DE102013208244A1

DE102013208244A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Drehratensensors

Info

Publication number: DE102013208244A1
Application number: DE201310208244
Authority: DE
Inventors: Jens Strobel; Thomas Northemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2014-11-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (800) zum Betreiben eines Drehratensensors (DS), wobei der Drehratensensor (DS) eine federnd gelagerte und elektrisch aufladbare Schwingmasse (M) aufweist, die von zumindest einer Antriebselektrode (A1, A2) in Schwingung versetzbar ist und wobei der Drehratensensor (DS) zumindest eine Detektionselektrode (D1, D2) aufweist, wobei die Detektionselektrode (D1, D2) ausgebildet ist, eine Schwingung der Schwingmasse (M) in eine Richtung zu erfassen, die von einer Achse zwischen der Antriebselektrode (A1, A2) und der Schwingmasse (M) oder durch die Antriebselektrode (A1, A2) und die Schwingmasse (M) abweicht. Das Verfahren (800) umfasst einen Schritt des Beaufschlagens (810) der Antriebselektrode (A1, A2) mit einer Antriebsspannung (510), wobei die Antriebsspannung (510) eine erste Frequenz (1f) aufweist. Ferner umfasst das Verfahren (800) einen Schritt des Anlegens (820) einer Modulationsspannung (200) an zumindest jeder von zwei Antriebselektroden (A1, A2) und/oder zumindest jeder von zwei Detektionselektroden (D1, D2), wobei die Modulationsspannung (200) eine zweite Frequenz (2f) aufweist, die sich von der ersten Frequenz (1f) unterscheidet. Schließlich umfasst das Verfahren (800) einen Schritt des Erfassens (830) einer Auslenkung (x) der Schwingmasse (M) von der zumindest einen Detektionselektrode (D1, D2), um den Drehratensensor (DS) zu betreiben.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Drehratensensors, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
Beispielsweise in modernen Fahrzeugen ist eine sehr präzise Ermittlung einer Drehrate für sicherheitsrelevante und Komfort-unterstützende Systeme von erheblicher Bedeutung. Durch eine genaue Ermittlung der Drehrate kann beispielsweise eine präzise Auslösung von Fahrzeugsicherheitssystemen erfolgen, die anderenfalls nicht oder nur mit geringer Funktionalität möglich wäre. In Ansätzen zum Stand der Technik wird der Coriolis-Effekt zur Messung des Drehratensignals genutzt. Dabei berechnet sich die auf eine mit der Geschwindigkeit v bewegte Coriolis-Masse m_c wirkende Coriolis-Kraft F_C aus: F_c = –2·m_c·Ω × v
Dies bedeutet, dass die Coriolis-Masse m_c orthogonal zu Geschwindigkeitsrichtung und anliegender Drehrate beschleunigt wird. Dieser auftretenden Coriolis-Kraft F_C wirkt eine Federkraft F_k mit der Federkonstante k_eff entgegen F_c = F_k → –2·m_c·Ω × v = k_eff·x.
Ein Drehratensensor wird typischerweise unter hohem Vakuum (ca. 1 mbar) betrieben. Hierdurch kann durch Güteüberhöhung bei geringer Dämpfung eine hohe Sensitivität des Drehratensignals erreicht werden. Die Verwendung eines Vakuums ist aber kostenintensiv und daher werden nach Alternativen gesucht.
Einen Ansatz zur Drehratenmessung ist in der DE 199 39 998 A1 offenbart, in der eine Vorrichtung zur Vorspannungserzeugung für einen schwingenden Drehratensensor vorgestellt wird.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Drehratensensors, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ein Verfahren zum Betreiben eines Drehratensensors, wobei der Sensor eine federnd gelagerte und elektrisch auf ladbare Schwingmasse aufweist, die von zumindest einer Antriebselektrode entlang einer Antriebsrichtung in Schwingung versetzbar ist und wobei der Sensor zumindest eine Detektionselektrode aufweist, wobei die Detektionselektrode ausgebildet ist, eine Schwingung der Schwingmasse, welche aufgrund einer Rotation der Schwingmasse (A1) um eine quer zur Antriebsachse (x) verlaufende Rotationsachse (z) erzeugt wird, entlang einer Detektionsachse (y) zu erfassen, wobei die Detektionsachse (y) quer zur Antriebsachse (x) und der Rotationsachse (z) der Schwingmasse (M) verläuft, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

– Beaufschlagen der Antriebselektroden mit einer Antriebsspannung, wobei die Antriebsspannung eine erste Frequenz aufweist;
– Anlegen je einer Modulationsspannung der zumindest einen Antriebselektrode und zumindest einer weiteren Antriebselektrode (A2) und/oder an der zumindest einen Detektionselektrode und zumindest einer weiteren Detektionselektrode (D2), wobei die Modulationsspannung eine zweite Frequenz aufweist, die sich von der ersten Frequenz unterscheidet; und
– Erfassen einer Auslenkung der Schwingmasse von der zumindest einen Detektionselektrode, um den Drehratensensor zu betreiben.

