JP4822877B2 - 静電浮上型ジャイロ装置 - Google Patents
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Description
ジャイロ機構部は、マイクロマシン技術により製作される小形の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、ジャイロ機構部の電極に接続され、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、隣接対からなる静電支持用電極に対する姿勢制御用制御電圧の印加方式に関する。
静電浮上型ジャイロ装置では(特許文献1〜5)、可動部であるジャイロロータが、円板状(特許文献1)や,環状(特許文献2〜5)に形成されており、固定部であるジャイロケースの真空空間内に遊装されている。ジャイロケースは、電気絶縁性の部材からなり、ロータ対向面をなすケース内面には多数の静電支持用電極が分散して形成されている。ロータを回転駆動するためのロータ駆動用電極や、相対変位を検出するための変位検出用電極もケース内面に形成されている。このようなジャイロロータとジャイロケースとからジャイロ機構部ができている。
相対変位の検出手法についても、変位検出信号を静電支持用電極から変位検出用電極へ流すものと(特許文献1,2,5)、変位検出信号を逆に変位検出用電極から静電支持用電極へ流すものとがある(特許文献3,4)。周波数弁別を用いるものや(特許文献1,2)、電流を検出するもの(特許文献3)、同相電圧を検出するもの(特許文献4)、時分割を利用したもの(特許文献5)などがある。
このような姿勢制御用制御電圧の有効成分はジャイロロータ10を運動させるため概ね数十kHz以下であるのに対し、ジャイロロータ10の運動に影響を与えずに相対変位を測定するための変位検出信号は、それより十分に周波数が高く、例えばMHzのオーダーの信号であり、変位検出信号発生回路52で例えば5つの周波数成分を持たされ、制御出力回路54の入力側で姿勢制御用制御電圧に重畳されるようになっている。
もっとも、そのような姿勢制御用制御電圧が印加されるのは電子回路部50に動作電力が供給されて電子回路部50が正常に動作している場合であり、電子回路部50への給電が停止されて電子回路部50が動作していないときには静電支持用電極31〜36,41〜46の印加電圧V1a等は0Vになる。
ところが、このような従来静電浮上型ジャイロ装置は、何れも、姿勢制御用制御電圧として正負の異なる相補的な電圧を生成してそれらを静電支持用電極のうち隣り合っている電極(隣接対)に印加するようになっており、これに起因する測定精度阻害要因をはらんでいると推測されるに至った。すなわち、長期に及ぶ実験と観測の結果、絶縁体からなるジャイロケースの内部に存在しているイオンの分布状態がゆっくりではあるが変化して、やがて測定精度に無視できない影響を与えるようになることが判ってきた。
そこで、絶縁体であるジャイロケース20内部のイオンの移動を抑制することにより測定精度の不安定要因を取り除いて測定精度の向上を図ることが基本的な課題となる。
また、上述のような手法はイオンの移動抑制には役立つが、製造時の不所望なバラツキ等に起因して静電支持用電極の隣接対に面積差が生じたときの測定誤差まで解消できる訳ではない。
そこで、VrとdF/dVとの依存関係を無くすことにより、静電支持用電極の隣接対の面積差による測定誤差を低減して、測定精度の向上を図ることが更なる課題となる。
しかしながら、そのような直截的な対策では、回路規模が増加して、小形化の要請に反するばかりか、不所望なコストアップも招来する。
そこで、上述した基本的な課題と更なる課題とを同時に解決する手段を案出することが求められる。
また、ジャイロケース内のイオン移動の抑制にとどまらず、ジャイロケース内面への荷電粒子の付着も抑制できるようにすることが更なる技術課題となる。
これにより、静電支持用電極の隣接対の面積差による測定誤差を低減して測定精度の向を図ることができるので、上述した更なる課題も同時に解決される。
したがって、この発明によれば、ジャイロケースの絶縁体内部におけるイオン移動を抑制してイオン分布状態を安定させると同時に、静電支持用電極の隣接対の面積差による測定誤差をも低減して、測定精度の向上を図ることができる。
したがって、この発明によれば、ジャイロケース内面への荷電粒子の付着を抑制することまでもできる。
なお、相補的電圧の入替を隣接対以外の二電極まで拡張するに際しては、隣接対ではないけれども隣り合っている二つの静電支持用電極は入替対象の重要候補であり、隣り合ってはいなくても近くに配置されている二つの静電支持用電極は入替対象の好ましい候補であり、遠くに離れて配置されている二つの静電支持用電極は入替対象に含めても良く含めなくても良い。
