JP6518752B2 - デュアル振動パターン共振型ジャイロスコープ - Google Patents

Description

本開示は、概してセンサシステムに関し、具体的には自己較正共振型ジャイロスコープに関する。

受感（すなわち、入力）軸を中心とした回転を計算するように構成された複数の異なるタイプのジャイロスコープがある。ジャイロスコープの１つのタイプは、コリオリ振動ジャイロスコープ（Coriolis vibratory gyroscope : CVG）である。ＣＶＧの一例は、２つの質量（mass）（例えば、尖叉（tine））が駆動軸に沿って平面で振動することができる音叉型ジャイロスコープ（tuning fork gyroscope）である。音叉の尖叉に平行な入力軸を中心に付与された角速度に応じて、コリオリ力により、尖叉が（例えば、駆動軸に対して９０°）感知軸に沿って平面外で振動する。開ループ器具における平面外運動の振幅、または、閉ループ器具における平面外運動を再平衡化し、かつ無効にするために必要とされる力は、入力軸を中心に付与された角速度の計測値に対応する。ＣＶＧの別例は、「ワイングラス（wine glass）」形状の共振器を基本共振周波数で振動させる共振型ジャイロスコープである。基本モードまたはＮ＝２のモードでは、振動共振器上の複数の点の変位は、周方向に４５°で離された複数の腹および複数の節（antinodes and nodes）を有する定常波（standing wave）の形態である。力再平衡化動作（force-rebalance operation）では、複数の腹のうちの一つが、駆動軸に沿って維持され得る。共振型ジャイロスコープでは、共振器の対称軸（例えば、入力軸）を中心に付与された角度回転は、定常波がハウジングに対して角変位（angular displacement）を遅らせ（lag）、受感軸を中心とした共振型ジャイロスコープの回転を示す。

米国特許第７，６２１，１８４号明細書 米国特許第７，６３７，１５７号明細書 米国特許第７，８７４，２０９号明細書 米国特許第８，２０５，４９９号明細書 米国特許第８，７６３，４４１号明細書 米国特許出願公開第２００９／０１５８８４６号明細書

一例は、共振型ジャイロスコープを含む。共振型ジャイロスコープは、受感軸の周りに配置され、複数の電極に印加される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的な運動に静電的にさせるように構成された複数の電極を含むセンサシステムを含む。センサシステムは、共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の指示を提供するように構成される。また共振型ジャイロスコープは、複数の別個の振動パターンの各々において同時に共振器の実質的に周期的な運動を提供するための複数のフォーサー信号を生成して、実質的に周期的な運動に関連付けられた複数のピックオフ信号に応じて共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するように構成されたコントローラをさらに含む。

他の例は、共振型ジャイロスコープを制御するための方法を含む。方法は、第１の周波数を有する第１の組のフォーサー信号を生成すること、第１の周波数よりも高い第２の周波数を有する第２の組のフォーサー信号を生成すること、を含む。方法は、共振型ジャイロスコープに関連付けられた複数の電極のうちの少なくとも一部分に第１および第２の組のフォーサー信号の各々を同時に供給することを含む。複数の電極は、第１の振動パターンモードおよび第２の振動パターンモードの各々で同時に共振器の実質的に周期的な運動を提供するように受感軸の周りに配置される。方法は、共振器の実質的に周期的な運動に応じて複数の電極の少なくとも一部分に関連付けられた複数のピックオフ信号を測定して、受感軸を中心とした回転を測定することをさらに含む。

他の例は、多軸ジャイロスコープシステムを含む。システムは、多軸ジャイロスコープシステムのＸ軸を中心とした回転を測定するように構成された第１の共振型ジャイロスコープと、多軸ジャイロスコープシステムのＹ軸を中心とした回転を測定するように構成された第２の共振型ジャイロスコープと、多軸ジャイロスコープシステムのＺ軸を中心とした回転を測定するように構成された第３の共振型ジャイロスコープと、を含む。第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープの各々は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のうちの対応する軸の周りに配置され、複数の電極に供給される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的な運動に静電的にさせるように構成された複数の電極を含むセンサシステムを含む。当該センサシステムは、第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の対応する軸を中心とした回転の指示を提供するように構成される。第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープの各々は、複数の別個の振動パターンの各々で同時に共振器の実質的に周期的な運動を提供するための複数のフォーサー信号を生成して、実質的に周期的な運動に関連付けられた複数のピックオフ信号に応じて第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のうちの対応する軸を中心とした回転を測定するように構成されたコントローラを含む。

共振型ジャイロスコープの一例を示す。 センサシステムの一例を示す。 センサシステムの周期的な運動の例示的な図を示す。 センサシステムの周期的な運動の別の例示的な図を示す。 多軸共振型ジャイロスコープの一例を示す。 共振型ジャイロスコープを制御する方法の一例を示す。

