JP2008116475A - 改良型音叉ドライブを備える慣性速度センサー及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スケールファクタを、個々の音叉特性の細かい違いに合わせて補正
【解決手段】固定コンポーネントと可変コンポーネントの両方を有する基準信号を速度感知要素のドライブモード振動の振幅を表す信号に加え、基準信号とドライブモード振動の振幅を表す信号との合計を所定レベルに維持し、それによりドライブモード振動の振幅が基準信号により決まるようになっており、速度感知要素の動きに対応する出力信号を提供することを特徴とする慣性速度センサー及び方法が開示されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、概括的には慣性速度センサーに、より厳密には音叉ドライブを備えた慣性速度センサー及び方法に属する。

慣性速度センサーは、航空機航法、ミサイル及び宇宙船の誘導、及び自動車安定制御系を始めとして多種多様なアプリケーションに使用されている。これらのアプリケーションの多くは、安全性が最重要課題であるので、センサーの故障に対してガードするための対策が講じられねばならない。

特開平０９−０３３２６２号公報 特開平０６−０５８７６０号公報 特開平０８−１７８９４５号公報

本発明の目的は、概括的には、新しく且つ改良された慣性速度センサー及び方法を提供することである。

本発明の別の目的は、改良型音叉駆動ドライブを備えた慣性速度センサー及び方法を提供することである。

上記及び他の目的は、固定コンポーネントと可変コンポーネントの両方を有する基準信号を速度感知要素のドライブモード振動の振幅を表す信号に加え、基準信号とドライブモード振動の振幅を表す信号との合計を所定レベルに維持し、それによりドライブモード振動の振幅が基準信号により決まるようになっており、速度感知要素の動きに対応する出力信号を提供することを特徴とする慣性速度センサー及び方法を提供する本発明により達成される。

図１に示すように、速度センサーは双端音叉の形をしたクオーツ感知要素１１を含んでいる。本音叉は単体の水晶材料から製作されており、Ｈ型の構成で、一方がドライブ尖叉１２そして他方がピックアップ尖叉１３となっている。尖叉の各対は音叉の縦軸１４周りに対称に配設されている。

ドライブ尖叉１２は駆動されると、音叉の固有周波数で、音叉の面内で振動する。音叉が縦軸周りの回転を受けると、コリオリの力が働いて両尖叉が音叉の面から外れ、振動のピックアップモードを誘発する。ドライブ及びピックアップ信号は、従来の方法で電極（図示せず）を使用して尖叉に連結され、ドライブ信号は尖叉の圧電振動を誘発し、ピックアップ信号は、コリオリの力により生まれたひずみに反応して圧電的に生成された電荷の形態をとる。

感知要素は双端音叉であるものとして図示しているが、必要に応じ単端音叉を含め他のタイプの振動感知要素を使用することもできる。

ピックアップ信号は電荷増幅器１６を通過して前値増幅器１７に至り、その後復調器１８に至る。復調器を出た信号は、ローパスフィルタ１９を通過し補償加算器２１に至り、その後出力増幅器２２に至り、速度出力信号は出力増幅器の出力に現れる。電圧入力が＋５ボルト及び０ボルトの場合、ゼロ入力に対して速度出力は＋２．５ボルトまでバイアスされ、正の速度入力に対してはより大きな正の電圧まで振れるが、負の速度入力に対してはゼロボルトに向かって振れる。＋２．５ボルトのレベルは、しばしば実質的なグラウンドと称される。

米国特許第５，９４２，６８６号に記載されているように、印加電力に正比例して装置のスケールファクタが変化するように、補償信号は加算器に加えられ、温度などの要素に関する出力信号を調整し、システムを比率測定式にする。

システムには、外部ＥＥＰＲＯＭ２４と連携して作動するデジタル論理２３が含まれており、これにより、構成要素を手作業ではんだ付けする必要無しに、装置を電子的にキャリブレートすることができる。デジタル論理は、装置に故障が発生したことを検知する内蔵テスト機能も提供している。デジタル論理からの信号は、デジタル・アナログ変換器２６を介して補償加算器２１に、そして出力増幅器２２に送られる。

振動感知要素、即ち音叉１１は、デジタル論理用のクロック基準として使用され、ドライブ回路即ちオシレータ２８から引き出されたクロック信号がクロックフィルタ２９を介してデジタル論理に送られるようになっている。クロックフィルタは、始動中及び連続動作中の両方で擬似発振に応答して不正確なクロック信号が与えられることを防ぐ。また、このクロックフィルタは、システムクロックと音叉の発振との間に同じ位相関係が常に存在することも保証する。

