JPH06503172A - 低周波角速度センサー - 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】 低周波角速度センサー に１坦震 本出願は１９８９年１０月２５日出願の米国用Ｈ第０７／４２６゜２５４号に関 連するものである。

λ肌旦宣１ 本発明は角速度測定センサーの分野に関し、特に低周波角速度を検出する電磁流 体角速度センサに関する。

米国特許第４，７１８，２７６号に記載されているように、電磁流体角速度セン サを用いて回転軸のまわりの角速度を測定することができる。この種の従来のセ ンサは、電動型耐慣性質量体として機能する液体水銀の環帯を用いている。液体 水銀の環帯を育するセンサーが測定軸を中心にして回転すると、液体水銀による 耐慣性質量体とそれが納められている流路との相対運動により流路を横切って電 圧電位差が生じる。永久磁石が、水銀流路を横切って磁束と直交する電圧を発生 するのに必要な磁界を生じる。

低周波角運動の測定が必要な用途にこの種のセンサーを使用する場合には、１０ Ｈｚ以下の周波数ではセンサーの感度が十分ではない。従って、周波数が１０Ｈ ｚ以下になると周波数レスポンスが急激に低下し、角速度の測定が不安定になる 。本発明は、このセンサー感度が劣化する低い周波数において特に有効である。

上述のような低周波角速度の測定が望ましい用途には角速度ジャイロスコープが しばしば用いられる。この種のジャイロスコープは、複雑な可動部系の機械的摩 耗や疲労のため寿命が短い。

従って、本発明は、電磁流体角速度センサーでは従来不可能だった低周波角速度 測定を行い、また機械的な摩耗や疲労の影響の少いセンサーを提供する。

良肌旦遣１ 本発明の主要な目的は、低周波角回転速度を測定するセンサーを提供することで ある。

本発明のより具体的な目的は、測定帯域幅の広いセンサーを提供することである 。

本発明の更に他の目的は、コリオリ　（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ）加速度による低角速 度時の周速度成分を測定するセンサーを提供することである。

本発明の上述および他の目的は、流体回路を介して接続された２つの耐慣性液体 質量体を有するセンサーにより達成される。水銀のような導電性の液体から成る ２つの環状の耐慣性質量体には、センサーの回転時に液体水銀の入っている環状 の流路を夫々横切って電位が生じるように磁界が加えられる。２つの水銀の流路 は夫々の中央で電磁流体ポンプと戻り管を介して接続されて、１つの連続する流 体回路を形成する流路を水銀がくり返し循環するようにされている。

２つの環状流路間に液体水銀を送り込むと、水銀が各流路にその半径方向から入 るときにコリオリ　（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ）加速度成分が各流路の水銀に生じる。

低周波角回転速度では、コリオリ（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ）加速度成分は周速度成分 を発生し、この周速度成分は各流路の電極で電圧として検出される。高周波角回 転速度では、従来通り周速度成分の検出はこの成分が減少した時に行われる。

液体水銀が第１の環状流路に半径方向から流入し第２の環状流路から半径方向に 流出することに基いてコリオリ加速度成分により生じる周速度成分の検出を高周 波角速度成分の検出と組合わせて、センサーの軸のまわりの高周波、即ち１０Ｈ ｚ以上の角速度ばかりでなく低周波、即ち１０Ｈｚ以下の角速度も検出するよう にする。

本発明の好ましい実施例では、夫々水銀の耐慣性質量体を保持する２つの環状流 路が電磁流体ポンプ手段により付勢される３つの垂直に延長する流路を介して相 互に連結されている。これらの垂直流路は戻り管を介して連通しており、一番上 の流路に流れ込んだ水銀は戻り管を通って一番下の流路に戻り、そこで再びポン プにより付勢されて各環状流路の液体耐慣性質量体となる半径方向の流体成分を 形成する。環状流路は平行に間隔をおいて配され、またそれらの軸は同軸でセン サーの受感軸を形成する。流路は夫々独自の永久磁石を備えそれにより、各流路 内の耐慣性質量体の動きを検出するための電圧を流路を横切って誘起するのに必 要な磁束を発生する。

