JP2009508129A - 振動ジャイロスコープの駆動方法およびセンサ装置 - Google Patents

Abstract

振動ジャイロスコープの駆動方法および振動ジャイロスコープを備えたセンサ装置であって、振動ジャイロスコープは共振器として用いられかつ固有周波数の励振信号を供給することによって振動ジャイロスコープを励振させる少なくとも１つの制御回路の一部として動作し、ここで振動ジャイロスコープから出力信号を取り出し、この出力信号をフィルタリングおよび増幅することによって励振信号を導出する形式の振動ジャイロスコープの駆動方法において、振動ジャイロスコープを備えたセンサ装置のスイッチオン後に、事前に測定され、メモリ内に格納された固有周波数の値および、測定以来固有周波数を変化させるパラメータから固有周波数のための開始値を計算し、計算されたこの周波数開始値を有する励振信号を振動ジャイロスコープに供給する。

Description

本発明は振動ジャイロスコープの駆動方法および振動ジャイロスコープを備えたセンサ装置に関する。振動ジャイロスコープは共振器として用いられかつ固有周波数の励振信号を供給することによって振動ジャイロスコープを励振させる、少なくとも１つの制御回路の一部として動作する。つまり、振動ジャイロスコープから出力信号が取り出され、この出力信号をフィルタリングおよび増幅することにより励振信号が導出される。

例えば欧州特許０４６１７６１号明細書から、振動ジャイロスコープが主軸に対して半径方向に配向された２つの軸で励振され、このために相応の変換器を備えた１次制御回路および2次制御回路が振動ジャイロスコープに設けられているジャイロセンサが公知である。こうしたジャイロセンサが自動車の走行安定化のために車両内で用いられる場合、ジャイロセンサの機能は自動車の始動直後から必要とされる。しかし、制御回路の過渡振動特性により、ジャイロセンサの始動には時間がかかる。

したがって本発明の課題は、制御回路の過渡応答を加速することである。この課題は、本発明に相応して次のことによって解決される。すなわち、振動ジャイロスコープを備えたセンサ装置のスイッチオン後に、事前に測定されてメモリ内に格納された固有周波数の値および、測定以来、固有周波数を変化させるパラメータから、固有周波数に対する開始値を算出し、この計算された周波数開始値を有する励振信号を振動ジャイロスコープに供給することによって解決される。

本発明の方法によって開始値を、実際の固有周波数に近づけることができ、これによって、必要とされる過渡応答過程が非常に短くなる。有利には本発明の方法では、開始値は記憶された値、その温度依存性およびスイッチオン時に測定された温度から計算される。製造プロセス内の補償方法において規則的に行われる、格納されるべき値の測定時に、振動ジャイロスコープの温度が一定でない場合には、付加的に、補償時の温度の値が格納される。多くの場合において固有周波数の温度依存性は一定であり、従って補償方法の際に特別に求められ、格納される必要はなく、定数としてメモリ内に読み込まれる。

過渡応答をさらに加速するために、本発明による方法の発展形態が用いられ、制御回路内に設けられた位相検出器に、出力信号が既に開始フェーズ中に印加され、位相制御部が遅れてスイッチオンされる。ここで有利には、位相制御部をスイッチオンした後に、増幅制御部がスイッチオンされる。

この発展形態は次のことによって改善される。すなわち、励振信号が振動ジャイロスコープに開始フェーズにおいて、許容可能な最大振幅で供給されることによって改善される。

本発明の別の発展形態は、機能エラーまたは故障をできるだけ事前に識別するために用いられる。これは次のことによって実現される。すなわち、
・監視するために、固有周波数の目下の値と基準温度のもとで測定された事前に補償時に測定され、メモリ内に格納された固有周波数の値との間の差から、および固有周波数の温度係数から、測定に対する温度変化の第１の値を計算し、
・目下の温度での温度センサの出力量と、メモリ内に格納された基準温度での温度センサの出力量との差、および温度センサの温度係数から、測定に対する温度変化の第２の値を計算し、
・計算された２つの値を比較し、
・偏差が所定の程度を上回っている場合にエラー信号を生成する、ことによって実現される。

