WO2001063207A1 - Dispositif gyroscopique du type a detection d'acceleration - Google Patents

Dispositif gyroscopique du type a detection d'acceleration Download PDF

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rotor
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electrode
displacement
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Satoshi Karasawa
Takao Murakoshi
Keisuke Fukatsu
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Tokimec Inc.
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/14—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of gyroscopes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/02—Rotary gyroscopes
    • G01C19/04—Details
    • G01C19/16—Suspensions; Bearings
    • G01C19/24—Suspensions; Bearings using magnetic or electrostatic fields

Definitions

  • the gyro device consists of a thin disk-shaped gyro rotor 20 and such a gyro rotor 2.
  • the coordinates of the gyro device are set as shown in the figure. Take the ⁇ axis upward along the central axis of the gyro device, and take the X axis and ⁇ axis perpendicular to it.
  • the spin axis of the gyro rotor 20 is arranged along the ⁇ axis.
  • a recess 23 B is formed outside the annular inner wall 23 A of the spacer 23.
  • the recess 23 B is connected to the cavity 26 by a passage 23 C.
  • the height of such passages 23C may be 2-3 m.
  • a getter member 33 is disposed in such a concave portion 23B. Thereby, the cavity 26 can be maintained at a high degree of vacuum for a long time.
  • the upper and lower surfaces of the gyro rotor 20 have annular electrode portions 200 A, 200 B, 200 C, 200 D and 200 A ', 200 B', and 200 Drive electrode portions 200E and 200E 'are formed inside C' and 200D '.
  • Such a driving electrode portion 200E, 200E ' is formed between two concentric annular grooves 200d, 200e and 200d'200e'. It may be configured as a plurality of fan-shaped protrusions, and may be arranged in a line along the circumference in a ring.
  • Displacement detecting electrode portions 200 F and 200 F ′ are formed inside the moving electrode portions 200 E and 200 E ′.
  • Each electrostatic support electrode consists of a pair of combs.
  • the electrostatic support electrode 2 23 formed on the inner surface of the upper bottom member 22 is shown. I have.
  • the electrostatic support electrode 223 includes two comb-shaped portions 223 _1 and 223-2 separated from each other, and the two comb-shaped portions are separated from each other.
  • the inner surface of the upper bottom member 22 and the lower bottom member 24 of the gyro case 21 has a central portion, that is, a displacement detection electrode 2 26.2 in the inside of the driving electrodes 2 25 and 2 35. 36 are formed.
  • each circumferential portion is about 10 m and is formed at regular intervals at a pitch of about 20 ⁇ m, an annular area having a width of about 2 mm in the radial direction Approximately 100 circumferential portions are formed therein.
  • Each electrode section of gyro mouth 20: 200 A, 200 B, 200 C, 200 D and 200 A ', 200 B', 200 C ', 20 0 D ′ is the circumference 2 2 3 of the corresponding electrostatic support electrode 2 2 3, 2 3 3,
  • the corresponding first and third electrode portions 200 A and 200 C of the gyro rotor 20 have a second comb-shaped portion 2 2 1-2 (2 2 1 B, 2 2 1 D) and the corresponding second and third electrode sections 2 of the gyro rotor 20
  • control DC voltage applied to the first combs 2 2 1-1 (2 2 1 A, 2 2 1 C) and the second combs 2 2 1-2 (2 2 1 B, 2 2 By setting the control DC voltage applied to 1D) to a voltage of the same magnitude and opposite polarity, for example, earth V 1A , the potential of the gyro rotor 20 can be always set to zero. This will be described again later with reference to FIG.
  • the discharge combined temperature ° 1 2 7 1 2 8 limits the displacement of the gyro rotor 20 in the Z-axis direction, the X-axis direction and the Y-axis direction, and the gyro opening 20 is located on the inner surface of the gyro case 21. It is provided to prevent contact and at the same time discharge static electricity accumulated in the gyro rotor 20.
  • a preamplifier 35 for example, a field-effect transistor, is disposed on the outer surface of the upper bottom member 22.
  • a preamplifier 35 is provided with displacement detection electrodes 2 26, 2 Connected to 36.
  • the upper bottom member 22 and the lower bottom member 24 are provided with through holes 22 A (only the through holes 22 A provided in the upper bottom member 22 are shown).
  • the preamplifier 35 is connected to the displacement detecting electrodes 222 and 326 by the metal thin film formed on the inner surface. Further, as will be described later with reference to FIG. 3, the comb portions of each pair are electrically connected.
  • the second and fourth pairs of electrostatic support electrodes arranged along the Y axis and the corresponding second and fourth portions P 2 and P 4 of the gyro rotor 20 are not shown, but are not shown in the drawing. It is arranged along the direction perpendicular to.
  • FIG. Figure 4 shows an equivalent circuit of the constraint control system and the rotor drive system.
  • the first and third pairs of electrostatic support electrodes 221, 231, and 23, 23, and the corresponding electrodes of the gyro mouth 20 Parts 200 0, 200A ', 200C, and 200C' are replaced with capacitors.
  • the capacitance between the second electrode section 200 A and the second comb section 2 2 3 — 2 and the second and fourth electrode sections 200 B and 200 D Have the same capacitance C 3 A.
  • the first comb-shaped portion 2 3 3 — 1 and the first and third electrode portions 200 A ′, 2 The capacitance between 0 C and the second comb-shaped part 2 3 3-2 and the second and
  • a cross section of the gyro device of this example cut along the YZ plane is not shown, but the second and fourth pairs of electrostatic support electrodes 2 2 2, 2 3 2 and A similar argument holds for the second and fourth parts P 2 and P 4 of 2 24, 2 3 4 and the corresponding Gyroro 20.
  • ⁇ X (1 4 1 A + _ I B-C 3 A to C 3 B)
  • each electrostatic support electrode two combs 2 2 1-1 and 2 2 1 1 2 2 3 1-1 and 2 3 1-2 2 2 3-1 and 2 2 3-2 2 3 3-1 2 3 3 - 2, the polarity equal in magnitude to the contrary control patronage DC voltage earth V 1A, soil V 1 B, soil V 3 a, soil V 3 B is applied to one another. Therefore, the potential at the midpoint Q i Q 2 Q 3 Q 4 of the two pairs of capacitors (only Q 3 is shown in FIG. 4) is zero. That is, electrostatic support Since control DC voltages of the same magnitude and different polarities are applied to the comb portions of each pair of poles, the potential of the gyro rotor 20 is zero.
  • a displacement detection AC current i P is generated at the displacement detection electrodes 222, 236.
  • the displacement detection AC current i P is represented by the following equation.
  • V P (X) ⁇ ⁇ X ⁇ X ⁇ 0 ⁇ , ⁇ X s i ⁇ ( ⁇ ⁇ t + i)
  • K V1 to K V5 are the capacitance c of the capacitor. , C FA , and C FB .
  • the output voltage VP independently includes all the displacements of the gyro rotor 20. Therefore, if a desired voltage component is extracted from the equation (9), a corresponding displacement can be obtained. For example, even when two or more linear displacements ⁇ , ⁇ , mm and rotational displacements ⁇ 0, ⁇ overlap, each displacement can be obtained by extracting the corresponding voltage component. Further, the formula output voltage VP linear displacement ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ and rotational displacement delta, amplitude modulated by the displacement detecting frequency ⁇ Omega 5 corresponding to delta ⁇
  • V 1 ⁇ V 0 + ⁇ V!
  • V 2 ⁇ V 0 + ⁇ V 2 ⁇
  • V 4 ⁇ V. + ⁇ V 4 ⁇
  • V 1 ⁇ and V 1 ⁇ are the control DC voltage applied to the first pair of electrostatic support electrodes 2 2 1 and 2 3 1
  • V 2 ⁇ and V 2 ⁇ are the second pair of electrostatic support electrodes 2 2 2 and 2
  • V 3A and V 3B are the third pair of electrostatic support electrodes 2 2 3 2 3 2 3 DC voltage for control applied to 3 3
  • V 4A and V 4B are the fourth This is a control DC voltage applied to the pair of electrostatic support electrodes 222, 234.
  • the rotor drive system of the present embodiment includes drive electrode portions 20 GE and 20 G formed on the upper and lower surfaces of the gyro rotor 20.
  • the drive electrode portions 200E and 200E 'of this example and the drive electrodes 222 and 235 constitute a three-phase electrode.
  • the upper drive electrode portion 200E of the gyro rotor 20 includes four fan-shaped portions separated from each other by a central angle of 90 °, and the lower drive electrode portion 200E. 2 0 0 E 'are 90 to each other. Includes four sectors separated by a central angle of
  • the drive electrode section 200E on the upper side of the gyro rotor 20 has four sector sections 200E separated from each other at a central angle of 90 °.
  • a gyro rotor having a spin axis in the central axis direction, which is supported in a non-contact manner by an electrostatic supporting force inside the gyro mouth case; and a gyro rotor arranged at a distance from the gyro mouth to control voltage.
  • a plurality of electrostatic support electrodes configured to be applied;
  • a constrained control system having a feedback loop that corrects the control voltage so that the displacement detected by the displacement detection system becomes zero.
  • -It has a plurality of rotor driving electrodes provided corresponding to the upper and lower surfaces of the evening, and the gyro rotor is provided with a plurality of through holes for connecting the upper surface and the lower surface thereof. Of the rotor It is provided corresponding to the driving electrode.
  • the displacement detection system in the gyro device, has a plurality of displacement detection electrodes spaced apart from the gyro opening, and the displacement detection system is superimposed on the control voltage.
  • a detection AC voltage is applied to the electrostatic support electrode, a displacement detection current generated in the displacement detection electrode is detected by the displacement detection AC voltage, and a displacement of the gyro rotor is calculated. Is configured.
  • the plurality of displacement detection AC voltages are configured to be AC voltages having different frequencies.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining a control loop of the gyro device of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing the electrodes of the gyro apparatus according to the present invention and the voltages applied thereto.
  • FIG. 10 is a diagram showing the electrodes of the gyro apparatus according to the present invention and the voltages applied thereto.
  • wall-shaped displacement detection electrodes 336, 3466 arranged facing the inner peripheral surface 20C and the outer peripheral surface 20D of the gyro rotor 20, and the upper surface 2 of the gyro rotor 20.
  • the upper and lower displacement detection electrodes 316 and 326 arranged so as to face 0 A and the lower surface 20 B are arranged at the same angular position on the circumference.
  • the gyro rotor 20 is formed of a conductive material.
  • a conductive material For example, single-crystal silicon (silicon) may be used as such a conductive material.
  • silicon silicon
  • the wall-shaped electrodes and the spacers 23 arranged to face the inner peripheral surface 20 C and the outer peripheral surface 20 D of the gyro rotor 20 are formed of the same material as the gyro opening 20. May be.
  • the displacement detecting circuit for converting the Re their detects a displacement detection current i P in the displacement detection voltage V P, namely, the pre-amplifier 35 and such displacement detection control direct current by inputting a use voltage V P ⁇ V 1A ⁇ earth V 4A, soil V 1 B ⁇ earth V 4B, soil V lc ⁇ earth V 4 C, the control operation that generates a soil V 1D ⁇ earth V 4D And a part 140.
  • FIG. 9 shows the electrodes formed on the upper bottom member 22 of the gyro case and the voltage applied to them.
  • FIG. 11 shows an equivalent circuit of the gyro rotor 20 of the gyro device of the present example and the electrodes provided correspondingly.
  • the gyro rotor 20 and the electrodes provided corresponding thereto constitute a capacitor. Therefore, this equivalent circuit is obtained by replacing the gyro rotor 20 and the electrodes with capacitors.
  • Each of 3 4 4 has a control DC voltage of the same magnitude and opposite polarity for each control soil voltage V 1A to soil V 4A , soil V 1B to soil V 4B , soil V 1C to person v 4C , earth V 1D to earth V
  • ⁇ ⁇ (1/4 C 0 r) ( ⁇ 2 C 2 D + C 4 C — 4 D)
  • a displacement detection current i P is generated at the displacement detection electrodes 3 16, 3 26, and 3 3 6 3 4 6.
  • the gyro rotor 20 is linearly displaced by ⁇ in the X-axis direction, linearly displaced by ⁇ in the Y-axis direction, linearly displaced by ⁇ Z in the Z-axis direction, and rotationally displaced by a rotation angle ⁇ around the Y-axis.
  • the rotational current around the X axis by the rotation angle ⁇ , the displacement detection AC current is expressed by the following formula
  • i P KI (EXCX + EYC. r AY + 2 EZC c ⁇ Z + E ⁇ C ⁇ ⁇ ⁇ +
  • control operation unit 140 calculates the control DC voltage to input displacement detection AC voltage V P.
  • the control DC voltage is expressed by the following equation.
