JPH06213919A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 十分な感度で正確な検出結果を得ることがで
きる角速度検出装置を提供する。 【構成】 検出部本体１００は、上部カバー１０、内部
スペーサ２０、下部カバー３０を積層した構造を有す
る。内部スペーサ２０には、「将棋の駒」形状の空洞か
らなる測定室２１が形成され、流入口２２から測定室２
１内に第１の流体が流入する。第１の流体は、測定室２
１内において線状流路４２を形成して流出口２３から外
部へ流出し、循環路４１を通って循環する。測定室２１
内の他の空間には、第２の流体が満たされている。第１
の流体と第２の流体は、互いに混じり合わず、比重の異
なる材料からなる。循環ポンプ４０を動作させると、第
１の流体だけが流れを生じ、一定の流速で循環する。角
速度が作用すると、線状流路４２の位置が変化し、この
変位が角速度に応じた量として光学的または磁気的に検
出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は角速度検出装置、特に、
流体を利用した角速度検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車や産業用ロボットなどの移動体に
対する姿勢制御や運動制御を行うために、角速度の検出
が必要になることがある。自動車や産業用ロボットに搭
載して角速度を検出する装置には、過酷な環境に耐える
ことができ、しかも小型軽量であることが望まれる。こ
のような角速度検出装置として、たとえば、特開昭６０
−６７８１５号公報や、特開昭６３−２８４４１２号公
報には、カンチレバーの振動を圧電素子で検出する装置
が開示されている。また、加速度を検出する装置とし
て、たとえば、実開平１−１８０６６４号公報や、特開
平２−２０５７７５号公報には、磁性流体を容器内に封
入し、この磁性流体の容器内でのふるまいに基づいて加
速度を検出する装置が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、カンチ
レバーの振動に基づいて角速度を検出する装置では、角
速度を振動という物理量を介して検出しているため、機
械的な可動部分が介在し、安定した検出結果を正確に得
ることができないという問題がある。一方、従来一般に
用いられている流体を用いる検出装置では、加速度を検
出することは可能であるが、角速度を検出することはで
きない。流体を用いる角速度検出装置として、ヘリウム
ガスの流れの向きを熱線検出器のブリッジ出力から測定
する原理のものが提案されているが、ヘリウムガスの慣
性質量が小さいため、微小な角速度を検出することがで
きず、十分な検出感度を得ることができない。また、熱
線検出器用ブリッジの平衡状態を、温度にかかわらず一
定に保つことは非常に困難である。

【０００４】そこで本発明は、十分な感度をもち正確な
検出結果を得ることができる角速度検出装置を提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

(1) 本願第１の発明に係る角速度検出装置は、一方に
第１の開口部が、他方に第２の開口部が、それぞれ形成
された容器と、この容器内に収容され、互いに混ざり合
わない性質をもち比重の異なる第１の流体および第２の
流体と、第１の流体が、第１の開口部から第２の開口部
に向けて線状流路を形成して流れるように、第１の流体
を循環させる循環手段と、第１の流体と第２の流体との
間の物理的性質の違いを利用して、線状流路の位置の変
化を検出する流路検出手段と、を設けたものである。

【０００６】(2) 本願第２の発明は、上述の第１の発
明に係る角速度検出装置において、流路検出手段に、線
状流路に向かって光ビームを照射する発光手段と、この
線状流路を透過した光ビームの強度を検出する受光手段
と、を設けたものである。

【０００７】(3) 本願第３の発明は、上述の第１の発
明に係る角速度検出装置において、流路検出手段に、線
状流路に向かって光ビームを照射する発光手段と、この
光ビームを偏光させて線状流路に照射する第１の偏光手
段と、線状流路を透過した光ビームを偏光させる第２の
偏光手段と、この第２の偏光手段によって偏光した光ビ
ームの強度を検出する受光手段と、設け、第１の流体と
して磁性流体を用いるようにしたものである。

