JPH08201414A

JPH08201414A - 回転速度検出器

Info

Publication number: JPH08201414A
Application number: JP7010418A
Authority: JP
Inventors: Makoto Fukuda; 真福田; Akinori Shibayama; 昭則柴山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1995-01-26
Filing date: 1995-01-26
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】回転軸の回転速度のみを高精度に測定する。【構成】回転軸２は、位置決めステージのモータに応
じて回転し、これにより回転体４が軸２を中心として回
転する。圧電振動ジャイロ５ａ、５ｂは、回転軸２に対
して軸対称となるように回転体４に固定されている。信
号処理手段によって、コリオリ力に関する成分が逆位相
となる圧電磁器６ａ、６ｂからの検出信号の差をとり、
同様にこの成分が逆位相となる圧電磁器７ａ、７ｂから
の検出信号の差をとる。さらに、これらの差分出力の差
をとる。こうして、除振台の揺動速度、地球の自転、遠
心力による誤差成分を取り除くことができ、回転軸の回
転速度のみを正確に測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体部品や光
部品を加工する加工装置に用いられる位置決めステージ
の送り軸の回転速度を検出する回転速度検出器に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】光部品や半導体部品の加工に用いられる
高精度な位置決めステージでは、一定の低速度での送り
が要求される。例えば、光導波路のパタン形成には、
１．０ｍｍ／ｓｅｃから０．１ｍｍ／ｓｅｃで一定速度
で移動する高精度かつ定速度ステージが求められるが、
これを実現するには、低い速度を正確に測定する速度検
出器が必要であり、通常は軸の回転速度を検出してステ
ージの速度としている。図４（ａ）は回転速度検出器を
搭載した位置決めステージの外観図、図４（ｂ）はこの
位置決めステージを回転速度検出器側から見た図であ
り、２１はテーブル、２２は送り軸、２３はモータ、２
４は回転速度検出器、２５は床からの振動をステージに
伝えないようにするための除振台である。

【０００３】このステージでは、モータ２３の回転によ
りねじ状になっている送り軸２２が回転し、この回転に
よってテーブル２１が移動する。そして、このような低
速回転の軸の回転速度を測定する回転速度検出器２４に
は、従来、高分解能のエンコーダ出力の微分をとるか、
出力周波数を周波数−電圧変換して測定する方法が採用
されていた。しかし、このような方法では、低速での分
解能が粗くなり、低速度での高精度な測定が困難であっ
た。

【０００４】このような問題を解決する手段として、ジ
ャイロを回転軸に搭載して、軸の回転速度を測定する方
法が考えられる。ジャイロは、回転速度に比例するコリ
オリの力を検出してジャイロの姿勢変化速度を検出する
方法である。これは、ジャイロ中心回りの姿勢変化を測
定する方法であって、低速でも高精度に検出でき、姿勢
回転速度検出器として優れている。なかでも、圧電振動
子と位相検出素子からなる圧電振動ジャイロは小型かつ
高精度な検出ができる。圧電振動ジャイロに関しては、
論文「正三角柱振動子を使う圧電振動ジャイロ、小型、
低価格で身近な応用ねらう」（日経エレクトロニクスN
o.514,1990.11.26 ）に詳しく記述されている。

【０００５】しかしながら、ジャイロで検出できる回転
速度は、ジャイロの回転運動の絶対速度であり、位置決
めステージに求められる軸の回転速度とは異なる。すな
わち、ステージは通常除振台の上に設置されているが、
モータ等のステージで発生する振動のために除振台に揺
動が生じる場合があり、この揺動によってジャイロの姿
勢が変わり、ジャイロがこの姿勢変化を検出してしまう
ことがある。よって、ジャイロで検出される回転速度
は、送り軸の回転速度と除振台の揺動速度を重ね合わせ
たものとなる。さらに、高精度なジャイロを用いた場
合、地球の自転による姿勢変化も含まれ、回転速度の誤
差となる。