ｌ匡旦脱ｊ 第１図は、電磁流体効果による電界を測定して耐慣性質量体とハウジングとの相 対運動を検出することにより角運動検出の原理を示す。

第２図は、２つの耐慣性質量電磁流体検出器をポンプ室２０，２１及び２２と戻 り管２７とで連結した本発明の好ましい実施例の構成を示す。

第３図は本発明の好ましい実施例の分解図である。

第４図は、第３図のセンサーに対する電気的接続を示す本発明の好ましい実施例 の上面図である。

第５図は本発明の好ましい実施例によるセンサーのＡ−Ａ線上の断面図である。

第６図は同じ本発明の好ましい実施例のＢ−Ｂ線上の断面図である。

第７図はポンピングチャンネル（ｐｕｎρｉｎｇ　ｃｈａｎｎｅｌｓ）の構成を 示す本発明の好ましい実施例の他の断面図である。

第８図は拡張有効帯域幅全体に亘るセンサーの振幅レスポンスを示す。

第９図は拡張有効帯域幅全体に亘る好ましい実施例のセンサーの位相レスポンス を示す。

第１０図は上側と下側の検出電極からの出力を合成して合成出力を得るための電 子回路構成を示す。

第１１図は電磁流体ポンプ駆動用の定電流電源を示す。

第１２図は各種の電磁流体ポンプがどのように平行駆動されるかを示す。

第１３図は各種の電磁流体ポンプがどのように直列駆動されるかを示す。

ましい　の　明 第１図は電磁流体技術を利用した角速度検出の原理を示す図である。環状の流路 （ｃｈａｎｎｅｌ）　１１は、水銀であることが好ましい液体の耐慣性質量体を 保持している。この液体耐慣性質量体は、環状流路がその軸を中心として角速度 ωで回転しているときは静止している傾向がある。環状流路１１と同軸に配され た円板として示す永久磁石１２は、環状流路を慣切って接点１４．１５間に電位 Ｅを発生する。電磁流体電圧発生の原理によれば、電位は下記に比例する。

Ｅ（ｓ）　２ＢＷｒ ここで、Ｂは印加磁界の磁束 Ｕは水銀の平均半径方向速度 νは水銀の動粘度 りは流路の高さ Ｍはハルトマン数 Ｗは流路の幅、そして ｒはＲＭＳ流路の半径である。

角速度検出に対する実際の制約には角速度測定の帯域幅に限界があることも含ま れる。１０Ｈｚ以上の場合には、角速度の測定は周波数が上がるにつれて比較的 安定する傾向がある。

第１図に示す電磁流体耐慣性質量センサーの低周波数レスポンスを改善するため 、第２図に略称的に示す構成を本発明は提案する。

第２図は２つの環状の流路１１と１７を示し、これらの流路には夫々、水銀であ ることが好ましい液体の耐慣性質量体が含まれている。環状の流路１１および１ ７夫々に連結されているのは戻り導管２７と３本の垂直な液体流路２０．２１お よび２２である。液体流路２０．２１および２２を介して液体の耐慣性質量体を ポンプで送り込むことにより、各環状流路に半径方向速度成分を発生することが できる。一対の磁石１２と１８から環状流路１１および１７の夫々に対し磁束が 加えられる。導管２７と同じ方向に伸びる各流路の中央に配置される共通中央電 極ばかりでなく、各環状流路の周縁に配される一対の電極も図示されていない。

センサーの具体的な構成を述べれば明らかとなるように、検知した電位Ｅは下記 の通り２つの成分に比例する。

Ｅ　（ｓ　）　２　ＢＷｒｓ＋　４　ＢＷｕここで、ν、Ｂ、ｈおよびＭは前に 定義されており、Ｕは流路１１と１７に流入、流出する水銀の平均半径方向速度 である。

これら成分の二番目のものはコリオリ　（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ）加速度により生じ る周速度であり、これは周波数が低いときにはセンサーの角速度を決定するよう な大きな成分となる。耐慣性質量体の流れに半径方向速度成分を生じさせると、 コリオリ加速度による下記に示す角速度成分が発生する。

