(57)【要約】  本発明は振動ジャイロスコープの駆動方法および振動ジャイロスコープを備えたセンサ装置に関する。振動ジャイロスコープは共振器として用いられかつ固有周波数の励振信号を形成する制御回路の一部として動作する。つまり、振動ジャイロスコープは自身の出力信号から自身の励振信号をフィルタリングおよび増幅により導出する。本発明によれば、励振信号の供給前に振動ジャイロスコープを自由振動にいたるまで励振し、自由振動の周波数を測定し、測定された周波数の励振信号を振動ジャイロスコープへ供給することにより、センサ装置のスイッチオン後、励振信号の周波数が調整される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動ジャイロスコープは共振器として用いられかつ固有周波数の励振信号を形成する制御回路の一部として動作し、ここで振動ジャイロスコープは自身の出力信号から自身の励振信号をフィルタリングおよび増幅により導出する、
振動ジャイロスコープの駆動方法において、
励振信号の供給前に振動ジャイロスコープを自由振動にいたるまで励振し、自由振動の周波数を測定し、測定された周波数の励振信号を振動ジャイロスコープへ供給して、センサ装置のスイッチオン後、励振信号の周波数を調整する
ことを特徴とする振動ジャイロスコープの駆動方法。
【請求項２】
励振に用いられる信号による振動ジャイロスコープの励振に際して、少なくとも１つの設定された周波数領域を掃引し、その後で当該の信号を遮断し、形成された自由振動の周波数を測定する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
自由振動が発生しなかった場合、第２の周波数領域を掃引する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
第２の周波数領域として、振動ジャイロスコープにおいて可能な固有周波数の全てを含む領域を選択する、請求項３記載の方法。
【請求項５】
第２の周波数領域として、予め測定されメモリに格納されている固有周波数およびその変化分を含む領域を選択する、請求項３記載の方法。
【請求項６】
それぞれの周波数領域を重畳させる、請求項２から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
第２の周波数領域として、記憶値、該記憶値の温度依存性およびスイッチオン時の測定温度から計算された値を有する振動ジャイロスコープの固有周波数を含む領域を選択する、請求項３記載の方法。
【請求項８】
振動ジャイロスコープは共振器として用いられかつ固有周波数の励振信号を形成する制御回路の一部として動作し、ここで振動ジャイロスコープは自身の出力信号から自身の励振信号をフィルタリングおよび増幅により導出する、
振動ジャイロスコープを備えたセンサ装置において、
制御回路（１１〜２２）を迅速に振動させる手段（２４〜３０）により、励振信号の供給前に振動ジャイロスコープが自由振動にいたるまで励振され、自由振動の周波数が測定され、測定された周波数の励振信号が振動ジャイロスコープへ供給されて、センサ装置のスイッチオン後、励振信号の周波数が調整される
ことを特徴とする振動ジャイロスコープを備えたセンサ装置。
【請求項９】
前記手段は周波数測定回路（２４〜２６）、マイクロコントローラ（２７）、不揮発性メモリ（２８）および周波数合成回路（１０）を含む、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
励振に用いられる信号による振動ジャイロスコープの励振に際して、少なくとも１つの設定された周波数領域が掃引され、その後で当該の信号が遮断され、形成された自由振動の周波数が測定される、請求項８または９記載の装置。
【請求項１１】
自由振動が発生しなかった場合、第２の周波数領域が掃引される、請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
第２の周波数領域として、振動ジャイロスコープにおいて可能な固有周波数の全てを含む領域が選択される、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
第２の周波数領域として、予め測定されメモリに格納されている固有周波数およびその変化分を含む領域が選択される、請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
それぞれの周波数領域が重畳される、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
第２の周波数領域として、記憶値、該記憶値の温度依存性およびスイッチオン時の測定温度から計算された値を有する振動ジャイロスコープの固有周波数を含む領域が選択される、請求項１１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動ジャイロスコープの駆動方法および振動ジャイロスコープを備えたセンサ装置に関する。振動ジャイロスコープは共振器として用いられかつ固有周波数の励振信号を形成する制御回路の一部として動作する。つまり、振動ジャイロスコープは自身の出力信号から自身の励振信号をフィルタリングおよび増幅により導出する。
【０００２】
