(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に機械的又は電気的に結合された複数のセンサ素子を備えた回転レートセンサと、
励起電圧を供給する励起回路（６）を備えた励起ループ（１）と、
振幅を有する減衰電圧（Ｕｄ，ｄｒ）を介して回転運動の際のコリオリ作用によって生じる回転レートセンサの振動を減衰する減衰回路（８）を備えた検出ループ（２）と、
評価手段（３，１７）とを有し、
前記励起ループ（１）は、複数のセンサ素子のうちの少なくとも１つを介して前記センサを一定の振幅の励起電圧（Ｕａ，ｄｒ）を用いて励起状態に移行させることが可能であり、
前記検出ループ（２）は、前記センサ素子の少なくとも１つと接続されるか又はさらなるセンサ素子と接続され、求めるべき回転レートと相関付けされる測定信号（Ｕ′d,dr）を送出し、
前記評価手段（３，１７）は、前記測定信号から回転レートを表す出力電圧（Ｕｏｕｔ）を得るための手段である、回転レートを求めるための装置において、
前記励起ループが、前記励起電圧に対するセンサの反応尺度となるセンサ特性量（Ｕａ，ｓ）を生成し、
出力電圧と回転レートの間の相関関係を一定に維持するための補正手段（２０ないし２１；４，１６）が設けられており、該補正手段は前記センサ特性量から補正信号（Ｕ′ａ、ｓ）を生成し、
前記評価手段（３，１７）内に評価回路（３）が設けられており、該評価回路（３）は前記測定信号を処理しており、
さらに前記評価回路（３）の出力信号に前記補正信号（Ｕ′ａ、ｓ）を乗算する乗算器（１６）が設けられていることを特徴とする、回転レートを求めるための装置。
【請求項２】
前記励起ループ（１）内の励起回路（６）は位相制御されており、該励起回路（６）の励起センシング電圧と称される入力量は前記センサ特性量である、請求項１記載の回転レートを求めるための装置。
【請求項３】
前記回路手段（１６）の出力信号は、出力補償段（１７）において電気的に調整可能である、請求項１または２記載の回転レートを求めるための装置。
【請求項４】
前記励起状態は、振動状態である、請求項１〜３いずれか１項記載の回転レートを求めるための装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相互に機械的又は電気的に結合された複数のセンサ素子を備えた回転レートセンサと、励起電圧を供給する励起回路を備えた励起ループと、振幅を有する減衰電圧を介して回転運動の際のコリオリ作用によって生じる回転レートセンサの振動を減衰する減衰回路を備えた検出ループと、評価手段とを有し、前記励起ループは、複数のセンサ素子のうちの少なくとも１つを介して前記センサを一定の振幅の励起電圧を用いて励起状態に移行させることが可能であり、前記検出ループは、前記センサ素子の少なくとも１つと接続されるか又はさらなるセンサ素子と接続され、求めるべき回転レートと相関付けされる測定信号を送出し、前記評価手段は、前記測定信号から回転レートを表す出力電圧を得るための手段である、回転レートを求めるための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４４７００５号明細書からは、回転レートを求める装置が公知である。この装置では、１つのセンサが励起ループを介して一定の励起状態におかれている。さらにこの装置は、運動量を検出するための検出ループと、回転レートに比例する出力電圧を得るための評価回路も有している。ここで得られた出力電圧と、測定すべき回転レートの比として定められる外的なスケール係数は、時間的な変動の影響下におかれている。なぜならセンサの感度は例えば温度や経年劣化の進行と共に変化し得るからである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前述したような従来装置の欠点に鑑みこれを解消すべく改善を行うことである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、前記励起ループが、前記励起電圧に対するセンサの反応尺度となるセンサ特性量を生成し、出力電圧と回転レートの間の相関関係を一定に維持するための補正手段が設けられており、該補正手段は前記センサ特性量から補正信号を生成し、前記評価手段内に評価回路が設けられており、該評価回路は前記測定信号を処理しており、さらに前記評価回路の出力信号に前記補正信号を乗算する乗算器が設けらる構成によって解決される。
【０００５】
請求項１に記載の本発明による装置によって得られる利点は、センサにおける温度特性や経年劣化の経過が、所定の物理的運動量に対して測定されたセンサ出力信号に関して補償調整されることである。
【０００６】
これにより最終生産ラインにおける手間のかかる感度の整合はもはや必要なくなる。この整合には例えば温度に関する物理的測定量の調整、それに続く出力信号の測定や温度に関する所望の感度設定が必要とされる。これらの設定は、例えばｎ次の多項式における係数の記憶によって行われる必要があり、これは例えばＥＥＰＲＯＭにファイルされるか又はツェナーザッピング（Zener-zapping)、サイリスタザッピング(Thyristor-Zapping)、ポテンショメータ設定などによって記憶される（チップ面の節約）。
