WO2022003811A1

WO2022003811A1 - 共振制御装置、振動ジャイロ及び共振制御方法

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Publication number: WO2022003811A1
Application number: PCT/JP2020/025636
Authority: WO
Inventors: 百合夏金井; 和生服部
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2022-01-06
Also published as: JPWO2022003811A1; JP7292514B2

Abstract

振動ジャイロ（１）は、円形状の共振器（１０１）と、共振器（１０１）に対して半径方向の加振力を発生させる複数のアクチュエータ（１０２）と、共振器（１０１）の半径方向の変位を検出する複数の変位センサ（１０３）と、を備える。振動ジャイロ（１）の共振制御装置（１０６）は、変位センサ（１０３）が出力するセンサ信号に基づいて算出する共振器（１０１）の共振周波数に一致させた基準信号周波数を有する基準信号と、センサ信号から導出した共振器（１０１）に励起される共振振動の振幅及び波腹方位角と、に基づいて、基準信号と同位相の同位相信号と、基準信号と逆位相の逆位相信号と、を生成する。共振制御装置（１０６）は、同位相信号及び逆位相信号でアクチュエータ（１０２）を交流駆動し、同位相信号の振幅及び波腹方位角と、逆位相信号の振幅及び波腹方位角と、に基づいて共振器（１０１）の角速度推定値を出力する。

Description

共振制御装置、振動ジャイロ及び共振制御方法

　本開示は、共振制御装置、振動ジャイロ及び共振制御方法に関する。

　円形状の共振器をもつ振動ジャイロは、振動性回転センサ（Vibratory Rotation Sensor:ＶＲＳ）として用いられている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の振動性回転センサの主な構成は、導電領域を備えた表面を有する共振器、強制駆動電極及びピックオフ電極である。

　特許文献１に記載の振動性回転センサ（ＶＲＳ）は、強制駆動電極において交流強制駆動電圧を発生させることにより、共振器に定在波振動を励起し、ピックオフ電極におけるセンシング信号により定在波の波腹位置および振動振幅を検出する。

　共振器の縁の平面に垂直である軸についてＶＲＳが回転すると、定在波はＶＲＳ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。ＶＲＳにおいて定在波パターンは自由に回転できるため、その回転角からＶＲＳの回転角度を検出する速度積分ジャイロ（開ループモード）と、共振器の定在波の波腹位置を一定に保つための電圧に基づいて、ＶＲＳの回転の角速度を検出する角速度ジャイロ（閉ループモード）として動作させることができる。

特開平１０－２７４５３３号公報

　特許文献１に記載の円形状の共振器を持つ振動性回転センサにおいて、閉ループモードは、開ループモードに比べて、ドリフト特性に優れ、出力ノイズが小さいという特徴がある。閉ループモードにおける共振器の波腹位置を一定に保つための制御には、一般にＰ制御（比例制御）が用いられる。

　また、一般的な振動ジャイロにおいて、安定性の向上および消費電力の低減のために共振器の共振倍率は高いことが望ましく、変位センサのサンプリング周波数及び制御周波数の観点から、共振器の共振周波数は低いことが望ましい。

　しかしながら、Ｐ制御を用いた閉ループモードにおける動作では、共振器の共振倍率と共振周波数の比の拡大とともに、ジャイロの応答性が低下し、角速度計測レンジが減少するという問題があった。

　本開示は上記事情に鑑みてなされたものであり、共振器の共振倍率が高い場合にも、共振周波数を増加させることなく、角速度計測レンジを確保することができる共振制御装置、振動ジャイロ及び共振制御方法を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本開示の共振制御装置は、円形状の共振器と、共振器に対して半径方向の加振力を発生させる複数のアクチュエータと、共振器の半径方向の変位を検出する複数の変位センサと、を備える振動ジャイロにおいて、アクチュエータの駆動を制御して共振器の角速度推定値を出力する。共振制御装置は、変位センサが出力するセンサ信号に基づいて算出する共振器の共振周波数に一致させた基準信号周波数を有する基準信号と、センサ信号から導出した共振器に励起される共振振動の振幅及び波腹方位角と、に基づいて、基準信号と同位相の同位相信号を生成する同位相信号生成手段と、基準信号と共振振動の振幅及び波腹方位角とに基づいて、基準信号と逆位相の逆位相信号を生成する逆位相信号生成手段と、を備える。共振制御装置は、更に、同位相信号及び逆位相信号でアクチュエータを交流駆動し、同位相信号の振幅及び波腹方位角と、逆位相信号の振幅及び波腹方位角と、に基づいて共振器の角速度推定値を出力する角速度出力手段を備える。

　本開示によれば、同位相信号及び逆位相信号の波腹方位角に基づいて、共振器の共振倍率と共振周波数の比に依らず、角速度を推定するため、共振器の共振倍率が高い場合にも、共振周波数を増加させることなく、角速度計測レンジを確保することが可能となる。