【０００８】(4) 本願第４の発明は、上述の第１の発
明に係る角速度検出装置において、第１の流体として磁
性流体を用い、流路検出手段として磁気検出素子を用い
るようにしたものである。

【０００９】

【作 用】２つの開口部が形成された容器内に、互いに
混ざり合わない比重の異なる２種類の流体が収容され
る。しかも、第１の流体は、第１の開口部から容器内へ
と流入し、容器内を進んで第２の開口部から容器外へと
流出し、容器外をまわって再び第１の開口部から容器内
へと流入するという循環路によって常に流れた状態を保
つことになる。第２の流体は、容器内において、この第
１の流体の流れを周囲から取り囲んだ状態となる。こう
して、容器内には、第１の流体による線状流路が形成さ
れる。この容器に角速度が作用すると、両流体の比重の
違いに基づき、線状流路の位置に変化が生じる。両流体
の物理的性質の違いを利用すれば、この線状流路の位置
の変化を検出することができる。たとえば、両流体の光
透光度の違いを利用した検出を行うのであれば、流体層
の所定位置に光ビームを照射し、この流体層を透過した
光ビーム強度を検出することにより、線状流路の位置変
化（すなわち、作用した角速度）を得ることができる。
また、偏光した光ビームを用いれば、両流体の偏光特性
の違いを利用した検出が可能になるし、磁気検出素子を
用いれば、両流体の磁気特性の違いを利用した検出が可
能になる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて説
明する。図１は、本発明の一実施例に係る角速度検出装
置の検出部本体１００の分解斜視図である。この検出部
本体１００の主たる構成要素は、上部カバー１０、内部
スペーサ２０、下部カバー３０である。上部カバー１０
および下部カバー３０は、この実施例では、同一の大き
さの透明材料（たとえばガラス）からなる基板である。
なお、破線で示す円は、後述する線状流路の観測位置を
示している。内部スペーサ２０は、内部に空洞が設けら
れており、上下両カバー１０，３０に挟まれた状態で固
着され、内部の空洞は測定室２１を形成する。こうし
て、この検出部本体１００は、内部に測定室２１をもっ
た容器を構成するが、この容器には２つの開口部が設け
られる。第１の開口部は流入口２２であり、第２の開口
部は流出口２３である。後述するように、第１の流体
が、流入口２２から測定室２１内へと流入し、流出口２
３から測定室２１の外部へと流出する。測定室２１は、
このような流入出が効果的に行われるように、いわゆる
「将棋の駒」の形状をしている。

【００１１】図２は、上述した検出部本体１００に、更
に、循環ポンプ４０および循環路４１を設けた角速度検
出装置の全体構成を示す図である。循環路４１は、流出
口２３から流れ出た第１の流体を流入口２２から測定室
２１内部へと還流させるための経路であり、途中に循環
ポンプ４０が設けられている。この循環ポンプ４０とし
ては一般的な流体ポンプを用い、循環路４１としては一
般的な流体用のチューブを用いればよい。循環ポンプ４
０を動作させると、循環路４１内の第１の流体が図の矢
印方向へと押し出されて循環することになる。このと
き、測定室２１内では、第１の流体が流入口２２から流
れ込み、流出口２３へ向かって線状流路４２を形成す
る。別言すれば、線状流路４２→循環路４１→循環ポン
プ４０→循環路４１→線状流路４２、という環状の経路
に沿って第１の流体は循環することになる。

