JP4817201B2 - 慣性センサ - Google Patents
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Description
本発明は、角速度や、角速度と共に加速度を計測する慣性センサに関し、小型で高精度な装置の実現を可能にするものである。
角速度を計測するジャイロセンサには、サニヤック効果を利用する光学式ジャイロや、圧電振動子を用いた振動ジャイロ、ジンバル機構を備えた回転型ジャイロなどが知られている。
光学式ジャイロは、高い計測精度を有しているが高価であり、サイズが大きい。振動ジャイロは、安価で小サイズであるが計測精度が比較的低い。
本発明者等は、安価でかつ小型・高精度なジャイロを実現するため、回転型ジャイロの回転体を磁気軸受で支承し、磁気浮上させた状態で回転する方式を先に提案した（非特許文献１）。
光学式ジャイロは、高い計測精度を有しているが高価であり、サイズが大きい。振動ジャイロは、安価で小サイズであるが計測精度が比較的低い。
本発明者等は、安価でかつ小型・高精度なジャイロを実現するため、回転型ジャイロの回転体を磁気軸受で支承し、磁気浮上させた状態で回転する方式を先に提案した（非特許文献１）。
この磁気浮上式ジャイロは、図９に模式的に示すように、棒状の回転体１００と、回転体１００を回転する誘導モータ２００と、回転体１００の変位を検出するセンサ３０１〜３０５と、センサ３０１〜３０５の検出結果に基づいて回転体１００の姿勢を制御する電磁石４０１〜４１０とを備えている。誘導モータ２００、センサ３０１〜３０５及び電磁石４０１〜４１０は、図９の配置位置を取るようにステータ（不図示）に固定されており、回転体１００は、どこにも接触していない。
この磁気浮上式ジャイロの誘導モータ２００は、電磁石４０１〜４１０で非接触支持された回転体１００を回転する。そのため、回転体１００は、ジャイロ効果により、回転軸の向きを変える力が作用しなければ、その向きを一定に保ち続け、軸の向きを変える力が加われば、その力と直角の方向に動く。
この磁気浮上式ジャイロの誘導モータ２００は、電磁石４０１〜４１０で非接触支持された回転体１００を回転する。そのため、回転体１００は、ジャイロ効果により、回転軸の向きを変える力が作用しなければ、その向きを一定に保ち続け、軸の向きを変える力が加われば、その力と直角の方向に動く。
誘導モータ２００、センサ３０１〜３０５及び電磁石４０１〜４１０を支持するステータ（不図示）が移動／回転すると、元の状態を維持しようとする回転体１００とセンサ３０１〜３０５との相対位置が変化し、その変化をセンサ３０１〜３０５が検出する。センサ３０５は、回転体１００のｚ軸方向の並進を検出し、センサ３０３及び３０４は、回転体１００のｘ軸方向の並進とｙ軸周りの回転とを検出し、センサ３０１及び３０２は、回転体１００のｙ軸方向の並進とｘ軸周りの回転とを検出する。
電磁石４０１〜４１０には、センサ３０１〜３０５で検出された変位を相殺する磁力が生じるように、制御された励磁電流が供給される。電磁石４０９及び４１０は、回転体１００のｚ軸方向の並進を制御し、電磁石４０１、４０２、４０５及び４０６は、回転体１００のｘ軸方向の並進とｙ軸周りの回転とを制御し、電磁石４０３、４０４、４０７及び４０８は、回転体１００のｙ軸方向の並進とｘ軸周りの回転とを制御する。これらの制御は、それぞれ独立して行われる。
例えば、ステータがｙ−ｚ平面上でｘ軸の周りを反時計方向に回転すると、それによって生じる相対変位を相殺するため、回転体１００をｙ−ｚ平面上でｘ軸の周りに反時計方向に回転する力が電磁石４０３、４０４、４０７及び４０８により与えられる。この力が回転体１００に作用すると、回転体１００は、ジャイロ効果によりｘ−ｚ平面上でｙ軸の周りに反時計方向に回転しようとし、この回転を抑えるために、回転体１００をｘ−ｚ平面上でｙ軸の周りに時計方向に回転する力が電磁石４０１、４０２、４０５及び４０６により与えられる。
その結果、回転体１００とステータ（不図示）との相対位置は元の状態に保たれ、その際に電磁石４０１〜４１０に供給された励磁電流の変動分から、ステータの角速度及び加速度が算出される。
その結果、回転体１００とステータ（不図示）との相対位置は元の状態に保たれ、その際に電磁石４０１〜４１０に供給された励磁電流の変動分から、ステータの角速度及び加速度が算出される。
この磁気浮上式ジャイロは、回転体が非接触支持されているため、摩擦による計測誤差が発生せず、高い計測精度が得られる。また、回転体とステータとの相対変位を打ち消すように制御し、その制御量から計測値を求めているため、回転体とステータとの相対的な位置関係は常に同じ状態に保たれる。それ故、両者間の相対的な位置関係の変化に起因する計測誤差が発生しない。また、ジンバル機構のような機械的支持部品を必要としないため、小型化が期待できる。
Maruyama, Y., Takasaki, M., Ishino, Y., Mizuno, Ishigami, T. and Kameno, H., Basic Study on Gyroscopic Sensor Using Active Magnetic Bearing, Proc. 9th International Symposium on Magnetic Bearings, New Fields in Magnetic Bearings and Industrial Applications, pp.57-60 (2006.08).
