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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-06-26
(45)【発行日】2023-07-04
(54)【発明の名称】ジャイロ装置およびジャイロ装置の制御方法
(51)【国際特許分類】
G01C 19/5677 20120101AFI20230627BHJP
【ＦＩ】
G01C19/5677
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2019069619
(22)【出願日】2019-04-01
(65)【公開番号】P2020169819
(43)【公開日】2020-10-15
【審査請求日】2022-03-08
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、エネルギー・環境新技術先導プログラム／未踏チャレンジ２０５０／周波数変調・積分型 ＭＥＭＳジャイロスコープの開発」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】504157024
【氏名又は名称】国立大学法人東北大学
(74)【代理人】
【識別番号】100082762
【弁理士】
【氏名又は名称】杉浦 正知
(74)【代理人】
【識別番号】100123973
【弁理士】
【氏名又は名称】杉浦 拓真
(72)【発明者】
【氏名】塚本 貴城
(72)【発明者】
【氏名】田中 秀治
【審査官】岡田 卓弥
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１７／１５９４２９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１０－９６７６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０９４７０２２８（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｃ１９／００－１９／７２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１回転振動モードに対応する駆動信号および第２回転振動モードに対応する駆動信号によって駆動される単一の２次元振動子と、前記２次元振動子から出力される信号から、前記第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第１検出部と、
前記２次元振動子から出力される信号から、前記第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第２検出部と、
前記第１回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整する第１位相・振幅調整部と、
前記第２回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整する第２位相・振幅調整部と、
前記第１検出部によって検出された位相に基づいて、前記第１回転振動モードに対応する第１共振周波数と、位相が前記第１検出部により検出された位相と一致する信号とを出力する第１発振回路と、
前記第１検出部によって検出された振幅が第１設定値となるようにゲインをコントロールする第１ゲインコントロール部と、
前記第２検出部によって検出された位相に基づいて、前記第２回転振動モードに対応する第２共振周波数と、位相が前記第２検出部により検出された位相と一致する信号とを出力する第２発振回路と、
前記第２検出部によって検出された振幅が第２設定値となるようにゲインをコントロールする第２ゲインコントロール部と、
第１参照信号を使用して、前記第２回転振動モードに対応したエラー成分を検出する第３検出部と、
第２参照信号を使用して、前記第１回転振動モードに対応したエラー成分を検出する第４検出部とを備え、
前記第１位相・振幅調整部による処理で用いられる、前記第１回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第１位相補正値、および、前記第１回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第１振幅補正値が自動で求められ、
前記第２位相・振幅調整部による処理で用いられる、前記第２回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第２位相補正値、および、前記第２回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第２振幅補正値が自動で求められ、
前記第１検出部は、前記第１発振回路からフィードバックされる信号を前記第１参照信号として使用して同期検波を行うことにより前記第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
前記第２検出部は、前記第２発振回路からフィードバックされる信号を前記第２参照信号として使用して同期検波を行うことにより前記第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
前記第２回転振動モードに対応したエラー成分に基づいて、前記第１位相補正値および前記第１振幅補正値が求められ、
前記第１回転振動モードに対応したエラー成分に基づいて、前記第２位相補正値および前記第２振幅補正値が求められる
ジャイロ装置。
【請求項2】
前記第１位相・振幅調整部による処理で用いられる位相補正値および振幅補正値を変化させることにより、前記第３検出部が複数のエラー成分を検出し、前記第３検出部により検出された複数のエラー成分により規定される平面に基づいて、前記第１位相補正値および前記第１振幅補正値が求められ、
前記第２位相・振幅調整部による処理で用いられる位相補正値および振幅補正値を変化させることにより、前記第４検出部が複数のエラー成分を検出し、
前記第４検出部により検出された複数のエラー成分により規定される平面に基づいて、前記第２位相補正値および前記第２振幅補正値が求められる
請求項１に記載のジャイロ装置。
【請求項3】
前記第３検出部により検出されるエラー成分と、前記第４検出部により検出されるエラー成分とが所定以下になるまで、前記第１位相補正値、前記第１振幅補正値、前記第２位相補正値および前記第２振幅補正値を求める処理が繰り返される請求項１又は２に記載のジャイロ装置。
【請求項4】
前記第１共振周波数と前記第２共振周波数とに基づいて回転の角速度を検出する角速度検出部を備える請求項１から３までの何れか１項に記載のジャイロ装置。
【請求項5】
前記第１回転振動モードに対応した成分と前記第２回転振動モードに対応した成分との位相差に基づいて、回転の角度を検出する角度検出部を備える請求項１乃至４の何れか１項に記載のジャイロ装置。
【請求項6】
第１検出部が、第１回転振動モードに対応する駆動信号および第２回転振動モードに対応する駆動信号によって駆動される単一の２次元振動子から出力される信号から、前記第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、第２検出部が、前記２次元振動子から出力される信号から、前記第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第１位相・振幅調整部が、前記第１回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整し、
第２位相・振幅調整部が、前記第２回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整し、
第１発振回路が、前記第１検出部によって検出された位相に基づいて、前記第１回転振動モードに対応する第１共振周波数と、位相が前記第１検出部により検出された位相と一致する信号とを出力し、
第１ゲインコントロール部が、前記第１検出部によって検出された振幅が第１設定値となるようにゲインをコントロールし、
第２発振回路が、前記第２検出部によって検出された位相に基づいて、前記第２回転振動モードに対応する第２共振周波数と、位相が前記第２検出部により検出された位相と一致する信号とを出力し、
第２ゲインコントロール部が、前記第２検出部によって検出された振幅が第２設定値となるようにゲインをコントロールし、
第３検出部が、第１参照信号を使用して、前記第２回転振動モードに対応したエラー成分を検出し、
第４検出部が、第２参照信号を使用して、前記第１回転振動モードに対応したエラー成分を検出し、
前記第１位相・振幅調整部による処理で用いられる、前記第１回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第１位相補正値、および、前記第１回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第１振幅補正値が自動で求められ、
前記第２位相・振幅調整部による処理で用いられる、前記第２回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第２位相補正値、および、前記第２回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第２振幅補正値が自動で求められ、
前記第１検出部は、前記第１発振回路からフィードバックされる信号を前記第１参照信号として使用して同期検波を行うことにより前記第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
前記第２検出部は、前記第２発振回路からフィードバックされる信号を前記第２参照信号として使用して同期検波を行うことにより前記第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
前記第２回転振動モードに対応したエラー成分に基づいて、前記第１位相補正値および
前記第１振幅補正値が求められ、
前記第１回転振動モードに対応したエラー成分に基づいて、前記第２位相補正値および
前記第２振幅補正値が求められる
ジャイロ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ジャイロ装置およびジャイロ装置の制御方法に関し、例えば、単一（１個）のモードマッチ（直交する２軸の共振周波数が一致）した２次元振動子を用いたジャイロ装置およびジャイロ装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、回転の角速度を検出するためのジャイロ装置が提案されており、本件発明者も、下記特許文献１に開示されている、２次元振動子を用いたジャイロ装置を提案している。特許文献１に開示されたジャイロ装置では、２次元振動子の不完全性により生じ得るX方向およびY方向における周波数やQ値のずれをキャンセルするために、位相調整部による位相調整処理および振幅調整部による振幅調整処理が行われる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】国際公開２０１７／１５９４２９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１に開示されたジャイロ装置で行われる位相調整処理により補正される位相差や振幅調整処理により補正される振幅は、自動で設定されることが望まれる。
【0005】
本発明の目的の一つは、これらの問題を解決するための新規かつ有用なジャイロ装置およびジャイロ装置の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一の態様は、
第１回転振動モードに対応する駆動信号および第２回転振動モードに対応する駆動信号によって駆動される単一の２次元振動子と、
２次元振動子から出力される信号から、第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第１検出部と、
２次元振動子から出力される信号から、第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第２検出部と、
第１回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整する第１位相・振幅調整部と、
第２回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整する第２位相・振幅調整部と、
