JP3579748B2 - ジャイロ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車、船舶、航空機等の移動体に使用して好適な、慣性空間に対する角速度又は角変化及び加速度を検出するための加速度検出型ジャイロ装置に関する。より詳細には、本発明は、ジャイロロータを静電支持力によって浮動的に支持する形式の極めて小型の加速度検出型ジャイロ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２〜図１８を参照して従来のジャイロ装置の例を説明する。このジャイロ装置は、本願出願人と同一の出願人によって平成６年６月１７日に出願された特願平６−１３６０７４号に開示されたものである。詳細については同出願を参照されたい。
【０００３】
先ず図１２を参照してこのジャイロ装置の構造を説明する。このジャイロ装置は静電ジャイロと称され、静電支持力によって浮動的に支持された円盤状のジャイロロータ２０と斯かるジャイロロータ２０を内部に収容するジャイロケース２１とを有する。
【０００４】
ここで、ジャイロ装置に対して図示のように、ＸＹＺ座標を設定する。ジャイロ装置の中心軸線に沿って上方にＺ軸をとり、それに垂直にＸ軸及びＹ軸をとる。ジャイロロータ２０のスピン軸線はＺ軸に沿って配置される。
【０００５】
ジャイロケース２１は上側底部材２２と下側底部材２４と両者を接続する環状のスペーサ２３とを有し、これらは適当な締結手段、例えば小ねじ２５によって接続されてよい。こうして、ジャイロケース２１の内部にはジャイロロータ２０を収容するための円盤状の空洞部２６が形成される。
【０００６】
図１２Ａに示すように、上側底部材２２及び下側底部材２４には空洞部２６に通ずる孔２２Ａ、２２Ａ’が形成されており、上側底部材２２の孔２２Ａにはキャップ３２が装填され、斯かるキャップ３２は空洞部２６を長期間高い真空度に維持するためにゲッタ部材３３を内蔵する。下側底部材２４の孔２２Ａ’にはパイプ３４が接続されており、斯かるパイプ３４を経由して空洞部２６が排気され真空にされる。
【０００７】
ジャイロロータ２０は導電性材料によって形成され、図１２Ａに示すように、好ましくは、肉薄の中心部２０Ｂとその外側のより肉厚な環状の電極部２０Ｃとを有するように構成してよい。中心部２０Ｂには中心軸線に沿って貫通孔２０Ａが形成されている。
【０００８】
ジャイロ装置はジャイロケース２１に対するジャイロロータ２０の変位を検出する変位検出装置を有しており、斯かる変位検出装置によってジャイロロータ２０の半径方向の変位が検出される。斯かる変位検出装置は、例えば図１２Ａに示すように、ジャイロケース２１の空洞部２６の内側の上面と下面にそれぞれ配置された発光素子２７と受光素子２８とを含むものであってよい。受光素子２８は、図１２Ｂに示すように、４つのセグメント２８−１、２８−２、２８−３、２８−４に分割されたものより構成されてよい。
【０００９】
発光素子２７と受光素子２８は、ジャイロロータ２０の孔２０Ａを光路が通るようにその両側にそれぞれ配置されている。ジャイロロータ２０が半径方向に変位すると、光路に対して孔２０Ａの位置が偏倚するため、発光素子２７によって発生された光のうち受光素子２８によって受光される光の量が変化する。４つの受光素子セグメントの受光量の変化量は互いに異なるから、ジャイロロータ２０の半径方向の変位の大きさと方向が求められる。
【００１０】
上側底部材２２の内面には同心的に静電支持電極２９−１〜２９−４及びロータ回転駆動用コイル３０−１〜３０−４が配置されており、同様に、下側底部材２４の内面には同心的に静電支持電極２９’−１〜２９’−４及びロータ回転駆動用コイル３０’−１〜３０’−４が配置されている。斯かる静電支持電極２９−１〜２９−４、２９’−１〜２９’−４及びロータ回転駆動用コイル３０−１〜３０−４、３０’−１〜３０’−４はジャイロロータ２０の電極部２０Ｃに対応して且つそれより隔置して配置されている。尚、静電支持電極２９−１〜２９−４、２９’−１〜２９’−４とジャイロロータ２０の電極部２０Ｃとの間の位置関係は後に詳細に説明する。
【００１１】
図１２Ｂに示すように、例えば、第１の対の静電支持電極２９−１、２９’−１及び第３の対の静電支持電極２９−３、２９’−３はＸ軸に沿って配置され、第２の対の静電支持電極２９−２、２９’−２及び第４の対の静電支持電極２９−４、２９’−４はＹ軸に沿って配置される。静電支持電極２９−１〜２９−４、２９’−１〜２９’−４は、ロータ回転駆動用コイル３０−１〜３０−４、３０’−１〜３０’−４の間に配置されてよい。静電支持電極２９−１〜２９−４及び２９’−１〜２９’−４は、図示のように、扇形に形成されてよい。
【００１２】
ロータ回転駆動用コイル３０−１〜３０−４、３０’−１〜３０’−４に駆動用交流電圧を印加すると、ジャイロロータ２０はＺ軸をスピン軸として高速回転する。所望の回転数に達すると、交流電圧はカットオフされるが、ジャイロロータ２０はその後の使用期間中惰性回転し続ける。ジャイロロータ２０は高真空に維持されたジャイロケース２１の空洞部２６にて非接触的に支持されているため、数カ月以上回転し続ける。
【００１３】
ジャイロロータ２０には外部よりいかなるトルクも作用しないから、ジャイロケース２１がどのような運動をしても、慣性の法則によって、ジャイロロータ２１のスピン軸線の方向は慣性空間に対して一定方向に維持される。
【００１４】
次に図１３を参照して本例のジャイロ装置に設けられたＺ拘束制御系及びＸＹ拘束制御系とロータ駆動系１００の構成と動作を説明する。Ｚ拘束制御系はジャイロロータ２０のＺ軸方向の変位を拘束するように機能する。即ち、ジャイロロータ２０を浮揚させ所定位置に保持する機能を有する。ＸＹ拘束制御系はジャイロロータ２０のＸＹ軸方向の変位を拘束するように機能し、ロータ駆動系１００はジャイロロータ２０をスピン軸線周りに回転させるように機能する。
【００１５】
ジャイロロータ２０の電極部２０Ｃのうち、第１の対の静電支持電極２９−１、２９’−１に対応した部分を第１の部分Ｐ_１ とし、第２の対の静電支持電極２９−２、２９’−２に対応した部分を第２の部分Ｐ_２ とし、第３の対の静電支持電極２９−３、２９’−３に対応した部分を第３の部分Ｐ_３ とし、第４の対の静電支持電極２９−４、２９’−４に対応した部分を第４の部分Ｐ_４ とする。
【００１６】
先ずＺ拘束制御系の構成と動作を説明する。本例のＺ拘束制御系は静電方式であり、ジャイロロータ２０と静電支持電極との間に生成される静電気力によってジャイロロータ２０は浮動的に支持され拘束される。
【００１７】
本例のＺ拘束制御系は、ジャイロロータ２０の電極部２０Ｃ（図１３ではＰ_１ 、Ｐ_３ の部分）とジャイロロータ２０の両側に設けられた４対の静電支持電極２９−１、２９’−１、２９−２、２９’−２、２９−３、２９’−３、２９−４、２９’−４（図１３では２９−１、２９’−１、２９−３、２９’−３のみ図示）と斯かる静電支持電極の各々に接続された４つのトランス４１、４２、４３、４４（図１３では４１、４３のみ図示）とを有する。
【００１８】
ここで、簡単化のため、ジャイロロータ２０のＸ軸方向の変位Δｘ及びＹ軸方向の変位Δｙはゼロであると仮定する。図１３に示すように、第１及び第３のトランス４１、４３の各中点Ｔ１、Ｔ４には変位Δｘによって修正された交流電圧（１±Ｋ₁ Δｘ）Ｖ_TXが印加されるが、ここでは斯かる係数は（１±Ｋ₁Δｘ）＝１となる。従って点Ｔ１、Ｔ４には基準周波数ｆo の交流電圧Ｖ_TXが印加されている。第１のトランス４１の出力端Ｔ２、Ｔ３はそれぞれ静電支持電極２９−１、２９’−１に接続され、第３のトランス４３の出力端Ｔ５、Ｔ６はそれぞれ静電支持電極２９−３、２９’−３に接続されている。
【００１９】
第１の対の静電支持電極２９−１、２９’−１とジャイロロータ２０の電極部２０Ｃの第１の部分Ｐ_１ とによってコンデンサ（静電容量をＣとする。）が構成され、斯かるコンデンサと第１のトランス４１（インダクタンスをＬとする。）とによって共振回路が構成される。斯かる共振回路の共振周波数ｆ_ａ 〔＝１／２π√（ＬＣ）〕は、第１のトランス４１に印加される交流電圧Ｖ_ＴＸの基準周波数ｆ_ｏ より小さい値に設定される。
【００２０】
次に図１４を参照して本例のジャイロ装置のＺ拘束制御系の動作を説明する。図１４は第１のトランス４１とそれに接続された静電支持電極２９−１、２９’−１とを含む共振回路の動作を示す共振曲線のグラフであり、縦軸は一方の電極、例えば、ジャイロロータ２０の上側に配置された静電支持電極２９−１の電極電圧Ｖ_Ｔ 、横軸は周波数比（ｆ_Ｏ ／ｆ_ａ ）である。ここに、ｆ_Ｏ は上述のように交流電圧Ｖ_ＴＸの基準周波数であり、ｆ_ａ は共振回路の共振周波数ｆ_ａ 〔＝１／２π√（ＬＣ）〕である。
【００２１】
上述のように動作点では共振回路の共振周波数ｆ_ａ は交流電源の基準周波数ｆ_ｏ より小さく、周波数比（ｆ_Ｏ ／ｆ_ａ ）は１より大きい。従って、図１４に示すように、動作点付近では電極電圧Ｖ_Ｔ は減少関数である。
【００２２】
ジャイロロータ２０の電極部２０Ｃの第１の部分Ｐ_１ が上方に変位した場合を考える。斯かる第１の部分Ｐ_１ とその上側に配置された静電支持電極２９−１との間の距離が減少し、両者間の静電容量Ｃは増加する。従って、共振周波数ｆ_ａ 〔＝１／２π√（ＬＣ）〕は減少し、周波数比（ｆ_Ｏ ／ｆ_ａ ）は増加する。その結果、図示のように、静電支持電極２９−１の電極電圧Ｖ_Ｔ は動作電圧Ｖ_ＴＯより小さくなる。こうして、上側の静電支持電極２９−１とジャイロロータ２０の第１の部分Ｐ_１ との間に働く引力は小さくなる。
【００２３】
ジャイロロータ２０の第１の部分Ｐ_１ とその下側に配置された静電支持電極２９’−１との間の関係は丁度それと逆になる。第１の部分Ｐ_１ とその下側に配置された静電支持電極２９’−１との間の距離は増加し、両者間の静電容量Ｃは減少する。従って、共振周波数ｆ_ａ 〔＝１／２π√（ＬＣ）〕は増加し、周波数比（ｆ_Ｏ ／ｆ_ａ ）は減少する。その結果、静電支持電極２９’−１の電極電圧Ｖ_Ｔ は動作電圧Ｖ_ＴＯより大きくなる。こうして、下側の静電支持電極２９’−１とジャイロロータ２０の第１の部分Ｐ_１ との間に働く引力は大きくなる。
【００２４】
ジャイロロータ２０の第１の部分Ｐ_１ が上方に変位した場合、この第１の部分Ｐ_１ を上方に偏倚させる力が小さくなり、下方に偏倚させる力が大きくなるため、第１の部分Ｐ_１ は相対的に下方に偏倚され、元の位置に戻されるように動作する。
【００２５】
本例のＺ拘束制御系によると、第１のトランス４１と第１の対の静電支持電極２９−１、２９’−１とを含む第１の共振回路によって、ジャイロロータ２０の電極部２０Ｃの第１の部分Ｐ_１ のＺ軸方向の変位は常にゼロに維持され、第３のトランス４３と第３の対の静電支持電極２９−３、２９’−３とを含む第３の共振回路によって、ジャイロロータ２０の電極部２０Ｃの第３の部分Ｐ_３ のＺ軸方向の変位は常にゼロに維持される。同様に、第２及び第４の共振回路によってジャイロロータ２０の電極部２０Ｃの第２及び第４の部分Ｐ_２ 、Ｐ_４ のＺ軸方向の変位は常にゼロに維持される。
【００２６】
ジャイロロータ２０の第１の部分Ｐ₁ がジャイロケース２１より受ける力Ｆｚ１は、両側の静電支持電極２９−１、２９’−１に印加されている電圧Ａ₁ 、Ｂ₁の差に比例する。ジャイロロータ２０の電極部２０Ｃの第３の部分Ｐ₃ の動作、第２及び第４の部分Ｐ₂ 、Ｐ₄の動作も同様である。
【００２７】
【数１】
Ｆｚ１＝Ｋ（Ａ_１ −Ｂ_１ ）
Ｆｚ２＝Ｋ（Ａ_２ −Ｂ_２ ）
Ｆｚ３＝Ｋ（Ａ_３ −Ｂ_３ ）
Ｆｚ４＝Ｋ（Ａ_４ −Ｂ_４ ）
【００２８】
次に再び図１３を参照して本例のロータ駆動系１００の構成と動作を説明する。ロータ駆動系１００は、ジャイロロータ２０と駆動用交流電源１０１とそれに接続された４対のコイル（図１３では下側のコイル３０’−１、３０’−２、３０’−３、３０’−４のみ図示）とを有する。２相交流電圧の基本相Ｖ_０ は直列に接続された２つのコイル３０’−１、３０’−３に接続され、２相交流電圧の９０°相Ｖ_９０は直列に接続された２つのコイル３０’−２、３０’−４に接続される。
【００２９】
４対のコイル３０−１、３０’−１、３０−２、３０’−２、３０−３、３０’−３、３０−４、３０’−４に駆動用交流電源１０１より交番電圧が付与されると、ジャイロケース２１の空洞部２６に駆動用交流電源１０１の周波数に比例した回転磁界が発生し、斯かる磁界とジャイロロータ２０内に発生した渦電流との相互作用によってジャイロータ２０は回転する。
【００３０】
次に図１５を参照して本例のジャイロ装置のＸＹ拘束制御系の構成と動作を説明する。ＸＹ拘束制御系は、ジャイロータ２０の電極部２０Ｃと静電支持電極２９−１〜２９−４、２９’−１〜２９’−４と発光素子２７及び受光素子２８を含む変位検出装置と斯かる変位検出装置の出力信号を入力するＸ及びＹ制御系５０、６０とを有する。ジャイロロータ２０がＸ軸及びＹ軸方向に偏倚した場合でも、ＸＹ拘束制御系によって、スピン軸線がジャイロ装置の中心軸線即ちＺ軸に整合するようにジャイロロータ２０のＸ軸及びＹ軸方向の位置が制御される。
【００３１】
図１５Ａに示すように、Ｘ制御系５０は周波数ｆ_ｏ の交流電圧Ｖ_Ｔ を供給する交流電源５０−１とＶ_ＴＸ演算部５０−２と２つの乗算器５０−３、５０−４とを有する。Ｖ_ＴＸ演算部５０−２は、変位検出装置の受光素子２８より供給されたジャイロロータ２０のＸ軸方向の変位Δｘを指示する信号を入力し、係数１±Ｋ_１ Δｘ（Ｋ_１ は定数。）を演算する。交流電源５０−１の一端は接地され他端は２つの乗算器５０−３、５０−４に接続されている。こうして、２つの乗算器５０−３、５０−４からは、係数１±Ｋ_１ Δｘによって修正された交流電圧Ｖ_Ｔ （１±Ｋ_１ Δｘ）が出力される。図１５Ｂに示すようにＹ制御系６０の構成はＸ制御系５０の構成と同様である。
【００３２】
ここでジャイロータ２０の電極部２０Ｃと静電支持電極２９−１〜２９−４、２９’−１〜２９’−４との間の位置関係を説明する。ジャイロータ２０の電極部２０Ｃは、静電支持電極２９−１〜２９−４、２９’−１〜２９’−４に対して同心的に配置されているが同時に半径方向内方に又は外方に偏倚して配置されている。
