ジャイロスコープの興味深い仕組みとその用途

物体の位置や方向を特定するためには、さまざまな種類の感覚器官が使用されます。その中でも最も一般的なものは、加速度センサとジャイロスコープです。これらを信号機器に組み込むと、非常に有用な情報を得ることができます。

 

この記事では、ジャイロスコープに焦点を当てます。ジャイロは、重力に逆らうような奇妙な動きをします。このような特徴を持つジャイロスコープは、シンプルな自転車から宇宙船の高度なナビゲーションシステムまで、さまざまな機械に利用されています。

 

ジャイロスコープとは？

定義 ジャイロスコープとは、高速で回転する車輪や循環する光のビームを備えた機器であり、方位や角速度の測定や維持に使用されます。

 

機械式ジャイロスコープは、4つの部品で構成されています。

 

ジンバルとは、物体を1つの軸で回転させるための回転支持体のことです。

フレーム（一番外側のジンバルとも呼ばれる）は、1つの回転自由度を持ちます。

スピニングホイールは、最も内側のジンバルに取り付けられています。

スピン軸とは、スピニングホイールの軸のことです。

 

角運動量保存の原理を利用したもので、外部からトルクを加えない限り、系の回転は一定に保たれます。つまり、ジャイロスコープの回転盤が回転しても、スピン軸の向きはマウントの傾きや回転に影響されないということです。

 

ジャイロスコープには、動作原理の異なるいくつかの種類があります。例えば、現代の電子機器に組み込まれている振動構造ジャイロスコープ、光学ジャイロスコープ、リングレーザージャイロスコープ、超高感度量子ジャイロスコープなどがあります。

 

ジャイロスコープのしくみ

機械式ジャイロスコープは、19世紀にフランスの物理学者レオン・フーコーによって発明され、命名されました。このジャイロスコープには、3つの異なるサイズのジンバルが2点で接続されていて、小さな（内側の）ジンバルが高速で回転する車輪の周りを移動していました。

 

回転する車輪が（角運動量によって）その方向を維持している間、ジンバルはその軸上を自由に動き、その動きを簡単に測定することができます。1850年代半ばにフーコーが行った実験では、地球の自転に関係なく、回し車が空間の中で元の向きを保つことができました。

 

車輪が回っていないときは、ジャイロスコープは普通の物体のように振る舞っています。回転していないときは普通の物体のように振る舞っていますが、軸の上で高速回転しているときは、特定の方向への動きに抵抗します。

 

ニュートンの運動の第一法則によれば、物体は外力によって変化するまで、その運動状態を維持します。回転するジャイロスコープが動かされると、常にその動きを「補償」しようとします。

 

 

例えば、ジャイロスコープの軸を車の前に固定した場合を考えてみましょう。車のエンジンは、その質量、形状、回転数などから、場合によってはジャイロスコープのように振舞うことがあります。

 

ジャイロスコープが時計回りにかなりの速度で回転している状態で、車が右に曲がると（車内から見て）、車のボディにはAとBの力が働き、前端が下がり、後端が上がります。

 

同様に、車が左折する場合は、前端が上に、後端が下に押し出されます。ジャイロスコープを反時計回りに回転させると、その逆になります。

 

直進している限り、ジャイロスコープには余計な力はかかりません。斜めに移動したとき（右折・左折、車両の前後が上下したとき）にだけ余計な力がかかります。

 

これが「ジャイロの歳差運動」です。この歳差運動を検出することで、物体の向きを測定・維持することができます。最も精密なジャイロスコープの設計では、より重い質量（ローター）をスピン軸から離れた場所に集中させ、低摩擦のピボットポイントを中心にバランスをとっています。

 

加速度センサーとの違いは？

加速度センサは、静的および動的な加速度を測定するための電気機械装置です。デバイスがどのくらいの速さで、どの方向に動いているかを判断するために使用されます。例えば、3軸加速度センサは、加速度の大きさと方向（3軸すべて）をベクトル量として測定することができます。

 

