JP2008509390A

JP2008509390A - 流体の熱対流を利用した加速度及び傾斜角測定装置とその測定方法

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Publication number: JP2008509390A
Application number: JP2007524743A
Authority: JP
Inventors: ムーン，イル−クオン; ユング，テ−ホワ; チョン，ユン−ヒ
Original assignee: ハンクックセンシスカンパニーリミテッド
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2008-03-27
Also published as: WO2006014065A1; US7562574B2; EP1792191A1; EP1792191A4; US20080087082A1

Abstract

本発明による加速度及び傾斜角測定装置は、流体の熱対流を利用して加速度及び傾斜角を測定する加速度及び傾斜角測定装置において、流体が収容される容器と、容器内に配置される第１発熱要素及び第２発熱要素、第１発熱要素及び第２発熱要素の一端部がそれぞれ電気的に接合されて形成された頂点を含み、第１発熱要素及び第２発熱要素の他端部を通じて印加される電流により発熱する発熱体と、発熱体の頂点と接触する熱電対接合点を有し、発熱体の頂点に対して発熱体と点対称形態に配置されており、発熱体の頂点の温度を計算するために、その両端部間の電圧が測定される熱電対と、を備え、発熱体の頂点の温度を利用して、発熱体を備える仮想の平面内で発熱体の頂点を通過する仮想の直線方向への加速度と、仮想の直線方向が地球の重力方向に対して傾斜した程度である傾斜角と、を測定することを特徴とする。

Description

本発明は、加速度及び傾斜角測定装置とその測定方法に係り、特に流体、すなわち気体または液体の熱対流による発熱体の冷却程度が加速度の方向及び大きさに依存する現象を利用して、加速度及び地球の重力方向に対する傾斜角を測定する加速度及び傾斜角測定装置とその測定方法に関する。

現在、加速度測定装置、すなわち加速度系は、自動車のエアーバック及び懸架装置、航空及び軍事用運動体の位置制御装置、コンピュータや携帯電話のような電子製品のモーション入力装置及び衝撃感知装置などに代表的に使われている。

従来の加速度系は、作動方式によって、一般的にサーボ型、圧電型、圧抵抗型、静電容量型などに分類される。それらの各加速度系では、質量がｍである運動構造物に力Ｆ（＝ｍａ）を加えてその運動構造物を加速度ａで加速させ、その状態で運動構造物の変位によって変化する制御信号、圧電圧、圧抵抗、静電容量などを測定して加速度を得る。そして、前述したような従来の加速度系で加速度測定の精密度を向上させるためには、加速度によって変化する運動構造物の変位を最大限精密に測定可能にする構造が備えられねばならない。しかし、かかる運動構造物の具現は、複雑な製造工程を必要とし、加速度系の耐久性を弱化させるなどの問題を発生させる。

一方、流体の熱対流現象を利用した従来の対流型加速度系は、特許文献１ないし６などの発明を通じて具現可能であるが、かかる対流型加速度系は、前記運動構造物を利用する加速度系に比べて敏感度及び応答速度が低下し、外部の圧力または温度変化によって流体の圧力が変化する場合には、加速度を正確に測定できずにパッケージング方法に制約があり、外部温度を別途に測定せねばならないなどの短所を有している。

米国特許第２，４４０，１８９号明細書米国特許第２，４５５，３９４号明細書米国特許第５，５８１，０３４号明細書米国特許第６，１８２，５０９号明細書特開平７−２６０８２０号公報特開２０００−１９３６７７号公報

本発明の目的は、前記した問題点を解決するためのものであって、流体の熱対流による発熱体の冷却程度が加速度の方向及び大きさによって変化する現象を利用して運動構造物が除去された簡単な構造を有し、これによる単純化された製造工程、低い製造コスト、高い耐久性を有することを特徴とする加速度及び傾斜角測定装置を提供することである。

本発明の他の目的は、従来の対流型加速度系に比べて向上した敏感度及び応答速度を有し、流体の圧力変化が加速度に及ぼす影響を補償することによって、加速度をさらに正確に測定可能にする加速度及び傾斜角測定方法を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明による加速度及び傾斜角測定装置は、流体の熱対流を利用して加速度及び傾斜角を測定する加速度及び傾斜角測定装置において、前記流体が収容される容器と、前記容器内に配置される第１発熱要素及び第２発熱要素、前記第１発熱要素及び第２発熱要素の一端部がそれぞれ電気的に接合されて形成された頂点を含み、前記第１発熱要素及び第２発熱要素の他端部を通じて印加される電流により発熱する発熱体と、前記発熱体の頂点と接触する熱電対接合点を有し、前記発熱体の頂点に対して前記発熱体と点対称形態に配置されており、前記発熱体の頂点の温度を計算するために、その両端部間の電圧が測定される熱電対と、を備え、前記発熱体の頂点の温度を利用して、前記発熱体を備える仮想の平面内で前記発熱体の頂点を通過する仮想の直線方向への加速度と、前記仮想の直線方向が地球の重力方向に対して傾斜した程度である傾斜角と、を測定することを特徴とする。

