JP2014514545A - 回転速度センサ、および、回転速度センサの較正方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、基板とコリオリ素子とを有する回転速度センサに関する。前記回転速度センサは、前記コリオリ素子を励振させてコリオリ振動を生じさせるための駆動手段を有し、前記回転速度センサは、前記コリオリ素子に作用するコリオリ力に起因して生じる、前記基板に対する前記コリオリ素子の変位に依存して、センサ信号を生成するための検出手段を有し、さらに、前記センサ信号に依存して生成された回転加速度信号が所定の閾値を下回る場合、前記回転速度センサは自己較正を行うように構成されている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の回転速度センサに関する。このような回転速度センサは周知となっている。たとえば、ＵＳ７３５９８１６Ｂ２から、検出対象である回転速度に依存する出力信号を生成する回転速度センサが公知である。回転速度センサを較正するためには、運動状態と静止状態とにおいて当該回転速度センサによって出力信号を生成し、外部の較正モジュールへ伝送する。次に、前記運動状態と前記静止状態とにおいて検出した、前記出力信号のすべての値の数学的な平均値を形成することにより、回転速度センサのオフセットパラメータを計算する。この計算したオフセットパラメータを用いて前記回転速度センサを較正する。このようなセンサ装置の欠点は、回転速度センサを較正するためには外部の較正モジュールが、たとえば外部のマイクロコントローラまたは外部のＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）が必要であり、較正プロセスを実施するためにはこのような外部の較正モジュールによって回転速度センサをトリガしなければならないということである。

発明の開示
上述の従来技術に対し、独立請求項に記載の、本発明の回転速度センサおよび本発明の回転速度センサ較正方法は、回転速度センサを較正するために、付加的な外部の較正モジュールによってトリガされない、当該回転速度センサの自己較正が実現されるという利点を有する。これによってたとえば、該当する時点にて外部の周辺条件が較正を行うことを許す条件であることを回転速度センサが検出すると直ちに、当該回転速度センサの自動的および自律的な再較正を実施することができる。こうするためには、回転加速度信号と閾値とを比較する。前記回転加速度信号が前記閾値を下回る場合には、回転速度センサが静止状態にあると判定する。すなわち、たとえば回転速度が生じていないと判定する。したがって有利には、前記自己較正を開始するのに有利な時点がいつであるかを、前記回転速度センサが自動的に判定する。有利には、検出された前記静止状態において取り込んだセンサデータを用いて、とりわけセンサ値を用いて、前記センサデータからセンサオフセットを、たとえば数学的な平均値計算によって求め、回転速度センサの記憶エレメントに前記センサオフセットを記憶することにより、前記自己較正は回転速度センサによって自動的に実行される。前記自己較正をいつ開始すべきかを決定する前記閾値は、有利には予め調整された閾値であり、かつ調整可能である。このことによってとりわけ、前記閾値を用いて前記自己較正の精度を所望の精度に連続的に調整することができ、用途に応じて回転速度センサを適合することができる。前記回転速度センサは有利には、半導体基板をベースとする回転速度センサを含み、有利にはシリコンベースの回転速度センサを含む。このような回転速度センサは特に有利には、シリコン表面マイクロメカニカル技術で製造されたものである。

従属請求項と、図面を参照した以下の記載内容とから、本発明の有利な実施形態を導き出すことができる。

有利な実施形態では、前記回転速度センサは前記回転加速度信号と前記閾値とを比較するためのコンパレータを有する。したがって有利には、前記コンパレータを用いて、前記自己較正方法を実施すべきか否かを決定する。コンパレータは比較的簡単な論理素子であり、有利には、回転速度センサの基板上に直接配置することができる。このことにより、可能な限りコンパクトなスペースでシステム組み込みを実現することができる。

有利な実施形態では、前記回転速度センサは、前記センサ信号の少なくとも２つのセンサ値の差分、とりわけ直接的または間接的に連続する前記少なくとも２つのセンサ値の差分から前記回転加速度信号を生成するように構成された差分値形成器を有し、および／または、前記回転速度センサは、前記センサ信号の数学的微分から回転加速度信号を生成するように構成された微分器を有する。有利には、２つのセンサ値の間の差分を形成することにより、センサオフセットに十分に依存しない相対値を生成する。このような相対値は、回転速度センサが未較正であっても、回転速度センサの現在のダイナミクスを表す尺度として使用することができる。前記２つのセンサ値の差が前記閾値を下回った場合には、前記ダイナミクスが比較的小さいと判定すること、ないしは、前記回転速度センサが静止状態にあると判定することができる。前記２つのセンサ値は有利には、直接連続する２つのセンサ値であるか、または、間接的に連続する２つのセンサ値である。間接的に連続する２つのセンサ値とはすなわち、これら２つのセンサ値の間に別のセンサ値が存在するということである。

