JPS62150116A - 循環駆動型レ−トジヤイロの信号処理回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、物体の慣性角速度を検出するレートジャイロ
に係わり、特に振動又は旋回といった、循環駆動型レー
トジャイロの信号処理回路に関する。

従来の技術 一般に慣性角速度といわれる慣性系に対する回転率を測
定する装置は種々あり、角速度センサー（八ｎｇｕｌａ
ｒ　ｒａｔｅ　５ｅｎｓｏｒまたはＡｎｇｕｌａｒ　ｖ
ｅｌｏｃｉｔｙｓｅｎｓｏｒ　）　、レートジャイロ、
角速度検出器（Ａｎｇｕ−１ａｒ　ｒａｔｅ　ｓｅｎｓ
ｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ　）など、いろいろな名称で呼ば
れている。以下、本発明ではレートジャイロという呼称
を用いる。

従来、レートジャイロには様々なものが閉塞されている
が、それらに共通する動作原理は、１）質量要素を、被
測定座標系内で強制駆動する、 ２）　その駆動により、被測定座標系が慣性座標系に対
し回転運動したときに、前記質１要素にコリオリの力を
作用させる、 ３）　前記質量要素に作用する力を検知して、ぞの偏位
検知信号から、コリオリの力に応じた成分を抽出し、コ
リオリの力の発生メカニズムに応じた信号処理を施して
、慣性角速度に比例した出力を得る、 ということができる。

ところでこれまで提案されている種々のレートジャイロ
を特徴づけるのは、その駆動形態（単振動駆動か、旋回
駆動か、直線状駆動か）、駆’ＤＪ＋方法（電磁作用を
利用したもの、圧電効果を利用したもの等）、コリオリ
の力を作用させるべき質量要素（例えば片持ち梁、音叉
、弦の振動部、ロータの構成要素、放出ガス等）及びコ
リオリの力の検出方法（電磁作用を利用したもの、圧電
効果を利用したもの、カンチレバーによるもの、トルク
ハネによるもの等）などがあり、着眼点によって、その
分類のしかたも変わって来る。

本発明で対象とするレートジャイロ装置は、上述の分類
要素のうち駆動方式に着目して、単振動駆動、又はその
二次元的合成である旋回駆動といった循環駆動型レート
ジャイロに属する。

この循環駆動型レートジャイロは、前述の他の要素の違
いによって、例えば片持ち梁を電磁力により振動させ、
その先端部に生ずるコリオリの力による偏位を電磁的に
検出するもの、あるいは励振、検知のいずれか一方、又
は、両方に圧電効果を利用するもの（いずれも米国特許
第２５４４６４６号）、音叉を電磁力で、励振し、その
先端部に作用するコリオリの力を、音叉支持軸まわりの
トルクに変換してトルクハ茅によって検知するもの（米
国特許第２６８３５９６号）、カンチレバー状の圧電素
子を旋回駆動してそれに作用するコリオリの力をピ、ク
ア、ブするもの等がある。

以上の３例の場合は勿論、他の例の場合も、循環駆動型
レートジャイロであればすべて、得られた偏位検知信号
に含まれる真の信号成分、即１３コリオリの力に応じた
成分（ひいては慣性角速度に応じた成分）は、 （１）駆動周波数に等しい周波数をもつ、（２）駆動速
度（２次元駆動の場合はその必要方向成分）に等しい位
相をもつ、 という特徴を有している。これは、コリオリの力は駆動
速度と慣性角速度のへ、クトル積に比例するという発生
原理に由来する。

このような真の信号成分の特徴を利用して、偏位検知信
号から慣性角速度に比例した出力を得る信号処理の方法
としては、従来は適当な周波数弁別の後、駆動速度との
掛は算を行なうのが一般的である。

