EP3102910A2 - Sensorvorrichtung und verfahren zum betreiben einer sensorvorrichtung mit mindestens einer seismischen masse - Google Patents

Sensorvorrichtung und verfahren zum betreiben einer sensorvorrichtung mit mindestens einer seismischen masse

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EP3102910A2
EP3102910A2 EP15700735.2A EP15700735A EP3102910A2 EP 3102910 A2 EP3102910 A2 EP 3102910A2 EP 15700735 A EP15700735 A EP 15700735A EP 3102910 A2 EP3102910 A2 EP 3102910A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spatial direction
seismic mass
along
frequency
sensor device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15700735.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Maul
Mirko Hattass
Rolf Scheben
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3102910A2 publication Critical patent/EP3102910A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/574—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
    • G—PHYSICS
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    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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    • G01C19/574—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
    • G01C19/5747—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion each sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass

Definitions

  • the invention relates to a sensor device. Furthermore, the invention relates to a method for operating a sensor device having at least one seismic mass.
  • PRIOR ART DE 10 2008 042 369 A1 describes coupling structures for rotation rate sensor apparatus and yaw rate sensor apparatus equipped therewith.
  • the rotation rate sensor devices described in DE 10 2008 042 369 A1 for detecting a rotation of a body both about a first axis of rotation and about a second axis of rotation have at least one first seismic mass which can be set into a harmonic with a frequency along a first spatial direction and one in one harmonic vibration with the same frequency along a second spatial direction displaceable second seismic mass.
  • the rotation rate sensor devices of DE 10 2008 042 369 A1 for detecting a rotation of the body in all three spatial directions have at least three seismic masses.
  • the invention provides a sensor device with the features of claim 1 and a method for operating a sensor device with a seismic mass having the features of claim 10.
  • Advantages of the Invention The present invention enables a reduction in the number of seismic masses needed on a sensor device. For example, by means of the present invention, a sensor device with three sensitive axes can be realized which has at most two seismic masses, in particular only one seismic mass. Specifically, by means of the present invention a
  • Yaw rate sensor device can be realized, which has at most two seismic
  • a minimization of the sensor device is therefore possible.
  • the sensor device can be made lighter. The realizable by means of the present invention minimization of the sensor device facilitates their arrangement in a measuring position.
  • the smaller and lighter sensor device can be easily attached to a body, in which a detecting or measuring his
  • the sensor device still comprises
  • the second seismic mass is displaceable in a swinging motion such that a projection of the oscillatory motion of the second seismic mass in the first spatial direction asymmetrical to the first harmonic of the first seismic mass and at the same time a projection of the oscillatory motion of the second seismic mass in the second spatial direction are asymmetric to the second harmonic of the first seismic mass.
  • asymmetric swinging motion of the second seismic mass can be
  • the first seismic mass may have at least one
  • Coupling structure to be connected to the second seismic mass. It should be noted that especially the coupling structures described in DE 10 2008 042 369 A1 can be used to connect the two seismic masses. However, the designability of the at least one coupling structure is not limited to these coupling structures.
  • the operator device is adapted to at least a first variable with respect to a periodic deflection of the first seismic mass having the first frequency along a third spatial direction inclined to the first spatial direction and the second spatial direction and / or a periodic displacement of the second seismic mass to the first Determine frequency along the third spatial direction and determine and output at least one information regarding a rotational movement of the sensor device to the second spatial direction or with respect to a aligned along the second spatial direction component of a magnetic field, taking into account the determined at least a first size.
  • a sensitive axis along the second spatial direction is realized on the sensor device, with respect to which, for example, a rate of rotation, an angular velocity, a
  • Magnetic field strength can be fixed.
  • the seismic mass is
  • the operator device can also be designed to have at least one second variable with respect to a periodic deflection of the first seismic mass with the second frequency along the third spatial direction inclined relative to the first spatial direction and the second spatial direction and / or a periodic deflection
  • the second Seismic mass with the second frequency along the third spatial direction to determine and taking into account the determined at least a second size at least one information regarding a rotational movement of the
  • Sensor device to determine the first spatial direction or with respect to a aligned along the first spatial direction component of a magnetic field and output. Especially for the previously enumerated values, therefore, another sensitive axis is also realized on the sensor device.
  • the operator device can also be designed to have at least one third variable with regard to a periodic deflection of the first seismic mass with the first frequency along the second spatial direction, a periodic deflection of the first seismic mass with the second frequency along the first spatial direction, a periodic deflection of the first seismic mass second seismic mass with the first frequency along the second spatial direction and / or a periodic deflection of the second seismic mass with the second frequency along the first spatial direction to determine and below
  • a third sensitive axis on the sensor device can be realized, which is inclined (preferably perpendicular) aligned to a plane spanned by the first spatial direction and the second spatial direction plane.
  • the operator device comprises at least one spaced apart in the first spatial direction at the first
  • Electrode at least one spaced apart in the second spatial direction of the first seismic mass and / or on the second seismic mass valve electrode and / or at least one in the third spatial direction
  • the at least one electrode can be used both for the displacement of the first seismic mass and / or the second seismic mass in the desired oscillating motion as well as for determining the above defined at least a first size, second size and / or third size are used.
  • the operator can be equipped with a multi-functional, inexpensive and easy to manufacture component.
  • the current-carrying lines are guided via the suspension springs of the seismic masses.
  • the sensor device comprises only the first seismic mass and the second seismic mass as seismic masses.
  • the sensor device is thus comparatively small and easily formable.
  • the sensor device can be a rotation rate sensor component
  • the advantageous sensor device can be designed for a variety of applications.
  • the advantages described above are also ensured when carrying out a corresponding method for operating a sensor device with at least one seismic mass.
  • the method can be further developed in accordance with the above-described embodiments of the sensor device.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of
  • Fig. 2 is a schematic representation of a second embodiment of the
  • Sensor device 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the sensor device
  • Fig. 4 is a schematic representation of a fourth embodiment of the
  • Fig. 5 is a schematic representation of a fifth embodiment of
  • FIG. 6 is a flowchart for explaining an embodiment of the present invention
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the
  • the sensor device shown schematically in FIG. 1 has only one seismic mass 10.
  • the seismic mass 10 can be understood to be a mass which has at least one (not shown) spring and / or at least one (not shown) coupling structure with a ( stationary) holder 12 is connected, that the seismic mass is adjustable with respect to the holder 12.
  • the sensor device has an operating device 14, by means of which the seismic mass 10 can be set into a swinging motion.
  • the displacement of the seismic mass 10 into its oscillating motion can be carried out by means of the operator device 14 in such a way that a projection of the oscillatory motion of the seismic mass 10 onto a first spatial direction / spatial axis 16a results in a first harmonic of the seismic mass 10 having a first frequency f1 along the first spatial direction 16a and at the same time a projection of the oscillatory motion of the seismic mass 10 onto a second spatial direction / spatial axis 16b is a second harmonic of the seismic mass 10 with a second frequency f2 along the second spatial direction 16b.
  • the second frequency f2 is not equal to the first frequency f1.
  • the second spatial direction 16b is inclined to the first spatial direction 16a.
  • the first spatial direction 16a and the second spatial direction 16b can be aligned perpendicular to one another.
  • Fig. 1 the oscillating movement of the seismic mass 10 by means of arrows 18 is shown pictorially.
  • the seismic mass 10 is preferably also connected to the holder 10 such that the seismic mass 10 is adjustable from its oscillatory movement with respect to the holder along a third spatial direction 16c oriented obliquely to the first spatial direction 16a and the second spatial direction 16b.
  • the third spatial direction / spatial axis 16 c can in particular perpendicular to one of the
  • Spaces 16a and 16b spanned plane, perpendicular to the first
  • the sensor device of FIG. 1 has only one seismic mass 10, by means of a corresponding design of the operator device 14, at least one information regarding a rotational movement of the sensor device (or the rotatable body thus investigated) or with respect to a magnetic field strength of a (not shown) magnetic field for at least two sensitive axes / spatial directions 16a, 16b and 16c, in particular for three sensitive axes / spatial directions 16a, 16b and 16c.
  • the at least one information that can be output by means of the operator device 14 can be, for example, a rate of rotation, an angular speed, a rotational speed, a rotational strength, a rotational force and / or a magnetic field strength.
  • the examples listed here for the information that can be defined by means of the operating device 14 are only examples
  • the sensor device of FIG. 1 can perform the same functions as
  • Rotary rate sensors according to the prior art with at least two harmoniously oscillating oscillating masses or conventional magnetometers, equipped with at least two harmoniously oscillating oscillating masses.
  • the simultaneous excitability of the seismic mass 10 to the first harmonic oscillation (with the first frequency f1 along the first spatial direction 16a) and to the second harmonic oscillation (with the second frequency f2 along the second spatial direction 16b) at least one more conventional manner mitbenöthne harmonic oscillating vibration mass can be saved.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the
  • the sensor device shown schematically in Fig. 2 has a seismic mass 10 which is connected via four loop springs 20 with the holder 12.
  • the seismic mass 10 has a cuboidal basic structure, with one loop spring 22 extending from each edge running perpendicularly to the holder 12 to an anchoring region 22 on the holder 12.
  • the advantageous adjustability of the seismic mass 10 is optionally ensured along the first spatial direction 16a, along the second spatial direction 16b and along the third spatial direction 16c.
  • the reproduced in Fig. 2 connection of the seismic mass 10 to the holder 12 via the four loop springs 20 is only to be interpreted as an example.
  • the seismic mass 10 can also be connected to the holder 12 via another spring type.
  • the sensor device 10 of FIG. 2 also has the operator device 14, by means of which the seismic mass 10 can be displaced into the oscillatory movement represented by the arrows 18.
  • the seismic mass 10 shown in FIG. 2 can also be excited to oscillate such that the seismic mass 10 oscillates harmonically along the first spatial direction 16a at the first frequency f1 and harmonically along the second spatial direction 16b at the second frequency f2.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of
  • the sensor device of FIG. 3 additionally comprises a second seismic mass 10b, in addition to a first seismic mass 10a, which can be displaced by means of the operator device 14 into the oscillatory motion represented graphically by the arrows 18.
  • the second seismic mass 10b may also be understood to mean a mass which has at least one (not shown) spring and / or at least one (Not shown) coupling structure is adjustably connected to the bracket 12.
  • the second seismic mass 10b is displaceable by means of the operating device 14 into a vibrating motion represented by the arrows 24 such that a projection of the oscillating motion of the second seismic mass 10b in the first spatial direction 16a is asymmetrical to the first harmonic of the first seismic mass 10a and simultaneously Projection of the oscillatory motion of the second seismic mass 10b to the second spatial direction 16b are asymmetric to the second harmonic of the first seismic mass 10a.
  • the second seismic mass 10b displaced into the oscillatory motion reproduced by means of the arrows 24 thus oscillates harmonically with the first frequency f1 along the first spatial direction 16a and harmonically with the second frequency f2 along the second spatial direction 16b.
  • the projection of the swinging motion of the second seismic mass 10b on the first spatial direction 16a is 180 ° out of phase with the first harmonic of the first seismic mass 10a while simultaneously projecting the swinging motion of the second seismic mass 10b on the second spatial direction 16b by 180 ° out of phase with the second harmonic of the first seismic mass 10a.
