DE102016207987A1

DE102016207987A1 - Sensor- und/oder Aktorvorrichtung und Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen

Info

Publication number: DE102016207987A1
Application number: DE102016207987.5A
Authority: DE
Inventors: Michael CURCIC
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2017-11-16
Also published as: WO2017194234A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensor- und/oder Aktorvorrichtung mit einer seismischen Masse (10), einer Aktoreinrichtung mit mindestens einer Antriebselektrode (12a, 12b), welche dazu ausgelegt ist, die seismische Masse (10) in eine harmonische Schwingung mit einer Anregungsfrequenz (ω) entlang einer Schwingachse zu versetzen, und einer Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung, wobei die Aktoreinrichtung dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen Masse (10) und der mindestens einen Antriebselektrode (12a, 12b) anliegendes Spannungssignal (UAa, UAb) mit der Anregungsfrequenz (ω) und gleichzeitig mit einer ersten Trägerfrequenz (ωTA) zu variieren, und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung eines an der seismischen Masse (10) gemessenen Stromsignals (I) die harmonische Schwingung der seismischen Masse (10) mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang der Schwingachse zu überprüfen und/oder zu vermessen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse (10) in harmonische Schwingungen und ein Verfahren zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensor- und/oder Aktorvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen und ein Verfahren zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse.
Stand der Technik
In der DE 10 2007 062 732 A1 ist ein Drehratensensor mit zwei seismischen Massen beschrieben. Benachbart zu jeder der seismischen Massen sind als Kammelektroden ausgebildete Antriebselektroden angeordnet, wobei jede der seismischen Massen mittels einer zwischen den benachbarten Antriebselektroden und der jeweiligen seismischen Masse als Gegenelektrode angelegten Spannung in eine lineare Schwingbewegung versetzbar sein soll. Außerdem sind benachbart zu jeder der seismischen Massen als Kammelektroden ausgebildete Detektionselektroden angeordnet, mittels welchen die lineare Schwingbewegung der zugeordneten seismischen Masse vermessbar sein soll.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Sensor- und/oder Aktorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Verfahren zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhafte Möglichkeiten zum Überprüfen und/oder Vermessen der harmonischen Schwingung entlang der Schwingachse der seismischen Masse ohne die Verwendung von mindestens einer herkömmlicherweise zusätzlich zu der mindestens einen Antriebselektrode dazu benötigten Elektrode, welche oft als die mindestens eine Antriebsdetektionselektrode bezeichnet wird. Während standardgemäße Vorrichtungen mit mindestens einer seismischen Masse die mindestens eine Antriebsdetektionselektrode benötigen, um die harmonische Schwingung der jeweiligen seismischen Masse entlang der Schwingachse zu überprüfen und/oder zu vermessen, kann bei einer Nutzung der vorliegenden Erfindung auf die Ausstattung der mit der mindestens einen seismischen Masse bestückten Vorrichtung mit der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode verzichtet werden. Durch die auf diese Weise ermöglichte Einsparung von einer Fläche/einem Bauraum der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode trägt die vorliegende Erfindung zur Minimierung von Sensor- und/oder Aktorvorrichtungen bei. Da mittels der vorliegenden Erfindung Sensor- und/oder Aktorvorrichtungen kleiner und leichter hergestellt werden können, sind die erfindungsgemäßen Sensor- und/oder Aktorvorrichtungen auch vielseitiger einsetzbar. Zusätzlich können mittels des Verzichts auf die mindestens eine Antriebsdetektions-elektrode die erfindungsgemäßen Sensor- und/oder Aktorvorrichtungen auch kostengünstiger hergestellt werden.
Bei einem mittels der vorliegenden Erfindung möglichen Verzicht auf die Verwendung der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode muss auch während eines Betriebs der erfindungsgemäßen Sensor- und/oder Aktorvorrichtung kein kapazitives Übersprechen zwischen der mindestens einen Antriebselektrode und der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode befürchtet werden. Die erfindungsgemäße Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ist somit verlässlicher betreibbar.
Als Alternative zu einem Verzicht auf die mindestens eine herkömmlicherweise benötigte Antriebsdetektionselektrode erlaubt die vorliegende Erfindung auch eine Nutzung der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode als mindestens eine weitere Antriebselektrode oder eine Verwendung der Fläche/des Bauraums der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode zur Vergrößerung der mindestens einen Antriebselektrode. Mittels dieser erfindungsgemäßen Vervielfältigung/Vergrößerung der mindestens einen Antriebselektrode kann die mindestens eine dazu benachbarte seismische Masse bereits mit einer niedrigeren Amplitude des angelegten Spannungssignals in die harmonische Schwingung mit der Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse versetzt werden. Die Aktoreinrichtung kann somit bei einer Ausnutzung der vorliegenden Erfindung leichter, kleiner und kostengünstiger ausgebildet werden.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Auswerteverfahren zum Überprüfen und/oder Vermessen der harmonischen Schwingung der seismischen Masse entlang der Schwingachse, bei welchem lediglich das an der seismischen Masse gemessene Stromsignal (d.h. der Stromfluss an der seismischen Masse) ausgewertet wird. Dieses Auswerteverfahren ist mittels eines kostengünstigen und wenig Bauraum benötigenden ASIC, welcher das Stromsignal an der seismischen Masse messen kann, ausführbar. Die vorliegende Erfindung trägt somit auch zur Reduzierung eines Bauraumbedarfs und zur Verringerung von Kosten der Elektronik einer mit mindestens einer seismischen Masse ausgestatteten Vorrichtung bei.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ist die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt, eine erste Trägerfrequenzintensität der ersten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal und mindestens eine erste Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz verschobenen ersten Seitenbands der ersten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen Seitenbandintensität die harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse zu überprüfen und/oder die Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse zu ermitteln. Eine derartige Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung ist kostengünstig und mit einem geringen Bauraumbedarf herstellbar.
