KR20090074788A

KR20090074788A - 진동 센서를 사용하여 회전율을 측정하는 장치

Info

Publication number: KR20090074788A
Application number: KR1020097008752A
Authority: KR
Inventors: 로타르 기어; 볼커 켐페; 드라고 스틀레
Original assignee: 콘티넨탈 오토모티브 게엠베하; 센서다이내믹스 아게
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2009-07-07
Also published as: EP2087315B1; WO2008040616A1; CN101589292B; TW200834039A; KR101437190B1; JP2010505102A; US20100011857A1; EP2087315A1; US8042393B2; CN101589292A; DE102006046772A1; TWI427272B

Abstract

본 발명은 진동 센서를 사용하여 회전율을 측정하기 위한 장치로서, 상기 센서의 진동은 용량성 구동 부재에 의해 가진 및 측정되고, 코리올리 힘에 의해 다른 축으로의 회전에 의해 가진되는, 어떤 일축으로의 상기 센서의 회전은 용량성 측정 부재에 의해 측정된다. 가진 전압이 구동 부재의 고정 전극에 공급될 수 있으며, 상기 전압의 주파수는 진동 센서의 공진 주파수 또는 공진 주파수의 저조파와 일치한다. 가진 주파수보다 높은 제1 측정 주파수를 갖는 교류 전압이 가진 진동을 측정하기 위해 용량성 부재에 공급될 수 있다. 제1 측정 주파수와 상이하고 가진 주파수보다 높은 제2 측정 주파수를 갖는 교류 전압이 측정 부재의 고정 전극에 공급되고, 그리고/또는 가진 전압은 구동 부재에 공급되어 가진 전압에 기초하여 어떤 일방향으로의 진동 가진을 유발할 수 있으며, 상기 가진 전압은, 다른 구동 부재에 공급되어 다른 방향으로의 가진을 유발하는 가진 전압과 역상이다.

진동 센서, 용량성 구동 부재, 용량성 측정 부재, 고정 전극, 가진 주파수

Description

진동 센서를 사용하여 회전율을 측정하는 장치{ARRANGEMENT FOR MEASURING A RATE OF ROTATION USING A VIBRATION SENSOR}

본 발명은, 진동 센서를 사용하여 회전율을 측정하기 위한 장치로서, 제1 축에 수직한 상기 진동 센서의 진동이 용량성 구동 부재에 의해 가진 및 측정되고, 코리올리 힘의 영향 하에 제3축으로의 회전에 의해 가진되는, 제2 축으로의 상기 진동 센서의 회전은 용량성 측정 부재에 의해 측정되며, 용량성 부재 각각은 고정 전극 및 진동 센서와 함께 이동될 수 있는 전극에 의해 형성되고, 이동가능 전극은 고정 연결부에 접합 연결되는 회전율 측정 장치에 관한 것이다.

회전율 센서는 예를 들면 차량용 안전 시스템에 사용된다. 자이로스코프 형태의 진동 센서가 예를 들면 US 5,955,668에 개시되어 있다. 이러한 경우, 회전 진동은 정전식 구동 장치(electrostatic drive)에 의해 가진된다. 출력 신호와 구동 장치 조절용 신호도 마찬가지로 정전식으로, 즉 공급된 AC 전압에 의한 커패시턴스 측정에 의해 얻어진다. 이러한 경우에, 구동 장치에 공급된 AC 전압의 진폭은 커패시턴스의 차이로부터 얻어지는 신호의 그것보다 훨씬 크며, 그 결과로 특히 회전율의 결정을 위해 추가로 처리될 출력 신호는 상당한 간섭을 받게 된다. 이것은 측정 정확도를 저해한다.

