JPH04212013A - 角速度検出装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動体等の角速度を検
出する角速度検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、角速度センサーにはジャイロを利
用したものが一般的であり、その代表としてメカニカル
ヨーレートジャイロが知られている。この従来の検出装
置においては、回転座標系の物体に働く力を利用して角
速度を検出し、航空機の姿勢制御や車両のナビゲータ等
に広く用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ジャイ
ロを利用する以上、常に回転している物体が必要となり
、そのための回転体をモータ等により回転駆動させてい
たため、回転体とモータはジンバル等を介してケースに
接触し、その摩擦抵抗のために、検出精度が悪くなると
いう問題点を有していた。

【０００４】本発明は上記問題点に鑑みてなされたので
あり、回転体としての磁石を非接触で回転させ、角速度
を精度よく検出することのできる角速度検出装置を提供
することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明においては、磁性流体を介してケース内に磁石
を配置し、この磁石と非接触で磁石を回転させる磁石回
転手段と、この磁石の回転を一定の速度に制御する回転
制御手段と、磁石とケースとの相対的な傾きを検出する
傾き検出手段と、この相対的な傾きに基づいてケースの
回動の角速度を算出する角速度算出手段とを備える構成
とした。

【０００６】

【作用】上記構成とした本発明においては、磁石回転手
段により非接触で回転している磁石は、ケースがある角
速度によって回動すると、ケースに加えられた角速度に
応じてプレセッショントルクを生じる。このプレセッシ
ョントルクと、磁性流体の磁気力とが釣り合う位置まで
磁石はケースに対して傾く。この磁石とケースとの相対
的な傾きを傾き検出手段により検出し、その相対的な傾
きに基づいて、角速度演算手段がケースの回動の角速度
を算出する。従って、磁石の回転及びケースに対する傾
きにおける抵抗が小さくなる。

【０００７】また、移動制限手段を設けて磁石の回転平
面内での移動を制限した場合には、ケースが回動した際
にその角速度に応じて正確に磁石とケースを相対的に傾
けるので、磁石が回転径方向に移動して傾き検出手段が
誤検出を行なうことを防止できる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を用いて本発明を説明する。図１
は本発明の第１実施例の要部を示す断面図であり、図２
は図１のＡ−Ａ断面図である。車両等の被計測部材に固
定されるハウジング１は非磁性，高電気抵抗性の材質よ
りなり、同じ材質よりなるキャップ９とともにケースを
構成し、内容積形状として円筒空間１００を持ち、その
内部に磁性流体２，ディスク状多極着磁永久磁石３（例
えば周方向４極着磁磁石）が封入されている。この磁性
流体は永久磁石３の磁場勾配に従って密度分布をとる。 また内部円筒空間１００の直径は永久磁石３の直径より
わずかに大きく、ハウジング１のリング状の側壁１ａは
移動制限手段を成し、永久磁石３は回転可能となってい
る。また、内部円筒空間１００の厚みは、永久磁石３を
常温，大気圧の自由空間で磁性流体２を吸着させた時の
最大厚みと等しいかまたはそれより小さめにする。永久
磁石３の回りに吸着した磁性流体２は、永久磁石３を回
転させるために潤滑剤として働くとともに、厚み方向に
対してはスプリング兼ダンパの作用をする。このため、
永久磁石３は円筒空間１００の中心部分に浮き、ハウジ
ング１と非接触状態で磁性流体２に周囲を取り囲まれた
状態となる。４１および４２は、永久磁石３とハウジン
グ１との相対的な傾きを検出する傾き検出手段としての
ホール素子であり、永久磁石３の回転中心軸に対して点
対称となるようにホール素子固定板１３により固定され
、このホール素子４１，４２の端子はターミナルプレー
ト７にはんだ付されている。ホール素子固定板１３とタ
ーミナルプレート７は、ハウジング１にスタッド１４１
，１４２，１４３，６１，６２，図示されてない６３を
介してねじ８１と８２，図示されていない８３によって
取り付けられている。上部キャップ９はハウジング１に
螺合されており、５はシール用のＯリングである。また
、１１は、磁性流体封入口１０のシール用ゴム栓であり
、１２はその上部のキャップである。

