JP2004361236A - ジャイロスコープ - Google Patents
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Abstract
【課題】傾斜角度を精度よく検出することができるコンパクトなジャイロスコープを提供する。
【解決手段】３軸レートジャイロは角速度の計測にのみ用い、ロール及びピッチの角度については、角速度を積分するのではなく、球体１を歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８で支持する傾斜計１００において、ロール及びピッチの角度に応じた歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８の支持負担の変化（抵抗変化）に基づいて、演算により求める。
【選択図】 図１
【解決手段】３軸レートジャイロは角速度の計測にのみ用い、ロール及びピッチの角度については、角速度を積分するのではなく、球体１を歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８で支持する傾斜計１００において、ロール及びピッチの角度に応じた歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８の支持負担の変化（抵抗変化）に基づいて、演算により求める。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ジャイロスコープに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジャイロスコープは、例えば移動体のロール、ピッチ、ヨーの動きを検出する装置として使用されており、原理的には、機械式、光学式（例えば特許文献１参照。）、流体式、振動式（例えば特許文献２）が知られている。このようなジャイロスコープでは、コリオリの力やサンニャック効果等に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸周りのロール、ピッチ、ヨーの各角速度を計測する。また、角速度を積分してロール及びピッチの傾斜角度を求める。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１２２８６５号公報（第４〜５頁、図１）
【特許文献２】
特許番号第２８９９６６４号公報（第３〜４頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のジャイロスコープでは、ロール及びピッチの傾斜角度を求めるにあたって角速度の積分を行うことにより、角速度の計測値のドリフト（ゼロ点のずれ）に基づく誤差が出る。この誤差を小さく抑え込むには、ドリフトの許容値を厳しく制限する必要があり、その結果として、装置が大型化・複雑化し、高価なものとなる、という問題点があった。
【０００５】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、傾斜角度を精度よく検出することができるコンパクトなジャイロスコープを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のジャイロスコープは、ロール、ピッチ及びヨーの各角速度を検出する３軸レートジャイロと、質量ｍの物体に作用する重力ｍｇを複数の方向から支持し、当該複数の方向における支持負担を、ロール及びピッチの姿勢変化に応じて変化させる傾斜センサ部と、前記支持負担に基づいてロール及びピッチの角度を演算する装置とを備えたものである。
上記のように構成されたジャイロスコープでは、角速度は３軸レートジャイロにより計測され、ロール及びピッチの角度については、角速度を積分するのではなく、傾斜センサ部において変化する支持負担に基づいて演算される。従って、ドリフトを含む角速度を積分することによる誤差の発生を回避して、ロール及びピッチの傾斜角度を精度よく検出することができる。また、３軸レートジャイロには厳しい許容ドリフトが求められることもないので、全体としてコンパクトなジャイロスコープを提供することができる。
【０００７】
また、本発明のジャイロスコープは、ロール、ピッチ及びヨーの各角速度を検出する３軸レートジャイロと、質量ｍの物体に作用する重力ｍｇを、当該物体の上下方向からそれぞれ少なくとも３本の複数の歪抵抗ワイヤによって支持し、ロール及びピッチの姿勢変化に応じて当該歪抵抗ワイヤの抵抗を変化させる傾斜センサ部と、前記歪抵抗ワイヤの抵抗変化に基づいてロール及びピッチの角度を演算する装置とを備えたものであってもよい。
上記のように構成されたジャイロスコープでは、角速度は３軸レートジャイロにより計測され、ロール及びピッチの角度については、角速度を積分するのではなく、歪抵抗ワイヤの抵抗変化に基づいて演算される。従って、ドリフトを含む角速度を積分することによる誤差の発生を回避して、ロール及びピッチの傾斜角度を精度よく検出することができる。また、３軸レートジャイロには厳しい許容ドリフトが求められることもないので、全体としてコンパクトなジャイロスコープを提供することができる。
【０００８】
また、本発明のジャイロスコープは、ロール、ピッチ及びヨーの各角速度を検出する３軸レートジャイロと、質量ｍの物体に作用する重力ｍｇを、互いに直交する３軸方向に配置された支持力発生装置により磁気的に非接触支持する支持装置と、前記支持装置の各軸に一対配置され、前記物体の変位を検出する変位センサと、前記物体を前記支持装置によって支持する構成全体が重力方向に対して姿勢を傾斜させたとき、前記変位センサの出力に基づいて前記物体を所定位置に支持すべく前記支持装置を制御し、各軸の前記支持力発生装置に供給する電流又は電圧に基づいてロール及びピッチの角度を演算する装置とを備えたものであってもよい。
上記のように構成されたジャイロスコープでは、角速度は３軸レートジャイロにより計測され、ロール及びピッチの角度については、角速度を積分するのではなく、各軸の支持力発生装置に流れる電流に基づいて演算される。従って、ドリフトを含む角速度を積分することによる誤差の発生を回避して、ロール及びピッチの傾斜角度を精度よく検出することができる。また、３軸レートジャイロには厳しい許容ドリフトが求められることもないので、全体としてコンパクトなジャイロスコープを提供することができる。
【０００９】
また、上記ジャイロスコープにおいて、少なくとも支持装置及び変位センサが、ＭＥＭＳ技術により基板にマイクロ化して構成されたものであってもよい。
この場合、基板に全部品又は一部の部品をマイクロ化して作り込むことにより、これらを、小型で、高精度なものとすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１実施形態によるジャイロスコープの一部を構成する傾斜計１００における機械系の概略構造を示す斜視図である。図において、互いに直交する３軸を、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸とし、Ｘ−Ｙ平面が水平面、Ｚ軸の下向き方向が重力方向とする。当該傾斜計は、自動車やロボット等のＸ−Ｙ２次元平面内で運動する対象について、Ｘ軸周り（ロール）の傾斜角度及びＹ軸周り（ピッチ）の傾斜角度を計測するために用いられ、これに基づいて姿勢の自動制御が行われる。なお、Ｚ軸周り（ヨー）の傾斜角度は、自動車であれば運転手により制御されるものであり、自動制御されるべきものではないため、計測は不要である。
【００１１】
図において、導電性材料からなる質量ｍの球体１は、Ｘ−Ｙ−Ｚ３軸の原点Ｏに位置している。一方、絶縁性材料からなり、Ｘ−Ｙ平面に平行な支持リング２及び３は、Ｚ軸上にある中心点から一定半径の円を描くものであり、原点ＯからＺ方向へ上下に等距離離れた位置に固定されている。
