(57)【要約】  半球共振型ジャイロは、アクチュエータ駆動周波数に対応する正弦波及び余弦波信号と半球共振器２の半径方向変位に基づいて半球共振器２に励起された振動形状を抽出する振動形状抽出手段１１と、半球共振器２の共振位相特性に基づいてアクチュエータ駆動周波数を半球共振器２の共振周波数に一致させる駆動周波数補正手段１２と、波節直角位相振動の振動振幅及び共振モードの波腹方位角に基づいて波節直角位相振動を抑制するアクチュエータ直流駆動信号を生成する波節直角位相振動制御手段１３と、半球共振器２に励起された共振モードの振動振幅を一定値に制御するアクチュエータ交流駆動信号を生成する共振制御手段１４とを備え、共振モードの波腹方位角から角度計測軸方向の回転角度を検出する。
2015107704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測軸としての角度計測軸に対して軸対称な半球形状を有し、前記角度計測軸に対して垂直な平面において共振パターンを維持させるための半球共振器と、
前記半球共振器を前記角度計測軸を介して支持する上側ハウジングおよび下側ハウジングと、
前記上側ハウジングに対して前記角度計測軸回りに等間隔で配置され、前記半球共振器に対して半径方向の吸引力を発生させる複数のアクチュエータと、
前記下側ハウジングに対して前記角度計測軸回りに等間隔で配置され、前記半球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、
前記アクチュエータの駆動周波数に対応する正弦波信号および余弦波信号を生成する基準信号生成手段と、
前記基準信号生成手段から出力される前記正弦波信号および前記余弦波信号と、複数の前記変位センサから出力される前記半球共振器の半径方向の前記変位とに基づいて、前記半球共振器に励起された共振モードの振動振幅及び波腹方位角、前記アクチュエータの交流駆動信号に対する共振位相特性、および、前記半球共振器に励起された波節直角位相振動の振動振幅を抽出する振動形状抽出手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性に基づいて、前記アクチュエータの前記駆動周波数を前記半球共振器の共振周波数に一致させる駆動周波数補正手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記波節直角位相振動の前記振動振幅および前記共振モードの前記波腹方位角に基づいて、前記波節直角位相振動を抑制するための複数の前記アクチュエータの直流駆動信号を生成する波節直角位相振動制御手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記共振モードの前記振動振幅および前記波腹方位角と、前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号とに基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅を予め設定された一定値に制御し、かつ、前記共振モードの前記角度計測軸回りの自由な回転を実現するための複数の前記アクチュエータの前記交流駆動信号を生成する共振制御手段と
を備え、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記波腹方位角から、前記半球共振器の前記角度計測軸方向の回転角度を検出する
半球共振型ジャイロ。
【請求項２】
計測軸としての角速度計測軸に対して軸対称な半球形状を有し、前記角速度計測軸に対して垂直な平面において共振パターンを維持させるための半球共振器と、
前記半球共振器を前記角速度計測軸を介して支持する上側ハウジングおよび下側ハウジングと、
前記上側ハウジングに対して前記角速度計測軸回りに等間隔で配置され、前記半球共振器に対して半径方向の吸引力を発生させる複数のアクチュエータと、
前記下側ハウジングに対して前記角速度計測軸回りに等間隔で配置され、前記半球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、
前記アクチュエータの駆動周波数に対応する正弦波信号および余弦波信号を生成する基準信号生成手段と、
前記基準信号生成手段から出力される前記正弦波信号および前記余弦波信号と、複数の前記変位センサから出力される前記半球共振器の半径方向の前記変位とに基づいて、前記半球共振器に励起された共振モードの振動振幅及び波腹方位角、前記アクチュエータの交流駆動信号に対する共振位相特性、および、前記半球共振器に励起された波節直角位相振動の振動振幅を抽出する振動形状抽出手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性に基づいて、前記アクチュエータの前記駆動周波数を前記半球共振器の共振周波数に一致させる駆動周波数補正手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記波節直角位相振動の前記振動振幅および前記共振モードの前記波腹方位角に基づいて、前記波節直角位相振動を抑制するための複数の前記アクチュエータの直流駆動信号を生成する波節直角位相振動制御手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記共振モードの前記振動振幅および前記波腹方位角と、前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号とに基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅及び前記波腹方位角の双方を予め設定された一定値及び一定角度に制御するための複数の前記アクチュエータの前記交流駆動信号を生成する共振制御手段と
を備え、
前記共振制御手段における前記波腹方位角を前記一定角度に維持するための制御指令から、前記半球共振器の前記角速度計測軸方向の回転角速度を検出する
半球共振型ジャイロ。
【請求項３】
前記振動形状抽出手段は、
前記計測軸に直交する第１の直交軸方向に配置された前記変位センサの出力を合成する第１の合成手段と、
前記計測軸に直交し、前記第１の直交軸に対して計測軸回りに４５度位相がずれた第２の直交軸方向に配置された前記変位センサの出力を合成する第２の合成手段と、
前記第１の合成手段からの出力を実数部として前記第２の合成手段からの出力を虚数部とする複素表現を、前記アクチュエータの前記駆動周波数に一致する回転速度で正方向に回転する回転座標系による表現に変換する正方向回転座標変換手段と、
前記第１の合成手段からの出力を実数部として前記第２の合成手段からの出力を虚数部とする複素表現を、前記アクチュエータの前記駆動周波数に一致する回転速度で負方向に回転する回転座標系による表現に変換する負方向回転座標変換手段と、
前記正方向回転座標変換手段の出力から予め設定された低周波成分を抽出する正方向低周波抽出手段と、
前記負方向回転座標変換手段の出力から予め設定された低周波成分を抽出する負方向低周波抽出手段と、
前記正方向低周波抽出手段および前記負方向低周波抽出手段の出力に基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性を算出する位相特性抽出手段と、
前記正方向低周波抽出手段および前記負方向低周波抽出手段の出力および前記位相特性抽出手段の出力に基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅及び前記波腹方位角、および、前記半球共振器に励起された前記波節直角位相振動の前記振動振幅を抽出する振動特性抽出手段と
を有している請求項１または２に記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項４】
前記駆動周波数補正手段は、
前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性を、前記アクチュエータの前記駆動周波数におけるアクチュエータ位相特性と、前記アクチュエータの前記駆動周波数における変位センサ位相特性と、−９０度との合計値に固定するように、前記アクチュエータの前記駆動周波数を制御する
請求項１から３までのいずれか１項に記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項５】
前記駆動周波数補正手段は、
前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性を、前記半球共振器の前記共振周波数に対して予め設定された周波数だけ前記アクチュエータの前記駆動周波数を低く設定した場合の共振位相特性と、前記半球共振器の前記共振周波数に対して予め設定された周波数だけ前記アクチュエータの前記駆動周波数を高く設定した場合の共振位相特性との平均値に固定するように、前記アクチュエータの前記駆動周波数を制御する
請求項１から３までのいずれか１項に記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項６】
前記波節直角位相振動制御手段は、
前記振動形状抽出手段から出力される前記波節直角位相振動の前記振動振幅に基づいて、前記波節直角位相振動を抑制するための電気的剛性補正指令を生成する電気的剛性制御手段と、
前記電気的剛性制御手段から出力される前記電気的剛性補正指令の符号に応じて、前記符号が正符号の場合には前記共振モードの前記波腹方位角に対して＋２２．５度位相がずれた直交軸方向を、前記符号が負符号の場合には前記共振モードの前記波腹方位角に対して−２２．５度位相がずれた直交軸方向を、前記半球共振器に対する電気的剛性補正軸とし、前記電気的剛性補正軸の両側に配置された各１個の前記アクチュエータに対して、前記電気的剛性補正指令の絶対値に基づいて前記アクチュエータの前記直流駆動信号を分配する直流駆動電圧分配手段と
を有する請求項１から５までのいずれか１項に記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項７】
前記共振制御手段は、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅を前記一定値に制御する共振振幅指令を生成する共振振幅制御手段と、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記波腹方位角を共振位相指令として、前記共振振幅指令、前記共振位相指令、および、前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて、複数の前記アクチュエータに対する前記交流駆動信号を分配する交流駆動電圧分配手段と
を有する請求項１記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項８】
前記共振制御手段は、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅を前記一定値に制御する共振振幅指令を生成する共振振幅制御手段と、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記波腹方位角を前記一定角度に制御する共振位相指令を生成する共振位相制御手段と、
前記共振振幅指令、前記共振位相指令、および、前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて、複数の前記アクチュエータに対する前記交流駆動信号を分配する交流駆動電圧分配手段と
を有する請求項２記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項９】
前記共振制御手段の前記交流駆動電圧分配手段は、
前記共振位相指令で規定される前記計測軸に直交する直交軸の両側に配置された各１個の前記アクチュエータに対して、前記共振振幅制御手段から出力される前記共振振幅指令および前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて、前記アクチュエータの前記交流駆動信号を分配する
請求項７または８に記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項１０】
前記共振制御手段の前記交流駆動電圧分配手段は、
前記共振位相指令で規定される前記計測軸に直交する直交軸の両側に配置された各２個の前記アクチュエータに対して、前記アクチュエータの駆動電圧のノルムが最小となるように、前記共振振幅制御手段から出力される前記共振振幅指令および前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて前記アクチュエータの前記交流駆動信号を分配する
請求項７または８に記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項１１】
前記共振制御手段の前記交流駆動電圧分配手段が、
前記共振位相指令で規定される前記計測軸に直交する直交軸の両側に配置された各１個の前記アクチュエータに対して、前記共振振幅制御手段から出力される前記共振振幅指令および前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいた余弦波吸引力指令の平方根を、前記アクチュエータの前記交流駆動信号として分配する
請求項７または８に記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項１２】
前記共振制御手段の前記交流駆動電圧分配手段は、
前記共振位相指令で規定される前記計測軸に直交する直交軸の両側に配置された各２個の前記アクチュエータに対して、前記アクチュエータの発生吸引力のノルムが最小となるように、前記共振振幅制御手段から出力される前記共振振幅指令および前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて余弦波吸引力指令を算出し、前記余弦波吸引力指令の平方根を、前記アクチュエータの前記交流駆動信号として分配する
請求項７または８に記載の半球共振型ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半球共振型ジャイロ（ＨＲＧ：Hemispherical Resonator Gyro）に関し、特に、半球状の共振器を１次共振させ、当該共振モードの位相変化から回転角度を検出するか、あるいは、当該共振モードの位相変化を抑制するための制御量から回転角速度を検出する半球共振型ジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半球共振型ジャイロとして、例えば特許文献１に記載された振動回転センサーがある。この振動回転センサーの主要な機械系構成は、半球共振器、フォーサ、および、ピックオフである。フォーサによって半球共振器に１次共振モードを励起させ、ピックオフによって当該共振モードの位相変化を検出することで、センサ計測軸方向の回転角度を検出している。【０００３】
一方、当該振動回転センサーの電気系および制御系は、（１）基準位相発生器、（２）１次共振振幅制御、（３）直角位相振動制御、（４）１次共振モードの位相角検出、の４機能で構成される。これら（１）〜（４）の機能について以下に説明する。【０００４】
はじめに、基準位相発生器に実装したフェーズ・ロックド・ループＰＬＬによって、ピックオフから出力される検出信号に基づいて半球共振器の１次共振周波数をロックし、更に、各種基準位相信号を生成する。ピックオフから出力される検出信号は、基準位相発生器で生成した基準位相信号に基づいて復調され、半球共振器に励起された１次共振モード、および、波節直角位相振動の振幅に変換される。【０００５】
１次共振振幅制御では、半球共振器に励起された１次共振モードの振幅が予め設定された一定値となるように、基準位相発生器で生成した基準位相信号に基づいて、フォーサに印加する方形波電圧を制御する。【０００６】
