JPH04337416A - 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、駆動用或いは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
制御あるいは変位検出に大きな影響を与え、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、シャフ
トと、加振手段と、変位検出手段と、振動制御手段と、
角速度演算手段とを含む。そして、振動手段はベースに
支持され、Ｘ，Ｙ軸方向に略同一の共振周波数を有する
ように構成されている。また、シャフトは前記振動手段
の振動中心を貫通してＺ軸方向に伸長している。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】

【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、加振手段によりシャフトを介して振動手段
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、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。

【０００８】

【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。

【０００９】同図に示す振動ジャイロ１０は、ベースと
してのハウジング１２と、該ハウジング１２に外周を支
持された振動手段としての板バネ１３と、該板バネ１３
の中央部を貫通して図中上下方向に伸長するシャフト１
４と、シャフト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１８，１８’とを備
える。そして、ハウジング１２は筒状に形成され、該ハ
ウジング１２はその上端及び下端で同一構成の変位検出
手段１８，１８’を支持している。

【００１０】図２には本実施例にかかる振動ジャイロに
用いられる板バネ１３が示されており、同図（Ａ）は側
面図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は変位検出手段１８をシ
ャフト１４の上部に設置した状態の上面図である。同図
より明らかなように、前記板バネ１３はＸ字状に形成さ
れ、Ｘ方向及びＹ方向の共振周波数は略同一である。一
方、図１に示すようにシャフト１４の上部には角柱状強
磁性体よりなる筒２０が嵌合され、さらにシャフト１４
の上端には可動スケール２２が設けられている。なお、
本実施例においてはシャフト１４の下部も全く同一の構
成を有し、筒２０’及び可動スケール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とで構成され、
ブッシュ２８を介してハウジング１２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。

【００１１】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３及び図４により角速度
の検出機構を説明する。まず、図３に示すように、励振
コイル２６を所定の周期（図４（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４（Ｂ））。そうすると、シャフト１４を介して板
バネ１３が図３に点線で示すように撓み、板バネ１３及
びシャフト１４が振動を開始する。そして、この励振コ
イル２６の励磁周期を調整し、シャフト１４を板バネ１
３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４（Ｃ））。

【００１２】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４（Ｄ））。前述したように板バネ１３の
共振周波数ｆは、Ｘ軸，Ｙ軸方向ともに同じであるから
、シャフト１４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。なお、本実施例においては、シャフト１４の両端に
変位検出手段１８，１８’を配置しているので、一端に
のみ変位検出手段を配置した場合と比較し、２倍の分解
能が得られる。また、図３に示すように単純な加速度や
遠心力による外乱Ｆｘはシャフト１４の両端に同様に作
用するため、互いに相殺され誤差を防ぐことができる。

【００１３】次に本発明において用いられる振動制御手
段について説明する。前述したように、角速度ωが加わ
ると、シャフト１４は図５に示すような軌跡を描く。一
方、角速度ωはＹ軸の速度Ｖｙ（速度最大点＝Ｙ軸振幅
がゼロになる点）に比例する。また、Ｖｙは、Ｖｘ（Ｘ
軸方向速度）にも比例するため、Ｖｘを一定に制御すれ
ば角速度ωはＶｙの変化のみに比例することとなる。

【００１４】ここで、シャフト１４の原点からの距離Ｘ
及び速度Ｖはそれぞれ次の数１により示される。

【数１】Ｘ＝Ｐｘ・ｓｉｎωｔ＝Ｐｘ・ｓｉｎ２πｆ・
ｔ Ｖ＝ｄＸ／ｄｔ＝２πｆ・Ｐｘ・ｃｏｓ２πｆ・ｔなお
、Ｐｘ：最大振幅，ｆ：周波数，ｔ：時間である。 前記数１より、最大速度はｃｏｓ２πｆ・ｔ＝１又は−
１の時に、Ｖｘ＝２πｆ・Ｐｘとなる。また、周波数ｆ
は一定であるので、振幅Ｐｘのみ一定になるように制御
すれば足りる。

【００１５】そこで、図６に示すように本実施例にかか
る振動制御手段３０としてフィードバック制御機構を採
用し、Ｄ／Ａコンバータ３２、演算器３４、パルス幅変
調器３６、発振器３８より構成している。そして、Ｘ軸
エンコーダ１８ａにより検出されるＸ方向振幅はＤ／Ａ
コンバータ３２によりアナログ化され、演算器３４で目
標振幅値４０と比較される。そして、この比較結果はパ
ルス幅変調器３６に入力され、前記目標振幅値と実測振
幅値が一致するようにパルス幅をフィードバック制御す
る。なお、パルス幅変調器３６の発振周波数は発振器３
８により制御されており、一定（共振周波数）に保たれ
る。

