JP4058043B2 - コリオリの角速度計の読み取り振動周波数の電子的同調方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、コリオリの角速度計により、読み取り振動の周波数を励起振動の周波数に電子的に同調させる方法に関する。

コリオリの角速度計（振動ジャイロともいう）は、ナビゲーションを目的として（zu Navigationszwecken）ますます広範囲で使用されている。コリオリの角速度計は、振動する質点系（Massensystem）を有している。この振動は（Schwingung）、通常、複数の単一振動が重畳したものである。質点系のこれらの単一振動は、最初は相互に独立しており、それぞれをまとめて「共振器」とみなせる。振動角速度計の操作には、少なくとも２つの共振器が必要である。これらの共振器の一方（第１共振器）を、人工的に励起して振動させる。この振動を、以下の文章では、「励起振動」（Anregungsschwingung）と呼ぶ。他方の共振器（第２共振器）を、振動角速度計を動かす／回転させる場合だけ、励起して振動させる。従って、このとき、コリオリの力が生じる。これらのコリオリの力は、第１共振器を、第２共振器と連結し、第１共振器の励起振動からエネルギーを取り出し、このエネルギーを、第２共振器の読み取り振動へ転送する。第２共振器の振動を、以下の文章では「読み取り振動」（Ausleseschwingung）と呼ぶ。コリオリの角速度計の動き（特に、回転）を決定するために、読み取り振動をタップオフし（abgegriffen）、対応する読み取り振動（例えば、読み取り信号タップオフ信号）を調べて、コリオリの角速度計の回転指標を表す読み取り信号の振幅に変化が生じたかどうかを判定する。コリオリの角速度計は、開ループ系（Open-Loop-Systern）としても、閉ループ系（Closed-Loop-System）としても実現できる。閉ループ系では、各制御回路を介して、読み取り振動の振幅を、継続的に固定値（好ましくは０）にリセットする。

コリオリの角速度計の操作方法をさらに明確にするために、図２を参照しながら、閉ループ形態として実施したコリオリの角速度計の一例について以下で説明する。

このようなコリオリの角速度計１は、振動可能な質点系２を有している。この質点系を、以下の文章では、「共振器」とも呼ぶ。この呼び方は、「本当の」共振器の個々の振動を示す上述の抽象的な「共振器」とは区別しなければならない。既述のとおり、共振器２を、２つの「共振器」（第１共振器３と第２共振器４）を含むシステムとみなせる。第１および第２共振器３、４は、それぞれ、原動機（Kraftgeber）（図示せず）と、タップオフシステム（図示せず）とに連結されている。原動機とタップオフシステムとによって生成されるノイズを、ここでは、ノイズ１（参照番号５）とノイズ２（参照番号６）とによって概略的に示す。

コリオリの角速度計１は、さらに、４つの制御回路を有している。

第１制御回路は、励起振動（すなわち、第１共振器３の周波数）を、固定周波数（共振周波数）で制御する役割を果たす。第１制御回路は、第１復調器７、第１ローパスフィルター（Tiefpassfilter）８、周波数制御器９、ＶＣＯ（「電圧制御発振器；Voltage Controlled Oscillator」）１０および第１変調器１１を備えている。

第２制御回路は、励起振動を、一定振幅に制御する役割を果たし、第２復調器１２、第２ローパスフィルター１３および振幅制御器１４を備えている。

第３および第４制御回路は、読み取り振動を励起する動力（Kraefte）をリセットする役割を果たす。この場合、第３制御回路は、第３復調器１５、第３ローパスフィルター１６、直交制御器１７および第２変調器１８を備えている。第４制御回路は、第４復調器１９、第４ローパスフィルター２０、回転速度制御器２１および第３変調器２２を備えている。

第１共振器３を、その共振周波数ω１で励起する。その結果として生じる励起振動をタップオフし、第１復調器７を用いて、位相を復調し、復調した信号成分を、第１ローパスフィルター８へ供給する。この第１ローパスフィルター８は、上記供給された信号成分から、合計周波数を除去する。タップオフ信号を、以下の文章では、励起振動タップオフ信号とも呼ぶ。第１ローパスフィルター８の出力信号を、周波数制御器９へ入力する。この周波数制御器９は、周波数制御器９に供給される信号に応じて、同位相成分がほぼ０になるようにＶＣＯ１０を制御する。このため、ＶＣＯ１０は、第１変調器１１へ信号を入力する。第１変調器１１は、第１共振器３に励起動力（Anregungskraft）が入力されるように、それ自身で、原動機を制御する。同相成分が０であれば、第１共振器３は、その共振周波数ω１で振動する。すべての変調器および復調器を、この共振周波数ω１に基づいて操作する。

