JP4996063B2 - 周波数トラッキングによる回転レートセンサ - Google Patents

Description

本発明は回転レートセンサに関し、該回転レートセンサは駆動共振周波数ｆ＿ｒＡおよびコリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤを有する。該回転レートセンサはさらに、少なくとも１つの作動電圧Ｕ＿ＭＫを有し、コリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤはこの作動電圧Ｕ＿ＭＫに依存する。コリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤは、整合電圧Ｕ＿ＤＦによって駆動共振周波数ｆ＿ｒＡに整合される。

多数の回転レートセンサが基礎としている測定原理は、コリオリ作用を使用することである。コリオリ力は、質量体ｍのボディが速度ｖで運動し、かつ運動方向に対して垂直に回転レートΩが作用する場合に発生する：
Ｆ_{Ｃｏｒｉｏｌｉｓ}＝２ｍｖΩ
質量体を運動させる手段は、該質量体を励振すること、駆動振動させることである。回転レートが振動質量体に作用する場合、該質量体はコリオリ力に基づいて、駆動振動に対して垂直なコリオリ振動によって応答する。

メカニック装置と電子回路とを組み合わせて発振回路を構成すると、共振器が実現され、この駆動振動の周波数はメカニック装置の駆動共振周波数ｆ＿ｒＡに相応する。コリオリ振動もまた、駆動共振周波数と一緒に行われる。しかし、コリオリモードの共振周波数ｆ＿ｒＤは駆動共振周波数ｆ＿ｒＡに依存しない。コリオリ作用に関する感度は、コリオリモードｆ＿ｒＤの共振周波数の場合に最大になるので、周波数ｆ＿ｒＤが駆動共振周波数ｆ＿ｒＡに相応するように該周波数ｆ＿ｒＤを整合するのが有利である。

前記のようにコリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤを整合するためには、機械的なばね剛性に対して反作用することによってこのばね剛性を効果的に低減させる静電的な結合力（Mitkoppelkraft）が使用される。こうすることにより、共振周波数ｆ＿ｒＤは低減される。周波数整合は、メカニック装置のコリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤが駆動共振周波数より大きくなるように該メカニック装置を構成することによって行われる。こうすることによって電子回路は、電圧Ｕ＿ＤＦがセンサ素子に印加されることによって静電的な結合力を生成し、コリオリモードの共振周波数は大きく低減され、該共振周波数は駆動共振周波数に相応するようになる。こうするために必要な電圧Ｕ＿ＤＦ＿Ａｂｇｌは、電子回路内で調整される。このことはたとえば、ＤＥ１９９１０４１５Ａ１に記載されている。

上記のシステムでは、電子回路において測定または補償の目的でさらに別の電圧を生成しなければならない場合に問題が生じる。このような電圧もまたセンサ素子に作用し、それによって発生した静電的な結合がコリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤをより小さな周波数にシフトするからだ。以下の考察では、測定または補償の目的で同様にセンサ素子に作用する電圧をすべて、電圧Ｕ＿ＭＫによって表す。電圧Ｕ＿ＤＦ＿Ａｂｇｌを調整する際には、Ｕ＿ＭＫが、センサの動作に典型的な値をとることに留意しなければならない。このような値を以下では、Ｕ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌと称する。

さらに該センサの作動時には、Ｕ＿ＭＫが電圧差ΔＵ＿ＭＫだけ変化することがある。その理由はたとえば、該センサ素子において妨害を抑圧するための回路が、温度に依存するため、または長時間ドリフトに起因して出力電圧を変化させることにある。電圧変化ΔＵ＿ＭＫは、それに相応するコリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤのシフトを引き起こし、このことが妨害となる。
ＤＥ１９９１０４１５Ａ１

本発明の課題は、コリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤのシフトを有利に補償できるような、周波数トラッキングによる回転レートセンサを提供することである。

前記課題は、コリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤの変化を作動電圧Ｕ＿ＭＫの変化にしたがって補償するために、適切に変更された整合電圧Ｕ＿ＤＦが該補償回路から表示されるように構成されている補償回路によって解決される。

本発明は回転レートセンサに関し、この回転レートセンサは駆動共振周波数ｆ＿ｒＡおよびコリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤを有する。回転レートセンサはさらに、少なくとも１つの作動電圧Ｕ＿ＭＫを有しており、この作動電圧Ｕ＿ＭＫにコリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤは依存する。コリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤは整合電圧Ｕ＿ＤＦによって駆動共振周波数ｆ＿ｒＡに整合される。本発明の中心は、次のような補償回路が設けられていることである。すなわち、コリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤの変化を作動電圧Ｕ＿ＭＫの変化にしたがって補償するために、適切に変更された整合電圧Ｕ＿ＤＦが該補償回路から表示されるように構成されている補償回路が設けられていることである。こうすることにより、コリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤのシフトが有利に補償される。

