JP2006515928A - 回転数センサ - Google Patents

Abstract

本発明は主請求項の上位概念の構成を有する回転数センサから出発する。本発明の回転数センサは力伝達手段を有する。本発明の要点は、この手段により伝達される力作用が、X軸に対して平行な駆動素子の振動周波数の整数倍である周波数を有することである。

Description

本発明は、主請求項の上位概念の構成を備える回転数センサから出発する。

背景技術
未公開のドイツ特許願ＤＥ10237411．2による回転数センサは、直交補償構造を有する線形運動振動ジャイロスコープである。この形式の回転数センサは、2つの部分構造体が基板表面に対して平行に駆動されることを特徴とする。駆動は、部分構造体の運動方向がそれぞれ反対方向であるように行われる。２つの部分構造体はカップラフィールドにより相互に機械的に結合されている。この形式の直交補償型回転数センサのコリオリ素子には理想的な場合、コリオリ加速度に起因する力だけが検出方向に有効に作用することとなる。検出方向として、それぞれの駆動フレームの運動方向に対して直交し、基板面にある運動方向をあげることができる。しかしカップラフィールドの非線形性のため、コリオリ素子には不所望の振動が励振される。この振動は駆動フレームの振動と同相であり、２倍の周波数を有する。この振動（以下、２ｆ信号と称する）はノイズ信号である。力補償された回転数センサの測定信号を評価するためには、この２ｆ信号は力フィードバックの構成における制約を意味する。なぜなら２ｆ信号は、コリオリ加速度に起因する、評価すべき測定信号よりも大きいからである。従って２ｆ信号を抑圧または補償することが必要である。

発明の利点
本発明は、主請求項の上位概念の構成を備える回転数センサから出発する。回転数センサには基板、駆動素子、およびコリオリ素子が設けられており、コリオリ素子は基板の表面上に配置されている。ここでコリオリ素子（２ａ，２ｂ）は駆動素子によって、ｘ軸に対して平行に振動励振される。ここでは、ｘ軸に対して実質的に垂直に設けられたｙ軸でのコリオリ素子の傾斜運動を検出することができる。ここでｘ軸とｙ軸は基板の表面に対して平行に設けられている。本発明の回転数センサは力伝達手段を有し、これにより基板とコリオリ素子との間でダイナミックな力作用が伝達される。本発明の要点は、この手段により伝達される力作用の周波数が、ｘ軸に対して平行な駆動素子の振動周波数の整数倍であるようにすることである。このような回転数センサにより、駆動振動周波数の整数倍の周波数であるノイズ信号が補償される。ノイズ信号は例えば２ｆ信号である。

本発明の第１実施例では、力伝達手段がダイナミックな力作用を基板とコリオリ素子との間で間接的に伝達する。このことは直接的力作用を基板と検出素子との間で伝達することにより行われる。このためには付加的な電極が検出素子で用いられる。検出素子はコリオリ素子とバネによって結合されており、最終的に所望のダイナミックな力作用が基板とコリオリ素子との間で伝達される。

本発明の特に有利な構成では、力伝達手段がダイナミックな力作用を基板とコリオリ素子との間で直接的に伝達するよう構成されている。このことは２ｆ信号の補償の際に有利である。なぜならこの信号は振動の際にコリオリ素子に直接発生するからである。基板とコリオリ素子との間での直接的なダイナミックな力作用によって、２ｆ信号をその発生源で補償することができる。力伝達手段としてここでは既存の直交補償構造体が使用される。従って付加的な構造体を２ｆ信号の補償のために設ける必要はない。

有利には検出手段が駆動素子に設けられており、この検出手段によってｘ軸に対して平行な駆動素子の位置が検出される。このことにより駆動振動の正確な位相状態を検出することができる。さらに有利には、伝達される力作用は、ｘ軸に対して平行な駆動素子の振動に対して固定的な位相関係を有し、伝達される力作用の位相はｘ軸に対して平行な駆動素子の振動を基準にして調整可能である。これにより２ｆ信号の最良の補償を達成することができる。

