(57)【要約】【解決手段】グローバルポジショニング信号が利用可能か、及び／又はアライメントが行われていないときに、リングレーザジャイロスコープ又は他の運動センサは第１の速度でディザリングされる。一方で、グローバルポジショニング信号が利用不能か、及び／又はアライメントが行われているときには第２の速度でディザリングされる。【選択図】図３
2004531732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運動センサをディザリングする運動センサディザリング方法において、
アライメントを行っていないときは上記運動センサを第１の速度振幅の信号によりディザリングするステップと、
アライメントを行っているときは上記第１の速度振幅より大きな第２の速度振幅の信号により上記運動センサをディザリングするステップと、
を有することを特徴とする運動センサディザリング方法。
【請求項２】
上記運動センサは機械式ジャイロスコープを有することを特徴とする、請求項１記載の運動センサディザリング方法。
【請求項３】
上記運動センサを第１の速度振幅の信号によりディザリングするステップは上記機械式ジャイロスコープを第１の速度においてディザリングし、上記第２の速度振幅の信号により上記運動センサをディザリングするステップは上記第１の速度より大きな第２の速度において上記機械式ジャイロスコープをディザリングすることを特徴とする、請求項２記載の運動センサディザリング方法。
【請求項４】
上記運動センサはリングレーザジャイロスコープを有することを特徴とする、請求項１記載の運動センサディザリング方法。
【請求項５】
上記運動センサを第１の速度振幅の信号によりディザリングするステップは上記リングレーザジャイロスコープを第１の速度によりディザリングし、上記第２の速度振幅の信号により上記運動センサをディザリングするステップは上記第１の速度より大きな第２の速度において上記リングレーザジャイロスコープをディザリングすることを特徴とする、請求項４記載の運動センサディザリング方法。
【請求項６】
運動センサをディザリングする運動センサディザリング方法において、
グローバルポジションニング信号が利用可能なときは上記運動センサを第１の速度振幅の信号によりディザリングするステップと、
グローバルポジションニング信号が利用不能なときは上記第１の速度振幅より大きな第２の速度振幅の信号により上記運動センサをディザリングするステップと、
を有することを特徴とする運動センサディザリング方法。
【請求項７】
上記運動センサはリングレーザジャイロスコープを有することを特徴とする、請求項６記載の運動センサディザリング方法。
【請求項８】
上記リングレーザジャイロスコープを第１の速度振幅の信号によりディザリングするステップは上記リングレーザジャイロスコープを第１の速度においてディザリングし、上記第２の速度振幅の信号により上記リングレーザジャイロスコープをディザリングするステップは上記第１の速度より大きな第２の速度において上記リングレーザジャイロスコープをディザリングすることを特徴とする、請求項７記載の運動センサディザリング方法。
【請求項９】
運動センサをディザリングする運動センサディザリング方法において、
グローバルポジションニング信号が利用可能なときは上記運動センサを第１の速度振幅の信号によりディザリングするステップと、
アライメントを行っていないときは上記運動センサを第２の速度振幅の信号によりディザリングするステップと、
グローバルポジションニング信号が利用不能なときは上記運動センサを第３の速度振幅の信号によりディザリングするステップと、
アライメントを行っているときは上記運動センサを第４の速度振幅の信号によりディザリングするステップと、
を有し、上記第３の速度振幅は上記第１の速度振幅より大きく、上記第４の速度振幅は上記第２の速度振幅より大きいことを特徴とする運動センサディザリング方法。
【請求項１０】
上記第１と第２の速度振幅はほぼ等しく、上記第３と第４の速度振幅はほぼ等しいことを特徴とする、請求項９記載の運動センサディザリング方法。
【請求項１１】
上記運動センサはリングレーザジャイロスコープを有することを特徴とする、請求項９記載の運動センサディザリング方法。
【請求項１２】
上記第１と第２の速度振幅はほぼ等しく、上記第３と第４の速度振幅はほぼ等しいことを特徴とする、請求項１１記載の運動センサディザリング方法。
【請求項１３】
上記リングレーザジャイロスコープを第１の速度振幅の信号によりディザリングするステップは上記リングレーザジャイロスコープを第１の速度においてディザリングし、上記リングレーザジャイロスコープを第２の速度振幅の信号によりディザリングするステップは上記リングレーザジャイロスコープを第２の速度においてディザリングし、上記リングレーザジャイロスコープを第３の速度振幅の信号によりディザリングするステップは上記リングレーザジャイロスコープを第３の速度においてディザリングし、上記リングレーザジャイロスコープを第４の速度振幅の信号によりディザリングするステップは上記リングレーザジャイロスコープを第４の速度においてディザリングすることを特徴とする、請求項１１記載の運動センサディザリング方法。
