JP4100752B2 - 振動性回転センサ、これを制御し読出すための方法、およびその方法を実行するための装置 - Google Patents
振動性回転センサ、これを制御し読出すための方法、およびその方法を実行するための装置 Download PDFInfo
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Description
【関連出願への相互参照】
この発明の内容は、クーマ(Kumar )およびフォスター(Foster)による「AC強制駆動およびセンシング電子部品を備えた振動性回転センサ」(Vibratory Rotation Sensor with AC Forcing and Sensing Electronics )と、マシューズ(Matthews)、ダーリン(Darling )、およびバーティ(Varty )による「振動性回転センサ、これを制御し読出すための方法、およびその方法を実行するための装置」(Vibratory Rotation Sensor with Multiplex Electronics)と、リンチ(Lynch )による「振動性回転センサの共振器に力を付与するための方法」(Vibratory Rotation Sensor with AC Forcing Voltages)との特許出願に開示される発明によって共有される。
【0002】
【発明の背景】
この発明は、一般的に振動性回転センサに関し、より特定的にはそのような回転センサに関連する電子部品に関する。
【0003】
図1に分解された状態で示される先行技術の振動性回転センサ(VRS)10は、外部部材12、半球状の共振器14、および内部部材16からなり、これらはすべて融解石英でできており、インジウムで共に接合されている。慣性に敏感な素子は、壁の薄い5.8cm直径の半球状の共振器14であり、これは外部部材12と内部部材16との間に位置づけられ、軸26によって支持される。
【0004】
環状の強制駆動電極20および16個の別個の強制駆動電極22は、外部部材12の内表面上に堆積される。組立てたVRS10では、環状の強制駆動電極20と16個の別個の強制駆動電極22とは半球状の共振器14の外側の金属被覆された表面32に極めて近接する。組立てたVRSでは、内部部材16上に堆積された8個のピックオフ電極24は、半球状の共振器14の内側の金属被覆された表面30に極めて近接する。
【0005】
半球状の共振器14と環状の強制駆動電極20との間の適当な強制駆動電圧差によって容量性の力を半球状の共振器14に働かせ、半球状の共振器を最下位の不拡張な(または曲がる)モードで振動させることができる。円周のまわりの90度の間隔での4つの波腹と、波腹から45度外れた4つの波節とを有する定在波が確立される。0度および180度の波腹点は、90度および270度の波腹点とは90度位相外れで発振する。定在波のため、半球状の共振器の縁の形は円形から(0度/180度の波腹を通る半長径での)楕円形、さらに円形から(90度/270度)の波腹を通る半長径での)楕円形へと変化する。
【0006】
半球状の共振器の縁34の平面に垂直である軸についてVRS10が回転すると、定在波はVRSに関して反対の方向へ、VRS10の回転の角度に比例する角度だけ回転する。そのため、VRS10に関して定在波の回転の角度を測定することによってVRS10の回転の角度を判断することができる。
【0007】
半球状の共振器14の振動モードは、半球状の共振器14にDCバイアス電圧を与え、環状の強制駆動電極20にAC電圧を与えることで励起される。AC電圧の周波数は半球状の共振器14の共振周波数の2倍である。
【0008】
VRS10に関する定在波パターンの角度は、半球状の共振器14が振動し、半球状の共振器に関するピックオフ電極24の容量が異なるにつれ、ピックオフ電極24に流出入する電流を測定することで定められる。x軸の信号Ix は、組合せI0 −I90+I180 −I270 から得られ、ここで添字は電流が生じる電極のx軸に対する角度配向を識別する。同様に、y軸の信号Iy は、組合せI45−I135 +I225 −I315 から得られる。0度の(つまりx)軸に関する定在波パターンの角度の2倍の正接は、Iy のIx に対する比によって与えられる。
【0009】
半球状の共振器14の厚さが不均一であるため、第1の定在波が確立されると第2の定在波の発達につながり、第2の定在波は、第1の定在波の波節と一致する波腹と直角位相で発振する。適当な電圧を16個の別個の強制駆動電極22に与えることで第2の定在波の発達を抑えることができる。
【0010】
環状の強制駆動電極20および別個の強制駆動電極22に印加されるAC強制駆動電圧の大きさを減じ、かつ共振器に働く力をAC駆動電圧の線形関数にするために、DCバイアス電圧が典型的に半球状の共振器14で維持される。DCバイアス電圧が存在する結果、VRSの電気的特性がゆっくりと変化するが、このことは外部部材12および内部部材16においてまたはその内部で起こる電荷移動現象によって生じる容量の変化に帰するとされてきた。このゆっくりとした変化は、時が経つと許容できないほどの大きな性能劣化につながり、この影響を補うため特殊な手段を提供しなければならない。
【0011】
【発明の概要】
この発明は、共振器および共振器が装着されるハウジングを含む振動性回転センサと、平均して配向角度と等しく保たれるトラッキング角度を利用してそのようなセンサの定在波の配向角度を読出すための方法とである。共振器は、複数の定在波モードで振動させることができる回転的に対称で壁の薄い物体である。定在波の配向は、共振器上の固定された点に関する定在波の特定の波腹軸の配向角度によって特定される。
