JPH03202711A - ６軸運動検出器 - 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〕 本発明は航空機、飛翔体、宇宙機器、車両、船舶等の角
速度及び加速度検出、ならびに光学検出器／光学カメラ
等の空間安定用角速度検出等に用いられる６軸運動検出
器に関する。

〔従来の技術〕

物体の角速度及び加速度の検出器として、角速度検出に
は各種のジャイロが加速度検出には各種の加速度計が一
般的に使われている。近年、これらの検出器の複合化が
進み角速度２軸、加速度２軸を検出できるものが出現し
ている。第６図と第７図によりこの検出器の一例を説明
する。

第６図にて、スピン軸１１上には、２個の板状のビーム
１４．１５が、それぞれ面を軸に平行および垂直にして
取付けられている。スピン軸１１にはスピンモータ１２
がありビーム１４．１５を一定の回転数で回転する。ま
たスピン軸１１のスリップリング１３を介してビーム１
４．１５の歪信号等が取り出され、角速度演算回路１６
、加速度演算回路】７に入力されている。図中１８はス
ピン軸位相検出器、１９は基準波発生器１９を示す。

ここで第７図に示すようにスピン軸１１に直角なＸ軸周
りの角速度が生しると垂直面内のビーム１５はコリオリ
の力により点線のように歪む、もちろんもう一方のビー
ム１４も同し力を受けるがこの方向の剛性が高いため歪
みは微少である。つぎにＸ軸に直角なＹ軸方向の加速度
を受けるとスピン軸１１に平行面内のビーム１４は点線
のように歪む。同様にもう一方のビーム１５の加速度に
よる歪みは微少である。これらの歪みとスピン軸回転角
の関係を演算回路１６．１７で演算処理することにより
、Ｘ。

Ｙ各軸についての角速度及び加速度を検出できる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の角速度検出器あるいは加速度検出器は通常２軸検
出方式が多く、前記の複合検出器において４軸検出が可
能となった。しかしこれらの方式には次のような問題点
がある。

（１）検出軸は４軸まで。

（２）回転部の精度を確保するための超精密加工が必要
。

（３）寿命は機械的軸受けの寿命により制限される。

（４）スリップ・リング等が必要であり構造的に複雑で
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記課題を解決するため次の手段を講する。

すなわち、６軸運動検出器として、所定回転する回転体
と、同回転体を回転軸のラジアル方向に保持する一対の
第１および第２のラジアル磁気軸受と、同回転体を回転
軸のスラスト方向に保持する一対のスラスト磁気軸受と
、同回転体の回転数を検出する回転数検出器と、上記回
転軸に垂直な面内での２方向における上記第１のラジア
ル磁気軸受けおよび上記回転体間の変位を検出する第１
および第２の変位検出器と、上記第２のラジアル軸受け
および上記回転体間の上記２方向の変位を検出する第３
および第４の変位検出器と、上記回転体の回転軸方向の
変位を検出する第５の変位検出器と、上記第１および第
２の変位検出器の信号を入力して上記回転軸の偏りをも
どすよう上記第１のラジアル磁気軸受けを駆動し、上記
第３および第４の変位検出器の信号を入力して上記回転
軸の偏りをもどすよう上記第２のラジアル磁気軸受を駆
動し、上記第５の変位検出器の信号を入力して上記回転
体の偏りをもどすよう上記スラスト磁気軸受を駆動する
制御器と、上記回転数検出器、上記第１ないし第５の変
位検出器の信号を入力し、上記回転軸方向および上記２
方向のそれぞれの角速度および加速度を算出し出力する
演算器とを設ける。

〔作　用〕

回転体の回軸方向をＸ、Ｘに垂直な２つの方向をＹ、Ｚ
にとり、ｘ、ｙ、ｚは直交座標軸とする。

上記手段により、外力がない場合には、回転体はＸ軸方
向においては、第５の変位検出器で変位が検出され、制
御器に入力される。同制御器により回転体のＸ軸方向変
位の偏りをもどすようスラスト磁気軸受が駆動されて、
回転体は空間に所定回転数で回転しながら浮き、Ｘ方向
の所定の位置を保持している。Ｙ、Ｚ軸方向においても
同様に作用する。

次に、例えば、回転体のＹ軸周りに角速度（Ｏア）が生
じるとコリオリの力により回転体はＸ軸周りの回転力を
受ける。この回転力は第１および第２のラジアル磁気軸
受けに伝わる。磁気軸受けは正のばね特性を持つよう制
御されている。従って軸受の空隙はラジアル荷重、即ち
角速度（ｅヶ）に、比例して偏る。すなわち、この偏り
量Δ９．Δｙ２は第１、第３のラジアル変位検出器で検
出され電気信号ＶΔ□、■Δ、とじて、制御器にフィー
ドバック入力される。制御器ではこれらの信号は基準信
号（Ｖｒ）と比較され誤差信号ε’ＴＮ＋　　ε。とな
り偏りを戻すように、制御器からそれぞれ第１および第
２のラジアル磁気軸受へ信号が出力され同磁気軸受の力
が調節される。このようにして回転体は、回転力による
ラジアル荷重とラジアル磁気軸受の力がつり合う位置に
保持される。結果としてラジアル変位検出器の出力信号
ＶΔｙｌ＋ＶΔｙ２の絶対値は角速度（ｅ、）に比例す
る。したがって演算器はラジアル変位検出器の信号を受
け、ＶΔＩ’ｌ　＋　　Ｖｈ　ｙｚの信号と絶対値から
角速度白、を算出し出力する。またＸ軸周りの角速度（
Ｏア）についても前記と同様の作用をする。

