JP2614550B2 - Vibrating gyro - Google Patents
Vibrating gyroInfo
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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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration gyro, and more particularly to an improvement of a vibration gyro for obtaining an angular velocity from a Coriolis force acting in a direction orthogonal to a vibration direction of vibrating means forcibly vibrated.
【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, gyros have been used only for special applications such as ships and aircraft, but in recent years, they have also been used for navigation systems such as private automobiles and self-propelled robots that do not require a track. It has become.
These systems integrate the output of the gyro to determine the azimuth, calculate the travel distance by integrating the moving speed, and grasp the current position based on the azimuth and the travel distance. Is also 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 the development of gyros that meet these requirements is urgently required. .
【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。A gyro based on various principles has been conventionally developed, but a so-called vibrating gyro or tuning fork gyro has attracted attention due to its high angular velocity detection sensitivity (Japanese Patent Publication No. 2-57247). . This vibrating gyroscope applies a phenomenon in which when a rotational angular velocity is applied to a vibrating object, a Coriolis force acts in a direction perpendicular to the vibration. In general, a piezoelectric element or the like is attached to the vibrator, and the vibrator is vibrated in a certain direction by periodically applying a voltage to the driving piezoelectric element, and the vibrator is vibrated in a direction orthogonal to the vibration direction of the vibrator. Is detected by a separate detecting 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。However, although the theoretical angular velocity detecting mechanism of the vibrating gyroscope itself is extremely excellent, adjustment of the standard of the driving or detecting piezoelectric element, bonding accuracy, hysteresis characteristics, etc. This has a great effect on vibration control or displacement detection, and it has been difficult to obtain high-precision vibration gyros in large quantities at low cost.
【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。An object of the present invention is to provide a vibration gyro having a simple configuration, high angular velocity detection sensitivity, and high accuracy.
【0006】[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、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立設されてい
る。又、加振手段は、前記振動手段に近接して配置さ
れ、磁力により振動手段に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X軸方向及びY軸方向へのそ
れぞれへの振幅を検出する。振動制御手段は、前記変位
検出手段から入力されるX軸方向振幅が一定となるよう
に、前記振動手段の振動制御をおこなう。角速度演算手
段は前記変位検出手段から入力されるY軸方向振幅を固
定定数で乗算して角速度を演算する。According to a first aspect of the present invention, there is provided a vibration gyro including a vibration unit, a vibration unit, a displacement detection unit, a vibration control unit, and an angular velocity calculation unit. The vibration means is erected on the base. The vibrating means is arranged close to the vibrating means, and applies a vibration force in the X-axis direction to the vibrating means by a magnetic force. Displacement detection means includes a movable scale which is installed on the vibrating means includes a movable scale and oppositely disposed fixed scale, its in the X-axis direction and the Y-axis direction of the vibrating means
Detect the amplitude for each. Vibration control means, so that the X-axis direction amplitude inputted from the displacement detecting hand stage is constant
A, performs vibration control before Symbol vibrating means. Angular velocity calculating means solid the Y-axis direction amplitude inputted from the displacement detecting hand stage
It calculates the angular velocity by multiplying by a constant a constant.
【0007】[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、X軸方向振幅を変位検出手段により検出
し、更に振動制御手段により振動手段のX軸方向振幅を
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軸方向の振幅を変位検出手
段で検出し、固定定数を乗算することで、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、振動手段自体には
圧電素子等が貼着されず、振動に影響を与えない。更
に、X軸方向振幅を一定に制御しているので、Y軸方向
振幅は角速度に比例することから、Y軸方向振幅を固定
定数で乗算することによって、極めて正確な角速度検出
を行なうことができる。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 substantially its resonance frequency by the vibrating means. 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 also vibrates in the Y-axis direction. Therefore, the X-axis Direction amplitude detected by the displacement detecting means, if further control of the X-axis direction vibration amplitude means <br/> constant by the vibration control means, a Coriolis force corresponding to the input angular velocity ω By detecting the amplitude in the Y-axis direction generated by Fc by the displacement detecting means and multiplying by the fixed constant , the angular velocity calculating means can output the input angular velocity ω. As described above, in the vibrating gyroscope according to the present invention, a piezoelectric element or the like is not attached to the vibrating means itself, and does not affect vibration . Change
In addition, since the amplitude in the X-axis direction is controlled to be constant,
Since the amplitude is proportional to the angular velocity, the amplitude in the Y-axis direction is fixed
By multiplying by a constant, extremely accurate angular velocity detection can be performed.