  • the asymmetry of the vibrational movements of the seismic mass 10a and 10b depicted graphically by means of the arrows 18 and 24 can also be described as antiphase harmonic oscillations.
  • the asymmetry of the oscillatory movements of the seismic masses 10a and 10b facilitates a signal evaluation for determining the at least one information which can be output by means of the sensor device.
  • the asymmetry of the swinging movements of the seismic masses 10a and 10b realizes an automatic one
  • the first seismic mass 10a is connected to the second seismic mass 10b via at least one coupling structure 26.
  • the coupling structure 26 By means of the coupling structure 26, the desired asymmetry of the oscillatory movements of the seismic masses 10a and 10b can be easily accomplished.
  • the coupling structures described in DE 10 2008 042 369 A1 can be used to connect the seismic masses 10a and 10b. It should be noted, however, that the attachability of the seismic masses 10a and 10b does not depend on the use of any of them
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a fourth embodiment of the invention
  • each of the seismic masses 10a and 10b is connected to the holder 12 via four loop springs 20 each.
  • the seismic masses 10a and 10b are connected to one another via a coupling structure 26, which is mirror-symmetrical with respect to a first axis of symmetry 28 extending centrally between the seismic masses 10a and 10b and mirror-symmetric with respect to a second axis of symmetry 30 which centrally cuts the seismic masses 10a and 10b.
  • a first one extends
  • Web portion 32 along the second axis of symmetry 30, which is connected to a ring of eight bending springs 34 of the coupling structure 26.
  • the ring of the eight bending springs 34 is connected to the holder 12 via two second web portions 36 which extend along the first axis of symmetry 28 to one each
  • Anchoring region 38 on the bracket 12 extend. Every page on every page
  • Web section 32 and 36 each have a bending spring 34 is connected, wherein each of the connected to the first web portions 32 bending springs 34 is connected to one of the second web portions 36 connected to the bending springs 34.
  • Each spiral spring is U-shaped. The ends of all U-shaped bending springs point into the interior of the wreath.
  • the connected to the first web portions 32 bending springs 34 are by means of a
  • the bending springs 34 connected to the second web regions 36 can also be expanded by means of a comparatively small force along the second axis of symmetry 30. It should be noted, however, that not only the coupling device 26 shown in FIG. 4 ensures the desired asymmetry of the oscillatory motions of the seismic masses 10a and 10b.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a fifth embodiment of the
  • the operator device 14 comprises two first electrodes 40a and two second electrodes 40b, wherein one of the first electrodes 40a and one of the second electrodes 40b are spaced from the first seismic mass 10a in the first spatial direction 16a and another of the first electrodes 40a and another of the second electrodes 40b in the first spatial direction 16a are spaced from the second seismic mass 10b.
  • the first Electrodes 40a each lie on a side of the seismic masses 10a and 10b facing away from the coupling structure 26.
  • Each of the second electrodes 40b is interposed between the associated seismic mass 10a or 10b and the coupling structure 26.
  • the first and second electrodes 40a and 40b are preferably formed as plate electrodes 40a and 40b.
  • the first and second electrodes 40a and 40b are aligned as plate electrodes 40a and 40b parallel to the second spatial direction 16b and / or the (not shown) first symmetry axis 28 of the coupling structure 26.
  • the operator 14 has two third electrodes 40c and two fourth plate electrodes 40d, one of the third electrodes 40c and one of the fourth electrodes 40c
  • Electrodes 40d in the second spatial direction 16b are spaced apart on the first seismic mass 10a, and another of the third electrodes 40c and another of the fourth electrodes 40d in the second spatial direction 16b are spaced on the second seismic mass 10b.
  • the third electrodes 40c are positioned so that the seismic masses 10a and 10b simultaneously oscillate on the respectively associated third electrode 40c or at the same time oscillate away from the respective associated third electrode 40c.
  • the fourth electrodes 40d may also be arranged asymmetrically with respect to one another on the sensor device such that the seismic masses 10a and 10b act simultaneously on the respectively associated fourth
  • the third and fourth electrodes 40c and 40d may be plate electrodes 40c and 40d.
  • the third and fourth electrodes 40c and 40d are preferably parallel to the first as plate electrodes 40c and 40d
  • the operator 14 has two fifth electrodes 40e and two sixth electrodes 40f, wherein one of the fifth electrodes 40e and one of the sixth electrodes 40f are spaced apart from the first seismic mass 10a in the third spatial direction 16c and another one of the fifth electrodes 40e and another one of the sixth electrodes 40f in the third spatial direction 16c is spaced from the second seismic mass 10b.
  • the fifth electrodes 40e may also be positioned so that the seismic masses 10a and 10b simultaneously oscillate on the respectively associated fifth electrode 40e or at the same time swing away from the respective associated fifth electrode 40e.
  • the sixth electrodes 40f may be arranged such that the seismic masses 10a and 10b simultaneously oscillate on the respectively associated sixth electrode 40f or at the same time oscillate away from the respective associated sixth electrode 40f.
  • the fifth and sixth electrodes 40e and 40f may be plate electrodes 40e and 40f. In this case, the fifth and sixth electrodes 40e and 40f are preferably parallel to one of the spatial directions 16a and 16b (or the symmetry axes 28 and 30).
  • Each of the electrodes 40a to 40f realizes, together with the adjacent seismic mass 10a or 10b as a counter electrode, a capacitive plate capacitor.
  • Electrodes 40a-40d can be used both to drive the seismic masses 10a and 10b into their desired oscillatory motions and to detect / detect deflection movements of a seismic mass 10a and 10b (in addition to the ones shown in FIGS
  • the operator device 14 may be adapted to the
  • Pulsed electrodes 40a to 40d used to drive or for detecting / detecting.
  • the operator device 14 may apply to the first and / or second electrodes 40a and 40b a voltage varying at the first frequency f1 to excite the first harmonic of the seismic mass 10a and 10b and to the third and / or fourth electrodes 40c and 40d apply a voltage varying at the second frequency f2 to excite the second harmonic of the seismic masses 10a and 10b.
  • the operator device 14 may apply to the first and / or second electrodes 40a and 40b a voltage varying at the first frequency f1 to excite the first harmonic of the seismic mass 10a and 10b and to the third and / or fourth electrodes 40c and 40d apply a voltage varying at the second frequency f2 to excite the second harmonic of the seismic masses 10a and 10b.
  • Operating device 14 determine the voltage and / or capacitance present on the capacitors of the electrodes 40a to 40d. Deflection movements of the seismic masses 10a and 10b along the first spatial direction 16a can be determined by means of the first and / or second electrodes 40a and 40b. By means of the third and / or fourth electrodes 40c and 40d, deflection movements of the seismic masses 10a and 10b along the second spatial direction 16b can be recognized. As an alternative to the clocked use of the electrodes 40a to 40d as drive and detection electrodes by means of a multiplex operation, further electrodes may be formed on the sensor device. The electrodes 40e and 40f may be used to detect / detect deflection movements of the seismic masses 10a and 10b along the third
  • FIGS. 1 to 4 can also be equipped with electrodes 40a to 40f for the simultaneous multi-frequency drive and / or for the detection of the deflection movements.
  • the electrodes 40a to 40f formed as plate electrodes 40a to 40f
  • all of the embodiments described above may be equipped with another electrode type such as comb electrodes.
  • Magnetic actuators and / or piezo actuators can also be used in all embodiments for the advantageous simultaneous multi-frequency drive and / or for determining / detecting the
  • sensor devices Due to its small and easy manufacturability, sensor devices can be easily arranged / fastened to a rotatable body in such a way that the respective
  • the Coriolis force causes a deflection movement of the at least one seismic mass 10, 10a and 10b perpendicular to the drive movement and perpendicular to the axis of rotation.
  • This deflection movement of the at least one seismic mass 10, 10a and 10b can be detected / measured by means of at least one measuring element of the operator device 14.
  • At least one measuring element of the operator device 14 may e.g. a capacitive measuring element (in particular the electrodes 40a to 40f), a piezoelectric element
  • the operator device 14 may be designed, taking into account at least one variable representing the deflection movement of the at least one seismic mass 10, 10 a and 10 b, to have a yaw rate
  • Signal / warning signal can be output, which indicates that the rotatable body has rotated.
  • Signal / warning signal can be output, which indicates that the rotatable body has rotated.
  • Lorentz force-based magnetic field sensor feasible.
  • a magnetic field causes a Lorentz force on the at least one moving seismic mass 10, 10a and 10b, which likewise triggers a deflection movement of the at least one seismic mass 10, 10a and 10b oriented perpendicular to the drive movement and to the magnetic field.
  • the operator device 14 may also be designed to take into account at least one of
  • a signal / warning signal can also be output by means of the operating device as information relating to the magnetic field strength of the magnetic field. All sensor devices described above can therefore also be used (in a possibly modified form) as components for Lorentz force-based magnetic field sensors or as Lorentz force-based magnetic field sensors.
  • the operator device 14 can be formed with comparatively simple and inexpensive electronics.
  • the operator device 14 can be formed with comparatively simple and inexpensive electronics.
  • the operator device 14 may be configured to have at least a first magnitude relative to a periodic displacement of the first seismic mass 10 or 10a at the first frequency f1 along the third
  • at least one information relating to a rotational movement / partial rotational movement of the sensor device (or of the rotatable body) about the second spatial direction 16b or relative to a component of a magnetic field aligned along the second spatial direction 16b can be determined and output.
  • a harmonic oscillation of the at least one seismic mass 10, 10a and 10b with the first frequency f1 along the first spatial direction 16a cause a
  • the Coriolis force / Lorentz force (non-zero) aligned along the third spatial direction 16c triggers a periodic deflection of the at least one seismic
  • Mass 10, 10a and 10b with the first frequency f1 along the third spatial direction 16c (or out of a plane spanned by the spatial directions 16a and 16b).
  • the operator device 14 can use this physical situation.
  • the operator device 14 may be configured to have at least one second variable with respect to a periodic deflection of the first seismic mass 10 or 10a at the second frequency f2 along the third spatial direction 16c and / or a periodic deflection of the second seismic mass 10b at the second frequency f2 determine along the third spatial direction 16c and determine and output at least one information regarding a rotational movement / partial rotational movement of the sensor device about the first spatial direction 16a or with respect to a component of a magnetic field oriented along the first spatial direction 16a, taking into account the determined at least one second variable.
  • the movement of the at least one seismic mass 10, 10a and 10b with the second frequency f2 along the second spatial direction 16b in which a
  • the operator device 14 may also be designed to at least a third size with respect to a periodic deflection of the first seismic mass 10 or 10a with the first frequency f1 along the second
  • Spatial direction 16b a periodic deflection of the first seismic mass 10 or 10a with the second frequency f2 along the first spatial direction 16a, a periodic deflection of the second seismic mass 10b with the first frequency f1 along the second spatial direction 16b and / or a periodic deflection of the second seismic mass 10b with the second frequency f2 along the first spatial direction 16a to determine.
