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ジャイロ加速度センサに関する慣性 用語をまとめました + 当サイトは原則リンクフリーです +


 ジャイロの原理と種類
  "ジャイロ"という呼称:ジャイロスコープ Gyroscope が正しい呼称。固定座標に直接触れることなく相対角度を指示する儀器だが、ストラップダウンが普及したため角度の変化率(=角速度)を意味するレート・ジャイロのこともジャイロと呼ぶことが普通となった。ジャイロコンパスは地球の自転方向から真北を探知する儀器でジャイロスコープの一種と考えてよいが相対角度を出すものではない。「ジャイロセンサ」はもともと和製英語。業界では角速度をRateと呼ぶので Rate Sensor とはレートジャイロのこと。積分ジャイロとはレートジャイロ出力を積分して角度を算出するもの。

- 回転機械(コマ)式ジャイロ: バランスの良いモータか、空力で回転させる。80年代までは旅客機でも使用。現在でも小型飛行機や船舶はこれ。
- 光学式ジャイロ:レーザー光を筐体内で周回させ、絶対軸として光の周回速度が不変であるので、筐体が回転するとが相対周回速度としてはズレて見えることを応用したもの。
        リングレーザージャイロは反射板を使って周回させる(最も高価で正確)。
        光ファイバージャイロは光ファイバーのコイル内で周回させ るもの。
-振動式ジャイロ:振動体が回転すると振動方向に直角の力が発生するコ リオリの力を利用したもの。通常メンテナンスが不要。小型。素子を励振するために圧電効果を使うことがあるので圧電ジャイロセンサと表現されることがあるが、励振方式は圧電式以外に誘導式、静電式などがある。最近は外来震動に強い機種が出現、大きさも5mm〜10mm角くらいが普通。
-ガスレートジャイロ: 熱線にガスを常時噴射する。回転するとガスの噴射がカーブするので熱線温度がかわりそれを検知する。普及しなかった。


  加速度センサの原理と種類
 気泡式以外はどれも錘(プルーフマス)が慣性力で動こうとする(これをseismicという)のを捉えるものである。加速度ピックアップ とも謂う。
 -圧電式:圧電効果でマスの変位を検知するもの。 
 -静電容量式:静電容量、つまりマスとその周囲でコンデンサを形成しキャパシタンスの 変化でマスの変位を検知するもの。
 -サーボ式:位置センサでマスの動きを検知しサーボコントロールでそれを元に戻すが、サーボに必要な電力で加速度を検知するというもの。
 -気泡式:容器内にヒータを置き、加速度がかかると温度分布が変わることを温度センサで検知するもの。 




加速度不感ド リフト acceleration-insensitive drift rate
 加速度と関係ないドリフトの成分。 
加速度比例ド リフト  acceleration-sensitive drift rate
 ジャイロへの直線加速度と比例的に関係す るドリフトの成分。
加速度センサ  加速度計   accelerometer
 直線または角加速度を測定する慣性センサ。一般に加速度計と いうと直線加速度計を意味する。 一般に加速度センサは較正データがあったとしても較正されてお らず、加速度計は較正済。 
振幅 amplitude
 振動の振れ幅。静止状態や平均値に対する最大値。正弦振動における最大加速度a (m/sec~2)、振動周波数ω(radian/sec)、振幅A (m) の関係は a=Aω^2 ここで周波数がf (Hz) の場合は ω=2πf で radian/sec に変換。 peak-to-peak(全幅、変位)はその振幅の 2倍。 RMSはroot-mean-square二乗平均
姿勢 方位基準装置 AHRS エーハースAttitude Heading Reference System
 ロール、ピッチ角の姿勢、方位角のヨー、計3軸を、基準面を参照できない移動体上で検出する装置。 
角加速度感度 angular acceleration sensitivity
角加速度による出力変化
角加速度計 angular accelerometer
角速度の変化を測定する慣性センサ。
角振動感度 anglular vibration sensitivity
 センサ軸の角振動による出力の変化
アラン分散/アランバリアンス Allan Variance
 
