半球形共振器ジャイロスコープ

半球形共振器ジャイロスコープ( HRG) は、ワイングラス ジャイロスコープまたはマッシュルーム ジャイロとも呼ばれ、小型でノイズが少なく、高性能な角速度または回転センサーです。HRG は、厚いステムで固定された薄い固体半球形シェルを使用して作られています。このシェルは、シェルを囲む別の溶融石英構造に直接堆積された電極によって生成される静電力によって曲げ共振を起こします。ジャイロ効果は、曲げ定在波の慣性特性から得られます。HRG は機械システムですが、可動部品がなく、非常に小型にすることができます。

HRG は、太いステムで固定された小型の薄い固体半球シェルを使用します。このシェルは、シェルを囲む個別の溶融石英構造に直接堆積された電極によって生成される専用の静電力によって曲げ共振を起こします。

高純度の溶融石英で作られた一体型設計（すなわち、半球形のシェルとステムが一体型の部品を形成^[1] ）の場合、真空中で3000万～5000万を超えるQ値を達成することが可能であり、対応するランダムウォークは極めて低くなります。Q値はコーティング（金またはプラチナの極めて薄いフィルム）と固定具の損失によって制限されます。^[2]このような共振器は、完全に動的にバランスが取れるように、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。コーティング、調整、およびハウジング内で組み立てられた場合、Q値は1000万を超えます。

HRGシェルに適用すると、コリオリの力により、回転軸の周りの振動パターンの歳差運動が発生します。これにより、入力とは異なる角速度で、この軸の周りに定在波がゆっくりと歳差運動します。これが波の慣性効果であり、1890年に英国の科学者ジョージ・ハートリー・ブライアン（1864–1928）によって発見されました。^[3]したがって、シェルの対称軸の周りの回転を受けると、定在波はシェルと正確には回転しませんが、両方の回転の差は、それでも入力回転に完全に比例します。そのため、デバイスは回転を感知できます。

定在波を感知する電子機器は、定在波を駆動することもできます。したがって、ジャイロは、定在波の位置を感知する「全角度モード」、または定在波をジャイロに対して固定方向に保持する「力再バランス モード」のいずれかで動作できます。

もともと宇宙用途（宇宙船の姿勢・軌道制御システム）に使用されていたHRGは、^{[4]現在では先進的な}慣性航法システム、姿勢・方位基準システム、HRGジャイロコンパスに使用されています。^[5]

HRGは、非常にシンプルなハードウェア（機械加工された2つまたは3つの溶融石英）であるため、非常に信頼性が高い^{[6] [7] 。可動部品はなく、そのコアは半球形のシェルとそのステムを含むモノリシック部品でできています。 [8] 1996年に}NEARシューメーカー宇宙船で最初に使用されて以来、優れた信頼性を実証しています。^{[9] [10]}

HRGは非常に正確で^{[8] [11]}、外部環境の摂動の影響を受けません。共鳴シェルの重量はわずか数グラムで、完全にバランスが取れているため、振動、加速、衝撃の影響を受けません。

HRG は、他のジャイロスコープ技術と比較して、優れた SWAP (サイズ、重量、電力) 特性を備えています。

HRG は、共鳴シェルが完全にバランスが取れており、真空状態で動作するため、音響ノイズも放射ノイズも発生しません。

共振器の素材である石英ガラスは、どんな宇宙環境でも自然に放射線に耐性があります。^[12]これにより、HRG共振器は有害な宇宙放射線の影響を本質的に受けません。共振シェルのQ値が極めて高いため、HRGは角度ランダムウォークが非常に小さく^[9]、消費電力も極めて低くなっています。

HRG は、光ジャイロ (光ファイバー ジャイロスコープやリング レーザー ジャイロスコープ) とは異なり、慣性メモリを備えています。つまり、電源が短時間 (通常は数秒) 失われた場合でも、感知要素は入力動作 (角速度) を積分し続けるため、電源が復旧すると、HRG は電源がオフの間に回転した角度を信号で伝えます。

HRGは非常にハイテクな装置であり、高度な製造ツールとプロセスを必要とします。定在波を感知して駆動するために必要な制御電子機器は高度です。この高度な高度化により、この技術の利用可能性が制限され、これを製造できる企業はほとんどありませんでした。現在、HRGを製造しているのは、ノースロップ・グラマン、^[9]、 サフラン・エレクトロニクス＆ディフェンス^[13]、レイセオン・アンシュッツ^[14]の3社です。