【0012】
1個または2個以上の電極が共振器の表面上に堆積され、単一の出力ポートに電気的に接続される。ハウジングは、1個または2個以上の共振器電極に極めて近接する複数の堆積された電極を有する。
【0013】
特定の定在波の配向角度を読出すための方法は、複数の励起電圧を発生するステップと、励起電圧をハウジング電極に印加するステップと、共振器の出力ポートに現われる共振器信号に対して演算を行なうことで、配向角度と合成されたトラッキング角度との差異を定めるステップとを含む。
【0014】
ハウジング電極に印加される駆動電圧は、ハウジング電極と共振器電極との間に存在する容量によって共振器の出力ポートへ伝達される。駆動電圧は、1対の励起電圧、または強制駆動電圧、またはその両方を含む。励起電圧は共振器ダイナミックスに実質的に何の影響も与えないが、共振器の出力ポートへ到達するときにはトラッキング角度および定在波のパラメータに関係する情報を担持している。強制駆動電圧は共振器に力を付与させ、それによって共振器のダイナミックスおよび定在波のパラメータに影響を及ぼす。
【0015】
ハウジング電極に印加される駆動電圧は、ハウジング電極−共振器電極の容量を通して伝達される結果、1つの共振器信号にまとめられる。定在波の配向角度とトラッキング角度との差異を定めるために、励起電圧と強制駆動電圧とは共振器信号に対して行なわれる適当な演算によって分離可能なように設計される。
【0016】
励起および強制駆動電圧は、さまざまな態様で構成することができる。周波数分割多重化のアプローチでは、結果として、励起電圧は分離された周波数帯域に制限され、強制駆動電圧の周波数スペクトルは励起電圧に関連する周波数帯域から分離された周波数帯域に制限される。
【0017】
位相分割多重化のアプローチでは、結果として、励起電圧は、周波数は同じであるが位相が4分の1サイクルだけ異なる、時間の周期関数となり、強制駆動電圧の周波数スペクトルは励起電圧の周波数から分離された周波数帯域に制限される。
【0018】
時分割多重化のアプローチの1つでは、結果として励起電圧は、0および1の値をとる独自の方形波に比例し、各強制駆動電圧は、0および1の値をとる方形波に比例する乗法的因子を含み、ここで、どの時点においても、励起および強制駆動電圧に関連する方形波のうち1つだけが1の値をとる。
【0019】
第2の時分割多重化のアプローチでは、結果として各励起電圧は、予め定められた周波数および位相を有する時間の周期関数と、0および1の値をとる独自の方形波との積に比例し、各強制駆動電圧は、0および1の値をとる方形波に比例する乗法的因子を含み、どの時点においても励起および強制駆動電圧に関連する方形波のうち1つだけが1の値をとる。符号分割多重化のアプローチでは、結果として励起電圧は、予め定められた擬似ランダムシーケンスに従って−1および1の値をとる独自の方形波に比例し、強制駆動電圧の周波数スペクトルは、励起電圧に関連する周波数帯域から分離された周波数帯域に制限される。
【0020】
共振器信号から定在波の配向角度を定めるプロセスは、まず共振器信号から少なくとも2つの成分を抽出し、次にその2つの成分に対して演算を行なうことによって配向角度とトラッキング角度との差異を定めることを含む。2つの成分が分離された周波数帯域を占める周波数分割多重化の場合、各成分は、共振器信号に対して、分離された周波数帯域を区別する演算を行なうことによって抽出される。
【0021】
2つの成分が、周波数が同じで位相が4分の1サイクルだけ異なる周期関数である位相分割多重化の場合、各成分は、共振器信号に対して、2つの成分の位相を区別する演算を行なうことによって抽出される。
【0022】
2つの成分が異なる時間において共振器信号内に存在する時分割多重化の場合、各成分は、共振器信号に対して、異なる時間を区別する演算を行なうことによって抽出される。
【0023】
2つの成分が0および1の擬似ランダムシーケンスであり擬似ランダムシーケンスの交差相関関係が0である符号分割多重化の場合、各成分は、共振器信号に対して、2つの擬似ランダムシーケンスを区別する演算を行なうことによって抽出される。
【0024】
トラッキング角度は継続的に調節され、配向角度とトラッキング角度との差異が概してゼロで保たれるようにする。配向角度は、配向角度とトラッキング角度との差異にトラッキング角度を加算することによって計算される。
【0025】
【好ましい実施例の説明】
この発明は、制御および読出が多重化信号によって実行される振動性回転センサである。この発明の振動性回転センサは、共振器、共振器が装着されるハウジング、および多重化電子部品を含む。共振器は定在波振動モードを有する、回転的に対称で壁の薄い、どんな物体であってもよい。先行技術では典型的に、共振器の形は半球状であることが提案されている。
【0026】
定在波のパラメータを定め、共振器のダイナミックスを制御するための簡略化された方法が図2に示される。定在波は、共振器に関して固定されたx軸およびy軸に関して説明することができる。共振器に関する同相定在波の配向は、x軸から右回りに測定される同相波腹軸の配向角度θによって特定できる。同相波腹軸に沿った円からの共振器の縁の偏差は、cos(ωt+φ)として変化すると仮定され、ここでωは振動周波数、tは時間、φは任意位相角である。共振器に関する直角位相定在波の配向は、x軸から右回りに測定される直角位相波腹軸の配向角度θ+π/4によって特定される。直角位相波腹軸に沿った円からの共振器の縁の偏差は、sin(ωt+φ)として変化すると仮定する。
