JP2013545986A

JP2013545986A - 回転速度を測定するための装置

Info

Publication number: JP2013545986A
Application number: JP2013541247A
Authority: JP
Inventors: ロンバッハシュテファン; ノアテマントーマス; マウラーミヒャエル; ディーンガーマティアス; マノリイアノス
Original assignee: Hahn Schickard Gesellschaft Fuer Angewandte Forschung EV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Hahn Schickard Gesellschaft Fuer Angewandte Forschung EV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-12-26
Also published as: US20140060185A1; DE102010053022B4; WO2012072255A1; EP2646774A1; DE102010053022A1; CN103339471A

Abstract

慣性質量とシグマデルタ変調器と回転速度センサとセンサ素子とを備え、
慣性質量は、励振装置により一次軸に沿って一次振動し、感知軸を中心に回転速度が発生した場合にコリオリ力によって二次振動するよう二次軸に沿って振り出し、
シグマデルタ変調器は、ローパスフィルタと量子化器と二次アクチュエータを有し、
二次アクチュエータによりコリオリ力に対抗する力が質量に及ぼされ、
二次アクチュエータは、フィードバック信号が二次振動方向への質量の振り出しを時間平均で補償するようフィードバックパスを介して量子化器に接続され、
二次振動に関する振幅変調されたセンサ信号の周波数帯域を低くするために、センサ素子とローパスフィルタの間に第１変調段が配置され、
周波数シフトを取り消すために、フィードバックパスにおいて量子化器と回転速度センサの間に第２変調段が配置される、
回転速度を測定するための装置

Description

本発明は、回転速度を測定するための装置であって、前記装置は、機械的な回転速度センサを備え、前記回転速度センサは、慣性質量を有し、前記慣性質量は、励振装置によって、一次軸に沿って一次振動を実施可能であり、かつ、前記一次軸に対して横断方向に延在する二次軸に沿って以下のように振り出し可能であり、すなわち、前記一次軸に対して横断方向かつ前記二次軸に対して横断方向に延在する感知軸を中心にして回転速度が発生した場合に、前記二次軸に沿って、コリオリ力によって励振される二次振動を実施するように、振り出し可能であり、前記装置は、前記二次振動に関する振幅変調されたセンサ信号を検出するための少なくとも１つのセンサ素子を備え、前記装置は、シグマデルタ変調器を備え、前記シグマデルタ変調器は、前記センサ素子に接続されたローパスフィルタと、該ローパスフィルタに後置接続された量子化器と、フィードバックパスに配置された二次アクチュエータとを有し、前記二次アクチュエータによって、前記コリオリ力に対抗する力を、前記質量に及ぼすことができ、前記二次アクチュエータは、フィードバック信号が前記二次振動の方向への前記慣性質量の振り出しを時間平均で補償するように、前記フィードバックパスを介して前記量子化器に接続されている、装置に関する。

このような装置は、実地から公知である。このような装置は、例えば自動車の運転者支援システム、つまり自動車の走行状態を安定化するために個々の車輪を制動する電子装置、又は、ナビゲーションシステムにおいて使用される。この装置の回転速度センサは、慣性質量を有しており、慣性質量は、励振装置によって、保持部に対して一定に一次振動を実施する。質量は、一次振動の軸に直交して延在する感知軸を中心にして回転速度が発生した場合に、コリオリ力によって励振されて二次振動するように、懸架されている。この場合、二次振動の軸は、一次振動に直交し、かつ、感知軸に直交するように配向されている。

二次振動は、センサエレメントによって測定され、相応のアナログの電気センサ信号に変換される。回転速度信号を検出するためには質量を励振して一次振動させる必要があるので、このセンサ信号は、振幅変調された信号である。この信号の慣性周波数は、一次振動の周波数に相当する。

アナログのセンサ信号は、シグマデルタ変調器によってデジタル化される。シグマデルタ変調器は、ローパスフィルタと、１ビット・量子化器とを有しており、１ビット・量子化器によって、所要のナイキスト周波数を大きく上回る周波数を有する、ローパスフィルタリングされたアナログのセンサ信号がサンプリングされ、デジタル化される。このようにして、センサ信号の高い時間分解能が達成される。つまり、シグマデルタ変調器の出力信号は、高いクロック周波数を有するバイナリ信号、いわゆるビットストリームである。これによって確かに量子化エラーが増加する、乃至、量子化ノイズが増大するが、シグマデルタ変調器の積分特性によって、ノイズをスペクトルで形成して信号から充分に分離させる、いわゆるノイズシェーピング効果がもたらされる。量子化ノイズは、ローパスフィルタを用いることにより非常に効果的に抑制することができる。

