JPS6295421A

JPS6295421A - ジヤイロ装置

Info

Publication number: JPS6295421A
Application number: JP60235831A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hojo; 武北條; Takafumi Nakaishi; 中石　隆文
Original assignee: Tokyo Keiki Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1985-10-22
Filing date: 1985-10-22
Publication date: 1987-05-01
Also published as: JPH0558484B2; US4792676A

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】〔産業上の利用分野〕本発明はジャイロ装置、特に慣性体の振動を利用した新
規なジャイロ装置に関する。

〔従来の技術〕

本発明と同一の出願人が先に出願した「ジャイロ装置（
特願昭６０−９６８５７号）」を第７図°を参照して説
明する。

同図において、（１１）は円板状の基台で、中心開口（
１２）を有する。開口（１２）と略々同−ｒＬ径の円形
断面で、透明な弾性材から作られた振動し得る梁（以下
振動梁と称する）の一端部を、この開口（１２）へ挿入
し、基台（１１）に固定する。この振動梁（１３）は、
光ファイバーをもって代替することができる。振動梁（
１３）の開口（Ｉ２）を貫通し、基台（１１）の−側に
突出した端部には、発光素子（１４）を取付ける。この
発光素子（１４）は、カップ状、取付部材（１５）を介
して、基台（１１）に固設される。振動梁（１３）の基
台（１１）に関し、発光素子（１４）と反対側の振動部
（１３ａ）の延長上に、その略々中心（０）が来るよう
に、２次元の光学的な平板状の変位検出装置（１６）を
、第２のカップ状部材（１７）を介して上記基台（１１
）に固定する。（１３ｂ）は振動梁（１３）の基部近傍
の撮動部（１３ａ）の外周に設けた電極、（１９）は環
状電極で、電極（１３ｂ）の外側に同心状に対向して配
置され、円筒状の保持部材（１８）を介して、基台（１
１）に固設される。電極（１３ｂ）ｆ及び環状電極（１
９）は、振動梁（１３）の振動部（１３ａ）に一定振幅
の振動を与えるための静電気力を利用した静電型の駆動
装置ａ値を構成する。

発光素子（１４）よりの光は、駆動装置Ｑ［ｌｌにより
振動されている振動梁（１３）の振動部（１３ａ）の内
部を通って、変位検出装置（１６）の表面に達し、そこ
に光点（Ｐ）を結像する。尚、この光点（Ｐ）は、振動
梁（１３）が静止していれば、変位検出装置（１６）・
く中心（０）に一致する。光点（Ｐ）のＸ座標及びＸ座
標は、変位検出袋Ｗｌ（１６）によって電気信号に変換
させられ、演算装置（２０）のＡＤ変換器（２１）に供
給され、そこでディジタル値に変換された後、サンプリ
ング演算部（２２）に送られ、そこにおいて振動梁（１
３）の振動部（１３ａ）の振動の一周期当り、複数の対
のデータがサンプリングされる。これ等の複数対のデー
タを振幅演算部（２３）へ供給し、そこにおいて振動梁
（１３）の振動部（１３ａ）のその時点の振幅を演算し
、且つその振幅を規準振幅（Ｄｏ　）と比較し、その比
較出力を駆動回路（２４）を介して駆動値ｆｆ１Ｑのに
フィードバックし、振動梁（１３）の振動部（１３ａ）
の振幅を略々一定値（Ｄｏ　）に保持するよう制御する
。

一方、サンプリング演算部（２−２）の複数対のデータ
を、最小自乗演算部（２５）へ供給し、そこにおいて、
最小自乗直線を求め、それをアークタンジェント演算部
（２６）へ供給し、そこで、最小自乗直線の傾斜から振
動梁（１３）の振動部（１３ａ　）の例えばＹ軸方向に
対する振動方向を演算出力する。

