(57)【要約】【課題】専用トルク要素を必要とせずに複数の軸に沿って駆動するように構成された振動構造ジャイロスコープにおける同調誤差を補正する装置及び／又は方法。【解決手段】１つ以上の駆動素子の駆動信号に他の駆動素子に対する位相オフセットを導入し、直角位相信号を最小化又は低減することによって補正を行う。同調は、ユーザの裁量で実行される手動調整として、閉ループ能動補正システムとして、又は１回限りの「設定後操作不要な」調整として行うことができる。本手法では、単に誤同調を補償するのではなく、共振器組立体の同調を改善する。それによって、本発明の様々な実施形態では、複数の駆動軸間の有害な干渉が低減される。従って、共振器に存在する振動エネルギの保存が強化され、支持構造へ伝達される振動エネルギが減少する。【選択図】図６
2010096765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動構造ジャイロスコープの直角位相を制御するための方法であって、
共振器組立体を提供する工程と、前記共振器組立体は、軸対称共振器と、前記共振器に連結され、前記軸対称共振器における共振発振パターンを持続させるための複数の駆動素子と、前記軸対称共振器に連結されており、回転速度を検出するための１つ以上の検知素子と、を備えることと、前記複数の駆動素子のうちの第１駆動素子は第１駆動軸に沿って駆動され、前記複数の駆動素子のうちの第２駆動素子は第２駆動軸に沿って駆動されることと、
第１駆動信号に基づき、前記駆動素子のうちの第１駆動素子により、第１駆動軸に沿って前記共振器組立体を駆動する工程と、
第２駆動信号に基づき、前記駆動素子のうちの第２駆動素子により、第２駆動軸に沿って前記共振器組立体を駆動する工程と、
前記共振器組立体が第１駆動軸及び第２駆動軸に沿って駆動されているときに回転速度信号を測定する工程と、
前記回転速度信号から直角位相信号を推定する工程と、
前記直角位相信号が所望レベルで維持されるように、第１駆動信号と第２駆動信号との間に合成位相オフセットを与える工程と、からなる方法。
【請求項２】
合成位相オフセットを与える工程は、前記直角位相信号が最小の大きさで維持されるように実行される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１駆動信号と第２駆動信号との間に合成位相オフセットを与える工程は、第１駆動信号に対し第１位相オフセットを与え、第２駆動信号に対し第１位相オフセットと逆で第１位相オフセットにほぼ等しい第２位相オフセットを与える工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
共振器組立体の駆動発振を検知するための１つ以上の駆動センサを提供する工程と、
前記１つ以上の駆動センサに連結された入力部と、前記複数の駆動素子のうちの第１駆動素子及び第２駆動素子に連結された出力部とを有する、位相同期ループ駆動系を提供する工程と、
前記位相同期ループ駆動系に第１駆動信号及び第２駆動信号を出力させる工程と、第１駆動信号及び第２駆動信号は前記駆動発振の周波数にほぼ一致する周波数を有することと、を含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記提供する工程において提供される前記１つ以上の検知素子は、共振器組立体の駆動発振を検知するように構成されており、前記方法は、
前記１つ以上の駆動センサに連結された入力部と、前記複数の駆動素子のうちの第１駆動素子及び第２駆動素子に連結された出力部とを有する、位相同期ループ駆動系を提供する工程と、
前記位相同期ループ駆動系に第１駆動信号及び第２駆動信号を出力させる工程と、第１駆動信号及び第２駆動信号は前記駆動発振の周波数にほぼ一致する周波数を有することと、を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記提供する工程において提供される前記共振器組立体の前記駆動素子は、前記共振器組立体の回転が停止しているとき、前記共振発振パターンを持続させ、複数の基準軸を定義する複数の腹対を含むように構成されており、前記腹対の各々は中心軸について全く反対に位置し、前記複数の基準軸の各々は前記複数の腹対のうちの対応する腹対を貫通していることと、
前記提供する工程において提供される前記共振器組立体の第１駆動軸は、前記複数の基
準軸のうちの第１基準軸に対し第１回転オフセットだけ離れており、第１駆動軸は前記複数の基準軸のいずれとも一致しないことと、
前記提供する工程において提供される前記共振器組立体の第２駆動軸は、前記複数の基準軸のうちの第２基準軸に対し第１回転オフセットとは反対の方向に第２回転オフセットだけ離れており、第２駆動軸は前記複数の基準軸のいずれとも一致しないことと、を含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記駆動する工程において駆動される第１駆動軸及び第２駆動軸は互いから離れている請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記駆動する工程において駆動される第１駆動軸及び第２駆動軸はほぼ一致している請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記直角位相信号から位相復調誤差を推定する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
直角位相制御式振動構造ジャイロスコープであって、
共振器組立体と、前記共振器組立体は、
中心軸を定義する軸対称共振器と、
前記共振器に連結された複数の駆動素子と、前記複数の駆動素子のうちの第１駆動素子は第１駆動軸に沿って駆動され、前記複数の駆動素子のうちの第２駆動素子は第２駆動軸に沿って駆動されることと、
前記軸対称共振器に連結されており、回転速度信号を検出するための１つ以上の検知素子と、を備えることと、
前記複数の駆動素子に連結されており、前記軸対称共振器において共振発振パターンを持続させ、前記回転速度信号から直角位相成分を推定するとともに、前記直角位相成分の大きさを制御するために第１駆動素子と第２駆動素子との間の合成位相オフセットを制御するための制御系と、からなる直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項１１】
第２駆動軸は第１駆動軸と一致している請求項１０に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項１２】
第２駆動軸は回転方向に第１駆動軸から離れている請求項１０に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項１３】
前記制御系及び前記駆動素子は、前記共振器組立体の回転が停止しているとき、前記発振パターンを持続させ、複数の基準軸を定義する複数の腹対を含むように構成されており、前記腹対の各々は中心軸について全く反対に位置し、前記複数の基準軸の各々は前記複数の腹対のうちの対応する腹対を貫通していることと、
第１駆動軸は前記複数の基準軸のうちの第１基準軸に対し第１回転オフセットだけ離れており、第１駆動軸は前記複数の基準軸のいずれとも一致しないことと、
第２駆動軸は、前記複数の基準軸のうちの第２基準軸に対し第１の回転オフセットとは反対の方向に第２回転オフセットだけ離れており、第２駆動軸は前記複数の基準軸のいずれとも一致しないことと、を含む請求項１１に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項１４】
前記制御系は、前記１つ以上の検知素子に連結されており、前記直角位相信号をフィードバック信号として利用する閉ループ制御系である請求項１０に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項１５】
第１駆動素子は次式によって定義される第１駆動信号によって駆動され、
【数１】
2010096765.tif 000015
第２駆動素子は次式によって定義される第２駆動信号によって駆動され、
【数２】
