TWI724127B - 陀螺儀裝置及陀螺儀裝置之控制方法 - Google Patents

陀螺儀裝置及陀螺儀裝置之控制方法 Download PDF

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TWI724127B
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本貴城
田中秀治
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國立大學法人東北大學
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Abstract

陀螺儀裝置，係具備有：單一之2維振動元件，係藉由對應於第1旋轉振動模態之驅動訊號以及對應於第2旋轉振動模態之驅動訊號而被驅動；和第1檢測部，係根據從前述2維振動元件所輸出之訊號，而檢測出對應於前述第1旋轉振動模態之成分的振幅以及相位；和第2檢測部，係根據從前述2維振動元件所輸出之訊號，而檢測出對應於前述第2旋轉振動模態之成分的振幅以及相位。

Description

陀螺儀裝置及陀螺儀裝置之控制方法
本發明，係有關於陀螺儀裝置及陀螺儀裝置之控制方法，例如，係有關於使用有單一(1個)之作了模態匹配(相正交之2軸的共振頻率為一致)的2維振動元件之陀螺儀裝置及陀螺儀裝置之控制方法。
從先前技術起，便提案有用以檢測出旋轉之角速度的陀螺儀裝置。例如，在下述之文獻(非專利文獻1)中，係記載有一種陀螺儀裝置，其係構成為使用2個的共振元件，並將各個共振元件朝向順時計方向(CW(Clockwise rotation))、逆時計方向(CCW(Counter-Clockwise rotation))激振，而根據各共振元件之頻率差來求取出輸入角速度。又，在下述之專利文獻1中，係記載有一種使環狀之振動式陀螺儀具有順時針方向以及逆時針方向之旋轉振動地來激振之裝置。
[先前技術文獻] [非專利文獻]
[非專利文獻1][MEMS 2013] QUADRATURE FM GYROSCOPE, M. H. Kline1, Y.-C. Yeh1, B. Eminoglu1, H. Najar2, M.Daneman3, D. A. Horsley2, B. E. Boser1, 1UC Berkeley, 2UC Davis, 3Invensense, pp. 604-608, 087-We
[專利文獻1]日本特開平6-241810號公報
然而，在非專利文獻1中所記載之陀螺儀裝置，係有著必須要使所使用之2個的振動元件之特性完全相同的問題。又，由於係使用2個的振動元件，因此係有著會使裝置之小型化變得困難的問題。進而，由於伴隨著溫度的變化，共振元件之共振頻率、Q值等的特性會改變，因此，係有著為了將2個的共振元件之特性設為相同而需要使兩者的環境溫度等之使用條件相互一致的問題。又，在專利文獻1中，針對根據振動式陀螺儀之輸出來檢測出CW：CCW模態之成分的具體性之構成，係並未作明示。
本發明之其中一個目的，係在於提供一種用以解決此些之問題的新穎且有用的陀螺儀裝置及陀螺儀裝置之控制方法。
為了解決上述課題，本發明，係為一種陀螺儀裝置，其係具備有：單一之2維振動元件，係藉由對應於第1旋轉振動模態(例如，順時針旋轉(CW)振動模態)之驅動訊號以及對應於第2旋轉振動模態(例如，逆時針旋轉(CCW)振動模態)之驅動訊號而被驅動；和第1檢測部，係根據從2維振動元件所輸出之訊號，而檢測出對應於第1旋轉振動模態之成分的振幅以及相位；和第2檢測部，係根據從2維振動元件所輸出之訊號，而檢測出對應於第2旋轉振動模態之成分的振幅以及相位。
本發明之其他態樣，係為一種陀螺儀裝置之控制方法，其特徵為：係藉由對應於第1旋轉振動模態之驅動訊號以及對應於第2旋轉振動模態之驅動訊號而驅動單一之2維振動元件，根據從2維振動元件所輸出之訊號，而檢測出對應於第1旋轉振動模態之成分的振幅以及相位，根據從2維振動元件所輸出之訊號，而檢測出對應於第2旋轉振動模態之成分的振幅以及相位。
若依據本發明，則由於係採用使用單一之振動元件的構成，因此係成為能夠將裝置小型化。又，由於係並不需要使用複數之振動元件，因此，係並不存在有振動元件間之性能參差，而成為能夠達成陀螺儀裝置之高性能化。另外，係並不應根據藉由本說明書所例示的效果來對於本發明之內容作限定性解釋。
10:陀螺儀裝置
15:2維振動元件
20:驅動訊號產生部
30a:第1檢測部
30b:第2檢測部
40a:第1PLL電路
40b:第2PLL電路
50a:第1AGC部
50b:第2AGC部
70:角速度檢測部
80a、80b:角度檢測部
91~94:相位調整部
95~98:振幅調整部
CW:第1模態
CCW:第2模態
[圖1]圖1，係為用以對於在環形之共振器中的振動之其中一例作說明之圖。
[圖2]圖2，係為用以對於在環形之共振器中的振動之其中一例作說明之圖。
[圖3]圖3，係為用以對於一般性的同步檢波方式作說明之圖。
[圖4]圖4，係為用以對於根據輸入訊號而檢測出CW模態之成分以及CCW模態之成分的構成、方法作說明之圖。
[圖5]圖5，係為用以對於根據輸入訊號而檢測出CW模態之成分以及CCW模態之成分的構成、方法作詳細說明之圖。
[圖6]圖6，係為用以對於在藉由特定之參考訊號來進行了檢波的情況時之輸出之其中一例作說明之圖。
[圖7]圖7，係為用以對於在藉由特定之參考訊號來進行了檢波的情況時之輸出之另外一例作說明之圖。
[圖8]圖8，係為用以對於在藉由特定之參考訊號來進行了檢波的情況時之輸出之另外一例作說明之圖。
[圖9]圖9，係為用以對於在藉由特定之參考訊號來進行了檢波的情況時之輸出之另外一例作說明之圖。
[圖10]圖10，係為對於本發明之實施形態的陀螺儀 裝置之構成例作展示之圖。
[圖11]圖11，係為對於本發明之實施形態的第1檢測部之構成例作展示之圖。
[圖12]圖12，係為對於本發明之實施形態的第2檢測部之構成例作展示之圖。
[圖13]圖13，係為對於本發明之實施形態的陀螺儀裝置中之訊號的流動作示意性展示之圖。
[圖14]圖14，係為對於本發明之第1實施形態的角速度檢測部之構成例作展示之圖。
[圖15]圖15A以及圖15B，係為用以針對霍爾角模態(Hall angle mode)作說明之圖。
[圖16]圖16A以及圖16B，係為對於本發明之第2實施形態的角度檢測部之構成例作展示之圖。
[圖17]圖17A以及圖17B，係為用以針對相對於驅動訊號之理想性的振動作說明之圖。
[圖18]圖18A以及圖18B，係為用以針對在理想性的振動中，於共振頻率中X方向之振幅與Y方向之振幅係相互一致而相位差係成為90°一事作說明之圖。
[圖19]圖19A以及圖19B，係為用以針對起因於振動元件之非完全性所導致的問題點作說明之圖。
[圖20]圖20A以及圖20B，係為用以針對起因於振動元件之非完全性所導致的問題點作說明之圖。
[圖21]圖21，係為用以針對起因於振動元件之非完全性所導致的問題點作說明之圖。
[圖22]圖22A以及圖22B，係為用以針對用以解決起因於振動元件之非完全性所導致的問題點之方法作說明之圖。
