JP6983528B2

JP6983528B2 - チューンド・ロータ・ジャイロ装置

Info

Publication number: JP6983528B2
Application number: JP2017073422A
Authority: JP
Inventors: 義彰早川; 康章今井; 英人松田
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2017-04-03
Filing date: 2017-04-03
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2037-04-03
Also published as: JP2018179504A

Description

本発明は、例えば、チューンド・ロータ・ジャイロ（ＴｕｎｅｄＲｏｔｏｒＧｙｒｏ：以下、ＴＲＧと略す）等のジャイロ用モータとして、ブラシレスＤＣモータを適用したジャイロ装置に関する。

ＴＧＲは、１９７０年代から１９８０年代にかけて隆盛を極めたジャイロ（特許文献１参照）であるが、現在もなお使用されている。特に、人工衛星用の慣性基準装置ＩＲＵ（ＩｎｅｒｔｉａｌＲｅｆｅｒｅｎｃｅＵｎｉｔ）やＳｔａｂｌｅＰｌａｔｆｏｒｍ型の慣性計測ユニットＩＭＵ（ＩｎｅｒｔｉａｌＭｅａｓｕｒｅＵｎｉｔ）には、その精度の高さと、放射線耐性により根強い人気がある。また、最近では、Ｃａｐｔｕｒｅｌｏｏｐを有して角速度センサ（Ｒａｔｅｇｙｒｏ）として機能させるＳｔｒａｐｄｏｗｎ型のＩＭＵやＩＲＵが主流である。

ＴＲＧの回転数は、ジャイロロータがフリーロータ（ＦｒｅｅＲｏｔｏｒ）となる回転数であり、原理的にただ１点の回転数である。これは次式で表せられる。図１には、同調条件（Ｔｕｎｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）の模式図を示す。

ここで、図２には、ジャイロロータのヒンジ構造（ＦｌｅｘｔｕｒｅＨｉｎｇｅ）を示す。図２に示すヒンジ構造では、その中心軸を構成するシャフト１の径方向外側には、一対の第１ヒンジ２によって環状のジンバル３に連結され、更にこのジンバル３には、第１ヒンジ２に対して直交する一対の第２ヒンジ４によって環状部材５に連結されている。本環状部材５はジャイロロータに直結されている。シャフト１に対して第１ヒンジ２と第２ヒンジ４は同一面に配置されている。図２において、一対の第２ヒンジ４の方向をｘ軸方向、一対の第１ヒンジ２の方向をｙ軸方向、シャフト１の軸方向をｚ軸方向とした場合、上記式（１）のａ、ｂ、ｃはｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りのそれぞれのジンバル慣性モーメント[Kg-m²]、であり、通常ａ＝ｂ、Ｋはヒンジ構造部のバネ定数[kg-m/rad]、そしてこのＮが、ジャイロロータの回転角速度[rad/sec]である。式（１）が成り立ったとき、Ｎ＝Ｎ_０と表示し、同調条件（Ｔｕｎｉｎｇ）が達成したと云う。

Ｎ≠Ｎ_０をＭｉｓｓｔｕｎｉｎｇ状態と云い、ＴＲＧ本来のフリーロータとはならない。このことは、以下の式（２）のように、ＲｅｓｔｒａｉｎｔＤｒｉｆｔＲａｔｅ［Ｒｘ，Ｒｙ］（通常Ｇ−不感ドリフト）と呼び、単位は［°/ｈ］で、これはジャイロの性能の悪化に繋がる。

ここで、τ＝ジャイロ時定数、δＮ＝（Ｎ_０−Ｎ）Ｍｉｓｓｔｕｎｉｎｇ量、Ｆ_ｍ＝フィギュアオブメリト、φ_X、φ_Y＝ジャイロロータオフセットアングルである。

このＴｕｎｉｎｇ周波数は前述の通り、１点であることからジャイロモータの設計に影響がある。従来から使用されているモータは、通電により励磁されるヒステリシスリングを用いたシンクロナスヒステリシスモータ（ＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＨｙｓｔｅｒｅｓｉｓＭｏｔｏｒ）であり、その回転数（ω）は、下記式（３）の通りであり、励磁周波数と極数で決まる。

