(57)【要約】本発明は、振動式ジャイロスコープを備えたヨーレートセンサに関する。この振動式ジャイロスコープは１次閉ループ制御回路と２次閉ループ制御回路の一部分であり、これらの閉ループ制御回路はそれぞれ振動式ジャイロスコープの出力信号を増幅、復調、再変調し、励起信号として振動式ジャイロスコープへ再び供給する。その際、振動を維持するエネルギーの大部分は１次閉ループ制御回路によってもたらされる。この場合、復調および再変調に用いられる搬送波を生成するため、搬送波相互間の位相を調整する手段を備えた周波数シンセサイザが設けられており、この周波数シンセサイザは位相比較回路とともに位相制御ループを成しており、この位相比較回路へ、１次閉ループ制御回路における増幅された出力信号と、前記周波数シンセサイザにより生成された比較搬送波が供給される。
2006514305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動式ジャイロスコープを備え、該ジャイロスコープは１次閉ループ制御回路と２次閉ループ制御回路の一部分であり、
該閉ループ制御回路はそれぞれ振動式ジャイロスコープの出力信号を増幅、復調、再変調し、励起信号として振動式ジャイロスコープへ再び供給し、
振動を維持するエネルギーの大部分は前記１次閉ループ制御回路によってもたらされる、
ヨーレートセンサにおいて、
復調および再変調に用いられる搬送波を生成するため、搬送波相互間の位相を調整する手段を備えた周波数シンセサイザ（１０）が設けられており、
該周波数シンセサイザ（１０）は位相比較回路（４４）とともに位相制御ループ（１０，４４，４６，４７）を成しており、
該位相比較回路（４４）へ、１次閉ループ制御回路（６）における増幅された出力信号と、前記周波数シンセサイザ（１０）により生成された比較搬送波が供給されることを特徴とする、
ヨーレートセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のヨーレートセンサにおいて、
第１の搬送波は１次閉ループ制御回路（６）における同期復調器（４５）へ供給され、第２の搬送波は１次閉ループ制御回路（６）における変調器（５１）へ供給されることを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項３】
請求項２記載のヨーレートセンサにおいて、
位相制御ループ（１０，４４，４６，４７）がロックされているとき前記第２の搬送波の位相が、振動式ジャイロスコープ（１）を含めて前記１次閉ループ制御回路（６）全体の位相回転により共振条件が満たされるよう選定されていることを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項４】
請求項３記載のヨーレートセンサにおいて、
前記第１の搬送波の位相は、１次閉ループ制御回路（６）における増幅された出力信号の位相と一致していることを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか１項記載のヨーレートセンサにおいて、
第３および第４の搬送波の位相は互いに９０゜ずらされており、該第３および第４の搬送波は、２次閉ループ制御回路（７）の第１および第２の分岐における同期復調器（２８，２９）へそれぞれ供給され、
第５および第６の搬送波の位相は互いに９０゜ずらされており、該第５および第６の搬送波は、第１および第２の分岐における変調器（３５，３６）へそれぞれ供給されることを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項６】
請求項５記載のヨーレートセンサにおいて、
位相制御ループ（１０，４４，４６，４７）がロックされているとき、第３および第４の搬送波と第５および第６の搬送波の位相差は、２次閉ループ制御回路（７）において共振条件が満たされるよう選定されており、
比較搬送波に対する第３〜第６の搬送波の位相は、第１の分岐においてフィルタ（３０）を介して同期復調器（２８）から取り出し可能なヨーレート信号が振動式ジャイロスコープ（１）の所定の回転のときに最大値をとるよう選定されていることを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項記載のヨーレートセンサにおいて、
先行の補償調整プロセス時に決定された位相の値を格納するための不揮発性メモリ（１１）が設けられており、ヨーレートセンサがスイッチオンされると該不揮発性メモリから値が読み出されて、周波数シンセサイザ（１０）へ供給されることを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項８】
請求項７記載のヨーレートセンサにおいて、
搬送波の位相が温度に依存して補正されることを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項９】
請求項８記載のヨーレートセンサにおいて、
