JP2009025283A - 一体型加速度計・角速度計システム - Google Patents

Abstract

【課題】互いに垂直な方向に入力される加速度量および角速度量を測定することが可能な一体型加速度計・角速度計システムを提供する。
【解決手段】駆動電圧を用いて質量体が一定の振幅を保つようにし、加速度軸および角速度軸方向の振動信号を検出する一体型加速度計・角速度計と、加速度軸方向の振動信号を取得する加速度軸振動信号取得部と、前記加速度軸振動信号取得部からの受信信号を用いて、一定の振動幅を持たせる加速度軸振動維持制御信号を出力する振幅維持制御部と、前記振幅維持制御部からの電圧信号を受け取り、一体型加速度計・角速度計に印加する加速度軸駆動入力部と、前記一体型加速度計・角速度計から検出された角速度軸方向の振動信号を取得する角速度軸振動信号取得部と、前記角速度軸振動信号取得部からの信号を用いて、一定の振動幅を持たせる信号を出力し前記一体型加速度計・角速度計に印加する力平衡制御部と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、加速度計・角速度計システムに係り、さらに詳しくは、互いに垂直な方向に入力される加速度量および角速度量を測定することが可能な一体型加速度計・角速度計システムに関する。

一般に、慣性物理力を測定する慣性センサーは加速度計と角速度計に大別されるが、これらは互いに独立した慣性センサーとして開発され、個別素子として市販されている。最近では、慣性力を測定し或いは位置・姿勢などを計算する分野においては加速度計と角速度計を同時に使用する方案が推進されている。

一方、例えば飛行体やミサイルや潜水艦など、３軸慣性力を測定するための慣性測定ユニットには、それぞれ少なくとも３つの加速度計および角速度計が必要である。このような慣性測定ユニットを製作するためには、３軸に対して互いに垂直な方向に整列する軸間整列手続きを行わなければならない。ところが、このような軸間整列は慣性測定ユニットの製作段階で多くのコストと時間を費やし、加速度計に比べて角速度計の垂直整列は相対的にさらに複雑な手続きを伴う。

このように、２軸以上の加速度および角速度を同時に使用する分野で個別的な加速度計と角速度計を使用することは、その体積およびコストの側面で不利であるうえ、センサーの数に比例するセンサー入力軸間の相互整列に手間がかかるという欠点がある。

したがって、多数の軸に入力される慣性力を測定するための複数の加速度計と角速度計を使用する場合、単一の機械的構造物を用いて構造的に相互整列されたセンサー入力角を有する慣性センサーの開発が切実に求められている。

そこで、本発明は、上述した技術的要求に応えるためのもので、その目的とするところは、互いに垂直な方向に入力される加速度量および角速度量を測定することが可能な一体型加速度計・角速度計システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、質量体の加速度軸方向に対する振動を用いて角速度計の駆動軸の振動を印加し、加速度入力時の前記加速度軸の振動に対する振幅制御信号を用いて入力加速度量を検出し、角速度入力時の前記角速度計の駆動軸の振動によって発生する角速度軸方向のコリオリの力を検出することを特徴とする、一体型加速度計・角速度計を提供する。

本発明の他の観点によれば、印加された駆動電圧を用いて質量体が一定の振幅を保つようにし、加速度軸および角速度軸方向の振動信号を検出する一体型加速度計・角速度計と、前記一体型加速度計・角速度計から検出された加速度軸方向の振動信号を取得する加速度軸振動信号取得部と、前記加速度軸振動信号取得部から受信した振動信号を用いて、一定の振動幅を持たせる加速度軸振動維持制御信号を出力する振幅維持制御部と、前記振幅維持制御部から印加された電圧信号を受け取り、一体型加速度計・角速度計に印加する加速度軸駆動入力部と、前記一体型加速度計・角速度計から検出された角速度軸方向の振動信号を取得する角速度軸振動信号取得部と、前記角速度軸振動信号取得部から受信した振動信号を用いて、一定の振動幅を持たせる角速度軸振動維持制御信号を出力する力平衡制御部と、前記力平衡制御部から印加された電圧信号を受け取り、前記一体型加速度計・角速度計に印加する角速度軸駆動入力部とを含む、一体型加速度計・角速度計システムを提供する。

上述した本発明によれば、質量体構造物の加速度入力軸に対して一定の振幅の振動制御を行って振動型加速度計を実現し、振動軸に垂直な角速度の入力に対してヘクトル積に該当する方向にコリオリの力を検出して振動型角速度計を実現することにより、単一の機械的構造物を用いて構造的に相互整列されたセンサー入力角を有するシステムを提供することができるという効果がある。

