(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸線方向に沿ってＺ軸、それに直交するＸ軸及びＹ軸を有するジャイロケースと、
該ジャイロケースの内部に静電支持力によって非接触的に支持され上記中心軸線方向のスピン軸線を有するジャイロロータと、
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、
上記ジャイロロータは、環状であり、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、上記ジャイロロータを囲むように配置され、
上記ロータ駆動系は、上記ジャイロロータ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、その上面と下面を接続する複数の貫通孔を設けることにより隣り合う貫通孔の間に電極となるランド部を形成し、該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イロ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のジャイロ装置において、上記ランド部の各々の寸法は、上記ロータ駆動用電極の各々の寸法に対応していることを特徴とするジャイロ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に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っ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、上記ジャイロロータ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イロ装置。
【発明の詳細な説明】
【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８〜図１２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日に出願された特願平７−１２５３４５号（Ｔ９５０００２８）に開示されたものであり、詳細は同出願を参照されたい。
【０００３】
先ず図８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８Ａ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８Ａ及び図８Ｂ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８Ａ及び図８Ｂ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８Ｂ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８には、４本の環状の電極部２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ及び２００Ａ’、２００Ｂ’、２００Ｃ’、２００Ｄ’が図示されているが、実際には多数の環状の電極部が形成されている。例えば、各電極部の半径方向の幅Ｌが約１０μｍであり、約２０μｍのピッチにて等間隔に形成されている場合、半径方向に約２ｍｍの幅の環状領域内に約１００本の環状の電極部が形成される。尚、各電極部の半径方向の幅Ｌ及びピッチは製造方法が許す限りできるだけ小さいほうが好ましい。
【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８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Ｃ1A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±Ｖ1A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１１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８Ａ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１０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９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ｉP 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３５と斯かる変位検出用電圧ＶP を入力して制御用直流電圧±Ｖ1A〜±Ｖ4A、±Ｖ1B〜±Ｖ4B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±Ｖ1A〜±Ｖ4A、±Ｖ1B〜±Ｖ4Bはそれぞれ変位検出用交流電圧ＡＣ1A〜ＡＣ4A、ＡＣ1B〜ＡＣ4B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±Ｖ1A〜±Ｖ4A、±Ｖ1B〜±Ｖ4B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ＡＣ1A〜ＡＣ4A、ＡＣ1B〜ＡＣ4B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ｉP が流れる。斯かる変位検出用電流ｉP はプリアンプ３５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ＶP 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９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±Ｖ1A〜±Ｖ4A、±Ｖ1B〜±Ｖ4Bを演算する。