2010096765.tif 000016
Ｋは前記駆動信号の振幅であり、αは位相オフセットであり、ωは駆動周波数であり、ｔは時間パラメータである、請求項１０に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項１６】
前記制御系は、更に、
前記駆動信号の振幅を提供するための自動利得制御部と、
前記位相オフセットを提供するための直角位相調整源と、
ＳＩＮ（ωｔ）関数を提供するための正弦波基準部と、
ＣＯＳ（ωｔ）関数を提供するための余弦波基準部と、を備える請求項１５に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項１７】
第１駆動素子は次式によって定義される第１駆動信号によって駆動され、
【数３】
2010096765.tif 000017
第２駆動素子は次式によって定義される第２駆動信号によって駆動され、
【数４】
2010096765.tif 000018
Ｋは前記駆動信号の振幅であり、αは位相オフセットであり、ωは駆動周波数であり、ｔは時間パラメータである請求項１０に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項１８】
前記制御系は、更に、
前記駆動信号の振幅を提供するための自動利得制御部と、
前記位相オフセットを提供するための直角位相調整源と、
ＳＩＮ（ωｔ）関数を提供するための正弦波基準部と、
ＣＯＳ（ωｔ）関数を提供するための余弦波基準部と、を備える請求項１７に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項１９】
前記共振器組立体は、カップ共振器、半球形共振器、リング共振器、二叉分岐共振器、及び四叉分岐共振器から選択される共振器を含む請求項１０に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項２０】
直角位相制御式振動構造ジャイロスコープであって、
共振器組立体と、前記共振器組立体は、
軸対称共振器と、
前記共振器に連結され、前記軸対称共振器において共振発振パターンを持続させるための複数の駆動素子と、前記駆動素子のうちの第１駆動素子は第１駆動軸に沿って駆動され、前記複数の駆動素子のうちの第２駆動素子は第１の駆動軸から離れている第２駆動軸に沿って駆動されることと、
前記軸対称共振器に連結されており、回転速度を検出するための１つ以上の検知素子と、を備えることと、
前記軸対称共振器に連結された中央マイクロプロセッサと、
前記中央マイクロプロセッサに連結されており、前記直角位相制御式振動構造ジャイロスコープを制御するための命令を含むコンピュータ可読媒体と、からなり、前記命令は、
第１駆動信号に基づき第１駆動軸に沿って前記共振器組立体を駆動することと、
第２駆動信号に基づき第２駆動軸に沿って前記共振器組立体を駆動することと、
前記共振器組立体が第１及び第２駆動軸に沿って駆動されているときに回転速度信号を測定することと、
前記回転速度信号から直角位相信号を推定することと、
前記直角位相信号が所望レベルで維持されるように、第１駆動信号と第２駆動信号との間に合成位相オフセットを与えることと、を含む、直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項２１】
第１駆動軸及び第２駆動軸はほぼ一致している請求項２０に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項２２】
第２駆動軸は回転方向に第１駆動軸から離れている請求項２０に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項２３】
前記制御系及び前記駆動素子は、前記共振器組立体の回転が停止しているとき、前記発振パターンを持続させ、複数の基準軸を定義する複数の腹対を含むように構成されており、前記腹対の各々は中心軸について全く反対に位置し、前記複数の基準軸の各々は前記複数の腹対のうちの対応する腹対を貫通していることと、
第１駆動軸は前記複数の基準軸のうちの第１基準軸に対し第１回転オフセットだけ離れており、第１駆動軸は前記複数の基準軸のいずれとも一致しないことと、
第２駆動軸は、前記複数の基準軸のうちの第２基準軸に対し第１の回転オフセットとは反対の方向に第２回転オフセットだけ離れており、第２駆動軸は前記複数の基準軸のいずれとも一致しないことと、を含む請求項２２に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項２４】
前記制御系は、前記１つ以上の検知素子に連結されており、前記直角位相信号をフィードバック信号として利用する閉ループ制御系である請求項２０に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項２５】
第１駆動素子は次式によって定義される第１駆動信号によって駆動され、
【数５】
2010096765.tif 000019
第２駆動素子は次式によって定義される第２駆動信号によって駆動され、
【数６】
2010096765.tif 000020
Ｋは前記駆動信号の振幅であり、αは位相オフセットであり、ωは駆動周波数であり、ｔは時間パラメータである請求項２０に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【請求項２６】
第１駆動素子は次式によって定義される第１駆動信号によって駆動され、
【数７】
2010096765.tif 000021
第２駆動素子は次式によって定義される第２駆動信号によって駆動され、
【数８】
2010096765.tif 000022
Ｋは前記駆動信号の振幅であり、αは位相オフセットであり、ωは駆動周波数であり、ｔは時間パラメータである請求項２０に記載の直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にジャイロスコープの分野に関する。より詳細には、本発明は直角位相制御を有する振動構造ジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動構造ジャイロスコープ（ＶＳＧ）は、姿勢センサ及びジャイロコンパスを含む、回転速度及び位置の検出を伴う多数の用途に用いられている。回転速度及び／又は位置は、通常、１つ又は複数の駆動軸に沿って共振器を励起して、共振器に発振又は振動パターンを発生させることによって、また、出力信号の変化を検出することによって求められる。出力信号には、「直角位相」信号又は成分を含み得るが、これは、本明細書では、時間領域で同相成分に対して位相が９０度ずれた複素信号の成分として定義される。この直角位相信号は、一般的に、出力誤差を発生し得る望ましくない信号と見なされる。
【０００３】
回転速度信号から直角位相信号を求めることは、当分野において既知である。直角位相信号は、駆動発振に対して位相がずれている回転速度信号を復調することによって得ることができる。そのように復調によって直角位相信号を求めることは、非特許文献１において、また、バーンハム（Ｖａｒｎｈａｍ）らによる特許文献１によって更に詳細に提示されている。
【０００４】
ＶＳＧには、複数の駆動軸に沿って、それら駆動軸が互いに対して離間された状態で、あるいはほぼ一致した（即ち、三次元空間においてほぼ同じ軸を定義した）状態で、共振器組立体を駆動するように構成されたものがある。ＶＳＧ共振器組立体の共振周波数は、通常、それぞれの駆動軸間で異なる。例えば、２つの同相駆動軸に沿って駆動される共振器組立体は、通常、第２駆動軸の共振周波数とは異なる第１駆動軸の共振周波数を有する。即ち、共振器組立体の各駆動軸は、固有の共振周波数を有すると言える。共振器組立体は、それぞれの駆動軸の共振周波数が接近するように設計及び製造し得る。更に、同調処理を実行して、それぞれの共振周波数を更に近接させてよい。しかしながら、共振周波数は、特に、温度が、共振器組立体の材料の特性を変化させ、また、共振器組立体の同調の劣化を招き得ることから、特に、ある温度範囲では、完全に同調できない。この劣化及び結果的に生じる直角位相信号は、非特許文献１に報告されている。よって、直角位相信号は、二重軸系の両軸が駆動されると、出現する可能性があり、その結果、回転速度及び／又は回転位置が誤表示される。
