JP2010505102A - 振動センサを用いてヨーレートを測定するための装置 - Google Patents

Abstract

振動センサによってヨーレートを測定するための装置であって、振動センサの振動は容量性駆動部材によって励起され、ある軸における振動センサの回転は、別の軸においてコリオリ力によって励起され、容量性測定部材によって測定され、駆動部材の固定電極には励磁電圧が供給され、この励磁電圧の周波数は、振動センサの共振周波数または低調波に相当し、励起された振動を測定するために用いられる容量性部材に第１の測定周波数を有する交流電圧が供給され、この第１の測定周波数は励磁電圧よりも高く、測定部材の固定電極には、第２の測定周波数を有する交流電圧が供給され、この第２の測定周波数は第１の測定周波数とは異なっており、かつ励磁電圧よりも高い、および／または励磁電圧に基づいて振動励起をある方向において引き起こす駆動部材に、別の方向において励起を引き起こす別の駆動部材に供給される励磁電圧に対して逆位相である励磁電圧が供給される。

Description

本発明は、振動センサを用いてヨーレートを測定するための装置に関する。ここで第１の軸に対して垂直なこの振動センサの振動は容量性の駆動部材によって励起および測定され、コリオリ効果のもとでの第３の軸における回転によって励起される第２の軸における振動センサの回転は容量性の測定部材によって測定される。ここでこれらの容量性部材はそれぞれ、固定された電極と、振動センサによって動く電極によって形成されており、複数の可動電極は固定された接続部分によって共通して接続されている。

ヨーレートセンサは例えば、自動車用の安全システム内で使用される。ジャイロとして構成された振動センサは例えばＵＳ５９５５６６８号から知られている。この文献では回転振動の励起は静電的駆動部によって行われる。出力信号並びにこの駆動部を調整するための信号は同じように静電的に、すなわち、供給された交流電圧による容量測定によって行われる。このような場合には、駆動部に供給される交流電圧の振幅は、容量変化によって得られた信号の振幅よりも格段に大きいので、殊に、ヨーレートを求めるためにさらに処理されるべき出力信号は甚大なノイズを受ける。これによって測定精度が損なわれる。

本発明の課題は、次のようなヨーレートを測定するための装置を提供することである。すなわち、その精度が高い要求を満たししており、大きいダイナミックレンジを有している、すなわち非常に小さいヨーレートが充分な精度で測定され、ヨーレートが大きい場合には小さい過負荷（Ｕｅｂｅｒｓｔｅｕｅｒｕｎｇ）が生じる、ヨーレートを測定するための装置を提供することである。

前述の課題は、本発明の装置と相応に、次のことによって解決される。すなわち、容量性駆動部材の固定電極に励磁電圧（Ｅｒｒｅｇｅｒｓｐａｎｎｕｎｇen）が供給され、この励磁電圧の周波数は、振動センサの共振周波数または振動センサの共振周波数の低調波に相当し、励起された振動を測定するために使用される容量性部材に第１の測定周波数を有する交流電圧が供給され、この第１の測定周波数は励磁電圧の周波数よりも高く、容量性測定部材の固定電極に、第２の測定周波数を有する交流電圧が供給され、この第２の測定周波数は、第１の測定周波数とは異なっており、かつ励磁電圧の周波数よりも高い、ことによって解決される。

本発明の装置は次のように構成される。すなわち、励起された振動を測定するために、別の容量性測定部材が設けられている、または励起された振動を測定するために容量性駆動部材が用いられる。

ヨーレートをあらわす出力信号を採取するための有利かつノイズが防止された方法は、本発明の装置では次のような手段によって実現される。この手段は、固定された接続部分からタップされた信号を、ヨーレートをあらわす信号を形成するために、第２の測定周波数を有する交流電圧を用いて復調し、次に励磁電圧によって、同期的（synchron）に復調する。

本発明の別の構成では手段が設けられており、この手段は、固定された接続部分からタップされた信号をさらに第１の測定周波数によって復調し、この復調された信号を、励磁電圧を調整するために用いる。

