WO2010034556A2 - Koppelstruktur für eine drehratensensorvorrichtung, drehratensensorvorrichtung und herstellungsverfahren - Google Patents

Koppelstruktur für eine drehratensensorvorrichtung, drehratensensorvorrichtung und herstellungsverfahren Download PDF

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oscillating mass
oscillating
rate sensor
angle
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Robert Bosch GmbH
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49826—Assembling or joining

Definitions

  • the invention relates to coupling structures for a rotation rate sensor device and to manufacturing methods for such coupling structures. Furthermore, the invention relates to a rotation rate sensor device and to a production method for a corresponding rotation rate sensor device.
  • a rotation rate sensor is often attached to a rotatable body to measure a rate of rotation of a body's rotational motion.
  • a conventional yaw rate sensor generally has at least one first oscillating mass and one second oscillating mass (seismic mass), which can be displaced by means of a drive into linear oscillating motions.
  • the drive is designed so that the first oscillating mass and the second oscillating mass swing 180 ° out of phase (anti-parallel) to each other. Therefore, the oscillatory movements of the first oscillating mass and the second oscillating mass are often referred to as antiphase oscillatory motions.
  • the deflection of an oscillating mass is proportional to the Coriolis force acting on the oscillating mass.
  • the deflection of the oscillating mass corresponds to the rate of rotation of the rotational movement of the body.
  • the rotational rate of the rotational movement can be determined.
  • a conventional rotation rate sensor is generally designed to detect and compare the respective deflection of both oscillating masses.
  • the invention provides coupling structures with the features of claim 1 or 6, a rotation rate sensor device with the features of claim 8, manufacturing method for a coupling structure with the features of claim 9 or 10 and a manufacturing method for a rotation rate sensor device with the features of claim 11 ,
  • FIGS. 1A to C are schematic representations of a first embodiment of the coupling structure for a
  • FIG. 1A shows an angle element
  • FIG. 1B two angle elements coupled to one another
  • FIG. IC the coupling structure with four angle elements
  • 2 to 15 each show a schematic representation of a further embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device.
  • FIG. 1A to C show schematic representations of a first embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device;
  • FIG. 1A represents an angle element,
  • FIG. 1B shows two angle elements coupled to one another, and
  • FIG. 1C shows the coupling structure with four angle elements.
  • the angle element 10 shown in FIG. 1A comprises a connecting section 12, on which a first leg 14a and a second leg 14b are fixedly arranged.
  • the angle element 10 is integrally formed.
  • the first leg 14a is aligned with the second leg 14b at an angle ⁇ between 60 ° and 120 °.
  • the angle ⁇ can be between 80 ° and 100 °.
  • the angle ⁇ is equal to 90 °.
  • the advantages of an angle ⁇ equal to 90 ° will be discussed below.
  • angle element 10 is rigid or almost rigid. A force acting on one of the two legs 14a or 14b below a threshold value for breaking the angle element 10 thus almost does not lead to a change in the angle ⁇ .
  • the angle element 10 is rotatably mounted on its connecting portion 12.
  • the angle element 10 is adjusted from its initial position in at least one illustrated end position.
  • the angle element 10 at its connecting portion 12 has a through opening 16, in which a hinge 18 engages.
  • the hinge 18 is firmly coupled to a (not sketched) housing of the coupling structure with the angle element 10.
  • This housing is often referred to as a substrate.
  • the angle element 10 is thus rotatable about a perpendicular to the two legs 14a and 14b extending axis of rotation. Since embodiments of a suitable hinge 18 or attachment means for rotatably supporting the angular member 10 of the prior art are known, will not be discussed further here.
  • the element 18 designates a resilient element, which is coupled on the one hand to the axis of rotation 16 and engages there and which on the other hand is connected to the substrate.
  • the angle element 10 is adapted to a force acting on the first leg 14a, which is a rotational movement 20a of the connecting portion 12 opposite end 22a of the first leg 14a about the axis of rotation causes to translate into a rotational movement 20b of the connecting portion 12 opposite end 22b of the second leg 14b.
  • a corresponding translation is also possible with a force acting on the second leg 14b.
  • the angle ⁇ is equal to 90 °
  • the first leg 14a extends in its initial position parallel to ay axis
  • the second leg 14b is aligned in its initial position parallel to the x axis.
  • the angle member 10 is configured to translate movement of the first leg in the x-direction into movement of the second leg in the y-direction.
  • the angle elements 10a and 10b shown in FIG. 1B correspond to the angle element described with reference to FIG. 1A. Their shape and rotatable mounting will therefore not be discussed again here.
  • the first angle element 10a and the second angle element 1 Ob are mirror-symmetrically aligned with respect to an axis of symmetry 30.
  • the axis of symmetry 30 extends parallel to the y-axis through a contact point 32a, to which an adjacent to the second angle element 10b end of the first angle element 10a is coupled by means of a bending spring 34a. Accordingly, an adjacent to the first angle element 10a end of the second angle element 1 Ob is coupled by means of a bending spring 34b to the contact point 32a.
  • the other ends of the two angle elements 10a and 10b are coupled by means of a respective bending spring 36a and 36b to one contact point 38a or 38b.
  • the arrangement of the bending springs 34a, 34b, 36a and 36b, which can also be designated as transverse springs, is mirror-symmetrical to the axis of symmetry 30.
  • Each of the two drive points 38a and 38b is coupled to a drive such that the drive points 38a and 38b can be displaced in linear oscillatory movements. Examples of such a drive will be described below.
  • the oscillatory movements of the two drive points 38a and 38b are preferably aligned parallel to the x-axis.
  • the contact point 38a may be vibrated anti-parallel to the drive point 38b.
  • a phase difference of 180 ° is in this case a phase difference of 180 °. Therefore, such oscillatory motions are often referred to as antiphase oscillatory motions.
  • the bending springs 36a and 36b are used to translate the anti-parallel oscillatory movements of the drive points 38a and 38b into rotational movements of the angle elements 10a and 10b which are symmetrical with respect to the axis of symmetry 30.
  • the two angle elements adjusted from their mutually mirror-symmetrical starting positions in end positions, which are also aligned with respect to the symmetry axis 30 mirror-symmetrical.
  • the two angle elements 10a and 10b thus offer a possibility of translating the linear, anti-parallel movements of the two drive points 38a and 38b along a first direction into a rectilinear movement of the contact point 32a along a second direction non-parallel to the first direction. In particular, in this way, as shown in FIG.
  • the anti-parallel movements of the two drive points 38a and 38b along the x-axis can be translated into the rectilinear motion of the contact point 32a along the y-axis.
  • the coupling structure 40 schematically illustrated in FIG. 1C comprises a linear oscillator comprising two oscillating masses 42a and 42b (seismic masses) which are coupled to one another by means of a spring 44.
  • the linear oscillator with the components 42a, 42b and 44 is surrounded by a frame of the coupling structure 40, which is composed of four angle elements 10a to 1 Od.
  • the angle elements 10a and 10b and the cooperating components 32a, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a and 38b are already described above.
  • the further angle elements 10c and 10d are arranged with respect to an axis of symmetry 46, which is oriented at an angle of 90 ° to the axis of symmetry 30, mirror-symmetrically to the angle elements 10a and 1 Ob.
  • the end of the angle element 10c adjacent to the angle element 10a is likewise connected to the contact point 38a by means of a bending spring 36c.
  • the drive point 38b is also connected to one end of the angle element 10d by means of a bending spring 36d.
  • angle elements 10c and 10d are connected by means of two bending springs 34c and 34d to a further contact point 32b.
  • the bending springs 34a to 34d and 36a to 36d are preferably formed as soft bending springs.
  • the thus assembled frame of the coupling structure 40 which surrounds the linear oscillator with the components 42a, 42b and 44, is mirror-symmetrical with respect to the axis of symmetry 30 parallel to the y-axis and with respect to the axis of symmetry 46 extending parallel to the x-axis.
  • the lateral forces of all co-operating transverse springs 34a to 34d and 36a to 36d cancel each other.
  • the two drive points 36a and 36b can be offset by means of a drive (not shown) into anti-parallel swinging movements, which are aligned parallel to the x-axis. These oscillatory movements of the two drive points 38a and 38b are translated into an antiphase oscillatory movement of the two contact points 32a and 32b directed along the y-axis.
  • the coupling structure 40 is particularly well adapted to translate antiphase oscillatory motions along a first direction into antiphase oscillatory motions along a second direction.
  • the first oscillating mass 42a is coupled to the contact point 32a by means of a first connecting component 48a.
  • the second oscillating masses 42d are also connected to the contact point 32b by means of a second connecting component 48b.
  • the vibratory motions of the contact points 32a and 32b excited by the drive cause inverse swinging movements of the vibrating masses 42a and 42b, which are aligned parallel to the y-axis.
  • the coupling structure 40 is designed so that it translates the oscillatory movements of the drive points 36a and 36b in antiphase oscillatory movements of the oscillating masses 42a and 42b.
  • the coupling structure provides a reliable and cost-effective option for reliably setting the oscillating masses 42a and 42b in the desired oscillating movements by means of a drive.
  • the coupling structure 40 can be fixed to a (not shown) rotatable body. If the body rotates about an axis of rotation which is not parallel to the y-axis in the case of oscillating masses 42a and 42b in antiphase oscillatory motion, the oscillating masses 42a and 42b are deflected by Coriolis forces in opposite directions perpendicular to the y-axis. If the rotatable body rotates, for example, about the z-axis, then the two oscillating masses 42a and 42b experience deflections along the x-axis. Accordingly, a rotation about the x-axis causes deflections of the oscillating masses 42a and 42b along the z-axis.
  • the deflections of the oscillating masses 42a and 42b in a direction perpendicular to the y-axis directions can be measured by conventional methods and then in at least one of the Rotational movement of the body descriptive size, such as an orientation of the axis of rotation and / or a rate of rotation to be converted. Since the evaluation of the deflections of the oscillating masses 42a and 42b for determining the magnitude to be determined of the rotational movement of the body is known from the prior art, will not be discussed here.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the coupling structure for a yaw rate sensor device.
  • the illustrated coupling structure 60 for a rotation rate sensor device differs from the coupling structure of FIGS. 1A to C in that U springs 62 are used instead of the bending springs to assemble the frame of the coupling structure 60. Otherwise, the angle elements 10a to 10d in the manner already described with the drive points 38a and 38b and the contact points 32a and 32b are connected.
  • the coupling structure 60 thus ensures the advantages already described above.
  • the U-springs 62 may be arranged so that at least one of the U-springs 62 projects into a frame interior spanned by the frame.
  • the coupling structure 60 requires less mounting surface in this case.
