(57)【要約】【課題】零点の調整が容易でノイズの少ないラジオコントロール用のジャイロ装置を提供すること。【解決手段】圧電振動型の角速度センサ１とシリコンリング型の角速度センサ２とを用いる。角速度センサ２の出力はノイズが多いが零点が安定しているため、最初にその所定時間の動作後に零点を設定する。以後はシリコンリング型の角速度センサ２の出力がこの値に一致すれば、そのときの出力が零であると考えてそのときのピエゾ型角速度センサ１からの出力との差分値を差動増幅器１０で検出する。この値を積分器１１で積分して演算増幅器３に帰還する。こうすれば零点が安定していない速度センサを用いても、零点が安定で、しかもノイズの少ない角速度信号を得ることができる。【選択図】        図１
2005030767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の角速度センサと、
前記第１の角速度センサの出力と基準信号との差を出力とする第１の差動部と、
同一の角速度に対して前記第１の角速度センサと同一の出力レベルを発生するように調整された第２の角速度センサと、
前記第１の差動部と前記第２の角速度センサの出力の差分値を出力する第２の差動部と、
起動後の所定時間後に得られる前記第２の角速度センサの出力を保持するセンサ値記憶部と、
前記第２の角速度センサの出力と前記センサ値記憶部で記憶されているセンサ値とを比較し、２つの入力が一致したときに出力を出す比較部と、
前記比較部により一致出力が出されたときに前記第２の差動部の出力を積分し、その積分値を基準値として前記第１の差動部に出力する積分部と、を具備し、
前記第２の角速度センサは、前記第１の角速度センサより零点の安定した出力を出すものであり、
前記第１の角速度センサは、前記第２の角速度センサよりノイズの少ない出力を出すものであることを特徴とするラジオコントロール用ジャイロ装置。
【請求項２】
第１の角速度センサと、
前記第１の角速度センサの出力と基準信号との差を出力とする第１の差動部と、
同一の角速度に対して前記第１の角速度センサと同一の出力レベルを発生するように調整された第２の角速度センサと、
起動後の所定時間後に得られる前記第２の角速度センサの出力を保持するセンサ値記憶部と、
前記第２の角速度センサの出力と前記センサ値記憶部で記憶されているセンサ値とを比較し、２つの入力が一致したときに出力を出す比較部と、
前記第１の角速度センサの出力と前記センサ値記憶部で記憶されているセンサ値との差分値を出力する第２の差動部と、
前記比較部により一致出力が出されたときに前記第２の差動部の出力を積分し、その積分値を基準値として前記第１の差動部に出力する積分部と、を具備し、
前記第２の角速度センサは、前記第１の角速度センサより零点の安定した出力を出すものであり、
前記第１の角速度センサは、前記第２の角速度センサよりノイズの少ない出力を出すものであることを特徴とするラジオコントロール用ジャイロ装置。
【請求項３】
前記第１の角速度センサは、圧電振動型の角速度センサであり、前記第２の角速度センサは、シリコンリングの振動による角速度センサであることを特徴とする請求項１又は２記載のラジオコントロール用ジャイロ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は角速度センサを用いたラジオコントロール用のジャイロ装置に関し、特にノイズの少ない安定したラジオコントロール用ジャイロ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来ラジオコントロール用にも例えば特許文献１に示すように種々の角速度センサが用いられている。この角速度センサは主に圧電振動型（ピエゾ型）の角速度センサが用いられ、ラジオコントロール用飛行機やヘリコプターの姿勢を制御するジャイロ装置として適用されている。このような圧電振動型の角速度センサは、水晶や圧電素子を１次振動させておき、コリオリ効果によって２次振動が発生することに基づいて角速度を検出するものである。
