KR20020071020A - 2축 속도 자이로 및 제3 축 속도 적분 자이로로서작동하는 진동 센서 - Google Patents

2축 속도 자이로 및 제3 축 속도 적분 자이로로서작동하는 진동 센서 Download PDF

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Abstract

진동 구조체 자이로스코프는 공진체, 공진체의 공진 동작을 구동하는 구동 변환 수단, 공진 동작을 나타내는 신호를 생성하는 픽-오프 수단, 그리고 상기 신호로부터 z-축의 방위 정보 및 x-축과 y-축의 속도 정보를 추출하는 신호 처리 수단을 포함한다. 공진체는 편평하고 공진 동작은 공진체에 대한 방위 각도가 z-축을 중심으로 하는 공진체의 방위에 비례하여 변화하는 링의 평면상에서 진동 모드의 패턴으로 발생한다. 이러한 진동 모드 패턴은 에너지를 x-축 또는 y-축을 중심으로 하는 공진체의 회전에 따른 평면-외 응답 모드 동작에 결합시킨다. 신호 처리 수단은 z-축 방위 신호에 관한 평면-외 응답 모드를 분석하여 x-축 및 y-축의 속도 정보를 추출한다.

Description

2축 속도 자이로 및 제3 축 속도 적분 자이로로서 작동하는 진동 센서 {VIBRATORY SENSOR OPERATING AS A RATE GYRO ABOUT TWO AXES AND AS A RATE INTEGRATING GYRO ABOUT THE THIRD ONE}
진동 구조체 자이로스코프는 빔, 튜닝 포크, 실린더 및 링을 포함하는 공진 부재에 대한 다양한 구조를 사용하여 제조되었다. 특정 축을 중심으로 하는 회전 속도의 측정 외에도, 이들 장치는 미국특허 제5,218,867호에 기재된 바와 같이 특정 축을 중심으로 회전 각도의 직접 측정이 가능한 "전방위" 또는 "자이로스코프" 모드로 작동할 수 있다. 이러한 작동 모드는 스케일팩터(scalefactor) 성능의 향상, 특히 회전 속도를 고속으로 유지하는 장점을 제공하는 것으로 알려져 있다.
플래너 링(planar ring)은 특히 다양성을 나타내며, 단일 축 속도 자이로의 변형은 종래의 방식으로 제조거나 정밀 기계가공된 공진기를 사용하며 상업적으로 구입할 수 있다.
종래의 단일 축 플래너 링 자이로스코프는 일반적으로 cos2θ평면-내 진동 모드 쌍을 사용한다. 완전 대칭인 공진기에는 상호각(mutual angle)이 45°일 때2개의 축퇴 모드(degenerate mode)가 있게 된다. 이러한 것들은 도 1a(cos2θ모드) 및 도 1b(sin2θ모드)에 개략적으로 도시되며, 하나의 진동 사이클 동안 2개의 동작 말미에서 링 뒤틀림(ring distortion)을 나타낸다. 이러한 모드 중의 하나는 캐리어 모드(도 1a)로서 야기된다. 이러한 구조체가 링의 평면에 직각인 축(z-축)을 중심으로 회전되는 경우, 코리올리의 힘(Coriolis force)은 에너지를 응답 모드에 결합시킨다(도 1b). 코리올리의 힘, 그리고 이로 인한 응답 모드 동작의 크기는 가해진 회전 속도에 직접 비례한다. 다른 고위(higher-order)의 cosnθ모드 쌍이 마찬가지로 사용될 수 있다.
작동 중에, 캐리어 모드는 최대 공진으로 구동되고 일반적으로 일정한 크기로 유지된다. 회전의 결과로서 발생되는 코리올리의 힘은 캐리어 공진 진동수가 된다. 응답 모드 진동수는 일반적으로 캐리어의 진동수와 일치하며, 따라서 이러한 힘의 결과로서 발생하는 동작은 구조체의 Q(품질 계수)에 의해 증폭되고 민감도를 향상시킨다. 이러한 응답 모드 동작은 널링 힘(nulling force)을 갖는 힘 피드백 루프를 사용하여 영이 될 수 있으며 가해진 속도에 직접 비례한다. 이러한 작동 모드는 Q를 속도 출력으로부터 독립되도록 제거하고 스케일팩터의 성능을 향상시킨다. 그러므로 링의 동작은 항상 고정된 각도로 배향되어 유지된다.
