(57)【要約】【課題】好適な半球共振型ジャイロスコープを提供すること。【解決手段】１つの例は、半球共振型ジャイロスコープ（ＨＲＧ）を含む。ＨＲＧは、受感軸を中心とした対称環状配置で配置され、複数の電極に供給される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的な動作に静電的にさせるように構成された複数の電極を含むセンサシステムを含む。複数の電極は、ＨＲＧの受感軸を中心とした回転の指示を提供するように構成される。ＨＲＧはまた、複数の電極と振動パターンとの比が非整数となるように、複数のフォーサー信号を異なる位相で生成して振動パターンにおいて実質的に周期的な動作を提供し、複数のフォーサー信号に応答してＨＲＧの受感軸を中心とした回転を測定するように構成されたコントローラを含む。【選択図】図１
2018091831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半球共振型ジャイロスコープ（ＨＲＧ）であって、
受感軸を中心とした対称環状配置で配置され、複数の電極に印加される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的な動きを静電的にさせるように構成された複数の電極を含むセンサシステムであって、前記複数の電極は、前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の指示を提供するように構成される、前記センサシステムと、
前記複数の電極と振動パターンとの比が非整数となるように、前記振動パターンにおいて実質的に周期的な動きを提供するように複数のフォーサー信号を異なる位相で生成し、前記複数のフォーサー信号に応答して半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するように構成されたコントローラと、を備える半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項２】
前記振動パターンが、Ｎ＝３の振動パターンである、請求項１に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項３】
前記複数の電極は、前記複数のフォーサー信号に応答して前記振動パターンを提供するように構成された８つの電極を含む、請求項１に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項４】
前記コントローラは、
第１の時刻において前記複数の電極のうちの少なくとも一部分に前記複数のフォーサー信号を供給し、第２の時刻において前記複数の電極のうちの少なくとも一部分に関連する複数のピックオフ信号を測定して前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するように構成される、請求項１に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項５】
前記コントローラは、
前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するために、前記複数のフォーサー信号を力再平衡化で供給するように構成される、請求項１に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項６】
前記コントローラは、
対応する複数の異なる数式に基づく対応する電圧を有する前記複数の電極のうちの少なくとも一部分について前記複数のフォーサー信号を生成するように構成される、請求項１に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項７】
前記複数のフォーサー信号は、前記複数の電極に対する前記複数のフォーサー信号の相対位相に関連付けられる、請求項６に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項８】
前記複数のフォーサー信号は、前記複数の電極のうちの第１の組に関連付けられ、
前記コントローラは、前記複数の電極のうちの第２の組を介して複数のピックオフ信号の測定を実施するように構成され、
前記第１の組と第２の組は、互いに対して同一であり、交互に配置される、請求項６に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項９】
前記複数のフォーサー信号は、
【数１】
2018091831.tif 000005
を含み、
ε０は、対応する第１の電極に関連する第１のフォーサー電圧であり、
ε２は、対応する第３の電極に関連する第２のフォーサー電圧であり、
ε４は、対応する第５の電極に関連する第３のフォーサー電圧であり、
ε６は、対応する第７の電極に関連する第４のフォーサー電圧であり、
ω３は、振動パターンの共振周波数であり、
θは、所定のパターン位置角であり、
ＥＸは電圧成分である、請求項８に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項１０】
前記複数のフォーサー信号は、対応する複数の電極に関連付けられ、
前記コントローラは、前記複数のフォーサー信号を供給することと実質的に同時に対応する複数の電極を介して複数のピックオフ信号の測定を実施するように構成される、請求項６に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項１１】
前記複数のフォーサー信号は、
【数２】
2018091831.tif 000006
を含み、
ε０は、対応する第１の電極に関連する第１のフォーサー電圧であり、
ε１は、対応する第２の電極に関連する第２のフォーサー電圧であり、
ε２は、対応する第３の電極に関連する第３のフォーサー電圧であり、
ε３は、対応する第４の電極に関連する第４のフォーサー電圧であり、
ε４は、対応する第５の電極に関連する第５のフォーサー電圧であり、
ε５は、対応する第６の電極に関連する第６のフォーサー電圧であり、
ε６は、対応する第７の電極に関連する第７のフォーサー電圧であり、
ε７は、対応する第８の電極に関連する第８のフォーサー電圧であり、
ω３は、振動パターンの共振周波数であり、
θは、所定のパターン位置角であり、
ＥＸは電圧成分である、請求項１０に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項１２】
