ジャイロスコープ

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ジャイロスコープ 航空機用

ジャイロスコープ (gyroscope) とは、物体の角度や角速度を検出する計測器。ジャイロと略されることもある（ジャイロセンサは和製英語）。基準面に接触せずして相対角度を検出する為に、コマ軸の方向が一定である事を応用するのが古典的構造だが、機械的要因による誤差が多いので、コマ軸をバネで支持しバネの応力から検出できる角速度を経過時間で積分して角度を算出する方法が今は一般的になった。　船や航空機やロケットの自律航法に使用された。最近ではカーナビゲーションシステムや自動運転システム、ロボット、デジタルカメラ､無人偵察機などでも用いられている。ジャイロとはギリシャ語gyrosで、対応する英語はcircleである。発明したのは1817年ドイツのJohan Herr Bohnenburgerで、1831年W.R.Johnsonsoがロタスコープ（英語版を参照のこと）と名付けた。1836年イギリスのEdward Sangが地球の自転の検出に使うことを提言した。その後1852年フランスのレオン・フーコーが地球の自転を証明しようと実験したときジャイロスコープと呼んだ名の方が一般に広まり、フーコーの発明品だとする記述もあるが、彼が発明したのは"名称"である。地球の自転の検出の方は製作技術の不足で失敗に終わった。ジャイロスコープが使えるしろものになったのは後の他者の業績である。1865年頃の実験器具カタログに記載が見られるが、地球の自転に対する安定に成功してジャイロコンパスができたのは1908年である。

角速度を検出する方法は大きく2つにわけることができ、

力学的な慣性を利用する方法として、

光学的な干渉を利用する方法として

がある。

目次

ジャイロスコープの種類

ジャイロスコープの種類としては角運動量保存の法則やコリオリの力を利用する機械式と流体式、またサニャック効果を利用する光学式のものがある。

機械式

回転型

いわゆる「こま」を用いた方式である。回転する物体はその回転状態を維持する（慣性の法則、角運動量保存の法則）。こまの回転面を傾けるような外力が加わると、元の状態を維持しようとするため慣性力が発生する。この回転するこま（物体）に加わる慣性力を検出することで、外力によって発生した物体の角速度を検出する。大きな（重い）サイズのこまを用いることで、分解能が向上し、安定性も向上させることができる。しかし、この大きさがもっとも重大な欠点ともなる。大きいほど起動時間が長くなり、こまの駆動のための消費電力が大きくなる。また、ベアリングの摩耗などのために定期的なメンテナンスが必要である。最も古くから使われている。 ドライ・チューンド・ジャイロまたはダイナミカリー・チューンド・ジャイロ(DTG)とは、内部の回転体がある高速回転速度に達した時に回転軸への機械的拘束力が極小になる設計としたもので、ジャイロ1個で2軸の角速度検出が行える。

ジャイロ効果と言う場合は、この方式が用いている慣性力の効果を言う。

振動型

こまのような回転のかわりに棒やリングの振動を用いた方式である。振動する物体に加わるコリオリの力を検出する。回転型のようなモーターやベアリングなどの複数の部品を必要としないため、非常に小型で安価なジャイロが実現されており、カメラの手ぶれ検出、カーナビゲーションなどに用いられている。 最近ではMEMS技術を用いて、超小型のジャイロが開発・量産されている。

構造の種類

  • 音叉型
  • 音片型
  • リング型

駆動方式

流体式

ガス型（ガスレートジャイロ）

流路中に気体（ガス）を流すと、その気体に加わるコリオリの力により、気体の流れが変化する。この変化を検出することで角速度を得る。

流れの変化を検出する方法としては構造が簡単な熱線式（流量計）が用いられることが多い。

構造が簡単であるが、分解能、安定性ともほかの方式に比べ劣る。

巡航ミサイルのような、使い捨て用途に用いられる。また、ごく初期のカーナビゲーションにもコスト面から使用された。

光学式

サニャック効果を用いている。高精度の姿勢制御を必要とする場合は、リングレーザジャイロや光ファイバージャイロが使われることが多い。

光ファイバジャイロ (Fiber Optic Gyro, FOG)

詳細は光ファイバジャイロスコープを参照

光ファイバーを巻き、それぞれの端面にレーザー光をスプリットして挿入する。巻いた面と垂直な軸方向を中心に角速度が加わると、相対論的効果により、分離された光に光路差が生じる（サニャック効果）。この光路差により分離された二つの光の間に位相差が生じる。この位相差を検出することにより、角速度を得る。

光ファイバの長さと巻き半径などにより性能が決まる。

温度変化に敏感であることが大きな欠点ではあるが、リングレーザージャイロよりも小型であるため用いられることが増えている。温度制御を行うことで性能（安定性）の向上が図れる。

リングレーザジャイロ (Ring Laser Gyro)

詳細はリングレーザージャイロを参照

複数のミラーによってリング状（実際には多角形状）の光路をもつレーザー共振器を構成し、回転が加わったときに生じるサニャック効果を用いて、角速度を検出する。非常に精度が高く、航空機やロケットの姿勢制御用にはほとんどこのジャイロが使われている。

性能の評価

検出できる角速度の分解能。単位は「°/h」、「°/s」など
積分して角度を算出する場合(積分ジャイロ)に重要。
  • 周波数特性
  • ダイナミックレンジ

主な応用先

製品例

関連項目

ウィキメディア・コモンズ
ウィキメディア・コモンズには、ジャイロスコープ に関連するカテゴリがあります。

外部リンク

慣性センサ用語集

"http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B8%E3%83%A3%E3%82%A4%E3%83%AD%E3%82%B9%E3%82%B3%E3%83%BC%E3%83%97" より作成

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