出力安定 性の考察方法で、慣性センサの場合、主にジャイロの安定性をあらわすグラフと考えてよい。平均時間の関数として時間的に連続したデータのノイズや他の処理の特性化の方法。平均時間の時間列τからの隣り合った時間平均値の差の2乗の平均値の1/2
追従遅れ  attitude storage
  実際の角度に対する計測角度の遅延。 レート積分ジャイロに入力レートが入った時、その出力と理想積分器の出力との間の過渡的な偏差で ジャイロの時定数の関数)。
応答 性 bandwidth
 変化の早い入力に対し、出力の追従度のこと。周波数で表され、定義は位相遅延とゲインがある。例えば 応答性10Hz で定義が-90 °, -3dB なら10Hzの入力信号(波形)では出力が最大90°位相遅れし、出力は最大3dB落ちるということ。 
バイアス bias
 静止時のゼロ 点・中心点 ある動作条件での慣性センサの出力成分で、入力の回転や加速度と関係ないもの。 
バイアス安定 性 bias instability
 サンプル時間と平均時間間隔で計算されたバイアスのランダムな変動。1/fパワースペクトラム密度で現され 通常は度/時間(°/h)、あるいは[m/s2]が単位。   

ケージング caging
 基準位置にジャイロ軸やジンバル軸 をセットし、機械的に固定する過程。
ケース case
 基準面。基準軸を定義する構 造。
確率 誤差円 CEP Circular Error Probability
 半分の確率で精度が得られる半径。例えばミサイルのCEPが5m ならターゲットから5m の半径内に着弾する確率が50%。 
GPSのCEPが10m ならGPSが表示している位置が現実の10m以内である確率が50%。
応答時間 characteristic time
 ステップ入力に対し出力が63%になるの時間。
 
応答性 bandwidth とは違う。
惰走時間 coast time / run-down time
 回転式ジャイロでローターが停止する時間のこと
。  
コンポジット エラー composite error
 ある出力関数からの出力データの最大変動。複合誤差には出力データのヒステリシス、分解能、直線性、再現 性、その他の不確実なものが含まれる。通常、出力幅の半分に対してのパーセンテージで表される。 総合的誤差。 
コリオリの力 Coriolis force
  回転体の移動座標上で一定方向に力をかけると、その座標上では直角方向にも見かけ上の力がかかること。 この力が振動なら 移動体が回転すると振動方向に対し直角方向にも振動が発生する
カプラ(光 ファイバジャイロcoupler, optical
 参照:方向性結合器  光合分波器