【００１２】
球体１は、上方の支持リング２及び下方の支持リング３から、それぞれ４本の歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ４及びＷ５〜Ｗ８によって引っ張られ、これにより、原点Ｏに安定して支持されている。歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ４は、その上端が支持リング２に対して位相角π／２で等配された位置に接続され、下端は、その延長線上に原点Ｏが存在するように球体１に接続されている。同様に、歪抵抗ワイヤＷ５〜Ｗ８は、その下端が支持リング３に対して位相角π／２で等配された位置に接続され、上端は、その延長線上に原点Ｏが存在するように球体１に接続されている。また、Ｗ１−Ｗ５，Ｗ２−Ｗ６，Ｗ３−Ｗ７，Ｗ４−Ｗ８が原点Ｏを挟んで同一線上にある。このようにして、支持リング２，３と、歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８とからなる支持体により、球体１に作用する重力ｍｇが支えられ、球体１は原点Ｏに安定して支持される。
【００１３】
上記歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８は、張力（支持力）に応じて歪を生じ、その抵抗値が変化するものである。従って、例えば球体１を接地して、歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８に電流を流すことにより支持リング２，３側の端部にそれぞれ生じる電位Ｖ１〜Ｖ８は、歪に応じて変化する。なお、支持リング２，３は、導電性材料からなるものであってもよいが、その場合には、歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８との接続箇所に絶縁を施し、各電位Ｖ１〜Ｖ８を独立して生じさせることが必要である。
【００１４】
図２は、上記のような機械系の構造を有する傾斜計１００について、その電気系の構成を示す図である。図において、ジャイロスコープ３００は、傾斜計１００と、既知の３軸レートジャイロ２００とにより、構成されている。３軸レートジャイロ２００は、機械式、光学式、流体式、振動式等、いずれのタイプを用いてもよい。
【００１５】
傾斜計１００は、接地された球体１に対して、所定電圧Ｖｓの電源４から図示のように抵抗を介して回路を形成したものと、図示の各電圧Ｖ１〜Ｖ４及びＶ５〜Ｖ８に対して必要に応じて所定の信号処理（サンプルホールドや増幅等）を行う信号処理回路５と、信号処理回路５の出力をＡ／Ｄ変換して出力するＡ／Ｄコンバータ６と、Ａ／Ｄコンバータ６の出力を取り込む演算装置７とを備えたものである。抵抗Ｒ０はすべて同一の抵抗値であり、また、抵抗Ｒ１〜Ｒ８は、それぞれ、歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８の有する抵抗値である。ここで、Ｒ０＞＞Ｒ１〜Ｒ８となるように抵抗Ｒ０を選択することにより、例えば、
Ｖ１＝Ｖｓ（Ｒ１／（Ｒ０＋Ｒ１））≒Ｖｓ（Ｒ１／Ｒ０）
となり、抵抗Ｒ１に比例する電圧Ｖ１を得ることができる。Ｖ２〜Ｖ８についても同様である。
【００１６】
なお、支持力に応じた電圧Ｖ１〜Ｖ８を得る回路としては、図２の構成の他、例えば図３に示すように、一定の電流Ｉｓを供給する定電流源８を用いてもよい。この場合、電圧Ｖｎ（ｎ＝１〜８）は、Ｖｎ＝Ｉｓ・Ｒｎとなり、各抵抗Ｒ１〜Ｒ８に比例する電圧Ｖ１〜Ｖ８を得ることができる。
【００１７】
上記の構成において、図１に示す傾斜計１００の機械系は、重力の方向（Ｚ軸のマイナス方向）に対して傾斜していない場合には、上部側の４本の歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ４による支持力（張力）は互いに均等であり、電圧Ｖ１〜Ｖ４は互いに同一である。また、下部側の４本の歪抵抗ワイヤＷ５〜Ｗ８による支持力（張力）も互いに均等であり、電圧Ｖ５〜Ｖ８は互いに同一である。一方、機械系が重力の方向に対してＸ軸、Ｙ軸周りの傾斜、すなわちロール、ピッチの姿勢変化を生じると、各歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８の負担する支持力が変化する。ロール及びピッチの傾斜角度と各歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８の負担する支持力とは、一定の幾何学的関係から１対１に対応し、支持力がわかればロール及びピッチの傾斜角度がわかる。そこで、演算装置７は、入力された電圧Ｖ１〜Ｖ８に基づいて各歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８の負担する支持力を求め、ロール及びピッチの傾斜角度を演算する。このようにして、ロール及びピッチの傾斜角度は、傾斜計１００の演算装置７から出力される。また、３軸レートジャイロ２００は、ロール、ピッチ、ヨーの各角速度を出力する。
【００１８】
以上のように、各歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８に対してどのように支持負担がかかっているかによって、ロール、ピッチの傾斜角度がわかる。従って、球体１を支持リング２，３及び歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８によって支持する構成全体により、当該構成の姿勢の傾斜に応じて歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８の支持負担を変化させる「傾斜センサ部」が構成されている、と考えることができる。
【００１９】
このようにして、角速度を積分して角度を演算するのではなく、３軸レートジャイロ２００は角速度の計測のみを担当し、角度については傾斜計１００から出力することとしたので、ドリフトを含む角速度を積分することによる誤差の発生を回避して、傾斜角度を精度よく検出することができる。なお、傾斜計１００自体にもドリフトは存在するが、積分を行わないため、それによる誤差は、角速度を積分することで生じる誤差に比べて非常に小さく、無視し得るレベルである。また、３軸レートジャイロ２００には厳しい許容ドリフトが求められることもないので、全体としてコンパクトなジャイロスコープ３００を提供することができる。
【００２０】
なお、上記実施形態においては、球体１を、その上下方向からそれぞれ４本の歪抵抗ワイヤにより支持したが、この支持本数は４本に限られるものではない。すなわち、５本以上でもよいし、３本でもよい。２本でも、互いに１８０度位相がずれた２本を上下で互いに９０度位相をずらして配置すれば支持及び傾斜角度の演算が可能ではあるが、安定性に欠けるので、少なくとも３本設けることが好ましい。
また、歪抵抗ワイヤに一定の剛性が確保できる場合（ほぼ一定の線状形態を維持できる場合）には、上方の歪抵抗ワイヤのみで球体１を吊り下げるように支持するか、又は、下方の歪抵抗ワイヤのみで球体１を持ち上げるように支持することもできる。
【００２１】
図４は、第２実施形態によるジャイロスコープの一部を構成する傾斜計１００における機械系の概略構造を示す斜視図である。図において、互いに直交する３軸を、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸とし、Ｘ−Ｙ平面が水平面、Ｚ軸の下向き方向が重力方向とする。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸には、磁性体からなる質量ｍの球体１を挟んで各一対合計三組の電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２が配置されている。また、各電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２の軸心にはそれぞれ、変位センサＳｘ１，Ｓｘ２，Ｓｙ１，Ｓｙ２，Ｓｚ１，Ｓｚ２が埋め込まれている。変位センサＳｘ１，Ｓｘ２，Ｓｙ１，Ｓｙ２，Ｓｚ１，Ｓｚ２の出力に基づいて後述の制御回路により電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２を制御することによって、球体１に作用する重力ｍｇは磁力（吸引力）により支持され、球体１がＸ−Ｙ−Ｚ各軸の原点に磁気浮上の状態で位置する。
