SCHRÖDER, Werner (Laubenlindeweg 14, Offenburg, 77654, DE)
| Patentansprüche 1. Drehratensensor-Anordnung (100, 400) umfassend eine mikro-elektronlsch mechanische Drehratensensor-Elnrichtung (110, 410), gekennzeichnet durch einen ersten mit der Drehratensensor-Einrichtung (110, 410) mechanisch fest verbundenen piezoelektrischen Aktuator (131, 431a), dessen Ausdehnung längs einer ersten Achse (151, 451) durch ein erstes Steuersignal steuerbar ist und eine erste Regelschaltung (144), die aus einem ersten Messsignal das erste Steuersignal derart ableitet, dass der erste Aktuator (131, 431a) einer Auslenkung der Drehratensensor-Einrichtung (110, 410) relativ zu einer Bezugsstruktur (150) längs der ersten Achse (151, 451) entgegenwirkt. 2. Drehratensensor-Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Messeinrichtung, die zur Erfassung der Auslenkung der Drehratensensor-Einrichtung (110, 410) und zur Ausgabe des ersten Messsignals geeignet ist. 3. Drehratensensor-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messeinrichtung ein erster piezoelektrischer Sensor (121) ist. 4. Drehratensensor-Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Signalkonditionierungseinheit (115), die zur Gewinnung des ersten Messsignals aus einem elektrischen Ausgangssignal (118) der Drehratensensor- Einrichtung geeignet ist, wobei das Ausgangssignal (118) einen Nutzanteil und auf Störeinflüsse zurückgehende Störanteile enthält. 5. Drehratensensor-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktuator (131, 431a) ausschließlich mit der Drehratensensor-Einrichtung (110, 410) entlang einer ersten Oberfläche mechanisch fest verbundenen ist und durch das erste Steuersignal die Ausdehnung des ersten Aktuators (131, 431a) längs der ersten Achse (151, 451) steuerbar ist, wobei durch die Steuerung des ersten Aktuators (131, 431a) einer Auslenkung der Drehratensensor-Einrichtung (110, 410) längs der ersten Achse (151, 451) entgegengewirkt wird. 6. Drehratensensor-Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zweiten mit der Drehratensensor-Einrichtung (410) mechanisch fest verbundenen piezoelektrischen Aktuator (431 ), dessen Ausdehnung längs der ersten Achse (451 ) durch ein zweites Steuersignal steuerbar ist und der auf der ersten Oberfläche oder auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Drehratensensor-Einrichtung (410) angeordnet ist, wobei die Regelschaltung ( 144) aus dem ersten Messsignal und einem zweiten Messsignal das erste und das zweite Steuersignal derart ableitet, dass der erste Aktuator (431a) und der zweite Aktuator (431b) einer rotatorischen Auslenkung der Drehratensensor-Einrichtung (410) um eine zur ersten Achse (451 ) orthogonalen zweiten Achse (452) entgegenwirken. 7. Drehratensensor-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Aktuator (431a, 431b) ein erstes Aktuatorenpaar (431 ) bilden und weiter ein zweites Aktuatorenpaar (432) vorgesehen ist mit Aktuatoren, deren Ausdehnung längs der zweiten Achse 452) steuerbar ist, und weiter ein drittes Aktuatorenpaar (433) vorgesehen ist mit Aktuatoren, deren Ausdehnung längs einer zur ersten und zweiten Achse orthogonalen dritten Achse steuerbar ist. 8. Drehratensensor-Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktuator mit der Bezugsstruktur mechanisch verbunden und durch das erste Steuersignal die Ausdehnung des Aktuators längs der ersten Achse steuerbar ist, wobei durch die Steuerung des Aktuators einer Auslenkung der Drehratensensor-Einrichtung längs der ersten Achse entgegengewirkt ist. 9. Drehratensensor-Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen zweiten mit der Drehratensensor-Einrichtung verbundenen Aktuator, dessen Ausdehnung längs einer zweiten Achse durch ein zweites Steuersignal steuerbar ist, eine zweite Regelschaltung, die aus einem zweiten Messsignal das zweite Steuersignal derart ableitet, dass der zweite piezoelektrische Aktuator einer Auslenkung der Drehratensensor-Einrichtung längs der zweiten Achse entgegenwirkt. einen dritten mit der Drehratensensor-Einrichtung verbundenen Aktuator, dessen Ausdehnung längs einer zur ersten und zweiten Achse orthogonalen dritten Achse durch ein drittes Steuersignal steuerbar ist und eine dritte Regelschaltung, die aus einem dritten Messsignal das dritte Steuersignal derart ableitet, dass der dritte piezoelektrische Aktuator einer Auslenkung der Drehratensensor-Elnrichtung längs der dritten Achse entgegenwirkt. 