有利な実施形態では前記回転速度センサは、前記自己較正を実施するときにセンサ信号の複数のセンサ値を記憶するように構成された一時記憶メモリを有する。前記一時記憶メモリはとりわけ、前記自己較正を実施するときにセンサ信号の複数のセンサ値の和を記憶するように構成されている。このような揮発的な一時記憶メモリは比較的簡略であり、かつ、構成スペースがコンパクトであり、たとえば簡単な電気的キャパシタにより、回転速度センサ自体に直接実現することができる。有利には、外部の記憶素子にセンサ値を記憶するための面倒なデータインタフェースは不要となる。

有利な実施形態では、前記一時記憶メモリにおいて複数のセンサ値を単に加算する。すなわち、前記一時記憶メモリにおいて前記複数のセンサ値の和のみを記憶する。このことによって有利には、１つの値のみを記憶すればよくなる。

１つの有利な実施形態では前記回転速度センサは、前記一時記憶メモリに記憶されたセンサ値の数学的な平均値からセンサオフセット値を生成するように構成された平均値形成器と、オフセットメモリとを有する。前記オフセットメモリは有利には、新たな前記センサオフセット値と以前のセンサオフセット値とに依存して計算されたセンサオフセットを記憶するように構成されている。先行して行われる閾値比較により、検出されたセンサ値が、前記回転速度センサが静止状態にあるときに当該回転速度センサから出力された値のみになることが保証される。このようにして、すべてのセンサ値の平均値が、たとえば製造または取付に起因して前記回転速度センサに生じるオフセットを表す尺度となる。前記オフセットメモリに新たに記憶されるセンサオフセットは、前記センサ値から求められた新たなセンサオフセット値に基づいて計算される。その際にはさらに、とりわけ、それより前のセンサオフセット値が考慮される。この前のセンサオフセット値はたとえば、現在の自己較正を実施するより時間的に前にすでにオフセットメモリに記憶されたものである。

１つの有利な実施形態では、前記回転速度センサは割込みインタフェースを有する。この実施形態では前記回転速度センサは、時間的に、前記自己較正を実施中または実施後に前記割込みインタフェースにおいて割込み信号を生成するように構成されている。これによって有利には、前記回転速度センサに後置接続された外部の評価電子回路に、当該回転速度センサが自己較正を実施中であるかまたは実施完了したことを通知する。

本発明はさらに、請求項１から６までのいずれか１項記載の回転速度センサの較正方法も対象とする。この較正方法は、コリオリ素子がコリオリ振動するように励振し、前記コリオリ素子に作用するコリオリ力に起因して生じる、基板に対する前記コリオリ素子の変位に依存して、センサ信号を生成し、前記センサ信号に依存して回転加速度信号を生成し、前記回転加速度信号が所定の閾値を下回ることが検出された場合、前記回転速度センサの自己較正を実施することを特徴とする。有利には、前記回転加速度信号と前記閾値との比較により、前記回転速度センサが所定の静止状態にあるか否かを判定する。静止状態になっている場合には、前記回転速度センサの自己較正を開始する。このように、静止状態を検出するためのセンサとして回転速度センサ自体を使用することにより、前記自己較正を開始させるために回転速度センサの外部からトリガ信号を供給する必要がなくなる。前記比較と自己較正とを行うためには、比較的簡単な構成の論理素子を設けるだけでよく、たとえば、コンパレータまたは揮発性メモリ等を設けるだけでよい。このような論理素子は有利には、前記回転速度センサの基板上に直接配置される。したがって、従来技術と比較して、前記回転速度センサの較正を行うために外部の較正モジュールを設ける必要がなくなる。閾値を適切に調整することにより、静止状態の要件、すなわち、回転速度センサが静止状態にないと見なされる回転速度の限界を、連続的に調整することができる。

有利な実施形態では、予め定められた時間にわたって回転加速度信号が前記閾値を下回る場合に、前記自己較正を開始する。有利にはこのようにして、自己較正を開始するまでに回転速度センサが静止状態になければならない時間を決定する。前記時間を決定するために有利には、外部から調整可能な時間パラメータを設ける。

１つの有利な実施形態では、前記センサ信号の少なくとも２つの連続するセンサ値の差から、および／または、前記センサ信号の数学的な微分から、前記回転加速度信号を生成する。このようにして有利には、回転速度センサが較正されていなくても、または回転速度センサの較正が不正確であっても、静止状態になっているか否かを判定することができる。