【００２２】
図５は、上記第２実施形態による傾斜計１００の制御系の構成を示すブロック回路図である。第１実施形態と同様に、傾斜計１００及び３軸レートジャイロ２００により、ジャイロスコープ３００が構成されている。図において、変位センサＳｘ１，Ｓｘ２の出力電圧はそれぞれ、Ａ／Ｄコンバータ９によりディジタル信号ＶＸ１，ＶＸ２に変換された後、演算装置１０に入力される。演算装置１０は、これらの信号に基づいて、電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２の駆動信号を決定する。駆動信号はＤ／Ａコンバータ１１によってアナログ信号に変換された後、増幅器やフィードバック回路を含む駆動回路１２，１３によって増幅され、その出力により電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２が励磁される。電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２に流れる電流はそれぞれ電流検出回路１４，１５によって検出され、駆動回路１２，１３にフィードバックされるとともに、Ａ／Ｄコンバータ９によりディジタル信号に変換され、演算装置１０に入力される。なお、図示しているのはＸ軸の電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２についての回路であるが、Ｙ軸の電磁石Ｍｙ１，Ｍｙ２、Ｚ軸の電磁石Ｍｚ１，Ｍｚ２についても同様の回路が構成されている。電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２及びこれらを駆動する演算装置１０、Ｄ／Ａコンバータ１１及び駆動回路１２，１３は、球体１の支持装置を構成している。
【００２３】
上記のような第２実施形態の傾斜計１００において、Ｚ軸が重力の方向と一致し、球体１が目標位置であるＸ軸原点にあるときは、（ＶＸ１−ＶＸ２）の値は０である。しかし、もし球体１がＸ方向の変位を生じると、その変位に応じて（ＶＸ１−ＶＸ２）の値が０以外の値となる。その場合、演算装置１０は、ＰＩＤ制御により、（ＶＸ１−ＶＸ２）の値が０に向かうように、電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２の駆動信号を決定する。従って、外乱加速度等に対して十分に速い応答速度を制御系に確保することによって、球体１がＸ方向に変位を生じると、元の位置（原点）に戻す制御が高速に実行され、球体１は常に原点位置に支持されるように制御が行われる。Ｙ，Ｚ方向についても全く同様の制御が行われる。従って、球体１は常に、Ｘ−Ｙ−Ｚ３次元の原点位置にある、と考えることができる。
【００２４】
上記のような前提の下で、ロール、ピッチによってＺ軸が重力の方向と一致しない状態になったとき、過渡的に球体１に変位が生じ、これを元に戻そうとする制御が行われる。その結果、球体１を原点に支持しようとすると、各電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２による重力ｍｇの支持負担が変化する。すなわち、本実施形態の傾斜計１００は、電磁石の支持負担の変化に基づいて、ロール、ピッチの傾斜角度を求めようとするものである。また、球体１を電磁石によって支持する構成全体により、当該構成の姿勢の傾斜に応じて電磁石の支持負担を変化させる「傾斜センサ部」が構成されている、と考えることができる。
【００２５】
次に、電磁石の支持力と傾斜角度との関係について説明する。今、仮に、重力ｍｇの方向とＺ軸とが互いに一致しない状態になったとする。このとき、重力ｍｇを支えるためには、それと逆方向に同じ大きさの力が、電磁石によって作り出されていることが必要であるので、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸とｍｇ（ｇはベクトル）との関係は図６のように表現できる。なお、実際にはｍｇが鉛直上向きで、Ｘ，Ｙ，Ｚが全体として傾くが、便宜上、図６のように考えても同じである。
【００２６】
図６において、ｍｇ方向の単位ベクトルをｅ ０とし、その極角はθ、方位角はφとする。この場合、単位ベクトルｅ ０を、Ｘ，Ｙ，Ｚ成分で表すと、
ｅ ０＝（ｃｏｓφｓｉｎθ，ｓｉｎφｓｉｎθ，ｃｏｓθ）
となる。また、ｍｇは、
ｍｇ＝（ｍｇｃｏｓφｓｉｎθ，ｍｇｓｉｎφｓｉｎθ，ｍｇｃｏｓθ）
である（但し、右辺のｇはスカラー）。すなわち、重力のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向成分をそれぞれＧｘ，Ｇｙ，Ｇｚとすると、
Ｇｘ＝ｍｇｃｏｓφｓｉｎθ ．．．（１）
Ｇｙ＝ｍｇｓｉｎφｓｉｎθ ．．．（２）
Ｇｚ＝ｍｇｃｏｓθ ．．．（３）
となる。
【００２７】
積分型フィードバックによる磁気浮上制御を行うと、平衡点（球体１がＸ−Ｙ−Ｚ空間の原点に静止浮上する状態）では、磁力と重力との平衡により、電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２に流れる電流をそれぞれｉｘ１，ｉｘ２，ｉｙ１，ｉｙ２，ｉｚ１，ｉｚ２とすると、以下の式が成り立つ。
Ｇｘ＝Ｋ０（ｉｘ１−ｉｘ２） ．．．（４）
Ｇｙ＝Ｋ０（ｉｙ１−ｉｙ２） ．．．（５）
Ｇｚ＝Ｋ０（ｉｚ１−ｉｚ２） ．．．（６）
但し、Ｋ０は電磁石定数であり、各電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２で同じ値とする。ここで、式（１）〜（３）と式（４）〜（６）とにより、
Ｇｘ＝ｍｇｃｏｓφｓｉｎθ＝Ｋ０（ｉｘ１−ｉｘ２） ．．．（７）
Ｇｙ＝ｍｇｓｉｎφｓｉｎθ＝Ｋ０（ｉｙ１−ｉｙ２） ．．．（８）
Ｇｚ＝ｍｇｃｏｓθ＝Ｋ０（ｉｚ１−ｉｚ２） ．．．（９）
となる。
【００２８】
ここで、ｔａｎφ＝ｓｉｎφ／ｃｏｓφ＝Ｇｙ／Ｇｘであり、式（７），（８）より、
ｔａｎφ＝Ｇｙ／Ｇｘ＝（ｉｙ１−ｉｙ２）／（ｉｘ１−ｉｘ２）
である。従って、
φ＝ｔａｎ−１｛（ｉｙ１−ｉｙ２）／（ｉｘ１−ｉｘ２）｝ ．．．（１０）
となる。すなわち、電流ｉｘ１，ｉｘ２，ｉｙ１，ｉｙ２に基づいて、方位角φを求めることができる。電流ｉｘ１，ｉｘ２，ｉｙ１，ｉｙ２は、電流検出回路１４，１５等で検出され、演算装置１０に入力されるので、式（１０）により方位角φを演算することができる。
【００２９】
次に、極角θを求める関係式を導く。まず、式（１），（２）より、
である。また、式（４），（５）より、
Ｇｘ２＋Ｇｙ２＝Ｋ０ ２（ｉｘ１−ｉｘ２）２＋Ｋ０ ２（ｉｙ１−ｉｙ２）２．．．（１２）
であるから、式（１１），（１２）より、
ｍ２ｇ２ｓｉｎ２θ＝Ｋ０ ２（ｉｘ１−ｉｘ２）２＋Ｋ０ ２（ｉｙ１−ｉｙ２）２
である。ここで、Ｋ０＞０であり、０≦θ≦πではｓｉｎθ≧０であるから、
ｍｇｓｉｎθ＝Ｋ０｛（ｉｘ１−ｉｘ２）２＋（ｉｙ１−ｉｙ２）２｝１／２．．．（１３）
となる。
【００３０】
ｔａｎθは、ｍｇｓｉｎθを用いて表すと、ｔａｎθ＝（ｍｇｓｉｎθ）／（ｍｇｃｏｓθ）であるから、式（９），（１３）より、
である。従って、
θ＝ｔａｎ−１〔｛（ｉｘ１−ｉｘ２）２＋（ｉｙ１−ｉｙ２）２｝１／２ ／（ｉｚ１−ｉｚ２）〕 ．．．（１５）
