DE102011056971A1

DE102011056971A1 - Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor

Info

Publication number: DE102011056971A1
Application number: DE102011056971A
Authority: DE
Inventors: Alessandro Rocchi; Eleonora Marchetti; Lorenzo BERTINI
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Hanking Electronics Ltd Solon Us
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-27
Also published as: US20130269469A1; JP2013140147A; JP6190587B2; US20160169676A1; KR20130073832A; US10024663B2; EP2607850A3; KR102032732B1; CN103175982A; CN103175982B; EP2607850A2; EP2607850B1; US9279681B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Coriolis-Drehratensensor zur Erfassung einer Drehrate, der ein Substrat, eine Messachse (x-Achse), eine Erfassungsachse (y-Achse) und eine Antriebsachse (z-Achse), die jeweils orthogonal zueinander angeordnet sind sowie eine erste und eine zweite, in einer x-y-Ebene parallel zum Substrat angeordnete Antriebsmasse (2), aufweist. Jede Antriebsmasse (2) ist mittels einer zentralen Aufhängung drehbar mit dem Substrat verbunden. Die beiden zentralen Aufhängungen sind entlang der y-Achse angeordnet. Weiterhin sind Antriebsmittel zum Erzeugen einer Drehschwingung der Antriebsmassen (2) um die Antriebsachse (z) an der jeweiligen zentralen Aufhängung vorgesehen. Auf beiden Seiten der y-Achse und beabstandet hiervon ist jeweils mindestens ein elastisches Verbindungselement (5) an den Antriebsmassen (2) zum Verbinden und aufeinander abgestimmten Schwingen der beiden Antriebsmassen (2) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Coriolis-Drehratensensor (MEMS-Drehratensensor) zur Erfassung einer Drehrate, wobei der Drehratensensor ein Substrat, eine Messachse (X-Achse), eine Erfassungsachse (Y-Achse) und eine Antriebsachse (Z-Achse) aufweist, die jeweils orthogonal zueinander angeordnet sind. Der Drehratensensor weist darüber hinaus eine erste und eine zweite, in einer X-Y-Ebene parallel zum Substrat angeordnete Antriebsmasse auf, wobei jede Antriebsmasse mittels einer zentralen Aufhängung drehbar mit dem Substrat verbunden ist. Die beiden zentralen Aufhängungen sind entlang der Y-Achse angeordnet. Antriebsmittel sind zum Erzeugen einer Drehschwingung der Antriebsmassen um die Antriebsachse an der jeweiligen zentralen Aufhängung vorgesehen.
Aus der US 5,635,640 A ist ein gattungsgemäßer Drehratensensor in MEMS-Technik bekannt, welcher zwei Antriebsmassen aufweist. Beide Antriebsmassen sind auf einem Substrat befestigt und relativ zu diesem Substrat beweglich angeordnet. Die beiden Antriebsmassen sind mittels einer Feder aneinander gekoppelt, mit welcher die Synchronisierung der Drehbewegung der beiden Antriebsmassen um ihren jeweiligen zentralen Drehpunkt erfolgen soll. Durch die zentrale Feder bewegen sich die beiden Antriebsmassen, angetrieben durch ihre jeweiligen Antriebsmittel gleichartig und in der Regel in Antiphase zueinander um eine Antriebsachse. Wird das Substrat um eine Messachse herum gedreht, so wird eine auf die sich oszillierend rotierenden Antriebsmassen wirkende Corioliskraft bewirken, dass die beiden Antriebsmassen gegengleich um eine Erfassungsachse gedreht bzw. gekippt werden. Durch Elektroden, welche zwischen den Antriebsmassen und dem Substrat angeordnet sind, wird ein elektrisches Signal durch diese Kippbewegung und die damit einhergehende Abstandsveränderung zwischen Antriebsmasse und Substrat erzeugt, welche auf die Drehbewegung des Substrats rückschließen lässt.
Gattungsgemäße Coriolis-Drehratensensoren werden zum Beispiel in Fahrzeugen oder anderen Geräten eingesetzt, in welchen die Sensoren Stößen ausgesetzt sein können. Nachteilig bei den Drehratensensoren des Standes der Technik ist es, dass diese relativ empfindlich auf derartige äußere Krafteinflüsse sind. Es werden dabei ungenaue Messungen erzielt oder der Sensor sogar beschädigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen weitgehend schockresistenten Drehratensensor zu schaffen, welcher bereits aufgrund seines mechanischen Aufbaus unempfindlich gegenüber diesen äußeren Einflüssen ist und Schockeinflüsse erkannt werden können um Fehlmessungen zu vermeiden.