また、前記目的を達成するために、本発明による他の類型の加速度及び傾斜角測定装置は、流体の熱対流を利用して加速度及び傾斜角を測定する加速度及び傾斜角測定装置において、前記流体が収容される容器と、前記容器内に配置され、互いに電気的に連結されている第１頂点、第２頂点、第３頂点、第４頂点を有するように四角形状になっており、互いに対向する前記第１頂点及び第２頂点の中間に位置する仮想の中心点に対して点対称形態に配置されており、印加される電流により発熱する発熱体と、前記発熱体の第１頂点と接触する熱電対接合点を有し、前記発熱体の第１頂点の温度を計算するために、その両端部間の電圧が測定される第１熱電対と、前記発熱体の第２頂点と接触する熱電対接合点を有し、前記発熱体の第２頂点の温度を計算するために、その両端部間の電圧が測定され、前記仮想の中心点に対して前記第１熱電対と点対称形態に配置されている第２熱電対と、を備え、前記発熱体の第１頂点と第２頂点との温度差を利用して、前記第１頂点と第２頂点とを通過する仮想の直線方向への加速度と、前記仮想の直線方向が地球の重力方向に対して傾斜した程度である傾斜角と、を測定することを特徴とする。

ここで、前記発熱体には、前記第３頂点及び第４頂点を通じて電流が印加されることが望ましい。

また、前記発熱体の第３頂点と接触する熱電対接合点を有し、前記発熱体の第３頂点の温度を計算するために、その両端部間の電圧が測定される第３熱電対と、前記発熱体の第４頂点と接触する熱電対接合点を有し、前記発熱体の第４頂点の温度を計算するために、その両端部間の電圧が測定され、前記仮想の中心点に対して前記第３熱電対と点対称形態に配置されている第４熱電対と、を備え、前記発熱体の第３頂点と第４頂点との温度差を利用して、前記第３頂点と第４頂点とを通過する仮想の直線方向への加速度と、前記第３頂点と第４頂点とを通過する仮想の直線が地球の重力方向に対して傾斜した程度である傾斜角と、を測定することが望ましい。

そして、前記発熱体には、４個の電極が電気的に連結されており、前記電極は、前記仮想の中心点に対して点対称形態に配置されていることが望ましい。

前記他の目的を達成するために、加速度及び傾斜角測定方法は、流体の熱対流を利用して加速度及び傾斜角を測定する加速度及び傾斜角測定方法において、前記流体が収容される容器と、前記容器内に配置され、互いに電気的に連結されている第１頂点、第２頂点、第３頂点、第４頂点を有するように四角形状になっており、互いに対向する前記第１頂点及び第２頂点の中間に位置する仮想の中心点に対して点対称形態に配置されている発熱体と、前記発熱体の第１頂点と接触する熱電対接合点を有する第１熱電対と、前記発熱体の第２頂点と接触する熱電対接合点を有し、前記仮想の中心点に対して前記第１熱電対と点対称形態に配置されている第２熱電対と、を備える加速度及び傾斜角測定装置を提供する提供ステップと、前記発熱体が発熱して前記流体が対流されるように、前記発熱体に電流を印加する電流印加ステップと、前記第１熱電対の両端部間の電圧を測定し、その測定された電圧を利用して前記発熱体の第１頂点の温度を測定し、前記第２熱電対の両端部間の電圧を測定し、その測定された電圧を利用して前記発熱体の第２頂点の温度を測定する温度測定ステップと、前記温度測定ステップで得られた温度の差を利用して、前記第１頂点と第２頂点とを通過する仮想の直線方向への加速度と、前記仮想の直線方向が地球の重力方向に対して傾斜した程度である傾斜角と、を計算する計算ステップと、を含むことを特徴とする。

ここで、前記温度測定ステップからそれぞれ測定された温度を合わせ、その合わせた温度を利用して前記容器内の流体の圧力を求める圧力計算ステップと、前記圧力計算ステップから得られた前記流体の圧力を利用して、前記計算ステップから得られた加速度と傾斜角とを補正する補正ステップと、をさらに含むことが望ましい。

本発明によれば、従来の一般的な加速度系に必須的な運動構造物を除去することによって、簡単な構造を有し、耐久性が向上した加速度系を単純化された製造工程及び低い製造コストで製作できる。また、従来の対流型加速度系より向上した加速度測定の敏感度及び応答速度を有する加速度系を具現でき、外部の圧力または温度変化に依存する流体圧力の変化を補正する機能が付加されて単純かつ多様なパッケージング方法が可能であり、別途の外部温度測定が不要になる。

以下、本発明による望ましい実施形態を、添付された図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態による加速度及び傾斜角測定装置のｚ軸方向の概略的な断面図であり、図２は、図１に示した加速度及び傾斜角測定装置のｙ軸方向の概略的な断面図であり、図３は、図１に示した加速度及び傾斜角測定装置にｙ軸方向に加速度が加えられた場合に、その加速度と重力加速度との和をベクトルで表した概略的な断面図であり、図６は、図１に示した加速度及び傾斜角測定装置において、ｙ傾斜角を説明するための概略的な断面図である。

図１ないし図３及び図６に示すように、本発明の第１実施形態による加速度及び傾斜角測定装置１００は、流体の熱対流を利用して加速度及び傾斜角を測定するためのものであって、容器１０、発熱体２０及び熱電対３０を備える。