【０００７】
さらにセンサの有用性や動作の確実性が高められる。
【０００８】
本発明の別の有利な構成例及び改善例は従属請求項に記載される。
【０００９】
比較的簡単な構成では、較正回路にセンサ特性量が供給され、このセンサ特性量が内部のスケール係数、温度特性並びに経年劣化などと照らし合わせて相関付けされる。
【００１０】
この場合のセンサ特性量は、既存の励起ループから適する手法で取り出されてもよい。
【００１１】
特に簡単な実施形態では、励起ループの一部である励起回路が一定の励起電圧を供給する。それにより、励起ループ内の励起回路を制御する信号が有用なセンサ特性量となる。１つの有利な実施形態によれば、励起ループ内の励起回路は位相制御されており、この励起回路の励起センシング電圧と称される入力量が上述のセンサ特性量である。
【００１２】
前記較正回路は有利には慣用の回路素子、例えば分周器などで実現してもよい。
【００１３】
付加的に装置の信号出力側の直前に出力平衡段を設けるならば、この装置は製造時の最終生産ラインで絶対調整が可能となる。本発明の装置によれば、例えば簡単な抵抗調整を介して絶対較正も可能となる。
【００１４】
有利にはこの装置は特に回転レートセンサに適用することができる。ここではセンサが一定の振動状態におかれ、電気的な導出信号が測定された回転レートに対する尺度として用いられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に本発明を図面に基づき詳細に説明する。
【００１６】
図１に示された装置は、励起ループ１と、検出ループ２と、評価回路３を有している。これらの３つの構成部分の構造と機能性に関しては先のドイツ連邦共和国特許出願公開第４４４７００５号に詳しく記載されているが、ここでも前記構成部分の構造及び機能性を概略的に示してある図１に基づいて再度説明する。励起ループ１は励起回路６を有している。この励起回路６はセンサと相互作用しており、この相互作用は、励起ループの機械的結合回路５として示されている。さらに励起回路６は、一定の振幅の励起電圧Ｕa,drを供給する。この励起電圧は、センサ上に固定されているピエゾ素子を起動させる。これによりセンサは、一定の振動状態におかれる。センサのこの振動はさらなるピエゾ素子として構成されているセンサ素子によってセンシングされる。この振動に対する尺度は、振幅を伴った励起センシング電圧Ｕa,sである。この励起センシング電圧は、励起回路６へ給電され、励起回路の位相制御に用いられる（ポジティブフィードバック方式）。センサとピエゾ素子との機械的な結合は、励起伝達関数Ｆa,mによってあらわされ、励起回路６の作用は励起関数Ｆaによってあらわされる。検出ループ２は減衰回路８を有している。この減衰回路８は、振幅を伴った減衰電圧Ｕd,drを介して、回転運動の際のコリオリ作用によって生じた回転レートセンサの振動を減衰する。図１には概略的に入力信号が符号１０で示されている。この入力信号１０は、測定すべき回転レートの電気的な等価値として示されている。図１ではこの信号が加算点を介してセンサに供給されている。さらなるピエゾ素子も設けられており、これらの素子はコリオリ作用により、印加された回転レートと一定の励起振動に基づきセンサの誘導的な付加的運動を記録する。この場合検出ループの機械的結合回路７は、評価伝達関数Ｆd,mを有している。前述したさらなるピエゾ素子は、減衰センシング電圧Ｕd,sを供給する。この電圧は減衰回路８の制御に用いられる。この減衰回路８は減衰関数Ｆdによって特徴付けられる。検出ループ２のこの減衰回路８は前記励起ループ１の励起回路６とは異なって、ネガティブフィードバック方式で接続されている。すなわちここではパイロット式制御である。ここでは減衰電圧Ｕd,drの振幅が、測定された回転レートに対する尺度として用いられている。同期復調器１４とローパスフィルタ１５を有している評価回路３では、減衰電圧Ｕd,drが、励起電圧Ｕa,drの処理のもとで復調される。その際にこの復調器内で生じる二重の周波数は、ローパスフィルタ１５でろはされ、それによって評価回路３の出力側からは測定信号Ｕ′d,drが送出される。この測定信号は、測定すべき回転運動に比例している。そして乗算器１６では、この測定信号に較正回路４の補正信号Ｕ′a,sが乗算され、さらに出力調整段１７において例えば製造時の最終生産ライン時に出力調整関数Ｆoutを介して補償調整される。この出力調整段１７からは最終的にセンサ出力信号１１が取り出される。例えば較正回路４が分周器で構成されている場合には、較正分岐２０によって制御がなされる。この較正分岐２０は較正回路４に、励起センシング電圧Ｕa,sを供給する。またここでは場合によって選択的な較正分岐２１が設けられていてもよい。この���正分岐２１は、励起回路６から適切な信号を相応に取り出す。励起回路６は、場合によっては演算増幅器と、整流器の有利な組合せからなり得る。その場合には適切な箇所において既に励起センシング電圧に反比例した制御電圧が取り出されるので較正回路４自体を著しく簡素化でき、もはや分周器を必要としない。前述の選択的な較正分岐２１に印加される信号は、実際には乗算器１６に直接供給することも可能である。