Maruyama, Y., Takasaki, M., Ishino, Y., Mizuno, Ishigami, T. and Kameno, H., Basic Study on Gyroscopic Sensor Using Active Magnetic Bearing, Proc. 9th International Symposium on Magnetic Bearings, New Fields in Magnetic Bearings and Industrial Applications, pp.57-60 (2006.08).
しかし、この磁気浮上式ジャイロは、棒状回転体を回転させているが、高速回転時には回転体に弾性モードでの変形が現れるため、回転体をステータに対して制御することが困難になる。このため、高速回転させることが難しい。これは、周期的に変化する角速度を計測する場合に、周波数帯域が高い高周波領域の計測を困難にしており、計測可能な周波数帯域を狭めている。
また、棒状の回転体は、その長さが長くなる程、力が加わったときのジャイロ効果による回転軸の動きが遅くなる。これも計測可能な周波数帯域を狭める一因となっている。
さらに、この磁気浮上式ジャイロは、回転体に非接触で回転を与える必要があり、使用できるモータの種類及び形状が制限される。
また、回転体を非接触浮上させるためには電磁石及びセンサのターゲットを回転体に取り付ける必要があるが、これらのターゲットには遠心力が作用するため、この遠心力によってターゲットが離脱しないように固定する必要があり、その固定方法が難しい。加えて、回転時にはターゲットが電磁石に対して動き続けるため、積層構造のターゲットを用いなければならない。このため、回転体の製造コストが高くなる。
また、棒状の回転体は、その長さが長くなる程、力が加わったときのジャイロ効果による回転軸の動きが遅くなる。これも計測可能な周波数帯域を狭める一因となっている。
さらに、この磁気浮上式ジャイロは、回転体に非接触で回転を与える必要があり、使用できるモータの種類及び形状が制限される。
また、回転体を非接触浮上させるためには電磁石及びセンサのターゲットを回転体に取り付ける必要があるが、これらのターゲットには遠心力が作用するため、この遠心力によってターゲットが離脱しないように固定する必要があり、その固定方法が難しい。加えて、回転時にはターゲットが電磁石に対して動き続けるため、積層構造のターゲットを用いなければならない。このため、回転体の製造コストが高くなる。
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、計測精度が高く、計測可能な周波数帯域が広く、小型で安価な慣性センサを提供することを目的としている。
本発明の慣性センサは、モータと、前記モータに軸支されて回転する回転体と、前記モータ及び回転体を収容する内部空間を有し、前記モータを支持して前記回転体の前記内部空間での回転を許容する回転体保持体と、前記回転体保持体を取り囲んで該回転体保持体を磁力により非接触支持する複数の磁力発生手段と、前記磁力発生手段が固定されたステータと、を備え、前記磁力発生手段の少なくとも一部は前記回転体保持体の運動制御を行う電磁石であり、前記回転体保持体と前記ステータとの相対変位を打ち消すように、前記電磁石の励磁電流が可変され、前記励磁電流の変動分から、前記ステータが固定された物体の角速度または加速度が算出されることを特徴とする。
また、前記回転体保持体と前記ステータとの相対変位を検出するセンサを前記ステータまたは回転体保持体に固定する。
また、前記回転体保持体と前記ステータとの相対変位を検出するセンサを前記ステータまたは回転体保持体に固定する。
前記磁力発生手段は、前記回転体保持体の３軸周りの回転運動及び３軸方向の並進運動を合わせた計６自由度の運動が能動的または受動的に制御できるように前記ステータに固定し、この６自由度の内の少なくとも１自由度は、電磁石によって能動的に制御する。
前記ステータに加速度あるいは角速度が生じると、前記回転体保持体と前記ステータとの間に相対変位または相対角変位が生じるが、この相対変位または相対角変位を前記変位センサによって検出し、これを打ち消すように、前記電磁石の励磁電流を可変する。
この電磁石の励磁電流の変動分に相当する制御入力が、角速度等の算出に用いられる。
この電磁石の励磁電流の変動分に相当する制御入力が、角速度等の算出に用いられる。
この慣性センサでは、軸長の短い回転体が用いられているため、より高い回転数まで、回転体の弾性モードが生じない。
また、電磁石やセンサのターゲットが取り付けられる前記回転体保持体は、回転しないため、ターゲットの固定方法及び構造を簡素にすることができる。
さらに、前記回転体保持体は、非接触支持されているため、摩擦による計測誤差が発生しない。回転体の回転はモータで軸支されているため、摩擦を生じるが、この摩擦力は、角速度等の算出に用いる制御入力には直接影響しないので、計測精度は損なわれない。
また、電磁石やセンサのターゲットが取り付けられる前記回転体保持体は、回転しないため、ターゲットの固定方法及び構造を簡素にすることができる。
さらに、前記回転体保持体は、非接触支持されているため、摩擦による計測誤差が発生しない。回転体の回転はモータで軸支されているため、摩擦を生じるが、この摩擦力は、角速度等の算出に用いる制御入力には直接影響しないので、計測精度は損なわれない。