플래너 링 구조체는 또한 평면-내 cosnθ모드 쌍을 사용하는 단일 축 자세의 센서에 사용하기에 적합하며, 미국특허 제5,218,867호에 원통형 부재와 관련하여 기재되어 있다. 이러한 작동 모드에서, 진동 에너지는 장치가 회전됨에 따라 평면-내 모드 쌍 사이에서 전달되지 않고, 힘의 피드백이 가해지지 않는다. 모드의 빈도가 정확하게 일치하는 경우에는 구조체가 회전됨에 따라 링 둘레를 회전하는 모드에 대응하게 된다. 모드 패턴 방향은 관성적으로 안정되지 않고 링 구조체의 회전에 뒤쳐지는 경향이 있다. 상기 가해진 회전 각도에 대한 패턴 각회전의 비율은 관성 결합 상수(inertial coupling constant) K로 주어지며, 이것은 공진 구조체 및 모드 서열n에 좌우된다.
이러한 모드에서 작동하는 경우, 종래의 폐쇄-루프 속도 자이로 작동과 마찬가지로 동일한 구동 및 픽-오프 구성이 채용될 수 있다. 그러나 링 상의 모드 방향을 검지하는 기술 및 동작의 크기를 유지하는 기법은 상당히 상이하다. 반경 방향 구동 신호가 하나 이상의 반경 방향의 배(anti-node)에 가해져서 진동의 크기를 유지하도록 한다. 모드 패턴이 링 둘레를 회전함에 따라 상기 링 둘레의 반경 방향의 배를 추적하기 위해 효과적인 구동 위치가 요구된다. 픽-오프는 마찬가지로 반경 방향의 배 및 마디 모두에서 링의 실질적인 반경 방향 동작을 분석할 수 있어야 한다. 반경 방향의 배 신호는 최대 공진에서의 구동 진동수를 유지하고 진동의 크기를 정규화하는데 사용된다. 반경 방향의 마디 신호는 모드 위치를 정확하게 추적하여야 한다.
영국특허출원 제2318184A호 및 제2335273호A에 기재된 바와 같이, 링 구조체는 또한 다중 축 둘레의 속도를 감지할 수 있다. cosnθ평면-내 캐리어 모드로 구동되는 경우, 링의 평면 내에 있는 축을 중심으로 한 회전 또한 코리올리의 힘을 발생시키게 된다. 이러한 힘은 링의 평면과 직각인 축(z-축)을 따르게 된다. y-축 Ω y 둘레의 회전에서, y-축이θ= 0°을 따르면, 이들 코리올리의 힘Fz(θ)는 식
에 의해 각분포(angular distribution)를 갖게 된다. 여기서θ는 고정된 기준 위치에 대한 링 둘레의 각위치(angular position)이고, n은 캐리어 모드 서열이고, 매개변수F n+1 및F n-1 은 링의 정확한 기하학적 형상에 따른 상수이며, 이에 따라 링의 소재 및 s의 값이 정해진다. 마찬가지로, z-축 Ω x 를 중심으로 한 회전에서, 코리올리의 힘은 식
에 의해 각분포를 갖게 된다.
그러므로 이들 힘은 평면-외 모드 쌍의 sin(n-1)θ및 cos(n+1)θ, 또는 sin(n-1)θ및 cos(n-1)θ를 직접 여기할 수 있는 분력을 갖는다. 링의 크기는 하나의 모드 쌍의 공진 진동수가 평면-내 모드의 공진 진동수와 일치하도록 설정될 수 있다. 이렇게 함으로써, 평면-외 응답 동작의 크기는 구조체의 Q에 의해 평면-내 응답 동작만큼 증폭된다.
이러한 설계를 이용하면, 하나의 장치로 종래의 2개 또는 3개의 단일 축 장치가 필요한 모든 항법 기능을 제공할 수 있다. 다중 축 장치는 공진기의 제조 과정에서 감지 축의 상호 정렬을 할 수 있는 장점을 갖고, 더욱이 모든 축에 대한 단일 진동수 작동은 단일 축 장치보다 전자적으로 상당히 복잡할 필요가 없다는 것을 의미한다. 다중 축 둘레의 속도 감지에 필요한 적용에 있어서, 예를 들어 다중 축 장치는 비용과 크기의 상당한 감소를 제공할 수 있다.
