DE-102013212056-B4 - Drehratensensor und Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors

Abstract

Drehratensensor (1) mit einem eine Haupterstreckungsebene (100) aufweisenden Substrat (10), wobei der Drehratensensor (1) zur Detektion einer Drehrate um eine zur Haupterstreckungsebene (100) im Wesentlichen parallele Drehachse (101') konfiguriert ist, wobei der Drehratensensor (1) eine erste Schwingmasse (20) und eine mit der ersten Schwingmasse (20) mechanisch gekoppelte zweite Schwingmasse (30) aufweist, wobei die erste Schwingmasse (20) entlang einer zur Haupterstreckungsebene (100) im Wesentlichen parallelen ersten Schwingungsebene (200) auslenkbar ist, wobei sich die erste Schwingmasse (20) in einer Ruhestellung im Wesentlichen parallel zur ersten Schwingungsebene (200) flächig erstreckt, wobei die erste Schwingmasse (20) aus der ersten Schwingungsebene (200) heraus in eine erste Auslenkstellung auslenkbar ist, wobei die zweite Schwingmasse (30) entlang einer zur ersten Schwingungsebene (200) im Wesentlichen parallelen zweiten Schwingungsebene (300) auslenkbar ist, wobei sich die zweite Schwingmasse (30) in der Ruhestellung im Wesentlichen parallel zur zweiten Schwingungsebene (300) flächig erstreckt, wobei die zweite Schwingmasse (30) aus der zweiten Schwingungsebene (300) heraus in eine zweite Auslenkstellung auslenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schwingmasse (20) und die zweite Schwingmasse (30) derart angeordnet sind, -- dass in der Ruhestellung ein erster Vorsprung (21) der ersten Schwingmasse (20) in eine zweite Ausnehmung (32) der zweiten Schwingmasse (30) hineinragt und/oder ein zweiter Vorsprung (31) der zweiten Schwingmasse (30) in eine erste Ausnehmung (22) der ersten Schwingmasse (20) hineinragt, und/oder -- dass in der ersten Auslenkstellung der erste Vorsprung (21) durch die zweite Ausnehmung (32) hindurch ragt und/oder in der zweiten Auslenkstellung der zweite Vorsprung (31) durch die erste Ausnehmung (22) hindurch ragt.

Inventors

• Odd-Axel Pruetz

Assignees

• ROBERT BOSCH GMBH

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20130625

Claims (10)

