JPH05215555A - Vibrating gyro - Google Patents

Vibrating gyro

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JPH05215555A
JPH05215555A JP4048051A JP4805192A JPH05215555A JP H05215555 A JPH05215555 A JP H05215555A JP 4048051 A JP4048051 A JP 4048051A JP 4805192 A JP4805192 A JP 4805192A JP H05215555 A JPH05215555 A JP H05215555A
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JP
Japan
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vibrating
axis direction
ferromagnetic
vibrator
angular velocity
Prior art date
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Pending
Application number
JP4048051A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shingo Kuroki
真吾 黒木
Toshiaki Horikawa
俊朗 堀川
Mikio Suzuki
幹男 鈴木
Wataru Ishibashi
渡 石橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Original Assignee
Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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Publication date
Application filed by Mitutoyo Corp, Mitsutoyo Kiko Co Ltd filed Critical Mitutoyo Corp
Priority to JP4048051A priority Critical patent/JPH05215555A/en
Publication of JPH05215555A publication Critical patent/JPH05215555A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain a compact and highly accurate gyro by oscillating a vibrating means with an excitation coil and a ferromagnetic piece with approximately resonant frequency in an X-axis direction, detecting displacement in a Y-axis direction and calculating an input angle speed from them. CONSTITUTION:A vibrating gyro 10 is equipped with a displacement detecting means 18 comprising a base 12, a vibrator 14, an oscillating means 16 and a photoelectric encoder. The oscillating means 16 has a ferromagnetic cylinder 24, an excitation coil 26 and a ferromagnetic piece 28. When the coil 26 is magnetized with predetermined intervals, magnetic force is generated on the cylinder 24 so that it is attracted toward the ferromagnetic piece 28 periodically. The magnetization period of the coil 26 is adjusted to close to resonant frequency of the vibrator 14 and vibration is forced in an X-axis direction. Then a known angle speed is input, an output waveform of the coil 26 is compared with a Y-axis direction vibrating waveform generated by Corioli's force and vibrating speed is adjusted to be at a constant value. Thus when an unknown angle speed is input, the angle speed can be detected by measuring amplitude of the vibration in the Y-axis direction.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は振動ジャイロ、特に振動
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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibrating gyro, and more particularly to an improvement of a vibrating gyro which obtains an angular velocity from Coriolis force acting in a direction orthogonal to a vibrating direction of a vibrating means.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art Conventionally, a gyro has been used only for a special purpose such as a ship or an aircraft, but in recent years, it has also been used for a navigation system for a private car or a self-propelled robot that does not require a track. It is like this.
These systems integrate the output of the gyro to determine the azimuth, integrate the moving speed to obtain the moving distance, and grasp the current position based on the azimuth and the moving distance. Will also be accumulated. For this reason, gyros used in these fields are required to have extremely high angular velocity detection functions as well as severe conditions such as small size, low price, and high durability, and it is an urgent need to develop a gyro that meets these requirements. ..

【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。
As a gyro, those based on various principles have been developed, but a so-called vibration gyro or tuning fork gyro has been drawing attention due to its high angular velocity detection sensitivity and the like (Japanese Patent Publication No. 2-57247). .. This vibrating gyro is an application of a phenomenon in which when a rotating angular velocity is applied to a vibrating object, a Coriolis force acts in a direction perpendicular to the vibrating object. Then, generally, a piezoelectric element or the like is attached to the vibrator, and a voltage is periodically applied to the driving piezoelectric element to vibrate the vibrator in a certain direction, and in a direction orthogonal to the vibration direction of the vibrator. The displacement amount of is detected by a separate detection piezoelectric element.

【0004】[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。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かつ小型でしかも角速度検
出感度、精度の高い振動ジャイロを提供することにあ
る。
However, although the theoretical angular velocity detecting mechanism of the vibration gyro itself is extremely excellent, the standard adjustment of the driving or detecting piezoelectric element, the bonding accuracy, the hysteresis characteristic, etc. Therefore, it has a great influence on vibration control or displacement detection, and it is difficult to obtain a large number of vibration gyros with high accuracy at low cost. The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object thereof is to provide a vibration gyro having a simple structure and a small size, high angular velocity detection sensitivity, and high accuracy.

