(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転レートセンサ（２）の多重変調された回転レート信号の同期復調のための方法であって、
前記回転レートセンサは、固有共振周波数（ｆz）で振動するバネ−質量体システムと、該バネ−質量体システムに作用するコリオリ作用ないし回転レートを求めるための少なくとも１つのコンデンサとを有しており、
前記回転レートは、この回転レートによって引き起こされる少なくとも１つのコンデンサの時間的に可変のキャパシタンス変化を用いて、多重変調された電気信号の復調によって求められ、
前記多重変調された電気信号は、時間的に可変の第１の電気信号（ｆHF）と、これに重畳される、回転レートセンサ（２）の固有振動周波数（ｆｚ）の第２の電気信号とを有し、
前記第２の電気信号の振幅は、少なくとも１つのコンデンサの時間的に可変のキャパシタンス変化に相応して変調される形式のものにおいて、
前記第１の電気信号（ｆHF）が位相制御ループ（ＰＬＬ ４）により、回転レートセンサ（２）の固有振動周波数（ｆz）の電気信号に対して時間的に固定された位相関係を有するように生成されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１の電気信号（ｆHF）を、該第１の信号の周波数が固有振動周波数（ｆz）の２n倍（ｎ＝１，２，３………）の周波数に相応するように生成する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
少なくとも１つのコンデンサは、固定的な第１のコンデンサ電極と、該第１のコンデンサ電極に対して回転レートの作用のために可動な第２のコンデンサ電極とを有し、これによってそのキャパシタンスが変化している、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
多重に変調された電気信号は、キャパシタンス電圧変換器に供給され、該キャパシタンス電圧変換器は、少なくとも１つのコンデンサの時間的に可変のキャパシタンスによって引き起こされた、第２の電気信号の振幅変調に基づいて、時間的に可変の電圧信号を送出する、請求項３記載の方法。
【請求項５】
少なくとも１つのコンデンサは、２つの固定のコンデンサ電極と、回転レートの作用のために可動な１つのコンデンサ電極とを有し、この場合前記可動なコンデンサ電極は、２つの固定のコンデンサ電極のうちの第１の固定のコンデンサ電極に対して近づくと同時に第２の固定の固定電極からは離れるように移動し、前記可動のコンデンサ電極は、２つの時間的に可変で相互に逆のキャパシタンス変化を引き起こす、請求項１または２記載の方法。
【請求項６】
第１の電気信号（ｆHF）に重畳されている第２の電気信号は、２つの時間的に可変で相互に逆のキャパシタンス変化に応じて変調されており、それに応じて多重的に変調されて形成された電気信号がキャパシタンス電圧変換器（５）に供給され、該キャパシタンス電圧変換器は、時間的に可変の２つの相互に逆の電圧信号（＋Ｕe，−Ｕe）を送出する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記２つの時間的に可変で相互に逆の電圧信号のうちの第１の電圧信号（＋Ｕe）は、加算器（１５）の第１の入力側に、第１の制御信号（Φ１）によって第１ステップにて制御されて供給され、前記２つの時間的に可変で相互に逆の電圧信号のうちの第２の電圧信号（−Ｕe）は、加算器（１５）の第２の入力側に同じように第１の制御信号（Φ１）によって第１ステップにて制御されて供給される、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記時間的に可変で相互に逆の電圧信号の第１の電圧信号（＋Ｕe）は、加算器（１５）の第２の入力側に、第２の制御信号（Φ２）によって第２ステップにて制御されて供給され、前記時間的に可変で相互に逆の電圧信号のうちの第２の電圧信号（−Ｕe）は、加算器（１５）の第１の入力側に同じように第２の制御信号によって第２ステップにて制御されて供給される、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記第１の制御信号（Φ１）は、相互に逆で可変の電圧信号のうちの第２の電圧信号（−Ｕe）が正の電圧パルスを有している期間の間はスイッチオン信号である、請求項６から８いずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の制御信号（Φ２）は、相互に逆で可変の電圧信号のうちの第１の電圧信号（＋Ｕe）が正の電圧パルスを有している期間の間はスイッチオン信号である、請求項６から８いずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の制御信号（Φ１）は、２つの第１の電子スイッチ（１１，１２）を開閉し、前記第２の制御信号（Φ２）は、第２の電子スイッチ（１３，１４）を開閉している、請求項８から１０いずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の電気信号（ｆHF）は、有利には電圧制御された発振器ないしＶＣＯを第１の電気信号の生成のために用いるＰＬＬ（４）から回転レートセンサ（２）の固有共振周波数（ｆz）に基づいて生成される、請求項１から１１いずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