  • the operator device 14 is preferably designed to determine and output at least one information regarding a rotational movement / partial rotational movement of the sensor device around the third spatial direction 16c or with respect to a component of a magnetic field aligned along the third spatial direction 16c, taking into account the determined at least one third variable.
  • a rotational movement / partial rotational movement of the sensor device solve along the third spatial direction 16c or a magnetic field the third spatial direction 16c aligned component (non-zero) from a periodic deflection of the at least one seismic mass 10, 10a and 10b with the first frequency f1 along the second spatial direction 16b.
  • the oscillation of the at least one seismic mass 10, 10a and 10b at the second frequency f2 along the second spatial direction 16b effects a Coriolis force / Lorentz force aligned along the first spatial direction 16a, for which reason the at least one seismic mass 10, 10a and 10b performs a periodic displacement at the second frequency f2 along the first spatial direction 16a.
  • This physical situation can also be used by means of the operator device 14.
  • a difference of a capacitance existing between the first seismic mass 10a and the adjacent fifth electrode 40e may be a capacitance present between the second seismic mass 10b and the adjacent fifth electrode 40e
  • Difference capacitance signal Ce and a difference between a present between the first seismic mass 10a and the adjacent sixth electrode 40f capacitance of a present between the second seismic mass 10b and the adjacent sixth electrode 40f capacitance can be measured as differential capacitance signal Cf.
  • a demodulation of a difference of the differential capacitance signals Ce and Cf with the first frequency f1 can then be further evaluated as the at least one first variable for determining the information.
  • a demodulation of the difference of the differential capacitance signals Ce and Cf with the second frequency f2 can be determined.
  • a third size may be a difference of a capacitance existing between the first seismic mass 10a and the adjacent first electrode 40a from a capacitance present between the second seismic mass 10b and the adjacent first electrode 40a
  • Differential capacitance signal Ca and a difference between a present between the first seismic mass 10a and the adjacent second electrode 40b capacitance of a present between the second seismic mass 10b and the adjacent second electrode 40b capacitance can be measured as differential capacitance signal Cb.
  • the at least one third variable can then be determined via a demodulation of a difference of the differential capacitance signals Ca and Cb with the second frequency f2.
  • a difference between one present between the first seismic mass 10a and the adjacent third electrode 40c may also be present
  • Capacitance of a capacitance present between the second seismic mass 10b and the adjacent third electrode 40c as a differential capacitance signal Cc and a difference of a capacitance between the first seismic mass 10a and the adjacent fourth electrode 40d from one between the second seismic mass 10b and the adjacent fourth one Electrode 40d present capacity can be determined as the differential capacitance signal Cd. Also by means of a demodulation of a difference of the differential capacitance signals Cc and Cd with the first frequency f1, the at least one third variable can be fixed.
  • the oscillatory motion of the at least one seismic mass 10, 10a and 10b which is a superposition of the first harmonic (at the first frequency f1 along the first spatial direction 16a) and the second harmonic Oscillation (with the second frequency f2 along the second spatial direction 16b) can thus be used to advantage, with at most two seismic masses 10, 10a or 10b, especially with only one seismic mass 10, information / values with respect to all three spatial directions 16a , 16b and 16c.
  • each of the maximum of two seismic masses 10, 10a or 10b each of the
  • Sensor devices thus have three sensitive axes. It should also be noted that the comparatively large number of sensitive axes are ensured simultaneously with the advantages of antiparallel oscillation in all embodiments of FIGS. 3 to 5, although these only the first seismic mass 10a and the second seismic mass 10b as seismic masses 10a and 10b include / have.
  • step S1 at least one (first) seismic mass is set into oscillatory motion such that a projection of the oscillatory motion of the (first) seismic mass in a first spatial direction causes a first harmonic of the (first) seismic mass at a first frequency along the first Spatial direction and at the same time a projection of the oscillatory motion of
  • Method step S2 is still (in addition to the first seismic mass)
  • At least one second seismic mass is vibrated in such a way that a projection of the oscillatory motion of the second seismic mass in the first spatial direction oscillates asymmetrically to the first harmonic of the first seismic mass and at the same time a projection of the Oscillation of the second seismic mass in the second spatial direction asymmetric to the second harmonic of the first seismic
  • At least one of the further method steps S3 to S5 can additionally be executed.
  • a method step S3 at least one first variable with respect to a periodic deflection of the first seismic mass with the first frequency along a third spatial direction inclined relative to the first spatial direction and the second spatial direction and / or a periodic one
  • Deflection of the second seismic mass with the second frequency along the third spatial direction are determined, taking into account the determined at least one second size at least one information with respect to a
  • Spacing or with respect to a aligned along the first spatial direction component of a magnetic field is determined.
  • a method step S5 at least one third variable with respect to a periodic deflection of the first seismic mass at the first frequency along the second spatial direction, a periodic deflection of the first seismic mass with the second frequency along the first spatial direction, a periodic deflection of the second seismic mass having the first frequency along the second spatial direction, and / or a periodic displacement of the second seismic mass having the second frequency along the first spatial direction.
  • at least one information relating to a rotational movement / partial rotational movement of the sensor device about the third spatial direction or with respect to a component of a magnetic field oriented along the third spatial direction is then determined taking into account the determined at least one third variable. Examples of the at least one first, second and / or third size are already described above.
  • a yaw rate sensor or a Lorentz force-based magnetic field sensor can be operated as the sensor device

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit mindestens einer ersten seismischen Masse (10a), und einer Betreibereinrichtung (14), mittels welcher zumindest die erste seismische Masse (10a) in eine Schwingbewegung derart versetzbar ist, dass eine Projektion der Schwingbewegung der ersten seismischen Masse (10a) auf eine erste Raumrichtung (16a) eine erste harmonische Schwingung der ersten seismische Masse (10a)mit einer ersten Frequenz (F1) entlang der ersten Raumrichtung (16a) ist, wobei gleichzeitig eine Projektion der Schwingbewegung der ersten seismische Masse (10a) auf eine geneigt zu der ersten Raumrichtung (16a) ausgerichtetezweite Raumrichtung (16b) eine zweite harmonische Schwingung der ersten seismische Masse(10a) mit einer zweiten Frequenz (f2) ungleich der ersten Frequenz (f1) entlang der zweiten Raumrichtung (16b) ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung mit mindestens einer seismischen Masse (10a, 10b).

Description

Beschreibung Titel
Sensorvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung mit mindestens einer seismischen Masse
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung mit mindestens einer seismischen Masse.
Stand der Technik In der DE 10 2008 042 369 A1 sind Koppelstrukturen für Drehratensensorvorrichtung und damit ausgestattete Drehratensensorvorrichtung beschrieben. Die in der DE 10 2008 042 369 A1 beschriebenen Drehratensensorvornchtungen zum Erfassen einer Rotation eines Körpers sowohl um eine erste Rotationsachse als auch um eine zweite Rotationsachse haben zumindest eine in eine harmonische Schwingung mit einer Frequenz entlang einer ersten Raumrichtung versetzbare erste seismische Masse und eine in eine harmonische Schwingung mit der gleichen Frequenz entlang einer zweiten Raumrichtung versetzbare zweite seismische Masse. Die Drehratensensorvornchtungen der DE 10 2008 042 369 A1 zum Erfassen einer Rotation des Körpers in alle drei Raumrichtungen haben mindestens drei seismische Massen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung mit einer seismischen Masse mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteile der Erfindung Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Reduzierung einer Anzahl der an einer Sensorvorrichtung benötigten seismischen Massen. Beispielsweise kann mittels der vorliegenden Erfindung eine Sensorvorrichtung mit drei sensitiven Achsen realisiert werden, welche höchstens zwei seismische Massen, insbesondere nur eine seismische Masse, hat. Speziell kann mittels der vorliegenden Erfindung eine
Drehratensensorvorrichtung realisiert werden, welche höchstens zwei seismische
Massen, insbesondere nur eine seismische Masse, hat, und mittels welcher trotzdem Drehraten eines rotierbaren Körpers um alle drei Raumrichtungen messbar sind. Mittels der Erfindung ist eine deshalb Minimierung der Sensorvorrichtung möglich. Außerdem kann bei einer Nutzung der vorliegenden Erfindung die Sensorvorrichtung leichter ausgebildet werden. Die mittels der vorliegenden Erfindung realisierbare Minimierung der Sensorvorrichtung erleichtert deren Anordnung in einer Messposition. Außerdem kann die kleiner und leichter ausgebildete Sensorvorrichtung einfacher an einem Körper angebracht werden, bei welchem ein Nachweisen oder Messen seiner
Rotationsbewegung gewünscht ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung noch
mindestens eine zweite seismische Masse, wobei mittels der Betreibereinrichtung die zweite seismische Masse derart in eine Schwingbewegung versetzbar ist, dass eine Projektion der Schwingbewegung der zweiten seismischen Masse auf die erste Raumrichtung asymmetrisch zu der ersten harmonischen Schwingung der ersten seismischen Masse und gleichzeitig eine Projektion der Schwingbewegung der zweiten seismischen Masse auf die zweite Raumrichtung asymmetrisch zu der zweiten harmonischen Schwingung der ersten seismischen Masse sind. Unter einer asymmetrischen Schwingbewegung der zweiten seismischen Masse kann
verstanden werden, dass die Projektion der Schwingbewegung der zweiten
seismischen Masse auf die erste Raumrichtung um einen Phasenwinkel von 180° phasenverschoben, bzw. gegenphasig, zu der ersten harmonischen Schwingung der ersten seismischen Masse ist, während gleichzeitig die Projektion der
Schwingbewegung der zweiten seismischen Masse auf die zweite Raumrichtung um einen Phasenwinkel von 180° phasenverschoben, bzw. gegenphasig, zu der zweiten harmonischen Schwingung der ersten seismischen Masse ist. Eine derartige Asymmetrie der Schwingbewegung der zweiten seismischen Masse gegenüber der Schwingbewegung der ersten seismischen Masse erleichtert eine mittels der Betreibereinrichtung ausführbare Signalauswertung und ermöglicht ein automatisches Herausfiltern von Fehlern.
Beispielsweise kann die erste seismische Masse über zumindest eine
Koppelstruktur mit der zweiten seismischen Masse verbunden sein. Es wird darauf hingewiesen, dass speziell die in der DE 10 2008 042 369 A1 beschriebenen Koppelstrukturen zum Verbinden der beiden seismischen Massen einsetzbar sind. Die Ausbildbarkeit der zumindest einen Koppelstruktur ist jedoch nicht auf diese Koppelstrukturen beschränkt.
Vorzugsweise ist die Betreibereinrichtung dazu ausgelegt, mindestens eine erste Größe bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse mit der ersten Frequenz entlang einer geneigt zu der ersten Raumrichtung und der zweiten Raumrichtung ausgerichteten dritten Raumrichtung und/oder einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse mit der ersten Frequenz entlang der dritten Raumrichtung zu ermitteln und unter Berücksichtigung der ermittelten mindestens einen ersten Größe mindestens eine Information bezüglich einer Drehbewegung der Sensorvorrichtung um die zweite Raumrichtung oder bezüglich einer entlang der zweiten Raumrichtung ausgerichteten Komponente eines Magnetfelds festzulegen und auszugeben. Damit ist an der Sensorvorrichtung eine sensitive Achse entlang der zweiten Raumrichtung realisiert, bezüglich welcher beispielsweise eine Drehrate, eine Winkelgeschwindigkeit, eine
Drehgeschwindigkeit, eine Drehstärke, eine Drehkraft und/oder eine
Magnetfeldstärke festlegbar sind.
