JPH10507520A - 回転速度と横方向加速度を同時に測定する装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、回転速度Ｗと回転軸に対し横方向の加速度ａ_trを同時に求める装置および方法に関する。この装置には、少なくとも２つの部分にそれぞれ少なくとも１つの加速度センサ（１，２）が取り付けられており、この場合、加速（ａ_c1，ａ_c2，ａ_tr）の発生に感応する軸（Ｚ₁，Ｚ₂）が、回転軸（Ｄ）と振動の速度成分（ｖ）により形成された平面内に位置しないように加速度センサが取り付けられている。この方法を実施する場合、求めるべき回転速度Ｗに相応する回転速度で回転軸（Ｄ）を中心に装置を回転させ、その際に装置を同時にその少なくとも２つの部分（３，４）において、回転軸（Ｄ）に対し垂直な速度成分（ｖ₁，ｖ₂）で振動させる。装置に設けられた同一の加速度センサ（１，２）の対称的な取り付けにより、加速度センサ（１，２）において捕捉された測定信号の和形成または差形成によって、回転速度Ｗと横方向加速度ａ_trを簡単に得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 回転速度と横方向加速度を同時に 測定する装置および方法 従来の技術 本発明は、回転速度ならびにそれに属する回転軸に対し垂直方向である横方向 加速度を同時に測定する装置および方法に関する。 近年、回転速度および直線的な加速度を測定するための低コストのセンサに対 する需要が高まっている。回転速度および加速度を測定するためのそのようなセ ンサはたとえば、ナビゲーションシステムやロボットのための方向捕捉システム および安定化装置において必要とされる。本発明は、車両ダイナミック制御のた めの低コストの解決手段として殊に重要な意味をもつものである。 たとえばヨーロッパ特許第０１６１０４９号により、ある構造体の角速度ない し回転速度を求めるために振動子を用いることが知られており、この場合、振動 子は構造体に取り付けられている。基礎とする測定原理は、いわゆるコリオリカ の捕捉である。回転速度Ｗで回転する基準システムにおいてある素子が速度ｖで 運動すると、回転する基準システムにおいて測定可能なコリオリ加速度ａ_c＝２ ｖ×Ｗが生じる。このコリ オリ加速度は速度ベクトルｖと回転速度ベクトルＷとに基づき形成された平面に 対し垂直である。この原理はたとえば、音叉形回転速度センサにおいて利用され る。この場合、回転速度を求めようとしている回転物体に音叉が取り付けられ、 音叉の対称軸は回転物体が回転する際の回転軸と一致している。したがって音叉 は、求めようとする回転速度で回転する。これに加えて音叉は、適切な駆動部に より一定の速度振幅をもつ共振状態におかれる。そしてこの音叉の歯の端部に、 上述のコリオリ加速度が生じる。振動する歯の端部に生じるこのコリオリ加速度 は、その部分に取り付けられた加速度センサによって捕捉できる。したがって速 度ベクトルｖが既知であれば、ａ_cの測定により回転速度Ｗを適切な測定により 求めることができる。 Systron Donner社により、回転速度も加速度も測定できる水晶音叉形回転速度 センサが開発された。このセンサの場合、音叉の歯の一方が適切な成形により加 速度センサとして構成されていて、音叉において付加的な電極が必要とされ、そ の所要スペースは不利にはたらく。 さらに、回転速度センサおよびこれに加えて横方向加速度測定のために別個の 加速度が共通のケーシング内に取り付けられた組み合わせ形のセンサも公知であ る。しかしながら、そのような組み合わせ形のセンサは複雑であり、やはり余計 なスペースが必要とされる 。 発明の利点 請求項１記載の特徴を備えた本発明による装置ならびに請求項１０に記載の特 徴を備えた本発明による方法の有する利点とは、付加的に加速度センサを設ける ことなく回転速度のほかに回転軸に対し横方向の加速度も測定できることである 。 このためには、回転速度用の測定出力側のほかに横方向加速度用の別の測定出 力側が装備されるよう、ただ１つの付加的な電子装置だけしか必要とされない。 