Ｅ（ｓ）　４ＢＷｕ コリオリ角速度により生じたこの成分は、角周波数が零に向って減少するＬ一つ れてそれらの低周波数での角速度ω（Ｓ）に比例する角速度人力ω（−ｉ）がセ ンナ−の光感軸のまわりに加えられると、上側および下側の検出流路１７と１１ で半径方向に流れる水銀は、半径方向ａ度Ｕと角速度ωに比例するコリオリ加速 度を受ける。

コリオリ加速度は、角速度ω’　ａ　ｃｏｒ＋ｎＬ１ｍ＝　２０）　ｕの旋回７ 、−Ａ中で速度１１で運動する物体の加速度成分と定義され、ここでωは入力角 速度、Ｕはケースに加えられた入力角速度に対する運動物体（水銀）の速度であ る。センサーを一定速度でその受感軸（円筒軸と一致する）を中心に回転すると 、水銀の半径方向速度のベクトルは入力角速度ωに直交し、コリオリ加速度成分 が円周方向で水銀に加わることになる。この結果、水銀は上側の流路では反時計 方向に流れ、下側の流路では逆に時計方向に流れるが、これらの流れは体積が等 しくなるような同じ大きさで検出磁石の磁界強度も等しい。この大きさは等しい が方向が反対の水銀の流速は、上側および下側の検出流路１７と１１夫々の外側 および内側電極間の電位として測定される。もし入力角速度が一定ならば、円周 方向の水銀の流速は定常状態値に達する。出力電圧は受感軸のまわりの入力角速 度に比例し、また水銀の流速にも比例する。

半径方向速度成分は、耐慣性質量体に液体流路２０．２１および２２夫々にポン プで送り込むことにより生じ、この場合、流路１７に入るとその半径方向の流れ は上側の流路ではコリオリ加速度成分により生じた周速度成分として検出され、 上側の流路を離れ導管２７を通過すると、下側の流路１１でも半径方向の流れは コリオリ加速度により生じた周速度成分として検出される。回転周波数が増える につれて、流路１１および１７夫々の耐慣性質量体の全周速度成分に対するコリ オリ加速度による周速度成分が減少する。周波数が零から略々１．０ＯＯＨｚま での間の一定振幅の角速度の場合の出力は比較的一定の検出電圧となる。周波数 が上昇するにつれて、低周波数のコリオリ加速度の検出が減るが、従来の耐慣性 質量体の速度成分は増加する。

第８図および第９図は、各センサーについでその角速ぎ杏位相遅れの理論的なＬ ／スボンス、ボルト／ラジアン／秒（ｖｏｌｔｓ／ｒａｃｌｉａ口／５ｅｃａｎ ｄ）を示す。低周波数レスポンスは、コリＡり加速度から生じる液体水銀の周速 度成分による電磁流体電圧電位Ｆ：を表わす。この速度成分は零ヘルツまで測定 できる（一定角速度）。

水銀の耐慣性質量体に直接生じる高周波速度成分は、センサーの受感軸まわりの 回転周波数が増加するにつれて検出可能となる。第８図はコノ現象を示し、また 合成レスポンｘ　（ｂｌｅｎｄｅｄ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ）が得られて広い帯域幅 を有するセンサーが得られることを示している。

第９図は入力角速度とセンサーの出力信号位相との間のコリオリ加速度による周 速度成分発生モードと従来の耐慣性質量モードの遅延位相レスポンスを示す。こ れらの位相差も合成されて（ｂｌｅｎｄｅｄ）ひとつの出力信号になると、位相 レスポンスは拡張帯域幅に亘って略々一定となる。

液体の耐慣性質量体を下側の流路１１から上側の流路１７に流入させるために、 ３つの電磁流体ポンプを夫々、磁石２５．２４および２６と電極６０，６１，６ ２．８３と６６．８７とから形成する。電磁流体システムで周知のように、直交 磁界の存在時に直流電位を加えると、水銀のような導電性の液体に力が加えられ る。