10. Drehratensensor-Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drehratensensor-Elnrichtung drei Drehratensensoren mit drei zueinander orthogonalen Messachsen umfasst. 1 1. Verfahren zum Betrieb einer Drehratensensor-Anordnung, umfassend: Erfassen einer ersten Auslenkung einer Drehratensensor-Einrichtung entlang einer ersten oder um eine erste Achse; Erzeugen eines die erste Auslenkung abbildenden ersten Messsignals; Erzeugen eines ersten oder zweier ersten Steuersignale aus dem ersten Messsignal derart, dass ein mit der Drehratensensor-Einrichtung verbundener und mit dem ersten Steuersignal beaufschlagter erster piezoelektrischer Aktuator oder ein mit der Drehratensensor-Elnrichtung verbundenes und mit den zwei ersten Steuersignalen beaufschlagtes erstes piezoelektrische Aktuatorenpaar der ersten Auslenkung entgegenwirken; und Beaufschlagen des ersten piezoelektrischen Aktuators mit dem ersten Steuersignal oder des ersten piezoelektrischen Aktuatorenpaares mit den zwei ersten Steuersignalen. 12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen durch einen oder mehrere mit der Drehratensensor- Einrichtung verbundene piezoelektrische Sensoren erfolgt. 13. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktuator oder das erste Aktuatorenpaar nur mit der Drehratensensor-Einrichtung verbunden ist und zum Betrieb für Schwingungsfrequenzen ausgelegt ist, bei welchen sich der erste Aktuator oder das erste Aktuatorenpaar sich als einseitig an der eigenen Masse abstützend betrachtet werden kann. 14. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktuator mit der Bezugsstruktur mechanisch verbunden und durch das erste Steuersignal die Ausdehnung des Aktuators längs der ersten Achse steuerbar ist, wobei durch die Steuerung des Aktuators einer Auslenkung der Drehratensensor-Elnrichtung längs der ersten Achse entgegengewirkt wird. 15. Verfahren nach Anspruch 1 1 , gekennzeichnet durch Erfassen einer zweiten Auslenkung einer Drehratensensor-Elnrlchtung entlang einer zweiten Achse oder um eine zweite Achse; Erzeugen eines die zweite Auslenkung abbildenden zweiten Messsignals; Erzeugen eines oder zweier zweiter Steuersignale aus dem zweiten Messsignal derart, dass ein mit der Drehratensensor-Elnrlchtung verbundener und mit dem einen zweiten Steuersignal beaufschlagter zweiter piezoelektrischer Aktuator oder ein mit der Drehratensensor-Einrichtung verbundenes und mit den zwei zweiten Steuersignalen beaufschlagtes zweites piezoelektrische Aktuatorenpaar der zweiten Auslenkung entgegenwirken; Erfassen einer dritten Auslenkung einer Drehratensensor-Einrlchtung entlang oder um eine dritten Achse; Erzeugen eines die dritte Auslenkung abbildenden dritten Messsignals; Erzeugen eines oder zweier dritter Steuersignale aus dem dritten Messsignal derart, dass ein mit der Drehratensensor-Einrichtung verbundener und mit dem einen dritten Steuersignal beaufschlagter dritter piezoelektrischer Aktuator oder ein mit der Drehratensensor-Einrichtung verbundenes und mit den zwei dritten Steuersignalen beaufschlagtes drittes piezoelektrische Aktuatorenpaar der dritten Auslenkung entgegenwirken; Beaufschlagen des zweiten piezoelektrischen Aktuators mit dem zweiten Steuersignal oder des zweiten piezoelektrischen Aktuatorenpaares mit den zwei zweiten Steuersignalen; und Beaufschlagen des dritten piezoelektrischen Aktuators mit dem dritten Steuersignal oder des dritten piezoelektrischen Aktuatorenpaares mit den zwei dritten Steuersignalen. |
Drehratensensor-Anordnung
Die Anmeldung bezieht sich auf Drehratensensoren und Sensorblöcke mit einer Mehrzahl von Drehratensensoren sowie auf ein Verfahren zum Betrieb von Drehratensensoren. Drehratensensoren umfassen üblicherweise eine oder mehrere beweglich aufgehängte seismische Massen, die zunächst zu einer linearen oder rotatorischen Anregungsschwingung angeregt werden. Erfährt der Drehratensensor eine Drehbewegung um eine sensitive Achse (Messachse), so wird die seismische Masse bzw. werden die seismischen Massen zu einer weiteren, zur Anregungsschwingung üblicherweise orthogonalen Schwingung, angeregt. Diese überlagert sich der Anregungsschwingung und kann unabhängig von dieser erfasst werden.
