(57)【要約】【課題】  磁性流体加速度計における流体力学的抵抗を減らす方法を提供すること。【解決手段】  １つの局面において、本発明は、ハウジング、このハウジングを不完全に充填するハウジング内の磁性流体、および磁性流体と接触する慣性体を備えるセンサを提供する。このセンサにおいて、慣性体の磁性流体に対する変位が、ハウジングの加速度の指標である。１つの局面において、本発明は、慣性体、この慣性体を懸垂状態に保持する、磁性流体の複数の液滴、およびこの磁性流体の液滴を適所に維持する、複数の磁極を備えるセンサを提供し、この磁性流体に対する慣性体の変位は、センサの加速度の指標である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング；
該ハウジング内の磁性流体であって、該磁性流体は、該ハウジングを不完全に充填する、磁性流体；および
該磁性流体と接触する慣性体
を備え、該慣性体の該磁性流体に対する変位が、該ハウジングの加速度の指標である、センサ。
【請求項２】
前記加速度が線加速度を含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記加速度が角加速度を含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記慣性体が気泡である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記慣性体が、前記磁性流体と異なる液体の液滴である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記ハウジングに設置された複数の磁石をさらに備え、ここで、前記磁性流体が、該磁石と前記慣性体との間に液滴として位置する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
磁性流体が、各磁石と前記慣性体との間に単一の液滴を構成する、請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
磁性流体が、各磁石と前記慣性体との間に複数の液滴を構成する、請求項６に記載のセンサ。
【請求項９】
前記ハウジング内の残りの体積が、非磁性流体で充填されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１０】
慣性体のほぼ周囲に液滴として配置される磁性流体；および
該磁性流体と慣性体との間に一般に配置される、該磁性流体とは異なる第２の流体を備えるセンサであって、該慣性体の変位が、該センサの加速度の指標である、センサ。
【請求項１１】
前記慣性体が気泡である、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記慣性体が、前記磁性流体とは異なる液体の液滴である、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１３】
ハウジング、および該ハウジングに設置された複数の磁石をさらに備え、前記液滴が、該磁石と該慣性体との間にある、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記磁性流体が、各磁石と前記慣性体との間に単一の液滴を構成する、請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記磁性流体が、各磁石と前記慣性体との間に複数の液滴を構成する、請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１６】
慣性体；
該慣性体を懸垂状態に保持する、磁性流体の複数の液滴；および
該磁性流体の液滴を適所に維持する、複数の磁極
を備えるセンサであって、該磁性流体に対する該慣性体の変位は、該センサの加速度の指標である、センサ。
【請求項１７】
加速度を測定するための方法であって、以下：
磁性流体の液滴を使用して慣性体を懸垂する工程；
該慣性体に適用される力に応答する該慣性体の位置を測定する工程；および
変位に基づいて、加速度を計算する工程