実施の形態１に係る振動ジャイロの全体構成を示すブロック図半球共振型の振動ジャイロの機械系構成図実施の形態１に係る共振制御装置の機能ブロック図同位相信号生成手段の機能ブロック図共振器の端縁の変形形状を示す模式図共振器の端縁の変形形状を示す模式図共振器の端縁の変形形状を示す模式図実施の形態２に係る振動ジャイロの全体構成を示すブロック図実施の形態２に係る共振制御装置の機能ブロック図実施の形態３に係る共振制御装置の機能ブロック図実施の形態３の変形例に係る共振制御装置の機能ブロック図

実施の形態１．
　本開示の実施の形態１に係る振動ジャイロ１の全体構成を図１に示す。本実施の形態に係る振動ジャイロ１は、図１に示すように、円形状の共振器１０１と、共振器１０１に対して半径方向の加振力を発生させるアクチュエータ１０２と、共振器１０１の半径方向の変位を検出する変位センサ１０３と、を備える。振動ジャイロ１は、更に、アクチュエータ１０２の駆動信号の基準となる基準信号を生成する基準信号生成手段１０４と、共振器１０１の共振モードの信号形状を抽出する振動形状抽出手段１０５と、アクチュエータ１０２の駆動を制御して角速度推定値を出力する共振制御装置１０６と、を備える。

　共振器１０１は任意の円形の形状を有し、例えば、円環、円筒、半球の形状を有する。共振器１０１は円形状の端縁を持つ。アクチュエータ１０２及び変位センサ１０３は、円形状の共振器１０１の内側又は外側の円周方向にそって複数個配置される。

　図２は、実施の形態１に係る振動ジャイロ１の機械系構成の例を示した図であり、共振器１０１が半球型である半球共振型の振動ジャイロ１の例を示したものである。図２は、角度計測軸１０７を含む平面に沿った断面図である。図２には、Ｘ軸とＺ軸を表しているが、Ｚ軸は角度計測軸１０７に沿った軸であり、Ｘ軸はＺ軸に対して垂直な軸である。Ｙ軸の図示を省略しているが、Ｙ軸は、Ｘ軸及びＺ軸に対して垂直な軸である。

　半球共振型の振動ジャイロ１は、角度計測軸１０７（Ｚ軸）に対して軸対称な半球形状を有する共振器１０１を備える。共振器１０１は、角度計測軸１０７に対して垂直な平面（ＸＹ平面）において、共振パターンを維持することができる。共振器１０１は、上側ハウジング１０８及び下側ハウジング１０９によって角度計測軸１０７を介して支持されている。

　上側ハウジング１０８は、下方が開口した矩形の箱型部材で、断面形状は台形である。下側ハウジング１０９は、板状部材で、上側ハウジング１０８の開口を塞ぐ大きさを有している。円形状の共振器１０１は、上側ハウジング１０８及び下側ハウジング１０９を含む筺体内に収容されている。

　上側ハウジング１０８には、半球形状を有する共振器１０１に対して半径方向に吸引力を発生させるための複数のアクチュエータ１０２が、角度計測軸１０７の回りに等間隔で配置されている。図２において、各アクチュエータ１０２に対して符号Ｄ_ｊ（ｊ＝１，２，・・・）を付している。下側ハウジング１０９には、共振器１０１の半径方向の変位を検出する複数の変位センサ１０３が、角度計測軸１０７の回りに等間隔で配置されている。図２において、各変位センサ１０３に対して符号Ｓ_ｋ（ｋ＝１，２，・・・）を付している。

　半球共振型の振動ジャイロ１の最も一般的な構成は、計１６個のアクチュエータ１０２（Ｄ_ｊ；ｊ＝１，２，・・・、１６）を角度計測軸１０７の回りに２２．５度間隔で配置したものである。当該構成において、各アクチュエータＤ_ｊが発生する半径方向の吸引力を制御することで、共振器１０１に対して１次共振モードを発生させることができる。

　この１次共振モード発生時には、角度計測軸１０７に対して垂直な平面（ＸＹ平面）において共振器１０１の端縁が楕円形状となる。例えば、互いに直交するＸ軸及びＹ軸を基準に１次共振モードを励起させた場合、Ｘ軸方向を長軸とする楕円形状と、Ｙ軸方向を長軸とする楕円形状を、１／２周期毎に交互に繰り返す振動モードとなる。このような共振器１０１の動作は、半球型だけではなく、円環型又は円筒型を含む他の円形状の共振器においても同様である。

　複数のアクチュエータ１０２は、共振制御装置１０６の出力Ｆｃ_ｊ及びＦａ_ｊ（ｊ＝１，２，・・）に基づいて共振器１０１に加振力を印加し、共振器１０１は加振力に基づいた共振モードで振動する。