１つの有利な実施形態では、前記回転速度センサの自己較正を行うために、センサ信号の複数のセンサ値を取り込む。その際に有利なのは、前記複数のセンサ値の和のみを記憶することである。またこの実施形態では、前記センサ値の数学的な平均値に依存して新たなセンサオフセット値を計算する。その際に有利なのは、新たなセンサオフセット値と古いセンサオフセット値とに依存してセンサオフセットを計算することである。このようにして、センサオフセット値を簡単に求めることができる。

１つの有利な実施形態では、前記自己較正中に前記回転加速度信号が、予め定められた閾値を超えたことが検出された場合、前記自己較正を中断する。このことにより、自己較正中は前記回転速度センサは静止状態に留まり、前記自己較正中に、回転速度センサの急激な加速度に起因して誤った較正結果が生成されなくなることが保証される。

図面に本発明の実施例を示しており、以下の記載にてこれらの実施例を詳細に説明する。

本発明の第１の実施例の回転速度センサの概略図である。 本発明の第２の実施例の回転速度センサの較正方法の概略的なブロック図である。

本発明の実施例
異なる図において同一の構成要素には、同一の符号を付している。したがって、同一の構成要素については通常、１回のみ言及ないしは説明する。

図１は、本発明の第１の実施例の回転速度センサ１の概略図である。この回転速度センサ１は第１のコリオリ素子３と第２のコリオリ素子３’とを有し、これらのコリオリ素子３，３’は相互に隣接して、かつ基板２の主延在面１００に対して平行に配置されている。第１のコリオリ素子３は第１の駆動手段４によって励振されて第１のコリオリ振動２０を行い、第２のコリオリ素子３’は第２の駆動手段４’によって励振されて第２のコリオリ振動２０’を行う。ここでは、第１のコリオリ振動２０の向きと第２のコリオリ振動２０’の向きとは相互に逆平行であり、かつ、前記主延在面１００に対して平行な第１の軸Ｘに沿っている。前記主延在面１００に対して垂直な回転軸を中心として回転速度２２が存在する場合、前記第１のコリオリ素子３と前記第２のコリオリ素子３’とにコリオリ力が作用する。これらのコリオリ力は、前記回転軸に対して実質的に垂直であり、かつ、前記第１のコリオリ振動２０と前記第２のコリオリ振動２０’の各振動に対して実質的に垂直である。前記第１のコリオリ素子３は前記コリオリ力によって、前記基板２に対して相対的に第１の変位２１を行い、前記第２のコリオリ素子３’は、前記第１の変位２１に対して逆平行な第２の変位２１’を行う。第１の検出手段５によって第１の測定信号２３が、前記第１の変位２１に依存して生成され、第２の検出手段５’によって第２の測定信号２３’が、前記第２の変位２１’に依存して生成される。前記第１の測定信号２３および前記第２の測定信号２３’を差分評価することにより、前記回転速度２２に比例するセンサ信号６を生成する。すなわち、前記センサ信号は前記第１の測定信号と前記第２の測定信号との差から計算される。もちろん、このような実施形態に代えて択一的に、前記回転速度センサ１が１つのコリオリ素子のみを有し、差分評価を行わないように構成することも可能である。さらに、たとえば前記第１の検出手段５ないしは第２の検出手段５’が前記基板２と前記第１のコリオリ素子３ないしは第２のコリオリ素子３’との間に配置されている場合には、前記主延在面に対して平行な回転速度を検出することも考えられる。