システムクロック用の周波数決定素子として音叉を使用すると、外部クロックの必要性が除去されて、速度センサーのサイズとコストが減少される。これによって、全体の部品数及び回路基板領域が減少される。また、音叉の完全性を監視することは、クロック信号の完全性を自動的に監視することになるので、故障検出タスクを簡単化する。さらに、クロック信号は、出力信号と同期し、和及び差周波数の偽信号又はうなり音は存在しない。

該好適実施形態では、音叉の基本周波数がデジタル論理のクロック基準として用いられている。代替的には、フェーズロックループを使用して、信号をより速く処理するために多数の音叉ドライブ周波数を生成することもできる。何れの場合でも、周波数確定要素は感知要素として働く音叉と同じ音叉である。

図２に示すように、ドライブ回路即ちオシレータ２８は、ＡＧＣ（自動利得制御）サーボループと称されることもあるループを備えている。ドライブ尖叉１２が振動しているときは、電流はドライブ電極をまたいで生成される。この電流は電流対電圧増幅器３１を通過して、復調器３２の入力に印加される電圧を生み出す。電流対電圧増幅器の出力に接続されている電圧コンパレータ３３は、ドライブ周波数で方形波を生成する。この方形波は、復調器の制御入力に送られ、復調器がドライブ周波数で作動する状態となり、その出力はｄｃの項を含んでいる。

復調器からのｄｃ項は、加算回路３４に送られ、ここで固定スケールファクタ基準電圧３６及びプログラム可能スケールファクタ基準電圧３７と結び付く。加算回路の出力は、積分器３８の入力に接続されている。

積分器の出力は、入力が非ゼロの場合は、より大きな正電圧、或いはより大きな負電圧の何れかに向かって動くことになる。このことは、安定状態において、積分器への入力は平均するとゼロであるということを意味する。このように、復調器の出力は、２つのスケールファクタ基準電圧の合計を正確にキャンセルしなければならない。復調器の出力電圧は、音叉のドライブモードの振動の振幅を表しているので、この２つのスケールファクタ基準電圧は、ドライブモード信号の大きさをセットする。

音叉の速度感知能力は、ドライブ尖叉の対称軸周りの入力回転を面外ねじれモードにつなぐコリオリの力に依存している。コリオリの力は回転速度と尖叉速度の積に比例し、その速度は尖叉振動の振幅に比例する。こうして、尖叉が駆動されてより大きな変位の振幅と速度で振動するにつれ、コリオリの力を介する回転への反応は比例的に増大する。

こうして、スケールファクタ又は音叉の単位回転あたりの反応は、駆動振幅に比例して増加する。

音叉のドライブモードの振動の振幅を確定する際、スケールファクタ基準電圧３６及び３７は、デバイスのスケールファクタをも決める。固定電圧を使用して基準スケールファクタをセットし、プログラム可能電圧を使って微調整を行う。これにより、出来上がった各速度センサーが適正なスケールファクタ出力を有するように、各装置のスケールファクタは、個々の音叉特性の細かい違いに合わせて補正できるようになる。

プログラム可能スケールファクタ基準電圧をセットするためのプログラム可能データは、ＥＥＰＲＯＭ２４に記憶されデジタル論理２３によりアクセスされるデジタル係数から導き出される。そのデータはアナログ電圧に変換され、加算回路３４のプログラム可能バイアス電圧入力に送られる。現在のある好適な実施形態では、スケールファクタ基準のプログラム可能コンポーネントの調整範囲は、固定コンポーネントの＋／−３５パーセント程度となっている。

積分器３８の出力の電圧レベルは、ドライブループでの許容できない状況又は故障を検知するウインドウコンパレータ３９によりモニターされる。ウインドウコンパレータは、1対のコンパレータ４１、４２と否定和ゲート４３とを備えており、コンパレータの出力は否定和ゲートの入力に接続されている。電圧の上限及び下限は、回路のトリップポイントを定義する基準電圧＋ＲＥＦ及び−ＲＥＦによりセットされる。他の２つのコンパレータ入力は、積分器からの信号を受信するために合わせて一つにされる。否定和ゲートの出力は、ローパスフィルタ４４を通過し内蔵テスト論理によりモニターされる。

積分器の出力が基準電圧によりセットされた限度内にある限り、ウインドウコンパレータの出力は、内蔵テスト論理４６に受容可能と判定される。仮に積分器の出力が上記限度から外れるようなことが起きれば、テスト論理は故障を検知し出力段階２２をトリガして正電圧レールに素早く切り替えるが、これを故障状況と解釈する。

オシレータループ内で検知され得る故障のタイプには、音叉の欠陥又は破損、音叉につながる又は音叉から出ている電気トレースがオープンであること、音叉が封入されているパッケージの充填ガスの漏れにより発生する音叉モード“Ｑ”ファクタの変化、及び積分器を横切るフィードバックコンポーネントが短絡しているか或いはオープンであることが含まれる。

