JP5199720B2 - Electrostatic levitation gyroscope - Google Patents
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Description
この発明は、ジャイロ機構部と電子回路部とを備えている静電浮上型ジャイロ装置に関する。
ジャイロ機構部は、ジャイロロータとジャイロケースとを含み、ジャイロロータをジャイロケース内で静電支持力によって浮動的に支持する。ジャイロロータは、適正動作のため、真空中に置かれる。
電子回路部は、ジャイロ機構部に接続され、ジャイロロータとジャイロケースとの相対変位を検出してジャイロロータの姿勢制御を行う。
The present invention relates to an electrostatic levitation type gyro apparatus including a gyro mechanism part and an electronic circuit part.
The gyro mechanism unit includes a gyro rotor and a gyro case, and supports the gyro rotor in a floating manner in the gyro case by electrostatic support force. The gyro rotor is placed in a vacuum for proper operation.
The electronic circuit unit is connected to the gyro mechanism unit, detects the relative displacement between the gyro rotor and the gyro case, and controls the attitude of the gyro rotor.
小形化に適した静電浮上型ジャイロは、船舶や航空機ばかりか自動車等の移動体にも使用されており、慣性空間に対する加速度等を検出するために、慣性を具有した機械部品からなるジャイロ機構部と、静電支持力の制御や相対変位の検出等を担う電子回路部とを備えている。ジャイロ機構部は、ジャイロロータをジャイロケースの真空空間(空洞)に収容していて、ジャイロケースの電極からジャイロロータに静電引力を作用させてジャイロロータを浮上させて支持するものであり、小形化しても全方向で大きな静電引力が出せるよう、ジャイロロータが環状になったものがある(例えば特許文献1〜5参照)。 Electrostatic levitation type gyros suitable for downsizing are used not only for ships and aircraft but also for moving objects such as automobiles. Gyro mechanism consisting of mechanical parts with inertia to detect acceleration to inertial space etc. And an electronic circuit unit for controlling electrostatic support force and detecting relative displacement. The gyro mechanism unit accommodates the gyro rotor in the vacuum space (cavity) of the gyro case, and supports the gyro rotor by floating electrostatically from the gyro case electrode to the gyro rotor. Some gyro rotors have an annular shape so that a large electrostatic attractive force can be produced in all directions even if they are made (see, for example, Patent Documents 1 to 5).
また、電子回路部については、変位検出用信号を静電支持用電極に印加して変位検出用電極から検出するという基本的な変位検出方式のものと(例えば特許文献1参照)、変位検出用信号を変位検出用電極に印加して静電支持用電極から検出するという逆転型の変位検出方式のものとがある(例えば特許文献2〜5参照)、
図5は、従来の環状ロータ型の静電浮上型ジャイロ装置の概要構成を示し、(a)が基本的な変位検出方式の全体ブロック図、(b)が逆転型変位検出方式の全体ブロック図である。これらの従来装置について、以下、本願発明の説明に役立つ事項を掻い摘んで説明する。
As for the electronic circuit unit, a basic displacement detection method in which a displacement detection signal is applied to the electrostatic support electrode and detected from the displacement detection electrode (see, for example, Patent Document 1), is used for displacement detection. There is a reverse displacement detection method in which a signal is applied to the displacement detection electrode and detected from the electrostatic support electrode (see, for example,
5A and 5B show a schematic configuration of a conventional annular rotor type electrostatic levitation gyro device, in which FIG. 5A is an overall block diagram of a basic displacement detection method, and FIG. 5B is an overall block diagram of a reverse displacement detection method. It is. These conventional devices will be described below by scratching on matters useful for explaining the present invention.
ジャイロ機構部は、両方式に共通なので先ずそれを説明すると、環状のジャイロロータ10が静電浮上可能かつ回転可能な状態でジャイロケース20に内蔵されている。ジャイロケース20は、ガラス等の絶縁物からなり、内部に環状の真空空間が形成されている。ジャイロロータ10は、イオン注入等にて導電性を付与したシリコン等の導電体からなり、一本のスピン軸周りに安定して回転するよう、環状に形成されている。ジャイロケース20からジャイロロータ10に静電支持力や回転駆動力を作用させるために、ジャイロケース20の内面には、金属膜パターン等からなる多数の電極21〜24(複数電極)が形成されている。それらの電極21〜24は、それぞれの役割に応じて適宜部位に配置されてジャイロロータ10を囲んでおり、引出線にて電子回路に接続されている。
Since the gyro mechanism part is common to both types, the explanation will be given first. The
多数の電極21〜24は、ジャイロロータ10を中間に挟んで対向配置された複数の対向対に分けられる。
複数電極のうちロータ駆動用電極21は、ジャイロケース20の上側底部材の下面で円状に等ピッチで列なるものと、ジャイロケース20の下側底部材の上面で円状に等ピッチで列なるものとが、対向対をなしている。
また、複数電極のうち変位検出用電極22も、ジャイロケース20の上側底部材の下面に分散配置されたものと、ジャイロケース20の下側底部材の上面に分散配置されたものとが、対向対をなしている。
The large number of
Among the plurality of electrodes, the
In addition, among the plurality of electrodes, the
複数電極のうち静電支持用電極23も、ジャイロケース20の上側底部材の下面に分散配置されたものと、ジャイロケース20の下側底部材の上面に分散配置されたものとが、対向対をなしている。
また、複数電極のうち静電支持用電極24は、ジャイロケース20の外周部の筒状体の内周面に分散配置されたものと、ジャイロケース20の中心部の柱状体の外周面に分散配置されたものとが、対向対をなしている。
