振動構造ジャイロスコープ

振動構造ジャイロスコープ（VSG）は、IEEEではコリオリ振動ジャイロスコープ（CVG）と定義されており、 ^{[ 1 ]} 、回転構造ではなく振動構造を方向基準として用いるジャイロスコープです。振動構造ジャイロスコープは、ハエ（双翅目昆虫）の棍棒とほぼ同様の機能を持ちます。

根底にある物理原理は、振動する物体は、その支持部が回転しても同一平面内で振動し続ける傾向があるというものです。コリオリの力により、物体は支持部に力を及ぼし、この力を測定することで回転速度を測定できます。

振動構造ジャイロスコープは、同等の精度を持つ従来の回転ジャイロスコープよりもシンプルで安価です。MEMS（微小電気機械システム）技術を用いて製造される安価な振動構造ジャイロスコープは、スマートフォン、ゲーム機、カメラなど、様々な用途で広く利用されています。

動作原理

周波数 で平面内（MEMSジャイロなど）で振動する2つのプルーフマスを考えてみましょう。コリオリの力により、プルーフマスには に等しい加速度が生じます。ここでは速度、 は回転角速度です。プルーフマスの面内速度は、面内位置が で与えられる場合、で与えられます。回転によって引き起こされる面外運動 は、次式で与えられます。 ${\displaystyle \omega _{r}}$ ${\displaystyle a_{\mathrm {c} }=2(\Omega \times v)}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle \オメガ}$ ${\displaystyle X_{\text{ip}}\omega _{r}\cos(\omega _{r}t)}$ ${\displaystyle X_{\text{ip}}\sin(\omega _{r}t)}$ ${\displaystyle y_{\text{op}}}$

${\displaystyle y_{\text{op}}={\frac {F_{c}}{k_{\text{op}}}}={\frac {1}{k_{\text{op}}}}2m\Omega X_{\text{ip}}\omega _{r}\cos(\omega _{r}t)}$

どこ

${\displaystyle m}$ はプルーフマスの質量であり、

${\displaystyle k_{\text{op}}}$ は面外方向のバネ定数であり、

${\displaystyle \オメガ}$ 駆動されるプルーフマスの運動の平面内で、かつその運動に垂直な回転ベクトルの大きさです。

を測定することにより、回転速度を決定することができます。 ${\displaystyle y_{\text{op}}}$ ${\displaystyle \オメガ}$

実装

円筒共振器ジャイロスコープ（CRG）

このタイプのジャイロスコープは、1980年代にGECマルコーニ・アンド・フェランティ社によって開発され、圧電素子を取り付けた金属合金と一体型の圧電セラミック設計を採用していました。その後、1990年代には、磁気電気励起と読み出し機能を備えたCRGがカリフォルニア州に拠点を置く米国Inertial Engineering, Inc.によって、また圧電セラミックの派生型がWatson Industriesによって製造されました。Innalabs社が最近特許を取得した派生型では、エリンバー型合金製の円筒形共振器を採用し、その底部に励起およびピックオフ用の圧電セラミック素子を配置しています。

この技術により、製品寿命が大幅に延長され (MTBF > 500,000 時間)、耐衝撃性 (> 300 g) も備えているため、「戦術的」(中精度) アプリケーションに適しています。

共振器は2次共振モードで動作します。Q値は通常約20,000で、これによりノイズと角度ランダムウォークが決定されます。定在波は楕円形の振動で、周縁に沿って4つの腹と4つの節が配置されています。

隣接する2つの腹と節の間の角度は45度です。楕円共振モードの1つが規定の振幅で励起されます。デバイスが受感軸（内側のステムに沿って）を中心に回転すると、共振器の振動する質量要素に作用するコリオリの力によって、2番目の共振モードが励起されます。2つのモードの長軸間の角度も45度です。