前記容器１０には、流体１が収容されている。前記流体１は、気体や液体のうちいずれか一つであってもよい。

前記発熱体２０は、前記容器１０内に配置されている。前記発熱体２０は、第１発熱要素２１、第２発熱要素２２及び頂点２３を有する。前記第１発熱要素２１及び第２発熱要素２２は、ニッケル、クロムなどの金属素材からなるが、本実施形態において、前記第１発熱要素２１及び第２発熱要素２２は、同じ長さ及び同じ抵抗を有するように構成されている。前記頂点２３は、前記第１発熱要素２１及び第２発熱要素２２の一端部がそれぞれ電気的に接合されて形成される。前記第１発熱要素２１及び第２発熱要素２２の他端部は、それぞれ電極２４，２５に電気的に連結されている。前記電極２４，２５は、電流を供給できる電流供給装置（図示せず）に連結される。前記電流供給装置から電流を供給すれば、前記第１発熱要素２１及び第２発熱要素２２にジュール熱が発生する。

前記熱電対３０は、図１に示したように、前記発熱体２０の頂点２３に対して前記発熱体２０と点対称形態に配置されている。前記熱電対３０は、第１伝導線３１、第２伝導線３２及び熱電対接合点３３を備える。前記第１伝導線３１及び第２伝導線３２は、それぞれニッケル、クロムなどの金属素材からなる。前記第１伝導線３１及び第２伝導線３２は、異なる種類の金属からなるが、例えば前記第１伝導線３１がニッケルからなる場合には、前記第２伝導線３２は、ニッケルでない他の金属、例えばクロムからなる。前記熱電対接合点３３は、前記第１伝導線３１及び第２伝導線３２の端部が互いに電気的に連結されて形成される。前記熱電対接合点３３は、前記発熱体２０の頂点２３と接触する。前記熱電対３０の両端部には、それぞれ電極３４，３５が電気的に連結されている。前記電極３４，３５には、その電極３４，３５間の電圧を測定できる電圧測定装置（図示せず）が連結される。

前記電圧測定装置により測定された電圧を利用して、前記発熱体の頂点２３の温度を計算でき、その温度を利用して加速度の大きさ及び方向、傾斜角をそれぞれ独立的に測定できる。ここで、前記加速度の方向は、前記発熱体２０を備える仮想の平面内で前記発熱体の頂点２３を通過する仮想の直線方向である。また、前記傾斜角、すなわちｙ傾斜角は、前記仮想の直線方向が地球の重力方向に対して傾斜した程度をいう。

以下、前述したように構成された本実施形態の加速度及び傾斜角測定装置１００を使用して、加速度及び傾斜角を測定する原理及び方法について詳細に説明する。

容器１０の内部で流体１の圧力が変化する場合には、その変化する圧力が流体１の熱対流に影響を及ぼして加速度及び傾斜角の測定にエラーが発生する。したがって、以下では、容器１０の内部で流体１の圧力が一定した場合に、加速度及び傾斜角を正確に測定する過程を説明する。

図１及び図２に示している発熱体２０の頂点２３を空間座標上で原点（ｘ＝０，ｙ＝０，ｚ＝０）に設定し、重力加速度のみが−ｚ方向に作用している状態で、電流供給装置から電極２４，２５に電流を印加すれば、発熱体２０、すなわち第１発熱要素２１及び第２発熱要素２２には、ジュール熱が発生する。したがって、容器１０内の流体１は、そのジュール熱、流体１の熱伝導度、容器１０の内部の境界条件などに依存してその容器１０内で空間上の温度分布を有する。そして、発熱体２０の近辺に位置してその発熱体２０により加熱された流体１の部分は、その周辺の流体より相対的に高い温度を有し、これにより、密度が相対的に低くなるので、重力加速度の逆方向、すなわち＋ｚ方向に浮力を受ける。したがって、発熱体２０により加熱された流体１の部分は、その発熱体２０の上部空間（ｚ＞０）に移動する。このように加熱された流体１の部分が移動すれば、その移動した流体１の部分が占めていた空間が空けられるので、その空間には、発熱体２０の下部（ｚ＜０）に位置し、加熱された流体１の部分より相対的に低い温度を有する流体が＋ｚ方向に移動して満たされる。一方、前記のように発熱体２０の上部空間（ｚ＞０）に移動する流体１は、発熱体２０から遠くなるにつれて温度が低くなり、結局、容器１０の内壁に沿って−ｚ方向に移動して発熱体２０の下部空間（ｚ＜０）を満たす。

したがって、前述したように発熱体２０に電流を印加してその発熱体２０でジュール熱を発生させれば、容器１０の内部で流体１流動の循環、すなわち熱対流が形成される。

一方、＋ｙ軸方向に加速度ａ_ｙが加えられれば、発熱体２０の近辺での熱対流の方向は、図３に示したように加速度ａ_ｙと重力加速度ｇとのベクトル和に影響を受けてそのベクトル和の逆方向に変化する。このとき、発熱体２０の近辺での熱対流の強度、すなわち流体流動の平均速度は、前記ベクトル和の大きさに比例して変化する。そして、発熱体２０により発生する熱は、ほとんど流体１により冷却されるので、前記のような熱対流の大きさ及び方向の変化は、発熱体２０の冷却程度、すなわち発熱体２０の温度を変化させる。また、かかる熱対流変化の大きさと速度は、熱が発生する発熱体２０に近いほど大きくなる。

