JP4741668B2 - ヨーレートセンサの使用開始方法およびヨーレートセンサの使用開始のための回路装置 - Google Patents

Description

本発明は請求項１の上位概念記載のヨーレートセンサの使用開始方法、および、請求項１１の上位概念記載のヨーレートセンサの使用開始のための回路装置に関する。

従来技術
マイクロメカニカルヨーレートセンサは、例えば自動車分野において、電子安定化プログラム機能ＥＳＰまたは揺動および傾動の補償のために用いられている。ヨーレートセンサは、コリオリ効果に基づいて、自動車の高さ軸線または長手軸線を中心とした回転速度を測定している。

以下では、ヨーレートセンサとは、コリオリ加速度を求める測定回路を含まず、駆動回路のみを云うものとする。

マイクロメカニカルヨーレートセンサには、弾性運動可能に懸架された振動部材を１つずつ含む１つまたは複数の機械的振動子が存在している。この機械的振動子は静電駆動力によって周期的に励振され、周期的に振動する。

こうしたヨーレートセンサは例えば独国公開第１０２３７４１０号明細書および独国公開第１０２３７４１１号明細書から公知である。

ヨーレートセンサは振動部材の機械的共振周波数によって駆動される。このため駆動力を形成する駆動信号Ｆ（ｔ）の励振周波数を適切に選定しなければならない。共振周波数では、振動部材の速度と駆動信号Ｆ（ｔ）の励振周波数とのあいだの位相ずれは存在せず、振動部材の偏向状態と駆動信号Ｆ（ｔ）の励振周波数とのあいだの位相ずれは−π／２である。駆動力を形成する駆動信号Ｆ（ｔ）の特性は理想的には正弦波特性である。この場合の正弦波特性は、正弦波がπ／２だけずれた余弦特性を含む。ただし、実際には、たいていの場合に容易に形成可能な矩形波の駆動信号が用いられる。

振動部材に取り付けられた容量性センサにより、振動部材の瞬時偏向状態または瞬時速度が測定され、瞬時偏向状態に比例する信号ｘ（ｔ）または瞬時速度に比例する信号ｖ（ｔ）が送出される。瞬時速度に比例する信号ｖ（ｔ）は適切に増幅され、得られた信号は直接にまたは矩形に整形された後にふたたび駆動力を形成する駆動信号Ｆ（ｔ）として用いられる。瞬時速度に代えて瞬時偏向状態が測定される場合、まず−π／２の位相ずれを例えば付加的な移相器を介して補償し、それから瞬時偏向状態を駆動信号に対してフィードバックしなければならない。

いずれの場合にも、充分な増幅が行われれば、機械的振動子は共振周波数で振動を開始する。振動振幅があまりに大きくなって振動部材が損傷するのを回避するために、振動振幅を測定し、駆動信号Ｆ（ｔ）の振幅Ａ_Ｆを変化させ、設定値へ向かって閉ループ制御しなければならない。

機械的振動子は機械的な主共振周波数のほか高調波の副次共振周波数を有するので、上述した振動部材は主共振周波数ではなく副次共振周波数で振動することがある。この場合はヨーレートセンサの機能が実現されなくなるという重大な問題を生じる。

特に矩形波の駆動信号Ｆ（ｔ）ではこうした効果が発生しやすい。信号ｘ（ｔ）またはｖ（ｔ）は正弦波信号であり、これらはふつう比較器へ供給されてゼロと比較され、矩形波信号が出力される。比較器の増幅度は、入力信号ｘ（ｔ）またはｖ（ｔ）が小さい場合、１０^５を上回るオーダーのきわめて高い値に達する。これにより振動部材の振動の副次共振周波数がきわめて弱くても、望ましくない定常振動が励振されてしまう。