直角位相振動制御では、１次共振モードの波腹位相角から２２．５度ずれた直交軸に対して負のばね剛性を付加するように、フォーサに印加する直流電圧を制御することで、波節直角位相振動の振幅を零に抑制して、半球共振器上に１次共振モードのみが励起された状態を実現する。【０００７】
最後に、１次共振モードの位相角検出において、半球共振器に励起された１次共振モードの波腹位相角を算出し、当該位相角の変化量に対して半球共振器固有のスケールファクタを乗ずることで、センサ計測軸方向の回転角度を検出している。【０００８】
また、従来の半球共振型ジャイロの他の例として、例えば特許文献２に記載された振動式ジャイロスコープの制御回路がある。【０００９】
この振動式ジャイロスコープの制御回路では、共振器上に励起された１次共振モードを、当該共振器上を周方向に時計回り、および、反時計回りに進行する２つの進行波の合成として捉え、ピックオフから出力される検出信号に基づいて、フェーズ・ロックド・ループＰＬＬによって各々の進行波に対する基準位相信号を生成する。【００１０】
更に、共振器振動の減衰損失を補正して各進行波の振動振幅を予め設定された一定値に維持すること、および、共振器に対して効率的に１次共振モードを励起することを目的として、上記基準位相信号に基づき、各進行波の半径方向変位に対して９０度位相を進ませた状態で、フォーサ印加電圧が制御される。【００１１】
最後に、フェーズ・ロックド・ループＰＬＬで生成した各進行波に関する基準位相信号の位相差から、共振器上に励起された１次共振モードの波腹位相角を算出し、当該位相角の変化量に対して共振器固有のスケールファクタを乗ずることで、センサ計測軸方向の回転角度を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開昭６０−１６６８１８号公報
【特許文献２】特開平６−２４１８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このような半球共振型ジャイロでは、半球共振器における１次共振周波数のロック、および、当該１次共振周波数に対する各種基準位相信号の生成に関して、フェーズ・ロックド・ループＰＬＬを適用している。【００１４】
しかしながら、フェーズ・ロックド・ループＰＬＬでは、内部のループフィルタ設計によっては、ＰＬＬ自体の安定性が損なわれるという問題点があった。【００１５】
また、理想的なＰＬＬ出力としては、低位相雑音特性、および、スプリアス抑圧特性を両立したスペクトル純度の高さが要求されるが、一般にこれらの特性はトレードオフの関係にあり、スペクトル純度の高いＰＬＬ出力を得ることが難しいという問題点もあった。【００１６】
加えて、半球共振型ジャイロによる検出分解能を高めるためには、基準位相信号の位相分解能を向上させることが不可欠となる。しかしながら、例えば１次共振周波数４ｋＨｚの信号に対して、位相分解能０．１度を実現するための等価な時間分解能は７０ｎｓとなる。そのため、ＰＬＬでは基準位相信号の位相分解能、換言すれば、半球共振型ジャイロの検出分解能に限界があるという問題点もあった。【００１７】
更に、従来の半球共振型ジャイロでは、理想的な共振系では、加振力に対する強制振動変位の位相特性が−９０度となることを前提として、共振器に対して効率的に１次共振モードを励起するために、共振器の半径方向変位に対してフォーサ駆動電圧指令の位相を９０度進ませている。【００１８】
しかしながら、フォーサ駆動電圧指令から共振器変位までの位相特性には、理想的な共振系における加振力から強制振動変位の位相特性−９０度に加えて、フォーサ駆動電圧指令からフォーサで発生する真の加振力までの位相特性、および、真の共振器変位からピックオフ検出信号までの位相特性も重畳されるため、後者を考慮しなければ共振器に対する効率的な１次共振モードの励起とはならないという問題点もあった。【００１９】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、従来のフェーズ・ロックド・ループＰＬＬを使用せずに角度検出または角速度検出を行うことで、常に安定に動作し、更に半球共振器の１次共振周波数ロックに対する極めてスペクトル純度の高い動作と、当該１次共振周波数に対する高位相分解能を実現することで、角度または角速度検出分解能を向上させた半球共振型ジャイロを得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、計測軸としての角度計測軸に対して軸対称な半球形状を有し、前記角度計測軸に対して垂直な平面において共振パターンを維持させるための半球共振器と、前記半球共振器を前記角度計測軸を介して支持する上側ハウジングおよび下側ハウジングと、前記上側ハウジングに対して前記角度計測軸回りに等間隔で配置され、前記半球共振器に対して半径方向の吸引力を発生させる複数のアクチュエータと、前記下側ハウジングに対して前記角度計測軸回りに等間隔で配置され、前記半球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、前記アクチュエータの駆動周波数に対応する正弦波信号および余弦波信号を生成する基準信号生成手段と、前記基準信号生成手段から出力される前記正弦波信号および前記余弦波信号と、複数の前記変位センサから出力される前記半球共振器の半径方向の前記変位とに基づいて、前記半球共振器に励起された共振モードの振動振幅及び波腹方位角、前記アクチュエータの交流駆動信号に対する共振位相特性、および、前記半球共振器に励起された波節直角位相振動の振動振幅を抽出する振動形状抽出手段と、前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性に基づいて、前記アクチュエータの前記駆動周波数を前記半球共振器の共振周波数に一致させる駆動周波数補正手段と、前記振動形状抽出手段から出力される前記波節直角位相振動の前記振動振幅および前記共振モードの前記波腹方位角に基づいて、前記波節直角位相振動を抑制するための複数の前記アクチュエータの直流駆動信号を生成する波節直角位相振動制御手段と、前記振動形状抽出手段から出力される前記共振モードの前記振動振幅および前記波腹方位角と、前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号とに基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅を予め設定された一定値に制御し、かつ、前記共振モードの前記角度計測軸回りの自由な回転を実現するための複数の前記アクチュエータの前記交流駆動信号を生成する共振制御手段とを備え、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記波腹方位角から、前記半球共振器の前記角度計測軸方向の回転角度を検出する半球共振型ジャイロである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、従来のフェーズ・ロックド・ループＰＬＬを使用せずに、半球共振器に励起された１次共振モードおよび波節直角位相振動の詳細な振動形状を抽出することができるため、半球共振型ジャイロの動作を常に安定化し、半球共振器の１次共振周波数に対する極めてスペクトル純度の高い動作と高精度なロックが可能となり、さらに、１次共振周波数に対して高位相分解能を実現することで、角度検出分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１から実施の形態４による、角度または角速度計測軸を含む平面に沿った、半球共振型ジャイロの簡略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１から実施の形態４による、角度または角速度計測軸に垂直な平面に沿った、半球共振型ジャイロの半球共振器、アクチュエータ、変位センサの空間配置を示す簡略図である。
【図３】本発明の実施の形態１および実施の形態２による半球共振型ジャイロの全体構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態１から実施の形態４による振動形状抽出手段の内部構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態１から実施の形態４による振動形状抽出手段において、正方向回転座標系、および負方向回転座標系の概要を示す簡略図である。
【図６】本発明の実施の形態１から実施の形態４による駆動周波数補正手段において、共振制御手段から出力されるアクチュエータ交流駆動信号から、振動形状抽出手段で抽出される共振モードのアクチュエータ交流駆動信号に対する共振位相特性までの位相関係の概要を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態１から実施の形態４による駆動周波数補正手段において、共振制御手段から出力されるアクチュエータ交流駆動信号に対する、半球共振器変位の周波数特性を示す簡略図である。
【図８】本発明の実施の形態１から実施の形態４による駆動周波数補正手段の内部構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態１から実施の形態４による波節直角位相振動制御手段の内部構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態１から実施の形態４による波節直角位相振動制御手段において、動作の概要を示す簡略図である。
【図１１】本発明の実施の形態１および実施の形態２による共振制御手段の内部構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の実施の形態１から実施の形態４による共振制御手段において、動作の概要を示す概略図である。
【図１３】本発明の実施の形態３および実施の形態４による半球共振型ジャイロの全体構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の実施の形態３および実施の形態４による共振制御手段の内部構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る半球共振型ジャイロの機械系構成を図１および図２に示す。
図１は、本発明の実施の形態１に係る半球共振型ジャイロの機械系構成を説明するための、角度計測軸を含む平面に沿った断面図である。図２は、本発明に係る半球共振型ジャイロの機械系構成を説明するための、角度計測軸に垂直な平面に沿った、半球共振器、アクチュエータ、変位センサの空間配置を示す簡略図である。
【００２４】
図１に示したように、本実施の形態１に係る半球共振型ジャイロの機械系は、角度計測軸１（Ｚ軸）に対して軸対称な半球形状を有する半球共振器２を備える。半球共振器２は、角度計測軸１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。なお、図１に示すように、Ｘ軸はＺ軸に対して垂直な軸であり、また、図１においては、Ｙ軸の図示を省略しているが、Ｙ軸は、図２に示すように、Ｘ軸およびＺ軸に対して垂直な軸である。半球共振器２は、上側ハウジング３および下側ハウジング４によって角度計測軸１を介して支持されている。上側ハウジング３は、下方が開口した、矩形の箱型で、断面形状は台形となっている。また、下側ハウジング４は、板状部材で、上側ハウジング３の開口を塞ぐ大きさを有している。半球共振器２は、上側ハウジング３および下側ハウジング４から構成された筺体内に収容されている。上側ハウジング３には、半球共振器２に対して半径方向吸引力を発生させるための複数のアクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・）が、角度計測軸１の回りに等間隔で配置されている。更に下側ハウジング４には、半球共振器２の半径方向変位を検出するための複数の変位センサＳk（ｋ＝１、２、・・・）が、角度計測軸１の回りに等間隔で配置されている。
【００２５】
本発明に係る半球共振型ジャイロの最も一般的な構成としては、図２に示したように、計１６個のアクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を角度計測軸１の回りに２２．５度間隔で配置した構成のものである。当該構成においては、各アクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）が発生する半径方向吸引力を制御することで、半球共振器２に対して１次共振モードを発生させる。この１次共振モードは、角度計測軸１に対して垂直な平面（ＸＹ平面）において楕円形状となり、例えばＸ−Ｙ直交軸を基準に１次共振モードを励起させた場合、図２において破線で示したＸ軸方向を長軸とする楕円形状と、同じく図２において一点鎖線で示した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。このとき、例えば点５で示す振動振幅が最大となる半球共振器２上の点を波腹、例えば点６で示す振動振幅が発生しない半球共振器２上の点を波節と呼ぶ。更に、本実施の形態に係る半球共振型ジャイロの最も一般的な構成としては、図２に示したように計８個の変位センサＳk（ｋ＝１、２、・・・、８）を角度計測軸１の回りに４５度間隔で配置して、半球共振器２に励起された振動に起因する半径方向変位を検出する。
【００２６】
次に、本発明の実施の形態１による半球共振型ジャイロを図３〜図１２に示す。
図３は、本発明の実施の形態１による半球共振型ジャイロの全体構成を示すブロック図である。図３に示したように、この実施の形態１による半球共振型ジャイロは、半球共振器２、アクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）、変位センサＳk（ｋ＝１、２、・・・、８）、基準信号生成手段１０、振動形状抽出手段１１、駆動周波数補正手段１２、波節直角位相振動制御手段１３、共振制御手段１４、角度スケールファクタ乗算手段１５、および、アクチュエータ駆動信号合成手段１６を備えている。
【００２７】
図３に示した構成において、基準信号生成手段１０は、アクチュエータ駆動周波数ωrに対応する正弦波信号ｓｉｎ（ωrt）、および余弦波信号ｃｏｓ（ωrt）を生成する。
【００２８】
振動形状抽出手段１１では、基準信号生成手段１０から出力される正弦波信号ｓｉｎ（ωrt）および余弦波信号ｃｏｓ（ωrt）と、複数の変位センサＳk（ｋ＝１、２、・・・、８）から出力される変位センサ出力Ｅk（ｋ＝１、２、・・・、８）とに基づいて、半球共振器２に励起された１次共振モードの振動振幅Ａ、波腹方位角θr、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対する共振位相特性φr、および、半球共振器に励起された波節直角位相振動の振動振幅Ｂを抽出する。
【００２９】
駆動周波数補正手段１２では、振動形状抽出手段１１から出力されるアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対する共振位相特性φrに基づいて、アクチュエータ駆動周波数ωrを半球共振器２の共振周波数に一致させる。
【００３０】
波節直角位相振動制御手段１３では、振動形状抽出手段１１から出力される波節直角位相振動の振動振幅Ｂおよび１次共振モードの波腹方位角θrに基づいて、波節直角位相振動を抑制するための複数のアクチュエータ直流駆動信号ｆNQj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を生成する。
【００３１】
共振制御手段１４では、振動形状抽出手段１１から出力される１次共振モードの振動振幅Ａおよび波腹方位角θrと、基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号ｃｏｓ（ωrt）に基づいて、半球共振器２に励起された１次共振モードの振動振幅Ａを予め設定された一定値に制御し、かつ、１次共振モードの角度計測軸１の回りの自由な回転を実現する複数のアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を生成する。
