JP3761111B2 - 角速度測定装置と角速度測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、
角速度で回転するトランスデューサと、
励振信号に応答して、１つの寄生成分と、前記角速度を表す振幅を有する少なくとも１つの有効成分とを含む機械的振動を前記トランスデューサに発生させる手段と、
前記の機械的振動を表し、やはり１つの寄生成分と前記の角速度を表す振幅を有する少なくとも１つの有効成分とを含む電気検出信号を生成する手段とを含む角速度測定装置に関する。
【０００２】
本発明はさらに、検出信号の有効成分の測定を容易にするために、励振信号と検出信号を処理する方法に関する。
【０００３】
本発明は特に、音叉に作用するコリオリの力による、励振信号に応答して音叉ジャイロメータによって与えられる電気検出信号の有効成分の決定に適用される。
【０００４】
【従来の技術】
音叉ジャイロメータは、寸法が小さくて廉価であるため、回転体の角速度決定に多用される傾向がある。長い間、複雑で高価なジャイロスコープが特に航空機またはミサイルの中で使用されており、これらは航空機またはミサイルの固定基準に対する方向づけを追跡するために使用される。
【０００５】
しかし、音叉ジャイロスコープに関係する小型化の可能性によって、特に自動車の分野において新たな適用が企図された。この場合、これらをすべり止め装置または平衡修正装置の中に組み込むこともできる。
【０００６】
水晶音叉を使用する角速度測定装置が、本出願人のヨーロッパ特許ＥＰ−Ｂ−０５１５９８１号に詳しく記載されている。水晶音叉ジャイロメータでは、音叉のアームは励振信号を加えるための電極と、縦軸の周りに回転する間の音叉の応答に対応する検出信号を検出するための電極とを備えている。
【０００７】
最新のいくつかの資料、特にヨーロッパ特許ＥＰ０４９４５８８号の明細書は、音叉ジャイロメータの正しい操作が、一方では励振信号と検出信号との間の結合を最小にすることのできる音叉に対する励振電極と検出電極の実行に依存し、また他方では、ジャイロメータが動いている間のコリオリの力による、一般的には非常に小さい有効成分を完全に活用するように音叉に関連する電子処理手段の質に依存するものと仮定している。
【０００８】
しかしながら、周知のジャイロメータは、現状では、コリオリの力に相当する検出信号の有効部分の測定が困難であるために不利であることが知られている。これはジャイロメータの回転速度が低いときには特にそうである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、トランスデューサによって得られる検出信号の有効部分を、十分な分解能で分離し、決定できるようにするコリオリの力の使用に基づく角速度測定装置を提案することによって、上記の不都合を是正することである。
【００１０】
本発明の他の１つの目的は、検出された有効信号の測定中にさらに高い分解能を有する上述の形式の角速度測定装置を提案することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この趣意で、本発明が対象とする角速度測定装置は、
角速度で回転するトランスデューサと、
励振信号に応答して、１つの寄生成分と、前記の角速度を表す振幅を有する少なくとも１つの有効成分とを含む機械的振動をトランスデューサに発生させる手段と、
前記の機械的振動を表し、やはり１つの寄生成分と前記の角速度を表す振幅を有する少なくとも１つの有効成分とを含む電気検出信号を生成する手段と
を含み、
電気検出信号の寄生成分は除去され、振幅が電気検出信号の有効成分のみに依存するアナログ測定信号を前記の電気検出信号から得るための処理手段を含み、その処理手段は検出信号と励振信号をミキシングする手段を含み、さらにそのミキシングする手段の入力部に接続され、励振信号と検出信号との間の初期移相とは独立したアナログ測定信号を出すことができ、その結果生じる測定信号の振幅が測定すべき角速度に比例する値を示す移相器を含むことを特徴とする。
