JP2005140708A - Electrostatic levitation-type gyro device - Google Patents
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Abstract
Description
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、適正動作のため、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、その変位検出を行う信号検出回路と、姿勢制御や回転駆動のための制御電圧を生成する制御回路における制御電圧出力方式とに関する。
The present invention relates to an electrostatic levitation gyro apparatus including a gyro mechanism and an electronic circuit.
The gyro mechanism unit includes a gyro rotor and a gyro case, and supports the gyro rotor in a floating manner in the gyro case by electrostatic support force. The gyro rotor is placed in a vacuum for proper operation.
The electronic circuit unit is connected to the gyro mechanism unit, detects the relative displacement between the gyro rotor and the gyro case, and performs attitude control and rotational driving of the gyro rotor.
More specifically, the present invention relates to a signal detection circuit that detects the displacement and a control voltage output method in a control circuit that generates a control voltage for posture control and rotation driving.
[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17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。
[Prerequisite technology]
Electrostatic levitation type gyro suitable for miniaturization is used not only for ships and aircraft but also for moving objects such as automobiles, and for detecting acceleration etc. with respect to inertial space, it is composed of mechanical parts with inertia. And an electronic circuit unit for controlling electrostatic support force and detecting relative displacement.
FIG. 17 shows two gyro mechanism parts in such an electrostatic levitation gyro. (A) to (c) are known examples of the disk-shaped rotor type (see, for example, Patent Document 1), and (d) and (e) are known examples of the annular rotor type (for example, Patent Document 2). In the figure, (a) and (d) are longitudinal sectional front views, and (b), (c) and (e) are developed perspective views of built-in components.
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。
When the portions that are the premise of the implementation and description of the present invention are scratched and reprinted, the
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。
The electrodes (multiple electrodes) of the
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の下面で円状に列なるロータ駆動用電極37と、下側底部材22の上面で円状に列なるロータ駆動用電極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。
In addition, among the plurality of electrodes, the rotation driving electrode includes a
Also in the displacement detection electrode, the
In the figure, the electrodes provided on the
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17(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17(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。
Furthermore, with respect to the ring rotor type gyro mechanism that is relatively simple and clear (see FIGS. 17D and 17E), the specific roles of the
[従来の技術]
図18(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、本発明の実施例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。
[Conventional technology]
FIG. 18A illustrates an electronic circuit that is connected to the plurality of
This electronic circuit includes a control arithmetic circuit 53 (control circuit) that constitutes a constraint control system together with the
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。
The control
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。
The
Unlike the
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。
In order to detect the relative displacement between the
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。
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 discriminated based on a well-known relational expression. The displacement detection application signals f1 to f12 are applied not to the
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18(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。
In the annular rotor type, there are six opposing pairs of electrostatic support electrodes. Of these, the electrode pairs 31 and 41 will be described in detail (see FIG. 18B). The control voltage V1 is a positive voltage + V1 and a negative voltage -V1. Are generated in pairs, and the positive voltage + V1 is applied to the
一方、電流検出回路51は(図18(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。
On the other hand, the current detection circuit 51 (see FIG. 18A) is not connected to the
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18(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。
Here, referring to the input circuit of the displacement detection detection signal Vp in the control arithmetic circuit 53 (see FIG. 18C), the displacement detection detection signal Vp and the sine are connected to the subordinate connection circuit of the synchronous detector and the band pass filter. For example, the X-direction displacement ΔX is detected by inputting the wave signal w1 and extracting the component of the sine wave signal w1 from the detection signal Vp for displacement detection. The same applies to the other displacements ΔY, ΔZ, Δφ, Δθ.
The signal detection circuit detects the relative displacements ΔX, ΔY, ΔZ, Δφ, Δθ and the rotation state based on the capacitance changes of the
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。
Although illustration is omitted, implementation of such a gyro apparatus will also be described. An electrostatic levitation type gyro apparatus including an electronic circuit and a gyro mechanism as described above is mounted on a printed circuit board or the like to establish an electrical connection. In this case, the printed circuit board on which the
[解決課題の説明に役立つ未公開の先行技術]
[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)。
[Undisclosed prior art useful for explaining solution issues]
[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, when the miniaturization of the electrostatic levitation type gyro device advances. Specifically, when the diameter of the
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18(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。
Further, regarding the 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), and the main points thereof will be described.
In the conventional signal detection circuit described above, since the displacement detection application signals f1 to f12 are superimposed on the control voltages V1, V12, etc., the sum of both voltages does not exceed the power supply voltage Vcc of the
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18(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。 However, increasing the amplitude voltage Vf under the predetermined power supply voltage Vcc is accompanied by a decrease in the maximum voltage of the control voltage V1, so that the balance of allocation to both is undesirably broken (see FIG. 18 (e)). ). The same applies to other displacement detection application 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 under the same power supply voltage without sacrificing the control voltage. An improved solution to meet such a demand is achieved by reversing the flow of the displacement detection signal from the conventional one so that the superposition of the control voltage and the displacement detection signal is performed by the voltage significant signal and the current significant 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 decreased, an appropriate level of displacement detection detection signal can be easily obtained. As a result, an electrostatic levitation gyro signal detection circuit suitable for miniaturization can be realized.
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。
Since many of the technical matters described in these unpublished
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。
This gyro device 70 (see FIG. 1) is provided with a sealable device package (vacuum container) consisting of a cap 71 (lid) and a box 72 (box, can). Are a gyro mechanism part composed of the
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。
The
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。
The
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。
The gyro mechanism section may be a vacuum-sealed storage space of the
The
IC77,78は、電子回路が上述した図18(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。
The
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。
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 which an applied signal generating circuit 61 (applied signal supply circuit) is replaced with the
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。
The applied
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。
The displacement detection applied signal V0 generated by such a constant current circuit pair and the switch circuit is directly connected to the displacement detection electrode via an
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。
The current detection circuit 64 (see FIG. 2A) is a set of twelve or twelve sets for sending control voltages V1, V12, etc. for posture control from the control
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。
The
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。
The calculation contents of the control
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i7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。
The six A /
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。
The calculation content of the
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。
Among such electronic circuits, the
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。 The use mode and operation of the electrostatic levitation gyro apparatus 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. Also here, the mounting mode of the mechanism part will be described first, and then the operation of the electronic circuit will be described.
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。
In order to mount the
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。
Then, the
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。
As is apparent from the above description, the
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41aに印加される。
Next, the operation of the electronic circuit will be described (see FIG. 4A). For the sake of clarity and comparison with the conventional example, the electrode pairs 31 and 41 of the six pairs of electrostatic rotor support electrodes of the annular rotor type will be described. The application state of the control voltage will be described in detail. The control voltage V1 is also divided into a pair of a positive voltage V1b and a negative voltage V1a, the positive voltage V1b is applied to the
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。
And (see FIG. 4 (b)), a constant offset voltage applied to the
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。
That is, (see FIG. 4C), the applied
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。
On the other hand, the displacement detection applied current i0 (see FIG. 4 (d)) as well as the displacement detection applied voltage signal V0 are controlled through the
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。
And (see FIG. 4 (f) and FIG. 3 (a)), the current signal (i1-i12) reflecting the X-direction displacement ΔX at the timing of the clock CLKb that is synchronized with the clock CLKa but out of phase. A similar signal is quantized by the A /
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。
As is clear from the above description, in the signal detection circuit of the electrostatic levitation type 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 expanded to near the power supply voltage Vcc of the
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。
In addition to the technical matters described in these unpublished
As described above, even if the gyro mechanism or electronic circuit is incorporated into the vacuum package in order to reduce the size in consideration of the mounting situation, or even if the electrode capacity decreases due to the downsizing of the gyro mechanism, the detection signal for detecting the displacement at an appropriate level Thus, the flow of the displacement detection signal is reversed from that of the prior art to reduce the size of the electrostatic levitation gyro device, and the application range of the electrostatic levitation gyro device is expanded. However, just because miniaturization has become possible, not everything is replaced with a smaller one.
