回転角速度計測システム
金野
２０００年７月１３日

目次
１．はじめに
２．設計及び製作
３．性能試験
４．使用方法添付資料（１）ＰＩＣ１６Ｆ８７３に書き込んだアセンブラプログラムリスト（２）Ｖｉｓｕａｌ

Ｂａｓｉｃで書いた処理プログラム（３）その他の資料-1-茂男

１．はじめに物体の回転角度量を計測し、パソコンの表示画面に回転方向をリアルタイムで描写するシステムを構築した。写真１が製作したシステム中のハード部である角度センサ部の外観である。回路は約６ｃｍ四方の基板の上に組み上げられている 。この基板の下に電源である００６ｐ乾電池を配置している。
基板中央部付近の１〜４の文字が書き込まれている縦長の素子が回転角速度量を計測する角速度センサである。センサからのアナログ電圧量をデジタルデータに変換すると共に、電圧値のサンプリング時間、データのパソコンへの送出などのために、ワンチップマイコンＰＩＣ１６Ｆ８７３を用いている。基板上の下部の横長のＩＣがそれである。パソコンとのデータのインターフェースはＲＳ−２３２Ｃ方式を用い、ＴＴＬやＣＯＭＳ電圧レベルとＲＳ−２３２Ｃ電圧レベルの変換専用ＩＣであるＡ
ＤＭ２３２も用いている。基板上の左側のＩＣがそれである。
この角度センサ部とパソコンをＲＳ−２３２Ｃケーブルで接続し、パソコン上で、このシステムのためにＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃで開発した自作ソフトを実行することにより、リアルタイムで変位角度をモニタすることができる。

写真１

角度センサ部の外観

２．設計及び製作
回転角度量を計測する素子として、超小型角速度センサ（村田製作所製圧電振動ジャイロ（ジャイロスター）ＥＮＣ−０３Ｊ）を使用した。その外観を写真２に 、外形寸法を図１に 、定格を表１に、メーカーの推奨する応用回路を図２に示している。これらの資料は村田製作所のホームページからダウンロードして得たものである。
この素子は振動体に回転角速度が加わるとコリオリ力が発生するという原理を応用した角度センサである。この素子からは、表１に示されているように、静止時には一定バイアスの直流電圧（＋１．
３５Ｖ）が出力される。素子を回転すると、その角速度に比例した直流電圧がそのバイアス電圧に付加されて出力される。図１中にはＣＷ＋、ＣＣＷ−の記号で回転方向が指示されている。この素子をどの方向から見るかによるが、右回転時に出力直流電圧値が増加すれものとすれば、左回転時には出-2-

力直流電圧値は減少する。
本センサの応用用途としては、手ぶれ検出、振動検出、物体の動き検出などが列挙されている。ところで、このＥＮＣ−０３Ｊを使用することで、回転時の角速度値が得られるならば、それを時間積算すれば、変位角度量を求められるはずである。この見通しのもとで、システムの構築、即ち、回路の設計と製作を行った。
時刻ｔにおける角速度をω（ｔ ）、変位角度をθ（ｔ）とする。角速度は
ω（ｔ）＝Δθ（ｔ）／Δｔ（１）で与えられるので、Δθ（ｔ）＝ω（ｔ）・Δｔ（２）従って、
θ（ｔ）＝ΣΔθ（ｔ）＝Σω（ｔ）
・Δｔ（３）

Δｔを一定時間間隔のサンプリング時間Ｔとして固定すれば、
θ（ｔ）＝Ｔ・Σω（ｔ）（４）

即ち、計測開始時刻ｔ＝０での変位角度θを０として、初期条件を設定すれば、その後の任意の時刻ｔにおける変位角度θ（ｔ）は、センサからサンプリングして得られる角速度値ω（ｔ）を積算し続けることにより得られることがわかる。