となる。すなわち、極角θは、電流ｉｘ１，ｉｘ２，ｉｙ１，ｉｙ２，ｉｚ１，ｉｚ２に基づいて、演算装置１０内で式（１５）の演算を行うことにより、求めることができる。なお、θが、０≦θ≦π／２又はπ／２≦θ≦πのいずれにあるかは、（ｉｚ１−ｉｚ２）の符号により、これを判断することができる。
【００３１】
以上のように、電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２の電流に基づいて、傾斜の方位角φ及び極角θを、演算装置１０における演算によって求めることができる。また、ロールの角度θｒは、単位ベクトルｅ ０をＹ−Ｚ平面上に投影した、Ｚ軸からの角度であるから、
ｔａｎθｒ＝ｓｉｎφｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｓｉｎφｔａｎθ
であり、
θｒ＝ｔａｎ−１（ｓｉｎφｔａｎθ） ．．．（１６）
により求めることができる。同様に、ピッチの角度θｐは、単位ベクトルｅ ０をＸ−Ｚ平面上に投影した、Ｚ軸からの角度であるから、
ｔａｎθｐ＝ｃｏｓφｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｃｏｓφｔａｎθ
であり、
θｐ＝ｔａｎ−１（ｃｏｓφｔａｎθ） ．．．（１７）
により求めることができる。従って、演算装置１０は、ロール及びピッチの角度θｒ及びθｐを式（１６），（１７）により演算し、出力することができる。
【００３２】
このようにして、第１実施形態の場合と同様に、角速度を積分して角度を演算するのではなく、３軸レートジャイロ２００は角速度の計測のみを担当し、角度については傾斜計１００から出力することとしたので、ドリフトを含む角速度を積分することによる誤差の発生を回避して、傾斜角度を精度よく検出することができる。また、３軸レートジャイロ２００には厳しい許容ドリフトが求められることもないので、全体としてコンパクトなジャイロスコープ３００を提供することができる。
なお、変位センサＳｘ１，Ｓｘ２，Ｓｙ１，Ｓｙ２，Ｓｚ１，Ｓｚ２によって検出される球体１の変位に基づいて、演算装置１０において、球体１の運動軌跡を解析することができる。これにより、Ｘ−Ｙ−Ｚ３軸方向の加速度を計測することが可能である。
【００３３】
次に、上記第２実施形態による傾斜計１００を、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を利用して、マイクロ化して実現した一例を示す。図７の（ａ）は、ＭＥＭＳ技術により基板に形成した傾斜計の平面図であり、（ｂ）は、その側面図である。（ａ）において、強磁性体からなる球体１は基板５１の中央に埋設され、その周りに電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２を構成する磁性体と、変位センサＳｘ１，Ｓｘ２，Ｓｙ１，Ｓｙ２とが配置されている。また、基板５１上には、各軸用の、図５に示す傾斜計１００の回路１０１〜１０６が設けられている。但し、場合によっては、傾斜計１００の回路の一部は外部に設けてもよい。
【００３４】
一方、（ｂ）において、球体１の周りに電磁石Ｍｚ１，Ｍｚ２を構成する磁性体と、変位センサＳｚ１，Ｓｚ２とが配置されている。基板５１は、電磁石Ｍｚ１及び変位センサＳｚ１を含む第１層シリコン基板５１ａと、電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２及び変位センサＳｘ１，Ｓｘ２，Ｓｙ１，Ｓｙ２を含む第２層シリコン基板５１ｂと、電磁石Ｍｚ２及び変位センサＳｚ２を含む第３層シリコン基板５１ｃとにより、構成されている。
【００３５】
上記のようにして、基板５１に全部品又は一部の部品をマイクロ化して作り込むことにより、傾斜計１００を、小型で、高精度なものとすることができる。
【００３６】
なお、上記各実施形態では球体１を使用したが、必ずしも球体に限定されるものではなく、基本的には、他の形状の物体であってもよい。
また、上記第２実施形態においては電磁石が発生する磁力を、電磁石に流れる電流に基づいて求めたが、電流を電圧に置き換えて、電圧に基づいて磁力を求めてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明のジャイロスコープによれば、ロール及びピッチの角度については、角速度を積分するのではなく、傾斜センサ部において変化する支持負担に基づいて演算されるので、ドリフトを含む角速度を積分することによる誤差の発生を回避して、ロール及びピッチの傾斜角度を精度よく検出することができる。また、３軸レートジャイロには厳しい許容ドリフトが求められることもないので、全体としてコンパクトなジャイロスコープを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態によるジャイロスコープの一部を構成する傾斜計における機械系の概略構造を示す斜視図である。
【図２】図１に示す機械系の構造を有する傾斜計について、その電気系の構成を示す図である。
【図３】図２とは異なる他の構成を示す図である。
【図４】第２実施形態によるジャイロスコープの一部を構成する傾斜計における機械系の概略構造を示す斜視図である。
【図５】上記第２実施形態による傾斜計の制御系の構成を示すブロック回路図である。
【図６】上記第２実施形態による傾斜計におけるＸ，Ｙ，Ｚ各軸とｍｇとの関係を示す図である。
【図７】（ａ）は、ＭＥＭＳ技術により基板に形成した傾斜計の平面図であり、（ｂ）は、その側面図である。
【符号の説明】
１ 球体
２，３ 支持リング
６，９ Ａ／Ｄコンバータ
７，１０ 演算装置
１１ Ｄ／Ａコンバータ
１２，１３ 駆動回路
１４，１５ 電流検出回路
５１ 基板
２００ ３軸レートジャイロ
３００ ジャイロスコープ
Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２ 電磁石（支持力発生装置）
（１０〜１３、Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２） 支持装置
Ｓｘ１，Ｓｘ２，Ｓｙ１，Ｓｙ２，Ｓｚ１，Ｓｚ２ 変位センサ
Ｗ１〜Ｗ８ 歪抵抗ワイヤ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ジャイロスコープに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジャイロスコープは、例えば移動体のロール、ピッチ、ヨーの動きを検出する装置として使用されており、原理的には、機械式、光学式（例えば特許文献１参照。）、流体式、振動式（例えば特許文献２）が知られている。このようなジャイロスコープでは、コリオリの力やサンニャック効果等に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸周りのロール、ピッチ、ヨーの各角速度を計測する。また、角速度を積分してロール及びピッチの傾斜角度を求める。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１２２８６５号公報（第４〜５頁、図１）
【特許文献２】
特許番号第２８９９６６４号公報（第３〜４頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のジャイロスコープでは、ロール及びピッチの傾斜角度を求めるにあたって角速度の積分を行うことにより、角速度の計測値のドリフト（ゼロ点のずれ）に基づく誤差が出る。この誤差を小さく抑え込むには、ドリフトの許容値を厳しく制限する必要があり、その結果として、装置が大型化・複雑化し、高価なものとなる、という問題点があった。