第３図には２つの耐慣性質量センサーを、各耐慣性質量体に半径方向速度成分を 与えるために複数の電磁流体ポンプで連結した前述の原理によるものの具体的な 構成の分解図を示す。第３図のセンサーは、磁石１２および１８からの磁束を閉 じ込める磁性材から成るハウジング３０に収納される。第１の環状流路１７は磁 石１８のた１６ノ絶縁カバー４３と流路基板４５とから成る。ステンレスの電極 ４０は環状流路の外側の円周を規定する中央開口を有するものとして示されてい る。基板４５の中央開口を介して環状流路が共通電極３８の導管開口２７と連通 できる。

第２の環状流路＋１も同様に磁石１２とそれの絶縁カバー４４とから成る。環状 の電［４１が環状流路１１０円周を規定する。基４６は第２の環状流路１１の底 面を形成する。基板４６の開口は導管２７と連通していて、下側の流路１１から 送り出された水銀の耐慣性質量体を上側の流路１７に戻すことができる。

流路１１と１７を相互に連結するポンプ機構はポンプ装置３９の中に含まれる。

ポンプ装置３９は３つのスリット２１．２２および２３を含み、これらを介して 流路１１と１７の外面が互いに連通している。２つの磁石２４と２５は、液体導 管２２と２３の夫々に必要な磁界を与えるために外側からポンプ装置３９内に挿 入される。

導管２１．２２および２３夫々について、それらの横方向の縁に接して対の電極 ５０，５３，５４．５８および５２．５５が配置されている。これらの対の電極 ５０乃至５６の夫々の間に必要な電位を加えることにより、水銀の耐慣性質量体 を流路１１の円周から流路１７へ送ることができる。共通電８ｉ３８に形成され た戻り管２７を介して水銀の耐慣性質量体は下側の流路１１に戻れる。

内側電極３８とポンプ電極５０乃至５６ばかりでなく上側流路１７の電極４０、 下側流路の電極４１が複数のねじ付きロッド６ｏ乃至６８により夫々の流路に接 続されている。

第４図は第３図のセンサーの上面図を示し、図示の線に沿う断面が夫々第５図、 第６図および第７図に示されている。第５図および第６図を参照すれば明らかな ように、各ねじ付きロッドは所定の電極に接続できる。両方の流路１１と１７に 共通な内側の検出電極３８とロッド６５とねじ５９によりそれらの流路に接続さ れる。ねじ５９はロッド６５と内側電極３８に接しているので流路１１と１７夫 々に共通な内側検出電極が形成される。同様に第５図は、内側電極３８と環状電 極４１の開口により規定される下側流路１１の外側の円周との間の電位が検出で きるようにロッド６８を介して接続された下側検出電極４１を示す。電磁流体ポ ンプの駆動電極は夫々第７図から明らかであり、これらの電極は６０，６１，６ ３．６４および６６．６７で示すねじ付きロッドでセンサーの外面に接続される 。各ねじ付きロッドはポンプ電極５０乃至５６の夫々に接触している。上側の流 路１７用の外側の検出電極は電極６２を介して設けられる。

これらの図面に示すコンパクトなセンサー構成は検出流路１１および１７の軸と 同軸な検出軸を有している。耐慣性質量体をポンプ送りをして各流路１１および １７内に半径方向の流れを形成するための装置への接続は容易に行うことができ る。

第１Ｏ図に示すように従来のセンサー電子技術を利用すると、内側検出電極３８ と外側検出電極４１および４４の間に発生した出力信号が下記のように合成され る。

Ｖｏｕｔ　＝　（Ｖ４２−Ｖ３８）　＋　（Ｖ４１−Ｖ３８）この式により、下 記のパラメータに比例する出力電圧Ｅ（ｓ）（Ｓはラプラース演算子）を生じる 。

Ｅ　（ｓ　）　２　ＢＷｒｓ＋　４　ＢＷｕここでＢ、ｒ、Ｂ、ｕ、Ｗ、Ｍ、ν およびｈは前に定義したものである。

第１Ｏ図はセンサーからの信号を処理する回路のひとつのタイプを示す。人力信 号接続用として、上側電極、下側電極および内側電極を夫々示す端子８２．６５ および６８を１対の差動増幅器９ｏに接続する。差動増幅器９０は次に第２の１ 対の差動増幅器９１に加えられる信号に利得を与える。第２の差動増幅器９１は これらの信号の加算および減算を行う。最終段９３において出力信号を合成して 前述の出力電圧を得る。