【0027】
共振器の内表面に堆積された円周上に連続する共振器電極42は、DC電圧VB にバイアスされ、DCブロッキングキャパシタ43を通して増幅器デマルチプレクサ44に接続される。VRSハウジングに装着される8個の電極46は、円周のまわりに等間隔に置かれ共振器電極42に極めて近接し、一番上のxp電極はx軸上に中心づけられている。8個の電極46にはマルチプレクサ48からの駆動電圧Vxp(t)、Vxn(t)、Vyp(t)、およびVyn(t)が供給され、ここでは下の式(2)のとおりである。励起電圧Vmxr (t)cos(ωxrt+ψxr)およびVmyr (t)cos(ωyrt+ψyr)は、(添字のrによって示される)図2のxr −yr トラッキング角度座標系内の成分である。励起電圧の好ましい実施例は正弦曲線cos(ωxrt+ψxr)およびcos(ωyrt+ψyr)を含む。正弦曲線の代わりに、普通の方形波を含むさまざまな周期関数F(ωxrt+ψxr)を利用してもよい。
【0028】
【数2】
【0029】
xr 軸はx軸から右回りにトラッキング角度θr だけ回転している。励起電圧は共振器上の定在波のパラメータに影響を及ぼさないように設計される。角周波数ωxrおよびωyrならびに位相ψxrおよびψyrは、用いられている多重化のタイプに依存する。強制駆動電圧Vcx(t)Uxp(t)、Vcx(t)Uxn(t)、Vcy(t)Uyp(t)、およびVcy(t)Uyn(t)(x−y座標系内の成分として表わされる)は、共振器上の1つまたは2つ以上の定在波のパラメータを制御する目的で共振器に力を付与させる。関数Uxp(t)、Uxn(t)、Uyp(t)、およびUyn(t)は制御装置50によって生じ、マルチプレクサ48に供給される。電圧Vcx(t)およびVcy(t)は、強制駆動電圧を励起電圧から分離するのに用いられる予め定められた関数である。
【0030】
共振器電極42から増幅器デマルチプレクサ44へ流れ込む電流I(t)は下の式(3)によって与えられ、ここでは下の式(4)が当てはまる。容量Cxp、Cxn、Cyp、およびCynは、共振器電極42に関するxp、xn、yp、およびyn電極46の容量である。角周波数ωUxp 、ωUxn 、ωUyp 、およびωUyn は対応するUに関連するものであり、典型的には2ω以下であり、ここでωは共振器振動周波数である。記号KI は定数を示す。駆動電圧と結果生じる電流との位相差は重要ではなく、下の等式(3)、(4)では無視している。容量は下の式(5)で与えられ、ここでdi およびdq の高位を含む項は省略されている。高位の項の影響は後続の処理演算において考慮されている。数量Co は、共振器が励起されていない際の電極対の容量であり、di およびdq はそれぞれ、共振器が励起されていない際の共振器電極42と電極46との間の間隙によって除算される同相および直角位相モードの最大曲げ振幅であり、θは同相の定在波の波腹とx軸との間の角度であり、ωは共振器の振動の角周波数であり、φは任意位相角である。
【0031】
【数3】
【0032】
容量のための式を電流に関する等式に代入し、合計してIを得ると下の式(6)が得られる。電流I(t)は増幅器デマルチプレクサ44によって電圧V(t)に変換され、これは下の式(7)のとおりであり、ここでKV およびKF は定数であり、さらに下の式(8)および式(9)のとおりである。信号Rx (t)およびRy (t)は、V(t)に適用される別個の演算からなるデマルチプレクシングプロセスからの望ましい出力である。なぜなら、それらの信号は定在波パラメータdi 、dq 、θ−θr 、ω、およびφを含むからである。
【0033】
【数4】
【0034】
信号Rx (t)およびRy (t)を含む信号Sx (t)およびSy (t)は、Sx (t)に対して演算Ox を、Sy (t)に対して演算Oy を行なうことで増幅器デマルチプレクサ44によって抽出される。増幅器デマルチプレクサ44のデマルチプレクサ部分の動作原理は、電圧Vmxr (t)、Vmyr (t)、Vcx(t)、およびVcy(t)の形ならびにωxr、ωyr、ψxr、およびψyrの値に依存する。
【0035】
周波数分割多重化では、Vmxr (t)、Vmyr (t)、Vcx(t)、およびVcy(t)はすべて定数に等しく、ωxr、ωyr、および|ωxr−ωyr|は、ほぼ6ωより大きく、ψxrおよびψyrは任意定数である。定在波パラメータを含む信号Rx (t)およびRy (t)は、V(t)の2つの積復調を行なうことによって得られ、一方はcos(ωxrt+ψxr)に関して行ない、他方はcos(ωyrt+ψyr)に関して行なわれる。正弦曲線以外の周期関数が用いられる場合は、復調は周期関数の複製を用いて行なわれる。積復調は、入力電圧を基準正弦曲線(または複製)で乗算し、その積を低域フィルタ処理することからなり、低域フィルタの遮断周波数は、ほぼ3ωである。上記のプロセスの結果は信号SFDMx(t)およびSFDMy(t)であり、これは下の式(10)のとおりであり、ここでKFDM は定数である。Fx (t)およびFy (t)の周波数スペクトルの上限は、ほぼ3ωであるため、これらの数量はデマルチプレクシングプロセスによって消去される。
【0036】
【数5】
【0037】
