JPH10274533A - 振動性回転センサの振動モードを制御するための方法および装置 - Google Patents
振動性回転センサの振動モードを制御するための方法および装置Info
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- JPH10274533A JPH10274533A JP10072287A JP7228798A JPH10274533A JP H10274533 A JPH10274533 A JP H10274533A JP 10072287 A JP10072287 A JP 10072287A JP 7228798 A JP7228798 A JP 7228798A JP H10274533 A JPH10274533 A JP H10274533A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 共に接地電位基準として働く共振器とハウジ
ングとを含む振動性回転センサ（ＶＲＳ）の振動モード
を制御するための方法および装置を提供する。 【解決手段】 共振器は導電領域を備えた表面を有し、
ハウジングは、共振器上の導電領域に対向して位置付け
られる複数の装着された電極を有する。共振器の定在波
振動パターンのパラメータは、共振器上の導電領域へＡ
Ｃセンシング信号を供給し、共振器上の導電領域の電位
が接地から１００ミリボルト内に維持される間、１つま
たは２つ以上の振動信号を得ることによって定められ
る。各振動信号は、振幅変調を伴うＡＣセンシング信号
の複製であり、振幅変調は、共振器の表面の導電領域の
１点から対向するハウジング電極までの距離の周期関数
である。振幅変調の周波数は共振器の振動周波数であ
る。
ングとを含む振動性回転センサ（ＶＲＳ）の振動モード
を制御するための方法および装置を提供する。 【解決手段】 共振器は導電領域を備えた表面を有し、
ハウジングは、共振器上の導電領域に対向して位置付け
られる複数の装着された電極を有する。共振器の定在波
振動パターンのパラメータは、共振器上の導電領域へＡ
Ｃセンシング信号を供給し、共振器上の導電領域の電位
が接地から１００ミリボルト内に維持される間、１つま
たは２つ以上の振動信号を得ることによって定められ
る。各振動信号は、振幅変調を伴うＡＣセンシング信号
の複製であり、振幅変調は、共振器の表面の導電領域の
１点から対向するハウジング電極までの距離の周期関数
である。振幅変調の周波数は共振器の振動周波数であ
る。
Description
【０００１】
【関連出願への相互参照】この発明の内容は、マシュー
ズ（Matthews）、ダーリン（Darling ）、およびバーテ
ィー（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 withMultiplex El
ectronics）と、マシューズ、バーティー、リ（Li）、
およびリンチ（Lynch ）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 Who
le-Angle Tracking ）と、リンチによる「ＡＣ駆動電圧
を伴う振動性回転センサ」（Vibratory Rotation Senso
r with AC Driving Voltages）との特許出願に開示され
る発明によって共有される。
ズ（Matthews）、ダーリン（Darling ）、およびバーテ
ィー（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 withMultiplex El
ectronics）と、マシューズ、バーティー、リ（Li）、
およびリンチ（Lynch ）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 Who
le-Angle Tracking ）と、リンチによる「ＡＣ駆動電圧
を伴う振動性回転センサ」（Vibratory Rotation Senso
r with AC Driving 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。
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との間に位置付けられ、軸２６によ
って支持される。
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との間に位置付けられ、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の内表面上に接
合される。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上に装着さ
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。
個の強制駆動電極２２は、外部部材１２の内表面上に接
合される。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上に装着さ
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（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度の波腹は、９０度および
２７０度の波腹とは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／１
８０度の波腹を通る長径での）楕円形、さらに円形から
（９０度／２７０度の波腹を通る長径での）楕円形へと
変化する。
