DE102013215587A1

DE102013215587A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen des Dynamikbereichs eines Drehratensensors

Info

Publication number: DE102013215587A1
Application number: DE102013215587.5A
Authority: DE
Inventors: Jens Strobel; Thomas Northemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2015-02-12
Also published as: WO2015018589A1; US20160187156A1; EP3030860A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (800) zum Einstellen des Dynamikbereichs eines Drehratensensors (100). Das Verfahren (800) weist einen Schritt (802) des Anregens und einen Schritt (804) des Beeinflussens auf. Im Schritt (802) des Anregens wird eine schwingfähig gelagerte Masse (104) des Drehratensensors (100) zu einer linearen Schwingung unter Verwendung eines Antriebssignals angeregt. Das Antriebssignal wird insbesondere mit einer Resonanzfrequenz der Masse (104) bereitgestellt. Im Schritt (804) des Beeinflussens wird die Schwingung unter Verwendung eines Verstärkungssignals (602) beeinflusst. Das Verstärkungssignal (602) wird mit einem Mehrfachen der Resonanzfrequenz bereitgestellt, um den Dynamikbereich einzustellen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einstellen des Dynamikbereichs eines Drehratensensors, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf einen Drehratensensor.
Eine Rotationsgeschwindigkeit eines Körpers kann über einen Drehratensensor erfasst werden, der mit dem Körper starr verbunden ist, und mit dem Körper mitrotiert.
Die DE 10 2008 043 796 A1 beschreibt einen Drehratensensor.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Einstellen des Dynamikbereichs 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.
In einem Drehratensensor kann eine schwingfähig gelagerte Masse zu einer linearen Schwingung angeregt werden. Wenn der Drehratensensor dann quer zu einer Richtung der Schwingung gedreht wird, wirkt auf die schwingende Masse die Corioliskraft. Durch die Corioliskraft wird die Masse quer zu einer Achse der Drehung und quer zu der Richtung der Schwingung ausgelenkt. Diese Auslenkung kann erfasst werden. Aus der Auslenkung kann eine Rotationsgeschwindigkeit der Drehung ermittelt werden.
Um mit einem einzelnen Drehratensensor einen großen Empfindlichkeitsbereich abdecken zu können, ist entweder eine sehr präzise Erfassung der Auslenkung in einem weiten Messbereich erforderlich, oder eine Bewegungsgeschwindigkeit der Masse kann an eine gewünschte Empfindlichkeit angepasst werden.
Bei einer großen Geschwindigkeit können geringe Rotationsgeschwindigkeiten erfasst werden. Bei einer geringen Geschwindigkeit können große Rotationsgeschwindigkeiten erfasst werden.
Die Geschwindigkeit der Masse hängt direkt von einer Schwingungsamplitude der Masse ab.
Durch ein Anregen der Masse zu einer Grundschwingung unter Verwendung eines ersten Signals und ein Beeinflussen der Grundschwingung durch ein zweites Signal kann die Schwingungsamplitude der Masse des Drehratensensors angepasst werden.
Es wird ein Verfahren zum Einstellen des Dynamikbereichs eines Drehratensensors vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist.
Anregen einer schwingfähig gelagerten Masse des Drehratensensors zu einer linearen Schwingung unter Verwendung eines Antriebssignals, wobei das Antriebssignal mit einer Resonanzfrequenz der Masse bereitgestellt wird; und Beeinflussen der Schwingung unter Verwendung eines Verstärkungssignals, wobei das Verstärkungssignal insbesondere mit einem Mehrfachen der Resonanzfrequenz bereitgestellt wird, um den Dynamikbereich einzustellen.
Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Einstellen des Dynamikbereichs eines Drehratensensors vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist.
eine Einrichtung zum Anregen einer schwingfähig gelagerten Masse des Drehratensensors mit einem Antriebssignal, wobei die Einrichtung zum Anregen dazu ausgebildet ist, das Antriebssignal mit einer Resonanzfrequenz der Masse bereitzustellen; und
eine Einrichtung zum Beeinflussen der Masse mit einem Verstärkungssignal, wobei die Einrichtung zum Beeinflussen dazu ausgebildet ist, das Verstärkungssignal mit einem Vielfachen der Resonanzfrequenz bereitzustellen, um den Dynamikbereich einzustellen.
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.
Ferner wird ein Drehratensensor mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
zumindest einer schwingfähig gelagerten Masse, wobei die Masse durch elektrostatische Kräfte anregbar ist;
zumindest einer Elektrode zum Anregen der Masse;
eine Einrichtung zum Anregen der Masse mit einem Antriebssignal, wobei die Einrichtung zum Anregen dazu ausgebildet ist, das Antriebssignal insbesondere mit einer Resonanzfrequenz der Masse an der Elektrode bereitzustellen; und
eine Einrichtung zum Beeinflussen der Masse mit einem Verstärkungssignal, wobei die Einrichtung zum Beeinflussen dazu ausgebildet ist, das Verstärkungssignal mit einem Vielfachen der Resonanzfrequenz an der Elektrode bereitzustellen, um einen Dynamikbereich des Drehratensensors einzustellen.
Unter einem Dynamikbereich kann ein Spektrum erfassbarer Drehraten verstanden werden. Eine schwingfähig gelagerte Masse kann ein Masseelement sein, das durch zumindest eine Feder mit einem Gestell verbunden ist. Die Masse kann auch gedämpft gelagert sein, um eine kontrollierte Verstärkung der Schwingung zu ermöglichen. Ein Antriebssignal kann eine elektrische Spannung mit veränderlichem Spannungspegel sein. Das Antriebssignal kann näherungsweise sinusförmig bereitgestellt werden. Eine Resonanzfrequenz der Masse kann durch eine Federsteifigkeit, einen Dämpfungsgrad und eine Masse der Masse bestimmt sein. Ein Verstärkungssignal kann eine elektrische Spannung mit veränderlichem Spannungspegel sein. Das Verstärkungssignal kann näherungsweise sinusförmig bereitgestellt werden.
Das Verstärkungssignal kann mit einem Phasenversatz zu dem Antriebssignal bereitgestellt werden. Ein Phasenversatz kann eine Verschiebung eines Nulldurchgangs des Verstärkungssignals gegenüber einem Nulldurchgang des Antriebssignals sein. Der Phasenversatz kann direkt in eine Übertragungsfunktion der beiden Frequenzen eingehen und eine Verstärkung oder Abschwächung der Grundschwingung bewirken.
Eine erste Dynamikstufe des Dynamikbereichs kann unter Verwendung eines ersten Phasenversatzes eingestellt werden. Dazu zeitlich nachfolgend kann eine zweite Dynamikstufe des Dynamikbereichs unter Verwendung eines zweiten Phasenversatzes eingestellt werden. Der erste Phasenversatz ist verschieden von dem zweiten Phasenversatz. Es können diskrete Stufen des Phasenversatzes bereitgestellt werden. Dadurch kann ein großer Dynamikbereich mit geringem Schaltungsaufwand umgesetzt werden.