【００３３】
図１２及び図１３に示すように、ジャイロータ２０の電極部２０Ｃが、静電支持電極２９−１〜２９−４、２９’−１〜２９’−４に対して半径方向内方に偏倚して配置されている場合について説明する。図示のように、静電支持電極２９−１〜２９−４、２９’−１〜２９’−４の外径をジャイロロータ２０の電極部２０Ｃの外径より大きく形成し、静電支持電極が半径方向外側に長さδ_２ だけジャイロロータ２０より突出するように構成する。
【００３４】
更に、静電支持電極２９−１〜２９−４、２９’−１〜２９’−４の内径をジャイロロータ２０の電極部２０Ｃの内径より大きく形成し、ジャイロロータ２０の電極部２０Ｃが半径方向内側に長さδ_１ だけ静電支持電極２９−１〜２９−４、２９’−１〜２９’−４より突出するように構成する。
【００３５】
こうして、ジャイロータ２０の電極部２０Ｃを静電支持電極２９−１〜２９−４、２９’−１〜２９’−４に対して半径方向内方に偏倚して配置することによって、ジャイロロータ２０には、第１の対の静電支持電極２９−１、２９’−１によって半径方向外方（Ｘ軸の正の方向に）に力Ｆｘ１が作用し、第３の対の静電支持電極２９−３、２９’−３によって半径方向外方（Ｘ軸の負の方向に）に力Ｆｘ３が作用する。これらの力Ｆｘ１及びＦｘ３はそれぞれトランス４１、４３の中点Ｔ１、Ｔ４に印加される交流電圧の大きさによって変化する。斯かる交流電圧が等しければ２つの力Ｆｘ１及びＦｘ３は等しく釣り合っている。
【００３６】
ジャイロロータ２０にＸ軸方向の加速度α_Ｘ が作用して、ジャイロロータ２０がジャイロケース２１に対してＸ軸の正の方向にΔｘだけ変位したものとする。斯かる変位Δｘは受光素子２８によって電圧信号として出力される。斯かる信号はＸ制御系５０のＶ_ＴＸ演算部５０−２に供給され、係数１±Ｋ_１ Δｘを指示する信号が生成される。こうして、２つの乗算器５０−３、５０−４からはそれぞれ異なる電圧信号（１−Ｋ_１ Δｘ）Ｖ_Ｔ 、（１＋Ｋ_１ Δｘ）Ｖ_Ｔ が生成される。
【００３７】
斯かる電圧信号（１±Ｋ_１ Δｘ）Ｖ_Ｔ はそれぞれ２つトランス４１、４３の中点Ｔ１、Ｔ４に印加され、第１の対の静電支持電極２９−１、２９’−１によって力Ｆｘ１が生成され、第３の対の静電支持電極２９−３、２９’−３によって力Ｆｘ３が生成される。ジャイロロータ２０に作用するＸ軸の正の方向の力Ｆｘ１とＸ軸の負の方向の力Ｆｘ３はそれぞれ次の数２の式によって表される。
【００３８】
【数２】
Ｆｘ１＝ｋ_１ （１−Ｋ_１ Δｘ）Ｖ_Ｔ
Ｆｘ３＝ｋ_１ （１＋Ｋ_１ Δｘ）Ｖ_Ｔ
【００３９】
ｋ_１ は定数である。ジャイロロータ２０に作用するＸ軸方向の力の合力は次のようになる。
【００４０】
【数３】
Ｆｘ１−Ｆｘ３＝−２ｋ_１ Ｋ_１ Ｖ_Ｔ ・Δｘ
【００４１】
こうして数３の式によって表されるように変位Δｘに比例した力によって、ジャイロロータ２０はＸ軸の負の方向に引っ張られ、それによって変位がゼロとなる。ジャイロロータ２０がＹ軸方向に偏倚した場合も同様である。こうして、本例のＸＹ拘束制御系によって、ジャイロロータ２０がＸ軸及びＹ軸方向に偏倚した場合でも、変位量Δｘ及びΔｙは常にゼロに維持される。すなわち、ジャイロロータ２０のスピン軸線は常にジャイロ装置の中心軸線即ちＺ軸に整合するように制御される。
【００４２】
尚、上述の説明では２つトランス４１、４３の中点Ｔ１、Ｔ４に印加される電圧の変化量は変位Δｘに比例すると仮定したが、実際に印加される電圧は斯かる変位Δｘに比例する項Ｋ_１ ΔｘＶ_Ｔ 以外にダンピングに起因する項Ｋ_Ｄ （ｄΔｘ／ｄｔ）Ｖ_Ｔ も含む。
【００４３】
図１２及び図１３を参照して、ジャイロータ２０の電極部２０Ｃが、静電支持電極２９−１〜２９−４、２９’−１〜２９’−４に対して半径方向内方に偏倚して配置されている場合について説明したが、静電支持電極２９−１〜２９−４、２９’−１〜２９’−４に対して半径方向外方に偏倚して配置されている場合についても同様である。但し、その場合には、ジャイロロータ２０に作用する力Ｆｘ１、Ｆｘ３の方向が逆になる。更に、ジャイロロータ２０にＹ軸方向の加速度α_Ｙ が作用して、ジャイロロータ２０がジャイロケース２１に対してＹ軸方向にΔｙだけ変位した場合も同様である。
【００４４】
図１６〜図１８を参照して、本例のジャイロ演算部及び加速度演算部の構成と動作を説明する。ジャイロ演算部はＸ軸周りの角速度ｄφ／ｄｔを演算するＸジャイロ演算部５１とＹ軸周りの角速度ｄθ／ｄｔを演算するＹジャイロ演算部６１とを有し、加速度演算部はＸ軸方向の加速度を演算するＸ加速度演算部５３とＹ軸方向の加速度を演算するＹ加速度演算部６３とＺ軸方向の加速度を演算するＺ加速度演算部７３とを有する。
【００４５】
図１６を参照してＸジャイロ演算部５１及びＸ加速度演算部５３の構成と動作を説明する。Ｘジャイロ演算部５１は、図示のように、４つの分圧部５１−１〜５１−４と斯かる分圧部の各々に接続された４つの整流部５１−５〜５１−８と各２対の整流部５１−５、５１−６及び５１−７、５１−８に接続された２つの減算部５１−９、５１−１０と斯かる２つの減算部に接続された第３の減算部５１−１１と演算部５１−１２とを有する。
【００４６】
Ｘジャイロ演算部５１は入力端子５１ａ、５１ｂ及び５１ｃ、５１ｄを経由して２つのトランス４１、４３の出力端Ｔ２、Ｔ３及びＴ５、Ｔ６の端子出力Ａ_１ 、Ｂ_１ 及びＡ_３ 、Ｂ_３ を入力する。２つのトランス４１、４３の出力端Ｔ２、Ｔ３及びＴ５、Ｔ６の端子出力Ａ_１ 、Ｂ_１ 及びＡ_３ 、Ｂ_３ は通常１０００Ｖ以上の高電圧であるため、斯かる電圧はそれぞれ４つの分圧部５１−１〜５１−４によって低電圧に分圧され、４つの整流部５１−５〜５１−８にて直流電圧に整流される。斯かる直流電圧信号は減算部５１−９、５１−１０、５１−１１にて減算演算される。こうして、演算部５１−１２の出力端よりジャイロロータ２０のＸ軸周りの回転角速度ｄφ／ｄｔを指示するジャイロ信号が得られる。
【００４７】
次に、Ｘジャイロ演算部５１の動作を詳細に説明する。Ｘ軸周りに角速度ｄφ／ｄｔが入力された場合を考える。ジャイロロータ２０のスピン運動による角運動ベクトルＨを図１３に示すようにＺ軸に沿って上向きにとる。慣性の法則によりジャイロロータ２０のスピン軸線はＺ軸方向に沿って配置され続けようとする。一方、ジャイロケース２１がＸ軸周りに角速度ｄφ／ｄｔで回転変位すると、第２の対の静電支持電極２９−２、２９’−２及び第４の対の静電支持電極２９−４、２９’−４において、ジャイロロータ２０の第２及び第４の部分Ｐ_２ 、Ｐ_４ と上側電極の間の隙間と下側電極の間の隙間とに差が生ずる。斯かる上下の隙間の差はＹ制御系６０の動作によってゼロとなる。このとき、上述のようにジャイロロータ２０の第２及び第４の部分Ｐ_２ 、Ｐ_４ にＺ軸に沿って２つの互いに反対方向の力Ｆｚ２とＦｚ４が作用し、それによって次式によって表されるトルクＴ_Ｘ が発生する。
【００４８】
【数４】
Ｔ_Ｘ ＝（Ｆｚ２−Ｆｚ４）×ｒ
【００４９】
ここに、ｒはスピン軸線から力の作用点までの距離である。
【００５０】
斯かるトルクＴ_Ｘ によってジャイロロータ２０のスピン軸線はＹ軸周りに小さい角度でプリセッション運動する。斯かるプリセッション運動によって、第１の対の静電支持電極２９−１、２９’−１及び第３の対の静電支持電極２９−３、２９’−３とジャイロロータ２０の第１及び第３の部分Ｐ_１ 、Ｐ_３ との間の間隙が変化する。即ち、上側の間隙と下側の間隙で差が生ずる。
【００５１】
同様に、Ｘ制御系５０の動作によって、斯かる上側の間隙と下側の間隙の差がゼロとなるように制御される。このとき、上述のようにジャイロロータ２０の第１及び第３の部分Ｐ_１ 、Ｐ_３ に２つの互いに反対方向の力Ｆｚ１とＦｚ３が作用し、それによって次式によって表されるトルクＴ_Ｙ が発生する。
【００５２】
【数５】
Ｔ_Ｙ ＝（Ｆｚ１−Ｆｚ３）×ｒ
【００５３】
斯かるトルクＴ_Ｙ によってジャイロロータ２０のスピン軸線はＸ軸周りに小さい角度でプリセッション運動する。斯かるプリセッション運動は入力角速度ｄφ／ｄｔと同一の運動となり、その結果、スピン軸線とジャイロケース２１は一体となってＸ軸周りに角速度ｄφ／ｄｔで回転する。
【００５４】
数４及び数５の式より角運動の方程式をたて、数１の式を使用すると次の式が得られる。
【００５５】
【数６】

【００５６】
ここにＨはジャイロロータ２０の角運動量である。従って、
【００５７】
【数７】
ｄφ／ｄｔ＝〔（Ａ_３ −Ｂ_３ ）−（Ａ_１ −Ｂ_１ ）〕×Ｋｒ／Ｈ
ｄθ／ｄｔ＝〔（Ａ_４ −Ｂ_４ ）−（Ａ_２ −Ｂ_２ ）〕×Ｋｒ／Ｈ
【００５８】
こうして、Ｘジャイロ演算部５１及びＹジャイロ演算部５３では、４つのトランスの端子出力Ａ_１ 、Ｂ_１ 、Ａ_２ 、Ｂ_２ 、Ａ_３ 、Ｂ_３ 、Ａ_４ 、Ｂ_４ を入力してＸジャイロ信号ｄφ／ｄｔ及びＹジャイロ信号ｄθ／ｄｔを出力する。
【００５９】
次にＸ加速度演算部５３の構成と動作を説明する。Ｘ加速度演算部５３は、Ｘジャイロ演算部５１の第１の対の整流部５１−５、５１−６の出力信号ａ_１ 、ｂ_１ を入力する加算部５３−１と及び第２の対の整流部５１−７、５１−８の出力信号ａ_３ 、ｂ_３ を入力する加算部５３−２と斯かる２つの加算部に接続された減算部５３−３とを有する。
【００６０】
加算部５３−１及び５３−２によってＸジャイロ演算部５１の内部出力の和ａ_１ ＋ｂ_１ 、ａ_３ ＋ｂ_３ が求められる。斯かる和は各電極に印加された電圧の和Ａ_１ ＋Ｂ_１ 、Ａ_３ ＋Ｂ_３ に対応している。したがって、加算部５３−１及び５３−２の出力はそれぞれＸ軸方向の力Ｆｘ１及びＦｘ３に対応している。
【００６１】
減算部５３−３では加算部５３−１及び５３−２の出力ａ_１ ＋ｂ_１ 、ａ_３ ＋ｂ_３ の差（ａ_１ ＋ｂ_１ ）−（ａ_３ ＋ｂ_３ ）が求められる。斯かる差は（Ａ_１ ＋Ｂ_１ ）−（Ａ_３ ＋Ｂ_３ ）に対応している。従って、減算部５３−３の出力はＸ軸の正の方向の力Ｆｘ１とＸ軸の負の方向の力Ｆｘ３との差に対応している。
【００６２】
こうして、減算部５３−３からは数３の式によって表される変位Δｘを指示する信号が出力され、これより加速度α_Ｘ が求められる。
【００６３】
図１７に示すＹジャイロ演算部６１及びＹ加速度演算部６３の構成と動作は同様なので説明は省略する。
【００６４】
図１８を参照してＺ加速度演算部７３の構成と動作を説明する。Ｚ加速度演算部７３はＸジャイロ演算部５１の内部信号ａ_１ 、ｂ_１ 及びａ_３ 、ｂ_３ とＹジャイロ演算部６１の内部信号ａ_２ 、ｂ_２ 及びａ_４ 、ｂ_４ を入力してＺ軸方向の加速度α_Ｚ を演算する。
【００６５】
次に、Ｚ加速度演算部７３の動作を説明する。以上の説明では、ジャイロロータ２０の質量をゼロとして計算したが、実際にはゼロではない。ジャイロロータ２０の質量をｍとし、これを４つの部分に分割して考える。Ｚ軸方向に加速度α_Ｚ が作用したとすると、ジャイロロータ２０の第１及び第３の部分Ｐ_１ 、Ｐ_３ に作用する力Ｆｚ１、Ｆｚ３はそれぞれ次の数８の式によって表される。
【００６６】
【数８】
Ｆｚ１＝ｍα_Ｚ ／４−（Ｈ／ｒ）（ｄφ／ｄｔ）
Ｆｚ３＝ｍα_Ｚ ／４＋（Ｈ／ｒ）（ｄφ／ｄｔ）
【００６７】
この２つの式の和を計算してＺ軸方向の加速度α_Ｚ を求めることができる。
【００６８】
【数９】

【００６９】
尚、Ｚ軸方向の加速度α_Ｚ はジャイロロータ２０の第２及び第４の部分Ｐ_２ 、Ｐ_４ に作用する力Ｆｚ２、Ｆｚ４によっても求めることができる。従って、本例のＺ加速度演算部７３では、ジャイロロータ２０の各部分に作用する４つの力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３、Ｆｚ４よりＺ軸方向の加速度α_Ｚ が演算される。
【００７０】
【発明が解決しようとする課題】
従来のジャイロ装置のＺ拘束制御系及びＸＹ拘束制御系は図１３、図１４及び図１５を参照して説明したように、ＬＣ共振回路を使用してジャイロロータ２０のＺ軸方向及びＸＹ方向の変位を常にゼロに維持するように構成されている。例えば、ジャイロロータ２０の電極部２０Ｃの第１の部分Ｐ_１ において、Ｘ制御系５０の交流電源５０−１とトランス４１と第１の対の静電支持電極２９−１、２９’−１とを含む系によって、ＬＣ共振回路が構成される。
【００７１】
ＬＣ共振回路を使用したＺ拘束制御系及びＸＹ拘束制御系は、電源からジャイロロータ２０に至る経路、上述の例では、交流電源５０−１からＸ制御系５０、トランス４１及び第１の対の静電支持電極２９−１、２９’−１を経由してジャイロロータ２０に至る経路にて様々な誤差が発生する欠点がある。斯かる誤差として配線やコイルの大型化に伴う浮遊容量の発生がある。
【００７２】
また、従来のＺ、ＸＹ拘束制御系では、ジャイロロータ２０に対する浮揚力又は復元力の大きさを調節する場合には、Ｖ_ＴＸ演算部５０−２の係数１±Ｋ_１ Δｘを変化させる必要があり、操作が煩雑であった。特に始動時にジャイロロータ２０を浮揚させるための制御が困難であるという欠点があった。
【００７３】
本発明は斯かる点に鑑み、より制御が容易な拘束制御系を有するジャイロ装置を提供することを目的とする。
【００７４】
本発明は斯かる点に鑑み、従来のパッシブな拘束制御系に対してアクティブな拘束制御系を提供することを目的とする。
【００７５】
【課題を解決するための手段】
本発明による、例えば図１に示すように、中心軸線方向に沿ってＺ軸、それに直交するＸ軸及びＹ軸を有するジャイロケースと、
該ジャイロケースの内部に静電支持力によって非接触的に支持され上記中心軸線方向のスピン軸線を有する円盤状のジャイロロータと、
上記ジャイロロータの両面に円周方向に沿って形成された電極部と、
上記ジャイロロータの両面の電極部にそれぞれ対応して且つそれより隔置され、円周方向に互いに等角度の中心角度にて隔置された少なくとも３対の静電支持電極と、