信号のデシメーションに関連して、この信号の高い時間分解能が、高い振幅分解能に変換される。他のアナログデジタル変換方法とは異なり、この高い分解能は、良好な変換速度と、直線性と、特に集積密度の高い構成素子とによって達成することができる。回路構造及び機能方式に基づき、シグマデルタ変調器を用いて、機械的なセンサと電気的な変換器との統合を実現することもできる。

測定の直線性を向上するために、この装置は二次アクチュエータを有しており、この二次アクチュエータを用いて、質量と保持部との間に、コリオリ力に対抗する力を形成することができる。二次アクチュエータは、量子化器のフィードバック信号が二次振動を時間平均で補償するように、フィードバックパスを介して量子化器に接続されている。フィードバック信号として、バイナリビットストリームが使用される。これはつまり、質量に対して作用するコリオリ力がほぼ完全に補償されるということを意味する。これによって障害耐性も増加し、ひいては回転速度信号の分解能も増加する。

この装置の欠点は、サンプリングすべき信号帯域が拡大されているために、ローパスフィルタによって量子化器のサンプリング周波数を非常に高くしなければならないということである。信号帯域は、小さい範囲及び一次振動の周波数の周辺のみならず、基底帯域から、振幅変調された回転速度信号までに至る。サンプリング周波数は通常、一次振動の周波数の約１００倍である。従ってこの装置は、エネルギ消費量が相応に大きくなっている。量子化器のサンプリング周波数は、ローパスフィルタの代わりにループフィルタとしてバンドパスを使用することによって、確かに低減することはできる。バンドパスフィルタの伝送機能の所要の急峻性を形成するために、使用されているオペアンプは、入力信号周波数においても依然として確実に動作するよう、信号帯域において高い増幅度を有しなければならない。高い増幅度によって、エネルギ消費量も大きくなる。これに加えて、コンパレータは、機械的なセンサの共振周波数の通常４〜８倍に相当するサンプリング周波数によって動作される。これによって付加的にエネルギ消費量が増大する。

従って、冒頭に述べた形式の装置において、僅かなエネルギ消費で、回転速度信号を確実かつ正確に検出することができるようにすることが課題である。

この課題は、振幅変調されたセンサ信号の周波数帯域をより低い周波数帯域にシフトするために、センサ素子とローパスフィルタとの間に第１変調段を配置し、周波数シフトを取り消すために、フィードバックパスにおいて、量子化器と回転速度センサとの間に第２変調段を配置することによって解決される。

これによって有利には、比較的僅かなサンプリングレートによって量子化器を動作させることができ、それでもなお、ループフィルタとしてローパスフィルタを設けることができる。従ってこの装置は、省エネルギで動作することが可能である。フィードバックパスによってもたらされるコリオリ力の補償によって、回転速度測定信号の直線性及び帯域幅を増加することができる。

さらに、回転速度測定信号は、温度影響に充分に依存しなくなる。

回転速度センサは、音叉型ジャイロスコープとして構成することができる。このようなジャイロスコープは、Ajit Sharma et al.著の"High-Q In-Plane SOI Tuning Fork Gyroskop", IEEE (2004), 第467-470頁から公知である。

しかしながら回転速度センサは、一次質量及び二次質量も有しており、後者が慣性質量を形成している。一次質量は、一次軸に沿った保持部に振り出し可能に配置されている。一次質量には、二次質量が以下のように懸架されており、すなわち二次質量は、一次軸に直交して、二次軸に沿って、一次軸に対して振り出し可能に懸架されている。一次質量と二次質量とからなるこの装置は、励振装置と駆動接続されており、励振装置によってこの装置は、一次軸に沿って往復運動可能である。