Die Aufgabe wird mit einem mikromechanischen Coriolis-Drehratensensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße mikromechanische Coriolis-Drehratensensor ist zur Erfassung einer Drehrate um eine Messachse (X-Achse) vorgesehen. Der Drehratensensor weist ein Substrat sowie eine erste und eine zweite Antriebsmasse auf. Jeweils orthogonal zueinander sind die Messachse (X-Achse), eine Erfassungsachse (Y-Achse) und eine Antriebsachse (Z-Achse) angeordnet. Die erste und die zweite Antriebsmasse sind in der X-Y-Ebene, parallel zum Substrat, angeordnet. Jede der Antriebsmassen ist mittels einer zentralen Aufhängung drehbar mit dem Substrat verbunden. Die beiden zentralen Aufhängungen sind entlang der Y-Achse angeordnet, so dass die beiden Antriebsmassen in der Regel parallel zueinander ausgerichtet sind. Antriebsmittel sind vorgesehen, um eine oszillierende Drehschwingung der Antriebsmassen um die Antriebsachse an der jeweiligen zentralen Aufhängung zu erzeugen. Derartige Antriebsmittel sind der Regel Elektroden, welche durch einen Wechsel ihrer Polarität einen oszillierenden Antrieb der Antriebsmassen um deren zentrale Aufhängung herum erzeugen.
Um einen Drehratensensor zu schaffen, welcher besonders stoßunempfindlich ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass beabstandet von der Erfassungsachse (Y-Achse) auf beiden Seiten der Y-Achse jeweils mindestens ein elastisches Verbindungselement an den Antriebsmassen angeordnet ist. Hierdurch werden die beiden Antriebsmassen miteinander verbunden und eine aufeinander abgestimmte Schwingung der beiden Antriebsmassen wird ermöglicht. Darüber hinaus wird durch diese Verbindungselemente außerdem bewirkt, dass bei einem Stoß auf den Drehratensensor die beiden Antriebsmassen nicht mehr in Antiphase, sondern in Phase ausgelenkt werden. Während also im normalen Betrieb ein Auslenken der Antriebsmassen gegengleich erfolgt, wird aufgrund eines Stoßes ein Auslenken der beiden Antriebsmassen in gleicher Richtung erfolgen. Durch die Kopplung der beiden Antriebsmassen mittels der Verbindungselemente wird somit ein gleichmäßiges Auslenken der beiden Antriebsmassen aufgrund des auf den Drehratensensor einwirkenden Schocks erzeugt werden. Die zwischen dem Substrat und den Antriebsmassen angeordneten Erfassungselemente werden somit im normalen Betrieb bei einer Drehung des Substrats gegengleich übereinstimmende Signale erzeugen, während dagegen bei Einwirkung eines Stoßes auf den Drehratensensor die Erfassungselemente, welche auf derselben Seite der Y-Achse, also beispielsweise links von der Y-Achse angeordnet sind, dieselben Signale erzeugen. Sobald dies der Fall ist, wird durch die Auswertung der elektrischen Signale der Erfassungselemente daraus geschlossen, dass ein Stoß auf den Sensor erfolgte, welcher die tatsächlichen Messwerte der Drehrate verfälscht.
Darüber hinaus wird durch die Verbindungselemente aber auch gewährleistet, dass das System wesentlich stabiler ist, da sich die beiden Antriebsmassen gegenseitig bei einer gleichsinnigen Auslenkung um die Y-Achse beeinflussen und damit die Empfindlichkeit gegenüber Schockzuständen auf den Drehratensensor deutlich reduzieren.
Die Antriebsmassen weisen eine Längserstreckung in Richtung der X-Achse (Messachse) auf. Vorteilhafterweise ist das Verbindungselement bei einer derartigen Ausgestaltung der Antriebsmasse in Richtung der X-Achse gesehen am äußersten Ende der Antriebsmasse befestigt. Hierdurch wird eine relativ große Auslenkung des Verbindungselementes beim Schwingen der Antriebsmassen um die Antriebsachse erreicht. Bei Auftreten eines Schockzustandes ist die Krafteinwirkung der beiden Antriebsmassen aufeinander hierdurch ebenfalls am effektivsten, da ein großer Hebelarm in Bezug auf die zentrale Aufhängung und Drehachse der Antriebsmassen erreicht wird.
In einer vorteilhaften Ausführung des Verbindungselementes, weist dieses Ausleger und elastische Verbindungsfedern auf. Hierdurch kann in gezielter Weise Einfluss auf die gegenseitige Beeinflussung genommen werden. Insbesondere kann durch die Auslegung der Verbindungsfedern und der Ausleger einerseits das Schwingen der beiden Antriebsmassen in Antiphase zueinander beeinflusst werden. Die Verbindungsfedern sind dabei in vorteilhafter Weise so angeordnet, dass sie sich an den Enden der Antriebsmassen, welche sich gerade aufeinander zu bewegen, stauchen und an den gegenüberliegenden Enden, an denen sich die beiden Antriebsmassen zur selben Zeit voneinander weg bewegen, gedehnt werden. Bei einer entsprechenden Auslegung dieser Federn sind sie in der X-Y-Ebene sehr elastisch ausgeführt. Bezüglich einer Auslenkung in Z-Richtung erlauben sie einerseits für den normalen Betrieb des Drehratensensors ein ebenfalls gegensinniges Auslenken der beiden Antriebsmassen, andererseits bewirken sie aber auch eine gewisse Mitnahmekraft auf die beiden Antriebsmassen bei einer gleichsinnigen Auslenkung, wie sie aufgrund der Einwirkung eines Schlages auf den Drehratensensor auftreten kann.
Um die Eigenschaften der Verbindungsfedern einerseits positiv zu beeinflussen und andererseits den Bauraum des Drehratensensors möglichst klein zu halten, ist vorgesehen, dass die Verbindungsfedern in einen Zwischenraum ragen, der zwischen den beiden Antriebsmassen vorgesehen ist. Die Verbindungsfedern sind dabei vorzugsweise mäanderförmig ausgeführt, um eine Elastizität und Steifigkeit in der gewünschten Art und Weise erzeugen zu können.
In einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbindungselement zwischen den beiden Antriebsmassen angeordnet ist. Hierdurch wird eine noch bessere Robustheit des Drehratensensors erzielt, da die Verbindung der beiden Antriebsmassen für die unterschiedlichen Bewegungen der Antriebsmassen zu- bzw. gegeneinander stabiler erfolgen kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist das Verbindungselement eine erste Masse, die mittels Federn mit den beiden Antriebsmassen verbunden ist. Durch diese erste Masse können Bewegungen der Antriebsmassen aus der X-Y-Ebene heraus, sei es zum Messen einer Drehrate oder zum Erfassen eines Schockzustands des Sensors erfasst werden, wenn entsprechende Erfassungselemente, beispielsweise Elektroden, vorgesehen sind. Dabei ist vorzugsweise das Verbindungselement mittels Federn an den Antriebsmassen angebunden. Zwei dieser Verbindungselemente sind dabei derart angeordnet, dass sie sich gegenüberliegend der Y-Achse befinden. Bei einer Antriebsbewegung der Antriebsmassen in Antiphase werden dabei die Federn gestaucht oder gedehnt, während das Verbindungselement unbewegt zwischen den beiden Antriebsmassen verbleibt. Bei einer Auslenkung der Antriebsmassen in Gegenphase zur Erfassung einer Drehrate wird das Verbindungselement jeweils gekippt, so dass auch dessen Bewegung, entweder alleine oder zusammen mit der Lageveränderung der Antriebsmassen mittels dieser Erfassungselemente durch eine Änderung der elektrischen Spannung erfasst wird. Bei einer gleichsinnigen Auslenkung der beiden Antriebsmassen in Z-Richtung werden die beiden Verbindungselemente zusammen mit den Antriebsmassen bewegt. Durch eine entsprechende Erfassung dieser Bewegung mittels elektrischer Erfassungselemente kann dieser Zustand ebenfalls sehr eindeutig festgestellt und ausgewertet werden.
Um eine besonders stabile Führung der Antriebsmassen sowie des Verbindungselementes zu erhalten, ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die erste Masse rahmenförmig eine zweite Masse umgibt, mit welcher sie mittels Federn verbunden ist. Es wird hierdurch eine zusätzliche Stabilität der Verbindungselemente erhalten und die Auslenkung sowohl der Antriebsmassen, als auch der rahmenförmigen ersten Masse sowie gegebenenfalls der zweiten Masse kann erfasst werden.
Zur Stabilisierung des Verbindungselements ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass vorzugsweise die zweite Masse mittels einer Verankerung drehbar um die X-Achse an dem Substrat befestigt ist. Bei einer entsprechenden Auslegung der jeweiligen Befestigungen bzw. Federn wird erreicht, dass für die Erfassung einer Drehrate um die X-Achse sowohl die Antriebsmassen als auch die erste und zweite Masse des Verbindungselements ausgelenkt werden. Dadurch, dass die Antriebsmassen in diesem Falle gegensinnig durch die auftretende Corioliskraft ausgelenkt werden, erfolgt eine Kippbewegung des Verbindungselements mit dessen erster und zweiter Masse um die Lagerung der zweiten Masse bzw. um die X-Achse. Tritt dagegen ein Schlag gegen den Sensor auf, so werden die beiden Antriebsmassen gleichsinnig ausgelenkt und bewirken hierdurch, dass insbesondere die rahmenförmige erste Masse ebenfalls zusammen mit den Antriebsmassen in Z-Richtung bewegt wird. Die an der Verankerung lediglich um die X-Achse bewegliche zweite Masse des Verbindungselements bleibt hingegen weitgehend unbewegt und bewirkt, dass die rahmenförmige erste Masse zusammen mit den Antriebsmassen wieder zurück in die Ausgangslage in der X-Y-Ebene bewegt wird. Dies stabilisiert den Sensor nach einer Schockeinwirkung sehr schnell und zuverlässig.
Sind zwischen dem Substrat und den Antriebsmassen und/oder der ersten Masse und/oder der zweiten Masse Erfassungselemente angeordnet, so kann die Bewegung dieser Bauteile aus der X-Y-Ebene heraus erfasst werden und einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden. Die Erfassung erfolgt dabei insbesondere bei einer Ausführung dieser Erfassungselemente in Form von Elektroden, welche einerseits an dem Substrat und andererseits an der dem Substrat zugewandten Seite der Bauteile angeordnet ist durch eine Änderung der elektrischen Spannung, sobald sich der Abstand dieser beiden Elektroden voneinander verändert. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden die Antriebsmassen durch Antriebselemente, insbesondere Kammelektroden angetrieben. Durch eine wechselnde Spannung an den Antriebselementen bewirken diese ein oszillierendes Vibrieren der Antriebsmassen um die jeweilige Lagerung bzw. um die Z-Achse des Drehratensensors.