上記ジャイロロータを上記スピン軸線周りに高速回転させるためのロータ駆動系と、を有する加速度検出型のジャイロ装置において、
上記少なくとも３対の静電支持電極の各々はそれに対応する上記ジャイロロータの電極部に対して半径方向外方又は半径方向内方に偏倚して配置されていることと、
上記静電支持力を生成するための制御用直流電圧と上記ジャイロロータの変位を検出するための変位検出用交流電圧とを重畳して上記少なくとも３対の静電支持電極に印加するための機構制御回路と、
該機構制御回路より出力された上記ジャイロロータのＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の直線変位とＹ軸周り及びＸ軸周りの回転変位を指示する変位検出用信号を入力して上記ジャイロロータの直線変位及び回転変位がゼロとなるように上記制御用直流電圧の修正量を演算し、それを上記機構制御回路にフィードバックする制御演算部と、
該制御演算部の出力信号を入力してジャイロ出力を演算するジャイロ加速度出力演算部と、を有することを特徴とする。
【００７６】
本発明によると、ジャイロ装置において、上記制御演算部は上記ジャイロロータの直線変位及び回転変位を演算する変位演算部と上記ジャイロロータに印加すべき力及び回転モーメントを演算するＰＩＤ演算部と上記制御用直流電圧の修正量を演算する制御電圧演算部とを有することを特徴とする。
【００７７】
本発明によると、ジャイロ装置において、上記ジャイロ加速度出力演算部は上記制御演算部のＰＩＤ演算部の出力信号を入力してジャイロ出力を演算するように構成されていることを特徴とする。
【００７８】
本発明によると、ジャイロ装置において、上記静電支持電極は４対の静電支持電極を含み、該４対の静電支持電極は円周方向に互いに９０度の中心角度にて隔置されていることを特徴とする。
【００７９】
本発明によると、ジャイロ装置において、
上記４対の静電支持電極の第１及び第３の対の静電支持電極に印加される上記制御用直流電圧の修正量をΔＶ_１Ａ、ΔＶ_１Ｂ及びΔＶ_３Ａ、ΔＶ_３Ｂ、上記第２及び第４の対の静電支持電極に印加される上記制御用直流電圧の修正量をΔＶ_２Ａ、ΔＶ_２Ｂ及びΔＶ_４Ａ、ΔＶ_４Ｂとすると次の関係を満たすことを特徴とする。
ΔＶ_１Ａ＋ΔＶ_１Ｂ＋ΔＶ_３Ａ＋ΔＶ_３Ｂ＝０
ΔＶ_２Ａ＋ΔＶ_２Ｂ＋ΔＶ_４Ａ＋ΔＶ_４Ｂ＝０
【００８０】
本発明によると、ジャイロ装置において、
上記第１及び第３の対の静電支持電極に印加される上記制御用直流電圧の修正量をΔＶ_１Ａ、ΔＶ_１Ｂ及びΔＶ_３Ａ、ΔＶ_３Ｂ、上記第２及び第４の対の静電支持電極に印加される上記制御用直流電圧の修正量をΔＶ_２Ａ、ΔＶ_２Ｂ及びΔＶ_４Ａ、ΔＶ_４Ｂとすると次の関係を満たすことを特徴とする。
ΔＶ_１Ａ＝Ｖ_０ （Ａ_１１・Ｆｘ＋Ａ_１２・Ｆｚ／２＋Ａ_１３・Ｔθ）
ΔＶ_１Ｂ＝Ｖ_０ （Ａ_２１・Ｆｘ＋Ａ_２２・Ｆｚ／２＋Ａ_２３・Ｔθ）
ΔＶ_３Ａ＝Ｖ_０ （Ａ_３１・Ｆｘ＋Ａ_３２・Ｆｚ／２＋Ａ_３３・Ｔθ）
ΔＶ_３Ｂ＝Ｖ_０ （Ａ_４１・Ｆｘ＋Ａ_４２・Ｆｚ／２＋Ａ_４３・Ｔθ）
ΔＶ_２Ａ＝Ｖ_０ （Ｂ_１１・Ｆｙ＋Ｂ_１２・Ｆｚ／２＋Ｂ_１３・Ｔφ）
ΔＶ_２Ｂ＝Ｖ_０ （Ｂ_２１・Ｆｙ＋Ｂ_２２・Ｆｚ／２＋Ｂ_２３・Ｔφ）
ΔＶ_４Ａ＝Ｖ_０ （Ｂ_３１・Ｆｙ＋Ｂ_３２・Ｆｚ／２＋Ｂ_３３・Ｔφ）
ΔＶ_４Ｂ＝Ｖ_０ （Ｂ_４１・Ｆｙ＋Ｂ_４２・Ｆｚ／２＋Ｂ_４３・Ｔφ）
但し、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚはジャイロロータに付与すべき力の無次元化量、Ｔθ、Ｔφはジャイロロータに付与すべきトルクの無次元化量、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びＴθ、Ｔφの係数はアクチュエータ補正マトリックスの要素であり次の式によって表される。
Ａ_１１＝（１／４）（１−２ΔＺ−２Δθ）
Ａ_１２＝（１／４）（１−ΔＸ−Δθ）
Ａ_１３＝（１／４）（１−ΔＸ−ΔＺ）
Ａ_２１＝（１／４）（１＋２ΔＺ＋２Δθ）
Ａ_２２＝（−１／４）（１−ΔＸ＋Δθ）
Ａ_２３＝（−１／４）（１−ΔＸ＋ΔＺ）
Ａ_３１＝（−１／４）（１−２ΔＺ＋２Δθ）
Ａ_３２＝（１／４）（１＋ΔＸ＋Δθ）
Ａ_３３＝（−１／４）（１＋ΔＸ−ΔＺ）
Ａ_４１＝（−１／４）（１＋２ΔＺ−２Δθ）
Ａ_４２＝（−１／４）（１＋ΔＸ−Δθ）
Ａ_４３＝（１／４）（１＋ΔＸ＋ΔＺ）
Ｂ_１１＝（１／４）（１−２ΔＺ−２Δφ）
Ｂ_１２＝（１／４）（１−ΔＹ−Δφ）
Ｂ_１３＝（１／４）（１−ΔＹ−ΔＺ）
Ｂ_２１＝（１／４）（１＋２ΔＺ＋２Δφ）
Ｂ_２２＝（−１／４）（１−ΔＹ＋Δφ）
Ｂ_２３＝（−１／４）（１−ΔＹ＋ΔＺ）
Ｂ_３１＝（−１／４）（１−２ΔＺ＋２Δφ）
Ｂ_３２＝（１／４）（１＋ΔＹ＋Δφ）
Ｂ_３３＝（−１／４）（１＋ΔＹ−ΔＺ）
Ｂ_４１＝（−１／４）（１＋２ΔＺ−２Δφ）
Ｂ_４２＝（−１／４）（１＋ΔＹ−Δφ）
Ｂ_４３＝（１／４）（１＋ΔＹ＋ΔＺ）
ここに、ΔＸ、ΔＹ、ΔＺはジャイロロータのＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の変位の無次元化量、Δθ、ΔφはジャイロロータのＹ軸周り及びＸ軸周りの回転変位の無次元化量である。
【００８１】
本発明によると、ジャイロ装置において、上記静電支持電極の各々は、１対の互いに隔置された櫛形部を含み、該櫛形部の各々は円周方向に延在する複数の円周部と該円周部を接続する接続部とを有し、上記１対の櫛形部の円周部は互い違いに他を挟むように配置されていることを特徴とする。
【００８２】
本発明によると、ジャイロ装置において、
上記各静電支持電極の第１及び第２の櫛形部に印加される上記制御用直流電圧は大きさが同じで互いに極性が異なることを特徴とする。
【００８３】
本発明によると、ジャイロ装置において、
上記ジャイロロータの電極部は上記静電支持電極の櫛形部の円周部の各々に対応した複数の環状部を含み、上記静電支持電極の櫛形部の円周部の各々はそれに対応する上記ジャイロロータの電極部の環状部の各々に対して半径方向外方又は内方に偏倚して配置され、それによって上記ジャイロロータの上記中心軸線に対するＸ軸方向及びＹ軸方向の変位がゼロとなるような力を生成することを特徴とする。
【００８４】
本発明によると、ジャイロ装置において、上記ジャイロロータは導電性材料よりなり上記電極部は上記ジャイロロータの両面に形成された突起部として構成されていることを特徴とする。
【００８５】
本発明によると、ジャイロ装置において、上記ジャイロロータは単結晶の珪素よりなることを特徴とする。
【００８６】
本発明によると、ジャイロ装置において、上記ジャイロケースは絶縁材料よりなる上側底部材及び下側底部材を含み、上記静電支持電極は上記上側底部材及び下側底部材の内面に装着された金属薄膜として構成されていることを特徴とする。
【００８７】
本発明によると、ジャイロ装置において、
上記ジャイロケースの上側底部材及び下側底部材はガラスよりなることを特徴とする。
【００８８】
本発明によると、ジャイロ装置において、上記静電支持電極は蒸着、イオンプレーティング、フォトファブリケーションを含む薄膜生成技術によって形成されていることを特徴とする。
【００８９】
本発明によると、ジャイロ装置において、上記ジャイロケースは上記上側底部材及び下側底部材の間に配置されたスペーサを含み、該スペーサは上記上側底部材及び下側底部材と陽極接合によって接続されていることを特徴とする。
【００９０】
本発明によると、ジャイロ装置において、上記ジャイロケースには放電兼用のストッパが装着されており、該ストッパは上記ジャイロロータの変位を制限し且つ上記ジャイロロータに蓄積した静電気を外部に放電させる機能を有することを特徴とする。
【００９１】
本発明によると、ジャイロ装置において、上記ジャイロケースにはゲッタ部材を収容する凹部が形成され、該凹部は上記ジャイロケースの内部と通路によって接続されていることを特徴とする。
【００９２】
本発明によると、ジャイロ装置において、上記ロータ駆動系は上記ジャイロロータの両面に設けられたロータ駆動用電極部と該ロータ駆動用電極部に対応して且つそれより隔置されたロータ駆動用電極と該ロータ駆動用電極にロータ駆動用交流電圧を印加するためのロータ駆動用交流電圧回路とを有し、上記ロータ駆動用電極部は円周方向に１列に配置された複数の互いに隔置された電極部を含み、上記ロータ駆動用電極は円周方向に１列に配置された複数の互いに隔置された電極を含むことを特徴とする。
【００９７】
【作用】
本発明によるジャイロ装置は、ジャイロロータの上面及び下面に形成された電極部とそれに対応してジャイロケースの内面に形成された４対の静電支持電極とを有し、ジャイロケースの４対の静電支持電極はジャイロロータの電極部に対して半径方向内方又は外方に偏倚して配置されている。ジャイロ装置は、更にジャイロロータを静電気力によって所定の位置に浮動的に支持するための拘束制御系を有する。
【００９８】
ジャイロロータの両面及びそれに対応するジャイロケースの内面には、それぞれ、変位検出用電極部及び変位検出用電極が設けられ、更に、ジャイロロータを回転駆動するためのロータ駆動用電極部及びロータ駆動用電極が設けられている。
【００９９】
４対の静電支持電極には静電支持力を生成するための制御用直流電圧とジャイロロータの変位を検出するための変位検出用交流電圧が印加される。ジャイロケースの内面の変位検出用電極には変位検出用電流が生成され斯かる変位検出用電流は機構制御回路によって検出される。
【０１００】
機構制御回路より出力される変位検出用電圧信号は、ジャイロロータの全ての変位、即ち、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の直線変位ΔＸ、ΔＹ及びΔＺとＹ軸周り及びＸ軸周りの回転変位Δθ及びΔφを含む。制御演算部は機構制御回路より出力された変位検出用電圧を入力してジャイロロータの変位と４対の静電支持電極に印加すべき制御用直流電圧とを演算する。制御演算部は斯かる制御用直流電圧を機構制御回路にフィードバックする。機構制御回路は制御用直流電圧と変位検出用交流電圧を４対の静電支持電極に印加する。こうして、機構制御回路によって検出されたジャイロロータの変位は制御用直流電圧にフィードバックされ、ジャイロロータの変位はアクティブにゼロに保持される。
【０１０１】
制御演算部は更に、ジャイロロータに印加すべきＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の加速度ｆｘ、ｆｙ及びｆｚとＹ軸周り及びＸ軸周りの回転モーメントｆθ及びｆφを求め、ジャイロロータに印加すべきＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ及びＦｚとＹ軸周り及びＸ軸周りのトルクＴθ及びＴφを求める。それによってジャイロ出力を演算する。
【０１０２】
４対の静電支持電極の各々は、１対の互いに隔置された櫛形部を含み、斯かる櫛形部は円周方向に延在する複数の円周部と斯かる円周部を接続する半径部とを含み、２つの櫛形部の円周部は互い違いに他を挟むように配置されている。
【０１０３】
各対の櫛形部に絶対値が等しく符号が反対の制御用直流電圧±Ｖ_１Ａ〜±Ｖ_４Ｂを印加することによって、ジャイロロータ２０の電位は常にゼロに保持される。
【０１０４】
ジャイロケース２１の上側底部材２２及び下側底部材２４はガラスの如き絶縁材料よりなり、ジャイロロータ２０及びそれを囲むスペーサ２３は単結晶シリコン（珪素）の如き導電性材料よりなる。ジャイロロータ２０及びスペーサ２３は同一の材料より製造される。
【０１０５】
【実施例】
図１に本発明のジャイロ装置の例を示す。本例のジャイロ装置は薄い円盤状のジャイロロータ２０と斯かるジャイロロータ２０を内部に収容するジャイロケース２１とを有する。
【０１０６】
ここで、ジャイロ装置に対して図示のように、ＸＹＺ座標を設定する。ジャイロ装置の中心軸線に沿って上方にＺ軸をとり、それに垂直にＸ軸及びＹ軸をとる。ジャイロロータ２０のスピン軸線はＺ軸に沿って配置される。
【０１０７】
図１Ａに示すように、ジャイロケース２１は上側底部材２２と下側底部材２４と両者を接続するスペーサ２３とを有し、スペーサ２３は環状の内壁２３Ａを有する。こうして、上側底部材２２及び下側底部材２４の内面とスペーサ２３の内壁２３Ａとによって、ジャイロケース２１の内部にジャイロロータ２０を収容するための円盤状の密閉された空洞部２６が形成される。斯かる空洞部２６は適当な方法によって真空排気されている。
【０１０８】
スペーサ２３の環状の内壁２３Ａの外側には凹部２３Ｂが形成されており、斯かる凹部２３Ｂは通路２３Ｃによって空洞部２６に接続されている。斯かる通路２３Ｃの高さは２〜３μｍであってよい。斯かる凹部２３Ｂにはゲッタ部材３３が配置されている。それによって、空洞部２６は長期間高い真空度に維持されることができる。
【０１０９】
ジャイロロータ２０は導電性材料によって形成されている。斯かる導電性材料として例えば単結晶シリコン（珪素）が使用されてよい。単結晶材料を使用することによって熱歪み、経年変化の影響が少ない高い精度のジャイロロータを提供することができる。ジャイロケース２１の上側底部材２２と下側底部材２４は非導電性材料、例えばガラスによって形成されている。スペーサ２３はジャイロロータ２０と同一の材料によって形成されてよい。尚、ジャイロロータ２０及びジャイロケース２１の製造方法については後に詳細に説明する。
【０１１０】
図１Ａ及び図１Ｂの右側に示すように、本例のジャイロロータ２０の上面及び下面には、同心状に複数の環状の電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ及び２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’２００Ｄ’が形成されている。即ち、上面及び下面には、同心状に複数の環状溝２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ及び２００ａ’、２００ｂ’、２００ｃ’、２００ｄ’が形成され、斯かる環状溝によって突起状の環状の電極部が形成されている。