【００１２】もっとも、測定室２１内において、第１の
流体による線状流路４２を形成するためには、測定室２
１内の他の部分を別な第２の流体で満たしておく必要が
ある。この様子を図３に示す。図３は、測定室２１内の
流体の状態を示す平面図であり、同図(a) は角速度が作
用していない状態、同図(b) は時計回りの角速度が作用
した状態を示している。第１の流体Ａは、流入口２２か
ら流れ込み、線状流路４２を形成して流出口２３から流
れ出ている。一方、第２の流体Ｂは、その周囲を取り囲
むように測定室２１内に充填されている。前述したよう
に、第１の流体Ａは循環しており、絶えず所定の流速を
もった状態を保っている。ここで、第１の流体Ａと第２
の流体Ｂとは、互いに混ざり合わない性質をもち、互い
に比重の異なる材料から構成されている。したがって、
第１の流体Ａからなる線状流路４２に、第２の流体Ｂが
混じり込むことはなく、いわば水と油のような二層状態
が維持される。したがって、第１の流体Ａが循環するの
に対し、第２の流体Ｂは測定室２１内に滞留する。第１
の流体Ａからなる線状流路４２は、その表面張力により
円筒形状となる。もっとも、実際には、第２の流体Ｂが
細かな泡状になって第１の流体Ａ内に混入する可能性が
あるが、多少の混入があっても問題は生じない。ただ、
できるだけこのような混入を避けるように、各流体の量
や循環速度を設定するのが好ましい。

【００１３】さて、検出部本体１００に角速度が作用し
ていない状態では、図３(a) に示すように、線状流路４
２は、流入口２２から流出口２３へ向かう直線に沿った
ものとなる。ところが、この検出部本体１００に角速度
が作用すると、両流体Ａ，Ｂの比重の差により、直線流
路４２の位置に変化が生じる。たとえば、第１の流体Ａ
の比重が第２の流体Ｂの比重よりも大きい場合は、時計
回りの角速度が作用したとすると、第１の流体Ａは反時
計回りのコリオリ力を受け、図３(b) に示すように線状
流路４２の位置が変化する。この変位量は、作用した角
速度に応じたものとなる。したがって、第１の流体Ａを
一定の流速で定常的に流し続けた状態において、この線
状流路４２の変位量を測定すれば、作用した角速度を検
出することができる。これが本発明の基本的な技術思想
である。図３(a) ，(b) における破線の円は、線状流路
の観測位置を示す。この円内のＡ，Ｂ両流体の構成比の
変化を観測すれば、線状流路４２の変位量を得ることが
できる。観測位置における流体構成比は、両流体Ａ，Ｂ
間の物理的性質の相違を利用して測定することができ
る。以下、そのいくつかの方法を述べる。

【００１４】第１の方法は、透光度の相違を利用する方
法である。たとえば、図４に示すような実施例を考え
る。この図４は、検出部本体１００をその中央位置にお
いて、線状流路４２に垂直な断面で切った状態を示す断
面図である。この実施例では、上部カバー１０の上面に
発光素子５１が設けられ、この発光素子５１からの光が
光学系５２によって光ビームとなり、流体層の所定位置
に所定角度で照射される。この実施例では、角速度が作
用していない状態における線状流路４２の中心位置に、
流れの方向に対して垂直に照射するようにしている。一
方、下部カバー３０の下面には受光素子６１が設けら
れ、流体層を透過した光は光学系６２によって集光さ
れ、受光素子６１によって検出される。このような構成
において、図３(a) に示すように角速度が作用していな
い状態と、図３(b) に示すように角速度が作用している
状態と、では受光素子６１においてどのような検出結果
が得られるかを考えてみる。まず、図３(a) に示すよう
に角速度が作用していない状態では、図５(a) に示すよ
うに、光ビーム（破線で示す）は第１の流体Ａの内部だ
けを透過する。ところが、図３(b) に示すように角速度
が作用している状態では、図５(b) に示すように、光ビ
ームは第１の流体Ａの内部だけでなく、第２の流体Ｂの
内部をも通過するようになる。ここで、たとえば、光ビ
ームについての第１の流体Ａの透過率を１００％とし、
第２の流体Ｂの透過率を０％とすれば、受光素子６１の
受光感度Ｉと作用した角速度ωとの関係は、図６に示す
ようなものになる。すなわち、角速度ω＝０のときに
は、光ビームは透過率１００％の第１の流体Ａだけを透
過してくるので受光感度Ｉ＝１００％となるが、角速度
ωが作用し始めると、ｃｏｓ（ω）の関数で受光感度Ｉ
は減少することになる。したがって、受光素子６１の出
力に基づいて、作用した角速度ωを求めることが可能に
なる。