Vorzugsweise ist die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt, eine erste Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang einer senkrecht zu der Schwingachse ausgerichteten ersten Achse festzustellen, indem die Aktoreinrichtung dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen Masse und mindestens einer ersten Detektionselektrode anliegendes Wechselspannungssignal mit einer zweiten Trägerfrequenz zu variieren, und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals die erste Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang der ersten Achse festzustellen. Damit ist die Funktionssteigerung der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung mit vergleichsweise kostengünstigen und leicht herstellbaren Elektroniken für die Aktoreinrichtung und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung realisierbar.
Beispielsweise kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt sein, eine zweite Trägerfrequenzintensität der zweiten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal und mindestens eine zweite Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz verschobenen zweiten Seitenbands der zweiten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der zweiten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen zweiten Seitenbandintensität eine Information bezüglich der ersten Auslenkbewegung der seismischen Masse und/oder einer ersten Rotationsbewegung der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung um eine senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichtete erste Rotationsachse festzulegen und auszugeben. Die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung benötigt bei dieser Ausführungsform trotz der gesteigerten Funktionalität ihrer Sensor- und/oder Aktorvorrichtung lediglich eine Wandler-Stufe an der seismischen Masse. Durch die Einsparung von zusätzlichen Wandler-Stufen ist ein Stromverbrauch der Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung reduzierbar und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung kostengünstiger herstellbar.
Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt sein, eine zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang einer senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichteten zweiten Achse festzustellen, indem die Aktoreinrichtung dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen Masse und mindestens einer zweiten Detektionselektrode anliegendes Wechselspannungssignal mit einer dritten Trägerfrequenz zu variieren, und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals die zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang der zweiten Achse festzustellen. Auch diese Ausführungsform der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ist mittels eines kostengünstigen und wenig Bauraum benötigenden ASIC ausbildbar, wobei mittels des ASIC das Stromsignal an der seismischen Masse gemessen werden kann, die oszillierenden Spannungen (Spannungssignal und Wechselspannungen) generiert werden können und die Intensitäten der verschiedenen Frequenzen in dem Stromsignal ermittelt und miteinander ausgewertet werden können.
Insbesondere kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt sein, eine dritte Trägerfrequenzintensität der dritten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal und mindestens eine dritte Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz verschobenen dritten Seitenbands der dritten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen dritten Seitenbandintensität eine Information bezüglich der zweiten Auslenkbewegung der seismischen Masse und/oder einer zweiten Rotationsbewegung der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung um eine senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der zweiten Achse ausgerichtete zweite Rotationsachse festzulegen und auszugeben.
Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung kann beispielsweise ein Drehratensensor sein. Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ist somit vorteilhaft einsetzbar. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Verwendbarkeit/Ausbildbarkeit der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nicht auf einen bestimmten Sensortyp limitiert ist.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Ausführen des korrespondierenden Verfahrens zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen gewährleistet. Es wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung weiterbildbar ist.
Des Weiteren schafft auch ein Ausführen des korrespondierenden Verfahrens zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse die oben schon beschriebenen Vorteile. Auch das Verfahren zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse ist gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung weiterbildbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1a bis 1d eine schematische Teildarstellung, ein elektrisches Ersatzschaltbild, eine Verschaltung und ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung; und
2a bis 2c ein Flussdiagramm und Koordinatensysteme zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen.
Ausführungsformen der Erfindung
1a bis 1d zeigen eine schematische Teildarstellung, ein elektrisches Ersatzschaltbild, eine Verschaltung und ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung.
Die in den 1a bis 1d schematisch wiedergegebene Sensor- und/oder Aktorvorrichtung hat eine zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material geformte seismische Masse 10 und mindestens eine Antriebselektrode 12a und 12b. Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ist vorzugsweise zumindest teilweise als MEMS-Vorrichtung (Mikro-Elektrisch-Mechanisches-System, Micro-Electro-Mechanical System) ausgebildet. Beispielsweise können die seismische Masse 10 und/oder die mindestens eine Antriebselektrode 12a und 12b (zumindest teilweise) aus mindestens einem Halbleitersubstrat (wie z.B. einem Siliziumsubstrat) herausstrukturiert sein und/oder mittels eines Abscheidens mindestens einer leitfähigen Schicht auf dem Halbleitersubstrat gebildet sein. Die Komponenten 10, 12a und 12b der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung sind somit mit einem vergleichsweise geringen Arbeitsaufwand herstellbar und können leicht in einer vergleichsweise geringen Größe ausgebildet werden.
Die seismische Masse 10 ist (z.B. über mindestens eine Feder 14) so mit einer Halterung, wie z.B. einem Rest des Halbleitersubstrats, verbunden, dass die seismische Masse 10 in Bezug zu der mindestens einen fest angeordneten Antriebselektrode 12a und 12b verstellbar ist. Vorzugsweise liegt die mindestens eine Antriebselektrode 12a und 12b so zu der seismischen Masse 10, dass ein Abstand zwischen der seismischen Masse 10 und der einzigen Antriebselektrode oder ein jeweiliger Abstand zwischen der seismischen Masse 10 und jeder einzelnen der Antriebselektroden 12a und 12b während einer harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang einer (vorgegebenen) Schwingachse 20 harmonisch variiert. Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung kann insbesondere 2n Antriebselektroden 12a und 12b haben, wobei n eine natürlich Zahl ist und n Antriebselektroden 12a auf einer ersten Seite der seismischen Masse liegen und n Antriebselektroden 12b auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der seismischen Masse 10 angeordnet sind. In der Ausführungsform der 1a bis 1d weist die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung genau zwei Antriebselektroden 12a und 12b auf. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Antriebselektroden 12a und 12b beschränkt ist.
Außerdem ist die mindestens eine Antriebselektrode 12a und 12b Teil einer Aktoreinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, (jeweils) ein Spannungssignal UAa und UAb zwischen der seismischen Masse 10 und der mindestens einen Antriebselektrode 12a und 12b anzulegen. Dazu ist mindestens eine Elektronikkomponente 16 der Aktoreinrichtung auf einem ASIC 18 (anwendungsspezifische integrierte Schaltung, Application-Specific Integrated Circuit) der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung integriert.