位相分割多重化では、ωxrおよびωyrは同じ値ωo を有し、ωo は、ほぼ6ωより大きく、ψxr−ψyrはπ/2ラジアンに等しい。信号SPDMx(t)およびSPDMy(t)は、cos(ω0 t+ψx )に関して、およびcos(ω0 t+ψy )に関して(または用いられている周期関数の複製に関して)V(t)の積復調を行なうことによって得られる。これは下の式(11)のとおりであり、ここでKPDM は定数である。
【0038】
【数6】
【0039】
時分割多重化の一形態では、ωxrおよびωyrは同じ値ωo を有し、ωo は、ほぼ6ωより大きく、ψxrおよびψyrは任意の数ψo に等しい。電圧Vmxr (t)およびVmyr (t)は0および1の値をとる方形波に比例し、どの時点においてもこのうちの1つだけが1に等しく、「1」の値の持続時間は2π/ωの整数倍に等しい。電圧Vcx(t)およびVcy(t)とともに定数に等しい。信号STDMx(t)およびSTDMy(t)は、cos(ω0 t+ψ0 )(または複製)に関してV(t)の積復調を行ない、その後にVmxr (t)およびVmyr (t)で並列乗算を行なうことによって得られる。これは下の式(12)のとおりであり、ここでKTDM は定数である。Rx (t)およびRy (t)はVmxr (t)およびVmyr (t)がゼロではない場合のみ利用可能であることに注目されたい。
【0040】
【数7】
【0041】
以下の場合にも(おそらく定数KTDM の値を除く)、同じ結果が得られる。すなわち、Vmxr (t)、Vmyr (t)、Vcx(t)、およびVcy(t)が、0および1の値をとる方形波に比例し、どの時点においても方形波のうちの1つだけが1に等しく、「1」の値の持続時間は2π/ωの整数倍に等しい場合である。この動作モードは、強制駆動電圧Vcx(t)Uxp(t)、Vcx(t)Uxn(t)、Vcy(t)Uyp(t)、およびVcy(t)Uyn(t)を完全に互いに分離し、かつ励起電圧Vmxr (t)cos(ω0 t+ψ0 )およびVmyr (t)cos(ω0 t+ψ0 )からも完全に分離するという点で望ましいかもしれない。
【0042】
時分割多重化の別の形態では、ωo は0に等しく、Vmxr (t)、Vmyr (t)、Vcx(t)、およびVcy(t)は、0および1の値をとる方形波に比例し、どの時点においても方形波のうちの1つだけが1に等しく、「1」の値の持続時間は2π/ωの整数倍に等しい。Vmxr (t)およびVmyr (t)にV(t)を並列演算で乗算すると、第1の形態の時分割多重化において得られた結果と同じものが得られる。
【0043】
符号分割多重化では、ωxr、ωyr、ψxr、およびψyrはすべて0に等しく、Vcx(t)およびVcy(t)は定数であり、Vmxr (t)およびVmyr (t)は、−1/Tおよび1/Tの値の擬似ランダムシーケンスをとり下の式(13)の条件を満たす方形波に比例する。下の式(13)では、添字iおよびjは添字mxr、myr、cx、およびcyのいずれかを表わす。積分時間間隔Tは2π/3ωより小さくなければならない。信号SCDMx(t)およびSCDMy(t)は、Vmxr (t)およびVmyr (t)に別々にV(t)を乗算し、次にTにわたって積分することで得られ、これは下の式(14)のとおりであり、ここでKTDM は定数であり、nは整数である。信号SCDMx(t)およびSCDMy(t)が、Tの間隔における定在波パラメータに関する情報を提供することに注目されたい。
【0044】
【数8】
【0045】
電圧Ux (t)およびUy (t)は典型的に3つの成分を含んでおり、これは下の式(15)のとおりであり、ここで添字a、q、およびrは振幅、直角位相、および速度制御電圧を表わす。すべての適用例においてこれらの成分を互いに分離する必要はない。しかしながら、分離することが望ましい場合、下の式において下の式(16)に示される代入をすることができる。このように代入することで、Vcx(t)およびVcy(t)に強いられるいかなる制約も、またVcax (t)、Vcqx (t)、Vcrx (t)、Vcay (t)、Vcqy (t)、およびVcry (t)にあてはまる。たとえば、等式(2)は下の式(17)となる。
【0046】
【数9】
【0047】
可能な時分割多重化構成の1つは、共振器のたわみ速度と同期させた持続時間32π/ωの16個のスロットのフレームである。多重化制御電圧は図3に示されるとおりである。θr がθに等しい場合、xr 軸は波腹軸と一致し、yr 軸は波節軸と一致する。yr 信号成分を読出すのに8個のスロットが割当てられ、xr 信号成分を読出すのに4個のスロットが割当てられ、共振器に振幅力、直角位相力、および速度力を与えるのにそれぞれ1個ずつのスロットが割当てられる。4kHzの振動周波数では、xr およびyr 信号成分の読出はそれぞれ2kHzおよび1kHzの速度で利用可能となる。制御電圧は0.25kHzの速度で印加されることになる。
【0048】
一般的に、増幅器デマルチプレクサ44から出る信号Sx (t)およびSy (t)は、下の式(18)の形を有し、ここで、KVxがKV Vmx(t)に等しくKVyがKV Vmy(t)に等しい時分割多重化の場合を除いて、KVxおよびKVyは各々KV に等しい。
【0049】
【数10】
【0050】