【０１１１】
本例のジャイロロータ２０の上面及び下面には、環状の電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ及び２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’の内側に駆動用電極部２００Ｅ及び２００Ｅ’が形成されている。斯かる駆動用電極部２００Ｅ、２００Ｅ’は、２つの同心状の環状溝２００ｄ、２００ｅ及び２００ｄ’、２００ｅ’の間に形成された複数の扇形突起部として構成され、円周上に沿って１列に環状に配置されてよい。
【０１１２】
ジャイロロータ２０の上面及び下面の突起部として形成された環状の電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ及び２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’及び駆動用電極部２００Ｅ、２００Ｅ’は共面に形成されてよい。
【０１１３】
一方、図１Ａ及び図１Ｂの左側に示すように、ジャイロケース２１の上側底部材２２と下側底部材２４の内面には、少なくとも３対の静電支持電極、本例では、第１、第２、第３及び第４の対の静電支持電極２２１、２３１、２２２、２３２、２２３、２３３及び２２４、２３４が配置されている。４対の静電支持電極は円周方向に沿って互いに９０°の角度間隔にて配置されている。例えば、第１及び第３の対の静電支持電極２２１、２３１及び２２３、２３３はＸ軸に沿って配置され、第２及び第４の対の静電支持電極２２２、２３２及び２２４、２３４はＹ軸に沿って配置されている。
【０１１４】
各静電支持電極は１対の櫛形部よりなる。例えば図１Ｂの左側には、第３の対の静電支持電極２２３、２３３のうち、上側底部材２２の内面に形成された静電支持電極２２３が示されている。この静電支持電極２２３は互いに隔置された２つの櫛形部２２３−１、２２３−２を含み、斯かる２つの櫛形部は互いに隔置されている。
【０１１５】
一方の櫛形部２２３−１は半径方向に延在する半径部２２３Ｒと複数の円周方向に延在する円周部２２３Ａ、２２３Ｃとを有する。同様に、他方の櫛形部２２３−２は半径方向に延在する半径部２２３Ｒと複数の円周方向に延在する円周部２２３Ｂ、２２３Ｄとを有する。各櫛形部２２３−１、２２３−２の円周部２２３Ａ、２２３Ｃ及び２２３Ｂ、２２３Ｄは互い違いに他を挟むように配置されている。各櫛形部２２３−１、２２３−２の半径部２２３Ｒ、２２３Ｒの端部には端子部２２３Ｒ’、２２３Ｒ’がそれぞれ形成されている。
【０１１６】
ジャイロケース２１の上側底部材２２と下側底部材２４の内面には、４対の静電支持電極２２１、２３１、２２２、２３２、２２３、２３３及び２２４、２３４の内側に駆動用電極２２５、２３５がそれぞれ形成されている。斯かる駆動用電極２２５、２３５は、円周上に沿って１列に環状に配置された複数の扇形に構成されてよい。
【０１１７】
次にジャイロロータ２０の環状の電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ及び２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’とジャイロケース２１の上側底部材２２及び下側底部材２４の静電支持電極２２１、２２２、２２３、２２４及び２３１、２３２、２３３、２３４の寸法及び相対的位置関係について説明する。
【０１１８】
ジャイロロータ２０の外径Ｄは５ｍｍ以下であってよく、厚さｔは０．１ｍｍ以下であってよく、質量は１０ミリグラム以下であってよい。図１には、４本の環状の電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ及び２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’が図示されているが、実際には多数の環状の電極部が形成されている。例えば、各電極部の半径方向の幅Ｌが約１０μｍであり、約２０μｍのピッチにて等間隔に形成されている場合、半径方向に約２ｍｍの幅の環状領域内に約１００本の環状の電極部が形成される。尚、各電極部の半径方向の幅Ｌ及びピッチは製造方法が許す限りできるだけ小さいほうが好ましい。
【０１１９】
ジャイロケース２１の上側底部材２２及び下側底部材２４の静電支持電極２２１、２２２、２２３、２２４及び２３１、２３２、２３３、２３４の寸法は環状の電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ及び２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’の寸法に対応して形成されてよい。例えば、図１にて、第３の静電支持電極２２３の各櫛形部２２３−１、２２３−２の円周部２２３Ａ、２２３Ｃ及び２２３Ｂ、２２３Ｄは合計４本含むものとして図示されているが、実際には多数の円周部が形成されている。例えば、各円周部の半径方向の幅Ｌが約１０μｍであり、約２０μｍのピッチにて等間隔に形成されている場合、半径方向に約２ｍｍの幅の環状領域内に約１００本の円周部が形成される。
【０１２０】
次にジャイロロータ２０の電極部とジャイロケース２１の静電支持電極の間の位置関係を説明する。例えば、ジャイロロータ２０の電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ及び２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’と第３の対の静電支持電極２２３、２３３の間の位置関係を説明する。ジャイロロータ２０の第１の電極部２００Ａ、２００Ａ’に対して第３の対の静電支持電極２２３、２３３の第１の円周部２２３Ａ、２３３Ａが対応し、第２の電極部２００Ｂ、２００Ｂ’に対して第３の対の静電支持電極２２３の第２の円周部２２３Ｂ、２３３Ｂが対応する。以下同様に、第３及び第４の電極部２００Ｃ、２００Ｃ’及び２００Ｄ、２００Ｄ’に対して第３及び第４の円周部２２３Ｃ、２３３Ｃ及び２２３Ｄ、２３３Ｄが対応する。
【０１２１】
ジャイロロータ２０の電極部とそれに対応するジャイロケース２１の静電支持電極の間の間隙δは数μｍ、例えばδ＝２〜３μｍであってよい。
【０１２２】
ジャイロロータ２０の各電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ及び２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’は、対応する静電支持電極２２３、２３３の円周部２２３Ａ、２３３Ａ、２２３Ｂ、２３３Ｂ、２２３Ｃ、２３３Ｃ及び２２３Ｄ、２３３Ｄに対して同心的に配置されているが同時に半径方向内方に又は外方に偏倚して配置されている。
【０１２３】
例えば、ジャイロロータ２０の各電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ及び２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’の幅及びピッチが、対応する静電支持電極２２３、２３３の円周部２２３Ａ、２３３Ａ、２２３Ｂ、２３３Ｂ、２２３Ｃ、２３３Ｃ及び２２３Ｄ、２３３Ｄの幅及びピッチと等しく、両者は互いに所定の距離だけ、半径方向内方に又は外方に偏倚して配置されている。
【０１２４】
ジャイロロータ２０の各電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ及び２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’が、それに対応する静電支持電極の円周部より半径方向内方に配置されている場合を第３の静電支持電極２２３、２３３を例として説明する。
【０１２５】
例えば、ジャイロロータ２０の第１の電極部２００Ａ、２００Ａ’の内径は対応する第１の円周部２２３Ａ、２３３Ａの内径よりそれぞれ小さく、第１の電極部２００Ａ、２００Ａ’の外径は対応する第１の円周部２２３Ａ、２３３Ａの外径よりそれぞれ小さい。同様に、ジャイロロータ２０の第２、第３及び第４の電極部２００Ｂ、２００Ｂ’、２００Ｃ、２００Ｃ’及び２００Ｄ、２００Ｄ’の内径は対応する第２、第３及び第４の円周部２２３Ａ、２３３Ａ、２２３Ｂ、２３３Ｂ、２２３Ｃ、２３３Ｃ及び２２３Ｄ、２３３Ｄの内径よりそれぞれ小さく、ジャイロロータ２０の第２、第３及び第４の電極部２００Ｂ、２００Ｂ’、２００Ｃ、２００Ｃ’及び２００Ｄ、２００Ｄ’の外径は対応する第２、第３及び第４の円周部２２３Ａ、２３３Ａ、２２３Ｂ、２３３Ｂ、２２３Ｃ、２３３Ｃ及び２２３Ｄ、２３３Ｄの外径よりそれぞれ小さい。
【０１２６】
ジャイロロータ２０の電極部と第１、第２及び第４の対の静電支持電極２２１、２３１、２２２、２３２、２２４、２３４との間の位置関係も同様である。またジャイロロータ２０の電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ、２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’の各々が、それに対応する静電支持電極の円周部の各々より半径方向外方に配置されている場合も同様である。
【０１２７】
ここで、本例の静電支持電極を互い違いに他を挟むように配置された１対の櫛形部を含むように構成した理由を説明する。斯かる構成によって、ジャイロロータ２０の上側及び下側において、各対の櫛形部とそれに対応するジャイロロータ２０の電極部との間の静電容量は等しくなっている。例えば、第１の対の静電支持電極２２１、２３１の第１の静電支持電極２２１において、第１の櫛形部２２１−１（２２１Ａ、２２１Ｃ）とそれに対応するジャイロロータ２０の第１及び第３の電極部２００Ａ、２００Ｃの間の静電容量は第２の櫛形部２２１−２（２２１Ｂ、２２１Ｄ）とそれに対応するジャイロロータ２０の第２及び第３の電極部２００Ｃ、２００Ｄの間の静電容量に等しく共にＣ_１Ａである。
【０１２８】
従って第１の櫛形部２２１−１（２２１Ａ、２２１Ｃ）に印加する制御用直流電圧と第２の櫛形部２２１−２（２２１Ｂ、２２１Ｄ）に印加する制御用直流電圧を、大きさが等しく極性が反対の電圧、例えば±Ｖ_１Ａとすることによって、ジャイロロータ２０の電位をゼロにすることができる。これについては後に図４を参照して再度説明する。
【０１２９】
第１の対の静電支持電極２２１、２３１の第２の静電支持電極２３１においても同様である。また第２、第３及び第４の静電支持電極２２２、２３２、２２３、２３３、２２４、２３４についても同様である。
【０１３０】
尚、ジャイロロータ２０の駆動用電極部２００Ｅ、２００Ｅ’と対応するジャイロケース２１の駆動用電極２２５、２３５は互いに同一形状且つ半径方向に同一位置に配置されてよい。
【０１３１】
ジャイロロータ２０の上面及び下面には、中心部に、突起部２００Ｆ及び２００Ｆ’が形成され、斯かる突起部２００Ｆ、２００Ｆ’の中心部には凹部２００ｆ、２００ｆ’が形成されている。一方、ジャイロケース２１の上側底部材２２と下側底部材２４の内面には、中心部に、それぞれ放電兼用ストッパ１２７、１２８が設けられている。斯かるストッパ１２７、１２８は、ジャイロロータ２０の上面及び下面の中心部に形成された凹部２００ｆ、２００ｆ’に対応して配置されている。
【０１３２】
放電兼用ストッパ１２７、１２８は、ジャイロロータ２０のＺ軸方向の変位、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の変位を制限しジャイロロータ２０がジャイロケース２１の内面に接触することを阻止すると同時にジャイロロータ２０に蓄積した静電気を放電させるために設けられている。
【０１３３】
ジャイロロータ２０がＺ軸方向に変位してジャイロケース２１の内面に近づくと、ジャイロロータ２０の電極部がジャイロケース２１の電極に接触する前に、放電兼用ストッパ１２７、１２８がジャイロロータ２０の凹部２００ｆ、２００ｆ’の底に当接する。また、ジャイロロータ２０がＸ軸又はＹ軸方向に変位すると、ジャイロロータ２０がジャイロケース２１の円周内壁２３Ａに接触する前に、放電兼用ストッパ１２７、１２８がジャイロロータ２０の凹部２００ｆ、２００ｆ’の円周内壁に当接する。
【０１３４】
それによって、ジャイロロータ２０のＺ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の変位が制限され、ジャイロロータ２０がジャイロケース２１の内面に接触することが阻止される。また、ジャイロロータ２０が停止し着地したとき、放電兼用ストッパ１２７、１２８がジャイロロータ２０の凹部２００ｆ、２００ｆ’に当接することによって、ジャイロロータ２０に蓄積した静電気が放電兼用ストッパ１２７、１２８を経由して外部に放電される。
【０１３５】
ジャイロケース２１の上側底部材２２又は下側底部材２４に形成された静電支持電極２２１、２３１、２２２、２３２、２２３、２３３、２２４、２３４及び駆動用電極２２５、２３５と外部電源又は外部回路と間は、スルーホール接続によって電気的に接続されてよい。例えば図示のように、上側底部材２２又は下側底部材２４には小さな孔、即ち、スルーホール２２Ｂ、２４Ａが設けられ、斯かるスルーホールの内面には金属膜が形成される。斯かる金属膜によって、静電支持電極が外部の機構制御回路１２３、１３１に接続される。
【０１３６】
次に本発明のジャイロ装置におけるロータ駆動系を説明する。本例のロータ駆動系はジャイロロータ２０の上面及び下面に形成された駆動用電極部２００Ｅ及び２００Ｅ’とジャイロケース２１の上側底部材２２又は下側底部材２４に形成された駆動用電極２２５、２３５とを含む。上述のように、駆動用電極部２００Ｅと駆動用電極２２５及び駆動用電極部２００Ｅ’と駆動用電極２３５とは同一半径の円周上に１列に配置され、各々、複数の同一形状の扇形部よりなる。
【０１３７】
