JP2005147978A - Gyroscope device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は回転時に振動物体に作用するコリオリ力に基づいて、その角速度を検出するジャイロ装置に関する。特に、弾性線上部に磁石を設け弾性線下部を固定して2次元振動子を形成し、回転に伴う2次元振動子の軌道変化からその角速度を検出するジャイロ装置に関する。本発明は、人工衛星、航空機、船舶、自動車等の移動物体の姿勢の回転を検出するジャイロ装置に適用することができる。 The present invention relates to a gyro device that detects an angular velocity based on a Coriolis force acting on a vibrating object during rotation. In particular, the present invention relates to a gyro apparatus that forms a two-dimensional vibrator by providing a magnet on an upper part of an elastic line and fixing the lower part of the elastic line, and detects an angular velocity from a change in trajectory of the two-dimensional vibrator accompanying rotation. The present invention can be applied to a gyro apparatus that detects rotation of a posture of a moving object such as an artificial satellite, an aircraft, a ship, and an automobile.
従来より角速度を検出するジャイロ装置として、例えば特開平2−223817号公報に開示の振動ジャイロ装置がよく知られている。この振動ジャイロ装置を図8、図9に示す。図8はジャイロ構成を示す斜視図であり、図9はジャイロ装置の駆動方法と検出方法を説明する説明図である。図8に示すように従来の1例のジャイロ装置は、エリンバ合金などの恒弾性金属を略正三角柱状に加工して振動体100を形成し、その振動体100のノード点付近の稜線部分を支持部材107で支持する構造となっている。又、図9に示すようにその振動体100の各側面には、両面に電極を有した圧電素子102a、102b、102cがそれぞれ接着剤等で固着されている。圧電素子102aと圧電素子102bは振動体100を駆動する駆動用及び信号検出用であり、圧電素子102cは下記に示す発振回路104の帰還用である。
Conventionally, as a gyro device for detecting an angular velocity, for example, a vibration gyro device disclosed in JP-A-2-223817 is well known. This vibration gyro device is shown in FIGS. FIG. 8 is a perspective view showing a gyro configuration, and FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining a driving method and a detecting method of the gyro device. As shown in FIG. 8, in the conventional gyro device, a vibrating
上記構成において、発振回路104から駆動信号を出力すると、振動体100は圧電素子102cの形成面を長手方向に折り曲げるように屈曲振動する。この状態で、振動体100の長手方向の軸を中心として回転が加わると、コリオリ力によって振動体100の振動方向が変化し、圧電素子102a、102b間に変化に応じた出力差が生じる。この振動ジャイロ装置は、その出力差を測定することによって振動体100に加わったコリオリ力、即ちそれに比例した角速度を検知する構成である。
In the above configuration, when a driving signal is output from the
他に、例えば特許公開平10−170279号公報に開示の振動ジャイロ、特許公開2000−199713号公報に開示の振動ジャイロがある。これは、金属製音叉に圧電素子を接着したものである。これらの従来例は、圧電素子で金属本体に振動を与え、回転によるコリオリ力によって発生した金属の歪みを圧電素子で検出する構成である。又、他に例えば特許公開2000−065579号公報に開示の音叉型圧電ジャイロセンサ、及び特許公開平11−281369号公報に開示の音叉型圧電ジャイロがある。これらは、圧電素子そのものを音叉形状に加工して振動体とし、コリオリ力に伴う歪みをその圧電素子に現れる電圧で検出する構造となっている。 In addition, for example, there is a vibration gyro disclosed in Japanese Patent Publication No. 10-170279 and a vibration gyro disclosed in Japanese Patent Publication No. 2000-199713. In this example, a piezoelectric element is bonded to a metal tuning fork. These conventional examples have a configuration in which a piezoelectric element is used to vibrate a metal body, and the distortion of the metal generated by the Coriolis force due to rotation is detected by the piezoelectric element. Other examples include a tuning fork type piezoelectric gyro sensor disclosed in Japanese Patent Publication No. 2000-065579 and a tuning fork type piezoelectric gyro disclosed in Japanese Patent Publication No. 11-281369. These have a structure in which a piezoelectric element itself is processed into a tuning fork shape to form a vibrating body, and distortion caused by Coriolis force is detected by a voltage appearing in the piezoelectric element.
更に、最近ではシリコンマイクロマシニングを用いて作製したジャイロセンサがある。例えば、特許公開平11−142157号公報に開示のジャイロセンサがある。これは、半導体異方性エッチング技術を用いてシリコン基板を掘り下げ中空構造とし、中央部のマス部を両端の梁部で支えた構造である。そのマス部下部には電極が形成され、マス部とその電極とでコンデンサーが形成されている。又、梁部には圧電素子(薄膜)が形成されている。そして、所定周波数の電圧を印加し静電力で面方向(z軸方向)に共振させ、回転に伴うコリオリ力を梁部に形成された圧電素子で検出する構成である。尚、上記コリオリ力によるマス部の変位は、マス部側面に対向して形成されたコンデンサー電極によって、即ちその静電容量変化によって検出される例もある。
しかしながら、圧電素子を使用する従来例のジャイロセンサは以下のような問題点がある。例えば、圧電素子は温度変化によっその性能が大きく変化する。例えば、電気機械変換効率は温度変化により十数%〜数十%変化する場合がある。よって、圧電素子を用いたジャイロセンサは、温度変化に対して安定して角速度を出力するものではない。又、温度変化によって静止時においても出力がドリフトするという問題点もある。 However, the conventional gyro sensor using a piezoelectric element has the following problems. For example, the performance of a piezoelectric element varies greatly with changes in temperature. For example, the electromechanical conversion efficiency may change from several tens of percent to several tens of percent due to temperature changes. Therefore, a gyro sensor using a piezoelectric element does not output an angular velocity stably with respect to a temperature change. There is also a problem that the output drifts even at rest due to temperature changes.