[圖23]圖23，係為用以針對起因於振動元件之非完全性所導致的問題點作說明之圖。
[圖24]圖24A以及圖24B，係為用以針對起因於振動元件之非完全性所導致的問題點作說明之圖。
[圖25]圖25A以及圖25B，係為用以針對用以解決起因於振動元件之非完全性所導致的問題點之方法作說明之圖。
[圖26]圖26，係為對於第3實施形態的陀螺儀裝置之構成例作展示之區塊圖。
[圖27]圖27A以及圖27B，係為用以針對藉由第3實施形態所能夠得到的效果作說明之圖。
[圖28]圖28A以及圖28B，係為用以針對藉由第3實施形態所能夠得到的效果作說明之圖。
以下，參考圖面，對本發明之實施形態等作說明。另外，說明係依照下述之順序來進行。
〈1.第1實施形態〉
〈2.第2實施形態〉
〈3.第3實施形態〉
〈4.變形例〉
以下所說明之實施形態等，係為本發明之合適的具體例，本發明之內容，係並不被此些之實施形態等所限定。
〈1.第1實施形態〉
「關於一般性的陀螺儀裝置」
為了易於理解本發明，先針對一般性的陀螺儀裝置(陀螺儀)作說明。另外，在以下之說明中，係以使用有MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)之小型的振動型陀螺儀裝置為例來作說明。在陀螺儀裝置中，係進行有檢測出旋轉之角速度(以下，適宜稱作旋轉角速度)，並對旋轉角速度作積分而得到旋轉之角度(以下，適宜稱作旋轉角度)的處理。作為檢測出旋轉角速度Ωz之方法，係周知有複數之方法。作為第1方法，係周知有被稱為AM(Amplitude Modulation)模態之方法。在AM模態中，係藉由對於當在驅動軸(例如X軸)方向上賦予了振動時的起因於科氏力而產生變化的感測軸(例如Y軸)方向之振幅(位移)作計測，而得到角速度。由於感測軸方向之振幅係與旋轉角速度Ωz成正比，因此，藉由檢測出該振幅，係能夠檢測出旋轉角速度Ωz。在AM模態中，係對於被賦予至驅動軸方向上的振動會在感測軸方向上直接激振一事作考慮，而以會使在驅動軸、感測軸方向上之共振頻率互為相異的方式而被作設定(模態失配、mode mismatch)。然而，在AM模態中，由於係以從共振頻率而分離的頻率來進行計測，因此係有著會使感度降低等的 問題。
第2方法，係為被稱作力重新平衡(force rebalance)之方法，並為以使AM模態之感測軸方向的振幅恆常會成為0的方式來施加反饋控制並根據該反饋訊號之大小來得到旋轉角速度之方法。於此情況，係能夠使用使驅動軸和感測軸之共振頻率相互作了配合(作了模態匹配)的振動元件。然而，係會有尺度因子(scale factor，相對於旋轉角速度之輸出的大小)會起因於溫度等而有所變動等的問題。
有鑑於上述一般之第1、第2方法的問題，在本發明之實施形態中，係採用由FM(Frequency Modulation)模態所致之陀螺儀裝置之驅動。作為FM模態之特徵，相較於其他之方法，係可列舉出具備有感度(尺度因子)係為正確且為安定、原理上而言在溫度特性上係為優良、在動態範圍中係並不存在有限制等的優點之特徵。
於此，針對FM模態之基本性的原理作說明。另外，由於FM模態之原理自身係為公知，因此於此係僅進行概略性之說明。FM模態之陀螺儀，係藉由在相正交(獨立)之2軸方向上而振動的振動元件(亦被稱為共振元件、共振器)所構成。在FM模態中，係使用使在各軸上的共振頻率相互作了一致的振動元件(模態匹配)。在此狀態下，若是對於振動元件而賦予旋轉角速度，則係會導出下述之數式1，此事係為周知。另外，在 數式1中之λ，係為共振頻率，ω，係為在並未賦予旋轉的情況時之共振頻率(由於係進行有模態匹配，因此2軸係均為相同之共振頻率)，Ωz，係代表被賦予至振動元件處的旋轉角速度。
另外，以下所言及的振動，係並不被限定於直線方向(例如，X方向、Y方向)，只要是身為平面內之作了模態匹配的正交振動模態，則不論是何種振動均可作利用。例如，在環形之共振器的情況時，如同圖1、2中所示一般，相正交之2個的振動係並非絕對會成為單純的直線振動，但是，若是將在各者的振動模態中之位移的狀態以模態座標(一般化座標)來作表現，則係能夠視為與直線振動完全相同地來作處理。以下，係亦包含此些之模態座標(一般化座標)地，而將1個的模態稱作"X軸(或者是X方向)"，並將與此相正交之模態稱作"Y軸(或者是Y方向)"(另外，在圖1、2中之模態1、2，係代表數學性或者是振動學性地相正交之狀態)。
[數式1] λ 2=(ω 2+Ω z 2 )±2ωΩ z (1)
根據數式1，係導出下述之數式2。
[數式2] λ=ω±Ω z (2)
亦即是，如同根據數式2所示一般，在並未 被賦予有旋轉時，X軸、Y軸方向之共振頻率係為相互一致，亦即是作了模態匹配，但是，藉由賦予有旋轉一事，共振頻率λ係分別成為ω+Ωz和ω-Ωz。若是將此2個的共振頻率設為λ1、λ2，則由於共振頻率λ1、λ2之差(偏差)係與旋轉角速度Ωz成正比，因此，若是檢測出2個的共振頻率λ1、λ2，則係能夠基於下述之數式3來得到旋轉角速度Ωz。
Figure 106107980-A0202-12-0010-1
於此，對應於λ1(ω+Ωz)之運動，係與順時針旋轉(CW)相對應，對應於λ2(ω-Ωz)之運動，係與逆時針旋轉(CCW)相對應。亦即式，在對於作了模態匹配之振動元件而賦予了旋轉的情況時，固有振動模態係並非為直線(X方向或者是Y方向之單獨的振動)，而是成為旋轉振動(X方向和Y方向之振動的相位作了±90度(°)之偏移之2維振動)。另外，實際之振動元件的旋轉，係成為此些之CW模態以及CCW模態的重疊。
「關於各模態之成分的檢測方法」
以上，係針對FM模態作了說明。在本發明之實施形態中，係使在上述之FM模態中而2維性地作了模態匹配的1個的振動元件(以下，適宜稱作2維振動元件)激振。故而，為了得到旋轉角速度Ωz，係有必要將在2維 振動元件之旋轉振動(輸出)中所包含的CW模態(第1旋轉振動模態)之成分和CCW模態(第2旋轉振動模態)之成分獨立地檢測出來。因此，接著，係針對從2維振動元件之輸出而將CW模態之成分以及CCW模態之成分分離並檢測出來的方法作說明。
圖3，係為用以對於一般性的同步檢波方式作說明之圖。在輸入訊號(Signal)SI中，係被輸入具備有某一特定之振幅(Amplitude)以及位相(Phase)的訊號。輸入訊號SI係被作分岐，並被輸入至乘算器(mixer)1、3的各者中。在同步檢波方式中，係將使相位作了90度的偏移之2個的訊號，作為參考訊號來使用，並在將此參考訊號藉由各別的乘算器1、3來進行了乘算之後，進行濾波處理，藉由此，而得到解調輸出。例如，作為參考訊號，係使用cos波以及sin波，藉由乘算器1，來進行在輸入訊號SI處乘算上cos波的處理，藉由乘算器3，來進行在輸入訊號SI處乘算上sin波的處理。
從乘算器1所輸出的訊號，係被輸入至LPF(Low Pass Filter)2處，並被進行濾波處理。藉由以LPF2所致之濾波處理，從LPF2，係僅有身為與參考訊號(在本例中，係為cos波)相同頻率並且具有相同之相位的成分會被作輸出。
另一方面，從乘算器3所輸出的訊號，係被輸入至LPF4處，並被進行濾波處理。藉由以LPF4所致之濾波處理，從LPF4，係僅有身為與在乘算器3中之參 考訊號(在本例中，係為sin波)相同頻率並且具有相同之相位的成分會被作輸出。