【００１２】
これらの信号アナログ処理手段が低域フィルタを有することが有利である。この低域フィルタはミクサの出力部で接続され、励振信号の周波数より高い周波数を有する混合された信号の成分を除去するために選択されるカットオフ周波数を有する。さらにまた、移相器として使用される増幅器と全域フィルタが、励振信号と検出信号との間の初期移相に対する測定信号の依存性を除去するために、ミキサに続いて接続されており、その結果生じる測定出力信号の振幅が測定すべき角速度に比例する値を示す。
【００１３】
処理手段は低域フィルタ手段と移相手段に関連し、その結果、角速度と基準信号の振幅との関数である振幅を有し、したがって検出信号の寄生成分とは独立している出力信号を生成する励振信号と検出信号を基準信号にそれぞれミキシングする手段を含むことが好ましい。このような場合、基準信号は、角速度の測定信号の分解能を増加することのできる十分に大きな振幅によって選択される。
【００１４】
これから本発明の目的と特徴を、添付の図面を参照して限定されない例としてさらに詳細に説明する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
ここで図１を参照すると、ジャイロメータで使用される形式の音叉１の一例が示されている。音叉１が図１Ａに縦断面図として示され、これは基本的に、２つのアーム５、７に接触固定されたベース３を含み、この組立品は水晶圧電材料で作られている。図１Ｂによって横断面で示されているように、各アーム５、７は電極９、１１を有する。励振アーム（Ｅ）５は４つの励振電極９を有するが、ただ１つだけに参照符号を付けてある。これらの電極は電気信号±Ｖが加えられ、励振されて矢印１３で示すように第１平面内において音叉１のアーム５、７を機械的に振動させる。同様に検出アーム（Ｄ）７は１つだけに参照符号が付けられた４つの検出電極１１を有する。これらの検出電極は、検出アームの機械的振動を電気検出済み信号に変換することができる。
【００１６】
音叉ジャイロメータの原理によれば、励振信号が励振電極（Ｅ）９に印加されているときに、音叉１がその縦軸１５の周りに回転運動をすると、この回転運動は、この励振に直角のコリオリの力を発生させ、この結果として矢印１７で示すように、励振振動の平面に直角の平面内における少なくとも検出アーム（Ｄ）７の振動を発生させる。
【００１７】
この機械的振動は、音叉１の圧電水晶によって電気信号に変換され、この電気信号は音叉１の検出電極７によって検出される。
【００１８】
本発明では、音叉１の励振電極９と検出電極１１の音叉の最適電気応答を発生させるような位置決めの問題は検討しないことにする。この問題は、最新の技術分野に属する既述の資料で検討され、解決されている。これに対して本発明は、電気励振信号と検出信号を電子的に処理する方法に関係するもので、また検出信号の有効成分すなわちコリオリの力による成分を分離して測定するように、前記の方法に付随する手段、及び新たな適用に音叉を使用できるようにするために十分な分解能と速度を有する前記の手段に関する。
【００１９】
この趣意で、図２を参照すると、この図には、励振信号と検出信号の電子処置回路に関連する図１の音叉に相当する音叉１が略図で示されている。
【００２０】
周知の方法で、音叉１の励振電極９は、ループ１９によって略図で示されている共振回路の中に結合され、この共振回路には増幅器２１によって直流が供給される。ここで検出信号（ＤＥＴ）が検出電極１１の端子に検出される。
【００２１】
続く考察を簡単にするために、励振信号（ＯＳＣ）は正弦波であり、検出信号（ＤＥＴ）は、励振信号に対して角ψ０だけ移相された、寄生成分とコリオリの力に相当する有効成分との重ね合わせに該当すると想定する。この条件の下で、信号ＯＳＣとＤＥＴは次の等式を満足する。
