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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Solche
Drehratensensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise sind aus
den Druckschriften
DE
101 08 196 A1 ,
DE
101 08 197 A1 und
DE
102 37 410 A1 Drehratensensoren mit Coriolis-Elementen bekannt,
wobei insbesondere ein erstes und ein zweites Coriolis-Element über
eine Feder miteinander verbunden sind und zu Schwingungen parallel
zu einer ersten Achse angeregt werden, wobei ein erstes und ein
zweites Detektionsmittel eine Auslenkung des ersten und zweites
Coriolis-Elements aufgrund einer auf die Coriolis-Elemente wirkenden
Corioliskraft detektieren, so dass die Differenz aus einem ersten
Detektionssignal des ersten Detektionsmittels und einem zweiten
Detektionssignal des zweiten Detektionsmittels abhängig
von der Corioliskraft und somit auch abhängig von der Drehrate
des Drehratensensors ist. Eine Messung einer Beschleunigung des gesamten
Drehratensensors ist nicht vorgesehen, so dass zur Beschleunigungsmessung
ein zusätzlicher Beschleunigungssensor verwendet werden
muss. Insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik werden jedoch
zumeist Informationen sowohl zur Drehrate, als auch zur Beschleunigung
benötigt, beispielsweise um Sicherheitssysteme, wie ESP-Anwendungen
oder Hill-Hold Control-Funktionen, zu steuern.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors
gemäß den nebengeordneten Ansprüchen,
hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass mit
lediglich einem einzigen Drehratensensor sowohl eine Drehrate, als
auch eine Beschleunigung messbar ist. Insbesondere zur Steuerung
von Komfort- und Sicherheitsfunktionen in einem Fahrzeug ist es
notwendig die Drehrate und die Beschleunigung eines Fahrzeugs zu
messen, beispielsweise wird für ESP-Anwendungen und Hill-Hold
Control-Funktionen die Drehraten um die Hochachse des Fahrzeugs,
als auch die Beschleunigung des Fahrzeugs als Eingangssignal benötigt. Dazu
werden im Stand der Technik Drehratensensoren und Beschleunigungssensoren
parallel eingesetzt. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht im Gegensatz dazu die Messung einer Beschleunigung
des Drehratensensors parallel zur zweiten Achse mittels des Drehratensensors
selbst, so dass in vorteilhafter Weise die Implementierung eines
Beschleunigungssensors vollständig eingespart werden kann.
Dies ermöglicht eine wesentlich kostengünstigere,
bauraumkompaktere und energieverbrauchsärmere Realisation
der Sensorelemente und somit auch der zu steuernden Sicherheits-
und Komfortfunktionen. Bei einer Beschleunigung parallel zur zweiten
Achse werden aufgrund von Trägheitskräften das
erste und das zweite Coriolis-Element, welche gegenüber
dem Substrat schwingend gelagert sind, in einer Richtung parallel
zur zweiten Achse ausgelenkt. Diese Auslenkung wird von dem ersten
und dem zweiten Detektionsmittel detektiert, insbesondere über
ein kapazitives Messverfahren. Das erste Gesamtsignal aus der Summe
des ersten Signals und des zweiten Signals ist somit abhängig
von der Auslenkung der Coriolis-Elemente und damit auch von der
Beschleunigung des Drehratensensors parallel zur zweiten Achse.
Insbesondere wird die Beschleunigungsmessung in der zweiten Achse
dabei durch eine Bewegung der Coriolis-Elemente senkrecht zur zweiten
Achse in der ersten Achse nicht oder nur unwesentlich beeinflusst.
Zur Beseitigung etwaiger Störeinflüsse ist es
bevorzugt vorgesehen, die Schwingungsanregung während der
Beschleunigungsmessung abzuschalten.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Messung einer
Drehrate des Drehratensensors um eine sowohl zur ersten Achse, als
auch zur zweiten Achse senkrechten dritten Achse ein zweites Gesamtsignal
aus der Differenz des ersten und des zweiten Signals erzeugt wird,
während das erste Coriolis-Element die erste Schwingung
und das zweite Coriolis-Element die zweite Schwingung durchführen.