【0005】[0005]

【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、前記振動手段に設けられた強磁性体部と、前記振
動手段の軸芯と同軸上に軸芯を有するように円筒状に巻
回され、かつ前記強磁性体部の周囲に近接して配置され
た励振コイルと、前記強磁性体部に近接して配置された
強磁性体片を有し、前記励振コイルに周期的に励磁電流
を流すことにより生じる強磁性体部と強磁性体片間の磁
力により前記振動手段に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。
In order to achieve the above object, a vibrating gyroscope according to the present invention includes a vibrating means, a vibrating means, a displacement detecting means, and an angular velocity calculating means. The vibrating means is erected on the base. Further, the vibrating means is cylindrically wound so as to have a ferromagnetic body portion provided in the vibrating means and an axial center coaxial with the axial center of the vibrating means, and A ferromagnetic body part having an exciting coil arranged in the vicinity of the periphery thereof and a ferromagnetic body piece arranged in the vicinity of the ferromagnetic body part, the ferromagnetic body part being generated by periodically flowing an exciting current in the exciting coil. And a magnetic force between the ferromagnetic pieces applies a vibrating force in the X-axis direction to the vibrating means.
The displacement detecting means detects the displacement of the vibrating means in the Y-axis direction. The angular velocity calculating means calculates the angular velocity from the displacement amount of the displacement detecting means in the Y-axis direction.

【0006】[0006]

【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、入力角速度ωに対応したコリオリの力F
c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。
Since the vibrating gyroscope according to the present invention has the above-mentioned means, the vibrating means forcibly vibrates the vibrating means in the X-axis direction at its substantially resonance frequency. When the angular velocity ω is input in this state, Coriolis force Fc corresponding to the angular velocity ω is generated in the Y-axis direction, and the vibrating means vibrates in the Y-axis direction. Therefore, the Coriolis force F corresponding to the input angular velocity ω
By detecting the displacement in the Y-axis direction generated by c with the displacement detecting means, the angular velocity calculating means can output the input angular velocity ω.

【0007】このように本発明にかかる振動ジャイロ
は、振動手段自体には駆動用圧電素子等が貼着されず、
振動に影響を与えない。このため、極めて正確な角速度
検出を行なうことができる。また、前記加振手段は、振
動手段の軸芯と同軸上に軸芯を有する円筒状に巻回され
ているため、コンパクトな構成となり振動ジャイロの小
型化が可能となる。
As described above, in the vibrating gyroscope according to the present invention, the driving piezoelectric element or the like is not attached to the vibrating means itself,
Does not affect vibration. Therefore, extremely accurate angular velocity detection can be performed. Further, since the vibrating means is wound in a cylindrical shape having an axis coaxial with the axis of the vibrating means, the vibrating gyro can be miniaturized with a compact structure.

【0008】[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。同図に示す振動ジャイロ10は、ベ
ース12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20が
設置され、該ハウジング20はその上端で変位検出手段
18を支持している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a vibrating gyroscope according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a side sectional view and FIG. 1B is a front sectional view. A vibrating gyroscope 10 shown in FIG. 1 includes a base 12, a vibrator 14 as a vibrating unit standing on the base 12, and a vibrating unit 16 for vibrating the vibrator 14.
And a displacement detecting means 18 including a photoelectric encoder. A cylindrical housing 20 is installed on the base 12, and the housing 20 supports the displacement detecting means 18 at its upper end.

【0009】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、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、側断面がT字型の段付き円
筒状に形成された強磁性体筒24と、前記振動子14の
軸芯と同軸上に軸芯を有するように円筒状に巻回された
励振コイル26と、直方体に形成された強磁性体片28
とを有している。そして、前記強磁性体筒24は、振動
子14の上部に嵌合されている。また、前記励振コイル
26は、強磁性体筒24の下方細筒部の周囲に近接して
配置され、ハウジング20の内壁に固定されたコイルボ
ビン21に巻回している。さらに、前記強磁性体片28
は、その平面部が強磁性体筒24の上方太筒部に近接し
て配置され、ハウジング20に嵌合されている。
The vibrator 14 is formed in the shape of a round bar, and the resonance frequencies in the X and Y directions are substantially the same. A movable scale 22 is provided on the upper end of the vibrator 14. Further, the vibrating means 16 is formed into a cylindrical shape so as to have a ferromagnetic cylinder 24 formed in a stepped cylindrical shape having a T-shaped cross section and an axial center coaxial with the axial center of the vibrator 14. Winding excitation coil 26 and ferromagnetic piece 28 formed in a rectangular parallelepiped
And have. The ferromagnetic tube 24 is fitted on the vibrator 14. Further, the exciting coil 26 is disposed near the lower thin cylindrical portion of the ferromagnetic cylinder 24 and wound around a coil bobbin 21 fixed to the inner wall of the housing 20. Further, the ferromagnetic piece 28
The flat portion is disposed close to the upper thick tubular portion of the ferromagnetic tube 24, and is fitted into the housing 20.