【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。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a vibrating gyroscope according to one embodiment of the present invention. FIG. 1A is a side sectional view, and FIG. 1B is a front sectional view.
【0009】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。The vibrating gyroscope 10 shown in FIG.
2, a vibrator 14 erected on the base 12 as vibrating means, a vibrating means 16 for vibrating the vibrator 14, and a displacement detecting means 18 comprising a photoelectric encoder. Further, a cylindrical housing 19 is installed on the base 12, and the housing 19 supports a displacement detecting means 18 at an upper end thereof.
【0010】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とで構成され、
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20
の側面部に近接している。The vibrator 14 is formed in a round bar shape, and the resonance frequencies in the X and Y directions are substantially the same. A cylinder 20 made of a prismatic ferromagnetic material is fitted on the upper part thereof, and a movable scale 22 is provided on the upper end of the vibrator 14. Further, the vibration means 16 includes a rod-shaped core 24 and an excitation coil 26 wound around the rod-shaped core 24,
It is fixed to the housing 19 via a bush 28. The tip of the rod-shaped core 24 is connected to the ferromagnetic cylinder 20.
It is close to the side part .
【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))。The vibrating gyroscope 10 according to the present embodiment is constructed as described above. Next, an angular velocity detecting mechanism will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 2, when the energized excitation coils 26 at a predetermined period (FIG. 3 (A)), a ferromagnetic cylinder 2 0 periodic manner attract by the magnetic force thereof (FIG. 3 (B)) . Then, the excitation cycle of the excitation coil 26 is adjusted to forcibly vibrate the vibrator 14 in the X-axis direction at substantially the resonance frequency f. Next, for example, a known angular velocity ωa is input, the output waveform of the excitation coil is compared with the waveform of the amplitude in the Y-axis direction generated by the Coriolis force, and the resonance frequency f and the output of the excitation coil are finely adjusted. The speed Vx is set to a constant value (FIG. 3C).
【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。On the other hand, when an unknown angular velocity ω is input, a Coriolis force Fc corresponding to the angular velocity ω is generated in the Y-axis direction (FIG. 3D). As described above, since the resonance frequency f of the vibrator 14 is the same in the X-axis and Y-axis directions, the vibrator also vibrates in the Y-axis direction. As a result, by measuring the amplitude of the vibration in the Y-axis direction, the Coriolis force, that is, the angular velocity ω can be detected.
【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、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。Next, the vibration control means used in the present invention 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 proportional to the velocity Vy on the Y axis (the maximum velocity point = the point where the Y axis amplitude becomes zero). Vy is Vx (X
Therefore, if Vx is controlled to be constant, the angular velocity ω is proportional only to the change in Vy.
【0014】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。Here, the distance X and the velocity V from the origin of the vibrator 14 are expressed by the following equations, respectively.
【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。X = Px · sin ωt = Px · sin2πf · t V = dX / dt = 2πf · Px · cos2πf · t where Px: maximum amplitude, f: frequency, and t: time.
From the above equation 1, the maximum speed is cos2πf · t = 1 or −
At the time of 1, Vx = 2πf · Px. Also, the frequency f
Is constant, it is sufficient to control only the amplitude Px to be constant.
【0015】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 employed as the vibration control means 30 according to the present embodiment, and is constituted by a D / A converter 32, a calculator 34, a pulse width modulator 36, and an oscillator 38. I have. The X-direction amplitude detected by the X-axis encoder 18a is D / A
The data is converted into an analog signal by the converter 32 and compared with the target amplitude value 40 by the calculator 34. 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 measured amplitude value match. The oscillation frequency of the pulse width modulator 36 is
8 and is kept constant (resonant frequency).
【0016】一方、角速度演算手段は次の図6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。On the other hand, the angular velocity calculating means is configured as shown in FIG. That is, the angular velocity calculating means 50 according to the present embodiment includes the counter 52 and the multiplier 54. Then, the Y-direction amplitude input from the Y-axis encoder 18b is digitized by the counter 52, and is further multiplied by a fixed constant A by the multiplier 54. Since the angular velocity ω is proportional to the amplitude in the Y direction, the multiplied 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,
For example, as shown in FIG. 7, even when a low-frequency disturbance is superimposed, it is hardly affected by the superposition.