本発明の別の有利な実施形態では、圧力伝達手段は、力作用の振幅がｙ軸での検出素子の傾斜運動により同調するように構成されている。このことは２ｆ信号が時間的に変化する場合でも、この信号を補償することができるように調整することにより達成される。このようにしてノイズ信号を、高速に変化する場合でも緩慢に変化する場合でも、例えば材料変化の場合でも材料疲労の場合でも、回転数センサの全寿命にわたって適切な振幅により補償することができる。

本発明のさらなる有利な構成では、相互に対称に配置された２つのコリオリ素子が設けられており、これらのコリオリ素子間ではとりわけ機械的な結合が行われる。コリオリ素子の構成は回転数センサの本来の機能に対して有利である。この実施形態では、本発明の利点が特に良好に当てはまる。結合はとりわけカップラバネによって行われる。このカップラバネは非線形性を有しており、このことにより駆動振動の2倍の周波数のノイズ信号、すなわち２ｆ信号が発生する。本発明の回転数センサはこの２ｆ信号を補償する。

特に有利には伝達される力作用の周波数は、駆動素子の振動周波数を電子機械的に乗算することによって位相シフト共に自動的に形成される。これは例えば、力作用が直接、基板とコリオリ素子との間で直交補償構造体によって伝達される場合である。結果が直接、コリオリ素子に作用することによって、信号評価回路を２ｆ信号に関係なく、格段に高感度に設計することができる。この形式の信号乗算によって、被乗数は機械的形態で直交電極オーバラップにより、乗数は電気的形態で乗算の印加電圧により表される。ここで有利には、力作用を伝達するために付加的な電極を設ける必要はない。２ｆ信号は直接、発生個所で補償され、このために必要な２つの信号のうちの１つは電気的ノイズの影響を受けずに直接、２ｆ信号を補償するための機構で使用される。２ｆ信号は根本から補償され、回転数センサにより検出された回転数の評価のための電子回路に関係することがない。さらに特に有利には伝達された力作用の周波数は駆動素子の振動周波数の2倍である。従って伝達された力作用は、とりわけ２ｆ信号を補償するのに適する。

さらなる有利な構成は従属請求項に記載されている。

図面
本発明の実施例が図面に示されており、以下詳細に説明する。
図１は、従来技術による直交補償構造を備えるマイクロメカニカル回転数センサを示す。
図２は、ダイナミックな２ｆ信号を付加的電極と電子回路によって抑圧する本発明の回転数センサの概略図である。
図３は、ダイナミックな２ｆ信号を、２ｆ補償電圧が固定されている場合に電子機械的乗算によって抑圧する本発明の回転数センサの概略図である。
図４は、ダイナミックな２ｆ信号を、２ｆ補償電圧が制御される場合に電子機械的乗算によって抑圧する本発明の回転数センサの概略図である。
図５は、ダイナミックな２ｆ信号を、２ｆ補償電圧と直交補償電圧が制御される場合に電子機械的乗算によって抑圧する本発明の回転数センサの概略図である。

実施例の説明
以下に説明する実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１は、従来技術による直交補賞構造体を備えるマイクロメカニカル回転数センサを示す。これは特許願ＤＥ１０２３７４１１．２に記載されているのと同様のものである。マイクロメカニカル回転数センサは複数の部分素子、すなわち駆動素子１ａ，１ｂ、コリオリ素子２ａ，２ｂ、そして検出素子３ａ，３ｂからなる。この３つの素子はそれぞれ２つの鏡面対称の部分素子からなる。駆動素子１ａ、１ｂはここに示された実施例では、オープンフレームとして構成されている。駆動素子はＵ字型のバネ４によって係止点５と接続されており、係止点５はさらに基板と固定的に結合されている。駆動素子１ａ，１ｂ内にはコリオリ素子２ａ，２ｂが配置されており、このコリオリ素子はここではクローズフレームとして構成されている。コリオリ素子２ａ，２ｂは駆動素子１ａ，１ｂとＵ字型バネ４によって接続されている。コリオリ素子２ａ，２ｂ内には検出素子３ａ，３ｂが配置されており、ここでこの検出素子は同様にクローズフレームとして構成されており、検出素子に取り付けられている。検出素子３ａ，３ｂはコリオリ素子２ａ，２ｂと同様にＵ字型バネ４によって接続されている。駆動素子１ａ，１ｂの２つの対向する側には、櫛形駆動部６が配置されており、この櫛形駆動部は駆動素子１ａ，１ｂを第１の軸Ｘに対して平行に励振することができる。櫛形駆動部６はコンデンサ構成体であり、それらの電極６ａ，６ｂ間に電圧を印加することにより力作用が惹起される。第１電極６ａは駆動素子１ａ，１ｂと剛性結合している。第２電極６ｂは基板と剛性結合している。コリオリ素子２ａと２ｂの２つの部分はカップラバネ７によって相互に結合されている。図示の構成によって、両方の部分構造体の駆動素子１ａ，１ｂとコリオリ素子２ａ，２ｂの振動が機械的に相互に結合され、回転数信号の評価に有利な振動特性を得ることができる。コリオリ素子２ａ，２ｂには、DE10237411.2に記載されたような直交補償構造体８，９が配置されている。直交構造補償体８，９は種々の形式の部分素子２ａ，２ｂに配置することができる。図１は1つの実施例を示すだけである。構造体８，９はプレートコンデンサ構成体であり、実質的に第2の軸Ｙに対して平行に力作用を及ぼすことができる。