Unter einer federnd gelagerten Schwingmasse kann ein Masseelement verstanden werden, welches bei einer Auslenkung durch Federn zurück in seine Ausgangsposition gebracht wird. Dieses Masseelement kann dabei elektrisch aufgeladen oder auf ein Massepotenzial gelegt werden und hierdurch von einer oder mehreren unterschiedlichen Elektroden angezogen werden. Hierfür kann dieses Masseelement eine elektrisch leitfähige Oberfläche oder ein elektrisch leitfähiges Material im Inneren des Masseelementes aufweisen (oder vollständig aus einem leitfähigen Material hergestellt sein), um eine elektrostatische Wirkung von Elektroden auf das Masseelement zu ermöglichen. Durch die zumindest eine Antriebselektrode kann die Schwingmasse in eine Schwingung in eine erste Richtung entlang einer Antriebsachse versetzt werden. Hierzu kann die Schwingmasse auf ein definiertes elektrisches Potenzial gebracht werden, welches sich von einem Potenzial zumindest einer der Antriebselektrode unterscheidet, sodass sich die Schwingmasse aufgrund einer elektrostatischen Anzugskraft zur Antriebselektrode hin bewegt. Die Antriebsachse kann bspw. Senkrecht durch die Antriebselektrode und durch die Schwingmasse, z. B. durch den Schwerpunkt der Schwingmasse, verlaufen. Die Antriebsachse kann ferner senkrecht durch zwei Antriebselektroden verlaufen. Wird nun der Drehratensensor gedreht, wird die schwingende Schwingmasse in eine von der Antriebsachse unterschiedliche zweite Richtung entlang einer Detektionsachse bewegt, wobei die Detektionsachse beispielsweise senkrecht zu der Antriebsachse ausgerichtet ist. Die Detektionsachse kann bspw. Senkrecht durch die Detektionselektrode und durch die Schwingmasse, z. B. durch den Schwerpunkt der Schwingmasse verlaufen. Die Detektionsachse kann ferner senkrecht durch zwei Detektionselektroden verlaufen. Die Bewegung der Schwingmasse in die zweite Richtung kann nun von den Detektionselektroden erfasst werden, beispielsweise dadurch, wie sich das Potenzial an den Detektionselektroden verändert, wenn ein Abstand zwischen der (elektrisch aufgeladenen) Schwingmasse und zumindest einer der Detektionselektroden sich verändert. Unter einem Beaufschlagen kann vorliegend ein Anlegen einer elektrischen Spannung an Elektroden verstanden werden. Unter einem Anlegen kann ein Verändern eines elektrischen Potenzials an eine oder mehrere Elektroden verstanden werden, wobei die Elektroden auch bereits gegenüber einem Bezugspotenzial aufgeladen sein können. Unter einer Modulationsspannung kann beispielsweise auch eine an die betreffende Elektrode angelegte Spannung verstanden werden, die in Bezug auf ein Bezugspotenzial wie beispielsweise ein Massepotenzial gelegt wird. Dies bedeutet, dass die Modulationsspannung auch an eine oder mehrere Elektroden angelegt werden kann, die bereits mit einer anderen Spannung wie beispielsweise der Antriebsspannung beaufschlagt werden. Insofern kann unter dem Anlegen ein Überlagern der Modulationsspannung oder eines Potenzials über die Antriebsspannung verstanden werden. Unter einem Erfassen kann eine Bestimmung des Abstands zwischen zumindest einer Detektionselektrode und der Schwingmasse verstanden werden, die beispielsweise unter Auswertung eines Potenzials an zumindest einer Detektionselektrode erfolgt.
Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Verwendung von unterschiedlichen Frequenzen für die Antriebsspannung und die Modulationsspannung eine Adaption von Federkräften möglich ist, die auf die federnd gelagerte Schwingmasse wirken. Diese Adaption von Federkräften basiert dabei einerseits auf einer mechanischen Federkraft, die durch an der Schwingmasse an greifenden mechanischen Federn verursacht wird und andererseits durch eine Kraft, die durch ein elektrostatisches Anziehen verursacht wird. Insofern überlagern sich an der Schwingmasse somit Kräfte zu einer Gesamtfederkraft, die durch unterschiedliche physikalische Prinzipien verursacht werden. Dabei können auch die mechanische Federkraft und die elektrodenstatische Anziehungskraft unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Durch die Adaption der Federkräfte kann das Ausschwingen beziehungsweise Zurückstellen der Schwingmasse vorteilhaft beeinflusst werden. Beispielsweise kann eine geringe Gesamtfederkraft eingestellt werden, wenn die Schwingmasse aus ihrer Ruhelage ausgelenkt wird, um eine möglichst große Auslenkung oder Strecke der Schwingmasse aus der Ruhelage heraus zu erreichen und hierdurch eine sehr präzise Erkennung einer Drehung zu ermöglichen. Andererseits kann eine sehr ohne Gesamtfederkraft eingestellt werden, um die Schwingmasse aus ihrer maximalen Auslenkungslage wieder in die Ruhelage zurückzubewegen, um möglichst schnell den Drehratensensor zurückzustellen und die für einen neuen Messvorgang vorzubereiten. Zur Adaption der Federkräfte ist es daher möglich, die in Relationsspannung sowohl an den Antriebselektroden als auch an den Detektionselektronen anzulegen, um die Bewegung der Schwingmasse zu beeinflussen.
Der hier vorgestellte Ansatz bietet den Vorteil, durch technisch einfache Möglichkeiten eine deutliche Erhöhung der Messgenauigkeit des Drehratensensors zu schaffen. Hierzu braucht lediglich bei einem Drehratensensor, der bereits entsprechende Elektroden aufweist, eine der Modulationsspannung entsprechende Spannung an einer oder mehreren bestimmten Elektroden angelegt werden, wodurch sich durch Überlagerung der elektrostatischen Kräfte zwischen der oder den betreffenden Elektroden und der (aufgeladenen) Schwingmasse über die durch die mechanischen Federn ausgeübten Federkräfte die Adaption der Gesamtfederkraft realisieren lässt.
Ferner schafft der hier vorgestellte Ansatz eine Vorrichtung zum Betreiben eines Drehratensensors, wobei der Sensor eine federnd gelagerte Schwingmasse aufweist, die von zumindest einer Antriebselektrode entlang einer Antriebsachse in Schwingung versetzbar ist und wobei der Sensor zumindest eine Detektionselektrode aufweist, wobei die zumindest eine Detektionselektrode ausgebildet ist, eine Schwingung der Schwingmasse, welche aufgrund einer Rotation der Schwingmasse (A1) um eine quer zur Antriebsachse (x) verlaufende Rotationsachse (z) erzeugt wird, entlang einer Detektionsachse (y) zu erfassen, wobei die Detektionsachse (y) quer zur Antriebsachse (x) und der Rotationsachse (z) der Schwingmasse (M) verläuft, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:

– eine Einheit zum Beaufschlagen der Antriebselektrode mit einer Antriebsspannung oder einem Antriebspotenzial, wobei die Antriebsspannung oder das Antriebspotenzial eine erste Frequenz aufweist;
– eine Einheit zum Anlegen je einer Modulationsspannung an der zumindest einen Antriebselektrode und zumindest einer weiteren Antriebselektrode (A2) und/oder an der zumindest einen Detektionselektrode und zumindest einer weiteren Detektionselektrode, wobei die Modulationsspannung eine zweite Frequenz aufweist, die sich von der ersten Frequenz unterscheidet; und
– eine Einheit zum Erfassen einer Auslenkung der Schwingmasse von der zumindest einen Detektionselektrode, um den Drehratensensor zu betreiben.

Somit wird in dem hier vorgestellten Ansatz eine Vorrichtung vorgestellt, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Besonders vorteilhaft ist ferner eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der im Schritt des Anlegens zwei gleich getaktete Modulationsspannungen an jeder der zwei Antriebselektroden und/oder an jeder der zwei Detektionselektroden angelegt werden. Günstig ist ferner eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der im Schritt des Anlegens eine Modulationsspannung verwendet wird, bei der die zweite Frequenz dem doppelten der ersten Frequenz entspricht. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Verwendung einer Modulationsspannung mit einer zweiten Frequenz, die doppelt so groß ist, wie die erste Frequenz der Antriebsspannung die Möglichkeit besteht, eine Schwingung der Schwingmasse besonders gut zu steuern.
