JP2023127142A - ジャイロ装置およびジャイロ装置の制御方法 - Google Patents

ジャイロ装置およびジャイロ装置の制御方法 Download PDF

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秀治 田中
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Abstract

Figure 2023127142000001
【課題】角速度を検出しつつ２次元振動子のミスマッチに応じた補正を可能とするジャイロ装置を提供する。
【解決手段】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、第１回転振動モードに対応する出力信号および第２回転振動モードに対応する出力信号を出力する単一の２次元振動子１５と、第１回転振動モードに対応する駆動信号の振幅を第１変調方式で変調する第１変調処理部３０１と、第２回転振動モードに対応する駆動信号の振幅を第２変調方式で変調する第２変調処理部５０１と、第２回転振動モードに対応する第１エラー成分に対して、第１変調方式に対応する第１復調方式で復調を行う第１復調処理部４０１と、第１回転振動モードに対応する第２エラー成分に対して、第２変調方式に対応する第２復調方式で復調を行う第２復調処理部６０１と、を備える。
【選択図】図２９

Description

本発明は、ジャイロ装置およびジャイロ装置の制御方法に関し、例えば、単一（１個）のモードマッチ（直交する２軸の共振周波数が一致）した２次元振動子を有するジャイロ装置およびジャイロ装置の制御方法に関する。
従来から、回転の角速度を検出するためのジャイロ装置が提案されており、本件発明者も、下記特許文献１に開示されている、２次元振動子を用いたジャイロ装置を提案している。特許文献１に開示されたジャイロ装置では、２次元振動子の不完全性により生じ得るX方向およびY方向における周波数やQ値のずれ（以下、これらをミスマッチとも称する場合がある）をキャンセルするために、位相調整部による位相調整処理および振幅調整部による振幅調整処理が行われる。
国際公開２０１７／１５９４２９号
特許文献１に記載されている技術では、２次元振動子のミスマッチを適切に補正できる。しかしながら、ミスマッチを検出し補正のためのパラメータを設定する期間（例えば、ジャイロ装置の起動時におけるキャリブレーションの期間）が必要となり、その期間の間、ジャイロ装置として使用することができないという問題があった。
本発明の目的の一つは、これらの問題を解決するための新規かつ有用なジャイロ装置およびジャイロ装置の制御方法を提供することにある。
本発明の一の態様は、
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、第１回転振動モードに対応する出力信号および第２回転振動モードに対応する出力信号を出力する単一の２次元振動子と、
第１回転振動モードに対応する駆動信号の振幅を第１変調方式で変調する第１変調処理部と、
第２回転振動モードに対応する駆動信号の振幅を第２変調方式で変調する第２変調処理部と、
第１回転振動モードに対応する出力信号に含まれる、第２回転振動モードに対応する第１エラー成分を検出する第１エラー成分検出部と、
第２回転振動モードに対応する出力信号に含まれる、第１回転振動モードに対応する第２エラー成分を検出する第２エラー成分検出部と、
第２回転振動モードに対応する第１エラー成分に対して、第１変調方式に対応する第１復調方式で復調を行う第１復調処理部と、
第１回転振動モードに対応する第２エラー成分に対して、第２変調方式に対応する第２復調方式で復調を行う第２復調処理部と、
を備える
ジャイロ装置である。
また、本発明の他の態様は、
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た単一の２次元振動子が、第１回転振動モードに対応する出力信号および第２回転振動モードに対応する出力信号を出力し、
第１変調処理部が、第１回転振動モードに対応する駆動信号の振幅を第１変調方式で変調し、
第２変調処理部が、第２回転振動モードに対応する駆動信号の振幅を第２変調方式で変調し、
第１エラー成分検出部が、第１回転振動モードに対応する出力信号に含まれる、第２回転振動モードに対応する第１エラー成分を検出し、
第２エラー成分検出部が、第２回転振動モードに対応する出力信号に含まれる、第１回転振動モードに対応する第２エラー成分を検出し、
第１復調処理部が、第２回転振動モードに対応する第１エラー成分に対して、第１変調方式に対応する第１復調方式で復調し、
第２復調処理部が、第１回転振動モードに対応する第２エラー成分に対して、第２変調方式に対応する第２復調方式で復調する、
ジャイロ装置における制御方法である。
本発明によれば、角速度を検出しつつ２次元振動子のミスマッチを補正できるジャイロ装置を提供できる。なお、本明細書により例示された効果により、本発明の内容が限定して解釈されるものではない。
本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 本発明に関連する技術についての説明がなされる際に参照される図である。 一実施形態に係る検出部の構成についての説明がなされる際に参照される図である。 一実施形態に係る別の検出部の構成についての説明がなされる際に参照される図である。 一実施形態に係るジャイロ装置の構成例を説明するための図である。 一実施形態に係る第１変調処理部、第１復調処理部の構成例を説明するための図である。 一実施形態に係る第２変調処理部、第２復調処理部の構成例を説明するための図である。 実験結果を説明するための図である。 実験結果を説明するための図である。
以下、本発明の実施形態等について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
＜本発明に関連する技術について＞
＜一実施形態＞
＜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。
＜本発明に関連する技術について＞
本特許出願の発明者は、先に、ジャイロ装置およびジャイロ装置の制御方法を提案している。提案内容は、特許文献である特開２０２０－１６９８１９号公報として公開されている。本特許出願は、当該特許文献に記載された内容を適用することができる。本発明の理解を容易とするために、当該公報に記載されている内容を説明しつつ、本発明において考慮すべき問題について言及する。
まず始めに、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。ジャイロ装置は、回転の角速度（以下、回転角速度と適宜、称する）を検出する。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。また、AMモードでは、感度と測定帯域に原理的にトレードオフがあり、高感度と広帯域を両立させることは不可能である。
第２の方法は、フォースリバランスと呼ばれる方法であり、AMモードのセンス軸方向の振幅が常に一定値（多くの場合は０）になるようにフィードバック制御をかけ、そのフィードバック信号の大きさから回転角速度を得る方法である。この場合は、ドライブ軸とセンス軸の共振周波数を合わせた（モードマッチさせた）振動子を用いることができる。しかしながら、スケールファクタ（回転角速度に対する出力の大きさ）が、温度等により変動してしまう等の問題がある。
以上のような第１、第２の方法の問題に鑑み、後述する実施形態では、FMモードによるジャイロ装置の駆動を採用している。FMモードの特徴としては、他の方法に比べ、感度（スケールファクタ）が正確で安定する、原理的に温度特性に優れている、ダイナミックレンジが大きい等の利点を有している点が挙げられる。FMモードには大きく分けて直交FM型とリサージュFM型があるが、本明細書では、特に断らない限り直交FM型のみを対象とする。
ここでFMモードの基本的な原理について説明する。なお、FMモードの原理そのものは公知であるのでここでは概略的な説明に留める。FMモードのジャイロは、直交（独立）する２軸方向に振動する振動子（共振子、共振器とも称される）で構成される。FMモードでは、各軸における共振周波数、およびQ値を一致させた振動子（縮退振動子）を用いる。この状態において、振動子に対して回転角速度が与えられた時、下記の数式１で表される関係が成り立つことが知られている。なお、数式１におけるλは共振周波数、ωは回転を与えていない場合の共振周波数（縮退しているので、２軸ともに同じ共振周波数）、Ωzは振動子に与えられる回転角速度を表している。
