-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
-
Solche
Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise sind aus
den Druckschriften
DE
101 08 196 A1 ,
DE
101 08 197 A1 und
DE
102 37 410 A1 Sensoranordnungen mit Drehratensensoren bekannt,
wobei die Drehratensensoren Coriolis-Elemente aufweisen, wobei insbesondere
ein erstes und ein zweites Coriolis-Element über eine Feder
miteinander verbunden sind und zu Schwingungen parallel zu einer
ersten Achse angeregt werden, wobei ein erstes und ein zweites Detektionsmittel
eine Auslenkung des ersten und zweites Coriolis-Elements aufgrund
einer auf die Coriolis-Elemente wirkenden Corioliskraft detektieren,
so dass die Differenz aus einem ersten Detektionssignal des ersten
Detektionsmittels und einem zweiten Detektionssignal des zweiten
Detektionsmittels abhängig von der Corioliskraft und somit
auch abhängig von der Drehrate des Drehratensensors ist.
Diese Sensoranordnungen sind beispielsweise zur Steuerung von Sicherheitssystemen,
wie ESP-Anwendungen (Elektronisches Stabilitätsprogramm)
in einem Fahrzeug vorgesehen. Dazu wird die Drehrate des Fahrzeugs
um eine z-Achse gemessen. Um das Signal-Rausch-Verhältnis
zu optimieren werden die Drehratensensoren vorzugsweise vollresonant
mit einer Arbeitsfrequenz betrieben. Nachteilig daran ist, dass
vollresonant betriebene Drehratensensoren gegenüber ungewünschten Störschwingungen
in einem bestimmten Frequenzbereich um die Arbeitsfrequenz herum
vergleichsweise stark gestört werden, wie beispielsweise
durch Eigenschwingungen einer Fahrzeugkarosserie, mechanische Schaltvorgänge
von Steuergeräten und/oder Resonanzen einer Aufbau- und
Verbindungstechnik wobei der bestimmte Frequenzbereich insbesondere
von einer Ausgangsfilterbandbreite der Sensoranordnung abhängig
ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die
erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße
Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung gemäß den
nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem
Stand der Technik den Vorteil, dass einerseits die Eigenüberwachungssicherheit
der Sensoranordnung und andererseits die Robustheit der Sensoranordnung
gegenüber ungewünschten mechanischen Anregungen durch
Störschwingungen in erheblicher Weise erhöht werden.
Durch die gleichzeitige Verwendung sowohl des ersten, als auch des
zweiten Sensors ist ein Abgleich des ersten Ausgangssignals mit
dem zweiten Ausgangssignal mittels der Auswerteschaltung möglich,
so dass ein fehlerhaftes erstes und/oder ein fehlerhaftes zweites
Ausgangssignal durch eine entsprechende Differenz zwischen dem ersten
und dem zweiten Ausgangssignal detektierbar ist. Durch die Verwendung
zweier unterschiedlicher Resonanzfrequenzen beim ersten und beim
zweiten Sensor, d. h. durch die Verwendung der ersten und der zweiten Resonanzfrequenz,
wird eine ungewünschte gleichzeitige Anregung sowohl des
ersten Sensors bzw. der ersten seismischen Masse, als auch des zweiten Sensors
bzw. der zweiten seismischen Masse insbesondere durch eine ungewünschte
Störschwingung in einem bestimmten Bereich um die erste
oder um die zweite Resonanzfrequenz herum, beispielsweise durch
Eigenschwingungen einer Fahrzeugkarosserie, mechanische Schaltvorgänge
von Steuergeräten und/oder Resonanzen einer Aufbau- und
Verbindungstechnik, verhindert und lediglich einer der beiden Sensoren
bzw. seismischen Massen durch die ungewünschte Störschwingung
vergleichsweise stark gestört, so dass nur das Ausgangssignal
dieses einen Sensors durch die ungewünschte Störschwingung
entsprechend vergleichsweise stark verfälscht wird. Dies
wird insbesondere dadurch erreicht, dass zwar sowohl der erste,
als auch der zweite Sensor durch die Störschwingung angeregt
werden, jedoch nur bei einem der beiden Sensoren die Frequenz der Störschwingung
im bestimmten Bereich der Ausgangsfilterbandbreite der Sensoranordnung
liegen. Die Auswerteschaltung misst somit eine Differenz zwischen
dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal, so dass die Verfälschung
des wenigstens einen Ausgangssignals durch die ungewünschte
Anregung detektierbar ist. Die Eigenüberwachungssicherheit und
die Robustheit der Sensoranordnung gegenüber ungewünschten
Störschwingungen werden somit deutlich erhöht.