【0010】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、励振コイル26のコアとなる強磁性体筒24に磁力
が発生し、該強磁性体筒24は強磁性体片28に周期的
に引きつけられる(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。
The vibrating gyroscope 10 according to this embodiment is constructed as described above. Next, the angular velocity detecting mechanism will be described with reference to FIGS. 2 and 3. First, as shown in FIG. 2, when the exciting coil 26 is excited in a predetermined cycle (FIG. 3A), a magnetic force is generated in the ferromagnetic tube 24 that is the core of the exciting coil 26, and The tube 24 is periodically attracted to the ferromagnetic pieces 28 (FIG. 3 (B)). Then, the exciting cycle of the exciting coil 26 is adjusted to forcibly vibrate in the X-axis direction at the substantially resonant frequency f of the vibrator 14.

【0011】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))。 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(図3(E))。
Next, for example, by inputting a known angular velocity ω a ,
The output waveform of the excitation coil and the waveform of the amplitude in the Y-axis direction generated by the Coriolis force are compared, and the resonance frequency f and the output of the excitation coil are finely adjusted so that the vibration speed V x becomes a constant magnitude. (Fig. 3 (C)). On the other hand, when an unknown angular velocity ω is input, Coriolis force Fc corresponding to the angular velocity ω is generated in the Y-axis direction (FIG. 3 (D)). As described above, the resonance frequency f of the vibrator 14 is the same in both the X-axis and Y-axis directions, so the vibrator also vibrates in the Y-axis direction.
As a result, the Coriolis force, that is, the angular velocity ω can be detected by measuring the amplitude of vibration in the Y-axis direction (FIG. 3 (E)).

【0012】次に前記振動子14のX軸方向の振動を制
御するための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、振動子14は図4に示す
ような軌跡を描く。一方、角速度ωはY軸方向の速度V
y(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。ここで、振動子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。
Next, the vibration control means for controlling the vibration of the vibrator 14 in the X-axis direction will be described. As described above, when the angular velocity ω is applied, the vibrator 14 draws a locus as shown in FIG. On the other hand, the angular velocity ω is the velocity V in the Y-axis direction.
It is proportional to y (maximum velocity point = point where Y-axis amplitude becomes zero). Since Vy is also proportional to Vx (velocity in the X-axis direction), if Vx is controlled to be constant, the angular velocity ω will be proportional to only the change in Vy. Here, the distance X from the origin of the vibrator 14 and the velocity V are respectively expressed by the following equation 1.

【0013】[0013]

【数1】X=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。
X = Px · sin2πf · t V = dX / dt = 2πf · Px · cos2πf · t Px: maximum amplitude, f: frequency, t: time.
From the above formula 1, the maximum speed is cos2πf · t = 1 or −
When 1, Vx = 2πf · Px. Also, the frequency f
Is constant, it is sufficient to control only the amplitude Px to be constant.

【0014】そこで、図5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。
Therefore, as shown in FIG. 5, a feedback control mechanism is adopted as the vibration control means 30 according to the present embodiment, and is composed of a D / A converter 32, a calculator 34, a pulse width modulator 36, and an oscillator 38. There is. The X-direction amplitude detected by the X-axis encoder 18a is D / A.
The analog signal is converted by the converter 32 and compared with the target amplitude value 40 by the calculator 34. Then, the comparison result is input to the pulse width modulator 36, and the pulse width is feedback-controlled so that the target amplitude value and the actually measured amplitude value match. The oscillation frequency of the pulse width modulator 36 is the oscillator 3
8 and is kept constant (resonance frequency).

