角速度検出装置

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【発明の名称】	角速度検出装置
【発明者】	【氏名】熱田暁生
【要約】	【課題】物体等に取り付けるスペースが小さくて済み、小さな物体にも取り付けることができる小型の角速度検出装置を提供する。【解決手段】マイクユニット２１は音声入力以外に内蔵した角速度検出ユニット２３からの信号もアンプユニット２へ出力させるようになっている。マイクユニット２１に設置された図示しないスイッチを押しながらマイクユニット２１を倒した場合マイクユニット２１では、入力された回転角速度データを積分し、右に傾いた時は右のスピーカ２８の音量を増やし、左に傾いた時は左のスピーカ２７の音量を増やす。また、奥に傾いた時は全体の音量を上げ、手前に傾いた時は全体の音量を下げる。また、スイッチを押さなくても傾いた角度がある値以上になるとマイクユニット２１が水平にされ、卓上等に置かれている状態であると判断しマイクロフォンに音声を入力しない状態にする。

【特許請求の範囲】
【請求項１】物体の角速度を検出する光ジャイロと、前記光ジャイロを制御する制御装置とを備えた角速度検出装置であって、前記光ジャイロは、１軸以上の方向の角速度を検出することを特徴とする角速度検出装置。
【請求項２】前記光ジャイロは、互いに発振波長が異なり、光導波路内を互いに反対方向に周回する２つのレーザー光を発生するリングレーザーと、前記リングレーザーの電流、電圧又はインピーダンスの変化を検出する手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
【請求項３】前記光ジャイロは、光導波路の１又は２以上の個所にテーパー部を設けたリングレーザーと、前記リングレーザーの電流、電圧又はインピーダンスの変化を検出するための電気端子とを備え、前記テーパー部は、レーザー光の伝搬方向に沿って徐々に光導波路の幅が広くなる第１の部分と、レーザー光の伝搬方向に沿って徐々に光導波路の幅が狭くなる第２の部分とからなり、前記第１及び第２の部分の形状は、レーザー光の伝搬方向に垂直な面に対して非対称であることを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
【請求項４】前記ジャイロは、前記電気端子に接続された変換回路を備え、前記変換回路の出力に基づいて、前記リングレーザーの角速度を検出することを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
【請求項５】前記光導波路は、全反射面を持つことを特徴とする請求項３記載の角速度検出装置。
【請求項６】前記物体は回転体であり、前記光ジャイロを前記回転体に取り付け、前記回転体のワウフラッタを検出することを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
【請求項７】前記光ジャイロの出力を無線送信する送信部を備えることを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
【請求項８】前記光ジャイロを前記物体に固定することを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
【請求項９】前記角速度検出手段より得られた角速度をサンプリングし、所定閾値を超えるサンプリング値を見出す割合が第１所定値を超えた場合には、前記物体が１回転したことを示すパルスを発生させることを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
【請求項１０】前記角速度検出手段より得られた角速度をサンプリングし、所定閾値を超えるサンプリング値の平均値が第２所定値を超えた場合には、前記物体が１回転したことを示すパルスを発生させることを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
【請求項１１】前記角速度検出手段より得られた角速度をサンプリングし、全てのサンプリング値がＤＡＩ３所定値を超えた場合には、前記物体が１回転したことを示すパルスを発生させることを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
【請求項１２】前記角速度検出手段から得られた角速度及びその積分値に基づいて前記物体の駆動状態を変化させることを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
