JP5372244B2 - ヨーレートセンサのためのセルフテスト - Google Patents

Description

本発明は、可動質量体構造部と、駆動要素と、評価要素とを含み、前記駆動要素は、可動質量体構造部を運動中にずらす及び／又は保持するように適合化され、前記評価要素は、角速度に対する可動質量体構造部のリアクションを検出するように適合化されている、ヨーレートセンサに関している。また本発明は、可動質量体構造部を駆動するステップと、直交成分制御ループの給電箇所において直交成分制御ループに検査信号を給電するステップと、可動質量体構造部の偏倚量をフィードバックするステップと、可動質量体構造部からフィードバックされた度量（尺度量）を検出するステップと、直交成分制御ループからの応答信号を読出すステップとを含んだヨーレートセンサの機能性検査方法に関している。

従来方式のセンサ、例えばＤＥ１０２００５００４７７５Ａ１明細書に記載されているセンサでは、応答信号（若しくは検査信号）のための読出し箇所が、可動質量体構造部の偏倚量をフィードバックするための調整部材と、検査信号を供給するための給電箇所との間に設けられていない。そのような従来方式のセンサにおける欠点は、前記給電箇所と読出し箇所との間の、直交成分をコントロールしている制御ループ区間が、機能性検査によって把握できないことである。

発明の開示
そこで本発明が基礎とする課題は、このような従来技術の欠点に鑑み、より改善された機能性検査を提供することにある。この課題は請求項１の特徴部分に記載された本発明によるヨーレートセンサと、請求項５の特徴部分に記載された本発明による方法とによって解決される。これらの本発明によれば、検査信号の処理方向に関連して、応答信号のための読出し箇所が、検査信号のための読出し箇所と、可動質量体構造部の偏倚量をフィードバックするための調整部材との間に配設されることによって従来技術では得られなかった利点が得られるようになる。

本発明の有利な実施形態は従属請求項にも記載されている。

本発明の有利な実施形態によれば、可動質量体構造部への検査信号の給電に対して、別のアクチュエータ、特に別の電極が直交成分の補償のための要素として設けられている。これによりコストが低減される。

また有利には、前記検査信号が、実質的に平均ゼロの特性を有する応答信号を引き起こすために利用される。これにより、オフセットエラーが回避される。

さらに本発明の別の有利な実施形態によれば、検査信号のレベルと、該検査信号の処理ループを介して引き起こされる応答信号のレベルとの間の関係が線形となっている。これにより、さらなるオフセットエラーの回避が達成される。

本発明の方法によれば、検査信号の処理方向に関連して応答信号の読出しが、検査信号の給電箇所と、可動質量体構造部のフィードバック箇所との間で行われる。これにより、直交成分制御ループにおける全ての区間が検査可能となる。

本発明の有利な実施形態によれば、前記応答信号のパワースペクトルの主要部分が、角速度情報のための出力フィルタの帯域幅の上方に存在するようになる。これにより検査信号と有効信号（検出信号）の間のクロストークが回避される。

本発明の別の実施形態によれば、応答信号のパワースペクトルの主要部分が、直交成分制御ループの帯域幅の上方に存在するようになる。これによっても、検査信号と有効信号（検出信号）の間のクロストークが回避されるものとなる。

本発明のさらに別の実施形態によれば、前記検査信号の周波数が、直交成分制御ループの制御時定数の逆数よりも小さくなる。これにより機能性検査の制度が向上する。

有利には、前記検査信号は、正弦波状の経過特性を有している。これにより、電磁障害が低減する。

更に有利には、前記検査信号は、直交成分制御ループの逆の作動点依存性に相応して調整される。これによってＳＮ比の変動性がセーブされるようになる。

以下では本発明の有利な実施態様を図面に基づいて説明する。

本発明によるヨーレートセンサの第１実施例の概略的なブロック回路図 本発明によるヨーレートセンサの第２実施例の概略的なブロック回路図 本発明によるヨーレートセンサの第３実施例の概略的なブロック回路図