【0015】次に本発明において用いられる角速度演算
手段について説明する。図6に示すように本実施例にか
かる角速度演算手段50は、カウンター52と乗算器5
4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7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。
Next, the angular velocity calculation means used in the present invention will be described. As shown in FIG. 6, the angular velocity calculation means 50 according to this embodiment includes a counter 52 and a multiplier 5.
Including 4. Then, the Y-direction amplitude input from the Y-axis encoder 18b is digitized by the counter 52, and further multiplied by the fixed constant A by the multiplier 54. Since the angular velocity ω is proportional to the amplitude in the Y direction, the multiplication value becomes the angular velocity ω by appropriately adjusting the fixed constant A. In the present invention, since the angular velocity ω is obtained by measuring the amplitude in the Y-axis direction as described above, even if a low frequency disturbance is superposed as shown in FIG.

【0016】次に、図8〜図12に基づき本発明の変位
検出手段18について説明する。図8には本実施例にお
いて変位検出手段として用いられる光電型エンコーダの
基本構成を示す縦断面図が示されており、また図9には
図8XIII−XIII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。固定スケール60の図8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。前記可動スケール22には、図10に示す第一格子
68が設けられ、該第一格子68はマトリックス状の長
方形島状反射格子部7011,7012…701n、70 21
7022…702n、…、70m1,70m2,…70mnを含む
反射式格子よりなる。格子部70のX軸(列)方向への
並びはY軸に平行なピッチP1の格子を構成し、格子部
70のY軸(行)方向への並びはX軸に平行なピッチP
1'の格子を構成する。
Next, the displacement of the present invention will be described with reference to FIGS.
The detection means 18 will be described. FIG. 8 shows this embodiment.
Of a photoelectric encoder used as a displacement detection means
A vertical sectional view showing the basic structure is shown, and FIG.
FIG. 8 is a sectional view taken along line XIII-XIII. In the figure
The photoelectric encoder 18 is fixed to the movable scale 22.
Detects the relative movement of both scales, including scale 60
It is something. On the upper surface of the fixed scale 60 in FIG.
Light emitting elements 62 and eight light receiving elements 64a, 64b,
... 64h is arranged. Light emitting element 62 and each light receiving element
The lead wire of the child 64 is fixed to the printed circuit board 66.
It The movable scale 22 has a first grating shown in FIG.
68 is provided, and the first lattice 68 has a matrix-like length.
Rectangular island reflection grating 7011, 7012… 701n, 70 21
70twenty two… 702n, ..., 70m1, 70m2, ... 70mnincluding
It consists of a reflective grating. In the direction of the X-axis (row) of the lattice part 70
Lined up is pitch P parallel to Y axis1The lattice part, and the lattice part
The arrangement of 70 in the Y-axis (row) direction is the pitch P parallel to the X-axis.
1'Constitute the lattice.

【0017】一方、固定スケール60は、図11から明
らかなように、第二格子72及び第三格子74a,74
b,…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76
a,76b,…76dを含む透過式格子よりなる。また
第三格子74a,74b,…74h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。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,…74
hを介して受光素子64a,64b,…64hに受光さ
れる。
On the other hand, the fixed scale 60 has a second grating 72 and third gratings 74a, 74, as is apparent from FIG.
b, ... 74h. The second grating 72 has a triangular transmission grating portion 76 corresponding to the light emitting element 62.
It is composed of a transmission type grating including a, 76b, ... 76d. , 74h are transmission gratings corresponding to the light receiving elements 64a, 64b ,. Therefore, the light L emitted from the light emitting element 62 is reflected by the first grating 68 via the second grating portions 76a, 76b, ... 76d, and the reflected light is the third gratings 74a, 74b ,.
The light is received by the light receiving elements 64a, 64b, ... 64h via h.

【0018】以上のように、本実施例に用いられる光電
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68の列方向への並
び、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
68の行方向への並び、第三格子部74e,74f,7
4g,74hがそれぞれ三格子型変位検出器として機能
する。
As described above, in the photoelectric encoder used in this embodiment, the second grating portions 76a and 76b and the first grating portion 68 are arranged in the column direction and The three grating portions 74a, 74b, 74c, 74d and the light receiving elements 64a, 64b, 64c, 64d each function as a three grating type displacement detector. Further, with respect to relative movement in the Y direction, the second lattice portions 76c, 76d, the first lattice portion 68 are arranged in the row direction, and the third lattice portions 74e, 74f, 7 are arranged.
4g and 74h each function as a three-lattice type displacement detector.