信号Sx (t)およびSy (t)から定在波パラメータを抽出するために、共振器の振動信号cos(ωt+φ)の安定した正確な複製が必要である。複製は、複製発生器52の電圧制御発振器から得られ、電圧制御発振器は同相定在波波腹信号に位相同期させられている。プロセスの第1のステップは、Sx (t)およびSy (t)を、まず複製信号cos(ωr t+φr )で乗算し、この結果を低域フィルタ処理し、次に移相した複製sin(ωr t+φr )で乗算し、その結果を低域フィルタ処理することである。このプロセスの結果は下の式(19)に示され、ここでKは定数である。
【0051】
【数11】
【0052】
次のステップは、Six(t)、Siy(t)、Sqx(t)、およびSqy(t)の積の下の式(20)に示される組合せを形成することである。Li (t)をエラー信号として、フェイズロックドループは複製位相に固定することとなり、φr はφに等しく、ωr はωに等しい。
【0053】
【数12】
【0054】
定在波配向角度とトラッキング角度との差異θ−θr は下の等式(21)とSix(t)およびSiy(t)の符号とから定めることができる。数量S(t)はエラー信号として制御ループ内で用いることができ、これはθr を生成し、平均してθをθr に等しくさせ、d/dt(θ−θr )を0に等しくさせる。デジタル的に合成されたトラッキング角度θr はsinθr およびcosθr を生成するのに用いられ、sinθr およびcosθr はマルチプレクサ48に供給される。どの時点においてもθの実際の値は下の式(22)によって与えられる。
【0055】
【数13】
【0056】
E(t)と特定された数との差異は、振幅制御ループにおいてエラー信号として用いられ、このことは、di 2 +dq 2 に比例する、組合わされた同相および直角位相定在波の総エネルギが特定の数に等しくなるようにする。
【0057】
数量Q(t)は直角位相制御ループにおいてエラー信号として用いられ、この結果、直角位相定在波振幅dq はゼロとなる。このループが閉鎖されると、振幅制御ループは同相振幅di を特定された値に保つ。
【0058】
上の制御変数の使用が最適であることは証明できる。当業者には、次善ではあるが実際的である制御変数の選択肢が数多く存在することが明らかになるであろう。
【0059】
制御装置50の出力は、θr の正弦および余弦を伴う関数Uxp(t)、Uxn(t)、Uyp(t)、およびUyn(t)であり、これらはすべてマルチプレクサ48に供給される。
【0060】
振動性回転センサに関するさらなる詳細は、ここに引用により援用される1990年8月28日付のローパー・Jr(Loper, Jr.)他による米国特許第4,951,508号に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】先行技術の振動性回転センサの構造を示す図である。
【図2】この発明のための制御および読出電子部品のブロック図である。
【図3】この発明の特定の実施例のための多重化制御信号を示す図である。
【符号の説明】
10 振動性回転センサ
12 外部部材
14 半球状の共振器
16 内部部材
20 環状の強制駆動電極
22 別個の強制駆動電極
24 ピックオフ電極
26 軸
30 内側の金属被覆された表面
32 外側の金属被覆された表面
34 半球状の共振器の縁
42 共振器電極
43 DCブロッキングキャパシタ
44 増幅器デマルチプレクサ
46 8個の電極
48 マルチプレクサ
50 制御装置
52 複製発生器
Claims (46)
- 振動性回転センサであって、
共振器を含み、前記共振器は回転的に対称で壁の薄い物体であり、前記共振器は複数の定在波モードのうちの少なくとも1つで振動することが可能であり、共振器上の基準点に関する定在波の配向は配向角度によって特定され、1個または2個以上の電極が共振器の表面に装着され、前記1個または2個以上の電極は単一の出力ポートに電気的に接続されており、前記振動性回転センサはさらに
共振器の出力ポートに接続される入力ポートを有するセンシング電子部品を含み、前記センシング電子部品は、共振器の出力ポートにおいて利用可能な共振器信号から定在波の配向角度とトラッキング角度との差異の基準を得、前記トラッキング角度は共振器上の基準点に関してである、振動性回転センサ。 - 信号和Vx (t)Rx (t)+Vy (t)Ry (t)は、共振器信号に存在する信号間における和であり、Vx (t)およびVy (t)は時間tの予め定められた関数であり、Rx (t)およびRy (t)は、時間と、定在波の配向角度とトラッキング角度との差異Δθと、1つまたは2つ以上の定在波の他のパラメータとの関数であり、センシング電子部品は、共振器信号に対して演算Ox およびOy を別個に行ない、それぞれRx (t)およびRy (t)のスケーリングされたものを得る、請求項1に記載の振動性回転センサ。
- Ox は、角周波数ωx および位相ψx の周期関数の複製に共振器信号を乗算するステップと、その後に低域フィルタ処理するステップとを含み、Oy は、角周波数ωy および位相ψy の周期関数の複製に共振器信号を乗算するステップと、その後低域フィルタ処理するステップとを含み、ωx 、ψx 、ωy 、およびψy の値は予め定められている、請求項2に記載の振動性回転センサ。
- Ox は、角周波数ωo および位相ψo の周期関数の複製に共振器信号を乗算するステップと、その後に低域フィルタ処理するステップとを含み、Oy は、位相(ψ0 +π/2)の周期関数の複製に共振器信号を乗算するステップと、その後に低域フィルタ処理するステップとを含み、ωo およびψo の値は予め定められている、請求項2に記載の振動性回転センサ。
