JP2004333327A - Electrostatic flaoting type gyro apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ジャイロ機構部と電子回路とを備えた静電浮上型ジャイロ装置に関する。
ジャイロ機構部は、ジャイロロータとジャイロケースとを含み、ジャイロロータをジャイロケース内で静電支持力によって浮動的に支持する。ジャイロロータは、回転動作等の適正な動作のため、真空中に置かれる。
電子回路部は、ジャイロ機構部に接続され、ジャイロロータとジャイロケースとの相対変位を検出して、ジャイロロータの姿勢制御と回転駆動を行う。
詳しくは、姿勢制御や回転駆動を開始する際に行われる起動シーケンス(作動開始手順、起動制御手段)に関する。
【0002】
【前提の技術】
小形化に適した静電浮上型ジャイロは、船舶や航空機ばかりか自動車等の移動体にも使用されており、慣性空間に対する加速度等を検出するために、慣性を具有した機械部品からなるジャイロ機構部と、静電支持力の制御や相対変位の検出等を担う電子回路部とを備えている。
図16は、そのような静電浮上型ジャイロにおけるジャイロ機構部を2つ示している。同図(a)〜(c)は、円板形ロータ型の公知例であり(例えば特許文献1参照)、同図(d)及び(e)は、環状ロータ型の公知例である(例えば特許文献2参照)。なお、同図において、(a)及び(d)は縦断正面図であり、(b)と(c)と(e)は内蔵部品の展開斜視図である。
【0003】
本発明の実施や説明の前提となる部分について掻い摘んで再掲すると、何れのジャイロ機構部でも、ジャイロロータ10が静電浮上可能かつ回転可能な状態でジャイロケース20に内蔵されている。ジャイロケース20は、ガラス等の絶縁物からなる上側底部材21と下側底部材22とスペーサ23とを組み合わせて構成され、内部に円板状の又は環状の真空空間が形成されている。ジャイロロータ10は、シリコン等の導電体からなり、1本のスピン軸周りに安定して回転するよう、円板状に又は環状に形成されている。ジャイロケース20からジャイロロータ10に静電支持力や回転駆動力を作用させるために、両者の表面には、金属膜パターン等からなる多数の電極が形成されている。ジャイロロータ10の電極とジャイロケース20の電極は、それぞれの役割に応じて、対峙距離やピッチなど所定の対応関係を満たすよう配置されている。
【0004】
電子回路に接続されるジャイロケース20の電極(複数電極)について詳述すると、ジャイロロータ10を中間に挟んで対向配置された複数対に分けられる。特に静電支持用電極については、それぞれの対において更に隣接配置された群・対に分けられる。具体的には、隣接電極31a,31bと隣接電極41a,41bとが対向対をなし、隣接電極32a,32bと隣接電極42a,42bとが対向対をなし、隣接電極33a,33bと隣接電極43a,43bとが対向対をなし、隣接電極34a,34bと隣接電極44a,44bとが対向対をなしている。なお、環状ロータ型の場合は、静電支持用電極の対が多くて、隣接電極35a,35bと隣接電極45a,45bも対向対をなし、隣接電極36a,36bと隣接電極46a,46bも対向対をなしている。
【0005】
また、複数電極のうち回転駆動用電極については、上側底部材21の下面で円状に列ぶロータ駆動用電極37と、下側底部材22の上面で円状に列ぶロータ駆動用電極47とが対向対をなしている。
変位検出用電極も、変位検出用電極38と変位検出用電極48とが対向対をなしている。
なお、図示に際して、上側底部材21に設けられた電極には30番台の符号を付し、下側底部材22に設けられた電極には40番台の符号を付している。また、他の図示や説明に際して、隣接し合う電極31a,31bを区別しないで何れかを呼ぶとき又はそれらを纏めて呼ぶときには末尾のアルファベットを省いて電極31と言う。他の電極32等についても同様である。
【0006】
さらに、役割分担が比較的単純で明瞭な環状ロータ型のジャイロ機構部について(図16(d),(e)参照)、静電支持用電極31〜36,41〜46の具体的な役割を説明する。空間で直交する3軸をそれぞれX軸,Y軸,Z軸とし、図16(d)では、紙面の左右方向にX軸を置き、紙面を貫く向きにY軸を置き、紙面の上下方向にZ軸を置き、X軸周りの回転をφとし、Y軸周りの回転をθとする。そうすると、電極31は、制御電圧を印加されてそれに応じたX方向の静電支持力を出すとともに、ジャイロロータ10のX方向変位に応じてジャイロロータ10表面との静電容量を変えるものとなっている。対向対をなす電極41も、制御電圧を印加されてそれに応じたX方向の静電支持力を出すとともに、ジャイロロータ10のX方向変位に応じてジャイロロータ10表面との静電容量を変えるものであるが、電極31とは逆向きの特性を示すものとなっている。電極対32,42はY方向に関して同様の機能を発揮し、電極対33,43はZ+φ方向に関して同様の機能を発揮し、電極対34,44はZ+θ方向に関して同様の機能を発揮し、電極対35,45はZ−φ方向に関して同様機能を発揮し、電極対36,46はZ−θ方向に関して同様の機能を発揮するものとなっている。
【0007】
【従来の技術】
図17(a)は、このようなジャイロケース20の複数電極31〜48に接続されてジャイロ機構部と共に静電浮上型ジャイロを構成する電子回路を図示している。ここでも、明瞭化のため、環状ロータ型ジャイロの電子回路部を具体例に採って、本発明の実施形態との対比に役立つ部分を掻い摘んで再掲する。
この電子回路は、静電支持用電極31〜36,41〜46と共に拘束制御系を構成する制御演算回路53(制御回路)と、ロータ駆動用電極37,47と共にロータ駆動系を構成するロータ制御回路52(制御回路)と、変位検出用電極38,48と共に変位検出系を構成する信号検出回路とを具えている。なお、図示に際し、制御演算回路53については制御出力回路54を明記したが、ロータ制御回路52については省略している。
【0008】
制御演算回路53は、ジャイロロータ10とジャイロケース20とのZ軸周り以外の相対変位すなわちX方向変位ΔXとY方向変位ΔYとZ方向変位ΔZとφ方向変位Δφとθ方向変位Δθとから、公知の演算を行って、姿勢制御用の制御電圧V1,V12等を生成し、それぞれを複数の電極31〜48のうちの静電支持用電極31〜36,41〜46に印加する等のことで、それらの相対変位をゼロにする姿勢制御を行うものである。なお、これらの相対変位は、静電支持用電極31〜36,41〜46の容量変化から検出される。また、各制御電圧V1,V12等は、正電圧信号とそれを反転させた負電圧信号とを出力する制御出力回路54によって、印加前に、所要のレベルまで増幅されるようになっている。
【0009】
ロータ制御回路52は、ジャイロロータ10のZ軸周りの回転状態から、やはり公知の演算を行って、回転駆動用の制御電圧たとえば三相のパルス状信号を生成し、それらをロータ駆動用電極37,47へ循環的に印加する等のことで、ジャイロロータ10を一定速度で回転させる回転制御を行うようになっている。なお、ジャイロロータ10の回転状態は、ロータ駆動用電極37,47の容量変化から検出される。これらの制御電圧も、制御出力回路54又は同様の出力回路によって、印加前に、所要のレベルまで増幅されるようになっている。
このような制御電圧が直に印加される静電支持用電極31〜36,41〜46及びロータ駆動用電極37,47とは異なり、複数電極31〜48のうちの変位検出用電極38,48に対しては、ジャイロロータ10の運動に影響を及ぼすような制御電圧は印加されない。
【0010】
信号検出回路は、ジャイロロータ10とジャイロケース20との相対変位を検出するために、ジャイロロータ10の運動に影響しない程度に周波数の高い変位検出用印加信号f1〜f12を用いるものであり、変位検出用印加信号f1〜f12を複数電極31〜48のうちの一部に印加する印加信号供給回路と、変位検出用印加信号f1〜f12が変位検出用電極38,48を経由した後のところで変位検出用印加信号f1〜f12に係る信号成分を検出して変位検出用検出信号Vpを生成する電流検出回路51(検出信号生成回路)とを具えている。
【0011】
具体的には、印加信号供給回路は、弁別可能に周波数の異なる5つの正弦波信号w1〜w5を公知の関係式に基づいて組み合わせることで変位検出用印加信号f1〜f12を生成し、それらの変位検出用印加信号f1〜f12を変位検出用電極38,48でなく静電支持用電極31〜36,41〜46に印加するようになっている。しかも、その際、制御出力回路54の出力側で制御電圧V1,V12等に変位検出用印加信号f1〜f12を重畳させることで、印加を行うようにもなっている。
【0012】
環状ロータ型では静電支持用電極の対向対が6対あるが、そのうち電極対31,41について詳述すると(図17(b)参照)、制御電圧V1は正電圧+V1と負電圧−V1とが対で生成され、正電圧+V1は変位検出用印加信号f1の重畳後に静電支持用電極31bに印加され、負電圧−V1は同じ変位検出用印加信号f1の重畳後に隣接の静電支持用電極31aに印加される。また、制御電圧V12は正電圧+V12と負電圧−V12とが対で生成され、正電圧+V12は変位検出用印加信号f12の重畳後に静電支持用電極41bに印加され、負電圧−V12は同じ変位検出用印加信号f12の重畳後に隣接の静電支持用電極41aに印加されるようになっている。
【0013】
一方、電流検出回路51は(図17(a)参照)、制御出力回路54側に接続されるのでなく、複数電極31〜48のうちの変位検出用電極38,48に接続されている。電流検出回路51は、信号増幅用のアンプ等を具えているが、その入力ラインが変位検出用電極38,48の並列接続点に接続される。また、電流検出回路51から出力された変位検出用検出信号Vpがロータ制御回路52や制御演算回路53の入力回路へ送出されるようにもなっている。
【0014】
ここで、制御演算回路53における変位検出用検出信号Vpの入力回路に言及すると(図17(c)参照)、同期検波器とバンドパスフィルタとの従属接続回路に変位検出用検出信号Vpと正弦波信号w1とを入力して、変位検出用検出信号Vpから正弦波信号w1の成分を抽出する等のことで、例えばX方向変位ΔXを検知するようになっている。他の変位ΔY,ΔZ,Δφ,Δθについても同様である。
そして、このような信号検出回路によって、制御電極31〜37,41〜47の容量変化に基づいて相対変位ΔX,ΔY,ΔZ,Δφ,Δθや回転状態が検出される。また、それを入力した制御演算回路53及びロータ制御回路52の姿勢制御および回転駆動によって、ジャイロロータ10がジャイロケース20内の中立位置に浮上して回転し続ける。さらに、それらに基づいて、静電浮上型ジャイロに作用した加速度等が、演算され、検知されるのである。
【0015】
ところで、このような加速度演算等の応用演算はジャイロ機構部の動作状態が定常状態すなわち想定範囲内の安定な状態にあるときだけ適正になされるものであり、作動の停止時や開始時には、所定の停止シーケンス(作動停止手順、停止制御手段)や起動シーケンス(作動開始手順、起動制御手段)が制御回路(ロータ制御回路52+制御演算回路53)の停止プログラムや起動プログラムの実行によって行われるようになっている。
【0016】
詳述すると、停止シーケンスでは、図示は割愛したが、ロータ駆動用電極37,47に印加する信号の周波数を徐々に下げることで、ジャイロロータ10の回転を減速させ、十分に減速したことを確認してから例えば回転速度が毎分100回転以下になってから、更に所定時間たとえば60秒の経過を待って、全制御を止めるようになっている。
【0017】
また、制御停止によってジャイロロータ10がジャイロケース20内で沈下(落下、降下)して、ジャイロロータ10がジャイロケース20と接触することになるので、ジャイロケース20には、停止時にジャイロロータ10を支承するための支承片101も設けられている。図18は、そのような静電浮上型ジャイロについて、(a)が円板形ロータ型ジャイロの機構部の縦断正面図、(b)が円板形ロータ型ジャイロのジャイロケースの横断平面図、(c)が環状ロータ型ジャイロの機構部の縦断正面図である。
【0018】
支承片101は、ジャイロロータ10に蓄積されていた不所望な静電気を接触にて逃がすために導電性を具えており、分子間引力の僅少化のため小片にされ、擦れてもゴミ等を発生しないよう接触面(支承可能部位)が丸く形成され、どの向きにも安定に支承する等のためケース内周面の両端上に列設され、2段の放射状に配置されている。停止状態でジャイロロータ10とジャイロケース20の電極同士が接触したり過剰に近づいたりするのを防止するようにもなっている。円板形ロータでも環状ロータでも同様である。
【0019】
さらに、図面を引用して起動シーケンスを詳述する。図18(d)は起動シーケンスの概要フローチャートであり、図19は、(a)がジャイロ機構部の縦断正面図、(b)がその横断平面図、(c)〜(g)は何れも信号波形例である。
この起動シーケンスでは(図18(d)参照)、作業メモリのクリアなど所定の初期化処理を行ってから(ステップS11)、制御を開始する(ステップS12)。すなわち、変位検出に基づく姿勢制御と回転駆動とを開始する。そして、制御状態の安定を待って(ステップS13)すなわちジャイロロータ10の相対位置と回転速度が所定範囲に収まると、上述した加速度演算等の応用演算が開始される(ステップS14)。これが正常起動である。
【0020】
これに対し、起動しないときには次のようにしてリトライ(再試行)が行われる。すなわち、所定時間たとえば5秒ほど待っても制御状態が安定しないときには(ステップS15)、起動失敗と判断して制御を中断する(ステップS16)。すなわち変位検出も姿勢制御も回転駆動も停止する。それから、所定時間たとえば5秒ほど経過するのを待って(ステップS17)、制御を再開するようになっている(ステップS12)。リトライの効果を高めるため制御開始時には積分値のクリア等が行われるようにもなっている。
【0021】
このような起動シーケンスでの動作例を述べるが、簡明化のため、Y軸正方向を上にしてジャイロ機構部を置いた状態でジャイロロータ10が下方の支承片101によって支承されているとする(図19(a),(b)参照)。また、ジャイロロータ10にX軸正方向の静電引力を生じる姿勢制御用制御電圧を正電圧XP+と負電圧XP−とし(これらは上述した+V1,−V1に相当する)、X軸負方向の静電引力を生じる姿勢制御用制御電圧を正電圧XM+と負電圧XM−とし(これらは上述した+V12,−V12に相当する)、Y軸正方向の静電引力を生じる姿勢制御用制御電圧を正電圧YP+と負電圧YP−とし、Y軸負方向の静電引力を生じる姿勢制御用制御電圧を正電圧YM+と負電圧YM−とし、ジャイロロータ10のZ軸周りの回転駆動用制御電圧である三相パルス信号の何れか一つを正電圧RP+とする。
【0022】
この場合、周波数の高い変位検出用印加信号f1〜f12の成分や不変のオフセット成分はジャイロロータ10の動きに影響しないのでそれらの信号成分を無視すれば、正電圧XP+と負電圧XP−は反転波形となり、正電圧XM+と負電圧XM−も反転波形となり、正電圧YP+と負電圧YP−も反転波形となり、正電圧YM+と負電圧YM−も反転波形となる。
さらに、2回の起動失敗の後に正常起動する場合を具体例とする。すなわち(図19(c)〜(g)参照)、時刻t1で起動を開始し、時刻t2で起動を中断し、時刻t3で起動を再開し、時刻t4で再び中断し、時刻t5で起動再開し、時刻t6で起動に成功し定常状態に入るものとする。
【0023】
そうすると、起動開始直後は(時刻t1〜t2)、ジャイロロータ10の沈下状態を解消するように、浮上力を生む正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力になり(図19(c)参照)、それに反する正電圧YM+と負電圧YM−は最小出力になり(図19(d)参照)、浮上方向や沈下方向と直交方向に働く正電圧XP+と負電圧XP−と正電圧XM+と負電圧XM−は中間出力になる(図19(e),(f)参照)。図示や詳細な説明は割愛するがZ方向やφ,θ方向の制御電圧も適宜な中間の出力になる。また、回転駆動力を生む正電圧RP+はパルス出力状態になる(図19(g)参照)。
【0024】
その状態を継続しても、起動成功に至らないとき、例えば浮上しないまま所定時間が経過したときには、起動が中断される。この状態では(時刻t2〜t3)、総ての制御電圧の出力が抑えられる(図19(c)〜(g)参照)。
そして、所定時間経過して起動が再開されると(時刻t3〜t4)、再び浮上および回転のため、正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力、正電圧YM+と負電圧YM−は最小出力、他の姿勢制御用の正電圧XP+等は中間出力になり、正電圧RP+はパルス出力状態になる。
それでも起動しないと再び制御が中断されて(時刻t3〜t4)総ての制御電圧の出力が抑えられる。
【0025】
さらに所定時間経過して起動が再開され(時刻t5)、またも浮上および回転のため、正電圧YP+と負電圧YP−が最大出力、正電圧YM+と負電圧YM−が最小出力、他の正電圧XP+等が中間出力、正電圧RP+がパルス出力状態になる。
そして、ジャイロロータ10が浮上し且つ回転すると(時刻t6)、速やかに、浮上力を生む正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力から中間出力になり(図19(c)参照)、それと引き合う正電圧YM+と負電圧YM−も最小出力から中間出力になる(図19(d)参照)。
【0026】
こうして、ジャイロロータ10のジャイロケース20に対する相対変位および回転速度が許容される所定範囲に収まり、そのことが変位検出等によって検知確認されると、それ以後は(時刻t6〜)、上述した定常状態での姿勢制御および回転駆動が行われるとともに、加速度演算等の応用演算も行われる。
【0027】
また、図示は割愛したが、このようなジャイロ装置の実装についても説明する。上述したような電子回路とジャイロ機構部とを備えた静電浮上型ジャイロ装置は、プリント基板等に実装して電気的接続が確立されるが、その場合、ジャイロケース20を実装したプリント基板に電子回路の一部も実装されていた。その際、制御出力回路54や電流検出回路51など、ジャイロケース20の各電極31〜48と直接的に接続される回路部分は、優先的に同一基板に実装される。また、電流検出回路51のうちプリアンプはジャイロケース20の上面等に実装されることもある。何れにしても、真空空間はジャイロケース20の中にとどまり、ジャイロ機構部も電子回路も大気下で実装される。また、ジャイロケース20内のジャイロロータ10収納空間に真空状態を確保するには、真空雰囲気中で組み立てるか、組み立ててから真空引きしていた。そして、その真空状態を長期間に亘って維持するため、真空空間にゲッタ部材(真空維持部材)も収納していた。
【0028】
【特許文献1】
特許第3008074号公報 (図1、図2、図4、図8)
【特許文献2】
特開2001−235329号公報 (図1、図2、図3、図6)
【0029】
【未公開の先行技術】
[先行特許出願1] 特願2003−050223号
[先行特許出願2] 特願2002−362031号
[先行特許出願3] 特願2003−099695号
ところで、静電浮上型ジャイロ装置の小形化が進むと、具体的にはジャイロロータ10の径が数mm程度やそれ以下に縮小されると、真空雰囲気中での組立であっても、組立後の真空引きであっても、作業が各段にし辛くなる。このため、真空状態の確保が困難になるうえ、工数の増加や歩留まりの低下等による不所望なコストアップまで招きかねない。また、小形化に伴う寸法効果によってゲッターの負担が増すため、真空状態の維持も難しくなる。しかも、ガラス製ジャイロケース20のスルーホールの気密にコストが嵩むため、コストアップまで招来してしまう。そこで、小形化の要請とコストダウンの要請とを両立させるべく、真空状態の確保と維持に関し、実装状況も考慮に入れて、適切な態様での具体化が同一出願人により創案されている。その要点は、真空パッケージを導入して真空空間をジャイロ機構部よりも広げ、その中に真空維持部材や電子回路まで取り込むことにより、真空維持等の困難性を増すことなく小形化を進めることが可能となって、小形の静電浮上型ジャイロ装置を安価に実現することができた、というものである(先行特許出願1参照)。
【0030】
また、ジャイロロータとジャイロケースとの相対変位を検出するための信号検出回路に関しても、やはり同一出願人により、改良案が創出されているので(先行特許出願2参照)、その要点を述べる。
上述した従来の信号検出回路では、変位検出用印加信号f1〜f12を制御電圧V1,V12等に重畳していることから、両者の電圧の和が制御出力回路54の電源電圧Vccを超えることは出来ないので、変位検出用印加信号f1の振幅電圧Vfと制御電圧V1の最大電圧とに電源電圧Vccを割り振っている(図17(d)参照)。ところが、静電浮上型ジャイロの機構部の小形化が進むと、具体的には例えば従来5mm程度であったジャイロロータ10の径が1mm程度まで縮小されると、複数電極31〜48の容量が小さくなる。特に電流検出回路51の検出対象である入力電流Ip、これは変位検出用検出信号Vpの元であるが、この検出電流Ipが激減する。このため、変位ΔX等を正確に求めるのに必要とされる適正レベルの変位検出用検出信号Vpを得るには、変位検出用印加信号f1の振幅電圧Vfを大きくする必要がある。
【0031】
しかしながら、所定の電源電圧Vccの下で振幅電圧Vfを増加させることは制御電圧V1の最大電圧の減少を伴うため、両者への割り振りのバランスが不所望に崩れてしまう(図17(e)参照)。他の変位検出用印加信号も同じである。そこで、同じ電源電圧の下で、制御電圧を犠牲にすることなく、変位検出用印加信号の振幅電圧を増やせるよう、信号検出回路を改良することが、重要である。そして、このような要請に応える改良案は、変位検出用信号の流れを従来と逆転させることにより、制御電圧と変位検出用信号との重畳が電圧有意の信号と電流有意の信号とによって遂行されるようになって、制御電圧を犠牲にすることなく変位検出用印加信号の振幅電圧を増やすことが可能となり、その結果、電極容量が減少しても容易に適正レベルの変位検出用検出信号が得られるので、小形化に適う静電浮上型ジャイロの信号検出回路を実現することができる、というものである。
【0032】
これら未公開の先行特許出願1,2に記載された技術事項は、多くの部分が本発明創案の前提となっているので、本発明の課題を提示するに先だって、ここに再掲する。先ず、図面を引用して静電浮上型ジャイロ装置の具体的な構成を説明する。図1は、装置パッケージングの構造を示し、(a)が装置の正面図、(b)が蓋を外したところの平面図、(c)が縦断面斜視図である。図2は、(a)が信号検出回路を含む全体回路図、(b)が変位検出用印加信号の発生回路、(c)が電流検出回路である。図3は、(a)が拘束制御系の信号入力回路、(b)がロータ駆動系の信号入力回路である。なお、それらの図示に際し、従来と同様の構成要素には同一の符号を付して示したので、また、前提の技術の欄で述べたジャイロ機構部は以下の先行技術例でもそのまま利用されるので、従来との相違点を中心に説明する。ここでも、明瞭な対比等のため、電子回路部は環状ロータ型ジャイロ対応のものを具体例とし、ジャイロ機構部を説明してから電子回路部を説明する。