영국특허출원 제2318184A호 및 제2335273A호에는 다양한 모드의 조합이 기재되어 있으며 여기에는 2축 및 3축 속도 자이로스코프 모두가 채용될 수 있다. 각각의 조합에 적절한 구동 및 픽-오프 부재의 위치 역시 도시되어 있다.
미국특허 제5,218,867호, 영국특허출원 제2318184A 및 제2335273A호는 본 명세서의 일부로서 참조되었다.
임의의 자이로스코프 응용은 몸체의 공간적 방위를 측정할 필요가 있으며, 하나의 특정 축을 중심으로 고속 회전하게 된다. 예를 들면 항공기 운항에서, 항공기의 롤(roll) 축은 피치(pitch) 축 및 요(yaw) 축보다 회전 속도가 커질 수 있다. 이러한 응용에서 피치 축 및 요 축의 방위를 계산하기 위해서는 롤 축의 방위를 정확하게 파악하는 것이 필수적이다.
결과적으로, 고속 회전하는 축은 "전 방위(whole angle)" 모드에서 스케일팩터 에러에 기인한 헤딩(heading) 에러의 축적을 방지하도록 작동하여 성능에서 상당한 장점을 갖는다. 예를 들어 매 회전에서 1%의 스케일팩터 에러는 3.6°의 헤딩 에러를 일으킨다. 휠 또는 액슬의 동작을 감지할 때 하나의 축이 다른 2개의 축보다 고속으로 회전하는 경우, 누적 에러의 문제는 특히 심각하다.
그러므로 고속으로 회전을 하게되는 단일 축 둘레의 방위를 정확하게 측정하면서 다중 축의 장점을 갖는 장치가 필요하게 되었다.
본 발명은 다중 축 감지 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 공진 부재를 사용하는 진동 구조체 자이로스코프에 관한 것이다.
도 1a는 대칭인 공진기의 축퇴 cos2θ진동 모드 또는 종래 방식의 캐리어 모드로서 작용하는 진동 구조체를 개략적으로 나타내는 도면.
도 1b는 도 1a에서 45°인 축퇴 sin2θ진동 모드로 종래 방식의 응답 모드로서 작용하는 것을 나타내는 도면.
도 2a는 α= 0°인 cos2(θ+ α) 평면-내 캐리어 모드에 대한 반경 방향 변위의 각분포를 나타내는 도면.
도 2b는 도 2a에 대응하나 x-축 둘레의 회전에 의해 여기되는 z-축 변위의 cos3θ진동 모드를 나타내는 도면.
도 2c는 도 2a 및 도2b에 대응하나 y-축 둘레의 회전에 의해 여기되는 z-축 변위의 cos3θ진동 모드를 나타내는 도면.
도 3a, 3b 및 3c는 도 2a, 2b 및 2c와 각각 대응하나 α= 22.5°일 때의 응답을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 블록 다이어그램으로 z-축 각도를 감지하는 분력을 나타내는 도면.
도 5는 도 4에 대응하는 블록 다이어그램이나 x-축 및 y-축의 속도를 감지하는 추가의 분력을 나타내는 도면.
본 발명은 이러한 상기 관점에 따라, 속도 자이로 모드의 x-축 및 y-축 응답을 유지하면서 다중 축 자이로스코프의 z-축 응답을 "전 방위" 또는 "자이로스코프" 모드로 작동시킬 수 있도록 하는 것이다. 따라서 본 발명은 대체로 2개의 축에 대한 자이로스코프 및 제3의 축에 대한 전방위 자이로스코프로서 작동하도록 되어 있는 3축 자이로스코픽 감지 장치로 일컬어질 수 있다.
그러므로 본 발명에 따른 진동 구조체 자이로스코프는 공진체, 공진체의 공진 동작을 구동하는 구동 변환 수단, 공진 동작을 나타내는 신호를 생성하는 픽-오프 수단, 그리고 상기 신호로부터 z-축의 방위 정보 및 x-축과 y-축의 속도 정보를 추출하는 신호 처리 수단을 포함한다.
보다 구체적으로, 신호 처리 수단은 상기 신호로부터 z-축 캐리어 모드 방위 정보를 추출하고 이 정보를 정규화하여 z-축에 대한 각도 방위를 알 수 있도록 하며 상기 정보로부터 x-축과 y-축의 속도 정보를 추출한다.