Eine Drehung des Drehratensensors um eine zur dritten Achse parallelen Drehachse
bewirkt jeweils eine Auslenkung des ersten und des zweiten Coriolis-Elements
durch eine in Abhängigkeit der Drehbewegung auf das erste
und das zweite Coriolis-Element wirkenden Corioliskraft, wobei das
erste und das zweite Coriolis-Element eine gegenphasige Schwingung
parallel zur ersten Achse durchführen, welche durch das
erste und das zweite Anregungsmittel hervorgerufen wird. Diese Auslenkung
ist sowohl rechtwinklig zur Schwingungsbewegung des ersten und des
zweiten Coriolis-Elements, sowie senkrecht zur Drehachse. Folglich
ist die Auslenkung parallel zur zweiten Achse und über
das erste und das zweite Detektionsmittel messbar. Das zweite Gesamtsignal
aus der Differenz des ersten und des zweiten Detektionssignals ist
somit abhängig von der Corioliskraft auf das erste und
das zweiten Coriolis-Element und folglich auch abhängig
von der Drehrate des Drehratensensors um die Drehachse. Die Drehachse
befindet sich vorzugsweise symmetrisch in der Mitte zwischen den
Coriolis-Elementen im Bereich einer Punktsymmetrieachse des Drehratensensors.
Weiterhin ist das zweite Gesamtsignal abhängig von der
Schwingungsbewegung, welche besonders bevorzugt über weitere
Detektionsmittel gemessen wird. In besonders vorteilhafter Weise
ist somit mit nur einem einzigen Drehratensensor die Messung einer
Drehrate durch Bildung einer Differenz des ersten und zweiten Signals,
als auch die Messung einer Beschleunigung durch Bildung der Summe
des ersten und des zweiten Signals möglich. Die Drehratenmessung
und die Beschleunigungsmessung können bevorzugt parallel
und/oder seriell durchgeführt werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Drehratensensor ein
Substrat mit einer Haupterstreckungsebene aufweist, wobei das erste
und das zweite Coriolis-Element nebeneinander parallel zur Haupterstreckungsebene
angeordnet sind und wobei bevorzugt die erste und die zweite Schwingung
zueinander antiparallel vorgesehen sind, so dass in besonders vorteilhafter Weise
eine differenzielle Auswertung des ersten und des zweiten Detektionssignals
ermöglicht wird. Insbesondere ermöglicht die differenzielle
Auswertung eine Unterdrückung von Störeinflüssen,
welche das erste und das zweite Detektionssignal überlagern und
gleich groß sind, da diese Störeinflüsse
sich bei der Differenzbildung des ersten mit dem zweiten Detektionssignals
gegenseitig kompensieren.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste
und die zweite Achse in der Haupterstreckungsebene und die dritte Achse
senkrecht zur Haupterstreckungsebene vorgesehen sind oder dass die
erste Achse senkrecht zur Haupterstreckungsebene und die zweite
und dritte Achse in der Haupterstreckungsebene vorgesehen sind oder
dass die zweite Achse senkrecht zur Haupterstreckungsebene und die
erste und dritte Achse in der Haupterstreckungsebene vorgesehen sind.
Insbesondere in Abhängigkeit der jeweiligen Anordnung der
Anregungs- und/oder der Detektionsmittel sind somit entweder Drehraten
senkrecht zur Haupterstreckungsebene und Beschleunigungen in der
Haupterstreckungsebene oder Drehraten in der Haupterstreckungsebene
und Beschleunigungen in der Haupterstreckungsebene oder Drehraten
in der Haupterstreckungsebene und Beschleunigungen senkrecht zur
Haupterstreckungsebene detektierbar. Je nach Anwendung sind somit
auch die erste und die zweite Auslenkung bzw. die erste und die
zweite Schwingung senkrecht zur Haupterstreckungsebene oder in der
Haupterstreckungsebene.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste
Gesamtsignal erzeugt wird, während das erste Coriolis-Element
die erste Schwingung und das zweite Coriolis-Element die zweite
Schwingung durchführen. Besonders vorteilhaft muss somit
zur Beschleunigungsmessung die Schwingungsanregung des ersten und
des zweiten Coriolis-Elements durch das erste und das zweite Anregungsmittel
nicht unterbrochen werden, so dass eine zeitnahe serielle und/oder
parallele Beschleunigungs- und Drehratenmessung ermöglicht
wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Anregung der
ersten Schwingung und/oder die Anregung der zweiten Schwingung bei Überschreiten
eines Schwellwertes eingeschaltet werden, wobei bevorzugt der Schwellwert von
der Geschwindigkeit des Drehratensensors abhängt. Besonders
bevorzugt wird somit die vergleichsweise energieaufwändige
Schwingungsanregung lediglich in einem Bedarfsfall eingeschaltet.