Um eine Synchronisierung und exakte Vibration der Antriebsmassen zu erzielen, sind Feedbackelemente vorgesehen, welche die oszillierende Drehbewegung der Antriebsmassen erfassen und entsprechende Signale an eine Antriebssteuerung weitergeben. Hierdurch kann eine Änderung der angelegten wechselnden Spannung an den Antriebselementen erzeugt und damit die Schwingung der Antriebsmassen beeinflusst werden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Antriebsmasse mit mehreren Ankerfedern an der zentralen Aufhängung angeordnet. Hierdurch wird eine Stabilisierung der Antriebsmasse für den Antrieb in der X-Y-Ebene und andererseits aber auch eine gezielte und gleichmäßige Auslenkung der Antriebsmasse zur Erfassung einer Drehrate und andererseits auch zur Erfassung und zum Widerstehen eines Schockzustandes erzeugt.
Um eine Beschädigung der einzelnen bewegten Teile zu vermeiden, können verschiedene Stopper vorgesehen sein. So sind vorzugsweise zwischen den Antriebsmassen und/oder der ersten Masse und/oder der zweiten Masse des Verbindungselementes Stopper zur Begrenzung der Beweglichkeit der Massen angeordnet. Die Stopper sind in der Regel in Art von Noppen oder Vorsprüngen ausgebildet, welche einen Anschlag der benachbarten Masse ohne Beschädigung aufnehmen können. Stopper sind auch vorteilhaft, wenn sie zwischen der zentralen Aufhängung und der Antriebsmasse angeordnet sind. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn zwischen dem Substrat und/oder der Antriebsmasse und/oder den Verbindungsfedern Stopper vorgesehen sind. Diese sind sehr stabil auf dem Substrat zu befestigen und bewirken eine Bewegungsbegrenzung der Antriebsmasse und/oder der Verbindungs- oder Ankerfedern.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit außen an den Antriebsmassen angeordneten Verbindungselementen,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit teilweise zwischen den Antriebsmassen angeordneten Verbindungselementen,
3 einen erfindungsgemäßen Drehratensensor, ähnlich wie in 1,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit zwischen den beiden Antriebsmassen angeordneten Verbindungselementen,
5a das Ausführungsbeispiel gemäß 4 mit Schwingung der Antriebsmassen in Antiphase,
5b das Ausführungsbeispiel gemäß 4 mit Schwingung der Antriebsmassen in Phase und
5c mit einer Auslenkung der Antriebsmassen und der Verbindungselemente in Antiphase.
Das Ausführungsbeispiel der 1 zeigt in skizzierter Weise eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Coriolis-Drehratensensor 1 mit zwei Antriebsmassen 2. Die Antriebsmassen 2 sind parallel zu einem hier nicht dargestellten, innerhalb der Zeichenebene liegenden Substrat angeordnet. Die Antriebsmassen 2 sind jeweils über einen Anker 3 und daran angeordnete Ankerfedern 4 mit dem Substrat verbunden. Die Ankerfedern 4 erlauben einerseits eine Drehung um eine Z-Achse in einem orthogonalen Koordinatensystem. In diesem Koordinatensystem ragt die Achse Z aus der Zeichenebene heraus, während die Achse X in Längserstreckung der Antriebsmassen 2 und die Achse Y in Quererstreckung der Antriebsmassen 2 angeordnet ist. Die X-Achse ist dabei die Messachse, dies bedeutet, dass der Drehratensensor in der Lage ist, eine Drehung des Sensors bzw. des Substrats um die X-Achse feststellen zu können. Die orthogonal hierzu und in derselben Ebene angeordnete Y-Achse stellt die Erfassungsachse dar. Die Antriebsmassen 2 bewegen sich demnach um die Y-Achse, aus der X-Y-Ebene heraus, wenn das Substrat um die Mess- bzw. X-Achse gedreht wird. Dies erfolgt aufgrund einer Corioliskraft, welche auftritt, wenn die Antriebsmassen 2 um ihre Antriebsachse bzw. Z-Achse oszillierend schwingen. Durch die zentralen Aufhängungen der Antriebsmassen 2 an dem Anker 3 und den daran angeordneten und mit den Antriebsmassen 2 verbundenen Ankerfedern 4 werden diese Bewegungen ermöglicht. Die Ankerfedern 4 sind demnach derart ausgeführt, dass sie einerseits die Drehbewegung der Antriebsmassen 2 um den jeweiligen Anker 3 bzw. um die Z-Achse ermöglichen und andererseits auch ein Schwenken der Antriebsmassen 2 um die Y-Achse erlauben. Um die X-Achse sind sie hingegen starr, so dass hier in der Regel keine Beweglichkeit erfolgt.
Zu bemerken sei an dieser Stelle, dass in der vorliegenden Beschreibung als Z-Achse jeweils die aus der Zeichenebene herausragende Richtung bezeichnet wird. Als X-Achse wird eine Richtung quer zur Zeichenebene und als Y-Achse eine Richtung längs der Zeichenebene bezeichnet. Dies trifft auch für die Fälle zu, in denen die Achsen zueinander parallel verschoben sind.