Insbesondere kann hierdurch in einem Teilzyklus die Gesamtfederkraft, die auf die Schwingmasse wirkt, bei einer Auslenkung der Schwingmasse sehr weich eingestellt werden, wogegen bei einer Rückbewegung der Schwingmasse in die Ruhelage die Gesamtfederkraft erhöht wird, sodass sich die Schwingmasse sehr schnell wieder in die Ruhelage zurückgelegt.
Besonders vorteilhaft ist ferner eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der im Schritt des Anlegens die Modulationsspannung der Antriebsspannung überlagert wird. Eine derartige Ausführungsform der folgenden Erfindung bietet den Vorteil, dass an den Detektionselektroden keine Modulationsspannung angelegt werden braucht, die bei der Auswertung des Potenzials der Detektionselektrode(n) zu berücksichtigen ist.
Von Vorteil ist ferner eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der im Schritt des Erfassens eine Spannungsdifferenz zwischen den Detektionselektroden erfasst wird, wobei aus der Spannungsdifferenz eine Drehrate ermittelt wird, insbesondere wobei die Spannungsdifferenz unter Verwendung eines Ladungsintegrators erfasst wird. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer besonders präzisen Erfassung einer Spannungsdifferenz, wobei Gleichtaktsignale unterdrückt werden und somit keine Störungsgrößen für die Erfassung der Spannungsdifferenz bilden.
Günstig ist ferner eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Modulationsspannung und/oder die Antriebsspannung in Abhängigkeit von einer tatsächlichen aktuellen Lage der Schwingmasse folgt. Hierdurch lässt sich besonders präzise eine möglichst große und regelbare Auslenkung der Schwingmasse erreichen, wodurch sich, bedingt auf den großen Auslenkungsweg, auch eine sehr genaue Erfassung der Drehrate ermöglichen lässt. Speziell kann somit gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schritt des Anlegens eine Messung einer aktuellen Auslenkung der Schwingmasse zwischen den Antriebselektroden erfolgen, wobei die Modulationsspannung in Abhängigkeit von der Auslenkung der Schwingmasse zwischen den Antriebselektroden geregelt wird.
Besonders vorteilhaft ist ferner eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Beaufschlagen von Elektroden mit einer Spannung und das Erfassen einer Position der Schwingmasse zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen. In Abhängigkeit von der Position der Schwingmasse kann dann eine Antriebsspannung geregelt werden, sodass durch das Verwenden einer variablen Antriebsspannung eine gewünschte Auslenkung der Schwingmasse präzise eingestellt werden kann. Hierdurch lässt sich erreichen, dass die gleichen Elektroden einerseits zur präzisen Messung der Position bzw. Auslenkung der Schwingmasse und andererseits zur Bewegung der Schwingmasse mittels einer variablen angelegten Spannung verwendet werden können. Insofern kann gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schritt des Anlegens ein Regeln der Auslenkung der Schwingmasse zwischen den Antriebselektroden derart erfolgen, dass in einem ersten Taktzyklus ein Erfassen der Auslenkung der Schwingmasse zwischen den Antriebselektroden erfolgt, wobei die Antriebselektroden von der Antriebsspannung entkoppelt sind, wobei eine Messeinheit zur Erfassung der aktuellen Auslenkung der Schwingmasse zwischen den Antriebselektroden mit den Antriebselektroden gekoppelt ist, und wobei in einem zweiten Taktzyklus die Antriebselektroden mit einer von der Auslenkung der Schwingmasse zwischen den Antriebselektroden abhängigen Antriebsspannung beaufschlagt sind, wobei die Messeinheit zur Erfassung der aktuellen Auslenkung der Schwingmasse zwischen den Antriebselektroden von den Antriebselektroden entkoppelt ist. Alternativ oder zusätzlich kann im Schritt des Anlegens ein Regeln der Auslenkung der Schwingmasse zwischen den Detektionselektroden derart erfolgen, dass in einem ersten Taktzyklus ein Erfassen der Auslenkung der Schwingmasse zwischen den Detektionselektroden erfolgt, wobei eine Messeinheit zur Erfassung der aktuellen Auslenkung der Schwingmasse zwischen den Detektionselektroden von Detektionselektroden gekoppelt ist und wobei in einem zweiten Taktzyklus die Detektionselektroden mit der von der Auslenkung der Schwingmasse zwischen den Detektionselektroden abhängigen Kraftrückkoppelspannung mittels einer Kraftrückkopplungseinheit beaufschlagt werden, wobei eine Messeinheit zur Erfassung der aktuellen Auslenkung der Schwingmasse zwischen den Detektionselektroden von Detektionselektroden entkoppelt ist. Parallel zu den Ausführungsformen im Antriebs- und im Detektionskreis kann jeweils die Modulationsspannung im Gleichtakt auf den jeweiligen Elektroden dauerhaft und/oder zeitlich wiederkehrend beaufschlagt werden.
Besonders vorteilhaft ist ferner eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Sensorsystem mit folgenden Merkmalen:

– einen Drehratensensor, der eine federnd gelagerte Schwingmasse aufweist, die von zumindest einer Antriebselektrode, entlang einer Antriebsachse in Schwingung versetzbar ist und wobei der Sensor zumindest eine Detektionselektrode aufweist wobei die Detektionselektrode ausgebildet ist, eine Schwingung der Schwingmasse welche aufgrund einer Rotation der Schwingmasse (A1) um eine quer zur Antriebsachse (x) verlaufende Rotationsachse (z) erzeugt wird, entlang einer Detektionsachse (y) zu erfassen, wobei die Detektionsachse (y) quer zur Antriebsachse (x) und der Rotationsachse (z) der Schwingmasse (M) verläuft; und
– eine Vorrichtung entsprechend einer hier vorgestellten Variante, die mit dem Drehratensensor gekoppelt ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Drehratensensors;
2 Diagramme zur Erläuterung des Ansatzes der parametrischen Verstärkung;
3 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Drehratensensors zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein Schaltbild einer Auswerteschaltung mit einer Einspeisung des Modulationssignals auf die Detektionselektroden zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ein Schaltbild einer Auswerteschaltung mit einer Einspeisung des Modulationssignals auf die Antriebselektroden zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ein Schaltbild einer Auswerteschaltung mit einer Einspeisung des Modulationssignals auf die Antriebselektroden zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 ein Schaltbild einer Auswerteschaltung mit einer Einspeisung des Modulationssignals auf die Detektionselektroden zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Der vorstehend genannte Nachteil einer Güteverringerung und damit eines Sensitivitätsverlusts des Drehratensensors durch das Verkappen bei erhöhtem Innendruck kann mit dem Verfahren einer parametrischen Verstärkung entgegen gewirkt werden. Dieses Prinzip einer parametrischen Verstärkung kann auf einen Drehratensensor DS gemäß der 1 angewandt werden. Die 1 zeigt dabei einen schematischen Aufbau eines Drehratensensors DS. Der Drehratensensor DS umfasst dabei eine (in der 1 kubisch dargestellte) Schwingmasse M, die an zwei gegenüberliegenden Seiten von je einer Antriebsfeder FA1 und FA2 federnd gelagert ist. An den Seiten der Schwingmasse M, an denen je eine Antriebsfeder FA1 bzw. FA2 angeordnet ist, ist je eine Antriebselektrode A1 bzw. A2 angeordnet. Die Schwingmasse M ist elektrostatisch aufladbar, beispielsweise dadurch, dass sie eine elektrisch leitfähige Oberfläche oder aus einem vollständig elektrisch leitfähigen Material besteht (wie beispielsweise einem leitfähig dotierten Silizium). die/das es ermöglicht, dass die Schwingmasse auf ein definiertes elektrisches Potenzial bringbar ist.