Ｘ軸周りに角加速度が加わると一定回転している回転体
の回転数に変化を生しる。この変化率は角加速度に比例
するので回転数変化率を積分することによりＸ軸周りの
角速度となる。従って演算器は回転数転出器の出力を受
は角速度ＯＸを算出し出力する。

またＹ軸に平行な加速度α、が作用すると回転体は加速
度の方向に平行移動する。これによりラジアル磁気軸受
の空隙はＹ軸方向に偏る。この後は前記の角速度により
生ずる作用と同様である。

但し２個のラジアル磁気軸受に作用する力は同一方向で
ある。従って演算器は第１、第３のラジアル変位検出器
の出力を受は加速度αを算出し出力する。Ｚ軸に平行な
加速度α、による作用も前記と同様である。（２個のラ
ジアル磁気軸受の作用が逆方向の場合は角速度を、同方
向の場合は加速度を検出していることになり、これは各
ラジアル磁気軸受の変位方向の極性で判断される。）Ｘ
軸に平行な加速度α、による力はスラスト磁気軸受の空
隙を偏らせる。この後の作用はラジアル磁気軸受と同様
である。このようにして、３軸の角速度と、３軸の加速
度が容易に検出されるようになる。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図から第４図によって説明する
。第１図は回転体部の縦断面図、第２図は制御器、演算
器部のブロンク線図、第３図は作用説明図、第４図は制
御器部の説明図である。第１図にて、円盤形回転体３の
回転軸３ａには駆動モータ４が設けられている。また回
転軸３ａの両端部には電磁式の第１および第２のラジア
ル磁気軸受１ａ、ｌｂが設けられている。さらに回転体
３の周に沿って両側に電磁式のスラスト磁気軸受６が設
けられる。

ここで、理解を容易にするため回転軸３ａをＸ軸とする
直角座標ｘ、ｙ、ｚを考える。回転軸３ａの両端部には
Ｙ、Ｚ軸方向のラジアル変位を検出する第１．第３の変
位検出器５　ａｙ、　　５　ａｚおよび第２、第４の変
位検出器５　ｂｙ、　　５　ｂｚが設けられる。

また回転体３の周辺部にＺ軸方向のスラスト変位を検出
する第５の変位検出器６が設けられる。さらにモータ４
の近くに、回転軸３ａに対向して回転数検出器７が設け
られる。

また第２図に示すように各変位検出器６．　５ａｙ。

５　ａｚ、　　５　ｂｙ、５　ｂｚ、および回転数検出
器７の出力はそれぞれ制御器８および演算器２０に入力
される。

また制御器８の出力はそれぞれスラスト磁気軸受２、ラ
ジアル磁気軸受１ａ、１ｂおよびモータ４へ送られる。

なお以後の説明を分りやすくするため以上の説明図を第
３図に示す。

以上の構成において、回転数検出器７により回転軸３ａ
の回転数が検出され、制御器８を経てモータ４に信号が
送られる。モータ４はこの信号により所定の一定回転数
で回転体３を回わす。

外力がない場合には、回転体３はＸ軸方向においては、
第５の変位検出器６で変位が検出され、制御器８に入力
される。同制御器８により回転体３のＸ軸方向変位の偏
りをもどすようスラスト磁気軸受２が駆動されて、回転
体３は空間に浮き、Ｘ方向の所定の位置を保持している
。Ｙ、Ｚ軸方向においても同様に作用する。