  • the coupling structures described with reference to FIGS. 1A to C and 2 are preferably used for single-axis rotation rate sensor devices with a sensitive axis.
  • a rotation of a rotatable body about only one predetermined spatial axis, which can be designated as a sensitive axis can be detected and evaluated with regard to at least one of its sizes.
  • the coupling structures described below are particularly suitable for multi-channel rotation rate sensor devices which are designed to detect a rotation of a rotatable body about at least two sensitive axes and to evaluate with respect to at least one of their sizes.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a third embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device.
  • the illustrated coupling structure 80 for a rotation rate sensor device is a combination of two coupling structures 40 and 40 'described with reference to FIGS. 1A to C.
  • the coupling structure 40 ' is arranged rotated relative to the coupling structure 40 by an angle of 90 °. While the oscillating masses 42a and 42b of the coupling structure 40 oscillate parallel to the y-axis, the Oscillation movements of the oscillating masses 42a 'and 42b' of the coupling structure 40 'aligned parallel to the x-axis.
  • the coupling structures 40 and 40 ' have a common drive and contact point 82, via which the coupling structures 40 and 40' are coupled to each other.
  • the common drive and contact point 82 acts as a contact point in the coupling structure 40 '.
  • the drive and contact point 82 acts in the coupling structure 40 as a drive point.
  • an interaction of the two rotation rate sensor devices 40 and 40 ' is ensured such that the vibrations of the oscillating masses 42a, 42b' and 42b 'correspond to one another.
  • the common drive and contact point 82 ensures that the amplitudes of the oscillatory movements of the oscillating masses 42a, 42b, 42a 'and 42b' are the same.
  • Reliable coupling between the two coupling structures 40 and 40 ' is also ensured by an additional, individual connection spring.
  • transmission of interference movements between the two coupling structures 40 and 40 ' can also be easily prevented in this way.
  • the rotation rate sensor device with the coupling structure 80 is designed to determine at least one size of a rotational movement of the body about two sensitive axes when the rotation rate sensor device is attached to a rotatable body.
  • the rotation rate sensor device with the coupling structure 80 can be designed such that both rotation of the body about a first rotation axis and about a second rotation axis aligned perpendicular to the first rotation axis can be determined and can be recognized in terms of their sizes.
  • the rotational movement of the body can bring about a deflection of the oscillating masses 42a and 42b into the xz plane and / or a deflection of the oscillating masses 42a 'and 42b' into the yz plane.
  • a rotation about the z axis and by means of the oscillating masses 42a 'and 42b' a rotation about the y axis is determined.
  • a rotation about the x-axis and by means of the oscillating masses 42a 'and 42b' a rotation about the z-axis can be measured.
  • the combination of measuring the rotation about the x- or y-axis is conceivable.
  • the sensor devices for determining the deflections of the oscillating oscillating axes 42a, 42b, 42a 'and 42b' may, according to the predetermined direction of the deflections to be determined, be plain detection structures and / or out-of-plain detection structures. Since such sensor and evaluation devices for detecting the deflections of the oscillating masses 42a, 42b, 42a 'and 42b' and for determining the at least one size of the rotational movement taking into account the detected deflections of the prior art are known, they are not described here.
  • the coupling structures 40 and 40 ' can also be coupled to one another such that their oscillating masses 42a, 42b, 42a' and 42b 'oscillate parallel to one another.
  • the oscillating masses 42a, 42b, 42a 'and 42b' oscillate along the y-axis, both a rotation about the x-axis and a rotation about the z-axis can be determined.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a fourth embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device.
  • the coupling structure 90 shown in FIG. 4 for a rotation rate sensor device can be designated as a more compact embodiment of the coupling structure described with reference to FIG. 3.
  • the coupling structure 90 can be formed from the coupling structure of FIG. 3 by replacing the angle elements 1 Ob, 10d, 10b 'and 10a' by two T-shaped angle elements 92a and 92b.
  • the T-shaped angle elements 92a and 92b have an additional third leg, which is fastened at an angle of inclination between 60 ° and 120 ° to the adjacent leg on the connecting portion.
  • the T-shaped angle members 92a and 92b are formed so that there is an angle of 90 ° between the first leg and the second leg and between the second leg and the third leg.
  • the T-shaped angle members 92a and 92b are arranged so as to be rotatable about a rotation axis passing through the connecting portion.
  • the T-shaped angle elements 92a and 92b thus ensure the previously described possible uses and advantages.
  • the T-shaped angle elements 92a and 92b are coupled together in the manner already described above with the other components.
  • the coupling structure 90 obtained in this way has the advantage that it requires less attachment surface to perform its function.
  • the coupling structure 90 ensures a balanced out-of-phase oscillation of the oscillating masses 42a and 42b along the y-axis with simultaneous antiphase swinging of the oscillating masses 42a 'and 42b' along the x-axis.
  • a rotation rate sensor device with the coupling structure 90 is designed to determine, after being attached to a rotatable body, a rotational movement of the body about two mutually perpendicular rotational axes.
  • the coupling structure 90 is more compact and therefore has a lower risk of damage.
  • 5 shows a schematic representation of a fifth embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device.
  • the coupling structure 100 shown in FIG. 5 is well suited for a three-channel rotation rate sensor device. It may be referred to as a combination of the coupling structures 40 and 80 described with reference to FIGS. 1A to C and 3. In this case, the total of three coupling structures 40 and 40 'via two drive and contact points 82 are interconnected. This ensures that the six different oscillating masses 42a, 42b, 42a 'and 42b' of the coupling structure 100 adapt to each other in their vibration behavior. In particular, this ensures that the amplitudes of the oscillatory movements of the oscillating masses 42a, 42b, 42a 'and 42b' are the same.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a sixth embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device.
  • the coupling structure 110 for a rotation rate sensor device has a more compact design than the preceding coupling structure described with reference to FIG. 5.
  • the coupling structure 110 can be designated as a combination of the coupling structures 40 and 90 of FIGS. 1A to C and 4.
  • the improved compactness of the coupling structure 110 is achieved above all by the use of a cross-shaped angle element 112 and two T-shaped angle elements 92a and 92b.
  • the cross-shaped angle element 112 has four legs, which are fixedly arranged on a connecting portion. Preferably, in each case an angle of 90 ° lies between two adjacent legs.
  • a cross-shaped angle element 112 at least three angle elements can be replaced with only two legs.
  • the cross-shaped angle element 112 and the two T-shaped angle elements 92a and 92b ensure an adjusted swinging of the total of six oscillating masses 42a, 42b, 42a 'and 42b' in two different spatial directions (x and y direction).
  • two oscillating masses 42a and 42b or 42a 'and 42b' of a linear oscillator oscillate in opposite phase to one another.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a seventh embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device.
  • the reproduced coupling structure 120 for a rotation rate sensor device has a total of eight oscillating masses 42a, 42b, 42a 'and 42b', wherein each two oscillating masses 42a and 42b (or 42a 'and 42b') by means of a spring 44 (or 44 ') directly to each other are coupled.
  • two mutually coupled oscillating masses 42a and 42b are arranged such that they can execute antiphase oscillating movements parallel to the y-axis.
  • the coupling structure 120 ensures that two mutually coupled oscillating masses 42a 'and 42b' each oscillate in opposite phase to the x-axis.
  • the coupling structure 120 may be referred to as a combination of two coupling structures 40 and 40 '.
  • the total of four coupling structures 40 and 40 ' are arranged so that they form the bars of a cross structure, wherein each of the coupling structures 40 and 40' to two adjacent coupling structures 40 and 40 'abuts.
  • two opposing angle elements with only two legs can be replaced by a cruciform angle element 112.
  • the coupling structure 120 is mirror-symmetrical with respect to a first axis of symmetry 122 and a second axis of symmetry 124. In this case lies between the two axes of symmetry 122 and 124, an angle of 90 °. Furthermore, the rotation rate sensor device 120 has a third and a fourth symmetry axis 126 and 128, which have an inclination angle of 45 ° and an inclination angle of 135 ° relative to the first axis of symmetry 122.
  • the vibration mass 42b 'lying in the partial region 129 thus has a spatial environment which is identical to the spatial environment of the other vibration masses 42a, 42b, 42a' and 42b '. This ensures that the oscillating masses 42a, 42b, 42a 'and 42b' completely adapt to one another in their oscillatory movements.
  • the rotation rate sensor device 120 is thus particularly well adapted to determine, after attachment to a rotatable body, rotation of the body about an axis of rotation not determined with respect to its direction in space.
  • redundancies can also be used with such a structure
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of an eighth embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device.
  • the coupling structure 130 for a rotation rate sensor device comprises two of the coupling structures 40 and 40 'described with reference to FIGS. 1A to C.
  • the coupling structure 40 ' is arranged rotated relative to the coupling structure 40 by an angle of 90 °.
  • the drive points 38a and 38a 'of the coupling structures 40 and 40' are each coupled to a first beam 132 of the coupling structure 130.
  • the coupling of the drive points 38a and 38a 'to the first beam 132 is preferably designed such that the drive points 38a and 38a' maintain a constant distance from the first beam 132.
  • the drive points 38b and 38b 'of the coupling structures 40 and 40' are coupled to a second beam 134 opposite the first beam 132.
  • Each of the two beams 132 and 134 may be vibrated along a direction perpendicular to its longitudinal direction.
  • the two beams 132 and 134 are preferably vibrated so that they swing anti-parallel to each other with a phase difference of 180 ° (out of phase). In this way it is ensured that the drive points 38a and 38b of the rotation rate sensor device 40 oscillate in phase opposition to each other and at the same time the drive points 38a 'and 38b' of the rotation rate sensor device 40 'are also moved in opposite phase to each other.
  • the oscillating masses 42a and 42b are each attached directly to an adjacent contact point 38a and 38b via a coupling element 48a and 48b.
  • the oscillating movements of the oscillating masses 42a and 42b thus run parallel to the oscillatory movements of the drive points 38a and 38b.
  • the oscillating masses 42a and 42b are excited in this way to genphasigen oscillations.
  • the oscillating masses 42a 'and 42b' of the coupling structure 40 ' are connected via a coupling element 48a' and 48b 'in each case to an adjacent contact point 32a' or 32b '.
  • the swinging motions of the drive points 38a 'and 38b' along the y-axis become a swinging motion vibrational masses 42a 'and 42b' are translated along the x-axis.
  • the oscillating masses 42a 'and 42b' thus oscillate in anti-phase along the x-axis.
  • the easily fabricated coupling structure 130 is thus suitable for a two-channel rotation rate sensor device with a simple executable drive, which puts two beams 132 and 134 in the desired vibrations. In particular, this ensures that the oscillating masses 42a, 42b, 42a 'and 42b' have equal amplitudes.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a ninth embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device.