Besonders bevorzugt sind die Frequenzen der ersten Resonanzfrequenz
und der zweiten Resonanzfrequenz derart gewählt, dass der
Abstand zwischen der ersten und der zweiten Resonanzfrequenz möglichst
groß ist.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
-
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Resonanzfrequenz
ungleich einem Vielfachen der zweiten Resonanzfrequenz ist. Besonders
vorteilhaft wird somit eine gleichzeitige ungewünschte
Anregung des ersten und des zweiten Sensors bzw. der ersten und
der zweiten seismischen Masse durch die ungewünschte Störschwingung
und auch durch Oberwellen der ungewünschten Störschwingung
verhindert.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste
Sensor erste Antriebsmittel zur Anregung der ersten seismischen Masse
mit der ersten Resonanzfrequenz aufweist und der zweite Sensor zweite
Antriebsmittel zur Anregung der zweiten seismischen Masse mit der
zweiten Resonanzfrequenz aufweist. Besonders bevorzugt werden somit
die erste und die zweite seismische Masse zu einer ersten und einer
zweiten Resonanzschwingung parallel zu einer ersten Richtung angeregt,
so dass eine Drehrate parallel zur einer zur ersten Richtung senkrechten
zweiten Richtung eine auf die erste und die zweite seismische Masse
wirkende erste und zweite Coriolisbeschleunigung parallel zur einer
zur ersten und zur zweiten Richtung senkrechten dritten Richtung
bewirkt. Die erste seismische Masse wird durch die erste Coriolisbeschleunigung
zu einer ersten Auslenkung parallel zur dritten Richtung und die
zweite seismische Masse durch die zweite Coriolisbeschleunigung
zu einer zweiten Auslenkung parallel zur dritten Richtung ausgelenkt,
wobei das erste Ausgangssignal abhängig von der ersten
Auslenkung und der ersten Resonanzschwingung und das zweite Ausgangssignal
abhängig von der zweiten Auslenkung und der zweiten Resonanzschwingung
ist. Die ungewünschte Störschwingung führt
somit über die Anregung der jeweiligen seismischen Masse
auch zu einer Verfälschung des jeweiligen Ausgangssignals,
so dass durch die zwei verschiedenen Resonanzfrequenzen in vorteilhafter Weise
eine gleichartige Verfälschung des ersten und des zweiten
Ausgangssignals nicht möglich ist und somit stets eine
Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal bei
der Beeinflussung des ersten und zweiten Sensors durch die ungewünschte
Störschwingung detektierbar ist.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste
Sensor erste Detektionsmittel zur Detektion einer ersten Kapazitätsänderung
aufweist, wobei die erste Kapazitätsänderung von
einer ersten Auslenkung der ersten seismischen Masse aufgrund einer
ersten Coriolisbeschleunigung der ersten seismischen Masse abhängig
ist, der zweite Sensor zweite Detektionsmittel zur Detektion einer
zweiten Kapazitätsänderung aufweist, wobei die
zweite Kapazitätsänderung von einer zweiten Auslenkung
der zweiten seismischen Masse aufgrund einer zweiten Coriolisbeschleunigung
der zweiten seismischen Masse abhängig ist, und die erste
Kapazitätsänderung eine erste Frequenz im Wesentlichen
identisch der ersten Resonanzfrequenz und die zweite Kapazitätsänderung eine
zweite Frequenz im Wesentlichen identisch der zweiten Resonanzfrequenz
aufweist. Besonders vorteilhaft ist die erste Auslenkung kapazitiv
mittels der ersten Detektionsmittel und die zweite Auslenkung kapazitiv
mittels der zweite Detektionsmittel in besonders einfacher und präziser
Weise messbar, wobei vorzugsweise die erste seismische Masse erste Elektroden
aufweist, welche mit ersten Gegenelektroden auf einem Substrat zusammenwirken
und die zweite seismischen Masse zweite mit zweiten Gegenelektroden
auf dem Substrat zusammenwirkende Elektroden aufweist. Die erste
bzw. zweite Auslenkung führt zu einer Abstandsänderung
zwischen den ersten bzw. zweiten Elektroden und den ersten bzw. zweiten
Gegenelektroden, so dass die erste bzw. zweite Auslenkung über
eine Änderung der ersten bzw. zweiten elektrischen Kapazität
zwischen der ersten bzw. zweiten Elektrode und der ersten bzw. zweiten
Gegenelektrode mittels der ersten bzw. zweiten Detektionsmittel
messbar ist.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste
Sensor einen ersten mikromechanischen Drehratensensor und der zweite
Sensor einen zweiten mikromechanischen Drehratensensor umfasst.