第１の制御信号と第２の制御信号は、論理回路（９）によって生成され、該論理回路には、第１の電気信号（ｆHF）と、第２の電気信号（ｆz）と、時間的に可変で相互に逆の２つの電圧信号（＋Ｕe，−Ｕe）が供給されている、請求項７から１２いずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
前記キャパシタンス電圧変換器（５）は、スイッチキャパシタ技法において電荷増幅器によって構成されている、請求項１から１３いずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
２つの制御信号（Φ１，Φ２）と、相互に逆の電圧信号（＋Ｕe，−Ｕe）は、同期復調器（７）に供給され、該同期復調器は制御信号によって制御された４つの電子スイッチ（１１，１２，１３，１４）と加算器（１５）を有しており、この場合加算器から回転レートセンサ（２）の回転レートを表わす回転レート信号（Ｕa）かまたはその前段階の信号が送出される、請求項１から１４いずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
請求項１から１５いずれか１項記載の方法を実施することを特徴とする、回転レートセンサの多重に変調された回転レート信号の同期復調のための装置。
【請求項１７】
キャパシタンス電圧変換器（５）、スイッチキャパシタ技法における電荷増幅器と、ＰＬＬ（４）と、論理回路（９）と、同期復調器（７）とを有している、請求項１６記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転レートセンサが、固有共振周波数で振動するバネ−質量体システムと、該バネ−質量体システムに作用するコリオリ作用ないし回転レートを求めるための少なくとも１つのコンデンサとを有しており、前記回転レートは、この回転レートによって引き起こされる少なくとも１つのコンデンサの時間的に可変のキャパシタンス変化を用いて、多重変調された電気信号の多重的復調によって求められ、前記多重変調された電気信号は、時間的に可変の第１の電気信号と、これに重畳する、回転レートセンサ固有振動周波数の第２の電気信号とを有し、前記第２の電気信号の振幅は、少なくとも１つのコンデンサの時間的に可変のキャパシタンス変化に相応して変調されている、回転レートセンサの多重変調された回転レート信号の同期復調のための方法及び装置に関している。
【０００２】
【従来の技術】
公知の電気機械式回転レートセンサ、例えばマイクロメカニカルな回転レートセンサは、バネ−質量体システムで表わされ、この場合コリオリ作用がセンサの回転レートの測定のために利用されている。センサないしシステムの回転のもとでは、システムの質量体が偏倚し、この偏倚が回転レートの確定のために容量的に求められる。回転レートセンサの稼働のもとでは回転レートセンサのバネ−質量体システムがその固有共振周波数ｆｚで振動する。外部的な回転レートの作用なしでは、回転レートセンサ内に設けられたいわゆるセンシングキャパシタンスのキャパシタンスは変化しない。バネ−質量体システムがセンサの回転の際にいわゆる面外“out of plane”で偏倚した場合には、キャパシタンスは固有共振周波数ｆｚで変化する。この振動の振幅は、回転レートセンサに対して目下作用している外部回転レートに対する尺度である。
【０００３】
公知の方式では、バネ−質量体システムの偏倚が、その回転の際にコリオリ作用に基づきそれに伴って現れる回転レートセンサ内に設けられたキャパシタンスのキャパシタンス変化を介して、キャパシタンス−電圧変換ないしＣ／Ｕ変換によって検出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、従来の解決手段に比べて同期復調に対するコストを大幅に低減できる手段を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題は本発明により、第１の電気信号を位相制御ループ（ＰＬＬ ４）により、回転レートセンサの固有振動周波数の電気信号に対して時間的に固定された位相関係を有するように生成することによって解決される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
特にコスト的な理由から、本発明では電荷増幅器がいわゆるスイッチキャパシタ技法を用いたＣ/Ｕ変換器として適用される。センサの回転によってキャパシタンス変化が現れた場合には、この変化が電荷増幅器入力側にて電圧跳躍を引き起こす。この電荷増幅器の出力信号ＵＯＵＴは、有効キャパシタンスＣＮＵＴＺと当該センサの帰還結合キャパシタンスＣＲＫの商と、高周波な電圧跳躍の振幅ＵＨＦとの積に比例している。すなわち