ここで、ｆはジャイロモータの励磁周波数[Hz]、Ｐはモータの極数である。Ｎは上記（１）のジャイロロータ回転角速度である。

シンクロナスヒステリシスモータの極数Ｐは、通常２から４であるから、通常励磁周波数ｆを変えて同調条件を形成するわけであるが、式（１）バネ定数との絡みがあり、設計の自由度は制約される。

ヒンジ構造部（ＦｌｅｘｔｕｒｅＨｉｎｇｅ）の設計は耐環境性を考慮したヒンジ断面の面積の決定から始まる。バネ定数は以下の式（４）で求まる。

ここで、Ｅは使用材料のヤング率、Ｗはヒンジ幅、Ｒは図３に示す環状ヒンジ（ＣｉｒｃｕｌａｒＨｉｎｇｅ）の半径、ｔはヒンジ厚さである。（Ｗ×ｔ）がヒンジ断面積である（図３参照）。

以上が同調条件を決める必要パラメータであるが、これでジャイロロータの回転角速度Ｎが決まると、シンクロナスヒステリシスモータのヒステリシスリングの設計となる。この設計はモータの出力Ｐ_０を決めることから始まる。

シンクロナスヒステリシスモータの出力Ｐ_０[Watts]は、次式（５）で計算される。

ここで、ｆはモータ励磁周波数[Hz]、Ｖはヒステリシスリングの体積[in³]、ω_hはヒステリシスリングのエネルギ損失[Joule/in³/cycle]を示す。また出力パワー［Ｐ_０］は、リザーブトルクを考慮して機械的損失Ｐ_ｍ（軸受損等）の２倍程度に設定する。ヒステリシスリングの材料は、例えば、半硬質マグネット材が使われる。

ヒステリシスリングの寸法もＴＲＧサイズの制限があり、励磁周波数も決まっていること、通常Ｐ_０＝２Ｐ_ｍであるが、ヒステリシスリング体積Ｖをむやみに大きくすると、出力は熱として消散されるだけでトルクに寄与しないため、それほど大きな出力トルクは期待できない。

以上が従来のシンクロナスヒステリシスモータをＴＲＧに使用した場合の設計概要であるが、上記式（１）〜（５）の関係を考慮して、モータの回転数が決められ、更に励磁周波数よりモータの出力が決まることから、極めて設計自由度が制約された中での設計となる。シンクロナスヒステリシスモータを使用した従来のＴＲＧの設計課題をまとめると、下記の通りとなる。
［１］ＴＲＧの同調条件を決めるプロセスが、Ｈｉｎｇｅの耐環境性の考慮、バネ定数の決定、ジンバル慣性の算出と同調条件の見極め、それに合致したモータ設計と云うように、かなり複雑で工数（コスト）が掛かる。
［２］極数と励磁周波数で回転数が決まるシンクロナスヒステリシスモータ使用では、その設計自由度がないため、ＴＲＧの同調条件の達成が十分なされなく、いくらかのＭｉｓｓｔｕｎｉｎｇ量（δＮ）は免れない。
［３］同調条件が不十分な場合は、Ｍｉｓｓｔｕｎｉｎｇ状態になり、Ｇ-不感ドリフトの安定性や、ランダムドリフト性能に悪影響を与える。
［４］シンクロナスヒステリシスモータの出力トルクはあまり大きくできない。

特開平２−１１５７１５号公報

上述した技術的な背景より求められているのは、次のようなことである。
（イ）同調条件が簡単に調整できること（Ｎ_０の簡単な達成）。
（ロ）十分なリザーブトルクを有するジャイロモータが望ましいこと。
（ハ）安価であること。

この他に、以下の点は高精度ＴＲＧで、且つ商品を意識したとき十分考慮すべきことである。
（ニ）ジャイロロータは安定した回転であること。
（ホ）出力ノイズレベルが低いこと。