Weiterhin befinden sich in dem in der 1 dargestellten Drehratensensor DS an zwei gegenüberliegenden Seiten, an denen sich keine Antriebsfedern FA1 bzw. FA2 befinden, je eine Detektionsfeder FD1 bzw. FD2. Diese Detektionsfedern FD1 bzw. FD2 bringen die Schwingmasse M wieder in ihre in der 1 dargestellte Ruhelage, wenn sie sich bei einer Schwingung zwischen den Antriebselektroden A1 und A2 sowie bei einer Drehung des Drehratensensors DS in eine Richtung einer der Detektionsfedern FD1 bzw. FD2 bewegt hat. Dabei sind die Detektionselektroden D1 und D2 entlang einer Detektionsachse (y) ausgerichtet, als die durch die während die Antriebselektroden A1 und A2 entlang einer Antriebsachse ausgerichtet sind, welche quer zur Detektionsachse (y), insbesondere senkrecht zu dieser, verläuft. Somit dienen die Detektionsfedern FD1 bzw. FD2 der Rückstellung der Schwingmasse M in ihre Ruhelage. Weiterhin umfasst der Drehratensensor DS zwei an gegenüberliegenden Seiten der Schwingmasse M je eine Detektionselektrode D1 bzw. D2 und je eine parametrische Elektrode P1 bzw. P2. Dabei ist eine erste der parametrischen Elektrode P1 und eine erste der Detektionselektrode D1 an einer gemeinsamen Seite der Schwingmasse M wie die erste Detektionsfeder FD1 angeordnet und eine zweite der parametrischen Elektrode P2 und eine zweite der Detektionselektrode D2 an einer gemeinsamen Seite der Schwingmasse M wie die zweite Detektionsfeder FD2 angeordnet.
Die parametrische Verstärkung, die im Zusammenhang mit dem in der 1 dargestellten Drehratensensor DS angewandt wird, beschreibt ein Verfahren, bei dem die Federsteifigkeit k_eff eines schwingfähigen Feder-Masse-Systems periodisch variiert wird. Durch phasenrichtige Variation der Federsteifigkeit k_eff wird die Auslenkung einer schwingenden Masse m_C vergrößert, indem die Federsteifigkeit k_eff in der Phase der Auslenkung verringert und in der Phase der Rückstellung vergrößert wird.
Eine Variation der Federsteifigkeit kann durch den „Electrostatic Spring-Softening-Effect“ bewirkt werden. Dies tritt bei nichtlinearen Kapazitätsänderungen über den Elektrodenabstand auf, wie beispielsweise bei Plattenkapazitäten. Hier wird eine mechanische Federsteifigkeit k_mech Detektionsfedern FD1 bzw. FD2 verursacht wird) durch eine (durch Anlegung einer Spannung an die parametrischen Elektroden P1 bzw. P2 verursachte auf die Schwingmasse M wirkende) elektrische Federsteifigkeit k_el zu einer effektiven Federsteifigkeit k_eff erweitert. Die folgende Formel gibt den Zusammenhang zwischen der mechanischen Federsteifigkeit k_mech und der elektrischen Federsteifigkeit k_el zur Gesamtfedersteifigkeit k_eff (effektiven Federsteifigkeit) wieder: k_eff = k_mech + k_el
mit
wobei a₀ eine Ruhelage und a die Auslenkung aus der Ruhelage a₀ bezeichnet.
Dabei beschreibt U die parametrische Anregespannung, welche an Plattenelektroden (beispielsweise P1 und P2 in 1) in Detektionsrichtung angelegt werden. Ein DC-Anteil U_DC der Anregespannung wird typischerweise bei Drehratensensoren zum Resonanztuning verwendet (Mitkoppelspannung). Wichtig ist auch, dass Û immer kleiner als U_DC ist, da sich sonst bei negativer Spannung U die Wirkungsrichtung aufgrund der quadratischen Abhängigkeit umkehrt (k_el ~ U²). U = U_DC + U ˆ·sin(2π·2f_res·t + ø)
Da bei einem Drehratensensor der Corioliseffekt nur dann zum Tragen kommt, wenn eine bewegende Masse M vorhanden ist, sollte die physikalische Masse m_c der Schwingmasse M in Antriebsrichtung angeregt werden. Dies wird durch Anlegen zweier um 180° Phasen verschobener Antriebssignale mit der Frequenz f an den Antriebselektroden A1 und A2 erreicht, was in der 1 dargestellt ist. Bei Anlegen einer Drehrate Ω wird die Masse m_c der Schwingmasse M entlang der Detektionsrichtung (zwischen den Detektionselektroden D1 und D2) periodisch ausgelenkt. Eine solche Auslenkung basiert auf der Corioliskraft FC die gemäß der nachfolgend wiedergegebenen Formel bestimmbar ist: F_C = –2·m_C·Ω × v
Diese periodische Auslenkung kann durch die parametrische Verstärkung durch phasenrichtiges Anlegen eines 2f-Signals mit Phase Φ verstärkt werden.
