JPS6073362A - 振動加速度計を用いた二軸式角速度および力測定装置 - 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、振動Ｊ−る加速度１１を用いて構造もしくは
系（フレーム）の角回転および並進（もしくは平行）運
動の速度を慣性的に測定するための装置に関わり、特に
、少なくとも２つの軸線に沿う並進運動および角速度を
測定するための一対の振動する加速度計を用いた装置に
関する。

関連の特許願 本発明は、循環的に運動する加速度計を用いて、運動す
る物体の並進運動および角速度を慣性的に測定するため
の装置および方法に向けられたＭｅｒｈａＶ　Ｏ）　／
７ｇ２年３月１２日付の米国特許願Ｅ３ｅｒ０％　３　
！　７　？　／　ｅ　およびＳｅｒ、　Ｎｎ３　ｓ　７
７　／　ｓならひにｉｑｔ、ｙ年２月２日付のｆ；ｅｒ
、　ＮＱ、５．２ざ２２６各明＃ｌＩｌ　省に開示され
ている技術的事項に関連する。

従来技術 上に引用した米国特許願Ｓｅｒ、１伯３Ｓ７７／す明細
書およびＴｅｃｈｎｉｏｎ工ｅｒａｅｌ工ｎｅｔｉｔｕ
ｔｅ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　により１９ざ７年５
月に発行されたＳｈｍｕｅｌ　Ｊ、Ｍｅｒｈａｖの論文
「Ａ　Ｎｏｎｇｙｒｏｓｏｏｐｉｃ工ｎｅｒｔｉａｌ　
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｕｎｉｔ　ｊには、複数の循
環的に出動される加速度計を用いて、運動する物体の固
有力ベクトルおよび角速度ベクトルを測定するための方
法および装置が開示されている。才だ、上に引用した米
国特許願ｓｅｒ、１４３３７７／！；およびＳｅｒ、Ｎ
（ｌ　ｇ　２　ｇり７６各明細書にも、−足の周波数で
振動する単一または一対の加速度計を用いて運動する物
体の並進運動を表わす固有力ベクトルならびに角速度ベ
クトルを測定するための類似の技術が開示されている。

低費用の慣性基準系のような成る種の用途においては、
構造を簡略にし、装置で用いられるセンザ要素の数を最
小限度に低減することが望ましい。上に引用した特許願
に開示されている三ｕ１慣性基準系においては、３つの
別々の軸線で振動もしくは運動する３つまたは６つの加
速度計を使用することが必要おされている。米国／Ｉｆ
許願Ｓｅｒ、　Ｎ［ｌ　、？　！　７り／Ｓおよびｓｅ
ｒ、　Ｎｎ　Ｓ　、２　ｇ　７り６各明細■゛に開示さ
れている機械的システムにおいては、３つの別々の直交
する軸線に沿って１つ昧たはａつの加速度計を駆動する
ための機構を設けることが必要であり、そのためには非
常に複雑で高価な機械的駆動装置が必要とされる。

漁嬰ｐ目的および構成 したがって、本発明の目的は、互いに９００で整列され
た力感知軸線を有し、該力感知軸線に対し垂直な軸線に
沿って振動する２つの加速度計を有する二軸角速度測定
装置を提供することにある。振動軸線が互い直交するよ
うにしてこのような２組の振動が速度側を組合せること
により三軸角速庭および力センサかイ０られる。

本発明の他の目的は、振動軸線に沿って振動する第１お
よび第一の加速度計を備え、該第１の加速度計は振動軸
線に対して垂直な力感知軸線で振動するように整列され
、第一の加速度目は上記振動軸線および第１の加速度計
の力感知軸線双方に対して垂直な力感知軸線で振動する
ように整列された角速度測定装置を提供することにある
。この装置はまた、第１の加速度計の出力信号から第一
の加速度計の力感知軸線を中心とする第１の加速度肝の
角回転を表オ）Ｔ第１の変化率信号を発生し、また第２
の加速度計の出力信号力）ら、第１の加速度計の力感知
ａ線に対して平行な軸線を中心とする第２の加速度計の
回転を表わＶ−第２の便化率信号を発生ずる処理装止り
もしくはプロセッサを備えている。

