JPH095088A - 角速度測定装置と角速度測定方法 - Google Patents

角速度測定装置と角速度測定方法

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JPH095088A
JPH095088A JP8179855A JP17985596A JPH095088A JP H095088 A JPH095088 A JP H095088A JP 8179855 A JP8179855 A JP 8179855A JP 17985596 A JP17985596 A JP 17985596A JP H095088 A JPH095088 A JP H095088A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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 【解決手段】 音叉の検出用アームで検出した検出信号
から処理手段(23)でアナログ測定信号(S”)を得
え、このアナログ測定信号から振幅が電気検出信号(D
ET)の有効成分のみに依存し、寄生成分を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】
【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(ω
0t) 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+B21/2・sin(ψ(t)) ただし、ψ(t)=ω0t+Ψ、ここでΨ=arc t
an 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。 (4)S(t)=OSC・DET=[A・sin(ω0
t+ψ0]・[B・sin(ω0t)+C・cos(ω
0t)] したがって: S(t)=A・B/2[cosψ0−cos(2ω0t
+ψ0]+A・C/2[sin(2ω0t+ψ0)+s
inψ0]
【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
0 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O
SC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6
1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Δ
ω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RE
F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−051
5981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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャン−ダニエル・エチエンヌ スイス国 シイエイチ−2206 レ ジュネ ーブィ−スール−コフランヌ・ルート ド ゥ ヴァネル・31 (72)発明者 シルヴィオ・ダラ・ピアッツァ スイス国 シイエイチ−2610 サン−イミ ール・パッセージュ デルギュエル・6

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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(2
    3)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、5
    9)を含むことを特徴とする角速度測定装置。
  2. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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、5
    3、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. 【請求項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(R
    EF)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(5
    7、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. 【請求項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(R
    EF)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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項9】 励振信号(OSC)と検出信号(DE
    T)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. 【請求項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(OS
    C)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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