本発明の有利な実施形態においては、前記第１変調段は、前記センサ素子のセンサ信号出力部に接続された第１入力部と、信号発生器に接続された第２入力部とを有し、前記第２変調段は、前記量子化器の出力部に接続された第１入力部と、前記信号発生器に接続された第２入力部とを有し、前記信号発生器は、少なくとも１つの正弦波形の成分を有する制御信号を形成するように構成されている。つまり、ローパスフィルタリングされたセンサ信号及びシグマデルタ変調信号は、自身に割り当てられた変調段において、前記制御信号の正弦波形の成分によってそれぞれ変調乃至乗算される。これによってセンサ信号及びシグマデルタ変調信号を、それぞれ省エネルギに他の周波数帯域にシフトすることができる。

一次振動を形成するための前記励振装置が、前記質量に駆動接続された一次アクチュエータを有し、該一次アクチュエータが、正弦波信号発生器と同期されている場合には、特に有利である。こうすることにより、一次アクチュエータと駆動するためと、変調段を動作させるためとに、同一の正弦波信号を使用することができる。

本発明の有利な実施形態においては、シグマデルタ変調器は、サンプリング装置を有しており、該サンプリング装置は、信号発生器と同期されている。こうすることにより、正弦波信号発生器によって供給された制御信号を、サンプリング装置をクロックするためにも利用することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいてより詳細に説明する。

電気機械的なシグマデルタ変調器を有する回転速度を測定するための装置の、制御工学に基づく等価回路図である。シグマデルタ変調され、装置によって測定された回転速度信号の電力スペクトル密度の例を示す図であり、横軸には周波数がヘルツでプロットされており、縦軸には電力がｄＢＦＳ／ｂｉｎでプロットされている。

回転速度を測定するための装置１は、図面では概略的にのみ示した機械的な回転速度センサ２を有する。回転速度センサ２は、一次質量を有しており、一次質量は、一次軸に沿った保持部に振り出し可能に配置されている。一次質量には、慣性の二次質量が以下のように懸架されている。すなわちこの二次質量は、一次軸に対して直交して、二次軸に沿って、一次軸に対して振り出し可能であるように懸架されている。一次質量は、励振装置と駆動接続されており、励振装置によって、一次質量と二次質量からなるこの装置は、一次軸に対して平行に往復運動可能である。励振装置のための、正弦波形の成分を有する制御信号を形成するために、励振装置は、正弦波信号発生器３を有する。

励振装置によって形成された一次振動は、一定の振幅及び一定の周波数を有する。一次振動の周波数は、実質的に当該装置の共振周波数と一致する。

一次軸に直交し、かつ、二次軸に直交するよう配置された感知軸を中心にして、回転速度センサ２が回転すると、一次質量ｍと、回転速度Ωと、一次質量の速度Ｖ_Ｐとに依存したコリオリ力

が二次質量に対して作用し、このコリオリ力によって二次質量は、二次軸に対して平行に、二次振動させられる。

一次質量に配置された少なくとも１つの第１電極と、二次質量に配置された少なくとも１つの第２電極とを有するセンサ素子４を用いて、二次振動に依存した電気的なセンサ信号が検出される。センサ信号を検出するために、一次質量を励振して一次振動させなければならないので、このセンサ信号は振幅変調されている。センサ信号の慣性周波数は、一次振動の周波数と一致している。

センサ素子４のセンサ信号出力部は、第１変調段５の第１入力部に接続されている。第１変調段５の第２入力部は、正弦波信号発生器３の出力部に接続されている。第１変調段５を用いて、回転速度信号は、基底帯域へと変調される。相応に変調されたアナログの回転速度信号は、第１変調段５の出力部にて出力される。

この出力部は、３次のアナログのローパスフィルタ６の入力部に接続されている。ローパスフィルタ６において信号が増幅され、量子化ノイズが抑圧され、このようにして有利には、基底帯域から変換される。ローパスフィルタ６は、以下のラプラス変換を有する。

アナログのローパスフィルタ６の出力部は、１ビット・アナログデジタル変換器乃至量子化器として使用されるコンパレータ７の第１コンパレータ入力部に接続されている。図面では詳細に図示していないコンパレータの第２入力部は、所定の電位にある。コンパレータ７は、図面では詳細に図示していないサンプリング装置を有しており、サンプリング装置は、第１コンパレータ入力部に印加された変調信号を、正弦波信号発生器３の正弦波形の制御信号に同期してサンプリングする。サンプリング装置は、この目的のためにクロック信号入力部を有しており、クロック信号入力部は、正弦波信号発生器３に接続されている。

