JP4223554B2 - 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

Description

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、
図２は、ベクトル力

の作用を受けるその慣性流体を有する、同じ空洞を示した説明図であり、
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。
仮に、流体容器３を含む、本体が、加速度

で移動した場合、容器内の流体は、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。
仮にＴが、点Ｐ_n（ｎ＝１．．．６）を通って延びる、ベクトル

に対する法平面である場合、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ｐ₀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＋ｐ₀）および（ｐ_n+1＋ｐ₀）を有するものとして測定できる。
Δｐ_n＝（ｐ_n＋ｐ₀）−（ｐ_n+1＋ｐ₀）＝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、

であるので、システムの各軸に関する加速度ベクトル

のレートおよび方向が決定される。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。

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。

Claims (6)

1. 姿勢、加速度あるいは重力場および重力場の勾配成分を測定するためのセンサ装置であり、
   前記センサ装置は、球面の内側に画定される球面空洞を有しており、
   前記内側の球面空洞にある少なくとも３つの測定用センサを有しており、これら測定用センサは３つの相互に独立した座標軸ｘ、ｙ、ｚに配置されており、全ての前記測定用センサは共通のセンサ物質に応答し、および
   共通のセンサ物質が流体の特性を有する流体慣性物質の形態であり、センサ物質は空洞に完全に満たされており、センサ物質は加速度により生じる圧力変動に応答してセンサ物質の特徴的な材料の特性の分布に変化があり、特徴的な材料の特性が圧電気、ピエゾ抵抗率、誘電分極および光学的特性の少なくとも１つであり、
   前記測定用センサは前記変化により生じる物理量を計測する、ことを特徴とするセンサ装置。
2. 各座標軸が、空洞の中心を通って延びており、互いに垂直であり、および
   前記測定用センサが空洞の内面に設けられている、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. センサ物質が流体の特性を有し、液体、ゲルあるいはコロイドからなるグループから選択されたものである、ことを特徴とする請求の範囲第１記載のセンサ装置。
4. 測定用センサが、センサ物質の誘電特性の変化による測定用センサのキャパシタンスの変化に応答する容量性センサ構成要素である、ことを特徴とする請求の範囲第１記載のセンサ装置。
5. センサ物質が圧電性またはピエゾ抵抗特性を持つものであるか、またはセンサ物質の誘電特性が圧力に応答するものである、ことを特徴とする請求の範囲第１記載のセンサ装置。
6. 測定されたものに対する応答が光学的な量および電気的な量のいずれかである、ことを特徴とする請求の範囲第１記載のセンサ装置。

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