JPH01503335A - 単一の揺動軸を有する多軸角速度検出器 - 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】 草−の揺動軸を有する多軸角速度検出器先匪立且Ｉ この発明は、物体の加速度及び回転角速度を検出するための装置と方法に注がれ ているもので、前記装置は３つの直交軸に関する物体の線形加速度及び回転角速 度を測定するのに用いる複数の加速度計を含んでいる。

１吋座遣ｊ 軸の回りの物体の回転速度は、加速度計の感応軸と回転が測定できる速度軸に対 する垂直線の両方の運動方向とを持っている、運動フレームに加速度計を支持す ることによって測定できる０例えば、物体にあるＸ、Ｙ及びＺのような、−組の 直交軸を考えてみるとよい、Ｚ軸に整列された感応軸を有する物体のＹ軸に沿っ た加速度計の周期運動は、物体がＸ軸の回りに回転すると、加速度計にＺ軸に真 っすぐに沿ったコリオリ加速度を検出させる。加速度計に働く加速度又は力は、 Ｚ軸に沿った物体の速度とＸ軸の回りのその回転角速度の変化に比例する。

つまり、加速度計からの出力信号は、直流又はＺ軸に沿った物体の線形加速度を 表すゆっくり変化している成分を含み、また、Ｘ軸の回りの物体の回転に起因す るコリオリ加速度を表す周期成分を含んでいる。

同様な方法で、２個の加速度計がＸ軸及びＹ軸に整列した感応軸で支持し、Ｘ軸 及びＹ軸に沿った線形加速度とＹ軸及びＺ軸の回りの角速度の数量を生じるよう に、各々、Ｚ軸及びＸ軸に沿った周期運動で駆動した。３つの直交軸に沿った角 速度と線形加速度を得るための加速度計からの出力信号の処理は、譲渡した米国 特許第４゜４４５．３７６号及び第４，５９０，８０１号に一般に述べられてい る。

米国特許第４．５１０．８０２号では、２個の加速度計が並列又は逆並列の感応 軸を有する平行四辺形ｔｉ遺に支持されている、回転速度検出器の好ましい実施 例が開示されている。前記２個の加速度計は、感応軸に対して実質上垂直方向の 前後に振動させられている。前記平行四辺殻構造の一辺に支持された電磁ダルソ ンバール（Ｄ’Ａ　ｒｓｏｎｖａｌ　）巻線は、平行四辺殻構造に取り付けられ た磁極片を引き付けるように、周期的に変化する電流で（ツ勢される。前記巻線 の変化する磁気吸引力は、加速度計を前後に揺動するように、前記構造を振動さ せる。一対の加速度計に接続された信号処理回路は、速度信号と線形加速度信号 の両方を生成するように、出力信号を結合する。

関連加速度計対の感応軸が直交軸に沿って整列される、３つの揺動平行四辺形フ レーム構造は、物体により経験された線形加速度と回転角速度を規定するのに十 分使用できる。上述した設計の３別体の速度検出器からなる比較的小さい３軸速 度検出器を製作することは可能であるけれとも、３つの平行四辺殻構造の全容積 が所定の応用に利用できる査閲の限度を越えるかもしれない、加えて、そのよう な装置の価格は、特別な用途に禁止できる。

複数の加速度計を支持している平行四辺形フレーム構造のうちの１つを選択する ことが米国特許第４，４４５゜３７６号及び第４．５２２．０６２号に述べられ ている。

これらの米国特許のうち最初の特許は、各々が３つの直交軸の１つの回りに回転 する円板に支持された、３個の加速度計を開示する。この方法で必要とするスリ ップリングの価格と、スリップリング接触の断続により発生される電気的ノイズ は、この設計の実用的な応用を制限している。他方の米国特許において、一対の 加速度計が中心軸の回りに揺動する円板に支持されている。一実施例では、２個 の加速度計の感応軸が中心揺動軸で並列に整列される。また他の実施例では、２ 個の加速度計が、揺動軸に対して垂直に放射状に整列された感応軸を有する、背 中合わせの円板に支持されている。加速度計が前後に回転すると、それらの感応 軸の指示方向は連続的に変化するので、一対の加速度計により生成された信号は 好ましくない交差軸振動悪友を有する。つまり、感応軸に整列されていない方向 の振動が誤差成分として加速度計の出力信号へ結合する。加えて、回転円板が支 持されている基２の角加速度は、速度検出器の性能を落とす、揺動円板の固有共 鳴モードを誘引する傾向がある。別々の揺動駆動が、関係のある各直交軸につい ての速度を測定するために、必要とされているので、これらの２つの米国特許で 開示された回転加速度計の技術はどちらも、３軸速度検出器の価格及び大きさを 実質上減少しない。

従って、この発明の目的は、小型で、軽量でかつ比較的低価格の３軸速度検出器 を提供することである。別の目的は、正確でかつ交差軸振動及び固有共鳴モード 励起に比較的鈍感な速度検出器を提供することである。従来技術の速度検出器と 比べると、この発明のこれら及び他の目的と利点とが、添付した図面と下記の好 ましい実施例の説明とから明らかになるであろう。

九皿勿厘力 この発明によれば、複数の軸の各々に関しての回転角速度を検出するための装置 及び方法が開示されている。

前記装置は、第１のフレーム部材及び第２のフレーム部材にピボット状に連結さ れた支持基盤を含んでいる。前記フレーム部材は共通軸に関して回転するのが自 由である。各加速度計が加速度感応軸を有する、複数対の加速度計は前記第１及 び第２のフレーム部材に支持されている。加速度計の多対は、回転角速度が検出 される複数の主軸の１つに関連される。一対を構成する２個の加速度計の加速度 感応軸が大体並列に整列するように、前記複数対の加速度計が第１及び第２のフ レーム部材に支持される。

駆動手段は、支持基盤へ反力を伝達しないで前記共通軸に関して反対方向に第１ 及び第２のフレーム部材を逆回転さえるように動作する。共通軸に関する加速度 計の多対の逆回転運動は、一対の加速度計が関連している主軸に関する回転角速 度に比例したコリオリ加速度を加速度計に経験させる。また、一対の各加速度計 は、コリオリ加速度の関数である出力信号を生成する。前記加速度計に接！５！ された信号処理手段は、主軸の各々の回りの回転角速度を測定するように動作し 、３つの直交主軸の各々に沿った線形加速度を測定するようにさらに動作する。

