JPH10512049A - 回転角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 共鳴振動ジャイロの方式で作動し、振幅調整された発振器ループを用いて励起される回転角速度センサが記載されている。このセンサは、例えば、車両のヨーイング速度を検出するのに使用される。その際、実際のヨーイング速度の尺度であるコリオリ加速度の効果が評価される。センサ並びに所属の電子回路の機能能力の検査のために、統合された自己テスト関数が使用され、それによると、テスト入力側の操作に応じた、いわゆるＢＩＴＥ関数として所定の障害量が導入される。この所定の障害量は、評価可能な出力電圧に供給され、この出力電圧の発生が誤差検出のために評価される。

Description

【発明の詳細な説明】 回転角速度検出装置 従来技術 本発明は、特許請求の範囲第１項上位概念記載の回転角速度検出装置に関する 。 例えば、振動ジャイロの方式で作動する回転角速度センサを用いることは、自 動車での走行ダイナミック調整系との関連で公知である。そのようなセンサは、 車両の実際のヨーイング速度の尺度として使用するコリオリ加速度の作用を評価 する。 そのような回転角速度センサは、例えば、米国特許第４７５９２２０号明細書 に記載されている。この刊行物では、そのようなセンサ並びに所属の評価装置の 典型的な構成について詳細に説明されている。このセンサは、実質的に、弾性材 料製薄壁中空シリンダである。このシリンダ壁には、複数のピエゾ電気センサ素 子が設けられており、その際、各センサ素子の夫々２つは、相互に対向して配設 されている。この各センサ素子は、発振器ループを用いて一定の機械的な駆動速 度に変換される。コリオリ効果により、駆動振動に対して垂直に結合された回転 速度と一緒にコリオリ加速度が生じ、このコリオリ加速度によって、駆動振動が コリオリ方向に偏移する。この偏移は、生じている回 転角速度の尺度である。形成出力電圧は、検出器回路を用いて検出され、最終的 に、回転角速度測定に使用される。 米国特許第４７５９２２０号明細書から公知のセンサは、所属の評価装置を含 めて、誤差関数を即座に検出することができないという欠点を有している。その ようなセンサは、安全上重要な系と関連して車両内で使用される場合、機能能力 を検査する必要がある。 本発明の利点 本発明の、回転角速度検査装置は、公知手段に比して、センサの誤差関数を高 い信頼度で検出することができるという利点を有している。その際、特に有利に は、僅かな付加コストしか必要でなく、比較的確実なセンサ監視の結果として、 余分なセンサのコストを確実に低減することができる。 この利点は、評価回路の補償ループ内に、オフセット信号が正確な位相で結合 され、それにより、前記補償ループが調整偏移されるようにして達成される。そ の際、センサ乃至評価回路の出力側には、回転角速度とオフセットとが重畳して 示され、それにより、機能能力を直接検出することができる。 本発明の別の利点は、各従属請求項に挙げた各手段によって達成される。その 際、特に有利には、オフセットは、キー入力の操作を介して加えられ、そうする ことによって、偏移が検知された場合、センサがこれ をテストすることができる。その際、包括的にテストすることができる。と言う のは、テスト関数は、ループ装置によって、評価電子回路の誤差関数もセンサ素 子自体の誤差関数もテストするからである。所謂ＢＩＴＥ関数の、固定して調整 された回転角速度に相応する妨害量を結合することは、センサ出力側が、感度平 衡状態の妨害量に基づいて非依存的であるという利点を有している。 図面 本発明について、図示の実施例を用いて以下詳細に説明する。その際、図１に は、評価回路全体のセンサ装置が示されており（例えば、米国特許第４７５９２ ２０号明細書から公知である）、図２には、センサ並びに評価回路自体の機能能 力を検査することができる、本発明の評価回路の実施例を示す。 実施例の説明 図１には、センサ１０が示されている。センサ１０の中空シリンダ１１には、 個別測定素子Ａ，Ａ’，Ｂ，Ｂ’，Ｃ，Ｃ’及びＤ，Ｄ’を有している。