Zum Betrieb als Magnetfeld-Sensor wird die Seismische Masse mittels
stromführenden Leitungen periodisch bestromt. Die Richtung des Stromflusses entspricht hierbei den Achsen der mechanischen Anregung.
Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann die Betreibereinrichtung auch dazu ausgelegt sein, mindestens eine zweite Größe bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse mit der zweiten Frequenz entlang der geneigt zu der ersten Raumrichtung und der zweiten Raumrichtung ausgerichteten dritten Raumrichtung und/oder einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse mit der zweiten Frequenz entlang der dritten Raumrichtung zu ermitteln und unter Berücksichtigung der ermittelten mindestens einen zweiten Größe mindestens eine Information bezüglich einer Drehbewegung der
Sensorvorrichtung um die erste Raumrichtung oder bezüglich einer entlang der ersten Raumrichtung ausgerichteten Komponente eines Magnetfelds festzulegen und auszugeben. Speziell für die vorausgehend aufgezählten Werte ist damit auch noch eine weitere sensitive Achse an der Sensorvorrichtung realisiert.
Ebenso kann die Betreibereinrichtung auch dazu ausgelegt sein, mindestens eine dritte Größe bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse mit der ersten Frequenz entlang der zweiten Raumrichtung, einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse mit der zweiten Frequenz entlang der ersten Raumrichtung, einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse mit der ersten Frequenz entlang der zweiten Raumrichtung und/oder einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse mit der zweiten Frequenz entlang der ersten Raumrichtung zu ermitteln und unter
Berücksichtigung der ermittelten mindestens einen dritten Größe mindestens eine Information bezüglich einer Drehbewegung der Sensorvorrichtung um die geneigt zu der ersten Raumrichtung und der zweiten Raumrichtung ausgerichtete dritte Raumrichtung oder bezüglich einer entlang der dritten Raumrichtung ausgerichteten Komponente eines Magnetfelds festzulegen und auszugeben. Damit ist auch eine dritte sensitive Achse an der Sensorvorrichtung realisierbar, welche geneigt (vorzugsweise senkrecht) zu einer von der ersten Raumrichtung und der zweiten Raumrichtung aufgespannten Ebene ausgerichtet ist. Trotz der Verwendung von höchstens zwei seismischen Massen, insbesondere von nur einer seismischen Masse, ist somit eine Sensorvorrichtung mit drei sensitiven Achsen realisiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Betreibereinrichtung mindestens eine in der ersten Raumrichtung beabstandet an der ersten
seismischen Masse und/oder an der zweiten seismischen Masse angeordnete
Elektrode, mindestens eine in der zweiten Raumrichtung beabstandet an der ersten seismischen Masse und/oder an der zweiten seismischen Masse angeordnete Klappenelektrode und/oder mindestens eine in der dritten Raumrichtung
beabstandet an der ersten seismischen Masse und/oder an der zweiten
seismischen Masse angeordnete Elektrode. Die mindestens eine Elektrode kann in diesem Fall sowohl für das Versetzen der ersten seismischen Masse und/oder der zweiten seismischen Masse in die gewünschte Schwingbewegung als auch für das Ermitteln der oben definierten mindestens einen ersten Größe, zweiten Größe und/oder dritten Größe eingesetzt werden. Damit kann die Betreibereinrichtung mit einem multifunktionellen, kostengünstigen und einfach herstellbaren Bauteil ausgestattet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zum Betrieb als Magnetfeld-Sensor sind die stromführenden Leitungen über die Aufhängungsfedern der Seismischen Massen geführt.
Bevorzugter Weise umfasst die Sensorvorrichtung nur die erste seismische Masse und die zweite seismische Masse als seismische Massen. Die Sensorvorrichtung ist damit vergleichsweise klein und leicht ausbildbar. Vorteilhafterweise kann die Sensorvorrichtung ein Drehratensensorbauteil, ein
Drehratensensor, ein Bauteil für einen Lorentzkraft-basierten Magnetfeldsensor oder ein Lorentzkraft-basierter Magnetfeldsensor sein. Somit kann die vorteilhafte Sensorvorrichtung für eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten ausgebildet werden. Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Ausführen eines entsprechenden Verfahrens zum Betreiben einer Sensorvorrichtung mit mindestens einer seismischen Masse gewährleistet. Das Verfahren ist entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsformen der Sensorvorrichtung weiterbildbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der
Sensorvorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der
Sensorvorrichtung; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Sensorvorrichtung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der
Sensorvorrichtung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der
Sensorvorrichtung; und Fig. 6 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des
Verfahrens zum Betreiben einer Sensorvorrichtung mit mindestens einer seismischen Masse.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der
Sensorvorrichtung. Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Sensorvorrichtung hat nur eine seismische Masse 10. Unter der seismischen Masse 10 kann eine Masse verstanden werden, welche über mindestens eine (nicht skizzierte) Feder und/oder über mindestens eine (nicht dargestellte) Koppelstruktur derart mit einer (ortsfesten) Halterung 12 verbunden ist, dass die seismische Masse in Bezug zu der Halterung 12 verstellbar ist.
Außerdem hat die Sensorvorrichtung eine Betreibereinrichtung 14, mittels welcher die seismische Masse 10 in eine Schwingbewegung versetzbar ist. Das Versetzen der seismischen Masse 10 in ihre Schwingbewegung ist mittels der Betreibereinrichtung 14 derart ausführbar, dass eine Projektion der Schwingbewegung der seismischen Masse 10 auf eine erste Raumrichtung/Raumachse 16a eine erste harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 mit einer ersten Frequenz f1 entlang der ersten Raumrichtung 16a ist und gleichzeitig eine Projektion der Schwingbewegung der seismischen Masse 10 auf eine zweite Raumrichtung/Raumachse 16b eine zweite harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 mit einer zweiten Frequenz f2 entlang der zweiten Raumrichtung 16b ist. Die zweite Frequenz f2 ist ungleich der ersten Frequenz f1. Außerdem ist die zweite Raumrichtung 16b geneigt zu der ersten Raumrichtung 16a ausgerichtet. Insbesondere können die erste Raumrichtung 16a und die zweite Raumrichtung 16b senkrecht zueinander ausgerichtet sein.
In Fig. 1 ist die Schwingbewegung der seismischen Masse 10 mittels der Pfeile 18 bildlich wiedergegeben. Die seismische Masse 10 ist vorzugsweise auch so mit der Halterung 10 verbunden, dass die seismische Masse 10 aus ihrer Schwingbewegung in Bezug zu der Halterung auch entlang einer geneigt zu der ersten Raumrichtung 16a und der zweiten Raumrichtung 16b ausgerichteten dritten Raumrichtung 16c verstellbar ist. Die dritte Raumrichtung/Raumachse 16c kann insbesondere senkrecht zu einer von den
Raumrichtungen 16a und 16b aufgespannten Ebene, senkrecht zu der ersten
Raumrichtung 16a und/oder senkrecht zu der zweiten Raumrichtung 16b ausgerichtet sein.
Obwohl die Sensorvorrichtung der Fig. 1 nur die eine seismische Masse 10 hat, kann mittels einer entsprechenden Auslegung der Betreibereinrichtung 14 mindestens eine Information bezüglich einer Drehbewegung der Sensorvorrichtung (bzw. des damit untersuchten rotierbaren Körpers) oder bezüglich einer Magnetfeldstärke eines (nicht dargestellten) Magnetfelds für mindestens zwei sensitive Achsen/Raumrichtungen 16a, 16b und 16c, insbesondere für drei sensitive Achsen/ Raumrichtungen 16a, 16b und 16c festgelegt werden. (Dies wird unten genauer ausgeführt.) Die mindestens eine mittels der Betreibereinrichtung 14 ausgebbare Information kann beispielsweise eine Drehrate, eine Winkelgeschwindigkeit, eine Drehgeschwindigkeit, eine Drehstärke, eine Drehkraft und/oder eine Magnetfeldstärke sein. Die hier aufgezählten Beispiele für die mittels der Betreibereinrichtung 14 festlegbare Information sind jedoch nur beispielhaft zu
interpretieren.
Die Sensorvorrichtung der Fig. 1 kann die gleichen Funktionen erfüllen wie
Drehratensensoren gemäß dem Stand der Technik mit mindestens zwei harmonisch schwingenden Schwingmassen oder herkömmliche Magnetometer, ausgestattet mit mindestens zwei harmonisch schwingenden Schwingmassen. Insbesondere kann mittels der gleichzeitigen Anregbarkeit der seismischen Masse 10 zu der ersten harmonischen Schwingung (mit der ersten Frequenz f1 entlang der ersten Raumrichtung 16a) und zu der zweiten harmonischen Schwingung (mit der zweiten Frequenz f2 entlang der zweiten Raumrichtung 16b) mindestens noch eine herkömmlicher Weise mitbenötigte harmonisch schwingende Schwingmasse eingespart werden. Man kann dies auch so umschreiben, dass die gleichzeitig mit der ersten harmonischen Schwingung bewirkbare zweite harmonische Schwingung der (gleichen) seismischen Masse 10 eine Multifunktionalität der seismischen Masse 10 realisiert, welche mindestens eine herkömmlicher Weise zusätzlich benötigte Schwingmasse überflüssig macht. Deshalb kann die
Sensorvorrichtung der Fig. 1 trotz ihrer Vielseitigkeit klein und leicht ausgebildet werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der
Sensorvorrichtung.
Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Sensorvorrichtung hat eine seismische Masse 10, welche über vier Schlaufenfedern 20 mit der Halterung 12 verbunden ist. Beispielhaft weist die seismische Masse 10 eine quaderförmige Grundstruktur auf, wobei sich von jeder senkrecht zu der Halterung 12 verlaufenden Kante je eine Schlaufenfeder 22 zu einem Verankerungsbereich 22 an der Halterung 12 erstreckt. Mittels der Schlaufenfedern 20 ist die vorteilhafte Verstellbarkeit der seismischen Masse 10 wahlweise entlang der ersten Raumrichtung 16a, entlang der zweiten Raumrichtung 16b und entlang der dritten Raumrichtung 16c gewährleistet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die in Fig. 2 wiedergegebene Anbindung der seismischen Masse 10 an die Halterung 12 über die vier Schlaufenfedern 20 lediglich beispielhaft zu interpretieren ist. Anstelle oder als Ergänzung zu den Schlaufenfedern 20 kann die seismische Masse 10 auch über einen anderen Federtyp mit der Halterung 12 verbunden sein.