【０００３】
他の角速度センサとして、シリコンリングの振動を使った角速度センサが知られている。これはマイクロマシンニングによるリング形のシリコン振動子を中吊りとしてシリコンリングを振動させておく。そして角速度が加わったときにコリオリの力に基づいて新たな振動モードが発生するので、これによって角速度を検出するものである。このような角速度センサを使ったラジオコントロール用ジャイロ装置も用いられている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２９３２５５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ラジオコントロール用にジャイロ装置を用いる場合には、通常起動時に数秒間使用者がジャイロ装置を搭載した機体を静止させて、その間に角速度センサからの出力が零となっているときの電圧を装置内に自動記憶させ、これを零点として処理をしている。そして機体が飛行中には角速度センサの出力により各種の演算を行って、その出力によってサーボモータを動かすようなシステムが構成されている。しかし現在用いられているピエゾ角速度センサによるジャイロ装置は零点が不安定となり易いという欠点がある。そのため、最初に記憶した零点とその角速度センサの出力の零点とがずれてしまうことがある。零点がずれると、静止の指令が送られてきても零点とは見なさないため、機体が旋回する等の予期しない動作を続けてしまうという現象が生じていた。
【０００６】
一方シリコンリング型の角速度センサによれば、零点はピエゾ型角速度センサに比べてはるかに安定しており、動作中に零点がずれる心配がない。しかしこの角速度センサの出力にはノイズが多いという欠点がある。このためこのセンサの出力によって機体を動作させる場合、何も指令を受けていないにもかかわらず機体が動いてしまうという不都合な現象を生じる欠点があった。このノイズの周波数成分はジャイロ装置の応答周波数範囲内に入っているため、ローパスフィルタ等で取り除くことができず、実用化する際の難点となっていた。
【０００７】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、零点が安定しており、しかもノイズによって不要な挙動を生じさせることのない安定したラジオコントロール用ジャイロ装置を提供することを技術的課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１の発明は、第１の角速度センサと、前記第１の角速度センサの出力と基準信号との差を出力とする第１の差動部と、同一の角速度に対して前記第１の角速度センサと同一の出力レベルを発生するように調整された第２の角速度センサと、前記第１の差動部と前記第２の角速度センサの出力の差分値を出力する第２の差動部と、起動後の所定時間後に得られる前記第２の角速度センサの出力を保持するセンサ値記憶部と、前記第２の角速度センサの出力と前記センサ値記憶部で記憶されているセンサ値とを比較し、２つの入力が一致したときに出力を出す比較部と、前記比較部により一致出力が出されたときに前記第２の差動部の出力を積分し、その積分値を基準値として前記第１の差動部に出力する積分部と、を具備し、前記第２の角速度センサは、前記第１の角速度センサより零点の安定した出力を出すものであり、前記第１の角速度センサは、前記第２の角速度センサよりノイズの少ない出力を出すものであることを特徴とする。
【０００９】
本願の請求項２の発明は、第１の角速度センサと、前記第１の角速度センサの出力と基準信号との差を出力とする第１の差動部と、同一の角速度に対して前記第１の角速度センサと同一の出力レベルを発生するように調整された第２の角速度センサと、起動後の所定時間後に得られる前記第２の角速度センサの出力を保持するセンサ値記憶部と、前記第２の角速度センサの出力と前記センサ値記憶部で記憶されているセンサ値とを比較し、２つの入力が一致したときに出力を出す比較部と、前記第１の角速度センサの出力と前記センサ値記憶部で記憶されているセンサ値との差分値を出力する第２の差動部と、前記比較部により一致出力が出されたときに前記第２の差動部の出力を積分し、その積分値を基準値として前記第１の差動部に出力する積分部と、を具備し、前記第２の角速度センサは、前記第１の角速度センサより零点の安定した出力を出すものであり、前記第１の角速度センサは、前記第２の角速度センサよりノイズの少ない出力を出すものであることを特徴とする。