また、本発明の慣性センサでは、前記回転体保持体に、扁平な外形形状を形成する平行な二つの面を設け、前記回転体を、回転軸方向が前記二つの面に対して垂直となるように前記回転体保持体の前記内部空間に配置し、前記回転体保持体の回転運動を制御する電磁石を、前記二つの面の各々に対向するように前記ステータに固定することが望ましい。
このように構成することで、回転体の軸長を短くすることができ、また、回転体保持体の回転中心と電磁石の作用点との距離を大きく取ることができるため、計測可能な周波数帯域の一層の広帯域化や、高感度化が可能になる。
このように構成することで、回転体の軸長を短くすることができ、また、回転体保持体の回転中心と電磁石の作用点との距離を大きく取ることができるため、計測可能な周波数帯域の一層の広帯域化や、高感度化が可能になる。
また、本発明の慣性センサでは、前記回転体保持体を、扁平な６面体や扁平な５面体、円筒形とすることができる。
回転体保持体を扁平な５面体に形成すると、扁平な６面体形状とする場合に比べて、回転体保持体の非接触支持や運動制御を行う磁力発生手段の数を減らすことができる。
回転体保持体を扁平な５面体に形成すると、扁平な６面体形状とする場合に比べて、回転体保持体の非接触支持や運動制御を行う磁力発生手段の数を減らすことができる。
また、本発明の慣性センサでは、前記回転体保持体の回転運動を制御する電磁石を、前記回転体の回転軸方向と平行する前記回転体保持体の面に対向させて前記ステータに固定するようにしても良い。
この場合は、回転体保持体の回転運動の制御を、従来の磁気浮上式ジャイロと同様に行うことができる。
この場合は、回転体保持体の回転運動の制御を、従来の磁気浮上式ジャイロと同様に行うことができる。
また、本発明の慣性センサでは、前記モータを流体軸受けモータとし、前記回転体の回転軸を前記モータの流体軸受けで軸支するように構成することができる。
回転体の回転軸を流体軸受けモータで軸支することにより、装置の小型化や回転速度の高速化、摩擦力の低減等を図ることができる。
回転体の回転軸を流体軸受けモータで軸支することにより、装置の小型化や回転速度の高速化、摩擦力の低減等を図ることができる。
本発明の慣性センサでは、前記ステータが固定された物体の角速度を計測することができる。
例えば、回転体保持体のｚ軸方向の並進運動を永久磁石の反発力で制御し、ｘ軸周り及びｙ軸周りの回転運動を電磁石で制御することにより、この電磁石の励磁電流の変動分から角速度を求めることができる。
例えば、回転体保持体のｚ軸方向の並進運動を永久磁石の反発力で制御し、ｘ軸周り及びｙ軸周りの回転運動を電磁石で制御することにより、この電磁石の励磁電流の変動分から角速度を求めることができる。
また、本発明の慣性センサでは、前記ステータが固定された物体の角速度及び加速度を計測することができる。
例えば、回転体保持体のｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向の並進運動、並びに、ｘ軸周り及びｙ軸周りの回転運動を、それぞれ電磁石で制御することにより、この電磁石の励磁電流の変動分から回転体の回転軸と直交する２軸周りの角速度と３軸方向の加速度とを求めることができる。
例えば、回転体保持体のｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向の並進運動、並びに、ｘ軸周り及びｙ軸周りの回転運動を、それぞれ電磁石で制御することにより、この電磁石の励磁電流の変動分から回転体の回転軸と直交する２軸周りの角速度と３軸方向の加速度とを求めることができる。
本発明により、計測精度が高く、計測可能な周波数帯域が広く、安価で小型化が可能な慣性センサを得ることができる。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る慣性センサの断面図であり、図２は、この慣性センサの回転体保持体と電磁石との配置を示す斜視図である。
この慣性センサは、図１に示すように、回転体２１と、回転体２１を回転する流体軸受けモータ２０と、回転体２１及び流体軸受けモータ２０を収容するフレーム（回転体保持体）１０と、フレーム１０を囲むステータ７０と、ステータ７０に固定された電磁石４１、４４、４５、４７と、ステータ７０に固定された永久磁石５１、５２と、ステータ７０に固定されたセンサ３１〜３４と、フレーム１０に固定されたセンサ３１〜３４のターゲット６１〜６４と、永久磁石５１、５２に対向してフレーム１０に固定された永久磁石５３、５４とを備えている。
図１は、第１の実施形態に係る慣性センサの断面図であり、図２は、この慣性センサの回転体保持体と電磁石との配置を示す斜視図である。
この慣性センサは、図１に示すように、回転体２１と、回転体２１を回転する流体軸受けモータ２０と、回転体２１及び流体軸受けモータ２０を収容するフレーム（回転体保持体）１０と、フレーム１０を囲むステータ７０と、ステータ７０に固定された電磁石４１、４４、４５、４７と、ステータ７０に固定された永久磁石５１、５２と、ステータ７０に固定されたセンサ３１〜３４と、フレーム１０に固定されたセンサ３１〜３４のターゲット６１〜６４と、永久磁石５１、５２に対向してフレーム１０に固定された永久磁石５３、５４とを備えている。