【００３２】
アクチュエータ駆動信号合成手段１６では、波節直角位相振動制御手段１３から出力される複数のアクチュエータ直流駆動信号ｆNQj（ｊ＝１、２、・・・、１６）と、共振制御手段１４から出力される複数のアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）とを加算し、当該加算結果を加算信号として、アクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に出力する。こうして、この加算信号に基づいて、アクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を制御することで、アクチュエータ直流駆動信号ｆNQj（ｊ＝１、２、・・・、１６）によって半球共振器２上に１次共振モードのみが励起された状態を実現し、更に、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）によって１次共振モードの振動振幅Ａを予め設定された一定値に制御する。
【００３３】
このとき、振動形状抽出手段１１から出力される１次共振モードの波腹方位角θrに対して、角度スケールファクタ乗算手段１５により、予め設定された角度スケールファクタＫθを乗ずることで、角度計測軸１方向の回転角度θを検出することができる。
【００３４】
図４は、本発明の実施の形態１による半球共振型ジャイロにおいて、振動形状抽出手段１１の内部構成を示すブロック図、図５は、本発明の実施の形態１による振動形状抽出手段１１における、正方向回転座標系２８および負方向回転座標系２９の概要を示す簡略図である。
【００３５】
図４に示したように、この実施の形態１による半球共振型ジャイロの振動形状抽出手段１１は、第１の合成手段２０、第２の合成手段２１、正方向回転座標変換手段２２、負方向回転座標変換手段２３、正方向低周波抽出手段２４、負方向低周波抽出手段２５、位相特性抽出手段２６、および、振動特性抽出手段２７から構成されている。
【００３６】
当該構成において、まず、第１の合成手段２０によって、角度計測軸１に直交する第１の直交軸（図２におけるＸ−Ｙ直交軸）方向に配置された変位センサＳk（ｋ＝１、３、５、７）から出力される変位センサ出力Ｅk（ｋ＝１、３、５、７）を合成する。
【００３７】
また、第２の合成手段２１によって、角度計測軸１に直交し、かつ、第１の直交軸に対して角度計測軸１の回りに４５度位相がずれた第２の直交軸方向に配置された変位センサＳk（ｋ＝２、４、６、８）から出力される変位センサ出力Ｅk（ｋ＝２、４、６、８）を合成する。
【００３８】
次に、第１の合成手段２０からの出力を実数部ＥReとし、第２の合成手段２１からの出力を虚数部ＥImとする、複素表現ＥRe＋ｊＥImを、正方向回転座標変換手段２２および負方向回転座標変換手段２３に入力する。
【００３９】
正方向回転座標変換手段２２では、基準信号生成手段１０から出力される正弦波信号ｓｉｎ（ωrt）および余弦波信号ｃｏｓ（ωrt）に基づいて、複素表現ＥRe＋ｊＥImを、図５（ａ）に示すようにアクチュエータ駆動周波数ωrに一致する回転速度ωrで正方向に回転する正方向回転座標系２８による表現Ｅ+に変換する。
【００４０】
同様に、負方向回転座標変換手段２３では、基準信号生成手段１０から出力される正弦波信号ｓｉｎ（ωrt）および余弦波信号ｃｏｓ（ωrt）に基づいて、複素表現ＥRe＋ｊＥImを、図５（ｂ）に示すようにアクチュエータ駆動周波数ωrに一致する回転速度−ωrで負方向に回転する負方向回転座標系２９による表現Ｅ-に変換する。
【００４１】
正方向回転座標変換手段２２から出力される正方向回転座標系表現Ｅ+、および、負方向回転座標変換手段２３から出力される負方向回転座標系表現Ｅ-は、それぞれ、正方向低周波抽出手段２４および負方向低周波抽出手段２５に入力される。
【００４２】
正方向低周波抽出手段２４は、正方向回転座標変換手段２２から出力された正方向回転座標系表現Ｅ+から、予め設定された低周波成分ＥDC+を抽出する。
【００４３】
負方向低周波抽出手段２５は、負方向回転座標変換手段２３から出力される負方向回転座標系表現Ｅ-から、予め設定された低周波成分ＥDC-を抽出する。
【００４４】
位相特性抽出手段２６では、正方向低周波抽出手段２４からの出力ＥDC+、および、負方向低周波抽出手段２５からの出力ＥDC-に基づいて、半球共振器２に励起された１次共振モードのアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対する共振位相特性φrを算出して出力する。
【００４５】
また、振動特性抽出手段２７では、正方向低周波抽出手段２４からの出力ＥDC+、負方向低周波抽出手段２５からの出力ＥDC-、および、位相特性抽出手段２６から出力される共振位相特性φrに基づいて、半球共振器２に励起された１次共振モードの振動振幅Ａ、波腹方位角θr、および、半球共振器に励起された波節直角位相振動の振動振幅Ｂを算出して出力する。
【００４６】
図６は、本発明の実施の形態１による半球共振型ジャイロにおいて、共振制御手段１４から出力されるアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）から、振動形状抽出手段１１で抽出される共振位相特性φrまでの位相関係の概要を示すブロック図である。図７は、本発明の実施の形態１による駆動周波数補正手段１２において、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対する半球共振器変位の周波数特性を示す簡略図である。図８は、本発明の実施の形態１による駆動周波数補正手段１２の内部構成を示すブロック図である。
【００４７】
本発明に係る半球共振型ジャイロでは、図６に示すように、アクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）において、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）から半球共振器２に対して作用する真の半径方向吸引力までの特性として、アクチュエータ駆動周波数ωrにおいて位相特性ΨDが存在する。また、変位センサＳk（ｋ＝１、２、・・・、８）においても、半球共振器２における真の半径方向変位から変位センサ出力Ｅk（ｋ＝１、２、・・・、８）までの特性として、アクチュエータ駆動周波数ωrにおいて位相特性ΨSが存在する。一方、半球共振器２における真の半径方向吸引力から真の半径方向変位までの位相特性は、アクチュエータ駆動周波数ωrに応じて０度から−１８０度まで変化し、振動形状抽出手段１１における変位センサ出力Ｅk（ｋ＝１、２、・・・、８）から共振位相特性φrまでの位相特性は、アクチュエータ駆動周波数ωrによらずほぼ０度となる。
【００４８】
図６に示す位相関係を踏まえると、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対する半球共振器変位の周波数特性は、図７に示す通りとなり、ゲイン特性３０は半球共振器２の１次共振周波数３２において共振ピークを生ずる。一方、共振位相特性φrに関する位相特性３１は、アクチュエータ駆動周波数ωrに応じてΨD＋ΨSからΨD＋ΨS−１８０度まで変化し、かつ、半球共振器２の１次共振周波数３２においてΨD＋ΨS−９０度となる。
【００４９】
図８に示したように、この実施の形態１による半球共振型ジャイロの駆動周波数補正手段１２は、積分器３３を備え、振動形状抽出手段１１から出力される共振位相特性φrから共振位相特性指令φr*を減じた信号を積分器３３によって積分し、積分器３３の出力とアクチュエータ駆動周波数の初期値ωr0との加算値によって、アクチュエータ駆動周波数ωrを制御している。
【００５０】
図９は、本発明の実施の形態１による半球共振型ジャイロにおいて、波節直角位相振動制御手段１３の内部構成を示すブロック図である。図１０は、本発明の実施の形態１による波節直角位相振動制御手段１３において、動作の概要を示す概略図である。
【００５１】
図９に示したように、この実施の形態１による半球共振型ジャイロの波節直角位相振動制御手段１３は、電気的剛性制御手段４０と直流駆動電圧分配手段４１とを備えている。
電気的剛性制御手段４０は、振動形状抽出手段１１から出力される波節直角位相振動の振動振幅Ｂの符号反転値が入力され、波節直角位相振動を抑制するための電気的剛性補正指令ｕNQを生成する。
直流駆動電圧分配手段４１は、電気的剛性制御手段４０から出力される電気的剛性補正指令ｕNQ、および、振動形状抽出手段１１から出力される１次共振モードの波腹方位角θrに基づいて、電気的剛性補正指令ｕNQが正符号の場合には、図１０（ａ）に示すように、波腹方位角θrに対して＋２２．５度位相がずれた直交軸方向を、半球共振器２に対する電気的剛性補正軸４２とする。一方、電気的剛性補正指令ｕNQが負符号の場合には、図１０（ｂ）に示すように、波腹方位角θrに対して−２２．５度位相がずれた直交軸方向を半球共振器２に対する電気的剛性補正軸４２とする。更に、図１０において、太線矢印で示したように、電気的剛性補正軸４２に沿って、電気的剛性補正指令ｕNQの絶対値に対応する半径方向吸引力が半球共振器２に作用するように、電気的剛性補正軸４２の両側に配置された各１個のアクチュエータに対して、アクチュエータ直流駆動信号ｆNQj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を分配する。
【００５２】
図１１は、本発明の実施の形態１による半球共振型ジャイロにおいて、共振制御手段１４の内部構成を示すブロック図である。図１２は、本発明の実施の形態１による共振制御手段１４において、動作の概要を示す概略図である。
【００５３】
図１１に示したように、この実施の形態１による半球共振型ジャイロの共振制御手段１４は、共振振幅制御手段５０と、交流駆動電圧分配手段５１とを備えている。
【００５４】
当該構成において、まず、振動形状抽出手段１１から出力される半球共振器２に励起された１次共振モードの振動振幅Ａと、予め一定値に設定された振動振幅指令Ａ*との振動振幅偏差が、共振振幅制御手段５０に入力される。
共振振幅制御手段５０では、振動振幅偏差を零とするような制御指令を算出し、当該制御指令と振動振幅指令Ａ*との加算値を共振振幅指令ｕRESとして交流駆動電圧分配手段５１に対して出力する。
【００５５】
交流駆動電圧分配手段５１では、振動形状抽出手段１１から出力される半球共振器２に励起された１次共振モードの波腹方位角θrを共振位相指令χとして、共振振幅指令ｕRES、共振位相指令χ、および、基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号ｃｏｓ（ωrｔ）に基づいて、アクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対するアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を分配する。
【００５６】
特に、本発明の実施の形態１による交流駆動電圧分配手段５１では、図１２において太線矢印で示したように、共振振幅指令ｕRESと余弦波信号ｃｏｓ（ωrｔ）で決定されるそれぞれ逆位相の半径方向吸引力ｕRES［ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］、ｕRES［−ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］が、共振位相指令χで規定される直交軸に沿って９０度間隔で交互に半球共振器２に対して作用するように、当該直交軸の両側に配置された各１個のアクチュエータに対して、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を分配する構成としている。
【００５７】
次に、本発明の実施の形態１による半球共振型ジャイロの動作について説明する。
【００５８】
図１および図２に示したように、本発明の実施の形態１による半球共振型ジャイロの半球共振器２は、角度計測軸１（Ｚ軸）に対して軸対称な半球形状であり、上側ハウジング３、および下側ハウジング４によって角度計測軸１で支持されている。上側ハウジング３には、計１６個のアクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を角度計測軸１の回りに２２．５度間隔で配置しており、半球共振器２に対して各アクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）で発生する半径方向吸引力を制御することで、１次共振モードを発生させる。更に、下側ハウジング４には、計８個の変位センサＳk（ｋ＝１、２、・・・、８）を角度計測軸１の回りに４５度間隔で配置しており、半球共振器２に励起された振動の半径方向変位を検出する。
【００５９】
半球共振器２に励起される１次共振モードは、角度計測軸１に対して垂直な平面（ＸＹ平面）において楕円形状となる。例えば、図２に示すアクチュエータＤ1、Ｄ9の組、および、Ｄ5、Ｄ13の組に対するアクチュエータ交流駆動信号ｆRES1、ｆRES9、およびｆRES5、ｆRES13として、それぞれ、下記の（１）式に示す、同一振幅で逆位相の余弦波駆動信号を作用させた場合、半球共振器２には破線で示したＸ軸方向を長軸とする楕円形状と、一点鎖線で示した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１次共振モードが励起される。
【００６０】
【数１】
2015107704.tif 000003
【００６１】
半球部分の密度および剛性が完全に均一となる理想的な半球共振器２では、アクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）による上記のような強制加振によって、半球共振器２上に１次共振モードのみが励起される。しかしながら、密度および剛性に不均一性を有する現実の半球共振器２では、例えば、図２の点６で示す１次共振モードの波節を新たな波腹とし、かつ、１次共振モードに対して９０度位相差で振動する波節直角位相振動が発生し、当該振動が半球共振型ジャイロで検出する回転角度のドリフト要因となる。
【００６２】
半球共振器２に励起された１次共振モード、および、波節直角位相振動による半径方向変位は、図３に示したように変位センサＳk（ｋ＝１、２、・・・、８）によって検出され、このときの変位センサ出力Ｅk（ｋ＝１、２、・・・、８）は、一般に次式（２）で与えられる。
【００６３】
【数２】
2015107704.tif 000004
【００６４】
ただし、Ａ：１次共振モード・振動振幅、
θr：１次共振モード・波腹方位角、
φr：１次共振モード・アクチュエータ交流駆動信号に対する共振位相特性、
Ｂ：波節直角位相振動・振動振幅、
ωr：アクチュエータ駆動周波数≒１次共振周波数。
【００６５】
振動形状抽出手段１１では、式（２）で与えられる変位センサ出力Ｅk（ｋ＝１、２、・・・、８）、および、基準信号生成手段１０で生成されるアクチュエータ駆動周波数ωrに対応する正弦波信号ｓｉｎ（ωrt）および余弦波信号ｃｏｓ（ωrt）を入力として、半球共振器２に励起された１次共振モードの振動振幅Ａ、波腹方位角θr、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対する共振位相特性φr、および、半球共振器に励起された波節直角位相振動の振動振幅Ｂを抽出する。
【００６６】
具体的には、図４に示すように、第１の直交軸（図２におけるＸ−Ｙ直交軸）方向に配置された変位センサＳk（ｋ＝１、３、５、７）による変位センサ出力Ｅk（ｋ＝１、３、５、７）、および、第１の直交軸に対して角度計測軸１の回りに４５度位相がずれた第２の直交軸方向に配置された変位センサＳk（ｋ＝２、４、６、８）による変位センサ出力Ｅk（ｋ＝２、４、６、８）を、それぞれ第１の合成手段２０、および、第２の合成手段２１によって次式（３）で合成する。
【００６７】
【数３】
2015107704.tif 000005
