JP2005537467A - 慣性感知システムのための３軸能動的磁気浮上 - Google Patents

Abstract

【課題】 慣性質量体の磁気浮上に基づいて、高感度非接触感知システムを作り出す。
【解決手段】
慣性質量体の磁気浮上に基づく慣性センサは、慣性質量体を浮上させるように配列された能動的磁気ベアリングユニットを備えており、さらに、付加的な能動的磁気ベアリングユニットを備えていることを特徴とし、これは、−３つの独立軸にそって慣性質量体の位置を制御し、−前記独立軸のいずれかのために、前記独立軸の2つの方向のいずれかにおいて方向付けられうる復元力を作り出すように配列されている。

Description

本発明は、非接触慣性感知システム、即ち、慣性質量体が計測器の慣性質量体以外のものと決して接触しない慣性センサに関する。前記質量体の非接触浮上状態は、磁気ベアリングによって保証される。

地震計、加速度計、重力計および傾斜計のような最新の慣性感知システムは、計測器のベースが外的原因（振動、「ｇ」のレベル変化、角度）に従うときに、慣性質量体およびそのベース間の相対移動に基づいており、ジャイロスコープは、他の種類の慣性感知システムであるが、慣性の軸の回りに回転する慣性質量体でできており、その測定原理は、その軸および計測器のベース間の相対的な運動に依存するか、または計測器のベース上の前記軸によって発生させられる力に依存し、そのとき、そのベースは外部の運動に従う。

全てのそれらの慣性感知システムは、主に、慣性質量体および計測器のベース間の摩擦によって制限される。

実際、この摩擦は、測定値の不正確性、機械的接触部分の疲労の原因であり、それはまた、機械的疲労による破壊に至るかもしれない。

加えて、慣性感知システム、例えば、地震学の地震計または土木工学の傾斜計は、構造または機械をモニターするためにしばしば配置され、この種のシステムのパワー消費は、時には重大な要因である。

地震学において、以下の範囲の中で地震波を研究することは、適切である。

−周波数 1mHzから100Hzまで
−加速度 1ナノgから5gまで
適切な周波数および加速度の双方のそのような範囲で、記録されかつ分析されなければならない適切な周波数および加速度が与えられるときに、幾つかの種類の測定器が開発できた。

−短周期の地震センサ
−長周期の地震センサ
−広周波数帯域の地震センサ
−超広周波数帯域の地震センサ
現在商業化された対応する全ての製品は、減衰機械的質量体−ばねシステムとして設計され、これは、ばねを有する減衰機構と、器具のフレームとの双方に連結された質量体検知器でつくられている。

地震が起こると、地震計のフレームは地盤移動に追従し、一方、地震質量体と称する探知器として使用される質量体は、当初の位置に留まろうとし、フレームに対し相対的に移動する。

その過程において、ばねの長さは変化し、フレームに関する変位は時間の関数として測定されうる。

この原理に従って構築された器具の地震発生への応答は、単にこの種の減衰ばね質量体システムの機械的特徴、例えば、弾性定数kおよび減衰定数dから導かれるだけである。

しかしながら、ばね特性kは、可能なばね変形の全範囲に正確に一定でなくて、温度に依存しているので、幾つかのごく最近の地震計はフィードバックループから供給される電磁石対向力システムを備えており、kが一定値に同化される少ない範囲の中でばね変形を制限する。

しかしながら、この設計は、ばねのある慣性および摩擦によって生じる変形を排除せず、所与の計測器のために、そのパラメータkおよびdを変えることは可能でなく、加速度および周波数の選ばれた範囲内でその使用を制限する事実をも変えることは可能ではない。

これらの欠点を除去するために、若干の新設計に、最近、特許権が与えられた。それらは、磁気または静電力、若しくは、地震質量体を浮上させるために超電導ループの特性からもたらされる力を使用するものであり、これは、マイスナー効果と呼ばれている。