Besonders bevorzugt werden permanent und/oder taktweise Beschleunigungsmessungen
durchgeführt und beim Überschreiten des Schwellwertes
durch das erste Gesamtsignal die Schwingungsanregung zum Durchführen
der Drehratenmessung eingeschaltet. Vorteilhaft wird somit die Schwingungsanregung
vorzugsweise erst beim Überschreiten einer Mindestgeschwindigkeit
eines Fahrzeugs eingeschaltet.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Erzeugung des
ersten Gesamtsignals die ersten und die zweiten Detektionsmittel
gleichphasig zueinander angesteuert werden, während zur
Erzeugung des zweiten Gesamtsignals die ersten und die zweiten Detektionsmittel
gegenphasig angesteuert werden. Besonders bevorzugt umfassen die
ersten und zweiten Detektionsmittel Kammstrukturen, welche über
eine Kapazitätsmessung zwischen gegenüberliegenden
Elektroden erfolgt. Besonders vorteilhaft ist die Umschaltung zwischen
der differenziellen Auswertung des ersten und zweiten Signals für
die Drehratenmessung und der summierenden Auswertung des ersten
und zweiten Signals für die Beschleunigungsmessung über
eine geeignete Ansteuerung der Kammstrukturen zu kapazitiven Signalerfassung
vorgenommen werden, indem die gegenüberliegenden Elektroden
der jeweiligen Kammstrukturen einmal gegenphasig und im anderen
Fall gleichphasig angesteuert werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei der Erzeugung
des ersten Gesamtsignals ein Signalverarbeitungsmittel für
das erste Gesamtsignal auf einen Frequenzbereich der ersten und/oder
der zweiten Schwingung eingestellt wird, wobei bei der Erzeugung
des zweiten Gesamtsignals das Signalverarbeitungsmittel auf eine
Basisband-Frequenz eingestellt wird. Besonders vorteilhaft werden
somit die Signalverarbeitungsmittel auf den jeweiligen Frequenzbereich
des ersten und des zweiten Signals angepasst.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Gesamtsignal
und das zweite Gesamtsignal synchron erzeugt werden. Besonders vorteilhaft
werden somit die Drehrate und die Beschleunigung gleichzeitig und
mit nur einem einzigen Drehratensensor gemessen.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste und das
zweite Coriolis-Element über ein Koppelmittel miteinander
gekoppelt werden. Vorteilhaft ist durch ein geeignetes Koppelmittel
eine Einstellung der Schwingungsmoden des ersten und des zweiten
Coriolis-Elements relativ zueinander möglich, wobei bevorzugt
das Koppelmittel ein Federmittel umfasst, welches in Richtung der ersten
und/oder der zweiten Achse weich ausgebildet ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste und/oder
das zweite Coriolis-Element über weitere Koppelmittel mit
dem Substrat gekoppelt werden, so dass besonders vorteilhaft das
erste und zweite Coriolis-Element gegenüber dem Substrat
schwingfähig ausgebildet sind. Die weiteren Koppelmittel
sind bevorzugt als Federelemente ausgebildet.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Fahrzeug,
insbesondere in einem ESP- und/oder Hill-Hold-Control-System eines Fahrzeugs.