In der DE 10 2004 058 675 A I wird der Einsatz von Piezosensoren und Piezoaktuatoren zum Schutz von Leiterplatten beschrieben. Die Piezoaktuatoren und Piezosensoren sind auf beiden Seiten der Leiterplatte angeordnet. Die Piezosensoren erfassen eine Verformung der Leiterplatte aufgrund von Vibrationen oder statischen thermischen bzw. mechanischen Belastungen. Die Piezoaktuatoren werden so angesteuert, dass sie der Verformung der Leiterplatte entgegenwirken. In piezoelektrischen Beschleunigungssensoren verbindet ein Piezokristall eine ansonsten beweglich gelagerte seismische Masse mit einem Aufnehmergehäuse. Der Piezokristall erfasst eine Auslenkung der seismischen Masse relativ zum Aufnehmergehäuse.
Ein piezoelektrischer Drehratensensor basierend auf dem Prinzip einer Stimmgabel (tuning fork) ist in der US 6, 474, 162 B 1 beschrieben. Die beiden Zinken der Gabel sind über eine Balkenstruktur mit einer nicht-schwingenden Bezugsstruktur verbunden und werden zu einer Schwingung orthogonal zu einer Referenzfläche angeregt. Erfährt der Sensor eine Drehbeschleunigung, so verwindet sich die Balkenstruktur. Ein piezoelektrischer Sensor erfasst die Torsion der Balkenstruktur. Aus dem Ausgangssignal des piezoelektrischen Sensors kann auf die Drehbeschleunigung zurück geschlossen werden.
Die US 5 ,488 ,862 bezieht sich auf einen monolithischen Drehratensensor mit einem äußeren Rahmen, der elektrostatisch zu einer Schwingung angeregt wird. Bei Einwirkung einer Corloliskraft beginnt ein beweglich mit dem äußeren Rahmen verbundener innerer Rahmen zu schwingen und verwindet zwei Drehachsen, die den inneren Rahmen mit einem Aufnehmergehäuse verbinden. Piezoelektrische Sensoren erfassen die Torsion der Drehachsen.
Neben der eigentlichen Drehbeschleunigung wirken auf die Einzelteile eines Drehratensensors Störkräfte, beispielsweise lineare Beschleunigungen, die den Drehratensensor oder Teile des Drehratensensors vibrieren lassen. Diese Vibrationen erzeugen Störsignale, die sich in einem Ausgangssignal des Drehratensensors einem Nutzsignal überlagern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Drehratensensoranordnungen mit reduzierten Störanteilen im Ausgangssignal bereitzustellen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Die Figuren haben lediglich erläuternde Funktion und sind nicht maßstabsgerecht. Details der verschiedenen Ausführungsformen lassen sich miteinander unterschiedlich kombinieren.
Die Figur 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer DrehratensensorAnordnung gemäß einer Ausführungsform. Die Figur 2 ist eine schematische Seitenansicht einer Drehratensensor-Anordnung mit zwei mit einem Träger verbundenen piezoelektrischen Aktuatoren gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Die Figur 3 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Drehratensensor- Anordnung mit sechs piezoelektrischen Aktuatoren gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Die Figur 4A ist eine schematische Draufsicht auf eine weitere DrehratensensorAnordnung mit drei Paaren von piezoelektrischen Aktuatoren zur Darstellung der Unterdrückung einer translatorischen Schwingung eines Drehratensensors gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Die Figur 4B ist ein vereinfachtes Diagram zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen der translatorischen Auslenkung des Drehratensensors der Figur 4A und der Längenausdehnung piezoelektrischer Aktuatoren zur Erläuterung von Ausführungsformen der Erfindung. Die Figur 4C ist eine schematische Draufsicht auf die Drehratensensor-Anordung der Figur 4A zur Darstellung der Unterdrückung einer rotatorischen Schwingung des Drehratensensors gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Figur 4D ist ein vereinfachtes Diagram zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen der rotatorischen Auslenkung des Drehratensensors der Figur 4C und der Längenausdehnung piezoelektrischer Aktuatoren zur Erläuterung von Ausführungsformen der Erfindung. Die Figur 5 ist ein vereinfachtes Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer Drehratensensor-Anordnung gemäß einer weiteren Au sführungsform.