写真２

ＥＮＣ−０３Ｊの外観

図１-3-

ＥＮＣ−０３Ｊの外形寸法

図２

ＥＮＣ−０３Ｊの応用回路

供給電圧

2.7V〜5.5V

消費電流5mA

検出範囲±300deg/sec

静止時出力+1.35V

感度0.67mV/Deg/sec

感度温度変動±20%

リニアリティ

±5%FS

応答性

50Hz

重量1.0g

表１

ＥＮＣ−０３Ｊの定格メーカーの推奨する応用回路を参考にして、図３の回路図を作成した。ＥＮＣ−０３Ｊからの出力信号をＨＰＦ、ＬＰＦを通して、１０ビットＡＤ変換器を内蔵しているワンチップマイコンＰＩＣ１６Ｆ８７３に入力する。ＡＤ変換器の変換ビット数は１０ビットであるが、このワンチップマイコンは１バイトデータを８ビットで処理するので、この１０ビットを２バイトに分割し、連続した２バイトとして、ＲＳ−２３２Ｃ専用ドライバ／レシーバであるＡＤＭ２３２に送る。電圧レベルを変換してＲＳ−２３２Ｃポートから出力する。ＡＤＭ２３２は、ＴＴＬやＣＭＯＳの０Ｖ、＋５Ｖの論理電圧レベルをＲＳ−２３２Ｃ規格の電圧（−１０Ｖ、＋１０Ｖ）に変換する。又これらの逆変換もこなす専用ＩＣである。
この角度センサ部をパソコン側から制御するために、制御信号データも受信することができるようにもしている。計測の開始、停止、再開、終了はパソコンの画面からすることができる。
図２に示されている応用回路図では温度ドリフトなどをカットするために、ＨＰＦを入れている。
が、角度変位量を正確に計測する場合には邪魔な回路である。従って実際の使用に当たっては、ＨＰＦ部の４．７μＦのコンデンサをショートして用いる。１６Ｆ８７３に接続されている１０段のＲ−２Ｒ方式ＤＡ変換器は、製作過程での動作チェックようにもうけた外付け回路である。これも実際の使用に際しては外して用いて良い。
本センサ部の電源として００６ｐの乾電池を使用している。本会路を作成する際に、２次元加速度センサＡＤＸ２０２を用いたシステムを参考とした。この回路では、電源として、ＲＳ−２３２Ｃの１つの端子を使用し、その論理レベルをＨレベルとすることにより、回路に電源を供給することができるようになっていた。本回路でもこの方法を取り入れている。ＲＳ−２３２Ｃ対応９ピンＤＳＵＢソケットの第７番ピンがそれである。が、使用したパソコン（ＮＥＣＰＣ−９８２１Ｘｃ１３）では、供給できる電流量が小さいためと思われるが、役目を持たせることができなかった。その他のパソコンでは現時点では試していない。
モニタ用ＬＥＤは制作中において、動作の確認のための指標として、完成後はデータの送信中を指示するのに使用している。送信スタートスイッチも制作中において使用したスイッチであるが、送信-4-

開始及び停止などはパソコン側から制御することができるようになっているので、完成後は未使用としている。

1角 速度 セン サー

HPF
4.7 μ

Ou t 4Vcc

2000,6,290.184 1

NJM4558 では 左 右 の 回 転 バ ラン ス に顕 著 な 相 違が 見 ら れ る

100 k
3100 μGnd

Vref 2

調 整 が 済 んだ ら 、 Ｈ Ｐ Ｆ コン デ ン サの 両 端 を ショ ー ト す る 。
低 速 度 特 性を 生 か す た め 。

90 k
10 k

EN C-03 J

０ ０ ６ Ｐ＋ ９ ＶGnd

N JM2115

3218 00p LPF
4.7 μVcc
378 L05

10 μ2

送 信 スタ ー ト

1

アナログ入力モニター用ＬＥＤ

10 μ

300
50 k
1323
RA1 AN0/RA0 RC20.1

1７ ピ ンの 論 理 レ ベ ル をＨ と して セ ン サ ー 回 路の 電 源供 給 用 と し て 使
用 す る事 を 考 え た が 、Ｐ Ｃ −９ ８ ２ １ Ｘ ｃ １３パ ソ コン で は 供 給 電 流が 小 さく て 、 電 圧 降 下が 大 きく 使 用 不 可 で あった。

2021340.1

C1 +
2 V+
3 C1-

546
7

50.1

6890.1

78C2+

Vcc 160.1

P IC16F873

Gnd 1 51411310

ADM23212C2-11V-Vdd

MCLR

RB610M

OSC2RB550 k
モニター出 力2726

9 OSC1

RB4 25

１０ビット

RB3 24RB2 23R-2 R DA コ ン バ ー タ

T2out

T2in

1017 TX/RC6R2inR2o ut 918 RX/RC7

RB1 2221RS -232C
V ss V ss
8199pi n DS UB

RC1 1211RC0RB7 28RB0

横 の 抵 抗 10K ×10
縦 の 抵 抗 5K×10

パ ソ コ ン と の接 続 は Ｒ Ｓ − ２ ３２ Ｃス ト レ ー ト ケー ブ ル を 使 用 す るこ と
オプション

図３

角度センサ部の回路図制御用に使用した１６Ｆ８７３は１０ビットＡＤ変換器を内蔵している。ＰＩＣシリーズの殆どは８ビットのＡＤ変換器を内蔵している。このシステムに１６Ｆ８７３を選択したのは１０ビット故である。１Ｖの電圧スパンを１０ビット変換すると、その分解能は約１ｍＶであるが、８ビットでは４ｍＶである。表１に提示しているＥＮＣ−０３Ｊの感度から、分解能は１ｍＶ以下であることが望ましい。変換ビット数の大きい専用ＡＤ変換器を使用することも考えた。が、回路が大きくなること、１ｍＶ以上の分解能を持たせても、回路中のデジタルノイズ、ＥＮＣ−０３Ｊの安定度などから、それほど特性の改善が得られないものと判断した。
なを、１６Ｆ８７３には１０ビットＡＤ変換器を内蔵しているだけではなく、内部ハード回路としてＲＳ−２３２Ｃ規格に準拠した専用入出力端子が備わっていることも採用に際しての魅力であった。
ところで１６Ｆ８７３はマイクロチップ社のＰＩＣマイコンシリーズの最新素子である。読者が現有しているマイクロチップ社のＰＩＣライタ「ＰＩＣＳＴＡＲＴ