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（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度の波腹は、９０度および
２７０度の波腹とは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／１
８０度の波腹を通る長径での）楕円形、さらに円形から
（９０度／２７０度の波腹を通る長径での）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
１０の回転の角度に比例する角度だけ反対の方向へ回転
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。
る軸についてＶＲＳ１０が回転すると、定在波はＶＲＳ
１０の回転の角度に比例する角度だけ反対の方向へ回転
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。
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、非常に
高いインピーダンス（≒一定の電荷）のピックオフ電極
２４における出力電圧を測定することで定められる。Ｘ
軸の信号Ｖx は、組合せＶ0 −Ｖ90＋Ｖ180 −Ｖ270か
ら得られ、ここで添字は電圧が生じる電極のＸ軸に対す
る角度位置を識別する。同様に、Ｙ軸の信号Ｖy は組合
せＶ45−Ｖ135 ＋Ｖ225 −Ｖ315 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、Ｖy のＶx に対する比によって与えられる。
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、非常に
高いインピーダンス（≒一定の電荷）のピックオフ電極
２４における出力電圧を測定することで定められる。Ｘ
軸の信号Ｖx は、組合せＶ0 −Ｖ90＋Ｖ180 −Ｖ270か
ら得られ、ここで添字は電圧が生じる電極のＸ軸に対す
る角度位置を識別する。同様に、Ｙ軸の信号Ｖy は組合
せＶ45−Ｖ135 ＋Ｖ225 −Ｖ315 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、Ｖy のＶx 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。
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】ＤＣバイアス電圧は典型的に半球状の共振
器１４上で維持される。ＤＣバイアス電圧が存在する結
果、ＨＲＧ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。
器１４上で維持される。ＤＣバイアス電圧が存在する結
果、ＨＲＧ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、共に接地電位基準として働
く共振器とハウジングとを含む振動性回転センサ（ＶＲ
Ｓ）の振動モードを制御するための方法および装置であ
る。共振器は導電領域を備えた表面を有し、ハウジング
は、共振器上の導電領域に対向して位置付けられる複数
の装着された電極を有する。共振器の定在波振動パター
ンのパラメータは、共振器上の導電領域へＡＣセンシン
グ信号を供給し、共振器上の導電領域の電位が接地から
１００ミリボルト内に維持される間、１つまたは２つ以
上の振動信号を得ることによって定められる。各振動信
号は、振幅変調を伴うＡＣセンシング信号の複製であ
り、振幅変調は、共振器の表面の導電領域の一点から対
向するハウジング電極までの距離の周期関数である。振
幅変調の周波数は共振器の振動周波数である。定在波の
パラメータは振動信号から定められ、これらのパラメー
タは適当なＡＣ強制駆動電圧を発生することによって定
在波パラメータを制御するのに用いられ、適当なＡＣ強
制駆動電圧はハウジング電極に印加される。
く共振器とハウジングとを含む振動性回転センサ（ＶＲ
Ｓ）の振動モードを制御するための方法および装置であ
る。共振器は導電領域を備えた表面を有し、ハウジング
は、共振器上の導電領域に対向して位置付けられる複数
の装着された電極を有する。共振器の定在波振動パター
ンのパラメータは、共振器上の導電領域へＡＣセンシン
グ信号を供給し、共振器上の導電領域の電位が接地から
１００ミリボルト内に維持される間、１つまたは２つ以
上の振動信号を得ることによって定められる。各振動信
号は、振幅変調を伴うＡＣセンシング信号の複製であ
り、振幅変調は、共振器の表面の導電領域の一点から対
向するハウジング電極までの距離の周期関数である。振
幅変調の周波数は共振器の振動周波数である。定在波の
パラメータは振動信号から定められ、これらのパラメー
タは適当なＡＣ強制駆動電圧を発生することによって定
在波パラメータを制御するのに用いられ、適当なＡＣ強
制駆動電圧はハウジング電極に印加される。
【００１２】
【好ましい実施例の説明】３２個の別個の強制駆動電極
を（図１に示される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の代わりに）用いる振動性
速度センサの実施例は、基準ＸおよびＹ軸と共に図２に
記号によって示される。共振器は円４０によって示され
る。３２個の別個の強制駆動電極４２はＶＲＳの外部部
材上に位置し、８個のピックオフ電極４４は内部部材上
に位置する。
を（図１に示される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の代わりに）用いる振動性