このような発展形態では、有利には修正温度が考慮される。ここでこの修正温度は、温度センサの補償に対して変えられた熱的な条件を考慮する。

発展形態の有利な構成では、修正温度は、温度センサを含む集積回路の測定された損失出力、補償時に測定され、メモリ内に格納された損失出力、および周囲に対する集積回路の熱抵抗から計算される。

本発明のセンサ装置では、もとから温度センサおよびマイクロコントローラが設けられている。従って、発展形態に即して本発明の方法を実行するために、付加的なハードウェアコストは必要なく、プログラムとして本発明による措置を組み込むことだけが必要である。

本発明のセンサ装置では手段が設けられており、この手段は次のことによって制御回路の迅速な過渡応答を実現する。すなわち、センサ装置のスイッチオン後に、事前に測定され、メモリ内に格納された固有周波数の値および測定以来、固有周波数を変化させるパラメータから、固有周波数に対する開始値を計算し、周波数の計算されたこの開始値を有する励振信号を振動ジャイロスコープに供給することによって実現する。

このような装置の有利な実施形態は有利には、手段が不揮発性メモリを備えたマイクロコントローラおよび周波数合成回路を含む。

本発明のセンサ装置を監視するために、次の手段が設けられる。すなわち、
・温度変化の第１の値を、固有周波数の目下の値と、事前に補償時に測定されてメモリ内に格納された固有周波数の値との差から、および固有周波数の温度係数から計算し、
・温度変化の第２の値を、目下の温度での温度センサの出力量とメモリ内に格納された基準温度での温度センサの出力量との差から、および温度センサの温度係数から計算し、
・２つの計算された値を比較し、
・偏差が所定の程度を上回る場合にエラー信号を生成する、手段が設けられる。

別の下方の請求項に記載された措置によって、本発明によるセンサ装置の別の有利な発展および改善が可能である。

本発明は多数の実施形態を可能にする。このうちの１つが概略的に図示されており、これを以下で説明する。図は、本発明の方法を実行するために用いられる素子を備えた振動ジャイロスコープを有するセンサ装置のブロック回路図を示している。

センサ装置並びにセンサ装置の一部が、ブロック回路図として示されている。しかしこれは、本発明のセンサ装置がこれらのブロックに相当する個々の回路によって実現されることに制限するものではない。本発明のセンサ装置はむしろ、特に有利には、高密度に集積された回路によって実現される。この場合には、適切なプログラミングのもとで、ブロック回路図に示された処理ステップを実行するマイクロプロセッサが使用される。

センサ装置は振動ジャイロスコープ１を有しており、振動ジャイロスコープは１次励振信号ＰＤに対する入力側２と２次励振信号ＳＤに対する入力側３とを有している。励振は適切な変換器、例えば電磁的変換器を介して行われる。振動ジャイロスコープはさらに１次出力信号ＰＯに対する出力側４と２次出力信号ＳＯに対する出力側５とを有している。これらの信号はそれぞれジャイロスコープの空間的に異なる位置での振動を反映している。この種のコリオリ力の作用を基礎とする振動ジャイロスコープは例えば欧州公開第０３０７３２１号明細書から公知である。

振動ジャイロスコープ１は高品質のフィルタである。ここで、入力側２と出力側４とのあいだの区間は１次制御回路６の部分となっている。入力側３と出力側５とのあいだの区間は２次制御回路の部分となっているが、これは本発明の理解にとってはさほど重要でないので図示されていない。１次制御回路６は振動ジャイロスコープの共振周波数、例えば１４ｋＨｚの振動を励振するために用いられる。ここでは励振は振動ジャイロスコープの１つの軸、すなわち、２次制御回路に利用される振動の方向に対して９０゜ずらされた軸において行われる。図示されていない２次制御回路では信号ＳＯが２つの成分へ分割され、そのうち一方の成分が適切な処理の後にヨーレートに比例する信号として取り出される。

２つの制御回路では信号処理の重要部分はデジタルで行われる。信号処理に必要なクロック信号はクォーツ制御されるデジタル周波数合成回路１０において形成され、そのクロック周波数は図示の実施例では１４．５ＭＨｚである。本発明の方法を適用する際には主として１次制御回路が用いられるので、図１には１次制御回路に対する実施例のみを示してある。