なお、以下で言及する振動は直線振動（例えばX方向、Y方向）に限らず、縮退した直交振動モードであれば、どのような振動でも利用できる。例えば、リング型の共振器の場合は、図１、２に示すように、直交する２つの振動は必ずしも単純な直線振動にはならないが、それぞれの振動モードにおける変位の状態をモード座標（一般化座標）で表すと、直線振動と全く同じように扱うことができる。以下では、これらのモード座標（一般化座標）も含めて、一つのモードを"X軸（もしくはX方向）"、これと直交するモードを"Y軸（もしくはY方向）"と呼ぶ（なお、図１、２におけるモード１、２は数学的、もしくは振動学的に直交している状態を示している）。
Figure 2023127142000002
数式１から下記の数式２が導出される。
Figure 2023127142000003
すなわち、数式２により示されるように、回転が与えられない時にはX軸、Y軸方向の共振周波数が一致していた、すなわち縮退していたものが、回転を与えることにより共振周波数λがω＋Ωzとω－Ωzとに分かれる。この２つの共振周波数をλ1、λ2とすると、共振周波数λ1、λ2の差（ずれ）が回転角速度Ωzに比例することから、２つの共振周波数をλ1、λ2を検出すれば、下記の数式３により回転角速度Ωzを得ることができる。
Figure 2023127142000004
ここで、λ1（＝ω＋Ωz）に対応する運動は時計回り（CW）に対応しており、λ2（＝ω－Ωz）に対応する運動は反時計回り（CCW）に対応している。すなわち、縮退している振動子に回転が与えられた場合には、固有振動モードは直線（X方向もしくはY方向単独の振動）ではなく、回転振動（X方向とY方向の振動の位相が±90度(°)ずれている２次元振動）になる。なお、実際の振動子の回転は、これらCWモードおよびCCWモードの重ねあわせとなる。
「各モードの成分の検出方法について」
以上、FMモードについて説明した。例えば、上述したFMモードで２軸縮退した１個の振動子（以下、２次元振動子と適宜、称する）を励振させる制御が行われる。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回転振動モード）の成分とCCWモード（第２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。
図３は、一般的な同期検波方式を説明するための図である。入力信号(Signal)SIにある所定の振幅（Amplitude）および位相(Phase)を有する信号が入力される。入力信号SIが分岐され、乗算器（ミキサ）１、３のそれぞれに入力される。同期検波方式では、位相を90度ずらした２つの信号を参照信号として使用し、この参照信号を別々の乗算器１、３で乗算した後、フィルタ処理を行うことで復調出力を得る。例えば、参照信号としてcos波およびsin波が使用され、入力信号SIにcos波を乗算する処理が乗算器１により行われ、入力信号SIにsin波を乗算する処理が乗算器３により行われる。
乗算器１から出力される信号がLPF(Low Pass Filter)２に入力されフィルタ処理がなされる。LPF２によるフィルタ処理により、LPF２からは、参照信号（本例ではcos波）と同じ周波数であり、且つ、同じ位相を持つ成分のみが出力される。
一方、乗算器３から出力される信号がLPF４に入力され、フィルタ処理がなされる。LPF４によるフィルタ処理により、LPF４からは、乗算器３における参照信号(本例ではsin波)と同じ周波数であり、且つ、同じ位相を持つ成分のみが出力される。
LPF２、４からの出力により入力信号SIが復調され、復調出力に基づいて入力信号SIの振幅ｒと位相θとが検出される。
この同期検波方式を発展、応用してCWモードの成分とCCWモードの成分とを検出する処理が行われる。なお、以下の説明では、２次元振動子内に生じているCWモードとCCWモードとが組み合わさった信号から、CWモードの成分のみを検出する例について説明するが、同様の処理によりCCWモードの成分を検出することができる。
図４は、入力信号SIからCWモードの成分を検出する方法を説明するための図である。入力信号SIとして、２次元振動子から出力される信号が入力される。２次元振動子を使用した場合には、図示するように、X、Y方向の成分を含むベクトル的な表記で入力信号SIを示すことができる。
入力信号SIが分岐され、乗算器１、３のそれぞれに入力される。参照信号として信号CW-I(In phase)、CW-Q(Quadrature Phase)が使用され、入力信号SIに信号CW-Iを乗算する処理が乗算器１により行われ、入力信号SIに信号CCW-Iを乗算する処理が乗算器３により行われる。信号CW-I、信号CW-Qは、図４にシンボル的に示されているように、振幅、周波数、回転方向は同じで位相が90度ずれている信号である。
入力信号SIに対して信号CW-Iが乗算器１により乗算され、その出力がLPF２に供給される。入力信号SIに対して信号CW-Qが乗算器３により乗算され、その出力がLPF４に供給される。LPF２、４のそれぞれによるフィルタ処理の結果、入力信号SIが復調され、復調出力に基づいて入力信号SIに含まれるCWモードの成分の振幅ｒおよび位相θを検出することができる。
図５は、上述した乗算器１、３の詳細な構成例を説明するための図である。乗算器１は、例えば、乗算器１ａと、乗算器１ｂと、加算器１ｃとを備えている。乗算器３は、例えば、乗算器３ａと、乗算器３ｂと、加算器３ｃとを備えている。
上述したように、２次元振動子の場合は入力信号SIとしてX軸、Y軸方向の信号（振幅）（以下、信号SIX、SIYと適宜、称する）が乗算器１に入力される。乗算器１ａは、信号SIXに対して信号CW-IのX軸方向の成分を乗算し、乗算器１ｂは、信号SIYに対して信号CW-IのY軸方向の成分を乗算する。加算器１ｃは、乗算器１ａ、１ｂの出力を加算してLPF２に出力する。
乗算器３ａは、信号SIXに対して信号CW-QのX軸方向の成分を乗算し、乗算器３ｂは、信号SIYに対して信号CW-QのY軸方向の成分を乗算する。加算器３ｃは、乗算器３ａ、３ｂの出力を加算してLPF４に出力する。
上述した方法により、２次元振動子の出力に含まれるCWモードの成分を検出できる点について、図６乃至図９を参照して更に詳細に説明する。図６に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例である。なお、本例では、CW-IのX軸方向の信号をsin波とし、Y軸方向の信号をcos波としている。入力信号SIが信号CW-Iの成分のみと仮定した場合には、乗算器１ａの出力波形は波形WA１ａとなり、乗算器１ｂの出力波形は波形WA２ａとなる。各乗算器の出力を加算器１ｃで加算した信号の波形は、波形WA３ａとなる。この信号波形をLPF２に通すと、LPF２によるフィルタ処理は平均を得る処理と等価の処理であることから、得られる信号の波形は波形WA３ａと同様の波形WA４ａ（直流成分）となる。すなわち、入力信号SIに信号CW-Iの成分が含まれる場合は、信号CW-Iを使用した検波によりその成分を検出することができる。
図７に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例であるが、入力信号SIが信号CW-Iと位相が90度異なる信号CW-Qの成分のみと仮定した例である。この場合には、乗算器１ａの出力波形は波形WA１ｂとなり、乗算器１ｂの出力波形は波形WA２ｂとなる。これらの波形の出力を加算器１ｃで加算した信号は図示する通り０となり、したがって、LPF２の出力も図示する通り０となる。
図８に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例であるが、入力信号SIが信号CW-Iと回転方向が異なる反時計回りの信号CCW-Iの成分のみと仮定した例である。この場合には、乗算器１ａの出力波形は波形WA１ｃとなり、乗算器１ｂの出力波形は波形WA２ｃとなる。各乗算器の出力を加算器１ｃで加算した信号の波形は、０を中心として対称となる波形WA３ｃとなる。この波形WA３ａの信号をLPF２に通すとその出力は図示する通り０となる。
図９に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例であるが、入力信号SIが信号CW-Iと回転方向が異なる反時計回りの信号であり、信号CCW-Iと位相が90度異なる信号CCW-Qの成分のみと仮定した例である。この場合には、乗算器１ａの出力波形は波形WA１ｄとなり、乗算器１ｂの出力波形は波形WA２ｄとなる。各乗算器の出力を加算器１ｃで加算した信号の波形は、０を中心として対称となる波形WA３ｄとなる。この波形WA３ｄの信号をLPF２に通すとその出力は図示の通り０となる。