直交加速度 cross acceleration
 センサの入力基準軸に垂直な面への加速度。
他軸感度 cross-axis sensitivity
 センサの入力基準軸とは違う軸からの入力に反応してしまう感度。通常はミスアラインメントによる。
クロスカップ リング誤差 cross-coupling errors
 入力基準軸に垂直な軸への入力のジャイロ感度から引き起こされるジャイロの出力の誤差。
ダンピング液 damping fluid
 慣性センシング素子に粘性ダンピング力やトルクを与える液体。 
無応答幅 dead band
 公称感度から期待される変化の10%以下の出力変化しか引き起こさない微小入力の限界の範囲。 
自由度 (DOF) degree-of-freedom
 ケースに対してスピン軸の角運動の可能な次元数。自 由度の数はスピン軸が自由に回転できる直交軸の数る。
方向性結合器 (FOGdirectional coupler
 いくつかの導波路から光の波を結合したり分けたりして、1つあるいは複数の光波を作る素子。
方位ジャイロ  旋回儀 directional gyro DG
 コマ式の場合、軸をほぼ水平に保ち角変位に一致させ相対方位を指示するジャイロ
ドリフトレー ト drift rate
 入力回転と無関係なジャイロ出力の成分。
ダイナミカ リーチューンドジャイロ(DTG) dry tuned gyro / dynamically tuned gyro
 回転コマ式ジャイロの一種でローターが一定の回転速度になると自由度が増す設計となっている2軸自由度のジャイロ。ダイナミカリー・チューンド・ジャイロ / ドライ・チューンド・ジャイロ。ノースロップ・グラマン製やブリティッシュエアロスペース製、コンドルパシフィック製などがあり、国産品は海外のライセン ス生産。
ダイナミック レンジ dynamic range
 入力レンジと分解能の比 
チューニング (DTG) dynamic tuning
 回転で発生する負のバネ定数でフレキシャー保持機構のバネ定数をキャンセルするように、ジンバルの慣性、フ レキシャーのバネ定数、ロータの保持機構のスピンレートを調整すること。 
地球自転角速 度 アースレート earth rate 
 地球自転の角速度で値は7.292115×10-5 rad/s (15.04106°/h)。通常はローカルな水平座標系では、北(水平)と上(垂直)の2成分で表す。 注:地球の歳差、地軸の章動、動揺、一日の長さ の季節変動、原子時計と平均太陽時間のレートとの違いは、標準的なものとして示した地球自転角度の値に僅かに影響するが、通常それらは無視する。
ジンバル拘束 ドリフトレート elastic-restraint drift rate
 ドリフトの成分で、出力軸に対してジンバ ルの角変位に比例。
静電支持ジャ イロ(ESG) electrically suspended gyro
 真空容器内で静電場または静磁場によって回転要素(慣性体)が支持されるフリージャイロ
起立/エレク ション erection
 コマが回っているうちに垂直になること。 バネで起立が早くなるようにしたジャイロもある。 
起立レート election rate / slaving rate
 エレクションの早さのこと。
誤差幅 error band
 出力関数の誤差の総合幅で、誤差幅には出力データの非直線性、分解能、再現性、ヒステリシス、他の不確実な ものの複合の影響ふくまれる
光ファイバ レーザ fiber laser
 光が増幅できるように、レーザ媒質が、希土類元素のハロゲンが微量にドープされている外部ポンピングの光 ファイバであるレーザ。 
光 ファイバージャイロ  fiber optic gyro FOG
 光ファイバーのコイル内でレーザー光を周回させ、ジャイロが回転すると周回する光のタイミングが変わることを応用したジャイロ。 発光体に寿命がある。
フロート液 flotating fluid
 装置のケース内部でフロートを支持する液体。回転コマ式ジャイロでよく使う。
フリージャイ ロ free gyro
 スピン軸がどんな方向でも指示する2軸自由度ジャ イロ。
周波数シフタ (FOGfrequency shifter, optical
 通過することで電気信号の周波数に等しい量の光の周波数を増減する素子。
 注:よく用いられる光学周波数シフタは音響光学素子(ブラッグセル)である。周波数偏移素子。