【００１７】
この本発明による装置の較正回路の作用に対して実質的に言えることは、この装置が検出ループ２とは別個の励起ループ１を有していることである。測定すべき回転レートΩに対する測定信号Ｕ′d,drの商で定められる内的スケール係数は、経年劣化や温度に起因する変化やその他の時間的変化の影響を受ける。これに対して本発明による装置は、外的スケール係数、すなわち測定すべき回転レートに対するセンサ出力信号Ｕout （１１）の商が温度変化や経年劣化あるいはその他の周辺の影響に左右されないように作用する。このために設けられている、センサの内的スケール係数によって定まる電気量に依存したセンサ感度の自動追従制御機能は、較正回路４を介して行われる。また励起ループはセンサの共振周波数で動作して一定の振幅Ｕa,drでセンサに振動を励起せしめるように構成されている。前述した実施例では検出ループが励起ループの周波数で共振的に動作するが、検出ループが共振的に動作しない実施例も可能である。この実施例では、センサの適用が１つだけなのか、それとも別個の運動量評価用センサが適用されるのかで区別される。
【００１８】
検出ループでは、物理的な入力量（回転レートΩ）に相応する逆位相の信号Ｕd,drが生成される。この信号は最終的な計算精度（ループ増幅度）に至るまで入力量に相応している。ここでは次の式が適用される（以下では実施例の説明に以下の符号が参照される）。
【００１９】
【数１】
0004571715.tif 000002
【００２０】
ここに記載されているような閉ループ装置においては、Ｆa,m＝Ｆd,mという条件が成り立っている限りは、本発明による課題を解決するための前提が存在しない。すなわちこの場合には開ループ装置でもよい。
【００２１】
内的スケール係数（Ｋ）には、測定値センサ特性、つまり励起ループの励起伝達関数Ｆa,mも関与している。従ってこれは以下の式で書き表せる。
【００２２】
Ｋ＝ｆ（Ｆa.m；Ｕa,dr)＝ｋ0×Ｆa,m×Ｕa,dr
励起センシング電圧Ｕa,sも励起伝達関数 Ｆa,mに依存している。すなわちこれは以下の式で書き表せる。
【００２３】
Ｕa,s＝Ｆa,m×Ｕa,dr
それにより、Ｕa,sは、内的スケール係数に対する尺度となる。
【００２４】
励起ループ内では以下の条件、
ａｒｃ（Ｆa,m）＋ａｒｃ（Ｆa）＝０゜（振動条件）
の成立が保証されているので、次のように書くこともできる。
【００２５】
Ｕa,s＝Ｆa,m×Ｕa,dr
ここにおいてＵa,sが較正回路４内でフォーム処理されるならば、以下の式が成り立つ。
【００２６】
Ｕ′a,s＝ｋ10×１/（Ｆa,m×Ｕa,dr）
この場合既に直流電圧であるならば次の式につながる。
【００２７】
Ｕ′d,dr＝ｋ20×Ｕd,dr
Ｕout＝Ｆout×Ｕ′a,s×Ｕ′d,dr
＝−Ｆout×ｋ10×ｋ20×ｋ0×Ω≠ｆ（Ｆa,m;Ｕa,dr）
較正回路４の実現は、同期復調を介して行う他に、Ｕa,sの整流を介して行ってもよい。前記符号ｋ10は、較正回路４に対応付けられた一定の係数である。但し、Ｕa,sの逆数値はいずれにせよ形成されなければならない。
【００２８】
励起回路６は、ＡＦＣ（Automatic Frequency Control)回路を有するように構成される。この回路はポジティブフィードバック方式に必要な励起電圧Ｕa,drの位相位置を制御する。その他にも励起回路６はＡＧＣ（Automatic Gain Control)回路を有する。この回路は励起電圧の一定の振幅を考慮する。それにより励起ループ１は、自励形の回路となる。すなわち発振器を持たない。一定の振幅を有する励起電圧Ｕa,drは、センサの共振周波数に相応する周波数、例えばキロヘルツ領域の周波数と相性がよい。ＡＧＣ回路は、次のように実現されてもよい。すなわち励起電圧Ｕa,drの振幅を一定に維持するのに必要な内的制御電圧が既に励起センシング電圧Ｕa,sに反比例するように実現されてもよい。それにより、既に前述したように、較正回路４内の分周器が不要となる。この場合には、単に一定の増幅率が較正回路４内で実現されるだけでよい。このような較正回路４の選択的実施例は図１中の選択的な較正分岐２１によって概略的に示されている。これは較正分岐２０に置き換えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１には、本発明による自動的な感度追従機能を備えた、回転レートを求めるための装置が示されている。
【符号の説明】
Ω      回転レート
Ｋ      内的スケール係数
Ｆa,m    励起伝達関数
Ｆa      励起関数
Ｕa,s    励起センシング電圧の振幅
Ｕa,dr    励起電圧の一定の振幅
Ｆd,m    評価値伝達関数
Ｆd      減衰関数
Ｕd,s    減衰センシング電圧の振幅
Ｕd,dr    減衰電圧の振幅
ｋ20      増幅係数（評価回路３）
Ｕ′d,dr  測定信号
Ｕ′a,s  補正信号
ｋ10    増幅係数（較正回路４）
Ｆout    出力調整量
Ｕout    センサ出力信号
ｋ0      定数
【図１】
0004571715.tif 000003