　複数の変位センサ１０３は、共振器１０１の端縁の振動の変位、速度又は加速度を検出する。検出されたセンサ出力Ｅ_ｋ（ｋ＝１，２，・・・）は基準信号生成手段１０４及び振動形状抽出手段１０５に入力される。

　基準信号生成手段１０４は、現時点の基準信号ｃｏｓ（ω_ｒｔ），ｓｉｎ（ω_ｒｔ）と、センサ出力Ｅ_ｋ（ｋ＝１，２，・・・）と、に基づいて、共振器１０１の共振周波数に一致させた基準信号周波数ω_ｒを有する基準信号を生成する。

　振動形状抽出手段１０５は、基準信号及びセンサ出力に基づいて、共振器１０１に励起される共振振動の振幅Ａ及び波腹方位角θ_ｒを算出する。

　共振制御装置１０６は、共振振動の振幅Ａ及び波腹方位角θ_ｒを、それぞれ、予め設定された共振振幅目標値Ａ^＊及び波腹方位角目標値θ_ｒ ^＊に一致させるための、各アクチュエータの交流駆動信号Ｆｃ_ｊ，Ｆａ_ｊ（ｊ＝１，２，・・）を生成し、角速度Ωの推定値を出力する。

　図３は、本実施の形態に係る共振制御装置１０６の機能ブロック図である。共振制御装置１０６は、同位相信号生成手段１１１、逆位相信号生成手段１１２、角速度出力手段１１３を備える。

　図４は、同位相信号生成手段１１１の機能ブロック図である。同位相信号生成手段１１１は、信号振幅生成手段１１４、信号波腹方位角生成手段１１５、アクチュエータ駆動信号生成手段１１６を有する。

　信号振幅生成手段１１４は、共振器１０１の共振振動の振幅Ａと共振振幅目標値Ａ*に基づいてＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）により同位相信号の振幅Ａ_ｃを算出する。

　信号波腹方位角生成手段１１５は、共振器１０１の共振振動の波腹方位角θ_ｒと波腹方位角目標値θ_ｒ ^＊に基づいて、Ｐ制御（比例制御）により同位相信号の波腹方位角θ_ｃを算出する。

　アクチュエータ駆動信号生成手段１１６は、信号振幅生成手段１１４が算出した振幅Ａ_ｃと信号波腹方位角生成手段１１５が算出した波腹方位角θ_ｃと、で表される、基準信号と同位相の加振力を共振器端縁に加えるための複数のアクチュエータの交流駆動信号Ｆｃ_ｊ（ｊ＝１，２，・・）を生成して出力する。

　図３に示す逆位相信号生成手段１１２は、共振器１０１の共振振動の振幅Ａと波腹方位角θ_ｒとに基づいて逆位相信号の振幅Ａ_ａと波腹方位角θ_ａとを決定する。

　そして、逆位相信号生成手段１１２は、振幅Ａ_ａ及び波腹方位角θ_ａで表される、基準信号と逆位相の加振力を共振器端縁に加えるための複数のアクチュエータの交流駆動信号Ｆａ_ｊ（ｊ＝１，２，・・・）を決定する。

　角速度出力手段１１３は、同位相信号の振幅Ａ_ｃ及び波腹方位角θ_ｃと、逆位相信号の振幅Ａ_ａ及び波腹方位角θ_ａと、共振器１０１の共振振動の波腹方位角θ_ｒと、に基づいて、角速度Ωの推定値を算出し出力する。

　以上のように構成された共振制御装置１０６の動作について、従来の、共振器端縁の１の角度位置に加振力を印加する構成との対比を含めて説明する。

　従来の共振制御装置は、波腹方位角制御にＰ制御を用いて、共振器１０１の波腹方位角θ_ｒ及び波腹方位角目標値θ_ｒ ^＊から、アクチュエータ１０２による加振力の波腹方位角を、式（１）を用いて算出していた。

　共振器端縁の平面と垂直な軸回りに角速度Ωが入力される場合、共振器の共振振動の波腹方位角θ_ｒがコリオリ力の影響により回転する。このとき、従来の共振制御装置は、予め算出したスケールファクタＫ_Ωを用いて式（２）により共振器端縁に垂直な軸回りに入力される角速度推定値を算出する。

　ここで、まず角速度入力がない場合の共振器の波腹方位角θ_ｒの挙動について説明する。共振器に角速度入力がないとき、共振器の端縁の円周方向変位は、互いにπ／２ｎ離れた角度θ_１と角度θ_２の軸を基準とする形状Ａ_１ｃｏｓ｛ｎ（θ－θ_１）｝とＡ_２ｃｏｓ｛ｎ（θ－θ_２）｝との重ね合わせで表され、式（３）のようになる。ここで、Ａ_１，Ａ_２は各基準振動の円周方向の振幅である。

