JP3944397B2

JP3944397B2 - ジャイロセンサ

Info

Publication number: JP3944397B2
Application number: JP2002046783A
Authority: JP
Inventors: 黎明楼
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: JP2003247830A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角速度を測定するための、新規なジャイロセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
例えばカーナビゲーションシステム、ＧＰＳ付き携帯電話などの、いわゆるＧＰＳ（グローバルポジショニングシステム）を利用した機器類における姿勢の検出や、あるいはビデオカメラの手ぶれ補正、愛玩用ロボットの姿勢制御などの用途に、ジャイロセンサが広く利用されている。
ジャイロセンサとしては、機械式、流体式、光学式、振動式などの、種々の方式のものがあるが、上述した用途においては、機器類が小型、軽量であることが求められるとともに、技術に明るくない一般の人々も使用することから極力、メンテナンスフリーであることも求められる。それゆえ、現在のところ最も小型化が可能で、しかもソリッドな構造を有する、圧電セラミック素子を利用した振動式のジャイロセンサが普及している。
【０００３】
しかし、上述した機器類においては、今後もより一層の小型化、軽量化が求められることが確実であり、従来の、圧電セラミック素子を利用したジャイロセンサでは、いずれこの要求に対応できなくなることは明白である。
また近時、いわゆるマイクロマシンに関する技術開発が盛んに行われつつあり、いずれはこの分野でも、ジャイロセンサを組み込むことが必要となると予想される。
【０００４】
しかし、たとえ圧電セラミック素子を用いたジャイロセンサであっても、その大きさは、マイクロマシンに比べて著しく大きいため、マイクロマシンへの組み込みは、現在の技術では困難であり、新たな、そしてより小型化が可能なジャイロセンサの開発が望まれている。
本発明の目的は、現状のものよりもさらに小型化が可能な、全く新規なジャイロセンサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項１記載の発明は、基板上に２本の直線状のカーボン線を互いに平行となるように直立させて配設してなり、両カーボン線間にパルス波形の電圧を入力することで、両カーボン線の先端が互いに近接もしくは接触した状態と、互いに離間した状態との繰り返しによって発振させる発振部と、
上記各カーボン線のうち少なくとも１本のカーボン線に角速度が加わった際に、コリオリ力によって生じる、当該カーボン線の発振方向と交差する方向への変形の変形量を、検出するための検出部と、
を備えることを特徴とするジャイロセンサである。
【０００６】
基板上に直立させた２本の直線状の、微細なカーボン線間に電圧を印加すると、各カーボン線は、その電圧値に応じて、
・変形して、先端が互いに近接または接触した状態か、もしくは
・電圧による、変形させる力よりも自己の復元力の方が強いために復元して、その先端が互いに離間した直立状態
のいずれかをとる。カーボン線が、特定の電圧値においてこのいずれの状態を取るかは、カーボン線の材質、構造、太さ、長さなどの要因に応じて異なるが、同じ材質、構造、太さ、および長さを有するカーボン線における、両状態間のしきい値に相当する電圧値はほぼ一定である。
【０００７】
それゆえ請求項１の構成において、基板上に直立させた２本の直線状のカーボン線間に、例えば矩形波などのパルス波形の電圧を入力すると、各カーボン線は、入力された電圧が、上記しきい値以上であるかもしくはそれ未満であるかに応じて、上記の２状態を交互に繰り返すことによって発振する。
またこの発振状態においてセンサに角速度が加わると、各カーボン線はそれぞれ、復元時に、角速度によって発生したコリオリ力によって、完全な直立状態から、上記発振方向と交差する方向に僅かに変形した状態となる。この変形量は、やはりカーボン線の材質、構造、太さ、長さなどの要因に応じて異なるが、同じ材質、構造、太さ、および長さを有するカーボン線における、変形量とコリオリ力の大きさとはほぼ一定の比例関係を示す。
【０００８】
したがって２本のカーボン線のうち少なくとも１本のカーボン線の、上記発振方向と交差する方向に一定間隔、離間させて固定電極を配設して、当該カーボン線の、発振方向と交差する方向への変形量を、その先端と固定電極との間の距離の変化に基づく、静電圧などの出力信号の変化として検出すると、当該変形の原因となるコリオリ力の大きさがわかるため、センサに加わった角速度を求めることができる。すなわちジャイロセンサとして機能させることができる。
【０００９】
しかも請求項１の構成では、例えばカーボン線として、グラファイト構造を有するナノメータオーダの円筒状の物質、いわゆるカーボンナノチューブ（以下「ＣＮＴ」とする）などを使用することで、センサの全体を、例えばミクロン単位まで小型化することができる。
したがって請求項１の構成によれば、例えば前述したカーナビゲーションシステムなどの、ジャイロセンサを組み込んだ機器類の、これまで以上の小型化、軽量化が可能となるばかりでなく、マイクロマシンなどの、これまではジャイロセンサを組み込むことが難しかった機器類への組み込みも可能となる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、カーボン線としてＣＮＴを用いた請求項１記載のジャイロセンサである。
請求項２の構成では、上記のようにセンサの全体を、例えばミクロン単位まで小型化することが可能となる。のみならずＣＮＴは、他のカーボン線に比べて強靭で、しかも柔軟性ならびに復元性にも優れるため、ジャイロセンサの感度を高めるとともに、長寿命化することも可能である。
請求項１のジャイロセンサの具体例としては、請求項３に記載したように、発振部が、一端が基板上に固定され互いに平行となるように配設された２本のカーボン線と、両カーボン線間にパルス波形の電圧を入力することにより、両カーボン線の先端が互いに近接する状態と離間した状態とを繰り返すように発振させる駆動回路とを備えると共に、検出部が、２本のカーボン線のうち少なくとも１本のカーボン線の発振方向と交差する方向に一定間隔、離間させて配設された固定電極と、前記カーボン線の先端と固定電極との間の距離の変化に基づいて、カーボン線の発振方向と交差する方向への変形の変形量を検出するための検出回路とを備えるものが挙げられる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１(a)は、本発明のジャイロセンサＳの、実施の形態の一例を示す拡大斜視図である。また同図(b)は、上記例のジャイロセンサＳの、２本のカーボン線２１、２２の発振方向（ｙ方向）に沿う拡大断面図、同図(c)は、発振方向と直交するｘ方向に沿う拡大断面図である。