フレーム１０は、鉄などの強磁性材料から成る。あるいは、強磁性材料から成る電磁石ターゲットを有する非磁性材料で構成しても良い。このフレーム１０は、平行する正方形の二つの面１１、１２を有しており、この正方形の辺の長さに比べて二つの面１１、１２の間の距離が短く設定されている。そのため、フレーム１０は、扁平な６面体を構成している。
流体軸受けモータ２０は、フレーム１０の一方の面１２の中心位置に固定されており、回転体２１は、この流体軸受けモータ２０に回転自在に軸支されている。回転体２１の回転軸方向は二つの面１１、１２に垂直であり、回転軸の延長線は二つの面１１、１２の中心位置を貫いている。
流体軸受けモータ２０は、フレーム１０の一方の面１２の中心位置に固定されており、回転体２１は、この流体軸受けモータ２０に回転自在に軸支されている。回転体２１の回転軸方向は二つの面１１、１２に垂直であり、回転軸の延長線は二つの面１１、１２の中心位置を貫いている。
流体軸受けモータ２０は、小型の磁気ディスク装置（ＨＤＤ）などで広く用いられており、数万ｒｐｍ程度の高速回転が可能である。これらの装置で使用されている流体軸受けモータを、この慣性センサでも用いることができる。この流体軸受けモータ２０は、回転体２１の回転軸を軸支する流体軸受けを有しており、小型であって、回転体２１の高速回転が可能である。また、摩擦力が少ないため、高速回転しても音が静かである。
なお、流体軸受けモータ２０を駆動する駆動回路及び電池が、流体軸受けモータ２０内、あるいは、フレーム１０の内部空間に配置されているが、ここでは、その図示を省略している。フレーム１０は、その内部空間に配置された全てのものを含む重心が、回転体２１の回転軸上に在るように設定されており、回転体２１は、フレーム１０の内部空間において偏心せずに高速回転することができる。
なお、流体軸受けモータ２０を駆動する駆動回路及び電池が、流体軸受けモータ２０内、あるいは、フレーム１０の内部空間に配置されているが、ここでは、その図示を省略している。フレーム１０は、その内部空間に配置された全てのものを含む重心が、回転体２１の回転軸上に在るように設定されており、回転体２１は、フレーム１０の内部空間において偏心せずに高速回転することができる。
電磁石４１、４４、４５、４７は、フレーム１０の面１１、１２と対向するようにステータ７０に固定されている。図２に示すように、電磁石４１〜４８は合計で８個存在し、フレーム１０の一方の面１１に対向して４個の電磁石４１〜４３が配置され、他方の面１２に対向して４個の電磁石４５〜４８が配置されている。また、扁平な６面体を構成するフレーム１０の面１１、１２を除く４面には、永久磁石５３、５４が固定されており、これらは、ステータ７０に固定された永久磁石５１、５２と対向し、相互の間で反発力が発生する。
また、ステータ７０には、フレーム１０の面１１に対向して４個のセンサ（図１では、その内の２個３１、３２を示している。）が固定され、面１２に対向して４個のセンサ（図１では、その内の２個３３、３４を示している。）が固定されている。フレーム１０の面１１、１２には、各センサと向き合ってターゲット６１〜６４が配置されている。センサ３１〜３４は、光学的手段、あるいは、磁気的手段等でターゲット６１〜６４の位置を識別し、ステータ７０とフレーム１０との相対変位を検出する。
また、ステータ７０には、フレーム１０の面１１に対向して４個のセンサ（図１では、その内の２個３１、３２を示している。）が固定され、面１２に対向して４個のセンサ（図１では、その内の２個３３、３４を示している。）が固定されている。フレーム１０の面１１、１２には、各センサと向き合ってターゲット６１〜６４が配置されている。センサ３１〜３４は、光学的手段、あるいは、磁気的手段等でターゲット６１〜６４の位置を識別し、ステータ７０とフレーム１０との相対変位を検出する。
この慣性センサを用いて測定対象の角速度を計測する場合、ステータ７０が測定対象に固定される。
角速度の計測は、次のように行われる。
流体軸受けモータ２０によって高速回転する回転体２１は、ジャイロ効果により、外力が加わらなければ、一定の向きを保ち続け、フレーム１０を介して外力が加われば、その力と直角の方向に回転する。そのため、回転体２１を内蔵するフレーム１０も、外力が加わらなければ、一定の向きを保ち続け、外力が加われば、回転体２１の動きに応じた動きを示す。
フレーム１０は、ステータ７０に固定された電磁石４１〜４８や永久磁石５１、５２により非接触支持されている。
角速度の計測は、次のように行われる。
流体軸受けモータ２０によって高速回転する回転体２１は、ジャイロ効果により、外力が加わらなければ、一定の向きを保ち続け、フレーム１０を介して外力が加われば、その力と直角の方向に回転する。そのため、回転体２１を内蔵するフレーム１０も、外力が加わらなければ、一定の向きを保ち続け、外力が加われば、回転体２１の動きに応じた動きを示す。
フレーム１０は、ステータ７０に固定された電磁石４１〜４８や永久磁石５１、５２により非接触支持されている。
測定対象が回転し、それに伴ってステータ７０が回転すると、一定の向きを保ち続けるフレーム１０とステータ７０との相対位置が変位し、その変位をセンサ３１〜３４が検出する。電磁石４１〜４８には、センサ３１〜３４で検出された変位を相殺する磁力が生じるように、制御された励磁電流が供給され、それによって、フレーム１０とステータ７０との相対位置は元の状態に保たれる。ステータの角速度は、その際に電磁石４１〜４８に供給された励磁電流の変動分から算出される。
