專利名稱：偏航率傳感器和用于運行偏航率傳感器的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種根據權利要求1前序部分所述的偏航率傳感器。
背景技術：
這樣的偏航率傳感器(Drehratensensoren)是普遍公知的。例如，由文獻DE 195 19 488 Al公開了一種具有第一和第二振動質量的偏航率傳感器，其中，所述第一和第二振 動質量借助激勵裝置被激勵作振動，第一振動質量的第一偏移借助分析處理裝置檢測，而 第二振動質量的第二偏移借助另外的分析處理裝置檢測，并且第一和第二偏移相互不平行 地且與該振動不平行地設置。該偏航率傳感器的缺點在于第一偏移是不可差分地分析處 理的，因此所述分析處理裝置的第一分析處理信號除了與科氏力相關外還具有比較多的潛 在干擾因素。

發(fā)明內容
與現(xiàn)有技術相比，根據并列權利要求所述的按本發(fā)明的偏航率傳感器以及按本發(fā) 明的用于運行偏航率傳感器的方法具有如下優(yōu)點在比較小的結構空間面積上允許對第一 偏移進行全差分的分析處理。第一科氏元件通過激勵裝置激勵作平行于第一方向的振動。 該偏航率傳感器繞第二軸的第一偏航率產生作用在第一科氏元件上的第一科氏力，該第二 軸平行于一個與第一方向及與第三方向基本上垂直的第二方向延伸，該第一科氏力平行于 第三方向作用并且由于第一科氏元件被構造為等臂梁而產生平行于第三方向的第一偏移。 通過第一分析處理裝置對第一偏移的測定產生第一檢測信號，該第一檢測信號取決于第一 科氏力并且由此取決于繞第二軸的偏航率。尤其由于第一科氏元件繞尤其平行于主延伸平 面布置的旋轉軸的能扭振的支承，所述第一科氏力產生所述第一偏移，該第一偏移可通過 第一檢測裝置測量。該檢測裝置優(yōu)選包括一些檢測電極，這些檢測電極電容式地測量所述 第一偏移。第一科氏元件作為等臂梁的構造允許對第一檢測裝置的信號進行全差分的分析 處理。因此，與僅具有一個唯一的科氏元件的現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明能夠實現(xiàn)對第一偏航率 的全差分的檢測，使得所需的結構空間與現(xiàn)有技術相比以顯著的方式減小并且因而能夠實 現(xiàn)偏航率傳感器的成本更有利的制造和偏航率傳感器的更簡單的實施。本發(fā)明的有利的構造方案和擴展方案可由從屬權利要求以及參照附圖的說明書 得出。根據一種優(yōu)選的擴展方案，所述偏航率傳感器具有一第二科氏元件，其中，所述激 勵裝置設置用于激勵所述第二科氏元件在所述第一方向上振動，并且，還設有用于檢測所 述第二科氏元件在與所述第一方向及與所述第三方向都基本上垂直的第二方向上的第二 偏移的第二檢測裝置。因此，特別優(yōu)選地在比較小的結構空間面積上允許對第一偏移以及 對第二偏移進行全差分的檢測，其中，尤其是可全差分地分析處理繞第二軸的偏航率和繞 第三軸的偏航率。第二科氏元件通過激勵裝置激勵作平行于第一方向的振動。偏航率傳感 器繞平行于第三方向的第三軸的第二偏航率產生作用在第二科氏元件上的第二科氏力，該
4第二科氏力平行于第二方向作用并且由于第二科氏元件的一個至少能關于第二方向振動 的支承結構引起第二科氏元件的第二偏移。通過第二分析處理裝置對第二偏移的測定產 生第二檢測信號，該第二檢測信號取決于第二科氏力并且因此取決于繞第三軸的第二偏航 率。該第一分析處理裝置優(yōu)選包括用于執(zhí)行電容式測量的梳形結構，該梳形結構尤其設置 在第二科氏元件的內部，從而能夠實現(xiàn)對第二檢測信號的全差分的分析處理。根據另一種優(yōu)選的擴展方案，所述等臂梁的旋轉軸平行于主延伸平面延伸，其中， 所述等臂梁關于所述旋轉軸優(yōu)選具有非對稱的質量分布并且特別優(yōu)選所述旋轉軸基本上 平行于所述第一方向或平行于所述第二方向延伸。