Das Verstärkungssignal kann mit einer veränderlichen Amplitude bereitgestellt werden, um den Dynamikbereich zu beeinflussen. Bei einer hohen Amplitude kann die Grundschwingung vergrößert werden. Bei einer niedrigen Amplitude kann die Grundschwingung verkleinert werden. Das Verstärkungssignal kann einfach angepasst werden.
Das Verstärkungssignal kann mit doppelter Resonanzfrequenz bereitgestellt werden. Durch ein Zweifaches der Resonanzfrequenz kann die Grundschwingung gleichmäßig in vier Phasen beeinflusst werden.
Das Antriebssignal kann im Hochvoltbereich bereitgestellt werden. Das Verstärkungssignal kann im Niedervoltbereich bereitgestellt werden. Der Hochvoltbereich kann zwischen 10 und 30 Volt, insbesondere zwischen 15 und 25 Volt, insbesondere im Bereich um 20 Volt angeordnet sein. Der Niedervoltbereich kann zwischen 0 und 10 Volt, insbesondere zwischen 0 und 6 Volt, insbesondere zwischen 0 und 3 Volt angeordnet sein.
Das Antriebssignal kann als schwingendes Wechselspannungssignal bereitgestellt werden. Das Antriebssignal kann als ein sinusförmig um einen Spannungswert schwingendes Wechselspannungssignal bereitgestellt werden. Das Antriebssignal kann die Masse abwechselnd in eine Richtung und eine der Richtung entgegengesetzte Richtung bewegen. Damit kann die Masse einfach in Resonanz schwingen.
Das Verstärkungssignal kann als ein sinusförmig um einen Spannungswert schwellendes Gleichspannungssignal bereitgestellt werden. Das Verstärkungssignal kann eine gerichtete Federkraft bereitstellen. Die Federkraft kann in eine Richtung der Grundschwingung gerichtet sein, um die Grundschwingung zu beeinflussen.
Das Antriebssignal und das Verstärkungssignal können an einer gemeinsamen Elektrode oder an gegenüberliegenden Elektroden bereitgestellt werden.. Durch gemeinsame Elektroden kann Bauraum im Drehratensensor eingespart werden. Die Elektroden können insbesondere Parallelelektroden sein.
Das Antriebssignal kann an zumindest einer Antriebselektrode bereitgestellt werden. Das Verstärkungssignal kann an zumindest einer Parallelelektrode bereitgestellt werden. Durch getrennte Elektroden kann eine vereinfachte Schaltung zum Ansteuern der Elektroden verwendet werden.
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.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Darstellung eines Drehratensensors mit Parallelelektroden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Darstellung eines Drehratensensors mit Kammelektroden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine Darstellung eines Drehratensensors mit Kammelektroden und Parallelelektroden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Darstellung eines Beeinflussens einer Schwingung einer Masse eines Drehratensensors durch eine Amplitudenerhöhung;
5 eine Darstellung eines Beeinflussens einer Schwingung einer Masse eines Drehratensensors durch einen Gleichanteil;
6 eine Darstellung eines Beeinflussens einer Schwingung einer Masse eines Drehratensensors durch ein Verstärkungssignal gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 einen Zusammenhang zwischen einer Phasenverschiebung eines Verstärkungssignals und einer Schwingungsamplitude einer Schwingung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einstellen des Dynamikbereichs eines Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
9 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Einstellen des Dynamikbereichs eines Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger 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.
1 zeigt eine Darstellung eines Drehratensensors 100 mit Parallelelektroden 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Drehratensensor 100 weist eine schwingfähig gelagerte Masse 104 auf. Die Masse 104 ist symbolisch dargestellt. Die Masse 104 ist durch vier Federn 106 gelagert. Die Federn 106 verbinden je eine Ecke der Masse 104 mit einem feststehenden Teil 108 des Drehratensensors 100. Die Federn 106 sind dazu ausgebildet, einer Auslenkung aus einer Ruhelage der Masse 104 in einer Schwingungsrichtung der Masse 104 mit einer Federkraft entgegenzuwirken. Die Federkraft ist dabei proportional zu einer Auslenkung der Masse 104. Die Federn 106 sind reale Federelemente und weisen daher eine geringe Dämpfung auf. Die Parallelelektroden 102 sind ebenfalls mit dem feststehenden Teil 108 verbunden und als Platten ausgebildet, die parallel zu einer Oberfläche der Masse 104 ausgerichtet sind. Die Parallelelektroden 102 sind auf, in der Schwingungsrichtung diametral gegenüberliegenden Seiten der Masse 104 angeordnet. Um die Masse 104 aus der, durch die Federn 106 bestimmten Ruhelage auszulenken, wird die Masse 104 im Betrieb auf ein elektrisches Potenzial gebracht. Wenn an der Parallelelektrode 102 ein entgegengerichtetes Potenzial angelegt wird, wird die Masse 104 durch elektrostatische Kräfte zwischen der Masse 104 und der Parallelelektrode 102 von der Parallelelektrode 102 angezogen. Durch die elektrostatischen Kräfte wird die Masse 104 gegen die Federkraft der Federn 106 aus der Ruhelage ausgelenkt. Um die Masse 104 zu einer Schwingung in der Schwingungsrichtung anzuregen, werden die Elektroden 102 regelmäßig umgepolt. Insbesondere werden die Elektroden 102 mit einer Anregungsfrequenz umgepolt, die im Bereich einer Resonanzfrequenz des schwingungsfähigen Systems aus Masse 104 und Federn 106 liegt. Wenn die Anregungsfrequenz näherungsweise mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt, dann kann die Masse 104 eine sehr große Auslenkung erfahren.
Wenn der Drehratensensor 100 bei schwingender Masse 104 gedreht wird, wirkt auf die Masse 104 die Corioliskraft. Die Corioliskraft ist orthogonal zu der Drehung und orthogonal zu der Schwingungsrichtung ausgerichtet. Durch die Corioliskraft wird die Masse 104 also quer zu der Schwingungsrichtung seitlich ausgelenkt. Die seitliche Auslenkung ist also am größten, wenn die Drehung senkrecht zu der Schwingungsrichtung erfolgt. Wenn die Drehung parallel zu der Schwingungsrichtung erfolgt, wirkt keine Corioliskraft auf die Masse 104. Eine Größe der seitlichen Auslenkung ist proportional zu einer Drehrate der Drehung und einer Amplitude der Schwingung. Die seitliche Auslenkung wird durch hier nicht dargestellte Messeinrichtungen bestimmt. Bei einer großen Drehrate genügt eine verringerte Schwingungsamplitude, um eine messbare seitliche Auslenkung zu erhalten. Bei einer geringen Drehrate wird eine vergrößerte Schwingungsamplitude benötigt, um eine messbare seitliche Auslenkung zu erhalten.
