JPH04506571A - 角速度センサ - 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】 角速度センサ 本発明は、角速度センサに関し、特にジャイロスコープ原理を用いた角速度セン サに関する。

センサ装置には導電性を有する液体が使用され、センサ本体の動きに対応して液 体内に電流を誘起するよう、前記液体が磁場を介して限定された経路に沿って変 位することが知られている。

このようなタイプの電磁流体を使用するセンサは、一般に角加速度を測定するた めに用いられ、その一実施例がラウリンの米国特許第４．７１８，２７６号明細 書に開示されている。すなわち、拡張された一様な角速度のため、流体の速度は キャビティの速度とほぼ同一であり、角速度の測定が出来ない。一般的なタイプ のセンサであるにもかかわらず角速度が測定出来るよう考案されたセンサがジエ イコブスの米国特許第４，１８８．５７６号明細書に開示されている。そこでは 、流体が回転するノズルから噴射されずに横方向の磁場を介して噴射され、その 結果噴射方向の電流が誘起されることを教示している。この誘起された電流は、 噴射により回転しかつ流体の流路方向に離間したピックアップ間で測定される。

そしてこの電流は角速度に比例する。

ジエイコブスの米国特許第４，１８８．５７６号に係る装置に代る装置、すなわ ち大きさの点や単純かつ質素な構成の点で確実に優れている装置をここに提供す る。この装置は、第２の流体を横切る第１の流体を使用せずに、唯一キャビティ 内の流体のみを使用するものである。そしてまた導電性を有する流体を使用しな い実施例を提供する。

ガスの使用、例えばガスプラズマの使用が考えられないわけではないが、ここで は液体を使用する実施例を提供する。

特に環状形状のキャビティの周囲方向を流れる流体、すなわち角運動量を有する 流体を使用する装置を提供する。そして、キャビティが流体の事実上の回転軸に 垂直な方向に回転する際に、流路に対する横方向における流体の速度勾配の変化 を測定する。

従って、流体が充填しているキャビティの受感軸の周りの角速度を測定する回転 センサであって、キャビティ内の流体に前記受感軸に垂直な回転軸の周りの回転 を引起こすエネルギー供給手段を有し、前記回転軸に平行な流体が流速の速度勾 配を有し、前記受感軸の周りのキャビティの回転による流速の速度勾配の変化を 検知する検知手段を有する回転センサを提供する。

さらに、前記受感軸の周りのキャビティの回転速度、すなわち前記流速の速度勾 配の変化の測定結果を表示する装置を外部に設けると有益である。

前記流体内に設置されたセンサで、センタータップの一端部に発生する電気信号 と他端部に発生する電気信号とを比較することによって速度勾配の変化を測定す ると有益である。

使用に際し、導電性を有する液体が磁場を横切る限定された経路に沿って移動す ると、実施の際特に有益である。この場合、流体の流路を隔てて離間した位置に おける磁位差は液体に作用する横方向の力に対応し、前記流体が横切る磁力線の 量に差が生じるため、液体の速度プロフィールに影響を及ぼす。

″　導電性流体の流速を測定する非浸入な手段、例えば交流電力が印加されたソ レノイドを二つ使用することがミツチルマンの米国特許第３．５６６．６８７号 明細書に開示されている。

液体を閉じ込めた状態でのキャビティの回転、すなわち事実上のスピンの軸つま り流体の回転軸に垂直な受感軸の周りの回転により、移動する流体の各要素の角 運動量および受感軸の周りのキャビティの回転速度に比例して、移動する流体の 各要素に作用する力が発生する。そしてこの力により流速の速度勾配すなわち流 体の横方向における速度プロフィールが発生する。

好適には、キャビティは密閉されたものが良く、その結果として、例えば導電性 液体が磁場中に置かれているとき、液体中に電流を流すことによって液体に運動 エネルギーが供給され、測定に係る輪の周りに回転が生じる。その他のものとし ては、開口部を有するキャビティ内に流体を入れることも可能で、外設するイン ペラによって、好適には連続的な流体の流れを可能にするための流体排出手段に よって、さらに有益には、排出された流体をインペラの入口に循環させることに よってエネルギーを与え回転を引起こす。