본 발명의 목적은, 높은 요건을 충족시키는 정확도를 갖고 큰 동적 범위를 갖는, 즉 매우 낮은 회전율도 또한 충분한 정확도로 측정되도록 의도되면서 높은 회전율에서도 어떠한 오버드라이빙(overdriving)도 발생하지 않도록 하는, 회전율 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 장치의 경우에, 이러한 목적은, 용량성 구동 부재의 고정 전극이 진동 센서의 공진 주파수의 저조파(subharmonic) 또는 공진 주파수와 일치하는 가진 전압을 공급받을 수 있고, 가진된 진동을 측정하는 데 사용되는 용량성 부재가 가진 전압의 주파수보다 높은 제1 측정 주파수에서 AC 전압을 공급받을 수 있으며, 용량성 측정 부재의 고정 전극이, 제1 측정 주파수와 상이하고 가진 전압의 주파수보다 높은 제2 측정 주파수에서 AC 전압을 공급받는 것에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 장치는, 가진된 진동의 측정을 위해 다른 용량성 측정 부재가 제공되거나 또는 용량성 구동 부재가 가진된 진동의 측정을 위해 사용되도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 장치에서, 회전율을 나타내는 출력 신호를 얻는 데 있어서 유리하면서도 간섭을 방지할 수 있는(interference-proof) 방식은, 회전율을 나타내는 신호를 형성하기 위해, 제2 측정 주파수에서 AC 전압을 사용한 다음에 가진 전압을 사용하여 고정 연결부로부터 추출된 신호를 동기적으로 복조하는 수단을 사용하는 것이다.

본 발명의 다른 태양은, 제1 측정 주파수를 사용하여 고정 연결부로부터 추출된 신호를 복조하고 가진 전압의 조절을 위해 복조된 신호를 사용하는 수단을 제공한다.

본 발명에 따르면, 구동을 위해 상당한 AC 전압을 가지고 장치를 작동시킬 수 있고, 구동을 조절하기 위해 제2 용량성 부재로부터 추출된 신호와 회전율 신호를 형성하기 위해 제3 용량성 부재로부터 추출된 신호가 과정 중 극히 작은 것이 허용될 수 있다. 그러나, 구동 전류에 의해 발생된 작은 간섭 성분으로 인해, 이러한 신호들은 특히 종래 기술에서 이용가능한 기술, 예를 들면 저잡음 증폭기(low-noise amplifier)를 사용할 때 효과적인 방식으로 평가될 수 있다. 이러한 경우에 특히 출력단이 대역 통과 필터(bandpass filter)에 연결되는 전하 증폭기(charge amplifier)가 고정 연결부에 연결된다. 결과적으로, 구동 전류의 작은 잔부까지도 추가로 감쇠된다.

고정 연결부에서 발생하는 구동 전류를 최초부터 낮게 유지하기 위해서, 다른 태양은, 최소한 4개의 군의 용량성 구동 부재가 제공되고 역상(antiphase) AC 전압 성분 및 동일한 바이어스 전압(bias voltage)이 각각 상기 군들 중 2개에 인가되는 것을 포함한다.

이는 예를 들면 다음과 같이 수행될 수 있다.

U1 = U10 + Ul1sinωt

U2 = U10 - Ul1sinωt

U3 = -U1

U4 = -U2

결과적으로, 고정 연결부의 충전 전류(charge current)가 보상되는 반면에, 구동 토크가 U²에 비례하므로 발생된 구동 토크가 증가된다. 이러한 수단은 또한 선행하는 청구범위들의 방안 없이 성공적으로 사용될 수 있으며, 가진 전압에 의해 발생하는 간섭을 상당히 감소시킬 수 있다.

본 기술 분야의 당업자는 각각의 존재하는 상황을 고려하여 주파수들 또는 주파수들의 서로에 대한 비율을 상세히 선택할 수 있다. 그러나, 제1 및 제2 측정 주파수가 가진 전압의 주파수의 10배 내지 500배의 범위 내인 것이 바람직한 것으로 판명되었다.

본 발명은 여러 유형의 진동 센서에도 적합하나, 진동 센서는 바람직하게는 진동 자이로스코프이다. 그러나, 예를 들면 선형으로 진동하는 진동 센서도 또한 본 발명에 따라 구성될 수 있다.

본 발명은 다양한 실시예가 가능하다. 이러한 실시예의 하나를 수개의 도면을 사용하여 도면에 개략적으로 도시하며 이하에 설명한다.

