JPH0341367A - ジャイロセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、加速度、角速度等を感知するジャイロセン
サに関する。

［従来の技術〕 現在、実用されているジャイロセンサには大きく分けて
、回転コマ方式、ファイバージャイロ方式、リングレー
ザジャイロ方式、圧電バイモルフ音叉方式の４種類があ
る。

回転コマ方式は、高速で回転するコマ（ジャイロロータ
）をその軸がどの方向にも向くように、コマをジンバル
で支持して構成される。ファイバージャイロ方式は、半
透鏡で２つに分けられた光ビームを、コイル状に巻かれ
た光ファイバの両端から入射し、ファイバーコイルの両
端から射出される２つの光ビームを干渉させて生じる干
渉縞から角速度を感知する。リングレーザ方式は、レー
ザ光を反透鏡で２つに分け、リング状に配置された鏡に
互いに反対向きに照射し反射させて、２つのレーザ光を
逆向きに循環させた後に干渉させ、系が受ける角速度に
起因する干渉縞の移動量から角速度を感知する。圧電バ
イモルフ方式は、変位検出素子にＰＺＴなどの圧電体を
使用し、圧電体に電極となる金属と重りを取り付けて構
成される。

圧電体か受ける加速度により圧電材料に歪みが生じ、こ
れにより電極面に発生する電荷から加速度を感知する。

［発明が解決しようとする課題］ これらのジャイロセンサには、それぞれ特有の欠点があ
る。回転コマ方式は、回転コマをジンバルで支持する構
成のため、装置が大型になり、また重くなる。ファイバ
ージャイロ方式は、回転コマ方式に比べて相当軽量化さ
れるが、検知感度を上げるため、数百ｍものファイバー
長が必要になり、またコイルの巻径も数十〇ｍとなるた
め、装置の小型化が難しい。また、ファイバーの折れに
よるダメージも考慮しなければならない欠点がある。

リングレーザ方式は、レーザ光を鏡で反射させて循環さ
せる構成のため、装置の小型・軽量化が困難である。圧
電バイモルフ方式は、装置の小型化に現在のところ最も
有力であるが、圧電体にＰＺＴ等の強誘電性セラミック
スを用いるので、圧電バイモルフの変形に伴う信号に、
焦電効果によるノイズが発生するという欠点がある。

この発明は上記の問題点に鑑み、小型軽量かつ検出精度
に優れたジャイロセンサを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明のジャイロセンサは、その法線ベクトルが独立
な、少なくとも１以上の導電性の参照面と、前記参照面
から離れて支持され、参照面に対して垂直に変位する弾
性体と、前記弾性体に固着され、前記参照面に近接して
支持される探触針と、対向する前記参照面と前記探触針
との間に電圧を印加する電源と、前記参照面と前記探触
針との間に流れるトンネル電流の変化を検出する検出手
段とを備える。

［作用］ この発明のジャイロセンサでは、探触針は、弾性体によ
って、参照面からトンネル電流が流れる距離に支持され
る。探触針と参照面は所定の電圧でバイアスされ、探触
針・参照面間にトンネル電流が流され、このトンネル電
流は検出手段により監視される。弾性体に並進運動に伴
う加速度あるいは回転運動に伴う遠心力が加わると、弾
性体はわん曲し、結果として探触針は参照面に接近ある
いは離間する。これにより探触針・参照面間に流れるト
ンネル電流の値は大きく変化する。トンネル電流の値は
、探触針・参照面間の距離の関数として、指数関数的に
増加あるいは減少する。このときのトンネル電流の変化
は検出手段において検出される。弾性体が受ける加速度
または遠心力（あるいは、遠心力から一義的に決まる角
速度）に対する、弾性体の変位量（即ちトンネル電流の
変化量）を予め求めておくことにより、検出手段から出
力されるトンネル電流の値から弾性体が受けた加速度あ
るいは角速度を検出できる。