本例の駆動用電極部２００Ｅ及び２００Ｅ’と駆動用電極２２５、２３５は３相電極を構成している。本例によると、ジャイロロータ２０の上側の駆動用電極部２００Ｅは互いに９０度の中心角にて隔置された４個の扇形部を含み、下側の駆動用電極部２００Ｅ’は互いに９０度の中心角にて隔置された４個の扇形部を含む。
【０１３８】
それに対応してジャイロケース２１の上側の駆動用電極２２５は互いに等しい中心角にて隔置された１２個の扇形部を含み、下側の駆動用電極２３５は互いに等しい中心角にて隔置された１２個の扇形部を含む。各１２個の駆動用電極２２５又は２３５は４組の扇形部を含み、各組は３個の扇形部、即ち、第１相、第２相及び第３相の扇形部よりなる。
【０１３９】
各組の駆動用電極２２５又は２３５の対応する相の扇形部は互いに電気的に接続されている。例えば、第１相の４つの駆動用電極２２５又は２３５は互いに接続され、第２相の４つの駆動用電極２２５又は２３５は互いに接続され、第３相４つの駆動用電極２２５又は２３５は互いに接続されている。
【０１４０】
斯かる３相の共通端子に３相駆動用電圧が付与される。駆動用電圧はステップ状電圧又はパルス電圧であってよい。斯かる駆動用電圧は隣接する次の相の４個の扇形部に順次切り換えられる。駆動用電圧の切替えはジャイロロータ２０の回転に同期して行われる。それによってジャイロロータ２０は高速回転する。ジャイロケース２１の空隙部２６は真空に維持されているので、ジャイロロータ２０の回転速度が高くなったら、駆動用電圧を遮断してもよいが、常に駆動用電圧を付与し続けててもよい。
【０１４１】
尚、３相電極を構成する駆動用電極部２００Ｅ及び２００Ｅ’と駆動用電極２２５、２３５は、より多くの扇形部を含むように構成してもよい。例えば、駆動用電極部２００Ｅ、２００Ｅ’の各々は５個の扇形部を含み、それに対応して駆動用電極２２５、２３５の各々は５組（１５個）の扇形部を含むように構成してもよい。
【０１４２】
図２に本発明によるジャイロ装置の制御ループを示す。本例の制御ループは４対の静電支持電極２２１〜２２４、２３１〜２３４に接続された機構制御回路１２１〜１２４、１３１〜１３４と各機構制御回路１２１〜１３４からの出力電圧Ｐ_１Ａ〜Ｐ_４Ａ、Ｐ_１Ｂ〜Ｐ_４Ｂを入力して制御用直流電圧Ｖ_１Ａ〜Ｖ_４Ａ、Ｖ_１Ｂ〜Ｖ_４Ｂを生成する制御演算部１４０とを有する。制御演算部１４０によって生成された制御用直流電圧Ｖ_１Ａ〜Ｖ_４Ａ、Ｖ_１Ｂ〜Ｖ_４Ｂは各機構制御回路１２１〜１３４に供給される。各機構制御回路１２１〜１３４は制御用直流電圧±Ｖ_１Ａ〜±Ｖ_４Ａ、±Ｖ_１Ｂ〜±Ｖ_４Ｂと変位検出用交流電圧ＡＣ_０ を重畳して静電支持電極２２１〜２２４、２３１〜２３４に供給する。
【０１４３】
尚、本例のジャイロ装置には制御演算部１４０の出力信号を入力するジャイロ加速度出力演算部１４５が設けられているが、それについては後に詳細に説明する。
【０１４４】
静電支持電極２２１〜２２４、２３１〜２３４に制御用直流電圧±Ｖ_１Ａ〜±Ｖ_４Ａ、±Ｖ_１Ｂ〜±Ｖ_４Ｂを印加することによってジャイロロータ２０は所定の基準位置に浮動的に支持され拘束される。機構制御回路１２１〜１２４、１３１〜１３４は４対の静電支持電極２２１〜２２４、２３１〜２３４に接続されており、斯かる４対の静電支持電極２２１〜２２４、２３１〜２３４に印加される電圧を検出する。静電支持電極２２１〜２２４、２３１〜２３４に変位検出用交流電圧ＡＣ_０ を印加することによって、機構制御回路１２１〜１２４、１３１〜１３４は静電支持電極２２１〜２２４、２３１〜２３４によって出力された電圧信号Ｐ_１Ａ〜Ｐ_４Ａ、Ｐ_１Ｂ〜Ｐ_４Ｂを検出する。
【０１４５】
斯かる電圧信号Ｐ_１Ａ〜Ｐ_４Ａ、Ｐ_１Ｂ〜Ｐ_４Ｂはジャイロロータ２０の全ての直線変位及び回転変位を含む。斯かる電圧信号Ｐ_１Ａ〜Ｐ_４Ａ、Ｐ_１Ｂ〜Ｐ_４Ｂは制御演算部１４０に供給される。制御演算部１４０によってジャイロロータ２０のＺ軸方向の変位±Δｚ、Ｘ軸方向の変位±Δｘ及びＹ軸方向の変位±ΔｙとＸ軸周り及びＹ軸周りの回転変位Δφ、Δθ（図３の右上に示す矢印の方向を正とする。）が検出される。更に、斯かる変位より静電支持電極２２１〜２２４、２３１〜２３４に印加すべき制御用直流電圧±Ｖ_１Ａ〜±Ｖ_４Ａ、±Ｖ_１Ｂ〜±Ｖ_４Ｂが演算される。こうして制御用直流電圧±Ｖ_１Ａ〜±Ｖ_４Ａ、±Ｖ_１Ｂ〜±Ｖ_４Ｂが変化し、ジャイロロータ２０はその偏倚量がゼロとなるように元の位置に戻される。
【０１４６】
本例の拘束制御系は、このようにジャイロロータ２０の偏倚量を実際に測定して斯かる偏倚量がゼロになるように静電気力を積極的に変化させる点で、従来のパッシブ式拘束系とは異なりアクティブ式に構成されている。
【０１４７】
図３を参照して本発明によるジャイロ装置の拘束制御系について説明する。本例の拘束制御系はジャイロロータ２０を所定の位置に浮動的に支持するように構成されており、ジャイロロータ２０をジャイロケース２１の内面に接触しないようにＺ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に拘束する。またジャイロロータ２０のＸ軸周り及びＹ軸周りの回転変位を拘束する。
【０１４８】
ジャイロロータ２０は実際には高速で回転しているが、ジャイロロータ２０のうち、第１、第２、第３及び第４の対の静電支持電極に対応した位置にある４つの部分をそれぞれＰ_１ 、Ｐ_２ 、Ｐ_３ 及びＰ_４ とする。
【０１４９】
図３には、本例のジャイロ装置をＸＺ平面に沿って切断した断面が示されており、Ｘ軸に沿って配置されたジャイロロータ２０の第１及び第３の部分Ｐ_１ 、Ｐ_３ とそれに対応して配置された第１及び第３の対の静電支持電極２２１、２３１及び２２３、２３３とそれに接続された第１の対及び第３の対の機構制御回路１２１、１３１及び１２３、１３３が示されている。Ｙ軸に沿って配置されたジャイロロータ２０の第２及び第４の部分Ｐ_２ 及びＰ_４ とそれに対応した第２及び第４の対の静電支持電極及び機構制御回路は図示されていないが、紙面に垂直な方向に沿って配置されている。
【０１５０】
第１の対の静電支持電極２２１の円周部２２１Ａ、２２１Ｂ、２２１Ｃ、２２１Ｄはジャイロロータ２０の上面の電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄに対応しており、第１の対の静電支持電極２３１の円周部２３１Ａ、２３１Ｂ、２２１Ｃ、２２１Ｄはジャイロロータ２０の下面の電極部２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’に対応しており、第３の対の静電支持電極２２３の円周部２２３Ａ、２２３Ｂ、２２３Ｃ、２２３Ｄはジャイロロータ２０の上面の電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄに対応しており、第３の対の静電支持電極２３３の円周部２３３Ａ、２３３Ｂ、２３３Ｃ、２３３Ｄはジャイロロータ２０の下面の電極部２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’に対応している。
【０１５１】
次に図４を参照して機構制御回路１２１の構成例及び変位検出の原理を説明する。この機構制御回路１２１は第１の対の静電支持電極２２１、２３１の第１の静電支持電極２２１に接続されたものであるが他の機構制御回路１２２、１２３、１２４、１３１、１３２、１３３、１３４も同様な構成を有してよい。図示のように機構制御回路１２１は制御用直流電圧Ｖ_１Ａ及び変位検出用交流電圧ＡＣ_０ を入力して加算する加算器１２１−１と符号反転器１２１−２と２つのコンデンサ１２１−３Ａ、１２１−３Ｂと減算器１２１−４とを含む。
【０１５２】
図４において、第１の静電支持電極２２１の第１及び第２の櫛形部２２１−１（２２１Ａ、２２１Ｃ）及び２２１−２（２２１Ｂ、２２１Ｄ）とそれに対応するジャイロロータ２０の電極部２００Ａ、２００Ｃ及び２００Ｂ、２００Ｄはそれぞれ第１及び第２のコンデンサに置き換えられている。上述のように、第１の静電支持電極２２１において、第１の櫛形部２２１−１と第１及び第３の電極部２００Ａ、２００Ｃの間の静電容量と第２の櫛形部２２１−２と第２及び第４の電極部２００Ｂ、２００Ｄの間の静電容量は等しくＣ_１Ａである。従って斯かる２つのコンデンサの静電容量は共にＣ_１Ａである。
【０１５３】
機構制御回路１２１は制御用直流電圧±Ｖ_１Ａを出力する。第１の静電支持電極２２１の第１の櫛形部２２１−１（２２１Ａ、２２１Ｃ）には制御用直流電圧＋Ｖ_１Ａが印加され第２の櫛形部２２１−２（２２１Ｂ、２２１Ｄ）にはそれと大きさが同じで極性が異なる制御用直流電圧−Ｖ_１Ａが印加される。従って第１及び第２コンデンサには大きさが同じで極性が異なる制御用直流電圧±Ｖ_１Ａが印加される。それによって２対のコンデンサの中点Ｑ_１ の電位はゼロとなる。本例によると、静電支持電極の各対の櫛形部に大きさが同じで極性が異なる制御用直流電圧が印加されるから、ジャイロロータ２０の電位は常にゼロである。
【０１５４】
また、機構制御回路１２１は制御用直流電圧±Ｖ_１Ａに重畳して変位検出用交流電圧ＡＣ_０ を出力し、２つのコンデンサに斯かる変位検出用交流電圧ＡＣ_０ が印加される。変位検出用交流電圧ＡＣ_０ は例えば次のように表される。
【０１５５】
【数１０】
ＡＣ_０ ＝Ｅ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）
【０１５６】
同様に、第３の対の静電支持電極２２３、２３３の第１の静電支持電極２２３において、第１の櫛形部２２３−１と第１及び第３の電極部２００Ａ、２００Ｃの間の静電容量と第２の櫛形部２２３−２と第２及び第４の電極部２００Ｂ、２００Ｄの間の静電容量は等しくＣ_３Ａであり、第２の静電支持電極２３３において、第１の櫛形部２３３−１と第１及び第３の電極部２００Ａ’、２００Ｃ’の間の静電容量と第２の櫛形部２３３−２と第２及び第４の電極部２００Ｂ’、２００Ｄ’の間の静電容量は等しくＣ_３Ｂである。
【０１５７】
例えば、ジャイロロータ２０がＸ軸方向にΔＸだけ直線変位し、Ｙ軸周りに回転角Δθだけ回転変位し、Ｚ軸方向にΔＺだけ直線変位したものとする。斯かる変位は十分小さいものと仮定すると、各コンデンサの静電容量は次のように表される。
【０１５８】
【数１１】
Ｃ_１Ａ＝Ｃ_０ （１＋ΔＸ＋ΔＺ＋Δθ）
Ｃ_１Ｂ＝Ｃ_０ （１＋ΔＸ−ΔＺ−Δθ）
Ｃ_３Ａ＝Ｃ_０ （１−ΔＸ＋ΔＺ−Δθ）
Ｃ_３Ｂ＝Ｃ_０ （１−ΔＸ−ΔＺ＋Δθ）
【０１５９】
ここにＣ_０ は全ての変位がゼロの時の各コンデンサの静電容量である。逆にこの式から各変位ΔＸ、ΔＺ、Δθを各コンデンサの静電容量によって表すことができる。
【０１６０】
【数１２】
ΔＸ＝（１／４Ｃ_０ ）（Ｃ_１Ａ＋Ｃ_１Ｂ−Ｃ_３Ａ−Ｃ_３Ｂ）
Δθ＝（１／４Ｃ_０ ）（Ｃ_１Ａ−Ｃ_１Ｂ−Ｃ_３Ａ＋Ｃ_３Ｂ）
ΔＺ＝（１／４Ｃ_０ ）（Ｃ_１Ａ−Ｃ_１Ｂ＋Ｃ_３Ａ−Ｃ_３Ｂ）
【０１６１】
本例のジャイロ装置をＹＺ平面に沿って切断した断面は図示してないが、Ｙ軸に沿って配置された第２及び第４の対の静電支持電極２２２、２３２及び２２４、２３４とそれに対応したジャイロロータ２０の第２及び第４の部分Ｐ_２ 及びＰ_４ に関しても同様な議論が成り立つ。
【０１６２】
例えば、ジャイロロータ２０がＹ軸方向にΔＹだけ直線変位し、Ｚ軸方向にΔＺだけ直線変位し、Ｘ軸周りに回転角Δφだけ回転変位したものとする。数１１の式に対応して、各コンデンサの静電容量は次のように表される。
【０１６３】
【数１３】
Ｃ_２Ａ＝Ｃ_０ （１＋ΔＹ＋ΔＺ＋Δφ）
Ｃ_２Ｂ＝Ｃ_０ （１＋ΔＹ−ΔＺ−Δφ）
Ｃ_４Ａ＝Ｃ_０ （１−ΔＹ＋ΔＺ−Δφ）
Ｃ_４Ｂ＝Ｃ_０ （１−ΔＹ−ΔＺ＋Δφ）
【０１６４】
また数１２の式に対応して変位ΔＸ、ΔＹ、Δφをコンデンサの静電容量によって表すと次のようになる。
【０１６５】
【数１４】
ΔＹ＝（１／４Ｃ_０ ）（Ｃ_２Ａ＋Ｃ_２Ｂ−Ｃ_４Ａ−Ｃ_４Ｂ）
Δφ＝（１／４Ｃ_０ ）（Ｃ_２Ａ−Ｃ_２Ｂ−Ｃ_４Ａ＋Ｃ_４Ｂ）
ΔＺ＝（１／４Ｃ_０ ）（Ｃ_２Ａ−Ｃ_２Ｂ＋Ｃ_４Ａ−Ｃ_４Ｂ）
【０１６６】
各機構制御回路１２１、１２２、１２３、１２４、１３１、１３２、１３３、１３４の出力電圧信号Ｐ_１Ａ、Ｐ_１Ｂ、Ｐ_２Ａ、Ｐ_２Ｂ、Ｐ_３Ａ、Ｐ_３Ｂ、Ｐ_４Ａ、Ｐ_４Ｂは次の式によって表される。
【０１６７】
【数１５】
Ｐ_１Ａ＝Ｋ_Ｖ Ｃ_１ＡＥ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）
Ｐ_１Ｂ＝Ｋ_Ｖ Ｃ_１ＢＥ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）
Ｐ_２Ａ＝Ｋ_Ｖ Ｃ_２ＡＥ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）
Ｐ_２Ｂ＝Ｋ_Ｖ Ｃ_２ＢＥ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）
Ｐ_３Ａ＝Ｋ_Ｖ Ｃ_３ＡＥ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）
Ｐ_３Ｂ＝Ｋ_Ｖ Ｃ_３ＢＥ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）
Ｐ_４Ａ＝Ｋ_Ｖ Ｃ_４ＡＥ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）
Ｐ_４Ｂ＝Ｋ_Ｖ Ｃ_４ＢＥ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）
【０１６８】
ここにＫ_Ｖ はコンデンサの形状等によって決まる定数である。数１５の式よりコンデンサの静電容量Ｃ_１Ａ、Ｃ_１Ｂ、Ｃ_２Ａ、Ｃ_２Ｂ、Ｃ_３Ａ、Ｃ_３Ｂ、Ｃ_４Ａ、Ｃ_４Ｂは次のうように表される。
【０１６９】
【数１６】
Ｃ_１Ａ＝Ｐ_１Ａ〔１／Ｋ_Ｖ Ｅ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）〕