図4に示した実施形態1は、上述した解決手段1(出願当初の請求項1)を具現化したものであり、図5に示した実施形態2は、上述した解決手段2,3(出願当初の請求項2,3)を具現化したものであり、図6に示した実施形態3は、上述した解決手段2,4(出願当初の請求項2,4)を具現化したものである。
また、図7〜9に示した実施例1は、本発明を特許文献3(P2004-191296A)に適用したものであり、図10〜12に示した実施例2は、本発明を特許文献5(P2005-214948A)に適用したものである。
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、重複する再度の説明は割愛し、以下、従来との相違点を中心に説明する。
本発明の静電浮上型ジャイロ装置の実施形態1について、その構成を、図面を引用して説明する。図4は、(a)が電子回路部のブロック図、(b)〜(d)が何れも信号波形例である。
反転信号発生回路55は(図4(a)参照)、例えば発振回路と波形整形回路とで具体化され、二値の極性反転信号Bを生成して切替回路61〜66,71〜76に一斉送出するようになっている。極性反転信号Bは、例えば“0”か“1”の何れかの値を採るが、一定周期たとえば数ms周期で値の反転するものである。
先ず、電子回路部50の動作中には、極性反転信号Bの値が、一定の周期で、“0”から“1”へ、そして“1”から“0”へと、変化する(図4(b)参照)。
こうして、総ての隣接対に印加される姿勢制御用制御電圧について相補的電圧の入替が行われるので、ジャイロケース20の絶縁体の内部におけるイオンの移動が抑制されるとともに、静電支持用電極の隣接対の面積差が加速度の算出に及ぼす影響が解消または低減される。
そのため、この静電浮上型ジャイロ装置にあっては、測定精度が向上する。
本発明の静電浮上型ジャイロ装置の実施形態2について、その構成を、図面を引用して説明する。図5は、(a)が電子回路部の要部ブロック図、(b)〜(d)が何れも信号波形例である。
反転信号発生回路56は(図5(a)参照)、一定周期たとえば1ms周期の発振信号を発振回路にて発生し、これをそのまま極性反転信号B1として例えば切替回路66の切換動作制御に供するようになっている。また、極性反転信号B1を2分周して極性反転信号B2としこれを例えば切替回路72の切換動作制御に供する。さらに、極性反転信号B1を4分周,8分周,16分周,…,2048分周して他の極性反転信号B12等を生成し、それらを他の切替回路61等に分配するようになっている。
電子回路部50の動作中に極性反転信号B1の値が一定の周期で交互に“0”と“1”を採ると、極性反転信号B2の値はその2倍の周期で交互に“0”と“1”を採る(図5(b)参照)。
すると(図5(c),(d)参照)、極性反転信号B1,B2が共に“0”のときには印加電圧V6a,V6b,V11a,V11bが総て従来と同じであるが、極性反転信号B1が“1”のときには印加電圧V6a,V6bが入れ替わり、極性反転信号B2が“1”のときには印加電圧V11a,V11bが入れ替わる。
そのため、この静電浮上型ジャイロ装置にあっては、更に測定精度が向上する。なお、反転信号発生回路56で用いるのに適した分周値群としては、上述したように2の累乗から幾つかを選出する他、例えば素数列1,2,3,5,7,11,…から幾つかを選出しても良く、それらを因数として含む整数の群であっても良い。
本発明の静電浮上型ジャイロ装置の実施形態3について、その構成を、図面を引用して説明する。図6は、(a)が電子回路部の要部ブロック図、(b)〜(d)が何れも信号波形例である。
疑似ランダム雑音コードは、PN系列(Pseudo Noise sequences)やPNコード・PN符号(Pseudo Noise code)とも言われ、中でも、M系列(Maximal-length sequences)や、Gold系列符号が多用されている。何れも、二値の数の列からなり、一巡に亘る加算ちがほぼゼロになり、異なるコードの積和もぼゼロになる、という性質を示す。
そのため、この場合も(図6(c),(d)参照)、極性反転信号B1の“0”/“1”に応じて切替回路66が切り替わって隣接対36a+36bの印加電圧V6a,V6bについて正負が入れ替わり、極性反転信号B2の“0”/“1”に応じて切替回路72が切り替わって隣接対42a+42bの印加電圧V11a,V11bについて正負が入れ替わる。他の隣接対の印加電圧についても同様に正負が入れ替わる。