横方向加速度信号は、１軸の回転速度センサの場合でも多軸の回転速度センサの 場合でも得られる。その際、加速度に対する測定軸の個数は回転速度センサの軸 の個数と一致する。 従属請求項に記載の構成により、請求項１に記載の装置ないし請求項１０に記 載の方法の有利な実施形態が可能である。 回転速度およびその横方向加速度を測定するための装置は、装置の対称軸が回 転軸と一致するよう、軸対称に構成するのが有利である。測定時にこの装置を、 加速度センサの取り付けられている装置の両方の部分が互いに逆相に振動するよ う、振動状態におくのが好適である。このことにより測定の評価が簡単になる。 両方の部分に取り付けられた加速度センサにより最大強度の信号を得るため好 適にはそれらの加速度セン サは、その受感軸が回転軸と振動の速度成分により定められる平面に対し垂直に 延在するように取り付けられている。このことによりいかなる時点においても、 そのように定められた平面に対し垂直に作用するコリオリ加速度のすべての値が 捕捉される。 本発明の別の有利な実施形態によれば、回転速度およびその横方向加速度を測 定するための装置は音叉の形態をとっており、その際、第１の部分は音叉の第１ の歯であり、それに対し対称である第２の部分は音叉の第２の歯である。この構 成によれば、実証済みであり明確に規定された音叉の振動特性が利用されること になる。これは重要なことであり、その理由は、回転速度Ｗを求めるためには振 動の速度ベクトルｖの精確な情報を必要とするからである。 第１の部分に取り付けられた加速度センサも第２の部分に取り付けられた加速 度センサも互いに同一であるよう構成することによって、回転速度Ｗと横方向加 速度ａ_trをきわめて簡単に捕捉できるようになる。この場合、それらの加速度セ ンサは好適には音叉の一方の面に取り付けられ、その結果、それらの受感軸は互 いに平行かつ同じ向きで音叉のその面に対し垂直に配向されることになる。これ に対する代案として可能であるのは、両方の同一の加速度センサのうち第１の加 速度センサを一方の面に取り付け、両方の加速度センサのうち第２の加速度セン サをその面とは反対側の面 に取り付けることである。この場合、第２の加速度センサの受感軸は第１の加速 度センサの受感軸とは逆向きに配向される。そしてこのことで、第２の加速度セ ンサから出力される測定信号の極性は逆になる。 この装置が回転速度Ｗよりも著しく大きい固有周波数ｗを有するように構成す ると、殊に有利である。 回転速度Ｗとそれに対し垂直な横方向加速度ａ_trを同時に求める方法によれば 、第１の加速度センサにより測定信号ａ₁が測定され、第２の加速度センサによ り測定信号ａ₂が測定される。この場合、 ａ₁＝ｋ₁（ａ_c1＋ａ_tr）＝ｋ₁（２ｖ₁Ｗ＋ａ_tr） （１） ないし ａ₂＝ｋ₂（ａ_c2＋ａ_tr）＝ｋ₂（２ｖ₂Ｗ＋ａ_tr） （２） である。ここでｋ₁およびｋ₂は両方の加速度センサにおける既知の校正係数であ り、ｖ₁ないしｖ₂は、両方の加速度センサの取り付けられている個々の部分にお ける振動の速度である。基本的に上記の２つの式（１）および（２）から、求め るべき未知の値Ｗおよびａ_trを算出できる。 この算出は、たとえば音叉のような対称な構成の装置において音叉の同じ面に ２つの同一の加速度センサを配置させることで、殊に簡単に行われるようになる 。これによりｖ₁＝ｖ＝−ｖ₂ならびにｋ₁＝ｋ₂＝ １となり、このことから式（１）および（２）の簡単化によって、 ａ₁＝２ｖＷ＋ａ_tr （１′） ａ₂＝−２ｖＷ＋ａ_tr （２′） となる。 そして回転速度Ｗは、単に測定信号ａ₁とａ₂の差形成によりＷ＝（ａ₁−ａ₂） ／４ｖに従って求められる。同様に、測定信号ａ₁とａ₂の和形成により横方向加 速度ａ_tr=（ａ₁＋ａ₂）／２が求められる。 ２つの同一の加速度センサのうち第２の加速度センサを、音叉において第１の 加速度センサとは反対側の面に配置すると、第２の加速度センサの感度軸は第１ の加速度センサの感度軸とは逆向きに配向されることになる。