第２図は上述のような従来の信号処理回路を示すブロッ
ク図である。図に於いて、■は質量要素に作用する力、
又はそれにより生ずるトルクに応じた電気出力を発生す
る偏位検知信号源であり、その出力には真の必要信号成
分であるコリオリの力に応じた信号成分の他に、重力、
被測定座標系に対する並進加速面に基づく反力としての
慣性力、回転運動に伴う遠心力、被測定座標系内におけ
る循環運動に伴って生ずる慣性力（駆動慣性力）等に応
じた信号成分も混入している。２は駆動周波数を中心と
した帯域通過フィルタであり、前記偏位検知信号１゛に
含まれる上記諸成分のうち、木質的に駆動動作と因果関
係のない成分を除去する。

３は駆動速度の所望方向成分の瞬時値を出力する駆動速
度信号発生源であり、具体的には被駆動体に固定された
磁石の運動を監視するピックアップコイル、被駆動体に
張りつけられた圧電素子などである。４は前記駆動速度
信号源３の駆動速度信号３゛　と前記フィルタ出力信号
２゛　とのアナログ積４゛を出力するアナログ掛は算器
であり、前記フィルタ出力信号に含まれる駆動周波数成
分のうち、駆動速度と同和の成分−即ちコリオリの力に
応じた成分＝のみを直流成分に変換し、駆動速度と位相
の直交した成分を直流的に相殺する働きをする。５は、
前記積出力４°の交流成分を減衰させ、直流成分を抽出
するための低域通過フィルタであり、その出力はコリオ
リのカーひいては入力慣性角速度に比例する。

発明が解決しようとする問題点 このような従来の信号処理によれば、確かに入力慣性角
速度に比例した直流成分を有する出力を得ることができ
る。しかしこれだけでは実用上人きな問題となる場合が
ある。そして、それは特に単振動駆動型のレートジャイ
ロにおいて題材化する。

それは、単振動駆動型のレートジャイロにおいては、質
量要素に作用する駆動慣性力（単振動運動に伴う加速度
に基づく反力）が大きく、これが偏位検知信号ｌ゛に現
われ、木質的に駆動周波数と等しい周波数であるために
周波数による弁別が不可能であり、掛は算器３によって
直流的には相殺されても、きわめて大きなリップル成分
として積出力３′に現われるということである。

この駆動慣性力の振幅は、それと等しい振幅のコリオリ
の力を発生させるために必要な慣性角速度に換算すると
１／２ω　（ωは駆動角周波数）もの大きな値に達する
。このとき、駆動慣性力が駆動速度方向に、コリオリの
力が駆動速度の直交方向に作用することから、質量要素
に作用する力を電気信号に変換する際に、その感度方向
を駆動速度と直交する方向く即ち、必要とする人力慣性
角速度成分と、駆動速度のベクトル積方向）に設定して
、駆動慣性力が偏位検知信号１′に現われ、るのを防く
のが一般的であるが、この感度方向の設定誤差θによっ
て偏位検知信号１°に駆動慣性力に応じた成分が混入す
るのである。

上記メカニズムによって発生する駆動慣性力によるリッ
プル分は、慣性角速度信号そのもののリップル分と比較
換算すると、結局１／２ω　ｔａｎθとなる。この値は
レートジャイロとして実用可能な駆動周波数、数百ない
し数Ｋ１１ｚ（角周波数ωでは数刀ないし数十万’　／
ｓｅｃ　）　、及び実現可能な加工積度θを考ｊ＆シた
とき、通常この種の装置に求められる最低限の分解能０
．０１ないし０．１’／ｓｅｃ、およびグイナミソクレ
ンジ±’Ｄ　１０００／　ｓｅｃと比較して、いかに大
きな値であるかがわかる。

かかる大きなリップルの故に、低域通過フィルタ５には
非常に高次数及び又は低遮断周波数のものが要求され、
これが装置としての周波数特性を著しく損ない、特に通
信衛星の姿勢制御等への応用のような良好な周波数特性
が要求される場合、致命的な欠陥となっている。

また、旋回駆動型レートジャイロにおいては、駆動慣性
力は遠心力となってＤＣ化されるので、単振動駆動型に
おけるほど顕著ではないが、やはり重量、軸ぶれ等によ
って同期性の誤差成分の発生はあり、また特にシビアな
応用に於いては、↑１１性角速度信号自身によるリップ
ルが問題となる場合もある。