Besonders vorteilhaft sind somit Sensoranordnungen mit bekannten
Drehratensensoren realisierbar, wobei lediglich die erste und die
zweite Resonanzfrequenz zur Erhöhung der Eigenüberwachungssicherheit
und der Robustheit gegenüber ungewünschten mechanischen
Anregungen durch Störschwingungen unterschiedlich ausgebildet bzw.
gewählt werden.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensoranordnung ein
elektronisches Stabilitätsprogramm insbesondere für
Fahrzeuge umfasst. Besonders vorteilhaft sind somit Drehraten insbesondere
um die z-Achse (senkrecht zur Fahrtrichtung und senkrecht zur Querrichtung)
vergleichsweise sicher detektierbar, wobei gerade im Hinblick auf
eine größtmögliche Fahrzeugsicherheit
und der Gegenwart von vergleichsweise vielen Schwingungen und Vibrationen
im Fahrzeugbereich eine Erhöhung der Eigenüberwachungssicherheit
und eine Erhöhung der Robustheit gegenüber ungewünschten
mechanischen Anregungen durch Störschwingungen besonders
wichtig sind.
-
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Betrieb einer Sensoranordnung mit einem ersten Sensor und einem zweiten
Sensor, wobei der erste Sensor eine erste seismische Masse und der
zweite Sensor eine zweite seismische Masse aufweist, wobei die erste
seismische Masse mittels erster Antriebsmittels zu einer ersten
Schwingung mit einer ersten Resonanzfrequenz angeregt wird, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite seismische Masse mittels zweiter
Antriebmittels zu einer zweiten Schwingung mit einer zweiten Resonanzfrequenz
ungleich der ersten Resonanzfrequenz angeregt wird. Wie oben bereits
ausführlich beschrieben, wird somit eine gleichzeitige mechanische
Anregung sowohl der ersten, als auch der zweiten seismischen Masse
durch eine ungewünschte Störschwingung mit einer
Frequenz in einem bestimmten Bereich um die erste oder um die zweite
Resonanzfrequenz herum verhindert, so dass durch den Abgleich des
ersten und des zweiten Ausgangssignals eine Störanregung
einer der beiden seismischen Masse durch die ungewünschte
Störschwingung messbar ist und somit ein verfälschtes Ausgangssignal
detektiert wird.
-
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite seismische
Masse derart zu einer zweiten Schwingung angeregt wird, dass die
zweite Resonanzfrequenz ungleich einem Vielfachen der ersten Resonanzfrequenz
ist, so dass besonders vorteilhaft eine gleichzeitige ungewünschte Anregung
des ersten und des zweiten Sensors bzw. der ersten und der zweiten
seismischen Masse und/oder eine Beeinflussung der ersten und der
zweiten Schwingung durch die ungewünschte Störschwingung
und auch durch Oberwellen der ungewünschten Störschwingung
verhindert.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass mittels
erster Detektionsmittel eine erste Kapazitätsänderung
im Wesentlichen die erste Resonanzfrequenz aufweisend gemessen wird,
wobei die erste Kapazitätsänderung von einer ersten
Auslenkung der ersten seismischen Masse aufgrund einer ersten Coriolisbeschleunigung der
ersten seismischen Masse abhängig ist, und dass mittels
zweiter Detektionsmittel eine zweite Kapazitätsänderung
im Wesentlichen die zweite Resonanzfrequenz aufweisend gemessen
wird, wobei die zweite Kapazitätsänderung von
einer zweiten Auslenkung der zweiten seismischen Masse aufgrund
einer zweiten Coriolisbeschleunigung der zweiten seismischen Masse
abhängig ist. Die erste und zweite Kapazitätsänderung
wird in Form des ersten und zweiten Ausgangssignals von der Auswerteschaltung
ausgewertet und miteinander verglichen, so dass ein durch die ungewünschte
Störschwingung verfälschtes Ausgangssignal durch
eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweite Ausgangssignal
vorzugsweise oberhalb eines Schwellwerts detektierbar ist. Besonders
vorteilhaft ist somit eine Drehrate insbesondere eines Fahrzeugs
