JPH04307324A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は振動ジャイロ、特に強制
振動された振動手段の振動方向と直交する方向に働くコ
リオリの力より角速度を求める振動ジャイロの改良に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来ジャイロは船舶、航空機等の特殊な
用途に用いられているのみであったが、近年では自家用
自動車等のナビゲーションシステム、或いは軌道を要し
ない自走ロボット等にも使用されるようになっている。 これらのシステムは、ジャイロの出力を積分して方位を
決定し、且つ移動速度を積分して移動距離を求め、方位
及び移動距離に基づいて現在位置を把握するものであり
、ジャイロの僅かな誤差も累積されてしまう。このため
、これらの分野で用いられるジャイロには、極めて高い
角速度検出機能と共に、小型、低価格、高い耐久性等の
きびしい条件が要求されており、これらの要求に応える
ジャイロの開発が急務である。

【０００３】ジャイロとしては従来より各種の原理に基
づくものが開発されているが、角速度検出感度の高さ等
からいわゆる振動ジャイロ或いは音叉ジャイロが注目さ
れている（特公平２−５７２４７号公報等）。この振動
ジャイロは、振動している物体に回転角速度を加えると
、その振動と直角方向にコリオリの力が働く現象を応用
したものである。そして、一般には振動子に圧電素子等
を貼り合わせ、該駆動用圧電素子に周期的に電圧を印加
することにより振動子を一定方向に振動させると共に、
該振動子の振動方向と直交する方向への変位量を別個の
検出用圧電素子により検出している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、振動ジャイ
ロ自体の理論的な角速度検出機構は極めて優れたもので
あるが、特に検出用圧電素子の規格の調整、貼り合わせ
精度、或いはヒステレシス特性等により、振動子の変位
検出が大きく影響され、精度の高い振動ジャイロを安価
且つ大量に得ることは困難であった。

【０００５】本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされ
たものであり、その目的は構成が簡単でしかも角速度検
出感度、精度の高い振動ジャイロを提供することにある
。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明にかかる振動ジャイロは、振動手段と、加振手
段と、変位検出手段と、角速度演算手段とを含む。そし
て、振動手段はベースに立設されている。又、加振手段
は、前記振動手段にＸ軸方向の振動力を印加する。変位
検出手段は、前記振動手段に設置された可動スケールと
、該可動スケールと対向配置された固定スケールを有し
、前記振動手段のＹ軸方向への変位を検出する。角速度
演算手段は、前記変位検出手段のＹ軸方向への変位量よ
り、角速度を演算する。

【０００７】なお、加振手段は振動手段に近接配置され
た励振コイルよりなることが好適である。また、加振手
段は振動手段に貼着された圧電素子よりなることが好適
である。また、変位検出手段は光電型エンコーダである
ことが好適である。

【０００８】

【作用】本発明にかかる振動ジャイロは前述した手段を
有するので、加振手段により振動手段をその略共振周波
数でＸ軸方向に強制振動させる。この状態で角速度ωが
入力されると、角速度ωに対応したコリオリの力Ｆｃが
Ｙ軸方向に発生し、前記振動手段はＹ軸方向にも振動す
る。このため、振動手段の振幅及び周波数を一定に制御
しておけば、入力角速度ωに対応したコリオリの力Ｆｃ
により発生するＹ軸方向の変位を変位検出手段で検出す
ることで、角速度演算手段は入力角速度ωを出力するこ
とが可能となる。このように本発明にかかる振動ジャイ
ロは、従来のように振動手段の変位検出を圧電素子で行
なうのではないため、高精度の振動手段変位検出を行な
うことができる。

【０００９】

【実施例】以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を
説明する。図１には本発明の第一実施例にかかる振動ジ
ャイロが示されており、同図（Ａ）は側断面図、（Ｂ）
は正面断面図である。

【００１０】同図に示す振動ジャイロ１０は、ベース１
２と、該ベース１２に立設した振動手段としての振動子
１４と、振動子１４を振動させる加振手段１６と、光電
型エンコーダよりなる変位検出手段１８とを備える。そ
して、ベース１２には筒状のハウジング１９が設置され
、該ハウジング１９はその上端で変位検出手段１８を支
持している。

