JPH01127963A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は角速度センサ、特に指向性の鋭い超音波を利
用するものに関する。

（従来の技術） 車両や航空機の制御では姿勢変化の情報を得るためにこ
まの特性を利用した磯ｆ戒式ジャイロが一般に用いられ
ている。

これを説明すると（［メカトロシステム事典」第３３８
頁と第３３９頁、他に実開昭５９−１１７５１３、特開
昭６０−６０５０５号公報参照）、第６図のように慣性
系に対して静止した台３１の一点Ｏを中心に、台３１を
基準としてωの相対角速度で１１　Ｈｋ　ｍが回転し、
かっこの状態で台３１が０を中心として慣性系に対して
Ωなる角速度でゆっくりとωと同方向に回転したとする
。この場合、−なる質量に生じる遠心力Ｆは次式で与え
られる。

Ｆ＝論ｒ（ω＋Ω）２ ＝糟ｒ（ω２＋２ωΩ十Ω２） ＝ＩＩｌｒω２＋２ｍｖΩ＋ＩｆｉｒΩ２　　　　−（
１）ただし、ｖ（’＝ｒω）は台３１を基準にした「０
の相対速度である。

ここに、（１）式のＰｔＳｉ項は、台３１に固定した座
標から測定した場合の相対速度による遠心力、第２項は
鶴の相対速度Ｖに比例しがっＶとΩに直角な方向に作用
する力いわゆるコリオリの力（Ｆｃ）に相当する。すな
わち、慣性系を基準にして測定すれば曽には単に相対角
速度によるｍｒω２なる遠心力が働いているだけのこと
であるが、台３１を基準にして測定すれば遠心力＋６ｒ
ω２とコリオリの力Ｆｃ、それに第３項の台上に静止し
た１１に働く力ｌ「Ω２が働いていることになる。

このコリオリの力Ｆｃをベクトルを使った一般式で示す
と次式になる。

Ｆ　ｃ＝　２　ｍ（ｖＸΩ）　　　　　　　　　　　・
（２）要するに、ω＝０の場合にはコリオリの力はＯと
なり、Ωを測定するには（１）式のＰＩＩＪ３項を検出
する以外にない。通常Ωは小さいために第３項の力は小
さなものでしかなく、同時にΩ２に比例しているために
Ωの向き（±）を測定することができない。しかし、ω
≠０としてω（〉〉Ω）なる角速度で質１ｍを回転させ
ておき、かつ（１）式の第１項と第３項を除く構造を採
用すれば、２ｍｒω°Ωなる比較的大きな力を検出する
ことによってΩを測定することができる。しかも、Ωの
向きをも測定できる 以上のように、コリオリの力を利用することによって慣
性系を基準とした角速度Ωを検出することができ、この
検出角速度が０となるように何等かの方法でジャイロを
制御すれば、シャイａを角度的に慣性系に固定化するこ
とができる。この結果、慣性系を基準とした機体などの
角変位（姿勢角）が検出されるのである。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、このような機械式ジャイロは構造が複雑であ
るため一般に高価である。

また、コリオリの加速度を生ずるためには、萌もってジ
ャイロを構成する′！を量が速度を持つようしておく必
要がある。たとえば、ジャイロ回転体を一定の角速度で
高速回転（１万ないし２万ｒρｍ）させておかなければ
ならない。このため軸受は部の構成に工夫を要するほか
、振動や衝撃に対して弱く、さらにジャイロの機動や停
止に時間がかがる（数分）ので、停車９発進が頻繁に行
なわれる車両用に適用する場合には適当と言えなくなる
。

こり発明はこのような従来例の問題点を解決することを
目的とする。

（問題点を解決するための手段） この発明は一１両端が開口しかつ両開口端から原点まで
の径が相違する管路を軸に対して直交する面内に取り付
ける一方で、一方の開口端より管路中に向け超音波を発
する発進器と他方の開口端より出てくる超音波を受ける
受信器とを各開口端に対向配置し、管路中を伝わる超音
波の伝達時間を測定する手段と、測定された伝達時間と
予め定まる管路長とから萌記紬回りの角速度を算出する
手段とを設けた。

（作用） 管路の両開口端から原、弘までの径が相違するので、軸
回りに角速度が生ずると、管路長が角速度の大きさに応
じて見掛は上長くなったり短くなったりするので、この
管路長の変化にて超音波が管路を伝わる伝達時間が相違
してくる。ここに、伝達時間の長さは角速度の大きさに
対応するので、伝達時間を測定すると、この伝達時間よ
り逆に袖回りの角速度が算出される。