さらに、前記回転速度センサ１は差分形成器１０も有する。この差分形成器１０は、前記センサ信号６の少なくとも２つの連続するセンサ値を入力とし、前記少なくとも２つの連続するセンサ値の数学的な差分に相当する回転加速度信号７を生成する。前記回転加速度信号７は、前記回転速度センサ１の実際のダイナミクスを表す尺度である。前記回転速度センサ１がほぼ静止状態にある場合、すなわち回転速度２２が生じていない場合には、前記回転加速度信号７は小さく、それに対して回転速度２２が生じている場合には、前記回転速度センサ１の回転加速度は大きくなる。その代わりに択一的に、前記回転速度センサ１が差分形成器１０に代えて、前記センサ信号６の特性経過の数学的な微分から回転加速度信号７を計算する微分器１０’を有する構成も可能である。回転速度センサ１はさらに、前記回転加速度信号７と予め定められた閾値８とを比較するコンパレータ９も有する。前記回転加速度信号７が所定の時間および／または調整可能な時間にわたって前記閾値８を下回った場合には、回転速度センサ１の自己較正が自動的に開始する。静止状態にあるときのみ前記自己較正を行い、回転速度センサ１の運動によって自己較正が妨害ないしは改ざんされないようにするために、この閾値比較を用いて、回転速度センサ１が静止状態にあるかまたは運動状態にあるかを判定する。前記自己較正プロセス中に前記閾値を突然上回った場合には、この自己較正を中断する。運動が再び検出されなくなったときに初めて、前記自己較正は改めて開始する。このようにして回転速度センサ１は自動的に、すなわち外部のトリガ無しで、連続的に再調整される。このことにより、外部によるセンサオフセットの監視は不要となり、ひいては、回転速度センサ１のセンサオフセットは縮小する。自己較正を行うためにはたとえば、回転速度センサ１１の一時記憶メモリ１１にセンサ信号６の複数のセンサ値を記憶し、これらの記憶された複数のセンサ値から平均値形成器１２によって数学的な平均値を計算する。この一時記憶メモリ１１にはとりわけ、前記複数のセンサ値の数学的な和のみが記憶され、加算された前記複数のセンサ値の数によってこの和を除算することにより平均値を形成する。この平均値は実質的に、回転速度センサ１のセンサオフセットに相当し、この平均値をセンサオフセット１４として、当該回転速度センサ１のオフセットメモリ１３に記憶する。しかし有利には、前記平均値に依存して新たに計算されたセンサオフセット値と、以前のセンサオフセット値とから前記センサオフセット１４を計算することもできる。前記以前のセンサオフセット値はたとえば、時間的に、目下の自己較正を行う前にすでにオフセットメモリ１３に記憶されていたオフセット値である。前記以前のセンサオフセット値はたとえば、工場側で予め調整されたものか、または、先行して行われた自己較正プロセスにおいて求められたものである。自己較正が行われたことをユーザに通知するために、時間的に、当該自己較正を行った後に、割込み信号を割込みインタフェースへ供給する。その代わりに択一的に、前記自己較正を実行中であることをユーザに通知するために、これに対応する割込み信号を出力することも可能である。第１のコリオリ素子３と第２のコリオリ素子３’と第１の駆動手段４と第２の駆動手段４’と第１の検出手段５と第２の検出手段５’とを含む前記回転速度センサ１の測定機構、および、コンパレータ９と差分値形成器１０ないしは微分器１０’と一時記憶メモリ１１と平均値形成器とを含む、自己較正を行うためのモジュールは、有利には、同一の基板２にモノリシック集積されるか、または、ハイブリッド構成で実現される。すなわち、前記測定機構を第１の基板上に配置し、前記自己較正を実行するためのモジュールを第２の基板上に配置し、これら第１の基板および第２の基板を通常のボンディング技術によって相互に直接結合する。

図２に、本発明の第２の実施例による回転速度センサ１の較正方法を、概略的なブロック図で示す。同図の回転速度センサ１はとりわけ、図１に示された回転速度センサ１と同じである。第１の問い合わせ３０において、前記回転速度センサ１の自己較正モードが作動しているか否かを検査する。自己較正モードが作動している場合には、第１のステップ３１において回転加速度信号７と前記閾値８とを比較する。回転加速度信号７が前記閾値８より大きい場合、第１のステップ３１を繰り返す３２。回転加速度信号７が、とりわけ所定の時間にわたって前記閾値８を下回る場合には、第２のステップ３３において回転速度センサ１の自動的な自己較正を開始させる。その際には、第３のステップ３４において前記センサ信号６の複数のセンサ値を取り込み、有利には、これら複数のセンサ値の和を記憶する。その間、第４のステップ３５において常時、回転加速度信号７が前記閾値８を下回ったままであるか否かを監視する。前記回転加速度信号７が前記閾値８を上回ると、前記自己較正を中断し、回転速度センサ１は第１のステップ３１まで戻る３６。前記回転加速度信号７が前記閾値８を下回ったままである場合には、第５のステップ３６にて、センサオフセット値を計算するのに必要な数のセンサ値が集まったか否かを検査する。このセンサオフセット値の計算に必要なセンサ値の数は、有利には自由に設定可能に構成されている。この条件が満たされていない場合には、前記第３のステップ３４を繰り返し３７、さらに他のセンサ値を集める。センサ値が必要な数に達した場合、第６のステップ３８において、取り込まれたこれらのセンサ値の数学的な平均値を形成することにより新たなセンサオフセット値を求める。次に、この新たなセンサオフセット値と、それより前に記憶されたセンサオフセット値とから、新たなセンサオフセット１４を計算する。その次に、回転速度センサ１は最初のステップ３１に戻る。