こうして制御用直流電圧±Ｖ1A〜±Ｖ4A、±Ｖ1B〜±Ｖ4B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１０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１０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−Ｖ1A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＋Ｖ1A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−Ｖ1B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＋Ｖ1B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−Ｖ3A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＋Ｖ3A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−Ｖ3B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＋Ｖ3B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−Ｖ2Aに接続され、第２の櫛形部２２２−２の円周部２２２Ｂ、２２２Ｄは直流電圧＋Ｖ2A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−Ｖ2Bに接続され、第２の櫛形部２３２−２の円周部２３２Ｂ、２３２Ｄは直流電圧＋Ｖ2B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−Ｖ4Aに接続され、第２の櫛形部２２４−２の円周部２２４Ｂ、２２４Ｄは直流電圧＋Ｖ4A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−Ｖ4Bに接続され、第２の櫛形部２３４−２の円周部２３４Ｂ、２３４Ｄは直流電圧＋Ｖ4B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ＡＣ1A、ＡＣ1B、ＡＣ3A、ＡＣ3B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ＡＣ1A、ＡＣ1B及びＡＣ3A、ＡＣ3B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ＡＣ3A、ＡＣ3B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ＡＣ2A、ＡＣ2B及びＡＣ4A、ＡＣ4Bが印加される。斯かる検出用交流電圧ＡＣ1A、ＡＣ1B、ＡＣ3A、ＡＣ3B、ＡＣ2A、ＡＣ2B及びＡＣ4A、ＡＣ4Bはそれぞれ次のように表される。
【００４８】
【数１】
ＡＣ1A＝−ＥＸ−Ｅθ−ＥＺ
ＡＣ1B＝−ＥＸ＋Ｅθ＋ＥＺ
ＡＣ3A＝＋ＥＸ＋Ｅθ−ＥＺ
ＡＣ3B＝＋ＥＸ−Ｅθ＋ＥＺ
【００４９】
【数２】
ＡＣ2A＝−ＥＹ−Ｅφ−ＥＺ
ＡＣ2B＝−ＥＹ＋Ｅφ＋ＥＺ
ＡＣ4A＝＋ＥＹ＋Ｅφ−ＥＺ
ＡＣ4B＝＋ＥＹ−Ｅφ＋ＥＺ
【００５０】
ここに、検出用交流電圧ＡＣ1A、ＡＣ1B、ＡＣ3A、ＡＣ3B及びＡＣ2A、ＡＣ2B、ＡＣ4A、ＡＣ4Bの右辺の各項は次のように表される。
【００５１】
【数３】
＋ＥＸ＝Ｅ0 ｃｏｓ（ω1 ｔ＋ζ1 ）
−ＥＸ＝Ｅ0 ｃｏｓ（ω1 ｔ＋η1 ）
＋ＥＹ＝Ｅ0 ｃｏｓ（ω2 ｔ＋ζ2 ）
−ＥＹ＝Ｅ0 ｃｏｓ（ω2 ｔ＋η2 ）
＋ＥＺ＝Ｅ0 ｃｏｓ（ω3 ｔ＋ζ3 ）
−ＥＺ＝Ｅ0 ｃｏｓ（ω3 ｔ＋η3 ）
＋Ｅθ＝Ｅ0 ｃｏｓ（ω4 ｔ＋ζ4 ）
−Ｅθ＝Ｅ0 ｃｏｓ（ω4 ｔ＋η4 ）
＋Ｅφ＝Ｅ0 ｃｏｓ（ω5 ｔ＋ζ5 ）
−Ｅφ＝Ｅ0 ｃｏｓ（ω5 ｔ＋η5 ）
【００５２】
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。
【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１１を参照して本例の変位検出系の原理を説明する。図１１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Ｃ1A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Ｃ1B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Ｃ3A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Ｃ3B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ＣFA、ＣFB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】
Ｃ1A＝Ｃ0 （１＋ΔＸ＋ΔＺ＋Δθ）
Ｃ1B＝Ｃ0 （１＋ΔＸ−ΔＺ−Δθ）
Ｃ2A＝Ｃ0 （１＋ΔＹ＋ΔＺ＋Δφ）
Ｃ2B＝Ｃ0 （１＋ΔＹ−ΔＺ−Δφ）
Ｃ3A＝Ｃ0 （１−ΔＸ＋ΔＺ−Δθ）
Ｃ3B＝Ｃ0 （１−ΔＸ−ΔＺ＋Δθ）
Ｃ4A＝Ｃ0 （１−ΔＹ＋ΔＺ−Δφ）
Ｃ4B＝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】
0004583538.tif 000002
【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±Ｖ1A、±Ｖ1B、±Ｖ3A、±Ｖ3B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１１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ＡＣ1A、ＡＣ1B、ＡＣ2A、ＡＣ2B、ＡＣ3A、ＡＣ3B、ＡＣ4A、及びＡＣ4B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ｉP が発生する。
斯かる変位検出用交流電流ｉP は次の式によって表される。
【００６５】
【数７】