【０００９】図２において、ハウジング１の外周上には
、磁石回転手段としての回転磁場発生用コイル１３１，
１３２，１３３、および磁極検出用ホール素子１２１，
１２２，１２３が設けてある。コイル１３１，１３２，
１３３，ホール素子１２１，１２２，１２３、および永
久磁石３によりホールモータ２００が構成される。 図３は本実施例の全体構成を示す構成図であり、駆動部
４１０，センサ部４２０，検出部４３０の３つよりなる
。駆動部４１０は、回転磁場発生回路２０４と回転制御
手段としての定速制御回路２０５からなる。磁石回転手
段としての回転磁場発生回路２０４は、駆動方式として
３相全波方式をとっており、トルクむらや回転むらの小
さい回転磁場が得られる。この３相全波式駆動用ＩＣと
しては、例えば東芝製ＴＡ７２５９Ｐを用いる。定速制
御回路２０５としては、例えばＰＬＬ制御用ＩＣ，東芝
製ＴＣ９１４２Ｐを用いる。センサ部４２０は、図１お
よび図２に示したものである。検出部４３０は、傾き検
出手段としての傾き検出用ホール素子４１および４２と
、差動増幅回路２０３，角速度算出手段としての角速度
演算回路２０２より構成される。傾き検出用ホール素子
４１と４２の取り付け位置は、回転磁場発生コイル１３
１，１３２，１３３からの影響が少ない位置に取り付け
られている。

【００１０】図４は、角速度検出部４３０を具体的に示
す回路図である。検出部４３０は、ホール素子駆動回路
６６０，差動増幅回路６６１，包絡線検波回路６６２，
ローパスフィルタ６６３より構成されている。まず、ホ
ール素子駆動回路６６０について説明すると、電流フィ
ードバック用オペアンプ６５０，６５１の正入力端子に
は、他端が電源電圧Ｖｃｃに接続された抵抗６０１と、
他端が接地された抵抗６０２が接続されている。オペア
ンプ６５０，６５１の負入力端子は、各々他端が接地さ
れた抵抗６０３，６０４へ接続され、同時に各々ホール
素子４１，４２の入力端子に接続されている。オペアン
プ６５０と６５１の出力端子は、各々ホール素子４１，
４２の他の入力端子に接続されている。次に、差動増幅
回路６６１について説明すると、オペアンプ６５２，６
５３の正入力端子は、他端が接地された抵抗６０８と６
１３に接続され、同時に抵抗６０６，６１０を介してホ
ール素子４１と４２の出力端子へ接続されている。オペ
アンプ６５２と６５３の負入力端子は、各々他端がオペ
アンプ６５２と６５３の出力端に接続された抵抗６０７
，６１２に接続され、同時に抵抗６０５，６０９を通し
てホール素子４１，４２の他の出力端子に接続されてい
る。オペアンプ６５４の負入力端子は、他端がオペアン
プ６５４の出力端子に接続された抵抗６１８に接続され
、同時に抵抗６１５，交流カップリング用コンデンサ６
１４を介してオペアンプ６５２の出力端子に接続されて
いる。また、オペアンプ６５４の正入力端子は、他端が
接地された抵抗６１９に接続され、同時に抵抗６１７，
交流カップリング用コンデンサ６１６を介してオペアン
プ６５３の出力端子に接続されている。次に包絡線検波
回路６６２について説明する。オペアンプ６５５の正入
力端子は接地され、負入力端子は抵抗６２２の一端に接
続されるとともに抵抗６２１，コンデンサ６２０を介し
てオペアンプ６５４の出力端子に接続されている。 抵抗６２２の他端は、他端が接地された抵抗６２６、お
よび他端が接地されたコンデンサ６２５に接続され、同
時にダイオード６２４のカソードに接続されている。ダ
イオード６２４のアノードは、オペアンプ６５５の出力
端子へ接続されるとともに、ダイオード６２３のカソー
ドへ接続され、ダイオード６２３のアノードはコンデン
サ６２０，抵抗６２１の間へ接続されている。最後に、
ローパスフィルタ６６３について説明する。オペアンプ
６５６の正入力端子は、他端が接地されたコンデンサ６
３０に接続され、同時に抵抗６２９，６２７を介し、ダ
イオード６２４のカソード、すなわち包絡線検波回路６
６２に接続されている。オペアンプ６５６の負入力端子
は、オペアンプ６５６の出力端子に接続され、同時にコ
ンデンサ６２８に接続されている。コンデンサ６２８の
他端は、抵抗６２７，６２９間に接続されている。