  • the schematically reproduced coupling structure 140 for a rotation rate sensor device is a simplification of the coupling structure described with reference to FIG. 8.
  • the oscillating masses 42a and 42b, which are directly connected to one another via a spring 44, are each coupled directly to an adjacent beam 132 or 134 by means of a coupling element 142a or 142b.
  • the remaining components of the coupling structure 40 are dispensed with.
  • the oscillating masses 42a and 42b are thus offset via the antiphase oscillations of the two beams 132 and 134 directly in antiphase oscillations along the y-axis.
  • the amplitudes of the oscillatory movements of the oscillating masses 42a and 42b have the same values as the amplitudes of the oscillating masses 42a 'and 42b'.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a tenth embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device.
  • the illustrated coupling structure 150 for a rotation rate sensor device is an extension of the coupling structure described with reference to FIG. 8.
  • the coupling structure 150 comprises two coupling structures 40 and a coupling structure 40 '.
  • the coupling structures 40 and 40 ' are in each case coupled to the beams 132 and 134 in the manner already described above with their drive points 38a, 38b, 38a' and 38b '.
  • the coupling structure 150 allows a good translation of the antiphase oscillations of the beams 132 and 134 into the desired vibrations of the oscillating masses 42a, 42b, 42a 'and 42b' along the x-axis or the y-axis.
  • the vibrations of the individual oscillating masses 42a, 42b, 42a 'and 42b' are adapted to each other.
  • the oscillating oscillating masses 42a, 42b, 42a 'and 42b' have the same amplitude.
  • the oscillating masses 42a, 42b and 42a ', 42b' can be connected directly or approximately via resilient elements (not shown here) to the respective beams 132, 134 and / or the substrate.
  • the coupling structure 40 can also be arranged adjacent to one another.
  • the coupling structure 150 is suitable for a cost-effective three-channel rotation rate sensor device.
  • the frames of the coupling structures 40 formed from the angle elements 10a to 10d can be omitted and the vibration masses 42a and 42b can each be directly coupled to the adjacent beams 132 or 134, as already explained in the description of FIG ,
  • the advantages already described are ensured even with a more cost-effective design of the coupling structure 150.
  • FIG. 11 shows a schematic representation of an eleventh embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device.
  • the coupling structure 160 for a rotation rate sensor device differs from the coupling structure described with reference to FIG. 8 by two rockers 162 and 164, to which the drive points 38a, 38b, 38a 'and 38b' are coupled.
  • the first rocker 162 comprises three beams 162a, 162b and 162c, which are connected to each other via two joints 162d and 162e.
  • Each of the three beams 162a to 162c is fixed to a case, not shown, so that each beam 162a to 162c can make a rotational movement about a rotation axis passing through the respective beam 162a to 162c.
  • the beams 162a-162c are coupled to each other by means of the hinges 162d and 162e such that the rotational movements of the beams 162a-162c conform to each other. Therefore, the rotational movements of the beams 162a to 162c may also be referred to as a rocking motion.
  • the first rocker 162 is adapted to be adjustable from a home position in which the beams 162a-162c are aligned along a common longitudinal axis and the hinges 162d and 162e are on the longitudinal axis to a first extreme position in which the hinge 162d a maximum deflection relative to its initial position in a first direction and the joint 162e has a maximum deflection relative to its starting position in a second direction opposite to the first direction.
  • the rocker 162 is so from the starting position in a second extreme position adjustable that the hinged 162d have a maximum deflection in the second direction and the hinge 162e have a maximum deflection in the first direction.
  • the second rocker 164 is also constructed of beams 164a-164c and hinges 164d and 164e. With regard to the interaction of the components 164a to 164e, reference is made to the upper paragraph.
  • the coupling structure 160 comprises the already described coupling structures 40 and 40 '.
  • the contact point 38a is coupled to the hinge 162d and the drive point 38b is coupled to the hinge 164d. Accordingly, in the coupling structure 40 ', the drive points 38a' and 38b 'are connected to the joints 162e and 164e.
  • the rocking movements of the rockers 162 and 164 thus bring about an adapted antiphase oscillation of the oscillating masses 42a and 42b with a simultaneous adapted antiphase oscillation of the oscillating masses 42a 'and 42b' along the x-axis.
  • the cost-to-produce coupling structure 160 has the advantages already described.
  • the driving of the rockers 162 and 164 for performing the desired rocking movements is additionally comparatively easy.
  • FIG. 12 shows a schematic representation of a twelfth embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device.
  • the illustrated coupling structure 170 for a yaw rate sensor device differs from the coupling structure shown in FIG. 11 in that the oscillating masses 42a and 42b are coupled directly to the joints 162d and 164d by means of the coupling elements 142a and 142b.
  • the coupling structure 170 provides a cost-effective and easy to produce way to ensure the benefits described.
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a thirteenth embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device.
  • the coupling structure 180 for a rotation rate sensor device comprises two coupling structures 40, a coupling structure 40 ', a first rocker 182 and a second rocker 184.
  • the first rocker 182 consists of four beams 182a to 182d which are interconnected by means of three joints 182e to 182g.
  • the beams 182a-182d may be adjusted to two extreme positions from a home position of the first rocker 182 in which the beams 182a-182d are aligned along a common longitudinal axis and the hinges 182e-182g are on the longitudinal axis.
  • the joints 182e and 182g are deflected in a first direction from their initial positions maximum.
  • the joint 182f is deflected in the first extreme position in a direction opposite to the first direction second direction maximum.
  • the joints 182e and 182g are deflected against the joint 182f, with the joint 182f deflected in the first direction and the joints 182e and 182g in the second direction.
  • the second rocker 184 is correspondingly composed of the components 184a to 184g. It also has a starting position, from which the joints 184e to 184g are adjustable in two extreme positions.
  • the oscillating masses 42a, 42b, 42a 'and 42b' can be excited to the advantageous vibration behavior already described above.
  • the rockers 182 and 184 are excited simultaneously and in opposite phase to rocking movements.
  • the cost-effectively producible coupling structure 180 is designed to ensure the advantages described above.
  • the coupling structure 180 can be made more cost effective by coupling the masses 42a and 42b directly to the joints 182e, 184e, 182g and 184g. Thus, the frames of the coupling structures 40 can be saved.
  • FIG. 14 shows a schematic representation of a fourteenth embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device.
  • the gyroscopic sensor device coupling structure 190 comprises two beams 132 and 134 aligned along the x-axis, to which two linear oscillators are coupled, each with two oscillating masses 42a and 42b.
  • the oscillating masses 42a are fastened directly to the first beam 132 by means of the coupling elements 142a.
  • the oscillating masses 42b are connected to the second beam 134 by means of the coupling elements 142b.
  • the coupling structure 190 thus offers a cost-effective option for an easily operable two-channel rotation sensor device.
  • 15 shows a schematic representation of a fifteenth embodiment of the coupling structure for a rotation rate sensor device.
  • the coupling structure 200 of FIG. 15 has a first rocker 162 and a second rocker 164 instead of two beams.
  • first rocker 162 and a second rocker 164 instead of two beams.
  • the oscillating masses 42a of the two linear oscillators of the coupling structure 200 are coupled directly by means of the coupling elements 142a to the joints 162d and 162e of the first rocker. Likewise, the coupling elements 142a to the joints 162d and 162e of the first rocker. Likewise, the coupling elements 142a to the joints 162d and 162e of the first rocker. Likewise, the coupling elements 142a to the joints 162d and 162e of the first rocker.
  • the coupling structure 200 can be produced inexpensively in a simple manner.
  • Coupling structure 200 an advantageous possibility for a two-channel rotation rate sensor device, in which the four oscillating masses 42a and 42b in phase opposition and with equal amplitudes in
  • All the coupling structures described in the upper paragraphs can be arranged in an airtight housing with a gas or vacuum filled, wherein a frequency of the oscillations and / or damping of the oscillating masses can be varied via the gas pressure.
  • a rotation rate sensor device having one of the coupling structures described in the above paragraphs can be used for example in consumer and automotive products.
  • the invention is not limited to applications in which the legs of the angle elements are of equal length. Rather, the legs of a respective angle element or different angle elements can also be different lengths.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Koppelstruktur (40) für eine Drehratensensorvorrichtung mit mindestens einer ersten Schwingmasse (42a); und einem die erste Schwingmasse (42a) umgebenden ersten Rahmen, an welchen die erste Schwingmasse (42a) gekoppelt ist; wobei der erste Rahmen vier Winkelelemente (10a,10b,10c,10d) umfasst, von denen jedes der Winkelelemente (10a,10b,10c,10d) mindestens einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel aufweist und mit dem ersten Schenkel und mit dem zweiten Schenkel jeweils an ein anderes benachbartes Winkelelement (10a,10b,10c,10d) der vier Winkelelemente (10a,10b,10c,10d) gekoppelt ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine weitere Koppelstruktur (40) für eine Drehratensensorvorrichtung, eine Drehratensensorvorrichtung, Herstellungsverfahren für eine Koppelstruktur (40) für eine Drehratensensorvorrichtung und ein Herstellungsverfahren für eine Drehratensensorvorrichtung.

Description

Beschreibung
Titel
Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung, Drehratensensorvorrichtung und Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft Koppelstrukturen für eine Drehratensensorvorrichtung und Herstellungsverfahren für solche Koppelstrukturen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Drehratensensorvorrichtung und ein Herstellungsverfahren für eine entsprechende Drehratensensorvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
An einem rotierbaren Körper wird häufig ein Drehratensensor angebracht, um eine Drehrate einer Rotationsbewegung des Körpers zu messen. Ein herkömmlicher Drehratensensor weist in der Regel mindestens eine erste Schwingmasse und eine zweite Schwingmasse (seismische Masse) auf, welche mittels eines Antriebs in lineare Schwingbewegungen versetzbar sind. Dabei ist der Antrieb so ausgelegt, dass die erste Schwingmasse und die zweite Schwingmasse um 180° phasenversetzt (anti-parallel) zueinander schwingen. Man bezeichnet die Schwingbewegungen der ersten Schwingmasse und der zweiten Schwingmasse deshalb häufig auch als gegenphasige Schwingbewegungen.
Führt der Körper mit dem daran angeordneten Drehratensensor bei gleichzeitiger Anregung der beiden Schwingmassen zu ihren anti-parallelen Schwingbewegungen eine Rotationsbewegung um eine zu der Schwingrichtung der Schwingmassen nicht-parallele Rotationsachse aus, so wirken Corioliskräfte auf die beiden schwingenden Schwingmassen. Durch die Corioliskräfte werden die beiden Schwingmassen jeweils senkrecht zu ihrer Schwingrichtung ausgelenkt. Aufgrund der Anti-Parallelität der Schwingbewegungen der beiden Schwingmassen werden die beiden Schwingmassen in entgegen gesetzte Richtungen ausgelenkt.
