JPH088413Y2 - 速度軸まわりの物体の角回転速度を求める装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この考案は速度軸まわりの物体の
角回転速度を求める装置に関するものである。このよう
な装置は、角速度を測定するための振動ビーム加速度計
と関連して慣性航法システムに使用するのに特に適して
いる。

【０００２】

【従来の技術】周知の或る慣性航法システムでは、所定
の座標軸まわりの角回転速度は、加速度計の高感度軸と
垂直なかつ回転が測定されるべき軸と垂直な軸沿いにア
ナログ加速度計を動かすことによって測定される。例え
ば、回転速度が測定されるべき物体に固定された１組の
Ｘ，ＹおよびＺ座標軸並びにその物体に固定されかつＺ
軸沿いに整列された高感度軸を有する加速度計について
考察しよう。もし物体の角回転ベクトルがＸ軸沿いの成
分を含むならば、Ｙ軸沿いの加速度計の周期性運動は加
速度計によって検知されてＺ方向に作用する周期性コリ
オリ加速度を生じることになる。コリオリ加速度の大き
さはＸ軸を中心とした回転速度に比例する。その結果、
加速度計の出力（代表的な例では電流信号）は、Ｚ軸沿
いに物体のリニア加速度を表す直流成分またはゆっくり
と変化する成分、およびＸ軸まわりの物体の回転を表す
周期性成分を含む。Ｘ方向およびＹ方向に高感度軸を有
しかつＺ軸およびＸ軸沿いにそれぞれ動かされる加速度
計の出力と共に、加速度計出力は処理されてリニア加速
度並びにＸ，ＹおよびＺ軸まわりの角速度を生じること
ができる。そのような信号処理方法は、米国特許第４,
４４５,３７６号および１９８３年９月２日付で出願さ
れた米国特許願第５２８,７７６号“移動物体の慣性特
定力および角速度を測定するための装置並びにこの装置
で特に有用な加速度計アセンブリ”に述べられている。

【０００３】過去において、上述した型式の慣性航法シ
ステムは、検知された加速度に比例する大きさを有する
アナログ出力信号例えば電流信号を発生する加速度計を
用いていた。周知の別な型式の加速度計は、検知された
加速度に関連した周波数を有する出力信号を発生する。
そのような周波数出力加速度計の一例は振動ビーム加速
度計である。振動ビーム加速度計では、標準質量は屈曲
関節などによって支持されかつ加速度計の高感度軸沿い
に延びる振動ビーム力検知要素によって支持される。力
検知要素は、これをその共振周波数で振動させるドライ
ブ回路に結合される。高感度軸沿いの加速度は、標準質
量をして力検知要素に張力または圧縮力をかけさせる。
振動弦に似た仕方で、力検知要素にかかる張力はその共
振周波数を上げさせるが、力検知要素にかかる圧縮力は
その共振周波数を下げさせる。力検知要素は従って加速
度信号で搬送波信号を周波数変調する力／周波数変換器
として作動されることができ、搬送波信号は力検知要素
のゼロ加速度共振周波数である。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】振動ビーム加速度計の
利点は、その出力信号が本来デジタルであるのでマイク
ロプロセッサ使用慣性航法システムに都合良く組み込ま
れ得ることである。しかしながら、角速度センサとして
振動ビーム加速度計を使用するには、コリオリ加速度に
由来する加速度が加速度計を収容する物体のリニア加速
度から分離されるように出力信号を処理するための技術
が開発される必要がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】一面では、この考案は、
速度軸まわりの物体の角回転速度を測定するための装置
を提供する。この装置は、第１および第２の加速度計
と、運動手段と、処理手段とを備える。第１および第２
の加速度計は、これらの高感度軸が検知軸と平行であ
り、この検知軸が速度軸と垂直である。第１および第２
の加速度計は第１および第２の出力信号をそれぞれ発生
するようになっており、各出力信号はそれぞれの加速度
計がその高感度軸沿いに受けた加速度に相当する周波数
を有している。運動手段は、周期性運動信号を発生する
ための手段、並びに運動信号に応じて速度軸および検知
軸と垂直な運動軸沿いに加速度計を周期的に動かすため
の手段を含む。各加速度計の出力信号は、従って周期性
コリオリ成分を含む。処理手段は、コリオリ成分が或る
極性を有する１つ以上の第１期間およびコリオリ成分が
反対の極性を有する１つ以上の第２期間を定めるように
働く基準信号を発生するための手段を備える。第１期間
と第２期間が一緒になって運動信号の１つ以上の完全な
期間を形成する。処理手段は、更に、第１期間中の出力
信号の位相変化と第２期間中の出力信号の位相変化との
差を表す位相値を各出力信号毎に測定するための手段、
位相差を互いに加算、減算してそれぞれ位相和値、位相
差値を求めるための手段、および位相和値と位相差値を
直線的に組み合わせて速度軸のまわりの物体の各回転速
度を表す値を測定するための手段を備える。

