(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを吐出自在のポンプと、
上記ポンプから供給されたガスを噴出するノズルと、
上記ノズルから噴出されたガス流の到達位置を検出する複数のガス検知センサと、
上記複数のガス検知センサによるガス流の到達位置の変化を検知したとき、その変化の検知に基づいて角速度を演算する信号処理手段とを備えたガスレートジャイロにおいて、
前記ノズルは前記複数のガス検知センサを２次元配置して備えたガス検知器に対向して複数備えられ、
前記ノズルから噴出されたガスが前記ガス検知センサに到達するまでの時間を検出する到達時間検出手段と、
この到達時間検出手段によって検知された到達時間に基づいて角速度及び加速度を演算する演算手段と、をさらに備えていることを特徴とするガスレートジャイロ。
【請求項２】
ガスを吐出自在のポンプと、
上記ポンプから供給されたガスを噴出するノズルと、
上記ノズルから噴出されたガス流の到達位置を検出する複数のガス検知センサと、
上記複数のガス検知センサによるガス流の到達位置の変化を検知したとき、その変化の検知に基づいて角速度を演算する信号処理手段とを備えたガスレートジャイロにおいて、
前記複数のガス検知センサを２次元配置して備えたガス検知器に対向して配置した前記ノズルの穴形状は、両端側が前記複数のガス検知センサに対応する長さの偏平形状であり、
前記ノズルから噴出されたガスが前記ガス検知センサに到達するまでの時間を検出する到達時間検出手段と、
この到達時間検出手段によって検知された到達時間に基づいて角速度及び加速度を演算する演算手段とをさらに備えていることを特徴とするガスレートジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車や携帯電話や移動ロボット等のごとき適宜の移動体に搭載されて、移動体の加速度，角速度を多軸同時に検出することの出来るガスレートジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガスレートジャイロとして、１個のノズルと、このノズルから噴出されたガス流を検出する複数のガス検出センサとを備えた構成のガスレートジャイロは知られている。この種のガスレートジャイロは、ノズルから噴出されるガスの流速分布が、例えば移動体の旋回時の角速度に応じて変化する現象を利用しているものであって、ガスの流速分布の変化は、１次元的に配置した一対のヒートワイヤをガス検知センサとして利用した構成である。
【０００３】
今、例えば移動体の前進方向と前記ノズルからのガスの噴出方向が一致した状態から、上記移動体が右側に旋回すると、ノズルから前進方向へ噴出されたガスは慣性力によって前進方向へ直進するが、移動体に備えたガスレートジャイロにおけるジャイロ筐体及び筐体内において前記ノズルと対応して設けられた左右一対のガス検知センサは移動体と一体的に右方向に旋回する。
【０００４】
したがって、ガスレートジャイロの筐体内においては、ノズルから噴出されたガスは相対的に左側に曲がることとなり、左側に偏った流速分布になる。よって、左右一対のヒートワイヤ（ガス検知センサ）のうち左側のヒートワイヤが右側のヒートワイヤよりも冷却されて温度が低くなる。この温度低下により、左側のヒートワイヤの電気抵抗が低下する。
【０００５】
従来のガスレートジャイロにおいては、上述のように左右一対のヒートワイヤの温度差による電気抵抗値の差をホイートストンブリッジにより電位差に変換して取り出し、この電位差を左右方向への旋回時の角速度に対応させている。
【０００６】