本発明の実施例について概略図を膠照して説明する。

図１は、二対の磁石が取付けられ、水銀が充填している環状キャビティを含むセ ンサを内部に有する回転可能なケーシングの斜視図である。

図２は、第１図に示されるようなケーシングに取付けられる環状キャビティの概 略断面図である。

図３は、ケーシングの静止状態および、流体の回転軸に垂直な受感軸の周りの回 転の状態における流体の速度分布を示すグラフである。

図４は、センサからの出力を増幅する増幅器、すなわち受感軸の周りのキャビテ ィの回転速度を表示する装置のための増幅器とキャビティとの間の概略的な電気 配線図である。

図５は、改良されたキャビティ装置を示す図である。

図６は、図５におけるＶｌ−Ｖｌ線の断面図である。

図１の実施例において、ケーシングまたは容器１０はプラスチックなどの電気的 絶縁物からなる。そして図２に示すように、その内部に水銀が充填した環状形状 の空洞部１３を有する。他の実施例としては、均質の導電性を有する液体を使用 する。図２により明瞭に示されているように、第４の永久磁石の対１１と箪２の 永久磁石の対１２が容器１０における径方向に対して相対する位置に設けられる 。この為、双方の磁石の対から発生する磁力線がケーシングの壁を同一方向に貫 通する。各磁石の対の径方向の内側部分は、ケーシング１０を形成するプラスチ ック中に埋め込まれている。そして各磁石の対の径方向の外側部分はケーシング の外部に存在する。

入力側の電極１４は、電流発生機９からの電流が水銀中に流れるよう水銀中に浸 入している。永久磁石１１の位置で、水銀がこの紙面の表或いは裏方向への運動 エネルギーを得ると、液体の水銀が回転軸ＲＡの周りに回転する。キャビティの 断面の形状は、ケーシングの壁の摩擦抵抗との関係で選択される。水銀の流路に 対する横方向の各位置における流速は、図３がその全ての速度勾配をグラフで示 すように、キャビティの後中心線から端に行くにしたがって減少する。キャビテ ィは、回転軸ＲＡに垂直すなわち図２における平面方向にその最大直径を有する 。正面から見た回転軸ＲＡの周りのキャビティ１３の周囲方向の液体の動きを想 定すると、径方向外側位置の流体要素の角速度は、径方向内側位置の流体要素の 角速度より大きい。しかしながら、キャビティの壁との接触による摩擦の点で、 外側位置の流体要素は、壁から離間していることに関係してゆっくりと動くこと が理解できる。

図２に示される実施例に代るものとして、キャビティは、形状が異なるものでも よい。例えば電極１４ａ、１４ｂとピックアップ１５ａ、１５ｂの双方の位置関 係において、ピックアップ１５ａ、１５ｂは、電極１４ａ、１４ｂと径方向に対 して相対する位置に離間しなくてもよい。またキャビティ１３の周囲方向に対す る横方向における断面形状は均一でなくてもよく、流体の角速度を増大するため に例えば頚部を設けてもよい。さらにキャビティ１３は、回転軸ＲＡに対して均 一な円形である必要はなく、また図２に示される外側−周縁部も同様に回転軸Ｒ Ａに対して均一な円形である必要はなく、受感軸ＳＡの周囲方向の形状に関して も均一な円形である必要はない。

さらに、ケーシングの容積を得るため液体の量を増加する目的で、ケーシングを 形成する電気的絶縁性を有するプラスチックの固体ブロック１０から削り取られ て形成される環状の空洞部からなるキャビティ１３に代えて、一対の磁石１１お よび１２のいずれか一方とセンサとピックアップとを除いてケーシング１０内を 全て空洞にし、この空洞部に液体すなわち水銀を充填して、流体の一部の速度プ ロフィールを検知する。また液体の一部はおそら（電極１４ａ、１４ｂによりエ ネルギーを得る。その結果、例えば液体内に薄い層状の流れが発生する。そして 液体の流れの一部または全部の速度プロフィールがピックアップ１５ａ、１５ｂ により検知される。