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Ein
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es
zeigt 1 eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors
gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsform der
Erfindung
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In 1 ist
ein Drehratensensor 1 gemäß einer beispielhaften
Ausführungsform dargestellt, wobei der Drehratensensors 1 ein
erstes Coriolis-Element 3 und ein zweites Coriolis-Element 3' aufweist, welche
nebeneinander parallel zur Haupterstreckungsebene 100 eines
Substrats 2 angeordnet sind, wobei das erste Coriolis-Element 3 von
einem ersten Anregungsmittel 4 zu einer ersten Schwingung 5 und das
zweite Coriolis-Element 3' von einem zweiten Anregungsmittel 4' zu
einer zweiten Schwingung 5' anregbar sind und wobei die
erste und die zweite Schwingung 5' parallel zu einer ersten
Achse X in der Haupterstreckungsebene 100 und zueinander
antiparallel vorgesehen sind. Ein erstes Signal wird von einem ersten
Detektionsmittel 6 in Abhängigkeit einer ersten
Auslenkung 7 des ersten Coriolis-Elements 3 und
ein zweites Signal von einem zweiten Detektionsmittel 6' in
Abhängigkeit einer zweiten Auslenkung 7' des zweiten
Coriolis-Elements 3' erzeugt, wobei die erste und die zweite
Auslenkung 7, 7' jeweils parallel zu einer in
der Haupterstreckungsebene 100 senkrecht zur ersten Achse
X verlaufenden zweiten Achse Y und zueinander gleichgerichtet vorgesehen
sind. Eine Beschleunigung des Drehratensensors 1 parallel
zur zweiten Achse Y erzeugt die erste und die zweite Auslenkung 7, 7' des
ersten und des zweiten Coriolis-Elements 3, 3' in
Abhängigkeit einer auf das erste und das zweite Coriolis-Element 3, 3' wirkenden
Trägheitskraft, wobei die erste und zweite Auslenkung 7, 7' von
dem ersten und dem zweiten Detektionsmittel 6, 6' detektiert
werden. Ein erstes Gesamtsignal aus der Summe des ersten und des
zweiten Signals ist folglich abhängig von der ersten und
zweiten Auslenkung 7, 7'. Daher ist das erste Gesamtsignal
auch abhängig von der Beschleunigung, welche somit durch
die Summation des ersten und des zweiten Signals messbar ist. Das
erste Gesamtsignal kann während der Anregung des ersten und
des zweiten Coriolis-Elements 3, 3' zur ersten und
zweiten Schwingung 5, 5' erzeugt werden, während
insbesondere zusätzlich eine Coriolis-Kraft auf das erste
und das zweite Coriolis-Element 3, 3' wirken.
Alternativ ist ebenfalls bevorzugt ein Ausschalten der ersten und
zweiten Anregungsmittel 4, 4' zur Erzeugung des
ersten Gesamtsignals vorgesehen, so dass das erste und das zweite
Coriolis-Element 3, 3' keine erste und zweite
Schwingung 5, 5' durchführen. Weist der
Drehratensensor 1 eine Drehrate um eine dritte Achse Z
parallel zu einer Flächennormalen des Substrats 2 auf,
so wirken auf das erste und das zweite Coriolis-Element 3, 3' eine
Corioliskraft, sofern das erste und das zweite Coriolis-Element 3, 3' die
erste und zweite Schwingung 5, 5' durchführen. Die
Coriolis-Kraft wirkt senkrecht zur Drehachse parallel zur dritten
Achse Z und senkrecht zu den Schwingungsrichtungen der ersten und
zweiten Schwingung 5, 5', so dass das erste und
zweite Coriolis-Element 3, 3' aufgrund der Corioliskraft
die erste und zweite Auslenkung 7, 7' parallel
zur zweiten Achse Y durchführen, welche durch das erste
und zweite Detektionsmittel 6, 6' gemessen werden.
Die Differenz des ersten und des zweiten Signals ist abhängig von
der Corioliskraft und der ersten und zweiten Schwingung 5, 5' und
somit auch abhängig von der Drehrate des Drehratensensors 1.
Zur Detektion der ersten und zweiten Schwingung 5, 5' sind
bevorzugt weitere Detektionsmittel vorgesehen. Die Messung der Drehrate
und der Beschleunigung bzw. die Erzeugung des ersten und des zweiten
Gesamtsignals kann sowohl parallel, als auch seriell durchgeführt werden.
Das erste und das zweite Coriolis-Element 3, 3' sind über
ein Koppelmittel 20 miteinander gekoppelt und über
ein weiteres Koppelmittel 21 mit dem Substrat 2 gekoppelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10108196
A1 [0002]
- - DE 10108197 A1 [0002]
- - DE 10237410 A1 [0002]