【請求項１４】
上記第３の速度は上記第１の速度より大きく、上記第４の速度は上記第２の速度より大きいことを特徴とする、請求項１３記載の運動センサディザリング方法。
【請求項１５】
上記第１と第２の速度はほぼ等しく、上記第３と第４の速度はほぼ等しいことを特徴とする、請求項１３記載の運動センサディザリング方法。
【請求項１６】
運動センサをディザリングする運動センサディザリングシステムにおいて、
上記運動センサのディザリングを検出するディザセンサと、
上記運動センサをディザリングするディザモータと、
第１及び第２の入力と出力を有し、上記出力が上記ディザモータに接続され、上記第１の入力が上記ディザセンサに接続されているコントローラであって、上記第１の入力に応じて上記ディザモータを第１のディザ速度振幅の信号により駆動するとともに、上記第２の入力に応じて上記ディザモータを上記第１のディザ速度振幅より大きな第２のディザ速度振幅の信号により駆動するコントローラと、
を有することを特徴とする運動センサディザリングシステム。
【請求項１７】
上記第２の入力は上記コントローラのゲインを制御することを特徴とする、請求項１６記載の運動センサディザリングシステム。
【請求項１８】
上記コントローラは、アライメントが行われているときに上記第２の入力に応じて上記ディザモータを上記第２のディザ速度振幅の信号により駆動するともに、アライメントが行われていないときに上記第１の入力に応じて上記ディザモータを上記第１のディザ速度振幅の信号により駆動することを特徴とする、請求項１６記載の運動センサディザリングシステム。
【請求項１９】
上記コントローラは、グローバルポジションニング信号が利用不能なときに上記第２の入力に応じて上記ディザモータを上記第２のディザ速度振幅の信号で駆動するともに、グローバルポジションニング信号が利用可能なときに上記第１の入力に応じて上記ディザモータを上記第１のディザ速度振幅の信号で駆動することを特徴とする、請求項１６記載の運動センサディザリングシステム。
【請求項２０】
上記コントローラは、アライメントが行われているときに上記第２の入力に応じて上記ディザモータを上記第２のディザ速度振幅の信号で駆動し、グローバルポジションニング信号が利用不能なときに上記第２の入力に応じて上記ディザモータを上記第２のディザ速度振幅の信号により駆動し、アライメントが行われていないときに上記第１の入力に応じて上記ディザモータを上記第１のディザ速度振幅の信号により駆動し、グローバルポジションニング信号が利用可能なときに上記第１の入力に応じて上記ディザモータを上記第１のディザ速度振幅の信号により駆動することを特徴とする、請求項１６記載の運動センサディザリングシステム。
【請求項２１】
上記ディザセンサは上記運動センサの振動を感知して当該振動を表す第１の出力信号を発生し、
上記コントローラは、
上記ディザセンサに電気的に接続されて上記第１の出力信号を増幅して第２の出力信号を発生する増幅器と、
上記増幅器に電気的に接続されて上記第２の出力信号から第３の出力信号を発生する移相器と、
上記移相器に電気的に接続されて上記第３の出力信号から第１の振幅を有する振幅制御信号を発生し、上記振幅制御信号が第２の振幅を有するように調整可能なゲイン調整器と、
を有し、
上記ディザモータは上記ゲイン調整器に接続されて上記振幅制御信号を受け、当該振幅制御信号に対応した正弦波トルクを上記運動センサに加えることを特徴とする、請求項１６記載の運動センサディザリングシステム。
【請求項２２】
上記増幅器は第１の増幅器であり、
上記ゲイン調整器は、
電気的グランドに接続された正入力、負入力、及び出力を有する第２の増幅器と、
第１端と第２端を有し、第１端が上記第２の増幅器の出力に接続されて上記振幅制御信号を発生する出力抵抗と、
上記負入力と上記移相器間に電気的に接続されて第３の出力信号を受ける入力抵抗と、
第１端と第２端を有し、第１端が上記負入力に電気的に接続され、第２端が上記出力抵抗の第２端に電気的に接続された第１のフィードバック抵抗と、
第１端と第２端を有し、第１端が上記第１のフィードバック抵抗の第１端に電気的に接続され、第２端が上記コントローラの上記第２の入力を介して上記第１のフィードバック抵抗の第２端に電気的に接続された第２のフィードバック抵抗と、
を有することを特徴とする、請求項２１記載の運動センサディザリングシステム。
【請求項２３】
上記コントローラの上記第２の入力はスイッチで構成されることを特徴とする、請求項２２記載の運動センサディザリングシステム。
【請求項２４】
上記運動センサはリングレーザジャイロスコープを有することを特徴とする、請求項１６記載の運動センサディザリングシステム。
【請求項２５】
上記運動センサは機械式ジャイロスコープを有することを特徴とする、請求項１６記載の運動センサディザリングシステム。
【請求項２６】