由于所述等臂梁關于所述旋轉軸的非對 稱的質量分布，第一科氏力以有利的方式產生等臂梁繞旋轉軸的旋轉運動。該旋轉運動引 起第一偏移，該第一偏移優(yōu)選通過第一檢測裝置檢測并且被全差分地分析處理。特別優(yōu)選 的是，通過第一檢測裝置對第一偏移的測定基于檢測電極與至少一個反電極之間的電容式 測量，其中，所述反電極非常特別優(yōu)選地設置在等臂梁上和/或由等臂梁自身構成。這些檢 測電極的信號可尤其是可全差分地分析處理的，在第一科氏元件的垂直于主延伸平面地與 襯底相對置的側面上無需其它的檢測電極。根據另一種優(yōu)選的擴展方案，所述第一檢測裝置包括一個第一檢測裝置部件和另 一個第一檢測裝置部件，其中，在所述第一檢測裝置部件與所述另一個第一檢測裝置部件 之間優(yōu)選設有所述旋轉軸或一個平行于所述旋轉軸且平行于所述第三方向延伸的平面。因 此，特別有利的是允許對第一偏航率進行全差分的分析處理，其中，第一檢測裝置部件的第 一檢測信號與另一個檢測裝置部件的另一個第一檢測信號被全差分地分析處理。根據另一種優(yōu)選的擴展方案，所述第一科氏元件借助第一彈簧固定在框架上，所 述第二科氏元件借助第二彈簧固定在框架上，并且，優(yōu)選所述框架借助第三彈簧固定在襯 底上，特別優(yōu)選所述激勵裝置激勵所述框架作振動。所述第一和第二科氏元件以特別有利 的方式相互通過框架連接，使得僅僅通過對框架的激勵就能實現(xiàn)對第一科氏元件及對第二 科氏元件的相同的振動激勵。該激勵裝置特別優(yōu)選地構造為梳形驅動裝置，其非常特別優(yōu) 選地設置在框架的相對兩側上并且交替地激勵框架的諧振頻率。根據另一種優(yōu)選的擴展方案，所述第二彈簧和/或所述第三彈簧包括U彈簧和優(yōu) 選曲折的U彈簧，和/或，所述第一彈簧包括扭簧和優(yōu)選具有開口結構或導體結構的扭簧， 其中，優(yōu)選所述第二彈簧僅僅在所述第二方向上構造為柔性的，所述第三彈簧僅僅在所述 第一方向上構造為柔性的和/或所述第一彈簧僅僅關于繞所述旋轉軸的扭轉構造為柔性 的。通過將扭簧構造為帶切口的彈簧或者構造為導體彈簧，以有利的方式抑制了第一科氏 元件的由振動引起的不期望的旋轉運動，因為這樣的扭簧允許繞旋轉軸的旋轉運動，同時 相對于垂直于主延伸平面的旋轉運動是比較抗扭的。所述導體彈簧尤其具有兩個平行的 梁，這些梁通過多個橫臂相互連接。特別有利的是，第二和/或第三彈簧構造為U彈簧，因 為U彈簧具有比較小的非線性。特別優(yōu)選的是，這些彈簧被曲折化，從而能在優(yōu)選方向上實 現(xiàn)比較小的彈簧剛度。根據另一種優(yōu)選的擴展方案，所述第三檢測裝置設置用于檢測所述框架的所述振 動，其中，所述第三檢測裝置和/或所述激勵裝置優(yōu)選構造為梳形結構。因為第一和第二科 氏力除了取決于第一和第二偏航率外還與平行于第一軸的振動有關，所以有利的是通過第 三檢測裝置測定該振動。特別有利的是由于第一和第二科氏元件通過框架連接，僅需要用于測定框架的振動的第三檢測裝置。非常特別優(yōu)選的是，第三檢測裝置構造為框架的相對 兩側上的進行電容式測量的梳形結構。根據另一種優(yōu)選的擴展方案，所述第二檢測裝置構造為梳形結構，其優(yōu)選與所述 第二科氏元件一起設置在一個與所述襯底的主延伸平面平行的平面中，和/或，所述第一 檢測裝置在一個垂直于主延伸平面的方向上與所述第一科氏元件重疊地設置。非常特別優(yōu) 選的是，第二檢測裝置設置在第二科氏元件的空槽的內部，使得偏航率傳感器的所需的基 面比較小。