好ましい実施例では、前記駆動手段は第１及び第２の電磁巻線と第１及び第２の 磁極片とを含む、前記電磁巻線とそれらに関連した磁極片は、第１のフレーム部 材及び第２のフレーム部材のうちの１つに連結されており、電磁巻線は一方のフ レーム部材に取り付けられ、磁極片は他方のフレーム部材に取り付けられている 。前記フレーム部材がお互いに逆回転で前後に揺動するように、周期的に変化す る電流は第１及び第２の電磁巻線を逐次付勢する。

前記装置は、第２のフレーム部材に対する第１のフレーム部材の角変位を検出し 、その角変位を表す信号を生成する手段をさらに含む、前記角変位を表す信号を 受信するように接続された駆動制御手段は、その信号の関数として、第１及び第 ２の電磁巻線を付勢するのに用いる前記周期的に変化する電流の振幅と位相を制 御するように動作する。

前記支持基盤は、基板と、共通軸の周りの離間した位置で、この基板を前記第１ 及び第２のフレーム部材に連結する複数の可撓性部材とを含む。前記可撓性部材 は、共通軸に整列された表面を有しかつ両端が連結されている第１及び第２のフ レーム部材の間に延びている、細長い平らな帯板からなる。前記可撓性帯板の中 間位置は、前記基板に連結される。前記基板は、共通軸に対して半径方向の外方 へ広がっている複数のタブを含む、これらのタブは、主軸の回転を受ける物体に 連結するように適合させられる。

一実施例では、一対の加速度計の両方が同じフレーム部材に支持されている。他 の実施例では、多対の加速度計の一方が第１のフレーム部材に支持され、他方が 第２のフレーム部材に支持されている。一実施例は８個の加速度計な含み、他の 実施例は６個の加速度計を含む。

他の実施例では、主軸が加速度計の加速度感応軸が存在する直交面を規定する。

それにもかかわらず、他の実施例では、主軸は加速度感応軸により規定される。

図面の簡単な説明 第１図は、３つの直交軸に関して角速度と線形加速度を測定するために、６個の 加速度計が共通軸の回りに揺動される、この発明の第１実施例の等角投影図（外 部的な取付部材のための支持ブラケットが明確のために省略されている）、 第２図は、第１図に示した第１実施例の側面図、第３区は、この発明の第１案施 例の分解対立図、第４図は、この発明による速度検出器を駆動するのに用いる電 磁巻線と磁極片を示す側面図、第５区は、速度検出器の底部を示す、第１実施例 の底面図、 第６図は、第１実施例で測定される角速度についての感応軸と直交軸との間の間 係を示す等角投影ベクトル図、第７図は、第６０に示したベクトル間係の平面図 、第８図は、８個の加速度計が３つの直交軸に沿った角速度と線形加速度を測定 するのに用いられており、他の部分が隠れるだろうが、一対の加速度計を示すた めに前景部分が分断されている、速度検出器の第２実施例の側面構成図、 第９図は、第２実施例を構成図的に表す平面図、第１０図は、第２実施例を構成 図的に示す等角投影図、第１１図は、第２実施例における加速度計の配置の重要 な次元要件を示す図、 第１２図は、第１実施例における加速度計の配置の重要な次元要件を示す図、 第１３図は、速度検出器と信号処理装置のブロック図である。

ましい　伊の二日 参照番号（１０）により一般に表された、速度検出器の第１の好ましい実施例は 、第１図〜第５図に詳細に示されている。速度検出器は極めて小さい（好ましい 実施例の直径は２インチより小さい）ので、第３図の分解組立図は速度検出器の 部材を示すのにおそらく最も有用であり、一方、他の図面はこれらの部材がどの ように組立てられているかを良く理解するために参照できる。第３図に示すよう に、速度検出器（１０）は、“Ｔ”の形状に大体形成されている、基板（１２） を含む、“Ｔ”の頂部は２つの対称的な外部拡張タブ（１４）からなり、一方、 垂直部は第３の外部拡張タブ（１６）を含む、基板（１２）は、タブ（１４）及 び（１６）が速度検出器の残部の周囲を越えて拡張して、タブの外の先端に形成 された３、−）の支持穴（１８）を露出するような大きさである。つまり、支持 穴（１８）は、３つの直交軸に関して、物体が受ける線形加速度と回転角速度の 測定を可能にするように、適当な締め付は金具の使用により移動物体への取付の ための基板（１２）を適合させる。

速度検出器（１０）は、上側フレーム部材（２０）及び下側フレーム部材（２２ ）をさらに含み、各フレーム部材は大体半球状の外表面を有し、しかし各フレー ム部材（２０）及び（２２）の側面は各々の周囲の３つの離間位置にくぼみのあ る平らな領域を形成するために引き立たされている。上側フレーム部材（２０） の外表面は、加速度計（２６ｍ）　、（２８ａ）及び（３０ｍ）を適合させる大 きさである、３つの開口部（２４）を含む、開口部（２４）は上側フレーム部材 （２０）に形成されており、かつ上側フレーム部材の中心を通って伸びている、 軸（４０）に対して鋭角に外部へ向けられている。開口部（２４）の各中心線と 軸（４０）との間に形成された角度は好ましくは３５．２６°に等しく、この角 度の重要性は以下の説明で論議される。

下側フレーム部材（２２）も、加速度計（２６ｂ）　、（２８ｂ）及び（３０ｂ ）　（第５図参照）を適合させる同じような大きさの３つの開口部（２５）を含 み、これらの開口部（２５）は下側フレーム部材（２２）を通って伸びている軸 に対して内側へ角度をなされている。開口部（２５）の中心線は、開口部（２４ ）の中心線により同様に規定されるのに等しく軸（４０）と共に鋭角な規定する 。

加速度計（２６ａ　）は、開口部の中心線に沿って整列された感応軸を持つ開口 部（２４）の１つに、かつ開口部（２５）の１つに支持されている加速度計（２ ６ｂ　）の感応軸に対して逆並列に支持されている。同様に、加速度計（２８ｍ 　）及び（３０ａ　）は、加速度計（２８ｂ　）及び（３０ｂ）の感応軸に対し て逆並列に整列する感応軸を各々有する。