ｉP ＝Ｋ’（Ｃ1AＡＣ1A＋Ｃ1BＡＣ1B＋Ｃ2AＡＣ2A＋Ｃ2BＡＣ2B＋Ｃ3AＡＣ3A＋Ｃ3BＡＣ3B＋Ｃ4AＡＣ4A＋Ｃ4BＡＣ4B）
Ｋ’＝２（ＣFA＋ＣFB）ｓ／（２Ｃ1A＋２Ｃ1B＋２Ｃ2A＋２Ｃ2B＋２Ｃ3A＋２Ｃ3B＋２Ｃ4A＋２Ｃ4B＋ＣFA＋ＣFB）
【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ＡＣ1A、ＡＣ1B、ＡＣ2A、ＡＣ2B、ＡＣ3A、ＡＣ3B及びＡＣ4A、ＡＣ4Bと数５の式によって表される静電容量Ｃ1A、Ｃ1B、Ｃ2A、Ｃ2B、Ｃ3A、Ｃ3B及びＣ4A、Ｃ4Bを代入して整頓すると変位検出用交流電流ｉP 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ｉP は次の式によって表される。
【００６７】
【数８】
ｉP ＝ＫI （ＥＸΔＸ＋ＥＹΔＹ＋２ＥＺΔＺ＋ＥθΔθ＋ＥφΔφ）
ＫI ＝−８ｓＣ0 （ＣFA＋ＣFB）／（１６Ｃ0 ＋ＣFA＋ＣFB）
【００６８】
ここにＫI 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ｉP 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ＶP に変換される。斯かる変位検出用交流電圧ＶP は次の式によって表される。
【００６９】
【数９】
ＶP ＝ＶP （Ｘ）＋ＶP （Ｙ）＋ＶP （Ｚ）＋ＶP （θ）＋ＶP （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】
ＶP （Ｘ）＝ＫI ＥＸΔＸ＝ＫV1Ｅ0 ω1 ΔＸｓｉｎ（ω1 ｔ＋ζ1 ）
ＶP （Ｙ）＝ＫI ＥＹΔＹ＝ＫV2Ｅ0 ω2 ΔＹｓｉｎ（ω2 ｔ＋ζ2 ）
ＶP （Ｚ）＝ＫI ＥＺΔＺ＝ＫV3Ｅ0 ω3 ΔＺｓｉｎ（ω3 ｔ＋ζ3 ）
ＶP （θ）＝ＫI ＥθΔθ＝ＫV4Ｅ0 ω4 Δθｓｉｎ（ω4 ｔ＋ζ4 ）
ＶP （φ）＝ＫI ＥφΔφ＝ＫV5Ｅ0 ω5 Δφｓｉｎ（ω5 ｔ＋ζ5 ）
【００７２】
ここにＫV1〜ＫV5はコンデンサの静電容量Ｃ0 、ＣFA、ＣFB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ＶP 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ＶP 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】
Ｖ1A＝Ｖ0 ＋ΔＶ1A
Ｖ1B＝Ｖ0 ＋ΔＶ1B
Ｖ2A＝Ｖ0 ＋ΔＶ2A
Ｖ2B＝Ｖ0 ＋ΔＶ2B
Ｖ3A＝Ｖ0 ＋ΔＶ3A
Ｖ3B＝Ｖ0 ＋ΔＶ3B
Ｖ4A＝Ｖ0 ＋ΔＶ4A
Ｖ4B＝Ｖ0 ＋ΔＶ4B
【００７５】
Ｖ1A及びＶ1B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、Ｖ2A及びＶ2B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、Ｖ3A及びＶ3B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、Ｖ4A及びＶ4B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ΔＶ1A、ΔＶ1B、ΔＶ2A、ΔＶ2B、ΔＶ3A、ΔＶ3B、ΔＶ4A、ΔＶ4B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ΔＶ1A、ΔＶ1B及びΔＶ3A、ΔＶ3BとΔＶ2A、ΔＶ2B及びΔＶ4A、ΔＶ4Bに対して更にもう１つの条件を設ける。
【００７８】
【数１２】
ΔＶ1A＋ΔＶ1B＋ΔＶ3A＋ΔＶ3B＝０
ΔＶ2A＋ΔＶ2B＋ΔＶ4A＋ΔＶ4B＝０
【００７９】
この条件を使用して制御用直流電圧の変化量ΔＶ1A〜ΔＶ4Bを演算する。斯かる演算式は次のように表される。
【００８０】
【数１３】
ΔＶ1A＝（Ｖ0 ／４）（Ｆｘ＋Ｆｚ／２＋Ｔθ）
ΔＶ1B＝（Ｖ0 ／４）（Ｆｘ−Ｆｚ／２−Ｔθ）
ΔＶ2A＝（Ｖ0 ／４）（Ｆｙ＋Ｆｚ／２＋Ｔφ）
ΔＶ2B＝（Ｖ0 ／４）（Ｆｙ−Ｆｚ／２−Ｔφ）
ΔＶ3A＝（Ｖ0 ／４）（−Ｆｘ＋Ｆｚ／２−Ｔθ）
ΔＶ3B＝（Ｖ0 ／４）（−Ｆｘ−Ｆｚ／２＋Ｔθ）
ΔＶ4A＝（Ｖ0 ／４）（−Ｆｙ＋Ｆｚ／２−Ｔφ）
ΔＶ4B＝（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演算部１４５の供給され、外力加速度αX 、αY 、αZ 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】
αX ＝Ｆｘ／ｍｇ
αY ＝Ｆｙ／ｍｇ
αZ ＝Ｆｚ／ｍｇ
ｄθ／ｄｔ＝Ｔφ／Ｈ
ｄφ／ｄｔ＝Ｔθ／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９、図１０及び図１１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８Ｂ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１１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１２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１２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１２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】
【発明が解決しようとする課題】
ジャイロ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イロ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。
【０１００】
【数１５】
ｆｘ＝（ＣＶ2 ）／（２Ｌ）
ｆｙ＝（ＣＶ2 ）／（２Ｌ）
ｆｚ＝（ＣＶ2 ）／（２δ）
【０１０１】