【００６８】
次に、第１の合成手段２０からの出力ＥReを実数部とし、第２の合成手段２１からの出力ＥImを虚数部とする下記の式（４）で示す複素表現を求め、正弦波信号ｓｉｎ（ωrt）および余弦波信号ｃｏｓ（ωrt）と共に正方向回転座標変換手段２２、および、負方向回転座標変換手段２３に入力する。
【００６９】
【数４】
2015107704.tif 000006
【００７０】
正方向回転座標変換手段２２、および負方向回転座標変換手段２３では、式（４）で与えられる複素表現Ｅを、次式（５）を用いて、図５に示したアクチュエータ駆動周波数ωrに一致する回転速度で正負方向に回転する正方向回転座標系２８、および、負方向回転座標系２９による表現Ｅ+、Ｅ-に変換する。
【００７１】
【数５】
2015107704.tif 000007
【００７２】
式（５）で与えられる正方向回転座標系表現Ｅ+、および負方向回転座標系表現Ｅ-は、それぞれ正方向低周波抽出手段２４、および負方向低周波抽出手段２５によって、下式（６）で示される低周波成分ＥDC+，ＥDC-が抽出される。
【００７３】
【数６】
2015107704.tif 000008
【００７４】
また、位相特性抽出手段２６によって、低周波成分ＥDC+，ＥDC-から、下式（７）を用いて、半球共振器２に励起された１次共振モードのアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対する共振位相特性φrが算出される。
【００７５】
【数７】
2015107704.tif 000009
【００７６】
ただし、ここでは、実際の１次共振モードおよび波節直角位相振動の振動振幅が、下式（８）の関係となることを用いている。
【００７７】
【数８】
2015107704.tif 000010
【００７８】
更に、振動特性抽出手段２７において、正方向低周波抽出手段２４および負方向低周波抽出手段２５からの出力ＥDC+，ＥDC-（式（６）参照）、および、位相特性抽出手段２６から出力される共振位相特性φr（式（７）参照）に基づいて、下式（９）で示されるＥａ，Ｅｂを算出する。
【００７９】
【数９】
2015107704.tif 000011
【００８０】
振動特性抽出手段２７は、Ｅａ，Ｅｂを用いて、半球共振器２に励起された１次共振モードの波腹方位角θrを下式（１０）で算出し、振動振幅Ａを下式（１１）で算出し、波節直角位相振動の振動振幅Ｂを下式（１２）で算出する。
【００８１】
【数１０】
2015107704.tif 000012
【００８２】
【数１１】
2015107704.tif 000013
【００８３】
【数１２】
2015107704.tif 000014
【００８４】
図３に示す駆動周波数補正手段１２では、振動形状抽出手段１１から出力される共振位相特性φrに基づいて、アクチュエータ駆動周波数ωrが半球共振器２の１次共振周波数に一致するように補正する。
【００８５】
一般に、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）から、振動形状抽出手段１１で抽出される共振位相特性φrまでの位相関係は図６に示す通りである。すなわち、共振位相特性φrには、半球共振器２における真の半径方向吸引力から真の半径方向変位までの、アクチュエータ駆動周波数ωrに応じて０度から−１８０度まで変化する位相特性に加えて、アクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）における、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）から半球共振器２に対して作用する真の半径方向吸引力までの位相特性ΨD、および、変位センサＳk（ｋ＝１、２、・・・、８）における、半球共振器２における真の半径方向変位から変位センサ出力Ｅk（ｋ＝１、２、・・・、８）までの位相特性ΨSが存在する。
【００８６】
したがって、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対する半球共振器変位の周波数特性は、図７に示す通りとなる。すなわち、共振位相特性φrに関する位相特性３１は、アクチュエータ駆動周波数ωrに応じてΨD＋ΨSからΨD＋ΨS−１８０度まで変化し、かつ、半球共振器２の１次共振周波数３２においてΨD＋ΨS−９０度となる。
【００８７】
そこで、駆動周波数補正手段１２では、アクチュエータ駆動周波数ωrおけるアクチュエータ位相特性ΨD、および変位センサ位相特性ΨSを用いて、図８における共振位相特性指令φr*を下式（１３）に設定し、共振位相特性φrから共振位相特性指令φr*を減じた信号を積分器３３によって積分して、積分器３３の出力とアクチュエータ駆動周波数の初期値ωr0との加算値を求め、当該加算値によって、アクチュエータ駆動周波数ωrを制御している。
【００８８】
【数１３】
2015107704.tif 000015
【００８９】
これにより、
（ａ）アクチュエータ駆動周波数ωr＜半球共振器２の１次共振周波数３２
⇔    共振位相特性φr＞共振位相特性指令φr*の場合は、
アクチュエータ駆動周波数ωrが高周波側へシフトし、
（ｂ）アクチュエータ駆動周波数ωr＞半球共振器２の１次共振周波数３２
⇔    共振位相特性φr＜共振位相特性指令φr*の場合は、
アクチュエータ駆動周波数ωrが低周波側へシフトする。
【００９０】
そのため、
アクチュエータ駆動周波数ωr＝半球共振器２の１次共振周波数３２
⇔    共振位相特性φr＝共振位相特性指令φr*で、
駆動周波数補正手段１２が安定化し、半球共振器２における真の１次共振周波数３２を高精度にロックする。
【００９１】
図３に示す波節直角位相振動制御手段１３では、振動形状抽出手段１１から出力される波節直角位相振動の振動振幅Ｂおよび１次共振モードの波腹方位角θrに基づいて、波節直角位相振動を抑制するための複数のアクチュエータ直流駆動信号ｆNQj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を生成する。
【００９２】
具体的には、図９に示すように波節直角位相振動における振動振幅Ｂの符号反転値から、連続系伝達関数が下式（１４）で与えられるＰＩ制御器で構成した電気的剛性制御手段４０によって、波節直角位相振動を抑制するための電気的剛性補正指令ｕNQを生成する。
【００９３】
【数１４】
2015107704.tif 000016
【００９４】
ただし、ＫNQP：比例ゲイン、
ＫNQI：積分ゲインとする。
【００９５】
直流駆動電圧分配手段４１では、はじめに、電気的剛性補正指令ｕNQの符号、および振動形状抽出手段１１から出力される１次共振モードの波腹方位角θrに基づいて、電気的剛性補正指令ｕNQが正符号の場合には、図１０（ａ）に示すように波腹方位角θrに対して＋２２．５度位相がずれた直交軸方向を、負符号の場合には、図１０（ｂ）に示すように波腹方位角θrに対して−２２．５度位相がずれた直交軸方向を、半球共振器２に対する電気的剛性補正軸４２として設定する。次に、図１０の太線矢印で示したように、電気的剛性補正軸４２に沿って電気的剛性補正指令ｕNQの絶対値に対応する半径方向吸引力が半球共振器２に作用するように、下式（１５）〜（１８）に基づいてアクチュエータ直流駆動信号ｆNQj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を決定する。
ただし、ξ：ＸＹ平面第１象限に存在する電気的剛性補正軸４２が、Ｘ軸となす角度とする。
【００９６】
【数１５】
2015107704.tif 000017
【００９７】
【数１６】
2015107704.tif 000018
【００９８】
【数１７】
2015107704.tif 000019
【００９９】
【数１８】
2015107704.tif 000020
【０１００】
これは、電気的剛性補正軸４２の両側に配置された各１個のアクチュエータによって、電気的剛性補正指令ｕNQを実現することに対応しており、本構成によって現実の半球共振器２における不均一性を電気的に補正し、波節直角位相振動を抑制する。
【０１０１】
図３に示す共振制御手段１４では、振動形状抽出手段１１から出力される１次共振モードの振動振幅Ａおよび波腹方位角θrと、基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号ｃｏｓ（ωrt）とに基づいて、半球共振器２に励起された１次共振モードの振動振幅Ａを予め設定した一定値に制御し、かつ、１次共振モードの角度計測軸１の回りの自由な回転を実現するアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を生成する。
【０１０２】
具体的には、図１１に示すように、予め設定された一定値に設定した振動振幅指令Ａ*と、実際の振動振幅Ａとの振動振幅偏差とから、連続系伝達関数が下式（１９）で与えられるＰＩ制御器で構成した共振振幅制御手段５０によって振動振幅偏差を零とするような制御指令を算出し、当該制御指令と振動振幅指令Ａ*との加算値を、共振振幅指令ｕRESとする。
【０１０３】
【数１９】
2015107704.tif 000021
【０１０４】
ただし、ＫAP：比例ゲイン、
ＫAI：積分ゲインとする。
【０１０５】
更に、半球共振器２に励起された１次共振モードの波腹方位角θrをそのまま共振位相指令χとして、共振振幅指令ｕRES、共振位相指令χ、および、基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号ｃｏｓ（ωrｔ）を、交流駆動電圧分配手段５１に入力する。交流駆動電圧分配手段５１では、図１２の太線矢印で示したように、共振振幅指令ｕRESと余弦波信号ｃｏｓ（ωrｔ）で決定されるそれぞれ逆位相の半径方向吸引力ｕRES［ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］、および、ｕRES［−ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］が、共振位相指令χで規定される直交軸に沿って９０度間隔で交互に半球共振器２に対して作用するように、下式（２０）〜（２７）に基づいてアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を決定する。
【０１０６】
【数２０】
2015107704.tif 000022
【０１０７】
【数２１】
2015107704.tif 000023
【０１０８】
【数２２】
2015107704.tif 000024
【０１０９】
【数２３】
2015107704.tif 000025
【０１１０】
【数２４】
2015107704.tif 000026
【０１１１】
【数２５】
2015107704.tif 000027
【０１１２】
【数２６】
2015107704.tif 000028
【０１１３】
【数２７】
2015107704.tif 000029
【０１１４】
これは、共振位相指令χで規定される直交軸の両側に配置された各１個のアクチュエータによって、半径方向吸引力ｕRES［ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］、および、ｕRES［−ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］を実現することに対応しており、本構成によって１次共振モードの振動振幅Ａを予め設定された一定値に制御し、かつ角度計測軸１の回りの自由な回転を実現する。
【０１１５】
図３に示すアクチュエータ直流駆動信号ｆNQj（ｊ＝１、２、・・・、１６）、および、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）は、アクチュエータ駆動信号合成手段１６によって加算され、当該加算信号に基づいてアクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を制御する。このとき、振動形状抽出手段１１から出力される１次共振モードの波腹方位角θrに対して、角度スケールファクタ乗算手段１５で、予め設定された角度スケールファクタＫθを乗ずることで、角度計測軸１方向の回転角度θが検出される。
【０１１６】
このように、本発明の実施の形態１による半球共振型ジャイロにより、従来のフェーズ・ロックド・ループＰＬＬを使用せずに半球共振器２に励起された１次共振モード、および、波節直角位相振動の詳細な振動形状を抽出することができるため、半球共振型ジャイロの動作を常に安定化することが可能となる。また、半球共振器２の１次共振周波数３２に対する極めてスペクトル純度の高い動作と高位相分解能を実現することができるため、半球共振型ジャイロの角度検出分解能を向上させることが可能となる。
【０１１７】
更に、本発明の実施の形態１による半球共振型ジャイロによって、半球共振器２における真の１次共振周波数３２を高精度にロックすることが可能となるため、半球共振器２に対して効率的な１次共振モードの励起を実現するための、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）の位相特性を生成することが可能となる。また、１次共振モードの角度計測軸１の回りの自由な回転を実現するためのアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に関して、その生成に必要な制御演算量を低減することが可能となる。
【０１１８】
加えて、本発明の実施の形態１による半球共振型ジャイロによって、波節直角位相振動を抑制し、半球共振器２に対して１次共振モードのみが励起された状態を実現することができるため、半球共振型ジャイロで検出する回転角度のドリフトを抑制することが可能となる。
【０１１９】
なお、本発明の実施の形態１による半球共振型ジャイロでは、計１６個のアクチュエータ、および計８個の変位センサを適用し、その空間配置を図２に示す構成としたが、本発明はこれに限定するものではなく、アクチュエータに関しては半球共振器２に対する１次共振モードの励起と波節直角位相振動の抑制が実現できる構成であればよく、変位センサに関しては互いに４５度位相がずれた２組の直交軸方向について、半球共振器２の半径方向変位が検出できる構成であればよい。
【０１２０】
また、本発明の実施の形態１による半球共振型ジャイロでは、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）の生成に関して、アクチュエータ駆動周波数ωrの余弦波信号ｃｏｓ（ωrｔ）を適用したが、本発明はこれに限定するものではなく、対応する数式を適宜変更することにより、正弦波信号ｓｉｎ（ωrｔ）を適用してもよい。
【０１２１】
以上のように、本実施の形態１は、計測軸としての角度計測軸１に対して軸対称な半球形状を有し、角度計測軸１に対して垂直な平面において共振パターンを維持させるための半球共振器２と、半球共振器２を角度計測軸１を介して支持する上側ハウジング３および下側ハウジング４と、上側ハウジング３に対して角度計測軸回りに等間隔で配置され、半球共振器２に対して半径方向の吸引力を発生させる複数のアクチュエータＤjと、下側ハウジング４に対して角度計測軸回りに等間隔で配置され、半球共振器２の半径方向の変位を検出する複数の変位センサＳkと、アクチュエータＤjの駆動周波数に対応する正弦波信号および余弦波信号を生成する基準信号生成手段１０と、基準信号生成手段１０から出力される正弦波信号および余弦波信号と、複数の変位センサＳkから出力される半球共振器２の半径方向の変位とに基づいて、半球共振器２に励起された共振モードの振動振幅及び波腹方位角、アクチュエータＤjの交流駆動信号に対する共振位相特性、および、半球共振器２に励起された波節直角位相振動の振動振幅を抽出する振動形状抽出手段１１と、振動形状抽出手段１１から出力されるアクチュエータＤjの交流駆動信号に対する共振位相特性に基づいて、アクチュエータＤjの駆動周波数を半球共振器２の共振周波数に一致させる駆動周波数補正手段１２と、振動形状抽出手段１１から出力される波節直角位相振動の振動振幅および共振モードの波腹方位角に基づいて、波節直角位相振動を抑制するための複数のアクチュエータＤjの直流駆動信号を生成する波節直角位相振動制御手段１３と、振動形状抽出手段１１から出力される共振モードの振動振幅および波腹方位角と、基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号とに基づいて、半球共振器２に励起された共振モードの振動振幅を予め設定された一定値に制御し、かつ、共振モードの角度計測軸回りの自由な回転を実現するための複数のアクチュエータＤjの交流駆動信号を生成する共振制御手段１４とを備え、半球共振器２に励起された共振モードの波腹方位角から、半球共振器２の角度計測軸方向の回転角度を検出する半球共振型ジャイロである。