本発明によって、非常に高い交流電圧でこの装置を駆動させることが可能になる。ここでは、駆動部の調整のために第２の容量性部材から得られた信号、およびヨーレート信号を形成するために、第３の容量性部材から得られた信号が非常に小さいということが甘受される。しかし、駆動電流を流れるノイズ成分は僅かであるので、これらの信号は良好に評価され、殊に、従来技術で使用されている技術、例えば低雑音増幅器を用いて良好に評価される。ここでは殊に、固定接続部分に電荷増幅器が接続される。この電荷増幅器の出力側は帯域フィルタと接続されている。これによってさらに、駆動電流の僅かな残部が減衰される。

固定接続部分に生じる駆動電流を始めから僅かに保持するために、別の発展形態では、少なくとも４つの容量性駆動部材グループが設けられ、これらのグループのうちのそれぞれ２つのグループに逆位相の交流電圧成分と同じバイアス電圧が印加される。
これは例えば以下のように行われる：
Ｕ１＝Ｕ１０＋Ｕ１１ｓｉｎωｔ
Ｕ２＝Ｕ１０−Ｕ１１ｓｉｎωｔ
Ｕ３＝−Ｕ１
Ｕ４＝−Ｕ２

これによって、固定接続部分で電荷電流が相殺される。また、形成された駆動モーメントが増大される。なぜなら、この駆動モーメントはＵ^２と比例するからである。これらの措置は、上述した要求の措置無しにも良好に使用することができ、励磁電圧によって生じるノイズを格段に低減させる。

周波数ないし相互の周波数比の選択は個別に、存在するそれぞれの状況考慮して、専門家によってなされる。しかし、第１の測定周波数と第２の測定周波数が、励磁電圧の周波数の１０倍〜５００倍の範囲内にあるのが有利であることが判明している。

本発明は、振動センサの種々異なる様式に適しているが、有利には振動センサは振動ジャイロである。しかし、例えば線形に振動する振動センサを本発明と相応に構成することも可能である。

本発明により多数の実施形態が可能である。これらの実施形態のうちの１つを、複数の図面に基づいて概略的に図示し、以降で説明する。

振動ジャイロの概略的な平面図であり、この図には駆動のため、および駆動部を調整するために必要な部材および供給される交流電圧が示されている 振動ジャイロの概略的な側面図であり、この図には信号を取り出すために必要なコンポーネントが示されている 振動ジャイロの固定された接続部分に印加される信号のスペクトルである 本発明の装置のブロック回路図である 図４に示された装置で生じる種々の信号の電圧時間ダイヤグラムである

図１に示されている振動ジャイロは、ディスク１から成る。ここでこのディスクは２で傾斜可能に、しかし回転不可能に支承されている。リング３は、弾性を有する突出部４を介してディスク１に次のように接続されている。すなわち、リングが回転振動時にディスク１に対して変位するように接続されている。

リング３の周囲には、複数のアーム５〜１０が配置されている。これらのアームは容量性部材１１〜１６を支持している。図１の概略図では、アーム５〜１０は、示された実施例に対して拡張されて示されている。容量性部材１１〜１６はそれぞれ、アームに配置されており、従ってリング３によって動く電極１７と、固定電極１８，１８’とから成る。

固定電極１８，１８’は絶縁されて、図示されていない基板上に載置されている。この基板は一体的に、部材１〜１７も支持している。基板を構造する方法は従来技術から公知であるので、本発明と関連して詳細に論じる必要はない。

容量性部材１１〜１４の電極１８、１８’には交流電圧が供給される。ここでこれらの交流電圧の周波数は同じであるが、回転振動形成のための位相位置は異なっている。この交流電圧を以下で励磁電圧と称する。ここで、小さいダイヤグラムにおいて示されているように、この励磁電圧にはそれぞれ直流電圧が重畳されている。従って、電極１８および電極１８’は同じ直流成分と、逆位相の交流電圧成分を有している。これは、周期的な全体モーメントを形成するために行われる。なぜなら、例えば、電極１８で形成されたモーメントは、電極１８に印加された電圧の二乗に比例し、常に正だからである。電極１８および１８’によって形成された２つのモーメントの合計ははじめて、所望の交流成分を含む。