ここに、Ｃはコンデンサの静電容量、Ｖは電圧、Ｌはコンデンサの一辺の寸法、δはコンデンサの間隔である。Ｙ軸周りの回転モーメントｆθ及びＸ軸周りの回転モーメントｆφは、Ｚ軸方向の拘束力ｆｚにモーメントの腕ｒを乗算することによって得られる。
【０１０２】
拘束力を生成するための静電支持電圧Ｖは数１１の式によって表されるように、基準電圧Ｖ0 と変化量ΔＶの和であり、変化量は基準電圧Ｖ0 に比べて小さい。従って数１５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δの関数である。コンデンサの一辺の寸法を約３０μｍ、コンデンサの間隔を約５μｍ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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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ｆｘ、ｆｙとＹ軸周りの回転モーメントｆθ及びＸ軸周りの回転モーメントｆφが大きくなり、数１３の式によって表される制御用直流電圧の変化量ΔＶ1A〜ΔＶ4Bが大きくなり、高電圧を発生させる必要がある。
【０１０５】
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る。
【０１０６】
【課題を解決するための手段】
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、
上記ジャイロロータは環状であり、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。
【０１０７】
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る。
【０１０８】
本発明によると、ジャイロ装置において、上記ジャイロロータは上面、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って構成されるコンデンサによって十分大きな静電支持力を生成することができる。
【０１０９】
本発明の例によると、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ロータ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、その上面と下面を接続する複数の貫通孔を設けることにより隣り合う貫通孔の間に電極となるランド部を形成し、該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。
【０１１０】
従って、円周方向のロータ駆動力を効果的に生成することができる。
【０１１１】
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っ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、上記ジャイロロータの変位を演算するように構成されている。
【０１１２】
【発明の実施の形態】
図１を参照して本発明のジャイロ装置の例を説明する。本発明のジャイロ装置は環状のジャイロロータ２０とそれを収容するジャイロケース２１を有する。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よい。
【０１１３】
ジャイロケース２１の内部には、環状のジャイロロータ２０が収容されている。ジャイロロータ２０の断面は矩形であってよい。即ちジャイロロータ２０は、互いに平行な平坦な上面２０Ａ及び下面２０Ｂと互いに平行な内周面２０Ｃ及び外周面２０Ｄとを有する。
【０１１４】
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。定常状態では、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。
【０１１５】
ジャイロロータ２０を囲むように電極が配置されている。ジャイロロータ２０の内周面２０Ｃと外周面２０Ｄに平行に円周方向に沿ってそれぞれ１２枚の湾曲した壁形電極が配置されている。内周側の１２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３３１、３３３とＹ軸方向に沿って配置されたＹ軸静電支持電極３３２、３３４とその間の変位検出用電極３３６、３３６、３３６、３３６を含む。
【０１１６】
壁形のＸ軸静電支持電極３３１、３３３及びＹ軸静電支持電極３３２、３３４の各々は図示のように１対の電極よりなる。外周側の１２枚の壁形電極３４１、３４２、３４３、３４４、３４６は内周側の壁形電極と同様な構造である。
【０１１７】
これらの静電支持電極３３１〜３３４、３４１〜３４４及び変位検出用電極３２６、３３６の上端面はジャイロケース２１の上側底部材２２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イロケース２１の下側底部材２４の内面に接続されている。
【０１１８】
ジャイロケース２１の上側底部材２２と下側底部材２４の内面にはジャイロロータ２０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イロロータ２０の上面２０Ａと下面２０Ｂに平行に円周方向に沿って配置されている。
【０１１９】
上側電極は、内周側の１２枚のロータ駆動用電極３１５と外周側の１２枚の電極を含む。外周側の１２枚の電極はＸ軸方向に沿って配置されたＸ軸静電支持電極３１１、３１３とＹ軸方向に沿って配置されたＹ軸静電支持電極３１２、３１４とその間の変位検出用電極３１６、３１６、３１６、３１６を含む。
【０１２０】
下側電極は、内周側の１２枚のロータ駆動用電極３２５と外周側の１２枚の電極を含む。外周側の１２枚の電極はＸ軸方向に沿って配置されたＸ軸静電支持電極３２１、３２３とＹ軸方向に沿って配置されたＹ軸静電支持電極３２２、３２４とその間の変位検出用電極３２６、３２６、３２６、３２６を含む。
【０１２１】