Ｐｌｕｓ 」、及びそのソフト「ＭＰＬＡＢ」では書き込みができないかもしれない。その場合には、１６Ｆ８７３を使用するために、バージョンアップが必要である。
ソフト「ＭＰＬＡＢ」のバージョンアップは、マイクロチップ社のホームページにアクセスし、手-5-

順良く探っていけば、最新版の「ＭＰＬＡＢ」を簡単にダウンロードすることができる。
ライタをバージョンアップするためには、先だって未使用（或いは新品）のＰＩＣ１７Ｃ４４を１個準備する必要がある。「ＰＩＣＳＴＡＲＴＰｌｕｓ」内には、制御用ＩＣとして、ＰＩＣ１７Ｃ４４が使用されている。この素子に書き込まれているアセンブラプログラムを最新版に変更するのである。このアセンブラプログラム（＝ファームウエア）の入手及び変更の仕方については、同じくマイクロチップ社のホームページにアクセスし 、「ＰＩＣＳＴＡＲＴＰｌｕｓ」のバージョンアップに関する項目にたどり着けばよい。現ライタで新ＰＩＣ１７Ｃ４４に書き込むためのファームウエア・プログラムのダウンロードとともに、現有の「ＰＩＣＳＴＡＲＴ

Ｐｌｕｓ」を用いた変更のための丁寧な手引き書も入手することができる。書き込みが終了したら、ライタの後蓋を開け、旧ＰＩＣ１７Ｃ４４をソケットから取り外し、プログラムの書き込みが正常に終了した新しい１７Ｃ４４を差し込む。後蓋を閉じれば、バージョンアップは完了である。
３．性能試験
図４にパソコン側の画面を示す 。
「 受信開始 」ボタンをクリックすると、右側の白抜きの四角形（ピクチュア画面）内の中央から垂直に線分が描写される。「受信開始」ボタンがクリックされた時点を初期条件とし、その時の角度センサの変位角度を０°とし、計測が開始される。センサ部を左右に回転すれば 、その回転角度に対応して 、線分が左右に回転する。
「受信停止 」ボタンをクリックすると、センサ部での計測を停止し、線分もその時のセンサの変位角度状態を指示したまま停止する。
再度、「受信開始」ボタンをクリックすると、その時のセンサの配位状態を０°として、モニタが開始される。計測を終了したければ「終了」ボタンを押す。
角度センサ部の消費電流は、モニタＬＥＤ消灯時１９ｍＡ、点灯時２３ｍＡであった。規格表など
から、ＥＮＣ−０３Ｊの消費電流は５ｍＡ、１６Ｆ８７３は２ｍＡである。ＡＤＭ２３２の消費電流が結構大きいようである。
ＥＮＣ−０３Ｊからの出力電圧は１０．０ｍ秒（もちろん変更可）毎にサンプリングし、１０ビットデータに変換される。これを上位２ビットを１バイト、下位８ビットを１バイトとして、連続してＲＳ−２３２Ｃ送信し、パソコン側でデータを受信して、データを復元する。計測は１０．０ｍ秒毎にエンドレスで繰り返される。

（省略）

図４

パソコンの表示画面

角度センサ部に電源を入れてすぐに計測を開始すると、初期ドリフトが大きい。より安定した計測を実行するためにはウオーミングアップ時間が必要である。充分なウオーミングアップ後、計測を実行しても、短時間以内ならばそれほど目に付かないが、計測時間が長くなると、ドリフトの影響が見-6-

に付き始める。センサを何度か回転し、、開始時の状態に戻しても、画面に表示される線分の位置が開始時の位置からずれるのである。センサ部を非常にゆっくりと回転させた場合や、極端に早く回転した場合にこれが顕著となる。
結論として、本センサでは、短時間内の相対的な角度変位量、回転角度量を結構正確にモニタすることができる。が 、長時間（ 数十秒以上）にわたっての絶対変位角度量のモニタには使えそうもない。
従って、実際の応用に際しては、センサのこのような特徴を理解した上で行うべきであろう。長時間の安定性が乏しいからと言って、このセンサの利用価値が無くなるものではない。これらの特性を生かした利用方法を見いだせばよいのである。
４．使用方法いたって簡単である。
（１）角度センサ部とパソコンの９ピンシリアルポート（ＲＳ−２３２Ｃ端子）の間を本システムとｋすえいの専用ケーブル、或いは汎用ＲＳ−２３２Ｃ用９ピンストレートケーブルで接続する。）（２）角度センサ部の電源を入れる。
（３）パソコン側でこのシステムのために開発した専用ソフトを実行する。
（４）画面で使用できるボタンは「受信開始」、「受信停止」、「終了」の３つだけである。
（５）「受信開始」ボタンをクリックして、計測を開始する。センサの角度位置を示す線分が描写され続ける。
（６）計測を停止したければ 、「受信停止」ボタンをクリックする。その後、再開したければ 、「受信開始」ボタンをクリックする。
（７）終了したければ「終了」ボタンをクリックする。

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