温度に依存して位相を補正するために、振動式ジャイロスコープ（１）の振動周波数の変化が温度変化の尺度として使用されることを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項１０】
請求項８または９記載のヨーレートセンサにおいて、
不揮発性メモリ（１１）に温度依存性が格納されていることを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項１１】
振動式ジャイロスコープを備え、該振動式ジャイロスコープは１次閉ループ制御回路と２次閉ループ制御回路の一部分であり、
該閉ループ制御回路はそれぞれ振動式ジャイロスコープの出力信号を、増幅し復調し再変調して励起信号として振動式ジャイロスコープへ供給し、
振動を維持するエネルギーの大部分が１次閉ループ制御回路によりもたらされ、
復調および再変調に用いられる搬送波を生成するため、搬送波相互間の位相を調整する手段を備えた周波数シンセサイザが設けられており、
前記周波数シンセサイザは位相比較回路とともに位相制御ループを成しており、
該位相比較回路へ、１次閉ループ制御回路において増幅された出力信号と、前記周波数シンセサイザにより生成された比較搬送波が供給される、
ヨーレートセンサの補償調整方法において、
１次閉ループ制御回路における共振条件を満たすために、該１次閉ループ制御回路における変調器のための搬送波の位相を調整し、
ついで２次閉ループ制御回路における共振条件を満たすために、該２次閉ループ制御回路における同期復調器のための互いに９０゜位相がずらされている２つの搬送波の位相を、該２次閉ループ制御回路における変調器のための互いに９０゜位相がずらされている別の２つの搬送波の位相に対し調整し、
ついで振動式ジャイロスコープを回転状態においたときに、２次閉ループ制御回路における同期復調器および変調器のための搬送波の位相を、ヨーレート信号が最大値をとるよう比較搬送波に対し同じ極性でずらすことを特徴とする、
ヨーレートセンサの補償調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１次閉ループ制御回路および２次閉制御ループ回路の一部分である振動式ジャイロスコープを備えたヨーレートセンサに関する。この場合、各閉ループ制御回路はそれぞれ振動式ジャイロスコープの出力信号を増幅して復調し、再び変調して、励起信号として振動式ジャイロスコープへ再び供給する。ここで１次閉ループ制御回路は振動を維持するためのエネルギーの大部分を供給する。さらに本発明はこのヨーレートセンサを補償調整する方法に関する。
【０００２】
独立請求項の上位概念記載のヨーレートセンサにおいて使用される振動式ジャイロスコープは狭帯域のバンドパスフィルタを成しており、これは共振状態で駆動され、たとえば１４ｋＨｚの周波数で駆動される。ヨーレートセンサにより発生されるべきヨーレート信号は２次閉ループ制御回路から取り出され、これは２次閉ループ制御回路における振動式ジャイロスコープ出力信号の振幅および位相に依存している。その際、構成部品の公差に起因して、閉ループ制御回路の補償調整が必要とされる。
【０００３】
本発明によれば閉ループ制御回路の精確な機能たとえば共振条件の遵守などを、以下のようにして実現することができる。すなわち復調および再変調のために用いられる搬送波を発生させるため、搬送波の位相を互いに調整する手段を備えた周波数シンセサイザが設けられており、この周波数シンセサイザは位相比較回路とともに位相制御ループを成しており、ここで位相比較回路には、１次閉ループ制御回路における増幅された出力信号と周波数シンセサイザにより生成された比較搬送波とを供給することができる。
【０００４】
第１の搬送波は１次閉ループ制御回路における同期復調器へ供給され、第２の搬送波は１次閉ループ制御回路における変調器へ供給されるように構成するのが有利である。この場合、位相制御ループがロックされているとき第２の搬送波の位相を、振動式ジャイロスコープを含めて１次閉ループ制御回路全体の位相回転により共振条件が満たされるよう選定することによって、共振条件が遵守される。
【０００５】
１次閉ループ制御回路における復調器はたしかに、１次閉ループ制御回路内の共振に直接的な影響を及ぼさない。しかしながら好適であると判明したのは、第１の搬送波の位相を１次閉ループ制御回路における増幅された出力信号の位相と一致させることである。
【０００６】
２次閉ループ制御回路を作動させるために有利であるのは、第３および第４の搬送波の位相を互いに９０゜ずらし、これら第３および第４の搬送波を、２次閉ループ制御回路の第１および第２の分岐における同期復調器へそれぞれ供給し、第５および第６の搬送波の位相を互いに９０゜ずらし、これら第５および第６の搬送波を、第１および第２の分岐における変調器へそれぞれ供給することである。
【０００７】
この場合、位相制御ループがロックされているとき、第３および第４の搬送波と第５および第６の搬送波の位相差を、２次閉ループ制御回路において共振条件が満たされるよう選定し、比較搬送波に対する第３〜第６の搬送波の位相を、第１の分岐においてフィルタを介して同期復調器から取り出し可能なヨーレート信号が振動式ジャイロスコープの所定の回転のときに最大値をとるよう選定することによって、２次閉ループ制御回路における共振条件もヨーレート信号の振幅最大化も達成される。