ところで、ガスレートジャイロの適用例として、例えばカー・ナビゲーションを目的とした車載用の角速度センサがある。カー・ナビゲーション用の外界センサとしては、ＧＰＳ（Global Positioning System）が一般的であるが、ＧＰＳ電波の受信が不可能な場所においては車の現在位置を正確に計測することは不可能である。したがって、車載の角速度センサと速度検出器等によって車の現在位置を推定することが行われている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、従来のガスレートジャイロにおいては、ノズルから噴出されたガスの到達位置をヒートワイヤよりなるガス検知センサによって検出しているが、前記ガス検知センサは１次元配置なので、例えば左右方向の角速度しか検出できないという問題がある。
【０００８】
そこで、３個のガスレートジャイロを互いに垂直に配置することにより前後，左右，上下の３軸方向の角速度を検出可能であるが、外形寸法や重量が大きくなるという問題がある。また、従来のガスレートジャイロにおいては加速度は検出できないという問題がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、ガスを吐出自在のポンプと、上記ポンプから供給されたガスを噴出するノズルと、上記ノズルから噴出されたガス流の到達位置を検出する複数のガス検知センサと、上記複数のガス検知センサによるガス流の到達位置の変化を検知したとき、その変化の検知に基づいて角速度を演算する信号処理手段とを備えたガスレートジャイロにおいて、前記ノズルは前記複数のガス検知センサを２次元配置して備えたガス検知器に対向して複数備えられ、前記ノズルから噴出されたガスが前記ガス検知センサに到達するまでの時間を検出する到達時間検出手段と、この到達時間検出手段によって検知された到達時間に基づいて角速度及び加速度を演算する演算手段と、をさらに備えていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、ガスを吐出自在のポンプと、上記ポンプから供給されたガスを噴出するノズルと、上記ノズルから噴出されたガス流の到達位置を検出する複数のガス検知センサと、上記複数のガス検知センサによるガス流の到達位置の変化を検知したとき、その変化の検知に基づいて角速度を演算する信号処理手段とを備えたガスレートジャイロにおいて、前記複数のガス検知センサを２次元配置して備えたガス検知器に対向して配置した前記ノズルの穴形状は、両端側が前記複数のガス検知センサに対応する長さの偏平形状であり、前記ノズルから噴出されたガスが前記ガス検知センサに到達するまでの時間を検出する到達時間検出手段と、この到達時間検出手段によって検知された到達時間に基づいて角速度及び加速度を演算する演算手段とをさらに備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１を参照するに、本発明の実施の形態に係るガスレートジャイロ１は、例えばヘリウムや窒素などのごとき不活性ガスなどの適宜のガスを吐出自在のポンプ３を備えている。このポンプ３は、例えば公知のピエゾポンプなどのごときものであって、このポンプ３とガス流量を調整自在のバルブ５はガス流路７を介して接続してあり、このバルブ５にはガス流路９を介して複数のノズル１１Ａ，１１Ｂが接続してある。
【００１４】
上記バルブ５は、例えば圧電素子等をアクチュエータとしてガス流量を調整自在のバルブであって、ガス流路の開閉又は絞りを調整することによりガス流量を調整自在であり、バルブ５は各ノズル１１Ａ，１１Ｂに対応して設けられているものである。
【００１５】