（１）ＯＳＣ＝Ａ・ｓｉｎ（ω０ｔ＋ψ０）
ただし、Ａは励振信号の振幅、ω０はその角周波数、そしてψ０は検出信号に対する初期移相であり、及び
（２）ＤＥＴ＝Ｂ・ｓｉｎ（ω０ｔ）＋Ｃ・ｃｏｓ（ω０ｔ）
ただし、第１項は音叉のアーム間の容量性機械的結合に起因する有害信号を表し、第２項はコリオリの力に起因する有効信号を表し、その振幅Ｃは測定されるべき振幅であり、音叉の回転速度Ωに比例する。
【００２２】
励振信号ＯＳＣと検出信号ＤＥＴとの間の移相ψ０は、与えられた音叉については一定であり、図１に示すような音叉については一般的に約５６°であることに、さらに注目すべきである。
【００２３】
検出信号ＤＥＴは、次の等式にしたがって定義することのできる位相変調信号として現れる。
（３）ＤＥＴ＝（Ａ²＋Ｂ²）^1/2・ｓｉｎ（ψ（ｔ））
ただし、ψ（ｔ）＝ω０ｔ＋Ψ、ここでΨ＝ａｒｃ ｔａｎ Ｃ／Ｂ
【００２４】
実際には、検出信号の有効成分の振幅Ｃは、約５０°／秒の回転速度Ωについては有害結合成分の振幅Ｂよりもはるかに小さく、したがってＣ／Ｂ比は一般的には約１／５０であり、これは約１°という非常に小さい移相角ψに相当するもので、測定して音叉１の回転速度Ωを決定するために使用するには困難であることが指摘されている。
【００２５】
したがって、本発明の原理は、検出された信号に有効成分の振幅Ｃをより容易に抽出できるように、信号ＯＳＣとＤＥＴのアナログ処理を提供することを意図する。
【００２６】
本発明の第１実施形態によれば、図２にブロック２３で概略的に示すように、このアナログ処理は、信号ＯＳＣとＤＥＴをアナログ掛け算器に送ることにある。結果として得られる信号Ｓ（ｔ）は下記の関係式（４）に相当する。

したがって：

【００２７】
本発明によれば、信号ＯＳＣとＤＥＴのミキシングの次に、ω０の倍数値を除去するように適切なカットオフ周波数を含む全域フィルタが続く。角周波数ω０が例えば８ｋＨｚの周波数に該当するように選択される場合には、１６ｋＨｚでＳ（ｔ）の成分を濾過することで十分である。残るものは、上記の関係式（４）にしたがう信号Ｓ’（ｔ）である。
（５）Ｓ’（ｔ）＝Ａ・Ｂ／２・ｃｏｓψ０＋Ａ・Ｃ／２・ｓｉｎψ０
【００２８】
信号ＯＳＣとＤＥＴは、これらのミキシングの前に、これらの移相をπ／２に固定できるようにする全域フィルタ移相器を使用して、移相されることが好ましい。こうしてＯＳＣとＤＥＴが直角位相にあると、これらのミキシングと濾過の結果は、関係式（６）すなわちＳ”（ｔ）＝Ａ・Ｃ／２を満足する信号Ｓ”（ｔ）となり、この振幅は有効成分の振幅Ｃに比例し、そして角速度Ω（ｔ）を表し、これが測定されるべきものである。
【００２９】
この結果、速度を、励振信号ＯＳＣの振幅Ａと検出信号ＤＥＴの有効成分の振幅Ｃによってのみ、しかも検出信号の寄生成分とは独立して、上記のアナログ処理のおかげで決定することもできる。
【００３０】
次に図３を参照すると、信号ＯＳＣ＝Ｖ₁（ｔ）及びＤＥＴ＝Ｖ₂（ｔ）から、上に定義したようなアナログ信号Ｓ”（ｔ）を発生させることのできる電子装置の一実施形態が略図で示されている。
【００３１】
図３に示す電子装置は主として、音叉１に励振信号ＯＳＣを供給する発振器ステージ２５と、音叉の角速度を測定できるようにする出力信号Ｓ”（ｔ）を生成するために励振信号ＯＳＣと検出信号ＤＥＴを使用するアナログ処理ステージ２７を含む。
【００３２】
発振器ステージ２５は、周知の様式では、全域フィルタ３１の入力側に接続された出力側を有する増幅器２９を含む。基準電流源３７（ＲＥＦＩ）を使用する電流積算調整器３５と直列に整流器３３を含むフィードバック・ループは、励振信号ＯＳＣの振幅を測定し、この振幅を一定に維持するため及びこれを所定の値に調整して発振器ステージによって提供される励振信号ＯＳＣのレベルを安定化するために、増幅器２９の振幅Ａ₀ に作用する。整流器３３の入力側とアースとの間に接続された抵抗Ｒ１によって、音叉１を通過して流れる電流の表示を得ることができる。