本発明の特徴および利点は、添付図面に基づいた以降の詳細な説明からさらに明白になるであろう。これに先立ち、本明細書および請求の範囲に使用された用語および単語は、発明者が自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に基づき、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されるべきである。なお、本発明と関連した公知の機能およびその構成については、具体的な説明が本発明の要旨を乱すおそれがあると判断される場合には、その具体的な説明を省略したことに留意すべきである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明について詳細に説明する。

本発明の一体型加速度計・角速度計は、質量体の加速度軸方向に対する振動を用いて角速度計の駆動軸の振動を印加し、加速度入力時の前記加速度軸の振動に対する振幅制御信号を用いて入力加速度量を検出し、角速度入力時の前記角速度計の駆動軸の振動によって発生する角速度軸方向のコリオリの力を検出する。

図１は本発明に係る一体型加速度計・角速度計システム１００の動作原理を理解するための一例示図である。

まず、加速度計の原理を説明するために、加速度検出軸方向（Ｚ軸）に振動する動力学方程式を考慮する。この際、質量体（Ｍ）のＺ軸方向の振動を誘導することは、質量体と検出軸電極との電位差によって発生する静電気力である。もしＺ軸方向に印加される加速度によって質量体と検出軸電極間の距離が変わる場合、両電極に誘導される静電気力が変わり、一定の駆動電圧信号に対して質量体の振動幅が変わる。この際、入力加速度に応じて電極間の距離が変わる場合にも質量体の振動幅を一定に保つようにし、このための振動幅制御電圧を用いて、印加される加速度信号を検出する動作原理を取る。

一方、角速度計の動作原理は、まず、入力加速度信号に関係なくＺ軸に一定な振幅の振動特性を基本仮定とする。すなわち、Ｚ軸方向に一定な振幅の振動は、共振型角速度計の駆動軸動力として機能する。したがって、角速度入力軸（Ｘ軸）に角速度量が入力されるとき、角速度検出軸（Ｙ）方向にコリオリの力が誘導される動作原理を持つ。

図２は本発明に係る一体型加速度計・角速度計システム１００（以下、「システム」という）を概念的に示す構成図である。図２に示すように、一体型加速度計・角速度計１１０、加速度軸振動信号取得部１２０、振幅維持制御部１３０、加速度軸駆動入力部１４０、角速度軸振動信号取得部１５０、力平衡制御部１６０、および角速度軸駆動入力部１７０を含んでなる。

一体型加速度計・角速度計１１０は、印加された駆動電圧を用いて質量体Ｍが一定の振幅を保つようにし、加速度軸および角速度軸方向の振動信号を検出する機能を行うところ、加速度軸駆動電圧および角速度軸駆動電圧をそれぞれ印加される加速度軸駆動電極１１１および角速度軸駆動電極１１２と、加速度軸方向の振動信号および角速度軸方向の振動信号をそれぞれ検出する加速度軸振動電極１１３および角速度軸振動電極１１４を含む。

加速度軸振動信号取得部１２０は、加速度軸振動電極１１３から検出された加速度軸方向の振動信号を取得する機能を行う。

振幅維持制御部１３０は、加速度軸振動信号取得部１２０から受信した振動信号を用いて、一定の振動幅を持たせる加速度軸振動維持制御信号を出力する機能を行うところ、図３に示すように、加速度軸振動信号取得部１２０から受信した振動信号を包絡線検出器１３２と乗算器１３５へ分離して出力するバッファ器１３１と、前記バッファ器から出力された信号の包絡線を検出することにより、包絡線信号を出力する包絡線検出器１３２と、振動体の振幅を決定するために、印加された加速度量に関係なく一定の大きさの振動を誘導する基準信号を生成する基準値入力器１３３と、包絡線検出器１３２からの包絡線信号と基準値入力器１３３からの基準信号を用いて、加速度計が一定の振幅で振動するための加速度軸振動維持制御信号を出力する制御器１３４と、バッファ器１３１からの振動信号と制御器１３４からの制御信号との乗算演算を行った後、演算された電圧信号を加速度軸駆動入力部１４０に印加する乗算器１３５とを含む。

加速度軸駆動入力部１４０は、乗算器１３５から印加された電圧信号を受け取って加速度軸駆動電極１１１に印加する機能を行う。

すなわち、質量体Ｍは、加速度軸駆動電極１１１を介して印加された正弦波の駆動電圧で振動することにより、一定の振幅を保つ。

一方、加速度軸に垂直な方向に角速度量が入力されるとき、両軸のヘクトル積方向に発生するコリオリの力を検出するために、角速度軸振動電極１１４と角速度軸振動信号取得部１５０を備える。角速度軸振動信号取得部１５０からの角速度軸振動信号を力平衡制御部１６０に印加することにより、入力角速度量に応じて誘発される角速度軸の振動特性を抑制することができる。

