Gyroskopische Sensoren

Wenn eine Kamera oder ein Objektiv leichte Wackler des Fotografen ausgleichen soll, muss das System diese Bewegungen erfassen. Diese Aufgabe übernehmen in der Regel gyroskopi sche Sensoren. Dabei handelt es sich um Winkelbeschleunigungssensoren, die oft auch als Accelerometer bezeichnet werden. Das Ausgangssignal gyroskopischer Sensoren ist proportional zu der Rotationsfrequenz, was sie für die Hersteller der Kameras so interessant macht. Ihre Technik macht sich die Trägheit der Masse zunutze. Isaac Newton beobachtete dieses Phänomen und stellte fest, dass die Körper ihren Bewegungszustand beibehalten, solange die Summe der darauf wirkenden Kräfte Null ist.

Grundsätzlich unterscheidet man optische und mechanische Gyrosensoren, wobei heute nur die mechanischen genügend stark miniaturisiert werden können. Ihren Ursprung haben die Gyrosensoren in mechanischen Gyroskopen, die häufig in der Luftfahrttechnik eingesetzt werden. Dabei wird ein Rotor auf einer Achse gelagert aufgehängt, so dass er, einmal in Bewegung versetzt, seine Lage im Raum beibehält, auch wenn sich die äußere Aufhängung bewegt.

Mikro-elektromechanische Gyrosensoren

Die Technik der mikro-elektromechanischen Systeme (MEMS) ermöglichte es, die Gyrosensoren so weit zu miniaturisieren, dass sie in ein herkömmliches Kameragehäuse passen und erschwinglich sind. Die sperrige Lagerung des Rotors entfällt in den kleinen Sensoren, denn die Rotationsbewegung wurde durch Oszillation ersetzt. Basistechnik dieser in Kameras eingesetzten mikro-elektromechanischen Gyrosensoren sind Quartz, Silizium oder piezo-elektrische Keramiken. Dabei haben die auf Silizium basierenden Gyrosensoren den entscheidenden Vorteil kleinerer Resonatoren und der einfacheren Herstellung in der Halbleiterindustrie.

Für die Bewegungsmessung in den Stabilisierungssystemen werden meistens zwei um 90° zueinander gedrehte Gyrosensoren eingesetzt, die jeweils nur für eine Bewegungsachse zuständig sind. Es gibt inzwischen Sensorchips, die alle drei Achsen umfassen, jedoch sind diese auch entsprechend teuer.

Auch die Empfindlichkeit hängt vom ausgewählten Bauteil ab. Der gyroskopische Ein-Achsen-Sensor in der Nikon Coolpix 8800 ist beispielsweise in der Lage, Bewegungen zwischen 0,1° und 1500° pro Sekunde zu erfassen und liefert 0,66 mV pro Grad pro Sekunde (mV/deg/s) am Ausgang. Die Leistungsaufnahme der heutigen Sensoren, die in der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden, liegt unter 10 mW, der Preis unter 10 Euro.Nintendo hat sich die Funktionsweise der Gyrosensoren zunutze gemacht und baut sie seit 2006 in die Controller der Nintendo Wii ein. Apple und IBM nutzen die Winkelbeschleunigungssensoren in einigen Notebooks, um einen Sturz des Rechners zu erkennen, die Schreib- und Leseköpfe von der Festplatte zu nehmen und sicher zu "parken", bevor das Notebook aufschlägt, um einen Datenverlust durch Beschädigung der Festplatte zu vermeiden.