Die Auslenkung einer Schwingmasse ist proportional zu der auf die Schwingmasse wirkenden Corio- liskraft. Somit entspricht die Auslenkung der Schwingmasse der Drehrate der Rotationsbewegung des Körpers. Über ein Auswerten der Auslenkung der Schwingmasse kann deshalb die Drehrate der Rotationsbewegung ermittelt werden. Um zu verhindern, dass eine auf den rotierenden Körper wirkende Beschleunigung zu einer falsch bestimmten Drehrate führt, ist ein herkömmlicher Drehratensensor in der Regel dazu ausgelegt, die jeweilige Auslenkung beider Schwingmassen zu detektieren und miteinander zu vergleichen. Nur wenn die Auslenkung der ersten Schwingmasse der negativen Auslenkung der zweiten Schwingmasse entspricht, ist davon auszugehen, dass die Auslenkungen der beiden Schwingmassen auf Corioliskräf- ten und nicht auf einer Beschleunigung des rotierbaren Körpers beruhen.
Allerdings setzt eine derartige Auswertung der Auslenkungen der beiden Schwingmassen voraus, dass die Schwingmassen mittels des Antriebs verlässlich in anti-parallele Schwingbewegungen versetzbar sind. Das Herstellen eines Antriebs, welcher diese Voraussetzung annähernd erfüllt, ist jedoch relativ arbeitsaufwendig und vergleichsweise teuer. Zusätzlich treten bei einem herkömmlichen Drehratensensor häufig Abweichungen bei den Schwingbewegungen der beiden Schwingmassen von der gewünschten Anti-Parallelität auf.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft Koppelstrukturen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 6, eine Drehraten- sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8, Herstellungsverfahren für eine Koppelstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 9 oder 10 und ein Herstellungsverfahren für eine Drehratensen- sorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Mittels der Koppelstrukturen ist ein gutes Einhalten einer gewünschten Anti-Parallelität von zwei schwingenden Schwingmassen auch bei einem einfach ausgeführten und kostengünstigen Antrieb gewährleistet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Koppelstruktur sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. IA bis C schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der Koppelstruktur für eine
Drehratensensorvorrichtung; wobei Fig. IA ein Winkelelement, Fig. IB zwei anein- ander gekoppelte Winkelelemente und Fig. IC die Koppelstruktur mit vier Winkelelementen darstellen; und Fig. 2 bis 15 jeweils eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. IA bis C zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung; wobei Fig. IA ein Winkelelement, Fig. IB zwei aneinander gekoppelte Winkelelemente und Fig. 1 C die Koppelstruktur mit vier Winkelelementen darstellen.
Das in Fig. IA dargestellte Winkelelement 10 umfasst einen Verbindungsabschnitt 12, an welchem ein erster Schenkel 14a und ein zweiter Schenkel 14b fest angeordnet sind. Vorzugsweise ist das Winkelelement 10 einstückig ausgebildet. Der erste Schenkel 14a ist gegenüber dem zweiten Schenkel 14b in einen Winkel α zwischen 60° und 120° ausgerichtet. Insbesondere kann der Winkel α zwischen 80° und 100° liegen. Beispielsweise ist der Winkel α gleich 90°. Auf die Vorteile eines Winkels α gleich 90° wird unten noch eingegangen.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Winkelelement 10 starr oder nahezu starr ausgebildet ist. Eine auf einen der beiden Schenkel 14a oder 14b einwirkende Kraft unter einem Schwellwert zum Brechen des Winkelelements 10 führt somit nahezu nicht zu einer Änderung der Winkels α.
Das Winkelelement 10 ist an seinem Verbindungsabschnitt 12 drehbar gelagert. Das Winkelelement 10 wird dabei aus seiner Ausgangsstellung in mindestens eine dargestellte Endstellung verstellt.
Beispielsweise weist das Winkelelement 10 an seinem Verbindungsabschnitt 12 eine durchgehende Öffnung 16 auf, in welche ein Scharnier 18 eingreift. Das Scharnier 18 ist fest an ein (nicht skizziertes) Gehäuse der Koppelstruktur mit dem Winkelelement 10 angekoppelt. Dieses Gehäuse wird häufig auch als Substrat bezeichnet. Vorzugsweise ist das Winkelelement 10 somit um eine senkrecht zu den beiden Schenkeln 14a und 14b verlaufende Drehachse drehbar. Da Ausführungsformen für ein geeignetes Scharnier 18 oder eine Befestigungseinrichtung zum drehbaren Lagern des Winkelelements 10 aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hier nicht weiter darauf eingegangen.
Statt der Verwendung eines Scharniers 18 wäre auch denkbar, dass das Element 18 ein federelastisches Element bezeichnet, welches einerseits an der Drehachse 16 angekoppelt ist und dort eingreift und welches andererseits am Substrat angebunden ist.
Aufgrund seiner drehbaren Lagerung ist das Winkelelement 10 dazu ausgebildet, eine auf den ersten Schenkel 14a einwirkende Kraft, welche eine Drehbewegung 20a des von dem Verbindungsabschnitt 12 abgewandten Endes 22a des ersten Schenkels 14a um die Drehachse bewirkt, in eine Drehbewegung 20b des dem Verbindungsabschnitt 12 gegenüber liegenden Endes 22b des zweiten Schenkels 14b zu übersetzen. Eine entsprechende Übersetzung ist auch möglich bei einer auf den zweiten Schenkel 14b einwirkenden Kraft.
In dem in Fig. IA bis C gezeigten Beispiel ist der Winkel α gleich 90°, der erste Schenkel 14a verläuft in seiner Ausgangslage parallel zu einer y- Achse und der zweite Schenkel 14b ist in seiner Ausgangslage parallel zu der x- Achse ausgerichtet. Somit ist das Winkelelement 10 dazu ausgelegt, eine Bewegung des ersten Schenkels in die x-Richtung in eine Bewegung des zweiten Schenkels in die y- Richtung zu übersetzen. Auf die Vorteile einer derartigen Übersetzung wird in den folgenden Abschnitten genauer eingegangen.
Die in Fig. IB dargestellten Winkelelemente 10a und 10b entsprechen dem anhand der Fig. IA beschriebenen Winkelelement. Auf Ihre Form und ihre drehbare Lagerung wird deshalb hier nicht noch einmal eingegangen.
Das erste Winkelelement 10a und das zweite Winkelelement 1 Ob sind spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieachse 30 ausgerichtet. Die Symmetrieachse 30 verläuft parallel zur y- Achse durch einen Kontaktpunkt 32a, an welchem ein zu dem zweiten Winkelelement 10b benachbartes Ende des ersten Winkelelements 10a mittels einer Biegefeder 34a angekoppelt ist. Entsprechend ist auch ein zu dem ersten Winkelelement 10a benachbartes Ende des zweiten Winkelelements 1 Ob mittels einer Biegefeder 34b an den Kontaktpunkt 32a angekoppelt.
Auch die anderen Enden der beiden Winkelelemente 10a und 10b sind mittels je einer Biegefeder 36a und 36b an jeweils einen Kontaktpunkt 38a oder 38b angekoppelt. Die Anordnung der Biegefedern 34a, 34b, 36a und 36b, welche auch als Querfedern bezeichenbar sind, ist spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse 30.
Es sei darauf hingewiesen, dass an den Kontaktpunkten 32a, 32b; 38a, 38b die Enden der Querfedern angetrieben werden oder diese frei bewegbar sind. Es ist vielmehr völlig offen, an welchen Punkten die Gesamtstruktur angetrieben wird.
Jeder der beiden Antriebspunkte 38a und 38b ist so an einen Antrieb gekoppelt, dass die Antriebspunkte 38a und 38b in lineare Schwingbewegungen versetzbar sind. Beispiele für einen derartigen Antrieb werden unten noch beschrieben. Die Schwingbewegungen der beiden Antriebspunkte 38a und 38b sind vorzugsweise parallel zur x-Achse ausgerichtet. Insbesondere kann der Kontaktpunkt 38a anti-parallel zu den Antriebspunkt 38b in Schwingungen versetzt werden. Zwischen den Schwingbe- wegungen der beiden Antriebspunkte 38a und 38b liegt in diesem Fall eine Phasendifferenz von 180°. Man bezeichnet derartige Schwingbewegungen deshalb häufig auch als gegenphasige Schwingbewegungen.
Über die Biegefedern 36a und 36b werden die anti-parallelen Schwingbewegungen der Antriebspunkte 38a und 38b in zueinander bezüglich der Symmetrieachse 30 symmetrische Drehbewegungen der Winkelelemente 10a und 10b übersetzt. Die beiden Winkelelemente verstellen sich dabei aus ihren zueinander spiegelsymmetrischen Ausgangslagen in Endlagen, welche ebenfalls bezüglich der Symmetrieachse 30 spiegelsymmetrisch ausgerichtet sind.
Aufgrund der spiegelsymmetrischen Anordnung der beiden Querfedern 34a und 34b heben sich deren Querkräfte heraus und die Drehbewegungen der beiden Winkelelemente 10a und 10b werden in eine geradlinige Bewegung des Kontaktpunkts 32a entlang der Symmetrieachse 30 übersetzt. Die beiden Winkelelemente 10a und 10b bieten somit eine Möglichkeit, die linearen, anti-parallelen Bewegungen der beiden Antriebspunkte 38a und 38b entlang einer ersten Richtung in eine geradlinige Bewegung des Kontaktpunkts 32a entlang einer zu der ersten Richtung nicht-parallel zweiten Richtung zu übersetzen. Insbesondere können auf diese Weise, wie in Fig. IB gezeigt, die anti-parallelen Bewegungen der beiden Antriebspunkte 38a und 38b entlang der x-Achse in die geradlinige Bewegung des Kontaktpunkts 32a entlang der y- Achse übersetzt werden. Selbstverständlich ist es auf entsprechende Wei- se auch möglich, eine Bewegung des Kontaktpunkts 32a in anti-parallele Bewegungen der beiden Antriebspunkte 38a und 38b zu übersetzen.
Die in Fig. 1 C schematisch dargestellte Koppelstruktur 40 umfasst einen Linearschwinger aus zwei Schwingmassen 42a und 42b (seismische Massen), welche mittels einer Feder 44 aneinander gekop- pelt sind. Der Linearschwinger mit den Komponenten 42a, 42b und 44 ist von einem Rahmen der Koppelstruktur 40 umgeben, welcher aus vier Winkelelementen 10a bis 1 Od zusammengesetzt ist.