【請求項１３】前記角速度検出から得られた情報を記録することを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、角速度検出装置に関し、特に、回転体に取り付けてそのワウフラッタを高精度で検出する角速度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、回転体の角速度を計測するためにはＦＧ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＧｅｎｅｒａｔｏｒ）やエンコーダを用いていたが、取り付けの精度により回転ムラ（ワウｆラッタ）の測定精度が大きく左右される。そこで、ジャイロを用いて回転ムラを測定することが考えられる。
【０００３】図１１は、特開平５－１７２８３２号公報に開示された「ワウフラッタ測定装置」の回転むら検出部の概念図である。この回転むら検出部は、振動ジャイロ８０と、振動検出回路１０１と、無線送信機１１１とを含んでいる。この回転むら検出部を回転体に取り付ける。振動ジャイロ８０は、正三角形柱の振動子などの振動体を回転体の上端面に立設状に取り付けられる。無線送信部１１１は、検出された角速度信号を赤外線を用いたパルス変調を行い、このパルス変調信号を無線送信する。回転体から離れた位置では、図示しない受信機が設けられ、無線送信部１１１から送信された回転むら検出信号を受信して復調し、この復調信号を図示しない信号処理回路に加える。この信号処理回路は、検出信号を処理して回転むらを求める。そして、求められた回転むらは、図示しないディスプレイ装置に表示される。
【０００４】振動ジャイロ８０は、正三角柱に圧電素子１２ａ、１２ｂ、及び帰還用圧電素子１３を貼り付けて正三角柱を安定に振動させている。この状態で、回転体に回転むらが生じると、ｙ軸方向にコリオリの力が発生し、圧電素子１２ａ、１２ｂの一方には引っ張り応力、他方には圧縮応力が加わる。従って、圧電素子１２ａ、１２ｂ間の差動出力が、角速度に比例した出力となる。よって、この信号を演算処理することで回転ムラが求められる。
【０００５】このように、振動ジャイロ８０は、コリオリの力を利用して回転むらを検出するので、回転体のどこに取り付けても、その取り付け位置に係わらず回転むらを高精度で検出することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来の角速度検出装置においては、差動出力を大きくするために圧電素子を大きくしなければならない。従って、振動ジャイロが大きくなるため、回転体に取り付けるスペースが必要になる。又、小さな回転体に取り付けることはできない。
【０００７】そこで、本発明は、物体等に取り付けるスペースが小さくて済み、小さな物体にも取り付けることができる小型の角速度検出装置を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するための本発明は、物体の角速度を検出する光ジャイロと、前記光ジャイロを制御する制御装置とを備えた角速度検出装置であって、前記光ジャイロは、１軸以上の方向の角速度を検出する。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１０】（第１の実施形態）図１は、本発明の角速度検出装置に用いる光ジャイロの一例の平面図であり、図１（ｂ）は、そのＡＡ’断面図である。２０１はリング共振器型半導体レーザー、２０２は光導波路の非対称テーパー部、２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄは全反射ミラー部、２３０はアノード、２４０は電気端子、２５０はキャップ層、２６０はクラッド層、２７０は光ガイド層、２８０は活性層、２９０は光ガイド層、３４０は半導体基板、３５０はカソード、２００は反時計回りのレーザー光、２１０は時計回りのレーザー光である。リング共振型半導体レーザー２０１内においてレーザー発振を生じさせてあり、時計回転方向に伝搬するレーザー光２１０と、反時計回転方向に伝搬するレーザー光２００が示されている。
【００１１】非対称テーパー部２０２は、反時計回りレーザー光２００と、時計回りレーザー光２１０に対するミラー損を異ならせて、それぞれのレーザー発振閾値を異ならせるために設ける。