又、圧電素子によって金属等の振動体を駆動する構成は、駆動用圧電素子自体の高調波による振動が筐体等を介して検出用圧電素子に伝播する。そして、通常これを回避するため様々な支持構造体、又は電子回路が付加される。即ち、組立工程が複雑になるという問題点がある。又、圧電素子を金属体に貼り付ける構成は、圧電素子を長期間に渡り駆動すると圧電素子の伸縮により圧電素子が金属体から部分的に剥離するという問題がある。即ち、長期間使用には適さないという問題点がある。
又、圧電素子は外部振動を敏感に検出する。よって、低速回転の検出は外部振動によるノイズに含まれるため、その検出が困難となる問題がある。
又、圧電素子はその組成、形状、加工精度によって性能が異なる。即ち、個々の製品によってその性能が異なるという問題点がある。
Further, in the configuration in which the vibrating body such as a metal is driven by the piezoelectric element, the vibration due to the harmonics of the driving piezoelectric element itself propagates to the detecting piezoelectric element through the housing or the like. In order to avoid this, various support structures or electronic circuits are usually added. That is, there is a problem that the assembly process becomes complicated. In addition, the configuration in which the piezoelectric element is attached to the metal body has a problem that when the piezoelectric element is driven for a long period of time, the piezoelectric element partially peels from the metal body due to expansion and contraction of the piezoelectric element. That is, there is a problem that it is not suitable for long-term use.
In addition, the piezoelectric element sensitively detects external vibration. Therefore, since detection of low-speed rotation is included in noise due to external vibration, there is a problem that it is difficult to detect.
Moreover, the performance of the piezoelectric element varies depending on its composition, shape, and processing accuracy. That is, there is a problem that the performance varies depending on individual products.
又、マイクロマシニングによって振動型ジャイロセンサを製造する場合は、例えば数ミリ角のシリコン(表面層)を使用するためそのマス部が極めて小となる。例えば、数mg〜数μgとなる。即ち、たとえ高周波で駆動してもコリオリ力はマス部の質量にも比例するのでコリオリ力は小となる。従って、低速回転時にはコリオリ力によるマス部の変位も小となり、低速時の角速度は検出が困難となる問題点がある。 Further, when a vibration type gyro sensor is manufactured by micromachining, for example, several square mm of silicon (surface layer) is used, so that the mass portion becomes extremely small. For example, it is several mg to several μg. That is, even if driven at a high frequency, the Coriolis force is proportional to the mass of the mass portion, so that the Coriolis force becomes small. Therefore, there is a problem that the mass portion is displaced little by the Coriolis force during low-speed rotation, and the angular velocity at low speed is difficult to detect.
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、その目的は弾性線と所定の質量を有する磁石で2次元振動子を構成し、その2次元振動子を交番磁界で振動させ、回転時のコリオリ力による磁石の軌道変化を大とし、それにより角速度を高感度に検出することである。
又、軌道変化に伴う検出信号の位相変化をクォーツクロックで計数し、従来より精度よく角速度を検出することである。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to form a two-dimensional vibrator with an elastic line and a magnet having a predetermined mass, and to vibrate the two-dimensional vibrator with an alternating magnetic field. The change in the trajectory of the magnet due to the Coriolis force during rotation is made large, and thereby the angular velocity is detected with high sensitivity.
In addition, the phase change of the detection signal accompanying the change of the orbit is counted with a quartz clock, and the angular velocity is detected with higher accuracy than before.
又、2次元振動子の弾性線を低熱膨張係数を有する線材とし、温度変化の影響を小とするジャイロ装置を提供することである。又、同時に静止時のドリフトも小とするジャイロ装置を提供することである。
又、2次元振動子の弾性線長さの調節によって共振周波数を調節可能とし、これにより製品毎のばらつきを低減することである。又、弾性線をホルダー溝にセットし所定圧力で押圧することで共振スペクトルを分離し、初動の直線振動を容易とすることである。又、弾性線をホルダー溝にセットする構造とすることで組立を容易とすることである。
更に、2次元振動子をチップコイルで駆動し、磁石の軌道変化をチップコイルで検出可能とすることでジャイロを小型化することである。又、それにより省電力とすることである。
尚、上記目的は、個々の発明が達成する個々の目的であって、個々の発明が全ての目的を達成するものと解釈されるべきではない。
It is another object of the present invention to provide a gyro device that uses an elastic wire of a two-dimensional vibrator as a wire having a low thermal expansion coefficient and reduces the influence of temperature change. It is another object of the present invention to provide a gyro device that can reduce the drift at rest.
Further, the resonance frequency can be adjusted by adjusting the elastic line length of the two-dimensional vibrator, thereby reducing the variation among products. Further, the elastic line is set in the holder groove and pressed with a predetermined pressure to separate the resonance spectrum and facilitate initial linear vibration. Also, the assembly is facilitated by adopting a structure in which the elastic wire is set in the holder groove.
Further, the gyro can be miniaturized by driving the two-dimensional vibrator with a chip coil and making it possible to detect the orbital change of the magnet with the chip coil. In addition, it is to save power.
It should be noted that the above objects are individual objects achieved by each invention and should not be construed as achieving each object.