Entsprechend der Figur 1 umfasst eine Drehratensensor-Anordnung 100 gemäß einer Ausführungsform eine Drehratensensor-Einrichtung 1 10 mit einem Ausgang 1 19, an dem die Drehratensensor-Einrichtung 1 10 ein elektrisches Ausgangssignal 1 18 ausgibt, welches in einem Nutzsignalanteil eine Drehbeschleunigung der Drehratensensor-Einrichtung 1 10 um eine sensitive Achse (Messachse) wiedergibt. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Drehratensensor-Einrichtung 1 10 genau einen Drehratensensor, dessen Ausgangssignal die Drehbewegung um eine der Raumachsen angibt. Gemäß anderen Ausführungsformen weist die Drehratensensor-Einrichtung 1 10 zwei, drei oder mehrere Einzelsensoren auf, die im Wesentlichen baugleich sein können, und deren Messachsen voneinander abweichen. Gemäß einer Ausführungsform weist die Drehratensensor-Einrichtung 1 10 drei im Wesentlichen identische Drehratensensoren mit drei zueinander orthogonalen Messachsen auf. Die Drehratensensor-Einrichtung 1 10 kann beispielsweise ein mikro- elektromechanisches System (MEMS-Drehratensensor) mit Federelementen zwischen gegeneinander beweglichen Einzelteilen oder ein piezoelektrischer Drehratensensor sein.
Die Drehratensensor-Anordnung 100 weist ferner mindestens eine Messeinrichtung, zum Beispiel einen piezoelektrischen Sensor 121 auf, der auf einer ersten Oberfläche 11 1 der Drehratensensor-Einrichtung 1 10 befestigt, z.B. geklebt oder gelötet, ist, wobei die erste Oberfläche 1 1 1 planar, im Wesentlichen planar oder gekrümmt sein kann. Der piezoelektrische Sensor 121 ist beispielsweise ein Linearschwinger oder Scherschwinger und registriert eine translatorische Schwingung der Drehratensensor-Einrichtung 1 10 gegenüber einer - schematisch angedeuteten - Bezugsstruktur 150 entlang einer ersten Raumachse 151. Der piezoelektrische Sensor 121 kann, zum Beispiel auf der der Drehratensensor-Einrichtung gegenüberliegenden Seite, fixiert sein oder „frei", d.h. ohne weitere Verbindung, wobei der„freie" piezoelektrische Sensor 121 sich als an seiner eigenen Masse abstützend gedacht werden kann. Der Sensor 121 gibt ein erstes Messsignal aus, das einer Regelschaltung 140 zugeführt wird.
Die Bezugsstruktur 150 ist beispielsweise ein Träger oder eine Leiterplatte, auf der die Drehratensensor-Einrichtung 1 10 montiert ist, ein Gehäuse, ein Rahmen oder ein Montagemodul, das seinerseits auf einer Großstruktur, etwa einem Fahrzeugrahmen, montiert sein kann. Die Regelschaltung 140 kann beispielsweise einen Messverstärker 142 zur Verstärkung des ersten Messsignals, eine Regelelektronik 144 zur Generierung eines aus dem ersten Messsignal abgeleiteten, zum Beispiel phasenverschobenen, ersten Steuersignals und eine Verstärkerschaltung 146 zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktuators 131 umfassen. Die Regelelektronik 144 kann analog oder digital aufgebaut sein oder sowohl analoge als auch digitale Komponenten umfassen.