破線に より、変形状態が示されており、この変形状態は、振動に起因して生じることが ある。 各測定素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、電子回路の各ブロック１２，１３，１４と接続 されており、その際、１２では、発振器ループ（ドライバ回路）が示されており 、この発振器ループは、適切なセンサ素子を機械的に 一定に駆動振動することができる。１３では、減衰回路が示されており、１４で は、検出器回路が示されており、検出器回路の出力側には、測定信号ＵＭが送出 され、この測定信号は、フィルタ１５で更に適切なやり方で濾波され、その結果 、本来の出力信号Ｕｏｕｔが得られる。 図１に示された、振動ジャイロの原理により作動する回転角速度センサの電子 回路部を含むセンサ装置を用いて、車両のヨーイング速度乃至ヨーイング角速度 を検出することができる。その際、コリオリ効果が、作動振動に対して垂直に結 合された回転速度と一緒に、コリオリ加速度が生じ、このコリオリ加速度により 、駆動振動がコリオリ方向に偏向する。この偏向は、結局、結合された回転角速 度の尺度であり、測定されるべきである。 図２には、本発明の解決手段の評価装置が示されている。この手段では、セン サ並びに所属の電子回路が相互に接続されている。本質的には、図示の装置は、 ４つのブロックを有している。第１のブロックは、所謂ＢＩＴＥブロックであり 、発振器ループは、１７で示されており、減衰ループは、１８で示されており、 出力段は、参照番号１９で示されている。 図２に含まれているブロック１６〜１９は、別のブロックに細分される。個別 ブロック間の交互作用は、相応の接続線によって、場合によっては、相応の矢印 による作用方向を記載することによって示されている。ＢＩＴＥブロック１６は 、増幅度が可変の増幅器２０を有しており、この増幅器で、ＢＩＴＥ関数が発生 される。この関数は、表現ｋ_BITE／ｖ_sによって示されている。この関数は、Ｂ ＩＴＥスイッチ２１を介してＢＩＴＥ障害量Ｕ_BITEとして、テストＢＩＴＥテス トの開始の際、点２２に伝送される。 この点２２は、減衰ループ１８の各ブロック２３，２４と接続されている。ブ ロック２３は、（シリンダーと各測定素子、つまり、例えば、各ピエゾ素子との ）機械的接続部を示している。センサ素子の伝達関数は、ｋ_zで示されている。 ブロック２４は、ＡＦＣと一定増幅度を有する位相制御部を有する電子的減衰 ループを示す。電子的減衰ループの所属の伝達関数は、ｋ_e,Dで示されている。 点２２では、電気的なゼロ点調整が行われる。点２２に生じている電圧は、Ｕ_{S, D} で示されている。 発振器ループ１７によって、２つのブロック２５，２６が示されており、この 各ブロックは、相互に交番的に作用する。ブロック２５は、シリンダと各ピエゾ 素子との間の機械的結合部を示す。センサ素子の伝達関数は、ｋ_Zで示されてい る。電圧は、Ｕ_S,Oで示されている。これは、発振器ループの感知電圧であり、 系の励起の電圧であり、つまり、ドライバ電圧は、Ｕ_F,Oで示されており、この 電圧は、フォース又は ドライバ電圧とも呼ばれる。 ブロック２６は、位相調整器（ＡＦＣ）と振幅調整器（ＡＧＣ）とを有する電 子的励起ループを示す。発振器ループの所属の伝達関数は、ｋ_e,oで示されてい る。 各ブロック２５と２６との間の接続点には、作動電圧乃至フォース又はドライ バ電圧Ｕ_F,Oが印加されており、この電圧は、位相が正確な整流乃至同期復調及 び出力段１９の一定増幅用のブロック２７に供給される。ブロック２７には、更 に、減衰ループ１８から電圧Ｕ_F,Dが供給されている。ブロック２７の伝達関数 は、ｋ_BM・ｋ₀で示されている。ブロック２７の出力側は、点２８に接続されて おり、この点２８で、オフセット調整が行なわれる。点２８には、増幅度が可変 の増幅器２９が接続されており、この増幅器の増幅度は、ｖ_sで示されている。 増幅器２９の出力側では、回転角速度出力信号Ｕ_rateを取り出すことができ、こ の信号は、実際に生じている回転角速度の尺度である。 