根據另一種優(yōu)選的擴展方案，設有用于限制所述第一科氏元件在所述第一、第二 和/或第三方向上的第一運動的第一止擋，設有用于限制所述第二科氏元件在第一、第二 和/或第三方向上的第二運動的第二止擋，和/或，設有用于限制所述框架在第一、第二和 /或第三方向上的第三運動的第三止擋。因此，特別有利的是，偏航率傳感器在比較大的加 速度的作用下免受損壞。尤其地，在過載情況中通過限制可運動的元件的可運動性避免了 短接、彈簧斷裂、鎖閉或形成微粒。優(yōu)選地，設置了彈性的或能彈動的止擋。根據另一種優(yōu)選的擴展方案，為了使框架在振動方面平衡，設置所述框架的適配 的質量分布、所述第三彈簧的適配的布置和/或所述偏航率傳感器關于與所述第一方向平 行的對稱軸線的鏡像對稱的構造。特別優(yōu)選的是，通過這樣的徑向對稱的構造，抑制了框架 振動中的轉動分量的出現(xiàn)，所述轉動分量尤其通過等臂梁的非對稱的質量分布引起。尤其 地，該框架具有一個關于第一軸或振動方向完全質量對稱的分布。特別優(yōu)選的是，也可以通 過第三彈簧的適配的布置抑制框架的不均勻的質量分布和/或不均勻的形狀，以抑制振動 過程中的轉動分量。為此，這樣地設置第三彈簧，使得框架在其振動方面基本上是完全平衡 的。本發(fā)明的另一個主題是用于運行偏航率傳感器的方法，其中，所述第一檢測裝置 產生至少一個第一檢測信號和另一個第一檢測信號，其中，所述第一檢測信號和所述另一 個第一檢測信號取決于所述偏航率傳感器繞平行于所述第二方向的第二軸的旋轉運動。因 此，特別有利的是，能夠僅通過一個單獨的科氏元件實現(xiàn)對繞第二軸的偏航率的全差分的 分析處理。根據一種優(yōu)選的擴展方案，由所述第一檢測裝置部件產生所述第一檢測信號，由 所述另一個檢測裝置部件產生所述另一個檢測信號。因此，特別有利的是，第一科氏元件由 于第一科氏力而繞旋轉軸的轉動不但由所述第一檢測裝置部件，而且由所述另一個檢測裝 置部件測量，使得為了以盡可能少的干擾因素比較精確地檢測第一偏航率，可將第一檢測 信號與所述另一個第一檢測信號全差分地分析處理。根據另一種優(yōu)選的擴展方案，由第二檢測裝置產生第二檢測信號和另一個第二檢 測信號，其中，所述第二檢測信號和所述另一個第二檢測信號取決于所述偏航率傳感器繞 平行于所述第三方向的第三軸的旋轉運動。因此，特別有利的是，通過一個單獨的、僅具有 兩個科氏元件的偏航率傳感器可同時對繞第二軸的第一偏航率以及對繞第三軸的第二偏 航率進行全差分的測定。由于僅通過兩個科氏元件檢測偏航率，與現(xiàn)有技術相比允許顯著 節(jié)省結構空間地且因此成本有利地實現(xiàn)偏航率傳感器。根據一種優(yōu)選的擴展方案，差分地分析處理所述第一檢測信號和所述另一個第一 檢測信號，和/或，差分地分析處理所述第二檢測信號和所述另一個第二檢測信號。因此，
6特別有利的是，顯著地提高了對第一和/或第二偏航率的測定精度，因為第一檢測裝置的 信號以及第二檢測裝置的信號在潛在的誤差因素方面在全差分的信號處理的情況下可被 校正。


本發(fā)明的實施例在附圖中示出并且在以下說明書中詳細地闡述。其中圖1示出根據本發(fā)明的第一實施方式的偏航率傳感器的示意性俯視圖；圖2a示出根據本發(fā)明的第一實施方式的偏航率傳感器的部分區(qū)域的示意性俯視 圖；圖2b示出根據本發(fā)明的第二實施方式的偏航率傳感器的部分區(qū)域的示意性俯視 圖；圖2c示出根據本發(fā)明的第三實施方式的偏航率傳感器的部分區(qū)域的示意性俯視 圖；圖3示出根據本發(fā)明的第四實施方式的偏航率傳感器的另一個部分區(qū)域的示意 性俯視圖；圖4示出根據本發(fā)明的第五實施方式的偏航率傳感器的示意性俯視圖。