積分器の故障が内蔵テスト論理で検知できるようにするため、積分器の出力は加算回路４９のバイアス電圧４８と組み合わせられ、積分器の安定状態出力を実質的なグラウンド、つまり正の供給電圧と負の供給電圧の間の中間点から所要値に移動させる。これは、積分器を横切るフィードバック経路が短絡すると、システムに＋５ボルト及び０ボルトの電圧が供給された場合には、積分器の出力は実質的グラウンド、つまり＋２．５ボルトに留まることから、必要である。この故障を検知するために、積分器出力電圧の受容可能範囲は、標準作動状態に関しては、実質的グラウンドから離れ、通常は約＋２．６ボルトから＋４ボルトの範囲にバイアスされねばならない。

積分器を横切るフィードバック経路がオープンになると、積分器増幅器は復調器により作り出されたダブル周波数コンポーネントをすべて通すことになる。このダブル周波数信号は、ウインドウコンパレータを通過すると、増幅器出力がトリップ限界を通り越して遷移するので、デジタル“１”と“０”のストリームができてしまう。ローパスフィルタ４４は、このパルスストリームをｄｃ電圧へ下げ、このｄｃ電圧を内蔵テスト論理が故障として検知する。

加算回路４９の出力は、増幅器５１により増幅されて、電圧コンパレータ３３からの出力電圧を変調するために振幅変調器５２に送られる。電圧コンパレータの出力はレールツーレールの方形波であり、変調器は方形波のピークツーピーク振幅を調整して、音叉のドライブ尖叉に可変ドライブ電圧を供給する。

変調器からの方形波は、論理回路からの信号により制御されるマルチプレクサ５３を介してドライブ尖叉に送られる。方形波はまた、音叉のドライブモードの固有周波数に大凡等しい中央周波数での利得１．０で、バンドパスフィルタ５４の入力にも送られる。このフィルタは、方形波の調波成分を著しく減衰させ、純粋な正弦波に近い別のドライブ信号を作り出す。その信号は、マルチプレクサの第2の入力に送られる。

方形波ドライブ信号のピークツーピーク電圧はより素早く上昇し、結果的に正弦波よりも速くターンオンする。ピークツーピーク電圧は、ターンオン時間を最小限にするためにターンオンの初期位相中にドライブ尖叉に送られる。一旦、音叉振動の振幅があるレベルに到達し、積分器３８の出力がウインドウコンパレータ３９の制御下限を超えてしまうと、内蔵テスト論理は、マルチプレクサに対してその出力を方形波から正弦波に切り替えるコマンド信号を生成する。相対的には調波の無い正弦波をここでは使用して、次のターンオンシーケンスまでのオペレーションの残り部分に対して音叉を駆動する。

これにより、両方のタイプのドライブ信号の利点がどちらのタイプの欠点も受けずに提供される。方形波は、振幅制御レベルでの音叉振動及び安定性のより速い立ち上がりを提供する。しかしながら、方形波は、幾つかの例では音叉構造の高次のモードと結びついてセンサー出力に望ましくないバイアスシフトを引き起こしかねない高調波成分も有している。正弦波にはこのような調波は相対的に少ない。しかしながら、正弦波は、よりゆっくりと上昇するので、方形波よりもターンオンが遅くなる。結果として、正弦波は、起動オペレーションにとってはあまり良いとは言えない。

クロック基準が音叉運動の位相に対して固定位相関係を有するようなやり方で生成されることが重要である。仮に位相関係が１つのターンオンから次のターンオンまでで変化するのであれば、論理は依然として適正に機能するであろうが、位相に差があると、クロック信号の出力信号経路への有限な結合のせいで、センサーのバイアスオフセットに差異が生じやすい。固定クロック位相関係であれば、結合があったとしても、ターンオンからターンオンまで固定値を確実に有することになる。

ある好適な実施形態では、センサー用の回路は、アプリケーション指定集積回路（ＡＳＩＣ）として一体型に構築される。音叉及びＥＥＰＲＯＭは、ＡＳＩＣに対して外部にあり、補償値は、コンピュータインターフェース経由でＡＳＩＣのデジタル論理を介してＥＥＰＲＯＭにロードすることができる。ある現在の好適な実施形態では、ＡＳＩＣにはコネクタ端子が３つしかなく、即ち、＋５ボルト、グラウンド（０ボルト）、及び出力信号の端子である。

本発明は、多くの重要な特質及び有利性を有する。始動中に方形波駆動信号使用し且つ通常オペレーション中に正弦波駆動信号を使用すると、両方の駆動信号の利点が両者の欠点無しに提供される。ＡＧＣ制御ループは、尖叉ドライブ振幅及びスケールファクタの外部プログラミングと等価である。従って、各ユニットのスケールファクタは、音叉特性の小さな差を補正することができ、これによって、製造された各速度センサーは適正なスケールファクタ出力を有することができる。ウインドウコンパレータを有するドライブループ内の信号をモニターすることにより、多数の形態の故障を検出することができる。