上述の如く、基台（１１）に対してＹ軸から角θ１の１
頃斜した方向で振動している振動梁（１３）を有する装
置を、振動梁（１３）の中心軸ｙ＝（０−０’）のまわ
りに回転しても、慣性座標ｘｙ系から見た振動梁（１３
）の振動部（１３ａ）の振動面の方向θ１が変化しない
、即ち、振動面の方向が慣性空間に保存されることは、
フランスの物理学者フーコーによって１９世紀に発見さ
れている。第７図の装置は、上記フーコーの発見した原
理（フーコーの振子）を、ジャイロスコープに応用した
もので、撮動している振動梁（１３）の振動部（１３ａ
）の撮動軌跡を、変位ネ食出装置（１６）で検出し、そ
の方向を演算することにより、装置の軸（０−０’）ま
わりの回転角を検出するジャイロ装置を得ることができ
る。

尚、第７図において、基台（１１）と第２のカップ伏部
材（１７）とで作られる空間は、振動梁（１３）の振動
の減衰を出来る限り小さくした方が、駆動装置部への入
力エネルギーが少（出来、ジャイロの性能が向上するた
め、真空に保持することが良い。

アークタンジェント演算部（２６）に、起動時或いは任
意の時にリセット信号（２７）を与えて、その出力角を
基準値（例えば０°）にすることも可能である。更には
、アークタンジェント演算部（２６）の出力角を、角速
度演算部（２８）へ供給し、そこにおいて微分すること
により、角速度信号を出力することも可能である。

又、振動梁（１３）と変位検出装置（１６）とは、加速
度計を構成するため、サンプリング演算部（２２）のデ
ータを平均値演算部（２９）において演算し、振動梁（
１３）の振動部（１３ａ）の中心位置を演算することに
より、Ｘ、Ｙ加速度信号を出力することも可能である。

更に、駆動回路（２４）は、第７図の場合、基本的には
振動梁（１３）の撓み共振周波数の２倍の周波数の電圧
を発生し、その振幅が上記ｌ辰勤梁（１３）の振動部（
１３ａ）の撮動の振幅が一定になるように制御された交
流電源と考えればよいが、そのほか、振動梁（１３）の
振動部（１３ａ）の振幅及び位相により、動作する自励
発振系としても良いことは勿論である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、こかる先願のジャイロ装置にあたっては
、駆動装置αψが振動部（１３ａ）の基部に設けた電極
（１３ｂ　）と基台（１１）に設けた環状電極（１９）
であったり、或いは同先願の第２図に示したＨ［！ｉｔ
のバイモルフ等を用いているため、振動部（１３ａ）の
振動振幅を一定に保つことが困難であること、外部振動
等により振動部（１３ａ　）がいわゆるミソスリ運動を
伴うようになっても、これを減衰させる機能がないため
に、ジャイロ出力の分解能や精度が低下するという問題
点があった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上述の如き問題点を解決せんとするもので、
その手段は、軸線のまわりに対称な形状の振動部（５３
）と、基台（５０）に対して、上記振動部（５３）を上
記軸線と直交する任意の軸のまわりに変角運動を許容す
る如く支持するための曲げ撓み部（５１−１）と、上記
基台（５０）に対する上記軸線と直交し且つ互いに直角
な２つの軸線のまわりの上記振動部の変角を検出する変
位検出装置（５０）　、　　（６０）と、上記基台（５
０）から上記振動部（５３）に対し、上記２つの軸線の
まわりにトルクを加えるためのトルカ（５７−１）〜（
５７−４）　。

（５３−６）・・・・と、上記変位検出器（５９）　、
　　（６０）よりの出力信号を入力とし上記振動部の振
動面の上記基台に対する方向を演算するための演算装置
（２０）と、上記振動部の上記基台に対する振動を一定
に保持するための制御ループとからなるジャイロ装置で
ある。

〔作用〕

本発明の上述したジャイロ装置によれば、一端が基台（
１１）に固定され、円形断面を有する振動部（５３）を
略々一定振幅で継続的に振動させれば、その振動面の方
向が基台の回転と無関係に慣性空間に保存されるという
フーコーの原理を応用し、基台に設けた基台に対する振
動部の変位に対応する電気信号を発生する変位検出装置
（５０）　、　　（６０）の出力を、演算装置（２０）
において信号処理し、振動部の振動面の方向を演算し、
出力することにより、基台の慣性空間に対する回転角を
検出するものである。