移動する水銀が一対の磁石１２の磁力線を横切ると、水銀中に電流が発生して、 図４に示すように、中央部でアース１６に接地した電極あるいはピックアップ１ ５ｍ、１５ｂ等により前記電流を測定することができる。帯電していない状態に おいて、水銀が静止するか、あるいは受感軸ＳＡの周りのケーシングの回転を伴 わずに水銀が回転軸ＲＡの周りに回転すると、速度勾配はアース１６の周りに対 称に現れる。従って、電極１５ａ、１５ｂに発生する電位が互いに等しいため打 消合う。図２に示すように、紬ＳＡの周りの反時計方向のキャビティの回転によ り、有効に回転する水銀にトルクが与えられる。そして、図３の点線のグラフで 示されるように、キャビティに沿った水銀の瞬間の流速でキャビティを水銀が移 動する。その結果、電極１５ａ、Ｌ５ｂの出力が相違する。

出力の相違は、軸ＳＡの周りのキャビティの回転速度に比例するため、前記回転 速度を測定することができる。増幅器１７の使用により出力値の差を表示装置３ ０で表示できる実用レベルまで増幅する。

その他の実施例として、１０オームの抵抗値を有する抵抗Ｒ１，Ｒ２に代えて、 増幅器１７に中心位置で配線される電位差計を使用することができる。

磁場と電流の双方によりキャビティの周りに水銀の流れを誘起する手段を提供す る。第２の一対の磁石１２と電極１５ａ、１５ｂにより、導電性流体の瞬間的な 流れの結果発生する電位を測定する。リード線１３に示されるように、流路に対 し横方向における任意の位置で非対称な速度の測定を行うよう、磁石１１，１２ とケーシングとを配置しその形状を決定する。すなわち、電極１４ａ、１４ｂを 配置することで電流が全体に流れる。つまり容器１０は絶縁体である必要がない 。液体にエネルギーを与えるには、所望により交流電流すなわち交流磁場を使用 することができる。特に直流電流による励起は導電性流体の減少を引起こし、電 極１４におけるイオンの過度の蓄積をもたらす。その他の実施例として、導電性 流体すなわち水銀は、その流体中にエネルギーを有する渦電流を発生させるよう に互いの位相関係が調整された交流電磁場、典型的には位相がずれた交流電磁場 により回転する。

交流電場または交流磁場は速度勾配を検知するためにも使用できる。従って交流 磁場により外部の回路に流れる微弱な交流電圧あるいは交流電流の測定が可能と なる。この際、導電性流体中に電極を使用する。好ましくはケーシングの外部に 対照の検出器を使用する。本装置は熱電磁場の抱える問題を考慮するときに適用 できる。

キャビティ１３は多くの異なる形状を育することが可能であり、ケーシングが静 止しているとき、すなわち流路に対する横方向において様々な流速を有するとき 、各形状のキャビティごとに異なる速度プロフィールを有する。さらに、キャビ ティは球形形状を有することが可能であり、また二つの球形形状体の間隙であっ ても良い。これら双方の場合の利点は、第一の受感軸に垂直な第二の受感軸の周 りの回転エネルギーが発生することである。ここで前記第一および第二の受感軸 は言及するまでもなく回転軸ＲＡに垂直である。キャビティは、輸ＲＡからの径 方向の距離によって回転する流体の流速が変化するような形状を有する必要があ り、固有の適用条件の下で、流れのプロフィールが最適な効果を育するようにそ の形状が選択される。

その他の実施例として、電気的勾配を検知する永久磁石１２に代えて、交流電流 によりエネルギーが発生するソレノイドコイルを使用することができる。導電性 流体に浸入している電極Ｌ５ａ、１５ｂに代えて、導電性流体中に誘起される電 流により発生する磁場を検知するよう配置されたコイルを使用することができる 。センサとしてのコイル中に流れる電流の振幅率および位相は、導電性流体すな わち水銀中の流速比に関する情報を提供する。