本開示は、概してセンサシステムに関し、具体的には自己較正共振型ジャイロスコープ（self-calibrating resonator gyroscope）に関する。共振型ジャイロスコープは、センサシステム及びコントローラを含むことができる。センサシステムは、受感軸（sensitive axis）の周りに配置された複数の電極（例えば、８つの電極）を含む。複数の電極は、複数の電極への複数のフォーサー信号（forcer signal）の供給に基づいて、共振器（例えば、半球型共振器）を実質的に周期的な運動（periodic motion）に静電的に（electrostatically）させるように構成される。複数の電極は、複数のピックオフ信号（pickoff signal）に基づいて共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の指示を提供するように構成され得る。コントローラは、複数の別個の振動パターンモードの各々で同時に共振器の実質的に周期的な運動を提供するための複数のフォーサー信号を生成する。複数の振動パターンモードは、例えば、Ｎ＝２の振動パターンモード及びＮ＝３の振動パターンモードに対応し得る。一例として、複数のフォーサー信号は、複数のフォーサー信号及び関連付けられた複数のピックオフ信号に関する複数の振動パターンモードが互いに干渉しないように、別々の周波数を有するように生成され得る。

複数の振動パターンモードの各々で同時の共振器の実質的に周期的な運動を提供するための複数のフォーサー信号の実行に基づいて、共振型ジャイロスコープは、効率的かつ正確な動作を提供することができる。第１の例として、共振型ジャイロスコープは、第１の振動パターンモードに関連付けられた複数の第１のピックオフ信号（first pickoff signal）を用いて受感軸を中心とした共振型ジャイロスコープの回転を測定するとともに同時に、第２の振動パターンモードに関連付けられた複数の第２のピックオフ信号を用いて（例えば、較正信号（calibration signal）を用いて）較正されるように動作可能である。別例として、共振型ジャイロスコープは、第１の振動パターンモードに関連付けられた複数の第１のピックオフ信号を用いて受感軸を中心とした共振型ジャイロスコープの回転を力再平衡化方法（force-rebalance manner）で測定するとともに同時に（while concurrently measuring）、第２の振動パターンモードに関連付けられた複数の第２のピックオフ信号を用いて受感軸を中心とした共振型ジャイロスコープの回転を全角度方法（whole-angle manner）で測定するように動作可能である。さらに別の例として、共振型ジャイロスコープは、第１の振動パターンモードに関連付けられた複数の第１のピックオフ信号を用いて較正されるとともに同時に、第２の振動パターンモードに関連付けられた複数の第２のピックオフ信号を用いて較正される。したがって、共振型ジャイロスコープは、別々の振動パターンモードで同時に動作すること（operating concurrently）に基づいて様々な方法で動作することができる。

図１は、共振型ジャイロスコープ１０の一例を示す。共振型ジャイロスコープ１０は、コリオリ振動ジャイロスコープ（Coriolis vibratory gyroscope : CVG）などの振動運動を実現する様々な異なるタイプのジャイロスコープのいずれかに対応することができる。共振型ジャイロスコープ１０は、航空宇宙および航海ナビゲーションのような受感軸を中心とした回転の精確な計測が必要とされる様々な用途のいずれかで具体化され得る。共振型ジャイロスコープ１０は、センサシステム１２およびコントローラ１４を含む。

センサシステム１２は、弾性特性（elastic property）を有する変形可能な材料として構成され且つ様々な異なる形態のうちの１つで提供される共振器１６を含む。例えば、共振器１６は、弾性半球型（elastic hemisphere）、弾性環状（elastic ring）、円盤状（disk）または受感軸に対して軸対称で周期的な運動を提供することができる様々な他のタイプの共振器であってもよい。センサシステム１２はまた、共振器１６に対して設けられた一組の電極１８を含む。例えば、一組の電極１８は、共振器１６が複数の電極１８を実質的に取り囲むように、受感軸と共振器１６との間に環状配置で配置され得る。一組の電極１８は、コントローラ１４によって供給される複数のフォーサー信号ＦＲＣに応じて静電力（electrostatic force）を生成するように構成され、複数の振動パターンモードで同時に共振器１６の周期的な運動を提供するような共振器１６の変形または動作を提供する。

例えば、複数の振動パターンモードは、Ｎ＝２の振動パターンおよびＮ＝３の振動パターンを含み得る。本明細書で説明するように、用語「Ｎ」は、振動パターンモードの腹（antinode）の数の半分を示す。したがって、Ｎ＝２の振動パターンモードは、実質的に等しく角度を離された４つの主軸（principle axes）に沿った共振器１６の４つの腹を示す。代替的には、他の振動パターンモード（例えば、Ｎ＝１，４，５，．．．）が具体化され得る。一例として、振動パターンモードは、複数のフォーサー信号ＦＲＣの周波数に基づいて異なる周波数の複数のフォーサー信号ＦＲＣを用いて提供され得る。一例として、複数のフォーサー信号の別個の組の各々の周波数は、共振型ジャイロスコープ１０の所望の測定帯域幅よりも大きい差分を有し得る。したがって、複数の振動パターンモードのうちの１つのみのピックオフ信号に影響する摂動（perturbations）は、関連付けられた複数のピックオフ信号の周波数応答にわたって他の１または複数の振動パターンモードに関連付けられた複数のピックオフ信号に影響を与えない。