閉ループは第2共振モードをゼロに駆動し、このモードをゼロにするために必要な力は入力回転速度に比例します。この制御ループは、力再バランスモードと呼ばれます。

共振器上の圧電素子は力を発生させ、誘起された動きを感知します。この電気機械システムは、要求の厳しいアプリケーションに必要な低出力ノイズと広いダイナミックレンジを提供しますが、激しい音響ノイズと高い過負荷という問題があります。

圧電ジャイロスコープ

圧電材料を振動させ、コリオリの力による横方向の動きを測定して回転速度に関連した信号を生成することができる。^{[ 2 ]}

音叉ジャイロスコープ

このタイプのジャイロスコープは、共振点まで駆動される一対の試験質量を使用します。試験質量の振動面からの変位を測定することで、システムの回転速度に関連する信号を生成します。

フレデリック・ウィリアム・メレディスは、 1942年に王立航空機製作所で働いていた際に、このような装置の特許を取得しました。1958年には、RAEでGHハントとAEWホッブスによってさらなる開発が行われ、ドリフトが1°/h（2.78 × 10）未満であることが実証されました。⁻⁴ )°/s. ^{[ 3 ]}

現代の戦術ジャイロの派生型では、カリフォルニアのアメリカのメーカーSystron DonnerやフランスのメーカーSafran Electronics & Defense / Safran Groupが製造しているもののような二重音叉が使用されている。^{[ 4 ]}

ワイングラス共鳴器

半球共振器ジャイロスコープ（HRG）とも呼ばれるワイングラス共振器は、太いステムで固定された薄い固体半球を使用しています。ステム付きの半球は曲げ共振状態に駆動され、節点を測定することで回転を検出します。このシステムには2つの基本的なバリエーションがあります。1つはレート動作モード（「フォース・ツー・リバランス・モード」）に基づくもので、もう1つは積分動作モード（「全角モード」）に基づくものです。通常、後者は制御されたパラメトリック励起と組み合わせて使用​​されます。両方の動作モードを同じハードウェアで使用できることが、このジャイロスコープの独自の特徴です。

高純度石英ガラス製の一体型設計（すなわち、半球形のカップとステムが一体となった部品）では、真空中で3000万～5000万を超えるQ値を達成できるため、ランダムウォークは極めて低くなります。Q値は、コーティング（金またはプラチナの極めて薄い膜）と固定具の損失によって制限されます。^{[ 5 ]}このような共振器は、ガラスのイオンビームマイクロエロージョンまたはレーザーアブレーションによって微調整する必要があります。いくつかの国の技術者や研究者は、これらの高度な最先端技術のさらなる改良に取り組んでいます。^{[ 6 ]}

サフランとノースロップ・グラマンはHRGの主要メーカーである。^{[ 7 ] [ 8 ]}

振動ホイールジャイロスコープ

車輪は軸を中心に1回転のうちのほんの一部だけ回転するように駆動されます。車輪の傾きを測定することで、回転速度に関連する信号が生成されます。^{[ 9 ]}

MEMSジャイロスコープ

振動構造MEMSジャイロスコープ

安価な振動構造の微小電気機械システム（MEMS）ジャイロスコープが広く利用されるようになりました。これらは他の集積回路と同様にパッケージ化されており、アナログまたはデジタル出力を提供できます。多くの場合、1つの部品に複数軸のジャイロセンサーが組み込まれています。一部の部品には複数のジャイロスコープと加速度計（または多軸ジャイロスコープと加速度計）が組み込まれており、 6自由度の出力を実現しています。これらのユニットは慣性計測ユニット（IMU）と呼ばれます。主要なメーカーには 、パナソニック、ロバート・ボッシュGmbH、インベンセンス、セイコーエプソン、センソナー、ハンキング・エレクトロニクス、STマイクロエレクトロニクス、フリースケール・セミコンダクター、アナログ・デバイセズなどがあります。

MEMSジャイロスコープの内部では、上記で概説した機構（音叉、振動ホイール、または様々な設計の共鳴固体、すなわち、上記TFG、CRG、またはHRGに類似）の1つまたは複数のマイクロリソグラフィで構築されたバージョンが使用されています。^{[ 10 ]}