【０００８】
本発明によるヨーレートセンサの有利な実施形態によれば、先行の補償調整プロセス時に決定された位相の値を格納するための不揮発性メモリが設けられており、ヨーレートセンサがスイッチオンされるとこの不揮発性メモリから値が読み出されて、周波数シンセサイザへ供給される。
【０００９】
増幅器やフィルタのように殊にアナログの閉ループ制御回路における基本的な構成素子は温度に依存する伝播遅延時間を有している。本発明によるヨーレートセンサの場合、温度に依存して搬送波の位相を補正することにより、特定の温度のときに１度行われた補償調整を個々の温度に合わせることができる。
【００１０】
振動式ジャイロスコープの共振周波数は温度に依存しているので、温度に依存する位相補正のために振動式ジャイロスコープの振動周波数の変化を温度変化に対する尺度として利用することにより、そのために別個に温度センサを設ける必要がなくなる。
【００１１】
その際、温度依存性も無視できない製品のばらつきの影響を受けるというのであれば、不揮発性メモリに温度依存性を格納しておくように構成することができる。
【００１２】
本発明にはさらにヨーレートセンサの補償調整方法も含まれている。これによれば、−１次閉ループ制御回路における共振条件を満たすために、１次閉ループ制御回路における変調器のための搬送波の位相が調整される。−その後、２次閉ループ制御回路における共振条件を満たすため、２次閉ループ制御回路における同期復調器のための互いに９０゜位相がずらされている２つの搬送波の位相を、２次閉ループ制御回路における変調器のための互いに９０゜位相がずらされているさらに別の２つの搬送波の位相に対し調整する。−ついで、振動式ジャイロスコープが回転状態におかれているとき、ヨーレート信号が最大値をとるよう、２次閉ループ制御回路における同期復調器と変調器のための搬送波の位相を比較搬送波に対しずらす。
【００１３】
本発明によれば多数の実施形態が可能である。それらの実施形態のうちの１つが複数の図面に示されており、次にこれについて説明する。
図１はヨーレートセンサのブロック図である。
図２は、１次閉ループ制御回路と２次閉ループ制御回路を周波数シンセサイザとともに示す図である。
【００１４】
なお、実施例ならびにそれらの一部分がここではブロック図として描かれているけれども、これは本願発明による装置が各ブロックに対応する個々の回路を用いた実現手法に限定されることを意味するものではない。本発明による装置はむしろ、高密度集積回路を用いてきわめて有利に実現することができる。この場合、適切なプログラミングによってブロック回路図に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使用することができる。
【００１５】
図１は、１次励起信号ＰＤと２次励起信号ＳＤのための２つの入力側２，３を備えた振動式ジャイロスコープ１の設けられた装置構成を示すブロック回路図である。励起は適切な変換器ないしはトランスデューサたとえば電磁変換器によって行われる。振動式ジャイロスコープはさらに、１次出力信号ＰＯと２次出力信号ＳＯのための２つの出力側４，５を有している。これらの信号は、ジャイロスコープが空間的に配置された個所における個々の振動を表している。この種のジャイロスコープはたとえばEP 0 307 321 A1から公知であり、コリオリ力の作用に基づくものである。
【００１６】
振動式ジャイロスコープ１は高いＱのフィルタを成しており、この場合、入力側２と出力側４との間の区間が１次閉ループ制御回路６の部分を成しており、入力側３と出力側５との間の区間が２次閉ループ制御回路７の部分を成している。１次閉ループ制御回路６は、たとえば１４ｋＨｚという振動式ジャイロスコープの共振周波数で振動を励起するために用いられる。この場合、励起は振動式ジャイロスコープの１つの軸において行われ、この軸に対し２次閉ループ制御回路のために利用される振動方向が９０゜ずらされている。２次閉ループ制御回路７において、信号ＳＯは２つの直交成分に分けられ、それらのうちの一方がフィルタ８を介して出力側９へ導かれ、そこからヨーレートに比例する信号を取り出すことができる。
【００１７】
両方の閉ループ制御回路６，７において、信号処理の基本的な部分はディジタルで行われる。信号処理に必要とされる信号は水晶発振器により制御されるディジタル周波数シンセサイザ１０において形成され、そのクロック周波数はここで示す実施例ではたとえば１４．５ＭＨｚである。
【００１８】
２次閉ループ制御回路７には、増幅器２５とアンチエーリアスフィルタ２６とアナログ／ディジタル変換器２７が含まれている。まだ分離されていない成分ＩとＱならびに搬送波Ｔ３およびＴ４を有する増幅されディジタル化された信号ＳＯが供給される乗算器２８，２９を用いることで、それぞれ同期復調が行われ、つまりは実数部と虚数部とに分離される。
【００１９】