一例として、一組の電極１８は、定常波の角変位（angular displacement）の共振器１６への力再平衡化を提供するとともに同時に、定常波を劣化させるかまたは定常波に影響を与える可能性がある直交効果の無効化（nulling of the quadrature effects）をもたらすように具体化され得る。さらに、一組の電極１８は、共振器１６の運動に対応する複数のピックオフ信号Ｐ０を供給して図１の例においてＲＯＴとして例示される受感軸を中心としたセンサシステム１２の回転を測定するために複数のピックオフ電極を含むおよび／または具体化され得る。したがって、第１の例として、一組の電極１８は、専用の複数のフォーサー電極および複数のピックオフ電極を含むか、または第２の例として、一組の電極１８は、デュアルフォーサーおよびピックオフ機能（dual forcer and pickoff functionality）を具体化することができる。

コントローラ１４は、プロセッサ２２および信号発生器２４を含む。信号発生器２４は、プロセッサ２２による一組の電極１８に関する共振器１６の変形の容量測定のために（例えば、信号生成器２４を介して）センサシステム１２に供給される複数のピックオフ信号Ｐ０に基づいて、一組の電極１８に供給される複数のフォーサー信号ＦＲＣを生成するように構成される。一例として、１組のフォーサー信号ＦＲＣは、その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１５／２９６，７７４号（代理人整理番号ＮＧ（ＮＳＤ）−０２５３４５）に記載されているような一組の数式に基づいて信号発生器２４によって生成され得る。従って、１組のフォーサー信号ＦＲＣは、８つの電極でＮ＝３の振動パターンモードを具体化することに基づくなど、電極１８の数と振動パターンとの非整数の比（non-integer ratio）を提供するように生成され得る。さらに、コントローラ１４は、較正信号ＣＡＬを生成するように構成された較正コンポーネント（calibration component）２６を含む。一例として、較正信号ＣＡＬは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許出願第１５／２５６，１６８号（代理人整理番号ＮＧ（ＮＳＤ）−０２５０９４）に記載されるようなバイアスおよび／またはスケールファクタ較正（bias and/or scale-factor calibration）、モード反転（mode-reversal）、または他のタイプの自己較正実行を実施するための複数の力再平衡化信号（force rebalance signal）ＦＲＣに注入される（injected）所定の信号など、共振型ジャイロスコープの自己較正の様々な方法のうちの任意のものに対応し得る。

一例として、コントローラ１４は、力再平衡化方法および／または全角度方法で受感軸を中心とした共振型ジャイロスコープ１０の回転ＲＯＴを測定するように構成され得る。例えば、複数のフォーサー信号ＦＲＣは、複数のピックオフ信号ＰＯのうちの１つ以上に応じて共振器１６の周期的な運動を提供するために、一組の電極１８のうちの第１の部分に供給され得る。複数のピックオフ信号Ｐ０は、一組の電極１８を介して供給される対応する合成静電力（resultant electrostatic forces）の異なる位相に基づくなど、複数のフォーサー信号ＦＲＣを生成するプロセッサ２２に供給され得る。したがって、複数のフォーサー信号ＦＲＣによって、静電力の振幅を制御し、（例えば、力再平衡化動作の例では）受感軸を中心としたセンサシステム１２の角回転ＲＯＴの速度の測定値を提供し、また、直交効果を制御することができる。つまり、コントローラ１４は、複数のピックオフ信号に基づいて出力信号ＲＯＴとしての入力軸を中心とした回転ＲＯＴの角速度の測定値を提供することができる。

共振型ジャイロスコープ１０は、各振動パターンモードにおいて、同時に共振器１６の実質的に周期的な運動を提供するための複数のフォーサー信号ＦＲＣの実行に基づいて、効率的かつ正確な動作を提供することができる。一例として、コントローラ１４は、第２の振動パターンモード（例えば、Ｎ＝３）に関連付けられた複数の第２のピックオフ信号ＰＯ_２を用いて（例えば、様々な異なる較正方法のうちの１つを制御または指示することができる較正信号ＣＡＬを用いて）較正されるとともに同時に、第１の振動パターンモード（例えば、Ｎ＝２）に関連付けられた複数の第１のピックオフ信号ＰＯ_１を用いて受感軸を中心とした共振型ジャイロスコープ１０の回転ＲＯＴを測定することができる。例えば、コントローラ１４は、第１の持続時間において、第１の振動パターンモードに関連付けられた複数の第１のピックオフ信号ＰＯ_１を用いて受感軸を中心とした共振型ジャイロスコープ１０の回転ＲＯＴを測定するとともに同時に、第２の振動パターンモードに関連付けられた複数の第２のピックオフ信号ＰＯ_２を用いて共振型ジャイロスコープ１０を較正するように構成され得る。したがって、コントローラ１４は、第２の持続時間において、第１の振動パターンモードに関連付けられた複数の第１のピックオフ信号ＰＯ_１を用いて共振型ジャイロスコープ１０を較正するとともに同時に、第２の振動パターンモードに関連付けられた複数の第２のピックオフ信号ＰＯ_２を用いて共振型ジャイロスコープ１０の回転ＲＯＴを測定し得る。これにより、コントローラ１４は、共振型ジャイロスコープ１０が実質的に連続的に較正され得るように、第１の持続時間と第２の持続時間とを実質的に連続的に繰り返し、途切れることなく共振型ジャイロスコープ１０の受感軸を中心とした回転ＲＯＴを測定し続けることができる。