充分に高い駆動力を形成するために、電極１７は電極１８、１８’と櫛の歯状にインタリーブされている。ここでは見やすくするために、電極はそれぞれ２つずつしか示されていないが、実際にこの数は格段に大きい。

逆位相の２つの出力側２０、２１を有する、周波数制御された発振器（ＶＣＯ）１９は、逆位相の励磁電圧を生成するために用いられる。これらの励磁電圧は相応するバイアス電圧が与えられて、容量性部材１１〜１３に供給される。この励磁電圧によって生成された電流の図示されていない帰還部として接続部２が用いられる。この接続部を後で、ヨーレート信号の採取に関連して詳細に説明する。回転振動を調整するために、容量性測定部材１５，１６が用いられる。ここでこれらの容量性測定部材には交流電圧が加えられる。この交流電圧は発振器２２内で生成され、第１の測定周波数ｆ１を有している。同じように後述するが、この交流電圧の供給は容量性部材１５、１６の容量測定のために、ひいては回転振動をあらわす信号を採取するために用いられる。

図２は、共通の接続部分２３を有するディスク１とその支承部２を側面図で示している。双方向矢印で示された運動はコリオリ力によって生じたものであり、測定されるべきヨーレートをあらわす。傾斜運動は容量測定によって求められる。このために２つの電極２４、２５に逆位相の交流電圧が印加される。これらの交流電圧は発振器２６によって生成され、第２の測定周波数ｆ２を有している。固定された接続部分２３には、増幅器２７の入力側が接続されている。これは、抵抗２８とコンデンサ２９を介して、負帰還接続されており（gegengekoppelt）、電荷増幅器の形を示している。 接続部分２３での信号は、図３に示されたスペクトルを有しており、詳細には励磁周波数（図示された例では共振周波数fres）、二重励磁周波数（これは容量発振と励起電圧との混合によって生じ、甚大な値を取る）および第１の測定周波数ｆ１と第２の測定周波数ｆ２を有するコンポーネントを有する。測定周波数は側帯波を有している。これは測定情報を含んでいる。周波数ｆｒｅｓと２×ｆｒｅｓを有するコンポーネントは、甚大な過制御およびノイズを呼び起こし、４つの駆動グループにおける符号交互変化による駆動制御によってほぼ抑圧される。

図４のブロック回路図では容量性部材１１〜１４および１５、１６が図１とは殊なり、その機械的な構成に依存しないで示されている。従って電極１８ないし１８’はそれぞれ、電極１７とともにコンデンサ対を示す。ここでは見やすくするために、４つのコンデンサ対１１〜１４の代わりに、２つのコンデンサ対のみが示され、２つのコンデンサ対１５、１６の代わりに１つのコンデンサ対のみが示されている。出力側２３での電荷増幅２７並びに帯域フィルタリング３０は既に図２および３に関連して記載した。

フィルタ３０の出力側Ａには２つの乗算器３１、３２が接続されている。この乗算器内では、測定周波数ｆ１およびｆ２による同期復調が行われる。復調された信号は参照符号ＢおよびＣで示されている。３３でのローパスフィルタリングの後、３４には、振動ジャイロの回転発振をあらわす信号が存在する。この信号は別の乗算器３５に供給される。この乗算器は特性Ｆ（ｐ）を有する調整部３６および発振器１９とともに調整回路を形成する。これによって、発振器１９の出力電圧の周波数も位相位置も、安定した振動が生じるように制御される。振動の振幅を制御するために、３４で生じた信号は、加算器３７を介して基準電圧Ｕｒｅｆと比較され、特性Ｇ（ｐ）を有する別の調整器３８を介して、発振器１９の制御入力側に供給される。この発振器の出力側２０、２１には直流成分が与えられた励磁電圧が生じる。

ヨーレート信号を生成するために、乗算器３２の出力信号Ｃはローパスフィルタ３９に導かれる。ここからこの信号は別の乗算器４０に達し、この乗算器にはさらに、周波数ｆｒｅｓを有する信号が供給される。これによってこれは同期復調器として作動する。復調された信号Ｄは、ヨーレート信号をあらわす。これは、増幅器４１を介して出力側４２へ導かれる。