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。
In the case of an electrostatic levitation type gyro apparatus that utilizes the inertia by rotating the gyro rotor, the detection accuracy cannot be avoided depending on the size of the gyro rotor. Various voltages are adopted 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, usable electronic parts are limited or expensive. In particular, when a semiconductor component that operates at a high speed such as 1 MHz and requires a wide dynamic range such as a current mirror of the
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。
In that case, the conventional technique of superimposing the displacement detection application signal directly on the control voltage is continuously used.
However, the method of detecting the signal component related to the displacement detection application signal in the output stage circuit of the control voltage by reversing the flow of the displacement detection signal from that of the prior art requires almost no sacrifice of the control voltage. In addition, there are many advantages over the prior art in that the level of the displacement detection application signal can be set almost freely without being restricted by the control voltage.
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。 Accordingly, a signal detection circuit having a new configuration different from any of the above 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. The main point is that when a displacement detection signal is applied to the displacement detection electrode and the detection is performed closer to the control circuit than the control electrode, a reverse-phase control voltage is applied to the adjacent control electrode and an in-phase displacement detection is performed. An electrostatic levitation type gyro apparatus in which the flow of the displacement detection signal is reversed from that of the prior art by performing signal detection by extracting the in-phase component based on the transmission of the applied signal. The thing was able to be realized. In addition, further contrivance has been added so that the influence of the power supply voltage and the control voltage does not reach the detection signal generation circuit as much as possible. For example, when detecting the flow of the displacement detection signal by reversing the conventional flow, the voltage such as the control voltage The common-mode detection circuit can be implemented with a passive element so that the restriction by level becomes loose.
かかる静電浮上型ジャイロ装置の信号検出回路についても、図面を引用して具体的な構成を説明する。図5(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6(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。
相違点を述べると、図5,図6に示した信号検出回路が上述した図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。
A specific configuration of the signal detection circuit of the electrostatic levitation gyro apparatus will be described with reference to the drawings. 5A is an overall circuit diagram including a signal detection circuit, FIG. 5B is a displacement detection application signal generation circuit, FIG. 5C is a detection signal generation circuit, and FIG. 6A is a control. It is a detailed view of a voltage application part and a detection signal generation circuit.
When the difference is described, the signal detection circuit shown in FIGS. 5 and 6 is different from that shown in FIGS. 2 to 4 in that the applied
印加信号発生回路90は(図5(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。
The applied signal generation circuit 90 (see FIG. 5B), like the applied
同相検出回路91は、制御出力回路54毎に設けられ(図5(a)参照)、それぞれ(図5(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5(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。
The common-
The
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。
On the premise of this, the common-
具体的な回路構成例を挙げると(図6(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。
As a specific circuit configuration example (see FIG. 6A), the midpoint
このような静電浮上型ジャイロ装置の信号検出回路についても、その使用態様及び動作を、図面を引用して説明する。図6(b)〜(e)は何れも信号波形例である。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6(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。
The use mode and operation of the signal detection circuit of such an electrostatic levitation gyro apparatus will be described with reference to the drawings. 6B to 6E are examples of signal waveforms. Here again, the
Then (see FIG. 6B), the offset voltage Vof applied to the
The negative phase control voltage V1, that is, the negative voltage V1a and the positive voltage V1b are also sent from the
すなわち(図6(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6(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。
That is, (see FIG. 6C), the applied
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,31b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6(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6(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。
Since the applied voltage signal V0 for displacement detection is transmitted in phase to the adjacent
そして(図6(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DSP67によって回転駆動のための公知の演算が行われる。
Then (see FIGS. 6 (e) and 6 (a)), the detection signal m1 reflecting the X-direction displacement ΔX at the timing of the clock CLKb synchronized with the clock CLKa but shifted in phase, and the electrostatic support electrode The detection signal m12 obtained in the same manner from the 41 side is appropriately amplified and then quantized by the A /
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。
The capacitance of the capacitor C and the resistance value of the resistor R are the main components of the control voltage V1 in consideration of the capacitance between the
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。
Thus, the control voltage V1 is appropriately applied to the
Thus, the rotor attitude control is appropriately performed. Similarly, rotor rotation driving with a fundamental frequency of at most several hundred Hz is also appropriately performed.
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。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。
As is clear from the above description, in the signal detection circuit of the electrostatic levitation type 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 expanded to near the power supply voltage Vcc of the
[発明が解決しようとする技術的な課題]
このように、静電浮上型ジャイロ装置に関して、機構の多様化(特許文献1,2参照)、実装態様の改善(先行特許出願1参照)、信号検出回路の改良(先行特許出願2,3参照)など、幾つかの改良が図られているが、制御出力回路54は、従来のまま、アナログ回路が用いられている。その典型的な構成では、例えば静電支持用電極31(即ち隣接電極31a,31b)に印加する制御電圧V1(即ち正負の電圧V1a,V1b)を出力する典型的な構成では(図7(a)参照)、正電源(+Vcc)で動作して正電圧V1bを生成する非反転アンプ(Amp,信号増幅器)と、信号レベルを正から負に移すレベルシフタ(レベル変換回路)と、負電源(−Vcc)で動作して負電圧V1aを生成する反転アンプ(Amp、信号増幅器)とが、制御出力回路54毎に要る。また、いずれのアンプにも、上述したように、オフセット電圧Vofを設定するための回路が、付設されている。
[Technical problem to be solved by the invention]
As described above, regarding the electrostatic levitation type gyro device, diversification of mechanisms (refer to
そして、コンデンサ構造の静電支持用電極31に働く静電引力F(静電支持力)が、静電支持用電極31に印加された制御電圧V1に対して、非線形な関係(二次式、二次関数)になっていることから(図7(b)参照)、制御の安定を図るため、オフセット電圧Vofを中心にした所定範囲に即ち近似的に線形関係を満たすとみなせる範囲にX軸制御電圧成分Vxを限定しているので、電源電圧Vccの全範囲を制御電圧に有効利用することができない。他の制御電圧V12等についても、アナログの制御出力回路54にて生成されるものは、同じである。
The electrostatic attractive force F (electrostatic support force) acting on the
これに対する改善案としてパルス幅変調方式の採用が考えられる。例えば(図7(c)参照)、制御演算回路63の生成信号をパルス幅変調回路(PWM)でパルス幅変調してオンオフ信号(二値信号)にし、それを制御信号として切り替わるスイッチ回路SWb(切換回路)にてオン時には正の電源電圧+Vccを選択しオフ時には接地電圧(0V,基準電圧)を選択して正電圧V1bを生成するとともに、同じオンオフ信号を制御信号として切り替わるもう一つのスイッチ回路SWa(切換回路)にてオン時には負の電源電圧−Vccを選択しオフ時には接地電圧(0V,基準電圧)を選択して負電圧V1aを生成するのである。
As an improvement plan for this, it is conceivable to adopt a pulse width modulation method. For example (see FIG. 7 (c)), the switch circuit SWb (see FIG. 7C) generates a signal generated by the control
これにより、静電支持用電極31に働く静電引力Fと、静電支持用電極31に印加された制御電圧V1のパルス幅変調率(%)とが、全範囲で(0〜100%)線形な関係(比例式、一次関数)になることから(図7(d)参照)、制御電圧成分の可変範囲(Vx相当)を限定する必要がなくなるので、電源電圧Vccの全範囲を制御電圧V1に有効利用することができる。他の制御電圧V12等についても、制御出力回路をPWM化(パルス幅変調方式化)することにより、同様の効果が得られる。すなわち、電源電圧Vccを無駄なく利用して制御能力を向上させることができる。また、PWM化の一般的効果である出力段回路の簡素化およびエネルギー浪費の削減という利点も得ることができる。
Thus, the electrostatic attractive force F acting on the
しかしながら、このような制御電圧のPWM化には不所望なスイッチングノイズを誘発するという副作用もある。具体的には(図7(e)〜(g)参照)、印加信号発生回路61からスイッチングにて生成される変位検出用印加電流i0(図7(e)参照)や,印加信号発生回路90でクロックを増幅して生成される変位検出用印加信号V0(図7(e)参照)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を経てから、パルス幅変調にて生成される制御電圧V1(図7(f)参照)に重畳し、そこで電流検出や中点電圧検出が行われて、変位検出用検出電流i1や変位検出用検出信号m1が生成されるため、それらの変位検出用検出信号i1,m1に大きなスイッチングノイズが重畳してしまうのである。
However, there is a side effect of inducing undesired switching noise in such control voltage PWM. More specifically (see FIGS. 7E to 7G), the displacement detection applied current i0 (see FIG. 7E) generated by switching from the applied
このため、検出信号i1,m1のサンプリングタイミング(信号入力タイミング)が運悪くスイッチングノイズに一致すると、検出精度が落ちて、制御性能が低下してしまう。
そこで、制御電圧をほとんど犠牲にしないで変位検出ができ更に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といった利点を維持すべく、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、更に、電源電圧Vccを無駄なく利用して制御能力を向上させるという利点も得るべく、制御電圧のPWM化も図ったうえで、検出信号に誘発されるスイッチングノイズによる悪影響が解消されるよう、信号検出回路や制御回路の構成に工夫を凝らすことが技術的な課題となる。
For this reason, if the sampling timing (signal input timing) of the detection signals i1 and m1 is unlucky and coincides with the switching noise, the detection accuracy is lowered and the control performance is lowered.
