JP3035350B2 - 低周波角速度センサー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 関連出願 本出願は1989年10月25日出願の米国出願第07/426,254
号に関連するものである。

発明の背景 本発明は角速度測定センサーの分野に関し、特に低周
波角速度を検出する電磁流体角速度センサに関する。

米国特許第4,718,276号に記載されているように、電
磁流体角速度センサを用いて回転軸のまわりの角速度を
測定することができる。この種の従来のセンサは、電動
型耐慣性質量体として機能する液体水銀の環帯を用いて
いる。液体水銀の環帯を有するセンサーが測定軸を中心
にして回転すると、液体水銀による耐慣性質量体とそれ
が納められている流路との相対運動により流路を横切っ
て電圧電位差が生じる。永久磁石が、水銀流路を横切っ
て磁束と直交する電圧を発生すのに必要な磁界を生じ
る。

低周波角運動の測定が必要な用途にこの種のセンサー
を使用する場合には、10Hz以下の周波数ではセンサーの
感度が十分ではない。従って、周波数が10Hz以下になる
と周波数レスポンスが急激に低下し、各速度の測定が不
安定になる。本発明は、このセンサー感度が劣化する低
い周波数において特に有効である。

上述のような低周波角速度の測定が望ましい用途には
角速度ジャイロスコープがしばしば用いられる。この種
のジャイロスコープは、複雑な可動部系の機械的摩耗や
疲労のため寿命が短い。

従って、本発明は、電磁流体角速度センサーでは従来
不可能だった低周波角速度測定を行い、また機械的な摩
耗や疲労の影響の少いセンサーを提供する。

発明の摘要 本発明の主要な目的は、低周波角回転速度を測定する
センサーを提供することである。

本発明のより具体的な目的は、測定帯域幅の広いセン
サーを提供することである。

本発明の更に他の目的は、コリオリ（Coriolis）加速
度による低角速度時の周波度成分を測定するセンサーを
提供することである。

本発明の上述および他の目的は、流体回路を介して接
続された２つの耐慣性液体質量体を有するセンサーによ
り達成される。水銀のような導電性の液体から成る２つ
の環状の耐慣性質量体には、センサーの回転時に液体水
銀の入っている環状の流路を夫々横切って電位が生じる
ように磁界が加えられる。２つの水銀の流路は夫々の中
央で電磁流体ポンプと戻り管を介して接続されて、１つ
の連続する流体回路を形成する流路を水銀がくり返し循
環するようにされている。

２つの環状流路間に液体水銀を送り込むと、水銀が各
流路にその半径方向から入るときにコリオリ（Corioli
s）加速度成分が各流路の水銀に生じる。低周波角回転
速度では、コリオリ（Coriolis）加速度成分は周波度成
分を発生し、この周速度成分は各流路の電極で電圧とし
て検出される。高周波角回転速度では、従来通り周速度
成分の検出はこの成分が減少した時に行われる。

液体水銀が第１の環状流路に半径方向から流入し第２
の環状流路から半径方向に流出することに基いてコリオ
リ加速度成分により生じる周速度成分の検出を高周波角
速度成分の検出と組合わせて、センサーの軸のまわりの
高周波、即ち10Hz以上の角速度ばかりでなく低周波、即
ち10Hz以下の角速度も検出するようにする。

本発明の好ましい実施例では、夫々水銀の耐慣性質量
体を保持する２つの環状流路が電磁流体ポンプ手段によ
り付勢される３つの垂直に延長する流路を介して相互に
連結されている。これらの垂直流路は戻り管を介して連
通しており、一番上の流路に流れ込んだ水銀は戻り管を
通って一番下の流路に戻り、そこで再びポンプにより付
勢されて各環状流路の液体耐慣性質量体となる半径方向
の流体成分を形成する。環状流路は平行に間隔をおいて
配され、またそれらの軸は同軸でセンサーの受感軸を形
成する。流路は夫々独自の永久磁石を備えそれにより、
各流路内の耐慣性質量体の動きを検出するための電圧を
流路を横切って誘起するのに必要な磁束を発生する。