【０００６】また、回転軸とジャイロ中心軸が離れてい
ると、その距離による遠心力が加わり、ジャイロで測定
される回転速度には誤差が発生してしまう。これを、図
５を用いて説明する。図５において、Ｏは原点となる回
転軸、Ｐ１はジャイロ中心の座標位置である。ジャイロ
上では、力Ｆ１が働き、ジャイロを振動させている。こ
のジャイロの中心がｔ秒後にはＰ２に移動するとする。
このとき、ジャイロ自体の姿勢と加わる力の方向も変化
する。この力をＦ２とすると、ジャイロに加わる慣性力
は、次式のようになる。ｍ×Ｐ２ａ＝Ｆ２＋２×ｍ×ω×Ｐ２ｖ×Ｋ＋ｍ×ω² ×Ｐ２・・・（１）

【０００７】ここで、ｍはジャイロの振動子の質量、Ｐ
２ｖ、Ｐ２ａはジャイロの速度、加速度、Ｋは符号変換
ベクトルである。軸Ｏの回りを一定半径で回転する場
合、Ｐ２、Ｐ２ｖは一定である。式（１）の右辺第２項
は、コリオリの力による慣性力への影響を表し、角速度
ωに比例する。第３項は遠心力であり、回転角速度ωの
２乗に比例する。軸Ｏとジャイロ中心軸の距離が一定の
ときには、Ｐ２（距離）は一定であり、第３項の変化は
無視できるため、回転速度を正確に測ることができる。
しかし、ジャイロの姿勢が変わる場合には、回転軸Ｏと
ジャイロ軸の距離、加わる加速度が変化し、コリオリ力
以外のこれらによる誤差が無視できなくなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、ジャイ
ロを用いた従来の回転速度検出器では、除振台の揺動速
度、地球の自転、及び遠心力による誤差が発生するた
め、回転軸の回転速度のみを正確に測定することができ
ないという問題点があった。本発明は、上記課題を解決
するためになされたもので、回転軸の回転速度のみを高
精度に測定できる回転速度検出器を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転軸を中心
として回転する回転体上に、回転軸に対して軸対称とな
るように配置された２つのジャイロと、回転軸の回転速
度以外の成分がなくなるように２つのジャイロの出力の
差をとる信号処理手段とを備えたものである。また、信
号処理手段は、第１のジャイロから出力された第１、第
２の検出信号、及び第２のジャイロから出力された第
３、第４の検出信号のうち、２つのジャイロ間でコリオ
リ力に関する成分が逆位相となっている第１、第３の検
出信号の差をとる第１の差分抽出手段と、２つのジャイ
ロ間でコリオリ力に関する成分が逆位相となっている第
２、第４の検出信号の差をとる第２の差分抽出手段と、
この第１、第２の差分抽出手段の出力の差をとる第３の
差分抽出手段とを有するものである。

【００１０】

【作用】本発明によれば、信号処理手段が２つのジャイ
ロの出力の差をとることにより、回転軸の回転速度以外
の成分を除くことができる。また、信号処理手段内の第
１の差分抽出手段が２つのジャイロ間でコリオリ力に関
する成分が逆位相となっている第１、第３の検出信号の
差を出力し、第２の差分抽出手段が２つのジャイロ間で
コリオリ力に関する成分が逆位相となっている第２、第
４の検出信号の差を出力し、第３の差分抽出手段が第
１、第２の差分抽出手段の出力の差を出力する。

【００１１】

【実施例】図１（ａ）は本発明の１実施例を示す回転速
度検出器の構造を示す図、図１（ｂ）はそのＩ−Ｉ線断
面図、図２はこの回転速度検出器の信号処理手段を示す
ブロック図である。図１において、１は回転速度検出器
のきょう体、２は回転軸、３ａ、３ｂは軸受、４は回転
軸２に取り付けられ軸２に伴って回転する回転体、５
ａ、５ｂは回転軸２に対して軸対称となるように回転体
４に取り付けられた圧電振動ジャイロである。