　図５Ａ及び図５Ｂに、ｎ＝２における２つの基準振動形状を示し、図５Ｃに重ね合わせで表される振動形状を示す。

　共振器端縁のθの位置における半径方向の変位をｙとすると、ｙは１自由度減衰系で表され、波腹方位角がχ、振幅がＦである加振力が与えられる場合の運動方程式は式（４）で表される。式（４）において、変数の上部のドットは時間微分を表す。

　ここで、時刻ｔ＝０において共振振動の波腹方位角がθ_１であり、共振器端縁に加える加振力の波腹方位角χがθ_１＜χ≦θ_２の範囲である場合を考える。このとき、θ_１における共振振幅は－ｅｘｐ（－ω_ｎｔ／２Ｑ）に比例して減少し、θ_２における共振振幅はｅｘｐ（－ω_ｎｔ／２Ｑ）に比例して増加する。すなわち共振器の共振振動の波腹方位角θ_ｒの時間変化は、運動方程式（４）及び重ね合わせの式（３）より式（５）で表される。

　これより、θ_ｒ（ｔ）が加振力の波腹方位角χに一致するまでにかかる時間は、ω_ｎ／Ｑの増加とともに拡大する。したがって、（１）式で表されるＰ制御による波腹方位角制御はＱ／ω_ｎが大きいほど制御応答が悪化する。

　次に、共振器端縁の平面に垂直な軸回りに角速度Ωが入力される場合の、共振器の波腹方位角の挙動について説明する。ここでは、簡単のため円環共振器の場合について述べるが、その他の円形状の端縁を持つ共振器についても基本原理は同様であり、本開示は円環共振器に限定されるものではない。

　一定の角速度Ωが入力される場合、共振器端縁のθの位置における円周方向変位をｘ、半径方向変位をｙとすると，波腹方位角がχ、振幅がＦである加振力が与えられる場合の運動方程式は式（６）で表される。

　共振器端縁の変形は不伸張変形であるから、円周方向変位ｘと半径方向変位ｙは式（７）の関係を持つ。

　定常状態を考えたとき、波腹方位角がθ_ｒである共振モードが励起されているときの共振器端縁の変位は式（８）で表される。

　このとき、Ω^２≪ω_ｎ ^２であることを考慮すると、運動方程式（６）は式（９）のようになる。

　これより、式（１０）を得る。

　ここで、方位角制御として式（１）のＰ制御を考えたとき、式（１１）が得られる。

　したがって，ｎ（Ｋ_ｐ＋１）（θ_ｒ ^＊－θ_ｒ）≪１のとき、すなわちα≪１のとき、式（１２）が成り立つ。

　よって、方位角制御出力Ｋ_ｐ（θ_ｒ ^＊－θ_ｒ）に一定値を乗じる式（２）により、入力角速度Ωの推定値を算出できる。

　一方、ΩＱ／ω_ｎが大きく、α≪１とみなせないとき、上式（１２）は成り立たず方位角制御出力が入力角速度に比例しない。すなわち，ΩＱ／ω_ｎが拡大すると、方位角制御出力が入力角速度に比例する入力角速度の範囲は減少し、振動ジャイロの計測可能レンジが減少する。

　以上より、従来の共振制御装置では、ΩＱ／ω_ｎの拡大とともに方位角制御の応答性が悪化し、さらに振動ジャイロの計測可能レンジが減少するという問題があった。

　そこで、本実施の形態１では、共振制御装置１０６において、式（１）で算出される位置に基準信号と同位相の加振力を加え、θ_ａの位置に基準信号と逆位相の加振力を加える。

　本実施の形態１に係る共振制御装置１０６では、アクチュエータ１０２による加振力の振幅Ｆ（Ｆ＞０）は、共振器１０１の共振振動の振幅Ａ及び共振振幅目標値Ａ^＊からＰＩＤ制御により決定され、各アクチュエータ１０２の交流駆動信号Ｆ_ｊ（ｊ＝１，２，・・）は、共振器端縁の基準点からθの角度位置に、以下の式（１３）で表される力を加えることのできる信号に決定される。

　すなわち、共振制御装置１０６は、式（１３）に示す基準信号と同位相の加振力を加えると共に、式（１４）に示す基準信号と逆位相の加振力を加える。式（１４）において、Ａ_ａ（Ａ_ａ＞０）は逆位相信号の振幅である。

　図４に示す同位相信号生成手段１１１において、信号振幅生成手段１１４は、共振器１０１の共振振動の振幅Ａと共振振幅目標値Ａ^＊に基づいてＰＩＤ制御により同位相信号の振幅Ａ_ｃを算出する。信号波腹方位角生成手段１１５は、共振器１０１の共振振動の波腹方位角θ_ｒと波腹方位角目標値θ_ｒ ^＊に基づいて、式（１）で表されるＰ制御により同位相信号の波腹方位角θ_ｃを算出する。