運動センサをディザリングする運動センサディザリング方法において、
選択時間の間、第１のモードで上記運動センサが振動するように上記運動センサに結合したディザシステムに対して、第１の選択時間の間、第１の振幅を有する振幅制御信号を供給するステップと、
上記第１の選択時間の後、上記第１の振幅が減少して第２の振幅になるように上記振幅制御信号を調整するステップと、
上記運動センサが第２のモードで振動するように上記第２の振幅を有する上記振幅制御信号を上記運動センサに結合したディザシステムに供給するステップと、
有することを特徴とする運動センサディザリング方法。
【請求項２７】
上記第２のモードは第１のモードより低速のディザ速度を有することを特徴とする、請求項２６記載の運動センサディザリング方法。
【請求項２８】
アライメントを行っているときは上記第１のモードになり、アライメントを行っていないときは上記第２のモードになることを特徴とする、請求項２６記載の運動センサディザリング方法。
【請求項２９】
グローバルポジションニング信号が利用不能なときは上記第１のモードになり、グローバルポジションニング信号が利用可能なときは上記第２のモードになることを特徴とする、請求項２６記載の運動センサディザリング方法。
【請求項３０】
アライメントを行っているときは上記第１のモードになり、グローバルポジションニング信号が利用不能なときは上記第１のモードになり、アライメントを行っていないときは上記第２のモードになり、グローバルポジションニング信号が利用可能なときは上記第２のモードになることを特徴とする、請求項２６記載の運動センサディザリング方法。
【請求項３１】
上記運動センサは機械式ジャイロスコープを有することを特徴とする、請求項２６記載の運動センサディザリング方法。
【請求項３２】
上記運動センサはリングレーザジャイロスコープを有することを特徴とする、請求項２６記載の運動センサディザリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リングレーザジャイロスコープや機械式ジャイロスコープ等の運動センサをディザリングする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
リングレーザジャイロスコープはリング共振器と呼ばれるリング型の共振キャビティを備えたレーザ装置である。一般にリング共振器は、例えば三角形や矩形路の閉ループ路をなすように相互結合した複数の通路が設けられたガラスあるいはガラスセラミックのブロックで構成される。レーザビームは相互結合された通路対の交点に適切に位置する適当なミラーにより通路のまわりに指向される。
【０００３】
一般に、レーザジャイロスコープでは、リングキャビティにより形成される閉ループ路を互いに逆方向に（時計回りと反時計回りに）進む２つのレーザビームがある。閉ループ路の各角におけるミラーの位置付けはレーザビームを共振キャビティの複数の通路を通過するように方向づける。１つの角にあるミラーは部分的に透過して、逆方向に伝搬する各ビームの一部が読出し装置に渡される。リングレーザジャイロスコープの幾つかの例はKillpatrickの米国特許第3,373,650号、米国特許第3,467,472号、Podgorskiの米国特許第3,390,606号に示され記載されている。
【０００４】
リングレーザジャイロスコープの出力における誤差源は「ロックイン」である。ロックイン閾値又はロックイン速度（lock-in rate）と呼ばれる臨界値より低い回転入力速度のとき、逆方向に伝搬するビーム周波数は共通の値に同期する結果、逆伝搬ビーム間にゼロの周波数差が発生する。ビーム間の周波数差はリングレーザジャイロスコープの回転速度を決定するのに使用されているので、ロックインによる低回転速度におけるゼロ周波数差は回転無しとして誤って指示される。
【０００５】
低回転速度での逆伝搬ビーム間の周波数差を維持してロックインを避けるために、リングレーザジャイロスコープはバイアスされて入力軸まわりに振動された。この種のバイアスは上記米国特許第3,373,650号に示され記載されている。リングレーザジャイロスコープのバイアス振動はディザと呼ばれ、上記米国特許にさらに示され記載されているように、慣性プラットホーム関してジャイロスコープのブロックを回転させるディザモータにより一般に与えられる。振動する回転バイアスは、動作時間の大部分でロックイン速度より高速な回転速度となる。
【０００６】
Ljungの米国特許第4,370,583号に記載されるように、ディザモータはディザバネのスポークの一本に取り付けられた圧電変換器（ＰＺＴ）で代表的に構成される。ディザバネは慣性プラットホームに取り付けられた中央部材ないしハブで構成されるのが一般的である。ディザバネのスポークは一端がハブに取り付けられる。これらのスポークはハブから放射状に広がり、他端がジャイロスコープブロックと係合する環状リムに取り付けられる。
【０００７】