Therefore, in order to maintain the advantage that displacement can be detected almost without sacrificing the control voltage, and the level of the applied signal for displacement detection can be set almost freely without being restricted by the control voltage, displacement detection is performed on the displacement detection electrode. The control voltage is converted to PWM to obtain the advantage of improving the control capability by using the power supply voltage Vcc without waste, on the premise of adopting a method for detecting a signal closer to the control circuit than the control electrode. In addition, it becomes a technical problem to devise the configuration of the signal detection circuit and the control circuit so that the adverse effect due to the switching noise induced by the detection signal is eliminated.
本発明の静電浮上型ジャイロ装置は(解決手段1)、このような課題を解決するために創案されたものであり、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、前記制御回路における前記制御電圧の出力段回路に対応して分散して設けられており、前記制御回路が、前記制御電圧の生成に際してパルス幅変調を行い且つそのパルス幅変調に際してパルス端を前記変位検出用印加信号の急変点に同期させるものであることを特徴とする。 The electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention (Solution 1) was devised to solve such a problem, and a gyro case incorporating a gyro rotor so as to be capable of electrostatic levitation and rotation, and the gyro case A control circuit for generating and applying control voltages for attitude control and rotation drive of the gyro rotor to the electrostatic support electrode and the rotation drive electrode among the plurality of electrodes formed on the substrate, and the gyro rotor, An applied signal supply circuit for applying a displacement detection application signal for detecting a relative displacement with the gyro case to a part of the plurality of electrodes, and a displacement detection electrode to which the control voltage is not applied among the plurality of electrodes. A detection signal generation circuit that detects a signal component related to the displacement detection application signal through a position, generates a displacement detection detection signal, and sends the detection signal to the control circuit In the electrostatic levitation gyro apparatus, the application signal supply circuit applies the displacement detection application signal to the displacement detection electrode, and the detection signal generation circuit controls the control in the control circuit. The control circuit performs pulse width modulation when generating the control voltage, and the pulse end is changed suddenly in the displacement detection application signal. It is characterized by being synchronized with a point.
ここで、上記の「急変点」は、信号波形が急変するタイミングという意味であり、「急変」には、不連続な変化の他、鋭角であれ鈍角であれ波形に角の認められる曲折変化も該当する。例えば、パルス信号であればパルス端すなわちパルスの始点や終点が急変点であり、矩形波であれば縦線の発現する時点が急変点であり、三角波であれば上下に交互発現する折れ点が急変点である。 Here, the above-mentioned “sudden change point” means the timing at which the signal waveform suddenly changes. “Sudden change” includes not only a discontinuous change but also a bend change in which an angle is recognized in the waveform whether it is an acute angle or an obtuse angle. Applicable. For example, if it is a pulse signal, the pulse end, that is, the start point and end point of the pulse is a sudden change point, if it is a rectangular wave, the point at which the vertical line appears is a sudden change point, and if it is a triangular wave, there are break points that appear alternately above and below. It is a sudden change point.
また、本発明の静電浮上型ジャイロ装置は(解決手段2)、解決手段1の静電浮上型ジャイロ装置であって、前記検出信号生成回路が、前記出力段回路に分散して付設された複数の電流検出回路を具有しており、前記電流検出回路は、それぞれ、付設先の出力段回路の出力電流について前記変位検出用印加信号に係る信号成分の検出を行うものであることを特徴とする。 Further, the electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention (Solution means 2) is the electrostatic levitation type gyro apparatus of Solution means 1, wherein the detection signal generation circuit is distributed and attached to the output stage circuit. A plurality of current detection circuits are provided, and each of the current detection circuits detects a signal component related to the displacement detection application signal with respect to an output current of an output stage circuit as an attachment destination. To do.
さらに、本発明の静電浮上型ジャイロ装置は(解決手段3)、解決手段1の静電浮上型ジャイロ装置であって、前記出力段回路が、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逆相のものを生成して前記複数電極のうち隣り合うもの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逆相出力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ものであることを特徴とする。 Furthermore, the electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention (Solution means 3) is the electrostatic levitation type gyro apparatus of Solution means 1, wherein the output stage circuit relates to at least one of the control voltages for posture control. Is to generate a reverse phase and apply it to the adjacent one of the plurality of electrodes, and the detection signal generation circuit has a plurality of in-phase detection circuits attached to the output side of each of the output stage circuits. The common-mode detection circuit detects the signal component related to the displacement detection application signal by extracting the common-phase component from the reverse-phase output of the output stage circuit of the attachment destination. And
このような本発明の静電浮上型ジャイロ装置にあっては(解決手段1)、印加信号供給回路と検出信号生成回路と接続先を入れ替えて、変位検出用印加信号が変位検出用電極に印加されるとともに、変位検出用検出信号の生成に用いられる信号成分の検出が制御回路における制御電圧の出力段回路のところで分散して行われる。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手法を採用したことにより、制御電圧をほとんど犠牲にしないで変位検出を行うことができるうえ、変位検出用印加信号のレベル設定も制御電圧の制約を受けずにほぼ自由に行うことができる。 In such an electrostatic levitation gyro device of the present invention (Solution 1), the application signal supply circuit, the detection signal generation circuit, and the connection destination are switched, and the displacement detection application signal is applied to the displacement detection electrode. At the same time, detection of the signal component used for generating the displacement detection detection signal is performed in a distributed manner at the output stage circuit of the control voltage in the control circuit. In this way, by adopting a technique for applying a displacement detection signal to the displacement detection electrode and performing detection closer to the control circuit than the control electrode, displacement detection can be performed with almost no sacrificing control voltage. The level of the displacement detection application signal can be set almost freely without being restricted by the control voltage.