最大入力範囲 full range
 入力範囲の上限値と下限値の差。
最大入力値 full scale input
 2つの入力限界の最大値。
ジンバル gimbal
 自由回転する地球儀に見られるような、スピン軸が角自由度を持つようにする機構。伝統的なジャイロスコープや移動用カメラ等に使用す る。
ジンバル誤差 gimbal error
 ジンバルの基準軸からの角度によ る誤差。
ジンバル自由 度 gimbal freedom
 ジンバル軸が可能とする最大角 度。
ジンバルロッ ク gimbal lock
 2軸自由度の状態。自由度を持ったスピン軸の設定で、ジャイロの1軸自由度が制限され、使用できなくなって いる状態。
ジンバル遅れ gimbal retardation
 ジンバルが出力軸に対して回転し ている時の摩擦トルクによる遅れ。
ジンバルアン バランストルク(DTG) gimbal-unbalance torque
 フレキシャー軸の直交が不完全な場合にスピン軸方向のジンバルアンバランスによって起こる加速度比例トル ク。一定加速度下では、ジンバルの1軸自由度は支持シャフトに関係しているので、これはロータのスピン周波数の2次高調波として 現れる。ジャイロが振動加 速度を受け、ロータのスピン周波数の2倍でスピン軸に垂直であると、このトルクは整流不平衡ドリフトレートとなる。
重力加速度単 位(G gravitational acceleration unit
 記号Gはその地点の重力値に等しい加速度の単位を表す。
 注1:多くの場合、Gの標準値 ( G0=9.80665m/s2 ) が用いられる。
注2:地表にある加速度計では重力は1Gの上方加速度。
ジャイロコンパス Gyro Compass/North Finder/Theodorite  
  地球の回転を高精度ジャイロで検知して真北を求める儀器。
ジャイロスコープ (ジャイロ・ジャイロセンサー)  gyroscope/gyro
 角度を測定する慣性センサ。 しかし近年ではジャイロとはレートジャイロ(角速度センサ)を指すことが多い。 
ジャイロ効果 Gyro effect / Gyroscope effect
ジャイロスコープが起こすさまざまな特性やその結果の総称。一般には 回転式ジャイロスコープの回転軸は一定方向を保とうとする特性、回転軸に力を加えるとその力の方向に対し直角方向に向こうとする特性、歳差運動など。
高調 波 harmonics
 ある周波数の振動を対象物に加振するとそのn倍の振動も起きてしまうこと。加振周波数ωの増幅(減衰)係数 が完全にリニアならω自体はかわらないが、実世界では非直線成分の係数がかかるため高調波が発生する。機械診断、予防メンテなどで高調波をモニターするこ とがある。
アイエムユー IMU Inertial Measurement Unit
 慣性計測ユニット。ジャイロ加速度センサが入ったユニットの総称。 
慣性センサ inertial sensor
 慣性のセンサ。加速度、ジャイロスコープ など。
初期起立 initial erection
 垂直ジャイロジャイロを最初に起立させること。 Erection参照。
同相ばね率差 (DTG) in-phase spring rate
 DTGの回転で発生しするバネ率とフレクシャーバネ率の間の差。 
入力角速度 / レート  input rate / rate
 入力軸に対する単位時間あたりの角変位。
入力基準軸 (IRA) input reference axis (IRA)
 ケースがマウントされる基準面で決められる軸(通常は入力軸に平行)の方向。
慣性 航法装置  INS Inertial Navigation System
 慣性計測・演算を行うことにより航法に必要な自己位置を出力できる装置。 GPSと組み合わせたものを GPS-INSといい、GPSを受信できない間はINSで補間するものを謂う。IMUやAHRSとは違う。

