DE-102013208244-B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Drehratensensors

Abstract

Verfahren (800) zum Betreiben eines Drehratensensors (DS), wobei der Drehratensensor (DS) eine federnd gelagerte und elektrisch aufladbare Schwingmasse (M) aufweist, die von zumindest einer Antriebselektrode (A1, A2) entlang einer Antriebsachse (x) in Schwingung versetzbar ist und wobei der Drehratensensor (DS) zumindest eine Detektionselektrode (D1, D2) aufweist, wobei die Detektionselektrode (D1, D2) ausgebildet ist, eine Schwingung der Schwingmasse (M) welche aufgrund einer Rotation der Schwingmasse (M) um eine quer zur Antriebsachse (x) verlaufenden Rotationsachse (z) erzeugt wird, entlang einer Detektionsachse (y) zu erfassen, wobei die Detektionsachse (y) quer zur Antriebsachse (x) und der Rotationsachse (z) der Schwingmasse (M) verläuft, wobei das Verfahren (800) die folgenden Schritte aufweist: - Beaufschlagen (810) der Antriebselektrode (A1, A2) mit einer Antriebsspannung (510), wobei die Antriebsspannung (510) eine erste Frequenz (1f) aufweist; - Anlegen (820) je einer Modulationsspannung (200) an der zumindest einen Antriebselektrode (A1) und zumindest einer weiteren Antriebselektrode (A2) und/oder an der zumindest einen Detektionselektrode (D1) und zumindest einer weiteren Detektionselektrode (D2), wobei die Modulationsspannung (200) eine zweite Frequenz (2f) aufweist, die sich von der ersten Frequenz (1f) unterscheidet; und - Erfassen (830) einer Auslenkung (a) der Schwingmasse (M) von der zumindest einen Detektionselektrode (D1, D2), um den Drehratensensor (DS) zu betreiben.

Inventors

• Jens Strobel
• Thomas Northemann

Assignees

• ROBERT BOSCH GMBH

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20130506

Claims (10)

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

Description

Stand der Technik Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Drehratensensors, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt. Beispielsweise in modernen Fahrzeugen ist eine sehr präzise Ermittlung einer Drehrate für sicherheitsrelevante und Komfort-unterstützende Systeme von erheblicher Bedeutung. Durch eine genaue Ermittlung der Drehrate kann beispielsweise eine präzise Auslösung von Fahrzeugsicherheitssystemen erfolgen, die anderenfalls nicht oder nur mit geringer Funktionalität möglich wäre. In Ansätzen zum Stand der Technik wird der Coriolis-Effekt zur Messung des Drehratensignals genutzt. Dabei berechnet sich die auf eine mit der Geschwindigkeit v bewegte Coriolis-Masse mc wirkende Coriolis-Kraft FC aus:FC=−2⋅mC⋅Ω×v. Dies bedeutet, dass die Coriolis-Masse mc orthogonal zu Geschwindigkeitsrichtung und anliegender Drehrate beschleunigt wird. Dieser auftretenden Coriolis-Kraft FC wirkt eine Federkraft Fk mit der Federkonstante keff entgegenFC=Fk→−2⋅mC⋅Ω×v=keff⋅x. Ein Drehratensensor wird typischerweise unter hohem Vakuum (ca. 1 mbar) betrieben. Hierdurch kann durch Güteüberhöhung bei geringer Dämpfung eine hohe Sensitivität des Drehratensignals erreicht werden. Die Verwendung eines Vakuums ist aber kostenintensiv und daher werden nach Alternativen gesucht. Einen Ansatz zur Drehratenmessung ist in der DE 199 39 998 A1 offenbart, in der eine Vorrichtung zur Vorspannungserzeugung für einen schwingenden Drehratensensor vorgestellt wird. Aus der DE 103 50 037 A1 ist bereits ein Drehratensensor mit kraftvermittelnden Mitteln bekannt, wobei die durch diese Mittel vermittelte Kraftwirkung eine Frequenz derart aufweist, dass die Frequenz der vermittelten Kraftwirkung ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Schwingung des Antriebselements parallel zur x-Achse ist. Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Drehratensensors, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Der hier vorgestellte Ansatz schafft ein Verfahren zum Betreiben eines Drehratensensors, wobei der Sensor eine federnd gelagerte und elektrisch auf ladbare Schwingmasse aufweist, die von zumindest einer Antriebselektrode entlang einer Antriebsrichtung in Schwingung versetzbar ist und wobei der Sensor zumindest eine Detektionselektrode aufweist, wobei die Detektionselektrode ausgebildet ist, eine Schwingung der Schwingmasse, welche aufgrund einer Rotation der Schwingmasse (A1) um eine quer zur Antriebsachse (x) verlaufende Rotationsachse (z) erzeugt wird, entlang einer Detektionsachse (y) zu erfassen, wobei die Detektionsachse (y) quer zur Antriebsachse (x) und der Rotationsachse (z) der Schwingmasse (M) verläuft, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Beaufschlagen der Antriebselektroden mit einer Antriebsspannung, wobei die Antriebsspannung eine erste Frequenz aufweist;- Anlegen je einer Modulationsspannung der zumindest einen Antriebselektrode und zumindest einer weiteren Antriebselektrode (A2) und/oder an der zumindest einen Detektionselektrode und zumindest einer weiteren Detektionselektrode (D2), wobei die Modulationsspannung eine zweite Frequenz aufweist, die sich von der ersten Frequenz unterscheidet; und- Erfassen einer Auslenkung der Schwingmasse von der zumindest einen Detektionselektrode, um den Drehratensensor zu betreiben. Unter einer federnd gelagerten Schwingmasse kann ein Masseelement verstanden werden, welches bei einer Auslenkung durch Federn zurück in seine Ausgangsposition gebracht wird. Dieses Masseelement kann dabei elektrisch aufgeladen oder auf ein Massepotenzial gelegt werden und hierdurch von einer oder mehreren unterschiedlichen Elektroden angezogen werden. Hierfür kann dieses Masseelement eine elektrisch leitfähige Oberfläche oder ein elektrisch leitfähiges Material im Inneren des Masseelementes aufweisen (oder vollständig aus einem leitfähigen Material hergestellt sein), um eine elektrostatische Wirkung von Elektroden auf das Masseelement zu ermöglichen. Durch die zumindest eine Antriebselektrode kann die Schwingmasse in eine Schwingung in eine erste Richtung entlang einer Antriebsachse versetzt werden. Hierzu kann die Schwingmasse auf ein definiertes elektrisches Potenzial gebracht werden, welches sich von einem Potenzial zumindest einer der Antriebselektrode unterscheidet, sodass sich die Schwingmasse aufgrund einer elektrostatischen Anzugskraft zur Antriebselektrode hin bewegt. Die Antriebsachse kann bspw. Senkrecht durch die Antriebselektrode und durch die Schwingmasse, z. B. durch den Schwerpunkt der Schwingmasse, verlaufen. Die Antriebsachse kann ferner senkrecht durch zwei Antriebselektroden verlaufen. Wird nun der Drehrate