MEMSジャイロスコープは、自動車の横転防止やエアバッグシステム、画像安定化などに利用されており、その他にも多くの用途が期待されています。^{[ 11 ]}

ジャイロスコープの用途

InnaLabs の Coriolis 振動ジャイロスコープ、IAV 2020。

自動車

自動車のヨーセンサーは、振動構造ジャイロスコープを基盤として構築できます。これらのセンサーは、ステアリングホイールセンサーと組み合わせて電子安定制御システム（ESC）への入力として接続され、予測応答と比較したヨーの誤差状態を検出するために使用されます。 ^{[ 12 ]}高度なシステムでは、2つ目のVSGに基づく横転検知機能も考えられますが、この目的のためには、既存の横方向加速度計に縦方向および垂直方向の加速度計を追加する方が安価です。

エンターテインメント

任天堂ゲームボーイアドバンス用ゲーム『メイドインワリオ ツイステッド』は、回転運動を検出するために圧電ジャイロスコープを使用しています。ソニーのPS3コントローラー「SIXAXIS」は、6番目の軸（ヨー）を測定するために単一のMEMSジャイロスコープを使用しています。任天堂Wii MotionPlusアクセサリは、 Wiiリモコンのモーションセンシング機能を補強するために、InvenSense社製の多軸MEMSジャイロスコープを使用しています。^{[ 13 ]}最近のほとんどのスマートフォンやゲーム機にもMEMSジャイロスコープが搭載されています。

趣味

振動構造ジャイロスコープは、ラジコンヘリコプターのテールローター制御やラジコン飛行機の飛行中の姿勢安定に広く使用されています。また、マルチローターは本質的に空力的に不安定であり、電子安定化装置なしでは飛行を維持できないため、 マルチローターのフライトコントローラーにも使用されています。

産業用ロボット

エプソンロボッツは、QMEMSと呼ばれる水晶MEMSジャイロスコープを用いてロボットの振動を検知・制御しています。これにより、ロボットは高速・急減速動作においてもエンドエフェクタを高精度に位置決めすることが可能になります。 ^{[ 14 ]}

写真

ビデオカメラや静止画カメラの 画像安定化システムの多くは、振動構造のジャイロスコープを採用しています。

宇宙船の向き

カッシーニ・ホイヘンスなどの宇宙船の位置決めに使われる振動構造ジャイロスコープでも、振動を誘導して制御することができます。^{[ 15 ]}これらの石英ガラス製の小さな半球形共振器ジャイロスコープは真空中で動作します。また、 高純度単結晶サファイアで作られた弾性的に分離された円筒形共振器ジャイロスコープ（CRG）のプロトタイプもあります。 ^{[ 16 ] [ 17 ]}高純度ロイコサファイアは、HRGに使用される石英ガラスよりもQ値が1桁高いですが、この材料は硬く、異方性があります。これらは宇宙船の正確な3軸位置決めを提供し、可動部品がないため長年にわたって非常に信頼性が高いです。

他の

セグウェイヒューマントランスポーターは、シリコンセンシングシステムズ社製の振動構造ジャイロスコープを使用して、操縦者のプラットフォームを安定させています。^{[ 18 ]}