ジャーク jerk
 加速度の変化の時間レートを規定するベクトル。変位の時間での3回微分である。
レーザジャイ ロ laser gyro / Ring Laser Gyro / RLG
 サニャック効果に基づくジャイロで、内部の、互いに反対方向に伝搬するレーザー光のビートを検知する。  3〜4枚の平面鏡によりレーザビームを周回させる   光ファイバージャイロ参照 
直線 性 リニアリティ  linearity
 nonlinearity参照。
直線加速度計  linear accelerometer
 入力軸方向に関して移動加速度成分から重力加速度成分を差し引いた成分を測定する慣性センサ。
 出力信号はケースに対するプルーフマスの動き、またはケースのヌル位置にプルーフマスを戻すのに必要な力やトルクから作る。
 航法演算のために慣性座標系に変換する場合は、直線加速度計の出力は遠心加速度、角加速度、重 力の影響を補正しなければならないので慣性計測装置は慣性航法装置ではない。
マスアンバラ ンス  mass unbalance
 支持力の中心と質量の中心が一致していないことで発生するジャイロの特性。直線加速度によるトルクが発生 し、加速度ドリフトの原因となる。
機械的自由度  mechanical freedom
 ケースに対して加速度計のプルーフマスの最大直線 変位または最大角変位。
マイ クロマシン  MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems
 半導体製造工程を駆使して作る微細機構部品のこと。最近の慣性センサはMEMSが多い。
マイクロシン  microsyn
 ピックアップとして用いられる電磁部品。これはセンサケースに取り付けられた1次巻き線と2次巻き線を持っ たステータと、フロートに設置された巻き線のないロータを持つ。
ミスアライン メント  misalignment
ミスアライメントともいう。 軸の方向が合っていないこと。
モー ダル解析 モード解析  modal analysis
 振動モードの成分を周波数に対する応答で解析する手法。シミュレーションで行うこともある。
非直線性 nonlinearity
 出入力関係の非線形性。通常は感度誤差を含まない。 
ヌルオフセッ ト調整 null offsetting
 電気的最小出力値を意図的にシフトし、入力基準軸に対する入力軸を回転させるキャリブレーションや試験の技 術。
路長(レーザ ジャイロ、光ファイバジャイロ optical path length
 光ビームが単一経路で伝わる時の、伝搬経路媒質の屈折率を考慮に入れた光の光学的長さ。
出力軸加速度 ドリフトレート output-axis-angular-acceleration drift rate
 慣性空間において、出力軸に関するジャイロの角加速度に比例するドリフト。角加速度に対するこのドリフト成 分の関係は、単位時間当たりの角変位を単位時間の2乗当たりの角変位で割った次元を持つ係数を用いて表すことができる。
振り子式加速 度計 pendulous accelerometer
 入力軸に垂直な軸方向に回転するプルーフマスにより動作する加 速度計

位相変調器   (FOG phase modulator
 電気的な制御信号の関数として光波の位相を変調する装置。
 注:通常用いられる光位相変調器は電気光学効果や光弾性効果による方法で光路長を変化させる。


圧電型加速度 計 piezoelectric accelerometer
 圧電効果による検出で加速度を得る装置。振動や衝撃センサとして用いることが多い。
ピッ チ  pitch
 前後の傾き。うなずいたとき、あなたの視線はピッチ角が変わっています。  yaw,  roll  参照
偏光素子(FOG polarizer
 直交する状態の偏波を抑制して、単一な直線偏波状態を選択する素子。
偏光ファイバ   (FOGpolarizing fiber
 直交偏波を抑制し、長さ方向に伝搬するビームとしてただ1つの偏波状態を保存するファイバ。

プレセッショ ン / 歳差運動   precession
 コマの首振り運動。互いに直 交するスピン軸と回転の起こる軸方向に加えられたトルクTによって発生するスピン軸の回転。 ここで
プレセッションレート=ω  角モーメンを=H、加えたトルク= Tとすると T=Hω