部分的には信号ｘ（ｔ）またはｖ（ｔ）を駆動信号Ｆ（ｔ）へ直接に結合することを省略する手法を用いることができる。こうしたシステムはフェーズロックループ回路ＰＬＬのように動作する。こうしたシステムの例が図１の破線の囲みで示されている。この場合にも、適切な寸法設計や監視が行われないと、副次共振周波数での係止が生じてしまう。

発明の開示および本発明の利点
従来技術の欠点は、冒頭に言及された形式の本発明の方法において、ヨーレートセンサの始動過程すなわちスイッチオン過程のあいだ、ヨーレートセンサの駆動制御回路に影響する成分を考慮し、これを抑圧することによって解決される。つまり本発明では、駆動信号の振幅をヨーレートセンサにとって障害のない安全な一定の設定値へセットし、駆動信号の励振周波数を、機械的振動の主共振周波数を下回る始値から主共振周波数を上回り副次共振周波数を下回る終値へいたるまで連続的に増大し、同時に振動部材の振動の瞬時偏向状態および／または瞬時速度を監視して振動の主共振周波数を求め、駆動信号の励振周波数が終値に達して主共振周波数が求められた後、励振周波数を主共振周波数へセットし、ヨーレートセンサの通常動作のために駆動信号の振幅および励振周波数の閉ループ制御をイネーブルする。

本発明の方法によれば、従来技術に比べて、ヨーレートセンサが副次共振周波数に係止されて振動することを回避できるという利点を有する。本発明の方法ではスイッチオン過程におけるヨーレートセンサの主共振周波数での振動が確実に行われる。

本発明の有利な実施形態によれば、主共振周波数からの偏差が識別され、これに応じて励振周波数を主共振周波数へセットする新たなスイッチオン過程が開始される。このようにして、外部からの電気的障害または機械的障害があっても、ヨーレートセンサの確実な動作が可能となる。本発明によれば、電気的障害または機械的障害が発生した後にも、ヨーレートセンサを再び確実に主共振周波数へ合わせて係止することができる。

ここでは、駆動信号の振幅が設定された最大値を上回る場合にスイッチオン過程が新たに開始される。これは、駆動信号の励振周波数が振動部材の振動の主共振周波数から外れたケースに相当する。この場合、駆動信号の振幅の閉ループ制御を担当する振幅制御回路が駆動信号の振幅を増大することにより、主共振周波数からの偏差に起因する振動部材の偏向状態または速度のきわめて小さい振幅を補償する。

駆動信号の振幅の監視に代えて、駆動信号の励振周波数を直接に監視することもできる。例えば、励振周波数がその増大の始値および終値によって定められる限界範囲を設定された値だけ超過したとき、スイッチオン過程を新たに開始することができる。

また、ヨーレートセンサのスイッチオン過程において求められた主共振周波数を一時記憶することができる。例えば、励振周波数が一時記憶された主共振周波数から設定された値だけ偏差したときスイッチオン過程を新たに開始するか、または、主共振周波数からの偏差が生じたとき新たなスイッチオン過程なしに第１のスイッチオン過程において求められた主共振周波数へ励振周波数をセットすることができる。

本発明の有利な実施形態によれば、駆動信号の振幅が設定された時間より長く設定された最大値を上回る場合、励振周波数が設定された時間を越えて主共振周波数の記憶値から偏差する場合、または、励振周波数が設定値に近似するまでに設定された時間より長い時間がかかる場合に、スイッチオン過程が新たに開始される。

有利には、ヨーレートセンサの給電電圧が連続的に監視され、この給電電圧が設定値を下回る場合にスイッチオン過程が新たに開始される。

基本的には、振動に比例する信号を直接増幅せず、振幅および励振周波数を制御可能な駆動信号の形成のために用いることができる。ここで、スイッチオンに際して、励振周波数への影響および振幅の増幅度への影響が考慮される。