すなわち、２次元振動子内に生じている任意の２次元振動（CW-I,CW-Q,CCW-I,CCW-Qの線型結合で表される）を、信号CW-Iを参照信号として同期検波ですると、２次元振動子の出力信号に含まれる信号CW-Iの成分のみが得られる。このことは参照信号として他の信号を使用した場合の検出される成分についても当てはまる。以上をまとめると下記の表１が得られる。
Figure 2023127142000005
表１に示すように、２次元振動子の出力に信号CW-Qの成分が含まれている場合には、参照信号を信号CW-Qとして検波できる一方、他の信号の成分については出力が０となる。２次元振動子の出力に信号CCW-Iの成分が含まれている場合には、参照信号を信号CCW-Iとして検波できる一方、他の信号の成分については出力が０となる。２次元振動子の出力に信号CCW-Qの成分が含まれている場合には、参照信号を信号CCW-Qとして検波できる一方、他の信号の成分については出力が０となる。つまり、例えば２個の検出器を設け、各検出器における参照信号を信号CW-Iおよび信号CW-Qの組合せ、信号CCW-Iおよび信号CCW-Qの組合せにそれぞれ設定すれば、２次元振動子の出力からCWモードの成分およびCCWモードの成分を独立して検出できることになる。
以上の説明を踏まえて、角速度を検出可能なジャイロ装置（ジャイロ装置１０）について説明する。図１０は、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。
なお、図示は省略しているが、ジャイロ装置１０は、DA(Digital to Analog)変換器およびAD(Analog to Digital)変換器を備え、デジタル信号処理により各処理を行うようにしても良い。この場合、DA変換器は、例えば、増幅器６１ａ、６１ｂの前段に設けられ、駆動信号生成部２０から出力されるデジタル形式の駆動信号をアナログ形式に変換するように構成される。また、AD変換器は、例えば、増幅器６２ａ、６２ｂの後段に設けられ、２次元振動子１５から出力されるアナログ形式の信号をデジタル形式に変換するように構成される。
２次元振動子１５は、例えば、リング形状を成しCWモードおよびCCWモードのそれぞれに対応した駆動信号により励振可能な振動部材である。なお、２次元振動子１５の形状はリング形状に限定されるものではなく、正四角板、円柱、正四角柱、４個のマスを使用した４重マス型等、任意の形状とすることが可能である。
駆動信号生成部２０は、CWモードに対応する駆動信号（第１駆動信号）およびCCWモードに対応する駆動信号（第２駆動信号）を多重化した駆動信号を２次元振動子１５に供給する。駆動信号生成部２０から供給される駆動信号により２次元振動子１５が励振させられる。本例では、CWモードに対応するX軸方向の駆動信号としてcos波（以下、coscw信号と表記する）、Y軸方向の駆動信号として-sin波（以下、-sincw信号と表記する）を用いている。なお、駆動信号は、Y方向信号がX方向信号に比べて90度位相が進んでいれば、必ずしもcos波、-sin波である必要はない。また、CCWモードに対応するX軸方向の駆動信号として-cos波（以下、-cosCCW信号と表記する）、Y軸方向の駆動信号として-sin波（以下、-sinCCW信号と表記する）を用いている。なお、駆動信号は、Y方向信号がX方向信号に比べて90度位相が遅れていれば、必ずしも-cos波、-sin波である必要はない。駆動信号生成部２０は、例えば、第１PLL回路４０ａからフィードバックされる信号に基づいてCWモードに対応する駆動信号を生成し、第２PLL回路４０ｂからフィードバックされる信号に基づいてCCWモードに対応する駆動信号を生成する。駆動信号生成部２０は、例えば、乗算器２０１と、乗算器２０２と、乗算器２０３と、乗算器２０４と、加算器２０５と、加算器２０６とを備えている。
第１検出部３０ａは、２次元振動子１５の出力に含まれるCW成分の振幅rcwおよび位相θcwを検出する。なお、第１検出部３０ａの詳細については後述する。
第１PLL回路４０ａは、位相比較器４１ａと、PID(Proportional Integral Differential)制御部４２ａと、VCO(Voltage Controlled Oscillator)やNCO（Numerical Controlled Oscillator）等の発振周波数を変化することができる発振器４３ａとを備えている。図示が煩雑となることを防止するために詳細な図示を省略しているが、第１PLL回路４０ａの出力（全ての出力でもよいし一部の出力でもよい）が駆動信号生成部２０、第１検出部３０ａのそれぞれにフィードバックされるように構成されている。
第１AGC部５０ａは、振幅比較器５１ａと、PID制御部５２ａとを備えている。第１AGC部５０ａの出力が駆動信号生成部２０にフィードバックされるように構成されている。
第２検出部３０ｂは、２次元振動子１５の出力に含まれるCCW成分の振幅rCCWおよび位相θCCWを検出する。なお、第２検出部３０ｂの詳細については後述する。
第２PLL回路４０ｂは、位相比較器４１ｂと、PID制御部４２ｂと、VCOやNCO等の発振周波数を変化することができる発振器４３ｂとを備えている。図示が煩雑となることを防止するために詳細な図示を省略しているが、第２PLL回路４０ｂの出力（全ての出力でもよいし一部の出力でもよい）が駆動信号生成部２０、第２検出部３０ｂのそれぞれにフィードバックされるように構成されている。
第２AGC部５０ｂは、振幅比較器５１ｂと、PID制御部５２ｂとを備えている。第２AGC部５０ｂの出力が駆動信号生成部２０にフィードバックされるように構成されている。
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。
検出器３１ａは、２次元振動子１５からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器３１０ａと、２次元振動子１５からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器３１１ａと、乗算器３１０ａ、３１１ａのそれぞれの出力を加算する加算器３１２ａとを備えている。検出器３２ａは、２次元振動子１５からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器３２０ａと、２次元振動子１５からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器３２１ａと、乗算器３２０ａ、３２１ａのそれぞれの出力を加算する加算器３２２ａとを備えている。
なお、本例では、X軸方向のCW-I成分をsin信号とし、Y軸方向のCW-I成分をcos信号とし、X軸方向のCW-Q成分をcos信号とし、Y軸方向のCW-Q成分を-sin信号としている。
図１２は、第２検出部３０ｂの構成例を説明するための図である。第２検出部３０ｂは、２次元振動子１５からの信号が分岐されて入力される検出器３１ｂ、３２ｂと、検出器３１ｂの出力にフィルタ処理を行うLPF３３ｂと、検出器３２ｂの出力にフィルタ処理を行うLPF３４ｂと、LPF３３ｂおよびLPF３４ｂ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CCW成分の振幅ｒCCWおよび位相θCCWを検出する振幅位相検出部３５ｂとを備えている。
検出器３１ｂは、２次元振動子１５からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器３１０ｂと、２次元振動子１５からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器３１１ｂと、乗算器３１０ｂ、３１１ｂのそれぞれからの出力を加算する加算器３１２ｂとを備えている。検出器３２ｂは、２次元振動子１５からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器３２０ｂと、２次元振動子１５からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器３２１ｂと、乗算器３２０ｂ、３２１ｂのそれぞれの出力を加算する加算器３２２ｂとを備えている。
なお、本例では、X軸方向のCCW-I成分を-sin信号とし、Y軸方向のCCW-I成分をcos信号とし、X軸方向のCCW-Q成分を-cos信号とし、Y軸方向のCCW-Q成分を-sin信号としている。
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。
入力Xd、Ydによって２次元振動子１５が励振され、２次元振動子１５からの出力Xs、Ysが得られる。２次元振動子１５からの出力Xs、Ysが増幅器６２ａ、６２ｂによって適宜な増幅率でもって増幅された後、出力Xsが分岐されて第１、第２検出部３０ａ、３０ｂのそれぞれに入力され、出力Ysが分岐されて第１、第２検出部３０ａ、３０ｂのそれぞれに入力される。