キャビティが導電性を有するなら、回転する導電性流体から発生する電位を導電 性の容器の表面で測定することができる。

その他の実施例として、非対称な速度の電気的手段による検知に代えて、回転す る流体中に流体の電気抵抗と異なる抵抗を有する帯電していない浮遊物を入れて もよい。従って、流路に対し横方向における電気抵抗は、帯電していない浮遊物 の分布および速度プロフィールによって変化する。

また、非対称な速度プロフィールを検知する手段として非電気的な手段を用いる こともできる。回転する流体が透明であるなら、不透明あるいは光を反射しかつ 流体と共に回転する帯電していない浮遊物による光の反射あるいは光の透過の変 化によって回転速度を検知することができる。回転する透明な流体に不均一性の 概念を導入する。光センサは回転する流体に導電性を要しないことが理解できる 。

回転する媒体として液体を使用する利点は液体が実質的に圧縮不可能なことにあ る。すなわちキャビティが高い回転力を受けても、速度分布に不一致のエラーが 生じないためである。

図５および図６に改良された装置を示す。一つの大きな永久磁石１１１はケーシ ング１１０に取付けられる。ケーシング１１０が透磁率の高い物質でできている ため、Ｎ掻からキャビティ１１３を貫通し、容器を通り、相対するＳ極まで磁力 線が走る。ここで磁力線はキャビティ内を放射状に貫通しＳ極へ至る。この結果 、同軸ケーブル１１４から端子１１４ａ、１１４ｂへ流れる電流と相互作用して キャビティ内の水銀の回転あるいは継続的な回転が発生する。非対称な電気的分 布は径方向の相対する位置でピックアップＩＬ５ａ、１１５ｂにより検知され、 センターセンサ１１６からの信号として増幅器／比較測定器１１８に入力され、 正味の電流が線１２１を介して図示しない表示装置に入力される。

本実施例において、磁石１１３およびケーシング１１０により外形を限定され、 絶縁物１５０．１５２からなる薄膜で覆われたその一部が球形の外側球形形状体 および内側球形形状体を有する薄い環状形状のキャビティ１１３内に水銀が閉込 められている。したがって本実施例では、キャビティ１１３は二つの切取られた 球形形状の間隙で形成される。すなわち図５に示されるように、絶縁物からなる 支持体１４０，１４２により形状が限定される上部端子および下部端子によって キャビティが形成られる。キャビティ１１３の最大実効直径１１９はセンタータ ップ１１６と交わる水平線として表れる。何故ならピックアップ１１４ａ、１１ ４ｂの間の測定軸が垂直であり、流体の回転軸もまた直径１１９の中心を横切る 垂直な軸の為である。そしてこれらの軸は中空頚部１４４の軸と一致する。そし て受感軸は直径１１９の中心から紙面より突出している。ケーブル１１４．１２ １は図５に示すように密閉部材の上部１４０および下部１４２に取付けられ、中 空頚部１４４を介して外部に突出している。好適とはいえない実施例では、ケー ブルは外部にむき出しに取付けられる。ピックアップ１１５ａ、１１５ｂの出力 の相違により、時計方向あるいは図５に示すような反時計方向の角速度が測定さ れるべく図示されていない本体に取付けるため、中空頚部１４４の外部１４６に ねじ山を設ける。