1. Drehratensensor (1) mit einem eine Haupterstreckungsebene (100) aufweisenden Substrat (10), wobei der Drehratensensor (1) zur Detektion einer Drehrate um eine zur Haupterstreckungsebene (100) im Wesentlichen parallele Drehachse (101') konfiguriert ist, wobei der Drehratensensor (1) eine erste Schwingmasse (20) und eine mit der ersten Schwingmasse (20) mechanisch gekoppelte zweite Schwingmasse (30) aufweist, wobei die erste Schwingmasse (20) entlang einer zur Haupterstreckungsebene (100) im Wesentlichen parallelen ersten Schwingungsebene (200) auslenkbar ist, wobei sich die erste Schwingmasse (20) in einer Ruhestellung im Wesentlichen parallel zur ersten Schwingungsebene (200) flächig erstreckt, wobei die erste Schwingmasse (20) aus der ersten Schwingungsebene (200) heraus in eine erste Auslenkstellung auslenkbar ist, wobei die zweite Schwingmasse (30) entlang einer zur ersten Schwingungsebene (200) im Wesentlichen parallelen zweiten Schwingungsebene (300) auslenkbar ist, wobei sich die zweite Schwingmasse (30) in der Ruhestellung im Wesentlichen parallel zur zweiten Schwingungsebene (300) flächig erstreckt, wobei die zweite Schwingmasse (30) aus der zweiten Schwingungsebene (300) heraus in eine zweite Auslenkstellung auslenkbar ist, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Schwingmasse (20) und die zweite Schwingmasse (30) derart angeordnet sind, -- dass in der Ruhestellung ein erster Vorsprung (21) der ersten Schwingmasse (20) in eine zweite Ausnehmung (32) der zweiten Schwingmasse (30) hineinragt und/oder ein zweiter Vorsprung (31) der zweiten Schwingmasse (30) in eine erste Ausnehmung (22) der ersten Schwingmasse (20) hineinragt, und/oder -- dass in der ersten Auslenkstellung der erste Vorsprung (21) durch die zweite Ausnehmung (32) hindurch ragt und/oder in der zweiten Auslenkstellung der zweite Vorsprung (31) durch die erste Ausnehmung (22) hindurch ragt.
2. nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , -- dass, in der Ruhestellung, die erste Schwingmasse (20) und die zweite Schwingmasse (30) entlang einer zur Haupterstreckungsebene (100) senkrechten Projektionsrichtung nebeneinander versetzt in einer gemeinsamen Schwingungsebene (200, 300) angeordnet sind, wobei in der ersten Auslenkstellung der erste Vorsprung (21) außerhalb der zweiten Ausnehmung (32) angeordnet ist und/oder in der zweiten Auslenkstellung der zweite Vorsprung (31) außerhalb der ersten Ausnehmung (22) angeordnet ist, oder -- dass, in der Ruhestellung, die erste Schwingmasse (20) und die zweite Schwingmasse (30) entlang der Projektionsrichtung übereinander in unterschiedlichen Schwingungsebenen (200, 300) angeordnet sind.
3. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Schwingmasse (20) und die zweite Schwingmasse (30) derart ausgebildet sind, dass, in der Ruhestellung, eine Massenverteilung und/oder Form der ersten Schwingmasse (20) bezogen auf einen Symmetriepunkt punktsymmetrisch zu einer Massenverteilung und/oder Form der zweiten Schwingmasse (30) ist, wobei der Symmetriepunkt insbesondere auf der Drehachse (101') liegt.
4. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass, die erste Ausnehmung (22) der ersten Schwingmasse (20) sich in der Ruhestellung entlang einer zur Haupterstreckungsebene (100) senkrechten Projektionsrichtung vollständig durch die erste Schwingmasse (20) hindurch erstreckt und/oder die zweite Ausnehmung (32) der zweiten Schwingmasse (30) sich in der Ruhestellung entlang der Projektionsrichtung vollständig durch die zweite Schwingmasse (30) hindurch erstreckt, wobei insbesondere in der Ruhestellung die erste Ausnehmung (22) bezogen auf den Symmetriepunkt punktsymmetrisch zur zweiten Ausnehmung (32) ausgebildet ist, wobei insbesondere in der Ruhestellung eine Massenverteilung und/oder Form des ersten Vorsprungs (21) bezogen auf den Symmetriepunkt punktsymmetrisch zu einer Massenverteilung und/oder Form des zweiten Vorsprungs (32) ist.
5. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der erste Vorsprung (21) eine erste Haupterstreckungsrichtung (210) aufweist und der zweite Vorsprung (31) eine zweite Haupterstreckungsrichtung (310) aufweist, wobei die erste Haupterstreckungsrichtung (210) und die zweite Haupterstreckungsrichtung (310) in der Ruhestellung parallel zueinander und zur Haupterstreckungsebene (100) angeordnet sind, wobei der erste Vorsprung (21) und der zweite Vorsprung (32) entlang einer zur Haupterstreckungsebene (100) senkrechten Projektionsrichtung nebeneinander versetzt oder sich zumindest teilweise überlappend angeordnet sind.
6. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass, in der Ruhestellung, der erste Vorsprung (21) hauptsächlich von der zweiten Schwingmasse (30) entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene (100) verlaufenden Umfangslinie umgeben ist und/oder, in der Ruhestellung, der zweite Vorsprung (31) hauptsächlich von der ersten Schwingmasse (20) entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene (100) verlaufenden weiteren Umfangslinie umgeben ist.
7. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Ausnehmung (22) eine weitere erste Haupterstreckungsrichtung (220) und/oder die zweite Ausnehmung (32) eine weitere zweite Haupterstreckungsrichtung (320) aufweist, wobei in der Ruhestellung die erste Haupterstreckungsrichtung (210) des ersten Vorsprungs (21) und die weitere zweite Haupterstreckungsrichtung (320) der zweiten Ausnehmung (32) parallel zueinander angeordnet sind und/oder in der Ruhestellung die zweite Haupterstreckungsrichtung (310) des zweiten Vorsprungs (31) und die weitere erste Haupterstreckungsrichtung (220) der ersten Ausnehmung (22) parallel zueinander angeordnet sind.
8. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der erste Vorsprung (21) der ersten Schwingmasse (20) eine erste Zusatzmasse (23) aufweist, wobei die erste Zusatzmasse (23) und die erste Ausnehmung (22) entlang der ersten Haupterstreckungsrichtung (210) an gegenüberliegenden Enden (21', 21") des ersten Vorsprungs (21) angeordnet sind und/oder die erste Schwingmasse (20) eine weitere erste Zusatzmasse (24) aufweist, wobei die weitere erste Zusatzmasse (24) die erste Ausnehmung (22), insbesondere C-förmig, umrandet.
9. Drehratensensor (1) nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Vorsprung (31) der zweiten Schwingmasse (30) eine zweite Zusatzmasse (33) und eine weitere zweite Zusatzmasse (34) aufweist, wobei die erste Zusatzmasse (23) und/oder die weitere erste Zusatzmasse (24) der ersten Schwingmasse (20) und die zweite Zusatzmasse (33) und/oder die weitere zweite Zusatzmasse (34) der zweiten Schwingmasse (30) an einander zugewandten Seiten (20', 30') der ersten und zweiten Schwingmasse (20, 30) angeordnet sind.
10. Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Detektion einer Drehrate des Drehratensensors (1) um eine zur Haupterstreckungsebene (100) im Wesentlichen parallele Drehachse (101'), wobei in einem ersten Verfahrensschritt die erste Schwingmasse (20) entlang der ersten Schwingungsebene (200) ausgelenkt wird, wobei die zweite Schwingmasse (30) entlang der zweiten Schwingungsebene (300) ausgelenkt wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt die erste Schwingmasse (20) aus der ersten Schwingungsebene (200) heraus in die erste Auslenkstellung ausgelenkt wird, wobei die zweite Schwingmasse (30) aus der zweiten Schwingungsebene (300) heraus in die zweite Auslenkstellung ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet , -- dass während des zweiten Verfahrensschritts der erste Vorsprung (21) der ersten Schwingmasse (20) während des Übergangs von der Ruhestellung in die erste Auslenkstellung aus der zweiten Ausnehmung (32) der zweiten Schwingmasse (30) heraus bewegt wird und/oder während des Übergangs von der Ruhestellung in die zweite Auslenkstellung der zweite Vorsprung (31) der zweiten Schwingmasse (30) aus der ersten Ausnehmung (22) der ersten Schwingmasse (20) heraus bewegt wird, oder -- dass während des zweiten Verfahrensschritts während des Übergangs von der Ruhestellung in die erste Auslenkstellung der erste Vorsprung (21) durch die zweite Ausnehmung (32) hindurch bewegt wird und/oder während des Übergangs von der Ruhestellung in die zweite Auslenkstellung der zweite Vorsprung (31) durch die erste Ausnehmung (22) hindurch bewegt wird.