第２の例として、コントローラ１４は、第１の振動パターンモードに関連付けられた複数の第１のピックオフ信号ＰＯ_１を用いて力再平衡化方法で共振型ジャイロスコープ１０の受感軸を中心とした回転ＲＯＴの第１の測定値を取得するとともに同時に、第２の振動パターンモードに関連付けられた複数の第２のピックオフ信号ＰＯ_２を用いて全角度方法で共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転ＲＯＴの第２の測定値を取得するように動作し得る。したがって、力再平衡化方法が、共振型ジャイロスコープ１０の受感軸を中心とした回転ＲＯＴを計算する１つの方法に対応する一方、全角度方法（例えば、積分方法（integration manner））は、共振型ジャイロスコープ１０の受感軸を中心とした回転ＲＯＴを計算する別の異なる方法に対応し得る。一例として、プロセッサ２２は、第１の測定値と第２の測定値とを組み合わせて共振型ジャイロスコープ１０の受感軸を中心とした回転ＲＯＴを測定するように構成されたアルゴリズムを実装するように構成され得る。したがって、プロセッサ２２は、共振型ジャイロスコープ１０の受感軸を中心とした回転ＲＯＴの第１および第２の測定値に基づいて、共振型ジャイロスコープ１０の受感軸を中心とした回転ＲＯＴの単一の測定値を生成することができる。例えば、アルゴリズムは、第１および第２の測定値の積分、第１および第２の測定値の統計的分析／比較、または第１および第２の測定値を組み合わせるための他の方法を提供して、共振型ジャイロスコープ１０の受感軸を中心とした回転ＲＯＴの単一の測定値を取得するように構成され得る。したがって、そのような回転ＲＯＴの冗長測定（redundant measurement）は、共振型ジャイロスコープ１０の受感軸を中心とした回転ＲＯＴの測定のより正確かつ／または改善された性能を提供することができ、および／またはバイアスおよび／またはスケールファクタエラー（bias and/or scale-factor errors）に関する改善された安定性を提供することができる。

さらに別の例として、コントローラ１４は、第１の振動パターンモードに関連付けられた複数の第１のピックオフ信号ＰＯ_１を用いて共振型ジャイロスコープ１０の較正を取得するとともに同時に、第２の振動パターンモードに関連付けられた複数の第２のピックオフ信号ＰＯ_２を用いて共振型ジャイロスコープ１０の較正を取得するように構成され得る。例えば、較正コンポーネント２６は、（例えば、１つまたは複数の信号ＣＡＬを用いて）第１および第２の振動パターンモードの各々で共振型ジャイロスコープ１０を較正するために、同じかまたは異なる較正方法（例えば、自己較正、モード反転、信号注入（signal-injection）、または他の較正技術）を提供するように構成され得る。さらに、コントローラ１４は、本明細書に記載された測定手順と較正手順との任意の組み合わせおよび／または繰り返しを実行するように構成され得る。例えば、コントローラ１４は、第１および第２の振動パターンモードのそれぞれで共振型ジャイロスコープ１０の受感軸を中心とした回転ＲＯＴを測定すること、複数の振動パターンモードのうちの一つで共振型ジャイロスコープ１０の受感軸を中心とした回転ＲＯＴを測定するとともに同時に、複数の振動パターンモードのうちの他の振動パターンモードで共振型ジャイロスコープ１０を較正すること、および両方の振動モードで共振型ジャイロスコープ１０を較正することの任意の組み合わせを提供することができる。したがって、共振型ジャイロスコープ１０は、別々の振動パターンモードで同時に動作することに基づいて様々な方法で動作することができる。

図２は、センサシステム５０の一例を示す。センサシステム５０は、図１の例におけるセンサシステム１２に対応し得る。したがって、図２の例の以下の説明において、図１の例を参照されたい。

センサシステム５０は、複数の電極を実質的に取り囲む共振器５２を含む。一例として、共振器５２は、弾性半球シェル（elastic hemispherical shell）として構成され得るが、他の幾何学的構成（例えば、弾性リング）を有することもできる。複数の電極は、第１の電極５４、第２の電極５６、第３の電極５８、第４の電極６０、第５の電極６２、第６の電極６４、第７の電極６６、第８の電極６８を含む。電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８は、図２の紙面に垂直に示された受感軸７０を中心として対向して配置された対称環状配置で配置されるように例示され、したがって、振動パターンモードに関連付けられた複数の軸に垂直であり、明細書においてより詳細に説明される。しかしながら、センサシステム５０は、８つの電極、または受感軸７０を中心とした電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８の対称環状配置に限定されないことが理解されるべきである。

