JP2006071369A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レートジャイロやＤＴＧと同等程度のＭＥＭＳジャイロを用いて、地球自転角速度（約１５°／ｈ）が計測可能な精度を有し、かつＭＥＭＳジャイロの特質である低価格、小質量及び小寸法を実現した構成が得られる角速度検出装置の提供。
【解決手段】 低精度広範囲検出型と高精度狭範囲検出型のＭＥＭＳジャイロを可動側となる同じサーボテーブルに載置した構成で、低精度センサによりフィードバックをかけて高精度センサの使用可能範囲に追い込むことができ、ＭＥＭＳジャイロにて地球自転角速度（約１５°／ｈ）が計測可能な精度が得られる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、角速度検出装置の改良に係り、慣性空間に対する角速度Ωを検出する際に、検出範囲は大きいが精度の低い角速度検出器（Ｌｏ精度センサ）と検出範囲は小さいが精度の高い角速度検出器（Ｈｉ精度センサ）とを組み合わせ、サーボテーブルを用いたＨｉ−Ｌｏ精度センサのハイブリッド構成によって、大きな検出範囲を持ちながら高精度の検出性能を有し、一体型構造が可能な角速度検出装置に関する。

従来から、大きな検出範囲を持ちかつ高精度な一体型構造の角速度検出器は理想であり、リングレーザ・ジャイロや光ファイバ・ジャイロ（ＦＯＧ）等が用いられてきているが、非常に高価な上大質量で大寸法という特性も避けられないため、それらの特性を許容可能な対象への適用に留まっていた。

一方最近、漸く実用化の段階を迎えた、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の技法によるジャイロは、上記の高価格、大質量及び大寸法を解決する新規角速度検出器として考案され、半導体製造法を応用した製造法により大量生産を可能にしそれを実現させてきているが、最大の課題は上記リングレーザ・ジャイロや光ファイバ・ジャイロ（ＦＯＧ）に匹敵する精度の確保であった。
実開平６−３０７１４ 特開平９−１２６７８２ 特開２００１−８９０７２

ＭＥＭＳジャイロは、高精度性能の確保が課題であった。すなわち、機械式ジャイロであるレートジャイロやＤＴＧ（Ｄｒｙ Ｔｕｎｅｄ ＧＹＲＯ）の精度（１５０ｄｅｇ／ｈ）には到達し、レートジャイロやＤＴＧよりも低価格、小質量及び小寸法を達成しつつあるので、次には、地球自転角速度（約１５°／ｈ）が計測可能なレベルの高精度ＭＥＭＳジャイロの構成法や製造法などに課題があった。

この発明は、レートジャイロやＤＴＧと同等程度のＭＥＭＳジャイロを用いて、地球自転角速度（約１５°／ｈ）が計測可能な精度を有し、かつＭＥＭＳジャイロの特質である低価格、小質量及び小寸法を実現した構成が得られる角速度検出装置の提供を目的としている。

従来、単一のＭＥＭＳジャイロによって高精度、低価格、小質量及び小寸法特性を確保する試みが続けられてきたが、これに対し発明者らは、ＭＥＭＳジャイロが半導体製造法を応用した製造法により既に大量生産が行われているので、複数個を組合せて使用することが技術的、コスト的にも可能であり、また、角速度検出器の角速度の検知を行う機械的要素の角速度検知部を同一とし、その出力に電気的処理を行う角速度信号処理部の感度を向上させて検出精度の向上を図ることが可能であることに着目し、複数のＭＥＭＳジャイロを用いる構成について種々検討した結果、検出範囲は大きいものの精度が低い角速度検出器と検出範囲は小さいものの精度が高い角速度検出器とを、回転運動を行うサーボテーブル上に搭載することで、高精度で小型の角速度検出装置が得られることを知見し、この発明を完成した。

すなわち、この発明は、検出範囲は大きいものの精度が低い角速度検出器Ａと検出範囲は小さいものの精度が高い角速度検出器Ｂを、入力角速度Ωと平行な回転軸回りの回転運動を行うサーボテーブル上に同時に搭載し、回転側をサーボテーブル、固定側を駆動ベースとし、サーボテーブルを制御するサーボ制御回路を有し、角速度Ωの検出範囲は大きな検出範囲を有する角速度検出器Ａの特性値、角速度Ωの検出精度は高精度性能を有する角速度検出器Ｂの特性値とすることできる角速度検出装置である。