Zur Messung des Drehratensignals wird der Corioliseffekt genutzt. Dabei berechnet sich die durch eine Drehrate Ω auf eine mit der Geschwindigkeit v bewegte Coriolismasse m_c wirkende Corioliskraft F_c aus: F_c = –2·m_c·Ω × v
Dies bedeutet, dass die Coriolismasse m_c orthogonal zur Geschwindigkeitsrichtung und anliegender Drehrate Ω beschleunigt wird und eine aus der Beschleunigung resultierende seitliche Bewegung der Coriolismasse m_c beispielsweise kapazitiv gemessen werden kann. Diese seitliche Bewegung wird auch als Detektionsbewegung bezeichnet. Wie die obige Formel erkennen lässt, ist eine Geschwindigkeitskomponente v dafür erforderlich. Die Geschwindigkeitskomponente v wird erreicht, in dem die Sensormasse in eine harmonische Oszillation versetzt wird. Diese Bewegung wird als Antriebsbewegung bezeichnet.
Die Geschwindigkeitskomponente v kann geregelt werden, um die Messung nur abhängig von der Messgröße Ω zu halten. Durch äußere Einflüsse, wie z. B. einer temperaturbedingten Gütenänderung, kann die Oszillationsamplitude der Antriebsbewegung beeinflusst werden. Daher kann eine elektronische Schaltung verwendet werden, um diese Amplitude auf einen gewünschten Sollwert zu regeln. Diese Schaltung kann als automatische Amplitudenregelung (engl. Automatic gain control, AGC) bezeichnet werden. In 1 ist ein schematischer Aufbau eines Antriebsschwingers 104 eines Drehratensensors 100 dargestellt. Die Masse 104 wird mit einem Antriebssignal in Oszillation versetzt. Dies wird durch Anlegen zweier um 180° Phasen verschobener Antriebssignale mit der Frequenz f an den Antriebselektroden 102 erreicht.
Um einen Dynamikbereich des Drehratensensors 100 einzustellen, wird die Masse 104 durch ein Antriebssignal mit konstanter Amplitude zu einer linearen Schwingung angeregt. Das Antriebssignal wird an zumindest einer der Parallelelektroden 102 angelegt. Das Antriebssignal wird mit einer konstanten Frequenz bereitgestellt. Um die Amplitude der Schwingung zu beeinflussen, wird an zumindest einer der Parallelelektroden 102 ein Verstärkungssignal mit einem Mehrfachen der Frequenz bereitgestellt.
In einem Ausführungsbeispiel wird eine der Parallelelektroden 102 mit dem Antriebssignal beaufschlagt, um die Masse 104 in Schwingung zu halten bzw. zu versetzen. Die andere Parallelelektrode 102 wird mit dem Verstärkungssignal beaufschlagt, um eine Amplitude der Schwingung zu beeinflussen und den Dynamikbereich einzustellen.
In einem Ausführungsbeispiel werden das Antriebssignal und das Verstärkungssignal an zumindest einer der Parallelelektroden 102 überlagert bereitgestellt.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Drehratensensor 100 eine Einrichtung zum Anregen der Masse auf. Die Einrichtung zum Anregen ist dazu ausgebildet, ein Antriebssignal mit einer Resonanzfrequenz der Masse 104 an den Parallelelektroden 102 bereitzustellen. Weiterhin weist der Drehratensensor 100 eine Einrichtung zum Beeinflussen der Masse auf. Die Einrichtung zum Beeinflussen ist dazu ausgebildet, das Verstärkungssignal mit einem Vielfachen der Resonanzfrequenz an den Parallelelektroden 102 bereitzustellen, um einen Dynamikbereich des Drehratensensors 100 einzustellen.
Mit anderen Worten zeigt 1 einen schematischen Aufbau eines Feder-Masse-Systems 100 mit Parallelelektroden 102 für die parametrische Resonanztechnik.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Drehratensensor 100 eine Einrichtung zum Anregen der Masse auf. Die Einrichtung zum Anregen ist dazu ausgebildet, ein Antriebssignal mit einer Resonanzfrequenz der Masse 104 an den Elektroden 102 bereitzustellen. Weiterhin weist der Drehratensensor 100 eine Einrichtung zum Beeinflussen der Masse auf. Die Einrichtung zum Beeinflussen ist dazu ausgebildet, das Verstärkungssignal mit einem Vielfachen der Resonanzfrequenz an den Elektroden 102 bereitzustellen, um einen Dynamikbereich des Drehratensensors 100 einzustellen.
Eine Sensitivitätseinstellung lässt sich erreichen, indem das parametrische 2f-Signal in der Amplitude oder Phase variiert wird und dadurch die Federsteifigkeit verändert. Da das 2f-Signal nicht im Hochvoltbereich sein muss, ist diese Schaltung entsprechend viel einfacher zu realisieren.
Ein weiteres Konzept zur Dynamikbereichsanpassung stellt die parametrische Verstärkung im nicht dargestellten Detektionskreis dar. Die Anwendung der parametrischen Verstärkung erfolgt analog dem hier vorgestellten Ansatz des Antriebskreises. Die Einspeisung kann sowohl auf zusätzlichen Elektroden, aber auch auf vorhandenen Elektroden beispielsweise durch Überlagerung eines DC-Potenzials mit dem AC-Signal der parametrischen Verstärkung erfolgen.
Weiterhin kann auch eine Kombination aus Detektions- und Antriebseinspeisung gewählt werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass sich die Wirkung multiplikativ verstärkt und somit in jeder einzelnen Einspeisung des parametrischen Verstärkungssignals kleinere Amplituden gewählt werden können und somit eventuelle Nichtlinearitätseffekte reduziert werden können, die bei größeren Anregungssignalamplituden auftreten können. Dieses Verfahren der Einspeisung auf beiden Pfaden bietet sich damit bei besonders hohen Dynamikbereichseinstellungen an.
Bei allen Einspeiseverfahren kann die Einstellung in definierten Stufen oder frei skalierbar erfolgen.
Die freie Skalierbarkeit der Dynamikbereichsanpassung bietet die Möglichkeit, jeweils optimale Verstärkungen dynamisch abgeglichen mit den Ausgangssignalen einzustellen. Diese Möglichkeit verlangt eine präzise über Einflussparameter aufgelöste Kennlinie der Verstärkungswirkung, um nichtlineare Sensitivitätsverläufe beim Einstellen der jeweiligen parametrischen Verstärkung zu vermeiden.