〔実施例〕

第１図Ａ及びＢは本発明のジャイロ装置の一実施例を示
す断面図及び上面図である。同図において、（５０）は
カップ状基台で、その中央開孔（５０−１）に、くびれ
た曲げ撓み部（５１−１）を有するスタ・ソド（５１）
がその下端部において嵌入され、その下端が小ネジ（５
２）によりカップ状基台（５０）の下面に固定される。

カップ状基台（５０）内のスタッド（５１）の上端には
、高透磁率材製の振動部（５３）の中央のボス部（５３
−２）に設けた中央開孔（５３−１）が嵌入され、小ネ
ジ（５４）により両者は一体的に結合される。振動部（
５３）は、第１図に示す如く、更に内側円筒部（５３−
３）　、外側円筒部（５３−５）、これ等を連結するド
ーナツ円盤部（５３−４）及び上記外側円筒部（５３−
５）の内側に嵌合し、半径方向に磁化された円筒磁石（
５３−６）から構成される。

上記円筒磁石（５３−６）は、（Ａ）で示す矢印の磁束
を生じ、内側円筒部（５３−３）と外側円Ｖ筒部（５３
−５）との間の空間に半径方向磁界を作る。

（５５）は中央開口（５５−１）を有する円盤部材で、
カップ状基台（５０）の上部に固定される。上記円盤部
材（５５）の下端には、４（ＩＩのコイル（５７−１）
　。

（５７−２）、（５７−３）　、　　（５７−４）が円
周状に固定されるコイル基台（５６）が取付けられる。

尚、第２図・は、コイル（５７−１）〜（５７−４）の
上面及びそれ等の接続関係を示す、同図に於いて、（Ｓ
）は各コイルの巻き始め、（Ｅ）は巻き終りを夫々示す
。

上記４個のコイル（５７−１）〜（５７−４）の下辺部
は、振動部（５３）の円筒磁石（５３−６）が作る半径
方向の磁界中に配置せられる。コイル（５７−１）〜（
５７−４）の入力端（５７−５）及び（５７−６）に所
定の電流を流すことにより、第２図のＸ軸まわり及びＹ
軸まわりに関し、振動部（５３）に対して、流した電流
に比例したトルクを加えることができる。

即ちコイル（５７−１）〜（５７−４）　、円筒磁石（
５３−６）、内側円筒（５３−３）　、外側円筒（５３
−５）　、ドーナツ円盤部（５３−４）はトルカを構成
する。

第１に示す如く、振動部（５３）は、更に円盤部材（５
５）の中央開口（５５−１）内を通り上方に伸びる薄肉
の円筒状部材（５８）を固定して有する。この円筒状部
材（５８）の斜視図を第３図に示す。

第３図に示す如く、円筒状部材（５８）には、上端部に
第１゛図に示すＸ−及びＹ−ピックアップユニツ）　（
５９）　、　　（６０）の先端「コ」字状部が挿入され
る２個の切り欠き部（５８−１）、（５Ｂ−２）及びそ
の上部の円盤部（５８−５）にＸ−スリット（５８−３
）及びＹ−スリット（５８−４）が設けられる。

第１図に示す如く、上記Ｔ字状をしたＸピックアップユ
ニット（５９）は、その先端「コ」字状部（５９−１）
の上腕部に発光素子（５９−２）が、又その下腕部には
２個の平板状受光素子を「日」字状に配列したＸ受光部
（５９−３）がそれぞれ取付けられると共に、そのＴ字
のバ一部において円盤部材（５５）のＸ切り欠き（，５
５−２）に押接する如く、円盤部材（５５）に固設され
る。