第１検出部３０ａは、２次元振動子１５の出力に含まれるCW成分を検出する。具体的には、第１検出部３０ａにおける検出器３１ａが信号CW-Iを使用して検波し、その結果にLPF３３ａによるフィルタ処理を行うことで２次元振動子１５の出力に含まれるCW-I成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部３５ａに供給する。また、第１検出部３０ａにおける検出器３２ａが信号CW-Qを使用して検波し、その結果にLPF３４ａによるフィルタ処理を行うことで２次元振動子１５の出力に含まれるCW-Q成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部３５ａに供給する。振幅位相検出部３５ａは、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。すなわち、既述したように、信号CW-I、信号CW-Qのそれぞれを参照信号として同期検波することで、２次元振動子１５の出力に含まれるCW成分のみを検出することができる。
第１検出部３０ａにより検出された位相θcwが第１PLL回路４０ａに供給される。第１PLL回路４０ａにおける位相比較器４１ａは、位相θcwと設定位相θcw,set（以下の説明ではθcw,set =90°として話を進める）とを比較し、比較結果に基づいてPID制御部４２ａが位相θcwを90°すなわち共振周波数ｆcwとなる制御を実行する。PID制御部４２ａからの出力で発振器４３ａを制御し、これにより発振器４３ａからは共振周波数ｆcwの信号sincwおよび信号coscwが出力される。これらの信号が入力側にフィードバックされ、CWモードに対応する駆動信号の共振周波数が共振周波数ｆcwで維持される制御がなされる。また、信号sincwおよび信号coscwが第１検出部３０ａにフィードバックされ、これに基づいて参照信号としての信号CW-I、信号CW-Qが生成される。本例では、フィードバックされる信号と参照信号との間に、sin=sincw、cos=coscw、-sin=-1*sincwの関係が成り立っている。
第１検出部３０ａにより得られた振幅ｒcwが第１AGC部５０ａに供給される。第１AGC部５０ａにおける振幅比較器５１ａは、振幅ｒcwと所定の第１設定値Rset,cwとを比較し、比較結果に基づいてPID制御部５２ａが、振幅ｒcwが所定の第１設定値Rset,cwとなる制御を実行する。PID制御部５２ａからの出力が駆動信号生成部２０にフィードバックされ、CWモードに対応する駆動信号の振幅が第１設定値Rset,cwで維持されるようにゲインをコントロールする制御がなされる。
２次元振動子１５の出力に含まれるCCW成分を検出する系についても同様の処理が実行される。具体的には、第２検出部３０ｂにおける検出器３１ｂが信号CCW-Iを使用して検波し、その結果にLPF３３ｂよるフィルタ処理を行うことで２次元振動子１５の出力に含まれるCCW-I成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部３５ｂに供給する。また、第２検出部３０ｂにおける検出器３２ｂが信号CCW-Qを使用して検波し、その結果にLPF３４ｂによるフィルタ処理を行うことで２次元振動子１５の出力に含まれるCCW-Q成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部３５ｂに供給する。振幅位相検出部３５ｂは、LPF３３ｂおよびLPF３４ｂ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CCW成分の振幅ｒCCWおよび位相θCCWを検出する。すなわち、上述したように、信号CCW-I、信号CCW-Qのそれぞれを参照信号として同期検波することで、２次元振動子１５の出力に含まれるCCW成分のみを検出することができる。
第２検出部３０ｂにより得られた位相θCCWが第２PLL回路４０ｂに供給される。第２PLL回路４０ｂにおける位相比較器４１ｂは、位相θCCWと90°とを比較し、比較結果に基づいてPID制御部４２ｂが位相θCCWを０すなわち共振周波数ｆcwとなる制御を実行する。PID制御部４２ｂからの出力で発振器４３ｂを制御し、これにより発振器４３ｂからは位相が一致した換言すれば共振周波数ｆCCWの信号sinCCWおよび信号cosCCWが出力される。共振周波数ｆCCWが入力側にフィードバックされ、CCWモードに対応する駆動信号の共振周波数が共振周波数ｆCCWとなるように維持する制御がなされる。また、信号sinCCWおよび信号cosCCWが第２検出部３０ｂにフィードバックされ、これに基づいて参照信号としての信号CCW-I、信号CCW-Qが生成される。本例では、フィードバックされる信号と参照信号との間に、-sin=sinccw、cos=cosccw、-cos=-1*cosccw、の関係が成り立っている。
第２検出部３０ｂにより得られた振幅ｒCCWが第２AGC部５０ｂに供給される。第２AGC部５０ｂにおける振幅比較器５１ｂは、振幅ｒCCWと第２設定値Rset,CCWとを比較し、比較結果に基づいてPID制御部５２ｂが、振幅ｒCCWが第２設定値Rset,CCWとなる制御を実行する。PID制御部５２ｂからの出力が駆動信号生成部２０にフィードバックされ、CCWモードに対応する駆動信号の振幅が第２設定値Rset,CCWで維持されるようにゲインをコントロールする制御がなされる。
図１３は、ジャイロ装置１０における信号の流れを模式的に示した図である。図１３における太線が信号の流れを示している。２次元振動子１５の出力に含まれるCCW成分は第１検出部３０ａによりカットされ、CW成分のみが一方の系（図１３における上側の系）をループすることになる。２次元振動子１５の出力に含まれるCW成分は第２検出部３０ｂによりカットされ、CCW成分のみが他方の系（図１３における下側の系）をループすることになる。
次に、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、本例では、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。
図１４は、角速度検出部７０の構成例を示す図である。角速度検出部７０は、例えば、減算器７１と、乗算器７２とを備えている。角速度検出部７０は、第１PLL回路４０ａから出力される共振周波数ｆcwおよび第２PLL回路４０ｂから出力される共振周波数ｆCCWを得、両共振周波数を減算器７１で減算し、その結果を乗算器７２で定数倍（角度ゲインが1である理想的な振動子の場合は１／２倍）する。すなわち、角速度検出部７０は、上述した数式３と同様の演算を行うことで回転角速度Ωzを検出する。
以上、説明したジャイロ装置１０によれば、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。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る。
ここで、振動子（例えば、上述した２次元振動子１５）の不完全性（X-Y非対称性）について説明する。振動子の不完全性とは、主に振動子の作製誤差による構造の非対称性によって生じる、X、Y方向の共振周波数、減衰係数の差を意味する。
ここで、理想振動子（モードマッチで駆動される振動子）について図１５および図１６を参照して説明する。図１５Ａの上段はX方向の駆動信号の例を示したグラフであり、図１５Ａの下段はY方向の駆動信号の例を示したグラフである。それぞれのグラフにおける縦軸は駆動信号のレベルを示し、横軸は時間（t）を示している。図示の通り、X方向およびY方向の駆動信号の位相差（Δθ）は90°である。
図１５Ｂは、図１５Ａに示した駆動振動でもって振動子を励振した場合の振動を示し、図１５Ｂの上段は振動子の出力のうちX方向の振動を示し、図１５Ｂの下段は振動子の出力のうちY方向の振動を示している。各方向の振動は、対応する方向における駆動信号の位相が90°遅れたものになっており、X方向の振動とY方向の振動との位相差が90°に維持されている。すなわち、X方向およびY方向における位相差が90°の駆動信号で振動子を励振した場合、理想的には、図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、共振点（共振周波数f0）においてX方向およびY方向の振動の振幅が同一となり、X方向およびY方向における振動の位相差が90°となる。