この場合も音叉の 対称性ゆえにｖ₁＝ｖ＝−ｖ₂ならびにｋ₁＝ｋ₂＝１となり、このことで先の場合 と同様の２つの簡単化された式が得られ、この場合には、 ａ₁＝２ｖＷ＋ａ_tr （１″） ａ₂＝２ｖＷ＋ａ_tr （２″） となる。 この式から測定信号ａ₁とａ₂の和形成により回転速度Ｗ＝（ａ₁＋ａ₂₎／４ｖ が得られ、測定信号ａ₁とａ₂の差形成により横方向加速度ａ_tr＝（ａ₁−ａ₂）／ ２が得られる。 好適には、加速度センサの取り付け方に応じて差形 成ないし和形成により得られる回転速度Ｗを求めるための信号は、ロック・イン 増幅器において後続処理される。横方向加速度ａ_trを求めるために和形成ないし 差形成により得られる信号は、加速度センサの横感度に基づき音叉の基本周波数 に起因する障害成分を除去するため、低域通過フィルタへ供給される。この障害 成分は、音叉の共振の振動周波数ｗをもつ周期的な信号である。これはほとんど すべての適用事例では回転速度Ｗよりも大きく、このことでその除去が低域通過 フィルタによって可能になる。 このように加速度センサの配置構成に応じて、加速度センサの２つの測定信号 の和形成または差形成により、回転速度成分または横方向加速度成分が得られる 。２つの測定センサを使用することで、回転速度についても横方向加速度につい ても測定感度が２倍になる。 図面 次に、図面を参照しながら有利な実施例に基づき本発明のその他の利点、特徴 ならびに適用事例について説明する。 図１は、回転速度および横方向加速度を測定するための加速度センサを備えた 装置を示す図である。 図２は、図１で測定された値を評価する回路のブロック図である。 実施例の説明 図１には、回転速度Ｗと横方向加速度ａ_trを同時に測定するための装置が示さ れている。この装置は、鋼の音叉として構成されており、その第１の歯３に第１ のＳｉ加速度センサ１が取り付けられており、第２の歯４に第２のＳｉ加速度セ ンサ２が取り付けられている。この音叉は、適切な駆動部により励振されて一定 の速度振幅をもつ周波数ｗで共振する一方、所定の回転速度Ｗで回転する。振動 する歯の速度ベクトルをｖで表し、回転速度ベクトルをＷで表すと、歯において コリオリ加速度ａ_c＝２ｖ×Ｗが生じる。歯３および４に生じるこのコリオリ加 速度は、速度ベクトルｖと回転速度ベクトルＷにより定められた平面に対し垂直 に延びる。音叉をその基本周波数または調波周波数で共振させると、両方の歯３ ，４は常に互いに逆に振動し、つまり逆位相で振動する。図１に示されているＳ ｉ加速度センサ１，２の配置構成の場合、それらの加速度センサの受感軸Ｚ₁， Ｚ₂はそれらの平面の広がり方向に対しそれぞれ垂直であり、このため各Ｓｉ加 速度センサにおける測定値ａ₁とａ₂は互いに逆の極性を有することになる。これ ら両方のＳｉ加速度センサ１，２が２つの同一のセンサであるならば、測定され た両方の信号ａ_C1とａ_C2は常に、その絶対値は等しいが極性が逆になる。 そしてこの音叉に対し付加的に、回転軸に対し垂直に延在する成分をもつ直線 的な加速が加えられると、 その成分ａ_trも両方の加速度センサ１，２により検出することができる。その際 、Ｓｉ加速度センサ１ないし２におけるこの横方向加速度ａ_tr1およびａ_tr2は、 両方のセンサに対し常に同相に作用し、Ｓｉ加速度センサ１，２が同一であると いうことを前提として、いかなる時点においても絶対値と極性が等しい測定信号 ａ_tr1＝ａ_tr2＝ａ_trが形成される。このようにして両方のＳｉ加速度センサ１お よび２は、それぞれコリオリ加速度と横方向加速度から合成された信号ａ１ない しａ２を測定し、ここで ａ₁＝ ２ｖＷ＋ａ_tr ａ₂＝−２ｖＷ＋ａ_tr である。 このことから、両方の信号ａ₁とａ₂の差を形成することにより回転速度Ｗが得 られ、 Ｗ＝（ａ₁−ａ₂）／４ｖ となる。 この場合、差の形成により、両方の加速度センサ１および２に同相に作用する 横方向加速度ａ_trの成分が除去される。 これに対し、差形成の代わりに両方の信号ａ₁とａ₂の和を形成すると、成分ｖ Ｗと−ｖＷとが相殺され、横方向加速度 ａ_tr＝（ａ₁＋ａ₂）／２ が得られる。 このように、対称的な配置構成と同一の加速度センサ１，２の使用により、回 転速度Ｗと横方向加速度ａ_trを簡単に求めることができる。