速度センサの実施例は、基準ＸおよびＹ軸と共に図２に
記号によって示される。共振器は円４０によって示され
る。３２個の別個の強制駆動電極４２はＶＲＳの外部部
材上に位置し、８個のピックオフ電極４４は内部部材上
に位置する。
【００１３】ＶＲＳは、速度ジャイロ（再平衡する力、
ＦＴＲ）または速度積分ジャイロ（全角度、ＷＡ）とし
て動作するように機械化することができる。ＦＴＲ動作
モードでは、共振器のＸ軸に沿った曲げ振幅は固定され
た０ではない値に維持され、Ｙ軸に沿った曲げ振幅は０
に維持される。これは、慣性速度入力Ωに比例する電圧
を記号「ｒ」により識別される電極４２に印加すること
によってなされる。
ＦＴＲ）または速度積分ジャイロ（全角度、ＷＡ）とし
て動作するように機械化することができる。ＦＴＲ動作
モードでは、共振器のＸ軸に沿った曲げ振幅は固定され
た０ではない値に維持され、Ｙ軸に沿った曲げ振幅は０
に維持される。これは、慣性速度入力Ωに比例する電圧
を記号「ｒ」により識別される電極４２に印加すること
によってなされる。
【００１４】ＷＡモードでは、Ｙ軸に沿った無効にする
力は提供されず、一定振幅曲げパターンが回転できるよ
うにされる。パターン回転の角度は慣性回転入力∫Ωｄ
ｔに比例する。
力は提供されず、一定振幅曲げパターンが回転できるよ
うにされる。パターン回転の角度は慣性回転入力∫Ωｄ
ｔに比例する。
【００１５】Ｘ軸の振幅を維持することは、Ｘ軸振動周
波数ωx における電圧を、Ｘ軸に関して０度および１８
０度に維持する波腹の真上の強制駆動電極４２へ印加す
るか、またはパラメータとして２ωx にある電圧を、記
号「ｐ」により識別される電極４２へ印加することによ
って達成できる。
波数ωx における電圧を、Ｘ軸に関して０度および１８
０度に維持する波腹の真上の強制駆動電極４２へ印加す
るか、またはパラメータとして２ωx にある電圧を、記
号「ｐ」により識別される電極４２へ印加することによ
って達成できる。
【００１６】共振器の所望の同相曲げ動作に加えて、一
般的に、周波数軸の非対称と、ピックオフおよび主周波
数軸と減衰軸との間のミスアライメントとから生じる望
ましくない直角位相曲げ動作が存在する。この望ましく
ない直角位相振動モードは、開ループ直角位相（ＯＬ
Ｑ）電極４２およびプラス／マイナス閉ループ直角位相
（±ＣＬＱ）電極４２に電圧を与えることによって抑え
られる。
般的に、周波数軸の非対称と、ピックオフおよび主周波
数軸と減衰軸との間のミスアライメントとから生じる望
ましくない直角位相曲げ動作が存在する。この望ましく
ない直角位相振動モードは、開ループ直角位相（ＯＬ
Ｑ）電極４２およびプラス／マイナス閉ループ直角位相
（±ＣＬＱ）電極４２に電圧を与えることによって抑え
られる。
【００１７】共振器の半径の方向の変位ｘおよびｙは、
それぞれＸ軸およびＹ軸に沿った、記号「ＡＮＰ」（波
腹ピックオフパッド）および「ＮＰ」（波節ピックオフ
パッド）によって識別されるピックオフパッド４４によ
って感知される。記号「ＵＮ」によって識別されるパッ
ドは用いられない。径方向の変位は下の対になった微分
方程式（１）によって決定され、ここでＴx およびＴy
は減衰定数であり、ω x およびωy はＸ軸およびＹ軸に
沿った角振動周波数であり、ｆx およびｆy はＸ軸およ
びｙ軸に沿って共振器に働く力であり、ｋは定数であ
り、Ωは共振器の回転の角速度である。図２に示される
電極へパラメトリック駆動を適用すると、その結果、力
ｆparaｘおよびｆparaｙがＸ軸およびＹ軸に沿って与え
られる。図２に示される電極へ速度駆動を適用すると、
その結果、力ｆrateがＹ軸に対して横向きの軸に沿って
与えられる。
それぞれＸ軸およびＹ軸に沿った、記号「ＡＮＰ」（波
腹ピックオフパッド）および「ＮＰ」（波節ピックオフ
パッド）によって識別されるピックオフパッド４４によ
って感知される。記号「ＵＮ」によって識別されるパッ
ドは用いられない。径方向の変位は下の対になった微分
方程式（１）によって決定され、ここでＴx およびＴy
は減衰定数であり、ω x およびωy はＸ軸およびＹ軸に
沿った角振動周波数であり、ｆx およびｆy はＸ軸およ
びｙ軸に沿って共振器に働く力であり、ｋは定数であ
り、Ωは共振器の回転の角速度である。図２に示される
電極へパラメトリック駆動を適用すると、その結果、力
ｆparaｘおよびｆparaｙがＸ軸およびＹ軸に沿って与え
られる。図２に示される電極へ速度駆動を適用すると、
その結果、力ｆrateがＹ軸に対して横向きの軸に沿って
与えられる。
【００１８】
【数１】
【００１９】上の式（１）は下の式（２）となる。再平
衡する力のモードでは、ｄ2 ｙ／ｄｔ2 、ｄｙ／ｄｔ、
およびｙはすべてゼロに等しく、下の式（３）の通りで
ある。
衡する力のモードでは、ｄ2 ｙ／ｄｔ2 、ｄｙ／ｄｔ、
およびｙはすべてゼロに等しく、下の式（３）の通りで
ある。
【００２０】
【数２】
【００２１】共振器上のＤＣバイアス電圧をなくすこと
は、（１）時間がたつとＶＲＳスケールファクタ変動の
原因となると考えられている電荷移動現象の影響を減少
する、またはなくす手段として、さらに（２）浮遊スプ
リアス信号に非常に敏感な高インピーダンスピックオフ
の使用をなくす手段としてみなされる。従来のＤＣバイ
アス電圧をなくすＶＲＳ強制駆動およびセンシング電子
部品５０の一実施例は図３に示される。
は、（１）時間がたつとＶＲＳスケールファクタ変動の
原因となると考えられている電荷移動現象の影響を減少
する、またはなくす手段として、さらに（２）浮遊スプ
リアス信号に非常に敏感な高インピーダンスピックオフ
の使用をなくす手段としてみなされる。従来のＤＣバイ