浮上は、1または幾つかの逆能動的ループの作用から得られ、これは、計測器のフレームに関して地震質量体の変位を測定する光学的または容量センサによって命令される。

今日の高品質の地震計は、複合の補償システムを有する高価な多軸ばね減衰要素に基づいている。高真空の大きい球体の静電浮上は、若干の高精度なジャイロスコープの原則である。

3軸能動的磁気浮上地震計は、これは、特許文献１に記載されているが、感知システムおよび垂直軸の非対称形働きによってもたらされる制限された感度を示す。加えて、振動質量体の下に配置された電磁石がないので、上向きの加速度は、釣り合わせることができない。

特許文献２において、バイブレータ／緩衝装置のためであるが、慣性センサのためではない3軸磁気浮上方式が示されている。

特許文献３において、記載されている加速度計が複合の慣性質量体および不静定システムにおいてもたらされるコイルの非最適配置を示している。

J. Beamsによってなされた小さい球体の磁気浮上および回転は、1つだけの制御軸をもっているが、その目的は高い遠心磁場を作成することであった。

従来技術は、以下を参照。
US 5,565、665 Biglari et al. US 4,947、067 Habermann et al. US 5,024、088 Komatsu et al. US 5,955、800 US 5,357、803 US 5,224、380 US 6,363、035 US 5,983、699 J. W. Beams, J. L. Young, J. W. Moore, the Production of High Centrifugal Fields, Journal of Applied Physics, Vol. 17, November, 1946. J. W. Beams, Magnetic Suspension for Small Rotors, The Review of Scientific Instruments, vol. 21,N 2, 182-184, February, 1950. E. F.Kinsey, J. W. Beams, M. J. Saunders, The Magnetically-Suspended Free Gyroscope, Naval Ordnance Research Laboratory, University of Virginia, December, 1951. J. W. Beams, Magnetic Bearings, Automotive Engineering Congress, Detroit,Mich. , January, 1964. W. J. Bencze, Y. Xiao, D. N. Hipkins, B. W. Parkinson, G. F.Franklin, An Electrostatic Suspension and Orientation Control System for the Gravity Probe B Relativity Mission's Science Gyroscope, 3rd MOVIC, September 1996, Chiba, Japan.

この発明の目的は、慣性質量体の磁気浮上に基づいて、高感度非接触感知システムを作り出すことにある。

この発明の目的は、請求項１に記載の慣性センサによって達成され、それは、慣性質量体の磁気浮上に基づく慣性センサであって、慣性質量体を浮上させるように配列された能動的磁気ベアリングユニットを備えており、さらに、付加的な能動的磁気ベアリングユニットを備えていることを特徴とし、これは、−３つの独立軸にそって慣性質量体の位置を制御し、−前記独立軸のいずれかのために、前記独立軸の2つの方向のいずれかにおいて方向付けられうる復元力を作り出すように配列されているものである。

好ましい実施例は、従属請求項において定められる。

この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。

以下の説明は、従来技術によるセンサに本発明により印可される全ての利点をよりよく示す。

器具 1a（図1、図2、図3）
６つの電磁石3,4、3a、3b、3c、3dは、3つの直交軸線に沿って一対ずつ直径方向に配置されている。

小型強磁性慣性質量体5は浮上され、その位置は3つの軸に沿って制御される。

この第１実施例（図4）において、外側のフレーム4は、均一な強磁性材料の空のシリンダである。

規定により、我々は、Oをその重心およびOzをその軸と言う。

また、規定により、我々は、OxおよびOyを、Ozに直交する面内に位置させられかつOを含む2つの軸と言い、Oxyzは直接的三面をもっている。

この第１実施例において、慣性質量体5は、均一な強磁性材料の球体または円筒体である。

それがその最初の位置にあるときに、この慣性質量体の中心はＯに位置させられる。

同じ強磁性材料でできている円形のカバーまたはエンドキャップ1は、円筒状の外側フレーム2の両端を閉鎖する。

従って、この装置（内側体積）のフレーム2の内部の体積は、外側の磁気状況の変化によって生じるいかなる測定バイアスからも、完全に保護されている。

シリンダ・フレーム2およびそのカバー1間のシールは、内側体積を密封しており、これには、大気の対流および摩擦によるいかなるバイアスも除去するために必要な場合はいつでも、真空下におくためのポート（図示しない）が備えられている。