Die gestufte Verstärkung bietet zwar eine geringere Anpassungsfähigkeit an den jeweils tatsächlich anliegenden Drehratenbereich, reduziert aber die Anforderungen an den Kennlinienabgleich. Greift eine Anwendung auf das Drehratensignal zu, so kann diese den zu wählenden Dynamikbereich vor Start der Anwendung und/oder auch im Betrieb der Anwendung angeben. Dies ist einfach umzusetzen, da die meisten Anwendungen meist im gleichen Dynamikbereich arbeiten, spezielle Spieleanwendungen beispielsweise mit hohen Drehraten, Navigation meist mit niedrigen Drehraten. Durch feste Anwahl einer parametrischen Verstärkung ist innerhalb des gewählten Dynamikbereichs die Linearität stets gewährleistet. Die Abgleichkosten (Kennlinienbestimmung) sind damit geringer.
2 zeigt eine Darstellung eines Drehratensensors 100 mit Kammelektroden 200. Der Drehratensensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Drehratensensor in 1. Der Drehratensensor weist hier nur zwei Federn 106 auf. Die Federn 106 sind auf die in Schwingungsrichtung gegenüberliegenden Flächen der Masse 104 verteilt und wie in 1 in der Schwingungsrichtung ausgerichtet. Im Gegensatz zu 1 sind die Elektroden als Kammelektroden 200 mit quer zu der Oberfläche der Masse 104 ausgerichteten Kämmen ausgebildet. Je drei Zinken 202 sind zu einer ineinander kämmenden Kammelektrode 200 gruppiert. Dabei weist die Masse 104 hier pro Seite zwei in der Schwingungsrichtung hervorstehende elektrisch leitfähige Zinken 202 auf. Zwischen den zwei Zinken 202 ist je ein Zwischenraum angeordnet. In diesem Zwischenraum ist je eine, mit dem festen Teil 108 verbundene dritte Zinke 202 angeordnet. Alle Zinken 202 sind in der Schwingungsrichtung ausgerichtet. Die Masse 104 ist hier nicht notwendigerweise elektrisierbar.
Für die Aktorik werden hier Kammelektroden 200 verwendet.
In einem Ausführungsbeispiel werden die mit der Masse 104 verbundenen Zinken 202 auf das elektrische Potenzial der Masse 104 in 1 gesetzt. Dadurch kann über das an dem feststehenden Zinken 202 anliegende Potenzial eine anziehende Kraft auf die Masse 104 ausgeübt werden.
Je zwei der Zinken 202 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Masse 104 angeordnet.
In 2 ist ein schematischer Aufbau eines Antriebsschwingers 100 mit Kammelektroden 200 dargestellt.
3 zeigt eine Darstellung eines Drehratensensors 100 mit Kammelektroden 200 und Parallelelektroden 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Drehratensensor 100 weist wie in 2 eine mit zwei gegenüberliegend angeordneten Federn 106 schwingfähig gelagerte Masse 104 auf. Die Parallelelektroden 102 entsprechen den Parallelelektroden in 1. Die Kammelektroden 200 entsprechen den Kammelektroden in 2. Je eine der Parallelelektroden 102 und eine der Kammelektroden 200 sind auf einer Seite der Masse 104 angeordnet.
Mit anderen Worten zeigt 3 einen schematischen Aufbau eines Antriebsschwingers 100 mit zusätzlichen Parallelelektroden 102 für die parametrische Verstärkung.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Antriebssignal an den Kammelektroden 200 bereitgestellt. Das Verstärkungssignal wird an den Parallelelektroden 102 bereitgestellt.
Mit stetig wachsendem Einsatzspektrum steigen die Anforderungen an aktuelle Drehratensensoren 100. Neben typischen Aufgaben im Automotive Bereich bei der Fahrzeugstabilisierung (z. B. ESP) entstehen neue Aufgaben im Bereich der Navigation- bzw. Navigationsunterstützung mit deutlich geringeren Drehraten und damit einer deutlich höheren erforderlichen Sensitivität. Noch weiter geht das Einsatzspektrum bei Consumer Electronics. Auch hier gewinnt der Einsatz von Drehratensensoren beispielsweise zur Detektion geringer Drehraten bei der Navigation an Bedeutung, hinzu kommen jedoch aber auch Spieleanwendungen, bei denen sehr hohe Drehraten zu detektieren sind. Dies stellt enorme Herausforderungen an den Dynamikbereich und den Signal-zu-Rauschabstand der Auswerteeinheit. Im Besonderen gilt dies für die bei kapazitiver Detektion typischerweise eingesetzten Kapazitäts-zu-Spannungswandler (CU-Wandler) und für die Analog-zu-digital-Wandlung.
Um diesen Anforderungen zu genügen, kann die Sensitivität der Drehratendetektion an einen vorgegebenen Messbereich variabel angepasst werden. Dazu kann die Antriebsamplitude und somit die Geschwindigkeitskomponente v in der Corioliskraft-Gleichung variiert werden. Dadurch lässt sich das zu messende Drehratensignal Ω unterschiedlich skalieren. Beispielsweise wird im Messbereich kleiner Drehraten Ω mit großer Antriebsamplitude angeregt und somit die resultierende Corioliskraft, und damit das Detektionssignal vergrößert.
Durch das hier vorgestellte Verfahren wird eine Verschiebung der Antriebsregelung vom Hochvoltbereich (komplex) in den Niedervoltbereich ermöglicht.
In 3 ist ein Konzept dargestellt, bei dem die Antriebsschwingung parametrisch verstärkt wird. Ein Antriebssignal mit der Frequenz f wird an die Antriebselektrode 200 und 180° phasenverschoben an die zweite Antriebselektrode 200 angelegt und somit wird die Sensormasse 104 in Schwingung versetzt. Mit den zusätzlichen Parallelelektroden 102 wird mit entsprechender Phase ein 2f-Signal angelegt. Dies bewirkt jeweils zum richtigen Zeitpunkt eine Erweichung und eine Erhärtung der Federsteifigkeit. Dadurch lässt sich die Oszillationsamplitude maximieren.
Eine Amplitudenregelung lässt sich nun dadurch erreichen, indem das parametrische 2f-Signal variiert wird und dadurch die Federsteifigkeit. Eine Vergrößerung der Amplitude des 2f-Signals führt beispielsweise zu einer Vergrößerung der Amplitude der Antriebsoszillation. Da das 2f-Signal nicht im Hochvoltbereich sein muss, ist diese Schaltung entsprechend viel einfacher zu realisieren.
Eine Einstellung der Sensitivität lässt sich nun dadurch erreichen, indem das parametrische 2f-Signal variiert wird und dadurch die Federsteifigkeit. Eine Vergrößerung der Amplitude des 2f-Signals führt beispielsweise zu einer größeren Auslenkung der Detektionsmasse 104.
Ein Konzept zur Dynamikbereichsanpassung kann unter Verwendung einer parametrischen Verstärkung im Antriebskreis umgesetzt werden. 3 zeigt das Konzept, bei dem die Antriebsschwingung parametrisch verstärkt wird. Mittels der Antriebselektroden 200 wird mit einem um 180° Phasen verschobenen Antriebssignal mit der Frequenz f die Sensormasse 104 in Schwingung versetzt. Anstatt nun die Antriebsspannung an den Antriebselektroden 200 zu variieren, wird mittels der zusätzlichen Parallelelektroden 102 ein 2f-Signal mit entsprechender Phase angelegt. Dies bewirkt jeweils zum richtigen Zeitpunkt eine Erweichung und eine Erhärtung der Federsteifigkeit. Dadurch lässt sich die Oszillationsamplitude maximieren.
