JPS5860213A - 物理的特性検出装置及びその方法 - 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】 本発明は、物理的緒特性を検出する装置に関する。特に
、本発明は、角速度、線形加速度、磁場の向き、電場の
向き、及び気流データのようなパラメータを検出しうる
装置に関する。現在、上揚のパラメータを計測し５る多
検出装置、すなわち、マルチセンナが存在する。この具
体的装置は、１９８０年４月１６日にロー２ンド　ピッ
トマンに対し発行された。「多検出装置及び多検出のた
めの諸装置」に対する米国特許紅茶４１）？７７８７号
ＫＮ示されている。この特許証に基づきその一部の詳細
を以下に述べる。

第１図は、装置１０及び適当な復調装置１２を示す。装
置ｉｏは、基本的に圧電物質によシ牌成されＬ＠の双極
チェ６を震成する。径方向に延び九２本のアームを有す
る（口）転軸１４から成る。物理的変化が加えられた時
、その２本のアーム社撓み、この撓みの程度に応じる圧
電気による起電力を生じる。その出力は、すべり環購造
によりマルチセンナから取出される（図示せず）。

上述のマルチセンサは、モータ回転軸の周りに圧電気発
生素子を（ロ）転させることにょシ速度及び−形加速度
を検出する。ピエゾ電気発生装置を適当に結合すること
により、それらの装置の諸応答はＰＪｒ望の入力に対し
最小化され、所望の出力に対し最大化される。軸が回転
している時、双極子の表面に発生する。加えられたいず
れかの加速度。

すなわち、加速度センナの場合の線形加速度、または回
転速度センサの場合のコリオリ加速度は。

ｃａｓ（ωａｔ）を乗じられ、その加えられた加速度に
大きさが比例する旋回転数信号を発生する。ここで、０
口は旋回角速度でおる。しかし、２倍の外乱入力が発生
し、旋回転数（２ω−）が加えられるときは、所望入力
から区別できない、旋回転数出力信号を発生するであろ
う。ベアリングに欠陥及び不完全さがあれば、それは、
回転機購により変調される加速度及び角速度を生む虞れ
があり。

かつ、出力に重着なエラーを生む。マルチセンサが単一
の双極子から購成されている場合には、これらの擬似信
号を補償する有効な方法がない。

第１図の装置は２倍の外乱旋回転数から目的とする入力
信号を識別する能力が与えられていないので、そのマル
チセンナは、これまで幅広く応用されなかった。したが
って、本発明の目指すところは、ｍｔつた出力信号を生
ずる可能性のめるベアリング−ノイズ及びその他の誤差
の影響を受けないマルチセンサの基本原理を利用するこ
とである。

本発明は、米国特許証第４１９’Ｚ７８７号に洲示され
たマルチセンサの欠陥を、第１の双極子に対し直角に配
設された第２の双極子を組込むことにより、克服する。

便宜的に、第１の双極子を実双極子と名付け、第２の双
極子を仮想双極子と名付ける。これらの双極子は回転座
標系の指標である。追加され友、すなわち、仮想双極子
は、復調すれば、最初にマルチセンナに与えられた情報
の正確な再需成を可能とする追加情報源を提供、する。

本発明をその他の目的とともにより良く理解するために
、株付図免に関連してなされた以下の説明を参照せよ、
参照範囲は特許請求の範囲において指摘されるであろう
。

本発明及びこの発明の一部を成す復調回路が第２図に図
示される。改良され九マルチセンサ２０は、第１図に示
された。先行技術に係るマルチセンナｌＯとほとんど同
一である。マルチセンサ２０は、圧電物質から成９軸２
８に装着された２１ＩｉＩの双極子２２及び２４を有す
る。マルチセンサ２０の機構上の細部は、その構成の目
的において、１個の双極子を有するマルチセンサの機構
上の細部と同様である。そのｉ溝上の細部社米国特許鉦
第４．１９？７８７号中で完全に明らかにされているの
で、この明細書においては繰り返さない。