図１に示すように、好ましくは、ロータ駆動用電極３１５、３２５の内径（中心から内縁間までの距離）はジャイロロータ２０の内径（中心から内周面２０Ｃまでの距離）より大きい。Ｘ軸静電支持電極３１１、３１３、３２１、３２３及びＹ軸静電支持電極３１２、３１４、３２２、３２４の各々は図示のように１対の電極よりなる。
【０１２２】
ジャイロロータ２０の内周面２０Ｃ及び外周面２０Ｄに対面して配置された壁形のＸ軸静電支持電極３３１、３３３、３４１、３４３とＹ軸静電支持電極３３２、３３４、３４２、３４４と、ジャイロロータ２０の上面２０Ａ及び下面２０Ｂに配置された上側及び下側のＸ軸静電支持電極３１１、３１３、３２１、３２３とＹ軸静電支持電極３１２、３１４、３２２、３２４とは、円周上の同一角度位置に配置されている。
【０１２３】
同様に、ジャイロロータ２０の内周面２０Ｃ及び外周面２０Ｄに対面して配置された壁形の変位検出用電極３３６、３４６と、ジャイロロータ２０の上面２０Ａ及び下面２０Ｂに対面して配置された上側及び下側の変位検出用電極３１６、３２６とは、円周上の同一角度位置に配置されている。
【０１２４】
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０．３ｍｍ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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
ジャイロロータ２０の内周面２０Ｃ及び外周面２０Ｄに対面するように配置された壁形の電極及びスペーサ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。
【０１２７】
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。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。
【０１２８】
ジャイロケースの中心部には円筒状の収納室３３０が設けられている。この収納室３３０に回路基板等が配置される。尚、この収納室３３０にゲッタを配置してよい。それによって、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。
【０１２９】
ジャイロロータ２０の周囲に配置された電極、即ち、壁形電極３３１、３３２、３３３、３３４、３４１、３４２、３４３、３４４、上側の静電支持電極及び変位検出用電極３１１、３１２、３１３、３１４、３１６、下側の静電支持電極及び変位検出用電極３２１、３２２、３２３、３２４、３２６、上側及び下側の駆動用電極３１５、３２５は、スルーホール接続によって、収納室３３０内に設けられた回路基板等に接続されてよい。収納室３３０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。
【０１３０】
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２２又は下側底部材２４に小さな孔、即ち、スルーホールを設ける。スルーホールは、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。このスルー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３３０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３３０内部の回路基板等を電気的に接続する。更に、各スルーホー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続する。
【０１３１】
ジャイロロータ２０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２０がＸＹ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。
【０１３２】
ジャイロロータ２０の上面２０Ａとそれに対応する上側の静電支持電極３１１、３１２、３１３、３１４及び変位検出用電極３１６の間の間隙δと、ジャイロロータ２０の下面２０Ｂとそれに対応する下側の静電支持電極３２１、３２２、３２３、３２４及び変位検出用電極３２６の間の間隙δは等しい。
【０１３３】
同様に、ジャイロロータ２０の内周面２０Ｃとそれに対応する内周側の壁形の静電支持電極３３１、３３２、３３３、３３４及び変位検出用電極３３６の間の間隙δｒと、ジャイロロータ２０の外周面２０Ｄとそれに対応する外周側の壁形の静電支持電極３４１、３４２、３４３、３４４及び変位検出用電極３４６の間の間隙δｒは等しい。これらの間隙δ、δｒは数μｍ、例えば１〜５μｍであってよい。
【０１３４】
ジャイロロータ２０の上面２０Ａとそれに対応する上側の静電支持電極３１１、３１２、３１３、３１４によってコンデンサが形成される。ジャイロロータ２０の下面２０Ｂとそれに対応する下側の静電支持電極３２１、３２２、３２３、３２４によってコンデンサが形成される。ジャイロロータ２０の内周面２０Ｃとそれに対応する内周側の壁形の静電支持電極３３１、３３２、３３３、３３４によってコンデンサが形成される。ジャイロロータ２０の外周面２０Ｄとそれに対応する外周側の壁形の静電支持電極３４１、３４２、３４３、３４４によってコンデンサが形成される。
【０１３５】
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サ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２０は浮動的に支持される。
【０１３６】
上述のように、壁形のＸ軸静電支持電極３３１、３３３及びＹ軸静電支持電極３３２、３３４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３１１、３１３、３２１、３２３及びＹ軸静電支持電極３１２、３１４、３２２、３２４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い静電支持電圧が印加される。従ってジャイロロータ２０の電位は常にゼロとなる。