この発明による角速度検出装置の特徴は、大検出範囲角速度検出器Ａの出力と高精度角速度検出器Ｂの出力の適用法は切換使用である。まず切換の基準値を事前に設定しておき、大検出範囲角速度検出器の出力がその基準値より大きい時には大検出範囲角速度検出器の出力をサーボ制御回路に入力し、高精度角速度検出器の出力が設定基準値より小さい時にはそのまま高精度角速度検出器の出力をサーボ制御回路に入力するように、それぞれの出力を切換える検出器切換回路を有する構成としている。

さらにこの発明は、上記の装置構成品に対して、サーボテーブルの回転角速度ωを制御対象とし、検出器切換回路により切換えられる大検出範囲角速度検出器Ａあるいは高精度角速度検出器Ｂを偏差生成要素とし、そして上記サーボ制御回路を制御要素と見做し、その出力をΩＣＯＭとしてネガティブフィードバック制御系を構成すれば、制御機能の作用によってサーボテーブルにはΩと反対方向で同じ大きさの回転運動ωを発生させることができ、サーボ制御回路出力ΩＣＯＭが最終的に検出すべき角速度出力になる。

この発明は、また一つの機能装置としての形態を与えるために、大検出範囲角速度検出器と高精度角速度検出器を同時に搭載するサーボテーブル、駆動ベース、更にサーボ制御回路に検出器切換回路を加えた構成品を一体化した構造としている。

またこの発明は、大検出範囲角速度検出器と高精度角速度検出器の角速度の検知を行う、それぞれの角速度検知部とその検知部出力に電気的処理を行う角速度信号処理部が分離可能な構造の場合には、検知部を一個で共用することによってサーボテーブル上の負荷を軽減して一体化構造としたことを構成例として提案する。

さらに、この発明は、大検出範囲角速度検出器と高精度角速度検出器に上記の角速度信号処理部の信号処理回路自体は１式のみとするものの感度に関連する部分のみを切換他の電気的回路処理によって変化させて、検出器切換回路を省略した構成を提案する。

この発明によると、低精度広範囲検出型と高精度狭範囲検出型のＭＥＭＳジャイロを可動側となる同じサーボテーブルに載置した構成により、大きな検出範囲を持ちながら高精度の検出性能が得られ、ＭＥＭＳジャイロはサーボテーブルに容易に一体化でき、小型軽量化が可能な角速度検出装置を提供できる。

また、この発明よると、サーボテーブルを用いた高精度−低精度センサのハイブリッド構成によって、低精度センサによりフィードバックをかけて高精度センサの使用可能範囲に追い込むことができ、ＭＥＭＳジャイロにて地球自転角速度（約１５°／ｈ）が計測可能な精度が得られる。

以下、図面と共に本発明による角速度検出器の好適な実施形態について説明する。図１から図４までが本発明における基本構成を示す図であり、図５及び図６はそれらからの派生形態を示す図である。以下順に記述する。

図１は本発明にかかる角速度検出装置の構成を示す。図１上側が平面図であり、図１下側が正面断面図である。平面図に示すように検出範囲は大きいものの精度は低い角速度検出器（１）と、検出範囲は小さいものの精度は高い角速度検出器（２）が同じサーボテーブル（３）の回転軸を入力軸としてサーボテーブル（３）上に搭載されている。

一方、正面断面図に示すように広範囲角速度検出器（１）と高精度角速度検出器（２）はサーボテーブル（３）に固定された構造である。ここでは、広範囲角速度検出器（１）と高精度角速度検出器（２）は並行設置されている形態が表示されている。他の構成として、両角速度検出器（１）（２）とを重ね合わせの形態、すなわち大検出範囲角速度検出器（１）の上に高精度角速度検出器（２）を設置する構成、あるいはその逆の構成も可能である。

すなわち、図１で表記する要件は、慣性空間に対しサーボテーブル（３）を回転側とし、駆動ベース（４）を固定側にする構成であり、回転側に角速度検出器（１）と角速度検出器（２）が共に入力軸を回転軸に並行にして搭載されるという構造である。