  • V 1A V + ⁇ V 1A
  • FIG. 8 The rotor drive system in this example is

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Description

明細書
加速度検出型ジャィ口装置
技術分野
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 、 ジャィ ロロ一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ィ ΰ装置に関する。
従来の技術
図 1〜図 5を参照して従来のジャイロ装置の例を説明する。 こ のジャィ口装置は本願出願人と同一の出願人によつて平成 7年 5 月 2 4 日に出願された特願平 7 — 1 2 5 3 4 5号に開示されたも のであり、 詳細は同出願を参照されたい。
先ず図 1を参照してこのジャイ ロ装置を説明する。 ジャイ ロ装 置は薄い円盤状のジャイ ロロータ 2 0 と斯かるジャイロロータ 2
0 を内部に収容するジャイ ロケース 2 1 とを有する。
ここで、 ジャイロ装置に対して図示のように、 Χ Υ Ζ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 Ζ軸をとり、 そ れに垂直に X軸及び Υ軸をとる。 ジャイ ロロータ 2 0 のスピン軸 線は Ζ軸に沿って配置される。
図 1 Αに示すように、 ジャイ ロケース 2 1 は上側底部材 2 2 と 下側底部材 2 4 と両者を接続するスぺ一サ 2 3 とを有し、 スぺ一 サ 2 3 は環状の内壁 2 3 Aを有する。 こう して、 上側底部材 2 2 及び下側底部材 2 4 の内面とスぺ一サ 2 3 の内壁 2 3 Aとによつ て、 ジャイロケース 2 1の内部にジャィロロ一タ 2 0を収容する ための円盤状の密閉された空洞部 2 6が形成される。 斯かる空洞 部 2 6 は適当な方法によつて真空排気されている。
スぺ一サ 2 3の環状の内壁 2 3 Aの外側には凹部 2 3 Bが形成 されており、 斯かる凹部 2 3 Bは通路 2 3 Cによつて空涧部 2 6 に接続されている。 斯かる通路 2 3 Cの高さは 2〜 3 mであつ てよい。 斯かる凹部 2 3 Bにはゲッタ部材 3 3が配置されている 。 それによつて、 空洞部 2 6 は長期間高い真空度に維持されるこ とができる。
ジャイ ロロータ 2 0 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 2 1 の上側底部材 2 2 と下側底部材 2 4 は非導 電性材料、 例えばガラスによって形成されている。 スぺ一サ 2 3 はジャイ ロロータ 2 0 と同一の材料によつて形成されてよい。 図 1 A友び図 1 Bの右半分側に示すように、 ジャイロロータ 2 0の上面及び下面には、 同心状に複数の環状の電極部 2 0 0 A、 2 0 0 B . 2 0 0 C、 2 0 0 D及び 2 0 0 A' 、 2 0 0 B ' 、 2
0 0 C ' 2 0 0 D ' 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 2 0 0 a、 2 0 0 b、 2 0 0 c、 2 0 0 d及び 2 0 0 a ' 、 2 0 0 b ' 、 2 0 0 c ' 、 2 0 0 d ' が形成 され、 斯かる環状溝によつて突起状の環状の電極部が形成されて いる。
ジャイ ロロータ 2 0の上面及び下面には、 環状の電極部 2 0 0 A、 2 0 0 B、 2 0 0 C、 2 0 0 D及び 2 0 0 A' 、 2 0 0 B ' 、 2 0 0 C ' 、 2 0 0 D ' の内側に駆動用電極部 2 0 0 E及び 2 0 0 E ' が形成されている。 斯かる駆動用電極部 2 0 0 E、 2 0 0 E ' は、 2つの同心状の環状溝 2 0 0 d、 2 0 0 e及び 2 0 0 d ' 2 0 0 e ' 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。
ジャイ ロロータ 2 0 の上面及び下面には、 中心部に、 即ち、 駆 動用電極部 2 0 0 E及び 2 0 0 E ' の内側に、 変位検出用電極部 2 0 0 F及び 2 0 0 F ' が形成されている。 斯かる変位検出用電 極部 2 0 0 F、 2 0 0 F ' の中心部には凹部 2 0 0 f 、 2 0 0 f ' が形成されている。
ジャイロロータ 2 0 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 2 0 0 A、 2 0 0 B、 2 0 0 C、 2 0 0 D及び 2 0 O A' 、 2 0 0 B ' 、 2 0 0 C ' 、 2 0 0 D' 、 駆動用電極部 2 0 0 E、 2 0 0 E ' 及び変位検出用電極部 2 0 0 F、 2 0 0 F ' は共面に形成されてよい。
一方、 図 1 A及び図 1 Bの左半分側に示すように、 ジャイロケ
—ス 2 1の上側底部材 2 2 と下側底部材 2 4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 2 2 1、 2 3 1、 2 2 2、 2 3 2、 2 2 3、 2 3 3及び 2 2 4 , 2 3 4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 9 0 ° 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 2 2 1、 2 3 1及 び 2 2 3、 2 3 3 は X軸に沿つて配置され、 第 2及び第 4の対の 静電支持電極 2 2 2、 2 3 2及び 2 2 4、 2 3 4は Y軸に沿って 配置されている。
各静電支持電極は 1対の櫛形部よりなる。 例えば図 1 Bの左側 には、 第 3の対の静電支持電極 2 2 3、 2 3 3のうち、 上側底部 材 2 2 の内面に形成された静電支持電極 2 2 3が示されている。 この静電支持電極 2 2 3は互いに隔置された 2つの櫛形部 2 2 3 _ 1、 2 2 3 — 2を含み、 斯かる 2つの櫛形部は互いに隔置され ている。
一方の櫛形部 2 2 3 — 1 は半径方向に延在する半径部 2 2 3 R と複数の円周方向に延在する円周部 2 2 3 A、 2 2 3 Cとを有す る。 同様に、 他方の櫛形部 2 2 3 _ 2 は半径方向に延在する半径 部 2 2 3 Rと複数の円周方向に延在する円周部 2 2 3 B、 2 2 3 Dとを有する。 各櫛形部 2 2 3— 1、 2 2 3— 2の円周部 2 2 3 A、 2 2 3 0及び 2 2 3 8、 2 2 3 Dは互い違いに他を挟むよう に配置されている。 各櫛形部 2 2 3— 1、 2 2 3 - 2の半径部 2 2 3 R、 2 2 3 Rの端部には端子部 2 2 3 R' 、 2 2 3 R' がそ
'れぞれ形成されている。
ジャイ ロケース 2 1の上側底部材 2 2 と下側底部材 2 4の内面 には、 4対の静電支持電極 2 2 1、 2 3 1、 2 2 2、 2 3 2、 2 2 3、 2 3 3及び 2 2 4、 2 3 4の内側に駆動用電極 2 2 5、 2 3 5がそれぞれ形成されている。 斯かる駆動用電極 2 2 5. 2 3
5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。
ジャイ ロケース 2 1の上側底部材 2 2と下側底部材 2 4の内面 には、 中心部に、 即ち、 駆動用電極 2 2 5 , 2 3 5の内側に変位 検出用電極 2 2 6. 2 3 6が形成されている。
次にジャイロロータ 2 0の環状の電極部 2 0 0 A、 2 0 0 B , 2 0 0 C、 2 0 D及び 2 0 0 A' 、 2 0 0 B ' 、 2 0 0 C ' 、 2 0 0 D' とジャイ ロケース 2 1の上側底部材 2 2及び下側底部材 2 4の静電支持電極 2 2 1、 2 2 2、 2 2 3、 2 2 4及び 2 3 1 、 2 3 2、 2 3 3、 2 3 4の寸法及び相対的位置関係について説 明する。
ジャイロロータ 2 0の外径 Dは 5 mm以下であってよく、 厚さ t は 0. 1 m m以下であってよく、 質量は 1 0 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 2 0 0 A、 2 0 0 B 、 2 0 0 C、 2 0 0 D及び 2 .0 0 A' 、 2 0 0 B ' 、 2 0 0 C '
、 2 0 0 D ' 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 1 0 mであり、 約 2 0 ； w m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 2 mmの幅の環状領域内に約 1 0 0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。
ジャイロケース 2 1の上側底部材 2 2及び下側底部材 2 4の静 電支持電極 2 2 1、 2 2 2、 2 2 3、 2 2 4及び 2 3 1、 2 3 2
、 2 3 3、 2 3 4の寸法は環状の電極部 2 0 0 A、 2 0 0 B、 2 0 0 C、 2 0 0 D及び 2 0 0 A' 、 2 0 0 B ' 、 2 0 0 C ' 、 2 0 0 D ' 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 2 2 3の各櫛形部 2 2 3 — 1、 2 2 3 — 2 の 円周部 2 2 3 A、 2 2 3 C及び 2 2 3 B、 2 2 3 D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 1 0 mであ り、 約 2 0 μ m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 2 mmの幅の環状領域内に約 1 0 0本の円周部が形成さ れる。
次にジャイロロータ 2 0の電極部とジャイロケース 2 1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 2
0 の電極部 2 0 0 A、 2 0 0 B、 2 0 0 C、 2 0 0 D及び 2 0 0 A ' 、 2 0 0 B ' 、 2 0 0 C ' 、 2 0 0 D ' と第 3の対の静電支 持電極 2 2 3、 2 3 3の間の位置関係を説明する。 ジャイ ロ口一 タ 2 0 の第 1の電極部 2 0 0 A、 2 0 O A' に対して第 3の対の 静電支持電極 2 2 3、 2 3 3の第 1の円周部 2 2 3 A、 2 3 3 A が対応し、 第 2 の電極部 2 Q 0 B、 2 0 0 B ' に対して第 3の対 の静電支持電極 2 2 3の第 2の円周部 2 2 3 B、 2 3 3 Bが対応 する。 以下同様に、 第 3及び第 4 の電極部 2 0 0 C、 2 0 0 C ' 及び 2 0 0 D、 2 0 0 D ' に対して第 3及び第 4の円周部 2 2 3 C、 2 3 3 C及び 2 2 3 D、 2 3 3 Dが対応する。
ジャイ ロロータ 2 0 の電極部とそれに対応するジャイロケース 2 1の静電支持電極の間の間隙 δは数 m、 例えば <5 = 2〜 3 mであってよい。
ジャイロ口一夕 2 0の各電極部 2 0 0 A、 2 0 0 B、 2 0 0 C 、 2 0 0 D及び 2 0 0 A' 、 2 0 0 B ' 、 2 0 0 C ' 、 2 0 0 D ' は、 対応する静電支持電極 2 2 3、 2 3 3の円周部 2 2 3 、
2 3 3 A、 2 2 3 B、 2 3 3 B、 2 2 3 C、 2 3 3 C及び 2 2 3 D、 2 3 3 D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。
例えば、 ジャイロロータ 2 0の各電極部 2 0 0 A、 2 0 0 B、 2 0 0 C、 2 0 0 D及び 2 0 0 A' 、 2 0 0 B ' 、 2 0 0 C ' 、
2 0 0 D' の幅及びピッチが、 対応する静電支持電極 2 2 3. 2 3 3の円周部 2 2 3 A、 2 3 3 A. 2 2 3 B、 2 3 3 B、 2 2 3 C、 2 3 3 C及び 2 2 3 D、 2 3 3 D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。