【０００６】

【実施例】図１に概略図で示した慣性航法システムを例
にとってこの考案の原理を開示する。座標軸Ｘ，Ｙおよ
びＺは、リニア加速度および回転速度が測定されるべき
物体に固定される。この物体の角回転速度はベクトルΩ
で定められ、かつ物体に作用するリニア加速度すなわち
特定の力はベクトルＡで定められる。一般に、Ωおよび
Ａは両方共、時間の経過につれて変わりかつ下記のよう
に表わせる。

【０００７】

【数１】

【０００８】ここで、ｉ，ｊ，ｋはそれぞれＸ軸，Ｙ
軸，Ｚ軸沿いの単位ベクトルである。

【０００９】図１の慣性航法システムは、装架装置１４
に支持された振動ビーム加速度計１０および１２を含
む。これら加速度計は背中合わせに装架され、加速度計
１０の高感度軸１６はＺ軸沿いに正方向に向けられかつ
加速度計１２の高感度軸１８はＺ軸沿いに負方向に向け
られる。装架装置１４は平行４辺形状をしており、Ｙ軸
に平行でピボット３１〜３４を介して一対の結合部材２
４および２６に連結されている支持部材２０および２２
を含む。結合部材２４，２６は中央ピボット３６，３８
において適当な支持構体に装架される。支持部材２０お
よび２２は適当な駆動機構に連結され、この駆動機構は
中央ピボット３６，３８を中心にして結合部材２４，２
６を周期的に（例えば正弦波状に）振動させ、もってＹ
軸沿いに支持部材および加速度計を振動させる。加速度
計１０の振動動作は加速度計１２の振動動作と逆相であ
り、例えば加速度計１０が正Ｙ方向に動いている時に加
速度計１２は同一速度で負Ｙ方向に動いている。図１に
示した平行４辺形構体を実施するための装置は、米国特
許第４,５１０,８０２号に述べられている。

【００１０】この考案は、図１に示した背中合わせ構造
に制限されず、１個以上の加速度計が高感度軸と垂直な
軸沿いに振動させられるか或は高感度軸と垂直な平面に
おいて回転させられる全ての装置に適用可能であること
を理解されたい。多数のそのような装置は、上述した米
国特許第４,４４５,３７６号および１９８３年９月２日
に出願された米国特許願第５２８,７７６号に述べられ
ている。

【００１１】加速度計１０および１２の、Ｙ軸沿いの周
期性振動はＸ軸を中心とする物体の回転速度と相互に影
響し合って、Ｚ方向沿いに作用するコリオリの力を生じ
る。各加速度計１０，１２の力は、従ってＺ軸沿いの物
体のリニア加速度に由来する第１の成分Ａ_Zおよび回転
速度に比例する第２の成分Ω_Xを含む。コリオリ信号か
らリニア加速度信号を分離する仕方は下記の通りであ
る。代表的な慣性航法システムでは、同様に、Ｘ方向、
Ｙ方向に向いた高感度軸を有する加速度計対が装架され
かつそれぞれＺ方向、Ｘ方向沿いに振動させられる。

【００１２】図２に示すように、加速度計１０は、標準
質量４０、力検知要素４２、ドライブ回路４４および支
持体４６を含む慣用の振動ビーム加速度計であり得る。
力検知要素は、米国特許第４,２１５,５７０号に例示さ
れたように両頭同調フォーク構造の水晶であることが望
ましい。ドライブ回路４４は力検知要素を特定の共振周
波数ｆ₁で振動させ、かつドライブ回路４４の出力はそ
のような周波数での信号Ｓ₁である。標準質量４０は屈
曲関節４８によって支持体４６に装架され、この屈曲関
節はこれを通りかつ図２の図面の平面と垂直な軸を中心
として標準質量を動かす。力検知要素４２は、Ｚ軸と平
行に配列され、その一端が支持体４６に取り付けられか
つその他端が標準質量４０に取り付けられる。