Die beiden Antriebsmassen 2 sind mittels eines Verbindungselementes 5 und Verbindungsfedern 6 miteinander verbunden. An jedem der Enden der jeweiligen Antriebsmasse 2 in X-Richtung ist jeweils ein Verbindungselement 5 mit den zugeordneten Verbindungsfedern 6 angeordnet. Das Verbindungselement 5 und die Verbindungsfedern 6 bewirken eine Synchronisierung der Drehbewegungen der Antriebsmassen 2. Damit wird sichergestellt, dass bei einer Schwingung der beiden Antriebsmassen 2 in Antiphase, d.h. dass hierbei die beiden einander zugewandten Enden der Antriebsmasse 2 jeweils gegeneinander bzw. auseinander schwingen, diese in gleicher Frequenz schwingen, so dass ein stabiles System entsteht, bei welchem auch die Auslenkungen der beiden Antriebsmassen 2 im Falle der Erfassung einer Drehrate des Sensors um die X-Achse gleiche Ausschläge aus der X-Y-Ebene heraus zur Folge haben. Die Verbindungsfedern 6 sind dabei so ausgeführt, dass sie einerseits eine Auslenkung in der X-Y-Ebene erlauben und andererseits aber auch eine Schwenkbewegung der Antriebsmassen 2 um die Y-Achse ermöglichen, wobei die jeweiligen Bewegungen der beiden Verbindungsfedern eines Verbindungselements gegensinnig bei einer Auslenkung aus der X-Y-Ebene heraus erfolgen, während sie gleichsinnig bei einer Antiphasebewegung der Antriebsmassen 2 innerhalb der X-Y-Ebene erfolgen.
Um die Antriebsmassen 2 um den jeweiligen Anker 3 bzw. die Z-Achse drehen zu können, sind Antriebselemente 7 vorgesehen. Die Antriebselemente 7 sind der Antriebsmasse 2 zugeordnet und bestehen beispielsweise aus Kammelektroden, welche mit einer wechselnden Spannung versorgt werden, wodurch die Antriebsmasse 2 in eine Drehbewegung um den Anker 3 versetzt wird. Die Drehbewegung ist dabei entsprechend der Polung der Kammelektroden abwechselnd, d.h. oszillierend, so dass eine Schwingbewegung um den Anker 3 erfolgt.
Zwischen dem Substrat und den Antriebsmassen 2 sind Erfassungselemente 8 angeordnet. Die Erfassungselemente 8 sind beispielsweise Plattenkondensatoren, deren Elektroden einerseits an dem Substrat und andererseits gegenüberliegend an der dem Substrat zugewandten Seite der Antriebsmasse 2 angeordnet sind. Bei einer Drehbewegung der Antriebsmasse 2 um die Y-Achse verändert sich der Abstand der einander gegenüberliegenden Elektroden der Erfassungselemente 8 zueinander, wodurch ein verändertes elektrisches Signal erzeugt wird. Dieses elektrische Signal ist symptomatisch für die Auslenkung der Antriebsmasse 2 und hierdurch wiederum für die Drehbewegung des Substrats um die X-Achse. Die Drehrate auf den Drehratensensor kann somit durch Auswertung dieses elektrischen Signals der Erfassungselemente 8 ermittelt werden.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die entsprechende Skizze zeigt einen Drehratensensor 1, welcher ähnlich dem Ausführungsbeispiel der 1 aufgebaut ist. Die Antriebsmassen 2 sind mittels eines Ankers 3 und Ankerfedern 4 an dem nicht dargestellten Substrat drehbar um die Y- und die Z-Achse befestigt. Die Antriebsmassen 2 werden über Antriebselemente 7 angetrieben und deren Auslenkung aus der X-Y-Ebene mittels Erfassungselementen 8 erfasst.
Ein Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 1 besteht in der Art des Verbindungselementes 5. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 ist das Verbindungselement 5’ einer jeden Seite zweigeteilt. Während das Verbindungselement 5’ ähnlich dem Verbindungselement 5 der 1 zusammen mit den daran angeordneten Verbindungsfedern 6’ die beiden Antriebsmassen 2 verbindet, ist zusätzlich ein Verbindungselement 5’’ vorgesehen. Das Verbindungselement 5’’ ist mittels Verbindungsfedern 6’’ jeweils an der Antriebsmasse 2 befestigt. Das Verbindungselement 5’’ ist darüber hinaus mittels eines Ankers 10 und Ankerfedern 11 an dem Substrat befestigt. Die Ankerfedern 11 sind derart ausgelegt, dass sie einerseits eine Drehbewegung um die Z-Achse erlauben und andererseits auch eine Drehbeweglichkeit der Verbindungselemente 5’ und 5’’ um die X-Achse ermöglichen. Eine derartige Anordnung der Verbindungselemente 5’ und 5’’ ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Antriebsmassen 2 nicht in Antiphase sondern in Phase