【0019】すなわち、三格子型変位検出器は図12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 of the optical societ
y ofAmerica, 1965, vol.55, No.4, p373-381)。図12
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72,74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。
That is, the three-grating type displacement detector detects the amount of displacement by the change in the overlapping of three gratings as shown in FIG. 12 (Journal of the optical societ).
y of America, 1965, vol.55, No.4, p373-381). 12
The three-grating type displacement detector shown in FIG. 2 includes a second grating 72 and a third grating 74 arranged in parallel, a first grating 68 arranged in parallel so as to be relatively movable between the two gratings 72, 74, and the second grating. It includes a light emitting element 62 arranged on the left side of the grating 72 in the drawing, and a light receiving element 64 arranged on the right side of the third grating 74 in the drawing. Then, the light emitted from the light emitting element 62 reaches the light receiving element 64 via the second grating 72, the first grating 68, and the third grating 74, and the light receiving element 64 has the respective gratings 72, 68, 74.
The photoelectric conversion of the illumination light limited by the
Amplify with to obtain a detection signal s.

【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72,6
8,74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可動スケール22に、第二格子72及び第三格子7
4を固定スケール60にそれぞれ設置することにより、
両移動部材の相対移動量を検出することができる。そし
て、本実施例においては第一格子68の格子部70のX
軸方向への並びはY軸に平行でピッチP1の格子が構成
し、格子部70のY軸方向への並びはX軸に平行でピッ
チP1'の格子を構成している。また、第二格子72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。
Here, when the first grating 68 moves relative to the second grating 72 and the third grating 74, for example, in the x direction, the gratings 72, 6 of the illumination light from the light emitting element 62 are moved.
The amount of light blocked by 8, 74 gradually changes, and the detection signal s is output as a substantially sine wave. The pitch P 1 of the first grating 68 corresponds to the wavelength P of the detection signal s, and the first grating 68 is determined from the wavelength of the detection signal s and its division value.
The relative movement amount of is measured. Therefore, the second grating 72 and the third grating 7 are attached to the movable scale 22 of the first grating 68.
By installing 4 on the fixed scale 60 respectively,
The relative movement amount of both moving members can be detected. Then, in the present embodiment, X of the lattice portion 70 of the first lattice 68 is
The arrangement in the axial direction constitutes a lattice having a pitch P 1 parallel to the Y axis, and the arrangement of the lattice portions 70 in the Y axis direction constitutes a lattice having a pitch P 1 ′ parallel to the X axis. Further, the grating portions 76a and 76b of the second grating 72 are formed with gratings parallel to the Y axis and having a pitch P 2 and the grating portions 76c and 76d are formed with gratings parallel to the X axis and having a pitch P 2 ′. There is.

【0021】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7
4c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74
f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。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゜(1/2P3'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。この結果、受光素
子64a,64b,64c,64dからは、それぞれπ
/2ずつ位相のずれたAx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A
x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。
Further, the third lattice 74a has an Ax phase lattice, the third lattice 74b has an Ax 'phase lattice, and the third lattice 7
4c has a Bx phase lattice, the third lattice 74d has a Bx ′ phase lattice formed at a pitch P 3 parallel to the Y axis, and the third lattice 74e has an Ay phase lattice and a third lattice. 74
A lattice for Ay ′ phase is formed on f, a lattice for By phase on the third lattice 74g, and a lattice for By ′ phase on the third lattice 74h are formed in parallel with the X axis at a pitch P 3 ′. .. Therefore,
When Ax = 0 °, Ax ′ = 180 ° (1 / 2P 3 different) Bx = 90 ° (1 / 4P 3 different) Bx ′ = 270 ° (3 / 4P 3 different) Ay = When O °, '(different Ay 1 / 2P 3) = 180 °' to Ay By a = 90 ° (1 / 4P 3 'differs) By a' = 270 ° (3 / 4P 3 'differs) and so as Is graduated. As a result, from the light receiving elements 64a, 64b, 64c, 64d, respectively, π
Ax phase, Ax 'phase, Bx phase, Bx' that are out of phase by 1/2
A phase signal can be obtained, and an Ax phase output differentially amplified by the Ax phase-Ax 'phase and a Bx phase output differentially amplified by the Bx phase-Bx' phase are obtained. And the A
Discrimination is made in the relative movement direction of the scale in the X direction based on the phase shift direction of the x-phase output and the Bx-phase output, and the detection signal is electrically divided to detect the displacement amount with high resolution.