さらに、駆動信号の振幅の監視および励振周波数の監視を組み合わせることもできる。

本発明の実施例
本発明のヨーレートセンサＤＲＳの確実な使用開始のための回路装置が図１に示されている。少なくとも１つの振動部材を含むヨーレートセンサＤＲＳを周期的な駆動信号Ｆ（ｔ）によって励振する駆動回路ＢＳは図１において破線の囲みで示されている。

ヨーレートセンサＤＲＳの振動部材に対する駆動信号Ｆ（ｔ）はドライバ回路ＡＳによってこの信号に比例する駆動力へ変換される。振動部材の振動の偏向状態または速度は検出回路ＤＳによって検出され、この偏向状態または速度に比例する電気信号ｘ（ｔ），ｖ（ｔ）へ変換される。検出回路ＤＳは例えば容量性センサである。駆動回路ＢＳの残りの部分はアナログ素子によって実現してもよいしディジタル素子によって実現してもよい。ディジタル素子によって実現するのであれば、点線で示されている信号変換のためのアナログディジタル変換器Ａ／Ｄおよびディジタルアナログ変換器Ｄ／Ａが必要である。

アナログ電圧制御発振器またはディジタル数値制御発振器ＶＣＯ／ＮＣＯは、振幅制御に用いられるマルチプレクサＭを介してヨーレートセンサＤＲＳの振動部材を駆動する正弦波の振動を形成する。検出回路ＤＳの出力信号ｘ（ｔ）またはｖ（ｔ）は位相比較器ＰＫにおいて発振器ＶＣＯ／ＮＣＯの目標位相信号と比較される。これは、ヨーレートセンサの振動部材が共振するとき位相比較器の出力信号がゼロとなるように行われる。共振周波数では振動の速度に比例する信号ｖ（ｔ）と駆動信号Ｆ（ｔ）とのあいだの位相ずれはなく、振動の偏向状態に比例する信号ｘ（ｔ）と駆動信号Ｆ（ｔ）とのあいだの位相ずれは−π／２である。

位相比較器ＰＫの出力信号は有利には比例積分制御回路（ＰＩ制御回路）として構成される制御回路ＰＩＲ１の入力側に供給される。この制御回路ＰＩＲ１の出力によって発振器ＶＣＯ／ＮＣＯから送出される周波数が制御される。この周波数は、位相比較器ＰＫの出力がゼロとなって共振周波数が得られるように調整される。

並列分岐では信号ｘ（ｔ）またはｖ（ｔ）の振幅実際値Ａ_ｉｓｔが振幅測定器ＡＭによって測定され、振幅目標値Ａ_ｓｏｌｌと比較される。この場合にも有利には比例積分制御回路（ＰＩ制御回路）として構成される制御回路ＰＩＲ２が駆動信号Ｆ（ｔ）の振幅Ａ_Ｆの増幅度を振幅実際値Ａ_ｉｓｔと振幅目標値Ａ_ｓｏｌｌとの一致が維持されるように制御する。

ヨーレートセンサのスイッチオン時には、制御回路ＳＴが送出されるＶＣＯ／ＮＣＯ周波数の監視および駆動信号Ｆ（ｔ）の振幅Ａ_Ｆの監視を担当する。このために有利には制御信号Ｓ_１，Ｓ_２が２つの制御回路ＰＩＲ１，ＰＩＲ２の積分器へ優先的に印加される。このとき２つの制御回路ＰＩＲ１，ＰＩＲ２の正規の入力側への入力による開制御は抑圧される。