実施例
マイクロメカニカルなヨーレートセンサ１０（振動ジャイロ）では、外力によって発生した物体の角速度（ヨーレート）Ωを検出するためにコリオリ効果が利用されている。それに対しては、センサ１０の可動な質量体構造部１２の第１方向ｘの動きが速度ｖに変換される。これは、周波数ω_Aの駆動振動１４を用いて行われる。可動の質量体構造部１２は、駆動用質量体１６と検出用質量体１８を含み、駆動用質量体１６の有利な振動方向ｘは、検出用質量体１８の有利な振動方向ｙに対して垂直方向に配向される。検出用質量体１８を有利な振動方向ｙでバネ装置を用いて機械的に結合２０することによって、駆動用質量体１６に作用するコリオリ力Ｆ_Cが検出用質量体１８に伝達される。このコリオリ力Ｆ_Cは質量体構造部１２の角速度Ωに基づいて発生している。一般に、２つの振動方向ｘ、ｙの正確な直交性は厳密には存在し得ないので、駆動用質量体１６の偏倚に起因して第２の（前記コリオリ力Ｆ_Cとは異なった）応力成分Ｆ_Q（直交成分）が検出用質量体１８の有利な振動方向ｙに沿って発生する。このコリオリ成分と直交成分は、互いに９０°位相がずれているため、これらの２つの成分Ｆ_C，Ｆ_Qは、別々に求めることが可能である。詳細には駆動周波数ω_Aを用いた復調２４，２６によって求めることができる。復調器２４は、直交信号２８を生成する。移相器２７を用いて９０°位相のずらされた検出信号３２の復調によって復調器２６からは角速度Ωに比例した測定信号３０が供給される。検出信号３２の検出は、開ループ又は閉ループ構成を用いて行われる。積分制御器３６の出力信号３４は、電圧に変換された出力信号３４（直交信号）を直交成分補償電極３８に与えることによって、直交成分Ｆ_Qの要因に対抗し得る。相応に形成された電極構造を用いることによって、偏倚量ｘに比例する横方向応力が生成され、駆動振動１４の方向は、その応力作用Ｆ_qが検出振動４０に対して消滅するまで転回される。

機能性検査のために、検査信号供給アンテナ２２を用いて、周期的な検査信号４２が提供される。この信号は周期的なパルス若しくは正弦波状の経過特性を有しており、直交成分制御ループ４４に供給されている（図１参照）。この有効信号は、典型的には全く悪影響を及ぼさないか、許容範囲内でしか作用を及ぼさないため、当該機能性検査は途切れることなく連続して、すなわち永続的に行うことができ、機能性検査を目的とした有効信号の検出を中断する必要性はない。ここではまず第１の方法ステップとして、検査信号４２を、積分制御器３６の出力信号３４に加算することから開始される。それに続く、後続ステップでは、個々の手段を用いて、あるいはそれらの組み合わせによって、加算された検査信号の制御器３６によるリセットが回避され、応答信号４７の顕著な特徴を支援する。例えば検査信号４２の周波数ωＴを選択するにあたって直交成分制御ループ４４の帯域幅よりも著しく上方になるように選択してもよい。それに対しては、積分制御器３６の入力側には、バンドパスフィルタ４６を配置してもよい。またそれとは代替的に、積分制御器３６の入力側に、当該制御器３６の周期的なブランキング機能ないし停止機能を用いて、時間領域での選択的な作用を及ぼすタイミング−パスフィルタ４６を配置してもよい。その際には走査スキーマのデューティ比と位相が、応答信号４７の形態と経過時間に適合化される。

応答信号４７の読出しは、直交チャネル２８へ向けての検出信号３２の復調２４の後で行われる。検査信号４２の周波数ωＴを用いた復調５５とローパスフィルタリング５１とによって、直流に類似した信号が応答信号４７として供給される。代替的に給電点４８と読出し点５０の位置は入れ替わってもよい。例えば検査信号４２のための給電点４８が積分制御器３６の入力側５２に設けられていてもよい（図２参照）。応答信号４７は、積分制御器３６の出力側５４から取り出され、検査信号４２を用いた復調５０によって直流に類似した信号に変換される。これに対して直交成分制御ループ４４の帯域幅を、検査信号４２の周波数ωＴよりも大きくすることが可能である。