励起振動タップオフ信号を、さらに、第２制御回路へ供給し、第２復調器１２を介して復調する。第２復調器１２の出力は、第２ローパスフィルター１３を通過する。第２ローパスフィルター１３の出力信号を、同じく、振幅制御器１４へ供給する。振幅制御器１４は、この信号および基準振幅源２３に応じて第１変調器１１を制御し、第１共振器３を一定の振幅で振動させる（すなわち、励起振動を一定の振幅にする）。

既述のように、コリオリの角速度計１が動く／回転する場合に、コリオリの力（図では、項ＦＣ・ｃｏｓ（ω１・ｔ）で示す）が生じる。これらのコリオリの力は、第１共振器３を、第２共振器４と連結し、これにより、第２共振器４を振動させる。結果として生じる周波数ω２の読み取り振動をタップオフする。その結果、対応する読み取り振動タップオフ信号（読み取り信号）が、第３および第４制御回路へ供給される。第３制御回路では、この信号を、第３復調器１５を介して復調し、合計周波数を、第３ローパスフィルター１６を介して除去し、ローパス濾波された信号を、直交制御器１７へ供給する。直交制御器１７の出力信号を、第３変調器２２へ、読み取り振動の対応する直交成分がリセットされるように入力する。これと同様に、第４制御回路では、読み取り振動タップオフ信号を、第４復調器１９によって復調し、第４ローパスフィルター２０を通し、対応するローパス濾波された信号を、一方では、回転速度制御器２１へ入力する。回転速度制御器２１の出力信号は、瞬間回転速度に比例しており、回転速度測定結果として回転速度出力部２４へ引き渡される。また、対応するローパス濾波された信号を、他方では、第２変調器１８へ入力する。第２変調器１８は、読み取り振動の対応する回転速度成分をリセットする。

上記のようなコリオリの角速度計１を、二重共振（doppelresonant）としても非二重共振（nichtdoppelresonant）としても操作できる。コリオリの角速度計１を二重共振として操作する場合、読み取り振動の周波数ω２は、励起振動の周波数ω１にほぼ等しい。これに対し、非二重共振では、読み取り振動の周波数ω２は、励起振動の周波数ω１とは異なっている。回転速度に関する対応する情報を含んでいるのは、二重共振では、第４ローパスフィルター２０の出力信号であるが、これに対し、非二重共振では、第３ローパスフィルター１６の出力信号である。異なる操作方法の間で二重共振／非二重共振を切り替えるために、二重切り替え器２５が備えられている。この二重切り替え器２５は、第３および第４ローパスフィルター１６、２０の出力部を、回転速度制御器２１および直交制御器１７に選択的に接続する。

コリオリの角速度計１を、二重共振として操作するほうが好ましい場合は、既述のように、読み取り振動の周波数を、励起振動の周波数に同調させる必要がある。このことを、例えば機械的手段（mechanischem Wege）によって行える。この機械的手段では、質点系にある材料（Material）を（共振器２へ）除去する。あるいは、このために、読み取り振動の周波数を、電界によっても設定できる。なお、この電界では、共振器２が（例えば、電界の変化によって）振動できるようになっている。これにより、コリオリの角速度計１の操作中も、読み取り振動の周波数を励起振動の周波数に電子的に同調できる。

本発明の基礎となる目的は、コリオリの角速度計において、読み取り振動の周波数を、励起振動の周波数に、電子的に同調させる方法を提供することである。

この目的は、特許請求項１の特徴に基づく方法によって達成される。さらに、本発明は、特許請求項６に基づくコリオリの角速度計を提供する。本発明の構想の（des Erfindungsgedankens）好ましい実施形態および発展形態を、それぞれ、従属請求項に記載する。

コリオリの角速度計において、読み取り振動の周波数を、励起振動の周波数に、電子的に同調させる本発明の方法では、コリオリの角速度計の共振器に、外乱力（Stoerkraft）を、以下のように入力する。すなわち、ａ）励起振動には基本的に影響を及ぼさず、ｂ）読み取り振動を表す読み取り信号が対応する外乱成分を含むように、読み取り振動を変更する外乱力をコリオリの角速度計の共振器に入力する。このとき、外乱信号は、信号ノイズによって読み取り信号に引き起こされる力として定義されている。読み取り振動の周波数は、ここでは、読み取り信号に含まれる外乱成分、すなわち、ノイズ成分の大きさができるだけ小さくなるように制御される。

