JP2003520951A - 多軸センシングデバイス - Google Patents

多軸センシングデバイス

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JP2003520951A
JP2003520951A JP2001554017A JP2001554017A JP2003520951A JP 2003520951 A JP2003520951 A JP 2003520951A JP 2001554017 A JP2001554017 A JP 2001554017A JP 2001554017 A JP2001554017 A JP 2001554017A JP 2003520951 A JP2003520951 A JP 2003520951A
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gyroscope
signal
rate
orientation
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JP2001554017A
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フェル、クリストファー・ポール
タウンセンド、ケビン
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BAE Systems PLC
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BAE Systems PLC
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    • G01C19/567—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode
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Abstract

(57)【要約】 振動形構造のジャイロスコープは共振体と、該共振体の共振の動きを駆動するための駆動トランスジューサ手段と、該共振の動きを表わす信号を作るためのピックオフ手段と、ｚ軸キャリヤ振動モード配向情報とｘ軸及びｙ軸のレート情報を抽出する信号処理手段とを備えている。該共振体は平面状であり、該共振の動きは振動モードパターンで行なわれ、該共振体に関する配向角度はそのｚ軸の周りの該共振体の配向に比例して変り、また該共振体はｘまたはｙ軸の周りの該共振体の回転により、面外応答モードの動きにエネルギーを結合し、かつ該信号処理手段は、ｘ及びｙ軸レート情報を抽出するためにｚ軸の周りの配向を表わしているｚ軸配向信号に関して該面外応答モードの動きをレゾルブする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は多軸の（マルチアキシス）センシングデバイス（検知装置）に係り
、とくに共振素子を採用した振動形構造のジャイロスコープに関する。
【０００２】
【従来の技術】
振動形構造のジャイロスコープは、共振素子について色々な構造を用いて組立
てられてきており、ビーム（梁）、音叉、円筒、リング（環）といったものがそ
の中に含まれている。特定の軸の周りの回転レート（速度）の測定の外に、これ
らのデバイスはまた“全体角度（ホールアングル）”もしくは“ジャイロスコー
プ”モードで動作することができて、このモードではデバイス出力がある特定軸
の周りの回転角の直接測定値を与えることがUS Pat.No.5,218,867に記載されて
いる。この動作モードは改良されたスケールファクタ性能についての利点を与え
ることが知られていて、とくにこのデバイスが高レートの回転をかけられるよう
な応用で利点を与えることが知られている。
【０００３】 平面状のリング（プレーナリング）はとくに融通性（フレキシビリティ）があ
るものとして知られており、そこには単一軸レートのジャイロ変形が施されてい
て、これが市販で入手可能であり、従来形式の組立て形とマイクロ機械加工（マ
イクロマシン）との両方で便利に作られた共振器を用いている 従来形の単一軸の平面状リングのジャイロスコープは一般にcos ２θ面内振動
モード対を使用する。好ましい対称形共振器にとっては、相互の角度４５°での
二つの縮退したモードがあることになる。これらが模式的に図１ａ（cos ２θモ
ード）と図１ｂ（sin ２θモード）とで示されていて、これらの図は単一の振動
サイクルの間に二つの極端でのリングひずみを示している。これらのモードの一
方きキャリヤモードで励振される（図１ａ）。この構造がその軸（リングの面に
垂直な、ｚ軸）の周りに回転されるときにはコリオリ（Coriolis）の力が共振モ
ードにエネルギーを結合させる（図１ｂ）。このコリオリの力はそこで共振モー
ド動作の振幅が加えられた回転レートに直接比例している。他の高次のcos ｎθ
モード対もまた同じやり方で使用することができる。
【０００４】 動作にあたっては、キャリヤモードが共振最大で駆動されて、一定振幅で一般
に維持される。コリオリの力が回転の結果として生成されて、これがキャリヤ共
振周波数となる。応答モード周波数は一般にキャリヤモードの周波数と整合がと
れているので、こういった力の結果として生ずる動きはこの構造のＱファクタ（
クオリティファクタ）によって増幅されて、強調された感度を与える。この応答
モードの動きはゼロ化する力を備えた力のフィードバックループを用い、それか
ら加えられたレートに直接比例するようにして、ゼロ化することができる。この
動作モードはレート出力からＱ依存性を除去して、改良されたスケールファクタ
性能を与える。リングの動きはそこでいつも固定した角度配向に維持される。
【０００５】 平面上のリング構造はまた、面内（インプレーン）cos ｎθモード対を用いる
単一軸姿勢（アティチュード）センサで使用するのにも適していて、US Pat.No.