第１検出部によって検出された位相に基づいて、第１回転振動モードに対応する第１共振周波数と、位相が第１検出部により検出された位相と一致する信号とを出力する第１発振回路と、
第１検出部によって検出された振幅が第１設定値となるようにゲインをコントロールする第１ゲインコントロール部と、
第２検出部によって検出された位相に基づいて、第２回転振動モードに対応する第２共振周波数と、位相が第２検出部により検出された位相と一致する信号とを出力する第２発振回路と、
第２検出部によって検出された振幅が第２設定値となるようにゲインをコントロールする第２ゲインコントロール部と、
第１参照信号を使用して、第２回転振動モードに対応したエラー成分を検出する第３検出部と、
第２参照信号を使用して、第１回転振動モードに対応したエラー成分を検出する第４検出部とを備え、
第１位相・振幅調整部による処理で用いられる、第１回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第１位相補正値、および、第１回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第１振幅補正値が自動で求められ、
第２位相・振幅調整部による処理で用いられる、第２回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第２位相補正値、および、第２回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第２振幅補正値が自動で求められ、
第１検出部は、第１発振回路からフィードバックされる信号を第１参照信号として使用して同期検波を行うことにより第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第２検出部は、第２発振回路からフィードバックされる信号を第２参照信号として使用して同期検波を行うことにより第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第２回転振動モードに対応したエラー成分に基づいて、第１位相補正値および第１振幅補正値が求められ、
第１回転振動モードに対応したエラー成分に基づいて、第２位相補正値および第２振幅補正値が求められる
ジャイロ装置である。
第１回転振動モードに対応する駆動信号および第２回転振動モードに対応する駆動信号によって駆動される単一の２次元振動子と、
２次元振動子から出力される信号から、第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第１検出部と、
２次元振動子から出力される信号から、第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第２検出部と、
第１回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整する第１位相・振幅調整部と、
第２回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整する第２位相・振幅調整部と、
第１検出部によって検出された位相に基づいて、第１回転振動モードに対応する第１共振周波数と、位相が第１検出部により検出された位相と一致する信号とを出力する第１発振回路と、
第１検出部によって検出された振幅が第１設定値となるようにゲインをコントロールする第１ゲインコントロール部と、
第２検出部によって検出された位相に基づいて、第２回転振動モードに対応する第２共振周波数と、位相が第２検出部により検出された位相と一致する信号とを出力する第２発振回路と、
第２検出部によって検出された振幅が第２設定値となるようにゲインをコントロールする第２ゲインコントロール部と、
第１参照信号を使用して、第２回転振動モードに対応したエラー成分を検出する第３検出部と、
第２参照信号を使用して、第１回転振動モードに対応したエラー成分を検出する第４検出部とを備え、
第１位相・振幅調整部による処理で用いられる、第１回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第１位相補正値、および、第１回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第１振幅補正値が自動で求められ、
第２位相・振幅調整部による処理で用いられる、第２回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第２位相補正値、および、第２回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第２振幅補正値が自動で求められ、
第１検出部は、第１発振回路からフィードバックされる信号を第１参照信号として使用して同期検波を行うことにより第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第２検出部は、第２発振回路からフィードバックされる信号を第２参照信号として使用して同期検波を行うことにより第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第２回転振動モードに対応したエラー成分に基づいて、第１位相補正値および第１振幅補正値が求められ、
第１回転振動モードに対応したエラー成分に基づいて、第２位相補正値および第２振幅補正値が求められる
ジャイロ装置である。
【0007】
本発明の他の態様は、
第１検出部が、第１回転振動モードに対応する駆動信号および第２回転振動モードに対応する駆動信号によって駆動される単一の２次元振動子から出力される信号から、第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第２検出部が、２次元振動子から出力される信号から、第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第１位相・振幅調整部が、第１回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整し、
第２位相・振幅調整部が、第２回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整し、
第１発振回路が、第１検出部によって検出された位相に基づいて、第１回転振動モードに対応する第１共振周波数と、位相が第１検出部により検出された位相と一致する信号とを出力し、
第１ゲインコントロール部が、第１検出部によって検出された振幅が第１設定値となるようにゲインをコントロールし、
第２発振回路が、第２検出部によって検出された位相に基づいて、第２回転振動モードに対応する第２共振周波数と、位相が第２検出部により検出された位相と一致する信号とを出力し、
第２ゲインコントロール部が、第２検出部によって検出された振幅が第２設定値となるようにゲインをコントロールし、
第３検出部が、第１参照信号を使用して、第２回転振動モードに対応したエラー成分を検出し、
第４検出部が、第２参照信号を使用して、第１回転振動モードに対応したエラー成分を検出し、
第１位相・振幅調整部による処理で用いられる、第１回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第１位相補正値、および、第１回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第１振幅補正値が自動で求められ、
第２位相・振幅調整部による処理で用いられる、第２回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第２位相補正値、および、第２回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第２振幅補正値が自動で求められ、
第１検出部は、第１発振回路からフィードバックされる信号を第１参照信号として使用して同期検波を行うことにより第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第２検出部は、第２発振回路からフィードバックされる信号を第２参照信号として使用して同期検波を行うことにより第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第２回転振動モードに対応したエラー成分に基づいて、第１位相補正値および第１振幅補正値が求められ、
第１回転振動モードに対応したエラー成分に基づいて、第２位相補正値および第２振幅補正値が求められる
ジャイロ装置の制御方法である。
第１検出部が、第１回転振動モードに対応する駆動信号および第２回転振動モードに対応する駆動信号によって駆動される単一の２次元振動子から出力される信号から、第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第２検出部が、２次元振動子から出力される信号から、第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第１位相・振幅調整部が、第１回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整し、
第２位相・振幅調整部が、第２回転振動モードに対応する駆動信号の位相および振幅を調整し、
第１発振回路が、第１検出部によって検出された位相に基づいて、第１回転振動モードに対応する第１共振周波数と、位相が第１検出部により検出された位相と一致する信号とを出力し、
第１ゲインコントロール部が、第１検出部によって検出された振幅が第１設定値となるようにゲインをコントロールし、
第２発振回路が、第２検出部によって検出された位相に基づいて、第２回転振動モードに対応する第２共振周波数と、位相が第２検出部により検出された位相と一致する信号とを出力し、
第２ゲインコントロール部が、第２検出部によって検出された振幅が第２設定値となるようにゲインをコントロールし、
第３検出部が、第１参照信号を使用して、第２回転振動モードに対応したエラー成分を検出し、
第４検出部が、第２参照信号を使用して、第１回転振動モードに対応したエラー成分を検出し、
第１位相・振幅調整部による処理で用いられる、第１回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第１位相補正値、および、第１回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第１振幅補正値が自動で求められ、
第２位相・振幅調整部による処理で用いられる、第２回転振動モードに対応する駆動信号の位相に対する第２位相補正値、および、第２回転振動モードに対応する駆動信号の振幅に対する第２振幅補正値が自動で求められ、
第１検出部は、第１発振回路からフィードバックされる信号を第１参照信号として使用して同期検波を行うことにより第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第２検出部は、第２発振回路からフィードバックされる信号を第２参照信号として使用して同期検波を行うことにより第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第２回転振動モードに対応したエラー成分に基づいて、第１位相補正値および第１振幅補正値が求められ、
第１回転振動モードに対応したエラー成分に基づいて、第２位相補正値および第２振幅補正値が求められる
ジャイロ装置の制御方法である。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、ジャイロ装置で行われる位相調整処理により補正される位相差や振幅調整処理により補正される振幅を自動で設定することができる。なお、本明細書により例示された効果により、本発明の内容が限定して解釈されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態等について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
＜１．第１実施形態＞
＜２．第２実施形態＞
＜３．第３実施形態＞
＜４．第４実施形態＞
＜５．変形例＞
以下に説明する実施形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。
＜１．第１実施形態＞
＜２．第２実施形態＞
＜３．第３実施形態＞
＜４．第４実施形態＞
＜５．変形例＞
以下に説明する実施形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。
【0011】
＜１．第１実施形態＞