【００１２】又、全反射ミラー部２０３ａ，２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄによって、全反射を受けるモードは、他のモードに比べて発振閾値が小さくなり、低注入レベルで発振が開始する。しかも、他のモードの発振は抑制される。
【００１３】この状態で、リングレーザーを時計回りに回転させると、時計回りレーザー光２１０の発振周波数ｆ１はΔｆ減少する。一方、反時計回りレーザー光２００の発振周波数ｆ２はΔｆ増加する。従って、レーザー光の発振周波数の差のビート周波数が発生するので、このビート周波数を検出することによって物体の角速度が検出される。ビート周波数の増減量の絶対値は、回転速度に比例しているので、回転速度の検出ができるだけでなく、回転方向とビート周波数の増減が１対１に対応しているので、回転方向の検知も可能である。
【００１４】リング共振型半導体レーザー２０１を定電流駆動して、端子電圧の変化を測定すればビート周波数を検出することができる。又、もし定電圧駆動であれば、端子に流れる電流の変化を検出してもよい。又、また、インピーダンスメーターを用いて、リングレーザー２０１のインピーダンスの変化を検出してもよい。
【００１５】図２（ａ）は、周波数－電圧変換回路（ＦＶ変換回路）５００を電気端子２４０に接続する場合のビート信号入力と角速度出力との関係を説明するための配線図である。
【００１６】光ジャイロのリングレーザー駆動電流は、抵抗を介して、電流源３から注入される。光ジャイロが静止した状態でも、光ジャイロの中の２つのレーザー光の発振周波数の差に相当するビート信号が端子電圧の変化として得られる。さらに、光ジャイロを回転させると、回転の角速度に応じたビート信号が現れる。このビート信号を周波数－電圧変換回路（ＦＶ変換回路）５００を通すことによって、ビート周波数を電圧値に直すことができる。たとえば、オフセットを調整して、光ジャイロが静止している時の周波数－電圧変換回路（ＦＶ変換回路）５００の電圧出力をゼロとすると、周波数－電圧変換回路（ＦＶ変換回路）５００の出力の正負によって、回転方向を検出することができる。
【００１７】図２（ｂ）は、周波数－電圧変換回路（ＦＶ変換回路）５００の一例の回路図である。この回路は、トランジスター、ダイオード、コンデンサー、抵抗で構成されている。更に、Ｃ₂＞＞Ｃ₁，Ｒ₀Ｃ₂ｆ＜１とすれば、出力電圧Ｖ_C2はＥｉＣ_１Ｒ₀ｆとなり、ビート周波数ｆに比例した電圧出力を得る。ここでは、Ｆ－Ｖ変換器を用いてアナログ信号として検出しているが、ビート周波数をカウンタ等を用いて直接デジタル信号として取り出し演算回路で演算し角速度を検出する方法もある。
【００１８】図３は、光ジャイロとともに制御回路を実装した光ジャイロユニットの斜視図である。光ジャイロ６１がユニット６０のパッケージの一部に配置されている。また、光ジャイロ６１の隣に制御回路６２も配置されている。このパッケージは特に密閉される必要はないが、密封しておいた方が振動の影響などを受けないので密封できる形となっている。このパッケージから内部の信号を取り出す電極は複数あり、そのうちの二つ６３，６４を例示してある。
【００１９】図４は、本発明の角速度検出装置のブロック図である。この角速度検出装置は、角速度検出部５９と、受信部５３と、信号処理部５４と、表示部５５とを含んでいる。角速度検出部５９は、回転体に固定される。
【００２０】角速度検出部５９は、光ジャイロと、光ジャイロ６１と制御回路６２とを含む。そして、制御回路６２は図示しない送信部を含んでいる。この送信部は、検出された角速度信号を電波信号又は赤外線信号等の光信号に変換して、受信部５３に送信する。受信部５３では、角速度信号を受信し、信号処理部５４に送り、処理結果が表示部に表示される。
【００２１】光ジャイロは、半導体プロセスで製造されるもので周辺の制御回路を含めても数ミリ角の大きさになる。このように従来のジャイロを光ジャイロに変更することで小型の角速度検出部を作り出すことが可能となり回転体を有する装置全体の大きさも小さくなる。
【００２２】また、光ジャイロの特徴として、簡単な信号処理回路でアナログではなくデジタルの周波信号を得ることができるため、送信機でのパルス変調などの処理も簡単になり周辺回路の小型化も可能である。しかも光ジャイロのもう１つの特徴として消費電力が小さいことがあげられる。ジャイロを含む角速度検出部は自ら回転するため電源の供給が困難であるため、電池、バッテリーなどが用いられるが、消費電力が小さいとそれだけ寿命を長くすることも可能になる。当然ながら電池、バッテリーを小さくすることも可能である。