本発明のさらに他の目的は、第１１第２およびｇｉ）　
Ｊの直交万一る軸線を有Ｔる系（フレーム）もしくは構
造の並進および角回転を測定するための装置であって、
それぞれ力感知軸線を有する第１および第一の加速度計
と、上記第λの軸線に沿って第１および第一の加速度計
を振動するだめの第１の振動機構と、第１および第一の
加速度削を第１の振動機構に対し上記第１の加速度計の
力感知軸線が上記第１の軸線と整列し且つ上記第一の加
速度計の力感知軸線が上記第３の軸線と整列下るように
して固定するための第１の整列機構と、それぞれの力感
知軸線を有する第３および第ｑの加速度ｎ１と、該第３
および第９の加速度計を上記第３の軸線に沿って振動す
るための第２の振動機構と、上記第３および第ダの加速
度計を、第３の加速度計の力感知軸線が第ｔの軸線と整
列し且つ第りの力感知軸線が上記第２の軸線と整列する
ように固定するための第一の整列機構と、上記加速度計
からの出力信号に応答して上記第１１第２および第３の
軸線を中心とする系の角回転を表わす変化率信号を発生
し且つ第１、第２および第３の軸線の各々に沿う系の並
進を表わす信号を発生するプロセッサとを備えている装
置を提供することにある。

本発明の目的、特徴および利点は添付図面を参照しての
￥施例に関する以下の説明から一層明瞭になろう。

実施例 第１図目■ｊ簡略な形態で、本発明の一実施例が示しで
ある。この実施例においては、三軸角速度および力測定
装置を構成するのに一つの軸線に沿って振動】−るすつ
の加速度計を使用することができる。例えば、Ｘ軸線上
では２つの加速度計ｉｏおよび１２が振動せしめられる
ｏｍｌの加速度計１０の力感知軸１ｍ　Ａｍは、振動軸
Ｉ！ｉ！ｉＩＸに対して垂直である２軸線と整列してい
る。

第コの加速度計１２の力感知軸線Ａｙは、加速度計１０
の力感知軸線Ａ、および振動軸線Ｘ双方に対して垂直で
あるＹ軸線に整列している。

加速度計／θの出力信号ａ２には、ａ線Ｘ、Ｙおよび２
で表わされる基準フレームの２軸に沿う並進もしくは平
行移動を表わす成分ならびにまたΩアで示すＹ軸を中心
としての該フレームもしくは系の回転を表わ丁成分が含
まれる。同様にして、ａｙで表わした加速度計／２の出
力には、第１図の基準フレームのＹ軸に沿うフレームの
平行移動を表わす成分ならびにΩ２で示したＸ軸を中心
とする加速度計ｌコの回転を表わすコリオリの力に起因
する成分が含まれる。

第１図ならびに上の説明から明らかなように、１つの共
通の軸線に沿って振動する２つの加速度Ｔ３１［］いて
、これら加速度計を含む系もしくはフレームの並進もし
くは平行移動を表わＴ２つの角速度４Ｈ号および２つの
力信号を発生することが可能である。

第１図にはさらに、２つの追加の加速度計ｌすおよび１
６を付加することにより、三軸慣性感知装置を実現でき
ることが示されている。

第１図に示すように、加速度計／Ｇ’および１６はＹ軸
に沿って振動され、それらの力感知軸ＡｚおよびＡｘは
振動軸線Ｙζこ対して垂直で且つ互いにｑｏ０回転して
いる。加速度計／Ｖは別のａｚ倍信号発生する。この信
号には、加速度計１２の場合と同様に、加速度計を含む
フレームの２軸線に沿う並進ならびにＸ軸を中心とする
回転Ω工を表わす成分が含まれている。他方、加速度計
７６は、加速度計を含むフレームの２軸に沿う平行移動
およびＸ軸を中心とする回転Ω２を表わす成分を含む信
号ａｘを出力することにより三相慣性基準信号を完成す
る。