5,218,867に円筒形素子との関連で記述されている。この動作モードでは、振動
エネルギーは、デバイスが回転されるときに、平面内モード対間で転位が自由に
できて、力のフィードバックが加えられない。このモード周波数が正確に整合さ
れているとすると、これはこの構造が回転されるときにリングの周りに回転する
モードと等価となる。モードパターン配向は慣性的に安定ではないが、リング構
造の回転の後に遅れる傾向にある。加えられた回転角に対するパターン角回転の
比は慣性結合定数Ｋによって与えられ、この定数は共振器構造とモード次数ｎと
に依存している。
【０００６】 このモードで動作しているときには、通常の閉ループレートジャイロ動作につ
いてと同じ駆動とピックオフ構成とが採用されてよい。リング上でのモード配向
を検出する技術と、動きの振幅を維持する技術とは、しかしながら、かなり違っ
たものである。半径方向の駆動信号がいくつかの半径方向のアンチノード（反ノ
ード（腹））で振動振幅を支えるために加えられる。モードパターンがリングの
周りで回転すると、実効的な駆動位置はリングの周りの半径方向のアンチノード
を追跡することを求められる。ピックオフは半径方向のアンチノードとノード（
節）との両方でリングの実際の半径方向の動きをレゾルブ（問題の解明、解決の
意）する能力を同じように有していなければならない。半径方向のアンチノード
信号は共振最大で駆動周波数を維持するために使用されて、また振動振幅を正規
化するのに使用される。半径方向のノード信号はモード位置を正確に追跡するの
に必要とされる。
【０００７】 リング構造はまた、複数の軸の周りにレート感度を用意することができ、この
ことは連合王国特許出願番号２３１８１８４Ａ及び２３３５２７３Ａとに記述さ
れている。cos ｎθ平面内キャリヤモードで駆動されるときには、リングの平面
内の軸の周りの回転もまたコリオリの力を生じさせることになる。これらの力は
リングの面に垂直な軸（ｚ軸）に沿うことになる。ｙ軸の周りの回転Ωｙについ
ては（ここでｙ軸はθ＝０°に沿ってとられている）、これらのコリオリの力Ｆ ｚ (θ)は次式で与えられる角度分布をもつことになる。
【０００８】 Ｆｚ(θ)＝Ｆｎ＋１Ωｙsin（ｎ＋１）θ＋Ｆｎ−１Ωｙsin（ｎ−１）θ ここでθは固定の基準位置に対するリングの周りの角度位置であり、ｎはキャ
リヤモード次数であり、パラメータＦｎ＋１，Ｆｎ−１はともに定数であって、
リングの精密な幾何学的形状、リングが作られている材料及びｎの値に依る。同
じようにｘ軸の周りの回転Ωｘについて、コリオリの力は次式により与えられる
角度分布をもっている。
【０００９】 Ｆｚ(θ)＝Ｆｎ＋１Ωｘcos (ｎ＋１)θ＋Ｆｎ−１Ωｘcos (ｎ−１）θ これらの力は、したがってsin (ｎ＋１）θとcos (ｎ＋１）θもしくはsin (ｎ
−１）θとcos (ｎ−１）θのいずれかの面外（アウトオブプレーン）モード対
を直接励振することができる成分を有している。リングの寸法はモード対の一方
の共振周波数が正確に面内キャリヤモードの共振周波数と正確に整合するように
設定できる。このやり方で、面外応答の動きの振幅は面内応答についてのように
構造のＱ値によって増幅されることになる。
【００１０】 このような設定を用いると、単一デバイスがナビゲーション（航法）応用にと
って必要とされる機能のすべてを用意することができ、これは以前には二つまた
は三つの単一軸デバイスが必要とされていたことである。多軸デバイスはその利
点として、センシング（検知）軸の相互の整列が共振器組立工程中に設定できる
こと、それでいてなおすべての軸についての単一周波数動作は、電子回路系が単
一軸デバイスにおけるよりもかなりもっと複数となる必要のないことを挙げるこ
とができる。多軸の周りのレート感度を要求する応用については、このような多
軸デバイスはコストと大きさの両面で著しい減縮をもたらしている。
【００１１】 こういう中にあって、連合王国特許出願番号３３１８１８４Ａと２３３５２７
３Ａとは各種のモード間組合せを記述しており、これが二軸及び三軸の両方のレ
ートジャイロスコープを実施するために採用できるようになっている。各組合せ
にとって適切な駆動及びピックオフトランスジューサの位置もまたそこに示され
ている。
【００１２】 US Pat.No.5,218,867と、連合王国特許出願番号２３１８１８４Ａと２３３５