【0033】
このジャイロ装置70は(図1参照)、キャップ71(蓋体)とボックス72(箱体、缶体)とからなる密閉可能な装置パッケージ(真空収容器)を具えたものであり、その中には、上述したジャイロロータ10及びジャイロケース20からなるジャイロ機構部と、ガラス等の絶縁性基板からなるベース73(搭載基板)と、ゲッター75(真空維持部材)と、IC77,78(集積回路)とが格納されている。
【0034】
キャップ71とボックス72は、気密性に優れ加工も容易な部材たとえば金属からなり、ボックス72にキャップ71を被せて、ボックス72の正面壁に貫通形成されている真空吸引口76から排気すると、内部空間が真空になり、さらに真空吸引口76に栓をすると、気密に封止されて、真空状態が確立されるようになっている。ボックス72の底面には、多数のピン74(外部接続端子)が植設されている。ピン74は、装置パッケージの内外で電気導通をとるとともに、プリント基板などへの実装時にパッケージを支持するためのものであり、例えば多ピンICのPGA(Pin Grid Array)パッケージのピンと同様の良導体からなり、この例では概ね四辺形状に列設されていて、何れもボックス72の底面を貫通している。ピン74の貫通穴には固定と気密と絶縁のため例えば溶融ガラス等が充填されている。
【0035】
ベース73は、ボックス72の内底より一回り小さい平板からなり、ボックス72内で多数のピン74によって支持されて、ボックス72底面から僅かに離れている。図示は割愛したがベース73の上面には配線パターンが形成されていて、そのうち適宜な配線が各ピン74に接続されている。この接続は金属等で剛になされていてピン74とベース73との連結を兼ねている。ベース73の上面には、ジャイロケース20とIC77,78が搭載されており、それらと配線パターンとの接続は、ワイヤボンディングでも可能であるが、この例では、IC77,78がベアチップのまま搭載されているので、金バンプや半田ボール等を介在させて一括接続するCOG(Chip On Glass)方式にてなされている。
【0036】
ジャイロ機構部は、ジャイロケース20のジャイロロータ10格納空間を上述の如く真空密封したものでも良いが、この場合は、ジャイロケース20が丸ごと真空の装置パッケージに納められるので、密封の必要が無く、ジャイロケース20内にゲッタ部材を内蔵する必要も無い。
ゲッター75は、装置パッケージ内の真空空間に残っていた又は入り込んできた酸素や窒素等の気体を吸着して真空状態を維持するものであり、ジャイロケース20に内蔵されていた従来のゲッタ部材と比べて、材質は同じであるが、サイズは可成り大きくなっている。ゲッター75は、ベース73に搭載しても良いが、この例では、非蒸発ゲッターと呼ばれ通電加熱にて活性化されるものが採用されているので、ワイヤを介して2本のピン74で支持されている。
【0037】
IC77,78は、電子回路が上述した図17(a)の構成であれば、制御出力回路54や,電流検出回路51,印加信号f1〜f12の供給回路などを集積したものである。もっとも、ここでは、電子回路が信号検出回路を中心に改良されているので、それに応じて、IC77,78への集積部分も一部異なっている。具体的な集積部分は、電子回路の相違点を詳述した後で述べるが、IC77,78は、ベアチップのままベース73に搭載される。チップ数は、図示のように2個でも良く、1個に纏めても良く、3個以上でも良い。
【0038】
次に電子回路部を説明する。この電子回路が上述した従来例のものと相違するのは(図2(a)参照)、電流検出回路51に代わって印加信号発生回路61(印加信号供給回路)が変位検出用電極38,48に接続されている点と、制御出力回路54の出力に対する変位検出用印加信号f1〜f12の重畳が無くなってその代わり制御出力回路54それぞれに電流検出回路64が付設された点と、制御回路52,53がデジタル化されてロータ制御回路62及び制御演算回路63になった点である。
【0039】
印加信号発生回路61は、周波数がジャイロロータ10の運動に影響しないほど高いという要件を満たせば変位検出用印加信号V0として正弦波の信号を発生するものでも良く、変位検出用印加信号V0の振幅は電源電圧の許す範囲で任意に設定して良いが、ここでは(図2(b)参照)、変位検出用印加信号V0として三角波の電圧信号を発生するために、一対の定電流回路を逆向きに設け、クロックCLKaで切り替わるスイッチ等にて、電流送出と電流吸入とを交互に繰り返すようになっている。
【0040】
このような定電流回路対とスイッチ回路とによって生成された変位検出用印加信号V0は、図示のように適宜なカップリングコンデンサ61aを介して又はそのようなものを介さず直に変位検出用電極38,48に印加される。そのように構成すると、印加信号発生回路61から変位検出用電極38,48の並列接続点に供給される変位検出用印加電流i0は、定電流の向きがクロックCLKaに同期して反転する矩形波状のものとなり、変位検出用印加信号V0は三角波の電圧信号となる。なお、クロックCLKaの周波数は例えば1MHz以上にされる。これは制御電圧の有効周波数とされる数十kHzより遙かに高く、上記要件が満たされる。
【0041】
電流検出回路64は(図2(a)参照)、制御演算回路63から静電支持用電極31〜36,41〜46へ姿勢制御用の制御電圧V1,V12等を送出する12個または12組の制御出力回路54それぞれに付設されるとともに、ロータ制御回路62からロータ駆動用電極37へ回転駆動用の制御電圧を送出する制御出力回路54それぞれにも付設される。それぞれの電流検出回路64は(図2(c)参照)、一対のカレントミラー64a,64bと、それらの出力ライン同士を接続させた差動出力ライン64cと、信号増幅や雑音除去等を行って変位検出用検出電流i1等を出力するアンプ等64dからなる。
【0042】
カレントミラー64aは、入力側が付設先の制御出力回路54(そのうち特に出力段回路)の給電線のうち高電位側のもの(+)に介挿接続され、カレントミラー64bは、入力側が付設先の制御出力回路54(そのうち特に出力段回路)の給電線のうち低電位側(−)のものに介挿接続され、両者の出力側は共に差動出力ライン64cに接続される。これにより、電流検出回路64は、何れも、該当する制御出力回路54の出力電流を検出してそれと同じか又は対応している変位検出用検出電流i1〜i12,r1〜r6を生成するものとなっている。
【0043】
制御演算回路63の演算内容は基本的に従来例と変わらないが、回路構成は(図3(a)参照)、DSP66(デジタルシグナルプロセッサ)の採用によってデジタル化されているため、前段に、A/D変換回路65が設けられている。A/D変換回路65は、この例では、6個が設けられ、何れも、クロックCLKbのタイミングでサンプリング・標本化して、例えば12ビットで量子化するようになっている。クロックCLKbは、上述したクロックCLKaの位相を例えば90゜ずらしたものであり、クロックCLKaに同期している。なお、スイッチング時の過渡状態を外せば、位相差は90゜以外でも良く、周波数は逓倍または逓減されていても良い。
【0044】
6個のA/D変換回路65は、静電支持用電極31への変位検出用検出電流i1と静電支持用電極41への変位検出用検出電流i12との差をとってX方向変位ΔXの成分を抽出した信号と、静電支持用電極32への変位検出用検出電流i2と静電支持用電極42への変位検出用検出電流i11との差をとってY方向変位ΔYの成分を抽出した信号と、静電支持用電極33への変位検出用検出電流i3と静電支持用電極43への変位検出用検出電流i10との差をとってZ+φ方向変位ΔZ+Δφの成分を抽出した信号と、静電支持用電極34への変位検出用検出電流i4と静電支持用電極44への変位検出用検出電流i9との差をとってZ+θ方向変位ΔZ+Δθの成分を抽出した信号と、静電支持用電極35への変位検出用検出電流i5と静電支持用電極45への変位検出用検出電流i8との差をとってZ−φ方向変位ΔZ−Δφの成分を抽出した信号と、静電支持用電極36への変位検出用検出電流i6と静電支持用電極46への変位検出用検出電流i6との差をとってZ−θ方向変位ΔZ−Δθの成分を抽出した信号とに割り振られる。
【0045】
ロータ制御回路62の演算内容も基本的に従来例と変わらないが、回路構成は(図3(b)参照)、やはり、DSP67の採用によってデジタル化されているため、前段に量子化手段が設けられている。量子化手段は、A/D変換回路65と同じでも良いが、ロータ回転制御の遂行には変位検出用検出電流r1〜r6のうち一つ以上の位相が把握できれば足りるので、この例では、A/D変換回路65より簡便なコンパレータCOMPが変位検出用検出電流r1〜r6それぞれに設けられている。二値化された各変位検出用信号は、DSP67のサンプリングプログラムの処理によってDSP67に随時入力されて標本化された後、ジャイロロータ10のZ軸周りの回転状態に基づいて三相パルス状信号などの回転駆動用制御電圧を生成する公知の演算に供されるようになっている。
【0046】
このような電子回路のうち、IC77,78に集積されるのは、制御出力回路54や,電流検出回路64,印加信号発生回路61などである。DSP66,67は、専用品を作っても良いが、汎用の市販品でも足りるので、そのようなDSP66,67はIC77,78に集積されない。
【0047】
このような構成の静電浮上型ジャイロ装置について、その使用態様及び動作を、図面を引用して説明する。図1(d)は、装置実装状況を示す斜視図である。また、図4は、(a)が制御電圧印加部分の詳細図であり、(b)〜(f)は何れも信号波形例である。ここでも、先ず機構部の実装態様を説明し、次に電子回路の動作を説明する。
【0048】
ジャイロ装置70をプリント基板80に実装するには(図1(d)参照)、それに先立って、プリント基板80に、ピン74対応のスルーホールと電気接続のための配線パターンを形成しておく。そのプリント基板80に、一般的なIC実装技術を用いて、DSP66,67といったICやその他の電子部品を実装する。電源回路を構成するレギュレータIC81や平滑コンデンサ82等も実装しておく。それから、プリント基板80のスルーホールにピン74を差し込んで、半田付け等にて接続する。
【0049】
そうすると、ジャイロ装置70がプリント基板80に固定され、ひいてはジャイロケース20がプリント基板80に対して固定されるとともに、ジャイロケース20の各電極31〜48と電子回路との電気的接続が確立される。具体的には、電子回路のうち内蔵部分であるIC77,78はジャイロ装置70組立完了時点でベース73の配線パターンによってジャイロケース20と接続されているので、それらと電子回路の残部たとえばDSP66,67とが、プリント基板80の配線パターンとピン74とを介して、接続される。こうして、静電浮上型ジャイロ装置がプリント基板80に搭載され、それが自動車等に組み込まれると、ジャイロ機構部および電子回路部が動作可能となる。
【0050】
以上の説明より明らかに、ジャイロ装置70は、扱い慣れたIC例えばPGAタイプICとほぼ同様にして簡単に実装することができる。さらに、ジャイロ装置70の真空引きに関しても、ジャイロケース20より大きくて丈夫なため扱い易い装置パッケージが対象なので、作業が楽になるうえ、既存の設備や治具を継続使用するのも容易となる。その真空状態の維持に関しては、ゲッター75を十分に大きくすることが可能であり、例えばジャイロケース20に納まらないほど大きくすることも可能なので、真空状態が長期間に亘って維持される。その真空空間を、従来は薄いガラス等で密封していたが、それより厚くても良く変形能にも富む金属等で出来たパッケージ71+72で密封しているので、気密性能が向上して、更に長期間に亘って真空状態が維持される。しかも、ジャイロ装置70には、ジャイロケース20が内蔵されているだけでなく、電子回路の一部であるIC77,78もベアチップの状態で内蔵されており、これによって、電子回路部のコンパクト実装が一段と進められている。なお、IC77,78は、ベアチップ搭載であるが、それを囲むジャイロ装置70の内部空間は真空状態になっているので、酸化等にて劣化することが無い。
【0051】
次に電子回路の動作説明に移るが(図4(a)参照)、従来例との対比明瞭化等のため、環状ロータ型の6対の静電支持用電極のうち電極対31,41について、制御電圧の印加状況を詳述する。制御電圧V1はやはり正電圧V1bと負電圧V1aとの対に分けられて、正電圧V1bは静電支持用電極31bに印加され、負電圧V1aは隣接の静電支持用電極31aに印加される。また、制御電圧V12も正電圧V12bと負電圧V12aとの対に分けられて、正電圧V12bは静電支持用電極41bに印加され、負電圧V12aは隣接の静電支持用電極41bに印加される。
【0052】
そして(図4(b)参照)、ジャイロロータ10がZ軸周りの回転は別として中立位置に静止しているとき静電支持用電極31,41に印加される一定のオフセット電圧をVofとし、姿勢制御のために算出され変化するX軸制御電圧成分をVxとすると、正電圧V1bのうち制御出力回路54の出力する主成分は+Vof+Vxにされ、負電圧V1aの主成分は−Vof−Vxにされ、正電圧V12bの主成分は+Vof−Vxにされ、負電圧V12aの主成分は−Vof+Vxにされる。ここまでは基本的に従来例と同様であるが、変位検出用信号の重畳については従来例と異なるため、これらの制御電圧V1,V12等へ直に変位検出用印加信号V0が重畳されるようなことはない。もっとも、変位検出用印加信号V0が伝達されて来たことの影響は受ける。
【0053】
すなわち(図4(c)参照)、印加信号発生回路61によって、電圧波形が三角波状に変化する変位検出用印加信号V0が発生され、これが変位検出用電極38,48とジャイロロータ10と静電支持用電極31,41を順に経て制御電圧V1,V12に重畳する。変位検出用印加電圧信号V0の振幅は、印加信号発生回路61に昇圧回路等を付設すれば、制御出力回路54の電源電圧Vccを超えることも可能であり、従来の変位検出用印加信号f1,f12に比べて可成り大きい。これに対し(図4(b)参照)、制御電圧V1,V12に重畳する電圧成分は極めて小さいので、正電圧V1bの波形は主成分+Vof+Vxの波形から大きく離れることなくそれに沿い、負電圧V1aは主成分−Vof−Vxに沿い、正電圧V12bは主成分+Vof−Vxに沿い、負電圧V12aは主成分−Vof+Vxに沿い、いずれも主成分とほぼ同様の波形を描く。
【0054】
一方、変位検出用印加電圧信号V0と共に変位検出用印加電流i0(図4(d)参照)も変位検出用電極38,48とジャイロロータ10と静電支持用電極31,41等を順に経て制御出力回路54の出力ラインに伝達されるが、その際に変位検出用印加電流i0は複数電極31〜48の容量に基づいて分割され、伝達先でそれぞれ該当個所の電流検出回路64によって変位検出用検出電流信号i1〜i12として検出される。これらの電流信号は(図4(e)の変位検出用検出電流i1を参照)、分割に応じた明確な電流値を示し、クロックCLKaに対応した周波数の矩形波となる。
【0055】
そして(図4(f)及び図3(a)参照)、クロックCLKaに同期しているが位相のずれているクロックCLKbのタイミングで、X方向変位ΔXを反映した電流信号(i1−i12)や同様の信号がA/D変換回路65によって量子化され、それらを取り込んだDSP66によって姿勢制御のための公知の演算が行われる。また、慣性空間に対する角速度や加速度なども算出される。こうして、この場合も、姿勢制御や加速度検出等が適切に遂行される。さらに、変位検出用検出電流r1〜r6が二値化されてDSP67に取り込まれ、それらを取り込んだD67SPによって回転駆動のための公知の演算が行われる。回転駆動用制御電圧の基本周波数は上限が数百Hz程度であるが、変位検出用検出電流r1〜r6の基本周波数は上述したように高いので、両者は容易かつ正確に弁別される。こうして、ロータ回転駆動も適切に遂行される。
【0056】
以上の説明より明らかに、この静電浮上型ジャイロの信号検出回路にあっては、変位検出用印加電圧信号V0を必要に応じて拡大することが可能かつ容易であり、しかも、制御電圧V1,V12等も制御出力回路54の電源電圧Vcc近くまで拡大できるので、例えジャイロ機構部の小形化に伴って複数電極31〜48の容量が小さくなったとしても、十分な信号レベルを確保することができて、変位の検出を適切に果たすことはもちろん、姿勢制御性能の向上にも貢献する。
【0057】
これら未公開の先行特許出願1,2に記載された技術事項に加えて、上掲した未公開の先行特許出願3に記載された技術事項も、本発明創案の前提となっており、また多くの部分が本発明に引き継がれているので、その概要を再掲する。
上述したように、実装状況も考慮して小形化すべく真空パッケージにジャイロ機構や電子回路を取り込んだり、ジャイロ機構部の小形化に伴って電極容量が減少しても適正レベルの変位検出用検出信号が得られるように変位検出用信号の流れを従来と逆転させたりして、静電浮上型ジャイロ装置の小形化が推し進められ、静電浮上型ジャイロ装置の応用範囲が広がっている。もっとも、小形化が可能になったからといって、全部が小形のもので置き換えられる訳ではない。
【0058】
ジャイロロータを回転させてその慣性を利用する静電浮上型ジャイロ装置の場合、検出精度がジャイロロータの大きさに依存するのを避けられないため、種々のサイズのものが使い分けられている。そして、サイズに応じて電源電圧Vccや制御電圧V1等にも各種の電圧が採用されている。例えば、ロータ径が1〜2mmのときには3Vや5V程度の電圧で足りるが、ロータ径が5mmを超えると12Vや15Vといった電圧が用いられることが多い。
ただし、電子回路の電圧が高いと、使用できる電子部品が限られたり高価になったりする。特に、電流検出回路64のカレントミラーのように1MHz等の高速で動作するうえ広いダイナミックレンジも要求される半導体部品に、15V程度以上の高耐圧性能まで要求すると、適正価格で具体化するのが困難になる。
【0059】
その場合、制御電圧へ直に変位検出用印加信号を重畳させる従来技術が引き続き使われる。
しかしながら、変位検出用信号の流れを従来と逆転させて、制御電圧の出力段回路のところで、変位検出用印加信号に係る信号成分の検出を行う手法には、制御電圧をほとんど犠牲にしないで済むことや、変位検出用印加信号のレベル設定が制御電圧の制約を受けずにほぼ自由に行えることなど、従来技術に勝る利点が多い。
【0060】
そこで、変位検出用電極に変位検出用信号を印加して制御電極より制御回路寄りで検出を行う手法の採用を前提として、上述した何れとも異なる新たな構成の信号検出回路を案出が創案されている。その要点は、変位検出用電極に変位検出用信号を印加して制御電極より制御回路寄りで検出を行うに際して、隣り合う制御電極に対し逆相の制御電圧が印加されること及び同相の変位検出用印加信号が伝達されることに基づき、信号検出を同相成分の抽出にて行うようにしたことにより、変位検出用信号の流れを従来と逆転させた静電浮上型ジャイロ装置であって新たなものを実現することができた、というものである。また、電源電圧や制御電圧の影響が検出信号生成回路になるべく及ばないよう更なる工夫も加味されており、例えば、変位検出用信号の流れを従来と逆転させて検出するに際して制御電圧等の電圧レベルによる制約が緩やかになるよう、同相検出回路が受動素子で具体化可能なものとなっている。
【0061】
【発明が解決しようとする課題】
さらに、起動シーケンス(作動開始手順、起動制御手段)についても、改良が試みられている。図5は、その具体例を示し、(a)が起動シーケンスの概要フローチャート、(b)〜(f)は何れも信号波形例である。これらは、上述した従来例の図18(d)及び図19(c)〜(g)と対比されるものであるが、信号波形についは反転波形を省いて正電圧YP+,YM+,XP+,XM+,RP+だけを図示している。
【0062】
その改良点は、制御電極が静電支持用電極と回転駆動用電極とに分かれており而もそれに対応して制御回路によるジャイロロータの姿勢制御用制御電圧と回転駆動用制御電圧の生成も別個になされるのを利用して、起動シーケンスを浮上シーケンスと回転シーケンスとに分けたことである。これにより、この静電浮上型ジャイロ装置は、起動時に姿勢制御を行ってジャイロロータの浮上を確認してから回転駆動を行うようになっている。
【0063】
図5(a)を参照して詳述すると、従来の制御開始では(ステップS12)姿勢制御と回転駆動を同時に行っていたのに対し、この試作例では(ステップS21)回転駆動は開始せずに姿勢制御を開始するようになっている。それに伴って、従来の制御状態の安定待ちが(ステップS13)、この試作例では浮上待ちになって(ステップS22)ジャイロロータ10の相対位置が所定範囲に収まるのを待つようになっている。
そして、浮上の確認が得られてから(ステップS22)応用演算を開始するまで(ステップS14)の間に、回転駆動の開始とその確認を行うようにもなっている(ステップS23〜S26)。
【0064】
すなわち、起動シーケンス後半の回転シーケンスでは、変位検出に基づく姿勢制御が既に行われているところに追加して回転駆動も開始する(ステップS23)。そして、加速に要する所定時間の経過を待ち(ステップS24)、それからジャイロロータ10の回転速度が所定速度に達したのを確認して(ステップS25)、応用演算が開始される(ステップS14)。これが正常起動である。
これに対し、回転速度が足りないときには再び加速時間の経過を待つようになっている(ステップS25→S26→S24)。その際、念のため浮上確認も行って(ステップS26)、浮上状態が損なわれているときには浮上シーケンスのリトライに戻るようにもなっている(ステップS26→S16)。
【0065】
このような起動シーケンスでの動作例を述べるが、ここでも明瞭な対比のため、Y軸正方向を上にしてジャイロ機構部を置いた状態でジャイロロータ10が下方の支承片101によって支承されているとする。また、ジャイロロータ10にX軸正方向の静電引力を生じる姿勢制御用制御電圧を正電圧XP+と負電圧XP−とし(これらは上述したV1b,V1aに相当する)、X軸負方向の静電引力を生じる姿勢制御用制御電圧を正電圧XM+と負電圧XM−とし(これらは上述したV12b,V12aに相当する)、Y軸正方向の静電引力を生じる姿勢制御用制御電圧を正電圧YP+と負電圧YP−とし、Y軸負方向の静電引力を生じる姿勢制御用制御電圧を正電圧YM+と負電圧YM−とし、ジャイロロータ10のZ軸周りの回転駆動用制御電圧である三相パルス信号の何れか一つを正電圧RP+とする。
【0066】
この場合も、周波数の高い変位検出用信号V0,i1〜i12の成分や不変のオフセット成分はジャイロロータ10の動きに影響しないのでそれらの信号成分を無視すれば、正電圧XP+と負電圧XP−は反転波形となり、正電圧XM+と負電圧XM−も反転波形となり、正電圧YP+と負電圧YP−も反転波形となり、正電圧YM+と負電圧YM−も反転波形となる。