第７図に示すように、加速度計の振動対を実現するため
の組立体もしくはアッセンブリが第２図に示されている
。第２図の音叉を用いて第１図に示した角加速度計対を
振動させることができる。振動加速度計組立体もしくは
アッセンブリは、外側の円筒状のハウジング／ｇを備え
ており、このハウジングの内部に一対の脚部コθａ　お
よびコθｂを有する音叉、２ｏが取付けらオ９ている。

脚部−ｏａおよびコｏｂは第１図の２軸に対して平行に
延在しており、したがって振動刺ｒＭＡＸに対しては励
直に延在している。

音叉、２０は、音叉の介在もしくは中間□ウェブ、２０
Ｃに固定された取付は柱状部旧２コによりハウジング１
ｇ内に取付けられている。一対の加速ｐ、ト計を振動す
るためのこのような一般的措造もしくは配列は、先に述
べた米国特許類Ｓｅｌ〜。

ＩＶＩｏ、３！；７７／！；およびＢｅｒ、ｌａＡ；　
２　ｇ　７　？　乙ニ記述すしている。

ハウジング／ｇは、さらに、柱状部材２コと整列してい
るが該柱状部側２２ならびに才だ音叉２０のウエブコθ
Ｃから離間している別の柱状部材２Ｖを備えている。こ
の柱状部材２ダは、−ｆｌｔｌ＋に駆動コイル２ｇと協
働する永久磁石コロを取伺（づそしで他側のピックオフ
コイル、？、２／”−る。これら一つの永久磁石、２６
および３Ｑは円筒状の形態をしておって、円筒状の空隙
もしくはエアギャップを備え、該ギャップ内にはそれぞ
れの駆動コイル２ｇおよび３２が露出されており、そし
て該駆動コイルの各々はそれぞれ一対の円筒状のボビン
Ｊ４’および３６に担持されてＸす、一方、該ボビン３
ｅおよび３６はλつの脚部２０ｂおよび２０Ｂ、の内面
に固定されている。

取付は部３ｇにより音叉２０の脚部２０ｂの外面には、
第１図に示した加速度計ｔＯがその感知軸線Ａｚを図示
のように配位して固定されている。同様にして、他の加
速度計１２は、その力感知軸線Ａｙを図示のように配位
して、言い換えるならば音叉運動の方向および加速度計
１０の力感知軸ａ　Ａｚに対し垂直に、音叉２０の脚部
２０＆の外面に固定されている。

第２図に一示した構成から明らかなように、音叉２０は
、その固有周波数で振動すると、加速度目１０および１
２を同期関係で反対の方向に運動せしめる。その結果、
正味の力がハウジング／１に及はされたりあるいは該ハ
ウジング１ｇ内に収容されている振動加速度計組立体が
取イ１けられている支持構造（図示せず）に及ぼされる
ことはない。第１図にＸ、Ｙおよび２軸線で記号的に表
オ）されている加速度計支持構造は、吊下式慣性基準系
における運動する物体自“体または安定ジンバル架台系
における架台の内側のジンバル自体である。