図面の説明 第１図は、電磁流体効果による電界を測定して耐慣性
質量体とハウジングとの相対運動を検出することにより
角運動検出の原理を示す。

第２図は、２つの耐慣性質量電磁流体検出器をポンプ
室20,21及び22と戻り管27とで連結した本発明の好まし
い実施例の構成を示す。

第３図は本発明の好ましい実施例の分解図である。

第４図は、第３図のセンサーに対する電気的接続を示
す本発明の好ましい実施例の上面図である。

第５図は本発明の好ましい実施例によるセンサーのＡ
−Ａ線上の断面図である。

第６図は同じ本発明の好ましい実施例のＢ−Ｂ線上の
断面図である。

第７図はポンピングチャンネル（pumping channels）
の構成を示す本発明の好ましい実施例の他の断面図であ
る。

第８図は拡張有効帯域幅全体に亘るセンサーの振幅レ
スポンスを示す。

第９図は拡張有効帯域幅全体に亘る好ましい実施例の
センサーの位相レンスポンスを示す。

第10図は上側と下側の検出電極からの出力を合成して
合成出力を得るための電子回路構成を示す。

第11図は電磁流体ポンプ駆動用の定電流電源を示す。

第12図は各種の電磁流体ポンプがどのように平行駆動
されるかを示す。

第13図は各種の電磁流体ポンプがどのように直列駆動
されるかを示す。

好ましい実施例の説明 第１図は電磁流体技術を利用した角速度検出の原理を
示す図である。環状の流路（channel）11は、水銀であ
ることが好ましい液体の耐慣性質量体を保持している。
この液体耐慣性質量体は、環状流路がその軸を中心とし
て角速度ωで回転しているときは静止している傾向があ
る。環状流路11と同軸に配された円板として示す永久磁
石12は、環状流路を横切って接点14,15間に電位Ｅを発
生する。電磁流体電圧発生の原理によれば、電位は下記
に比例する。

ここで、Ｂは印加磁界の磁束 ｕは水銀の平均半径方向速度 νは水銀の動粘度 ｈは流路の高さ Ｍはハルトマン数 Ｗは流路の幅、そして ｒはRMS流路の半径である。

角速度検出に対する実際の制約には角速度測定の帯域
幅に限界があることも含まれる。10Hz以上の場合には、
角速度の測定は周波数が上がるにつれて比較的安定する
傾向がある。

第１図に示す電磁流体耐慣性質量センサーの低周波数
レスポンスを改善するため、第２図に略称的に示す構成
を本発明は提案する。

第２図は２つの環状の流路11と17を示し、これらの流
路には夫々、水銀であることが好ましい液体の耐慣性質
量体が含まれている。環状の流路11および17夫々に連結
されているのは戻り導管27と３本の垂直な液体流路20,2
1および22である。液体流路20,21および22を介して液体
の耐慣性質量体をポンプで送り込むことにより、各環状
流路に半径方向速度成分を発生することができる。一対
の磁石12と18から環状流路11および17の夫々に対し磁束
が加えられる。導管27と同じ方向に伸びる各流路の中央
に配置される共通中央電極ばかりでなく、各環状流路の
周縁に配される一対の電極も図示されていない。

センサーの具体的な構成を述べれば明らかとなるよう
に、検知した電位Ｅは下記の通り２つの成分に比例す
る。

ここで、ν、Ｂ、ｈおよびＭは前に定義されており、
ｕは流路11と17に流入、流出する水銀の平均半径方向速
度である。

これら成分の二番目のものはコリオリ（Coriolis）加
速度により生じる周速度であり、これは周波数が低いと
きにはセンサーの角速度を決定するような大きな成分と
なる。耐慣性質量体の流れに半径方向速度成分を生じさ
せると、コリオリ加速度による下記に示す角速度成分が
発生する。

コリオリ角速度により生じたこの成分は、角周波数が
零に向って減少するにつれてそれらの低周波数での角速
度ω（ｓ）に比例する。

角速度入力ω（ｓ）がセンサーの受感軸のまわりに加
えられると、上側および下側の検出流路17と11で半径方
向に流れる水銀は、半径方向速度ｕと角速度ωに比例す
るコリオリ加速度を受ける。コリオリ加速度は、角速度
ω・a_corioLis＝２ωｕの旋回フレーム中で速度ｕで運
動する物体の加速度成分と定義され、ここでωは入力角
速度、ｕはケースに加えられた入力角速度に対する運動
物体（水銀）の速度である。センサーを一定速度でその
受感軸（円筒軸と一致する）を中心に回転すると、水銀
の半径方向速度のベクトルは入力角速度ωに直交し、コ
リオリ加速度成分が円周方向で水銀に加わることにな
る。この結果、水銀は上側の流路では反時計方向に流
れ、下側の流路では逆に時計方向に流れるが、これらの
流れは体積が等しくなるような同じ大きさで検出磁石の
磁界強度も等しい。この大きさは等しいが方向が反対の
水銀の流速は、上側および下側の検出流路17と11夫々の
外側および内側電極間の電位として測定される。もし入
力角速度が一定ならば、円周方向の水銀の流速は定常状
態値に達する。出力電圧は受感軸のまわりの入力角速度
に比例し、また水銀の流速にも比例する。