具体的に、角速度軸振動信号取得部１５０は、角速度軸振動電極１１４から検出された角速度軸方向の振動信号を取得する機能を行う。

力平衡制御部１６０は、角速度軸振動信号取得部１５０から受信した振動信号を用いて、一定の振動幅を持たせる角速度軸振動維持制御信号を出力する機能を行うところ、図４に示すように、角速度軸振動信号取得部１５０から受信した振動信号を包絡線検出器１６２と乗算器１６６へ分離して出力するバッファ器１６１と、バッファ器１６１から出力された信号の包絡線を検出することにより、包絡線信号を出力する包絡線検出器１６２と、振動体の振幅を決定するために、印加された角速度量に関係なく一定の大きさの振動を誘導する基準信号を生成する基準値入力器１６３と、包絡線検出器１６２からの包絡線信号および基準値入力器１６３からの基準信号を用いて、角速度計が一定の振幅で振動するための角速度軸振動維持制御信号を出力する制御器１６４と、バッファ器１６１から入力された振動信号に対して利得の大きさが１であり、同一の周波数および同一の位相を有する正弦波信号を出力する単位利得基準周波数出力器１６５と、単位利得基準周波数出力器１６５からの正弦波信号と制御器１６４からの制御信号との乗算演算を行った後、演算された電圧信号を角速度軸駆動入力部１７０に印加する乗算器１６６とを含む。

角速度軸駆動入力部１７０は、乗算器１６６から印加された電圧信号を受け取り、角速度軸駆動電極１１２に印加する機能を行う。

本実施例において、振幅維持制御部１３０の制御器１３４および力平衡制御部１６０の制御器１６４を比例−積分−微分制御器と設定したが、本発明は、これに限定されるものではないので、様々に設計変更が可能である。

また、本実施例において、単位利得基準周波数出力器１６５は、ｏｐ−ａｍｐを活用した増幅器から構成され、入力信号を高い利得率で増幅する利得部、入力信号と同一の位相を有する矩形波信号を出力するリミッター、および角速度計の共振周波数に相当する周波数を中心周波数として持つ帯域通過フィルターから構成されると設定した。ところが、前記リミッターを、適切なスルーレート(slew rate)を持つｏｐ−ａｍｐを活用した比較器、または雑音信号の大きさに応じてシュミットトリガーなどに変更することが可能なので、本発明はこれに限定されるものではない。

一方、図５は本発明に係る一体型加速度計・角速度計システム１００を介して加速度を印加する時の振動幅の変化を示すグラフである。ここで、ｔ＝０秒で約５ｇに相当する加速度が印加された場合、振動幅信号は速く定常状態に収斂する。この際、定常状態における振動幅は加速度が印加される前の振動幅の信号と同一である。したがって、このような一定の振動幅を保つようにする制御信号を復調することにより、印加される加速度信号を計算することができることが分かる。

図６は本発明に係る一体型加速度計・角速度計システム１００を介して角速度を印加する際に制御器１６４が動作する結果を示すグラフである。ここで、ｔ＜０の領域は制御器１６４が動作しない開ループ試験結果であり、ｔ＞０の領域は制御器１６４が動作する試験結果である。また、ａ信号は角速度計軸方向に出力される変位信号であり、ｂ信号は制御器１６４の出力信号である。

すなわち、制御器１６４が動作する瞬間、角速度計の検出軸変位信号は０に近い値に制御される。この際、変位信号を抑制するための制御信号が変位信号に比例する値を出力し、このような制御信号を変調することにより、角速度を計算することができる。

以上、本発明の技術的思想を例示するための好適な実施例と関連して説明、図示したが、本発明は、このように図示・説明されたそのままの構成および作用に局限されるものではなく、当業者であれば、技術的思想の範疇から逸脱することなく、本発明に対して多数の変形および修正を加え得ることが理解できるであろう。したがって、それらの適切な変更、修正およびその均等物についても当然に本発明の範囲に属するものと了解すべきである。

本発明に係る一体型加速度計・角速度計の動作原理を説明するための一例示図である。 本発明に係る一体型加速度計・角速度計システムの全体構成図である。 本発明に係る振幅維持制御部の細部構成図である。 本発明に係る力平衡制御部の細部構成図である。 本発明に係る一体型加速度計・角速度計システムを介して加速度を印加する時の振動幅の変化を示すグラフである。 本発明に係る一体型加速度計・角速度計システムを介して角速度を印加する際に制御器が動作する結果を示すグラフである。

符号の説明

１００ 一体型加速度計・角速度計システム
１１０ 一体型加速度計・角速度計
１１１ 加速度軸駆動電極
１１２ 角速度軸駆動電極
１１３ 加速度軸振動電極
１１４ 角速度軸振動電極
１２０ 加速度軸振動信号取得部
１３０ 振幅維持制御部
１３１、１６１ バッファ器
１３２、１６２ 包絡線検出器
１３３、１６３ 基準値入力器
１３４ 制御器
１３５、１６６ 乗算器
１４０ 加速度軸駆動入力部
１５０ 角速度軸振動信号取得部
１６０ 力平衡制御部
１６５ 単位利得基準周波数出力器
１７０ 角速度軸駆動入力部