「一般的なジャイロ装置について」
本発明の理解を容易とするために、一般的なジャイロ装置（ジャイロスコープ）について説明する。なお、以下の説明では、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）を使用した小型の振動型ジャイロ装置を例にして説明する。ジャイロ装置では、回転の角速度（以下、回転角速度と適宜、称する）を検出し、回転角速度を積分して回転の角度（以下、回転角度と適宜、称する）を得る処理が行われる。回転角速度Ωzを検出する方法として、複数の方法が知られている。第１の方法として、AM（Amplitude Modulation）モードと称される方法が知られている。AMモードでは、ドライブ軸（例えばX軸）方向に振動を与えたときに、コリオリ力によって変化するセンス軸（例えばY軸）方向の振幅（変位）を計測することで角速度を得る。センス軸方向の振幅が回転角速度Ωzに比例することから、当該振幅を検出することにより回転角速度Ωzを検出することができる。AMモードでは、ドライブ軸方向に与えられる振動がセンス軸方向を直接励振してしまう点を考慮して、ドライブ軸、センス軸方向における共振周波数が異なるように設定される（モードミスマッチ）。しかしながら、AMモードでは、共振周波数から離れた周波数で計測を行うため，感度が低下する等の問題がある。
「一般的なジャイロ装置について」
本発明の理解を容易とするために、一般的なジャイロ装置（ジャイロスコープ）について説明する。なお、以下の説明では、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）を使用した小型の振動型ジャイロ装置を例にして説明する。ジャイロ装置では、回転の角速度（以下、回転角速度と適宜、称する）を検出し、回転角速度を積分して回転の角度（以下、回転角度と適宜、称する）を得る処理が行われる。回転角速度Ωzを検出する方法として、複数の方法が知られている。第１の方法として、AM（Amplitude Modulation）モードと称される方法が知られている。AMモードでは、ドライブ軸（例えばX軸）方向に振動を与えたときに、コリオリ力によって変化するセンス軸（例えばY軸）方向の振幅（変位）を計測することで角速度を得る。センス軸方向の振幅が回転角速度Ωzに比例することから、当該振幅を検出することにより回転角速度Ωzを検出することができる。AMモードでは、ドライブ軸方向に与えられる振動がセンス軸方向を直接励振してしまう点を考慮して、ドライブ軸、センス軸方向における共振周波数が異なるように設定される（モードミスマッチ）。しかしながら、AMモードでは、共振周波数から離れた周波数で計測を行うため，感度が低下する等の問題がある。
【0012】
第２の方法は、フォースリバランスと呼ばれる方法であり、AMモードのセンス軸方向の振幅が常に０になるようにフィードバック制御をかけ、そのフィードバック信号の大きさから回転角速度を得る方法である。この場合は、ドライブ軸とセンス軸の共振周波数を合わせた（モードマッチさせた）振動子を用いることができる。しかしながら、スケールファクタ（回転角速度に対する出力の大きさ）が、温度等により変動してしまう等の問題がある。
【0013】
以上のような第１、第２の方法の問題に鑑み、本発明における実施形態では、FM(Frequency Modulation)モードによるジャイロ装置の駆動を採用している。FMモードの特徴としては、他の方法に比べ、感度（スケールファクタ）が正確で安定する、原理的に温度特性に優れている、ダイナミックレンジに制限がない等の利点を有している点が挙げられる。
【0014】
ここでFMモードの基本的な原理について説明する。なお、FMモードの原理そのものは公知であるのでここでは概略的な説明に留める。FMモードのジャイロは、直交（独立）する２軸方向に振動する振動子（共振子、共振器とも称される）で構成される。FMモードでは、各軸における共振周波数を一致させた振動子（モードマッチ）を用いる。この状態において、振動子に対して回転角速度を与えると、下記の数式１が導出されることが知られている。なお、数式１におけるλは共振周波数、ωは回転を与えていない場合の共振周波数（モードマッチしてあるので、２軸ともに同じ共振周波数）、Ωzは振動子に与えられる回転角速度を表している。
【0015】
なお、以下で言及する振動は直線方向（例えばX方向、Y方向）に限らず、平面内のモードマッチした直交振動モードであれば、どのような振動でも利用できる。例えば、リング型の共振器の場合は、図１、２に示すように、直交する２つの振動は必ずしも単純な直線振動にはならないが、それぞれの振動モードにおける変位の状態をモード座標（一般化座標）で表すと、直線振動と全く同じように扱うことができる。以下では、これらのモード座標（一般化座標）も含めて、一つのモードを"X軸（もしくはX方向）"、これと直交するモードを"Y軸（もしくはY方向）"と呼ぶ（なお、図１、２におけるモード１、２は数学的、もしくは振動学的に直交している状態を示している）。
【0016】
【数1】
【0017】
数式１から下記の数式２が導出される。
【0018】
【数2】
【0019】
すなわち、数式２により示されるように、回転が与えられない時にはX軸、Y軸方向の共振周波数が一致していた、すなわちモードマッチしていたものが、回転を与えることにより共振周波数λがω＋Ωzとω－Ωzとに分かれる。この２つの共振周波数をλ1、λ2とすると、共振周波数λ1、λ2の差（ずれ）が回転角速度Ωzに比例することから、２つの共振周波数をλ1、λ2を検出すれば、下記の数式３により回転角速度Ωzを得ることができる。
【0020】
【数3】
【0021】
ここで、λ1（ω＋Ωz）に対応する運動は時計回り（CW）に対応しており、λ2（ω－Ωz）に対応する運動は反時計回り（CCW）に対応している。すなわち、モードマッチしている振動子に回転が与えられた場合には、固有振動モードは直線（X方向もしくはY方向単独の振動）ではなく、回転振動（X方向とY方向の振動の位相が±90度(°)ずれている２次元振動）になる。なお、実際の振動子の回転は、これらCWモードおよびCCWモードの重ねあわせとなる。
【0022】
「各モードの成分の検出方法について」
以上、FMモードについて説明した。本発明の実施形態では、上述したFMモードで２次元にモードマッチした１個の振動子（以下、２次元振動子と適宜、称する）を励振させる。したがって、回転角速度Ωzを得るためには、２次元振動子の回転振動（出力）に含まれるCWモード（第１の回転振動モード）の成分とCCWモード（第２の回転振動モード）の成分を独立して検出する必要がある。そこで、次に、２次元振動子の出力からCWモードの成分とCCWモードの成分を分離して検出する方法について説明する。
以上、FMモードについて説明した。本発明の実施形態では、上述したFMモードで２次元にモードマッチした１個の振動子（以下、２次元振動子と適宜、称する）を励振させる。したがって、回転角速度Ωzを得るためには、２次元振動子の回転振動（出力）に含まれるCWモード（第１の回転振動モード）の成分とCCWモード（第２の回転振動モード）の成分を独立して検出する必要がある。そこで、次に、２次元振動子の出力からCWモードの成分とCCWモードの成分を分離して検出する方法について説明する。
【0023】
図３は、一般的な同期検波方式を説明するための図である。入力信号(Signal)SIにある所定の振幅（Amplitude）および位相(Phase)を有する信号が入力される。入力信号SIが分岐され、乗算器（ミキサ）１、３のそれぞれに入力される。同期検波方式では、位相を90度ずらした２つの信号を参照信号として使用し、この参照信号を別々の乗算器１、３で乗算した後、フィルタ処理を行うことで復調出力を得る。例えば、参照信号としてcos波およびsin波が使用され、入力信号SIにcos波を乗算する処理が乗算器１により行われ、入力信号SIにsin波を乗算する処理が乗算器３により行われる。
【0024】
乗算器１から出力される信号がLPF(Low Pass Filter)２に入力されフィルタ処理がなされる。LPF２によるフィルタ処理により、LPF２からは、参照信号（本例ではcos波）と同じ周波数であり、且つ、同じ位相を持つ成分のみが出力される。
【0025】
一方、乗算器３から出力される信号がLPF４に入力され、フィルタ処理がなされる。LPF４によるフィルタ処理により、LPF４からは、乗算器３における参照信号(本例ではsin波)と同じ周波数であり、且つ、同じ位相を持つ成分のみが出力される。
【0026】
LPF２、４からの出力により入力信号SIが復調され、復調出力に基づいて入力信号SIの振幅ｒと位相θとが検出される。
【0027】
本発明の実施形態では、この同期検波方式を発展、応用してCWモードの成分とCCWモードの成分とを検出する処理が行われる。なお、以下の説明では、２次元振動子内に生じているCWモードとCCWモードとが組み合わさった信号から、CWモードの成分のみを検出する例について説明するが、同様の処理によりCCWモードの成分を検出することができる。
【0028】
図４は、入力信号SIからCWモードの成分を検出する方法を説明するための図である。入力信号SIとして、２次元振動子から出力される信号が入力される。２次元振動子を使用した場合には、図示するように、X、Y方向の成分を含むベクトル的な表記で入力信号SIを示すことができる。
【0029】
入力信号SIが分岐され、乗算器１、３のそれぞれに入力される。参照信号として信号CW-I(In phase)、CW-Q(Quadrature Phase)が使用され、入力信号SIに信号CW-Iを乗算する処理が乗算器１により行われ、入力信号SIに信号CCW-Iを乗算する処理が乗算器３により行われる。信号CW-I、信号CW-Qは、図４にシンボル的に示されているように、振幅、周波数、回転方向は同じで位相が90度ずれている信号である。
【0030】
入力信号SIに対して信号CW-Iが乗算器１により乗算され、その出力がLPF２に供給される。入力信号SIに対して信号CW-Qが乗算器３により乗算され、その出力がLPF４に供給される。LPF２、４のそれぞれによるフィルタ処理の結果、入力信号SIが復調され、復調出力に基づいて入力信号SIに含まれるCWモードの成分の振幅ｒおよび位相θを検出することができる。
【0031】
図５は、上述した乗算器１、３の詳細な構成例を説明するための図である。乗算器１は、例えば、乗算器１ａと、乗算器１ｂと、加算器１ｃとを備えている。乗算器３は、例えば、乗算器３ａと、乗算器３ｂと、加算器３ｃとを備えている。
【0032】
上述したように、２次元振動子の場合は入力信号SIとしてX軸、Y軸方向の信号（振幅）（以下、信号SIX、SIYと適宜、称する）が乗算器１に入力される。乗算器１ａは、信号SIXに対して信号CW-IのX軸方向の成分を乗算し、乗算器１ｂは、信号SIYに対して信号CW-IのY軸方向の成分を乗算する。加算器１ｃは、乗算器１ａ、１ｂの出力を加算してLPF２に出力する。
【0033】
乗算器３ａは、信号SIXに対して信号CW-QのX軸方向の成分を乗算し、乗算器３ｂは、信号SIYに対して信号CW-QのY軸方向の成分を乗算する。加算器３ｃは、乗算器３ａ、３ｂの出力を加算してLPF４に出力する。
【0034】
上述した方法により、２次元振動子の出力に含まれるCWモードの成分を検出できる点について、図６乃至図９を参照して更に詳細に説明する。図６に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例である。なお、本例では、CW-IのX軸方向の信号をsin波とし、Y軸方向の信号をcos波としている。入力信号SIが信号CW-Iの成分のみと仮定した場合には、乗算器１ａの出力波形は波形WA１ａとなり、乗算器１ｂの出力波形は波形WA２ａとなる。各乗算器の出力を加算器１ｃで加算した信号の波形は、波形WA３ａとなる。この信号波形をLPF２に通すと、LPF２によるフィルタ処理は平均を得る処理と等価の処理であることから、得られる信号の波形は波形WA３ａと同様の波形WA４ａ（直流成分）となる。すなわち、入力信号SIに信号CW-Iの成分が含まれる場合は、信号CW-Iを使用した検波によりその成分を検出することができる。
【0035】
図７に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例であるが、入力信号SIが信号CW-Iと位相が90度異なる信号CW-Qの成分のみと仮定した例である。この場合には、乗算器１ａの出力波形は波形WA１ｂとなり、乗算器１ｂの出力波形は波形WA２ｂとなる。これらの波形の出力を加算器１ｃで加算した信号は図示する通り０となり、したがって、LPF２の出力も図示する通り０となる。
