JPH0749961B2 - 超小型戦略角速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、主として戦略用、すなわち、発射から目標ま
でミサイルを慣性誘導するための自由度が２度の超小型
流体支持角速度センサに関するものである。

ここで述べる目的用の角速度センサは小型、頑丈で、製
造費用が低くなければならない。例を示すために、自由
度が２度の戦略角速度センサは、直径が2.54cm（１イン
チ）、長さが約3.18cm（１インチ４分の１）である、２
軸角速度情報を供給するための計器を必要とする。その
計器は１秒間当たり300度までの一定の角速度に対して
設計せねばならない。センサの回転子軸受は、性能を低
下すること無しに40グラムの直線加速度を支持できなけ
ればならない。所期の目的を最も良く果たすために、セ
ンサの部品の数はできるだけ少なくなければならない。

1986年５月17日にダンカン他へ付与された米国特許第3,
251,233号はここに開示する本発明に関連するようであ
る。その特許は、球状回転子（31）と、内部にその回転
子を支持する球状の空所を有するハウジングとを備える
自由度が２度の角速度センサを開示している（図２）。
このハウジング空所の中に球状回転子を流体力学的に支
持するための手段が設けられ、その手段は回転子を回転
させるために、支持されている球状回転子と共に配置さ
れる。更に、その手段は互いに垂直な２本の出力軸を中
心とする、角速度によるその回転子の位置を検出し、対
応する出力信号を発生して「２軸出力」を供給するため
に、回転する支持されている球状回転子と共に配置され
る。その特許は閉ループジャイロスコープを明らかには
開示していないが、そのようなジャイロスコープはこの
技術において周知である。本発明は、後で明らかになる
理由から、その特許に開示されている発明とは区別され
ることがわかる。

本発明は、球状流体力学的流体軸受回転子構成装置と、
永久磁石モータ／トルク発生機部品と、光学的検出構成
装置とを有する超小型戦略角速度センサを提供すること
により上記諸要求を達成するものである。この装置は各
構成装置をサブアセンブリとして予め組み立て、試験
し、最終組み立てのために保管しておくようなものであ
る。このやり方は有利であると認識されている。

本発明は、厳しい環境に耐えることができる、自由度が
２度の、簡単で、経済的な超小型角速度センサを提供す
るものである。このセンサは検出した角速度に対応する
２軸アナログ出力を供給する。

球面状流体力学的流体軸受回転子構成装置は２つの部
品、すなわち、回転子軸受と、反射面を有する円筒形の
２極永久磁石とを含む。その磁石は光学的検出のための
反射面となるとともにトルク発生機とスピンモータの動
作のために用いられる。

１つの永久磁石回転子と、センサスピンモータ巻線およ
びトルク発生機巻線を含む鉄無し固定子とが、モータ／
トルク発生機（磁気）構成装置の主な構成部品である。

光学的検出構成装置は発光ダイオード（LED）光源と、
光ビーム分割器と、レンズと、回転子磁石の反射面と、
光学的象限検出器とを含む。

流体力学軸受と、スピンモータおよびトルク発生機と、
光学的検出器とは、構成を簡単にし、部品の数を出来る
だけ少なくして、組み立てが簡単で、コストが低く、本
発明の所期の目的を満たす３つの独立した構成装置とし
て構成される。

したがって、本発明は、球状回転子と、その中で回転子
が支持される一致する球状の空所を有するハウジングと
を備える自由度が２度の角速度センサを提供するもので
ある。一致するハウジング空所の内部に、球状回転子を
流体力学的に支持する手段が設けられ、その手段は前記
回転子を回転させるために、支持されている球状回転子
と共に配置される。その手段はまた、互いに垂直な２つ
の軸を中心とする、センサによって検出された角速度に
よる、回転するように支持されている球状回転子の位置
を検出し、したがって、対応する出力信号を供給するた
めに回転するように支持されている球状回転子と共に配
置され、前記出力信号が零であるように前記回転子を位
置させるために回転するように支持されている球状回転
子と共に配置される。検出された角速度に相応して前記
回転子位置決め手段を附勢して出力信号を零に維持する
ために、前記手段が位置検出手段および前記回転子位置
決め手段と共に配置される。球状回転子の中心を通って
球状回転子へ２極円筒形永久磁石が装着され、前記回転
子を回転させるために支持されている球状回転子と共に
配置される手段は、互いに垂直な２つの軸を中心とす
る、センサによって検出された角速度による球状回転子
の位置を検出し、したがって、対応する出力信号を発生
するために、回転するように支持されている球状回転子
とともに配置された手段は、光反射面を有する２極円筒
形永久磁石を含む。光を光反射面へ送り、それから反射
された光を検出する光学手段が設けられる。検出された
光の量は球状回転子の位置に相応し、光学手段は検出さ
れた光に応じて出力信号を発生する。