angetrieben werden. Auch hierdurch entstehen Drehbewegungen der Antriebsmassen 2, welche bei Auftreten einer Drehrate um die X-Achse zu einer Schwenkbewegung um die Y-Achse führen. Nachdem die Drehschwingungen um die jeweiligen Anker 3 der Antriebsmassen 2 in diesem Fall in Phase erfolgen, ist auch die Auslenkung der Antriebsmassen 2 bei Auftreten einer Corioliskraft in Phase zu erwarten. Das bedeutet, dass beide Antriebsmassen 2 in demselben seitlichen Bereich der Y-Achse gleichzeitig um die Y-Achse auf- und abschwenken. Der Betrieb des erfindungsgemäßen Drehratensensors ist auch in diesem Modus möglich, auch wenn die Robustheit des Sensors und die Erfassung von Stößen auf den Drehratensensor hierdurch nicht so vorteilhaft wie bei einer Antiphasenbewegung der Antriebsmassen 2 ist.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel ist wiederum ähnlich dem Ausführungsbeispiel der 1, neben diversen Unterschieden ist hier insbesondere eine detailliertere Darstellung gewählt. Die Antriebsmassen 2 sind jeweils mittels vier Ankerfedern 4 an dem Anker 3 befestigt. Hierdurch ist eine gleichmäßige Drehbewegung um den Anker 3 bzw. die Z-Achse der Antriebsmassen 2 für deren Antrieb entsprechend der Pfeile P möglich. Die Antriebsbewegung der Antriebsmassen 2 erfolgt wiederum in der X-Y-Ebene. Für den Antrieb der Antriebselemente 2 sorgen Kammelektroden der Antriebselemente 7. Die Antriebselektroden 7 bestehen aus einem auf dem Substrat fest stehenden Teil und einem zweiten Teil, bei welchem die Kammelektroden an der beweglichen Antriebsmasse 2 befestigt sind. Die beiden Teile der Antriebselemente 7 greifen ineinander und führen zu einer Drehbewegung der Antriebsmassen 2 um den Anker 3. Um die Drehbewegungen der Antriebsmassen 2, welche durch die Antriebselemente 7 verursacht werden, feststellen und ggf. korrigieren zu können, sind Feedbackelemente 12 vorgesehen. Die Feedbackelemente 12 bestehen ebenfalls aus Kammelektroden. Diese ineinander greifenden Kammelektroden, von denen wiederum ein erster Teil an dem Substrat befestigt ist, und ein zweiter Teil zusammen mit der Antriebsmasse 2 bewegt wird, stellen durch eine entsprechende Änderung der elektrischen Spannung fest, mit welcher Frequenz die Antriebsmassen 2 um die Z-Achse schwingen. Werden hierbei Unterschiede zwischen der Ist- und der Sollfrequenz festgestellt, so kann durch eine entsprechende Einflussnahme auf die Antriebselemente 7 die Frequenz der Antriebsmassen 2 entsprechend verändert werden, um wiederum der Sollfrequenz zu entsprechen. Die Feedbackelemente 12 sind zwischen jeweils zwei Antriebselementen 7 angeordnet. Sie weisen hierdurch nahezu denselben Abstand von der Drehachse Z auf und können damit mit einer ähnlichen Genauigkeit wie die Antriebselemente 7 arbeiten.
Die beiden Antriebsmassen 2 sind – in X-Richtung gesehen – an jedem ihrer Enden mit einem Verbindungselement 5’’’ verbunden. Die Verbindungselemente 5’’’ sind in Form von Auslegern ausgebildet, welche fest an der Antriebsmasse 2 angeordnet sind. Zwischen den beiden Auslegern der Verbindungselemente 5’’’ ist eine Verbindungsfeder 6’’’ angeordnet. Die Verbindungsfeder 6’’’ ragt in einen Zwischenraum zwischen den beiden Antriebsmassen 2 und ist mäanderförmig ausgebildet. Die Verbindungselemente 5’’’ erlauben mit den Verbindungsfedern 6’’’ einerseits eine Bewegung der Antriebsmassen 2 in Antiphase innerhalb der X-Y-Ebene und andererseits auch ein Auslenken der Antriebsmassen 2 aus der X-Y-Ebene heraus zum Erfassen einer Drehrate. Dies erfolgt ebenfalls in Antiphase. Die Drehbewegungen der Antriebsmassen 2 aus der X-Y-Ebene heraus sind mittels Pfeilsymbolen S dargestellt. Die Drehbewegung erfolgt ebenfalls analog zur Antriebsbewegung der Antriebsmassen 2 antiphasig.
Um eine Beschädigung der Antriebsmassen 2 oder anderer Elemente zu vermeiden, sind Stopper vorgesehen. In dem Ausführungsbeispiel der 3 sind Stopper 13 an dem Substrat befestigt und ragen in den Bereich der Ankerfedern 4 hinein. Die Ankerfedern 4 würden im Falle einer übermäßigen Auslenkung der Antriebsmasse 2 gegen die Stopper 13 stoßen und somit eine Beschädigung der Antriebsmassen 2 oder der Federn 4 durch eine übermäßige Biegung vermeiden.
