JPH10260056A - 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

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JPH10260056A
JPH10260056A JP10034927A JP3492798A JPH10260056A JP H10260056 A JPH10260056 A JP H10260056A JP 10034927 A JP10034927 A JP 10034927A JP 3492798 A JP3492798 A JP 3492798A JP H10260056 A JPH10260056 A JP H10260056A
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resonator
voltage
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frequency
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アンソニー・マシューズ
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ジェイ・スコット・ダーリン
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ガイ・トーマス・バーティ
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    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/567Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode
    • G01C19/5691Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially three-dimensional vibrators, e.g. wine glass-type vibrators

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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動性回転センサを制御しかつ読出すための
方法を提供する。 【解決手段】 1個または2個以上の電極が共振器の表
面に装着され、1つの出力ポートに接続される。ハウジ
ングは、共振器電極に極めて近接する複数の装着された
電極を有する。振動性回転センサを制御しかつ読出す方
法は、駆動電圧をハウジング電極に印加するステップ
と、定在波のパラメータを、共振器の出力ポートから現
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。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。駆
動電圧に含まれる励起電圧および強制駆動電圧は共振器
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。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【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」(VibratoryRotation Sensor with AC Forcing a
nd Sensing Electronics )と、マシューズ(Matthew
s)、バーティ(Varty )、リ(Li)、およびリンチ(L
ynch )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 Whole-Angle Track
ing )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 Rota
tion 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5.8
cm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。A
C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
270 から得られ、ここで添字は電流が生じる電極のx
軸に対する角度位置を識別する。同様に、y軸の信号I
y は、組合せI45−I 135 +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を支持
するハウジングを含む振動性回転センサと、多重化電子
部品を利用してそのようなセンサを制御しかつ読出すた
めの方法とである。共振器は、複数の定在波モードにお
いて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。1個または2個以上の電極が共振器の表面に
装着され、互いに電気的に接続され、かつ共振器信号が
現われる1つ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
接する複数の装着された電極を有する。
【0012】振動性回転センサを制御しかつ読出すため
の方法は、複数の駆動電圧を発生するステップと、駆動
電圧をハウジング電極に印加するステップと、1つまた
は2つ以上の定在波のパラメータを、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。
【0013】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、励
起電圧、または強制駆動電圧、またはその両方を含んで
もよい。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。
【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−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。定在波のパラ
メータを抽出するために、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。
【0015】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。
【0016】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。
【0017】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。
【0018】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。
【0019】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パラメータを抽出
するプロセスは、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
うことによって定在波のパラメータを定めることを含
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】
【好ましい実施例の説明】この発明は、制御および読出
が多重化電圧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。
【0025】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、図に示されるx軸およびy軸に関
して説明することができる。同相定在波に対する図2に
示され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は振動周波数である。同相波腹軸の角度位置また
は位置角度は、x軸から右回りに測定されるθである。
直角位相定在波に対す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
すると仮定し、直角位相波腹軸は同相波腹軸から右回り
に45度外されている。
【0026】共振器の内表面に堆積された円周上に連続
した共振器電極42は、マルチプレクサ48によって供
給される方形波電圧VB によってバイアスされる。VB
の符号は、周期的に反転し、再平衡する力のモードで動
作する場合にイオン移動およびVRSスケールファクタ
における大きな変動を避けるようにする。この目的を達
成するために、方形波周波数は好ましくは少なくとも数
Hzでなければならない。方形波周波数を共振器の振動