Die Aktoreinrichtung ist zusätzlich dazu ausgelegt, dass zwischen der seismischen Masse 10 und der mindestens einen Antriebselektrode 12a und 12b anliegende Spannungssignal UAa und UAb mit einer (vorgegebenen) Anregungsfrequenz ω und gleichzeitig mit einer (vorgegebenen) ersten Trägerfrequenz ωTA zu variieren. Dabei ist die Anregungsfrequenz ω so gewählt, dass die seismische Masse 10 die harmonische Schwingung entlang der Schwingachse 20 mit der Anregungsfrequenz ω ausführt. Die Anregungsfrequenz ω kann insbesondere (nahezu) gleich einer Resonanzfrequenz der harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 sein.
Die erste Trägerfrequenz ωTA ist vorzugsweise so gewählt, dass sie deutlich größer als die Anregungsfrequenz ω und deutlich größer als die Resonanzfrequenz der harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 ist. Die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 ist somit eine Antwort auf die Anregungsfrequenz ω, während das Variieren des Spannungssignals UAa und UAb mit der ersten Trägerfrequenz ωTA (nahezu) keinen Einfluss auf die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 mit der Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 hat.
1b zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild zum Erläutern des zwischen jeder der Antriebselektroden 12a und 12b und der seismischen Masse 10 als Gegenelektrode anliegenden Spannungssignals UAa und UAb. Gleichungen (Gl. 1a), (Gl. 1a‘), (Gl. 1b) und (Gl. 1b‘) geben den Teil der Spannungssignale UAa und UAb an, auf welchen die seismischen Masse 10 mit der harmonischen Schwingung entlang der Schwingachse 20 reagiert: UAa ~ U_DC + U_AC·cos(ωt) (Gl. 1a) UAb ~ –U_DC + U_AC·cos(ωt) (Gl. 1b) UAa ~ U_DC + U_ACcos(ωt) bzw. (Gl. 1a') UAb ~ U_DC – U_AC·cos(ωt) (Gl. 1b) wobei U_DC eine Gleichspannung und U_AC eine Wechselspannungsamplitude sind. (Das Variieren der Spannungssignale UAa und UAb mit der ersten Trägerfrequenz ωTA hat keinen Einfluss auf die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 und kann deshalb in den Gleichungen (Gl. 1a) und (Gl. 1b) vernachlässigt werden.)
Eine zwischen jeder der Antriebselektroden 12a und 12b und der seismischen Masse 10 herrschende Teilkraft Fa und Fb ist allgemein gegeben durch Gleichungen (Gl. 2a) und (Gl. 2b) mit: Fa = 1 / 2· ∂Ca / ∂x·UAa² (Gl. 2a) Fb = 1 / 2· ∂Cb / ∂x·UAb² ((Gl. 2b) wobei x eine Position der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 angibt.
Ca und Cb ist jeweils eine Kapazität eines aus der jeweiligen Antriebselektrode 12a oder 12b und der seismischen Masse 10 als Gegenelektrode gebildeten Kondensators. Die Kapazitäten Ca und Cb der Kondensatoren sind in erster Ordnung (bei kleinen Auslenkungen aus einer Ruhelage der seismischen Masse 10) annäherbar mit Gleichungen (Gl. 3a) und (Gl. 3b) mit:
In beiden Gleichungen (Gl. 3a) und (Gl. 3b) wird somit eine Richtungsableitung in Bewegungsrichtung x entlang der Schwingachse 20 an der Ruheposition (x = 0) der seismischen Masse 10 mitberücksichtigt. C0 ist eine Ruhekapazität (bei der seismischen Masse 10 in ihrer Ruhelage x = 0), wobei angenommen werden kann, dass beide Kapazitäten Ca und Cb die gleiche Ruhekapazität C0 und die gleiche Richtungsableitung aufweisen. (In 1b deutet eine Richtung der Pfeile eine gegenphasige Veränderung der Kapazitäten Ca und Cb an.)
Für die Antriebselektroden 12a und 12b können wahlweise Kamm- oder Plattenelektroden verwendet werden. Sofern die Antriebselektroden 12a und 12b Plattenelektroden sind, ist die oben angegebene Taylorentwicklung notwendig. Bei einer Ausbildung der Antriebselektroden 12a und 12b als je eine Kammelektrode, wie in 1a dargestellt, ist eine Richtungsableitung nach Gleichung (Gl. 4) gegeben durch:
wobei ε die Dielektrizitätskonstante, b eine Breite der jeweiligen Kammelektrode, h eine Länge der jeweiligen Kammelektrode und g eine Luftspaltbreite zwischen zwei benachbarten Kämmen der jeweiligen Kammelektrode sind.
Eine aus den Teilkräften Fa und Fb resultierende Gesamtkraft F lässt sich somit nach Gleichung (Gl. 5) schreiben mit: F = Fa – Fb = k(UAa² – UAb²) ~ 2kU_ACU_DCcos(ωt) = = F ^·cos(ωt) (Gl. 5)
Eine Kapazitätsänderung dC proportional zur mechanischen Bewegung der seismischen Masse 10 ist über eine Differenz der Kapazitäten Ca und Cb definierbar in Gleichung (Gl. 6) mit: dC = Ca(x) – Cb(x) (Gl. 6)
An den Antriebselektroden 12a und 12b liegen die Summen der Gleichungen (Gl. 1a + 1b) und (Gl. 1a‘ + 1b‘) und die in den Gleichungen (Gl. 7a) und (Gl. 7b) definierten „Trägersignale“ an mit: UAa ~ U ^·cos(ωTA·t) (Gl. 7a) UAb ~ U ^·cos(ωTA·t + φ) (Gl. 7b), wobei φ gibt eine Phasenverschiebung angibt. Die Phasenverschiebung φ ist idealerweise 180°, so dass der Trägerstrom bei der Strommessung maximal unterdrückt ist. Bei reiner Sensierung liegt somit nur der Träger an.