【００１３】加速度計１２は、事実上加速度計１０の鏡
像でありかつ標準質量５０、力検知要素５２、ドライブ
回路５４、支持体５６および屈曲関節５８を含む。ドラ
イブ回路５４は、力検知要素５２を特定の共振周波数ｆ
₂で振動させかつこのような周波数で出力信号Ｓ₂を発生
する。Ｚ軸沿いの加速度は各標準質量をしてそれぞれの
力検知要素に張力また圧縮力を作用させ、これは力検知
要素の共振周波数を増減させる。各力検知要素は、従っ
て搬送波信号を加速度信号で周波数変調する力／周波数
変換器として作動する。この搬送波信号は力検知要素の
ゼロ加速度共振周波数である。図２に示した構成では、
加速度計の力検知軸は逆並列すなわち互いに反対の方向
に向けられ、かつＺ軸沿いの所定加速度は一方の力検知
要素に圧縮力をそして他方の力検知要素に張力をかける
ことになる。周波数ｆ₁およびｆ₂は、従ってＺ軸沿いの
所定のリニア加速度に応じて反対の方向で変わる。

【００１４】説明を再び図１に戻して、加速度計１０お
よび１２を各々振幅ρおよび角周波数ωでＹ軸沿いに正
弦波状に振動させるとしよう。加速度計１０で検知され
る総加速度ａ₁は下記の式で表される。

【００１５】

【数２】

【００１６】ただし、Ａ_ZはＺ軸沿いのリニア加速度で
あり、そして第２項は角速度Ω_XでＸ軸を中心とした回
転および振幅ρおよび角周波数ωでＹ軸沿いの振動の結
果として加速度計１０が受けたコリオリの加速度を表
す。式(3)において、加速度計１０の、Ｙ軸沿いの運動
はsinωtと同期しており、すなわち加速度計はｔ＝０に
おいて振動の中点にあるとしよう。コリオリの加速度は
速度従ってcosωtに比例する。加速度計１２で検知され
る加速度は下記のように表される。

【００１７】

【数３】

【００１８】式(3)および(4)中のリニア加速度項は、高
感度軸１６と１８の方向が反対なので互いに逆の記号を
もっている。加速度計１０および１２のコリオリ項は同
一の記号をもっている。その理由は、加速度計の高感度
軸と振動の両方が互いに反対であり、これによりそれぞ
れの高感度軸に対して同一方向のコリオリ加速度を生じ
るためである。

【００１９】力／周波数変換器としての各加速度計の動
作は下記のように表される。

【００２０】

【数４】

【００２１】ただし、ｆ₀₁，ｆ₀₂はそれぞれ出力信号Ｓ
₁、Ｓ₂のゼロ負荷周波数であり、そしてｋ₁₁、ｋ₁₂、ｋ
₂₁およびｋ₂₂は定数である。式(3)および(4)を式(5)お
よび(6)と組み合わせると下記のようになる。

【００２２】

【数５】

【００２３】下記の４つの積分を定めることにより式
(7)および(8)はもっと有用な形態に変換され得る。

【００２４】

【数６】

【００２５】時点ｔ₁，ｔ₂およびｔ₃は図３に例示した
仕方で選択され得る。図３では、機能sinωtおよびcos
ωtは１振動サイクル２π／ωに亘って時間の関数とし
て示される。図示のように、期間ｔ₁〜ｔ₃は完全な１振
動サイクルであり、期間ｔ₁〜ｔ₂は機能cosωtが一極性
（例えば正）をもつ振動サイクルの一半であり、そして
期間ｔ₂〜ｔ₃は機能cosωtが反対の極性をもつ振動サイ
クルの他の一半である。このように、この例では、時点
ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃の特定値はそれぞれ−π／２ω，＋π／
２ω，３π／２ωである。機能cosωtが１極性をもつ１
つ以上の完全な振動サイクルの半分を１つの積分または
１組の積分が包含する反面、機能cosωtが反対の極性を
もつそのような振動サイクルの半分を第２の積分または
２組目の積分が包含するかぎり、他の積分および時間制
限は同等の効果で使用され得ることが理解されよう。