正弦波駆動信号を上記ＰＺＴに印加する。これによりＰＺＴが取り付けられたスポークが撓む。この撓みによりリムがハブに対して振動して、ジャイロスコープブロックが慣性プラットホームに対して回転振動する。加えて、上記米国特許第3,467,472号に教示されるように、ノイズを正弦波信号に導入することでさらにロックイン効果を低減することができる。
【０００８】
一般に、慣性プラットホームに関係するジャイロスコープブロックの振動はディザモータの固有共鳴周波数で行うのが望ましい。固有共鳴周波数における振動を達成するために、通常、ディザセンサを設け、このディザセンサとして代表的には少なくとも１つのＰＺＴディザセンサをスポークに取り付けて慣性プラットホームに関係するジャイロスコープブロックの動きを感知する。ディザセンサの出力によりディザモータに供給される正弦波駆動信号を変更して固有共鳴周波数における振動が得られるようにする。特に、スポークが上述したように撓むとＰＺＴディザセンサの出力信号が変化して、スポークの撓みを感知する。この出力信号、すなわち「ピックオフ」信号はフィードバック回路に入力として与えられる。フィードバック回路はディザモータに供給する正弦波駆動信号の振幅及び／又は周波数を制御してディザモータが固有共鳴周波数かその近くで振動するようにする。
【０００９】
残念ながら、Laser Gyro Dither Random Noise Proceedings of S.P.I.E Meeting on Physics of Optical Ring Gyros, vol. 487 pp 85-93 (1984)においてKillpatrickが指摘したようにディザリングはジャイロスコープ出力に（すなわち逆伝搬ビーム間の周波数差に）誤差角成分を導入する。ジャイロスコープ出力に含まれるこの誤差角成分、ないしノイズはジャイロスコープ出力の回転誤差として現れる。高周波数のディザリング速度においてこの誤差は上記文献によれば次式により数学的に表現される。
【００１０】
【数１】
2004531732.tif 000003
【００１１】
ここに、△Ψ(t)は誤差角成分（アークセカンド）、Kはジャイロスコープスケールファクタ（アークセカンド／サイクル）、ΩLはロックイン速度（アークセカンド／秒）、ΩDはディザ回転角速度（アークセカンド／秒）、ｔは動作時間（秒）である。
【００１２】
式（１）の両辺をｔで割ると誤差角成分が得られる。誤差角成分はランダムドリフト誤差とも呼ばれ、次式で表される。
【００１３】
【数２】
2004531732.tif 000004
【００１４】
式（２）を考察すると、K、ΩL、及びΩDが一定であればランダムドリフト誤差△Ψ(t) ／ｔ、すなわちジャイロスコープ出力の全誤差速度は動作時間ｔの増加に対して減少する。このように、ランダムドリフト誤差はジャイロスコープの動作時間の増加と共に減少する。
【００１５】
また、式（２）において、動作時間ｔを固定した場合、KとΩLが一定であればディザ回転角速度ΩDが増加することでランダムドリフト誤差が減少する。
リングレーザジャイロスコープによる慣性システムの較正または「アライメント」は、リングレーザジャイロスコープのプラットホームが地球の自転を除いて静止した状態の下で地球の自転をリングレーザジャイロスコープで感知することにより一般に行われる。このセンシングから得られる回転速度情報は（南、東、西とともに）北の方位を決定するので慣性システムは「アライメント」される。このアライメントプロセスの精度はジャイロスコープが入力回転速度を許容精度で読みとれる能力に依存する。例えば、緯度４５度では、地球の自転の水平成分は南北方向で約１０度／時間、東西方向で０度／時間である。０．０１度／時間のジャイロスコープ誤差は１ミリラジアン（０．０１／１０ラジアン）のアライメント誤差になる。ジャイロスコープをアライメントするのに要する時間、すなわちアライメント時間はジャイロスコープ誤差がある値、例えば０．０１度／時間に減少するまでにかかる時間により決定される。
【００１６】
ジャイロスコープはアライメントの間も動作するので、式（２）におけるｔをアライメント時間とみることもできる。アライメント時間はごく短時間であることが望まれる。しかしながら、式（２）においてアライメント時間を表すｔを小さくするとその間に大きなランダムドリフト誤差が発生する。
【００１７】
さらに、多くのナビゲーションシステムはリングレーザジャイロスコープによる慣性センシングに基づいて得た位置情報の精度を上げるためにグローバルポジショニング衛星から得たグローバルポジショニング信号を利用する。すなわち、ビークルの位置精度をこれらのグローバルポジショニング信号により上げることができる。しかしながら、そのようなグローバルポジショニング信号を利用できないときにナビゲーションシステムから与えられる位置情報にはより大きい程度の誤差が含まれてしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、少なくとも１つの側面において、アライメントの期間中、及び／又はグローバルポジショニング信号が得られないときに誤差を低減する構成に関わるものである。