【0022】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。
On the other hand, the light receiving elements 64e, 64f, 64g,
From 64h, Ay phase with phase shift of π / 2 each,
Ay′-phase, By-phase, and By′-phase signals can be obtained, and the phase discrimination and relative movement distance of the scales 22 and 60 in the Y direction can be detected in the same manner as in the X direction.

【0023】以上のように、本実施例に用いられる変位
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。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。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X軸方向の振動の振幅を制御すると共に、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。
As described above, according to the displacement detecting means 18 used in this embodiment, the movement direction and the movement distance in the X direction and the Y direction can be detected by one photoelectric encoder. The X-axis direction detecting gratings and the Y-axis direction detecting gratings may have the same pitch as the corresponding gratings, but different pitches are required when different accuracy is required for each direction. It is also suitable. As described above, according to the vibrating gyroscope of this embodiment, the vibrator 14
Can have an extremely simple configuration, and since it is not required to attach a piezoelectric element or the like, the error can be reduced. Moreover, since the amplitude of the vibration in the X-axis direction is controlled by using a photoelectric encoder that is not in contact with the vibrator and the amplitude in the Y-axis direction is detected by the same encoder, the angular velocity ω is obtained. It is possible to measure ω with high resolution and high accuracy.

【0024】さらに、加振手段として励振コイル26を
ハウジング20の内壁に固定されたコイルボビン21に
巻回しているため、該ハウジング20から突起すること
なくコンパクトな構成とすることができる。なお、前記
実施例においては強磁性体筒の形状を段付き円筒状とし
てが、該段付き円筒状の上段部、即ち測面が強磁性体片
と近接する部分の形状を、例えば図13(A)に示す八
角筒状、或いは同図(B)に示す正四角筒状とすること
も可能である。また、前記実施例においては加振手段を
振動子の上部付近に設けたが、前記図1に示す加振手段
の上下方向を逆向きにして、図14に示すように振動子
の下部付近に設けることも可能である。
Further, since the exciting coil 26 is wound around the coil bobbin 21 fixed to the inner wall of the housing 20 as a vibrating means, a compact structure can be realized without protruding from the housing 20. In the above-mentioned embodiment, the shape of the ferromagnetic cylinder is a stepped cylinder, but the shape of the upper part of the stepped cylinder, that is, the part where the measuring surface is close to the ferromagnetic piece is shown in FIG. The octagonal tubular shape shown in A) or the regular square tubular shape shown in FIG. Further, although the vibrating means is provided in the vicinity of the upper portion of the vibrator in the above-mentioned embodiment, the vibrating means shown in FIG. It is also possible to provide.

【0025】なお、前記実施例において、ハウジング2
0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20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。また、ハウジング20内
は密閉構造としヘリウム等の不活性ガスを封入するか、
あるいは真空とすることが好適である。すなわち、ハウ
ジング20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。
In the above embodiment, the housing 2
It is preferable that the coefficient of linear expansion of 0 and the vibrator 14 are substantially equal. That is, when the linear expansion coefficients of the housing 20 and the vibrator 14 are significantly different, the movable scale 2 is affected by temperature change.
This is because the gap between 2 and the fixed scale 60 may change, which may increase the measurement error. In addition, the inside of the housing 20 should be of a closed structure and filled with an inert gas such as helium,
Alternatively, a vacuum is suitable. That is, there is a possibility that the vibration of the vibrator 14 may be affected by the change in atmospheric pressure inside the housing 20.

【0026】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15
(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、
0,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振動
子を用いたが、例えば図16(A)に示す円筒状、同図
(B)に示す断面正四角形状、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。
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。さらに、振動子の形状を図17
(A)に示すように上細段付き形状、同図(B)に示す
ように下細段付き形状、或いは同図(C)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。
In the above embodiment, the exciting coil 2
Although the voltage applied to 6 is pulsed, for example, as shown in FIG.
A sinusoidal voltage may be applied as shown in (A). In this case, make the sawtooth voltage synchronized with the sine wave voltage,
The phase is confirmed at t 0 and t 2 , and the amplitude in the Y-axis direction is read at t 1 and t 3 . In addition, although the columnar vibrator is used in the above-described embodiment, for example, the cylindrical shape shown in FIG. 16A, the regular square shape shown in FIG. 16B, and the regular square tube shown in FIG. It is also possible to adopt a shape, an octagonal shape, or the like.
The oscillator is required to have substantially the same moment of inertia about the X axis and moment of inertia about the Y axis, and to have substantially the same resonance frequency f. Furthermore, the shape of the vibrator is shown in FIG.
It is also preferable to have an upper fine stepped shape as shown in (A), a lower fine stepped shape as shown in (B), or a tapered shape as shown in (C). The oscillator is required to have substantially the same moment of inertia about the X axis and moment of inertia about the Y axis, and to have substantially the same resonance frequency f.