請求項1に記載のジャイロ装置は、回転時に振動物体に作用するコリオリ力に基づいて角速度を求めるジャイロ装置であって、弾性線とその弾性線先端部に固定された磁石と弾性線後端部を固定するホルダーとからなる2次元振動子と、その磁石を所定方向に微小振動させる為の磁界発生手段と、コリオリ力による磁石の軌道変化を検出する軌道変化検出手段とを備え、軌道変化検出手段の検出する軌道変化関連値により角速度を算出することを特徴とする。
The gyro apparatus according to
又、請求項2に記載のジャイロ装置は請求項1に記載のジャイロ装置であって、弾性線は恒弾性係数を有する弾性線、又は低熱膨張係数を有する弾性線であることを特徴とする。
又、請求項3に記載のジャイロ装置は請求項1又は請求項2に記載のジャイロ装置であって、2次元振動子の後端部はホルダーによって弾性線の異なる2軸方向の共振周波数が異なるように一方向から所定応力で挟持され、ホルダーによる挟持方向は磁界発生手段による磁界発生方向、又は軌道変化検出手段の検出方向と一致する事を特徴とする。
A gyro device according to a second aspect is the gyro device according to the first aspect, wherein the elastic line is an elastic line having a constant elastic modulus or an elastic line having a low thermal expansion coefficient.
The gyro device according to
又、請求項4に記載のジャイロ装置は請求項3に記載のジャイロ装置であって、ホルダーはホルダー受けとホルダー押さえとで構成され、弾性線後端部はそのホルダー受け上面に所定深さに形成された溝に弾性線の側面がその溝から側出するように配設され、所定応力はそのホルダー受けとホルダー押さえによって押圧挟持されることによって決定されることを特徴とする。
又、請求項5に記載のジャイロ装置は請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のジャイロ装置であって、磁界発生手段は微小フェライトあるいは微小電磁軟鉄をコアとしそのコアに導線が巻かれたチップコイルとからなることを特徴とする。
The gyro device according to
Further, the gyro device according to claim 5 is the gyro device according to any one of
又、請求項6に記載のジャイロ装置は請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載のジャイロ装置であって、軌道変化検出手段は回転による磁石の楕円振動の短軸方向の変位を光学的に検出する光学的変位検出手段、又は磁気的に検出する磁気的変位検出手段であることを特徴とする。
又、請求項7に記載のジャイロ装置は請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載のジャイロ装置であって、軌道変化関連値は軌道変化検出手段による検出信号の振幅変化であることを特徴とする。
The gyro device according to
The gyro apparatus according to
又、請求項8に記載のジャイロ装置は請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載のジャイロ装置であって、軌道変化関連値は軌道変化検出手段による検出信号の位相変化であることを特徴とする。
又、請求項9に記載のジャイロ装置は請求項8に記載のジャイロ装置であって、位相変化は磁界発生手段を駆動する駆動信号と、軌道変化検出手段によって検出される検出信号との位相差を、所定時間毎に高周波クロックで計数することで得られることを特徴とする。
又、請求項10に記載のジャイロ装置は請求項1乃至請求項9の何れか1項に記載のジャイロ装置であって、2次元振動子と磁界発生手段と軌道変化検出手段は、外部磁場を回避するため防磁筐体内に設置されることを特徴とする。
The gyro apparatus according to
The gyro apparatus according to claim 9 is the gyro apparatus according to
The gyro apparatus according to
請求項1に記載のジャイロ装置は、回転時に振動物体に作用するコリオリ力に基づいて角速度を求めるジャイロ装置であって、弾性線とその弾性線先端部に固定された磁石と弾性線後端部を固定するホルダーとからなる2次元振動子と、その磁石を所定方向に微小振動させる為の磁界発生手段と、コリオリ力による磁石の軌道変化を検出する軌道変化検出手段とを備え、軌道変化検出手段の検出する軌道変化関連値により角速度を算出している。本発明のジャイロ装置は、回転時に振動物体、移動物体に作用するコリオリ力に基づいて角速度を検出する所謂レートジャイロである。
The gyro apparatus according to
先ず、弾性線を用意し、その弾性線先端部に磁石を固定する。そして、弾性線後端部をホルダーで固定して2方向に微小振動可能な2次元振動子を形成する。2次元振動子とは、弾性線の軸方向をz軸とする時、そのz軸に垂直なxy平面で振動可能な振動子の意味である。そして、例えば磁石周辺にその磁石を所定方向に微小振動させる磁界発生手段を備える。磁界発生手段とは例えば微小コイルであり、例えば2次元振動子の固有振動数に一致する交番磁界を発生させる。これにより、2次元振動子は所定方向(交番磁界の方向)に直線振動、又は楕円振動する。この状態で、ジャイロ装置がz軸中心に回転すると、磁石には角速度と振動速度の外積と磁石の質量に比例したコリオリ力が作用する。これにより、磁石は進行方向の右側又は左側に変位し、その結果その軌道が変化する。 First, an elastic wire is prepared, and a magnet is fixed to the elastic wire tip. Then, a rear end portion of the elastic line is fixed with a holder to form a two-dimensional vibrator capable of minute vibrations in two directions. The two-dimensional vibrator means a vibrator that can vibrate on an xy plane perpendicular to the z-axis when the axial direction of the elastic line is the z-axis. For example, magnetic field generating means for minutely vibrating the magnet in a predetermined direction is provided around the magnet. The magnetic field generating means is, for example, a minute coil, and generates an alternating magnetic field that matches the natural frequency of the two-dimensional vibrator, for example. As a result, the two-dimensional vibrator vibrates linearly or elliptically in a predetermined direction (the direction of the alternating magnetic field). In this state, when the gyro device rotates about the z-axis, a Coriolis force proportional to the outer product of the angular velocity and the vibration velocity and the mass of the magnet acts on the magnet. As a result, the magnet is displaced to the right or left in the traveling direction, and as a result, its trajectory changes.