さらに、これらの静電支持用電極23〜24は、それぞれの対向対において更に隣接配置された隣接対に分けられる。
Among the plurality of electrodes, the
In addition, among the plurality of electrodes, the
Further, these
静電支持用電極23〜24の役割を具体的に説明するために、空間で直交する3軸をそれぞれX軸,Y軸,Z軸とし、図5では、紙面の左右方向にX軸を置き、紙面を貫く向きにY軸を置き、紙面の上下方向にZ軸を置き、X軸周りの回転をφとし、Y軸周りの回転をθとする。そうすると、静電支持用電極24は、制御電圧を印加されてそれに応じたX方向の静電支持力を出すとともに、ジャイロロータ10のX方向変位に応じてジャイロロータ10表面との静電容量を変えるものとなっている。Y方向に分かれてジャイロケース20の内周面と外周面とに対向配置された図示しない静電支持用電極はY方向に関して同様の機能を発揮し、X方向に分かれてジャイロケース20の上側底部材と下側底部材とに対向配置された静電支持用電極23はZ±θ方向に関して同様の機能を発揮し、Y方向に分かれてジャイロケース20の上側底部材と下側底部材とに対向配置された図示しない静電支持用電極はZ±φに関して同様の機能を発揮するものとなっている。
In order to specifically explain the role of the
次に(図5(a)参照)、基本的な変位検出方式の電子回路部を説明する(例えば特許文献1,2参照)。この電子回路部は、静電支持用電極23〜24等と共に拘束制御系を構成する制御演算回路32(制御回路)と、ロータ駆動用電極21と共にロータ駆動系を構成するロータ制御回路31(制御回路)と、変位検出用電極22と共に変位検出系を構成する信号検出回路とを具えている。
制御演算回路32は、ジャイロロータ10とジャイロケース20とのZ軸周り以外の相対変位から公知の演算(例えば特許文献1参照)を行って姿勢制御用の制御電圧を生成し、それぞれを複数の電極のうち静電支持用電極23〜24等に印加する等のことで、それらの相対変位をゼロにする姿勢制御を行うものである。なお、これらの相対変位は、静電支持用電極23〜24等の容量変化から検出される(例えば特許文献1参照)。
Next (see FIG. 5A), a basic displacement detection type electronic circuit unit will be described (see, for example, Patent Documents 1 and 2). The electronic circuit section includes a control arithmetic circuit 32 (control circuit) that constitutes a restraint control system together with the
The control
ロータ制御回路31は、ジャイロロータ10のZ軸周りの回転状態から公知の演算(例えば特許文献1参照)を行って回転駆動用の制御電圧たとえば三相のパルス状信号を生成し、それらをロータ駆動用電極21へ循環的に印加する等のことで、ジャイロロータ10を一定速度で回転させる回転制御を行うようになっている。なお、ジャイロロータ10の回転状態は、ロータ駆動用電極21の容量変化から検出される。
このような制御電圧が直に印加される静電支持用電極23〜24等およびロータ駆動用電極21とは異なり、複数電極のうち変位検出用電極22に対しては、ジャイロロータ10の運動に影響を及ぼすような制御電圧は印加されない。
The
Unlike the
信号検出回路は、ジャイロロータ10とジャイロケース20との相対変位を検出するために、ジャイロロータ10の運動に影響しない程度に周波数が高く且つ周波数弁別可能な幾つかの変位検出用信号を用いるものであり、それらの変位検出用信号を静電支持用電極23〜24等に重畳印加する変位検出用信号印加回路33と、変位検出用電極22から変位検出用信号に係る信号成分を検出して検出信号Vpを生成する変位検出用信号検出回路34とを具えている。
そして、制御演算回路32の入力回路が、例えば同期検波器とバンドパスフィルタとの従属接続回路に検出信号Vpと基準の正弦波信号とを入力して、検出信号Vpから正弦波信号の成分を抽出する等のことで、各方向の変位を検知するようになっている。
The signal detection circuit uses several displacement detection signals that have a frequency that is high enough to not affect the motion of the
Then, the input circuit of the control
さらに(図5(b)参照)、逆転型変位検出方式の電子回路部を説明する(例えば特許文献2〜5参照)。逆転型変位検出方式は、変位検出用電極を経由させたうえで変位検出用信号を検出するという上位概念では基本的な変位検出方式を踏襲しているが、変位検出用信号の流れる方向が逆転していて、変位検出用電極22に変位検出用信号を印加して静電支持用電極より制御演算回路寄りで検出を行うようになっている。
具体的には、この電子回路部は、上述したロータ制御回路31と、制御演算回路32の入力回路を改造した制御演算回路36と、変位検出用電極22に共通の変位検出用信号を印加するようになった変位検出用信号印加回路37と、変位検出用信号に係る信号成分を静電支持用電極23〜24等から分離抽出して制御演算回路36へ送出するようになった変位検出用信号検出回路38とを具えている。
Furthermore (see FIG. 5B), the electronic circuit unit of the reverse displacement detection method will be described (for example, see
Specifically, the electronic circuit unit applies a common displacement detection signal to the
変位検出用信号に三角波を用いて電極容量対応の差電流を検出する方式や(例えば特許文献2,3参照)、変位検出用信号に矩形波を用いて電極容量対応の同相電圧を検出する方式(例えば特許文献4参照)、さらにはパルス幅変調(PWM)等のデジタル方式を併用したものもあり(例えば特許文献5参照)、そのような変位検出用信号印加回路37や変位検出用信号検出回路38の改良に適合するよう、制御演算回路36の入力回路も改造されている。
そして、変位検出用信号が変位検出用電極22と静電支持用電極23〜24等とを経由する際に各静電支持用電極の所でジャイロロータ10とジャイロケース20との相対変位が変位検出用信号に反映され、そのような変位検出用信号が制御演算回路36に取り込まれ、制御演算回路36によって、各方向の変位が検知されるとともに、それに基づいて適切な姿勢制御用の制御電圧が生成され静電支持用電極23〜24等に印加される。
A method of detecting a differential current corresponding to electrode capacitance using a triangular wave as a displacement detection signal (see, for example,
When the displacement detection signal passes through the
このような従来の静電浮上型ジャイロ装置に関する改良の積み重ねは何れも定常状態での回転駆動制御や姿勢制御に関するものであるが(特許文献1〜5参照)、起動時のロータ浮上の制御シーケンスを改良したものもある(例えば特許文献6参照)。
しかしながら、このような制御手法の改良では、それなりに性能が向上するとしても、飛躍的な性能向上は望めない。このため、ジャイロ機構部に立ち帰って、新たな改良を試みることが求められる。具体的には、浮上制御や姿勢制御に関する制御能力が向上するよう、ジャイロロータやジャイロケースの形状を更に改造するとともに、その際、制御能力向上に寄与するジャイロロータの軽量化を推し進める一方で、制御能力向上に反する制御電極の面積減少や電極対向部の面積減少を回避することが求められる。
そこで、制御電極の対向面積を減らすことなくジャイロロータの質量を減らすようジャイロ機構部の形状に工夫を凝らすことが技術的な課題となる。
The accumulation of improvements related to the conventional electrostatic levitation type gyro apparatus relates to rotation drive control and attitude control in a steady state (see Patent Documents 1 to 5), but the rotor levitation control sequence at startup There is also an improved version (see, for example, Patent Document 6).