「共振器」を、ここでは、コリオリの角速度計の振動させることのできる全体的な質点系（またはその一部）、すなわち、コリオリの角速度計の参照番号２で示す部分と解釈する。ここで重要なのは、共振器に対する外乱力が、読み取り振動だけを変更し、励起振動は変更しないということである。図２を参照すると、このことは、外乱力が、第２共振器４だけに入力され、第１共振器３には入力されないことを意味している。

本発明は、励起振動の周波数に一致する読み取り振動の周波数範囲が小さくなればなるほど、読み取り振動タップオフ信号において、または、制御回路（回転速度制御回路／直交制御回路）の入力部において直接生成される信号ノイズの形状の外乱信号が、制御回路および共振機を「通過」した後、読み取り振動タップオフ信号において広範囲に観察されるという基本的認識に基づくものである。読み取り振動タップオフ電子装置またはコリオリの角速度計のランダムウォーク（random walk）の信号ノイズである信号ノイズは、制御回路を「通過」した後、原動機へ入力され、対応する外乱力を生成する。なお、この対応する外乱力は、共振器へ入力され、読み取り振動の人工的変更を引き起こすものである。読み取り振動タップオフ信号に対するこのような外乱の「破壊力」は、つまり、読み取り振動の周波数が、励起振動の周波数にどの程度正確に一致しているかを示すための指標である。すなわち、破壊強度が仮に最小値となるように読み取り振動の周波数を制御した場合、つまり、読み取り振動タップオフ信号に含まれる外乱成分、すなわち、ノイズ成分、の大きさが最小となるように読み取り振動の周波数を制御した場合、同時に、読み取り振動の周波数が、励起振動の周波数に一致する。

既述のように、読み取り振動タップオフ信号の低周波数回転速度ノイズと加算された回転速度角度のランダムウォークとによって外乱信号が生成される。すなわち、外乱信号を、人工的に生成するのではなく、既に存在する外乱信号（読み取り振動タップオフ電子装置のノイズ）を使用する。二重共振として操作されるコリオリの角速度計においては（つまり、励起振動と読み取り振動との周波数が一致している場合には）、低周波数の回転速度ノイズ／集積された角度のランダムウォークは、二重共振のコリオリの角速度計での場合よりも桁数（GroBenordnungen）が低いことが分かる。正確な分析により、読み取り振動のＱ値に対応する最短時間の後の簡約係数（Reduktionsfaktor）は、この振動のＱ値の半分の値であることが示される。

コリオリの角速度計自体の固有ノイズによって外乱が生成されることが利点である。すなわち、人工的な外乱／変調は不要である。さらなる利点は、励起振動と読み取り振動との周波数を同調させている時に、同時に、コリオリの角速度計のランダムウォークを測定できることである。

ここでは、外乱が直交制御回路を通過する点が利点である。なぜなら、直交制御回路では、回転速度制御回路とは異なり、回転速度の変化により生成される低周波数ノイズが発生しないからである。しかしながら、欠点は、直交制御回路を使用する場合、励起振動の周波数を読み取り信号の周波数に同調させる処理が、比較的長くかかることである。したがって、直交制御回路の直交制御器に印加されている信号、または、その直交制御器から出力される信号から、外乱成分（ノイズ成分）を決定することが好ましい。あるいは、回転速度制御回路の回転速度制御器に印加されている信号、または、その回転速度制御器から出力される信号から、外乱成分を決定できる。

読み取り振動の周波数の制御、すなわち、周波数を制御するために必要とされる制御力の伝達を、ここでは、共振器の一部が振動する電界での強度を制御することによって行う。この場合、共振器と、共振器の周囲にあり、枠固定された対向物（Gegenstueck）との間の電気的な引力は、非線形であることが好ましい。

本発明は、さらに、読み取り振動の周波数を励起振動の周波数に電子的に同調させる装置を特徴とするコリオリの角速度計を提供する。この場合、電子的な同調を行う装置は：
読み取り振動を表す読み取り信号のノイズ成分を決定するノイズ検出ユニットと、読み取り信号に含まれるノイズ成分の大きさが出来るだけ小さくなるように、読み取り振動の周波数を制御する制御ユニットとを備えている。