制御回路は出力信号ＰＯに対する増幅器１１を有しており、この増幅器にアンチエイリアジングフィルタ１２およびアナログ／デジタル変換器１３が接続されている。キャリア信号Ｔｉ１，Ｔｑ１が乗算器１４，１５へ供給され、これらを介して、各信号がインフェーズ成分と２乗成分とへ分割される。２つの成分は続いてそれぞれ（ｓｉｎｘ／ｘ）フィルタ１６，１７およびローパスフィルタ１８，１９へ供給される。フィルタリングされた実数部はＰＩＤ制御回路２０へ供給される。このＰＩＤ制御回路がデジタル周波数合成回路を制御することにより位相制御回路が閉成され、キャリア信号Ｔｉ１およびＴｑ１に正しい位相が生じる。さらに、キャリア信号Ｔｑ２が形成され、回路２２において別のＰＩＤ制御回路２１の出力信号によって変調され、ここからローパスフィルタリングされた虚数部が得られる。回路２２の出力信号は振動ジャイロスコープ１の入力側２へ励振信号ＰＤとして供給される。ＰＩＤ制御回路に代えて個々の前提条件に応じて他の制御回路、例えばＰＩ制御回路を利用してもよい。

本発明の方法を実行するために、マイクロコントローラ２７が設けられている。ここでこのマイクロコントローラ２７は本発明による方法の個々のステップを制御し、ＥＥＰＲＯＭとして構成された不揮発性メモリ２８へアクセスする。さらに、本発明の方法のために、多数のセンサ回路で元から存在する温度センサが使用される。これは元来のセンサ２９およびアナログ／デジタル変換器３０から成る。記載された部品はバスシステム３１を介して相互に、またデジタル周波数合成回路１０および回路２２へ接続される。

開始値の計算は、容易には式Ｆ_０Ｔａ＝（Ｖ_ＴＡ−Ｖ_ＲＴ）／Ｔ_ＣＶ×Ｔ_ｃｆ０＋Ｆ_０ＲＴに従って行われる。ここでＦ_０Ｔａは、温度センサ２９によって測定された温度での振動ジャイロスコープの固有周波数、すなわち開始値であり、Ｆ_０ＲＴは、基準温度のもとで補償方法の間に測定され、メモリ２８内に格納された固有周波数である。Ｔ_ＣＶは温度センサ２９の温度係数であり、Ｔ_ｃｆ０は振動ジャイロスコープの固有周波数の温度係数である。Ｖ_ＴＡおよびＶ_ＲＴは、スイッチオン時の温度および、補償時の、メモリ２８内に格納されている温度での温度センサ２９の２つの出力電圧である。

開始値を計算した後に、マイクロコントローラ２７によって、周波数合成回路１０は、周波数としてこの開始値を有する励振信号を生成するように調節される。ここで、例えば、クロックＴｉ１およびＴｑ１を中断することによって、制御回路はさらに中断される。振動ジャイロスコープが励振信号を得る限り、制御回路は閉成され、詳細にはまずは位相制御部が閉成され、次に増幅制御が閉成される。

監視するために、時折、駆動中にこれらの量がメモリ２８から読み出され、センサ２９によって測定された目下の温度（出力電圧Ｖ_ＴＡ）を考慮して各目下の固有周波数と比較される。比較は、例えば以下の式に基づいている：
Ｔ_{ａｄｅｌｔａ１}＝（Ｆ_０ＴＡ−Ｆ_０ＲＴ）／Ｔ_ＣＦ０
Ｔ_{ａｄｅｌｔａ２}＝（Ｖ_ＴＡ−Ｖ_ＲＴ）／Ｔ_ＣＶ
ここでＴ_{ａｄｅｌｔａ２}は温度センサによって求められた温度変化であり、Ｔ_{ａｄｅｌｔａ１}は周波数の変化から求められた温度変化であり、Ｔ_ＣＶはメモリ内に格納された、温度センサ２９の温度係数であり、Ｆ_０ＴＡは目下の周波数であり、Ｆ_０ＲＴはメモリ内に格納された周波数であり、Ｔ_ＣＦ０は同じようにメモリ内に格納された、振動ジャイロスコープの固有周波数の温度係数である。