【0017】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9には図8IX−
IX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。Next, the displacement detecting means 18 of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a longitudinal sectional view of the photoelectric encoder 18 constituting the displacement detecting means according to one embodiment of the present invention, and FIG.
A cross-sectional view along line IX is shown. In the figure, the photoelectric encoder 18 comprises a movable scale 22 and a fixed scale 60.
To detect the relative movement amount of both scales. On the upper surface of the fixed scale 60 in FIG. 8, one light emitting element 62 and eight light receiving elements 64a, 64b,... The lead wires of the light emitting element 62 and each light receiving element 64 are fixed to the printed board 66.
【0018】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11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。The movable scale 22 is provided with a first grating 68 shown in FIG. 10, and the first grating 68 is formed of a cross-shaped reflective grating including pentagonal reflective grating portions 70a, 70b,... 70d. . A lattice parallel to the Y axis is formed in the lattice parts 70a and 70b, and a lattice parallel to the X axis is formed in the lattice parts 70c and 70d. On the other hand, the fixed scale 60
Has a second grating 72 and third gratings 74a, 74b,..., 74h. And
The second grating 72 is a cross-shaped transmission grating including triangular transmission grating portions 76a, 76b,... 76d corresponding to the light emitting elements 62. The third gratings 74a, 74b,.
4h is a transmission grating corresponding to each of the light receiving elements 64a, 64b,... 64h.
【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,74
b,…74hを介して受光素子64a,64b,…64
h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64
a,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,
70d、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。Therefore, the light L emitted from the light emitting element 62
Are reflected by the first grating 68 via the second grating portions 76a, 76b,... 76d, and the reflected light is reflected by the third gratings 74a, 74b.
74h through the light receiving elements 64a, 64b,.
h. As described above, the photoelectric encoder according to the present embodiment has the second grating portions 76a and 76b, the first grating portions 70a and 70b, and the third grating portions 74a, 74b and 74c with respect to the relative movement in the X direction. , 74d, light receiving element 64
a, 64b, 64c, and 64d each function as a three-grid displacement detector. Further, with respect to the relative movement in the Y direction, the second lattice portions 76c and 76d, the first lattice portion 70c,
70d and the third grating portions 74e, 74f, 74g, 74h each function as a three-grid displacement detector.
【0020】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 ofthe optical society
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7
2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。That is, as shown in FIG. 12, the three-grating type displacement detector detects the amount of displacement based on a change in the overlap of three gratings (Journal of the optical society).
ofAmerica, 1965, vol. 55, No. 4, p373-381). The three-grating displacement detector shown in FIG.
The second and third gratings 74, the first grating 68 arranged in parallel between the two gratings 72, 74 so as to be relatively movable, the light emitting element 62 arranged on the left side of the second grating 72 in the drawing, A light receiving element 64 disposed on the right side of the three lattices 74 in the drawing.
【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72,6
8,74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。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.
The illumination light limited by 8, 74 is photoelectrically converted and further amplified by a preamplifier 78 to obtain a detection signal s. Here, when the first grating 68 relatively moves in the x direction, for example, with respect to the second grating 72 and the third grating 74, of the illumination light from the light emitting element 62, the amount of light blocked by the gratings 72, 68, 74. Gradually changes, and the detection signal s is output as a substantially sine wave.
【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。The pitch P 1 of the first grating 68 corresponds to the wavelength P of the detection signal s, and the relative movement amount of the first grating 68 is measured from the wavelength of the detection signal s and its division value. is there. Therefore, the first grating 68 is connected to the movable scale 2
Second, the second grating 72 and the third grating 74 are fixed scale 6
By setting them at 0, the relative movement amounts of both scales can be detected.
【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。In this embodiment, the first grating 68
Grating portion 70a, 70b is the grating formation pitch P 1 parallel to the Y-axis of the grating portion 70c, 70d is the grating pitch P 1 'parallel to the X-axis is formed. Also, the second lattice 72
Of the grating portion 76a, the 76 b Y parallel to the pitch P 2 lattice shaft is formed, the grating portion 76c, the grating pitch P 2 'parallel to the X axis to 76d are formed.
【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。Further, the third grating 74a has an Ax-phase grating, the third grating 74b has an Ax'-phase grating, and the third grating 7 has a third grating 74b.