　アクチュエータ駆動信号生成手段１１６は、共振器端縁に式（１５）に示す加振力を加えることのできる複数のアクチュエータの交流駆動信号Ｆｃ_ｊを決定する。

　一方、図３に示す逆位相信号生成手段１１２は、共振器１０１の共振振動の振幅Ａ及び波腹方位角θ_ｒに基づいて、逆位相加振力の振幅Ａ_ａ及び波腹方位角θ_ａを決定し、共振器端縁に式（１６）に示す加振力を加えることのできる複数のアクチュエータ１０２の交流駆動信号Ｆａ_ｊを決定する。

　同位相信号生成手段１１１及び逆位相信号生成手段１１２が決定した信号で駆動する複数のアクチュエータ１０２により共振器１０１に加えられる合成加振力は式（１７）のように表される。ここで、合成加振力の振幅Ａ_ｃｏｍ及び波腹方位角θ_ｃｏｍは、式（１８）で表される。

　このとき、信号振幅生成手段１１４は、合成加振力の振幅Ａ_ｃｏｍが式（１９）を満たすことのできる同位相信号の振幅Ａ_ｃを算出するため、従来の共振制御装置における加振力の振幅と実施の形態１における合成加振力の振幅は同じになる。

　一方、現在の波腹方位角θ_ｒの位置における合成加振力は式（２０）で示す振幅を有する。このため、逆位相信号の振幅Ａａ及び波腹方位角θａは、式（２１）で示す関係を満たす値に設定する。これにより、従来の共振制御装置に比べて波腹方位角θ_ｒに加えられる加振力は低減し、θ_ｒ＋π／２ｎの位置に加えられる加振力は拡大する。

　したがって、θ_ｒにおける振動の減衰及びθ_ｒ＋π／２ｎにおける振動の拡大の速度が上がるため、方位角制御の応答性を向上させることができる。

　また、（６）に示す運動方程式より、式（２２）が得られる。

　これより、角速度出力手段１１３は、予め算出したスケールファクタＫ’_Ωを用いて、式（２３）に示す入力角速度Ωの推定値を算出する。この場合、ΩＱ／ω_ｎの大きさに係る条件を付加していないため、Ｑ／ω_ｎの拡大により角速度の計測可能レンジが減少することはない。

　以上説明したように、本実施の形態１によれば、円形状の共振器１０１を用いた振動ジャイロ１の共振制御装置１０６において、変位センサ１０３が出力するセンサ信号に基づいて算出する共振器１０１の共振周波数に一致させた基準信号周波数を有する基準信号と、センサ信号から導出した共振器１０１に励起される共振振動の振幅及び波腹方位角と、に基づいて、基準信号と同位相の同位相信号と、基準信号と逆位相の逆位相信号を生成する。この同位相信号と逆位相信号によりアクチュエータ１０２を交流駆動し、同位相信号の振幅及び波腹方位角と、逆位相信号の振幅及び波腹方位角と、に基づいて共振器１０１の角速度推定値を出力することとした。

　これにより、アクチュエータ１０２により基準信号と同位相の加振力と逆位相の加振力を共振器１０１に加えることで、共振器１０１の共振倍率Ｑと共振周波数ω_ｎの比Ｑ／ω_ｎが大きい場合にも、方位角制御の応答性を向上させ、振動ジャイロの角速度計測可能レンジを保つことが可能になる。

実施の形態２．
　本開示の実施の形態２に係る振動ジャイロ１の全体構成を図６に示す。本実施の形態に係る振動ジャイロ１は、実施の形態１と同様の構成を有するが、共振制御装置１０６の構成及び動作が異なる。本実施の形態に係る共振制御装置１０６の機能ブロック図を図７に示す。

　実施の形態２に係る共振制御装置１０６は、図７に示すように、実施の形態１と同様の同位相信号生成手段１１１、逆位相信号生成手段１１２、角速度出力手段１１３に加えて、合成信号生成手段１２１、アクチュエータ駆動信号生成手段１２２を備える。共振制御装置１０６は、アクチュエータ１０２に対して出力するアクチュエータ交流駆動信号Ｆｊ及び共振器１０１の角速度Ωの推定値を出力する。

　実施の形態２における同位相信号生成手段１１１は、実施の形態１と同様の信号振幅生成手段１１４及び信号波腹方位角生成手段１１５を備え、共振器１０１の共振振動の振幅Ａ及び波腹方位角θ_ｒに基づいて、同位相信号の加振力の振幅Ａ_ｃ及び波腹方位角θ_ｃを出力する。逆位相信号生成手段１１２は、共振器１０１の共振振動の振幅Ａ及び波腹方位角θ_ｒに基づいて、逆位相信号の加振力の振幅Ａ_ａ及び波腹方位角θ_ａを出力する。