【0036】
図８に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例であるが、入力信号SIが信号CW-Iと回転方向が異なる反時計回りの信号CCW-Iの成分のみと仮定した例である。この場合には、乗算器１ａの出力波形は波形WA１ｃとなり、乗算器１ｂの出力波形は波形WA２ｃとなる。各乗算器の出力を加算器１ｃで加算した信号の波形は、０を中心として対称となる波形WA３ｃとなる。この波形WA３ａの信号をLPF２に通すとその出力は図示する通り０となる。
【0037】
図９に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例であるが、入力信号SIが信号CW-Iと回転方向が異なる反時計回りの信号であり、信号CCW-Iと位相が90度異なる信号CCW-Qの成分のみと仮定した例である。この場合には、乗算器１ａの出力波形は波形WA１ｄとなり、乗算器１ｂの出力波形は波形WA２ｄとなる。各乗算器の出力を加算器１ｃで加算した信号の波形は、０を中心として対称となる波形WA３ｄとなる。この波形WA３ｄの信号をLPF２に通すとその出力は図示の通り０となる。
【0038】
すなわち、２次元振動子内に生じている任意の２次元振動（CW-I,CW-Q,CCW-I,CCW-Qの線型結合で表される）を、信号CW-Iを参照信号として同期検波ですると、２次元振動子の出力信号に含まれる信号CW-Iの成分のみが得られる。このことは参照信号として他の信号を使用した場合の検出される成分についても当てはまる。以上をまとめると下記の表１が得られる。
【0039】
【表1】
【0040】
表１に示すように、２次元振動子の出力に信号CW-Qの成分が含まれている場合には、参照信号を信号CW-Qとして検波できる一方、他の信号の成分については出力が０となる。２次元振動子の出力に信号CCW-Iの成分が含まれている場合には、参照信号を信号CCW-Iとして検波できる一方、他の信号の成分については出力が０となる。２次元振動子の出力に信号CCW-Qの成分が含まれている場合には、参照信号を信号CCW-Qとして検波できる一方、他の信号の成分については出力が０となる。つまり、例えば２個の検出器を設け、各検出器における参照信号を信号CW-Iおよび信号CW-Qの組合せ、信号CCW-Iおよび信号CCW-Qの組合せにそれぞれ設定すれば、２次元振動子の出力からCWモードの成分およびCCWモードの成分を独立して検出できることになる。
【0041】
「ジャイロ装置の構成例」
以上の説明を踏まえて、本発明の第１実施形態に係るジャイロ装置について説明する。図１０は、本発明の第１実施形態に係るジャイロ装置（ジャイロ装置１０）の構成例を示す図である。ジャイロ装置１０は、例えば、単一の２次元振動子１５と、駆動信号生成部２０と、第１検出部３０ａと、第１発振回路の一例としての第１PLL(Phase Locked Loop)回路４０ａと、第１ゲインコントロール部の一例としての第１AGC(Automatic Gain Control)部５０ａと、第２検出部３０ｂと、第２発振回路の一例としての第２PLL回路４０ｂと、第２ゲインコントロール部の一例としての第２AGC部５０ｂと、２次元振動子１５の入力側に設けられた増幅器６１ａ、６１ｂと、２次元振動子１５の出力側に設けられた増幅器６２ａ、６２ｂとを備えている。
以上の説明を踏まえて、本発明の第１実施形態に係るジャイロ装置について説明する。図１０は、本発明の第１実施形態に係るジャイロ装置（ジャイロ装置１０）の構成例を示す図である。ジャイロ装置１０は、例えば、単一の２次元振動子１５と、駆動信号生成部２０と、第１検出部３０ａと、第１発振回路の一例としての第１PLL(Phase Locked Loop)回路４０ａと、第１ゲインコントロール部の一例としての第１AGC(Automatic Gain Control)部５０ａと、第２検出部３０ｂと、第２発振回路の一例としての第２PLL回路４０ｂと、第２ゲインコントロール部の一例としての第２AGC部５０ｂと、２次元振動子１５の入力側に設けられた増幅器６１ａ、６１ｂと、２次元振動子１５の出力側に設けられた増幅器６２ａ、６２ｂとを備えている。
【0042】
なお、図示は省略しているが、ジャイロ装置１０は、DA(Digital to Analog)変換器およびAD(Analog to Digital)変換器を備え、デジタル信号処理により実現しても良い。この場合、DA変換器は、例えば、増幅器６１ａ、６１ｂの前段に設けられ、駆動信号生成部２０から出力されるデジタル形式の駆動信号をアナログ形式に変換するように構成される。また、AD変換器は、例えば、増幅器６２ａ、６２ｂの後段に設けられ、２次元振動子１５から出力されるアナログ形式の信号をデジタル形式に変換するように構成される。
【0043】
２次元振動子１５は、例えば、リング形状を成しCWモードおよびCCWモードのそれぞれに対応した駆動信号により励振可能な振動部材である。なお、２次元振動子１５の形状はリング形状に限定されるものではなく、正四角板、円柱、正四角柱、４個のマスを使用した４重マス型等、任意の形状とすることが可能である。
【0044】
駆動信号生成部２０は、CWモードに対応する駆動信号およびCCWモードに対応する駆動信号を生成し、これらを多重化した駆動信号を２次元振動子１５に供給する。駆動信号生成部２０から供給される駆動信号により２次元振動子１５が励振させられる。本例では、CWモードに対応するX軸方向の駆動信号としてcos波（以下、coscw信号と表記する）、Y軸方向の駆動信号として-sin波（以下、-sincw信号と表記する）を用いている。なお、駆動信号は、Y方向信号がX方向信号に比べて90度位相が進んでいれば、必ずしもcos波、-sin波である必要はない。また、CCWモードに対応するX軸方向の駆動信号として-cos波（以下、-cosCCW信号と表記する）、Y軸方向の駆動信号として-sin波（以下、-sinCCW信号と表記する）を用いている。なお、駆動信号は、Y方向信号がX方向信号に比べて90度位相が遅れていれば、必ずしも-cos波、-sin波である必要はない。より具体的には、駆動信号生成部２０は、例えば、乗算器２０１と、乗算器２０２と、乗算器２０３と、乗算器２０４と、加算器２０５と、加算器２０６とを備えている。
【0045】
第１検出部３０ａは、２次元振動子１５の出力に含まれるCW成分の振幅rcwおよび位相θcwを検出する。なお、第１検出部３０ａの詳細については後述する。
【0046】
第１PLL回路４０ａは、位相比較器４１ａと、PID(Proportional Integral Differential)制御部４２ａと、VCO(Voltage Controlled Oscillator)やNCO（Numerical Controlled Oscillator）等の発振周波数を変化することができる発振器４３ａとを備えている。図示が煩雑となることを防止するために詳細な図示を省略しているが、第１PLL回路４０ａの出力（全ての出力でもよいし一部の出力でもよい）が駆動信号生成部２０、第１検出部３０ａのそれぞれにフィードバックされるように構成されている。
【0047】
第１AGC部５０ａは、振幅比較器５１ａと、PID制御部５２ａとを備えている。第１AGC部５０ａの出力が駆動信号生成部２０にフィードバックされるように構成されている。
【0048】
第２検出部３０ｂは、２次元振動子１５の出力に含まれるCCW成分の振幅rCCWおよび位相θCCWを検出する。なお、第２検出部３０ｂの詳細については後述する。
【0049】
第２PLL回路４０ｂは、位相比較器４１ｂと、PID制御部４２ｂと、VCOやNCO等の発振周波数を変化することができる発振器４３ｂとを備えている。図示が煩雑となることを防止するために詳細な図示を省略しているが、第２PLL回路４０ｂの出力（全ての出力でもよいし一部の出力でもよい）が駆動信号生成部２０、第２検出部３０ｂのそれぞれにフィードバックされるように構成されている。
【0050】
第２AGC部５０ｂは、振幅比較器５１ｂと、PID制御部５２ｂとを備えている。第２AGC部５０ｂの出力が駆動信号生成部２０にフィードバックされるように構成されている。
【0051】
「第１、第２検出部の構成例」
図１１は、第１検出部３０ａの構成例を説明するための図である。第１検出部３０ａは、２次元振動子１５から出力される信号が分岐されて入力される検出器３１ａ、３２ａと、検出器３１ａの出力にフィルタ処理を行うLPF３３ａと、検出器３２ａの出力にフィルタ処理を行うLPF３４ａと、LPF３３ａおよびLPF３４ａからの出力に基づいて２次元振動子１５の出力信号に含まれるCW成分の振幅ｒcwおよび位相θcwを検出する振幅位相検出部３５ａとを備えている。
図１１は、第１検出部３０ａの構成例を説明するための図である。第１検出部３０ａは、２次元振動子１５から出力される信号が分岐されて入力される検出器３１ａ、３２ａと、検出器３１ａの出力にフィルタ処理を行うLPF３３ａと、検出器３２ａの出力にフィルタ処理を行うLPF３４ａと、LPF３３ａおよびLPF３４ａからの出力に基づいて２次元振動子１５の出力信号に含まれるCW成分の振幅ｒcwおよび位相θcwを検出する振幅位相検出部３５ａとを備えている。
【0052】
検出器３１ａは、２次元振動子１５からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器３１０ａと、２次元振動子１５からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器３１１ａと、乗算器３１０ａ、３１１ａのそれぞれの出力を加算する加算器３１２ａとを備えている。検出器３２ａは、２次元振動子１５からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器３２０ａと、２次元振動子１５からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器３２１ａと、乗算器３２０ａ、３２１ａのそれぞれの出力を加算する加算器３２２ａとを備えている。
【0053】
なお、本例では、X軸方向のCW-I成分をsin信号とし、Y軸方向のCW-I成分をcos信号とし、X軸方向のCW-Q成分をcos信号とし、Y軸方向のCW-Q成分を-sin信号としている。
【0054】
図１２は、第２検出部３０ｂの構成例を説明するための図である。第２検出部３０ｂは、２次元振動子１５からの信号が分岐されて入力される検出器３１ｂ、３２ｂと、検出器３１ｂの出力にフィルタ処理を行うLPF３３ｂと、検出器３２ｂの出力にフィルタ処理を行うLPF３４ｂと、LPF３３ｂおよびLPF３４ｂからの出力に基づいて２次元振動子１５の出力信号に含まれるCCW成分の振幅ｒCCWおよび位相θCCWを検出する振幅位相検出部３５ｂとを備えている。
【0055】
検出器３１ｂは、２次元振動子１５からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器３１０ｂと、２次元振動子１５からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器３１１ｂと、乗算器３１０ｂ、３１１ｂのそれぞれからの出力を加算する加算器３１２ｂとを備えている。検出器３２ｂは、２次元振動子１５からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器３２０ｂと、２次元振動子１５からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器３２１ｂと、乗算器３２０ｂ、３２１ｂのそれぞれの出力を加算する加算器３２２ｂとを備えている。
【0056】
なお、本例では、X軸方向のCCW-I成分を-sin信号とし、Y軸方向のCCW-I成分をcos信号とし、X軸方向のCCW-Q成分を-cos信号とし、Y軸方向のCCW-Q成分を-sin信号としている。
【0057】
「ジャイロ装置の動作例」
次に、ジャイロ装置１０の動作例について図１０～図１２を参照しながら説明する。駆動信号生成部２０は、２次元振動子１５に対する駆動信号を生成する。coscw信号および-sincw信号のそれぞれに対して、PID制御部５２ａからフィードバックされた信号が乗算器２０１、２０２で乗算された後、乗算器２０１からの出力信号が加算器２０５に供給され、乗算器２０２からの出力信号が加算器２０６に供給される。-cosCCW信号および-sinCCW信号のそれぞれに対して、PID制御部５２ｂからフィードバックされた信号が乗算器２０３、２０４で乗算された後、乗算器２０３からの出力信号が加算器２０５に供給され、乗算器２０４からの出力信号が加算器２０６に供給される。加算器２０５は、乗算器２０１からの出力信号と乗算器２０３からの出力信号とを加算して出力する。加算器２０５からの出力信号が増幅器６１ａにより適宜な増幅率でもって増幅された後、２次元振動子１５に入力Xdとして入力される。一方、加算器２０６は、乗算器２０２からの出力信号と乗算器２０４からの出力信号とを加算して出力する。加算器２０６からの出力信号が増幅器６１ｂにより適宜な増幅率でもって増幅された後、２次元振動子１５に入力Ydとして入力される。