機械式ジャイロスコープのような他のタイプの運動センサも知られている。機械式ジャイロスコープは回転速度を決定すべきプラットホーム上に吊下された質量を有する。この質量をディザリングして直線的に振動させる。この質量に回転速度が加わると、直線振動運動と回転速度の両方に垂直な（直角な）方向にコリオリの力が発生する。
【００１９】
このコリオリの力Fは次式で与えられる。
F＝2mΩ×V                                          式（３）
ここに、mは質量、Ωは測定すべき回転速度、Vは上述した直線振動運動の瞬時速度、×は数学のクロス乗積である。上述したように、コリオリの力Fは回転速度と直線振動運動の瞬時速度の両方に垂直な方向に働いて質量を動かす。この運動の振幅を感知して回転速度に比例した出力を求める。
【００２０】
リングレーザジャイロスコープの場合と同様に、機械式ジャイロスコープもアライメントされる。本発明は、少なくとももう１つの側面において、アライメント期間中、機械式ジャイロスコープが小さな回転速度を感知できるようにディザ振幅を増大することにより機械式ジャイロスコープの感度を上げる構成に関わるものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の１つの側面に基づいて、運動センサディザリング方法は、アライメントを行っていないときは上記運動センサを第１の速度振幅の信号によりディザリングするステップと、アライメントを行っているときは上記第１の速度振幅より大きな第２の速度振幅の信号により上記運動センサをディザリングするステップとを有する。
【００２２】
本発明の別の側面に基づいて、運動センサディザリング方法は、グローバルポジションニング信号が利用可能なときは上記運動センサを第１の速度振幅の信号によりディザリングするステップと、グローバルポジションニング信号が利用不能なときは上記第１の速度振幅より大きな第２の速度振幅の信号により上記運動センサをディザリングするステップとを有する。
【００２３】
本発明のさらに別の側面に基づいて、運動センサディザリング方法は、グローバルポジションニング信号が利用可能なときは上記運動センサを第１の速度振幅の信号によりディザリングするステップと、アライメントを行っていないときは上記運動センサを第２の速度振幅の信号によりディザリングするステップと、グローバルポジションニング信号が利用不能なときは上記運動センサを第３の速度振幅の信号によりディザリングするステップと、アライメントを行っているときは上記運動センサを第４の速度振幅の信号によりディザリングするステップとを有し、上記第３の速度振幅は上記第１の速度振幅より大きく、上記第４の速度振幅は上記第２の速度振幅より大きいことを特徴とする。
【００２４】
本発明のさらに別の側面に基づいて、運動センサをディザリングするディザリングシステムは、ディザセンサとディザモータとコントローラを有する。ディザセンサは運動センサのディザリングを感知する。ディザモータは運動センサをディザリングする。コントローラは第１と第２の入力、及び出力を有する。出力はディザモータに接続され、第１の入力はディザセンサに接続される。コントローラは上記第１の入力に応じて上記ディザモータを第１のディザ速度振幅の信号により駆動するとともに、上記第２の入力に応じて上記ディザモータを第２のディザ速度振幅の信号により駆動する。ここに第２のディザ速度振幅は上記第１のディザ速度振幅より大きい。
【００２５】
本発明のさらに別の側面に基づいて、運動センサディザリング方法は、選択時間の間、第１のモードで上記運動センサが振動するように上記運動センサに結合したディザシステムに対して、第１の選択時間の間、第１の振幅を有する振幅制御信号を供給するステップと、上記第１の選択時間の後、上記第１の振幅が減少して第２の振幅になるように上記振幅制御信号を調整するステップと、上記運動センサが第２のモードで振動するように上記第２の振幅を有する上記振幅制御信号を上記運動センサに結合したディザシステムに供給するステップと有する。
【００２６】
上記及びその他の特徴及び利点は図面を参照してなされる以下の説明から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、代表的なリングレーザジャイロスコープを記載したLjung等の米国特許第4,344,706号に示された図面にほぼ相当するものである。図１において、熱的かつ機械的に安定な三角形状のガラスセラミックブロック１０にはヘリウムネオン等の混合ガスを充填した複数の通路１２、１４、及び１６が形成される。キャビティ１８は通路１２と１６を相互結合し、キャビティ２０は通路１４と１６を相互結合し、キャビティ２２は通路１２と１４を相互結合し、これにより連続的なキャビティが形成される。高反射率ミラー２４と２６はそれぞれキャビティ２０と２２に面して通じている。部分透過型出力ミラー２８はキャビティ１８に面して通じている。さらに、ミラー２４、２６、２８はいずれも周縁部がガラスセラミックブロック１０に堅固に取り付けられ、後述するように、ガラスセラミックブロック１０内を時計回り及び反時計回りで進むようにレーザビームを導く。ビームコンバイナー３０は部分透過型出力ミラー２８に堅固に取り付けられる。
