(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＨＤセンサ／アクチュエータであって、以下：
円柱軸が感知／力生成軸に沿って配置されていて、流体チャネルの内周面を形成している、絶縁された外側表面を有するシリンダ；
前記シリンダの各端に支持されていて、前記流体チャネルの各端にそれぞれ接している、第１及び第２の電極；
前記円筒形の流体チャネルの外周を形成していて、前記円筒形の流体チャネルの方を向いている放射状の磁場を備えている、磁石構造体；
前記絶縁されたシリンダの中に伸びていて、前記第１及び第２の電極に電気的に接している第１及び第２の電気接触子；並びに、
前記第１及び第２の電気接触子に接続されていて、前記センサ／アクチュエータに作動電流を生み出すための、又は、前記センサ／アクチュエータからの電圧を受けるための回路：を備えている
ことを特徴とするＭＨＤセンサ／アクチュエータ。
【請求項２】
前記円筒形の磁石構造体が、磁場の向きが同じである第１及び第２の円筒形の磁石を備えている
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＨＤセンサ／アクチュエータ。
【請求項３】
前記流体チャネルは水銀を備えている
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＨＤセンサ／アクチュエータ。
【請求項４】
前記円筒形の流体チャネルの端部を封じるため、かつ、前記絶縁されたシリンダに前記電極を前記流体チャネルに接した状態で支持するための、第１及び第２の端部キャップを更に備えている
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＨＤセンサ／アクチュエータ。
【請求項５】
前記磁石構造体を囲む金属ケースを更に備えていて、この金属ケースは第１及び第２の逃げ穴を備えていて、この穴を前記電気接触子が通っている
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＨＤセンサ／アクチュエータ。
【請求項６】
ＭＨＤセンサ／アクチュエータであって、以下：
その周囲が流体チャネルの表面になっている、絶縁されたシリンダ；
前記絶縁されたシリンダを囲んでいて、前記流体チャネルの第２の表面を形成している、絶縁された磁石；
前記絶縁されたシリンダの各端に位置していて前記流体チャネルに接している、第１及び第２の電極；
前記流体チャネルの各端を封じるための第１及び第２のチャネルカバー；
前記絶縁されたシリンダの中にねじ込まれていて、前記第１及び第２の電極に電気的に接しており、前記チャネルカバーを通って外に伸びている、第１及び第２のねじ山付きの電気接触子；
前記チャネルカバーに隣接していて、前記第１及び第２のねじ山付きの電気接触子が通っている穴を備えている第１及び第２の端部キャップであって、前記電気接触子はいずれも、前記端部キャップを前記チャネルカバー及び前記絶縁されたシリンダに押し付けるための締め金具を備えている、第１及び第２の端部キャップ；
前記端部キャップ及び前記磁石を囲んでいる金属ケース；並びに、
前記第１及び第２の電気接触子に接続されている電気回路：を備えている
ことを特徴とするＭＨＤセンサ／アクチュエータ。
【請求項７】
前記絶縁されたシリンダは、絶縁部材で仕切られている第１及び第２の金属ボスを備えていて、円筒形の表面が、前記第１の電極から前記第２の電極に伸びる絶縁層で覆われている
ことを特徴とする請求項６に記載のＭＨＤセンサ／アクチュエータ。
【請求項８】
前記電極は前記チャネルカバーと前記金属ボスとの間に配置されていて、前記金属ボス及び前記流体チャネルに電気的に接している
ことを特徴とする請求項７に記載のＭＨＤセンサ／アクチュエータ。
【請求項９】
前記電気回路は前記電気接触子に作動電流を付与し、これによって前記金属ケースにトルクが生み出される
ことを特徴とする請求項６に記載のＭＨＤセンサ／アクチュエータ。
【請求項１０】
前記電気回路は前記第１及び第２の接触子に接続された増幅器を備えていて、これによって、前記接触子から生成した信号が増幅される
ことを特徴とする請求項６に記載のＭＨＤセンサ／アクチュエータ。
【請求項１１】
前記流体チャネルは水銀を備えている
ことを特徴とする請求項６に記載のＭＨＤセンサ／アクチュエータ。
【請求項１２】
ＭＨＤセンサ／アクチュエータであって、以下：