柩１図および第２図の加速度計ｔｏ′ｊ３よび７．２の
ような一対の振動する加速度計に対し速度信号から力信
号を分離するための処理回路の一例が第３図にブロック
ダイヤグラム形態で図解されている。第３図の回路によ
って実施される信号分離の原理は、先に引用した米国特
許願Ｓｅｒ、トＪｌ１３！７７／ｅ、Ｂθｒ、＋ｂｓ、
２ｇｔり６ならびにＴｅｃｈｎｉｏｎ工ａｒａｅｌ工ｎ
５ｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙにより７
９１／年５月に発行された８ｂｍｕｅｌ　Ｊ、Ｍｅｒｈ
ａｖの論文「Ａ　ＮＯｎｇ７ｒｏｓｃＯｐｉＯＩｎｏｒ
ｔ、ｉａｌ　Ｍｅａ８ｕｒｅｍｅｎｔ２＋：Ｕ’ｎ１ｔ
Ｊに詳細に論述されている。第３図に示すように、制御
パルス発生器は、加速度計１０およびｌコが振動する角
周波数の関数である一連のパルスを線路ＧｆＪ上に発生
する。線路Ｖ２上のパルス信号は次いで駆動信号発生器
ｐｕに印加される。この駆動信号発生器の出力は、第２
図の音叉２０のような駆動機構をして加速度計１０およ
びｌａを所定の周波数で小さい角度に亘り振動させるの
に用いることができる。

次いで、加速度１１１（７からの出力信号ａｚが線路ｑ
ｂを介してカチャンネルグざおよび角速度チャンネル５
０に印加される。角速度チャンネル回路ＳＯは、ａｚ信
号に零平均周期関数信号５ａｎＣωｔを加えてその結果
を周波数ωのｌサイクルを表イつす期間Ｔに亘って積分
することにより速度＠夛Ωアを導出する。制御パルス発
生器ｑｏは、角速度チャンネル５０ならびにカチャンネ
ルｐｉに対する入力線路である線路！２に、期間Ｔの関
数としてのパルス信号を発生するＯカチャンネルｔＩｇ
は期間Ｔに亘りａｚ４Ｍ号を積分１−ることにより出力
線路Ｓ６上に信号Ｆｚを発生する。この信号Ｆｚは、加
速度計１０および／Ｊを含むフレームもしくは系の第１
図に示したＺ軸に沿う並進もしくは平行移動を表イっ丁
。