２７３Ａとにある開示については、ここで参照のために組入れることとする。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ある種のジャイロスコープ応用は、一つの特定軸の周りの回転の高レートを受
けるボディ（本体）の空間的配向の測定を必要とすることであってよい。航空機
の航法を例にとると、航空機のロール軸はピッチとヨウの軸よりも大きな回転レ
ートを受けることになる。このような応用でピッチとヨウの軸での配向を計算す
るためには、ロール軸の配向が高精度で知られていることが本質的なこととなる
。
【００１４】 その結果、高回転レートを体験している軸にとっては、スケールファクタ誤差
に起因するヘッデング（飛行方位）誤差の累積を防ぐために、“全角度（ホール
アングル）”で動作するとかなりの性能上の利点がある。例を挙げると、１％の
スケールファクタ誤差は各回転について３．６°のヘッデング誤差を生ずる。こ
の累積される誤差の問題は、ホイールもしくは回転軸の動きを検知するときには
、とくに鋭いものとなる。ここでの対象のホールや回転軸では一つの軸が他の二
つの軸よりもとてつもなく大きな回転レートを明らかに体験することになる。
【００１５】 したがって、多軸動作の利点を組合せながら、支持された高レートの回軸を受
けることになる単一軸の周りの配向についての正確な測定を用意するデバイスに
ついての必要性が存在している。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明は次のような洞察から生れたものである。すなわち、ｘ軸及びｙ軸応
答をレートジャイロモードで維持しながら、“全体角度”もしくは“ジャイロス
コープ”モードで多軸ジャイロスコープのｚ軸応答を動作させることが可能であ
るという洞察である。したがって、この発明は広くは三軸ジャイロスコープセン
シングデバイスとして表現でき、このデバイスは二軸の周りのレートジャイロス
コープとしての動作と、第三の軸の周りの全体角度ジャイロスコープとしての動
作とに適応している。
【００１７】 この発明は、したがって、振動形構造のジャイロスコープの中に置かれていて
、このジャイロスコープの構成は、共振体（レゾナントボディ）と、該共振体の
共振の動きを駆動するための駆動トランスジューサ手段と、該共振の動きを表わ
す信号を作るためのピックオフ手段（すなわち機械系から電気信号を得る手段）
と、ｚ軸配向情報と、ｘ軸及びｙ軸のレート情報とを該信号から抽出する信号処
理手段とを備えている。
【００１８】 もっと特定すると、該信号処理手段は該信号からｚ軸キャリヤモード配向情報
を抽出し、この情報を正規化してｚ軸の周りの角度配向についての情報を与える
ようにし、それとともにｘ軸及びｙ軸情報を該信号から抽出するようにしている
。
【００１９】 このようなジャイロスコープでは、該共振体は平面状のリング構造であり、該
共振の動きは該リングの該平面内の振動モードパターンで行なわれ、該リングの
該共振体に関する配向角度はそのｚ軸の周りの該共振体の配向に比例して変る。
また振動モードパターンはｘまたはｙ軸の周りの該共振体の回転により、面外応
答モードの動きにエネルギーを結合する。この場合に、該信号処理手段は、ｘ及
びｙ軸レート情報を抽出するためにｚ軸の周りの配向を表わしているｚ軸配向信
号に関して該面外応答モードの動きをレゾルブする。
【００２０】 ピックオフ手段は第一の複数のピックオフを備え、その位置は該共振体の該平
面内の共振の動きを検知するようにされ、また第二の複数のピックオフを備え、
その位置は該共振体の該平面外の応答モードの動きを検知するようにされている
。該第二の複数のピックオフは、ｋを奇の整数とするときに、３０ｋ°にわたり
離れている。
【００２１】 駆動トランスジューサ手段は駆動レゾルバを介して駆動される複数の面内駆動
トランスジューサを備えているのが好ましく、該ドライバはｚ軸キャリヤ振動モ
ード配向信号から入力を採って該振動モードパターンの配向角度に沿ってレゾル
ブされた結果の駆動を与えるようにする。
【００２２】 この発明の好ましい実施例では、該信号処理手段は、レート積分手段とｘ軸及
びｙ軸レゾルバとを備え、該積分手段はピックオフレゾルバを経て該第一の複数
の平面内ピックオフから入力信号を採ってｚ軸配向信号を出力し、また該ｘ軸及
びｙ軸レゾルバは複数の面外駆動トランスジューサに加えられた駆動信号を入力
として採って、これらの信号をｚ軸キャリヤ振動モード配向信号を基準としてレ
ゾルブし、ｘ軸及びｙ軸レート情報を出力する。