また、制御回路で生成される制御電圧がパルス幅変調されるようにもしたことにより、電源電圧を無駄なく利用して制御能力を向上させることができるうえ、出力段回路が簡素化でき、エネルギー浪費も削減することができる。
さらに、そのパルス幅変調に際してパルス端を変位検出用印加信号の急変点に同期させるようにもしたことにより、制御電圧のパルス端が変位検出用印加信号の急変点に重なるか重なっているとみなせる程度に接近することから、制御電圧のPWM化によって変位検出用検出信号に誘発されるスイッチングノイズが変位検出用印加信号の急変点のところに限定される。
In addition, since the control voltage generated by the control circuit is also pulse-width modulated, the power supply voltage can be used without waste to improve the control capability, and the output stage circuit can be simplified, and the energy Waste can also be reduced.
Further, by synchronizing the pulse end with the sudden change point of the displacement detection application signal during the pulse width modulation, the pulse end of the control voltage can be regarded as overlapping or overlapping with the sudden change point of the displacement detection application signal. Therefore, the switching noise induced in the detection signal for displacement detection due to the PWM control voltage is limited to the sudden change point of the applied signal for displacement detection.
変位検出用印加信号に急変点が存在する場合、それに起因して変位検出用検出信号に過渡的な遷移状態が発現することが多いが、そのような遷移状態を変位検出に用いるのは好ましくないので、それ以外の安定状態のタイミングでサンプリングする等のことで、一般に、遷移状態の利用は回避される。そして、そのような遷移状態の利用回避が信号検出回路で行われていれば、それに随伴して、変位検出用印加信号の急変点のところに限定して発現する上述のスイッチングノイズも変位検出への利用から外される。 When there is a sudden change point in the displacement detection application signal, a transitional transition state often appears in the displacement detection detection signal, but it is not preferable to use such a transition state for displacement detection. Therefore, the use of transition states is generally avoided by sampling at other stable state timings. If the use of such a transition state is avoided in the signal detection circuit, the switching noise that appears only at the sudden change point of the displacement detection applied signal is also accompanied by the displacement detection. Removed from use.
したがって、この発明によれば、信号検出回路が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改良され、制御回路が電源電圧を無駄なく利用して制御能力を高めるよう改良され、しかも両改良が互いを損なわずに長所が兼備されている静電浮上型ジャイロ装置を実現することができる。 Therefore, according to the present invention, the signal detection circuit is improved so as to increase the amplitude voltage of the displacement detection applied signal without sacrificing the control voltage, and the control circuit uses the power supply voltage without waste to enhance the control capability. It is possible to realize an electrostatic levitation type gyro apparatus which is improved and has both advantages without damaging each other.
また、本発明の静電浮上型ジャイロ装置にあっては(解決手段2)、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信号検出を行うに際して、分散設置した電流検出回路が用いられるようにもしたことにより、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。
したがって、この発明によれば、信号検出回路が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改良され、制御回路が電源電圧を無駄なく利用して制御能力を高めるよう改良され、しかも両改良が互いを損なわずに長所が兼備されている静電浮上型ジャイロ装置であって、小形化にも適う静電浮上型ジャイロ装置を実現することができる。
Further, in the electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention (Solution means 2), when the signal detection is performed in the output stage circuit of the control voltage by reversing the flow of the displacement detection signal from the conventional one, it is installed in a distributed manner. Since the current detection circuit is also used, a detection signal for displacement detection at an appropriate level can be easily obtained even if the electrode capacitance is reduced.
Therefore, according to the present invention, the signal detection circuit is improved so as to increase the amplitude voltage of the displacement detection applied signal without sacrificing the control voltage, and the control circuit uses the power supply voltage without waste to enhance the control capability. It is an electrostatic levitation type gyro apparatus which is improved, and both improvements have the advantages without impairing each other, and an electrostatic levitation type gyro apparatus suitable for miniaturization can be realized.
さらに、本発明の静電浮上型ジャイロ装置にあっては(解決手段3)、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信号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、変位検出のための信号検出が同相成分の抽出にて行われる。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でき、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できる。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。 Further, in the electrostatic levitation gyro apparatus of the present invention (solution 3), when detecting the signal at the output stage circuit of the control voltage by reversing the flow of the displacement detection signal from the conventional one, the adjacent control is performed. Based on the fact that the control voltage having the opposite phase is applied to the electrodes and the application signal for detecting the in-phase displacement is transmitted, the signal detection for detecting the displacement is performed by extracting the in-phase component. The extraction of the in-phase component can be realized by using a low-voltage electronic component that has a high withstand voltage and high responsiveness, such as a passive element, and can be performed by, for example, a method of adding signals or dividing a signal. As a result of such extraction, the detection signal for displacement detection is separated from the control voltage and becomes a single signal. Therefore, high voltage resistance performance like the output stage circuit of the control circuit is no longer required for the subsequent processing. Not.
したがって、この発明によれば、信号検出回路が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改良され、制御回路が電源電圧を無駄なく利用して制御能力を高めるよう改良され、しかも両改良が互いを損なわずに長所が兼備されている静電浮上型ジャイロ装置であって、小形化にも適うがそれに限らず有用な静電浮上型ジャイロ装置を実現することができる。 Therefore, according to the present invention, the signal detection circuit is improved so as to increase the amplitude voltage of the displacement detection applied signal without sacrificing the control voltage, and the control circuit uses the power supply voltage without waste to enhance the control capability. An electrostatic levitation type gyro device which is improved and has both advantages without damaging each other, and can be used for a small size, but not limited thereto, and to realize a useful electrostatic levitation type gyro device. it can.
このような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、以下の実施例1〜3により説明する。
図8〜図11に示した実施例1は、上述した解決手段1,3(出願当初の請求項1,3)を具現化したものであり、図12〜図15に示した実施例2は、上述した解決手段1,2(出願当初の請求項1,2)を具現化したものであり、図16に示した実施例3は、それらの変形例である。
About the electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention as described above, specific modes for carrying out this will be described with reference to the following first to third embodiments.
The first embodiment shown in FIGS. 8 to 11 embodies the above-described solving means 1 and 3 (
なお、それらの図示に際し、背景技術の欄における前提の技術の欄や,背景技術の欄における従来の技術の欄,発明が解決しようとする課題の欄における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、背景技術の欄における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。
In addition, in the illustrations, reference was made in the column of the premise technology in the column of background technology, the column of conventional technology in the column of background technology, and the column of undisclosed prior art in the column of problems to be solved by the invention. Since the same reference numerals are given to the same constituent elements as the constituent elements, the gyro mechanism described in the premise technique column in the background art section is also used as it is in the following embodiments. The repeated description will be omitted, and the following description will focus on differences from known prior art and undisclosed prior art.
Also here, for the sake of clear contrast and the like, a specific example of the electronic circuit unit corresponding to the annular rotor type gyro is taken.
本発明の静電浮上型ジャイロ装置の実施例1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8は、(a)が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9は、(a)が、制御回路と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。さらに、図10は、(a)が制御電圧印加部分の詳細図、(b)が制御出力回路の詳細図である。 A specific configuration of the electrostatic levitation gyro apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 8A is a plan view with the lid removed, and FIG. 8B is a longitudinal front view. 9A is an entire circuit diagram including a control circuit and a signal detection circuit, FIG. 9B is a displacement detection application signal generation circuit, and FIG. 9C is a detection signal generation circuit. 10A is a detailed view of a control voltage application portion, and FIG. 10B is a detailed view of a control output circuit.
この静電浮上型ジャイロ装置(図8〜図11参照)が既述の先行特許出願1,3記載例(図1,図5,図6参照)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8)と、制御回路に関する改良点(図5,図6→図9〜図11)である。なお、ジャイロ機構部や信号検出回路は既述したのと同じである(図17参照、図5,図6参照)。
以下、相違点を順に詳述する。
This electrostatic levitation type gyro device (see FIGS. 8 to 11) is different from the examples described in the
Hereinafter, the differences will be described in detail.