【００３３】
アナログ処理ステージ２７は、励振信号ＯＳＣと検出信号ＤＥＴそれぞれの増幅器３８、３９を含む。これらの増幅器の出力側はそれぞれ、特に全域フィルタによって実現された移相手段４１、４３に接続されており、増幅された信号ＯＳＣとＤＥＴを直角位相にすることができる。移相器４１、４３の出力側は、上記の等式（４）にしたがってミックスされた信号を出力側で供給するアナログ・ミクサ４５の入力側に接続されている。この信号は、励振信号の周波数の倍数である周波数を除去し、また上記の等式（６）にしたがって信号Ｓ”（ｔ）を供給する低域フィルタ４７に伝達される。
【００３４】
装置の分解能ΔΩ（°／Ｓ）を向上するために、本発明が、励振信号ＯＳＣと検出信号ＤＥＴのより大きな振幅を有する第３基準信号ＲＥＦとのダブル・ミキシング技法の使用を可能にすることは好ましい。
【００３５】
本発明のこの好ましい実施形態を図４に略図で示す。この図では信号ＯＳＣとＤＥＴの処理ステージのみを示した。信号ＯＳＣ＝Ｖ₁（ｔ） はミクサ４９内で信号ＲＥＦ＝Ｖ₃（ｔ）とミキシングされ、結果として得られる信号はＵ₁（ｔ）で示される。さらに、信号ＤＥＴ＝Ｖ₂（ｔ） もミクサ５１内で基準信号と、特に同じ信号ＲＥＦ＝Ｖ₃（ｔ）とミキシングされ、結果として得られる信号はＵ₂（ｔ）で示される。それから信号Ｕ₁（ｔ）とＵ₂（ｔ）は増幅器手段５３、５５によって処理され、対応するアナログ処理回路によって、図３に関連して説明したものと類似の方法で、全域フィルタ５７、５９を通って実現された移相手段によって移相される。それから全域フィルタ５７、５９から来る信号は、新しい増幅器６１に伝達され、増幅器６１の出力は低域フィルタ６３に伝達され、低域フィルタ６３は音叉１の角速度の測定信号Ｓ”（ｔ）を供給する。
【００３６】
次の関係式（７）：
（７）Ｖ₃（ｔ） ＝Ｒ・ｃｏｓ［（ω＋Δω）ｔ）］
にしたがって基準信号Ｖ₃（ｔ）を選択し、信号ＯＳＣとＤＥＴのために先の関係式を保存することによって、下記が得られる。
（８）Ｕ₁（ｔ） ＝Ａ・Ｒ／２・ｃｏｓ（Δωｔ−ψ）及び
（９）Ｕ₂（ｔ） ＝Ｂ・Ｒ／２・ｃｏｓΔωｔ＋Ｃ・Ｒ／２・ｓｉｎΔωｔ
次に、上に説明した濾過と移相の後に、そしてミクサ６１におけるミキシングの後に、Ｓ”（ｔ）が得られ、これは下記の関係式（１０）に相当する。
（１０）Ｓ”（ｔ）＝Ａ’・Ｃ’／２
ただし、Ａ’＝Ａ・Ｒ／２、そしてＣ’＝Ｃ・Ｒ／２であり、したがって
（１１）Ｓ”（ｔ）＝（Ａ・Ｃ／２）・（Ｒ²／４）
この結果、音叉１の角回転速度の測定信号Ｓ”（ｔ）は上述のダブル・ミクサ技法によって、検出信号の有効成分の振幅Ｃに常に比例するが、ダブル・ミクサ技法なしの実施形態に関しては、これはさらに項（Ｒ²／４）によって乗算されることになる。測定信号Ｓ”（ｔ）の振幅を増加するように、２ボルト以上である振幅Ｒを有する基準信号を選択することで十分である。したがって、十分に大きな振幅を有する基準信号ＲＥＦを選択することによって、角速度の測定の分解能を望み通りに増加することが可能になる。
【００３７】
さらにまた、本発明による装置は、上述のヨーロッパ特許ＥＰ−Ｂ−０５１５９８１号に記載されているような角速度測定装置のディジタル回路と組み合わせて使用することもできるのは有利である。信号Ｖ₁（ｔ）とＶ₂（ｔ）とが、上述のような信号のアナログ処理を通るのではなく、関係式（１０）に該当する信号Ｓ”（ｔ）を得るように基準信号Ｖ₃（ｔ） とミキシングされると、出力信号は、この信号をディジタル化するようにカウンタを通される。上述の特許で説明されたように、装置は角速度の測定信号をサンプリングするために基準クロック信号を使用する。装置の分解能は、角速度の測定信号の周波数とクロック信号の周波数との間の関係によって決定される。測定信号の周波数がクロック信号の周波数に対して低いほど、分解能は高い。