이러한 자이로스코프에서 공진체는 일반적으로 플래너 링 구조체이며 공진 동작은 공진체에 대한 방위 각도가 z-축을 중심으로 하는 공진체의 방위에 비례하여 변화하는 링의 평면상에서 진동 모드의 패턴으로 발생한다. 이러한 진동 모드 패턴은 에너지를 x-축 또는 y-축을 중심으로 하는 공진체의 회전에 따른 평면-외 응답 모드 동작에 결합시킨다. 이러한 경우, 신호 처리 수단은 유리하게 z-축을 중심으로 하는 방위를 나타내는 z-축 방위 신호를 분석하여 x-축 및 y-축의 속도 정보를 추출한다.
픽-오프 수단은 공진체의 평면-내에서 공진 동작을 감지하도록 위치된 제1 복수의 픽-오프 및 공진체의 평면-외에서 응답 모드 동작을 감지하도록 위치된 제2 복수의 픽-오프를 포함한다. 제2 복수의 픽-오프는 30k°이격되어야 하며, 여기서 k는 홀수의 정수이다.
구동 변환 수단은 바람직하게 구동 리졸버를 통해 구동되는 복수의 구동 변환기를 포함하여, z-축 캐리어 진동 모드 방위 신호로부터 입력을 취하여 진동 모드 패턴의 방위각을 따라 분석된 합성 구동을 주도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 신호 처리 수단은 픽-오프 리졸버를 통해 제1 복수의 평면-내 픽-오프로부터 입력 신호를 취하여 z-축 방위 신호를 출력하는 속도 적분 수단, 그리고 가해진 복수의 평면-외 구동을 입력 구동 신호로서 취하고 이들 신호를 z-축 캐리어 진동 모드 방위 신호에 관하여 분석하여 x-축 및 y-축 속도 정보를 출력하는 x-축 및 y-축 리졸버를 포함한다.
바람직하게, 픽-오프 리졸버로부터의 배(anti-nodal) 신호는 구동 변환 수단의 구동 진동수를 조절하여 최대 공진을 추적하도록 하는 위상 동기 루프(phase locked loop)에 가해진다. 상기 배 신호는 또한 구동 변환 수단에 가해진 구동 레벨을 조절하여 일정한 배 신호를 유지하도록 하는 게인 컨트롤 루프(gain control loop)에 가해지는 것이 바람직하다.
픽-오프 리졸버로부터의 마디 신호는 배 신호와 동일한 위상인 임의의 신호 성분을 분석하기 위한 위상 검출기를 포함하는 속도 적분 수단에 가해질 수 있다. 속도 적분 수단은 바람직하게 마디 신호를 취하여 z-축을 중심으로 하는 진동 모드패턴의 회전 속도에 비례하는 속도 신호를 출력하는 루프 컨트롤러와 같은 속도 신호 발생 수단을 포함한다. 속도 신호 적분 수단은 속도 신호를 적분하여 z-축 캐리어 진동 모드 방위 신호를 출력하는 적분기를 더 포함할 수 있다. z-축 캐리어 진동 모드 방위 신호는 자이로스코프 몸체가 z-축 둘레를 회전한 각도를 직접 측정하도록 브라이언 계수(Bryan factor)를 적용하는 정규화 수단에 가해질 수 있다.
픽-오프 수단은 x-축 속도 루프로 출력되는 x-축 픽-오프 및 y-축 속도 루프로 출력되는 y-축 픽-오프를 포함하며, x-축 및 y-축 속도 루프 각각은 구동 신호를 x-축 및 y-축 구동 변환기에 가하여 각 픽-오프에서의 신호를 제로화시킨다.
진동 패턴 편차(drift)를 최소화하기 위해서는 구적 널링 루프(quadrature nulling loop)를 이용하는 것이 유리하다. 이러한 루프는 구동 신호를 마디 축을 따라 구동 변환 수단에 가하여 루프에의 입력을 제로로 유지하도록 한다.
본 발명을 더욱 잘 이해하고 어떻게 효과를 발휘하는지 보여주기 위해 이하에서 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 설명한다.