【００２８】
第１のアノード３２はキャビティ１８と２２間のガラスセラミックブロック１０に取り付けられて通路１２に通じている。同様に、第２のアノード３４はキャビティ２０と２２間のガラスセラミックブロック１０に取り付けられて通路１４に通じている。カソード３６はキャビティ１８と２０間のガラスセラミックブロック１０に取り付けられて通路１６に通じている。
【００２９】
第１と第２のアノード３２、３４、及びカソード３６を電気的に駆動するとヘリウムネオン混合ガスがレイジングを起こして通路１２、１４、１６及びキャビティ１８、２０、２２内を時計回り及び反時計回りのレーザビームが形成される。
【００３０】
時計回り及び反時計回りのレーザビームはミラー２４、２６、２８で反射し、部分透過型出力ミラー２８を部分的に透過する。部分透過型ミラー２８を透過した時計回り及び反時計回りのレーザビームの部分はビームコンバイナー３０で結合され、デュアル光検出器３８に導かれる。デュアル光検出器３８の出力は通常の論理デコーダ４０でデコードされ、出力線４２にガラスセラミックブロック１０の時計回りの回転を表すパルス、あるいは出力線４４にガラスセラミックブロック１０の反時計回りの回転を表すパルスを出力する。
【００３１】
ミラー２４、２６、２８に入射した時計回り及び反時計回りのレーザビームはミラー面の凸凹のために、部分的に後方散乱して反射する。この後方散乱は上述した「ロックイン」誤差の一因であることが知られている。
【００３２】
従来技術において、ロックイン誤差は、例えば「ディザ」システムを実施することにより低減化あるいは最小化が図られた。図１に示す代表的なディザシステムは中央支持部、ないしハブ４８と環状リム５０間に設けられた放射状のねじりバネ、またはスポーク４６を有する。ハブ４８は堅固に慣性（inertial）プラットホームに取り付けられ、環状リム５０はガラスセラミックブロック１０に摩擦接触する。
【００３３】
少なくとも１つの圧電アクチュエータ５４が少なくとも１つのスポーク４６に取り付けられる。発振器５６からの正弦波電圧が圧電アクチュエータ５４に印加されると、ねじれストレスが１つのスポーク４６に撓みを生じている該１つのスポーク４６に与えられ、それによって所望のように、環状リム５０及びガラスセラミックブロック１０の回転運動をハブ４８と慣性プラットホーム５２に関係して発生する。
【００３４】
また、少なくとも１つの圧電変換器５８が別のスポーク４６に取り付けられる。バネ状スポーク４６の機械的振動はディザを規定し、圧電変換器５８により検出される。圧電変換器５８の出力は増幅器６０に入力される。増幅器６０は、ガラスセラミックブロック１０のバネ質量系が休止しているときの固定点を基準としてこの固定点に対するジャイロスコープの回転角を表す出力信号を発生する。この出力信号は一般にディザ角信号と呼ばれている。
【００３５】
図１のディザシステムと同様な動作をする従来技術のディザシステムを図２に示す。例えば、図１に示すリングレーザジャイロスコープにおけるガラスセラミックブロック１０、慣性プラットホーム５２、及びスポーク４６による相互連結用弾性結合器の組合せのようなバネ質量系２００がディザセンサ２０２に接続され、このディザセンサ２０２によりバネ質量系２００の回転を表す信号が検出される。ディザセンサ２０２は、例えば１つのスポーク４６に取り付けられた図１の圧電変換器５８のような圧電変換器で構成される。ディザセンサ２０２の出力信号は増幅器２０４で増幅され、移相器２０６に入力される。移相器２０６の出力は増幅器２０８に供給され、ここで連続正弦波出力電圧となり、トルカー２１０に与えられる。この連続正弦波出力電圧はディザセンサ２０２からの出力信号を表している。トルカー２１０は増幅器２０８からの連続正弦波出力電圧に応じて正弦波トルクをバネ質量系２００に加える。
【００３６】
例えば、トルカー２１０は図１において別のスポーク４６に取り付けられてガラスセラミックブロック１０を回転させる圧電アクチュエータ５４のような圧電アクチュエータにより構成される。トルカー２１０として圧電アクチュエータを使用する場合、典型的に増幅器２０８を高電圧増幅器にする必要がある。
【００３７】
周知のように、バネ質量系２００の振動を固有共鳴周波数で発生するには移相器２０６を適切に調整する必要がある。すなわち、一旦、バネ質量系２００がランダムノイズにより一時的に動揺（摂動）すると、移相器２０６は再生型の正フィードバックとして機能し、バネ質量系２００の振動は、増幅器２０４及び２０８のゲインにより基本的に決まる一定の時計回り及び反時計回りのピークディザ角の振幅を保つ。このようなシステムの機械的損失はシステムゲインに等しくなる。増幅器２０４あるいは増幅器２０８のゲイン調整によりシステムゲインを増大すると、システムは依然として固有共振ディザ周波数で振動するがピークツーピークのディザ角の振幅は変化する。適切なバネ質量系２００の設計により（例えば、対称型かつ平衡型にすることにより）、ディザ角の振幅においてピークの時計回りとピークの反時計回りのディザ角の振幅がほぼ等しくなる。