【００１５】ところで、上述の方法では、作用した角速
度の大きさは求まるが、向きを求めることはできない。
別言すれば、図５(a) に示す角速度０の状態から、第１
の流体Ａの断面が右に変位しても左に変位しても、その
変位の絶対量が同じであれば、受光素子６１は同じ受光
感度Ｉを出力する。そこで、作用した角速度の大きさと
ともに向きを求める場合には、図７に示すように、一対
の発光素子５１ａ，５１ｂからそれぞれ光ビームを照射
し、これらの透過光を一対の受光素子６１ａ，６１ｂに
よって受光し、減算器７０によって両受光素子６１ａ，
６１ｂの出力の差をとるような構成にすればよい。一対
の発光素子５１ａ，５１ｂおよび一対の受光素子６１
ａ，６１ｂを、それぞれ、角速度の作用していない状態
における線状流路４２の位置に対して対称の位置に配置
するようにしておけば、減算器７０の出力する信号の符
号が角速度の向きを示し、信号の絶対値がその大きさを
示すものとなる。

【００１６】第２の方法は、偏光度の相違を利用する方
法である。第１の流体Ａとして磁性流体（たとえば、Ｆ
ｅ_３Ｏ_４などの強磁性体微粒子を溶媒中に均一に分散さ
せたもの）を用い、第２の流体Ｂとして非磁性流体（た
とえば、水）を用いた場合、磁性流体中を透過した光は
偏光を受けることになる。そこで、図８に示すような測
定系を用いて、線状流路４２の変位量を測定することが
できる。すなわち、発光素子５１から光ビームＬ１を発
射し、偏光フィルタ５３を通して直線偏光ビームＬ２と
する。この直線偏光ビームＬ２を流体層に照射する。流
体層中を通過するビームＬ３は、磁性流体中を通過する
と円偏光がかかることになる。したがって、流体層から
の透過ビームは、楕円偏光ビームＬ４となる。この楕円
偏光ビームＬ４を更に偏光フィルタ６３を通して直線偏
光ビームＬ５とし、この直線偏光ビームＬ５を受光素子
６１によって受光検出するのである。たとえば、流体層
中を通過するビームＬ３が、磁性流体Ａの中を１００％
透過したときに、９０°の円偏光がかかるとしたら、偏
光フィルタ５３と偏光フィルタ６３の偏光面を９０°ず
らして設定しておけばよい。ビームＬ３が磁性流体Ａの
中を１００％透過した場合には、偏光フィルタ６３によ
るロスはなく、１００％の受光感度が得られる。ところ
が、非磁性流体Ｂの中を一部透過した場合には、円偏光
の角度が９０°より低下し、偏光フィルタ６３によるロ
スが生じ、受光感度は低下する。こうして、線状流路４
２の変位量を受光素子６１の出力として得ることができ
る。

【００１７】第３の方法は、磁気的性質の相違を利用す
る方法である。前述した第２の方法と同様に、第１の流
体Ａとして磁性流体を用い、第２の流体Ｂとして非磁性
流体を用いれば、両者は磁気的性質が異なるため、線状
流路４２の変位量を磁気的な方法によって測定すること
ができる。すなわち、図９に示すように、所定位置に磁
気検出素子８０（たとえば、磁気抵抗素子やホール素子
など）を設けておけば、第１の流体Ａの位置が変化した
ことを磁界の変動として検出することができる。