Gemäß anderen Ausführungsformen wird das erste Messsignal zumindest teilweise aus dem elektrischen Ausgangssignal 1 18 der Drehratensensor- Einrichtung 1 10 selbst abgeleitet, das neben dem Nutzsignal auch Störanteile enthält. Beispielsweise ist eine Signalkonditioniereinheit 1 15 vorgesehen, dem das mindestens eine Ausgangssignal 1 18 der Drehratensensor-Einrichtung 1 10 zugeführt wird. Die Signalkonditioniereinheit 1 15 filtert aus dem Ausgangssignal 1 18 denjenigen Störanteil heraus, dem durch eine entsprechende Ansteuerung des Aktuators 131 entgegengewirkt werden kann. Beispielsweise wird der Regelelektronik 144 ausschließlich ein aus dem Ausgangssignal 1 18 abgeleitetes Messsignal zugeführt. In Übereinstimmung mit weiteren Ausführungsformen werden der Regelelektronik 144 sowohl ein aus dem Ausgangssignal 1 18 abgeleitetes Messsignal als auch ein von dem piezoelektrischen Sensor 121 aufgenommenes Signal zugeführt. Anstelle des oder ergänzend zum piezoelektrischen Sensor 121 kann auch ein anderer Sensortyp, bspw. ein kapazitiver Sensor, als Messeinrichtung oder als Teil der Messeinrichtung vorgesehen sein. Ferner umfasst die Drehratensensor-Anordnung 100 mindestens einen mit der Drehratensensor-Einrichtung 1 10 mechanisch verbundenen piezoelektrischen Aktuator 131 , dessen Ausdehnung längs der ersten Achse durch das erste Steuersignal steuerbar ist. Der piezoelektrischen Aktuator 131 kann auf einer zur ersten Oberfläche 1 1 1 parallelen oder im Wesentlichen parallel ausgerichteten zweiten Oberfläche 1 12 der Drehratensensor-Einrichtung 1 10 angeordnet sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der piezoelektrische Aktuator 131 neben dem piezoelektrischen Sensor 121 angeordnet. Der piezoelektrische Aktuator 131 kann z. B. aufgeklebt oder aufgelötet und als Linear- oder als Scherschwinger realisiert sein. Die Regelschaltung 144 leitet aus dem ersten Messsignal das erste Steuersignal derart ab, dass der piezoelektrische Aktuator 131 einer Auslenkung der Drehratensensor-Einrichtung 100 gegenüber der Bezugsstruktur 150 längs der ersten Achse 151 entgegenwirkt.
Die erste Achse 151 ist beispielsweise orthogonal zu den Oberflächen 1 1 1 , 1 12 orientiert. Der piezoelektrische Aktuator 131 reagiert auf eine am piezoelektrischen Sensor 121 ausgegebene Spannung mit einer Kürzung bzw. Längung, bspw. auf eine Auslenkung dx der Drehratensensor-Einrichtung 1 10 in positive Richtung der ersten Raumachse 151 mit einer entsprechenden Kontraktion bzw. Längung um dl.
Gemäß einer Ausführungsform ist der piezoelektrische Aktuator 131 , der eine endlich kleine Eigenmasse aufweist, ausschließlich mit der Drehratensensor- Einrichtung 1 10 fest verbunden. Wird der piezoelektrische Aktuator 131 durch die Regelschaltung 140 in eine zur translatorischen Schwingung der Drehratensensor-Einrichtung 1 10 gegenphasige Schwingung versetzt, so stützt sich der piezoelektrische Aktuator 131 auf seiner der Drehratensensor- Einrichtung 1 10 gegenüberliegenden Seite inertial mit seiner eigenen Eigenmasse ab und kann daher eine Kraft auf die Drehratensensor-Einrichtung 1 10 ausüben, die der Auslenkung entgegen gerichtet ist. Dies gilt insbesondere bei Schwingungen in einem Frequenzbereich ab etwa 5 kHz, etwa ab 8kHz, beispielsweise um etwa 10kHz.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der piezoelektrische Aktuator 131 sowohl mit der Drehratensensor-Einrichtung 1 10 als auch mit einer ansonsten nicht fest mit der Drehratensensor-Einrichtung 1 10 verbundenen Gehäusestruktur als Bezugsstruktur 150 verbunden, so dass sich der piezoelektrische Aktuator 131 an der Gehäusestruktur abstützt. Die Drehratensensor-Einrichtung 1 10 kann für jede Raumachse 151 , 152, 153 einen oder mehrere piezoelektrische Aktuatoren aufweisen, wobei einer oder mehrere der Aktuatoren fest mit der Gehäusestruktur verbunden sind und die restlichen Aktuatoren ohne weitere Verbindung zu einer Gehäusestruktur sein können. Gemäß anderen Ausführungsformen sind jeweils Paare von gleichorientierten und entlang derselben Orientierung steuerbaren Aktuatoren an der Drehratensensor- Einrichtung 1 10 vorgesehen . Sind die Aktuatoren eines jeden Aktuatorenpaares auf derselben Oberfläche vorgesehen, so können diese gleichphasig derart angesteuert werden, dass beide Aktuatoren einer translatorischen Vibration der Drehratensensor-Einrichtung 1 10 entgegenwirken und diese im Idealfall vollständig unterdrücken. In diesem Fall können die Aktuatoren eines jeden Aktuatorenpaares auch gegenphasig derart angesteuert werden, dass einer rotatorischen Schwingung der Drehratensensor-Elnrichtung 1 10 entgegengewirkt bzw. diese vollständig unterdrückt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Aktuatorenpaar mit zwei gegenphaslgen Steuersignalen angesteuert, denen derselbe gleichphasige Anteil überlagert Ist, so dass sowohl einer translatorischen als auch einer rotatorischen Schwingung entgegen gewirkt werden kann. Gemäß einer Ausführungsform ist für jede Raumachse mindestens ein Aktuatorenpaar vorgesehen.