しかも２つの加速度 センサを使用することで、回転速度Ｗに対しても横方向加速度ａ_trに対しても測 定感度が２倍になる。 図２には、回転速度Ｗと横方向加速度ａ_trを求めるための上述の評価方式がブ ロック図で示されている。回転速度成分と横方向加速度成分から合成された加速 度センサ１の測定信号ａ₁と加速度センサ２の測定信号ａ₂は、互いに減算される かまたは加算される。これにより生じた差信号は後続処理のためロック・イン増 幅器５へ供給され、他方、和信号は低域通過フィルタ６へ供給される。この低域 通過フィルタ６は、横方向加速度信号ａ_tr中の障害成分を除去するために必要で ある。この障害成分は、測定に使用される音叉共振周波数ｗと等しい周波数をも つ周期的な信号であって、これは用いられる加速度センサ１，２の横感度に起因 するものである。横方向加速度信号ａ_trも、回転周波数Ｗの周期的な信号である 。それというのは、横方向加速度ａ_trを測定する場合、いずれの時点でも受感軸 Ｚ₁，Ｚ₂への加速度ベクトルの射影だけが有効だからである。しかし一般的に、 音叉周波数ｗは求めるべき回転速度Ｗよりも著しく大きいので、適切な低域通過 フィルタ６により高周波の障害信号だけが阻止され、他方、横方向加速度ａ_trの 測定に関係する回転周 波数Ｗの周期的な信号は通過することになる。 符号リスト 加速度センサ １，２ 回転軸 Ｄ 回転速度 Ｗ 横方向加速度 ａ_tr 歯 ３，４ 速度成分 ｖ 受感軸 Ｚ₁，Ｚ₂ 対称軸 Ｓ 面 Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ ロック・イン増幅器 ５ 低域通過フィルタ ６

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年７月４日 【補正内容】 請求の範囲 １．所定の回転軸（Ｄ）を中心とした回転速度（Ｗ）と、求めるべき回転速度（ Ｗ）に対応する回転速度で前記回転軸（Ｄ）を中心に装置が回転することにより 生じる前記回転軸に対し横方向の加速度ａ_trとを、装置の少なくとも２つの部分 （３，４）に前記回転軸（Ｄ）に対し垂直の速度成分（ｖ₁，ｖ₂）により振動を 同時に発生させながら測定するための、加速度センサ（１，２）を備えた装置で あって、 前記の少なくとも２つの部分（３，４）にそれぞれ少なくとも１つの加速度 センサ（１，２）が取り付けられており、該加速度センサは、加速度（ａ_c1，ａ_c2 ，ａ_tr）の発生に感応するその軸（Ｚ₁，Ｚ₂）が、回転軸（Ｄ）と振動の速度 成分（ｖ₁，ｖ₂）とにより形成される平面内に位置しないように取り付けられて いる、加速度センサを備えた装置において、 音叉の形状を有しており、第１の部分（３）は該音叉における第１の歯であ り第２の部分（４）は該音叉における第２の歯であることを特徴とする、 加速度センサを備えた装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．所定の回転軸（Ｄ）を中心とした回転速度（Ｗ）と、求めるべき回転速度（ Ｗ）に対応する回転速度で前記回転軸（Ｄ）を中心に装置が回転することにより 生じる前記回転軸に対し横方向の加速度ａ_trとを、装置の少なくとも２つの部分 （３，４）に前記回転軸（Ｄ）に対し垂直の速度成分（ｖ₁，ｖ₂）により振動を 同時に発生させながら測定するための、加速度センサ（１，２）を備えた装置に おいて、 少なくとも２つの部分（３，４）にそれぞれ少なくとも１つの加速度センサ （１，２）が取り付けられており、該加速度センサは、加速度（ａ_c1，ａ_c2，ａ_tr ）の発生に感応するその軸（Ｚ₁，Ｚ₂）が、回転軸（Ｄ）と振動の速度成分（ ｖ₁，ｖ₂）により形成される平面内に位置しないように取り付けられていること を特徴とする、 加速度センサを備えた装置。 ２．当該装置は軸対称に構成されており、対称軸（Ｓ）は前記回転軸（Ｄ）と一 致している、請求項１記載の装置。 ３．互いに逆相で振動させることのできる２つの部分（３，４）が設けられてい る、請求項２記載の装置。 ４．