4 zeigt eine Darstellung eines Beeinflussens einer Schwingung einer Masse eines Drehratensensors durch eine Amplitudenerhöhung. Dargestellt ist ein Graph 400 eines Antriebssignals der Masse im Verlauf einer Schwingung. Es ist eine vollständige Schwingung des Antriebssignals 400 dargestellt. Auf der Abszisse ist eine Phase der Schwingung von null bis zwei π angetragen. Auf der Ordinate ist die Amplitude angetragen. Die Abszisse ist hier nicht auf einem Nullpunkt der Schwingung angeordnet. Das Antriebssignal ist sinusförmig. Neben dem Antriebssignal 400 ist ein Graph 402 eines Antriebssignals mit erhöhter Amplitude dargestellt. Dieses Antriebssignal 402 weist die gleiche Frequenz auf, wie das Antriebssignal 400. Um die Amplitude der Schwingung zu erhöhen und eine Empfindlichkeit des Drehratensensors zu erhöhen, ist die Amplitude des Antriebssignals 402 vergrößert worden, um die Masse mit einer größeren Kraft anzuregen.
5 zeigt eine Darstellung eines Beeinflussens einer Schwingung einer Masse eines Drehratensensors durch einen Gleichanteil. Die Darstellung in 5 ist ähnlich der Darstellung in 4. Im Gegensatz zu 4 ist das Antriebssignal 402 hier um einen Gleichspannungsanteil gegenüber dem Antriebssignal 400 erhöht.
Die 4 und 5 zeigen je ein Szenario, bei dem die Oszillationsamplitude durch äußere Einflüsse abfällt. Als Gegenmaßnahme kann entweder wie in 4 die AC-Amplitude des Antriebssignals 402 oder wie in 5 das DC-Potential vergrößert werden (durchgezogene Linie). Gezeigt ist ein Signalverlauf der Antriebsspannung bei einer AC-Regelung und einer DC-Regelung. Dazu werden die in der Regel im Hochvoltbereich angesetzten Antriebsspannungen geregelt. Dies erfordert eine komplexe analoge Schaltung, welche zum Regeln sehr hoher Spannungen mit Änderungen im Millivolt-Bereich ausgelegt ist.
Mit anderen Worten werden in den 4 und 5 zwei typische Implementierungen zur Regelung der Antriebsamplitude anhand des schematischen Verlaufs des Antriebssignals dargestellt. Die gestrichelte Linie 400 stellt die Konfiguration dar, in der große Drehraten detektiert werden können (geringere Antriebsamplitude). Eine Vergrößerung des AC-Signals wie in 4 oder des DC-Potentials wie in 5, gekennzeichnet durch die durchgezogenen Linien 402, führt zu einer größeren Auslenkung des Antriebsschwingers und somit zu einer größeren Geschwindigkeitskomponente v in der Coriolisgleichung. Dies ermöglicht die Detektion von kleineren Drehraten, die beispielsweise für die inertiale Navigation benötigt wird.
Durch den hier vorgestellten Ansatz entfällt die Notwendigkeit einer im Hochvoltbereich einstellbaren Antriebsschaltung. Die präzise Regelung von Niedervoltstufen kann mit geringem Flächenbedarf und niedrigem Stromverbrauch umgesetzt werden.
6 zeigt ein erstes Diagramm 600 mit einer, ein Verstärkungssignal repräsentierenden Amplitudenkurve 602 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zeitlich dazu korreliert ist ein zweites Diagramm 604 angeordnet, in dem eine erste Auslenkungskurve 606 und eine zweite Auslenkungskurve 608 einer Masse 104 eines Drehratensensors aufgetragen sind. Dazu wiederum zeitlich korreliert ist die Masse 104 in vier Phasen 610, 612, 614, 616 einer einzelnen Grundschwingung abgebildet. Die Masse 104 ist als schwingungsfähiges System mit einer Feder 106 dargestellt, welche die Masse 104 mit einem festen Teil 108 des Drehratensensors verbindet. In dem ersten Diagramm 600 ist auf der Abszisse die Zeit aufgetragen. Auf der Ordinate ist eine Amplitude einer elektrischen Spannung des Verstärkungssignals 602 aufgetragen. Im zweiten Diagramm 604 ist auf der Abszisse ebenfalls die Zeit aufgetragen. Auf der Ordinate ist hier eine Auslenkung x der Masse 104 aus einer Ruhelage aufgetragen. Die erste Auslenkungskurve 606 repräsentiert die Auslenkung x der Masse 104 ohne eine Beeinflussung durch das Verstärkungssignal 602. Die zweite Auslenkungskurve 608 repräsentiert die Auslenkung x der Masse 104 mit Beeinflussung durch das Verstärkungssignal 602. Ohne das Verstärkungssignal 602 schwingt die Masse 104 aufgrund des hier nicht dargestellten Antriebssignals mit einer sinusförmigen Grundschwingung 606 um eine Ruhelage. Die Grundschwingung 606 ist hier gestrichelt dargestellt. Die Grundschwingung 606 weist eine Frequenz f auf. Das Verstärkungssignal 602 weist eine doppelt so große Frequenz 2f auf. Das Verstärkungssignal 602 ist als schwellendes Gleichspannungssignal dargestellt. In allen Phasen 610, 612, 614, 616 der Grundschwingung 606 weist die Spannung des Verstärkungssignals 602 also das gleiche Vorzeichen auf. Durch das Verstärkungssignal 602 wird also eine synchron zu dem Verstärkungssignal 602 schwellende Kraft auf die Masse 104 ausgeübt. Die aus dem Verstärkungssignal 602 resultierende Kraft ergänzt oder vermindert je nach Phase 610, 612, 614, 616 eine rückstellende Federkraft der Feder 106. Die zweite Auslenkungskurve 608 beschreibt die Auslenkung x während einer vollständigen Schwingung.
Am Anfang der ersten Phase 610 befindet sich die Masse in der Ruhelage, weist jedoch ihre maximale Bewegungsgeschwindigkeit auf. In der ersten Phase 610 wird die rückstellende Kraft der Feder 106 abgeschwächt. Dadurch wirkt die Feder 106 weicher, als ihre zugrunde liegende Federkonstante. Der Impuls der Masse 104 kann die Feder 106 stärker dehnen. Die Masse 104 schwingt also weiter aus der Ruhelage, als ohne das Verstärkungssignal 602. Die Auslenkung x hat am Ende der ersten Phase 610 ein erstes Maximum der Schwingung erreicht. Am Ende der ersten Phase 610 ist die Geschwindigkeit der Masse 104 null.