Die Sensorvorrichtung 10 der Fig. 2 weist ebenfalls die Betreibervorrichtung 14 auf, mittels welcher die seismische Masse 10 in die mittels der Pfeile 18 wiedergegebene Schwingbewegung versetzbar ist. Auch die in der Fig. 2 dargestellte seismische Masse 10 kann so zu der Schwingbewegung angeregt werden, dass die seismische Masse 10 mit der ersten Frequenz f1 harmonisch entlang der ersten Raumrichtung 16a und mit der zweiten Frequenz f2 harmonisch entlang der zweiten Raumrichtung 16b schwingt.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der
Sensorvorrichtung.
Die Sensorvorrichtung der Fig. 3 umfasst zusätzlich zu einer ersten seismischen Masse 10a, welche mittels der Betreibereinrichtung 14 in die mittels der Pfeile 18 bildlich wiedergegebene Schwingbewegung versetzbar ist, noch eine zweite seismische Masse 10b. Auch unter der zweiten seismischen Masse 10b kann eine Masse verstanden werden, welche über mindestens eine (nicht skizzierte) Feder und/oder mindestens eine (nicht dargestellte) Koppelstruktur verstellbar mit der Halterung 12 verbunden ist. Die zweite seismische Masse 10b ist mittels der Betreibereinrichtung 14 derart in eine mittels der Pfeile 24 wiedergegebene Schwingbewegung versetzbar, dass eine Projektion der Schwingbewegung der zweiten seismischen Masse 10b auf die erste Raumrichtung 16a asymmetrisch zu der ersten harmonischen Schwingung der ersten seismischen Masse 10a und gleichzeitig eine Projektion der Schwingbewegung der zweiten seismischen Masse 10b auf die zweite Raumrichtung 16b asymmetrisch zu der zweiten harmonischen Schwingung der ersten seismischen Masse 10a sind. Die in die mittels der Pfeile 24 wiedergegebene Schwingbewegung versetzte zweite seismische Masse 10b schwingt somit harmonisch mit der ersten Frequenz f1 entlang der ersten Raumrichtung 16a und harmonisch mit der zweiten Frequenz f2 entlang der zweiten Raumrichtung 16b.
Außerdem ist die Projektion der Schwingbewegung der zweiten seismischen Masse 10b auf die erste Raumrichtung 16a um 180° phasenverschoben zu der ersten harmonischen Schwingung der ersten seismischen Masse 10a, während gleichzeitig die Projektion der Schwingbewegung der zweiten seismischen Masse 10b auf die zweite Raumrichtung 16b um 180° phasenverschoben zu der zweiten harmonischen Schwingung der ersten seismischen Masse 10a ist. Man kann die Asymmetrie der mittels der Pfeile 18 und 24 bildlich wiedergegebenen Schwingbewegungen der seismischen Masse 10a und 10b zueinander auch als ein gegenphasiges harmonisches Schwingen umschreiben.
Die Asymmetrie der Schwingbewegungen der seismischen Massen 10a und 10b erleichtert eine Signalauswertung zum Festlegen der mindestens einen mittels der Sensorvorrichtung ausgebbaren Information. Außerdem realisiert die Asymmetrie der Schwingbewegungen der seismischen Massen 10a und 10b eine automatische
Herausfilterung von Fehlersignalen. Da Beispiele dazu aus dem Stand der Technik bereits bekannt sind, wird hier nicht genauer darauf eingegangen.
Vorzugsweise ist die erste seismische Masse 10a über zumindest eine Koppelstruktur 26 mit der zweiten seismischen Masse 10b verbunden. Mittels der Koppelstruktur 26 kann die gewünschte Asymmetrie der Schwingbewegungen der seismischen Massen 10a und 10b leicht bewerkstelligt werden. Beispielsweise können die in der DE 10 2008 042 369 A1 beschriebenen Koppelstrukturen zum Verbinden der seismischen Massen 10a und 10b eingesetzt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Anbindbarkeit der seismischen Massen 10a und 10b nicht auf die Verwendung einer dieser
Koppelstrukturen limitiert ist. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der
Sensorvorrichtung.
Bei der Sensorvorrichtung der Fig. 4 ist jede der seismischen Massen 10a und 10b über je vier Schlaufenfedern 20 mit der Halterung 12 verbunden. Außerdem sind die seismischen Massen 10a und 10b über eine Koppelstruktur 26 miteinander verbunden, welche spiegelsymmetrisch bezüglich einer mittig zwischen den seismischen Massen 10a und 10b verlaufenden ersten Symmetrieachse 28 und spiegelsymmetrisch bezüglich einer die seismischen Massen 10a und 10b mittig schneidenden zweiten Symmetrieachse 30 ausgebildet ist. Von jeder seismischen Masse 10a und 10b erstreckt sich ein erster
Stegabschnitt 32 entlang der zweiten Symmetrieachse 30, welcher an einem Kranz aus acht Biegefedern 34 der Koppelstruktur 26 angebunden ist. Außerdem ist der Kranz aus den acht Biegefedern 34 mit der Halterung 12 über zwei zweite Stegabschnitte 36 verbunden, welche sich entlang der ersten Symmetrieachse 28 zu je einem
Verankerungsbereich 38 an der Halterung 12 erstrecken. Auf jeder Seite jedes
Stegabschnitts 32 und 36 ist je eine Biegefeder 34 angebunden, wobei jeder der an die ersten Stegabschnitte 32 angebundenen Biegefedern 34 mit einer der an die zweiten Stegabschnitte 36 angebundenen Biegefedern 34 verbunden ist. Jede Biegefeder ist U- förmig. Die Enden aller U-förmigen Biegefedern zeigen in das Innere des Kranzes. Die an die ersten Stegabschnitte 32 angebundenen Biegefedern 34 sind mittels einer
vergleichsweise geringen Kraft entlang der ersten Symmetrieachse 28 expandierbar. Entsprechend sind auch die an die zweiten Stegbereiche 36 angebundenen Biegefedern 34 mittels einer vergleichsweise kleinen Kraft entlang der zweiten Symmetrieachse 30 expandierbar. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass nicht nur die in Fig. 4 dargestellte Koppelvorrichtung 26 die gewünschte Asymmetrie der Schwingbewegungen der seismischen Massen 10a und 10b sicherstellt.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der
Sensorvorrichtung.
Bei der Ausführungsform der Fig. 5 umfasst die Betreibereinrichtung 14 zwei erste Elektroden 40a und zwei zweite Elektroden 40b, wobei eine der ersten Elektroden 40a und eine der zweiten Elektroden 40b in der ersten Raumrichtung 16a beabstandet an der ersten seismischen Masse 10a angeordnet sind und eine andere der ersten Elektroden 40a und eine andere der zweiten Elektroden 40b in der ersten Raumrichtung 16a beabstandet an der zweiten seismischen Masse 10b angeordnet sind. Die ersten Elektroden 40a liegen jeweils auf einer von der Koppelstruktur 26 abgewandten Seite der seismischen Massen 10a und 10b. Jede der zweiten Elektroden 40b liegt zwischen der zugeordneten seismischen Masse 10a oder 10b und der Koppelstruktur 26. Die ersten und zweiten Elektroden 40a und 40b sind vorzugsweise als Plattenelektroden 40a und 40b ausgebildet. Bevorzugter Weise sind die ersten und zweiten Elektroden 40a und 40b als Plattenelektroden 40a und 40b parallel zu der zweiten Raumrichtung 16b und/oder der (nicht skizzierten) ersten Symmetrieachse 28 der Koppelstruktur 26 ausgerichtet.
Ergänzend hat die Betreibereinrichtung 14 zwei dritte Elektroden 40c und zwei vierte Plattenelektrioden 40d, wobei eine der dritten Elektroden 40c und eine der vierten
Elektroden 40d in der zweiten Raumrichtung 16b beabstandet an der ersten seismischen Masse 10a angeordnet sind und eine andere der dritten Elektroden 40c und eine andere der vierten Elektroden 40d in der zweiten Raumrichtung 16b beabstandet an der zweiten seismischen Masse 10b angeordnet sind. Die dritten Elektroden 40c sind so positioniert, dass die seismischen Massen 10a und 10b gleichzeitig auf die jeweils zugeordnete dritte Elektrode 40c zu schwingen oder gleichzeitig von der jeweils zugeordneten dritten Elektrode 40c weg schwingen. Man kann dies auch so umschreiben, dass die zwei dritten Elektroden 40c asymmetrisch zueinander liegen. Auch die vierten Elektroden 40d können derart asymmetrisch zueinander an der Sensorvorrichtung angeordnet sein, dass die seismischen Massen 10a und 10b gleichzeitig auf die jeweils zugeordnete vierte
Elektrode 40d zu schwingen oder gleichzeitig von der jeweils zugeordneten vierten Elektrode 40d weg schwingen. Auch die dritten und vierten Elektroden 40c und 40d können Plattenelektroden 40c und 40d sein. Die dritten und vierten Elektroden 40c und 40d sind als Plattenelektroden 40c und 40d vorzugsweise parallel zu der ersten
Raumrichtung 16a und/oder der (nicht skizzierten) zweiten Symmetrieachse 30 der Koppelstruktur 26 ausgerichtet.
Des Weiteren hat die Betreibereinrichtung 14 zwei fünfte Elektroden 40e und zwei sechste Elektroden 40f, wobei eine der fünften Elektroden 40e und eine der sechsten Elektroden 40f in der dritten Raumrichtung 16c beabstandet an der ersten seismischen Masse 10a angeordnet sind und eine andere der fünften Elektroden 40e und eine andere der sechsten Elektroden 40f in der dritten Raumrichtung 16c beabstandet an der zweiten seismischen Masse 10b angeordnet sind. Auch die fünften Elektroden 40e können so positioniert sein, dass die seismischen Massen 10a und 10b gleichzeitig auf die jeweils zugeordnete fünfte Elektrode 40e zu schwingen oder gleichzeitig von der jeweils zugeordneten fünften Elektrode 40e weg schwingen. Auch die sechsten Elektroden 40f können derart angeordnet sein, dass die seismischen Massen 10a und 10b gleichzeitig auf die jeweils zugeordnete sechste Elektrode 40f zu schwingen oder gleichzeitig von der jeweils zugeordneten sechsten Elektrode 40f weg schwingen. Die fünften und sechsten Elektroden 40e und 40f können Plattenelektroden 40e und 40f sein. Bevorzugter Weise sind in diesem Fall die fünften und sechsten Elektroden 40e und 40f parallel zu einer von den Raumrichtungen 16a und 16b (bzw. den Symmetrieachsen 28 und 30)
aufgespannten Ebene und/oder senkrecht zu der dritten Raumrichtung 16c ausgerichtet.