を包含する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、磁性流体加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性流体加速度計は一般的に公知であり、例えば、特許文献１〜特許文献６に記載されている。これらは、加速を測定するために、磁性流体の原理および磁性流体中に懸垂された慣性体を利用する。このような加速度計は、しばしば、磁性流体で充填されたセンサケーシング（センサハウジングまたは「容器」）を備える。慣性体（慣性物体）は、磁性流体中に懸垂される。加速度計は通常、磁性流体中に磁場を生じる多数の駆動コイル（電力コイル）、および慣性体の相対移動に起因する、磁場の変化を検出するための多数の測定コイルを備える。
【０００３】
電力コイルに電圧が加えられ、磁場を生じる場合、磁性流体は、それ自体を、可能な限り電力コイルに近づいて位置しようとする。このことは、事実上、ハウジングのほぼ幾何学中心に慣性体の懸垂を生じる。角加速度または線加速度を生じるように、力が加速度計（または、加速度計が設置されているあらゆるデバイス）に適用される場合、慣性体は、適所に留まるようとする。従って、慣性体は、磁性流体を「押し」、磁性流体を混乱させ、そして磁性流体の内側の磁場の分布を変化させる。この磁場分布における変化は、測定コイルにより検出され、次いで、電子的に線加速度および角加速度の値に変換される。線加速度および角加速度を知ることにより、直接的な数演算により、直線速度および角速度を、そして必要な場合、直線位置および角位置を計算することが可能である。別の方法で述べると、加速度計は、約６の自由度−−３の線自由度（ｘ，ｙ，ｚ）および３の角（すなわち回転）自由度（軸ｘ、ｙ、ｚの周りで角加速度ω’ｘ，ω’ｙ，ω’ｚ）の情報を提供する。
【０００４】
一般に、加速度センサの正確な特徴は、ハウジングの幾何学、慣性体、磁石の配置、磁性流体の特性などにおおいに依存する。設計者にとって、可能な限り広範囲の種々のセンサパラメータが所望される。このようなパラメータとしては、例えば、ダイナミック・レンジ、感度、応答時間、物理的寸法、費用、ドリフト、環境要因に対する感受性などが挙げられる。センサの性能に影響を及ぼす因子の１つは、流体力学的抵抗であり、これは、慣性体が磁性流体に対して移動しようとすることから生じる。一般に、磁性流体は、比較的粘性の流体であり、そして、慣性体のより大きな面積が磁性流体と接触するほど、流体力学的抵抗はより大きくなる。従って、より高い流体力学的抵抗は、より低い周波数応答をもたらす。
【特許文献１】米国特許出願番号１０／８３６，６２４
【特許文献２】米国特許出願番号１０／８３６，１８６
【特許文献３】米国特許出願番号１０／４２２，１７０
【特許文献４】米国特許出願番号１０／２０９，１９７（米国特許第６，７３１，２６８号）
【特許文献５】米国特許出願番号０９／５１１，８３１（米国特許第６，４６６，２００号）
【特許文献６】露国特許出願番号９９１２２８３８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、磁性流体加速度計における流体力学的抵抗を減らす方法に対する必要性が、当該分野に存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（本開示の要旨）
センサは、ハウジングと、ハウジングを不完全に充填する、ハウジング内の磁性流体とを備える。慣性体は、磁性流体と接触している。磁性流体に対する慣性体の変位は、ハウジングの加速度の指標である。この加速度は、線加速度および／または角加速度を含む。慣性体は、気泡または異なる液体であり得る。複数の磁石がハウジングに設置され、ここで、この磁性流体が、磁石と慣性体との間に液滴として位置付けられる。磁性流体は、各磁石と慣性体との間の単一の液滴であっても、各磁石と慣性体との間の複数の液滴であってもよい。ハウジング内の残りの体積は、非磁性流体で充填され得る。
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、例えば、以下の手段を提供する。