【０００５】
直角位相信号の影響を打ち消す様々なオプションが、当業者には利用可能である。方法の中には、共振器の振動特性を変化させることに焦点が当てられるものがある。例えば、特許文献１では、共振器質量又は質量分布を機械的に調整してジャイロスコープを同調することによる直角位相成分の補正処理が開示されている。ローパ（Ｌｏｐｅｒ）らによる特許文献２には、ばね剛性を電気的に調整してジャイロスコープを同調することによる直角位相成分の補正処理が開示されている。他の米国特許及び公開特許出願（例えば、特許文献３及び特許文献４、及び特許文献５）にも、この手法が開示されている。
【０００６】
同様に、ワイズ（Ｗｙｓｅ）による特許文献６に開示の方法及び装置では、ＤＣ電圧が振動リング共振器付近に導入されて、振動から発振力を誘発し、これにより、同時に振動要素の剛性が変わり、このことを用いて、直角位相成分を相殺することができる。特許文献６には、動的調整をせずに自動又はフィードバック制御を行う「設定後操作不要な」システムが開示されている。更に、チャロナー（Ｃｈａｌｌｏｎｅｒ）らによる特許文献７には、方法及び装置が開示されており、これによって、直角位相信号が、駆動ループにお
ける位相オフセットに影響を及ぼすＤＣバイアス電圧として印加される。特許文献６及び特許文献７によって開示された方法には、感応を大きくするために、駆動電極の他に少なくとも１つの追加電極が必要である。
【０００７】
他の手法では、直角位相信号を電子的に補償することに焦点が当てられる。例えば、マルバーン（Ｍａｌｖｅｒｎ）らによる特許文献８に開示の手法では、直角位相信号は、直角位相補正用位相調整信号を専用「トルク」要素に供給して、被駆動発振パターンと相互作用する振動に直角位相信号を最小にさせることによって最小化され、これによって、誤同調が能動的に補正される。フェル（Ｆｅｌｌ）らによる特許文献９（フェルＩ）では、トルク制御ループに位相補正器を含むことによって、本手法の異形態が提示されるが、このトルク制御ループは、検知された直角位相信号に直角位相トルクエネルギを直接供給し、直角位相成分の影響を補正する。直角位相信号がトルク信号に付加されて、直角位相信号を補正する他の例には、特許文献１０及び特許文献１１が含まれる。
【０００８】
シュローダー（Ｓｃｈｒｏｄｅｒ）による特許文献１２には、読出し信号の「外乱成分」を測定し、周波数オフセットを必要に応じて実行して、外乱と整合させるシステムが開示されている。特許文献１３及び特許文献１４には、特許文献１２と同様なシステムが開示されている。
【０００９】
非特許文献２（フェルＩＩ）に開示されたシステム等、他のシステムでは、駆動周波数と発振器周波数との間に、位相差が存在しないように又は既知の位相差が存在するように、発振器を制御する位相同期ループを利用する。そのようなシステムは、位相関係が同期するように絶えず調整され、従って、位相同期ループにおいて位相ジッターを受ける。
【００１０】
上記特許及び公報の開示は、それらに含まれる明示的な定義を除き、以下の通り、その全体を引用によって本明細書に援用する：特許文献１、特許文献２、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１２、及び非特許文献１。
【００１１】
ワトソン（Ｗａｔｓｏｎ）による特許文献１５及び特許文献１６（いずれも本出願の譲受人に譲渡されたものである。それらに含まれる明示的な定義を除き、その全体を引用によって本明細書に援用する）では、ＶＳＧの回転が静止していると、振動パターンの波腹軸に対して傾斜回転する駆動軸が開示されている。傾斜軸により、複数の駆動軸系の駆動素子は、発振パターンを持続させることに加えて、トルク機能に影響を及ぼすことが可能になり、従って、別個の専用トルク要素の必要性が解消される。専用トルク要素の排除により、共振器組立体が簡約化され、また、複数の駆動軸を中心とした鏡像対称性が提供され、系の様々な波節と波腹との間で振動の伝搬が更に均一になり得る。特許文献１５及び１６には、更に、それぞれの傾斜駆動軸に沿って駆動信号の相対振幅を変え、これにより共振器における波節の位置をシフトすることによって、発振パターンの波節における信号を最小化又は低減するための方法が開示されている。
【００１２】
直角位相信号の電子的補償に焦点を当てる上記手法及びシステムでは、ジャイロスコープの同調は改善されない。即ち、各々の開示内容は、荷重を与える（例えば、特許文献９の独立トルク要素又は特許文献１５及び１６の振幅変更）か、又は単に誤差を既知量として確立する（例えば、非特許文献２の位相固定システム）。これらのシステム又は手法では、いずれも共振器組立体の同調が改善されない。直角位相信号それ自体は、複数の駆動軸に導入されたエネルギが、弱め合う干渉において放散されることを表す。追加の力を導入して補償を実現するシステムは、弱め合う干渉においても放散される更に多くのエネルギを導入する。そのような放散エネルギは、多くの場合、共振器組立体を支持する構造に伝達され、そして、反射されて共振器に戻り、結果的に回転速度信号の偏り誤差を助長する任意位相の他の信号を生じさせる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第５，６２９，４７２号明細書
【特許文献２】米国特許第４，９５１，５０８号明細書
【特許文献３】米国特許第６，４８１，２８５号明細書
【特許文献４】米国特許第６，９３４，６６０号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００７／００８９５１０号明細書
【特許文献６】米国特許第６，８８３，３６１号明細書
【特許文献７】米国特許第６，６７５，６３０号明細書
【特許文献８】米国特許第７，１２０，５４８号明細書
【特許文献９】米国特許第７，２４０，５３３号明細書
【特許文献１０】米国特許第７，１８８，５２２号明細書
【特許文献１１】米国特許第７，２１６，５２５号明細書
【特許文献１２】米国特許第７，２３１，８２３号明細書
【特許文献１３】米国特許第７，２４９，４８８号明細書
【特許文献１４】米国特許第７，３３７，６６５号明細書
【特許文献１５】米国特許第７，５２６，９５７号明細書
【特許文献１６】米国特許出願公開第２００７／０２５６４９５号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】リンチ（Ｄｒ．Ｄ．Ｄ．Ｌｙｎｃｈ）による「コリオリ振動ジャイロ」、ジャイロ技術討論会にて発表、シュトゥットガルト、ドイツ、１９９８年
【非特許文献２】フェル（Ｃ．Ｆｅｌｌ）、ホプキンズ（Ｉ．Ｈｏｐｋｉｎｓ）、及びタウンゼンド（Ｋ．Ｔｏｗｎｓｅｎｄ）らによる「第２世代シリコン・リング・ジャイロスコープ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
単にＶＳＧの固有同調誤差を補償するのではなく、直角位相信号によって表される固有同調誤差についてＶＳＧの同調を電子的に改善する振動構造ジャイロスコープシステムがあれば歓迎されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の様々な実施形態には、専用トルク要素を用いることなく又はそれを必要とせずに、駆動軸の入力に沿って直接直角位相信号を補正することによって、複数の軸に沿って駆動されるように構成された振動構造ジャイロスコープの同調誤差を補正する装置及び／又は方法が含まれる。補正は、１つ又は複数の駆動素子の駆動信号に他の駆動素子を基準として位相オフセットを導入して、直角位相信号を最小化又は低減することによって達成される。同調は、１回限りの「設定後操作不要な」調整として、ユーザの裁量で実行される手動調整として、又は閉ループ能動補正システムとして実現し得る。本手法は、固有の誤同調を単に補償するよりもむしろ、共振器組立体の同調を改善する。従って、本発明の様々な実施形態の場合、複数の駆動軸間の弱め合う干渉は、低減される。従って、共振器に存在する振動エネルギの保存が、強化され、支持構造に伝達される振動エネルギが、少なくなる。