【００２６】式(7)〜(12)を組み合わせると下記のよう
になる。

【００２７】

【数７】

【００２８】ここで、

【００２９】

【数８】

【００３０】である。

【００３１】式(9)〜(12)と(13)〜(16)を組み合わせる
と、

【００３２】

【数９】

【００３３】となり、これらから

【００３４】

【数１０】

【００３５】となる。

【００３６】角速度Ω_Xは、下記のように１振動サイク
ルに亘るＸ軸まわりの角度化△θ_Xに変換され得る。

【００３７】

【数１１】

【００３８】式(9)および(10)から式(31)中の積分式Ｉ
₁₁−Ｉ₁₂およびＩ₂₁−Ｉ₂₂は下記のとおりである。

【００３９】

【数１２】

【００４０】所定の期間に亘る信号の周波数の積分は、
そのような期間に亘る信号の位相変化に等しい。式(33)
中の第１番目のカッコ項は、従って振動サイクルの第１
番目の半分に亘る信号Ｓ₁の位相変化からその振動サイ
クルの第２番目の半分に亘る同一信号の位相変化を差し
引いたものに等しいと理解され得る。式(33)中の第２番
目のカッコ項は信号Ｓ₂のための同様な表現である。同
様な２つのカッコ項は式(34)にも現れるが、式(34)では
ｆ₁のカッコ項からｆ₂のカッコ項が差し引かれる。

【００４１】量（Ｉ₁₁−Ｉ₁₂）および（Ｉ₂₁−Ｉ₂₂）の
決定は図４に概念的に示される。時点ｔ₁，ｔ₂およびｔ
₃が定まると、式(33)，(34)中の各カッコ項は機能ＳＧ
Ｎcosωt（ＳＧＮは“記号”を表す）で復調されたそれ
ぞれ機能ｆ₁またはｆ₂に相当する。図４において、信号
Ｓ₁，Ｓ₂はそれぞれ復調器６０，６２によって機能ＳＧ
Ｎcosωtで復調される。復調された信号ｄ₁およびｄ₂は
式(33)および(34)中のカッコ式に相当し、これら信号は
加算点６４，６６に入力される。加算点６４は信号ｄ₁
とｄ₂を加算して式(33)の量（Ｉ₁₁−Ｉ₁₂）を生じ、か
つ加算点６６は信号ｄ₁とｄ₂を減算して式(34)の量（Ｉ
₂₁−Ｉ₂₂）を生じる。量（Ｉ₁₁−Ｉ₁₂）は、１振動サイ
クルに亘る復調信号ｄ₁およびｄ₂の位相変化の和に等し
いので、位相変化和Σφ_dとして表させる（ただし、添
字ｄは位相か復調信号ｄ₁およびｄ₂の位相に言及するこ
とを示す）。量（Ｉ₂₁−Ｉ₂₂）は位相変化差△φ_dとし
て表せ、ここでも添字ｄは位相が復調信号ｄ₁およびｄ₂
の位相であることを示す。従って、式(32)は下記のよう
に書き直せる。

【００４２】

【数１３】

【００４３】ただし、Σφ_dおよび△φ_dは上述したよう
に定められ、かつａおよびｂは定数である。

【００４４】上述したのと同様な誘導は、下記のように
１振動サイクル中リニア加速度Ａ_Zおよび速度変化△Ｖ_Z
を決定するために使用され得る。

【００４５】

【数１４】

【００４６】ただし、積分式Ｉ₁₁＋Ｉ₁₂およびＩ₂₁＋Ｉ
₂₂は下記のとおりである。

【００４７】

【数１５】

【００４８】式(37)および(38)中の各積分は、全振動サ
イクル中の加速度計出力信号の一方Ｓ₁またはＳ₂の位相
変化である。量（Ｉ₁₁＋Ｉ₁₂）は従って１振動サイクル
中の出力信号の位相変化の和を表すが、量（Ｉ₂₁＋
Ｉ₂₂）は１振動サイクル中の出力信号の位相変化の差を
表す。位相差、位相和をそれぞれ△φ，Σφで表せば、
式(36)は下記のように書き直せる。