【００２３】 好都合なのは、該ピックオフレゾルバからの反ノード（腹）信号が位相ロック
ループに加えられ、このループは共振最大を追跡するために駆動トランスジュー
サ手段の駆動周波数を調節するものである。該反ノード信号は利得制御ループに
加えられ、このループは一定の反ノード信号を維持するために駆動トランスジュ
ーサ手段に加えられた駆動レベルを調節するものである。
【００２４】 ピックオフレゾルバからのノード信号がレート積分手段に加えられてよく、該
レート積分手段は反ノード信号と同相である信号成分をレゾルブする位相検出器
を備えている。該レート積分手段はレート信号発生器手段を備え、該レート信号
発生器手段は該ノード信号を採り、ｚ軸の周りの振動モードパターンの回転レー
トに比例したレート信号を出力するものである。該レート積分手段はさらに該ｚ
軸配向信号を出力するために該レート信号を積分する積分器を備えている。該ｚ
軸キャリヤ振動モード配向信号が正規化手段に加えられて、そこではブライアン
（Bryan）ファクタを該ｚ軸キャリヤ振動モード配向信号に適用して、該振動体
がｚ軸の周りに回転した角度の直接的測度を与えるようにする。
【００２５】 便利なのは、該ピックオフ手段が、ｘ軸レートループに加えられる出力を発す
るｘ軸ピックオフと、ｙ軸レートループに加えられる出力を発するｙ軸ピックオ
フとを備え、また該ｘ軸及びｙ軸レートループはそれぞれが駆動信号をｘ軸及び
ｙ軸駆動トランスジューサに加えて、それぞれのピックオフで信号をゼロとする
ようにする。
【００２６】 振動パターンドリフトを最小とするために、クオダラチャナリングループ（直
交位相ゼロ化ループ）が駆動信号を該駆動トランスジューサ手段にノード（節）
軸に沿って加えて、該クオダラチャナリングループに向けた入力がゼロに保たれ
るようにする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
この発明をよりよく理解するために、またこの発明がどのように実効あるもの
とされるかを示すために、例を挙げて図面を参照して説明することとする。この
うち図１（ａ），（ｂ）についてはそれぞれすでに説明し、（ａ）は縮退cos ２
θ振動モードを、（ｂ）は図１の４５°における縮退sin ２θモードをそれぞれ
図式的に示している。
【００２８】 要約をすると、この発明は、多軸センシングデバイスを熟考企画しており、こ
のデバイスはｘ，ｙの二軸の周りではレート（速度）ジャイロスコープとして動
作し、かつ第三の軸（ｚ軸）の周りでは“全体角度（ホールアングル）”ジャイ
ロスコープとして動作するものである。このモードで実施されるｚ軸ジャイロス
コープ応答では、ｘ及びｙ軸応答についてのキャリヤモードはもはやリング上に
固定されていない。ｚ軸の周りに加えられた回転は、そこでリングの周りを回転
する面内キャリヤモード角度位置を生じさせる。
【００２９】 キャリヤモード形状は固定の角度基準方向（θ＝０°）に対して定義されてよ
く、この基準方向はリング中心を通る直径に沿って取ることができる。リングの
半径方向の変位はcos ｎ（θ＋α）角度分布をもつことになり、ここでαは基準
方向に関してモード角度配向である。ｘとｙとのレート応答軸は固定のジャイロ
スコープ本体基準軸に対して定義されてもよく、ｙ軸はθ＝０°に沿って置かれ
、ｘ軸はθ＝９０°に沿って置かれる。
【００３０】 ｘとｙ軸との周りの回転の結果として生成されたコリオリの力の成分を求める
ためには、ある与えられたαの値について、キャリヤモードについての半径方向
と接線方向の速度成分の角度分布を考慮する必要がある。このことから、ｘとｙ
との方向の速度成分が計算されて、それにより、ｘ軸とｙ軸との周りの回転から
生ずるコリオリの力の分布が計算できる。
【００３１】 ｘ軸の周りの回転Ωx については、面外コリオリの力の分布Ｆz (θ）は次式
で与えられる。
【００３２】 Ｆｚ(θ)＝Ｆｎ＋１Ωｘcos｛ｎα＋（ｎ＋１）θ｝ ＋Ｆｎ−１Ωｘcos｛ｎα＋（ｎ−１）θ｝ ここで前のようにθは固定基準位置に対するリングの周りの角度位置であり、
ｎはキャリヤモード次数であり、パラメータＦｎ＋１ とＦｎ−１ とはリングの
幾何学的形状と、リングが作られている材料と、ｎの値とに依存している定数で
ある。同様に、ｙ軸の周りの回転Ωy について、コリオリの力の分布は次式で与
えられる。
【００３３】 Ｆｚ(θ)＝Ｆｎ＋１Ωｙsin｛ｎα＋（ｎ＋１）θ｝ ＋Ｆｎ−１Ωｙsin｛ｎα＋（ｎ−１）θ｝ こういった表現が、前に論じたような固定キャリヤモード位置について得られ