um die z-Achse, in vergleichsweise einfacher und zuverlässiger
Weise messbar, wobei im Wesentlichen keine ähnlichen Verfälschungen
des ersten und zweiten Ausgangssignals durch eine Anregung sowohl
der ersten seismischen Masse, als auch der zweiten seismischen Masse
durch eine ungewünschte Störschwingung auftritt.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die ersten
Detektionsmittel ein erstes Ausgangssignal in Abhängigkeit
der ersten Kapazitätsänderung und die zweiten
Detektionsmittel ein zweites Ausgangssignal in Abhängigkeit
der zweiten Kapazitätsänderung erzeugen, wobei
das erste und das zweite Ausgangssignal von einer Auswerteschaltung
ausgewertet werden und wobei von der Auswertschaltung in Abhängigkeit
des ersten und zweiten Ausgangssignals ein drittes Ausgangssignal
und/oder eine Fehlersignal erzeugt wird. Die erste und zweite Kapazitätsänderung
wird in Form des ersten und zweiten Ausgangssignals von der Auswerteschaltung
ausgewertet und miteinander verglichen, so dass ein durch die ungewünschte
Störschwingung verfälschtes Ausgangssignal durch
eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweite Ausgangssignal
vorzugsweise oberhalb eines Schwellwerts detektierbar ist und durch
ein Fehlersignal ausgegeben wird.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit
des dritten Ausgangssignals und/oder des Fehlersignals ein elektronisches
Stabilitätsprogramm insbesondere eines Fahrzeugs betrieben
wird. Besonders vorteilhaft wird durch die Detektion des Fehlersignals
eine Aktivität des elektronischen Stabilitätsprograms
unterbunden, so dass das elektronische Stabilitätsprogramm
nicht in Abhängigkeit verfälschter Ausgangssignale
agiert und somit die Fahrzeugsicherheit in erheblicher Weise erhöht
wird.
-
Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
Es
zeigt 1 eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung
gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung
-
In
der 1 ist eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung
gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Sensoranordnung
einen ersten Drehratensensor 10 und einen zweiten Drehratensensor 20 aufweist,
welche auf einem gemeinsamen mikromechanischen Sensorelement 60 angeordnet und
vorzugsweise gemeinsam hergestellt sind. Der erste und der zweite
Drehratensensor 10, 20 werden von einer Steuerungselektronik 61 in
Form eines ASIC's gesteuert, welcher eine Auswerteschaltung 30 umfasst.
Der erste Drehratensensor 10 weist eine erste seismische
Masse mit einer ersten Resonanzfrequenz auf, welche mittels erster
Antriebsmittel zu einer ersten Schwingung bzw. ersten Resonanzschwingung
mit der ersten Resonanzfrequenz gegenüber einem Substrat
des mikromechanischen Sensorelements 60 angetrieben 41 wird.
Der zweite Drehratensensor 20 weist analog dazu eine zweite seismische
Masse auf, welche mittels zweiter Antriebmittel zur einer zweite
Schwingung bzw. zweiten Resonanzschwingung mit einer zweiten Resonanzfrequenz
auf, welche mittels zweiter Antriebsmittel zu einer zweiten Resonanzschwingung
mit der zweiten Resonanzfrequenz gegenüber dem Substrat
angetrieben 51 wird. Die erste und die zweite Schwingung schwingen
parallel zu einer ersten Richtung, so dass eine Drehrate parallel
zu einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung eine auf
die erste seismische Masse wirkende erste Coriolisbeschleunigung
und eine auf die zweite seismische Masse wirkende zweite Coriolisbeschleunigung
erzeugt, wobei die erste und die zweite Coriolisbeschleunigung parallel
zur einer zur ersten und zur zweiten Richtung senkrechten dritten
Richtung wirkt, so dass die erste seismische Masse eine erste Auslenkung
parallel zur dritten Richtung und die zweite seismische Masse eine
zweite Auslenkung parallel zur dritten Richtung erfährt.