先ずパッケージング手法に関して改良点を説明する。図8に示した静電浮上型ジャイロ装置97は、既述した図1記載のものを更に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。
First, improvements regarding the packaging method will be described. The electrostatic levitation
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。
Further, the
次に、制御回路に関して相違点を述べると、制御電圧V1〜V12の生成に際してパルス幅変調を行うために、ロータ制御回路62が一部改造されてロータ制御回路102になり、制御演算回路63が一部改造されて制御演算回路103になり、制御出力回路54がそれぞれ制御出力回路104になっている(図9参照)。
ロータ制御回路102及び制御演算回路103における信号入力や演算内容はロータ制御回路62及び制御演算回路63と同じであり、ロータ制御回路102及び制御演算回路103がロータ制御回路62及び制御演算回路63と相違するのは、制御出力回路54へアナログ信号を送出していた部分だけである。具体的には(図10(b)の破線部分を参照)、公知の演算にて得たデジタル値を、アナログ信号に変換することなく、デジタル演算にてPWM変調率(パルス幅変調率)に換算して、デジタル値のまま制御出力回路104へ送出するようになっている。
Next, regarding differences in the control circuit, in order to perform pulse width modulation when generating the control voltages V1 to V12, the
The signal input and calculation contents in the
制御出力回路104は(図10(b)参照)、それぞれ、デジタル回路からなりPWM変調率を論理信号レベルのパルス幅変調信号Spwm に変換するパルス幅変調回路105〜107と、スイッチ回路からなり論理信号レベルのパルス幅変調信号Spwm を電圧Vccレベルでパルス幅変調信号対Vpwm (+Vpwm ,−Vpwm )に変換する出力段回路108とを具えている。
D/A変換回路やアナログのアンプは無い。
The control output circuit 104 (see FIG. 10 (b)) is composed of digital circuits, each of which includes a pulse
There is no D / A conversion circuit or analog amplifier.
パルス幅変調回路105〜107には、制御演算回路103から受け取ったPWM変調率を保持するラッチ105と、クロックCLKaの立ち上がり又は立ち下がりでカウント値を進めて鋸歯状に変化させるN進カウンタ106と、そのカウント値をN進カウンタ106から受けPWM変調率をラッチ105から受けカウント値とPWM変調率との大小比較を行って二値のパルス幅変調信号Spwm (オンオフ信号)を生成するコンパレータ107とが設けられている。コンパレータ107から出力されるパルス幅変調信号Spwm のパルス端がクロックCLKaの立ち上がり又は立ち下がりに一致するよう、ラッチ105もN進カウンタ106と同様にクロックCLKaの立ち上がり又は立ち下がりでラッチ動作を行うようになっている。PWM変調を100%利用するときには、PWM変調率の最大値がN進カウンタ106のNに一致するよう、制御演算回路103で換算が行われる。Nの具体値としては、“2”のべきじょうであり6ビットで表される“64”や,8ビットで表される“256”などが、使いやすいが、他の値であっても良い。
The pulse
出力段回路108には、パルス幅変調信号Spwm を制御信号として切り替わる二入力一出力のスイッチ回路SWa,SWb(切換回路)が設けられている。スイッチ回路SWbは、パルス幅変調信号Spwm がオン状態の時には正の電源電圧+Vccを選択し、オフ状態の時には接地電圧(0V,基準電圧)を選択して、パルス幅変調信号+Vpwm を生成するようになっている。パルス幅変調信号+Vpwm は、例えば制御電圧V1の正電圧+V1に相当するものであり、平滑化すれば波形が正電圧+V1に良く近似した略相似形になるが、振幅は0V〜+Vccの範囲に広がり大きくなっており、電流制限回路93を介し正電圧V1bとして静電支持用電極31bに印加されるようになっている。
The
スイッチ回路SWaは、パルス幅変調信号Spwm がオン状態の時には負の電源電圧−Vccを選択し、オフ状態の時には接地電圧(0V,基準電圧)を選択して、パルス幅変調信号+Vpwm に対して反転した波形を持つパルス幅変調信号−Vpwm を生成するようになっている。パルス幅変調信号−Vpwm は、例えば制御電圧V1の負電圧−V1に相当するものであり、平滑化すれば波形が負電圧−V1に良く近似した略相似形になるが、振幅は0V〜−Vccの範囲に広がり大きくなっており、電流制限回路93を介し負電圧V1aとして静電支持用電極31aに印加されるようになっている。
The switch circuit SWa selects the negative power supply voltage -Vcc when the pulse width modulation signal Spwm is on, and selects the ground voltage (0 V, reference voltage) when the pulse width modulation signal Spwm is off, and selects the ground voltage (0 V, reference voltage) with respect to the pulse width modulation signal + Vpwm. A pulse width modulation signal -Vpwm having an inverted waveform is generated. The pulse width modulation signal -Vpwm corresponds to, for example, the negative voltage -V1 of the control voltage V1, and when smoothed, the waveform becomes a substantially similar shape that closely approximates the negative voltage -V1, but the amplitude ranges from 0V to- The voltage spreads over a range of Vcc and is applied to the
このようなスイッチ回路SWa,SWbは、例えばMOSFETのスイッチングトランジスタを組み合わせる等のことで容易に具現され、上述したように静電支持用電極31対応の制御出力回路104からは互いに逆相の関係にあるパルス幅変調信号+Vpwm ,−Vpwm が生成されて正のパルス幅変調信号+Vpwm が静電支持用電極31bに印加され負のパルス幅変調信号−Vpwm が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。他の制御電極32〜37,42〜47それぞれについても同様である。
Such switch circuits SWa and SWb are easily realized by combining, for example, MOSFET switching transistors, and have a phase relationship with each other from the
一方、信号検出回路は、既述の先行特許出願3に記載されたものと同じである(図5,6参照)。すなわち(図9(b),(c),図10参照)、変位検出用印加信号V0を変位検出用電極38,48に印加する印加信号発生回路90が、クロックCLKaを増幅して矩形波電圧の変位検出用印加信号V0を生成するようになっており、検出信号生成回路が、制御回路102,103における制御電圧V1,V12等の制御出力回路104の出力段回路108に対応して分散して設けられている。詳述すると、検出信号生成回路が、出力段回路108それぞれの出力側に付設された複数の同相検出回路91を具有しており、同相検出回路91は、それぞれ、付設先の出力段回路108の逆相出力から同相成分を抽出することにより変位検出用印加信号V0に係る信号成分の検出を行うようになっている。
On the other hand, the signal detection circuit is the same as that described in the aforementioned prior patent application 3 (see FIGS. 5 and 6). That is, (see FIGS. 9B, 9C, and 10), the applied
このようにクロックCLKaを増幅して生成された変位検出用印加信号V0は、その急変点である矩形波の立ち上がり及び立ち下がりタイミングがクロックCLKaの立ち上がり及び立ち下がりタイミングに一致する。また、同じクロックCLKaに基づきクロック同期式の回路で生成されたパルス幅変調信号Spwm ,Vpwm は、上述したようにパルス端がクロックCLKaの立ち上がり又は立ち下がりタイミングに一致する。そのため、この制御回路は、パルス幅変調に際してパルス端を変位検出用印加信号の急変点に同期させるものとなっている。なお、制御電圧の有効周波数が数十kHz程度なので、パルス幅変調信号Vpwm の周波数をそれより高い例えば数MHz(1〜5MHz)程度にするため、クロックCLKaの周波数はそれより高い例えば数十MHz(10〜50MHz)程度にされる。 In the displacement detection application signal V0 generated by amplifying the clock CLKa in this way, the rising and falling timings of the rectangular wave, which is the sudden change point, coincide with the rising and falling timings of the clock CLKa. Further, as described above, the pulse width modulation signals Spwm and Vpwm generated by the clock synchronous circuit based on the same clock CLKa have the pulse ends coincident with the rising or falling timing of the clock CLKa. Therefore, this control circuit synchronizes the pulse end with the sudden change point of the displacement detection application signal during the pulse width modulation. Since the effective frequency of the control voltage is about several tens of kHz, the frequency of the pulse width modulation signal Vpwm is set to a higher frequency, for example, about several MHz (1 to 5 MHz). (10 to 50 MHz).