【００１０】
本願の請求項３の発明は、請求項１又は２のラジオコントロール用ジャイロ装置において、前記第１の角速度センサは、圧電振動型の角速度センサであり、前記第２の角速度センサは、シリコンリングの振動による角速度センサであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１によるラジオコントロール用ジャイロ装置の構成を示すブロック図である。図１において第１の角速度センサ１はピエゾ型角速度センサを用いる。又第２の角速度センサ２はシリコンリング型の振動による角速度センサを用いる。ピエゾ型角速度センサはシリコンリング型の角速度センサに比べてノイズが少ないという利点があるが、同時に零点が不安定であるという欠点もある。一方シリコンリング型の角速度センサはピエゾ型角速度センサよりも零点が安定しているという利点があるが、同時にノイズが多いという欠点がある。これらの角速度センサ１，２は、いずれもラジオコントロールの対象となる図示しない飛行機の所定の方向に取付けられている。これらの角速度センサ１，２の出力は夫々演算増幅器３，４に出力されている。尚図１では演算増幅器の入力抵抗、帰還抵抗は省略して示している。演算増幅器３及び４はその信号強度が同一となるように夫々の増幅率をあらかじめ調整しておく。即ち一定の角速度に対して第１，  第２の角速度センサ１，２を適宜増幅して演算増幅器３，４より同一の出力が得られるように調整しておくものとする。演算増幅器３は角速度センサ１の出力と後述する基準値との差を出力する差動増幅器として用いられ、第１の差動部を構成する。又演算増幅器４は反転増幅器として用いられる。演算増幅器４の出力はスイッチＳＷ５を介して記憶回路６に与えられる。スイッチＳＷ５はタイマ７によって開閉自在に構成されている。タイマ７は電源を投入した後の一定時間、例えば２〜３秒間スイッチＳＷ５を閉成するものである。又記憶回路６はアナログ信号を保持するものであり、例えば図示のようにローパスフィルタＬＰＦ６ａ、ローパスフィルタの出力をデジタル値に出力するＡ／Ｄ変換器６ｂ、Ａ／Ｄ変換器６ｂの出力を保持するレジスタ６ｃ、及びレジスタ６ｃの出力をアナログ値に変換するＤ／Ａ変換器６ｄによって構成することができる。Ａ／Ｄ変換器６ｂ、レジスタ６ｃ、Ｄ／Ａ変換器６ｄはローパスフィルタ６ａの出力のアナログ値を保持する出力値記憶部を構成している。このような構成でなく、ローパスフィルタ６ａの出力のアナログ値をそのままサンプルホールド回路等によって保持する構成としてもよい。
【００１２】
さて記憶回路６の出力は比較器８に与えられる。比較器８は記憶回路６の出力と演算増幅器４の出力とを比較するものであり、その２つの入力がほぼ同一のレベルであれば、スイッチＳＷ９を閉成するものである。比較器８はウィンドウコンパレータによって構成することができる。又演算増幅器３，４の出力は夫々差動増幅器１０に与えられる。差動増幅器１０はこの差分値を出力する第２の差動部であり、その出力はスイッチＳＷ９を介して積分器１１に与えられる。積分器１１は入力信号を積分し、その出力を演算増幅器３の基準入力として帰還するものである。又演算増幅器３の出力はそのままこのジャイロ装置の出力として外部に出力される。
【００１３】