この発明の適用において、ジャイロセンサは移動体に固
定されて使用され、互いに独立な参照面の数は移動体の
自由度に応じて適宜選択される。

例えば、移動体の運動が並進方向に２次元である場合に
は、独立な参照面を２つ備えるジャイロセンサが、また
移動体が３次元方向に運動する場合には、３つの参照面
に備えるジャイロセンサが選択される。このとき、参照
面は互いに直交するのが望ましい。また、移動体が固定
軸回りの回転運動である場合、参照面の法線ベクトルが
動径方向に平行になるように配置され使用されるのが望
ましい。

弾性体が受ける加速度および遠心力は、それぞれ独立な
成分にベクトル的に分解される。各弾性体は、これに対
向する参照面の法線方向に分解された加速度または遠心
力の各成分を受けて変位する。この結果、生じるトンネ
ル電流の変化から、上述したように、加速度または角速
度が感知される。

［実施例コ 第１図および第２図を参照して、この発明□のジャイロ
センサに係る実施例について説明する。基体１２は導電
性材料からなり、図に示される座標系のそれぞれの座標
軸に直交し、Ｘ方向参照面１４Ａ、ｙ方向参照面１４Ｂ
Ｓｚ方向参照面１４Ｃを備える。基体１２の端面１２Ａ
、１２Ｂ。

１２Ｃには、それぞれの参照面１４Ａ、１４Ｂ。

１４Ｃの上方に延出する、所定のばね定数を有する弾性
体１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃが固定されている。各弾性体
１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃの先端部には、それぞれ対向す
る参照面１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに向かって延出するＸ
方向探触針２２Ａ１ｙ方向探触針２２Ｂ、ｚ方向探触針
２２Ｃが設けられ、第２図に見られるように、参照面か
ら離れて支持される。このとき、各探触針２２Ａ１２２
Ｂ、２２Ｃと、対向するそれぞれの参照面１４Ａ、１４
Ｂ、１４Ｃとの距離は、トンネル電流が流れる距離（は
ぼｌＯｎｍ）以下に設定される。

さらに、各弾性体１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃの先端には、
それぞれの探触針２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃよりわずかに
長く、対向するそれぞれの参照面１４Ａ、１４Ｂ、１４
Ｃに向かって延出する衝突防止部材２ＯＡ、２０Ｂ、２
０Ｃが設け゛られ、これにより、探触針２２Ａ、２２Ｂ
、２２Ｃが、参照面１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに接触する
のが防止される。また、それぞれの弾性体１６Ａ、１６
Ｂ。

１６Ｃの反対側（即ち参照面から遠方の面）には、それ
ぞれＱ調整用の重り１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃが設けられ
る。これらの重り１８Ａ、１８Ｂ。

１８Ｃは、使用目的に応じて調整され、弾性体１６Ａ、
１６Ｂ、１６Ｃの緩和時間が調整される。

第２図に示されるように、探触針２２Ｃと参照面１４Ｃ
は、探触針２２Ｃと参照面１４Ｃとの間をバイアスする
電源２４Ｃを介して、探触針２２Ｃと参照面１４Ｃとの
間に流れるトンネル電流を測定する検出回路２６Ｃに接
続され、トンネル電流値が出力端２８Ｃから出力される
。ここには図示しないが、探触針２２Ａと参照面１４Ａ
、および探触針２２Ｂと参照面１４Ｂのそれぞれもまた
同様に、電源を介して検出回路に接続される。

以下、第２図を参照して２方向の加速度のセンシングに
ついて説明する。図の座標系で示されるように、基体１
２に対する重り１８Ｃの変位をｚ１基体１２の慣性空間
内での変位をζ、重りの質量をｍとすると、この系の運
動方程式は、ｍ　’ｚ　＋ｋ　ｚ台−ｍで で表わされる。ここに、ｋは弾性体１６Ｃのバネ定数で
、弾性体１６Ｃのヤング率をＥ、長さを１１幅をａ１厚
さをｂとしたとき、ｋ＝Ｅａｂ３／４１３で表わされる
。弾性体１６Ｃは、基体１２が受ける加速度に応じて変
位し、その変位は基体１２の加速度に依存する。弾性体
１６Ｃの変位は、上述したように、これに指数関数的に
比例して変化するトンネル電流によって検出される。