交番磁界により当初、磁石が直線振動している場合は楕円振動に変化する。即ち、直線軌道から楕円軌道に変化する。又、当初磁石が楕円振動している場合は、その楕円率が変化する。即ち、磁石の軌道が変化する。本発明では、この軌道変化に関連する軌道変化関連値を軌道変化検出手段によって検出する。軌道変化関連値とは角速度に相関のある値であり、例えば楕円軌道の短軸長変化、楕円率変化、楕円周囲長変化、楕円面積変化等、軌道変化に関連する全ての関連値である。例えば、軌道変化検出手段を微小コイルで構成すれば、電磁誘導により容易に楕円軌道の短軸長変化を電圧変化で検出することができる。即ち、容易に角速度を検出することができる。 When the magnet is initially vibrating linearly by the alternating magnetic field, it changes to elliptical vibration. That is, the linear trajectory changes to an elliptical trajectory. If the magnet is initially elliptically vibrating, its ellipticity changes. That is, the magnet trajectory changes. In the present invention, the trajectory change related value related to the trajectory change is detected by the trajectory change detecting means. The orbital change related value is a value correlated with the angular velocity, and is all related values related to the orbital change such as a short axis length change, ellipticity change, elliptical perimeter change, and elliptical area change of the elliptical orbit. For example, if the trajectory change detecting means is constituted by a minute coil, a short axis length change of an elliptical trajectory can be easily detected by a voltage change by electromagnetic induction. That is, the angular velocity can be easily detected.
従来のジャイロ装置は、セラミックである圧電素子、又はシリコンを用いている。よって、衝撃等でそれらが破損する場合がある。本発明によれば、金属で代表される弾性線を用いて微小振動する2次元振動子を利用している。よって、衝撃等に頑強なジャイロ装置とすることができる。又、マイクロマシニング技術によるジャイロ装置と比較すれば、本発明においてはコリオリ力を感知する質量を磁石の質量としている。よって、従来のシリコンジャイロ装置よりそれをより大きくとることができる。即ち、より高感度に角速度を検出することができる。 A conventional gyro apparatus uses a piezoelectric element that is ceramic or silicon. Therefore, they may be damaged by impact or the like. According to the present invention, a two-dimensional vibrator that vibrates minutely using an elastic line typified by metal is used. Therefore, it can be set as the gyro apparatus robust to an impact or the like. Further, in comparison with a gyro device using micromachining technology, the mass for sensing Coriolis force is used as the mass of the magnet in the present invention. Therefore, it can be made larger than the conventional silicon gyro apparatus. That is, the angular velocity can be detected with higher sensitivity.
又、請求項2に記載のジャイロ装置は請求項1に記載のジャイロ装置であって、弾性線を恒弾性係数を有する弾性線、又は低熱膨張係数を有する弾性線としている。恒弾性係数を有する弾性線は例えばエリンバ合金である。低熱膨張係数を有する弾性線は、例えばインバー合金である。両弾性線は、その弾性係数の温度依存性が小である。即ち、温度変化に対する弾性係数変化が小であるので、弾性係数変化による共振周波数変化が抑えられる。よって、本発明のジャイロ装置によれば、温度変化に対しても安定して角速度を検出することができる。 A gyro device according to a second aspect is the gyro device according to the first aspect, wherein the elastic line is an elastic line having a constant elastic modulus or an elastic line having a low thermal expansion coefficient. The elastic line having a constant elastic modulus is, for example, an Elinba alloy. The elastic line having a low thermal expansion coefficient is, for example, an Invar alloy. Both elastic lines have a small temperature dependence of their elastic modulus. That is, since the elastic coefficient change with respect to the temperature change is small, the resonance frequency change due to the elastic coefficient change can be suppressed. Therefore, according to the gyro apparatus of the present invention, the angular velocity can be detected stably even with respect to a temperature change.