Gemäß anderen Ausführungsformen sind die Aktuatoren eines jeden Aktuatorenpaares auf einander der Drehratensenor-Einrichtung gegenüberliegenden Oberflächen der Drehratensenor-Einrichtung 1 10 vorgesehen und werden gegenphasig derart angesteuert, dass beide Aktuatoren einer translatorischen Vibration der Drehratensensor-Einrichtung 1 10 entgegenwirken und diese im Idealfall vollständig unterdrücken. Sind die Aktuatoren des Aktuatorenpaars so zueinander angeordnet (asymmetrische Anordnung), dass sie ein Drehmoment auf die Drehratensensor-Elnrlchtung 1 10 ausüben können, so können die Aktuatoren eines jeden Aktuatorenpaares auch gleichphasig derart angesteuert werden, dass einer rotatorischen Schwingung der Drehratensensor- Elnrichtung 1 10 entgegengewirkt bzw. diese vollständig unterdrückt wird.
Die Figur 2 bezieht sich auf eine Drehratensensor-Anordnung 200 mit zweiseitig abgestützten piezoelektrischen Aktuatoren 231 , 232. Die Drehratensensor- Anordnung 200 umfasst eine Drehratensensor-Einrichtung 210, die auf einem Träger 250 angeordnet und mit diesem über nicht steife Befestigungsmittel 261 , z.B . Klemmen, Nieten, Schrauben, Federn oder Klebestrukturen, verbunden ist. Der Träger 250 kann durch externe Kräfte ausgelenkt und zu Schwingungen angeregt werden, die sich - mehr oder weniger modifiziert - auf die Drehratensensor-Einrichtung 210 übertragen können, so dass die Drehratensensor-Einrichtung 210 zu translatorischen Schwingungen bzw. Vlbrationen mit Komponenten entlang dreier zueinander orthogonaler Raumachsen 251 , 252, 253 und/oder zu rotatorischen Schwingungen mit Komponenten um die drei Raumachsen 251 , 252, 253 angeregt werden kann.
Die Schwingungen gegenüber dem Träger 250 können über Messeinrichtungen 221 , 222 registriert werden, beispielsweise über kapazitive oder piezoelektrische Sensoren. Solche Schwingungen, die die Drehratensensor-Einrichtung 210 zusammen mit dem Träger 250 gegenüber weiteren Strukturen ausführt, mit denen der Träger 250 verbunden ist, können beispielsweise aus dem elektrischen Ausgangssignal der Drehratensensor-Einrichtung 210 abgeleitet werden oder mittels ausschließlich mit der Drehratensensor-Einrichtung 210 verbundenen piezoelektrischen Sensoren erfasst werden.
Zwischen dem Gehäuse 250 und der Drehratensensor-Einrichtung 210 können beispielsweise ein erster und ein zweiter piezoelektrischer Aktuator 231 , 232 vorgesehen sein. Die Elektroden bzw. Anschlüsse der Aktuatoren 231 , 232 sind so angeordnet, dass die Ausdehnung des ersten Aktuators 231 längs einer zu einer ersten Oberfläche 21 1 senkrechten ersten Raumachse 251 steuerbar ist. Der Aktuator 231 wird gegenphasig zur Auslenkung der Drehratensensor-Einrichtung 210 entlang der ersten Raumachse gesteuert.
Entfernt sich die Drehratensensor-Einrichtung 210 vom Boden des Gehäuses 250, so wird ein entsprechendes Signal registriert und der erste Aktuator 231 derart angesteuert, dass sich dessen Ausdehnung längs der ersten Raumachse 251 verringert. Wird eine Auslenkung In Richtung der zweiten Raumachse 252 registriert, so wird der zweite piezoelektrischer Aktuator 232 derart angesteuert, dass sich dessen Ausdehnung entlang der zweiten Raumachse 252 reduziert, womit der Auslenkung entgegengewirkt wird. Den beiden piezoelektrischen Aktuatoren 231 , 232 sind jeweils eine Signal- und eine Regelschaltung zugeordnet, die aus dem entsprechenden Messsignal das Steuersignal derart ableiten, dass der jeweilige Aktuator 231 , 232 eine Auslenkung bzw. Schwingung der Drehratensensor-Einrichtung 210 längs der jeweiligen Achse dämpft.