固有周波数の目下の値は、デジタル周波数合成回路１０の除数およびそのクロック周波数をそれぞれ調節することによって得られる。しかし、目下の値を、周波数測定装置によって計算することも可能である。これは別の増幅器２４、シュミットトリガ回路２５およびカウンタ２６から成る。

理想的な場合には、Ｔ_{ａｄｅｌｔａ１}とＴ_{ａｄｅｌｔａ２}は等しい。これらの差が、所定の程度を越える値をとる場合には、幾つかの可能なエラーのうちの１つが存在することが推測され、例えばエラーが警告ランプを点灯することによって伝えられるか、ないしはメモリ内に格納され、後の診断のために用いられる。

少なくとも一次制御回路６を含む回路の、補償に対して異なる出力損失を考慮するために、値Ｒを有する測定抵抗３２によって、回路の消費電流Ｉが測定される。回路のための動作電圧Ｕは接続端子３３に供給され、接続点３４を介して種々の部品に分配される。測定抵抗３２での電圧降下Ｕ_ｉは増幅器３５において係数ｖだけ増幅され、乗算器３６を介してアナログ／デジタル変換器３０に供給される。マイクロコントローラ２７はこの場合に損失出力を式Ｐ＝Ｕ^＊Ｉ＝Ｕ^＊Ｕｉ／（Ｒ^＊ｖ）に従って計算する。補償時には、損失出力Ｐ_ＲＴおよびそれに属する周辺温度Ｔ_ＲＴがメモリ内に格納される。駆動中に計算された損失出力を以下でＰ_Ａであらわす。

これによって修正温度が計算される。すなわち、Ｔ_ＫＯＲ＝Ｔ_ＲＴ＋（Ｐ_Ａ−Ｐ_ＲＴ）^＊Ｒ_ＴＨとして計算される。ここでＲ_ＴＨは、回路と周辺との間の熱抵抗を意味する。上述の式は、Ｔ_{ａｄｅｌｔａ２}を計算するために以下のように補足される：
Ｔ_{ａｄｅｌｔａ２ｋｏｒ}＝Ｔ_{ａｄｅｌｔａ２}−Ｔ_ｋｏｒ
上述したように等しくない場合、すなわちＴ_{ａｄｅｌｔａ１}≠Ｔ_{ａｄｅｌｔａ２ｋｏｒ}
の場合には、エラー信号が出力される。

本発明の方法を実施するために用いられる素子を備えた振動ジャイロスコープを有するセンサ装置のブロック回路図

Claims (19)