However, with such an improvement of the control method, even if the performance is improved as such, a dramatic improvement in performance cannot be expected. For this reason, it is required to return to the gyro mechanism and try a new improvement. Specifically, while further remodeling the shape of the gyro rotor and gyro case so as to improve the control capability related to levitation control and attitude control, while promoting the weight reduction of the gyro rotor that contributes to the improvement of the control capability, It is required to avoid the reduction in the area of the control electrode and the reduction in the area of the electrode facing portion against the improvement of the control capability.
Therefore, it is a technical problem to devise the shape of the gyro mechanism so as to reduce the mass of the gyro rotor without reducing the facing area of the control electrode.
本発明の静電浮上型ジャイロ装置は(解決手段1)、このような課題を解決するために創案されたものであり、ジャイロロータと、これを静電浮上可能かつ回転可能に内蔵するジャイロケースと、これに形成されている複数の電極のうち静電支持用電極および回転駆動用電極に前記ジャイロロータの姿勢制御用および回転駆動用の制御電圧をそれぞれ生成して印加する制御回路と、前記複数電極のうち前記制御電圧の印加されない変位検出用電極を経由させたうえで前記ジャイロロータと前記ジャイロケースとの相対変位検出用の信号を検出する信号検出回路とを備えた静電浮上型ジャイロ装置において、前記ジャイロロータが、円筒部の両端部に鍔状張出の付いたボビン状に形成されていることを特徴とする。 The electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention (Solution 1) has been devised to solve such problems, and includes a gyro rotor and a gyro case in which the electrostatic levitation gyro apparatus is electrostatically levitated and rotatable. A control circuit for generating and applying control voltages for attitude control and rotation drive of the gyro rotor to the electrostatic support electrode and the rotation drive electrode among the plurality of electrodes formed thereon, and An electrostatic levitation gyro comprising a signal detection circuit for detecting a signal for detecting a relative displacement between the gyro rotor and the gyro case after passing through a displacement detection electrode to which the control voltage is not applied among a plurality of electrodes. In the apparatus, the gyro rotor is formed in a bobbin shape having hook-like protrusions at both ends of the cylindrical portion.
また、本発明の静電浮上型ジャイロ装置は(解決手段2)、上記解決手段1の静電浮上型ジャイロ装置であって、前記ジャイロケースが、前記ジャイロロータの外径より内径が小さいケース内周部分と、このケース内周部分より外側に位置しているケース外側部分とを具備したものであり、前記ケース内周部分が前記ジャイロロータの鍔状張出と鍔状張出との間(の外開き環状溝)に遊嵌されており、前記静電支持用電極が前記ケース内周部分に形成されていることを特徴とする。 The electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention (Solution means 2) is the electrostatic levitation type gyro apparatus of the above solution means 1, wherein the gyro case has an inner diameter smaller than the outer diameter of the gyro rotor. A peripheral portion and a case outer portion located outside the case inner peripheral portion, and the case inner peripheral portion is located between the gutter-like overhang of the gyro rotor and the hook-like overhang ( And the electrostatic support electrode is formed on the inner peripheral portion of the case.
さらに、本発明の静電浮上型ジャイロ装置は(解決手段3)、上記解決手段2の静電浮上型ジャイロ装置であって、前記ジャイロロータの鍔状張出の周縁部に等ピッチ放射状配置で多数の突部が形成されており、前記回転駆動用電極が、前記ケース内周部分のうち前記突部に対向しうる部位の表面を這う部分とその外側に延びてから立ち上がる部分とを具備していて立体的に形成されていることを特徴とする。 Furthermore, the electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention (Solution means 3) is the electrostatic levitation type gyro apparatus of the above solution means 2, and is arranged at a regular pitch radial arrangement on the peripheral edge of the gutter-like projection of the gyro rotor. A plurality of protrusions are formed, and the rotation drive electrode includes a portion that covers the surface of a portion of the inner peripheral portion of the case that can face the protrusions, and a portion that rises after extending outward. It is characterized by being three-dimensionally formed.
また、本発明の静電浮上型ジャイロ装置は(解決手段4)、上記解決手段2〜3の静電浮上型ジャイロ装置であって、前記複数電極の引出線が前記ジャイロケースの片面だけに引き出されていることを特徴とする。 Further, the electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention (Solution means 4) is the electrostatic levitation type gyro apparatus of the above solution means 2-3, wherein the lead lines of the plurality of electrodes are drawn out only on one side of the gyro case. It is characterized by being.