【００１２】また、６ａ、７ａは第１のジャイロ５ａの
姿勢変化を電圧に変換して第１、第２の検出信号として
出力する圧電磁器、６ｂ、７ｂは第２のジャイロ５ｂの
姿勢変化を電圧に変換して第３、第４の検出信号として
出力する圧電磁器、８ａ、８ｂはジャイロ５ａ、５ｂの
振動子に振動を与えるための圧電磁器、９はジャイロ５
ａ、５ｂと後述する信号処理手段との間で信号のやり取
りをするための接点となるスリップリングである。

【００１３】図２において、１０ａ、１０ｂはジャイロ
５ａ、５ｂに駆動信号を与えてその振動子を振動させる
駆動回路、１１は圧電磁器７ａ、７ｂから出力された第
２、第４の検出信号の差をとる第２の差分抽出手段とな
る差動増幅器、１２は圧電磁器６ａ、６ｂから出力され
た第１、第３の検出信号の差をとる第１の差分抽出手段
である差動増幅器、１３は差動増幅器１１、１２の出力
の差をとる第３の差分抽出手段である差動増幅器、１４
は差動増幅器１３の出力からコリオリ信号成分を抽出す
る同期検波器、１５は同期検波器１４の出力を増幅する
直流増幅器である。

【００１４】そして、駆動回路１０ａ、１０ｂ、差動増
幅器１１〜１３、同期検波器１４、直流増幅器１５が信
号処理手段を構成している。次に、このような回転速度
検出器の動作を説明する。回転軸２は、図示しない位置
決めステージのモータに応じて回転し、これにより回転
体４が図１（ｂ）に示すように回転軸２を中心として回
転する。

【００１５】圧電振動ジャイロ５ａ、５ｂは、前述した
論文に記載された周知の構造をしており、断面が正三角
形の振動子とこの振動子の各辺に取り付けられた圧電磁
器６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂとからなる。こ
のうち、圧電磁器６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂが駆動・検出
用、８ａ、８ｂが励振用として用いられる。

【００１６】このジャイロ５ａ、５ｂは、図１（ｂ）に
示すように、回転軸２に対して軸対称となるように、回
転体４に固定されている。このとき、ジャイロ５ａ、５
ｂの振動子の中心軸は、同一方向（本実施例では、図１
（ｂ）における紙面に垂直な方向）を向くように設けら
れている。

【００１７】そして、スリップリング９により、回転体
４上のジャイロ５ａ、５ｂと信号処理手段との図２のよ
うな接続が行われている。このような回転速度検出器に
おいて、駆動回路１０ａは、圧電磁器６ａ、７ａを駆動
用、圧電磁器８ａを帰還用とした自励発振による発振回
路を構成し、振動子を振動させる。また、駆動回路１０
ｂも同様である。

【００１８】今、ジャイロ５ａで検出される回転速度を
ω２とすると、第１の検出信号となる圧電磁器６ａの出
力Ｖ6a、第２の検出信号となる圧電磁器７ａの出力Ｖ7a
は次式のように表すことができる。Ｖ6a＝Ｂ＋ｃ×ω２＋ｄ×ω２² ・・・（２）Ｖ7a＝Ｂ−ｃ×ω２＋ｄ×ω２² ・・・（３）

【００１９】同様に、ジャイロ５ｂで検出される回転速
度をω１とすると、第３の検出信号となる圧電磁器６ｂ
の出力Ｖ6b、第４の検出信号となる圧電磁器７ｂの出力
Ｖ7bは次式のように表すことができる。Ｖ6b＝Ａ−ａ×ω１＋ｂ×ω１² ・・・（４）Ｖ7b＝Ａ＋ａ×ω１＋ｂ×ω１² ・・・（５）式（２）〜（５）において、Ａ、Ｂは比例係数、ａ、ｃ
は回転速度比例係数、ｂ、ｄは加速度比例係数である。

