JP2000512387A - 姿勢あるいは加速度の３次元的な測定のためのセンサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は姿勢、加速度あるいは重力場およびその勾配成分を測定するためのセンサ装置に関するものである。本装置は、流体あるいは流体の特性を有するなんらかの他の慣性物質を含む球面空洞（３）を含んでいる。空洞（３）には３つの異なる座標軸ｘ、ｙ、ｚのための測定用センサあるいは測定用電極（−ｘ＋ｘ；−ｙ、＋ｙ；−ｚ、＋ｚ）が設けられており、センサの全ては空洞（３）に満たされた前記共通の慣性質量に応答している。このように組み立てられた単一のコンパクトな測定装置は前記量のいずれかを３次元的に決定するために使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】 姿勢あるいは加速度の３次元的な測定のためのセンサ装置 本発明は、姿勢、加速度あるいは重力場およびその勾配ないし傾きの成分を測 定するためのセンサ装置に関するものである。本発明のセンサ装置は、流体ある いは流体特性を有する他のいくつかの慣性物質（inertial material）の形態の センサ本体を含む球面空洞を含んで構成される。 球面空洞が設けられた加速度計は、例えば特許公報ＵＳ ３４６１７３０から 従来公知である。この従来公知の装置は方向に関係なく絶対加速度値を生成する 。これとは異なり、本発明の装置は、加速度をベクトル量として感知するために 使用できる。従来公知の装置は、装置の姿勢を識別するための何らかの表示を含 まず、一方、本発明の１つの基本的な特長は装置の姿勢を表示することである。 従来技術として、ＵＳ ３９９２９５１公報およびＥＰ ０５６６１３０公報 を同じく参照する。後者は回転運動のためのセンサに関するものであり、本発明 にも適用可能なセンサ構成要素あるいはトランスデューサつまり変換器の原理が 説明されている。すなわち、このセンサは、圧電変換器、容量性薄膜センサおよ び伸長帯状センサ（elogation strip sensor）から構成される。他のタイプのセ ンサあるいは変換器も、以下により詳しく説明するように、同様に使用すること ができる。 本発明の目的は、装置の姿勢あるいはその加速度の方向およびレートつまり割 合を３次元的に決定できる、センサ装置を提供することにある。すなわち、本装 置は、加速度ベクトルを感知できるように、さらに装置が姿勢識別器として動作 するために、全ての方向において等しい指向性を有している。 この目的は、添付した請求の範囲に記載され特徴付けされた特質により達成さ れる。 本発明によるセンサ装置が適用される領域のいくつかは、例えば以下の通りで ある。 − 姿勢識別器あるいは線形運動（加速度）に対する三軸センサとして工業 的な製造およびロボティクス − 陸上車両、船舶および航空機、自動制御あるいは自動航行の移動装置に おける航法装置（慣性航法） − 車両の所謂ブラックボックス（車両の運動履歴が記録されるとき） − 地球物理学、地質工学、および三軸振動変換器、孔開けにおける姿勢セ ンサ、測量用導管および重力領域の測定機器のためのセンサのような建設工学の 他の領域 本発明を以下に添付した各図面を参照しつつより詳しく説明する。これらの添 付図面において、 図１は、その３−Ｄ座標軸を備えた測定用センサ内における球面空洞を示した 説明図であり、 た説明図であり、 図３は、本発明の１つの例示的な実施形態によるセンサ装置内のセンサユニッ トの１つの構造的なデザインを示した説明図であり、および 図４は、センサ装置のための測定用回路のデザインの例を示した、ブロック図 である。 最初に、図１および図２を参照して本発明の理論的な背景を説明する。図１の 構成において、球形容器３は圧力Ｐ₀の流体を含んでいる。容器３には、その正 の軸方向が点Ｐ₁、Ｐ₃およびＰ₅において球面と、またその負の軸方向が点Ｐ₂、 Ｐ₄およびＰ₆において球面とそれぞれ直交する、仮想的な直角座標ｘ、ｙ、ｚが 設けられている。 少なくとも上記の各点Ｐには、センサ流体のいくつかの物質特性を流体圧力の 関数としてサンプルつまり抽出する、センサ（測定用センサあるいは電極）が設 けられている。 