Jede der Elektroden 40a bis 40f realisiert zusammen mit der benachbarten seismischen Masse 10a oder 10b als Gegenelektrode einen kapazitiven Plattenkondensator. Die
Elektroden 40a bis 40d können sowohl zum Antrieb der seismischen Massen 10a und 10b in ihre gewünschten Schwingbewegungen als auch zum Ermitteln/Detektieren von Auslenkbewegungen einer seismischen Masse 10a und 10b (zusätzlich zu den
Schwingbewegungen) aufgrund einer Corioliskraft oder einer Lorentzkraft eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Betreibereinrichtung 14 dazu ausgelegt sein, die
Elektroden 40a bis 40d getaktet zum Antrieb oder zum Ermitteln/Detektieren einzusetzen. Während eines wiederholt durchgeführten ersten Takts kann die Betreibereinrichtung 14 an die ersten und/oder zweiten Elektroden 40a und 40b eine mit der ersten Frequenz f1 variierende Spannung zum Anregen der ersten harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10a und 10b und an die dritten und/oder vierten Elektroden 40c und 40d eine mit der zweiten Frequenz f2 variierende Spannung zum Anregen der zweiten harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10a und 10b anlegen. In einem jeweils zwischen zwei ersten Takten ausgeführten zweiten Takt kann die
Betreibereinrichtung 14 die jeweils an den Kondensatoren der Elektroden 40a bis 40d vorliegenden Spannungen und/oder Kapazitäten ermitteln. Mittels der ersten und/oder zweiten Elektroden 40a und 40b können Auslenkbewegungen der seismischen Massen 10a und 10b entlang der ersten Raumrichtung 16a ermittelt werden. Anhand der dritten und/oder vierten Elektroden 40c und 40d sind Auslenkbewegungen der seismischen Massen 10a und 10b entlang der zweiten Raumrichtung 16b erkennbar. Als Alternative zur getakteten Nutzung der Elektroden 40a bis 40d als Antrieb- und Detektionselektroden mittels eines Multiplexbetriebs können weitere Elektroden an der Sensorvorrichtung ausgebildet sein. Die Elektroden 40e und 40f können zum Nachweisen/Detektieren von Auslenkbewegungen der seismischen Massen 10a und 10b entlang der dritten
Raumrichtung 16c genutzt werden. Auch die Ausführungsformen der Fig. 1 bis 4 können mit Elektroden 40a bis 40f zum gleichzeitigen Mehrfrequenzantrieb und/oder zur Detektion der Auslenkbewegungen ausgestattet sein. Anstelle der als Plattenelektroden 40a bis 40f ausgebildeten Elektroden 40a bis 40f können alle oben beschriebenen Ausführungsformen jedoch auch mit einem anderen Elektrodentyp, wie z.B. Kammelektroden, ausgestattet sein. Auch magnetischen Aktoren und/oder Piezoaktoren können bei allen Ausführungsformen zum vorteilhaften gleichzeitigen Mehrfrequenzantrieb und/oder zur Ermittlung/Detektion der
Auslenkbewegungen der seismischen Massen 10, 10a und 10b eingesetzt werden. In den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 5 sind die Sensorvorrichtungen als
Drehratensensorbauteile, bzw. Drehratensensoren ausgebildet. Jede der
Sensorvorrichtungen ist aufgrund ihrer kleinen und leichten Herstellbarkeit auf einfache Weise so an einem rotierbaren Körper anordbar/befestigbar, dass die jeweilige
Sensorvorrichtung bei einer Rotation des rotierbaren Körpers mitrotiert. Sofern der rotierbare Körper mit der angebrachten Sensorvorrichtung rotiert, bewirkt die Corioliskraft eine Auslenkbewegung der mindestens einen seismischen Masse 10, 10a und 10b senkrecht zur Antriebsbewegung und senkrecht zur Drehachse. Diese Auslenkbewegung der mindestens einen seismischen Masse 10, 10a und 10b kann mittels mindestens eines Messelements der Betreibereinrichtung 14 festgestellt/gemessen werden. Das
mindestens eine Messelement der Betreibereinrichtung 14 kann z.B. ein kapazitives Messelement (insbesondere die Elektroden 40a bis 40f), ein piezoelektrisches
Messelement, ein piezoresistives Messelement und/oder ein magnetisches Messelement sein. Anschließend kann die Betreibereinrichtung 14 mittels ihrer Elektronik die
festgestellte/gemessene Auslenkbewegung der mindestens einen seismischen Masse 10, 10a und 10b auswerten und auf diese Weise eine Information bezüglich der erfolgten Drehbewegung der Sensorvorrichtung, bzw. des rotierbaren Körpers, festlegen und ausgeben. Beispielsweise kann die Betreibereinrichtung 14 dazu ausgelegt sein, unter Berücksichtigung mindestens einer die Auslenkbewegung der mindestens einen seismischen Masse 10, 10a und 10b wiedergebenden Größe eine Drehrate, eine
Drehgeschwindigkeit, eine Winkelgeschwindigkeit, eine Drehstärke und/oder eine
Drehkraft festzulegen und auszugeben. Als die Information bezüglich der Drehbewegung der Sensorvorrichtung, bzw. des rotierbaren Körpers, kann auch lediglich ein
Signal/Warnsignal ausgebbar sein, welches angibt, dass sich der rotierbare Körper gedreht hat. Basierend auf den oben beschriebenen Ausführungsformen ist jedoch auch ein
Lorentzkraft-basierter Magnetfeldsensor realisierbar. Bei einem derartigen Lorentzkraft- basierten Magnetfeldsensor bewirkt ein Magnetfeld eine Lorentzkraft auf die mindestens eine bewegte seismische Masse 10, 10a und 10b, welche ebenfalls eine senkrecht zur Antriebsbewegung und zum Magnetfeld ausgerichtete Auslenkbewegung der mindestens einen seismischen Masse 10, 10a und 10b auslöst. Somit kann die Betreibereinrichtung 14 auch dazu ausgelegt sein, unter Berücksichtigung mindestens einer die
Auslenkbewegung der mindestens einen seismischen Masse 10, 10a und 10b wiedergebenden Größe eine Information bezüglich einer Magnetfeldstärke des
Magnetfelds festzulegen und auszugeben. Auch ein Signal/Warnsignal kann mittels der Betreibereinrichtung als Information bezüglich der Magnetfeldstärke des Magnetfelds ausgebbar sein. Alle oben beschriebenen Sensorvorrichtungen können deshalb auch (in einer evtl. abgeänderten Form) als Bauteile für Lorentzkraft-basierte Magnetfeldsensoren oder als Lorentzkraft-basierte Magnetfeldsensoren genutzt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass sowohl bei einem Drehratensensor als auch bei einem Lorentzkraft-basierten Magnetfeldsensor die Betreibereinrichtung 14 mit einer vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Elektronik ausbildbar ist. Somit ist nicht nur aufgrund der Reduzierung der für die Sensorvorrichtungen benötigten seismischen Massen 10, 10a und 10b, sondern auch aufgrund der Möglichkeit eines Einsetzens einer einfach ausgebildeten Elektronik für die Betreibereinrichtung 14 eine sehr kompakte und flächeneffiziente Ausführung der oben beschriebenen Sensorvorrichtungen möglich.
Bei allen Sensorvorrichtungen kann die Betreibereinrichtung 14 dazu ausgelegt sein, mindestens eine erste Größe bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse 10 oder 10a mit der ersten Frequenz f1 entlang der dritten
Raumrichtung 16c und/oder einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse 10b mit der ersten Frequenz f1 entlang der dritten Raumrichtung 16c zu ermitteln. Anschließend können unter Berücksichtigung der ermittelten mindestens einen ersten Größe mindestens eine Information bezüglich einer Drehbewegung/Teildrehbewegung der Sensorvorrichtung (bzw. des rotierbaren Körpers) um die zweite Raumrichtung 16b oder bezüglich einer entlang der zweiten Raumrichtung 16b ausgerichteten Komponente eines Magnetfelds festgelegt und ausgegeben werden. Während einer harmonischen Schwingung der mindestens einen seismischen Masse 10, 10a und 10b mit der ersten Frequenz f1 entlang der ersten Raumrichtung 16a bewirken eine
Drehbewegung/Teildrehbewegung der Sensorvorrichtung (bzw. des damit untersuchten rotierbaren Körpers) um die zweite Raumrichtung 16b oder ein Magnetfeld mit einer entlang der zweiten Raumrichtung 16b ausgerichteten Komponente (ungleich Null) eine entlang der dritten Raumrichtung 16c ausgerichteten Corioliskraft/Lorentzkraft (ungleich Null). Die entlang der dritten Raumrichtung 16c ausgerichtete Corioliskraft/Lorentzkraft (ungleich Null) löst eine periodische Auslenkung der mindestens einen seismischen
Masse 10, 10a und 10b mit der ersten Frequenz f1 entlang der dritten Raumrichtung 16c (bzw. aus einer von den Raumrichtungen 16a und 16b aufgespannten Ebene heraus). Die Betreibereinrichtung 14 kann diesen physikalischen Sachverhalt nutzen. Ebenso kann die Betreibereinrichtung 14 dazu ausgelegt sein, mindestens eine zweite Größe bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse 10 oder 10a mit der zweiten Frequenz f2 entlang der dritten Raumrichtung 16c und/oder einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse 10b mit der zweiten Frequenz f2 entlang der dritten Raumrichtung 16c zu ermitteln und unter Berücksichtigung der ermittelten mindestens einen zweiten Größe mindestens eine Information bezüglich einer Drehbewegung/Teildrehbewegung der Sensorvorrichtung um die erste Raumrichtung 16a oder bezüglich einer entlang der ersten Raumrichtung 16a ausgerichteten Komponente eines Magnetfelds festzulegen und auszugeben. Somit kann auch die Bewegung der mindestens einen seismischen Masse 10, 10a und 10b mit der zweiten Frequenz f2 entlang der zweiten Raumrichtung 16b, bei welcher eine
Drehbewegung/Teildrehbewegung der Sensorvorrichtung um die erste Raumrichtung 16a oder ein Magnetfeld mit einer entlang der ersten Raumrichtung 16a ausgerichteten Komponente (ungleich Null) eine entlang der dritten Raumrichtung 16c ausgerichtete Corioliskraft/Lorentzkraft (ungleich Null), bzw. eine periodische Auslenkung der mindestens einen seismischen Masse 10, 10a und 10b entlang der dritten Raumrichtung 16c/aus einer von den Raumrichtungen 16a und 16b aufgespannten Ebene heraus, bewirken, zum Ermitteln der Drehbewegung/Teildrehbewegung der Sensorvorrichtung (bzw. des damit untersuchten rotierbaren Körpers) um die erste Raumrichtung 16a oder zum Ermitteln einer Magnetfeldstärke des Magnetfelds entlang der ersten Raumrichtung 16a genutzt werden.