Claims (8)

1. 質量体の加速度軸方向に対する振動を用いて角速度計の駆動軸の振動を印加し、
   加速度入力時の前記加速度軸の振動に対する振幅制御信号を用いて入力加速度量を検出し、
   角速度入力時の前記角速度計の駆動軸の振動によって発生する角速度軸方向のコリオリの力を検出することを特徴とする一体型加速度計・角速度計。
2. 印加された駆動電圧を用いて質量体が一定の振幅を保つようにし、加速度軸および角速度軸方向の振動信号を検出する一体型加速度計・角速度計と、
   前記一体型加速度計・角速度計から検出された加速度軸方向の振動信号を取得する加速度軸振動信号取得部と、
   前記加速度軸振動信号取得部から受信した振動信号を用いて、一定の振動幅を持たせる加速度軸振動維持制御信号を出力する振幅維持制御部と、
   前記振幅維持制御部から印加された電圧信号を受け取り、一体型加速度計・角速度計に印加する加速度軸駆動入力部と、
   前記一体型加速度計・角速度計から検出された角速度軸方向の振動信号を取得する角速度軸振動軸信号取得部と、
   前記角速度軸振動信号取得部から受信した振動信号を用いて、一定の振動幅を持たせる角速度軸振動維持制御信号を出力する力平衡制御部と、
   前記力平衡制御部から印加された電圧信号を受け取り、前記一体型加速度計・角速度計に印加する角速度軸駆動入力部とを含むことを特徴とする一体型加速度計・角速度計システム。
3. 前記一体型加速度計・角速度計は、
   加速度軸駆動電圧および角速度軸駆動電圧の印加をそれぞれ受ける加速度軸駆動電極および角速度軸駆動電極と、加速度軸方向の振動信号および角速度軸方向の振動信号をそれぞれ検出する加速度軸振動電極および角速度軸振動電極を含むことを特徴とする請求項２に記載の一体型加速度計・角速度計システム。
4. 前記振幅維持制御部は、
   前記加速度軸振動信号取得部から受信した振動信号を包絡線検出器と乗算器へ分離して出力するバッファ器と、前記バッファ器から出力された信号の包絡線を検出することにより、包絡線信号を出力する包絡線検出器と、印加された加速度量に関係なく一定の大きさの振動を誘導する基準信号を生成する基準値入力器と、前記包絡線検出器からの包絡線信号と前記基準値入力器からの基準信号を用いて、加速度計が一定の振幅で振動するための加速度軸振動維持制御信号を出力する制御器と、前記バッファ器からの振動信号と前記制御器からの制御信号との乗算演算を行った後、演算された電圧信号を前記加速度軸駆動入力部に印加する乗算器とを含むことを特徴とする請求項２に記載の一体型加速度計・角速度計システム。
5. 前記振幅維持制御部の制御器は、比例−積分−微分制御器であることを特徴とする、請求項４に記載の一体型加速度計・角速度計システム。
6. 前記力平衡制御部は、
   前記角速度軸振動信号取得部から受信した振動信号を包絡線検出器と乗算器へ分離して出力するバッファ器と、前記バッファ器から出力された信号の包絡線を検出することにより、包絡線信号を出力する包絡線検出器と、印加された角速度量に関係なく一定の大きさの振動を誘導する基準信号を生成する基準値入力器と、前記包絡線検出器からの包絡線信号と前記基準値入力器からの基準信号を用いて、角速度計が一定の振幅で振動するための角速度軸振動維持制御信号を出力する制御器と、前記バッファ器から入力された振動信号に対して利得の大きさが１であり、同一周波数および同一位相を有する正弦波信号を出力する単位利得基準周波数出力器と、前記単位利得基準周波数出力器からの正弦波信号と前記制御器からの制御信号との乗算演算を行った後、演算された電圧信号を前記角速度軸駆動入力部に印加する乗算器とを含むことを特徴とする請求項２に記載の一体型加速度計・角速度計システム。
7. 前記力平衡制御部の制御器は、比例−積分−微分制御器であることを特徴とする請求項６に記載の一体型加速度計・角速度計システム。
8. 前記単位利得基準周波数出力器は、
   ｏｐ−ａｍｐを活用した増幅器から構成され、入力信号を高めた利得率で増幅する利得部と、入力信号と同一の位相を有する矩形波信号を出力するリミッターと、角速度計の共振周波数に相当する周波数を中心周波数として持つ帯域通過フィルターとから構成されることを特徴とする請求項６に記載の一体型加速度計・角速度計システム。

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