【００１７】
共振器組立体には、通常、駆動及び検知素子を有する共振器要素が含まれる。これらの各構成要素は、共振器組立体に不均一性を持ち込み得る。例えば、共振器要素は、振動部位上で変動する厚さ又は密度を有し得る。更に、駆動及び／又は検知素子は、様々な厚さ又は密度及び／又は不均一な大きさを有し得る。機械加工誤差及びマスク位置合わせ不良
も、不均一性に寄与し得る。更に、共振器組立体のインターフェイスとなる様々な付属物（例えば、配線、接点）及び組立品を結合する付属物（例えば、素子用の半田や接着材）も、素子間において様々な質量のものであり、これによって、共振器組立体に更なる不均一性を導入し得る。更に、共振器組立体に存在する（過渡的又は定常状態の）温度勾配は、更なる不均一性をもたらし得る。従って、共振器組立体の任意の部位が、共振器の対応部位及び／又は共振器全体と異なる共振周波数を有し得る。
【００１８】
共振器組立体の不均一性によって、直角位相信号が検知素子に現れ得る。共振器全体と共振器の一部位との間における時間領域の位相オフセットは、位相ずれ（即ち、直角位相）発振パターンでの検知信号の歪みとして明らかにできる。位相ずれ振動パターンは、従って、波節位置に振動振幅を与え、結果的に直角位相信号となる。
【００１９】
本出願を特定の理論に限定するものではないが、上記不均一性は、共振器組立体が異なる軸に沿って駆動される場合、異なる共振周波数を生じさせると思われる。２つの独立駆動軸に沿って駆動され共振する共振器組立体について考える。共振器組立体の共振周波数は、第１駆動軸に沿って駆動される場合と第２駆動軸に沿って駆動される場合とで異なることが多く、また、両駆動軸に沿って駆動される場合も、異なることが多い。
【００２０】
本発明の実施形態は、２つ（又は２つ以上）の駆動軸に沿って生成される共振器組立体の共振周波数間の変動を利用する。振動特性間の位相差を用いると、それぞれの軸に沿って駆動素子の入力駆動信号を補正して、これにより位相差及び付随する直角位相信号を、低減、最小化、又は本質的に解消できる。
【００２１】
構造的に、本発明の様々な実施形態には、軸対称共振器（例えば、リング又はカップ及び音叉構成）等、少なくとも２つの駆動軸に沿って駆動される共振器組立体が含まれる。軸は、一致していてもよく、互いに対してオフセットしていてもよい。本明細書では、「軸対称共振器」は、中心軸を定義するものであり、また、共振器の質量は、中心軸を含む任意平面の両側にほぼ等しく分散される。
【００２２】
一実施形態において、振動構造ジャイロスコープの直角位相を制御するための方法を実現する。この方法は、軸対称共振器と、この共振器に連結された複数の駆動素子とを備える共振器組立体を提供する工程を伴う。駆動素子は、軸対称共振器における共振発振パターンを持続させるように構成されている。この実施形態において、複数の駆動素子のうちの第１駆動素子は第１駆動軸に沿って駆動されるように構成され、複数の駆動素子のうちの第２駆動素子は第２駆動軸に沿って駆動されるように構成されている。第１駆動軸及び第２駆動軸は一致していてもよく、互いから離れていてもよい。１つ以上の検知素子が、軸対称共振器に連結されるとともに、回転速度を検出するように構成されている。幾つかの実施形態では、この１つ以上の検知素子は、共振器組立体の駆動発振も検知するように構成され得る。この方法は、更に、第１駆動信号に基づき、第１駆動素子により第１駆動軸に沿って共振器組立体を駆動する工程と、第２駆動信号に基づき、第２駆動素子により第２駆動軸に沿って共振器組立体を駆動する工程と、を含む。共振器組立体が第１駆動軸及び第２駆動軸に沿って駆動されるているときに回転速度信号が測定され、この回転速度信号から直角位相信号が推定される。この方法は、更に、直角位相信号が所望レベルで維持されるように、第１駆動信号と第２の駆動信号との間に合成位相オフセットを与える工程を含む。合成位相オフセットは、第１駆動信号に対し第１位相オフセットを与え、第２駆動信号に対し第２位相オフセットを与えることによって、実現される。ここで、第２位相オフセットは第１位相オフセットと逆で、第１位相オフセットにほぼ等しい。直角位相信号は、復調位相誤差検出のために、最小の大きさで維持されてもよく、既知の許容可能なレベルで維持されてもよい。
【００２３】
幾つかの実施形態では、この方法は、更に、共振器組立体の駆動発振を検知するように構成された１つ以上の駆動センサを提供する工程と、この１つ以上の駆動センサに連結された入力部と、複数の駆動素子のうちの第１及び第２駆動素子に連結された出力部とを有する、位相同期ループ駆動系を提供する工程と、位相同期ループ駆動系に第１駆動信号及び第２駆動信号を出力させる工程と、を含む。第１駆動信号及び第２駆動信号は、駆動発振の周波数にほぼ一致する周波数を有する。
【００２４】
或る実施形態では、共振器組立体の駆動素子は、共振器組立体の回転が停止しているとき、発振パターンを持続させ、複数の基準軸を定義する複数の腹対を含むように構成されており、各腹対は中心軸について全く反対に位置し、複数の基準軸の各々は、複数の腹対のうちの対応する腹対を貫通する。これらの実施形態では、共振器組立体の第１駆動軸は、複数の基準軸のうちの第１基準軸に対し第１回転オフセットだけ離れており、第１駆動軸は複数の基準軸のいずれとも一致しない。また、提供する工程において提供される共振器組立体の第２駆動軸は、複数の基準軸のうちの第２基準軸に対し第１回転オフセットとは反対の方向に第２回転オフセットだけ離れており、第２駆動軸は複数の基準軸のいずれとも一致しない。
【００２５】
本発明の実施形態では、直角位相の制御された直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ（ＱＣＶＳＧ）を開示する。このＱＣＶＳＧは共振器組立体を備え、この共振器組立体は、中心軸を定義する軸対称共振器を備える。共振器組立体は、カップ共振器、半球形共振器、リング共振器、二叉分岐共振器、及び四叉分岐共振器から選択される共振器を含んでよい（それらに限定するものではない）。ＱＣＶＳＧは、共振器に連結されており、軸対称共振器において共振発振パターンを持続させるように構成された複数の駆動素子を備え得る。駆動素子のうちの第１駆動素子は第１駆動軸に沿って駆動されるように構成され、複数の駆動素子のうちの第２駆動素子は第２駆動軸に沿って駆動されるように構成されている。第１駆動軸及び第２駆動軸はほぼ一致していてもよく、互いから離れていてもよい。このオフセットは、回転オフセットであってよい。１つ以上の検知素子が、軸対称共振器に連結されるとともに、回転速度を検出するように構成されている。ＱＣＶＳＧは、更に、複数の駆動素子に連結されており、軸対称共振器において発振パターンを持続させるように構成され、回転速度信号から直角位相成分を推定するように構成された制御系を備える。この制御系は、更に、直角位相成分の大きさを制御するために、第１駆動素子と第２駆動素子との間の合成位相オフセットを制御するように構成されている。
【００２６】
幾つかの実施形態では、このＱＣＶＳＧは、制御系及び駆動素子が、共振器組立体の回転が停止しているとき、発振パターンを持続させ、複数の基準軸を定義する複数の腹対を含むように構成されている。各腹対は中心軸について全く反対に位置し、複数の基準軸の各々は複数の腹対のうちの対応する腹対を貫通している。第１駆動軸は複数の基準軸のうちの第１基準軸に対し第１回転オフセットだけ離れてよいが、第１駆動軸は複数の基準軸のいずれとも一致しない。第２駆動軸は複数の基準軸のうちの第２基準軸に対し第１の回転オフセットとは反対の方向に第２回転オフセットだけ離れてよいが、第２駆動軸は複数の基準軸のいずれとも一致しない。幾つかの実施形態では、このＱＣＶＳＧの制御系は、１つ以上の検知素子に連結されており、直角位相信号をフィードバック信号として利用する閉ループ制御系である。このＱＣＶＳＧは、更に、駆動信号の振幅を提供するように構成された自動利得制御部と、位相オフセットを提供するように構成された直角位相調整源と、ＳＩＮ（ωｔ）関数を提供するように構成された正弦波基準部と、ＣＯＳ（ωｔ）関数を提供するように構成された余弦波基準部と、を備えてよい。