周波数と等しくすると、設計上便利な点が生じることも
ある。強制駆動電圧が連続して印加されない場合、強制
駆動電圧が存在しない際のVB の大きさはゼロに等しく
設定してもよい。
【0027】共振器電極42は、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
する。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
yn(t)が供給され、ここでは下の式(1)のとおり
である。励起電圧の好ましい実施例は正弦曲線cos
(ωx t+ψx )およびcos(ωy t+ψy )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(ωx t+ψx )を利用してもよい。励起
電圧Vmx(t)cos(ωx t+ψx )およびV
my(t)cos(ωyt+ψy )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ωx およびωy ならびに位相ψx およびψy 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
cx(t)Uxp(t)、Vcx(t)Uxn(t)、V
cy(t)Uyp(t)、およびVcy(t)Uyn(t)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U
xp(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
られた関数であり、VB の符号反転に同期して符号が反
転する。たとえば、Vcx(t)Uxp(t)によって共振
器42に働く力は[VB −Vcx(t)Uxp(t)]2
比例する。VB およびVcx(t)は同期して符号が反転
するため、符号反転は共振器に働く力に何の影響も及ぼ
さない。
【0028】
【数1】
【0029】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(2)によって
与えられ、ここでは下の式(3)が当てはまる。容量C
xp、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
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(2)、(3)では無視してい
る。容量は下の式(4)で与えられ、ここで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cos(ωt+φ)に関す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。di およびdq の高位
を含む項は下の式(4)では無視されている。
【0030】
【数2】
【0031】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(5)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(6)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
(7)および式(8)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、ω、およびφを含むからである。
【0032】
【数3】
【0033】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Vmx(t)、Vmy(t)、Vcx(t)、
およびVcy(t)の形ならびにωx 、ωy 、ψx 、およ
びψy の値に依存する。
【0034】周波数分割多重化では、Vmx(t)、Vmy
(t)、Vcx(t)、およびVcy(t)はすべて定数に
等しく、ωx 、ωy 、および|ωx −ωy |は、ほぼ6
ωより大きく、ψx およびψy 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(ωx t+ψx )に関して行ない、他
方はcos(ωy t+ψ y )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
FDMy(t)であり、これは下の式(9)のとおりであ
り、ここでKFDM は定数である。F x (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。
【0035】
【数4】
【0036】位相分割多重化では、ωx およびωy は同
じ値ωo を有し、ωo は、ほぼ6ωより大きく、ψx
ψy はπ/2ラジアンに等しい。信号SPDMx(t)およ
びS PDMy(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(10)の
とおりであり、ここでKPDM は定数である。
【0037】
【数5】
【0038】時分割多重化の一形態では、ωx およびω
y は同じ値ωo を有し、ωo は、ほぼ6ωより大きく、
ψx およびψy は任意の数ψo に等しい。電圧V
mx(t)およびVmy(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 )に関してV(t)の積復調を行
ない、その後にVmx(t)およびVmy(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(11)
のとおりであり、ここでKTDM は定数である。R
x (t)およびRy (t)はVmx(t)およびV
my(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。
【0039】
【数6】
【0040】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、V
mx(t)、Vmy(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
おいてもその方形波のうちの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)U
xp(t)、Vcx(t)Uxn(t)、Vcy(t)U
yp(t)、およびVcy(t)Uyn(t)を完全に互いに
分離し、かつ励起電圧Vmx(t)cos(ω0 t+
ψ0 )およびVmy(t)cos(ω0t+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。
【0041】時分割多重化の別の形態では、ωo は0に
等しく、Vmx(t)、Vmy(t)、Vcx(t)、および
cy(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その方形波のうちの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。Vmx(t)およびVmy(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。
【0042】符号分割多重化では、ωx 、ωy 、ψx
およびψy はすべて0に等しく、V cx(t)およびVcy
(t)は定数であり、Vmx(t)およびVmy(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(12)の条件を満たす方形波に比例する。
下の式(12)では、添字iおよびjは添字mx、m
y、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S
CDMx(t)およびSCDMy(t)は、Vmx(t)およびV
my(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(13)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。
【0043】
【数7】
【0044】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(14)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(1
4)において下の式(15)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)、
cqy (t)、およびVcry (t)にあてはまる。たと
えば、等式(1)は下の式(16)となる。
【0045】
【数8】
【0046】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。振動性回転センサの再平衡する
力(FTR)の動作モードでは、x軸は波腹軸であり、
y軸は波節軸である。FTRモードでは、y信号成分を
