JP2020169819A - ジャイロ装置およびジャイロ装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
第1回転振動モードに対応する駆動信号および第2回転振動モードに対応する駆動信号によって駆動される単一の2次元振動子と、
2次元振動子から出力される信号から、第1回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第1検出部と、
2次元振動子から出力される信号から、第2回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第2検出部と、
第1回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整する第1位相・振幅調整部と、
第2回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整する第2位相・振幅調整部とを備え、
第1位相・振幅調整部による処理で用いられる、第1回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第1位相補正値、および、第1回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第1振幅補正値が自動で求められ、
第2位相・振幅調整部による処理で用いられる、第2回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第2位相補正値、および、第2回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第2振幅補正値が自動で求められる
ジャイロ装置である。
第1検出部が、第1回転振動モードに対応する駆動信号および第2回転振動モードに対応する駆動信号によって駆動される単一の2次元振動子から出力される信号から、第1回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第2検出部が、2次元振動子から出力される信号から、第2回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第1位相・振幅調整部が、第1回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整し、
第2位相・振幅調整部が、第2回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整し、
第1位相・振幅調整部による処理で用いられる、第1回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第1位相補正値、および、第1回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第1振幅補正値が自動で求められ、
第2位相・振幅調整部による処理で用いられる、第2回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第2位相補正値、および、第2回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第2振幅補正値が自動で求められる
ジャイロ装置の制御方法である。
<1.第1実施形態>
<2.第2実施形態>
<3.第3実施形態>
<4.第4実施形態>
<5.変形例>
以下に説明する実施形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。
「一般的なジャイロ装置について」
本発明の理解を容易とするために、一般的なジャイロ装置(ジャイロスコープ)について説明する。なお、以下の説明では、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)を使用した小型の振動型ジャイロ装置を例にして説明する。ジャイロ装置では、回転の角速度(以下、回転角速度と適宜、称する)を検出し、回転角速度を積分して回転の角度(以下、回転角度と適宜、称する)を得る処理が行われる。回転角速度Ωzを検出する方法として、複数の方法が知られている。第1の方法として、AM(Amplitude Modulation)モードと称される方法が知られている。AMモードでは、ドライブ軸(例えばX軸)方向に振動を与えたときに、コリオリ力によって変化するセンス軸(例えばY軸)方向の振幅(変位)を計測することで角速度を得る。センス軸方向の振幅が回転角速度Ωzに比例することから、当該振幅を検出することにより回転角速度Ωzを検出することができる。AMモードでは、ドライブ軸方向に与えられる振動がセンス軸方向を直接励振してしまう点を考慮して、ドライブ軸、センス軸方向における共振周波数が異なるように設定される(モードミスマッチ)。しかしながら、AMモードでは、共振周波数から離れた周波数で計測を行うため,感度が低下する等の問題がある。
以上、FMモードについて説明した。本発明の実施形態では、上述したFMモードで2次元にモードマッチした1個の振動子(以下、2次元振動子と適宜、称する)を励振させる。したがって、回転角速度Ωzを得るためには、2次元振動子の回転振動(出力)に含まれるCWモード(第1の回転振動モード)の成分とCCWモード(第2の回転振動モード)の成分を独立して検出する必要がある。そこで、次に、2次元振動子の出力からCWモードの成分とCCWモードの成分を分離して検出する方法について説明する。
以上の説明を踏まえて、本発明の第1実施形態に係るジャイロ装置について説明する。図10は、本発明の第1実施形態に係るジャイロ装置(ジャイロ装置10)の構成例を示す図である。ジャイロ装置10は、例えば、単一の2次元振動子15と、駆動信号生成部20と、第1検出部30aと、第1発振回路の一例としての第1PLL(Phase Locked Loop)回路40aと、第1ゲインコントロール部の一例としての第1AGC(Automatic Gain Control)部50aと、第2検出部30bと、第2発振回路の一例としての第2PLL回路40bと、第2ゲインコントロール部の一例としての第2AGC部50bと、2次元振動子15の入力側に設けられた増幅器61a、61bと、2次元振動子15の出力側に設けられた増幅器62a、62bとを備えている。