도 1은 부재들을 구비한 진동 자이로스코프와 구동 장치의 구동 및 조절에 필요한 공급된 AC 전압의 개략적인 평면도를 도시하며,

도 2는 신호의 제거에 필요한 구성요소를 구비하는 진동 자이로스코프의 개략적인 측면도를 도시하며,

도 3은 진동 자이로스코프의 고정 연결부에 인가되는 신호의 스펙트럼을 도 시하며,

도 4는 본 발명에 따른 장치의 블록 다이어그램을 도시하며,

도 5는 도 4에 따른 장치에서 발생하는 상이한 신호들에 대한 전압 타이밍 다이어그램(voltage timing diagram)을 도시한다.

도 1에 도시된 진동 자이로스코프는 디스크(1)를 포함하며, 이러한 디스크는 도면 부호 2에서 경사질 수 있으나 회전될 수 없도록 장착된다. 링(3)이 탄성 텅(resilient tongue)(4)을 통해 디스크(1)에 연결되되, 디스크(1)에 대해 회전 진동될 수 있도록 연결된다.

용량성 부재(11 내지 16)를 구비하는 복수의 암(arm)(5 내지 10)이 링(3)의 원주에 위치된다. 도 1에 따른 개략도에서, 암(5 내지 10)은 구현되고 있는 예시적인 실시 형태에 비해 긴 형태로 도시되어 있다. 용량성 부재(11 내지 16) 각각은, 암에 배치되며 따라서 링(3)과 함께 이동될 수 있는 전극(17)과 고정 전극(18, 18')을 포함한다.

고정 전극(18, 18')은, 도시되지 않은 부품(1 내지 17)을 일체로 구비하는 기판에 절연되도록 부착된다. 기판을 패터닝(patterning)하는 방법은 본 기술 분야에 공지되어 있어, 본 발명에서는 더 이상 상세히 논의될 필요가 없다.

용량성 부재(11 내지 14)의 전극(18, 18')은, 주파수는 동일하나 회전 진동의 가진을 위해 상이한 위상각을 갖는, 가진 전압 이하의 AC 전압을 공급받는다. 이러한 경우에, 소형 다이어그램에 도시된 바와 같이, DC 전압은 가진 전압에 각각 중첩되며, 그 결과 전극(18)과 전극(18')은 동일한 DC 전압 성분 및 역상 AC 전압 성분을 갖는다. 이는 예를 들면 전극에서 발생된 토크가 그에 인가되는 전압의 제곱에 비례하여 항상 양(positive)이기 때문에, 주기적인 총 토크를 발생시키도록 실시된다. 단지 전극(18, 18')에 의해 발생된 2개의 토크의 합만이 원하는 AC 성분을 포함한다.

충분히 높은 구동력을 발생시키기 위해서, 전극(17)은 빗형 방식(comb-like manner)으로 전극(18, 18')과 간삽(interleave)되며, 본 경우에 명확함을 위해 2개의 개별 전극만을 각각 도시하였으나, 실제로 전극 수는 훨씬 많다.

2개의 역상 출력단(20, 21)을 구비한 주파수 제어식 오실레이터(frequency-controlled oscillator)(VCO)(19)가 역상 가진 전압을 발생시키기 위해 사용되며, 이러한 역상 가진 전압은 대응 바이어스 전압이 제공되는 용량성 부재(11 내지 13)에 공급된다. 회전율 신호를 획득하는 작동과 관련하여 하기에 보다 상세히 설명하는 연결부(2)는 가진 전압에 의해 발생하는 전류를 피드백(미도시)하기 위해 사용된다. 용량성 측정 부재(15, 16)는 회전 진동을 조절하는 데 사용되며, 오실레이터(22)에서 발생되고 제1 측정 주파수 f1인 AC 전압이 상기 측정 부재에 인가된다. 후술하는 바와 같이, 이러한 AC 전압을 공급하는 작동은, 용량성 부재(15, 16)의 커패시턴스를 측정하여 회전 진동을 나타내는 신호를 얻는 데 사용된다.