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 2 0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 2 0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 2 2 1、 2 3 1の第 1 の静電支持電極 2 2 1において、 第 1 の櫛形部 2 2 1 — 1 ( 2 2 1 As 2 2 1 C ) とそれに対応するジ ャイロロータ 2 0 の第 1及び第 3の電極部 2 0 0 A、 2 0 0 Cの 間の静電容量は第 2の櫛形部 2 2 1 - 2 ( 2 2 1 B、 2 2 1 D) とそれに対応するジャイロロータ 2 0の第 2及び第 3の電極部 2
0 0 C、 2 0 0 Dの間の静電容量に等しく共に C 1Aである。
従って第 1の櫛形部 2 2 1 - 1 ( 2 2 1 A、 2 2 1 C ) に印加 する制御用直流電圧と第 2 の櫛形部 2 2 1 - 2 ( 2 2 1 B、 2 2 1 D) 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、 例えば土 V 1Aとすることによって、 ジャイロロータ 2 0 の電位を常に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。
第 1 の対の静電支持電極 2 2 1 2 3 1の第 2の静電支持電極
2 3 1 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 2 2 2 2 3 2 2 2 3 2 3 3 2 2 4 2 3 4につい ても同様である。
尚、 ジャイ ロロータ 2 0の駆動用電極部 2 0 0 E 2 0 0 E ' 及び変位検出用電極部 2 0 0 F 2 0 O F ' と対応するジャイ ロ ケース 2 1 の駆動用電極 2 2 5 2 3 5及び変位検出用電極 2 2 6 2 3 6 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。
, ジャイ ロケース 2 1の上側底部材 2 2 と下側底部材 2 4の内面 には、 中心部に、 即ち、 変位検出用電極 2 2 6. 2 3 6の中心部 には、 それぞれ放電兼用ス ト ツパ 1 2 7 1 2 8が設けられてい る。 斯かるス ト ° 1 2 7 1 2 8 は、 ジャイ ロロータ 2 0の上 面及び下面の中心部に形成された凹部 2 0 0 f 2 0 0 f ' に対 応して配置されている。
放電兼用ス ト ° 1 2 7 1 2 8 は、 ジャイ ロロータ 2 0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口 一夕 2 0がジャイ ロケース 2 1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 2 0 に蓄積した静電気を放電させるため に設けられている。
ジャイ ロロータ 2 0が Z軸方向に変位してジャイロケース 2 1 の内面に近づく と、 ジャイロロータ 2 0の電極部がジャイロケ一 ス 2 1の電極に接触する前に、 放電兼用ス ト ツパ 1 2 7 1 2 8 がジャイロロータ 2 0の凹部 2 0 0 f 2 0 0 f ' の底に当接す る。 また、 ジャイロロータ 2 0が X軸又は Y軸方向に変位すると 、 ジャイ ロロータ 2 0がジャイ ロケース 2 1 の円周内壁 2 3 Αに 接触する前に、 放電兼用ス ト ツパ 1 2 7、 1 2 8がジャイ ロ口一 タ 2 0 の凹部 2 0 0 f 、 2 0 0 f ' の円周内壁に当接する。
それによつて、 ジャイ ロロータ 2 0 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 2 0がジャイ ロケ一 ス 2 1の内面に接触することが阻止される。 また、 ジャイロ口一 タ 2 0が停止し着地したとき、 放電兼用ス ト ツパ 1 2 7、 1 2 8 力 ジャイ ロロータ 2 0 の凹部 2 0 0 f 、 2 0 0 f ' に当接するこ とによって、 ジャイ ロロータ 2 0 に蓄積された静電気が放電兼用 ス ト ッパ 1 2 7、 1 2 8を経由して外部に放電される。
ジャイ ロケース 2 1 の上側底部材 2 2又は下側底部材 2 4 に形 成された静電支持電極 2 2 1 、 2 3 1、 2 2 2、 2 3 2、 2 2 3 、 2 3 3 、 2 2 4、 2 3 4、 駆動用電極 2 2 5、 2 3 5及び変位 検出用電極 2 2 6 . 2 3 6 と外部電源又は外部回路と間は、 スル 一ホール接続によって電気的に接続されてよい。 上側底部材 2 2 又は下側底部材 2 4には小さな孔、 即ち、 スルーホールが設けら 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、 駆動用電極及び変位検出用電極 が外部電源又は外部回路に接続される。
図 1 Aに示すように、 上側底部材 2 2 の外面にはプリアンプ 3 5、 例えば、 電界効果形トラ ンジスタが配置されており、 斯かる プリ アンプ 3 5 は変位検出用電極 2 2 6、 2 3 6 に接続されてい る。 上側底部材 2 2及び下側底部材 2 4にはスルーホール 2 2 A (上側底部材 2 2 に設けられたスルーホール 2 2 Aのみを図示） が設けられ、 斯かるスルーホール 2 2 Aの内面に形成された金属 薄膜によつてプリ アンプ 3 5 は変位検出用電極 2 2 6、 3 2 6 に 接続される。 また、 後に図 3を参照して説明するように、 各対の櫛形部は電 気的に接続される。 従って、 例えば、 第 3の対の第 1の静電支持 電極 2 2 3 の櫛形部 2 2 3 - 1、 2 2 3 — 2 の端子部 2 2 3 R' 、 2 2 3 R' の各々に対応してスルーホール 2 B (—方のみ図 示） が設けられ、 斯かるスルーホール 2 2 Bの内面に形成された 金属薄膜は上側底部材 2 2の外側に設けられた共通端子に接続さ れる。 それによつて 2つの櫛形部 2 2 3 — 1、 2 2 3 - 2 の端子 部 2 2 3 R' 、 2 2 3 R' は電気的に接続される。 同様に、 第 1 の対の第 2の静電支持電極 2 3 1の櫛形部 2 3 1 — 1、 2 3 1 - 2 の端子部 2 3 1 R' 、 2 3 1 R' の各々に対応してスルーホー ル 2 4 A (—方のみ図示） が設けられ、 斯かるスルーホール 2 4 Aの内面に形成された金属薄膜は下側底部材 2 4の外側に設けら れた共通端子に接続される。 それによつて 2つの櫛形部 2 3 1 — 1、 2 3 1 — 2 の端子部 2 3 1 R' 、 2 3 1 R' は電気的に接続 される。
図 2 にジャィ口装置の制御ループの例を示す。 本例の制御ル一 プは拘束制御部 1 5 0 を含む拘束制御系とロータ駆動部 1 6 0を 含むロータ駆動系とシークェンス制御部 1 7 0 とを有する。
本例の拘束制御部 1 5 0 は、 変位検出用電流 i P を検出してそ れを変位検出用電圧 VP に変換する変位検出用回路、 即ち、 プリ アンプ 3 5 と斯かる変位検出用電圧 VP を入力して制御用直流電 圧土 V 1A〜土 V 4A、 土 V 1 B〜土 V 4Bを生成する制御演算部 1 4 0 とを有する。 制御演算部 1 4 0 によって出力された制御用直流電 圧土 V 1A〜土 V 4A、 土 V 1 B〜土 V 4 Bはそれぞれ変位検出用交流電 圧 A C 1A〜A C 4A、 A C 1B〜 A C 4 Bが加算されて静電支持電極 2
2 1〜 2 2 4、 2 3 ：！〜 2 3 4に供給される。 尚、 本例のジャィ 口装置には制御演算部 1 4 0 の出力信号を入力するジャィ口加速 度出力演算部 1 4 5が設けられている。 静電支持電極 2 2 1〜 2 2 4、 2 3 1〜 2 3 4に制御用直流電 圧 ± V 1A〜土 V 4A、 土 V 1B〜土 V 4Bを印加することによってジャ イロロータ 2 0 は所定の基準位置に浮動的に支持され拘束される 。 静電支持電極 2 2 1〜 2 2 4、 2 3 1〜 2 3 4に変位検出用交 流電圧 A C 1A〜 A C 4A、 A C 1B〜 A C 4Bを印加するこ とによって
、 ジャイ ロケース 2 1の内面に形成された変位検出用電極 2 2 6 、 2 3 6 に変位検出用電流 i P が流れる。 斯かる変位検出用電流 i P はプリ アンプ 3 5 によって電圧信号 VP に変換される。 斯か る電圧信号 VP はジャイ ロロータ 2 0の全ての直線変位及び回転 変位を含む。
制御演算部 1 4 0 は電圧信号 V P よりジャイ ロ ロータ 2 0の X 軸方向の変位土 Δ X、 Y軸方向の変位士 Δ Y及び Z軸方向の変位 士△ Zと Y軸周り及び X軸周りの回転変位 Δ 6>、 Δ 0 (図 2の右 上に示す矢印の方向を正とする。 ） を検出する。 更に、 斯かる変 位より静電支持電極 2 2 1〜 2 2 4、 2 3 1〜 2 3 4に印加すベ き制御用直流電圧土 V 1A〜土 V 4A、 土 V 1B〜土 V4Bを演算する。 こう して制御用直流電圧 ± V 1A〜± V4A、 土 V 1B〜土 V 4 Bが変化 し、 ジャイロロータ 2 0 は偏倚量がゼロとなるように元の位置に 戻される。
本例の制御ループ又は拘束系は、 このよ う にジャイ ロロータ ' 2
0 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、 パッシプ式拘束系ではなく ァ クティ ブ式である。 '
次に図 3を参照して拘束制御系の動作を詳細に説明する。 ジャ イロロータ 2 0 は実際には高速で回転しているが、 ジャイロロー タ 2 0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 、 P 2 、 P 3 及び P 4 とする。 図 3には、 本例のジャイロ装置を X Z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第 1及び第 3の対の 静電支持電極 2 2 1、 2 3 1及び 2 2 3、 2 3 3 とそれに対応し たジャイ ロロータ 2 0 の第 1及び第 3の部分 P i 、 P 3 が示され ている。 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 極とそれに対応したジャイ ロロータ 2 0 の第 2及び第 4 の部分 P 2 及び P 4 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。
第 1の対の静電支持電極 2 2 1の円周部 2 2 1 A、 2 2 1 B、 2 2 1 C、 2 2 1 Dはジャイロロータ 2 0の上面の電極部 2 0 0
A、 2 0 0 B、 2 0 0 C、 2 0 0 Dに対応しており、 第 1の対の 静電支持電極 2 3 1 の円周部 2 3 1 A、 2 3 1 B、 2 2 1 C、 2 2 I Dはジャイロロータ 2 0の下面の電極部 2 0 0 A' 、 2 0 0 B ' 、 2 0 0 C ' 、 2 0 0 D' に対応しており、 第 3の対の静電 支持電極 2 2 3 の円周部 2 2 3 A、 2 2 3 B、 2 2 3 C、 2 2 3
Dはジャイロロータ 2 0 の上面の電極部 2 0 0 A、 2 0 0 B、 2 0 0 C、 2 0 0 Dに対応しており、 第 3の対の静電支持電極 2 3 3 の円周部 2 3 3 A、 2 3 3 B、 2 3 3 C、 2 3 3 Dはジャイ ロ 口一夕 2 0 の下面の電極部 2 0 0 A' 、 2 0 0 B ' 、 2 0 0 C ' 、 2 0 0 D' に対応している。 第 2の対の静電電極及び第 4の対 の静電支持電極も同様である。
先ず、 制御用直流電圧の印加について説明する。 第 1の対の静 電支持電極 2 2 1 の第 1 の櫛形部 2 1 一 1 の円周部 2 2 1 A、 2 2 1 Cは加算器 3 6 — 1 Aを経由して直流電圧— V 1Aに接続さ れ、 第 2 の櫛形部 2 2 1 — 2 の円周部 2 2 1 B、 2 2 1 Dは加算 器 3 6 + 1 Aを経由して直流電圧 + Aに接続され、 第 1の対の 静電支持電極 2 3 1 の第 1 の櫛形部 2 3 1 — 1 の円周部 2 3 1 A 、 2 3 1 Cは加算器 3 6 _ 1 Bを経由して直流電圧一 V 1Bに接続 され、 第 2の櫛形部 2 3 1 — 2の円周部 2 3 1 B、 2 3 1 Dは加 算器 3 6 + 1 Bを経由して直流電圧 + V 1Bに接続されている。
同様に、 第 3の対の静電支持電極 2 2 3の第 1の櫛形部 2 2 3 一 1 の円周部 2 2 3 A、 2 2 3 Cは加算器 3 6 — 3 Aを経由して 直流電圧一 V 3Aに接続され、 第 2の櫛形部 2 2 3 — 2の円周部 2