次に、この慣性センサにより計測される角速度を、数式を用いて定量的に説明する。
図２に示すように、フレーム１０の前後に配置された８個の電磁石４１〜４８で、フレーム１０のｚ軸方向の並進運動、ｘ軸周り及びｙ軸周りの回転運動が能動的に制御されるものとする。ｘ軸及びｙ軸方向の並進運動、並びにｚ軸周りの回転運動は、フレーム１０の面１１、１２以外の４面に対向する永久磁石５１、５２の反発力によって受動的に制御されるものとする。
図２に示すように、フレーム１０の前後に配置された８個の電磁石４１〜４８で、フレーム１０のｚ軸方向の並進運動、ｘ軸周り及びｙ軸周りの回転運動が能動的に制御されるものとする。ｘ軸及びｙ軸方向の並進運動、並びにｚ軸周りの回転運動は、フレーム１０の面１１、１２以外の４面に対向する永久磁石５１、５２の反発力によって受動的に制御されるものとする。
フレーム１０のｚ軸方向の絶対変位、ｘ軸周り及びｙ軸周りの絶対角変位を(ｚf，Ψx，Ψy)とし、ステータ７０のｚ軸方向の絶対変位、ｘ軸周り及びｙ軸周りの絶対角変位を(ｚs，ψx，ψy)とする。また、ステータ７０に対するフレーム１０の相対変位、相対角変位を(z，θx，θy)とする。そうすると、ｚ軸方向の並進運動、ｘ軸周り及びｙ軸周りの回転運動に関する運動方程式は、それぞれの運動を制御するための制御力Ｆz、制御トルクＴx及びＴyを用いて次のように表される。
ここで、ｍはフレーム１０全体（内部空間に配置された部品を含む全体）の質量、Ｉrはフレーム１０のｘ軸、ｙ軸周りの慣性モーメント、Ｉzは回転体２１の主軸周りの慣性モーメント、ωzは回転体２１の主軸周りの角速度である。すべての電磁石４１〜４８の特性は等しく、フレーム１０の中心から等しい距離ｌに配置されているものとし、定常的な空隙及び励磁電流を等しく設定すると、制御力Ｆz、制御トルクＴx及びＴyは次のように表すことができる。
ここで、Ｋi及びＫdは電磁石の特性、定常的な空隙及び励磁電流によって決定される値であり、それぞれ各電磁石の推力係数及び負の剛性である。また、ｕz，ｕθx，ｕθyは電磁石４１〜４８への励磁電流の変動分（ｉ1〜ｉ8）を用いて次式で表される。（電磁石４１への励磁電流の変動分をｉ1、電磁石４２への励磁電流の変動分をｉ2、・・電磁石４８への励磁電流の変動分をｉ8で表す。）
数式４から数式６を、数式１から数式３に代入して整理すると、
となる。ただし、ａz＝８Ｋd／ｍ，ｂz＝Ｋi／ｍ，ａk＝Ｉzωz／Ｉｒ，
ａθ＝８Ｋdｌ2／Ｉr，ｂθ＝Ｋiｌ／Ｉr
である。
ａθ＝８Ｋdｌ2／Ｉr，ｂθ＝Ｋiｌ／Ｉr
である。
次に、数式１０から数式１２をステータ７０に対するフレーム１０の相対変位及び相対角変位を用いて表すと次式が得られる。
ここで、フレーム１０はステータ７０に対して理想的に制御されており、相対変位ｚ及び相対角変位θx，θyに変動が生じないものとすると、数式１３〜数式１５の左辺は０となる。このとき、数式１３より、
となる。また、数式１４、１５を行列表記すると、
となる。数式１７をラプラス変換し、整理すると、
となる。ここで、Ψx（ｓ）、Ψy（ｓ）及びＵθx、Ｕθyは、それぞれ、ｄ（ψx）/ｄｔ、ｄ（ψy）/ｄｔ及びｕθx、ｕθyのラプラス変換である。数式１８は右辺の伝達関数の分母に中立極(ｓ＋ｊａk，ｓ−ｊａk)を持つため、Ψx（ｓ）、Ψy（ｓ）は安定でない。そこで、安定化のため、推定される角速度の変動はａkに比べて十分遅いものとし、ｓ2の項を無視すると、
となる。数式１６、数式１９より、それぞれ、ステータ７０に生じたｚ軸方向の加速度及びｘ軸周り、ｙ軸周りの角速度が制御電流から計測できる。
図３は、周期的に角速度が変化する測定対象に、この慣性センサと参照用の光学式ジャイロとを固定して、測定対象の角速度を測定した結果を表している。図３の曲線Ｒは、光学式ジャイロで計測した角速度であり、線Ａは、この慣性センサで計測した角速度の測定値を示している。この慣性センサの測定値は、曲線Ｒに重なっており、この慣性センサを用いて、光学式ジャイロに匹敵する精度で角速度が測定できることを示している。
この慣性センサは、扁平なフレーム１０の内部空間に収容する回転体２１の軸長を短く設定し、また、この回転体２１を流体軸受けモータ２０で高速回転させているため、周期的に変化する角速度を計測する場合でも、高い周波数帯域まで計測することができ、計測可能な周波数帯域の広帯域化を図ることができる。また、扁平なフレーム１０の広い面積を持つ面に対向させて制御用の電磁石を配置しているため、フレーム１０の中心から電磁石の作用点までの距離を大きく取ることができ、フレーム１０の制御入力に対する感度を高めることができる。
流体軸受けモータ２０は、ＨＤＤ用などに小型かつ扁平なものが開発されており、それを用いることで慣性センサの小型化を図ることができる。
流体軸受けモータ２０は、ＨＤＤ用などに小型かつ扁平なものが開発されており、それを用いることで慣性センサの小型化を図ることができる。
回転体２１は、流体軸受けモータ２０で軸支されているため、その回転に摩擦を伴う（流体軸受で軸支されているので、その摩擦は少ないが、ゼロではない。）。しかし、この摩擦力は、角速度の算出に用いる制御入力には直接影響しない。何故なら、角速度は、非接触支持されたフレーム１０の相対変位を補償する電磁石４１〜４８の励磁電流の変動分から算出されているためである。従って、回転体２１の回転に伴う摩擦は、角速度の計測精度を損なわない。