도 2는 디스크(1)와, 공통 연결부(23)를 구비한 그의 장착부(2)의 측면도를 도시한다. 이중 화살표로 도시된 이동은 코리올리 힘에 의해 발생되며, 측정될 회전율을 나타낸다. 경사 운동은 커패시턴스를 측정함으로써 결정되며, 이를 위해, 오실레이터(26)에 의해 발생되고 제2 측정 주파수 f2인 역상 AC 전압이 2개의 전극(24, 25)에 인가된다. 고정 연결부(23)는 증폭기(27)의 입력단에 연결되며, 이러한 증폭기는 저항체(28)와 커패시터(29)를 통한 피드백을 갖고 전하 증폭기의 형상을 표시한다.

연결부(23)에서의 신호는, 가진 주파수(도시된 실시예에서 공진 주파수 fres)에서, 커패시턴스 진동 및 가진 전압의 혼합에 의해 형성되고 상당한 값을 취하는 가진 주파수의 2배에서, 제1 측정 주파수 f1에서, 그리고 제2 측정 주파수 f2에서 정확한 성분으로 도 3에 도시된 스펙트럼을 갖는다. 측정 주파수는 측정 정보를 포함하는 측파대(sideband)를 갖는다. 주파수 fres와 2xfres에서의 성분은 상당한 오버드라이빙 및 간섭을 유발할 수 있으며, 4개의 구동 그룹의 사인-교번 구동(sign-alternating driving)에 의해 대부분 억제된다.

도 4에 따른 블록 다이어그램에서, 용량성 부재(11 내지 14, 15, 16)는 도 1과 비교시 그들의 기계적인 구성에 무관하게 도시되어 있으며, 그 결과 전극(18, 18')은 전극(17)과 함께 각각 커패시터 쌍을 구성하고, 4쌍의 커패시터(11 내지 14) 대신에 커패시터의 단지 두 쌍만이 도시되며, 명확함을 위해 2쌍의 커패시터(15, 16) 대신에 단지 한 쌍의 커패시터만이 도시된다. 출력단(23)에서의 전하 증폭(charge amplification)(27) 및 후속 대역 통과 필터링(30)은 이미 도 2 및 도 3과 함께 설명하였다.

측정 주파수 f1 및 f2를 사용하여 동기 복조(synchronous demodulation)가 수행되는 2개의 배율기(multiplier)가 필터(30)의 출력단(A)에 연결된다. 복조된 신호는 도면 부호 B 및 C를 이용하여 표시된다. 도면 부호 33에서의 저역 통과 필터링(low-pass filtering)에 의해서, 진동 자이로스코프의 회전 진동을 나타내는 신호가 도면 부호 34에 존재한다. 이러한 신호는, 특성(characteristic) F(p)를 구비한 조절기(36) 및 오실레이터(19)와 함께 제어 루프를 형성하는 다른 배율기(35)에 공급된다. 결과적으로, 오실레이터(19)의 출력 전압의 위상각 및 주파수는 안정된 진동이 발생되도록 제어된다. 진동의 진폭을 제어하기 위해서, 도면 부호 34의 신호는 가산기(37)를 통해 기준 전압 Uref와 비교되고, 특성 G(p)를 갖는 다른 조절기(38)를 통해 오실레이터(19)의 제어 입력단으로 공급되며, DC 전압 성분을 갖는 가진 전압은 상기한 오실레이터의 출력단(20, 21)에 존재한다.

회전율 신호를 발생시키기 위해, 배율기(32)로부터의 출력 신호 C는 저역 통과 필터(39)로 전달된다. 그곳으로부터, 신호는 주파수 fres에서 신호를 공급받는 다른 배율기(40)로 전달되며, 그 결과 상기 배율기는 동기 복조기로서 작동한다. 복조된 신호 D는 증폭기(41)를 통해 출력단(42)으로 전달된 회전율 신호를 나타낸다.

도 5는 여러 타이밍 다이어그램을 도시하며, 즉 다이어그램 A는 필터(30)로부터의 출력 신호 A를 도시하고, 다이어그램 B는 동조 복조기(31)로부터의 출력 신호 B를 도시하며, 다이어그램 C는 동기 복조기(32)로부터의 출력 신호 C를 포함하고, 다이어그램 D는 동기 복조기(40)로부터의 출력 신호 D를 포함하며, 다이어그램 B, C 및 D의 복조를 도시하기 위해, 포락선(envelope), 즉 복조의 결과 외에 반송파(carrier)도 또한 도시된다.