次に本実施の形態１について図２，図３のタイムチャートを参照しつつ説明する。図２は電源投入直後の動作を示すタイムチャートである。図２（ア）はタイマ７の出力を示しており、電源投入直後にｔ０〜ｔ１までの一定時間、例えば２〜３秒間スイッチＳＷ５が閉成される。このとき演算増幅器３の出力ａは図２（イ）に示すものとなり、電源投入直後の時刻ｔ０では安定していないが、時刻ｔ１では安定した出力が得られている。又図２（ウ）に示すように演算増幅器４の出力ｂも時刻ｔ１ではほぼ安定しているが、その間にノイズが生じている。このノイズは図１の記憶回路６内にあるローパスフィルタ６ａで除去される。記憶回路６でＡ／Ｄ変換、及びＤ／Ａ変換された出力はこのようなノイズ成分を含まず、図２（エ）に示すような出力となっている。時刻ｔ１の時点でのＤ／Ａ変換器６ｄの出力レベルが基準値ｂ０となる。
【００１４】
さて動作開始後に図３（ア）に示すように角速度センサ１の出力をａ′とし、演算増幅器３の出力をａとする。又図３（イ）に示すように、演算増幅器４の出力をｂ、記憶回路６の出力をｂ０とする。機体の傾き等によって図３（ア），（イ）に示すように、角速度センサ１，２、演算増幅器３，４の出力が変化する。機体が回転せずに角速度が生じない状態となると、図３（ア），（イ）の時刻ｔ２〜ｔ３，ｔ５〜ｔ６に示すように、演算増幅器４の出力ｂは基準値ｂ０と一致する。この状態は比較器８で検出されて図３（ウ）に示すようにスイッチＳＷ９がオンとなる。この間には演算増幅器３，４の差分値が差動増幅器１０を介して積分器１１に出力される。これによって積分器１１は動作する。図３（ウ）において期間ｔ２〜ｔ３，ｔ５〜ｔ６では比較的長く比較器８より一致信号が得られているため、図３（エ）に示すように積分器１１の出力が徐々に変化する。このためピエゾ型の角速度センサ１の出力は図３（ア）に示すように徐々に零点が補正される。即ち零点がずれることがあっても、積分器１１によって自動的に零点のオフセットに相当する信号が差動増幅器３の基準入力として与えられ、オフセット分が除かれた出力が得られる。但し図３（ウ）に示す時刻ｔ４では、ノイズによってごく短時間演算増幅器４からの出力と記憶回路６の出力が一致し、スイッチＳＷ９が閉成される。しかし閉成される時間がごく短時間であるため、積分器１１の出力にはほとんど影響を与えない。時刻ｔ７，ｔ８でもごく短時間演算増幅器４の出力ｂと基準値ｂ０とが一致し、比較器８より出力が出されるが、積分器１１の出力にはほとんど影響を与えない。
【００１５】
本実施の形態ではシリコンリング型の角速度センサ２は零点が安定しているため、零点のみを検出する角速度センサとして用いており、このセンサの欠点であるノイズが生じたとしてもごく短時間のヒゲ状のパルスが出力されるだけで積分器１１の出力にはほとんど影響を与える恐れはなくなる。このように本発明では、２つの角速度センサの利点を生かしながら、安定でノイズの少ないジャイロ装置を実現することができる。
【００１６】
尚本発明で用いている第１の角速度センサは、ノイズの少ない角速度センサであればよく、水晶や圧電素子を用いた圧電振動ジャイロ、例えば株式会社村田製作所のジャイロスター（登録商標）、ＥＮＣ−０３Ｊを用いることができる。又第２の角速度センサは零点が安定している種々の角速度センサを用いることができる。例えばシリコンセンシングシステムズ社のＲａｔｅ  Ｇｙｒｏ（ＲＳφ３−１１）やアナログディバイス社のＹａｗ  Ｒａｔｅ  Ｇｙｒｏ  ＡＤＸＲＳ１５０等を用いることができる。
【００１７】
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２によるジャイロ装置について説明する。図４は実施の形態２によるラジオコントロール用ジャイロ装置の構成を示すブロック図であり、前述した実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態では記憶回路６、タイマ７、比較器８、スイッチＳＷ９、差動増幅器１０、及び積分器１１に代えて、マイクロコンピュータ（ＭＰＵ）を用いている。演算増幅器３，４の出力は夫々スイッチＳＷ１２を介してＡ／Ｄ変換器１３に与えられる。Ａ／Ｄ変換器１３は入力信号をデジタル値に変換し、ＭＰＵ１４に与えるものである。ＭＰＵ１４は上述した各ブロックの処理を行うもので、ＭＰＵ１４から得られる出力は、Ｄ／Ａ変換器１５を介して演算増幅器３の非反転入力端に出力される。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００１８】