さらに、やはり2回の起動失敗の後に正常起動する場合を具体例とする。すなわち、時刻t1で起動を開始し、時刻t2で起動を中断し、時刻t3で起動を再開し、時刻t4で再び中断し、時刻t5で起動再開し、時刻t6で起動に成功し定常状態に入るものとする。
【0067】
そうすると、起動開始直後は(時刻t1〜t2)、ジャイロロータ10の沈下状態を解消するように、浮上力を生む正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力になり(図5(b)参照)、それに反する正電圧YM+と負電圧YM−は最小出力になり(図5(c)参照)、浮上方向や沈下方向と直交方向に働く正電圧XP+と負電圧XP−と正電圧XM+と負電圧XM−は中間出力になる(図5(d),(e)参照)。図示や詳細な説明は割愛するがZ方向やφ,θ方向の制御電圧も適宜な中間の出力になる。なお、従来と異なり、回転駆動力を生む正電圧RP+は出力されない(図5(f)参照)。
【0068】
その状態を継続しても、ジャイロロータ10が浮上しないまま所定時間が経過したときには、姿勢制御が中断される。この状態では(時刻t2〜t3)、総ての制御電圧の出力が抑えられる(図5(b)〜(f)参照)。
そして、所定時間経過して姿勢制御が再開されると(時刻t3〜t4)、再び浮上のため、正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力、正電圧YM+と負電圧YM−は最小出力、他の姿勢制御用の正電圧XP+等は中間出力になる。ここでも正電圧RP+は出力されない。
それでも浮上しないと再び制御が中断されて(時刻t3〜t4)総ての制御電圧の出力が抑えられる。
【0069】
さらに所定時間経過して姿勢制御が再開され(時刻t5)、またも浮上のため、正電圧YP+と負電圧YP−が最大出力、正電圧YM+と負電圧YM−が最小出力、他の正電圧XP+等が中間出力になる。正電圧RP+は出力されない。
そして、ジャイロロータ10が浮上すると(時刻t6)、速やかに、浮上力を生む正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力から中間出力になり(図5(b)参照)、それと引き合う正電圧YM+と負電圧YM−も最小出力から中間出力になる(図5(c)参照)。
【0070】
こうして、ジャイロロータ10のジャイロケース20に対する相対変位が許容される所定範囲に収まり、そのこと即ち浮上したことが変位検出等によって検知確認されると、起動シーケンスが浮上シーケンスから回転シーケンスに移行して、回転駆動力を生む正電圧RP+はパルス出力状態になる(図5(f)参照)。真空中で浮上しているジャイロロータ10は大抵順調に回転を始め更に加速されて所定の回転速度に達する。それ以後は(時刻t6〜)、上述した定常状態での姿勢制御および回転駆動が行われるとともに、加速度演算等の応用演算も行われる。
【0071】
このように、この試作例の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、静電支持用電極と回転駆動用電極との個別制御が可能なことを利用して、起動時に姿勢制御を行ってジャイロロータの浮上を確認してから回転駆動を行うようになったことにより、起動時にジャイロロータ10と支承片101とが擦れるのを回避することができるようになった。そのため、両者の接触部分から擦過片等のゴミが発生するといった不所望な事態を確実に防止することができる。支承片101がジャイロロータ10の外周側に在るため、ジャイロロータ10が回転すると、ジャイロロータ10と支承片101との相対速度は直ぐ高速になり、その状態で擦れると、小片の支承片101には擦過傷等が付き易いのである。
【0072】
ジャイロロータ収納空間内でのゴミ発生が少なくなることにより、ゴミに起因する故障が確実に減る。またゴミによる起動不良も少なくなると期待される。
しかしながら、このような静電浮上型ジャイロ装置では、浮上シーケンスにおいてパルス駆動の回転力が働かないため、そしてその影響が大きいため、浮上の能力は多少なりとも低下する。パルス駆動の回転力があると、これによってジャイロロータ10に微振動が生じる等のため、一般に強い静止摩擦が一般に弱い動摩擦に変わったり、分子間力を生む微視的な密着が破られたり、完全放電を妨げて制御対象外の不所望な静電引力を生じる自然酸化膜が破られたりするが、そのような機会が回転駆動の後回しによって減ってしまうからであろうと考えられる。
【0073】
そこで、起動時に姿勢制御を行ってジャイロロータの浮上を確認してから回転駆動を行うという起動シーケンスの採用を前提としながらも、その欠点を克服して浮上能力を向上させるよう、起動シーケンスに工夫を凝らすことが技術的な課題となる。
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、ロータを擦らずとも高率で浮上させる静電浮上型ジャイロ装置を実現することを目的とする。
【0074】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために発明された第1乃至第4の解決手段について、その構成および作用効果を以下に説明する。
【0075】
[第1の解決手段]
第1の解決手段の静電浮上型ジャイロ装置は、出願当初の請求項1に記載の如く、ジャイロロータを静電浮上可能かつ回転可能に内蔵するジャイロケースと、これに形成されている複数の電極のうち静電支持用電極および回転駆動用電極に前記ジャイロロータの姿勢制御用および回転駆動用の制御電圧をそれぞれ生成して印加する制御回路と、前記複数電極のうち前記制御電圧の印加されない変位検出用電極を介して前記ジャイロロータと前記ジャイロケースとの相対変位検出用信号の送受を行う信号検出回路とを備えた静電浮上型ジャイロ装置において、起動時に姿勢制御を行って前記ジャイロロータの浮上を確認してから回転駆動を行う起動制御手段と、前記姿勢制御用制御電圧を又はこれより高い浮上用制御電圧を断続させて前記静電支持用電極に印加する浮上強化手段とを設け、前記起動制御手段が前記ジャイロロータの浮上確認の不成立時に前記浮上強化手段を作動させるようにしたものである。
【0076】
このような第1の解決手段の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、起動時に起動制御手段が作動し、これによって先ず姿勢制御が行われ、この姿勢制御によってジャイロロータが浮上したことが信号検出に基づいて確認されると、その後から回転駆動が行われる。これに対し、ジャイロロータの浮上確認の不成立時には、起動制御手段によって浮上強化手段が作動させられ、これによって、姿勢制御用制御電圧か又はこれより高められた浮上用制御電圧が、断続させさられるとともに、静電支持用電極に印加される。
【0077】
このような静電支持用電極への断続印加により、パルス状の回転駆動が無くても、ジャイロロータにはそれを浮上させようとする力ばかりか振動させようとする力も働くので、ジャイロロータの浮上を妨げる不所望な力が、摩擦力であれ分子間引力であれ残留静電気の引力であれゴミの付着力であれ何れが原因であろうとも、緩和抑制される。そのため、姿勢制御による浮上力が減殺されることなく十分に機能することとなる。しかも、その状態では未だ回転駆動は行われないので、ジャイロロータの接触支持面が擦れるおそれは無い。
したがって、この発明によれば、ロータを擦らずとも高率で浮上させる静電浮上型ジャイロ装置を実現することができる。
【0078】
[第2の解決手段]
第2の解決手段の静電浮上型ジャイロ装置は、出願当初の請求項2に記載の如く、上記の第1の解決手段の静電浮上型ジャイロ装置であって、前記浮上強化手段が、前記姿勢制御用制御電圧または前記浮上用制御電圧とは逆向きに前記ジャイロロータを駆動する沈下用制御電圧を生成してこれも断続させて前記静電支持用電極に印加するようになっている、というものである。
【0079】
浮上力が静電引力に依拠する場合、通常の姿勢制御であれば、沈下状態にある間は、接触支持側の静電支持用電極に有効な制御電圧は印加されないが、この第2解決手段の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、ジャイロロータの浮上確認の不成立時に、姿勢制御用制御電圧か浮上用制御電圧が離隔側の静電支持用電極に断続印加させさられるとともに、接触支持側の静電支持用電極には沈下用制御電圧が断続印加される。この沈下用制御電圧は印加時にジャイロロータを浮上とは逆向きに即ち沈下させる向きに駆動するが、その駆動が振動的なので、非印加時には接触面からの弾撥力に基づいてジャイロロータに反動力が働く。
これにより、ジャイロロータに振動を惹起する力が増し、ひいては浮上阻止力が減ることとなる。
したがって、この発明によれば、ロータを擦らずとも更に高率で浮上させる静電浮上型ジャイロ装置を実現することができる。
【0080】
[第3の解決手段]
第3の解決手段の静電浮上型ジャイロ装置は、出願当初の請求項3に記載の如く、上記の第1,第2の解決手段の静電浮上型ジャイロ装置であって、前記浮上強化手段が、前記姿勢制御用制御電圧または前記浮上用制御電圧と直交または斜交する向きに前記ジャイロロータを駆動する揺動用制御電圧を生成してこれも前記静電支持用電極に印加するようになっている、というものである。
【0081】
あるいは、出願当初の請求項5に記載の如く、ジャイロロータを静電浮上可能かつ回転可能に内蔵するジャイロケースと、これに形成されている複数の電極のうち静電支持用電極および回転駆動用電極に前記ジャイロロータの姿勢制御用および回転駆動用の制御電圧をそれぞれ生成して印加する制御回路と、前記複数電極のうち前記制御電圧の印加されない変位検出用電極を介して前記ジャイロロータと前記ジャイロケースとの相対変位検出用信号の送受を行う信号検出回路とを備えた静電浮上型ジャイロ装置において、起動時に姿勢制御を行って前記ジャイロロータの浮上を確認してから回転駆動を行う起動制御手段と、前記ジャイロロータの転動を惹起する制御電圧を前記静電支持用電極に印加する浮上強化手段とを設け、前記起動制御手段が前記ジャイロロータの浮上確認の不成立時に前記浮上強化手段を作動させるようになっている、というものである。
【0082】
このような第3の解決手段の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、浮上確認の不成立時に、回転駆動用電極でなく静電支持用電極への制御電圧印加によってジャイロロータの揺動・転動が惹起される。
揺動・転動状態では、回転動作と異なり、擦れを生じる沈下側・接触支持側の面方向移動が回避・抑制されるとともに、揺動・転動の源泉力が、梃子使用時のように接触部位を支点や作用点として向きを変えて、浮上方向にも働く。
【0083】
このように姿勢制御の浮上力だけでなくそれとは異質の浮上力も加わることにより、浮上のメカニズムが多様化するとともに浮上の機会も増加するので、回転駆動が加わらなくても、ジャイロロータは高い確率で浮上することとなる。
したがって、この発明によれば、ロータを擦らずとも高率で浮上させる静電浮上型ジャイロ装置を実現することができる。
【0084】
[第4の解決手段]
第4の解決手段の静電浮上型ジャイロ装置は、出願当初の請求項4に記載の如く、上記の第1〜第3の解決手段の静電浮上型ジャイロ装置であって、前記浮上強化手段が断続周期を変化させるようになっている、というものである。
【0085】
振動を利用する場合には振動周期を固有振動数に合わせると効果が増すが、固有振動数には製造時の寸法差等に起因する個体毎のばらつきが有る他、ジャイロロータの浮上を妨げる原因が多岐に亘り、それらや接触状態などが固有振動数に影響するため、最適な振動周期は或る程度推測できても確定しきれるものではない。これに対し、この第4の解決手段の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、断続周期が変化するので、ジャイロロータに惹起される振動周期が何れかのタイミングで最適な状態になることが期待される。
これにより、ジャイロロータに惹起される振動が増強され、ひいては浮上阻止力が減ることとなる。
したがって、この発明によれば、ロータを擦らずとも更に高率で浮上させる静電浮上型ジャイロ装置を実現することができる。
【0086】
【発明の実施の形態】
このような解決手段で達成された本発明の静電浮上型ジャイロ装置について、これを実施するための形態を説明する。
【0087】
本発明の第1の実施形態は、上述した解決手段の静電浮上型ジャイロ装置であって、変位検出用信号の流れを従来と逆転させた信号検出回路に新たな構成を採用したものである。
すなわち、ジャイロロータを静電浮上可能かつ回転可能に内蔵するジャイロケースと、これに形成されている複数の電極のうち静電支持用電極および回転駆動用電極に前記ジャイロロータの姿勢制御用および回転駆動用の制御電圧をそれぞれ生成して印加する制御回路と、前記ジャイロロータと前記ジャイロケースとの相対変位を検出するための変位検出用印加信号を前記複数電極のうちの一部に印加する印加信号供給回路と、前記複数電極のうち前記制御電圧の印加されない変位検出用電極を経由したところで前記変位検出用印加信号に係る信号成分を検出して変位検出用検出信号を生成しこれを前記制御回路に送出する検出信号生成回路と、前記制御回路に複数設けられ前記制御電圧のうち少なくとも姿勢制御用のものに関しては互いに逆相の対となるものを生成して前記複数電極のうち隣り合うものに振り分けて印加する出力段回路とを備えた静電浮上型ジャイロ装置において、前記印加信号供給回路が、前記変位検出用印加信号を前記変位検出用電極に印加するものであり、前記検出信号生成回路が、前記出力段回路それぞれの出力側に付設された複数の同相検出回路を具有しており、前記同相検出回路は、それぞれ、付設先の出力段回路の出力であって逆相関係の対から同相成分を抽出することにより前記変位検出用印加信号に係る信号成分の検出を行うようになっている、というものである。
【0088】
このような実施形態の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、変位検出用信号が、変位検出用電極に印加され、それから、ジャイロロータを経て複数の制御電極に伝達され、それぞれ該当する出力段回路の出力側に到達する。そのときの伝達状態・伝達程度には各制御電極の容量変化が反映されているので、変位検出用印加信号に係る信号成分を検出すれば、その検出値に基づいてジャイロロータとジャイロケースとの相対変位を算出することが可能である。
【0089】
その検出は、隣り合う電極に対し変位検出用印加信号が同相で伝達されてくることに基づいて、同相成分の抽出にて行われる。また、そのような隣り合う制御電極に対して逆相の制御電圧が印加されていることから、同相成分の抽出は、受動素子のような耐電圧も応答性も高くて安い電子部品を用いて具体化しうる。例えば信号同士の加算や分圧といった手法で行うことが可能となる。そして、このような抽出によって、変位検出用検出信号は、制御電圧から分離されて、単独のものとなるので、その後続処理には、もはや制御回路の出力段回路のような高耐圧性能は要求されない。
【0090】
このように、変位検出用電極に変位検出用信号を印加して制御電極より制御回路寄りで検出を行うとともに、それに際して、隣り合う制御電極に対し逆相の制御電圧が印加されること及び同相の変位検出用印加信号が伝達されることに基づき、変位検出用印加信号に係る信号成分の検出を同相成分の抽出にて行うようにしたことにより、カレントミラー等を設けて電流検出を行う既述のものとは異なるものであっても、適切に所望の信号を検出することが、可能となる。
したがって、この実施形態によれば、変位検出用信号の流れを従来と逆転させた静電浮上型ジャイロ装置であって新たなものを実現することができる。
【0091】
[第2の実施の形態]
本発明の第2の実施形態は、上述した第1実施形態の静電浮上型ジャイロ装置であって、前記同相検出回路の各々に、容量素子の直列回路からなり逆相出力(すなわち互いに逆相の出力対)の中点電圧(すなわち両信号の中間の電圧)を検出する中点電圧検出回路と、この中点電圧検出回路と付設先の出力段回路とに介挿して設けられ前記制御電圧の周波数成分の電流は通過させるが前記変位検出用印加信号の周波数成分の電流は通過させない電流制限回路とが、具わっている、というものである。
【0092】
このような実施形態の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、同相検出回路が、中点電圧検出回路と電流制限回路とで具体化され、中点電圧検出回路が、受動素子である容量素子の直列回路で具体化されている。電流制限回路も抵抗などの受動素子で具体化しやすいものであり、この電流制限回路の存在によって、変位検出用印加信号が出力段回路へ逃げることなく中点電圧検出回路に伝達される。
このような同相検出回路は、受動素子で構成されて、耐電圧も応答性も高いうえ安価なものとなっている。
したがって、この実施形態によれば、変位検出用信号の流れを従来と逆転させて検出するに際して制御電圧等の電圧レベルによる制約の緩やかな静電浮上型ジャイロ装置を実現することができる。
【0093】
このような解決手段や実施形態で達成された本発明の静電浮上型ジャイロ装置について、これを実施するための具体的な形態を、以下の第1〜第5実施例により説明する。図6〜図10に示した第1実施例は、上述した第1の解決手段(当初請求項1)及び各実施形態を具現化したものであり、図11に示した第2実施例は、上述した第2の解決手段(当初請求項2)を具現化したものであり、図12,図13に示した第3実施例は、上述した第3の解決手段の一方(当初請求項3)を具現化したものであり、図14に示した第4実施例は、上述した第4の解決手段(当初請求項4)を具現化したものであり、図15に示した第5実施例は、上述した第3の解決手段の他方(当初請求項5)及び第4の解決手段(当初請求項4)を具現化したものである。
【0094】
なお、それらの図示に際し、前提の技術の欄や,従来の技術の欄,未公開の先行技術の欄において言及した構成要素と同様の構成要素には同一の符号を付して示したので、また、前提の技術の欄で述べたジャイロ機構部は以下の各実施例でもそのまま利用されるので、重複する再度の説明は割愛し、以下、公知の従来技術や未公開の先行技術との相違点を中心に説明する。
ここでも、明瞭な対比等のため、電子回路部は環状ロータ型ジャイロ対応のものを具体例とする。
【0095】
【第1実施例】
本発明の静電浮上型ジャイロ装置の第1実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図6は、(a)がパッケージの蓋を外したところの平面図、(b)が縦断正面図である。また、図7(a)が信号検出回路を含む全体回路図、同図(b)が変位検出用印加信号の発生回路、同図(c)が検出信号生成回路であり、図8(a)が制御電圧印加部分と検出信号生成回路の詳細図である。さらに、図9は、(a)が起動シーケンスの概要フローチャート、(b)が浮上強化処理の概要フローチャートである。
【0096】
この静電浮上型ジャイロ装置(図6〜10参照)が既述の先行特許出願1,2記載例(図1〜図4参照)と相違するのは、パッケージング手法に関する改良点(図1→図6)と、信号検出回路に関する改良点(図2→図7)と、起動シーケンス(起動制御手段)に関する改良点(図18→図5→図9)である。
以下、その順に相違点を詳述する。
【0097】
先ずパッケージング手法に関して改良点を説明する。図6に示した静電浮上型ジャイロ装置97は、既述した図1記載のものを改良したものであり、ガラス基板のベース73を割れ難くするために、ベース73が円板形になっている。これに伴って、ピン74も円形状に列設されている。なお、パッケージも、ボックス72にキャップ71を被せる構造のものから、円板状の底板72に丸帽状のキャップ71を被せる構造のものになっている。
【0098】
また、ピン74がベース73から外周側へ外れて、両者の接合が剛接合でなくなっている。両者の電気的接続はボンディングワイヤ99によって行われ、ベース73をパッケージ底板72から浮かせて支持するための機械的接続は、例えば板バネからなる弾性支持部材98によって行われる。このようにピン74とベース73とに弾性支持部材98を介在させて、ベース73が弾性支持部材のみによって弾性支持されるようにしたことにより、衝撃を吸収する機能が向上する。衝撃が加わったときの問題点としては、ベース73の損傷の他、ロータが電極またはストッパーに衝突してロータの回転が止まると浮上および回転のシーケンスをやり直す必要があるが、そのような問題も回避することができる。
【0099】
次に、信号検出回路に関して相違点を述べると、図7,図8に示した信号検出回路が図2〜図4のものと相違するのは、矩形波電流発生用の印加信号発生回路61が矩形波電圧発生用の印加信号発生回路90になった点と、電流検出回路64に代わって同相検出回路91が検出信号生成回路の主要部になった点である。他は基本的に同じである。
【0100】
印加信号発生回路90は(図7(b)参照)、印加信号発生回路61と同様に周波数がジャイロロータ10の運動に影響しないほど高いという要件を満たせば変位検出用印加信号V0として正弦波の信号を発生するものでも良いが、ここでは、デジタル化に適した矩形波の信号を発生するために、クロックCLKaをアンプで増幅して変位検出用印加電圧信号V0を生成している。この場合も、変位検出用印加電圧信号V0が変位検出用電極38,48に印加されるので、変位検出用印加信号V0の振幅は電源電圧の許す範囲で任意に設定することが許される。
【0101】
同相検出回路91は、制御出力回路54毎に設けられ(図7(a)参照)、それぞれ(図7(c)参照)、一つの中点電圧検出回路92と二つの電流制限回路93とからなり、制御出力回路54の出力側に付設されている。
静電支持用電極31に制御電圧V1を印加する制御出力回路54を具体例にして説明すると(図7(c)参照)、既述したように、静電支持用電極31は隣り合う静電支持用電極31aと静電支持用電極31bとからなり、制御電圧V1は互いに逆相の関係にある負電圧V1aと正電圧V1bとの対に分けられて、正電圧V1bは静電支持用電極31bに印加され、負電圧V1aは隣接の静電支持用電極31aに印加されるようになっている。
【0102】
そして、このことを前提として、同相検出回路91は、付設先の制御出力回路54の逆相出力V1a,V1bから同相成分を抽出することにより変位検出用印加電圧信号V0に係る信号成分m1を検出し、これを変位検出用検出信号m1として変位検出用検出電流i1に代えて制御演算回路63に送出するようになっており、そのために、中点電圧検出回路92は、負電圧V1aのラインと正電圧V1bのラインとの双方に架橋の如く接続され、電流制限回路93は、中点電圧検出回路92と制御出力回路54との間で、一つが負電圧V1aのラインに介挿接続され、もう一つが正電圧V1bのラインに介挿接続されている。
【0103】