項目１．ハウジング；
このハウジング内の磁性流体であって、この磁性流体は、このハウジングを不完全に充填する、磁性流体；および
この磁性流体と接触する慣性体
を備え、この慣性体のこの磁性流体に対する変位が、このハウジングの加速度の指標である、センサ。
項目２．上記加速度が線加速度を含む、項目１に記載のセンサ。
項目３．上記加速度が角加速度を含む、項目１に記載のセンサ。
項目４．上記慣性体が気泡である、項目１に記載のセンサ。
項目５．上記慣性体が、上記磁性流体と異なる液体の液滴である、項目１に記載のセンサ。
項目６．上記ハウジングに設置された複数の磁石をさらに備え、ここで、上記磁性流体が、この磁石と上記慣性体との間に液滴として位置する、項目１に記載のセンサ。
項目７．磁性流体が、各磁石と上記慣性体との間に単一の液滴を構成する、項目６に記載のセンサ。
項目８．磁性流体が、各磁石と上記慣性体との間に複数の液滴を構成する、項目６に記載のセンサ。
項目９．上記ハウジング内の残りの体積が、非磁性流体で充填されている、項目１に記載のセンサ。
項目１０．慣性体のほぼ周囲に液滴として配置される磁性流体；および
この磁性流体と慣性体との間に一般に配置される、この磁性流体とは異なる第２の流体を備えるセンサであって、この慣性体の変位が、このセンサの加速度の指標である、センサ。
項目１１．上記慣性体が気泡である、項目１０に記載のセンサ。
項目１２．上記慣性体が、上記磁性流体とは異なる液体の液滴である、項目１０に記載のセンサ。
項目１３．ハウジング、およびこのハウジングに設置された複数の磁石をさらに備え、上記液滴が、この磁石とこの慣性体との間にある、項目１０に記載のセンサ。
項目１４．上記磁性流体が、各磁石と上記慣性体との間に単一の液滴を構成する、項目１３に記載のセンサ。
項目１５．上記磁性流体が、各磁石と上記慣性体との間に複数の液滴を構成する、項目１３に記載のセンサ。
項目１６．慣性体；
この慣性体を懸垂状態に保持する、磁性流体の複数の液滴；および
この磁性流体の液滴を適所に維持する、複数の磁極
を備えるセンサであって、この磁性流体に対するこの慣性体の変位は、このセンサの加速度の指標である、センサ。
項目１７．加速度を測定するための方法であって、以下：
磁性流体の液滴を使用して慣性体を懸垂する工程；
この慣性体に適用される力に応答するこの慣性体の位置を測定する工程；および
変位に基づいて、加速度を計算する工程
を包含する、方法。
【０００８】
（発明の簡単な要旨）
本発明は、公知の加速度計に関連する１つ以上の問題を実質的に取り除く、空隙が磁性流体で部分的に充填された磁性流体加速度計に関する。
【０００９】
より具体的には、本発明の例示的な実施形態において、センサは、ハウジングと、ハウジングを不完全に充填するハウジング内の磁性流体を備える。慣性体は、磁性流体と接触する。磁性流体に対する慣性体の変位は、ハウジングの加速度の指標である。加速度は、線加速度および／または角加速度を含む。慣性体は、気泡または異なる液体であり得る。複数の磁石が、ハウジングに設置され、ここで、磁性流体が、磁石と慣性体との間に液滴として位置付けられる。磁性流体は、各磁石と慣性体との間の単一の液滴であっても、各磁石と慣性体との間の複数の液滴であってもよい。ハウジング内の残りの体積は、非磁性流体で充填され得る。
【００１０】
別の局面において、センサは、慣性体のほぼ周囲の液滴として配置される磁性流体を備える。磁性流体とは異なる第２の流体が、一般に磁性流体と慣性体との間に配置される。磁性流体に対する慣性体の変位は、センサの加速度の指標である。
【００１１】
別の局面において、センサは、慣性体、およびこの慣性体を懸垂状態に保持する磁性流体の複数の液滴を備える。複数の磁極は、磁性流体の液滴を、慣性体と接触したままに維持する。磁性流体に対する慣性体の変位は、センサの加速度の指標である。
【００１２】
別の局面において、加速度を測定するための方法は、磁性流体の液滴を使用して、慣性体を懸垂する工程；慣性体に適用される力に応答する慣性体の位置を測定する工程；および変位に基づいて加速度を計算する工程、を包含する。
【００１３】