次に、ジャイロ装置１０の動作例について図１０～図１２を参照しながら説明する。駆動信号生成部２０は、２次元振動子１５に対する駆動信号を生成する。coscw信号および-sincw信号のそれぞれに対して、PID制御部５２ａからフィードバックされた信号が乗算器２０１、２０２で乗算された後、乗算器２０１からの出力信号が加算器２０５に供給され、乗算器２０２からの出力信号が加算器２０６に供給される。-cosCCW信号および-sinCCW信号のそれぞれに対して、PID制御部５２ｂからフィードバックされた信号が乗算器２０３、２０４で乗算された後、乗算器２０３からの出力信号が加算器２０５に供給され、乗算器２０４からの出力信号が加算器２０６に供給される。加算器２０５は、乗算器２０１からの出力信号と乗算器２０３からの出力信号とを加算して出力する。加算器２０５からの出力信号が増幅器６１ａにより適宜な増幅率でもって増幅された後、２次元振動子１５に入力Xdとして入力される。一方、加算器２０６は、乗算器２０２からの出力信号と乗算器２０４からの出力信号とを加算して出力する。加算器２０６からの出力信号が増幅器６１ｂにより適宜な増幅率でもって増幅された後、２次元振動子１５に入力Ydとして入力される。
【0058】
入力Xd、Ydによって２次元振動子１５が励振され、２次元振動子１５からの出力Xs、Ysが得られる。２次元振動子１５からの出力Xs、Ysが増幅器６２ａ、６２ｂによって適宜な増幅率でもって増幅された後、出力Xsが分岐されて第１、第２検出部３０ａ、３０ｂのそれぞれに入力され、出力Ysが分岐されて第１、第２検出部３０ａ、３０ｂのそれぞれに入力される。
【0059】
第１検出部３０ａは、２次元振動子１５の出力に含まれるCW成分を検出する。具体的には、第１検出部３０ａにおける検出器３１ａが信号CW-Iを使用して検波し、その結果にLPF３３ａによるフィルタ処理を行うことで２次元振動子１５の出力に含まれるCW-I成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部３５ａに供給する。また、第１検出部３０ａにおける検出器３２ａが信号CW-Qを使用して検波し、その結果にLPF３４ａによるフィルタ処理を行うことで２次元振動子１５の出力に含まれるCW-Q成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部３５ａに供給する。振幅位相検出部３５ａは、LPF３３ａおよびLPF３４ａからの出力に基づいて２次元振動子１５の出力信号に含まれるCW成分の振幅ｒcwおよび位相θcwを検出する。すなわち、既述したように、信号CW-I、信号CW-Qのそれぞれを参照信号として同期検波することで、２次元振動子１５の出力に含まれるCW成分のみを検出することができる。
【0060】
第１検出部３０ａにより検出された位相θcwが第１PLL回路４０ａに供給される。第１PLL回路４０ａにおける位相比較器４１ａは、位相θcwと設定位相θcw,set（以下の説明ではθcw,set =90°として話を進める）とを比較し、比較結果に基づいてPID制御部４２ａが位相θcwを90°すなわち共振周波数ｆcwとなる制御を実行する。PID制御部４２ａからの出力で発振器４３ａを制御し、これにより発振器４３ａからは位相が一致した換言すれば共振周波数ｆcwの信号sincwおよび信号coscwが出力される。これらの信号が入力側にフィードバックされ、CWモードに対応する駆動信号の共振周波数が共振周波数ｆcwで維持される制御がなされる。また、信号sincwおよび信号coscwが第１検出部３０ａにフィードバックされ、これに基づいて参照信号としての信号CW-I、信号CW-Qが生成される。本例では、フィードバックされる信号と参照信号との間に、sin=sincw、cos=coscw、-sin=-1*sincwの関係が成り立っている。
【0061】
第１検出部３０ａにより得られた振幅ｒcwが第１AGC部５０ａに供給される。第１AGC部５０ａにおける振幅比較器５１ａは、振幅ｒcwと所定の第１設定値Rset,cwとを比較し、比較結果に基づいてPID制御部５２ａが、振幅ｒcwが所定の第１設定値Rset,cwとなる制御を実行する。PID制御部５２ａからの出力が駆動信号生成部２０にフィードバックされ、CWモードに対応する駆動信号の振幅が第１設定値Rset,cwで維持されるようにゲインをコントロールする制御がなされる。
【0062】
２次元振動子１５の出力に含まれるCCW成分を検出する系についても同様の処理が実行される。具体的には、第２検出部３０ｂにおける検出器３１ｂが信号CCW-Iを使用して検波し、その結果にLPF３３ｂよるフィルタ処理を行うことで２次元振動子１５の出力に含まれるCCW-I成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部３５ｂに供給する。また、第２検出部３０ｂにおける検出器３２ｂが信号CCW-Qを使用して検波し、その結果にLPF３４ｂによるフィルタ処理を行うことで２次元振動子１５の出力に含まれるCCW-Q成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部３５ｂに供給する。振幅位相検出部３５ｂは、LPF３３ｂおよびLPF３４ｂからの出力に基づいて２次元振動子１５の出力信号に含まれるCCW成分の振幅ｒCCWおよび位相θCCWを検出する。すなわち、上述したように、信号CCW-I、信号CCW-Qのそれぞれを参照信号として同期検波することで、２次元振動子１５の出力に含まれるCCW成分のみを検出することができる。
【0063】
第２検出部３０ｂにより得られた位相θCCWが第２PLL回路４０ｂに供給される。第２PLL回路４０ｂにおける位相比較器４１ｂは、位相θCCWと90°とを比較し、比較結果に基づいてPID制御部４２ｂが位相θCCWを０すなわち共振周波数ｆcwとなる制御を実行する。PID制御部４２ｂからの出力で発振器４３ｂを制御し、これにより発振器４３ｂからは位相が一致した換言すれば共振周波数ｆCCWの信号sinCCWおよび信号cosCCWが出力される。共振周波数ｆCCWが入力側にフィードバックされ、CCWモードに対応する駆動信号の共振周波数が共振周波数ｆCCWとなるように維持する制御がなされる。また、信号sinCCWおよび信号cosCCWが第２検出部３０ｂにフィードバックされ、これに基づいて参照信号としての信号CCW-I、信号CCW-Qが生成される。本例では、フィードバックされる信号と参照信号との間に、-sin=sinccw、cos=cosccw、-cos=-1*cosccw、の関係が成り立っている。
【0064】
第２検出部３０ｂにより得られた振幅ｒCCWが第２AGC部５０ｂに供給される。第２AGC部５０ｂにおける振幅比較器５１ｂは、振幅ｒCCWと第２設定値Rset,CCWとを比較し、比較結果に基づいてPID制御部５２ｂが、振幅ｒCCWが第２設定値Rset,CCWとなる制御を実行する。PID制御部５２ｂからの出力が駆動信号生成部２０にフィードバックされ、CCWモードに対応する駆動信号の振幅が第２設定値Rset,CCWで維持されるようにゲインをコントロールする制御がなされる。
【0065】
図１３は、ジャイロ装置１０における信号の流れを模式的に示した図である。図１３における太線が信号の流れを示している。２次元振動子１５の出力に含まれるCCW成分は第１検出部３０ａによりカットされ、CW成分のみが一方の系（図１３における上側の系）をループすることになる。２次元振動子１５の出力に含まれるCW成分は第２検出部３０ｂによりカットされ、CCW成分のみが他方の系（図１３における下側の系）をループすることになる。
【0066】
「角速度検出部の構成例」
次に、本発明の第１実施形態に係る角速度検出部（角速度検出部７０）の構成例について説明する。なお、角速度検出部７０は、ジャイロ装置１０に組み込まれているものとして説明するが、他の装置に組み込まれていてもよい。
次に、本発明の第１実施形態に係る角速度検出部（角速度検出部７０）の構成例について説明する。なお、角速度検出部７０は、ジャイロ装置１０に組み込まれているものとして説明するが、他の装置に組み込まれていてもよい。
【0067】
図１４は、角速度検出部７０の構成例を示す図である。角速度検出部７０は、例えば、減算器７１と、乗算器７２とを備えている。角速度検出部７０は、第１PLL回路４０ａから出力される共振周波数ｆcwおよび第２PLL回路４０ｂから出力される共振周波数ｆCCWを得、両共振周波数を減算器７１で減算し、その結果を乗算器７２で定数倍（理想的な振動子の場合は１／２倍）する。すなわち、角速度検出部７０は、上述した数式３と同様の演算を行うことで回転角速度Ωzを検出する。この回転角速度Ωzを積分することでジャイロ装置１０は、回転した角度を検出することができる。
【0068】
「効果」
本発明の第１実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。単一の２次元振動子により構成しているので、装置を小型化することが可能となるとともに、複数の振動子を使用した場合のように振動子の特性や使用環境を一致させる必要がなくなる。また、単一の２次元振動子をモードマッチで駆動しているので高いQ値を実現することができ、高性能なジャイロ装置を実現することができる。さらに、２次元振動子の出力からCW、CCWモードに対応する成分を独立して検出することができ、それらの検出結果から回転角速度を検出し、最終的には回転した角度を検出することができる。
本発明の第１実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。単一の２次元振動子により構成しているので、装置を小型化することが可能となるとともに、複数の振動子を使用した場合のように振動子の特性や使用環境を一致させる必要がなくなる。また、単一の２次元振動子をモードマッチで駆動しているので高いQ値を実現することができ、高性能なジャイロ装置を実現することができる。さらに、２次元振動子の出力からCW、CCWモードに対応する成分を独立して検出することができ、それらの検出結果から回転角速度を検出し、最終的には回転した角度を検出することができる。
【0069】
＜２．第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。なお、以下の説明において同一の名称、符号については、特に断らない限り同一もしくは同質の部材を示しており、重複する説明を適宜省略する。第２実施形態は、ホールアングルモード（Whole Angle Mode）（積分ジャイロ等とも称される、代表例にはフーコーの振り子がある）のジャイロ装置として構成した実施形態である。ホールアングルモードのジャイロ装置は、回転した角度そのものを検出することができる。
次に、第２実施形態について説明する。なお、以下の説明において同一の名称、符号については、特に断らない限り同一もしくは同質の部材を示しており、重複する説明を適宜省略する。第２実施形態は、ホールアングルモード（Whole Angle Mode）（積分ジャイロ等とも称される、代表例にはフーコーの振り子がある）のジャイロ装置として構成した実施形態である。ホールアングルモードのジャイロ装置は、回転した角度そのものを検出することができる。
【0070】
ホールアングルモードについて図１５を参照して概略的に説明する。振動子にCWモード（共振周波数ω＋Ωz）およびCCWモード（共振周波数ω－Ωz）の回転を与えると、両回転の振幅が同じで位相差φがない（φ＝０）の場合には、図１５Ａに示すように直線振動となる。ここで、振動子に回転が加わると位相差φが生じ、この位相差φにより図１５Ｂに示すように振動の方向が回転する。振動の方向の回転角度は、CWモードとCCWモードの位相差φの１／２となることが知られている。例えば、図１５Ｂは位相差φが６０度の例であり、この位相差φの１／２（３０度）だけ振動の方向が回転する。すなわち、ホールアングルモードのジャイロ装置ではこの位相差φを検出し、位相差φに係数（理想的な振動子の場合には１／２）を乗算することで回転した角度そのものを検出することができる。
