JPH05502941A - 大きい角速度を測定するための電磁流体力学効果角速度センサ - 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】 大きい角速度を測定するための 電磁流体力学効果角速度センサ 技術分野 この発明は角速度センサ技術、特に帯域幅が広く、大きな衝撃環境において大き な角速度を測定するように設計された電子角速度センサに関する。

背景技術 この発明はオ発明者の米国特許第４，７１８，２７６号に開示されている角速度 センサを更に発展させたものである。この米国特許では回転軸を中心とする角速 度を測定することが述べられている。その角速度センサは中心軸を中心とする導 電性流体の環状チャンネルを有し、それによって角速度が測定される。その導電 性流体に磁場を印加し、抗慣性質量として機能させている。その流体に対する容 器の回転は！磁流体力学効果により隣接する電極片に電流変化として検出される 。この電極片はまたトランスの１次巻線を構成している。このトランスの２次巻 線はトランスデユーサの感応軸を中心とする角速度に比例する増幅された電圧を 出力する。この米国特許に開示された装置は非常に遅い角速度を測定する場合に 有利である。

しかしながらこの米国特許で述べられている装置にはいくつかの欠点がある。そ の１つはセンサの衝撃により生しる磁界の変化に対する怒度である。容器のわず かな変形によりトランスの２次巻線に生しる好ましくない電圧のようなＥＭＦの 変化が生しる。

これらの外来電圧は角速度測定には無関係であり、正確な角速度測定を損なう。

更に、この装置においてはセンサの外部の関係ない電磁界が不要な電圧をトラン ス巻線に誘起させて測定精度を損なわないようにすることが困難である。

この発明はこのような問題を解決するものである。この発明は衝撃測定、特に自 動車の衝突試験のように人間を模擬したダミー（擬人試験装置）を使って自動車 の衝突により受ける負傷を予測するために使用され、特に衝突時のダミーの頭部 の角速度を測定するのに使用される。

この発明の目的は２次巻線を持たず外部の浮遊電磁界に対し高い不感応性を有す る電子角速度センサを提供することである。

この発明の更に特定な目的は大きな加速度に対し感応する２次巻線あるいはトラ ンスコアを使用しないことによりセンサの精度に対する大きな衝撃の影響をなく すことである。

発明の開示 この発明の目的は高磁束密度を有する金属容器中に形成された電子角速度センサ によって達成される。この金属容器はセンサに対し外部磁界の影響をほとんど遮 断する。この金属容器の中に測定軸を中心とする環状チャンネルが配置されてい る。環状チャン名ル内には好ましくは水銀のような導電性流体が封入されており 、その導電性流体はチャンネル内でセンサの加速及び減速時に慣性的静止状態に 保持される。

チャンネルの下にマグネットが設けられ、導電性流体を貫通する一定の磁束が形 成されている。測定軸上に導電性流体と接触して導電性の中央棒が設けられてい る。流体及び中央棒はマグネットと電気的に絶縁されている。

チャンネルの上側にはチャンネルキャンプが設けられ、チャンネルの上端縁で流 体を封止している。チャンネルの上に増幅回路が配置され、その増幅回路の正及 び負入力は金属容器と中央棒に接続され、チャンふルは中央棒電極と電気的に接 触している。測定軸を中心として装置に加速度が与えられている間、その装置の 角速度を表わす電ＭＩ流体力学効果により容器と中央棒との間に電位が生じる。

装置全体として必要な接続数は最小となるようにされている。装置の一端に止め 金具か又はネジ穴が設けられ角速度を測定する試験物体に取り付けできるように されている。

この発明によれば、金属容器内の環状チャンネルに導電性流体が封入され、その 導電性流体を通る磁束をマグネットに与えると共に環状チャンネルの中心軸に導 電性流体と接触して設けた導電性の中央棒と金属容器との間に角速度に応じて生 じる電圧を直接増幅回路に与えて角速度信号を得るように構成しているため、角 速度信号に加わる角速度以外による外来電圧を小さくすることができる。