別の局面において、加速度を測定するための方法は、磁性流体の液滴を使用して、慣性体を懸垂する工程；磁性流体内に磁場を発生する工程；加速度に起因する、磁性流体の液滴に対する慣性体の位置の変化を相殺するように、磁場を調節する工程；および調節に基づいて加速度を計算する工程、を包含する。
【００１４】
本発明のさらなる特徴および利点は、以下の明細書に示され、そして、部分的に、明細書から明らかであるか、または、本発明を実施することによって確認され得る。本発明の利点は、明細書、および本明細書の特許請求の範囲、ならびに添付の図面において特に指摘された構造により、現実化および達成される。
【００１５】
上記の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方が、模範的かつ例示的であり、そして、特許請求される本発明のさらなる説明を提供することが意図されることが、理解されるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（発明の詳細な説明）
ここで、添付の図面に実施例が例示される本発明の実施形態に対して、詳細に参照がなされる。
【００１７】
図１〜５は、本発明の磁性流体加速度センサの例示的な実施形態を示す。磁性流体センサの操作の一般原理は、特許文献５（本明細書中に参考として援用される）に記載される。このセンサの挙動は、一連の非線形偏微分方程式により一般に説明され、これについては、本願が優先権を主張する、米国仮特許出願番号６０／６１４，４１５を参照のこと。
【００１８】
特に、図１は、組み立てられた加速度センサの等尺三次元図を示す。図２は、駆動磁石ケーシングの１つが取り除かれている、加速度センサの側面図を示す。慣性体が中央にあることに注意すること。
【００１９】
図３は、駆動磁石コイルおよび検出コイルの配置を示す、部分切断図を示す。図４は、ハウジング、ハウジング内部の磁性流体、および磁性流体により取り囲まれた慣性体を示す、センサの分解側面図を示す。図５は、図４に示されるセンサの、異なる角度から見た三次元等尺図を示す。
【００２０】
さらに図１を参照して、組み立てられた形態の、図１に示される加速度計１０２は、ハウジング１０４、および多数の駆動磁石アセンブリ１０６Ａ〜１０６Ｅを備え、この各々は、対応するワイヤ１１０Ａ〜１１０Ｅを使用して電源に接続されている。この図において、５つのみの駆動磁石アセンブリ１０６が示されるが、図４を参照すると、６つ目の駆動磁石アセンブリ（１０６Ｆと称される）がまた示されることに注意すること。
【００２１】
図２は、駆動磁石アセンブリの１つが取り除かれている、図１のセンサ１０２を示す。駆動磁石アセンブリ１０６Ｃが取り除かれているので、慣性体２０２は、ハウジング１０４のほぼ幾何学中心で可視である。磁性流体２０４は、ハウジング内の利用可能な体積の残りを充填する。磁性流体自体は、図面を明瞭にするために正確には描かれていないが、このような流体のほとんどが、黒色であり、そして、「油性」の感触を有することに注意すること。
【００２２】
図３は、センサ１０２を示す、部分切断図を示す。明瞭にするために、いくつかの構成要素のみが、図３においてラベル付けされている。図３に示されるのは、４つの駆動コイル（すなわち駆動磁石）３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｅおよび３０２Ｄであり、まとめて、駆動磁石３０２と呼ばれる（残りの２つの駆動磁石は、この図面においては示されていない）。駆動磁石３０２はまた、懸垂磁石、電力磁石、または懸垂コイル（電磁石が使用される場合）とも呼ばれる。
【００２３】
１つの実施形態において、このような駆動磁石アセンブリ１０６の各々は、３０６、３０８と称される２つの検出コイルを有する（図３において、３０６Ａ、３０８Ａ、３０６Ｂ、３０８Ｂ、３０６Ｅ、３０８Ｅ、３０６Ｅ、３０８Ｅ）。検出コイル３０６、３０８はまた、しばしば、「検出磁石」または「測定コイル」とも呼ばれる。線加速度および角加速度の両方を測定するために、「立方体」の側面当たり２つの検出コイルが必要であることにもまた注意すること。単一の検出コイルが、「立方体」の各側面の中央に位置付けられる場合、角加速度を測定することが不可能となる。あまり好ましくない代替例として、立方体の側面当たり１つの検出コイルのみを使用することが可能であるが、これは、中心からずれて移動する。しかし、数学的分析は、この場合、かなりより複雑になる。