Die Winkelelemente 10a und 10b und die mit ihnen zusammenwirkenden Komponenten 32a, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a und 38b sind oben bereits beschrieben. Die weiteren Winkelelemente 10c und 10d sind bezüglich einer Symmetrieachse 46, welche in einem Winkel von 90° zu der Symmetrieachse 30 ausgerichtet ist, spiegelsymmetrisch zu den Winkelelementen 10a und 1 Ob angeordnet. Das zu dem Win- kelelement 10a benachbarte Ende des Winkelelements 10c ist ebenfalls mittels einer Biegefeder 36c mit dem Kontaktpunkt 38a verbunden. Entsprechend ist auch der Antriebspunkt 38b mittels einer Biegefeder 36d mit einem Ende des Winkelelements 10d verbunden. Zusätzlich sind die Winkelelemente 10c und 10d, entsprechend den Winkelelementen 10a und 10b, mittels zweier Biegefedern 34c und 34d mit einem weiteren Kontaktpunkt 32b verbunden. Die Biegefedern 34a bis 34d und 36a bis 36d sind vorzugsweise als weiche Biegefedern ausgebildet. Der auf diese Weise zusammengesetzte Rahmen der Koppelstruktur 40, welcher den Linearschwinger mit den Komponenten 42a, 42b und 44 umgibt, ist bezüglich der parallel zu der y- Achse verlaufenden Symmetrieachse 30 und bezüglich der parallel zur x-Achse verlaufenden Symmetrieachse 46 spiegel- symmetrisch. Somit heben sich die Querkräfte aller zusammenwirkenden Querfedern 34a bis 34d und 36a bis 36d gegeneinander auf.
Wie oben bereits beschrieben, können die beiden Antriebspunkte 36a und 36b mittels eines (nicht dargestellten) Antriebs in anti-parallele Schwingbewegungen, welche parallel zur x-Achse ausgerich- tet sind, versetzt werden. Diese Schwingbewegungen der beiden Antriebspunkte 38a und 38b werden in eine entlang der y- Achse gerichtete gegenphasige Schwingbewegung der beiden Kontaktpunkte 32a und 32b übersetzt. Somit ist die Koppelstruktur 40 besonders gut dazu ausgelegt, gegenphasige Schwingbewegungen entlang einer ersten Richtung in gegenphasige Schwingbewegungen entlang einer zweiten Richtung zu übersetzen.
Die erste Schwingmasse 42a ist mittels einer ersten Verbindungskomponente 48a an den Kontaktpunkt 32a gekoppelt. Entsprechend ist auch die zweite Schwingmassen 42d mittels einer zweiten Verbindungskomponente 48b mit dem Kontaktpunkt 32b verbunden. Somit bewirken die durch den Antrieb angeregten Schwingbewegungen der Kontaktpunkte 32a und 32b gegenphasige Schwingbewegungen der Schwingmassen 42a und 42b, welche parallel zur y- Achse ausgerichtet sind.
Es wird hier daraufhingewiesen, dass die Koppelstruktur 40 so ausgelegt ist, dass sie die Schwingbewegungen der Antriebspunkte 36a und 36b in gegenphasige Schwingbewegungen der Schwingmassen 42a und 42b übersetzt. Somit bietet die Koppelstruktur eine verlässliche und kostengünstige Möglich- keit, um die Schwingmassen 42a und 42b verlässlich mittels eines Antriebs in die gewünschten Schwingbewegungen zu versetzen.
Die Koppelstruktur 40 kann an einen (nicht dargestellten) rotierbaren Körper fest angeordnet werden. Dreht sich der Körper bei einer gegenphasigen Schwingbewegung der Schwingmassen 42a und 42b um eine zu der y- Achse nicht-parallele Rotationsachse, so werden die Schwingmassen 42a und 42b durch Corioliskräfte in entgegen gesetzte Richtungen senkrecht zu der y- Achse ausgelenkt. Rotiert der rotierbare Körper beispielsweise um die z- Achse, so erfahren die beiden Schwingmassen 42a und 42b Auslenkungen entlang der x-Achse. Entsprechend bewirkt eine Rotation um die x-Achse Auslenkungen der Schwingmassen 42a und 42b entlang der z- Achse.
Die Auslenkungen der Schwingmassen 42a und 42b in eine zur y- Achse senkrecht ausgerichtete Richtungen können mittels herkömmlicher Verfahren gemessen und anschließend in mindestens eine die Rotationsbewegung des Körpers beschreibende Größe, wie beispielsweise eine Ausrichtung der Rotationsachse und/oder eine Drehrate, umgerechnet werden. Da die Auswertung der Auslenkungen der Schwingmassen 42a und 42b zum Festlegen der festzustellenden Größe der Rotationsbewegung des Körpers aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird hier nicht darauf eingegangen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Die dargestellte Koppelstruktur 60 für eine Drehratensensorvorrichtung unterscheidet sich von der Koppelstruktur der Fig. IA bis C darin, dass zum Zusammensetzen des Rahmens der Koppelstruktur 60 anstelle der Biegefedern U-Federn 62 verwendet werden. Ansonsten sind die Winkelelemente 10a bis 10d auf die schon beschriebene Weise mit den Antriebspunkten 38a und 38b und den Kontaktpunkten 32a und 32b verbunden. Die Koppelstruktur 60 gewährleistet damit die oben schon beschriebenen Vorteile.
Vorzugsweise können die U-Federn 62 so angeordnet werden, dass mindestens eine der U-Federn 62 in einen von dem Rahmen aufgespannten Rahmeninnenraum hineinragt. Die Koppelstruktur 60 benötigt in diesem Fall weniger Anbringfläche.
Die anhand der Fig. IA bis C und 2 beschriebenen Koppelstrukturen werden vorzugsweise für einka- nalige Drehratensensorvorrichtungen mit einer sensitiven Achse verwendet. In der Regel kann mit einer derartigen Drehratensensorvorrichtung eine Rotation eines rotierbaren Körpers um nur eine vorgegebene Raumachse, welche als sensitive Achse bezeichenbar ist, erfasst und bezüglich mindestens einer ihrer Größen ausgewertet werden.
Die im Folgenden beschriebenen Koppelstrukturen eignen sich besonders für mehrkanalige Drehratensensorvorrichtungen, welche dazu ausgelegt sind, eine Rotation eines rotierbaren Körpers um mindestens zwei sensitive Achsen zu erfassen und bezüglich mindestens einer ihrer Größen auszuwerten.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Die dargestellte Koppelstruktur 80 für eine Drehratensensorvorrichtung ist eine Kombination aus zwei der anhand der Fig. IA bis C beschriebenen Koppelstrukturen 40 und 40'. Dabei ist die Koppelstruktur 40' gegenüber der Koppelstruktur 40 um einen Winkel von 90° gedreht angeordnet. Während die Schwingmassen 42a und 42b der Koppelstruktur 40 parallel zu der y- Achse schwingen, sind die Schwingbewegungen der Schwingmassen 42a' und 42b' der Koppelstruktur 40' parallel zu der x- Achse ausgerichtet.
Die Koppelstrukturen 40 und 40' weisen einen gemeinsamen Antriebs- und Kontaktpunkt 82 auf, über welchen die Koppelstrukturen 40 und 40' aneinander gekoppelt sind. Der gemeinsame Antriebs- und Kontaktpunkt 82 fungiert bei der Koppelstruktur 40' als Kontaktpunkt. Demgegenüber wirkt der Antrieb- und Kontaktpunkt 82 bei der Koppelstruktur 40 als Antriebpunkt. Durch diesen gemeinsamen Antrieb- und Kontaktpunkt 82 ist ein Zusammenwirken der beiden Drehratensensorvorrichtungen 40 und 40' so gewährleistet, dass die Schwingungen der Schwingmassen 42a, 42b 42a' und 42b' einander entsprechen. Insbesondere gewährleistet der gemeinsame Antrieb- und Kontaktpunkt 82, dass die Amplituden der Schwingbewegungen der Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' gleich sind.
Eine verlässliche Kopplung zwischen den beiden Koppelstrukturen 40 und 40' ist auch durch eine zusätzliche, einzelne Verbindungsfeder gewährleistet. Zusätzlich ist auf diese Weise auch eine Über- tragung von Störbewegungen zwischen den beiden Koppelstrukturen 40 und 40' gut verhinderbar.
Die Drehratensensorvorrichtung mit der Koppelstruktur 80 ist dazu ausgelegt, bei einem Befestigen der Drehratensensorvorrichtung an einen drehbaren Körper, mindestens eine Größe einer Rotationsbewegung des Körper um zwei sensitive Achsen zu ermitteln. Somit kann die Drehratensensorvorrich- tung mit der Koppelstruktur 80 so ausgelegt werden, dass sowohl eine Rotation des Körpers um eine erste Rotationsachse als auch um eine senkrecht zu der ersten Rotationsachse ausgerichtete zweite Rotationsachse feststellbar und bezüglich ihrer Größen erkennbar ist. Dabei kann die Rotationsbewegung des Körpers eine Auslenkung der Schwingmassen 42a und 42b in die xz-Ebene und/oder eine Auslenkung der Schwingmassen 42a' und 42b' in die yz-Ebene bewirken. Beispielsweise wird mittels der Schwingmassen 42a und 42b eine Rotation um die z- Achse und mittels der Schwingmassen 42a' und 42b' eine Rotation um die y- Achse festgestellt. Als Alternative dazu kann mittels der Schwingmassen 42a und 42b auch eine Rotation um die x- Achse und mittels der Schwingmassen 42a' und 42b' eine Rotation um die z- Achse vermessen werden. Natürlich ist auch die Kombination aus der Messung der Rotation um die x- bzw. y- Achse denkbar.
Die Sensoreinrichtungen zum Ermitteln der Auslenkungen der schwingenden Schwingachsen 42a, 42b, 42a' und 42b' können entsprechend der vorgegebenen Richtung der zu ermittelnden Auslenkungen in- plain Detektionsstrukturen und/oder out-of-plain Detektionsstrukturen sein. Da derartige Sensor- und Auswerteeinrichtungen zum Erkennen der Auslenkungen der Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' und zum Festlegen der mindestens einen Größe der Rotationsbewegung unter Berücksichtigung der erkannten Auslenkungen aus dem Stand der Technik bekannt sind, werden sie hier nicht beschrieben. Als Alternative zu der anhand der Fig. 3 beschriebenen Koppelstruktur 80 können die Koppelstrukturen 40 und 40' auch so aneinander angekoppelt werden, dass ihre Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' parallel zueinander schwingen. Beispielsweise ist mit einer derartigen Koppelstruktur, bei welcher die Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' entlang der y- Achse schwingen, sowohl eine Rotation um die x- Achse als auch eine Rotation um die z- Achse ermittelbar.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Die in Fig. 4 dargestellte Koppelstruktur 90 für eine Drehratensensorvorrichtung kann als kompaktere Ausbildungsform der anhand der Fig. 3 beschriebenen Koppelstruktur bezeichnet werden. Die Koppelstruktur 90 kann aus der Koppelstruktur der Fig. 3 gebildet werden, indem die Winkelelemente 1 Ob, 10d, 10b' und 10a' durch zwei T-förmige Winkelelemente 92a und 92b ersetzt werden.