具体的な回路構成例を挙げると(図8(a)参照)、中点電圧検出回路92は、容量の等しい2個のコンデンサC(容量素子)を直列接続した回路からなり、その直列回路の一端が正電圧V1bのラインに接続され他端が負電圧V1aのラインに接続されコンデンサC同士の接続点から検出信号m1が取り出されてこの信号ラインが制御演算回路63まで延びている。また、電流制限回路93は何れも抵抗Rからなり、負電圧V1a及び正電圧V1bのラインそれぞれに対して制御出力回路54の出力端とコンデンサCの接続点との間で介挿接続されている。繰り返しとなる詳細な説明は割愛するが、静電支持用電極31と対向対をなす静電支持用電極41についても同様に中点電圧検出回路92と電流制限回路93とが付設されて変位検出用検出信号m12が生成されやはり制御演算回路63に送出されるようになっている。詳細図は割愛したが、他の制御電極32〜36,42〜46についても同様である。
【0104】
さらに構成に関して起動シーケンスの改良点を述べると、図9にフローチャートを示した起動シーケンスが図5のものと相違するのは、浮上失敗時に姿勢制御を停止してからリトライ(再試行)のため所定時間の経過を待っていたタイミングで(ステップS17)単に待つのでなく浮上強化処理(浮上強化手段)を実行ようになったことである(ステップS30)。
すなわち(ステップS31〜S32)、ジャイロロータの浮上確認の不成立時には、姿勢制御用制御電圧を可能なら倍加して浮上用制御電圧を生成し、これを断続させながら静電支持用電極に印加するようになっている。
【0105】
既述部分も含めて詳述すると、この起動シーケンスでは(図9参照)、作業メモリのクリアなど所定の初期化処理を行ってから(ステップS11)、先ず浮上シーケンスを行うために、姿勢制御を開始する(ステップS21)。これにより、姿勢制御とそれに必要な変位検出は行われるが、回転駆動は行われない。そして、ジャイロロータ10の浮上を確認して肯定的な結果が所定時間内に得られると(ステップS22,S15)すなわちジャイロロータ10の相対位置が所定範囲に収まると、回転シーケンスに移行する。そして、回転駆動も開始して(ステップS23)、加速に要する所定時間の経過を待ち(ステップS24)、それからジャイロロータ10の回転速度が所定速度に達したのを確認して(ステップS25)、応用演算が開始される(ステップS14)。これが正常起動である。
【0106】
これに対し、ジャイロロータ10が浮上しないときには次のようにしてリトライが行われる。すなわち、所定時間たとえば5秒ほど待っても浮上の確認が得られないときには(ステップS15)、浮上失敗と判断して浮上制御を中断し(ステップS16)、浮上強化処理を行う(ステップS30)。この浮上強化処理では、変位検出や姿勢制御を完全に止めるのでなく、通常の姿勢制御を変形して特別な浮上制御を行う。具体的には、先ず、演算モードを通常モードから浮上強化モードに切り替える。
【0107】
浮上強化モードでは、通常の姿勢制御の演算にて算出された姿勢制御電圧V1〜V12を2倍して、そのうち出力可能な最大値を超えるものについては最大値に直して、これらを浮上用制御電圧とするようになる(ステップS31)。それから、それらの浮上用制御電圧を通常の姿勢制御電圧V1〜V12に代えてそれぞれ該当する静電支持用電極31〜36,41〜46に印加するのであるが、その際、所定周期で断続しながら印加する(ステップS32)。そして、この断続印加を所定時間たとえば5秒間ほど継続してから浮上強化処理を終え(ステップS33)、その後、通常の姿勢制御を再開するようになっている(ステップS21)。
【0108】
また、回転シーケンスから浮上シーケンスに戻ってリトライが行われることもある。すなわち、回転シーケンスにおいて、回転速度が足りないときには再び加速時間の経過を待つようになっている(ステップS25→S26→S24)。その際、念のため浮上確認も行って(ステップS26)、浮上状態が損なわれているときには浮上シーケンスのリトライに戻るようにもなっている(ステップS26→S16)。
【0109】
この第1実施例の静電浮上型ジャイロ装置について、その使用態様及び動作を、図面を引用して説明する。図8(b)〜(e)は何れも信号波形例である。また、図10は、(a)がジャイロ機構部の横断平面図、(b)〜(f)は何れも信号波形例、(g)及び(h)は共にジャイロ機構部の横断平面の要部拡大図である。
先に図8を参照しながら正常起動後の定常状態での動作等を説明し、その後で図10を参照しながら起動時の動作等を説明する。
【0110】
先ず定常状態での動作等を説明するが(図8(b)〜(e)参照)、ここでも、環状ロータ型の6対の静電支持用電極のうち、電極31について詳述する。
そうすると(図8(b)参照)、静電支持用電極31に印加されるオフセット電圧Vofや、姿勢制御のために算出され変化するX軸制御電圧成分Vxは既述の先行特許出願1,2記載例と同じなので、正電圧V1bのうち制御出力回路54の出力する主成分は+Vof+Vxにされ、負電圧V1aの主成分は−Vof−Vxにされる。、正電圧V12bの主成分は+Vof−Vxにされ、負電圧V12aの主成分は−Vof+Vxにされる。
この逆相の制御電圧V1すなわち負電圧V1a及び正電圧V1bは、やはり、制御出力回路54から静電支持用電極31に送出され、それへ直に変位検出用印加信号V0が重畳されることもなく、変位検出用印加信号V0は静電支持用電極31から制御出力回路54へ逆向きに伝達されて来る。
【0111】
すなわち(図8(c)参照)、印加信号発生回路90によって、電圧波形がデューテイ比50%の矩形波となる変位検出用印加信号V0が発生され、これが変位検出用電極38とジャイロロータ10と静電支持用電極31を順に経て制御電圧V1に重畳する。変位検出用印加電圧信号V0の振幅は、印加信号発生回路90に昇圧回路等を付設すれば、印加信号発生回路61のときと同様、制御出力回路54の電源電圧Vccを超えることも可能であり、従来の変位検出用印加信号f1等に比べて可成り大きい。これに対し(図8(b)参照)、制御電圧V1に重畳する電圧成分は極めて小さいので、正電圧V1bの波形は主成分+Vof+Vxの波形から大きく離れることなくそれに沿い、負電圧V1aは主成分−Vof−Vxに沿い、いずれも主成分とほぼ同様の波形を描く。
【0112】
この変位検出用印加電圧信号V0は、隣り合う静電支持用電極31a,3bに対して同相で伝達されて来るので、その静電支持用電極31を経て制御出力回路54の出力ラインに伝達される際にも、逆相の制御電圧V1a,V1bに同相で重畳する(図8(b)の実線グラフ参照)。この電圧成分をm1とすると、正電圧V1bは+Vof+Vx+m1となり、負電圧V1aは−Vof−Vx+m1となる。そして、中点電圧検出回路92によって、両者の丁度中間の電圧が検出される。この検出信号m1には(図8(d)参照)、制御電圧V1の逆相成分が相殺しあって残らないので、変位検出用印加電圧信号V0に係る同相成分だけが含まれている。その波形は、エッジ等での乱れを無視すれば、クロックCLKaに対応した周波数の矩形波となり、その振幅には、静電支持用電極31とジャイロロータ10との静電容量ひいては両者の相対変位ΔXが的確に反映されている。
【0113】
そして(図8(e),(a)参照)、クロックCLKaに同期しているが位相のずれているクロックCLKbのタイミングで、X方向変位ΔXを反映した検出信号m1や,静電支持用電極41側から同様にして得られる検出信号m12が適宜増幅等されてからA/D変換回路65によって量子化され、さらに他の静電支持用電極32〜36,静電支持用電極42〜46についても同様にして変位検出用検出信号が同相検出回路91によって得られA/D変換回路65によって量子化され、それらを取り込んだDSP66によって姿勢制御のための公知の演算が行われる。また、慣性空間に対する角速度や加速度なども算出される。こうして、この場合も、姿勢制御や加速度検出等が適切に遂行される。さらに、変位検出用検出信号r1〜r6についても、図示に際して符号は変えなかったが、やはり電流信号でなく電圧信号で得られ、それが二値化されてDSP67に取り込まれ、それらを取り込んだD67SPによって回転駆動のための公知の演算が行われる。
【0114】
なお、コンデンサCの容量や抵抗Rの抵抗値は、静電支持用電極31とジャイロロータ10との静電容量や、制御出力回路54の出力電圧などを考慮して、制御電圧V1の主成分Vof+Vxに含まれる周波数成分の電流は電流制限回路93を良く通過するが(すなわち長い周期で見れば抵抗を無視できるが)、変位検出用印加電圧信号V0の周波数成分の電流は電流制限回路93をほとんど通過しないように(すなわち短い周期で見れば抵抗を無視できないように)選定されている。一例を挙げると、制御電圧V1の逆相成分Vxの周波数がせいぜい数十kHzで、変位検出用印加電圧信号V0の周波数すなわち検出信号m1の基本周波数が1MHzで、静電支持用電極31の静電容量が0.1pF程度のとき、コンデンサCと抵抗Rはそれぞれ20pFと250kΩで良い。
【0115】
これにより、制御電圧V1は、同相検出回路91の有無に拘わらず、静電支持用電極31に対して適切に印加される。また、変位検出用印加電圧信号V0に係る信号成分は、一般に出力インピーダンスの小さい制御出力回路54に吸収されることなく、電流制限回路93によって中点電圧検出回路92へ集中的に伝送される。そのため、検出信号m1が小振幅ながらも確実に検出される。他の変位検出用検出信号についても同様である。
こうして、ロータ姿勢制御が適切に遂行される。同様にして、基本周波数がせいぜい数百Hz程度のロータ回転駆動も、適切に遂行される。
【0116】
以上の説明より明らかに、この実施例の静電浮上型ジャイロの信号検出回路にあっては、変位検出用印加電圧信号V0を必要に応じて拡大することが可能かつ容易であり、しかも、制御電圧V1,V12等も制御出力回路54の電源電圧Vcc近くまで拡大できるので、例えジャイロ機構部の小形化に伴って複数電極31〜48の容量が小さくなったとしても、十分な信号レベルを確保することができて、変位の検出を適切に果たすことはもちろん、姿勢制御性能の向上にも貢献する。さらに、上述したようなコンデンサCや抵抗Rは、数MHz以上の周波数に対応したものであっても、数十V以上の耐圧性能を兼備したものが、容易に入手できるので、この発明は、電源電圧Vccや制御電圧V1等が数V程度の小形ジャイロ装置はもちろん、それより大きくて電源電圧Vccや制御電圧V1等が十数Vを超えるような静電浮上型ジャイロ装置にも、適用することができる。
【0117】
次に、起動時の動作等を詳述する(図10参照)。ここでも明瞭な対比のため、Y軸正方向を上にしてジャイロ機構部を置いた状態でジャイロロータ10が下方の支承片101によって支承されているとする(図10(a)参照)。また、ジャイロロータ10にX軸正方向の静電引力を生じる姿勢制御用制御電圧を正電圧XP+と負電圧XP−とし(これらは上述したV1b,V1aに相当する)、X軸負方向の静電引力を生じる姿勢制御用制御電圧を正電圧XM+と負電圧XM−とし(これらは上述したV12b,V12aに相当する)、Y軸正方向の静電引力を生じる姿勢制御用制御電圧を正電圧YP+と負電圧YP−とし、Y軸負方向の静電引力を生じる姿勢制御用制御電圧を正電圧YM+と負電圧YM−とし、ジャイロロータ10のZ軸周りの回転駆動用制御電圧である三相パルス信号の何れか一つを正電圧RP+とする。
【0118】
この場合も、周波数の高い変位検出用印加信号V0,検出信号m1〜m12の成分や不変のオフセット成分はジャイロロータ10の動きに影響しないのでそれらの信号成分を無視すれば、正電圧XP+と負電圧XP−は反転波形となり、正電圧XM+と負電圧XM−も反転波形となり、正電圧YP+と負電圧YP−も反転波形となり、正電圧YM+と負電圧YM−も反転波形となる。
さらに、対比のため、やはり2回の起動失敗の後に正常起動する場合を具体例とする。すなわち(図10(b)参照)、時刻t1で起動を開始し、時刻t2で起動を中断し、時刻t3で起動を再開し、時刻t4で再び中断し、時刻t5で起動再開し、時刻t6で起動に成功し定常状態に入るものとする。
【0119】
そうすると、起動開始直後は(時刻t1〜t2)、浮上シーケンスで通常の姿勢制御が実行されるので、ジャイロロータ10の沈下状態を解消するように、浮上力を生む正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力になり(図10(b)参照)、それに反する正電圧YM+と負電圧YM−は最小出力になり(図10(c)参照)、浮上方向や沈下方向と直交方向に働く正電圧XP+と負電圧XP−と正電圧XM+と負電圧XM−は中間出力になる(図10(d),(e)参照)。図示や詳細な説明は割愛するがZ方向やφ,θ方向の制御電圧も適宜な中間の出力になる。浮上シーケンスでは、回転駆動力を生む正電圧RP+は出力されない(図10(f)参照)。
【0120】
その状態を継続しても、ジャイロロータ10が浮上しないまま所定時間が経過したときには、通常の姿勢制御は中断され、浮上強化処理による特別な浮上制御に移行する。この浮上制御の実行中は(時刻t2〜t3)、各姿勢制御電圧の倍増と断続印加が行われる(図10(b)〜(f)参照)。具体的には、正電圧YP+と負電圧YP−は倍増しても最大出力のまま断続印加され(図10(b)参照)、正電圧YM+と負電圧YM−は倍増してもほぼ最小出力のまま断続印加され(図10(c)参照)、正電圧XP+と負電圧XP−と正電圧XM+と負電圧XM−は倍増にてほぼ最大出力になって断続印加される(図10(d),(e)参照)。Z方向やφ,θ方向の制御電圧も倍増にてほぼ最大出力になって断続印加される。ここでも正電圧RP+は出力されない(図10(f)参照)。
【0121】
そして、所定時間経過して通常の姿勢制御が再開されると(時刻t3〜t4)、再び浮上のため、正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力、正電圧YM+と負電圧YM−は最小出力、他の姿勢制御用の正電圧XP+等は中間出力になる。ここでも正電圧RP+は出力されない。
それでも浮上しないと再び通常の姿勢制御が中断されて(時刻t3〜t4)浮上強化処理が実行される。そして、正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力、正電圧YM+と負電圧YM−はほぼ最小出力、他の姿勢制御用の正電圧XP+等はほぼ最大出力で断続印加される。回転駆動用の正電圧RP+は出力されない。
【0122】
さらに所定時間経過して通常の姿勢制御が再開され(時刻t5)、またも浮上のため、正電圧YP+と負電圧YP−が最大出力、正電圧YM+と負電圧YM−が最小出力、他の正電圧XP+等が中間出力になる。正電圧RP+は出力されない。
そして、ジャイロロータ10が浮上すると(時刻t6)、速やかに、浮上力を生む正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力から中間出力になり(図10(b)参照)、それと引き合う正電圧YM+と負電圧YM−も最小出力から中間出力になる(図10(c)参照)。
【0123】
こうして、ジャイロロータ10のジャイロケース20に対する相対変位が許容される所定範囲に収まり、そのこと即ち浮上したことが変位検出等によって検知確認されると、起動シーケンスが浮上シーケンスから回転シーケンスに移行して、回転駆動力を生む正電圧RP+はパルス出力状態になる(図10(f)参照)。真空中で浮上しているジャイロロータ10は大抵順調に回転を始め更に加速されて所定の回転速度に達する。それ以後は(時刻t6〜)、上述した定常状態での姿勢制御および回転駆動が行われるとともに、加速度演算等の応用演算も行われる。
【0124】
このように、この実施例の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、静電支持用電極と回転駆動用電極との個別制御が可能なことを利用して、起動時に姿勢制御を行ってジャイロロータの浮上を確認してから回転駆動を行うようになったことにより、起動時にジャイロロータ10と支承片101とが擦れるのを回避することができる。そのため、両者の接触部分から擦過片等のゴミが発生するといった不所望な事態を確実に防止することができる。
【0125】
さらに、通常の姿勢制御だけではジャイロロータ10が浮上しないときには、通常の姿勢制御を変形した特別な姿勢制御を行うようにしたことにより、回転駆動は行わなくても、ジャイロロータ10に微振動を惹起することができる。
すなわち(図10(g),(h)参照)、最大値の正電圧YP+が印加されているときには(図10(g)参照)それによってジャイロロータ10に浮上方向の力が働いて(実線矢印参照)浮上方向へ僅かに動くが、浮上を阻止する逆向きの力を上回らない限り(矢付き長破線を参照)浮上は阻止される。
【0126】
そして、正電圧YP+の印加が止むと(図10(h)参照)残った浮上阻止力によってジャイロロータ10が沈み込み(矢付き長破線を参照)それで圧縮された支承片101の弾撥力によって浮上方向の反力が生じる(矢付き短破線を参照)。この弾撥力が次の正電圧YP+印加時の浮上力に加勢する。
こうして、ジャイロロータ10に浮上方向・沈下方向の微振動が生じ、単発での浮上力よりも強い浮上力が作用する。しかも、回転駆動は行わないので、回転駆動を伴ったときのような擦れは、発生しない。
【0127】
なお、振動による浮上強化の効果が最も高くなるのは、ジャイロロータ10の質量と支承片101のバネ特性とに基づく固有振動数に断続周期を合致させたときであるが、そうでなくても微振動させればそれなりに浮上力が強化されるので、浮上用制御電圧を断続する周波数は、適宜な周波数たとえば500Hzに設定される。
また、断続のディーティ比も適宜設定して良いが、この例では、姿勢制御電圧を2倍して浮上制御電圧を生成していることに対応して、その逆数の1/2になっている。すなわちディーティ比が50%に設定されている。これにより、平均電圧が通常時と同じになるので、浮上強化処理実行中にジャイロロータ10が浮上したとしてもジャイロロータ10が暴走することはない。
【0128】
【第2実施例】
本発明の静電浮上型ジャイロ装置の第2実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図11は、(a)が浮上強化処理の概要フローチャート、(b)〜(f)は何れも信号波形例である。
この静電浮上型ジャイロ装置が上述した第1実施例のものと相違するのは、浮上強化処理(S30)の内容が次のように改変されたことである。すなわち、浮上用制御電圧とは逆向きにジャイロロータを駆動する沈下用制御電圧を生成してこれも断続させて静電支持用電極に印加するようになっている。
【0129】
具体的には、先ず浮上方向と沈下方向を変位検出に基づいて検知確認し(ステップS41)、演算モードを通常モードから浮上強化モードに切り替える。この浮上強化モードでは、通常の姿勢制御の演算にて算出された姿勢制御電圧V1〜V12のうち浮上方向のものだけ用いる。この例の沈下状態ではY軸正方向YP+,YP−を採用し、それを2倍して、それが出力可能な最大値を超えるときは最大値に直して、これを浮上用制御電圧および沈下用制御電圧とするようになっている(ステップS42)。
【0130】
それから、その浮上用制御電圧を正電圧YP+,負電圧YP−として該当する静電支持用電極に印加し、沈下用制御電圧を正電圧YM+,負電圧YM−として該当する静電支持用電極に印加する(ステップS43)。しかも、その際、何れも所定周期で断続しながら印加するのであるが、互いに逆相で印加する。すなわち、沈下用制御電圧の断続が浮上用制御電圧の断続から半周期ずれて、沈下用制御電圧の印加が浮上用制御電圧の非印加時に行われる。このような逆相での断続印加が所定時間だけ継続されるようになっている(ステップS44)。
【0131】
この場合も、起動シーケンスに上記の第1実施例のときと同様の条件や仮定を付すと、起動開始直後は(時刻t1〜t2)、浮上シーケンスで通常の姿勢制御が実行されるので、ジャイロロータ10の沈下状態を解消するように、浮上力を生む正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力になり(図11(b)参照)、それに反する正電圧YM+と負電圧YM−は最小出力になり(図11(c)参照)、浮上方向や沈下方向と直交方向に働く正電圧XP+と負電圧XP−と正電圧XM+と負電圧XM−は中間出力になる(図11(d),(e)参照)。Z方向やφ,θ方向の制御電圧も適宜な中間の出力になる。回転駆動力を生む正電圧RP+は出力されない(図11(f)参照)。
【0132】
その状態を継続しても、ジャイロロータ10が浮上しないまま所定時間が経過したときには、通常の姿勢制御は中断され、浮上強化処理による特別な浮上制御に移行する。この浮上制御の実行中は(時刻t2〜t3)、浮上用制御電圧と沈下用制御電圧とが逆相で断続印加される(図11(b)〜(f)参照)。具体的には、正電圧YP+と負電圧YP−は倍増しても最大出力のまま断続印加され(図11(b)参照)、正電圧YM+と負電圧YM−も最大出力であるがこちらは位相を半周期ずらして断続印加される(図11(c)参照)。正電圧XP+と負電圧XP−と正電圧XM+と負電圧XM−は印加されない(図11(d),(e)参照)。Z方向やφ,θ方向の制御電圧も印加されない。正電圧RP+も印加されない(図11(f)参照)。
【0133】
そして、所定時間経過して通常の姿勢制御が再開されると(時刻t3〜t4)、再び浮上のため、正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力、正電圧YM+と負電圧YM−は最小出力、他の姿勢制御用の正電圧XP+等は中間出力になる。ここでも正電圧RP+は出力されない。
それでも浮上しないと再び通常の姿勢制御が中断されて(時刻t3〜t4)浮上強化処理が実行される。そして、正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力で断続印加され、正電圧YM+と負電圧YM−は最大出力だが逆相で断続印加され、他の姿勢制御用の正電圧XP+等や回転駆動用の正電圧RP+は印加されない。
【0134】
さらに所定時間経過して通常の姿勢制御が再開され(時刻t5)、浮上のため、正電圧YP+と負電圧YP−が最大出力、正電圧YM+と負電圧YM−が最小出力、他の正電圧XP+等が中間出力になる。正電圧RP+は出力されない。
そして、ジャイロロータ10が浮上すると(時刻t6)、速やかに、浮上力を生む正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力から中間出力になり(図11(b)参照)、それと引き合う正電圧YM+と負電圧YM−も最小出力から中間出力になる(図11(c)参照)。それから、ジャイロロータ10のジャイロケース20に対する相対変位が許容される所定範囲に収まり、そのこと即ち浮上したことが変位検出等によって検知確認されると、起動シーケンスが浮上シーケンスから回転シーケンスに移行して、回転駆動力を生む正電圧RP+はパルス出力状態になる(図11(f)参照)。
【0135】
このように、この実施例の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、上述した第1実施例と同様に回転駆動なしでジャイロロータ10に浮上方向・沈下方向の微振動を生じさせることができるうえ、ジャイロロータ10に浮上方向の静電引力が作用していないときには、沈下方向の静電引力を作用させることにより、浮上阻止力によるジャイロロータ10の沈み込みを増加させ、ひいては支承片101の弾撥力を増強させるので、浮上能力を更に強化することができる。ジャイロロータ10の沈み込みの増加には残留静電気の追加放電も期待できる。