Ｃ_１Ｂ＝Ｐ_１Ｂ〔１／Ｋ_Ｖ Ｅ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）〕
Ｃ_２Ａ＝Ｐ_２Ａ〔１／Ｋ_Ｖ Ｅ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）〕
Ｃ_２Ｂ＝Ｐ_２Ｂ〔１／Ｋ_Ｖ Ｅ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）〕
Ｃ_３Ａ＝Ｐ_３Ａ〔１／Ｋ_Ｖ Ｅ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）〕
Ｃ_３Ｂ＝Ｐ_３Ｂ〔１／Ｋ_Ｖ Ｅ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）〕
Ｃ_４Ａ＝Ｐ_４Ａ〔１／Ｋ_Ｖ Ｅ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）〕
Ｃ_４Ｂ＝Ｐ_４Ｂ〔１／Ｋ_Ｖ Ｅ_０ ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）〕
【０１７０】
この式を数１２の式及び数１４の式の右辺に代入してジャイロロータ２０の直線変位及び回転変位が求められる。
【０１７１】
【数１７】
ΔＸ＝Ｋｘ（Ｐ_１Ａ＋Ｐ_１Ｂ−Ｐ_３Ａ−Ｐ_３Ｂ）
ΔＹ＝Ｋｙ（Ｐ_２Ａ＋Ｐ_２Ｂ−Ｐ_４Ａ−Ｐ_４Ｂ）
ΔＺ＝Ｋｚ（Ｐ_１Ａ＋Ｐ_２Ａ＋Ｐ_３Ａ＋Ｐ_４Ａ−Ｐ_１Ｂ−Ｐ_２Ｂ−Ｐ_３Ｂ−Ｐ_４Ｂ）
Δθ＝Ｋθ（Ｐ_１Ａ−Ｐ_１Ｂ−Ｐ_３Ａ＋Ｐ_３Ｂ）
Δφ＝Ｋφ（Ｐ_２Ａ−Ｐ_２Ｂ−Ｐ_４Ａ＋Ｐ_４Ｂ）
【０１７２】
Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚ、Ｋθ、Ｋφは比例定数である。尚、斯かる比例定数は数１６の式より明らかなように、振動成分１／ｃｏｓ（ω_０ ｔ＋ξ）を含む。本例によれば、４対の機構制御回路の出力電圧Ｐ_１Ａ〜Ｐ_４Ｂよりジャイロロータ２０の全ての直線変位及び回転変位が得られる。例えば、直線変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺと回転変位Δθ、Δφが２つ以上重畳した場合でも、数１７の式より各変位が得られる。
【０１７３】
本例の拘束制御系は、このようにジャイロロータ２０の偏倚量を実際に測定して斯かる偏倚量がゼロになるように静電気力を積極的に変化させる点で、従来のパッシブ式拘束系とは異なりアクティブ式に構成されている。
【０１７４】
図５に本発明によるジャイロ装置の制御演算部１４０の構成及びジャイロ加速度出力演算部１４５を示す。本例の制御演算部１４０は、各機構制御回路１２１〜１２４、１３１〜１３４の出力電圧Ｐ_１Ａ、Ｐ_１Ｂ、Ｐ_２Ａ、Ｐ_２Ｂ、Ｐ_３Ａ、Ｐ_３Ｂ、Ｐ_４Ａ、Ｐ_４Ｂを入力して直線変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ及び回転変位Δθ、Δφを演算する変位演算部１４１とジャイロロータ２０の変位をゼロにするためにジャイロロータ２０に印加すべき直線加速度（無次元量）ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ及び回転モーメントｆθ、ｆφを演算するＰＩＤ演算部１４２と制御用直流電圧の変化量ΔＶ_１Ａ、ΔＶ_１Ｂ、ΔＶ_２Ａ、ΔＶ_２Ｂ、ΔＶ_３Ａ、ΔＶ_３Ｂ、ΔＶ_４Ａ、ΔＶ_４Ｂを演算する制御電圧演算部１４３と制御用直流電圧Ｖ_１Ａ、Ｖ_１Ｂ、Ｖ_２Ａ、Ｖ_２Ｂ、Ｖ_３Ａ、Ｖ_３Ｂ、Ｖ_４Ａ、Ｖ_４Ｂを発生する制御電圧発生器１４４とを有する。
【０１７５】
尚、ジャイロ装置はジャイロ加速度出力演算部１４５を有し、斯かるジャイロ加速度出力演算部１４５はＰＩＤ演算部１４２によって出力された加速度ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ及び回転モーメントｆθ、ｆφを入力してジャイロ出力ｄθ／ｄｔ、ｄφ／ｄｔ及び加速度α_Ｘ 、α_Ｙ 、α_Ｚ を演算する。
【０１７６】
図６を参照して本例の変位演算部１４１の構成及び動作を説明する。本例の変位演算部１４１は、周波数ω_０ の基準信号によって電圧信号Ｐ_１Ａ、Ｐ_１Ｂ、Ｐ_２Ａ、Ｐ_２Ｂ、Ｐ_３Ａ、Ｐ_３Ｂ、Ｐ_４Ａ、Ｐ_４Ｂを同期検波する第１〜第８の同期検波器１４１−１〜１４１−８と、各同期検波器１４１−１〜１４１−８の出力波形を直流波形に整流するためのフィルタ１４１−９〜１４１−１６と変位演算器１４１−１７と周波数ω_０ の基準信号を発生する信号発生器１４１−１８とを有する。
【０１７７】
変位演算器１４１−１７は数１７の式によって直線変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ及び回転変位Δθ、Δφを演算する。斯かる変位信号はＰＩＤ演算部１４２及び制御電圧演算部１４３に供給される。
【０１７８】
図７を参照して本例のＰＩＤ演算部１４２の構成及び動作を説明する。本例のＰＩＤ演算部１４２は５つのＰＩＤ演算器１４２−１、１４２−２、１４２−３、１４２−４、１４２−５を含み、各ＰＩＤ演算器はそれぞれ直線変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ及び回転変位Δθ、Δφを入力して直線加速度ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ及び回転モーメントｆθ、ｆφを演算する。
【０１７９】
図７は第１のＰＩＤ演算器１４２−１の構成を示す。第１のＰＩＤ演算器１４２−１は、直線変位ΔＸを入力して微分演算する微分部１４２−１Ａと比例演算する比例部１４２−１Ｂと積分演算する積分部１４２−１Ｃとそれらの演算結果を加算する加算部１４２−１Ｄとを有する。加算部１４２−１Ｄの出力信号がＰＩＤ演算器１４２−１の出力信号である。尚、図７において、Ｓはラプラス演算子、Ｋ_Ｐ は比例定数、Ｔ_Ｄ 及びＴ_Ｉ は微分時定数及び積分時定数である。
【０１８０】
本例のＰＩＤ演算部１４２に含まれる他の３つのＰＩＤ演算器、即ち、第２、第３、第４及び第５のＰＩＤ演算器１４２−１の構成は、図７に示した第１のＰＩＤ演算器１４２−１の構成と同様であってよい。
【０１８１】
ＰＩＤ演算部１４２の出力信号ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ、ｆθ、ｆφは制御電圧演算部１４３及びジャイロ加速度出力演算部１４５に供給される。尚、ジャイロ加速度出力演算部１４５には、加算部１４２−１Ｄ〜１４２−５Ｄの出力信号ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ、ｆθ、ｆφではなく積分部１４２−１Ｃ〜１４２−５Ｃの出力信号が供給されてよい。
【０１８２】
図８及び図９を参照して本例による制御電圧演算部１４３の構成及び動作を説明する。本例による制御電圧演算部１４３はジャイロロータ２０に付与すべき直線加速度ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ及び回転モーメントｆθ、ｆφより制御用直流電圧の変化量ΔＶ_１ 〜ΔＶ_８ を演算する。本例によると、先ず直線加速度ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ及び回転モーメントｆθ、ｆφと直線変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ及び回転変位Δθ、Δφを無次元化し、次に実際にジャイロロータ２０の変位がゼロとなるようにジャイロロータ２０に付与すべき力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφを演算する。斯かる力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφは無次元量として得られる。最後に、斯かる力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφから制御用直流電圧Ｖ_１Ａ〜Ｖ_４Ｂの変化量ΔＶ_１Ａ〜ΔＶ_４Ｂを演算する。
【０１８３】
図８を参照して制御電圧演算部１４３の入力信号の無次元化を説明する。図８Ａに示すように、ジャイロロータ２０の電極部２００Ａと対応するジャイロケース２１の静電支持電極の円周部２２１Ａを模式的なコンデンサと考える。静電支持電極の円周部２２１Ａは電極部２００Ａに対して半径方向外方に距離δ_２ だけ偏倚されており、両者が重なりあう部分がコンデンサとなる。
【０１８４】
斯かるコンデンサは半径ｒの位置に配置され、半径方向の幅がＬ、円周方向の幅がＢ、間隙がδであるものとする。直線変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ及び回転変位Δθ、Δφの無次元化は次の式によってなされる。
【０１８５】
【数１８】
ΔＸ_Ｎ ＝ΔＸ／Ｌ
ΔＹ_Ｎ ＝ΔＹ／Ｌ
ΔＺ_Ｎ ＝ΔＺ／δ
Δθ_Ｎ ＝Δθ／（δ／ｒ）
Δφ_Ｎ ＝Δφ／（δ／ｒ）
【０１８６】
ここに添字Ｎは無次元量を表す。次に図８Ｂを参照して直線加速度ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ及び回転モーメントｆθ、ｆφを無次元化する方法を説明する。直線加速度ｆｘ、ｆｙ、ｆｚは次の式によってなされる。
【０１８７】
【数１９】
ｆｘ_Ｎ ＝ｆｘ（Ｃ_０ Ｖ_０ ^２／Ｌ）^−１
ｆｙ_Ｎ ＝ｆｙ（Ｃ_０ Ｖ_０ ^２／Ｌ）^−１
ｆｚ_Ｎ ＝ｆｚ（Ｃ_０ Ｖ_０ ^２／δ）^−１
ｆθ_Ｎ ＝ｆθ（ｒＣ_０ Ｖ_０ ^２／δ）^−１
ｆφ_Ｎ ＝ｆφ（ｒＣ_０ Ｖ_０ ^２／δ）^−１
【０１８８】
ここに添字Ｎは無次元量を表す。Ｃ_０ はジャイロロータ２０の変位がゼロのときの静電容量であり、誘電率εを使用してＣ_０ ＝εＢＬ／δと表される。Ｖ_０ はジャイロロータ２０の変位がゼロのときの制御用直流電圧、ｒは半径、δは電極部と電極の間の間隔である。ジャイロロータ２０に付与すべき力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφは次のように表すことができる。
【０１８９】
【数２０】
Ｆｘ＝ｆｘ_Ｎ
Ｆｙ＝ｆｙ_Ｎ
Ｆｚ＝ｆｚ_Ｎ −８ΔＺ_Ｎ
Ｔθ＝ｆθ_Ｎ
Ｔφ＝ｆφ_Ｎ
【０１９０】
次に、無次元化された力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφと無次元化された直線変位ΔＸ_Ｎ 、ΔＹ_Ｎ 、ΔＺ_Ｎ 及び回転変位Δθ_Ｎ 、Δφ_Ｎ より制御用直流電圧の変化量ΔＶ_１Ａ〜ΔＶ_４Ｂを演算する。
【０１９１】
第１及び第３の静電電極２２１、２２３に印加する制御用直流電圧±Ｖ_１Ａ、±Ｖ_１Ｂ及び±Ｖ_３Ａ、±Ｖ_３Ｂの変化量ΔＶ_１Ａ、ΔＶ_１Ｂ及びΔＶ_３Ａ、ΔＶ_３Ｂについて考える。４つの変化量ΔＶ_１Ａ、ΔＶ_１Ｂ及びΔＶ_３Ａ、ΔＶ_３Ｂの各々は３つの無次元化された力Ｆｘ、Ｆｚ及びトルクＴθによって表すことができる。同様に、第２及び第４の静電電極２２２、２２４に印加する制御用直流電圧±Ｖ_２Ａ、±Ｖ_２Ｂ及び±Ｖ_４Ａ、±Ｖ_４Ｂの変化量ΔＶ_２Ａ、ΔＶ_２Ｂ及びΔＶ_４Ａ、ΔＶ_４Ｂについて考える。４つの変化量ΔＶ_２Ａ、ΔＶ_２Ｂ及びΔＶ_４Ａ、ΔＶ_４Ｂの各々は３つの無次元化された力Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴφによって表すことができる。
【０１９２】
従って４つの変化量ΔＶ_１Ａ、ΔＶ_１Ｂ及びΔＶ_３Ａ、ΔＶ_３ＢとΔＶ_２Ａ、ΔＶ_２Ｂ及びΔＶ_４Ａ、ΔＶ_４Ｂを求めるために更にもう１つの条件を設ける。
【０１９３】
【数２１】
ΔＶ_１Ａ＋ΔＶ_１Ｂ＋ΔＶ_３Ａ＋ΔＶ_３Ｂ＝０
ΔＶ_２Ａ＋ΔＶ_２Ｂ＋ΔＶ_４Ａ＋ΔＶ_４Ｂ＝０
【０１９４】
この第１の式はジャイロロータ２０のＸＺ平面に沿った部分、即ち、第１及び第３の部分Ｐ_１ 、Ｐ_３ における制御用直流電圧の変化量の和が０であることを表し、第２の式はジャイロロータ２０のＹＺ平面に沿った部分、即ち、第２及び第４の部分Ｐ_２ 、Ｐ_４ における制御用直流電圧の変化量の和が０であるということを表している。斯かる条件を設定することによって、ジャイロロータ２０に不要な電荷が流れ込むことが防止され、同時に、８個の制御用直流電圧の変化量ΔＶ_１Ａ〜ΔＶ_４Ｂの値を一意的に決めることができる。
【０１９５】
本例によると、無次元化された力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφと無次元化された直線変位ΔＸ_Ｎ 、ΔＹ_Ｎ 、ΔＺ_Ｎ 及び回転変位Δθ_Ｎ 、Δφ_Ｎ によって制御用直流電圧の変化量ΔＶ_１Ａ〜ΔＶ_４Ｂを演算する。
【０１９６】
図９に斯かる演算式の例を示す。斯かる演算式はマトリックスで表され、これをアクチュエータ補正マトリックス（ＡＣＴＵＡＴＥＲ ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＩＮＧ ＭＡＴＲＩＸ）ＡＣＭと称する。
【０１９７】
【数２２】
ΔＶ_１Ａ＝Ｖ_０ （Ａ_１１・Ｆｘ＋Ａ_１２・Ｆｚ／２＋Ａ_１３・Ｔθ）
ΔＶ_１Ｂ＝Ｖ_０ （Ａ_２１・Ｆｘ＋Ａ_２２・Ｆｚ／２＋Ａ_２３・Ｔθ）
ΔＶ_３Ａ＝Ｖ_０ （Ａ_３１・Ｆｘ＋Ａ_３２・Ｆｚ／２＋Ａ_３３・Ｔθ）
ΔＶ_３Ｂ＝Ｖ_０ （Ａ_４１・Ｆｘ＋Ａ_４２・Ｆｚ／２＋Ａ_４３・Ｔθ）
ΔＶ_２Ａ＝Ｖ_０ （Ｂ_１１・Ｆｙ＋Ｂ_１２・Ｆｚ／２＋Ｂ_１３・Ｔφ）
ΔＶ_２Ｂ＝Ｖ_０ （Ｂ_２１・Ｆｙ＋Ｂ_２２・Ｆｚ／２＋Ｂ_２３・Ｔφ）
ΔＶ_４Ａ＝Ｖ_０ （Ｂ_３１・Ｆｙ＋Ｂ_３２・Ｆｚ／２＋Ｂ_３３・Ｔφ）
ΔＶ_４Ｂ＝Ｖ_０ （Ｂ_４１・Ｆｙ＋Ｂ_４２・Ｆｚ／２＋Ｂ_４３・Ｔφ）
【０１９８】
この式の右辺の無次元化された力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφの係数はアクチュエータ補正マトリックスの要素である。
