JP4605869B2

JP4605869B2 - Gyro device

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Publication number: JP4605869B2
Application number: JP2000252679A
Authority: JP
Inventors: 尊雄村越; 恵介前田
Original assignee: Tokyo Keiki Inc
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2020-08-23
Also published as: JP2002062134A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。このジャイロ装置は本願出願人と同一の出願人によって平成７年５月２４日に出願され平成１１年１２月３日に登録された特許第３００８０７４号（Ｔ９５０００２８）に開示されたものであり、詳細は同特許を参照されたい。
【０００３】
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】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
図１Ａ及び図１Ｂの右半分側に示すように、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。
【０００９】
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。
【００１０】
ジャイロロータ２０の上面及び下面には、中心部に、即ち、駆動用電極部２００Ｅ及び２００Ｅ’の内側に、変位検出用電極部２００Ｆ及び２００Ｆ’が形成されている。斯かる変位検出用電極部２００Ｆ、２００Ｆ’の中心部には凹部２００ｆ、２００ｆ’が形成されている。
【００１１】
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’、駆動用電極部２００Ｅ、２００Ｅ’及び変位検出用電極部２００Ｆ、２００Ｆ’は共面に形成されてよい。
【００１２】
一方、図１Ａ及び図１Ｂの左半分側に示すように、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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、即ち、駆動用電極２２５、２３５の内側に変位検出用電極２２６、２３６が形成されている。
【００１７】
次にジャイロロータ２０の環状の電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２０Ｄ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。
【００１８】
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。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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
尚、ジャイロロータ２０の駆動用電極部２００Ｅ、２００Ｅ’及び変位検出用電極部２００Ｆ、２００Ｆ’と対応するジャイロケース２１の駆動用電極２２５、２３５及び変位検出用電極２２６、２３６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。
【００２８】
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、即ち、変位検出用電極２２６、２３６の中心部には、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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に蓄積され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。
【００３２】
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、駆動用電極２２５、２３５及び変位検出用電極２２６、２３６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。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。
【００３３】
図１Ａに示すように、上側底部材２２の外面にはプリアンプ３５、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３５は変位検出用電極２２６、２３６に接続されている。上側底部材２２及び下側底部材２４にはスルーホール２２Ａ（上側底部材２２に設けられたスルーホール２２Ａのみを図示）が設けられ、斯かるスルーホール２２Ａの内面に形成された金属薄膜によってプリアンプ３５は変位検出用電極２２６、３２６に接続される。
【００３４】
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２２３の櫛形部２２３−１、２２３−２の端子部２２３Ｒ’、２２３Ｒ’の各々に対応してスルーホール２２Ｂ（一方のみ図示）が設けられ、斯かるスルーホール２２Ｂの内面に形成された金属薄膜は上側底部材２２の外側に設けられた共通端子に接続される。それによって２つの櫛形部２２３−１、２２３−２の端子部２２３Ｒ’、２２３Ｒ’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２３１の櫛形部２３１−１、２３１−２の端子部２３１Ｒ’、２３１Ｒ’の各々に対応してスルーホール２４Ａ（一方のみ図示）が設けられ、斯かるスルーホール２４Ａの内面に形成された金属薄膜は下側底部材２４の外側に設けられた共通端子に接続される。それによって２つの櫛形部２３１−１、２３１−２の端子部２３１Ｒ’、２３１Ｒ’は電気的に接続される。
【００３５】
図２に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１５０を含む拘束制御系とロータ駆動部１６０を含むロータ駆動系とシークエンス制御部１７０とを有する。
【００３６】
本例の拘束制御部１５０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Ｖ_pに変換する変位検出用回路、即ち、プリアンプ３５と斯かる変位検出用電圧Ｖ_p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によって出力された制御用直流電圧±Ｖ_1A〜±Ｖ_4A、±Ｖ_1B〜±Ｖ_4Bはそれぞれ変位検出用交流電圧ＡＣ_1A〜ＡＣ_4A、ＡＣ_1B〜ＡＣ_4Bが加算されて静電支持電極２２１〜２２４、２３１〜２３４に供給される。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。
【００３７】
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。静電支持電極２２１〜２２４、２３１〜２３４に変位検出用交流電圧ＡＣ_1A〜ＡＣ_4A、ＡＣ_1B〜ＡＣ_4Bを印加することによって、ジャイロケース２１の内面に形成された変位検出用電極２２６、２３６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３５によって電圧信号Ｖ_pに変換される。斯かる電圧信号Ｖ_p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。
【００３８】
制御演算部１４０は電圧信号Ｖ_pよりジャイロロータ２０のＸ軸方向の変位±ΔＸ、Ｙ軸方向の変位±ΔＹ及びＺ軸方向の変位±ΔＺとＹ軸周り及びＸ軸周りの回転変位Δθ、Δφ（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を演算する。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は偏倚量がゼロとなるように元の位置に戻される。
【００３９】
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、パッシブ式拘束系ではなくアクティブ式である。
【００４０】
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Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃及びＰ₄とする。
【００４１】
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とそれに対応したジャイロロータ２０の第１及び第３の部分Ｐ₁、Ｐ₃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２０の第２及び第４の部分Ｐ₂及びＰ₄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。
【００４２】
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。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。
【００４３】
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２２１の第１の櫛形部２２１−１の円周部２２１Ａ、２２１Ｃは加算器３６−１Ａを経由して直流電圧−Ｖ_1Aに接続され、第２の櫛形部２２１−２の円周部２２１Ｂ、２２１Ｄは加算器３６＋１Ａを経由して直流電圧＋Ｖ_1Aに接続され、第１の対の静電支持電極２３１の第１の櫛形部２３１−１の円周部２３１Ａ、２３１Ｃは加算器３６−１Ｂを経由して直流電圧−Ｖ_1Bに接続され、第２の櫛形部２３１−２の円周部２３１Ｂ、２３１Ｄは加算器３６＋１Ｂを経由して直流電圧＋Ｖ_1Bに接続されている。
【００４４】
同様に、第３の対の静電支持電極２２３の第１の櫛形部２２３−１の円周部２２３Ａ、２２３Ｃは加算器３６−３Ａを経由して直流電圧−Ｖ_3Aに接続され、第２の櫛形部２２３−２の円周部２２３Ｂ、２２３Ｄは加算器３６＋３Ａ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２３３の第１の櫛形部２３３−１の円周部２３３Ａ、２３３Ｃは加算器３６−３Ｂを経由して直流電圧−Ｖ_3Bに接続され、第２の櫛形部２３３−２の円周部２３３Ｂ、２３３Ｄは加算器３６＋３Ｂを経由して直流電圧＋Ｖ_3Bに接続されている。
【００４５】
図示されていないが、第２の対の静電支持電極２２２の第１の櫛形部２２２−１の円周部２２２Ａ、２２２Ｃは直流電圧−Ｖ_2Aに接続され、第２の櫛形部２２２−２の円周部２２２Ｂ、２２２Ｄは直流電圧＋Ｖ_2Aに接続され、第２の対の静電支持電極２３２の第１の櫛形部２３２−１の円周部２３２Ａ、２３２Ｃは直流電圧−Ｖ_2Bに接続され、第２の櫛形部２３２−２の円周部２３２Ｂ、２３２Ｄは直流電圧＋Ｖ_2Bに接続されている。
【００４６】
同様に、第４の対の静電支持電極２２４の第１の櫛形部２２４−１の円周部２２４Ａ、２２４Ｃは直流電圧−Ｖ_4Aに接続され、第２の櫛形部２２４−２の円周部２２４Ｂ、２２４Ｄは直流電圧＋Ｖ_4Aに接続され、第４の対の静電支持電極２３４の第１の櫛形部２３４−１の円周部２３４Ａ、２３４Ｃは直流電圧−Ｖ_4Bに接続され、第２の櫛形部２３４−２の円周部２３４Ｂ、２３４Ｄは直流電圧＋Ｖ_4Bに接続されている。
【００４７】
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２２１、２３１及び２２３、２３３には制御用直流電圧に重畳して検出用交流電圧ＡＣ_1A、ＡＣ_1B、ＡＣ_3A、ＡＣ_3Cが印加される。図示のように、第１の対の加算器３６−１Ａ、３６＋１Ａ及び３６−１Ｂ、３６＋１Ｂには検出用交流電圧ＡＣ_1A、ＡＣ_1B及びＡＣ_3A、ＡＣ_3Cが印加され、第３の対の加算器３６−３Ａ、３６＋３Ａ及び３６−３Ｂ、３６＋３Ｂには検出用交流電圧ＡＣ_3A、ＡＣ_3C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ＡＣ_2A、ＡＣ_2B及びＡＣ_4A、ＡＣ_4Cが印加される。斯かる検出用交流電圧ＡＣ_1A、ＡＣ_1B、ＡＣ_3A、ＡＣ_3C、ＡＣ_2A、ＡＣ_2B及びＡＣ_4A、ＡＣ_4Cはそれぞれ次のように表される。
【００４８】
【数１】
ＡＣ_1A＝−ＥＸ−Ｅθ−ＥＺ
ＡＣ_1B＝−ＥＸ＋Ｅθ＋ＥＺ
ＡＣ_3A＝＋ＥＸ＋Ｅθ−ＥＺ
ＡＣ_3B＝＋ＥＸ−Ｅθ＋ＥＺ
【００４９】
【数２】
ＡＣ_2A＝−ＥＹ−Ｅφ−ＥＺ
ＡＣ_2B＝−ＥＹ＋Ｅφ＋ＥＺ
ＡＣ_4A＝＋ＥＹ＋Ｅφ−ＥＺ
ＡＣ_4B＝＋ＥＹ−Ｅφ＋ＥＺ
【００５０】
ここに、±ＥＸはジャイロロータ２０のＸ軸方向の直線変位ΔＸを検出するための電圧成分、±ＥＹはジャイロロータ２０のＹ軸方向の直線変位ΔＹを検出するための電圧成分、±ＥＺはジャイロロータ２０のＺ軸方向の直線変位ΔＺを検出するための電圧成分、±Ｅθはジャイロロータ２０のＹ軸周りの回転変位Δθを検出するための電圧成分、±Ｅφはジャイロロータ２０のＸ軸周りの回転変位Δφを検出するための電圧成分である。
【００５１】
ここに、検出用交流電圧ＡＣ_1A、ＡＣ_1B、ＡＣ_3A、ＡＣ_3B及びＡＣ_2A、ＡＣ_2B、ＡＣ_4A、ＡＣ_4Bの右辺の各項は次のように表される。
【００５２】
【数３】
＋ＥＸ＝Ｅ₀ｃｏｓ（ω₁ｔ＋ζ₁）
−ＥＸ＝Ｅ₀ｃｏｓ（ω₁ｔ＋η₁）
＋ＥＹ＝Ｅ₀ｃｏｓ（ω₂ｔ＋ζ₂）
−ＥＹ＝Ｅ₀ｃｏｓ（ω₂ｔ＋η₂）
＋ＥＺ＝Ｅ₀ｃｏｓ（ω₃ｔ＋ζ₃）
−ＥＺ＝Ｅ₀ｃｏｓ（ω₃ｔ＋η₃）
＋Ｅθ＝Ｅ₀ｃｏｓ（ω₄ｔ＋ζ₄）
−Ｅθ＝Ｅ₀ｃｏｓ（ω₄ｔ＋η₄）
＋Ｅφ＝Ｅ₀ｃｏｓ（ω₅ｔ＋ζ₅）
−Ｅφ＝Ｅ₀ｃｏｓ（ω₅ｔ＋η₅）
【００５３】
ω₁、ω₂、ω₃、ω₄、ω₅は検出用周波数である。また、±ＥＸ、±ＥＹ、±ＥＺ、±Ｅθ及び±Ｅφの符号は互いに１８０度の位相差を表す。従って位相差ζ、ηについては次の関係がある。
【００５４】
【数４】
η₁＝ζ₁±１８０°
η₂＝ζ₂±１８０°
η₃＝ζ₃±１８０°
η₄＝ζ₄±１８０°
η₅＝ζ₅±１８０°
【００５５】
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２２１、２３１及び２２３、２３３とそれに対応するジャイロロータ２０の電極部２００Ａ、２００Ａ’、２００Ｃ、２００Ｃ’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であり、第２の静電支持電極２３１において、第１の櫛形部２３１−１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_1Bである。
【００５６】
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。
【００５７】
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Ｐ₂及びＰ₄に関しても同様な議論が成り立つ。
【００５８】
変位検出用電極２２６、２３６とそれに対応するジャイロロータ２０の変位検出用電極部２００Ｆ、２００Ｆ’によっ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。
【００５９】
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軸方向にΔＹだけ直線変位し、Ｚ軸方向にΔＺだけ直線変位し、Ｙ軸周りに回転角Δθだけ回転変位し、Ｘ軸周りに回転角Δφだけ回転変位したものとする。ジャイロロータ２０の斯かる変位は十分小さいものと仮定すると、各コンデンサの静電容量は次のように表される。
【００６０】
【数５】
Ｃ_1A＝Ｃ₀（１＋ΔＸ＋ΔＺ＋Δθ）
Ｃ_1B＝Ｃ₀（１＋ΔＸ−ΔＺ−Δθ）
Ｃ_2A＝Ｃ₀（１＋ΔＹ＋ΔＺ＋Δφ）
Ｃ_2B＝Ｃ₀（１＋ΔＹ−ΔＺ−Δφ）
Ｃ_3A＝Ｃ₀（１−ΔＸ＋ΔＺ−Δθ）
Ｃ_3B＝Ｃ₀（１−ΔＸ−ΔＺ＋Δθ）
Ｃ_4A＝Ｃ₀（１−ΔＹ＋ΔＺ−Δφ）
Ｃ_4B＝Ｃ₀（１−ΔＹ−ΔＺ＋Δφ）
【００６１】
ここにＣ₀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、ΔＹ、ΔＺ、Δθ及びΔφをコンデンサの静電容量によって表すことができる。
【００６２】
【数６】
ΔＸ＝（１／４Ｃ₀）（Ｃ_1A＋Ｃ_1B−Ｃ_3A−Ｃ_3B）
ΔＹ＝（１／４Ｃ₀）（Ｃ_2A＋Ｃ_2B−Ｃ_4A−Ｃ_4B）
ΔＺ＝（１／４Ｃ₀）（Ｃ_1A−Ｃ_1B＋Ｃ_3A−Ｃ_3B）
＝（１／４Ｃ₀）（Ｃ_2A−Ｃ_2B＋Ｃ_4A−Ｃ_4B）
Δθ＝（１／４Ｃ₀）（Ｃ_1A−Ｃ_1B−Ｃ_3A＋Ｃ_3B）
Δφ＝（１／４Ｃ₀）（Ｃ_2A−Ｃ_2B−Ｃ_4A＋Ｃ_4B）
【００６３】
また各静電支持電極において２つの櫛形部２２１−１と２２１−２、２３１−１と２３１−２、２２３−１と２２３−２、２３３−１と２３３−２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±Ｖ_1A、±Ｖ_1B、±Ｖ_3A、±Ｖ_3Bが印加される。従って２対のコンデンサの中点Ｑ₁、Ｑ₂、Ｑ₃ 、Ｑ₄（図４ではＱ₁、Ｑ₃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２０の電位はゼロである。
【００６４】
第１〜第４の対の静電支持電極２２１、２３１、２２２、２３２、２２３、２３３、２２４、２３４に、制御用直流電圧に重畳して、それぞれ検出用交流電圧ＡＣ_1A、ＡＣ_1B、ＡＣ_2A、ＡＣ_2B、ＡＣ_3A、ＡＣ_3B、ＡＣ_4A、及びＡＣ_4Bを印加すると、変位検出用電極２２６、２３６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。