この構成により、従来のフェーズ・ロックド・ループＰＬＬを使用せずに半球共振器に励起された１次共振モード、および波節直角位相振動の詳細な振動形状を抽出することができるため、半球共振型ジャイロの動作を常に安定化し、半球共振器の１次共振周波数に対する極めてスペクトル純度の高い動作と高精度なロックが可能となる。
また、本構成に基づく振動形状抽出により、半球共振器の１次共振周波数に対して高位相分解能を実現することができ、半球共振型ジャイロの角度検出分解能を向上させることが可能となる。
更に、本構成によって半球共振器における真の１次共振周波数を高精度にロックすることが可能となるため、半球共振器に対して効率的な１次共振モードの励起を実現するための、アクチュエータ交流駆動信号の位相特性を生成することができる。
【０１２２】
また、本実施の形態においては、振動形状抽出手段１１が、角度計測軸１に直交する第１の直交軸方向に配置された変位センサＳkの出力を合成する第１の合成手段２０と、角度計測軸１に直交し、第１の直交軸に対して計測軸回りに４５度位相がずれた第２の直交軸方向に配置された変位センサＳkの出力を合成する第２の合成手段２１と、第１の合成手段２０からの出力を実数部として第２の合成手段２１からの出力を虚数部とする複素表現を、アクチュエータＤjの駆動周波数に一致する回転速度で正方向に回転する回転座標系による表現に変換する正方向回転座標変換手段２２と、第１の合成手段２０からの出力を実数部として第２の合成手段２１からの出力を虚数部とする複素表現を、アクチュエータＤjの駆動周波数に一致する回転速度で負方向に回転する回転座標系による表現に変換する負方向回転座標変換手段２３と、正方向回転座標変換手段２２の出力から予め設定された低周波成分を抽出する正方向低周波抽出手段２４と、負方向回転座標変換手段２３の出力から予め設定された低周波成分を抽出する負方向低周波抽出手段２５と、正方向低周波抽出手段２４および負方向低周波抽出手段２５の出力に基づいて、半球共振器２に励起された共振モードのアクチュエータＤjの交流駆動信号に対する共振位相特性を算出する位相特性抽出手段２６と、正方向低周波抽出手段２４および負方向低周波抽出手段２５の出力および位相特性抽出手段２６の出力に基づいて、半球共振器２に励起された共振モードの振動振幅及び波腹方位角、および、半球共振器２に励起された波節直角位相振動の振動振幅を抽出する振動特性抽出手段２７とを有している。
この構成により、従来のフェーズ・ロックド・ループＰＬＬを使用せずに半球共振器に励起された１次共振モード、および波節直角位相振動の詳細な振動形状を抽出することができるため、半球共振型ジャイロの動作を常に安定化し、更に半球共振器の１次共振周波数に対して極めてスペクトル純度の高い動作と、当該１次共振周波数に対する高位相分解能の実現により、半球共振型ジャイロの角度検出分解能を向上させることができる。
【０１２３】
また、本実施の形態においては、駆動周波数補正手段１２が、振動形状抽出手段１１から出力されるアクチュエータＤjの交流駆動信号に対する共振位相特性を、アクチュエータＤjの駆動周波数におけるアクチュエータ位相特性と、アクチュエータＤjの駆動周波数における変位センサ位相特性と、−９０度との合計値に固定するように、アクチュエータＤjの駆動周波数を制御する。
この構成により、半球共振器２における真の１次共振周波数を高精度にロックすることが可能となり、更に半球共振器２に対して効率的な１次共振モードの励起を実現するための、アクチュエータ交流駆動信号の位相特性を生成することができる。
【０１２４】
また、波節直角位相振動制御手段１３が、振動形状抽出手段１１から出力される波節直角位相振動の振動振幅に基づいて、波節直角位相振動を抑制するための電気的剛性補正指令を生成する電気的剛性制御手段４０と、電気的剛性制御手段４０から出力される電気的剛性補正指令の符号に応じて、前記符号が正符号の場合には共振モードの波腹方位角に対して＋２２．５度位相がずれた直交軸方向を、符号が負符号の場合には共振モードの波腹方位角に対して−２２．５度位相がずれた直交軸方向を、半球共振器２に対する電気的剛性補正軸とし、電気的剛性補正軸の両側に配置された各１個のアクチュエータＤjに対して、電気的剛性補正指令の絶対値に基づいてアクチュエータＤjの直流駆動信号を分配する直流駆動電圧分配手段４１とを有する。
この構成により、波節直角位相振動を抑制して、半球共振器に対して１次共振モードのみが励起された状態を実現することができるため、半球共振型ジャイロで検出する角度出力のドリフトを抑制することが可能となる。
【０１２５】
また、本実施の形態によれば、共振制御手段１４が、半球共振器２に励起された共振モードの振動振幅を一定値に制御する共振振幅指令を生成する共振振幅制御手段５０と、半球共振器２に励起された共振モードの波腹方位角を共振位相指令として、共振振幅指令、共振位相指令、および、基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号に基づいて、複数のアクチュエータＤjに対する交流駆動信号を分配する交流駆動電圧分配手段５１とを有する。
この構成により、半球共振器に対する効率的な１次共振モードの励起と、１次共振モードの角度計測軸回りの自由な回転を実現するための、アクチュエータ交流駆動信号を生成することが可能となる。
【０１２６】
また、本実施の形態によれば、共振制御手段１４の交流駆動電圧分配手段５１は、共振位相指令で規定される角度計測軸１に直交する直交軸の両側に配置された各１個のアクチュエータＤjに対して、共振振幅制御手段５０から出力される共振振幅指令および基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号に基づいて、アクチュエータＤjの交流駆動信号を分配する。
この構成により、半球共振器に対する所望の１次共振モード励起に関して、アクチュエータ交流駆動信号の生成に必要な制御演算量を低減することが可能となる。
【０１２７】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２による半球共振型ジャイロにおいて、半球共振型ジャイロの機械系構成に関する角度計測軸を含む平面に沿った断面図、および、角度計測軸に垂直な平面に沿った、半球共振器、アクチュエータ、変位センサの空間配置を示す簡略図は、実施の形態１の図１および図２と同一である。
【０１２８】
また、本発明の実施の形態２による半球共振型ジャイロにおいて、全体構成を示すブロック図、振動形状抽出手段１１の内部構成を示すブロック図、振動形状抽出手段１１において適用する正方向回転座標系２８、および、負方向回転座標系２９の概要を示す簡略図、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）から共振位相特性φrまでの位相関係の概要を示すブロック図、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対する半球共振器変位の周波数特性を示す簡略図、および、駆動周波数補正手段１２の内部構成を示すブロック図は、実施の形態１の図３、図４、図５、図６、図７、および図８と同一である。
【０１２９】
更に、本発明の実施の形態２による半球共振型ジャイロにおいて、波節直角位相振動制御手段１３の内部構成を示すブロック図、波節直角位相振動制御手段１３における動作の概要を示す簡略図、共振制御手段１４の内部構成を示すブロック図、および、共振制御手段１４における動作の概要を示す簡略図は、実施の形態１の図９、図１０、図１１、および図１２と同一である。
【０１３０】
従って、本実施の形態２においては、実施の形態１の図１〜図１２を参照し、ここでは、同一の構成については説明を省略し、以下では、実施の形態１と異なる動作について説明する。
【０１３１】
以下、本発明の実施の形態２に係る半球共振型ジャイロの動作について説明する。
【０１３２】
本発明の実施の形態２による半球共振型ジャイロの駆動周波数補正手段１２では、図７に示した共振位相特性φrに関する位相特性３１について、半球共振器の共振周波数３２に対して予め設定された一定の周波数だけアクチュエータ駆動周波数ωrを低く設定した場合の共振位相特性を、下式（２８）とし、
【数２８】
2015107704.tif 000030
半球共振器の共振周波数３２に対して予め設定された一定の周波数だけアクチュエータ駆動周波数ωrを高く設定した場合の共振位相特性を、下式（２９）として取得し、
【数２９】
2015107704.tif 000031
図８における共振位相特性指令φr*を、当該位相特性の平均値として、下式（３０）に設定する。
【数３０】
2015107704.tif 000032
【０１３３】
一般に、半球共振器２における１次共振特性のＱ値は非常に高く、位相特性３１は共振周波数３２の近傍で急峻に変化するため、アクチュエータ駆動周波数ωrを共振周波数３２に対して概略ア１Ｈｚ程度変化させることで、式（２８）および式（２９）を取得することができる。本構成により、アクチュエータ駆動周波数ωrにおけるアクチュエータ位相特性ΨD、および、変位センサ位相特性ΨSが不明でも、式（２８）および式（２９）で与えられる共振位相特性を特定することで、半球共振器２における真の１次共振周波数３２を高精度にロックすることが可能となる。
【０１３４】
次に、本発明の実施の形態２による半球共振型ジャイロの交流駆動電圧分配手段５１では、図１２の太線矢印で示したように、共振振幅指令ｕRESと余弦波信号ｃｏｓ（ωrｔ）で決定されるそれぞれ逆位相の半径方向吸引力ｕRES［ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］およびｕRES［−ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］が、共振位相指令χで規定される直交軸に沿って９０度間隔で交互に半球共振器２に対して作用するように、下式（３１）〜（３８）に基づいてアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を決定する。
【０１３５】
【数３１】
2015107704.tif 000033
【０１３６】
【数３２】
2015107704.tif 000034
【０１３７】
【数３３】
2015107704.tif 000035
【０１３８】
【数３４】
2015107704.tif 000036
【０１３９】
【数３５】
2015107704.tif 000037
【０１４０】
【数３６】
2015107704.tif 000038
【０１４１】
【数３７】
2015107704.tif 000039
【０１４２】
【数３８】
2015107704.tif 000040
【０１４３】
これは、各アクチュエータにおける発生吸引力のノルムが最小となるように、共振位相指令χで規定される直交軸の両側に配置された各２個のアクチュエータによって、半径方向吸引力ｕRES［ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］およびｕRES［−ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］を実現することに対応している。また、余弦波吸引力指令の平方根をアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）とすることで、アクチュエータとして発生吸引力が印加電圧の２乗に比例するような静電容量式アクチュエータを適用した場合において、より正確なアクチュエータ発生吸引力の制御を可能とする。
【０１４４】
このように、本発明の実施の形態２による半球共振型ジャイロにより、従来のフェーズ・ロックド・ループＰＬＬを使用せずに、半球共振器２に励起された１次共振モードおよび波節直角位相振動の詳細な振動形状を抽出することができるため、半球共振型ジャイロの動作を常に安定化することが可能となる。また、半球共振器２の１次共振周波数３２に対する極めてスペクトル純度の高い動作と高位相分解能を実現することができるため、半球共振型ジャイロの角度検出分解能を向上させることが可能となる。
【０１４５】
更に、本発明の実施の形態２による半球共振型ジャイロによって、アクチュエータ駆動周波数ωrにおけるアクチュエータ位相特性ΨD、および変位センサ位相特性ΨSが不明でも、半球共振器２における真の１次共振周波数３２を高精度にロックすることが可能となるため、半球共振器２に対して効率的な１次共振モードの励起を実現するための、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）の位相特性を生成することが可能となる。また、１次共振モードの角度計測軸１の回りの自由な回転を実現するためのアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に関して、アクチュエータとして発生吸引力が印加電圧の２乗に比例するような静電容量式アクチュエータを適用した場合において、各アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）の印加電圧レベルを低減すると共に、より正確なアクチュエータ発生吸引力の制御が可能となる。
【０１４６】
加えて、本発明の実施の形態２による半球共振型ジャイロによって、波節直角位相振動を抑制し、半球共振器２に対して１次共振モードのみが励起された状態を実現することができるため、半球共振型ジャイロで検出する回転角度のドリフトを抑制することが可能となる。
【０１４７】
なお、本発明の実施の形態２による半球共振型ジャイロでは、計１６個のアクチュエータ、および計８個の変位センサを適用し、その空間配置を図２に示す構成としたが、本発明はこれに限定するものではなく、アクチュエータに関しては半球共振器２に対する１次共振モードの励起と波節直角位相振動の抑制が実現できる構成であればよく、変位センサに関しては互いに４５度位相がずれた２組の直交軸方向について、半球共振器２の半径方向変位が検出できる構成であればよい。
【０１４８】
また、本発明の実施の形態２による半球共振型ジャイロでは、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）の生成に関して、アクチュエータ駆動周波数ωrの余弦波信号ｃｏｓ（ωrｔ）を適用したが、本発明はこれに限定するものではなく、対応する数式を適宜変更することにより、正弦波信号ｓｉｎ（ωrｔ）を適用してもよい。
【０１４９】
以上のように、本実施の形態２によれば、上記の実施の形態１と同様の効果が得られる。
【０１５０】
さらに、本実施の形態によれば、駆動周波数補正手段１２は、振動形状抽出手段１１から出力されるアクチュエータＤjの交流駆動信号に対する共振位相特性を、半球共振器２の共振周波数に対して予め設定された周波数だけアクチュエータＤjの駆動周波数を低く設定した場合の共振位相特性と、半球共振器２の共振周波数に対して予め設定された周波数だけアクチュエータＤjの駆動周波数を高く設定した場合の共振位相特性との平均値に固定するように、アクチュエータＤjの駆動周波数を制御する。