Grating for Bx phase to 4c, grating for Bx 'phase in the third grating 74d is formed in parallel with a pitch P 3 in the Y-axis, respectively, the third grating 74e grating for Ay phase, the third grating 74
are formed in parallel with a pitch P 3 'on the' lattice, grating for By phase Third grid 74 g, By the third grating 74h for phase 'X-axis respectively grating for phase Ay to f .
【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゜(1/2P3'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。[0025] Therefore, when Ax = 0 °, with respect to Ax, Ax '= (different 1 / 2P 3) 180 ° Bx = 90 ° (1 / 4P 3 different) Bx' = different 270 ° (3 / 4P 3 If Ay = O ゜, Ay ′ = 180 ° (different from PP 3 ′) to Ay By = 90 ° (different from 1 / P 3 ′) By '= 270 ゜ (3 / 4P 3 ′) (Different).
【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B
x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。As a result, the light receiving elements 64a, 64b, 64
c, 64d, A
x-phase, Ax'-phase, Bx-phase, Bx'-phase signals can be obtained, Ax-phase output amplified by Ax-phase-Ax'-phase differential amplitude, and differential-amplitude from Bx-phase-Bx 'phase Amplified B
Obtain x-phase output. Then, the discrimination of the relative movement direction of the scale in the X direction is performed based on the shift direction of the phase of the Ax-phase output and the Bx-phase output, and the detection signal is electrically divided to detect the displacement with high resolution. ing.
【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。On the other hand, the light receiving elements 64e, 64f, 64g,
Ay phase shifted by π / 2 from 64h,
Ay ′ phase, By phase, and By ′ phase signals can be obtained, and 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. As described above, according to the displacement detecting means 18 according to the present embodiment, the moving direction and the moving distance in the X direction and the Y direction can be detected by one photoelectric encoder.
【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。The respective gratings for detecting the X-axis direction and the respective gratings for detecting the Y-axis direction may have the same pitch as the corresponding gratings. However, the gratings may be different if a different precision is required for each direction. It is also preferable to set the pitch.
【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、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、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。As described above, according to the vibrating gyroscope according to the present embodiment, the vibrator 14 can have a very simple structure, and the attachment of a piezoelectric element or the like is not required, so that the error can be reduced. it can. Also, since the amplitude and frequency of vibration in the X-axis direction are controlled using a non-contact photoelectric encoder with the vibrator, and the amplitude in the Y-axis direction is detected using the same encoder, the angular velocity ω is obtained. , The angular velocity ω can be measured with high resolution and high accuracy.
【0030】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。In the above embodiment, the housing 1
It is preferable that the linear expansion coefficient of the vibrator 14 be substantially equal to that of the vibrator 14. That is, if the linear expansion coefficients of the housing 19 and the vibrator 14 are significantly different, the movable scale 2
This is because the gap between the fixed scale 2 and the fixed scale 60 changes, which may increase the measurement error.
【0031】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。It is preferable that the inside of the housing 19 has a sealed structure. That is, a change in the air pressure inside the housing 19 may affect the vibration of the vibrator 14.
【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13
(A)に示すように正弦波状電圧を印可してもよい。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14(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。In the above embodiment, the excitation coil 2
6 was pulsed, for example, as shown in FIG.
As shown in (A), a sinusoidal voltage may be applied. At this time, the sawtooth voltage is synchronized with the sinusoidal voltage,
The phase is confirmed at t0 and t2, and the amplitude in the Y-axis direction is read at t1 and t3. Although using a cylindrical resonator in the embodiment, for example, FIG. 14 (A) to indicate to a cylindrical shape, the
It is also possible to adopt a square cross-sectional shape shown in FIG. (B), a square tubular shape shown in FIG.
【0033】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15(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。The vibrator has a moment of inertia about the X-axis and Y
The moment of inertia about the axis is substantially the same, and the resonance frequency f
Are required to be substantially equal. Further, it is preferable that the shape of the vibrator be a stepped shape as shown in FIG. 15A or a tapered shape as shown in FIG. The vibrator is required to have substantially the same moment of inertia around the X axis and moment of inertia around the Y axis, and to have substantially the same resonance frequency f.
【0034】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。In the above-described embodiment, the ferromagnetic cylinder is used for the vibrator portion facing the vibrating core 24. However, it is preferable to use a magnet or the like, for example.