半球共振型ジャイロスコープ（ＨＲＧ）の受感軸を中心とした回転を測定する方法であって、
対応する複数の異なる数式に基づく対応する複数の電圧を有する複数のフォーサー信号を生成すること、
前記半球共振型ジャイロスコープに関連付けられた８つの電極のうちの少なくとも一部分に前記複数のフォーサー信号を供給することであって、前記８つの電極は、前記受感軸を中心とした対称環状配置で配置され、前記８つの電極のうちの少なくとも一部分に供給される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的なＮ＝３の振動パターンに静電気的にさせるように構成される、前記複数のフォーサー信号を供給すること、
前記実質的に周期的なＮ＝３の振動パターンに応答して前記８つの電極のうちの少なくとも一部分に関連付けられた複数のピックオフ信号を測定して、前記受感軸を中心とした回転を測定すること、を備える方法。
【請求項１３】
前記複数のフォーサー信号を供給することは、
第１の時刻において前記８つの電極のうちの少なくとも一部分に前記複数のフォーサー信号を供給することを含み、
前記複数のピックオフ信号を測定することは、
前記第１の時刻の後の第２の時刻において前記８つの電極のうちの少なくとも一部分に関連付けられた複数のピックオフ信号を測定することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数のフォーサー信号を供給することは、
前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するために、前記複数のフォーサー信号を力再平衡化で供給することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数のフォーサー信号を生成することは、
前記８つの電極のうちの４つのピックオフ電極と交互配置された前記８つの電極のうちの対応する４つのフォーサー電極に関連付けられた４つのフォーサー信号を生成することを含み、
前記複数のピックオフ信号を測定することは、
前記実質的に周期的なＮ＝３の振動パターンに応答して前記４つのピックオフ電極に関連付けられた複数のピックオフ信号を測定して、前記受感軸を中心とした回転を測定することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の電極を生成することは、
対応する８つの電極に関連付けられた８つのフォーサー信号を生成することを含み、
前記複数のピックオフ信号を測定することは、
前記受感軸を中心とした回転を測定するために、前記８つのフォーサー信号を供給することと実質的に同時に前記８つの電極に関連付けられた前記複数のピックオフ信号を測定することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
半球共振型ジャイロスコープ（ＨＲＧ）であって、
受感軸を中心とした対象環状配置で配置され、８つの電極に供給される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的なＮ＝３の振動パターンに静電的にさせるように構成された８つの電極を含むセンサシステムであって、前記８つの電極は、前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の指示を提供するように構成される、前記センサシステムと、
前記８つの電極と前記振動パターンとの比が非整数となるように、前記複数のフォーサー信号を異なる位相で生成して前記振動パターンにおいて前記実質的に周期的な動きを提供し、前記複数のフォーサー信号に応答して前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するように構成されたコントローラと、を備える半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項１８】
前記コントローラは、
前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するために、前記複数のフォーサー信号を力再平衡化で供給するように構成される、請求項１７に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項１９】
前記複数のフォーサー信号は、前記８つの電極のうちの４つのフォーサー電極に関連付けられ、
前記コントローラは、前記８つの電極のうちの４つのピックオフ電極を介して複数のピックオフ信号の測定を実施するように構成され、
前記フォーサー電極およびピックオフ電極は、互いに対して同一であり、交互に配置されている、請求項１７に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項２０】
前記複数のフォーサー信号は、対応する８つの電極に関連付けられた８つのフォーサー信号を含み、
前記コントローラは、前記８つのフォーサー信号を供給することと実質的に同時に前記８つの電極を介して前記８つのピックオフ信号の測定を実施するように構成されている、請求項１７に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概してセンサシステムに関し、具体的には半球共振型ジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
受感（すなわち、入力）軸を中心とした回転を計算するように構成された複数の異なるタイプのジャイロスコープがある。ジャイロスコープの１つのタイプは、コリオリ振動ジャイロスコープ（Coriolis vibratory gyroscope : CVG）である。ＣＶＧの一例は、２つの質量（mass）（例えば、尖叉（tine））が駆動軸に沿って平面で振動することができる音叉型ジャイロスコープ（tuning fork gyroscope）である。音叉の尖叉に平行な入力軸を中心に付与された角速度に応答して、コリオリ力により、尖叉が（例えば、駆動軸に対して９０°）感知軸に沿って平面外で振動する。開ループ器具における平面外運動の振幅、または、閉ループ器具における平面外運動を再平衡化し、かつ無効にするために必要とされる力は、入力軸を中心に付与された角速度の計測値に対応する。ＣＶＧの別例は、「ワイングラス（wine glass）」形状の共振器を基本共振周波数で振動させる半球共振型ジャイロスコープ（Hemispherical Resonator Gyroscope : HRG）である。基本モードまたはＮ＝２モードでは、振動共振器上の複数の点の変位は、周方向に４５°で離された複数の腹および複数の節（antinodes and nodes）を有する定常波（standing wave）の形態である。力再平衡化動作（force-rebalance operation）では、複数の腹のうちの一つが、駆動軸に沿って維持され得る。ＨＲＧでは、共振器の対称軸（例えば、入力軸）を中心に付与された角度回転は、定常波がハウジングに対して角変位（angular displacement）を遅らせ（lag）、受感軸を中心としたＨＲＧの回転を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，６２１，１８４号明細書