1. 振動ジャイロスコープの駆動方法であって、
   当該振動ジャイロスコープは共振器として用いられかつ固有周波数の励振信号を供給することによって振動ジャイロスコープを励振させる少なくとも１つの制御回路の一部として動作し、
   ここで振動ジャイロスコープから出力信号を取り出し、この出力信号をフィルタリングおよび増幅することによって励振信号を導出する形式の振動ジャイロスコープの駆動方法において、
   振動ジャイロスコープを備えたセンサ装置のスイッチオン後に、事前に測定され、メモリ内に格納された固有周波数の値および、測定以来固有周波数を変化させるパラメータから固有周波数のための開始値を計算し、当該計算された周波数の開始値を有する励振信号を振動ジャイロスコープに供給する、
   ことを特徴とする振動ジャイロスコープの駆動方法。
2. 前記開始値を格納された値、その温度依存性およびスイッチオン時に測定された温度から計算する、請求項１記載の方法。
3. 制御回路内に設けられた位相検出器に、既に開始フェーズにおいて出力信号を加え、位相制御部を遅れてスイッチオンする、請求項１または２記載の方法。
4. 位相制御部のスイッチオン後に、増幅制御部をスイッチオンする、請求項３記載の方法。
5. 前記励振信号を開始フェーズにおいて、許容可能な最大振幅で振動ジャイロスコープに供給する、請求項３または４記載の方法。
6. 監視するために、固有周波数の目下の値と、基準温度のもとで測定された、事前に補償時に測定され、メモリ内に格納された固有周波数の値との間の差から、および固有周波数の温度係数から、測定に対する温度変化の第１の値を計算し、
   ・目下の温度のもとでの温度センサの出力量と、メモリ内に記憶された基準温度のもとでの温度センサの出力量との差から、および温度センサの温度係数から、測定に対する温度変化の第２の値を計算し、
   ・計算された当該２つの値を比較し、
   ・偏差が所定の程度を上回っている場合にエラー信号を生成する、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載された方法。
7. 温度センサの補償に対して変化した熱的条件を考慮した修正温度を考慮する、請求項６記載の方法。
8. 前記修正温度を、温度センサを含む集積回路の測定された損失出力から、および補償時に測定され、メモリ内に格納された損失出力から、および周囲に対する集積回路の熱抵抗から計算する、請求項７記載の方法。
9. 振動ジャイロスコープを有するセンサ装置であって、
   当該振動ジャイロスコープは共振器として用いられかつ固有周波数の励振信号を供給することによって振動ジャイロスコープを励振させる少なくとも１つの制御回路の一部として動作し、
   ここで振動ジャイロスコープから出力信号を取り出し、この出力信号をフィルタリングおよび増幅することによって励振信号を導出する形式の振動ジャイロスコープの駆動方法において、
   手段（２７）が設けられており、
   当該手段は、次のことによって制御回路（１、６）の迅速な過渡応答を実現し、すなわちセンサ装置のスイッチオン後に、事前に測定され、メモリ（２８）内に格納された固有周波数の値および測定以来、固有周波数を変化させるパラメータから、固有周波数に対する開始値が計算され、当該計算された周波数の開始値を有する励振信号が振動ジャイロスコープ（１）に供給されることによって、制御回路の迅速な過渡応答を実現する、
   ことを特徴とするセンサ装置。
10. 前記手段は、不揮発性メモリ（２８）および周波数合成回路（１０）を備えたマイクロコントローラ（２７）を含む、請求項９記載のセンサ装置。
11. 前記開始値は格納された値、その温度依存性およびスイッチオン時に測定された温度から計算される、請求項９または１０記載のセンサ装置。
12. 前記制御回路（１、６）内に存在する位相検出器（１４、１５）には、出力信号が既に開始フェーズにおいて印加され、位相制御部が遅れてスイッチオンされる、請求項９から１１までのいずれか１項記載のセンサ装置。
13. 前記位相制御部のスイッチオン後に、増幅制御部がスイッチオンされる、請求項１２記載のセンサ装置。
14. 前記励振信号は、開始フェーズにおいて、許容可能な最大振幅で前記振動ジャイロスコープ（１）に供給される、請求項１２または１３記載のセンサ装置。
15. センサ装置を監視するために手段（２７）が設けられており、当該手段は、
    ・固有周波数の目下の値と、基準温度のもとで測定された、事前に補償時に測定され、メモリ内に格納された固有周波数の値との間の差から、および固有周波数の温度係数から温度変化の第１の値を計算し、
    ・目下の温度での温度センサの出力量と、メモリ内に記憶された基準温度での温度センサの出力量との差から、および温度センサの温度係数から温度変化の第２の値を計算し、
    ・計算された当該２つの値を比較し、
    ・偏差が所定の程度を上回っている場合にエラー信号を生成する、
    請求項９から１４までのいずれか１項記載の装置。
16. 前記手段は不揮発性メモリ（２８）を備えたマイクロコントローラ（２７）を含む、請求項１５記載のセンサ装置。
17. 温度センサの補償に対して変化した熱的条件を考慮した修正温度を考慮する手段が設けられている、請求項１５または１６記載の装置。
18. 前記修正温度を、温度センサを含む集積回路の測定された損失出力から、および補償時に測定され、メモリ内に格納された損失出力から、および周囲に対する前記集積回路の熱抵抗から計算する手段を有している、請求項１７記載の装置。
19. 目下の値を、デジタル周波数合成回路（１０）の除数およびそのクロック周波数を調整することによって求める手段を有している、請求項１５から１８までのいずれか１項記載の装置。

Images