例えば欧州特許０４６１７６１号明細書から、振動ジャイロスコープが主軸に対して半径方向の２つの軸で励振され、この振動ジャイロスコープに対して相応の変換器を備えた１次制御回路および２次制御回路が設けられているジャイロセンサが公知である。こうしたジャイロセンサが自動車の走行安定化のために用いられる場合、ジャイロセンサは自動車の使用開始直後にきちんと機能するようになっていなければならない。ただし、制御回路の振動特性により、ジャイロセンサの始動には時間がかかる。
【０００３】
したがって、本発明の課題は、制御回路の振動を加速することである。この課題は、励振信号の供給前に振動ジャイロスコープを自由振動にいたるまで励振し、自由振動の周波数を測定し、測定された周波数の励振信号を振動ジャイロスコープへ供給して、センサ装置のスイッチオン後、励振信号の周波数を調整することにより解決される。
【０００４】
励振後の僅かな減衰により、ｅ関数（指数関数）で減衰する自由振動が周波数測定に対して充分な長さで利用される。周波数測定は例えば高周波数インパルスの計数による周期時間の測定として行われる。
【０００５】
本発明の有利な実施形態によれば、励振に用いられる信号による振動ジャイロスコープの励振に際して、少なくとも１つの設定された周波数領域が掃引され、その後で当該の信号が遮断され、形成された自由振動の周波数が測定される。
【０００６】
本発明の有利な別の実施形態によれば、固有周波数が設定された周波数領域よりも大きい周波数領域にあり、自由振動が発生しなかった場合、第２の周波数領域が掃引される。ここで有利には、第２の周波数領域として、振動ジャイロスコープにおいて可能な固有周波数の全てを含む周波数領域が選択される。
【０００７】
ただし、固有周波数のサーチを小さな領域に制限する措置を採ることもできる。例えば、本発明の有利な別の実施形態では、第２の周波数領域として、予め測定されメモリに格納されている固有周波数およびその変化分を含む領域が選択される。
【０００８】
本発明の有利な別の実施形態によれば、サーチの際に固有周波数が排除されないよう掃引を行わずにそれぞれの周波数領域を重畳させることもできる。
【０００９】
本発明の有利な別の実施形態によれば、第２の周波数領域として、記憶値、この記憶値の温度依存性およびスイッチオン時の測定温度から計算された値を有する振動ジャイロスコープの固有周波数を含む領域が選択される。記憶値は、設定された温度、例えば２５℃のもとで、振動ジャイロスコープまたはこれを含むセンサ装置の補償過程（キャリブレーション過程）のあいだに測定され、不揮発性メモリに格納される値である。有利には補償過程のあいだの温度および温度依存性も不揮発性メモリに格納される。
【００１０】
また、本発明の課題は、制御回路を迅速に振動させる手段により、センサ装置のスイッチオン後、励振信号の供給前に振動ジャイロスコープが自由振動にいたるまで励振され、自由振動の周波数が測定され、測定された周波数の励振信号が振動ジャイロスコープへ供給されるセンサ装置を構成して解決される。
【００１１】
有利には、前記手段は周波数測定回路、マイクロコントローラ、不揮発性メモリおよび周波数合成回路を含む。
【００１２】
本発明のセンサ装置の有利な実施形態および実施態様は従属請求項に記載されている。
【００１３】
本発明から多数の実施例が得られる。以下に本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。図１には本発明の方法の適用される振動ジャイロスコープを備えたセンサ装置のブロック図が示されている。図２には本発明の方法の第１の実施例の周波数領域が概略的に示されている。図３には本発明の方法の第２の実施例の周波数領域が概略的に示されている。図４には本発明の方法の第３の実施例の周波数領域が概略的に示されている。
【００１４】
図１には本発明のセンサ装置の要素のブロック図が示されている。ただしこれは本発明のセンサ装置がここに示されている要素に限定されることを意味しない。本発明のセンサ装置は特に高集積回路を用いて実現可能である。ここでは適切なプログラミングにより各ブロックで示されている処理ステップを実行するマイクロプロセッサを用いることもできる。
【００１５】
図１には振動ジャイロスコープ１を備えたセンサ装置のブロック図が示されている。振動ジャイロスコープは１次励振信号ＰＤに対する入力側２と２次励振信号ＳＤに対する入力側３とを有している。励振は適切な変換器、例えば電磁的変換器を介して行われる。振動ジャイロスコープはさらに１次出力信号ＰＯに対する出力側４と２次出力信号ＳＯに対する出力側５とを有している。これらの信号はそれぞれジャイロスコープの空間的に異なる位置での振動を反映している。この種のコリオリ力の作用を基礎とする振動ジャイロスコープは例えば欧州公開第０３０７３２１号明細書から公知である。
【００１６】
振動ジャイロスコープ１は高品質のフィルタである。ここで、第１の入力側２と第１の出力側４とのあいだの区間は１次制御回路６の部分となっている。第２の入力側３と第２の出力側５とのあいだの区間は２次制御回路の部分となっているが、これは本発明の理解にとってはさほど重要でないので図示されていない。１次制御回路６は振動ジャイロスコープの共振周波数、例えば１４ｋＨｚの振動を励振するために用いられる。ここでは励振は振動ジャイロスコープの１つの軸、すなわち、２次制御回路に利用される振動の方向に対して９０゜ずらされた軸において行われる。図示されていない２次制御回路では信号ＳＯが２つの成分へ分割され、そのうち一方の成分が適切な処理の後にヨーレートに比例する信号として取り出される。