前記ノズル１１Ａ，１１Ｂと対向して近接した位置には、前記ノズル１１Ａ，１１Ｂから噴射されたガス流の到達位置を検知するためのガス検知器１３が設けられている。このガス検知器１３は、図２に示すように、複数のガス検知センサ１５をＸ軸，Ｙ軸方向に２次元的に配置した構成である。上記各ガス検知センサ１５は、前記ノズル１１Ａ，１１Ｂから噴出されたガスがガス検知器１３に到達したことを検知できれば良いもので、例えば従来のガスレートジャイロと同様にヒートワイヤを用いた構成、或は図３に示すように、ノズル１１Ａ，１１Ｂから噴出されたガスが当接したとき変位するダイヤフラム１７の変位を静電容量の変化として検出する構成や、上記ダイヤフラム１７の変位をひずみゲージによって検出する構成など、種々の構成を採用することができる。
【００１６】
また、ガス検知器１３としては、図４に示すように、Ｘ軸方向に複数のヒートワイヤ１９Ｘを所定間隔で備えたＸ軸ワイヤフレーム２１ＸとＹ軸方向に複数のヒートワイヤ１９Ｙを所定間隔で備えたＹ軸ワイヤフレーム２１Ｙとを近接して対向配置した構成とすることも可能である。
【００１７】
上記構成においては、ノズル１１Ａ，１１Ｂから噴出されたガスがＸ軸，Ｙ軸ワイヤフレーム２１Ｘ，２１Ｙにおける各ヒートワイヤ１９Ｘ，１９Ｙに当接し冷却されることによって電気抵抗値が変化した各ヒートワイヤ１９Ｘ，１９Ｙを検知することにより、各ノズル１１Ａ，１１Ｂから噴出されたガスのＸ軸，Ｙ軸方向の到達位置を知ることができるものである。
【００１８】
再び図１を参照するに、前記ポンプ３，バルブ５，複数のノズル１１Ａ，１１Ｂ及びガス検知器１３は密閉した密閉容器（図示省略）内に格納されており、前記ノズル１１Ａ，１１Ｂから前記ガス検知器１３へ指向して噴出されたガスは、回収路２３を介して前記ポンプ３に循環する構成となっている。
【００１９】
前記ポンプ３及びバルブ５を制御するために、前記ガスレートジャイロ１はコントローラ２５を備えていると共に、前記ガス検知器１３に備えた各ガス検知センサ１５の検知信号を入力して種々演算処理を行う信号処理手段２７を備えている。
【００２０】
前記コントローラ２５は、前記ノズル１１Ａ，１１Ｂから噴出されるガス流が正弦波パターン或は矩形波パターン等のごとく適宜に脈動するように前記ポンプ３又はバルブ５を制御するものである。したがって、ポンプ３から各ノズル１１Ａ，１１Ｂまでの距離が短く、ポンプ３を間欠的に駆動してポンプ３から各ノズル１１Ａ，１１Ｂへガスを直接供給し、間欠的にガスを噴出する構成とした場合にはバルブ５を省略することができる。
【００２１】
また、ポンプ３から各ノズル１１Ａ，１１Ｂに至る距離が比較的長い場合や比較的容量の大きなポンプを１個とした場合等で、ポンプ３から吐出されたガスをチャンバ（図示省略）に一時的に貯留し、このチャンバから各ノズル１１Ａ，１１Ｂにガスを間欠的又は脈動的に供給して噴出する構成とする場合には各ノズル１１Ａ，１１Ｂに対応した各バルブ５を制御してガス流を調整することが望ましいものである。この場合、ガス検知器１３に近接してポンプ３の吸引口を配置することができ、各ノズル１１Ａ，１１Ｂから噴出されたガスを前記ガス検知器１３へ円滑に移動することができる。
【００２２】
前記コントローラ２５は、前記ポンプ３又はバルブ５に対して制御信号Ｓ１，Ｓ２を出力すると同時に信号処理手段２７に対して信号Ｓ３を出力するものである。
【００２３】
前記信号処理手段２７は、静止状態において前記ノズル１１Ａ，１１Ｂから所定速度ＶでＺ軸と平行に噴射したガスがガス検知器１３に到達（当接）したことをガス検知センサ１５によって検出したとき、この検出したガス検知センサ１５をＸ軸，Ｙ軸の基準位置として記憶すると共に、前記ノズル１１Ａ，１１Ｂからガスを噴射したときからガス検知センサ１５がガスの到達を検出するまでの時間を基準時間として記憶した記録手段２９を備えている。
【００２４】