内周面と外周面とを同軸上に有する円周状チャネルの内側で回転する、液体のコラム；
前記円周状チャネルと同軸に配置されていて、放射状の磁場を生み出す、磁石からなる円筒形のコラム；
前記液体のコラムの各端に接続されていて、互いに電気的に絶縁されている、第１及び第２の接触子；
前記円筒形のチャネルの上端及び下端を封じている、第１及び第２の端部キャップ；
前記接触子と電気回路を接続するための接続手段であって、これによって、アクチュエータとしての態様においては前記チャネルに電流を印加するための、又は、センサとしての態様においては、前記チャネルの両側に発生した電圧を感知するための接続手段：を備えている
ことを特徴とするＭＨＤセンサ／アクチュエータ。
【請求項１３】
前記液体の角加速度：
【数１】
0005204391.tif 000010
：は、以下：
【数２】
0005204391.tif 000011
：のように表される
（式中、
υは動粘度；
ｈはチャネル厚さ；
ｒは２乗平均平方根チャネル半径；
Ｂｒはチャネルの放射状の磁束密度；
Ａはチャネル平均断面積；
ρは流体密度；
【数３】
0005204391.tif 000012
はアクチュエータケース角速度；
【数４】
0005204391.tif 000013
は流体角速度；
Ｉｚは、軸方向に付与された電流である）
ことを特徴とする請求項１２に記載のＭＨＤセンサ／アクチュエータ。
【請求項１４】
前記液体と前記円筒形のチャネルの間の前記軸を中心として生み出されるトルクは、
【数５】
0005204391.tif 000014
のように決定される（式中、τはアクチュエータ／センサのトルク、ＪＦＬは流体マス慣性モーメント、かつ、
【数６】
0005204391.tif 000015
は流体角加速度である）
ことを特徴とする請求項１２に記載のＭＨＤセンサ／アクチュエータ。
【請求項１５】
ＭＨＤアクチュエータ／センサであって、以下：
導電性液体の入っている円筒形の流体チャネル；
前記円筒形の流体チャネルの外周を形成していて、前記円筒形の流体チャネルの方を向いている放射状の磁場を備えている、円筒形の磁石構造体；
前記流体チャネルの各端に位置する電極に電気的に接している電気接触子；並びに、
前記第１及び第２の電気接触子に接続されていて、前記アクチュエータ／センサに作動電流を生み出すための、又は、前記アクチュエータ／センサからの電圧を受けるための回路：を備えている
ことを特徴とするＭＨＤアクチュエータ／センサ。
【請求項１６】
ＭＨＤアクチュエータ／センサであって、以下：
電気的に直列に接続された複数のＭＨＤチャネルであって、前記複数のＭＨＤチャネルはいずれも、以下；
導電性液体の入っている環状の流体チャネル；
前記環状の流体チャネルに隣接かつ同軸で位置している磁石リングであって、前記環状の流体チャネルと前記磁石リングとの共通の軸に沿って軸方向を向いた磁場を有している、磁石リング；
前記流体チャネルの内周壁及び外周壁で電極に電気的に接している、第１及び第２の電気接触子；並びに、
前記第１及び第２の電気接触子に電気的に接続されていて、前記アクチュエータ／センサに作動電流を生み出すための、又は、前記アクチュエータ／センサからの電圧を受けるための回路：を備えている
ことを特徴とするＭＨＤアクチュエータ／センサ。
【請求項１７】
前記複数のＭＨＤチャネルのうち１つの環状の流体チャネルの内周壁と、前記複数のＭＨＤチャネルのうち１つと隣接する別のチャネルの環状の流体チャネルの外周壁とを、電気的に接続している少なくとも１つの電極を備えている
ことを特徴とする請求項１６に記載のＭＨＤアクチュエータ／センサ。
【請求項１８】
前記複数のＭＨＤチャネルは少なくとも２つのＭＨＤユニットに分かれていて、そのそれぞれが、前記複数のＭＨＤチャネルのうち１つ以上を備えていて、前記少なくとも２つのＭＨＤユニットの間で隣接するＭＨＤユニットは磁石の極性の向きが異なる
ことを特徴とする請求項１６に記載のＭＨＤアクチュエータ／センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（政府の権利）
本発明は、ミサイル防衛局（ｔｈｅ  Ｍｉｓｓｉｌｅ  Ｄｅｆｅｎｓｅ  Ａｇｅｎｃｙ）による契約第ＨＱ０００６−０３−Ｃ−００６６号のもとで、政府の支援によって実施されたものである。政府は、本発明においてある特定の権利を有する。
【０００２】