図11は、第1検出部30aの構成例を説明するための図である。第1検出部30aは、2次元振動子15から出力される信号が分岐されて入力される検出器31a、32aと、検出器31aの出力にフィルタ処理を行うLPF33aと、検出器32aの出力にフィルタ処理を行うLPF34aと、LPF33aおよびLPF34aからの出力に基づいて2次元振動子15の出力信号に含まれるCW成分の振幅rcwおよび位相θcwを検出する振幅位相検出部35aとを備えている。
次に、ジャイロ装置10の動作例について図10〜図12を参照しながら説明する。駆動信号生成部20は、2次元振動子15に対する駆動信号を生成する。coscw信号および-sincw信号のそれぞれに対して、PID制御部52aからフィードバックされた信号が乗算器201、202で乗算された後、乗算器201からの出力信号が加算器205に供給され、乗算器202からの出力信号が加算器206に供給される。-cosCCW信号および-sinCCW信号のそれぞれに対して、PID制御部52bからフィードバックされた信号が乗算器203、204で乗算された後、乗算器203からの出力信号が加算器205に供給され、乗算器204からの出力信号が加算器206に供給される。加算器205は、乗算器201からの出力信号と乗算器203からの出力信号とを加算して出力する。加算器205からの出力信号が増幅器61aにより適宜な増幅率でもって増幅された後、2次元振動子15に入力Xdとして入力される。一方、加算器206は、乗算器202からの出力信号と乗算器204からの出力信号とを加算して出力する。加算器206からの出力信号が増幅器61bにより適宜な増幅率でもって増幅された後、2次元振動子15に入力Ydとして入力される。
次に、本発明の第1実施形態に係る角速度検出部(角速度検出部70)の構成例について説明する。なお、角速度検出部70は、ジャイロ装置10に組み込まれているものとして説明するが、他の装置に組み込まれていてもよい。
本発明の第1実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。単一の2次元振動子により構成しているので、装置を小型化することが可能となるとともに、複数の振動子を使用した場合のように振動子の特性や使用環境を一致させる必要がなくなる。また、単一の2次元振動子をモードマッチで駆動しているので高いQ値を実現することができ、高性能なジャイロ装置を実現することができる。さらに、2次元振動子の出力からCW、CCWモードに対応する成分を独立して検出することができ、それらの検出結果から回転角速度を検出し、最終的には回転した角度を検出することができる。
次に、第2実施形態について説明する。なお、以下の説明において同一の名称、符号については、特に断らない限り同一もしくは同質の部材を示しており、重複する説明を適宜省略する。第2実施形態は、ホールアングルモード(Whole Angle Mode)(積分ジャイロ等とも称される、代表例にはフーコーの振り子がある)のジャイロ装置として構成した実施形態である。ホールアングルモードのジャイロ装置は、回転した角度そのものを検出することができる。
次に、第3実施形態について説明する。特に断らない限り、上述した第1および第2実施形態で説明した事項は、第3実施形態に適用することができる。なお、同一の構成については同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜、省略する。
次に、第4実施形態について説明する。特に断らない限り、上述した第1〜第3実施形態で説明した事項は、第4実施形態に適用することができる。なお、同一の構成については同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜、省略する。
以上、本発明の複数の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく各種の変形が可能である。
15・・・2次元振動子
20・・・駆動信号生成部
30a・・・第1検出部
30b・・・第2検出部
30c・・・第3検出部
30d・・・第4検出部
40a・・・第1PLL回路
40b・・・第2PLL回路
50a・・・第1ゲインコントロール部
50b・・・第2ゲインコントロール部
70・・・角速度検出部
80a、80b・・・角度検出部
91〜94・・・位相調整部
95〜98・・・振幅調整部
CW・・・第1モード
CCW・・・第2モード
Claims (8)
- 第1回転振動モードに対応する駆動信号および第2回転振動モードに対応する駆動信号によって駆動される単一の2次元振動子と、
前記2次元振動子から出力される信号から、前記第1回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第1検出部と、
前記2次元振動子から出力される信号から、前記第2回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第2検出部と、
前記第1回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整する第1位相・振幅調整部と、
前記第2回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整する第2位相・振幅調整部とを備え、
前記第1位相・振幅調整部による処理で用いられる、前記第1回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第1位相補正値、および、前記第1回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第1振幅補正値が自動で求められ、