Dabei weisen die T-förmigen Winkelelemente 92a und 92b einen zusätzlichen dritten Schenkel aus, welcher in einem Neigungswinkel zwischen 60° und 120° zu dem benachbarten Schenkel am Verbin- dungsabschnitt befestigt ist. Vorzugsweise sind die T-förmigen Winkelelemente 92a und 92b so ausgebildet, dass zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel und zwischen dem zweiten Schenkel und dem dritten Schenkel jeweils ein Winkel von 90° vorliegt.
Auch die T-förmigen Winkelelemente 92a und 92b sind so angeordnet, dass sie um eine durch den Verbindungsabschnitt verlaufende Drehachse drehbar sind. Die T-förmigen Winkelelemente 92a und 92b gewährleisten somit die schon beschriebenen Einsatzmöglichkeiten und Vorteile.
Zum Ersetzen der Winkelelemente 1 Ob, 1 Od, 1 Ob' und 10a' der Koppelstruktur der Fig. 3 werden die T-förmigen Winkelelemente 92a und 92b auf die oben schon beschriebene Weise mit den übrigen Komponenten zusammengekoppelt. Die auf diese Weise gewonnene Koppelstruktur 90 weist den Vorteil auf, dass sie weniger Anbringfläche zum Ausführen ihrer Funktion benötigt.
Die Koppelstruktur 90 gewährleistet ein ausgeglichenes gegenphasiges Zusammenschwingen der Schwingmassen 42a und 42b entlang der y- Achse bei einem gleichzeitigen gegenphasigen Zusammenschwingen der Schwingmassen 42a' und 42b' entlang der x- Achse. Auf diese Weise ist eine Drehratensensorvorrichtung mit der Koppelstruktur 90 dazu ausgelegt, nach einem Anbringen an einem rotierbaren Körper eine Rotierbewegung des Körpers um zwei zueinander senkrecht ausgerichtete Rotationsachsen festzustellen. Zusätzlich ist die Koppelstruktur 90 kompakter ausgebildet und weist deshalb ein geringeres Beschädigungsrisiko auf. Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Die in Fig. 5 dargestellte Koppelstruktur 100 eignet sich gut für dreikanalige Drehratensensorvorrich- tung. Sie kann als eine Kombination der anhand der Fig. IA bis C und 3 beschriebenen Koppelstrukturen 40 und 80 bezeichnet werden. Dabei sind die insgesamt drei Koppelstrukturen 40 und 40' über zwei Antrieb- und Kontaktpunkte 82 miteinander verbunden. Somit ist gewährleistet, dass die sechs verschiedenen Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' der Koppelstruktur 100 sich in ihrem Schwingverhalten aneinander anpassen. Insbesondere ist damit sichergestellt, dass die Amplituden der Schwingbewegungen der Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' gleich sind.
Rotiert ein Körper mit der Koppelstruktur 100 um eine Rotationsachse, so werden mindestens zwei Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' ausgelenkt. Mittels einer geeigneten Sensoreinrichtung können die Auslenkungen aller Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' erfasst und bezüglich einer wahr- schemlichen Rotationsbewegung des rotierbaren Körpers ausgewertet werden. Da dazu geeignete Sensor- und Auswerteeinrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hier nicht darauf eingegangen.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Die Koppelstruktur 110 für eine Drehratensensorvorrichtung weist gegenüber der vorhergehenden, anhand der Fig. 5 beschriebenen Koppelstruktur eine kompaktere Bauweise auf. Dabei kann die Koppelstruktur 110 als Kombination der Koppelstrukturen 40 und 90 der Fig. IA bis C und 4 bezeichnet werden. Die verbesserte Kompaktheit der Koppelstruktur 110 wird vor allem durch die Verwendung eines kreuzförmigen Winkelelements 112 und zweier T-förmiger Winkelelemente 92a und 92b erreicht.
Das kreuzförmige Winkelelement 112 weist vier Schenkel auf, welche fest an einem Verbindungsab- schnitt angeordnet sind. Vorzugsweise liegt zwischen zwei benachbarten Schenkeln jeweils ein Winkel von 90°. Mittels eines kreuzförmigen Winkelelements 112 können mindestens drei Winkelelemente mit nur zwei Schenkeln ersetzt werden. Dabei gewährleisten das kreuzförmige Winkelelement 112 und die beiden T-förmigen Winkelelemente 92a und 92b ein angepasstes Schwingen der insgesamt sechs Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' in zwei verschiedenen Raumrichtungen (x- und y- Richtung). Dabei schwingen jeweils zwei Schwingmassen 42a und 42b oder 42a' und 42b' eines Line- arschwingers gegenphasig zueinander. Insbesondere ist gewährleistet, dass die Amplituden der Schwingbewegungen der Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' gleich sind. Somit kann auch mittels der Koppelstruktur 110 eine Rotation eines rotierbaren Körpers in eine beliebige Raumrichtung erfasst und mittels ihrer Größen ausgewertet werden.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Die wiedergegebene Koppelstruktur 120 für eine Drehratensensorvorrichtung weist insgesamt acht Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' auf, wobei jeweils zwei Schwingmassen 42a und 42b (bzw. 42a' und 42b') mittels einer Feder 44 (bzw. 44') direkt aneinander gekoppelt sind. Dabei sind zwei aneinander gekoppelte Schwingmassen 42a und 42b so angeordnet, dass sie gegenphasige Schwing- bewegungen parallel zur y- Achse ausführen können. Gleichzeitig gewährleistet die Koppelstruktur 120, dass zwei aneinander gekoppelte Schwingmassen 42a' und 42b' jeweils gegenphasig parallel zur x-Achse schwingen.
Die Koppelstruktur 120 kann als Kombination von je zwei Koppelstrukturen 40 und 40' bezeichnet werden. Dabei sind die insgesamt vier Koppelstrukturen 40 und 40' so angeordneten, dass sie die Balken einer Kreuzstruktur bilden, wobei jede der Koppelstrukturen 40 und 40' an zwei benachbarte Koppelstrukturen 40 und 40' anstößt. Um die Kompaktheit der Koppelstruktur 120 zu verbessern, können dabei zwei gegenüberliegende Winkelelemente mit nur zwei Schenkeln durch ein kreuzförmiges Win- kelelement 112 ersetzt werden.
Die Koppelstruktur 120 ist bezüglich einer ersten Symmetrieachse 122 und einer zweiten Symmetrieachse 124 spiegelsymmetrisch ausgebildet. Dabei liegt zwischen den beiden Symmetrieachsen 122 und 124 ein Winkel von 90°. Des Weiteren weist die Drehratensensorvorrichtung 120 eine dritte und eine vierte Symmetrieachse 126 und 128 auf, welche gegenüber der ersten Symmetrieachse 122 einen Neigungswinkel von 45° und einen Neigungswinkel von 135° aufweisen.
Aufgrund dieser spiegelsymmetrischen Ausbildung der Koppelstruktur 120 bezüglich der vier Sym- metrieachsen 122 bis 128 ist gewährleistet, dass ein zwischen der ersten und der dritten Symmetrieachse 122 und 126 liegender Teilbereich 129 der Drehratensensorvorrichtung 120 achtmal projizierbar ist. Die in dem Teilbereich 129 liegende Schwingmasse 42b' weist somit eine räumliche Umgebung auf, welche identische mit der räumlichem Umgebung der anderen Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' ist. Dies gewährleistet, dass sich die Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' in ihren Schwing- bewegungen vollständig aneinander anpassen. Die Drehratensensorvorrichtung 120 ist somit besonders gut dazu ausgelegt, nach einem Anbringen an einen rotierbaren Körper eine Rotation des Körpers um eine bezüglich ihrer Richtung im Raum nicht festgelegten Rotationsachse festzustellen. Außerdem können mit einer solchen Struktur auch Redundanzen genutzt werden
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Die Koppelstruktur 130 für eine Drehratensensorvorrichtung umfasst zwei der anhand der Fig. IA bis C beschriebenen Koppelstrukturen 40 und 40'. Dabei ist die Koppelstruktur 40' gegenüber der Koppelstruktur 40 um einen Winkel von 90° gedreht angeordnet.
Die Antriebspunkte 38a und 38a' der Koppelstrukturen 40 und 40' sind jeweils an einen ersten Balken 132 der Koppelstruktur 130 gekoppelt. Dabei ist die Kopplung der Antriebspunkte 38a und 38a' an den ersten Balken 132 vorzugsweise so ausgebildet, dass die Antriebspunkte 38a und 38a' einen konstanten Abstand zu dem ersten Balken 132 einhalten. Entsprechend sind die Antriebspunkte 38b und 38b' der Koppelstrukturen 40 und 40' an einen dem ersten Balken 132 gegenüber liegenden zweiten Balken 134 angekoppelt.
Jeder der beiden Balken 132 und 134 kann entlang einer senkrecht zu seiner Längsrichtung verlaufende Richtung in Schwingbewegungen versetzt werden. Dabei werden die beiden Balken 132 und 134 vorzugsweise so in Schwingungen versetzt, dass sie anti-parallel mit einer Phasendifferenz von 180° (gegenphasig) zueinander schwingen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Antriebspunkte 38a und 38b der Drehratensensorvorrichtung 40 gegenphasig zueinander schwingen und gleichzeitig die Antriebspunkte 38a' und 38b' der Drehratensensorvorrichtung 40' ebenfalls gegenphasig zueinander bewegt werden.
Bei der Koppelstruktur 40 sind die Schwingmassen 42a und 42b jeweils über ein Koppelelement 48a und 48b direkt an einem benachbarten Kontaktpunkt 38a und 38b befestigt. Die Schwingbewegungen der Schwingmassen 42a und 42b verlaufen somit parallel zu den Schwingbewegungen der Antriebspunkte 38a und 38b. Insbesondere werden die Schwingmassen 42a und 42b auf diese Weise zu ge- genphasigen Schwingungen angeregt.