【0035】[0035]
【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し、且つその
変位を非接触で検出することとしたので、簡単な構成で
極めて正確かつ高感度な角速度検出を行なうことができ
る。更に、X軸方向振幅を一定に制御しているので、Y
軸方向振幅は角速度に比例することから、Y軸方向振幅
を固定定数で乗算することによって、極めて正確な角速
度検出を行なうことができる。As described above, according to the vibrating gyroscope according to the present invention, the vibrator is vibrated in a non-contact manner, and its displacement is detected in a non-contact manner. In addition, highly sensitive angular velocity detection can be performed . Further, since the X-axis direction amplitude is controlled to be constant,
Since the axial amplitude is proportional to the angular velocity, the Y-axis amplitude
Is multiplied by a fixed constant, extremely accurate angular velocity detection can be performed.
【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 one embodiment of the present invention.
【図2】,FIG.
【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 the principle of measuring the angular velocity of the vibrating gyroscope shown in FIG.
【図4】,FIG.
【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 a vibration control unit of the vibration gyro shown in 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。FIG. 6 is an explanatory diagram of an angular velocity calculating means of the vibrating gyroscope 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。FIG. 7 is an explanatory diagram of the influence of low-frequency disturbance on the vibration gyro shown in FIG. 1;
【図8】,FIG.
【図9】,FIG.
【図10】,FIG.
【図11】,FIG.
【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。FIG. 12 is an explanatory diagram of a displacement detecting means of the vibrating gyroscope shown in FIG. 1;
【図13】励振コイルへの印加電圧波形の例の説明図で
ある。FIG. 13 is an explanatory diagram of an example of a voltage waveform applied to an excitation coil.
【図14】,FIG.
【図15】振動子の例の説明図である。FIG. 15 is an explanatory diagram of an example of a vibrator.
12 ベース 14 振動子 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 12 Base 14 Vibrator 16 Vibration means 18 Displacement detection means 30 Vibration control means 50 Angular velocity calculation means
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒木 真吾 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 (56)参考文献 特開 昭61−235716(JP,A) 特開 昭63−154915(JP,A) 特開 昭63−121709(JP,A) 特開 昭62−95421(JP,A) 特開 昭61−100608(JP,A) ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Shingo Kuroki 165, Sakado, Takatsu-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Pref. Mitutoyo Development Laboratories (56) References JP-A-154915 (JP, A) JP-A-63-121709 (JP, A) JP-A-62-95421 (JP, A) JP-A-61-100608 (JP, A)
Claims (1)
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X軸方向及びY軸方向へのそれぞれへの振幅を検出
する変位検出手段と、 前記変位検出手段から検出されるX軸方向振幅が一定と
なるように前記振動手段の振動制御を行う振動制御手段
と、 前記変位検出手段から入力されるY軸方向振幅を固定定
数で乗算して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A vibrating means erected on a base; a vibrating means disposed in close proximity to the vibrating means for applying a vibrating means in the X-axis direction to the vibrating means by a magnetic force; a movable scale was has a movable scale and oppositely disposed fixed scale, and displacement detection means for detecting the amplitude of the respective X-axis direction and the Y-axis direction of the vibrating means, from said displacement detecting hand stage When the detected X-axis direction amplitude is constant
Said vibration control means for vibration control of the vibration means so that a fixed constant in the Y-axis direction amplitude inputted from the displacement detecting hand stage
Vibrating gyro comprising: the angular velocity calculating means for calculating the angular velocity multiplied by the number, the
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3099550A JP2614550B2 (en) | 1991-04-03 | 1991-04-03 | Vibrating gyro |
US07/854,008 US5198663A (en) | 1991-04-03 | 1992-03-19 | Angular velocity sensor with displacement scale and sensor means |
DE4210117A DE4210117A1 (en) | 1991-04-03 | 1992-03-27 | ANGLE SPEED SENSOR |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3099550A JP2614550B2 (en) | 1991-04-03 | 1991-04-03 | Vibrating gyro |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04307323A JPH04307323A (en) | 1992-10-29 |
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Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS61235716A (en) * | 1985-04-11 | 1986-10-21 | Tokyo Keiki Co Ltd | Gyro device |
-
1991
- 1991-04-03 JP JP3099550A patent/JP2614550B2/en not_active Expired - Fee Related
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JPH04307323A (en) | 1992-10-29 |
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