図２の例では、電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８には、フォーサー信号および／またはピックオフ信号に対応する複数の信号εが供給される。第１電極５４には第１の信号ε_０が供給され、第２電極５６には第２の信号ε_１が供給され、第３電極５８には第３の信号ε_２が供給され、第４電極６０には第４の信号ε_３が供給されることが示されている。同様に、第５の信号ε_４が第５の電極６２に供給され、第６の信号ε_５が第６の電極６４に供給され、第７の信号ε_６が第７の電極６６に供給され、第８の信号ε_７は、第８の電極６８に供給されることが示されている。図２の例は、信号εが電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８の各々に供給されることを示しているが、複数の信号εのうちの適切な一部分が、ピックオフ専用であるいくつかの電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８の例などにおいて、複数のフォーサー電圧εとして電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８のうちの対応する適切な一部分に供給され得ることを理解されたい。

電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８は、複数のフォーサー電圧として供給される複数の信号εの印加に応じて、共振器５２に作用する静電力を提供し得る。それに応答して、複数のフォーサー電圧εの相対位相、つまり静電力の相対位相に基づいて、共振器５２が、電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８に静電的に引き付けられる。複数のフォーサー電圧εは、例えば、一緒に変調され、（例えば、１桁以上にわたる）別々の周波数で印加された２つの別個の組の信号を有し、電極５４，５６，５８，６０，６２，６４に同時に印加される。これにより、共振器５２は、２以上の振動パターンモードの各々において変形される。例えば、第１の組のフォーサー電圧εが、第１の周波数でＮ＝２の振動パターンモードを提供し、第２の組のフォーサー電圧εが、Ｎ＝３の振動パターンモードを提供し得る。複数のフォーサー電圧εの印加に応答する共振器５２の状態は、図３および図４の例において示されている。

図３は、センサシステム５０のＮ＝２の周期的な運動の他の例示的な図１００を示す。共振器５２の弾性特性により、共振器５２は、共振周波数の約半周期でリバウンド（rebound）し得る。それに応答して、共振器５２は、時刻Ｔ＝０に対応する第１の状態と時刻Ｔ＝１／２Ｆ_１に対応する第２の状態との間で振動する。ここで、Ｆ_１は振動パターンの振動周波数である。図３の例において、第１の状態は１０２で示され、第２の状態は１０４で示されている。時刻Ｔ＝０に対応する第１の状態１０２では、共振器５２は、１０６および１０８として示された２つの直交軸に沿って伸長および収縮するように示され、かつ軸１０６および１０８から角度４５°でオフセットされた横軸（quadrature axes）に対応する他の直交軸１１０および１１２が示される。したがって、軸１０６，１０８，１１０，１１２は、電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８によって定義される。図３は、Ｎ＝２の振動パターンモードに対応するフォーサー信号及びピックオフ信号の動き及び印加を示す。

図４は、センサシステム５０のＮ＝３の周期的な運動の例示的な図１５０を示す。共振器５２の弾性特性に起因して、共振器５２は、共振周波数の約半周期でリバウンドし（rebound）得る。それに応答して、共振器５２は、時刻Ｔ＝０に対応する第１の状態と時刻Ｔ＝１／２Ｆ_２に対応する第２の状態との間で振動する。ここで、Ｆ_２は、振動周波数Ｆ_１とは異なる第２の振動パターンモードの振動周波数である。図４の例において、第１の状態は１５２で示され、第２の状態は１５４で示されている。時刻Ｔ＝０に対応する第１の状態１５２において、共振器５２は、電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８によって定義された軸１０６，１０８，１１０，１１２に関連する１５６，１５８，１６０として示された３つの１２０°の軸に沿って伸長および収縮するように示されている。図４では、軸１５６は軸１０８と同一線上にあるように示されている。代替的には、軸１５６は、軸１０６と同一線上にあってもよい。図４の例は、Ｎ＝３の振動パターンモードに対応する第２の振動パターンモードに対応するフォーサー信号及びピックオフ信号の動き及び印加を示しており、図３の例で示されるＮ＝２の振動パターンモードと同時に動作し得る。

図５は、本発明の一態様による３軸ジャイロスコープシステム２００の例を示す。一例として、３軸ジャイロスコープシステム２００は、航空機および／または宇宙船等のための様々なナビゲーション制御システム、またはヨー、ピッチ、およびロール回転運動情報（yaw, pitch, and roll rotational motion information）を監視するためのデバイスのいずれかにおいて具体化され得る。

３軸ジャイロスコープシステム２００は、Ｘ軸のジャイロスコープシステム２０２と、Ｙ軸のジャイロスコープシステム２０４と、Ｚ軸のジャイロスコープシステム２０６と、を含む。一例として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸のジャイロスコープシステム２０２，２０４，２０６は、図１の例の共振型ジャイロスコープ１０と実質的に同様に構成され得る。図５の例では、Ｘ軸のジャイロスコープシステム２０２は、Ｘ軸を中心とした受感軸を有し、Ｙ軸のジャイロスコープシステム２０４は、Ｙ軸を中心とした受感軸を有し、Ｚ軸のジャイロスコープシステム２０６は、Ｚ軸を中心とした受感軸を有し得る。各共振型ジャイロスコープ２０２，２０４，２０６の受感軸は、デカルト座標系（Cartesian coordinate system）２０８によって図５の例において示されている。