機能性検査の十分な精度を達成するためには、応答信号４７の評価ないし重み付けにおいて、少なくとも検査信号４２への実質的な影響の全てを考慮する必要がある。有利には応答信号４７は、駆動構造部１２の振動特性には依存しない。このことは、検査信号４２の周波数ωＴを十分に低く選択することによって達成される。また応答信号４７は、例えば駆動振動１４に同期化させられるクロック発生器を有しているような構成においては、"外的"な時定数にも依存しない。角速度測定が機能性検査によって不所望に損なわれることがないようにするために、場合によっては、角速度成分と直交成分との分離と復調の際に、エラー源を考慮するようにしてもよい。それ故、有利には、検査信号４２の周波数ωＴを、出力フィルタ５３の帯域幅よりもさらに上に選択するとよい。それにより、検査信号４２と応答信号４７が有効信号３０の周波数から明確に分離されるようになる。オフセットエラーを避けるために、給電される検査信号４２に対して推定される応答信号４７が平均ゼロ（mittelwertfrei）の特性を有するものであってもよい。

直交信号は、直交成分補償電極３８の応力作用に比例し、前記電極３８の電位の直交分に比例する。検査信号４２は、存在する制御成分３４の電位に加算されるので、検査信号４２のレベルと応答信号４７のレベル（振幅又は直流レベル）との間の関係は、線形ではなく、積分制御器３６の作動点に依存する。この作動点への依存性を考慮するために、次のような構想、すなわち"経過時間に対する計算"という構想が提案される。直交成分補償電極３８における電位とそれによって生成される直交成分Ｆ_qとの間の関係は、分析的に記述可能であり、実質的には当該センサ１０の補償可能性に依存する。

例えばマイクロコントローラのような計算機構において、連続的な計算を用いることにより、検査信号４２と応答信号４７からは、補償可能性に対する尺度が抽出できる。この補償可能性の評価は、新規部分の値との比較において行うことが可能である。代替的な構想によれば、計算機構が次のことに用いられる。すなわち検査信号のレベルを、実際の作動点（直交値）に基づいて、応答信号４７が常に所定の値に相応するように定めるのに用いられる。この種の補償は、有利には、作動点に依存しない一定のＳＮ比を有する応答信号４７につながる。

"探索テーブル（ルックアップテーブル）" 構想では、機能性検査の作動点への依存性を考慮するために、計算機構に代えて、測定すべき作動点（直交値）毎にそれぞれ推定される応答信号４７レベルを提供するテーブルを含んだ不揮発性メモリが用いられる。応答信号４７の推定レベルは、実際に測定された応答信号４７レベルと比較されてもよい。ここでは代替手段として、給電すべき信号４２が作動点への依存性の逆関数に相応して（すなわち逆の作動点依存性に応じて）調整される。それに対しては、複数の可能な作動点毎のテーブルがそのつど利用すべきレベルの尺度を含む。これは、所定の応答信号４７の目標レベルを制御するのに要する、利用すべき検査信号レベルに対する尺度となる。

センサ１０の相応の設計仕様によれば、直交電極３８に対する検査信号４２と、発生した直交成分との間の機能的な関係が簡素化され、それに伴って、作動点の依存性を考慮するためのコストも低減される。検査信号の給電４８に対して固有の電極３９（これは直交成分制御３６のための電極３８とは異なるものである）を利用することによって、応答信号４７のレベルが、給電された検査信号４２の直交成分に比例することが達成される（図３参照）。経過時間を計算するための方法が、乗算機能としてより高い計算能力（計算機能）を求めることはない。そのため、検査信号を給電するための電極３９は、検査信号４２レベルと応答信号４７レベルの間の関係が線形となるように構成される。

Claims (10)