【００２４】
図４および図５は、２つの異なる角度から同じ構造を示す、センサ１０２の「分解」図を示す。特に、図４および図５に示されるのは、駆動磁石アセンブリ１０６Ｄの１つの分解図である。これらの図面に示されるように、駆動磁石アセンブリ１０６Ｄは、ケーシング４０２、リアキャップ４０４、駆動コイル３０２Ｄ、２つの検出コイル３０６Ｄおよび３０８Ｄ、磁心４０６（各検出コイル３０６Ｄおよび３０８Ｄについてのもの）、ならびに駆動磁心４０８を備える。代替的な実施形態において、コア４０６および４０８は、単一の共通片として（本質的には、単一の「変圧器コア」として）製造され得る。
【００２５】
この実施形態において、検出コイル３０６Ｄおよび３０８Ｄは、駆動コイル３０２Ｄの内側に位置し、そして、リアキャップ４０４が、駆動コイル３０２Ｄ、ならびに検出コイル３０６Ｄおよび３０８Ｄを、駆動コイルアセンブリ１０６Ｄの適所に保持する。
【００２６】
駆動磁石３０２は、懸垂された慣性体２０２をハウジング１０４のほぼ幾何学中心に維持するために使用される。検出コイル３０６、３０８は、ハウジング１０４内の磁束の変化を測定する。磁性流体２０４は、磁場が最強になる位置に流れるようとする。このことは、慣性体２０２に対する反発力を生じ、これは、通常、非磁気的または部分的に磁気的のいずれかである（すなわち、磁性流体２０４よりも磁気が弱い）。
【００２７】
磁性流体２０３は、磁気が強く、そして、駆動磁石３０２に引き付けられる。従って、駆動磁石３０２に可能な限り近づくようとすることにより、実際、磁性流体が、慣性体２０２を、駆動磁石３０２から離して「押し出す」か、または反発させる。全ての駆動磁石３０２が実質的に同一である場合、または、全ての駆動磁石３０２が実質的に同一の力を発揮し、かつ駆動磁石３０２が慣性体２０２の周りに対称に配置される場合、慣性体２０２は、ハウジング１０４の幾何学中心にある傾向がある。この効果は、反発的な磁気効果として考えられ得る（現実には、慣性体２０２は、駆動磁石３０２によって直接影響を受けず、磁性流体２０４を通じて間接的に影響を受けるが）。
【００２８】
磁性流体２０４の１つの例は、ケロセン中に酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）粒子が溶解されたケロセンである。磁性流体２０４は、コロイド懸濁液である。Ｆｅ３Ｏ４粒子の代表的な直径は、１０〜２０ｎｍ（以下）のオーダーである。Ｆｅ３Ｏ４粒子は、ほぼ球状であり、磁場が適用されると、磁気双極子として機能する。
【００２９】
より一般に、磁性流体２０４は、コバルト、ガドリニウム、ニッケル、ジスプロシウム、および鉄のような他の強磁性金属、これらの酸化物（例えば、Ｆｅ３Ｏ４、ＦｅＯ２、Ｆｅ２Ｏ３）ならびにマンガンジンクフェライト（ＺｎｘＭｎ１−ｘＦｅ２Ｏ４）、コバルトフェライトまたは他の強磁性合金、酸化物およびフェライトのような磁気化合物を使用し得る。また、水または油が、ケロセンに加え、基材液体として使用され得る。
【００３０】
図６は、本発明の１つの実施形態を示す。図６に示されるのは、慣性体２０２を懸垂するために使用される磁性流体の液滴を伴う、図１〜５に示されるセンサの断面図である。明瞭にするために、いくつかの要素のみが図６においてラベル付けされている。図６に示されるように、各駆動磁石アセンブリ１０６について、単一の液滴が使用される（図６において、６２０Ａ、６２０Ｄ、６２０Ｅおよび６２０Ｂとラベル付けされ、６つの液滴のうち４つが図面に示される）。また、図６において、慣性体２０２が位置する空隙すなわち「空の空間」は、６２２により示されている。液滴６２０および慣性体２０２以外に、空隙６２２が空気または何らかの他の気体で充填され得る。あるいは、空隙６２２の残りの体積は、第２の液体（示さず）で充填され得る。第２の液体は、好ましくは、非磁性であり、そして、上記磁性流体と容易に混合しないようなものである。磁性流体とは異なる第２の液体は、それ自体が、図６に示される「固体」慣性体ではなく、慣性体として使用され得ることに、さらに注意すること。また、気泡が慣性体として使用され得る（言い換えると、本質的には、図６に示される慣性体２０２が取り除かれ、そして、検出コイルが、液滴６２０の「動き」を検出する。