ここでは、扁平な６面体を構成するフレーム１０の面１１、１２以外の４面に永久磁石５１、５２を対向させて、永久磁石５１、５２の反発力でｘ軸及びｙ軸方向の並進運動、並びにｚ軸周りの回転運動を受動的に制御する場合について説明したが、図４に示すように、これらの永久磁石５１、５２の代わりに４つの電磁石４９、５０を配置して、ｘ軸及びｙ軸方向の並進運動、並びにｚ軸周りの回転運動を能動的に制御するようにしても良い。これらの電磁石４９、５０に加える励磁電流の変動分を併せて用いることで、測定対象の角速度と、全ての方向の加速度とを計測することが可能になる。
また、ここでは、フレーム１０を強磁性体で形成する場合について説明したが、フレーム１０を合成樹脂等で成形し、電磁石や永久磁石に対向するフレーム１０の面に、それらのターゲットとなる鉄板等を固着するようにしても良い。
また、回転体２１を回転するモータは、流体軸受け以外の軸受で回転体２１を軸支するものであっても良い。
また、回転体２１を回転するモータは、流体軸受け以外の軸受で回転体２１を軸支するものであっても良い。
（第２の実施形態）
第２の実施形態の慣性センサでは、フレームの姿勢制御に用いる電磁石や永久磁石の数を減らしている。
図５は、扁平な５面体に成形した慣性センサのフレームと、電磁石との配置を示し、図６は、この慣性センサの構成部品を示している。図７（ａ）は、この慣性センサを下方から見た図、また、図７（ｂ）は、この慣性センサを上方から見た図である。
この慣性センサは、扁平な５面体から成るフレーム１０と、各面に対向するようにステータ（不図示）に固定された電磁石１４１〜１４７とを有しており、フレーム１０には、電磁石１４１〜１４７に対向する各位置にターゲット６０が配置されている。なお、ここではセンサの図示を省略している。
第２の実施形態の慣性センサでは、フレームの姿勢制御に用いる電磁石や永久磁石の数を減らしている。
図５は、扁平な５面体に成形した慣性センサのフレームと、電磁石との配置を示し、図６は、この慣性センサの構成部品を示している。図７（ａ）は、この慣性センサを下方から見た図、また、図７（ｂ）は、この慣性センサを上方から見た図である。
この慣性センサは、扁平な５面体から成るフレーム１０と、各面に対向するようにステータ（不図示）に固定された電磁石１４１〜１４７とを有しており、フレーム１０には、電磁石１４１〜１４７に対向する各位置にターゲット６０が配置されている。なお、ここではセンサの図示を省略している。
図６（ａ）はフレーム１０の形状を示し、図６（ｂ）は、フレーム１０を除いたときの電磁石１４１〜１４７の配置を示し、図６（ｃ）は、さらに、電磁石１４１を除いたときの電磁石１４２〜１４７の配置を示し、図６（ｄ）は、さらに、電磁石１４２〜１４４を除いたときの電磁石１４５〜１４７の配置を示している。
フレーム１０は、図７に示すよう、正三角形の２つの平行する面１３、１４を有しており、これらの面１３、１４が接近して扁平な５面体を形成している。フレーム１０の内部空間には、回転体と、回転体を回転する流体軸受けモータとが内蔵されており、回転体の回転軸の延長線が二つの面１３、１４の中心位置を貫くように流体軸受けモータがフレーム１０の内部空間に固定されている。
フレーム１０は、図７に示すよう、正三角形の２つの平行する面１３、１４を有しており、これらの面１３、１４が接近して扁平な５面体を形成している。フレーム１０の内部空間には、回転体と、回転体を回転する流体軸受けモータとが内蔵されており、回転体の回転軸の延長線が二つの面１３、１４の中心位置を貫くように流体軸受けモータがフレーム１０の内部空間に固定されている。
電磁石は、フレーム１０の面１３の中心位置に対向して１個の電磁石１４１が配置され、面１４に対向して３個の電磁石１４５、１４６、１４７が配置され、扁平な５面体の面１３、１４を除く３つの各面に対向して、１つずつの電磁石１４２、１４３、１４４が配置されている。
電磁石の合計数は７個であり、この７個の電磁石による能動制御により、回転体の回転軸と直交する２軸周りの角速度と、全ての方向の加速度とを計測することができる。
ここで、電磁石１４２、１４３及び１４４は、それらから発生する磁力の作用線が、互いに平行な組み合せを生じないように、また、少なくとも一つの作用線（ここでは電磁石１４３及び１４４からの作用線）の延長線上にフレーム１０の重心が無いように設定している。
また、電磁石１４５、１４６及び１４７は、それらから発生する磁力の作用線が、電磁石１４１から発生する磁力の作用線と直交しないように設定している。
ここでは、フレーム１０を扁平な５面体としているが、フレームがその他の形状であっても、電磁石１４２、１４３及び１４４から発生する磁力の作用線には、互いに平行な組み合せが無く、少なくとも一つの作用線の延長線上にフレーム１０の重心が無く、かつ、電磁石１４５、１４６及び１４７から発生する磁力の作用線が、電磁石１４１から発生する磁力の作用線と直交しないようにターゲットを配置できる形状であれば、７個の電磁石１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７で、回転体の回転軸と直交する２軸周りの角速度、及び、全ての方向の加速度を計測することができる。