ノイズ検出ユニットは、コリオリの角速度計の直交制御回路の直交制御器に印加されている信号、または、その直交制御器から出力される信号から、ノイズ成分を決定することが好ましい。他の実施形態では、コリオリの角速度計の回転速度制御回路の回転速度制御器に印加されている信号、または、その回転速度制御器から出力される信号から、ノイズ成分を決定できる。さらに別の実施形態では、ノイズ検出ユニットは、読み取り振動タップオフにより生成される読み取り振動タップオフ信号から、ノイズ成分を決定する。「読み取り信号」という表現は、この段落で引用した全ての信号を含んでいる。

添付の図を参照しながら、本発明の実施例について以下に詳しく説明する。
図１は、本発明の方法に基づくコリオリの角速度計の概略的な構造を示す図である。
図２は、従来のコリオリの角速度計の概略的な構造を示す図である。

まず、図１を参照しながら、本発明の方法を、実施例で詳しく説明する。この場合、図２の部品および／または装置に対応する部品および／または装置とには、同じ参照符号をつけ、繰り返して説明はしない。

コリオリの角速度計１’は、さらに、ノイズ検出ユニット２６と、読み取り振動周波数制御器２７とを備えている。

読み取り振動タップオフ電子装置（ここでは、参照番号６で示す）の信号ノイズ（固有ノイズ）は、読み取り振動タップオフ信号（読み取り信号）において外乱信号を生成する。この外乱信号を、２つの制御回路（直交制御回路／回転速度制御回路）に供給する。制御回路を通過した後、外乱信号は、第２及び第３変調器１８、２２に入力される。第２および第３変調器１８、２２に対応する出力信号を、原動機（図示せず）および共振器２にそれぞれ入力する。読み取り振動の周波数が、励起振動の周波数と基本的に一致していない限り、外乱信号は、共振器２を「通過」した後、読み取り振動タップオフ信号の外乱成分の形状で観察される。次に、ノイズ検出ユニット２６を用いて外乱信号（固有ノイズ）を以下のように決定する。すなわち、読み取り振動タップオフ信号、または、直交制御器１７／回転速度制御器２１に印加されている信号または直交制御器１７／回転速度制御器２１から出力される信号（この場合は直交制御器１７に印加されている信号）の内１つの信号をタップオフし、ノイズ成分を抽出することによって、外乱信号を決定する。こうして、外乱成分を決定する。ノイズ検出ユニット２６の出力信号を、読み取り振動周波数制御器２７へ供給する。この読み取り振動周波数制御器２７は、供給された信号に応じて、ノイズ検出ユニット２６の出力信号、すなわち、観察される外乱成分の強度が最小になるように、読み取り振動の周波数を設定する。このような最小値になっていれば、励起振動と読み取り振動との周波数はほぼ一致する。

コリオリの角速度計において、読み取り振動の周波数を、励起振動の周波数に電子的に同調させる第２代替方法では、コリオリの角速度計の共振器に、外乱力を、以下のような方法によって入力する。すなわち、ａ）励起振動には基本的に影響を及ぼさず、ｂ）読み取り振動を表す読み取り信号に対応する外乱成分を含むように、読み取り振動を変更する外乱力を、コリオリの角速度計の共振器に入力する。このとき、読み取り振動の周波数は、読み取り信号に含まれる外乱成分の大きさができるだけ小さくなるように制御される。

第２代替方法は、基本的に、励起振動の周波数に一致する読み取り振動の周波数範囲が小さくなればなるほど、回転速度チャネルまたは直交チャネルでの読み取り振動の人工的な変化がよりいっそう広範囲になり、特に、それに対して直交するチャネルでは顕著になる、という認識に基づくものである。読み取り振動タップオフ信号に対する（特に、直交チャンネルに対する）このような外乱の「破壊強度（Durchschlagsstaerke）」は、すなわち、読み取り振動の周波数がどの程度正確に励起振動の周波数に一致しているかについての指標である。したがって、読み取り振動の周波数を、破壊強度が最小値（Minimum）であるとして、つまり、読み取り振動タップオフ信号に含まれる外乱成分の大きさが最小になるように、制御するならば、それと同時に、読み取り振動の周波数が、励起振動の周波数にほぼ一致する。

コリオリの角速度計において、読み取り振動の周波数を、励起振動の周波数に、電子的に同調させる第３代替方法では、コリオリの角速度計の共振器に、外乱力を、以下のように入力する。すなわち、ａ）励起振動には基本的に影響を及ぼさず、ｂ）読み取り振動を表す読み取り信号が対応する外乱成分を含むように、読み取り振動を変更する外乱力をコリオリの角速度計の共振器に入力する。このとき、読み取り振動の周波数を、外乱力を生成する外乱信号と、読み取り信号に含まれる外乱成分との間の位相シフトができるだけ小さくなるように制御する。

