JP2022064452A - 慣性センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】慣性力を正確に検出する。【解決手段】被検出物Ｐの慣性力を検出するための慣性センサシステム１は、検出物に取り付けられたセンサ１０であって、凹んだ底面と底面に対面する頂面とにより画定されたチャンバ３１と、チャンバ内に封入された液滴３２であって、頂面及び底面に接触しつつチャンバ内を移動可能な液滴と、を含むセンサと、液滴を撮影するように構成されたカメラ１１と、カメラが撮影した液滴の位置又は形状に基づいて、被検出物に作用する慣性力を検出するように構成された電子制御ユニット２０と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は慣性センサシステムに関する。

環状チャンバと、チャンバ内全体を満たす液体と、液体の圧力を検出する圧力計と、を備えた慣性センサであって、液体の圧力に基づいて、慣性センサが取り付けられた回転体の角速度を測定する、慣性センサが公知である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－２７５５８３号公報

しかしながら、液体の圧力は液体の温度に応じて変動しうる。したがって、特許文献１では、回転体の角速度ないし慣性力を正確に測定することは困難である。

本開示によれば、以下が提供される。
被検出物の慣性力を検出するための慣性センサシステムであって、
前記被検出物に取り付けられたセンサであって、
凹んだ底面と前記底面に対面する頂面とにより画定されたチャンバと、
前記チャンバ内に封入された液滴であって、前記頂面及び前記底面に接触しつつ前記チャンバ内を移動可能な液滴と、
を含むセンサと、
前記液滴を撮影するように構成されたカメラと、
前記カメラが撮影した前記液滴の位置又は形状に基づいて、前記被検出物に作用する慣性力を検出するように構成された電子制御ユニットと、
を備えた、慣性センサシステム。

慣性力を正確に検出することができる。

本開示による実施例の慣性センサシステムの概略全体図である。 （Ａ）センサの第１実施例の平面図、（Ｂ）図２（Ａ）の線ｉｉ－ｉｉに沿った断面図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）センサの第１実施例における、液滴の位置及び形状の変化を説明する平面図である。 （Ａ）センサの第２実施例の平面図、（Ｂ）図４（Ａ）の線ｉｖ－ｉｖに沿った断面図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）センサの第２実施例における、液滴の位置及び形状の変化を説明する平面図である。 （Ａ）センサの第３実施例の平面図、（Ｂ）図６（Ａ）の線ｖｉ－ｖｉに沿った断面図である。 センサの第３実施例における、液滴の位置及び形状の変化を説明する（Ａ）平面図、及び（Ｂ）図７（Ａ）の線ｖｉｉ－ｖｉｉに沿った断面図である。 センサの第２実施例の変形例の平面図である。

図１を参照すると、本開示による実施例の、被検出物Ｐに作用する慣性力を検出するための慣性センサシステム１は、センサ１０と、カメラ１１と、記憶装置１２と、電子制御ユニット２０と、を備える。図１に示される例では、被検出物Ｐは少なくともＸＹ平面内を移動可能になっている。なお、図面において、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向は、被検出物Ｐの長さ方向、幅方向、高さ方向にそれぞれ対応し、Ｘ方向及びＹ方向は水平方向に、Ｚ方向は鉛直方向に、それぞれ延びる。

本開示による実施例のセンサ１０は被検出物Ｐに取り付けられる。図１に模式的に示されるように、センサ１０は、チャンバ３１と、チャンバ３１内に封入された液滴３２とを含む。図１に示される例では、センサ１０ないしチャンバ３１は概ね、ＸＹ平面内に拡がる。液滴３２には、どのような液体を用いてもよいが、比重が大きいもの、例えば液体金属が好ましい。液滴３２の周りのチャンバ３１内は気体又は液体で満たされている。気体の例には、窒素のような不活性ガスが含まれる。液体の例には、液体シリコンが含まれる。後者は液滴３２の不要な動きを制限するのに適している。

本開示による実施例のカメラ１１は、センサ１０の液滴３２を撮影する。図１に示される例では、カメラ１１はセンサ１０の上方に配置される。一例では、カメラ１１は被検出物Ｐに取り付けられる。別の例ではカメラ１は被検出物Ｐに取り付けられることなく、別の物体に取り付けられる。