2 zeigt Diagramme, in denen ein zeitlicher Verlauf der Signale der parametrischen Verstärkung über die Zeit t wiedergegeben ist. In dem oberen Teildiagramm aus 2 ist die Amplitude A eines parametrischen Anregungssignals 200 über die Zeit t dargestellt. Das parametrische Anregungssignal 200 kann hierbei als entsprechendes Modulationssignal verstanden werden. In dem mittleren Teildiagramm der 2 ist eine der Drehrate entsprechende Auslenkung a der Schwingmasse M über die Zeit t dargestellt, wobei der gestrichelt dargestellten Verlauf 210 der Auslenkung einer Auslenkung entspricht, die bei einer Grundschwingung der Schwingmasse M (ansprechend auf eine zwischen den Antriebselektroden A1 und A2 angelegte Antriebsspannung angeregte Schwingung) resultiert, ohne dass an den parametrischen Elektroden ein Anregungssignal 200 eingeprägt wird, sodass die Gesamtfedersteifigkeit des Drehratensensors DS in diesem Fall konstant bleibt. Das Anregungssignal 200 kann dabei eine Spannung sein, die zwischen einer betreffenden Elektrode und einem Bezugspotenzial wie beispielsweise dem Massepotenzial angelegt wird. Der durchgezogene Verlauf 220 der Auslenkung entspricht einer Auslenkung a, die sich ergibt, wenn an den parametrischen Elektroden P1 und P2 das Anregungssignal 200 angelegt wird. Erkennbar ist ferner, dass das Anregungssignal 200 die doppelte Frequenz 2f aufweist, wie die beiden Verläufe 210 bzw. 220 der Auslenkung a. Im unteren Teildiagramm aus 2 wird eine Darstellung der Gesamtfedersteifigkeit des Drehratensensors in unterschiedlichen zeitlichen Bereichen wiedergegeben. Im ersten Bereich B1, bei dem sich die Auslenkung a der Schwingmasse im positiven Auslenkungsbereich stetig vergrößert, kann eine durch die Detektionsfedern aus 1 sowie die aufgrund der elektrostatischen Wirkung eines an den parametrischen Elektroden P1 und P2 aus 1 angelegten Anregungssignals 200 (Modulationssignal) bildbare schematische Gesamtfeder 230 als Feder mit geringer oder kleiner Federsteifigkeit betrachtet werden. Im zweiten Bereich B2, bei dem sich die Auslenkung a der Schwingmasse M im positiven Auslenkungsbereich stetig verkleinert, kann diese schematische Gesamtfeder 230 als Feder mit hoher oder großer Federsteifigkeit betrachtet werden. Im dritten Bereich B3, bei dem sich die Auslenkung a der Schwingmasse M die mit negativem Auslenkungsbereich absolut stetig vergrößert, kann diese schematische Gesamtfeder 230 als Feder mit geringer oder kleiner Federsteifigkeit betrachtet werden, wogegen im vierten Bereich B4, bei dem sich die Auslenkung x der Schwingmasse M in einen negativen Auslenkungsbereich absolut stetig verkleinert, kann die schematische Gesamtfeder 230 als Feder mit hoher oder großer Federsteifigkeit betrachtet werden.
Dadurch, dass nun durch das Anlegen des Modulationssignals 200 an den parametrischen Elektroden P1 und P2 eine Federsteifigkeit einer schematischen Gesamtfeder 230 vergrößert oder verkleinert werden kann, lässt sich einerseits eine große Auslenkungsstrecke der Schwingmasse M durch eine niedrige Federsteifigkeit in einzelnen Zeitintervallen, als auch andererseits eine sehr schnelle Rückführung der Schwingmasse M durch eine hohe Federsteifigkeit in anderen Zeitintervallen realisieren. 2 zeigt somit einen zeitlichen Signalverlauf des Modulationssignals in Bezug auf eine Auslenkung bei Einsatz des Verfahrens der parametrischen Verstärkung.
Insbesondere wird hierbei im Bereich B1 die Masse m_c in positiver Richtung ausgelenkt, was durch die gestrichelt dargestellte Linie 210 wiedergegeben ist. Eine Erweichung der Federsteifigkeit führt zu diesem Zeitpunkt zu einer zusätzlichen Auslenkung x wie durch die durchgezogene Linie 220 der Detektionsauslenkung gezeigt. Diese Erweichung wird durch phasenrichtiges Anlegen der positiven Halbwelle und damit einer Erhöhung des Spannungssignals U (d. h. des Modulationssignals 200) an den Elektroden P1 und P2 erzielt. Im Bereich B2 wird die Masse M durch die Federsteifigkeit in die Ruhelage zurückgeholt (gestrichelte Linie 210). Durch phasenrichtiges Anlegen der negativen Halbwelle und damit einer Reduzierung des Spannungssignals U an den Elektroden P1 und P2 wird eine zusätzliche Erhärtung der Federsteifigkeit erzielt. Dadurch wird durch die parametrische Verstärkung zuvor weiter ausgelenkte Masse schneller in die Ruhelage zurückgezogen (durchgezogene Linie 220). Die Wirkung der parametrischen Verstärkung ist im Bereich B3 analog zu Bereich B1 und in Bereich B4 ist analog zu Bereich B2 zu betrachten, wobei jeweils das Vorzeichen der Detektionsauslenkung invertiert ist.
Durch die Anwendung der parametrischen Verstärkung entsprechend der vorstehenden Ausführungen ergeben sich folgende Vorteile:

1. Der Innendruck im Drehratensensor DS kann erhöht werden.
2. Eine kleinere seismische Masse (Schwingmasse M) des Drehratensensors DS kann gewählt werden.

Die jeweiligen Sensitivitätsverluste durch die vorstehend genannten Punkte (1) und (2) kann durch die parametrische Verstärkung kompensiert werden. Durch die kleinere Geometrie des Sensorelements DS sowie auf den Verzicht auf eine kostenintensive Vakuumverpackung lassen sich Kosten reduzieren.
Der nachstehend vorgestellte Ansatz ermöglicht eine weitere Kostenreduktion bei Verwendung der parametrischen Verstärkung durch den Verzicht auf zusätzliche Elektroden für die Einspeisung des 2f-Signals 200 der parametrischen Verstärkung. Durch den Verzicht auf zusätzliche Elektroden P1 und P2 und somit auch auf die entsprechenden Pads zur Ansteuerung dieser Elektroden P1 und P2 lässt sich die Größe des Sensorelements DS effektiv verkleinern. Dies ist besonders relevant, da die Fläche eines Sensorelements DS vor allem durch die Pads bzw. Elektroden des Drehratensensors dominiert wird. Um in Zukunft Flächenreduktionen durchführen zu können, ist es wichtig, die Anzahl der Pads bzw. Elektroden des Drehratensensors DS so weit wie möglich zu reduzieren.