【００１１】図３に示した回転磁場発生回路２０４，コ
イル１３１，１３２，１３３より回転磁場を発生させる
と、永久磁石３は円筒空間１００内で回転する。回転角
速度Ｗｓ　は、定速制御回路２０５により一定に制御さ
れる。ハウジング１が回動することによって永久磁石３
の回転スピン軸Ｘに対して垂直な軸Ｚ回りに入力角速度
Ｗが加わると、両軸に直交する軸Ｙの回りにプレセッシ
ョントルクが発生し、永久磁石３にはＷｐ　の方向に回
転トルクが生じる。一方、永久磁石３の回りに分布して
いる磁性流体２は、永久磁石３の厚み方向に対してスプ
リング兼ダンパとして作用するため、プレセッショント
ルクとスプリング力とがバランスする角度まで永久磁石
３はハウジング１に対して傾く。この傾きはホール素子
４１と４２で検出され、差動増幅回路２０３により増幅
された後、角速度演算回路２０２により、ハウジング１
に加えられた角速度に比例した電圧値が得られる。差動
方式とすることで、Ｘ軸方向の加速度により生じる円筒
空間１００内での永久磁石３の平行移動に対しては、ホ
ール電圧変化が同相となるためキャンセルされる。また
、Ｙ軸とＺ軸方向の加速度に対しては、円筒空間１００
の内径と永久磁石３の外径との差がわずかであり、移動
制限手段である側壁１ａによって回転平面内での永久磁
石３の移動が制限されるために、この移動による誤差と
しての出力変化は微小である。

【００１２】次に、図４に示す角速度検出部４３０の作
動について説明する。ホール素子駆動回路６６０は、ホ
ール素子４１と４２を定電流駆動している。差動増幅回
路６６１は、２段の差動増幅回路よりなり、１段目と２
段目は交流カップリングコンデンサ６１４と６１６で交
流カップリングされている。このため、ホール素子の不
平衡電圧，不平衡電圧温度特性，初段オペアンプのオフ
セット電圧，温度ドリフトをカットできる。入力角速度
Ｗが加わった時の差動増幅回路６６１の出力信号は振幅
変調された信号となり、角速度成分は振幅変調された信
号の包絡線を求めることにより決定される。これをピー
ク−ピーク検出器を利用した包絡線検波回路６６２によ
り包絡線検波を行い、ローパスフィルタ６６３によりリ
ップルを除去して角速度信号を得る。

【００１３】以上説明したように本実施例によれば、永
久磁石を磁石回転手段によって回転させているため、磁
石回転手段と磁石との間には軸を必要としないという効
果を奏する。また、ケースの内径と永久磁石との外径と
の差がわずかであり、回転直径方向への移動が制限され
るために、この移動による誤差の出力変化はほとんどな
い。また、永久磁石は磁性流体とのみ接触しており、他
の部材とは接触していないため、わずかな角速度の変化
も検出することができ、ひいては簡易な構成で角速度を
精度よく検出できる。さらには、ホール素子は永久磁石
の中心軸に対して点対称で設けられているため、角速度
の発生しない場合（永久磁石の平行移動による場合で、
例えば車両の直進加速度のみが生じた場合）には、ホー
ル電圧変化はキャンセルされるため、角速度の発生しな
い加速度が生じた場合でもこれを検出することはないと
いう優れた効果を奏する。また、交流カップリングコン
デンサで交流カップリングを行なっているため、ホール
素子の不平衡電圧等をカットできるという効果をも奏す
る。さらに、磁性流体の中に回転体が浮揚しているため
外部からの衝撃に強いという特徴も有する。