慣性の結果として、その最大の大きさがの圧力を出力する。ここで、γ＝流体密度であり、ｒ＝容器の半径である。 この圧力は、球面の中心を通って延びる加速度ベクトルの方向が上記球面と交 差する点において０であり、また式（１）による最大圧力は反対のベクトル方向 と球面との交点において求められる。 平面である場合、図２に基づいて以下のことが結論づけられる。 − 平面Ｔと球面の中心との間の距離は次の通りである。 − 慣性により生じた流体圧力＝０である点からの平面Ｔの距離は、ｒ（１ −ｃｏｓθ_n）である。 − 点Ｐ_nにおいては圧力ｐｎ＝γｒ（１−ｃｏｓθ_n）Ｆである。 − ｃｏｓ（θ＋π）＝−ｃｏｓθであるので、圧力Ｐ_n＋１＝γｒ（１＋ ｃｏｓθ_n）Ｆである。 上式および図２において、 仮に、開始時の前提として、流体が圧力ｐ_oをさらに有すると考えられる場合 、点Ｐ_nおよびＰ_n+1は圧力（ｐ_n＋ｐ_o）および（ｐ_n+1＋ｐ_o）を有するものとし て測定できる。 Δｐ_n＝（ｐ_n＋ｐ_o）−（ｐ_n+1＋ｐ_o）＝ｐ_n−ｐ_n+1＝２γｒＦｃｏｓθ_nとす れば、以下の通りとなる。 Δｐ₁＝ｐ₁−ｐ₂＝２γＦｒｃｏｓθ₁ Δｐ₂＝ｐ₃−ｐ₄＝２γＦｒｃｏｓθ₂ （２） Δｐ₃＝ｐ₅−ｐ₆＝２γＦｒｃｏｓθ₃ この（Δｐ₁）²＋（Δｐ₂）²＋（Δｐ₃)² (２γＦｒ）² （ｃｏｓ²θ₁＋ ｃｏｓ²θ₂＋ｃｏｓ²θ₃）に基いて、 定される。最も単純なケースでは、点ｐ_nにおいて測定される信号と圧力の間の 関係は線形である。信号＝ｋ×圧力である。 および 上記の各式に示された単純な関係以外の場合には、圧力はそれぞれ個々点にお いて測定され、次いで式グループ（２）および（３）を適用することで決定され る。 測定された信号から圧力を決定するために、コンピュータあるいはマイクロプ ロセッサにより制御された計算回路を使用することが可能である。 図４に、受動型センサの場合における測定回路のデザインの一例を示した。ピ エゾセンサつまり圧電センサ４、あるいは他の圧力応答型のセンサが測定点Ｐ_n に配置される。センサ信号は前置増幅器５により増幅され、信号アダプタ６を経 てＡ／Ｄ変換器７に供給される。種々のセンサから受信されたデジタル信号はコ ンピュータ８に供給され、コンピュータ８は上記の各式にしたがって必要な計算 を行う。 図３は、立方体形状の本体から構成されるセンサユニットを例示したものであ り、本体は仕切り面９の両側上にある別々のピースつまり部品１、２から組み立 てられており、球面空洞３の各半分が機械加工されるとともにセンサが立方体の 各半分の接合前に内部に取り付けられる。 空洞３内に満たされるセンサ材料は流体、液体あるいは気体または、ゲルある いはコロイドのような流体の特性を有する他の物質から構成される。使用される センサ流体が圧力に対して電気的あるいは光学的に中性である場合、圧力はシス テム内に組み込まれたセンサ（受動型または能動型）により直接的に測定される 。本発明の必須的な特徴は、３次元測定を行う全てのセンサに対してセンサ流体 が共通であることである。センサは、例えば以下の結果の１つによる、センサ流 体の圧力の変化に応答する。 − センサ構成要素内に含まれる圧電結晶（piezocrystal）あるいはプラス チックの電荷あるいは電位における変化 − センサ物質の構成要素内への浸透により生じる容量性センサ構成要素に おけるキャパシタンスつまり静電容量の変化。 − 導波管（wave tube）の空洞共振器あるいは共振空洞の寸法における変 化。 センサ物質は、物質内に存在する圧力の結果としての電気的あるいは光学的な 応答性を有し、例えば以下の結果の１つによる、加速により生じる圧力変化に応 答する。 − 誘電分極（物質内の電場における変化） − 電気伝導率（ピエゾ抵抗率）における変化 − 光学的特性における変化 − 圧電気 このタイプのセンサ物質を使用するときには、空洞内のセンサ物質は測定用セ ンサの切り離せない部分である。例えば、空洞の表面上の単なる電極がセンサ物 質において生じる変化を測定するために適用される。 本発明のセンサ装置は、その姿勢あるいは加速度を３次元的に測定する構造を 、 高度の一体性を有するコンパクトなユニットとして作れるという特徴がある。