第１１図は、第１２図に示すよ月、−平列またば笥１３図１．゛２示すように歯 列に接続した電磁流体ポンプを駆動する定電流源を示す。第１１図の電源はレギ 。！ノー・−夕９５を介（て基準電圧源に接続した電圧調Ｖ器９７を存する。差 動増幅器９７の出力は１組の１２ボルトのバッテリが供給する１を王で駆Ｉ！Ｉ ムれる。、演算増幅器９７の出力電圧を用いてダーリン］・ンバイボーラトラン ジスタ対９８を駆動する。ダーリントントランジスタ刻９８により第２の直流電 圧源１ｏ。

から定電流が得られ、こオ］により第１２図に示す平列接続または第１３図に示 す直列接続の電磁流体ポンプを駆動する。

これらの電子回路の各種実施例が、導電性の液体を環状流路間に効果的にポンプ 送りするのに適したものであることは熟練した回路デザイナ−には明らかであろ う。

上述の構造の利点は、上側および下側の検出流路の出力を合成したものを示す第 ８図と第９図に見ることができる。図示の合成出力は、各流路への耐慣性質量体 の半径方向の流れのコリオリ加速度から生じる周速度に寄与する成分を含んでい る。従って、１０Ｈｚ以下では、出力信号の主要な成分はコリオリ加速度により 生じた周速度の検出からのものである。１０Ｈｚ以上では、上側および下側流路 は従来の耐慣性質量検出器−としてコリオリ加速度の周速度への寄与がどこで急 激に減少しているかを検出する。

所要のポンプ送り電位を各電磁流体ポンプに与えないことにより装置を従来の耐 慣性質量検出器として動作させることができる。この場合、センサーの従来の電 圧対角速度レスポンスが得られる。

外側ケース３０とその隔壁３１は、ケース３０のねじ穴３５に挿入された従来の 締め金具３４により一体に保持される。内蔵磁気回路はポンピング磁石２４．２ ５および２６の夫々と流路の磁石１２と１８との間に形成される。中央電橋３８ は各種永久磁石の磁束路を決める磁気回路の一部としての作用もする。磁石すべ ては水銀から電気的に絶縁されでいる。

４ｊｌって、各耐慣性質量体に与えられた速度の＝ｉミリオリ速度成分の検出を 導入することにより、前述の米国特許に記載の従来技術Ｃ測定が可能だった周波 数よりも低い周波数の角回転速度が測定できることが分る。この装置では各流路 １１および１７内の水銀以外に伯も晟械的動作部がないので耐久憧のあるセンサ ー装置が得られる。このセンサーは角速度ジャ・イロスコープが従来用いられて いた用途および高い信頼性が望ましい場合に適用できる。従来の角速度ジセ、イ ロスコープに関連する問題、例えば機械的な摩耗および疲労による短い使用寿命 またそれ以外の突発的故障などは本発明センサーの簡単なそして機械的可動部の ない構造により回避できる。簡単な構造なので製造費も安く抑えられる。