図面の簡単な説明 図１はこの発明の好ましい実施例の断面図である。

図２は図１のセンサの接続端子を示すセンサの上面図である。

図３は図１のセンサの増幅回路を示す図である。

図４は図１のセンサの振幅応答を示す図である。

図５は図１のセンサの位相応答を示す図である。

図６は図１のセンサの製造における第１段階を説明するための図である。

図７は図１のセンサの製造における第２段階を説明するための図である。

図８は図１のセンサのチャンネルに水銀を充填する段階を説明するための図であ る。

発明を実施するための最良の形態 図１はこの発明の好ましい実施例によるセンサ１０の断面を示す。

容器１１は外部からの磁気的影響からセンサを遮断すると共に異物が入らないよ うにする。

容器１１は高い飽和磁束密度を有する材料により、直径２０．３　ｍｍ、高さ１ ９．１　ａｍの円筒状に形成される。この材料はバナジウムパーメンデユア合金 のような鉄コバルト合金でよいし、又はニッケル鉄合金でもよい。この材料によ りセンサの内部は角速度測定精度を低下させる外部からの磁気的影響から実質的 に遮断される。容器はまた永久磁石に対し閉磁気回路として機能する。

容器１１の下端面にネジ穴１２が形成されている。ネジ穴１２により角速度を測 定すべき物体にセンサｌＯを簡単に取り付けることができる。ネジ穴１２の軸９ はセンサ１０の測定軸と一致しているので軸９を中心とする角速度の測定に都合 がよい。もちろんネジ穴以外の方法によって図１のセンサを取り付けるようにし てもよい。

例えば容器１１に雄ネジを固定して取り付け、その雄ネジを測定物体に設けたネ ジ穴にネジ込むようにしてもよい。

容器１１内の空洞の底に永久磁石２８が配置される。永久磁石２８のＮ／Ｓ極の 方向はセンサ１０の軸に沿っている。永久磁石２８はＳ極が空洞の底に対接する ように反転して取り付けてもよい。その場合、出力電圧の極性が反転し、ある場 合には都合がよい。

磁石２８は円盤状であり、例えばＮｄＦｅＢで形成される。好ましい実施例で使 用される磁石２８は３０ＭＧＯｅ　（メガエルステッド）以上のエネルギ積を有 している。エポキシの絶縁カバー２４が磁石２８の上に覆ふせられ、水銀２３を 入れる流体室を含むチャンバ２０から磁石を分離する。

流体室２０は環状であり、その中心軸はセンサの軸９と一致している。中央コン タクト捧２１が絶縁部材２４の上に設けられている。

水銀２３で満たされたチャンネル２０はポリカーボネイトのキャンプ２５により 蓋がされる。好ましい実施例を製造する方法の説明で明らかにするが、このキャ ップ２５は例えば注入成形エポキシ材で作られ、コンタクト棒２１と共にチャン ネル２０を封止する。

内Ｍ２６の外周にはネジが切られており、容器１１内の空洞内周に形成された雌 ネジに螺合されている。その状態で内Ｍ２６はキャンプ２５と中央棒２１をそれ らの位置に保持すると共に流体室２０の頂面を封止する。

内蓋２６の上には正、負入力を有する増幅器を含む微細電子回路２９と、±１５ Ｖを供給するための電源端子が設けられている。集積回路２９は例えば厚膜ハイ ブリッド回路であり、エレクトロニクスヘッダ２７に取り付けられている。ヘッ ダ２７はその外周面に形成されたネジにより容器１１の空洞の中に螺合されてい る。ヘッダはセンサの接続端子となるピン１４〜１９を有しそれらは絶縁体１７ によりヘッダ２７及び容器１１からガラス絶縁されている。これらのピンのうち の１つのピン１５は中央棒２１に形成した孔に挿入されている。ヘッダ２７が所 定の深さにねし込まれると、中央棒２１とピン１５が電気的に接続される。

増幅回路のための外部接続を図２に示す。これらの接続は中央ピン１５、増幅器 のための２つの端子１４．１．６及び２つの電源供給ピン１８．１９によって行 なわれる。中央ビン１５は容器１１に対し中央棒２１に生した電位を直接測定で きるように導出されており、テストポイントとして使用される。２つの穴８はヘ ッダ２７の外周にネジを切る時にヘッダを保持するために使用され、またへ、ダ ２７を容器ｌｌ内にネジ込む時にも使用される。

動作時に角加速度が軸９を中心に与えられると、環状チャンネル２３内の水銀は 感応軸を中心とし静止慣性状態を保持しようとする。

したがって水銀に対する容器１１の相対角速度φにより中央棒２１と容器１１と の間に電位が発生する。この電位は次の周波数速度式で表わすことができる。

ここでＫａ／　（ＲＣ５ｔｌ　）は増幅回路又はヘッダ２７の伝達関数であり、 Ｂｏは水銀中の磁束密度であり、ｒは水銀チャンネル２３の２乗平均平方根半径 であり、Ｗは水銀チャンネルの有効幅である。またτは次式τ＝ν・　（１＋Ｍ ”）／ｈ”で表わされ、νは水銀の運動粘性度であり、ｈは水銀チャンネルの有 効高さであり、Ｍはノ＼−トマン数であり、Ｋａは増幅器利得であり、Ｓはラプ ラス変数であり、δ（ｓ）は入力角速度である。