2 3 B、 2 2 3 Dは加算器 3 6 + 3 Aを経由して直流電圧 + V 3A に接続され、 第 3の対の静電支持電極 2 3 3の第 1の櫛形部 2 3 3 — 1 の円周部 2 3 3 A、 2 3 3 Cは加算器 3 6 — 3 Bを経由し て直流電圧— V 3 Bに接続され、 第 2の櫛形部 2 3 3 - 2の円周部 2 3 3 B、 2 3 3 Dは加算器 3 6 + 3 Bを経由して直流電圧 + V
3 Bに接続されている。
図示されていないが、 第 2 の対の静電支持電極 2 2 2の第 1の 櫛形部 2 2 2 - 1の円周部 2 2 2 A、 2 2 2 Cは直流電圧— V 2A に接続され、 第 2 の櫛形部 2 2 2 — 2の円周部 2 2 2 B、 2 2 2 Dは直流電圧 + V 2Aに接続され、 第 2の対の静電支持電極 2 3 2 の第 1の櫛形部 2 3 2 — 1の円周部 2 3 2 A、 2 3 2 Cは直流電 圧一 V 2 Bに接続され、 第 2 の櫛形部 2 3 2 — 2の円周部 2 3 2 B 、 2 3 2 Dは直流電圧 + V 2Bに接続されている。
同様に、 第 4の対の静電支持電極 2 2 4の第 1の櫛形部 2 2 4 — 1の円周部 2 2 4 A、 2 2 4 Cは直流電圧— V 4 こ接続され、 第 2 の櫛形部 2 2 4 — 2 の円周部 2 2 4 B、 2 2 4 Dは直流電圧 + V 4 Aに接続され、 第 4の対の静電支持電極 2 3 4の第 1の櫛形 部 2 3 4 — 1の円周部 2 3 4 A、 2 3 4 Cは直流電圧一 V 4Bに接 続され、 第 2の櫛形部 2 3 4 — 2の円周部 2 3 4 B、 2 3 4 Dは 直流電圧 + V 4 Bに接続されている。
次に、 検出用交流電圧の印加について説明する。 第 1及び第 3 の対の静電支持電極 2 2 1、 2 3 1及び 2 2 3、 2 3 3には制御 用直流電圧に重畳して検出用交流電圧 A C 1A、 A C 1B、 A C 3A、 A C 3 Bが印加される。 図示のように、 第 1 の対の加算器 3 6 — 1 A、 3 6 + 1 A及び 3 6 — 1 B、 3 6 + 1 Bには検出用交流電圧 A C Ι Α A C 1 B及び A C 3A、 A C 3 Bが印加され、 第 3の対の加算 器 3 6 — 3 A、 3 6 + 3 A及び 3 6 — 3 B、 3 6 + 3 Bには検出 用交流電圧 A C 3A、 A C 3 Bが印加されている。 同様に、 第 2及び 第 4の対の加算器には検出用交流電圧 A C 2A、 A C 2 B及び A C 4A 、 A C 4 Bが印加される。 斯かる検出用交流電圧 A C 1A、 A C 1 B、 A C 3A、 A C 3 B、 A C 2A、 A C 2 B及び A C 4A、 A C 4 Bはそれぞれ 次のように表される。
〔数 1式〕
A C 1A= - E X - E ^ - E Z
A C 1 B= - E X + E 0 + E Z
A C 3 A= + E X + E 0 - E Z
A C 3 B= + E X - E 6> + E Z
〔数 2式〕
A C 2 A= - E Y - E - E Z
A C 2 B=— E Y + E 0 + E Z
A C 4 A= + E Y + E - E Z
A C 4 B= + E Y - E + E Z
こ こに、 検出用交流電圧 A C 1A、 A C 1 B、 A C 3A、 A C 3 B及び A C 2 A、 A C 2 B、 A C 4A、 A C 4 Bの右辺の各項は次のように表さ れる。
〔数 3式〕
+ E X = E Q c o s ( ω i t + Γ i )
— E X = E 。 c o s ( ω i t + η ι )
+ E Y = E 。 c o s ( ω 2 t + Γ 2 )
— E Y = E 。 c o s ( ω 2 t + η 2 )
+ E Z = E 。 c o s ( ω 3 t + Γ 3 ) 一 E Z E o c o s ( ω 3 t + η 2
+ E Θ E o c o s ( ω 4 t + Γ )
- E Θ E o c o s ( ω 4 t + η i
+ E Φ E o c o s ( ω 5 t + 5 )
— E 0 = E。 c o s ( ω 5 t + 7? 5 )
ここに、 士 E Xはジャイ ロロータ 2 0の X軸方向の直線変位 Δ Xを検出するための電圧成分、 土 Ε Υはジャイ ロロータ 2 0の Υ 軸方向の直線変位 ΔΥを検出するための電圧成分、 土 Ε Ζはジャ イロロータ 2 0の Ζ軸方向の直線変位 Δ Ζを検出するための電圧 成分、 土 はジャイ ロロータ 2 0の Υ軸周りの回転変位 Δ Θを 検出するための電圧成分、 土 Ε 0はジャイ ロロータ 2 0の X軸周 りの回転変位△ øを検出するための電圧成分である。
ω 1 . ω ζ . ω 3 . ω 4 . ω 5 は検出用周波数である。 また、 土 Ε Χ、 土 Ε Υ、 士 Ε Ζ、 土 及び土 E $¾の符号は互いに 1 8 0度の位相差を表す。 従って位相差 ^、 7? については次の関係が ある。
〔数 4式〕
?7 1 = Γ 1 ± 1 8 0 °
?7 2 = ^ 2 ± 1 8 0 °
± 1 8 0。
A = ζ i ± 1 8 0 °
?7 5 = Γ 5 ± 1 8 0 °
次に図 4を参照して本例の変位検出系の原理を説明する。 図 4 は拘束制御系とロータ駆動系の等価回路を示す。 拘束制御系の等 価回路では、 第 1及び第 3の対の静電支持電極 2 2 1、 2 3 1及 び 2 2 3、 2 3 3 とそれに対応するジャイ ロ口一夕 2 0の電極部 2 0 0 Α、 2 0 O A' 、 2 0 0 C、 2 0 0 C ' がコンデンサに置 き換えられている。 上述のように、 第 1の対の静電支持電極 2 2 1. 2 3 1の第 1 の静電支持電極 2 2 1 において、 第 1の櫛形部 2 2 1 _ 1 と第 1及び第 3の電極部 2 0 0 A、 2 0 0 Cの間の静 電容量と第 2 の櫛形部 2 2 1 — 2 と第 2及び第 4の電極部 2 0 0 B、 2 0 0 Dの間の静電容量は等しく C 1Aであり、 第 2の静電支 持電極 2 3 1 において、 第 1の櫛形部 2 3 1 — 1 と第 1及び第 3 の電極部 2 0 0 A' 、 2 0 0 C の間の静電容量と第 2の櫛形部 2 2.1 — 2 と第 2及び第 4の電極部 2 0 0 B ' 、 2 0 0 D' の間 の静電容量は等しく C 1Bである。
同様に、 第 3の対の静電支持電極 2 2 3、 2 3 3の第 1の静電 支持電極 2 2 3において、 第 1の櫛形部 2 2 3 - 1 と第 1及び第
3 の電極部 2 0 0 A、 2 0 0 Cの間の静電容量と第 2の櫛形部 2 2 3 — 2 と第 2及び第 4の電極部 2 0 0 B、 2 0 0 Dの間の静電 容量は等しく C 3 Aであり、 第 2の静電支持電極 2 3 3において、 第 1の櫛形部 2 3 3 — 1 と第 1及び第 3の電極部 2 0 0 A' 、 2 0 0 C の間の静電容量と第 2の櫛形部 2 3 3 - 2 と第 2及び第
4の電極部 2 0 0 B ' 、 2 0 0 D' の間の静電容量は等しく C 3B ある。
本例のジャィ口装置を Y Z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 2 2 2、 2 3 2及び 2 2 4、 2 3 4 とそれに対応したジャィ ロロ一夕 2 0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。
変位検出用電極 2 2 6、 2 3 6 とそれに対応するジャイロ口一 夕 2 0 の変位検出用電極部 2 0 0 F、 2 0 0 F ' によつて構成さ れるコンデンサの静電容量をそれぞれ C FA、 C FBとする。
例えば、 ジャイロロータ 2 0が X軸方向に Δ Xだけ直線変位し 、 Y軸方向に Δ Υだけ直線変位し、 Z軸方向に Δ Zだけ直線変位 し、 Y軸周りに回転角△ 6>だけ回転変位し、 X軸周りに回転角 Δ Φだけ回転変位したものとする。 ジャイロロータ 2 0の斯かる変 位は十分小さいものと仮定すると、 各コンデンザの静電容量は次 のように表される。
〔数 5式〕
C 1A= C 。 （ 1 + Δ Χ + Δ Ζ十 Δ
C 1 B= C 。 （ 1 +厶 X—厶 Z— Δ 0 )
C 2 A= C。 （ 1 + Δ Υ +厶 Ζ + Δ 0 )
C 2 B= C。 （ 1 + Δ Υ— Δ Ζ— Δ 0 )
C 3 A= C。 （ 1 — Δ Χ + Δ Ζ— Δ 6> )
C 3 B= C。 （ 1 _ Δ Χ - Δ Ζ + Δ 6
C 4 A= C。 （ 1 — Δ Υ + Δ Ζ - Δ ζέ )
C 4 B= C。 （ 1 — Δ Υ - Δ Ζ + Δ 0 )
ここに C。 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 Δ X Δ Υ Δ Ζ、 及び をコンデンサの静電容量によつて表すことができる。
〔数 6式〕
Δ X = ( 1 4 1 A + _ I B - C 3 A ~ C 3 B)
Δ Y = ( 1 4 2 A + 2 B — 4 Α— 4 B)
Δ Z = ( 1 4 C 0 ( C lA— 1 Β + 3 Α— 3 Β)
( 1 4 C 0 ) ( C 2 A— ^ 2 B + C 4 A— - B)
A Θ = ( 1 4 ) ( C lA_ I B — 3 A 3 B)
A φ = ( 1 4 ( C 2 A— C 2 B— C 4 A + C B)
また各静電支持電極において 2つの櫛形部 2 2 1 - 1 と 2 2 1 一 2 2 3 1 — 1 と 2 3 1 — 2 2 2 3 — 1 と 2 2 3 — 2 2 3 3 — 1 と 2 3 3 — 2 には、 互いに大きさが等しく極性が反対の制 御用直流電圧土 V 1A、 土 V 1 B、 土 V 3 A、 土 V 3 Bが印加される。 従 つて 2対のコンデンサの中点 Q i Q 2 Q 3 Q 4 (図 4で は 、 Q 3 のみ図示） の電位はゼロとなる。 即ち、 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 2 0の電位はゼロである。
第 1〜第 4の対の静電支持電極 2 2 1、 2 3 1、 2 2 2、 2 3 2 、 2 2 3、 2 3 3、 2 2 4、 2 3 4に、 制御用直流電圧に重畳 して、 それぞれ検出用交流電圧 A C 1A、 A C 1B、 A C 2A、 A C 2 B
、 A C 3 A、 A C 3 B、 A C 4 A、 及び A C 4Bを印加すると、 変位検出 用電極 2 2 6、 2 3 6 に変位検出用交流電流 i P が発生する。 斯 かる変位検出用交流電流 i P は次の式によって表される。
〔数 7式〕
1 P ~ K \. IAA L/ 1 A + IBA ^ 1 B + C 2AA V^ 2 A+ C 2BA C 2 B
+ し 3 A A C 3 A + C 3 B A し 3 B + C 4 A A 4 A + 。 4BA し 4 B)
K ' 二 2 ( し FA + C FB) S / K ά C IA + 2 C IB + 2 C 2 A + 2 C 2 B
+ 2 C 3 A + 2 C 3 B + 2 C 4 A + 2 C B + C FA+ C FB)
ここに、 K' は比例定数、 s はラプラス演算子である。 この式 に数 1及び数 2 の式によって表される検出用交流電圧 A C 1A、 A
C i B. A C 2 A、 A C 2 B、 A C 3A、 A C 3 B及び A C 4A、 A C 4 Bと数
5の式 しょ つ し される静電容量 C lA、 C lB、 〇 2 Α、 〇 2 Β、 C 3 A 、 〇 38及び0 ^、 C 4Bを代入して整頓すると変位検出用交流電流 i P は変位によって表される。 結局、 ジャイ ロロータ 2 0が X軸 方向に Δ Χだけ直線変位し、 Y軸方向に Δ Υだけ直線変位し、 Z 軸方向に Δ Zだけ直線変位し、 Y軸周りに回転角 Δ Θだけ回転変 位し、 X軸周りに回転角△ 0だけ回転変位した場合、 変位検出用 交流電流 i P は次の式によって表される。
〔数 8式〕
i p = K I (Ε Χ Δ Χ + Ε Υ Δ Υ + 2 Ε Ζ Δ Ζ + Ε 0 Δ 0 + Ε
Δ φ )
K I ニ ー 8 s C。 （ C FA+ C FB) / ( 1 6 C。 + C FA+ C FB) こ こに は比例定数、 s はラプラス演算子である。 斯かる変 位検出用交流電流 i P は抵抗値 Rを有する抵抗 3 6を経由してプ リ アンプ 3 5に供給され、 変位検出用交流電圧 V P に変換される 。 斯かる変位検出用交流電圧 V P は次の式によって表される。
〔数 9式〕 '
V P = V P ( X ) + V P ( Y ) + V P ( Z ) + V P ( θ ) + V P
( )
ここに右辺の各項は各変位 Δ X、 Δ Υ、 Δ Ζ、 Δ θ , Δ 0に対 応した電圧成分であり、 次のように表される。