【００３１】
液滴６２０は、磁場が駆動磁石３０２から適用される場合にのみ、ほぼ図６に示される形状を有することにも注意すること。磁場がない場合、全ての磁性流体２０４は、空隙６２２の角の１つに「プール」される。一般に、特にアセンブリの目的のためには、永久磁石を駆動磁石３０２として使用するか、永久磁石と電磁石の組み合わせを駆動磁石３０２として使用するかのいずれかが好ましく、その結果、磁性流体２０４をプールする可能性が回避され、そして、示されるように、液滴６２０が形成されることを保証する。
【００３２】
磁性流体２０４は、センサ１０２全体の比較的高価な構成要素であり得ることにもまた注意すること。従って、センサ１０２において使用される磁性流体２０４の量を減少することは、費用の観点から望ましい。また、上記のように、流体力学的抵抗は、慣性体２０２と磁性流体２０４との間の接触面積に依存する。磁性流体２０４が液滴６２０の形態で配置される場合、磁性流体２０４と慣性体２０２との間の接触面積は減少し、センサ１０２の周波数応答を改善する。
【００３３】
図７は、本発明の別の実施形態を例示し、この実施形態において、単一の液滴６２０の代わりに、各駆動磁石アセンブリ１０６について複数の液滴が使用される。これらの液滴は、図７において、対応して、６２６Ａ、６２４Ａ、６２６Ｂ、６２４Ｂなどとラベル付けされる。駆動磁石アセンブリ１０６あたり２つの液滴が図７において示されているが、所望の特徴、駆動磁石３０２の配置および駆動磁石３０２により生成される磁場分布に依存して、より多くのこのような液滴（例えば、３つまたは４つ）が、各駆動磁石アセンブリ１０６のために使用され得る。図６と同じように、空隙６２２の残りの体積は、空気、気体、第２の液体などで充填され得る。
【００３４】
このように本発明のある実施形態が記載されてきたが、記載される方法および装置の特定の利点が達成されることが、当業者に明らかであるべきである。また、これらの種々の改変、適応、および代替的な実施形態が、本発明の範囲および精神の中でなされ得ることが理解されるべきである。本発明は、添付の特許請求の範囲によりさらに規定される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本発明のさらなる理解を提供し、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成するために含まれる、添付の図面は、本発明の実施形態を示し、明細書と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。
【図１】図１は、本発明の組み立てられた磁性流体加速度センサの等尺三次元図を示す。
【図２】図２は、駆動磁石アセンブリの１つが取り除かれたセンサの側面図を示す。
【図３】図３は、駆動磁石コイルおよび検出コイルの配置を示す、部分切断図を示す。
【図４】図４は、センサの分解側面図を示す。
【図５】図５は、図４のセンサの、異なる角度から見た、三次元等尺図を示す。
【図６】図６は、各駆動磁石アセンブリのために磁性流体の単一の液滴を使用する、本発明の１つの実施形態を示す。
【図７】図７は、磁性流体の複数の液滴が各駆動磁石アセンブリのために使用される、代替的な実施形態を示す。
【符号の説明】
【００３６】
１０２：センサ
１０４：ハウジング
１０６：駆動磁石アセンブリ
２０２：磁性流体
２０４：慣性体
【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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【図７】
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