第３図に示した回路には、才た、カチャンネル５ｇｔ６
よび角速度チャンネル６θが設けられており、これらチ
ャンネルは線路６コを介して伝送される加速度計／Ｊの
ａｙ出力信号を同様な仕方で処理して出力線路Ａ’ｌに
力信号Ｆｙを、そして出力線路６６上に速度信号Ω２を
発生する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、２組の振動加速度計を用いた三軸速匹および
カセンザの概念を図解７−る略図、第２図は、一つの加
速度計を振動するための機構の単一の振動軸線に沿う断
面図、そして第３図は、加速度計信号を角速度信号およ
び力信号に変換″９−るための処理回路を示すブロック
タイヤグラムである。 １０、／２．／＆、／６　・・加速度計、／１・・ハウ
ジング、２０−−音叉、２２．２’ｌ・・柱状部材、２
ｂ、３００・永久磁石、ａｇ、３２　・”駆動コイル、
３１１．３６・・ボビン、Ｆ＆・・駆動信号発生器、ｒ
ｉｇ、ｓｇ・・カチャンネル、ＳＯ。 ６０・・角速度チャンネル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／）第７の力感知軸線を有する第１の加速度計と、第２
   の力感知軸線を有する第２の加速度計と、前記第１およ
   び第２の加速置引を振動軸線に沿って振動するための振
   動手段と、前記第１の加速度計を前記振動手段に対して
   、前記第１の力感知軸線が前記振動軸線に対して垂直に
   なるように固定すると共に、前記第２の加速度言１を前
   記振動手段に対し、前記第一の力感知軸線が前記振動軸
   線ならひに前記第１の力感知軸線に対して垂直になるよ
   うに固定するための整列手段と、前記第１および距コの
   加速度計に動作上接続されて、前記第１の加速度計の出
   力信号から、前記第一の加速度計の力感知軸線に対し平
   行な第１の軸線を中心とする前記第１の加速度計の角回
   転を表わす第１の変化率信号を発生し、前記第一の加速
   度計の出力信号から前記第１の加速度計の力感知軸線に
   対し平行な第一の軸線を中心とする前記第λの加速度計
   の回転を表わす第一の変化率信号を発生するための処理
   手段とを含む角速度測定装置。 ２）処理手段が、付加的に、第１の加速度計の出力信号
   から、第１の力感知軸線に沿う第１および第一の加速度
   計の速度の変化を表わす第１の力信号を発生し、そして
   前記第２の加速度計の出力信号から、第２の力感知軸線
   に沿う前記第１および第２の加速度計の速度の変化を表
   わす第２の力信号を発生するための手段を備えている特
   許請求の範囲第１項記載の角速度測定装置。 ３）振動手段が、振動軸線上で一定の周波数で反対の方
   向に第１および第２の加速度計を振動する特許請求の範
   囲第２項記載の角速度測定装置。 ｔ／）第１１第２および第３の直交する軸線を有する系
   の並進および角回転を測定するための装置において、第
   １の力感知軸線を有する第１の加速度計と、第２の力感
   知軸線を有する第一の加速度計と、前記第一の軸線に沿
   い前記第１および第一の加速度割を振動するための第１
   の振動手段と、前記第１および第一の加速度計を前記第
   １の振動手段に対して、前記第１の力感知軸線が前記第
   １の軸線と整列し且つ前記第一の力感知軸線が前記第３
   の軸線と整列するように固足するための第１の整列手段
   と、第３の力感知軸線を有する第３の加速度計と、第Ｖ
   の力感知軸線を有する第Ｖの加速度計と、前記第３およ
   び第Ｖの加速度計を前記第３の軸線に沿って振動するた
   めの第２の振動手段と、前記第３および第Ｖの加速度計
   を前記第一の振動手段に対し、前記第３の力感知軸線が
   前記第１の軸線と整列し且つ前記第Ｖの力感知軸線が前
   記第２の軸線と整列するように固足するための第２の整
   列手段と、前記第７１第コ、第３および第Ｖの加速度計
   に動作上接続さねで、前記第１、第２および第３の軸線
   の各々を中心とする系の角回転を表わす変化率信号を発
   生し、且つ前記第１１第２および第３の軸線の各々に沿
   う前記系の並進を表わす力信号を発生するための処理手
   段とを有する系の並進および角回転を測定するための装
   置。 Ｓ）処理手段が、第１の加速度計の出力信号を第３の軸
   線を中心とする系の角速度を表わす第１の変化率信号に
   変換するための手段と、第２の加速度計の出力信号を第
   １の軸線を中心とする系の角回転を表わす第２の変化率
   信号に変換するための手段と、第３の加速度計の出力信
   号を第一の軸線を中心とする系の角回転を表わ１第３の
   変化率信号に変換するための手段とを備えている特許請
   求の範囲第Ｖ項記載の系の並進および角回転を測定する
   ための装置。 ６）処理手袢が付加的に、第りの加速度計の出力を、第
   １の軸線を中心とする系の角回転速度を表イつず第Ｖの
   変化率信号に変換するための手段を備えている特許請求
   の範囲ａＳ項記載の系の並進および角回転を測距するた
   めの装置。 ７）処理手段がさらに、第７の加速度計の出力信号に応
   答して第１の軸線に沿う系の並進を表イつＴ第１の力信
   号を発生するための手段と、第一の加速度計の出力信号
   に応答して第３の軸線に沿う系の並進を表わす第一の力
   信号を発生するための手段と、第３の加速度計の出力信
   号に応答して第１の軸線に沿う系の並進を表わす第３の
   力信号を発生ずるための手段と、第Ｖの加速度利の出力
   信号に応答して第２の軸線に沿う系の並進を表わす第Ｖ
   の力信号を発生するための手段とを備えている特許請求
   の範囲第Ｓ項記載の系の並進および角回転を測定するだ
   めの装置。