【００４９】

【数１６】

【００５０】ここで、△φおよびΣφは復調された出力
信号ｄ₁およびｄ₂よりもむしろ出力信号Ｓ₁およびＳ₂自
体であり、Ｔは１振動サイクルであり、そしてＡ，Ｆお
よびＢは定数である。式(39)は、角速度センサを超える
用途を有しかつ発明者レックス・ビー・ピーター（Rex
B.Peters）および名称“速度変化出力を有する加速度
計”で本願と同時に出願された米国特許願第７８９,７
５２号に述べられているようにプッシュ・プル形態に構
成された周波数出力加速度計で有用である。

【００５１】式(31)〜(39)は図５に示された装置によっ
て実施され得る。この装置はドライブ信号発生器６８お
よびデータ・プロセッサ７０を含み、このデータ・プロ
セッサ７０はタイミング兼制御回路７５、ゲーテッド・
アップ／ダウン・カウンタ７１および７２、アップ・カ
ウンタ７３および７４、並びにマイクロプロセッサ８０
を有する。タイミング兼制御回路７５は振動サイクル２
π／ωを定めるのに役立つタイミング信号をライン６９
に発生し、このタイミング信号はマイクロプロセッサ８
０内のクロックからライン８２を通して導出される。そ
のようなタイミング信号は、ドライブ信号発生器６８で
受けられかつ正弦波状ドライブ信号sinωtをライン７６
に発生するのに使用される。ライン７６上のドライブ信
号は加速度計アセンブリ１４で受けられる。この加速度
計アセンブリ１４は、加速度計１０および１２を含みか
つこれら加速度計を角周波数ωおよび振幅ρでＹ軸沿い
に正弦波状に振動させる。ドライブ信号sinωtを加速度
計１０および１２の振動に変換するための適当な手段は
上述した米国特許第４,５１０,８０２号に述べられてい
る。

【００５２】加速度計出力信号Ｓ₁，Ｓ₂は、各加速度計
が受けた総加速度に相当するそれぞれ周波数ｆ₁，ｆ₂を
もつ。アップ・カウンタ７３は加速度計１０からの信号
Ｓ₁のサイクル数を計数する。各サイクルは信号Ｓ₁中の
２πの位相変化に相当する、１振動サイクル２π／ω中
（または複数の振動サイクルから成る期間中）にアップ
・カウンタ７３に累積されたカウントは、従ってそのよ
うな期間中の信号Ｓ₁の総位相変化に相当する。位相変
化が時間についての周波数の積分であるので、アップ・
カウンタ７３中に貯えられたカウントは式(37)および(3
8)中の第１番目の積分に相当する。

【００５３】ゲーテッド・アップ／ダウン・カウンタ７
１は信号Ｓ₁を受けると共にタイミング兼制御回路７５
からライン７８を通してゲート信号も受ける。ゲート信
号は、機能ＳＧＮcosωtを表す信号ならどんな信号でも
良い。例えば、ゲート信号はｔ₁からｔ₂まで（−π／２
ωないしπ／２ω）の第１半サイクル中正でかつｔ₂か
らｔ₃まで（π／２ωないし３π／２ω）の第２半サイ
クル中負にし得る。ゲーテッド・アップ／ダウン・カウ
ンタ７１は、ゲート信号に応じて第１半サイクル中一方
向（例えばアップ方向）そして第２半サイクル中反対の
方向（例えばダウン方向）に信号Ｓ₁のサイクル数を計
数する。ゲーテッド・アップ／ダウン・カウンタ７１に
貯えられたカウントは、従って式(33)および(34)中の第
１のカッコ項に相当する。アップ・カウンタ７４は加速
度計１２からの信号Ｓ₂のサイクル数を計数し、かつそ
の１振動サイクル中の累積カウントはその間の信号Ｓ₂
の総位相変化に相当する。アップ・カウンタ７４に貯え
られたカウントは、従って式(37)および(38)中の第２の
積分に相当する。ゲーテッド・アップ／ダウン・カウン
タ７２は信号Ｓ₂を受けると共にライン７８を通してゲ
ート信号も受ける。ゲーテッド・アップ／ダウン・カウ
ンタ７２は振動サイクルの後続半サイクル中信号Ｓ₂の
サイクル数を交互にアップ計数、ダウン計数する。ゲー
テッド・アップ／ダウン・カウンタ７２に貯えられたカ
ウントは、従って式(33)および(34)中の第２のカッコ項
に相当する。これらカウントの出力はバス８４を通して
マイクロプロセッサ８０へ入力され、そしてこのマイク
ロプロセッサ８０は累積カウントを周期的に決定しかつ
式(35)，(39)によりそれぞれ角変化△φ_X、速度変化△
Ｖ_Zを決定する。