直交補償構造体８，９は、マイクロメカニカル構造体の製造欠陥に起因する直交信号を低減させる。この電極を通して直流電圧を印加することによってコリオリ素子に、駆動フレームの運動と周期的に同相である力作用を及ぼすことができる。このことにより製造欠陥に起因する直交力をダイナミックに補償することができる。

図２は、付加的な電極および電子回路によってダイナミックな２ｆ信号を抑圧する回転数センサの実施例を示す。図示されているのは、駆動素子の櫛形駆動部６とコリオリ素子の直交補償構造体８，９である。さらに検出素子２０ａ，２０ｂが設けられており、この検出素子は軸Ｘに対して平行な駆動素子の傾斜運動を検出し、信号に変換するように構成されている。検出手段２０ａ，２０ｂは、例えばコンデンサ構造体のプレートペア２０ａ，２０ｂとすることができる。付加的に電極ペア２１，２２が設けられており、これらはプレートコンデンサの形態に構成されており、静電的力作用を検出素子に、軸Ｙに対して平行に及ぼすことができる。検出素子はコリオリ素子とバネ４によって結合されている。このようにして基板とコリオリ素子との間で間接的に力作用が伝達される。２ｆ信号を補償するために、電極ペア２１，２２には適切な位相で信号が印加される。この信号の周波数は、駆動素子１ａ、１ｂの振動周波数の2倍である。このためにまず検出手段２０ａ，２０ｂにおいて駆動素子１ａ、１ｂの傾斜運動が検出され、評価回路２００で周波数発生器２１１により発生された高周波信号２１１ａにより駆動振動信号である電圧信号２００ａに変換される。駆動素子振動の周波数と同じであるこの電圧信号２００ａは位相制御回路（ＰＬＬ）２０１に供給される。位相制御回路は公知の回路構成であり、その出力信号は入力信号に対して安定した調整可能な関係を有し、その出力周波数は入力周波数の倍数である。出力信号２０１ａの位相関係２０２は、位相コンパレータとループフィルタの間にあるＰＬＬで直接調整される。信号２０１ａは信号２００ａの2倍であり、マルチプライヤ２０４，すなわち調整可能な増幅度を有する増幅器の入力端に供給される。マルチプライヤ２０４の他方の入力端には２ｆ振動補償電圧２０３ａが印加される。この電圧２０３ａは直流電圧源から発するものであり、２ｆ信号をできるだけ完全に補償するよう固定的に調整されている。マルチプライヤ２０４の出力端には２ｆ補償信号２０４ａが生成される。この信号２０４ａは2つの信号経路に分割され、電子回路を介して電極ペア２１，２２に導かれる。この電子回路は例えばコンデンサ２０５，２０６，直流電圧源２０７，インバータ２０８および抵抗２０９，２１０からなる。電極ペア２１，２２によって、駆動素子の振動の2倍の周波数の力作用が伝達される。この周期的な力作用と駆動振動との位相関係は位相調整器２０２によって、２ｆ信号が補償されるように調整される。