【００１４】次に、本発明の第２実施例を図５に示す。 本実施例においては、上記第１実施例におけるセンサ部
４２０が異なるのみで、他の同一の部分は説明を省略す
る。本実施例においては、ハウジング１とキャップ９に
おける永久磁石３の回転中心部分に半球状の突起部２１
，２２を永久磁石３と非接触で設け、永久磁石３の厚み
方向（回転径方向と直交する方向）の移動も制限するよ
うにしたものである。これにより、永久磁石３が並進運
動や直進運動のいわゆる回転径方向への移動並びにそれ
と直交する方向への移動を行なうことなく、入力角速度
に対応する回転運動のみを行なうようになる。

【００１５】図６は本発明の第３実施例のセンサ部を示
す断面図であり、ケースの上下に円錐状の突起２３と２
４を設けたものである。図７は、本発明の第４実施例の
センサ部を示す断面図である。本実施例においては、永
久磁石３に中心軸２７を接続固定したものであり、中心
軸２７とケースの上部２５，下部２６と接する部分は、
中心２７１からＲの曲率半径で、ケースの外周はＲ′の
曲率半径が加工してあり、永久磁石３はこの加工形状に
沿ってケースと非接触で回転可能となっている。

【００１６】図８は本発明の第５実施例のセンサ部を示
す断面図であり、中心部に対して点対称となる位置に第
２，第３の針状突起部２３１，２３２，２４１，２４２
を設けた例である。この構成とすることにより、永久磁
石３の回転は１軸方向のみに制限され、１軸方向の角速
度のみを検出することができる。図９は、本発明の第６
実施例のセンサ部を示す断面図であり、第３実施例と第
４実施例を両方取り入れた実施例である。

【００１７】尚、上記各実施例における移動制限手段と
しては、ハウジング１の側壁１ａを用いたが、これに限
らず、代りに、例えば上記第３及び第５実施例における
突起２３と２４を永久磁石３と接触させて移動制限手段
としてもよいことはもちろんであり、この場合、側壁１
ａと永久磁石３との距離は大きくてもよい。以上説明し
た上記第２実施例ないし第６実施例によれば、耐振動性
，耐直線加速度性に優れた角速度検出装置を得ることが
できる。

【００１８】次に、本発明の第７実施例を図１０を用い
て説明する。本実施例においては、軸方向空隙型のホー
ルモータを構成するために、回転磁場発生コイル１３２
，１３３ならびに図示されない磁場発生コイル１３１と
、磁極検出用ホール素子１２１ならびに図示されない磁
極検出用ホール素子１２２，１２３を永久磁石３の面と
平行に取り付けたものである。本実施例によれば、回転
磁界による傾き検出用ホール素子４１と４２への磁気的
な影響を無視することができる。このため、永久磁石３
を厚み方向に着磁してもよい。

【００１９】次に、本発明の第８実施例を図１１に示す
。本実施例においては、傾き検出用ホール素子４１と４
２を磁石３の中心点に対して点対称かつ磁石の逆の面の
位置に配置したものである。図１２は、本発明の第９実
施例を示す全体構成図であり、直交するＹ軸とＺ軸に２
対のホール素子４１，４２，５１，５２を配置して、Ｚ
軸およびＹ軸回りの２軸の角速度検出が可能となる。 本実施例においては、ホール素子を２対設けた点以外は
前記第１実施例と同じであるため、その説明は省略する
。