たものと類似しているが、ｎαの項が追加されているところが相違する。共振体
固定のｘ軸とｙ軸との周りの回転はそこで依然としてコリオリの力成分の発生を
もたらしていて、この成分がcos (ｎ±１）θもしくはsin (ｎ±１）θ面外モー
ド対に直接結合できる。しかしながら、これらの力成分はリング上で角度ｎαだ
け変位してもいることになる。
【００３４】 これらの効果は、例を挙げて、cos ２（θ＋α）面内キャリヤモードがcos （
３θ＋２α）とsin (３θ＋２α）の面外応答モードに結合する場合について示
されている。図２ａはα＝０°についてのcos ２（θ＋α）面内キャリヤモード
についての半径方向の変位角度分布についての三次元表現を示している。破線は
リングの変位していない位置を示し、実線は単一振動サイクルの間の動きの極端
なものを示している。
【００３５】 ｘ軸の周りに加えられた回軸はコリオリの力成分を発生し、これが図２（ｂ）
に示したようなｚ軸変位を伴う振動モードパターンを励振することになる。再び
ここでも、実線は振動サイクルの際の定常リング（破線）からの面外変位の極端
なものを示している。同じように、ｙ軸の周りに加えられた回転は、図２（ｃ）
に示したような振動モードパターンを励振することになる。
【００３６】 図３はα＝２２．５°の場合の等価応答を示す。図３（ａ）は面内半径方向キ
ャリヤモード変位を示し、図３（ｂ）と３（ｃ）とはそれぞれｘ軸とｙ軸との周
りに加えられた回転から生ずる面内応答の動きを示している。同じようなプロッ
トが他のモードの組合せで生ずることになる。
【００３７】 このモードの組合せを用いて、ジャイロ本体のｘ軸の周りの回転を測定するた
めに、cos (３θ＋２α)面外応答モードをレゾルブ（解く）ことが必要である。
同じように、ｙ軸の周りの回転を測定するために、sin (３θ＋２α)面外応答モ
ードの動きをレゾルブ（解く）ことが必要である。こういったモードの動きの振
幅はいくつかの振動のアンチノード（腹）で便利に測定される。こういったアン
チノードの点はリング上にもはや固定されていないので、ｘ軸及びｙ軸応答は固
定した面外（ｚ軸）ピックオフ素子によって直接検出することはできない。しか
しながら、関連する動きは必要とされる角度方向で複数（二以上）の適当に位置
決めされた固定のピックオフ素子の出力を組合せることによってレゾルブ（解を
得る）ことができる。こういった応答モードが力のフィードバックモードで動作
されている場合には、適当な駆動力が同じように必要とされるレゾルブされた角
度位置に加えられ、その際には二つの固体の駆動トランスジューサが使用される
。
【００３８】 面内レート積分形の振動モード制御内の制御回路は図４に示されている。０°
方向は実線矢印９で示されている。二つの駆動素子１０，１１が０°と４５°と
に置かれ、二つのピックオフ素子１２，１３が１８０°と２２５°とに置かれて
いる。
【００３９】 既知のαについては、sin ／cos (正弦／余弦）ピックオフレゾルバ１４がピ
ックオフ素子１２，１３からの信号を処理して、アンチノード位置に沿ってレゾ
ルブした一つの信号と、ノード位置に沿ってレゾルブした他の信号とを出力する
。
【００４０】 アンチノード信号は位相ロックループ１５に加えられて、ここでは駆動周波数
を最大共振を追跡するように調節する。この信号は利得制御ループ１６にも加え
られ、このループは駆動レベルを調節して一定の信号を維持し、それによって振
動振幅を安定化する。駆動信号Ｖ０が駆動レゾルバ素子１７に加えられて、そこ
では駆動トランスジューサ１０（Ｖ０cos ２α）と１１（Ｖ0 sin ２α）上の駆
動レベルを設定して、結果の駆動でαに沿ってレゾルブされたものを送出するよ
うにする。
【００４１】 ノード（節）のピックオフ信号は位相検出器１８に加えられ、ここではこの信
号の成分であるアンチノード（腹）の信号と同相である成分をレゾルブする。こ
の信号はそこでＲＩＧ（レート積分ジャイロ）ループ制御器１９に加えられて振
動モードパターンの回転のレートに比例した信号を作る。この出力が積分器２０
に加えられて振動モードパターン配向角αに直接比例する信号を与える。この値
はsin ／cos ピックオフレゾルバ１４に加えられて、位相検出器１８の出力でゼ
ロ値が維持されるようにする。この配向角αはまたsin ／cos 駆動レゾルバ１７
にも加えられて、アンチノード軸に沿ったレゾルブされた駆動を維持するのにあ