Am Anfang der zweiten Phase 612 kehrt sich die Bewegungsrichtung der Masse 104 um. In der zweiten Phase 612 wird die rückstellende Kraft der Feder 106 verstärkt. Dadurch wirkt die Feder 106 härter, als die Federkonstante. Auf die Masse 104 wirkt also eine vergrößerte Beschleunigung in Richtung Ruhelage. Daher erreicht die Masse 104 am Ende der zweiten Phase 612 ihre maximale Geschwindigkeit und geht synchron zu der Grundschwingung 606 durch die Ruhelage. Die Geschwindigkeit ist größer, als die maximale Geschwindigkeit der Grundschwingung 606.
Am Anfang der dritte Phase 614 durchläuft die Masse 104 die Ruhelage mit ihrer maximalen Geschwindigkeit. In der dritten Phase 614 wird die rückstellende Kraft der Feder wieder abgeschwächt. Dadurch wirkt die Feder 106 wieder weicher, als die Federkonstante. Der Impuls der Masse 104 kann die Feder 106 stärker dehnen, als ohne das Verstärkungssignal 602. Die Masse 104 schwingt also weiter aus der Ruhelage. Die Auslenkung x hat am Ende der dritten Phase 614 ein zweites Maximum der Schwingung erreicht. Am Ende der ersten Phase 610 ist die Geschwindigkeit der Masse 104 wieder null.
Am Anfang der vierten Phase 616 kehrt sich die Bewegungsrichtung der Masse 104 wieder um. In der vierten Phase 616 wird die rückstellende Kraft der Feder 106 verstärkt. Dadurch wirkt die Feder 106 wieder härter, als die Federkonstante. Auf die Masse 104 wirkt also wieder eine vergrößerte Beschleunigung in Richtung Ruhelage. Daher erreicht die Masse 104 am Ende der vierten Phase 616 wieder ihre maximale Geschwindigkeit und geht erneut synchron zu der Grundschwingung 606 durch die Ruhelage. Die Geschwindigkeit am Ende der vierten Phase 616 ist größer, als die maximale Geschwindigkeit der Grundschwingung 606.
Wenn das Verstärkungssignal 602 mit einer veränderten Amplitude bereitgestellt wird, dann verändert sich auch entsprechend die resultierende Auslenkung x der Masse.
Die Komplexität einer Antriebsschaltung im Hochvoltbereich kann mit dem hier vorgestellten Verfahren einer parametrischen Verstärkung reduziert werden. Die parametrische Verstärkung kann mithilfe kleiner Wechselspannungen 602 im Niedervoltbereich am Sensorelement durchgeführt werden. Dies ist schaltungstechnisch einfacher zu implementieren. Die Technik der parametrischen Verstärkung kann eingesetzt werden, um die seitliche Detektionsbewegung zu vergrößern und somit die Sensitivität zu erhöhen.
Durch das hier vorgestellte Verfahren wird der Dynamikbereich der Drehratendetektion über die parametrische Resonanztechnik eingestellt. Dies hat den Vorteil, dass die Antriebsschaltung, welche typischerweise im Hochvoltbereich (10 V bis 20 V) arbeitet, nicht mehr variabel sein muss und daher enorm vereinfacht werden kann. Diese Vereinfachung der Antriebsschaltung ermöglicht eine Flächeneinsparung auf dem ASIC (Application Specific Integrated Circuit), kann einen ASIC-Prozess mit geringeren Maximalspannungen ermöglichen und reduziert den Strombedarf der Hochvoltstufen. Mit diesen Vorteilen ist eine deutliche Kostenreduktion eines ASICs mit variablem Sensitivitätsbereich möglich.
Die parametrische Verstärkung kann mithilfe kleiner Wechselspannungen 602, typischerweise bis 4 V, am Sensorelement durchgeführt werden. Dies ist schaltungstechnisch deutlich einfacher zu implementieren als eine Variation der Spannung der Hochvoltstufen. Durch Verwendung dieses Verfahrens können unterschiedliche Sensitivitätsmodi eingestellt werden.
Die parametrische Verstärkung 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 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 (im Folgenden auch Parallelelektroden genannt). Hier wird eine mechanische Federsteifigkeit k_mech durch eine elektrische Federsteifigkeit k_el zu einer effektiven Federsteifigkeit k_eff erweitert.
Dabei beschreibt U_P die parametrische Anregespannung, welche an den Parallelelektroden (102 in 1 und 3) angelegt wird. U_P = U_DC,P + Û_P·sin(2π·2f·t + Φ)
Bei Annahme einer periodischen Auslenkung x eines Feder-Masse-Systems mit der Frequenz f durch eine Kraft, beispielsweise die Corioliskraft, kann diese Kraft durch die parametrische Verstärkung durch phasenrichtiges Anlegen eines 2f-Signals 602 mit Phase Φ) verstärkt werden. 6 zeigt den zeitlichen Verlauf der Signale 602 der parametrischen Verstärkung. Im Bereich 610 wird die Masse m in positiver Richtung ausgelenkt (gestrichelte Linie 606). Eine Erweichung der Federsteifigkeit führt zu diesem Zeitpunkt zu einer zusätzlichen Auslenkung wie durch die durchgezogene Linie 608 der Auslenkung x gezeigt. Diese Erweichung wird durch phasenrichtiges Anlegen der positiven Halbwelle, sprich durch eine Erhöhung des Spannungssignals U an den Elektroden erzielt. Im Bereich 612 wird die Masse 104 durch die Federsteifigkeit in die Ruhelage zurückgeholt (gestrichelte Linie 606). Durch phasenrichtiges Anlegen der negativen Halbwelle, also einer Reduzierung des Spannungssignals U an den Elektroden wird eine zusätzliche Erhärtung der Federsteifigkeit erzielt. Dadurch wird die durch die parametrische Verstärkung zuvor weiter ausgelenkte Masse 104 schneller in die Ruhelage zurückgezogen (durchgezogene Linie 608). Bereich 614 ist analog zu Bereich 610 und Bereich 616 ist analog zu Bereich 612, wobei jeweils das Vorzeichen der Auslenkung x invertiert ist.
Durch die Anwendung der parametrischen Verstärkung kann die aufwendige Antriebsschaltung, welche im Hochvoltbereich arbeitet, enorm vereinfacht werden, da mit dem hier vorgestellten Verfahren ein gleichbleibendes harmonisches Antriebssignal im Hochvoltbereich verwendet werden kann.
Dieses Antriebssignal im Hochvoltbereich (typischerweise bis 20 V) muss weder im AC noch im DC-Anteil variiert werden. Die Amplitudenregelung erfolgt stattdessen mithilfe der parametrischen Resonanztechnik. Dabei wird ein 2f-Signal 602 an eine zusätzliche parallele Elektrode gegeben. Dieses 2f-Signal wird geregelt, da aber dieses Signal 602 im Niedervoltbereich (typischerweise ca. 3 V) sein kann, wird der schaltungstechnische Aufwand deutlich reduziert.