【００３８】
しかしながら、クロック信号の周波数は例えば２０ＭＨｚに固定され、そしてこれをディジタル回路による消費量を増加することなく容易に変更してはならない。したがって、角速度の測定信号の周波数を低下できることが好ましい。こうして、本発明による装置は、これを基準信号ＲＥＦを通じて行うことができる。実際に、信号Ｓ”（ｔ）は（ω−Δω）に比例する周波数を有するので、測定信号の周波数が低くなるようにΔωをωに近く選択してもよい。例えば、振動信号ＯＳＣの周波数が約８ｋＨｚである場合には、約１ｋＨｚになる信号Ｓ”（ｔ）の周波数を得るように、基準信号ＲＥＦの周波数は約７ｋＨｚに選択されることになる。こうして分解能は、上記のヨーロッパ特許ＥＰ−Ｂ−０５１５９８１号に記載された装置によって得ることのできる分解能に対して８倍増加することになる。
【００３９】
このことから、本発明による角速度測定装置は、一方では、検出信号の有効成分にのみに依存する出力信号を供給できるようにして、また他方では、出力信号の振幅を増加するか、または角速度測定の分解能を増加するように出力信号の周波数を低下できるようにして、その目的に到達する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 いくつかのジャイロメータにおいて使用されるような音叉の平面図と断面図である。
【図２】 本発明による角速度測定装置の概略図である。
【図３】 本発明による角速度測定装置の第１実施形態のより詳細な図である。
【図４】 本発明による角速度測定装置の他の実施形態の概略図である。
【符号の説明】
１ 音叉
３ ベース
５ 励振アーム（Ｅ）
７ 検出アーム（Ｄ）
９ 励振電極
１１ 検出電極
２５ 発振器ステージ
２７ アナログ処理ステージ
２９ 増幅器
３１ 全域フィルタ
３３ 整流器
３５ 電流積算調整器
３７ 基準電流源
３８ 増幅器
３９ 増幅器
４１ 移相手段
４３ 移相手段
４５ アナログ・ミクサ
４７ 低域フィルタ

Claims (10)

1. 角速度測定装置において、
   ある角速度で回転するトランスデューサ（１）と、
   励振信号（ＯＳＣ）に応答して、１つの寄生成分と、前記の角速度を表す振幅を有する少なくとも１つの有効成分とを含む機械的振動を前記のトランスデューサ（１）に発生させる手段（９）と、
   前記の機械的振動を表し、やはり１つの寄生成分と前記の角速度を表す振幅を有する少なくとも１つの有効成分とを含む電気検出信号（ＤＥＴ）を生成する手段とを含み、
   さらに、前記電気検出信号（ＤＥＴ）から振幅が電気検出信号（ＤＥＴ）の有効成分のみに依存し、電気検出信号の寄生成分は除去されたアナログ測定信号（Ｓ”）を得るための処理手段（２３）を含み、その処理手段（２３）は検出信号（ＤＥＴ）と励振信号（ＯＳＣ）をミキシングする手段（４５、４９、５１、６１）を含み、さらにそのミキシングする手段（４５、６１）の入力部に接続され、励振信号と検出信号との間の初期移相とは独立したアナログ測定信号（Ｓ”）を出すことができ、その結果生じる測定信号（Ｓ”）の振幅が測定すべき角速度に比例する値を示す移相手段（４１、４３、５７、５９）を含むことを特徴とする角速度測定装置。