第１図Ａにおいて、発光素子（５９−２）より発した光
は、Ｘ−スリット（５Ｂ−３）を通ってＸ受光部（５９
−３）に達する。振動部（５３）が基準位置にあって、
第４図に示すように、Ｘ受光部（５９−３）の中央にＸ
−スリット（５Ｂ−３）が来ると、Ｘ受光部（５９−３
）の２個の受光素子には均等に光が照射され、その出力
端子（５９−４）には電圧が発生しないが、振動部（５
３）がＹ軸まわりに変角すると、これに対応してＸ−ス
リ７）　（５８−３）がＸ方向に変位し、２個の受光素
子に照射される光の面積が異ってくるため、上記変角に
対応した電圧が出力端子（５９−４）に発生する。即ち
、Ｘ−ピックアップユニット（５９）及びＸ−スリット
（５８−３）は、振動部（５３）のＹ軸まわりの変角ピ
ックアップを構成する。１字状のＹ−ビックアップユニ
ッ）　（６０）は、その先端「コ」字状部（６０−１）
の上腕部に発光素子（−６０−２）が、又その下腕部に
は２（１１の平板状受光素子を「日」字状に配列したＹ
受光部（６Ｏ−３）４（、それぞれ取付けられると共に
、その両側に於いて円盤部材（５５）のＹスリット（５
５−３）に嵌合する如く、円盤部材（５５）に取付けら
れる。２ｔｌｌの受光素子を有するＹ受光部（６Ｏ−３
）及びＹ−スリット（５Ｂ−４）は、そ−れぞれ前述し
た２個の受光素子を有するＸ受光部（５９−３）　、Ｘ
−スリット（５８−３）と９０°異った角度に配置され
ていることを除けば、前述のＸ−ピックアップ系と同様
の作用により、振動部（５３）のＸ軸まわりの変角ピッ
クアップとなっていることは明らかな故、これ以上の説
明は省略する。

第５図は動作中の振動部（５３）の斜視図で、その中心
線（０−０）のの軌跡を、これと直交する如（立てた平
面（Ｑ）との交点（Ｐ）の軌跡によって表わそうとした
もので、軌跡は（Ｐ−Ｐ’）の直線上を往復運動してお
り、直線（Ｐ　−Ｐ　’）のジャイロ装置に固定したＸ
Ｙ座標のＯＹ軸からの傾斜角をθで示しである。

第６図は、本発明のジャイロ装置の制御系を示すブロッ
ク図である。Ｘ−ピックアップユニット（５９）及びＹ
−ピックアップユニット（６０）〜の出力端（５９−４
）　、　　（６０−４）よりの出力信号を演算装置（２
０）のＡＤ変換器（２１）によってディジタル化した後
、サンプリング演算部（２２）、最小自乗直線演算部（
２５）　、アークタンジェント演算部（２７）等により
振動部（５３）の軌跡の傾斜θを演算し、回転角を出力
する。フーコーの、原理により、振動部（５３）の慣性
空間に対する軌跡の方向が保−持されるため、装置に対
する角度θがそのま＼装置の回転角となり、いわゆる積
分ジャイロ装置として動作することになる。

一方、Ｘ及びＹピックアップユニット（５９）　。

（６０）のディジタル化量（−マー）、（Ｙ）を、微分
器（６１）　、　　（６２）によって夫々微分した後、
正弦器（６３）　、余弦器（６４）において出力角θの
正弦及び余弦を夫々乗じ、これ等乗算結果を加算器（６
５）において加算し、振動振幅方向であるＹ方向の変化
に変換し、更にＡＤ変換器（２１）の出力を受ける振幅
演算部（２３）からの偏差信号を、これに乗算器（６６
）におい不乗算した後、正弦器（６７）、余弦器（６８
）において出力角θの正弦及び余弦を乗じた量をつくり
、ＤＡ変換器（６９）　。

（７０）を通してＹ及びＸトルカを形成するコイル（５
７−１）〜（５７−４）の入力端（５７，−５）及び（
５７−６）に入力する。即ち、このループは、振動部（
５３）の振幅を常時一定に保持する機能を有する。