1. 可動質量体構造部（１２）と、駆動要素（１３）と、評価要素（１５）と、を含み、
   前記駆動要素（１３）は、可動質量体構造部（１２）を運動（１４）中にずらす及び／又は保持するように適合化され、
   前記評価要素（１５）は、角速度（Ω）に対する可動質量体構造部（１２）のリアクション（４０）を検出するように適合化され、
   前記可動質量体構造部（１２）は、駆動用質量体（１６）および検出用質量体（１８）を含み、
   前記駆動用質量体（１６）は、ばね装置を用いた機械的結合によって前記検出用質量体（１８）に接続され、
   前記駆動用質量体（１６）は、駆動振動（１４）の方向に可動である、
   ヨーレートーセンサ（１０）において、
   直交成分補償電極（３８）が設けられており、
   前記駆動質量体（１６）は、前記直交成分補償電極（３８）を用いて前記検出質量体（１８）の検出振動（４０）に対する応力作用が消滅するまで回転可能であり、
   前記直交成分補償電極（３８）は、検査信号（４２）の検査信号供給側（２２）に接続され、
   前記検査信号供給側（２２）は、検査信号（４２）を前記直交成分補償電極（３８）に送出し、
   検査信号（４２）の処理方向（４５）に関する応答信号（４７）の読出し箇所（５０）が、検査信号（４２）の給電箇所（４８）と、可動質量体構造部（１２）の偏倚量（４０）をフィードバックするための調整部材（３８）と、の間、かつ、調整部材（３８）の前に設けられていることを特徴とするヨーレートセンサ。
2. 前記可動質量体構造部（１２）への検査信号（４２）の給電に対して、別のアクチュエータ（３９）又は別の電極（３９）が直交成分の補償のための要素として設けられている、請求項１記載のヨーレートセンサ。
3. 前記検査信号（４２）は、実質的に平均ゼロの特性を有する応答信号（４７）を引き起こすために利用されている、請求項１または２記載のヨーレートセンサ。
4. 前記検査信号（４２）のレベルと、該検査信号（４２）の処理ループ（４３）を介して引き起こされる応答信号（４７）のレベルとの間の関係が線形である、請求項１から３いずれか１項記載のヨーレートセンサ。
5. ヨーレートセンサ（１０）の機能性検査のための方法であって、
   駆動用質量体（１６）および検出用質量体（１８）を含む可動質量体構造部（１２）を駆動するステップと、
   直交成分制御ループ（４４）の給電箇所（４８）にて直交成分制御ループ（４４）に検査信号（４２）を給電するステップと、
   可動質量体構造部（１２）の偏倚量（４０）をフィードバックするステップと、
   可動質量体構造部（１２）からフィードバックされた度量を検出するステップと、
   直交成分制御ループ（４４）から、検査信号（４２）に依存する応答信号（４７）を読出すステップと、
   を含み、
   前記直交成分制御ループ（４４）は、駆動質量体（１６）の直交成分補償電極（３８）に接続され、前記駆動質量体（１６）は、前記検出質量体（１８）と作用結合され、
   検査信号（４２）の処理方向（４５）に関連して、応答信号（４７）の読出しが、検査信号（４２）の給電箇所（４８）と、可動質量体構造部（１２）のフィードバック箇所（４９）と、の間、かつ、フィードバック箇所（４９）の前で行われるようにしたことを特徴とする方法。
6. 前記応答信号（４７）のパワースペクトルの主要部分が、角速度情報（３０）に対する出力フィルタ（５１）の帯域幅の上方に存在している、請求項５記載の方法。
7. 応答信号（４７）のパワースペクトルの主要部分が、直交成分制御ループ（４４）の帯域幅の上方に存在している、請求項５記載の方法。
8. 前記検査信号（４２）の周波数（ωＴ）が、直交成分制御ループ（４４）の制御時定数の逆数値よりも小さい、請求項５から７いずれか１項記載の方法。
9. 前記検査信号（４２）は、正弦波状の経過特性を有している、請求項５から８いずれか１項記載の方法。
10. 前記検査信号（４２）は、直交成分制御ループ（４４）の逆の作動点依存性に相応して調整される、請求項５から９いずれか１項記載の方法。

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