上記課題を解決するために、本発明のチューンド・ロータ・ジャイロ装置は、ジャイロロータと、前記ジャイロロータを回転させる駆動モータと、を備え、前記駆動モータは、ブラシレスＤＣモータであり、印加される電圧レベルの変更によって、前記ジャイロロータの回転角速度Ｎが同調条件を達成する回転数Ｎ _０となるように制御されることを特徴とする。
本発明に係るジャイロ装置は、従来のシンクロナスヒステリシスモータの代わりに、ブラシレスＤＣモータを使用することにある。ブラシレスＤＣモータは、基本的に、永久磁石からなるロータと、巻線するステータとで構成され、ハードディスク（ＨＤＤ）や情報機器等に幅広く使われていることから、シンクロナスヒステリシスモータと比べて、低コストである。

ブラシレスＤＣモータの基本動作方程式は以下の通りである。

ここで、ＥはＤＣ電源電圧[V]、ｅは誘起電圧、Ｒは電機子抵抗[Ω]、Ｋ_Ｅは誘起電圧定数[Vsec/ rad]、Ｎはモータロータの回転数[rad/sec]、Ｔはトルク[N-m]、Ｋ_Ｔはトルク定数[N-m/A]、Ｉは電流[A]。下記（６）式を図式化したものが図４であり、図示するようにロータ回転数は電圧レベルで自由に変えられる。またトルクは電流Ｉに比例し、最大Ｅ／Ｒまでの電流Ｉが流せる。Ｉ＝０の時、Ｎ＝Ｅ／Ｋ_Ｅとなり、Ｎを無負荷回転数と呼ぶ。

式（６）は、理想的ＤＣモータの方程式であるが、実際には軸受等による機械的損失（ロストルク）があり、式（６）のトルク方程式は、以下の式（７）のように表現される。

無負荷回転数では、基本的にＴ＝０であるから、Ｋ_Ｔ・Ｉ＝ロストルクとなり、電流Ｉはロストルクによる電流を示すことになる。電流の大きさは、軸受の摩擦トルク、ノイズを忠実に表現することになり、他のモータに比べて故障診断等が極めて簡易に分かると云う利点がある。

ブラシレスＤＣモータを安定に回転させるためには速度ループが必要であり、これはコスト面からはシンクロナスヒステリシスモータより不利な点であるが、近年は、ブラシレスＤＣモータ専用のＩＣがある。例えば、ＩＣにホール素子入力を入れ、速度指令値を入力するとＩＣ内部でコミュテーション信号を作り、且つインバータを有しＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各巻線に必要電流を供給するようなＩＣを用いることが可能であり、速度ループが簡単に作れる。

但し、上記で述べたＩＣは、消費電力低減のため、ＤＣモータのＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）駆動回路を設けているため、そのＰＷＭ周波数がＴＲＧ出力にノイズとして乗ることがあるため、その周波数の選択と、フイルタ設計は十分注意する必要がある。

本発明によれば、ジャイロロータを駆動する駆動モータとしてブラシレスＤＣモータを適用したことにより、電圧レベルの変更で簡単に同調条件を作り出すことができ、調整の手間を省き、コスト低減に寄与できる。

また、本発明によれば、チューニングがかなり正確に設定できるため、ＴＲＧのＧ-不感ドリフトの安定、更にはランダムドリフトの安定に寄与でき、高性能ジャイロが提供できる。

さらに、ブラシレスＤＣモータは、電流の大きさがトルクの大きさに比例するため、例えば軸受トルクが増大してもそれに応じたトルクを出力できる。

また、ＩＭＵやＩＲＵでは故障診断システムの完備が重要であるが、ＴＲＧにブラシレスＤＣモータを採用したことで、電流モニタで簡単に故障の兆候、またその内容が把握できるため対応が迅速にでき、システムの信頼性に寄与できる。

ＴＲＧの同調条件の模式図。ジンバルロータのヒンジ構造図。ヒンジの各部寸法と断面図。ＤＣモータＴ−ω、Ｔ−Ｉ曲線図。本発明の一実施形態に係るＴＲＧ断面図。本発明の一実施形態に係る伝達関数で示したＤＣモータ速度ループのブロック図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図５はブラシレスＤＣモータを適用したＴＲＧの断面図であり、１０はＴＲＧ全体であるジャイロ装置を示している。