- Ox は、Vmxr (t)に共振器信号を乗算するステップを含み、Oy は、Vmyr (t)に共振器信号を乗算するステップを含み、Vmxr (t)およびVmyr (t)は、0および1の値をとる、予め定められた方形波の時間の関数に比例し、前記方形波の関数は同時に1に等しくはない、請求項2に記載の振動性回転センサ。
- (1)Ox は、(a)周期関数の複製に共振器信号を乗算するステップと、その後に低域フィルタ処理するステップと、(b)Vmxr (t)で乗算するステップとを含み、(2)Oy は、(a)周期関数の複製に共振器信号を乗算するステップと、その後に低域フィルタ処理するステップと、(b)Vmyr (t)で乗算するステップとを含み、周期信号の複製はωo の角周波数および位相ψo を有し、ωo およびψo の値は予め定められており、Vmxr (t)およびVmyr (t)は、0および1の値をとる、予め定められた方形波の時間の関数に比例し、前記方形波の関数は同時に1に等しくはない、請求項2に記載の振動性回転センサ。
- Ox は、共振器信号をVmxr (t)で乗算して、その後に予め定められた時間Tにわたって積分するステップとを含み、Oy は、共振器信号をVmyr (t)で乗算して、その後に時間Tにわたって積分するステップとを含み、Vmxr (t)およびVmyr (t)は、時間Tの間、−1および1の値のシーケンスをとる、方形波の時間の関数に比例する、請求項2に記載の振動性回転センサ。
- 振動性回転センサであって、
前記共振器が装着されるハウジングをさらに含み、前記ハウジングは前記1個または2個以上の共振器電極に極めて近接する複数の装着された電極を有し、前記振動性回転センサはさらに
電圧Vx1(t)を第1のハウジング電極に供給し、電圧Vy2(t)を第2のハウジング電極に供給する駆動電子部品を含み、Vx1(t)は電圧成分Vmxr (t)cos(2θr )F(ωxrt+ψxr)およびVmyr (t)sin(2θr )F(ωyrt+ψyr)を含み、Vy2(t)は電圧成分Vmxr (t)sin(2θr )F(ωxrt+ψxr)およびVmyr (t)cos(2θr )F(ωyrt+ψyr)を含み、Vmxr (t)およびVmyr (t)は時間tの予め定められた関数であるか、または定数であり、θr はトラッキング角度であり、F(ωt+ψ)は、周波数がωであり位相がψである、時間tの周期関数であり、ωxr、ψxr、ωyr、およびψyrの値は予め定められており、Vmxr (t)F(ωxrt+ψxr)およびVmyr (t)F(ωyrt+ψyr)は共振器の定在波ダイナミックスに何ら重要な影響を及ぼさない、請求項1に記載の振動性回転センサ。 - Vmxr (t)およびVmyr (t)は定数であり、ωxr、ωyr、および|ωxr−ωyr|は、ほぼ6ωより大きく、ωは共振器の振動の角周波数である、請求項9に記載の振動性回転センサ。
- Vmxr (t)およびVmyr (t)は定数であり、ωxrおよびωyrは予め定められた値ωo に等しく、ψxr−ψyrはπ/2ラジアンに等しく、ωo は、ほぼ6ωより大きく、ωは共振器の振動の角周波数である、請求項9に記載の振動性回転センサ。
- ωxr、ωyr、ψxr、およびψyrは0に等しく、Vmxr (t)およびVmyr (t)は、0および1の値をとる、第1および第2の方形波の時間の関数にそれぞれ比例し、前記第1および第2の方形波の関数は同時に1に等しくはない、請求項9に記載の振動性回転センサ。
- ωxrおよびωyrは予め定められた値ωo に等しく、ψxrおよびψyrは予め定められた値ψo に等しく、Vmxr (t)およびVmyr (t)は、0および1の値をとる、第1および第2の方形波の関数にそれぞれ比例し、ωo は、ほぼ6ωより大きく、ωは共振器の振動の角周波数であり、前記第1および第2の方形波の関数は同時に1に等しくはない、請求項9に記載の振動性回転センサ。
- ωxr、ωyr、ψxr、およびψyrは0に等しく、Vmxr (t)およびVmyr (t)は、−1および1の値の擬似ランダムシーケンスをとる、第1および第2の方形波の関数にそれぞれ比例する、請求項9に記載の振動性回転センサ。
- Vx1(t)およびVy2(t)はまた、電圧成分Vcx(t)Ux1(t)およびVcy(t)Uy2(t)をそれぞれ含み、数量Vcx(t)およびVcy(t)は、時間tの関数であるか、または定数であり、前記電圧成分Vcx(t)Ux1(t)およびVcy(t)Uy2(t)は、共振器上に力が付与されることにつながる、請求項9に記載の振動性回転センサ。
- Vmxr (t)、Vmyr (t)、Vcx(t)、およびVcy(t)は定数であり、ωxr、ωyr、および|ωxr−ωyr|は、ほぼ6ωより大きく、ωは共振器の振動の角周波数である、請求項15に記載の振動性回転センサ。
- Vmxr (t)、Vmyr (t)、Vcx(t)、およびVcy(t)は定数であり、ωxrおよびωyrは予め定められた数ωo に等しく、ψxr−ψyrはπ/2ラジアンに等しく、ωo は、ほぼ6ωより大きく、ωは共振器の振動の角周波数である、請求項15に記載の振動性回転センサ。
- ωxr、ωyr、ψxr、およびψyrは0に等しく、Vmxr (t)、Vmyr (t)、Vcx(t)、およびVcy(t)は、0および1の値をとる、第1、第2、第3、および第4の方形波の時間の関数にそれぞれ比例し、前記第1、第2、第3、および第4の方形波の関数は同時に1に等しくはない、請求項15に記載の振動性回転センサ。