従って、駆動ベース（４）が角速度Ωで回転した時でサーボテーブル（３）が回転しない場合には、角速度Ωが広範囲角速度検出器（１）と高精度角速度検出器（２）の検出可能範囲内である時には、高精度角速度検出器（２）出力を採用すれば高精度で検出できることとなる。しかし、角速度Ωが高精度角速度検出器（２）の検出可能範囲より大きい時には角速度検出器（１）で検出することとなり検出精度が低下することとなる。

そこで、角速度Ωが大きい時の精度確保のためには、角速度Ωが高精度角速度検出器（２）の検出範囲内となるようにすれば良いこととなる。すなわち、角速度Ωと平行な回転軸回りにサーボテーブル（３）を角速度Ωと逆方向に同じ大きさだけ回転させれば、サーボテーブル（３）上で検出される慣性空間に対する角速度は小さくなり高精度角速度検出器（２）で検出可能な大きさとなることとなる。

また、図１ではサーボ制御回路（５）や検出器切換回路（６）の設置位置を駆動ベース（４）の下部に固定した状況を図示したが、サーボテーブル（３）上であっても問題ない。

さらに、図２Ａには、固定側を回転トランス（３１）の電力供給側、回転側を回転トランス（３１）の電力誘起側とする電力伝送系を、また回転側に設置した発光素子（２２）から固定側に設置した受光素子（２１）への検出角速度データの光伝送系を示している。

次に図２Ｂは、固定側に光供給を行う発光素子（３２）、回転側に光発電素子（３３）を設置して光発電による電力供給を行う電力伝送系を、また回転側に設置した発光素子（２２）から固定側に設置した受光素子（２１）への検出角速度データの光伝送系を示している。

図３は、前記サーボテーブル（３）の回転角速度を制御対象、前記検出器切換回路（６）により切換えられる広範囲角速度検出器（１）あるいは高精度角速度検出器（２）を偏差生成要素、そして上記サーボ制御回路（５）を制御要素とするネガティブフィードバック制御系を示しているが、角速度検出装置（１０）の機能ブロック図でもある。

関係式は下記とおりである。明らかにこの制御系に対する入力が角速度Ωであるから、角速度Ωと反対方向で実用上問題ない程度に同じ大きさの回転角速度を前記サーボテーブル（３）に発生させ得ることとなる。

ω＝Ｇ・Ω １式
Ｇ＝Ｈ／（１＋Ｈ） ２式
ここで、ωはサーボテーブル（３）の出力角速度であり、Ｈは図１に示した制御系の一巡開ループ特性であり、Ｇは閉ループ特性である。

図４Ａは、前記広範囲角速度検出器（１）と前記高精度角速度検出器（２）出力特性を示すと共に切換基準値と検出器切換回路（６）特性の関係を示す図である。横軸が、前記広範囲角速度検出器（１）と前記高精度角速度検出器（２）への運動入力を表しており、縦軸がその電気的な出力を表している。

図４Ｂでは、切換基準値・Ωｍａｘを高精度角速度検出器（２）の最大検出範囲値と設定し、運動入力がΩｍａｘと−Ωｍａｘの間にあるときの特性を下記のように設定している。
広範囲角速度検出器（１）電気的出力＝Ω−ω＋Δω ３式
高精度角速度検出器（２）電気的出力＝Ω−ω ４式

高精度角速度検出器（２）の電気的出力がΩ−ω、すなわち誤差ゼロで検出可能としているのは、実用上問題ない程度の１対１の特性を有し、広範囲角速度検出器（１）の電気的出力には高精度角速度検出器（２）の電気的出力に対しΔωだけの誤差があることを表している。

また、検出器切換回路（６）特性は下記のようになる。
Ω−ω＋Δω＞Ωｍａｘ のとき、ω＝Ω−ω＋Δω ５式、
；広範囲角速度検出器（１）の適用、
Ω−ω＋Δω≦Ωｍａｘ のとき、ω＝Ω−ω ６式、
；高精度角速度検出器（２）の適用。

すなわち、６式においてΩ−ω＝０（ゼロ）のときを考察すれば、
Δω≦Ωｍａｘ ７式
となることから明らかなように、少なくともΩｍａｘをΔωより大きく設定し、図３の制御系を構成すれば、角速度Ωを高精度角速度検出器（２）の精度で検出することが可能となる。