【0071】
第２実施形態に係るジャイロ装置は、上述した第１実施形態に係るジャイロ装置１０と同一の構成とすることができる。ジャイロ装置１０の構成に回転角度を検出する構成を設ければよい。図１６Ａは、回転角度を検出する角度検出部（角度検出部８０ａ）の構成例を示す図である。角度検出部８０ａは、減算器８１ａと、乗算器８２ａとを備えている。CW、CCW各モードの位相（θcw,θCCW（これらは、各モードの励振信号に対する実際の振動の位相を表す）とは異なる)をθ'cw、θ'CCWとすると、これらは、例えばNCOの内部変数等を読み取ることで得ることができる。減算器８１ａには、この位相θ'cwをθ'CCWが入力される。減算器８１ａが位相θ'cw、位相θ'CCWを減算して位相差φを得、その結果を乗算器８２ａで定数倍（理想的なX-Y振動子では１／２倍）することにより回転角度（Angle）を検出することができる。
【0072】
図１６Ｂは、角度検出部の他の構成例を示す図である。図１６Ｂに示す角度検出部８０ｂは、例えば、復調部８１ｂと、少なくとも位相差を検出する位相差検出部８２ｂと、乗算器８３ｂとを備えている。復調部８１ｂは、第２PLL回路４０ｂから供給されるcosCCW信号をcoscw信号およびsincw信号を使用して復調（同期検波）する。その結果に基づいて位相差検出部８２ｂが位相差φを検出し、乗算器８３ｂが検出された位相差φを定数倍（理想的なX-Y振動子では１／２倍）することにより回転角度を検出することができる。
【0073】
なお、角度検出部８０ａ、８０ｂは、ジャイロ装置１０とは異なる他の装置に組み込まれていてもよく、当該他の装置によって回転角度を検出する処理が行われてもよい。また、ジャイロ装置１０が、角速度検出部７０（図１４参照）および角度検出部８０ａ（角度検出部８０ｂでもよい）を備える構成でもよい。この構成により、FMモードおよびホールアングルモードの両方に対応したジャイロ装置とすることができる。さらに、数値的に積分することなく回転角度を検出できるので、数値計算による誤差の発生、計算負荷による消費電力の増大、演算速度による帯域幅の制限等の不都合を回避することができる。
【0074】
なお、第２実施形態は、例えば、以下のような変形が可能である。第２実施形態のように、ホールアングルモードでのジャイロ装置１０の駆動は、フーコーの振り子と同様の原理にて電力がない状態でも機械的に積分動作を継続することが可能となる。この特性を使用して、間欠的な制御を行いジャイロ装置１０における消費電力を低減することができる。
【0075】
例えば、一定期間、図示しない電源から電力を供給してジャイロ装置１０を動作させて２次元振動子１５を励振させ、その後、電力の供給を停止することで、ジャイロ装置１０に対する電力が間欠的になされる構成とする。電力の供給を停止した場合でも２次元振動子１５の振動が継続している間は機械的な積分動作が継続していることになる。もちろん、電力の供給が停止したままでは２次元振動子１５の振動が減衰してしまうので、一定期間後は電力の供給を再開する。この制御を、通常動作を実行するモードとは異なるモード（節電モード）としてユーザが設定可能としてもよい。また、ジャイロ装置１０にタイマを設けて、電力供給開始後、一定期間経過後に電力の供給を自動的に停止する構成としてもよい。第１検出部３０ａおよび第２検出部３０ｂから出力される振幅ｒcwおよび振幅ｒCCWが一定値に達した段階で電力の供給を停止する構成でもよい。このような構成は、例えば、ジャイロ装置１０が、電源部（一次電池、二次電池、太陽光発電装置等何でもよい）と、電源部と電力が供給される構成（ジャイロ装置１０の全てまたは一部の構成）との間に設けられたスイッチをオン／オフする制御部とを備える構成を例示することができる。
【0076】
＜３．第３実施形態＞
次に、第３実施形態について説明する。特に断らない限り、上述した第１および第２実施形態で説明した事項は、第３実施形態に適用することができる。なお、同一の構成については同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜、省略する。
次に、第３実施形態について説明する。特に断らない限り、上述した第１および第２実施形態で説明した事項は、第３実施形態に適用することができる。なお、同一の構成については同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜、省略する。
【0077】
第３実施形態は、振動子の不完全性（X-Y非対称性）による性能劣化を回避するための実施形態である。振動子の不完全性とは、主に振動子の作製誤差による構造の非対称性によって生じる、X、Y方向の共振周波数、減衰係数の差を意味する。
【0078】
ここで、理想振動子（モードマッチで駆動される振動子）について図１７および図１８を参照して説明する。図１７Ａの上段はX方向の駆動信号の例を示したグラフであり、図１７Ａの下段はY方向の駆動信号の例を示したグラフである。それぞれのグラフにおける縦軸は駆動信号のレベルを示し、横軸は時間（t）を示している。図示の通り、X方向およびY方向の駆動信号の位相差（Δθ）は90°である。
【0079】
図１７Ｂは、図１７Ａに示した駆動振動でもって振動子を励振した場合の振動を示し、図１７Ｂの上段は振動子の出力のうちX方向の振動を示し、図１７Ｂの下段は振動子の出力のうちY方向の振動を示している。各方向の振動は、対応する方向における駆動信号の位相が90°遅れたものになっており、X方向の振動とY方向の振動との位相差が90°に維持されている。すなわち、X方向およびY方向における位相差が90°の駆動信号で振動子を励振した場合、理想的には、図１８Ａおよび図１８Ｂに示すように、共振点（共振周波数f0）においてX方向およびY方向の振動の振幅が同一となり、X方向およびY方向における振動の位相差が90°となる。
【0080】
しかしながら、上述した振動子の不完全性（モードミスマッチ）により、振動子の振動が非理想的な振動となる場合がある。例えば、図１９Ａに示すように、X方向とY方向の共振周波数がずれていると、図１９Ｂに示すように駆動信号（周波数f0）に対する振動の位相遅れ量が、X方向およびY方向のそれぞれにおいて異なってしまう。そのため、図１９Ｂに示すように、駆動周数数f0におけるX、Y方向の位相遅れ量が90°にはならず、位相差Δφが生じてしまう。
【0081】
その結果、図２０Ａおよび図２０Ｂに示すように、振動子の不完全性により、X方向の振動の位相遅れがX方向の駆動信号の位相に対して90°より小さく（若しくは大きく）、Y方向の振動の位相遅れがY方向の駆動信号の位相に対して90°より大きく（若しくは小さく）なる場合がある。このような場合には、励振された振動のX方向およびY方向の振動の位相差は90°にはならない。
【0082】
上述したミスマッチが第１実施形態で説明したジャイロ装置１０の処理系統に与える影響について説明する。図２１は、ジャイロ装置１０を簡略化して示したブロック図である。なお、第１実施形態で説明したように、第１検出部３０ａは、２次元振動子１５の振動に含まれるCW成分を検出するものであることから、図２１ではCWディテクタと表記している。同様に、第２検出部３０ｂは、２次元振動子１５の振動に含まれるCCW成分を検出するものであることから、図２１ではCCWディテクタと表記している。
【0083】
上述した駆動周波数において位相差が生じると言うことは、CW（CCW）で駆動したつもりでも純粋なCW（CCW）振動（X、Y方向のそれぞれの振動の位相差が90°（－90°）の振動）が励振できなくなりCCW（CW）成分が同時に生じてしまっていることを意味する。
【0084】
第１実施形態で説明したように（図１３等参照）、ジャイロ装置１０では、CWモードの成分がループする系とCCWモードの成分がループする系は、本来は独立であるべきところ、CWモードの成分に含まれる不要なCCWモードの成分は、CCWディテクタを通り抜けてしまう。つまり、CCWモードのループの系にCWモードの情報を持った信号が漏れ、CCWモードのループにおけるPLL（第２PLL回路４０ｂ）にCWモードの情報が入ってしまう。これにより、第２PLL回路４０ｂの動作がCWモードに含まれる不要なCCWモードの成分によって乱され、第２PLL回路４０ｂがロックする周波数が乱れてしまう。
【0085】
なお、上述した例では、CWモードの成分に不要なCCWモードの成分が含まれる例について説明したが、CCWモードの成分に不要なCWモードの成分が含まれる場合も同様である。すなわち、CCWモードの成分に含まれる不要なCWモードの成分により、第１PLL回路４０ａがロックする周波数が乱れてしまう。
【0086】
そこで、この問題に対応するために、２次元振動子１５の不完全性により生じる不要な位相差をキャンセルするために、駆動信号の位相を予めずらしておく（位相調整処理）。図２２Ａおよび図２２Ｂの上段にそれぞれ示すように、例えば、X方向における駆動振動の位相と振動の位相との位相差が90°より小さい場合には、その位相差分、駆動信号の位相を予め遅らせておく。また、図２２Ａおよび図２２Ｂの下段にそれぞれ示すように、例えば、Y方向における駆動振動の位相と振動の位相との位相差が90°より大きい場合には、その位相差分、駆動信号の位相を予め進めておく。これにより、X方向の振動とY方向の振動との位相差を90°とすることができ、純粋な固有モードが励振できる。
【0087】
補償すべき位相差は、例えば、共振周波数の差より求めることができる。なお、X方向の振動とY方向の振動とが最も直交する位相差を予め実験等により求めておき、当該位相差の分だけ駆動信号の位相を遅らせまたは進めて補償してもよい。
【0088】
振動子の不完全性は、上述の周波数のずれだけでなく、X方向におけるQ値（ダンピング）とY方向におけるQ値との間のずれも招く。X方向およびY方向におけるQ値にずれが生じると、図２３および図２４に示すように、共振点において、X方向の振動の振幅とY方向の振動の振幅とが異なってしまう。X方向の振動の振幅とY方向の振動の振幅とが異なると、固有振動（円振動）ではなくなり、上述した事象と同様に、CWモードの振動にCCWモードの成分が含まれて（CCWモードの振動にCWモードの成分が含まれて）しまう問題を生じる。
【0089】
そこで、図２５に示すように、駆動信号の振幅を予めずらしておくことによりQ値のずれ（ミスマッチ）を補償する（振幅調整処理）。例えば、図２５Ｂに示すように、共振点において一致すべきX方向の振動の振幅およびY方向の振動の振幅を振幅ACとする。この振幅ACに対するずれの分だけ、X方向の駆動信号の振幅およびY方向の駆動信号の振幅を予めずらしておく。図２５Ａの上段に示す例では、X方向の駆動信号の振幅とX方向の振動の振幅との間に生じる振動の減衰分（ΔAx分）だけ駆動信号の振幅を大きくしている。図２５Ａの下段に示す例では、Y方向の駆動信号の振幅とY方向の振動の振幅との間に生じる振動の増加分（ΔAy分）だけ駆動信号の振幅を小さくしている。もちろん、X方向の駆動信号の振幅を小さくしたり、Y方向の駆動信号の振幅を大きくしたりする補償の場合もある。
【0090】
振幅の補償分は、例えば、Q値の差から求められる。なお、X方向の振動とY方向の振動とが最も直交する振幅の補償分を予め実験等により求めておき、当該振幅の補償分だけ駆動信号の振幅を大きくまたは小さくしてもよい。
【0091】
図２６は、上述した位相や振幅を調整する機能を適用した第３実施形態におけるジャイロ装置（ジャイロ装置１０Ａ）の構成例を示すブロック図である。ジャイロ装置１０と同一の構成については同一の符号を付している。ジャイロ装置１０Ａの駆動信号生成部２０Ａは、第１実施形態における駆動信号生成部２０の構成に加え、位相調整部９１、９２、９３、９４および振幅調整部９５、９６、９７、９８を有している。位相調整部９１、９２および振幅調整部９５、９６により第１位相・振幅調整部が構成され、位相調整部９３、９４および振幅調整部９７、９８により第２位相・振幅調整部が構成される。
【0092】
位相調整部９１は、乗算器２０１の入力段に接続されており、振幅調整部９５は、乗算器２０１の出力段に接続されている。位相調整部９１および振幅調整部９５は、２次元振動子１５の不完全性により生じる不要な位相差やQ値のずれを解消するために、CWモードのX方向の駆動信号に対して、上述した位相調整処理および振幅調整処理を実行する。
【0093】
位相調整部９２は、乗算器２０２の入力段に接続されており、振幅調整部９６は、乗算器２０２の出力段に接続されている。位相調整部９２および振幅調整部９６は、２次元振動子１５の不完全性により生じる不要な位相差やQ値のずれを解消するために、CWモードのY方向の駆動信号に対して、上述した位相調整処理および振幅調整処理を実行する。