図５の例では、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸のジャイロスコープシステム２０２，２０４，２０６の各々は、対応する回転測定値（rotation measurement）ＲＯＴ_Ｘ，ＲＯＴ_Ｙ，ＲＯＴ_Ｚを含む信号を運動センサ（motion sensor）２１０に出力するように示されている。センサ２１０は、３軸ジャイロスコープシステム２００を含む関連する車両または装置の総合的な（aggregate）３軸回転運動を決定するように構成され得る。したがって、３軸ジャイロスコープシステム２００を含む関連する車両または装置のヨー、ピッチ、およびロールが決定され得る。これにより、運動センサ２１０は、３軸ジャイロスコープシステム２００を含む関連する車両または装置の３軸回転動作を表示、出力、および／または報告するように構成され得る。

Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の共振型ジャイロスコープ２０２，２０４，２０６の各々は、対応するコントローラによって提供された複数のフォーサー信号（例えば、フォーサー信号ＦＲＣ）に応じて静電力を生成するように構成された複数の電極を含み、複数の振動パターンモードで対応する共振器の各々の周期的な運動を同時に提供するような対応する共振器の変形または運動を提供することができる。したがって、３軸ジャイロスコープシステム２００は、３つの受感軸のすべてについて回転測定値ＲＯＴ_Ｘ，ＲＯＴ_Ｙ，ＲＯＴ_Ｚを提供し、前述したのと同様に途切れることなくより正確に回転測定値ＲＯＴ_Ｘ，ＲＯＴ_Ｙ，ＲＯＴ_Ｚを提供するために実質的に同時に３つの直交軸のそれぞれで較正され得る。追加的または代替的に、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸のジャイロスコープシステム２０２，２０４，２０６の各々は、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸のジャイロスコープシステムの冗長較正（redundant calibration）または前述したのと同様に冗長的にＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸のジャイロスコープシステム２０２，２０４，２０６に関する回転測定値ＲＯＴ_Ｘ，ＲＯＴ_Ｙ，ＲＯＴ_Ｚを提供することができる。したがって、３軸ジャイロスコープシステム２００は、３つの軸のすべてにおいて較正および測定を提供するために４つまたは６つの別個のジャイロスコープを必要とする典型的な３軸ジャイロスコープシステムの代わりに具体化され得る。

上述の構造的および機能的特徴を考慮して、本開示の様々な態様による方法は、図６を参照することにより、より良く理解されるであろう。説明の簡略化のために、図６の方法は、連続して実行されるように示され説明されているが、本開示によれば、本明細書に示され記述された態様からいくつかの態様が他の態様と異なる順序でおよび／または同時に実施されるため、例示された順序に限定されないことは明らかであり、理解されたい。さらに、本開示の一態様による方法を実施するために例示された特徴の全てが必要とされるわけではない。

図６は、共振型ジャイロスコープ（例えば、共振型ジャイロスコープ１０）を制御するための方法２５０を示す。２５２において、第１の周波数を有する第１の組のフォーサー信号（例えば、複数のフォーサー信号ＦＲＣ_１）が生成される。２５４において、第１の周波数よりも高い第２の周波数を有する第２の組のフォーサー信号（例えば、フォーサー信号ＦＲＣ_２）が生成される。２５６において、第１および第２の組の各組のフォーサー信号は、共振型ジャイロスコープに関連付けられた複数の電極（例えば、複数の電極１８）の少なくとも一部分に同時に供給される。複数の電極は、第１の振動パターンモード（例えば、Ｎ＝２の振動パターンモード）及び第２の振動パターンモード（例えば、Ｎ＝３の振動パターンモード）のそれぞれにおいて同時に共振器の実質的に周期的な運動を提供するように受感軸の周りに配置され得る。２５８において、複数の電極の少なくとも一部分に関連付けられた複数のピックオフ信号（例えば、複数のピックオフ信号ＰＯ）が、共振器の実質的に周期的な運動に応じて測定され、受感軸を中心とした回転を測定する。