Die Figur 3 zeigt eine Drehratensensor-Anordnung 300 mit einem Drehratensensor 310, für den zur Vereinfachung eine kubische Bauform angenommen wird und der einen elektrischen Anschluss 319 als elektrische Schnittstelle zu einer Ansteuer- und Auswerteeinheit aufweist. Der Drehratensensor 310 ist auf einem Träger 350 montiert und kann mit diesem über nicht näher dargestellte Befestigungsmittel, zum Beispiel Federelemente, Klemmen, Nieten, Schrauben, Klebestrukturen oder piezoelektrische Elemente verbunden sein. Beispielsweise ist zwischen dem Träger 350 und dem Drehratensensor 310 ist ein erster Aktuator 331a angeordnet, der sowohl mit dem Drehratensensor 310 als auch mit dem Träger 350 fest verbunden ist und dessen Ausdehnung mindestens längs einer ersten Raumachse 351 steuerbar ist. Auf einer dem ersten Aktuator 331 a gegenüberliegenden Oberfläche des Drehratensensors 310 kann ein zweiter Aktuator 331b vorgesehen sein, der asymmetrisch zum ersten Aktuator angeordnet ist und mit diesem ein erstes Aktuatorenpaar 331 bildet. Die Aktuatoren des ersten Aktuatorenpaares 331 unterdrücken bei geeigneter gleichphasiger Ansteuerung eine rotatorische Schwingung des Drehratensensors 310 um eine zur Ausdehnungsrichtung der Aktuatoren des erstes Aktuatorenpaar 331 orthogonalen Achse 351 , 352, 353.
Die Drehratensensor-Anordnung 300 kann ferner ein zweites 332 oder ein zweites 332 und ein drittes 333 Aktuatorenpaar mit jeweils zwei Aktuatoren umfassen, deren Ausdehnung längs zweier zur ersten Achse 351 orthogonalen Achsen steuerbar ist. Jeweils keiner, einer der beiden oder beide Aktuatoren eines jeden Aktuatorenpaares 331 -333 kann/ können mit dem Träger 350 verbunden sein.
Am Träger 350 können Elektroden 325 vorgesehen sein, die translatorische und/oder rotatorische Schwingungen des Drehratensensors 310 entlang der/ um die Raumachsen 351 ,352, 353 zu detektieren vermögen, indem die Lage des Drehratensensors 310 relativ zu den Elektroden 325 bestimmt wird. Jedem Aktuator 331 , 332, 333 ist eine Regelschaltung zugeordnet, die aus drei unterschiedlichen Messsignalen und/oder am Anschluss 31 1 abgreifbaren elektrischen Ausgangssignal des Drehratensensors 310 die Steuersignale für die Aktuatoren 331 , 332, 333 ableiten. Die Messsignale werden Regelschaltungen zugeführt, wobei jedem Aktuatorenpaar 331 , 332, 333 eine Regelschaltung zugeordnet sein kann, die aus den relevanten Messsignalen und/ oder dem am Anschluss 319 abgreifbaren elektrischen Ausgangssignal des Drehratensensors 310 die Steuersignale für das jeweilige die Aktuatorenpaar 331 , 332, 333 ableitet.
Die Figur 4A bezieht sich auf eine Drehratensensor-Anordnung 400 mit einer Drehratensensor-Einrichtung 410 und drei Aktuatorenpaaren 431 , 432 , 433. Die beiden piezoelektrischen Aktuatoren 431a, 431b des ersten Aktuatorenpaares 431 sind jeweils in ihrer Ausdehnung 11 , 12 längs einer ersten Raumachse 451 steuerbar. Werden die beiden piezoelektrischen Aktuatoren 431 a, 43 1 b des ersten Aktuatorenpaares 431 im Gegentakt betrieben, so können sie einer translatorischen Schwingung der Drehratensensor-Einrichtung 410 längs der ersten Raumachse 451 entgegenwirken und diese im Idealfall kompensieren. Die Figur 4B zeigt für das Beispiel einer translatorische Vibration 491 die Auslenkung des Drehratensensors dx entlang der ersten Raumachse 451 als Funktion der Zeit t. Der Auslenkung wird nun durch das erste Aktuatorenpaar derart entgegengewirkt, dass die Längenänderungsfunktion 492 des ersten auf der der Auslenkung abgewandten Seite angeordneten Aktuators zur Auslenkung gegenphasig, die Längenänderungsfunktion 493 des zweiten auf der zur Auslenkung hin orientierten Seite gleichphasig zur Auslenkung ist. Bewegt sich die Drehratensensor-Einrichtung 410 beispielsweise im Zuge der translatorischen Schwingung in positiver Richtung der ersten Raumachse 451 , so wird der erste piezoelektrische Aktuator 431a derart angesteuert, dass er sich entlang der ersten Raumachse 451 verkürzt. Bewegt sich die Drehratensensor- Einrichtung 410 dagegen im Zuge der translatorischen Schwingung in die entgegengesetzte Richtung, so wird der erste piezoelektrische Aktuatoren 431 a so angesteuert, dass er sich entlang der ersten Raumachse verlängert.