藉由從LPF2、4而來之輸出，輸入訊號SI係被作解調，基於解調輸出，輸入訊號SI之振幅r和相位θ係被檢測出來。
在本發明之實施形態中，係對於此同步檢波方式作發展、應用，而進行將CW模態之成分和CCW模態之成分檢測出來的處理。另外，在以下之說明中，雖係針對根據在2維振動元件內所產生的使CW模態和CCW模態作了組合後的訊號來僅檢測出CW模態之成分的例子，而進行說明，但是，係可藉由同樣的處理來檢測出CCW模態之成分。
圖4，係為用以對於根據輸入訊號SI而檢測出CW模態之成分的方法作說明之圖。作為輸入訊號SI，係被輸入有從2維振動元件所輸出之訊號。在使用了2維振動元件的情況時，如同圖示一般，係可藉由包含有X、Y方向之成分的向量性之標記，來表現輸入訊號SI。
輸入訊號SI係被作分岐，並被輸入至乘算器1、3的各者中。作為參考訊號，係使用有訊號CW-I(In phase)、CW-Q(Quadrature Phase)，藉由乘算器1，而進行在輸入訊號SI處乘算上訊號CW-I之處理，藉由乘算器3，而進行在輸入訊號SI處乘算上訊號CCW-I之處理。訊號CW-I、訊號CW-Q，係如同在圖4中所符號性地作展示一般，身為振幅、頻率、旋轉方向為相同並且相 位作了90度偏移的訊號。
對於輸入訊號SI，藉由乘算器1而乘算訊號CW-I，該輸出係被供給至LPF2處。對於輸入訊號SI，藉由乘算器3而乘算訊號CW-Q，該輸出係被供給至LPF4處。在由LPF2、4之各者所致的濾波處理之後，其結果，輸入訊號SI係被作解調，基於解調輸出，係能夠將在輸入訊號SI中所包含的CW模態之成分之振幅r和相位θ檢測出來。
圖5，係為用以對於上述之乘算器1、3之詳細的構成例作說明之圖。乘算器1，例如，係具備有乘算器1a、和乘算器1b、以及加算器1c。乘算器3，例如，係具備有乘算器3a、和乘算器3b、以及加算器3c。
如同上述一般，在2維振動元件的情況時，作為輸入訊號SI，X軸、Y軸方向之訊號(振幅)(以下，適宜稱作訊號SIX、SIY)係被輸入至乘算器1中。乘算器1a，係對於訊號SIX而乘算上訊號CW-I之X軸方向之成分，乘算器1b，係對於訊號SIY而乘算上訊號CW-I之Y軸方向之成分。加算器1c，係將乘算器1a、1b之輸出作加算並輸出至LPF2處。
乘算器3a，係對於訊號SIX而乘算上訊號CW-Q之X軸方向之成分，乘算器3b，係對於訊號SIY而乘算上訊號CW-Q之Y軸方向之成分。加算器3c，係將乘算器3a、3b之輸出作加算並輸出至LPF4處。
針對藉由上述之方法而能夠檢測出在2維振 動元件之輸出中所包含的CW模態之成分一事，參考圖6~圖9來作更為詳細之說明。在圖6中所示之例，係為作為參考訊號而使用訊號CW-I來進行檢波之例。另外，在本例中，係將CW-I之X軸方向之訊號設為sin波，並將Y軸方向之訊號設為cos波。當假定輸入訊號SI係僅有訊號CW-I之成分的情況時，乘算器1a之輸出波形係成為波形WA1a，乘算器1b之輸出波形係成為波形WA2a。藉由加算器1c而將各乘算器之輸出作了加算後的訊號之波形，係成為波形WA3a。若是使此訊號波形通過LPF2，則由於由LPF2所致之濾波處理係身為與得到平均之處理等價的處理，因此，所得到的訊號之波形，係成為與波形WA3a同樣的波形WA4a(直流成分)。亦即是，當在輸入訊號SI中包含有訊號CW-I之成分的情況時，藉由使用有訊號CW-I之檢波，係能夠將該成分檢測出來。
在圖7中所示之例，係為作為參考訊號而使用訊號CW-I來進行檢波之例，但是，係為假定輸入訊號SI係僅有相位為與訊號CW-I成為90度之相異的訊號CW-Q之成分的情況時之例。於此情況，乘算器1a之輸出波形係成為波形WA1b，乘算器1b之輸出波形係成為波形WA2b。將此些之波形之輸出藉由加算器1c而作了加算後的訊號，係如同圖示一般而成為0，故而，LPF2之輸出係亦如同圖示一般而成為0。
在圖8中所示之例，係為作為參考訊號而使用訊號CW-I來進行檢波之例，但是，係為假定輸入訊號 SI係僅有旋轉方向為與訊號CW-I相異的逆時針旋轉之訊號CCW-I之成分的情況時之例。於此情況，乘算器1a之輸出波形係成為波形WA1c，乘算器1b之輸出波形係成為波形WA2c。藉由加算器1c而將各乘算器之輸出作了加算後的訊號之波形，係成為以0作為中心而成為對稱的波形WA3c。若是使此波形WA3a之訊號通過LPF2，則其之輸出係如同圖示一般而成為0。
在圖9中所示之例，係為作為參考訊號而使用訊號CW-I來進行檢波之例，但是，係為假定輸入訊號SI係為旋轉方向為與訊號CW-I相異的逆時針旋轉之訊號並且僅具備有相位為與訊號CCW-I成為90度之相異的訊號CCW-Q之成分的情況時之例。於此情況，乘算器1a之輸出波形係成為波形WA1d，乘算器1b之輸出波形係成為波形WA2d。藉由加算器1c而將各乘算器之輸出作了加算後的訊號之波形，係成為以0作為中心而成為對稱的波形WA3d。若是使此波形WA3d之訊號通過LPF2，則其之輸出係如同圖示一般而成為0。
亦即是，若是將訊號CW-I作為參考訊號，並對於在2維振動元件內所產生的任意之2維振動(以CW-I、CW-Q、CCW-I、CCW-Q之線性結合而被作表現)進行同步檢波，則係僅能夠得到在2維振動元件之輸出訊號中所包含的訊號CW-I之成分。此事，針對在作為參考訊號而使用了其他之訊號的情況時所被檢測出之成分，係亦可作套用。若是對以上內容作總結，則係能夠得到下述之表 1。
Figure 106107980-A0202-12-0016-2
如同表1中所示一般，當在2維振動元件之輸出中包含有訊號CW-Q之成分的情況時，係能夠將參考訊號設為訊號CW-Q而進行檢波，另一方面，關於其他之訊號之成分，輸出會成為0。當在2維振動元件之輸出中包含有訊號CCW-I之成分的情況時，係能夠將參考訊號設為訊號CCW-I而進行檢波，另一方面，關於其他之訊號之成分，輸出會成為0。當在2維振動元件之輸出中包含有訊號CCW-Q之成分的情況時，係能夠將參考訊號設為訊號CCW-Q而進行檢波，另一方面，關於其他之訊號之成分，輸出會成為0。亦即是，例如若是設定2個的檢測器，並將在各檢測器處的參考訊號分別設定為訊號CW-I以及訊號CW-Q之組合、訊號CCW-I以及訊號CCW-Q之組合，則係成為能夠從2維振動元件之輸出來將CW模態之成分以及CCW模態之成分獨立地檢測出來。
「陀螺儀裝置之構成例」
承襲以上之說明，針對本發明之第1實施形態之陀螺儀裝置作說明。圖10，係為對於本發明之第1實施形態的陀螺儀裝置(陀螺儀裝置10)之構成例作展示之圖。陀螺儀裝置10，例如，係具備有單一之2維振動元件15、和驅動訊號產生部20、和第1檢測部30a、和作為第1振盪電路之其中一例的第1PLL(Phase Locked Loop)電路40a、和作為第1增益控制部之其中一例的第1AGC(Automatic Gain Control)部50a、和第2檢測部30b、和作為第2振盪電路之其中一例的第2PLL電路40b、和作為第2增益控制部之其中一例的第2AGC部50b、和被設置在2維振動元件15之輸入側處的放大器61a、61b、以及被設置在2維振動元件15之輸出側處的放大器62a、62b。