また、１式でのＧの時間特性も勘案してΩｍａｘを設定する必要がある。すなわち、Ｇ−１である場合には真値と実現値との差異量が発生するので、それを勘案してΩｍａｘを設定する必要がある。

また図４Ｂには、広範囲角速度検出器（１）から高精度角速度検出器（２）あるいは高精度角速度検出器（２）から広範囲角速度検出器（１）への検出器の切換時の検出器切換回路（６）特性実現時のハンチング現象回避用回路の一例を示す。横軸が広範囲角速度検出器（１）及び高精度角速度検出器（２）の電気的出力、縦軸を広範囲角速度検出器（１）及び高精度角速度検出器（２）の選択出力である。

Ωｍａｘ或いは−Ωｍａｘ値を中心とし、ΔΩ幅を持つリレー特性を導入することによって、検出器の切換時のハンチング現象の回避が可能となる。今Ωｍａｘ点での切換を考察すると、広範囲角速度検出器（１）の電気的出力がΩｍａｘより大きい値から減少する場合には、広範囲角速度検出器（１）の電気的出力がΩｍａｘより小さくなっても広範囲角速度検出器（１）の電気的出力を選択し、Ωｍａｘ−ΔΩになって初めて高精度角速度検出器（２）に切り換え、逆に高精度角速度検出器（２）の電気的出力がΩｍａｘより小さい値から増大する場合でも、高精度角速度検出器（２）の電気的出力がΩｍａｘより大きくなっても高精度角速度検出器（２）の電気的出力を選択し、Ωｍａｘ＋ΔΩになって初めて広範囲角速度検出器（１）に切り換えると言う切換特性である。明らかに、−Ωｍａｘ点での切換特性も同様であるので説明は省略する。

図５は、前記広範囲角速度検出器（１）と前記高精度角速度検出器（２）の角速度の検知を行う機械的要素の角速度検知部（７）と前記角速度検知部（７）出力に電気的処理を行う角速度信号処理部（８）が分離可能な構造の場合の構成例である。すなわち、前記広範囲角速度検出器（１）と前記高精度角速度検出器（２）の角速度検知部（７）を一個で共用することによって前記サーボテーブル（３）上の負荷を軽減した一体構造例である。

図６は、前記広範囲角速度検出器（１）と前記高精度角速度検出器（２）に前記角速度信号処理部（８）がそれぞれ内蔵された形態から前記検出器切換回路（６）に入力される構成例を図６Ａに、角速度信号処理部（８）の信号処理回路自体は１式のみとするものの、前記角速度信号処理部（８）の感度に関連する部分のみを切換他の電気的処理によって変化させ、前記検出器切換回路（６）を省略した簡素化の一例の構成を図６Ｂに示してある。

慣性空間に対しサーボテーブル（３）が回転側となり、駆動ベース（４）が固定側になるので、固定側から回転側に電力、回転側から固定側には検出データ値を送出する必要があり、接触型のスリップリングであれば電力及び検出データ値の同時伝送が容易に実現できる。

しかし、この発明では、双方の伝送に非接触型を提案し、前者に対しては回転トランス及び光発電方式、後者に対しては光通信方式としている。光発電方式は回転トランスの軽量化策である。

図１、図３の構成を有する角速度検出装置を作製するため、広範囲角速度検出器に、最大検出範囲２００ｄｅｇ／ｓｅｃ、精度２００ｄｅｇ／ｈ、周波数応答１０ＨｚのＭＥＭＳジャイロを用い、高精度角速度検出器に、最大検出範囲２０ｄｅｇ／ｓｅｃ、精度１５ｄｅｇ／ｈ、周波数応答５ＨｚのＭＥＭＳジャイロを用いた。
また、サーボテーブルには、図１に概略を示す構成と同等の機構を採用した。角速度信号処理部の感度の設定は、周波数応答として、１００Ｈｚとして設定した。

この発明によるＨｉ−Ｌｏ精度センサのハイブリッド構成の角速度検出装置は、１５ｄｅｇ／ｈの精度が得られた。

この発明は、既に大量生産が行われて入手が容易なＭＥＭＳジャイロを用いる構成、すなわち、低精度広範囲検出型と高精度狭範囲検出型のＭＥＭＳジャイロを可動側となる同じサーボテーブルに載置した構成とすることで、地球自転角速度（約１５°／ｈ）が計測可能な精度性能を有する角速度検出装置を安価に提供できる。