【００１７】
２つの制御回路では信号処理の重要部分はディジタルで行われる。信号処理に必要なクロック信号はクォーツ制御されるディジタル周波数合成回路１０において形成され、そのクロック周波数は図示の実施例では１４．５ＭＨｚである。本発明の方法を適用する際には主として１次制御回路が用いられるので、図１には１次制御回路のみを示してある。
【００１８】
１次制御回路は出力信号ＰＯに対する第１の増幅器１１を有しており、この増幅器にアンチエイリアシングフィルタ１２およびアナログ／ディジタル変換器１３が接続されている。キャリア信号Ｔｉ１，Ｔｑ１が乗算器１４，１５へ供給され、これらを介して、各信号がインフェーズ成分と２乗成分とへ分割される。２つの成分は続いてそれぞれ（ｓｉｎｘ／ｘ）フィルタ１６，１７およびローパスフィルタ１８，１９へ供給される。フィルタリングされた実数部は第１のＰＩＤ制御回路２０へ供給される。この第１のＰＩＤ制御回路がディジタル周波数合成回路１０を制御することにより位相制御回路が閉成され、キャリア信号Ｔｉ１，Ｔｑ１に正しい位相が生じる。さらに、キャリア信号Ｔｑ２が形成され、回路２２において第２のＰＩＤ制御回路２１の出力信号によって変調され、ここからローパスフィルタリングされた虚数部が得られる。回路２２の出力信号は振動ジャイロスコープ１の第１の入力側２へ励振信号ＰＤとして供給される。ＰＩＤ制御回路に代えて個々の条件に応じて他の制御回路、例えばＰＩ制御回路を利用してもよい。
【００１９】
本発明の方法を実行するために、第２の増幅器２４、シュミットトリガ回路２５およびカウンタ２６が設けられており、これらが周波数測定回路として用いられる。マイクロコントローラ２７は本発明の方法の個々のステップを制御し、ＥＥＰＲＯＭとして構成された不揮発性メモリ２８へアクセスする。さらに、本発明の方法では、多くのセンサ回路で固有のセンサ２９およびアナログ／ディジタル変換器３０から成る既存の温度センサが利用される。個々の部品はバスシステム３１を介して相互に、またディジタル周波数合成回路１０および回路２２へ接続される。
【００２０】
本発明の方法を実行するために、マイクロコントローラ２７は周波数合成回路１０および回路２２を制御して、図２〜図４に則して後述する励振信号を振動ジャイロスコープ１の第１の出力側２へ伝送させる。このとき、例えばクロック信号Ｔｉ１，Ｔｑ１を遮断することにより制御回路は遮断される。
【００２１】
図２に示されている実施例では、固有周波数Ｆ０ｒｔを含む領域全体が複数の周波数領域ＦＢ１〜ＦＢｎへ分割されている。それぞれの周波数領域は周波数Ｆａ〜Ｆｂの範囲で広がり、ハッチングされた部分は相互に重畳している。センサ装置のスイッチオン後、まず第１の周波数領域Ｆａ１〜Ｆｂ１が掃引され、ついで第２の周波数領域Ｆａ２〜Ｆｂ２が掃引され、さらに第３の周波数領域Ｆａ３〜Ｆｂ３が掃引される。第４の周波数領域Ｆａ４〜Ｆｂ４の掃引のあいだに、ようやく、固有周波数Ｆ０ｒｔによる自由振動が励振される。このことは図１のカウンタ２６により検出され、測定された周波数がマイクロコントローラ２７へ報告され、周波数合成回路１０が当該の周波数へ調整される。
【００２２】
本発明の振動ジャイロスコープにおいて、固有周波数の領域を１３．５ｋＨｚ〜１４．５ｋＨｚとすると、例えば、これは３５Ｈｚずつ重畳する１個当たり１００Ｈｚずつの１０個の周波数領域へ分割される。１個の周波数領域の掃引に必要な時間は例えば１０ｍｓとすると有利である。
【００２３】
図３の実施例では、センサ装置の製造時の補償プロセスにおいて、試験条件のもとで存在する固有周波数Ｆ０ｒｔが測定され、図１の不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）２８に格納される。センサ装置がスイッチオンされ、固有周波数Ｆ０ｒｔがサーチされるとき、固有周波数の実験的ばらつきを考慮する必要はない。したがってサーチ過程の補償（キャリブレーション）時の固有周波数に対する変化のみを考慮すればよい。この変化は第一義的には温度影響または経時劣化影響によるものである。図３の実施例では、固有周波数の変化Ｆ０ｔｍｉｎ〜Ｆ０ｔｍａｘをカバーする３つの周波数領域ＦＢ１〜ＦＢ３しか存在していない。
【００２４】
図４の実施例では、振動ジャイロスコープの固有周波数に加えて、補償の際に、温度係数およびスイッチオン時の温度が考慮される。図示の実施例では、最低温度ｔｍｉｎ，平均温度ｒｔおよび最高温度ｔｍａｘに対してそれぞれ１つずつ周波数領域を掃引するだけでよい。このことは周波数のインデクスＦ０，Ｆａ，Ｆｂによって表されている。ハッチング領域は制御回路（ＰＬＬ回路）の捕捉領域を表している。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の振動ジャイロスコープを備えたセンサ装置のブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施例の周波数領域を示す概略図である。
【図３】本発明の第２の実施例の周波数領域を示す概略図である。
【図４】本発明の第３の実施例の周波数領域を示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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