また、本発明の静電浮上型ジャイロ装置は(解決手段5)、上記解決手段4の静電浮上型ジャイロ装置であって、前記ジャイロケースが前記片面の反対側から真空封止されていることを特徴とする。 Moreover, the electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention is (the solution means 5), the electrostatic levitation type gyro apparatus of the solution means 4, wherein the gyro case is vacuum-sealed from the opposite side of the one side. It is characterized by.
また、本発明の静電浮上型ジャイロ装置は(解決手段6)、上記解決手段2〜5の静電浮上型ジャイロ装置であって、鍔状張出が前記ジャイロロータの前記円筒部の中間部にも設けられており、前記静電支持用電極の形成された前記ケース内周部分が前記ジャイロケースに複数設けられており、前記ジャイロロータの前記鍔状張出と前記ジャイロケースの前記ケース内周部分とが交互に並んでいることを特徴とする。
Further, the electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention (solution 6) is the electrostatic levitation type gyro apparatus of the
このような本発明の静電浮上型ジャイロ装置にあっては(解決手段1)、ジャイロロータを環状からボビン状に変えたことにより、円筒部の周囲部が無くなって薄くなった分だけジャイロロータの質量が減少する。一方、肉厚が薄くなっても表面積はさほど減らないので、ジャイロロータの円筒部における制御電極の対向面積の減少は概ね回避される。また、円筒部の両端部は鍔状張出として残っているので、ジャイロロータの両端における制御電極の対向面も無くならないで維持される。そして、このようなジャイロロータの軽量化により、浮上制御や姿勢制御に関する制御能力が向上することとなる。 In such an electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention (Solution 1), the gyro rotor is changed from an annular shape to a bobbin shape, so that the peripheral portion of the cylindrical portion is eliminated and thinned. The mass of decreases. On the other hand, since the surface area does not decrease so much even when the wall thickness is reduced, a reduction in the facing area of the control electrode in the cylindrical portion of the gyro rotor is generally avoided. Further, since both end portions of the cylindrical portion remain as hook-like protrusions, the opposing surfaces of the control electrode at both ends of the gyro rotor are maintained without being lost. And, by reducing the weight of the gyro rotor as described above, the control ability regarding the ascent control and the attitude control is improved.
なお、ボビン状のように円筒部の両端部を鍔状に張り出すのとは逆に、両端部を中空側へすぼめた形状に変えることで、ジャイロロータを軽量化することも考えられるが、ジャイロロータの鍔部を内向きにすると、実施に際してジャイロケースにおける電極の引出をフィールドスルー構造にて具体化した場合にフィールドスルー構造がジャイロケースの中央の円柱部に集中して、ジャイロケースの作成が困難になるため、ジャイロロータの鍔部を外向きにしている。ケース外側部分はジャイロケースを大きくすれば容易に電極用の面積やフィールドスルー用の面積を確保できるが、ケース内周部分では、表面積がジャイロロータの径によって決まり、ジャイロケースを大きくしてもそれによって直ちに電極用の面積やフィールドスルー用の面積を確保できる訳ではないので、あまり電極数を多くできない。そのため、本願発明ではジャイロロータをボビン状にしたものである。
したがって、この発明によれば、制御電極の対向面を維持しながらジャイロロータの質量を減らすことができるうえ製造も容易な静電浮上型ジャイロ装置を実現することができる。
In contrast to projecting both ends of the cylindrical part like a bobbin in a bowl shape, it is conceivable to reduce the weight of the gyro rotor by changing the shape of both ends to a hollow side, When the gyro rotor's collar is turned inward, the field through structure is concentrated on the central cylindrical part of the gyro case when the electrode lead-out of the gyro case is embodied in the field through structure. This makes the gyro rotor's buttocks outward. If the gyro case is enlarged, the area for the electrodes and the field through area can be easily secured on the outer part of the case, but the surface area of the case inner periphery depends on the diameter of the gyro rotor. As a result, the area for electrodes and the area for field through cannot be secured immediately, so the number of electrodes cannot be increased. Therefore, in the present invention, the gyro rotor has a bobbin shape.
Therefore, according to the present invention, it is possible to realize an electrostatic levitation type gyro apparatus that can reduce the mass of the gyro rotor while maintaining the facing surface of the control electrode and can be easily manufactured.
また、本発明の静電浮上型ジャイロ装置にあっては(解決手段2)、ジャイロケースの内周部分に静電支持用電極を形成し、それをジャイロロータの鍔状張出と鍔状張出との間に遊嵌したことにより、環状ロータ型では出来なかったところに対して即ちジャイロロータの鍔状張出の両面のうち円筒部外周側の面に対して新たに制御可能な静電引力を作用させることができる。そして、このような静電引力は浮上制御や姿勢制御に寄与するものとなっている。 In the electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention (solution 2), an electrostatic support electrode is formed on the inner peripheral portion of the gyro case, and this is formed into a hook-like protrusion and hook-like tension of the gyro rotor. Because of the loose fit between the protrusion and the ring rotor type, the electrostatic capacity that can be newly controlled with respect to the outer surface of the cylindrical portion of the gyro rotor on both sides An attractive force can be applied. Such an electrostatic attractive force contributes to levitation control and attitude control.