こうして、６個の加速度計（２６）、（２８）及び（３０）は、一対の加速度計 の一方が上側フレーム部材（２０）に支持され、他方が下側フレーム部材（２２ ）に支持されている加速度計の対からなる。一対の加速度計が逆並列整列に感応 軸に支持されていることが望ましいけれども、一対の加速度計の１つの出力信号 を単純に反転することにより、この発明は並列整列に感応軸に支持された一対の 加速度計に等しく適応できる。請求の範囲で使用している用語“並列”は、一対 の各加速度計が整列され、−ｉに他と同一方向に向いている正の感応軸を有する 配置と、上述したように感応軸が整列され、かつ一般に反対方向に向いている配 置との両方、つまり、より明確に規定された並列配置と逆並列配置との両方を取 り込むことを８味している。

上側フレーム部材（２０）は、比較的１い板状の金属帯板で細長く形成された６ 個の可撓性リンク（３２）によって、基板（１２）と下側フレーム部材（２２） とに連結される。可撓性リンク（３２）は、上側フレーム部材（２０）及び下側 フレーム部材（２２）間に延び、ねじ（３４）又は他の適当な締め付は金具を使 用してそれらと基板（１２）とに連結される。（第３図では、たった１個の典型 的なねじ（３４）が簡単のため示されている。）可視性リンク（３２）の中心部 分が取付できる平らな台板を提供するように、軸（４０）に対して放射状に並ん で、複数の平らな表面（３６）が基板（１２）のタブ（１４）及び（１６）の側 面に形成されている。同様に、複数の放射状に整列された平らな表面（３８）が 、可撓性リンク（３２）の上端及び下端の取付のために上側フレーム部材（２０ ）及び下側フレーム部材（２２）に形成されている。可撓性リンクが障害のない 制限された範囲へ交差軸を曲げれるように、表面（３８）は隙間を提供するよう にフレーム部材の隣接部分に対して持ち上げられている。それらが放射状に整列 されているので、固定された基板（１２）に対して、上側及び下側フレーム部材 に軸（４０）に対して僅かに回転させるように、可撓性リンク（３２）は交差軸 を曲げれる。しかしながら、それらは軸（４０）に沿って又は並列に向けられた 圧縮荷重の下で比較的堅く又は固定されている。

軸（４０）に対するそれらの放射状の整列は、１！ｉ！（４０）の回転を除いて 基板（１２）に対するほとんどどんな他の運動状態にでも耐える。可撓性リンク （３２）が必要とする回転自由度を提供するという事実は、上側及び下側フレー ム部材間の他の相対運動に依然として十分耐えられ、基板は従来の速度検出器に 比べて本質的な利点を提供する。可視性リンクの対称性、軸上の堅さ及び放射状 整列は、基板（１２）が受ける交差軸の加速度が、誤差成分として一対の加速度 計からの出力信号に結合するのを、妨げるのに役立つ。

電磁巻線（４２）は、基板（１２）並びに上側及び下側フレーム部材（２０）、 （２２）の２ケ所の凹所部分に支持されている、電磁巻線は、下側フレーム部材 （２２）に対して上側フレーム部材（２０）を逆回転させる駆動力を提供する。

！磁巻線（４２）の配置は、第４図と部分的には第１図に示されている。電磁巻 線（４２）内の“Ｃ形状”の磁心（番号により単独に参照できない）は、両端に おいて棒状の磁極片（５０）に向かい合って配置されている磁極面（４８）を含 む、電磁巻線（４２）は、ボルト（４６）又は他の適当な締め付は金具を使用し て、ブラケット（４４）により下側フレーム部材（２２）へ取付ちれる。プレー ト（４５）は、下側フレーム部材へ堅く支持しているブラゲッ）（４４）の適所 に電磁巻線（４２）を固定する。別のブラケット（５２）は、ボルト（５４）又 は他の適当な締め付は金具を使用して、上側フレーム部材（２０）へ磁極片（５ ０）を支持するのに用いられている。第３図で示すように、電磁巻線（４２）は 磁極面（４８〉が軸（４０）に対して反対方向に向いているように配置されてい る。従って、一方の電磁巻線（４２）は正弦波状に変化する駆動信号の第１の半 周期の期間、また他方の電磁巻！（４２）は第２の半周期の期間に付勢され、そ れゆえに、上側及び下側フレーム部材（２０）、（２２）は基板（１２）に対し て回転させられ、かつ比較的に小さい増分角で互いに逆回転させられる。つまり 、軸（４０）は、加速度計の一対（２６）、（２８）及び（３０）が回転揺動運 動で前後に逆回転させられる、揺動（ｄｉｔｈｅｒ）軸である。揺動運動は、速 度検出器（１０）が取付られている物体が角回転を受けるように、加速度計にコ リオリの力を経験させる。加えて、加速度計（２６）、（２８）及び（３０）は 、角速度のようなコリオリ加速度と線形加速度の両方の成分を含む信号を生成す るために、感応軸に整列した線形加速度に感応する。

もし、可視性リンク（３２）だけが上側及び下側フレーム部材（２０）　、＜２ ２）を基板（１２）へ連結しているならば、振動又は他の外部の力が下側フレー ム部材へ伝達されないために、上側フレーム部材（２０）が下側フレーム部材（ ２２）に一致しないで基板（１２）に対して回転することが可能である。この理 由のために、上側フレーム部材（２０）と下側フレーム部材（２２）との間でそ れらの部材の第３のくぼみのある平らな面に広がっている、リンク（５６）が提 供される。リンク（５６）は、その内部に配置された３個の離間したハブ（６０ ）を有する開口長円形フレーム（６２）を含み、ハブ（６０）は可撓性支柱によ ってそのフレームの内部表面へ連結されている。各ハブ（６０）は、ネジ（６４ ）又は他の適当な締め付は金具の使用により、上側フレーム部材（２０）、基板 （１２）及び下側フレーム部材（２２）の各々に連結されている。上側フレーム 部材（２０）が基板（１２）に対して揺動するので、それは可撓性支柱（５８） にわずかに“Ｓ”状に変形するように曲げモーメントを生じさせる。この変形は 、下側フレーム部材（２２）’を上側フレーム部材（２０）に対して反対方向に 回転させるように、フレーム（６２）を真ん中のハブ（６０）に関して回転させ る。その結果、リンクク５６）は基板に関して上側フレーム部材（２０）及び下 側フレーム部材り２２）の単に等しくかつ逆の回転を可能にする。上側フレーム 部材及び下側フレーム部材がリンク（５６）を通じていっしょに機械的に連結さ れているので、基板（１２）の角加速度は、両方の中心共鳴周波数を励起しない で上側フレーム部材及び下側フレーム部材に結合されている。加えて、リンク（ ５６）は、上側フレーム部材及び下側フレーム部材の一方に影響を及ぼしている どんな回転運動又は振動でも他方にも影響を及ぼすことを確実にする。