図４及び図５には、重力加速度と同じ大きさを有する加速度が＋ｙ方向に作用する場合及び−ｙ方向に作用する場合についてのシミュレーション結果が示されている。図４及び図５には、図１に示したｘｙ平面上で発生する流体１の熱対流の形態が示されており、ここで、矢印は、流体１の流動方向を表し、流動の形態を表示する各線の長さは、流体１の流動速度に比例する。そして、供給される電流により発熱する発熱体２０の平均温度は、約１５０℃であり、容器１０の平均温度は、２５℃である。図４及び図５に示すように、加速度の変化による流体１の流動方向及び速度の変化、すなわち熱対流の変化が発熱体の頂点２３部位で最も大きく発生するということが分かるが、これは、発熱体の頂点２３部位に熱が最も多く集約されているためである。したがって、発熱体２０のうち頂点２３部分が熱対流の影響を最も敏感に受け、これによる発熱体の冷却程度、すなわち温度の変化も頂点２３部分で最も大きく発生する。

具体的に説明すれば、重力加速度と同じ大きさの加速度が図３に示したように＋ｙ方向に作用する場合には、発熱体２０が位置した空間（ｙ＞０）に位置し、発熱体により加熱されて流体１全体の平均温度より高い温度を有する流体の部分が、図３に示したように加速度ａ_ｙと重力加速度ｇとのベクトル和に影響を受けてそのベクトル和の逆方向に流動して、発熱体の頂点２３を冷却させる。一方、重力加速度と同じ大きさの加速度が−ｙ方向に作用する場合には、熱電対３０が位置した空間（ｙ＜０）に位置し、流体１全体の平均温度より低い温度を有する流体１の部分が、加速度ａ_ｙと重力加速度ｇとのベクトル和に影響を受けてそのベクトル和の逆方向に流動して、発熱体の頂点２３を冷却させる。

したがって、加速度が＋ｙ方向に作用する場合に測定される発熱体の頂点２３の温度は、加速度が−ｙ方向に作用する場合に測定される発熱体の頂点２３の温度より高くなる。そして、発熱体の頂点２３の温度変化の大きさは、ｙ軸方向に作用する加速度の大きさに依存するので、前記のように熱電対３０で発熱体の頂点２３の温度を測定すれば、高い敏感度及び速い応答速度を有し、ｙ軸方向に作用する加速度の方向及び大きさを求めうる。

一方、前述したように構成された本実施形態の加速度及び傾斜角測定装置１００を使用すれば、次のように前記ｙ傾斜角を測定できる。図６に示したように、加速度及び傾斜角測定装置１００に重力加速度のみが作用する状態で、ｘ軸を地球の重力方向に対して直角に固定し、＋ｙ方向が重力方向に対してｈラジアンをなすようにｙ軸を傾斜して配置する。かかる状態で、重力加速度ｇをベクトル分解し、傾斜したｙ軸方向に作用する加速度ａ_ｙは、重力加速度ｇに対してａ_ｙ＝ｇｃｏｓ（ｈ）の式で与えられる。したがって、前述したように加速度を求める過程を行ってｙ軸方向の加速度ａ_ｙを求めれば、前記式ａ_ｙ＝ｇｃｏｓ（ｈ）から傾斜角ｈが得られる。

図７には、前記加速度及び傾斜角測定装置１００において、発熱体に一定量の電流を印加して発熱体２０の平均温度が約１５０℃であり、容器１０２の平均温度が２５℃である場合に、ｙ軸方向に作用する加速度分布と傾斜角ｈに依存する発熱体の頂点２３の温度分布が示されている。図７に示すように、発熱体の頂点２３の温度は、ｙ軸方向に作用する加速度の大きさに対して線形的応答を表すということが分かる。結論的に、本発明の第１実施形態による加速度及び傾斜角測定装置１００は、流体１の圧力が一定した場合に発熱体の頂点２３の温度を測定し、図７に示した特性曲線を活用することによって、ｙ軸方向に作用する加速度及び地球の重力方向に対する傾斜角を高い敏感度及び速い応答速度を有して求めうる。

一方、図８は、本発明の第２実施形態による加速度及び傾斜角測定装置２００を示す図面である。図８に示すように、前記加速度及び傾斜角測定装置２００は、流体１が収容される容器１０、発熱体４０、第１熱電対５０及び第２熱電対６０を備える。

前記発熱体４０は、前記容器１０内に配置されている。前記発熱体４０は、四角形状になっているが、本実施形態においては、平面正四角形状になっている。前記発熱体４０は、後述する第１頂点４１及び第２頂点４２の中間に位置する仮想の中心点４５に対して点対称形態に配置されている。前記発熱体４０は、互いに電気的に連結されている第１頂点４１、第２頂点４２、第３頂点４３、第４頂点４４を備える。前記第１頂点４１と第２頂点４２とは互いに対向して配置されており、前記第３頂点４３と第４頂点４４とは互いに対向して配置されている。前記発熱体４０の第３頂点４３及び第４頂点４４は、それぞれ電極４６，４７に電気的に連結されており、その電極４６，４７には、電流を供給できる電流供給装置（図示せず）が連結される。前記電流供給装置から電流を供給すれば、前記発熱体４０にはジュール熱が発生する。