また、前記コントローラ２５から例えばポンプ３又はバルブ５に制御信号Ｓ１又はＳ２が出力されてノズル１１Ａ，１１Ｂからガスの噴射が行われると同時に信号処理手段２７に入力された信号Ｓ３の入力時からガス検知センサ１５によるガス到達検知信号Ｓ４の入力時までを計時して到達時間を検知する到達時間検知手段の一例として計時手段３１を備えている。さらに信号処理手段２７は、前記ガス検知器１３においてガスの到達を検知したガス検知センサ１５によるＸ，Ｙ軸方向の位置情報信号（位置データ信号）Ｓ５，前記記録手段２９に記憶された基準位置情報（基準位置データ），基準時間情報（基準時間データ）及び前記計時手段３１によって計時された計時時間データに基いて角速度及び加速度を演算する演算手段３３を備えている。
【００２５】
以上のごとき構成において、ガスレートジャイロ１が例えば自動車等の移動体に装着され、この移動体が静止した状態あるいは外乱のない状態で定速で適宜方向に移動している状態にあるときに、コントローラ２５の制御の下に例えばポンプ３を駆動して各ノズル１１Ａ，１１Ｂからガスを所定速度ＶでＺ方向に噴射すると、ガスは慣性により所定速度ＶでＺ軸と平行に直進してガス検知器１３に到達する。
【００２６】
上述のごとくノズル１１Ａ，１１ＢからＺ軸に平行にガスが所定速度Ｖで噴射されてガス検知器１３に当接すると、その当接位置ＰＡ１，ＰＢ１のＸ軸，Ｙ軸方向の座標位置（ＸＡ１，ＹＡ１），（ＸＢ１，ＹＢ１）は複数のガス検知センサ１５によって検出される（図２及び図５（Ａ）参照）。またノズル１１Ａ，１１Ｂからガスが噴射されてからガス検知器１３に到達するまでの時間Ｔが計時手段３１によって計時される。
【００２７】
そして、前記当接位置ＰＡ１，ＰＢ１の座標位置（ＸＡ１，ＹＡ１），（ＸＢ１，ＹＢ１）及び時間Ｔは、基準位置データ及び基準時間データとして記録手段２９に格納される。なお、前記ノズル１１Ａ，１１Ｂからガス検知器１３までの距離がＬ（図１参照）であって一定であり、ノズル１１Ａ，１１Ｂから噴射されるガスの流速が常にＶであって一定であれば、静止時等においては、前記時間Ｔは（Ｌ／Ｖ）で表わされ常に一定になる。
【００２８】
ところで、ノズル１１Ａ，１１Ｂからガスが所定速度Ｖで噴射された後に、移動体のＺ軸方向（図２及び図５において紙面に垂直な方向）の移動速度が変化する（Ｚ軸並進）と、ガス検知器１３のＺ軸方向の移動速度は移動体と同時に変化し、ガスを噴射した瞬間のノズル１１Ａ，１１ＢのＺ軸方向の位置からガス検知器１３までの相対距離が変化するので、所定速度Ｖのガスがガス検知器１３に到達する時間が変化することになる。
【００２９】
すなわち計時手段３１によって計時した計時時間Ｔ１が基準時間Ｔより短時間の場合には、ガス検知器１３がノズル１１Ａ，１１Ｂに相当的に近接する態様となって、Ｚ軸の＋方向（図２，図５において紙面に垂直の表面側の方向）への移動速度が変化（減速）し、長時間の場合にはＺ軸の−方向への移動が変化（加速）したこととして検出することができる。そして、基準時間Ｔに対する計時時間の変化はノズル１１Ａ，１１Ｂから噴出されたガス流の相対的な速度変化として検出できる。したがって、前記計時時間の変化率を演算することにより移動体のＺ軸方向の加減速を演算できることになる。
【００３０】
なお、最初の計時においては、ノズル１１Ａ，１１Ｂからガスが所定速度Ｖで噴射されると同時に移動体のＺ軸方向の加減速が開始されたのか否か、或はガスが噴射されてからある時間経過後に加減速が開始されたのか否かの判別が厄介であるから、計時時間を連続して数回計時した場合の最初の計時時間は省略することが望ましい。
【００３１】
すなわち、ノズル１１Ａ，１１Ｂから噴射したガスのガス検知器１３に対する到達位置の座標位置が一定で、ノズル１１Ａ，１１Ｂからガス検知器１３に到達する時間が常に一定の場合は、移動体は静止状態又は等速度運動の状態にあることとして検知でき、そして、ガス検知器１３に対するガスの到達位置の座標位置が一定であるが、ノズル１１Ａ，１１Ｂからガスを噴射してガス検知器１３に到達するまでの到達時間が時々刻々変化するような場合には、移動体のＺ軸方向の加減速が行われている状態として検出することができるものである。