Claims

진동 센서(1, 2, 3)를 사용하여 회전율을 측정하는 장치로서, 제1 축에 수직한 상기 진동 센서의 진동이 용량성 구동 부재(11 내지 14)에 의해 가진 및 측정되고, 코리올리 힘의 영향 하에 제3 축으로의 회전에 의해 가진되는, 제2 축으로의 상기 진동 센서의 회전은 용량성 측정 부재(24, 25)에 의해 측정되며, 용량성 부재 각각은 고정 전극(18, 18'; 24, 25) 및 진동 센서와 함께 이동될 수 있는 전극(17; 1)에 의해 형성되고, 이동가능 전극(17; 1)은 고정 연결부(2; 23)에 접합 연결되는, 회전율 측정 장치에 있어서,

용량성 구동 부재(11 내지 14)의 고정 전극(18, 18')은 그 주파수가 진동 센서(1, 2, 3)의 공진 주파수의 저조파 또는 공진 주파수와 일치하는 가진 전압을 공급받을 수 있고, 가진된 진동을 측정하는 데 사용되는 용량성 부재(15, 16)는 가진 전압의 주파수보다 높은 제1 측정 주파수에서 AC 전압을 제공받을 수 있으며, 용량성 측정 부재의 고정 전극(24, 25)은, 제1 측정 주파수와 상이하고 가진 전압의 주파수보다 높은 제2 측정 주파수에서 AC 전압을 공급받는 것을 특징으로 하는 회전율 측정 장치.
제1항에 있어서,

가진된 진동의 측정을 위해 또 다른 용량성 측정 부재(15, 16)가 제공되는 것을 특징으로 하는 회전율 측정 장치.
제1항에 있어서,

용량성 구동 부재는 가진된 진동을 측정하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 회전율 측정 장치.
제1항에 있어서,

회전율을 나타내는 신호를 형성하기 위해, 제2 측정 주파수에서 AC 전압을 사용한 다음에 가진 전압을 사용하여 고정 연결부(23)로부터 추출된 신호를 동기적으로 복조하는 수단이 제공되는 특징으로 하는 회전율 측정 장치.
제4항에 있어서,

제1 측정 주파수를 사용하여 고정 연결부(23)로부터 추출된 신호를 복조하고 가진 전압의 조절을 위해 복조된 신호를 사용하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 회전율 측정 장치.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

출력단이 대역 통과 필터(30)에 연결되는 전하 증폭기(27)가 고정 연결부(23)에 연결되는 것을 특징으로 하는 회전율 측정 장치.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

최소한 4개의 군의 용량성 구동 부재가 제공되고, 역상 AC 전압 성분 및 동일한 바이어스 전압이 각각 상기 군들 중 2개에 인가되는 것을 특징으로 하는 회전율 측정 장치.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

제1 및 제2 측정 주파수는 가진 전압의 주파수의 10배 내지 500배의 범위 내인 것을 특징으로 하는 회전율 측정 장치.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

진동 센서는 진동 자이로스코프(1 내지 18')인 것을 특징으로 하는 회전율 측정 장치.
진동 센서(1, 2, 3)를 사용하여 회전율을 측정하는 장치로서, 제1 축에 수직한 상기 진동 센서의 진동이 용량성 구동 부재(11 내지 14)에 의해 가진 및 측정되고, 코리올리 힘의 영향 하에 제3 축으로의 회전에 의해 가진되는, 제2 축으로의 상기 진동 센서의 회전은 용량성 측정 부재(24, 25)에 의해 측정되며, 용량성 부재 각각은 고정 전극(18, 18'; 24, 25) 및 진동 센서와 함께 이동될 수 있는 전극(17; 1)에 의해 형성되고, 이동가능 전극(17; 1)은 고정 연결부(2; 23)에 접합 연결되는, 회전율 측정 장치에 있어서,

최소한 4개의 군의 용량성 구동 부재가 제공되고, 역상 AC 전압 성분 및 동 일한 바이어스 전압이 각각 상기 군들 중 2개에 인가되는 것을 특징으로 하는 회전율 측정 장치.