- ωxrおよびωyrは予め定められた値ωo に等しく、ψxrおよびψyrは予め定められた値ψo に等しく、Vmxr (t)、Vmyr (t)、Vcx(t)、およびVcy(t)は、0および1の値をとる、第1、第2、第3、および第4の方形波の時間の関数にそれぞれ比例し、ωo は、ほぼ6ωより大きく、ωは共振器の振動の角周波数であり、前記第1、第2、第3、および第4の方形波の関数は同時に1に等しくはない、請求項15に記載の振動性回転センサ。
- Vx1(t)はまた、電圧成分Vcax (t)Uax1 (t)、Vcqx (t)Uqx1 (t)、およびVcrx (t)Urx1 (t)を含み、Vy2(t)はまた、電圧成分Vcay (t)Uay2 (t)、Vcqy (t)Uqy2 (t)、およびVcry (t)Ury2 (t)を含み、ωx 、ωy 、ψx 、およびψy は0に等しく、Vmxr (t)、Vmyr (t)、Vcax (t)、Vcqx (t)、Vcrx (t)、Vcay (t)、Vcqy (t)、およびVcry (t)は、0および1の値をとる、第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7、および第8の方形波の時間の関数にそれぞれ比例し、前記第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7、および第8の方形波の関数は同時に1に等しくはない、請求項15に記載の振動性回転センサ。
- Vx1(t)はまた、電圧成分Vcax (t)Uax1 (t)、Vcqx (t)Uqx1 (t)、およびVcrx (t)Urx1 (t)を含み、Vy2(t)はまた、電圧成分Vcay (t)Uay2 (t)、Vcqy (t)Uqy2 (t)、およびVcry (t)Ury2 (t)を含み、ωx およびωy は予め定められた値ωo に等しく、ψx およびψy は予め定められた値ψo に等しく、ωo は、ほぼ6ωより大きく、ωは共振器の振動の角周波数であり、Vmxr (t)、Vmyr (t)、Vcax (t)、Vcqx (t)、Vcrx (t)、Vcay (t)、Vcqy (t)、およびVcry (t)は、0および1の値をとる、第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7、および第8の方形波の時間の関数にそれぞれ比例し、前記第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7、および第8の方形波の関数は同時に1に等しくはない、請求項15に記載の振動性回転センサ。
- ωxr、ωyr、ψxr、およびψyrは0に等しく、Vmxr (t)およびVmyr (t)は、−1および1の値の擬似ランダムシーケンスをとる、第1および第2の方形波の時間の関数にそれぞれ比例し、Vcx(t)およびVcy(t)は定数である、請求項15に記載の振動性回転センサ。
- 振動性回転センサであって、
前記共振器が装着されるハウジングをさらに含み、前記ハウジングは前記1個または2個以上の共振器電極に極めて近接する複数の装着された電極を有し、前記振動性回転センサはさらに
1個または2個以上のハウジング電極に制御電圧を供給する駆動電子部品を含み、前記駆動電子部品はトラッキング角度を生じ、前記駆動電子部品は、トラッキング角度が定数に等しくなるか、または複数の変数のうちの1つまたは2つ以上の変数の関数に等しくなるようにさせ、前記複数の変数は、時間、定在波の配向、および外部から得られる変数を含む、請求項1に記載の振動性回転センサ。 - 振動性回転センサであって、
前記共振器が装着されるハウジングをさらに含み、前記ハウジングは前記1個または2個以上の共振器電極に極めて近接する複数の装着された電極を有し、前記振動性回転センサはさらに
1個または2個以上のハウジング電極に制御電圧を供給する駆動電子部品を含み、前記駆動電子部品はトラッキング角度を生じ、前記駆動電子部品は、トラッキング角度を配向角度とトラッキング角度との差異に加算することによって定在波の配向角度を定める、請求項1に記載の振動性回転センサ。 - 単一の出力ポートに接続される1個または2個以上の電極を有する共振器と、前記共振器電極に極めて近接する複数の電極を有するハウジングとを含む振動性回転センサを制御しかつ読出すための方法であって、前記共振器は1つまたは2つ以上の定在波モードにおいて振動することが可能であり、各定在波モードは複数のパラメータによって規定され、共振器上の基準点に関する定在波の配向は配向角度によって特定され、前記方法は
(a) 共振器上の基準点に関してトラッキング角度を特定するステップと、
(b) 前記トラッキング角度の関数である複数の駆動電圧を発生するステップと、
(c) 駆動電圧を複数のハウジング電極の各々に印加するステップと、
(d) 定在波の配向角度とトラッキング角度との差異を、共振器の出力ポートに現われる共振器信号に対して演算を行なうことによって定めるステップとを含む、方法。 - 各駆動電圧は第1の励起電圧および第2の励起電圧を含み、前記第1および第2の励起電圧の周波数スペクトルは分離された周波数帯域に制限される、請求項25に記載の方法。
- 異なる駆動電圧の数は2つであり、各駆動電圧は第1の励起電圧および第2の励起電圧を含み、各励起電圧は予め定められた周波数および予め定められた位相を有する、時間の周期関数であり、前記第1および第2の励起電圧の周波数は同じであり、位相は4分の1サイクルだけ異なる、請求項25に記載の方法。