それぞれOxおよびOyにセンタリングされかつ点Oに関して対称的に位置させられた2セットのコイル3a、3bおよび3c、3dは、互いに反対方向の磁場に面する2つの対称形のコイル3でできている。

各々のコイル3,4、3a、3b、3c、3dの内側で、その内端で、軸センサ7（誘導的、光学的または容量的の）は、軸OxまたはOyにセンタリングされかつOz軸から非常に厳しく予め設定された距離に置かれ、時間の関数として、OxまたはOyに沿って慣性質量体5までの距離に即時かつ非常に正確な測定値（<μｍ）を提供する。

例えば、Ox上にセンタリングされたセンサの組によって与えられた2つの測定値は、Ox軸に沿った慣性質量体5の変位の差動測定の基礎を提供し、同じことは、Oyにセンタリングされたセットについても言える。

対応する軸方向センサ7を有する2つのコイル4の第3のセットは、Oz軸にセンタリングされ、そして、両コイルはOに関して厳しく対称形に位置決めさせられている。

上記した2つのその他のセット3のように、それは正確に作動する。

以下の考慮は、また、器具1 bおよび器具2に適用される。

−各々のセンサの慣性質量体までの距離は可変的なテンション信号の形で送られ、それは、不必要な残余のノイズ取り除くために、フィルタリングモジュールに供給される。−その時のフィルタ処理信号はＡＤコンバータでデジタル値に変換され、そして、その情報は、多重送信されて、デジタル制御装置において処理される。

−デジタル制御装置。

1°)軸Ox、OyおよびOzに沿って測定された時間関数として、慣性質量体の変位を計算。

2°）Oにセンタリングして、慣性質量体の浮上を保証するために慣性質量体をその初期位置へ戻すのに必要な平衡力を計算。

3°）対応するコイルに電流を命令するフィードバックループに必要な指示を送る。

4°）慣性質量体の変位およびそれに適用される抵抗力を表す時間関数についての情報から外乱を表している時間関数の値を計算。

5°）慣性感知システムが、最初の状態を既知とする地震計として使用されるならば、この情報は、デジタル制御装置によって、時間の関数として、地震波の速度および対応する地盤移動を計算しうる。

−磁石は、それに、慣性質量体の重量を補償するためにそれを支えている電磁石に導かれうる。従って、パワー消費量は、減少されうる。

−ロックイン増幅器は、低周波数の雑音比に対する信号を増加するためにフィルターモジュールに付加されうる。

器具1b（図 4）
器具1bは、6つの電磁石の形状以外、器具1aに等しい。

この器具において考慮される6つの電磁石は、蹄鉄形状（図4）を有しており、器具1aに記載されている電磁石よりより少ない磁気損失を有している。

器具2（図 5、図 6、図 7）
器具1aに関しては、球状または円筒状慣性質量体4の磁気浮上は、３つの自由度をもった制御によって実行される。6つの垂直に配置された電磁石1,2は、3つの直角方向に対向する力をつくる。磁気浸透性コア5は慣性質量体4の近くに磁場をもたらし、そして、磁気損失を減らす。位置検出システムは、2つのレーザダイオード6a、7aおよび2つの4分割フォトダイオード6b、7bからなり、これは、上部電磁石1および下部電磁石2間の水平面において直交して配置されている。従って、慣性質量体4の位置x、y、zが、測定されうる。その後、x、y位置は、45度回転させられ、濾過されて、z位置と同様に、デジタル制御装置にフィードバックされる。