しかしながら、上述した振動子の不完全性（モードミスマッチ）により、振動子の振動が非理想的な振動となる場合がある。例えば、図１７Ａに示すように、X方向とY方向の共振周波数がずれていると、図１７Ｂに示すように駆動信号（周波数f0）に対する振動の位相遅れ量が、X方向およびY方向のそれぞれにおいて異なってしまう。そのため、図１７Ｂに示すように、駆動周数数f0におけるX、Y方向の位相遅れ量が90°にはならず、位相差Δφが生じてしまう。
その結果、図１８Ａおよび図１８Ｂに示すように、振動子の不完全性により、X方向の振動の位相遅れがX方向の駆動信号の位相に対して90°より小さく（若しくは大きく）、Y方向の振動の位相遅れがY方向の駆動信号の位相に対して90°より大きく（若しくは小さく）なる場合がある。このような場合には、励振された振動のX方向およびY方向の振動の位相差は90°にはならない。
上述したミスマッチがジャイロ装置１０の処理系統に与える影響について説明する。図１９は、ジャイロ装置１０を簡略化して示したブロック図である。なお、第１検出部３０ａは、２次元振動子１５の振動に含まれるCW成分を検出するものであることから、図１９ではCWディテクタと表記している。同様に、第２検出部３０ｂは、２次元振動子１５の振動に含まれるCCW成分を検出するものであることから、図１９ではCCWディテクタと表記している。
上述した駆動周波数において位相差が生じると言うことは、CW（CCW）で駆動したつもりでも純粋なCW（CCW）振動（X、Y方向のそれぞれの振動の位相差が90°（－90°）の振動）が励振できなくなりCCW（CW）成分が同時に生じてしまっていることを意味する。
上述したように（図１３等参照）、ジャイロ装置１０では、CWモードの成分がループする系とCCWモードの成分がループする系は、本来は独立であるべきところ、CWモードの成分に含まれる不要なCCWモードの成分は、CCWディテクタを通り抜けてしまう。つまり、CCWモードのループの系にCWモードの情報を持った信号が漏れ、CCWモードのループにおけるPLL（第２PLL回路４０ｂ）にCWモードの情報が入ってしまう。これにより、第２PLL回路４０ｂの動作がCWモードに含まれる不要なCCWモードの成分によって乱され、第２PLL回路４０ｂがロックする周波数が乱れてしまう。
なお、上述した例では、CWモードの成分に不要なCCWモードの成分が含まれる例について説明したが、CCWモードの成分に不要なCWモードの成分が含まれる場合も同様である。すなわち、CCWモードの成分に含まれる不要なCWモードの成分により、第１PLL回路４０ａがロックする周波数が乱れてしまう。
そこで、この問題に対応するために、２次元振動子１５の不完全性により生じる不要な位相差をキャンセルするために、駆動信号の位相を予めずらしておく（位相調整処理）。図２０Ａおよび図２０Ｂの上段にそれぞれ示すように、例えば、X方向における駆動振動の位相と振動の位相との位相差が90°より小さい場合には、その位相差分、駆動信号の位相を予め遅らせておく。また、図２０Ａおよび図２０Ｂの下段にそれぞれ示すように、例えば、Y方向における駆動振動の位相と振動の位相との位相差が90°より大きい場合には、その位相差分、駆動信号の位相を予め進めておく。これにより、X方向の振動とY方向の振動との位相差を90°とすることができ、純粋な固有モードが励振できる。
補償すべき位相差は、例えば、共振周波数の差より求めることができる。なお、X方向の振動とY方向の振動とが最も直交する位相差を予め実験等により求めておき、当該位相差の分だけ駆動信号の位相を遅らせまたは進めて補償してもよい。
振動子の不完全性は、上述の周波数のずれだけでなく、X方向におけるQ値（ダンピング）とY方向におけるQ値との間のずれも招く。X方向およびY方向におけるQ値にずれが生じると、図２１および図２２に示すように、共振点において、X方向の振動の振幅とY方向の振動の振幅とが異なってしまう。X方向の振動の振幅とY方向の振動の振幅とが異なると、固有振動（円振動）ではなくなり、上述した事象と同様に、CWモードの振動にCCWモードの成分が含まれて（CCWモードの振動にCWモードの成分が含まれて）しまう問題を生じる。
そこで、図２３に示すように、駆動信号の振幅を予めずらしておくことによりQ値のずれを補償する（振幅調整処理）。例えば、図２３Ｂに示すように、共振点において一致すべきX方向の振動の振幅およびY方向の振動の振幅を振幅ACとする。この振幅ACに対するずれの分だけ、X方向の駆動信号の振幅およびY方向の駆動信号の振幅を予めずらしておく。図２３Ａの上段に示す例では、X方向の駆動信号の振幅とX方向の振動の振幅との間に生じる振動の減衰分（ΔAx分）だけ駆動信号の振幅を大きくしている。図２３Ａの下段に示す例では、Y方向の駆動信号の振幅とY方向の振動の振幅との間に生じる振動の増加分（ΔAy分）だけ駆動信号の振幅を小さくしている。もちろん、X方向の駆動信号の振幅を小さくしたり、Y方向の駆動信号の振幅を大きくしたりする補償の場合もある。
振幅の補償分は、例えば、Q値の差から求められる。なお、X方向の振動とY方向の振動とが最も直交する振幅の補償分を予め実験等により求めておき、当該振幅の補償分だけ駆動信号の振幅を大きくまたは小さくしてもよい。
図２４は、上述した位相や振幅を調整する機能を適用したジャイロ装置（ジャイロ装置１０Ａ）の構成例を示すブロック図である。ジャイロ装置１０と同一の構成については同一の符号を付している。ジャイロ装置１０Ａの駆動信号生成部２０Ａは、駆動信号生成部２０の構成に加え、位相調整部９１、９２、９３、９４および振幅調整部９５、９６、９７、９８を有している。
位相調整部９１は、乗算器２０１の入力段に接続されており、振幅調整部９５は、乗算器２０１の出力段に接続されている。位相調整部９１および振幅調整部９５は、２次元振動子１５の不完全性により生じる不要な位相差やQ値のずれを解消するために、CWモードのX方向の駆動信号に対して、上述した位相調整処理および振幅調整処理を実行する。
位相調整部９２は、乗算器２０２の入力段に接続されており、振幅調整部９６は、乗算器２０２の出力段に接続されている。位相調整部９２および振幅調整部９６は、２次元振動子１５の不完全性により生じる不要な位相差やQ値のずれを解消するために、CWモードのY方向の駆動信号に対して、上述した位相調整処理および振幅調整処理を実行する。
位相調整部９３は、乗算器２０３の入力段に接続されており、振幅調整部９７は、乗算器２０３の出力段に接続されている。位相調整部９３および振幅調整部９７は、２次元振動子１５の不完全性により生じる不要な位相差やQ値のずれを解消するために、CCWモードのX方向の駆動信号に対して、上述した位相調整処理および振幅調整処理を実行する。
位相調整部９４は、乗算器２０４の入力段に接続されており、振幅調整部９８は、乗算器２０４の出力段に接続されている。位相調整部９４および振幅調整部９８は、２次元振動子１５の不完全性により生じる不要な位相差やQ値のずれを解消するために、CCWモードのY方向の駆動信号に対して、上述した位相調整処理および振幅調整処理を実行する。なお、各位相調整部を各乗算器の出力段に設けても良いが、乗算器による演算処理（掛算）の前に駆動信号の位相を調整する方が回路構成を簡略化できる。また、振幅調整は乗算器２０１～２０４の倍率を個々に調整することでも実現できる。
振幅調整部９５、９７の出力が加算器２０５により加算された後、増幅器６１ａにより増幅され、X方向の駆動信号として２次元振動子１５に供給される。振幅調整部９６、９８の出力が加算器２０６により加算された後、増幅器６１ｂにより増幅され、Y方向の駆動信号として２次元振動子１５に供給される。２次元振動子１５は、それぞれの方向に対応する駆動振動により励振される。上述したように、駆動信号の位相および振幅が予め調整されているので、CWモードの駆動信号は純粋なCWモードの振動のみ（CCWモードの駆動信号は純粋なCCWモードの振動のみ）を励振することができる。
ジャイロ装置１０Ａにおける処理を実行したことによる効果について説明する。図２５Ａおよび図２５Ｂに示すグラフの横軸は時間（t）(s)を示し、縦軸は発振器４３ａの周波数fcwと発振器４３ｂの周波数fccwとの差Δf（Hz）を示している。図２５Ａのグラフは本実施形態における処理を適用しない場合の結果を示し、図２５Ｂのグラフは本実施形態における処理を適用した場合の結果を示す。図２５Ａに示すように、位相遅れ量およびQ値のミスマッチによりCWモードとCCWモードとが直交しないので、一定速度で回しているのにも関わらず、干渉による周波数の周期的変動が見られる。一方で、上述した処理を適用し、駆動信号の位相および振幅を調整した場合には、モード間の直交性が良くなり、図２５Ａに示したような周波数の周期的変動が見られない。したがって、正確に角速度を検出できる。
＜一実施形態＞