機械的なゼロ点調整は、点３０で行なわれる。このゼロ点調整のためには、電 圧Ｕ_corがコリオリ効果の電気的等価として供給される。 図２にブロック接続図として示されている装置を用いて、回転角速度センサが 評価され、それと同時に、センサと評価回路自体の正常な機能能力の検査を行な うことができる。振幅調整された発振器ループによって、中空シリンダに設けら れている、適切なセンサ素子を機械的に一定駆動振動させ、それから、コリオリ 効果により、駆動振動に対して垂直に結合された回転振動と一緒に、コリオリ加 速度を生じることができ、それにより、駆動振動をコリオリ方向に偏向すること ができる。各測定素子として使用される各ピエゾ素子が配設されている、中空シ リンダの、この各効果によって、付加的に、振動される。中空シリンダは、図１ に破線で示されている各境界間の発振器による励起のために振動される。 既述のように、結合された回転角速度の尺度である偏向の評価のために、補償 ループ（例えば、サーボループ）が使用された場合、その結果得られる各調整量 は、測定すべき回転角速度の尺度である。この補償ループが、位相が正確に結合 されたオフセット信号を用いて調整がずらされた場合、センサの出力側には、回 転角速度とオフセットの重畳が示される。このオフセットは、ＢＩＴＥブロック で発生される。オフセットの印加は、例えば、ＢＩＴＥスイッチ２１の作動を介 して行なわれ、それから、センサは、調整偏移量が検知された場合、テストする ことができる。テスト関数は、ループ装置によって、評価電子回路にもセンサ素 子にも該当するので、両者共、誤差関数についてテストすることができる。 センサの出力側に形成される電圧Ｕ_rateの、能動的なＢＩＴＥ関数での導出は 、振動ジャイロに対して、振幅調整された発振器ループ（その際、センサ素子は 、機械的に一定駆動振動されている）との以下の重畳を用いて行なわれる。この 駆動振動は、振動ｖ₀を有しており、この振動は、発振器ループＵ_F,Oの駆動電圧 に比例している。 発振器ループに対しては、以下の式が成立する： 振幅調整された駆動振動状態であり、所定の実際速度を有している質量要素は 、回転角速度Ωに基づいて、コリオリ方向に偏向し、力Ｆ_c＝２ｍｖ_o×Ωが生じ る。コリオリ力に反作用する（主制御）補償力乃至補償電圧（調整量Ｕ）は、生 じている回転角速度の尺度である。コリオリ電圧Ｕ_S,D及び逆起電圧Ｕ_F,Dの形成 の検出は、補償ループ（減衰ループ）内で行われる。 両ループは、センサ素子を介して結合され、既述の場合には共鳴作動する（即 ち、発振器及び減衰ループ 用の伝達関数k_zは、等しい）。 減衰ループに対しては、以下の式が成立する： 減衰ループの主制御は、同じ形式で、結合された障害信号ＢＩＴＥ（Built in test，相応の周波数、位相位置状態）に対しても機能する。従って、障害量Ｕ_{B ITE} の結合によって、回転角速度をシミュレートすることができる。結合は、発 振器ループから行われ、それにより、付加的に、発振器テストの利点が得られる 。 障害信号は、バンド端に必要な、完全センサの感度補正に依存せずに、固定調 整された回転角速度に相応すべきである。これは、相反的な増幅度を有する２つ の増幅段（１つは、ＢＩＴＥ／減衰段であり、１つは、出力段である）によって 実施される。この結果、センサ出力側は、障害量Ｕ_rate（ＢＩＴＥ）に基づいて 、感度調整ｖ_sに依存しない。 ＢＩＴＥ装置に対しては、以下の式が成立する： センサＵ_rateの出力側は、能動的なＢＩＴＥの場合、供給された障害量に基づ いて、実際の回転角速度Ωとシミュレートされた回転角速度との和（重畳）を示 す。 障害量の能動化は、テスト入力側の操作によって行われ、それにより、センサ は、調整偏移量（Ｕ_rate（ＢＩＴＥ））が検知された場合、テスト可能である。 このテストにより、完全な作動、減衰、出力電子回路もセンサ素子も、その各端 子で、誤差関数を検査することができる。 