ジャイロスコープと加速度ピックアップは、目的は似ているが、回転を感知できるかどうかという点で大きな違いがあります。

 

加速度センサは、組み込まれた機器が地表に対してどのような姿勢をとっているかを正確に検出します。しかし、デバイスが動き始めると、加速度計の測定値の解釈は複雑になります。自由落下の場合、加速度はゼロになります。これが、航空機で加速度計があまり役に立たない理由です。

 

一方、ジャイロスコープは、特定の軸を中心とした回転速度を測定することで、その有効性を維持しています。ジャイロスコープは、物体が安定するまでの間、正確な測定値（ロール軸周りの回転率）を得ることができます。

 

ジャイロスコープは角運動量の原理で物体の向きを判断しますが、加速度計は振動で直線的な加速度を判断します。

 

種類

ジャイロスコープは、その動作メカニズムによって分類されます。最も一般的なジャイロスコープの種類は以下の通りです。

 

振動構造ジャイロスコープ

振動構造を利用して回転数を測定する小型のジャイロスコープです。同程度の精度を持つ従来の回転式ジャイロスコープよりもシンプルで安価なため、主にスマートフォンやカメラ、ゲーム機などの電子機器に使用されています。

 

半球共振器型ジャイロスコープ

 

 

回転速度を測定する小型・高性能・低ノイズのセンサーです。薄い固体の半球状のシェルが、静電力によって曲げ共振することで構成されています。

 

他の多くの慣性技術とは異なり、このジャイロスコープは周囲の環境（極端な温度、振動、衝撃など）の影響を全く受けません。また、寿命が無制限でメンテナンスフリー（約100万時間）であることから、深宇宙探査の分野でも広く利用されています。

 

光ファイバージャイロスコープ

サニャック効果を利用して方位の変化を感知します。5kmもの長さの光ファイバを通過した光の干渉を利用しています。

 

加速度や衝撃に対する軸方向の感度がないため、非常に正確な回転数の情報を得ることができます。また、可動部がないため、慣性抵抗の影響を受けません。そのため、軍事用の慣性航行システムや宇宙用のアプリケーションに最適なデバイスとなっています。

 

リング・レーザー・ジャイロスコープ

 

 

リング・レーザー・ジャイロスコープ：同じくサニャック効果を利用して回転数を決定します。このジャイロスコープでは、2本のレーザー光を分割して、互いに垂直な3つの中空リングに入射させます。

 

実際には、不活性ガスを封入したリング（長方形、正方形、三角形など）を鏡で反射させたものでも構いません。ジャイロスコープを取り付けた物体が回転すると、対応するリングに干渉パターンが発生し、それを光電セルで測定します。これを光電セルで測定し、3つのリングのパターンを数値化して回転数を求めます。

 

用途と応用

ジャイロスコープは方位と回転を正確に計算できるため、エンジニアは現代の技術に取り入れています。大型船舶、航空機、人工衛星などの航法・安定化に使用されています。

 

例えば、飛行機の高度表示器は、円形のディスプレイで画面が2つに分かれており、上半分が空（青色）、下半分が地上（赤色）を示している。飛行機が旋回すると、ディスプレイの向きが変わり、実際の地面の向きが反映されます。

 

ハッブル宇宙望遠鏡では、6つのジャイロスコープのうち、常に3つのジャイロスコープを使用して、最適な効率を実現しています。ジャイロスコープは、5種類のセンサーと2種類のアクチュエーターを使用するハッブルのポインティング・コントロール・システムの一部です。

3軸ジャイロスコープのセンサーモジュール

 

ジャイロスコープは家電製品にも導入されています。ジャイロスコープをスマートフォンに採用したのは、アップル社が最初です。iPhone 4以降、アップル社のスマホにはジャイロセンサーが搭載され、ヨー、ピッチ、ロールを正確に計算できるようになりました。

 

現在、ほとんどのスマートフォンには、加速度センサーとジャイロスコープの両方が搭載されています。加速度センサーの3軸とジャイロスコープの3軸を組み合わせることで、空間内の移動距離や速度、方向を正確に認識することができます。