以上説明した関連技術を踏まえつつ、一実施形態について説明する。上述したようにジャイロ装置１０では、CWモードの成分がループする系（図１３における上側のループ）とCCWモードの成分がループする系（図１３における下側のループ）は、本来は独立であるべきところ、図２６に模式的に示すように、CWモードの成分に不要なCCWモードの成分が含まれてしまう問題、および、CCWモードの成分に不要なCWモードの成分が含まれてしまう問題がある。かかる問題に対応するために、上述したように第１、第２位相・振幅調整部のそれぞれが位相調整処理および振幅調整処理を行うようにした。なお、振幅補正値という場合、振幅補正値は、CWループにおけるX方向の振幅の補正値（絶対値）に対するY方向の振幅の補正値（絶対値）の比（CWループではAcw,y/Acw,x、CCWループであればAccw,y/Accw,x）で表される。この比を満たすのであれば、振幅（絶対値）としては、任意の値をとることができる。
しかしながら、上記手法では、ミスマッチに応じた補正を行うためのパラメータを決定するための期間を設ける必要がある。最も単純な方法は、静止時において生じるミスマッチ量を測定して、これが０になるようにパラメータを決定する方法である。しかしながら、その場合には、静止（つまり角速度が０）を保証する必要があり、その間、ジャイロ装置として角速度を検出することができないという問題があった。そこで、本実施形態では、ジャイロ装置により角速度を検出しながら、ミスマッチを同時に検出する方法を提案する。
［概要］
本実施形態の概要について説明する。上述した処理を行うジャイロ装置（FMジャイロ、およびこれを発展させた積分型ジャイロ）では、角速度（角度）を検出するにあたり周波数（位相）の情報を使用しており、振幅の情報は本質的に重要ではない。換言すれば、振幅の大きさを変化させても角速度（角度）の計測結果に影響を与えない。係る点に着目し、本実施形態では、駆動信号の振幅を変調する。そして、２次元振動子の出力を、変調信号で同期検波することでミスマッチを検出する。これにより、角速度（角度）を計測しつつ、ミスマッチの検出が可能となる。
［ジャイロ装置の構成例］
一実施形態に係るジャイロ装置（以下、ジャイロ装置１０００と適宜、称する）は、上述した第１検出部３０ａの構成が検出部３０Ａに置き換わり、第２検出部３０ｂの構成が検出部３０Ｂに置き換わる点である。検出部３０Ａは、主としてCW成分がループする系に配置され、検出部３０Ｂは、主としてCCW成分がループする系に配置される構成である。
図２７は、検出部３０Ａの構成例を示す図である。検出部３０Ａは、一対の検出部として、ＣＷディテクタとして機能する第１検出部３０ａと、ＣＣＷディテクタとして機能する第３検出部３０ｃ（第１エラー成分検出部の一例）とを有している。それぞれに対して２次元振動子１５の出力が供給される。第１検出部３０ａの出力は、第１PLL回路４０ａおよび第１AGC部５０ａのそれぞれに供給される。第３検出部３０ｃには、第１検出部３０ａと同一の参照信号、即ち、第１PLL回路４０ａからフィートバックされる信号sincwおよび信号coscwが参照信号として入力される。第３検出部３０ｃの出力は、後述する第１復調処理部４０１に供給される。
図２８は、検出部３０Ｂの構成例を示す図である。検出部３０Ｂは、一対の検出部として、ＣＣＷディテクタとして機能する第２検出部３０ｂと、ＣＷディテクタとして機能する第４検出部３０ｄ（第２エラー成分検出部の一例）とを有している。それぞれに対して２次元振動子１５の出力が供給される。第２検出部３０ｂの出力は、第２PLL回路４０ｂおよび第２AGC部５０ｂに供給される。第４検出部３０ｄには、第２検出部３０ｂと同一の参照信号、即ち、第２PLL回路４０ｂからフィードバックされる信号sinCCWおよび信号cosCCWが参照信号として入力される。第４検出部３０ｄの出力は、後述する第２復調処理部６０１に供給される。
検出部３０Ａに入力される信号が、CWモードの成分のみである場合には、第３検出部３０ｃが、信号sinCWおよび信号cosCWを参照信号として同期検波したとしてもその出力は０になる（表１参照）。しかしながら、上述したように、振動子の不完全性のために検出部３０Ａの系にもCCWモードの成分が含まれ場合には、CCWモードに対応したエラー成分（第１エラー成分の一例）である、ICCWおよびQCCWが第３検出部３０ｃにより検出される（図２６参照）。
同様に、検出部３０Ｂに入力される信号が、CCWモードの成分のみである場合には、第４検出部３０dが、信号sinCWおよび信号cosCWを参照信号として同期検波したとしてもその出力は０になる（表１参照）。しかしながら、上述したように、振動子の不完全性のために検出部３０Ａの系にもCCWモードの成分が含まれる場合には、CCWモードに対応したエラー成分（第２エラー成分の一例）である、ICWおよびQCWが第４検出部３０ｄにより検出される（図２６参照）。
図２９は、本実施形態に係るジャイロ装置１０００の構成例を示すブロック図である。なお、図２９に示す構成において、ジャイロ装置１０、１０Ａと同一若しくは同質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。
ジャイロ装置１００、第１変調処理部３０１、第１復調処理部４０１、第２変調処理部５０１、および、第２復調処理部６０１を有する。第１変調処理部３０１は、第１AGC部５０ａの振幅比較器５１ａと接続されている。第１復調処理部４０１は、検出部３０Ａの出力側に接続されている。第２変調処理部５０１は、第２AGC部５０ｂの振幅比較器５１ｂと接続されている。第２復調処理部６０１は、検出部３０Ｂの出力側に接続されている。
図３０を参照しつつ、第１変調処理部３０１および第１復調処理部４０１の構成例について説明する。第１変調処理部３０１は、信号発生部３１１、第１変調部３１２、および、アンプ３１３を有する。
信号発生部３１１は、変調信号を発生する。変調信号としては、例えば、周波数が所定の周波数（第１周波数）であるsin(2πfAM,t)が用いられる。勿論、cos波等の他の信号や、スペクトル拡散された広帯域信号などが変調信号として用いられてもよい。第１変調部３１２は、変調信号sin(2πfAM,t)を用いた変調処理を実行する。具体的には、第１変調部３１２は、第１設定値Rset,cwを変調信号sin(2πfAM,t)で変調し、また、必要に応じてオフセットを与えることで第１設定値R’set,cwを生成する。第１設定値R’set,cwはアンプ３１３によりゲインが適宜、調整された後、振幅比較器５１ａに供給される。振幅比較器５１ａは、第１検出部３０ａの出力である振幅ｒcwと第１設定値R’set,cwとを比較し、比較結果に基づいてPID制御部５２ａが、振幅ｒcwが所定の第１設定値R’set,cwとなる制御を実行する。PID制御部５２ａからの出力が駆動信号生成部２０にフィードバックされ、CWモードに対応する駆動信号の振幅が第１設定値R’set,cwで維持されるようにゲインをコントロールする制御がなされる。すなわち、CWモードに対応する駆動信号が変調信号sin(2πfAM,t)で変調されることになる。
第１復調処理部４０１は、乗算器４１２、乗算器４１３、乗算器４１４、乗算器４１５、LPF４１６、LPF４１７、LPF４１８、LPF４１９、および、位相調整部４２０を有する。第３検出部３０ｃの出力のうちICCWが乗算器４１２および乗算器４１３のそれぞれに供給される。第３検出部３０ｃの出力のうちQCQWが乗算器４１４および乗算器４１５のそれぞれに供給される。
LPF４１６は、乗算器４１２の出力側に接続されている。LPF４１７は、乗算器４１３の出力側に接続されている。LPF４１８は、乗算器４１４の出力側に接続されている。LPF４１９は、乗算器４１５の出力側に接続されている。
変調信号sin(2πfAM,t)は、第１変調処理部３０１から第１復調処理部４０１に対しても供給される。位相調整部４２０は、入力信号の位相を90°進めることで直交信号（本例ではcos(2πfAM,t)）を生成する。sin(2πfAM,t)が乗算器４１２、４１４のそれぞれに供給され、cos(2πfAM,t)が乗算器４１３、４１５のそれぞれに供給される。
第１復調処理部４０１の動作について説明する。乗算器４１２は、sin(2πfAM,t)を第３検出部３０ｃから供給されるICCWに対して乗算する。乗算結果に対して、LPF４１６がカットオフ周波数以下の信号を取り出す処理を行う。これにより、変調信号sin(2πfAM,t)と同相であるI（In-phase）成分の信号Icが取り出される。
乗算器４１３は、位相調整部４２０で位相が調整された信号（本例ではcos(2πfAM,t)）を第３検出部３０ｃから供給されるICCWに対して乗算する。乗算結果に対して、LPF４１７がカットオフ周波数以下の信号を取り出す処理を行う。これにより、変調信号sin(2πfAM,t)の位相と直交するI成分の信号IDが取り出される。