〔数 1 0式〕
V P (X) κ Ε X Δ X = ΚνιΕ 0 ω , Δ X s i η (ω ι t + i )
V P ( Y) = K I Ε Υ Δ Υ = Κν2Ε ο ω 2 厶 Y s i n (ω 2 t + ζ 2 )
V P (Ζ) = Κ ι Ε Ζ Δ Ζ = Κν3Ε 0 ω 3 Δ Ζ s i η (ω 3 t + ζ 3 )
V P ( θ ) = Κ ι Ε 0 Δ 0 = Κν4 Ε。 ω 4 Δ θ s i η (ω 4 t + ζ 4 )
V P ( φ = Κ ι 厶 0 = KVsE。 ω 5 Δ s i η ( ω 5 t + ζ 5 )
こ こに KV 1〜KV5はコ ンデンサ.の静電容量 c。 、 C FA、 C FBに よって決まる定数である。 数 9 の式及び数 1 0 の式より明らかな ように、 出力電圧 V P はジャイ ロロータ 2 0の全ての変位を独立 的に含む。 従って数 9の式より所望の電圧成分を取り出せば、 そ れに対応した変位が得られる。 例えば、 直線変位 Δ Χ、 Δ Υ、 厶 Ζと回転変位 Δ 0、 Δ が 2つ以上重畳した場合でも、 それに対 応した電圧成分を取り出せば各変位が得られる。 また、 この式は 、 出力電圧 V P が直線変位 Δ Χ、 Δ Υ、 Δ Ζ及び回転変位 Δ 、 Δ øに対応した各変位検出用周波数 〜ω 5 によって振幅変調
8 されていることを示している。
. ジャイ ロロータ 2 0の直線変位 Δ X、 Δ Υ、 Δ Ζ及び回転変位 Δ θ , Δ 0が求められると、 それに基づいて制御用直流電圧が求 められる。 制御用直流電圧は次の式によって表される。
〔数 1 1式〕
V 1Α= V 0 + Δ V ! A
V 1B= V o + Δ V i B
V 2 Α = V 0 + Δ V 2Α
V 2 Β = V 0 + Δ V 2 Β
V 3 Α - V 0 + Δ V 3 Α
V 3 Β = V 0 +厶 V 3 Β
V 4Α= V。 + Δ V 4Α
V 4 Β = V 0 + Δ V 4 Β
V 1Α及び V 1Βは第 1の対の静電支持電極 2 2 1、 2 3 1 に印加 する制御用直流電圧、 V 2Α及び V 2Βは第 2の対の静電支持電極 2 2 2、 2 3 2 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 2 2 3. 2 3 3 に印加する制御用直流電圧、 V 4A及び V 4 Bは第 4の対の静電支持電極 2 2 4 , 2 3 4に印加する 制御用直流電圧である。
V。 は基準電圧であり、 既知である。 従って制御用直流電圧を 求めるためにはそれらの変化量 Δ V 1A、 Δν1Β、 Δ V Δ V 2 Β 、 Δν3Α、 Δν3Β、 Δν4Α、 Δν4Βを求めればよい。 これらの変 化量の演算は直線変位△ X、 Δ Υ、 Δ Ζ及び回転変位△ 0、 Δ Φ より求められる。 先ず、 直線変位 Δ Χ、 Δ Υ、 Δ Ζ及び回転変位 Δ Θ . △ øより無次元化された力 F x、 F y、 F z及びトルク T Θ、 T $¾を演算する。 無次元化演算の詳細はここでは省略する。 詳細は上記出願を参照されたい。
無次元化された力 F x、 F y、 F z及びトルク T 0、 より 制御用直流電圧の変化量を求める演算において、 求める変数 （変 化量） に対して条件式が少ない。 そこで、 変化量 Δν1Α、 Δ V 1Β 及び Δν3Α、 厶 V3Bと AV2A、 AV2B及び AV4A、 AV4Bに対し て更にもう 1つの条件を設ける。
〔数 1 2式〕
A V IA+ A V IB+ A V 3 A+ A V 3B = 0
厶 V2A+ AV2B+ AV4A+ AV4B = 0
この条件を使用して制御用直流電圧の変化量 Δ V 1Α- Δ V 4 Bを 演算する。 斯かる演算式は次のように表される。
〔数 1 3式〕
Δ V 1Α = (V 4 ) ( F X + F ζ / 2 + Ύ θ
Δ V 1 Β = ( V 4 ) ( F X - F ζ / 2 - Ύ θ
Δ V2A = ( V 4 ) ( F y + F ζ / 2 + Τ )
厶 V 2Β = ( V 4 ) ( F y - F z / 2 - Τ 0 )
Δ V3A = ( V 4 ) (一 F x + F z / 2 - τ θ)
Δ V 3Β = (V 4 ) (— F χ - F ζ 2 + Ύ θ )
Δ V4A = ( V 4 ) ( - F y + F ζ 2 - Τ )
Δ V 4Β = ( V 4 ) ( - F y - F ζ 2 + Ύ φ )
無次元化された力 F x、 F y、 F z及びトルク T 0、 Τ ίΜまジ ャィ口加速度出力 1 1部 1 4 5の供給され、 外力加速度 α X 、 a Y 、 z 及び角速度 d 0 / d t、 ά φ / ά tが演算される。 外力 加速度及び角速度は次のように表される。
〔数 1 4〕
X F x m g
α γ F y m g
a z F z m g
d Θ d t T Θ H
d φ d t T φ H mはジャイロロータ 2 0 の質量、 gは重力加速度、 Hはジャィ ロロ一夕 2 0 のスピン角運動量である。
次にジャイ ロ装置におけるロータ駆動系を説明する。 図 2、 図 3及び図 4に示すように、 本例のロータ駆動系はジャイロロータ 2 0 の上面及び下面に形成された駆動用電極部 2 0 G E及び 2 0
0 E ' とジャイ ロケース 2 1 の上側底部材 2 2又は下側底部材 2 4に形成された駆動用電極 2 2 5、 2 3 5 とロータ駆動部 1 6 0 とを含む。 本例のロータ駆動系はシークェンス制御部 1 7 0から の命令信号を入力して駆動用電極 2 2 5、 2 3 5に駆動用電圧を 付与して、 ジャイ ロロータ 2 0を起動、 回転、 停止させるように 構成されている。
図 1 Bに示すように、 また上述の説明のように、 ジャイ ロ口一 夕 2 0 の駆動用電極部 2 0 0 Eと駆動用電極 2 2 5及び駆動用電 極部 2 0 0 E ' と駆動用電極 2 3 5 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。
本例の駆動用電極部 2 0 0 E及び 2 0 0 E ' と駆動用電極 2 2 5、 2 3 5 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 2 0 の上側の駆動用電極部 2 0 0 Eは互いに 9 0 ° 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 2 0 0 E ' は互いに 9 0。 の中心角にて隔置された 4個の扇形部を含
¾J o
それに対応してジャイ ロケース 2 1の上側の駆動用電極 2 2 5 は互いに等しい中心角にて隔置された 1 2個の扇形部を含み、 下 側の駆動用電極 2 3 5 は互いに等しい中心角にて隔置された 1 2 個の扇形部を含む。 各 1 2個の駆動用電極 2 2 5又は 2 3 5 はそ れぞれ 4組の扇形部よりなり、 各組の扇形部は 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。
各組の駆動用電極 2 2 5又は 2 3 5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 2 2 5又は 2 3 5 は互いに接続され、 第 2相の 4つの駆動用電 極 2 2 5又は 2 3 5 は互いに接続され、 第 3相 4つの駆動用電極 2 2 5又は 2 3 5 は互いに接続されている。
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 電圧はステツプ状電圧又はパルス電圧であってよい。 斯かる駆動 用電圧は瞵接する次の相の 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ィ口ロータ 2 0の回転に同期して行わ れる。 それによつてジャイ ロロータ 2 0 は高速回転する。 ジャィ 口ケース 2 1 の空隙部 2 6 は真空に維持されているので、 ジャィ ロロ一夕 2 0 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もよい。
尚、 3相電極を構成する駆動用電極部 2 0 0 E及び 2 0 0 E ' と駆動用電極 2 2 5、 2 3 5 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 2 0 0 E、 2 0 0 E ' 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 2 2 5、 2 3 5の各々は 5組 （ 1 5個） の扇形部を含むように構成しても い o
図 4の右側にロータ駆動系の等価回路を示す。 ジャイロロータ 2 0 の駆動用電極部 2 0 0 Eとジャイロケース 2 2の駆動用電極
2 2 5がコ ンデンサに置き換えられ、 ジャイ ロロータ 2 0 の駆動 用電極部 2 0 0 E ' とジャイ ロケース 2 4 の駆動用電極 2 3 5が コ ンデンサに置き換えられている。 各コンデンサにはジャイ ロ口 —タ 2 0 を回転駆動するための駆動用直流電圧 V R 1、 V R 2、 V R 3 とジャイ ロロータ 2 0 の回転角を検出するための検出用交 流電圧 A C R 1、 A C R 2、 A C R 3が印加される。
図 5を参照して本例の駆動モータの動作を詳細に説明する。 図 5 には、 実際には円周状に配置されているジャイ ロロータ 2 0 の 上側の駆動用電極部 2 0 0 Eとそれに対応したジャイロケース 2 2 の上側の駆動用電極 2 2 5が直線状に配置された状態が示され ている。
ジャイ ロロータ 2 0 の上側の駆動用電極部 2 0 0 Eは互いに 9 0 ° の中心角にて隔置された 4個の扇形部 2 0 0 E — 1、 2 0 0
E — 2、 2 0 0 E — 3、 2 0 0 E— 4を含む。 それに対応して、 ジャイ ロケース 2 2の上側の駆動用電極 2 2 5 は 1 2個の扇形部 を含み、 これらは 4組よりなり、 各組は 3個の、 即ち、 3相の扇 形部を含む。 各組の扇形部の第 1、 第 2及び第 3の相の扇形部に それぞれ符号 2 2 5 — 1、 2 2 5 — 2、 2 2 5 — 3を付す。
第 1の相の 4つの扇形部 2 2 5 — 1 は互いに電気的に接続され 、 第 2の相の 4つの扇形部 2 2 5 — 2 は互いに電気的に接続され 、 第 3の相の 4つの扇形部 2 2 5 — 3は互いに電気的に接続され ている。
口一タ駆動部 1 6 0 にシ一タエンス制御部 1 7 0からの命令信 号が供給され、 斯かる命令信号によって 3相の駆動用電極 2 2 5 — 1、 2 2 5 - 2 . 2 2 5 — 3 の各々に駆動用直流電圧 V R 1、 V R 2、 V R 3及び検出用交流電圧 A C R 1、 A C R 2、 A C R 3が印加される。
第 1、 第 2及び第 3の相の駆動用電極 2 2 5 — 1、 2 2 5 - 2
、 2 2 5 - 3 に所定の切替え時間 Δ t毎に順に駆動用直流電圧 V R l、 V R 2、 V R 3が印加される。 それによつて、 ジャイロ口 一夕 2 0 は中心軸線、 即ち、 スピン軸線周りに切替え時間 Δ t毎 に 3 6 0度/ 1 2 = 3 0度だけ回転する。
図 5 の下側に示すグラフは変位検出用電極 2 2 6、 2 3 6に生 ずる回転角検出用電流又はそれに対応した回転角検出用電圧 A C Q 1. A C Q 2、 A C Q 3である。 斯かる回転角検出用信号 A C Q l、 A C Q 2 . A C Q 3 によってジャイロロータ 2 0 の回転角 が検出される。
例えば、 第 1の相の駆動用電極 2 2 5 - 1 に駆動用直流電圧 V R 1が印加されると、 4個の駆動用電極部 2 0 0 E— 1、 2 0 0 E — 2、 2 0 0 E - 3、 2 0 0 E - 4が第 1の相の駆動用電極 2 2 5 — 1、 2 2 5 — 1、 2 2 5 — 1、 2 2 5 — 1に整合するまで
、 即ち、 3 0度だけジャイロロータ 2 0 は中心軸線周りに回転し 、 次に第 2の相の駆動用電極 2 2 5 - 2 に駆動用直流電圧 V R 2 が印加されると、 4個の駆動用電極部 2 0 0 E— 1、 0 0 E - 2、 2 0 0 E — 3、 2 0 0 E - 4が第 2の相の駆動用電極 2 2 5 — 2、 2 2 5 — 2、 2 2 5 — 2、 2 2 5 — 2 に整合するまで、 即 ち、 3 0度だけジャイ ロロータ 2 0 は中心軸線周りに回転する。
ジャィ 口装置の拘束制御系では、 ジャイ ロロータが基準位置よ り偏奇したとき拘束力又は復元力を生成して、 ジャイロロータを 基準位置に戻す。 この拘束力はジャイ ロロータの電極部とジャィ 口ケースの静電支持電極によって構成されるコンデンサの静電支 持力である。 例えば X軸方向、 Y軸方向及び Z軸方向の拘束力は 次のようになる。