さらに、本発明の静電浮上型ジャイロ装置にあっては(解決手段3)、ボビン状のジャイロロータの鍔状張出の周縁部が、ジャイロケースの内周部分の端面と対向する円筒部外周側の面を持つことに加えて、それと直交する鍔状張出の外周面をも持っていることに着目して、それら両面に対向しうるよう回転駆動用電極を立体化し、回転駆動用電極から鍔状張出の周縁部の放射状突部には両方向から回転駆動用制御電圧が作用するようにしたことにより、ジャイロロータの回転駆動力が増強される。そのため、ジャイロロータの軽量化による慣性力検出能の低下をジャイロロータの回転速度向上によって補うことが容易に実現できる。 Furthermore, in the electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention (solution 3), the peripheral edge of the flange-like overhang of the bobbin-like gyro rotor is the outer periphery of the cylindrical part facing the end surface of the inner peripheral part of the gyro case. Focusing on the fact that it has an outer peripheral surface of a hook-like protrusion perpendicular to it in addition to having a side surface, the rotation drive electrode is three-dimensionalized so as to be able to face both surfaces, and the rotation drive electrode The rotational driving force of the gyro rotor is enhanced by the fact that the rotational driving control voltage is applied to the radial protrusions on the peripheral edge of the flange-like protrusion from both directions. For this reason, it is possible to easily compensate for the decrease in the inertial force detection ability due to the weight reduction of the gyro rotor by improving the rotation speed of the gyro rotor.
また、本発明の静電浮上型ジャイロ装置は(解決手段4)、複数電極の引出線がジャイロケースの片面だけに引き出されているので、引出線の無い方から真空封止することにより、ジャイロ機構部を単体で真空封止するのが容易である。
また、本発明の静電浮上型ジャイロ装置にあっては(解決手段5)、ジャイロケースが引出線の無い方から真空封止されて、ジャイロ機構部が単体で真空封止されていることから、LSIチップ等に集積された制御回路部とジャイロ機構部を樹脂封止にて一体化するパッケージ成形が容易なので、安価に量産しうるものとなっている。
In the electrostatic levitation gyro apparatus of the present invention (solution 4), since the lead wires of the plurality of electrodes are drawn only on one side of the gyro case, the gyro is sealed by vacuum sealing from the side without the lead wire. It is easy to vacuum seal the mechanism unit alone.
Moreover, in the electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention (Solution 5), the gyro case is vacuum sealed from the side without the lead wire, and the gyro mechanism part is vacuum sealed alone. Since the control circuit unit integrated on the LSI chip or the like and the gyro mechanism unit can be easily molded by resin sealing, it can be mass-produced at a low cost.
また、本発明の静電浮上型ジャイロ装置にあっては(解決手段6)、ジャイロロータの鍔状張出とジャイロケースのケース内周部分とを複数化して交互に並べたことにより、静電引力を生じる静電支持用電極と鍔状張出との対向箇所が増え、それに応じて静電引力も強くなるため、浮上制御や姿勢制御に関する制御能力がジャイロロータの軽量化による性能向上と相まって更に向上する。 Further, in the electrostatic levitation type gyro apparatus of the present invention (solution 6), a plurality of gyro rotor saddle-like projections and gyro case inner peripheral portions are arranged alternately and arranged electrostatically. The number of locations where the electrostatic support electrode that generates attraction and the saddle-shaped overhang increases, and the electrostatic attraction increases accordingly. Therefore, the control capability for levitation control and attitude control is coupled with the performance improvement by reducing the weight of the gyro rotor. Further improvement.
このような本発明の静電浮上型ジャイロ装置について、これを実施するための具体的な形態を、以下の実施例1〜2により説明する。
図1〜3に示した実施例1は、上述した解決手段1〜5(出願当初の請求項1〜5)を具現化したものであり、図4に示した実施例2は、上述した解決手段6(出願当初の請求項6)を具現化したものである。
なお、それらの図示に際し従来と同様の構成要素には同一の符号を付して示したので、重複する再度の説明は割愛し、以下、従来との相違点を中心に説明する。
About the electrostatic levitation type gyro apparatus of such this invention, the specific form for implementing this is demonstrated by the following Examples 1-2.
The embodiment 1 shown in FIGS. 1 to 3 embodies the above-described solving means 1 to 5 (claims 1 to 5 as originally filed), and the
In the drawings, the same reference numerals are given to the same components as those in the prior art, and therefore, repeated explanations are omitted. Hereinafter, the differences from the prior art will be mainly described.
本発明の静電浮上型ジャイロ装置の実施例1について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図1は、(a)が平面図、(b)が正面図、(c)がジャイロ機構部の縦断面図(正面図)、 (d)がジャイロロータの斜視図である。 また、図2(a)がジャイロ機構部のAA矢視断面図(平面図)、 図2(b)がジャイロ機構部のBB矢視断面図(平面図)、 図3(a)がジャイロ機構部のCC矢視断面図(平面図)である。 さらに、図3(b)は逆転型変位検出方式の全体ブロック図である。 A specific configuration of the electrostatic levitation gyro apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A is a plan view, FIG. 1B is a front view, FIG. 1C is a longitudinal sectional view (front view) of a gyro mechanism, and FIG. 1D is a perspective view of a gyro rotor. 2A is a cross-sectional view (plan view) taken along the line AA of the gyro mechanism, FIG. 2B is a cross-sectional view (plan view) taken along the line BB of the gyro mechanism, and FIG. 3A is a gyro mechanism. It is CC arrow sectional drawing (plan view) of a part. FIG. 3B is an overall block diagram of the reverse displacement detection method.