【００１１】前記振動子１４は丸棒状に形成され、Ｘ方
向及びＹ方向の共振周波数は略同一である。そして、そ
の上部に角柱状強磁性体よりなる筒２０が嵌合され、さ
らに振動子１４の上端には可動スケール２２が設けられ
ている。また、加振手段１６は、棒状コア２４と、該棒
状コア２４に巻回された励振コイル２６で構成され、ブ
ッシュ２８を介してハウジング１９に固定されている。 そして、棒状コア２４の先端は前記強磁性体筒２６の平
面部に近接している。

【００１２】本実施例にかかる振動ジャイロ１０は概略
以上のように構成され、次に図２及び図３により角速度
の検出機構を説明する。まず、図２に示すように、励振
コイル２６を所定の周期（図３（Ａ））で励磁させると
、その磁力により強磁性体筒２０を周期的に引きつける
（図３（Ｂ））。そして、この励振コイル２６の励磁周
期を調整し、振動子１４の略共振周波数ｆでＸ軸方向に
強制振動させる。次に、例えば既知の角速度ωａを入力
し、励振コイルの出力波形と、コリオリの力により発生
するＹ軸方向の振幅の波形を比較し、共振周波数ｆや励
振コイルの出力を微調整し、振動速度Ｖｘが一定の大き
さになるようにする（図３（Ｃ））。

【００１３】これに対し、未知の角速度ωが入力される
と、角速度ωに対応するコリオリの力ＦｃがＹ軸方向に
発生する（図３（Ｄ））。前述したように振動子１４の
共振周波数ｆは、Ｘ軸，Ｙ軸方向ともに同じであるから
、振動子はＹ軸方向にも振動する。この結果、Ｙ軸方向
への振動の振幅を測定することにより、コリオリの力、
すなわち角速度ωを検出することができるのである。

【００１４】次に、本実施例において用いられる角速度
演算手段について図４を参照しつつ説明する。本実施例
にかかる角速度演算手段５０は、カウンタ５２と乗算器
５４を含む。そして、Ｙ軸エンコーダ１８ｂから入力さ
れたＹ方向振幅はカウンタ５２により数値化され、更に
乗算器５４で固定定数Ａが乗算される。角速度ωはＹ方
向振幅に比例するから、固定定数Ａを適当に調整するこ
とで乗算値は角速度ωとなる。なお、本発明ではこのよ
うにＹ軸方向の振幅を測定することにより角速度ωを得
ているので、例えば図５に示すように低周波外乱が重畳
した場合にもその影響を受けにくい。

【００１５】次に、図６〜図１０に基づき本発明の変位
検出手段１８について説明する。図６には本発明の一実
施例にかかる変位検出手段を構成する光電型エンコーダ
１８の縦断面図が示されており、また図７には図６ＶＩ
Ｉ−ＶＩＩ線での断面図が示されている。同図において
、光電型エンコーダ１８は可動スケール２２と固定スケ
ール６０を含み、両スケールの相対移動量を検出するも
のである。

【００１６】固定スケール６０の図６中上面には、一個
の発光素子６２及び四個の受光素子６４ａ，６４ｂ，…
６４ｄが配置されている。発光素子６２及び各受光素子
６４のリード線は、プリント基板６６に固定されている
。前記可動スケール２２には、図８に示す第一格子６８
が設けられ、Ｘ軸に平行な格子が形成されている。

【００１７】一方、固定スケール６０は、図９から明ら
かなように、第二格子７２及び第三格子７４ａ，７４ｂ
，…７４ｄを備えている。そして、第二格子７２は前記
発光素子６２に対応する透過式格子よりなり、また第三
格子７４ａ，７４ｂ，…７４ｄはそれぞれ受光素子６４
ａ，６４ｂ，…６４ｄに対応する透過格子よりなる。 このため、発光素子６２から出光した光Ｌは第二格子７
２を介して第一格子６８に反射され、該反射光は第三格
子７４ａ，７４ｂ，…７４ｄを介して受光素子６４ａ，
６４ｂ，…６４ｄに受光される。