【００２３】（第２の実施形態）図５（ａ）は、本発明の角速度検出装置を運動器具である「とびなわ」に応用する場合の外観図であり、図５（ｂ）は、とびなわのグリップに設けた運動回数検出表示手段の外観図である。この運動回数検出表示手段は、角速度検出センサとして光ジャイロ８を内蔵したケース１１と、この検出センサの信号を処理する信号処理部１５と、この信号処理部１５の信号出力に基づいて運動回数を表示する表示器１４とを備えている。
【００２４】とびなわ１のグリップ２が回転すると、このグリップ２に一体的に配設されている光ジャイロ８も回転する。このような構成でとびなわ１のグリップ２が回転すると、グリップ２の回転に応じた信号を光ジャイロから出力され、その出力信号は、グリップ２の回転回数に対応する周波数変化として出力される。
【００２５】図６は、運動回数検出表示手段のブロック図である。信号処理部１５は、図３に示すように、信号変換部１６とサンプリング信号処理部１７とカウント部１８を有している。光ジャイロ８の検出信号は信号変換部１６で角速度に対応したデジタル値に変換され、その信号がサンプリング信号処理部１７に送られる。サンプリング信号処理部１７はその信号をとびなわ１の回転回数に対応する信号として演算処理してカウント部１８へその処理した信号を送る。
【００２６】例えば、信号の１周期の波形成分をｎ回サンプリングし、サンプリングしたｎ個の電圧波形のうち、ピーク電圧の８割がしきい値を越えたときには、１回転したものとして演算処理し、１個のパルス信号を発生する方法や、ｎ個の電圧波形の各ピーク電圧の平均値がしきい値を越えたときに、１回転したものとして演算処理し、１個のパルス信号を発生する方法や、ｎ個の電圧波形の各ピーク電圧が何れもしきい値を越えたときに、１回転したものとして演算処理し、１個のパルス信号を発生する方法等、様々な信号処理の態様を採り得る。カウント部１８は前記演算処理したパルス信号に基づいてカウントする。カウント部１８はカウントした信号を表示器１４に送り、表示器１４はカウント数を、例えば、液晶画面等に表示する。なお、本実施形態の運動器具には信号発振、信号処理、表示等を行う動力源として電池（太陽電池を含む）が用いられる。
【００２７】本実施形態では、運動回数の検出センサとして光ジャイロ８を用い、この光ジャイロ８の信号を処理する信号処理部１５と信号処理部１５の信号に基づいて表示する表示器１４を備えた運動器具とした。
【００２８】従来運動回数の検出センサとして振動ジャイロなどを用いる方法が考えられていたが振動ジャイロが他のジャイロに比べて小型になったとはいえなわとびのグリップのようなところに入れるには大きさが大きく、グリップが太くなってしまっていた。また、振動ジャイロは自ら振動しているので外部からの振動にも弱くその対策を加える必要もあった。消費電力に関しても常に振動体を振動させているため消費電力が大きくなってしまい電池（太陽電池を含む）で駆動するのも困難であった。それを上記光ジャイロを用いることで特徴である小型、振動に強い、低消費電力を生かした運動回数検出装置とすることが可能となった。
【００２９】（第３の実施形態）図７は、本発明の角速度検出装置をマイクシステムに応用する場合のマイクシステムのブロック図である。
【００３０】又、図８は、光ジャイロを含む角速度検出ユニットを内蔵したマイクロフォンの外観図である。
【００３１】手持ち式マイクユニット２１は、マイクロフォンと共に光ジャイロを内蔵した角速度検出ユニット２３を内蔵している。マイクユニット２１はマイクロフォンへの音声入力以外に上記角速度検出ユニット２３からの信号も線を介してアンプユニット２へ出力させるようになっている。本実施形態は線を介してアンプユニット２へ出力しているが線を介さずに無線で行うことも可能である。
【００３２】アンプユニット２２に入力された信号は外部のＣＤプレーヤ２５やテープデッキ２６等のソース信号と混合され左右のスピーカ２７，２８へと出力される。
【００３３】このアンプユニット２２はマイクユニット２１の角速度検出ユニット２３から得られる信号に基づいて各種の音声制御を実行する点に特徴がある。