【０００５】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、傾斜角度を精度よく検出することができるコンパクトなジャイロスコープを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のジャイロスコープは、ロール、ピッチ及びヨーの各角速度を検出する３軸レートジャイロと、質量ｍの物体に作用する重力ｍｇを複数の方向から支持し、当該複数の方向における支持負担を、ロール及びピッチの姿勢変化に応じて変化させる傾斜センサ部と、前記支持負担に基づいてロール及びピッチの角度を演算する装置とを備えたものである。
上記のように構成されたジャイロスコープでは、角速度は３軸レートジャイロにより計測され、ロール及びピッチの角度については、角速度を積分するのではなく、傾斜センサ部において変化する支持負担に基づいて演算される。従って、ドリフトを含む角速度を積分することによる誤差の発生を回避して、ロール及びピッチの傾斜角度を精度よく検出することができる。また、３軸レートジャイロには厳しい許容ドリフトが求められることもないので、全体としてコンパクトなジャイロスコープを提供することができる。
【０００７】
また、本発明のジャイロスコープは、ロール、ピッチ及びヨーの各角速度を検出する３軸レートジャイロと、質量ｍの物体に作用する重力ｍｇを、当該物体の上下方向からそれぞれ少なくとも３本の複数の歪抵抗ワイヤによって支持し、ロール及びピッチの姿勢変化に応じて当該歪抵抗ワイヤの抵抗を変化させる傾斜センサ部と、前記歪抵抗ワイヤの抵抗変化に基づいてロール及びピッチの角度を演算する装置とを備えたものであってもよい。
上記のように構成されたジャイロスコープでは、角速度は３軸レートジャイロにより計測され、ロール及びピッチの角度については、角速度を積分するのではなく、歪抵抗ワイヤの抵抗変化に基づいて演算される。従って、ドリフトを含む角速度を積分することによる誤差の発生を回避して、ロール及びピッチの傾斜角度を精度よく検出することができる。また、３軸レートジャイロには厳しい許容ドリフトが求められることもないので、全体としてコンパクトなジャイロスコープを提供することができる。
【０００８】
また、本発明のジャイロスコープは、ロール、ピッチ及びヨーの各角速度を検出する３軸レートジャイロと、質量ｍの物体に作用する重力ｍｇを、互いに直交する３軸方向に配置された支持力発生装置により磁気的に非接触支持する支持装置と、前記支持装置の各軸に一対配置され、前記物体の変位を検出する変位センサと、前記物体を前記支持装置によって支持する構成全体が重力方向に対して姿勢を傾斜させたとき、前記変位センサの出力に基づいて前記物体を所定位置に支持すべく前記支持装置を制御し、各軸の前記支持力発生装置に供給する電流又は電圧に基づいてロール及びピッチの角度を演算する装置とを備えたものであってもよい。
上記のように構成されたジャイロスコープでは、角速度は３軸レートジャイロにより計測され、ロール及びピッチの角度については、角速度を積分するのではなく、各軸の支持力発生装置に流れる電流に基づいて演算される。従って、ドリフトを含む角速度を積分することによる誤差の発生を回避して、ロール及びピッチの傾斜角度を精度よく検出することができる。また、３軸レートジャイロには厳しい許容ドリフトが求められることもないので、全体としてコンパクトなジャイロスコープを提供することができる。
【０００９】
また、上記ジャイロスコープにおいて、少なくとも支持装置及び変位センサが、ＭＥＭＳ技術により基板にマイクロ化して構成されたものであってもよい。
この場合、基板に全部品又は一部の部品をマイクロ化して作り込むことにより、これらを、小型で、高精度なものとすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１実施形態によるジャイロスコープの一部を構成する傾斜計１００における機械系の概略構造を示す斜視図である。図において、互いに直交する３軸を、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸とし、Ｘ−Ｙ平面が水平面、Ｚ軸の下向き方向が重力方向とする。当該傾斜計は、自動車やロボット等のＸ−Ｙ２次元平面内で運動する対象について、Ｘ軸周り（ロール）の傾斜角度及びＹ軸周り（ピッチ）の傾斜角度を計測するために用いられ、これに基づいて姿勢の自動制御が行われる。なお、Ｚ軸周り（ヨー）の傾斜角度は、自動車であれば運転手により制御されるものであり、自動制御されるべきものではないため、計測は不要である。
【００１１】
図において、導電性材料からなる質量ｍの球体１は、Ｘ−Ｙ−Ｚ３軸の原点Ｏに位置している。一方、絶縁性材料からなり、Ｘ−Ｙ平面に平行な支持リング２及び３は、Ｚ軸上にある中心点から一定半径の円を描くものであり、原点ＯからＺ方向へ上下に等距離離れた位置に固定されている。
【００１２】
球体１は、上方の支持リング２及び下方の支持リング３から、それぞれ４本の歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ４及びＷ５〜Ｗ８によって引っ張られ、これにより、原点Ｏに安定して支持されている。歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ４は、その上端が支持リング２に対して位相角π／２で等配された位置に接続され、下端は、その延長線上に原点Ｏが存在するように球体１に接続されている。同様に、歪抵抗ワイヤＷ５〜Ｗ８は、その下端が支持リング３に対して位相角π／２で等配された位置に接続され、上端は、その延長線上に原点Ｏが存在するように球体１に接続されている。また、Ｗ１−Ｗ５，Ｗ２−Ｗ６，Ｗ３−Ｗ７，Ｗ４−Ｗ８が原点Ｏを挟んで同一線上にある。このようにして、支持リング２，３と、歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８とからなる支持体により、球体１に作用する重力ｍｇが支えられ、球体１は原点Ｏに安定して支持される。
【００１３】
上記歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８は、張力（支持力）に応じて歪を生じ、その抵抗値が変化するものである。従って、例えば球体１を接地して、歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８に電流を流すことにより支持リング２，３側の端部にそれぞれ生じる電位Ｖ１〜Ｖ８は、歪に応じて変化する。なお、支持リング２，３は、導電性材料からなるものであってもよいが、その場合には、歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８との接続箇所に絶縁を施し、各電位Ｖ１〜Ｖ８を独立して生じさせることが必要である。
【００１４】
図２は、上記のような機械系の構造を有する傾斜計１００について、その電気系の構成を示す図である。図において、ジャイロスコープ３００は、傾斜計１００と、既知の３軸レートジャイロ２００とにより、構成されている。３軸レートジャイロ２００は、機械式、光学式、流体式、振動式等、いずれのタイプを用いてもよい。
【００１５】
傾斜計１００は、接地された球体１に対して、所定電圧Ｖｓの電源４から図示のように抵抗を介して回路を形成したものと、図示の各電圧Ｖ１〜Ｖ４及びＶ５〜Ｖ８に対して必要に応じて所定の信号処理（サンプルホールドや増幅等）を行う信号処理回路５と、信号処理回路５の出力をＡ／Ｄ変換して出力するＡ／Ｄコンバータ６と、Ａ／Ｄコンバータ６の出力を取り込む演算装置７とを備えたものである。抵抗Ｒ０はすべて同一の抵抗値であり、また、抵抗Ｒ１〜Ｒ８は、それぞれ、歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８の有する抵抗値である。ここで、Ｒ０＞＞Ｒ１〜Ｒ８となるように抵抗Ｒ０を選択することにより、例えば、