上述した事項は、本開示の例である。当然のことながら、本開示を説明する目的で構成要素または方法のすべての考えられる組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本開示の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に含まれるそのような変更、修正、および変形をすべて包含することが意図されている。
以下に、上記各実施形態から把握できる技術思想を記載する。
（付記１）
共振型ジャイロスコープであって、
受感軸の周りに配置され、複数の電極に供給される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的な運動に静電的にさせるように構成された複数の電極を含むセンサシステムであって、前記共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の指示を提供するように構成される前記センサシステムと、
別個の複数の振動パターンモードの各々で共振器の実質的に周期的な運動を提供するための複数のフォーサー信号を同時に生成して、前記実質的に周期的な運動に関連付けられた複数のピックオフ信号に応じて前記共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するように構成されたコントローラと、を備える共振型ジャイロスコープ。
（付記２）
前記共振型ジャイロスコープは、半球共振型ジャイロスコープ（ＨＲＧ）として構成される、付記１に記載の共振型ジャイロスコープ。
（付記３）
多軸ジャイロスコープシステムであって、
前記多軸ジャイロスコープシステムのＸ軸を中心とした回転を測定するように構成された第１の共振型ジャイロスコープと、
前記多軸ジャイロスコープシステムのＹ軸を中心とした回転を測定するように構成された第２の共振型ジャイロスコープと、
前記多軸ジャイロスコープシステムのＺ軸を中心とした回転を測定するように構成された第３の共振型ジャイロスコープと、を備え、
前記第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープの各々は、
Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のうちの対応する軸の周りに配置され、複数の電極に供給される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的な運動に静電的にさせるように構成された複数の電極を含むセンサシステムであって、前記第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のうちの対応する軸を中心とした回転の指示を提供するように構成される前記センサシステムと、
別個の複数の振動パターンモードの各々において共振器の実質的に周期的な運動を提供するための複数のフォーサー信号を同時に生成して、前記実質的に周期的な運動に関連付けられた複数のピックオフ信号に応じて前記第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のうちの対応する軸を中心とした回転を測定するように構成されたコントローラと、を含む、多軸ジャイロスコープシステム。
（付記４）
前記コントローラは、
前記複数の振動パターンモードのうちの第１の振動パターンモードでＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のうちの対応する軸を中心とした回転を測定するとともに、前記複数の振動パターンモードのうちの第２の振動パターンモードで前記第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープのうちの対応する共振型ジャイロスコープを較正すること、および
前記複数の振動パターンモードのうちの第２の振動パターンモードでＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のうちの対応する軸を中心とした回転を測定するとともに、前記複数の振動パターンのうちの第１の振動パターンモードで前記第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープのうちの対応する共振型ジャイロスコープを較正すること、を交互に実行するように構成される、付記３に記載された多軸ジャイロスコープシステム。
（付記５）
前記コントローラは、前記複数の振動パターンモードのうちの第１の振動パターンモードで力再平衡化方法により前記第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のうちの対応する軸を中心とした回転の第１の測定値を供給し、前記複数の振動パターンモードのうちの第２の振動パターンモードで全角度方法により前記第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のうちの対応する軸を中心とした回転の第２の測定値を供給するように構成され、
前記コントローラは、前記第１の測定値と前記第２の測定値とを組み合わせて前記第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のうちの対応する軸を中心とした回転を測定するためのアルゴリズムを実行するようにさらに構成される、付記３に記載された多軸ジャイロスコープシステム。
（付記６）
前記コントローラは、前記振動パターンモードのうちの第２の振動パターンモードで前記第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープのうちの対応する共振型ジャイロスコープの第２の較正を提供するとともに、前記複数の振動パターンモードのうちの第１の振動パターンモードで前記第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープのうちの対応する共振型ジャイロスコープの第１の較正を提供するように構成され、
前記コントローラは、前記第１および第２の較正を組み合わせて、前記第１、第２、及び第３の共振型ジャイロスコープのうちの対応する共振型ジャイロスコープを較正するためのアルゴリズムを実行するようにさらに構成される、付記３に記載された多軸ジャイロスコープシステム。

Claims (15)