〔数 1 5式〕
f x = ( C V 2 ) / ( 2 L )
f y = ( C V 2 ) / ( 2 L )
f z = ( C V 2 ) / ( 2 (5 )
ここに、 Cはコ ンデンサの静電容量、 Vは電圧、 Lはコンデン ザの一辺の寸法、 （5はコンデンサの間隔である。 Y軸周りの回転 モーメ ン ト f 及び X軸周りの回転モーメ ン ト f øは、 Z軸方向 の拘束力 f z にモーメ ン トの腕 r を乗算することによって得られ
Ό o
拘束力を生成するための静電支持電圧 Vは数 1 1 の式によって 表されるように、 基準電圧 V。 と変化量 A Vの和であり、 変化量 は基準電圧 V。 に比べて小さい。 従って数 1 5の各式において電 圧 Vは同一とみなすと、 拘束力はコンデンサの寸法 L及び間隙 S の関数である。 コンデンサの一辺の寸法を約 3 0 m、 コンデン ザの間隔を約 5 mとすると、 X軸方向及び Y軸方向の拘束力は Z軸方向の拘束力に比べて約 6倍小さい。
従って、 X軸方向及び Y軸方向の拘束制御は Z軸方向の拘束制 御及び X軸周り及び Y軸周りの拘束制御に対して感度、 精度が低 く なる欠点があった。
また、 例えば X軸方向及び Y軸方向と Z軸方向に大きさが同一 の加速度が加わった場合、 X軸方向及び Y軸方向の拘束力 f X、 f y と Y軸周りの回転モーメ ン ト f 0及び X軸周りの回転モ一メ ン ト f が大き く なり、 数 1 3の式によって表される制御用直流 電圧の変化量厶 ^〜厶 ^が大き くなり、 高電圧を発生させる 必要がある。
従って本発明の目的は、 X軸方向及び Y軸方向の拘束制御を Z 軸方向の拘束制御及び X軸周り及び Y軸周りの拘束制御と同程度 の感度及び精度にて行う ことができるようにすることを目的とす o
発明の概要
本発明によると、 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、
該ジャィ 口ケースの内部に静電支持力によつて非接触的に支持 され上記中心軸線方向のスピン軸線を有するジャイ ロロータと、 該ジャイ ロ口一夕より隔置されて配置され制御用電圧が印加さ れるように構成された複数の静電支持電極と、
該ジャイロ口一夕を上記スピン軸線周りに高速回転させるため の口一タ駆動系と、
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検出するための変位検 出系と、
該変位検出系によつて検出された変位がゼロとなるように上記 制御用電圧を修正するフィ 一 ドバックループを有する拘束制御系 と、 を有する加速度検出型のジャイ ロ装置において、
上記ジャィロロ—タは環状であり、 上記静電支持電極は上記ジ ャイロロータを囲むように配置されている。
従って、 X軸方向及び Y軸方向の拘束力は Z軸方向の拘束力及 び X軸周り及び Y軸周りの トルク と同一レベルとなり、 X軸方向 及び Y軸方向の拘束制御を Z軸方向の拘束制御及び X軸周り及び
Y軸周りの拘束制御と同程度の感度及び精度にて行うことができ 本発明によると、 ジャィ口装置において、 上記ジャィロロ一夕 は上面、 下面、 内周面及び外周面を有する断面が矩形に形成され 、 上記静電支持電極は上記ジャイ ロロータの上面、 下面、 内周面 及び外周面と平行となるように設けられている。 従って、 静電支 持電極とジャイロロータの上面、 下面、 内周面及び外周面によつ て構成されるコ ンデンサによつて十分大きな静電支持力を生成す る ことができる。
本発明の例によると、 ジャイロ装置において、 上記口一夕駆動 系は上記ジャィ ロロ一夕の上面及び下面に対応して設けられた複 数のロータ駆動用電極を有し、 上記ジャィ口ロータの上面及び下 面には複数の凹部が設けられ、 該凹部の間のラン ド部は上記口一 タ駆動用電極に対応して設けられている。 本発明の他の例による 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 ロ口
―夕の上面及び下面に対応して設けられた複数のロータ駆動用電 極を有し、 上記ジャイ ロロータには、 その上面と下面を接続する 複数の貫通孔が設けられ、 該貫通孔の間のラン ド部は上記ロータ 駆動用電極に対応して設けられている。
従って、 円周方向の口一夕駆動力を効果的に生成することがで さる。
本発明によると、 ジャイ ロ装置において、 上記変位検出系は上 記ジャイ ロ口一夕より隔置されて配置された複数の変位検出用電 極を有し、 上記制御用電圧に重畳して変位検出用交流電圧を上記 静電支持電極に印加し、 上記変位検出用交流電圧によつて上記変 位検出用電極に発生した変位検出用電流を検出し、 上記ジャィ口 ロータの変位を演算するように構成されている。
本発明によると、 ジャイ ロ装置において、 上記複数の変位検出 用交流電圧はそれぞれ異なる周波数の交流電圧であるように構成 されている。
本発明によると、 ジャイ ロ装置において、 上記複数の変位検出 用交流電圧は同一周波数でそれぞれ異なる位相であるように構成 されている。
図面の簡単な説明
図 1 は従来のジャイ ロ装置の例を示す図である。
図 2 は従来のジャィ口装置の制御ループの例を示す図である。 図 3 は従来のジャィ口装置の拘束制御系を示す図である。
図 4 は従来のジャィ口装置の拘束制御系及びロータ駆動系の等価 回路を示す図である。
図 5 は従来のジャイロ装置の口一夕駆動系の動作を説明するため の説明図である。
図 6 は本発明のジャィ口装置の例を示す図である。
図 7 は本発明のジャイロ装置のジャイロロータの他の例を示す図 である。
図 8 は本発明のジャイロ装置の制御ループを説明するための説明 図である。 図 9 は本発明のジャィ口装置の電極及びそれに印加する電圧を示 す図である。 - 図 1 0 は本発明のジャィ口装置の電極及びそれに印加する電圧を 示す図である。
図 1 i は本発明のジャイ ロ装置の拘束制御系及びロータ駆動系の 等価回路を示す図である。
図 1 2 は本発明のジャィ口装置のロータ駆動系の動作を説明する 説明図である。
発明の実施の形態
図 6を参照して本発明のジャイ ロ装置の例を説明する。 本発明 のジャィ口装置は環状のジャイロロータ 2 0 とそれを収容するジ ャイロケース 2 1を有する。 ジャイ ロケース 2 1 は上側底部材 2 2 と下側底部材 2 4 と両者を接続するスぺーサ 2 3 とを有し、 ス ぺ一サ 2 3 は環状の内壁 2 3 Aを有する。 こう して、 上側底部材 2 2及び下側底部材 2 4の内面とスぺ一サ 2 3の内壁 2 3 Aとに よって、 ジャイ ロケース 2 1の内部に円盤状の密閉された空洞部 2 6が形成される。 斯かる空洞部 2 6 は適当な方法によって真空 排気されてよい。
ジャイロケース 2 1の内部には、 環状のジャイロロータ 2 0が 収容されている。 ジャイ ロロータ 2 0の断面は矩形であってよい
。 即ちジャイ ロロータ 2 0 は、 互いに平行な平坦な上面 2 0 A及 び下面 2 0 Bと互いに平行な内周面 2 0 C及び外周面 2 0 Dとを 有する。
ジャイ ロ装置に対して図示のように、 X Y Z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。 定常状態では、 ジャイ ロロータ 2 0 のス ピン軸線は Z軸に沿って配置される。
ジャイ ロロータ 2 0を囲むように電極が配置されている。 ジャ イロロータ 2 0 の内周面 2 O Cと外周面 2 0 Dに平行に円周方向 に沿ってそれぞれ 1 2枚の湾曲した壁形電極が配置されている。 内周側の 1 2枚の壁形電極について説明する。 これらの壁形電極 は X軸方向に沿って配置された X軸静電支持電極 3 3 1、 3 3 3 と Y軸方向に沿って配置された Y軸静電支持電極 3 3 2、 3 3 4 とその間の変位検出用電極 3 3 6、 3 3 6、 3 3 6、 3 3 6を含 も o
壁形の X軸静電支持電極 3 3 1、 3 3 3及び Y軸静電支持電極 3 3 2、 3 3 4の各々は図示のように 1対の電極よりなる。 外周 側の 1 2枚の壁形電極 3 4 1、 3 4 2、 3 4 3、 3 4 4、 3 4 6 は内周側の壁形電極と同様な構造である。
これらの静電支持電極 3 3 1〜3 3 4. 3 4 1〜3 4 4及び変 位検出用電極 3 2 6、 3 3 6 の上端面はジャィ ロケ—ス 2 1 の上 側底部材 2 2 の内面に接続され、 これらの静電支持電極及び変位 検出用電極の下端面はジャィロケ一ス 2 1の下側底部材 2 4の内 面に接続されている。
ジャイ ロケース 2 1 の上側底部材 2 2 と下側底部材 2 4 の内面 にはジャイロロータ 2 0 に対応して上側及び下側電極が配置され ている。 これらの上側及び下側電極はジャィ口ロータ 2 0 の上面 2 0 Aと下面 2 0 Bに平行に円周方向に沿って配置されている。 上側電極は、 内周側の 1 2枚のロータ駆動用電極 3 1 5 と外周 側の 1 2枚の電極を含む。 外周側の 1 2枚の電極は X軸方向に沿 つて配置された X軸静電支持電極 3 1 1、 3 1 3 と Y軸方向に沿 つて配置された Y軸静電支持電極 3 1 2、 3 1 4 とその間の変位 検出用電極 3 1 6、 3 1 6、 3 1 6、 3 1 6を含む。
下側電極は、 内周側の 1 2枚のロータ駆動用電極 3 2 5 と外周 側の 1 2枚の電極を含む。 外周側の 1 2枚の電極は X軸方向に沿 つて配置された X軸静電支持電極 3 2 1、 3 2 3 と Y釉方向に沿 つて配置された Y軸静電支持電極 3 2 2、 3 2 4 とその間の変位 検出用電極 3 2 6、 3 2 6、 3 2 6、 3 2 6を含む。
図 6 に示すように、 好ま しく は、 ロータ駆動用電極 3 1 5、 3
2 5の内径 （中心から内緣間までの距離） はジャイロロータ 2 0 の内径 （中心から内周面 2 0 Cまでの距離） より大きい。 X軸静 電支持電極 3 1 1、 3 1 3、 3 2 1、 3 2 3及び Y軸静電支持電 極 3 1 2、 3 1 4、 3 2 2、 3 2 4の各々は図示のように 1対の 電極よりなる。
ジャイロロータ 2 0の内周面 2 0 C及び外周面 2 0 Dに対面し て配置された壁形の X軸静電支持電極 3 3 1、 3 3 3、 3 4 1、
3 4 3 と Y軸静電支持電極 3 3 2、 3 3 4、 3 4 2、 3 4 4 と、 ジャイロロータ 2 0 の上面 2 0 A及び下面 2 0 Bに配置された上 側及び下側の X軸静電支持電極 3 1 1、 3 1 3、 3 2 1、 3 2 3 と Y軸静電支持電極 3 1 2、 3 1 4、 3 2 2、 3 2 4 とは、 円周 上の同一角度位置に配置されている。
同様に、 ジャイロロータ 2 0の内周面 2 0 C及び外周面 2 0 D に対面して配置された壁形の変位検出用電極 3 3 6、 3 4 6 と、 ジャイロロータ 2 0 の上面 2 0 A及び下面 2 0 Bに対面して配置 された上側及び下側の変位検出用電極 3 1 6、 3 2 6 とは、 円周 上の同一角度位置に配置されている。
ジャイロロータ 2 0 の外径 Dは 5 mm以下であつてよく、 厚さ t は 0. 3 mm以下であってよく、 質量は 1 0 ミ リ グラム以下で めってよい。
ジャイロロータ 2 0 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 ロロータ 2 0 の内周面 2 0 C及び外周面 2 0 Dに対面す るように配置された壁形の電極及びスぺ一サ 2 3 はジャイロ口一 夕 2 0 と同一の材料によって形成されてよい。
ジャイ ロケース 2 1 の上側底部材 2 2 と下側底部材 2 4 は非導 電性材料、 例えばガラスによって形成されている。 ジャイロケー ス 2 1 の上側底部材 2 2 と下側底部材 2 4 の内面上に形成された 上側電極及び下側電極は導電性材料、 例えば金属薄膜によって形 成されてよい。
ジャィ口ケースの中心部には円筒状の収納室 3 3 0が設けられ ている。 この収納室 3 3 0 に回路基板等が配置される。 尚、 この 収納室 3 3 0 にゲッタを配置してよい。 それによつて、 ジャイロ ケース内は長期間高い真空度に維持されることができる。
ジャイ ロ口一夕 2 0 の周囲に配置された電極、 即ち、 壁形電極 3 3 1 、 3 3 2、 3 3 3、 3 3 4、 3 4 1 、 3 4 2、 3 4 3、 3 4 4、 上側の静電支持電極及び変位検出用電極 3 1 1、 3 1 2、
3 1 3 、 3 1 4、 3 1 6、 下側の静電支持電極及び変位検出用電 極 3 2 1 、 3 2 2 、 3 2 3、 3 2 4、 3 2 6、 上側及び下側の駆 動用電極 3 1 5、 3 2 5 は、 スルーホール接続によって、 収納室 3 3 0 内に設けられた回路基板等に接続されてよい。 収納室 3 3 0 内の回路基板等はスルーホール接続によって、 外部機器に電気 的に接続されてよい。