本開示による実施例の記憶装置１２は、液滴３２の位置及び形状の一方又は両方と、被検出物Ｐに作用する慣性力との関係を表す慣性力データが記憶されている。この慣性力データは例えば、被検出物Ｐに既知の運動を与えたときに被検出物Ｐに作用する慣性力と、このときカメラ１１で撮影された液滴３２の位置又は形状とを関連付けることにより求められる。別の実施例（図示しない）では、センサ１０にＩＭＵ（慣性計測ユニット）が取り付けられ、被検出物Ｐにランダムな運動が与えられる。このとき被検出物Ｐに作用する慣性力がＩＭＵにより検出されるとともに、この検出された慣性力と、カメラ１１で撮影された液滴３２の位置又は形状とを関係付けることによって、慣性力データが得られる。

本開示による実施例の電子制御ユニット２０は、双方向性バスによって互いに通信可能に接続された１又は複数のプロセッサ２１、１又は複数のメモリ２２、及び、入出力（Ｉ／Ｏ）ポート２３を備える。メモリ２２は例えばＲＯＭ、ＲＡＭなどを備える。メモリ２２には種々のプログラムが記憶されており、これらプログラムがプロセッサ２１で実行されることにより種々の機能が実現される。本開示による実施例の入出力ポート２３には、上述のカメラ１１、記憶装置１２などが通信可能に接続される。

さて、被検出物Ｐが移動すると、センサ１０の液滴３２がチャンバ３１内を移動し又は変形する。本開示による実施例では、液滴３１の位置又は形状をカメラ１１で撮影し、撮影された液滴３１の位置及び形状の一方又は両方と、記憶装置１２内の慣性力データと、から、被検出物Ｐに作用する慣性力が推定され、推定された慣性力が出力される。

図２（Ａ），２（Ｂ）には、センサ１０の第１実施例が示される。図２（Ａ），２（Ｂ）を参照すると、センサ１０は複数、例えば４つのセンサ要素３０を備える。これらセンサ要素３０は、それぞれ概ねＸＹ平面内に拡がる扁平状をなしており、被検出物Ｐの回転中心Ｃから半径方向にオフセットされつつ、回転中心Ｃの周りに対称的に配置される。

図２（Ｂ）に示されるように、第１実施例のセンサ要素３０はそれぞれ、互いに重ね合わされた円板状の下側部分３３及び上側部分３４を備え、これら下側部分３３と上側部分３４との間の空隙に上述のチャンバ３１が形成される。チャンバ３１は、凹んだ底面３１ｂと、底面３１ｂに対面する平坦な頂面３１ｔとによって画定される。なお、底面３１ｂは下側部分３３の頂面から構成され、頂面３１ｔは上側部分３４の底面から構成される。第１実施例では、チャンバ３１の深さ（Ｚ方向寸法）は、センサ要素３０又はチャンバ３１の半径方向中心において最も大きく、半径方向外側に向かうにつれて小さくなる。一方、上述の液体３２は、底面３１ｂ及び頂面３１ｔに接触しつつチャンバ３１内を移動可能に、チャンバ３１内に封入される。

図２（Ａ），２（Ｂ）は、被検出物Ｐが静止しており被検出物Ｐに慣性力が作用していない場合を示している。この場合、液滴３２はすべて、それぞれのセンサ要素３０の半径方向中央に位置し、円形状をなしている。

図３（Ａ）は、被検出物Ｐが矢印Ｍで示されるように図中下向き（－Ｘ方向）に移動した場合を示している。この場合、液滴３２はすべて、上向き（＋Ｘ方向）に移動し、Ｘ方向に細長い楕円形状をなす。

図３（Ｂ）は、被検出物Ｐが矢印Ｍで示されるように図中左向き（－Ｙ方向）に移動した場合を示している。この場合、液滴３２はすべて、右向き（＋Ｙ方向）に移動し、Ｙ方向に細長い楕円形状をなす。

図３（Ｃ）は、被検出物Ｐが矢印Ｍで示されるように回転中心Ｃ回りに移動した場合を示している。この場合、液滴３２はすべて、半径方向外側に移動し、半径方向に細長い楕円形状をなす。