本発明は、トルクを付与するためのアクチュエータとして使用することができる、又は、相対回転運動を感知するために使用することができる磁気流体力学装置（ＭＨＤ）に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＭＨＤ装置は、ケースに対する慣性質量の相対回転運動を感知するために開発され、かつ、使用されている。特許文献１〜３等、本発明者による先の米国特許によれば、回転軸を中心とするセンサの運動を、この軸を中心とする変位、速度、又は、加速度を表わす電位として検出することが可能である。これらの先行特許に記載されているように、円筒形チャネル内に、静磁場が、水銀等の液体プルーフ・マス（ｌｉｑｕｉｄ  ｐｒｏｏｆ  ｍａｓｓ）に直交して配置される。円筒形チャネルは、内周に第１の電極を支持しており、外周に第２の電極を支持している。液体マス（ｌｉｑｕｉｄ  ｍａｓｓ）の軸を中心としてケースが回転することによって電極の両側に電圧が生じ、この電圧は、液体マスに対する円筒形チャネルの回転運動に応答するマスの変位（ラジアンで表す）を表わしている。第１の電位差及び第２の電位差を検出することによって、付与された回転の速度及び加速度の値を得ることが可能である。
【０００４】
ＭＨＤ装置は、トルク発生器として機能させることも可能である。チャネルの両側に電圧を印加することによって、液体マスとチャネルとの間に力を誘起させることができ、この力により、液体と向かい合っているチャネルにトルクが付与される。
【０００５】
本発明は、ＭＨＤ装置であって、内部の液体プルーフ・マスと当該装置を含むチャネルとの間の相対的な変位を検出することができ、かつ、安定化が必要とされる用途において、液体マスと液体マスを含む合い釘との間に回転トルクを付与することができるＭＨＤ装置を提供しようとするものである。これには、振動力又はジターにさらされるプラットフォームにおいて生じうる外乱を打ち消すべく、能動トルクを付与するための用途が含まれる。ＭＨＤアクチュエータは、チャネル内に重い慣性流体が存在するために、反作用のトルクを生成する能力を有しており、チャネルの角度モーメントを支持面へと伝えることによって、プラットフォームへの外乱を効果的に打ち消すことができる。生じたトルクを安定化のために利用できる用途としては、慣性基準ユニット・プラットフォーム、照準制御の高速操向ミラーライン、ビーム操向、走査の制御、小型衛星の姿勢制御、及び、能動式の構造体の減衰が挙げられる。
【０００６】
安定化を付与するという用途においては、感知された外乱を効果的に打ち消すべくプラットフォームに適切な大きさのトルクを付与するためには、外乱によるトルクに対抗するのに必要なトルクを生成することだけではなく、外乱そのものを感知することも必要とされる。
【特許文献１】米国特許第４，７１８，２７６号
【特許文献２】米国特許第５，０６７，３５１号
【特許文献３】米国特許第６，１７３，６１１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
感知／トルク軸を中心としてトルクの生成及び角度変位の感知を実施するためのＭＨＤセンサ／アクチュエータが提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
内周面と外周面とを有する円周状チャネルの内側で回転する導電性液体のコラムによって慣性プルーフ・マスが生み出され、この慣性プルーフ・マスのチャネル内での相対運動は、円周状チャネルの共通の軸を中心として感知された変位を表す。磁石からなる円筒形のコラムが円周状チャネルと同軸に配置されていて、これにより、共通の軸に直交する放射状の磁場が生み出される。第１及び第２の接触子が液体コラムの各端に接続され、円周状チャネルは第１及び第２の端部キャップで封じられている。
【０００９】
この装置を電気的ＤＣ電圧に接続することによって、チャネルに電流を印加することができる。チャネルの一端から他端へと通過する電流の流れが、チャネル内の流体とチャネルとの間に回転トルクを生み出す。このトルクから生成されるモーメントを、減衰用のトルクとして、チャネルを支持している表面に伝達することができる。
【００１０】
あるいは、円周状チャネルの上端及び下端に電圧を印加する代わりに、液体プルーフ・マスと円周状チャネルとの相対運動に応答して第１及び第２の接触子間に生成される電圧を使用して、液体プルーフ・マスとチャネルとの間の相対角速度を示すことができる。
【００１１】