電磁石1b、1c、2bおよび2cの水平配列（感知システムの同じ面）は、この器具のための変形でありうる。

慣性質量体4を回転させるために、動力機能が、電磁石1b、1c、2bおよび2cの制御電流に二相の正弦波または方形波の信号の重ねることによって装置に加えうる。

本発明の利点
提案の本発明は、3軸にそって対称形の挙動をし、従って、3つの直角方向の外乱が検出されうる。慣性質量体が能動的制御によって磁気的に浮上されるので、剛性および減衰のようなパラメータは固有周波数を調整するためにかなりの範囲にわたって多様でありうる。さらに、この慣性感知システムが地震計として使われるときに、我々は、異なる地震事象の境界と、センサがその減衰および地震事象の性質によるばね定数を変化させ得ることとの間に限度を特徴づける引き金を正確に定めることさえできる。

この設計は、1つの単一センサだけの使用のおかげで非常にコンパクトにされうる。

差動測定法のおかげで、測定値の精度は高くて、温度変化の影響を受けない。

位置信号および電流信号は外乱を決定するために用いられうる。

さらに、装置全体は、磁気的にシールされて、このように周囲磁気波に影響を受けない。

我々がシステム内部で真空を適用する場合、我々は浮上力の妨害を回避することができて、測定値の精度を強化できる。

動力機能の追加は、ジャイロスコープの装置を変えるであろう。

応用
この発明は、加速度計、重力計、傾斜計または地震計として用いられることが可能である。動力機能の追加については、ジャイロスコープとしてそれを使用できる。応用分野は、地震学、慣性航法、構造モニタリングおよび地質学である。

以下を有する慣性感知システムの第１実施例の全体図を示す。

1) エンドキャップ
2）支持構造物
3）電磁石の水平ペアー
4) 電磁石の垂直ペアー
5) 強磁性慣性質量体
6）水平電磁石のための保持構造
7）高精度位置センサ
8）コイル電機子
以下を有する慣性感知システムの第１実施例の水平断面図（O、X、Y）を示す。

3a)、3b）、3c）、3d）コイル
7a)、7b）、7c）、7d）高精度位置センサ
慣性感知システムの第１実施例の垂直断面図（O、Y、Z）を示す。 以下を有する第１実施例において使用する電磁石の変形例を示す。

1) コイル
2) 積層強磁性コア
3) 位置センサ
4) 慣性質量体
以下を有する慣性感知システムの第２実施形態を示す。

1) 電磁石の上部セット（3つのコイル）
2) 電磁石の下部セット（3つのコイル）
3) 位置検出システム・ホルダ
以下を有する位置検出システムのない慣性感知システムの第２実施形態を示す。

1 a)、1 b)、1 c)、2a）、2b）、2c）コイル
4）慣性質量体
5）磁性浸透性コア
以下を有する慣性感知システムおよびその慣性質量体の第２実施形態の位置検出システムを示す。

6a) レーザダイオード1
6b) 4分割フォトダイオード1
7a) レーザダイオード2
7b) 4分割フォトダイオード2

Claims (11)