前記第１熱電対５０は、第１伝導線５１、第２伝導線５２及び熱電対接合点５３を備える。前記第１伝導線５１及び第２伝導線５２は、それぞれニッケル、クロムなどの金属素材からなる。前記第１伝導線５１及び第２伝導線５２は、異なる種類の金属からなる。前記熱電対接合点５３は、前記第１伝導線５１及び第２伝導線５２の端部が互いに電気的に連結されて形成される。前記熱電対接合点５３は、前記発熱体の第１頂点４１と接触する。前記第１熱電対５０の両端部には、それぞれ電極５４，５５が電気的に連結されている。前記電極５４，５５には、その電極間の電圧を測定できる電圧測定装置（図示せず）が連結される。

前記第２熱電対６０は、前記仮想の中心点４５に対して前記第１熱電対５０と点対称形態に配置されている。前記第２熱電対６０は、第３伝導線６１、第４伝導線６２及び熱電対接合点６３を備える。前記第３伝導線６１及び第４伝導線６２は、それぞれニッケル、クロムなどの金属素材からなる。前記第３伝導線６１及び第４伝導線６２は、異なる種類の金属からなる。前記熱電対接合点６３は、前記第３伝導線６１及び第４伝導線６１の端部が互いに電気的に連結されて形成される。前記熱電対接合点６３は、前記発熱体の第２頂点４２と接触する。前記第２熱電対６０の両端部には、それぞれ電極６４，６５が電気的に連結されている。前記電極６４，６５には、その電極間の電圧を測定できる電圧測定装置（図示せず）が連結される。

前記電圧測定装置により測定された電圧を利用して、前記発熱体の第１頂点４１及び第２頂点４２の温度を計算でき、その温度の差を利用して加速度の大きさ及び方向、傾斜角をそれぞれ独立的に測定できる。ここで、前記加速度の方向は、前記第１頂点４１と第２頂点４２とを通過する仮想の直線方向である。また、前記傾斜角、すなわちｙ傾斜角は、前記仮想の直線方向が地球の重力方向に対して傾斜した程度をいう。

以下、前述したように構成された加速度及び傾斜角測定装置２００を使用して、加速度及び傾斜角を測定する方法を詳細に説明する。

まず、容器１０内の流体１の圧力が一定した場合に、発熱体４０に電流が印加された状態で、加速度ａ_ｙが図８に示したｙ軸方向に加えられれば、前述した本発明の第１実施形態と同様に発熱体４０の近辺でｙ軸方向の熱対流成分が発生する。しかし、本実施形態では、発熱体４０が仮想の中心点４５に対して点対称形態になっているので、ｙ軸上に配置された第１頂点４１部位と第２頂点４２部位とをそれぞれなす発熱体部分がｙ軸方向に対して互いに逆転された形態を有している。

したがって、発熱体の第１頂点４１及び第２頂点４２は、ｙ軸方向の熱対流による冷却効果を互いに逆に受ける。例えば、加速度ａ_ｙが＋ｙ方向に作用する場合には、−ｙ方向の熱対流成分が発生するので、第１頂点４１は、図５を参照しつつ説明したように全体の流体１の平均温度より低い温度の流体部分により冷却される。一方、第２頂点４２は、図４を参照しつつ説明したように全体の流体１の平均温度より高い温度の流体部分により冷却される。したがって、発熱体の第２頂点４２の温度は、第１頂点４１の温度より高くなる。

このように発熱体の第１頂点４１と第２頂点４２との温度が異なるので、加速度ａ_ｙが＋ｙ方向に作用する場合に、第１熱電対５０で測定される第１頂点４１の温度Ｔ_１と第２熱電対６０で測定される第２頂点４２の温度Ｔ_２との差Ｔ_１−Ｔ_２は、加速度ａ_ｙの大きさに比例する負の温度値となる。一方、加速度ａ_ｙが−ｙ方向に作用する場合には、第１頂点４１と第２頂点４２との温度差Ｔ_１−Ｔ_２は、加速度ａ_ｙの大きさに比例する正の温度値となる。結論的に、本発明の第２実施形態による加速度及び傾斜角測定装置２００は、流体１の圧力が一定した場合に、発熱体の二つの頂点４１，４２間の温度差を測定することによって、第１実施形態と同様な方法で、ｙ軸方向に作用する加速度の方向及び大きさを高い敏感度及び速い応答速度を有して求めうる。また、前記第１実施形態で図６を参照しつつ説明したような方法を使用すれば、地球の重力方向に対する前記ｙ傾斜角を測定することもできる。

一方、容器１０の外部で発生する圧力または温度の変化により容器１０の内部に収容された流体１の圧力が変化し、かかる場合には、流体１の熱対流による発熱体の冷却程度は、加速度だけでなく、その流体１の圧力にも依存するので、加速度ａ_ｙと前記ｙ傾斜角とを正確に求めることができないので、以下では、流体１の圧力が変化する場合にも加速度ａ_ｙと前記ｙ傾斜角とを正確に求める方法を詳細に説明する。