読出すのに8個のスロットが割当てられ、x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、xおよびy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。
【0047】全角度(WA)動作モードでは、速度力は
共振器に付与されず、速度力に割当てられるスロットは
用いられない。
【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(1
7)の形を有し、ここで、KVxがKV mx(t)に等し
くK VyがKV my(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9】
【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co
s(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(18)に示され、ここでKは定数である。
【0051】
【数10】
【0052】次のステップは、Six(t)、S
iy(t)、Sqx(t)、およびSqy(t)の積の下の式
(19)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、ω
r はωに等しい。
【0053】
【数11】
【0054】定在波の配向角度は下の等式(20)とR
(t)およびS(t)の符号とから定められる。数量S
(t)は、再平衡する力の動作モードにおいてθをゼロ
に強いる制御ループにおけるエラー信号として用いるこ
とができる。
【0055】
【数12】
【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、関数Uxp(t)、
xn(t)、Uyp(t)、およびU yn(t)であり、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
フロントページの続き (72)発明者 ジェイ・スコット・ダーリン アメリカ合衆国、93117 カリフォルニア 州、ゴレタ、ダブンポート、7220、ナンバ ー・214 (72)発明者 ガイ・トーマス・バーティ アメリカ合衆国、91364 カリフォルニア 州、ウッドランド・ヒルズ、ブレンフォー ド・ストリート、22926

Claims (41)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 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、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
    力ポートで利用可能な共振器信号から、共振器が振動し
    ている際に存在する少なくとも1つの定在波のパラメー
    タを定める、振動性回転センサ。
  2. 【請求項2】 信号和Vx (t)Rx (t)+V
    y (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R
    y (t)は、時間および少なくとも1つの定在波のパラ
    メータの関数であり、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)を得る、請求項1に記載
    の振動性回転センサ。
  3. 【請求項3】 Ox は、角周波数ωx および位相ψx
    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、O
    y 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。
  4. 【請求項4】 Ox は、角周波数ωo および位相ψo
    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、O
    y は、角周波数ω0 および位相(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。
  5. 【請求項5】 Ox は、Vmx(t)に共振器信号を乗算
    するステップを含み、Oy は、Vmy(t)に共振器信号
    を乗算するステップを含み、Vmx(t)およびV
    my(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。
  6. 【請求項6】 (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)Vmx(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)Vmy(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、Vmx(t)およびV my(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。
  7. 【請求項7】 Ox は、共振器信号をVmx(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Vmy(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、Vmx(t)およびVmy(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。
  8. 【請求項8】 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の群の1個ま
    たは2個以上のハウジング電極に供給し、電圧V
    y2(t)を第2の群の1個または2個以上のハウジング
    電極に供給する駆動電子部品を含み、Vx1(t)および
    y2(t)はそれぞれ電圧成分Vmx(t)F(ωx t+
    ψx )およびVmy(t)F(ωy t+ψy )を含み、V
    mx(t)およびVmy(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、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、ωx 、ψx 、ωy 、およびψy の値は予め定められ
    ており、Vmx(t)F(ωxt+ψx )およびV
    my(t)F(ωy t+ψy )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。
  9. 【請求項9】 Vmx(t)およびVmy(t)は定数であ
    り、ωx 、ωy 、および|ωx −ωy |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
    8に記載の振動性回転センサ。
  10. 【請求項10】 Vmx(t)およびVmy(t)は定数で
    あり、ωx およびω y は予め定められた値ωo に等し
    く、ψx −ψy はπ/2ラジアンに等しく、ω o 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8に記載の振動性回転センサ。
  11. 【請求項11】 ωx 、ωy 、ψx 、およびψy は0に
    等しく、Vmx(t)およびVmy(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8に記載の振動性回転セン
    サ。
  12. 【請求項12】 ωx およびωy は予め定められた値ω
    o に等しく、ψx およびψy は予め定められた値ψo
    等しく、Vmx(t)およびVmy(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8に記載の振動性回
    転センサ。
  13. 【請求項13】 ωx 、ωy 、ψx 、およびψy は0に
    等しく、Vmx(t)およびVmy(t)は、予め定められ
    た時間において−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8に記載の振動性回転センサ。
  14. 【請求項14】 Vx1(t)およびVy2(t)はまた、
    電圧成分Vcx(t)Ux1(t)およびVcy(t)U
    y2(t)をそれぞれ含み、数量Vcx(t)およびV
    cy(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V
    cy(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8に記載の振動性回転センサ。