另外，雖係省略圖示，但是，陀螺儀裝置10，係亦可具備有DA(Digital to Analog)轉換器以及AD(Analog to Digital)轉換器，並藉由數位訊號處理來實現之。於此情況，DA轉換器，例如，係被設置在放大器61a、61b之前段處，並構成為將從驅動訊號產生部20所輸出的數位形式之驅動訊號轉換為類比形式。又，AD轉換器，例如，係被設置在放大器62a、62b之後段處，並構成為將從2維振動元件15所輸出的類比形式之訊號轉換為數位形式。
2維振動元件15，例如，係成為環形狀，並為能夠藉由與CW模態以及CCW模態的各者相對應之驅動訊號來激振的振動構件。另外，2維振動元件15之形狀，係並不被限定於環形狀，而可設為正四角板、圓柱、正四角柱、使用有4個的質塊極的4質塊(4mass)型等之任意之形狀。
驅動訊號產生部20，係產生對應於CW模態之驅動訊號以及對應於CCW模態之驅動訊號，並將使此些作了多工化的驅動訊號供給至2維振動元件15處。藉由從驅動訊號產生部20所供給而來之驅動訊號，2維振動元件15係被激振。在本例中，作為對應於CW模態之X軸方向之驅動訊號，係使用cos波(以下，標記為coscw訊號)，作為Y軸方向之驅動訊號，係使用-sin波(以下，標記為-sincw訊號)。另外，驅動訊號，只要Y方向訊號為相較於X方向訊號而相位更加前進90度，則並非絕對需要身為cos波、-sin波。又，作為對應於CCW模態之X軸方向之驅動訊號，係使用-cos波(以下，標記為-cosCCW訊號)，作為Y軸方向之驅動訊號，係使用-sin波(以下，標記為-sinCCW訊號)。另外，驅動訊號，只要Y方向訊號為相較於X方向訊號而相位更加延遲90度，則並非絕對需要身為-cos波、-sin波。更具體而言，驅動訊號產生部20，例如，係具備有乘算器201、和乘算器202、和乘算器203、和乘算器204、和加算器205、以及加算器206。
第1檢測部30a，係將在2維振動元件15之輸出中所包含的CW成分之振幅rcw以及位相θcw檢測出來。另外，關於第1檢測部30a之詳細內容，係於後再述。
第1PLL電路40a，係具備有相位比較器41a、和PID(Proportional Integral Differential)控制部42a、和VCO(Voltage Controlled Oscillator)或NCO(Numerical Controlled Oscillator)等之能夠使振盪頻率改變的振盪器43a。為了避免圖示變得複雜，係將詳細之圖示省略，但是，係構成為使第1PLL電路40a之輸出(可為全部的輸出，亦可為一部分的輸出)被反饋至驅動訊號產生部20、第1檢測部30a之各者處。
第1AGC部50a，係具備有振幅比較器51a、和PID控制部52a。係構成為使第1AGC部50a之輸出被反饋至驅動訊號產生部20處。
第2檢測部30b，係將在2維振動元件15之輸出中所包含的CCW成分之振幅rccw以及位相θccw檢測出來。另外，關於第2檢測部30b之詳細內容，係於後再述。
第2PLL電路40b，係具備有相位比較器41b、和PID控制部42b、和VCO或NCO等之能夠使振盪頻率改變的振盪器43b。為了避免圖示變得複雜，係將詳細之圖示省略，但是，係構成為使第2PLL電路40b之輸出(可為全部的輸出，亦可為一部分的輸出)被反饋至 驅動訊號產生部20、第2檢測部30b之各者處。
第2AGC部50b，係具備有振幅比較器51b、和PID控制部52b。係構成為使第2AGC部50b之輸出被反饋至驅動訊號產生部20處。
「第1、第2檢測部之構成例」
圖11，係為用以對於第1檢測部30a之構成例作說明之圖。第1檢測部30a，係具備有使從2維振動元件15所輸出之訊號被作分歧並作輸入的檢測器31a、32a、和對於檢測器31a之輸出進行濾波處理的LPF33a、和對於檢測器32a之輸出進行濾波處理的LPF34a、和基於從LPF33a以及LPF34a而來之輸出而將在2維振動元件15之輸出訊號中所包含的CW成分之振幅rcw以及相位θcw檢測出來的振幅相位檢測部35a。
檢測器31a，係具備有：被輸入有從2維振動元件15而來之輸出中的X軸方向之成分之乘算器310a、和被輸入有從2維振動元件15而來之輸出中的Y軸方向之成分之乘算器311a、和將乘算器310a、311a之各者的輸出作加算之加算器312a。檢測器32a，係具備有：被輸入有從2維振動元件15而來之輸出中的X軸方向之成分之乘算器320a、和被輸入有從2維振動元件15而來之輸出中的Y軸方向之成分之乘算器321a、和將乘算器320a、321a之各者的輸出作加算之加算器322a。
另外，在本例中，係將X軸方向之CW-I成 分設為sin訊號，並將Y軸方向之CW-I成分設為cos訊號，並將X軸方向之CW-Q成分設為cos訊號，並且將Y軸方向之CW-Q成分設為-sin訊號。
圖12，係為用以對於第2檢測部30b之構成例作說明之圖。第2檢測部30b，係具備有使從2維振動元件15所輸出之訊號被作分歧並作輸入的檢測器31b、32b、和對於檢測器31b之輸出進行濾波處理的LPF33b、和對於檢測器32b之輸出進行濾波處理的LPF34b、和基於從LPF33b以及LPF34b而來之輸出而將在2維振動元件15之輸出訊號中所包含的CCW成分之振幅rccw以及相位θccw檢測出來的振幅相位檢測部35b。
檢測器31b，係具備有：被輸入有從2維振動元件15而來之輸出中的X軸方向之成分之乘算器310b、和被輸入有從2維振動元件15而來之輸出中的Y軸方向之成分之乘算器311b、和將乘算器310b、311b之各者的輸出作加算之加算器312b。檢測器32b，係具備有：被輸入有從2維振動元件15而來之輸出中的X軸方向之成分之乘算器320b、和被輸入有從2維振動元件15而來之輸出中的Y軸方向之成分之乘算器321b、和將乘算器320b、321b之各者的輸出作加算之加算器322b。
另外，在本例中，係將X軸方向之CCW-I成分設為-sin訊號，並將Y軸方向之CCW-I成分設為cos訊號，並將X軸方向之CCW-Q成分設為-cos訊號，並且將Y軸方向之CCW-Q成分設為-sin訊號。
「陀螺儀裝置之動作例」
接著，參考圖10~圖12，對陀螺儀裝置10之動作例作說明。驅動訊號產生部20，係產生對於2維振動元件15之驅動訊號。在對於coscw訊號以及-sincw訊號之各者而將從PID控制部52a所反饋而來之訊號藉由乘算器201、202來作了乘算之後，從乘算器201而來之輸出訊號係被供給至加算器205處，從乘算器202而來之輸出訊號係被供給至加算器206處。在對於-cosccw訊號以及-sinccw訊號之各者而將從PID控制部52b所反饋而來之訊號藉由乘算器203、204來作了乘算之後，從乘算器203而來之輸出訊號係被供給至加算器205處，從乘算器204而來之輸出訊號係被供給至加算器206處。加算器205，係將從乘算器201而來之輸出訊號和從乘算器203而來之輸出訊號作加算並輸出。在將從加算器205而來之輸出訊號藉由放大器61a而以適當的放大率作了放大之後，作為輸入Xd而輸入至2維振動元件15處。另一方面，加算器206，係將從乘算器202而來之輸出訊號和從乘算器204而來之輸出訊號作加算並輸出。在將從加算器206而來之輸出訊號藉由放大器61b而以適當的放大率作了放大之後，作為輸入Yd而輸入至2維振動元件15處。