一方、微分器（６１）　、　　（６２）の出力に、余弦
器（７１）　、正弦器（７２）において出力角θの余弦
、正弦を乗じた後、両乗算出力を加算器（７３）におい
て加算し、振動方向ＯＹ′と直角なＯＸ′方向の偏差を
求めた後、更に正弦器（７４）　、余弦器（７５）にお
いて出力角の正弦及び余弦を乗じたものをつくり、加算
器（７６）　、　　（７７）において前述の余弦器（６
７）及び正弦器（６８）の出力にそれぞれ加算する。即
ち、このループは、振動子（５３）がＯＹ’方向の直線
運動のほかに、振れまわり等のＯＹ′と直角なＯＸ′の
運動が発生したときに、これを減衰させ、上記直線運動
だけを行わしめるようにしたものである。

尚、以上の例では、ピックアップの信号をディジタル化
した場合を示したが、全てをアナログ系で作ることも可
能である。又、Ｘ−Ｘ、Ｙ−Ｙ方向の加速度の影響を少
くするために、振動部（５３）の重心をスタッド（５１
）への曲げ撓み部（５１−１）の中心に一致させること
も可能である。

〔発明の効果〕

振動梁の振動方向を直接２次元の変位検出装置で検出す
る構造の為、基本的に、レート積分ジャイロ（レートジ
ャイロではない）であり、ドリフト変動が少く、高精度
のジャイロが得られる。

構造が簡単なため、低コストで高性能のジャイロが得ら
れる。

機械式ジャイロのようにボールベアリング等の摺動部が
皆無なため、信頼性が高く、長寿命のジャイロを提供で
きる。

検出系に圧電素子等の温度感度の大きい素子を使わない
ために、本質的に温度特性に優れたジャイロを得ること
が出来る。

変位検出装置の出力を演算処理することにより、角速度
信号も合せて出力できる。振動部の振動方向と直角な方
向の運動を減衰させる制御系を設けたことにより、振れ
まわり運動等による性能劣化を防止出来、高精度のジャ
イロを得ることができる。振動部の重心を曲げ撓み部の
中心と一致させることにより、加速度の影響を受けない
高性能のジャイロ装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ及びＢは本発明の一実施例の断面図及び上面図
、第２図はトルカを形成するコイルの上面図、第３図は
円筒状部材の斜視図、第４図はピックアップの原理説明
図、第５図は本発明のジャイロ装置の原理説明図、第６
図は本発明のジャイロ装置の演算及び制御ブロック、第
７図は従来のジャイロ装置の斜視図である。図において、（２０）は演算装置、（２１）はＡＤ変換
器、（２２）はサンプリング演算部、（２３）は振幅演
算部、（２４）は駆動回路、（２５）は最小自乗直線演
算部、（２６）はアークタンジェント演算部、（２８）
は角速度演算部、（５０）はカップ状基台、（５４）は
スタッド、（５３）は振動部、（５３−６）は円筒磁石
、（５６）はコイル基台、（５７−１）　。（５７−２）　、　　（５７−３）　、　　（５７−４
）はコイル、（５９）　。（６０）はピックアップユニット、（６９）　、　　（
７０）はＤＡ変換器を夫々示す。第１図入コイルの上面図第２図ピックアップのΔし埋１え明記第４図円筒４犬舎ｐ才才の４１ネ財匹ａ第３図ｈイボ装置０赤理説明図第５図

Claims

【特許請求の範囲】

軸線のまわりに対称な形状の振動部と、基台に対して上
記振動部を上記軸線と直交する任意の軸のまわりに変角
運動を許容する如く支持するための曲げ撓み部と、上記
基台に対する上記軸線と直交し且つ互いに直角な２つの
軸線のまわりの上記振動部の変角を検出する変位検出装
置と、上記基台から上記振動部に対し上記２個の軸線の
まわりにトルクを加えるためのトルカと、上記変位検出
装置よりの出力信号を入力とし上記振動部の振動面の上
記基台に対する方向を演算するための演算装置と、上記
振動部の上記基台に対する振動を一定に保持するための
制御ループとからなることを特徴とするジャイロ装置。