Die erste bzw. zweite Auslenkung erzeugt eine erste bzw. zweite
elektrische Kapazitätsänderung zwischen einer
ersten bzw. zweiten Elektrode auf der ersten bzw. zweiten seismischen
Masse und einer ersten bzw. zweiten Gegenelektrode auf dem Substrat,
wobei die erste bzw. zweite Kapazitätsänderung
mittels erster bzw. zweiter Detektionsmittel gemessen wird. In Abhängigkeit
der ersten elektrischen Kapazitätsänderung wird
ein erstes Ausgangssignal 40 und in Abhängigkeit
der zweiten elektrischen Kapazitätsänderung ein
zweites Ausgangssignal 50 erzeugt. Das erste und das zweite
Ausgangssignal 40, 50 werden an die Auswerteschaltung 30 geleitet 11, 21 und
in der Auswertschaltung 30 miteinander verglichen. Die
Auswerteschaltung 30 erzeugt ein drittes Ausgangssignal 31,
welches einen Mittelwert aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignals 40, 50 umfasst. Überschreitet
die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal 40, 50 einen
frei wählbarer Schwellwert, so wird ein Fehlersignal 32 von
der Auswerteschaltung 30 ausgegeben. Der erste und der
zweite Drehratensensor 10, 20 und insbesondere
die elastische Aufhängung und/oder die Masse der ersten
und der zweiten seismischen Masse sind derart ausgebildet, dass
die erste Resonanzfrequenz ungleich der zweiten Resonanzfrequenz
und auch ungleich einem Vielfachen der zweiten Resonanzfrequenz
ist. Eine ungewünschte Störschwingung des mikromechanischen
Sensorelements 60 mit einer bestimmten Störfrequenz
führt somit nicht zu einer gleichzeitigen vergleichsweise
starken ungewünschten Anregung sowohl der ersten, als auch
der zweiten seismischen Masse, welche der ersten und der zweiten
Schwingung zumindest teilweise überlagert wäre.
Das erste bzw. zweite Ausgangssignal 40, 40 ist
abhängig von der ersten bzw. zweiten Coriolisbeschleunigung
und der ersten bzw. zweiten Schwingung, so dass die vergleichsweise
starke ungewünschte Anregung lediglich einer der beiden
ersten oder zweiten seismischen Massen zu einer vergleichsweise
starken Änderung des entsprechenden ersten oder zweiten Ausgangssignals 40, 50 führt.
Diese vergleichsweise starke Änderung führt zu
einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal 40, 50, welche
beim Überschreiten des Schwellwertes von der Auswerteschaltung 30 detektiert
wird, so dass eine Verfälschung des ersten oder des zweiten
Ausgangssignals 40, 50 durch eine ungewünschte
Anregung des ersten oder des zweiten Drehratensensors 10, 20 mit
einer Störfrequenz in einem bestimmten und insbesondere
von einer jeweiligen Ausgangsfilterbandbreite der Sensoranordnung 1 abhängigen Bereich
um die erste oder um die zweite Resonanzfrequenz herum von der Auswerteschaltung 30 detektiert
wird, da im Idealfall (d. h. im Wesentlichen ohne Störung
und bei Baugleichheit des ersten und zweiten Drehratensensors 10, 20)
das erste und das zweite Ausgangssignal 40, 50 nahezu
identisch sind, und gegebenenfalls das Fehlersignal 32 ausgegeben wird.
Die Sensoranordnung ist vorzugsweise in ein ESP-System (Elektronisches
Stabilitätsprogramm) eines Fahrzeugs integriert und misst
eine Drehrate um die z-Achse des Fahrzeugs (Senkrecht zur Fahrtrichtung
und senkrecht zur Querrichtung des Fahrzeugs). Das Fehlersignal
dient vorzugsweise zur kurzzeitigen Deaktivierung des ESP-Systems,
so dass das ESP-System keine Aktivität in Abhängigkeit eines
verfälschten Ausgangssignals durchführt. Der Vorteil
ist ein um den Faktor zwei kleinerer Fehler bei der Störung
nur von einem der beiden ersten und zweiten Drehratensensoren 10, 20.
Zudem ist der Fehler des dritten Ausgangssignals 31 begrenzt
auf den vorgegebenen Schwellwert, wenn nicht beide Drehratensensoren 10, 20 gleichzeitig
vergleichbar angeregt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10108196
A1 [0002]
- - DE 10108197 A1 [0002]
- - DE 10237410 A1 [0002]