【００２０】また、回転速度ω１、ω２は、回転軸２の
回転速度ωｒ、除振台の揺動速度ωＲを用いて次式のよ
うに表すことができる。 ω１＝ωｒ＋ωＲ・・・（６） ω２＝ωｒ−ωＲ・・・（７）なお、圧電磁器６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂは、駆動用とし
ても用いられることから、その出力には、検出信号だけ
でなく、駆動信号も含まれるが、ここでは検出信号のみ
を記載するものとする。

【００２１】式（２）〜（５）の右辺第２項（ω１、ω
２の項）は、コリオリの力に関するものであり、右辺第
３項（ω１² 、ω２² の項）は遠心力に関するものであ
る。式（６）、（７）に示すように、回転速度ω１、ω
２は、除振台の揺動速度ωＲを含むものであるが、ジャ
イロ５ａ、５ｂが回転軸２に対して軸対称に取り付けら
れていることから、揺動速度ωＲは、式（６）、
（７）、あるいは２つのジャイロの出力例を示す図３
（ａ）、（ｂ）から明らかなように、ジャイロ５ａ、５
ｂ間で１８０度位相が異なる。

【００２２】そして、差動増幅器１１は、コリオリ力に
関する成分が逆位相となっている第２、第４の検出信号
Ｖ7a、Ｖ7bの差をとるため、この差動増幅器１１の出力
Ｖ11は、式（３）、（５）〜（７）より次式となる。Ｖ11＝Ｂ−Ａ−（ａ＋ｃ）×ωｒ−（ａ−ｃ）×ωＲ＋（ｄ−ｂ）×（ωｒ² ＋ωＲ² ）−２×（ｂ＋ｄ）×ωｒ×ωＲ・・・（８）

【００２３】同様に、差動増幅器１２は、コリオリ力に
関する成分が逆位相となっている第１、第３の検出信号
Ｖ6a、Ｖ6bの差をとるため、この差動増幅器１２の出力
Ｖ12は、式（２）、（４）、（６）、（７）より次式と
なる。Ｖ12＝Ｂ−Ａ＋（ａ＋ｃ）×ωｒ＋（ａ−ｃ）×ωＲ＋（ｄ−ｂ）×（ωｒ² ＋ωＲ² ）−２×（ｂ＋ｄ）×ωｒ×ωＲ・・・（９）

【００２４】次に、差動増幅器１１、１２の出力Ｖ11、
Ｖ12の差をとる差動増幅器１３の出力Ｖ13は、式
（８）、（９）より次式となる。Ｖ13＝２×（ａ＋ｃ）×ωｒ＋２×（ａ−ｃ）×ωＲ・・・（１０）以上のように、遠心力に関する成分は、ジャイロ５ａ、
５ｂ間で同位相で生じるため、この成分（式（８）、
（９）における右辺第５項、第６項）は、ジャイロ５
ａ、５ｂ間で差をとることにより、式（１０）に示すよ
うに打ち消すことができる。

【００２５】また、上述した構成により、回転軸２の中
心とジャイロ５ａの中心間の距離と、回転軸２の中心と
ジャイロ５ｂの中心間の距離とが等しいため、ａ＝ｃ、
ｂ＝ｄとなり、除振台の揺動速度ωＲに関する式（１
０）の右辺第２項が消えて、差動増幅器１３の出力Ｖ13
には、軸２の回転速度ωｒに比例した右辺第１項のみが
現れる。

【００２６】そして、実際の差動増幅器１３の出力に
は、式（１０）に示した検出信号以外の成分も現れるの
で、同期検波器１４によって検出信号成分のみを抽出
し、直流増幅器１５によって直流増幅する。このように
して、遠心力、除振台の揺動速度ωＲによる影響を排除
し、回転軸２の回転速度ωｒのみに比例した電圧を得る
ことができる。