2. 前記のトランスデューサ１が水晶音叉であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記の信号アナログ処理手段（２３）が低域フィルタ（４７、６３）を含み、この低域フィルタは前記のミキシング手段（４５、６１）の出力側に接続され、励振信号の周波数より高い周波数を有する混合された信号の成分を除去するように選択されたカットオフ周波数を有することを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 励振信号、検出信号、または測定信号、あるいはそれらの組合せの増幅手段（３８、３９、５３、５５）を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記の処理手段（２３）が、それぞれ励振信号（ＯＳＣ）と検出信号（ＤＥＴ）を基準信号（ＲＥＦ）とミキシングする手段（４９、５１）を含み、これらの手段は低域濾過手段（６３）または移相手段（５７、５９）もしくはこれらの両方に関連し、その結果トランスデューサの角速度と基準信号の振幅との関数である振幅を有する出力信号（Ｓ”）を生成することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記の処理手段（２３）が、それぞれ励振信号（ＯＳＣ）と検出信号（ＤＥＴ）を基準信号（ＲＥＦ）とミキシングする手段（４９、５１）を含み、これらの手段は低域フィルタ手段（６３）または移相手段（５７、５９）もしくはこれらの両方に関連し、その結果トランスデューサの角速度と基準信号の周波数との関数である振幅を有する出力信号（Ｓ”）を生成することを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の装置。
7. 前記の基準信号（ＲＥＦ）が、角速度の測定信号（Ｓ”）の分解能を増加することのできる十分に高い振幅（Ｒ）を有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. その角移動によるコリオリの力を受けているトランスデューサ１の角速度を測定する方法において、
   トランスデューサの角速度を表す有効成分と寄生成分を含む検出信号（ＤＥＴ）を応答として発生させることのできるトランスデューサ１に、電気励振信号（ＯＳＣ）を印加するステップと、
   前記検出信号を検出するステップと
   を含み、さらに
   励振信号（ＯＳＣ）を検出信号（ＤＥＴ）とミキシングするステップと、
   前記の有効成分を表す振幅を有するが、前記の寄生成分とは独立した出力信号（Ｓ”）を生成するように、励振信号（ＯＳＣ）、検出信号（ＤＥＴ）、またはミキシングされた信号あるいはそれらの組合せを処理するステップ
   を含むことを特徴とする方法。
9. 励振信号（ＯＳＣ）と検出信号（ＤＥＴ）との間の初期移相に該当する値によって、励振信号と検出信号を移相するステップと、
   移相された信号とミキシングされた出力信号の励振信号の周波数より高い周波数を有する成分を濾過によって除去し、角速度の関数である振幅を有する出力信号（Ｓ”）を得るステップと
   をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 角移動によるコリオリの力を受けているトランスデューサ１の角速度を測定する方法において、
    トランスデューサ１の角速度を表す有効成分と寄生成分とを含む検出信号（ＤＥＴ）を応答として発生させることのできるトランスデューサ１に電気励振信号（ＯＳＣ）を印加するステップと、
    前記の検出信号を検出するステップと
    を含み、さらに
    励振信号（ＯＳＣ）と検出信号（ＤＥＴ）とを基準信号（ＲＥＦ）とミキシングするステップと、
    励振信号と検出信号との間の初期移相に該当する値によって、ミキシングされた信号を移相するステップと、
    ミキシングされた信号と移相された信号を濾過して、励振信号の周波数より高い周波数を有する移相された信号の成分を除去するステップと、
    得られた濾過された信号をミキシングして、出力信号を得、かつ前記の出力信号を濾過して、角速度の関数であるが前記の寄生成分とは独立した振幅を有する測定信号を得るステップと
    をさらに含むことを特徴とする方法。

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