ＵＯＵＴ＝（ＣＮＵＴＺ／ＣＲＫ）＊ＵＨＦ
この電荷増幅器の出力信号ＵＯＵＴの信号処理を、バネ−質量体システムの固有共振周波数ｆｚと同じ位相で行えるようにするために、位相制御ループないしＰＬＬ（Phase-Locked-Loop）が用いられる。これはバネ−質量体システムの固有共振周波数ｆｚに同期させる。スイッチキャパシタ技法を用いたキャパシタンス変化の評価のためのサンプリング周波数は、ｆａで表わされ、変調周波数ないし高周波電圧跳躍の周波数ＵＨＦはｆＨＦで表わされる。信号−ノイズ間隔をベースバンドにおけるよりもできるだけ大きくするために、キャパシタンス変化によって引き起こされる電圧跳躍を公知の形式でその極性において交番させる。それによりベースバンドがサンプリング周波数ｆａの１/２に変換される。すなわち電圧跳躍ＵＨＦの周波数ｆＨＦ＝ｆａ/２である。従来の評価装置のもとでは、回転レートセンサの固有共振周波数ｆｚが中間周波数して利用されている。同期復調の第１の復調ステップでは、原信号が電圧跳躍ＵＨＦの周波数ｆＨＦで乗算される。同期復調の第２の復調ステップでは、回転レートセンサの回転レート信号が公知の方式でベースバンドに畳込まれる。それに続くフィルタリングステップでは、高周波な畳込み結果が抑圧され、フィルタリングステップないし相応のフィルタ段の出力信号が所望の帯域幅に限定される。
【０００７】
発明の利点
本発明の主要な観点は、周波数ｆＨＦの高周波な信号（これは回転レートセンサの回転のもとでのコリオリ作用によるキャパシタンス変化の評価に用いられる）がＰＬＬを用いることにより、回転レートセンサのバネ−質量体システムの固有共振周波数ｆｚの信号の倍数として実施されることである。これにより、周波数ｆＨＦとｆｚの信号の位相位置の間で固定の依存性が達成される。本発明によれば、これらの２つの信号の論理結合によって同期復調器の制御のための信号が生成される。このことは図１にも示されている本発明による回路装置によって行われる。この回路装置は２つの周波数ｆＨＦとｆｚの正しい位相での乗算を実行し、同期復調を生じさせる。この同期復調は検出すべき回転レート信号ないし回転レートセンサの回転レート信号をベースバンドに変換する。
【０００８】
本発明による方法の実施に対しては、以下に述べるような構成素子が必要となるだけである。すなわち図１にも示されているような、回転レートセンサ、ＰＬＬ、論理回路、同期復調器だけである。それに対して従来技法による装置では、複数のミクサやフィルタ並びに場合によっては中間増幅器などを備えた多数の復調段が必要となる。本発明の手段によれば、従来の解決手段に比べて同期復調に対するコストがほぼ半減できる。このことは、以下の明細書で実施例に基づいて詳細に説明する。
【０００９】
【実施例】
次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。
【００１０】
図１には、公知のセンサないし回転レートセンサ２から送出され多重に変調された信号をベースにした外部回転レート検出のための、本発明による復調装置１がブロック回路図で示されている。なお図を見易くするために、このブロック回路図では、本発明の説明のために重要な構成要素のみが示されている。
【００１１】
回転レートセンサ２のバネ−質量体システムは、回転レートセンサ２に供給された信号に基づいてその固有共振周波数で振動する。バネ−質量体システムないし回転レートセンサ２が回転レートセンサ２の回転のために偏倚すると、これが回転レートセンサ２内に設けられたいわゆるセンシングキャパシタンス（図示せず）から検出される。キャパシタンスから発せられた固有共振周波数ｆｚの信号は、その振幅において変調される。この振幅変調は、回転レートセンサ２に生じた外部の回転レートに対する尺度、ないしはバネ−質量体システムの回転とそれに伴って引き起こされたバネ−質量体システムのいわゆる“面外”変位によりそこに生じたコリオリ作用に対する尺度となる。回転レートセンサ２の駆動回路（図示せず）からは、固有共振周波数ｆｚの信号が位相制御ループＰＬＬ４に供給されている。このＰＬＬ４は、固有共振周波数ｆｚに対する同期化を行い、周波数ｆＨＦの変調信号を生成する。この周波数ｆＨＦは、固有共振周波数ｆｚの倍数、特に整数倍である。センサ２では固有共振周波数ｆｚで変調された回転レート信号が変調周波数ｆＨＦで変調される。この二重に変調された信号は、回転レートセンサ２に対する外部回転レートの作用により生じたキャパシタンス変化を表わしている。
【００１２】
二重に変調された信号は、詳細には示されていない電荷増幅器の形態のＣ/Ｕ変換器５によって、スイッチキャパシタ技法において、相互に逆の電圧信号＋Ｕｅと−Ｕｅに変換される（図３及び図４参照）。それにより、当該の二重に変調された信号は、サンプリング周波数ｆａでサンプリングされる。これは変調周波数ないし搬送波周波数ｆＨＦよりも倍だけ高い。このことは、信号/ノイズ間隔がベースバンドにおけるよりもなるべく大きくなるように行われる。
【００１３】