参考文献

1. IEEE Std 1431–2004 コリオリ振動ジャイロスコープ。
2. 「NEC TOKINのセラミックピエゾジャイロ」 。 2016年11月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年5月28日閲覧。
3. コリンソン『RPG 航空電子工学入門』第2版、クルーワー・アカデミック出版社：オランダ、2003年、235ページ
4. “Sagem Défense Sécurité : MARCHÉS / PRODUITS - Systèmes Avioniques & Navigation - Navigation” .アーカイブ.org。 2007 年 10 月 16 日。2007年 10 月 16 日のオリジナルからアーカイブ。2016 年9 月 27 日に取得。
5. Sarapuloff SA, Rhee H.-N., Park S.-J. インジウムはんだで接続された溶融石英製の半球形共振器アセンブリにおける内部共振の回避 //第23回KSNVE（韓国騒音振動工学協会）年次春季会議議事録。麗水市、2013年4月24～26日。– p.835-841。
6. Sarapuloff SA「ソ連とウクライナにおける固体ジャイロダイナミクスの15年間の発展：応用理論の成果と展望」 //航法研究所全国技術会議議事録（米国カリフォルニア州サンタモニカ、1997年1月14～16日）。– p.151-164。
7. 「Chanakya Aerospace Defence & Maritime Review」www.chanakyaaerospacedefence.com。
8. 「アーカイブコピー」（PDF）。2013年9月21日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2017年8月4日閲覧。
9. 「慣性センサー - 角速度センサー」。2009年4月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年5月28日閲覧。
10. Bernstein, Jonathan.「MEMS慣性センシング技術の概要」 2011年1月6日アーカイブ、 Wayback Machine、 Sensors Weekly、2003年2月1日。
11. Cenk Acar、Andrei Shkel. 「MEMS振動ジャイロスコープ：堅牢性を向上させる構造的アプローチ」 2008年、p. 8セクション「1.5 MEMSジャイロスコープの用途」
12. “The Falling Box (Video)” . 2011年7月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年7月1日閲覧。
13. 「InvenSense IDG-600モーションセンシングソリューション、任天堂の新型Wii MotionPlusアクセサリに搭載」（プレスリリース）InvenSense、2008年7月15日。2009年4月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年5月28日閲覧。
14. 「エプソン水晶デバイス – QMEMSについて」 2013年7月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年3月12日閲覧。
15. ジェット推進研究所、「カッシーニ宇宙船とホイヘンス探査機」、2ページ、 [1]
16. Sarapuloff SA 固体ジャイロスコープ CRG-1 用高Qサファイア共振器 – 書籍『ウクライナ技術科学アカデミー（ATS of Ukraine）の厳選された100の技術』所収。カタログ。STCU（ウクライナ科学技術評議会）発行。キエフ。http ://www.stcu.int/documents/reports/distribution/tpf/MATERIALS/Sapphire_Gyro_Sarapuloff_ATSU.pdf 2011年7月24日アーカイブ、 Wayback Machineにて
17. Sarapuloff SA, Lytvynov LA, et al . CRG-1型固体ジャイロスコープ用高Qサファイア共振器の設計と製造技術の特徴//XIVth International Conference on Integrated Navigation Systems (May 28–30, 2007. St.-Petersburg, RF.). – サンクトペテルブルク。ロシア国立研究センター – 中央科学研究所「ElektroPribor」。RF. 2007. – p.47-48.
18. Steven Nasiri. 「MEMSジャイロスコープ技術と商業化の現状に関する批評的レビュー」(PDF) 。 2010年12月6日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2010年7月1日閲覧。

外部リンク

• 固体ジャイロスコープ記念ワークショップ議事録（2008年5月19～21日、ウクライナ、ヤルタ） - キエフ・ハリコフ. ウクライナATS. 2009. - ISBN 978-976-0-25248-5次回の会議については、国際固体ジャイロスコープワークショップ[2]も参照してください。
• Silicon Sensing – ケーススタディ: Segway HT 2007年5月21日アーカイブ、 Wayback Machine
• アポストリュク V. マイクロメカニカル振動ジャイロスコープの理論と設計
• Prandi L., Antonello R., Oboe R., Biganzoli F. 極値探索制御を用いたMEMS振動ジャイロスコープの自動モードマッチング//IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2009. Vol.56. - P.3880-3891. . [3] 2011年10月25日アーカイブ、 Wayback Machine
• Prandi L., Antonello R., Oboe R., Caminada C., Biganzoli F. MEMS振動ジャイロスコープにおける直交誤差のオープンループ補償//Proceedings of 35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society – IECON-2009. 2009. [4] 2011年10月25日アーカイブ、 Wayback Machine