【００２７】
一実施形態では、ＱＣＳＶＧは、中央マイクロプロセッサによる制御用に構成される。中央マイクロプロセッサは、軸対称共振器及びコンピュータ可読媒体に連結される。この実施形態では、コンピュータ可読媒体は、直角位相制御式振動構造ジャイロスコープを制
御するための命令を含む。この命令は、第１駆動信号に基づき第１駆動軸に沿って共振器組立体を駆動することと、第２駆動信号に基づき第２駆動軸に沿って共振器組立体を駆動することと、共振器組立体が第１駆動軸及び第２駆動軸に沿って駆動されているときに、回転速度信号を測定することと、回転速度信号から直角位相信号を推定することと、直角位相信号が所望レベルで維持されるように、第１駆動信号と第２駆動信号との間に合成位相オフセットを与えることと、を含む。所望レベルは、最小の大きさであってよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】２つの駆動軸に沿って駆動されるカップ共振器組立体を示す図。
【図２】総共振周波数ωＮを有する理想的なＶＳＧについて、振動振幅及び位相対周波数を示す図。
【図３】本発明の一実施形態におけるＶＳＧの総共振周波数ωＮより低い周波数である共振周波数ωＮ１を生成する第１駆動軸に沿って駆動されるＶＳＧについて、振動振幅及び位相対周波数を示す図。
【図４】本発明の一実施形態におけるＶＳＧの総共振周波数ωＮより高い周波数である共振周波数ωＮ２を生成する第２駆動軸に沿って駆動され図３に描写されたＶＳＧについて、振動振幅及び位相対周波数を示す図。
【図５】本発明の一実施形態における第１及び第２駆動軸に沿って駆動され図３及び４に描写されたＶＳＧの振動振幅及び位相の位相偏移対複合周波数を示す図。
【図６】本発明の一実施形態におけるカップ型ジャイロスコープに連結された直角位相制御駆動回路の概略図。
【図７】２つの斜軸に沿って駆動される四叉分岐共振器組立体を示す図。
【図７Ａ】図７の四叉分岐共振器及び駆動素子の平面図。
【図８】本発明の一実施形態において、四叉分岐型ジャイロスコープの駆動素子に連結された直角位相制御駆動回路の概略図。
【図９】本発明の一実施形態における傾斜駆動軸に沿って配置された駆動素子と、位相同期ループ駆動システムを利用する直角位相制御駆動回路と、を有するカップ型ジャイロスコープの概略図。
【図１０】本発明の一実施形態において用いられる駆動素子と同じ半径方向の位置に配置された検知素子を有するカップ型ジャイロスコープの斜視図。
【図１１】本発明の一実施形態における二叉直角位相制御系及び二叉分岐共振器組立体を備えるＱＣＶＳＧの概略図。
【図１２】本発明の一実施形態における二叉直角位相制御系及び二叉分岐共振器組立体を備えるＱＣＶＳＧの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１において、２つの独立駆動軸２０，２２に沿って駆動され得る共振器組立体１８の例を示して、用語を定める。共振器組立体１８は、共振器要素２４（カップ型共振器として示す）、第１対の駆動素子２６，２８、第２対の駆動素子３０，３２、並びに様々な検知素子対３４ａ，３４ｂ及び３５ａ，３５ｂを備える。両駆動素子対２６，２８及び３０，３２は、共振器要素２４に連結され、共振器要素２４は、中心軸３６を定義し、その周囲における共振器組立体１８の回転が検知される。
【００３０】
各駆動素子対の駆動素子２６，２８及び３０，３２は、中心軸３６について全く反対に位置する。本実施形態では、第１及び第２の駆動素子対２６，２８及び３０，３２は、第１駆動軸２０及び第２駆動軸２２をそれぞれ定義する。本明細書では、「駆動軸」は、所定の共振器組立体上に発振パターンを維持するために強制関数が与えられる際に沿うベクトルを定義する。従って、図１に示す共振器組立体１８の場合、各駆動軸２０，２２は、それぞれの駆動素子対２６，２８及び３０，３２の駆動素子の中心を実質的に貫通している。なお、他の構成では、駆動軸は、駆動素子の中心を貫通しない（例えば、図７，７Ａ
、及び８、並びに付随の議論を参照）。
【００３１】
共振器組立体１８の駆動軸２０，２２は、互いに対してほぼ９０°に向いている。もっと一般的には、図１の実施形態の第２駆動軸２２は、第１駆動軸２０によって生成される振動パターンの波腹位置に配置され、また反対に、第１駆動軸２０は、第２駆動軸２２によって生成される振動パターンの波腹位置に配置される。検知素子対３４ａ，３４ｂ及び３５ａ，３５ｂは、発振パターンの波節位置に隣接して配置され、また、各々、局部発振（振幅及び周波数）を示すそれぞれの出力信号３９ａ，３９ｂ，４１ａ，４１ｂを生成するように構成されている。検知素子対３４ａ，３４ｂ及び３５ａ，３５ｂは、それぞれ一対の検知素子軸４０，４２を定義し得る。
【００３２】
図２乃至５を参照して、駆動周波数の関数としての共振器組立体（例えば、共振器組立体１８）の様々な振幅及び位相特性について述べる。図２乃至５の各々は、振幅比縦軸４６（対数）及び位相縦軸４８（線形）を表し、双方共、周波数比横軸５０（対数）を基準にする。振幅比縦軸４６は、駆動素子の振幅に対する共振器組立体の振動振幅の比を表す。周波数比横軸５０は、共振器組立体の共振又は固有周波数ωＮに対する駆動周波数ωの比を表す。振幅曲線又は関数５２（又は５２ａ，５２ｂ，５２ｃ）は、振幅縦軸に対してグラフ化され、また、位相曲線又は関数５４（又は５４ａ，５４ｂ，５４ｃ）は、位相縦軸４８に対してグラフ化される。
【００３３】
図２は、理想的な振幅及び位相特性５６、即ち、理想的な共振器の特性を示す。振幅関数５２は、低周波数比において、１（例えば、図２の周波数比０．１における振幅比１）であり、また、駆動振幅と同相であることに留意されたい。高周波数比では、振幅関数５２は、駆動振幅に対して極めて小さく（例えば、図２の周波数比１０における振幅比は無視できる）、また、位相は、位相関数５４によって表されるように、１８０度遅れている。駆動周波数が共振器組立体の共振周波数ωＮ（周波数比１）である場合、振幅関数５２は、駆動振幅より極めて大きく、位相関数５４は、共振器の振動の遅れが、駆動振幅より−９０度遅れることを示す。
【００３４】
次に、２つ以上の駆動軸に沿って駆動され、図３及び４にそれぞれ示す振幅及び位相特性を有する理想的でない共振器について考える。共振器は、全駆動軸に沿って駆動されると、総合的な又はシステムの共振周波数ωＮを有し得るが、第１駆動軸だけに沿って駆動されると、共振器の共振周波数は、システム共振周波数ωＮと異なることがある。即ち、共振器は、実質的に、互いに異なり、また、システム共振周波数ωＮと異なる第１軸駆動共振周波数ωＮ１（図３）及び第２軸駆動共振周波数ωＮ１（図４）を有することがある。
【００３５】
ここで、共振器組立体の第１軸駆動周波数特性５８の振幅関数５２ａ（図３）は、ωＮ１での振幅関数５２ａの大きさに対して、システム共振周波数ωＮでの大きさが減少したものとして示す。第１軸駆動周波数特性５８の位相関数５４ａは、位相関数５４ａが、ω＝ωＮにおいて、−（９０＋α）（即ち、−９０−α）であるように、システム共振周波数ωＮにおいて位相オフセットαを有すると言える。
【００３６】
同様に、共振器組立体の第２軸駆動周波数特性６０の振幅関数５２ｂ（図４）も、ωＮ２での振幅関数５２ｂの大きさに対して、システム共振周波数ωＮでの大きさが減少したものとして示すが、位相関数５４ｂは、システム共振周波数ωＮにおいて−（９０−α）（即ち、−９０＋α）である。
【００３７】
図１に示すような二重駆動軸システムの場合、共振器組立体１８の共振周波数ωＮは、両駆動軸２０，２２に沿って駆動される場合、第１及び第２軸駆動共振周波数ωＮ１及び
ωＮ２のほぼ平均であり得る。位相関数５４ａ及び５４ｂは、互いに対して、大きさが２αの合成位相オフセット６４を有すると言うことができ、ここで、９０°の位相遅れは、２α間隔（図５）の中間に任意に選択される。
【００３８】