【0094】
位相調整部９３は、乗算器２０３の入力段に接続されており、振幅調整部９７は、乗算器２０３の出力段に接続されている。位相調整部９３および振幅調整部９７は、２次元振動子１５の不完全性により生じる不要な位相差やQ値のずれを解消するために、CCWモードのX方向の駆動信号に対して、上述した位相調整処理および振幅調整処理を実行する。
【0095】
位相調整部９４は、乗算器２０４の入力段に接続されており、振幅調整部９８は、乗算器２０４の出力段に接続されている。位相調整部９４および振幅調整部９８は、２次元振動子１５の不完全性により生じる不要な位相差やQ値のずれを解消するために、CCWモードのY方向の駆動信号に対して、上述した位相調整処理および振幅調整処理を実行する。なお、各位相調整部を各乗算器の出力段に設けても良いが、乗算器による演算処理（掛算）の前に駆動信号の位相を調整する方が回路構成を簡略化できる。また、振幅調整は乗算器２０１～２０４の倍率を個々に調整することでも実現できる。
【0096】
振幅調整部９５、９７の出力が加算器２０５により加算された後、増幅器６１ａにより増幅され、X方向の駆動信号として２次元振動子１５に供給される。振幅調整部９６、９８の出力が加算器２０６により加算された後、増幅器６１ｂにより増幅され、Y方向の駆動信号として２次元振動子１５に供給される。２次元振動子１５は、それぞれの方向に対応する駆動振動により励振される。上述したように、駆動信号の位相および振幅が予め調整されているので、CWモードの駆動信号は純粋なCWモードの振動のみ（CCWモードの駆動信号は純粋なCCWモードの振動のみ）を励振することができる。
【0097】
本実施形態における処理を適用したことによる効果について説明する。図２７Ａおよび図２７Ｂに示すグラフの横軸は時間（t）(s)を示し、縦軸は発振器４３ａの周波数fcwと発振器４３ｂの周波数fccwとの差Δf（Hz）を示している。図２７Ａのグラフは本実施形態における処理を適用しない場合の結果を示し、図２７Ｂのグラフは本実施形態における処理を適用した場合の結果を示す。図２７Ａに示すように、位相遅れ量およびQ値のミスマッチによりCWモードとCCWモードとが直交しないので、一定速度で回しているのにも関わらず、干渉による周波数の周期的変動が見られる。一方で、本実施形態における処理を適用し、駆動信号の位相および振幅を調整した場合には、モード間の直交性が良くなり、図２７Ａに示したような周波数の周期的変動が見られない。したがって、正確に角速度を検出できる。
【0098】
第３実施形態で説明した処理は、第２実施形態（ホールアングルモードのジャイロ装置）にも適用することができる。この場合にも同様の効果が得られる。この効果について説明する。図２８Ａおよび図２８Ｂに示すグラフの横軸は時間（t）(s)を示し、縦軸は第２実施形態に係るジャイロ装置により検出される回転角度θを示している。図２８Ａのグラフは本実施形態における処理を適用しない場合の結果を示し、図２８Ｂのグラフは本実施形態における処理を適用した場合の結果を示す。２次元振動子１５を一定の角速度で回していることから検出される角度は直線になるべきところ、図２８Ａに示すように、方向による位相遅れ量の違いおよびQ値のミスマッチにより、検出される角度に周期的誤差が現れる。一方で、本実施形態における処理を適用し、駆動信号の位相および振幅を調整した場合には、モード間の直交性が良くなり、図２８Ａに示したような周期的誤差が見られない。したがって、正確に角度を検出できる。
【0099】
＜４．第４実施形態＞
次に、第４実施形態について説明する。特に断らない限り、上述した第１～第３実施形態で説明した事項は、第４実施形態に適用することができる。なお、同一の構成については同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜、省略する。
次に、第４実施形態について説明する。特に断らない限り、上述した第１～第３実施形態で説明した事項は、第４実施形態に適用することができる。なお、同一の構成については同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜、省略する。
【0100】
上述した第３実施形態において、ジャイロ装置１０では、CWモードの成分がループする系（図１３における上側のループ）とCCWモードの成分がループする系（図１３における下側のループ）は、本来は独立であるべきところ、図２９に模式的に示すように、CWモードの成分に不要なCCWモードの成分が含まれてしまう問題、および、CCWモードの成分に不要なCWモードの成分が含まれてしまう問題について説明した。
【0101】
かかる問題に対応するために、第３実施形態では、第１、第２位相・振幅調整部のそれぞれが位相調整処理および振幅調整処理を行うようにした。ところで、予め実験を行う必要がなくなる等の観点から、第１位相・振幅調整部により補償される位相差（以下、第１位相補正値と適宜、称する）および振幅（以下、第１振幅補正値と適宜、称する）は、自動で求められる方が好ましい。第２位相・振幅調整部により補償される位相差（以下、第２位相補正値と適宜、称する）および振幅（以下、第２振幅補正値と適宜、称する）についても同様である。かかる点に鑑み、第４実施形態は、第１位相補正値、第１振幅補正値、第２位相補正値および第２振幅補正値が自動で求められるようにした実施形態である。
【0102】
なお、本実施形態で振幅補正値という場合、振幅補正値は、CWループにおけるX方向の振幅の補正値（絶対値）に対するY方向の振幅の補正値（絶対値）の比（第１振幅補正値であればAcw,y/Acw,x、第２振幅補正値であればAccw,y/Accw,x）で表される。この比を満たすのであれば、振幅（絶対値）としては、任意の値をとることができる。
【0103】
第４実施形態にかかるジャイロ装置１０の構成例について説明する。第４実施形態にかかるジャイロ装置１０が第３実施形態にかかるジャイロ装置と異なる点は、第１検出部３０ａの構成が検出部３０Ａに置き換わり、第２検出部３０ｂの構成が検出部３０Ｂに置き換わる点である。検出部３０Ａは、主としてCW成分がループする系に配置され、検出部３０Ｂは、主としてCCW成分がループする系に配置される構成である。
【0104】
図３０は、検出部３０Ａの構成例を示す図である。検出部３０Ａは、一対の検出部として、ＣＷディテクタとして機能する第１検出部３０ａと、ＣＣＷディテクタとして機能する第３検出部３０ｃとを有している。それぞれに対して２次元振動子１５の出力が供給される。第１検出部３０ａの出力は、上述した第３実施形態と同様に、第１PLL回路４０ａおよび第１AGC部５０ａに供給される。第３検出部３０ｃは、第２検出部３０ｂと同様の構成であるが、入力される参照信号が異なる。上述したように、第２検出部３０ｂには、第２PLL回路４０ｂからフィートバックされる、信号sinCCWおよび信号cosCCWが参照信号として入力される。これに対して、第３検出部３０ｃには、第１検出部３０ａと同一の参照信号、即ち、第１PLL回路４０ａからフィートバックされる信号sincwおよび信号coscwが参照信号（第１参照信号の一例）として入力される。
【0105】
図３１は、検出部３０Ｂの構成例を示す図である。検出部３０Ｂは、一対の検出部として、ＣＣＷディテクタとして機能する第２検出部３０ｂと、ＣＷディテクタとして機能する第４検出部３０ｄとを有している。それぞれに対して２次元振動子１５の出力が供給される。第２検出部３０ｂの出力は、上述した第３実施形態と同様に、第２PLL回路４０ｂおよび第２AGC部５０ｂに供給される。第４検出部３０ｄは、第１検出部３０ａと同様の構成であるが、入力される参照信号が異なる。即ち、上述したように、第１検出部３０ａには、第１PLL回路４０ａからフィートバックされる、信号sincwおよび信号coscwが参照信号として入力される。これに対して、第４検出部３０ｄには、第２検出部３０ｂと同一の参照信号、即ち、第２PLL回路４０ｂからフィードバックされる信号sinCCWおよび信号cosCCWが参照信号（第２参照信号の一例）として入力される。
【0106】
検出部３０Ａに入力される信号が、CWモードの成分のみである場合には、第３検出部３０ｃが、信号sinCWおよび信号cosCWを参照信号として同期検波したとしてもその出力は０になる（表１参照）。しかしながら、上述したように、振動子の不完全性のために検出部３０Ａの系にもCCWモードの成分が含まれるため、CCWモードに対応したエラー成分である、ICCWおよびQCCWが第３検出部３０ｃにより検出される（図３０参照）。
【0107】
同様に、検出部３０Ｂに入力される信号が、CCWモードの成分のみである場合には、第４検出部３０ｄが、信号sinCCWおよび信号cosCCWを参照信号として同期検波したとしてもその出力は０になる（表１参照）。しかしながら、上述したように、振動子の不完全性のために検出部３０Ｂの系にもCWモードの成分が含まれるため、CWモードに対応したエラー成分である、ICWおよびQCWが第４検出部３０ｄにより検出される（図３１参照）。
【0108】
第４の実施形態にかかるジャイロ装置１０では、CCWモードに対応したエラー成分であるICCWおよびQCCW、および、CWモードに対応したエラー成分であるICWおよびQCWが最小値（理想的には0であるが、実際にはノイズ等の影響による測定限界以下の値）となるように、第１位相補正値、第１振幅補正値、第２位相補正値および第２振幅補正値が自動で求められる。以下、第１位相補正値等を求める具体的な方法について説明する。
【0109】
まず、図３２を用いて位相補正値と振幅補正値が、モード間結合（CW信号によって駆動された振動子から生じるCCW振動成分、つまりエラー成分）とどのような関係にあるのか説明する。（なお、この図の結果は実際のMEMS振動子を用いた実験結果であり、シミュレーヨン等の結果ではない。）図３２から見てとれるように、X軸を振幅補正値、Y軸を位相補正値、Z軸をモード間結合として描画すると、モード間結合成分は平面で近似できることがわかる。（これは、言い換えれば、モード間結合成分（ICCW、 QCCW)が、位相補正値と振幅補正値の変化に対して線形に変化するということである。）よって、図３２において、ICCWの平面、 QCCWの平面、 Z＝0の平面の3つの平面の交点P（互いに並行でない3平面は必ず1点で交わる）を求めることで、 ICCW＝0 とQCCW＝0 を同時に満たす補正値（点PのX、Y軸の値）が求められる。なお、図３２におけるA.Uは、軸の値を所定の基準値を用いて正規化した任意単位（A.U：Arbitrary Unit）を意味している。図３３も本質的に同じことを説明しているが、これはCCW信号で駆動した場合の、CW振動成分を測定した例である。
【0110】
始めに、第１位相・振幅調整部を構成する位相調整部９１，９２に対して初期値としての所定の位相補正値（位相差）が設定される。また、第１位相・振幅調整部を構成する振幅調整部９５，９６に対して初期値として所定の振幅補正値が設定される。位相補正値および振幅補正値の初期値は、０でも良いし、所定の値でも良い。位相補正値および振幅補正値の初期値でジャイロ装置１０が駆動されることで、第３検出部３０ｃにより、エラー成分ICCW-1およびエラー成分QCCW-1が検出される。
【0111】
次に、初期値から所定分ずらした位相補正値が位相調整部９１，９２に対して新たに設定される。また、初期値から所定分ずらした振幅補正値が振幅調整部９５，９６に対して新たに設定される。どの程度ずらすかについては適宜、設定することができる（例えば、ソフトウエア的に設定することができる。）。新たに設定された位相補正値および振幅補正値を使用してジャイロ装置１０が駆動される。ジャイロ装置１０が駆動されることで、第３検出部３０ｃにより、エラー成分ICCW-2およびエラー成分QCCW-2が検出される。
【0112】
次に、初期値若しくは２回目に設定された位相補正値から所定分ずらした位相補正値が位相調整部９１，９２に対して新たに設定される。また、初期値若しくは２回目に設定された振幅補正値から所定分ずらした振幅補正値が振幅調整部９５，９６に対して新たに設定される。どの程度ずらすかについては適宜、設定することができる。新たに設定された位相補正値および振幅補正値を使用してジャイロ装置１０が駆動される。ジャイロ装置１０が駆動されることで、第３検出部３０ｃにより、エラー成分ICCW-3およびエラー成分QCCW-3が検出される。このように、位相補正値および振幅補正値を変化させてジャイロ装置１０を駆動することにより６個の測定結果を得ることができる。
【0113】