この構成により、アクチュエータ駆動周波数におけるアクチュエータ位相特性、および変位センサ位相特性が不明でも、半球共振器における真の１次共振周波数を高精度にロックすることが可能となり、更に半球共振器に対して効率的な１次共振モードの励起を実現するための、アクチュエータ交流駆動信号の位相特性を生成することができる。
【０１５１】
また、本実施の形態によれば、共振制御手段１４の交流駆動電圧分配手段５１は、共振位相指令で規定される直交軸の両側に配置された各２個のアクチュエータＤjに対して、アクチュエータＤjの発生吸引力のノルムが最小となるように、共振振幅制御手段５０から出力される共振振幅指令および基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号に基づいて余弦波吸引力指令を算出し、余弦波吸引力指令の平方根を、アクチュエータＤjの交流駆動信号として分配する。
この構成により、アクチュエータとして発生吸引力が印加電圧の２乗に比例するような静電容量式アクチュエータを適用した場合において、半球共振器に対する所望の１次共振モード励起に関して、各アクチュエータ交流駆動信号の印加電圧レベルを低減すると共に、より正確なアクチュエータ発生吸引力の制御が可能となる。
【０１５２】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３による半球共振型ジャイロにおいて、半球共振型ジャイロの機械系構成に関する角速度計測軸を含む平面に沿った断面図、および、角速度計測軸に垂直な平面に沿った、半球共振器、アクチュエータ、変位センサの空間配置を示す簡略図は、実施の形態１の図１および図２と同一である。
【０１５３】
また、本発明の実施の形態３による半球共振型ジャイロにおいて、振動形状抽出手段１１の内部構成を示すブロック図、振動形状抽出手段１１において適用する正方向回転座標系２８、および負方向回転座標系２９の概要を示す簡略図、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）から共振位相特性φrまでの位相関係の概要を示すブロック図、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対する半球共振器変位の周波数特性を示す簡略図、および、駆動周波数補正手段１２の内部構成を示すブロック図は、実施の形態１の図４、図５、図６、図７、および図８と同一である。
【０１５４】
更に、本発明の実施の形態３による半球共振型ジャイロにおいて、波節直角位相振動制御手段１３の内部構成を示すブロック図、波節直角位相振動制御手段１３における動作の概要を示す簡略図、および、共振制御手段１４における動作の概要を示す簡略図は、実施の形態１の図９、図１０、および、図１２と同一である。
【０１５５】
従って、本実施の形態３においては、実施の形態１の図１、図２、図４〜図１０、および、図１２を参照し、ここでは、同一の構成については説明を省略し、以下では、実施の形態１と異なる構成および動作について説明する。
【０１５６】
以下、本発明の実施の形態３に係る半球共振型ジャイロについて説明する。
【０１５７】
図１３は、本発明の実施の形態３による半球共振型ジャイロの全体構成を示すブロック図である。図１３の構成と実施の形態１で示した図３の構成との大きな違いは、図１３においては、角度スケールファクタ乗算手段１５が設けられていない点である。従って、実施の形態３による半球共振型ジャイロは、図１３に示したように、半球共振器２、アクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）、変位センサＳk（ｋ＝１、２、・・・、８）、基準信号生成手段１０、振動形状抽出手段１１、駆動周波数補正手段１２、波節直角位相振動制御手段１３、共振制御手段１４、および、アクチュエータ駆動信号合成手段１６を備えている。
【０１５８】
図１３に示したように、本実施の形態３による半球共振型ジャイロでは、まず、基準信号生成手段１０によって、アクチュエータ駆動周波数ωrに対応する正弦波信号ｓｉｎ（ωrt）および余弦波信号ｃｏｓ（ωrt）を生成する。
【０１５９】
振動形状抽出手段１１では、基準信号生成手段１０から出力される正弦波信号ｓｉｎ（ωrt）および余弦波信号ｃｏｓ（ωrt）と、複数の変位センサＳk（ｋ＝１、２、・・・、８）から出力される変位センサ出力Ｅk（ｋ＝１、２、・・・、８）とに基づいて、半球共振器２に励起された１次共振モードの振動振幅Ａ、波腹方位角θr、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対する共振位相特性φr、および、半球共振器に励起された波節直角位相振動の振動振幅Ｂを抽出する。
【０１６０】
駆動周波数補正手段１２では、振動形状抽出手段１１から出力されるアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対する共振位相特性φrに基づいて、アクチュエータ駆動周波数ωrを半球共振器２の共振周波数に一致させる。
【０１６１】
波節直角位相振動制御手段１３では、振動形状抽出手段１１から出力される波節直角位相振動の振動振幅Ｂおよび１次共振モードの波腹方位角θrに基づいて、波節直角位相振動を抑制するための複数のアクチュエータ直流駆動信号ｆNQj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を生成する。
【０１６２】
共振制御手段１４では、振動形状抽出手段１１から出力される１次共振モードの振動振幅Ａおよび波腹方位角θrと、基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号ｃｏｓ（ωrt）とに基づいて、半球共振器２に励起された１次共振モードに関して振動振幅Ａおよび波腹方位角θrの双方を、予め設定された一定形状に制御するための複数のアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を生成する。
【０１６３】
こうして波節直角位相振動制御手段１３から出力される複数のアクチュエータ直流駆動信号ｆNQj（ｊ＝１、２、・・・、１６）と、共振制御手段１４から出力される複数のアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）とは、アクチュエータ駆動信号合成手段１６によって加算され、加算信号として出力される。当該加算信号に基づいてアクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を制御することで、アクチュエータ直流駆動信号ｆNQj（ｊ＝１、２、・・・、１６）によって半球共振器２上に１次共振モードのみが励起された状態を実現し、更にアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）によって１次共振モードを予め設定された一定形状に制御する。
【０１６４】
このとき、共振制御手段１４において、波腹方位角θrを一定角度に維持するための制御指令は、角速度計測軸１方向の回転角速度ωに比例するため、当該制御指令に対して予め設定された角速度スケールファクタを乗ずることで、角速度計測軸１方向の回転角速度ωを検出することができる。
【０１６５】
図１４は、本発明の実施の形態３による半球共振型ジャイロにおいて、共振制御手段１４の内部構成を示すブロック図である。図１４に示したように、この実施の形態３による半球共振型ジャイロの共振制御手段１４は、共振振幅制御手段５０と、交流駆動電圧分配手段５１と、共振位相制御手段５２と、角速度スケールファクタ乗算手段５３とを備えている。
【０１６６】
図１４に示すように、本実施の形態３による半球共振型ジャイロの共振制御手段１４では、振動形状抽出手段１１から出力される半球共振器２に励起された１次共振モードの振動振幅Ａと、予め一定値に設定された振動振幅指令Ａ*との振動振幅偏差が、共振振幅制御手段５０に入力される。
【０１６７】
共振振幅制御手段５０では、振動振幅偏差を零とするような制御指令を算出し、当該制御指令と振動振幅指令Ａ*との加算値を共振振幅指令ｕRESとして交流駆動電圧分配手段５１に対して出力する。
【０１６８】
一方、振動形状抽出手段１１から出力される半球共振器２に励起された１次共振モードの波腹方位角θrと、予め一定角度に設定された波腹方位角指令θr*との波腹方位角偏差が、共振位相制御手段５２に入力される。
【０１６９】
共振位相制御手段５２では、波腹方位角偏差を零とするような制御指令を算出し、当該制御指令と波腹方位角指令θr*との加算値を共振位相指令χとして交流駆動電圧分配手段５１に対して出力する。
【０１７０】
交流駆動電圧分配手段５１では、共振振幅指令ｕRES、共振位相指令χ、および、基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号ｃｏｓ（ωrｔ）に基づいて、アクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対するアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を分配する。このとき、共振位相制御手段５２から出力される制御指令は、角速度計測軸１方向の回転角速度ωに比例するため、当該制御指令に対して角速度スケールファクタ乗算手段５３により、予め設定された角速度スケールファクタＫωを乗ずることで、角速度計測軸１方向の回転角速度ωを検出することができる。
【０１７１】
特に、本発明の実施の形態３による交流駆動電圧分配手段５１では、図１２において太線矢印で示したように、共振振幅指令ｕRESと余弦波信号ｃｏｓ（ωrｔ）とで決定されるそれぞれ逆位相の半径方向吸引力ｕRES［ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］、ｕRES［−ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］が、共振位相指令χで規定される直交軸に沿って９０度間隔で交互に半球共振器２に対して作用するように、当該直交軸の両側に配置された各２個のアクチュエータに対して、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）のノルムが最小となるように分配する構成としている。
【０１７２】
次に、本発明の実施の形態３による半球共振型ジャイロの動作について説明する。
【０１７３】
本発明の実施の形態３による半球共振型ジャイロでは、図１に示す半球共振器２の対称軸（Ｚ軸）が、角速度計測軸１となる。
【０１７４】
半球共振器２に励起された１次共振モードおよび波節直角位相振動による半径方向変位は、図１３に示すように変位センサＳk（ｋ＝１、２、・・・、８）によって検出され、このときの変位センサ出力Ｅk（ｋ＝１、２、・・・、８）は、式（２）で与えられる。
【０１７５】
図１３において、基準信号生成手段１０、振動形状抽出手段１１、および、波節直角位相振動制御手段１３の構成および動作は、実施の形態１による半球共振型ジャイロのものと同一であり、駆動周波数補正手段１２の構成および動作は、実施の形態２による半球共振型ジャイロのものと同一である。従って、これらの構成については、説明を省略する。
【０１７６】
図１３に示す共振制御手段１４では、振動形状抽出手段１１から出力される１次共振モードの振動振幅Ａおよび波腹方位角θrと、基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号ｃｏｓ（ωrt）とに基づいて、半球共振器２に励起された１次共振モードに関して振動振幅Ａ及び波腹方位角θrの双方を、予め設定された一定形状に制御するためのアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を生成する。
【０１７７】
具体的には、図１４に示すように、まず、予め一定値に設定した振動振幅指令Ａ*と、実際の振動振幅Ａとの振動振幅偏差から、連続系伝達関数が式（１９）で与えられるＰＩ制御器で構成した共振振幅制御手段５０によって、振動振幅偏差を零とするような制御指令を算出し、当該制御指令と振動振幅指令Ａ*との加算値を、共振振幅指令ｕRESとする。
【０１７８】
また、予め一定角度に設定した波腹方位角指令２θr*と、実際の波腹方位角２θrとの波腹方位角偏差から、連続系伝達関数が、下式（３９）で与えられるＰＩ制御器で構成した共振位相制御手段５２によって、波腹方位角偏差を零とするような制御指令を算出し、当該制御指令と波腹方位角指令２θr*との加算値を、共振位相指令２χとする。
【０１７９】
【数３９】
2015107704.tif 000041
【０１８０】
ただし、ＫθP：比例ゲイン、
ＫθI：積分ゲインとする。
【０１８１】
交流駆動電圧分配手段５１では、共振振幅指令ｕRES、共振位相指令２χ、および、基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号ｃｏｓ（ωrｔ）に基づいて、図１２の太線矢印で示したように、共振振幅指令ｕRESと余弦波信号ｃｏｓ（ωrｔ）で決定されるそれぞれ逆位相の半径方向吸引力ｕRES［ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］およびｕRES［−ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］が、共振位相指令χで規定される直交軸に沿って９０度間隔で交互に半球共振器２に対して作用するように、下式（４０）〜（４７）に基づいてアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を決定する。
【０１８２】
【数４０】
2015107704.tif 000042
【０１８３】
【数４１】
2015107704.tif 000043
【０１８４】
【数４２】
2015107704.tif 000044
【０１８５】
【数４３】
2015107704.tif 000045
【０１８６】
【数４４】
2015107704.tif 000046
【０１８７】
【数４５】
2015107704.tif 000047
【０１８８】
【数４６】
2015107704.tif 000048
【０１８９】
【数４７】
2015107704.tif 000049
【０１９０】
これは、各アクチュエータにおける発生吸引力のノルムが最小となるように、共振位相指令χで規定される直交軸の両側に配置された各２個のアクチュエータによって、半径方向吸引力ｕRES［ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］およびｕRES［−ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］を実現することに対応しており、本構成によって１次共振モードを予め設定した一定形状に制御する。
【０１９１】
図１３に示すアクチュエータ直流駆動信号ｆNQj（ｊ＝１、２、・・・、１６）およびアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）は、アクチュエータ駆動信号合成手段１６によって加算され、当該加算信号に基づいてアクチュエータＤj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を制御する。このとき、共振位相制御手段５２から出力される制御指令に対して、角速度スケールファクタ乗算手段５３により、予め設定された角速度スケールファクタＫωを乗ずることで、角速度計測軸１方向の回転角速度ωが検出される。
【０１９２】
このように、本発明の実施の形態３による半球共振型ジャイロにより、従来のフェーズ・ロックド・ループＰＬＬを使用せずに、半球共振器２に励起された１次共振モードおよび波節直角位相振動の詳細な振動形状を抽出することができるため、半球共振型ジャイロの動作を常に安定化することが可能となる。また、半球共振器２の１次共振周波数３２に対する極めてスペクトル純度の高い動作と高位相分解能を実現することができるため、半球共振型ジャイロの角速度検出分解能を向上させることが可能となる。