前記形式の2f信号補償を行う回転数センサに対しては、付加的な電極ペアが必要である。択一的に既存の電極ペアを時分割して、または他のやり方で分割して使用することができる。しかし回路技術的にいずれの場合でもPLLおよび時分割回路は面倒である。従って以下に説明する本発明の回転数センサでは回路技術的に簡単になっており、付加的な電極ペアは必要ない。

図３は、2f補償電圧が固定されている場合にダイナミックな2f信号を抑圧する回転数センサの実施例を示す。２ｆ信号補償に対する力作用はこの実施例では、直交補償構造体8，9により基板とコリオリ素子との間で直接伝達される。駆動電圧の周波数である電圧信号200aはここではマルチプライヤ２０４に直接供給される。マルチプライヤ204の他方の入力端には、図２で説明したように2f振動補償電圧203aが印加される。マルチプライヤ204の出力端は位相補正回路300の入力端と接続されている。この回路300の出力端には駆動信号の周波数を有し、2f信号を抑圧するのに適切な位相および振幅である2f補償信号300aが生成される。この信号300aはコンデンサ301を介して直交補償構造体8,9に供給される。同様に直流電圧源302から直交補償電圧302aが抵抗303を介して直交補償構造体8,9に供給される。同様に直流電圧源302から直交補償電圧302aが抵抗303を介して直交補償構造体8,9に供給される。図３に示された本発明の回転数センサは、力をコリオリ素子に伝達するために直交補償構造体8,9を使用する。直交補償構造体8,9の元々の使用は直流電圧302aを印加するためであり、この直流電圧は直交電極8,9を時間的に変化してオーバラップすることにより時間的に変化する力作用をコリオリ素子に及ぼす。本発明のこの実施形態によれば前記の回路構成によって、この直流電圧302aに適切な形態で交流電圧300aが加算される。この交流電圧300aの周波数は駆動フレーム振動の周波数に相応する。補償信号300aを駆動振動信号200aを基準にして適切な位相状態（これは2f信号補償を適切に行う位相状態である）に調整するため、位相シフト回路300、例えばオールパスフィルタまたはデジタル遅延素子が設けられている。図２に示した回路構成と同じように、所要の2f信号補償の程度は直流電圧203aにより調整される。

図４は本発明の別の実施形態で、ダイナミックな2f信号の抑圧を行う回転数センサを概略的に示す。先行の図３の構成とは異なり、ここでは2f補償信号の振幅が調整される。回転数センサは検出素子40,41を有し、これらの検出素子はプレートコンデンサの形態の電極ペアとすることができる。検出素子40,41でまず検出素子の傾斜運動が軸Yに対して平行な方向で検出され、評価回路200で周波数発生器211により発生された高周波信号211aによって電圧信号400a、すなわち検出振動信号400aに変換される。駆動振動信号200aは位相制御回路401に供給される。位相制御回路401の出力端には、駆動振動信号200aの2倍の周波数の信号401aが生成される。信号401aおよび検出振動信号400aはマルチプライヤ402の入力端に印加される。この回路によって、駆動振動信号200aの2倍の周波数の検出振動信号400aは同期して復調される。マルチプライヤ402の出力端における復調された信号402aは比例−積分−微分制御器（PID制御器）に供給され、このPID制御器は出力端に信号403aを生成する。このPID制御器は、その出力端に常に2f信号の補償に必要な電圧が調整されるように構成されている。別の信号経路と作用機序は図３に示した実施形態に相応する。

図５は、ダイナミックな2f信号を抑圧する回転数センサの別の実施形態を概略的に示す。図５に示された実施形態は図４に示された実施形態に相応するが、付加的に直交補償制御部が設けられている。このためにまず駆動振動信号200aが位相制御回路500に供給される。位相制御回路500の出力端には駆動振動信号200aの周波数の信号500aが生成される。信号500aと検出振動信号400aはマルチプライヤ501の入力端に印加される。この回路により、駆動振動信号200aの周波数の検出振動信号400aは同期して復調される。マルチプライヤ501の出力端にある復調された信号501aはPID制御器502に供給され、このPID制御器はその出力端に信号502aを生成する。このPID制御器502は、出力端に常に直交信号の補償に必要な直流電圧502aが調整されるよう構成されている。この制御電圧502aは図３と同じように、固定の直流電圧302aの代わりに直交補償構造体8,9に供給される。別の信号経路および作用機序は図４に示した実施形態に相応する。