駆動信号Ｆ（ｔ）の振幅Ａ_Ｆは制御信号Ｓ_２によりヨーレートセンサの動作にとって障害のない一定値Ａ_ＦＣへ調整される。

また、駆動信号Ｆ（ｔ）の励振周波数に相応する発振器の周波数は制御信号Ｓ_１により周波数始値ｆ_１へ調整される。その後、この周波数は、線形にまたは細かい刻みで段階的に、設定された時間、例えば数十分の１秒にわたって連続的に、周波数終値ｆ_２へ増大される。この過程は周波数掃引とも称される。この場合、振幅測定器ＡＭの出力が制御回路ＳＴによって監視される。制御回路ＳＴは、共振周波数に相応する制御信号Ｓ_１の値、すなわち、駆動信号の振幅の一定値Ａ_ＦＣのもとで観察された、振動の速度または偏向状態に比例する信号ｖ（ｔ），ｘ（ｔ）の振幅実際値Ａ_ｉｓｔの最大値が記憶される。周波数掃引の終了後、制御信号Ｓ_１の記憶値は発振器の前方に配置された制御回路ＰＩＲ１へ伝送され、監視機能は２つの制御回路ＰＩＲ１，ＰＩＲ２ひいては駆動回路ＢＳに再び戻される。これにより励振周波数はヨーレートセンサの振動部材の真の共振周波数にきわめて近似する。こうして周波数および振幅の閉ループ制御が開始され、短い時間の後に確実な振動が発生する。

周波数掃引の始値ｆ_１および終値ｆ_２は振動部材の振動の主共振周波数が確実にこれら２つの値のあいだに位置するように設定される。したがって始値ｆ_１および終値ｆ_２のあいだでは副次共振周波数は発生しない。

通常動作では、制御回路ＳＴが駆動信号Ｆ（ｔ）の振幅Ａ_Ｆを監視する。ヨーレートセンサが障害のために狂い、主共振周波数以外で振動すると、振幅制御回路ＰＩＲ２は振幅実際値Ａ_ｉｓｔの低下を振幅Ａ_Ｆの増大によって補償すべく試みる。制御回路ＰＩＲ２の積分器により、振幅Ａ_Ｆは自然限界または設定された限界値に達するまでずっと増大される。振幅Ａ_Ｆが、設定された時間、例えば１ｓを越えて、選択された最大値Ａ_Ｆｍａｘを上回る場合、スイッチオン過程におけるのと同様に制御回路ＳＴによって振幅および周波数の新たなセットが強制的に行われ、これに応じてヨーレートセンサＤＲＳは再び通常の駆動状態へ戻される。

産業上の利用可能性
本発明は特にヨーレートセンサの製造および駆動に関しており、こうしたセンサの駆動回路に適用可能である。本発明によればＥＳＰ、揺動および傾動の補償、ナビゲーションなどのための将来のヨーレートセンサを低コストに実現可能である。

本発明のヨーレートセンサの使用開始のための回路装置を示す図である。

Claims (14)