Demgegenüber sind die Schwingmassen 42a' und 42b' der Koppelstruktur 40' über ein Koppelelement 48a' und 48b' jeweils mit einem benachbarten Kontaktpunkt 32a' oder 32b' verbunden. Die Schwingbewegungen der Antriebspunkte 38a' und 38b' entlang der y- Achse werden in eine Schwingbewegung der Schwingmassen 42a' und 42b' entlang der x-Achse übersetzt. Auch die Schwingmassen 42a' und 42b' schwingen somit gegenphasig entlang der x-Achse.
Die einfach herstellbare Koppelstruktur 130 eignet sich somit für eine zweikanalige Drehratensensor- Vorrichtung mit einem einfach ausführbaren Antrieb, welcher zwei Balken 132 und 134 in die gewünschten Schwingungen versetzt. Insbesondere ist dabei gewährleistet, dass die schwingenden Massen 42a, 42b, 42a' und 42b' gleiche Amplituden aufweisen.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Die schematische wiedergegebene Koppelstruktur 140 für eine Drehratensensorvorrichtung ist eine Vereinfachung der anhand der Fig. 8 beschriebenen Koppelstruktur. Die Schwingmassen 42a und 42b, welche über eine Feder 44 direkt miteinander verbunden sind, sind mittels eines Koppelelements 142a oder 142b jeweils direkt an einem benachbarten Balken 132 oder 134 angekoppelt. Auf die übrigen Komponenten der Koppelstruktur 40 wird verzichtet.
Die Schwingmassen 42a und 42b werden somit über die gegenphasigen Schwingungen der beiden Balken 132 und 134 direkt in gegenphasige Schwingungen entlang der y- Achse versetzt. Die Ampli- tuden der Schwingbewegungen der Schwingmassen 42a und 42b weisen dabei die gleichen Werte auf wie die Amplituden der Schwingmassen 42a' und 42b'. Somit gewährleistet auch die kostengünstiger herstellbare Koppelstruktur 140 die oben schon beschriebenen Vorteile.
Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Die dargestellte Koppelstruktur 150 für eine Drehratensensorvorrichtung ist eine Erweiterung der anhand der Fig. 8 beschriebenen Koppelstruktur. Die Koppelstruktur 150 umfasst zwei Koppelstrukturen 40 und eine Koppelstruktur 40'. Die Koppelstrukturen 40 und 40' sind dabei jeweils auf die oben schon beschriebene Weise mit ihren Antriebspunkten 38a, 38b, 38a' und 38b' an die Balken 132 und 134 gekoppelt.
Die Koppelstruktur 150 ermöglicht eine gute Übersetzung der gegenphasigen Schwingungen der Balken 132 und 134 in die gewünschten Schwingungen der Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' ent- lang der x-Achse oder der y- Achse. Die Schwingungen der einzelnen Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' sind dabei aneinander angepasst. Insbesondere weisen die schwingenden Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' die gleiche Amplitude auf. Die Schwingmassen 42a, 42b und 42a', 42b' können dabei direkt oder etwa auch über federelastische Elemente (hier nicht gezeigt) an den jeweiligen Balken 132, 134 und/oder dem Substrat angebunden sein.
Wie einen Fachmann beim Betrachten der Fig. 10 deutlich wird, ist es nicht notwendig, die Koppelstruktur 40' zwischen den beiden Koppelstrukturen 40 anzuordnen. Stattdessen können die beiden Koppelstrukturen 40 auch benachbart zueinander angeordnet werden.
Die Koppelstruktur 150 eignet sich für eine kostengünstige dreikanalige Drehratensensorvorrichtung. In einer Vereinfachung der Koppelstruktur 150 können die aus den Winkelelementen 10a bis 10d gebildeten Rahmen der Koppelstrukturen 40 weggelassen und die Schwingmassen 42a und 42b jeweils direkt an den benachbarten Balken 132 oder 134 gekoppelt werden, wie dies bereit in der Beschreibung der Fig. 9 erläutert ist. Somit sind die bereits beschriebenen Vorteile auch bei einer noch kostengünstigeren Ausführung der Koppelstruktur 150 gewährleistet.
Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Die Koppelstruktur 160 für eine Drehratensensorvorrichtung unterscheidet sich von der anhand der Fig. 8 beschriebenen Koppelstruktur durch zwei Wippen 162 und 164, an welchen die Antriebspunkte 38a, 38b, 38a' und 38b' gekoppelt sind.
Dabei umfasst die erste Wippe 162 drei Balken 162a, 162b und 162c, welche über zwei Gelenke 162d und 162e miteinander verbunden sind. Jeder der drei Balken 162a bis 162c ist so an einem nicht dar- gestellten Gehäuse befestigt, dass jeder Balken 162a bis 162c eine Drehbewegung um eine durch den jeweiligen Balken 162a bis 162c verlaufende Drehachse ausführen kann. Die Balken 162a bis 162c sind mittels der Gelenke 162d und 162e so aneinander gekoppelt, dass sich die Drehbewegungen der Balken 162a bis 162c aneinander anpassen. Man kann deshalb die Drehbewegungen der Balken 162a bis 162c auch als eine Wippbewegung bezeichnen.
Die erste Wippe 162 ist so ausgelegt, dass sie aus einer Ausgangsposition, in welcher die Balken 162a bis 162c entlang einer gemeinsamen Längsachse ausgerichtet sind und die Gelenke 162d und 162e auf der Längsachse liegen, in eine erste Extremstellung verstellbar ist, in welcher das Gelenk 162d eine maximale Auslenkung gegenüber seinen Ausgangsstellung in einer ersten Richtung und das Gelenk 162e eine maximale Auslenkung gegenüber seiner Ausgangsstellung in einer der ersten Richtung entgegen gesetzten zweiten Richtung aufweist. Ebenso ist die Wippe 162 so aus der Ausgangsstellung in eine zweite Extremstellung verstellbar, dass das Gelenkt 162d eine maximale Auslenkung in der zweiten Richtung und das Gelenk 162e eine maximale Auslenkung in der ersten Richtung aufweisen.
Die zweite Wippe 164 ist ebenfalls aus Balken 164a bis 164c und Gelenken 164d und 164e aufgebaut. Bezüglich des Zusammenwirkens der Komponenten 164a bis 164e wird auf den oberen Absatz verwiesen.
Die Koppelstruktur 160 umfasst die bereits beschriebenen Koppelstrukturen 40 und 40'. Bei der Koppelstruktur 40 ist der Kontaktpunkt 38a an das Gelenk 162d und der Antriebspunkt 38b an das Gelenk 164d gekoppelt. Entsprechend sind bei der Koppelstruktur 40' die Antriebspunkte 38a' und 38b' mit den Gelenken 162e und 164e verbunden.
Die Wippbewegungen der Wippen 162 und 164 bewirken somit ein angepasstes gegenphasiges Schwingen der Schwingmassen 42a und 42b bei einem gleichzeitigen angepassten gegenphasigen Schwingen der Schwingmassen 42a' und 42b' entlang der x-Achse. Somit weist die kostengünstig herstellbare Koppelstruktur 160 die bereits beschriebenen Vorteile auf. Das Antreiben der Wippen 162 und 164 zum Ausführen der gewünschten Wippbewegungen ist zusätzlich vergleichsweise einfach.
Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Die dargestellte Koppelstruktur 170 für eine Drehratensensorvorrichtung unterscheidet sich von der in der Fig. 11 wiedergegebenen Koppelstruktur dadurch, dass die Schwingmassen 42a und 42b direkt mittels der Koppelelemente 142a und 142b an die Gelenke 162d und 164d angekoppelt sind. Zur An- kopplung der Antriebspunkte 38a' und 38b' der Koppelstruktur 40' an die Gelenke 162e und 164e wird auf das vorhergehende Ausführungsbeispiel verwiesen. Damit bietet auch die Koppelstruktur 170 eine kostengünstige und einfach herstellbare Möglichkeit zum Gewährleisten der beschriebenen Vorteile.
Fig. 13 zeigt eine schematische Darstellung einer dreizehnten Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Die Koppelstruktur 180 für eine Drehratensensorvorrichtung umfasst zwei Koppelstrukturen 40, eine Koppelstruktur 40', eine erste Wippe 182 und eine zweite Wippe 184. Die erste Wippe 182 besteht aus vier Balken 182a bis 182d welche mittels dreier Gelenke 182e bis 182g miteinander verbunden sind. Somit können die Balken 182a bis 182d aus einer Ausgangsstellung der ersten Wippe 182, in welcher die Balken 182a bis 182d entlang einer gemeinsamen Längsachse ausgerichtet sind und die Gelenke 182e bis 182g auf der Längsachse liegen, in zwei Extremstellungen verstellt werden. In der ersten Extremstellung der Wippe 182 sind die Gelenke 182e und 182g in einer ersten Richtung aus ihren Ausgangsstellungen maximal ausgelenkt. Demgegenüber ist das Gelenk 182f in der ersten Extremstellung in eine der ersten Richtung entgegen gerichtete zweite Richtung maximal ausgelenkt. Auch in der zweiten Extremstellung der Wippe 182 sind die Gelenke 182e und 182g entgegen dem Gelenk 182f ausgelenkt, wobei das Gelenk 182f in die ersten Richtung und die Gelenke 182e und 182g in die zweite Richtung ausgelenkt sind.
Die zweite Wippe 184 ist entsprechend aus den Komponenten 184a bis 184g zusammengesetzt. Sie weist ebenfalls eine Ausgangsstellung auf, aus welcher die Gelenke 184e bis 184g in zwei Extremstel- hingen verstellbar sind.
Durch das Ankoppeln der Antriebspunkte 38a, 38b, 38a' und 38b' an die Gelenke 182e bis 182g und 184e bis 184g können die Schwingmassen 42a, 42b, 42a' und 42b' zu dem oben schon beschriebenen vorteilhaften Schwingverhalten angeregt werden. Dabei werden die Wippen 182 und 184 gleichzeitig und gegenphasig zu Wippbewegungen angeregt. Somit ist auch die kostengünstig herstellbare Koppelstruktur 180 dazu ausgelegt, die oben beschriebenen Vorteile zu gewährleisten.
Die Koppelstruktur 180 kann kostengünstiger ausgeführt werden, indem die Massen 42a und 42b direkt an die Gelenke 182e, 184e, 182g und 184g angekoppelt werden. Somit können die Rahmen der Koppelstrukturen 40 eingespart werden.
Fig. 14 zeigt eine schematische Darstellung einer vierzehnten Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Die Koppelstruktur 190 für eine Drehratensensorvorrichtung umfasst zwei entlang der x-Achse ausgerichtete Balken 132 und 134, an welche zwei Linearschwinger mit jeweils zwei Schwingmassen 42a und 42b gekoppelt sind. Dabei sind die Schwingmassen 42a direkt mittels der Koppelelemente 142a an dem ersten Balken 132 befestigt. Entsprechend sind die Schwingmassen 42b mittels der Koppelelemente 142b mit dem zweiten Balken 134 verbunden.