以上のことより、新しく且つ改良された慣性速度センサー及び方法が提供されたことは明白である。現在のある特定の好適な実施形態しか詳細に説明していないが、当業者には自明であるように、請求の範囲に定義する本発明の範囲から逸脱することなく変更及び修正を加えることができる。

本発明が組み込まれた慣性速度センサーの１つの実施形態を示すブロック線図である。 図１の実施形態におけるドライブオシレータのブロック線図である。

Claims (10)

1. 慣性速度感知システムにおいて、
   振動速度感知要素と、
   固定コンポーネントと可変コンポーネントの両方を有する基準信号を前記速度感知要素のドライブモード振動の振幅を表す信号に加えるための手段と、
   前記基準信号とドライブモード振動の振幅を表す信号との合計を所定レベルに維持するための手段とを含んでおり、それによりドライブモード振動の振幅が前記基準信号により決まるようになっているサーボループを備えたドライブ回路と、
   前記速度感知要素の動きに対応する出力信号を提供するための前記速度感知要素に連結されているピックアップ回路と、を備えていることを特徴とするシステム。
2. 前記プログラム可能なコンポーネントに関するデータが記憶されるＥＥＰＲＯＭと、前記ＥＥＰＲＯＭ内のデータにアクセスするためのデジタル論理と、アクセスされたデータをプログラム可能な基準信号として使うためにアナログ形態に変換するための手段と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記２つの信号の合計を所定のレベルに維持するための前記手段が、2つの信号の合計が加えられる入力を有する積分器を備え、前記積分器の入力が、安定状態の条件にある間はゼロレベルに維持されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 慣性速度を感知するための方法において、
   振動を起こすために振動速度感知要素にドライブ信号を送る段階と、
   出力信号を提供するために前記速度感知要素の動きにより作られた信号をモニターする段階と、
   前記速度感知要素のドライブモード振動の振幅に対応する信号を提供する段階と、
   固定コンポーネントとプログラム可能なコンポーネントの両方を有する基準信号を前記ドライブモード振動の振幅に対応する信号に加える段階と、
   前記基準信号とドライブモード振動の振幅に対応する信号の合計をサーボループで所定レベルに維持し、それにより前記ドライブモード振動の振幅が前記基準信号により決まるようにする段階と、から成ることを特徴とする方法。
5. 前記プログラム可能なコンポーネントに関するデータをＥＥＰＲＯＭに記憶する段階と、デジタル論理を使って前記ＥＥＰＲＯＭ内のデータにアクセスする段階と、アクセスされたデータをプログラム可能な基準信号として使うためにアナログ形態に変換する段階と、を含んでいることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記２つの信号の合計が積分器の入力に加えられ、安定状態の条件にある間に、前記入力がゼロレベルに維持されるることを特徴とする請求項４記載のシステム。
7. 前記ドライブ回路内の信号をモニターして、前記信号が所定の上下限界値外にある場合に、システム内の故障を検知するためのウインドウコンパレータを含む手段と、
   前記信号が中間レベルに近づくとそれを前記コンパレータが故障であると検知できるように、通常は積分器の出力に上下限界値の間の中間レベルから遠ざかるようにバイアスをかけるための手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
8. 前記ウインドウコンパレータは、
   １対のコンパレータと、
   モニターされた信号を２つのコンパレータそれぞれの一方の入力に送るための手段と、
   下限基準信号を一方のコンパレータの第２入力に送るための手段と、
   上限基準信号を他方のコンパレータの第２入力に送るための手段と、
   前記モニターされた信号が前記下限基準信号よりも小さいか、又は前記上限基準信号よりも大きくなった場合には出力信号を送り出すための、前記2つのコンパレータの出力に接続されている否定和ゲートと、を備えていることを特徴とする請求項７記載のシステム。
9. 前記ドライブ信号から引き出された信号を、前記信号が所定の上下限界値の外にある場合に故障を検知するウインドウコンパレータによりモニターする段階と、
   前記信号が中間レベルに近づくとそれを前記ウインドウコンパレータが故障であると検知できるように、前記モニターされた信号に上下限界値の間の中間レベルから遠ざかるようにバイアスをかける段階を含んでいることを特徴とする請求項４記載の方法。
10. 前記信号は、前記モニターされた信号を2つのコンパレータそれぞれの一方の入力に送ることと、下限基準信号を一方のコンパレータの第２入力に送ることと、上限基準信号を他方のコンパレータの第２入力に送ることと、前記モニターされた信号が前記下限基準信号よりも小さいか、又は前記上限基準信号よりも大きくなった場合は出力信号を送り出すことと、によりモニターされることを特徴とする請求項９に記載の方法。

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