요약하자면, 본 발명은 x 및 y의 2개 축을 중심으로 한 속도 자이로스코프, 그리고 제3의 축인 z를 중심으로 한 "전방위" 자이로스코프로서 작동하는 다중 축 감지 장치에 관한 것이다. 이러한 모드에 가해지는 z-축 자이로스코프 응답에 의해, x-축 및 y-축 속도 응답에 대한 캐리어 모드는 더 이상 링에 공간적으로 고정되지 않는다. 그러므로 z-축 둘레에 가해지는 회전은 링 둘레에서 회전하는 평면-내 캐리어 모드 각위치를 갖도록 한다.
캐리어 모드 형상은 θ= 0°인 고정 각도의 기준 방향에 관하여 정의될 수 있으며, 링의 중심을 통과하는 직경을 따라 취해진다. 링의 반경 방향 변위는 cosn(θ+ α)의 각분포를 갖게 되며, 여기서 α는 기준 방향에 관한 모드 각도 방위이다. x 및 y 속도 응답 축 또한 고정된 자이로스코프 몸체 기준 축에 관하여 정의될 수 있으며, y-축은 θ= 0°를 따라 놓이고 x-축은 θ= 90°를 따라 놓인다.
x-축 및 y-축 둘레의 회전에 의해 생성되는 코리올리의 힘 성분을 얻기 위해서는 임의의 주어진 α값에 대하여 캐리어 모드의 반경 방향 및 접선 방향 속도 성분의 각분포를 고려할 필요가 있다. 이렇게 함으로써, x 및 y 방향의 속도 성분이 계산될 수 있고, 이로 인해 코리올리의 힘 분포가 x-축 및 y-축 둘레의 회전으로부터 발생한다.
x-축 둘레의 회전 Ωx에 있어서, 평면-외 코리올리 힘의 분포 Fz(θ)는
로 주어지며, 마찬가지로θ는 고정 기준 위치에 관한 링 둘레의 각위치이고, n은 캐리어 모드 순위이고, 매개변수F n+1 및F n-1 은 링의 정확한 기하학적 형상에 따른 상수이며 이에 따라 링의 소재 및 n의 값이 정해진다. 마찬가지로, y-축 둘레의 회전 Ωy에 있어서, 코리올리 힘의 분포는
로 주어진다.
이들 표현은 추가의nα항을 제외하고는, 전술한 바와 같이 고정된 캐리어 모드 위치에 대하여 얻어진 것과 유사하다는 것이 명백하다. 그러므로 몸체에 고정된 x 및 y 둘레의 회전은 여전히 코리올리의 힘 성분을 발생시키게 되어,cos(n±1)θ또는sin(n ±1)θ평면-외 모드 쌍과 직접 결합할 수 있게 된다. 그러나 이들 힘의 성분 역시 링 상의 각도nα에 의해 변화될 수 있다.
이들 효과는 예시를 통해 나타낼 수 있으며, cos2(θ+ α) 평면-내 캐리어 모드가 cos(3θ+ 2α) 및 sin(3θ+ 2α) 평면-외 응답 모드와 연관된다. 도 2a는 α= 0°인 cos2(θ+ α) 평면-내 캐리어 모드에 대한 반경 방향 각도 분포의 3차원 표시를 나타낸다. 점선은 하나의 진동 사이클 동작 동안의 말미를 나타내는 실선을 갖는 링의 변위되지 않은 위치를 나타낸다.
x-축 둘레에 가해지는 회전은 코리올리의 힘 성분을 발생시켜서 도 2b에 도시한 바와 같은 z-축 변위를 갖는 진동 모드 패턴을 여기시킨다. 또한 실선은 진동 사이클 동안 고정 링으로부터 평면-외 변위(일점 쇄선)의 말미를 나타낸다. 마찬가지로 y-축 둘레에 가해진 회전은 도 2c에 도시한 바와 같은 진동 모드 패턴을 여기시킨다.
도 3은 α= 22.5°일 때의 대응하는 응답을 나타낸다. 도 3a는 평면-내 반경 방향 캐리어 모드 변위를 나타내고, 도 3b 및 3c는 x-축 및 y-축 각각의 둘레에 가해지는 회전으로부터 기인하는 평면-외 응답 동작을 나타낸다. 다른 모드의 조합에 대하여 유사한 도면이 생성될 수 있다.