上述の式で表わしたようにセンサは磁束がチャンネルを通って発生されることが 要求される。いわゆるバーマン数Ｍは次のように定ここでηは水銀の比抵抗、ρ は水銀の密度、νは水銀の運動粘性度、ｉ　（ｓ）は入力角速度である。

増幅回路の具体例を図３に示す。増幅器の２つの入力のうち負極入力は容器１１ に接続され、正極入力は中央ビン２１に接続される。

容器１１は増幅器１６のための共通接続点となる。

図４及び図５は図１の装置の振幅及び位相周波数応答を示す。図４かられかるよ うに装置の全帯域は前述の米国特許におけるセンサのものより広い。トランスを 使用しないことにより装置の分解能が損われる代りに帯域幅を増大することがで きる。この発明による装置のコーナー周波数は低く、全帯域幅、特に低い周波数 角速度の領域で改善されている。

図５の位相応答が示すように１０Ｈｚから数１００Ｈｚの帯域内の角速度はほと んど位相遅延を受けない。このことは図１のセンサ装置からの出力信号を測定す るために使用する測定器において、位相オフセントについての補正は非常に小さ くてすむ点で利点となってし）る。

上述のセンサは前述の米国特許に示されたセンサに比べて非常に小形であり、か つ外部磁場の影響が小さい。自動車の衝突試験におけるセンサの衝突で容器１１ に対し動的な力が加えられてもこの発明のセンサでは２次巻線あるいはトランス を使用してないので前述の米国特許の装置で生じたようなトランス巻線を通る磁 束の変化は生じない。このようにトランス巻線を通る磁束の変化がないので、動 的荷重による容器１１のわずかな変形があっても電流誤差は生しない。

図１のセンサの製造は図６．７及び８に示す段階に従って行われる。

図６は図１によるセンサを製造する最初の段階である。容器１１はネジ穴１２が 形成され、また内側に空洞３１が形成されている。

空洞はその底に近い段部３３で下部の内周径が小さくなっている。

空洞は３０にネジが切られており、内蓋２６及びエレクトロニクスへラダ２７を ねじ込んで空洞を閉じることができる。

空洞３１の底に磁石２８が配置される。磁石２８のＮ／Ｓ軸はセンサの測定軸方 向に向いており、Ｎ極が空洞３１の底に対向して（Ａる。エポキシを磁石２８の 上に注入し、切削加工して磁石２８上にエポキシカバー２９を形成する。エポキ シのカバー２９の上面は円形チャンネルの底面を構成し、チャンネルの外周面は 空洞内周壁３２で規定されている。

図７に示すように中央棒２１はエポキシカッ＼−２９の上に配置され、ポリカー ボネイトの蓋２５により位置決め保持されてし）る。ポリカーボネイト蓋は中央 に挿通穴が形成されており、そこに中央棒２１が圧入されている。空洞の狭くな っている部分と関係してし）る段部は蓋２５を保持し、蓋２５の周縁部はエポキ シで段部に接着される。内蓋２６は容器１１と同し材料で形成され、チャン７ル ２０に導電性流体を封入してから空洞３１の上部内周壁のネジ穴３０に螺合され る。中央棒２１にはピン１５が挿入されるピン穴が形成されている。

センサ内に構成された円形チャンネル２０に導電性流体が充満される。図８に示 すようにポリカーボネイトの蓋２５に細孔が開けられており、それを通して水銀 をチャンネル２０に注入する。内蓋２６を外した状態でセンサ１０を真空室に入 れ、約Ｉ　Ｔｏｒｒの真空に引く。細い管を使って外部水銀源からカーボネイト 蓋２５の細孔３５の中に水銀を供給する。チャンネル２０が満たされると、水銀 を供給する細管を細孔３５から引き離す。再びセンサを真空室に入れて真空に引 くことによりチャンネル内に残っている空気を細孔３５から排出する。残留空気 が完全に排出されると水銀表面はチャンネル２０の上側で凸面を形成する。残留 空気を除去することは直交軸方向の加速度成分を除去する上で重要である。エポ キシで細孔３５を塞ぎ、それによってチャンネル２０を封止する。