【００１６】一方、角速度演算手段は次の図７に示すよ
うに構成される。すなわち、本実施例にかかる角速度演
算手段５０は、カウンター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
はカウンター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８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。

【００１７】次に、図９〜図１３に基づき本発明の変位
検出手段１８について説明する。図９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１０には図９Ｘ
−Ｘ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６
０を含み、両スケールの相対移動量を検出するものであ
る。固定スケール６０の図９中上面には、一個の発光素
子６２及び八個の受光素子６４ａ，６４ｂ，…６４ｈ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。

【００１８】前記可動スケール２２には、図１１に示す
第一格子６８が設けられ、該第一格子６８は各五角形状
の反射格子部７０ａ，７０ｂ，…７０ｄを含む十字状反
射式格子よりなる。格子部７０ａ，７０ｂにはＹ軸に平
行な格子が形成され、格子部７０ｃ，７０ｄにはＸ軸に
平行な格子が形成されている。一方、固定スケール６０
は、図１２から明らかなように、第二格子７２及び第三
格子７４ａ，７４ｂ，…７４ｈを備えている。そして、
第二格子７２は前記発光素子６２に対応する各三角形状
の透過格子部７６ａ，７６ｂ，…７６ｄを含む十字状透
過式格子よりなる。また第三格子７４ａ，７４ｂ，…７
４ｈはそれぞれ受光素子６４ａ，６４ｂ，…６４ｈに対
応する透過格子よりなる。

【００１９】このため、発光素子６２から出光した光Ｌ
は第二格子部７６ａ，７６ｂ，…７６ｄ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
，…７４ｈを介して受光素子６４ａ，６４ｂ，…６４ｈ
に受光される。以上のように、本実施例にかかる光電型
エンコーダは、Ｘ方向への相対移動に対しては第二格子
部７６ａ，７６ｂ、第一格子部７０ａ，７０ｂ、第三格
子部７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ、受光素子６４ａ
，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄが、それぞれ三格子型変位検
出器として機能する。また、Ｙ方向への相対移動に対し
ては第二格子部７６ｃ，７６ｄ、第一格子部７０ｃ，７
０ｄ、第三格子部７４ｅ，７４ｆ，７４ｇ，７４ｈがそ
れぞれ三格子型変位検出器として機能する。

【００２０】すなわち、三格子型変位検出器は図１３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　ｏｆｔｈｅ　
ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆＡｍｅｒｉｃａ
，　１９６５，ｖｏｌ．５５，　Ｎｏ．４，　ｐ３７３
−３８１）。図１３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。

【００２１】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７４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。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。

【００２２】そして、前記第一格子６８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。従って、第一格子６８を可動スケール２
２に、第二格子７２及び第三格子７４を固定スケール６
０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。

【００２３】そして、本実施例においては第一格子６８
の格子部７０ａ，７０ｂはＹ軸に平行でピッチＰ１の格
子が形成され、格子部７０ｃ，７０ｄはＸ軸に平行でピ
ッチＰ１’の格子が形成されている。また、第二格子７
２の格子部７６ａ，７６ｂにはＹ軸に平行でピッチＰ２
の格子が形成され、格子部７６ｃ，７６ｄにはＸ軸に平
行でピッチＰ２’の格子が形成されている。

【００２４】更に、第三格子７４ａにはＡｘ相用の格子
、第三格子７４ｂにはＡｘ’相用の格子、第三格子７４
ｃにはＢｘ相用の格子、第三格子７４ｄにはＢｘ’相用
の格子がそれぞれＹ軸に平行にピッチＰ３で形成され、
第三格子７４ｅにはＡｙ相用の格子、第三格子７４ｆに
はＡｙ’相用の格子、第三格子７４ｇにはＢｙ相用の格
子、第三格子７４ｈにはＢｙ’相用の格子がそれぞれＸ
軸に平行にピッチＰ３’で形成されている。