アス電圧をなくすＶＲＳ強制駆動およびセンシング電子
部品５０の一実施例は図３に示される。
【００２２】ＡＣ源５２は、マイクロスイッチ５４およ
びキャパシタ５６を通して共振器４０と演算増幅器６０
の入力端子５８とに接続する。演算増幅器６０の出力６
２はマイクロスイッチ６４を通してピックオフ電極ＡＮ
ＰおよびＮＰに接続する。マイクロスイッチ６４は、同
相および直角位相共振器振動モードの振幅を感知するた
めに、周期的に演算増幅器６０の出力６２をＡＮＰピッ
クオフ電極とＮＰピックオフ電極との間で切換える。マ
イクロスイッチ５４は、マイクロスイッチ６４がＡＮＰ
電極とＮＰ電極との間で切換わる間、キャパシタ５６の
入力端子を接地する。
びキャパシタ５６を通して共振器４０と演算増幅器６０
の入力端子５８とに接続する。演算増幅器６０の出力６
２はマイクロスイッチ６４を通してピックオフ電極ＡＮ
ＰおよびＮＰに接続する。マイクロスイッチ６４は、同
相および直角位相共振器振動モードの振幅を感知するた
めに、周期的に演算増幅器６０の出力６２をＡＮＰピッ
クオフ電極とＮＰピックオフ電極との間で切換える。マ
イクロスイッチ５４は、マイクロスイッチ６４がＡＮＰ
電極とＮＰ電極との間で切換わる間、キャパシタ５６の
入力端子を接地する。
【００２３】演算増幅器６０の入力インピーダンスは十
分に高く、入力電流はゼロであると想定できる。演算増
幅器６０の利得は十分に高く、出力電圧が飽和しない場
合、入力電圧は他の電圧と比較して無視できるものと想
定できる。たとえば、出力範囲が±１０Ｖであり増幅器
利得が１ｇＶ／Ｖである場合、最大入力電圧はわずかに
１０ｎＶだけである。共振器４０の電位を１０ｎＶに制
限することは、電荷移動現象によって起こる容量の変化
から生じるＨＲＧの電気的特性のゆっくりとした変化を
避けるために必要ではない。共振器の電位の望ましい上
限は０．１Ｖ位のようである。
分に高く、入力電流はゼロであると想定できる。演算増
幅器６０の利得は十分に高く、出力電圧が飽和しない場
合、入力電圧は他の電圧と比較して無視できるものと想
定できる。たとえば、出力範囲が±１０Ｖであり増幅器
利得が１ｇＶ／Ｖである場合、最大入力電圧はわずかに
１０ｎＶだけである。共振器４０の電位を１０ｎＶに制
限することは、電荷移動現象によって起こる容量の変化
から生じるＨＲＧの電気的特性のゆっくりとした変化を
避けるために必要ではない。共振器の電位の望ましい上
限は０．１Ｖ位のようである。
【００２４】ピックオフキャパシタＡＮＰとピックオフ
キャパシタＮＰとの間に浮遊容量が存在する。ライン６
２は典型的には１０オームの抵抗を有する。ピックオフ
キャパシタＡＮＰとピックオフキャパシタＮＰとの間の
結合を無視できるレベルにまで減少するには、演算増幅
器６０の出力インピーダンスは１００オームより小さく
なければならない。
キャパシタＮＰとの間に浮遊容量が存在する。ライン６
２は典型的には１０オームの抵抗を有する。ピックオフ
キャパシタＡＮＰとピックオフキャパシタＮＰとの間の
結合を無視できるレベルにまで減少するには、演算増幅
器６０の出力インピーダンスは１００オームより小さく
なければならない。
【００２５】以上の結果、下の式（４）の通りとなり、
ここで下付き文字は図３の装置またはラインを示し、上
付き文字はピックオフ電極を示し、これに演算増幅器６
０の出力６２がマイクロスイッチ６４によって接続され
る。
ここで下付き文字は図３の装置またはラインを示し、上
付き文字はピックオフ電極を示し、これに演算増幅器６
０の出力６２がマイクロスイッチ６４によって接続され
る。
【００２６】
【数３】
【００２７】上の式から、下の式（５）の通りになる。
【００２８】
【数４】
【００２９】ピックオフ電極の容量は下の式（６）によ
って与えられ、ここでｘは下の数式（７）によって表わ
すことができ、εは誘電率であり、Ａは１対のピックオ
フ電極４４の面積であり、ｄ0 は共振器４０とピックオ
フ電極４４との間の公称の間隙であり、ｘ0 は共振器４
０の曲げ振幅であり、ωは共振器４０の発振の角周波数
である。
って与えられ、ここでｘは下の数式（７）によって表わ
すことができ、εは誘電率であり、Ａは１対のピックオ
フ電極４４の面積であり、ｄ0 は共振器４０とピックオ
フ電極４４との間の公称の間隙であり、ｘ0 は共振器４
０の曲げ振幅であり、ωは共振器４０の発振の角周波数
である。
【００３０】
【数５】
【００３１】上の式（５）および式（６）を組合わせる
と下の式（８）が得られ、ここでは下の式（９）の通り
である。同様に、下の式（１０）の通りとなる。ｅ52を
振幅Ｖ52および角周波数ω52の正弦曲線として表わす
と、下の式（１１）が得られる。
と下の式（８）が得られ、ここでは下の式（９）の通り
である。同様に、下の式（１０）の通りとなる。ｅ52を
振幅Ｖ52および角周波数ω52の正弦曲線として表わす
と、下の式（１１）が得られる。
【００３２】
【数６】
【００３３】ｅ62のさらなる処理は、図４に示される復
調回路によってプロセッサ７２において達成される。ｅ
62とｓｉｎω52ｔとをミクサ７６において混合し、低域
フィルタ７８によってω52の高調波をフィルタ処理して
取出した結果は、時間の順にＳANP およびＳNPであり、
ここでは下の式（１２）の通りである。それぞれＳAN P
およびＳNPの平均値Ｓ1 ANP およびＳ1 NPは、カットオ
フ角周波数がωより小さい低域フィルタ８０にＳを通過
させることによって得られる。これは下の式（１３）の
通りである。それぞれＳANP およびＳNPの数量Ｓ2 ANP
およびＳ2 NPは、ミキサ８２においてＳとｓｉｎωｔと
を混合し、低域フィルタ８４によってωおよびωの高調