具體實施例方式在各幅圖中，相同的部分始終配設相同的附圖標記，因此通常也總是僅提到一次。在圖1中示出根據本發(fā)明的示例性的第一實施方式的偏航率傳感器1的示意性俯 視圖，其中，該偏航率傳感器1具有一襯底13、一第一科氏元件3和一第二科氏元件2，其 中，設有構造為梳形結構的激勵裝置4，用于電容式地激勵第一和第二科氏元件3，2在第一 方向X上振動6，其中，設有第二檢測裝置7，用于檢測第二科氏元件2在與第一方向X基本 上垂直的第二方向Y上的第二偏移，并且設有第一檢測裝置，用于檢測第一科氏元件3在與 第一方向X及第二方向Y基本上都垂直的第三方向Z上的第一偏移。第一科氏元件3構造 為等臂梁，其中，該等臂梁具有一個平行于襯底13的主延伸平面100且平行于第一方向X 的旋轉軸8，該等臂梁關于該旋轉軸8具有非對稱的質量分布。第一檢測裝置的第一檢測電 極設置在該等臂梁下方或者垂直于主延伸平面100地設置在襯底13相對于等臂梁的側面 上，該第一檢測裝置根據作用在等臂梁上的第一科氏力并且因而也根據偏航率傳感器1繞 平行于第二方向Y的第二軸的第一偏航率產生第一檢測信號和另一個第一檢測信號。第一 檢測信號和另一個第一檢測信號被相互全差分地分析處理。第二檢測裝置7構造為在與主 延伸平面100平行的、具有第二科氏元件2的平面中進行電容式測量的梳形結構，其中，該 第二檢測裝置7設置在第二科氏元件2內部的空槽中，第二檢測裝置7根據平行于第二方 向Y作用在第二科氏元件2上的第一科氏力并且因而也根據偏航率傳感器1繞平行于第三 方向Z的第三軸的第二偏航率產生一個第二檢測信號和另一個第二檢測信號。該第二檢測 信號和另一個第二檢測信號優(yōu)選同樣被全差分地分析處理。該第二科氏元件2借助第二彈 簧9固定在框架11上，而第一科氏元件3借助第一彈簧10固定在框架11上，其中，該框架 11借助第三彈簧12固定在襯底13上。對第一和第二科氏元件3，2的振動激勵通過激勵裝 置4對框架11的振動激勵實現(xiàn)，該激勵裝置作為梳形結構在框架11上設置在框架11的沿
7第一方向X相互對置的兩側上。在第二方向上，同樣構造為梳形結構的第三檢測裝置14設 置在激勵裝置4旁邊，該第三檢測裝置電容式地測量框架11的振動。第二和第三彈簧9，12 構造為曲折的U彈簧，而第一彈簧10包括具有導體結構的扭簧，其中，第二彈簧9僅僅在第 二方向Y上構造成柔性的，第三彈簧12僅僅在第一方向X上構造為柔性的，并且第一彈簧 10僅僅在繞旋轉軸8的扭轉方面構造為柔性的。此外，第三彈簧12優(yōu)選地這樣構造或者設 置在框架11上，使得該框架11關于振動6是平衡的。在圖2a中示出根據本發(fā)明的第一實施方式的偏航率傳感器1的部分區(qū)域20的示 意性俯視圖，其中，所繪出的部分區(qū)域20繪出第一彈簧10，該第一彈簧10具有兩個平行的 梁，這些梁通過多個橫臂相互連接。這樣構造的扭簧或第一彈簧10尤其允許繞旋轉軸8的 旋轉運動，而它們同時相對于垂直主延伸平面的旋轉運動是比較抗扭的。因此，尤其是抑制 平行于第二方向Y作用在第一科氏元件3上的科氏力，以及抑制第一科氏元件3的由框架 平行于第一方向X的振動和由等臂梁的非對稱的質量分布引起的、繞著與第三方向Z平行 的軸的左右搖擺運動和/或旋轉運動。在圖2b中示出根據本發(fā)明的第二實施方式的偏航率傳感器的部分區(qū)域20的示意 性俯視圖，其中，該第二實施方式與在圖1和2a中繪出的第一實施方式完全相同，其中，僅 僅第一彈簧10構造為單根彈簧(Einfachfeder)。在圖2c中示出根據本發(fā)明的第三實施方式的偏航率傳感器1的部分區(qū)域20的示 意性俯視圖，其中，該第三實施方式與在圖1和2a中示出的第一實施方式相同，其中，偏航 率傳感器1附加地具有一第一止擋15，該第一止擋既限制第一科氏元件3在第一方向X上 的運動，也限制第一科氏元件3在第二方向Y上的運動。