また、回転体の回転軸方向の加速度、及び、これと直交する軸周りの角速度のみを計測する場合は、電磁石１４２、１４３、１４４を永久磁石に代えることができる。この場合には、永久磁石に変えた磁石のターゲットを、反発力が働くように着磁された永久磁石とする。
このように、この慣性センサは、フレーム１０を扁平な６面体で構成した第１の実施形態の慣性センサと比べて、少ない数の電磁石や永久磁石により角速度や加速度を計測することができる。
電磁石の合計数は７個であり、この７個の電磁石による能動制御により、回転体の回転軸と直交する２軸周りの角速度と、全ての方向の加速度とを計測することができる。
ここで、電磁石１４２、１４３及び１４４は、それらから発生する磁力の作用線が、互いに平行な組み合せを生じないように、また、少なくとも一つの作用線（ここでは電磁石１４３及び１４４からの作用線）の延長線上にフレーム１０の重心が無いように設定している。
また、電磁石１４５、１４６及び１４７は、それらから発生する磁力の作用線が、電磁石１４１から発生する磁力の作用線と直交しないように設定している。
ここでは、フレーム１０を扁平な５面体としているが、フレームがその他の形状であっても、電磁石１４２、１４３及び１４４から発生する磁力の作用線には、互いに平行な組み合せが無く、少なくとも一つの作用線の延長線上にフレーム１０の重心が無く、かつ、電磁石１４５、１４６及び１４７から発生する磁力の作用線が、電磁石１４１から発生する磁力の作用線と直交しないようにターゲットを配置できる形状であれば、７個の電磁石１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７で、回転体の回転軸と直交する２軸周りの角速度、及び、全ての方向の加速度を計測することができる。
また、回転体の回転軸方向の加速度、及び、これと直交する軸周りの角速度のみを計測する場合は、電磁石１４２、１４３、１４４を永久磁石に代えることができる。この場合には、永久磁石に変えた磁石のターゲットを、反発力が働くように着磁された永久磁石とする。
このように、この慣性センサは、フレーム１０を扁平な６面体で構成した第１の実施形態の慣性センサと比べて、少ない数の電磁石や永久磁石により角速度や加速度を計測することができる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態の慣性センサは、フレームの回転を打ち消すように制御する電磁石を、回転体の回転軸方向と平行なフレーム面に対向させている。
図８は、この慣性センサの断面図を示している。
この慣性センサは、断面が正方形の直方体または円筒形のフレーム１０と、フレーム１０の内部空間に収容された回転体２１及びモータ２０と、フレーム１０を囲むステータ７０と、ステータ７０に固定された電磁石２４１〜２４６と、ステータ７０に固定されたセンサ３１〜３３と、フレーム１０に固定されたターゲット６０とを備えている。
回転体２１を回転するモータ２０は、第１の実施形態で用いたものと同様の構造を有しており、このモータ２０に軸支された回転体２１は、フレーム１０の内部空間において高速で安定して回転する。
第３の実施形態の慣性センサは、フレームの回転を打ち消すように制御する電磁石を、回転体の回転軸方向と平行なフレーム面に対向させている。
図８は、この慣性センサの断面図を示している。
この慣性センサは、断面が正方形の直方体または円筒形のフレーム１０と、フレーム１０の内部空間に収容された回転体２１及びモータ２０と、フレーム１０を囲むステータ７０と、ステータ７０に固定された電磁石２４１〜２４６と、ステータ７０に固定されたセンサ３１〜３３と、フレーム１０に固定されたターゲット６０とを備えている。
回転体２１を回転するモータ２０は、第１の実施形態で用いたものと同様の構造を有しており、このモータ２０に軸支された回転体２１は、フレーム１０の内部空間において高速で安定して回転する。
フレーム１０の電磁石２４１〜２４６に対向する箇所には、磁性体から成るターゲット６０が配置されている。このターゲット６０は、センサ３１〜３３に対向する位置まで延びており、センサ３１〜３３は、ターゲット６０を磁気的に識別して、ステータ７０とフレーム１０との変位を検出する。
回転体２１の回転軸方向に平行なフレーム１０面に対向する電磁石２４１、２４２は、従来の磁気浮上式ジャイロ（図９）の電磁石４０１、４０２、４０３、４０４と同様に、この図に現れていない２つの電磁石と組になってフレーム１０の周囲を取り囲み、また、電磁石２４３、２４４も、図９の電磁石４０５、４０６、４０７、４０８と同様に、この図に現れていない２つの電磁石と組になってフレーム１０の周囲を取り囲む。
回転体２１の回転軸方向に平行なフレーム１０面に対向する電磁石２４１、２４２は、従来の磁気浮上式ジャイロ（図９）の電磁石４０１、４０２、４０３、４０４と同様に、この図に現れていない２つの電磁石と組になってフレーム１０の周囲を取り囲み、また、電磁石２４３、２４４も、図９の電磁石４０５、４０６、４０７、４０８と同様に、この図に現れていない２つの電磁石と組になってフレーム１０の周囲を取り囲む。
角速度を計測する際の制御は、従来の磁気浮上式ジャイロ（図９）と同じであり、非接触支持されたフレーム１０のｘ軸方向の並進とｙ軸周りの回転とを電磁石２４１、２４２、２４３、２４４で補償し、フレーム１０のｙ軸方向の並進とｘ軸周りの回転とを、この図に現れていない４つの電磁石で補償する。また、フレーム１０のｚ軸方向の並進は、電磁石２４５、２４６を用いて補償する。