「共振器」という表現を、ここでは、コリオリの角速度計の振動させることのできる全体的な質点系（またはその一部）、すなわち、コリオリの角速度計の参照番号２で示す部分と解釈する。

第３代替方法は、外乱、すなわち、対応する外乱力を共振器に入力することによる読み取り振動の人工的変更が共振器を「通過する時間」、すなわち、外乱が共振器に作用してから、読み取り信号の一部として外乱がタップオフされるまでの経過時間が、読み取り振動の周波数に依存している、という認識に基づくものである。従って、読み取り信号に含まれる成分信号の位相と読み取り信号に含まれる外乱成分信号の位相との間のシフトは、読み取り振動の周波数に対する指標である。読み取り振動の周波数が、励起振動の周波数とほぼ一致する場合は、位相シフトが最小値となるようにすることができる。従って、読み取り振動の周波数を、位相シフトが最小値となるように制御すれば、同時に、読み取り振動の周波数が、励起振動の周波数にほぼ一致する。

最初に説明した、読み取り振動周波数を電子的に同調させる本発明の方法を、第２代替方法および／または第３代替方法と任意に組み合わせることができる。例えば、コリオリの角速度計が操作を開始する（迅速な過渡応答（schnelles Einschwingverhalten））時には、第２代替方法を使用し、続いて、安定した操作中には、最初に説明した方法（ゆっくりとした制御処理）を使用できる。本方法についての具体的な技術的実施形態、および、他の詳細を、当業者は、同一出願人の特許出願「コリオリの角速度計の出力振動周波数の電子的な同調方法（Verfahren zur elektronischen Abstimmung der Ausleseschwingungsfrequenz eines Corioliskreisels）」ＬＴＦ−１９１−ＤＥおよびＬＴＦ−１９２−ＤＥから認識できる。これらの特許文献には、それぞれ、第２代替方法または第３代替方法について記載されている。特許出願ＬＴＦ−１９１−ＤＥ／ＬＴＦ−１９２−ＤＥの全体的な内容を、本明細書に含める。

本発明の方法に基づくコリオリの角速度計の概略的な構造を示す図である。 従来のコリオリの角速度計の概略的な構造を示す図である。

Claims (8)

1. リセット用コリオリの角速度計（１’）において、読み取り振動の周波数を、励起振動の周波数に、電子的に同調させる方法において、
   ａ）励起振動には基本的に影響を及ぼさず、
   ｂ）読み取り振動を表す読み取り信号が対応する外乱成分を含むように、読み取り振動を変更する外乱力を、コリオリの角速度計（１’）の共振器（２）に入力し、
   外乱力を、信号ノイズによって読み取り信号に引き起こされる力と定義し、
   読み取り信号に含まれる外乱成分の大きさができるだけ小さくなるように、読み取り振動の周波数を制御する方法。
2. 上記信号ノイズが、タップオフ電子装置のノイズであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 直交制御回路の直交制御器（１７）に印加されている信号、または、直交制御回路の直交制御器（１７）から出力される信号から外乱成分を決定することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 回転速度制御回路の回転速度制御器（２１）に印加されている信号、または、回転速度制御回路の回転速度制御器（２１）から出力される信号から外乱成分を決定することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
5. 読み取り振動の周波数の制御を、コリオリの角速度計（１’）の共振器（２）の一部が振動する電界の強度を制御することにより行うことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. コリオリの角速度計（１’）において、
   読み取り振動を表す読み取り信号のノイズ成分を決定する、ノイズ検出ユニット（２６）と、
   読み取り信号に含まれるノイズ成分の大きさができるだけ小さくなるように、読み取り振動の周波数を制御する制御ユニット（２７）とを有する、読み取り振動の周波数を励起振動の周波数に電子的に同調させるための装置を特徴とする角速度計。
7. 上記ノイズ検出ユニット（２６）が、コリオリの角速度計（１’）の回転速度制御回路の回転速度制御器（２１）に印加されている信号、または、回転速度制御回路の回転速度制御器（２１）から出力される信号からノイズ成分を決定することを特徴とする、請求項６に記載のコリオリの角速度計（１’）。
8. 上記ノイズ検出ユニット（２６）が、コリオリの角速度計（１’）の直交制御回路の直交制御器（２１）に印加されている信号、または、直交制御回路の直交制御器（２１）から出力される信号からノイズ成分を決定することを特徴とする、請求項６に記載のコリオリの角速度計（１’）。

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