【０１９３】
更に、本発明の実施の形態３による半球共振型ジャイロによって、アクチュエータ駆動周波数ωrにおけるアクチュエータ位相特性ΨD、および変位センサ位相特性ΨSが不明でも、半球共振器２における真の１次共振周波数３２を高精度にロックすることが可能となるため、半球共振器２に対して効率的な１次共振モードの励起を実現するための、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）の位相特性を生成することが可能となる。また、１次共振モードに関して振動振幅Ａ、波腹方位角θrの双方を予め設定された一定形状（一定値および一定角度）に制御するためのアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）について、各アクチュエータに対する印加電圧レベルを低減することが可能となる。
【０１９４】
加えて、本発明の実施の形態３による半球共振型ジャイロによって、波節直角位相振動を抑制し、半球共振器２に対して１次共振モードのみが励起された状態を実現することができるため、半球共振型ジャイロで検出する回転角速度のドリフトを抑制することが可能となる。
【０１９５】
なお、本発明の実施の形態３による半球共振型ジャイロでは、計１６個のアクチュエータ、および計８個の変位センサを適用し、その空間配置を図２に示す構成としたが、本発明はこれに限定するものではなく、アクチュエータに関しては半球共振器２に対する１次共振モードの励起と波節直角位相振動の抑制が実現できる構成であればよく、変位センサに関しては互いに４５度位相がずれた２組の直交軸方向について、半球共振器２の半径方向変位が検出できる構成であればよい。
【０１９６】
また、本発明の実施の形態３による半球共振型ジャイロでは、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）の生成に関して、アクチュエータ駆動周波数ωrの余弦波信号ｃｏｓ（ωrｔ）を適用したが、本発明はこれに限定するものではなく、対応する数式を適宜変更することにより、正弦波信号ｓｉｎ（ωrｔ）を適用してもよい。
【０１９７】
以上のように、本実施の形態３によれば、計測軸としての角速度計測軸１に対して軸対称な半球形状を有し、角速度計測軸１に対して垂直な平面において共振パターンを維持させるための半球共振器２と、半球共振器２を角速度計測軸１を介して支持する上側ハウジング３および下側ハウジング４と、上側ハウジング３に対して角速度計測軸回りに等間隔で配置され、半球共振器２に対して半径方向の吸引力を発生させる複数のアクチュエータＤjと、下側ハウジング４に対して角速度計測軸回りに等間隔で配置され、半球共振器２の半径方向の変位を検出する複数の変位センサＳkと、アクチュエータＤjの駆動周波数に対応する正弦波信号および余弦波信号を生成する基準信号生成手段１０と、基準信号生成手段１０から出力される正弦波信号および余弦波信号と、複数の変位センサＳkから出力される半球共振器２の半径方向の変位とに基づいて、半球共振器２に励起された共振モードの振動振幅及び波腹方位角、アクチュエータＤjの交流駆動信号に対する共振位相特性、および、半球共振器２に励起された波節直角位相振動の振動振幅を抽出する振動形状抽出手段１１と、振動形状抽出手段１１から出力されるアクチュエータＤjの交流駆動信号に対する共振位相特性に基づいて、アクチュエータＤjの駆動周波数を半球共振器２の共振周波数に一致させる駆動周波数補正手段１２と、振動形状抽出手段１１から出力される波節直角位相振動の振動振幅および共振モードの波腹方位角に基づいて、波節直角位相振動を抑制するための複数のアクチュエータＤjの直流駆動信号を生成する波節直角位相振動制御手段１３と、振動形状抽出手段１１から出力される共振モードの振動振幅および波腹方位角と、基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号とに基づいて、半球共振器２に励起された共振モードの振動振幅及び波腹方位角の双方を予め設定された一定値及び一定角度に制御するための複数のアクチュエータＤjの交流駆動信号を生成する共振制御手段１４とを備え、共振制御手段１４における波腹方位角を一定角度に維持するための制御指令から、半球共振器２の角速度計測軸方向の回転角速度を検出する。
この構成により、従来のフェーズ・ロックド・ループＰＬＬを使用せずに半球共振器に励起された１次共振モード、および波節直角位相振動の詳細な振動形状を抽出することができるため、半球共振型ジャイロの動作を常に安定化し、半球共振器の１次共振周波数に対する極めてスペクトル純度の高い動作と高精度なロックが可能となる。
また、本構成に基づく振動形状抽出により、半球共振器の１次共振周波数に対して高位相分解能を実現することができ、半球共振型ジャイロの角速度検出分解能を向上させることが可能となる。
更に、本構成によって半球共振器における真の１次共振周波数を高精度にロックすることが可能となるため、半球共振器に対して効率的な１次共振モードの励起を実現するための、アクチュエータ交流駆動信号の位相特性を生成することができる。
【０１９８】
また、本実施の形態によれば、共振制御手段１４は、半球共振器２に励起された共振モードの振動振幅を一定値に制御する共振振幅指令を生成する共振振幅制御手段５０と、半球共振器２に励起された共振モードの波腹方位角を一定角度に制御する共振位相指令を生成する共振位相制御手段５２と、共振振幅指令、共振位相指令、および、基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号に基づいて、複数のアクチュエータＤjに対する交流駆動信号を分配する交流駆動電圧分配手段５１とを有する。
この構成により、半球共振器に対する効率的な１次共振モードの励起と、１次共振モードに関して振動振幅、波腹方位角の双方を予め設定された一定形状に制御するための、アクチュエータ交流駆動信号を生成することが可能となる。
【０１９９】
また、本実施の形態によれば、共振制御手段１４の交流駆動電圧分配手段５１は、共振位相指令で規定される角速度計測軸１に直交する直交軸の両側に配置された各２個のアクチュエータＤjに対して、アクチュエータＤjの駆動電圧のノルムが最小となるように、共振振幅制御手段５０から出力される共振振幅指令および基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号に基づいてアクチュエータＤjの交流駆動信号を分配する。
この構成により、半球共振器に対する所望の１次共振モード励起に関して、各アクチュエータ交流駆動信号の印加電圧レベルを低減することが可能となる。
【０２００】
また、上記の実施の形態１、２と同じ構成については、実施の形態１、２で上述した効果が得られることは言うまでもない。
【０２０１】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４による半球共振型ジャイロにおいて、半球共振型ジャイロの機械系構成に関する角速度計測軸を含む平面に沿った断面図、および、角速度計測軸に垂直な平面に沿った、半球共振器、アクチュエータ、変位センサの空間配置を示す簡略図は、実施の形態１の図１および図２と同一である。
【０２０２】
また、本発明の実施の形態４による半球共振型ジャイロにおいて、全体構成を示すブロック図は実施の形態３の図１３と同一であり、振動形状抽出手段１１の内部構成を示すブロック図、振動形状抽出手段１１において適用する正方向回転座標系２８、および負方向回転座標系２９の概要を示す簡略図、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）から共振位相特性φrまでの位相関係の概要を示すブロック図、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）に対する半球共振器変位の周波数特性を示す簡略図、および駆動周波数補正手段１２の内部構成を示すブロック図は、実施の形態１の図４、図５、図６、図７、および、図８と同一である。
【０２０３】
更に、本発明の実施の形態４による半球共振型ジャイロにおいて、波節直角位相振動制御手段１３の内部構成を示すブロック図、波節直角位相振動制御手段１３における動作の概要を示す簡略図、および共振制御手段１４における動作の概要を示す簡略図は、実施の形態１の図９、図１０、および、図１２と同一であり、共振制御手段１４の内部構成を示すブロック図は、実施の形態３の図１４と同一である。
【０２０４】
従って、本実施の形態４においては、実施の形態１の図１、図２、図４〜図１０および図１２、並びに、実施の形態３の図１４を参照し、ここでは、同一の構成については説明を省略し、以下では、実施の形態１および３と異なる動作について説明する。
【０２０５】
以下、本発明の実施の形態４に係る半球共振型ジャイロの動作について説明する。
本発明の実施の形態４による半球共振型ジャイロでは、図１に示す半球共振器２の対称軸（Ｚ軸）が、角速度計測軸１となる。
【０２０６】
図１３において、基準信号生成手段１０、振動形状抽出手段１１、駆動周波数補正手段１２、および波節直角位相振動制御手段１３の構成および動作は、実施の形態１による半球共振型ジャイロのものと同一であり、共振制御手段１４の構成は、実施の形態３による半球共振型ジャイロのものと同一である。
【０２０７】
本発明の実施の形態４による半球共振型ジャイロの交流駆動電圧分配手段５１では、図１２の太線矢印で示したように、共振振幅指令ｕRESと余弦波信号ｃｏｓ（ωrｔ）で決定されるそれぞれ逆位相の半径方向吸引力ｕRES［ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］、および、ｕRES［−ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］が、共振位相指令χで規定される直交軸に沿って９０度間隔で交互に半球共振器２に対して作用するように、下式（４８）〜（５５）に基づいてアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）を決定する。
【０２０８】
【数４８】
2015107704.tif 000050
【０２０９】
【数４９】
2015107704.tif 000051
【０２１０】
【数５０】
2015107704.tif 000052
【０２１１】
【数５１】
2015107704.tif 000053
【０２１２】
【数５２】
2015107704.tif 000054
【０２１３】
【数５３】
2015107704.tif 000055
【０２１４】
【数５４】
2015107704.tif 000056
【０２１５】
【数５５】
2015107704.tif 000057
【０２１６】
これは、共振位相指令χで規定される直交軸の両側に配置された各１個のアクチュエータによって、半径方向吸引力ｕRES［ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］およびｕRES［−ｃｏｓ（ωrｔ）＋１］を実現することに対応している。また、余弦波吸引力指令の平方根をアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）とすることで、アクチュエータとして発生吸引力が印加電圧の２乗に比例するような静電容量式アクチュエータを適用した場合において、より正確なアクチュエータ発生吸引力の制御を可能とする。
【０２１７】
このように、本発明の実施の形態４による半球共振型ジャイロにより、従来のフェーズ・ロックド・ループＰＬＬを使用せずに、半球共振器２に励起された１次共振モードおよび波節直角位相振動の詳細な振動形状を抽出することができるため、半球共振型ジャイロの動作を常に安定化することが可能となる。また、半球共振器２の１次共振周波数３２に対する極めてスペクトル純度の高い動作と高位相分解能を実現することができるため、半球共振型ジャイロの角速度検出分解能を向上させることが可能となる。
【０２１８】
更に、本発明の実施の形態４による半球共振型ジャイロによって、半球共振器２における真の１次共振周波数３２を高精度にロックすることが可能となるため、半球共振器２に対して効率的な１次共振モードの励起を実現するための、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）の位相特性を生成することが可能となる。また、１次共振モードに関して振動振幅Ａ、波腹方位角θrの双方を予め設定された一定形状（一定値および一定角度）に制御するためのアクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）について、アクチュエータとして発生吸引力が印加電圧の２乗に比例するような静電容量式アクチュエータを適用した場合において、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）の生成に必要な制御演算量を低減すると共に、より正確なアクチュエータ発生吸引力の制御が可能となる。
【０２１９】
加えて、本発明の実施の形態４による半球共振型ジャイロによって、波節直角位相振動を抑制し、半球共振器２に対して１次共振モードのみが励起された状態を実現することができるため、半球共振型ジャイロで検出する回転角速度のドリフトを抑制することが可能となる。
【０２２０】
なお、本発明の実施の形態４による半球共振型ジャイロでは、計１６個のアクチュエータ、および計８個の変位センサを適用し、その空間配置を図２に示す構成としたが、本発明はこれに限定するものではなく、アクチュエータに関しては半球共振器２に対する１次共振モードの励起と波節直角位相振動の抑制が実現できる構成であればよく、変位センサに関しては互いに４５度位相がずれた２組の直交軸方向について、半球共振器２の半径方向変位が検出できる構成であればよい。
【０２２１】
また、本発明の実施の形態４による半球共振型ジャイロでは、アクチュエータ交流駆動信号ｆRESj（ｊ＝１、２、・・・、１６）の生成に関して、アクチュエータ駆動周波数ωrの余弦波信号ｃｏｓ（ωrｔ）を適用したが、本発明はこれに限定するものではなく、対応する数式を適宜変更することにより、正弦波信号ｓｉｎ（ωrｔ）を適用してもよい。
【０２２２】
以上のように、本実施の形態４によれば、上記の実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
【０２２３】
さらに、本実施の形態によれば、共振制御手段１４の交流駆動電圧分配手段５１が、共振位相指令で規定される直交軸の両側に配置された各１個のアクチュエータＤjに対して、共振振幅制御手段５０から出力される共振振幅指令および基準信号生成手段１０から出力される余弦波信号に基づいた余弦波吸引力指令の平方根を、アクチュエータＤjの交流駆動信号として分配する。
この構成により、アクチュエータとして発生吸引力が印加電圧の２乗に比例するような静電容量式アクチュエータを適用した場合において、半球共振器に対する所望の１次共振モード励起に関して、アクチュエータ交流駆動信号の生成に必要な制御演算量を低減すると共に、より正確なアクチュエータ発生吸引力の制御が可能となる。
【０２２４】
また、上記の実施の形態１，２と同じ構成については、実施の形態１，２で上述した効果と同じ効果が得られることは言うまでもない。
【図１】
2015107704.tif 000058
【図２】
2015107704.tif 000059
【図３】
2015107704.tif 000060
【図４】
2015107704.tif 000061
【図５】
2015107704.tif 000062
【図６】
2015107704.tif 000063
【図７】
2015107704.tif 000064
【図８】
2015107704.tif 000065
【図９】
2015107704.tif 000066
【図１０】
2015107704.tif 000067
【図１１】
2015107704.tif 000068