【００５４】もしアップ・カウンタ７３および７４にカ
ウントが不定に累積されるならば、オーバフロウが起こ
る可能性がある。この問題は、カウンタを周期的にリセ
ットしてその累積カウントをマイクロプロセッサ８０へ
転送することによって避けられる。アップ・カウンタ７
３および７４からの累積カウントは、式(39)の△φおよ
びΣφを決定するためにマイクロプロセッサ８０で使用
される。量Σφが理論上はマイクロプロセッサ８０内で
オーバフロウを受けるので、そのようなオーバフロウは
量ＦＴ＋ＢΣφを周期的に計算しかつ記憶することによ
って防がれ得る。後者の量は大きさが本来制限される。
その理由は、それがＡ△φで表された速度変化に対する
直線性の補正を表すためである。

【００５５】図５に示したアップ／ダウン・カウンタ以
外の技術を用いて図４の復調器６０および６２で表され
た復調機能を行えることを理解されたい。例えば、マイ
クロプロセッサ８０は、各振動サイクル中少なくとも２
回カウンタ７１および７３の内容をサンプリングできか
つそのサイクル中第１サンプルのカウントから各サイク
ル中の第２サンプルのカウントを減算する。この場合、
ＳＧＮcosωtを表す基準信号は、マイクロプロセッサ内
部にありかつサンプリング時間を決定するためにマイク
ロプロセッサによって使用される。

【００５６】図５に示した装置は、リニア加速度信号か
らのコリオリ信号を復調するのみならず、基準信号（そ
の周波数はＦＭ搬送波よりもはるかに低い）に対して同
期（すなわち同相）変調される情報をＦＭ信号が含む場
合はいつでも適している用途が沢山ある。しかしなが
ら、幾らかの用途では、図５に示した装置は代表的な慣
性航法システム用装置に注目することによって理解され
得る分解能に制限があり、振動周波数は１００Ｈｚで良
くかつ周波数ｆ₁およびｆ₂は４０ｋＨｚ程度で良い。従
って、１振動サイクル中にわずか約４００サイクルの信
号Ｓ₁およびＳ₂がある。もしフルスケールが信号Ｓ₁お
よびＳ₂中の１０％の周波数偏移に相当するならば、１
振動サイクルに亘るパルス差は４００サイクルの約６％
すなわち２４サイクルを超えることができない。従っ
て、単一の振動サイクル中、１サイクルの差分は４％フ
ルスケールの割合を示す。信号Ｓ₁およびＳ₂が振動サイ
クルと同期していないと仮定すれば、この分解能は充分
長い期間に亘ってカウントを累積することで改良され得
る。しかしながら、もし回転速度のフルスケールが２０
０°／秒ならば、１°／時の回転速度は正味１パルスす
なわちゲーテッド・アップ／ダウン・カウンタ中の正味
１カウントに対して１０００振動サイクル以上必要であ
る。もし振動周波数が１００サイクル／秒であるなら
ば、１°／時の精度まで測定するのに要する期間は従っ
て約３０秒である。