In einem Ausführungsbeispiel zeigt 6 den Verlauf 608 der normalisierten Auslenkung x der Antriebsoszillation über eine Periode der Antriebsoszillation.. Ein Einfluss des parametrischen Verstärkungssignals 602 auf die Auslenkung x ist deutlich zu erkennen.
Da diese Art von Amplitudenregelung keine Regelung der Hochvoltstufen erfordert, ergeben sich hier neue Möglichkeiten Fläche sowie Verlustleistung innerhalb des ASICs zu reduzieren. Auf die Kammelektroden 200, die in 3 für die Antriebsbewegung verwendet werden, kann verzichtet werden, wie es in 1 dargestellt ist. An den Parallelelektroden 102 werden das Antriebssignal sowie das parametrische Verstärkungssignal U_P (2f-Signal) überlagert angelegt. Mit anderen Worten zeigt 1 einen schematischen Aufbau des Antriebsschwingers nur mit Parallelelektroden 102. An den Parallelelektroden werden das Antriebssignal Û_A sowie das parametrische Verstärkungssignal Û_P angelegt. In den folgenden Gleichungen sind die beiden DC-Potentiale zusammengelegt. U_102r = U_DC + Û_A· sin(2π·f·t) + Û_P·sin(2π·2f·t + Φ) U_102l = U_DC – Û_A·sin(2π·f·t) + Û_P·sin(2π·2f·t + Φ) U_A = U_DC,A + Û_A·sin(2π·2f·t) U_DC = U_DC,A + U_DC,P
Mit anderen Worten zeigt 6 den zeitlichen Signalverlauf der parametrischen Verstärkung 602. Dargestellt ist eine Auslenkung x der Oszillationsamplitude des Antriebsschwingers in Abhängigkeit der Phase 610, 612, 604, 616 des parametrischen Anregesignals 602 (2f-Signal). Die Auslenkung x ist normalisiert auf die Grundauslenkung ohne die parametrische Resonanzverstärkungstechnik.
7 zeigt einen Zusammenhang zwischen einer Phasenverschiebung 700 eines Verstärkungssignals und einer Schwingungsamplitude einer Schwingung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Zusammenhang ist als Graph 702 in einem Diagramm aufgetragen. Auf der Abszisse des Diagramms ist die Phasenverschiebung 700 zwischen dem Verstärkungssignal und einer Grundschwingung in Grad aufgetragen. Auf der Ordinate ist ein Verstärkungsfaktor 704 der resultierenden Schwingungsamplitude zwischen null und 2,5 aufgetragen, wobei ein Verstärkungsfaktor 704 eins sowohl keine Verstärkung als auch keine Abschwächung der Schwingungsamplitude repräsentiert. Bei einer Phasenverschiebung 700 von null Grad resultiert ein Verstärkungsfaktor 704 von 0,4. Das heißt, dass die Schwingungsamplitude der Grundschwingung um 60 Prozent reduziert wird. Bei einer Phasenverschiebung 700 von 90 Grad resultiert ein Verstärkungsfaktor 704 von näherungsweise 1,1. Das heißt, dass die Schwingungsamplitude der Grundschwingung näherungsweise gleich bleibt. Bei einer Phasenverschiebung 700 von 135 Grad resultiert ein Verstärkungsfaktor 704 von 1,7. Das heißt, dass die Schwingungsamplitude der Grundschwingung um 70 Prozent vergrößert wird. Bei einer Phasenverschiebung 700 von 180 Grad resultiert ein Verstärkungsfaktor 704 von 2,2. Das heißt, dass die Schwingungsamplitude der Grundschwingung um 120 Prozent vergrößert wird. Bei einer Phasenverschiebung 700 von 225 Grad resultiert wieder ein Verstärkungsfaktor 704 von näherungsweise 1,7. Das heißt, dass die Schwingungsamplitude der Grundschwingung um näherungsweise 70 Prozent vergrößert wird. Bei einer Phasenverschiebung 700 von 270 Grad resultiert ein Verstärkungsfaktor 704 von 1. Das heißt, dass die Schwingungsamplitude der Grundschwingung gleich bleibt. Bei einer Phasenverschiebung 700 von null Grad oder 360 Grad resultiert wieder ein Verstärkungsfaktor 704 von 0,4. Das heißt, dass die Schwingungsamplitude der Grundschwingung um 60 Prozent reduziert wird.
Die Antriebsoszillation kann anstelle einer Variation der Amplitude des 2f-Signals durch eine Verschiebung 700 der Phase kontrolliert werden. Dies ist möglich, da die parametrische Resonanzverstärkung, an denen die Federsteifigkeit erweicht bzw. erhärtet wird, von den Zeitpunkten abhängig ist, und somit von der Phase. Dies ist noch vorteilhafter, da die Amplitude des 2f-Signals ebenfalls ungeregelt sein kann. Dadurch sind das Antriebssignal und das parametrische Signal an den Elektroden aus Sicht der Amplitude konstant. Die Phasenverschiebung 700 lässt sich durch einstellbare Verzögerungselemente einfach realisieren.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 zum Einstellen des Dynamikbereichs eines Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 800 weist einen Schritt 802 des Anregens und einen Schritt 804 des Beeinflussens auf. Im Schritt 802 des Anregens wird eine schwingfähig gelagerte Masse des Drehratensensors zu einer linearen Schwingung unter Verwendung eines Antriebssignals angeregt. Das Antriebssignal wird mit einer Resonanzfrequenz der Masse bereitgestellt. Im Schritt 804 des Beeinflussens wird die Schwingung unter Verwendung eines Verstärkungssignals beeinflusst. Das Verstärkungssignal wird insbesondere mit einem Mehrfachen der Resonanzfrequenz bereitgestellt, um den Dynamikbereich einzustellen.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Verstärkungssignal mit einem Phasenversatz zu dem Antriebssignal bereitgestellt.
In einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt des Beeinflussens eine erste Dynamikstufe des Dynamikbereichs unter Verwendung eines ersten Phasenversatzes eingestellt. Dazu zeitlich nachfolgend wird eine zweite Dynamikstufe des Dynamikbereichs unter Verwendung eines zweiten Phasenversatzes eingestellt. Der erste Phasenversatz ist verschieden von dem zweiten Phasenversatz.
In einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt des Beeinflussens zumindest eine weitere Dynamikstufe des Dynamikbereichs unter Verwendung eines weiteren Phasenversatzes eingestellt.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Verstärkungssignal mit einer veränderlichen Amplitude bereitgestellt, um den Dynamikbereich zu beeinflussen.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Verstärkungssignal mit doppelter Resonanzfrequenz bereitgestellt.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Antriebssignal im Hochvoltbereich bereitgestellt. In einem Ausführungsbeispiel wird das Verstärkungssignal im Niedervoltbereich bereitgestellt.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Antriebssignal als ein sinusförmig um einen Spannungswert schwingendes Wechselspannungssignal bereitgestellt.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Verstärkungssignal als ein sinusförmig um einen Spannungswert schwellendes Gleichspannungssignal bereitgestellt.