【００１８】以上、本発明を図示する実施例に基づいて
説明したが、本発明はこの実施例のみに限定されるもの
ではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。た
とえば、第１の流体Ａおよび第２の流体Ｂは、「互いに
混じり合うことがなく比重が異なる」という条件を満足
するような２種類の流体であれば、どのような流体を用
いてもかまわない。また、直線流路の変位を測定する方
法として、上述の実施例では３つの方法を掲げたが、こ
の方法だけに限定されるものではなく、要するに、２つ
の流体の物理的性質の相違を利用した方法であればどの
ような方法を用いてもかまわない。

【００１９】

【発明の効果】以上のとおり本発明に係る角速度検出装
置によれば、容器内に互いに混じり合うことがなく比重
が異なる２種類の流体を入れ、一方の流体を容器の外部
に設けた循環路を通じて循環させて容器内に線状流路を
形成し、この線状流路の位置変化に基づいて角速度を検
出するようにしたため、十分な感度で正確な検出結果を
得ることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る角速度検出装置の検出
部本体１００の分解斜視図である。

【図２】図１に示す検出部本体１００に、更に、循環ポ
ンプ４０および循環路４１を設けた角速度検出装置の全
体構成を示す図である。

【図３】図２に示す装置の測定室２１内の流体の状態を
示す平面図であり、同図(a) は角速度が作用していない
状態、同図(b) は時計回りの角速度が作用した状態を示
している。

【図４】線状流路の変位を光透過度で測定する実施例の
断面図である。

【図５】図４に示す実施例における線状流路の変位測定
原理を示す図である。

【図６】図４に示す実施例における作用した角速度ωと
受光感度Ｉとの関係を示すグラフである。

【図７】図４に示す実施例に、更に、作用した角速度の
向きを検出する機能を付加した実施例を示す図である。

【図８】線状流路の変位を偏光度の相違に基づいて測定
する実施例の断面図である。

【図９】線状流路の変位を磁気的性質の装置に基づいて
測定する実施例の断面図である。

【符号の説明】

１０…上部カバー ２０…内部スペーサ ２１…測定室 ２２…流入口 ２３…流出口 ３０…下部カバー ４０…循環ポンプ ４１…循環路 ４２…線状流路 ５１，５１ａ，５１ｂ…発光素子 ５２…光学系 ５３…偏光フィルタ ６１，６１ａ，６１ｂ…受光素子 ６２…光学系 ６３…偏光フィルタ ７０…減算器 ８０…磁気検出素子 １００…検出部本体 Ａ…第１の流体（たとえば、Ｆｅ_３Ｏ_４などの強磁性体
微粒子を溶媒中に均一に分散させたもの） Ｂ…第２の流体（たとえば、水） Ｌ１〜Ｌ５…光ビーム

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方に第１の開口部が、他方に第２の開
   口部が、それぞれ形成された容器と、 この容器内に収容され、互いに混ざり合わない性質をも
   ち比重の異なる第１の流体および第２の流体と、 前記第１の流体が、前記第１の開口部から前記第２の開
   口部に向けて線状流路を形成して流れるように、前記第
   １の流体を循環させる循環手段と、 前記第１の流体と前記第２の流体との間の物理的性質の
   違いを利用して、前記線状流路の位置の変化を検出する
   流路検出手段と、 を備えることを特徴とする角速度検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の角速度検出装置におい
   て、 流路検出手段が、線状流路に向かって光ビームを照射す
   る発光手段と、前記線状流路を透過した光ビームの強度
   を検出する受光手段と、を有することを特徴とする角速
   度検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の角速度検出装置におい
   て、 流路検出手段が、線状流路に向かって光ビームを照射す
   る発光手段と、前記光ビームを偏光させて前記線状流路
   に照射する第１の偏光手段と、前記線状流路を透過した
   光ビームを偏光させる第２の偏光手段と、前記第２の偏
   光手段によって偏光した光ビームの強度を検出する受光
   手段と、を有し、第１の流体として磁性流体を用いたこ
   とを特徴とする角速度検出装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の角速度検出装置におい
   て、 第１の流体として磁性流体を用い、流路検出手段が磁気
   検出素子を有することを特徴とする角速度検出装置。