　合成信号生成手段１２１は、同位相信号の振幅Ａ_ｃ及び波腹方位角θ_ｃと、逆位相信号の振幅Ａ_ａ及び波腹方位角θ_ａに基づいて、式（１８）により、合成信号の振幅Ａ_ｃｏｍ及び波腹方位角θ_ｃｏｍを出力する。

　実施の形態２における角速度出力手段１１３は、合成信号の波腹方位角θ_ｃｏｍ及び共振振動の波腹方位角θ_ｒに基づいて、式（２３）により角速度推定値を出力する。

　アクチュエータ駆動信号生成手段１２２は、合成信号の振幅Ａ_ｃｏｍ及び波腹方位角θ_ｃｏｍに基づいて、共振器端縁に式（１７）に示す合成された加振力を加えることのできる複数のアクチュエータ１０２の交流駆動信号Ｆ_ｊ（ｊ＝１，２，・・）を決定する。

　実施の形態２に係る振動ジャイロ１のアクチュエータ１０２の交流駆動信号Ｆ_ｊにより実現される加振力は、実施の形態１における交流駆動信号Ｆｃ_ｊ，Ｆａ_ｊにより実現される加振力の合力に等しいため、実施の形態２における方位角制御の挙動および効果は、実施の形態１と同様である。

　以上説明したように、本実施の形態２によれば、基準信号と同位相の同位相信号と、基準信号と逆位相の逆位相信号との合成信号を生成し、この合成信号によりアクチュエータ１０２を交流駆動し、共振振動の波腹方位角θ_ｒと、合成信号の波腹方位角θ_ｃｏｍと、に基づいて共振器１０１の角速度推定値を出力することとした。これにより、アクチュエータ１０２に一系統の信号を印加していた従来のハードウェア構成を使用でき、共振器１０１の共振倍率と共振周波数の比が大きい場合にも、方位角制御の応答性を向上させることができ、振動ジャイロの角速度計測可能レンジを保つことが可能となる。

実施の形態３．
　本開示の実施の形態３に係る振動ジャイロ１は、実施の形態２と同様の構成を有するが、共振制御装置１０６の構成及び動作が異なる。本実施の形態３に係る共振制御装置１０６の機能ブロック図を図８に示す。

　共振制御装置１０６の同位相信号生成手段１１１、合成信号生成手段１２１、アクチュエータ駆動信号生成手段１２２は実施の形態２と同様であるが、逆位相信号生成手段１１２と角速度出力手段１１３の構成及び動作が異なる。

　本実施の形態に係る共振制御装置１０６の逆位相信号生成手段１１２は、式（２４）により逆位相信号の振幅Ａ_ａ及び波腹方位角θ_ａを決定する。ただし、ｓは同位相信号の振幅Ａ_ｃに対する比を定義するパラメータであり、０≦ｓ＜１である。

　このとき、合成信号の振幅Ａ_ｃｏｍ及び波腹方位角θ_ｃｏｍは式（２５）のようになる。

　これより、式（２６）が成り立つため、実施の形態１及び２と同様に、方位角制御の応答性を向上させることができる。

　また、パラメータｓを1に近い値に設定するとΩＱ／ω_ｎが大きい場合にも式（２７）を充足させることが可能である。

　このとき、式（２８）の近似が可能である。

　したがって、実施の形態３における角速度出力手段１１３は、予め設定された波腹方位角の目標値θ_ｒ ^＊と、共振振動の波腹方位角θ_ｒと、予め計測したスケールファクタＫ_Ωと、により式（２）を用いて角速度の推定値を算出する。

　以上説明したように、本実施の形態３によれば、予め設定された同位相信号と逆位相信号の振幅の比から逆位相信号の振幅Ａ_ａを算出し、共振振動の波腹方位角θ_ｒを逆位相信号の波腹方位角θ_ａに一致させて、逆位相信号を生成し、同位相信号と逆位相信号によりアクチュエータ１０２を交流駆動し、共振振動の波腹方位角θ_ｒに基づいて共振器１０１の角速度推定値を出力することとした。これにより、共振器１０１の共振倍率Ｑと共振周波数ω_ｎの比Ｑ／ω_ｎが大きい場合にも、方位角制御の応答性を向上させることができる。さらに、従来と同様に共振振動の波腹方位角θ_ｒに一定のスケールファクタを乗ずることで角速度計測可能レンジを狭めることなく、角速度の検出が可能となる。

　なお、ここでは、実施の形態２の構成に対して、逆位相信号生成手段１１２が生成する逆位相信号が、予め設定された同位相信号と逆位相信号との振幅の比ｓから算出した振幅を有する構成について説明した。しかし、逆位相信号の振幅を予め設定された同位相信号の振幅との比ｓから算出する構成は、実施の形態１に適用してもよい。図９は、実施の形態１に適用された場合の変形例である。