このジャイロ装置40は(図1(a),(b)参照)、プラスチックパッケージ41の中にLSIチップ42とジャイロ機構部50とが樹脂封止されており、多数のピン43が下面に突出して列設されたベース44の上面にプラスチックパッケージ41が搭載されて、例えばPGA(Pin Grid Array)形のICパッケージに纏められている。LSIチップ42には電子回路部が集積実装されており、LSIチップ42とジャイロ機構部50とを接続する信号線や,LSIチップ42とピン43とを接続する信号線は、ベース44の上面に配線パターンで形成されている。ベース44にLSIチップ42やジャイロ機構部50を載せ置いてから、プラスチックパッケージ41にてモールドすることで、LSIチップ42やジャイロ機構部50さらには配線の固定や保護がなされている。
In this gyro device 40 (see FIGS. 1A and 1B), an
ジャイロ機構部50は、外観が従来品と同様に円板状で、外寸も従来品と同様に直径が数mmかそれ以下であり、ジャイロロータをジャイロケースの真空空間(空洞)に収容していてジャイロケースの電極からジャイロロータに静電引力を作用させてジャイロロータを浮上させて支持するようになっていることも従来同様であるが、内部構造がロータ軽量化のため従来品から変更されており、ケース外側部分がジャイロロータより長い円筒形だったジャイロケース20が、ジャイロロータより短くなったケース外側部分52とそこから内周側に延伸したケース内周部分53とを具備したジャイロケース51になり(図1(b)参照)、その短縮分を補うために上側底部材も下側底部材も平板状から浅皿状になり、環状だったジャイロロータ10が、円筒部の両端部に鍔状張出の付いたボビン状のジャイロロータ60になっている(図1(b),(c)参照)。
The
ジャイロ機構部50は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の一種として、半導体プロセスに犠牲層エッチング工程を加味したマイクロマシニングにて製造されるが、ジャイロケース51とジャイロロータ60とが入れ子になっているので、両者が同時に作り上げられる。
以下、従来通り回転中心軸の方向をZ方向とし、他の方向X,Y,φ,θも既述したのと同様であるとして、ジャイロ機構部50の各部を詳述する。
The
Hereinafter, each part of the
ジャイロロータ60は(図1(d)参照)、従来通り高濃度イオン注入シリコンといった導電体からなるが、形状が従来と異なっており、中空61の周壁をなす円筒部62が、従来の環状ロータと比べて、高さは同等であるが、厚みが数分の一〜数十分の一程度に薄くなっている。円筒部62の両端には鍔状張出63が薄く残っている。鍔状張出63は内径も外径も従来と大差なく、円筒部62の内径も従来と大差ないが、円筒部62の外径は従来のジャイロロータ10のそれより格段に小さくなっている。ロータ駆動用電極21の静電引力の作用を受ける放射状突部64は、鍔状張出63の内周寄りでなく外周側の円状縁部に等ピッチで切欠と交互に多数個が列設されている。
The gyro rotor 60 (see FIG. 1 (d)) is made of a conductor such as high-concentration ion-implanted silicon as is conventional, but the shape is different from the conventional one, and the
ジャイロケース51は(図1(c),図2(a),図2(b),図3(a)参照)、従来のジャイロケース20と同様に、真性シリコンやガラスといった電気絶縁体からなり又はジャイロロータ60と同様の導電体の表面に電気絶縁皮膜を形成したものからなり、ジャイロロータ60の中空61に遊挿された状態で中心に位置する円柱部55と、下の端面を塞ぐ下側底部材56と、上の端面を塞ぐ上側底部材57と、ジャイロロータ60の外周を一巡して囲う状態で形成される環状部分(52+53)とを具えているが、従来のジャイロケース20とは異なり、環状部分(52+53)の内径がジャイロロータ60の最大外径より小さくなっている。
The gyro case 51 (refer to FIG. 1C, FIG. 2A, FIG. 2B, and FIG. 3A) is made of an electrical insulator such as intrinsic silicon or glass, like the
環状部分(52+53)の外径はジャイロロータ60の最大外径より依然として大きいので、この環状部分(52+53)を、ジャイロロータ60の最大外径より内径が小さいケース内周部分53と、このケース内周部分53より外側に位置しているケース外側部分52とに、呼び分ける。ケース内周部分53とケース外側部分52とは連続した一体物として作られている。ケース内周部分53は、ジャイロロータ60に対し、一端の鍔状張出63と他端の鍔状張出63との間に遊嵌されて、円筒部62の外周を僅かに離れて取り囲んでいる。ケース外側部分52は、ジャイロロータ60の鍔状張出63の放射状突部64より外周側に位置している。
Since the outer diameter of the annular portion (52 + 53) is still larger than the maximum outer diameter of the
多数の電極21〜26についても、それらがジャイロケース51の表面に分散して形成されることは従来と同様であるが、電極の配置や引出線の配置は従来と異なっている。具体的には、先ず(図1(c),図2(a),図2(b)参照)、Z軸周りの回転駆動力を出すロータ駆動用電極21は、多数個が等ピッチで列設されて、ジャイロロータ60の鍔状張出63の放射状突部64を取り囲んでいるが、何れの電極21も、ジャイロケース51のケース内周部分53の両端面のうち放射状突部64に対向しうる部位の表面を這う部分とその外側に延びてから立ち上がる部分とを具備していて、断面L形の立体形状に形成されている。このロータ駆動用電極21の列設ピッチ及び個数と放射状突部64の列設ピッチ及び個数は、例えば三相モータと同様の回転駆動が行える条件(例えば特許文献1図7参照)を満たすような対応関係で、設定されている。
The large number of
また(図1(c),図2(b)参照)、姿勢制御用制御電圧を印加されてZ±θ方向の静電支持力を出す静電支持用電極23は、X+方向とX−方向とに分かれてケース内周部分53の表面に形成され、ケース内周部分53の上面のものと下面のものとが対向対をなし、ケース内周部分53の上面や下面で隣接配置されたもの同士が隣接対をなしている。姿勢制御用制御電圧を印加されてZ±φ方向の静電支持力を出す静電支持用電極25は、Y+方向とY−方向とに分かれてケース内周部分53の表面に形成され、ケース内周部分53の上面のものと下面のものとが対向対をなし、ケース内周部分53の上面や下面で隣接配置されたもの同士が隣接対をなしている。
In addition, the