【００３４】音声制御手順は、先ず、マイクユニット２１が回転を伴って移動せしめられると、その光ジャイロを内蔵した角速度検出ユニット２３から回転角速度に対応した信号が出力される。入力された回転角速度データが予め記憶されていた閾値データ以上になったアンプユニット２２ではマイクユニット２１が倒れた、もしくは落とされたと判断しマイクアンプの増幅度を低下させる。従って、マイクユニット２１が床や机等に衝突して突然大きな音がスピーカ２７，２８から出力されるような事態を防止できる。
【００３５】また、マイクユニット２１に設置された（不図示）スイッチを押しながらマイクユニット２１を倒した場合マイクユニット２１では、入力された回転角速度データを積分し、マイクユニット２１が垂直にセットされている状態からどの方向にどれだけ傾斜したかを示す回転角度θも求めており、右に傾いた時は右のスピーカ２８の音量を増やし、左に傾いた時は左のスピーカ２７の音量を増やす。また、奥に傾いた時は全体の音量を上げ、手前に傾いた時は全体の音量を下げる。また、スイッチを押さなくても傾いた角度がある値以上になるとマイクユニット２１が水平にされ、卓上等に置かれている状態であると判断しマイクロフォンに音声を入力しない状態にする。このようにマイクユニット２１に光ジャイロを用いた角速度検出ユニット２３を設けることにより従来アンプユニット２２のところまで行って音量などを調整しなければならなかったのをマイクを持っている人が簡単な操作で行うことが可能となった。しかも、角速度検出手段に上記光ジャイロを用いたため、マイクユニット２１を大きくすることなく本提案が実施できるようになった。また、光ジャイロの特徴である“振動ジャイロに比べ外部の振動に強い、消費電力が少ない”ということによりマイクユニット２１が振動に強くなる、電池を内蔵しワイヤレスにすることも可能となるという効果も得られる。
【００３６】（第４の実施形態）図９は、本発明の角速度検出装置を走行情報記録装置に応用する場合の概念図である。本実施形態は車輛が事故などを起こしたときにどのような原因で事故が発生したかを解析するため走行情報を検出し記録しておく装置である。
【００３７】３０は本実施形態の走行情報記録装置を搭載した自動車、３１は車輛の向きを検出するためのＺ軸に対する回転検出ジャイロ、３２は車輛の横倒れなどを検出するためのＸ軸に対する回転検出ジャイロ、３３は車輛の位置を検出するためのＧＰＳアンテナ、３４は車速を検出する車速検出器、３５は正面の衝突などの加速度を検出するＸ方向加速度計、そして３６は３１～３５のセンサで検出された情報を処理し、記録するため信号処理ユニットである。
【００３８】図１０は、処理ユニット３６のブロック図である。処理ユニット３６は、ＧＰＳ受信機３７、演算処理部３８、レコーダ３９を含んでいる。ＧＰＳ受信機３７はＧＰＳアンテナ３１からの信号を位置情報にし、演算処理部へと入力される。また、ジャイロは車体の状態、車速検出器３４と加速度計３５はそのときの車輛の走行状態を検出し、同様に演算処理部へと入力される。そして、車輛の走行情報が演算処理部３８で演算され走行情報データとしてレコーダ３９に記録される。こうして、車輛の走行情報を検出し記録することが可能となる。
【００３９】ここで、上記説明からわかるようにこの走行情報記録装置は多くのセンサを用いているため、通常では大きさが大きくなってしまう。そこで、本実施形態では回転検出ジャイロに上記光ジャイロを用いている。
【００４０】光ジャイロは通常のジャイロに比べると大きさが小さく搭載が容易である。Ｘ軸回りとＺ軸回りで別々のジャイロを用いているが、一体にまとめることも可能である。
【００４１】当然ながら小型になるため自動車以外のバイク，自転車などにも搭載が可能である。その他にも各種センサの組合わせによっては動物の生態調査、ある構造物の挙動の調査などを応用する範囲は多々ある。
【００４２】
【発明の効果】以上説明した本発明によれば、角速度検出手段として光ジャイロを用ているので、角速度検出装置全体を小型化にすることができる。従って、従来はスペースが無くて１軸しか検出できなかったが、本発明の小型の角速度検出装置をわずかな空間に設置して３軸方向の角速度を検出することができる。
【００４３】又、本発明によれば、配線を容易な形にすることも可能とした。

【出願人】	【識別番号】０００００１００７【氏名又は名称】キヤノン株式会社
【出願日】	平成１１年９月１７日（１９９９．９．１７）
【代理人】	【識別番号】１０００６５３８５【弁理士】【氏名又は名称】山下穣平
【公開番号】	特開２００１－９１２６７（Ｐ２００１－９１２６７Ａ）
【公開日】	平成１３年４月６日（２００１．４．６）
【出願番号】	特願平１１－２６３８００