　この場合、図９に示すように、同位相信号の振幅Ａ_ｃに予め設定された比ｓを乗じた振幅Ａ_ａと、共振振動の波腹方位角θ_ｒに一致した波腹方位角θ_ａと、を有する逆位相信号が、同位相信号と共にアクチュエータ１０２に印加される。そして、角速度出力手段１１３は予め設定された波腹方位角の目標値θ_ｒ ^＊と共振振動の波腹方位角θ_ｒに基づいて角速度の推定値を出力する。

実施の形態４．
　本開示の実施の形態４に係る振動ジャイロ１は、実施の形態３と同様の構成を有するが、共振制御装置１０６の動作が異なる。

　実施の形態３における共振制御装置１０６は、同位相信号の振幅Ａ_ｃと逆位相信号の振幅Ａ_ａの比ｓの値を大きく設定して１に近づけるほど、波腹方位角制御の応答性を向上させることができ、角速度計測可能レンジを拡大することができる。

　一方、ｓの値を１に近づけることは，角速度入力による波腹方位角の変動量（θ_ｒ ^＊－θ_ｒ）を小さく抑えることになるため、波腹方位角θ_ｒの検出に重畳するノイズの影響を受けやすくなる。

　そこで、広範囲の角速度計測レンジが必要な場合にはｓを大きく設定し、優れたノイズ特性が必要な場合には，ｓの値を小さく設定する。そして、予め複数のｓの設定値に対するスケールファクタＫ_Ωｓを計測しておく。角速度出力手段１１３は、計測可能レンジ及びノイズ特性に応じて、ｓの値を切り替え、式（２）においてスケールファクタＫ_Ωに代えて、スケールファクタＫ_Ωｓを用いることにより、角速度の推定値を算出する。

　以上説明したように、本実施の形態４によれば、同位相信号の振幅Ａ_ｃと逆位相信号の振幅Ａ_ａとの比ｓを可変とし、広範囲の角速度計測レンジが必要な場合にはｓを大きく設定し、優れたノイズ特性が必要な場合には、ｓの値を小さく設定することとした。これにより、共振振動の波腹方位角θ_ｒに可変のスケールファクタを乗ずることで角速度計測可能レンジ及びノイズ耐性を改善した状態で角速度の検出が可能となる。

　本開示は、本開示の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。すなわち、本開示の範囲は、実施の形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、本開示の範囲内とみなされる。

　１　振動ジャイロ、１０１　共振器、１０２　アクチュエータ、１０３　変位センサ、１０４　基準信号生成手段、１０５　振動形状抽出手段、１０６　共振制御装置、１０７　角度計測軸、１０８　上側ハウジング、１０９　下側ハウジング、１１１　同位相信号生成手段、１１２　逆位相信号生成手段、１１３　角速度出力手段、１１４　信号振幅生成手段、１１５　信号波腹方位角生成手段、１１６　アクチュエータ駆動信号生成手段、１２１　合成信号生成手段、１２２　アクチュエータ駆動信号生成手段。