両方のコンポーネントはついで（sinx/x）フィルタ３０，３１およびローパフフィルタ３２，３３を通過する。フィルタリングされた実数部から処理回路３４によって、ヨーレートセンサにより測定すべきヨーレートを表す２つの信号Ｒ１およびＲ２が導出される。信号Ｒ１とＲ２の相違点は、信号Ｒ２は利用される回路技術によって可能なたとえば０Ｖ〜＋５Ｖまでの振幅範囲全体はとらない、ということである。エラーメッセージを送出するため信号Ｒ２がゼロにおかれ、接続されたシステムはこのことをエラーメッセージとして識別する。
【００２０】
ローパスフィルタ３２，３３にはそれぞれ１つの加算器３５，３６が後置接続されており、それらによって補正量を加算することができる。ついで乗算器３７，３８によって、両方の成分ＳｉないしはＳｑは搬送波Ｔ５およびＴ６を再び変調する。３９における加算によってやはり１４ｋＨｚの振動が発生し、この振動は出力ドライバ４０において、振動式ジャイロスコープ１の励起に適切な電流に変換される。
【００２１】
図２にはさらに１次閉ループ制御回路６も示されており、ここにおいて振動式ジャイロスコープ１の出力信号ＰＯは、増幅器４１およびアンチエーリアスフィルタ４２を介してアナログ／ディジタル変換器４３へ導かれる。アナログ／ディジタル変換器４３の出力信号は、２次閉ループ制御回路の場合と同様に２つの乗算器４４，４５（同期復調）へ導かれる。同期復調器４４には（sinx/x）フィルタ４６とＰＩＤ素子４７が接続されている。ＰＩＤ素子の出力側は周波数シンセサイザ１０の入力側と接続されており、そこにおいてそれ自体周知のように水晶発振器により発せられるたとえば１４．５ＭＨｚのクロック周波数を分周することで種々の信号が導出される。
【００２２】
位相比較回路として用いられる乗算器は周波数シンセサイザ１０、フィルタ４６、ＰＩＤ素子４７とともにフェーズロックループ（ＰＬＬ）を成しており、これは搬送波の周波数を、比較搬送波Ｔｖの位相がアナログ／ディジタル変換器４３の出力信号に対し所定の関係たとえば９０゜をとるよう制御する。周波数シンセサイザ１０には水晶発振器のほかプログラマブルカウンタとロジック回路が含まれており、供給される制御信号を用いて周波数および位相を調整することができる。
【００２３】
周波数シンセサイザそれ自体は周知であるので、ここでは以下のことだけを述べておく。すなわち周波数シンセサイザ１０により生成されるクロック信号Ｔｖ，Ｔ１〜Ｔ６は、位相制御ループに基づく等しい周波数を有しているが、その際に位相角を比較搬送波Ｔｖとは異なるように調整することができる。このような調整のためのデータはＥＥＰＲＯＭ１１から取り出される。
【００２４】
１次閉ループ制御回路のさらに別の分岐に別の乗算器４５、加算器４８、（sinx/x）フィルタ４９およびＰＩＤ素子５０が配置されている。それに続いて乗算器５１が変調器として設けられており、これは搬送波Ｔ２をＰＩＤ素子５０の出力信号により変調して回路５２へ伝送し、さらに回路５２は励起信号ＰＤを電流として振動式ジャイロスコープ１の入力側２へ供給する。
【００２５】
搬送波Ｔ１〜Ｔ６の位相角を補償調整するため最初に、位相制御ループのロック後、図示されていない補償調整装置の相応の値の入力により、周波数シンセサイザ１０における搬送波Ｔ２の位相角が、１次回路において最適な共振条件が生じるまでずらされる。これに加えてさらに搬送波Ｔ１の位相角を、乗算器４５においてそこで変調すべき成分だけが復調されるよう調整することができ、つまり搬送波Ｔ１の位相角がアナログ／ディジタル変換器４３の出力信号の位相角と一致するよう調整することができる。
【００２６】
第２のステップにおいて、２次閉ループ制御回路が共振条件に合わせて補償調整される。この目的で、９０゜の位相角を成すクロック信号Ｔ３とＴ４が、やはり９０゜の位相角を成すクロック信号Ｔ５とＴ６の位相に対しずらされる。
相対的にずらすことによって、加算器３９において加算される互いに９０゜位相のずらされた２つの成分の振幅が変えられる。これにより励起信号ＳＤの位相も変化する。この変更は、２次閉ループ制御回路に対する共振条件が満たされるまで行われる。
【００２７】
振動式ジャイロスコープが回転状態におかれる第３のステップにおいて、ヨーレート信号が最大値をとるまで搬送波Ｔ３およびＴ４の位相がずらされる。位相全体に及ぼされるこのシフトの影響を取り除く目的で、両方の搬送波Ｔ５およびＴ６が同じようにずらされる。補償調整終了後、求められた位相差の値がＥＥＰＲＯＭ１１に格納される。
【００２８】
さらに必要であれば、ＥＥＰＲＯＭ１１内に温度と伝播遅延時間との関係を格納することができ、これは周波数シンセサイザにおいて既知である周波数偏差とともにクロックＴ１〜Ｔ６の位相補正に用いられる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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2006514305.tif 000006
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