藉由輸入Xd、Yd，2維振動元件15係被激振，並得到從2維振動元件15而來之輸出Xs、Ys。在將從2維振動元件15而來之輸出Xs、Ys藉由放大器62a、 62b而以適當的放大率作了放大之後，輸出Xs係被分岐並被輸入至第1、第2檢測部30a、30b之各者處，輸出Ys係被分岐並被輸入至第1、第2檢測部30a、30b之各者處。
第1檢測部30a，係將在2維振動元件15之輸出中所包含的CW成分檢測出來。具體而言，在第1檢測部30a中之檢測器31a，係使用訊號CW-I而進行檢波，並藉由對該結果進行由LPF33a所致之濾波處理，而檢測出在2維振動元件15之輸出中所包含的CW-I成分，並且將檢測結果供給至振幅相位檢測部35a處。又，在第1檢測部30a中之檢測器32a，係使用訊號CW-Q而進行檢波，並藉由對該結果進行由LPF34a所致之濾波處理，而檢測出在2維振動元件15之輸出中所包含的CW-Q成分，並且將檢測結果供給至振幅相位檢測部35a處。振幅相位檢測部35a，係基於從LPF33a以及LPF34a而來之輸出，而檢測出在2維振動元件15之輸出訊號中所包含的CW成分之振幅rcw以及位相θcw。亦即是，如同前述一般，藉由將訊號CW-I、訊號CW-Q之各者作為參考訊號而進行同步檢波，係能夠僅將在2維振動元件15之輸出中所包含的CW成分檢測出來。
藉由第1檢測部30a所檢測出的相位θcw，係被供給至第1PLL電路40a處。在第1PLL電路40a中之相位比較器41a，係將相位θcw和設定相位θcw,set(在以下之說明中，係作為θcw,set=0來進行說明)作比較，基於比 較結果，PID控制部42a係實行使相位θcw成為0、亦即是成為共振頻率fcw的控制。藉由從PID控制部42a而來之輸出來控制振盪器43a，藉由此，從振盪器43a係輸出使相位作了一致(換言之，共振頻率fcw)的訊號sincw以及訊號coscw。此些之訊號係被反饋至輸入側處，並進行使對應於CW模態之驅動訊號的共振頻率被維持於共振頻率fcw的控制。又，訊號sincw以及訊號coscw係被反饋至第1檢測部30a處，並基於此而產生作為參考訊號之訊號CW-I、訊號CW-Q。在本例中，於被作反饋的訊號與參考訊號之間，sin=sincw、cos=coscw、-sin=-1*sincw之關係係成立。
藉由第1檢測部30a所得到的振幅rcw，係被供給至第1AGC部50a處。在第1AGC部50a中之振幅比較器51a，係將振幅rcw與特定之第1設定值Rset,cw作比較，基於比較結果，PID控制部52a係實行使振幅rcw成為特定之第1設定值Rset,cw的控制。從PID控制部52a而來之輸出係被反饋至驅動訊號產生部20處，並進行有以使對應於CW模態之驅動訊號的振幅會被維持於第1設定值Rset,cw的方式來對增益作控制之控制。
關於將在2維振動元件15之輸出中所包含的CCW成分檢測出來之系，亦係實行有同樣的處理。具體而言，在第2檢測部30b中之檢測器31b，係使用訊號CCW-I而進行檢波，並藉由對該結果進行由LPF33b所致之濾波處理，而檢測出在2維振動元件15之輸出中所包 含的CCW-I成分，並且將檢測結果供給至振幅相位檢測部35b處。又，在第2檢測部30b中之檢測器32b，係使用訊號CCW-Q而進行檢波，並藉由對該結果進行由LPF34b所致之濾波處理，而檢測出在2維振動元件15之輸出中所包含的CCW-Q成分，並且將檢測結果供給至振幅相位檢測部35b處。振幅相位檢測部35b，係基於從LPF33b以及LPF34b而來之輸出，而檢測出在2維振動元件15之輸出訊號中所包含的CCW成分之振幅rccw以及位相θccw。亦即是，如同前述一般，藉由將訊號CCW-I、訊號CCW-Q之各者作為參考訊號而進行同步檢波，係能夠僅將在2維振動元件15之輸出中所包含的CCW成分檢測出來。
藉由第2檢測部30b所得到的振幅rccw，係被供給至第2PLL電路40b處。在第2PLL電路40b中之相位比較器41b，係將相位θccw和0作比較，基於比較結果，PID控制部42b係實行使相位θcbw成為0、亦即是成為共振頻率fcw的控制。藉由從PID控制部42b而來之輸出來控制振盪器43b，藉由此，從振盪器43b係輸出使相位作了一致(換言之，共振頻率fccw)的訊號sinccw以及訊號cosccw。共振頻率fccw係被反饋至輸入側處，並進行使對應於CCW模態之驅動訊號的共振頻率被維持於共振頻率fccw的控制。又，訊號sinccw以及訊號cosccw係被反饋至第2檢測部30b處，並基於此而產生作為參考訊號之訊號CCW-I、訊號CCW-Q。在本例中，於被作反饋的訊 號與參考訊號之間，-sin=sinccw、cos=cosccw、-cos=-1*cosccw之關係係成立。
藉由第2檢測部30b所得到的振幅rccw，係被供給至第2AGC部50b處。在第2AGC部50b中之振幅比較器51b，係將振幅rccw與第2設定值Rset,ccw作比較，基於比較結果，PID控制部52b係實行使振幅rccw成為第2設定值Rset,ccw的控制。從PID控制部52b而來之輸出係被反饋至驅動訊號產生部20處，並進行有以使對應於CCW模態之驅動訊號的振幅會被維持於第2設定值Rset,ccw的方式來對增益作控制之控制。
圖13，係為對於在陀螺儀裝置10中之訊號的流動作示意性展示之圖。在圖13中，粗線係代表訊號的流動。在2維振動元件15之輸出中所包含的CCW成分，係藉由第1檢測部30a而被截除，並成為僅將CW成分循環(loop)至其中一方之系(圖13中之上側之系)處。在2維振動元件15之輸出中所包含的CW成分，係藉由第2檢測部30b而被截除，並成為僅將CCW成分循環(loop)至另外一方之系(圖13中之下側之系)處。
「角速度檢測部之構成例」
接著，針對本發明之第1實施形態的角速度檢測部(角速度檢測部70)之構成例作說明。另外，角速度檢測部70，雖係作為被組入至陀螺儀裝置10中者來作說明，但是，係亦可被組入至其他的裝置中。
圖14，係為對於角速度檢測部27的構成例作展示之圖。角速度檢測部70，例如，係具備有減算器71、和乘算器72。角速度檢測部70，係得到從第1PLL電路40a所輸出之共振頻率fcw以及從第2PLL電路40b所輸出之共振頻率fCCW，並將兩共振頻率藉由減算器71來作減算，再將該結果藉由乘算器72而設為定數倍(在理想性之振動元件的情況時，係為1/2倍)。亦即是，角速度檢測部70，係藉由進行與上述之數式3同樣的演算，來檢測出旋轉角速度Ωz。藉由對此旋轉角速度Ωz作積分，陀螺儀裝置10係能夠將所旋轉了的角度檢測出來。
「效果」
若依據本發明之第1實施形態，則係能夠得到以下之效果。由於係藉由單一之2維振動元件來構成，因此係成為能夠將裝置小型化，並且也成為不需要像是在使用了複數之振動元件的情況時一般地而使振動元件之特性和使用環境相互一致。又，由於係以模態匹配來驅動單一之2維振動元件，因此係能夠實現高Q值，而能夠實現高性能之陀螺儀裝置。進而，係能夠從2維振動元件之輸出來將對應於CW、CCW模態之成分獨立地檢測出來，並根據該些之檢測結果來檢測出旋轉角速度，最終而言係能夠檢測出所旋轉了的角度。