又、請求項3に記載のジャイロ装置は請求項1又は請求項2に記載のジャイロ装置であって、2次元振動子の後端部はホルダーによって弾性線の異なる2軸方向の共振周波数が異なるように一方向から所定応力で挟持され、ホルダーの挟持方向は磁界発生手段による磁界発生方向、又は軌道変化検出手段の検出方向と一致されている。
The gyro device according to
弾性線の異なる2軸方向とは、弾性線の軸方向をz軸とする時、そのz軸に垂直なx軸方向及びy軸である。弾性線後端部は、例えばy軸方向に所定の応力を受けた状態で挟持されている。よって、その箇所の弾性線断面は微視的には楕円形に変形される。その変形した断面の形状効果、又は内部応力効果により、弾性線の弾性係数は応力方向(y軸方向)とその直角方向(x軸方向)によって異なる。また、弾性係数はその系の固有振動数に関わるので、その固有振動数もその方向によって異なる。すなわち、x軸方向とy軸方向によって共振モードがスペクトル上分離される。従って、磁界発生手段により発生される磁界とその応力方向が一致すると、クロストークがなく安定して応力方向に共振を起こすことができる。例えば、磁界発生手段よって交番磁界をx軸方向に発生させれば2次元振動子をx軸方向に安定して直線振動させることができる。そして、回転時には軌道がy軸方向に変化する。即ち、安定してコリオリ力による軌道変化を検出することができる。尚、磁界発生手段により発生される磁界とホルダーによる応力方向は直交させてもよい。この場合は、軌道変化検出手段の検出方向とホルダーの応力方向が一致することになる。即ち、x軸方向とy軸方向を入れ替えてもよい。このようにしても同等の効果が得られる。 The biaxial directions with different elastic lines are the x-axis direction and the y-axis perpendicular to the z-axis when the axial direction of the elastic line is the z-axis. The rear end portion of the elastic line is held in a state where a predetermined stress is received in the y-axis direction, for example. Therefore, the elastic line cross section at that point is microscopically deformed into an ellipse. Due to the shape effect of the deformed cross section or the internal stress effect, the elastic coefficient of the elastic line differs depending on the stress direction (y-axis direction) and its perpendicular direction (x-axis direction). Further, since the elastic coefficient relates to the natural frequency of the system, the natural frequency also varies depending on the direction. That is, the resonance mode is spectrally separated by the x-axis direction and the y-axis direction. Therefore, when the magnetic field generated by the magnetic field generating means coincides with the stress direction, resonance can occur in the stress direction stably without crosstalk. For example, if an alternating magnetic field is generated in the x-axis direction by the magnetic field generating means, the two-dimensional vibrator can be stably oscillated linearly in the x-axis direction. And when rotating, the trajectory changes in the y-axis direction. That is, it is possible to detect a change in trajectory due to Coriolis force stably. The magnetic field generated by the magnetic field generating means and the stress direction by the holder may be orthogonal. In this case, the detection direction of the trajectory change detection means coincides with the stress direction of the holder. That is, the x-axis direction and the y-axis direction may be interchanged. In this way, the same effect can be obtained.
又、請求項4に記載のジャイロ装置は請求項3に記載のジャイロ装置であって、ホルダーはホルダー受けとホルダー押さえとで構成され、弾性線後端部はそのホルダー受け上面に所定深さに形成された溝に弾性線の側面がその溝から側出するように配設され、所定応力はそのホルダー受けとホルダー押さえによって押圧挟持されることによって決定されている。この構成は、弾性線後端部がそのホルダー受けとホルダー押さえとによって押圧挟持される構成である。これにより弾性線後端部は、ホルダー受け上面に設けられた溝深さと弾性線の線径に応じた所定の応力で固定される。従って、組立時にホルダー受けとホルダー押さえとによって弾性線後端部を押圧挟持する作業のみで、一定した所定応力を与えることができる。共振スペクトルの分離幅はこの応力によって決定されるので、製品毎のバラツキが低減される。よって、容易に特性の安定したジャイロ装置を提供することができる。
The gyro device according to
又、請求項5に記載のジャイロ装置は請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のジャイロ装置であって、磁界発生手段は微小フェライトあるいは微小電磁軟鉄をコアとしそのコアに導線が巻かれたチップコイルで形成されている。これらのチップコイルに交番電流を供給するとチップコイル両端から交番磁界が発生する。よって、容易に磁石に交番するトルクを与えることができる。よって、容易に請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のジャイロ装置を実現することができる。又、チップコイルは、数ミリ角である。よって、省スペースとなり、ジャイロ装置を小型化することができる。
Further, the gyro device according to claim 5 is the gyro device according to any one of
又、請求項6に記載のジャイロ装置は請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載のジャイロ装置であって、軌道変化検出手段は回転による磁石の楕円振動の短軸方向の変位を光学的に検出する光学的変位検出手段、又は磁気的に検出する磁気的変位検出手段から形成されている。軌道変化検出手段は、当初(無回転時)の直線振動と直角方向に設置される。よって、例えば投光部、受光部からなる近接センサ等の光学的変位検出手段を備えれば、容易に回転に伴う短軸方向の変位を検出することができる。光学的変位検出手段を用いれば、電磁ノイズの影響が回避されるので角速度を高精度に検出することができる。尚、軌道変化検出手段は微小コイル等の磁気的変位検出手段としてもよい。微小コイル近傍を磁石が通過すれば、電磁誘導により微小コイルの端子には電圧が発生する。特に、短軸方向に微小コイルを設置すれば、効率的に短軸方向の変位を検出することができる。
The gyro device according to
又、請求項7に記載のジャイロ装置は請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載のジャイロ装置であって、軌道変化関連値としては軌道変化検出手段による検出信号の振幅変化を用いている。コリオリ力とは運動している物体が回転せられた場合に働く見かけの力であり以下のように表される。
fc=2mV×ω ・・・・・(1)
fc:コリオリ力
m:質量
V:速度ベクトル
ω:角速度ベクトル
(1)式からわかるように、コリオリ力fcは、質量mの物体が速度Vで運動しているときに角速度ωが生じた場合、運動している方向と角速度ωの回転軸の方向とに垂直で大きさは質量m、速度V、角速度ωに比例して発生する。本発明では、2次元振動子が往復運動するので、軌道変化検出手段はその運動をサイン波信号で検出する。即ち、角速度が大である時はコリオリ力による質量(磁石)の変位も大となるので、軌道変化検出手段による検出信号の振幅も大となる。逆に、角速度が小である時は検出信号の振幅も小となる。よって、軌道変化関連値を検出信号の信号振幅とすれば、その時の加速度の大きさを容易に推定することができる。
The gyro apparatus according to
fc = 2 mV × ω (1)
fc: Coriolis force m: mass V: velocity vector ω: angular velocity vector As can be seen from the equation (1), the Coriolis force fc is obtained when an angular velocity ω is generated when an object of mass m is moving at a velocity V. The magnitude is generated in proportion to the mass m, the velocity V, and the angular velocity ω perpendicular to the moving direction and the direction of the rotation axis of the angular velocity ω. In the present invention, since the two-dimensional vibrator reciprocates, the trajectory change detection means detects the movement with a sine wave signal. That is, when the angular velocity is high, the displacement of the mass (magnet) due to the Coriolis force is also large, so that the amplitude of the detection signal by the trajectory change detection means is also large. Conversely, when the angular velocity is small, the amplitude of the detection signal is also small. Therefore, if the trajectory change related value is the signal amplitude of the detection signal, the magnitude of the acceleration at that time can be easily estimated.