【００６５】
【数７】
ｉ_P＝Ｋ’（Ｃ_1AＡＣ_1A＋Ｃ_1BＡＣ_1B＋Ｃ_2AＡＣ_2A＋Ｃ_2BＡＣ_2B＋Ｃ_3AＡＣ_3A＋Ｃ_3BＡＣ_3B＋Ｃ_4AＡＣ_4A＋Ｃ_4BＡＣ_4B）
Ｋ’＝２（Ｃ_FA＋Ｃ_FB）ｓ／（２Ｃ_1A＋２Ｃ_1B＋２Ｃ_2A＋２Ｃ_2B＋２Ｃ_3A＋２Ｃ_3B＋２Ｃ_4A＋２Ｃ_4B＋Ｃ_FA＋Ｃ_FB）
【００６６】
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ＡＣ_1A、ＡＣ_1B、ＡＣ_2A、ＡＣ_2B、ＡＣ_3A、ＡＣ_3B及びＡＣ_4A、ＡＣ_4Bと数５の式によって表される静電容量Ｃ_1A、Ｃ_1B、Ｃ_2A、Ｃ_2B、Ｃ_3A、Ｃ_3B及びＣ_4A、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２０がＸ軸方向にΔＸだけ直線変位し、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、Ｙ軸周りに回転角Δθだけ回転変位し、Ｘ軸周りに回転角Δφ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。
【００６７】
【数８】
ｉ_P＝Ｋ_I（ＥＸΔＸ＋ＥＹΔＹ＋２ＥＺΔＺ＋ＥθΔθ＋ＥφΔφ）
Ｋ_I＝−８ｓＣ₀（Ｃ_FA＋Ｃ_FB）／（１６Ｃ₀＋Ｃ_FA＋Ｃ_FB）
【００６８】
ここにＫ_I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３６を経由してプリアンプ３５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。
【００６９】
【数９】
Ｖ_P＝Ｖ_P（Ｘ）＋Ｖ_P（Ｙ）＋Ｖ_P（Ｚ）＋Ｖ_P（θ）＋Ｖ_P（φ）
【００７０】
ここに右辺の各項は各変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ、Δθ、Δφに対応した電圧成分であり、次のように表される。
【００７１】
【数１０】
Ｖ_P（Ｘ）＝Ｋ_IＥＸΔＸ＝Ｋ_V1Ｅ₀ω₁ΔＸｓｉｎ（ω₁ｔ＋ζ₁）
Ｖ_P（Ｙ）＝Ｋ_IＥＹΔＹ＝Ｋ_V2Ｅ₀ω₂ΔＹｓｉｎ（ω₂ｔ＋ζ₂）
Ｖ_P（Ｚ）＝Ｋ_IＥＺΔＺ＝Ｋ_V3Ｅ₀ω₃ΔＺｓｉｎ（ω₃ｔ＋ζ₃）
Ｖ_P（θ）＝Ｋ_IＥθΔθ＝Ｋ_V4Ｅ₀ω₄Δθｓｉｎ（ω₄ｔ＋ζ₄）
Ｖ_P（φ）＝Ｋ_IＥφΔφ＝Ｋ_V5Ｅ₀ω₅Δφｓｉｎ（ω₅ｔ＋ζ₅）
【００７２】
ここにＫ_V1〜Ｋ_V5はコンデンサの静電容量Ｃ₀、Ｃ_FA、Ｃ_FBによって決まる定数である。数９の式及び数１０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２０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ΔＸ、ΔＹ、ΔＺと回転変位Δθ、Δφ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ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ及び回転変位Δθ、Δφに対応した各変位検出用周波数ω₁〜ω₅によって振幅変調されていることを示している。
【００７３】
ジャイロロータ２０の直線変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ及び回転変位Δθ、Δφ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。
【００７４】
【数１１】
Ｖ_1A＝Ｖ₀＋ΔＶ_1A
Ｖ_1B＝Ｖ₀＋ΔＶ_1B
Ｖ_2A＝Ｖ₀＋ΔＶ_2A
Ｖ_2B＝Ｖ₀＋ΔＶ_2B
Ｖ_3A＝Ｖ₀＋ΔＶ_3A
Ｖ_3B＝Ｖ₀＋ΔＶ_3B
Ｖ_4A＝Ｖ₀＋ΔＶ_4A
Ｖ_4B＝Ｖ₀＋ΔＶ_4B
【００７５】
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。
【００７６】
Ｖ₀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ΔＶ_1A、ΔＶ_1B、ΔＶ_2A、ΔＶ_2B、ΔＶ_3A、ΔＶ_3B、ΔＶ_4A、ΔＶ_4Bを求めればよい。これらの変化量の演算は直線変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ及び回転変位Δθ、Δφより求められる。先ず、直線変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ及び回転変位Δθ、Δφより無次元化された力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφ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。
【００７７】
無次元化された力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφ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ΔＶ_1A、ΔＶ_1B及びΔＶ_3A、ΔＶ_3BとΔＶ_2A、ΔＶ_2B及びΔＶ_4A、ΔＶ_4Bに対して更にもう１つの条件を設ける。
【００７８】
【数１２】
ΔＶ_1A＋ΔＶ_1B＋ΔＶ_3A＋ΔＶ_3B＝０
ΔＶ_2A＋ΔＶ_2B＋ΔＶ_4A＋ΔＶ_4B＝０
【００７９】
この条件を使用して制御用直流電圧の変化量ΔＶ_1A〜ΔＶ_4Bを演算する。斯かる演算式は次のように表される。
【００８０】
【数１３】
ΔＶ_1A＝（Ｖ₀／４）（Ｆｘ＋Ｆｚ／２＋Ｔθ）
ΔＶ_1B＝（Ｖ₀／４）（Ｆｘ−Ｆｚ／２−Ｔθ）
ΔＶ_2A＝（Ｖ₀／４）（Ｆｙ＋Ｆｚ／２＋Ｔφ）
ΔＶ_2B＝（Ｖ₀／４）（Ｆｙ−Ｆｚ／２−Ｔφ）
ΔＶ_3A＝（Ｖ₀／４）（−Ｆｘ＋Ｆｚ／２−Ｔθ）
ΔＶ_3B＝（Ｖ₀／４）（−Ｆｘ−Ｆｚ／２＋Ｔθ）
ΔＶ_4A＝（Ｖ₀／４）（−Ｆｙ＋Ｆｚ／２−Ｔφ）
ΔＶ_4B＝（Ｖ₀／４）（−Ｆｙ−Ｆｚ／２＋Ｔφ）
【００８１】
無次元化された力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφはジャイロ加速度出力１１部１４５の供給され、外力加速度α_X、α_Y、α_Z及び角速度ｄθ／ｄｔ、ｄφ／ｄｔ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。
【００８２】
【数１４】
α_X＝Ｆｘ／ｍｇ
α_Y＝Ｆｙ／ｍｇ
α_Z＝Ｆｚ／ｍｇ
ｄθ／ｄｔ＝Ｔθ／Ｈ
ｄφ／ｄｔ＝Ｔφ／Ｈ
【００８３】
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。
【００８４】
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とロータ駆動部１６０とを含む。本例のロータ駆動系はシークエンス制御部１７０からの命令信号を入力して駆動用電極２２５、２３５に駆動用電圧を付与して、ジャイロロータ２０を起動、回転、停止させるように構成されている。
【００８５】
図１Ｂに示すように、また上述の説明のように、ジャイロロータ２０の駆動用電極部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。
【００８６】
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°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°の中心角にて隔置された４個の扇形部を含む。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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もよい。
【００９０】
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。
【００９１】
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２０の駆動用電極部２００Ｅとジャイロケース２２の駆動用電極２２５がコンデンサに置き換えられ、ジャイロロータ２０の駆動用電極部２００Ｅ’とジャイロケース２４の駆動用電極２３５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ロータ２０を回転駆動するための駆動用直流電圧ＶＲ１、ＶＲ２、ＶＲ３とジャイロロータ２０の回転角を検出するための検出用交流電圧ＡＣＲ１、ＡＣＲ２、ＡＣＲ３が印加される。
【００９２】
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２０の上側の駆動用電極部２００Ｅとそれに対応したジャイロケース２２の上側の駆動用電極２２５が直線状に配置された状態が示されている。
【００９３】
ジャイロロータ２０の上側の駆動用電極部２００Ｅは互いに９０°の中心角にて隔置された４個の扇形部２００Ｅ−１、２００Ｅ−２、２００Ｅ−３、２００Ｅ−４を含む。それに対応して、ジャイロケース２２の上側の駆動用電極２２５は１２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２２５−１、２２５−２、２２５−３を付す。
【００９４】
第１の相の４つの扇形部２２５−１は互いに電気的に接続され、第２の相の４つの扇形部２２５−２は互いに電気的に接続され、第３の相の４つの扇形部２２５−３は互いに電気的に接続されている。
【００９５】
ロータ駆動部１６０にシークエンス制御部１７０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２２５−１、２２５−２、２２５−３の各々に駆動用直流電圧ＶＲ１、ＶＲ２、ＶＲ３及び検出用交流電圧ＡＣＲ１、ＡＣＲ２、ＡＣＲ３が印加される。
【００９６】
第１、第２及び第３の相の駆動用電極２２５−１、２２５−２、２２５−３に所定の切替え時間Δｔ毎に順に駆動用直流電圧ＶＲ１、ＶＲ２、ＶＲ３が印加される。それによって、ジャイロロータ２０は中心軸線、即ち、スピン軸線周りに切替え時間Δｔ毎に３６０度／１２＝３０度だけ回転する。
【００９７】
図５の下側に示すグラフは変位検出用電極２２６、２３６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ＡＣＱ１、ＡＣＱ２、ＡＣＱ３である。斯かる回転角検出用信号ＡＣＱ１、ＡＣＱ２、ＡＣＱ３によってジャイロロータ２０の回転角が検出される。
【００９８】
例えば、第１の相の駆動用電極２２５−１に駆動用直流電圧ＶＲ１が印加されると、４個の駆動用電極部２００Ｅ−１、２００Ｅ−２、２００Ｅ−３、２００Ｅ−４が第１の相の駆動用電極２２５−１、２２５−１、２２５−１、２２５−１に整合するまで、即ち、３０度だけジャイロロータ２０は中心軸線周りに回転し、次に第２の相の駆動用電極２２５−２に駆動用直流電圧ＶＲ２が印加されると、４個の駆動用電極部２００Ｅ−１、２００Ｅ−２、２００Ｅ−３、２００Ｅ−４が第２の相の駆動用電極２２５−２、２２５−２、２２５−２、２２５−２に整合するまで、即ち、３０度だけジャイロロータ２０は中心軸線周りに回転する。
【００９９】
図６を参照してジャイロロータ２０に作用する拘束力を求める。ジャイロロータ２０の４つの部分Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄に作用するＺ軸方向の静電力をそれぞれＦｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３、Ｆｚ４とする。ジャイロロータ２０の２つの部分Ｐ₁、Ｐ₃に作用するＸ軸方向の静電力をそれぞれＦｘ１、Ｆｘ２、ジャイロロータ２０の２つの部分Ｐ₂、Ｐ₄に作用するＹ軸方向の静電力をそれぞれＦｙ１、Ｆｙ２とする。ジャイロロータ２０に作用するＸ軸方向の拘束力Ｆｘｃは２つの静電力Ｆｘ１、Ｆｘ３の差であり、ジャイロロータ２０に作用するＹ軸方向の拘束力Ｆｙｃは２つの静電力Ｆｙ２、Ｆｙ４の差である。ジャイロロータ２０に作用するＺ軸方向の拘束力Ｆｚｃは４つの静電力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３、Ｆｚ４の和である。
【０１００】
【数１５】
Ｆｘｃ＝Ｆｘ１−Ｆｘ２
Ｆｙｃ＝Ｆｙ１−Ｆｙ２
Ｆｚｃ＝Ｆｚ１＋Ｆｚ２＋Ｆｚ３＋Ｆｚ４
【０１０１】
ジャイロロータ２０に作用するＹ軸周りの拘束トルクＴθｃはＺ軸方向の２つの静電力Ｆｚ１、Ｆｚ３の各々と腕の長さｒの積の差であり、ジャイロロータ２０に作用するＸ軸周りの拘束トルクＴφｃはＺ軸方向の２つの静電力Ｆｚ２、Ｆｚ４の各々と腕の長さｒの積の差である。
【０１０２】
【数１６】
Ｔθｃ＝（Ｆｚ１−Ｆｚ３）・ｒ
Ｔφｃ＝（Ｆｚ２−Ｆｚ４）・ｒ
【０１０３】
ジャイロロータ２０の２つの部分Ｐ₁、Ｐ₃に作用するＸ軸方向の静電力Ｆｘ１、Ｆｘ３はそれに対応する各１対の静電支持電極２２１、２３１又は２２３、２３３に印加される制御用直流電圧Ｖ_1A、Ｖ_1B又はＶ_3A、Ｖ_3Bの二乗の和に比例する。ジャイロロータ２０の２つの部分Ｐ₂、Ｐ₄に作用するＹ軸方向の静電力Ｆｙ１、Ｆｙ３はそれに対応する各１対の静電支持電極２２２、２３２又は２２４、２３４に印加される制御用直流電圧Ｖ_2A、Ｖ_2B又はＶ_4A、Ｖ_4Bの二乗の和に比例する。
【０１０４】
【数１７】
Ｆｘ１＝（Ｃ₁／２Ｌ₁）（Ｖ_1A ²＋Ｖ_1B ²）
Ｆｘ３＝（Ｃ₃／２Ｌ₂）（Ｖ_3A ²＋Ｖ_3B ²）
Ｆｙ２＝（Ｃ₂／２Ｌ₃）（Ｖ_2A ²＋Ｖ_2B ²）
Ｆｙ４＝（Ｃ₄／２Ｌ₄）（Ｖ_4A ²＋Ｖ_4B ²）
【０１０５】
Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ₄はジャイロケース２１の静電支持電極２２１、２２２、２３２、２２３、２３３、２２４、２３４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静電容量であり、Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、Ｌ₄はコンデンサの寸法である。ジャイロロータ２０の４つの部分Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄に作用するＺ軸方向の静電力Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３、Ｆｚ４はそれに対応する４対の静電支持電極２２１、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の二乗の差に比例する。
【０１０６】
【数１８】
Ｆｚ１＝（Ｃ₁／２δ₁）（Ｖ_1A ²−Ｖ_1B ²）
Ｆｚ２＝（Ｃ₂／２δ₂）（Ｖ_2A ²−Ｖ_2B ²）
Ｆｚ３＝（Ｃ₃／２δ₃）（Ｖ_3A ²−Ｖ_3B ²）
Ｆｚ４＝（Ｃ₄／２δ₄）（Ｖ_4A ²−Ｖ_4B ²）
【０１０７】
δ₁、δ₂、δ₃、δ₄はコンデンサの間隔である。ここでは各コンデンサの形状及び寸法は同一であると仮定し、Ｃ₁＝Ｃ₂＝Ｃ₃＝Ｃ₄＝Ｃ₀、Ｌ₁＝Ｌ₂＝Ｌ₃＝Ｌ₄＝Ｌ、δ₁＝δ₂＝δ₃＝δ₄＝δとする。数１７及び数１８の式を数１５及び数１６の式に代入すると次の式が得られる。
【０１０８】
【数１９】
Ｆｘｃ＝（Ｃ₀／２Ｌ）（Ｖ_1A ²＋Ｖ_1B ²−Ｖ_3A ²−Ｖ_3B ²）
Ｆｙｃ＝（Ｃ₀／２Ｌ）（Ｖ_2A ²＋Ｖ_2B ²−Ｖ_4A ²−Ｖ_4B ²）
Ｆｚｃ＝（Ｃ₀／２δ）（Ｖ_1A ²−Ｖ_1B ²＋Ｖ_2A ²−Ｖ_2B ²＋Ｖ_3A ²−Ｖ_3B ²＋Ｖ_4A ²−Ｖ_4B ²）
Ｔθｃ＝（ｒＣ₀／２δ）（Ｖ_1A ²−Ｖ_1B ²−Ｖ_3A ²＋Ｖ_3B ²）
Ｔφｃ＝（ｒＣ₀／２δ）（Ｖ_2A ²−Ｖ_2B ²−Ｖ_4A ²＋Ｖ_4B ²）
【０１０９】
従来のジャイロ装置では、制御用直流電圧を数１１の式及び数１３の式によって求める。実際に数１１の式及び数１３の式を数１９の式に代入して、ジャイロロータ２０に作用する静電力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφを求めると、次のようになる。
【０１１０】
【数２０】
Ｆｘｃ＝（Ｃ₀Ｖ₀ ²／Ｌ）（Ｆｘ＋Ｆｚ・Ｔθ／８）
Ｆｙｃ＝（Ｃ₀Ｖ₀ ²／Ｌ）（Ｆｙ＋Ｆｚ・Ｔφ／８）
Ｆｚｃ＝（Ｃ₀Ｖ₀ ²／δ）（Ｆｚ＋Ｆｘ・Ｔθ／４＋Ｆｙ・Ｔφ／４）
Ｔθｃ＝（ｒＣ₀Ｖ₀ ²／δ）（Ｔθ＋Ｆｚ・Ｆｘ／８）
Ｔφｃ＝（ｒＣ₀Ｖ₀ ²／δ）（Ｔφ＋Ｆｚ・Ｆｙ／８）
【０１１１】
通常、数２０の各式の右辺の第２項（第三式の右辺は第３項を含む。但し、以下単に第２項と称する。）は第１項に比べて十分小さいため無視することができる。数２０の各式の右辺の第２項を無視すると次のようになる。
【０１１２】
【数２１】
Ｆｘｃ＝（Ｃ₀Ｖ₀ ²／Ｌ）・Ｆｘ
Ｆｙｃ＝（Ｃ₀Ｖ₀ ²／Ｌ）・Ｆｙ
Ｆｚｃ＝（Ｃ₀Ｖ₀ ²／δ）・Ｆｚ
Ｔθｃ＝（ｒＣ₀Ｖ₀ ²／δ）・Ｔθ
Ｔφｃ＝（ｒＣ₀Ｖ₀ ²／δ）・Ｔφ
【０１１３】
従って、ジャイロロータ２０に作用する拘束力Ｆｘｃ、Ｆｙｃ、Ｆｚｃ及びモーメントＴθｃ、Ｔφｃはジャイロロータ２０に変位を与える外力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＴθ、Ｔφに比例する。即ち、ジャイロロータ２０に外力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＴθ、Ｔφが複合して作用しても、各外力に比例した制御用直流電圧が生成され、ジャイロロータ２０に作用する拘束力Ｆｘｃ、Ｆｙｃ、Ｆｚｃ及びモーメントＴθｃ、Ｔφｃが生成される。
【０１１４】
【発明が解決しようとする課題】
数２０の各式の右辺の第２項は第１項に比べて十分小さいと仮定して無視すると、ジャイロロータ２０に作用する拘束力Ｆｘｃ、Ｆｙｃ、Ｆｚｃ及びモーメントＴθｃ、Ｔφｃはジャイロロータ２０に変位を与える外力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＴθ、Ｔφに比例する。しかしながら、実際には数２０の各式の右辺の第２項はゼロではない。この右辺の第２項は拘束力の作用する軸とは異なる軸方向の力又はモ−メントを含む。