プルーフマス  proof mass
 入力軸方向または入力軸に対する加速度を力やトルクに変換する実効質量。
量子化誤差 quantization noise
 連続信号の有限のワード長変換のサンプリングと量子化によるデジタル出力信号のランダム変動。発生する誤差 過程は±1/2最小符号化ビット(LSB)の間隔で均一にランダムに変動して分布する。ランダムな2値伝送過程と同じ統計的性質を持っている。しばしば 「離散時間白色雑音」として参照され、デジタル化した連続の「白色雑音」とは異る。
ランダムドリ フトレート  random drift rate
 ドリフトレートの時間で変化するランダム成分。
ランダム ウォーク random walk
 ジャイロ加速度センサのランダムなふらつき。定常的に独立な値と時間の平方根に比例して大きくなる標準偏差 を持った平均値がゼロのガウシャン確率過程。
(角度)
 角レートの白色雑音による時間とともに大きくなる角度誤差。単位は[°/√h]が多い。
(レート)
 角加速度の白色雑音による時間とともに大きくなるドリフトレート誤差。[°/h/√h]。
(速度)
 加速度の白色雑音による時間とともに大きくなる速度誤差。m/s [m/s/√h]。
(加速度)
 ジャークの白色雑音による時間とともに大きくなる加速度誤差。m/s[m/s2/√h]。
レー ト  rate
 慣性業界では角速度のこと。一般には変化率のこと。  従い rate sensor とは rate gyro のこと。
レートジャイ ロ  rate gyro
 角速度センサと考えればよい。  
レート積分 ジャイロ rate-integrating gyro
 レートジャイロの出力を積分して角度とするジャイ ロ
レー トテーブル  rate table
 ジャイロを較正するための、非常に高精度な回転をするターンテーブル。
再現性 repeatability
 同じ条件で測定した場合、同じ出力が再現されるという特性。 再現性が良いと誤差要因の解析に有効。
分解能 resolution
 デジタル出力では最小ビットを工業単位に直したもの。精度ではなく、変化量としての最小単位。アナログでは 目盛りの半分を謂う。 
共振   resonance
 対象物の固有周波数が加振周波数と同じな状態。 
ロー ル roll
 左右の傾き。頭をかしげたとき、あなたの視線はロール角が変わっています。 yaw, pitch 参照
ロー タ  rotor
 回転コマ式ジャイロの回転子。 
ロータ角運動 量 rotor angular momentum
 スピン軸に対するスピン角速度とロータ慣性モーメントの積。
サニャック効 果 Sagnac effect
 閉じた経路で互いに反対方向に伝搬する電磁波間の、回転によって発生した相対論的光干渉。
スケールファ クタ scale factor
 普通いうところのセンサ感度、つまり測定しようとする入力変化に対する出力変化の比。 感度参照。
スケールファ クタ非対称性 scale factor asymmetry
 正の入力(たとえば右回転)と負の入力(たとえば左回転)で感度が異なる事実の誤差。この例では右1回転し たあと左1回転しても元の値に戻らないことになる。
感度 sensitivity
 スケールファクタは正規の入力軸での入力現象(ジャイロの場合だと回転)に対する感度であるが、単に感度と いうとそれ以外の現象で出力に影響を与える率をいう。
 例えば:温度変化に対するスケールファクタの変化
スレービング slaving
 ペンジュラムや磁気コンパスなどの外部基準にて起立を維持するトルカの使用。
スピン軸 spin axis
 ロータの回転軸。
安定性 stability
 一定の作動条件に連続的に晒した時に、ある機構や性能係数が不変のままである能力の計測。
ストラップダ ウン strapdown
 ジンバル機構はその自由度によりジャイロが一定方向を指示できるためにあるが、ジンバル無しで移動体に慣性 センサを固定しセンサ出力を逆算することにより変化を推定する方式をストラップダウン方式という。 これに対し従来のジンバルを使用したものはジンバル式 プラットフォーム型と呼ばれることがある。
支持法 suspension
 ケースに対して、ロータ(DTG、静電支持ジャイロ)、あるいはプルーフマス を支持する方法。
サーボ型加速 度計 torque (force) rebalance accelerometer / servo-accelerometer
 センサ素子(質量)を原点位置に戻すためにカを加えその力量が加速度に比例であるとする帰還形の高精度加速度計
垂直ジャイロ vertical gyro VG
 スピン軸を垂直に保つ機構を持った2軸自由度ジャ イロ、または同機能を他の方式のジャイロで実現したもの。 航空用語でいう水平儀, 姿勢表示器, (Artificial Horizon, Attitude Indicator) に相当。

ウォームアッ プ時間 warm-up time
 ジャイロ加速度計が電源が投入時から仕様性能に達するまでに必要な時間。 航空機用では法令でこの最高時間が 定められている。 通常その間はケースを静止状態に保つ。
ヨー yaw
 方位角のこと。周囲を見渡したとき、あなたの視線のヨー角が変わっています。 roll, pitch 参照
ゼロ オフセット zero offset
入力レートがゼロの時の
ジャイロ出 力


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