図９には、流体１が窒素気体であり、発熱体４０により一定のジュール熱が発生するとき、容器１０の内部の圧力変化によって第１頂点４１に接触された第１熱電対５０の温度変化が示されている。図９に示すように、一般的に流体１の圧力が増加すれば、熱対流がさらによく発生して発熱体４０の冷却程度が増加し、逆に流体１の圧力が減少すれば、熱対流による発熱体４０の冷却程度が減少するという点が分かる。したがって、容器１０の外部で発生する圧力または温度の変化により流体１の圧力が変化する場合には、発熱体の頂点４１，４２の温度が、加速度だけでなく、流体１の圧力によっても変化するので、前記温度差Ｔ_１−Ｔ_２から加速度ａ_ｙと前記ｙ傾斜角とを正確に求めることができない。

しかし、第１頂点４１及び第２頂点４２は、加速度ａ_ｙにより前記のように互いに逆の冷却効果を受けるため、第１頂点４１の温度Ｔ_１と第２頂点４２の温度Ｔ_２との和Ｔ_１＋Ｔ_２は、加速度ａ_ｙには関係なく常に一定になり、単に流体１の圧力にのみ依存する。したがって、本発明の第２実施形態による加速度及び傾斜角測定装置２００では、前記温度和Ｔ_１＋Ｔ_２から流体１の圧力を求め、これを利用して前記温度差Ｔ_１−Ｔ_２に流体１の圧力の変化を補正することによって、流体１の圧力が変化する場合にもｙ軸方向に作用する加速度と、地球の重力方向に対する前記ｙ傾斜角とを正確に求めることができる。

一方、図１０は、本発明の第３実施形態による加速度及び傾斜角測定装置３００を示す図面である。本発明の第２実施形態と同じ構成要素には同じ参照番号が指示され、多少変更されたが、対応する構成要素には‘ａ’が付加されて指示され、本発明の第３実施形態については、第２実施形態と同じ部分についての説明は重複するので省略し、異なる部分についてのみ詳細に説明する。

図１０に示すように、第３実施形態による加速度及び傾斜角測定装置３００は、流体１が収容される容器１０、発熱体４０ａ、第１熱電対５０、第２熱電対６０、第３熱電対７０及び第４熱電対８０を備える。

前記発熱体４０ａには、図１０に示したように４個の電極４６，４７，４８，４９が電気的に連結されており、その電極４６，４７，４８，４９は、前記仮想の中心点４５に対して点対称形態に配置されている。前記電極４６，４７は、電流供給装置（図示せず）の（＋）極に電気的に連結されており、前記電極４８，４９は、前記電流供給装置の（−）極に電気的に連結されている。そして、電極４６から第１頂点４１と第３頂点４３とをそれぞれ通過して電極４８と電極４９とにそれぞれ達する電流経路、及び電極４７から第２頂点４２と第４頂点４４とをそれぞれ通過して電極４８と第４電極４９とにそれぞれ達する電流経路は、電流供給装置により供給される電流と発熱体４０の抵抗とによりジュール熱を発生させる。

前記第３熱電対７０は、第５伝導線７１、第６伝導線７２及び熱電対接合点７３を備える。前記第５伝導線７１及び第６伝導線７２は、それぞれニッケル、クロムなどの金属素材からなる。前記第５伝導線７１及び第６伝導線７２は、異なる種類の金属からなる。前記熱電対接合点７３は、前記第５伝導線７１及び第６伝導線７２の端部が互いに電気的に連結されて形成される。前記熱電対接合点７３は、前記発熱体の第３頂点４３と接触する。前記第３熱電対７０の両端部には、それぞれ電極７４，７５が電気的に連結されている。前記電極７４，７５には、その電極間の電圧を測定できる電圧測定装置（図示せず）が連結される。

前記第４熱電対８０は、前記仮想の中心点４５に対して前記第３熱電対７０と点対称形態に配置されている。前記第４熱電対８０は、第７伝導線８１、第８伝導線８２及び熱電対接合点８３を備える。前記第７伝導線８１及び第８伝導線８２は、それぞれニッケル、クロムなどの金属素材からなる。前記第７伝導線８１及び第８伝導線８２は、異なる種類の金属からなる。前記熱電対接合点８３は、前記第７伝導線８１及び第８伝導線８２の端部が互いに電気的に連結されて形成される。前記熱電対接合点８３は、前記発熱体の第４頂点４４と接触する。前記第４熱電対８０の両端部には、それぞれ電極８４，８５が電気的に連結されている。前記電極８４，８５には、その電極間の電圧を測定できる電圧測定装置（図示せず）が連結される。

前述したように構成された加速度及び傾斜角測定装置３００においては、第２実施形態と同様に流体１の圧力が変化して発生するエラーを補正することによって、加速度の大きさ及び方向を正確に求めうるという点で類似しているが、ｙ方向の加速度及びｘ方向の加速度を求め、ｙ傾斜角及びｘ傾斜角を求めうるという側面で異なり、以下ではこれを詳細に説明する。ここで、前記ｙ傾斜角は、第２実施形態での傾斜角と同じであり、前記ｘ傾斜角は、前記第３頂点４３と第４頂点４４とを通過する仮想の直線が地球の重力方向に対して傾斜した程度をいう。