【００５７】分解能の問題の根源は、図５に示した装置
が２πの増分で位相変化のみを測定することである。分
解能を改良するためのハードウェア技術は、図６に示す
ように位相ロック・ループを使って信号Ｓ₁およびＳ₂の
周波数を増すことである。位相ロック・ループ９０は信
号Ｓ₁を受け、かつ位相ロック・ループの出力は÷Ｎ回
路９２を通して位相ロック・ループの電圧制御発振器の
入力側に帰還される。位相ロック・ループ９０からの出
力信号は、従って入力周波数ｆ₁に対して周波数Ｎｆ₁を
もつ信号となる。同様に、位相ロック・ループ９４およ
び÷Ｎ回路９６は信号Ｓ₂を周波数Ｎｆ₂の信号に変換す
るのに使用される。この技術は、一般に、位相決定の精
度を係数Ｎだけ増大する。安定性には電圧制御発振器サ
ーボ系のコーナー周波数が入力周波数ｆ₁およびｆ₂より
もはるかに低いことが必要であり、精度にはこれが振動
周波数ωよりも大きいことが必要である。これら２つの
周波数が代表的な例では係数４００だけ相違するので、
これら状態は一般に容易に合致する。

【００５８】分解能を増大するのにソフトウェアに頼っ
た解決策は図７のＡおよびＢに略図で示されている。図
７のＡでは、曲線１００は加速度計１０および１２の振
動速度すなわち式(3)および(4)中のcosωtコリオリ加速
度項を表す。図７のＡは時点ｔ₁からｔ₃までの１振動サ
イクルを例示する。上述したように、ゲーテッド・アッ
プ／ダウン・カウンタ７１および７２は、振動サイクル
の前半すなわち時点ｔ₁からｔ₂までカウント・アップ
し、その後時点ｔ₂からｔ₃まで振動サイクルの後半の間
カウント・ダウンするようになっている。図７のＡの時
間軸沿いのマークは出力信号（例えば信号Ｓ₁）の１つ
のフルサイクルを表し、そのような出力信号の、振動周
波数ωに対する周波数ｆ₁は例示し易いので減少され
る。理想的には、時点ｔ₁，ｔ₂およびｔ₃は各々Ｓ₁サイ
クルの終わりに相当する。その場合には、Ｓ₁信号のフ
ルサイクルだけを計数するのに分解能の損失がない。し
かしながら、信号Ｓ₁およびＳ₂の周波数ｆ₁およびｆ
₂は、一般に、連続して変化しているので、振動周波数
と同期され得ない。図７のＡに示したように、振動サイ
クルの前半はＳ₁信号の２つのフルスケールの間、例え
ば図７のＢの拡大図に示すように時点Ｔ₁とＴ₂の間で終
わる。時点Ｔ₁から時点ｔ₂での振動サイクルの前半の終
わりまでの期間Ｐ₁中に起きるＳ₁サイクルの分数値およ
び時点ｔ₂から時点Ｔ₂までの期間Ｐ₂中に起きるＳ₁サイ
クルの対応した分数値を決定することの１つとして問題
が見られ得る。信号Ｓ₁（またはＳ₂）の１サイクルによ
って占められた振動サイクルの分数値が比較的小さいの
で、そのような出力信号期間中の位相変化は優れた近似
に対する時間のリニア関数である。期間Ｐ₁およびＰ₂中
に起きるサイクルの分数値は、従って基準として高周波
クロックを使用するリニア補間で確立され得る。そのよ
うな高周波クロックは、期間Ｐ₁およびＰ₂を測定しかつ
得られた分数カウントを対応するカウンタ中に累積され
たカウントの整数へ加える。分解能の改良は、信号Ｓ₁
およびＳ₂の周波数に対するクロック周波数の比であ
る。４０ｋＨｚの範囲の出力信号周波数では、６ＭＨｚ
のクロックが分解能を大体１５０：１改良する。

【００５９】リニア加速度信号からコリオリ信号を分離
するための上述した技術は、唯一の加速度計が所定の軸
沿いに振動させられる場合に適用され得る。そのような
装置では、デュアル加速度計の場合について上述したの
と同様な誘導によりΩ_Xのための下記の式が得られる。

【００６０】

【数１７】

【００６１】ここで、ｆは唯一の加速度計出力信号の周
波数を表し、そしてｋ₁，ｋ₂は式(5)中のそれぞれ
ｋ₁₁，ｋ₁₂に相当する。この実施例では、角速度Ω
_Xは、ｋ₂がリニア加速度項Ａ_Zにくらべて極めて小さい
ときだけ、加速度計出力から抽出され得る。しかしなが
ら、もし例えば非振動性加速度計からＡ_Zが得られるな
らば、式(39)は角速度を決定するのに使用され得る。振
動軸沿いの唯一の加速度計を振動させるための適当な技
術は、上述した１９８３年９月２日付の米国特許願第５
２８,７７６号に述べられている。