スルーホール接続について説明する。 図示されていないが、 上 側底部材 2 2又は下側底部材 2 4に小さな孔、 即ち、 スルーホー ルを設ける。 スル一ホールは、 静電支持電極、 変位検出用電極及 び駆動用電極に近接した位置に設ける。 このスル一ホールの内面 に金属膜を形成し、 この金属膜とそれに近接する電極を電気的に 接続する。 同様に、 収納室 3 3 0 に近接した位置にスルーホール を形成し、 その内面に金属膜を形成する。 この金属膜と収納室 3 3 0 内部の回路基板等を電気的に接続する。 更に、 各スルーホ一 ルの金属膜を互いに電気的に接続し同時に外部の機器に電気的に 接) Kmする。
ジャィ ロロ一夕 2 0が基準位置にある場合、 即ち、 高速回転し ているジャイロロータ 2 0が X Y平面に平行な状態にあり且つそ のスピン軸線が Z軸上にある場合を考える。
ジャイ ロ口一夕 2 0の上面 2 0 Aとそれに対応する上側の静電 支持電極 3 1 1、 3 1 2、 3 1 3、 3 1 4及び変位検出用電極 3 1 6 の間の間隙 と、 ジャイロロータ 2 0 の下面 2 0 Bとそれに 対応する下側の静電支持電極 3 2 1、 3 2 2、 3 2 3、 3 2 4及 び変位検出用電極 3 2 6 の間の間隙 Sは等しい。
同様に、 ジャイ ロロータ 2 0の内周面 2 0 Cとそれに対応する 内周側の壁形の静電支持電極 3 3 1、 3 3 2、 3 3 3、 3 3 4及 び変位検出用電極 3 3 6 の間の間隙 <5 r と、 ジャイ ロロータ 2 0 の外周面 2 0 Dとそれに対応する外周側の壁形の静電支持電極 3
4 1 、 3 4 2 、 3 4 3、 3 4 4及び変位検出用電極 3 4 6の間の 間隙（ r は等しい。 これらの間隙（ 、 <5 r は数〃 m、 例えば 1〜 5 〃 mであってよい。
ジャイ ロロータ 2 0 の上面 2 0 Aとそれに対応する上側の静電 支持電極 3 1 1、 3 1 2、 3 1 3、 3 1 4 によってコンデンサが 形成される。 ジャイ ロロータ 2 0 の下面 2 0 Bとそれに対応する 下側の静電支持電極 3 2 1、 3 2 2、 3 2 3、 3 2 4によってコ ンデンザが形成される。 ジャイ ロロータ 2 0の内周面 2 0 Cとそ れに対応する内周側の壁形の静電支持電極 3 3 1、 3 3 2、 3 3 3、 3 3 4によってコンデンサが形成される。 ジャイロロータ 2
0 の外周面 2 0 Dとそれに対応する外周側の壁形の静電支持電極 3 4 1、 3 4 2、 3 4 3、 3 4 4 によってコンデンサが形成され 従ってこれらの静電支持電極に静電支持電圧を印加することに よってコンデンザに静電支持力が生成され、 斯かる静電支持力に よってジャイ ロロータ 2 0 は浮動的に支持される。
上述のように、 壁形の X軸静電支持電極 3 3 1、 3 3 3及び Y 軸静電支持電極 3 3. 2、 3 3 4の各々は 1対の電極よりなる。 上 側及び下側の X軸静電支持電極 3 1 1、 3 1 3、 3 2 1、 3 2 3 及び Y軸静電支持電極 3 1 2、 3 1 4、 3 2 2、 3 2 4 の各々は 1対の電極よりなる。 各対の電極には符号が反対で大きさが等し ぃ静電支持電圧が印加される。 従ってジャイロロータ 2 0 の電位 は常にゼロとなる。
こう して、 静電支持力によって浮動的に支持されているジャィ 口ロータ 2 0 の電位が常にゼロであるため、 ジャイ ロロータ 2 0 とジャイ ロケース 2 1の静電支持電極の間に作用する静電支持力 を自由に且つ所望の値に制御することが可能となる。
図 7を参照して本発明のジャィ口装置のジャイロロータ 2 0の 電極パタ一ンの例を説明する。 図 7 Aの例では円周方向に沿って 1 2個の凹部 2 0 aが設けられ、 図 7 Bの例では 1 2個の貫通孔 2 0 bが設けられている。 隣接する凹部又は貫通孔の間に、 実質 的にラ ン ド 2 0 dが形成される。 このラン ドはジャイロ口一夕 2 0 の電極を構成している。 従ってこのラン ドは、 駆動用電極 3 1
5、 3 2 5 に対応している。 即ち 1 2個のラン ドの各々の寸法は 駆動用電極 3 1 5、 3 2 5の各々の寸法に対応している。
図 7に示す例では、 ジャイロロータ 2 0の上面 2 0 A及び下面 2 0 Bに、 ラン ドからなる電極部が形成される。 従ってジャイ ロ ロータ 2 0 の上面 2 0 A及び下面 2 0 Bの電極部と駆動用電極 3
1 5 , 3 2 5 によって円周方向の静電支持力が生成され、 それに よってジャイロロータ 2 0が回転する。
図 8に本発明のジャイロ装置の制御ループの例を示す。 本例の 制御ループは拘束制御部 1 5 0を含む拘束制御系とロータ駆動部 1 6 0を含むロータ駆動系とシークェンス制御部 1 7 0 とを有す る。 尚、 これらの制御ループの各構成部の機能は基本的には図 8 〜図 1 2 を参照して説明した従来のジャィ口装置の制御ループの 各構成部の機能と同様であり、 同一の参照符号が付されている。 従って各構成部の構造及び機能の詳細な説明は省略する。
本例の拘束制御部 1 5 0 は、 変位検出用電流 i P を検出してそ れを変位検出用電圧 VP に変換する変位検出用回路、 即ち、 プリ ア ンプ 3 5 と斯かる変位検出用電圧 VP を入力して制御用直流電 圧土 V 1A〜土 V 4A、 土 V 1 B〜土 V 4B、 土 V lc〜土 V 4 C、 土 V 1D〜 土 V 4Dを生成する制御演算部 1 4 0 とを有する。
尚、 本例のジャィ口装置には制御演算部 1 4 0の出力信号を入 力して角速度、 加速度等を演算するジャィ口加速度出力演算部 1 4 5が設けられているが、 ジャィ口加速度出力演算部 1 4 5 の構 成及び動作についての説明は省略する。
制御演算部 1 4 0 によ って出力された制御用直流電圧土 V 1A〜 土 V 4A、 土 V 1 B〜土 V 4 B、 土 V l c〜土 V 4 C、 土 V 1D〜土 V 4Dはそ れぞれ変位検出用交流電圧 A C 1 A〜 A C 4A、 A C 1 B〜A C 4 B、 A C 1 C〜A C 4 C、 A C tD〜A C 4Dが加算されて静電支持電極 3 1 1 〜 3 1 4、 3 2 1〜 3 2 4、 3 3 1〜 3 3 4、 3 4 1〜 3 4 4 に 供給される。 変位検出用交流電圧 A C 1A〜 A C 4A、 A C 1 B〜A C 4 B . A C 1 C〜A C 4 C、 A C 1D〜 A C 4Dは次の式によって表される
0
〔数 1 6式〕
A C I A = - Ε θ - E Z
A C I B ^ + Έ Θ + Έ Ζ
A C 2 A = 一 E 一 E Z
A C 2B= + E Φ + Έ Z A C + E Θ ~ E Z
A C 3B=— E 0 + E Z
A C 4 A = + E - E Z
A C 4B= - Ε ζό + Ε Ζ
〔数 1 7式〕
A C！ c = + Ε X
A C = - E X
A C 2 c = + E Y
A C 2 = - E Y
A C 3 C= + E X
A C - E X
A C 4 c = + E Y
A C = - E Y
これらの検出用交流電圧 A C 1A、 A C 1B、 A C 2A、 A C 2B、 A C 3A、 A C 3B及び A C 4A、 A C 4Bの右辺の各項は数 3の式によつ て表される。
次に図 9及び図 1 0を参照して静電支持電極に印加する電圧信 号について説明する。 静電支持電極には制御用直流電圧と変位検 出用交流電圧が重畳して印加される。 図 9 はジャイロケースの上 側底部材 2 2 に形成された電極及びそれに印加される電圧を示し
、 下側底部材 2 4に形成された電極及びそれに印加される電圧は 括弧内に示す。 X軸静電支持電極 3 1 1 の一方には + V 1A + A C 1A、 他方には _ V 1A + A C 1A、 Y軸静電支持電極 3 1 2の一方に は + V 2A+ A C 2A、 他方には一 V 2A+ A C 2A、 X軸静電支持電極 3 1 3の一方には + V 3A+ A C 3A、 他方には— V 3A+ A C 3A、 Y 軸静電支持電極 3 1 4の一方には + V 4A+ A C 4A、 他方には一 V A C 4Aが印加される。
図 1 0 は壁形電極及びそれに印加される電圧を示す。 ジャイ ロ ロータ 2 0の内周側に設けられた X軸静電支持電極 3 3 1の一方 には + V 1C+ A C 1 C、 他方には— V 1C+ A C 1C、 Y軸静電支持電 極 3 3 2 の一方には + V 2C + A C 2C、 他方には一 V 2C + A C 2C、 X軸静電支持電極 3 3 3の一方には + V 3C + A C 3C、 他方には一 V 3 c + A C s c. Y軸静電支持電極 3 3 4の一方には + V 4C+ A C
4 c. 他方には— V 4C+ A C 4 Cが印加される。
ジャイロロータ 2 0の外周側に設けられた X軸静電支持電極 3 4 1の一方には + V 1D+ A C 1D、 他方には— V 1D+ A C 1D、 Y軸 静電支持電極 3 4 2の一方には + V2D+ A C 2D、 他方には— V 2D + A C 2D、 X軸静電支持電極 3 4 3の一方には + V 3D+ A C 3D、 他方には— V 3D + A C 3D、 Y軸静電支持電極 3 4 4の一方には + V 4D + A C 4D、 他方には一 V 4D + A C 4Dが印加される。
図 1 1を参照して説明する。 図 1 1 は本例のジャイロ装置のジ ャイロロータ 2 0 とそれに対応して設けられた電極の等価回路を 示す。 ジャイロロータ 2 0 とそれに対応して設けられた電極はコ ンデンサを構成する。 従って、 この等価回路はジャイ ロロータ 2 0 と電極をコンデンサに置き換えることによって得られる。 図 9 及び図 1 0を参照して説明したように、 各対の静電支持電極 3 1 1〜 3 1 4、 3 2 1〜 3 2 4、 3 3 1〜 3 3 4、 3 4 1〜 3 4 4 の各々には互いに大きさが等しく極性が反対の制御用直流電圧土 V 1A〜土 V 4A、 土 V 1B〜土 V4B、 土 V 1C〜士 v4C、 土 V 1D〜土 V
4 Dが印加される。 従って各対の静電支持電極からなるコンデンサ の中点の電位はゼロである。 結局、 本例によると、 ジャイロロー タ 2 0の電位は常にゼロに維持される。
再び図 8を参照して本例の変位検出系を説明する。 本例の変位 検出系の原理は図 4を参照して説明した従来の変位検出系の原理 と同様である。 例えば、 ジャイ ロロータ 2 0が X軸方向に△ Xだ け直線変位し、 Y軸方向に Δ Υだけ直線変位し、 Z軸方向に Δ Ζ だけ直線変位し、 Y軸周りに回転角 Δ 0だけ回転変位し、 X軸周 りに回転角△ 0だけ回転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、 各コンデンザの静電容量は次のように 表される。
〔数 1 8式〕
C 1 Α― C 0 ( 1 + Δ Z + Δ 6> )
C 1 B ~ C 0 ( 1— Δ Z - Δ
C 2 A ― C 0 ( 1 + Δ Z + Δ )
C 2 B ― C 0 ( 1 ー厶 Z— Δ 0 )
C 3 A ~ C 0 ( 1 + Δ Z - Δ
C 3 B — C 0 ( 1 一 Δ Z + Δ 6> )
C 4 A ― C 0 ( 1 + Δ Z - Δ )
C 4 B ~ C 0 ( 1 一 Δ Z + Δ
〔数 1 9式〕
1 C ~ 0 r ( 1 Δ X)
1 D = C 0 r ( 1 + Δ X)
2 C O r ( 1 -厶 Υ)
2 D 0 r ( 1 +厶 Υ)
3 C " C O r ( 1 + Δ X)
3 D O r ( 1 - Δ X)
4 C 0 r ( 1 + Δ Υ)
4 D ~ C O r ( 1 一△ Υ)
ί は全ての変位がゼロの時の上側及び下側の静電支持 電極とジャイ ロロータ 2 0によつて構成されるコンデンザの静電 容量である。 C。r は全ての変位がゼロの時の壁形の静電支持電 極とジャイ ロロータ 2 0によって構成されるコンデンサの静電容 量である。 この式より各変位 ΔΧ Δ θ . Δ Ζ、 及び ΔΥ Δ φ Δ Ζをコンデンザの静電容量によって表すことができる。 〔数 2 0式〕
Δ X = ( 1 / 4 C。r) (― C + C 1D + C — C
Δ Υ = ( 1 / 4 C 0 r ) (― 2 C 2 D + C 4 C — 4 D)
Δ Ζ = ( 1 / 4 C 0 ) ( C — C + C — C 3
- ( 1 / 4 C o ) ( C 2 A — ^ 2 B + C C 4
Δ 0 = ( 1 / 4 C o ) ( C lA— C l B— C 3 A + C 3 B)
Α Φ = ( 1 / 4 C o ) ( C + C 4