さらに(図1(c),図3(a)参照)、姿勢制御用制御電圧を印加されてX方向の静電支持力を出す静電支持用電極24は、X+方向とX−方向とに分かれてケース内周部分53の内周面と円柱部55の外周面とに形成され、ケース内周部分53の内周面のものと円柱部55の外周面のものとが対向対をなし、ケース内周部分53の内周面で隣接配置されたもの同士が隣接対をなし、円柱部55の外周面で隣接配置されたもの同士が隣接対をなしている。姿勢制御用制御電圧を印加されてY方向の静電支持力を出す静電支持用電極26は、Y+方向とY−方向とに分かれてケース内周部分53の内周面と円柱部55の外周面とに形成され、ケース内周部分53の内周面のものと円柱部55の外周面のものとが対向対をなし、ケース内周部分53の内周面で隣接配置されたもの同士が隣接対をなし、円柱部55の外周面で隣接配置されたもの同士が隣接対をなしている。
Further (see FIG. 1C and FIG. 3A), the
また(図2(b),図3(a)参照)、姿勢制御用制御電圧も回転駆動用制御電圧も印加されない変位検出用電極22は、ケース内周部分53の上面と下面と内周面と円柱部55の外周面とに形成され、静電支持用電極23と静電支持用電極25との間や、静電支持用電極24と静電支持用電極26との間に、分散配置されている。
Further, (see FIGS. 2B and 3A), the
これらの電極21〜26に接続された引出線54は(図1(c)参照)、何れも、ケース内周部分53の表面の電極パターンからケース外側部分52の表面へ延び、そこで下方へ向きを変えて、上面のものはケース外側部分52を貫通してケース外側部分52の下面に達して、円柱部55のものはその下面に達してから、更に下側底部材56を貫通して、ジャイロケース51の下面(片面)だけに引き出されている。そして、このようなジャイロケース51では、下側底部材56が先に取り付けられ、後から上側底部材57が取り付けられ、そのときに上側底部材57の方(片面の反対側)から真空封止がなされる。これによって、ジャイロ機構部50が単体で真空封止されたものとなるので、上述したプラスチックパッケージ41によるジャイロ機構部50の樹脂封止が可能となる(図1(a),(b)参照)。
The lead lines 54 connected to these
なお、LSIチップ42に実装する電子回路部は、図5(a)に図示した基本的な変位検出方式の電子回路部(31,32〜34)でも良いが、この例では、図5(b)に図示した逆転型変位検出方式の電子回路部(31,36〜38)が搭載されている。
具体的には(図3(b)参照)、この電子回路部は、何れも既述したロータ制御回路31と制御演算回路36と変位検出用信号印加回路37と変位検出用信号検出回路38とを具えていて、変位検出用信号印加回路37から変位検出用電極22に共通の変位検出用信号を印加し、その変位検出用信号に係る信号成分を静電支持用電極23〜26から変位検出用信号検出回路38にて分離抽出して制御演算回路36へ送出し、制御演算回路36にてジャイロロータ60とジャイロケース51との相対変位を算出してそれに見合った姿勢制御用の制御電圧を静電支持用電極23〜26に印加し、ロータ制御回路31からロータ駆動用電極21に回転駆動用の制御電圧を印加するようになっている。
The electronic circuit unit mounted on the
Specifically (see FIG. 3B), the electronic circuit unit includes the
この実施例1の静電浮上型ジャイロ装置40について、その使用態様及び動作を説明する。基本的な使い方は従来品と同様で良く(特許文献1〜6も参照)、例えば自動車の車体に組み込まれて使用される。そして、基本的な動作も従来と同様になる。すなわち、逆転型変位検出方式なので、変位検出用信号が変位検出用電極22と静電支持用電極23〜26を経由する際に各静電支持用電極の所でジャイロロータ60とジャイロケース51との相対変位が変位検出用信号に反映され、その変位検出用信号が制御演算回路36に取り込まれて、各方向の変位が検知される。また、それに基づいて適切な姿勢制御用の制御電圧が生成され静電支持用電極23〜26に印加されて、ジャイロロータ60がジャイロケース51の中で浮上状態を維持する。さらに、ジャイロロータ60とジャイロケース51との相対変位や姿勢制御用の制御電圧から、慣性空間に対する加速度等が検出される。
About the electrostatic levitation-
そのような基本動作において従来と相違する詳細な動作や特性を取り上げて詳述すると、ジャイロロータ60が環状でなく軽量なボビン状になったことから、円筒部62の外周側のうち両端の鍔状張出63の間に位置する部分が省かれて円筒部62が薄くなっているので、その分だけジャイロロータ60の質量が少なくなっている。例えば、ジャイロロータ10が70μg程度であったのに対し、制御可能な電極面積を確保しながらも、ジャイロロータ60は数μgと従来の1/20程度に軽くなっている。一方、ジャイロケース51に分散形成された複数電極21〜26のうち静電支持用電極23〜26は、形成部位が新たなケース内周部分53の表面になっているが、静電引力決定の主要因である電極面積が従来と同程度に維持されている。このように静電支持用電極23〜26の面積を減らすことなくジャイロロータ60が軽量化されているので、浮上制御や姿勢制御に関する制御能力が向上している。
In such basic operation, detailed operations and characteristics different from the conventional ones will be described in detail. Since the
複数電極21〜26のうち変位検出用電極22も、静電支持用電極23〜26と同様に、形成部位が新たなケース内周部分53の表面になっているが、信号検出能力決定の主要因である電極面積が従来と同程度に維持されているので、ジャイロロータ60とジャイロケース51との相対変位の検出性能も適切に維持される。
複数電極21〜26のうちロータ駆動用電極21は、ジャイロケース51においてケース内周部分53の上下端面を這う部分とケース外側部分52からの立ち上がった部分との双方に亘っているので、電極面積が従来に比べて増加している。そして、広くなったロータ駆動用電極21からジャイロロータ60の鍔状張出63の周縁部の放射状突部64に回転駆動用制御電圧が作用するので、ジャイロロータ60の回転駆動力が増強される。
Of the plurality of
Of the plurality of
本発明の静電浮上型ジャイロ装置の実施例2について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図4は、(a)がジャイロ機構部の縦断面図(正面図)、(b)がジャイロロータの斜視図である。なお、引出線54の図示は割愛している。
A specific configuration of the electrostatic levitation gyro apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 4A is a longitudinal sectional view (front view) of the gyro mechanism, and FIG. 4B is a perspective view of the gyro rotor. In addition, illustration of the