これらの図に示すようにこの例のジャイロセンサＳにおいては、基板１上に２本の直線状のカーボン線２１、２２を互いに平行となるように直立させて配設することで、発振部２を構成している。
【００１２】
かかる発振部２を発振させるためには、上記両カーボン線２１、２２を、それぞれ駆動回路４と接続して、この駆動回路４から、例えば矩形波状〔図２(a)〕、全波整流波状〔図２(b)〕、三角波状〔図２(c)〕などの波形の、一定周波数のパルス波形の電圧を入力する。
そうすると、当該両カーボン線２１、２２が、図１(a)(b)に示すように、
・しきい値以上の電圧の印加によって変形して、その先端が互いに近接もしくは接触した状態（一点鎖線の太線で示す）と、
・自己の復元力によって復元して、その先端が互いに離間した状態（実線の太線で示す）と
を交互に繰り返すことで、図中に実線の矢印で示すようにｙ方向に発振する。
【００１３】
また両カーボン線２１、２２の左右の、上記ｘ方向に一定間隔、離間させた位置には、それぞれｙ方向に沿って、カーボン線２１、２２と平行な一対の固定電極３１、３２を配設して、カーボン線２１と固定電極３１、カーボン線２２と固定電極３２によって、それぞれ検出部３を構成している。
このうち一方の検出部３の、カーボン線２１と固定電極３１との間には、図１(c)に示すように、例えば両者の間の静電圧を測定するための検出回路５を接続する。また図示していないが、他方の検出部３の、カーボン線２２と固定電極３２との間にも同様の検出回路を接続する。
【００１４】
そして発振部２を発振させると、ジャイロセンサＳに角速度が加わらない静止時には、上記のようにカーボン線２１、２２の発振方向と、固定電極３１、３２の方向とがともにｙ方向で平行になる。このため、カーボン線２１と固定電極３１間、およびカーボン線２２と固定電極３２間の距離は常に一定に保持され、検出回路５によって検出される静電圧の出力信号は、図２(d)に二点鎖線で示すように直線状を呈する。
【００１５】
しかしジャイロセンサＳに、例えば図１(a)中、ω方向の角速度が加わると、カーボン線２１には図のｘ方向に、またカーボン線２２にはｘ方向と反対方向に、それぞれコリオリ力が加わる。このためカーボン線２１、２２は、それぞれ復元時に、図１(a)(c)に実線の太線で示した直立状態でなく、二点鎖線の太線で示した、発振方向と交差する方向に変形した状態となる。
つまりカーボン線２１、２２は、それぞれこの二点鎖線の太線で示した状態と、一点鎖線の太線で示した状態との間で、図１(a)中に破線の矢印で示すようにｙ方向から少し角度がずれた方向に発振する。このため、この発振に応じてカーボン線２１と固定電極３１間、およびカーボン線２２と固定電極３２間の距離が繰り返し、規則的に変化する結果、検出回路５によって検出される静電圧の出力信号は、例えば図２(d)に実線で示すように波形状を呈する。そしてこの波形のうち、最高部と最低部との差で表される波高Ｖ₁が、カーボン線２１、２２の変形量とほぼ一定の比例関係を示す。
【００１６】
したがって波高Ｖ₁を求めることで、カーボン線２１、２２の変形量を知ることができる。しかも前述したように、特定の物性を有するカーボン線２１、２２の変形量は、当該カーボン線２１、２２に加わるコリオリ力の大きさとはほぼ一定の比例関係を示すことから、波高Ｖ₁を求めることで変形量がわかればコリオリ力の大きさを知ることができ、最終的に、センサに加わった角速度を求めることができる。
【００１７】
上記各部のうち基板１としては、例えばプラスチック、繊維強化プラスチック、セラミックスなどからなり、プリント配線板用などとして従来公知の種々の構成を有する絶縁基板がいずれも使用可能である。
基板上に、２本の直線状のカーボン線２１、２２を、互いに平行となるように直立させて配設する方法としては、種々の方法を採用することができる。
例えばカーボン線２１、２２としてＣＮＴを採用する場合には、基板１の表面に、カーボン線２１、２２を配設するための電極部と、当該電極部を前述した駆動回路４や検出回路５に接続するための回路と、そして固定電極部３１、３２とを、それぞれ金、銅、アルミニウムなどの導電性材料を用いて、アディティブ法やサブトラクティブ法などによってあらかじめ形成しておき、このうち電極部の表面に、別に形成しておいたＣＮＴを、電子ビームの照射などによって接合する方法があげられる。
【００１８】
また上記電極部の少なくとも表面を、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉまたはこれら金属の２種以上の合金等の触媒、もしくはＣＶＤ条件下で触媒に転化する前駆体によって形成するとともに、基板の、それ以外の領域をマスキングし、かつＣＮＴが基板１の表面に直立する方向に成長するように磁場を印加した状態で、炭化水素などを原料とするプラズマＣＶＤ法によって、ＣＮＴを成長させる方法を採用することもできる。
【００１９】
ＣＮＴとしては、グラファイトを１層、筒状に丸めた形状を有し、かつグラファイトのらせんの状態に応じてアームチェア型、ジグザグ型、カイラル型などに分類される種々の単層ＣＮＴ（以下「ＳＷＣＮＴ」とする）や、当該ＳＷＣＮＴを複数層、同芯筒状に重ねた形状を有する多層ＣＮＴ（以下「ＭＷＣＮＴ」とする）を使用することができる。
またＣＮＴ以外の他のカーボン線としては、例えば微細な有機繊維を焼成して製造される炭素繊維などを使用することもできる。
【００２０】
なお本発明のジャイロセンサの構成は、以上で説明した図の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の設計変更を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】同図(a)は、本発明のジャイロセンサの、実施の形態の一例を示す拡大斜視図、同図(b)は、上記例のジャイロセンサの、２本のカーボン線の発振方向（ｙ方向）に沿う拡大断面図、同図(c)は、発振方向と直交するｘ方向に沿う拡大断面図である。
【図２】同図(a)〜(c)は、それぞれ図１(a)〜(c)の例のジャイロセンサのうち、発振部を構成する２本のカーボン線を発振させるために、当該両カーボン線間に入力するパルス波形の電圧の例を示すグラフ、同図(d)は、２本のカーボン線を発振させた状態で、検出部によって検出される、カーボン線の先端と固定電極との間の距離の変化に基づく出力信号の例を示すグラフである。
【符号の説明】
１基板
２発振部
２１、２２カーボン線
３検出部
３１、３２固定電極