【０１１５】
従って、従来のジャイロ装置では、数２０の各式の右辺の第２項によって表されるクロスカップリングの誤差が発生する。この値は小さいが精密なジャイロ装置では除去する必要がある。
【０１１６】
本発明の目的は、制御用直流電圧によって生成するジャイロロータ２０への拘束力を正確に得ることにある。
【０１１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のジャイロ装置は、
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、
ジャイロロータを加速度が作用しない時のジャイロロータの位置である基準位置に保持するバイアス電圧である基準電圧Ｖ₀と、変動量ΔＶを用いて、上記静電支持電極に印加される制御用電圧が、Ｖ₀（１＋２ΔＶ／Ｖ₀）^1/2によって表され、ここで、変動量ΔＶは、該基準電圧Ｖ ₀ と該ジャイロロータに対してＸ軸方向に作用する力Ｆｘ、該ジャイロロータに対してＹ軸方向に作用する力Ｆｙ、該ジャイロロータに対してＺ軸方向に作用する力Ｆｚ、該ジャイロロータに対して作用するＹ軸周りのトルクＴθ、及び該ジャイロロータに対して作用するＸ軸周りのトルクＴφにより表される。
【０１１８】
上記静電支持電極は上記ジャイロロータの上面と下面に配置された４対の静電支持電極を含み、該４対の静電支持電極に印加される制御用電圧Ｖ_1A、Ｖ_1B、Ｖ_2A、Ｖ_2B、Ｖ_3A、Ｖ_3B、Ｖ_4A、Ｖ_4Bは、基準電圧Ｖ₀と次の第１の式によって表される変動量ΔＶ_1A、ΔＶ_1B、ΔＶ_2A、ΔＶ_2B、ΔＶ_3A、ΔＶ_3B、ΔＶ_4A、ΔＶ_4B を用いて、次の第２の式によって表される。
第１の式
ΔＶ _1A ＝（Ｖ ₀ ／４）（Ｆｘ＋Ｆｚ／２＋Ｔθ）
ΔＶ _1B ＝（Ｖ ₀ ／４）（Ｆｘ−Ｆｚ／２−Ｔθ）
ΔＶ _2A ＝（Ｖ ₀ ／４）（Ｆｙ＋Ｆｚ／２＋Ｔφ）
ΔＶ _2B ＝（Ｖ ₀ ／４）（Ｆｙ−Ｆｚ／２−Ｔφ）
ΔＶ _3A ＝（Ｖ ₀ ／４）（−Ｆｘ＋Ｆｚ／２−Ｔθ）
ΔＶ _3B ＝（Ｖ ₀ ／４）（−Ｆｘ−Ｆｚ／２＋Ｔθ）
ΔＶ _4A ＝（Ｖ ₀ ／４）（−Ｆｙ＋Ｆｚ／２−Ｔφ）
ΔＶ _4B ＝（Ｖ ₀ ／４）（−Ｆｙ−Ｆｚ／２＋Ｔφ）
第２の式
Ｖ_1A＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_1A／Ｖ₀）^1/2
Ｖ_1B＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_1B／Ｖ₀）^1/2
Ｖ_2A＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_2A／Ｖ₀）^1/2
Ｖ_2B＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_2B／Ｖ₀）^1/2
Ｖ_3A＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_3A／Ｖ₀）^1/2
Ｖ_3B＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_3B／Ｖ₀）^1/2
Ｖ_4A＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_4A／Ｖ₀）^1/2
Ｖ_4B＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_4B／Ｖ₀）^1/2
【０１１９】
こうして本例では、ジャイロロータに作用する静電力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφにおけるクロスカップリングの誤差が除去される。
【０１２０】
【発明の実施の形態】
本発明のジャイロ装置の例について説明する。本発明のジャイロ装置は図１〜図６を参照して説明した従来のジャイロ装置と比較して、静電支持電極に印加する制御用直流電圧が異なるが、それ以外の構成は同様であってよい。従って以下に、本発明のジャイロ装置における静電支持電極に印加する制御用直流電圧について説明する。本例の制御用直流電圧を数１１の式の代わりに、次の式のように表す。
【０１２１】
【数２２】
Ｖ_1A＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_1A／Ｖ₀）ⁿ
Ｖ_1B＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_1B／Ｖ₀）ⁿ
Ｖ_2A＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_2A／Ｖ₀）ⁿ
Ｖ_2B＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_2B／Ｖ₀）ⁿ
Ｖ_3A＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_3A／Ｖ₀）ⁿ
Ｖ_3B＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_3B／Ｖ₀）ⁿ
Ｖ_4A＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_4A／Ｖ₀）ⁿ
Ｖ_4B＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_4B／Ｖ₀）ⁿ
【０１２２】
この式と数１３の式を数１９の式に代入して、ジャイロロータ２０に作用する静電力Ｆｘｃ、Ｆｙｃ、Ｆｚｃ及びトルクＴθｃ、Ｔφｃを求める。ｎの値を求めるために、次の条件を設定する。
【０１２３】
【数２３】
∂（Ｆｘｃ）／∂Ｆｘ＝一定
∂（Ｆｙｃ）／∂Ｆｙ＝一定
∂（Ｆｚｃ）／∂Ｆｚ＝一定
∂（Ｔθｃ）／∂Ｔθ＝一定
∂（Ｔφｃ）／∂Ｔφ＝一定
∂（Ｆｘｃ）／∂Ｆｚ＝∂（Ｆｘｃ）／∂Ｔθ＝０
∂（Ｆｙｃ）／∂Ｆｚ＝∂（Ｆｙｃ）／∂Ｔφ＝０
∂（Ｆｚｃ）／∂Ｆｘ＝∂（Ｆｚｃ）／∂Ｆｙ＝∂（Ｆｚｃ）／∂Ｔθ＝∂（Ｆｚｃ）／∂Ｔφ＝０
∂（Ｔθｃ）／∂Ｆｘ＝∂（Ｔθｃ）／∂Ｆｚ＝０
∂（Ｔφｃ）／∂Ｆｙ＝∂（Ｔφｃ）／∂Ｆｚ＝０
【０１２４】
この条件を満たすためには、ｎ＝１／２でなければならない。従来のジャイロ装置では、静電支持電極に印加する制御用直流電圧は数１１の式によって表されるが、本例では、静電支持電極に印加する制御用直流電圧は、数１１の式の代わりに次の式によって表される。
【０１２５】
【数２４】
Ｖ_1A＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_1A／Ｖ₀）^1/2
Ｖ_1B＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_1B／Ｖ₀）^1/2
Ｖ_2A＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_2A／Ｖ₀）^1/2
Ｖ_2B＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_2B／Ｖ₀）^1/2
Ｖ_3A＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_3A／Ｖ₀）^1/2
Ｖ_3B＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_3B／Ｖ₀）^1/2
Ｖ_4A＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_4A／Ｖ₀）^1/2
Ｖ_4B＝Ｖ₀（１＋２ΔＶ_4B／Ｖ₀）^1/2
【０１２６】
この数２４の式及び数１３の式を数１９の式に代入して、ジャイロロータ２０に作用する静電力Ｆｘｃ、Ｆｙｃ、Ｆｚｃ及びトルクＴθｃ、Ｔφｃを求めると、次のようになる。
【０１２７】
【数２５】
Ｆｘｃ＝（Ｃ₀Ｖ₀ ²／Ｌ）・Ｆｘ
Ｆｙｃ＝（Ｃ₀Ｖ₀ ²／Ｌ）・Ｆｙ
Ｆｚｃ＝（Ｃ₀Ｖ₀ ²／δ）・Ｆｚ
Ｔθｃ＝（ｒＣ₀Ｖ₀ ²／δ）・Ｔθ
Ｔφｃ＝（ｒＣ₀Ｖ₀ ²／δ）・Ｔφ
【０１２８】
従来のジャイロ装置ではジャイロロータ２０に作用する静電力Ｆｘｃ、Ｆｙｃ、Ｆｚｃ及びトルクＴθｃ、Ｔφｃは数２０の式によって表されるから、本例の場合では、数２０の各式の右辺の第２項が除去されている。即ち、本例では、クロスカップリングが除去されている。
【０１２９】
こうして本例によると、クロスカップリングが除去されているから、ジャイロロータ２０に作用する各静電力及び各トルクは他の軸線方向の外力及び他の軸線周りの外力トルクの影響を受けることなく独立的である。従ってジャイロロータ２０に作用する静電力Ｆｘｃ、Ｆｙｃ、Ｆｚｃ及びトルクＴθｃ、Ｔφｃは常に正確であり、ジャイロロータ２０は所定の基準位置に正確に保持される。
【０１３０】
以上、本発明の例について説明したが、本発明は上述の例に制限されることなく特許請求の範囲に記載された本発明の範囲にて様々な他の例が可能であることは当業者によって理解されよう。
【０１３１】
本発明を平成７年５月２４日付けの特願平７−１２５３４５号（特許第３００８０７４号）に記載されたジャイロ装置に適用した場合を説明したが、本発明は静電支持電極に制御用直流電圧を印加し、静電支持力によってジャイロロ−タを所定の基準位置に浮動的に支持するように構成されたジャイロ装置であればどのような形式のものにも適用が可能である。例えば、本発明は、平成１２年３月１０日付けにて本願出願人と同一の出願人によって出願された特願２０００−６６９３３号に記載されたジャイロ装置にも適用することができる。
【０１３２】
【発明の効果】
本発明によると、ジャイロロータに作用する拘束力にクロスカップリングによる誤差が除去される利点がある。
【０１３３】
本発明によると、ジャイロロータに作用する拘束力にクロスカップリングによる誤差が除去されるから、ジャイロロータは常に正確に所定の基準位置に保持される利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来及び本発明のジャイロ装置の例を示す図である。
【図２】従来及び本発明のジャイロ装置の制御ループの例を示す図である。
【図３】従来及び本発明のジャイロ装置の拘束制御系を示す図である。
【図４】従来及び本発明のジャイロ装置の変位検出系、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】従来及び本発明のジャイロ装置のロータ駆動系の動作を説明するための説明図である。
【図６】従来及び本発明のジャイロ装置のジャイロロータに作用する拘束力を説明するための説明図である。
【符号の説明】
２０ジャイロロータ
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ面
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
２４Ａ孔、
２５ねじ
２６空洞部
３３ゲッタ部材
４０ジャイロロータ
４１ジャイロケース
４２上側底部材
４３スペーサ
４３Ａ内壁
４４下側底部材
１２７、１２８放電兼用ストッパ
１３５プリアンプ
１３６抵抗
１４０制御演算部
１４５ジャイロ加速度出力演算部
１５０拘束制御部
１６０ロータ駆動部
１７０シークエンス制御部
２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ、２００Ｅ、２００Ｆ、２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’、２００Ｅ’、２００Ｆ’ 電極部
２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、２００ｅ、２００Ｆ、２００ｇ、２００ａ’、２００ｂ’、２００ｃ’、２００ｄ’、２００ｅ’、２００ｆ’、２００ｇ溝
２２１〜２２６、２３１〜２３６電極
４２１〜４２４、４３１〜４３４静電支持電極
４２５、４３５ロータ駆動用電極
４２６、４３６変位検出用電極
４２７放電兼用ストッパ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an acceleration detection type gyro apparatus suitable for use in a moving body such as an automobile, a ship, and an aircraft, for detecting angular velocity or angular change and acceleration with respect to an inertial space. More specifically, the present invention relates to an extremely small acceleration detection type gyro device of a type in which a gyro rotor is supported in a floating manner by electrostatic support force.
[0002]
[Prior art]
An example of a conventional gyro apparatus will be described with reference to FIGS. This gyro device is disclosed in Japanese Patent No. 3008074 (T9500028) filed on May 24, 1995 and registered on December 3, 1999 by the same applicant as the present applicant. See the same patent.
[0003]
First, the gyro apparatus will be described with reference to FIG. The gyro apparatus includes a thin disk-shaped gyro rotor 20 and a gyro case 21 that accommodates the gyro rotor 20 therein.
[0004]
Here, XYZ coordinates are set for the gyro device as shown. The Z axis is taken upward along the center axis of the gyro device, and the X axis and the Y axis are taken perpendicularly thereto. The spin axis of the gyro rotor 20 is arranged along the Z axis.
[0005]
As shown in FIG. 1A, the gyro case 21 includes an upper bottom member 22 and a lower bottom member 24, and a spacer 23 connecting the both, and the spacer 23 includes an annular inner wall 23A. Thus, a disk-shaped sealed cavity 26 for accommodating the gyro rotor 20 is formed inside the gyro case 21 by the inner surfaces of the upper bottom member 22 and the lower bottom member 24 and the inner wall 23A of the spacer 23. . Such cavity 26 is evacuated by a suitable method.
[0006]
A recess 23B is formed on the outer side of the annular inner wall 23A of the spacer 23, and the recess 23B is connected to the cavity 26 by a passage 23C. The height of the passage 23C may be 2 to 3 μm. A getter member 33 is disposed in the recess 23B. Thereby, the cavity 26 can be maintained at a high degree of vacuum for a long time.
[0007]
The gyro rotor 20 is made of a conductive material. As such a conductive material, for example, single crystal silicon (silicon) may be used. By using a single crystal material, it is possible to provide a highly accurate gyro rotor that is less affected by thermal distortion and aging. The upper bottom member 22 and the lower bottom member 24 of the gyro case 21 are formed of a non-conductive material, for example, glass. The spacer 23 may be made of the same material as the gyro rotor 20.
[0008]