波をフィルタ処理して取出すことによって得られる。こ
れは下の式（１４）の通りである。信号Ｓ1 およびＳ2
の安定度は、ＡＣ電圧源５２およびキャパシタＣ56の安
定度に依存する。それらが両方とも安定していれば、公
称の間隙ｄ0 および曲げ振幅ｘ0 は正確に定めることが
できる。ほとんどゼロに等しい温度係数を有する、ＡＴ
Ｃ−７００などのハイグレードな温度に対して安定した
キャパシタを用いてもよい。
調回路によってプロセッサ７２において達成される。ｅ
62とｓｉｎω52ｔとをミクサ７６において混合し、低域
フィルタ７８によってω52の高調波をフィルタ処理して
取出した結果は、時間の順にＳANP およびＳNPであり、
ここでは下の式（１２）の通りである。それぞれＳAN P
およびＳNPの平均値Ｓ1 ANP およびＳ1 NPは、カットオ
フ角周波数がωより小さい低域フィルタ８０にＳを通過
させることによって得られる。これは下の式（１３）の
通りである。それぞれＳANP およびＳNPの数量Ｓ2 ANP
およびＳ2 NPは、ミキサ８２においてＳとｓｉｎωｔと
を混合し、低域フィルタ８４によってωおよびωの高調
波をフィルタ処理して取出すことによって得られる。こ
れは下の式（１４）の通りである。信号Ｓ1 およびＳ2
の安定度は、ＡＣ電圧源５２およびキャパシタＣ56の安
定度に依存する。それらが両方とも安定していれば、公
称の間隙ｄ0 および曲げ振幅ｘ0 は正確に定めることが
できる。ほとんどゼロに等しい温度係数を有する、ＡＴ
Ｃ−７００などのハイグレードな温度に対して安定した
キャパシタを用いてもよい。
【００３４】
【数７】
【００３５】図３の回路は、互いに接続される２個のＡ
ＮＰ電極と互いに接続される２個のＮＰ電極とを用い、
マイクロスイッチ６４が演算増幅器６０の出力６２を交
互にＡＮＰ電極とＮＰ電極とに接続することを想定す
る。より有効な回路では、ＶＲＳの振動モードを特徴づ
ける上で、２つ一組に接続される８個のピックオフ電極
全部を利用する。ＡＮＰ電極対およびＮＰ電極対は、そ
れぞれＡＮＰ（＋）およびＮＰ（＋）の対を構成するこ
とになる。Ｘ軸およびＹ軸に対して横向きのライン上の
ＵＮ対は、それぞれＡＮＰ（−）およびＮＰ（−）の対
を構成する。なぜなら、これらの対の電極上の信号は、
プラス記号により識別される対の電極上の信号の反転し
たものだからである。これらの４対の電極に適応するた
め、マイクロスイッチ６４は４対の電極の各々に連続的
に切換わる単極４投スイッチである。後に続く信号の処
理の間、ＡＮＰ（＋）信号とＡＮＰ（−）信号とが組合
わされ、ＮＰ（＋）信号とＮＰ（−）信号とが組合わさ
れる。
ＮＰ電極と互いに接続される２個のＮＰ電極とを用い、
マイクロスイッチ６４が演算増幅器６０の出力６２を交
互にＡＮＰ電極とＮＰ電極とに接続することを想定す
る。より有効な回路では、ＶＲＳの振動モードを特徴づ
ける上で、２つ一組に接続される８個のピックオフ電極
全部を利用する。ＡＮＰ電極対およびＮＰ電極対は、そ
れぞれＡＮＰ（＋）およびＮＰ（＋）の対を構成するこ
とになる。Ｘ軸およびＹ軸に対して横向きのライン上の
ＵＮ対は、それぞれＡＮＰ（−）およびＮＰ（−）の対
を構成する。なぜなら、これらの対の電極上の信号は、
プラス記号により識別される対の電極上の信号の反転し
たものだからである。これらの４対の電極に適応するた
め、マイクロスイッチ６４は４対の電極の各々に連続的
に切換わる単極４投スイッチである。後に続く信号の処
理の間、ＡＮＰ（＋）信号とＡＮＰ（−）信号とが組合
わされ、ＮＰ（＋）信号とＮＰ（−）信号とが組合わさ
れる。
【００３６】プロセッサ７２はｅ62に対して従来の態様
で演算を行ない、電極４２に印加するための強制駆動電
圧を生成する。
で演算を行ない、電極４２に印加するための強制駆動電
圧を生成する。
【００３７】ＨＲＧの再平衡する力の機械化では、波節
の出力をゼロにするのに必要な力Ｆ rateは下の式（１
５）によって与えられる（上の式（３）および式（７）
を参照）。この力はこの発明において、共振器電極と図
２の「ｒ」電極との間に電圧Ｖ rate（＋）またはＶrate
（−）を確立することによって生成され、これは下の式
（１６）の通りである。結果生じる力ｆrate（＋）およ
びｆrate（−）は、電極間の電圧の二乗に比例し、これ
は下の式（１７）の通りである。余弦の項は必要な強制
駆動関数である。共振器ダイナミックスに対するＤＣの
項の影響は無視することができる。強制駆動関数の記号
は、ｆrate（＋）およびｆrate（−）のいずれかを選ぶ
ことによって選択される。
の出力をゼロにするのに必要な力Ｆ rateは下の式（１
５）によって与えられる（上の式（３）および式（７）
を参照）。この力はこの発明において、共振器電極と図
２の「ｒ」電極との間に電圧Ｖ rate（＋）またはＶrate
（−）を確立することによって生成され、これは下の式
（１６）の通りである。結果生じる力ｆrate（＋）およ
びｆrate（−）は、電極間の電圧の二乗に比例し、これ
は下の式（１７）の通りである。余弦の項は必要な強制
駆動関数である。共振器ダイナミックスに対するＤＣの
項の影響は無視することができる。強制駆動関数の記号
は、ｆrate（＋）およびｆrate（−）のいずれかを選ぶ
ことによって選択される。
【００３８】
【数８】
【００３９】図１に関連して前に述べたとおり、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。環状の強制
駆動電極は後に、図２に示されるように共振器の周囲に
対称に配置される別個の電極に展開する。振動を維持す
るために、共振器に力を付与して等式（１）におけるｄ
ｘ／ｄｔに比例する減衰力を相殺しなければならない。