該第一止擋15尤其是構造為能彈 動的第一止擋15，從而通過由第一止擋15清晰地定義的相應的最大偏擺相對柔和地使第 一科氏元件3在第一和/或第二方向X，Y上的運動停止。該第一科氏元件3還具有穿孔 22。在圖3中示出根據本發(fā)明的第四實施方式的偏航率傳感器1的另一個部分區(qū)域2 的示意性俯視圖，其中，該第四實施方式與第一實施方式基本上相同，其中，該另一個部分 區(qū)域具有框架11和一第三止擋16。該第三止擋16尤其是與襯底13固定地連接并且這樣 地設置在框架11的空槽23中，使得該框架在第一方向X上及在第二方向Y上的運動通過 相應的與第三止擋16的止擋接觸被限制。該第三止擋16還優(yōu)選地具有止擋突舌24。在圖4中示出根據本發(fā)明的第五實施方式的偏航率傳感器的示意性俯視圖，其 中，該第五實施方式與在圖1中示出的第一實施方式基本上相同，其中，第一和第二科氏元 件3，2這樣地設置，使得偏航率傳感器1或者至少所述框架11關于一個在第一方向X上延 伸的對稱軸線16基本上對稱地且尤其質量對稱地構造，該對稱軸線關于第二方向Y設置在 框架的中心。該第一科氏元件3具有一個平行于第二方向Y的旋轉軸，而第二科氏元件2 關于對稱軸線16分成第一和第二部分30，31。第一和第二部分30，31通過一個剛性的連接 隔板32剛性地相互連接，其中，第一科氏元件3設置在第一和第二部分30，31之間。
權利要求
具有一襯底(13)和一第一科氏元件(3)的偏航率傳感器(1)，其中，設有用于激勵所述第一科氏元件(3)在第一方向(X)上振動(6)的激勵裝置(4)，其中，設有用于檢測所述第一科氏元件(3)在與所述第一方向(X)基本上垂直的第三方向(Z)上的第一偏移的第一檢測裝置，其特征在于，所述第一科氏元件(3)構造為等臂梁。
2.根據權利要求1的偏航率傳感器(1)，其特征在于，所述偏航率傳感器具有一第二科 氏元件(2)，其中，所述激勵裝置(4)設置用于激勵所述第二科氏元件(2)在所述第一方向 (X)上振動(6)，并且，還設有用于檢測所述第二科氏元件(2)在與所述第一方向(X)及與 所述第三方向(Z)都基本上垂直的第二方向(Y)上的第二偏移的第二檢測裝置(7)。
3.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器(1)，其特征在于，所述等臂梁的旋轉軸(8) 平行于所述襯底(13)的主延伸平面(100)延伸，其中，所述等臂梁關于所述旋轉軸(8)優(yōu) 選具有非對稱的質量分布并且特別優(yōu)選所述旋轉軸(8)基本上平行于所述第一方向(X)或 所述第二方向(Y)延伸。
4.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器(1)，其特征在于，所述第一檢測裝置包括 一個第一檢測裝置部件和另一個第一檢測裝置部件，其中，在所述第一檢測裝置部件與所 述另一個第一檢測裝置部件之間優(yōu)選設有所述旋轉軸(8)或一個平行于所述旋轉軸(8)且 平行于所述第三方向(Z)延伸的平面。
5.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器(1)，其特征在于，所述第一科氏元件(3)借 助第一彈簧(10)固定在框架(11)上，和/或，所述第二科氏元件(2)借助第二彈簧(9)固 定在框架(11)上，并且，優(yōu)選所述框架(11)借助第三彈簧(12)固定在所述襯底(13)上， 特別優(yōu)選所述激勵裝置(4)激勵所述框架作所述振動(6)。