1A and 1B, the upper and lower surfaces of the gyro rotor 20 are concentrically provided with a plurality of annular electrode portions 200A, 200B, 200C, 200D and 200A ′, 200B ′, 200C′200D. 'Is formed. That is, a plurality of annular grooves 200a, 200b, 200c, 200d and 200a ′, 200b ′, 200c ′, 200d ′ are formed concentrically on the upper surface and the lower surface, and projecting annular electrode portions are formed by the annular grooves. Is formed.
[0009]
On the upper and lower surfaces of the gyro rotor 20, driving electrode portions 200E and 200E 'are formed inside annular electrode portions 200A, 200B, 200C, 200D and 200A', 200B ', 200C' and 200D '. Such driving electrode portions 200E and 200E ′ are configured as a plurality of fan-shaped protrusions formed between two concentric annular grooves 200d and 200e and 200d ′ and 200e ′, and are arranged along the circumference. It may be arranged in a ring in a row.
[0010]
Displacement detection electrode portions 200F and 200F 'are formed on the upper and lower surfaces of the gyro rotor 20 at the center, that is, inside the drive electrode portions 200E and 200E'. Concave portions 200f and 200f 'are formed in the center portions of the displacement detection electrode portions 200F and 200F'.
[0011]
Annular electrode portions 200A, 200B, 200C, 200D and 200A ′, 200B ′, 200C ′, 200D ′, driving electrode portions 200E, 200E ′, and displacement detection formed as protrusions on the upper and lower surfaces of the gyro rotor 20 The electrode portions 200F and 200F ′ may be formed on a coplanar surface.
[0012]
On the other hand, as shown on the left half side of FIGS. 1A and 1B, at least three pairs of electrostatic support electrodes, in this example, the first bottom member 22 and the lower bottom member 24 are provided on the inner surfaces of the upper bottom member 22 and the lower bottom member 24. Second, third and fourth pairs of electrostatic support electrodes 221, 231, 222, 232, 223, 233 and 224, 234 are arranged. The four pairs of electrostatic support electrodes are arranged at an angular interval of 90 ° from each other along the circumferential direction. For example, the first and third pairs of electrostatic support electrodes 221, 231 and 223, 233 are arranged along the X axis, and the second and fourth pairs of electrostatic support electrodes 222, 232, 224, 234 are Arranged along the Y-axis.
[0013]
Each electrostatic support electrode is composed of a pair of comb-shaped portions. For example, the left side of FIG. 1B shows the electrostatic support electrode 223 formed on the inner surface of the upper bottom member 22 among the third pair of electrostatic support electrodes 223 and 233. The electrostatic support electrode 223 includes two comb-shaped portions 223-1 and 223-2 that are spaced apart from each other, and the two comb-shaped portions are spaced from each other.
[0014]
One comb-shaped portion 223-1 includes a radial portion 223R extending in the radial direction and a plurality of circumferential portions 223A and 223C extending in the circumferential direction. Similarly, the other comb-shaped portion 223-2 includes a radial portion 223R extending in the radial direction and a plurality of circumferential portions 223B and 223D extending in the circumferential direction. The circumferential portions 223A, 223C and 223B, 223D of the comb-shaped portions 223-1, 223-2 are alternately arranged so as to sandwich the other. Terminal portions 223R 'and 223R' are formed at the ends of the radius portions 223R and 223R of the comb-shaped portions 223-1 and 223-2, respectively.
[0015]
On the inner surfaces of the upper bottom member 22 and the lower bottom member 24 of the gyro case 21, driving electrodes 225, 235 are arranged inside four pairs of electrostatic supporting electrodes 221, 231, 222, 232, 223, 233 and 224, 234. Are formed respectively. Such driving electrodes 225 and 235 may be formed in a plurality of sectors arranged in a ring in a row along the circumference.
[0016]
Displacement detection electrodes 226 and 236 are formed on the inner surfaces of the upper bottom member 22 and the lower bottom member 24 of the gyro case 21, that is, inside the drive electrodes 225 and 235.
[0017]
Next, the electrostatic support electrodes 221 of the annular electrode portions 200A, 200B, 200C, 20D and 200A ′, 200B ′, 200C ′, 200D ′ of the gyro rotor 20 and the upper bottom member 22 and the lower bottom member 24 of the gyro case 21 are used. , 222, 223, 224 and 231, 232, 233, 234 will be described.
[0018]
The outer diameter D of the gyro rotor 20 may be 5 mm or less, the thickness t may be 0.1 mm or less, and the mass may be 10 milligrams or less. In FIG. 1, four annular electrode portions 200A, 200B, 200C, 200D and 200A ′, 200B ′, 200C ′, 200D ′ are illustrated, but in reality, a large number of annular electrode portions are formed. ing. For example, when the width L in the radial direction of each electrode portion is about 10 μm and is formed at equal intervals with a pitch of about 20 μm, about 100 ring-shaped regions are formed in an annular region having a width of about 2 mm in the radial direction. An electrode part is formed. The radial width L and pitch of each electrode part are preferably as small as possible as the manufacturing method allows.
[0019]
The dimensions of the electrostatic support electrodes 221, 222, 223, 224 and 231, 232, 233, 234 of the upper bottom member 22 and the lower bottom member 24 of the gyro case 21 are annular electrode portions 200A, 200B, 200C, 200D and 200A. It may be formed corresponding to the dimensions of ', 200B', 200C ', 200D'. For example, in FIG. 1, the circumferential portions 223A, 223C and 223B, 223D of the comb-shaped portions 223-1, 223-2 of the third electrostatic support electrode 223 are illustrated as including a total of four. Actually, a large number of circumferential portions are formed. For example, when the circumferential width L of each circumferential portion is about 10 μm and formed at equal intervals with a pitch of about 20 μm, about 100 circles are formed in an annular region having a width of about 2 mm in the radial direction. A perimeter is formed.
[0020]
Next, the positional relationship between the electrode part of the gyro rotor 20 and the electrostatic support electrode of the gyro case 21 will be described. For example, the positional relationship between the electrode portions 200A, 200B, 200C, 200D and 200A ′, 200B ′, 200C ′, 200D ′ of the gyro rotor 20 and the third pair of electrostatic support electrodes 223, 233 will be described. The first circumferential portions 223A and 233A of the third pair of electrostatic support electrodes 223 and 233 correspond to the first electrode portions 200A and 200A ′ of the gyro rotor 20, and the second electrode portions 200B and 200B. The second circumferential portions 223B and 233B of the third pair of electrostatic support electrodes 223 correspond to '. Similarly, the third and fourth circumferential portions 223C, 233C and 223D, 233D correspond to the third and fourth electrode portions 200C, 200C ′ and 200D, 200D ′.
[0021]
A gap δ between the electrode portion of the gyro rotor 20 and the corresponding electrostatic support electrode of the gyro case 21 may be several μm, for example, δ = 2 to 3 μm.
[0022]
Each electrode part 200A, 200B, 200C, 200D and 200A ′, 200B ′, 200C ′, 200D ′ of the gyro rotor 20 is a circumferential part 223A, 233A, 223B, 233B, 223C of the corresponding electrostatic support electrode 223, 233. 233C and 223D and 233D are arranged concentrically, but at the same time are arranged radially inwardly or outwardly.
[0023]
For example, the widths and pitches of the electrode portions 200A, 200B, 200C, 200D and 200A ′, 200B ′, 200C ′, 200D ′ of the gyro rotor 20 correspond to the circumferential portions 223A, 233A of the corresponding electrostatic support electrodes 223, 233. 223B, 233B, 223C, 233C, 223D, and 233D are equal in width and pitch, and are both biased radially inward or outward by a predetermined distance from each other.