ｘがｓｉｎωｔにつれて変化すれば、力はｃｏｓωｔに
つれて変化するはずである。このような力は、ｃｏｓω
ｔにつれて変化する電圧を図２の「ｐ」電極に与えるこ
とによって得られる。
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。環状の強制
駆動電極は後に、図２に示されるように共振器の周囲に
対称に配置される別個の電極に展開する。振動を維持す
るために、共振器に力を付与して等式（１）におけるｄ
ｘ／ｄｔに比例する減衰力を相殺しなければならない。
ｘがｓｉｎωｔにつれて変化すれば、力はｃｏｓωｔに
つれて変化するはずである。このような力は、ｃｏｓω
ｔにつれて変化する電圧を図２の「ｐ」電極に与えるこ
とによって得られる。
【００４０】互いに９０度外れた２個の「ｐ」電極に印
加される電圧Ｖp から生じる正味の力は下の式（１８）
の通りであり、ここでは、ｄ0 −ｘ（θi ）は、共振器
４０と、図２のＸ軸からθi だけ外れた「ｐ」電極との
間の距離である。ｘ（θi ）＝−ｘ（θi ＋π／２）で
あるため、下の式（１９）の通りであり、ｘ（θi ）≪
ｄ0 と想定すると、下の式（２０）の通りである。さら
に下の式（２１）の通りであるとすれば、下の式（２
２）となる。
加される電圧Ｖp から生じる正味の力は下の式（１８）
の通りであり、ここでは、ｄ0 −ｘ（θi ）は、共振器
４０と、図２のＸ軸からθi だけ外れた「ｐ」電極との
間の距離である。ｘ（θi ）＝−ｘ（θi ＋π／２）で
あるため、下の式（１９）の通りであり、ｘ（θi ）≪
ｄ0 と想定すると、下の式（２０）の通りである。さら
に下の式（２１）の通りであるとすれば、下の式（２
２）となる。
【００４１】
【数９】
【００４２】−π／４から＋π／４までの角のセグメン
トおよび３π／４から５π／４までの角のセグメント
（これは、すべての「ｐ」電極対を含む）におけるすべ
てのθ i にわたって合計すると、ｆ（ｔ）が得られ、こ
れは下の式（２３）の通りである。ここで、下の式（２
４）の強制駆動電圧を仮定する。等式（２３）に代入す
ると、下の式（２５）が得られ、これは下の式（２６）
に書換えることができる。第１および第３の項は共振器
のダイナミックスにほとんど影響を与えず、無視するこ
とができる。第２の項はφ＝π／４である場合、最大効
果を有し、その場合、下の式（２７）のとおりである。
トおよび３π／４から５π／４までの角のセグメント
（これは、すべての「ｐ」電極対を含む）におけるすべ
てのθ i にわたって合計すると、ｆ（ｔ）が得られ、こ
れは下の式（２３）の通りである。ここで、下の式（２
４）の強制駆動電圧を仮定する。等式（２３）に代入す
ると、下の式（２５）が得られ、これは下の式（２６）
に書換えることができる。第１および第３の項は共振器
のダイナミックスにほとんど影響を与えず、無視するこ
とができる。第２の項はφ＝π／４である場合、最大効
果を有し、その場合、下の式（２７）のとおりである。
【００４３】
【数１０】
【００４４】直角位相制御は、９０度間隔をあけて置か
れた電極（図２参照）に電圧を印加することによって働
く。そのため、等式（２２）が適用でき、下の式（２
８）の通りであり、ここではθi を０に等しくセット
し、下付き文字をＱにセットしている。下の式（２９）
の通りであれば、下の式（３０）の通りである。この式
は下の式（３１）に書換えることができる。ωQ がωに
等しい場合、第２の項は強制駆動効果を有さず、第１お
よび第３の項は組合わされて適当な直角位相強制駆動関
数を形成する。ωQ に対して他の値を用いてもよく、そ
の場合、第２の項も第３の項も強制駆動効果を全く有さ
ず、第１の項だけで直角位相強制駆動を提供する。
れた電極（図２参照）に電圧を印加することによって働
く。そのため、等式（２２）が適用でき、下の式（２
８）の通りであり、ここではθi を０に等しくセット
し、下付き文字をＱにセットしている。下の式（２９）
の通りであれば、下の式（３０）の通りである。この式
は下の式（３１）に書換えることができる。ωQ がωに
等しい場合、第２の項は強制駆動効果を有さず、第１お
よび第３の項は組合わされて適当な直角位相強制駆動関
数を形成する。ωQ に対して他の値を用いてもよく、そ
の場合、第２の項も第３の項も強制駆動効果を全く有さ
ず、第１の項だけで直角位相強制駆動を提供する。
【００４５】
【数１１】
【００４６】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。
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１】先行技術の振動性回転センサの構成部品を示す
図である。
図である。
【図２】共振器の導電領域と、振動性回転センサハウジ
ングに装着される対向する電極とを記号によって表わす
図である。
ングに装着される対向する電極とを記号によって表わす
図である。
【図３】振動性回転センサのための強制駆動およびセン
シング電子部品の概略図である。
シング電子部品の概略図である。
【図４】振動信号復調器のブロック図である。
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 ４０ 円 ４２ 別個の強制駆動電極 ４４ ピックオフ電極／ピックオフパッド ４０ 共振器 ５０ ＶＲＳ強制駆動およびセンシング電子部品 ５２ ＡＣソース ５４ マイクロスイッチ ５６ キャパシタ ５８ 入力端子 ６０ 演算増幅器 ６２ 出力 ６４ マイクロスイッチ ６２ ライン ７２ プロセッサ ７６ ミクサ ７８ 低域フィルタ ８０ 低域フィルタ ８２ ミクサ ８４ 低域フィルタ