この実施例の適用にあたって、ジャイロセンサ１０は移
動体に固定されて使用され、移動体が受ける３次元方向
の加速度を感知する。移動体が受ける加速度ａはベクト
ル量であって、Ｘ＋　　Ｙ、ｚ方向の３成分ａｘ、ａｙ
、ａｚに分解でき、加速度の各成分ａｘ、ａｙ、ａｚが
各弾性体１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃに与えられる。加速度
を受けた弾性体１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃはわん曲し、探
触針２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃは、それぞれの参照面１４
Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに接近あるいは離間する。

探触針２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃと参照面１４Ａ１１４Ｂ
、１４Ｃとの間に流れるトンネル電流は、探触針・参照
面間の距離の関数として、指数関数的に増加あるいは減
少し、その値は大きく変化する。この変化するトンネル
電流は、それぞれの検出回路で検出され、各成分ごとに
出力される。予め弾性体が受ける加速度に対する、トン
ネル電流の変化量を求めておくことにより、各弾性体１
６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃが受けた加速度ａ１即ち各加速度
成分ａｘ、ａｙ、ａｚが検知できる。しかも、トンネル
電流は、探触針・参照面間の原子単位での距離変化に敏
感に反応するので、非常に感度よく、高精度で検出され
る。

現在、使用されているジャイロセンサのほとんどは、そ
の出力を光や構造物の変位から得ているので、その信号
をいったん電気信号に変換しなければならないが、この
発明に係るジャイロセンサでは、上述したように、出力
信号を直接電気信号として得ているので、そのまま処理
できる。また、レーザを用いるジャイロの場合、レーザ
を発信するための電気エネルギーが必要であるが、探触
針・参照面間に与えるバイアス電圧のみで済むという利
点がある。以上に述べたように、この発明に０ よれば、小型軽量かつ高精度のジャイロセンサが提供さ
れる。

この発明は上述した実施例に限定されるものではない。

例えば、上述した実施例では、ジャイロセンサを並進運
動する移動体の加速度センサとして用いたが、回転運動
する移動体に固定して、角速度センサとしても使用でき
る。この場合、ジャイロセンサは、参照面のいずれかが
動径方向に直交し、かつ探触針が動径方向を向くように
固定されるのが望ましい。このように配置した場合、弾
性体は遠心力を受けて参照面に接近あるいは離間する。

角速度は、遠心力から一義的に決定されるので、弾性体
が受ける遠心力とトンネル電流の関係を予め求めておく
ことにより、移動体の角速度を感知できる。

［発明の効果］ この発明のジャイロセンサは、探触針と参照面との間の
距離変化に敏感に反応するトンネル電流を、加速度、角
速度あるいは角加速度の検出に利用するので、非常に応
答性に優れ、しかも超小型１ かつ低消費電力のジャイロセンサが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係るジャイロセンサの
構成を示す図、 第２図は、付加される回路の構成を含めた、第１図に示
されるジャイロセンサのＩ−Ｉ断面図である。 １４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ・・・参照面、１６Ａ。 １６Ｂ、１６Ｃ・・・弾性体、２２Ａ、２２Ｂ。 ２２Ｃ・・・探触針、２４Ｃ・・・電源、２６Ｃ・・・
検出回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　その法線ベクトルが独立な、少なくとも１以上の導電
   性の参照面と、 前記参照面から離れて支持され、参照面に対して垂直に
   変位する弾性体と、 前記弾性体に固着され、前記参照面に近接して支持され
   る探触針と、 対向する前記参照面と前記探触針との間に電圧を印加す
   る電源と、 前記参照面と前記探触針との間に流れるトンネル電流の
   変化を検出する検出手段とを備えるジャイロセンサ。