【００３２】
次に、図５（Ｂ）に示すように、ガス検知器１３に対するガスの到達位置ＰＡ２，ＰＢ２のＸ軸方向の座標位置は変化せずに、Ｙ軸方向の座標位置が変化した場合には、Ｙ軸方向への加減速が生じて移動速度が変化したか、又はＸ軸を中心として移動体に旋回が生じたこととして検知することができる。
【００３３】
すなわち、移動体のＹ軸方向への加減速が生じて移動速度が変化した場合には、ノズル１１Ａ，１１Ｂからガス検知器１３までの相対的な距離は変化せず一定であるから、ノズル１１Ａ，１１Ｂから所定速度Ｖで噴射されたガスがガス検知器１３に到達する時間は前記基準時間Ｔと等しい時間となるものである。そして、基準位置ＰＡ１，ＰＢ１に対する到達位置ＰＡ２，ＰＢ２のＹ軸方向の変化量が＋であるか−であるかを検知すると共に、Ｙ軸方向の変化量を検知することによりＹ軸方向への加減速を演算することができるものである。
【００３４】
また、ノズル１１Ａ，１１Ｂから所定速度Ｖで噴射されたガスのガス検知器１３に到達した到達位置ＰＡ２，ＰＢ２のＸ軸方向の座標位置は変化せずＹ軸方向の座標位置が変化している場合であって、ノズル１１Ａから所定速度Ｖで噴射されたガスがガス検知器１３に到達するまでの時間（ＴＡ２）とノズル１１Ｂから所定速度Ｖで噴出されたガスがガス検知器１３に到達するまでの時間（ＴＢ２）とが相違する場合には、Ｘ軸を中心として移動体に旋回を生じたこととして検知することができる。
【００３５】
すなわち、移動体がＸ軸を中心として旋回すると、ガス検知器１３も移動体と一体であって同時に旋回することとなる。ここで、ノズル１１Ａ，１１Ｂからガスを所定速度Ｖで噴射すると、両ノズル１１Ａ，１１Ｂから噴射されたガスは慣性によりガス検知器１３方向へ等速移動する。このようにガスが慣性により移動しているときに、ガス検知器１３がＸ軸を中心として旋回すると、ガスを噴射した瞬間時のノズル１１Ａ，１１Ｂからガス検知器１３にガスが至る相対的な距離Ａ１Ｌ，Ｂ１Ｌが変化し、かつ上記距離Ａ１Ｌ，Ｂ１Ｌの間にはＡ１Ｌ≠Ｂ１Ｌの関係にある。
【００３６】
したがって、ノズル１１Ａ，１１Ｂから所定速度Ｖで噴射されたそれぞれのガスがガス検知器１３に到達する時間ＴＡ２，ＴＢ２が相違することになる。上記到達時間ＴＡ２，ＴＢ２を基準時間Ｔと比較演算すること、又は上記到達時間ＴＡ２，ＴＢ２の差を演算することにより、移動体のＸ軸中心とする旋回方向及び角速度を検知できることになる。
【００３７】
すなわち、図５（Ｂ）に示すように、ガス検知器１３に対する到達位置ＰＡ２，ＰＢ２のＸ軸方向の座標位置は一定でＹ軸方向の座標位置が変化している場合には、ノズル１１Ａ，１１Ｂから所定速度Ｖで噴射されたガスのガス検知器１３に到達する到達時間ＴＡ２，ＴＢ２が等しいか否かを検知して、移動体のＹ軸方向の移動速度の変化（加減速）であるか、Ｘ軸を中心とする移動体の旋回であるかを検知できるものである。
【００３８】
次に、図５（Ｃ）に示すように、ノズル１１Ａ，１１Ｂから所定速度Ｖでガスが噴射されてガス検知器１３に到達した到達位置ＰＡ３，ＰＢ３の座標位置がＸ軸，Ｙ軸方向とも共に相違した場合で、到達時間ＴＡ３，ＴＢ３が共に等しい場合には、Ｚ軸を中心とする移動体の旋回として検出でき、かつ基準位置ＰＡ１，ＰＢ１に対する到達位置ＰＡ３，ＰＢ３の変化量を演算することにより、旋回時の角速度を検出することができるものである。
【００３９】