この実施例1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11は、(a)〜(g)いずれも信号波形例である。 The use mode and operation of the electrostatic levitation gyro apparatus according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. 11A to 11G are signal waveform examples.
ここでも、既述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について、制御電圧V1の印加状況を詳述する。制御電圧V1が正電圧V1bと逆相の負電圧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に印加されるのは、既述した通りなので、電極対31のうち静電支持用電極31bに印加される正電圧V1bに関して図示の波形例を参照しながら詳述する。図示は割愛したが、負電圧V1aは逆相関係を除けば同様であり、繰り返しとなる説明は割愛するが他の制御電圧も同様である。
Here, in order to clarify the comparison with the above-described example, the application state of the control voltage V1 will be described in detail for the
正電圧V1bは、アナログ信号であれば既述したように一定のオフセット電圧Vofに姿勢制御のためのX軸制御電圧成分Vxを加えたもの+Vof+Vxを主成分にしているので電圧Vccより小さな振幅で滑らかに且つ穏やかに変化するが(図11(a)参照)、制御出力回路104がPWM化されているので、正電圧V1bの主成分として出力段回路108から出力されるパルス幅変調信号Vpwm は(図11(b)参照)、電圧Vccの一定振幅でパルス状に且つ頻繁に変化する。振幅を変えない代わりにディーティ比を変えることで、X軸制御電圧成分の実効値を拡大している。
If the positive voltage V1b is an analog signal, the positive voltage V1b has an amplitude smaller than the voltage Vcc because the main component is + Vof + Vx obtained by adding the X-axis control voltage component Vx for posture control to the constant offset voltage Vof as described above. Although it changes smoothly and gently (see FIG. 11A), since the
パルス幅変調信号Vpwm を拡大して(図11(c)参照)、変位検出用印加信号V0と比べてみると(図11(d)参照)、変位検出用印加信号V0はパルス幅変調信号Vpwm より頻繁にオンオフ(ハイ・ロー変化、遷移)しているが、パルス幅変調信号Vpwm のオンタイミング(パルス始端、遷移タイミング)もオフタイミング(パルス終端、遷移タイミング)も、電子回路内での伝搬遅延時間などに起因する僅かなタイミングのずれを無視すれば、変位検出用印加信号V0のオンタイミングかオフタイミングかの何れか(急変点)に一致する。 When the pulse width modulation signal Vpwm is enlarged (see FIG. 11C) and compared with the displacement detection application signal V0 (see FIG. 11D), the displacement detection application signal V0 is the pulse width modulation signal Vpwm. On-off (high / low transition, transition) more frequently, but both the on-timing (pulse start and transition timing) and off-timing (pulse termination and transition timing) of the pulse width modulation signal Vpwm propagate in the electronic circuit. If a slight timing shift due to a delay time or the like is ignored, it coincides with either the on timing or the off timing (abrupt change point) of the displacement detection application signal V0.
制御電圧V1のうちの正電圧V1bの波形は、主成分のパルス幅変調信号Vpwm そのものとは多少異なり、既述した先行特許出願3と同様に印加信号発生回路90から変位検出用電極38に印加された変位検出用印加信号V0がジャイロロータ10と静電支持用電極31とを経てパルス幅変調信号Vpwm に重畳して決まる(図11(e)参照)。そして、それに対して、やはり既述の先行特許出願3と同様に、同相検出回路91による中点電圧検出が行われて、変位検出用印加信号V0に対応した波形の変位検出用検出信号m1が得られる(図11(f)参照)。
The waveform of the positive voltage V1b of the control voltage V1 is slightly different from the main component pulse width modulation signal Vpwm itself, and is applied from the application
変位検出用印加信号V0の遷移とパルス幅変調信号Vpwm の遷移とが非同期であれば上述したようにパルス幅変調信号Vpwm のスイッチングノイズが変位検出用検出信号m1に対して無秩序に重畳してしまうが(図7(g)参照)、この場合は(図11(f)参照)、変位検出用印加信号V0の遷移とパルス幅変調信号Vpwm の遷移とが同期しているので、パルス幅変調信号Vpwm のスイッチングノイズは変位検出用検出信号m1の遷移タイミングに限定される。 If the transition of the displacement detection application signal V0 and the transition of the pulse width modulation signal Vpwm are asynchronous, as described above, the switching noise of the pulse width modulation signal Vpwm is randomly superimposed on the displacement detection detection signal m1. (See FIG. 7 (g)), in this case (see FIG. 11 (f)), the transition of the displacement detection application signal V0 and the transition of the pulse width modulation signal Vpwm are synchronized. The switching noise of Vpwm is limited to the transition timing of the displacement detection detection signal m1.
そして、そのような変位検出用検出信号m1が、クロックCLKb(図11(g)参照)を利用した安定状態のタイミングで、制御演算回路103のA/D変換回路65によりサンプリングされるので、制御演算回路103に入力され制御演算に用いられる変位検出値からは、パルス幅変調のスイッチングノイズの影響が完全に排除される。
こうして、この静電浮上型ジャイロ装置にあっても、正確な変位検出が行われ、それに基づいて姿勢制御のための公知演算が適切に行われ、さらには慣性空間に対する角速度や加速度なども適切に算出される。
Then, such a displacement detection detection signal m1 is sampled by the A /
Thus, even in this electrostatic levitation type gyro device, accurate displacement detection is performed, and publicly known computations for posture control are appropriately performed based on the displacement detection. Furthermore, angular velocity and acceleration with respect to the inertial space are also appropriately performed. Calculated.
本発明の静電浮上型ジャイロ装置の実施例2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、制御回路と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である。また、図13は検出信号生成回路の詳細図であり、図14は、(a)が制御電圧印加部分の詳細図、(b)が制御出力回路の詳細図である。
この静電浮上型ジャイロ装置が上述した実施例1のものと相違するのは、制御出力回路104が制御出力回路114になった点と、印加信号供給回路が印加信号発生回路90から印加信号発生回路110になった点と、検出信号生成回路が同相検出回路91から電流検出回路64になった点である。
A specific configuration of the electrostatic levitation gyro apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 12A is an overall circuit diagram including a control circuit and a signal detection circuit, and FIG. 12B is a circuit for generating a displacement detection application signal. FIG. 13 is a detailed view of the detection signal generation circuit, FIG. 14 is a detailed view of the control voltage application portion, and FIG. 14B is a detailed view of the control output circuit.