速度検出器（１０）は、お互いに前後に逆回転する上側フレーム部材（２０）及 び下側フレーム部材（２２）により生じた、揺動運動の大きさ及び位相間係を測 定するための揺動運動検出器も含んでいる。この検出器は、ブラゲツ）（６８） とプレート（６９）とを用いて上側フレーム部材（２０）へ取り付けられている 、“Ｅ−巻線”を備えている。磁極片（７０）は、ボルト（７４）又は他の適当 な締め付は金具とプレー）（７３）とを用いて下側フレーム部材（２２）へ収り 付けられている、ブラケット（７２）により“Ｅ−巻線”の隣に支持されている 。ブラケット（６８）及び（７２）は、リンク（５６）の表面から離れるように 、“Ｅ−巻線”　（６６）及び磁極片（７０）を支持するために外方向に伸びて いる。上側フレーム部材（２０）が下側フレーム部材（２２）に対して前後に揺 動すると、“Ｅ”状の磁心を備えている複数の巻線の間の結合を変化するように 、揺動運動の大きさを示す帰還電気信号を生起するように、“Ｅ−巻線”　（６ ６）及び磁極片（７０）はお互いに運動する。この帰還信号は、電磁巻線（４２ ）へ加えられる駆動信号の振幅と位相関係を制御するのに用いられる。

上側フレーム部材（２０）及び下側フレーム部材（２２）はお互いに逆回転させ られているので、電磁巻線（４２）及び磁極片（５０）は上側フレーム部材（２ ０）の慣性モーメントが下側フレーム部甘り２２）の慣性モーメントを打ち消す 無反作用駆動を構成する。従って、トルク又は振動が基板（１２）又はそれが取 り付けられている物体へ伝達されない。このことは、連結されている物体への振 動を引き起こすかもしれない、従来技術の振動及び回転速度検出器の構造に較べ て本質的な利点を提供している。

そのような振動は、従来技術の振動及び回転型の３軸速度検出器における一対の 加速度計の間に交差軸結合誤差（クロスカップリングエラー）をも引き起こすか もしれない、この発明においては、全ての加速度計は、共通揺動軸（４０）に間 して、共通揺動周波数で同時に揺動される。加速度計が生成した同期信号は、処 理することはそれゆえより簡単であり、個々のあるいは一対の加速度計が軸に関 して単一方向に回転されなっかった従来技術の設計を困らせた誤差をほとんど受 けるない角速度及び線形加速度データを提供する。加速度計（２６）、（２８） 及び（３０）は、揺動軸（４０）に関して非常に小さい角度の中を揺動されてい るので、導線（図示せず）が直接加速度計に容易に収付できる。スリップリング 又は他のノイズを誘導する電気接点は不必要である。

角速度軸Ｐ、Ｑ及びＲに対する各一対の加速度計（２６）、（２Ｂ）及び（３０ ）の感応軸間の関係が、第６図及び第７図に線図で示されている。これらの図面 で示すように、一対の加速度計（２Ｂ）　＋　（２８）及び（３０）の加速度感 応軸が、各々ベクトルａＸ、ａＹ及びａ２により示されており、また、χ、Ｙ及 びＺ軸に間して回転角速度に対応している角速度Ｐ、Ｑ及びＲが点線のベクトル 線により示されている。（これらの図面において、ベクトルの長さ及び速度軸は 全く任意でベクトルの大きさと表すつもりはない、）角速度の値は、一対の加速 度計（２６）、（２８）及び（３０）における各加速度計からの復調出力信号の 加算により測定される。第７図で表しているように、角速度Ｐ、Ｑ及びＲが３つ の直交軸を規定することは明らかにできない、第６図で示すように、その角の１ つに収束している３次元（仮想の）立方体の縁に沿って整列された速度軸を示す ことにより、速度軸の直交関係は簡単につかむことができる。第６図の検討によ り明らかになるであろうが、各一対の加速度計の感応軸ａ×、ａＹ及びａ２は、 揺動軸（４０）に対して３５．２６°の角度を形成するように立方体の対角線に 整列されている。さらに、一対の加速度計の感応軸が速度軸Ｐ、Ｑ及びＲにより 規定された直交面内にあるが、お互いに直交していないということが明らかにな るであろう、従って、速度軸に沿う直交線形加速度値を得るための成分ベクトル に置き換えて、感応軸に沿っている加速度値を伝達することは比較的に容易であ り、非直交感応軸により測定された回転速度を修正することも容易である。

ＩＹ及びＺ軸に沿った線形加速度を規定するのに必要な変換式は、以下に示す１ 次方程式■及び■の一組により定義されている。

２１ｘ＝Ｑ、７０７ｙ＋０．７０７ｚ ａ　ｙ　−０、７０７ｘ　＋　０　、７０７　ｚ２１２＝０．７０７ｘ＋０．７ ０７ｙ ・・・　■ ｘ＝　（ａア＋ａｘ−ａｘ）／１．４１４ｙ　＝　（ａｘ＋　ａｚ　ａｙ）　／ 　１　、４１４ｚ＝　（ａｘ＋ａｙ−ａｚ）／１．４１４・・・　■ ここで、ｘ、ｙ及び２は、それぞれ速度軸Ｐ、Ｑ及びＲに沿って整列された線形 加速度である。

さらに、真の角速度を測定する交差軸角加速度の修正は、以下に示すように定義 されている。

Ｐ（修正）　＝Ｑ−Ｒ Ｑ（修正）　＝Ｒ−Ｐ Ｒ（修正）　＝Ｐ−Ｑ ・・・　■ ここで、（修正）の実際の数値は３５．２６°のコサイン（ｃｏｓｉｎｅ）であ る、０．８１６５に等しい。