Neben der guten Drehbeweglichkeit der Antriebsmassen 2 um die Z-Achse ist durch die Befestigung der Antriebsmassen 2 mittels jeweils vier Ankerfedern 4 an dem Anker 3 eine gute Schockstabilität erreicht. Die Antriebsmassen 2 können hierdurch bei einer entsprechenden Schlagwirkung auf den Sensor 1 sowohl um die Y-Achse als auch um die X-Achse schwenken. Diese im Falle eines Schlages gleichsinnige Bewegung der Antriebsmassen 2 kann an den Erfassungselementen, die hier nicht dargestellt aber ähnlich ausgeführt wie in den 1 und 2 sind, festgestellt werden. Die Feststellung erfolgt dadurch, dass entgegen der im normalen Betrieb erwarteten gegensinnigen Annäherung und Entfernung der einzelnen Elektroden der Erfassungselemente 8 ein gleichsinniges Entfernen oder Annähern stattfindet. Wird dies festgestellt, so wird von einem Schockzustand ausgegangen, weshalb die Messergebnisse, welche eine Drehrate des Sensors 1 feststellen sollen, bereinigt oder verworfen werden müssen.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der 4 ist am besten geeignet, um Schockzustände eliminieren zu können und den Sensor 1 vor einer Beschädigung zu bewahren. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Antriebsmassen 2 mit einem relativ großen Abstand zueinander angeordnet. Die beiden Anker 3 liegen entlang der Y-Achse und erlauben in ähnlicher Weise wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen zusammen mit den Antriebselementen 7, den Feedbackelementen 12 und den entsprechenden Ankerfedern 4 eine Drehbewegung um den Anker 3. Bei Auftreten einer Corioliskraft durch eine Drehrate, welche auf den Sensor 1 um die X-Achse wirkt, werden die Antriebsmassen 2 wiederum die Y-Achse aus der X-Y-Ebene herausbewegt.
Diese Drehbewegungen der Antriebsmassen 2 aus der X-Y-Ebene heraus sind mittels Pfeilsymbolen S dargestellt. Die Drehbewegung erfolgt analog zur Antriebsbewegung der Antriebsmassen 2 antiphasig.
Die Antriebsmassen 2 dieses Ausführungsbeispieles weisen zwischen ihnen Verbindungselemente 5’’’’ auf. Die Verbindungselemente 5’’’’ sind mittels Verbindungsfedern 6’’’’ mit den Antriebsmassen 2 verbunden. Das Verbindungselement 5’’’’ besteht aus einer ersten Masse 14 und einer zweiten Masse 15. Die erste Masse 14 umgibt die zweite Masse 15 rahmenartig und ist mit den Verbindungsfedern 6’’’’ mit den Antriebsmassen 2 verbunden. Andererseits ist die erste Masse 14 ebenfalls mit weiteren Verbindungsfedern 16 mit der ersten Masse 14 verbunden. Die Verbindungsfedern 16 erlauben eine Beweglichkeit der ersten Masse 14 relativ zur zweiten Masse 15 in der X-Y-Ebene. Dabei ist eine Beweglichkeit der ersten Masse 14 in Y-Richtung ermöglicht. In X- bzw. Z-Richtung sind die Verbindungsfedern 6’’’’ steif, so dass eine Bewegung der Antriebsmassen 2 gleichzeitig auch eine Bewegung der ersten Masse 14 und über die Verbindungsfedern 16 auch der zweiten Masse 15 bewirkt.
Die zweite Masse 15 ist mittels Federn 17 an einem weiteren Anker 18 angeordnet. Die Feder 17 ist derart ausgelegt, dass eine Drehbewegung um die X-Achse möglich ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass bei einer Auslenkung der Antriebsmassen 2 aus der X-Y-Ebene heraus eine Verkippung der Verbindungselemente 5’’’’ um den Anker 18 bzw. die X-Achse erfolgen kann. Erfassungselemente, welche die Abstandsänderung der Antriebsmassen 2 und der Verbindungselemente 5’’’’ insbesondere der ersten Massen 14 und der zweiten Massen 15 erfassen können, sind zwischen den Antriebsmassen 2 und/oder den Verbindungselementen 5’’’’ und dem Substrat angeordnet. Die entsprechende Drehbewegung ist mit den Pfeilsymbolen S dargestellt.
Zwischen der ersten Masse 14 und der zweiten Masse 15 sind Stopper 19 angeordnet, welche eine Beschädigung der Federelemente oder der ersten oder zweiten Masse bei einer übermäßigen Auslenkung verhindern. Gleiches gilt für Stopper 20, welche an der Außenseite der ersten Masse 14 angeordnet sind. Diese bewirken, dass die Antriebsmassen 2 und die erste Masse 14 bzw. die dazwischen angeordnete Verbindungsfeder 6’’’’ nicht beschädigt wird.
Erfolgt ein Schockzustand auf den Sensor 1, so wird bewirkt, dass die Antriebsmassen 2 nicht gegensinnig aus der X-Y-Ebene schwenken, wie dies durch die Antriebselemente 7 erfolgt, sondern dass die beiden Antriebsmassen 2 gleichsinnig aus der X-Y-Ebene schwenken. Sobald dies der Fall ist, wird die erste Masse 1 ebenfalls aus der für sie vorgesehen X-Y-Ebene heraus bewegt, während die zweite Masse 15 aufgrund der Federcharakteristik der Feder 17 unverändert bleibt. Die erste Masse 14 bewegt sich durch die Verbindungsfedern 16 somit relativ zur zweiten Massen 15 weitgehend parallel zur X-Y-Ebene aus dieser heraus und nähert oder entfernt sich dem Substrat. Dies ist wiederum durch die Erfassungselemente 8, welche zwischen der ersten Masse 14 und dem Substrat angeordnet sind durch eine Änderung der elektrischen Signale feststellbar.
Durch den dargestellten Aufbau des Drehratensensors 1 wird eine besonders stabile und schockresistente Bauweise eines Drehratensensors 1 geschaffen. Zudem sind Fehlmessungen aufgrund detektierbarer Schockzustände sehr zuverlässig zu vermeiden.