【0136】
【第3実施例】
本発明の静電浮上型ジャイロ装置の第3実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図12は、(a)が浮上強化処理の概要フローチャート、(b)〜(f)は何れも信号波形例である。また、図13は、ジャイロ機構部の横断平面図である。
この静電浮上型ジャイロ装置が上述した第2実施例のものと相違するのは、浮上強化処理(S30)の内容が次のように改変されたことである。すなわち、浮上用制御電圧とは逆向きにジャイロロータを駆動する沈下用制御電圧を生成してこれらを逆相で断続させながら静電支持用電極に印加する点は引き継いでいるが、さらに、浮上用制御電圧や沈下用制御電圧とほぼ直交する向きにジャイロロータを駆動する揺動用制御電圧を生成してこれも静電支持用電極に印加するようになっている。
【0137】
具体的には、先ず浮上方向と沈下方向を変位検出に基づいて検知確認し(ステップS51)、演算モードを通常モードから浮上強化モードに切り替える。この浮上強化モードでは、通常の姿勢制御の演算にて算出された姿勢制御電圧V1〜V12のうち浮上方向のものとそれに直交するものを用いる。この例の沈下状態では浮上方向のものにY軸正方向YP+,YP−を採用し、それを2倍して、それが出力可能な最大値を超えるときは最大値に直して、これを浮上用制御電圧および沈下用制御電圧とする。さらに、浮上方向と直交するものにX軸正方向XP+,XP−を採用し、それを2倍して、それが出力可能な最大値を超えるときは最大値に直して、これを揺動用制御電圧とするようになっている(ステップS52)。
【0138】
それから、その浮上用制御電圧を正電圧YP+,負電圧YP−として該当する静電支持用電極に印加し、沈下用制御電圧を正電圧YM+,負電圧YM−として該当する静電支持用電極に印加し、揺動用制御電圧を正電圧XP+,負電圧XP−として該当する静電支持用電極に印加する(ステップS53)。しかも、その際、何れも所定周期で断続しながら印加するのであるが、浮上用制御電圧と沈下用制御電圧は互いに逆相で印加する。すなわち、沈下用制御電圧の断続が浮上用制御電圧の断続から半周期ずれて、沈下用制御電圧の印加が浮上用制御電圧の非印加時に行われる。このような逆相での断続印加と揺動方向への断続印加が所定時間だけ継続されるようになっている(ステップS54)。
【0139】
この場合も、上記の第2実施例と同様に起動シーケンスに付される条件や仮定を引き継ぐと、起動開始直後は(時刻t1〜t2)、浮上シーケンスで通常の姿勢制御が実行されるので、ジャイロロータ10の沈下状態を解消するように、浮上力を生む正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力になり(図12(b)参照)、それに反する正電圧YM+と負電圧YM−は最小出力になり(図12(c)参照)、浮上方向や沈下方向と直交方向に働く正電圧XP+と負電圧XP−と正電圧XM+と負電圧XM−は中間出力になる(図12(d),(e)参照)。Z方向やφ,θ方向の制御電圧も適宜な中間の出力になる。回転駆動力を生む正電圧RP+は出力されない(図12(f)参照)。
【0140】
その状態を継続しても、ジャイロロータ10が浮上しないまま所定時間が経過したときには、通常の姿勢制御は中断され、浮上強化処理による特別な浮上制御に移行する。この浮上制御の実行中は(時刻t2〜t3)、浮上用制御電圧と沈下用制御電圧とが逆相で断続印加されるのに加えて揺動用制御電圧も断続印加される(図12(b)〜(f)参照)。具体的には、正電圧YP+と負電圧YP−は倍増しても最大出力のまま断続印加され(図12(b)参照)、正電圧YM+と負電圧YM−も最大出力であるがこちらは位相を半周期ずらして断続印加される(図12(c)参照)。正電圧XP+と負電圧XP−は倍増してほぼ最大出力が断続印加される(図12(d)参照)。正電圧XM+と負電圧XM−は印加されない(図12(e)参照)。Z方向やφ,θ方向の制御電圧も印加されない。正電圧RP+も印加されない(図12(f)参照)。
【0141】
そして、所定時間経過して通常の姿勢制御が再開されると(時刻t3〜t4)、再び浮上のため、正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力、正電圧YM+と負電圧YM−は最小出力、他の姿勢制御用の正電圧XP+等は中間出力になる。ここでも正電圧RP+は出力されない。
それでも浮上しないと再び通常の姿勢制御が中断されて(時刻t3〜t4)浮上強化処理が実行される。そして、正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力で断続印加され、正電圧YM+と負電圧YM−は最大出力だが逆相で断続印加され、正電圧XP+と負電圧XP−は最大出力で断続印加され、他の姿勢制御用の正電圧XM+等や回転駆動用の正電圧RP+は印加されない。
【0142】
さらに所定時間経過して通常の姿勢制御が再開され(時刻t5)、浮上のため、正電圧YP+と負電圧YP−が最大出力、正電圧YM+と負電圧YM−が最小出力、他の正電圧XP+等が中間出力になる。正電圧RP+は出力されない。
そして、ジャイロロータ10が浮上すると(時刻t6)、速やかに、浮上力を生む正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力から中間出力になり(図12(b)参照)、それと引き合う正電圧YM+と負電圧YM−も最小出力から中間出力になる(図12(c)参照)。それから、ジャイロロータ10のジャイロケース20に対する相対変位が許容される所定範囲に収まり、そのこと即ち浮上したことが変位検出等によって検知確認されると、起動シーケンスが浮上シーケンスから回転シーケンスに移行して、回転駆動力を生む正電圧RP+はパルス出力状態になる(図12(f)参照)。
【0143】
このように、この実施例の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、上述した第1,第2実施例と同様、回転駆動なしでジャイロロータ10に浮上方向・沈下方向の微振動を生じさせることができる。また、上述した第2実施例と同様、ジャイロロータ10に浮上方向の静電引力が作用していないときには、沈下方向の静電引力を作用させることにより、浮上阻止力によるジャイロロータ10の沈み込みを増加させ、ひいては支承片101の弾撥力を増強させることができる。さらに(図13参照)、揺動用制御電圧の印加によって、X軸正方向XP+,XP−にも静電引力が作用し、これによってジャイロロータ10が一方の支承片101aを支点にして揺動・転動しようとするので、他方の支承片101bには引き剥がそうとする力が作用する。この力は、擦れを生じることなく、Y軸正方向YP+,YP−に加勢する。これにより、浮上能力がより一層強化される。
【0144】
【第4実施例】
本発明の静電浮上型ジャイロ装置の第4実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図14は、時刻t2〜時刻t3における信号YP+の波形例である。
この静電浮上型ジャイロ装置が上述した第1,第2,第3実施例のものと相違するのは、断続周期いいかえれば断続周波数が変化するようになったことである。
【0145】
この場合、断続周波数は例えば300Hzから始まって徐々に高くなり700Hzに達する。
ジャイロロータ10の質量と支承片101のバネ特性とに基づく固有振動数に関しては、ジャイロロータ10と接触している支承片101の個数の多寡やそれらの個体差等に起因して生じる変動であれば、その程度の周波数帯域で概ねカバーされることから、ジャイロロータに惹起される振動周期が浮上強化処理中に一度は最適な状態になるので、浮上能力が大きく強化される。
【0146】
なお、ジャイロロータ10単体での変形による振動も期待する場合には、もっと高い周波数まで断続周波数を変化させると良い。そのような振動を引き起こすジャイロロータの変形モードとして、例えば、Y軸方向の圧縮変形およびX軸方向の伸張変形と、Y軸方向の伸張変形およびX軸方向の圧縮変形とを、交互に繰り返すものが挙げられる。
【0147】
【第5実施例】
本発明の静電浮上型ジャイロ装置の第5実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図15は、(a)が浮上強化処理の概要フローチャート、(b)〜(f)は何れも信号波形例である。
この静電浮上型ジャイロ装置が上述した第3,第4実施例のものと相違するのは、浮上強化処理(S30)の内容が次のように改変されたことである。すなわち、ジャイロロータの浮上確認の不成立時に、ジャイロロータの転動を惹起する揺動用制御電圧は静電支持用電極に印加するが、浮上用制御電圧や沈下用制御電圧の印加は行わないようになっている。なお、揺動用制御電圧の印加に際して、断続することや、断続周波数を変化させることは、引き継いでいる。
【0148】
具体的には、先ず転動方向を変位検出に基づいて検知確認し(ステップS61)、演算モードを通常モードから浮上強化モードに切り替える。この浮上強化モードでは、通常の姿勢制御の演算にて算出された姿勢制御電圧V1〜V12のうち浮上方向と直交するものを用いる。この例の沈下状態では浮上方向と直交するものにX軸正方向XP+,XP−を採用し、それを2倍して、それが出力可能な最大値を超えるときは最大値に直して、これを揺動用制御電圧とするようになっている(ステップS62)。
【0149】
それから、その揺動用制御電圧を正電圧XP+,負電圧XP−として該当する静電支持用電極に印加する(ステップS63)。しかも、その際、断続周波数を例えば300Hzから700Hzへ漸増させながら断続印加する。X軸負方向や,Y軸の正負両方向,Z方向等には制御電圧が印加されない。このような転動方向・揺動方向への断続印加が所定時間だけ継続されるようになっている(ステップS64)。
【0150】
この場合も、上記の第3実施例と同様に起動シーケンスに付される条件や仮定を引き継ぐと、起動開始直後は(時刻t1〜t2)、浮上シーケンスで通常の姿勢制御が実行されるので、ジャイロロータ10の沈下状態を解消するように、浮上力を生む正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力になり(図15(b)参照)、それに反する正電圧YM+と負電圧YM−は最小出力になり(図15(c)参照)、浮上方向や沈下方向と直交方向に働く正電圧XP+と負電圧XP−と正電圧XM+と負電圧XM−は中間出力になる(図15(d),(e)参照)。Z方向やφ,θ方向の制御電圧も適宜な中間の出力になる。回転駆動力を生む正電圧RP+は出力されない(図15(f)参照)。
【0151】
その状態を継続しても、ジャイロロータ10が浮上しないまま所定時間が経過したときには、通常の姿勢制御は中断され、浮上強化処理による特別な浮上制御に移行する。この浮上制御の実行中は(時刻t2〜t3)、浮上用制御電圧や沈下用制御電圧の印加は停止され揺動用制御電圧だけが断続印加される(図15(b)〜(f)参照)。具体的には、正電圧YP+と負電圧YP−は印加されず(図15(b)参照)、正電圧YM+と負電圧YM−も印加されない(図15(c)参照)。正電圧XP+と負電圧XP−は倍増してほぼ最大出力が断続印加されるが(図15(d)参照)、正電圧XM+と負電圧XM−は印加されない(図15(e)参照)。Z方向やφ,θ方向の制御電圧も印加されない。正電圧RP+も印加されない(図15(f)参照)。
【0152】
そして、所定時間経過して通常の姿勢制御が再開されると(時刻t3〜t4)、再び浮上のため、正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力、正電圧YM+と負電圧YM−は最小出力、他の姿勢制御用の正電圧XP+等は中間出力になる。ここでも正電圧RP+は出力されない。
それでも浮上しないと再び通常の姿勢制御が中断されて(時刻t3〜t4)浮上強化処理が実行される。そして、正電圧XP+と負電圧XP−は最大出力で断続印加されるが、他の姿勢制御用の正電圧XM+等や回転駆動用の正電圧RP+は印加されない。
【0153】
さらに所定時間経過して通常の姿勢制御が再開され(時刻t5)、浮上のため、正電圧YP+と負電圧YP−が最大出力、正電圧YM+と負電圧YM−が最小出力、他の正電圧XP+等が中間出力になる。正電圧RP+は出力されない。
そして、ジャイロロータ10が浮上すると(時刻t6)、速やかに、浮上力を生む正電圧YP+と負電圧YP−は最大出力から中間出力になり(図15(b)参照)、それと引き合う正電圧YM+と負電圧YM−も最小出力から中間出力になる(図15(c)参照)。それから、ジャイロロータ10のジャイロケース20に対する相対変位が許容される所定範囲に収まり、そのこと即ち浮上したことが変位検出等によって検知確認されると、起動シーケンスが浮上シーケンスから回転シーケンスに移行して、回転駆動力を生む正電圧RP+はパルス出力状態になる(図15(f)参照)。
【0154】
このように、この実施例の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、揺動用制御電圧の印加によって、X軸正方向XP+,XP−に静電引力が作用し、これによってジャイロロータ10が転動しようとするので、擦れを生じることなく、接触部位の一方を支点にして他方を引き剥がす力が働く。これにより、浮上能力が強化される。また、断続印加によって微振動も生じるので、これによって浮上能力が更に強化される。
【0155】
【その他】
なお、上記の各実施例では、板状のキャップ71と箱状のボックス72とからなる装置パッケージや、帽子状のキャップ71と円板状の底板72とからなる装置パッケージが用いられていたが、装置パッケージはこれに限られない。装置パッケージは、気密封止可能な容器であれば良い。真空吸引口76も正面に限らずパッケージの何処に有っても良い。真空雰囲気中で組み立てるときのように真空引きが要らないときは、真空吸引口76を形成する必要が無い。
【0156】
上記の第1実施例では、弾性支持部材98がベース73とピン74とに介在して設けられていたが、ベース73の弾性支持は、それに限られるものでなく、例えば弾性支持部材をベース73とパッケージ71,72とに介在させても良い。弾性支持部材も、板バネに限らず、コイルバネや、シリコンゴム等の弾性部材からなるものであっても、それらを組み合わせたものであっても良い。
【0157】
また、既述した信号検出回路に関しても種々の変形が可能である。例えば、A/D変換回路65の上流に逐次選択切換回路を設けて、A/D変換回路65の個数を減らすようにしても良い。なお、電流検出回路64とDSP66との間に存在するA/D変換回路65等は、既述したように制御演算回路63の一部であるとしても良いが、制御演算回路に属するのでなく信号検出回路の一部をなしているとしても、両者に属しているインターフェイス部としても、不都合は無い。また、制御演算回路63のDSP66とロータ制御回路62のDSP67は、既述したように別個に設けても良いが、両方のプログラムをインストールしたDSPに纏めても良い。
【0158】
また、浮上強化処理について、上記の各実施例では、該当期間中(t2〜t3,t4〜t5)断続印加を継続するようになっていたが、印加停止を併用しても良い。例えば、制御電圧の断続印加と印加停止とを1秒ずつ交互に行うようにしても良い。その時間や起動シーケンスにおける幾つかの時間も例示であり、適宜な時間に変更しても良い。
【0159】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の第1の解決手段の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、浮上失敗時に回転駆動がなく姿勢制御が断続されるようにしたことにより、ロータを擦らずとも高率で浮上させる静電浮上型ジャイロ装置を実現することができたという有利な効果が有る。
【0160】
また、本発明の第2の解決手段の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、姿勢制御に加えて逆向きの駆動まで断続されるようにもしたことにより、ロータを擦らずとも更に高率で浮上させる静電浮上型ジャイロ装置を実現することができたという有利な効果を奏する。
【0161】
さらに、本発明の第3の解決手段の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、回転駆動用電極でなく静電支持用電極へ制御電圧を印加して揺動・転動が惹起されるようにしたことにより、姿勢制御と異質の浮上力も利用できて、その結果、ロータを擦らずとも高率で浮上させる静電浮上型ジャイロ装置を実現することができたという有利な効果が有る。
【0162】
また、本発明の第4の解決手段の静電浮上型ジャイロ装置にあっては、最適な振動周期が確定できなくても最適な振動周期を含む可能性が高まるようにしたことにより、ロータを擦らずとも更に高率で浮上させる静電浮上型ジャイロ装置を実現することができたという有利な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】未公開先行技術の静電浮上型ジャイロ装置について、(a)が装置の正面図、(b)が蓋を外したところの平面図、(c)が縦断面斜視図、(d)が装置実装状況を示す斜視図である。
【図2】(a)が、信号検出回路を含む全体回路図、(b)が変位検出用印加信号の発生回路、(c)が電流検出回路である。
【図3】(a)が拘束制御系の信号入力回路、(b)がロータ駆動系の信号入力回路である。
【図4】(a)が制御電圧印加部分の詳細図、(b)〜(f)は何れも信号波形例である。
【図5】課題提示に役立つ試作例について、(a)が起動シーケンスの概要フローチャート、(b)〜(f)は何れも信号波形例である。
【図6】本発明の静電浮上型ジャイロ装置の第1実施例について、(a)が蓋を外したところの平面図、(b)が縦断正面図である。
【図7】(a)が、信号検出回路を含む全体回路図、(b)が変位検出用印加信号の発生回路、(c)が検出信号生成回路である。
【図8】(a)が制御電圧印加部分と検出信号生成回路の詳細図、(b)〜(e)は何れも信号波形例である。
【図9】(a)が起動シーケンスの概要フローチャート、(b)が浮上強化処理の概要フローチャートである。
【図10】(a)がジャイロ機構部の横断平面図、(b)〜(f)は何れも信号波形例、(g)及び(h)は共にジャイロ機構部の横断平面の要部拡大図である。
【図11】本発明の静電浮上型ジャイロ装置の第2実施例について、(a)が浮上強化処理の概要フローチャート、(b)〜(f)は何れも信号波形例である。
【図12】本発明の静電浮上型ジャイロ装置の第3実施例について、(a)が浮上強化処理の概要フローチャート、(b)〜(f)は何れも信号波形例である。
【図13】ジャイロ機構部の横断平面図である。
【図14】本発明の静電浮上型ジャイロ装置の第4実施例について、信号波形例である。
【図15】本発明の静電浮上型ジャイロ装置の第5実施例について、(a)が浮上強化処理の概要フローチャート、(b)〜(f)は何れも信号波形例である。
【図16】従来の静電浮上型ジャイロの機構部を示し、(a)〜(c)が円板形ロータ型の例、(d)及び(e)が環状ロータ型の例であり、(a)及び(d)が縦断正面図、(b)と(c)と(e)が内蔵部品の展開斜視図である。
【図17】従来の信号検出回路について、(a)が、制御回路等に信号検出回路を加えた全体回路図、(b)が制御出力回路の詳細な接続図、(c)が一部の信号入力回路、(d)及び(e)が電圧分配例である。
【図18】従来の静電浮上型ジャイロについて、(a)が円板形ロータ型ジャイロの機構部の縦断正面図、(b)が円板形ロータ型ジャイロのジャイロケースの横断平面図、(c)が環状ロータ型ジャイロの機構部の縦断正面図、(d)が起動シーケンスの概要フローチャートである。
【図19】従来の静電浮上型ジャイロについて、(a)がジャイロ機構部の縦断正面図、(b)がその横断平面図、(c)〜(g)は何れも信号波形例である。
【符号の説明】
10 ジャイロロータ(ジャイロ機構部)
20 ジャイロケース(ジャイロ機構部)
21 上側底部材(ジャイロケース、ジャイロ機構部)
22 下側底部材(ジャイロケース、ジャイロ機構部)
23 スペーサ(ジャイロケース、ジャイロ機構部)
31〜36 静電支持用電極(姿勢制御用電極、制御電極、拘束制御系)
37 ロータ駆動用電極(回転電極、ロータ駆動系)
38 変位検出用電極(検出電極、変位検出系)
41〜46 静電支持用電極(姿勢制御用電極、制御電極、拘束制御系)
47 ロータ駆動用電極(回転電極、ロータ駆動系)
48 変位検出用電極(検出電極、変位検出系)
51 電流検出回路(変位検出系)
52 ロータ制御回路(制御回路、ロータ駆動系)
53 制御演算回路(制御回路、拘束制御系)
54 制御出力回路(制御回路、拘束制御系)
55 A/D変換回路(制御演算回路、拘束制御系)
56 DSP(デジタルシグナルプロセッサ、制御演算回路、拘束制御系)
61 印加信号発生回路(印加信号供給回路、信号検出回路、変位検出系)
62 ロータ制御回路(制御回路、ロータ駆動系)
63 制御演算回路(制御回路、拘束制御系)
64 電流検出回路(検出信号生成回路、信号検出回路、変位検出系)
64a,64b カレントミラー(電流反転回路)
65 A/D変換回路(信号入力回路、信号検出回路+制御演算回路)
66 DSP(デジタルシグナルプロセッサ、制御演算回路、拘束制御系)
67 DSP(デジタルシグナルプロセッサ、制御演算回路、ロータ駆動系)
70 ジャイロ装置(静電浮上型ジャイロ装置)
71 キャップ(蓋体、真空収容器、気密封止パッケージ)
72 ボックス(箱体、缶体、真空収容器、気密封止パッケージ)
73 ベース(ガラス基板、絶縁性基板、機構部と回路部の搭載基板)
74 ピン(リード、外部接続端子)
75 ゲッター(真空維持部材)
76 真空吸引口(貫通穴+密栓)
77,78 IC(電流検出回路等、制御出力回路等)
80 プリント基板(回路印刷基板、ジャイロ装置の実装基板)
81 レギュレータIC(電源回路)
82 平滑コンデンサ(電源回路)
90 印加信号発生回路(印加信号供給回路、信号検出回路、変位検出系)
91 同相検出回路(検出信号生成回路、信号検出回路、変位検出系)
92 中点電圧検出回路(同相検出回路)
93 電流制限回路(低域濾波、同相検出回路)
94 回路形成基板(絶縁基板)
97 ジャイロ装置(静電浮上型ジャイロ装置)
98 弾性支持部材
99 ボンディングワイヤ
101 支承片101[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrostatic levitation gyro device including a gyro mechanism and an electronic circuit.