【特許文献２】米国特許第７，６３７，１５７号明細書
【特許文献３】米国特許第７，８７４，２０９号明細書
【特許文献４】米国特許第８，２０５，４９９号明細書
【特許文献５】米国特許第８，７６３，４４１号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００９／０１５８８４６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一例は、半球共振型ジャイロスコープ（ＨＲＧ）を含む。ＨＲＧは、受感軸を中心とした対称環状配置で配置され、複数の電極に印加される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的な動きを静電的にさせるように構成された複数の電極を含むセンサシステムを含む。複数の電極は、半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の指示を提供するように構成される。またＨＲＧは、複数の電極と振動パターンとの比が非整数であるように、振動パターンにおいて実質的に周期的な動きを提供するように複数のフォーサー信号を異なる位相で生成し、複数のフォーサー信号に応答して半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するように構成されたコントローラと、を備える。
【０００５】
他の例は、半球共振型ジャイロスコープ（ＨＲＧ）の受感軸を中心とした回転を測定する方法を含む。方法は、対応する複数の異なる数式に基づく対応する複数の電圧を有する複数のフォーサー信号を生成することを含む。また方法は、半球共振型ジャイロスコープに関連付けられた８つの電極のうちの少なくとも一部分に複数のフォーサー信号を供給することであって、８つの電極は、受感軸を中心とした対称環状配置で配置され、８つの電極のうちの少なくとも一部分に印加される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的なＮ＝３のモーションに静電気的にさせるように構成される、複数のフォーサー信号を供給することを含む。さらに方法は、実質的に周期的なＮ＝３のモーションに応答して８つの電極のうちの少なくとも一部分に関連付けられた複数のピックオフ信号を測定して、受感軸を中心とした回転を測定することを含む。
【０００６】
他の例は、半球共振型ジャイロスコープ（ＨＲＧ）を含む。ＨＲＧは、受感軸を中心とした対象環状配置で配置され、８つの電極に供給される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的なＮ＝３のモーションに静電的にさせるように構成された８つの電極を含むセンサシステムを含む。８つの電極は、半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の指示を提供するように構成される。またＨＲＧは、８つの電極と振動パターンとの比が非整数となるように、複数のフォーサー信号を異なる位相で生成し、複数のフォーサー信号に応答して振動パターンにおいて実質的に周期的な動きを提供し、半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するように構成されたコントローラと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】半球共振型ジャイロスコープ（hemispherical resonator gyroscope : HRG）の一例を示す。
【図２】センサシステムの一例を示す。
【図３】共振型センサシステムの周期的動作の例示的な図を示す。
【図４】位相図の一例を示す。
【図５】ＨＲＧを制御する方法の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本開示は、概してセンサシステムに関し、具体的には半球共振型ジャイロスコープ（hemispherical resonator gyroscope : HRG）に関する。ＨＲＧは、センサシステムおよびコントローラを含み得る。コントローラは、複数のフォーサー信号（forcer signal）の電圧を決定する対応する組の数式に基づいて複数のフォーサー信号を生成する信号発生器を含む。複数のフォーサー信号は、受感軸（sensitive axis）を中心とした対称環状配置（symmetrical annular arrangement）で配置されたセンスシステムに関連する一組の電極（例えば、８つの電極）に供給される。従って、複数のフォーサー信号は、１組の電極への複数のフォーサー信号の印加に基づいて、共振器（例えば、半球型共振器）を実質的に周期的な振動パターン（vibration pattern）に静電的に（electrostatically）させるように構成され得る。振動パターンは、電極の数と振動パターンとの比が非整数（non-integer number）となるようにすることができる。例えば、電極の数は、複数のフォーサー信号が実質的に周期的なＮ＝３の振動パターンを生成するように、８つにすることができる。
【０００９】
コントローラは、１組の電極に関連付けられたピックオフ（pickoff）を測定することに基づいて、入力軸を中心としたセンサの回転角速度を計算するように構成される。例えば、複数のフォーサー信号は、１組の電極のうちの第１の組（例えば、４つの電極）に付与され、コントローラは、４つのピックオフ電極からのピックオフ信号を測定するように構成され得る。ピックオフ電極およびフォーサー電極は、互いに対して実質的に同一であり、交互に配置され得る（equal and interleaved）。別例として、複数のフォーサー信号は、１対１のように、対応する複数の電極に関連付けされ、コントローラは、複数のフォーサー信号の供給と実質的に同時に対応する複数の電極を介してピックオフを実施するように構成される。