3 zeigt einen schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als minimalem Drehratensensor, wobei hier ein Minimalkonzept für einen Drehratensensor mit jeweils einem Antriebselektrodenpaar A1 und A2 für die Anregung sowie ein Detektionselektrodenpaar D1 und D2 für den Signalabgriff vorgestellt wird. Dabei entspricht der Aufbau des in der 3 gezeigten Drehratensensors DS bis auf die parametrischen Elektroden P1 und P2 dem Aufbau des in der 1 dargerstellten Drehratensensors DS. Die Einspeisung des 2f-Signals für die parametrische Verstärkung erfolgt beispielsweise auch an den Detektionselektroden D1 und D2. Die Beaufschlagung der Antriebselektroden A1 und A2 und das Anlegen des Modulationssignals an den Antriebselektroden A1 und A2 oder den Detektionselektroden D1 und D2 wird mittels einer Vorrichtung 300 zum Betreiben des Drehratensensors DS vorgenommen.
Die Umsetzung der Einspeisung des Modulationssignals 200 an den Detektionselektroden D1 und D2 wird hierbei schematisch anhand des Schaltbildes aus 4 erläutert. Die Detektion des Drehratensignals an D1 und D2 wird vorzugsweise mit einem Ladungsintegrator 400, insbesondere einem volldifferenziellen Ladungsintegrator, abgegriffen. Dieser Ladungsintegrator 400 umfasst einen Operationsverstärker OV, dessen invertierender Eingang mittels einer Kapazität mit einem nicht-invertierenden Ausgang und dessen nicht-invertierender Eingang mit einem invertierenden Ausgang gekoppelt ist. Zwischen dem invertierenden Eingang und dem nicht-invertierenden Eingang ist eine Quelle für das Anlegen der Modulationsspannung 200 mit der Frequenz 2f geschaltet, die somit die Modulationsspannung 200 jeweils zwischen den Detektionselektroden D1 bzw. D2 und einem Massepotenzial anlegt. Der Vorteil von volldifferenziellen Schaltungen (wie dem Ladungsintegrator 400) ist die Unempfindlichkeit gegen Gleichtaktsignale. Alternativ zu dem Ladungsintegrator 400 kann auch ein anderes Element wie beispielsweise ein Transresistanceamplifier (mit zumindest einem Widerstand anstatt Kapazität in der Rückkopplung) verwendet werden, mittels welchem es möglich ist, eine Position der Schwingmasse in Bezug auf eine Elektrode wie beispielsweise die Antriebselektrode und/oder die Detektionselektrode zu erfassen und auszuwerten.
Das heißt, der Ladungsintegrator 400 kann nur differenzielle Signale verarbeiten und ein einem solchen differenziellen Signal entsprechendes Ausgangssignal U_out ausgeben. Da bei dem Drehratensensor DS, wie er in der 3 schematisch dargestellt ist, bei einer Bewegung der Schwingmasse M von der ersten Detektionselektrode D1 weg die Kapazität der Detektionselektrode D1 (genauer die Kapazität zwischen der ersten Detektionselektrode D1 und der elektrisch aufladbaren bzw. aufgeladenen Schwingmasse M) kleiner wird, während die andere Kapazität der Detektionselektrode D2 (genauer die Kapazität zwischen der zweiten Detektionselektrode D2 und der elektrisch aufladbaren bzw. aufgeladenen Schwingmasse M) größer wird, und umgekehrt, werden die gegengetakteten Drehratensignale am Ausgang als Spannung U_out des Ladungsintegrators ausgegeben. Gleichtaktsignale, die beispielsweise am Eingang des Ladungsintegrators 400 anliegen, werden nicht berücksichtigt. Dieses Verhalten bietet die Möglichkeit, parallel zur Detektion des Drehratensignals das Modulationssignal 200 mit der Frequenz 2f als Gleichtaktsignal mit einem Modulationssignalgenerator 410 an dieser Stelle (d. h. direkt an die Detektionselektroden D1 und D2) einzuspeisen, wie es in der 4 schematisch dargestellt. Dadurch, dass die Detektionselektroden D1 und D2 als Plattenelektroden realisiert sind, lässt sich hier über den beschriebenen „Spring-Softening-Effekt“ die Federsteifigkeit der auf die Schwingmasse M wirkenden und aus den mechanischen Federn sowie den elektrischen „Federn“ zu bildende Gesamtfeder 230 des Drehratensensors periodisch modulieren und somit den Sensor DS parametrisch verstärken.
Den Sensitivitätsverlust, beispielsweise durch den geringeren Innendruck des Drehratensensors DS, schlägt sich auch auf die Antriebsseite nieder. Vorausgesetzt, dass die Antriebselektroden A1 und A2 auch als Plattenelektroden realisiert sind, lässt sich die parametrische Verstärkung durch Einspeisen eines 2f-Signals auch über die Antriebselektroden A1 und A2 anwenden.
In der 5 ist schematisch dargestellt, wie eine Überlagerung des Modulationssignals 200 über die von einem Antriebsgenerator 500 bereitgestellte Antriebsspannung 510 mit der Frequenz f erfolgt. Ein gegengetaktetes Antriebssignal 510 wird auf die Antriebselektroden A1 und A2 geführt. Dadurch wird der Antriebsschwinger (d. h. die Schwingmasse M) durch einen Antriebsgenerator 500 in Oszillation versetzt mit einer Frequenz 1f. Zusätzlich wird ein gleich-getaktetes 2f-Signal (d. h. das Modulationssignal 200) für die parametrische Verstärkung aufgebracht bzw. dem Antriebssignal 510 überlagert. Das 2f-Signal (d. h. das Modulationssignal 200) verursacht eine Federsteifigkeitsmodulation und erhöht somit wieder die Sensitivität, führt aber zu keiner Oszillation der Schwingmasse M.
Es kann davon ausgegangen werden, dass geregelte Konzepte vorteilhafter gegenüber ungeregelten sind. Dafür sollte beispielsweise die Schwingmasse M nicht nur durch das Signal 510 des Antriebsgenerators 500 angetrieben werden, sondern auch die Position der Schwingmasse M detektiert werden, beispielsweise für die Antriebsregelung insbesondere die Position der Schwingmasse M in Bezug auf die Antriebselektroden A1 und/oder A2. Um keine weiteren Pads bzw. Elektroden für diese Funktionalität der Überwachung der Position der Schwingmasse M des Drehratensensors DS zu benötigen, kann Zeitmultiplexverfahren verwendet werden.