有利には、回転レートセンサのコリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤは駆動共振周波数ｆ＿ｒＡに相応する。

コリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤのシフトを補償するため、該補償回路は有利には、電圧Ｕ＿ＤＦ＿ＡｂｇｌおよびＵ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌによって決定される補償係数ｋを有する。ここで有利なのは、電圧Ｕ＿ＤＦ＿ＡｂｇｌおよびＵ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌによって決定される動作点に依存して補償係数ｋを選択することである。

本発明の有利な構成では、補償係数ｋは補償回路に特性曲線マップによって、少なくとも１つの値テーブルの形態で格納されている。こうすることの利点は、電子回路の温度依存性も長時間ドリフトも、補償係数ｋをアナログで決定する際に考慮しなくてもよいということである。

さらに有利には、補償係数ｋを動作点に依存して決定するための特性曲線マップを使用することである。この特性マップは、アナログで構成してもデジタルで構成してもよい。

本発明の特に有利な構成では、補償係数ｋが補償回路において特性曲線マップによって、２つの値テーブルの形態で格納されており、一方の値テーブルは電圧Ｕ＿ＤＦ＿Ａｂｇｌの入力値を有し、他方の値テーブルは電圧Ｕ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌの入力値を有する。このような構成によって、値テーブルにおける入力項目の数が全体的に低減される。

また、コリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤの変化を電圧Ｕ＿ＭＫの変化に依存して線形化するために値テーブルを使用することも有利である。こうすることによって他の値テーブルは、調整された電圧Ｕ＿ＤＦ＿Ａｂｇｌによって決定される動作点のみを考慮する構成が実現される。

特に、周波数補償のために補償係数の介入をデジタルで実現することが有利である。こうすることによってとりわけ、簡単に実現すべき回路によるコスト上の利点が得られる。

別の有利な構成が、従属請求項に記載されている。

以下に記載された実施形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。

図１は、コリオリ共振周波数が整合される本発明の回転レートセンサを示している。該回転レートセンサは、センサ素子１００および評価電子回路１５０を有している。評価電子回路１５０は補償回路１５５を有しており、ここに補償係数ｋを求めるための関数１６０が含まれている。センサ素子１００は評価電子回路１５０によって、電圧Ｕ＿ＤＦおよびＵ＿ＭＫを使用して駆動制御される。Ｕ＿ＭＫは、Ｕ＿ＤＦの調整の時点で印加された電圧Ｕ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌと該センサの作動中に得られた電圧変化ΔＵ＿ＭＫとの和である。この電圧変化ΔＵ＿ＭＫが、本発明による補償回路１５５の入力信号である。この補償回路は、値ΔＵ＿ＭＫを補償係数ｋによって乗算し、得られた値は、電圧Ｕ＿ＤＦを電圧差ΔＵ＿ＤＦだけ変化させるのに使用される。

したがって電圧Ｕ＿ＤＦに対する介入は、電圧変化ΔＵ＿ＭＫによって引き起こされたコリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤの変化が、補償回路を介して電圧Ｕ＿ＤＦを適切にトラッキングすることによって補償されるように構成されている。

図２は、コリオリ共振周波数の整合が動作点に依存する様子を示している。この図では、コリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤの周波数変化Δｆ＿ｒＤが電圧Ｕ＿ＤＦを横軸としてプロットされている。本発明の特徴は、補償係数ｋが電圧Ｕ＿ＤＦ＿ＡｂｇｌおよびＵ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌの調整値に依存するようにされていることである。本発明における補償係数ｋの動作依存性を、以下で説明する。

センサ素子１００における静電力は、該センサ素子１００に印加された電圧の２乗に比例する。この静電力が機械的なばね力を上回る場合、センサ共振周波数の変化も、該センサ素子１００に印加された電圧の２乗に比例する。この関係は図２に、電圧Ｕ＿ＤＦがコリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤの変化に与える作用に関して例として示されている。動作点Ｕ＿ＤＦ＿Ａｂｇｌ＿１を見ると、電圧Ｕ＿ＤＦが値ΔＵ＿ＤＦだけ変化することにより、Δｆ＿ｒＤ＿１の高さの周波数変化が起こる。動作点Ｕ＿ＤＦ＿Ａｂｇｌ＿２では、同じ変化ΔＵ＿ＤＦが引き起こす周波数変化Δｆ＿ｒＤ＿２は格段に大きくなっている。このように２乗に依存することは、Ｕ＿ＭＫの電圧変化に基づく周波数変化にも同様に当てはまる。