The gyro mechanism section includes a gyro rotor and a gyro case, and supports the gyro rotor in the gyro case in a floating manner by an electrostatic supporting force. The gyro rotor is placed in a vacuum for proper operation such as rotation operation.
The electronic circuit section is connected to the gyro mechanism section, detects relative displacement between the gyro rotor and the gyro case, and controls the attitude and rotation of the gyro rotor.
More specifically, the present invention relates to a start sequence (operation start procedure, start control means) performed when starting posture control and rotation drive.
[0002]
[Premise technology]
The electrostatic levitation gyro suitable for miniaturization is used not only for ships and aircraft, but also for moving objects such as automobiles. And an electronic circuit for controlling the electrostatic supporting force, detecting the relative displacement, and the like.
FIG. 16 shows two gyro mechanism units in such an electrostatic levitation gyro. FIGS. 1A to 1C are known examples of a disk-shaped rotor type (for example, see Patent Document 1), and FIGS. 2D and 2E are known examples of an annular rotor type (eg, FIG. Patent Document 2). In addition, in the figure, (a) and (d) are longitudinal sectional front views, and (b), (c), and (e) are exploded perspective views of built-in components.
[0003]
When the
[0004]
The electrodes (multiple electrodes) of the
[0005]
Among the plurality of electrodes, among the plurality of electrodes, the
Also in the displacement detection electrodes, the
In the drawings, the electrodes provided on the
[0006]
Further, the specific role of the
[0007]
[Prior art]
FIG. 17A illustrates an electronic circuit connected to the plurality of
This electronic circuit includes a control operation circuit 53 (control circuit) that forms a restraint control system together with the
[0008]
The
[0009]
The
Unlike the
[0010]
The signal detection circuit uses displacement detection application signals f1 to f12 having a frequency high enough not to affect the movement of the
[0011]
Specifically, the application signal supply circuit generates displacement detection application signals f1 to f12 by combining five sine wave signals w1 to w5 having different frequencies so as to be distinguishable, based on a known relational expression. The displacement detection application signals f1 to f12 are applied not to the
[0012]
In the annular rotor type, there are six opposing pairs of electrodes for electrostatic support. Among them, the electrode pairs 31 and 41 will be described in detail (see FIG. 17B), and the control voltage V1 is a positive voltage + V1 and a negative voltage -V1. Are generated as a pair, the positive voltage + V1 is applied to the
[0013]
On the other hand, the current detection circuit 51 (see FIG. 17A) is not connected to the
[0014]
Here, referring to the input circuit of the displacement detection detection signal Vp in the control arithmetic circuit 53 (see FIG. 17C), the displacement detection detection signal Vp and the sine are added to the dependent connection circuit between the synchronous detector and the band-pass filter. By inputting the wave signal w1 and extracting the component of the sine wave signal w1 from the displacement detection detection signal Vp, for example, the X-direction displacement ΔX is detected. The same applies to other displacements ΔY, ΔZ, Δφ, and Δθ.
The signal detection circuit detects the relative displacements ΔX, ΔY, ΔZ, Δφ, Δθ and the rotation state based on the capacitance change of the
[0015]
By the way, such applied calculations as acceleration calculation are properly performed only when the operation state of the gyro mechanism is in a steady state, that is, a stable state within an assumed range. The stop sequence (operation stop procedure, stop control means) and the start sequence (operation start procedure, start control means) are performed by executing the stop program and start program of the control circuit (
[0016]
More specifically, although the illustration is omitted in the stop sequence, the rotation of the
[0017]
Further, the
[0018]
The
[0019]
Further, the startup sequence will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 18D is a schematic flowchart of the startup sequence. FIG. 19A is a vertical sectional front view of the gyromechanical unit, FIG. 18B is a cross-sectional plan view thereof, and FIGS. It is a waveform example.
In this start-up sequence (see FIG. 18D), after performing a predetermined initialization process such as clearing of the working memory (step S11), control is started (step S12). That is, the posture control and the rotation drive based on the displacement detection are started. Then, after the control state is stabilized (step S13), that is, when the relative position and the rotation speed of the
[0020]
On the other hand, when it is not started, a retry (retry) is performed as follows. That is, when the control state is not stabilized after waiting for a predetermined time, for example, about 5 seconds (step S15), it is determined that the startup has failed, and the control is interrupted (step S16). That is, both the displacement detection, the attitude control, and the rotation drive are stopped. Then, after waiting for a predetermined time, for example, about 5 seconds (step S17), the control is resumed (step S12). At the start of the control, the integral value is cleared, etc., in order to enhance the effect of the retry.
[0021]
An operation example in such a start-up sequence will be described. For simplicity, it is assumed that the
[0022]
In this case, the components of the displacement detection applied signals f1 to f12 having a high frequency and the invariable offset components do not affect the movement of the
Further, a case in which normal startup is performed after two startup failures is taken as a specific example. That is, (see FIGS. 19C to 19G), the start is started at time t1, the start is interrupted at time t2, the start is restarted at time t3, the start is restarted at time t4, and the start is restarted at time t5. Then, at time t6, it is assumed that the activation is successful and the system enters a steady state.
[0023]
Then, immediately after the start of the start-up (time t1 to t2), the positive voltage YP + and the negative voltage YP- that generate the levitation force become the maximum output so as to eliminate the sinking state of the gyro rotor 10 (see FIG. 19C). And the opposite positive and negative voltages YM + and YM- have a minimum output (see FIG. 19 (d)), and the positive voltage XP +, negative voltage XP-, positive voltage XM + and negative voltage acting in the direction perpendicular to the floating or sinking direction. XM- is an intermediate output (see FIGS. 19E and 19F). Although illustration and detailed description are omitted, the control voltages in the Z direction and the φ and θ directions also have appropriate intermediate outputs. In addition, the positive voltage RP + that generates the rotational driving force enters a pulse output state (see FIG. 19G).
[0024]
Even if the state is continued, if the activation does not succeed, for example, if the predetermined time has elapsed without ascending, the activation is interrupted. In this state (time t2 to t3), output of all control voltages is suppressed (see FIGS. 19C to 19G).
Then, when the start is resumed after a predetermined time has elapsed (time t3 to t4), the positive voltage YP + and the negative voltage YP- are the maximum output, and the positive voltage YM + and the negative voltage YM- are the minimum output because of the floating and rotation. , And other positive voltages XP + for attitude control have an intermediate output, and the positive voltage RP + has a pulse output state.
If it still does not start, the control is interrupted again (time t3 to t4), and the output of all control voltages is suppressed.
[0025]
Further, after a lapse of a predetermined time, the start is resumed (time t5). Further, due to the floating and rotation, the positive voltage YP + and the negative voltage YP- are the maximum output, the positive voltage YM + and the negative voltage YM- are the minimum output, and the other positive and negative voltages. The voltage XP + and the like enter an intermediate output state, and the positive voltage RP + enters a pulse output state.
Then, when the
[0026]
In this manner, the relative displacement and the rotational speed of the
[0027]
Although illustration is omitted, implementation of such a gyro device will also be described. The electrostatic levitation gyro device including the above-described electronic circuit and the gyro mechanism unit is mounted on a printed circuit board or the like to establish an electrical connection. In this case, the
[0028]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3008074 (FIGS. 1, 2, 4, and 8)
[Patent Document 2]
JP 2001-235329 A (FIGS. 1, 2, 3, and 6)
[0029]
[Undisclosed prior art]
[Prior Patent Application 1] Japanese Patent Application No. 2003-050223
[Prior Patent Application 2] Japanese Patent Application No. 2002-362031
[Prior Patent Application 3] Japanese Patent Application No. 2003-099695
By the way, as the size of the electrostatic levitation gyro device is reduced, specifically, when the diameter of the
[0030]
As for a signal detection circuit for detecting the relative displacement between the gyro rotor and the gyro case, an improvement plan has been created by the same applicant (refer to the prior patent application 2).
In the above-described conventional signal detection circuit, since the displacement detection application signals f1 to f12 are superimposed on the control voltages V1, V12, etc., the sum of the two does not exceed the power supply voltage Vcc of the
[0031]
However, increasing the amplitude voltage Vf under the predetermined power supply voltage Vcc involves a decrease in the maximum voltage of the control voltage V1, so that the balance between the two is undesirably disrupted (see FIG. 17E). ). The same applies to other displacement detection applied signals. Therefore, it is important to improve the signal detection circuit so that the amplitude voltage of the displacement detection application signal can be increased without sacrificing the control voltage under the same power supply voltage. In order to respond to such a demand, the control signal and the displacement detection signal are superimposed by the voltage significant signal and the current significant signal by reversing the flow of the displacement detection signal. As a result, it is possible to increase the amplitude voltage of the displacement detection applied signal without sacrificing the control voltage. As a result, even if the electrode capacitance is reduced, the appropriate level of the displacement detection detection signal can be easily obtained. Therefore, a signal detection circuit of an electrostatic levitation gyro suitable for miniaturization can be realized.
[0032]
Since the technical matters described in these unpublished prior patent applications 1 and 2 are premised on the invention of the present invention in many parts, they will be repeated here before presenting the subject of the present invention. First, a specific configuration of the electrostatic levitation gyro device will be described with reference to the drawings. 1A and 1B show the structure of the device packaging, wherein FIG. 1A is a front view of the device, FIG. 1B is a plan view of the device with a lid removed, and FIG. 2A is an overall circuit diagram including a signal detection circuit, FIG. 2B is a circuit for generating a displacement detection application signal, and FIG. 2C is a current detection circuit. 3A shows a signal input circuit of a constraint control system, and FIG. 3B shows a signal input circuit of a rotor drive system. In the drawings, the same components as those in the related art are denoted by the same reference numerals, and the gyro mechanism described in the section of the prerequisite technology is also used in the following prior art example as it is. Therefore, the following description will focus on differences from the related art. Also here, for clear comparison and the like, the electronic circuit section is a specific example of an annular rotor type gyro, and the electronic circuit section will be described after the gyro mechanism section is described.
[0033]
The gyro device 70 (see FIG. 1) includes a sealable device package (vacuum container) including a cap 71 (lid) and a box 72 (box, can). Is a gyromechanical unit composed of the
[0034]
The
[0035]
The
[0036]
The gyro mechanism section may be one in which the storage space of the
The
[0037]
If the electronic circuit has the configuration shown in FIG. 17A, the
[0038]
Next, the electronic circuit unit will be described. This electronic circuit is different from that of the above-described conventional example (see FIG. 2A), in that an applied signal generating circuit 61 (an applied signal supply circuit) is used instead of the
[0039]
The application
[0040]
The displacement detection application signal V0 generated by such a constant current circuit pair and the switch circuit is supplied to the displacement detection electrode via a suitable coupling capacitor 61a as shown in the figure or directly without such a capacitor. 38, 48. With such a configuration, the displacement detection application current i0 supplied from the application
[0041]
The current detection circuit 64 (see FIG. 2A) includes 12 or 12 sets for sending control voltages V1, V12, and the like for attitude control from the
[0042]
The
[0043]
Although the operation content of the
[0044]
The six A /
[0045]
Although the operation content of the
[0046]
Among such electronic circuits, those integrated on the
[0047]
The usage and operation of the electrostatic levitation gyro device having such a configuration will be described with reference to the drawings. FIG. 1D is a perspective view showing a device mounting state. 4A is a detailed view of a control voltage application portion, and FIGS. 4B to 4F are signal waveform examples. Here also, the mounting mode of the mechanical section will be described first, and then the operation of the electronic circuit will be described.
[0048]
Before mounting the
[0049]
Then, the
[0050]
As is apparent from the above description, the
[0051]
Next, the operation of the electronic circuit will be described (see FIG. 4A). In order to clarify the comparison with the conventional example, the electrode pairs 31 and 41 of the six ring-shaped electrostatic support electrodes are used. The application state of the control voltage will be described in detail. The control voltage V1 is again divided into a pair of a positive voltage V1b and a negative voltage V1a. The positive voltage V1b is applied to the
[0052]
Then, (see FIG. 4B), a constant offset voltage applied to the
[0053]
That is, (see FIG. 4 (c)), the application
[0054]
On the other hand, the displacement detection applied voltage signal V0 and the displacement detection applied current i0 (see FIG. 4 (d)) are also controlled through the
[0055]
4 (f) and FIG. 3 (a), at the timing of the clock CLKb synchronized with the clock CLKa but out of phase, the current signal (i1-i12) reflecting the X-direction displacement ΔX and The similar signals are quantized by the A /
[0056]
As is apparent from the above description, in the signal detection circuit of this electrostatic levitation gyro, the applied voltage signal V0 for displacement detection can be expanded as required, and the control voltage V1, Since V12 and the like can be increased to near the power supply voltage Vcc of the
[0057]
In addition to the technical matters described in the unpublished prior patent applications 1 and 2, the technical matters described in the above-mentioned unpublished
As described above, a gyro mechanism or an electronic circuit is incorporated in a vacuum package to reduce the size in consideration of the mounting situation, and even if the electrode capacity is reduced due to the downsizing of the gyro mechanism, a detection signal for detecting a displacement of an appropriate level is provided. The flow of the displacement detection signal is reversed so as to obtain the above, and the miniaturization of the electrostatic levitation gyro device is promoted, and the application range of the electrostatic levitation gyro device is expanding. However, just because miniaturization is possible does not mean that everything is replaced with a small one.
[0058]
In the case of an electrostatic levitation type gyro device that rotates a gyro rotor and uses its inertia, various sizes are used because the detection accuracy cannot be avoided depending on the size of the gyro rotor. Various voltages are employed for the power supply voltage Vcc, the control voltage V1, and the like according to the size. For example, when the rotor diameter is 1 to 2 mm, a voltage of about 3 V or 5 V is sufficient, but when the rotor diameter exceeds 5 mm, a voltage of 12 V or 15 V is often used.
However, if the voltage of the electronic circuit is high, available electronic components are limited or expensive. In particular, if a semiconductor component that operates at a high speed of 1 MHz or the like and requires a wide dynamic range, such as the current mirror of the
[0059]
In that case, the conventional technique of superimposing the displacement detection applied signal directly on the control voltage is continuously used.
However, the method of detecting the signal component related to the displacement detection applied signal at the output stage circuit of the control voltage by reversing the flow of the displacement detection signal from the conventional one can hardly sacrifice the control voltage. In addition, there are many advantages over the prior art, such as that the level setting of the displacement detection application signal can be performed almost freely without being restricted by the control voltage.
[0060]
Accordingly, a signal detection circuit having a new configuration different from any of the above-described ones has been devised, on the premise of adopting a technique of applying a displacement detection signal to the displacement detection electrode and performing detection closer to the control circuit than the control electrode. ing. The main point is that, when a displacement detection signal is applied to the displacement detection electrode and detection is performed closer to the control circuit than the control electrode, an opposite-phase control voltage is applied to the adjacent control electrode and the in-phase displacement detection is performed. An electrostatic levitation gyro device in which the flow of the displacement detection signal is reversed from that of the conventional one by performing signal detection by extracting the in-phase component based on the transmission of the application signal The thing was realized. Further, further measures are taken so that the influence of the power supply voltage and the control voltage does not affect the detection signal generation circuit as much as possible. For example, when detecting the flow of the displacement detection signal by reversing the flow of the conventional one, a voltage such as a control voltage is used. The common-mode detection circuit can be embodied by passive elements so that the level restriction is relaxed.
[0061]
[Problems to be solved by the invention]
Further, improvements have also been made on the startup sequence (operation start procedure, startup control means). 5A and 5B show a specific example, in which FIG. 5A is a schematic flowchart of a start-up sequence, and FIGS. 5B to 5F are signal waveform examples. These are compared with FIGS. 18 (d) and 19 (c) to (g) of the conventional example described above, but the signal waveforms are omitted, and the positive voltages YP +, YM +, XP +, XM + , RP + only.
[0062]
The improvement is that the control electrode is divided into an electrode for electrostatic support and an electrode for rotation drive, and the control circuit generates the control voltage for controlling the attitude of the gyro rotor and the control voltage for rotation drive separately. The starting sequence is divided into a levitation sequence and a rotation sequence by utilizing what is performed in (1). As a result, the electrostatic levitation gyro device is configured to perform attitude control at the time of startup and confirm the floating of the gyro rotor before rotating.
[0063]
More specifically, referring to FIG. 5A, in the conventional control start (step S12), the attitude control and the rotation drive were performed simultaneously, whereas in this prototype example (step S21), the rotation drive was not started. At this time, the posture control is started. Along with this, the conventional control state stabilization wait (step S13), and in this prototype example, the floating wait (step S22) waits for the relative position of the
Then, after the confirmation of the floating is obtained (Step S22) and before the applied calculation is started (Step S14), the rotation drive is started and its confirmation is performed (Steps S23 to S26).