【０１３７】
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イロロータ２０の電位が常にゼロであるため、ジャイロロータ２０とジャイロケース２１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。
【０１３８】
図２を参照して本発明のジャイロ装置のジャイロロータ２０の電極パターンの例を説明する。図２Ａの例では円周方向に沿って１２個の凹部２０ａが設けられ、図２Ｂの例では１２個の貫通孔２０ｂ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２０ｄが形成される。このランドはジャイロロータ２０の電極を構成している。従ってこのランドは、駆動用電極３１５、３２５に対応している。即ち１２個のランドの各々の寸法は駆動用電極３１５、３２５の各々の寸法に対応している。
【０１３９】
図２に示す例では、ジャイロロータ２０の上面２０Ａ及び下面２０Ｂ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２０の上面２０Ａ及び下面２０Ｂの電極部と駆動用電極３１５、３２５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２０が回転する。
【０１４０】
図３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。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１２を参照して説明した従来のジャイロ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。
【０１４１】
本例の拘束制御部１５０は、変位検出用電流ｉP 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３５と斯かる変位検出用電圧ＶP を入力して制御用直流電圧±Ｖ1A〜±Ｖ4A、±Ｖ1B〜±Ｖ4B、±Ｖ1C〜±Ｖ4C、±Ｖ1D〜±Ｖ4Dを生成する制御演算部１４０とを有する。
【０１４２】
尚、本例のジャイロ装置には制御演算部１４０の出力信号を入力して角速度、加速度等を演算するジャイロ加速度出力演算部１４５が設けられているが、ジャイロ加速度出力演算部１４５の構成及び動作についての説明は省略する。
【０１４３】
制御演算部１４０によって出力された制御用直流電圧±Ｖ1A〜±Ｖ4A、±Ｖ1B〜±Ｖ4B、±Ｖ1C〜±Ｖ4C、±Ｖ1D〜±Ｖ4Dはそれぞれ変位検出用交流電圧ＡＣ1A〜ＡＣ4A、ＡＣ1B〜ＡＣ4B、ＡＣ1C〜ＡＣ4C、ＡＣ1D〜ＡＣ4Dが加算されて静電支持電極３１１〜３１４、３２１〜３２４、３３１〜３３４、３４１〜３４４に供給される。変位検出用交流電圧ＡＣ1A〜ＡＣ4A、ＡＣ1B〜ＡＣ4B、ＡＣ1C〜ＡＣ4C、ＡＣ1D〜ＡＣ4Dは次の式によって表される。
【０１４４】
【数１６】
ＡＣ1A＝−Ｅθ−ＥＺ
ＡＣ1B＝＋Ｅθ＋ＥＺ
ＡＣ2A＝−Ｅφ−ＥＺ
ＡＣ2B＝＋Ｅφ＋ＥＺ
ＡＣ3A＝＋Ｅθ−ＥＺ
ＡＣ3B＝−Ｅθ＋ＥＺ
ＡＣ4A＝＋Ｅφ−ＥＺ
ＡＣ4B＝−Ｅφ＋ＥＺ
【０１４５】
【数１７】
ＡＣ1C＝＋ＥＸ
ＡＣ1D＝−ＥＸ
ＡＣ2C＝＋ＥＹ
ＡＣ2D＝−ＥＹ
ＡＣ3C＝＋ＥＸ
ＡＣ3D＝−ＥＸ
ＡＣ4C＝＋ＥＹ
ＡＣ4D＝−ＥＹ
【０１４６】
これらの検出用交流電圧ＡＣ1A、ＡＣ1B、ＡＣ2A、ＡＣ2B、ＡＣ3A、ＡＣ3B及びＡＣ4A、ＡＣ4Bの右辺の各項は数３の式によって表される。
【０１４７】
次に図４及び図５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４はジャイロケースの上側底部材２２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２４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３１１の一方には＋Ｖ1A＋ＡＣ1A、他方には−Ｖ1A＋ＡＣ1A、Ｙ軸静電支持電極３１２の一方には＋Ｖ2A＋ＡＣ2A、他方には−Ｖ2A＋ＡＣ2A、Ｘ軸静電支持電極３１３の一方には＋Ｖ3A＋ＡＣ3A、他方には−Ｖ3A＋ＡＣ3A、Ｙ軸静電支持電極３１４の一方には＋Ｖ4A＋ＡＣ4A、他方には−Ｖ4A＋ＡＣ4Aが印加される。
【０１４８】
図５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２０の内周側に設けられたＸ軸静電支持電極３３１の一方には＋Ｖ1C＋ＡＣ1C、他方には−Ｖ1C＋ＡＣ1C、Ｙ軸静電支持電極３３２の一方には＋Ｖ2C＋ＡＣ2C、他方には−Ｖ2C＋ＡＣ2C、Ｘ軸静電支持電極３３３の一方には＋Ｖ3C＋ＡＣ3C、他方には−Ｖ3C＋ＡＣ3C、Ｙ軸静電支持電極３３４の一方には＋Ｖ4C＋ＡＣ4C、他方には−Ｖ4C＋ＡＣ4Cが印加される。
【０１４９】
ジャイロロータ２０の外周側に設けられたＸ軸静電支持電極３４１の一方には＋Ｖ1D＋ＡＣ1D、他方には−Ｖ1D＋ＡＣ1D、Ｙ軸静電支持電極３４２の一方には＋Ｖ2D＋ＡＣ2D、他方には−Ｖ2D＋ＡＣ2D、Ｘ軸静電支持電極３４３の一方には＋Ｖ3D＋ＡＣ3D、他方には−Ｖ3D＋ＡＣ3D、Ｙ軸静電支持電極３４４の一方には＋Ｖ4D＋ＡＣ4D、他方には−Ｖ4D＋ＡＣ4Dが印加される。
【０１５０】
図６を参照して説明する。図６は本例のジャイロ装置のジャイロロータ２０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２０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２０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４及び図５を参照して説明したように、各対の静電支持電極３１１〜３１４、３２１〜３２４、３３１〜３３４、３４１〜３４４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±Ｖ1A〜±Ｖ4A、±Ｖ1B〜±Ｖ4B、±Ｖ1C〜±Ｖ4C、±Ｖ1D〜±Ｖ4D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２０の電位は常にゼロに維持される。