この静電浮上型ジャイロ装置が上述した実施例1のものと相違するのはジャイロ機構部50が一部改造されてジャイロ機構部70になった点であり、ジャイロ機構部70がジャイロ機構部50と相違するのは、ジャイロケース51がケース内周部分53の複数化・多数化によってジャイロケース71になった点と、ジャイロロータ60が鍔状張出63の複数化・多数化によって謂わば複連ボビン状のジャイロロータ72になった点である。
ジャイロロータ72は、円筒部62がZ軸(中心軸)方向に延伸されており、その円筒部62の両端に加えて中間部にも上述の鍔状張出63が設けられている。図示の例では、円筒部62の中間部に鍔状張出63が二つ設けられて、全部で四個の鍔状張出63がZ軸方向に必須ではないが大抵は等ピッチで並んでいる。
This electrostatic levitation type gyro device differs from that of the first embodiment described above in that the
The
ジャイロケース71にあっては、円柱部55とケース外側部分52はZ軸(スピン軸)方向に延伸されているが、ケース内周部分53は延伸されるのでなく個数が増えてZ軸方向に並んでいる。各ケース内周部分53にはそれぞれ上述したロータ駆動用電極21と変位検出用電極22と静電支持用電極23,25が形成されており、円柱部55の外周面のうち各ケース内周部分53と対向する部位には上述した静電支持用電極24,26が形成されている。ケース内周部分53の個数はジャイロロータ72の鍔状張出63より一つ少なく、全部で三個のケース内周部分53がZ軸方向に並んでいる。
ジャイロロータ72において隣り合っている鍔状張出63,63の間に一つずつケース内周部分53が遊嵌されているので、ジャイロロータ72の鍔状張出63とジャイロケース71の内周部分53とが交互に並んだ状態になっている。
In the
Since the case inner
この場合、姿勢制御用制御電圧を印加されてZ±θ方向の静電支持力を出す静電支持用電極23も、姿勢制御用制御電圧を印加されてZ±φ方向の静電支持力を出す静電支持用電極25も、Z方向における配設位置が二カ所から六カ所に増加しているので、該当する方向の静電引力がほぼ三倍に増強される。静電支持用電極24,26も三倍に増加しているので、X方向やY方向の静電支持力もほぼ三倍に増強される。
これに対し、ジャイロロータ72の質量は二倍強に増えるだけである。
そのため、該当方向の制御能力が強化される。
In this case, the
On the other hand, the mass of the
Therefore, the control capability in the corresponding direction is strengthened.
10…ジャイロロータ(ジャイロ機構部)、
20…ジャイロケース(ジャイロ機構部)、
21…ロータ駆動用電極(回転電極,ロータ駆動系)、
22…変位検出用電極(検出電極,変位検出系)、
23〜26…静電支持用電極(姿勢制御,制御電極,拘束制御系)、
31…ロータ制御回路(制御回路,ロータ駆動系)、
32…制御演算回路(制御回路,拘束制御系)、
33…変位検出用信号印加回路(変位検出系)、
34…変位検出用信号検出回路(変位検出系)、
36…制御演算回路(制御回路、拘束制御系)、
37…変位検出用信号印加回路(変位検出系)、
38…変位検出用信号検出回路(変位検出系)、
40…ジャイロ装置(静電浮上型ジャイロ装置)、
41…プラスチックパッケージ(樹脂封止)、
42…LSIチップ、43…ピン、44…ベース、
50…ジャイロ機構部、
51…ジャイロケース、
52…ケース外側部分、53…ケース内周部分、54…引出線、
55…円柱部、56…下側底部材、57…上側底部材、
60…ジャイロロータ、
61…中空、62…円筒部、
63…鍔状張出、64…放射状突部(端部周縁部)、
70…ジャイロ機構部、71…ジャイロケース
10: Gyro rotor (gyro mechanism),
20 ... Gyro case (gyro mechanism)
21 ... Rotor driving electrode (rotating electrode, rotor driving system),
22 ... Displacement detection electrode (detection electrode, displacement detection system),
23 to 26: Electrostatic support electrodes (attitude control, control electrodes, constraint control system),
31 ... Rotor control circuit (control circuit, rotor drive system),
32 ... control arithmetic circuit (control circuit, constraint control system),
33 ... Displacement detection signal application circuit (displacement detection system),
34 ... Displacement detection signal detection circuit (displacement detection system),
36 ... control arithmetic circuit (control circuit, constraint control system),
37 ... Displacement detection signal application circuit (displacement detection system),
38 ... Displacement detection signal detection circuit (displacement detection system),
40: Gyro device (electrostatic levitation type gyro device),
41 ... Plastic package (resin sealing),
42 ... LSI chip, 43 ... pin, 44 ... base,
50: Gyro mechanism,
51 ... Gyro case,
52 ... Case outer part, 53 ... Case inner peripheral part, 54 ... Leader line,
55 ... Cylindrical part, 56 ... Lower bottom member, 57 ... Upper bottom member,
60 ... Gyro rotor,
61 ... hollow, 62 ... cylindrical part,
63 ... saddle-like overhang, 64 ... radial protrusion (end peripheral edge),
70 ... Gyro mechanism, 71 ... Gyro case
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