The electrostatic levitation type gyro apparatus is different from that of the first embodiment described above in that the
既述の先行特許出願1,2記載例(図1〜図4参照)と比較すると、この静電浮上型ジャイロ装置(図12〜図15参照)が先行特許出願記載例と相違するのは、上述した実施例1と同じくパッケージング手法が改良されている点(図1→図8)と、制御回路における制御出力回路が改良されている点(図2,図4→図12〜図15)である。また、信号検出回路は、既述したのと同じで良く(図2参照)、検出信号生成回路は既述したのと概ね同様の電流検出回路64になっているが(図13参照)、印加信号供給回路が印加信号発生回路61から印加信号発生回路110になっている(図12,図14参照)。なお、ジャイロ機構部は既述したのと同じである(図17参照)。
以下、未だ説明していない印加信号発生回路110と制御出力回路114を詳述する。
Compared with the above-described examples of the
Hereinafter, the applied
印加信号発生回路110は(図12(b))は、クロックCLKcをM分周し更に波形整形して変位検出用印加信号V0とクロックCLKaとを生成するものであり、そのために(図14(b)参照)、クロックCLKaよりも周波数がM倍高いクロックCLKcを発生する発振回路と、クロックCLKcに応じてカウント値を進めるM進カウンタ111と、その鋸歯状に変化するカウント値をM進カウンタ111から受けて1ビットのクロックCLKaと複数ビットの三角波状デジタル値を出力するROM112と、そのデジタル値を入力してアナログの変位検出用印加信号V0を出力するD/A変換器113とを具えている。これにより、実施例1のと同じクロックCLKaと、既述した印加信号発生回路61によるのと同じ三角波の変位検出用印加信号V0が、デジタル回路で生成される。
The application signal generation circuit 110 (FIG. 12B) generates the displacement detection application signal V0 and the clock CLKa by dividing the clock CLKc by M and further shaping the waveform. b)), an oscillation circuit that generates a clock CLKc whose frequency is M times higher than that of the clock CLKa, an M-
制御出力回路114は(図14(b)参照)、上述した制御出力回路104をそのまま用いても良く、前段部分のパルス幅変調回路105〜107はそのままであるが、後段部分の出力段回路108が出力段回路115になっている。この出力段回路115には、パルス幅変調信号Spwm を制御信号として切り替わる二入力一出力のスイッチ回路SWa,SWbのうち正電圧V1b側のスイッチ回路SWbは残されているが、負電圧V1a側のスイッチ回路SWaは省かれている。スイッチ回路SWbがパルス幅変調信号Spwm のオン時に正の電源電圧+Vccを選択しオフ時に接地電圧0Vを選択して正電圧V1bのパルス幅変調信号+Vpwm を生成するのは、上述した出力段回路108のときと同じであるが、負電圧V1aは常に0Vにされるようになっている。他の制御電圧V12等を出力する制御出力回路114も同様である。
As the control output circuit 114 (see FIG. 14B), the
この制御出力回路114にもD/A変換回路やアナログのアンプが無いので、電流検出回路64のカレントミラー64a,64bは、制御出力回路114に対して直に接続されるのでなく、制御電圧V1の印加される正電圧V1bのラインや負電圧V1aのラインに介挿接続されている(図13参照)。
Since this
この実施例2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15は、(a)〜(g)いずれも信号波形例である。 The use mode and operation of the electrostatic levitation gyro apparatus according to the second embodiment will be described with reference to the drawings. 15A to 15G are signal waveform examples.
ここでも、既述例との対比明瞭化等のため、実施例1のときと同様、環状ロータ型の6対の静電支持用電極のうち電極対31について、制御電圧V1の印加状況を詳述する。制御電圧V1が正電圧V1bと負電圧V1aとの対に分けられて、正電圧V1bが静電支持用電極31bに印加され、負電圧V1aが隣接の静電支持用電極31aに印加されるのは、既述した通りである。もっとも、負電圧V1aは、既述例との対比上そのように呼んでいるが、負側へ変化せず0Vに維持されるので、電圧レベルでみると正電圧V1bと負電圧V1aは逆相関係に無いようにも思われる。
Here again, in order to clarify the comparison with the above-described example, as in Example 1, the application state of the control voltage V1 is detailed for the
しかし、静電支持用電極31a,31bが隣接していて、制御電圧V1の印加による両者の電荷が釣り合うので、ジャイロロータ10における両者の中間部位の電位を基準にしてみると、正電圧V1bと負電圧V1aは逆相関係を維持しており、ジャイロロータ10に対するX軸方向の静電引力が、この場合も、制御電圧V1に対応して、特にパルス幅変調信号Vpwm を主成分とする正電圧V1bに対応して、適切に生じる。そこで、電極対31のうち静電支持用電極31bに印加される正電圧V1bに関して図示の波形例を参照しながら詳述する。繰り返しとなる説明は割愛するが他の制御電圧も同様である。
However, since the
ここでも、正電圧V1bの主成分であるパルス幅変調信号Vpwm を拡大して(図15(a)参照)、変位検出用印加信号V0及び変位検出用印加電流i0と比べてみると(図15(b),(c)参照)、三角波の変位検出用印加信号V0及び矩形波の変位検出用印加電流i0はパルス幅変調信号Vpwm より頻繁に急変(曲折,反転)しているが、パルス幅変調信号Vpwm のオンタイミング(パルス始端、遷移タイミング)もオフタイミング(パルス終端、遷移タイミング)も、電子回路内での伝搬遅延時間などに起因する僅かなタイミングずれを無視すれば、変位検出用印加信号V0の曲折タイミング及び変位検出用印加電流i0の反転タイミング(急変点)に一致する。 Again, the pulse width modulation signal Vpwm, which is the main component of the positive voltage V1b, is enlarged (see FIG. 15A) and compared with the displacement detection applied signal V0 and the displacement detection applied current i0 (FIG. 15). (Refer to (b) and (c)), the triangular wave displacement detection applied signal V0 and the rectangular wave displacement detection applied current i0 change more rapidly (bend, invert) than the pulse width modulation signal Vpwm. Displacement detection application if the slight timing shift caused by the propagation delay time in the electronic circuit is ignored for both the on timing (pulse start and transition timing) and off timing (pulse end and transition timing) of the modulation signal Vpwm It coincides with the bending timing of the signal V0 and the inversion timing (abrupt change point) of the displacement detection applied current i0.
制御電圧V1のうちの正電圧V1bの波形は、既述した先行特許出願2と同様に印加信号発生回路110から変位検出用電極38に印加された変位検出用印加信号V0がジャイロロータ10と静電支持用電極31とを経てパルス幅変調信号Vpwm に重畳して決まり(図15(d)参照)、それに対してやはり既述の先行特許出願2と同様に電流検出回路64による電流検出が行われて、変位検出用印加電流i0に対応した波形の変位検出用検出電流i1が得られる(図15(e)参照)。
The waveform of the positive voltage V1b of the control voltage V1 is the same as that of the aforementioned
変位検出用印加信号V0の曲折とパルス幅変調信号Vpwm の遷移とが非同期であれば上述したようにパルス幅変調信号Vpwm のスイッチングノイズが変位検出用検出電流i1に対して無秩序に重畳してしまうが(図7(g)参照)、この場合は(図15(e)参照)、変位検出用印加信号V0の曲折とパルス幅変調信号Vpwm の遷移とが同期しているので、パルス幅変調信号Vpwm のスイッチングノイズは変位検出用検出電流i1の反転タイミングに限定される。 If the bending of the displacement detection applied signal V0 and the transition of the pulse width modulation signal Vpwm are asynchronous, the switching noise of the pulse width modulation signal Vpwm is randomly superimposed on the displacement detection detection current i1 as described above. (See FIG. 7 (g)), in this case (see FIG. 15 (e)), since the bending of the displacement detection application signal V0 and the transition of the pulse width modulation signal Vpwm are synchronized, the pulse width modulation signal The switching noise of Vpwm is limited to the inversion timing of the displacement detection detection current i1.
そして、そのような変位検出用検出電流i1が、クロックCLKb(図15(f)参照)を利用した安定状態のタイミングで、制御演算回路103のA/D変換回路65によりサンプリングされるので、制御演算回路103に入力され制御演算に用いられる変位検出値からは、パルス幅変調のスイッチングノイズの影響が完全に排除される。
こうして、この静電浮上型ジャイロ装置にあっても、正確な変位検出が行われ、それに基づいて姿勢制御のための公知演算が適切に行われ、さらには慣性空間に対する角速度や加速度なども適切に算出される。
Then, such a detection current i1 for displacement detection is sampled by the A /
Thus, even in this electrostatic levitation type gyro device, accurate displacement detection is performed, and publicly known computations for posture control are appropriately performed based on the displacement detection. Furthermore, angular velocity and acceleration with respect to the inertial space are also appropriately performed. Calculated.