【００２０】以上説明した第１実施例ないし第９実施例
においては、傾き検出手段として傾き検出用ホール素子
を用いたが、ホール素子に限られず、代わりにＭＲＥ等
の他の磁気検出素子を用いて同様な検出部を構成しても
よい。図１３には、本発明の第１０実施例の検出部の断
面図を示す。本実施例においては、永久磁石３の傾き検
出用ホール素子の代わりに、傾き検出手段として圧力セ
ンサ５００，５０１を使用したものである。前記第１実
施例におけるホール素子取り付け位置に、１対の圧力セ
ンサ５００と５０１を取り付けて永久磁石３の傾きによ
って生じるケース内の磁性流体２の密度分布に伴なう圧
力差を検出し、これによって角速度を検出する。本実施
例によれば、磁石とケースとの相対的な傾きを検出する
傾き検出手段は、磁気的な検出ではないため、回転磁界
の影響を全く受けずにすむという優れた効果を奏する。

【００２１】以上説明した各々の実施例においては、永
久磁石の駆動方式としてホールモータを利用した三相全
波式を用いたが、これに限らず他の方式、例えば永久磁
石の極数や回転スピードに応じて四相半波式，三相半波
式，二相全波式，多相方式等を用いてもよい。図１４は
、回転磁場発生コイルとして１３１，１３２，１３３，
１３４，１３５，１３６の６個を取りつけた本発明の第
１１実施例を示す。本実施例においては、永久磁石の駆
動方式以外は前記第１実施例と同じであるため、同じ部
分についての説明は省略する。本実施例のものは、基本
的には三相全波式の駆動ではあるが、対向するコイル、
例えば１３１と１３６を同時に駆動し、回転むらおよび
トルクむらを低減することを狙いとしている。

【００２２】また、本発明の全ての実施例において、永
久磁石の駆動方法はホールモータを用いたものに限定さ
れるものではなく、図１５に示す本発明の第１０実施例
のように、他の回転手段、すなわちモータ等を使用して
回転させてもよい。本実施例においては、円筒容器１を
、シャフト９１を介してモータ９２により直接駆動した
例である。モータ９２の回転により、円筒容器も回転す
るが、この円筒容器１の回転に従って永久磁石３も磁性
流体２を介して回転する。

【００２３】次に本発明の第１３実施例を図１６に示す
。本実施例においては、シート状とした駆動用コイル１
３１，１３２，１３３，１３４，１３５，１３６と検出
用ホール素子４１，４２をセラミック製円筒容器１３０
に一体化形成したものである。セラミック製円筒容器１
３０にシート状コイルとホール素子が埋め込んであるた
め、駆動系の磁束効率および検出感度が向上する。

【００２４】次に本発明の第１４実施例を図１７に示す
。本実施例においては、前記第１３実施例と同様の目的
で、すなわち駆動系の磁束効率および検出感度を向上さ
せるために、円筒容器１３０に駆動用コイルを直接巻き
つけた例を示す。以上説明した全ての実施例においては
、永久磁石３の形状を円板状としたが、このほかにも形
状は可能であり、ケース内で回転可能であれば、多角形
のものや凹凸を有する形状でもよい。

【００２５】次に、本発明の第１５実施例を図１８乃至
図２０を用いて説明する。図１８は本実施例のセンサ部
を示す断面図、図１９は図１８の要部分解斜視図、図２
０は本実施例のジョイントを示す斜視図であり、前述の
第１実施例乃至第１４実施例と同じ構成部分には同一の
符号を付し、その説明は省略する。磁石回転手段として
機能する駆動コイル７００及び７０２は、各々コア７０
４及び７０６を有している。外部ケースキャップ７０８
は内部ケース７１０と接合され、その中心部にはジョイ
ント７１２が固定される。