いずれの場合でも、液滴３２の移動量又は位置及び形状は、被検出物Ｐに作用する慣性力に依存する。例えば、被検出物Ｐに作用する慣性力が大きくなるにつれて、液滴３２の移動量は大きくなり、液滴３２の変形量は大きくなる。したがって、液滴３２の位置及び形状の一方又は両方をカメラ１１で観察することによって、被検出物Ｐに作用する慣性力（向き及び大きさ）を検出することができる。

この場合、液滴３２の位置及び形状は、液滴３２の温度にほとんど左右されない。したがって、液滴３２又は被検出物Ｐの温度にかかわらず、慣性力が正確に検出される。また、簡単な構成でもって、安価に、正確な慣性力が得られる。特に第１実施例では、各センサ要素３０が被検出物Ｐの回転中心Ｃから半径方向にオフセットされているので、高い感度で慣性力が検出される。

図４（Ａ），４（Ｂ）には、センサ１０の第２実施例が示される。図４（Ａ），４（Ｂ）を参照すると、センサ１０は複数、例えば単一のセンサ要素４０を備える。このセンサ要素４０は、それぞれ概ねＸＹ平面内に拡がる扁平状をなしており、その中心が被検出物Ｐの回転中心Ｃに配置される。

図４（Ｂ）に示されるように、第２実施例のセンサ要素４０は、互いに重ね合わされた円板状の下側部分４３及び上側部分４４を備え、これら下側部分４３と上側部分４４との間の空隙を隔壁４３ａ，４３ｂにより区画することにより、複数、例えば４つのチャンバ４１が形成される。第２実施例の隔壁４３ａ，４３ｂは十字状をなしており、チャンバ４１はそれぞれ扇状をなしている。チャンバ４１はそれぞれ、凹んだ底面４１ｂと、底面４１ｂに対面する平坦な頂面４１ｔとによって画定される。第２実施例では、チャンバ４１の深さ（Ｚ方向寸法）は、センサ要素４０の半径方向中心において最も大きく、半径方向外側に向かうにつれて小さくなる。一方、液体４２は、底面４１ｂ及び頂面４１ｔに接触しつつチャンバ４１内を移動可能に、チャンバ４１内にそれぞれ封入される。なお、図４（Ａ），４（Ｂ）に示される例では、隔壁４３ａはＸ方向に延びており、隔壁４３ｂはＹ方向に延びている。

図４（Ａ），４（Ｂ）は、被検出物Ｐが静止しており被検出物Ｐに慣性力が作用していない場合を示している。この場合、液滴４２はすべて、隔壁４３ａ及び隔壁４３ｂに接して位置し、円形状をなしている。

図５（Ａ）は、被検出物Ｐが矢印Ｍで示されるように図中下向き（－Ｘ方向）に移動した場合を示している。この場合、図中上（＋Ｘ方向）側に位置する液滴４２の一部（２つ）は、隔壁４３ａに接しつつ隔壁４３ｂから離れて位置し、Ｘ方向に細長い楕円形状をなす。一方、図中下（－Ｘ方向）側に位置する液滴４２の残り（２つ）は、隔壁４３ａ及び隔壁４３ｂに接して位置し、Ｙ方向に細長い楕円形状をなす。

図５（Ｂ）は、被検出物Ｐが矢印Ｍで示されるように図中左向き（－Ｙ方向）に移動した場合を示している。この場合、図中右（＋Ｙ方向）側に位置する液滴４２の一部（２つ）は、隔壁４３ｂに接しつつ隔壁４３ａから離れて位置し、Ｙ方向に細長い楕円形状をなす。一方、図中左（－Ｙ方向）側に位置する液滴４２の残り（２つ）は、隔壁４３ａ及び隔壁４３ｂに接して位置し、Ｘ方向に細長い楕円形状をなす。

図５（Ｃ）は、被検出物Ｐが矢印Ｍで示されるように回転中心Ｃ回りに移動した場合を示している。この場合、液滴４２の一部（２つ）は、隔壁４３ｂに接しつつ隔壁４３ａから離れて位置し、隔壁４３ｂに平行に細長い楕円形状をなす。一方、液滴４２の残り（２つ）は、隔壁４３ａに接しつつ隔壁４３ｂから離れて位置し、隔壁４３ａに平行に細長い楕円形状をなす。