てられる。
【００４２】 完全でない共振器構造については、sin ２θとcos ２θとのモード周波数に小
さな差異が半径方向のノード点での直交する動き（クオダラチャモーション）に
著しい量を生じさせることになる。これは好ましくない振動パターンドリフトを
生じさせることが知られているが、図４に示したクオダラチャナリングループ（
直交ゼロ化ループ２１によって共振器の直交する動きをゼロ化することによって
除去できる。これがアンチノード信号と直交関係にあるノード信号の成分をレゾ
ルブして、駆動信号をソード軸に沿って加えて、クオダラチャナリングループ２
１への入力をいつでもゼロとするようにしている。
【００４３】 積分器２０から得られたα値は、Bryan（ブライヤン）ファクタによって参照
番号２２で正規化される場合には、ｚ軸の周りにジャイロスコープ本体（ボディ
）が回転した角度の直接的な測度（測定値）を与える。
【００４４】 ｘ軸とｙ軸とのレートセンシングの実施については図５に模式的に示されてい
る。面外レート応答モードについては、二つのピックオフ素子２３，２４を固定
の基準軸に対して０°と９０°に置いたものを使うのが簡便であるが、いずれか
の二つのピックオフ素子であって、ｋを奇数である整数としたときに、３０ｋ°
だけ隔てられているものは適切とされる。これらのピックオフ素子はリングリム
（ヘリ）の上及び／又は下の適当なところに置かれて、面外の動きを検出するよ
うにする。同じように、二つの駆動トランスジューサ素子２５，２６（１８０°
と２７０°に置かれている）を用いてリングの面外の動きを制御するのが便利で
ある。
【００４５】 図５は、上述したｚ軸レート積分モード用の電子制御回路を示し、このモード
はｘ軸及びｙ軸レートジャイロ動作と組合されている。一次（プライマリイ）ル
ープ２７は位相ロック１５と利得制御１６（図４参照）との両方のループを含ん
でいて、それが面内キャリヤモードについて示されている。同じように、レート
積分ループ２８は、位相検出器１８と、ＲＩＧループ制御器１９と、積分器２０
で図４のものを含んでいる。
【００４６】 ｘ軸ピックオフ２３の出力はｘ軸レートループ２９に加えられて、駆動がｘ軸
駆動素子２５に加えられ、ピックオフ２３での信号をゼロとする。同じようにｙ
軸ピックオフ２４の出力がｙ軸レートループ３０に加えられて、駆動がｙ軸駆動
素子２６に加えられ、ピックオフ２４での信号をゼロとする。
【００４７】 面内及び面外モードが周波数についてすべて正確に整合がとれていると、面外
応答モードの動きは面内の動きと同相となるが、何らかの小さな周波数の分離（
スプリット）があると、直交する動きが検出されることになる。追加の駆動信号
がｘ軸とｙ軸の駆動素子２５，２６に加えられてよく、それがこの直交する動き
をゼロとするためにあたり、ピックオフ素子２３と２４とでの真のゼロを維持す
る目的にあてられる。
【００４８】 ｘ軸とｙ軸とのドライブとピックオフトランスジューサ素子２３，２４，２５
，２６は入力回転軸に沿って整列されているところ、これらの軸の周りのレート
入力に対する応答はキャリヤモードパターンαの配向に依存している。加えられ
たレートはこれらの応答から面内キャリヤモード角度位置αを用いてレゾルブ（
解くことが）されなければならない。ｘ軸とｙ軸のループ２９，３０からの駆動
信号はsin ／cos ｘ−ｙ軸レゾルバ３１に加えられて、同時駆動レベルがα （c
os (３θ＋２α）応答）及びα＋３０°（sin (３θ＋２α）応答）に沿ってレ
ゾルブされて、ｘ軸及びｙ軸レート信号を得る。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、この発明は課題を解決できた。この発明のコンセプトの中で各
種の変形が可能とされる。例えば追加の駆動とピックオフ素子が追加の角度位置
に置かれるようにできて、この位置はこのデバイスの基本的な機能を変更せずに
振動素子のモード上の対称性に整合がとれたものとする。もっと一般的なのは、
この発明の制御機構は、連合王国特許出願番号２３１８１８４Ａ及び２３３５２
７３Ａに記述された面内及び面外応答モード組合せの何れかとともに使用できる
。
【００５０】 当事者は共振体素子が各種の材料から作ることができることを知ると思う。そ
の中には電子加工とかマイクロ機工の金属、水晶（石英）、ポリシリコン、ある
いはバルクのシリコンが含まれる。材料の選択はときに組立方法により決められ