第２の実施形態によれば、ＭＨＤアクチュエータ／センサは、密封された円周状チャネル内で回転する導電性液体と、磁石リングとを備えており、この磁石リングは円周状チャネルと同軸に位置していて、これによって、円周状チャネルと磁石構造体との共通の軸と同じ軸方向を向いた磁場が生み出される。上記円周状チャネル及び磁石リングは、ケース内に位置している。これのチャネル内における相対運動は、円周状チャネルの共通の軸を中心として感知された角速度を表している。第１及び第２の電気接触子がそれぞれ、円周状チャネルの内周部材及び外周部材に接続されている。
【００１２】
この第２の実施形態の装置を電気的ＤＣ電圧に接続することによって、チャネルを通過する電流を生み出すことができる。チャネルの外周部材と内周部材との間を電流が流れることによって、チャネル内の流体とチャネルとの間に回転トルクが生み出される。このトルクから生成されるモーメントを、減衰用のトルクとして、チャネルを支持している表面に伝達することができる。あるいは、この装置をセンサとして使用することも可能であり、液体プルーフ・マスと円周状チャネルとの相対運動に応答して第１及び第２の接触子間に生成される電圧を使用して、液体プルーフ・マスとチャネルとの間の相対角速度を示すことができる。
【００１３】
他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかになるであろう。
【００１４】
（図面の簡単な説明）
図１は、一実施形態による液体プルーフ・マスを備えるＭＨＤアクチュエータ／センサの上面の概略図を示している。
【００１５】
図２は、図１の断面Ａ−Ａに沿って得た側断面の概略図である。
【００１６】
図３は、本発明の実際的な実施形態の断面図である。
【００１７】
図４は、図３のＭＨＤアクチュエータに印加される電流に対する標準的なプラットフォームのプラットフォーム予測角度を、周波数に対して示している。
【００１８】
図５は、図３の装置についてのシミュレーションであり、同じ試験用プラットフォームの角加速度を、入力電流及び周波数に対して示している。
【００１９】
図６は、回転角速度を感知するため、図３の装置の周波数に対する大きさの応答を示している。
【００２０】
図７は、センサとしての態様にある図３のＭＨＤアクチュエータ／センサについて、周波数に対して予測される角速度位相応答である。
【００２１】
図８は、他の実施形態によるＭＨＤアクチュエータ／センサの斜視の概略図である。
【００２２】
図９は、図８の実施形態の進化型である本発明の他の実施形態によるＭＨＤアクチュエータ／センサの断面図である。
【００２３】
図１０は、複数チャネル式のＭＨＤアクチュエータ／センサの単一セルの一部分の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１及び２は、一実施形態によるＭＨＤアクチュエータ／センサ１０の断面概略図である。内周壁１４と外周壁１６とを有する円筒形チャネル１２が、液体水銀１８等の導電性液体プルーフ・マスを支持している。壁１４、１６の内側及び外側は、絶縁材料で作られている。チャネル１２の両端を封じている壁が、電極１５、１７を備えている、あるいは、電極１５、１７を形成している。環状の磁石構造体１９が、円筒形チャネル１２の外周を囲んでいる。ケーシング（図示されていない）が、円筒形チャネル１２及び磁石構造体１９を囲んでいる。
【００２５】
磁石構造体１９はＤＣ磁場Ｂｒを生成し、この磁場は、チャネル１２と磁石構造体１９との共通の軸１１に対して放射状であって、チャネル１２を貫いている。後述するように、チャネル１２の両端にそれぞれ位置する電極１５、１７へと電源１３から電圧Ｖを印加することによって、液体プルーフ・マス１８を通る軸方向の電流Ｉｚが生成される。磁場Ｂｒと電流Ｉｚとが相互作用することによって、プルーフ・マス１８とチャネル１２との間にトルクτｆｌｕｉｄが生み出される。トルクτｆｌｕｉｄは、円筒形チャネル１２の軸１１を中心にして示されている。チャネル１２について軸１１を中心として生み出される総伝達トルク、並びにこのトルクを付与する流体の角加速度は、表１に示す凡例を参照して、以下の等式１及び２に示すように表される。
【００２６】
【数１】
0005204391.tif 000002
【００２７】
表１．等式１及び２の変数
【００２８】
【表１】
0005204391.tif 000003
【００２９】