【００２７】なお、地球の自転による影響は、式（２）
〜（７）中に記載されていないが、これは、揺動速度ω
Ｒと同様に式（６）、（７）に含まれるものであり、ジ
ャイロ５ａ、５ｂ間で１８０度位相が異なる。したがっ
て、揺動速度ωＲと同様に取り除くことができる。ま
た、実際の使用に際しては、温度、湿度、気圧などの環
境変化を受けるが、この変化は、上記比例係数Ａ、Ｂに
含まれる。よって、差動増幅器１３により、これらの影
響も取り除くことができる。

【００２８】なお、本実施例では、アナログ処理による
信号処理手段を用いたが、ジャイロ５ａ、５ｂの出力を
ディジタル変換して、上記と同様の処理をディジタル処
理で実現する計算機等の信号処理手段を用いてもよい。
また、本実施例では、圧電振動ジャイロを用いたが、圧
電振動ジャイロでなくても、他の回転速度が検出できる
光ファイバジャイロ、音叉形ジャイロでも同様の回転速
度検出器を実現できる。また、光ファイバジャイロ等の
場合、２つのジャイロの測定軸を回転軸に一致させた構
成とすることもでき、この場合、遠心力による誤差はよ
り小さく設定できる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、信号処理手段が２つの
ジャイロの出力の差をとることにより、除振台の揺動速
度、地球の自転、及び遠心力による誤差成分を除くこと
ができるので、回転軸の回転速度のみを正確に測定する
ことができ、また温度、湿度、気圧などの環境変化に対
しても強い回転速度検出器を構成することができる。ま
た、位置を微分して速度を求める従来の検出器のような
演算をする必要がなく、複雑な演算処理も不要なので、
低速度で誤差が大きくなるようなこともなく、高精度な
測定ができ、半導体加工装置、工作機械などのステージ
送りに適した回転速度検出器を実現することができる。

【００３０】また、信号処理手段を第１、第２、第３の
差分抽出手段で構成することにより、回転軸の回転速度
以外の成分がなくなるような差分処理を容易に行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を示す回転速度検出器の構
造を示す図である。

【図２】図１の回転速度検出器の信号処理手段を示す
ブロック図である。

【図３】回転軸の回転速度に除振台の揺動変化が重畳
されている２つのジャイロの出力例を示す図である。

【図４】回転速度検出器を搭載した位置決めステージ
の外観図である。

【図５】回転軸の回りを回転するジャイロ中心の様子
を示す図である。

【符号の説明】

２…回転軸、５ａ、５ｂ…圧電振動ジャイロ、６ａ、６
ｂ、７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ…圧電磁器、９…スリップ
リング、１０ａ、１０ｂ…駆動回路、１１〜１３…差動
増幅器、１４…同期検波器、１５…直流増幅器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸の回転速度を検出する回転速度検
出器において、回転軸を中心として回転する回転体上に、回転軸に対し
て軸対称となるように配置された２つのジャイロと、回転軸の回転速度以外の成分がなくなるように２つのジ
ャイロの出力の差をとる信号処理手段とを備えたことを
特徴とする回転速度検出器。
【請求項２】請求項１記載の回転速度検出器におい
て、前記信号処理手段は、第１のジャイロから出力された第
１、第２の検出信号、及び第２のジャイロから出力され
た第３、第４の検出信号のうち、２つのジャイロ間でコ
リオリ力に関する成分が逆位相となっている第１、第３
の検出信号の差をとる第１の差分抽出手段と、２つのジャイロ間でコリオリ力に関する成分が逆位相と
なっている第２、第４の検出信号の差をとる第２の差分
抽出手段と、この第１、第２の差分抽出手段の出力の差をとる第３の
差分抽出手段とを有するものであることを特徴とする回
転速度検出器。