この発明による角速度検出装置の構成を示す説明図であり、上面図と縦断面図である。 Ａ、Ｂはこの発明による角速度検出装置の他の構成を示す縦断面説明図である。 この発明による角速度検出装置の機能ブロック図である。 Ａは２つの角速度検出器の出力特性図、Ｂは検出器切換回路特性図である。 この発明による角速度検出装置の構成を示す説明図であり、角速度検知部のみの搭載形態を示す図である。 検出器切換回路の省略形態図である。

符号の説明

１ 広範囲角速度検出器
２ 高精度角速度検出器
３ サーボテーブル
４ 駆動ベース
５ サーボ制御回路
６ 検出器切換回路
７ 角速度検知部
８ 角速度信号処理部
１０ 角速度検出装置
２１，３２ 発光素子
２２ 受光素子
３１ａ，３１ｂ 回転トランス
３３ 光発電素子

Claims (9)

1. 慣性空間に対する角速度を検出する検出範囲は大きく精度が低い角速度検出器Ａと、前記検出範囲は小さく精度が高い角速度検出器Ｂとを、角速度と平行な回転軸回りの回転運動を行うサーボテーブル上に搭載し、回転側をサーボテーブル、固定側を駆動ベースとし、前記サーボテーブルの回転駆動を制御するサーボ制御回路を有する構成で、角速度の検出範囲は前記角速度検出器Ａの特性値であり、角速度の検出精度は前記角速度検出器Ｂの特性値である角速度検出装置。
2. 前記角速度検出器Ａ出力と前記角速度検出器Ｂ出力は、前記角速度検出器Ａの出力が設定基準値より大きい時には前記角速度検出器Ｂ出力をサーボ制御回路に入力し、前記角速度検出器Ａの出力が設定基準値より小さい時には前記角速度検出器Ｂ出力をサーボ制御回路に入力するようそれぞれの出力を切換える検出器切換回路を有する請求項１に記載の角速度検出装置。
3. 前記サーボテーブルの回転角速度を制御対象とし、前記検出器切換回路により切換えられる角速度検出器Ａあるいは角速度検出器Ｂを偏差生成要素とし、上記サーボ制御回路を制御要素とするネガティブフィードバック制御系を構成することによって、前記サーボテーブルに角速度と反対方向で同じ大きさの回転運動を発生させる請求項１又は請求項２に記載の角速度検出装置。
4. 前記角速度検出器Ａと前記角速度検出器Ｂを搭載した前記サーボテーブル、前記駆動ベース、前記サーボ制御回路と、検出器切換回路とを一体化した請求項１から請求項３のいずれかに記載の角速度検出装置。
5. 前記角速度検出器Ａと前記角速度検出器Ｂの角速度の検知を行う機械的要素の角速度検知部と、前記角速度検知部出力に電気的処理を行う角速度信号処理部が分離可能な構成で、前記角速度検出器Ａと前記角速度検出器Ｂの角速度検知部を一個で共用して前記サーボテーブル上に一体化構造とした請求項１から請求項３のいすれかに記載の角速度検出装置。
6. 前記角速度検出器Ａと前記角速度検出器Ｂに前記角速度信号処理部がそれぞれ内蔵され、前記検出器切換回路に入力される前記偏差生成要素を有し、角速度信号処理部の信号処理回路を共通にして前記角速度信号処理部の感度に関連する回路を電気的処理によって変化可能な回路とし、前記検出器切換回路を省略した請求項１から請求項４のいずれかに記載の角速度検出装置。
7. 慣性空間に対する回転側であるサーボテーブルから固定側である駆動ベースへの角速度情報出力を、回転側に発光素子固定側に受光素子を回転中心に対向設置し、光通信により非接触状態で行う請求項１から請求項６のいずれかに記載の角速度検出装置。
8. 慣性空間に対する回転側であるサーボテーブルへの電力供給を、固定側である駆動ベースから回転トランスにより非接触状態で行う請求項１から請求項７のいずれかに記載の角速度検出装置。
9. 慣性空間に対する回転側であるサーボテーブルへの電力供給を、回転側に光発電素子を設置し、固定側である駆動ベースに発光素子を設置して、光発電により非接触状態で行う請求項１から請求項７のいずれかに記載の角速度検出装置。

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