Als Alternative oder als Ergänzung zu den vorausgehend beschriebenen
Ausbildungsmöglichkeiten kann die Betreibereinrichtung 14 auch dazu ausgelegt sein, mindestens eine dritte Größe bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse 10 oder 10a mit der ersten Frequenz f1 entlang der zweiten
Raumrichtung 16b, einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse 10 oder 10a mit der zweiten Frequenz f2 entlang der ersten Raumrichtung 16a, einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse 10b mit der ersten Frequenz f1 entlang der zweiten Raumrichtung 16b und/oder einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse 10b mit der zweiten Frequenz f2 entlang der ersten Raumrichtung 16a zu ermitteln. Gegebenenfalls ist die Betreibereinrichtung 14 vorzugsweise dazu ausgelegt, unter Berücksichtigung der ermittelten mindestens einen dritten Größe mindestens eine Information bezüglich einer Drehbewegung/Teildrehbewegung der Sensorvorrichtung um die dritte Raumrichtung 16c oder bezüglich einer entlang der dritten Raumrichtung 16c ausgerichteten Komponente eines Magnetfelds festzulegen und auszugeben. Bei einer Schwingbewegung der mindestens einen seismischen Masse 10, 10a und 10b mit der ersten Frequenz f1 entlang der ersten Raumrichtung 16a lösen eine Drehbewegung/Teildrehbewegung der Sensorvorrichtung (bzw. des damit untersuchten rotierbaren Körpers) um die dritte Raumrichtung 16c oder ein Magnetfeld mit einer entlang der dritten Raumrichtung 16c ausgerichteten Komponente (ungleich Null) eine periodische Auslenkung der mindestens einen seismischen Masse 10, 10a und 10b mit der ersten Frequenz f1 entlang der zweiten Raumrichtung 16b aus. Entsprechend bewirkt auch in dieser Situation das Schwingen der mindestens einen seismischen Masse 10, 10a und 10b mit der zweiten Frequenz f2 entlang der zweiten Raumrichtung 16b eine entlang der ersten Raumrichtung 16a ausgerichtete Corioliskraft/Lorentzkraft, weshalb die mindestens eine seismischen Masse 10, 10a und 10b eine periodische Auslenkung mit der zweiten Frequenz f2 entlang der ersten Raumrichtung 16a ausführt. Auch dieser physikalische Sachverhalt ist mittels der Betreibereinrichtung 14 nutzbar.
Zum Ermitteln der mindestens einen ersten Größe können bei der Ausführungsform der Fig. 5 beispielsweise eine Differenz einer zwischen der ersten seismischen Masse 10a und der benachbarten fünften Elektrode 40e vorliegende Kapazität von einer zwischen der zweiten seismischen Masse 10b und der benachbarten fünften Elektrode 40e vorliegende Kapazität als Differenzkapazitätssignal Ce und eine Differenz einer zwischen der ersten seismischen Masse 10a und der benachbarten sechsten Elektrode 40f vorliegende Kapazität von einer zwischen der zweiten seismischen Masse 10b und der benachbarten sechsten Elektrode 40f vorliegende Kapazität als Differenzkapazitätssignal Cf gemessen werden. Eine Demodulation einer Differenz der Differenzkapazitätssignale Ce und Cf mit der ersten Frequenz f1 kann anschließend als die mindestens eine erste Größe zu Festlegen der Information weiter ausgewertet werden. Als die mindestens eine zweite Größe kann eine Demodulation der Differenz der Differenzkapazitätssignale Ce und Cf mit der zweiten Frequenz f2 bestimmt werden. Zum Bestimmen der mindestens einen dritten Größe können bei der Ausführungsform der Fig. 5 beispielsweise eine Differenz einer zwischen der ersten seismischen Masse 10a und der benachbarten ersten Elektrode 40a vorliegende Kapazität von einer zwischen der zweiten seismischen Masse 10b und der benachbarten ersten Elektrode 40a vorliegende Kapazität als
Differenzkapazitätssignal Ca und eine Differenz einer zwischen der ersten seismischen Masse 10a und der benachbarten zweiten Elektrode 40b vorliegende Kapazität von einer zwischen der zweiten seismischen Masse 10b und der benachbarten zweiten Elektrode 40b vorliegende Kapazität als Differenzkapazitätssignal Cb gemessen werden. Die mindestens eine dritte Größe kann anschließend über eine Demodulation einer Differenz der Differenzkapazitätssignale Ca und Cb mit der zweiten Frequenz f2 festgelegt werden. Als Alternative oder als Ergänzung können auch eine Differenz einer zwischen der ersten seismischen Masse 10a und der benachbarten dritten Elektrode 40c vorliegende
Kapazität von einer zwischen der zweiten seismischen Masse 10b und der benachbarten dritten Elektrode 40c vorliegende Kapazität als Differenzkapazitätssignal Cc und eine Differenz einer zwischen der ersten seismischen Masse 10a und der benachbarten vierten Elektrode 40d vorliegende Kapazität von einer zwischen der zweiten seismischen Masse 10b und der benachbarten vierten Elektrode 40d vorliegende Kapazität als Differenzkapazitätssignal Cd bestimmt werden. Auch mittels einer Demodulation einer Differenz der Differenzkapazitätssignale Cc und Cd mit der ersten Frequenz f1 ist die mindestens eine dritte Größe festlegbar.
Optionaler Weise können auch eine Demodulation der Differenz der
Differenzkapazitätssignale Ca und Cb mit der ersten Frequenz f1 und/oder eine
Demodulation der Differenz der Differenzkapazitätssignale Cc und Cd mit der zweiten Frequenz f2 bei der Ausführungsform der Fig. 5 zur Antriebsdetektion herangezogen werden. Die Antriebsweise der Sensorvorrichtung der Fig. 5 bedingt automatisch, dass mittels der Demodulation der Differenz der Differenzkapazitätssignale Ca und Cb mit der ersten Frequenz f1 und/oder der Demodulation der Differenz der
Differenzkapazitätssignale Cc und Cd mit der zweiten Frequenz f2 nicht nur die
Antriebsbewegung ohne eine Störung der Sensordetektion (aufgrund der verschiedenen Frequenzen f1 und f2) messbar ist, sondern auch noch eine zusätzliche Redundanz, z.B. zum Unterdrücken von Rausch- und Störsignalen, gewährleistet ist.
Die Schwingbewegung der mindestens einen seismischen Masse 10, 10a und 10b, welche als eine Superposition aus der ersten harmonischen Schwingung (mit der ersten Frequenz f1 entlang der ersten Raumrichtung 16a) und der zweiten harmonischen Schwingung (mit der zweiten Frequenz f2 entlang der zweiten Raumrichtung 16b) umschreibbar ist, kann somit vorteilhaft dazu genutzt werden, mit höchstens zwei seismischen Massen 10, 10a oder 10b, speziell mit nur einer seismischen Masse 10, Informationen/Werte bezüglich aller drei Raumrichtungen 16a, 16b und 16c festzulegen. Trotz der höchstens zwei seismischen Massen 10, 10a oder 10b kann jede der
Sensorvorrichtungen damit drei sensitive Achsen aufweisen. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die vergleichsweise große Anzahl von sensitiven Achsen gleichzeitig mit den Vorteilen eines antiparallelen Schwingens bei allen Ausführungsformen der Fig. 3 bis 5 gewährleistet sind, obwohl diese nur die erste seismische Masse 10a und die zweite seismische Masse 10b als seismische Massen 10a und 10b umfassen/haben.
Fig. 6 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer Sensorvorrichtung mit mindestens einer seismischen Masse. Das im Weiteren beschriebene Verfahren kann beispielsweise mittels jeder der oben beschriebenen Sensorvorrichtungen ausgeführt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausführbarkeit des Verfahrens nicht auf den Einsatz einer derartigen Sensorvorrichtung limitiert ist. In einem Verfahrensschritt S1 wird zumindest eine (erste) seismische Masse in eine Schwingbewegung derart versetzt, dass eine Projektion der Schwingbewegung der (ersten) seismischen Masse auf eine erste Raumrichtung eine erste harmonische Schwingung der (ersten) seismischen Masse mit einer ersten Frequenz entlang der ersten Raumrichtung und gleichzeitig eine Projektion der Schwingbewegung der
(ersten) seismische Masse auf eine geneigt zu der ersten Raumrichtung
ausgerichtete zweite Raumrichtung eine zweite harmonische Schwingung der
(ersten) seismische Masse mit einer zweiten Frequenz ungleich der ersten
Frequenz entlang der zweiten Raumrichtung ergeben. Optionaler Weise wird sich zeitlich überlappend/gleichzeitig mit dem
Verfahrensschritt S1 noch ein Verfahrensschritt S2 ausgeführt. In dem
Verfahrensschritt S2 wird noch (zusätzlich zu der ersten seismischen Masse)
zumindest eine zweite seismische Masse derart in eine Schwingbewegung versetzt, dass eine Projektion der Schwingbewegung der zweiten seismische Masse auf die erste Raumrichtung asymmetrisch zu der ersten harmonischen Schwingung der ersten seismische Masse schwingt und gleichzeitig eine Projektion der Schwingbewegung der zweiten seismische Masse auf die zweite Raumrichtung asymmetrisch zu der zweiten harmonischen Schwingung der ersten seismische
Masse schwingt. Man kann dies auch so umschreiben, dass die Projektion der
Schwingbewegung der zweiten seismische Masse auf die erste Raumrichtung um 180° phasenverschoben/gegenphasig zu der ersten harmonischen Schwingung der ersten seismische Masse ist, und gleichzeitig die Projektion der Schwingbewegung der zweiten seismische Masse auf die zweite Raumrichtung um 180°
phasenverschoben/gegenphasig zu der zweiten harmonischen Schwingung der ersten seismische Masse ist.
Mindestens einer der weiteren Verfahrensschritte S3 bis S5 kann zusätzlich noch ausgeführt werden. In einem Verfahrensschritt S3 wird mindestens eine erste Größe bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse mit der ersten Frequenz entlang einer geneigt zu der ersten Raumrichtung und der zweiten Raumrichtung ausgerichteten dritten Raumrichtung und/oder einer periodischen
Auslenkung der zweiten seismischen Masse mit der ersten Frequenz entlang der dritten Raumrichtung ermittelt. Anschließend wird unter Berücksichtigung der
ermittelten mindestens einen ersten Größe mindestens eine Information bezüglich einer Drehbewegung/Teildrehbewegung der Sensorvorrichtung um die zweite
Raumrichtung oder bezüglich einer entlang der zweiten Raumrichtung
ausgerichteten Komponente eines Magnetfelds festgelegt.
Ebenso kann in einem Verfahrensschritt S4 mindestens eine zweite Größe
bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse mit der zweiten Frequenz entlang der dritten Raumrichtung und/oder einer periodischen
Auslenkung der zweiten seismischen Masse mit der zweiten Frequenz entlang der dritten Raumrichtung ermittelt werden, wobei unter Berücksichtigung der ermittelten mindestens einen zweiten Größe mindestens eine Information bezüglich einer
Drehbewegung/Teildrehbewegung der Sensorvorrichtung um die erste
Raumrichtung oder bezüglich einer entlang der ersten Raumrichtung ausgerichteten Komponente eines Magnetfelds festgelegt wird.
Als Alternative oder als Ergänzung zu den Verfahrensschritten S3 und S4 können auch in einem Verfahrensschritt S5 mindestens eine dritte Größe bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse mit der ersten Frequenz entlang der zweiten Raumrichtung, einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse mit der zweiten Frequenz entlang der ersten Raumrichtung, einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse mit der ersten Frequenz entlang der zweiten Raumrichtung und/oder einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse mit der zweiten Frequenz entlang der ersten Raumrichtung ermittelt werden. Vorzugsweise wird danach unter Berücksichtigung der ermittelten mindestens einen dritten Größe mindestens eine Information bezüglich einer Drehbewegung/Teildrehbewegung der Sensorvorrichtung um die dritte Raumrichtung oder bezüglich einer entlang der dritten Raumrichtung ausgerichteten Komponente eines Magnetfelds festgelegt. Beispiele für die mindestens eine erste, zweite und/oder dritte Größe sind oben schon beschrieben.