図２および図５に代わる実施例として、各ピックアップ１５ａ、１５ｂおよび１ １５ａ、１１５ｂは各電極１４ａ、１４ｂおよびｌｉａ、１１４ｂに対して径方 向に離間する位置と異なる位置に配置される。一方、流れの状態がキャビティの 周囲の長さ程度に変化すると、速度プロフィールの非対称性が最大となり、受感 軸の周りの最小の回転速度の検知能力すなわち特に回転速度の低い状態において 最大の検知能力を有する。低角速度の変化に注目すると、測定される新たな速度 とは別に、所望の場合には、角加速度すなわち角速度の変化率を外設する機器に より容易に算出することができる。流れに対する横方向の速度プロフィールの変 化が最大となる位置であって流体の流れの方向のキャビティの周囲方向の位置を 、周囲方向に離間した位置に新たに設けられたピックアップを使用することによ り容易に確認することができる。端子１１４ａ、１１４ｂを同軸ケーブルに接続 する代わりに、別々の線を一つに包んだリード線に接続する。

慣性抵抗を利用するセンサは、本発明が取組んだ二つの問題、すなわちその内部 構造の複雑さおよび必要な多くの高価な部品に伴うコスト高が主な要因となり、 広く使用することに限界がある。さらに前述したように、本発明が提供する液体 が充填されたキャビティは導電性物質である必要がない。

国際調査報告 １Ｆ＋ｔｒｐ場１１％ロー＾１２．誓１ｃｓｈ開Ｎ。、ＰＣＴ／（−８９０７０ １０３５国際調査報告 ＰＣＴ／ＧＢ　９０１０１０３５

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．流体を充填したキャビティ（１３，１１３）の受感軸（ＳＡ）の周りの角速 度を測定する角速度センサであって、前記キャビティ内の流体に前記受感軸（Ｓ Ａ）に垂直な回転軸（ＲＡ）の周りの回転を引起こすためのエネルギー供給手段 を有し、前記回転軸に平行な方向に移動する流体が流速の速度勾配を有する角速 度センサにおいて、前記受感軸の周りのキャビティの回転に伴う前記流速の速度 勾配の変化を検知する手段（１５ａ，１５ｂ；１１５ａ，１１５ｂ）を有するこ とを特徴とする角速度センサ。
2. ２．前記受感軸（ＳＡ）の周りのキャビティの回転速度を表示する表示装置（３ ０）をキャビティの外部に設けることを特徴とする請求の範囲１記載の角速度セ ンサ。
3. ３．前記検知手段は、流体中に浸入する導電性プローブ（１５ａ，１５ｂ；１１ ５ａ，１１５ｂ）を含み、前記エネルギー供給手段は、キャビティの周囲方向で あって前記プローブの間に流体の回転が発生するように、前記キャビティに設け られかつ導電性の入力側電極に近接して取付けられる永久磁石（１１，１１１） を含むことを特徴とする請求の範囲１記載の角速度センサ。
4. ４．導電性流体の回転を引起こす交流磁場を提供する交流電流発生手段を有する ことを特徴とする請求の範囲１記載の角速度センサ。
5. ５．キャビティの周囲方向の流体の回転を引起こすインペラ装置をキャビティの 外部に設けることを特徴とする請求の範囲１記載の角速度センサ。
6. ６．前記キャビティは、流体の回転軸（ＲＡ）から外側に向かって放射状に張出 し、中央位置に頂部（１９，１１９）を有する密閉された環状形状であることを 特徴とする請求の範囲１記載の角速度センサ。
7. ７．前記キャビティは内側球形形状体と外側球形形状体との間隙からなり、流体 の前記回転軸（ＲＡ）に垂直な二つの軸の周りにキャビティを回転させる手段を 有することを特徴とする請求の範囲１記載の角速度センサ。
8. ８．前記キャビティは導電性を有し、前記検知手段は電位を記録し、電位は容器 の表面で測定されることを特徴とする請求の範囲１記載の角速度センサ。
9. ９．微粒子からなる中性の浮遊物は流体中に位置し、前記物質の空間的な位置の 変化に反応する手段により流体の速度分布の変化を表示することを特徴とする請 求の範囲１記載の角速度センサ。
10. １０．前記回転する流体は光学的透明性を有し、微粒子からなる中性の浮遊物が 流体中に存在し、前記浮遊物による光の反射率および透過率を観測することで速 度プロフィールを決定する手段を有することを特徴とする請求の範囲１記載の角 速度センサ。