るし、逆に材料により組立て方法が決まる。駆動手段及び／又はピックオフ手段
は各種の原理を用いて動作できるものであり、とくに静電気的、電磁気的、圧電
気もしくは光学的な原理をあげることができることも明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 通常のやり方でキャリヤモードとして動作している対称形共振器もしくは振動
する構造における縮退cos ２θ振動モードを示す図（図１ａ）、通常のやり方で
応答モードとして動作している、（図１ａ）のものに対して４５°にある縮退si
n ２θ振動モードを示す図（図１ｂ）。
【図２】 α＝０°のときのcos ２（θ＋α）平面内キャリヤモードについての半径方向
変位の角度分布を示す三次元で示した図（図２ａ）、図２ａに対応するが、ｘ軸
の周りの回転により励起されたｚ軸変位のcos ３θ振動モードパターンを示す図
（図２ｂ）、および（図２ａ）と（図２ｂ）とに対応するが、ｙ軸の周りの回転
により励起されたｚ軸変位のsin ３θ振動モードパターンを示す図（図２ｃ）。
【図３】 それぞれ図２の（ａ），（ｂ），（ｃ）に対応するがα＝２２．５°の場合の
等価な応答を示す図（図３ａ、ｂ、ｃ）。
【図４】 この発明の好ましい実施例の構成図であり、ｚ軸角度センシング（検知）を実
施する追加の部品を示す図。
【図５】 図４に対応している構成図であり、ｘ軸及びｙ軸レートセンシングを実施する
追加の部品を示す図。
【手続補正書】
【提出日】平成１４年７月２２日（２００２．７．２２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】 この発明は、したがって、振動形構造のジャイロスコープの中に置かれていて
、このジャイロスコープの構成は、共振体（レゾナントボディ）と、該共振体の
共振の動きを駆動するための駆動トランスジューサ手段と、該共振の動きを表わ
す信号を作るためのピックオフ手段（すなわち機械系から電気信号を得る手段）
と、ｚ軸配向情報と、ｘ軸及びｙ軸のレート情報とを該信号から抽出する信号処
理手段とを備えていて、それによりこのジャイロスコープはｚ軸の周りの回転に ついては全角度ジャイロスコープとしてまた、ｘ軸とｙ軸との周りの回転につい てはレート角度ジャイロスコープとして動作するようにしている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 タウンセンド、ケビン イギリス国、ピーエル14・３ティーイー、 コーンウォール、リスカード、リスプリ ン・クローズ ４ Ｆターム(参考） 2F105 AA03 BB01 CC08 CD01 CD05

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 共振体と、該共振体の共振の動きを駆動するための駆動トラ
    ンスジューサ手段と、該共振の動きを表わす信号を作るためのピックオフ手段と
    、ｚ軸キャリヤ振動モード配向情報を抽出し、この情報を正規化してｚ軸の周り
    の角度配向についての情報を与えるようにし、該信号からｘ軸及びｙ軸のレート
    情報を抽出する信号処理手段とを備えた振動する構造のジャイロスコープ。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のジャイロスコープであって、該共振体は平面
    状のリング構造であり、該共振の動きは該リングの該平面内の振動モードパター
    ンで行なわれ、該リングの該共振体に関する配向角度はそのｚ軸の周りの該共振
    体の配向に比例して変り、また該リングはｘまたはｙ軸の周りの該共振体の回転
    により、面外応答モードの動きにエネルギーを結合し、かつ該信号処理手段は、
    ｘ及びｙ軸レート情報を抽出するためにｚ軸の周りの配向を表わしているｚ軸配
    向信号に関して該面外応答モードの動きをレゾルブするジャイロスコープ。
  3. 【請求項３】 請求項２記載のジャイロスコープであって、該ピックオフ手
    段は第一の複数のピックオフを備え、その位置は該共振体の該平面内の共振の動
    きを検知するようにされ、また第二の複数のピックオフを備え、その位置は該共
    振体の該平面外の応答モードの動きを検知するようにされたジャイロスコープ。
  4. 【請求項４】 請求項３記載のジャイロスコープであって、該第二の複数の
    ピックオフは、ｋを奇の整数とするときに、３０ｋ°にわたり離れているジャイ