古典的なHRGは、精密に研磨された中空石英半球のコストのため、比較的高価です。この製造コストにより、衛星や宇宙船などの高付加価値アプリケーションでの使用が制限されています。^[9]しかし、設計変更とエンジニアリング制御により、製造コストを大幅に削減できます。外側の共振半球の形状に完全に一致する必要がある内側の半球に電極を配置するのではなく、共振半球の赤道面に一致する平板に電極を配置します。このような構成では、HRGは非常にコスト効率が良く、高品質だがコストに敏感なアプリケーションに適しています。^[15]

• 宇宙 –ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡^[16]やその他の衛星や宇宙船^{[8] [17] [18]}の宇宙船バス内部
• 海上 – メンテナンスフリーの海洋用ジャイロコンパス^{[19] [20]}および姿勢・方位基準システム。^[21]水上艦艇と潜水艦の両方に対応した海軍航法システム。^[22]
• 陸上 – 目標探知機^[23]、陸上航法システム^{[20] [24] [25]}、砲兵照準^{[26] [27]}
• 航空 – HRGは商業航空輸送ナビゲーションシステムに使用される予定である^{[28] [29]}

• 光ファイバージャイロスコープ
• ジャイロスコープ
• HRGジャイロコンパス
• 慣性計測ユニット
• 量子ジャイロスコープ
• リングレーザージャイロスコープ
• 振動構造ジャイロスコープ、別名コリオリ振動ジャイロスコープ

• デルコ、リトン、ノースロップ グラマンにおけるリンチ DD HRG 開発。固体ジャイロスコープに関する記念ワークショップの議事録 (2008 年 5 月 19 ～ 21 日、ウクライナ、ヤルタ)。 - キエフ - ハリコフ。ウクライナ ATS。2009 年。
• L.Rosellini、JM Caron - REGYS 20: 宇宙用途に有望な HRG ベースの IMU - 第 7 回 ESA 国際ガイダンス、ナビゲーション、制御システム会議。2008 年 6 月 2 ～ 5 日、アイルランド、ケリー州トラリー
• D. Roberfroid、Y. Folope、G. Remillieux (Sagem Défense Sécurité、パリ、フランス) - HRG と慣性航法 - 慣性センサーとシステム - シンポジウム ジャイロ テクノロジー 2012
• A Carre、L Rosellini、O Prat (Sagem Défense Sécurité、パリ、フランス) HRG および北調査 - 第 17 回統合ナビゲーション システムに関するサンクトペテルブルク国際会議 2010 年 5 月 31 日～6 月 2 日、ロシア
• Alain Jeanroy、Gilles Grosset、Jean-Claude Goudon、Fabrice Delhaye - Sagem の HRG は研究室から量産まで - 2016 IEEE 慣性センサーおよびシステムに関する国際シンポジウム
• Alexandre Lenoble、Thomas Rouilleault - 複数のアプリケーション向けの SWAP 指向 IMU - 慣性センサーおよびシステム (ISS)、2016 DGON - カールスルーエ、ドイツ
• Fabrice Delhaye - HRG by Safran - 革新的なテクノロジー - 2018 IEEE 慣性センサーおよびシステム国際シンポジウム - イタリア、コモ湖
• Fabrice Delhaye、Jean-Philippe Girault - SpaceNaute®、先進的な宇宙ロケット慣性基準システムのための HRG 技術のブレークスルー - 第 25 回サンクトペテルブルク国際統合ナビゲーション システム会議、2018 年 5 月 31 ～ 29 日、ロシア
• B.Deleaux、Y.Lenoir - 世界最小、最も正確で信頼性の高い純粋な慣性航法装置: ONYX™ - 慣性センサーおよびシステム 2018、ブラウンシュヴァイク - 2018 年 9 月 12 日、ドイツ
• Y. Foloppe、Y.Lenoir - HRG CrystalTM DUAL CORE: INS 革命の再起動 - 慣性センサーおよびシステム 2019、ブラウンシュヴァイク - 2019 年 9 月 10 日、ドイツ
• F. Delhaye、Ch. De Leprevier - Safran の SkyNaute – HRG の技術革新が商用航空機の革新的な IRS (慣性基準システム) にどのように役立つか - 慣性センサーおよびシステム 2019、ブラウンシュヴァイク - 2019 年 9 月 11 日、ドイツ