【００２６】このジョイント７１２には、磁性流体を通
すためのＴ字状の通路７１４が設けてあり、更には、ジ
ョイント７１６が設けられ、このジョイント７１６を中
心にして回転リング７１８が回転できるようになってい
る。７２０は内部ケースであり、内部ケースキャップ７
２４とともに第２のケースとして機能する。内部ケース
７２０には内部に円柱状の凸部７２２が設けられ、この
凸部７２２の内部は回転リング７１８と接着固定され、
その外部はベアリング７２６と接着固定されている。ベ
アリング７２６の外周はドーナツ状の４極着磁リング磁
石３と接着固定されている。尚、この磁石と内部ケース
７２０及び内部ケースキャップ７２４との間には所定の
空間が形成され、例えば空気等のガスが充填されている
。尚、ガスを充填する代わりに真空としてもよい。

【００２７】上記構成とした本実施例においては、図１
８において角速度ωが加えられた場合、回転リング７１
８により磁石３及び内部ケース７２０はプレセッション
トルクと磁性流体２のスプリング力とが均衡する角度ま
で外部ケース７０８に対して傾く。磁石３はベアリング
７２６を介して回転し、磁性流体２とは非接触で回転す
るため、磁石３と磁性流体２との接触抵抗がない。従っ
て、センサの起動時に磁石３が所定の回転数に達するま
での時間が短縮される結果、センサの起動時間を短縮す
ることができる。また、磁石３の回転スピードを上げる
ことができるため、プレセッショントルクが増大する。 従って図１８に示す内部ケース７２０の傾き角θが大き
くなるため、より大きな出力信号を得ることができると
いう優れた効果を奏する。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、磁
石を非接触で回転させることができ、角速度の検出を正
確に行うことができるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の第１実施例の要部を示す要部断面
図、

【図２】　　図１のＡ−Ａ断面図、

【図３】　　第１実施例の全体構成図、

【図４】　　第
１実施例の検出部を示す回路図、

【図５】　　第２実施
例の要部断面図、

【図６】　　第３実施例を示す要部断
面図、

【図７】　　第４実施例を示す要部断面図、

【図
８】　　第５実施例を示す要部断面図、

【図９】　　第
６実施例を示す要部断面図、

【図１０】　　第７実施例
を示す要部断面図、

【図１１】　　第８実施例を示す要
部断面図、

【図１２】　　第９実施例を示す全体構成図
、

【図１３】　　第１０実施例を示す要部断面図、

【図
１４】　　第１１実施例を示す断面図、

【図１５】　　
第１２実施例を示す要部断面図、

【図１６】　　第１３
実施例を示す要部の概略斜視図、

【図１７】　　第１４
実施例を示す要部概略斜視図、

【図１８】　　第１５実
施例を示す断面図、

【図１９】　　図１８の要部分解斜
視図、

【図２０】　　本実施例のジョイントを示す斜視
図である。

【符号の説明】

１　　ケース １ａ　　側壁（移動制限手段） ３　　磁石 ４１，４２　　ホール素子（傾き検出手段）１３１，１
３２，１３３　　回転磁場発生用コイル２０２　　角速
度演算手段 ２０４　　回転磁場発生回路 ２０５　　定速回転制御手段。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ケースと、該ケース内に回転自在に配
   置された磁石と、前記ケースと前記磁石の間に配置され
   た磁性流体と、前記磁石と非接触で前記磁石を前記ケー
   ス中で回転させる磁石回転手段と、該磁石回転手段によ
   る前記磁石の前記回転を一定の速度に制御する回転制御
   手段と、前記磁石が定速で回転中に、前記磁石と前記ケ
   ースとの相対的な傾きを検出する傾き検出手段と、該傾
   き検出手段により検出された前記磁石と前記ケースとの
   相対的な傾きに基づいて、前記磁石の回転軸を傾斜させ
   る方向への前記ケースの回動の角速度を算出する角速度
   算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】　　前記ケースは、前記磁石の回転平面内
   での移動を制限する移動制限手段を有することを特徴と
   する請求項１記載の角速度検出装置。
3. 【請求項３】　　前記ケースは内部に第２のケースを有
   し、前記磁石は該第２のケース内部に密封状態で回転可
   能に保持され、前記磁性流体は前記ケースと前記第２の
   ケースの間に充填されていることを特徴とする請求項１
   又は２記載の角速度検出装置。