この場合、可動部分はなく簡単な構成で済むので、８！
矛戒式ノヤイａと相違して、振動や衝撃があるなど過酷
な条件が要求される場合の適合性が良好となる。

（実施例） 実施例に入る前に第１図で角速度の測定原理を説明する
と、紙面に直交する軸の回りの角速度Ωを検出すること
を考える。この紙面上に平面状のケースＤ′？装置き、
このケースＤの中心に原点０を取る。そして、原点Ｏか
ら両開口端まで半径距離が相違する管路、たとえば原、
αＯを中心としてＯからの半径Ｒが徐々に太き（なる渦
巻きｇＣを設置する。

この渦巻き管Ｃの両端はいずれも開口しており、それぞ
れの開口端には所定の間隔Ｅを置いて、超音波の発進器
Ａと超音波の受信器Ｂとが対向設置される。

いま、時刻１＝０において発進器Ａより超音波のパルス
波が発進されたとすると、パルス波は管路壁面眸衝突し
ながら管路中を音速Ｃで伝わり、受信４已に到達するの
で、開口端の間隔Ｅも含めた金管路長をＬとすれば、ケ
ースＤが回転していないときは、パルス波の到達時間を
ｔｓとしてｔｓ　＝　Ｌ　／　ｃ　　　　　　　　　　
　　　・・・（３）である。

これに対して、ケースＤが原点Ｏの回りに角速度Ω（＝
ｄφ／ｃｊｔ）で図示の時計方向に回転している場合に
は、この場合のパルス波の到達時間を１Ｂとして、発進
器Ａと受信器Ｂが各々ＬＡ＝ＲＡ×Ωｊ、ｎ、Ｌｏ＝Ｒ
ｏＸΩｔｓだけ回転する。ただし、ＲＡとＩｌｌは原点
Ｏがら各開口端までの半径距離である。

ここ１こ、ＲＡ＜ＲＢよりＬ　Ａ　＜　Ｌ　ｏとなるの
で、ケースＤが回転すると見掛は上ＬＨＬＡ（＝ΔＬ）
だけ管路長が良くなった効果を生ずる。したがって、こ
の場合の到達時間ｔＯは静止しでいるときのｔｓに比べ
て長くなるはずである。

この場合の金管路長はＬ十ΔＬであるから、到達時間を
日との間には、 Ｌ＋ΔＬ＝ｃＸＬｏ　　　　　　　　　　・・・（４）
なる関係が生ずる。

ユニで、ΔＬ　＝（Ｒｎ　　ＲＡ　）Ω１＋１を（４）
式に代入し、ｔｏについて整理すると、 ｔｏ＝Ｌ／（ｃ　　（ＲＡ−Ｒｅ）Ω）　　　　−（５
）が得られ、確かにｔｏはｔｓより長くなっている。

なお、ケースＤを反時計方向に回転させた場合にはし口
がｔｓよりも短くなることはいうまでもなし１゜ （５）式を改めてΩについて整理すると、Ω”（ｃ−Ｌ
／ｌｏ）／（Ｒｎ−ＲＡ　）　　　−（６）であり、（
６）式において、Ｃは既知、Ｌ、ＲＡ、ＲＢは予め定め
ることのできる値であるから、ｔ。

を検出することができれば紙面に直交する軸の回りの角
速度Ωが測定されることになる。

なお、測定精度を高めるにはｔＢがある程度大さくなる
ことが必要で、そのためには（５）式において、Ωが小
さくともｔｏが大きくなるように、ＲＡとＲＢの差（Ｒ
Ａ　　Ｒ［ｌ）と渦巻き管Ｃの巻き数（Ｌの値）とを設
定する必要がある。、４．た、原点０より各開口端まで
の半径距離を相違させる理由は、（５）式においてＲＡ
＝Ｒ［＋とするとｔｏ＝Ｌ／ＣとなりΩを検出すること
ができなくなるからである。

次に、第２図は一実施例の検出器本体１５の平面図、第
２図は同じく検出器本体の側面図である。

慣性系に固定されるケース１にはほぼ２回り半する渦巻
きｇ２が取り付は板１１と緩衝ゴム１２にて中央部と開
口端において固定され、渦巻き管２の各開口端には超音
波の発進器５と受信器６とが対向配置される。なお、意
音波発進器５には水晶板に交流電圧をりえて振動させ、
超音波を発生させる圧電型のものや電界ひずみ現象を利
用するものあるいは磁気ひずみ型のものなどがある。７
はコネクタ、８は配線である。

また、ケース１には第３図に示すようにケース１内の空
気を外部と連通させるｇ、　９が曳数個あけられており
、これによりケース１内の空気は慣性座標系内にある。

第４図は信号処理系のブロック図で、送信されるパルス
波と受信されたパルス波の両方が増幅回路２２と２３を
介して入力される時間差検出回路２４では両パルス波の
立ち上がり時期の差より到達時間ｔｏが求められる。な
お、受信器６に入力される受信波はパルス状にはならな
いので、これが波形整形回路２１にてパルス状に整形さ
れる。