前記のそれぞれ少なくとも１つの加速度センサ（ １，２）は、その受感軸（Ｚ₁，Ｚ₂）が回転軸（Ｄ）と振動の速度成分（ｖ₁， ｖ₂）により定められた平面に対し垂直に延在するよう、前記の少なくとも２つ の部分（３，４）に取り付けられている、請求項１〜３のいずれか１項記載の装 置。 ５．振動ジャイロメータとして構成されており、第１の部分（３）は第１の振動 子であり、第２の部分はそれと結合された第２の振動子である、請求項１〜４の いずれか１項記載の装置。 ６．音叉の形状を有しており、第１の部分（３）は音叉における第１の歯であり 、第２の部分（４）は音叉における第２の歯である、請求項５記載の装置。 ７．第１の部分（３）にも第２の部分（４）にも取り付けられている加速度セン サ（１，２）は互いに同じものである、請求項５または６記載の装置。 ８．両方の同一の加速度センサ（１，２）は音叉の一方の面（Ａ）に取り付けら れている、請求項７記載の装置。 ９．両方の同一の加速度センサのうち第１の加速度センサ（１）は一方の面（Ａ ）に取り付けられており、両方の同一の加速度センサのうち第２の加速度センサ （２）は前記面（Ａ）とは反対側の面（Ｂ）に取り付けられており、前記第２の 加速度センサ（２）の受感軸（Ｚ₂）は、前記第１の加速度センサ（１）の受感 軸（Ｚ₁）に対し逆方向に配向されてい る、請求項７記載の装置。 10．当該装置の振動は該装置の固有周波数ｗで励振される共振であり、ここでｗ ＞Ｗである、請求項１〜９のいずれか１項記載の装置。 11．一定の振幅で振動させられる部分（３，４）をもつ請求項１の装置を用いて 、所定の回転軸（Ｄ）を中心とした回転速度Ｗと、前記回転軸（Ｄ）に対し垂直 の横方向の加速度ａ_trを同時に求める方法において、 少なくとも２つの加速度センサ（１，２）によりそれぞれ１つの加速度ａ₁ ないしａ₂を測定し、該加速度は、コリオリ加速度成分ａ_c1ないしａ_c2と横方向 加速度成分ａ_trlないしａ_tr2から合成されたものであり、ここで ａ_tr1＝ａ_tr2＝ａ_tr であり、 ａ₁＝ｋ₁ａ_c1＋ｋ₁ａ_tr＝２ｋ_1V1Ｗ＋ｋ_1atr （１） ないし ａ₂＝ｋ₂ａ_c2＋ｋ₂ａ_tr＝２ｋ₂ｖ₂Ｗ＋ｋ₂ａ_tr （２） であり、ここでｋ₁およびｋ₂は、装置における加速度センサ（１，２）の配向お よびその感度に依存す る既知の校正係数であり、ｖ₁ないしｖ₂は、加速度センサ（１，２）を備えた個 々の部分（３，４）の振動の同様に既知の速度ベクトルであり、 式（１）および（２）から回転速度Ｗと横方向加速度ａ_trを算出することを 特徴とする、 所定の回転軸を中心とした回転速度と前記回転軸に対し垂直な横方向加速度 を同時に求める方法。 12．ｖ₁＝ｖ＝−ｖ₂ならびにｋ₁＝ｋ₂＝１であり、したがって ａ₁＝２ｖＷ＋ａ_tr （１′） ないし ａ₂＝−２ｖＷ＋ａ_tr （２′） であり、式（１′）と（２′）から実質的に測定信号ａ₁とａ₂の差形成により Ｗ＝（ａ₁−ａ₂）／４ｖに従って回転速度Ｗを形成し、他方、測定信号ａ₁とａ₂ の和形成によりａ_tr＝（ａ₁−ａ₂）／２に従って横方向加速度ａ_trを形成する、 請求項１１記載の方法。 13．ｖ₁＝ｖ＝−ｖ₂ならびにｋ₁＝−ｋ₂＝１であり、したがって ａ₁＝２ｖＷ＋ａ_tr （１″） ないし ａ₂＝２ｖＷ＋ａ_tr （２″） であり、式（１″）および（２″）から、実質的に測定信号ａ₁とａ₂の和形成 により回転速度ＷをＷ ＝（ａ₁＋ａ₂）／４に従って形成し、他方、実質的に測定信号ａ₁とａ₂の差形成 により横方向加速度ａ_trをａ_tr＝（ａ₁−ａ₂）／２により形成する、請求項１１ 記載の方法。 14．回転速度Ｗを求めるための差信号ａ₁−ａ₂をロック・イン増幅器（５）で後 続処理する、請求項１２記載の方法。 15．横方向加速度ａ_trを求めるための和信号ａ₁＋ａ₂を低域通過フィルタ（６） へ供給する、請求項１２記載の方法。 16．回転速度Ｗを求めるための和信号ａ₁＋ａ₂をロック・イン増幅器（５）で後 続処理する、請求項１３記載の方法。 17．横方向加速度ａ_trを求めるための差信号ａ₁−ａ₂を低域通過フィルタ（６） へ供給する、請求項１３記載の方法。