又、請求項8に記載のジャイロ装置は請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載のジャイロ装置であって、軌道変化関連値としては軌道変化検出手段による検出信号の位相変化を用いている。直線振動している2次元振動子に回転が作用すると、2次元振動子の軌道は直線振動から楕円振動に変化する。この時、軌道変化により基準信号(駆動信号)に対する検出信号の位相も変化する。例えば、右回転時は位相が遅れ、左回転時には位相が進む。よって、この位相変化を軌道変化関連値とすれば、位相変化の大きさにより角速度の大きさが容易に推定される。更に、位相の増減の方向により容易に回転方向も判別することができる。即ち、角速度をベクトル量で検出することができる。
Further, the gyro apparatus according to
又、請求項9に記載のジャイロ装置は請求項8に記載のジャイロ装置であって、位相変化は磁界発生手段を駆動する駆動信号と、軌道変化検出手段によって検出される前記検出信号との位相差を、所定時間毎に高周波クロックで計数することで得ている。駆動信号と検出信号の位相差を、所定時間毎に例えばクォーツクロック等の高周波クロックで計数しその変化を算出すれば、角速度を高精度に測定することができる。よって、高精度ジャイロ装置を実現することができる。
The gyro apparatus according to claim 9 is the gyro apparatus according to
又、請求項10に記載のジャイロ装置は請求項1乃至請求項9の何れか1項に記載のジャイロ装置であって、2次元振動子と磁界発生手段と軌道変化検出手段は、外部磁場を回避するため防磁筐体内に設置されている。2次元振動子は先端に磁石を搭載しているので、外部磁場(外乱磁場)の影響を受ける。又、磁界発生手段も外部磁場の影響を受ける。更に、軌道変化検出手段を磁気的変位検出手段とした場合も同様である。よって、2次元振動子と磁界発生手段と軌道変化検出手段をフェライト等で密閉された防磁筐体内に設置する。このようにすれば、外部磁場の影響が低減され、より精度よく角速度を検出することができる。
The gyro apparatus according to
以下、本発明の実施の形態を図1〜図7に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1に本発明のジャイロ装置を示す。図は、構成図である。本発明のジャイロ装置は弾性線5、弾性線5の先端部に固定された磁石6、弾性線5の後端部を固定するホルダー受け2、及びホルダー押さえ3とからなる2次元振動子10と、磁石6周辺に備えられその磁石6を所定方向に微小振動させる磁界発生手段である駆動用チップコイル7、及びコリオリ力による磁石6の軌道変化を検出する軌道変化検出手段である検出用チップコイル8とから構成される。尚、駆動用チップコイル7、及び検出用チップコイル8はチップコイルホルダー9に固着され、チップコイルホルダー9は基板1に固定されている。又、2次元振動子10はホルダー受け2、及びホルダー押さえ3とからなるホルダーによって基板1に設置されている。本実施例のジャイロ装置は、重さ約6gであり軽量化が求められる航空機、人工衛星等の移動機器に好適である。
FIG. 1 shows a gyro apparatus of the present invention. The figure is a block diagram. The gyro apparatus of the present invention includes a two-
上記構成において、弾性線5の後端部はホルダー受け2の側面に設けられた溝に側出するように配設されホルダー押さえ3に挟持されている。そして、ネジ4によって所定の応力が付加されて固定されている。この時、その箇所の弾性線5の断面は微視的には応力によって楕円形に変形される。この変形効果により、弾性線5の弾性係数は応力方向(図ではy軸方向)とその直角方向(x軸方向)によって異なる。弾性係数はその機械系の固有振動数に関わるので、固有振動数もその方向によって異なる。すなわち、ホルダー受け2とホルダー押さえ3によって所定応力を付加するだけで容易に、図2に示すように共振モードをスペクトル上分離することができる。これは、我々が特許第2892641号に開示の投影装置に示した知見である。図1に示す構成において、駆動用チップコイル7の端子に図2の矢印で示す所定周波数(例えばfx=137Hz)で数mA〜十数mAを流すと、チップコイル7からは所定周波数の交番磁界が発生し、2次元振動子10が共振する。この時、y軸方向スペクトル成分とはほとんどクロストークがないので、2次元振動子10のy軸方向への変位がなくx軸方向にのみ安定して直線振動する。よって、無回転時(角速度=0時)の安定性が保証される。又、本実施例では弾性線5に恒弾性係数を有するエリンバ合金を使用している。よって、温度変化に対しても共振周波数がほとんど変化しない。よって、本実施例の2次元振動子10は温度変化に対しても安定して直線振動することになる。尚、弾性線5にはエリンバ合金のみならずインバー合金も使用可能である。インバー合金も略恒弾性特性を有する。よって、エリンバ合金とほぼ同等の効果がある。
In the above-described configuration, the rear end portion of the elastic wire 5 is disposed so as to protrude to the groove provided on the side surface of the
この状態において、弾性線軸方向、即ちz軸方向を中心軸として角速度ωで2次元振動子10が回転すると、式(1)により磁石6にコリオリ力fc(=2mVω)が作用し、磁石6はy軸方向に変位する。即ち、磁石6の軌道が変化する。その結果、図3に示すように角速度ω=0時の直線振動(図3(a))が左回り楕円振動(図3(b))、又は右回り楕円振動(図3(c))に変化する。即ち、本実施例のジャイロ装置が搭載された機器が回転すると、例えば角速度ベクトルが紙面を下から上に貫く方向であると、その角速度ωLの大きさに応じて例えば楕円率が変化した左回り楕円振動(図3(b))となる。又、逆に角速度ベクトルが紙面を上から下に貫く方向であると、その角速度ωRの大きさに応じて例えば楕円率が変化した右回り楕円振動(図3(c))となる。
In this state, when the two-
この時、角速度は様々な軌道変化関連値で捉えることができる。軌道変化関連値とは、例えば軌道が変化する時の位相変化(後述する)、楕円軌道の短軸長変化、楕円率変化、楕円周囲長変化、楕円面積変化等である。本実施例では、高精度検出を可能とするため位相変化を取り上げる。2次元振動子10が直線振動から楕円振動への軌道変化する時は、2次元振動子10の駆動信号(リファレンス信号)に対する検出信号の位相が変化する。これは、軌道が変化することにより検出用チップコイル8への磁石6の接近タイミングが変化するためである。即ち、図4に示すように磁石6を駆動する駆動用チップコイル7に与える信号をリファレンス信号とする時、本実施例のジャイロ装置を右回転させると、検出信号はリファレンス信号(a)に対して位相が増大する(位相が遅れる)ように変位する(検出信号(b))。即ち、位相差φ0から位相差φRに変化する。この場合、(φR−φ0)が角速度ωRに比例する。逆に、ジャイロ装置を左回転させると検出信号はリファレンス信号(a)に対して位相差が減少する(位相が進む)ように変位する(検出信号(d))。即ち、位相差φ0から位相差φLに変化する。この場合は、(φ0−φL)が角速度ωLに比例する。