Durch ein einfach ausführbares Versetzen der beiden Balken 132 und 134 in gegenphasige Schwingungen ist gewährleistet, dass die Schwingmassen 42a und 42b eines jeden Linearschwingers gegenphasig und mit gleicher Amplitude parallel zur y- Achse schwingen. Die Koppelstruktur 190 bietet somit eine kostengünstige Möglichkeit für eine einfach betreibbare zweikanalige Rotationssensorvor- richtung. Fig. 15 zeigt eine schematische Darstellung einer fünfzehnten Ausführungsform der Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung.
Gegenüber der Koppelstruktur der Fig. 14 weist die Koppelstruktur 200 der Fig. 15 anstelle von zwei Balken eine erste Wippe 162 und eine zweite Wippe 164 auf. Zur Beschreibung des Zusammenwirkens der einzelnen Komponenten 162a bis 162e und 164a bis 164e der beiden Wippen 160 und 164 wird auf die Beschreibung der Fig. 11 verwiesen.
Die Schwingmassen 42a der beiden Linearschwinger der Koppelstruktur 200 sind direkt mittels der Koppelelemente 142a an die Gelenke 162d und 162e der ersten Wippe gekoppelt. Ebenso sind die
Schwingmassen 42b der beiden Linearschwinger mittels der Koppelelemente 142b mit jeweils einem
Gelenk 164d oder 164e der zweiten Wippe 164 verbunden.
Auch die Koppelstruktur 200 lässt sich auf einfach Weise kostengünstig herstellen. Somit bietet die
Koppelstruktur 200 eine vorteilhafte Möglichkeit für eine zweikanalige Drehratensensorvorrichtung, bei welcher die vier Schwingmassen 42a und 42b gegenphasig und mit gleichen Amplituden in
Schwingbewegungen entlang der y- Achse versetzt werden.
Alle in den oberen Absätzen beschriebenen Koppelstrukturen können in einen luftdichten Gehäuse mit einem einfüllten Gas oder Vakuum angeordnet werden, wobei über den Gasdruck eine Frequenz der Schwingungen und/oder Dämpfung der Schwingmassen variierbar ist.
Eine Drehratensensorvorrichtung mit einer der in den oberen Absätzen beschriebenen Koppelstrukturen kann beispielsweise in Consumer- und Automotive-Produkten eingesetzt werden.
Die Erfindung ist nicht auf Anwendungen beschränkt, bei denen die Schenkel der Winkelemente gleich lang ausgebildet sind. Vielmehr können die Schenkel eines jeweiligen Winkelelements oder unterschiedlicher Winkelelemente auch unterschiedlich lang sein.

Claims

Ansprüche:
1. Koppelstruktur (40,60,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180) für eine Drehratensen- sorvorrichtung,
mit mindestens einer ersten Schwingmasse (42a),
mit einem die erste Schwingmasse (42a) umgebenden ersten Rahmen, mit welchem die erste Schwingmasse (42a) gekoppelt ist,
wobei der erste Rahmen vier Winkelelemente (10a,10b,10c,10d,92a,92b,l 12) umfasst, von denen jedes der Winkelelemente (10a,10b,10c,10d,92a,92b,l 12) mindestens einen ersten Schenkel (14a) und einen zweiten Schenkel (14b) aufweist und mit dem ersten Schenkel (14a) und mit dem zweiten Schenkel (14b) jeweils an ein anderes benachbartes Winkelelement (10a,10b,10c,10d,92a,92b,112) der vier Winkelelemente (10a,10b,10c,10d,92a,92b,l 12) gekoppelt ist.
2. Koppelstruktur nach Anspruch 1, wobei jedes der Winkelelemente
(10a,10b,10c,10d,92a,92b,l 12) des ersten Rahmens um eine vorzugsweise durch das jeweilige Win- kelelement (10a,10b,10c,10d,92a,92b,l 12) verlaufende Drehachse (16) drehbar angeordnet ist.
3. Koppelstruktur nach Anspruch 1 oder 2,
mit mindestens einer zweiten Schwingmasse (42a') und
mit einem die zweite Schwingmasse (42a') umgebenden zweiten Rahmen, mit welchem die zweite Schwingmasse (42a') gekoppelt ist und welcher aus vier aneinander gekoppelte Winkelelementen ( 10a', 1 Ob', 10c', 10d',92a,92b, 112) gebildet wird.
4. Koppelstruktur nach Anspruch 3, wobei mindestens zwei Winkelelemente (10a,10b,10c,10d,92a,92b,l 12) des ersten Rahmens und mindestens zwei Winkelelemente (10a',10b',10c',10d',92a,92b,l 12) des zweiten Rahmens mit jeweils einem Schenkel an einen gemeinsamen Punkt (82), einen Balken (132,134) oder eine Wippe (162,164,182,184) so gekoppelt sind, dass die Bewegungen der an den gemeinsamen Punkt (82), den Balken (132,134) oder die Wippe (162,164; 182,184) gekoppelten zwei Winkelelemente (10a,10b,10c,10d,92a,92b,112) des ersten Rahmens den Bewegungen der an den gemeinsamen Punkt (82), den Balken (132,34) oder die Wippe (162, 164; 182,84) gekoppelten zwei Winkelelemente (10a',10b',10c',10d',92a,92b,112) des zweiten Rahmens entsprechen.
5. Koppelstruktur nach Anspruch 3 oder 4, wobei mindestens ein Winkelelement (92a,92b,l 12) ein Bestandteil des ersten Rahmens und des zweiten Rahmens ist, und wobei das Winkelelement (92a,92b,l 12), welches Bestandteil des ersten Rahmens und des zweiten Rahmens ist, als T-formiges Winkelelement (92a,92b) oder als kreuzförmiges Winkelelement (112) ausgebildet ist.
6. Koppelstruktur (190,200) für eine Drehratensensorvorrichtung,
mit einer ersten Schwingmasse (42a) und einer zweiten Schwingmasse (42b), welche über eine erste Feder (44) miteinander verbunden sind,
mit einer dritten Schwingmasse (42a') und einer vierten Schwingmasse (42b'), welche über eine zweite Feder (44') miteinander verbunden sind,
wobei die erste Schwingmasse (42a) und die dritte Schwingmasse (42a') so an eine erste Balken- oder Wippeneinrichtung (132,182) gekoppelt sind und die zweite Schwingmasse (42b) und die vierte
Schwingmasse (42b') so an eine zweite Balken- oder Wippeneinrichtung (134,184) gekoppelt sind, dass bei einer ersten Bewegung der ersten Balken- oder Wippeneinrichtung (132,182), welche gegenüber einer zweiten Bewegung der zweiten Balken- oder Wippeneinrichtung (134,184) gegenphasig ist, die erste Schwingmasse (42a) in eine ersten Schwingbewegung versetzbar ist, welche gegenüber einer zweiten Schwingbewegung, in welche die zweite Schwingmasse (42b) versetzbar ist, gegenphasig ist.
7. Koppelstruktur (190, 200) nach Anspruch 6, bei der mindestens eine der Schwingmassen (42a, 42a', 42b, 42b') über ein federelastisches Element an ein Substrat angebunden ist.
8. Drehratensensorvorrichtung,
mit einer Koppelstruktur (40,60,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
mit einer Sensor- und Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, bei einer ersten Schwingbewegung der ersten Schwingmasse (42a) entlang einer ersten Schwingrichtung eine von einer Corioliskraft bewirkte Abweichbewegung der ersten Schwingmasse (42a) in eine zu der ersten Schwingrichtung nicht parallele Abweichrichtung festzustellen und eine Information bezüglich einer Rotation der Dreh- ratensensorvorrichtung unter Berücksichtigung der festgestellten Abweichbewegung der ersten Schwingmasse (42a) in die Abweichrichtung festzulegen.
9. Herstellungsverfahren für eine Koppelstruktur (40,60,80,90,100,110,120,130,140,150,160, 170,180) für eine Drehratensensorvorrichtung, insbesondere eine Koppelstruktur (40,60,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180) nach einem der Ansprüche 1 - 5, mit den Schritten:
Aneinanderkoppeln von vier Winkelelementen (10a,10b,10c,10d,92a,92b,l 12), von denen jedes der Winkelelemente (10a,10b,10c,10d,92a,92b,112) mindestens einen ersten Schenkel (14a) und einen zweiten Schenkel (14b) aufweist, zu einem Rahmen, wobei jedes der Winkelelemente (10a,10b,10c,10d,92a,92b,l 12) mit dem ersten Schenkel (14a) und mit dem zweiten Schenkel (14b) jeweils an ein anderes benachbartes Winkelelement (10a,10b,10c,10d,92a,92b,l 12) der vier Winkel- elemente (10a,10b,10c,10d,92a,92b,l 12) gekoppelt wird; und
Ankoppeln mindestens einer Schwingmasse (42a) an den die Schwingmasse (42a) umgebenden Rahmen.
10. Herstellungsverfahren für eine Koppelstruktur (190,200) für eine Drehratensensorvorrichtung, insbesondere eine Koppelstruktur (40,60,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180) nach einem der Ansprüche 6 oder 7 mit den Schritten:
Verbinden einer ersten Schwingmasse (42a) mit einer zweiten Schwingmasse (42b) über eine erste Feder (44) und Verbinden einer dritten Schwingmasse (42a') mit einer vierten Schwingmasse (42b') über eine zweite Feder (44'); und
Ankoppeln der ersten Schwingmasse (42a) und der dritten Schwingmasse (42a') an eine erste Balkenoder Wippeneinrichtung (132,182) und Ankoppeln der zweiten Schwingmasse (42b) und der vierten Schwingmasse (42b') an eine zweite Balken- oder Wippeneinrichtung (134,184); wobei die Schwing- massen (,42a,42b,42a',42b') so an die jeweilige Balken- oder Wippeneinrichtung (132,134,182,184) gekoppelt werden, dass bei einer ersten Bewegung der ersten Balken- oder Wippeneinrichtung (132,182) , welche gegenüber einer zweiten Bewegung der zweiten Balken- oder Wippeneinrichtung (134,184) gegenphasig ist, die erste Schwingmasse (42a) in eine ersten Schwingbewegung versetzt wird, welche gegenüber der zweiten Schwingbewegung, in welche die zweite Schwingmasse (42b) versetzt wird, gegenphasig ist.
11. Verfahren zur Herstellung einer Drehratensensorvorrichtung nach Anspruch 8, welche eine Koppelstruktur (40,60,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,200) aufweist, die nach einem Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10 hergestellt wird.
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