Claims

基板上に２本の直線状のカーボン線を互いに平行となるように直立させて配設してなり、両カーボン線間にパルス波形の電圧を入力することで、両カーボン線の先端が互いに近接もしくは接触した状態と、互いに離間した状態との繰り返しによって発振させる発振部と、
上記各カーボン線のうち少なくとも１本のカーボン線に角速度が加わった際に、コリオリ力によって生じる、当該カーボン線の発振方向と交差する方向への変形の変形量を、検出するための検出部と、
を備えることを特徴とするジャイロセンサ。
カーボン線としてカーボンナノチューブを用いた請求項１記載のジャイロセンサ。
発振部が、一端が基板上に固定され互いに平行となるように配設された２本のカーボン線と、両カーボン線間にパルス波形の電圧を入力することにより、両カーボン線の先端が互いに近接する状態と離間した状態とを繰り返すように発振させる駆動回路とを備え、
検出部が、２本のカーボン線のうち少なくとも１本のカーボン線の発振方向と交差する方向に一定間隔、離間させて配設された固定電極と、前記カーボン線の先端と固定電極との間の距離の変化に基づいて、カーボン線の発振方向と交差する方向への変形の変形量を検出するための検出回路とを備える
ことを特徴とする請求項１記載のジャイロセンサ。