第２９は、また、ブロック線図の形ちで、信号を復調−
ｊ８のに必要な回路を図示する。その復調過程は、若干
の相違はあるが、Ｌ＠の双極子を有するマルチセンサに
ついて使用されたものと同僚である。その復調過程は、
更に詳しく明らかにされるであろう。

以下の解析は、　２ｆｉｌの双極子を有するマルチセン
サの動作を理解するために必要でらる。

時間１−０において位相角φを有する振幅ＡＫついて、
マルチセンサのＸＹ平面における角速度ω。のサイア曲
線を描くような外乱を仮定すれば、その外乱の振幅は以
下の式により与えられる。すなわち。

Ｄ＝Ａ■（ω、を十φ）（１） その外乱がセンサのＸ軸に対し角θの線の方向に生ずる
ものとすれば、Ｘ軸方向の外乱は、Ｄ！”ＤＱＩＩθ　
　　　　　　　　　　　　（２）となる。まｆｃｓ’ｒ
軸方向の外乱は。

Ｄ、＝Ｄ虐θ　　　　　　　　　　　　　（３）となる
。

外乱のＸ軸方向成分について方程式ｌ及び２を結合し、
外乱のＹ軸方向成分について方程式ｌ及び８ｔｌ−結合
し、それを整理すると。

ｎｘ＝（■（ω、ｔ＋φ＋θ）十億（ω、ｔ＋φ−θ）
）　　（４）Ｄ！　＝ム（ｄｎ（ωＢ１＋φ＋θ）−ｔ
ｈ（ω、１＋φ−θ））　　　　（５）が与えられる。

センサが、旋回軸に対し直交的であって、がっ。

互いに直交的に装着された一対０双極子（と仁では実及
び仮想と称する）であると仮定し、さらに、実双極子を
１時刻１−０における計器のＸ軸に対し整列するものと
定義するとともに仮想双極子を。

時刻ｔ−π／（２０１）における計器のＹ軸に対し整列
するものと定義する。ここで、ω１−回転軸の角速度で
ある。現実信号については。

８璽　−Ｄ８α冨（ωａｔ）＋Ｄｙａｈ（ωａｔ）　　
　　　　　　　（６）及び、仮想信号については。

Ｅｆｔ　＝　Ｄｒ　（ＩＣＩＩ（０ｍ　ｔ）　−Ｄｘ　
ｍ（ａ’ａ　ｔ）　　　　　（７）が与えられる。

これを書直し整理すると。

Ｓｍ　　＝Ａ／２（ｃａｓ（（’％　　−０ｍ　　）、
）ｔ＋φ＋θ）十〇（（ω。＋ωｓＮ＋φ−θ）　）　
　　　　　　　　　（８）Ｓ　ｓ　　−Ａ／　２［ｄｎ
（（ωｐ−ω−））ｔ＋φ十〇）−ｔｈ（（−＋ωｓ）
ｔ＋φ−θ）　）　　　　　　　　　（９）が与えられ
る。

Ｘ軸及びＹ軸についての初期久方情報を復元するために
、実情報及び仮想情報にｄｎ（ωａｔ）及びＣｏｇ（ω
ａｔ）を乗じ、４＠の積を得てこれらの積の対を結合す
ることが必要である。

Ｘ＠信号＝８．・（２）（ω５ｔ）−８ｍ画（ωａｔ）
　　　（ト）Ｙ＠倍信号８１”ＣＯＩ！（ωｓ　ｔ）＋
８ｓ幽（”ａ　ｔ）　　　ＣＩＯこれに方程式（８）　
、　（９）を代入して書直し整理すると。

上記２ｗＡの信号成分について。

Ｘ信号＝Ａ／　２（ａｍ（ａＩ！ｌｔ＋φ十θ）十ｃｍ
（（ａｌｏｔ＋φ−θ）〕＠Ｙ信号−Ａ／２（ｓｉｎ（
怖ｔ＋φ＋６）−ｍ＜怖ｔ＋φ−θ）〕（至）が与えら
れる。