〈2.第2實施形態〉
接著，針對第2實施形態作說明。另外，在以下之說明中，關於相同之名稱、元件符號，若是並未特別作說明，則係代表相同或同質性的構件，並適宜省略重複之說明。第2實施形態，係為作為全角度模態(Whole Angle Mode)(亦被稱作積分陀螺儀等，作為代表例，係為傅科擺)之陀螺儀裝置所構成的實施形態。全角度模態之陀螺儀裝置，係能夠檢測出所旋轉了的角度。
參考圖15，針對全角度模態作概略性說明。若是對於振動元件賦予CW模態(共振頻率ω+Ωz)以及CCW模態(共振頻率ω-Ωz)之旋轉，則當兩旋轉之振幅為相同並且並不存在有相位差Φ(Φ=0)的情況時，係如同在圖15A中所示一般而成為直線振動。於此，若是對於振動元件施加旋轉，則會產生相位差Φ，起因於此相位差Φ，如同在圖15B中所示一般，振動之方向係會旋轉。振動之方向的旋轉角度，係成為相位差Φ之1/2，此事係為周知。例如，圖15B，係為相位差Φ為60度之例，振動之方向，係作此相位差Φ之1/2(30度)之量的旋轉。亦即是，在全角度模態之陀螺儀裝置中，係檢測出此相位差Φ，藉由在相位差Φ上乘算上1/2，係能夠檢測出所旋轉了的角度。
第2實施形態之陀螺儀裝置，係可設為與上述之第1實施形態的陀螺儀裝置10相同之構成。係只要在陀螺儀裝置10之構成中，設置檢測出旋轉角度之構成 即可。圖16A，係為對於檢測出旋轉角度的角度檢測部(角度檢測部80a)之構成例作展示之圖。角度檢測部80a，係具備有減算器81a、和乘算器82a。若是將CW、CCW之各模態的相位(與θcw,θCCW(此些，係代表相對於各模態之激振訊號的實際之振動之相位)相異)設為θ'cw、θ'CCW，則此些例如係可藉由對NCO之內部變數等作讀取而得到之。在減算器81a處，係被輸入有此相位θ'cw、θ'CCW。減算器81a係對相位θ'cw、相位θ'CCW作減算並得到相位差Φ，且將該結果藉由乘算器82a來設為定數倍(在理想性之X-Y振動元件中，係為1/2倍)，藉由此，係能夠檢測出旋轉角度(Angle)。
圖16B，係為對於角度檢測部之其他構成例作展示之圖。圖16B中所示之角度檢測部80b，例如，係具備有解調部81b、和至少檢測出相位差之相位差檢測部82b、以及乘算器83b。解調部81b，係使用coscw訊號以及sincw訊號來將從第2PLL電路40b所供給而來之cosCCW訊號解調(同步檢波)。基於該結果，相位差檢測部82b係檢測出相位差Φ，藉由使乘算器83b將所檢測出的相位差Φ設為定數倍(在理想性之X-Y振動元件中，係為1/2倍)，係能夠檢測出旋轉角度。
另外，角度檢測部80a、80b，係亦可被組入至與陀螺儀裝置10相異之其他的裝置中，亦可藉由該其他的裝置來進行檢測出旋轉角度之處理。又，陀螺儀裝置10，係亦可為具備有角速度檢測部70(參考圖14)以及 角度檢測部80a(亦可為角度檢測部80b)之構成。藉由此構成，係能夠作成與FM模態以及全角度模態之雙方作了對應的陀螺儀裝置。進而，由於係能夠並不進行數值性積分地而檢測出旋轉角度，因此，係能夠避免像是起因於數值計算所導致的誤差之發生、起因於計算負載所導致的消耗電力之增大、起因於演算速度所導致的帶域寬幅之限制等之問題。
另外，第2實施形態，例如係可進行下述一般之變形。如同第2實施形態一般，在全角度模態下之陀螺儀裝置10之驅動，係可藉由與傅科擺相同之原理而成為就算是在不具備有電力的狀態下亦持續機械性地進行積分動作。使用此特性，係可進行間歇性之控制並將在陀螺儀裝置10處的消耗電力降低。
例如，係在一定期間中，從未圖示之電源來供給電力並使陀螺儀裝置10動作而激振2維振動元件15，之後，將電力之供給停止，藉由此，來設為使對於陀螺儀裝置10之電力供給間歇性地進行之構成。就算是在將電力之供給停止的情況時，於2維振動元件15之振動持續進行的期間中，機械性之積分動作亦係成為持續進行。當然的，由於若是維持於將電力之供給停止的狀態下，則2維振動元件15之振動係會衰減，因此，在一定之期間後，係再度開始電力之供給。亦可將此控制，作為與實行通常動作之模態相異的模態(省電模態)，來讓使用者作設定。又，係亦可採用在陀螺儀裝置10處設置計 時器，並在電力供給開始後，於經過一定期間之後將電力之供給自動性地停止之構成。亦可採用在從第1檢測部30a以及第2檢測部30b所輸出的振幅rcw以及振幅rCCW到達了一定之值的階段處，將電力的供給停止之構成。關於此種構成，例如，係可例示有下述一般之構成：亦即是，使陀螺儀裝置10，具備有電源部(不論是一次電池、二次電池或太陽能發電裝置等之何種的構成均可)、和被設置在電源部與被供給電力之構成(陀螺儀裝置10之全部或者是一部分之構成)之間的將開關作ON/OFF之控制部。
〈3.第3實施形態〉
接著，針對第3實施形態作說明。若是並未作特別說明，則在上述之第1以及第2實施形態中所說明了的事項，係可適用在第3實施形態中。另外，針對相同之構成，係附加相同之元件符號，並適宜省略重複之說明。
第3實施形態，係為用以避免起因於振動元件之非完全性(X-Y非對稱性)所導致的性能劣化之實施形態。所謂振動元件之非完全性，主要係指起因於由振動元件之製作誤差所導致的構造之非對稱性而產生的X、Y方向之共振頻率、衰減係數之差。
於此，參考圖17以及圖18，針對理想振動元件(以模態匹配而被驅動的振動元件)作說明。圖17A之上段，係為對於X方向之驅動訊號之例作展示的圖表，圖 17A之下段，係為對於Y方向之驅動訊號之例作展示的圖表。在各圖表中之縱軸，係代表驅動訊號之準位，橫軸，係代表時間(t)。如同圖示一般，X方向以及Y方向之驅動訊號之相位差(△θ)係為90°。
圖17B，係對於在藉由圖17A中所示之驅動振動來將振動元件作了激振的情況時之振動作展示，圖17B之上段係對於振動元件之輸出中的X方向之振動作展示，圖17B之下段係對於振動元件之輸出中的Y方向之振動作展示。各方向之振動，係成為使在所對應的方向上之驅動訊號之相位作了90°之延遲者，X方向之振動和Y方向之振動之間的相位差係被維持為90°。亦即是，當藉由在X方向以及Y方向上的相位差為90°之驅動訊號來將振動元件作了激振的情況時，理想而言，如同在圖18A以及圖18B中所示一般，於共振點(共振頻率f0)處，X方向以及Y方向之振動的振幅係成為相同，在X方向以及Y方向上之振動之相位差係成為90°。
然而，起因於上述之振動元件之非完全性(模態失配)，振動元件之振動係會有成為非理想性之振動的情況。例如，若是如同在圖19A中所示一般，X方向和Y方向之共振頻率有所偏差，則如同在圖19B中所示一般，相對於驅動訊號(頻率f0)之振動的相位延遲量，係會在X方向以及Y方向之各者處而有所相異。因此，如同在圖19B中所示一般，在驅動頻率f0處之X、Y方向的相位延遲量，係並不會成為90°，而產生有相位差△Φ。
其結果，如同在圖20A以及圖20B中所示一般，起因於振動元件之非完全性，係會有成為X方向之振動的相位延遲，係相對於X方向之驅動訊號之相位而較90°更小(或者是更大)，Y方向之振動的相位延遲，係相對於Y方向之驅動訊號之相位而較90°更大(或者是更小)的情況。在此種情況時，被激振了的振動之X方向以及Y方向之振動的相位差係並不會成為90°。