図面の簡単な説明 図１は本発明のいくつかの構成装置を全体として示す線
図的断面図である。

図２はスピンモータとトルク発生機構成装置を示す等角
線図的表現である。

図３は光学的検出構成装置を示す等角線図的表現であ
る。

図４はスピンモータおよびトルク発生機の電気的構成を
示す電気的ブロック回路図である。

図５は流体力学的流体軸受回転子を示す線図的表現であ
る。

図６は流体力学的流体軸受構成装置およびそれの流体の
流れ特性を示す線図的表現である。

発明の詳細な説明 まず図１では、本発明の超小型戦略角速度センサが部材
２、４、５の内部に支持されている。部材２、４、５は
センサ用の排気され、気密封じされた適当なケースすな
わちハウジングを構成する。

このセンサは３つの主な構成装置；流体力学的流体軸受
構成装置6;スピンモータおよびトルク発生機構成装置８
および信号発生器または検出器構成装置10を含む。

流体力学的流体軸受構成装置６は流体軸受のための流体
力学的潤滑理論に従って構成され、そのためにとくに図
５に示すように、番号13により全体的に示されている外
部らせん溝パターンを有する球状回転子12を含む。図５
によれば、溝パターン13は複数のＶ形溝を含むことがで
きる。本発明の好適な実施例においては、23個のそのよ
うな溝（１つだけ示されている）が与えられた任意の緯
度において約0.08mm（0.003インチ）以内で等しく隔て
られる。溝の幅はテーパーをつけられ、溝は与えられた
任意の緯度において約0.08mm（0.003インチ）以内の同
じ長手方向幅を有する。溝の深さは約0.004572〜0.0055
88mm（0.000180〜0.000220インチ）であり、約0.000508
mm（0.000020インチ以内で同じ深さである。

回転子12は、回転すると、加圧ガス層を発生する。その
加圧ガス層は、とくに図１と図６に示すように、回転子
をそれのハウジング内で支持する。ハウジング15は球状
の空所16を含む。したがって、述べた構造により、回転
子12がＸ検出軸と、Ｙ検出軸と、回転子スピン軸Ｚ（図
６）を中心として自由に回転し、その結果として希望の
自由度が２度の装置が得られるように、回転子12は空所
16の内部で流体クッションの上に支持される。その流体
は適当なガスとすることができる。

なお図６には、ハウジング15内の一致する球状空所16内
部で支持されている球状回転子12の流体力学的特性が示
されている。したがって、ガスが回転子のスピン軸に垂
直な穴20と、回転子の中および回転子の周囲を、矢印に
示すように流れて所要の回転子支持を行う。

スピンモータおよびトルク発生機８は永久磁石22（図
１、図２、図３、図６）と、スピンモータの巻線24とト
ルク発生機の巻線26（図１）を支持する鉄心無し固定子
23とを含む。

とくに図２を参照すると、磁石22は２極の円筒形永久磁
石であって、回転子12の中心に装着される（図１）。反
射面21を有する磁石22はトルク発生機巻線26により囲ま
れる。その巻線はさらにモータ巻線24により囲まれる。
それらのモータ巻線24は実際には４つの別々の巻線装置
である。適当な磁気シールド28がモータ巻線24を囲む。

モータ固定子巻線24の中に一対のホール素子30、32が埋
め込まれる。ホール素子30、32は、後で明らかになるよ
うに、連続２相閉ループ動作のために、磁石22の磁極の
位置に関連する出力を発生する。後で図４を参照して詳
しく説明するように、ホール素子からの処理された帰還
信号によってコンミュテータ装置が駆動され、適切な回
転子極性を与え、同期をとるために駆動信号を与える。
その信号は適当に増幅され、回転子を指令された特定の
速さまで加速して、その速さを維持するために必要な電
力を供給する。

トルク発生機巻線26は磁石22と協働して回転子12をハウ
ジング15の空所16の内部の適切な位置に保持する。これ
は、検出構成装置10からの出力信号を零にするために必
要な適切な力を加える、磁石22と巻線26を含むトルク発
生機装置によって行われる。それらの出力信号は磁石の
位置についての情報を連続して供給し、ホール素子30、
32は回転子ハウジングに対する転流角度を与える。

出力信号は、転流信号とともに、通常の帰還ループ48
（図４）によって処理されて、電流出力を前記トルク発
生機へ供給する。回転子磁石22の回転子の位置を修正す
るために正味の希望トルクが供給されるように、希望の
強さおよび希望のタイミングの軸線方向磁界を発生させ
るために、その電流出力の大きさと位相がトルク発生機
装置へ加えられる。加えられた速度情報をＸ軸とＹ軸の
おのおのについて決定するために、電流は通常のレゾル
バ回路（別に示されていない）によって分解される。