これらの式（６）及びＱｌは以下の通り書直すことがで
きる。すなわち。

Ｘ信号−Ａａｍ（ωＤ１＋φ）　ｃｍ　＃　　　　　　
　　　　　　　Ｑ４Ｙ信号−Ａｃｃｍ（ωＤ１＋φ）ｍ
θ　　　　　　　　　　　（至）Ａ　ｃｏｓ　（ω、ｔ
＋φ）ｆＪ４は、センナに加わった外乱である。他方、
■θ及び内θは、計器の両軸に対する外乱の方位を表現
する。方程式α４及び（至）は。

実双極子及び仮想双極子が計器に利用され、かつ。

信号後ｉ！Ｍｌが自及び（２）を乗じることによりなさ
れたとき、その出力は計器に対する入力を表わすことを
示す。旋回転数の２倍でベアリング−ノイズのエイリア
シングが靜バイアス中に入シ込む事態はあり得ない。

現存のマルチセンサにおいては、情報は、実センサ及び
仮想センサの利用に依ることなく１１の双極子博造の検
出器によりコード化される。この検出器による諸結果は
、方程式（７）及び（ロ）において仮想信号を０とする
ことにより得ることができる。

Ｘ信号−８ｌ”ＱＩｌ（ω−１）　　　　　　　　　　
　　　　＠Ｙ信号＝Ｓｍ’５ｈＩ（ωａｔ）　　　　　
　　　　　　　　　Ｑ７）これを書直し、整理すると、
２＠の信号成分について。

ｉ信号−ム邸（ω。ｔ＋φ）−〇）＋ム（２）（（ω１
２ω１）ｔ＋４ が得られる。

方程式［相］及び０９中の第１項は、方程式ａ◆及び（
至）により定義された信号の１／ｌに等しく、装置の真
出力を表わす。しかし、この出力は、第２項及び第８項
によりなまったものとなる。第８項はそれ程重要ではな
い。なぜなら、その最低可能回転数は、ω！ｌ−０の時
に装置の旋回転数０２倍で生じるからである。その第８
項社、通常、システムに影響を与えない高−転数ノイズ
を表わす、方程式（２）及びＯＱ中の第２項は困難を与
える。その第２項は、旋回転数０２倍の外乱は、６０チ
の感度で（計器の靜感度に比較して）出力に靜バイアス
を生じることを示す。ベアリング・ノイズの影響力は旋
回転数０２倍であるから、実双極子及び仮想双極子の両
方の利用のない計器の構成では、そのバイアス安定性に
重要なＱＩｌ　＠が昧せられる。

マルチセンサは、その実体においてエンコーダ又は変Ｖ
＠器でらる。そのマルチセンサかも有用な情報を得るた
めに、双極子の出力はすべり環構造（図示せず）Ｋより
採取され復調回路において処理される。その復調過程は
、全く変調の逆であり、その本質において上掲の方程式
（１）ないしく至）に表明された関係により制御される
。各双極子２２又は２Ｂからの信号は、それぞれ−２イ
ン８０及びε２の別個のチャンネルに供給される。それ
らの信号は、まず１１段Ｊ１及び８６において増４１！
されＦ波される。その後、各信号は同時に２１ｉの復調
器に供給される。一方の信号はｕｏにおいて基準化され
。

他方の信号は９０”において基準化される。この基隼化
社、数学的には各信号にｃａｓ（ωａｔ）及び―（ひａ
ｔ）を乗する−ことに等しい、上記復調過程を完成する
ために、復ｖＩＩ１１６８Ｂ及び４２の出力（実際は、
復調器４２の出力は反転される）は加算器４６において
加算され、復ｖ４器１０及び復調器１偽の出力は加算器
！８において加算される。出力増ｍ器及び出力フィルタ
が段６０及び６２に設けられている。これらの段６０及
び５２の出力は。

方程式α◆及びに）において数学的に示されているよう
に、Ｘ軸インジケータ及びＹ軸インジケータである。定
常状態の入力についてはω、＝ｏで６って、かつ、これ
らの信号は時間変動関数ではなく。