針對上述之失配的對於在第1實施形態中所說明了的陀螺儀裝置10之處理系統所造成的影響作說明。圖21，係為將陀螺儀裝置10作簡略化展示的區塊圖。另外，如同在第1實施形態中所作了說明一般，第1檢測部30a，由於係為將在2維振動元件15之振動中所包含的CW成分檢測出來者，因此，在圖21中，係標記為CW偵測器。同樣的，第2檢測部30b，由於係為將在2維振動元件15之振動中所包含的CCW成分檢測出來者，因此，在圖21中，係標記為CCW偵測器。
上述之所謂的在驅動頻率中而產生有相位差一事，係代表就算是以CW(CCW)來作了驅動，也成為無法激振純粹之CW(CCW)振動(X、Y方向之各者的振動之相位差為90°(-90°)之振動)，而同時產生有CCW(CW)成分。
如同在第1實施形態中所作了說明一般(參考圖13等)，在陀螺儀裝置10中，CW模態之成分所循環之系和CCW模態之成分所循環之系，原本應係為相互 獨立，但是，在CW模態之成分中所包含之不必要的CCW模態之成分，係會穿過CCW偵測器。亦即是，具有CW模態之資訊的訊號，係會漏洩至CCW模態之循環之系中，CW模態之資訊係會進入至CCW模態之循環中的PLL(第2PLL電路40b)中。起因於此，第2PLL電路40b之動作係會起因於在CW模態中所包含之不必要的CCW模態之成分而產生紊亂，第2PLL電路40b所鎖定的頻率係會紊亂。
另外，在上述之例中，雖係針對在CW模態之成分中包含有不必要之CCW模態之成分的例子來作了說明，但是，就算是當在CCW模態之成分中包含有不必要之CW模態之成分的情況時，亦為相同。亦即是，起因於在CCW模態之成分中所包含之不必要的CW模態之成分，第1PLL電路40a所鎖定的頻率係會紊亂。
因此，為了對此問題作對應，係為了將起因於2維振動元件15之非完全性所產生的不必要之相位差抵消，而將驅動訊號之相位預先作偏移(相位調整處理)。如同在圖22A以及圖22B之上段處所分別展示一般，例如，當在X方向上之驅動振動之相位和振動之相位之間的相位差為較90°而更小的情況時，係預先使驅動訊號之相位作與該相位差相對應之量的延遲。又，如同在圖22A以及圖22B之下段處所分別展示一般，例如，當在Y方向上之驅動振動之相位和振動之相位之間的相位差為較90°而更大的情況時，係預先使驅動訊號之相位作與該相 位差相對應之量的前進。藉由此，係能夠將X方向之振動和Y方向之振動之間的相位差設為90°，而能夠激振純粹之固有模態。
所應作補償之相位差，例如，係可根據共振頻率之差而求取出來。另外，係亦可預先藉由實驗等來求取出X方向之振動和Y方向之振動所最為正交之相位差，並使驅動訊號之相位作與該相位差相對應之量的延遲或前進而作補償。
振動元件之非完全性，係並不僅會導致上述之頻率之偏差，而亦會導致在X方向上之Q值(衰減)和在Y方向上之Q值之間的偏差。若是在X方向以及Y方向上的Q值中產生有偏差，則如同在圖23以及圖24中所示一般，於共振點處，X方向之振動的振幅和Y方向之振動的振幅係會有所相異。若是X方向之振動的振幅和Y方向之振動的振幅有所相異，則會變得不會成為固有振動(圓振動)，與上述之事態相同的，會產生在CW模態之振動中包含有CCW模態之成分(在CCW模態之振動中包含有CW模態之成分)的問題。
因此，如同圖25中所示一般，係藉由將驅動訊號之振幅預先作偏移，來對於Q值之偏差(不匹配)作補償。例如，如同在圖25B中所示一般，將在共振點處而應成為一致之X方向之振動的振幅以及Y方向之振動的振幅，設為振幅AC。將X方向之驅動訊號的振幅以及Y方向之驅動訊號的振幅，預先作與相對於此振幅AC的偏 差相對應之量的偏移。在圖25A之上段所示之例中，係將驅動訊號之振幅，作在X方向之驅動訊號的振幅和X方向之振動的振幅之間所產生的振動之衰減量(△Ax之量)的增大。在圖25A之下段所示之例中，係將驅動訊號之振幅，作在Y方向之驅動訊號的振幅和Y方向之振動的振幅之間所產生的振動之增加量(△Ay之量)的縮小。當然的，係亦會有進行將X方向之驅動訊號的振幅縮小或者是將Y方向之驅動訊號的振幅增大之補償的情況。
振幅之補償量，例如，係根據Q值之差而求取出來。另外，係亦可預先藉由實驗等來求取出X方向之振動和Y方向之振動所最為正交之振幅的補償量，並使驅動訊號之振幅作與該振幅之補償量相對應之量的增大或縮小。
圖26，係為對於適用了上述之對相位或振幅作調整的功能之第3實施形態的陀螺儀裝置(陀螺儀裝置10A)之構成例作展示之區塊圖。針對與陀螺儀裝置10相同之構成，係附加相同之元件符號。陀螺儀裝置10A之驅動訊號產生部20A，係除了在第1實施形態中的驅動訊號產生部20之構成以外，更進而具備有相位調整部91、92、93、94以及振幅調整部95、96、97、98。藉由相位調整部91、92以及振幅調整部95、96，而構成第1相位、振幅調整部，藉由相位調整部93、94以及振幅調整部97、98，而構成第2相位、振幅調整部。
相位調整部91，係被與乘算器201之輸入段 作連接，振幅調整部95，係被與乘算器201之輸出段作連接。相位調整部91以及振幅調整部95，係為了消除起因於2維振動元件15之非完全性所產生的不必要之相位差或Q值之偏差，而對於CW模態之X方向之驅動訊號，實行上述之相位調整處理以及振幅調整處理。
相位調整部92，係被與乘算器202之輸入段作連接，振幅調整部96，係被與乘算器202之輸出段作連接。相位調整部92以及振幅調整部96，係為了消除起因於2維振動元件15之非完全性所產生的不必要之相位差或Q值之偏差，而對於CW模態之Y方向之驅動訊號，實行上述之相位調整處理以及振幅調整處理。
相位調整部93，係被與乘算器203之輸入段作連接，振幅調整部97，係被與乘算器203之輸出段作連接。相位調整部93以及振幅調整部97，係為了消除起因於2維振動元件15之非完全性所產生的不必要之相位差或Q值之偏差，而對於CCW模態之X方向之驅動訊號，實行上述之相位調整處理以及振幅調整處理。
相位調整部94，係被與乘算器204之輸入段作連接，振幅調整部98，係被與乘算器204之輸出段作連接。相位調整部94以及振幅調整部98，係為了消除起因於2維振動元件15之非完全性所產生的不必要之相位差或Q值之偏差，而對於CCW模態之Y方向之驅動訊號，實行上述之相位調整處理以及振幅調整處理。另外，雖然亦可將各相位調整部設置在各乘算器之輸出段處，但 是，係以在由乘算器所致之演算處理(乘算)之前先對於驅動訊號之相位進行調整的情況，更能夠將電路構成簡略化。又，振幅調整，係亦可藉由對乘算器201~204之倍率個別進行調整來實現之。
振幅調整部95、97之輸出，係在藉由加算器205而作了加算之後，藉由放大器61a而被作放大，並作為X方向之驅動訊號而被供給至2維振動元件15處。振幅調整部96、98之輸出，係在藉由加算器206而作了加算之後，藉由放大器61b而被作放大，並作為Y方向之驅動訊號而被供給至2維振動元件15處。2維振動元件15，係藉由與各者之方向相對應的驅動振動，而被作激振。如同上述一般，由於驅動訊號之相位以及振幅係預先被作了調整，因此，CW模態之驅動訊號，係能夠僅激振純粹之CW模態之振動(CCW模態之驅動訊號係僅激振純粹之CCW模態之振動)。