半径方向速度成分は、耐慣性質量体に液体流路20,21
および22夫々にポンプで送り込むことにより生じ、この
場合、流路17に入るとその半径方向の流れは上側の流路
ではコリオリ加速度成分により生じた周速度成分として
検出され、上側の流路を離れ導管27を通過すると、下側
の流路11でも半径方向の流れはコリオリ加速度により生
じた周速度成分として検出される、回転周波数が増える
につれて、流路11および17夫々の耐慣性質量体の全周速
度成分に対するコリオリ加速度による周速度成分が減少
する。周波数が零から略々1,000Hzまでの間の一定振幅
の角速度の場合の出力は比較的一定の検出電圧となる。
周波数が上昇するにつれて、低周波数のコリオリ加速度
の検出が減るが、従来の耐慣性質量体の速度成分は増加
する。

第８図および第９図は、各センサーについてその角速
度と位相遅れの理論的なレスポンス、ボルト／ラジアン
／秒（volts/radian/second）を示す。低周波数レスポ
ンスは、コリオリ加速度から生じる液体水銀の周速度成
分による電磁流体電圧電位Ｅを表わす。この速度成分は
零ヘルツまで測定できる（一定角速度）。

水銀の耐慣性質量体に直接生じる高周波速度成分は、
センサーの受感軸まわりの回転周波数が増加するにつれ
て検出可能となる。第８図はこの現象を示し、また合成
レスポンス（blended response）が得られて広い帯域幅
を有するセンサーが得られることを示している。

第９図は入力角速度とセンサーの出力信号位相との間
のコリオリ加速度による周速度成分発生モードと従来の
耐慣性質量モードの遅延位相レスポンスを示す。これら
の位相差も合成されて（blended）ひとつの出力信号に
なると、位相レスポンスは拡張帯域幅に亘って略々一定
となる。

液体の耐慣性質量体を下側の流路11から上側の流路17
に流入させるために、３つの電磁流体ポンプを夫々、磁
石25,24および26と電極60,61,62,63と66,67とから形成
する。電磁流体システムで周知のように、直交磁界の存
在時に直流電位を加えると、水銀のような導電性の液体
に力が加えられる。

第３図には２つの耐慣性質量センサーを、各耐慣性質
量体に半径方向速度成分を与えるために複数の電磁流体
ポンプで連結した前述の原理によるものの具体的な構成
の分解図を示す。第３図のセンサーは、磁石12および18
からの磁束を閉じ込める磁性材から成るハウジング30に
収納される。第１の環状流路17は磁石18のための絶縁カ
バー43と流路基板45とから成る。ステンレスの電極40は
環状流路の外側の円周を規定する中央開口を有するもの
として示されている。基板45の中央開口を介して環状流
路が共通電極38の導管開口27と連通できる。

第２の環状流路11も同様に磁石12とそれの絶縁カバー
44とから成る。環状の電極41が環状流路11の円周を規定
する。基46は第２の環状流路11の底面を形成する。基板
46の開口は導管27と連通していて、下側の流路11から送
り出された水銀の耐慣性質量体を上側の流路17に戻すこ
とができる。

流路11と17を相互に連結するポンプ機構はポンプ装置
39の中に含まれる。ポンプ装置39は３つのスリット21,2
2および23を含み、これらを介して流路11と17の外面が
互いに連通している。２つの磁石24と25は、液体導管22
と23の夫々に必要な磁界を与えるために外側からポンプ
装置39内に挿入される。

導管21,22および23夫々について、それらの横方向の
縁に接して対の電極50,53,54,56および52,55が配置され
ている。これらの対の電極50乃至56の夫々の間に必要な
電位を加えることにより、水銀の耐慣性質量体を流路11
の円周から流路17へ送ることができる。共通電極38に形
成された戻り管27を介して水銀の耐慣性質量体は下側の
流路11に戻れる。

内側電極38とポンプ電極50乃至56ばかりでなく上側流
路17の電極40、下側流路の電極41が複数のねじ付きロッ
ド60乃至68により夫々の流路に接続されている。