一定直流電圧であるに留意すべきである。

２１ｉ双極子購造のマルチセンサは％ＬＩＩ双極子情造
のマルチセンナに固有の欠陥を克服するＩｌｌの可能な
形態にすぎない、理論的に言えば、２次元システムを利
用して線形加速度及び角速度を標本化するいずれのシス
テムも所期の結果を得るであろう。例えば、互いに１２
０°の間隔をもって径方向に延び九８本のアームを有す
るセンナハ、２Ｏ２項を十分区別しうる。同様に、７２
°の間隔を有する５本のアームを有するセンナも可能で
ある。

それに対応する復ｖ４器は、センナ出力を解読するため
には適当な基準回転数を必要とする。

上記の問題究明においては、計器からの信号は正弦関数
又は余弦関数を乗じることによシ復調過程が行われるこ
とが仮定されていた。

この復調過程は、高率で信号を標本化し、適当なアンチ
φエイリアシングフィルタを通した後、ａ　／　Ｄ変換
を行ない、これにより得られた信号に。

読み出し専用メモ１７−　（ＲＯＭ　）に蓄えられ、か
つ、位相固定同期化閉回路のカウンタにより差し向けら
れる適当な正弦関数又は余弦関数を乗じることＫより原
則的に完成することができよう。結果として得られたデ
ータを単にデジタル低帯域フィルタを通すことによりコ
ンピュータの処理に適した情報を得ることができる。そ
のような前処理を効果的に行うためには、実際上、Ａ／
Ｄ変換器の多重送信を可能とするために、多分１００　
ＫＨ１！の域で動作しうる１６ないし１８ビツトの正確
さと分解度を有するＡ／Ｄ変換器が必要であろう。

現在、そのような変換器はとても入手できそうもない。

（入手しうるアナログ乗数器の正確さでも上記の目的に
は全く不適当である。） 現在、適当と思われる、復調操作のための唯一の手段は
、スイッチング復調器である。このスイッチング復調器
は、信号に幽（ω−ｔ）又はｔｘｓ（ω、１）を乗に１
のではなく±ｌを乗じることにより動作する。スイッチ
ング復１ｉｌｉｌ器を使用し九ときは、奇数高周波、矩
形波の特質が出方中ＫＭ人されるであろう、だから、フ
ィルタによりＦ波することが必要であろう。