Für ein Stromsignal/einen Stromfluss I an der seismischen Masse 10 gilt somit Gleichung (Gl. 8) mit: I(t) = dQ / dt = d(Ca·UAa + Cb·UAb) / dt (Gl. 8) Q gibt eine Ladung an der seismischen Masse 10 an. (Um eine mechanische Bewegung durch eine Strommessung an einer Gegenelektrode zu erfassen, ist es ausreichend, die Gegenelektrode mit einer Spannung zu beaufschlagen.) Eine (optionale) zeitliche Integration des Stromsignals I, welche mit einer analogen und/oder digitalen Elektronik (wie insbesondere einem Operationsverstärker) realisierbar ist, führt somit zu Gleichung (Gl. 9) mit: U ^(Ca – Cb) = U ^dC (Gl. 9) wobei dC nach Gleichung (Gl. 10) annäherbar ist mit: dC ~ sin(ω·t + ϑ) (Gl. 10) ϑ gibt eine Phasenverschiebung an.
Eine harmonische Schwingung stellt somit in der Detektion eine sinusförmige Bewegung dar, und führt (bei einem Einsetzen in die Gleichung (Gl. 8)) zu einem amplitudenmodulierten Stromsignal I. Eine Bewegungsinformation bezüglich einer Ausführung der gewünschten harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 liegt damit in sogenannten ersten Seitenbändern der ersten Trägerfrequenz ωTA bei den Frequenzen (ωTA – ω) bzw. (ωTa + ω).
Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung hat deshalb eine Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22, welche dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse 10 gemessenen Stromsignals I (bzw. durch Auswertung des Stromsignals I) die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 mit der Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 zu überprüfen und/oder eine Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse 10 zu ermitteln. Dabei nutzt die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 aus, dass eine Kraftwirkung der Spannungssignale UAa und UAb bei der Anregungsfrequenz ω liegt, eine Bewegungsinformation bzgl. einer Ausführung der gewünschten harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 mit der Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 jedoch in den ersten Seitenbändern der ersten Trägerfrequenz ωTA bei den Frequenzen (ωTA – ω) und (ωTA + ω) liegt. Dies erlaubt eine eindeutige Trennung von der zum Antreiben der seismischen Masse 10 genutzten Anregungsfrequenz ω und der resultierenden Antwort der seismischen Masse 10 bei den Frequenzen (ωTA – ω) und (ωTA + ω). Die (optionale) zeitliche Integration des Stromsignals I führt zu gleichen Amplituden bei den Seitenbändern (ωTA – ω) und (ωTA + ω), was häufig für eine spätere Demodulation von Vorteil ist. Wertet man jedoch nur ein Seitenband (ωTA – ω) oder (ωTA + ω) aus, so ist die zeitliche Integration des Stromsignals I oft nicht notwendig.
Eine Überprüfung und/oder Vermessung der harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 mit der Antriebsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 ist somit ohne einen Einsatz mindestens einer Antriebsdetektionselektrode möglich. Stattdessen wird lediglich das an der seismischen Masse 10 gemessene Stromsignal I ausgewertet, um die gewünschte harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 10 zu überprüfen und/oder zu vermessen.
Beispielsweise kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 dazu ausgelegt sein, eine erste Trägerfrequenzintensität der ersten Trägerfrequenz ωTA in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens eine erste Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω verschobenen ersten Seitenbands der ersten Trägerfrequenz ωTA in dem gemessenen Stromsignal I zu ermitteln. Danach kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 anhand eines Vergleichs der ersten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen ersten Seitenbandintensität die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 mit der Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 überprüfen und/oder die Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse 10 ermitteln. Diese Vorgänge sind auch mit einer kostengünstigen und wenig Bauraum benötigenden Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 möglich. Die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 kann somit problemlos auf dem ASIC 18 integriert werden. Außerdem können herkömmliche Pads zwischen den Bauteilen 10, 12a und 12b und dem ASIC 18 eingespart werden. Ebenso können Bond-Drähte zwischen den Bauteilen 10, 12a und 12b und dem ASIC 18 eingespart werden, was zur zusätzlichen Reduktion von Kosten und zur zusätzlichen Vermeidung von parasitären Kapazitäten beiträgt.
In der Ausführungsform der 1a bis 1d ist die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt, eine (erste) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang einer senkrecht zu der Schwingachse 20 ausgerichteten (ersten) sensitiven Achse festzustellen. (Die (erste) sensitive Achse ragt beispielsweise aus der Zeichenebene der 1a senkrecht heraus.) Dazu umfasst die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung mindestens eine (erste) Detektionselektrode 24a und 24b. Vorzugsweise liegt die mindestens eine (erste) Detektionselektrode 24a und 24b so zu der seismischen Masse 10, dass ein Abstand zwischen der seismischen Masse 10 und der einzigen (ersten) Detektionselektrode oder ein jeweiliger Abstand zwischen der seismischen Masse 10 und jeder einzelnen der (ersten) Detektionselektroden 24a und 24b während der (ersten) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang der (ersten) sensitiven Achse harmonisch variiert. Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung kann insbesondere 2n (erste) Detektionselektroden 24a und 24b haben, wobei n eine natürlich Zahl ist und n (erste) Detektionselektroden 24a auf einer ersten Seite der seismischen Masse liegen und n (erste) Detektionselektroden 24b auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der seismischen Masse 10 angeordnet sind. Typischerweise schwingt die seismische Masse 10 gegenphasig in Bezug zu den 2n (ersten) Detektionselektroden 24a und 24b. In der Ausführungsform der 1a bis 1d weist die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung genau zwei (erste) Detektionselektroden 24a und 24b auf. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nicht auf eine bestimmte Anzahl von (ersten) Detektionselektroden 24a und 24b beschränkt ist.
Auch zum Erkennen/Vermessen der (ersten) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 kann das Trägerfrequenz-Verfahren genutzt werden. Dazu ist die Aktoreinrichtung derart ausgelegt, dass mittels der Aktoreinrichtung ein zwischen der seismischen Masse 10 und der mindestens einen (ersten) Detektionselektrode 24a und 24b anliegendes Wechselspannungssignal UCa und UCb mit einer (vorgegebenen) zweiten Trägerfrequenz ωTC variierbar ist. 1c zeigt eine geeignete Verschaltung.