【０１９９】
【数２３】
Ａ_１１＝（１／４）（１−２ΔＺ−２Δθ）
Ａ_１２＝（１／４）（１−ΔＸ−Δθ）
Ａ_１３＝（１／４）（１−ΔＸ−ΔＺ）
Ａ_２１＝（１／４）（１＋２ΔＺ＋２Δθ）
Ａ_２２＝（−１／４）（１−ΔＸ＋Δθ）
Ａ_２３＝（−１／４）（１−ΔＸ＋ΔＺ）
Ａ_３１＝（−１／４）（１−２ΔＺ＋２Δθ）
Ａ_３２＝（１／４）（１＋ΔＸ＋Δθ）
Ａ_３３＝（−１／４）（１＋ΔＸ−ΔＺ）
Ａ_４１＝（−１／４）（１＋２ΔＺ−２Δθ）
Ａ_４２＝（−１／４）（１＋ΔＸ−Δθ）
Ａ_４３＝（１／４）（１＋ΔＸ＋ΔＺ）
【０２００】
【数２４】
Ｂ_１１＝（１／４）（１−２ΔＺ−２Δφ）
Ｂ_１２＝（１／４）（１−ΔＹ−Δφ）
Ｂ_１３＝（１／４）（１−ΔＹ−ΔＺ）
Ｂ_２１＝（１／４）（１＋２ΔＺ＋２Δφ）
Ｂ_２２＝（−１／４）（１−ΔＹ＋Δφ）
Ｂ_２３＝（−１／４）（１−ΔＹ＋ΔＺ）
Ｂ_３１＝（−１／４）（１−２ΔＺ＋２Δφ）
Ｂ_３２＝（１／４）（１＋ΔＹ＋Δφ）
Ｂ_３３＝（−１／４）（１＋ΔＹ−ΔＺ）
Ｂ_４１＝（−１／４）（１＋２ΔＺ−２Δφ）
Ｂ_４２＝（−１／４）（１＋ΔＹ−Δφ）
Ｂ_４３＝（１／４）（１＋ΔＹ＋ΔＺ）
【０２０１】
制御電圧発生器１４４は４対の静電支持電極２２１、２３１、２２２、２３２、２２３、２３３、２２４、２３４に供給する制御用直流電圧Ｖ_１Ａ、Ｖ_１Ｂ、Ｖ_２Ａ、Ｖ_２Ｂ、Ｖ_３Ａ、Ｖ_３Ｂ、Ｖ_４Ａ、Ｖ_４Ｂを発生する。斯かる制御用直流電圧は次の式によって表される。
【０２０２】
【数２５】
Ｖ_１Ａ＝Ｖ_０ ＋ΔＶ_１Ａ
Ｖ_１Ｂ＝Ｖ_０ ＋ΔＶ_１Ｂ
Ｖ_２Ａ＝Ｖ_０ ＋ΔＶ_２Ａ
Ｖ_２Ｂ＝Ｖ_０ ＋ΔＶ_２Ｂ
Ｖ_３Ａ＝Ｖ_０ ＋ΔＶ_３Ａ
Ｖ_３Ｂ＝Ｖ_０ ＋ΔＶ_３Ｂ
Ｖ_４Ａ＝Ｖ_０ ＋ΔＶ_４Ａ
Ｖ_４Ｂ＝Ｖ_０ ＋ΔＶ_４Ｂ
【０２０３】
Ｖ_０ は基準電圧である。Ｖ_１Ａ及びＶ_１Ｂは第１の対の静電支持電極２２１、２３１に印加する制御用直流電圧、Ｖ_２Ａ及びＶ_２Ｂは第２の対の静電支持電極２２２、２３２に印加する制御用直流電圧、Ｖ_３Ａ及びＶ_３Ｂは第３の対の静電支持電極２２３、２３３に印加する制御用直流電圧、Ｖ_４Ａ及びＶ_４Ｂは第４の対の静電支持電極２２４、２３４に印加する制御用直流電圧である。
【０２０４】
次にジャイロロータ２０に実際に作用する力を求める。従来例で説明した数１の式〜数９の式及びそれに対応した説明が本発明でも成り立つ。ジャイロロータ２０の４つの部分Ｐ_１ 、Ｐ_２ 、Ｐ_３ 、Ｐ_４ に作用する静電力はそれに対応する４対の静電支持電極２２１、２３１、２２２、２３２、２２３、２３３、２２４、２３４に印加される制御用直流電圧Ｖ_１Ａ、Ｖ_１Ｂ、Ｖ_２Ａ、Ｖ_２Ｂ、Ｖ_３Ａ、Ｖ_３Ｂ、Ｖ_４Ａ、Ｖ_４Ｂの差に比例する。
【０２０５】
【数２６】
Ｆｚ１＝Ｋ_Ｚ （Ｖ_１Ａ−Ｖ_１Ｂ）
Ｆｚ２＝Ｋ_Ｚ （Ｖ_２Ａ−Ｖ_２Ｂ）
Ｆｚ３＝Ｋ_Ｚ （Ｖ_３Ａ−Ｖ_３Ｂ）
Ｆｚ４＝Ｋ_Ｚ （Ｖ_４Ａ−Ｖ_４Ｂ）
【０２０６】
Ｋ_Ｚ はジャイロケース２１の静電支持電極とジャイロロータ２０の電極部によって構成されるコンデンサの形状によって決まる定数である。ジャイロロータ２０に作用する静電力の合力は４つの部分Ｐ_１ 、Ｐ_２ 、Ｐ_３ 、Ｐ_４ に作用する静電力の和である。
【０２０７】
【数２７】
Ｆｚ＝Ｋ_Ｚ （Ｖ_１Ａ−Ｖ_１Ｂ＋Ｖ_２Ａ−Ｖ_２Ｂ＋Ｖ_３Ａ−Ｖ_３Ｂ＋Ｖ_４Ａ−Ｖ_４Ｂ）
【０２０８】
上述のようにジャイロケース２１の静電支持電極はジャイロロータ２０の電極部より半径方向外方又は内方に偏倚しており、それによってジャイロロータ２０はＸ軸方向及びＹ軸方向の力を受けている。ジャイロロータ２０の第１及び第３の部分Ｐ_１ 、Ｐ_３ に作用するＸ軸方向の力は次のように表される。
【０２０９】
【数２８】
Ｆｘ１＝Ｋ_Ｘ （Ｖ_１Ａ＋Ｖ_１Ｂ）
Ｆｘ２＝Ｋ_Ｘ （Ｖ_３Ａ＋Ｖ_３Ｂ）
【０２１０】
ジャイロロータ２０の作用するＸ軸方向の力は第１及び第３の部分Ｐ_１ 、Ｐ_３ に作用する力の差である。
【０２１１】
【数２９】
Ｆｘ＝Ｆｘ１−Ｆｘ２＝Ｋ_Ｘ （Ｖ_１Ａ＋Ｖ_１Ｂ−Ｖ_３Ａ−Ｖ_３Ｂ）
【０２１２】
同様に、ジャイロロータ２０に作用するＹ軸方向の力は第２及び第４の部分Ｐ_２ 、Ｐ_４ に作用する力の差である。
【０２１３】
【数３０】
Ｆｙ＝Ｆｙ１−Ｆｙ２＝Ｋ_Ｙ （Ｖ_２Ａ＋Ｖ_２Ｂ−Ｖ_４Ａ−Ｖ_４Ｂ）
【０２１４】
上述の議論はジャイロロータ２０の第１及び第３の部分Ｐ_１ 、Ｐ_３ に互いに同一方向の静電力Ｆｚ１、Ｆｚ３が作用した場合及び第２及び第４の部分Ｐ_２ 、Ｐ_４ に互いに同一方向の静電力Ｆｚ２、Ｆｚ４が作用した場合である。ジャイロロータ２０の第１及び第３の部分Ｐ_１ 、Ｐ_３ に互いに反対方向の静電力Ｆｚ１、Ｆｚ３が作用した場合にはジャイロロータ２０をＹ軸周りに回転させるトルクＴθが生成される。同様に、ジャイロロータ２０の第２及び第４の部分Ｐ_２ 、Ｐ_４ に互いに反対方向の静電力Ｆｚ２、Ｆｚ４が作用するとジャイロロータ２０はＸ軸周りに回転させるトルクＴφが生成される。斯かるトルクＴθ、Ｔφは次の式によって表される。
【０２１５】
【数３１】
Ｔθ＝（Ｆｚ３−Ｆｚ１）ｒ
Ｔφ＝（Ｆｚ４−Ｆｚ２）ｒ
【０２１６】
図１０を参照して本発明によるジャイロ加速度出力演算部１４５の構成及び動作を説明する。本例のジャイロ加速度出力演算部１４５は先ず数１９の式及び数２０の式と同一の演算をし、それによってジャイロロータに印加すべき力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφを求める。斯かる演算は乗算器１４５−１〜１４５−５及び加算器１４５−１１によってなされる。それによって得られた力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφは無次元量である。
【０２１７】
次にジャイロロータに印加すべき力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφより外力加速度α_Ｘ 、α_Ｙ 、α_Ｚ 及び角速度ｄθ／ｄｔ、ｄφ／ｄｔを求める。外力加速度及び角速度は次のように表される。
【０２１８】
【数３２】
α_Ｘ ＝Ｆｘ／ｍｇ
α_Ｙ ＝Ｆｙ／ｍｇ
α_Ｚ ＝Ｆｚ／ｍｇ
ｄθ／ｄｔ＝Ｔφ／Ｈ
ｄφ／ｄｔ＝Ｔθ／Ｈ
【０２１９】
ｍはジャイロロータ２０の質量、ｇは重力加速度、Ｈはジャイロロータ２０のスピン角運動量である。斯かる演算は乗算器１４５−６〜１４５−１０によってなされる。数３２の式の右辺はジャイロロータ２０の変位がゼロとなるようにジャイロロータ２０に印加すべき力又はトルクであり、数２７の式〜数３１の式によって表される。左辺はジャイロ装置に実際に作用した外力加速度又は角速度である。
【０２２０】
ジャイロ装置にＹ軸周りの外力角速度ｄθ／ｄｔが作用するとジャイロケース２１はＹ軸周りに回転変位する。トルクＴφによってジャイロロータ２０をＸ軸周りにトルキングする。ジャイロロータ２０はプリセッション運動によってＹ軸周りに回転変位し、ジャイロケース２１に対するＹ軸周りの回転変位はゼロとなる。ジャイロ装置にＸ軸周りの外力角速度ｄφ／ｄｔが作用した場合には、トルクＴθによってジャイロロータ２０をＹ軸周りにトルキングする。ジャイロロータ２０はプリセッション運動によってＸ軸周りに回転し、ジャイロケース２１に対するジャイロロータ２０のＸ軸周りの回転変位はゼロとなる。
【０２２１】
図１１を参照して本発明のジャイロ装置のジャイロロータ２０の製造方法について説明する。導電性材料よりなる薄い板材又は円盤状部材を用意し、図１１Ａに示すように上面及び下面に深さδの円形凹部を形成し、斯かる円形凹部にそれぞれ溝２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、２００ｅ、２００ｆ、２００ａ’、２００ｂ’、２００ｃ’、２００ｄ’、２００ｅ’、２００ｆ’を形成して電極部を形成する。同時にその外側に切断用の環状溝２００ｇ、２００ｇ’を形成する。
【０２２２】
図１を参照して説明したように、ゲッタ部材３３を収納するための凹部２３Ｂ及び斯かる凹部２３Ｂと空隙部２６を接続するための通路２３Ｃを形成する。
【０２２３】
最初に形成する円形凹部の深さδはジャイロロータ２０の電極部とそれに対応するジャイロケース２１の静電支持電極の間の間隙δに相当する。斯かる深さは数μｍ、例えばδ＝２〜３μｍであってよい。溝２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、２００ｅ、２００ｆ、２００ａ’、２００ｂ’、２００ｃ’、２００ｄ’、２００ｅ’、２００ｆ’の深さは適当な大きさであってよい。
【０２２４】
次に切断用の環状溝２００ｇ、２００ｇ’を更に削り、中央の円盤状部分を分離する。斯かる分離された円盤状部分がジャイロロータ２０であり、残された外側の部分がスペーサ２３である。
【０２２５】
本例によるとジャイロロータ２０とスペーサ２３は同一材料より同時に製造することができる。ジャイロロータ２０とスペーサ２３はリソグラフィ技術等、例えばエッチングによって製造されてよい。
【０２２６】
次にジャイロケース２１の上側底部材２２及び下側底部材２４の製造方法を説明する。先ず絶縁材料、例えばガラスよりなる板材又は円盤状部材を用意する。斯かる板材又は円盤状部材の内面に静電支持電極を形成する。静電支持電極は適当な薄膜生成技術によって金属薄膜を形成することによって製造されてよい。薄膜生成技術には蒸着、イオンプレーティング、フォトファブリケーション等が含まれる。尚、斯かる板材又は円盤状部材にはスルーホールが形成されその内面には同様な金属薄膜が形成される。それによって静電支持電極と外部の電源又は回路との間にスルーホール接続が形成される。スルーホール接続が形成された後に、斯かるスルーホールは密閉される。
【０２２７】
こうして製造された上側底部材２２及び下側底部材２４の間にサンドイッチ状にジャイロロータ２０とスペーサ２３が挿入される。また凹部２３Ｂにはゲッタ部材３３が配置される。次に上側底部材２２及び下側底部材２４とスペーサ２３が適当な接合方法によって接合される。好ましくは陽極接合によって両者は接合される。斯かる接合は真空雰囲気にてなされてよい。
【０２２８】
以上本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は上述の実施例に限ることなく本発明の要旨を逸脱することなく他の種々の構成が採りうることは当業者にとって容易に理解されよう。
【０２２９】
【発明の効果】
本発明によれば、静電支持電極には制御用直流電圧に重畳して変位検出用交流電圧が付与されており、変位検出用回路の出力電圧よりジャイロロータ２０の全ての変位、即ち、ＸＹＺ軸方向の直線変位及びＹ軸及びＸ軸周りの回転変位を検出することができる利点がある。
【０２３０】
本発明によれば、従来の静電ジャイロのように発光素子及び受光素子を含む光学式変位検出装置を使用しないから、ジャイロ装置を小型化することができる利点がある。
【０２３１】
本発明によれば、変位検出系によって検出されたジャイロロータ２０の変位を制御用直流電圧にフィードバックするフィードバックループを有するから、ジャイロロータ２０の位置をアクティブ式に制御してその変位をゼロにすることができる利点がある。
【０２３２】
本発明によれば、フィードバックループを有するアクティブ式制御によってジャイロロータ２０の位置を制御するから、従来のパッシブ式の静電ジャイロのようにコイル及びトランスを使用しないから、装置を小型化することができる利点がある。
【０２３３】
本発明によれば、変位検出系によって検出されたジャイロロータ２０の変位を制御用直流電圧にフィードバックするフィードバックループはアクチュエータ補正マトリックス（ＡＣＭ）を有するから、ジャイロロータ２０の位置を正確に且つ容易に制御することができる利点がある。特に、起動時にジャイロロータ２０を所定の位置に浮動的に支持させることが容易となる。
【０２３４】
本発明によれば、変位検出系によって検出されたジャイロロータ２０の変位を制御用直流電圧にフィードバックするフィードバックループはアクチュエータ補正マトリックス（ＡＣＭ）を有するから、ジャイロロータ２０の位置を正確に且つ容易に制御することができる利点がある。
【０２３５】
本発明によれば、ジャイロロータ２０とスペーサ２３はリソグラフィ技術等によって１つの導電性材料の薄い板材より同時に製造することができるから、製造費が安く且つ高い精度のジャイロ装置を得ることができる利点がある。
【０２３６】
本発明によれば、ジャイロロータ２０とスペーサ２３は単結晶金属例えばシリコン（珪素）を用いることができるから、温度変化や経年変化の影響がない高精度のジャイロ装置を提供することができる利点がある。
【０２３７】
本発明によれば、スペーサ２３と上側底部材２１及び下側底部材２４を陽極接合によって接合するから、真空中でジャイロロータ２０を内部に封入した状態でジャイロケース２１を製造することができる利点がある。
【０２３８】
本発明によれば、上側底部材２１及び下側底部材２４の内面に配置された４対の静電支持電極の薄膜生成技術によって金属薄膜状の電極を形成することによって製造されるから、上側底部材２１及び下側底部材２４において互いに同心的に且つ同一形状にて形成することができる利点がある。
【０２３９】
本発明によれば、上側底部材２１及び下側底部材２４の内面に形成された４対の静電支持電極の各々は１対の櫛形部を含み、斯かる櫛形部は互い違いに他を挟むように配置されているから、ジャイロロータ２０の電極部とジャイロケース２１の静電支持電極との間に蓄えられる電気的エネルギ（Ｅ＝ＣＶ^２ ）の変化率を大きくすることができる利点がある。
【０２４０】
本発明によれば、静電支持電極の各１対の櫛形部に絶対値が等しく符号が反対の制御用直流電圧±Ｖ_１Ａ〜±Ｖ_４Ｂを印加するため、ジャイロロータ２０の電位を常にゼロにすることができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のジャイロ装置の例を示す図である。
