JP4971490B2 - 機械式センサとこれを含む機械式レートジャイロスコープとその操作方法 - Google Patents
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Description
にしたがう。2次システムの自然共鳴周波数を“ω0”とし、自然共鳴周波数、ωo、における周波数応答の品質係数を“Q”とすると、一般的に、2次システムの特性周波数応答、ωc、は、次式であらわされる。
さらに、品質係数、Q、は、次式であらわされる。
ここで、BWは、自然共鳴周波数、ωo、に中心を置く3−dB帯域幅である。
ω〜=ω(Fd/m)/[kD/m+jω(D/m)−ω2] (4)
上の(2)と(4)で類似の係数を等しいとすると、自然共鳴周波数、ωo、及び品質係数、Q、を機械式センサ102の機械的特性を用いて、次のようにあらわすことができる。
及び
Ac =2vΩ、コリオリの力、Fc、は、機械式センサ102をレート感知軸、z、の周りで回転させるため印加される角速度を“ΩIN”とすると、次式にしたがって、速度、v、に対応するからである。
好適実施例においては、各駆動系114のための複数の駆動指118が本体106に一体となって結合されており、単一の駆動指170と単一の駆動指174が同様に本体106に一体となって結合されている。例えば、数値、N、を400とし、フィードバック力、Ff、は、70度/秒の角速度、ΩIN、に等しいとする。
上に定義した(11)を用いると、フィードバック力、Ff、は、したがって次のようにあらわされる
ここで“R”は、横断駆動系166及び168が駆動信号を受信して必要なフィードバック力、Ff、を生じる間の時間量に比例する数値である。
上に定義した(9)及び(13)を用いると、レート感知軸、z、の周りで回転させるため機械式センサ102に印加される角速度、ΩIN、は次式であらわされる。
上に定義した(3)及び(15)を用いると、特性周波数、ωc、は、次のようにあらわされる。
したがって、上に定義した(14)及び(16)を用いると、機械式センサ102が機械的共鳴で作動するとき機械式センサ102に印加される角速度、ΩIN、は次のようにあらわされる。
のように見えるようになる。当然の帰結として、量子がωsに同等のPRFにおいてこのように変えられると、フィードバックの時間平均は、次のようにあらわされる。
したがって、上に定義した(17)及び(19)を用いると、角周波数、ωs、は次のようにあらわされる。
ここで、
である。
したがって、上に定義した(14)及び(22)を用いると、機械式センサ102が自然共鳴周波数、ωo、より上で作動するとき機械式センサ102に加わる角速度、ΩIN、は、次式であらわされる。
上に定義した(23)及び(24)を用いると、この角周波数、ωs、は次のようにあらわされる。
ここで
である。
Claims (7)
- 基板と、質量と、前記質量に作動的に結合された第1数Ndの第1のセグメントを含み、第1の駆動信号を受信し且つ該第1の駆動信号の受信に応答して駆動軸に沿って駆動力Fdを発生させると共に、該駆動力により前記質量を前記基板に対して該駆動軸に沿って振動させる構成となっている第1セグメント駆動系と、前記質量に作動的に結合された第2数Nfの第2のセグメントを含み、該第2のセグメントが、前記第1のセグメントと同じ形態であって該第1のセグメントに対して横断する方向に向いており、第2の駆動信号を受信し且つ該第2の駆動信号の受信に応答して感知軸に沿ってフィードバック力Ffを発生させ、Fd/FfがNd/Nfに比例する構成となっている横断セグメント駆動系と、レート感知軸回りに印加された角速度に応じて感知軸に沿って発生するコリオリの力であって、該感知軸に沿って発生された前記フィードバック力Ffによって相殺される前記コリオリの力により該感知軸に沿って生じる前記質量の変位の大きさに比例した大きさを持つ感知信号を発生する構成となっている変位センサと、を含む機械式センサであって、前記駆動軸と前記感知軸と前記レート感知軸とは、それぞれ相互に直交している前記機械式センサと、