従って、上述するところは後述する特許請求の範囲でより具体的に定義する角速 度センサーの一実施例についてである。

ＦＩＧ、６ 日Ｇ、５ ｎ遵答虹）−１ｚ） ＦＩＧ、８ ＦＩＧ、９ 国際調合味告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．角速度センサで、 測定軸に沿って共通な軸を有しまた夫々導電性液体の耐慣性質量体を保持してい る第１および第２の離間配置の環状流路を有し、かっまた前記耐慣性質量体に対 し前記軸を中心として回転するハウジングと、 前記第１の環状流路に隣接して記された第１磁石と、前記第２の環状流路に隣接 して配された第２磁石と、前記第１および第２の環状流路の内表面に接触してい る内側検出電極と、 前記第１および第２の環状流路の外側部分に接触している第１および第２の外側 検出電極と、 ポンプ手段とから成り、前記ポンプ手段が前記液体耐慣性質量体を前記第１およ び第２の環状流路間に送り込むことにより、前記環状流路にその半径方向から前 記耐慣性質量体が流入し、その結果、前記内側検出電極と前記第１および第２の 外側検出電極間に、コリオリ加速度により前記耐慣性質量体に生じた周速度成分 として電気信号が発生する。
2. ２．特許請求の範囲１の角速度センサーにおいて前記ポンプ手段は、 前記環状流路をつなぐ複数の導管と、 前記導管のひとつに夫々関連配置された複数の磁石と、前記導管の夫々に関連配 置され、また前記液体を前記第２の環状流路から前記第２の環状流路に送り込む 電磁流体ポンプを前記磁石とともに形成する電圧源に接続された１対の電極と、 前記第１の環状流路と第２の環状流路の間に連結されて、前記第２の流路から前 記第１の流路へのポンプ送りされた液体を前記第２の流路へ戻す戻し導管とから 成る。
3. ３．特許請求の範囲１の角速度センサーにおいて前記ハウジングは磁性材料から 成る。
4. ４．特許請求の範囲１の角速度センサーにおいて、前記液体は水銀である。
5. ５．特等請求の範囲１の角速度センサーは更に前記第１の外側検出電極からの信 号を前記第２の外側検出電極からの信号と合成する手段を含む。
6. ６．特許請求の範囲５の負速度センサーにおいて、前記合成信号Ｅｏ（ｓ）は次 式で定義され、 ▲数式、化学式、表等があります▼ ここで、Ｂは印加された磁界の磁束 Ｗは流路の幅 ｕは水銀の半径方向の平均流速 Ｍはハルトマソ数 ｈは流路の高さ レは水銀の動粘度 Ｓはうプラース演算子 ωは角速度 Ｅは出力電圧である。
7. ７．広帯域角速度ω測定装置で、共通の軸を有し、また耐慣性質量体として作用 する導電性液体を夫々含む第１および第２環状流路を支持するハウジングと、 前記第１および第２の環状流路夫々に対向する第１および第２磁石と、 前記第１および第２の環状流路と夫々関連し、前記流路の夫々の前記耐慣性質量 体と前記ハウジング間の相対運動に応答して信号を発生する第１および第２の電 極手段と、前記環状流路を連結し、前記液体を前記第１および第２の流路にその 面と直交する方向で流入し、また前記液体を前記流路の半径方向に流入するポン プ手段と、 前記電極手段よりの信号を合成して、前記液体に対する前記ハウジングの周速度 に比例する信号を得る加数回路とから成る。
8. ８．特許請求の範囲７の角速度測定装置において、前記ポンプ手段は、 前記環状流路間に接続された複数の連結流路と、前記連結流路のひとつに夫々関 連配置された複数の磁石と、各連結流路に関連配置された一対の電極と、前記第 １および第２の流路の間に連結された戻り導管とから成り、前記対の電極に加え られた電圧電位に応答して液体が前記連結流路を通って前記第１および第２の流 路の間にポンプ送りされ、また前記戻り導管を通って前記第１の流路に戻る。
9. ９．特許請求の範囲８の広帯域角速度測定装置において、前記第１および第２の 流路に関連する前記第１および第２磁石は、前記連結流路に関連する前記磁石と ともに磁気回路を形成する。
10. １０．特許請求の範囲７の広帯域角速度センサーにおいて、前記第１および第２ 電極手段は、 前記第１の環状流路の内側円周面と前記第２の環状流路の内側円周面に接してい る共通電極と、 前記第１の環状流路と外側円周面に接している第１電極と、前記第２の環状流路 の外側円周面に接している第２電極から成る。