At this time, the angular velocity can be grasped with various trajectory change-related values. The orbit change-related value is, for example, a phase change (described later) when the orbit changes, a short axis length change of an elliptic orbit, an ellipticity change, an ellipse circumference change, an elliptic area change, or the like. In this embodiment, the phase change is taken up in order to enable highly accurate detection. When the trajectory of the two-
本実施例では、計測精度を向上させるためこの位相変化をクォーツクロックで計数する。本実施例の位相変化検出回路を図5に示す。図はブロック図である。本実施例の位相変化検出回路は、クォーツクロック21、AND回路22、カウンタ回路23、及びワンチップマイコン24から構成される。これは、検出信号とリファレンス信号の位相変化をクォーツクロック21とカウンタ回路23によって高感度に計数する構成である。例えば、リファレンス信号、検出信号とも約137Hzとし、クォーツクロックを16MHzとすれば、位相は11万分割される。即ち、角速度ωは高感度に計数される。
In this embodiment, this phase change is counted with a quartz clock in order to improve measurement accuracy. FIG. 5 shows the phase change detection circuit of this embodiment. The figure is a block diagram. The phase change detection circuit according to this embodiment includes a
図6に本実施例のジャイロ装置のフローチャートを示す。本実施例の位相測定は、図示しないコンパレータでデジタル化した検出信号の立ち上がりをトリガとするインタラプトプログラムであり、例えば約7.3msec毎に測定される。尚、無回転時の位相φ0は通常のプログラムにおいて、予め測定し記憶するものとする。先ず、ステップs10において、現時点での位相φを読み込む。次に、ステップs12に移行し位相変化φD=φ−φ0を計算する。次に、ステップs14においてφD>0か否かを判定する。φD>0であれば、即ちyesであれば方向フラグを1にしてステップs20に移行する。方向フラグ1は、例えば左回転である。逆に、φD<0であればステップs18に移行しφD=−φDとして角速度を正の値にし、方向フラグを0とする。方向フラグ0は、例えば右回転である。そしてステップs20に移行し、キャリブレーション定数kCを乗算して、角速度ωCを算出する。最後にステップs22に移行し、方向フラグと角速度ωCを出力する。
FIG. 6 shows a flowchart of the gyro apparatus of this embodiment. The phase measurement of the present embodiment is an interrupt program triggered by a rising edge of a detection signal digitized by a comparator (not shown), and is measured, for example, every about 7.3 msec. Note that the phase φ 0 at the time of non-rotation is measured and stored in advance in a normal program. First, in step s10, the current phase φ is read. Next, the process proceeds to step s12, and the phase change φ D = φ−φ 0 is calculated. Next, in step s14, it is determined whether φ D > 0. If
図7に本実施例のジャイロ装置の出力結果を示す。これは、回転テーブルに本実施例のジャイロ装置をz軸を上にして固定し、回転テーブルを左方向に10°/secの角速度で回転させた場合の出力結果(位相変化図)である。縦軸が位相値、横軸が時間に相当するデータ数である。図7において、a部は静止状態を示し、b部が角速度10°/secで左回転させた場合の位相変化を示す。尚、位相値は約58400がπ/2に相当する。即ち、この時の感度(分解能)は、1カウント当たり約0.002°/secであると評価される。 FIG. 7 shows the output result of the gyro device of this embodiment. This is an output result (phase change diagram) when the gyro device of the present embodiment is fixed to the rotary table with the z-axis facing upward, and the rotary table is rotated leftward at an angular velocity of 10 ° / sec. The vertical axis represents the phase value, and the horizontal axis represents the number of data corresponding to time. In FIG. 7, a part shows a stationary state, and b part shows a phase change when it is rotated counterclockwise at an angular velocity of 10 ° / sec. The phase value of about 58400 corresponds to π / 2. That is, the sensitivity (resolution) at this time is evaluated to be about 0.002 ° / sec per count.