[0024]
Here, the reason why the electrostatic support electrode of this example is configured to include a pair of comb-shaped portions arranged so as to sandwich the other alternately. With such a configuration, the capacitance between each pair of comb-shaped portions and the corresponding electrode portions of the gyro rotor 20 is equal on the upper and lower sides of the gyro rotor 20. For example, in the first electrostatic support electrode 221 of the first pair of electrostatic support electrodes 221 and 231, the first comb-shaped portion 221-1 (221A and 221C) and the first and second gyro rotors 20 corresponding thereto. The electrostatic capacity between the three electrode portions 200A and 200C is the static capacitance between the second comb-shaped portion 221-2 (221B and 221D) and the corresponding second and third electrode portions 200C and 200D of the gyro rotor 20. C equal to the capacitance_1AIt is.
[0025]
Therefore, the control DC voltage applied to the first comb-shaped portion 221-1 (221A, 221C) and the control DC voltage applied to the second comb-shaped portion 221-2 (221B, 221D) are equal in magnitude and polarity. Opposite voltage, eg ± V_1ABy doing so, the potential of the gyro rotor 20 can always be zero. This will be described later with reference to FIG.
[0026]
The same applies to the second electrostatic support electrodes 231 of the first pair of electrostatic support electrodes 221 and 231. The same applies to the second, third, and fourth electrostatic support electrodes 222, 232, 223, 233, 224, and 234.
[0027]
The drive electrodes 225 and 235 and the displacement detection electrodes 226 and 236 of the gyro case 21 corresponding to the drive electrode portions 200E and 200E ′ and the displacement detection electrode portions 200F and 200F ′ of the gyro rotor 20 have the same shape. Moreover, they may be arranged at the same position in the radial direction.
[0028]
Discharge stoppers 127 and 128 are provided on the inner surfaces of the upper bottom member 22 and the lower bottom member 24 of the gyro case 21, that is, at the center portions of the displacement detection electrodes 226 and 236, respectively. . Such stoppers 127 and 128 are disposed corresponding to the recesses 200f and 200f 'formed at the center of the upper and lower surfaces of the gyro rotor 20, respectively.
[0029]
The discharge combined stoppers 127 and 128 limit the displacement of the gyro rotor 20 in the Z-axis direction, the displacement in the X-axis direction and the Y-axis direction and prevent the gyro rotor 20 from contacting the inner surface of the gyro case 21 and at the same time. It is provided to discharge static electricity accumulated in the battery.
[0030]
When the gyro rotor 20 is displaced in the Z-axis direction and approaches the inner surface of the gyro case 21, before the electrode portion of the gyro rotor 20 contacts the electrode of the gyro case 21, the discharge combined stoppers 127, 128 are recessed portions of the gyro rotor 20. It contacts the bottom of 200f, 200f ′. Further, when the gyro rotor 20 is displaced in the X-axis or Y-axis direction, before the gyro rotor 20 contacts the circumferential inner wall 23A of the gyro case 21, the discharge combined stoppers 127, 128 are provided with the recesses 200f, 200f ′ of the gyro rotor 20, respectively. Abuts against the inner wall of the circumference.
[0031]
Accordingly, the displacement of the gyro rotor 20 in the Z-axis direction, the X-axis direction, and the Y-axis direction is limited, and the gyro rotor 20 is prevented from contacting the inner surface of the gyro case 21. Further, when the gyro rotor 20 stops and lands, the discharge combined stoppers 127 and 128 come into contact with the recesses 200f and 200f ′ of the gyro rotor 20 so that the static electricity accumulated in the gyro rotor 20 causes the discharge combined stoppers 127 and 128 to move. It is discharged to the outside via.
[0032]
Electrostatic support electrodes 221, 231, 222, 232, 223, 233, 224, 234, drive electrodes 225, 235 and displacement detection electrode 226 formed on the upper bottom member 22 or the lower bottom member 24 of the gyro case 21 236 and an external power supply or an external circuit may be electrically connected by through-hole connection. The upper bottom member 22 or the lower bottom member 24 is provided with a small hole, that is, a through hole, and a metal film is formed on the inner surface of the through hole. By such a metal film, the electrostatic support electrode, the drive electrode, and the displacement detection electrode are connected to an external power source or an external circuit.
[0033]
As shown in FIG. 1A, a preamplifier 35, for example, a field effect transistor is disposed on the outer surface of the upper bottom member 22, and the preamplifier 35 is connected to displacement detection electrodes 226 and 236. The upper bottom member 22 and the lower bottom member 24 are provided with a through hole 22A (only the through hole 22A provided in the upper bottom member 22 is shown), and a preamplifier is formed by a metal thin film formed on the inner surface of the through hole 22A. 35 is connected to displacement detection electrodes 226 and 326.
[0034]
Also, as will be described later with reference to FIG. 3, each pair of comb-shaped portions is electrically connected. Therefore, for example, through holes 22B (only one is shown) corresponding to each of the terminal portions 223R ′ and 223R ′ of the comb-shaped portions 223-1, 223-2 of the third pair of first electrostatic supporting electrodes 223, respectively. The metal thin film provided on the inner surface of the through hole 22B is connected to a common terminal provided on the outer side of the upper bottom member 22. Thereby, the terminal portions 223R 'and 223R' of the two comb-shaped portions 223-1, 223-2 are electrically connected. Similarly, through holes 24A (only one is shown) are provided corresponding to each of the terminal portions 231R ′ and 231R ′ of the comb-shaped portions 231-1 and 231-2 of the first pair of second electrostatic support electrodes 231. The metal thin film formed on the inner surface of the through hole 24A is connected to a common terminal provided outside the lower bottom member 24. Thereby, the terminal portions 231R 'and 231R' of the two comb-shaped portions 231-1 and 231-2 are electrically connected.
[0035]
FIG. 2 shows an example of a control loop of the gyro device. The control loop of this example includes a constraint control system including a constraint control unit 150, a rotor drive system including a rotor drive unit 160, and a sequence control unit 170.
[0036]
The constraint control unit 150 in this example is configured to detect the displacement detection current i_pIs detected and the displacement detection voltage V is detected._pA displacement detection circuit for converting into a pre-amplifier 35 and such a displacement detection voltage V_pInput DC voltage for control ± V_1A~ ± V_4A, ± V_1B~ ± V_4BAnd a control arithmetic unit 140 for generating Control DC voltage ± V output by the control operation unit 140_1A~ ± V_4A, ± V_1B~ ± V_4BIs the AC voltage AC for displacement detection_1A~ AC_4A, AC_1B~ AC_4BAre added to the electrostatic support electrodes 221 to 224 and 231 to 234. The gyro apparatus of this example is provided with a gyro acceleration output calculation unit 145 for inputting an output signal of the control calculation unit 140.
[0037]
DC voltage ± V for control to electrostatic support electrodes 221 to 224 and 231 to 234_1A~ ± V_4A, ± V_1B~ ± V_4BIs applied, the gyro rotor 20 is floatingly supported and restrained at a predetermined reference position. Displacement detection AC voltage AC is applied to the electrostatic support electrodes 221 to 224 and 231 to 234._1A~ AC_4A, AC_1B~ AC_4BIs applied to the displacement detection electrodes 226, 236 formed on the inner surface of the gyro case 21._pFlows. Such displacement detection current i_pIs supplied by the preamplifier 35 to the voltage signal V_pIs converted to Such a voltage signal V_pIncludes all linear and rotational displacements of the gyro rotor 20.
[0038]
The control calculation unit 140 is a voltage signal V_pFurther, the displacement of the gyro rotor 20 in the X-axis direction ± ΔX, the displacement in the Y-axis direction ± ΔY, the displacement in the Z-axis direction ± ΔZ, and the rotational displacements Δθ and Δφ around the Y-axis and around the X-axis ) Is detected. Further, the control DC voltage ± V to be applied to the electrostatic support electrodes 221 to 224 and 231 to 234 from such displacement._1A~ ± V_4A, ± V_1B~ ± V_4BIs calculated. Control DC voltage ± V_1A~ ± V_4A, ± V_1B~ ± V_4BChanges, and the gyro rotor 20 is returned to the original position so that the amount of deviation becomes zero.
[0039]
The control loop or restraint system of the present example is a passive restraint system in that the electrostatic force is actively changed so that the deviation amount of the gyro rotor 20 is actually measured and the deviation amount becomes zero. It is not active.
[0040]
Next, the operation of the constraint control system will be described in detail with reference to FIG. Although the gyro rotor 20 is actually rotating at high speed, each of the four portions of the gyro rotor 20 at positions corresponding to the first, second, third, and fourth pairs of electrostatic support electrodes P₁, P₂, P_ThreeAnd P_FourAnd
[0041]
FIG. 3 shows a cross section of the gyro device of this example cut along the XZ plane, and the first and third pairs of electrostatic support electrodes 221, 231, and 223 arranged along the X axis. 233 and the corresponding first and third portions P of the gyro rotor 20₁, P_ThreeIt is shown. Second and fourth pairs of electrostatic support electrodes arranged along the Y axis and the corresponding second and fourth portions P of the gyro rotor 20₂And P_FourAlthough not shown, they are arranged along a direction perpendicular to the paper surface.
[0042]
The circumferential portions 221A, 221B, 221C, and 221D of the first pair of electrostatic supporting electrodes 221 correspond to the electrode portions 200A, 200B, 200C, and 200D on the upper surface of the gyro rotor 20, and the first pair of electrostatic supporting electrodes 221 The circumferential portions 231A, 231B, 221C, and 221D of the support electrode 231 correspond to the electrode portions 200A ′, 200B ′, 200C ′, and 200D ′ on the lower surface of the gyro rotor 20, and the third pair of electrostatic support electrodes 223. The circumferential portions 223A, 223B, 223C, and 223D correspond to the electrode portions 200A, 200B, 200C, and 200D on the upper surface of the gyro rotor 20, and the circumferential portions 233A and 233B of the third pair of electrostatic support electrodes 233. 233C and 233D correspond to the electrode portions 200A ′, 200B ′, 200C ′, and 200D ′ on the lower surface of the gyro rotor 20. The same applies to the second pair of electrostatic electrodes and the fourth pair of electrostatic support electrodes.
[0043]
First, application of the control DC voltage will be described. Circumferential portions 221A and 221C of the first comb-shaped portion 221-1 of the first pair of electrostatic support electrodes 221 are connected to the direct current voltage −V via the adder 36-1A._1AThe circumferential portions 221B and 221D of the second comb-shaped portion 221-2 are connected to the DC voltage + V via the adder 36 + 1A._1AThe circumferential portions 231A and 231C of the first comb portion 231-1 of the first pair of electrostatic support electrodes 231 are connected to the DC voltage −V via the adder 36-1B._1BThe circumferential portions 231B and 231D of the second comb portion 231-2 are connected to the DC voltage + V via the adder 36 + 1B._1BIt is connected to the.
[0044]
Similarly, the circumferential portions 223A and 223C of the first comb-shaped portion 223-1 of the third pair of electrostatic supporting electrodes 223 are connected to the DC voltage −V via the adder 36-3A._3AThe circumferential portions 223B and 223D of the second comb portion 223-2 are connected to the DC voltage + V via the adder 36 + 3A._3AThe circumferential portions 233A and 233C of the first comb portion 233-1 of the third pair of electrostatic support electrodes 233 are connected to the DC voltage −V via the adder 36-3B._3BThe circumferential portions 233B and 233D of the second comb portion 233-2 are connected to the DC voltage + V via the adder 36 + 3B._3BIt is connected to the.
[0045]
Although not shown, the circumferential portions 222A and 222C of the first comb-shaped portion 222-1 of the second pair of electrostatic support electrodes 222 have a DC voltage −V._2AThe circumferential portions 222B and 222D of the second comb portion 222-2 are connected to the DC voltage + V._2AThe circumferential portions 232A and 232C of the first comb portion 232-1 of the second pair of electrostatic support electrodes 232 are connected to the DC voltage −V._2BThe circumferential portions 232B and 232D of the second comb portion 232-2 are connected to the DC voltage + V._2BIt is connected to the.
[0046]
Similarly, the circumferential portions 224A and 224C of the first comb-shaped portion 224-1 of the fourth pair of electrostatic support electrodes 224 are connected to the DC voltage −V._4AThe circumferential portions 224B and 224D of the second comb-shaped portion 224-2 are connected to the DC voltage + V_4AAnd the circumferential portions 234A and 234C of the first comb-shaped portion 234-1 of the fourth pair of electrostatic supporting electrodes 234 have a DC voltage −V_4BThe circumferential portions 234B and 234D of the second comb portion 234-2 are connected to the DC voltage + V_4BIt is connected to the.
[0047]
Next, application of the detection AC voltage will be described. The first and third pairs of electrostatic supporting electrodes 221, 231 and 223, 233 are superimposed on the control DC voltage and are detected AC voltage AC._1A, AC_1B, AC_3A, AC_3CIs applied. As shown, the first pair of adders 36-1A, 36 + 1A and 36-1B, 36 + 1B has a detection AC voltage AC._1A, AC_1BAnd AC_3A, AC_3CIs applied to the third pair of adders 36-3A, 36 + 3A and 36-3B, 36 + 3B._3A, AC_3CIs applied. Similarly, the second and fourth pairs of adders have a detection AC voltage AC._2A, AC_2BAnd AC_4A, AC_4CIs applied. Such a detection AC voltage AC_1A, AC_1B, AC_3A, AC_3C, AC_2A, AC_2BAnd AC_4A, AC_4CIs expressed as follows.
[0048]
[Expression 1]
AC_1A= -EX-Eθ-EZ
AC_1B= -EX + Eθ + EZ
AC_3A= + EX + Eθ-EZ
AC_3B= + EX-Eθ + EZ
[0049]
[Expression 2]
AC_2A= -EY-Eφ-EZ
AC_2B= -EY + Eφ + EZ
AC_4A= + EY + Eφ-EZ
AC_4B= + EY-Eφ + EZ
[0050]
Here, ± EX is a voltage component for detecting the linear displacement ΔX of the gyro rotor 20 in the X axis direction, ± EY is a voltage component for detecting the linear displacement ΔY of the gyro rotor 20 in the Y axis direction, and ± EZ is The voltage component for detecting the linear displacement ΔZ of the gyro rotor 20 in the Z-axis direction, ± Eθ is the voltage component for detecting the rotational displacement Δθ around the Y-axis of the gyro rotor 20, and ± Eφ is the X-axis of the gyro rotor 20 This is a voltage component for detecting the surrounding rotational displacement Δφ.