図６（Ａ），６（Ｂ）には、センサ１０の第３実施例が示される。図６（Ａ），６（Ｂ）を参照すると、センサ１０は例えば単一のセンサ要素５０を備える。このセンサ要素５０は、それぞれ概ねＸＹ平面内に拡がる扁平状をなしており、Ｘ方向に細長い長方形状をなしている。

図６（Ｂ）に示されるように、第３実施例のセンサ要素５０は、互いに重ね合わされた下側部分５４及び上側部分５５を備え、これら下側部分５４と上側部分５５との間の空隙にチャンバ５１が形成される。チャンバ５１はそれぞれ、凹んだ底面５１ｂと、底面５１ｂに対面する平坦な頂面５１ｔとによって画定される。第３実施例のチャンバ５１は、Ｘ方向中央に位置する中央部分５１ｃと、中央部分５１ｃからＸ方向外側に延びる外側部分５１ｏ，５１ｏと、とを含む。各外側部分５１ｏは、底面５１ｂからＺ方向に突出する隆起部分５３によって分岐された例えば２つの分岐部分５１ｏｂ，５１ｏｂを含む。チャンバ５１の深さ（Ｚ方向寸法）は、センサ要素５０のＸ方向中央において最も大きく、Ｘ方向外側に向かうにつれて小さくなる。一方、液体５２は、底面５１ｂ及び頂面５１ｔに接触しつつチャンバ５１内を移動可能に、チャンバ５１内にそれぞれ封入される。

図６（Ａ），６（Ｂ）は、被検出物Ｐが静止しており被検出物Ｐに慣性力が作用していない場合を示している。この場合、液滴５２は、単一の液滴の形で、チャンバ５１の中央部分５１ｃに位置する。

図７（Ａ），７（Ｂ）は、被検出物Ｐが矢印Ｍで示されるように図中上向き（＋Ｘ方向）に移動した場合を示している。この場合、液滴５２は図中下向き（－Ｘ方向）に、チャンバ５１の外側部分５１ｏの分岐部分５１ｏｂ，５１ｏｂに移動する。すなわち、液滴５２は、２つの小液滴の形をなす。したがって、センサ１０の第３実施例では、液滴５２の位置、形状だけでなく、液滴の数を観察することによって、被検出物Ｐに作用する慣性力が検出される。

図８は、図４（Ａ），４（Ｂ）に示されるセンサ１０の第２実施例の変形例を示している。図８に示される例では、例えば隔壁４３ａからチャンバ４１内に突出する突起４６が設けられる。このようにすると、チャンバ４１内を移動した液滴４１が突起４６に衝突し、液滴４１の変形が大きくなる。したがって、被検出物Ｐに作用する慣性力がより正確に検出される。別の実施例（図示しない）では、代替的に又は追加的に、隔壁４３ｂに突起が設けられる。

別の実施例（図示しない）では、液滴として磁性流体が用いられ、被検出物Ｐが移動しても液滴の位置が維持されるように、液滴に電磁力が印加される。この場合、液滴の位置を維持するのに必要な電磁力を発生するための電力量に基づいて、被検出物Ｐに作用する慣性力が検出される。このようにすると、液滴に作用する重力の影響が低減される。なお、液滴の比重と、液滴周りのチャンバを満たす媒体の比重とを、適切に選択することによっても、液滴に作用する重力の影響を低減できる。

更に別の実施例（図示しない）では、液滴の位置又は形状から、被検出物Ｐに作用する慣性力を検出できないと判別されたときには、出力異常であることを知らせる警報が発せられる。

１ 慣性センサシステム
１０ センサ
１１ カメラ
２０ 電子制御ユニット
３１ チャンバ
３２ 液滴
Ｐ 被検出物

Claims (1)

1. 被検出物の慣性力を検出するための慣性センサシステムであって、
   前記被検出物に取り付けられたセンサであって、
   凹んだ底面と前記底面に対面する頂面とにより画定されたチャンバと、
   前記チャンバ内に封入された液滴であって、前記頂面及び前記底面に接触しつつ前記チャンバ内を移動可能な液滴と、
   を含むセンサと、
   前記液滴を撮影するように構成されたカメラと、
   前記カメラが撮影した前記液滴の位置又は形状に基づいて、前記被検出物に作用する慣性力を検出するように構成された電子制御ユニットと、
   を備えた、慣性センサシステム。

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