次にこの実施の形態の動作について、図５のタイムチャートを参照しつつ説明する。動作を開始すると、まずステップＳ１においてスイッチＳＷ１２を演算増幅器（ＯＰＡＭＰ）４側に設定する。そしてステップＳ２において、演算に用いる値であるＢｍ，Ｃｍを０とし、タイマ値ＴＭ、タイマ積算値ＴＭｍを０とする。次にステップＳ３に進んでＡ／Ｄ変換器１３より演算増幅器４の出力データＢを取り込む。そしてステップＳ４に進んで以下の演算とする。
Ｂ０＝ｋＢ＋（１−ｋ）Ｂｍ
ここでｋは０＜ｋ＜１を満たす値である。ステップＳ４は最も最近得られた値Ｂと過去に得られた値Ｂｍとを重み付け加算することによって、前述した実施の形態１のローパスフィルタ６ａに対応する機能を達成するローパスフィルタ手段である。こうして演算された値Ｂ０を記憶し、次いでステップＳ５に進んでタイマ値ＴＭとしてタイマ積算値ＴＭｍにステップＳ３からＳ８までの所要時間であるクロックΔｔ１を加算する。そしてＴＭが所定値に達したかどうかをチェックし（ステップＳ６）、達していなければステップＳ７に進んでＴＭの値をＴＭｍとする。次いでこのとき得られるＢ０をＢｍとし（ステップＳ８）、ステップＳ３に戻って同様の処理を繰り返す。こうしてタイマ値ＴＭが所定値、例えば３秒に達するまで同様の処理を繰り返す。こうすればステップＳ６においてタイムアップしたときに得られている値Ｂ０は、前述した実施の形態１の基準値ｂ０に対応する値となる。
【００１９】
さてその後ステップＳ９に進んで、Ａ／Ｄ変換器１３からデータＢを取り込み、ステップＳ１０においてＢ０とＢとを比較する。これがほぼ一致していなければ一致するまで待受ける。これらがほぼ一致している場合には、図３の時刻ｔ２〜ｔ３のように各角速度センサ１，２より角速度の出力が０となっている状態であるため、スイッチＳＷ１２を演算増幅器３に切換えて演算増幅器よりデータＡを取り込む。そしてステップＳ１３に進んでΔＣを次式によって算出する。
ΔＣ＝Δｔ２・（Ｂ０−Ａ）／Ｔ
ここでＴはΔｔ２より大きい積分定数、例えば１０秒に相当する値であり、Δｔ２はステップＳ９からＳ１７までのループに要する時間である。この処理は積分操作に相当し、図３の時刻ｔ４，ｔ７などのヒゲ状のノイズを除くことができる。次いでステップＳ１４に進んでスイッチＳＷ１２を演算増幅器４側にセットし、ステップＳ１５，Ｓ１６において、ΔＣ＋Ｃｍを加算した値を積分値Ｃとし、この値をＤ／Ａ変換器１５に出力する。次いでＣをステップＳ１７においてＣｍとして保持する。そしてステップＳ９に戻って同様の処理を繰り返す。
【００２０】
こうして例えば図３の時刻ｔ２〜ｔ３に示すように、ｂがｂ０に等しい時間が連続する場合にはステップＳ９〜Ｓ１７の処理が繰り返され、そのときの積分値ＣがＤ／Ａ変換され、アナログ補正値ｃとして演算増幅器３に出力されることになる。またステップＳ１０において得られたデータＢがＢ０と等しくなければΔＣの加算がなく、補正値Ｃをそのまま出力することができる。これによって前述した実施の形態１と同様の処理を行うことができる。この場合にはＭＰＵ１４を用いているため、ハードウェアをより簡略化することができ、ローパスフィルタや積分器の定数を容易に変化させることができる。
【００２１】
（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３は図６に示すように演算増幅器３による差分処理をＭＰＵ１４内で処理し、Ｄ／Ａ変換器１５よりそのまま角速度を出力するようにしたものである。この場合には演算増幅器３，４は単なる増幅器として用い、増幅率を調整して同一の出力が得られるようにしておく。夫々の出力は実施の形態２と同様にスイッチＳＷ１２に与えられ、更にＡ／Ｄ変換器１３、ＭＰＵ１４、Ｄ／Ａ変換器１５を介して出力される。この場合にはＤ／Ａ変換器１５の出力ｆがそのまま角速度出力として用いられる。