[0051]
Here, AC voltage AC for detection_1A, AC_1B, AC_3A, AC_3BAnd AC_2A, AC_2B, AC_4A, AC_4BEach term on the right side of is expressed as follows.
[0052]
[Equation 3]
+ EX = E₀cos (ω₁t + ζ₁)
-EX = E₀cos (ω₁t + η₁)
+ EY = E₀cos (ω₂t + ζ₂)
-EY = E₀cos (ω₂t + η₂)
+ EZ = E₀cos (ω_Threet + ζ_Three)
-EZ = E₀cos (ω_Threet + η_Three)
+ Eθ = E₀cos (ω_Fourt + ζ_Four)
-Eθ = E₀cos (ω_Fourt + η_Four)
+ Eφ = E₀cos (ω_Fivet + ζ_Five)
-Eφ = E₀cos (ω_Fivet + η_Five)
[0053]
ω₁, Ω₂, Ω_Three, Ω_Four, Ω_FiveIs a detection frequency. Further, the symbols ± EX, ± EY, ± EZ, ± Eθ, and ± Eφ represent a phase difference of 180 degrees. Therefore, the phase differences ζ and η have the following relationship.
[0054]
[Expression 4]
η₁= Ζ₁± 180 °
η₂= Ζ₂± 180 °
η_Three= Ζ_Three± 180 °
η_Four= Ζ_Four± 180 °
η_Five= Ζ_Five± 180 °
[0055]
Next, the principle of the displacement detection system of this example will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows an equivalent circuit of the constraint control system and the rotor drive system. In the equivalent circuit of the constraint control system, the first and third pairs of electrostatic support electrodes 221, 231 and 223, 233 and the corresponding electrode portions 200A, 200A ′, 200C, 200C ′ of the gyro rotor 20 are replaced with capacitors. It has been. As described above, in the first electrostatic support electrode 221 of the first pair of electrostatic support electrodes 221 and 231, between the first comb-shaped portion 221-1 and the first and third electrode portions 200A and 200C. And the capacitance between the second comb-shaped portion 221-2 and the second and fourth electrode portions 200B and 200D are equal to each other._1AIn the second electrostatic support electrode 231, the capacitance between the first comb portion 231-1 and the first and third electrode portions 200A ′ and 200C ′ and the second comb portion 221-2. And the second and fourth electrode parts 200B ′ and 200D ′ have the same capacitance C_1BIt is.
[0056]
Similarly, in the first electrostatic support electrode 223 of the third pair of electrostatic support electrodes 223 and 233, static electricity between the first comb-shaped portion 223-1 and the first and third electrode portions 200A and 200C is obtained. The capacitance between the capacitance, the second comb-shaped portion 223-2, and the second and fourth electrode portions 200B and 200D is equal to C._3AIn the second electrostatic support electrode 233, the capacitance between the first comb portion 233-1 and the first and third electrode portions 200A ′ and 200C ′ and the second comb portion 233-2. And the second and fourth electrode parts 200B ′ and 200D ′ have the same capacitance C_3BIt is.
[0057]
Although the cross section of the gyro device of this example cut along the YZ plane is not shown, the second and fourth pairs of electrostatic supporting electrodes 222, 232 and 224, 234 arranged along the Y axis and the same The corresponding second and fourth parts P of the gyro rotor 20₂And P_FourA similar argument holds for.
[0058]
The capacitances of the capacitors formed by the displacement detection electrodes 226 and 236 and the corresponding displacement detection electrode portions 200F and 200F 'of the gyro rotor 20 are respectively represented by C._FA, C_FBAnd
[0059]
For example, the gyro rotor 20 is linearly displaced by ΔX in the X-axis direction, linearly displaced by ΔY in the Y-axis direction, linearly displaced by ΔZ in the Z-axis direction, and rotationally displaced by the rotation angle Δθ around the Y-axis. It is assumed that the rotation is displaced around the rotation angle Δφ. Assuming that the displacement of the gyro rotor 20 is sufficiently small, the capacitance of each capacitor is expressed as follows.
[0060]
[Equation 5]
C_1A= C₀(1 + ΔX + ΔZ + Δθ)
C_1B= C₀(1 + ΔX−ΔZ−Δθ)
C_2A= C₀(1 + ΔY + ΔZ + Δφ)
C_2B= C₀(1 + ΔY−ΔZ−Δφ)
C_3A= C₀(1-ΔX + ΔZ-Δθ)
C_3B= C₀(1-ΔX-ΔZ + Δθ)
C_4A= C₀(1-ΔY + ΔZ-Δφ)
C_4B= C₀(1-ΔY-ΔZ + Δφ)
[0061]
C here₀Is the capacitance of each capacitor when all displacements are zero. Conversely, the displacements ΔX, ΔY, ΔZ, Δθ, and Δφ can be expressed by the capacitance of the capacitor from this equation.
[0062]
[Formula 6]
ΔX = (1 / 4C₀) (C_1A+ C_1B-C_3A-C_3B)
ΔY = (1 / 4C₀) (C_2A+ C_2B-C_4A-C_4B)
ΔZ = (1 / 4C₀) (C_1A-C_1B+ C_3A-C_3B)
= (1 / 4C₀) (C_2A-C_2B+ C_4A-C_4B)
Δθ = (1 / 4C₀) (C_1A-C_1B-C_3A+ C_3B)
Δφ = (1 / 4C₀) (C_2A-C_2B-C_4A+ C_4B)
[0063]
In each electrostatic support electrode, the two comb-shaped portions 221-1 and 221-2, 231-1 and 231-2, 223-1 and 223-2, 233-1 and 233-2 are equal in size. Control DC voltage with opposite polarity ± V_1A, ± V_1B, ± V_3A, ± V_3BIs applied. Therefore, the midpoint Q of the two pairs of capacitors₁, Q₂, Q_Three  , Q_Four(Q in Fig. 4₁, Q_Three(Only shown) is zero. That is, since the control DC voltage having the same size and different polarity is applied to each pair of comb-shaped portions of the electrostatic support electrode, the potential of the gyro rotor 20 is zero.
[0064]
The first to fourth pairs of electrostatic support electrodes 221, 231, 222, 232, 223, 233, 224, and 234 are superimposed on the control DC voltage and are respectively detected AC voltages AC_1A, AC_1B, AC_2A, AC_2B, AC_3A, AC_3B, AC_4A, And AC_4BIs applied to the displacement detection electrodes 226, 236._PWill occur. Such displacement detection AC current i_PIs represented by the following equation.
[0065]
[Expression 7]
i_P= K '(C_1AAC_1A+ C_1BAC_1B+ C_2AAC_2A+ C_2BAC_2B+ C_3AAC_3A+ C_3BAC_3B+ C_4AAC_4A+ C_4BAC_4B)
K ′ = 2 (C_FA+ C_FB) S / (2C_1A+ 2C_1B+ 2C_2A+ 2C_2B+ 2C_3A+ 2C_3B+ 2C_4A+ 2C_4B+ C_FA+ C_FB)
[0066]
Here, K ′ is a proportionality constant, and s is a Laplace operator. AC voltage AC for detection represented by the formulas 1 and 2 in this formula_1A, AC_1B, AC_2A, AC_2B, AC_3A, AC_3BAnd AC_4A, AC_4BAnd the capacitance C expressed by the equation_1A, C_1B, C_2A, C_2B, C_3A, C_3BAnd C_4A, C_4BIs substituted and the displacement is detected AC current i_PIs represented by displacement. Eventually, the gyro rotor 20 is linearly displaced by ΔX in the X-axis direction, linearly displaced by ΔY in the Y-axis direction, linearly displaced by ΔZ in the Z-axis direction, and rotationally displaced by the rotation angle Δθ around the Y-axis. When the rotation is displaced around the rotation angle Δφ, the displacement detection AC current i_PIs represented by the following equation.
[0067]
[Equation 8]
i_P= K_I(EXΔX + EYΔY + 2EZΔZ + EθΔθ + EφΔφ)
K_I= -8sC₀(C_FA+ C_FB) / (16C₀+ C_FA+ C_FB)
[0068]
K here_IIs a proportionality constant, and s is a Laplace operator. Such displacement detection AC current i_PIs supplied to the preamplifier 35 via a resistor 36 having a resistance value R, and the displacement detecting AC voltage V_PIs converted to Such displacement detection AC voltage V_PIs represented by the following equation.
[0069]
[Equation 9]
V_P= V_P(X) + V_P(Y) + V_P(Z) + V_P(Θ) + V_P(Φ)
[0070]
Here, each term on the right side is a voltage component corresponding to each displacement ΔX, ΔY, ΔZ, Δθ, Δφ, and is expressed as follows.
[0071]
[Expression 10]
V_P(X) = K_IEXΔX = K_V1E₀ω₁ΔXsin (ω₁t + ζ₁)
V_P(Y) = K_IEYΔY = K_V2E₀ω₂ΔYsin (ω₂t + ζ₂)
V_P(Z) = K_IEZΔZ = K_V3E₀ω_ThreeΔZsin (ω_Threet + ζ_Three)
V_P(Θ) = K_IEθΔθ = K_V4E₀ω_FourΔθsin (ω_Fourt + ζ_Four)
V_P(Φ) = K_IEφΔφ = K_V5E₀ω_FiveΔφsin (ω_Fivet + ζ_Five)
[0072]
K here_V1~ K_V5Is the capacitance C of the capacitor₀, C_FA, C_FBIt is a constant determined by. As is clear from the equations (9) and (10), the output voltage V_PIncludes all displacements of the gyro rotor 20 independently. 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 ΔX, ΔY, ΔZ and two or more rotational displacements Δθ, Δφ are superimposed, each displacement can be obtained by extracting a voltage component corresponding thereto. In addition, this equation expresses the output voltage V_PIs a displacement detection frequency ω corresponding to the linear displacements ΔX, ΔY, ΔZ and rotational displacements Δθ, Δφ.₁~ Ω_FiveIndicates that the amplitude is modulated.
[0073]
When the linear displacements ΔX, ΔY, ΔZ and rotational displacements Δθ, Δφ of the gyro rotor 20 are obtained, a control DC voltage is obtained based on the obtained linear displacements. The control DC voltage is expressed by the following equation.
[0074]
## EQU11 ##
V_1A= V₀+ ΔV_1A
V_1B= V₀+ ΔV_1B
V_2A= V₀+ ΔV_2A
V_2B= V₀+ ΔV_2B
V_3A= V₀+ ΔV_3A
V_3B= V₀+ ΔV_3B
V_4A= V₀+ ΔV_4A
V_4B= V₀+ ΔV_4B
[0075]
V_1AAnd V_1BIs a control DC voltage applied to the first pair of electrostatic support electrodes 221 and 231, V_2AAnd V_2BIs a control DC voltage applied to the second pair of electrostatic supporting electrodes 222, 232, V_3AAnd V_3BIs a control DC voltage applied to the third pair of electrostatic supporting electrodes 223, 233, V_4AAnd V_4BIs a control DC voltage applied to the fourth pair of electrostatic supporting electrodes 224, 234.
[0076]
V₀Is a reference voltage and is known. Therefore, in order to obtain the control DC voltage, the amount of change ΔV_1A, ΔV_1B, ΔV_2A, ΔV_2B, ΔV_3A, ΔV_3B, ΔV_4A, ΔV_4BYou can ask for. These changes are calculated from linear displacements ΔX, ΔY, ΔZ and rotational displacements Δθ, Δφ. First, non-dimensional forces Fx, Fy, Fz and torques Tθ, Tφ are calculated from linear displacements ΔX, ΔY, ΔZ and rotational displacements Δθ, Δφ. Details of the dimensionless calculation are omitted here. Refer to the above application for details.
[0077]
In the calculation for obtaining the change amount of the control DC voltage from the dimensionless forces Fx, Fy, Fz and the torques Tθ, Tφ, there are few conditional expressions for the obtained variable (change amount). Therefore, the change amount ΔV_1A, ΔV_1BAnd ΔV_3A, ΔV_3BAnd ΔV_2A, ΔV_2BAnd ΔV_4A, ΔV_4BIs provided with another condition.
[0078]
[Expression 12]
ΔV_1A+ ΔV_1B+ ΔV_3A+ ΔV_3B= 0
ΔV_2A+ ΔV_2B+ ΔV_4A+ ΔV_4B= 0
[0079]
Using this condition, the change amount ΔV of the control DC voltage_1A~ ΔV_4BIs calculated. Such an arithmetic expression is expressed as follows.
[0080]
[Formula 13]
ΔV_1A= (V₀/ 4) (Fx + Fz / 2 + Tθ)
ΔV_1B= (V₀/ 4) (Fx−Fz / 2−Tθ)
ΔV_2A= (V₀/ 4) (Fy + Fz / 2 + Tφ)
ΔV_2B= (V₀/ 4) (Fy-Fz / 2-Tφ)
ΔV_3A= (V₀/ 4) (−Fx + Fz / 2−Tθ)
ΔV_3B= (V₀/ 4) (-Fx-Fz / 2 + Tθ)
ΔV_4A= (V₀/ 4) (-Fy + Fz / 2-Tφ)
ΔV_4B= (V₀/ 4) (-Fy-Fz / 2 + Tφ)
[0081]
The dimensionless forces Fx, Fy, Fz and torques Tθ, Tφ are supplied to the gyro acceleration output 11 unit 145, and the external force acceleration α_X, Α_Y, Α_ZAnd angular velocities dθ / dt and dφ / dt are calculated. The external force acceleration and angular velocity are expressed as follows.