角速度軸はお互いに直交しているので、Ｘ、Ｙ及びＺ軸に沿った線形加速度のた めに上述のことをなしたように、それらの速度軸のために得られた結果を変換す ることは必要でない、従って、角速度の計算結果は、感度を得るために、もしそ のような変換式が必要だった場合よりも実質的により正確になる。角速度値が線 形加速度値よりもより高い精度で、通常必要とされるので、第１実施例として規 定する形モは、加速度計が揺動軸（４０）に対して４５°のような他の角度で支 持されただろう、この発明により企図される他の実施例に比べて本質的な利点を 提供する。

第８図、第９図及び第１０図は、この発明の第２実施例である、４対の加速度計 （１０２）、（１０４）、（１０６）及び（１０８）を用いる速度検出器（１０ ０）を概念的に示す。

第１図〜第５図で第１実施例として示されたような完全な速度検出器の全ての詳 細を図示するよりも、第２実施例の図面は、基板（１１０）に対する、上側及び 下側の逆回転する部材（１１２）及び（１１４）上の加速度計の配置を単に示す 、速度検出器（１０）として図示されかつ述べられた逆回転部材、基板、電磁巻 線、“Ｅ−巻線”などが、速度検出器（１００）として類似した構成で提供でき ることが理解されるだろう、揺動軸（４０）は、基板（１１０）の中心を通り抜 け、逆回転部材（１１２）及び（１１４）の上面及び下面に垂直に通っている。

加速度計＜１０６ａ）、（１０６ｂ）、（１０８ａ　）及び（１０８ｂ）が、速 度検出器（１０）と同様な無反作用駆動で、反対方向に回転するとき、４個の加 速度計（１０２ａ）　、（１０Ｚｂ）、（１０４ａ）及び（１０４ｂ）は一定方 向に揺動軸（４０）に関して回転する。

速度検出器（１００）は、使用している加速度計の数のみならず１対の各加速度 計が支持されている逆回転（フレーム）部材に関しても、速度検出器（１０）と 大いに異なる０例えば、第８図及び第１０図で示しているように、加速度計（１ ０２ａ）は、加速度計（１０２ｂ）の感応軸に並列に整列された感応軸に支持さ れ、しかしながら、両方の加速度計＜１０２ａ）及び（１０２ｂ　）は、異なる 逆回転部材よりむしろ同じ逆回転部材＜１１２）に支持されている。同じ番号対 の両方の加速度計が整列された感応軸を有し、かつ同じ逆回転部材に支持されて いるので、各地の対の加速度計（１０４）、（１０６）及び（１０８）は同様に 配列されている。また、各同じ番号対の加速度計は、反対方向つまりお互いに逆 並列関係に向いている感応軸を有している、多対の加速度計の感応軸は、揺動軸 （４０）に対して４５°の角度を形成し、また第９図で示しているように、多対 の加速度計は、支持されている逆回転部材の両側でお互いに正反対に向かい合っ て配置されている。加速度計（１０２ｍ）及び（１０２ｂ）に関しては、感応軸 の方向における線形加速度Ａ１は、方程式 ％式％ により定義され、Ａ、は加速度計（１０２ａ　）により供給される加速度信号に 対応し、Ａ、は加速度計（１０２ｂ）からの加速度信号に対応している。同様に 、コリオリ速度軸Ｗ１は、次の方程式を与える正弦波の揺動駆動信号としての加 速度信号の余弦（コサイン）変調から形成される。

ｗｕ＝ｃｏｓｄｅｍｏｄＡｍ＋ｃｏｓｄｅｍｏｄＡｂ　−■下側逆回転部材（１ １４）上で、加速度計（１０２）の真下に支持されている加速度計（１０８ａ） 及び（１０８ｂ）からの同様な信号の組み合わせによって、Ｘ軸における指示角 度変位は消去できる。用語“指示角度”は、前後に揺動されるときの加速度計の 感応軸に対する角度に帰する。上側回転部材が、下側部材に対して反対方向又は 逆回転方向に揺動するので、感応軸の方向における変位の効果は、（１０２）及 び（１０８）のように、同じ軸に関して上側及び下側の１対の加速度計にとって 等しくかつ正反対であり、それゆえ打ち消しあう、揺動軸（４０）に整列された Ｚ成分は、全ての時間Ｘ−Ｚ平面に残り、加速度計の対が前後に揺動するとき変 位しない、上側及び下側の１対の加速度計からの合成変調信号を組み合わせるこ とによって、つぎの関係式が得られる。

ＷＸ＝Ｐ＝−（ｗ、＋ｗ、）　・・・　■ｗｚ＝　Ｒ＝　（ＶＪ　％ｌ　ＶＶ　 ｒ　）　−’−■顕推によれば、加速度計（１０４ａ　）及び（１０４ｂ）並び に（１０６ａ）及び（１０６ｂ）は、Ｙ軸に対する角速度を展開するのに用いる ことができ、同様な方法でＱもしかりである。

なぜならば、上側及び下側回転部材は正弦波揺動運動で前後に逆回転し、速度及 び加速度の両方の平均指示方向は各瞬間でＸ及びＹ軸に整列されて正確にとどま る。

この要因は、よりありふれた速度検出器の振動又は回転に間して交差軸加速度及 び速度結合誤差な減少する。加えて、多対の加速度計が同一の逆回転部材に支持 されているので、線方向の正弦波速度成分誤差は消去される。

加えて、各加速度計からの変調出力信号が加算されたとき、速度方向の線形加速 度成分誤差は打ち消される。

例えば各回転部材の周りに９０’の離間した間隔で配置された対のように、逆回 転部材」二の他の配置で各加速度計を支持することも可能である。しかしながら 、そのような支持配置は好ましくはない、なぜなら、上側逆回転部材及び下側逆 回転部材は、上述した交差結合誤差の相殺を後退する異なる機械的運動を少し持 つかもしれない。