Ｖ１＝Ｖｓ（Ｒ１／（Ｒ０＋Ｒ１））≒Ｖｓ（Ｒ１／Ｒ０）
となり、抵抗Ｒ１に比例する電圧Ｖ１を得ることができる。Ｖ２〜Ｖ８についても同様である。
【００１６】
なお、支持力に応じた電圧Ｖ１〜Ｖ８を得る回路としては、図２の構成の他、例えば図３に示すように、一定の電流Ｉｓを供給する定電流源８を用いてもよい。この場合、電圧Ｖｎ（ｎ＝１〜８）は、Ｖｎ＝Ｉｓ・Ｒｎとなり、各抵抗Ｒ１〜Ｒ８に比例する電圧Ｖ１〜Ｖ８を得ることができる。
【００１７】
上記の構成において、図１に示す傾斜計１００の機械系は、重力の方向（Ｚ軸のマイナス方向）に対して傾斜していない場合には、上部側の４本の歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ４による支持力（張力）は互いに均等であり、電圧Ｖ１〜Ｖ４は互いに同一である。また、下部側の４本の歪抵抗ワイヤＷ５〜Ｗ８による支持力（張力）も互いに均等であり、電圧Ｖ５〜Ｖ８は互いに同一である。一方、機械系が重力の方向に対してＸ軸、Ｙ軸周りの傾斜、すなわちロール、ピッチの姿勢変化を生じると、各歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８の負担する支持力が変化する。ロール及びピッチの傾斜角度と各歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８の負担する支持力とは、一定の幾何学的関係から１対１に対応し、支持力がわかればロール及びピッチの傾斜角度がわかる。そこで、演算装置７は、入力された電圧Ｖ１〜Ｖ８に基づいて各歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８の負担する支持力を求め、ロール及びピッチの傾斜角度を演算する。このようにして、ロール及びピッチの傾斜角度は、傾斜計１００の演算装置７から出力される。また、３軸レートジャイロ２００は、ロール、ピッチ、ヨーの各角速度を出力する。
【００１８】
以上のように、各歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８に対してどのように支持負担がかかっているかによって、ロール、ピッチの傾斜角度がわかる。従って、球体１を支持リング２，３及び歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８によって支持する構成全体により、当該構成の姿勢の傾斜に応じて歪抵抗ワイヤＷ１〜Ｗ８の支持負担を変化させる「傾斜センサ部」が構成されている、と考えることができる。
【００１９】
このようにして、角速度を積分して角度を演算するのではなく、３軸レートジャイロ２００は角速度の計測のみを担当し、角度については傾斜計１００から出力することとしたので、ドリフトを含む角速度を積分することによる誤差の発生を回避して、傾斜角度を精度よく検出することができる。なお、傾斜計１００自体にもドリフトは存在するが、積分を行わないため、それによる誤差は、角速度を積分することで生じる誤差に比べて非常に小さく、無視し得るレベルである。また、３軸レートジャイロ２００には厳しい許容ドリフトが求められることもないので、全体としてコンパクトなジャイロスコープ３００を提供することができる。
【００２０】
なお、上記実施形態においては、球体１を、その上下方向からそれぞれ４本の歪抵抗ワイヤにより支持したが、この支持本数は４本に限られるものではない。すなわち、５本以上でもよいし、３本でもよい。２本でも、互いに１８０度位相がずれた２本を上下で互いに９０度位相をずらして配置すれば支持及び傾斜角度の演算が可能ではあるが、安定性に欠けるので、少なくとも３本設けることが好ましい。
また、歪抵抗ワイヤに一定の剛性が確保できる場合（ほぼ一定の線状形態を維持できる場合）には、上方の歪抵抗ワイヤのみで球体１を吊り下げるように支持するか、又は、下方の歪抵抗ワイヤのみで球体１を持ち上げるように支持することもできる。
【００２１】
図４は、第２実施形態によるジャイロスコープの一部を構成する傾斜計１００における機械系の概略構造を示す斜視図である。図において、互いに直交する３軸を、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸とし、Ｘ−Ｙ平面が水平面、Ｚ軸の下向き方向が重力方向とする。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸には、磁性体からなる質量ｍの球体１を挟んで各一対合計三組の電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２が配置されている。また、各電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２の軸心にはそれぞれ、変位センサＳｘ１，Ｓｘ２，Ｓｙ１，Ｓｙ２，Ｓｚ１，Ｓｚ２が埋め込まれている。変位センサＳｘ１，Ｓｘ２，Ｓｙ１，Ｓｙ２，Ｓｚ１，Ｓｚ２の出力に基づいて後述の制御回路により電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２を制御することによって、球体１に作用する重力ｍｇは磁力（吸引力）により支持され、球体１がＸ−Ｙ−Ｚ各軸の原点に磁気浮上の状態で位置する。
【００２２】
図５は、上記第２実施形態による傾斜計１００の制御系の構成を示すブロック回路図である。第１実施形態と同様に、傾斜計１００及び３軸レートジャイロ２００により、ジャイロスコープ３００が構成されている。図において、変位センサＳｘ１，Ｓｘ２の出力電圧はそれぞれ、Ａ／Ｄコンバータ９によりディジタル信号ＶＸ１，ＶＸ２に変換された後、演算装置１０に入力される。演算装置１０は、これらの信号に基づいて、電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２の駆動信号を決定する。駆動信号はＤ／Ａコンバータ１１によってアナログ信号に変換された後、増幅器やフィードバック回路を含む駆動回路１２，１３によって増幅され、その出力により電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２が励磁される。電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２に流れる電流はそれぞれ電流検出回路１４，１５によって検出され、駆動回路１２，１３にフィードバックされるとともに、Ａ／Ｄコンバータ９によりディジタル信号に変換され、演算装置１０に入力される。なお、図示しているのはＸ軸の電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２についての回路であるが、Ｙ軸の電磁石Ｍｙ１，Ｍｙ２、Ｚ軸の電磁石Ｍｚ１，Ｍｚ２についても同様の回路が構成されている。電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２及びこれらを駆動する演算装置１０、Ｄ／Ａコンバータ１１及び駆動回路１２，１３は、球体１の支持装置を構成している。
【００２３】
上記のような第２実施形態の傾斜計１００において、Ｚ軸が重力の方向と一致し、球体１が目標位置であるＸ軸原点にあるときは、（ＶＸ１−ＶＸ２）の値は０である。しかし、もし球体１がＸ方向の変位を生じると、その変位に応じて（ＶＸ１−ＶＸ２）の値が０以外の値となる。その場合、演算装置１０は、ＰＩＤ制御により、（ＶＸ１−ＶＸ２）の値が０に向かうように、電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２の駆動信号を決定する。従って、外乱加速度等に対して十分に速い応答速度を制御系に確保することによって、球体１がＸ方向に変位を生じると、元の位置（原点）に戻す制御が高速に実行され、球体１は常に原点位置に支持されるように制御が行われる。Ｙ，Ｚ方向についても全く同様の制御が行われる。従って、球体１は常に、Ｘ−Ｙ−Ｚ３次元の原点位置にある、と考えることができる。