第４図は第３図のセンサーの上面図を示し、図示の線
に沿う断面が夫々第５図、第６図および第７図に示され
ている。第５図および第６図を参照すれば明らかなよう
に、各ねじ付きロッドは所定の電極に接続できる。両方
の流路11と17に共通な内側の検出電極38とロッド65とね
じ59によりそれらの流路に接続される。ねじ59はロッド
65と内側電極38に接しているので流路11と17夫々に共通
な内側検出電極が形成される。同様に第５図は、内側電
極38と環状電極41の開口により規定される下側流路11の
外側の円周との間の電位が検出できるようにロッド68を
介して接続された下側検出電極41を示す。電磁流体ポン
プの駆動電極は夫々第７図から明らかであり、これらの
電極は60,61,63,64および66,67で示すねじ付きロッドで
センサーの外面に接続される。各ねじ付きロッドはポン
プ電極50乃至56の夫々に接触している。上側の流路17用
の外側の検出電極は電極62を介して設けられる。

これらの図面に示すコンパクトなセンサー構成は検出
流路11および17の軸と同軸な検出軸を有している。耐慣
性質量体をポンプ送りをして各流路11および17内に半径
方向の流れを形成するための装置への接続は容易に行う
ことができる。

第10図に示すように従来のセンサー電子技術を利用す
ると、内側検出電極38と外側検出電極41および44の間に
発生した出力信号が下記のように合成される。

Vout＝（V42−V38）＋（V41−V38） この式により、下記のパラメータに比例する出力電圧
Ｅ（ｓ）（ｓはラプラース演算子）を生じる。

ここでB,r,B,u,W,M,νおよびｈは前に定義したもので
ある。

第10図はセンサーからの信号を処理する回路のひとつ
のタイプを示す。入力信号接続用として、上側電極、下
側電極および内側電極を夫々示す端子62,65および68を
１対の差動増幅器90に接続する。差動増幅器90は次に第
２の１対の差動増幅器91に加えられる信号に利得を与え
る。第２の差動増幅器91はこれらの信号の加算および減
算を行う。最終段93において出力信号を合成して前述の
出力電圧を得る。

第11図は、第12図に示すように平列または第13図に示
すように直列に接続した電磁流体ポンプを駆動する定電
流源を示す。第11図の電源はレギュレータ95を介して基
準電圧源に接続した電圧調整器97を有する。差動増幅器
97の出力は１組の12ボルトのバッテリが供給する電圧で
駆動される。演算増幅器97の出力電圧を用いてダーリン
トンバイポーラトランジスタ対98を駆動する。ダーリン
トントランジスタ対98により第２の直流電圧源100から
定電流が得られ、これにより第12図に示す平列接続また
は第13図に示す直列接続の電磁流体ポンプを駆動する。

これらの電子回路の各種実施例が、導電性の液体を環
状流路間に効果的にポンプ送りするのに適したものであ
ることは熟練した回路デザイナーには明らかであろう。

上述の構造の利点は、上側および下側の検出流路の出
力を合成したものを示す第８図と第９図に見ることがで
きる。図示の合成出力は、各流路への耐慣性質量体の半
径方向の流れのコリオリ加速度から生じる周速度に寄与
する成分を含んでいる。従って、10Hz以下では、出力信
号の主要な成分はコリオリ加速度により生じた周速度の
検出からのものである。10Hz以上では、上側および下側
流路は従来の耐慣性質量センサーとしてコリオリ加速度
の周速度への寄与がどこで急激に減少しているかを検出
する。

所要のポンプ送り電位を各電磁流体ポンプに与えない
ことにより装置を従来の耐慣性質量検出器として動作さ
せることができる。この場合、センサーの従来の電圧対
角速度レスポンスが得られる。

外側ケース30とその隔壁31は、ケース30のねじ穴35に
挿入された従来の締め金具34により一体に保持される。
内蔵磁気回路はポンピング磁石24,25および26の夫々と
流路の磁石12と18との間に形成される。中央電極38は各
種永久磁石の磁束路を決める磁気回路の一部としての作
用もする。磁石すべては水銀から電気的に絶縁されてい
る。

従って、各耐慣性質量体に与えられた速度のコリオリ
加速度成分の検出を導入することにより、前述の米国特
許に記載の従来技術で測定が可能だった周波数よりも低
い周波数の角回転速度が測定できることが分る。この装
置では各流路11および17内の水銀以外に何も機械的動作
部がないので耐久性のあるセンサー装置が得られる。こ
のセンサーは角速度ジャイロスコープが従来用いられて
いた用途および高い信頼性が望ましい場合に適用でき
る。従来の角速度ジャイロスコープに関連する問題、例
えば機械的な摩耗および疲労による短い使用寿命またそ
れ以外の突発的故障などは本発明センサーの簡単なそし
て機械的可動部のない構造により回避できる。簡単な構
造なので製造費も安く抑えられる。

従って、上述するところは後述する特許請求の範囲で
より具体的に定義する角速度センサーの一実施例につい
てである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−83676（ＪＰ，Ａ) 特公 昭38−14096（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭38−11794（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許3238787（ＵＳ，Ａ) 米国特許3176520（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01P 9/00 G01C 19/00 - 19/72