容器１０の内部で流体１の圧力が一定した場合に、図１０に示したｘｙ平面上に加速度ａがｘ軸と一定角度を維持して作用する場合、加速度ａのｙ軸成分ａ_ｙは、第２実施形態の場合のように発熱体４０ａの近辺でｙ軸方向の熱対流成分を発生させる。このとき、ｘ軸線上に位置する第３頂点４３部位と第４頂点４４部位とをそれぞれなす発熱体部分は、ｘ軸方向に対しては互いに逆転された形態になっているが、ｙ軸方向に対しては同じ形態になっている。したがって、ｘ軸線上に位置する第３頂点及び第４頂点４３，４４は、ｙ軸方向の熱対流成分による冷却効果を同一に受け、その第３頂点４３と第４頂点４４との間には、加速度成分ａ_ｙによる温度差が発生しない。一方、ｙ軸線上に位置する第１頂点４１と第２頂点４２部位をそれぞれなす発熱体部分は、ｙ軸方向に対して互いに逆転された形態を有している。したがって、ｙ軸線上に位置する二つの頂点４１，４２は、第２実施形態の場合と同様にｙ軸方向の熱対流成分による冷却効果を互いに逆に受け、前記二つの頂点４１，４２の間には、加速度成分ａ_ｙによる温度差が発生する。

したがって、加速度成分ａ_ｙが＋ｙ方向に作用する場合には、第１熱電対５０で測定される第１頂点４１の温度Ｔ_１と第２熱電対６０で測定される第２頂点４２の温度Ｔ_２との差Ｔ_１−Ｔ_２は、加速度成分ａ_ｙの大きさに比例する負の温度値となる。一方、加速度成分ａ_ｙが−ｙ方向に作用する場合には、加速度成分ａ_ｙの大きさに比例する正の温度値が前記のような温度差Ｔ_１−Ｔ_２から得られる。

同様に、加速度ａのｘ軸成分ａ_ｘの方向及び大きさは、ｘ軸線上に位置する第３頂点４３と第４頂点４４とにそれぞれ接触された第３熱電対７０と第４熱電対８０とでそれぞれ測定される温度Ｔ_３とＴ_４との差Ｔ_３−Ｔ_４の符号と大きさとからそれぞれ求められる。結論的に、本発明の第３実施形態による加速度及び傾斜角測定装置３００は、流体１の圧力が一定した場合に、発熱体の２対の頂点４１，４２，４３，４４間の温度差を測定することによって、第２実施形態と同じ方法で、ｘｙ平面上で作用する加速度、地球の重力方向に対する前記ｙ傾斜角及びｘ傾斜角を高い敏感度及び速い応答速度を有して求めうる。

一方、第３実施形態の加速度及び傾斜角測定装置は、第２実施形態の場合と同様に、容器１０の外部で発生する圧力または温度の変化により容器１０の内部に収容された流体１の圧力が変化する場合に、ｙ軸線上に位置する第１頂点４１と第２頂点４２との温度和Ｔ_１＋Ｔ_２、及びｘ軸線上に位置する第３頂点４３と第４頂点４４との温度和Ｔ_３＋Ｔ_４から流体１の圧力を求めうる。そして、これを利用して前記二つの温度差Ｔ_１−Ｔ_２，Ｔ_３−Ｔ_４に流体１の圧力の変化を補正することによって、流体１の圧力が変化する場合にも、ｘｙ平面上で作用する加速度、地球の重力方向に対する前記ｙ傾斜角及びｘ傾斜角を正確に測定できる。

以上、本発明を望ましい実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で当業者により色々な変形が可能であることが明白である。

本発明の第１実施形態による加速度及び傾斜角測定装置のｚ軸方向の概略的な断面図である。図１に示した加速度及び傾斜角測定装置のｙ軸方向の概略的な断面図である。図１に示した加速度及び傾斜角測定装置にｙ軸方向に加速度が加えられた場合に、その加速度と重力加速度との和をベクトルで表した概略的な断面図である。図１に示した加速度及び傾斜角測定装置の容器の内部で、＋ｙ方向に重力加速度と同じ大きさの加速度が加えられるとき、ｘｙ平面上で発生する熱対流の方向及び形態を概略的に示す図面である。図１に示した加速度及び傾斜角測定装置の容器の内部で、−ｙ方向に重力加速度と同じ大きさの加速度が加えられるとき、ｘｙ平面上で発生する熱対流の方向及び形態を概略的に示す図面である。図１に示した加速度及び傾斜角測定装置において、ｙ傾斜角を説明するための概略的な断面図である。図１に示した加速度及び傾斜角測定装置において、ｙ軸方向の加速度と地球の重力方向に対する傾斜角とに依存する発熱体の頂点の温度特性曲線を示す図面である。本発明の第２実施形態による加速度及び傾斜角測定装置のｚ軸方向の概略的な断面図である。図８に示した加速度及び傾斜角測定装置において、容器の内部の流体圧力が変化するとき、発熱体の一つの頂点で測定された温度特性曲線を示す図面である。本発明の第３実施形態による加速度及び傾斜角測定装置のｚ軸方向の概略的な断面図である。