【図２】本発明のジャイロ装置の制御ループの構成例を示す図である。
【図３】本発明のジャイロ装置の拘束制御系を説明するための説明図である。
【図４】本発明のジャイロ装置の機構制御回路の構成例を示す図である。
【図５】本発明のジャイロ装置の制御演算部の構成例及びジャイロ加速度出力演算部を示す図である。
【図６】本発明のジャイロ装置の変位演算部の構成例を示す図である。
【図７】本発明のジャイロ装置のＰＩＤ演算部の構成例を示す図である。
【図８】本発明のジャイロ装置の制御電圧演算部の動作を説明するための説明図である。
【図９】本発明のジャイロ装置の制御電圧演算部に使用されるＡＣＭ（アクチュエータ補正マトリックス）の例を説明するための図である。
【図１０】本発明のジャイロ装置のジャイロ加速度出力演算部の動作を説明するための図である。
【図１１】本発明のジャイロ装置のジャイロロータとスペーサの製造方法を説明するための説明図である。
【図１２】従来のジャイロ装置の例を示す図である。
【図１３】従来のジャイロ装置の拘束制御系とロータ駆動系の動作を説明するための説明図である。
【図１４】従来のジャイロ装置のＺ制御系の動作を説明するための説明図である。
【図１５】従来のジャイロ装置のＸＹ制御系の構成例を示す図である。
【図１６】従来のジャイロ装置のＸジャイロ演算部とＸ加速度演算部の例を示す図である。
【図１７】従来のジャイロ装置のＹジャイロ演算部とＹ加速度演算部の例を示す図である。
【図１８】従来のジャイロ装置のＺ加速度演算部の例を示す図である。
【符号の説明】
２０ ジャイロロータ
２０Ａ 孔
２０Ｂ 中心部
２０Ｃ 電極部
２１ ジャイロケース
２２ 上側底部材
２２Ａ、２２Ａ’ 孔
２３ スペーサ
２３Ａ 内壁
２３Ｂ 凹部
２３Ｃ 通路
２４ 下側底部材
２５ ねじ
２６ 空洞部
２７ 発光素子
２８ 受光素子
２９−１、２９−２、２９−３、２９−４電極
２９’−１、２９’−２、２９’−３、２９’−４ 電極
３０−１、３０−２、３０−３、３０−４ コイル
３０’−１、３０’−２、３０’−３、３０’−４ コイル
３２ キャップ
３３ ゲッタ部材
３４ パイプ
４１、４２、４３、４４ トランス
５０ Ｘ制御系
５０−１ 交流電源
５０−２ 演算部
５０−３、５０−４ 乗算器
５１ Ｘジャイロ演算部
５１−１、５１−２、５１−３、５１−４ 分圧部
５１−５、５１−６、５１−７、５１−８ 整流部
５１−９、５１−１０、５１−１１ 減算部
５１−１２ 演算部
５３ Ｘ加速度演算部
５３−１、５３−２ 加算部
５３−３ 減算部
６０ Ｙ制御系
６０−１ 交流電源
６０−２ 演算部
６０−３、６０−４ 乗算器
６１ Ｙジャイロ演算部
６１−１、６１−２、６１−３、６１−４ 分圧部
６１−５、６１−６、６１−７、６１−８ 整流部
６１−９、６１−１０、６１−１１ 減算部
６１−１２ 演算部
６３ Ｙ加速度演算部
６３−１、６３−２ 加算部
６３−３ 減算部
７３ Ｚ加速度演算部
７３−１、７３−２ 加算部
７３−３ 減算部
１００ ロータ駆動系
１０１ 駆動用電源
１２１、１２２、１２３、１２４ 機構制御回路
１２７、１２８ 放電兼用ストッパ
１３１、１３２、１３３、１３４ 機構制御回路
１４０ 制御演算部
１４１ 変位演算部
１４２ ＰＩＤ演算部
１４３ 制御電圧演算部
１４４ 制御電圧発生器
２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ、２００Ｅ、２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’、２００Ｅ’ 電極部
２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、２００ｅ、２００ｆ、２００ｇ、２００ａ’、２００ｂ’、２００ｃ’、２００ｄ’、２００ｅ’、２００ｆ’、２００ｇ 溝
２２１、２２２、２２３、２２４、２２５ 電極
２３１、２３２、２３３、２３４、２３５ 電極

Claims (18)

1. 中心軸線方向に沿ってＺ軸、それに直交するＸ軸及びＹ軸を有するジャイロケースと、
   該ジャイロケースの内部に静電支持力によって非接触的に支持され上記中心軸線方向のスピン軸線を有する円盤状のジャイロロータと、
   上記ジャイロロータの両面に円周方向に沿って形成された電極部と、
   上記ジャイロロータの両面の電極部にそれぞれ対応して且つそれより隔置され、円周方向に互いに等角度の中心角度にて隔置された少なくとも３対の静電支持電極と、
   上記ジャイロロータを上記スピン軸線周りに高速回転させるためのロータ駆動系と、を有する加速度検出型のジャイロ装置において、
   上記少なくとも３対の静電支持電極の各々はそれに対応する上記ジャイロロータの電極部に対して半径方向外方又は半径方向内方に偏倚して配置されていることと、
   上記静電支持力を生成するための制御用直流電圧と上記ジャイロロータの変位を検出するための変位検出用交流電圧とを重畳して上記少なくとも３対の静電支持電極に印加するための機構制御回路と、
   該機構制御回路より出力された上記ジャイロロータのＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の直線変位とＹ軸周り及びＸ軸周りの回転変位を指示する変位検出用信号を入力して上記ジャイロロータの直線変位及び回転変位がゼロとなるように上記制御用直流電圧の修正量を演算し、それを上記機構制御回路にフィードバックする制御演算部と、
   該制御演算部の出力信号を入力してジャイロ出力を演算するジャイロ加速度出力演算部と、
   を有することを特徴とするジャイロ装置。
2. 請求項１記載のジャイロ装置において、上記制御演算部は上記ジャイロロータの直線変位及び回転変位を演算する変位演算部と上記ジャイロロータに印加すべき力及び回転モーメントを演算するＰＩＤ演算部と上記制御用直流電圧の修正量を演算する制御電圧演算部とを有することを特徴とするジャイロ装置。
3. 請求項１又は２記載のジャイロ装置において、上記ジャイロ加速度出力演算部は上記制御演算部のＰＩＤ演算部の出力信号を入力してジャイロ出力を演算するように構成されていることを特徴とするジャイロ装置。
4. 請求項１、２又は３記載のジャイロ装置において、上記静電支持電極は４対の静電支持電極を含み、該４対の静電支持電極は円周方向に互いに９０度の中心角度にて隔置されていることを特徴とするジャイロ装置。
5. 請求項４記載のジャイロ装置において、
   上記４対の静電支持電極の第１及び第３の対の静電支持電極に印加される上記制御用直流電圧の修正量をΔＶ_1A、ΔＶ_1B及びΔＶ_3A、ΔＶ_3B、上記第２及び第４の対の静電支持電極に印加される上記制御用直流電圧の修正量をΔＶ_2A、ΔＶ_2B及びΔＶ_4A、ΔＶ_4Bとすると次の関係を満たすことを特徴とするジャイロ装置。
   ΔＶ_1A＋ΔＶ_1B＋ΔＶ_3A＋ΔＶ_3B＝０
   ΔＶ_2A＋ΔＶ_2B＋ΔＶ_4A＋ΔＶ_4B＝０
6. 請求項４又は５記載のジャイロ装置において、
   上記第１及び第３の対の静電支持電極に印加される上記制御用直流電圧の修正量をΔＶ_1A、ΔＶ_1B及びΔＶ_3A、ΔＶ_3B、上記第２及び第４の対の静電支持電極に印加される上記制御用直流電圧の修正量をΔＶ_2A、ΔＶ_2B及びΔＶ_4A、ΔＶ_4Bとすると次の関係を満たすことを特徴とするジャイロ装置。
   ΔＶ_1A＝Ｖ₀ （Ａ₁₁・Ｆｘ＋Ａ₁₂・Ｆｚ／２＋Ａ₁₃・Ｔθ）
   ΔＶ_1B＝Ｖ₀ （Ａ₂₁・Ｆｘ＋Ａ₂₂・Ｆｚ／２＋Ａ₂₃・Ｔθ）
   ΔＶ_3A＝Ｖ₀ （Ａ₃₁・Ｆｘ＋Ａ₃₂・Ｆｚ／２＋Ａ₃₃・Ｔθ）
   ΔＶ_3B＝Ｖ₀ （Ａ₄₁・Ｆｘ＋Ａ₄₂・Ｆｚ／２＋Ａ₄₃・Ｔθ）
   ΔＶ_2A＝Ｖ₀ （Ｂ₁₁・Ｆｙ＋Ｂ₁₂・Ｆｚ／２＋Ｂ₁₃・Ｔφ）
   ΔＶ_2B＝Ｖ₀ （Ｂ₂₁・Ｆｙ＋Ｂ₂₂・Ｆｚ／２＋Ｂ₂₃・Ｔφ）
   ΔＶ_4A＝Ｖ₀ （Ｂ₃₁・Ｆｙ＋Ｂ₃₂・Ｆｚ／２＋Ｂ₃₃・Ｔφ）
   ΔＶ_4B＝Ｖ₀ （Ｂ₄₁・Ｆｙ＋Ｂ₄₂・Ｆｚ／２＋Ｂ₄₃・Ｔφ）
   但し、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚはジャイロロータに付与すべき力の無次元化量、Ｔθ、Ｔφはジャイロロータに付与すべきトルクの無次元化量、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びＴθ、Ｔφの係数はアクチュエータ補正マトリックスの要素であり次の式によって表される。
   Ａ₁₁＝（１／４）（１−２ΔＺ−２Δθ）
   Ａ₁₂＝（１／４）（１−ΔＸ−Δθ）
   Ａ₁₃＝（１／４）（１−ΔＸ−ΔＺ）
   Ａ₂₁＝（１／４）（１＋２ΔＺ＋２Δθ）
   Ａ₂₂＝（−１／４）（１−ΔＸ＋Δθ）
   Ａ₂₃＝（−１／４）（１−ΔＸ＋ΔＺ）
   Ａ₃₁＝（−１／４）（１−２ΔＺ＋２Δθ）
   Ａ₃₂＝（１／４）（１＋ΔＸ＋Δθ）
   Ａ₃₃＝（−１／４）（１＋ΔＸ−ΔＺ）
   Ａ₄₁＝（−１／４）（１＋２ΔＺ−２Δθ）
   Ａ₄₂＝（−１／４）（１＋ΔＸ−Δθ）
   Ａ₄₃＝（１／４）（１＋ΔＸ＋ΔＺ）
   Ｂ₁₁＝（１／４）（１−２ΔＺ−２Δφ）
   Ｂ₁₂＝（１／４）（１−ΔＹ−Δφ）
   Ｂ₁₃＝（１／４）（１−ΔＹ−ΔＺ）
   Ｂ₂₁＝（１／４）（１＋２ΔＺ＋２Δφ）
   Ｂ₂₂＝（−１／４）（１−ΔＹ＋Δφ）
   Ｂ₂₃＝（−１／４）（１−ΔＹ＋ΔＺ）
   Ｂ₃₁＝（−１／４）（１−２ΔＺ＋２Δφ）
   Ｂ₃₂＝（１／４）（１＋ΔＹ＋Δφ）
   Ｂ₃₃＝（−１／４）（１＋ΔＹ−ΔＺ）
   Ｂ₄₁＝（−１／４）（１＋２ΔＺ−２Δφ）
   Ｂ₄₂＝（−１／４）（１＋ΔＹ−Δφ）
   Ｂ₄₃＝（１／４）（１＋ΔＹ＋ΔＺ）
   ここに、ΔＸ、ΔＹ、ΔＺはジャイロロータのＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の変位の無次元化量、Δθ、ΔφはジャイロロータのＹ軸周り及びＸ軸周りの回転変位の無次元化量である。
7. 請求項１、２、３、４、５又は６記載のジャイロ装置において、上記静電支持電極の各々は、１対の互いに隔置された櫛形部を含み、該櫛形部の各々は円周方向に延在する複数の円周部と該円周部を接続する接続部とを有し、上記１対の櫛形部の円周部は互い違いに他を挟むように配置されていることを特徴とするジャイロ装置。
8. 請求項７記載のジャイロ装置において、
   上記各静電支持電極の第１及び第２の櫛形部に印加される上記制御用直流電圧は大きさが同じで互いに極性が異なることを特徴とするジャイロ装置。
9. 請求項７又は８記載のジャイロ装置において、
   上記ジャイロロータの電極部は上記静電支持電極の櫛形部の円周部の各々に対応した複数の環状部を含み、上記静電支持電極の櫛形部の円周部の各々はそれに対応する上記ジャイロロータの電極部の環状部の各々に対して半径方向外方又は内方に偏倚して配置され、それによって上記ジャイロロータの上記中心軸線に対するＸ軸方向及びＹ軸方向の変位がゼロとなるような力を生成することを特徴とするジャイロ装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項記載のジャイロ装置において、上記ジャイロロータは導電性材料よりなり上記電極部は上記ジャイロロータの両面に形成された突起部として構成されていることを特徴とするジャイロ装置。
11. 請求項１０記載のジャイロ装置において、上記ジャイロロータは単結晶の珪素よりなることを特徴とするジャイロ装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項記載のジャイロ装置において、上記ジャイロケースは絶縁材料よりなる上側底部材及び下側底部材を含み、上記静電支持電極は上記上側底部材及び下側底部材の内面に装着された金属薄膜として構成されていることを特徴とするジャイロ装置。
13. 請求項１２記載のジャイロ装置において、
    上記ジャイロケースの上側底部材及び下側底部材はガラスよりなることを特徴とするジャイロ装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項記載のジャイロ装置において、上記静電支持電極は蒸着、イオンプレーティング、フォトファブリケーションを含む薄膜生成技術によって形成されていることを特徴とするジャイロ装置。
15. 請求項１２、１３又は１４項記載のジャイロ装置において、上記ジャイロケースは上記上側底部材及び下側底部材の間に配置されたスペーサを含み、該スペーサは上記上側底部材及び下側底部材と陽極接合によって接続されていることを特徴とするジャイロ装置。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項記載のジャイロ装置において、上記ジャイロケースには放電兼用のストッパが装着されており、該ストッパは上記ジャイロロータの変位を制限し且つ上記ジャイロロータに蓄積した静電気を外部に放電させる機能を有することを特徴とするジャイロ装置。
17. 請求項１〜１６のいずれか１項記載のジャイロ装置において、上記ジャイロケースにはゲッタ部材を収容する凹部が形成され、該凹部は上記ジャイロケースの内部と通路によって接続されていることを特徴とするジャイロ装置。
18. 請求項１〜１７のいずれか１項記載のジャイロ装置において、上記ロータ駆動系は上記ジャイロロータの両面に設けられたロータ駆動用電極部と該ロータ駆動用電極部に対応して且つそれより隔置されたロータ駆動用電極と該ロータ駆動用電極にロータ駆動用交流電圧を印加するためのロータ駆動用交流電圧回路とを有し、上記ロータ駆動用電極部は円周方向に１列に配置された複数の互いに隔置された電極部を含み、上記ロータ駆動用電極は円周方向に１列に配置された複数の互いに隔置された電極を含むことを特徴とするジャイロ装置。

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