【００２２】
次にこの実施の形態の動作について図７のフローチャートを参照しつつ説明する。ステップＳ１，Ｓ３〜Ｓ８の処理については図５と全く同様であるので説明を省略する。但し初期化処理のステップＳ２０においてＢｍ＝０，ＴＭｍ＝０，ＴＭ＝０及びＥｍ＝０とする。さてステップＳ９において、Ａ／Ｄ変換器１３からデータＢを取り込み、ステップＳ１０においてＢとＢ０とを比較する。一致する場合にはスイッチＳＷ１２を演算増幅器３側とし、Ａ／Ｄ変換器１３よりデータを取り込む（ステップＳ２１）。このときＡ／Ｄ変換された角速度センサ１からのデータはＤとする。そしてステップＳ２２に進んで補正値ΔＥを次式によって算出する。
ΔＥ＝Δｔ３・（Ｂ０−Ｄ）／Ｔ
尚Δｔ３はステップＳ９からＳ２６までの所要時間である。そしてステップＳ１４に進んでスイッチＳＷ１２を演算増幅器４側にセットし、ステップＳ２３に進んで以下の演算を行う。
Ｅ＝ΔＥ＋Ｅｍ
次いでステップＳ２４，２５において以下の演算を行う。
Ｅｍ←Ｅ
Ｆ＝Ｅ＋Ｄ
そしてステップＳ２６に進んで角速度データＦをこのジャイロ装置の出力としてＤ／Ａ変換器１５に出力する。Ｄ／Ａ変換器１５はこの出力をアナログ値に変換し、角速度信号ｆとして出力する。次いでステップＳ９に戻って同様の処理を繰り返す。
【００２３】
こうすればマイクロコンピュータ内で、２つの入力が一致したときに出力を出す比較部及び積分部の機能を達成すると共に、第１の角速度センサ１と基準信号との差を増幅する差動部の機能を達成することができる。これによって前述した実施の形態１と同様の処理を行うことができる。この場合にもＭＰＵ１４を用いて全ての演算をしているため、ハードウェアを更に簡略化することができ、ローパスフィルタや積分器の定数を容易に変化させることができる。
【００２４】
尚、角速度データＦは必要に応じてそのまま出力することもできる。この場合にはＤ／Ａ変換器１５を省略することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、第１の角速度センサと第２の角速度センサとを用いて、零点が安定で、しかもノイズがないラジオコントロール用ジャイロ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるラジオコントロール用ジャイロ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態１によるジャイロ装置の動作開始直後の動作を示すタイムチャートである。
【図３】本実施の形態１によるジャイロ装置の動作を示すタイムチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２によるラジオコントロール用ジャイロ装置の構成を示すブロック図である。
【図５】実施の形態２によるジャイロ装置の動作をフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態３によるラジオコントロール用ジャイロ装置の構成を示すブロック図である。
【図７】実施の形態３によるジャイロ装置の動作をフローチャートである。
【符号の説明】
１  第１の角速度センサ
２  第２の角速度センサ
３，４  演算増幅器
５  スイッチ（ＳＷ）
６  記憶回路
６ａ  ローパスフィルタ
７  タイマ
８  比較器
９  スイッチ（ＳＷ）
１０  差動増幅器
１１  積分器
１２  スイッチ（ＳＷ）
１３  Ａ／Ｄ変換器
１４  ＭＰＵ
１５  Ｄ／Ａ変換器
【図１】
2005030767.tif 000003
【図２】
2005030767.tif 000004
【図３】
2005030767.tif 000005
【図４】
2005030767.tif 000006
【図５】
2005030767.tif 000007
【図６】
2005030767.tif 000008
【図７】
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