図５は、種々異なる時間ダイヤグラム、すなわちダイヤグラムＡ、ダイヤグラムＢ、ダイヤグラムＣ、ダイヤグラムＤを示している。ここでダイヤグラムＡはフィルタ３０の出力信号Ａを示し、ダイヤグラムＢは同期復調器３１の出力信号Ｂをあらわし、ダイヤグラムＣは同期復調器３２の出力信号Ｃを伴い、ダイヤグラムＤは同期復調器４０の出力信号Ｄを有する。ここで、ダイヤグラムＢ，ＣおよびＤにおける復調を明確にするために、エンベロープ、すなわち復調の結果に対して付加的に搬送波も示されている。

Claims (10)

1. 振動センサ（１、２、３）によってヨーレートを測定するための装置であって、
   第１の軸に対して垂直な前記振動センサの振動が容量性駆動部材（１１〜１４）によって励起され、測定され、
   第２の軸における前記振動センサの回転は、第３の軸においてコリオリ効果のもとで励起され、容量性測定部材（２４、２５）によって測定され、
   ここで当該容量性部材はそれぞれ固定電極（１８、１８’；２４、２５）と、前記振動センサによって動く電極（１７；１）とから構成され、
   当該複数の可動電極（１７；１）は固定接続部（２：２３）によって共通して接続されている形式のものにおいて、
   前記容量性駆動部材（１１〜１４）の前記固定電極（１８、１８’）には励磁電圧が供給され、
   当該励磁電圧の周波数は、前記振動センサ（１、２、３）の共振周波数または前記振動センサ（１、２、３）の共振周波数の低調波に相当し、
   前記励起された振動を測定するために用いられる容量性部材（１５、１６）には第１の測定周波数を有する交流電圧が供給され、当該第１の測定周波数は前記励磁電圧の周波数よりも高く、
   前記容量性測定部材の固定電極（２４、２５）には、第２の測定周波数を有する交流電圧が供給され、当該第２の測定周波数は前記第１の測定周波数とは異なっており、かつ前記励磁電圧の周波数よりも高い、
   ことを特徴とする、振動センサによってヨーレートを測定するための装置。
2. 前記励起された振動を測定するために、別の容量性測定部材（１５、１６）が設けられている、請求項１記載の装置。
3. 前記励起された振動を測定するために、前記容量性駆動部材を用いる、請求項１記載の装置。
4. 固定接続部（２３）からタップされた信号を、ヨーレートを示す信号を形成するために、前記第２の測定周波数を有する交流電圧を用いて、その後、前記励磁電圧によって、同期的に復調する手段が設けられている、請求項１記載の装置。
5. 前記固定接続部（２３）からタップされた信号をさらに第１の測定周波数によって復調し、当該復調された信号を、前記励磁電圧を調整するために用いる、請求項４記載の装置。
6. 前記固定接続部（２３）に電荷増幅器（２７）が接続されており、当該電荷増幅器の出力側は帯域フィルタ（３０）と接続されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 少なくとも４つの容量性駆動部材グループが設けられており、当該グループのうちのそれぞれ２つのグループに逆位相の交流電圧成分と同じバイアスが印加される、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 第１の測定周波数と第２の測定周波数が、前記励磁電圧の周波数の１０倍〜５００倍の範囲内にある、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 前記振動センサは振動ジャイロ（１〜１８’）である、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 振動センサ（１、２、３）によってヨーレートを測定するための装置であって、
    第１の軸に対して垂直な前記振動センサの振動が容量性駆動部材（１１〜１４）によって励起され、測定され、
    第２の軸における前記振動センサの回転は、コリオリ効果のもとで第３の軸における回転によって励起され、容量性測定部材（２４、２５）によって測定され、
    ここで当該容量性部材はそれぞれ固定電極（１８、１８’；２４、２５）、前記振動センサによって動く電極（１７；１）とから構成され、
    当該複数の可動電極（１７；１）は固定接続部（２：２３）によって共通に接続されている形式のものにおいて、
    少なくとも４つの容量性駆動部材グループが設けられており、当該グループのうちのそれぞれ２つのグループに逆位相の交流電圧成分および同じバイアス電圧が印加される、
    ことを特徴とする、振動センサによってヨーレートを測定するための装置。

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