チャネル内の流体の加速度は、電流Ｉｚと印加された放射状の磁場Ｂｒとの外積を導出するための、一般的に知られているＭＨＤの等式にもとづくものである。上述の等式は、水銀プルーフ・マスに関して、軸を中心としてチャネルに生成されるトルクを定量化するものである。流体の角度モーメントの増加が、アクチュエータのケースにトルクを誘起し、したがって安定化させようとするプラットフォーム等、このアクチュエータが取り付けられてなる任意の構造にトルクを誘起する。したがって、アクチュエータ／センサ１０に電圧Ｖを選択的に印加することによって、アクチュエータ／センサ１０を、プラットフォームの振動（図１中でτｐｌａｔｆｏｒｍで表わす）等、当該アクチュエータ／センサ１０が取り付けられた装置の振動を打ち消すために使用することができる。更に装置１０は、軸１１を中心とする角運動のセンサとしても機能する。チャネル１２が回転すると、慣性プルーフ・マス１８は静止状態でとどまろうとする。軸１１を中心として液体プルーフ・マス１８に対してチャネル１２が回転するのに応答して、磁場ＢＲが、ＭＨＤ効果によって電極１５及び１７の両側に電圧Ｖを生成する。この電圧を、表１を参照して、下記のように表わすことができる。
【００３０】
【数２】
0005204391.tif 000004
【００３１】
図１及び２によって代表されるアクチュエータは、慣性基準ユニット（ＩＲＵ）プラットフォームの安定化等の用途に合わせて設計されている。必要とされるプラットフォームの角度変位を生み出すために必要なトルクは、ＩＲＵ安定プラットフォームの慣性モーメントにもとづいて決まる。約０．０１５ＫｇＭ２という回転自由度についての慣性モーメントの仮定値を使用して、角加速度プロファイルを生成でき、これによって、割り出すべきアクチュエータの入力電流周波数に対する出力トルクの応答の割り出しが可能になる。
【００３２】
図３は、放射状の磁場及び軸方向の電流が生成されている図１及び２中に示した実施形態にもとづいて、実際のＭＨＤアクチュエータ／センサ１００を示している。アクチュエータ／センサ１００は、円柱軸１１０を当該装置１００の感知／力生成軸に沿って配置して有する絶縁された内側シリンダ１０２を備えている。内側シリンダ１０２は、ねじ山付きの軸穴１０５を備える第１及び第２の金属中央ボス１０４から形成されている。ボス１０４の外側円筒表面１０８を熱収縮の絶縁で覆うことによって、ボスを絶縁することができる。ボス１０４の軸方向の両端１０９には、絶縁材料は存在しない。ボス１０４は、それぞれのボス１０４の穴１０５の中にねじ込まれる絶縁ねじ部材又はセラミックねじ１０７によって、互いに絶縁されつつ軸方向に接続される。ボス１０４は、ボス１０４の間にそれぞれのボスの軸方向内側の端部に接触しつつ配置されるセラミックワッシャ等の絶縁部材１０６によって、互いから更に絶縁されている。
【００３３】
内側シリンダ１０２の外表面１０８が、液体水銀等の液体プルーフ・マス１１４を収容する円筒形の流体チャネル１１２の内周面を形成する。円筒形の磁石構造体１１６が、チャネル１１２の外周を形成する。磁石構造体１１６は、第１及び第２の磁石１１８、磁石１１８と液体プルーフ・マス１１４との間に位置する磁石ホルダー１２０、並びに、磁石１１８の外周を囲む磁石カバー１２２を備えていてもよい。チャネル１１２の軸方向の端部は、穴１２６を中央ボス１０４の貫通穴１０５に整列させて有する第１及び第２のチャネルカバー１２４によって覆われている。チャネルカバー１２４は、絶縁材料で作られている。導電ワッシャ１１１等の電気接触子が、ボス１０４の軸方向の端部とチャネルカバー１２４との間に取り付けられていて、これによって、ボス１０４と液体プルーフ・マス１１４との間に小さな電気導電性領域が形成されている。
【００３４】
一対の端部キャップ１３２が、チャネルカバー１２４に隣接している。端部キャップ１３２は、穴１３４を備えている。金属ケース１２８は磁石構造体を囲んでいて、軸方向の端部に第１及び第２の逃げ穴１３０が備わっている。ねじ棒１３６等の一対の電極が、逃げ穴１３０、穴１３４及び穴１２６を通って伸びており、中央ボス１０４の穴１０５の中にねじ込まれている。ナット１３８等の締め金具が電極１３６に設けられていて、これによって端部キャップ１３２がチャネルカバー１２４に押し付けられ、ナット１３８を電極１３６上で回転させると、チャネルカバーが絶縁されたシリンダ１０２に押し付けられる。このようにして、流体チャネル１１２が効果的に密封され、かつ、電極１３６をボス１０４に電気的に確実に接触させた状態で維持することができる。
【００３５】