- 各駆動電圧は第1の励起電圧および第2の励起電圧を含み、前記第1および第2の励起電圧の各々は、0および1の値をとる独自の方形波に比例し、どの時点においても方形波のうちの1つだけが1の値をとる、請求項25に記載の方法。
- 各駆動電圧は第1の励起電圧および第2の励起電圧を含み、前記第1および第2の励起電圧の各々は、予め定められた周波数および位相を有する周期関数と、0および1の値をとる独自の方形波との積に比例し、どの時点においても方形波のうちの1つだけが1の値をとる、請求項25に記載の方法。
- 各駆動電圧は第1の励起電圧および第2の励起電圧を含み、前記第1および第2の励起電圧の各々は、予め定められた擬似ランダムシーケンスに従って−1および1の値をとる独自の方形波に比例する、請求項25に記載の方法。
- 各駆動電圧は第1の励起電圧および第2の励起電圧を含み、前記第1の励起電圧はトラッキング角度の2倍の余弦に等しい乗法的因子を含み、前記第2の励起電圧はトラッキング角度の2倍の正弦に等しい乗法的因子を含む、請求項25に記載の方法。
- 少なくとも2つの駆動電圧の各々は、第1の励起電圧、第2の励起電圧、および強制駆動電圧を含み、前記第1および第2の励起電圧の周波数スペクトルは分離された周波数帯域に制限され、前記強制駆動電圧の周波数スペクトルは、前記第1および第2の励起電圧に関連する周波数帯域から分離された周波数帯域に制限される、請求項25に記載の方法。
- 異なる駆動電圧の数は2つであり、各駆動電圧は第1の励起電圧、第2の励起電圧、および強制駆動電圧を含み、前記第1および第2の励起電圧の各々は、予め定められた周波数および予め定められた位相を有する周期関数であり、前記第1および第2の励起電圧の周波数は同じであり、位相は4分の1サイクルだけ異なり、前記強制駆動電圧の周波数スペクトルは、前記第1および第2の励起電圧の周波数から分離された周波数帯域に制限される、請求項25に記載の方法。
- 少なくとも2つの駆動電圧の各々は、第1の励起電圧、第2の励起電圧、および強制駆動電圧を含み、前記第1および第2の励起電圧の各々は、0および1の値をとる独自の方形波に比例し、各強制駆動電圧は、0および1の値をとる方形波に比例する乗法的因子を含み、どの時点においても、前記励起電圧および強制駆動電圧に関連する方形波のうちの1つだけが1の値をとる、請求項25に記載の方法。
- 少なくとも2つの駆動電圧の各々は、第1の励起電圧、第2の励起電圧、および強制駆動電圧を含み、前記第1および第2の励起電圧の各々は、予め定められた周波数および予め定められた位相を有する周期関数と、0および1の値をとる独自の方形波との積に比例し、各強制駆動電圧は、0および1の値をとる方形波に比例する乗法的因子を含み、どの時点においても、前記励起電圧および強制駆動電圧に関連する方形波のうちの1つだけが1の値をとる、請求項25に記載の方法。
- 少なくとも2つの駆動電圧の各々は、第1の励起電圧、第2の励起電圧、および強制駆動電圧を含み、前記第1および第2の励起電圧の各々は、予め定められた擬似ランダムシーケンスに従って−1および1の値をとる独自の方形波に比例し、前記強制駆動電圧の周波数スペクトルは、前記励起電圧に関連する周波数帯域から分離された周波数帯域に制限される、請求項25に記載の方法。
- 共振器信号は、定在波のパラメータおよびトラッキング角度の関数である2つの成分の和であり、ステップ(d)は
(d1) 前記共振器信号から2つの成分の各々を抽出するステップと、
(d2) 1つの定在波の配向角度とトラッキング角度との差異を、前記2つの成分に対して演算を行なうことによって定めるステップとを含む、請求項25に記載の方法。 - 前記2つの成分は分離された周波数帯域を占め、
各成分は、共振器信号に対して、前記分離された周波数帯域を区別する演算を行なうことによって抽出される、請求項37に記載の方法。 - 前記2つの成分は、周波数が同じで位相が4分の1サイクルだけ異なる、時間の周期関数であり、各成分は、共振器信号に対して、前記2つの成分の位相を区別する演算を行なうことによって抽出される、請求項37に記載の方法。
- 前記2つの成分は異なる時間において共振器信号に存在し、各成分は、共振器信号に対して、前記異なる時間を区別する演算を行なうことによって抽出される、請求項37に記載の方法。
- 前記2つの成分は0および1の擬似ランダムシーケンスであり、2つの擬似ランダムシーケンスの交差相関関係は0に等しく、各成分は、共振器信号に対して、前記2つの擬似ランダムシーケンスを区別する演算を行なうことによって抽出される、請求項37に記載の方法。
- 前記2つの成分の各々は、2つの項の和であり、一方の項は配向角度とトラッキング角度との差異の正弦を含み、他方の項は配向角度とトラッキング角度との差異の余弦を含む、請求項37に記載の方法。
- 方法であって
(e) トラッキング角度が定数に等しくなるか、または複数の変数のうちの1つまたは2つ以上の変数の関数に等しくなるようにさせるステップをさらに含み、前記複数の変数は、時間、定在波の配向、および外部から得られる変数を含む、請求項37に記載の方法。 - 方法であって
(f) トラッキング角度を配向角度とトラッキング角度との測定された差異に加算することによって配向角度を計算するステップをさらに含む、請求項43に記載の方法。 - 請求項25に記載の方法を実行するための装置。
- 請求項37に記載の方法を実行するための装置。
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