【００２５】従って、Ａｘ＝０゜とすると、Ａｘに対し
、 Ａｘ’＝１８０゜（１／２Ｐ３異なる）Ｂｘ＝９０゜（
１／４Ｐ３異なる） Ｂｘ’＝２７０゜（３／４Ｐ３異なる）また、Ａｙ＝Ｏ
゜とすると、Ａｙに対してＡｙ’＝１８０゜（１／２Ｐ
３’異なる）Ｂｙ＝９０゜（１／４Ｐ３’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。

【００２６】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
ｘ相、Ａｘ’相、Ｂｘ相、Ｂｘ’相の信号を得ることが
でき、Ａｘ相−Ａｘ’相より差動振幅増幅されたＡｘ相
出力を、またＢｘ相−Ｂｘ’相より差動振幅増幅された
Ｂｘ相出力を得る。そして、該Ａｘ相出力及びＢｘ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。

【００２７】一方、受光素子６４ｅ，６４ｆ，６４ｇ，
６４ｈからはそれぞれπ／２ずつ位相のずれたＡｙ相、
Ａｙ’相、Ｂｙ相、Ｂｙ’相の信号を得ることができ、
前記Ｘ方向と同様にしてスケール２２，６０のＹ方向の
位相弁別及び相対移動距離を検出することができる。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、一の光電型エンコーダでＸ方向及びＹ方向の移動方
向及び移動距離を検出することができる。

【００２８】尚、Ｘ軸方向検出用の各格子、及びＹ軸方
向検出用の各格子はそれぞれ対応する格子と同一のピッ
チでもよいが、各方向毎に異なる精度等を要求する場合
には異なるピッチとすることも好適である。

【００２９】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、シャフト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、シャフト
１４には撓みを要求されず、板バネ１３を撓ませて振動
を得ているので、駆動力を小さく、且つ振幅を大きくす
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Ｘ軸方向の振動の振幅、周波数を制御す
ると共に、同一の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。

【００３０】また、前記実施例において、ハウジング１
２とシャフト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１２とシャフト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２２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。

【００３１】また、ハウジング１２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１２内の気
圧変化によりシャフト１４の振動に影響を与えるおそれ
があるためである。

【００３２】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１４（Ａ
）に示すように正弦波状電圧を印加してもよい。このと
きは鋸歯状電圧を正弦波状電圧に同期させて作り、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。また、前記実施例においては円柱状のシャ
フトを用いたが、シャフト自体にはＸ，Ｙ方向への同一
の撓み率及び共振周波数を要求されないため、任意の形
状を採用することができる。

【００３３】なお、板バネ１３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。この条
件を満たせば、振動手段の内容は限定されるものではな
い。例えば図１５（Ａ）に示すように、板バネをＸ，Ｙ
軸と一致させて十字状に構成することも好適であり、ま
た同図（Ｂ）に示すように切込みのない板バネを用いる
ことも好適である。

【００３４】また、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。また、前記実施例に
おいては、Ｘ軸方向の振動制御をフィードバック制御す
ることとしているが、Ｘ軸方向の振動が十分に精度高く
行なわれるならば、Ｘ軸方向のフィードバック振動制御
を行なう必要は必ずしもない。

【００３５】また、変位検出手段はシャフトの一端にの
み設けることも可能である。この場合、シャフトはその
両側において同じダイナミックバランスを得ることが好
適である。更に、Ｘ軸方向の変位検出手段をシャフトの
一端に、またＹ軸方向の変位検出手段をシャフトの他端
に設置することも可能である。

【００３６】

【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、Ｘ，Ｙ方向に略同一の共振周波数を
有する振動手段を振動させ、その振動をシャフトを介し
て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１に示した実施例にかかる振動ジャイロに用
いられる振動手段の説明図である。

【図３】，

【図４】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５】，

【図６】図１に示した振動ジャイロの振動制御手段の説
明図である。

【図７】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８】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９】，

【図１０】，

【図１１】，

【図１２】，

【図１３】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１４】励振コイルへの印加電圧波形の例の説明図で
ある。

【図１５】振動手段の例の説明図である。

【符号の説明】

１２　　ハウジング（ベース） １３　　板バネ（振動手段） １４　　シャフト １６　　加振手段 １８　　変位検出手段 ３０　　振動制御手段 ５０　　角速度演算手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ベースに支持されＸ，Ｙ軸方向に略同
   一の共振周波数を有する振動手段と、前記振動手段の振
   動中心を貫通してＺ軸方向に伸長するシャフトと、前記
   シャフトにＸ軸方向の振動力を印加する加振手段と、前
   記シャフト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、前記シャフト
   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。