前記第2位相・振幅調整部による処理で用いられる、前記第2回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第2位相補正値、および、前記第2回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第2振幅補正値が自動で求められる
ジャイロ装置。 - 前記第1検出部によって検出された位相に基づいて、前記第1回転振動モードに対応する第1共振周波数と、位相が前記第1検出部により検出された位相と一致する信号とを出力する第1発振回路と、
前記第1検出部によって検出された振幅が第1設定値となるようにゲインをコントロールする第1ゲインコントロール部と、
前記第2検出部によって検出された位相に基づいて、前記第2回転振動モードに対応する第2共振周波数と、位相が前記第2検出部により検出された位相と一致する信号とを出力する第2発振回路と、
前記第2検出部によって検出された振幅が第2設定値となるようにゲインをコントロールする第2ゲインコントロール部とを備え、
前記第1検出部は、前記第1発振回路からフィードバックされる信号を第1参照信号として使用して同期検波を行うことにより前記第1回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
前記第2検出部は、前記第2発振回路からフィードバックされる信号を第2参照信号として使用して同期検波を行うことにより前記第2回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する
請求項1に記載のジャイロ装置。 - 前記第1参照信号を使用して、前記第2回転振動モードに対応したエラー成分を検出する第3検出部と、
前記第2参照信号を使用して、前記第1回転振動モードに対応したエラー成分を検出する第4検出部とを備え、
前記第2回転振動モードに対応したエラー成分に基づいて、前記第1位相補正値および前記第1振幅補正値が求められ、
前記第1回転振動モードに対応したエラー成分に基づいて、前記第2位相補正値および前記第2振幅補正値が求められる
請求項2に記載のジャイロ装置。 - 前記第1位相・振幅調整部による処理で用いられる位相補正値および振幅補正値を変化させることにより、前記第3検出部が複数のエラー成分を検出し、
前記第3検出部により検出された複数のエラー成分により規定される平面に基づいて、前記第1位相補正値および前記第1振幅補正値が求められ、
前記第2位相・振幅調整部による処理で用いられる位相補正値および振幅補正値を変化させることにより、前記第4検出部が複数のエラー成分を検出し、
前記第4検出部により検出された複数のエラー成分により規定される平面に基づいて、前記第2位相補正値および前記第2振幅補正値が求められる
請求項3に記載のジャイロ装置。 - 前記第3検出部により検出されるエラー成分と、前記第4検出部により検出されるエラー成分とが所定以下になるまで、前記第1位相補正値、前記第1振幅補正値、前記第2位相補正値および前記第2振幅補正値を求める処理が繰り返される
請求項3又は4に記載のジャイロ装置。 - 前記第1共振周波数と前記第2共振周波数とに基づいて回転の角速度を検出する角速度検出部を備える
請求項2から5までの何れか1項に記載のジャイロ装置。 - 前記第1回転振動モードに対応した成分と前記第2回転振動モードに対応した成分との位相差に基づいて、回転の角度を検出する角度検出部を備える
請求項1乃至6のいずれか1項に記載のジャイロ装置。 - 第1検出部が、第1回転振動モードに対応する駆動信号および第2回転振動モードに対応する駆動信号によって駆動される単一の2次元振動子から出力される信号から、前記第1回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第2検出部が、前記2次元振動子から出力される信号から、前記第2回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第1位相・振幅調整部が、前記第1回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整し、
第2位相・振幅調整部が、前記第2回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整し、
前記第1位相・振幅調整部による処理で用いられる、前記第1回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第1位相補正値、および、前記第1回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第1振幅補正値が自動で求められ、
前記第2位相・振幅調整部による処理で用いられる、前記第2回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第2位相補正値、および、前記第2回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第2振幅補正値が自動で求められる
ジャイロ装置の制御方法。
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JP2010096765A (ja) * | 2008-10-14 | 2010-04-30 | Watson Industries Inc | 直角位相制御を備えた振動構造ジャイロスコープ |
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CN109470228A (zh) * | 2018-10-30 | 2019-03-15 | 北京时代民芯科技有限公司 | 一种基于内嵌式差分电极的mems碟形陀螺及其制备方法 |
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2019
- 2019-04-01 JP JP2019069619A patent/JP7302129B2/ja active Active
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