そして、検出されたｔｏが入力される角速度演算回路２
５では前述の（６）式の計算を行うことで、角速度Ωが
演算される。

したがって、この例によれば第２図と第３図に示す検出
器本体１５と、第４図に示す信号処理系とで、１２図に
示す紙面に直交する軸回りの角速度が測定されることに
なる。Ω自体の測定を目的とした機械式ジャイロをレー
トジャイロというが、この例でもレートジャイロがｖＩ
成されるのである。

ただし、この例では渦巻きｇ２を伝達する超音波の所要
時間よりΩが測定されるため、機械式ジャイロとは大き
な相違が生ずる。すなわち、剛体である回転体を高速で
回転する必要がないので、回転軸受けは不要であり、か
つ構成がｆ！！単であるためｌ！量、安価である。また
、可動部分がないので振動や衝撃に対しで強く、かつ起
動停止が容易であるため、車両に対する適合性が良くな
る。

次に、ｐｌＳ４図に示す積分回路２６にて角速度を積分
すると回転角度φが容易に求められる。ここに、角速度
Ωや回転角φを用いると、車両のアクティブ制御や航空
機の姿勢制御などさまざな制御に適用することが可能と
なる。

たとえば、第５図は自動車の姿勢制御に適用した一例で
、図示のように車両の萌後、左右、上下の各方向にＸ軸
、Ｙ軸、Ｚ軸を取ると、各軸に対して直交する面内に位
置するように検出器本体１５Ａ。

１５Ｂ、１５Ｃが車体に固定される。

自動車においては、Ｘ軸回りの回転振動をローリング、
Ｙ軸回りの回転振動をピッチング、Ｚ軸回りの回転振動
をヨーイングと称し、これらが乗り心地や捏縦安定性に
大きな影響を及ぼすが、検出器本体からの信号処理によ
りそれぞれロール角、ビ・２チ角、ロール角が検出され
るので、検出した回転角をフィードバック信号として姿
勢制御系を構成すれば、車両の姿勢を安定させることが
できる。たとえば、急ブレーキをかけた場合には車両１
）カ方が沈み込むいわゆるダイブ現象を生じるが、この
沈み込みをピッチ角として検出し、沈み込みの力に抗し
て車両前方を持ち上げるように油圧装置を働かせれば、
ダイブ現象を抑制することができる。

（発明の効果） 以上説明したように、この発明は慣性系が軸回りに回転
すると、この紬と直交する面内で伝わる超音波の伝達時
間が相違してくることに着目して伝達時間を測定し、測
定された伝達時間と予め定まる管路長とから釉回りの角
速度を算出するようにしたので、可動ｇ分を持たずかつ
軽址、安価な角速度センサが構成され、特に起動停止が
頻繁であったりあるいは振動や衝γがあるなど過酷な使
用条件が要求される場合への適合性が良好となる。

【図面の簡単な説明】

ｆ５１図はこの発明の測定原理を説明するための平面図
、第２図は一実施例の検出器本体の平面図、第３図は同
じく検出器本体の右側面図、ｉ１４図はこの実施例の信
号処理系のブロック図、第５図は本願発明を車両の姿勢
制御に応用する場合の検出器本体の取り付は例を示す斜
視図である。第６図は従来の機械式ジャイロの原理を説
明するための図である。 Ａ・・・ｍ音波発進器、Ｂ・・・超音波受信器、Ｃ・・
・管路（禍巻き管）、Ｄ・・・ケース、１・・・ケース
、２・・・渦巻き管、５・・・超音波発進器、６・・・
超音波受信器、１５．１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ・・・検
出器本体、２１・・・波形整形回路、２４・・・時間差
検出回路、２５・・・角速度演算回路、２６・・・積分
回路。 特許出願人　　　カヤバエ業株式会社 ′。 一：： Ａ−−一超音波発信募 Ｂ−−一超音う友支信器 Ｃ−−一管俗 Ｄ−一−ケー又

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　両端が開口しかつ両開口端から原点までの径が相違す
   る管路を軸に対して直交する面内に取り付ける一方で、
   一方の開口端より管路中に向け超音波を発する発進器と
   他方の開口端より出てくる超音波を受ける受信器とを各
   開口端に対向配置し、管路中を伝わる超音波の伝達時間
   を測定する手段と、測定された伝達時間と予め定まる管
   路長とから前記軸回りの角速度を算出する手段とを設け
   たことを特徴とする角速度センサ。