略語の要約： ｋz＝：センサ素子の伝達関数 ｋ_e,XX＝：電子回路の伝達関数 Ｕ_S,XX＝：取り出し電圧 Ｕ_F,XX＝：駆動電圧 ＸＸ＝０＝：発振器ループ（励起） ＸＸ＝Ｄ＝：減衰ループ（補償） ｖ₀＝：駆動方向での質量要素の速度 Ω＝：回転角速度 Ｕ_cor＝：コリオリ効果の電気的等価値 ｋ_c＝：コリオリ定数 Ｕ_BITE＝：ＢＩＴＥ障害量 ｋ_BITE＝：ＢＩＴＥスケーリングファクタ ｋ_BM＝：平衡調整された変調器の増幅度 ｋ₀＝：出力段の一定増幅度 ｖ_S＝：出力段の可変増幅度 （バンド端での感度調整） Ｕ_off＝：ゼロ回転角速度の補償電圧 Ｕ_rate＝：回転角速度出力電圧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨハネス アルツナー ドイツ連邦共和国 72764 ロイトリンゲ ン ビスマルクシュトラーセ 116−５ (72)発明者 ヴォルフラム バウアー ドイツ連邦共和国 72074 テュービンゲ ン シュタインベスシュトラーセ 62

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． センサと被制御発振器ループと減衰段と出力段を備えており、前記センサ は、振動性基体上に配設された複数センサ素子を有しており、前記被制御発振器 ループは、前記各センサ素子のうち少なくとも１つを一定振動させ、それにより 、前記振動性基体も励起され、前記減衰段は、前記少なくとも１つのセンサ素子 と接続されており、前記出力段は、前記少なくとも１つの別のセンサ素子と接続 されていて、検出すべき回転角速度の尺度である出力電圧を送出する回転角速度 の検出装置において、 誤差関数の検出用手段を付加接続することができるように構成されており、前 記検出用手段は、オフセット信号の発生によって装置の所定の調整偏移を開始し て、出力電圧に供給し、該出力電圧は、回転角速度とオフセットとの重畳であっ て、誤差検出のために評価されることを特徴とする検出装置。 ２． 振動性基体は、円筒状であり、一方の側面が自由振動し、他方の側面が固 定して取り付けられており、各センサ素子は、１トラックで均等に前記円筒状の 表面上に配設されている請求の範囲第１項記載の装置。 ３． オフセット信号の発生用手段は、センサ電子回路に統合されていて、ＢＩ ＴＥブロック（１６）を 有しており、該ＢＩＴＥブロックは、増幅度が可変の増幅器（２０）並びにスイ ッチ（２１）を有しており、該スイッチを介してオフセット信号を転送すること ができる請求の範囲第１項又は第２項記載の装置。 ４． ＢＩＴＥブロック（１６）の増幅器（２０）の入力側は、発振器ループ（ １７）と接続されており、前記接続部を介して、前記発振器ループの入力側に印 加された電圧（Ｕ_S,0）が供給され、ＢＩＴＥブロック（１６）は、減衰ループ 段（１８）と接続されており、該接続部を介して、オフセット電圧（Ｕ_BITE）が 前記減衰ループ（１８）に供給される請求の範囲第３項記載の装置。 ５． 電子的ゼロ点調整、機械的ゼロ点調整及び／又はオフセット調整を実行す ることができる請求の範囲第１項〜第４項迄の何れか１項記載の装置。 ６． 発振器ループ（１７）は、位相調整器と振幅調整器を備えた励起ループ（ ２６）を有している請求の範囲第１項〜第５項迄の何れか１項記載の装置。 ７． 減衰ループ（１８）は、位相調整器（ＡＦＣ）及び一定増幅度からなる位 相制御部を有している電子的減衰ループである請求の範囲第１項〜第６項迄の何 れか１項記載の装置。 ８． 出力段（１９）の入力側には、位相整流器及び一定増幅度を有するブロッ ク（２７）が設けられて おり、該ブロックは、発振器ループ（１７）及び減衰ループ（１８）と接続され ており、その際、該接続部を介して、電圧（Ｕ_F,O）及び（Ｕ_F,D）が供給され、 前記ブロック（２７）は、オフセット調整用の点（２８）を介して増幅度が可変 の増幅器（２８）と接続されており、該接続部を介して、感度調整部と接続され ており、前記感度調整部を介して、感度調整を行うことができ、前記感度調整部 の出力側から、評価すべき電圧（Ｕ_rate）を取り出すことができる請求の範囲第 １項から第７項迄の何れか１項記載の装置。