[0082]
[Expression 14]
α_X= Fx / mg
α_Y= Fy / mg
α_Z= Fz / mg
dθ / dt = Tθ / H
dφ / dt = Tφ / H
[0083]
m is the mass of the gyro rotor 20, g is the acceleration of gravity, and H is the spin angular momentum of the gyro rotor 20.
[0084]
Next, the rotor drive system in the gyro apparatus will be described. As shown in FIGS. 2, 3, and 4, the rotor drive system of the present example includes drive electrode portions 200 </ b> E and 200 </ b> E ′ formed on the upper and lower surfaces of the gyro rotor 20 and the upper bottom member 22 or lower of the gyro case 21. Drive electrodes 225 and 235 formed on the side bottom member 24 and the rotor drive unit 160 are included. The rotor drive system of this example is configured to input a command signal from the sequence controller 170 and apply a drive voltage to the drive electrodes 225 and 235 to start, rotate, and stop the gyro rotor 20. .
[0085]
As shown in FIG. 1B and as described above, the driving electrode portion 200E and the driving electrode 225 of the gyro rotor 20 and the driving electrode portion 200E ′ and the driving electrode 235 are on the circumference of the same radius. It is arranged in one row and is composed of a plurality of identically shaped sector parts.
[0086]
The drive electrode portions 200E and 200E 'and the drive electrodes 225 and 235 in this example constitute a three-phase electrode. According to this example, the upper driving electrode portion 200E of the gyro rotor 20 includes four fan-shaped portions spaced apart from each other by a central angle of 90 °, and the lower driving electrode portion 200E ′ is 90 ° to each other. The four fan-shaped parts spaced apart at the central angle of the center.
[0087]
Correspondingly, the upper drive electrode 225 of the gyro case 21 includes twelve fan-shaped portions spaced at equal central angles, and the lower drive electrode 235 is spaced at equal central angles. 12 sectors are included. Each of the twelve driving electrodes 225 or 235 is composed of four sets of fan-shaped portions, and each set of fan-shaped portions is composed of three fan-shaped portions, that is, fan portions of the first phase, the second phase, and the third phase. .
[0088]
Corresponding phase sectors of each set of drive electrodes 225 or 235 are electrically connected to each other. For example, four driving electrodes 225 or 235 in the first phase are connected to each other, four driving electrodes 225 or 235 in the second phase are connected to each other, and four driving electrodes 225 or 235 in the third phase are connected to each other. Has been.
[0089]
A three-phase driving voltage is applied to the three-phase common terminal. The driving voltage may be a stepped voltage or a pulse voltage. Such driving voltage is sequentially switched to the four sectors of the next phase adjacent to each other. The drive voltage is switched in synchronization with the rotation of the gyro rotor 20. Thereby, the gyro rotor 20 rotates at a high speed. Since the gap 26 of the gyro case 21 is maintained in vacuum, the driving voltage may be cut off when the rotational speed of the gyro rotor 20 is increased, but the driving voltage may be continuously applied.
[0090]
The drive electrode portions 200E and 200E 'and the drive electrodes 225 and 235 constituting the three-phase electrode may be configured to include more fan-shaped portions. For example, each of the drive electrode portions 200E and 200E ′ includes five fan-shaped portions, and each of the drive electrodes 225 and 235 correspondingly includes five sets (15) of fan-shaped portions. Also good.
[0091]
An equivalent circuit of the rotor drive system is shown on the right side of FIG. The driving electrode portion 200E of the gyro rotor 20 and the driving electrode 225 of the gyro case 22 are replaced with capacitors, and the driving electrode portion 200E ′ of the gyro rotor 20 and the driving electrode 235 of the gyro case 24 are replaced with capacitors. . Driving DC voltages VR1, VR2, VR3 for rotating the gyro rotor 20 and detection AC voltages ACR1, ACR2, ACR3 for detecting the rotation angle of the gyro rotor 20 are applied to each capacitor.
[0092]
The operation of the drive motor of this example will be described in detail with reference to FIG. FIG. 5 shows a state in which the driving electrode portion 200E on the upper side of the gyro rotor 20 that is actually arranged circumferentially and the driving electrode 225 on the upper side of the gyro case 22 corresponding thereto are arranged linearly. It is shown.
[0093]
The driving electrode portion 200E on the upper side of the gyro rotor 20 includes four fan-shaped portions 200E-1, 200E-2, 200E-3, and 200E-4 that are spaced apart from each other by a central angle of 90 °. Correspondingly, the driving electrode 225 on the upper side of the gyro case 22 includes twelve fan-shaped portions, each of which includes four sets, and each set includes three, that is, three-phase fan-shaped portions. Reference numerals 225-1, 225-2, and 225-3 are attached to the first, second, and third phase fan-shaped portions of each set of fan-shaped portions, respectively.
[0094]
Four sectors 225-1 of the first phase are electrically connected to each other, four sectors 225-2 of the second phase are electrically connected to each other, and four sectors 225 of the third phase. -3 are electrically connected to each other.
[0095]
A command signal from the sequence control unit 170 is supplied to the rotor driving unit 160, and the driving DC voltages VR1, VR2, and so on are respectively applied to the three-phase driving electrodes 225-1, 225-2, and 225-3 by the command signal. VR3 and detection AC voltages ACR1, ACR2, and ACR3 are applied.
[0096]
Driving DC voltages VR1, VR2, and VR3 are sequentially applied to the driving electrodes 225-1, 225-2, and 225-3 of the first, second, and third phases at every predetermined switching time Δt. Thereby, the gyro rotor 20 rotates around the central axis, that is, the spin axis by 360 degrees / 12 = 30 degrees every switching time Δt.
[0097]
The graph shown on the lower side of FIG. 5 is the rotation angle detection current generated in the displacement detection electrodes 226 and 236 or the rotation angle detection voltages ACQ1, ACQ2, and ACQ3 corresponding thereto. The rotation angle of the gyro rotor 20 is detected by the rotation angle detection signals ACQ1, ACQ2, and ACQ3.
[0098]
For example, when the driving DC voltage VR1 is applied to the first-phase driving electrode 225-1, the four driving electrode portions 200E-1, 200E-2, 200E-3, and 200E-4 are the first. The gyro rotor 20 rotates about the central axis until it is aligned with the driving electrodes 225-1, 225-1, 225-1, and 225-1 of the second phase, that is, the second phase driving. When the driving DC voltage VR2 is applied to the driving electrode 225-2, the four driving electrode portions 200E-1, 200E-2, 200E-3, and 200E-4 are the second phase driving electrodes 225-. The gyro rotor 20 rotates around the central axis until it is aligned with 2, 225-2, 225-2, 225-2, that is, 30 degrees.
[0099]
With reference to FIG. 6, the restraining force acting on the gyro rotor 20 is obtained. Four parts P of the gyro rotor 20₁, P₂, P_Three, P_FourThe electrostatic forces in the Z-axis direction that act on Fz1 are Fz1, Fz2, Fz3, and Fz4, respectively. Two parts P of the gyro rotor 20₁, P_ThreeThe electrostatic forces in the X-axis direction that act on Fx1, Fx2, and the two parts P of the gyro rotor 20 respectively₂, P_FourThe electrostatic forces in the Y-axis direction that act on Fy are Fy1 and Fy2, respectively. The restraining force Fxc in the X-axis direction acting on the gyro rotor 20 is the difference between the two electrostatic forces Fx1 and Fx3, and the restraining force Fyc in the Y-axis direction acting on the gyro rotor 20 is the difference between the two electrostatic forces Fy2 and Fy4. is there. The restraining force Fzc in the Z-axis direction acting on the gyro rotor 20 is the sum of four electrostatic forces Fz1, Fz2, Fz3, and Fz4.
[0100]
[Expression 15]
Fxc = Fx1-Fx2
Fyc = Fy1-Fy2
Fzc = Fz1 + Fz2 + Fz3 + Fz4
[0101]
The constraint torque Tθc around the Y axis acting on the gyro rotor 20 is the difference between the product of each of the two electrostatic forces Fz1 and Fz3 in the Z axis direction and the arm length r, and around the X axis acting on the gyro rotor 20 The restraining torque Tφc is the difference between the product of each of the two electrostatic forces Fz2 and Fz4 in the Z-axis direction and the arm length r.
[0102]
[Expression 16]
Tθc = (Fz1-Fz3) · r
Tφc = (Fz2−Fz4) · r
[0103]
Two parts P of the gyro rotor 20₁, P_ThreeThe electrostatic forces Fx1 and Fx3 in the X-axis direction acting on the control DC voltage V applied to the corresponding pair of electrostatic support electrodes 221, 231 or 223, 233 respectively._1A, V_1BOr V_3A, V_3BIs proportional to the sum of the squares of. Two parts P of the gyro rotor 20₂, P_FourThe electrostatic forces Fy1 and Fy3 in the Y-axis direction that act on the control DC voltages Vy applied to the corresponding pairs of electrostatic support electrodes 222, 232 or 224, 234, respectively._2A, V_2BOr V_4A, V_4BIs proportional to the sum of the squares of.
[0104]
[Expression 17]
Fx1 = (C₁/ 2L₁) (V_1A ²+ V_1B ²)
Fx3 = (C_Three/ 2L₂) (V_3A ²+ V_3B ²)
Fy2 = (C₂/ 2L_Three) (V_2A ²+ V_2B ²)
Fy4 = (C_Four/ 2L_Four) (V_4A ²+ V_4B ²)
[0105]
C₁, C₂, C_Three, C_FourIs a capacitance of a capacitor constituted by the electrostatic support electrodes 221, 222, 232, 223, 233, 224, 234 of the gyro case 21 and the electrode part of the gyro rotor 20, L₁, L₂, L_Three, L_FourIs the dimension of the capacitor. Four parts P of the gyro rotor 20₁, P₂, P_Three, P_FourThe Z-axis direction electrostatic forces Fz1, Fz2, Fz3, and Fz4 acting on the control are applied to the four pairs of electrostatic supporting electrodes 221, 222, 232, 223, 233, 224, 234 corresponding to the control DC voltage V._1A, V_1B, V_2A, V_2B, V_3A, V_3B, V_4A, V_4BIs proportional to the square of
[0106]
[Expression 18]
Fz1 = (C₁/ 2δ₁) (V_1A ²-V_1B ²)
Fz2 = (C₂/ 2δ₂) (V_2A ²-V_2B ²)
Fz3 = (C_Three/ 2δ_Three) (V_3A ²-V_3B ²)
Fz4 = (C_Four/ 2δ_Four) (V_4A ²-V_4B ²)
[0107]
δ₁, Δ₂, Δ_Three, Δ_FourIs the capacitor spacing. Here, it is assumed that each capacitor has the same shape and size, and C₁= C₂= C_Three= C_Four= C₀, L₁= L₂= L_Three= L_Four= L, δ₁= Δ₂= Δ_Three= Δ_Four= Δ. Substituting Equations 17 and 18 into Equations 15 and 16 yields the following equations.
[0108]
[Equation 19]
Fxc = (C₀/ 2L) (V_1A ²+ V_1B ²-V_3A ²-V_3B ²)
Fyc = (C₀/ 2L) (V_2A ²+ V_2B ²-V_4A ²-V_4B ²)
Fzc = (C₀/ 2δ) (V_1A ²-V_1B ²+ V_2A ²-V_2B ²+ V_3A ²-V_3B ²+ V_4A ²-V_4B ²)
Tθc = (rC₀/ 2δ) (V_1A ²-V_1B ²-V_3A ²+ V_3B ²)
Tφc = (rC₀/ 2δ) (V_2A ²-V_2B ²-V_4A ²+ V_4B ²)
[0109]
In the conventional gyro apparatus, the control DC voltage is obtained by the equations (11) and (13). When the equations (11) and (13) are actually substituted into the equation (19) and the electrostatic forces Fx, Fy, Fz and torques Tθ, Tφ acting on the gyro rotor 20 are obtained, the following is obtained.
[0110]
[Expression 20]
Fxc = (C₀V₀ ²/ L) (Fx + Fz · Tθ / 8)
Fyc = (C₀V₀ ²/ L) (Fy + Fz · Tφ / 8)
Fzc = (C₀V₀ ²/ Δ) (Fz + Fx · Tθ / 4 + Fy・ Tφ / 4)
Tθc = (rC₀V₀ ²/ Δ) (Tθ + Fz · Fx / 8)
Tφc = (rC₀V₀ ²/ Δ) (Tφ + Fz · Fy / 8)
[0111]
Normally, the second term on the right side of each equation of Equation 20 (the right side of the third equation includes the third term, but hereinafter simply referred to as the second term) is sufficiently smaller than the first term and should be ignored. Can do. Ignoring the second term on the right side of each equation in Equation 20 gives the following.
[0112]
[Expression 21]
Fxc = (C₀V₀ ²/ L) ・ Fx
Fyc = (C₀V₀ ²/ L) ・ Fy
Fzc = (C₀V₀ ²/ Δ) · Fz
Tθc = (rC₀V₀ ²/ Δ) · Tθ
Tφc = (rC₀V₀ ²/ Δ) ・ Tφ
[0113]
Therefore, the restraining forces Fxc, Fyc, Fzc and moments Tθc, Tφc acting on the gyro rotor 20 are proportional to the external forces Fx, Fy, Fz and moments Tθ, Tφ that give displacement to the gyro rotor 20. That is, even if the external forces Fx, Fy, Fz and moments Tθ, Tφ act on the gyro rotor 20 in combination, a control DC voltage proportional to each external force is generated, and the restraining forces Fxc, Fyc acting on the gyro rotor 20 , Fzc and moments Tθc, Tφc are generated.
[0114]
[Problems to be solved by the invention]
Assuming that the second term on the right side of each equation in Equation 20 is sufficiently smaller than the first term and ignoring it, restraining forces Fxc, Fyc, Fzc and moments Tθc, Tφc acting on the gyro rotor 20 are applied to the gyro rotor 20. It is proportional to external forces Fx, Fy, Fz and moments Tθ, Tφ that give displacement. However, in practice, the second term on the right side of each equation in Formula 20 is not zero. The second term on the right side includes an axial force or moment that is different from the axis on which the restraining force acts.