【０１５１】
再び図３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１１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。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。
【０１５２】
【数１８】
Ｃ1A＝Ｃ0 （１＋ΔＺ＋Δθ）
Ｃ1B＝Ｃ0 （１−ΔＺ−Δθ）
Ｃ2A＝Ｃ0 （１＋ΔＺ＋Δφ）
Ｃ2B＝Ｃ0 （１−ΔＺ−Δφ）
Ｃ3A＝Ｃ0 （１＋ΔＺ−Δθ）
Ｃ3B＝Ｃ0 （１−ΔＺ＋Δθ）
Ｃ4A＝Ｃ0 （１＋ΔＺ−Δφ）
Ｃ4B＝Ｃ0 （１−ΔＺ＋Δφ）
【０１５３】
【数１９】
Ｃ1C＝Ｃ0r（１−ΔＸ）
Ｃ1D＝Ｃ0r（１＋ΔＸ）
Ｃ2C＝Ｃ0r（１−ΔＹ）
Ｃ2D＝Ｃ0r（１＋ΔＹ）
Ｃ3C＝Ｃ0r（１＋ΔＸ）
Ｃ3D＝Ｃ0r（１−ΔＸ）
Ｃ4C＝Ｃ0r（１＋ΔＹ）
Ｃ4D＝Ｃ0r（１−ΔＹ）
【０１５４】
ここにＣ0 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２０によって構成されるコンデンサの静電容量である。Ｃ0r  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２０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ΔＸ、Δθ、ΔＺ、及びΔＹ、Δφ、ΔＺをコンデンサの静電容量によって表すことができる。
【０１５５】
【数２０】
0004583538.tif 000003
【０１５６】
静電支持電極３１１〜３１４、３２１〜３２４、３３１〜３３４、３４１〜３４４に変位検出用交流電圧ＡＣ1A〜ＡＣ4A、ＡＣ1B〜ＡＣ4B、ＡＣ1C〜ＡＣ4C、ＡＣ1D〜ＡＣ4Dを印加することによって、変位検出用電極３１６、３２６、３３６、３４６に変位検出用電流ｉP が生成される。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ｉP は次の式によって表される。
【０１５７】
【数２１】
ｉP ＝Ｋ（Ｃ1AＡＣ1A＋Ｃ1BＡＣ1B＋Ｃ2AＡＣ2A＋Ｃ2BＡＣ2B＋Ｃ3AＡＣ3A＋Ｃ3BＡＣ3B＋Ｃ4AＡＣ4A＋Ｃ4BＡＣ4B＋Ｃ1CＣ1C＋Ｃ1DＡＣ1D＋Ｃ2CＡＣ2C＋Ｃ2DＡＣ2D＋Ｃ3CＡＣ3C＋Ｃ3DＡＣ3D＋Ｃ4CＡＣ4C＋Ｃ4DＡＣ4D）
Ｋ＝２（ＣFA＋ＣFB＋ＣFC＋ＣFD）ｓ／（２Ｃ1A＋２Ｃ1B＋２Ｃ2A＋２Ｃ2B＋２Ｃ3A＋２Ｃ3B＋２Ｃ4A＋２Ｃ4B＋２Ｃ1C＋２Ｃ1D＋２Ｃ2C＋２Ｃ2D＋２Ｃ3C＋２Ｃ3D＋２Ｃ4C＋２Ｃ4D＋ＣFA＋ＣFB＋ＣFC＋ＣFD）
【０１５８】
ここにＫは比例定数、ｓはラプラス演算子である。ＣFA、ＣFBは上側及び下側の変位検出用電極３１６、３２６とジャイロロータ２０によって構成されるコンデンサの静電容量、ＣFC、ＣFDは壁形の変位検出用電極３３６、３４６とジャイロロータ２０によって構成されるコンデンサの静電容量である。この式の右辺の各項に数１６〜数１９の式を代入すると次の式が得られる。
【０１５９】
【数２２】
ｉP ＝ＫI （ＥＸＣ0rΔＸ＋ＥＹＣ0rΔＹ＋２ＥＺＣ0 ΔＺ＋ＥθＣ0 Δθ＋ＥφＣ0 Δφ）
ＫI ＝−８ｓ（ＣFA＋ＣFB＋ＣFC＋ＣFD）／｛１６（Ｃ0 ＋Ｃ0r）＋ＣFA＋ＣFB＋ＣFC＋ＣFD｝
【０１６０】
斯かる変位検出用交流電流ｉP 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ＶP 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１０の式によって表され、ジャイロロータ２０の全ての直線変位及び回転変位、即ち、直線変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ及び回転変位Δθ、Δφを含む。
【０１６１】
制御演算部１４０の動作は図９を参照して説明した従来の制御演算部１４０の動作と同様である。即ち、制御演算部１４０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って表される。
【０１６２】
【数２３】
Ｖ1A＝Ｖ0 ＋ΔＶ1A
Ｖ2A＝Ｖ0 ＋ΔＶ2A
Ｖ3A＝Ｖ0 ＋ΔＶ3A
Ｖ4A＝Ｖ0 ＋ΔＶ4A
Ｖ1B＝Ｖ0 ＋ΔＶ1B
Ｖ2B＝Ｖ0 ＋ΔＶ2B
Ｖ3B＝Ｖ0 ＋ΔＶ3B
Ｖ4B＝Ｖ0 ＋ΔＶ4B
Ｖ1C＝Ｖ0 ＋ΔＶ1C
Ｖ2C＝Ｖ0 ＋ΔＶ2C
Ｖ3C＝Ｖ0 ＋ΔＶ3C
Ｖ4C＝Ｖ0 ＋ΔＶ4C
Ｖ1D＝Ｖ0 ＋ΔＶ1D
Ｖ2D＝Ｖ0 ＋ΔＶ2D
Ｖ3D＝Ｖ0 ＋ΔＶ3D
Ｖ4D＝Ｖ0 ＋ΔＶ4D
【０１６３】
Ｖ0 は基準電圧である。制御演算部１４０は、ジャイロロータ２０の直線変位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。無次元化された力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びトルクＴθ、Ｔφから制御用直流電圧の８つの変化量ΔＶ1A、ΔＶ1B及びΔＶ3A、ΔＶ3BとΔＶ2A、ΔＶ2B及びΔＶ4A、ΔＶ4B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。
【０１６４】
【数２４】
ΔＶ1A＋ΔＶ1B＋ΔＶ3A＋ΔＶ3B＝０
ΔＶ2A＋ΔＶ2B＋ΔＶ4A＋ΔＶ4B＝０
ΔＶ1C＋ΔＶ1D＋ΔＶ3C＋ΔＶ3D＝０
ΔＶ2C＋ΔＶ2D＋ΔＶ4C＋ΔＶ4D＝０
【０１６５】
ジャイロロータ２０が直線変位及び回転変位すると、静電支持電極３１１〜３１４、３２１〜３２４、３３１〜３３４、３４１〜３４４に印加すべき制御用直流電圧±Ｖ1A〜±Ｖ4A、±Ｖ1B〜±Ｖ4B、±Ｖ1C〜±Ｖ4C、±Ｖ1D〜±Ｖ4Dが変化する。それによって静電支持力が変化し、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。