入力信号として前記感知信号を受信するとともに基準信号として前記第1の駆動信号を受信して、同期復調信号を発生する同期復調器と、
前記同期復調器からの前記同期復調信号を受信して該同期復調信号を平均化することによって、平均化された同期復調信号を発生する低域通過フィルタと、
コンパレータと、D型フリッププロップと、クロススイッチと、を含む制御回路と、
を具備する機械式レートジャイロスコープであって、
前記コンパレータは、前記低域通過フィルタからの前記平均化された同期復調信号を受信して、前記コリオリの力と前記フィードバック力Ffとの間の差の時間平均値をあらわすデジタル信号を発生し、
前記D型フリッププロップは、前記コンパレータからの前記デジタル信号をデータ入力として受信するとともにクロック入力として前記第1の駆動信号の基本周波数成分を受信して、前記印加された角速度に比例するパルス反復周波数を有する出力信号を発生し、
前記クロススイッチは、入力信号として前記第1の駆動信号を受信するとともに前記D型フリッププロップからの前記出力信号を制御信号として受信して、前記第1の駆動信号の完全サイクルの複数を備える第2の駆動信号を前記横断セグメント駆動系へ供給し、
前記横断セグメント駆動系は、前記クロススイッチからの前記第2の駆動信号を受信し且つ該第2の駆動信号の受信に応答して、前記感知軸に沿って前記フィードバック力Ffを発生して、前記コリオリの力を相殺する構成になっていることを特徴とする機械式レートジャイロスコープ。 - 前記第1セグメント駆動系が第1の静電式セグメント駆動系を具備し、前記横断セグメント駆動系が横断静電式セグメント駆動系を具備し、前記第1の駆動信号が電圧駆動信号を備える請求項1記載の機械式レートジャイロスコープ。
- 前記第1セグメント駆動系が第1の電磁式セグメント駆動系を具備し、前記横断セグメント駆動系が横断電磁式セグメント駆動系を具備し、前記第1の駆動信号が電流駆動信号を備える請求項1記載の機械式レートジャイロスコープ。
- 同期復調器と、低域通過フィルタと、制御回路と、によって制御される機械式センサであって、前記機械式センサは、
基板と、
質量と、
前記質量を前記基板に対し結合する構成となっている懸垂系と、
前記質量に作動的に結合された第1数Ndのセグメントを含み、第1の駆動信号を受信し且つ該第1の駆動信号の受信に応答して駆動軸に沿って駆動力Fdを発生させると共に、該駆動力により前記質量を前記基板に対して前記駆動軸に沿って振動させる構成となっている第1セグメント駆動系と、
前記質量に作動的に結合された第2数Nfの第2のセグメントを含み、前記第2のセグメントが、前記第1のセグメントと同じ形態であって該第1のセグメントに対して横断する方向に向いており、第2の駆動信号を受信し且つ該第2の駆動信号の受信に応答して感知軸に沿ってフィードバック力Ffを発生させ、Fd/FfがNd/Nfに比例する構成となっている横断セグメント駆動系と、
レート感知軸回りに印加された角速度に応じて前記感知軸に沿って発生するコリオリの力であって、前記感知軸に沿って発生された前記フィードバック力Ffによって相殺される前記コリオリの力により該感知軸に沿って生じる前記質量の変位の大きさに比例した大きさを持つ感知信号を発生する構成となっている変位センサと、を具備するとともに、前記駆動軸と前記感知軸と前記レート感知軸とが、それぞれ相互に直交している機械式センサであって、
前記制御回路は、コンパレータと、D型フリップフロップと、クロススイッチと、を含み、
前記同期復調器は、前記感知信号を入力信号として受信するとともに前記第1の駆動信号を基準信号として受信して同期復調信号を発生し、
前記低域通過フィルタは、前記同期復調器からの前記同期復調信号を受信するとともに該同期復調信号を平均化して、平均化された同期復調信号を発生し、
前記コンパレータは、前記低域通過フィルタからの前記平均化された同期復調信号を入力信号として受信して、前記コリオリの力と前記フィードバック力Ffとの間の差の時間平均値をあらわすデジタル信号を発生し、