針對由適用在本實施形態中之處理一事所導致的效果作說明。圖27A以及圖27B中所示之圖表的橫軸，係代表時間(t)(s)，縱軸，係代表振盪器43a之頻率fcw和振盪器43b之周波數fccw之間的差△f(Hz)。圖27A之圖表，係對於並未適用在本實施形態中之處理的情況之結果作展示，圖27B之圖表，係對於適用了在本實施形態中之處理的情況之結果作展示。如同在圖27A中所示一般，起因於相位延遲量以及Q值之失配，由於CW模態和CCW模態係並不會正交，因此，就算是以一定之速 度而旋轉，也仍發現到有起因於干涉所導致之頻率的周期性變動。另一方面，當適用在本實施形態中之處理並對於驅動訊號之相位以及振幅作了調整的情況時，模態間之正交性係變加，而並未發現到如同圖27A中所示一般之頻率的周期性變動。故而，係能夠正確地檢測出角速度。
在第3實施形態中所作了說明的處理，係亦可適用在第2實施形態(全角度模態之陀螺儀裝置)中。於此情況，係亦能夠得到相同之效果。針對此效果作說明。圖28A以及圖28B中所示之圖表的橫軸，係代表時間(t)(s)，縱軸，係代表藉由第2實施形態之陀螺儀裝置所檢測出的旋轉角度θ。圖28A之圖表，係對於並未適用在本實施形態中之處理的情況之結果作展示，圖28B之圖表，係對於適用了在本實施形態中之處理的情況之結果作展示。由於係使2維振動元件15以一定之角速度來旋轉，因此，所檢測出之角度應該會成為直線，但是，如同在圖28A中所示一般，起因於由方向所致的相位延遲量之差異以及Q值之失配，在所檢測出的角度中係出現有周期性誤差。另一方面，當適用在本實施形態中之處理並對於驅動訊號之相位以及振幅作了調整的情況時，模態間之正交性係變加，而並未發現到如同圖28A中所示一般之周期性誤差。故而，係能夠正確地檢測出角度。
〈4.變形例〉
以上，雖係針對本發明之複數之實施形態作了具體性 說明，但是，本發明係並不被限定於上述之實施形態，而可作各種之變形。
本發明，只要是身為2維性地作了模態匹配的振動元件，則針對形狀、激振方法(靜電、電磁、壓電等)等係並不被限定於特定之方法等。
對於2維振動元件15之輸出進行處理的電路，係亦可藉由ASIC(Application Specific integrated Circuit)等之積體電路來構成。
在能夠發揮本發明之作用效果的範圍內，陀螺儀裝置10係亦可為具備有其他之電路元件等的構成。
本發明之陀螺儀裝置，係亦可被組入至其他裝置(例如，遊戲機、攝像裝置、智慧型手機、行動電話、個人電腦等之各種的電子機器，或者是汽車、電車、飛機、直升機、小型飛行體、宇宙用機器等之移動體、機器人等)之中而被使用。
在上述之實施形態中所列舉的構成、方法、工程、形狀、材料以及數值等，係均僅為其中一例，亦可因應於需要而使用與此相異之構成、方法、形狀、材料以及數值等。又，本發明，係可藉由裝置、方法、由複數之裝置所成之系統(雲端系統等)來實現，在複數之實施形態以及變形例中所作了說明的事項，只要是不會產生技術性的矛盾，則均可相互作組合。
10:陀螺儀裝置
15:2維振動元件
20:驅動訊號產生部
30a:第1檢測部
30b:第2檢測部
40a:第1PLL電路
40b:第2PLL電路
41a、41b:相位比較器
42a、42b:PID控制部
43a、43b:振盪器
50a:第1AGC部
50b:第2AGC部
51a、51b:振幅比較器
52a、52b:PID控制部
61a、61b、62a、62b:放大器
201、202、203、204:乘算器
205、206:加算器
CW:第1模態
CCW:第2模態

Claims (10)

  1. 一種陀螺儀裝置，其特徵為，係具備有：單一之2維振動元件，係藉由對應於第1旋轉振動模態之驅動訊號以及對應於第2旋轉振動模態之驅動訊號而被驅動；和第1檢測部，係根據從前述2維振動元件所輸出之訊號，而檢測出對應於前述第1旋轉振動模態之成分的振幅以及相位；和第2檢測部，係根據從前述2維振動元件所輸出之訊號，而檢測出對應於前述第2旋轉振動模態之成分的振幅以及相位。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之陀螺儀裝置，其中，係具備有：第1振盪電路，係基於藉由前述第1檢測部所檢測出之相位，來輸出對應於前述第1旋轉振動模態之第1共振頻率和相位為與藉由前述第1檢測部所檢測出的相位相互一致之訊號；和第1增益控制部，係以使藉由前述第1檢測部所檢測出的振幅會成為第1設定值的方式，來對於增益作控制；和第2振盪電路，係基於藉由前述第2檢測部所檢測出之相位，來輸出對應於前述第2旋轉振動模態之第2共振頻率和相位為與藉由前述第2檢測部所檢測出的相位相互一致之訊號；和 第2增益控制部，係以使藉由前述第2檢測部所檢測出的振幅會成為第2設定值的方式，來對於增益作控制。
  3. 如申請專利範圍第2項所記載之陀螺儀裝置，其中，係構成為：以會使對應於前述第1旋轉振動模態之驅動訊號的頻率以及振幅成為前述第1共振頻率以及前述第1設定值的方式而被作反饋，並以會使對應於前述第2旋轉振動模態之驅動訊號的頻率以及振幅成為前述第2共振頻率以及前述第2設定值的方式而被作反饋，從前述第1振盪電路所輸出的訊號，係被反饋至前述第1檢測部處，從前述第2振盪電路所輸出的訊號，係被反饋至前述第2檢測部處。
  4. 如申請專利範圍第3項所記載之陀螺儀裝置，其中，前述第1檢測部，係藉由使用從前述第1振盪電路而被反饋的訊號來進行同步檢波，而檢測出對應於前述第1旋轉振動模態之成分的振幅以及相位，前述第2檢測部，係藉由使用從前述第2振盪電路而被反饋的訊號來進行同步檢波，而檢測出對應於前述第2旋轉振動模態之成分的振幅以及相位。
  5. 如申請專利範圍第1~4項中之任一項所記載之陀螺儀裝置，其中，係具備有：角速度檢測部，係基於前述第1共振頻率和前述第2共振頻率，來檢測出旋轉之角速度。
  6. 如申請專利範圍第1~4項中之任一項所記載之陀螺儀裝置，其中，係具備有：角度檢測部，係基於對應於前述第1旋轉振動模態之成分和對應於前述第2旋轉振動模態之成分之間的相位差，來檢測出旋轉之角度。
  7. 如申請專利範圍第1~4項中之任一項所記載之陀螺儀裝置，其中，係構成為使電力被間歇性地作供給。
  8. 如申請專利範圍第1~4項中之任一項所記載之陀螺儀裝置，其中，係具備有：第1相位、振幅調整部，係對於對應於前述第1旋轉振動模態之驅動訊號的相位以及振幅作調整；和第2相位、振幅調整部，係對於對應於前述第2旋轉振動模態之驅動訊號的相位以及振幅作調整。
  9. 一種陀螺儀裝置之控制方法，其特徵為：係藉由對應於第1旋轉振動模態之驅動訊號以及對應於第2旋轉振動模態之驅動訊號而驅動單一之2維振動元件，根據從前述2維振動元件所輸出之訊號，而檢測出對應於前述第1旋轉振動模態之成分的振幅以及相位，根據從前述2維振動元件所輸出之訊號，而檢測出對應於前述第2旋轉振動模態之成分的振幅以及相位。
  10. 如申請專利範圍第9項所記載之陀螺儀裝置之控制方法，其中， 係間歇性驅動前述2維振動元件。
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