Claims (11)

1. 基板（２）とコリオリ素子（３，３’）とを有する回転速度センサ（１）であって、
   前記回転速度センサ（１）は、前記コリオリ素子（３，３’）を励振させてコリオリ振動を生じさせるための駆動手段（４，４’）を有し、
   前記回転速度センサ（１）は、前記コリオリ素子（３）に作用するコリオリ力に起因して生じる、前記基板（２）に対する前記コリオリ素子（３，３’）の変位に依存して、センサ信号（６）を生成するための検出手段（５，５’）を有する、回転速度センサ（１）において、
   前記センサ信号（６）に依存して生成された回転加速度信号（７）が閾値（８）を下回る場合、前記回転速度センサ（１）は自己較正を行うように構成されている
   ことを特徴とする回転速度センサ（１）。
2. 前記回転速度センサ（１）は、前記回転加速度信号（７）と前記閾値（８）とを比較するコンパレータ（９）を有する、
   請求項１記載の回転速度センサ（１）。
3. 前記回転速度センサ（１）は、前記センサ信号（６）の少なくとも２つのセンサ値の差から前記回転加速度信号（７）を生成するように構成された差分値形成器（１０）を有し、
   および／または、
   前記回転速度センサ（１）は、前記センサ信号（６）の数学的な微分から前記回転加速度信号（７）を生成するように構成された微分器（１０’）を有する、
   請求項１または２記載の回転速度センサ（１）。
4. 前記回転速度センサ（１）は、前記自己較正を実施するときに前記センサ信号（６）の複数のセンサ値を記憶するように構成された一時記憶メモリ（１１）を有し、
   前記一時記憶メモリ（１１）はとりわけ、前記自己較正を実施するときに前記センサ信号（６）の複数のセンサ値の和を記憶するように構成されている、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の回転速度センサ（１）。
5. 前記回転速度センサ（１）は、前記一時記憶メモリ（１１）に記憶されたセンサ値の数学的な平均値から新たなセンサオフセット値を生成するように構成された平均値形成器（１２）と、オフセットメモリ（１３）とを有し、
   前記オフセットメモリ（１３）は有利には、前記新たなセンサオフセット値と以前のセンサオフセット値とに依存して計算されたセンサオフセット（１４）を記憶するように構成されている、
   請求項４記載の回転速度センサ（１）。
6. 前記回転速度センサ（１）は割込みインタフェースを有し、
   前記回転速度センサ（１）は、前記自己較正の実施中および／または前記自己較正を実施した時間的に後に、前記割込みインタフェースにおいて割込み信号を生成するように構成されている、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の回転速度センサ（１）。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の回転速度センサ（１）の較正方法であって、
   前記コリオリ素子（３，３’）を励振させてコリオリ振動を生じさせ、
   前記コリオリ素子（３，３’）に作用するコリオリ力に起因して生じる、前記基板（２）に対する前記コリオリ素子（３，３’）の変位に依存して、前記センサ信号（６）を生成し、
   前記センサ信号（６）に依存して回転加速度信号（７）を生成し、
   前記回転加速度信号（７）が所定の閾値（８）を下回ることが検出された場合、前記回転速度センサ（１）の自己較正を実施する
   ことを特徴とする較正方法。
8. 前記回転加速度信号（７）が所定の時間にわたって前記閾値（８）を下回る場合、前記自己較正を開始する、
   請求項７記載の較正方法。
9. 前記センサ信号（６）の少なくとも２つのセンサ値の差から、および／または、前記センサ信号（６）の数学的な微分から、前記回転加速度信号（７）を生成する、
   請求項７または８記載の較正方法。
10. 前記回転速度センサ（１）の自己較正を行うために、前記センサ信号（６）の複数のセンサ値を取り込み、有利には、前記複数のセンサ値の和のみを記憶し、
    前記センサ値の数学的な平均値に依存して新たなセンサオフセット値を計算し、
    有利には、前記新たなセンサオフセット値と古いセンサオフセット値とに依存してセンサオフセット（１４）を計算する、
    請求項７から９までのいずれか１項記載の較正方法。
11. 前記自己較正を行っている間に、前記回転加速度信号（７）が前記所定の閾値（８）を上回ったことを検出した場合、当該自己較正を中断する、
    請求項７から１０までのいずれか１項記載の較正方法。

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