In den 5a, 5b und 5c sind verschiedne Zustände des Drehratensensors 1 der 4 dargestellt. 5a zeigt hierbei eine Antiphasenbewegung der Antriebsmassen 2. Es ist hieraus ersichtlich, dass die Antriebsmassen 2 gegen bzw. im Uhrzeigersinn um den Anker 3 bewegt werden. Die Feedbackelemente 12 sind in der Nähe des Ankers 3 angeordnet. Die Verbindungselemente 5’’’’ bleiben weitgehend unbeweglich.
Gemäß 5b ist ein Betrieb des Drehratensensors 1 in Phase dargestellt. Hierbei schwenken die beiden Antriebmassen 2 gleichsinnig im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn. Hierdurch wird eine Kraft auf die erste Masse 14 des Verbindungselementes 5’’’’ ausgeübt, so dass sich diese erste Masse 14 relativ zur zweiten Masse 15 bewegt. Die Bewegung aller dieser Elemente erfolgt innerhalb der X-Y-Ebene.
Gemäß 5c tritt eine Drehrate um die X-Achse auf, wodurch Corioliskräfte entstehen, welche auf die Antriebsmassen 2 wirken. Die Auslenkung gemäß 5c erfolgt gegensinnig, woraus zu schließen ist, dass auch der Antrieb der Antriebsmassen 2 in Antiphase erfolgt. Durch das gegensinnige Verkippen der Antriebsmassen 2 um die Y-Achse werden auch die Verbindungselemente 5’’’’ verkippt. Dadurch dass sie über die Anker 18 und die Federn 17 lediglich um die X-Achse drehbar sind, erfolgt eine Verkippung der Verbindungselemente 5’’’’ um die X-Achse entlang der beiden Anker 18. Hierdurch entsteht eine Abstandänderung der Verbindungselemente 5’’’’ in Bezug auf das darunter liegende Substrat. Die dazwischen angeordneten Erfassungselemente 8, welche hier nicht dargestellt sind, können diese Abstandsänderung durch eine Änderung der elektrischen Signale feststellen und eine entsprechende Drehrate des Drehratensensors um die X-Achse wird hierdurch erfasst.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Formen der einzelnen Bauteile beschränkt, sofern sich dies nicht durch die Ansprüche ergibt. Änderungen im Umfang der Offenbarung und der geltenden Patentansprüche sind jederzeit möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5635640 A [0002]

Claims

Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor zur Erfassung einer Drehrate, aufweisend: – ein Substrat, – eine Messachse (x-Achse), eine Erfassungsachse (y-Achse) und eine Antriebsachse (z-Achse), die jeweils orthogonal zueinander angeordnet sind, – eine erste und eine zweite, in einer x-y-Ebene parallel zum Substrat angeordnete Antriebsmasse (2), – wobei jede Antriebsmasse (2) mittels einer zentralen Aufhängung drehbar mit dem Substrat verbunden ist, – die beiden zentralen Aufhängungen entlang der y-Achse angeordnet sind, – Antriebsmittel zum Erzeugen einer Drehschwingung der Antriebsmassen (2) um die Antriebsachse (z) an der jeweiligen zentralen Aufhängung, dadurch gekennzeichnet, dass – auf beiden Seiten der y-Achse und beabstandet hiervon jeweils mindestens ein elastisches Verbindungselement (5) an den Antriebsmassen (2) angeordnet ist zum Verbinden und aufeinander abgestimmten Schwingen der beiden Antriebsmassen (2).
Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5) in Richtung der x-Achse am äußersten Ende der Antriebsmassen (2) befestigt ist.
Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5) Ausleger und elastische Verbindungsfedern (6’’’) aufweist.
Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsfedern (6’’’) in einen Zwischenraum zwischen den beiden Antriebsmassen ragen.
Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5) zwischen den beiden Antriebsmassen (2) angeordnet ist.
Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5) eine erste Masse (14) ist, die mittels Federn (6’’’’) mit den beiden Antriebsmassen (2) verbunden ist.
die erste Masse (14) rahmenförmig eine zweite Masse (15) umgibt, mit welcher sie mittels Verbindungsfedern (16) verbunden ist.
Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5), vorzugsweise die zweite Masse (15) mittels einer Verankerung drehbar um die x-Achse an dem Substrat befestigt ist.
Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat und den Antriebsmassen (2) und/oder der ersten Masse (14) und/oder der zweiten Masse (15) Erfassungselemente (8) angeordnet sind.
Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Antriebsmassen (2) Antriebselemente (7) angeordnet sind.
Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Antriebselementen (7) Feedback-Elemente (12) zugeordnet sind.
Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmasse (2) mit mehreren Ankerfedern (4) an der zentralen Aufhängung angeordnet ist.
Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Antriebsmassen (2) und/oder der ersten Masse (14) und/oder der zweiten Masse (15) Stopper (19, 20) zur Begrenzung der Beweglichkeit der Massen (2, 14, 15) angeordnet sind.
Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zentralen Aufhängung und der Antriebsmasse (2) Stopper (21) angeordnet sind.
Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat und/oder der Antriebsmasse (2) und/oder den Verbindungsfedern (4) Stopper (13) angeordnet sind.