(変形例)
本発明は、他にも様々な形態で実施することができる。例えば、上記実施例ではチップコイルはフェライトをコアとしてその外周に導線を捲回したものを想定したが、このコアは特にフェライトでなくともよい。例えば、微小電磁軟鉄でもよい。又、巻き数が多ければ空芯でもよい。
(Modification)
The present invention can be implemented in various other forms. For example, in the above-described embodiment, the chip coil is assumed to have ferrite as a core and a conductor is wound around the outer periphery thereof. However, the core may not be particularly ferrite. For example, fine electromagnetic soft iron may be used. An air core may be used if the number of windings is large.
又、上記実施例では磁界発生手段(チップコイル7)により発生される磁界と、ホルダー受け2とホルダー押さえ3とによる応力方向は直交していたが、これを平行としてもよい。この場合は逆に、軌道変化検出手段(チップコイル8)の検出方向とホルダー受け2とホルダー押さえ3による応力方向が直交することになる。このような配置としてもよい。同等な効果が得られる。
In the above embodiment, the magnetic field generated by the magnetic field generating means (chip coil 7) and the stress directions by the
又、上記実施例では角速度を検出信号の位相変化で捉えたが、これはデジタル変換する前の検出信号(サインカーブ)の振幅変化で捉えることもできる。なぜなら弾性線5は撓みバネと考えられ、図3におけるコリオリ力fcによるy軸方向の変位量ΔyにはΔy=fc/k(k:バネ定数)の関係が成立する。即ち、変位量Δy=2Vmω/k関係が成立する。ここで、変位量Δyは楕円振動(図3(b))の短軸(y軸)方向への変位を意味する。これは、検出信号においてはデジタル変換する前のサインカーブの振幅変化で検出される。従って、この変位量Δy、即ち振幅変化を軌道変化関連値としてy軸方向に付与した検出用チップコイル8で検出すれば、角速度ωを検出することができる。このようにしてもよい。
勿論、変位量Δyは磁気的変位検出手段である検出用チップコイル8に代えて、光学的に2次元振動子10の近接を検出する光学的変位検出手段である近接センサを用いることもできる。近接センサは例えばペア線の光ファイバからなり一方の光ファイバから投光し他方の光ファイバで受光する構成である。近接量が大となれば受光量が増大し、近接量が小となれば受光量も小となる。これを光電変換すれば2次元振動子10の軌道変化はサインカーブ(電圧)で得られる。このサインカーブの振幅値から角速度ωを換算してもよい。同等の結果が得られる。
In the above embodiment, the angular velocity is captured by the phase change of the detection signal, but this can also be captured by the amplitude change of the detection signal (sine curve) before digital conversion. This is because the elastic line 5 is considered as a flexure spring, and the relationship Δy = fc / k (k: spring constant) is established for the displacement amount Δy in the y-axis direction due to the Coriolis force fc in FIG. That is, the displacement amount Δy = 2Vmω / k relationship is established. Here, the displacement amount Δy means displacement in the minor axis (y-axis) direction of elliptical vibration (FIG. 3B). This is detected by a change in amplitude of the sine curve before digital conversion in the detection signal. Accordingly, the angular velocity ω can be detected by detecting this displacement amount Δy, that is, the amplitude change as a value related to the orbit change in the
Of course, instead of the
又、上記実施例では2次元振動子10を例えばアルミ製のチップコイルホルダー9で囲う構成とした。この場合、磁石6及び駆動用チップコイル7、検出用チップコイル8は外部磁場の影響を受ける場合がある。この様な場合は、図示はしないがジャイロ装置全体をフェライト等で密閉された防磁筐体内に設置する。このようにすれば、外部磁場の影響が低減され安定して角速度を検出することができる。
In the above embodiment, the two-
1…基板
2…ホルダー受け
3…ホルダー押さえ
5…弾性線
6…磁石
7…駆動用チップコイル
8…検出用チップコイル
9…チップコイルホルダー
10…2次元振動子
DESCRIPTION OF
Claims (10)
弾性線と、該弾性線先端部に固定された磁石と、前記弾性線後端部を固定するホルダーとからなる2次元振動子と、
前記磁石を所定方向に微小振動させる磁界発生手段と、
前記コリオリ力による前記磁石の軌道変化を検出する軌道変化検出手段と
を備え、
前記軌道変化検出手段の検出する軌道変化関連値により、前記角速度を算出することを特徴とするジャイロ装置。 A gyro device that detects angular velocity based on Coriolis force acting on a vibrating object during rotation,
A two-dimensional vibrator comprising an elastic line, a magnet fixed to the tip of the elastic line, and a holder for fixing the rear end of the elastic line;
Magnetic field generating means for minutely vibrating the magnet in a predetermined direction;
Orbit change detecting means for detecting orbit change of the magnet due to the Coriolis force,
The gyro apparatus characterized in that the angular velocity is calculated based on a trajectory change related value detected by the trajectory change detecting means.
The said two-dimensional vibrator, the said magnetic field generation means, and the said orbit change detection means are installed in a magnetic-shielding housing | casing in order to avoid an external magnetic field, The any one of Claim 1 thru | or 9 characterized by the above-mentioned. A gyro device as described in 1.
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