図１の装置を製造する残りの製造工程で図３に示す厚膜電気回路２９をエレクト ロニクスヘッダ２７の中央凹部に接着する。へンダ２７の外周面には容器１１の ネジ穴３０と螺合するネジが切られている。ヘッダ２７は好ましくは高透磁率材 料により形成され、外部へ浮遊磁場からセンサを遮断する。ヘッダは図２に示す ように５本の端子ピンを有している。ピン１４，１６．１８及び１９は図３に示 すように増幅器の出力端子、増幅器の共通接続端子、及び増幅器の正、負電源供 給端子に接続されている。ピン１５はへ・ンダ２７を貫通して突出し、ヘッダ２ ７が空洞３１内に螺合されると中央コンタクト２１のピン穴に挿入接触され、電 気的に接続される。

産業上の利用可能性 以上説明したようにこの発明の角速度センサはトランスを使用せず、従って巻線 を使用してないので、外部磁界により不要な電圧が誘起されない。従って精度の 高い角速度の測定が可能である。

ＦＩＧ、　４ ＦＲＥＱＬＩＥＮＣＹ　圓渡）（ ＦＩＧ、　５ 国際調査報告 ｌｍｍ、ｅｗｌ　Ａｍｔｌｋａｌｍ　Ｍｅ、ｐｃｒ／ＵＳ％１０６１ｏ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．内部に空洞を有し高い飽和磁束密度を有する金属容器と、上記空洞の軸方向 にＮ，Ｓ極が向いて上記空洞の底に配置された磁石と、 上記磁石をカバーし、上記空洞の他の部分から上記磁石を封止する絶縁部材と、 上記空洞の軸に沿って延び、一端が上記絶縁部材上に支持された導電性の中央棒 と、 上記空洞内に上記絶縁部材と間隔をおいて配され、上記絶縁部材と共に水銀が充 填されたチャンネルを形成し、中央に上記中央棒が挿入された穴を有するチャン ネルキャップと、及び上記空洞を閉じるヘッダに取り付けられ、上記金属容器と 上記中央棒にそれぞれ接続された第１及び第２入力を有し、上記空洞の中心軸を 中心とする上記金属容器の角速度に比例した電圧が与えられる増幅回路、 とを含む電子角速度センサ。
2. ２．請求項１記載の角速度センサにおいて、上記容器と一体に上記空洞の中心軸 と共通の軸を有する取付けネジ手段が設けられている。
3. ３．請求項１記載の角速度センサにおいて、上記容器はバナジウムバーメンデュ ア合金である。
4. ４．請求項１記載の角速度センサにおいて、上記増幅回路の出力電圧の周波数応 答は次式 ▲数式、化学式、表等があります▼ で与えられ、上記Ｋａ／（ＲＣＳ＋１）は上記増幅回路の周波数応答関数であり 、上記Ｂｏは上記水銀チャンネル中の上記水銀を通る磁束密度であり、上記ｒは 上記水銀チャンネルの２乗平均平方根半径であり、上記Ｗは上記水銀チャンネル の有効幅であり上記τはτ＝ν・（１＋Ｍ２）／ｈ２で表わされる変換時定数で あり、上記νは水銀の動粘性度であり、上記ｈは上記水銀チャンネルの有効高さ であり、上記Ｍはハートマン数である。
5. ５．内部に空洞を有し、高い飽和磁束密度を有する円筒状金属容器と、 上記空洞の軸方向にＮ，Ｓ極が向いて上記空洞の底に配置された永久磁石と、 上記永久磁石の上に絶縁されて配置され、上記空洞の内周面によって側面が規定 され、蓋により上面が規定され、水銀が満たされた水銀チャンネルと、 上記蓋を通り上記水銀チャンネル中に延びて測定電極を構成する中央棒と、及び 上記空洞内でヘッダに支持され、上記中央棒と上記容器にそれぞれ接続された入 力を有する増幅回路、 とを含み、上記ヘッダは上記空洞を閉じ、かつ外側に上記増幅回路のための複数 の電気接続端子を保持している電子角速度センサ。
6. ６．請求項５記載の角速度センサにおいて、上記ヘッダを貫通し、上記中央棒と 接触する中央端子ピンが設けられている。
7. ７．請求項５記載の角速度センサにおいて、上記永久磁石を上記水銀から絶縁す るエポキシカバーが設けられており、上記永久磁石はそのＮ極が上記空洞の底に 対向している。