Claims

　円形状の共振器と、前記共振器に対して半径方向の加振力を発生させる複数のアクチュエータと、前記共振器の半径方向の変位を検出する複数の変位センサと、を備える振動ジャイロにおいて、前記アクチュエータの駆動を制御して前記共振器の角速度推定値を出力する共振制御装置であって、
　前記変位センサが出力するセンサ信号に基づいて算出する前記共振器の共振周波数に一致させた基準信号周波数を有する基準信号と、前記センサ信号から導出した前記共振器に励起される共振振動の振幅及び波腹方位角と、に基づいて、前記基準信号と同位相の同位相信号を生成する同位相信号生成手段と、
　前記基準信号と、前記共振振動の振幅及び波腹方位角と、に基づいて、前記基準信号と逆位相の逆位相信号を生成する逆位相信号生成手段と、
　前記同位相信号及び前記逆位相信号で前記アクチュエータを交流駆動し、前記同位相信号の振幅及び波腹方位角と、前記逆位相信号の振幅及び波腹方位角と、に基づいて前記共振器の角速度推定値を出力する角速度出力手段と、
　を備える共振制御装置。
　円形状の共振器と、前記共振器に対して半径方向の加振力を発生させる複数のアクチュエータと、前記共振器の半径方向の変位を検出する複数の変位センサと、を備える振動ジャイロにおいて、前記アクチュエータの駆動を制御して前記共振器の角速度推定値を出力する共振制御装置であって、
　前記変位センサが出力するセンサ信号に基づいて算出する前記共振器の共振周波数に一致させた基準信号周波数を有する基準信号と、前記センサ信号から導出した前記共振器に励起される共振振動の振幅及び波腹方位角と、に基づいて、前記基準信号と同位相の同位相信号を生成する同位相信号生成手段と、
　前記基準信号と、前記共振振動の振幅及び波腹方位角と、に基づいて、前記基準信号と逆位相の逆位相信号を生成する逆位相信号生成手段と、
　前記同位相信号生成手段が生成する前記同位相信号と、前記逆位相信号生成手段が生成する逆位相信号と、から合成信号を生成する合成信号生成手段と、
　前記合成信号で前記アクチュエータを交流駆動し、前記共振振動の波腹方位角と、前記合成信号の波腹方位角と、に基づいて前記共振器の角速度推定値を出力する角速度出力手段と、
　を備える共振制御装置。
　前記同位相信号生成手段は、前記共振器の前記共振振動の振幅と、予め設定された共振振幅目標値と、に基づいて前記同位相信号の振幅を算出し、
　前記同位相信号生成手段は、前記共振器の前記共振振動の波腹方位角と、予め設定された波腹方位角目標値と、に基づいて前記同位相信号の波腹方位角を算出する、
　請求項１又は請求項２に記載の共振制御装置。
　前記同位相信号生成手段は、
　前記共振器の前記共振振動の振幅と、予め設定された共振振幅目標値と、から前記同位相信号の振幅を出力する信号振幅生成手段と、
　前記共振器の前記共振振動の波腹方位角と、予め設定された波腹方位角目標値と、から前記同位相信号の波腹方位角を出力する信号波腹方位角生成手段と、
　前記同位相信号の振幅と、前記同位相信号の波腹方位角と、を有し、前記基準信号と同位相の前記同位相信号を生成するアクチュエータ駆動信号生成手段と、を備え、
　前記逆位相信号生成手段は、予め設定された前記同位相信号と前記逆位相信号との振幅の比から前記逆位相信号の振幅を算出し、前記共振振動の波腹方位角を前記逆位相信号の波腹方位角に一致させて、前記逆位相信号を生成し、
　前記角速度出力手段は、予め設定された前記波腹方位角目標値と、前記共振振動の波腹方位角と、に基づいて前記角速度推定値を出力する、
　請求項１に記載の共振制御装置。
　前記同位相信号生成手段は、
　前記共振器の前記共振振動の振幅と、予め設定された共振振幅目標値と、から前記同位相信号の振幅を出力する信号振幅生成手段と、
　前記共振器の前記共振振動の波腹方位角と、予め設定された波腹方位角目標値と、から前記同位相信号の波腹方位角を出力する信号波腹方位角生成手段と、を備え、
　前記逆位相信号生成手段は、予め設定された前記同位相信号と前記逆位相信号との振幅の比から前記逆位相信号の振幅を算出し、前記共振振動の波腹方位角を前記逆位相信号の波腹方位角に一致させて、前記逆位相信号を生成し、
　前記角速度出力手段は、予め設定された前記波腹方位角目標値と、前記共振振動の波腹方位角と、に基づいて前記角速度推定値を出力する、
　請求項２に記載の共振制御装置。
　前記同位相信号と前記逆位相信号との振幅の比は可変であり、前記振動ジャイロの計測可能レンジ又はノイズ特性に応じて設定される、
　請求項４又は請求項５に記載の共振制御装置。
　円形状の共振器と、
　前記共振器に対して半径方向の加振力を発生させる複数のアクチュエータと、
　前記共振器の半径方向の変位を検出する複数の変位センサと、
　前記変位センサが出力するセンサ信号に基づいて算出する前記共振器の共振周波数に一致させた基準信号周波数を有する基準信号を生成する基準信号生成手段と、
　前記センサ信号に基づいて、前記共振器に励起される共振振動の振幅及び波腹方位角を導出する振動形状抽出手段と、
　前記基準信号生成手段から出力される前記基準信号と、前記振動形状抽出手段から出力される前記共振振動の振幅及び波腹方位角と、に基づいて、前記基準信号と同位相の同位相信号、及び、前記基準信号と逆位相の逆位相信号を生成して、前記同位相信号及び逆位相信号で前記アクチュエータを交流駆動し、前記同位相信号の波腹方位角と、前記逆位相信号の波腹方位角と、に基づいて前記共振器の角速度推定値を出力する共振制御装置と、を備える、
　振動ジャイロ。
　円形状の共振器に対して半径方向の加振力を発生させる複数のアクチュエータを用いた振動ジャイロにおいて、前記アクチュエータの駆動を制御して前記共振器の角速度推定値を出力する共振制御方法であって、
　前記共振器の共振周波数に一致させた基準信号周波数を有する基準信号と、前記共振器に励起される共振振動の振幅及び波腹方位角と、に基づいて、前記基準信号と同位相の同位相信号を生成する同位相信号生成ステップと、
　前記基準信号と、前記共振振動の振幅及び波腹方位角と、に基づいて、前記基準信号と逆位相の逆位相信号を生成する逆位相信号生成ステップと、
　前記同位相信号及び前記逆位相信号で前記アクチュエータを交流駆動し、前記同位相信号の波腹方位角と、前記逆位相信号の波腹方位角と、に基づいて前記共振器の角速度推定値を出力する角速度出力ステップと、
　を有する共振制御方法。