1. 共振型ジャイロスコープであって、
   受感軸の周りに配置され、複数の電極に供給される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的な運動に静電的にさせるように構成された複数の電極を含むセンサシステムであって、前記共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の指示を提供するように構成される前記センサシステムと、
   別個の複数の振動パターンモードの各々で共振器の実質的に周期的な運動を提供するための複数のフォーサー信号を同時に生成して、前記実質的に周期的な運動に関連付けられた複数のピックオフ信号に応じて前記共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するとともに同時に、前記共振型ジャイロスコープを較正するように構成されたコントローラと、を備える共振型ジャイロスコープ。
2. 前記複数の振動パターンモードは、第１の周波数を有する第１の振動パターンモードと、前記第１の周波数よりも高い第２の周波数を有する第２の振動パターンモードと、を含む、請求項１の共振型ジャイロスコープ。
3. 前記複数の振動パターンモードは、Ｎ＝２の振動パターンモードと、Ｎ＝３の振動パターンモードと、を含む、請求項１の共振型ジャイロスコープ。
4. 前記コントローラは、前記複数の振動パターンモードのうちの第１の振動パターンモードで前記複数のピックオフ信号に応じて前記共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するとともに同時に、前記複数の振動パターンモードのうちの第２の振動パターンモードで前記共振型ジャイロスコープを較正するように構成される、請求項１の共振型ジャイロスコープ。
5. 前記コントローラは、
   前記振動パターンモードのうちの第１の振動パターンモードで前記共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するとともに、前記複数の振動パターンモードのうちの第２の振動パターンモードで前記共振型ジャイロスコープを較正すること、および
   前記複数の振動パターンモードのうちの第２の振動パターンモードで前記共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するとともに、前記複数の振動パターンモードのうちの第１の振動パターンモードで前記共振型ジャイロスコープを較正すること、を交互に実行するように構成される、請求項４に記載された共振型ジャイロスコープ。
6. 前記コントローラは、前記複数の振動パターンモードのうちの第１の振動パターンモードで力再平衡化方法により前記共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の第１の測定値を供給し、前記複数の振動パターンモードのうちの第２の振動パターンモードで全角度方法により共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の第２の測定値を供給するように構成され、
   前記コントローラは、前記第１の測定値と前記第２の測定値とを組み合わせて前記共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するアルゴリズムを実行するようにさらに構成される、請求項１に記載された共振型ジャイロスコープ。
7. 前記コントローラは、前記振動パターンモードのうちの第２の振動パターンモードで前記共振型ジャイロスコープの第２の較正を提供するとともに、前記複数の振動パターンモードのうちの第１の振動パターンモードで前記共振型ジャイロスコープの第１の較正を提供するように構成され、
   前記コントローラは、前記第１および第２の較正を組み合わせて前記共振型ジャイロスコープを較正するアルゴリズムを実行するようにさらに構成される、請求項１に記載された共振型ジャイロスコープ。
8. 前記コントローラは、前記複数のフォーサー信号を生成して前記受感軸に対して軸対称で前記共振器の振動共鳴運動を提供するように構成される、請求項１に記載の共振型ジャイロスコープ。
9. 多軸ジャイロスコープシステムのＸ軸を中心とした回転を測定するように構成された第１の共振型ジャイロスコープとして構成された請求項１に記載の共振型ジャイロスコープを備える多軸ジャイロスコープシステムであって、
   前記多軸ジャイロスコープシステムのＹ軸を中心とした回転を測定するように構成された第２の共振型ジャイロスコープと、
   前記多軸ジャイロスコープシステムのＺ軸を中心とした回転を測定するように構成された第３の共振型ジャイロスコープと、を備える多軸ジャイロスコープシステム。
10. 共振型ジャイロスコープを制御するための方法であって、
    第１の周波数を有する第１の組のフォーサー信号を生成すること、
    前記第１の周波数よりも高い第２の周波数を有する第２の組のフォーサー信号を生成すること、
    前記共振型ジャイロスコープに関連付けられた複数の電極のうちの少なくとも一部分に前記第１および第２の組のフォーサー信号の各々を同時に供給することであって、前記複数の電極は、第１の振動パターンモードおよび第２の振動パターンモードの各々で同時に共振器の実質的に周期的な動きを提供するように受感軸の周りに配置される、前記第１および第２の組のフォーサー信号の各々を供給すること、
    前記共振器の実質的に周期的な運動に応じて複数の電極の少なくとも一部分に関連付けられた複数のピックオフ信号を測定して、前記受感軸を中心とした回転を測定するとともに同時に、較正信号に応じて前記共振型ジャイロスコープを較正すること、
    を備える方法。
11. 前記共振器の実質的に周期的な運動を提供することは、
    Ｎ＝２の振動パターンモードおよびＮ＝３の振動パターンモードの各々で同時に前記共振器の実質的に周期的な運動を提供することを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記複数のピックオフ信号を測定することは、
    前記第１の振動パターンモードに関連付けられた第１のピックオフ信号に応じて、前記共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するとともに同時に、前記第２の振動パターンモードに関連付けられた複数の第２のピックオフ信号を測定し、前記較正信号に応じて前記共振型ジャイロスコープを較正することを含む、請求項１０記載の方法。
13. 前記複数のピックオフ信号を測定することは、
    第１の持続時間において、前記第１の振動パターンモードに関連付けられた複数の第１のピックオフ信号に応じて前記共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するとともに同時に、前記第２の振動パターンモードに関連付けられた複数の第２のピックオフ信号を測定し、前記較正信号に応じて前記共振型ジャイロスコープを較正すること、
    第２の持続時間において、前記複数の第２のピックオフ信号に応じて前記共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するとともに、前記複数の第２のピックオフ信号を測定し、前記較正信号に応じて前記共振型ジャイロスコープを較正すること、を含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記複数のピックオフ信号を測定することは、
    力再平衡化方法で第１の振動パターンモードに関連付けられた複数の第１のピックオフ信号に応じて共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の第１の測定値を取得するとともに同時に、全角度方法で前記第２の振動パターンモードに関連付けられた複数の第２のピックオフ信号に応じて共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の第２の測定値を取得すること、
    アルゴリズムを用いて前記第１の測定値および前記第２の測定値を組み合わせて前記共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定すること、を含む、請求項１０に記載の方法。
15. 前記複数のピックオフ信号を測定することは、
    前記第１の振動パターンモードに関連付けられた複数の第１のピックオフ信号を測定し、第１の較正信号に応じて共振型ジャイロスコープの第１の較正を取得するとともに同時に、第２の振動パターンモードに関連付けられた複数の第２のピックオフ信号を測定し、第２の較正信号に応じて共振型ジャイロスコープの第２の較正を取得すること、
    アルゴリズムを用いて前記第１の較正および前記第２の較正を組み合わせて前記共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定すること、を含む、請求項１０に記載の方法。