フロントページの続き (72)発明者 マイケル・ジェイ・フォスター アメリカ合衆国、93117 カリフォルニア 州、ゴレタ、ベレダ・デル・シエルボ、 495 (72)発明者 トーマス・エイ・ビットナー アメリカ合衆国、93117 カリフォルニア 州、ゴレタ、キンマン・アベニュ、122
Claims (17)
- 【請求項１】 振動性回転センサ（ＶＲＳ）の振動モー
ドを制御するための方法であって、前記ＶＲＳは共振器
およびハウジングを含み、前記共振器および前記ハウジ
ングの電位は接地として示され、前記共振器は導電領域
を備えた表面を有し、複数の電極は前記ハウジングに装
着され、前記共振器上の前記導電領域に対向して位置付
けられ、前記方法はＡＣセンシング信号を発生するステ
ップと、 前記ＡＣセンシング信号を共振器上の前記導電領域に供
給するステップと、 １個または２個以上の振動信号を得るステップとを含
み、各振動信号は振幅変調を伴う前記ＡＣセンシング信
号の複製であり、前記振幅変調は、共振器の表面の導電
領域における一点から対向するハウジング電極までの距
離の周期関数であり、前記振幅変調の周波数は共振器の
振動周波数である、方法。 - 【請求項２】 共振器上の導電領域の電位を接地から１
００ミリボルト内に維持するステップをさらに含む、請
求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 方法であって、 １つまたは２つ以上のＡＣ強制駆動電圧を発生するステ
ップと、 各ＡＣ強制駆動電圧を１個または２個以上のハウジング
電極に供給するステップとをさらに含み、各ＡＣ強制駆
動電圧は１つまたは２つ以上の力が共振器上に働くよう
にさせる、請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】 ＶＲＳを動作させるのに必要な強制駆動
電圧のすべてはＡＣ電圧である、請求項３に記載の方
法。 - 【請求項５】 共振器の振動周波数の、各ＡＣ強制駆動
電圧の周波数に対する比は整数の比に等しく、前記発生
するステップは共振器が振動する際、各ＡＣ強制駆動電
圧を共振器の振動に同期して維持するステップを含む、
請求項３に記載の方法。 - 【請求項６】 共振器の振動周波数の、ＡＣ強制駆動電
圧の周波数に対する比は１に等しく、前記ＡＣ強制駆動
電圧は共振器を取囲む環状の電極に印加され共振器の振
動を維持する、請求項５に記載の方法。 - 【請求項７】 共振器の振動周波数の、ＡＣ強制駆動電
圧の周波数に対する比は１に等しく、前記ＡＣ強制駆動
電圧は共振器を取囲む複数の電極に印加され共振器の振
動を維持する、請求項５に記載の方法。 - 【請求項８】 共振器の振動周波数の、ＡＣ強制駆動電
圧の周波数に対する比は２に等しく、前記ＡＣ強制駆動
電圧は、振動パターンの波節に位置付けられる１個また
は２個以上の電極に印加され、振動パターンをＶＲＳに
関して固定された位置に維持する、請求項５に記載の方
法。 - 【請求項９】 ＡＣ強制駆動電圧は１個または２個以上
の電極対に印加され、直角位相振動を抑え、前記電極は
９０度の間隔をあけて置かれた対を含み、前記電極は９
０度の間隔をあけて置かれた１対を含む、請求項５に記
載の方法。 - 【請求項１０】 請求項１の方法を実行するための装
置。 - 【請求項１１】 振動性回転センサ（ＶＲＳ）の振動モ
ードを制御するための装置であって、前記ＶＲＳは共振
器およびハウジングを含み、前記共振器および前記ハウ
ジングの電位は接地として示され、前記共振器は導電領
域を備えた表面を有し、複数の電極は前記ハウジングに
装着され、前記共振器上の前記導電領域に対向して位置
付けられ、前記装置は出力ポートを有するセンシング信
号発生器を含み、前記センシング信号発生器はその出力
ポートにおいてＡＣセンシング信号を提供し、前記装置
はさらに１つまたは２つ以上のセンシング回路を含み、
各センシング回路は入力ポートおよび出力ポートを有
し、各センシング回路の前記入力ポートは前記センシン
グ信号発生器の前記出力ポートと共振器の導電領域とに
接続され、各センシング回路の前記出力ポートは電極に
接続され、各センシング回路はその出力ポートにおいて
振動信号を提供し、各振動信号は振幅変調を伴うＡＣセ
ンシング信号の複製であり、前記振幅変調は共振器の表
面の導電領域における一点から対向するハウジング電極
までの距離の周期関数であり、前記振幅変調の周波数は
共振器の振動周波数である、装置。 - 【請求項１２】 装置であって、 １個または２個以上の強制駆動関数発生器をさらに含
み、各強制駆動関数発生器は入力ポートおよび出力ポー
トを有し、各強制駆動関数発生器の前記入力ポートは１
個または２個以上のセンシング回路の出力ポートに接続
され、各強制駆動関数発生器の前記出力ポートは１個ま
たは２個以上のハウジング電極に接続され、各強制駆動
関数発生器はその出力ポートにおいてＡＣ強制駆動電圧
を供給し、共振器の振動周波数の、各ＡＣ強制駆動電圧
の周波数に対する比は整数の比に等しく、各ＡＣ強制駆
動電圧は前記振動信号と同期する、請求項１１に記載の
装置。 - 【請求項１３】 ＶＲＳを動作するのに必要な強制駆動
電圧はすべてＡＣ電圧である、請求項１２に記載の装
置。 - 【請求項１４】 共振器の振動周波数の、ＡＣ強制駆動
電圧の周波数に対する比は１に等しい、請求項１２に記
載の装置。 - 【請求項１５】 共振器の振動周波数の、ＡＣ電圧の周
波数に対する比は２に等しい、請求項１２に記載の装
置。 - 【請求項１６】 各センシング回路の出力ポートにおけ
る接地に対するインピーダンスは１００オームより少な
い、請求項１２に記載の装置。 - 【請求項１７】 振動性回転センサ（ＶＲＳ）の振動モ