図５に示すように、本実施形態のジャイロ装置（ＴＲＧ）１０は、ジャイロロータ１１は、ブラシレスＤＣモータ（駆動モータ）１４が有するシャフト１２に対してヒンジ構造物１３を介して取り付けられている。なお、このジャイロロータ１１の周囲は、カバー１０ａにより覆われる。

ジャイロロータ１１の回転軸となるシャフト１２は、例えば、本実施形態では、ボールベアリング型の軸受１５ａ、１５ｂにより軸方向の２箇所で回転可能に支持され、外側の軸受１５ａは支持体１６に固定されている。

また、シャフト１２は、永久磁石を備えたモータロータ１４ｂを保持しており、モータロータ１４ｂは、支持体１６に固定されたステータ（電機子）１４ａの周囲を回転する。すなわち、本実施形態のブラシレスＤＣモータ１４は、アウターロータ型の構造を有するが、インナーロータ型とすることも可能である。

さらに、ステータ１４ａには、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の配線がそれぞれ巻かれ、その一部には、モータロータ１４ｂの回転状態を検知する検知手段としてホール素子１４ｃが設けられている。このホール素子１４ｃの出力線（不図示）は、支持体１６が有する制御基板１７に集約され、端子接続部１８を通じて外部に信号線が引き出される。なお、この制御基板１７は、ブラシレスＤＣモータ１４の駆動を制御する制御手段を構成する。

また、支持体のうちジャイロロータ１１の動きを検出するためのピックオフステータコイル２０、これをトルキングするためのトルクコイル１９が支持体１６に取り付けられ、これら各コイル１９、２０の各端子と制御基板１７との間が電気的に接続されている。

本実施形態のジャイロ装置１０は、ブラシレスＤＣモータ１４を駆動すると、それによってシャフト１２がＴｕｎｉｎｇ回転数Ｎ_０で回転することになり、所望の角運動量を得ることが可能となる。

図６には、本実施形態のブラシレスＤＣモータ制御のブロック図を示す。図６に示すように、本実施形態のブラシレスＤＣモータ１４は、式（６）で示される基本動作の方程式に従って、電圧Ｅを印加すると、その電圧と等しくなる誘起電圧ｅ＝Ｋ_Ｅ×Ｎまで回転する。

このようなブラシレスＤＣモータ１４の回転駆動においては、例えば、本実施形態では図６に示すサーボシステムを用いて速度制御（フィードバック制御）を行っている。

具体的には、図６に示すサーボシステムは、指令値は速度であり、検知センサとしてのホール素子３０の検知結果に対応した速度情報（速度条件）を駆動条件として帰還したサーボ系となっている。その構成では、ホール素子３０の回転情報パルス（タコメータ）をカウンター３１でカウントし、その後、電圧情報とするＶ/Ｆコンバータ３２、位相調整回路３３を通じてフィードバック制御される。図５における本実施形態のジャイロ装置においては、ホール素子３０の一例として、ホール素子１４ｃを用いている。

１１ジャイロロータ
１４ブラシレスＤＣモータ
２０ピックオフステータコイル

Claims

ジャイロロータと、
前記ジャイロロータを回転させる駆動モータと、を備え、
前記駆動モータは、ブラシレスＤＣモータであり、印加される電圧レベルの変更によって、前記ジャイロロータの回転角速度Ｎが同調条件を達成する回転数Ｎ_０となるように制御されることを特徴とするチューンド・ロータ・ジャイロ装置。
前記駆動モータの回転状態を検知する検知センサを備え、
前記駆動モータは、前記検知センサの検知結果を用いてフィードバック制御されることを特徴とする請求項１に記載のチューンド・ロータ・ジャイロ装置。
前記駆動モータは、アウターロータ型の構造であり、
前記駆動モータの駆動軸に直交する方向において、前記検知センサは、前記ジャイロロータよりも外側に配置されることを特徴とする請求項２に記載のチューンド・ロータ・ジャイロ装置。
前記ジャイロロータのヒンジ構造部は、
中心軸を構成するシャフトの径方向外側には、一対の第１ヒンジによって環状のジンバルに連結され、前記環状のジンバルには、前記一対の第１ヒンジに対して直交する一対の第２ヒンジによって環状部材に連結されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のチューンド・ロータ・ジャイロ装置。