【００１８】以上のように、本実施例にかかる光電型エ
ンコーダは、Ｙ方向への相対移動に対して第二格子部７
２、第一格子６８、第三格子７４ａ，７４ｂ，…７４ｄ
、受光素子６４ａ，６４ｂ，…６４ｄが、三格子型変位
検出器として機能する。すなわち、三格子型変位検出器
は図１０に示すように３枚の格子の重なり合いの変化に
より変位量を検出するものである（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏ
ｆ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆＡ
ｍｅｒｉｃａ，　１９６５，　ｖｏｌ．５５，　Ｎｏ．
４，　ｐ３７３−３８１）。

【００１９】図１０に示す三格子型変位検出器は、平行
配置された第二格子７２及び第三格子７４と、両格子７
２，７４の間に相対移動可能に平行配置された第一格子
６８と、前記第二格子７２の図中左側に配置された発光
素子６２と、前記第三格子７４の図中右側に配置された
受光素子６４と、を含む。そして、発光素子６２から出
射された光は第二格子７２、第一格子６８、第三格子７
４を介して受光素子６４に至り、該受光素子６４は各格
子７２，６８，７４で制限された照明光を光電変換し、
更にプリアンプ７８で増幅して検出信号ｓを得る。

【００２０】ここで、第一格子６８が、第二格子７２及
び第三格子７４に対して例えばｘ方向に相対移動すると
、発光素子６２からの照明光のうち、格子７２，６８，
７４により遮蔽される光量が徐々に変化し、検出信号ｓ
は略正弦波として出力される。そして、前記第一格子６
８のピッチＰ１と検出信号ｓの波長Ｐが対応し、該検出
信号ｓの波長及びその分割値より前記第一格子６８の相
対移動量を測定するものである。

【００２１】従って、第一格子６８を可動スケール２２
に、第二格子７２及び第三格子７４を固定スケール６０
にそれぞれ設置することにより、両スケールの相対移動
量を検出することができる。そして、第三格子７４ａに
はＡｙ相用の格子、第三格子７４ｂにはＡｙ’相用の格
子、第三格子７４ｃにはＢｙ相用の格子、第三格子７４
ｄにはＢｙ’相用の格子がそれぞれＸ軸に平行に形成さ
れている。

【００２２】 従って、Ａｙ＝Ｏ゜とすると、Ａｙに対してＡｙ’＝１
８０゜（１／２Ｐ３’異なる）Ｂｙ＝９０゜（１／４Ｐ
３’異なる） Ｂｙ’＝２７０゜（３／４Ｐ３’異なる）となるように
目盛が付けられている。

【００２３】この結果、受光素子６４ａ，６４ｂ，６４
ｃ，６４ｄからは、それぞれπ／２ずつ位相のずれたＡ
ｙ相、Ａｙ’相、Ｂｙ相、Ｂｙ’相の信号を得ることが
でき、Ａｙ相−Ａｙ’相より差動振幅増幅されたＡｙ相
出力を、またＢｙ相−Ｂｙ’相より差動振幅増幅された
Ｂｙ相出力を得る。そして、該Ａｙ相出力及びＢｙ相出
力の位相のずれ方向等よりスケールのＸ方向への相対移
動方向の弁別を行なうと共に、電気的に検出信号の分割
を行ない、分解能の高い変位量検出を行なっている。以
上のように、本実施例にかかる変位検出手段１８によれ
ば、Ｙ方向への移動方向及び移動距離を非接触で正確に
検出することができる。

【００２４】以上説明したように本実施例にかかる振動
ジャイロによれば、振動子１４を極めてシンプルな構成
とすることができ、圧電素子等の貼着も要求されないた
め、誤差を低減させることができる。また、振動子とは
非接触の光電型エンコーダを用いてＹ軸方向の振幅を検
出し角速度ωを得ているので、角速度ωを高分解能、高
精度で測定することができる。

【００２５】また、前記実施例において、ハウジング１
９と振動子１４の線膨張係数がほぼ等しいことが好適で
ある。すなわち、ハウジング１９と振動子１４の線膨張
係数が大きく異なると、温度変化により可動スケール２
２と固定スケール６０の間隙が変化し、測定誤差を増大
するおそれがあるためである。

【００２６】また、ハウジング１９内は密閉構造とされ
ることが好適である。すなわち、ハウジング１９内の気
圧変化により振動子１４の振動に影響を与えるおそれが
あるためである。