모드의 이러한 조합을 사용하는데 있어서, 자이로 몸체의 x-축 둘레 회전을 측정하기 위해서는 cos(3θ+ 2α) 평면-외 응답 모드 동작을 분석할 필요가 있다. 마찬가지로 y-축 둘레의 회전을 측정하기 위해서는 sin(3θ+ 2α) 평면-외 응답 모드 동작을 분석할 필요가 있다. 이들 모드의 동작 크기는 일반적으로 하나 이상의진동 배에서 측정된다. 이들 배의 지점이 더 이상 링에 고정되지 않으므로, x-축 및 y-축 응답은 고정된 평면-외(z-축) 픽-오프 부재에 의해 직접 검출될 수 없다. 그러나 연관된 동작은 2개 이상의 적절하게 위치된 고정 픽-오프 부재의 출력을 조합함으로써 필요한 각도 방향으로 분석될 수 있다. 이러한 응답 모드가 힘의 피드백 모드로 작동되면, 적절한 구동력이 2개의 고정된 구동 변환기를 사용하여 요구되는 분석된 각위치에 유사하게 가해진다.
도 4는 평면-내 속도 적분 진동 모드 제어를 위한 제어 회로를 나타낸다. 실선 화살표(9)는 0°방향을 나타낸다. 2개의 구동 부재(10, 11)는 0°및 45°로 위치되고, 2개의 픽-오프 부재(12, 13)는 180°및 225°로 위치된다.
기지 값 α에 대하여, sine/cos 픽-오프 리졸버(14)는 픽-오프 부재(12, 13)로부터의 신호를 처리하여 배 위치를 따라 분석된 하나의 신호 및 마디 위치를 따라 분석된 다른 하나의 신호를 출력한다.
구동 진동수를 조절하는 위상 동기 루프(15)에는 배 신호가 가해져서 공진을 최대화한다. 이 신호는 또한 일정한 신호를 유지하여 진동의 크기를 안정되게 하도록 구동 레벨을 조절하는 게인 컨트롤 루프(16)에 가해진다. 구동 신호 V0은 구동 변환기(10)(V0cos2α) 및 (11)(V0sin2α)의 구동 레벨을 설정하여 α를 따라 합성 구동이 분석되도록 구동 리졸버 부재(17)에 가해진다.
마디 픽-오프 신호는 배 신호와 위상이 같은 신호 성분을 분석하는 위상 검출기(18)에 가해진다. 이 신호는 RIG 루프 컨트롤러(19)에 가해져서 진동 모드 패턴의 회전 속도에 비례하는 신호로 출력되도록 한다. 이 출력은 적분기(20)에 가해져서 진동 모드 패턴 방위각 α에 직접 비례하는 신호가 되도록 한다. 이 값은 sine/cos 픽-오프 리졸버(14)에 가해져서 위상 검출기(18) 출력에서 널(null) 값이 유지되도록 한다. 방위각 α는 또한 sine/cos 구동 리졸버(17)에 가해져서 배 축을 따라 구동이 분석되어 유지되도록 한다.
불완전 공진기 구조체에서, sin2θ 및 cos2θ모드 진동수의 작은 차이는 반경 방향 마디 지점에서 상당한 크기의 구적 동작이 일어나도록 한다. 이것은 바람직하지 않은 진동 패턴 편차를 일으키는 것으로 알려져 있으나 도 4에 도시한 바와 같이 구적 널링 루프(21)에 의해 공진기의 구적 동작을 제로화시킴으로써 제거될 수 있다. 이것은 배 신호로 구적되는 마디 신호의 성분을 분석하고 마디 축을 따라 구동 신호를 가하여 구적 널링 루프(21)로의 입력이 항상 제로가 되도록 한다.
적분기(20)로부터 얻어진 α값은, 브라이언 계수에 의해 22로 정규화되는 경우, 공진체가 z-축 둘레를 회전한 각도를 직접 측정할 수 있게 된다.
x-축 및 y-축의 속도를 감지하는 것이 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 평면-외 응답 모드에서, 고정된 기준 축에 관하여 0°및 90°로 위치된 2개의 픽-오프 부재(23, 24)를 사용하는 것이 편리하다. 2개의 임의의 픽-오프 부재는 30k°(여기서 k는 홀수의 정수) 이격된 것이 바람직하다. 이들 픽-오프 부재는 평면-외 동작을 검출하기 위해 링 림(rim)의 위 및/또는 아래에 적절하게 위치된다. 마찬가지로 링의 평면-외 동작을 제어하기 위해서는 180°및 270°로 위치된 2개의 구동 변환 부재(25, 26)를 사용하는 것이 편리하다.