[0064]
That is, in the rotation sequence in the latter half of the startup sequence, the rotation drive is started in addition to the position where the posture control based on the displacement detection has already been performed (step S23). Then, a predetermined time required for acceleration is waited for (Step S24), and then it is confirmed that the rotation speed of the
On the other hand, when the rotation speed is not enough, the elapse of the acceleration time is waited again (steps S25 → S26 → S24). At that time, ascending confirmation is also performed (step S26), and when the flying state is impaired, the process returns to the retry of the flying sequence (step S26 → S16).
[0065]
An operation example in such a start-up sequence will be described. Here, for the sake of clear comparison, the
[0066]
Also in this case, the components of the displacement detection signals V0, i1 to i12 having a high frequency and the invariant offset components do not affect the movement of the
Further, a case in which normal startup is performed after two startup failures is taken as a specific example. That is, the start is started at the time t1, the start is interrupted at the time t2, the start is restarted at the time t3, the interrupt is restarted at the time t4, the start is restarted at the time t5, the start is successful at the time t6, and the steady state is established. Shall enter.
[0067]
Then, immediately after the start of the start-up (time t1 to t2), the positive voltage YP + and the negative voltage YP- that generate the levitation force become the maximum output so as to eliminate the sinking state of the gyro rotor 10 (see FIG. 5B). The opposite positive voltage YM + and negative voltage YM- have the minimum output (see FIG. 5C), and the positive voltage XP +, the negative voltage XP-, the positive voltage XM +, and the negative voltage acting in the direction orthogonal to the floating direction or the sinking direction. XM- is an intermediate output (see FIGS. 5D and 5E). Although illustration and detailed description are omitted, the control voltages in the Z direction and the φ and θ directions also have appropriate intermediate outputs. Note that, unlike the related art, the positive voltage RP + that generates the rotational driving force is not output (see FIG. 5F).
[0068]
Even if the state is continued, if a predetermined time has elapsed without the
Then, when the posture control is resumed after a predetermined time has elapsed (time t3 to t4), since the surface floats again, the positive voltage YP + and the negative voltage YP− have the maximum output, the positive voltage YM + and the negative voltage YM− have the minimum output, Other attitude control positive voltages XP + and the like have intermediate outputs. Here, the positive voltage RP + is not output.
If it still does not float, the control is interrupted again (time t3 to t4), and the output of all control voltages is suppressed.
[0069]
Further, after a lapse of a predetermined time, the attitude control is resumed (time t5), and the surface of the vehicle again floats, so that the positive voltage YP + and the negative voltage YP- have the maximum output, the positive voltage YM + and the negative voltage YM- have the minimum output, and the other positive voltage XP + etc. are intermediate outputs. No positive voltage RP + is output.
Then, when the
[0070]
In this manner, when the relative displacement of the
[0071]
As described above, in the electrostatic levitation type gyro device of this prototype example, the gyro is controlled by performing the attitude control at the time of startup by utilizing the fact that the electrodes for electrostatic support and the electrodes for rotation driving can be individually controlled. Rotational drive is performed after confirming the floating of the rotor, so that it is possible to avoid rubbing between the
[0072]
Since the generation of dust in the gyro rotor storage space is reduced, failure due to dust is reliably reduced. It is also expected that start-up failures due to dust are reduced.
However, in such an electrostatic levitation type gyro device, the levitation ability is somewhat reduced because the rotational force of the pulse drive does not work in the levitation sequence and its influence is large. If there is a pulse-driven rotational force, this causes micro-vibration in the
[0073]
Therefore, while presuming the adoption of a startup sequence in which attitude control is performed at startup to check the floating of the gyro rotor and then rotation is performed, the startup sequence is devised to overcome the drawbacks and improve the floating performance. Is a technical issue.
The present invention has been made to solve such a problem, and has as its object to realize an electrostatic levitation gyro device that floats at a high rate without rubbing a rotor.
[0074]
[Means for Solving the Problems]
The configuration, operation and effect of the first to fourth solving means invented to solve such a problem will be described below.
[0075]
[First Solution]
According to a first aspect of the present invention, an electrostatic levitation gyro device includes a gyro case having a gyro rotor built therein so as to be electrostatically levitable and rotatable, and a plurality of gyro cases formed therein. A control circuit for generating and applying a control voltage for controlling the attitude of the gyro rotor and for controlling the rotation of the gyro rotor to the electrode for electrostatic support and the electrode for rotation of the electrodes, and not applying the control voltage among the plurality of electrodes In an electrostatic levitation type gyro device including a signal detection circuit for transmitting and receiving a signal for relative displacement detection between the gyro rotor and the gyro case via a displacement detection electrode, the gyro rotor is configured to perform a posture control at the time of startup. Starting control means for performing rotation driving after confirming the floating of the electrostatic actuator, and intermittently intermittently controlling the attitude control voltage or a higher floating control voltage. A floating reinforcing means for applying the lifting electrodes provided, in which the start control means has to actuate the floating reinforcing means when floating check not satisfied the gyro rotor.
[0076]
In the electrostatic levitation gyro device according to the first solution, the startup control means is activated at the time of startup, whereby the attitude control is first performed, and the signal that the gyro rotor has floated by this attitude control is obtained. When confirmation is made based on the detection, rotation driving is performed thereafter. On the other hand, when the confirmation of the floating of the gyro rotor is not established, the floating control means is operated by the activation control means, whereby the control voltage for attitude control or the control voltage for floating higher than this is interrupted. At the same time, the voltage is applied to the electrode for electrostatic support.
[0077]
Due to the intermittent application to the electrode for electrostatic support, even if there is no pulse-like rotational drive, the gyro rotor has not only a force to float it but also a force to vibrate it, so that the gyro rotor Regardless of whether the undesired force that hinders floating is due to frictional force, intermolecular attraction, attraction of residual static electricity, or adhesion of dust, the relaxation is suppressed. Therefore, the levitation force by the attitude control functions sufficiently without being reduced. In addition, in this state, since the rotary drive is not performed yet, there is no possibility that the contact support surface of the gyro rotor is rubbed.
Therefore, according to the present invention, it is possible to realize an electrostatic levitation gyro device that floats at a high rate without rubbing the rotor.
[0078]
[Second Solution]
An electrostatic levitation gyro device according to a second aspect of the present invention is the electrostatic levitation gyro device according to the first aspect of the invention, wherein the levitation enhancing means is configured as described above. A control voltage for attitude control or a control voltage for sinking that drives the gyro rotor in a direction opposite to the control voltage for floating is generated and also intermittently applied to the electrode for electrostatic support, That is.
[0079]
When the levitation force depends on the electrostatic attraction, if the normal attitude control is performed, no effective control voltage is applied to the electrostatic support electrode on the contact support side during the sinking state. In the electrostatic levitation type gyro device, when the gyro rotor floating confirmation is not established, the control voltage for attitude control or the control voltage for levitation is intermittently applied to the electrostatic support electrode on the remote side, and the contact support The sinking control voltage is intermittently applied to the electrostatic support electrode on the side. When the sink control voltage is applied, the gyro rotor is driven in a direction opposite to the floating, that is, in a direction in which the sink is settled. Power works.
As a result, the force for causing the gyro rotor to vibrate increases, and the levitation inhibiting force decreases.
Therefore, according to the present invention, it is possible to realize an electrostatic levitation gyro device that floats at a higher rate without rubbing the rotor.
[0080]
[Third Solution]
An electrostatic levitation gyro device according to a third aspect of the present invention is the electrostatic levitation gyro device according to the first and second aspects of the invention, wherein the levitation enhancement means Generates a swing control voltage for driving the gyro rotor in a direction orthogonal or oblique to the attitude control voltage or the floating control voltage, and applies the generated voltage to the electrostatic support electrode. It is that.
[0081]
Alternatively, as described in
[0082]
In the electrostatic levitation gyro device according to the third solution, when the levitation check is not established, the gyro rotor swings and rotates by applying a control voltage to the electrostatic support electrode instead of the rotary drive electrode. Movement is triggered.
In the swinging / rolling state, unlike the rotating operation, the surface movement on the sinking side / contact support side, which causes friction, is avoided / suppressed, and the source force of the swinging / rolling is reduced as in the case of leverage. It changes its direction with the contact part as a fulcrum and an action point, and also works in the floating direction.
[0083]
As described above, not only the levitation force of the attitude control but also the levitation force of a different type is added, so the levitation mechanism is diversified and the chance of levitation increases.Therefore, the gyro rotor has a high probability even without the rotation drive. Will emerge.
Therefore, according to the present invention, it is possible to realize an electrostatic levitation gyro device that floats at a high rate without rubbing the rotor.
[0084]
[Fourth Solution]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an electrostatic levitation gyro device according to the first to third aspects of the present invention, wherein the levitation enhancing means is provided. Changes the intermittent cycle.
[0085]
When using vibration, the effect is increased if the vibration cycle is adjusted to the natural frequency.However, the natural frequency varies from individual to individual due to dimensional differences at the time of manufacturing, and other factors that hinder the floating of the gyro rotor However, since these and the contact state affect the natural frequency, even if the optimum vibration period can be estimated to some extent, it cannot be completely determined. On the other hand, in the electrostatic levitation type gyro device according to the fourth solution, the intermittent period changes, so that the oscillation period induced by the gyro rotor may be in an optimum state at any timing. Be expected.
As a result, the vibration caused by the gyro rotor is enhanced, and the levitation inhibiting force is reduced.
Therefore, according to the present invention, it is possible to realize an electrostatic levitation gyro device that floats at a higher rate without rubbing the rotor.
[0086]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment for implementing the electrostatic levitation gyro device of the present invention achieved by such a solution will be described.
[0087]
A first embodiment of the present invention is an electrostatic levitation type gyro device of the above-described solving means, in which a new configuration is adopted in a signal detection circuit in which the flow of a displacement detection signal is reversed from that in the related art. .
That is, a gyro case in which a gyro rotor is electrostatically levitated and rotatably built therein, and an electrostatic support electrode and a rotation drive electrode among a plurality of electrodes formed on the gyro rotor are used for controlling the attitude and rotation of the gyro rotor. A control circuit for generating and applying a drive control voltage, and an application for applying a displacement detection application signal for detecting a relative displacement between the gyro rotor and the gyro case to a part of the plurality of electrodes. A signal supply circuit, and a signal component relating to the displacement detection applied signal at a position passing through a displacement detection electrode to which the control voltage is not applied among the plurality of electrodes to generate a displacement detection detection signal and generate the displacement detection signal. A detection signal generation circuit to be sent to the circuit, and at least one of the control voltages provided in the control circuit for attitude control, An output stage circuit that generates a pair of phases and distributes and applies the pair to adjacent ones of the plurality of electrodes, wherein the application signal supply circuit includes the displacement detection application gyro. A signal is applied to the displacement detection electrode, and the detection signal generation circuit includes a plurality of in-phase detection circuits provided on the output side of each of the output stage circuits, and the in-phase detection circuit includes: Each of them is configured to detect a signal component related to the displacement detection application signal by extracting an in-phase component from a pair having an anti-phase relationship, which is an output of an output stage circuit of an attachment destination. .
[0088]
In the electrostatic levitation type gyro device of such an embodiment, a displacement detection signal is applied to a displacement detection electrode, and then transmitted to a plurality of control electrodes via a gyro rotor. Reach the output side of the circuit. Since the change in capacitance of each control electrode is reflected in the transmission state and degree of transmission at that time, if the signal component related to the displacement detection applied signal is detected, the gyro rotor and the gyro case can be connected based on the detected value. It is possible to calculate the relative displacement.
[0089]
The detection is performed by extracting an in-phase component based on the fact that an applied signal for displacement detection is transmitted to an adjacent electrode in the same phase. In addition, since a control voltage of the opposite phase is applied to such an adjacent control electrode, the extraction of the common-mode component is performed by using a cheap electronic component having a high withstand voltage and a high response such as a passive element. Can be embodied. For example, it can be performed by a method such as addition of signals or partial pressure. By such extraction, the detection signal for displacement detection is separated from the control voltage and becomes a single signal, so that the subsequent processing no longer requires a high withstand voltage performance as in the output stage circuit of the control circuit. Not done.
[0090]
In this manner, the displacement detection signal is applied to the displacement detection electrode, the detection is performed closer to the control circuit than the control electrode, and at that time, the opposite control voltage is applied to the adjacent control electrode and the in-phase control voltage is applied. The detection of the signal component related to the displacement detection application signal is performed by extracting the in-phase component based on the transmission of the displacement detection application signal, and the current detection is performed by providing a current mirror or the like. Even if the signal is different from the one described above, it is possible to appropriately detect a desired signal.
Therefore, according to this embodiment, it is possible to realize a new electrostatic levitation type gyro device in which the flow of the displacement detection signal is reversed from the conventional one.
[0091]
[Second embodiment]
The second embodiment of the present invention is the electrostatic levitation gyro device according to the first embodiment described above, wherein each of the in-phase detection circuits comprises a series circuit of a capacitive element, and outputs in opposite phases (that is, outputs in opposite phases to each other). A pair of output signals), a midpoint voltage detection circuit for detecting a midpoint voltage (that is, an intermediate voltage between the two signals), and the control voltage provided between the midpoint voltage detection circuit and an output stage circuit to which the midpoint voltage detection circuit is attached. And a current limiting circuit that does not allow the current of the frequency component of the displacement detection applied signal to pass, but allows the passage of the current of the frequency component.
[0092]
In the electrostatic levitation gyro device of such an embodiment, the in-phase detection circuit is embodied by a midpoint voltage detection circuit and a current limiting circuit, and the midpoint voltage detection circuit is a capacitive element that is a passive element. Is embodied in a series circuit. The current limiting circuit is also easily embodied by a passive element such as a resistor, and the presence of the current limiting circuit allows the displacement detection applied signal to be transmitted to the midpoint voltage detection circuit without escaping to the output stage circuit.
Such a common-mode detection circuit is composed of passive elements, has a high withstand voltage, a high responsiveness, and is inexpensive.
Therefore, according to this embodiment, it is possible to realize an electrostatic levitation type gyro device in which the restriction by the voltage level such as the control voltage is gentle when detecting the flow of the displacement detection signal by reversing the flow from the related art.
[0093]
Specific embodiments for carrying out the electrostatic levitation gyro device of the present invention achieved by the above-described solution and embodiments will be described with reference to the following first to fifth embodiments. The first embodiment shown in FIGS. 6 to 10 embodies the above-described first solution (initially claim 1) and each embodiment, and the second embodiment shown in FIG. The third embodiment shown in FIGS. 12 and 13 is an embodiment of the second solution (the first claim 2), and is one of the third solution (the first claim 3). The fourth embodiment shown in FIG. 14 embodies the above-described fourth solution (initial claim 4), and the fifth embodiment shown in FIG. The present invention embodies the other of the above-mentioned third solving means (initial claim 5) and the fourth solving means (initial claim 4).
[0094]
In the drawings, the same reference numerals are given to the same components as those mentioned in the prerequisite technology column, the conventional technology column, and the undisclosed prior art column. In addition, the gyro mechanism section described in the section of the premise technology is used as it is in each of the following embodiments, so repeated description will be omitted, and hereinafter, differences from known prior art and undisclosed prior art will be described. The explanation will focus on the points.
Here also, for clear comparison and the like, a specific example of the electronic circuit unit is one corresponding to the annular rotor type gyro.
[0095]
[First embodiment]
A specific configuration of a first embodiment of the electrostatic levitation gyro device of the present invention will be described with reference to the drawings. 6A is a plan view in which a package lid is removed, and FIG. 6B is a vertical sectional front view. 7A is an entire circuit diagram including a signal detection circuit, FIG. 7B is a circuit for generating a displacement detection applied signal, and FIG. 7C is a detection signal generation circuit. Is a detailed diagram of a control voltage application portion and a detection signal generation circuit. 9A is a schematic flowchart of a startup sequence, and FIG. 9B is a schematic flowchart of a flying enhancement process.
[0096]
The difference between this electrostatic levitation type gyro device (see FIGS. 6 to 10) and the examples described in the above-mentioned prior patent applications 1 and 2 (see FIGS. 1 to 4) is an improvement in the packaging method (see FIG. 1 →). FIG. 6), improvements relating to the signal detection circuit (FIG. 2 → FIG. 7), and improvements relating to the activation sequence (activation control means) (FIG. 18 → FIG. 5 → FIG. 9).
Hereinafter, differences will be described in that order.
[0097]
First, the improvement points regarding the packaging method will be described. The electrostatic
[0098]
Further, the
[0099]
Next, the difference between the signal detection circuits will be described. The signal detection circuits shown in FIGS. 7 and 8 are different from those shown in FIGS. The difference is that an application
[0100]
The applied signal generation circuit 90 (see FIG. 7B), as in the case of the applied
[0101]
The in-
The
[0102]
On the premise of this, the in-
[0103]
As an example of a specific circuit configuration (see FIG. 8A), the midpoint
[0104]
Further, the improvement of the start-up sequence with respect to the configuration will be described. The difference between the start-up sequence shown in the flowchart of FIG. 9 and that of FIG. 5 is that when the ascent is stopped, the attitude control is stopped and then a predetermined retry (retry) is performed. This means that the levitation enhancement processing (levitation enhancement means) is executed at the timing of waiting for the passage of time (step S17) instead of simply waiting (step S30).
That is, (steps S31 to S32), when the gyro rotor floating check is not established, the control voltage for attitude control is doubled as much as possible to generate a control voltage for floating, and this is applied to the electrode for electrostatic support while intermittently. It has become.
[0105]
In detail, including the above-described portions, in this start-up sequence (see FIG. 9), after performing predetermined initialization processing such as clearing of the working memory (step S11), first, the attitude control is performed to perform the levitation sequence. Start (step S21). As a result, the attitude control and the displacement detection necessary for the attitude control are performed, but the rotational drive is not performed. Then, when the
[0106]
On the other hand, when the
[0107]
In the levitation enhancement mode, the attitude control voltages V1 to V12 calculated by the normal attitude control calculation are doubled, and those that exceed the maximum outputtable value are converted to the maximum values, and these are converted to the levitation control. The voltage is set (step S31). Then, these floating control voltages are applied to the corresponding
[0108]
Further, the retry may be performed by returning from the rotation sequence to the flying sequence. That is, in the rotation sequence, when the rotation speed is insufficient, the elapse of the acceleration time is waited again (steps S25 → S26 → S24). At that time, ascending confirmation is also performed (step S26), and when the flying state is impaired, the process returns to the retry of the flying sequence (step S26 → S16).
[0109]
The usage and operation of the electrostatic levitation gyro device according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. 8B to 8E are signal waveform examples. 10A is a cross-sectional plan view of the gyromechanism portion, FIGS. 10B to 10F are all signal waveform examples, and FIGS. 10G and 10H are main portions of the cross-sectional plane of the gyromechanism portion. It is an enlarged view.
First, an operation in a steady state after normal startup will be described with reference to FIG. 8, and then an operation at startup will be described with reference to FIG.
[0110]
First, the operation and the like in a steady state will be described (see FIGS. 8B to 8E). Here, the
Then (see FIG. 8 (b)), the offset voltage Vof applied to the
The control voltage V1 of the opposite phase, that is, the negative voltage V1a and the positive voltage V1b are also sent from the
[0111]
That is, (see FIG. 8 (c)), the applied
[0112]
Since the displacement detection applied voltage signal V0 is transmitted to the adjacent
[0113]
Then, at the timing of the clock CLKb synchronized with the clock CLKa but out of phase (see FIGS. 8E and 8A), the detection signal m1 reflecting the X-direction displacement ΔX and the electrostatic support electrode The detection signal m12 similarly obtained from the 41 side is appropriately amplified and the like, quantized by the A /
[0114]
The capacitance of the capacitor C and the resistance value of the resistor R are determined based on the capacitance between the
[0115]
As a result, the control voltage V1 is appropriately applied to the
Thus, the rotor attitude control is appropriately performed. Similarly, the rotation of the rotor whose fundamental frequency is at most about several hundred Hz is appropriately performed.
[0116]
As is clear from the above description, in the signal detection circuit of the electrostatic levitation type gyro of this embodiment, the displacement detection applied voltage signal V0 can be expanded as necessary, and it is easy to control. Since the voltages V1, V12, etc. can be increased to near the power supply voltage Vcc of the
[0117]
Next, the operation at the time of startup and the like will be described in detail (see FIG. 10). Here also, for clear comparison, it is assumed that the
[0118]
Also in this case, the components of the displacement detection application signal V0 and the detection signals m1 to m12 having a high frequency and the invariant offset components do not affect the movement of the
Further, for comparison, a case where a normal startup is performed after two startup failures is also taken as a specific example. That is, (see FIG. 10B), the start is started at the time t1, the start is interrupted at the time t2, the start is restarted at the time t3, the interrupt is restarted at the time t4, the start is restarted at the time t5, and the time t6 is restarted. It is assumed that the startup is successful and a steady state is entered.
[0119]
Then, immediately after the start of the startup (time t1 to t2), the normal attitude control is performed in the levitation sequence, so that the positive voltage YP + and the negative voltage YP− that generate the levitation force are canceled so that the
[0120]
Even if the state is continued, when the predetermined time has elapsed without the
[0121]
Then, when the normal attitude control is resumed after a predetermined time has elapsed (time t3 to t4), the positive voltage YP + and the negative voltage YP− are maximum output, and the positive voltage YM + and the negative voltage YM− are minimum because the surface floats again. The output and other positive voltages XP + for attitude control are intermediate outputs. Here, the positive voltage RP + is not output.