In der 6 ist ein Schaltbild einer solchen Überwachungsschaltung zur Durchführung eines Zeitmultiplexverfahrens mit einer 2f-Signaleinspeisung für die Antriebselektroden A1 und A2 wiedergegeben. In dieser Überwachungsschaltung sind die Antriebselektroden A1 und A2 zusätzlich zu einer Beaufschlagung mit dem Modulationssignal 200 durch einen Modulationssignalgenerator 410 mit einem Zeit-Multiplexer 600 verbunden. Der Zeit-Multiplexer 600 verbindet die Antriebselektrode A1 und A2 abhängig von einem Takt 610 entweder mit dem Antriebssignalgenerator 500 (der auch als Antriebsgenerator bezeichnet werden kann) oder einem Ladungsintegrator 620, der ausgebildet ist, um eine Erfassung der Position der Schwingmasse M über eine Ermittlung eines Potenzials der Antriebselektroden A1 und A2 durchzuführen. Hierfür kann der Ladungsintegrator 620 analog zum Ladungsintegrator 400 aus 4 aufgebaut sein, sodass an seinem Ausgang U_out1 eine Differenzspannung ausgegeben wird, die eine Entfernung der Schwingmasse M von den Antriebselektroden A1 und A2 repräsentiert. Dabei wird somit abwechselnd über den Multiplexer 600 entweder das 1f-Antriebssignal 510 auf A1 und A2 gegeben oder die Bewegung des Schwingers bzw. der Schwingmasse M über den Ladungsintegrator 620 ausgelesen. Der Multiplexer 600 wird dabei von einem Taktsignal 610 angesteuert, um in den jeweiligen Antriebsmodus oder den Erfassungsmodus zu schalten.
Die gleichen Überlegungen können auch für die Erkennung der Position des Detektionsschwingers (d. h. der Schwingmasse M) angewendet werden, wie dies beispielhaft in dem Schaltbild aus 7 erkennbar ist. Im Unterschied zur wechselweisen Beaufschlagung der Antriebselektroden A1 und A2 mit dem Antriebssignal bzw. einem Auslesen der Position der Schwingmasse M unter Verwendung der Antriebselektroden A1 und A2 werden entsprechend der Darstellung aus der 7 nun die Detektionselektroden D1 und D2 neben der Einprägung des Modulationssignals 200 zur wechselweisen Einprägung einer Kraftrückkopplungsgröße mittels einer Kraftrückkopplungseinheit 700 (zur Steuerung der Auslenkung der Schwingmasse M) bzw. einer Erfassung der Position der Schwingmasse M durch den Ladungsintegrator 400 verwendet. Hier wird über den Multiplexer in Abhängigkeit von einem Takt 610 (der auch von einem Takt 610 gemäß der 6 zur Steuerung der Verwendung unterscheiden kann) der Detektionselektroden D1 und D2 entweder das Drehratensignal mittels des Ladungsintegrators 400 ausgelesen oder eine Kraftrückkopplung durch die Kraftrückkopplungseinheit 700 an D1 und D2 angelegt.
Denkbar ist auch eine beliebige Kombination der in den 5 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele für die Einprägung der Modulationsspannung 200 auf die Detektionselektroden D1 bzw. D2 und/oder die Antriebselektroden A1 bzw. A2.
Des Weiteren wäre noch zu erwähnen, dass dieses Verfahren insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn das Sensorelement DS keine weiteren Elektroden hat wie bspw. Q-Elektroden für die Quadraturkompensation oder T-Elektroden für den Frequenzabgleich. Dennoch, auch für Sensoren mit Q- und/oder T-Elektroden ist der hier vorgeschlagene Ansatz interessant, insbesondere dann, wenn die D-Elektroden D1 und D2 viel größer sind als die Q- und T-Elektroden und somit der parametrische Verstärkungseffekt über diese Elektroden D1 und D2 viel größer ist.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren 800 zum Betreiben eines Drehratensensors, wobei der Sensor eine federnd gelagerte und elektrisch aufladbare Schwingmasse aufweist, die von zumindest einer Antriebselektrode in Schwingung versetzbar ist und wobei der Sensor zumindest eine Detektionselektrode aufweist, wobei die Detektionselektrode ausgebildet ist, eine Schwingung der Schwingmasse, welche aufgrund einer Rotation der Schwingmasse (M) um eine quer zur Antriebsachse (x) verlaufenden Rotationsachse (z) erzeugt wird, entlang einer Detektionsachse (y) zu erfassen, wobei die Detektionsachse (y) quer zur Antriebsachse (x) und der Rotationsachse (z) der Schwingmasse (M) verläuft. Das Verfahren 800 umfasst einen Schritt 810 des Beaufschlagens der Antriebselektrode mit einer Antriebsspannung, wobei die Antriebsspannung eine erste Frequenz aufweist. Ferner umfasst das Verfahren 800 einen Schritt 820 des Anlegens je einer Modulationsspannung an zumindest jeder von zwei Antriebselektroden und/oder jeder von zwei Detektionselektroden, wobei die Modulationsspannung eine zweite Frequenz aufweist, die sich von der ersten Frequenz unterscheidet. Schließlich umfasst das Verfahren 800 einen Schritt 830 des Erfassens einer Auslenkung der Schwingmasse von der zumindest einen Detektionselektrode, um den Drehratensensor zu betreiben.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19939998 A1 [0005]

Claims

Verfahren (800) zum Betreiben eines Drehratensensors (DS), wobei der Drehratensensor (DS) eine federnd gelagerte und elektrisch aufladbare Schwingmasse (M) aufweist, die von zumindest einer Antriebselektrode (A1, A2) entlang einer Antriebsachse (x) in Schwingung versetzbar ist und wobei der Drehratensensor (DS) zumindest eine Detektionselektrode (D1, D2) aufweist, wobei die Detektionselektrode (D1, D2) ausgebildet ist, eine Schwingung der Schwingmasse (M) welche aufgrund einer Rotation der Schwingmasse (M) um eine quer zur Antriebsachse (x) verlaufenden Rotationsachse (z) erzeugt wird, entlang einer Detektionsachse (y) zu erfassen, wobei die Detektionsachse (y) quer zur Antriebsachse (x) und der Rotationsachse (z) der Schwingmasse (M) verläuft, wobei das Verfahren (800) die folgenden Schritte aufweist: – Beaufschlagen (810) der Antriebselektrode (A1, A2) mit einer Antriebsspannung (510), wobei die Antriebsspannung (510) eine erste Frequenz (1f) aufweist; – Anlegen (820) je einer Modulationsspannung (200) an der zumindest einen Antriebselektrode (A1) und zumindest einer weiteren Antriebselektrode (A2) und/oder an der zumindest einen Detektionselektrode (D1) und zumindest einer weiteren Detektionselektrode (D2), wobei die Modulationsspannung (200) eine zweite Frequenz (2f) aufweist, die sich von der ersten Frequenz (1f) unterscheidet; und – Erfassen (830) einer Auslenkung (a) der Schwingmasse (M) von der zumindest einen Detektionselektrode (D1, D2), um den Drehratensensor (DS) zu betreiben.