そして、各電磁石２４１〜２４６に供給された励磁電流の変動分から、角速度及び加速度を求める。
そして、各電磁石２４１〜２４６に供給された励磁電流の変動分から、角速度及び加速度を求める。
このように、この慣性センサでは、角速度及び加速度の算出が、従来の磁気浮上式ジャイロ（図９）と同様の方式で行われるが、従来の磁気浮上式ジャイロに比べて、回転体２１の軸長を短く設定し、ジャイロ効果に敏感に反応するように構成しており、また、回転体２１を軸支するモータ２０により回転体２１を高速回転するように構成しているため、周期的に変化する角速度を計測する場合でも、高い周波数帯域まで計測することができ、計測可能な周波数帯域の広帯域化を図ることができる。
また、小型のモータ２０を用いることで、装置の小型化を図ることができる。
また、小型のモータ２０を用いることで、装置の小型化を図ることができる。
本発明の慣性センサは、ロボットの姿勢制御や、自動車のナビゲーション、航空機の飛行制御など、角速度や加速度の計測を必要とする各種分野で利用することができる。
１０ フレーム（回転体保持体）
１１ 正方形の面
１２ 正方形の面
１３ 正三角形の面
１４ 正三角形の面
２０ 流体軸受けモータ
２１ 回転体
３１〜３４ センサ
４１〜５０ 電磁石
５１ 永久磁石
５２ 永久磁石
５３ 永久磁石
５４ 永久磁石
６０〜６４ ターゲット
７０ ステータ
１４１〜１４７ 電磁石
２００ 誘導モータ
２４１〜２４７ 電磁石
３０１〜３０５ センサ
４０１〜４１０ 電磁石
１１ 正方形の面
１２ 正方形の面
１３ 正三角形の面
１４ 正三角形の面
２０ 流体軸受けモータ
２１ 回転体
３１〜３４ センサ
４１〜５０ 電磁石
５１ 永久磁石
５２ 永久磁石
５３ 永久磁石
５４ 永久磁石
６０〜６４ ターゲット
７０ ステータ
１４１〜１４７ 電磁石
２００ 誘導モータ
２４１〜２４７ 電磁石
３０１〜３０５ センサ
４０１〜４１０ 電磁石
Claims (10)
- モータと、
前記モータに軸支されて回転する回転体と、
前記モータ及び回転体を収容する内部空間を有し、前記モータを支持して前記回転体の前記内部空間での回転を許容する回転体保持体と、
前記回転体保持体を取り囲んで該回転体保持体を磁力により非接触支持する複数の磁力発生手段と、
前記磁力発生手段が固定されたステータと、
を備え、
前記磁力発生手段の少なくとも一部は前記回転体保持体の運動制御を行う電磁石であり、前記回転体保持体と前記ステータとの相対変位を打ち消すように、前記電磁石の励磁電流が可変され、
前記励磁電流の変動分から、前記ステータが固定された物体の角速度または加速度が算出されることを特徴とする慣性センサ。 - 請求項１に記載の慣性センサであって、前記電磁石以外の前記磁力発生手段が、永久磁石であることを特徴とする慣性センサ。
- 請求項１または２に記載の慣性センサであって、さらに、前記回転体保持体と前記ステータとの相対変位を検出するセンサを有していることを特徴とする慣性センサ。
- 請求項３に記載の慣性センサであって、前記センサが前記ステータに固定されていることを特徴とする慣性センサ。
- 請求項３に記載の慣性センサであって、前記センサが前記回転体保持体に固定されていることを特徴とする慣性センサ。
- 請求項１から５のいずれかに記載の慣性センサであって、前記磁力発生手段は、前記回転体保持体の３軸周りの回転運動及び３軸方向の並進運動を合わせた計６自由度の運動が能動的または受動的に制御できるように前記ステータに固定されており、前記６自由度の内の少なくとも１自由度は、電磁石によって能動的に制御されていることを特徴とする慣性センサ。
- 請求項１から６のいずれかに記載の慣性センサであって、前記回転体保持体が、扁平な６面体を構成していることを特徴とする慣性センサ。
- 請求項１から６のいずれかに記載の慣性センサであって、前記回転体保持体が、扁平な５面体を構成していることを特徴とする慣性センサ。
- 請求項１から６のいずれかに記載の慣性センサであって、前記回転体保持体が、円筒形状であることを特徴とする慣性センサ。
- 請求項１から９のいずれかに記載の慣性センサであって、前記モータが流体軸受けモータであり、前記回転体の回転軸が前記モータの流体軸受けで軸支されていることを特徴とする慣性センサ。
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| JP2010122046A JP2010122046A (ja) | 2010-06-03 |
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| JP2007192709A (ja) * | 2006-01-20 | 2007-08-02 | Jtekt Corp | 車載用フライホイール式電力貯蔵装置およびこれを用いた車両姿勢制御方法 |
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- 2008-11-19 JP JP2008295535A patent/JP4817201B2/ja not_active Expired - Fee Related
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