도 5는 x-축 및 y-축 속도 자이로 작동과 협동하여 전술한 z-축 속도 적분 모드용 전자 제어 회로를 나타낸다. 주 루프(27)는 평면 캐리어 모드를 위해 도 4에 예시한 위상 동기 루프(15) 및 게인 컨트롤 루프(16) 모두를 포함한다. 마찬가지로 속도 적분 루프(28)는 도 4의 위상 검출기(18), RIG 루프 컨트롤러(19) 및 적분기(20)를 포함한다.
픽-오프(23)의 출력은 x-축 속도 루프(29)에 가해지고 구동은 x-축 구동 부재(25)에 가해져서 픽-오프(23)에서의 신호를 제로화시킨다. 마찬가지로 y-축 픽-오프(24)의 출력은 y-축 속도 루프(30)에 가해지고 구동은 y-축 구동 부재(26)에 가해져서 픽-오프(24)에서의 신호를 제로화시킨다.
평면-내 및 평면-외 모드의 진동수가 모두 정확하게 일치할 때, 평면-외 응답 모드 동작은 평면-내 동작을 갖는 위상으로 되지만 임의의 작은 진동 파면이 존재하고 구적 동작이 검출되게 된다. 픽-오프 부재(23, 24)에서 진정한 제로화를 유지하도록, 이러한 구적 동작을 제로화시키기 위한 추가의 구동 신호가 x-축 및 y-축 구동 부재(25, 26)에 가해질 수 있다.
x-축 및 y-축 구동과 픽-오프 변환기 부재(23, 24, 25, 26)가 입력 회전축을 따라 정렬되는데 반하여, 이들 축을 중심으로 하는 속도 입력에 대한 응답은 캐리어 모드 패턴 α의 방위에 좌우된다. 가해진 속도는 평면-내 캐리어 모드 각위치를 사용하는 이들 응답으로부터 분석되게 된다. 구동 신호가 x-축 및 y-축 루프(29, 30)로부터 sine/cos x-y 축 리졸버(31)에 가해지고 평면-내 구동 레벨은 α(cos(3θ+ 2α) 응답) 및 α+ 30°(sin(3θ+ 2α) 응답)을 따라 분석되어 x-축및 y-축 속도 신호를 얻는다.
발명의 사상을 벗어나지 않고 많은 변형이 가해질 수 있다. 예를 들어 상기 장치의 기본적인 기능을 변화시키지 않고 추가의 구동 및 픽-오프 부재가 진동 부재와 대칭 모드로 일치하는 추가의 각위치에 위치될 수 있다. 보다 일반적으로, 본 발명의 제어 방식은 영국특허출원 제2318184A호 및 제2335273A호에 기재된 평면-내 캐리어 모드와 평면-외 응답 모드의 임의의 조합과 함께 사용될 수 있다.
당업자들은 공진기 부재가 전기 주조 금속 또는 정밀 기계가공 금속, 석영, 폴리실리콘 또는 벌크 실리콘 등의 다양한 소재로 만들어질 수 있다는 것을 알아야 한다. 소재의 선택은 흔히 제조 방법에 의해 결정될 수 있으며 그 반대일 수도 있다. 구동 수단 및/또는 픽-오프 수단은 다양한 원리, 특히 정전기 원리, 전자기 원리, 압전 원리 또는 광학 원리 등을 사용하여 작동할 수 있다는 것이 또한 명백하다.