現 在、これを達成するには３つの別々のセンサ装置を配置する必要あり、その組立 作業が機械的な問題および結果の処理に関連した問題を必然的に伴うものである 。これらの問題は、本発明のセンサ装置により解消される。 センサ装置は、静止あるいは絶えず運動しているそのベースつまり基部の姿勢 を測定することができる。センサ装置が加速度運動をしており、また運動の加速 度をベクトル量として測定したい場合には、重力加速度および姿勢を知ること、 つまりこれらを外部ソースからシステム内に取り込むことが必要である。センサ 装置が加速度運動をしている間に姿勢を測定したい場合には、運動の加速度を知 ること、つまり外部ソースからシステム内に取り込むことが必要である。 公知のように、重力加速度による流体内の２つの点の間の圧力差は、同じ２点 間の重力ポテンシャルの差に関連している。 よって、圧力の二階偏微分（second order partial differential）は重力場 の勾配のテンソル成分に関連している。 本発明は、重力場の全ての傾き成分を測定するために同様に使用できるもので あり、その場合には圧力感知位置が必要に応じて追加される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年８月３日（１９９８．８．３） 【補正内容】 請求の範囲 １． 姿勢、加速度あるいは重力場およびその勾配成分を測定するためのセンサ 装置であり、球面空洞（３）、および空間内において３つの相互に独立した座標 軸ｘ、ｙ、ｚに対してそれらの位置が参照される測定用センサあるいは測定用電 極を含み、全ての前記センサは空洞（３）に満たされた共通の自動力のない質量 ないし慣性質量に応答する、センサ装置において、共通の自動力のない質量ない し慣性質量が流体あるいは流体の特性を有する慣性物質の形態のセンサ物質であ り、センサ物質は空洞（３）に完全に満たされるとともに加速度により生じる圧 力変動に応答してセンサ物質の物理的な場の量の分布あるいは材料の特性におけ る変化があり、測定用センサあるいは電極が前記変化を測定するために適合され ていることを特徴とするセンサ装置。 ２． 空洞（３）の中心を通って、互いに垂直であるとともに少なくとも空洞（ ３）の内面上の位置上に測定用センサあるいは電極（−ｘ、＋ｘ；−ｙ、＋ｙ； −ｚ、＋ｚ）が設けられた、３つの座標軸が延びていることを特徴とする請求の 範囲第１項記載のセンサ装置。 ３． 測定用センサがセンサ物質内の圧力変化に応答することを特徴とする請求 の範囲第１または２記載のセンサ装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 姿勢、加速度あるいは重力場およびその勾配成分を測定するためのセンサ 装置であり、流体あるいは流体の特性を有する他の慣性物質の形態のセンサ物質 を含む球面空洞（３）を含んでいるセンサ装置において、空洞（３）には３つの 異なる座標軸ｘ、ｙ、ｚに対する測定用センサまたは測定用電極（−ｘ、＋ｘ； −ｙ、＋ｙ；−ｚ、＋ｚ）が設けられており、前記センサの全てが空洞（３）に 満たされた前記共通の自動力のない質量ないし慣性質量に応答することを特徴と するセンサ装置。 ２． 姿勢、加速度あるいは重力場およびその勾配成分を測定するためのセンサ 装置であり、流体あるいは流体の特性を有する他の慣性物質の形態のセンサ物質 を含む球面空洞（３）を含んでいるセンサ装置において、センサ物質が空洞（３ ）に満たされており、その中心を通って、互いに垂直であるとともにセンサ物質 の圧力により決まる物理量を測定する測定用センサ（−ｘ、＋ｘ；−ｙ、＋ｙ； −ｚ、＋ｚ）が設けられた、３つの座標軸ｘ、ｙ、ｚが延びており、該装置は、 これらの測定結果に基づいて、被測定量を３次元的に決定することを特徴とする センサ装置。 ３． 空洞（３）内部のセンサ物質が加速により生じる圧力変動に応答するとと もに測定用センサあるいは電極が前記応答の結果としてセンサ物質内で生じる変 化を測定するために適合されていることを特徴とする請求の範囲第１または２記 載のセンサ装置。 ４． 空洞（３）内に含まれたセンサ物質における圧力変化に測定用センサが応 答することを特徴とする請求の範囲第１または２記載のセンサ装置。