スマートフォンに欠かせないジャイロスコープはどのように機能するのでしょうか？

こまをテーブルの上に置くと、一方向に落ちますが、回すとテーブルの上にしっかりと立って、回り続ける限り落ちません。

回転ジャイロスコープの安定性は、その回転速度に直接関係します。回転速度が速いほど、ジャイロスコープは安定します。これは、回転する物体には軸があり、この軸の方向を変えるのは容易ではないためです。これは回転する物体の特性によって決まります。回転速度が速いほど、軸の方向を変えることが難しくなります。したがって、コマに支点を設けると、ジャイロスコープは支点を中心に垂直に回転し、軸は常に上を向きます。しかし、コマをある傾斜角で支点に置くと、コマは元の傾斜角を保って支点を中心に回転し、ジャイロスコープ自体も支点を中心に円運動をします。

人間はジャイロスコープの特性に基づいて、別のもの、つまりジャイロスコープを設計しました。

ジャイロスコープはコマに非常によく似ていますが、実際にはユニバーサル ブラケットに取り付けられたコマにすぎません。回転ジャイロスコープは回転軸の方向を変えることが難しいため、ユニバーサルブラケットをどのように回転させても、中央のジャイロスコープは方向を変えずに常に安定した状態を保つことができます。これは驚くべきことのように思えるかもしれませんが、実は古代の人たちはずっと昔に似たようなものを作っていたのです。古代の宮廷格闘術を観るのが好きなら、冬になると妾たちが必ず球形の空洞のストーブを吊るし、その中に炭火を灯しているのが分かるだろう。なぜこれらの炭火は噴き出して人々を燃やさないのでしょうか?

古代のかまどの炭火がこぼれないのは、かまどの構造が中央に炭受け皿がある万能かまどだからです。外部構造がどんなに揺れても、内部の炭入れは安定した状態を保つことができるため、炭火が消えることはありません。

私たちがジャイロスコープと呼んでいるものは、実際には球形ストーブの中央にある炭入れに置き換えられたジャイロスコープです。では、ジャイロスコープは何に使われるのでしょうか?その機能は物体の姿勢を測定することです。ジャイロスコープの中心にあるジャイロスコープの方向は変わらないため、物体にジャイロスコープを配置すると、ジャイロスコープの外部ブラケットとジャイロスコープの間のさまざまな方向の角度を測定するだけで、物体の特定の姿勢を判断できます。日常生活では、ナビゲーションから航空宇宙、そしてもちろん携帯電話まで、多くのものにジャイロスコープを使用する必要があります。

ジャイロスコープはスマートフォンに欠かせない重要な部品です。多くの機能は携帯電話の特定の姿勢を正確に把握する必要があるため、これがなければスマートフォンのほとんどの機能は実現できません。

携帯電話にはジャイロスコープが欠かせませんが、どう考えても携帯電話にはジャイロスコープが搭載されていないようです。携帯電話内部のスペースが本当に限られているため、ジャイロスコープを取り付ける場所がないようです。実際、携帯電話を分解すると、ジャイロスコープは見えなくなります。どうしたの？携帯電話に搭載されているジャイロスコープは、先ほど説明したジャイロスコープとは異なります。ジャイロスコープとも呼ばれますが、ジャイロスコープとは何の関係もありません。見た目は、一辺が数ミリしかない小さな黒い四角形です。

この小さな黒い四角形には、「マイクロ電気機械ジャイロスコープ」という名前があります。

MEMS ジャイロスコープはジャイロスコープとも呼ばれますが、外部的にも内部的にもジャイロスコープとは何の関係もありません。物体の姿勢を測定できるのは、コリオリの力を利用しているからです。コリオリの力はフランスの気象学者コリオリによって提唱されました。つまり、回転系において直線的に移動する物体があると、回転系の影響を受けて移動経路が偏向し曲線になるのです。地球は回転しているので、地球はそのような回転システムです。地球は西から東へ自転しているので、北半球では風がどの方向から吹いても右に曲がりますが、南半球ではその逆で風は左に曲がります。

コリオリの力について理解できたので、次は MEMS ジャイロスコープについて説明します。

MEMS ジャイロスコープの本体は質量ブロックであり、交流電圧の作用により前後に振動します。この動きは本質的に直線的な動きです。ジャイロスコープが回転し始めると、コリオリの力の影響を受け、水平方向に振動するジャイロスコープが偏向します。つまり、水平方向の動きだけでなく、垂直方向の動きもあります。動きのパターンが変化すると静電容量値がわずかに変化し、このわずかな変化を感知することで物体の姿勢の変化を把握することができます。もちろん、1 つの MEMS ジャイロスコープでは一方向の姿勢変化しか感知できませんが、携帯電話に 2 つまたは 3 つ搭載すれば、携帯電話の全方向の姿勢を正確に識別できます。結局のところ、これは非常に小さく、多くのスペースを取りません。

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