【００１０】
図１は、半球共振型ジャイロスコープ（hemispherical resonator gyroscope : HRG）システム１０の一例を示す。ＨＲＧ１０は、航空宇宙および航海ナビゲーションのような回転の精確な計測が必要とされる様々な用途のいずれかで具体化され得る。ＨＲＧ１０は、センサシステム１２およびコントローラ１４を含む。
【００１１】
センサシステム１２は、弾性特性を有する変形可能な材料として構成され且つ様々な異なる形態のうちの１つで提供される環状共振器（annular resonator）１６を含む。例えば、環状共振器１６は、弾性半球型（elastic hemisphere）であってもよい。センサシステム１２はまた、環状共振器１６が一組の電極１８を実質的に取り囲むように、環状共振器１６に対して内側に配置された一組の電極１８を含む。一組の電極１８は、コントローラ１４によって提供される複数のフォーサー信号ＦＲＣに応答して静電力（electrostatic force）を生成するように構成され、環状共振器１６の振動を周期的に提供するように環状共振器１６の変形を提供する。一例として、振動パターンは、電極の数と振動パターンの節及び腹（nodes and antinodes）の数との比が非整数となるようなものであってもよい。例えば、電極の数は、フォーサー信号ＦＲＣが実質的に周期的なＮ＝３の振動パターンを生成するように、８つであってもよい。本明細書で説明するように、用語「Ｎ＝３」は、振動パターンの腹の数の半分を表し、Ｎ＝３の場合、振動パターンは、６つの実質的に等しく角度を離された主軸（principle axes）に沿って環状共振器１６の６つの腹を提供する。
【００１２】
一例として、一組の電極１８は、定常波の角変位（angular displacement）の環状共振器１６への力再平衡化を提供し、同時に定常波を劣化させるかまたは定常波に影響を与える可能性がある直交効果の無効化（nulling of the quadrature effects）をもたらすように具体化することができる。さらに、一組の電極１８は、環状共振器１６の動きに対応する複数のピックオフ信号Ｐ０を供給して受感軸を中心としたセンサシステム１２の回転を測定するために複数のピックオフ電極を含むおよび／または具体化され得る。したがって、第１の例として、一組の電極１８は、専用の複数のフォーサー電極および複数のピックオフ電極を含むか、または第２の例として、一組の電極１８は、デュアルフォーサーおよびピックオフ機能（dual forcer and pickoff functionality）を実装することができる。
【００１３】
コントローラ１４は、プロセッサ２２および信号発生器２４を含む。信号発生器２４は、プロセッサ２２による一組の電極１８に対する環状共振器１６の変形の容量測定のために（例えば、信号生成器２４を介して）センサシステム１２に供給される複数のピックオフ信号Ｐ０に基づいて一組の電極１８に供給される複数のフォーサー信号ＦＲＣを生成するように構成される。一例として、信号発生器２４によって生成された複数のフォーサー信号ＦＲＣは、複数の電極１８の適切な一部分である複数のフォーサー信号ＦＲＣを含み得る。複数のフォーサー信号ＦＲＣは、一組の電極１８のうちの第１の部分に供給されて、複数のピックオフ信号ＰＯのうちの１つ以上に応答して環状共振器１６の周期的な動きを提供し得る。複数のピックオフ信号Ｐ０は、一組の電極１８を介して供給される合成静電力（resultant electrostatic forces）の異なる位相に関連付けられた一組の異なる数式に基づいて複数のフォーサー信号ＦＲＣを生成するプロセッサ２２に供給され得る。したがって、複数の数式によって、静電力の振幅を制御し、受感軸を中心としたセンサシステム１２の角回転速度の測定値を提供することができ、また、直交効果を制御することができる。つまり、コントローラ１４は、複数のピックオフ信号に基づいて出力信号ＲＯＴとしての入力軸を中心とした回転角速度の測定値を提供することができる。
【００１４】
８つの電極１８を有するＮ＝３の振動パターンを実施することに基づいて、電極１８の数と振動パターンとの間に非整数の比を実現することにより、ＨＲＧ１０は、典型的なＨＲＧ、例えば、Ｎ＝２の振動パターンを実現するものなどに関連した多くの効果を達成することができる。例えば、ＨＲＧ１０は、レート駆動（rate drive）と、共振器の振動周波数で変化する正弦波フォーシング信号（sinusoidal forcing signal）を利用する駆動のような１−ω振幅駆動との間のクロストークから生じるノイズを実質的に緩和することができ、且つ１−ω直交駆動と前記駆動との間の結合に起因するバイアス不安定性を緩和する。別例として、８つの電極１８を有するＮ＝３を実現するＨＲＧ１０は、ＤＣ電圧を利用する直交制御（quadrature control）を提供することができるが、環状共振器１６の振動周波数の２倍で変化する正弦波電圧を利用する定常波振幅制御のためのパラメトリックレート駆動（parametric rate drive）を依然として維持する。さらに、Ｎ＝３の振動パターンは、Ｎ＝２の振動パターンとは対照的に、測定された回転ＲＯＴに誤差を生じさせる可能性がある取り付けステムに関連する振動エネルギーのより良好な減結合を提供することができる。さらにまた、Ｎ＝３の振動パターンは、Ｎ＝２の振動パターンよりも実質的に高い周波数で具体化され、より高い測定帯域幅のための基本的なデジタル信号処理速度を向上させることができる。したがって、ＨＲＧ１０は、Ｎ＝２の振動パターンを実現する他のＨＲＧよりも改善された回転測定システムを提供することができ、物理的な構造を変更することなく、環状共振器と、Ｎ＝２の振動パターンを実現する８つの電極とを含む既存の物理パッケージで具体化され得る。
【００１５】
図２は、センサシステム５０の一例を示す。センサシステム５０は、図１の例におけるセンサシステム１２に対応し得る。したがって、図２の例の以下の説明において、図１の例が参照される。
【００１６】