Auch die zweite Trägerfrequenz ωTC kann viel höher als die Anregungsfrequenz ω und viel höher als die Resonanzfrequenz der harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 sein, und hat somit keinen Einfluss auf die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20.
Eine Kapazitätsänderung dCc von Kapazitäten Cca und Ccb zweier jeweils aus einer der (ersten) Detektionselektroden 24a oder 24b und der seismischen Masse 10 als Gegenelektrode gebildeten Kondensatoren kann somit (analog zu Gleichung (Gl. 10)) mit Gleichung (Gl. 11) angenähert werden mit: dCc ~ sin(ω·t + χ) (Gl. 11) χ gibt eine Phasenverschiebung an.
Damit führt auch die zweite Trägerfrequenz ωTC zu einem amplitudenmodulierten Stromsignal I und zu einer weiteren Bewegungsinformation in den sogenannten zweiten Seitenbändern der zweiten Trägerfrequenz ωTC bei den Frequenzen (ωTC – ω) und (ωTC + ω).
Die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 kann somit auch dazu verwendet werden, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse 10 gemessenen Stromsignals I die (erste) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang der (ersten) sensitiven Achse festzustellen. Es ist zur Verwendung des Stromsignals I sowohl für die Überprüfung/Vermessung der harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 und der Überprüfung/Vermessung der (ersten) Auslenkbewegung entlang der (ersten) sensitiven Achse ausreichend, lediglich die erste Trägerfrequenz ωTA und die zweite Trägerfrequenz ωTC unterschiedlich zu wählen. Insbesondere können die Trägerfrequenzen ωTA und ωTC so gewählt werden, dass sich die resultierenden Seitenbänder nicht überlappen. Das Stromsignal I kann danach für beide Auswerteverfahren genutzt werden. Optional kann das Stromsignal I wieder (digital und/oder analog) demoduliert werden und weiter verarbeitet werden.
Beispielsweise kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 dazu ausgelegt sein, eine zweite Trägerfrequenzintensität der zweiten Trägerfrequenz ωTC in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens eine zweite Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω verschobenen zweiten Seitenbands der zweiten Trägerfrequenz ωTC in dem gemessenen Stromsignal I zu ermitteln. Anhand eines Vergleichs der zweiten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen zweiten Seitenbandintensität kann danach eine Information bezüglich der (ersten) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 festgelegt und ausgegeben werden.
Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt sein, eine zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang einer senkrecht zu der Schwingachse 20 und senkrecht zu der ersten sensitiven Achse ausgerichteten zweiten sensitiven Achse 26 festzustellen. Dies ist leicht realisierbar, indem die Aktoreinrichtung dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen Masse 10 und mindestens einer (nicht dargestellten) zweiten Detektionselektrode anliegendes Wechselspannungssignal mit einer (vorgegebenen) dritten Trägerfrequenz zu variieren, und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse 10 gemessenen Stromsignals I die zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang der zweiten sensitiven Achse 26 festzustellen. Bezüglich einer Ausbildung der mindestens einen zweiten Detektionselektrode wird auf die oben beschriebenen Ausbildungsmöglichkeiten der mindestens einen ersten Detektionselektrode 24a und 24b verwiesen. Insbesondere können eine dritte Trägerfrequenzintensität der dritten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens eine dritte Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω verschobenen dritten Seitenbands der dritten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal I ermittelt werden. Anschließend kann anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen dritten Seitenbandintensität eine Information bezüglich der zweiten Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 festgelegt und ausgegeben werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Aktor- und/oder Sensorvorrichtung auch als ein zumindest einkanaliger (kapazitiver) Drehratensensor eingesetzt werden. Bei einem derartigen Drehratensensor bewirkt eine (erste) Rotationsbewegung des Drehratensensors um eine senkrecht zu der Schwingachse 20 und senkrecht zu der (ersten) sensitiven Achse ausgerichtete (erste) Rotationsachse 28 während der harmonischen Schwingbewegung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 (aufgrund einer Corioliskraft) die (erste) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang der (ersten) sensitiven Achse. Diese (erste) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 kann auf die oben beschriebene Weise erkannt werden. Anschließend kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 eine Information bezüglich der (ersten) Rotationsbewegung um die senkrecht zu der Schwingachse 20 und senkrecht zu der (ersten) sensitiven Achse ausgerichtete (erste) Rotationsachse 28 festlegen und ausgeben. Als die Information bezüglich der (ersten) Rotationsbewegung können beispielsweise eine Drehrate, eine Winkelgeschwindigkeit und/oder eine Drehgeschwindigkeit der (ersten) Rotationsbewegung festgelegt und ausgegeben werden. Das hier beschriebene Auswertekonzept eignet sich somit vorteilhaft für einen zumindest einkanaligen Drehratensensor.
Das hier beschriebene Auswertekonzept kann entsprechend auch für einen mehrkanaligen Drehratensensor erweitert werden: Dazu kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 dazu ausgelegt sein, anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen dritten Seitenbandintensität eine Information bezüglich einer zweiten Rotationsbewegung der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung um eine senkrecht zu der Schwingachse 20 und senkrecht zu der zweiten sensitiven Achse 26 ausgerichtete zweite Rotationsachse (gleich der ersten sensitiven Achse) festzulegen und auszugeben. Als die Information bezüglich der zweiten Rotationsbewegung können ebenfalls eine Drehrate, eine Winkelgeschwindigkeit und/oder eine Drehgeschwindigkeit der zweiten Rotationsbewegung festgelegt und ausgegeben werden.
Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass bei einer Nutzung des hier beschriebenen Auswertekonzepts keine zusätzlichen Antriebsdetektionselektroden benötigt werden. Außerdem entfällt die Notwendigkeit, pro eingesetzter Detektionselektrode 24a und 24b entsprechend viele Wandler-Stufen in die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zu integrieren. Stattdessen ist es ausreichend, die oszillierenden Spannungen mit zumindest den zwei unterschiedlichen Trägerfrequenzen ωTA und ωTC zu oszillierenden, wobei die erste Trägerfrequenz ωTA für die Detektion der harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 verwendet wird und die mindestens eine weitere Trägerfrequenz ωTC zum Nachweis der mindestens einen Auslenkbewegung eingesetzt wird.
In dem Blockschaltbild der 1d ist die Auswertung des gemessenen Stromsignals I mit optionaler Demodulation schematisch wiedergegeben. Die Operationen können mit analoger und/oder digitaler (bzw. gemischter) Elektronik durchgeführt werden. Zur zeitlichen Integration des Stromsignals kann z.B. ein Operationsverstärker/Integrator 30 verwendet werden. Zur Umwandlung des Stromsignals I in ein Spannungssignal kann mindestens ein sogenannter Kapazitäts-Spannungs-Wandler 32 (C-V-Wandler) eingesetzt werden. Ein Kapazitäts-Spannungs-Wandler 32 ist vergleichsweise kostengünstig und benötigt relativ wenig Bauraum.
2a bis 2c zeigen ein Flussdiagramm und Koordinatensysteme zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen.
Das im Weiteren beschriebene Verfahren kann beispielsweise mittels der oben erläuterten Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ausführbar sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausführbarkeit des Verfahrens nicht auf einen bestimmten Typ einer mit mindestens einer seismischen Masse ausgestatteten Vorrichtung beschränkt ist.
In einem Verfahrensschritt S1 wird ein mit einer (vorgegebenen) Anregungsfrequenz ω und gleichzeitig mit einer (vorgegebenen) ersten Trägerfrequenz ωTA variierendes Spannungssignal zwischen einer zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material geformten seismischen Masse und mindestens einer Antriebselektrode angelegt. Auf diese Weise wird die seismische Masse in eine harmonische Schwingung mit der Anregungsfrequenz ω entlang einer (vorgegebenen) Schwingachse versetzt. Vorzugsweise wird das zwischen der seismischen Masse und der mindestens einen Antriebselektrode angelegte Spannungssignal mit einer Anregungsfrequenz ω gleich einer Resonanzfrequenz der harmonischen Schwingung der seismischen Masse entlang der Schwingachse (und gleichzeitig mit der ersten Trägerfrequenz ωTA) variiert. Die seismische Masse kann somit gezielt derart angeregt werden, dass die seismische Masse entlang der Schwingachse mit ihrer Resonanzfrequenz harmonisch schwingt.
In einem Verfahrensschritt S2 wird ein Stromsignal I (als Auswertesignal) an der seismischen Masse gemessen. Als Stromsignal I wird ein Stromfluss innerhalb eines aus der mindestens einen Antriebselektrode und der seismischen Masse als Gegenelektrode gebildeten Kondensators gemessen. Der Verfahrensschritt S2 wird während des Verfahrensschritts S1 ausgeführt.
Anschließend wird in einem Verfahrensschritt S3 unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals I die harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse überprüft und/oder eine Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse ermittelt.
In den Koordinatensystemen der 2b und 2c geben die Abszissen Frequenzen f (in Megahertz) wieder, mit welchen das an der seismischen Masse gemessene Stromsignal variiert. Mittels der Ordinaten der Koordinatensysteme der 2b und 2c sind Intensitäten θ der Frequenzen angezeigt.
Wie in 2b und 2c erkennbar ist, sind benachbart zu der ersten Trägerfrequenz ωTA erste Seitenbänder bei ωTA – ω und ωTA + ω ausgebildet. Diese ersten Seitenbänder erscheinen unter den Frequenzen ωTA – ω und ωTA + ω als Antwort der harmonisch schwingenden seismischen Masse auf die erste Trägerfrequenz ωTA nur, sofern die seismische Masse tatsächlich die mittels des Verfahrensschritts S1 angeregte harmonische Schwingung mit der Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse ausführt. Mittels einer Auswertung der ersten Seitenbänder der ersten Trägerfrequenz ωTA kann somit die harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse überprüft werden.
Beispielsweise werden dazu in dem Verfahrensschritt S3 eine erste Trägerfrequenzintensität θt1 der ersten Trägerfrequenz ωTA in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens eine erste Seitenbandintensität θs1 mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω verschobenen ersten Seitenbands der ersten Trägerfrequenz ωTA in dem gemessenen Stromsignal I ermittelt. Anschließend kann anhand eines Vergleichs der ersten Trägerfrequenzintensität θt1 mit der mindestens einen ersten Seitenbandintensität θs1 die harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse überprüft/vermessen werden. Entsprechend kann auch in dem Verfahrensschritt S3 anhand des Vergleichs der ersten Trägerfrequenzintensität θt1 mit der mindestens einen ersten Seitenbandintensität θs1 die Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse ermittelt werden.
Als optionale Weiterbildung weist das hier beschriebene Verfahren auch weitere (optionale) Verfahrensschritte S4 und S5 auf, in welchen eine erste Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang einer senkrecht zu der Schwingachse ausgerichteten ersten Achse detektiert wird. Dazu wird in dem Verfahrensschritt S4 ein mit einer zweiten Trägerfrequenz ωTC variierendes Wechselspannungssignal zwischen der seismischen Masse und mindestens einer ersten Detektionselektrode angelegt. (Der Verfahrensschritt S4 wird während des Verfahrensschritts S1 ausgeführt.)
Anschließend wird in einem Verfahrensschritt S5 die erste Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang der ersten Achse unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals I festgestellt. Auch dies kann durch Ermitteln einer zweiten Trägerfrequenzintensität θt2 der zweiten Trägerfrequenz ωTC in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens einer zweiten Seitenbandintensität θs2 mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω verschobenen zweiten Seitenbands der zweiten Trägerfrequenz ωTC in dem gemessenen Stromsignal I erfolgen.