静電支持電極 3 1 1 3 1 4 3 2 1 3 2 4 3 3 1 3 3 4、 3 4 1〜 3 4 4に変位検出用交流電圧 A C 1A A C 4A A C 1 B A C 4 B、 A C 1 C A C 4 C A C 1D A C 4Dを印加することに よって、 変位検出用電極 3 1 6、 3 2 6、 3 3 6 3 4 6に変位 検出用電流 i P が生成される。 ジャイ ロロータ 2 0が X軸方向に Δ Χだけ直線変位し、 Y軸方向に Δ Υだけ直線変位し、 Z軸方向 に Δ Zだけ直線変位し、 Y軸周りに回転角 Δ Θだけ回転変位し、 X軸周りに回転角 Δ だけ回転変位した場合、 変位検出用交流電 流 ほ次の式によって表される
〔数 2 1式〕
i P = K ( C 1A 2 B A C 2 B +
C 3 A A C 3 A +
C 3 B A C 3 B + C A C 4 A + C B A C 4 B + C 1 C C 1 C + 1 D A C 1 D +
C 2 A C 2
C 2 D A C 2 D + C 4 D
)
K - 2 (C F A + C F B + C C FD) S / ( 2 C 1A+ 2 C 2 C
2 A + 2 C 2 B + 2 C 3 A + 2 C 3 B + 2 C 4 A + 2 C 4 B + 2 C l C + ώ C l D
+ 2 C 2 C + 2 C 2 C 3 C + 2 C 2 C 2 C 4D+ C F A + C
F B + C F C + C F D )
ここに Kは比例定数、 S はラプラス演算子である。 C FA C F B は上側及び下側の変位検出用電極 3 1 6、 3 2 6 とジャイロロー タ 2 0 によつて構成されるコ ンデンザの静電容量、 C FC、 C FDは 壁形の変位検出用電極 3 3 6、 3 4 6 とジャイ ロロータ 2 0 によ つて構成されるコンデンサの静電容量である。 この式の右辺の各 項に数 1 6 〜数 1 9の式を代入すると次の式が得られる。
〔数 2 2式〕
i P = K I (E X C X + E Y C。rA Y + 2 E Z C c Δ Z + E Θ C ο Α θ +
E ø C 。 Δ ø )
K I = - 8 s ( C FA+ C FB+ C FC+ C FD) / { 1 6 (C。 + C 0 r
C FB + C F D}
斯かる変位検出用交流電流 i P は抵抗値 Rを有する抵抗 3 6を 経由してプリアンプ 3 5 に供給され、 変位検出用交流電圧 V P に 変換される。 斯かる変位検出用交流電圧 VP は数 9 の式及び数 1 0 の式によって表され、 ジャイロ口一夕 2 0の全ての直線変位及 び回転変位、 即ち、 直線変位 Δ Χ、 Δ Υ、 Δ Ζ及び回転変位 、 Δ φを含む。
制御演算部 1 4 0の動作は図 2を参照して説明した従来の制御 演算部 1 4 0 の動作と同様である。 即ち、 制御演算部 1 4 0 は、 変位検出用交流電圧 VP を入力して制御用直流電圧を演算する。 制御用直流電圧は次の式によつて表される。
〔数 2 3式〕
V 1A= V + Δ V 1A
V V + Δ V
V 3 A - V ο + Δ V 3 A
V V + Δ V 4 Α
V 1 Β= V ο + Δ V 1 Β
V 2 Β= V。 + Δ V 2 Β V 3 B= V。 +厶 V 3 B
V 4B= V 0 +厶 V 4 B
V 1C= V 0 + Δ V !C
V 2 C= V 0 +厶 V 2 C
V 3 C = V 0 + Δ V 3 C
V 4C= V 0 + Δ V 4C
V 1D= V 0 + Δ V 1 D
V 2D= V 0 + Δ V Z D
V 3 D= V 0 + Δ V 3D
V 4D= V 0 + Δ V 4D
V。 は基準電圧である。 制御演算部 1 4 0 は、 ジャイ ロ ロータ 2 0 の直線変位 Δ Χ、 Δ Υ、 Δ Ζ及び回転変位 Δ 0、 △ øよ り、 無次元化された力 F χ、· F y、 F z及びトルク T 0、 Τ 0を演算 する。 無次元化された力 F x、 F y、 F z及びトルク Τ 0、 Τ φ から制御用直流電圧の 8つの変化量 Δ V 1 A、 Δ V 1 B及び Δ V 3 A、 ^ヒ 、 厶 ^及び ^、 Δν4Βを求めるが、 演算の ための条件として 1つの条件を設ける。
〔数 2 4式〕
A V 1 A+ A V 1 B +厶 V 3 A +厶 V 3B= 0
Δ ν 2Α+ Δ ν 2Β+ Δ ν4Α+Δν4Β = 0
A V 1 C+ A V ID+ A V 3C+ A V 3D = 0
△ V 2 C+ A V 2D+ A V 4C+ A V 4D = 0
ジャイロロータ 2 0が直線変位及び回転変位すると、 静電支持 電極 3 1 ：!〜 3 1 4、 3 2 1〜 3 2 4、 3 3 1〜 3 3 4、 3 4 1 〜 3 4 4に印加すべき制御用直流電圧土 V 1 A〜土 V 4 A、 土 V'1 B〜 土 V 4 B、 土 V 1 C〜土 V 4 C、 土 V 1 D〜土 V 4 Dが変化する。 それによ つて静電支持力が変化し、 ジャイ ロロータ 2 0 は偏倚量がゼロと なるように元の位置に戻される。 本例の制御ループ又は拘束系は、 このようにジャイ ロロータ 2 0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ァクティ ブ式に構成されている。
次に図 8、 図 9、 図 1 0及び図 1 1を参照して本例のジャイロ 装置のロータ駆動系について説明する。 本例のロータ駆動系は口
—タ 2 0 とジャイ ロケースの上側底部材 2 2に形成された 1 2個 のロータ駆動用電極 3 1 5 と下側底部材 2 4 に形成された 1 2個 の口一タ駆動用電極 3 2 5 とを含む。 本例の口一タ駆動系は、 図 8 に示すように、 変位検出用回路 3 5からの出力を入力してロー タ駆動用電極 3 1 5、 3 2 5 に電圧信号を供給するロータ駆動部 1 6 0 とロータ駆動部 1 6 0 に命令信号を供給するシークェンス 制御部 1 7 0 とを有する。 シークェンス制御部 1 Ί 0 はロータ 2 0 の起動、 回転、 停止等の信号を生成し、 これらの命令信号を口 —タ駆動部 1 6 0及び拘束制御部 1 5 0 に供給する。
図 9及び図 1 1 に示すように、 口一夕駆動用電極 3 1 5、 3 2
5 には駆動用直流電圧土 V R 1、 土 V R 2、 土 V R 3 と回転角検 出用交流電圧 A C R 1、 A C R 2、 A C R 3が重畳して印加され る o
図 1 2 は図 5 と同様に 1列に並べた下側の 1 2個の口一夕駆動 用電極 3 2 5 とその上のジャイロロータ 2 0の断面を示す。 ジャ イロロータ 2 0 には図 7 に示したように 1 5個の孔 2 0 bが形成 され、 孔 2 0 bの間に 1 5個のラン ド 2 0 dが形成されている。 本例の口一夕駆動系の動作は図 5を参照して説明した従来の口 一夕駆動系の動作と同様である。 第 1の相の 4つの駆動電極 3 2 5 - 1 は互いに電気的に接続され、 第 2の相の 4つの駆動電極 3
2 5 - 2 は互いに電気的に接続され、 第 3の相の 4つの駆動電極
3 2 5 - 3 は互いに電気的に接続されている。
ロータ駆動部 1 6 0 にシークェンス制御部 1 7 0 からの命令信 号が供給されると、 3相の駆動用電極 3 2 5 — 1、 3 2 5 - 2 , 3 2 5 - 3 の各々に駆動用直流電圧一 V R 1、 一 V R 2、 一 V R 3及び検出用交流電圧 A C R 1、 A C R 2、 A C R 3が印加され
0 ο
第 1、 第 2及び第 3の相の駆動用電極 3 2 5 — 1、 3 2 5 — 2
、 3 2 5 — 3 に所定の切替え時間 Δ t毎に順に駆動用直流電圧一 V R 1、 一 V R 2、 — V R 3が印加される。 上側の 1 2個の口一 夕駆動用電極 3 1 5 についても同様である。 それによつて、 ジャ イロロータ 2 0 は中心軸線、 即ち、 スピン軸線周りに切替え時間 Δ t毎に 3 6 0度/ 1 2 = 3 0度だけ回転する。
図 1 2の下側に示すグラフは変位検出用電極 3 1 6、 3 2 6'に 生ずる回転角検出用電流又はそれに対応した回転角検出用電圧 A C Q 1、 A C Q 2. A C Q 3である。 斯かる回転角検出用信号 A C Q 1、 A C Q 2、 A C Q 3 によってジャイロロータ 2 0 の回転 角が検出される。
尚、 図 5の例の場合と同様、 3相の場合、 ロータ駆動用電極 3 1 5、 3 2 5の個数は 1 2 に限らず、 3の倍数であればよく、 例 えば 1 5個であってよい。 またジャイ ロロータ 2 0 に設けられた ラ ン ドからなる電極部の数も 3の倍数であればよく、 互いに 1 2 個、 1 5個であってよい。
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つて容易に理解されよう。 本発明によれば、 環状のジャイロロータを使用するから、 静電 支持電極をジャイロロータを囲むように上下方向と横方向に配置 することができる。 従って X軸方向及び Y軸方向の静電支持力又 は拘束力を Z軸方向の静電支持力又は拘束力と同一レベルの大き さにすることができる利点がある。 本発明によれば、 X軸方向及び Y軸方向の静電支持力又は拘束 力と ζ軸方向の静電支持力又は拘束力の大きさは略等しいから、 X軸方向及び y軸方向の拘束制御の精度及び感度を Ζ軸方向の拘 束制御の精度及び感度と同一にすることができる利点がある。
本発明によれば、 X、 Υ、 Ζ方向の加速度、 X、 Υ轴周りの回 転変位の 5つの信号が得られ、 従来のような X、 Υ、 Ζ方向の加 速度を計測する 3つの加速度計と X、 Υ、 Ζ軸周りの回転変位を 検出する 3つのジャィ口装置の合計 6つの計測装置を用いて構成 していた運動体の姿勢計測装置を、 本発明のジャイロ装置を 2つ の互いに 9 0度の配置にすることにより構成することができる利 点力 める。

Claims

請求の範囲
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 有するジャィロケ一スと、
該ジャィ口ケースの内部に静電支持力によつて非接触的に支 ' 持され上記中心軸線方向のスピン軸線を有するジャイ ロロータ と、 . '
該ジャイロロータより隔置されて配置され制御用電圧が印加さ れるように構成された複数の静電支持電極と、
該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、
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検出するための変位 検出系と、
該変位検出系によって検出された変位がゼロとなるように上 記制御用電圧を修正するフィ ー ドバックループを有する拘束制 御系と、 を有する加速度検出型のジャイロ装置において、 上記ジャィロロ一夕は環状であり、 上記静電支持電極は上記 ジャイロロータを囲むように配置されていることを特徵とする ジャィ口装置。
2 . 請求項 1記載のジャイ ロ装置において、 上記ジャイ ロロータ は上面、 下面、 内周面及び外周面を有する断面が矩形に形成さ れ、 上記静電支持電極 (ま上記ジャイ ロロータの上面、 下面、 内 周面及び外周面と平行となるように設けられていることを特徵 とするジャィ口装置。
3 . 請求項 2記載のジャイ ロ装置において、 上記ロータ駆動系は 上記ジャィ ロロ一夕の上面及び下面に対応して設けられた複数 の口一タ駆動用電極を有し、 上記ジャイロロータの上面及び下 面には複数の凹部が設けられ、 該凹部の間のラン ド部は上記口 —タ駆動用電極に対応して設けられていることを特徼とするジ ャィ口装置。
. 請求項 2記載のジャイ ロ装置において、 上記ロータ駆動系は 上記ジャィ ロロ一夕の上面及び下面に対応して設けられた複数 のロータ駆動用電極を有し、 上記ジャイ ロロータには、 その上 面と下面を接続する複数の貫通孔が設けられ、 該貫通孔の間の ラン ド部は上記ロータ駆動用電極に対応して設けられているこ とを特徴とするジャィ口装置。
. 請求項 1記載のジャイ ロ装置において、 上記変位検出系は上 記ジャイロロータより隔置されて配置された複数の変位検出用 電極を有し、 上記制御用電圧に重畳して変位検出用交流電圧を 上記静電支持電極に印加し、 上記変位検出用交流電圧によつて 上記変位検出用電極に発生した変位検出用電流を検出し、 上記 ジャイ ロ口一夕の変位を演算するように構成されていることを 特徴とするジャィ口装置。
. 請求項 5記載のジャイ ロ装置において、 上記複数の変位検出 用交流電圧はそれぞれ異なる周波数の交流電圧であることを特 徵とするジャィ口装置。
. 請求項 5記載のジャイ ロ装置において、 上記複数の変位検出 用交流電圧は同一周波数でそれぞれ異なる位相を持つ交流電圧 であることを特徴とするジャィ口装置。
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