【0027】[0027]

【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、振動子を非接触で加振することとし
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。また、加振手段として励振コイルを
振動子の軸芯と同軸上に軸芯を有する円筒状に巻回して
いるため、構成がコンパクトとなり振動ジャイロの小型
化が可能となる。
As described above, according to the vibrating gyroscope of the present invention, since the vibrator is vibrated in a non-contact manner, it is possible to detect extremely accurate angular velocity with a simple structure. .. Further, since the excitation coil is wound as a vibrating means in a cylindrical shape having an axis coaxial with the axis of the vibrator, the structure is compact and the vibration gyro can be miniaturized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a vibrating gyroscope according to an embodiment of the present invention.

【図2】,[Fig. 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。
FIG. 3 is an explanatory diagram of an angular velocity measurement principle of the vibration gyro shown in FIG.

【図4】,[Fig. 4]

【図5】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。
5 is an explanatory diagram of vibration control means of the vibration gyro shown in FIG. 1. FIG.

【図6】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。
6 is an explanatory diagram of an angular velocity calculation unit of the vibration gyro shown in FIG.

【図7】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。
7 is an explanatory diagram of the influence of low-frequency disturbance on the vibration gyro shown in FIG.

【図8】,[FIG. 8]

【図9】,[FIG. 9]

【図10】,FIG. 10

【図11】,[Fig. 11]

【図12】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。
12 is an explanatory diagram of displacement detecting means of the vibration gyro shown in FIG.

【図13】強磁性体筒の例の説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram of an example of a ferromagnetic tube.

【図14】加振手段の設置位置の例の説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram of an example of the installation position of the vibrating means.

【図15】励振コイルへの印加電圧波形の例の説明図で
ある。
FIG. 15 is an explanatory diagram of an example of a voltage waveform applied to the excitation coil.

【図16】,[FIG. 16]

【図17】振動子の例の説明図である。FIG. 17 is an explanatory diagram of an example of a vibrator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

12 ベース 14 振動子 16 加振手段 18 変位検出手段 24 強磁性体筒(強磁性体部) 26 励振コイル 28 強磁性体片 50 角速度演算手段 12 Base 14 Vibrator 16 Exciting Means 18 Displacement Detecting Means 24 Ferromagnetic Body Cylinder (Ferromagnetic Body Part) 26 Excitation Coil 28 Ferromagnetic Piece 50 Angular Velocity Calculating Means

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石橋 渡 神奈川県川崎市高津区坂戸165番地 株式 会社ミツトヨ開発研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Watashi Ishibashi 165 Sakado, Takatsu-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Mitutoyo R & D Co., Ltd.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ベースに立設された振動手段と、 前記振動手段に設けられた強磁性体部と、前記振動手段
の軸芯と同軸上に軸芯を有するように円筒状に巻回さ
れ、かつ前記強磁性体部の周囲に近接して配置された励
振コイルと、前記強磁性体部に近接して配置された強磁
性体片とを有し、前記励振コイルに周期的に励磁電流を
流すことにより生じる強磁性体部と強磁性体片間の磁力
により前記振動手段に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。
1. A vibrating means erected on a base, a ferromagnetic portion provided on the vibrating means, and a cylindrical member having an axial center coaxial with the axial center of the vibrating means. And an exciting coil disposed near the periphery of the ferromagnetic portion and a ferromagnetic piece disposed near the ferromagnetic portion, and the exciting current is periodically applied to the exciting coil. Vibrating means for applying a vibrating force in the X-axis direction to the vibrating means by the magnetic force between the ferromagnetic body portion and the ferromagnetic piece generated by flowing the magnetic field, and displacement for detecting displacement of the vibrating means in the Y-axis direction. A vibrating gyro, comprising: a detection unit; and an angular velocity calculation unit that calculates an angular velocity based on a displacement amount of the displacement detection unit in the Y-axis direction.
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