図３をとくに参照すると、センサの入力軸を中心として
センサへ加えられた速度の結果としての回転子12の相対
的な歳差運動を検出するために検出器10が用いられる。
したがって、検出器10は発光ダイオード（LED）電源34
と、光ビーム分割器36と、レンズ38と、回転子磁石22の
反射面25と、光学的象限検出器40とを含む。

光学的象限検出器40は４セル光ダイオード検出器であっ
て、光エネルギーに応答して比例電流出力を発生する。
各象限からの電流は、通常の検出電子装置（図示せず）
によって加え合わされ、差動増幅される。検出零におい
ては、磁石22の反射面25から反射された光が検出器40の
４つの象限の全てを等しく照明する。これは回転子12が
ハウジング15の空所16の中央に位置させられているとき
に起きる。

零外れ、すなわち、センサの回転子が歳差運動を行って
いる時は、反射されたビームは４つの象限を差動的に照
明する。したがって、ある象限はより多く照明され、反
対側の象限はより少なく照明される。この結果として差
動電気出力が発生される。その差動電気出力は通常の処
理電子装置（図示せず）によって、回転子の歳差運動さ
せられた角度位置に比例する直線出力信号へ変換され
る。後で説明するように、それらの出力信号は前記帰還
ループによって利用される。共通の基板上の光学的象限
40の構造は、場合に応じて、２軸速度情報を供給し、温
度による感度の影響を自己補償する傾向がある。

光源34と象限検出器40を共直線上に位置させる必要がな
いように、ビーム分割器36は反射光ビームを再び送る。
ビーム分割器36が無い時は、象限検出器40の中央穴を必
要とし、別の機構が設けられる。

ビーム分割器40は、各動作ごとに、対角線インターフェ
イスにおけるビームの50％を反射するように構成され
る。残りの50％は反射なしに透過させられる。反射され
た光ビームを正しく集束させる為にレンズが用いられ
る。

次に図４を参照する。前記のように情報を供給するホー
ル素子30の出力はコンミュテータ42へ加えられ、同様に
前記情報を供給するホール素子32の出力はコンミュテー
タ44へ加えられる。ホール素子32の出力はフェーズロッ
クドループ46へ加えられる。

フェーズロックドループ46からの出力と検出器10からの
出力は帰還ループ48へ加えられる。その帰還ループは制
御出力をコンミュテータ42、44へ加える。コンミュテー
タ42の出力は、巻線24と磁石22を含む２相センサモータ
の相Ａを駆動するドライバ装置49へ加えられる。コンミ
ュテータ44の出力は、２相センサモータの相Ｂを駆動す
るドライバ装置50へ加えられる。

このようにして、図４に示すように、センサモータの連
続２つの位相閉鎖ループの動作に対する磁極位置情報を
供給する。コンミュテータ42、44はホール素子からの処
理された帰還信号によって駆動されて、駆動信号を切り
替えて適切なモータ回転子極性を与え、および同期をと
る。駆動信号は、場合に応じて、ドライバ装置49、50に
より増幅され、求められているパワーを供給する、すな
わちモータ回転子を指令された速さまで加速し、その速
さを維持する。

したがって、本発明についての以上の説明から、主とし
て戦略的な用途のための自由度が２度の超小型流体軸受
センサが得られたことがわかるであろう。このセンサは
球状流体力学的流体軸受回転子と、永久磁石モータ／ト
ルク発生機と、光学的検出器とを含み、それにより、本
発明の所期の目的であるように、２軸速度情報が小さい
パッケージで供給される。前記球面状流体力学的流体軸
受回転子は、24,000RPMの回転速度において前記40gの加
速度を維持する支持装置を提供する。前記パッケージン
グの結果として、部品の数が非常に少なくなり、そのた
めに静的釣り合いおよび動的釣り合いの影響が減少す
る。これは望ましいことである。上記球状回転子装置
は、いまや理解されたであろうように、性能を低下する
ことなしに、厳しい衝撃レベルでも動作できるために必
要な頑丈さを有する。