ードを制御するための装置であって、前記ＶＲＳは共振
器およびハウジングを含み、前記共振器および前記ハウ
ジングの電位は接地として示され、前記共振器は導電領
域を備えた表面を有し、複数の電極は前記ハウジングに
装着され、前記共振器上の前記導電領域に対向して位置
付けられ、前記装置は出力ポートを有するセンシング信
号発生器を含み、前記センシング信号発生器はその出力
ポートにおいてＡＣセンシング信号を提供し、前記装置
はさらに入力ポートおよび出力ポートを有するセンシン
グ回路を含み、前記センシング回路の前記入力ポートは
前記センシング信号発生器の前記出力ポートと共振器の
導電領域とに接続され、前記センシング回路の前記出力
ポートは時間の順に複数のハウジング電極に接続され、
前記センシング回路はその出力ポートにおいて時間の順
に複数の振動信号を提供し、各振動信号は振幅変調を伴
うＡＣセンシング信号の複製であり、前記振幅変調は共
振器の表面の導電領域における一点から対向するハウジ
ング電極までの距離の周期関数であり、前記振幅変調の
周波数は共振器の振動周波数である、装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/821785 | 1997-03-21 | ||
| US08/821,785 US5850041A (en) | 1997-03-21 | 1997-03-21 | Vibratory rotation sensor with AC forcing and sensing electronics |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10274533A true JPH10274533A (ja) | 1998-10-13 |
| JP3002663B2 JP3002663B2 (ja) | 2000-01-24 |
Family
ID=25234305
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10072287A Expired - Lifetime JP3002663B2 (ja) | 1997-03-21 | 1998-03-20 | 振動性回転センサの振動モードを制御するための方法および装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5850041A (ja) |
| EP (1) | EP0866310B1 (ja) |
| JP (1) | JP3002663B2 (ja) |
| CA (1) | CA2229965A1 (ja) |
| DE (1) | DE69836651T2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007047166A (ja) * | 2005-08-08 | 2007-02-22 | Litton Syst Inc | クラスｉｉコリオリ振動ジャイロスコープにおけるバイアス及び直角位相の減少 |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2168702C1 (ru) * | 2000-10-02 | 2001-06-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ижевский электромеханический завод "Купол" | Твердотельный волновой гироскоп |
| FR2851041B1 (fr) * | 2003-02-06 | 2005-03-18 | Sagem | Procede de mise en oeuvre d'un resonateur sous l'effet de forces electrostatiques |
| US8094841B2 (en) * | 2007-01-17 | 2012-01-10 | The Regents Of The University Of California | Apparatus and method using capacitive detection with inherent self-calibration |
| US8056413B2 (en) * | 2007-09-11 | 2011-11-15 | Evigia Systems, Inc. | Sensor and sensing method utilizing symmetrical differential readout |
| RU2704334C1 (ru) * | 2019-04-02 | 2019-10-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук | Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа |
| CN111998841B (zh) * | 2020-09-04 | 2023-10-27 | 中国电子科技集团公司第二十六研究所 | 一种半球谐振子芯轴振动检测电路及装置 |
| CN115143946B (zh) * | 2022-08-30 | 2022-11-18 | 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 | 半球谐振陀螺用开关的切换设计方法 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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