Claims (17)

  1. 공진체,
    상기 공진체의 공진 동작을 구동하는 구동 변환 수단,
    상기 공진 동작을 대표하는 신호를 생성하는 픽-오프 수단, 그리고
    z-축 캐리어 진동 모드 방위 정보를 추출하고 상기 z-축을 중심으로 각도 방위에 대한 정보를 주기 위하여 이 정보를 정규화하고 상기 신호로부터 x-축 및 y-축 속도 정보를 추출하는 신호 처리 수단
    을 포함하는 진동 구조체 자이로스코프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진체는 플래너 링 구조체이며 상기 공진 동작은 상기 공진체에 대한 방위 각도가 z-축을 중심으로 상기 공진체의 방위에 비례하여 변화하는 상기 링의 평면상에서 진동 모드의 패턴으로 발생하고 에너지를 x-축 또는 y-축을 중심으로 상기 공진체의 회전에 따른 평면-외 응답 모드 동작에 결합시키며,
    상기 신호 처리 수단은 z-축을 중심으로 방위를 나타내는 z-축 방위 신호에 관한 평면-외 응답 모드 동작을 분석하여 x-축 및 y-축의 속도 정보를 추출하는
    자이로스코프.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 픽-오프 수단은 상기 공진체의 평면-내 공진 동작을 감지하도록 위치된 제1 복수의 픽-오프 및 상기 공진체의 평면-외 응답 모드 동작을 감지하도록 위치된 제2 복수의 픽-오프를 포함하는 자이로스코프.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 복수의 픽-오프는 30k°만큼 이격되며, k는 홀수의 정수인 자이로스코프.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 변환 수단은 z-축 캐리어 진동 모드 방위 신호로부터 입력을 취하여 진동 모드 패턴의 방위각을 따라 분석되는 합성 구동을 주는 구동 리졸버를 통해 구동되는 복수의 평면-내 구동 변환기를 포함하는 자이로스코프.
  6. 제3항 또는 제4항, 제3항 또는 제4항을 인용하는 제5항에 있어서,
    상기 신호 처리 수단은 픽-오프 리졸버를 통해 상기 제1 복수의 평면-내 픽-오프로부터 입력 신호를 취하여 상기 z-축 방위 신호를 출력하는 속도 적분 수단, 그리고
    복수의 평면-외 구동 변환기에 가해진 신호를 입력 구동 신호로서 취하고 이들 신호를 z-축 캐리어 진동 모드 방위 신호에 관하여 분석하여 x-축 및 y-축 속도 정보를 출력하는 x-축 및 y-축 리졸버
    를 포함하는 자이로스코프.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 픽-오프 리졸버로부터의 배(anti-nodal) 신호가 상기 구동 변환 수단의 구동 진동수를 조절하는 위상 동기 루프에 가해져서 최대 공진을 추적하는 자이로스코프.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배 신호가 상기 구동 변환 수단에 가해진 구동 레벨을 조절하는 게인 컨트롤 루프에 가해져서 배 신호를 일정하게 유지하는 자이로스코프.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽-오프 리졸버로부터의 마디 신호가 속도 적분 수단에 가해지는 자이로스코프.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 속도 적분 수단은 배 신호와 동일한 위상인 신호 성분을 분석하는 위상 검출기를 포함하는 자이로스코프.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 속도 적분 수단은 상기 마디 신호를 취하여 상기 z-축을 중심으로 진동 모드 패턴의 회전 속도에 비례하는 속도 신호를 출력하는 속도 신호 발생기를 포함하는 자이로스코프.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 속도 적분 수단은 상기 속도 신호를 적분하여 상기 z-축 방위 신호를 출력하는 적분기를 더 포함하는 자이로스코프.
  13. 제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 z-축 캐리어 진동 모드 방위 신호는 상기 공진체가 z-축 둘레를 회전한 각도를 직접 측정하도록 브라이언 계수(Bryan factor)를 상기 z-축 캐리어 진동 모드에 적용하는 정규화 수단에 가해지는 자이로스코프.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽-오프 수단은 x-축 속도 루프로 출력되는 x-축 픽-오프 및 y-축 속도 루프로 출력되는 y-축 픽-오프를 포함하며, 상기 x-축 및 y-축 속도 루프 각각은 구동 신호를 x-축 및 y-축 구동 변환기에 가하여 각 픽-오프에서의 신호를 제로화시키는 자이로스코프.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    구적 널링 루프가 구동 신호를 마디 축을 따라 구동 변환 수단에 가하여 상기 구적 널링 루프에 대한 입력을 제로로 유지하도록 하는 자이로스코프.
  16. 2축을 중심으로 하는 속도 자이로스코프 및 제3축을 중심으로 하는 전방위 자이로스코프로서 작동하도록 되어 있는 3축 자이로스코픽 감지 장치.
  17. 첨부 도면의 도 2 내지 도 5를 참조하여 전술하거나 상기 도 2 내지 도 5에 예시한 바와 같은 진동 구조체 자이로스코프.
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