本発明の様々な実施形態の方法は、各々の駆動軸（例えば、２０及び２２）を、互いに対して又は共振器組立体の総特性に対して適切な位相で駆動して、それぞれの軸駆動特性５８，６０の間の差異を補償することである。それぞれの駆動軸に与えられた駆動関数間の適切な位相差を確立することによって、振幅関数５２ｃ及び位相関数５４ｃを有する同調した振幅及び位相特性６２は、理想的な振幅及び位相特性５６に更に近付くようになる。
【００３９】
幾つかの実施形態において、位相補償は、公称動作条件において直角位相信号を最小にするように確立された所定の信号の形態をとる。他の実施形態において、位相補償は、既存の動作条件の場合、直角位相信号を低減するために手動設定し得る。更に他の実施形態において、位相補償は、或る範囲の動作条件全体において、直角位相信号を動的に最小化する又は低減するための閉ループ能動補正システムとして提供される。
【００４０】
次に、２つの軸に沿って駆動される共振器組立体用の位相補償手法について、数学的に述べる。本発明の或る実施形態に基づき直角位相信号の補正に影響を及ぼすには、２αの合成位相オフセット６４に等しい総位相差は、第１と第２の駆動軸間で持続させることが望ましい。従って、第１及び第２駆動軸の所望の駆動信号Ｄ１及びＤ２は、それぞれ次式で表される。
【００４１】
【数１】
2010096765.tif 000003
【００４２】
上式において、Ｋは、駆動信号の振幅（例えば、単位は、ボルト）であり、ωは、駆動周波数であり、ｔは、時間パラメータである。２角の和の正弦に対する三角関数の恒等式は、次の通りである。
【００４３】
【数２】
2010096765.tif 000004
【００４４】
角度αが小さい場合、式（３）は、次式のように簡約化される。
【００４５】
【数３】
2010096765.tif 000005
【００４６】
従って、駆動信号Ｄ１及びＤ２は、次式で表し得る。
【００４７】
【数４】
2010096765.tif 000006
【００４８】
式Ｋα・ＣＯＳ（ωｔ）は、本明細書では、位相調整成分Ｐ・ＣＯＳ（ωｔ）と称し、式中、Ｐ＝Ｋαであり、これは、直角位相調整信号（例えば、図６における参照番号９０）の振幅である。
【００４９】
従って、式（５）及び（６）における駆動信号Ｄ１及びＤ２の三角関数は、単に駆動周波数と時間の積ωｔの項で表され、この結果、駆動信号Ｄ１及びＤ２の様々な成分は、電子回路及び／又はコンピュータ制御によって容易に実現される。式（５）及び（６）を実現する実施形態例を以下に提示する。
【００５０】
図６において、本発明の一実施形態における直角位相制御式振動構造ジャイロスコープ（ＱＣＶＳＧ）７０を示す。ＱＣＶＳＧ７０には、直角位相制御系７２に連結された共振器組立体１８が含まれる。図示した実施形態において、直角位相制御系７２には、正弦波基準信号７８を出力するための正弦波基準部７６と、余弦波基準信号８２を出力するための余弦波基準部８０と、駆動信号Ｋの振幅に影響を及ぼすＡＧＣ信号８６を出力するための自動利得制御部（ＡＧＣ）８４と、位相調整成分Ｐ・ＣＯＳ（ωｔ）の振幅Ｐに影響を及ぼす直角位相調整信号９０を出力するための直角位相調整源８８と、が含まれる。正弦波基準信号７８及びＡＧＣ信号８６は、第１信号乗算器９４を経由して送られ、可変利得正弦波信号９６を生成し得る。余弦波基準信号８２及び直角位相調整信号９０は、第２乗算器９８を経由して送られ、位相調整余弦信号１００を生成し得る。
【００５１】
本実施形態において、位相調整源８８には、復調器を含むことができるが、これは、駆動発振に対して同相及び位相ずれ状態での回転速度を示す出力信号３９ａを受け取って復調し、直角位相信号を提供する。位相調整源８８には、更に、調整した直角位相調整信号９０を提供するフィルタシステムを含んでよい。１つの回転速度信号だけが、位相調整源８８に用いられているように示すが、オプションとして、任意の又は全ての出力信号３９ｂ、４１ａ、及び４１ｂを同様に用い得ることを当業者は認識されるであろう。
【００５２】
或る実施形態において、可変利得正弦波信号９６及び位相調整余弦信号１００は、それぞれ第１及び第２加算器１０１及び１０２に並列に送られ、それぞれ第１及び第２駆動信号Ｄ１及びＤ２を生成し、この場合、可変利得正弦波信号９６は、インバータ１０３を経由して送られ、式（６）の減算演算に影響を及ぼす。第１及び第２駆動信号Ｄ１及びＤ２は、それぞれ第１及び第２駆動素子対２６，２８、及び３０，３２に送られる。
【００５３】
ＱＣＶＳＧ７０の様々な構成要素には、中央プロセッサを必要とせずに、ＱＣＶＳＧ７０の様々な機能を実行する電子回路を含み得る。これに代えて、ＱＣＶＳＧ７０は、コンピュータ可読媒体９９に記憶された命令（例えば、ソフトウェア又はファームウェア）に従ってＱＣＶＳＧ７０を制御する中央マイクロプロセッサμによる制御のために構成し得る。
【００５４】
動作中、直角位相制御系７２は、式（５）及び（６）に記載された位相補償を実行する。直角位相制御系７２の様々な制御構成要素は、式（５）及び（６）の様々な変数及び関
数に次のように関係し得る。即ち、駆動信号Ｋの振幅は、ＡＧＣ８４によって影響され得る。位相オフセットαは、直角位相調整源８８によって影響され得る。ＳＩＮ（ωｔ）関数は、正弦波基準部７６によって影響され得る。また、ＣＯＳ（ωｔ）関数は、余弦波基準部８０によって影響され得る。
【００５５】
上記内容は、式（５）及び（６）の明示に焦点を当てる。しかしながら、他の回路及び／又はコンピュータ制御される実施形態は、式（１）乃至（６）のいずれにも又はそれらの等価なものに影響を及ぼすように実現することができ、また、依然として本発明の範囲内であり得ることを理解されたい。
【００５６】
図６の実施形態における共振器組立体は、駆動素子対及び検知素子対を有するものとして示すが、単一の要素が任意の駆動又は検知素子対の代わりに利用し得ることを理解されたい。そのような構成におけるそれぞれの駆動及び／又は検知素子軸は、実質的に単一要素それぞれの法線として定義され、中心軸付近又は中心軸を貫通し得る。
【００５７】
図７において、４つの叉１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、及び１０５ｄを有し、更に、中心軸１０６を定義する四叉分岐共振器組立体１０４を示す。図７に示す四叉分岐共振器組立体１０４は、フランス、パリのセージェム（Ｓａｇｅｍ）から市販されているクアプソン（ＱＵＡＰＡＳＯＮ）ジャイロスコープである。四叉分岐共振器組立体を実装するジャイロスコープは、更に、リーガー（Ｌｅｇｅｒ）らの米国特許第５，５９７，９５５号に示されており、それに含まれる明示的な定義を除き本明細書にその全体を引用・参照する。
【００５８】
なお、四叉分岐共振器組立体１０４は、四叉分岐共振器組立体１０４の質量が、中心軸１０６を含む任意平面の両側に等しく分散されることから、「軸対称」共振器である。
四叉分岐共振器組立体１０４には、４つの駆動素子対１０７，１０８，１０９、及び１１０と、４つの検知素子対１１１，１１２，１１３、及び１１４と、が含まれる。図７における各対の各部材は、「ａ」及び「ｂ」指定（例えば、１０８ａ及び１０８ｂ）によって識別する。図７の斜視図の後側に配置された要素は、想像線で示す。駆動素子は、それぞれの叉の角部で対になり（例えば、叉１０５ｂの外側の角部における駆動素子１０８ａ及び１０８ｂ）、他方、検知素子は、四叉分岐共振器組立体１０４の同一面上で対になる（例えば、叉１０５ｂ及び１０５ｃによって定義される四叉分岐共振器組立体１０４の面上の検知素子１１２ａ及び１１２ｂ）ことに留意されたい。駆動素子対１０７，１０８，１０９、及び１１０は、実質的に中心軸１０６に垂直な第１面に中心を置く。同様に、検知素子対１１１，１１２，１１３、及び１１４は、実質的に中心軸１０６に垂直な（即ち、第１面に平行な）第２面に中心を置く。
【００５９】