【００２７】なお、前記実施例においては励振コイル２
６への印加電圧をパルス状としたが、例えば図１１（Ａ
）に示すように正弦波状電圧を印加してもよい。このと
きは同図（Ｂ）に示すように鋸歯状電圧を正弦波状電圧
に同期させてつくり、ｔ０，ｔ２で位相確認を行ない、
ｔ１，ｔ３でＹ軸方向の振幅を読取る。

【００２８】また、前記実施例においては円柱状の振動
子を用いたが、例えば図１２（Ａ）に示す断面正四角形
状、同図（Ｂ）に示す円筒状、同図（Ｃ）に示す正四角
筒状、或いは八角形状等を採用することも可能である。 さらに、振動子の形状を図１３（Ａ）に示すように段付
き形状、或いは同図（Ｂ）に示すようにテーパ状とする
ことも好適である。振動子はＸ軸回りの慣性モーメント
と、Ｙ軸回りの慣性モーメントが略同一であり、共振周
波数ｆが実質的に等しいことが要求される。

【００２９】又、前記実施例においては加振コア２４と
対向する振動子部分に強磁性体筒を用いたが、例えば磁
石等を用いることも好適である。

【００３０】図１４及び図１５には本発明の第二実施例
にかかる振動ジャイロの要部が示されており、前記第一
実施例と対応する部分には符号１００を加えて示し、説
明を省略する。本実施例にかかる振動ジャイロにおいて
は、振動子１１４の図中下部の一側面に加振手段として
の圧電素子１１６を設け、該圧電素子１１６に周期的に
電圧を印加することにより振動子１１４を一定周期で振
動させるものである。振動子が円柱或いは円筒状である
ときには、図１５に示すように圧電素子１１６貼着部分
を平面に加工すれば圧電素子の貼着が容易であり、振動
に歪も生じにくい。

【００３１】更に、円柱ないし円筒状振動子１１４の基
部を略四角柱形状に形成し、各平面部１８０ａ，１８０
ｂ，…１８０ｄをＸ軸及びＹ軸に対称とすることにより
、Ｘ軸、Ｙ軸方向の共振周波数を等しくすることができ
る。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明にかかる振動
ジャイロによれば、振動手段の変位を非接触で検出する
こととしたので、簡単な構成で極めて正確な角速度検出
を行なうことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例にかかる振動ジャイロの概
略構成の説明図である。

【図２】，

【図３】図１に示した振動ジャイロの角速度測定原理の
説明図である。

【図４】図１に示した振動ジャイロの角速度演算手段の
説明図である。

【図５】図１に示した振動ジャイロへの低周波外乱の影
響の説明図である。

【図６】，

【図７】，

【図８】，

【図９】，

【図１０】図１に示した振動ジャイロの変位検出手段の
説明図である。

【図１１】励振コイルへの印加電圧波形の例の説明図で
ある。

【図１２】，

【図１３】振動子の例の説明図である。

【図１４】，

【図１５】本発明の第二実施例にかかる振動ジャイロの
概略構成の説明図である。

【符号の説明】

１２，１１２　　ベース １４，１１４　　振動子 １６，１１６　　加振手段 １８　　変位検出手段 ５０　　角速度演算手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ベースに立設された振動手段と、前記
   振動手段にＸ軸方向の振動力を印加する加振手段と、前
   記振動手段に設置された可動スケールと、該可動スケー
   ルと対向配置された固定スケールを有し、前記振動手段
   のＹ軸方向への変位を検出する変位検出手段と、前記変
   位検出手段のＹ軸方向への変位量より、角速度を演算す
   る角速度演算手段と、を備えたことを特徴とする振動ジ
   ャイロ。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の振動ジャイロにおいて
   、加振手段は振動手段に近接配置された励振コイルより
   なることを特徴とする振動ジャイロ。
3. 【請求項３】　　請求項１記載の振動ジャイロにおいて
   、加振手段は振動手段に貼着された圧電素子よりなるこ
   とを特徴とする振動ジャイロ。
4. 【請求項４】　　請求項１〜３記載の振動ジャイロにお
   いて、変位検出手段は光電型エンコーダであることを特
   徴とする振動ジャイロ。