この発明の第１実施例は、少数の加速度計がそれを満たすように必要とされる容 易に明らかな理由よりも、いくつかの理由で第２実施例より好ましい、第１１図 及び第１２図に関して、第２実施例に対する第１実施例の本質的な利点が線図で 示されている。第１１図で示すように、１対の加速度計（１０２ａ　）及び（１ ０２ｂ）は上側逆回転部材（１１２）上に支持されており、揺動軸（４０）に対 して４５°の角度を形成し、お互いに整列された感応軸（１０Ｚａ’　）及び（ １０２ｂ’　）を有している。同様に、加速度計（１０８ａ）及び（１０８ｂ　 ’）は、揺動軸（４０）に対して４５°で、お互いに逆並列に整列された感応軸 （１０８ａ　）及び（１０８ｂ）有して下側逆回転部材（１１４）に配置されて いる。各加速度計（１０２）及び（１０８）の振動の中心は、揺動軸（４０）か ら半径ｒに配置され、感応軸（１０２ａ’　）は感応軸（１０２ｂ’　）から距 Ｍｄだけ離れている。加速度計（１０２ａ）及び（１０２ｂ）が軸（４０）に関 して揺動されるとき、それらの出力信号は、振動のそれらの中心の間の距ｕｄに 比例している、揺動運動と加速度感応軸の両方に垂直の軸に関する加速度計の角 加速度に比例する誤差成分を含むだろう、この誤差成分を無視することは、各加 速度計対に関連したバイアス信号において比較的大きい“ノイズ成分に帰着する 。明らかに、距離ｄは加速度計（１０２ａ　）及び（１０２ｂ）を揺動軸（４０ ）に接近するように支持することにより減少できる。しかしながら、半径ｒの減 少は、各加速度計により供給される出力信号へのコリオリ速度の寄与の減少に影 響がある。このことは、加速度計が揺動軸へ接近するように移動されると、揺動 運動の大きさが相対的に小さくなるので、明らかであろう、コリオリ加速度への 態度は重要であるので、揺動軸へ接近するように移動することにより、加速度計 （１０２ｍ　）と（１０２ｂ）の振動の中心間の比較的大きな変位ｄにより生起 される角加速度誤差の影響を減少することは実際的ではない。

第１２図で示すように、加速度計（３０ｍ）及び（３０ｂ）が逆回転フレーム（ 逆回転部材（１１２）及び（１１４）により描かれている）に支持されている速 度検出器（１０）の形態は、２個の加速度計の振動の中心間の距１ｔ＝　ｄ　Ｉ を最小にする。加速度計（３０ｍ　）が加速度計（３０ｂ）の真上に支持されか つそれに対して逆回転するので、加速度計の間の交差軸結合は釣り合い、それら の出力信号の組み合わせにより消去される０寸法ｄ１の長さは、加速度計をでき るだけ同時に接近するように維持することにより、つまり逆回転部材（１１２） 及び（１１４）の間の垂直間隔を最小にすることにより減少できる。第１１図で 示す第２実施例と違って、加速度計の振動の中心と揺動軸との間の距１１ｉｒＩ 及びｒ２に影響を及ぼさないでｄｌを減少するように、加速度計（３０ａ　）及 び（３０ｂ　）は同時に接近するように移動できるｓｒｌに比べてｒ２を減少す ることにより、ｄ、成分は、角加速度によって誤差成分を有効に相殺するように 、名目上零にすることができる。さらに、揺動軸（４０）へ相対的に接近するよ うに加速度計（３０ａ　）及び（３０ｂ）の感応軸を傾けることにより、ｄ、の 値はたとえｒ＋がｒ２に等しくても小さくなる。第１実施例の加速度計は、第２ 実施例の加速度計の実質上より大きい４５°の角度よりは、揺動軸に対して３５ ．２６°の角度で全て支持されているので、それらは遠心加速度誤差の一層小さ い感度を有している。

ここで第１３図に転じると、加速度計（２６ａ　）及び（２６ｂ　）の１対に関 して、速度検出器の加速度計の多対から出力された信号を処理するシステムが示 されている。感応軸に沿ってさらされたこれらの加速度計は、角速度と線形加速 度の両方の成分を含み、加速度に比例する出力信号を生成する。加速度計（２６ ｍ　＞及び（２６ｂ）から出力された信号は、導線（１２０）及び（１２２）に より各々カウンタ（１２４）及び（１２６）へ伝達される。これらのカウンタは 、タイミング／制御回路＜１３０）から導！（１２８）を経由して入力された信 号Ｓ　Ｇ　Ｎ　ｃｏｓωｔと対照して前記信号を変調するように動作する。カウ ンタ（１２４）及び（１２６）からの出力は、データライン（１３２）を通って マイクロプロセッサ（１３４）へ入力される。マイクロプロセッサ（１３４）は 、情報を処理するためのデジタルプログラムが記憶されている読み込み専用メモ リ（ＲＯＭ）と、データの一時記憶領域を提供するランダムアクセスメモリ（Ｒ ＡＭ）の両方を含んでいる。マイクロプロセッサ（１３４）は、加速度計（２６ ｍ　＞及び（２６ｂ　）から（また、速度検出器を構成する各地の対の加速度計 から）出力された信号の角速度及び線形加速度成分の両方を測定するために、カ ウンタ（１２４）及び（１２６）により供給された情報を処理する。また、マイ クロプロセッサ（，１３４）は、タイミング／制御信号を導体（１３６）を通っ てタイミング／制御ブロック（１３０）へ供給する。このタイミング／制御ブロ ック（１３０）は、導線（１３４）を通って伝達された、“Ｅ−巻線”からの信 号に応じて駆動信号発生器（１３８）を制御する。駆動信号発生器（１３８）は 、お互いに逆回転で上側フレーム部材（２０）及び下側フレーム部材（２２）を 無反作用で揺動する電磁巻線（４２）　（第１３図に図示されていない）を付勢 するための正弦波状に変化する電流を生成する。

この発明は好ましい実施例について開示しているが、この技術分野の通常の専門 家は、前記開示された機器への変更が後述する請求の範囲の範囲内でできるとい うことを理解するだろう、従って、この発明の範囲は開示によりすきなように制 限されることを意図していないし、むしろそれは単に請求の範囲の参照により決 定される。

以上 ６メす７Ｊ３・ 今、Ｉ・　θ衿２１２・ Ｉ際調査報告

Claims (47)