【０１６６】
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アクティブ式に構成されている。
【０１６７】
次に図３、図４、図５及び図６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ロータ２０とジャイロケースの上側底部材２２に形成された１２個のロータ駆動用電極３１５と下側底部材２４に形成された１２個のロータ駆動用電極３２５とを含む。本例のロータ駆動系は、図３に示すように、変位検出用回路３５からの出力を入力してロータ駆動用電極３１５、３２５に電圧信号を供給するロータ駆動部１６０とロータ駆動部１６０に命令信号を供給するシークエンス制御部１７０とを有する。シークエンス制御部１７０はロータ２０の起動、回転、停止等の信号を生成し、これらの命令信号をロータ駆動部１６０及び拘束制御部１５０に供給する。
【０１６８】
図４及び図６に示すように、ロータ駆動用電極３１５、３２５には駆動用直流電圧±ＶＲ１、±ＶＲ２、±ＶＲ３と回転角検出用交流電圧ＡＣＲ１、ＡＣＲ２、ＡＣＲ３が重畳して印加される。
【０１６９】
図７は図１２と同様に１列に並べた下側の１２個のロータ駆動用電極３２５とその上のジャイロロータ２０の断面を示す。ジャイロロータ２０には図２に示したように１５個の孔２０ｂが形成され、孔２０ｂの間に１５個のランド２０ｄが形成されている。
【０１７０】
本例のロータ駆動系の動作は図１２を参照して説明した従来のロータ駆動系の動作と同様である。第１の相の４つの駆動電極３２５−１は互いに電気的に接続され、第２の相の４つの駆動電極３２５−２は互いに電気的に接続され、第３の相の４つの駆動電極３２５−３は互いに電気的に接続されている。
【０１７１】
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ると、３相の駆動用電極３２５−１、３２５−２、３２５−３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。
【０１７２】
第１、第２及び第３の相の駆動用電極３２５−１、３２５−２、３２５−３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。上側の１２個のロータ駆動用電極３１５についても同様である。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。
【０１７３】
図７の下側に示すグラフは変位検出用電極３１６、３２６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。
【０１７４】
尚、図１２の例の場合と同様、３相の場合、ロータ駆動用電極３１５、３２５の個数は１２に限らず、３の倍数であればよく、例えば１５個であってよい。またジャイロロータ２０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１２個、１５個であってよい。
【０１７５】
以上本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は上述の実施例に限ることなく本発明の要旨を逸脱することなく他の種々の構成が採りうることは当業者にとって容易に理解されよう。
【０１７６】
【発明の効果】
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。
【０１７７】
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Ｚ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Ｚ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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のジャイロ装置の例を示す図である。
【図２】本発明のジャイロ装置のジャイロロータの他の例を示す図である。
【図３】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４】本発明のジャイロ装置の電極及びそれに印加する電圧を示す図である。
【図５】本発明のジャイロ装置の電極及びそれに印加する電圧を示す図である。
【図６】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７】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説明図である。
【図８】従来のジャイロ装置の例を示す図である。
【図９】従来のジャイロ装置の制御ループの例を示す図である。
【図１０】従来のジャイロ装置の拘束制御系を示す図である。
【図１１】従来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１２】従来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。
【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
３５  プリアンプ
３６  抵抗
１２７、１２８  放電兼用ストッパ
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、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６  電極
２３１、２３２、２３３、２３４、２３５、２３６  電極
３１１〜３１４、３２１〜３２４、３３１〜３３４、３４１〜３４４  静電支持電極
３１５、３２５  駆動用電極
３１６、３２６、３３６、３４６  変位検出用電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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