装置１００には、トルクの生成及び感知のための回路が設けられている。この回路は、ケース１２８に搭載された電源１４０及び電源１４０からケース１２８内の電極１３６へと伸びるリード１４２を備えている、電源は、例えばパワーオペアンプであってよい。電源１４０を覆うべくカバー１４４が設けられている。
【００３６】
アクチュエータとしての態様においては、電源／オペアンプ１４０によって印加される電圧が、流体１１４を内側シリンダ１０２の周りで回転させ、これによってトルクが生み出され、このトルクが、ケース１２８及び当該アクチュエータ１００が取り付けられた装置に作用する。センサとしての態様においては、円筒形チャネル１１２の回転によって、電圧が生成される。オペアンプ１４０によって、接触子１３６から生成した電圧信号が増幅され、これによって、当該センサ１００が取り付けられた装置に印加されたトルクの指標が提供される。
【００３７】
図３のモデルにもとづく実験用の装置を、以下の表３に挙げた設計パラメータに従って製作した。
【００３８】
表３．図３のＭＨＤアクチュエータの設計パラメータ
【００３９】
【表２】
0005204391.tif 000005
【００４０】
＊トルクスケール係数＝ＢｒＬｒｒｍｓ＝（０．２２Ｔ）（０．０２７４ｍ）（０．００６６ｍ）＝３．９８ｅ−５  Ｎｍ／Ａｍｐ。Ａｐｅｘ社製ＰＡ１３Ａについて最大電流１５Ａを使用することによって、最大トルク約６ｅ−４ニュートン−メートルを生み出すことができる。電流を大きくすれば、より大きなトルクを生み出すことも可能である。
【００４１】
この実験用のアクチュエータ／センサ装置を、当該アクチュエータ／センサの性能を評価する目的で、ＭＨＤ安定基準内部基準ユニット・プラットフォーム（ＭＩＲＵ、光学的基準を提供する目的で制御されているプラットフォーム）に取り付けた。また、プラットフォームの角度変位を感知する目的で、ＡＲＳ−１２Ａ角度変位センサ（ｓ／ｎ  Ｆ０１４、スケール係数＝１００，０００Ｖ／ｒａｄ）もプラットフォームに取り付けた。アクチュエータ／センサは、トルク軸をＡＲＳ−１２Ａ角度変位センサの感知軸に整列させた状態で取り付けた。
【００４２】
次いで、アクチュエータ／センサによって生み出されるトルクを、曲げねじりばね定数及び減衰、並びに、回転軸を中心とするマス慣性モーメント、並びに、ＡＲＳ−１２Ａによって測定される生じた角度運動が既知であるＭＩＲＵプラットフォームを使用して間接的に測定した。電流の入力に対する角度変位の出力が、ＥＤＭについて、図４にプロットされているとおりに測定された。これは、更に、変位周波数応答の各点を単純に（２ｐｆ）２で乗算することによって、図５にプロットされているアクチュエータ／センサへの入力電流に対する角加速度の出力に容易に変換できる。回転軸を中心とするプラットフォームのばね定数及び慣性モーメント（ＭＯＩ）が分かっていれば、ＥＤＭトルクスケール係数を間接的に計算することができる。応答は、Ｉｘ，ｙ＝０．００１２ｋｇｍ２というＡＲＳ−１２Ａ及びＥＤＭが取り付けられたＭＩＲＵプラットフォームの回転軸を中心とするマス慣性モーメントの予測値、並びに、曲げ回転ばね定数Ｋθ  ２１３ｒａｄ／Ｎｍにもとづいたものである。ＭＩＲＵプラットフォームの固有振動数ｆｎは、６７ＭＨｚにおいて測定され、ｆｎ＝（Ｋθ／Ｉｘ，ｙ）１／２／（２ｐ）として定められる。ＭＩＲＵの回転減衰係数は、トルクの計算に必要ではないが、Ｂθ＝０．０１５（ｒａｄ／ｓ）／Ｎ−ｍであると予測された。ＭＩＲＵプラットフォームの動力学にもとづき、トルク定数の測定値は、３．９５ｅ−４  Ｎ−ｍ／Ａｍｐというトルクの予測値にきわめて近かった。図４及び５のグラフに上書きしてある第２の線は、トルク定数３．９５ｅ−４  Ｎ−ｍ／Ａを有するＭＨＤアクチュエータ／センサについて予測されるＭＩＲＵプラットフォームの応答である。
【００４３】
更に、このアクチュエータ／センサは、ＭＩＲＵプラットフォームへと加わる外乱についての回転角速度「感知」機能を特徴としていた。図６は、予測又はモデル化による応答に対する応答の大きさの測定値を示している。図７は、アクチュエータ／センサについて、測定された位相応答をモデル化された位相応答と比較して示している。示されている大きさは、増幅されていない角速度応答である。
【００４４】
図４〜７に示されているように、ＭＨＤアクチュエータ／センサのトルク生成及び感知機能をモデル化及び試験することによって、所与の用途において良好に機能するために必要なパラメータを有するＭＨＤセンサ／アクチュエータを製作することが可能である。
【００４５】