【特許請求の範囲】
1. １．主軸に関する物体の回転角速度を表す出力信号を生成する装置であって、 （ａ）第１の加速度計及び第２の加速度計であって、その各々が加速度感応軸を 有しかつ上記軸に沿った方向の加速度に比例する信号を生成するように動作し、 上記物体にピボット状に連結されている対向支持部材に支持され、上記各々の加 速度感応軸が大体並列に整列されている上記第１の加速度計及び第２の加速度計 、（ｂ）共通ピボット軸に関して上記対向支持部材を逆回転させるように連結さ れ、上記主軸に関する上記物体の回転が逆回転加速度計に上記回転角速度の関数 であるコリオリ加速度を受けさせかつその加速度計に上記加速度感応軸と整列さ れている上記コリオリ加速度の成分に比例した信号を生成させる電動機、 並びに （ｃ）上記第１の加速度計及び第２の加速度計により生成された信号を結合して 上記主軸に関する上記物体の回転角速度を表す上記出力信号を生成する手段を備 えた装置。
2. ２．上記電動機が、相対的に反対方向に上記対向支持部材を逆回転させるように 動作する第１の電磁吸引器及び第２の電磁吸引器とからなる請求の範囲第１項記 載の装置。
3. ３．上記第１の電磁吸引器及び第２の電磁吸引器が逐次付勢され、お互いに逆回 転運動で上記対向支持部材を前後に揺動させる請求の範囲第２項記載の装置。
4. ４．上記第１の電磁吸引器及び第２の電磁吸引器が周期的に変化する電流で付勢 される請求の範囲第２項記載の装置。
5. ５．上記第１の電磁吸引器及び第２の電磁吸引器の各々が上記対向支持部材の一 方に取り付けられた電磁巻線と上記対向支持部材の他方に取り付けられた磁極片 とからなる請求の範囲第２項記載の装置。
6. ６．上記対向支持部材間に配置されかつ上記物体に連結された基板をさらに備え 、上記対向支持部材が上記基板にピボット状に連結されている請求の範囲第１項 記載の装置。
7. ７．上記共通ピボット軸と整列されかつ上記共通ピボット軸の周りの離間した複 数の位置で上記対向支持部材を上記基板に連結している複数の可撓性部材をさら に備えた請求の範囲第６項記載の装置。
8. ８．上記可撓性部材の各々が上記共通ピボット軸の周りに放射状に並べられた平 らな表面を有する細長い帯板であり、各帯板の両端が上記対向支持部材に連結さ れ、かつ各端の中間位置が上記基板に連結されている請求の範囲第７項記載の装 置。
9. ９．上記第２の加速度計に対する上記第１の加速度計の角変位を検出しかつこの 角変位を表す信号を生成する手段をさらに備えた請求の範囲第１項記載の装置。
10. １０．上記信号結合手段が上記角変位を表す信号を受信するように接続されかつ 上記信号の関数として、上記電動機を付勢するために使用された周期的駆動信号 の振幅及び位相を制御するようにさらに動作する請求の範囲第９項記載の装置。
11. １１．上記第１及び第２の加速度計の加速度感応軸が上記対向支持部材の共通ピ ボット軸と共に鋭角を規定しかつ上記主軸に対して実質上直交している請求の範 囲第１項記載の装置。
12. １２．上記信号結合手段は、上記第１及び第２の加速度計の加速度感応軸と一直 線になって上記物体が受ける加速度の大きさを表す出力信号を生成するようにさ らに動作する請求の範囲第１項記載の装置。
13. １３．複数対の加速度計をさらに備え、各対は上記第１及び第２の加速度計の加 速度感応軸と他の対の加速度計のうち少なくとも一対の加速度感応軸とに対して 非並列に配置された関連加速度感応軸を有し、各対の加速度計の一方はその加速 度感応軸がその対の他方の加速度計の加速度感応軸に大体並列になるように上記 対向支持部材の一方に支持され、上記電動機が上記対向支持部材を逆回転させか つ上記物体が速度軸の回りに回転させられるとき、各対の加速度計は上記主軸に 直交する上記速度軸に関連されかつ上記対の加速度計が受けるコリオリ加速度に 対応した信号を生成し、上記信号結合手段が上記対の加速度計により生成された 信号を受信しかつ上記関連した角速度軸の各々の回りの回転角速度を表す出力信 号を生成するように動作する請求の範囲第１項記載の装置。
14. １４．上記信号結合手段は、上記一対の加速度計の加速度感応軸の各々に沿って 上記物体が受ける上記加速度を表す信号を生成するようにさらに動作する請求の 範囲第１３項記載の装置。
15. １５．複数の主軸の各々に関する回転角速度を検出する装置であって、 （ａ）支持基盤、 （ｂ）共通軸に関して回転するように、上記支持基盤にピボット状に連結された 第１のフレーム部材及び第２のフレーム部材、 （ｃ）複数対の加速度計であって、各加速度計が加速度感応軸を有し、各対の加 速度計が上記複数の主軸の１つに関連されてこの１つの軸の回りの回転角速度が 検出され、上記対の加速度計は一対をなす２個の加速度計の加速度感応軸が大体 並列に整列されるように上記第１及び第２のフレーム部材に支持されている上記 複数対の加速度計、 （ｄ）上記第２のフレーム部材に対して上記共通軸に関して上記第１のフレーム 部材を逆回転させるために、各加速度計を上記共通軸に関して回転させ、かつ各 加速度計がコリオリ加速度の関数である出力信号を生成するように各対の加速度 計が関連づけられている上記主軸の回りの回転角速度に比例する上記コリオリ加 速度を上記各対の加速度計に受けさせる駆動手段 並びに （ｅ）上記対の加速度計に接続され、加速度計により生成された上記出力信号を 処理して各上記主軸に関する回転角速度を測定する信号処理手段 を備えた装置。
16. １６．上記駆動手段が上記第１及び第２のフレーム部材の一方に連結された第１ の電磁巻線と上記第１及び第２のフレーム部材の他方に連結された第１の磁極片 とからなる請求の範囲第１５項記載の装置。
17. １７．上記第１及び第２のフレーム部材の一方に連結された第２の電磁巻線と上 記第１及び第２のフレーム部材の他方に連結された第２の磁極片とをさらに備え 、上記第２の電磁巻線及び第２の磁極片が逐次付勢されかつ上記第１の電磁巻線 及び第１の磁極片の駆動力に対して反対の角度方向に向けられた駆動力を供給す る請求の範囲第１６項記載の装置。
18. １８．上記第１の電磁巻線が周期的に変化する電流で付勢される請求の範囲第１ ６項記載の装置。