ところで、図５（Ｄ）に示すように、ノズル１１Ａ，１１Ｂから所定速度Ｖで噴射されてガス検知器１３に到達した到達位置ＰＡ４，ＰＢ４が、Ｙ軸方向に変化せず（Ｙ軸方向に一定）、Ｘ軸方向に変化している場合には、移動体のＸ軸方向への移動速度の変化を生じたか、又はＹ軸を中心として旋回を生じたかを検知することができる。
【００４０】
すなわち、移動体のＸ軸方向への移動速度が変化した場合には、ノズル１１Ａ，１１Ｂからガス検知器１３までの相対的な距離は変化せず一定であるから、ノズル１１Ａ，１１Ｂから所定速度Ｖで噴射されたガスがガス検知器１３に到達する時間ＴＡ４，ＴＢ４は前記基準時間Ｔに等しい時間になる。
【００４１】
そして、基準位置ＰＡ１，ＰＢ１に対する前記到達位置ＰＡ４，ＰＢ４のＸ軸方向の変化量が＋であるか−であるかを検知すると共に、Ｘ軸方向の変化量を演算することにより、Ｘ軸方向への加減速を検知することができるものである。
【００４２】
また、ノズル１１Ａ，１１Ｂから所定速度Ｖで噴射されたガスがガス検知器１３に到達した到達位置ＰＡ４，ＰＢ４のＹ軸方向の座標位置が一定でＸ軸方向の座標位置が変化している場合であって、ノズル１１Ａ，１１Ｂから噴射されたガスがガス検知器１３に到達するまでの到達時間ＴＡ４，ＴＢ４が前記基準時間と相違する場合には、Ｙ軸を中心とした移動体の旋回として検知することができる。
【００４３】
ところで、前記説明においては、ガス検知器１３に備えた複数のガス検知センサ１５をＸＹ平面に配置した構成の場合について例示したが、図６に示すように円弧状又は球状の曲面３５に複数のガス検知センサ１５を配置する構成としても良く、また複数のノズル１１Ａ，１１Ｂは互いに平行でなく、互に交差した関係や互に傾斜した構成とすることも可能である。
【００４４】
また、ノズルとしては、例えば２個のノズル１１Ａ，１１Ｂを１個にまとめた態様の構成として両端側が複数のガス検知センサに対応する長さの偏平状のノズルとすることも可能である。
【００４５】
なお、ノズルの数は２つに限ることなくより多く設けても良いが、ノズル１１Ａ，ノズル１１Ｂの配置方向に対して配置方向の位置を異にした第３のノズル１１Ｃを設けて、ノズル１１Ａ，１１Ｂ及び１１Ｃの配置関係を三角形の関係，望ましくは直角三角形の関係に配置する構成としても良いものである。
【００４６】
このように、３個のノズルを三角形の位置関係，望ましくは直角三角形の位置関係に配置することにより、使用用途に限られることなく移動体の加速度及び角速度を多軸同時に検出することができるものである。
【００４７】
【発明の効果】
以上のごとき説明より理解されるように、本発明によれば、複数のノズルから噴射されたガスのガス検知器への到達位置及び到達時間を検知することにより、移動体の加速度及び角速度を多軸同時に検出することができ、前述したごとき従来の問題を解消し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るガスレートジャイロの構成を概略的に示した説明図である。
【図２】ガス検知器の構成を示す説明図である。
【図３】ガス検知センサの１例を示す説明図である。
【図４】ガス検知器の第２例の構成を示す説明図である。
【図５】ガス検知器に対するガス到達位置の変化を示す説明図である。
【図６】ガス検知センサの第２の配置例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  ガスレートジャイロ
３  ポンプ
５  バルブ
１１Ａ，１１Ｂ  ノズル
１３  ガス検知器
１５  ガス検知センサ
２５  コントローラ
２７  信号処理手段
２９  記録手段
３１  計時手段
３３  演算手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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