Im Falle der Figur 4C wird einer rotatorischen Schwingung der Drehratensensor- Anordnung 400 mit der Drehratensensor-Einrichtung 410 und den drei Aktuatorenpaaren 431 , 432, 433 entgegengewirkt. Die beiden piezoelektrischen Aktuatoren 431a, 431b des ersten Aktuatorenpaares 431 sind bezüglich einer zweiten Raumachse 452 versetzt zueinander angeordnet, so dass sie ein Drehmoment auf die Drehratensensor-Einrichtung 410 auszuüben vermögen, und jeweils in ihrer Ausdehnung 11 , 12 längs einer ersten Raumachse 451 steuerbar. Dazu werden die beiden piezoelektrischen Aktuatoren 431 a, 431b des ersten Aktuatorenpaares 431 im Gleichtakt betrieben und können so einer rotatorischen Schwingung der Drehratensensor-Einrichtung 410 um eine zur ersten Raumachse 541 orthogonalen zweiten Raumachse 452 entgegenwirken und im Idealfall diese kompensieren.
Die Figur 4D zeigt für das Beispiel einer rotatorischen Vibration 496 den Auslenkwinkel des Drehratensensors dphi um die zweite Raumachse 452 als Funktion der Zeit t. Dem Auslenkwinkel dphi wird nun durch gleichphasige Längenänderungsfunktionen 497, 498 der beider Aktuatoren 431 a, 431b entgegengewirkt.
Dreht sich die Drehratensensor-Einrichtung 410 beispielsweise im Zuge der rotatorischen Schwingung in positiver Drehrichtung um die zweite Raumachse 452, so werden die beiden piezoelektrischen Aktuatoren 431 a, 431b des ersten Aktuatorenpaares derart angesteuert, dass sich beide Aktuatoren 431a, 431 b entlang der ersten Raumachse 451 verlängern, so dass sich ein der Anregung entgegen gerichtetes Drehmoment ergibt. Dreht sich die Drehratensensor-Einrichtung 410 dagegen im Zuge der rotatorischen Schwingung in die entgegengesetzte Richtung, so werden die beiden piezoelektrischen Aktuatoren 431 a, 431b des ersten Aktuatorenpaares 431 derart gesteuert, dass sich die beiden Aktuator 431 a, 431 b verkürzen. Alle drei Aktuatorenpaare 431 , 432, 433 können unabhängig voneinander in entsprechender Weise betrieben werden, so dass mit sechs piezoelektrischen Aktuatoren und sechs piezoelektrischen Sensoren eine vollständige dreiachsige Schwingungsdämpfung erfolgen kann. Im Flussdiagramm der Figur 5 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Drehratensensor-Anordnung schematisch dargestellt. Eine Auslenkung einer Drehratensensor-Einrichtung, beispielsweise eines Drehratensensors oder eines Sensorblocks, gegenüber einer Bezugsstruktur entlang mindestens einer Achse wird erfasst (502) und ein die erste Auslenkung abbildendes Messsignal erzeugt (504). Aus dem Messsignal wird ein Steuersignal derart erzeugt, dass ein mit der Drehratensensor-Einrichtung verbundener und mit dem ersten Steuersignal beaufschlagter piezoelektrischer Aktuator durch Verformung der Auslenkung entgegenwirkt (506). Der piezoelektrische Aktuator kann ein nur einseitig befestigter Aktuator sein, der sich auf einer Seite gegen den Drehratensensor und auf der anderen Seite als sich auf seine eigene Masse abstützend betrachtet werden kann. Der piezoelektrische Aktuator wird mit dem Steuersignal beaufschlagt (508). Die Auslenkung geht dabei auf Störeinflüsse zurück, die im Ausgangssignal zu Störanteilen führen, die sich einem Nutzanteil überlagert. Der Nutzanteil ist der Anteil im Ausgangssignal des Drehratensensors, der auf eine Auslenkung oder Schwingung um die sensitive Achse (Messachse) zurückgeht.
Next Patent: METHOD FOR LIMITING A PRESSURE IN A HYDROSTATIC TRANSMISSION