Als zusätzliche optionale Weiterbildung kann noch eine zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang einer senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichteten zweiten Achse durch Ausführen der weiteren (optionalen) Verfahrensschritte S6 und S7 detektiert werden. Dazu wird in dem Verfahrensschritt S6 ein mit einer dritten Trägerfrequenz ωTD variierendes Wechselspannungssignal zwischen der seismischen Masse und mindestens einer zweiten Detektionselektrode angelegt. Das Feststellen/Vermessen der zweiten Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang der zweiten Achse erfolgt dann in dem Verfahrensschritt S7 unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals I. Beispielsweise werden in dem Verfahrensschritt S7 eine dritte Trägerfrequenzintensität θt3 der dritten Trägerfrequenz ωTD in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens eine dritte Seitenbandintensität θs3 mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω verschobenen dritten Seitenbands der dritten Trägerfrequenz ωTD in dem gemessenen Stromsignal I ermittelt.
Die Verfahrensschritte S4 bis S7 können z.B. zum Erkennen/Unterdrücken von unerwünschten Auslenkbewegungen der seismischen Masse ausgeführt werden. Sie eigenen sich jedoch auch zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse. Beispielsweise kann in dem Verfahrensschritt S5 eine Information bezüglich einer ersten Rotationsbewegung der seismischen Masse um eine senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichtete erste Rotationsachse anhand eines Vergleichs der zweiten Trägerfrequenzintensität θt2 mit der mindestens einen zweiten Seitenbandintensität θs2 festgelegt und ausgegeben werden. Entsprechend kann in dem Verfahrensschritt S7 eine Information bezüglich einer zweiten Rotationsbewegung der seismischen Masse um eine senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der zweiten Achse ausgerichtete zweite Rotationsachse anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität θt3 mit der mindestens einen dritten Seitenbandintensität θs3 bestimmt werden. Als die jeweiligen Informationen können beispielsweise mindestens eine Drehrate, mindestens eine Winkelgeschwindigkeit und/oder mindestens eine Drehgeschwindigkeit festgelegt und ausgegeben werden.
Somit schafft auch das hier beschriebene Verfahren alle Vorteile der zuvor ausgeführten Sensor- und/oder Aktorvorrichtung. Wie durch einen Vergleich der Koordinatensysteme der 2b und 2c z.B. deutlich wird, ist die bei dem Experiment der 2c gelungene Unterdrückung einer Schwingung der seismischen Masse entlang einer der dritten Trägerfrequenzintensität θt3 zugeordneten sensitiven Achse aufgrund der fehlenden Seitenbänder zu der dritten Trägerfrequenzintensität θt3 verlässlich erkennbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007062732 A1 [0002]

Claims

Sensor- und/oder Aktorvorrichtung mit: einer zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material geformten seismischen Masse (10); einer Aktoreinrichtung mit mindestens einer Antriebselektrode (12a, 12b), welche dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen Masse (10) und der mindestens einen Antriebselektrode (12a, 12b) anliegendes Spannungssignal (UAa, UAb) mit zumindest einer Anregungsfrequenz (ω) derart zu variieren, dass die seismische Masse (10) in eine harmonische Schwingung mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang einer Schwingachse (20) versetzt wird; und einer Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung (22), welche dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung eines Auswertesignals (I) die harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang der Schwingachse (20) zu überprüfen und/oder eine Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse (10) zu ermitteln; dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoreinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt ist, das zwischen der seismischen Masse (10) und der mindestens einen Antriebselektrode (12a, 12b) anliegende Spannungssignal (UAa, UAb) mit der Anregungsfrequenz (ω) und gleichzeitig mit einer ersten Trägerfrequenz (ωTA) zu variieren; und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung eines an der seismischen Masse (10) gemessenen Stromsignals (I) als dem Auswertesignal (I) die harmonische Schwingung der seismischen Masse (10) mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang der Schwingachse (20) zu überprüfen und/oder die Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse (10) zu ermitteln.
Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, eine erste Trägerfrequenzintensität (θt1) der ersten Trägerfrequenz (ωTA) in dem gemessenen Stromsignal (I) und mindestens eine erste Seitenbandintensität (θs1) mindestens eines um die Anregungsfrequenz (ω) verschobenen ersten Seitenbands der ersten Trägerfrequenz (ωTA) in dem gemessenen Stromsignal (I) zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der Trägerfrequenzintensität (θt1) mit der mindestens einen Seitenbandintensität (θs1) die harmonische Schwingung der seismischen Masse (10) mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang der Schwingachse (20) zu überprüfen und/oder die Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse (10) zu ermitteln.
Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt ist, eine erste Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang einer senkrecht zu der Schwingachse (20) ausgerichteten ersten Achse festzustellen, indem die Aktoreinrichtung dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen Masse (10) und mindestens einer ersten Detektionselektrode (24a, 24b) anliegendes Wechselspannungssignal (UCa, UCb) mit einer zweiten Trägerfrequenz (ωTC) zu variieren, und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse (10) gemessenen Stromsignals (I) die erste Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang der ersten Achse festzustellen.
Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, eine zweite Trägerfrequenzintensität (θt2) der zweiten Trägerfrequenz (ωTC) in dem gemessenen Stromsignal (I) und mindestens eine zweite Seitenbandintensität (θs2) mindestens eines um die Anregungsfrequenz (ω) verschobenen zweiten Seitenbands der zweiten Trägerfrequenz (ωTC) in dem gemessenen Stromsignal (I) zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der zweiten Trägerfrequenzintensität (θt2) mit der mindestens einen zweiten Seitenbandintensität (θs2) eine Information bezüglich der ersten Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) und/oder einer ersten Rotationsbewegung der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung um eine senkrecht zu der Schwingachse (20) und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichtete erste Rotationsachse (28) festzulegen und auszugeben.
Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt ist, eine zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang einer senkrecht zu der Schwingachse (20) und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichteten zweiten Achse (26) festzustellen, indem die Aktoreinrichtung dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen Masse (10) und mindestens einer zweiten Detektionselektrode anliegendes Wechselspannungssignal mit einer dritten Trägerfrequenz (ωTD) zu variieren, und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse (10) gemessenen Stromsignals (I) die zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang der zweiten Achse (26) festzustellen.
Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, eine dritte Trägerfrequenzintensität (θt3) der dritten Trägerfrequenz (ωTD) in dem gemessenen Stromsignal (I) und mindestens eine dritte Seitenbandintensität (θs3) mindestens eines um die Anregungsfrequenz (ω) verschobenen dritten Seitenbands der dritten Trägerfrequenz (ωTD) in dem gemessenen Stromsignal (I) zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität (θt3) mit der mindestens einen dritten Seitenbandintensität (θs3) eine Information bezüglich der zweiten Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) und/oder einer zweiten Rotationsbewegung der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung um eine senkrecht zu der Schwingachse (20) und senkrecht zu der zweiten Achse (26) ausgerichtete zweite Rotationsachse festzulegen und auszugeben.
Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ein Drehratensensor ist.
Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse (10) in harmonische Schwingungen mit den Schritten: Anlegen eines mit zumindest einer Anregungsfrequenz (ω) variierenden Spannungssignals (UAa, UAb) zwischen der zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material geformten seismischen Masse (10) und mindestens einer Antriebselektrode (12a, 12b) derart, dass die seismische Masse (10) in eine harmonische Schwingung mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang einer Schwingachse (20) versetzt wird; und Überprüfen der harmonischen Schwingung der seismischen Masse (10) mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang der Schwingachse (20) unter Berücksichtigung eines Auswertesignals (I) und/oder Ermitteln einer Amplitude, mittleren Geschwindigkeit und/oder maximalen Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse (I) unter Berücksichtigung des Auswertesignals (I); dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Anregungsfrequenz (ω) und gleichzeitig mit einer ersten Trägerfrequenz (ωTA) variierende Spannungssignal (UAa, UAb) zwischen der seismischen Masse (10) und der mindestens einen Antriebselektrode (12a, 12b) angelegt wird (S1); ein Stromsignal (I) als das Auswertesignal (I) an der seismischen Masse (10) gemessen wird (S2); und unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse (10) gemessenen Stromsignals (I) als dem Auswertesignal (I) die harmonische Schwingung der seismischen Masse (10) mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang der Schwingachse (20) überprüft und/oder die Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse (10) ermittelt wird (S3).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das zwischen der seismischen Masse (10) und der mindestens einen Antriebselektrode (12a, 12b) angelegte Spannungssignal (UAa, UAb) mit einer Anregungsfrequenz (ω) gleich einer Resonanzfrequenz der harmonischen Schwingung der seismischen Masse (10) entlang der Schwingachse (20) und gleichzeitig mit der ersten Trägerfrequenz (ωTA) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine erste Trägerfrequenzintensität (θt1) der ersten Trägerfrequenz (ωTA) in dem gemessenen Stromsignal (I) und mindestens eine erste Seitenbandintensität (θs1) mindestens eines um die Anregungsfrequenz (ω) verschobenen ersten Seitenbands der ersten Trägerfrequenz (ωTA) in dem gemessenen Stromsignal (I) ermittelt werden, und anhand eines Vergleichs der ersten Trägerfrequenzintensität (θt1) mit der mindestens einen ersten Seitenbandintensität (θs1) die harmonische Schwingung der seismischen Masse (10) mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang der Schwingachse (20) überprüft wird und/oder die Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse (10) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei eine erste Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang einer senkrecht zu der Schwingachse (20) ausgerichteten ersten Achse detektiert wird, indem ein mit einer zweiten Trägerfrequenz (ωTC) variierendes Wechselspannungssignal (UCa, UCb) zwischen der seismischen Masse (10) und mindestens einer ersten Detektionselektrode (24a, 24b) angelegt wird (S4), und die erste Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang der ersten Achse unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse (10) gemessenen Stromsignals (I) festgestellt wird (S5).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei zusätzlich eine zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang einer senkrecht zu der Schwingachse (20) und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichteten zweiten Achse (26) detektiert wird, indem ein mit einer dritten Trägerfrequenz (ωTD) variierendes Wechselspannungssignal zwischen der seismischen Masse (10) und mindestens einer zweiten Detektionselektrode angelegt wird (S6), und die zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang der zweiten Achse (26) unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse (10) gemessenen Stromsignals (I) festgestellt wird (S7).
Verfahren zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse (10) mit den Schritten: Versetzen der seismischen Masse (10) in harmonische Schwingungen gemäß dem Verfahren nach Anspruch 11 oder 12; Ermitteln einer zweiten Trägerfrequenzintensität (θt2) der zweiten Trägerfrequenz (ωTC) in dem gemessenen Stromsignal (I) und mindestens einer zweiten Seitenbandintensität (θs2) mindestens eines um die Anregungsfrequenz (ω) verschobenen zweiten Seitenbands der zweiten Trägerfrequenz (ωTC) in dem gemessenen Stromsignal (I); und Festlegen und Ausgeben einer Information bezüglich einer ersten Rotationsbewegung der seismischen Masse (10) um eine senkrecht zu der Schwingachse (20) und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichtete erste Rotationsachse (28) anhand eines Vergleichs der zweiten Trägerfrequenzintensität (θt2) mit der mindestens einen zweiten Seitenbandintensität (θs2).
Verfahren nach Anspruch 13, mit den zusätzlichen Schritten: Ermitteln einer dritten Trägerfrequenzintensität (θt3) der dritten Trägerfrequenz (ωTD) in dem gemessenen Stromsignal (I) und mindestens einer dritten Seitenbandintensität (θs3) mindestens eines um die Anregungsfrequenz (ω) verschobenen dritten Seitenbands der dritten Trägerfrequenz (ωTD) in dem gemessenen Stromsignal (I); und Festlegen und Ausgeben einer Information bezüglich einer zweiten Rotationsbewegung der seismischen Masse (10) um eine senkrecht zu der Schwingachse (20) und senkrecht zu der zweiten Achse (26) ausgerichtete zweite Rotationsachse anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität (θt3) mit der mindestens einen dritten Seitenbandintensität (θs3).