図８は、他の実施形態によるＭＨＤアクチュエータ／センサ２０の斜視の概略図である。アクチュエータ／センサ２０は、導電性液体プルーフ・マス２８（すなわち、水銀）を支持する円筒形チャネル２２を備えている。チャネル２２は、第１の電極を備えている、あるいは、第１の電極を形成している内側円筒壁２４と、第２の電極を備えている、あるいは、第２の電極である外側円筒電極２６とを備えている。チャネル２２の端部は、絶縁壁２５及び２７によって閉じられている。磁石リング２９が、共通の軸２１に沿ってチャネル２２と同軸に配置されている。チャネル２２及び磁石リング２９を、ケーシング（図示されていない）が囲んでいる。電極２４及び２６の両側に電源２３から電圧Ｖを加えることによって、放射状の電流Ｉｒが生じる。磁気リング２９が、軸方向の磁場Ｂｚを生成しており、これが電流Ｉｒと相互作用して、流体２８に回転が引き起こされ、これによってアクチュエータケース（図示されていない）にトルクτｆｌｕｉｄが付与される。このようにして、アクチュエータ／センサ２０は、先の実施形態のアクチュエータ／センサと同じ実用上の用途を有することかできる。
【００４６】
チャネル２２において軸２１を中心として生み出される総伝達トルク、並びに、このトルクを生み出す流体の角加速度は、表３に示す凡例を参照して、以下の等式３及び４に示すように表現される。
【００４７】
【数３】
0005204391.tif 000006
【００４８】
表３．等式３及び４の変数
【００４９】
【表３】
0005204391.tif 000007
【００５０】
装置２０は、軸２１を中心とする角運動のセンサとしても機能する。チャネル２２が回転すると、液体マス２８は静止状態でとどまろうとする。磁場ＢＺが、ＭＨＤ効果によって、電極２４及び２６の両側に電圧Ｖを生成する。軸２１を中心として液体プルーフ・マス２８に対してチャネル２２が回転するのに応答して、磁場ＢＺが、ＭＨＤ効果によって電極２４及び２６の両側に電圧Ｖを生成する。この電圧を、表３を参照して、下記のように表わすことができる。
【００５１】
【数４】
0005204391.tif 000008
【００５２】
図９は、図８の実施形態に由来するより進化した複数チャネル式のＭＨＤアクチュエータ／センサ２００を示している。図８の実施形態と同様、アクチュエータ／センサ２００は、軸方向を向いた磁場を有している。図９に示されているように、センサ／アクチュエータ２００は、第１のＭＨＤユニット２１０、第２のＭＨＤユニット２２０、第１のＭＨＤユニットと同一である第３のＭＨＤユニット２１０、及び、第４のＭＨＤユニット２３０を備えている。ユニット２１０、２２０及び２３０が一列に重ねられ、一体に固定されている。
【００５３】
各ＭＨＤユニット２１０、２２０、２３０は、装置の中心軸２０１に沿った内壁部材２０４と、内壁部材２０４に対して同心かつ離間している外周壁部材２０６とを有するケース２０２を備えている。３つのＭＨＤチャネルはそれぞれ、磁石リング２４２、及び、磁石リング２４２に同軸に位置する環状の流体チャネル２４４を備えていて、この３つのＭＨＤチャネルは、内壁部材２０４の周囲かつ外周壁部材２０６の内側に、一列に重なった状態でケース２０２内に位置している。先の実施形態と同様、環状の流体チャネル２４４は、液体水銀等の液体プルーフ・マス２１８を含む。更にケース２０２は、ＭＨＤユニット２１０、２２０、２３０の軸方向の端部を囲んでいる端部キャップ２０３を備えている。
【００５４】
ＭＨＤユニット２１０、２２０、２３０は、ＭＨＤチャネルにおいて磁石リング２４２の極性の向きが異なる点を除いては、類似の構成である。更に具体的には、ユニット２１０の磁石リング２４２は、その極性とユニット２２０内の磁石リング２４２の極性とが逆であるような状態で配置されている。極性が逆であるユニット２１０及びユニット２２０を配置することで、アクチュエータ／センサ２００の全体としての磁気双極子モーメントを、小さくすることができる。ユニット２３０は、極性の向きが変化する磁気リング２４２を備えている。
【００５５】
所与のユニット２１０、２２０、２３０において、環状の流体チャネル２４４の内周壁２４６及び外周壁２４８に接する電極２５２、２５４、２５６を様々に構成することによって、ＭＨＤチャネルを互いに直列に接続して、パワーオペアンプ等の電源を含む回路（図示されていない）に接続することができる。電極２５２が、１つの流体チャネルの内周壁２４６と隣接する別の流体チャネル２４６の外周チャネル２４８との間に伸びていて、これによって、隣り合うＭＨＤチャネルが直列に接続される。使用される電極の向き及び数は、磁気リング２４２の向き、一体に接続することが望ましい磁気リング２４２の数、及び、アクチュエータ／センサ２００に望まれる応答に応じて、さまざまである。