If still not rising, the normal attitude control is interrupted again (time t3 to t4) and the rising enhancement processing is executed. Then, the positive voltage YP + and the negative voltage YP− are maximum output, the positive voltage YM + and the negative voltage YM− are almost minimum output, and the positive voltage XP + for other attitude control is intermittently applied with almost maximum output. No positive voltage RP + for rotation driving is output.
[0122]
Further, after a predetermined time has elapsed, normal attitude control is resumed (time t5), and because of the floating, the positive voltage YP + and the negative voltage YP- are maximum output, the positive voltage YM + and the negative voltage YM- are minimum output, The positive voltage XP + or the like becomes an intermediate output. No positive voltage RP + is output.
Then, when the
[0123]
In this manner, when the relative displacement of the
[0124]
As described above, in the electrostatic levitation type gyro device of this embodiment, the gyro is controlled by performing the attitude control at the time of startup by utilizing the fact that the electrodes for electrostatic support and the electrodes for rotation driving can be individually controlled. Since the rotation drive is performed after confirming the floating of the rotor, the
[0125]
Further, when the
That is, when the maximum positive voltage YP + is applied (see FIG. 10 (g)) (see FIGS. 10 (g) and (h)), a force in the floating direction acts on the gyro rotor 10 (solid arrow). (See reference.) Slight movement in the direction of levitation, but levitation is prevented unless it exceeds the opposite force that prevents levitation (see long dashed line with arrow).
[0126]
When the application of the positive voltage YP + stops (see FIG. 10 (h)), the
In this way, micro-vibration in the floating direction and sinking direction is generated in the
[0127]
The effect of heightening the levitation by vibration is highest when the intermittent period matches the natural frequency based on the mass of the
Further, the duty ratio of the intermittent operation may be set as appropriate, but in this example, the reciprocal thereof is 2 of the reciprocal corresponding to generating the floating control voltage by doubling the attitude control voltage. . That is, the duty ratio is set to 50%. As a result, the average voltage becomes the same as in the normal state, so that the
[0128]
[Second embodiment]
A specific configuration of a second embodiment of the electrostatic levitation gyro device of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 11A is a schematic flowchart of the flying enhancement processing, and FIGS. 11B to 11F are signal waveform examples.
This electrostatic levitation type gyro device differs from that of the first embodiment in that the content of the levitation enhancement processing (S30) is modified as follows. That is, a sinking control voltage for driving the gyro rotor is generated in a direction opposite to the floating control voltage, and this is also intermittently applied to the electrostatic support electrode.
[0129]
Specifically, first, the ascending direction and the descending direction are detected and confirmed based on the displacement detection (step S41), and the calculation mode is switched from the normal mode to the enhanced ascending mode. In the levitation enhancement mode, only the attitude control voltages V1 to V12 calculated in the normal attitude control calculation are used in the levitation direction. In the squat state of this example, the Y-axis positive direction YP +, YP- is adopted, doubled, and when it exceeds the maximum value that can be output, the maximum value is corrected. Control voltage (step S42).
[0130]
Then, the floating control voltage is applied as a positive voltage YP + and a negative voltage YP− to the corresponding electrostatic support electrode, and the sinking control voltage is applied as a positive voltage YM + and a negative voltage YM− to the corresponding electrostatic support electrode. Apply (step S43). In addition, at this time, the voltages are applied intermittently at a predetermined period, but the voltages are applied in opposite phases. In other words, the intermittent control of the sinking control voltage is shifted by half a cycle from the intermittent control of the floating control voltage, and the application of the sinking control voltage is performed when the floating control voltage is not applied. The intermittent application in the opposite phase is continued for a predetermined time (step S44).
[0131]
Also in this case, if the same conditions and assumptions as those in the first embodiment are added to the startup sequence, the normal attitude control is executed in the levitation sequence immediately after the start of the startup (time t1 to t2). The positive voltage YP + and the negative voltage YP- that generate levitation force have the maximum output (see FIG. 11B), and the opposite positive and negative voltages YM + and YM- have the minimum output so as to eliminate the sinking state of the
[0132]
Even if the state is continued, when the predetermined time has elapsed without the
[0133]
Then, when the normal attitude control is resumed after a predetermined time has elapsed (time t3 to t4), the positive voltage YP + and the negative voltage YP− are maximum output, and the positive voltage YM + and the negative voltage YM− are minimum because the surface floats again. The output and other positive voltages XP + for attitude control are intermediate outputs. Here, the positive voltage RP + is not output.
If still not rising, the normal attitude control is interrupted again (time t3 to t4) and the rising enhancement processing is executed. The positive voltage YP + and the negative voltage YP- are applied intermittently at the maximum output, and the positive voltage YM + and the negative voltage YM- are applied at the maximum output but intermittently in the opposite phase. Positive voltage RP + is not applied.
[0134]
Further, normal posture control is resumed after a lapse of a predetermined time (time t5), so that the positive voltage YP + and the negative voltage YP- are maximum output, the positive voltage YM + and the negative voltage YM- are minimum output, and the other positive voltage XP + etc. are intermediate outputs. No positive voltage RP + is output.
Then, when the
[0135]
In this manner, in the electrostatic levitation gyro device of this embodiment, fine vibrations in the floating direction and the sinking direction can be generated in the
[0136]
[Third embodiment]
A specific configuration of a third embodiment of the electrostatic levitation gyro device of the present invention will be described with reference to the drawings. 12A is a schematic flowchart of the flying height enhancement processing, and FIGS. 12B to 12F are signal waveform examples. FIG. 13 is a cross-sectional plan view of the gyro mechanism.
This electrostatic levitation type gyro device is different from that of the above-described second embodiment in that the content of the levitation enhancement processing (S30) is modified as follows. In other words, the point of generating a sinking control voltage that drives the gyro rotor in the opposite direction to the floating control voltage and applying it to the electrostatic support electrode while intermittently intermittently in the opposite phase is inherited. A swing control voltage for driving the gyro rotor is generated in a direction substantially orthogonal to the control voltage for control and the control voltage for settlement, and this is also applied to the electrode for electrostatic support.
[0137]
Specifically, first, the ascending direction and the descending direction are detected and confirmed based on the displacement detection (step S51), and the calculation mode is switched from the normal mode to the enhanced ascending mode. In the flying height enhancement mode, of the posture control voltages V1 to V12 calculated by the normal posture control calculation, a posture control voltage V1 to V12 that is perpendicular to the flying direction is used. In the sinking state of this example, the Y-axis positive direction YP +, YP- is adopted for the floating direction, and it is doubled. If it exceeds the maximum value that can be output, it is converted to the maximum value and this is raised. Control voltage and subsidence control voltage. In addition, the X-axis positive direction XP +, XP- is adopted for the direction orthogonal to the flying direction, and it is doubled. If it exceeds the maximum value that can be output, the maximum value is converted to the maximum value, and the swing control is performed. The voltage is set (step S52).
[0138]
Then, the floating control voltage is applied as a positive voltage YP + and a negative voltage YP− to the corresponding electrostatic support electrode, and the sinking control voltage is applied as a positive voltage YM + and a negative voltage YM− to the corresponding electrostatic support electrode. The swing control voltage is applied to the corresponding electrostatic support electrode as a positive voltage XP + and a negative voltage XP- (step S53). In addition, at this time, both of them are applied intermittently at a predetermined cycle, but the floating control voltage and the sinking control voltage are applied in opposite phases to each other. In other words, the intermittent control of the sinking control voltage is shifted by half a cycle from the intermittent control of the floating control voltage, and the application of the sinking control voltage is performed when the floating control voltage is not applied. The intermittent application in the opposite phase and the intermittent application in the swing direction are continued for a predetermined time (step S54).
[0139]
Also in this case, if the conditions and assumptions given to the startup sequence are taken over similarly to the above-described second embodiment, the normal attitude control is performed in the levitation sequence immediately after the start of the startup (time t1 to t2). The positive voltage YP + and the negative voltage YP- that generate levitation force have the maximum output (see FIG. 12B), and the opposite positive voltage YM + and the negative voltage YM- have the minimum so as to eliminate the
[0140]
Even if the state is continued, when the predetermined time has elapsed without the
[0141]
Then, when the normal attitude control is resumed after a predetermined time has elapsed (time t3 to t4), the positive voltage YP + and the negative voltage YP− are maximum output, and the positive voltage YM + and the negative voltage YM− are minimum because the surface floats again. The output and other positive voltages XP + for attitude control are intermediate outputs. Here, the positive voltage RP + is not output.
If still not rising, the normal attitude control is interrupted again (time t3 to t4) and the rising enhancement processing is executed. The positive voltage YP + and the negative voltage YP− are intermittently applied at the maximum output, the positive voltage YM + and the negative voltage YM− are intermittently applied at the opposite phase but the positive voltage XP + and the negative voltage XP− are intermittent at the maximum output. The positive voltage XM + or the like for other attitude control or the positive voltage RP + for rotational driving is not applied.
[0142]
Further, normal posture control is resumed after a lapse of a predetermined time (time t5), so that the positive voltage YP + and the negative voltage YP- are maximum output, the positive voltage YM + and the negative voltage YM- are minimum output, and the other positive voltage XP + etc. are intermediate outputs. No positive voltage RP + is output.
Then, when the
[0143]
As described above, in the electrostatic levitation gyro device of this embodiment, similar to the first and second embodiments described above, the
[0144]
[Fourth embodiment]
A specific configuration of a fourth embodiment of the electrostatic levitation gyro device of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 14 is a waveform example of the signal YP + from time t2 to time t3.
This electrostatic levitation type gyro device is different from those of the first, second and third embodiments in that the intermittent frequency, that is, the intermittent frequency changes.
[0145]
In this case, the intermittent frequency starts from 300 Hz, for example, and gradually increases to 700 Hz.
Regarding the natural frequency based on the mass of the
[0146]
When vibration due to deformation of the
[0147]
[Fifth embodiment]
A specific configuration of a fifth embodiment of the electrostatic levitation gyro device of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 15A is a schematic flowchart of the flying enhancement processing, and FIGS. 15B to 15F are signal waveform examples.
This electrostatic levitation type gyro device is different from those of the third and fourth embodiments in that the content of the levitation enhancement processing (S30) is modified as follows. That is, when the confirmation of the floating of the gyro rotor is not established, the swing control voltage that causes the gyro rotor to roll is applied to the electrostatic support electrode, but the floating control voltage and the sinking control voltage are not applied. Has become. It should be noted that the intermittent operation and the changing of the intermittent frequency are applied to the application of the swing control voltage.
[0148]
Specifically, first, the rolling direction is detected and confirmed based on the displacement detection (step S61), and the calculation mode is switched from the normal mode to the levitation enhancement mode. In the flying height enhancement mode, one of the posture control voltages V1 to V12 calculated by the normal posture control calculation that is orthogonal to the flying direction is used. In the squat state of this example, the X-axis positive direction XP +, XP- is adopted as the direction perpendicular to the floating direction, and it is doubled. If it exceeds the maximum value that can be output, it is converted to the maximum value. Is set to the swing control voltage (step S62).
[0149]
Then, the swing control voltage is applied to the corresponding electrostatic support electrode as a positive voltage XP + and a negative voltage XP- (step S63). In addition, at this time, the intermittent application is performed while the intermittent frequency is gradually increased from, for example, 300 Hz to 700 Hz. No control voltage is applied in the X-axis negative direction, the Y-axis positive and negative directions, the Z direction, and the like. The intermittent application in the rolling direction and the oscillating direction is continued for a predetermined time (step S64).
[0150]
Also in this case, if the conditions and assumptions given to the startup sequence are taken over as in the third embodiment, the normal attitude control is executed in the levitation sequence immediately after the start of the startup (time t1 to t2). The positive voltage YP + and the negative voltage YP- that generate levitation force have the maximum output (see FIG. 15B), and the positive voltage YM + and the negative voltage YM- that generate the
[0151]
Even if the state is continued, when the predetermined time has elapsed without the
[0152]
Then, when the normal attitude control is resumed after a predetermined time has elapsed (time t3 to t4), the positive voltage YP + and the negative voltage YP− are maximum output, and the positive voltage YM + and the negative voltage YM− are minimum because the surface floats again. The output and other positive voltages XP + for attitude control are intermediate outputs. Here, the positive voltage RP + is not output.
If still not rising, the normal attitude control is interrupted again (time t3 to t4) and the rising enhancement processing is executed. The positive voltage XP + and the negative voltage XP- are intermittently applied at the maximum output, but no other positive voltage XM + for attitude control or the positive voltage RP + for rotation driving is applied.
[0153]
Further, normal posture control is resumed after a lapse of a predetermined time (time t5), so that the positive voltage YP + and the negative voltage YP- are maximum output, the positive voltage YM + and the negative voltage YM- are minimum output, and the other positive voltage XP + etc. are intermediate outputs. No positive voltage RP + is output.
Then, when the
[0154]
As described above, in the electrostatic levitation gyro device of this embodiment, the application of the swing control voltage causes the electrostatic attraction to act in the positive X-axis direction XP +, XP-, thereby rotating the
[0155]
[Other]
In each of the above embodiments, the device package including the plate-shaped
[0156]
In the first embodiment, the
[0157]
Various modifications are also possible for the signal detection circuit described above. For example, a sequential selection switching circuit may be provided upstream of the A /
[0158]
In the above embodiments, the intermittent application is continued during the corresponding period (t2 to t3, t4 to t5), but the application stop may be used together. For example, the intermittent application of the control voltage and the stop of the application of the control voltage may be performed alternately for 1 second. The time and some times in the startup sequence are also examples, and may be changed to an appropriate time.
[0159]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, in the electrostatic levitation type gyro device according to the first solution of the present invention, when the levitation fails, the rotor is not driven to rotate and the attitude control is intermittently performed. There is an advantageous effect that an electrostatic levitation gyro device that floats at a high rate without rubbing can be realized.
[0160]
Further, in the electrostatic levitation gyro device according to the second solving means of the present invention, in addition to the attitude control, the intermittent operation until the driving in the reverse direction is performed, so that the gyro device can be operated at a higher efficiency without rubbing the rotor. This has an advantageous effect that an electrostatic levitation type gyro device capable of floating by using the above can be realized.
[0161]
Further, in the electrostatic levitation gyro device according to the third solution of the present invention, the control voltage is applied to the electrode for electrostatic support instead of the electrode for rotary drive, so that the swing / roll is caused. With this configuration, it is possible to use the attitude control and a different levitation force, and as a result, there is an advantageous effect that it is possible to realize an electrostatic levitation gyro device that levitates at a high rate without rubbing the rotor.
[0162]
Further, in the electrostatic levitation type gyro device according to the fourth solution of the present invention, the possibility of including the optimal vibration period is increased even if the optimal vibration period cannot be determined, so that the rotor is There is an advantageous effect that an electrostatic levitation gyro device that floats at a higher rate without rubbing can be realized.
[Brief description of the drawings]
1 (a) is a front view of an electrostatic levitation type gyro device of an undisclosed prior art, FIG. 1 (b) is a plan view of the device with a cover removed, FIG. 1 (c) is a vertical sectional perspective view, and FIG. () Is a perspective view showing a device mounting state.
2A is an overall circuit diagram including a signal detection circuit, FIG. 2B is a circuit for generating a displacement detection application signal, and FIG. 2C is a current detection circuit.
3A is a signal input circuit of a constraint control system, and FIG. 3B is a signal input circuit of a rotor drive system.
FIG. 4A is a detailed view of a control voltage application portion, and FIGS. 4B to 4F are signal waveform examples.
FIGS. 5A and 5B are schematic flowcharts of a start-up sequence, and FIGS. 5B to 5F are signal waveform examples of a prototype example useful for presenting a task.
6A is a plan view of the first embodiment of the electrostatic levitation gyro device according to the present invention with the lid removed, and FIG. 6B is a vertical sectional front view.
7A is an overall circuit diagram including a signal detection circuit, FIG. 7B is a circuit for generating a displacement detection application signal, and FIG. 7C is a detection signal generation circuit.
8A is a detailed diagram of a control voltage application portion and a detection signal generation circuit, and FIGS. 8B to 8E are signal waveform examples.
9A is a schematic flowchart of a start-up sequence, and FIG. 9B is a schematic flowchart of a surfacing enhancement process.
10A is a cross-sectional plan view of the gyromechanical unit, FIGS. 10B to 10F are all signal waveform examples, and FIGS. 10G and 10H are enlarged views of a main part of the cross-sectional plane of the gyromechanical unit. It is.
11A is a schematic flowchart of a levitation enhancement process in a second embodiment of the electrostatic levitation gyro device of the present invention, and FIGS. 11B to 11F are signal waveform examples.
12A is a schematic flowchart of a levitation enhancement process in a third embodiment of the electrostatic levitation gyro device of the present invention, and FIGS. 12B to 12F are signal waveform examples.
FIG. 13 is a cross-sectional plan view of the gyro mechanism.
FIG. 14 is a signal waveform example of a fourth embodiment of the electrostatic levitation gyro device of the present invention.
15A and 15B are schematic flowcharts of a levitation enhancement process in a fifth embodiment of the electrostatic levitation gyro device of the present invention, and FIGS. 15B to 15F are signal waveform examples.
16 (a) to 16 (c) show examples of a disk-shaped rotor type, FIGS. 16 (d) and 16 (e) show examples of an annular rotor type, and FIGS. (a) and (d) are longitudinal front views, and (b), (c), and (e) are exploded perspective views of built-in components.
17A is an overall circuit diagram of a conventional signal detection circuit in which a signal detection circuit is added to a control circuit and the like, FIG. 17B is a detailed connection diagram of a control output circuit, and FIG. Signal input circuits, (d) and (e) are examples of voltage distribution.
18 (a) is a longitudinal sectional front view of a mechanical portion of a disk-shaped rotor gyro, FIG. 18 (b) is a cross-sectional plan view of a gyro case of a disk-shaped rotor gyro, and FIG. FIG. 3C is a vertical sectional front view of the mechanical section of the annular rotor gyro, and FIG. 3D is a schematic flowchart of a startup sequence.
19A is a vertical front view of a gyromechanical section, FIG. 19B is a cross-sectional plan view of the gyromechanical section, and FIGS. 19C to 19G are signal waveform examples.
[Explanation of symbols]
10. Gyro rotor (gyro mechanism)
20 Gyro case (gyro mechanism)
21 Upper bottom member (gyro case, gyro mechanism)
22 Lower bottom member (gyro case, gyro mechanism)
23 Spacer (gyro case, gyro mechanism)
31 to 36 Electrodes for electrostatic support (electrode for attitude control, control electrode, constraint control system)
37 Electrode for rotor drive (rotary electrode, rotor drive system)
38 Displacement detection electrode (detection electrode, displacement detection system)
41 to 46 Electrostatic support electrodes (posture control electrodes, control electrodes, constraint control system)
47 Rotor drive electrode (rotary electrode, rotor drive system)
48 Displacement detection electrode (detection electrode, displacement detection system)
51 Current detection circuit (displacement detection system)
52 rotor control circuit (control circuit, rotor drive system)
53 control arithmetic circuit (control circuit, constraint control system)
54 Control output circuit (control circuit, constraint control system)
55 A / D conversion circuit (control operation circuit, constraint control system)
56 DSP (digital signal processor, control operation circuit, constraint control system)
61 Application signal generation circuit (application signal supply circuit, signal detection circuit, displacement detection system)
62 Rotor control circuit (control circuit, rotor drive system)
63 control operation circuit (control circuit, constraint control system)
64 Current detection circuit (detection signal generation circuit, signal detection circuit, displacement detection system)
64a, 64b Current mirror (current inverting circuit)
65 A / D conversion circuit (signal input circuit, signal detection circuit + control operation circuit)
66 DSP (digital signal processor, control operation circuit, constraint control system)
67 DSP (digital signal processor, control operation circuit, rotor drive system)
70 Gyro device (electrostatic levitation gyro device)
71 Cap (lid, vacuum container, hermetically sealed package)
72 box (box, can, vacuum container, hermetically sealed package)
73 base (glass substrate, insulating substrate, mounting board for mechanism and circuit)
74 pins (lead, external connection terminal)
75 getter (vacuum maintenance member)
76 Vacuum suction port (through hole + plug)
77, 78 IC (current detection circuit, control output circuit, etc.)
80 Printed circuit board (circuit printed circuit board, mounting board for gyro device)
81 Regulator IC (power supply circuit)
82 Smoothing capacitor (power supply circuit)
90 Application signal generation circuit (application signal supply circuit, signal detection circuit, displacement detection system)
91 In-phase detection circuit (detection signal generation circuit, signal detection circuit, displacement detection system)
92 Midpoint voltage detection circuit (common mode detection circuit)
93 Current limiting circuit (low-pass filtering, common-mode detection circuit)
94 Circuit board (insulating board)
97 Gyro device (electrostatic levitation gyro device)
98 Elastic support member
99 Bonding wire
101
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2003130421A JP2004333327A (en) | 2003-05-08 | 2003-05-08 | Electrostatic flaoting type gyro apparatus |
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JP2009257859A (en) * | 2008-04-15 | 2009-11-05 | Tokyo Keiki Inc | Electrostatic leviation gyroscope apparatus |
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2003
- 2003-05-08 JP JP2003130421A patent/JP2004333327A/en active Pending
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