センサシステム５０は、複数の電極を実質的に取り囲む環状共振器５２を含む。一例として、環状共振器５２は、弾性半球シェル（elastic hemispherical shell）として構成され得るが、他の幾何学的配置（例えば、弾性リング）を有することもできる。複数の電極は、第１の電極５４、第２の電極５６、第３の電極５８、第４の電極６０、第５の電極６２、第６の電極６４、第７の電極６６、第８の電極６８を含む。電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８は、図２の紙面に垂直に示された受感軸７０を中心とし、対向して配置された対称環状配置で配置され、したがって、振動パターンに関連する複数の軸に垂直であり、明細書においてより詳細に説明する。
【００１７】
図２の例では、電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８には、フォーサー信号および／またはピックオフ信号に対応する複数の信号εが供給される。第１電極５４には第１の信号ε０が供給され、第２電極５６には第２の信号ε１が供給され、第３電極５８には第３の信号ε２が供給され、第４電極６０には第４の信号ε３が供給されることが示されている。同様に、第５の信号ε４が第５の電極６２に供給され、第６の信号ε５が第６の電極６４に供給され、第７の信号ε６が第７の電極６６に供給され、第８の信号ε７は、第８の電極６８に供給されることが示されている。図２の例は、信号εが電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８の各々に供給されることを示しているが、複数の信号εのうちの適切な一部分が、ピックオフ専用であるいくつかの電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８の例におけるなど、複数のフォーサー電圧εとして電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８の対応する適切な一部分に供給され得ることを理解されたい。
【００１８】
電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８は、複数のフォーサー電圧として供給される複数の信号εの印加に応答して、環状共振器５２に作用する静電気力を提供し得る。それに応答して、複数のフォーサー電圧εの相対位相、つまり静電気力の相対位相に基づいて、環状共振器５２が、電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８に静電的に引き付けられる。その結果、環状共振器５２が、Ｎ＝３の振動パターンで変形する。複数のフォーサー電圧εの印加に応答する環状共振器５２の状態は、図３および図４の例において示されている。
【００１９】
図３は、共振センサシステムのＮ＝３の周期的な動作の例示的な図１００を示し、図４は、位相図１５０の一例を示す。環状共振器５２の弾性特性により、環状共振器５２は、共振周波数の約半周期でリバウンド（rebound）し得る。それに応答して、環状共振器５２は、時刻Ｔ＝０に対応する第１の状態と時刻Ｔ＝１／２Ｆに対応する第２の状態との間で振動する。ここで、Ｆは振動パターンの振動周波数である。第１の状態は、図３の例における１０２と図４の例における１５２で示されている。第２の状態は、図３の例における１０４と図４の例における１５４で示されている。
【００２０】
時刻Ｔ＝０に対応する図３の例における第１の状態では、環状共振器５２は、１０６，１０８，１１０として示された３つの１２０°の軸に沿って伸縮する（extended and contracted）ことが示され、電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８により区画された４つの９０°の軸１１２，１１４，１１６，１１８を示し、軸線１１０は、軸線１１２と同一線上にある。時刻Ｔ＝０に対応する図４の例における第１の状態１５２では、位相図１５０は、電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８に印加される駆動電圧に対応する実線１５６を示し、電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８で検出されたピックオフ信号に対応する点線１５８を示す。時刻Ｔ＝１／２Ｆに対応する図３の例における第２の状態１０４では、環状共振器５２は、第１の状態１０２に対して同じ方向か反対方向に３つの１２０°の軸１０６，１０８，１１０に沿って伸縮されることが示される。したがって、図３および図４は、Ｎ＝３の振動パターンに対応するフォーサー信号およびピックオフ信号の動きおよび印加を示す。
【００２１】
第１の例として、複数の信号εのうちの適切な一部分（例えば４つ）がフォーサー電圧として構成される。例えば、第１電極５４、第３電極５８、第５電極６２、第７電極６６には、それぞれフォーサー電圧ε０，ε２，ε４，ε６が供給される。第１の例では、信号発生器２４は、以下のように定義される複数の電圧信号として、フォーサー電圧ε０，ε２，ε４，ε６を生成し得る。
【００２２】
【数１】
2018091831.tif 000003
ここで、ε０は、対応する第１の電極５４に関連する第１のフォーサー電圧であり、
ε２は、対応する第３の電極５８に関連する第２のフォーサー電圧であり、
ε４は、対応する第５の電極６２に関連する第３のフォーサー電圧であり、
ε６は、対応する第７の電極６６に関連する第４のフォーサー電圧であり、
ω３は、Ｎ＝３モードの振動パターンの共振周波数であり、
θは、所定のパターン位置角であり、
ＥＸは、電圧成分である。
【００２３】
この例では、第２の電極５６、第４の電極６０、第６の電極６４、第８の電極６８には、ピックオフ信号ε１，ε３，ε５，ε７が供給される。したがって、この例では、第２の電極５６、第４の電極６０、第６の電極６４、および第８の電極６８は、ピックオフ用に実装され、振動パターンの間に環状共振器５２の位置を示す複数のピックオフ信号ＰＯを検出して受感軸７０を中心としたセンサシステム５０の回転を決定する。
【００２４】