19. １９．上記第１及び第２の電磁巻線は、周期的に変化する電流で付勢され、それ 故上記第１及び第２のフレーム部材がお互いに逆回転で前後に揺動するように、 第１の方向と次にはこの第１とは反対の第２の方向に、上記第２のフレーム部材 に対して上記第１のフレーム部材を逆回転させるように動作する請求の範囲第１ ８項記載の装置。
20. ２０．上記第２のフレーム部材に対する上記第１のフレーム部材の角変位を検出 しかつこの角変位を表す信号を生成する手段をさらに備えた請求の範囲第１９項 記載の装置。
21. ２１．上記信号処理手段が上記角変位を表す信号を受信するように接続されかつ 上記信号の関数として、上記第１及び第２の電磁巻線を付勢するために使用され た周期的に変化する電流の振幅と位相を制御するようにさらに動作する請求の範 囲第２０項記載の装置。
22. ２２．上記支持基盤が上記第１及び第２のフレーム部材の中間に配置された基板 である請求の範囲第１５項記載の装置。
23. ２３．上記第１及び第２のフレーム部材を上記基板に連結している複数の可撓性 部材をさらに備えた請求の範囲第２２項記載の装置。
24. ２４．上記可撓性部材の各々が上記第１及び第２のフレーム部材の共通軸に整列 された平らな表面を有する複数の細長い平らな帯板であり、上記帯板の両端が上 記第１及び第２のフレーム部材に連結されかつ各端の中間位置が上記基板に連結 されている請求の範囲第２３項記載の装置。
25. ２５．上記基板が上記第１及び第２のフレーム部材の共通軸から外方に向かって 放射状に延びている複数のタブを備え、上記タブは上記主軸の回りに回転させら れる上記物体に連結されている請求の範囲第２２項記載の装置。
26. ２６．各対の加速度計の一方が上記第１のフレーム部材に配置されかつ各対の加 速度計の他方が上記第２のフレーム部材に配置されている請求の範囲第１５項記 載の装置。
27. ２７．上記主軸が直交し、上記対の加速度計の加速度感応軸が上記第１及び第２ のフレーム部材の共通軸と共に鋭角を規定しかつ上記主軸により規定された直交 面内に存在する請求の範囲第２６項記載の装置。
28. ２８．３対の加速度計を備えた請求の範囲第２６項記載の装置。
29. ２９．上記対の加速度計の加速度感応軸が直交し、各々が上記第１及び第２のフ レーム部材の共通軸と共に鋭角を形成している請求の範囲第２６項記載の装置。
30. ３０．上記主軸が上記対の加速度計の加速度感応軸により規定された直交面に存 在し、上記直交面が上記対の加速度計の加速度感応軸により規定されている請求 の範囲第２６項記載の装置。
31. ３１．各対の加速度計の両方が上記第１及び第２のフレーム部材の同じ一方に支 持される請求の範囲第１５項記載の装置。
32. ３２．４対の加速度計がある請求の範囲第１５項記載の装置。
33. ３３．上記第１及び第２のフレーム部材を上記支持基盤に連結しているリンク手 段をさらに備え、このリンク手段が上記支持基盤に対してそれらの共通軸に関す る上記第１及び第２のフレーム部材の回転運動だけを許しかつ上記第１及び第２ のフレーム部材の両方へ上記支持基盤の運動を結合する請求の範囲第１５項記載 の装置。
34. ３４．上記信号処理手段が上記加速度計により生成された出力信号を処理して３ つの直交軸に沿った線形加速度を測定するようにさらに動作する請求の範囲第１ ５項記載の装置。
35. ３５．複数の主軸に関する物体の回転角速度を表す出力信号を生成する方法であ って、 （ａ）複数対の加速度計を支持して対の各加速度計の加速度感応軸が他方の加速 度計の加速度感応軸に大体並列であり、上記加速度計がそれらの感応軸に沿って 向けられた加速度に比例する信号を生成するように動作するためのステップ、 （ｂ）共通ピボット軸に関して、第１及び第２のフレーム部材上の上記加速度計 対を逆回転させるステップ、並びに （ｃ）上記加速度計対により生成された上記信号を結合してベクトル合成が上記 主軸に関して上記物体の回転角速度に比例しており、上記各主軸に対応するベク トル合成信号を生成するステップ を含んだ方法。
36. ３６．各対をなす加速度計がお互いに逆回転されるように、上記第１及び第２の フレーム部材の一方に各対の加速度計の一方を支持しかつ上記第１及び第２のフ レーム部材の他方に各対の加速度計の他方を支持するステップをさらに含んだ請 求の範囲第３５項記載の方法。
37. ３７．一対をなす加速度計の両方を、上記共通ピボット軸の両側で、上記第１及 び第２のフレーム部材のどちらか一方に支持するステップをさらに含んだ請求の 範囲第３５項記載の方法。
38. ３８．上記加速度計対が揺動運動で上記共通軸に関して前後に増大して逆回転さ れる請求の範囲第３５項記載の方法。
39. ３９．上記加速度計対はそれらの加速度感応軸が上記共通ピボット軸と共に鋭角 に規定するように支持される請求の範囲第３５項記載の方法。
40. ４０．上記主軸がお互いに直交しかつ上記一対の加速度計の加速度感応軸が存在 する直交面を規定する請求の範囲第３５項記載の方法。
41. ４１．上記加速度計対により生成された信号を結合して複数の直交軸のうち少な くとも１つに沿った上記物体の加速度に対応する信号を生成するステップをさら に含んだ請求の範囲第３５項記載の方法。
42. ４２．上記第２のフレーム部材に対する上記第１のフレーム部材の角変位を検出 するステップと、この角変位を表す信号を生成するステップとをさらに含んだ請 求の範囲第３５項記載の方法。
43. ４３．周期的に変化する電流を供給して逆回転運動で上記第１及び第２のフレー ム部材を駆動するステップをさらに含んだ訴求の範囲第４２項記載の方法。
44. ４４．上記角変位指示信号の関数として上記周期的に変化する電流の位相と振幅 を制御するステップをさらに含んだ請求の範囲第４３項記載の方法。
45. ４５．上記第１及び第２のフレーム部材が複数の可撓性部材により支持基盤に連 結される請求の範囲第３５項記載の方法。
46. ４６．上記可撓性部材が細長い平らな帯板であり、各々の両端が上記第１及び第 ２のフレーム部材に連結され、かつ上記帯板の両端の中間位置が上記支持基盤に 連結される請求の範囲第４５項記載の方法。
47. ４７．上記可撓性部材の平らな表面が上記共通ピボット軸の回りに放射状に整列 されるように上記可撓性部材が支持される請求の範囲第４５項記載の方法。