本発明は、かかるリップルの発生を、フィルター等の位
相遅れ、及び周波数制限を伴わずに軽減することが可能
な循環駆動型レートジャイロの信号処理回路の提供を目
的とする。

問題点を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するため、循環駆動による所
望方向速度成分が極大、極小となる時刻で、偏位検知信
号の瞬時値、反転瞬時値をサンプルホールドすることに
より、上記目的を達するものである。

作用 以上のような手段によれば、偏位検知信号に混入した位
相直交性の不要成分（特に単振動駆動型に於ける駆動慣
性力成分）は、位相遅れ及び周波数制限を伴わずに除去
できる。そのため後段に挿入する低域通過スフィルタは
必要最小限ですみ、装置として良好な周波数特性を得る
ことができる。

実施例 第１図は本発明の巡回駆動型レートジャイロ信号処理回
路の一実施例を示すブロック図である。

第１図に於いて第２図と同じ符号１ないし３の説明は第
２図の説明を援用し、点線で囲んだ部分が本発明の信号
処理回路に特徴的な部分であり、以下その説明をする。

６は通過、反転回路で駆動速度信号源３の出力３゛の極
性によって、周波数弁別された偏位検知信号２°の瞬時
値、反転瞬時値を出力するものである。７はサンプルホ
ールド回路で、駆動速度の極大、極小となる時刻で前記
通過、反転回路６の出力６゛をサンプリングしその値を
半周期の間ホールドして出力する。

以上の構成によって、駆動速度と位相の９０度ずれた成
分は駆動速度の極大、極小となる時刻で雰になるので完
全に除去され、出カフ′にはその振幅のいかんにかかわ
らず、直流的にも交流的にも現われず、駆動速度と同和
の成分−即ちコリオリの力に応じた成分−のみを効率的
に取り出すことができる。

また、このような構成によればいかに大きな慣性角速度
の入力があっても、それによって出力にリップルが生ず
ることもない。

従って、後段に挿入する低域通過フィルタ８は、入力慣
性角速度の変化によってサンプルホールド回路７の出カ
フ゛が階段状になるのをなまらせるのに必要な最低限の
ものでよく、第２図で説明した従来の技術に於ける低域
通過フィルター５よりも蟲かに低次数、及び又は高遮断
周波数のものが使用でき、装置としての周波数特性は飛
躍的に改善される。

なお、通過、反転回路６の通過、反転の切り換え、及び
サンプルホールド回路７のサンプリングの時刻を与える
タイミング信号は、第１図に示したように駆動速度信号
源３の出力３゛に移相、整形等の処理を施すことによっ
て作り出すことができるが、各々適当な信号源を別に設
けてこれを用いることも勿論可能である。

発明の効果 以上の説明から明らかなように本発明による信号処理回
路は、周波数特性の非常に優れた循環駆動型レートジャ
イロを実現でき、特に人工衛星等の姿勢制御に用いてそ
の姿勢の検知が極めて正確になり、かつ構成も比較的筒
車であるから斯界に尽くす効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に於ける循環駆１す」型レー
トジャイロの信号処理回路のブロック図、第２図は従来
の信号処理回路のブロック図である。 ■・・・・・・偏位検知信号源、２・・・・・・帯域通
過フィルタ、３・・・・・・駆動速度１３号源、４・・
・・・・掛は算器、５゜８・・・・・・低域通過フィル
タ、６・・・・・・通過、反転回路、７・・・・・・サ
ンプルホールド回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 循環的に駆動される質量要素と、この質量要素に作用す
   る力を検知して偏位検知信号を得る手段と、その偏位検
   知信号から慣性角速度を検出する手段とを備え、前記循
   環的駆動による所望方向速度成分が極大、極小になる時
   刻で、前記偏位検知信号の瞬時値、反転瞬時値をサンプ
   ルホールドすることにより、慣性角速度を検出すること
   を特徴とする循環駆動型レートジャイロの信号処理回路
   。