【図１２】
2015107704.tif 000069
【図１３】
2015107704.tif 000070
【図１４】
2015107704.tif 000071
【手続補正書】
【提出日】平成28年1月22日(2016.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
本発明は、計測軸としての角度計測軸に対して軸対称な半球形状を有し、前記角度計測軸に対して垂直な平面において共振パターンを維持させるための半球共振器と、前記半球共振器に対して前記角度計測軸回りに配置され、前記半球共振器に対して半径方向の吸引力を発生させる複数のアクチュエータと、前記半球共振器に対して前記角度計測軸回りに配置され、前記半球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、複数の前記変位センサから出力される前記半球共振器の半径方向の前記変位に基づいて、前記計測軸まわりに互いに４５度ずれた位置に配置された前記変位センサの出力をそれぞれ実数部および虚数部として得られる複素表現を前記アクチュエータの駆動周波数に一致する回転速度で回転する回転座標系の表現に変換したものから所定の低周波成分を求め、前記低周波成分から前記半球共振器に励起された共振モードの振動振幅及び波腹方位角、前記アクチュエータの交流駆動信号に対する共振位相特性、および、前記半球共振器に励起された波節直角位相振動の振動振幅を抽出する振動形状抽出手段と、前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性に基づいて、前記アクチュエータの前記駆動周波数を前記半球共振器の共振周波数に一致させる駆動周波数補正手段と、前記振動形状抽出手段から出力される前記波節直角位相振動の前記振動振幅および前記共振モードの前記波腹方位角に基づいて、前記波節直角位相振動を抑制するための複数の前記アクチュエータの直流駆動信号を生成する波節直角位相振動制御手段と、前記振動形状抽出手段から出力される前記共振モードの前記振動振幅および前記波腹方位角に基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅を予め設定された一定値に制御し、かつ、前記共振モードの前記角度計測軸回りの自由な回転を実現するための複数の前記アクチュエータの前記交流駆動信号を生成する共振制御手段とを備え、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記波腹方位角から、前記半球共振器の前記角度計測軸方向の回転角度を検出する半球共振型ジャイロである。
【手続補正２】
【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】
計測軸としての角度計測軸に対して軸対称な半球形状を有し、前記角度計測軸に対して垂直な平面において共振パターンを維持させるための半球共振器と、
前記半球共振器に対して前記角度計測軸回りに配置され、前記半球共振器に対して半径方向の吸引力を発生させる複数のアクチュエータと、
前記半球共振器に対して前記角度計測軸回りに配置され、前記半球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、
複数の前記変位センサから出力される前記半球共振器の半径方向の前記変位に基づいて、前記計測軸まわりに互いに４５度ずれた位置に配置された前記変位センサの出力をそれぞれ実数部および虚数部として得られる複素表現を前記アクチュエータの駆動周波数に一致する回転速度で回転する回転座標系の表現に変換したものから所定の低周波成分を求め、前記低周波成分から前記半球共振器に励起された共振モードの振動振幅及び波腹方位角、前記アクチュエータの交流駆動信号に対する共振位相特性、および、前記半球共振器に励起された波節直角位相振動の振動振幅を抽出する振動形状抽出手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性に基づいて、前記アクチュエータの前記駆動周波数を前記半球共振器の共振周波数に一致させる駆動周波数補正手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記波節直角位相振動の前記振動振幅および前記共振モードの前記波腹方位角に基づいて、前記波節直角位相振動を抑制するための複数の前記アクチュエータの直流駆動信号を生成する波節直角位相振動制御手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記共振モードの前記振動振幅および前記波腹方位角に基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅を予め設定された一定値に制御し、かつ、前記共振モードの前記角度計測軸回りの自由な回転を実現するための複数の前記アクチュエータの前記交流駆動信号を生成する共振制御手段と
を備え、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記波腹方位角から、前記半球共振器の前記角度計測軸方向の回転角度を検出する
半球共振型ジャイロ。
【請求項２】
計測軸としての角速度計測軸に対して軸対称な半球形状を有し、前記角速度計測軸に対して垂直な平面において共振パターンを維持させるための半球共振器と、
前記半球共振器に対して前記角速度計測軸回りに配置され、前記半球共振器に対して半径方向の吸引力を発生させる複数のアクチュエータと、
前記半球共振器に対して前記角速度計測軸回りに配置され、前記半球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、
複数の前記変位センサから出力される前記半球共振器の半径方向の前記変位に基づいて、前記計測軸まわりに互いに４５度ずれた位置に配置された前記変位センサの出力をそれぞれ実数部および虚数部として得られる複素表現を前記アクチュエータの駆動周波数に一致する回転速度で回転する回転座標系の表現に変換したものから所定の低周波成分を求め、前記低周波成分から前記半球共振器に励起された共振モードの振動振幅及び波腹方位角、前記アクチュエータの交流駆動信号に対する共振位相特性、および、前記半球共振器に励起された波節直角位相振動の振動振幅を抽出する振動形状抽出手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性に基づいて、前記アクチュエータの前記駆動周波数を前記半球共振器の共振周波数に一致させる駆動周波数補正手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記波節直角位相振動の前記振動振幅および前記共振モードの前記波腹方位角に基づいて、前記波節直角位相振動を抑制するための複数の前記アクチュエータの直流駆動信号を生成する波節直角位相振動制御手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記共振モードの前記振動振幅および前記波腹方位角に基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅及び前記波腹方位角の双方を予め設定された一定値及び一定角度に制御するための複数の前記アクチュエータの前記交流駆動信号を生成する共振制御手段と
を備え、
前記共振制御手段における前記波腹方位角を前記一定角度に維持するための制御指令から、前記半球共振器の前記角速度計測軸方向の回転角速度を検出する
半球共振型ジャイロ。
【請求項３】
前記アクチュエータの駆動周波数に対応する正弦波信号および余弦波信号を生成する基準信号生成手段を備え、
前記振動形状抽出手段は、
前記計測軸に直交する第１の直交軸方向に配置された前記変位センサの出力を合成する第１の合成手段と、
前記計測軸に直交し、前記第１の直交軸に対して計測軸回りに４５度位相がずれた第２の直交軸方向に配置された前記変位センサの出力を合成する第２の合成手段と、
前記第１の合成手段からの出力を実数部として前記第２の合成手段からの出力を虚数部とする複素表現を、前記アクチュエータの前記駆動周波数に一致する回転速度で正方向に回転する回転座標系による表現に変換する正方向回転座標変換手段と、
前記第１の合成手段からの出力を実数部として前記第２の合成手段からの出力を虚数部とする複素表現を、前記アクチュエータの前記駆動周波数に一致する回転速度で負方向に回転する回転座標系による表現に変換する負方向回転座標変換手段と、
前記正方向回転座標変換手段の出力から予め設定された低周波成分を抽出する正方向低周波抽出手段と、
前記負方向回転座標変換手段の出力から予め設定された低周波成分を抽出する負方向低周波抽出手段と、
前記正方向低周波抽出手段および前記負方向低周波抽出手段の出力に基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性を算出する位相特性抽出手段と、
前記正方向低周波抽出手段および前記負方向低周波抽出手段の出力および前記位相特性抽出手段の出力に基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅及び前記波腹方位角、および、前記半球共振器に励起された前記波節直角位相振動の前記振動振幅を抽出する振動特性抽出手段と
を有している請求項１または２に記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項４】
前記駆動周波数補正手段は、
前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性を、前記アクチュエータの前記駆動周波数におけるアクチュエータ位相特性と、前記アクチュエータの前記駆動周波数における変位センサ位相特性と、−９０度との合計値に固定するように、前記アクチュエータの前記駆動周波数を制御する
請求項１から３までのいずれか１項に記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項５】
前記駆動周波数補正手段は、
前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性を、前記半球共振器の前記共振周波数に対して予め設定された周波数だけ前記アクチュエータの前記駆動周波数を低く設定した場合の共振位相特性と、前記半球共振器の前記共振周波数に対して予め設定された周波数だけ前記アクチュエータの前記駆動周波数を高く設定した場合の共振位相特性との平均値に固定するように、前記アクチュエータの前記駆動周波数を制御する
請求項１から３までのいずれか１項に記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項６】
前記波節直角位相振動制御手段は、
前記振動形状抽出手段から出力される前記波節直角位相振動の前記振動振幅に基づいて、前記波節直角位相振動を抑制するための電気的剛性補正指令を生成する電気的剛性制御手段と、
前記電気的剛性制御手段から出力される前記電気的剛性補正指令の符号に応じて、前記符号が正符号の場合には前記共振モードの前記波腹方位角に対して＋２２．５度位相がずれた直交軸方向を、前記符号が負符号の場合には前記共振モードの前記波腹方位角に対して−２２．５度位相がずれた直交軸方向を、前記半球共振器に対する電気的剛性補正軸とし、前記電気的剛性補正軸の両側に配置された各１個の前記アクチュエータに対して、前記電気的剛性補正指令の絶対値に基づいて前記アクチュエータの前記直流駆動信号を分配する直流駆動電圧分配手段と
を有する請求項１から５までのいずれか１項に記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項７】
前記共振制御手段は、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅を前記一定値に制御する共振振幅指令を生成する共振振幅制御手段と、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記波腹方位角を共振位相指令として、前記共振振幅指令、前記共振位相指令、および、前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて、複数の前記アクチュエータに対する前記交流駆動信号を分配する交流駆動電圧分配手段と
を有する請求項１記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項８】
前記共振制御手段は、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅を前記一定値に制御する共振振幅指令を生成する共振振幅制御手段と、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記波腹方位角を前記一定角度に制御する共振位相指令を生成する共振位相制御手段と、
前記共振振幅指令、前記共振位相指令、および、前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて、複数の前記アクチュエータに対する前記交流駆動信号を分配する交流駆動電圧分配手段と
を有する請求項２記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項９】
前記共振制御手段の前記交流駆動電圧分配手段は、
前記共振位相指令で規定される前記計測軸に直交する直交軸の両側に配置された各１個の前記アクチュエータに対して、前記共振振幅制御手段から出力される前記共振振幅指令および前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて、前記アクチュエータの前記交流駆動信号を分配する
請求項７または８に記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項１０】
前記共振制御手段の前記交流駆動電圧分配手段は、
前記共振位相指令で規定される前記計測軸に直交する直交軸の両側に配置された各２個の前記アクチュエータに対して、前記アクチュエータの駆動電圧のノルムが最小となるように、前記共振振幅制御手段から出力される前記共振振幅指令および前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて前記アクチュエータの前記交流駆動信号を分配する
請求項７または８に記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項１１】
前記共振制御手段の前記交流駆動電圧分配手段が、
前記共振位相指令で規定される前記計測軸に直交する直交軸の両側に配置された各１個の前記アクチュエータに対して、前記共振振幅制御手段から出力される前記共振振幅指令および前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいた余弦波吸引力指令の平方根を、前記アクチュエータの前記交流駆動信号として分配する
請求項７または８に記載の半球共振型ジャイロ。
【請求項１２】
前記共振制御手段の前記交流駆動電圧分配手段は、
前記共振位相指令で規定される前記計測軸に直交する直交軸の両側に配置された各２個の前記アクチュエータに対して、前記アクチュエータの発生吸引力のノルムが最小となるように、前記共振振幅制御手段から出力される前記共振振幅指令および前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて余弦波吸引力指令を算出し、前記余弦波吸引力指令の平方根を、前記アクチュエータの前記交流駆動信号として分配する
請求項７または８に記載の半球共振型ジャイロ。
【国際調査報告】
2015107704.tif 000072
2015107704.tif 000073
2015107704.tif 000074
2015107704.tif 000075
2015107704.tif 000076
2015107704.tif 000077