したがって、第１の例は、フォーサー電圧ε０，ε２，ε４，ε６の生成に基づいて、Ｎ＝２の振動パターンを実現する構造化（mechanization）と機能的に同等な構造化を有するが、依然として先に説明したＮ＝３の振動パターンの利点を有する。一例として、フォーサー電圧ε０、ε２、ε４、ε６の相対電圧に基づいて、第１の電極５４は、信号ε０を介して第１の腹フォーサー機能（first anti-node forcer function）（例えば、Ｘ＋）を実現し、第２の電極５６は、信号ε１を介して第１の中間ピックオフ機能（first in-between pickoff function）（例えば、Ｘ−／Ｙ＋）を実現し、第３の電極５８は、信号ε２を介して第２の腹フォーサー機能（例えば、Ｙ−）を実現し、第４の電極６０は、信号ε３を介して第２の中間ピックオフ機能（例えば、Ｘ＋／Ｙ＋）を実現することができる。同様に、第５の電極６２は、信号ε４を介して第３の腹フォーサー機能（例えば、Ｘ−）を実現し、第６の電極６４は、信号ε5を介して第３の中間ピックオフ機能（例えば、Ｘ＋／Ｙ−）を実現し、第７の電極６６は、信号ε６を介して第４の腹フォーサー機能（例えば、Ｙ＋）を実現し、第８の電極６８は、信号ε７を介して第４の中間ピックオフ機能（例えば、Ｘ−／Ｙ−）を実現することができる。
【００２５】
第２の例として、８つの電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８のすべてに、複数のフォーサー電圧εが供給される。したがって、第１の電極５４には第１のフォーサー電圧ε０が供給され、第２の電極５６には第２のフォーサー電圧ε１が供給され、第３の電極５８には第３のフォーサー電圧ε２が供給され、第４の電極６０には第４のフォーサー電圧ε３が供給され、第５の電極６２には第５のフォーサー電圧ε４、第６の電極６４には第６のフォーサー電圧ε５、第７の電極６６には第７のフォーサー電圧ε６、第８の電極６８には第８のフォーサー電圧ε７が供給される。第２の例では、信号発生器２４は、以下のように定義される複数の電圧信号としてフォーサー電圧ε０，ε１，ε２，ε３，ε４，ε５，ε６，ε７を生成することができる。
【００２６】
【数２】
2018091831.tif 000004
ここで、ε０は、対応する第１の電極５４に関連する第１のフォーサー電圧であり、
ε１は、対応する第２の電極５６に関連する第２のフォーサー電圧であり、
ε２は、対応する第３の電極５８に関連する第３のフォーサー電圧であり、
ε３は、対応する第４の電極６０に関連する第４のフォーサー電圧であり、
ε４は、対応する第５の電極６２に関連する第５のフォーサー電圧であり、
ε５は、対応する第６の電極６４に関連する第６のフォーサー電圧であり、
ε６は、対応する第７の電極６６に関連する第７のフォーサー電圧であり、
ε７は、対応する第８の電極６８に関連する第８のフォーサー電圧であり、
ω３は、Ｎ＝３モードの振動パターンの共振周波数であり、
θは、所定のパターン位置角であり、
ＥＸは、電圧成分であり、Ｅ０およびＥ３は共にそれぞれｓｉｎ６θおよびｃｏｓ６θに比例する定数である。
【００２７】
この例では、図２の例において示されているように、８つの電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８のすべてに、対応するフォーサー電圧ε０，ε１，ε２，ε３，ε４，ε５，ε６，ε７が供給される。さらに、この例では、８つの電極５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８のすべてが、ピックオフのために実装され、プロセッサ２２に提供され且つ振動パターンの間に環状共振器５２の位置を示す複数のピックオフ信号ＰＯを検出するように具体化され、受感軸７０を中心としたセンサシステム５０の回転を決定する。
【００２８】
したがって、フォーサー電圧ε０，ε１，ε２，ε３，ε４，ε５，ε６，ε７の生成に基づいて、第２の例は、２−ωパラメトリック振幅駆動（parametric amplitude drive）、ＤＣ直交制御、および１−ωレート駆動を提供する実施形態を提供する。したがって、第２の実施例は、それぞれの駆動信号の周波数の減結合による実質的に改善されたバイアス不安定性およびノイズ低減を提供することができる。一例として、所与のパターン位置角度（pattern-location angle）０°に対して、第１の電極５４は、信号ε０を介して第１のパラメトリック駆動およびＤＣ直交機能（first parametric drive and DC quadrature function）を実現し、第２の電極５６は、信号ε１を介して第１の中間ピックオフ機能（例えば、Ｘ−／Ｙ＋）を実現し、第３の電極５８は、信号ε２を介してパラメトリック駆動、レート駆動、およびＤＣ直交機能を実現し、第４の電極６０は、信号ε３を介して第２の中間ピックオフ機能（例えば、Ｘ＋／Ｙ＋）を実現することができる。同様に、第５の電極６２は、信号ε４を介して第２のパラメトリック駆動及びＤＣ直交機能を実現し、第６の電極６４は、信号ε５を介して第３の中間ピックオフ機能（例えば、Ｘ＋／Ｙ−）を実現し、第７の電極６６は、信号ε６を介して腹パラメトリック駆動およびレート駆動機能を実現し、第８の電極６８は、信号ε７を介して第４の中間ピックオフ機能（例えば、Ｘ−／Ｙ−）を実現することができる。
【００２９】
上述の構造的および機能的特徴を考慮して、本開示の様々な態様による方法は、図５を参照することにより、より良く理解されるであろう。説明の簡略化のために、図５の方法は、連続して実行されるように示され説明されているが、本開示によれば、本明細書に示され記述された態様からいくつかの態様が他の態様と異なる順序でおよび／または同時に実施されるため、例示された順序に限定されないことは明らかであり、理解されたい。さらに、本開示の一態様による方法を実施するために例示された特徴の全てが必要とされるわけではない。
【００３０】
図５は、ＨＲＧ（例えば、ＨＲＧ１０）の受感軸（例えば、受感軸７０）を中心とした回転（例えば、信号ＲＯＴ）を測定する方法２００を示す。２０２において、複数のフォーサー信号（例えば、フォーサー信号ＦＲＣ）は、対応する複数の別個の数式（数式１〜４または数式５〜１２）に基づく対応する電圧（例えば、電圧ε０，ε１，ε２，ε３，ε４，ε５，ε６，ε７）を有するように生成される。２０４において、複数のフォーサー信号は、ＨＲＧに関連する８つの電極（例えば、複数の電極１８）のうちの少なくとも一部分に供給される。８つの電極は、受感軸を中心とした対称環状配置で配置され、８つの電極のうちの少なくとも一部分に印加された複数のフォーサー信号に基づいて、共振器（例えば、環状共振器１６）を実質的に周期的なＮ＝３の振動パターン（例えば、図３の例において示される）に静電的にさせるように構成され得る。２０６において、実質的に周期的なＮ＝３の振動パターンに応答して、８つの電極のうちの少なくとも一部分に関連するピックオフ（例えば、ピックオフ信号ＰＯ）が、受感軸を中心とした回転を測定するために測定される。
