第1回 茶運び人形のフィードバック

2009年6月

第1回 茶運び人形のフィードバック ~江戸からくりとQMEMS ジャイロセンサ~

提供:学研 大人の科学 ※写真はイメージです。

江戸からくりの代表作、茶運び人形。愛らしい姿ながら、茶碗を盆に載せると客まで運び、茶碗を取るとその場で停止。そして空になった茶碗を置くとターンして元の場所まで正確に戻ってきます。
こうした複雑な動作は、ぜんまい、歯車、カムなどのシンプルな、しかし途方もなく精密に加工された部品によって制御されています。
大衆を驚かせ、喜ばせることに職人の技のすべてを打ち込んだからくり師たちの情熱は、現代の技術者たちに多くのことを教えてくれます。
今日ではGPSの自律航法、カメラの手ぶれ補正、モーションセンシング、姿勢制御など、動きを検出するジャイロセンサが用いられます。QMEMSの微細加工により生まれた水晶ジャイロセンサは、常識を超えた小型、高精度、高安定により、機器のインテリジェント化に貢献しています。

精巧なからくりは現代に通じる技

茶運び人形は、「からくり半蔵」こと細川半蔵の作品です。半蔵はからくり師として有名ですが、実は機械学、暦学、天文学をきわめた当代一流のエンジニアであり、サイエンティストでもあったのです。半蔵の残した「機巧図彙(からくりずい)」は、からくり作品の設計図であると同時に、機械工学の専門書でもありました。
茶運び人形は茶碗を盆に置くと腕が下がり、歯車のストッパーが外れて前進し、茶碗を置くとストッパーが機能して停止します。この歯車にはカムも連動しており、カムが一定位置に来ると、舵を動かして、前輪の方向を変え方向転換します。ターンを終えるとカムは外れ、再びまっすぐ進みます。この他にもすり足やおじぎといった多様な動作ができ、移動距離、旋回の角度、速度の調節も容易に行うこともできました。
こうした機構を応用し、近年、電気の不要な部品搬送装置が開発・実用化されています。巧みな機構とそれを支える部品の精密加工による精巧な制御は、現代にも十分通用する技なのです。

茶運び人形の方向転換の機構

高精度・高安定・最小クラスの水晶ジャイロセンサ

機器の高機能化・高精度化の要求から、角速度変化の正確な検知を担うジャイロセンサは、より小さく高安定へと進化する必要がありました。
エプソントヨコムの水晶ジャイロセンサは、生まれながらに温度の変化による影響を受けにくい特性を持つ「水晶」を素材としていることに加え、独自のQMEMS(Quartz+MEMS)技術を用いて、安定度、高精度、世界最小クラスを実現しています。


ジャイロセンサの素子

その高性能の秘密はQMEMSにより実現した独自のダブルT型構造です。小型・高安定ながら、低ノイズ、高感度を実現。つまり小型の機器にも搭載でき、過酷な温度環境のなかでもいつでも変わらぬ安定した精度を発揮します。


1.駆動モード時、駆動アームが常に振動します。
2.本体が回転します。
3.回転が加わることで、駆動アームにコリオリの力が働き垂直方向の振動が発生します。
4.駆動アームの垂直方向の振動により、固定部が屈曲。検出アームに検出運動が発生します。

正確な自立航行にはジャイロセンサが不可欠

ナビゲーションシステムは衛星から発せられているGPS信号を受信して、位置を確定していますが信号を受信できない場所(地下やトンネルなど)ではジャイロセンサの検出した角速度の変化(どれだけ曲がったか)を利用して自律航法を行います。
GPS信号がなく、弊社QMEMSジャイロセンサを搭載して走行した場合でも、GPS信号受信時とほぼ同等の軌跡で走行を可能としています。

同じ道をGPSを使用して走行した場合とジャイロセンサだけを使用して走行した場合の位置情報検出結果です。
GPS信号なしでもほぼ同等の結果が得られることが実証されました。


QMEMS 超小型ジャイロセンサ ラインアップ

ジャイロ素子に単結晶である水晶を使用することにより、従来にない高安定特性を実現。更に独自の水晶微細加工技術、低消費電力アナログ回路技術パッケージング技術を駆使し、駆動回路内蔵型では世界最小クラスの大きさを実現。
そのため、ビデオ・カメラの手ぶれ補正、PNDやGPSの位置情報といった従来の用途に加えて、操作コントローラ、乗り物の姿勢制御など、これまでにない用途に応用していただくことが可能になっています。

XV-8100CB

最適アプリケーション 動作電圧 静止時出力 検出範囲 感度 直線性 サイズ
ポータブル GPS,PND
(PersonalNavigation Device)向け
3.0V±0.15V 1350mV Typ. ±100deg/s 2.5mV/(°·s-1)Typ. ±0.5%Fs Max. 5.0×3.2×1.3mm

XV-8000CB

最適アプリケーション 動作電圧 静止時出力 検出範囲 感度 直線性 サイズ
カーナビゲーションシステム向け 5.0V±0.25V 50% VDD ±60deg/s 25mV/(°·s-1)Typ. ±0.5%Fs Max. 5.0×3.2×1.3mm

XV-3500CB

最適アプリケーション 動作電圧 静止時出力 検出範囲 感度 直線性 サイズ
DVC/DSCの手ぶれ補正システム検出用
様々なヒューマンインタフェイス検出用
3.0V±0.3V 1350mV ±100 deg/s 0.67mV/(°・s-1)Typ. ±5% FS 5.0×3.2×1.3mm

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