  15. 【請求項15】 Vmx(t)、Vmy(t)、V
    cx(t)、およびVcy(t)は定数であり、ωx
    ωy 、および|ωx −ωy |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14に記載
    の振動性回転センサ。
  16. 【請求項16】 Vmx(t)、Vmy(t)、V
    cx(t)、およびVcy(t)は定数であり、ωx および
    ωy は予め定められた数ωo に等しく、ψx −ψy 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14に記載
    の振動性回転センサ。
  17. 【請求項17】 ωx 、ωy 、ψx 、およびψy は0に
    等しく、Vmx(t)、Vmy(t)、Vcx(t)、および
    cy(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14に記載の振動性
    回転センサ。
  18. 【請求項18】 ωx およびωy は予め定められた値ω
    o に等しく、ψx およびψy は予め定められた値ψo
    等しく、Vmx(t)、Vmy(t)、Vcx(t)、および
    cy(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14に
    記載の振動性回転センサ。
  19. 【請求項19】 Vx1(t)はまた、電圧成分V
    cax (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)、V
    cqy (t)Uqy2 (t)、およびVcry (t)U
    ry2 (t)を含み、ωx 、ωy 、ψx 、およびψy は0
    に等しく、Vmx(t)、Vmy(t)、Vcax (t)、V
    cqx (t)、Vcrx (t)、Vcay (t)、V
    cqy (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1
    4に記載の振動性回転センサ。
  20. 【請求項20】 Vx1(t)はまた、電圧成分V
    cax (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)、V
    cqy (t)Uqy2 (t)、およびVcry (t)U
    ry2 (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、Vmx(t)、Vmy(t)、V
    cax (t)、Vcqx (t)、Vcrx (t)、V
    cay (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14に記載の振動性回転センサ。
  21. 【請求項21】 ωx 、ωy 、ψx 、およびψy は0に
    等しく、Vmx(t)およびVmy(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14に記載の振動
    性回転センサ。
  22. 【請求項22】 共振器電極は、周期的に符号を反転す
    る一定の大きさの電圧でバイアスをかけられ、共振器お
    よびハウジングの電位は0ボルトに対応する、請求項1
    に記載の振動性回転センサ。
  23. 【請求項23】 単一の出力ポートに接続される電極を
    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、前記方法は、 (a) 複数の駆動電圧を発生するステップと、 (b) 駆動電圧をハウジング電極に印加するステップ
    と、 (c) 1つまたは2つ以上の定在波のうちの少なくと
    も1つの定在波のパラメータを、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。
  24. 【請求項24】 各駆動電圧は励起電圧を含み、少なく
    とも2つ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23に記載の方法。
  25. 【請求項25】 異なる駆動電圧の数は2つであり、各
    駆動電圧は励起電圧を含み、各励起電圧は周期関数であ
    り、2つの異なる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23に記載の方
    法。
  26. 【請求項26】 各駆動電圧は励起電圧を含み、少なく
    とも2つ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23に記載の方法。
  27. 【請求項27】 各駆動電圧は励起電圧を含み、少なく
    とも2つ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23に記載の
    方法。
  28. 【請求項28】 各駆動電圧は励起電圧を含み、少なく
    とも2つ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23に記載の方法。
  29. 【請求項29】 少なくとも2つの駆動電圧の各々は、
    励起電圧および強制駆動電圧を含み、前記励起電圧の周
    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23に記載の方法。
  30. 【請求項30】 異なる駆動電圧の数は2つであり、各
    駆動電圧は励起電圧および強制駆動電圧を含み、各励起
    電圧は周期関数であり、前記2つの異なる励起電圧の周
    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23に記載の方法。
  31. 【請求項31】 少なくとも2つの駆動電圧の各々は、
    励起電圧および強制駆動電圧を含み、前記励起電圧の各
    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23に記載の方法。
  32. 【請求項32】 少なくとも2つの駆動電圧の各々は、
    励起電圧および強制駆動電圧を含み、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23に記載の方法。
  33. 【請求項33】 少なくとも2つの駆動電圧の各々は、
    励起電圧および強制駆動電圧を含み、各励起電圧は、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、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
    23に記載の方法。
  34. 【請求項34】 共振器信号は、定在波のパラメータの
    関数である2つの成分の和であり、ステップ(c)は (c1) 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、 (c2) 前記2つの成分に対して演算を行なうことに
    よって定在波のパラメータを定めるステップとを含む、
    請求項23に記載の方法。
  35. 【請求項35】 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34に記載の方法。
  36. 【請求項36】 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3
    4に記載の方法。
  37. 【請求項37】 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34に記載の方法。
  38. 【請求項38】 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34
    に記載の方法。
  39. 【請求項39】 (d) 周期的に符号を反転させる一
    定の大きさの電圧で共振器電極にバイアスをかけるステ
    ップをさらに含み、共振器およびハウジングの電位が0
    ボルトに対応する、請求項23に記載の方法。
  40. 【請求項40】 請求項23に記載の方法を実行するた
    めの装置。
  41. 【請求項41】 請求項34に記載の方法を実行するた
    めの装置。
JP03492798A 1997-02-18 1998-02-17 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 Expired - Fee Related JP3223156B2 (ja)

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