図３は、デジタル評価電子回路および格納された値テーブルを有する本発明の回転レートセンサを示している。

電圧変化ΔＵ＿ＭＫがコリオリ共振周波数ｆ＿ｒＤに及ぼす影響を、本発明で電圧ΔＵ＿ＤＦの変化によって補償すべき場合、選択すべき補償係数ｋは、動作点を表す電圧値Ｕ＿ＤＦ＿ＡｂｇｌおよびＵ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌに依存するようにしなければならない。このことを実現する本発明での１つの手段は、電圧Ｕ＿ＤＦ＿ＡｂｇｌおよびＵ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌに依存して適切な補償係数ｋを決定するための特性曲線マップを使用することである。

アナログ回路技術では、このように動作点に依存して行われる補償係数ｋの調整は、たとえば傾き乗算器によって実施される。このように実施することは、場合によっては面倒である。というのも、温度依存性および長時間ドリフトを考慮しなければならないからだ。

これに対する本発明での択一的手段は、特性曲線マップを値テーブル（英語：ルックアップテーブル（look-up-table）‐ＬＵＴ）の形態で格納することである。こうすることにより、温度依存性も長時間ドリフトも憂慮しなくてもよいという利点が得られる。このように格納された値テーブルＬＵＴおよびデジタル乗算は、アナログ的な解決手段と比較して故障を起こしにくい。

図３には、本発明による回転レートセンサのデジタル的な構成が示されている。ここに図示されているのは、センサ素子１００および評価電子回路３５０である。評価電子回路３５０は、アナログ部およびデジタル部を有しており、これらはこの図では、波線によって区切られて示されている。デジタル信号は、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＵ）によってアナログ信号に変換される。ここに図示されたデジタル信号は、信号名が文字「ｄ」によって始まることにより区別されている。評価電子回路３５０は、補償係数ｋを決定するための値テーブル３６０を有する補償回路３５５と、デジタル測定電子回路３８０とを有している。

デジタル測定電子回路３８０は、動作点を表すデジタル信号ｄＵ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌと、電圧Ｕ＿ＭＫを変化させるデジタル信号ｄΔＵ＿ＭＫとを生成する。このデジタル信号ｄΔＵ＿ＭＫによって、電圧の変化Ｕ＿ＭＫが引き起こされる。コリオリ共振周波数を設定するために調整された電圧の尺度であるデジタル値ｄＵ＿ＤＦ＿Ａｂｇｌが、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＵ）を制御し、値テーブル（ＬＵＴ）３６０に格納された特性曲線マップの入力信号として、補償係数ｋを決定するために使用される。この補償係数ｋと信号ｄΔＵ＿ＭＫとのデジタルの積は、ｄΔＵ＿ＤＦと称される。この信号はＤＡＵを制御するために使用され、アナログ信号ΔＵ＿ＤＦに変換されて、調整された電圧Ｕ＿ＤＦ＿Ａｂｇｌに加算され、電圧変化ΔＵ＿ＭＫの妨害作用を補償する。

図４は、デジタル評価電子回路および格納された２つの値テーブルを有する本発明の回転レートセンサを示している。ここに図示されているのは、センサ素子１００および評価電子回路４５０である。評価電子回路４５０は、第１の値テーブル（ＬＵＴ１）４９０と、デジタル測定電子回路４８０と、第２の値テーブル（ＬＵＴ２）４６０を有する補償回路４５５とを備えている。

動作点を表す２つの入力信号を有する前記の値テーブル（ＬＵＴ）は、補償係数ｋがさらに電圧Ｕ＿ＤＦ＿Ａｂｇｌの動作点にも依存するように構成するだけでも、格段に簡略化される。このための本発明の実施例が、図４に示されている。デジタル測定電子回路はこの場合も、動作点を決定するデジタル信号ｄＵ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌおよび信号変化ｄΔＵ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌも生成する。この信号変化は、係数ｋ１によってデジタル乗算されて、デジタル信号ｄΔＵ＿ＭＫ＿ｌｉｎが得られる。係数ｋ１は信号ｄＵ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌの値に依存し、ＬＵＴを介して求められる。信号ｄΔＵ＿ＭＫ＿ｌｉｎはＤＡＵを制御し、ＤＡＵはアナログ電圧変化ΔＵ＿ＭＫを生成する。そうでない場合も、前記の電子回路はたとえばデジタル制御回路で、回転レートセンサにおける妨害信号を抑圧するために使用できるので、２重で使用することができる。というのも、周波数トラッキングの際に補償係数ｋ２を、信号ｄＵ＿ＤＦ＿Ａｂｇｌにのみ依存するようにもできるからだ。この補償係数ｋ２は、信号ｄΔＵ＿ＭＫ＿ｌｉｎによってデジタル乗算され、デジタル信号ｄΔＵ＿ＤＦが得られる。このデジタル信号ｄΔＵ＿ＤＦは、ＤＡＵを制御し、ひいては電圧変化ΔＵ＿ＤＦを生成するために使用される。