Claims

流体の熱対流を利用して加速度及び傾斜角を測定する加速度及び傾斜角測定装置において、
前記流体が収容される容器と、
前記容器内に配置される第１発熱要素及び第２発熱要素と、前記第１発熱要素及び第２発熱要素の一端部がそれぞれ電気的に接合されて形成された頂点と、を含み、前記第１発熱要素及び第２発熱要素の他端部を通じて印加される電流により発熱する発熱体と、
前記発熱体の頂点と接触する熱電対接合点を有し、前記発熱体の頂点に対して前記発熱体と点対称形態に配置されており、前記発熱体の頂点の温度を計算するために、その両端部間の電圧が測定される熱電対と、を備え、
前記発熱体の頂点の温度を利用して、前記発熱体を備える仮想の平面内で前記発熱体の頂点を通過する仮想の直線方向への加速度と、前記仮想の直線方向が地球の重力方向に対して傾斜した程度である傾斜角と、を測定することを特徴とする加速度及び傾斜角測定装置。
流体の熱対流を利用して加速度及び傾斜角を測定する加速度及び傾斜角測定装置において、
前記流体が収容される容器と、
前記容器内に配置され、互いに電気的に連結されている第１頂点、第２頂点、第３頂点、第４頂点を有するように四角形状になっており、互いに対向する前記第１頂点及び第２頂点の中間に位置する仮想の中心点に対して点対称形態に配置されており、印加される電流により発熱する発熱体と、
前記発熱体の第１頂点と接触する熱電対接合点を有し、前記発熱体の第１頂点の温度を計算するために、その両端部間の電圧が測定される第１熱電対と、
前記発熱体の第２頂点と接触する熱電対接合点を有し、前記発熱体の第２頂点の温度を計算するために、その両端部間の電圧が測定され、前記仮想の中心点に対して前記第１熱電対と点対称形態に配置されている第２熱電対と、を備え、
前記発熱体の第１頂点と第２頂点との温度差を利用して、前記第１頂点と第２頂点とを通過する仮想の直線方向への加速度と、前記仮想の直線方向が地球の重力方向に対して傾斜した程度である傾斜角と、を測定することを特徴とする加速度及び傾斜角測定装置。
前記発熱体には、前記第３頂点及び第４頂点を通じて電流が印加されることを特徴とする請求項２に記載の加速度及び傾斜角測定装置。
前記発熱体の第３頂点と接触する熱電対接合点を有し、前記発熱体の第３頂点の温度を計算するために、その両端部間の電圧が測定される第３熱電対と、
前記発熱体の第４頂点と接触する熱電対接合点を有し、前記発熱体の第４頂点の温度を計算するために、その両端部間の電圧が測定され、前記仮想の中心点に対して前記第３熱電対と点対称形態に配置されている第４熱電対と、を備え、
前記発熱体の第３頂点と第４頂点との温度差を利用して、前記第３頂点と第４頂点とを通過する仮想の直線方向への加速度と、前記第３頂点と第４頂点とを通過する仮想の直線が地球の重力方向に対して傾斜した程度である傾斜角と、を測定することを特徴とする請求項２に記載の加速度及び傾斜角測定装置。
前記発熱体には、４個の電極が電気的に連結されており、
前記電極は、前記仮想の中心点に対して点対称形態に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の加速度及び傾斜角測定装置。
流体の熱対流を利用して加速度及び傾斜角を測定する加速度及び傾斜角測定方法において、
前記流体が収容される容器と、前記容器内に配置され、互いに電気的に連結されている第１頂点、第２頂点、第３頂点、第４頂点を有するように四角形状になっており、互いに対向する前記第１頂点及び第２頂点の中間に位置する仮想の中心点に対して点対称形態に配置されている発熱体と、前記発熱体の第１頂点と接触する熱電対接合点を有する第１熱電対と、前記発熱体の第２頂点と接触する熱電対接合点を有し、前記仮想の中心点に対して前記第１熱電対と点対称形態に配置されている第２熱電対と、を備える加速度及び傾斜角測定装置を提供する提供ステップと、
前記発熱体が発熱して前記流体が対流されるように、前記発熱体に電流を印加する電流印加ステップと、
前記第１熱電対の両端部間の電圧を測定し、その測定された電圧を利用して前記発熱体の第１頂点の温度を測定し、前記第２熱電対の両端部間の電圧を測定し、その測定された電圧を利用して前記発熱体の第２頂点の温度を測定する温度測定ステップと、
前記温度測定ステップで得られた温度の差を利用して、前記第１頂点と第２頂点とを通過する仮想の直線方向への加速度と、前記仮想の直線方向が地球の重力方向に対して傾斜した程度である傾斜角と、を計算する計算ステップと、を含むことを特徴とする加速度及び傾斜角測定方法。
前記温度測定ステップからそれぞれ測定された温度を合わせ、その合わせた温度を利用して前記容器内の流体の圧力を求める圧力計算ステップと、
前記圧力計算ステップから得られた前記流体の圧力を利用して、前記計算ステップから得られた加速度と傾斜角とを補正する補正ステップと、を含むことを特徴とする請求項６に記載の加速度及び傾斜角測定方法。