1. 慣性質量体の磁気浮上に基づく慣性センサであって、慣性質量体を浮上させるように配列された能動的磁気ベアリングユニットを備えており、さらに、付加的な能動的磁気ベアリングユニットを備えていることを特徴とし、これは、
   −３つの独立軸にそって慣性質量体の位置を制御し、
   −前記独立軸のいずれかのために、前記独立軸の2つの方向のいずれかにおいて方向付けられうる復元力を作り出す、
   ように配列されている慣性センサ。
2. 請求項１に記載の慣性センサであって、前記慣性質量体が、球状または円筒状強磁性体である慣性センサ。
3. 請求項２に記載の慣性センサであって、
   −3つの直交軸線に沿って一対ずつ直径方向に配置された6つの電磁石と、
   −3つの直交軸線に沿って一対ずつ直径方向に配置された6つの位置センサと、
   を備えており、
   電磁石の前記対は、能動的磁気ベアリングユニットを構成しており、
   前記慣性質量体の位置は、位置センサの前記対によって差動的に計算され、
   前記慣性センサは、均一な強磁性材料でつくられた外側フレームに入れられ、その外側フレームは、前記慣性センサの磁気シールドを構成しており、
   ロックイン増幅器が、前記位置センサの信号調整のために用いられ、
   前記慣性センサの前記外側フレームは、慣性センサの前記フレームの内側に真空を作り出しかつ保持する可能性を提供するために密閉されている慣性センサ。
4. 請求項２に記載の慣性センサであって、
   −3つの直角方向の力を作り出すように位置させられ垂直に配列された６つの電磁石と、−慣性質量体の近くに磁場をもたらしかつ磁気損失を低減させるために使用される磁気浸透性コアと、
   −前記上部電磁石および下部電磁石間の水平面に直交して配置された2つのレーザダイオードおよび2つの４分割フォトダイオードからなる位置検出システムと、
   を備えており、
   垂直に配置された前記6つ電磁石は、前記能動的磁気ベアリングユニットを構成し、
   前記慣性質量体の位置は、前記位置検出システムによって差動的に計算され、
   前記慣性センサは、均質な強磁性材料でできている外側フレームに入れられ、その外側フレームが前記慣性センサの磁気シールドを構成しており、
   ロックイン増幅器が、前記位置センサの信号調整のために用いられ、
   前記慣性センサの前記外側フレームは、慣性センサの前記フレームの内側に真空を作り出しかつ保持する可能性を提供するために密閉されている慣性センサ。
5. 請求項２に記載の慣性センサであって、
   −2つの直交する方向の力を作るように位置決めされ水平に配置された４つの電磁石と、−前記2つの直交する方向から独立している方向の力を作るように位置させられ垂直に配置された２つの電磁石と、
   −慣性質量体の近くに磁場をもたらしかつ磁気損失を低減させるために使用される磁気浸透性コアと、
   −上部電磁石および下部電磁石間の水平面に直交して配置された2つのレーザダイオードおよび2つの４分割フォトダイオードからなる位置検出システムと、
   を備えており、
   前記水平および垂直に配列された電磁石は、前記能動的磁気ベアリングユニットを構成し、
   前記慣性質量体の位置は、前記位置検出システムによって差動的に計算され、
   前記慣性センサは、均質な強磁性材料でできている外側フレームに入れられ、その外側フレームが前記慣性センサの磁気シールドを構成しており、
   ロックイン増幅器が、前記位置センサの信号調整のために用いられ、
   前記慣性センサの前記外側フレームは、慣性センサの前記フレームの内側に真空を作り出しかつ保持する可能性を提供するために密閉されている慣性センサ。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の慣性センサであって、
   慣性強磁性質量体の重量を補償しかつ慣性質量体の動力消費を低減するように前記慣性質量体の上に位置させられた補償磁石を有する慣性センサ。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の慣性センサの使用であって、
   3次元非接触加速度計または3次元非接触地震計としての慣性センサの使用。
8. 請求項1〜6のいずれかに１つに記載の慣性センサの使用であって、
   ３次元の非接触または傾斜計（伏角計）としての慣性センサの使用。
9. 請求項1〜6のいずれかに１つに記載の慣性センサの使用であって、
   慣性の主軸の回りに慣性質量体を回転させるために少なくとも２つの電磁的ベアリングユニットに回転磁場を提供することによって実行される動力機能を備えている慣性センサの使用。
10. 請求項1〜９のいずれかに１つに記載の慣性センサの使用であって、
    非接触ジャイロスコープとしての慣性センサの使用。
11. 請求項1〜６のいずれかに１つに記載の慣性センサの使用であって、
    非接触重力計としての慣性センサの使用。
    

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