6.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器(1)，其特征在于，所述第二彈簧(9)和/或 所述第三彈簧(12)包括U彈簧和優(yōu)選曲折的U彈簧，和/或，所述第一彈簧(10)包括扭簧 和優(yōu)選具有開口結構或導體結構的扭簧，其中，優(yōu)選所述第二彈簧(9)僅僅在所述第二方 向(Y)上構造為柔性的，所述第三彈簧(12)僅僅在所述第一方向(X)上構造為柔性的和/ 或所述第一彈簧(10)僅僅在繞所述旋轉軸(8)的扭轉方面構造為柔性的。
7.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器(1)，其特征在于，所述第三檢測裝置(14) 設置用于檢測所述框架(11)的所述振動(6)，其中，所述第三檢測裝置(14)和/或所述激 勵裝置(4)優(yōu)選構造為梳形結構。
8.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器(1)，其特征在于，所述第二檢測裝置(7)構 造為梳形結構，其優(yōu)選與所述第二科氏元件(2) —起設置在一個與所述襯底(13)的主延伸 平面(100)平行的平面中，和/或，所述第一檢測裝置在所述第三方向(Z)上與所述第一科 氏元件(3)重疊地設置。
9.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器(1)，其特征在于，設有用于限制所述第一 科氏元件(3)在所述第一、第二和/或第三方向(X，Y，Z)上的第一運動的第一止擋(15)，設 有用于限制所述第二科氏元件(2)在所述第一、第二和/或第三方向(Χ，Υ，Ζ)上的第二運 動的第二止擋，和/或，設有用于限制所述框架(11)在所述第一、第二和/或第三方向(X， Υ，Ζ)上的第三運動的第三止擋(16)。
10.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器(1)，其特征在于，為了使所述框架(11)在 所述振動(6)方面平衡，設有所述框架的適配的質量分布、所述第三彈簧的適配的布置和/或所述偏航率傳感器(1)關于與所述第一方向(X)平行的對稱軸線(16)的鏡像對稱的構造。
11.用于運行根據以上權利要求之一的偏航率傳感器(1)的方法，其特征在于，所述第 一檢測裝置至少產生一個第一檢測信號和另一個第一檢測信號，其中，所述第一檢測信號 和所述另一個第一檢測信號取決于所述偏航率傳感器(1)繞與所述第二方向(Y)平行的第 二軸的旋轉運動。
12.根據權利要求10的方法，其特征在于，由所述第一檢測裝置部件產生所述第一檢 測信號，由所述另一個檢測裝置部件產生所述另一個檢測信號。
13.根據權利要求10的方法，其特征在于，由所述第二檢測裝置產生一個第二檢測信 號和另一個第二檢測信號，其中，所述第二檢測信號和所述另一個第二檢測信號取決于所 述偏航率傳感器(1)繞與所述第三方向(Z)平行的第三軸的旋轉運動。
14.根據權利要求9的方法，其特征在于，差分地分析處理所述第一檢測信號和所述另 一個第一檢測信號，和/或，差分地分析處理所述第二檢測信號和所述另一個第二檢測信 號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有襯底和第一科氏元件的偏航率傳感器，其中，設有用于激勵所述第一科氏元件在第一方向上振動的激勵裝置，其中，設有用于檢測所述第一科氏元件在與所述第一方向基本上垂直的第三方向上的第一偏移的第一檢測裝置，其特點在于，所述第一科氏元件構造為等臂梁。
文檔編號G01C19/56GK101903740SQ200880121428
公開日2010年12月1日 申請日期2008年11月10日 優(yōu)先權日2007年12月18日
發(fā)明者J·克拉森, S·格拉奇 申請人:羅伯特·博世有限公司