    ロスコープ。
  5. 【請求項５】 請求項２ないし４のいずれか１項記載のジャイロスコープで
    あって、該駆動トランスジューサ手段は駆動レゾルバを介して駆動される複数の
    面内駆動トランスジューサを備えており、該ドライバはｚ軸キャリヤ振動モード
    配向信号から入力を採って該振動モードパターンの配向角度に沿ってレゾルブさ
    れた結果の駆動を与えるようにするジャイロスコープ。
  6. 【請求項６】 請求項３あるいは４または請求項３もしくは４に従属する請
    求項５記載のジャイロスコープであって、該信号処理手段は、レート積分手段と
    ｘ軸及びｙ軸レゾルバとを備え、該積分手段はピックオフレゾルバを経て該第一
    の複数の平面内ピックオフから入力信号を採ってｚ軸配向信号を出力し、また該
    ｘ軸及びｙ軸レゾルバは複数の面外駆動トランスジューサに加えられた駆動信号
    を入力として採って、これらの信号をｚ軸キャリヤ振動モード配向信号を基準と
    してレゾルブし、ｘ軸及びｙ軸レート情報を出力するジャイロスコープ。
  7. 【請求項７】 請求項６記載のジャイロスコープであって、該ピックオフレ
    ゾルバからの反ノード信号が位相ロックループに加えられ、このループは共振最
    大を追跡するために駆動トランスジューサ手段の駆動周波数を調節するものであ
    るジャイロスコープ。
  8. 【請求項８】 請求項７記載のジャイロスコープであって、該反ノード信号
    は利得制御ループに加えられ、このループは一定の反ノード信号を維持するため
    に駆動トランスジューサ手段に加えられた駆動レベルを調節するものであるジャ
    イロスコープ。
  9. 【請求項９】 請求項６ないし８のいずれか１項に記載のジャイロスコープ
    であって、該ピックオフレゾルバからのノード信号がレート積分手段に加えられ
    るジャイロスコープ。
  10. 【請求項１０】 請求項９記載のジャイロスコープであって、該レート積分
    手段は反ノード信号と同相である信号成分をレゾルブする位相検出器を備えてい
    るジャイロスコープ。
  11. 【請求項１１】 請求項９または１０記載のジャイロスコープであって、該
    レート積分手段はレート信号発生器手段を備え、該レート信号発生器手段は該ノ
    ード信号を採り、ｚ軸の周りの振動モードパターンの回転レートに比例したレー
    ト信号を出力するものであるジャイロスコープ。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載のジャイロスコープであって、該レート積
    分手段はさらに該ｚ軸配向信号を出力するために該レート信号を積分する積分器
    を備えているジャイロスコープ。
  13. 【請求項１３】 請求項２ないし１２のいずれか１項記載のジャイロスコー
    プであって、該ｚ軸キャリヤ振動モード配向信号が正規化手段に加えられて、該
    正規化手段はブライアン（Bryan）ファクタを該ｚ軸キャリヤ振動モード配向信
    号に適用して、該振動体がｚ軸の周りに回転した角度の直接的測度を与えるよう
    にするジャイロスコープ。
  14. 【請求項１４】 請求項１ないし１３のいずれか１項記載のジャイロスコー
    プであって、該ピックオフ手段は、ｘ軸レートループに加えられる出力を発する
    ｘ軸ピックオフと、ｙ軸レートループに加えられる出力を発するｙ軸ピックオフ
    とを備え、また該ｘ軸及びｙ軸レートループはそれぞれが駆動信号をｘ軸及びｙ
    軸駆動トランスジューサに加えて、それぞれのピックオフで信号をゼロとするよ
    うにするジャイロスコープ。
  15. 【請求項１５】 請求項１ないし１４のいずれか１項記載のジャイロスコー
    プであって、クオダラチャナリングループが駆動信号を該駆動トランスジューサ
    手段にノード軸に沿って加えて、該クオダラチャナリングループに向けた入力が
    ゼロに保たれるようにするジャイロスコープ。
  16. 【請求項１６】 二軸の周りではレートジャイロスコープとして動作し、か
    つ第三の軸の周りで全角度ジャイロスコープとして動作するように適応された三
    軸ジャイロスコープセンシングデバイス。
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