【００２４】
上記のような前提の下で、ロール、ピッチによってＺ軸が重力の方向と一致しない状態になったとき、過渡的に球体１に変位が生じ、これを元に戻そうとする制御が行われる。その結果、球体１を原点に支持しようとすると、各電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２による重力ｍｇの支持負担が変化する。すなわち、本実施形態の傾斜計１００は、電磁石の支持負担の変化に基づいて、ロール、ピッチの傾斜角度を求めようとするものである。また、球体１を電磁石によって支持する構成全体により、当該構成の姿勢の傾斜に応じて電磁石の支持負担を変化させる「傾斜センサ部」が構成されている、と考えることができる。
【００２５】
次に、電磁石の支持力と傾斜角度との関係について説明する。今、仮に、重力ｍｇの方向とＺ軸とが互いに一致しない状態になったとする。このとき、重力ｍｇを支えるためには、それと逆方向に同じ大きさの力が、電磁石によって作り出されていることが必要であるので、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸とｍｇ（ｇはベクトル）との関係は図６のように表現できる。なお、実際にはｍｇが鉛直上向きで、Ｘ，Ｙ，Ｚが全体として傾くが、便宜上、図６のように考えても同じである。
【００２６】
図６において、ｍｇ方向の単位ベクトルをｅ ０とし、その極角はθ、方位角はφとする。この場合、単位ベクトルｅ ０を、Ｘ，Ｙ，Ｚ成分で表すと、
ｅ ０＝（ｃｏｓφｓｉｎθ，ｓｉｎφｓｉｎθ，ｃｏｓθ）
となる。また、ｍｇは、
ｍｇ＝（ｍｇｃｏｓφｓｉｎθ，ｍｇｓｉｎφｓｉｎθ，ｍｇｃｏｓθ）
である（但し、右辺のｇはスカラー）。すなわち、重力のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向成分をそれぞれＧｘ，Ｇｙ，Ｇｚとすると、
Ｇｘ＝ｍｇｃｏｓφｓｉｎθ ．．．（１）
Ｇｙ＝ｍｇｓｉｎφｓｉｎθ ．．．（２）
Ｇｚ＝ｍｇｃｏｓθ ．．．（３）
となる。
【００２７】
積分型フィードバックによる磁気浮上制御を行うと、平衡点（球体１がＸ−Ｙ−Ｚ空間の原点に静止浮上する状態）では、磁力と重力との平衡により、電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２に流れる電流をそれぞれｉｘ１，ｉｘ２，ｉｙ１，ｉｙ２，ｉｚ１，ｉｚ２とすると、以下の式が成り立つ。
Ｇｘ＝Ｋ０（ｉｘ１−ｉｘ２） ．．．（４）
Ｇｙ＝Ｋ０（ｉｙ１−ｉｙ２） ．．．（５）
Ｇｚ＝Ｋ０（ｉｚ１−ｉｚ２） ．．．（６）
但し、Ｋ０は電磁石定数であり、各電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２で同じ値とする。ここで、式（１）〜（３）と式（４）〜（６）とにより、
Ｇｘ＝ｍｇｃｏｓφｓｉｎθ＝Ｋ０（ｉｘ１−ｉｘ２） ．．．（７）
Ｇｙ＝ｍｇｓｉｎφｓｉｎθ＝Ｋ０（ｉｙ１−ｉｙ２） ．．．（８）
Ｇｚ＝ｍｇｃｏｓθ＝Ｋ０（ｉｚ１−ｉｚ２） ．．．（９）
となる。
【００２８】
ここで、ｔａｎφ＝ｓｉｎφ／ｃｏｓφ＝Ｇｙ／Ｇｘであり、式（７），（８）より、
ｔａｎφ＝Ｇｙ／Ｇｘ＝（ｉｙ１−ｉｙ２）／（ｉｘ１−ｉｘ２）
である。従って、
φ＝ｔａｎ−１｛（ｉｙ１−ｉｙ２）／（ｉｘ１−ｉｘ２）｝ ．．．（１０）
となる。すなわち、電流ｉｘ１，ｉｘ２，ｉｙ１，ｉｙ２に基づいて、方位角φを求めることができる。電流ｉｘ１，ｉｘ２，ｉｙ１，ｉｙ２は、電流検出回路１４，１５等で検出され、演算装置１０に入力されるので、式（１０）により方位角φを演算することができる。
【００２９】
次に、極角θを求める関係式を導く。まず、式（１），（２）より、
Ｇｘ２＋Ｇｙ２＝Ｋ０ ２（ｉｘ１−ｉｘ２）２＋Ｋ０ ２（ｉｙ１−ｉｙ２）２．．．（１２）
であるから、式（１１），（１２）より、
ｍ２ｇ２ｓｉｎ２θ＝Ｋ０ ２（ｉｘ１−ｉｘ２）２＋Ｋ０ ２（ｉｙ１−ｉｙ２）２
である。ここで、Ｋ０＞０であり、０≦θ≦πではｓｉｎθ≧０であるから、
ｍｇｓｉｎθ＝Ｋ０｛（ｉｘ１−ｉｘ２）２＋（ｉｙ１−ｉｙ２）２｝１／２．．．（１３）
となる。
【００３０】
ｔａｎθは、ｍｇｓｉｎθを用いて表すと、ｔａｎθ＝（ｍｇｓｉｎθ）／（ｍｇｃｏｓθ）であるから、式（９），（１３）より、
θ＝ｔａｎ−１〔｛（ｉｘ１−ｉｘ２）２＋（ｉｙ１−ｉｙ２）２｝１／２ ／（ｉｚ１−ｉｚ２）〕 ．．．（１５）
となる。すなわち、極角θは、電流ｉｘ１，ｉｘ２，ｉｙ１，ｉｙ２，ｉｚ１，ｉｚ２に基づいて、演算装置１０内で式（１５）の演算を行うことにより、求めることができる。なお、θが、０≦θ≦π／２又はπ／２≦θ≦πのいずれにあるかは、（ｉｚ１−ｉｚ２）の符号により、これを判断することができる。
【００３１】
以上のように、電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２の電流に基づいて、傾斜の方位角φ及び極角θを、演算装置１０における演算によって求めることができる。また、ロールの角度θｒは、単位ベクトルｅ ０をＹ−Ｚ平面上に投影した、Ｚ軸からの角度であるから、
ｔａｎθｒ＝ｓｉｎφｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｓｉｎφｔａｎθ
であり、
θｒ＝ｔａｎ−１（ｓｉｎφｔａｎθ） ．．．（１６）
により求めることができる。同様に、ピッチの角度θｐは、単位ベクトルｅ ０をＸ−Ｚ平面上に投影した、Ｚ軸からの角度であるから、
ｔａｎθｐ＝ｃｏｓφｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｃｏｓφｔａｎθ
であり、
θｐ＝ｔａｎ−１（ｃｏｓφｔａｎθ） ．．．（１７）
により求めることができる。従って、演算装置１０は、ロール及びピッチの角度θｒ及びθｐを式（１６），（１７）により演算し、出力することができる。
【００３２】
このようにして、第１実施形態の場合と同様に、角速度を積分して角度を演算するのではなく、３軸レートジャイロ２００は角速度の計測のみを担当し、角度については傾斜計１００から出力することとしたので、ドリフトを含む角速度を積分することによる誤差の発生を回避して、傾斜角度を精度よく検出することができる。また、３軸レートジャイロ２００には厳しい許容ドリフトが求められることもないので、全体としてコンパクトなジャイロスコープ３００を提供することができる。
なお、変位センサＳｘ１，Ｓｘ２，Ｓｙ１，Ｓｙ２，Ｓｚ１，Ｓｚ２によって検出される球体１の変位に基づいて、演算装置１０において、球体１の運動軌跡を解析することができる。これにより、Ｘ−Ｙ−Ｚ３軸方向の加速度を計測することが可能である。
【００３３】
次に、上記第２実施形態による傾斜計１００を、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を利用して、マイクロ化して実現した一例を示す。図７の（ａ）は、ＭＥＭＳ技術により基板に形成した傾斜計の平面図であり、（ｂ）は、その側面図である。（ａ）において、強磁性体からなる球体１は基板５１の中央に埋設され、その周りに電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２を構成する磁性体と、変位センサＳｘ１，Ｓｘ２，Ｓｙ１，Ｓｙ２とが配置されている。また、基板５１上には、各軸用の、図５に示す傾斜計１００の回路１０１〜１０６が設けられている。但し、場合によっては、傾斜計１００の回路の一部は外部に設けてもよい。
