weiteren

Ausführungsformen können die Detektionsmassen 14, 15 dedizierte

Auswerteelektroden 18-2 aufweisen.

Die Auswerteelektroden 18-1, 18-2 können z.B. als plattenartige Strukturen ausgebildet sein, deren Normale im Wesentlichen auf den Mittelpunkt der Rotationsachse 3 der Rotationsmasse 2 zeigt. Wird die entsprechende

Detektionsmasse 14, 15 aus ihrer Ruheposition heraus bewegt, verändert sich somit der Abstand zwischen den Platten der ersten Auswerteelektrode 18-1 und der zweiten Auswerteelektrode 18-2, was zu einer Änderung einer messbaren physikalischen Größe, z.B. einer Kapazität, einer Induktivität, einer Impedanz oder dergleichen führt.

Die Auswerteelektroden 18-1, 18-2 können insbesondere dazu ausgebildet sein, eine Bewegung zu dem Drehzentrum hin und von dem Drehzentrum weg zu detektieren.

Ferner können die Auswerteelektroden 18-1 und/oder die Auswerteelektroden 18-2 in einer Ausführungsform als differentielle Auswerteelektroden 18-1, 18-2 ausgebildet sein, bei welchen jeweils zwei Einzelelektroden vorgesehen sind. Beispielsweise können diese derart angeordnet sein, dass eine messbare Kapazität an einer der Einzelelektroden bei einer Bewegung der jeweiligen Detektionsmasse 14, 15 steigt und an der anderen der Einzelelektroden bei der Bewegung der jeweiligen Detektionsmasse 14, 15 sinkt. Dies ermöglicht es, für jede der Detektionsmassen 14, 15 separat bereits eine differentielle Betrachtung durchzuführen und durch die anschließende Differenzbildung eine Linearbewegung des gesamten Drehratensensors aus dem Messergebnis herauszurechnen.

Die Anordnung der Fig. 3 ermöglicht eine sehr einfache Erfassung der zu erfassenden Drehrate 30. Die zu erfassende Drehrate 30 entspricht dabei einer Drehrate 30 des gesamten Drehratensensors 1-2 und ist unabhängig von den Drehraten der einzelnen Massen 2, 6, welche durch die rotatorische Bewegung der Massen 2, 6 erzeugt wird.

Bei einer Drehung der Massen 2, 6 wirken zwei unterschiedliche Kräfte auf die Massen 2, 6 bzw. die jeweiligen Detektionsmassen 14, 15. Einerseits wirkt eine Zentrifugalkraft auf die jeweiligen Detektionsmassen 14, 15, welche von der Drehachse 3 bzw. der Drehachse 7 immer nach außen gerichtet ist.

Bei einer Subtraktion der Signale 21 und 22 löschen sich daher die Signalanteile, welche durch die Fliehkraft erzeugt werden, gegenseitig aus.

Diejenigen Signalanteile, welche durch die Corioliskraft erzeugt werden, sind im Gegensatz zu der Fliehkraft aber Abhängig von der Drehrichtung der jeweiligen Masse 2, 6. Da die Massen 2, 6 gegensinnige rotatorische Bewegungen ausführen, weisen die Signalanteile der Signale 21, 22, welche durch die

Corioliskraft erzeugt werden, folglich unterschiedliche Vorzeichen auf. Dies führt dazu, dass durch die Subtraktion 12 ein Ausgangssignal entsteht, bei welchem ein Signalanteil, welcher durch die Corioliskraft erzeugt wird, die Summe des entsprechenden Signalanteils aus den zwei Signalen 21, 22 aufweist. Bei identischer Ausführung der Masse 2 und der Masse 6 weist dieser Signalenteil also den doppelten Betrag gegenüber den einzelnen Signalen 21, 22 auf.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines

erfindungsgemäßen Drehratensensors 1-3.

Der Drehratensensor 1-3 basiert auf dem Drehratensensor 1-2 der Fig. 3 und unterscheidet sich von diesem dahingehend, dass die Massen 2 und 6 als quadratische Massen 2, 6 ausgebildet sind. In weiteren Ausführungsformen sind beliebige weitere Formen der Massen 2 und 6 möglich. Die Massen 2 und 6 werden in deren Mitte bzw. der jeweiligen Drehachse 3, 7 durch ein Federelement 25 gehalten, welches eine rotatorische Bewegung der jeweiligen Masse 2, 6 ermöglicht. Ferner ist ein Koppelelement 13, welches als Träger 13 bzw. als Rahmen 13 ausgebildet ist, vorgesehen, welches über Federelemente 24-1 - 24-4 mit den Massen 2 und 6 gekoppelt ist. Dabei ist ein Teil des Rahmens 13 über und ein Teil des Rahmens 13 unter den Massen 2 und 6 dargestellt. Weitere mögliche Bestandteile des Rahmens 13 sind ebenfalls möglich, werden aber der

Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.

Dabei sind die Federn 24-1 und 24-2 an den oberen äußeren Ecken der Massen 2 bzw. 6 angebracht und die Federn 24-3 und 24-4 jeweils an den inneren unteren Ecken der Massen 2 und 6 angebracht.

In Fig. 4 ist ferner an dem oberen Teil des Trägers 13 eine nach oben zeigende Kraft 26 und an dem unteren Teil des Trägers 13 eine nach unten zeigende Kraft

26 dargestellt, die eine Auslenkung des Trägers 13 symbolisiert. Bei einer solchen Auslenkung des Trägers werden die zwei Massen 2 und 6 in eine gegensinnige rotatorische Bewegung versetzt. Wird der Träger 13 zyklisch in die

Richtung 26 bewegt, ergibt sich dadurch eine gegensinnige rotatorische

Schwingung der Massen 2 und 6. Der Träger 13 kann folglich in der dargestellten Ausführungsform auch als Antriebselement 10 genutzt werden. In Fig. 4 sind an den Massen 2 und 6 jeweils weitere Auswerteelektroden 19-1,

19-2 und 20-1, 20-2 angebracht, die dazu dienen, die Auslenkung der Massen 2 und 6 bzw. die Drehrate der Massen 2 und 6 in X- und Y- Richtung zu erfassen.

Schließlich ist in Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht einer der Detektionsmassen 14, 15 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Detektionsmasse 14, 15 eine Masse

27 aufweist, welche über Federelemente 28-1 - 28-4 mit einem Rahmen 29 gekoppelt ist. Die Federelemente 28-1 - 28-4 weisen dabei in derjenigen Richtung, in welcher eine Bewegung der Detektionsmasse 14, 15 gemessen werden soll, eine geringere Federsteifigkeit auf, als in die anderen Richtungen. Diese Ausführungsform der Detektionsmassen 14, 15 ist lediglich beispielhafter

Natur. In weiteren Ausführungsformen können die Detektionsmassen 14, 15 auch anders ausgeführt werden. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.