次に、エラー成分により規定される平面(I平面)を求める処理が行われる。直交座標系（X軸、Y軸およびZ軸）を設定し、図３４に示すように、例えば、X軸を位相差（ΔΦ）に対応させ、Y軸を振幅補正値（Acw,y/Acw,x)に対応させ、Z軸を測定結果であるエラー成分Iccwに対応させる。１～３回のジャイロ装置１０の駆動により得られる測定結果がプロットされる。P0が１回目の測定結果（ICCW-1）に基づいてプロットされた点であり、P0,1が２回目の測定結果（ICCW-2）に基づいてプロットされた点であり、P0,2が３回目の測定結果（ICCW-3）に基づいてプロットされた点である。３個の点に基づいて、当該３個の点を通る平面EPICCWを規定することができる。なお、図３４において、点線により示される平面は、Z=0となる平面（エラー成分が0となる平面）である。
【0114】
同様に、エラー成分により規定される平面(Q平面)を求める処理が行われる。Z軸を測定結果であるエラー成分Qccwに対応させる。図３５に示すように、P0が１回目の測定結果（QCCW-1）に基づいてプロットされた点であり、P0,1が２回目の測定結果（QCCW-2）に基づいてプロットされた点であり、P0,2が３回目の測定結果（QCCW-3）に基づいてプロットされた点である。図３５に示すように、３個の点に基づいて、当該３個の点を通る平面EPQCCWを規定することができる。
【0115】
そして、図３６に示すように、平面EPICCW、平面EPQCCWおよびZ=0となる平面の３個の平面の交点Pが求められる。交点Pは、各平面を規定する平面方程式=0とした連立方程式を解くことにより求めることができる。交点Pに対応する位相補正値が第１位相補正値に対応し、交点Pに対応する振幅補正値が第１振幅補正値に対応する。
【0116】
第４検出部３０ｄに検出されるエラー成分ICWおよびエラー成分QCWを用いて、同様の処理が行われる。処理の内容について、概略的に説明する。位相調整部９３，９４に設定される位相補正値、および、振幅補正値を変化させることにより、３回、ジャイロ装置１０が駆動され、６個の測定結果（ICW-1，ICW-2，ICW-3，QCW-1，QCW-2，QCW-3）が得られる。
【0117】
１回目の測定結果（ICW-1）に基づいてプロットされた点、２回目の測定結果（ICW-2）に基づいてプロットされた点、３回目の測定結果（ICW-3）に基づいてプロットされた点に基づいて、３個の点を通る平面EPICWが規定される。
【0118】
同様に、エラー成分により規定される平面(Q平面)を求める処理が行われる。１回目の測定結果（QCW-1）に基づいてプロットされた点、２回目の測定結果（QCW-2）に基づいてプロットされた点、３回目の測定結果（QCW-3）に基づいてプロットされた点に基づいて、３個の点を通る平面EPQCWが規定される。そして、平面EPICW、平面EPQCWおよびZ=0となる平面の３個の平面の交点P'が求められる（図３６参照）。交点P'に対応する位相補正値が第２位相補正値に対応し、交点P'に対応する振幅補正値が第２振幅補正値に対応する。
【0119】
以上のようにして、エラー成分を０にする、第１位相補正値、第１振幅補正値、第２位相補正値および第２振幅補正値が自動で求められる。なお、第１位相補正値等を自動で求める処理（以下、自動算出処理と適宜、称する。）は、例えば、ジャイロ装置１０の電源投入時におけるキャリブレーション処理で行われる。
【0120】
なお、上述した自動算出処理は、第３検出部３０ｃにより検出されるエラー成分および第４検出部３０ｄにより検出されるエラー成分が所定以下になるまで繰り返されるようにしても良い。この点について、図３７、図３８および図３９を参照して、説明する。
【0121】
図３７のグラフにおける横軸はCWループの系で用いられる振幅補正値を示し、縦軸はCWループの系で用いられる位相補正値を示している。図３８のグラフにおける横軸はCCWループの系で用いられる振幅補正値を示し、縦軸はCCWループの系で用いられる位相補正値を示している。図３９のグラフにおける横軸は手順番号を示し、図３７，図３８の各点（P0, P1, ...等）に対応する。また、縦軸は第３検出部３０ｃから出力されるエラー成分および第４検出部３０ｄから出力されるエラー成分を示している。本例では、エラー成分の大きさをクロスカップリングターム、即ち、二乗和の平方根により規定している。より具体的には、第３検出部３０ｃから出力されるエラー成分の大きさがエラー成分ICCWおよびエラー成分QCCWの二乗和の平方根で規定される。なお、図３９では、第３検出部３０ｃから出力されるエラー成分の大きさが「×」によりプロットされている。また、第４検出部３０ｄから出力されるエラー成分の大きさがエラー成分ICWおよびエラー成分QCWの二乗和の平方根で規定される。なお、図３９では、第４検出部３０ｄから出力されるエラー成分の大きさが「○」によりプロットされている。本例では、エラー成分の閾値を10-3として説明する。
【0122】
図３７のグラフでプロットされているP0に対応する位相補正値および振幅補正値を使用してジャイロ装置１０が駆動され、その結果、図３９のグラフでプロットされているP0に対応し、×により示されるエラー成分が検出される。また、図３８のグラフでプロットされているP0に対応する位相補正値および振幅補正値を使用してジャイロ装置１０が駆動され、その結果、図３９のグラフでプロットされているP0に対応し、○により示されるエラー成分が検出される。なお、図３９で示されるように、×と○が重なっていることは、第３検出部３０ｃおよび第４検出部３０ｄで検出されるエラー成分の大きさが略同等であることを意味している。
【0123】
図３７のグラフでプロットされているP0,1に対応する位相補正値および振幅補正値を使用してジャイロ装置１０が駆動され、その結果、図３９のグラフでプロットされているP0,1に対応し、×により示されるエラー成分が検出される。また、図３８のグラフでプロットされているP0,1に対応する位相補正値および振幅補正値を使用してジャイロ装置１０が駆動され、その結果、図３９のグラフでプロットされているP0,1に対応し、○により示されるエラー成分が検出される。
【0124】
図３７のグラフでプロットされているP0,2に対応する位相補正値および振幅補正値を使用してジャイロ装置１０が駆動され、その結果、図３９のグラフでプロットされているP0,2に対応し、×により示されるエラー成分が検出される。また、図３８のグラフでプロットされているP0,2に対応する位相補正値および振幅補正値を使用してジャイロ装置１０が駆動され、その結果、図３９のグラフでプロットされているP0,2に対応し、○により示されるエラー成分が検出される。
【0125】
以上の測定結果を使用した自動算出処理が行われることにより、第１位相補正値等が求まる。具体的には、図３７のグラフでプロットされているP1に対応する位相補正値および振幅補正値が第１位相補正値及び第１振幅補正値に対応する。また、図３８のグラフでプロットされているP1に対応する位相補正値および振幅補正値が第２位相補正値及び第２振幅補正値に対応する。
【0126】
求められた第１位相補正値等を使用してジャイロ装置１０を駆動した場合に検出されるエラー成分の大きさが図３９のグラフでプロットされているP1により示されている。図３９に示されているように、エラー成分の大きさは、10-3より大きく閾値以下となっていない。かかる場合には、再度、第１位相補正値等を求める自動算出処理が行われる。
【0127】
２回目に行われる自動算出処理では、P1が２回目の自動算出処理における初期値として用いられる。そして、P1から所定分ずらしたP1,1が設定され、図３７のグラフでプロットされているP1,1に対応する位相補正値および振幅補正値を使用してジャイロ装置１０が駆動される。その結果、図３９のグラフでプロットされているP1,1に対応し、×により示されるエラー成分が検出される。また、図３８のグラフでプロットされているP1,1に対応する位相補正値および振幅補正値を使用してジャイロ装置１０が駆動され、その結果、図３９のグラフでプロットされているP1,1に対応し、○により示されるエラー成分が検出される。
【0128】
また、P1から所定分ずらしたP1,2が設定される。そして、図３７のグラフでプロットされているP1,2に対応する位相補正値および振幅補正値を使用してジャイロ装置１０が駆動される。その結果、図３９のグラフでプロットされているP1,2に対応し、×により示されるエラー成分が検出される。また、図３８のグラフでプロットされているP1,2に対応する位相補正値および振幅補正値を使用してジャイロ装置１０が駆動され、その結果、図３９のグラフでプロットされているP1,2に対応し、○により示されるエラー成分が検出される。
【0129】
P1、P1,1、P1,2のそれぞれに対応する位相補正値、振幅補正値およびエラー成分により規定される平面を使用して、再度、第１位相補正値等が求められる。具体的には、図３７のグラフでプロットされているP2に対応する位相補正値および振幅補正値が、再度の自動算出処理により求められた第１位相補正値及び第１振幅補正値に対応する。また、図３８のグラフでプロットされているP2に対応する位相補正値および振幅補正値が、再度の自動算出処理により求められた第２位相補正値及び第２振幅補正値に対応する。
【0130】
２回目の自動算出処理により求められた第１位相補正値等を使用してジャイロ装置１０を駆動した場合に検出されるエラー成分の大きさが図３９のグラフでプロットされているP2により示されている。図３９に示されているように、エラー成分の大きさは、10-3より小さく閾値以下となっている。従って、２回目の自動算出処理で得られた第１位相補正値等が、第１位相・振幅調整部および第２位相・振幅調整部のそれぞれに設定され、ジャイロ装置１０が動作する際の補正値として用いられる。なお、本例では、２回の自動算出処理が行われる例について説明したが、自動算出処理が行われる回数は１回の場合もあれば、３回以上の場合もあり得る。
【0131】
＜５．変形例＞
以上、本発明の複数の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく各種の変形が可能である。
以上、本発明の複数の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく各種の変形が可能である。
【0132】
本発明は、２次元にモードマッチする振動子であれば、形状、励振方法（静電、電磁、圧電など）等は特定の方法等に限定されることはない。
【0133】
２次元振動子１５の出力を処理する回路は、ASIC（Application Specific integrated Circuit）等の集積回路で構成することも可能である。
【0134】
本発明の作用効果を奏する範囲で、ジャイロ装置１０が他の回路素子等を備える構成でもよい。
【0135】
本発明のジャイロ装置は、他の装置（例えば、ゲーム機器、撮像装置、スマートフォン、携帯電話、パーソナルコンピュータ等の各種の電子機器や、自動車、電車、飛行機、ヘリコプター、小型飛行体、宇宙用機器等の移動体、ロボット等）に組み込まれて使用されてもよい。
【0136】
上述した実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。また、本発明は、装置、方法、複数の装置からなるシステム（クラウドシステム等）により実現することができ、複数の実施形態および変形例で説明した事項は、技術的な矛盾が生じない限り相互に組み合わせることができる。
【符号の説明】
【0137】
１０・・・ジャイロ装置
１５・・・２次元振動子
２０・・・駆動信号生成部
３０ａ・・・第１検出部
３０ｂ・・・第２検出部
３０ｃ・・・第３検出部
３０ｄ・・・第４検出部
４０ａ・・・第１PLL回路
４０ｂ・・・第２PLL回路
５０ａ・・・第１ゲインコントロール部
５０ｂ・・・第２ゲインコントロール部
７０・・・角速度検出部
８０ａ、８０ｂ・・・角度検出部
９１～９４・・・位相調整部
９５～９８・・・振幅調整部
CW・・・第１モード
CCW・・・第２モード
１５・・・２次元振動子
２０・・・駆動信号生成部
３０ａ・・・第１検出部
３０ｂ・・・第２検出部
３０ｃ・・・第３検出部
３０ｄ・・・第４検出部
４０ａ・・・第１PLL回路
４０ｂ・・・第２PLL回路
５０ａ・・・第１ゲインコントロール部
５０ｂ・・・第２ゲインコントロール部
７０・・・角速度検出部
８０ａ、８０ｂ・・・角度検出部
９１～９４・・・位相調整部
９５～９８・・・振幅調整部
CW・・・第１モード
CCW・・・第２モード
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】