1. 機械的振動を励振する少なくとも１つの振動部材を含むヨーレートセンサ（ＤＲＳ）の駆動を制御するために、振動部材の瞬時速度または瞬時偏向状態に比例する信号（ｖ（ｔ），ｘ（ｔ））を増幅し、振動部材を駆動する駆動信号（Ｆ（ｔ））として用いる、
   ヨーレートセンサの使用開始方法において、
   ヨーレートセンサの第１のスイッチオン過程のあいだ、駆動信号（Ｆ（ｔ））の振幅（Ａ_Ｆ）を一定の設定値（Ａ_ＦＣ）へ定め、駆動信号の励振周波数を、振動の主共振周波数を下回る始値（ｆ_１）から主共振周波数を上回り副次共振周波数を下回る終値（ｆ_２）へいたるまで連続的に増大し、同時に振動部材の瞬時偏向状態（ｘ（ｔ））および／または瞬時速度（ｖ（ｔ））を監視して振動の主共振周波数を求め、駆動信号の励振周波数が終値に達して主共振周波数が求められた後、励振周波数を主共振周波数へセットし、駆動信号の振幅および励振周波数の制御をイネーブルする
   ことを特徴とするヨーレートセンサの使用開始方法。
2. 駆動信号（Ｆ（ｔ））の振幅（Ａ_Ｆ）が設定された時間にわたって設定された最大値（Ａ_Ｆｍａｘ）を上回る場合に第２のスイッチオン過程を新たに開始する、請求項１記載の方法。
3. 駆動信号（Ｆ（ｔ））の励振周波数が前記始値（ｆ_１）および前記終値（ｆ_２）によって設定される限界範囲を設定値ぶんだけ超過する場合に、第２のスイッチオン過程を新たに開始する、請求項１記載の方法。
4. ヨーレートセンサの前記第１のスイッチオン過程において求められた主共振周波数を一時記憶する、請求項１記載の方法。
5. 駆動信号の励振周波数が設定された時間を越えて主共振周波数の記憶値から設定値ぶんだけ偏差する場合に第２のスイッチオン過程を新たに開始する、請求項４記載の方法。
6. 駆動信号の励振周波数が設定値に近似するまでに設定された時間より長い時間がかかる場合に第２のスイッチオン過程を新たに開始する、請求項１記載の方法。
7. ヨーレートセンサの給電電圧を監視し、該給電電圧が設定値を下回る場合に第２のスイッチオン過程を新たに開始する、請求項１記載の方法。
8. ヨーレートセンサ（ＤＲＳ）の振動部材の振動を励振するための駆動信号（Ｆ（ｔ））を振動部材の瞬時速度または瞬時偏向状態に比例する信号（ｖ（ｔ），ｘ（ｔ））に基づいて形成する手段（ＶＣＯ／ＮＣＯ，ＰＩＲ１，ＰＩＲ２，ＰＫ，ＡＭ，Ｍ）を備えた駆動制御回路（ＢＳ）と、
   ヨーレートセンサの第１のスイッチオン過程において振動部材の振動の主共振周波数を求める手段と、
   第１のスイッチオン過程の終了後に主共振周波数を駆動制御回路に供給する手段と、
   が設けられている
   ヨーレートセンサの使用開始のための回路装置において、
   前記主共振周波数を求める手段は、
   駆動信号に一定の振幅を形成する手段（ＳＴ，Ｓ _２ ）と、
   駆動信号の励振周波数を連続的に始値（ｆ _１ ）から終値（ｆ _２ ）へ増大させる手段（ＳＴ，Ｓ _１ ）と、
   励振周波数の増大中に振動部材の瞬時速度および／または瞬時偏向状態を監視する手段と、
   振動部材の瞬時速度および／または瞬時偏向状態が最大値に達したときの励振周波数を求める手段と
   を有する
   ことを特徴とするヨーレートセンサの使用開始のための回路装置。
9. 駆動信号（Ｆ（ｔ））の振幅（Ａ _Ｆ ）が設定された時間にわたって設定された最大値（Ａ _Ｆｍａｘ ）を上回る場合に第２のスイッチオン過程を新たに開始する手段が設けられている、請求項８記載の回路装置。
10. 駆動信号（Ｆ（ｔ））の励振周波数が前記始値（ｆ _１ ）および前記終値（ｆ _２ ）によって設定される限界範囲を設定値ぶんだけ超過する場合に、第２のスイッチオン過程を新たに開始する手段が設けられている、請求項８記載の回路装置。
11. ヨーレートセンサの前記第１のスイッチオン過程において求められた主共振周波数を一時記憶する手段が設けられている、請求項８記載の回路装置。
12. 前記励振周波数が設定された時間を越えて主共振周波数の記憶値から設定値ぶんだけ偏差する場合に第２のスイッチオン過程を新たに開始する手段が設けられている、請求項１１記載の回路装置。
13. 励振周波数が設定値に近似するまでに設定された時間より長い時間がかかる場合に第２のスイッチオン過程を新たに開始する手段が設けられている、請求項８記載の回路装置。
14. ヨーレートセンサの給電電圧を監視し、該給電電圧が設定値を下回る場合に第２のスイッチオン過程を新たに開始する手段が設けられている、請求項８記載の回路装置。

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