図７Ａにおいて、四叉分岐共振器組立体１０４は、叉１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、及び１０５ｄを中心軸１０６側に撓ませる振動パターンを有するものとして示す。このパターンを生成するために、直径方向に又は対角線上で対向する駆動素子対（例えば、駆動素子対１０７及び１０９）は、同時に励振されて、対角叉を中心軸１０６側に駆動する。更に、第１対角対（例えば、駆動素子対１０７及び１０９）が内側に駆動されると、第２対角対（例えば、駆動素子対１０８及び１１０）が外側に駆動されるように、対角対の起動は、交互に行い得るが、この場合、対角対は、双方共同一周波数で駆動される。このように、叉１０５ａ及び１０５ｃは、ほぼ中心軸１０６を通る駆動軸１１５に沿って対角線上で駆動される。同様に、図７Ａに示すように、叉１０５ｂ及び１０５ｄは、駆動軸１１６に沿って、また、叉１０５ａ及び１０５ｃに対して相補的な（ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ）（位相がずれた）振動で対角線上に駆動される。
【００６０】
四叉分岐共振器組立体１０４の検知素子対１１１，１１２，１１３、及び１１４は、叉
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、及び１０５ｄに沿って、駆動素子対１０７，１０８，１０９、及び１１０の位置に対して軸方向に離される。図７及び７Ａに示す検知素子対１１１，１１２，１１３、及び１１４は、駆動発振の成分を各々検出するが、逆位相であり、検知素子対の各素子を加算すると、駆動成分が相殺される。
【００６１】
また、各駆動軸１１５及び１１６に沿った駆動成分は、対向する角部に配置された検知素子からの信号を加算することによって推定できる（例えば、検知素子１１１ｂ、１１２ａ、１１３ｂ、及び１１４ａからの信号を加算して、駆動軸１１６に沿う駆動成分を推定する）。
【００６２】
図８において、本発明の一実施形態における共振器組立体として、四叉分岐共振器組立体１０４を利用するＱＣＶＳＧ１１７を示す。二重軸駆動のおかげで、図６のＱＣＶＳＧ７０用に示したものと同一の直角位相制御系７２を用い得る。四叉分岐共振器組立体１０４の場合、駆動軸１１５は、対角線上で対向する駆動素子対１０７及び１０９の図心と同一平面上で、これらの対の間を等距離で貫通するように定義される。同様に、駆動軸１１６は、対角線上で対向する駆動素子対１０８及び１１０の図心と同一平面上で、これらの対の間を等距離で貫通するように定義される。また、一対の検知素子軸１１８及び１１９は、対角線上で対向する検知素子対１１１，１１３、及び１１２，１１４の図心と同一平面上で、これらの対の間を等距離で貫通するように定義し得る。
【００６３】
図９において、本発明の一実施形態の傾斜駆動装置ＱＣＶＳＧ１２０を示す。傾斜駆動装置ＱＣＶＳＧ１２０には、傾斜駆動共振器組立体１２２及びトルク・直角位相制御系１２４が含まれる。傾斜駆動共振器組立体には、第１及び第２駆動軸１２６及び１２８が含まれ、これらは、ほぼ駆動素子２６，２８、及び３０，３２の中心をそれぞれ通り、また、回転方向に均一な分布に対して「傾斜している」。即ち、第１及び第２駆動軸１２６及び１２８は、９０°方向に対してそれぞれ角度−θ及び＋θで意図的に回転方向に離間されている。傾斜駆動共振器組立体１２２及びトルク・直角位相制御系１２４には、共振器組立体１８及び直角位相制御系７２と同じ構成要素及び態様が多く含まれ、同じ参照番号によって識別する。
【００６４】
傾斜駆動装置ＱＣＶＳＧ１２０の利点は、駆動素子２６，２８，３０、及び３２が、傾斜駆動共振器組立体１２２における発振パターンの持続に加えて、発振パターンにトルクを与え、これにより追加トルク要素（１つ又は複数）の必要性を解消できることである。従って、一実施形態では、式（５）及び（６）の駆動信号Ｄ１及びＤ２を調整して、トルク成分を加算することによってトルク機能を実現する。
【００６５】
【数５】
2010096765.tif 000007
【００６６】
上式において、式（５）及び（６）について述べたように、Ｐ＝Ｋαであり、Ｔは、トルク調整信号１３４の振幅である。残りのパラメータは、式（１）及び（２）について定義したものと同じである。
【００６７】
また、一旦ＱＣＶＳＧ１２０を同調すると、位相オフセットαは、Ｋ及びＰから求め得
ることに留意されたい。即ち、
【００６８】
【数６】
2010096765.tif 000008
【００６９】
従って、合成位相オフセット６４は、次式で与えられる。
【００７０】
【数７】
2010096765.tif 000009
【００７１】
傾斜駆動共振器組立体１２２には、図６の直角位相制御系７２と同じ構成要素が多く含まれ、これらは、同じ参照番号によって識別される。更に、トルク・直角位相制御系１２４には、トルク調整信号１３４を出力するためのトルク信号源１３６と、トルク調整正弦波信号１４０を生成する第３信号乗算器１３８と、トルク及び位相オフセット成分を加算するための第３加算器１４２と、が含まれる。更に、傾斜駆動共振器組立体１２２の場合、直角位相調整信号９０は、直角位相を調整して所望レベルに設定できる。
【００７２】
本方法は、位相同期ループの使用を必要としないが、図９に示すように、位相同期ループ駆動系１５０に実現できる。１つのそのような位相同期ループ駆動系の詳細は、米国特許第７，４１１，４６５号に開示されており、これは、本出願の譲受人に譲渡され、また、それに含まれる明白な定義を除き本明細書にその全体を引用・参照する。
【００７３】
位相同期ループ駆動系１５０は、入力信号１５６の位相と固定関係を有する出力信号１５２，１５４を生成することによって、性能を強化できる。位相同期ループ回路（図示せず）は、出力１５２，１５４と入力１５６との間の位相差を検出し、結果的に生じるこれらの信号間の差異を用いて、出力１５２，１５４が、周波数及び位相双方について、入力１５６と整合するまで、内部発振器の周波数を調整する。実際、位相同期ループ駆動系１５０は、駆動雑音及び付随するシステム雑音を低減するためのフィルタとして機能する。使用時、位相同期ループ駆動系１５０は、図９に示す乗算器９４，９８、及び１３８の各々に結合される。
【００７４】
一実施形態において、位相同期ループ駆動系１５０への入力信号１５６には、共振器組立体の駆動発振と駆動信号Ｄ１及びＤ２との比較が含まれ、従って、駆動発振を測定可能な共振器組立体を必要とする。本明細書では、「駆動発振」は、駆動信号Ｄ１及び／又はＤ２によって共振器組立体に与えられる合成発振（振幅及び周波数）である。図９に示す傾斜駆動共振器組立体１２２の検知素子３４ａ、３４ｂ、及び、３５ａ、３５ｂは、傾斜駆動共振器組立体１２２が動作中であるか又は回転が停止していると、検知素子軸４０及び４２が、それぞれ波節対１６４，１６６、及び１６８，１７０を貫通する波節軸１６０及び１６２に関して角度−ψ及び＋ψでそれぞれ傾斜するように、共振器要素２４に結合されている。検知素子軸４０，４２と波節軸１６０，１６２との間の傾斜関係により、検知素子３４ａ、３４ｂ、及び３５ａ、３５ｂに駆動発振成分が与えられるが、これは、検知軸４０上の検知素子（１つ又は複数）３４ａ、３４ｂからの出力信号３９ａ及び３９ｂに検知軸４２上の検知素子（１つ又は複数）３５ａ、３５ｂからの出力信号４１ａ及び４１ｂを加算することによって分離し得る。この目的のために、第４加算器１７４を図９に示す。傾斜検知構成の動作の詳細は、上記において引用・参照した米国特許第７，５２６，９５７号に述べられている。
【００７５】
また、他の軸対称共振器組立体は、駆動発振の測定値を提供するように構成し得る。例えば、図７の四叉分岐共振器組立体１０４の検知素子対１１１，１１２，１１３、及び１１４は、隣接角部上の素子によって生成された信号の減算により駆動発振成分を分離するように、駆動発振成分を各々検出し得る。例えば、検知素子１１２ｂ及び１１３ａによって生成された信号の減算は、駆動軸１１５に沿う駆動発振の表示を提供し得る。同様に、検知素子１１３ｂ及び１１４ａによって生成された信号の減算は、駆動軸１１６に沿う駆動発振の表示を提供し得る。従って、当業者は、四叉分岐共振器組立体１０４が、位相同期ループ駆動系１５０と共に用い得ることを認識されるであろう。
【００７６】
図１０に、本発明の一実施形態に用いるカップ共振器組立体１８０を示す。カップ共振器組立体１８０には、同一半径方向位置で共振器要素１８６に連結されているが軸方向に離間している駆動素子１８２及び検知素子１８４が含まれる。これによって、検知素子１８４は、駆動素子１８２によって定義される駆動軸に沿う駆動発振の測定を行うが、これは、位相同期ループ駆動系１５０への入力信号１５６用に実行され得る。