Mittels des hier beschriebenen Verfahrens können ein Drehratensensor oder ein Lorentzkraft-basierter Magnetfeldsensor als die Sensorvorrichtung betrieben
werden. Die oben schon aufgezählten Vorteile treten dabei auf.

Claims

Ansprüche 1 . Sensorvorrichtung mit mindestens einer ersten seismischen Masse (10, 10a), und einer Betreibereinrichtung (14), mittels welcher zumindest die erste seismische Masse (10, 10a) in eine Schwingbewegung derart versetzbar ist, dass eine Projektion der Schwingbewegung der ersten seismischen Masse (10, 10a) auf eine erste Raumrichtung (16a) eine erste harmonische Schwingung der ersten seismische Masse (10, 10a) mit einer ersten Frequenz (F1 ) entlang der ersten Raumrichtung (16a) ist; dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Betreibereinrichtung (14) die erste seismische Masse (10, 10a) zusätzlich derart in die Schwingbewegung versetzbar ist, dass die Projektion der Schwingbewegung der ersten seismische Masse (10, 10a) auf die erste Raumrichtung (16a) die erste harmonische Schwingung der ersten seismische Masse (10, 10a) mit der ersten Frequenz (f 1 ) entlang der ersten Raumrichtung (16a) ist und gleichzeitig eine Projektion der Schwingbewegung der ersten seismische Masse (10, 10a) auf eine geneigt zu der ersten Raumrichtung (16a) ausgerichtete zweite
Raumrichtung (16b) eine zweite harmonische Schwingung der ersten seismische Masse (10, 10a) mit einer zweiten Frequenz (f2) ungleich der ersten Frequenz (f1 ) entlang der zweiten Raumrichtung (16b) ist. 2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Sensorvorrichtung noch mindestens eine zweite seismische Masse (10b) umfasst, und wobei mittels der Betreibereinrichtung (14) die zweite seismische Masse (10b) derart in eine Schwingbewegung versetzbar ist, dass eine Projektion der Schwingbewegung der zweiten seismische Masse (10b) auf die erste Raumrichtung (16a) asymmetrisch zu der ersten harmonischen
Schwingung der ersten seismische Masse (10a) und gleichzeitig eine Projektion der Schwingbewegung der zweiten seismische Masse (10b) auf die zweite Raumrichtung (16b) asymmetrisch zu der zweiten harmonischen Schwingung der ersten seismische Masse (10a) sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste seismische (10a) Masse über zumindest eine Koppelstruktur (26) mit der zweiten seismischen Masse (10b) verbunden ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betreibereinrichtung (14) dazu ausgelegt ist, mindestens eine erste Größe bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse (10, 10a) mit der ersten Frequenz (f 1 ) entlang einer geneigt zu der ersten Raumrichtung (16a) und der zweiten Raumrichtung (16b) ausgerichteten dritten Raumrichtung (16c) und/oder einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse (10b) mit der ersten Frequenz (f1 ) entlang der dritten Raumrichtung (16c) zu ermitteln und unter Berücksichtigung der ermittelten mindestens einen ersten Größe mindestens eine
Information bezüglich einer Drehbewegung der Sensorvorrichtung um die zweite Raumrichtung (16b) oder bezüglich einer entlang der zweiten Raumrichtung (16b) ausgerichteten Komponente eines Magnetfelds festzulegen und auszugeben.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betreibereinrichtung (14) dazu ausgelegt ist, mindestens eine zweite Größe bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse (10, 10a) mit der zweiten Frequenz (f2) entlang der geneigt zu der ersten Raumrichtung (16a) und der zweiten Raumrichtung (16b) ausgerichteten dritten Raumrichtung (16c) und/oder einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse (10b) mit der zweiten Frequenz (f2) entlang der dritten Raumrichtung (16c) zu ermitteln und unter Berücksichtigung der ermittelten mindestens einen zweiten Größe mindestens eine Information bezüglich einer Drehbewegung der
Sensorvorrichtung um die erste Raumrichtung (16a) oder bezüglich einer entlang der ersten Raumrichtung (16a) ausgerichteten Komponente eines Magnetfelds festzulegen und auszugeben. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betreibereinrichtung (14) dazu ausgelegt ist, mindestens eine dritte Größe bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse (10, 10a) mit der ersten Frequenz (f 1 ) entlang der zweiten Raumrichtung (16b), einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse (10, 10a) mit der zweiten Frequenz (f2) entlang der ersten Raumrichtung (16a), einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse (10b) mit der ersten Frequenz (f1 ) entlang der zweiten Raumrichtung (16b) und/oder einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse (10b) mit der zweiten Frequenz (f2) entlang der ersten
Raumrichtung (16a) zu ermitteln und unter Berücksichtigung der ermittelten mindestens einen dritten Größe mindestens eine Information bezüglich einer Drehbewegung der Sensorvorrichtung um die geneigt zu der ersten Raumrichtung (16a) und der zweiten Raumrichtung (16b) ausgerichtete dritte Raumrichtung (16c) oder bezüglich einer entlang der dritten Raumrichtung (16c) ausgerichteten Komponente eines
Magnetfelds festzulegen und auszugeben.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betreibereinrichtung (14) mindestens eine in der ersten Raumrichtung (16) beabstandet an der ersten seismischen Masse (10, 10a) und/oder an der zweiten seismischen Masse (10b) angeordnete Elektrode (40a, 40b), mindestens eine in der zweiten Raumrichtung (16b) beabstandet an der ersten seismischen Masse (10, 10a) und/oder an der zweiten
seismischen Masse (10b) angeordnete Elektrode (40c, 40d) und/oder mindestens eine in der dritten Raumrichtung (16c) beabstandet an der ersten seismischen Masse (10, 10a) und/oder an der zweiten
seismischen Masse (10b) angeordnete Elektrode (40e, 40f) umfasst.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung nur die erste seismische Masse (10a) und die zweite seismische Masse (10b) als seismische Massen (10a, 10b) umfasst.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung ein Drehratensensorbauteil, ein Drehratensensor, ein Bauteil für einen Lorentzkraft-basierten Magnetfeldsensor oder ein Lorentzkraft-basierter Magnetfeldsensor ist.
0. Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung mit mindestens einer ersten seismischen Masse (10, 10a) mit dem Schritt:
Versetzen zumindest die erste seismische Masse (10, 10a) in eine Schwingbewegung derart, dass eine Projektion der Schwingbewegung der ersten seismischen Masse (10, 10a) auf eine erste Raumrichtung (16a) eine erste harmonische Schwingung der ersten seismischen Masse (10, 10a) mit einer ersten Frequenz (f1 ) entlang der ersten Raumrichtung (16a) ergibt; dadurch gekennzeichnet, dass die erste seismische Masse (10, 10a) zusätzlich derart in die
Schwingbewegung versetzt wird, dass die Projektion der
Schwingbewegung der ersten seismische Masse (10, 10a) auf die erste Raumrichtung (16a) die erste harmonische Schwingung der ersten seismische Masse (10, 10a) mit der ersten Frequenz (f 1 ) entlang der ersten Raumrichtung (16a) ergibt und gleichzeitig eine Projektion der Schwingbewegung der ersten seismische Masse (10, 10a) auf eine geneigt zu der ersten Raumrichtung (16a) ausgerichtete zweite
Raumrichtung (16b) eine zweite harmonische Schwingung der ersten seismische Masse (10, 10a) mit einer zweiten Frequenz (f2) ungleich der ersten Frequenz (f1 ) entlang der zweiten Raumrichtung (16b) ergibt (S1 ).
1 . Verfahren nach Anspruch 10, wobei noch zusätzlich zu der ersten seismischen Masse (10a) zumindest eine zweite seismische Masse (10b) derart in eine Schwingbewegung versetzt wird, dass eine Projektion der Schwingbewegung der zweiten seismische Masse (10b) auf die erste Raumrichtung (16a) asymmetrisch zu der ersten harmonischen
Schwingung der ersten seismische Masse (10a) schwingt und gleichzeitig eine Projektion der Schwingbewegung der zweiten seismische Masse
(1 Ob) auf die zweite Raumrichtung (16b) asymmetrisch zu der zweiten harmonischen Schwingung der ersten seismische Masse (10a) schwingt (S2).
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , wobei mindestens eine erste Größe bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse
(10, 10a) mit der ersten Frequenz (f 1 ) entlang einer geneigt zu der ersten Raumrichtung (16a) und der zweiten Raumrichtung (16b) ausgerichteten dritten Raumrichtung (16c) und/oder einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse (10b) mit der ersten Frequenz (f1 ) entlang der dritten Raumrichtung (16c) ermittelt wird und unter Berücksichtigung der ermittelten mindestens einen ersten Größe mindestens eine
Information bezüglich einer Drehbewegung der Sensorvorrichtung um die zweite Raumrichtung (16b) oder bezüglich einer entlang der zweiten Raumrichtung (16b) ausgerichteten Komponente eines Magnetfelds festgelegt wird (S3).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei mindestens eine zweite Größe bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse (10, 10a) mit der zweiten Frequenz (f2) entlang der geneigt zu der ersten Raumrichtung (16a) und der zweiten Raumrichtung
(16b) ausgerichteten dritten Raumrichtung (16c) und/oder einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse (10b) mit der zweiten Frequenz (f2) entlang der dritten Raumrichtung (16c) ermittelt wird und unter Berücksichtigung der ermittelten mindestens einen zweiten Größe mindestens eine Information bezüglich einer Drehbewegung der
Sensorvorrichtung um die erste Raumrichtung (16a) oder bezüglich einer entlang der ersten Raumrichtung (16a) ausgerichteten Komponente eines Magnetfelds festgelegt wird (S4). 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei mindestens eine dritte Größe bezüglich einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse (10, 10a) mit der ersten Frequenz (f1 ) entlang der zweiten Raumrichtung (16b), einer periodischen Auslenkung der ersten seismischen Masse (10, 10a) mit der zweiten Frequenz (f2) entlang der ersten Raumrichtung (16a), einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse (10b) mit der ersten Frequenz (f1 ) entlang der zweiten Raumrichtung (16b) und/oder einer periodischen Auslenkung der zweiten seismischen Masse (10b) mit der zweiten Frequenz (f2) entlang der ersten Raumrichtung (16a) ermittelt wird und unter Berücksichtigung der ermittelten mindestens einen dritten Größe mindestens eine
Information bezüglich einer Drehbewegung der Sensorvorrichtung um die geneigt zu der ersten Raumrichtung (16a) und der zweiten Raumrichtung (16b) ausgerichtete dritte Raumrichtung (16c) oder bezüglich einer entlang der dritten Raumrichtung (16c) ausgerichteten Komponente eines Magnetfelds festgelegt wird (S5).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei ein
Drehratensensor oder ein Lorentzkraft-basierter Magnetfeldsensor als die Sensorvorrichtung betrieben wird.
EP15700735.2A 2014-02-05 2015-01-21 Sensorvorrichtung und verfahren zum betreiben einer sensorvorrichtung mit mindestens einer seismischen masse Withdrawn EP3102910A2 (de)

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