In einem Ausführungsbeispiel werden das Antriebssignal und das Verstärkungssignal an einer gemeinsamen Elektrode bereitgestellt. Bei gegenüberliegenden Elektroden werden das Antriebssignal und das Verstärkungssignal mit 180° Phasenversatz an den Elektroden bereitgestellt.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Antriebssignal an zumindest einer Antriebselektrode bereitgestellt. Bei gegenüberliegenden Antriebselektroden wird das Antriebssignal mit 180° Phasenversatz an den Antriebselektroden bereitgestellt. In einem Ausführungsbeispiel wird das Verstärkungssignal an zumindest einer Parallelelektrode bereitgestellt. Bei gegenüberliegenden Parallelelektroden wird das Verstärkungssignal mit 180° Phasenversatz an den Parallelelektroden bereitgestellt.
Mit anderen Worten zeigt 8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 zur Einstellung des Dynamikbereichs eines Drehratensensors durch parametrische Verstärkung. Dabei wird zur Regelung des Antriebskreises eines Drehratensensors ein parametrisches Verstärkungssignal eingespeist.
9 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 900 zum Einstellen des Dynamikbereichs eines Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 900 weist eine Einrichtung 902 zum Anregen und eine Einrichtung 904 zum Beeinflussen auf. Die Einrichtung 902 zum Anregen ist dazu ausgebildet, eine schwingfähig gelagerte Masse des Drehratensensors mit einem Antriebssignal anzuregen. Die Einrichtung 902 zum Anregen ist dazu ausgebildet, das Antriebssignal mit einer Resonanzfrequenz der Masse bereitzustellen. Die Einrichtung 904 zum Beeinflussen ist dazu ausgebildet, die Masse mit einem Verstärkungssignal zu beeinflussen. Die Einrichtung 904 zum Beeinflussen ist dazu ausgebildet, das Verstärkungssignal insbesondere mit einem Vielfachen der Resonanzfrequenz bereitzustellen, um den Dynamikbereich einzustellen.
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 102008043796 A1 [0003]

Claims

Verfahren (800) zum Einstellen des Dynamikbereichs eines Drehratensensors (100), wobei das Verfahren (800) die folgenden Schritte aufweist. Anregen (802) einer schwingfähig gelagerten Masse (104) des Drehratensensors (100) zu einer linearen Schwingung unter Verwendung eines Antriebssignals, wobei das Antriebssignal mit einer Resonanzfrequenz der Masse (104) bereitgestellt wird; und Beeinflussen (804) der Schwingung unter Verwendung eines Verstärkungssignals (602), wobei das Verstärkungssignal (602) insbesondere mit einem Mehrfachen der Resonanzfrequenz bereitgestellt wird, um den Dynamikbereich einzustellen.
Verfahren (800) gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt (804) des Beeinflussens das Verstärkungssignal (602) mit einem Phasenversatz (700) zu dem Antriebssignal bereitgestellt wird.
Verfahren (800) gemäß Anspruch 2, bei dem im Schritt (804) des Beeinflussens eine erste Dynamikstufe des Dynamikbereichs unter Verwendung eines ersten Phasenversatzes (700) eingestellt wird und dazu zeitlich nachfolgend zumindest eine weitere Dynamikstufe des Dynamikbereichs unter Verwendung zumindest eines weiteren Phasenversatzes (700) eingestellt wird, wobei sich der erste Phasenversatz (700) von dem weiteren Phasenversatz (700) unterscheidet.
Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (804) des Beeinflussens das Verstärkungssignal (602) mit einer veränderlichen Amplitude bereitgestellt wird, um den Dynamikbereich zu beeinflussen.
Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (804) des Beeinflussens das Verstärkungssignal (602) mit doppelter Resonanzfrequenz bereitgestellt wird.
Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (802) des Anregens das Antriebssignal im Hochvoltbereich bereitgestellt wird und im Schritt (804) des Beeinflussens das Verstärkungssignal (602) im Niedervoltbereich bereitgestellt wird.
Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (802) des Anregens das Antriebssignal als ein sinusförmig um einen Spannungswert schwingendes Wechselspannungssignal bereitgestellt wird.
Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (804) des Beeinflussens das Verstärkungssignal (602) als ein sinusförmig um einen Spannungswert schwellendes Gleichspannungssignal bereitgestellt wird.
Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Antriebssignal und das Verstärkungssignal (602) an einer gemeinsamen Elektrode (102) bereitgestellt werden.
Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (802) des Anregens das Antriebssignal an zumindest einer Antriebselektrode (200) bereitgestellt wird, wobei im Schritt (804) des Beeinflussens das Verstärkungssignal (602) an zumindest einer Parallelelektrode (102) bereitgestellt wird.
Vorrichtung (900) zum Einstellen des Dynamikbereichs eines Drehratensensors (100), wobei die Vorrichtung (900) die folgenden Merkmale aufweist. eine Einrichtung (902) zum Anregen einer schwingfähig gelagerten Masse (104) des Drehratensensors (100) mit einem Antriebssignal, wobei die Einrichtung (902) zum Anregen dazu ausgebildet ist, das Antriebssignal mit einer Resonanzfrequenz der Masse (104) bereitzustellen; und eine Einrichtung (904) zum Beeinflussen der Masse (104) mit einem Verstärkungssignal (602), wobei die Einrichtung (904) zum Beeinflussen dazu ausgebildet ist, das Verstärkungssignal (602) insbesondere mit einem Vielfachen der Resonanzfrequenz bereitzustellen, um den Dynamikbereich einzustellen.
Drehratensensor (100) mit folgenden Merkmalen: zumindest einer schwingfähig gelagerten Masse (104), wobei die Masse (104) durch elektrostatische Kräfte anregbar ist; zumindest einer Elektrode (102) zum Anregen der Masse (104); eine Einrichtung (902) zum Anregen der Masse (104) mit einem Antriebssignal, wobei die Einrichtung (902) zum Anregen dazu ausgebildet ist, das Antriebssignal mit einer Resonanzfrequenz der Masse (104) an der Elektrode (102) bereitzustellen; und eine Einrichtung (904) zum Beeinflussen der Masse (104) mit einem Verstärkungssignal (602), wobei die Einrichtung (904) zum Beeinflussen dazu ausgebildet ist, das Verstärkungssignal (602) mit insbesondere einem Vielfachen der Resonanzfrequenz an der Elektrode (102) bereitzustellen, um einen Dynamikbereich des Drehratensensors (100) einzustellen.
Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wenn das Programmprodukt auf einer Vorrichtung ausgeführt wird.