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】角速度センサで、 測定軸に沿って共通な軸を有しまた夫々導電性液体の耐
   慣性質量体を保持している第１および第２の離間配置の
   環状流路を有し、かつまた前記耐慣性質量体に対し前記
   軸を中心として回転するハウジングと、 前記第１の環状流路に隣接して配された第１磁石と、前
   記第２の環状流路に隣接して配された第２磁石と、 前記第１および第２の環状流路の内表面に接触している
   内側検出電極と、 前記第１および第２の環状流路の外側部分に接触してい
   る第１および第２の外側検出電極と、 ポンプ手段とから成り、前記ポンプ手段が前記液体耐慣
   性質量体を前記第１および第２の環状流路間に送り込む
   ことにより、前記環状流路にその半径方向から前記耐慣
   性質量体が流入し、その結果、前記内側検出電極と前記
   第１および第２の外側検出電極間に、コリオリ加速度に
   より前記耐慣性質量体に生じた周速度成分として電気信
   号が発生する。
2. 【請求項２】特許請求の範囲１の角速度センサーにおい
   て前記ポンプ手段は、 前記環状流路をつなぐ複数の導管と、 前記導管のひとつに夫々関連配置された複数の磁石と、 前記導管の夫々に関連配置され、また前記液体を前記第
   ２の環状流路から前記第２の環状流路に送り込む電磁流
   体ポンプを前記磁石とともに形成する電圧源に接続され
   た１対の電極と、 前記第１の環状流路と第２の環状流路の間に連結され
   て、前記第２の流路から前記第１の流路へのポンプ送り
   された液体を前記第２の流路へ戻す戻し導管とから成
   る。
3. 【請求項３】特許請求の範囲１の角速度センサーにおい
   て前記ハウジングは磁性材料から成る。
4. 【請求項４】特許請求の範囲１の角速度センサーにおい
   て、前記液体は水銀である。
5. 【請求項５】特許請求の範囲１の角速度センサーは更に
   前記第１の外側検出電極からの信号を前記第２の外側検
   出電極からの信号と合成する手段を含む。
6. 【請求項６】特許請求の範囲５の角速度センサーにおい
   て、前記合成信号Eo（ｓ）は次式で定義され、 ここで、Ｂは印加された磁界の磁束 Ｗは流路の幅 ｕは水銀の半径方向の平均流速 Ｍはハルトマン数 ｈは流路の高さ νは水銀の動粘度 ｓはラプラース演算子 ωは角速度 Ｅは出力電圧である。
7. 【請求項７】広帯域角速度ω測定装置で、共通の軸を有
   し、また耐慣性質量体として作用する導電性液体を夫々
   含む第１および第２環状流路を支持するハウジングと、 前記第１および第２の環状流路夫々に対向する第１およ
   び第２磁石と、 前記第１および第２の環状流路と夫々関連し、前記流路
   の夫々の前記耐慣性質量体と前記ハウジング間の相対運
   動に応答して信号を発生する第１および第２の電極手段
   と、 前記環状流路を連結し、前記流体を前記第１および第２
   の流路にその面と直交する方向で流入し、また前記液体
   を前記流路の半径方向に流入するポンプ手段と、 前記電極手段よりの信号を合成して、前記液体に対する
   前記ハウジングの周速度に比例する信号を得る加算回路
   とから成る。
8. 【請求項８】特許請求の範囲７の角速度測定装置におい
   て、前記ポンプ手段は、 前記環状流路間に接続された複数の連結流路と、 前記連結流路のひとつに夫々関連配置された複数の磁石
   と、 各連結流路に関連配置された一対の電極と、 前記第１および第２の流路の間に連結された戻り導管と
   から成り、前記対の電極に加えられた電圧電位に応答し
   て液体が前記連結流路を通って前記第１および第２の流
   路の間にポンプ送りされ、また前記戻り導管を通って前
   記第１の流路に戻る。
9. 【請求項９】特許請求の範囲８の広帯域角速度測定装置
   において、前記第１および第２の流路に関連する前記第
   １および第２磁石は、前記連結流路に関連する前記磁石
   とともに磁気回路を形成する。
10. 【請求項１０】特許請求の範囲７の広帯域角速度センサ
    ーにおいて、前記第１および第２電極手段は、 前記第１の環状流路の内側円周面と前記第２の環状流路
    の内側円周面に接している共通電極と、 前記第１の環状流路と外側円周面に接している第１電極
    と、 前記第２の環状流路の外側円周面に接している第２電極
    から成る。