【００６２】

【考案の効果】コリオリ項２ρΩ_Xcosωtに加えてsinω
tに比例する項を含むように式(3)および(4)が補正され
るならば、式(31)中の結果は不変である。これは、ここ
に述べた技術が米国特許第４,４４５,３７６号に述べら
れた技術のようなsinωtに関連した誤差項で影響されな
いことを示す。特に、１積分サイクルに亘って一定であ
る信号からのみならず、情報信号に対して直角位相にあ
る他の周期性信号からも、基準信号と同相である周期性
情報信号を分離するのにこの技術は使用され得る。逆
に、情報信号に対して基準信号を１／４サイクルだけシ
フトするだけで直角信号のみ復調できる。この能力は、
米国特許第４,５１０,８０２号に述べられた位相および
整列校正機能および発明者レックス・ビー・ピーター
（Rex B.Peters）、名称“角速度センサの自動連続ゼロ
化“で本願と同時に出願された米国特許願第７８９,６
５５号に述べられた自動ゼロ化機能を達成するための手
段を提供する。

【００６３】この考案の望ましい実施例を例示して説明
したが、種々の変形例が当業者には明らかであることを
理解されたい。従って、この考案は図示して説明した特
定の実施例に制限されず、かつこの考案の真の範囲およ
び精神は請求の範囲を参照して決定されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案に係る慣性航法システムの部分概略図
である。

【図２】互いに逆並列な高感度軸を有する２個の振動ビ
ーム加速度計の概略図である。

【図３】振動サイクルの第１半サイクルと第２半サイク
ルを選択する仕方を例示するグラフ図である。

【図４】出力信号を復調しかつ復調された信号を組み合
わせて△φおよびΣφを発生する仕方を例示する概念図
である。

【図５】加速度計出力信号から角速度を測定するための
装置のブロック図である。

【図６】出力信号の周波数を増大するための手段を例示
するブロック図である。

【図７】出力信号の分数値期間を測定するための補間技
術を説明する図である。

【符号の説明】

Ｘ 速度軸 Ｙ 運動軸 Ｚ 検知軸 Ｓ₁ 第１の出力信号 Ｓ₂ 第２の出力信号 １０ 第２の加速度計 １２ 第２の加速度計 １６，１８ 高感度軸 ４４，４５ ドライブ回路 ６８ ドライブ信号発生器 ７１，７２ ゲーテッド・アップ／ダウン・カウンタ ７３，７４ アップ・カウンタ ７５ タイミング兼制御回路 ８０ マイクロプロセッサ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 速度軸まわりの物体の角回転速度および
   前記速度軸と垂直な検知軸沿いの前記物体のリニア加速
   度を求めるための装置であって、 前記検知軸と平行にそれぞれ高感度軸を有しかつ第１お
   よび第２の出力信号であって、その各々がそれぞれの加
   速度計でその高感度軸沿いに受けた加速度に相当する周
   波数を有するものをそれぞれ発生するようになっている
   第１および第２の加速度計と、 周期性運動信号を発生するための手段、並びに前記運動
   信号に応じて前記速度軸および前記検知軸と垂直な運動
   軸沿いに前記第１および第２の加速度計を周期的に動か
   すための手段を含み、これにより各出力信号が周期性コ
   リオリ成分を含む運動手段と、 前記コリオリ成分が或る極性を有する１つ以上の第１期
   間および前記コリオリ成分が反対の極性を有する１つ以
   上の第２期間を定めるために働く基準信号を発生するた
   めの手段、前記第１期間中の出力信号の位相変化と前記
   第２期間中の出力信号の位相変化との差を表す第１位相
   値および前記第１期間と前記第２期間が前記運動信号の
   １つ以上の完全な期間となるこの期間中の前記出力信号
   の位相変化を表す第２位相値を各出力信号毎に求めるた
   めの手段、並びに前記速度軸まわりの前記物体の角回転
   速度を表す第１出力値および前記検知軸沿いの前記物体
   のリニア加速度を表す第２出力値を前記位相値から求め
   るための手段を含む処理手段と、 を備えた装置。