次に、例えば回転体３のＹ軸周りに角速度（白ｙ）が生
しるとコリオリの力により回転体３はＸ軸周りの回転力
を受ける。この回転力は第１および第２のラジアル磁気
軸受１ａ、ｌｂに伝わる。磁気軸受１ａ、ｌｂは正のば
ね特性を持つよう制御されている。従って軸受の空隙は
ラジアル荷重、即ち角速度１．）に、比例して偏る。す
なわち、第４図に示すように、この偏り量Δ□、Δｙ２
は第１、第３のラジアル変位検出器５　ａｙ、　　５　
ｂｙで検出され電気信号ＶΔｌｌｌ＋　　ｖΔ□として
、制御器８にフィードバック入力される。制御器８では
これらの信号は基準信号（Ｖｒ）と比較され誤差信号ε
Ｙｌ＋　　εｙ２となり偏りを戻すように、制御器８か
らそれぞれ第１および第２のラジアル磁気軸受１８１ｂ
へ信号が出力され同磁気軸受の力が調節される。このよ
うにして回転体３は、回転力によるラジアル荷重とラジ
アル磁気軸受１ａ、ｌｂＯ力がつり合う位置に保持され
る。結果として制御器８の誤差信号、即ちラジアル変位
検出器５　ａｙ、　　５　ｂｙの出力信号■Δ、１．■
Δｙ２の絶対値は角速度（０，）に比例する。したがっ
て演算器８はラジアル変位検出器の信号を受け、ＶΔ７
．ＶΔｙ２の信号と絶対値から角速度ｅｙを算出し出力
する。またＸ軸周りの角速度（ｅ、）についても前記と
同様の作用をする。

Ｘ軸周りム二角加速度が加わると一定回転している回転
体３の回転数に変化を生しる。この変化率は角加速度に
比例するので回転数変化率を積分することによりＸ軸周
りの角速度となる。従って演算器８は回転数検出器７の
出力を受は角速度０８を算出し出力する。

またＹ軸に平行な加速度α、が作用すると回転体は加速
度の方向に平行移動する。これによりラジアル磁気軸受
１ａ、ｌｂの空隙はＹ軸方向に偏る。この後は前記の角
速度により生ずる作用と同様である。但し２個のラジア
ル磁気軸受１ａ、１ｂに作用する力は同一方向である。

従って演算器８は第１．第３のラジアル変位検出器５　
ａｙ、　　５　ｂｙの出力を受は加速度α、を算出し出
力する。Ｚ軸に平行な加速度α２による作用も前記と同
様である。（２個のラジアル磁気軸受の作用が逆方向の
場合は角速度を、同方向の場合は加速度を検出している
ことになり、これは各ラジアル磁気軸受の変位方向の極
性で判断される。

χ軸に平行な加速度α８による力はスラスト磁気軸受２
の空隙を偏らせる。この後の作用はラジアル磁気軸受と
同様である。

以上のようにして、容易に３軸の角速度および３軸の加
速度が検出される。

なお以上の説明では演算器に各変位検出器の出力を入力
したが、制御器から各変位の誤差を入力するようにして
もよい。

本発明の他の実施例を第５図により説明する。

本実施例は回転軸３８′を中空にして軽量化するととも
に、モータ４′を回転体３部に設けたものである。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、従来の検出器
に比べ次の利点が得られる。

（１）検出軸は６軸まで可能。

（２）回転部の精度を確保するための超精密加工は不要
。

（３）寿命はほぼ無限。

（４）スリップ・リング・スピン軸回転角検出器等が不
要であり構造的に簡単である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回転体部の縦断面図、第２
図は同実施例の構成ブロック線図、第３図は同実施例の
作用説明図、第４図は同実施例の制御器部の作用説明図
、第５図は本発明の他の実施例の回転体部の縦断面図、
第６図は従来例の全体構成図、第７図は同従来例の作用
説明図である。 ｌａ、ｌｂ・・・ラジアル磁気軸受 ２・・・スラス）Ｉ気軸受、３・・・回転体。 ３ａ・・・回転軸、　　　　　　４・・・電動機。 ５ａｙ、５ａｚ、５ｂｙ、５ｂｚ　＋＋ラジアル変位検
出器。 ６・・・スラスト変位検出器。 ７・・・回転数検出器、　　　８・・・制御器。 ２０・・・演算器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定回転する回転体と、同回転体を回転軸のラジアル方
   向に保持する一対の第１および第２のラジアル磁気軸受
   と、同回転体を回転軸のスラスト方向に保持する一対の
   スラスト磁気軸受と、同回転体の回転数を検出する回転
   数検出器と、上記回転軸に垂直な面内での２方向におけ
   る上記第１のラジアル磁気軸受けおよび上記回転体間の
   変位を検出する第１および第２の変位検出器と、上記第
   ２のラジアル軸受けおよび上記回転体間の上記２方向の
   変位を検出する第３および第４の変位検出器と、上記回
   転体の回転軸方向の変位を検出する第５の変位検出器と
   、上記第１および第２の変位検出器の信号を入力して上
   記回転軸の偏りをもどすよう上記第１のラジアル磁気軸
   受けを駆動し、上記第３および第４の変位検出器の信号
   を入力して上記回転軸の偏りをもどすよう上記第２のラ
   ジアル磁気軸受を駆動し、上記第５の変位検出器の信号
   を入力して上記回転体の偏りをもどすよう上記スラスト
   磁気軸受を駆動する制御器と、上記回転数検出器、上記
   第１ないし第５の変位検出器の信号を入力し、上記回転
   軸方向および上記２方向のそれぞれの角速度および加速
   度を算出し出力する演算器とを備えてなることを特徴と
   する６軸運動検出器。