【００３８】
上述したように、リングレーザジャイロスコープ出力におけるランダムドリフト誤差は式（２）により表される。式（２）において、ｔも含めて他の全変数が一定であるとすると、ディザ速度ΩDを上げることにより明らかにランダムドリフト誤差△Ψ(t)／ｔは減少する。
【００３９】
次式に示すように、ディザ振幅はディザ周波数に関係する。
θ(t)＝θsin(2πfDt)                                       式（４）
ここに、θ(t)は時間関数としてのディザ角であり、θはディザ振幅（アークセカンド）、fDはディザ周波数（サイクル／秒）である。式（４）を時間ｔについて微分すると次式にしたがうディザ回転角速度が得られる。
【００４０】
dθ(t)／dt＝ΩD＝2πfDθ(cos2πfDt)                       式（５）
式（５）を式（２）に代入すると次式が得られる。
【００４１】
【数３】
2004531732.tif 000005
【００４２】
したがって、式（６）に示すように、ｔも含めて他の全変数が一定である場合、ディザ振幅θが増加するとランダムドリフト誤差△Ψ(t)／ｔは減少する。したがって、他の全変数が一定のときディザ振幅を増加した場合は、ディザ振幅を増加しなかった場合に比べ短時間ｔで同一のアライメント誤差精度を達成できる。例えば、許容精度のアライメントに１０分間掛かるジャイロスコープシステムであればディザ振幅θを４倍にすることにより同じ精度のアライメントを５分間で達成できる。
【００４３】
図３に示すのは、選択時間の間、ディザ速度を変更し、特に、式（６）に基づいてアライメントの間はディザ振幅θを増大する電気回路である。図３に示すように、図２の増幅器２０８に増幅器３０２のゲインを制御するゲイン調整スイッチ３００を設ける。増幅器３０２はグランドに接続された正入力３０４と、入力抵抗３０８を介して移相器２０６の出力に接続された負入力３０６を有する。
【００４４】
ゲイン調整スイッチ３００が「開」のときは、第１のフィードバック抵抗３１０のみが出力抵抗３１２と増幅器３０２の負入力３０６間を結合して増幅器３０２のゲインを制御する。一方、ゲイン調整スイッチ３００が「閉」のときは、第１のフィードバック抵抗３１０と第２のフィードバック抵抗３１４の両方が並列に接続されて、増幅器３０２の入出力間に結合される全抵抗値が減少する。
【００４５】
したがって、ジャイロスコープのアライメント中はゲイン調整スイッチ３００を開いて増幅器３０２の入力電圧を上げ、それにより増幅器３０２の出力電圧を上げることでトルカー２１０に印加されるディザ電圧の振幅を増大させる。ジャイロスコープのアライメント終了後は、ゲイン調整スイッチ３００を閉じてディザ振幅を減少させることにより長期間の高振幅ディザリングがもたらす過度の加速によるジャイロスコープへの悪影響を避ける。
【００４６】
これに加え、あるいは代わりに、グローバルポジショニング信号の有無に基づいてゲイン調整スイッチ３００を制御することができる。すなわち、グローバルポジショニング信号が利用不能な場合にナビゲーション精度を上げるためゲイン調整スイッチ３００を開くようにすれば、増幅器３０２の入力電圧が増加し、その結果、増幅器３０２の出力電圧、ひいてはトルカー２１０に印加されるディザ電圧の振幅も増大する。逆に、グローバルポジショニング信号が利用可能な場合はゲイン調整スイッチ３００を閉じるようにすることで増幅器３０２の入力電圧は減少し、その結果、増幅器３０２の出力電圧、ひいてはトルカー２１０に印加されるディザ電圧の振幅も減少し、長期間の高振幅ディザリングがもたらす過度の加速によるジャイロスコープへの悪影響を防止することができる。
【００４７】
したがって、ゲイン調整スイッチ３００の制御を下記の判定基準に基づいて行うことができる。
IF:  アライメント中、又はGPS不能ならば、
Then:  高ディザ振幅
Else:  通常ディザ振幅
すなわち、アライメント中か、グローバルポジショニング信号が目下、利用不能ならば、精度を上げるためにディザ振幅を増大してガラスセラミックブロック１０を高速でディザリングする。そうでなければディザ振幅を通常値とし、ガラスセラミックブロック１０を通常速度でディザリングする。
【００４８】
上述したように、本発明は機械式ジャイロスコープ等の他の運動センサにも適用可能である。一例として図４に示す機械式音叉型ジャイロスコープ４００は米国特許第5,349,855号に示された機械式音叉型ジャイロスコープと同様な構造である。この機械式音叉型ジャイロスコープ４００の第１と第２の質量４０２、４０４はアンカーポイント４１０でプラットホーム４０８に取り付けられた可撓性フレーム４０６に結合される。第１ディザモータ４１２、第２ディザモータ４１４、及び第３ディザモータ４１６により第１と第２の質量４０２、４０４をディザリングする。