乗算器４１４は、sin(2πfAM,t)を第３検出部３０ｃから供給されるQCCWに対して乗算する。乗算結果に対して、LPF４１８がカットオフ周波数以下の信号を取り出す処理を行う。これにより、変調信号sin(2πfAM,t)と同相であるQ（Quadrature）成分の信号Qcが取り出される。
乗算器４１５は、位相調整部４２０で位相が調整された信号（本例ではcos(2πfAM,t)）を第３検出部３０ｃから供給されるQCCWに対して乗算する。乗算結果に対して、LPF４１９がカットオフ周波数以下の信号を取り出す処理を行う。これにより、変調信号sin(2πfAM,t)の位相と直交するQ成分の信号QDが取り出される。
図３１を参照しつつ、第２変調処理部５０１および第２復調処理部６０１の構成例について説明する。第２変調処理部５０１は、信号発生部５１１、第２変調部５１２、および、アンプ５１３を有する。
信号発生部５１１は、変調信号を発生する。信号発生部５１１は、混信を防止するために、CWループで用いられる変調信号とは異なる変調信号を発生する。例えば、信号発生部５１１は、CWループで用いられる変調信号sin(2πfAM,t)と周波数が異なる（周波数が第１周波数と異なる第２周波数）sin(2πfAM’,t)を発生する。信号発生部５１１は、CWループの変調信号と直交するスペクトル拡散信号を変調信号として発生してもよい。第２変調部５１２は、変調信号sin(2πfAM’,t)を用いた変調処理を実行する。具体的には、第２変調部５１２は、第２設定値Rset,ccwを変調信号sin(2πfAM’,t)で変調し、必要に応じてオフセットを与えることで第２設定値R’set,ccwを生成する。第２設定値R’set,ccwはアンプ５１３によりゲインが適宜、調整された後、振幅比較器５１ｂに供給される。振幅比較器５１ｂは、第２検出部３０ｂの出力である振幅ｒccwと第２設定値R’set,ccwとを比較し、比較結果に基づいてPID制御部５２ｂが、振幅ｒccwが所定の第２設定値R’set,ccwとなる制御を実行する。PID制御部５２ｂからの出力が駆動信号生成部２０にフィードバックされ、CCWモードに対応する駆動信号の振幅が第２設定値R’set,ccwで維持されるようにゲインをコントロールする制御がなされる。すなわち、CCWモードに対応する駆動信号が変調信号sin(2πfAM’,t)で変調されることになる。
第２復調処理部６０１は、乗算器６１２、乗算器６１３、乗算器６１４、乗算器６１５、LPF６１６、LPF６１７、LPF６１８、LPF６１９、および、位相調整部６２０を有する。第４検出部３０ｄの出力のうちICWが乗算器６１２および乗算器６１３のそれぞれに供給される。第４検出部３０ｄの出力のうちQCWが乗算器６１４および乗算器６１５のそれぞれに供給される。
LPF６１６は、乗算器６１２の出力側に接続されている。LPF６１７は、乗算器６１３の出力側に接続されている。LPF６１８は、乗算器６１４の出力側に接続されている。LPF６１９は、乗算器６１５の出力側に接続されている。
変調信号sin(2πfAM,t)は、は、第２変調処理部５０１から第２復調処理部６０１に対しても供給される。位相調整部６２０は、入力信号の位相を90°進めることで直交信号（本例ではcos(2πfAM’,t)）を生成する。sin(2πfAM’,t)が乗算器６１２、６１４のそれぞれに供給され、cos(2πfAM’,t)が乗算器６１３、６１５のそれぞれに供給される。
第２復調処理部６０１の動作について説明する。乗算器６１２は、sin(2πfAM’,t)を第４検出部３０ｄから供給されるICWに対して乗算する。乗算結果に対して、LPF６１６がカットオフ周波数以下の信号を取り出す処理を行う。これにより、変調信号sin(2πfAM’,t)と同相であるI成分の信号Ic’が取り出される。
乗算器６１３は、位相調整部６２０で位相が調整された信号（本例ではcos(2πfAM’,t)）を第４検出部４０ｄから供給されるICWに対して乗算する。乗算結果に対して、LPF６１７がカットオフ周波数以下の信号を取り出す処理を行う。これにより、変調信号sin(2πfAM’,t)の位相と直交するI成分の信号ID’が取り出される。
乗算器６１４は、sin(2πfAM’,t)を第４検出部４０ｄから供給されるQCWに対して乗算する。乗算結果に対して、LPF６１８がカットオフ周波数以下の信号を取り出す処理を行う。これにより、変調信号sin(2πfAM’,t)と同相であるQ成分の信号Qc’が取り出される。
乗算器６１５は、位相調整部６２０で位相が調整された信号（本例ではcos(2πfAM’,t)）を第４検出部４０ｄから供給されるQCWに対して乗算する。乗算結果に対して、LPF６１９がカットオフ周波数以下の信号を取り出す処理を行う。これにより、変調信号sin(2πfAM’,t)の位相と直交するQ成分の信号QD’が取り出される。
第１復調処理部４０１および第２復調処理部６０１における処理で得られる信号Ic、ID、Qc、QD、および、信号Ic、ID、Qc、QDは、２次元振動子が理想的でありミスマッチがない場合には０になる。本実施形態では、信号Ic、ID、Qc、QD、および、信号Ic、ID、Qc、QDが検出された場合には、検出された信号を０にするように、それぞれのループにおける駆動信号の振幅の補正値（CWループではAcw,y/Acw,x、CCWループであればAccw,y/Accw,x）や位相調整部９１～９４における位相の調整値が設定される。例えば、信号Ic、ID、Qc、QD、および、信号Ic、ID、Qc、QDのそれぞれの検出値に応じた補正値が記述されたテーブルを用意し、検出値に応じた補正値が読み出されるようにし、読み出された補正値に応じた振幅・位相調整処理が行われる。この他にも、振幅や位相の補正に係る最適なパラメータを得る手法として、本発明者が先に提案している「T. Tsukamoto and S. Tanaka, "Automated Frequency and Quality Factor Mismatch Compensation Method for MEMS Rate Integrating Gyroscope," in Proc. 2019 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Eurosensors XXXIII (TRANSDUCERS EUROSENSORS XXXIII), 2019, pp. 1831-1834.」や「T. Tsukamoto and S. Tanaka, "Theoretical Consideration of Mismatch Compensation for MEMS Resonator Having Unaligned Principle Axes," in Proc. 2021 IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems (INERTIAL), 2021, pp. 1--4.」を用いることも可能である。
［実験例］
図３２および図３３を参照して、実際に２次元振動子を用いて実験した結果について説明する。図３２Ａおよび図３２Ｂの縦軸は、CWループにおける上述した信号IC、IDの大きさ（それぞれを２乗した結果を加算した値のルート）であり、図３２Ａの横軸はQ値のミスマッチ、図３２Ｂの横軸は周波数のミスマッチをそれぞれ示す。また、図３３Ａおよび図３３Ｂの縦軸は、CWループにおける上述した信号QC、QDの大きさ（それぞれを２乗した結果を加算した値のルート）であり、図３３Ａの横軸はQ値のミスマッチ、図３３Ｂの横軸は周波数のミスマッチをそれぞれ示す。
なお、各軸の値は、所定の基準値を用いて正規化した任意単位（ａ．ｕ．：ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｕｎｉｔ）として示す場合がある。また、実際の２次元振動子のミスマッチそのものを変化させるのは困難であるため、ミスマッチに対応する補正値（振幅の補正値Acw,y/Acw,x、位相の補正値ΔφCW）を最適値（マッチングする値）からずらすことでミスマッチを導入した。
図３２Ａに示すように、振幅の補正値を最適値（中央の値）からずらすことで縦軸の値が変化することが確認された。また、位相の補正値を変化させ周波数を変えた場合には、図３２Ｂに示すように、縦軸の値が変化しないことが確認された。また、図３３Ａに示すように、Q成分の信号の場合は、振幅の補正値を最適値（中央の値）からずらしても縦軸の値が変化しないことが確認された。また、位相の補正値を変化させ周波数を変えた場合には、図３３Ｂに示すように、縦軸の値が変化することが確認された。すなわち、I成分の信号に基づいて、２次元振動子におけるQ値のミスマッチを検出できることが確認された。また、Q成分の信号に基づいて、２次元振動子における周波数のミスマッチを検出できることが確認された。