こうして、総ての隣接対に印加される姿勢制御用制御電圧について相補的電圧の入替が不定周期ながら等分で行われるとともに、それに随伴して相補的電圧の入替の作用が隣接対から任意の二つにまで拡張される。
そのため、この静電浮上型ジャイロ装置にあっても、測定精度が向上する。
なお、図1では図示を割愛したロータ駆動用電極37,47について付言すると、ロータ駆動用電極37は上側底部材21の下面に円状配置で列設されており、変位検出用電極47は下側底部材22の上面に円状配置で列設されており、それらが上下で対向対をなしている。
電子回路部には、静電支持用電極31〜36,41〜46と共に拘束制御系をなす姿勢制御回路53と、ロータ駆動用電極37,47と共にロータ駆動系をなすロータ制御回路58と、変位検出用電極38,48と共に変位検出系をなす信号検出回路81+84と、改良のため拘束制御系に追加された相補的電圧入替回路55+61〜76とが具わっている。なお、制御出力回路54は、姿勢制御回路53やロータ制御回路58の一部とも言えるが、説明の簡明化等のため、各電極毎に図示した。
その変位検出方式は、変位検出信号を変位検出用電極から静電支持用電極へ流して、姿勢制御用制御電圧信号に重畳している変位検出信号の電流を検出するものを(特許文献3参照)、踏襲している。
ジャイロロータ10とジャイロケース20との相対変位が静電支持用電極31〜36,41〜46の容量変化に基づき多点について算出されるので、それらの容量を検出するため変位検出信号が変位検出用電極38,48だけでなく静電支持用電極31〜36,41〜46も経由するようになっている。
上述したように、切替回路61〜66,71〜76は、それぞれ静電支持用電極31〜36,41〜46の隣接対に対応して設けられ、対応隣接対への相補的電圧を入れ替えるようになっている。また、反転信号発生回路55,56,57は、二値の極性反転信号B,B1〜B12を生成して切替回路61〜66,71〜76に送出することにより、切替回路61〜66,71〜76それぞれの入れ替え動作を規定するようになっている。
また、静電支持用電極の隣接対への相補的電圧を入れ替える相補的電圧入替回路55+61〜76は同じく設けられているが、変位検出信号は既述の変位検出信号検出回路51にて変位検出用電極38,48から検出電流Ipを検出するようになっている。すなわち、変位検出方式には、変位検出信号を静電支持用電極から変位検出用電極へ流し、時分割を利用して変位検出信号を検出する、というものを踏襲している(特許文献5参照)。
ここでも、対比明瞭化等のため、環状ロータ型の六対の静電支持用電極のうち電極対31,41に対する姿勢制御用制御電圧V1,V12及び変位検出用印加信号f1,f12の印加状況を中心に詳述する。
本発明の適用は上記実施例で示した静電浮上型ジャイロ装置(特許文献3,5)に限られる訳でなく、本発明は他の静電浮上型ジャイロ装置(特許文献1,2,4)にも適用することができる。
上記の実施形態や実施例においては、隣接対から隣接対以外の二電極まで相補的電圧の入替を拡張する際に、静電支持用電極のうち何れの二つについても正負の異なるときの生じるようにしたが、このように任意の二電極まで総てを入替対象に含めるのは必須ではない。例えば、静電支持用電極31〜36,41〜46を、X方向静電引力担当のためX軸上に並ぶ静電支持用電極31,41と、Y方向静電引力担当のためY軸上に並ぶ静電支持用電極32,42と、Z方向静電引力担当のためXY面上にない静電支持用電極33〜36,43〜46とに分けて、隣り合うところのないX軸上静電支持用電極31,41とY軸上静電支持用電極32,42とには同じ極性反転信号を割り振り、それらとZ方向担当の静電支持用電極33〜36,43〜46との間では任意の二電極についても正負の異なるときが生じるようにしても良い。
21…上側底部材、22…下側底部材、23…スペーサ、
31〜36,41〜46…静電支持用電極、31+41…対向対、
31a+31b…隣接対、36a+36b…隣接対、
41a+41b…隣接対、42a+42b…隣接対、
37,47…ロータ駆動用電極、38,48…変位検出用電極、
50…電子回路部、51…変位検出信号検出回路、
52…変位検出信号発生回路、53…姿勢制御回路、
53a…A/D変換回路、53b…デジタルプロセッサ、
53c…D/A変換回路、54…制御出力回路、
55,56,57…反転信号発生回路、58…ロータ制御回路、
61〜66,71〜76…切替回路、81…変位検出信号発生回路、
84…電流検出回路、84a,84b…カレントミラー、
92…A/D変換回路、93…DSP、93a…振分入力部、
93b…変位等演算部、93c…正弦波生成部、93d…選択部(MUX)、