前記D型フリッププロップは、前記コンパレータからの前記デジタル信号をデータ入力として受信するとともに前記第1の駆動信号の基本周波数成分をクロック入力として受信して、前記印加された角速度に比例するパルス反復周波数を有する出力信号を発生し、
前記クロススイッチは、前記第1の駆動信号を入力信号として受信するとともに前記D型フリッププロップからの前記出力信号を制御信号として受信して、前記第1の駆動信号の完全サイクルの複数を備える第2の駆動信号を前記横断セグメント駆動系へ供給し、
前記横断セグメント駆動系は、前記クロススイッチからの前記第2の駆動信号を受信し且つ該第2の駆動信号の受信に応答して、前記感知軸に沿って前記フィードバック力Ffを発生して、前記コリオリの力を相殺することを特徴とする機械式センサ。 - 前記第1セグメント駆動系が第1の静電式セグメント駆動系を具備し、前記横断セグメント駆動系が横断静電式セグメント駆動系を具備し、前記第1の駆動信号が電圧駆動信号を備える請求項4記載の機械式センサ。
- 前記第1セグメント駆動系が第1の電磁式セグメント駆動系を具備し、前記横断セグメント駆動系が横断電磁式セグメント駆動系を具備し、前記第1の駆動信号が電流駆動信号を備える請求項4記載の機械式センサ。
- 機械式センサと、同期復調器と、低域通過フィルタと、制御回路とを含む機械式レートジャイロスコープの動作方法であって、前記機械式センサは、駆動軸と、感知軸と、レート感知軸と、基板と、質量と、変位センサと、第1セグメント駆動系と、横断セグメント駆動系と、を有するとともに、前記駆動軸と、前記感知軸と、前記レート感知軸とは、それぞれ相互に直交しており、前記制御回路は、コンパレータと、D型フリップフロップと、クロススイッチと、を備え、前記動作方法が、
前記第1セグメント駆動系によって、前記第1の駆動信号の受信に応答して駆動軸に沿って駆動力Fdを発生させると共に、該駆動力により前記質量を前記基板に対して前記駆動軸に沿って振動させるステップと、
前記レート感知軸回りに印加された角速度に応じて前記感知軸に沿って発生するコリオリの力であって、前記感知軸に沿って発生されたフィードバック力Ffによって相殺される前記コリオリの力によって前記感知軸に沿って引き起こされる前記質量の変位の大きさに比例した大きさを持つ感知信号を、前記変位センサによって発生するステップと、
前記同期復調器によって、前記感知信号を入力信号として受信するとともに前記第1の駆動信号を基準信号として受信して同期復調信号を発生するステップと、
前記低域通過フィルタによって、前記同期復調器からの前記同期復調信号を受信するとともに該同期復調信号を平均化して、平均化された同期復調信号を発生するステップと、
前記コンパレータによって、前記低域通過フィルタからの前記平均化された同期復調信号を受信して、前記コリオリの力と前記フィードバック力Ffとの間の差の時間平均値をあらわすデジタル信号を発生するステップと、
前記D型フリッププロップによって、前記コンパレータからの前記デジタル信号をデータ入力として受信するとともに前記第1の駆動信号の基本周波数成分をクロック入力として受信して、前記印加された角速度に比例するパルス反復周波数を有する出力信号を発生するステップと、
前記クロススイッチによって、前記第1の前記駆動信号を入力信号として受信するとともに前記D型フリッププロップからの前記出力信号を制御信号として受信して、前記第1の駆動信号の完全サイクルの複数を備える第2の駆動信号を前記横断セグメント駆動系へ供給するステップと、
前記横断セグメント駆動系によって、前記クロススイッチからの前記第2の駆動信号の受信に応答して前記感知軸に沿って前記フィードバック力Ffを発生させて前記コリオリの力を相殺するステップと、
を備える機械式レートジャイロスコープの動作方法。
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