図３，４および５に示した本発明の回転数センサの実施例では回路技術的に、直交補償構造体8,9に印加される直流電圧が2f補償信号の振幅よりも大きくなるようにされている。そのようにすべきでない場合、図２に示すように相応の直流電圧を対向する電極に印加することによって、適切な直交調整を行う。

図１は、従来技術による直交補償構造を備えるマイクロメカニカル回転数センサを示す。 図２は、ダイナミックな2f信号を付加的電極と電子回路によって抑圧する本発明の回転数センサの概略図である。 図３は、ダイナミックな2f信号を、2f補償電圧が固定されている場合に電子機械的乗算によって抑圧する本発明の回転数センサの概略図である。 図４は、ダイナミックな2f信号を、2f補償電圧が制御される場合に電子機械的乗算によって抑圧する本発明の回転数センサの概略図である。 図５は、ダイナミックな2f信号を、2f補償電圧と直交補償電圧が制御される場合に電子機械的乗算によって抑圧する本発明の回転数センサの概略図である。

Claims (10)

1. 基板、駆動素子(1a,1b)およびコリオリ素子(2a,2b)を備える回転数センサであって、
   該コリオリ素子は基板表面上に配置されており、
   コリオリ素子(2a,2b)は、駆動素子(1a,1b)によって第1の軸(X)に対して平行に振動が励振され、
   第1の軸(X)に対して実質的に垂直な第2の軸(Y)におけるコリオリ素子(2a,2b)の傾斜運動が検出され、
   第1および第2の軸(X,Y)は基板の表面に対して平行であり、
   力伝達手段(8,9,21,22)が設けられており、これによりダイナミックな力作用が基板とコリオリ素子(2a,2b)との間で伝達される形式の回転数センサにおいて、
   前記手段(8,9,21,22)によって伝達された力作用は、第1の軸（X）に対して平行な駆動素子の振動周波数の整数倍である周波数を有する、ことを特徴とする回転数センサ。
2. 請求項1記載の回転数センサにおいて、前記手段(8,9)は、ダイナミックな力作用を基板とコリオリ素子(2a,2b)との間で直接で伝達するように設けられている。
3. 請求項1記載の回転数センサにおいて、前記手段(21,22)は、ダイナミックな力作用を基板とコリオリ素子(2a,2b)との間で間接的に伝達し、直接的な力作用が基板と検出素子(3a,3b)との間で伝達されるように設けられており、
   検出素子(3a,3b)はコリオリ素子とバネ(4)によって結合されており、これによりダイナミックな力作用が基板とコリオリ素子(2a,2b)との間で伝達される。
4. 請求項1記載の回転数センサにおいて、検出手段(20a,20b)が設けられており、該検出手段によって、第1の軸(X)に対して平行な駆動素子の位置が検出される。
5. 請求項1記載の回転数センサにおいて、伝達された力作用は、第1の軸(X)に対して平行な駆動素子の振動と固定的な位相関係を有する。
6. 請求項1記載の回転数センサにおいて、手段(8,9)により伝達される力作用の位相は、第1の軸(X)に対して平行な駆動素子の振動を基準にして調整可能である。
7. 請求項1記載の回転数センサにおいて、前記手段(8,9)は、力作用の振幅が第2の軸(Y)における検出素子(2a,2b)の傾斜運動により共に定められるように設けられている。
8. 請求項1から7までのいずれか一項記載の回転数センサにおいて、相互に対称に配置された2つのコリオリ素子(2a,2b)が設けられており、
   当該コリオリ素子(2a,2b)間には機械的な結合部が設けられている。
9. 請求項1記載の回転数センサにおいて、伝達される力作用の周波数は電子機械的乗算の積であり、
   被乗数は、駆動素子(1a,1b)の振動の周波数を備える信号であり、
   乗数は、前記被乗数に対して位相シフトされた、駆動素子(1a,1b)の振動の周波数を備える信号である。
10. 請求項1記載の回転数センサにおいて、伝達される力作用の周波数は、駆動素子(1a,1b)の振動周波数の2倍である。

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