図16に信号波形例と信号入力回路を示した本発明の静電浮上型ジャイロ装置が上述した実施例1,2のものと相違するのは、制御演算回路103の信号入力回路が改造されている点である。
その信号入力回路120は、アンプ等64dから出力された変位検出用検出電流i1又は中点電圧検出回路92から出力された変位検出用検出信号m1をサンプリングするに際して、その入力信号i1(m1)を複数箇所に亘って足し込んでサンプリングし、それからデジタル化するようになっている。
The electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention whose signal waveform example and signal input circuit are shown in FIG. 16 is different from those of the first and second embodiments described above because the signal input circuit of the control
When the
具体的には、切換スイッチ121を切り替えてコンデンサ122を放電させてから、切換スイッチ121を信号接続側と解放側とに切り替えて、入力信号i1(m1)に対応した電流をコンデンサ122に流し込んで足しあわせる。この電流の足し込みは、入力信号i1(m1)が正の状態で安定している一定時間に限って、且つ複数回(図では4回)に亘って、繰り返す。そして、クロックCLKbを足し込み回数で分周したクロック(図ではCLKb/4)のタイミングでコンデンサ122の蓄積電荷の電圧をA/D変換回路123にてデジタル化し、DSP66に取り込む。
Specifically, after the
それと並行して、切換スイッチ124を切り替えてコンデンサ125を放電させてから、切換スイッチ124を信号接続側と解放側とに切り替えて、入力信号i1(m1)に対応した電流をコンデンサ125に流し込んで足しあわせる。この電流の足し込みは、入力信号i1(m1)が負の状態で安定している一定時間に限って、且つ複数回(図では4回)に亘って、繰り返す。そして、クロックCLKbを足し込み回数で分周したクロック(図ではCLKb/4)のタイミングでコンデンサ125の蓄積電荷の電圧をA/D変換回路126にてデジタル化し、これもDSP66に取り込む。
In parallel with this, the
DSP66は、プログラムで具体化された加算手段127にて、取り込んだ二つのデジタル値を平準化・平均化するために一方を反転させてから足しあわせて更に二分の一にする。
こうしてデジタル値で得られる変位検出値は、所定の時間帯に及ぶ平準化・平均化によって、瞬時的なノイズの影響が緩和・抑制されているので、この静電浮上型ジャイロ装置にあっては、より安定した姿勢制御が行われる。
The
In this electrostatic levitation type gyro device, the displacement detection value obtained in this way as a digital value is mitigated / suppressed by instantaneous noise leveling and averaging over a predetermined time period. More stable posture control is performed.
[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。
[Others]
In each of the above embodiments, an apparatus package including a plate-shaped
上記の実施例1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。
In the first embodiment, the
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103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103のDSP66とロータ制御回路102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。
Various modifications can be made to the signal detection circuit described above. For example, a sequential selection switching circuit may be provided upstream of the A /
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)
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)
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
102 ロータ制御回路(制御回路、ロータ駆動系)
103 制御演算回路(制御回路、拘束制御系)
104 制御出力回路(PWM化、制御回路)
105 ラッチ(クロック同期式のPWM変調率保持器)
106 N進カウンタ(クロック同期式の鋸歯状波発生部)
107 コンパレータ(比較器、スイッチ制御信号生成部)
108 出力段回路(スイッチ回路)
110 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)
114 制御出力回路(PWM化、制御回路)
115 出力段回路(スイッチ回路)
120 信号入力回路(制御回路、拘束制御系)
121 切換スイッチ(選択入力回路、サンプリング回路)
122 コンデンサ(ホールド回路、サンプリング回路)
123 A/D変換回路(サンプリング回路)
124 切換スイッチ(選択入力回路、サンプリング回路)
125 コンデンサ(ホールド回路、サンプリング回路)
126 A/D変換回路(サンプリング回路)
127 加算手段(平均化手段、平準化手段、統合手段)
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)
31-36 Electrostatic support electrodes (attitude control electrodes, control electrodes, restraint control system)
37 Rotor drive electrode (rotary electrode, rotor drive system)
38 Electrode for displacement detection (detection electrode, displacement detection system)
41-46 Electrostatic support electrodes (posture control electrodes, control electrodes, restraint control system)
47 Rotor drive electrode (rotary electrode, rotor drive system)
48 Electrode for displacement detection (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, restraint 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 arithmetic 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 inversion circuit)
65 A / D conversion circuit (signal input circuit, signal detection circuit + control arithmetic circuit)
66 DSP (digital signal processor, control arithmetic circuit, restraint control system)
67 DSP (digital signal processor, control arithmetic circuit, rotor drive system)
70 Gyroscope (Electrostatic Levitation Gyroscope)
71 Cap (lid, vacuum container, hermetically sealed package)
72 boxes (box, can, vacuum container, hermetically sealed package)
73 Base (Glass substrate, insulating substrate, mechanism and circuit board)
74 pins (lead, external connection terminal)
75 Getter (Vacuum maintenance member)
76 Vacuum suction port (through hole + sealing plug)
77, 78 IC (current detection circuit, control output circuit, etc.)
80 Printed circuit board (circuit printed circuit board, gyro device mounting circuit board)
81 Regulator IC (Power supply circuit)
82 Smoothing capacitor (power 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)
97 Gyro Device (Electrostatic Levitation Type Gyro Device)
98
103 Control arithmetic circuit (control circuit, constraint control system)
104 Control output circuit (PWM, control circuit)
105 Latch (clock synchronous PWM modulation rate holder)
106 N-ary counter (clock synchronous sawtooth wave generator)
107 comparator (comparator, switch control signal generator)
108 Output stage circuit (switch circuit)
110 Application signal generation circuit (application signal supply circuit, signal detection circuit, displacement detection system)
114 Control output circuit (PWM, control circuit)
115 Output stage circuit (switch circuit)
120 signal input circuit (control circuit, constraint control system)
121 selector switch (selection input circuit, sampling circuit)
122 capacitor (hold circuit, sampling circuit)
123 A / D conversion circuit (sampling circuit)
124 selector switch (selection input circuit, sampling circuit)
125 capacitor (hold circuit, sampling circuit)
126 A / D conversion circuit (sampling circuit)
127 addition means (averaging means, leveling means, integration means)
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003379208A JP2005140708A (en) | 2003-11-07 | 2003-11-07 | Electrostatic levitation-type gyro device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003379208A JP2005140708A (en) | 2003-11-07 | 2003-11-07 | Electrostatic levitation-type gyro device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005140708A true JP2005140708A (en) | 2005-06-02 |
Family
ID=34689333
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2003379208A Pending JP2005140708A (en) | 2003-11-07 | 2003-11-07 | Electrostatic levitation-type gyro device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005140708A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009257859A (en) * | 2008-04-15 | 2009-11-05 | Tokyo Keiki Inc | Electrostatic leviation gyroscope apparatus |
US8331075B2 (en) | 2006-03-01 | 2012-12-11 | Tokimec Inc. | Electro-static floating type gyro device |
-
2003
- 2003-11-07 JP JP2003379208A patent/JP2005140708A/en active Pending
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US8331075B2 (en) | 2006-03-01 | 2012-12-11 | Tokimec Inc. | Electro-static floating type gyro device |
JP2009257859A (en) * | 2008-04-15 | 2009-11-05 | Tokyo Keiki Inc | Electrostatic leviation gyroscope apparatus |
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