【００３４】
一方、（ｂ）において、球体１の周りに電磁石Ｍｚ１，Ｍｚ２を構成する磁性体と、変位センサＳｚ１，Ｓｚ２とが配置されている。基板５１は、電磁石Ｍｚ１及び変位センサＳｚ１を含む第１層シリコン基板５１ａと、電磁石Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２及び変位センサＳｘ１，Ｓｘ２，Ｓｙ１，Ｓｙ２を含む第２層シリコン基板５１ｂと、電磁石Ｍｚ２及び変位センサＳｚ２を含む第３層シリコン基板５１ｃとにより、構成されている。
【００３５】
上記のようにして、基板５１に全部品又は一部の部品をマイクロ化して作り込むことにより、傾斜計１００を、小型で、高精度なものとすることができる。
【００３６】
なお、上記各実施形態では球体１を使用したが、必ずしも球体に限定されるものではなく、基本的には、他の形状の物体であってもよい。
また、上記第２実施形態においては電磁石が発生する磁力を、電磁石に流れる電流に基づいて求めたが、電流を電圧に置き換えて、電圧に基づいて磁力を求めてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明のジャイロスコープによれば、ロール及びピッチの角度については、角速度を積分するのではなく、傾斜センサ部において変化する支持負担に基づいて演算されるので、ドリフトを含む角速度を積分することによる誤差の発生を回避して、ロール及びピッチの傾斜角度を精度よく検出することができる。また、３軸レートジャイロには厳しい許容ドリフトが求められることもないので、全体としてコンパクトなジャイロスコープを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態によるジャイロスコープの一部を構成する傾斜計における機械系の概略構造を示す斜視図である。
【図２】図１に示す機械系の構造を有する傾斜計について、その電気系の構成を示す図である。
【図３】図２とは異なる他の構成を示す図である。
【図４】第２実施形態によるジャイロスコープの一部を構成する傾斜計における機械系の概略構造を示す斜視図である。
【図５】上記第２実施形態による傾斜計の制御系の構成を示すブロック回路図である。
【図６】上記第２実施形態による傾斜計におけるＸ，Ｙ，Ｚ各軸とｍｇとの関係を示す図である。
【図７】（ａ）は、ＭＥＭＳ技術により基板に形成した傾斜計の平面図であり、（ｂ）は、その側面図である。
【符号の説明】
１ 球体
２，３ 支持リング
６，９ Ａ／Ｄコンバータ
７，１０ 演算装置
１１ Ｄ／Ａコンバータ
１２，１３ 駆動回路
１４，１５ 電流検出回路
５１ 基板
２００ ３軸レートジャイロ
３００ ジャイロスコープ
Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２ 電磁石（支持力発生装置）
（１０〜１３、Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｚ１，Ｍｚ２） 支持装置
Ｓｘ１，Ｓｘ２，Ｓｙ１，Ｓｙ２，Ｓｚ１，Ｓｚ２ 変位センサ
Ｗ１〜Ｗ８ 歪抵抗ワイヤ
Claims (4)
- ロール、ピッチ及びヨーの各角速度を検出する３軸レートジャイロと、
質量ｍの物体に作用する重力ｍｇを複数の方向から支持し、当該複数の方向における支持負担を、ロール及びピッチの姿勢変化に応じて変化させる傾斜センサ部と、
前記支持負担に基づいてロール及びピッチの角度を演算する装置と
を備えたことを特徴とするジャイロスコープ。 - ロール、ピッチ及びヨーの各角速度を検出する３軸レートジャイロと、
質量ｍの物体に作用する重力ｍｇを、当該物体の上下方向からそれぞれ少なくとも３本の複数の歪抵抗ワイヤによって支持し、ロール及びピッチの姿勢変化に応じて当該歪抵抗ワイヤの抵抗を変化させる傾斜センサ部と、
前記歪抵抗ワイヤの抵抗変化に基づいてロール及びピッチの角度を演算する装置と
を備えたことを特徴とするジャイロスコープ。 - ロール、ピッチ及びヨーの各角速度を検出する３軸レートジャイロと、
質量ｍの物体に作用する重力ｍｇを、互いに直交する３軸方向に配置された支持力発生装置により磁気的に非接触支持する支持装置と、
前記支持装置の各軸に一対配置され、前記物体の変位を検出する変位センサと、
前記物体を前記支持装置によって支持する構成全体が重力方向に対して姿勢を傾斜させたとき、前記変位センサの出力に基づいて前記物体を所定位置に支持すべく前記支持装置を制御し、各軸の前記支持力発生装置に供給する電流又は電圧に基づいてロール及びピッチの角度を演算する装置と
を備えたことを特徴とするジャイロスコープ。 - 少なくとも前記支持装置及び変位センサが、ＭＥＭＳ技術により基板にマイクロ化して構成された請求項３に記載のジャイロスコープ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003159712A JP2004361236A (ja) | 2003-06-04 | 2003-06-04 | ジャイロスコープ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003159712A JP2004361236A (ja) | 2003-06-04 | 2003-06-04 | ジャイロスコープ |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004361236A true JP2004361236A (ja) | 2004-12-24 |
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ID=34052703
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003159712A Withdrawn JP2004361236A (ja) | 2003-06-04 | 2003-06-04 | ジャイロスコープ |
Country Status (1)
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| JP (1) | JP2004361236A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120035385A (ko) * | 2010-10-05 | 2012-04-16 | 현대모비스 주식회사 | 운전 환경 제어 시스템 및 방법 |
| KR101357599B1 (ko) | 2013-08-19 | 2014-02-05 | 한국항공우주연구원 | 3차원 구체 구동 장치 |
| CN106123883A (zh) * | 2016-08-31 | 2016-11-16 | 大连民族大学 | 球体转子三轴陀螺仪 |
| CN113267168A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-08-17 | 甘肃第四建设集团有限责任公司 | 一种物体倾斜测量装置 |
-
2003
- 2003-06-04 JP JP2003159712A patent/JP2004361236A/ja not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR101709175B1 (ko) * | 2010-10-05 | 2017-02-22 | 현대모비스 주식회사 | 운전 환경 제어 시스템 및 방법 |
| KR101357599B1 (ko) | 2013-08-19 | 2014-02-05 | 한국항공우주연구원 | 3차원 구체 구동 장치 |
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