本発明の好適な具体例と確信するものをここまでｄピ載
してきたが、当業者ならばこの具体例に対し、その他の
変形例を具体化すること及び更に変更を加えても本発明
の本質から逸脱しないことを認めるであろう、したがっ
て１本発明の真の範囲に入るそのような全ての具体例に
ついて特許権付与を請求するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、米国特許証第４１θ７７８７号に開示された
マルチセンサ及び適当な復調回路の説明図である。 第２図は１本発明による。改頁され之マルチ七ンサ及び
このマルチセンナに対応する復調回路の説明図でめる。 ２０・・・マルチセンサ、２２・・・第１双極子、２４
・・・°第２双極子、２６・・・旋回軸、２８・・・復
調手段。 ８８・・・第１同期復調器、４０・・・第２同期復調器
、弧２・・・第８同期復調器、痕４・・−第４同期復ｕ
器、盛８・・・加算器、４８・・・加算器。 ＦＩＧ、１ ０ ＦＩＧ、２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）回転軸と、２本の圧電結晶質アームから成り。 上記回転軸に中間点で結合され、信号出力を生じる第１
   双極子と、２本の圧電結晶質アームから成り、上記回転
   軸に中間点で結合され、信号出力を生じるものでらって
   、第１双極子に対し角度的に変位した第２双極子と、復
   調手段とを有する検出装置。 （２）　　上記第１双極子及び上記第２双極子が上記回
   転軸に対し垂直な平面内に配置された特許請求の範囲第
   １項記載の検出装置。 （３）　　上記第２双極子が第１双極子に対し９０°の
   角度をもって配置された特許請求の範囲第２項記載の検
   出装置。 （４）　　上記第１双極子及び上記第２双極子が四一平
   面内に存在する特許請求の範囲第８項記載の検出装置。 （５１上記第１双極子及び上記第２双極子に結合された
   出力供給用すベク環を有する特許請求の範囲第１項記載
   の検出装置。 （６１上記復調手段が同期復調器を含む特許請求の範囲
   第６項記載の検出装置。 （７）　　上記（３１Ｉ調手段が、各々、信号入力端子
   、基準入力端子及び信号出力端子を有する第１同期復調
   器、第２同期ＯＬ調器、第８同期復調器及び第弧同期伽
   ―器、並びに、υ°に対し基準化された位相を有する＠
   ｌ信号を発生する第１信号発生器、９０゜に対し基準化
   された位相を有する第２信号を発生する第２信号発生器
   、並びに、同相側入力端子、逆相側入力端子及び出力端
   子を有する第１加算器、第１同相側入力端子、第２同相
   側入力端子及び出力端子を有する第２加算器を含むとと
   もに、上記第１双極子の上記出力端子が上記第１同期復
   ｇ４器及び上記第２同期復調−の上記入力端子に接続さ
   れ、上記第２双極子の上記出力端子が上記第８同期復調
   器及び上記第県同期復調器に接続され、上記第１信号発
   生器の出力端子が上記第１閤期復調器及び上記第４同期
   復調器の一上記基準入力端子に接続され、上記第２信号
   発生器の出力端子が上記第２同期復調器及び上記第８同
   期復ＩＩＩ器の上記基準入力端子に接続され、上記第１
   同期復調器の上記出力端子が上記第１加算１の上記同相
   側入力端子に接続され、上記ＷＪ２同期復調器の上記出
   力端子が上記第２加算器ｐ上記第１同相側入力端子に接
   続され、上記第８加算器の上記出力端子が上記弗ｌ加３
   Ｉ器の上記逆相側入力端子に接続され、上記第１同期＊
   ｔＳ器の上記出力端子が上記第２加算器の第２同相饅入
   力端子に接続された特許請求の範囲第６項記載の検出装
   置。 （３）回転軸と、この回転軸に対し垂直方向に突出した
   状態でこの回転軸に取付けられた、圧電物質から成る第
   １アーム、第２アーム及び第８アームと、復調手段とを
   含み、上記アームが他のアームのそれぞれに対し１２０
   °の角度をもって配置された検出装置。 （９）　　圧電結晶物質から成る第１双極子を、その中
   間点でこの双極子に対し垂直な回転軸の周シに、急速旋
   回させることにより上記第１双−極子から出力信号を発
   生させる工程と、圧電結晶物質から成り、その中間点で
   上記第１双極子に、対し角度的に変位した第２双極子を
   、その中間点で上記回転軸の周りに、急速旋回させるこ
   とにより上記第２双極子から出力信号を発生させる工程
   と、上記第１双極子及び上記第２双極子の出力信号を復
   調する工程とを含む、線形加速度及び角速度検出方法。 （ト）　上記復調工程が、上記第１双極子の上記出力を
   ０９及び９０６の位相基準でそれぞれ同期復鉤すること
   により第１＊［信号及び第２復調信号を発生する工程と
   、上記第２双極子の上記出力を０″及び９０°の位相基
   準でそれ暑れ同期復調することにより第８復調信号及び
   第１復−信号を発生する工程と、上記第８復調信号を反
   転する工程と、上記第１復調信号及び上記反転第８復調
   信号を加算することによりＸ出力を発生する工程と、上
   記第２復１４倍号及び第４復調信号を加算することによ
   りＹ出力を発生する工程とを含む、特許請求の範囲第９
   項記載の細形加速度及び角速度検出方法。 Ｏ］）少なくとも２本の平行でない軸に結合した、これ
   らの軸の旋回軸を有し、上記少なくとも２本の軸は上記
   旋回軸に対しほぼ垂直である、物体の加速度及び角速度
   の測定方法。