【００４９】
すなわち、第１のディザモータ４１２は第１の入力端子４１８と出力端子４１９間に印加される正弦波信号に応じて第１の質量４０２を静電的に振動させる櫛構造で構成される。同様に、第２のディザモータ４１４は第２の入力端子４２０と出力端子４１９間に印加される正弦波信号に応じて第２の質量４０４を静電的に振動させる櫛構造で構成される。第３のディザモータ４１６は第３の入力端子４１８と出力端子４１９間に印加される正弦波信号に応じて第１の質量４０２と第２の質量４０４の両方を静電的に振動させる両側櫛構造で構成される。２つの質量を用いているのは機械式音叉型ジャイロスコープ４００の物理的な平衡をとるためである。したがって、公知のように、第１、第２、第３の入力端子４１８、４２０、４２２間に供給される信号の位相を制御してこの平衡が得られるようにする必要がある。
【００５０】
第１のセンスコンデンサ４２４が第１の質量４０２とプラットホーム４０８間に設けられる。第１のセンスコンデンサ４２４の容量はディザ振動及び入力回転速度に応じて第１の質量４０２が動くのにつれて変化する。第２のセンスコンデンサ４２６が第２の質量４０４とプラットホーム４０８間に設けられる。第２のセンスコンデンサ４２６の容量はディザ振動及び入力回転速度に応じて第２の質量４０４が動くのにつれて変化する。
【００５１】
第１、第２、第３のディザモータ４１２、４１４、及び４１６はオシレータに応じて第１と第２の質量４０２、４０４をディザリングする。このため、第１と第２の質量４０２、４０４はオシレータの周波数で互いに近づいたり遠ざかったりしながら、瞬時的に正弦波の線速度をもつ。プラットホーム４０８の回転速度のために式（３）に示すコリオリの力Ｆが入力回転速度とディザリング運動の両者に垂直な方向に発生する。入力軸が図４に示す通りでディザリング方向が上述した方向であるとすると、コリオリの力Fの方向は図４から機械式音叉型ジャイロスコープ４００を見た場合において紙面に直交する方向になる。
【００５２】
第１と第２の質量４０２、４０４の運動の振幅はそれぞれ第１と第２のセンスコンデンサ４２４、４２６により感知されて、質量、回転速度、及びディザリングに比例する出力信号が発生する。ディザ振幅が増大すると瞬時正弦波の線速度Vが増大し、式（３）から分かるようにコリオリの力が増大し、結果として第１と第２の質量４０２、４０４の運動が増大する。この第１と第２の質量４０２、４０４の運動が増大することにより第１と第２のセンスコンデンサ４２４、４２６の出力信号は振幅が増大し、これにより機械式音叉型ジャイロスコープ４００の回転速度に対する感度が高くなる。第１と第２の質量のディザ振幅は図２及び図３と同様な構成により選択的に制御できる。
【００５３】
増大したディザ振幅は、例えばアライメント中に利用することで機械式音叉型ジャイロスコープ４００の較正精度を上げることができる。しかしながら、この増大したディザ振幅は機械式音叉型ジャイロスコープ４００に損傷を与える虞があるため、長期間の使用は控えるべきである。
【００５４】
以上、本発明の所定の変形例について説明した。本発明を実施する当業者には他の変形例も明らかである。例えば、図３の増幅器２０８以外の任意の適当な構成、例えばコンピュータ、論理回路、適当にプログラムされたデバイスによりバネ質量系のディザ振幅を制御することができる。
【００５５】
また、機械式音叉型ジャイロスコープ４００構成の機械式ジャイロスコープについて本発明を説明した。しかしながら、他の形態の機械式ジャイロスコープ、例えば、単一の質量系を有する機械式ジャイロスコープを本発明に関して利用することができる。
【００５６】
さらに、本発明はアライメント中、あるいはGPS信号の利用不能時に有用であるとして説明した。しかしながら、本発明は一時的に高い感度が要求されるのでありさえすれば有用である。
【００５７】
したがって、本発明の記載は専ら例示を目的とするものであって、当業者に最良の形態を提示するためのものである。詳細については本発明の趣旨から逸脱することなく実質的な変更が可能であり、特許請求の範囲内にある全変形形態の排他的使用は確保される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】従来のリングレーザジャイロスコープの模式図である。
【図２】従来のディザシステムのブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に基づいたディザシステムの一部の回路図である。
【図４】本発明に基づいたディザリングが可能な機械式音叉型ジャイロスコープの模式図である。
【図１】
2004531732.tif 000006
【図２】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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