【００３１】
上述した事項は、本開示の例である。当然のことながら、本開示を説明する目的で構成要素または方法のすべての考えられる組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本開示の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に含まれるそのような変更、修正、および変形をすべて包含することが意図されている。
【図１】
2018091831.tif 000007
【図２】
2018091831.tif 000008
【図３】
2018091831.tif 000009
【図４】
2018091831.tif 000010
【図５】
2018091831.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成29年10月18日(2017.10.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半球共振型ジャイロスコープ（ＨＲＧ）であって、
受感軸を中心とした対称環状配置で配置され、複数の電極に印加される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的な動きを静電的にさせるように構成された複数の電極を含むセンサシステムであって、前記複数の電極は、前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の指示を提供するように構成される、前記センサシステムと、
前記複数の電極と振動パターンとの比が非整数となるように、前記振動パターンにおいて実質的に周期的な動きを提供するように複数のフォーサー信号を異なる位相で生成し、前記複数のフォーサー信号に応答して半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するように構成されたコントローラと、を備える半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項２】
前記振動パターンが、Ｎ＝３の振動パターンである、請求項１に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項３】
前記複数の電極は、前記複数のフォーサー信号に応答して前記振動パターンを提供するように構成された８つの電極を含む、請求項１に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項４】
前記コントローラは、
第１の時刻において前記複数の電極のうちの少なくとも一部分に前記複数のフォーサー信号を供給し、第２の時刻において前記複数の電極のうちの少なくとも一部分に関連する複数のピックオフ信号を測定して前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するように構成される、請求項１に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項５】
前記コントローラは、
前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するために、前記複数のフォーサー信号を力再平衡化で供給するように構成される、請求項１に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項６】
前記コントローラは、
対応する複数の異なる数式に基づく対応する電圧を有する前記複数の電極のうちの少なくとも一部分について前記複数のフォーサー信号を生成するように構成される、請求項１に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項７】
前記複数のフォーサー信号は、前記複数の電極のうちの第１の組に関連付けられ、
前記コントローラは、前記複数の電極のうちの第２の組を介して複数のピックオフ信号の測定を実施するように構成され、
前記第１の組と第２の組は、互いに対して同一であり、交互に配置される、請求項６に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項８】
前記複数のフォーサー信号は、
【数１】
2018091831.tif 000012
を含み、
ε０は、対応する第１の電極に関連する第１のフォーサー電圧であり、
ε２は、対応する第３の電極に関連する第２のフォーサー電圧であり、
ε４は、対応する第５の電極に関連する第３のフォーサー電圧であり、
ε６は、対応する第７の電極に関連する第４のフォーサー電圧であり、
ω３は、振動パターンの共振周波数であり、
θは、所定のパターン位置角であり、
ＥＸは電圧成分である、請求項７に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項９】
前記複数のフォーサー信号は、対応する複数の電極に関連付けられ、
前記コントローラは、前記複数のフォーサー信号を供給することと実質的に同時に対応する複数の電極を介して複数のピックオフ信号の測定を実施するように構成される、請求項６に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項１０】
前記複数のフォーサー信号は、
【数２】
2018091831.tif 000013
を含み、
ε０は、対応する第１の電極に関連する第１のフォーサー電圧であり、
ε１は、対応する第２の電極に関連する第２のフォーサー電圧であり、
ε２は、対応する第３の電極に関連する第３のフォーサー電圧であり、
ε３は、対応する第４の電極に関連する第４のフォーサー電圧であり、
ε４は、対応する第５の電極に関連する第５のフォーサー電圧であり、
ε５は、対応する第６の電極に関連する第６のフォーサー電圧であり、
ε６は、対応する第７の電極に関連する第７のフォーサー電圧であり、
ε７は、対応する第８の電極に関連する第８のフォーサー電圧であり、
ω３は、振動パターンの共振周波数であり、
θは、所定のパターン位置角であり、
ＥＸは電圧成分である、請求項９に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
【請求項１１】
半球共振型ジャイロスコープ（ＨＲＧ）の受感軸を中心とした回転を測定する方法であって、
対応する複数の異なる数式に基づく対応する複数の電圧を有する複数のフォーサー信号を生成すること、