94…D/A変換回路、95…切換回路(DMUX)
Claims (4)
- 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器体であって内面に静電支持用電極および変位検出用電極を含む複数電極が分散して形成されているジャイロケースと、前記変位検出用電極と前記静電支持用電極とを介して前記ジャイロロータと前記ジャイロケースとの相対変位に係る変位検出信号を検出する信号検出回路と、前記変位検出信号に基づき前記ジャイロロータの姿勢制御用制御電圧を生成して前記静電支持用電極に印加する姿勢制御回路とを備えた静電浮上型ジャイロ装置において、前記静電支持用電極が隣接対からなり、前記姿勢制御回路が、前記姿勢制御用制御電圧として正負の異なる相補的な電圧を生成して前記隣接対に印加するとともに、その印加に際して前記相補的電圧の入替を行うものであることを特徴とする静電浮上型ジャイロ装置。
- 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器体であって内面に複数の静電支持用電極および変位検出用電極を含む多数電極が分散して形成されているジャイロケースと、前記変位検出用電極と前記静電支持用電極とを介して前記ジャイロロータと前記ジャイロケースとの相対変位に係る変位検出信号を検出する信号検出回路と、前記変位検出信号に基づき前記ジャイロロータの姿勢制御用制御電圧を前記静電支持用電極毎に生成して前記静電支持用電極それぞれに印加する姿勢制御回路とを備えた静電浮上型ジャイロ装置において、前記静電支持用電極それぞれが隣接対からなり、前記姿勢制御回路が、前記姿勢制御用制御電圧それぞれに正負の異なる相補的な電圧を生成して前記隣接対それぞれに印加するものであって、その印加に際して前記相補的電圧の入替を行うとともに、その入替を前記静電支持用電極のうち少なくとも二つについて正負の異なるときの生じるよう行うものであることを特徴とする静電浮上型ジャイロ装置。
- 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器体であって内面に複数の静電支持用電極および変位検出用電極を含む多数電極が分散して形成されているジャイロケースと、前記変位検出用電極と前記静電支持用電極とを介して前記ジャイロロータと前記ジャイロケースとの相対変位に係る変位検出信号を検出する信号検出回路と、前記変位検出信号に基づき前記ジャイロロータの姿勢制御用制御電圧を前記静電支持用電極毎に生成して前記静電支持用電極それぞれに印加する姿勢制御回路とを備えた静電浮上型ジャイロ装置において、前記静電支持用電極それぞれが隣接対からなり、前記姿勢制御回路が前記姿勢制御用制御電圧それぞれに正負の異なる相補的な電圧を生成して前記隣接対それぞれに印加するものであり、前記相補的電圧を入れ替える切替回路が前記隣接対それぞれに対応して設けられ、前記切替回路それぞれの入れ替え動作を規定する複数の極性反転信号を分周にて発生するとともにそれぞれの分周値を前記切替回路ごとに異ならせることにより前記静電支持用電極のうち少なくとも二つについて正負の異なる電圧印加状態を生じさせる反転信号発生回路が具備されていることを特徴とする静電浮上型ジャイロ装置。
- 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器体であって内面に複数の静電支持用電極および変位検出用電極を含む多数電極が分散して形成されているジャイロケースと、前記変位検出用電極と前記静電支持用電極とを介して前記ジャイロロータと前記ジャイロケースとの相対変位に係る変位検出信号を検出する信号検出回路と、前記変位検出信号に基づき前記ジャイロロータの姿勢制御用制御電圧を前記静電支持用電極毎に生成して前記静電支持用電極それぞれに印加する姿勢制御回路とを備えた静電浮上型ジャイロ装置において、前記静電支持用電極それぞれが隣接対からなり、前記姿勢制御回路が前記姿勢制御用制御電圧それぞれに正負の異なる相補的な電圧を生成して前記隣接対それぞれに印加するものであり、前記相補的電圧を入れ替える切替回路が前記隣接対それぞれに対応して設けられ、前記切替回路それぞれの入れ替え動作を規定する複数の極性反転信号を疑似ランダム雑音コードにて発生するとともにそれぞれの疑似ランダム雑音コードを前記切替回路ごとに異ならせることにより前記静電支持用電極のうち少なくとも二つについて正負の異なる電圧印加状態を生じさせる反転信号発生回路が具備されていることを特徴とする静電浮上型ジャイロ装置。
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