相互に逆の電圧信号＋Ｕｅと−Ｕｅは、図１，３，４に示されているように時間的に分離されて同期復調器７の入力側に印加される。分り易くするために、図３及び図４においては、ＰＬＬから供給される変調ないし搬送波信号の周波数ｆＨＦは、センサの固有共振周波数ｆｚの倍数として選択される。図３及び図４からは、センサの固有共振周波数ｆｚで変調された回転レート信号が、パルスの包絡線として認められる。その振幅は、そのつどの現下の外部回転レートに比例している。
【００１４】
位相制御ループＰＬＬ４は、論理回路９に変調周波数ｆＨＦと回転レートセンサ２のキャパシタンスから取り出され振幅変調された固有共振周波数ｆｚを供給する。論理回路９は、当業者にとって容易に実現可能な方式で、図５及び図６に示されている制御信号Φ１、Φ２を生成する。図４と図５の比較から明らかなことは、制御信号Φ１は、電圧信号−Ｕｅが正の値を取る場合には常に高い電圧レベルの信号、つまり以下の明細書で説明する電子スイッチをスイッチオンさせる信号を有していることである。さらに図３と図６の比較からわかることは、制御信号Φ２は、電圧信号＋Ｕｅが正の値を取る場合には、常に高い電圧レベルの信号を有してることである。制御信号Φ１，Φ２のゼロレベルは、以下で説明する電子スイッチのスイッチオフ信号を表わす。
【００１５】
図２には、図１の同期復調器７が詳細に示されている。この同期復調器７は、電子スイッチ１１，１２，１３，１４並びに加算器１５を有している。電圧信号＋Ｕｅの印加される同期復調器７の入力側にはそれぞれスイッチ１１と１３の入力側が接続されている。この電圧信号＋Ｕｅとは逆の電圧信号−Ｕｅの印加される入力側には、それぞれスイッチ１２、１４の入力側が接続されている。スイッチ１１の出力側とスイッチ１４の出力側は、加算器１５の第１の入力側に接続されている。スイッチ１３と１２の出力側は、加算器１の第２の入力側に接続されている。スイッチ１１と１２は、制御信号Φ１によって図５及び図６に示されているように開閉され、またスイッチ１３と１４は制御信号Φ２によって図５及び図６に示されているように開閉される。
【００１６】
同期復調器７の加算器１５の出力側からは、図７に示されているような出力信号Ｕａが送出される。それに続くローパスフィルタリング（図示せず）による出力信号Ｕａの平均値形成は、ベースバンドの回転レート信号に直接結び付けられる。これはその前の周波数ｆＨＦとｆｚで変調された信号に比例している。
【００１７】
前述した本発明による方法の機能に対する前提条件として、位相制御ループＰＬＬ４は、周波数ｆｚとｆＨＦの間の時間的に固定された位相関係を設定する。
【００１８】
位相制御ループＰＬＬ４を用いて、周波数ｆｚの入力信号の２ｎ倍の周波数を有する周波数ｆＨＦの出力信号を生成するために、入力信号の２ｎ倍の周波数まで振動する電圧制御された発振器ないしＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）が利用される。引続き係数１/２ｎの分周も可能である。そのように生成された信号は従来のようにＰＬＬにおいて継続処理してもよい。この場合ｎ＝１，２，３………であり、有利にはｎが少なくとも２であり得る。
【００１９】
このようにして図２に示した本発明による唯一の同期復調器７によって、もしくは本発明による方法によって、二重に変調された信号のベースバンドへの直接の復調が１つのステップにおいて行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知の回転レートセンサから送出され多重に変調された信号の復調のための本発明による復調装置の主要な構成要素を示したブロック回路図である。
【図２】図１による同期復調装置の同期復調器を示した図である。
【図３】図２による同期復調器の入力信号＋Ｕｅを示した図である。
【図４】図２の同期復調器の入力信号（図３）に対する反転入力信号−Ｕｅを示した図である。
【図５】図２による同期復調器の２つの第１スイッチのオン/オフのための第１の制御信号Φ１を示した図である。
【図６】図２による同期復調器の２つの第２スイッチのオン/オフのための第２の制御信号Φ２を示した図である。
【図７】図による同期復調器の出力信号Ｕａを示した図である。
【符号の説明】
１    同期復調装置
２    回転レートセンサ
ｆｚ    回転レートセンサの固有共振周波数
４    位相制御ループ（ＰＬＬ）
ｆａ    回転レート信号のサンプリング周波数
ｆＨＦ    変調周波数
５    Ｃ/Ｕ変換器
+Ｕｅ,-Ｕｅ    Ｃ/Ｕ変換器の出力信号
７    同期復調器
９    論理回路
Φ１    制御信号
Φ２    制御信号
１１    スイッチ
１２    スイッチ
１３    スイッチ
１４    スイッチ
１５    加算器
Ｕａ    同期復調装置の出力信号
【図１】
0004253456.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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