Verfahren (800) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Anlegens (820) zwei gleich getaktete Modulationsspannungen (200) an jeder der zwei Antriebselektroden (A1, A2) und/oder an jeder der zwei Detektionselektroden (D1, D2) angelegt werden.
Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Anlegens (820) eine Modulationsspannung (200) verwendet wird, bei der die zweite Frequenz (2f) dem doppelten der ersten Frequenz (1f) entspricht.
Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Anlegens (820) die Modulationsspannung (200) der Antriebsspannung (510) überlagert wird.
Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Erfassens (830) eine Spannungsdifferenz (U_out) zwischen den Detektionselektroden (D1, D2) erfasst wird, wobei aus der Spannungsdifferenz (U_out) eine Drehrate (Ω) ermittelt wird, insbesondere wobei die Spannungsdifferenz (U_out) unter Verwendung eines Ladungsintegrators (400) erfasst wird.
Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Anlegens (820) eine Messung einer aktuellen Auslenkung der Schwingmasse (M) zwischen den Antriebselektroden (A1, A2) erfolgt, wobei die Modulationsspannung (200) in Abhängigkeit von der Auslenkung der Schwingmasse (M) zwischen den Antriebselektroden (A1, A2) geregelt wird und/oder wobei im Schritt des Anlegens (820) eine Messung einer aktuellen Auslenkung (a) der Schwingmasse (M) zwischen den Detektionselektroden (D1, D2) erfolgt, wobei die Modulationsspannung (200) in Abhängigkeit von der Auslenkung (a) der Schwingmasse (M) zwischen den Detektionselektroden (D1, D2) geregelt wird.
Verfahren (800) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Anlegens (820) ein Regeln der Auslenkung der Schwingmasse (M) zwischen den Antriebselektroden (A1, A2) derart erfolgt, dass in einem ersten Taktzyklus ein Erfassen der Auslenkung der Schwingmasse (M) zwischen den Antriebselektroden (A1, A2) erfolgt, wobei die Antriebselektroden (A1, A2) von der Antriebsspannung (510) entkoppelt sind, wobei eine Messeinheit (620) zur Erfassung der aktuellen Auslenkung der Schwingmasse (M) zwischen den Antriebselektroden (A1, A2) mit den Antriebselektroden (A1, A2) gekoppelt ist, und wobei in einem zweiten Taktzyklus die Antriebselektroden (A1, A2) mit einer von der Auslenkung der Schwingmasse (M) zwischen den Antriebselektroden (A1, A2) abhängigen Antriebsspannung (510) beaufschlagt sind, wobei die Messeinheit (620) zur Erfassung der aktuellen Auslenkung der Schwingmasse (M) zwischen den Antriebselektroden (A1, A2) von den Antriebselektroden (A1, A2) entkoppelt ist, und/oder wobei im Schritt des Anlegens (820) ein Regeln der Auslenkung (a) der Schwingmasse (M) zwischen den Detektionselektroden (D1, D2) derart erfolgt, dass in einem ersten Taktzyklus ein Erfassen der Auslenkung der Schwingmasse (M) zwischen den Detektionselektroden (D1, D2) erfolgt, wobei eine Messeinheit (400) zur Erfassung der aktuellen Auslenkung (a) der Schwingmasse (M) zwischen den Detektionselektroden (D1, D2) von Detektionselektroden (D1, D2) gekoppelt ist, und wobei in einem zweiten Taktzyklus die Detektionselektroden (D1, D2) mit der von der Auslenkung der Schwingmasse (M) zwischen den Detektionselektroden (D1, D2) abhängigen Modulationsspannung (200) mittels einer Kraftrückkopplungseinheit (700) beaufschlagt werden, wobei eine Messeinheit (400) zur Erfassung der aktuellen Auslenkung (a) der Schwingmasse (M) zwischen den Detektionselektroden (D1, D2) von Detektionselektroden (D1, D2) entkoppelt ist.
Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens (800) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Programmprodukt auf einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Vorrichtung (300) zum Betreiben eines Drehratensensors (DS), wobei der Drehratensensor (DS) eine federnd gelagerte Schwingmasse (M) aufweist, die von zumindest einer Antriebselektrode (A1, A2) entlang einer Antriebsachse (x) in Schwingung versetzbar ist und wobei der Sensor zumindest eine Detektionselektrode (D1, D2) aufweist, wobei die Detektionselektrode (D1, D2) ausgebildet ist, eine Schwingung der Schwingmasse (M) welche aufgrund einer Rotation der Schwingmasse (M) um eine quer zur Antriebsachse (x) verlaufenden Rotationsachse (z) erzeugt wird, entlang einer Detektionsachse (y) zu erfassen, wobei die Detektionsachse (y) quer zur Antriebsachse (x) und der Rotationsachse (z) der Schwingmasse (M) verläuft, wobei die Vorrichtung (300) die folgenden Merkmale aufweist: – eine Einheit (500) zum Beaufschlagen der Antriebselektroden (A1, A2) mit einer Antriebsspannung (510) oder einem Antriebspotenzial, wobei die Antriebsspannung (510) oder das Antriebspotenzial eine erste Frequenz (1f) aufweist; – eine Einheit (410) zum Anlegen je einer Modulationsspannung (200) an der zumindest einen Antriebselektrode (A1) und zumindest einer weiteren Antriebselektrode (A2) und/oder an der zumindest einen Detektionselektrode (D1) und zumindest einer weiteren Detektionselektrode (D2), wobei die Modulationsspannung (200) eine zweite Frequenz (2f) aufweist, die sich von der ersten Frequenz (1f) unterscheidet; und – eine Einheit (400) zum Erfassen einer Auslenkung (a) der Schwingmasse (M) von der zumindest einen Detektionselektrode (D1, D2), um den Drehratensensor (DS) zu betreiben.
Sensorsystem (300, DS) mit folgenden Merkmalen: – einen Drehratensensor (DS), der eine federnd gelagerte Schwingmasse (M) aufweist, die von zumindest einer Antriebselektrode (A1, A2) entlang einer Antriebsachse (x) in Schwingung versetzbar ist und wobei der Sensor zumindest eine Detektionselektrode (D1, D2) aufweist, wobei die Detektionselektrode (D1, D2) ausgebildet ist, eine Schwingung der Schwingmasse (M) welche aufgrund einer Rotation der Schwingmasse (M) um eine quer zur Antriebsachse (x) verlaufenden Rotationsachse (z) erzeugt wird, entlang einer Detektionsachse (y) zu erfassen, wobei die Detektionsachse (y) quer zur Antriebsachse (x) und der Rotationsachse (z) der Schwingmasse (M) verläuft; und – eine Vorrichtung (300) gemäß Anspruch 9, die mit dem Drehratensensor (DS) gekoppelt ist.