また、ＬＵＴ２の入力端に信号ｄΔＵ＿ＭＫ＿ｌｉｎが印加されずに、信号ｄΔＵ＿ＭＫが直接印加される構成も考えられる。２つの入力信号を有するＬＵＴの代わりに、それぞれ１つの入力信号を有する２つのＬＵＴを使用することにより、記憶すべき可能性のある補償係数の数を格段に低減することができる。信号ｄＵ＿ＤＦ＿Ａｂｇｌがｘビットの分解能で量子化され、信号ｄＵ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌがｙビットの分解能で量子化される場合、ｘ×ｙ個の入力項目を有するＬＵＴは、ｘ個の入力項目を有するＬＵＴとｙ個の入力項目を有するＬＵＴとに低減される。ｘ×ｙ個のメモリ素子ではなく、ｘ＋ｙ個のメモリ素子だけでよい。さらに、いずれにせよ必要とされる１つの回路部分を２重に使用することもできる。このことはたとえば、デジタル制御回路の一部を妨害信号の抑圧に使用することである。

本発明の基本的思想は、アナログ的な実施にも転用することができる。

さらに、別の実施例も考えられる。

コリオリ共振周波数の整合が行われる本発明の回転レートセンサを示している。 コリオリ共振周波数の整合が動作点に依存する様子を示している。 デジタル評価電子回路と格納された値テーブルとを有する本発明の回転レートセンサを示している。 デジタル評価電子回路と格納された２つの値テーブルとを有する本発明の回転レートセンサを示している。

符号の説明

１００ センサ素子
１５０ 評価電子回路
１５５ 補償回路
１６０ 補償係数ｋを求めるための関数

Claims (4)

1. 周波数トラッキングによる回転レートセンサであって、
   前記回転レートセンサは、駆動共振周波数（ｆ＿ｒＡ）およびコリオリ共振周波数（ｆ＿ｒＤ）を有しており、
   該回転レートセンサを動作させるために、少なくとも１つの作動電圧（Ｕ＿ＭＫ）が該回転レートセンサに印加され、
   前記少なくとも１つの作動電圧（Ｕ＿ＭＫ）に該コリオリ共振周波数（ｆ＿ｒＤ）は依存し、
   前記回転レートセンサは、
   ・前記コリオリ共振周波数が前記駆動共振周波数に相当するように該コリオリ共振周波数（ｆ＿ｒＤ）を該駆動共振周波数（ｆ＿ｒＡ）に整合するための整合電圧（Ｕ＿ＤＦ）を該回転レートセンサに印加するための手段と、
   ・前記コリオリ共振周波数（ｆ＿ｒＤ）の変化を補償するために、前記整合電圧（Ｕ＿ＤＦ）を前記作動電圧（Ｕ＿ＭＫ）の変化に応じて調整するための補償回路（１５０，３５０，４５０）と
   を有することを特徴とする回転レートセンサ。
2. 前記補償回路（１５０，３５０，４５０）は、補正係数ｋを用いて前記整合電圧（Ｕ＿ＤＦ）を調整し、
   前記補正係数ｋは、
   ・前記コリオリ共振周波数（ｆ＿ｒＤ）を前記駆動共振周波数に整合するために必要な整合電圧Ｕ＿ＤＦ＿Ａｂｇｌと、
   ・前記回転レートセンサを動作させるための所定の電圧である作動電圧Ｕ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌと
   によって決定される、請求項１記載の回転レートセンサ。
3. 前記補償係数ｋは前記補償回路（３５０，４５０）に、特性曲線マップによって少なくとも１つの値テーブル（３６０，４６０，４９０）の形態で格納されている、請求項２記載の回転レートセンサ。
4. 前記補償係数ｋは前記補償回路（４５０）に、特性曲線マップによって２つの値テーブル（４６０，４９０）の形態で格納されており、
   一方の値テーブル（４６０）は、前記作動電圧（Ｕ＿ＭＫ）の変化に応じて調整される前の前記整合電圧Ｕ＿ＤＦ＿Ａｂｇｌの入力値を有し、
   他方の値テーブル（４９０）は、前記整合電圧（Ｕ＿ＤＦ）が調整された時点の前記作動電圧Ｕ＿ＭＫ＿Ａｂｇｌの入力値を有する、請求項２記載の回転レートセンサ。

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