コンパレータ７の出力部８では、サンプリングされた信号と所定の電位との比較によって形成されたシグマデルタ変調信号が、ビットストリームの形態で出力される。

コンパレータ７の出力部８は、フィードバックパスを介して第２変調段９の第１入力部に接続されている。第２変調段９の第２入力部は、正弦波信号発生器３の出力部に接続されている。第２変調段９によって、シグマデルタ変調信号は、入力周波数へと高く変調される。このようにして得られた信号は、フィードバックパスにある二次アクチュエータ１０を制御するために増幅される。二次アクチュエータ１０は、入力周波数へと高く変調されたシグマデルタ変調信号に依存して、一次質量と二次質量との間で、コリオリ力Ｆ_Ｃに対抗する力を印加する。図１には、これが加算器１１によって概略的に図示されている。二次アクチュエータ１０によって形成された力によって、一次質量の振り出しは、時間平均で補償される。つまりこの装置は、回転速度信号を処理するために、閉成された電気機械的な制御回路を有する。

回転速度信号の高感度及び高分解能を可能とするために、一次質量の共振周波数と二次質量の共振周波数とを、互いに調整し合うことができる。

図２には、コンパレータ７の出力部８にて印加されるシグマデルタ変調信号の電力スペクトル密度の例が、線図で示されている。シグマデルタ変換器の典型的なノイズシェーピング特性が明らかに見て取れ、ここでは共振はほぼ完全に消失している。

Claims

回転速度を測定するための装置（１）であって、
前記装置（１）は、機械的な回転速度センサ（２）を備え、
前記回転速度センサ（２）は、慣性質量を有し、
前記慣性質量は、励振装置によって、一次軸に沿って一次振動を実施可能であり、かつ、前記一次軸に対して横断方向に延在する二次軸に沿って以下のように振り出し可能であり、すなわち、前記一次軸に対して横断方向かつ前記二次軸に対して横断方向に延在する感知軸を中心にして回転速度が発生した場合に、前記二次軸に沿って、コリオリ力によって励振される二次振動を実施するように、振り出し可能であり、
前記装置（１）は、前記二次振動に関する振幅変調されたセンサ信号を検出するための少なくとも１つのセンサ素子（４）を備え、
前記装置（１）は、シグマデルタ変調器を備え、
前記シグマデルタ変調器は、前記センサ素子に接続されたローパスフィルタ（６）と、該ローパスフィルタ（６）に後置接続された量子化器と、フィードバックパスに配置された二次アクチュエータ（１０）とを有し、
前記二次アクチュエータ（１０）によって、前記コリオリ力に対抗する力を、前記質量に及ぼすことができ、
前記二次アクチュエータ（１０）は、フィードバック信号が前記二次振動の方向への前記質量の振り出しを時間平均で補償するように、前記フィードバックパスを介して前記量子化器に接続されている、
装置（１）において、
前記振幅変調されたセンサ信号の周波数帯域をより低い周波数帯域にシフトするために、前記センサ素子と前記ローパスフィルタ（６）との間に第１変調段（５）が配置されており、
前記周波数シフトを取り消すために、前記フィードバックパスにおいて、前記量子化器と前記回転速度センサ（２）との間に第２変調段（９）が配置されている、
ことを特徴とする装置（１）。
前記第１変調段（５）は、前記センサ素子（４）のセンサ信号出力部に接続された第１入力部と、信号発生器（３）に接続された第２入力部とを有し、
前記第２変調段（９）は、前記量子化器の出力部に接続された第１入力部と、前記信号発生器（３）に接続された第２入力部とを有し、
前記信号発生器（３）は、少なくとも１つの正弦波形の成分を有する制御信号を形成するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１記載の装置（１）。
前記一次振動を形成するための前記励振装置は、前記質量と駆動接続された一次アクチュエータを有し、
前記一次アクチュエータは、前記信号発生器と同期されている、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の装置（１）。
前記シグマデルタ変調器は、サンプリング装置を有し、
前記サンプリング装置は、前記信号発生器と同期されている、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の装置（１）。