[0115]
Therefore, in the conventional gyro device, an error of cross coupling represented by the second term on the right side of each equation of Formula 20 occurs. This value is small but needs to be removed with precision gyroscopes.
[0116]
An object of the present invention is to accurately obtain a binding force to the gyro rotor 20 generated by the control DC voltage.
[0117]
[Means for Solving the Problems]
  The gyro device of the present invention is
  A gyro case having a Z axis along the central axis direction, and an X axis and a Y axis perpendicular to the Z axis;
  A gyro rotor having a spin axis in the direction of the central axis that is supported in a non-contact manner by an electrostatic supporting force inside the gyro case;
  A plurality of electrostatic support electrodes arranged to be spaced apart from the gyro rotor and applied with a control voltage;
  A rotor drive system for rotating the gyro rotor at a high speed around the spin axis;
  A displacement detection system for detecting linear displacement in the X-axis direction, Y-axis direction and Z-axis direction of the gyro rotor and rotational displacement around the Y-axis and around the X-axis;
  An acceleration detection type gyro apparatus having a constraint control system having a feedback loop that corrects the control voltage so that the displacement detected by the displacement detection system becomes zero.
  TheA reference voltage V that is a bias voltage for holding the gyro rotor at a reference position that is a position of the gyro rotor when acceleration is not applied.₀When,Using the fluctuation amount ΔV,The control voltage applied to the electrostatic support electrode isV₀(1 + 2ΔV / V₀)^1/2Represented byHere, the fluctuation amount ΔV is the reference voltage V ₀ And a force Fx acting on the gyro rotor in the X axis direction, a force Fy acting on the gyro rotor in the Y axis direction, a force Fz acting on the gyro rotor in the Z axis direction, The torque Tθ around the Y axis acting on the gyro rotor and the torque Tφ around the X axis acting on the gyro rotor are expressed.
[0118]
  The electrostatic support electrodes include four pairs of electrostatic support electrodes disposed on the upper and lower surfaces of the gyro rotor, and a control voltage V applied to the four pairs of electrostatic support electrodes._1A, V_1B, V_2A, V_2B, V_3A, V_3B, V_4A, V_4BIs,Reference voltage V₀WhenRepresented by the first equationFluctuation amount ΔV_1A, ΔV_1B, ΔV_2A, ΔV_2B, ΔV_3A, ΔV_3B, ΔV_4A, ΔV_4B Using,nextSecondRepresented by an expression.
First formula
ΔV _1A = (V ₀ / 4) (Fx + Fz / 2 + Tθ)
ΔV _1B = (V ₀ / 4) (Fx−Fz / 2−Tθ)
ΔV _2A = (V ₀ / 4) (Fy + Fz / 2 + Tφ)
ΔV _2B = (V ₀ / 4) (Fy-Fz / 2-Tφ)
ΔV _3A = (V ₀ / 4) (−Fx + Fz / 2−Tθ)
ΔV _3B = (V ₀ / 4) (-Fx-Fz / 2 + Tθ)
ΔV _4A = (V ₀ / 4) (-Fy + Fz / 2-Tφ)
ΔV _4B = (V ₀ / 4) (-Fy-Fz / 2 + Tφ)
Second formula
V_1A= V₀(1 + 2ΔV_1A/ V₀)^1/2
V_1B= V₀(1 + 2ΔV_1B/ V₀)^1/2
V_2A= V₀(1 + 2ΔV_2A/ V₀)^1/2
V_2B= V₀(1 + 2ΔV_2B/ V₀)^1/2
V_3A= V₀(1 + 2ΔV_3A/ V₀)^1/2
V_3B= V₀(1 + 2ΔV_3B/ V₀)^1/2
V_4A= V₀(1 + 2ΔV_4A/ V₀)^1/2
V_4B= V₀(1 + 2ΔV_4B/ V₀)^1/2
[0119]
Thus, in this example, errors in cross coupling in the electrostatic forces Fx, Fy, Fz and torques Tθ, Tφ acting on the gyro rotor are eliminated.
[0120]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An example of the gyro apparatus of the present invention will be described. The gyro device of the present invention is different from the conventional gyro device described with reference to FIGS. Good. Therefore, the control DC voltage applied to the electrostatic support electrode in the gyro apparatus of the present invention will be described below. The control DC voltage in this example is expressed by the following equation instead of the equation (11).
[0121]
[Expression 22]
V_1A= V₀(1 + 2ΔV_1A/ V₀)ⁿ
V_1B= V₀(1 + 2ΔV_1B/ V₀)ⁿ
V_2A= V₀(1 + 2ΔV_2A/ V₀)ⁿ
V_2B= V₀(1 + 2ΔV_2B/ V₀)ⁿ
V_3A= V₀(1 + 2ΔV_3A/ V₀)ⁿ
V_3B= V₀(1 + 2ΔV_3B/ V₀)ⁿ
V_4A= V₀(1 + 2ΔV_4A/ V₀)ⁿ
V_4B= V₀(1 + 2ΔV_4B/ V₀)ⁿ
[0122]
By substituting this equation and Equation 13 into Equation 19, electrostatic forces Fxc, Fyc, Fzc and torques Tθc, Tφc acting on the gyro rotor 20 are obtained. In order to obtain the value of n, the following conditions are set.
[0123]
[Expression 23]
∂ (Fxc) / ∂Fx = constant
Fyc / ｙFy = constant
Ｚ (Fzc) / ∂Fz = constant
∂ (Tθc) / ∂Tθ = constant
∂ (Tφc) / ∂Tφ = constant
∂ (Fxc) / ∂Fz = ∂ (Fxc) / ∂Tθ = 0
Fyc / ｙFz = ∂ (Fyc) / ∂Tφ = 0
Ｚ (Fzc) / ∂Fx = ∂ (Fzc) / ∂Fy = ∂ (Fzc) / ∂Tθ = ∂ (Fzc) / ∂Tφ = 0
∂ (Tθc) / ∂Fx = ∂ (Tθc) / ∂Fz = 0
∂ (Tφc) / ∂Fy = ∂ (Tφc) / ∂Fz = 0
[0124]
In order to satisfy this condition, n must be 1/2. In the conventional gyro apparatus, the control DC voltage applied to the electrostatic support electrode is expressed by the equation (11). In this example, the control DC voltage applied to the electrostatic support electrode is expressed by the equation (11). Instead, it is represented by
[0125]
[Expression 24]
V_1A= V₀(1 + 2ΔV_1A/ V₀)^1/2
V_1B= V₀(1 + 2ΔV_1B/ V₀)^1/2
V_2A= V₀(1 + 2ΔV_2A/ V₀)^1/2
V_2B= V₀(1 + 2ΔV_2B/ V₀)^1/2
V_3A= V₀(1 + 2ΔV_3A/ V₀)^1/2
V_3B= V₀(1 + 2ΔV_3B/ V₀)^1/2
V_4A= V₀(1 + 2ΔV_4A/ V₀)^1/2
V_4B= V₀(1 + 2ΔV_4B/ V₀)^1/2
[0126]
By substituting the equation (24) and the equation (13) into the equation (19), the electrostatic forces Fxc, Fyc, Fzc and torques Tθc, Tφc acting on the gyro rotor 20 are obtained as follows.
[0127]
[Expression 25]
Fxc = (C₀V₀ ²/ L) ・ Fx
Fyc = (C₀V₀ ²/ L) ・ Fy
Fzc = (C₀V₀ ²/ Δ) · Fz
Tθc = (rC₀V₀ ²/ Δ) · Tθ
Tφc = (rC₀V₀ ²/ Δ) ・ Tφ
[0128]
In the conventional gyro apparatus, the electrostatic forces Fxc, Fyc, Fzc and the torques Tθc, Tφc acting on the gyro rotor 20 are expressed by the equations (20). The term has been removed. That is, in this example, the cross coupling is removed.
[0129]
Thus, according to this example, since the cross coupling is removed, each electrostatic force and each torque acting on the gyro rotor 20 are independent without being affected by external forces in other axial directions and external force torques around the other axes. Is. Accordingly, the electrostatic forces Fxc, Fyc, Fzc and the torques Tθc, Tφc acting on the gyro rotor 20 are always accurate, and the gyro rotor 20 is accurately held at a predetermined reference position.
[0130]
The example of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above-described example, and various other examples are possible within the scope of the present invention described in the claims. Will be understood by.
[0131]
The case where the present invention is applied to the gyro device described in Japanese Patent Application No. 7-125345 (Patent No. 3008074) dated May 24, 1995 has been described. The present invention can be applied to any type of gyro device that is configured to apply a direct current voltage and to support the gyro rotor in a floating manner at a predetermined reference position by electrostatic support force. For example, the present invention can also be applied to a gyro device described in Japanese Patent Application No. 2000-66933 filed on March 10, 2000 by the same applicant as the present applicant.
[0132]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is an advantage that an error due to cross coupling is removed from the binding force acting on the gyro rotor.
[0133]
According to the present invention, since an error due to cross coupling is removed from the binding force acting on the gyro rotor, there is an advantage that the gyro rotor is always accurately held at a predetermined reference position.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a conventional gyro apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a control loop of a gyro apparatus according to the related art and the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a constraint control system of a gyro apparatus according to the related art and the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a displacement detection system, a constraint control system, and a rotor drive system of a gyro apparatus according to the related art and the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining an operation of a rotor drive system of a gyro apparatus according to the related art and the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a restraining force acting on a gyro rotor of a gyro device according to the related art and the present invention.
[Explanation of symbols]
20 Gyro rotor
20A, 20B, 20C, 20D surface
21 Gyro case
22 Upper bottom member
22A, 22A 'hole
23 Spacer
23A inner wall
23B recess
23C passage
24 Lower bottom member
24A hole,
25 screws
26 Cavity
33 Getter material
40 Gyro rotor
41 Gyro case
42 Upper bottom member
43 Spacer
43A inner wall
44 Lower bottom member
127, 128 Discharge combined stopper
135 preamplifier
136 resistance
140 Control operation part
145 Gyro acceleration output calculation unit
150 Constraint control unit
160 Rotor drive
170 Sequence control unit
200A, 200B, 200C, 200D, 200E, 200F, 200A ', 200B', 200C ', 200D', 200E ', 200F' Electrode section
200a, 200b, 200c, 200d, 200e, 200F, 200g, 200a ', 200b', 200c ', 200d', 200e ', 200f', 200g groove
221 to 226, 231 to 236 electrodes
421-424, 431-434 Electrostatic support electrode
425, 435 Rotor drive electrode
426, 436 Displacement detection electrodes
427 Stopper for discharge

Claims

A gyro case having a Z axis along the central axis direction, and an X axis and a Y axis perpendicular to the Z axis;
A gyro rotor having a spin axis in the central axis direction supported in a non-contact manner by electrostatic supporting force inside the gyro case;
A plurality of electrostatic support electrodes arranged to be spaced apart from the gyro rotor and applied with a control voltage;
A rotor drive system for rotating the gyro rotor at a high speed around the spin axis;
A displacement detection system for detecting linear displacement of the gyro rotor in the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction, and rotational displacement around the Y-axis and around the X-axis;
An acceleration detection type gyro apparatus having a constraint control system having a feedback loop that corrects the control voltage so that the displacement detected by the displacement detection system becomes zero.
A reference voltage V ₀ is the bias voltage held in the reference position is the position of the gyro rotor when acceleration di Yairorota does not act, using the variation amount [Delta] V, the control voltage applied to the electrostatic supporting electrode , V ₀ (1 + 2ΔV / V ₀ ) ^1/2 ,
Here, the fluctuation amount ΔV is the force Fx acting on the reference voltage V ₀ and the gyro rotor in the X axis direction, the force Fy acting on the gyro rotor in the Y axis direction, and the gyro rotor. The gyro device is represented by a force Fz acting in the Z-axis direction, a torque Tθ around the Y axis acting on the gyro rotor, and a torque Tφ around the X axis acting on the gyro rotor. .

2. The gyro apparatus according to claim 1, wherein the electrostatic support electrodes include four pairs of electrostatic support electrodes disposed on an upper surface and a lower surface of the gyro rotor, and are applied to the four pairs of electrostatic support electrodes. The voltages V _1A , V _1B , V _2A , V _2B , V _3A , V _3B , V _4A , V _4B are fluctuation amounts ΔV _1A , ΔV _1B , ΔV expressed by the reference voltage V ₀ and the following first expression. _2A , ΔV _2B , ΔV _3A , ΔV _3B , ΔV _4A , ΔV _4B are used to express the gyro device by the following second formula.
First formula
_{_{ΔV 1A = (V 0/4}} ) (Fx + Fz / 2 + Tθ)
_{_{ΔV 1B = (V 0/4}} ) (Fx-Fz / 2-Tθ)
_{_{ΔV 2A = (V 0/4}} ) (Fy + Fz / 2 + Tφ)
_{_{ΔV 2B = (V 0/4}} ) (Fy-Fz / 2-Tφ)
_{_{ΔV 3A = (V 0/4}} ) (- Fx + Fz / 2-Tθ)
_{_{ΔV 3B = (V 0/4}} ) (- Fx-Fz / 2 + Tθ)
_{_{ΔV 4A = (V 0/4}} ) (- Fy + Fz / 2-Tφ)
_{_{ΔV 4B = (V 0/4}} ) (- Fy-Fz / 2 + Tφ)
Second formula V _1A = V ₀ (1 + 2ΔV _1A / V ₀ ) ^1/2
V _1B = V ₀ (1 + 2ΔV _1B / V ₀ ) ^1/2
V _2A = V ₀ (1 + 2ΔV _2A / V ₀ ) ^1/2
V _2B = V ₀ (1 + 2ΔV _2B / V ₀ ) ^1/2
V _3A = V ₀ (1 + 2ΔV _3A / V ₀ ) ^1/2
V _3B = V ₀ (1 + 2ΔV _3B / V ₀ ) ^1/2
V _4A = V ₀ (1 + 2ΔV _4A / V ₀ ) ^1/2
V _4B = V ₀ (1 + 2ΔV _4B / V ₀ ) ^1/2