以上述べた本発明の説明を念頭において、発明の範囲を
定義するために個々に添付の請求の範囲を参照する。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】自由度が２度の角速度センサにおいて、 球状回転子（12）およびこの回転子（12）を内部で支持
   する球状の空所（16）を有するハウジング（15）と、ハ
   ウジング空所（16）の内部に球状回転子（12）を流体力
   学的に支持する手段（14、20）と、前記回転子（12）を
   回転させるために、支持されている球状回転子（12）と
   共に配置される手段（22、24）と、センサによって検出
   された角速度による互いに垂直な２つの出力軸（Ｘ、
   Ｙ）を中心とする、回転するように支持されている球状
   回転子（12）の位置を検出し、対応する出力信号を供給
   するために回転するように支持されている球状回転子
   （12）と共に配置される手段（25、10、40）と、前記出
   力信号が零であるように前記回転子（12）を位置させる
   ために回転するように支持されている球状回転子（12）
   と共に配置される手段（22、26）と、検出された角速度
   に相応して前記回転子位置決め手段（22、26）を附勢し
   て出力信号を零に維持するために位置検出手段（25、1
   0、40）および回転子位置決め手段（22、26）と共に配
   置される手段（48）とを備え、前記角速度センサはさら
   に、 球状回転子（12）の中心に装着される２極円筒形永久磁
   石（22）と、光を光反射面（25）へ向けて、それから反
   射された光を検出する光学手段（34、36、38、40）とを
   備え、センサによって検出された角速度による互いに垂
   直な２つの出力軸（Ｘ、Ｙ）を中心とする、回転するよ
   うに支持されている球状回転子（12）の位置を検出し、
   対応する出力信号を供給するために回転するように支持
   されている球状回転子（12）と共に配置される手段（2
   5、10、40）は、光反射面（25）を有する球状回転子（1
   2）に装着される２極円筒形永久磁石（22）を備え、検
   出される光の量は球状回転子（12）の位置に相応し、前
   記光学手段（34、36、38、40）は検出された光に応じて
   出力信号を発生する、 自由度が２度の角速度センサ。
2. 【請求項２】請求項１記載のセンサにおいて、球状回転
   子（12）を球状空所（16）の内部に流体力学的に支持す
   る手段は、 スピン軸（Ｚ）を有する回転子（12）と、 流体を含むハウジング空所（16）と、 を備え、回転子（12）はスピン軸（Ｚ）に対してほぼ垂
   直な貫通穴（20）を有し、空所（16）の内部の流体がそ
   の穴を通って流れ、かつ回転子（12）の周囲を流れて回
   転子（12）を流体で支持し、 回転子（12）はそれの表面にらせん溝パターン（13）を
   有し、それにより回転子の回転が、空所（16）の内部で
   回転子を支持するための加圧された流体層を発生し、そ
   こで回転子が相互に垂直な２本の軸（Ｘ、Ｙ）とスピン
   軸（Ｚ）とを中心として自由に回転するセンサ。
3. 【請求項３】請求項１記載のセンサにおいて、支持され
   ている球状回転子（12）を回転させるためにその回転子
   と共に配置されている手段は、 球状回転子（12）に装置された２極円筒形永久磁石であ
   る回転子要素（22）と、この回転子要素と磁気的に協働
   関係にあるように、回転子要素を囲む複数のコイル部を
   支持する固定子（23）とを有するモータ（８） を有するセンサ。
4. 【請求項４】請求項３記載のセンサにおいて、前記回転
   子を回転させるために支持されている球状回転子（12）
   と共に配置される手段は、 球状回転子（12）へ装置された２極円筒形永久磁石（2
   2）であるトルク発生要素と、固定子要素（23）により
   支持され、複数のコイル部（24）により囲まれたトルク
   発生機巻線（26）とを有するトルク発生機（８）、 を備え、前記トルク発生機巻線（26）はトルク発生要素
   （22）と磁気的に協働する関係にあるようにトルク発生
   要素（26）を囲み、 位置検出手段と共に配置されている手段と共に配置さ
   れ、出力信号を零に維持するように、検出された角速度
   に相応して回転子（12）を位置させるために、トルク発
   生機巻線（26）は回転子位置決め手段に作用する、 を含むセンサ。
5. 【請求項５】請求項３記載のセンサにおいて、 固定子要素を囲む磁気シールド（28）を有するセンサ。
6. 【請求項６】請求項４記載のセンサにおいて、 複数のコイル部（24）のうちの少なくとも２つによって
   支持され、円筒形永久磁石（22）の２つの磁極の位置に
   対応する信号を供給する手段（30、32）と、 この位置信号供給手段へ接続され、それからの信号に応
   じてモータを駆動する手段（図４）と、 を有するセンサ。
7. 【請求項７】請求項６記載のセンサにおいて、 センサによって検出された角速度による互いに垂直な２
   つの軸を中心とする球状回転子の位置に対応する出力信
   号を供給する手段と、円筒形永久磁石の２つの極に対応
   する出力信号を供給する手段と、トルク発生機とへ接続
   される手段（48）、 を備え、その手段（48）は、前記信号の全てに応答し
   て、検出された角速度に相応してトルク発生機を附勢
   し、それにより、出力信号が零であって、零に維持され
   るように、トルク発生機は球状回転子を位置させるセン
   サ。