前記半球共振型ジャイロスコープに関連付けられた８つの電極のうちの少なくとも一部分に前記複数のフォーサー信号を供給することであって、前記８つの電極は、前記受感軸を中心とした対称環状配置で配置され、前記８つの電極のうちの少なくとも一部分に供給される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的なＮ＝３の振動パターンに静電気的にさせるように構成される、前記複数のフォーサー信号を供給すること、
前記実質的に周期的なＮ＝３の振動パターンに応答して前記８つの電極のうちの少なくとも一部分に関連付けられた複数のピックオフ信号を測定して、前記受感軸を中心とした回転を測定すること、を備える方法。
【請求項１２】
前記複数のフォーサー信号を供給することは、
第１の時刻において前記８つの電極のうちの少なくとも一部分に前記複数のフォーサー信号を供給することを含み、
前記複数のピックオフ信号を測定することは、
前記第１の時刻の後の第２の時刻において前記８つの電極のうちの少なくとも一部分に関連付けられた複数のピックオフ信号を測定することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数のフォーサー信号を供給することは、
前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するために、前記複数のフォーサー信号を力再平衡化で供給することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数のフォーサー信号を生成することは、
前記８つの電極のうちの４つのピックオフ電極と交互配置された前記８つの電極のうちの対応する４つのフォーサー電極に関連付けられた４つのフォーサー信号を生成することを含み、
前記複数のピックオフ信号を測定することは、
前記実質的に周期的なＮ＝３の振動パターンに応答して前記４つのピックオフ電極に関連付けられた複数のピックオフ信号を測定して、前記受感軸を中心とした回転を測定することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の電極を生成することは、
対応する８つの電極に関連付けられた８つのフォーサー信号を生成することを含み、
前記複数のピックオフ信号を測定することは、
前記受感軸を中心とした回転を測定するために、前記８つのフォーサー信号を供給することと実質的に同時に前記８つの電極に関連付けられた前記複数のピックオフ信号を測定することを含む、請求項１１に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
上述した事項は、本開示の例である。当然のことながら、本開示を説明する目的で構成要素または方法のすべての考えられる組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本開示の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に含まれるそのような変更、修正、および変形をすべて包含することが意図されている。
以下に、上記各実施形態から把握できる技術思想を記載する。
（付記１）
半球共振型ジャイロスコープ（ＨＲＧ）であって、
受感軸を中心とした対称環状配置で配置され、複数の電極に印加される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的な動きを静電的にさせるように構成された複数の電極を含むセンサシステムであって、前記複数の電極は、前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の指示を提供するように構成される、前記センサシステムと、
前記複数の電極と振動パターンとの比が非整数となるように、前記振動パターンにおいて実質的に周期的な動きを提供するように複数のフォーサー信号を異なる位相で生成し、前記複数のフォーサー信号に応答して半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するように構成されたコントローラと、を備える半球共振型ジャイロスコープ。
（付記２）
前記複数のフォーサー信号は、前記複数の電極に対する前記複数のフォーサー信号の相対位相に関連付けられる、付記１に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
（付記３）
半球共振型ジャイロスコープ（ＨＲＧ）であって、
受感軸を中心とした対象環状配置で配置され、８つの電極に供給される複数のフォーサー信号に基づいて共振器を実質的に周期的なＮ＝３の振動パターンに静電的にさせるように構成された８つの電極を含むセンサシステムであって、前記８つの電極は、前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転の指示を提供するように構成される、前記センサシステムと、
前記８つの電極と前記振動パターンとの比が非整数となるように、前記複数のフォーサー信号を異なる位相で生成して前記振動パターンにおいて前記実質的に周期的な動きを提供し、前記複数のフォーサー信号に応答して前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するように構成されたコントローラと、を備える半球共振型ジャイロスコープ。
（付記４）
前記コントローラは、
前記半球共振型ジャイロスコープの受感軸を中心とした回転を測定するために、前記複数のフォーサー信号を力再平衡化で供給するように構成される、付記３に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
（付記５）
前記複数のフォーサー信号は、前記８つの電極のうちの４つのフォーサー電極に関連付けられ、
前記コントローラは、前記８つの電極のうちの４つのピックオフ電極を介して複数のピックオフ信号の測定を実施するように構成され、
前記フォーサー電極およびピックオフ電極は、互いに対して同一であり、交互に配置されている、付記３に記載の半球共振型ジャイロスコープ。
（付記６）
前記複数のフォーサー信号は、対応する８つの電極に関連付けられた８つのフォーサー信号を含み、
前記コントローラは、前記８つのフォーサー信号を供給することと実質的に同時に前記８つの電極を介して前記８つのピックオフ信号の測定を実施するように構成されている、付記３に記載の半球共振型ジャイロスコープ。