Description

Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor und einem Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche. Solche Drehratensensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise sind Drehratensensoren bekannt, wobei der Drehratensensor zur Detektion einer Drehrate um eine zur Haupterstreckungsebene parallele Drehachse konfiguriert ist, wobei die Drehachse parallel zu einer X-Richtung angeordnet ist. Typischerweise weist ein solcher Drehratensensor mehrere Schwingmassen - auch als Teilschwinger bezeichnet - auf, die über eine Koppelstruktur miteinander verbunden sind. Wird der Drehratensensor mit einer Drehrate um die Drehachse beaufschlagt, so wird eine zu einer Antriebsschwingung entlang einer Antriebsebene angetriebene seismische Masse des Drehratensensors auf Grund des Corioliseffekts aus der Antriebsebene heraus in eine Detektionsrichtung ausgelenkt. Diese Auslenkung wird insbesondere kapazitiv detektiert und als Detektionsauslenkung bzw. die zugeordnete Schwingung als Detektionsschwingung bezeichnet. Wenn der Drehratensensor zusätzlich mit einer störenden, zeitlich variablen Drehrate bzw. einer sogenannten Stör-Drehbeschleunigung beaufschlagt wird, wird die seismische Masse auf Grund der Massenträgheit der Teilschwinger in Detektionsrichtung ausgelenkt bzw. zu einer detektionsmodenartigen Bewegung angetrieben. Diese durch die Drehbeschleunigung verursachte Detektionsauslenkung ist von der durch die Corioliskraft verursachte Detektionsauslenkung bei solchen bekannten Drehratensensoren nicht unterscheidbar. Üblicherweise werden zur Unterscheidung einer Drehbeschleunigung von einer Drehrate mehrere Drehratensensoren miteinander gekoppelt und gegenphasig ausgelenkt. Ein Nachteil bei solchermaßen gekoppelten Drehratensensoren ist aber, dass die bereits vorhandene komplexe Struktur diese Drehratensensoren eine noch höhere Komplexität aufweist und durch die vergleichsweise filigrane Struktur eine hohe Störmodendichte erzeugt wird. Dies führt insbesondere zu einer Vielzahl von ungewünschten Störeffekten während des Betriebs. Ein weiterer Nachteil dieser Drehratensensoren ist ein erhöhter Platzbedarf bzw. eine geringe Nutzkapazität pro Fläche. Aus der Veröffentlichung DE 10 2010 061 759 A1 ist ein Drehratensensor mit zwei ineinander liegenden Coriolis-Elementen bekannt. Offenbarung der Erfindung Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Drehratensensor und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors bereitzustellen, wobei der Drehratensensor gegenüber Drehbeschleunigungen unempfindlicher ist und eine aus weniger Teilen bestehende und vergleichsweise einfach ausgebildete Sensorstruktur aufweist. Der erfindungsgemäße Drehratensensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Massenschwerpunkte der ersten Schwingmasse und der zweiten Schwingmasse möglichst nahe beieinander, insbesondere aufeinander, liegen. Ein Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist dabei, dass der erfindungsgemäße Drehratensensor eine vergleichsweise einfach ausgebildete Sensorstruktur mit weniger Bauteilen aufweist und somit die Anzahl der angeregten Störmoden bzw. die Störmodendichte reduziert wird. Weiterhin wird insbesondere durch eine verschränkte und/oder verzahnte Anordnung der ersten Schwingmasse und zweiten Schwingmasse relativ zueinander ein Flächenvorteil erzielt bzw. der Platzbedarf reduziert. Insbesondere ist die erste Schwingmasse entlang der zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen parallelen ersten Schwingungsebene auslenkbar, was bedeutet, dass die erste Schwingmasse beispielsweise zu einer Antriebsschwingung entlang der ersten Schwingungsebene angetrieben wird oder zu einer Detektionsschwingung entlang der Schwingungsebene angeregt wird. Die Antriebsschwingung entlang der ersten Schwingungsebene ist beispielsweise eine lineare Schwingung mit einer linearen Schwingungsbewegung entlang einer zur Antriebsebene parallelen Schwingungsrichtung oder eine Rotationsschwingung mit einer Rotationsbewegung um eine zur Schwingungsebene im Wesentlichen senkrechte erste Antriebsachse. Die Detektionsschwingung entlang der Schwingungsebene ist hier beispielsweise eine durch eine Corioliskraft hervorgerufene Detektionsbewegung parallel zur ersten Schwingungsebene. Gleiches gilt entsprechend für die zweite Schwingmasse, wobei die zweite Schwingmasse gleichphasig oder gegenphasig zur ersten Schwingmasse zur Antriebsschwingung angetrieben bzw. zur Detektionsschwingung angeregt wird. Für den Fall, dass die erste Schwingmasse und/oder zweite Schwingmasse entlang der ersten bzw. zweiten Schwingungsebene zu der Antriebsschwingung angetrieben werden, wird - bei einer Beaufschlagung des Drehratensensors mit einer Drehrate um die Drehachse - die erste Schwingmasse auf Grund einer Corioliskraft aus der ersten Schwingung