［本実施形態により得られる効果］
以上、本実施形態によれば、角速度の検出結果に影響しない振幅信号を用いてミスマッチを検出するので、角速度を検出しつつミスマッチに応じた補正を行うことができるジャイロ装置とすることができる。したがって、ミスマッチに応じた補正を行うための期間（キャリブレーション等）を設ける必要がなくなる。
＜変形例＞
以上、本発明の一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。
一実施形態において、CWループとCCWループにおけるミスマッチを別々に検出する場合は、同じ変調信号が用いられてもよい。また、２次元振動子のミスマッチ量を直接求める場合は、一方のループのみの処理（例えば第１変調処理部３０１および第１復調処理部４０１に係る処理）だけが行われるようにし、その結果を他方のループ（例えば、CCWループ）に適用し、当該ループにおける駆動信号に対する補正が行われるようにしてもよい。但し、精度を向上させる観点からは、両方のループでミスマッチを検出する処理が行われることが好ましい。
信号発生部３１１、信号発生部５１１で発生する信号としては、単一周波数の正弦波のみでなく、他の方法、例えば広帯域の信号を用いたスペクトラム拡散技術が適用されてもよい。すなわち、第１、第２設定値を所定の拡散符号（第１、第２疑似ランダム信号）で拡散し、後段の復調処理で逆拡散することで、ミスマッチの検出が行われてもよい。すなわち、一実施形態では、第１変調処理部が行う第１変調方式、第２変調処理部が行う第２変調方式として振幅変調を用いたが、これに限定されることなく、他の公知の変調方式および当該変調方式に対応する復調方式を本発明に適用可能である。
周波数およびQ値のミスマッチ補正は、例示した駆動信号の位相差、振幅比を調整する方法に限らず，静電チューニング等の方法を用いても良い．
本発明は、２次元にモードマッチする振動子であれば、形状、励振方法（静電、電磁、圧電など）等は特定の方法等に限定されることはない。
２次元振動子１５の出力を処理する回路は、ASIC（Application Specific integrated Circuit）等の集積回路で構成することも可能である。
本発明の作用効果を奏する範囲で、ジャイロ装置が他の回路素子等を備える構成でもよい。また、ジャイロ装置における一部の処理が、他の装置やクラウドサーバー等によって行われるようにしてもよい。
本発明のジャイロ装置は、他の装置（例えば、ゲーム機器、撮像装置、スマートフォン、携帯電話、パーソナルコンピュータ等の各種の電子機器や、自動車、電車、飛行機、ヘリコプター、小型飛行体、宇宙用機器等の移動体、ロボット等）に組み込まれて使用されてもよい。
上述した実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。また、本発明は、装置、方法、複数の装置からなるシステム（クラウドシステム等）により実現することができ、複数の実施形態および変形例で説明した事項は、技術的な矛盾が生じない限り相互に組み合わせることができる。
１５、１５Ａ・・・２次元振動子
３０ａ・・・第１検出部
３０ｂ・・・第２検出部
４０ａ・・・第１PLL回路
４０ｂ・・・第２PLL回路
４２ａ、４２ｂ・・・PID制御部
３０１・・・第１変調処理部
３１１・・・信号発生部
３１２・・・第１変調部
４０１・・・第１復調処理部
４１２～４１５・・・乗算器
４１６～４１９・・・LPF
４２０・・・位相調整部
５０１・・・第１変調処理部
５１１・・・信号発生部
５１２・・・第１変調部
６０１・・・第１復調処理部
６１２～６１５・・・乗算器
６１６～６１９・・・LPF
６２０・・・位相調整部
１０００・・・ジャイロ装置センサ
CW・・・第１回転振動モード
CCW・・・第２回転振動モード

Claims (9)

  1. 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、前記第１回転振動モードに対応する出力信号および前記第２回転振動モードに対応する出力信号を出力する単一の２次元振動子と、
    前記第１回転振動モードに対応する駆動信号の振幅を第１変調方式で変調する第１変調処理部と、
    前記第２回転振動モードに対応する駆動信号の振幅を第２変調方式で変調する第２変調処理部と、
    前記第１回転振動モードに対応する出力信号に含まれる、前記第２回転振動モードに対応する第１エラー成分を検出する第１エラー成分検出部と、
    前記第２回転振動モードに対応する出力信号に含まれる、前記第１回転振動モードに対応する第２エラー成分を検出する第２エラー成分検出部と、
    前記第２回転振動モードに対応する第１エラー成分に対して、前記第１変調方式に対応する第１復調方式で復調を行う第１復調処理部と、
    前記第１回転振動モードに対応する第２エラー成分に対して、前記第２変調方式に対応する第２復調方式で復調を行う第２復調処理部と、
    を備える
    ジャイロ装置。
  2. 前記第１復調処理部の前記第１復調方式による復調処理で得られる信号、および、前記第２復調処理部の前記第２復調方式による復調処理で得られる信号を０とするように、前記第１回転振動モードに対応する駆動信号の振幅および位相と、前記第２回転振動モードに対応する駆動信号の振幅および位相とがそれぞれ補正される
    請求項１に記載のジャイロ装置。
  3. 前記第１復調処理部の前記第１復調方式による復調処理で得られる信号、および、前記第２復調処理部の前記第２復調方式による復調処理で得られる信号を０とするように、前記２次元振動子のX軸とY軸のそれぞれの周波数およびQ値が電気的にチューニングされる
    請求項１に記載のジャイロ装置。
  4. 前記第１変調方式および前記第１復調方式は、第１周波数の信号を用いた変調方式および復調方式であり、
    前記第２変調方式および前記第２復調方式は、前記第１周波数と異なる第２周波数の信号を用いた変調方式および復調方式である
    請求項１から３までの何れかに記載のジャイロ装置。
  5. 前記第１変調方式および前記第１復調方式は、第１疑似ランダム信号を用いた変調方式および復調方式であり、
    前記第２変調方式および前記第２変調方式は、前記第１疑似ランダム信号と異なる第２疑似ランダム信号を用いた変調方式および復調方式である
    請求項１から３までの何れかに記載のジャイロ装置。
  6. 前記第１復調処理部の前記第１復調方式による復調処理で得られる信号および前記第２復調処理部の前記第２復調方式による復調処理で得られる信号の少なくとも一方に基づいて、前記２次元振動子のQ値のミスマッチおよび前記２次元振動子の周波数のミスマッチが検出される
    請求項１から５までの何れかに記載のジャイロ装置。
  7. 前記第１復調処理部の前記第１復調方式による復調処理で得られる信号および前記第２復調処理部の前記第２復調方式による復調処理で得られる信号の両方に基づいて、前記２次元振動子のQ値のミスマッチおよび前記２次元振動子の周波数のミスマッチが検出される
    請求項６に記載のジャイロ装置。
  8. 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
    請求項１から７までの何れかに記載のジャイロ装置。
  9. 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た単一の２次元振動子が、前記第１回転振動モードに対応する出力信号および前記第２回転振動モードに対応する出力信号を出力し、
    第１変調処理部が、前記第１回転振動モードに対応する駆動信号の振幅を第１変調方式で変調し、
    第２変調処理部が、前記第２回転振動モードに対応する駆動信号の振幅を第２変調方式で変調し、
    第１エラー成分検出部が、前記第１回転振動モードに対応する出力信号に含まれる、前記第２回転振動モードに対応する第１エラー成分を検出し、
    第２エラー成分検出部が、前記第２回転振動モードに対応する出力信号に含まれる、前記第１回転振動モードに対応する第２エラー成分を検出し、
    第１復調処理部が、前記第２回転振動モードに対応する第１エラー成分に対して、前記第１変調方式に対応する第１復調方式で復調し、
    第２復調処理部が、前記第１回転振動モードに対応する第２エラー成分に対して、前記第２変調方式に対応する第２復調方式で復調する、
    ジャイロ装置における制御方法。
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