【００７７】
図１１及び１２に、本発明の一実施形態において、二叉直角位相制御系１９８と、中心軸２０１を中心とした音叉型構成を有する二叉分岐共振器組立体２００と、を実装したＱＣＶＳＧ１９６を示す。二叉分岐共振器組立体２００は、叉２０２ａ及び２０２ｂを有し、各々、駆動軸２０５に沿って駆動されるように構成された駆動素子２０４と、検知素子２０６の主要面に対し垂直な検知軸２０７に沿って振動を検知するように構成された検知素子２０６と、を含む。駆動素子２０４は、励振されると、駆動軸２０５に沿って叉２０２ａ及び２０２ｂを駆動し、そして、叉２０２ａ及び２０２ｂをベクトル２０８によって示された方向に振動させる。ジャイロスコープ２００が検知軸２０１を中心に回転すると、検知素子２０６は、ベクトル２１０によって示された方向に撓み、回転検知軸２０１を中心としたジャイロスコープ２００の回転に比例した振幅を有する信号２１２を生成する。
【００７８】
二叉分岐共振器組立体２００の場合、叉２０２ａ及び２０２ｂは、ほぼ一致する駆動軸２０５に沿って反対方向に振動する。駆動素子２０４は、二叉分岐共振器組立体２００の対向面上にあることから、双方共、同じ極性を有する一次駆動信号で駆動される。次に、二叉音叉及びその異型の場合のように、１つの軸に沿って駆動される共振器組立体用の位相補償手法について、数学的に述べる。
【００７９】
本発明の或る実施形態に基づき直角位相信号の補正に影響を及ぼすためには、２αの合成位相オフセット６４に等しい総位相差が、第１の叉と第２の叉との間でさせることが望ましい。従って、第１及び第２叉駆動用の所望の駆動信号Ｄ３及びＤ４は、それぞれ次式で表される。
【００８０】
【数８】
2010096765.tif 000010
【００８１】
上式において、Ｋは、駆動信号の振幅（例えば、単位は、ボルト）であり、ωは、駆動周波数であり、ｔは、時間パラメータである。２つの角の和の正弦に対する三角関数の恒等式は、次の通りである。
【００８２】
【数９】
2010096765.tif 000011
【００８３】
角度αが小さい場合、式（１３）は、次式のように簡約化される。
【００８４】
【数１０】
2010096765.tif 000012
【００８５】
式（１４）を式（１１）及び（１２）に代入すると、駆動信号Ｄ３及びＤ４は、次式によって表し得る。
【００８６】
【数１１】
2010096765.tif 000013
【００８７】
従って、式（１５）及び（１６）の駆動信号Ｄ３及びＤ４の三角関数は、単に駆動周波数と時間の積ωｔの項で表され、Ｄ３及びＤ４関数の様々な成分は、電子回路及び／又はコンピュータ制御によって容易に実現される。
【００８８】
また、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープ及びＨ型分岐ジャイロスコープ等の他の共振器組立体は、同じ極性の一次駆動信号により共通軸に沿って駆動される。そのようなジャイロスコープの例は、ヤチ（Ｙａｃｈｉ）らの米国特許第５，９９６，４１０号と、ザマン（Ｚａｍａｎ）らの「高性能整合モード音叉ジャイロスコープ」、ＭＥＭＳ  ２００６、イスタンブール、トルコ、ｐｐ．２２−２６，２００６年１月と、トルソフ（Ｔｒｕｓｏｖ）らによる「構造強制式逆位相駆動モード及び線形結合式逆位相検知モードを有するジャイロスコープ構造」、ＩＥＥＥ  トランスデューサ  ２００９、コロラド州デンバー、米国、２００９年６月と、によって開示されている。それらの開示内容は、それらにある明白な定義を除き、全体的に本明細書に引用・参照する。式（１０）乃至（１５）は、これらの装置で実現し同じ結果を得ることができる。
【００８９】
二叉直角位相制御系１９８には、図６の直角位相制御系７２と同じ構成要素が多く含まれ、これらは、同じ参照番号によって識別する。二叉直角位相制御系１９８と直角位相制御系７２との間の相違は、インバータ１０３が、第２加算器１０２に（可変利得正弦波信号９６の代わりに）入力される位相調整余弦信号１００を反転して、式（１６）のＫα・ＣＯＳ（ωｔ）成分の減算に影響を及ぼすことである。
【００９０】
本発明の更に他の実施形態において、「制御式」バイアスの利用を伴う位相補償手法を実現する。復調済み直角位相信号Ｓｑによる速度信号のバイアスＢｑについて考える。これは、次式で与えられる。
【００９１】
【数１２】
2010096765.tif 000014
【００９２】
上式において、εＤＭは、速度信号の復調位相誤差であり、Ｋ１は、検知系の利得である。復調位相誤差εＤＭは、本明細書では、所望の又は目標の復調位相と実際の復調位相との間の差異として定義する。
【００９３】
場合によっては、復調位相誤差εＤＭを生じる固有の位相関連の現象があり得る（例えば、電源投入ドリフトによる遷移又は温度変化による応力）。そのような固有の原因は、Ｂｑ等の制御式バイアスによって補正し得る。この制御式バイアスには、直角位相信号の許容可能なレベルを確立して、固有の位相誤差を用いて特定のバイアスを生成することを伴い得る。少量の直角位相信号Ｓｑを許容することによって、直角位相信号Ｓｑのレベルを制御して、未知量のより大きな直角位相信号を防止し得る。一実施形態において、その目的は、復調済み直角位相信号Ｓｑを用いて、復調位相誤差εＤＭと相関傾向があるこれら他のバイアス誤差源を補償することである。復調済み直角位相信号Ｓｑが分かると、復調位相誤差εＤＭの大きさを求め、その情報を用いて、回転速度の誤表示を補償することができる。
【００９４】
本発明は、その精神又は本質的な特質から逸脱することなく、他の特別な形態で具現化することができ、従って、示した実施形態は、全て例示的なものであって、限定的なものではないことを理解されたい。例えば、上記説明は、カップ及び四叉ジャイロスコープに関するが、本明細書に述べた方法及び装置は、これらに限定するものではないが、カップ共振器、半球形共振器、リング共振器、及び四叉共振器を含み、複数の駆動軸を利用する任意のジャイロスコープ又は共振器で実現することができる。
【００９５】
上記の説明は、本発明の様々な実施形態の完全な理解を提供する数多くの特定の詳細を提示する。本明細書に開示する各図及び方法は、個別に又は他の特徴や方法と共に用いて、これらを作成及び使用するための装置、システム及び方法を改善し得る。従って、本明細書に開示する特徴及び方法の組合せは、その最も広い意味では、本発明の実践には必要でなく、むしろ本発明の代表的な実施形態を詳細に記述するためだけに開示されている。
【００９６】
上記説明では、様々な実施形態の数多くの特性及び利点について、様々な実施形態の構造及び機能の詳細と共に述べたが、本開示は、単なる例示であることを理解されたい。他の実施形態であって、なお以下の請求項によってのみ規定される本発明の原理と精神を用いる実施形態を構成してもよい。
【００９７】
本発明の請求項を解釈する場合、米国特許法（３５ＵＳＣ）１１２条第６項の規定は、その特許請求の範囲において、特定の用語「ための手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」又は「ための工程（ｓｔｅｐ  ｆｏｒ）」が言及されない限り、与えられた請求項について引用されるべきでないことを明記する。
【図１】
2010096765.tif 000023
【図２】
2010096765.tif 000024
【図３】
2010096765.tif 000025
【図４】
2010096765.tif 000026
【図５】
2010096765.tif 000027
【図６】
2010096765.tif 000028
【図７】
2010096765.tif 000029
【図７Ａ】
2010096765.tif 000030
【図８】
2010096765.tif 000031
【図９】
2010096765.tif 000032
【図１０】
2010096765.tif 000033
【図１１】
2010096765.tif 000034
【図１２】
2010096765.tif 000035
【外国語明細書】
2010096765000001.pdf