振動構造ジャイロスコープ

このタイプのジャイロスコープは、1980年代にGEC-MarconiとFerrantiによって、圧電素子を取り付けた金属合金と一体型の圧電セラミック設計を用いて開発されました。1990年代には、アメリカのカリフォルニア州に拠点を置くInertial Engineering, Inc.が磁気電気励起と読み出しを行うCRGを製造し、Watson Industriesは圧電セラミック版を製造しました。最近Innalabsが特許を取得した改良版は、 Elinvar合金製の円筒形共振器設計を採用し、底部に励起とピックアップ用の圧電セラミック素子を備えています。

この技術により、製品寿命が大幅に向上し（MTBF > 500,000時間）、耐衝撃性（> 300g ）も高く、戦術用途（中程度の精度が求められる用途）に適している。

共振器は2次共振モードで動作します。Q値は通常約20,000で、これによりノイズと角度ランダムウォークが決定されます。定常波は、縁に沿って円周方向に4つの腹と4つの節を持つ楕円形の振動です。

隣接する2つの腹-節ペア間の角度は45度です。楕円共振モードの1つが所定の振幅で励起されます。デバイスがその感応軸（内部ステムに沿った軸）を中心に回転すると、共振器の振動質量要素に作用するコリオリ力によって、2番目の共振モードが励起されます。2つのモードの長軸間の角度も45度です。

閉ループ制御により第2共振モードがゼロに制御され、このモードをゼロにするために必要な力は入力回転速度に比例する。この制御ループは力再平衡モードと呼ばれる。

共振器上の圧電素子は力を発生させ、誘起された動きを感知する。この電気機械システムは、要求の厳しい用途に必要な低出力ノイズと広いダイナミックレンジを実現するが、激しい音響ノイズと高い過負荷という欠点がある。

圧電材料を振動させ、コリオリ力による横方向の動きを測定することで、回転速度に関連する信号を生成することができる。^{[ 2 ]}

このタイプのジャイロスコープは、共振状態まで駆動される一対の試験質量体を使用します。振動面からの変位を測定することで、システムの回転速度に関連する信号を生成します。

フレデリック・ウィリアム・メレディスは、王立航空研究所（RAE）に勤務していた1942年に、このような装置の特許を登録した。1958年には、RAEでGHハントとAEWホッブスによってさらなる開発が行われ、1時間あたり1度未満、すなわち（2.78 × 10⁻⁶）のドリフトが実証された。⁻⁴ )°/秒。 ^{[ 3 ]}

現代の戦術用ジャイロスコープは、カリフォルニアの米国メーカーSystron DonnerやフランスのメーカーSafranなどが製造しているような、二重音叉を使用している。^{[ 4 ]}

半球型共振器ジャイロスコープ（HRG）とも呼ばれるワイングラス型共振器は、太いステムで固定された薄い固体半球を使用します。ステム付きの半球は曲げ共振状態まで駆動され、節点を測定することで回転を検出します。このようなシステムには、レート動作モード（力再平衡モード）に基づくものと、積分動作モード（全角度モード）に基づくものの2つの基本的なバリエーションがあります。通常、後者は制御されたパラメトリック励振と組み合わせて使用​​されます。同じハードウェアで両方の動作モードを使用することが可能であり、これはこれらのジャイロスコープに特有の機能です。

高純度石英ガラス製の一体型設計（すなわち、半球状のカップとステムが一体化した部品）の場合、真空中で3000万～5000万を超えるQ値を達成できるため、対応するランダムウォークは極めて低くなります。Q値は、金またはプラチナの極薄膜であるコーティングと治具の損失によって制限されます。^{[ 5 ]}このような共振器は、ガラスのイオンビームマイクロエロージョンまたはレーザーアブレーションによって微調整する必要があります。いくつかの国のエンジニアと研究者は、これらの高度な最先端技術のさらなる改良に取り組んでいます。^{[ 6 ]}

サフランとノースロップ・グラマンはHRGの主要メーカーである。^{[ 7 ] [ 8 ]}

車輪は、その軸を中心に1回転の数分の1回転するように駆動される。車輪の傾きが測定され、回転速度に関連する信号が生成される。^{[ 9 ]}

自動車のヨーセンサーは、振動構造ジャイロスコープを中心に構築できます。これらは、ステアリングホイールセンサーと連携して電子安定制御システムへの入力として接続された場合、予測応答と比較してヨーのエラー状態を検出するために使用されます。 ^{[ 12 ]}高度なシステムでは、2つ目のVSGに基づいて横転検出を提供することも可能かもしれませんが、この目的のためには、既存の横方向加速度計に縦方向および垂直方向の加速度計を追加する方が安価です。

任天堂のゲームボーイアドバンス用ゲーム『ワリオウェア ツイステッド！』は、圧電ジャイロスコープを使用して回転運動を検出します。ソニーのSixaxis PS3コントローラーは、単一のMEMSジャイロスコープを使用して6軸目（ヨー）を測定します。任天堂のWii MotionPlusアクセサリは、 InvenSense社が提供する多軸MEMSジャイロスコープを使用して、 Wiiリモコンのモーションセンシング機能を拡張します。^{[ 13 ]}最新のスマートフォンやゲーム機器のほとんどもMEMSジャイロスコープを搭載しています。

振動構造ジャイロスコープは、ラジコンヘリコプターのテールローター制御や、ラジコン飛行機の飛行中の姿勢安定に一般的に用いられています。また、マルチローター機は本質的に空力的に不安定で、電子的な安定化装置なしでは飛行を維持できないため、マルチローター機のフライトコントローラーにも使用されています。

エプソンロボットは、QMEMSと呼ばれる水晶MEMSジャイロスコープを使用して、ロボットの振動を検出および制御します。これにより、ロボットは高速および急減速動作において、ロボットエンドエフェクタを高精度で位置決めすることができます。 ^{[ 14 ]}

ビデオカメラやスチルカメラの多くの画像安定化システムは、振動構造ジャイロスコープを採用している。

カッシーニ・ホイヘンスなどの宇宙船の位置決めには、振動構造ジャイロスコープで振動を誘起して制御することもできます。^{[ 15 ]}これらの石英ガラス製の小型半球共振器ジャイロスコープは真空中で動作します。 高純度単結晶サファイアで作られた弾性的に分離された円筒共振器ジャイロスコープ（CRG）のプロトタイプもあります。 ^{[ 16 ] [ 17 ]}高純度白サファイアは、HRGに使用される石英ガラスよりも1桁高いQ値を持ちますが、この材料は硬く、異方性があります。これらは可動部品がないため、宇宙船の正確な3軸位置決めを提供し、長年にわたって非常に信頼性があります。

セグウェイは、シリコンセンシングシステムズ製の振動構造ジャイロスコープを使用して、オペレータープラットフォームを安定させています。^{[ 18 ]}