【００５６】
絶縁部材２６２、２６４、２６６が、必要に応じて、磁石リング２４２、流体チャネル２４４、及び、電極２５２、２５４、２５６を互いから絶縁するために設けられる。ＭＨＤユニットをケース２０２から絶縁するため、さらなる絶縁部材を設けてもよい。
【００５７】
ＭＨＤユニット２１０、２２０及び２３０は、電気的に直列に接続される。その結果、トルクの生成及び外乱の感知の能力が向上した単一のアクチュエータ／センサが得られる。回路（図示されていない）を接続することによって、装置２００の選択された電極２５２、２５４、２５６の両側における電圧を読み取ることができ、又は、両側に電圧を印加することができ、これにより、この装置を、軸２０１を中心としてトルクを付与するためのアクチュエータ、及び／又は、軸２０１を中心とするトルクを感知するセンサとして機能させることができる。
【００５８】
１２チャネル式のＭＨＤセンサ／アクチュエータの実施形態について、予測される性能パラメータが表４に提示されており、重要なパラメータは、トルクスケール係数Ｋｔ  ２．１２ｅ−３  Ｎ−ｍ／Ａ、及び、回転アクチュエータ定数ＫＲＡ  ０．０４６  Ｎ−ｍ／Ｗ１／２である。図９の実施形態は、図３の実施形態にもとづくモデルよりも回転アクチュエータ定数ＫＲＡが２１倍良好であり、かつ、トルクスケール係数が５３倍高い。このことは、主として、図９の実施形態の優れた内部設計に起因している。
【００５９】
表４．改良型ＭＨＤアクチュエータの設計パラメータ
【００６０】
【表４】
0005204391.tif 000009
【００６１】
＊トルクスケール係数＝ＢｚＷｒＲＭＳ＝（０．５０Ｔ）（０．２４３ｍ）（０．０１７５ｍ）＝２．１２ｅ−３  Ｎ−ｍ／Ａｍｐ。
＊＊角速度スケール係数＝ＢｚＷｒＲＭＳ＝（０．５０Ｔ）（０．２４３ｍ）（０．０１７５ｍ）＝２．１２ｅ−３  ボルト／（ラジアン／ｓ）。
【００６２】
図９の実施形態は、複数チャネル式のアクチュエータ／センサについて考えられる構成の１つを示しているにすぎない。任意の数のＭＨＤチャネルを備えるアクチュエータ／センサを含む、他の多数の構成が可能である。更には、各ＭＨＤユニットを、３つ未満のＭＨＤチャネルを備えるように、又は、３つ以上のＭＨＤチャネルを備えるように構成することが可能である。
【００６３】
図１０は、他の実施形態によるＭＨＤユニット３４０の半分の断面図を示しており、図９と共通の参照番号が、同様の構成要素を指し示している。ユニット３４０は、１つのＭＨＤチャネル３４０ａをセンサとして使用し、直列に接続された他の２つのＭＨＤチャネル３４０ｂ、３４０ｃをトルク発生器として使用する構成を示している。ユニット３４０は、図９に示した装置と同様の装置に使用可能である。
【００６４】
ＭＨＤチャネル３４０ａは、チャネル３４０ｂ及び３４０ｃから電気的に絶縁されており、一対の電極３５２及び３５４を、それぞれ環状の流体チャネル２４４の外周壁２４８及び内周壁２４６に接触させて備えている。電極３５２及び３５４には、正及び負のリード３５３及び３５５がそれぞれ設けられている。ＭＨＤチャネル３４０ａは、ＭＨＤチャネル３４０ｂ、３４０ｃから絶縁されているため、チャネル３４０ｂ及び３４０ｃとは別個独立にセンサとして使用することが可能である。
【００６５】
ＭＨＤチャネル３４０ｂ及び３４０ｃは、電極２５２によって直列に接続されている。電極２５２は、ＭＨＤチャネル３４０ｂの環状の流体チャネルの内周壁２４６とＭＨＤチャネル３４０ｃの環状の流体チャネルの外周壁２４８との間を伸びている。ＭＨＤチャネル３４０ｂの環状の流体チャネルの外周壁２４８に接している電極２５４に、正のリード２５５が設けられている。ＭＨＤチャネル３４０ｃの環状の流体チャネルの内周壁２４６に接している電極２５６に、負のリード２５７が設けられている。このようにして、ＭＨＤチャネル３４０ｂ及び３４０ｃが、リード２５５及び２５７の両側に加えられる電圧を受けて、トルク付与用のアクチュエータとして機能できる一方で、ＭＨＤユニット３４０ａがセンサとして機能する。
【００６６】
以上の本発明の説明は、本発明を例示及び説明している。更に、本明細書の開示は、本発明の好ましい実施形態をいくつか選んで図示及び説明しているにすぎず、本発明を、以上の教示に応じ、かつ／又は、関連分野の技術又は知見の中で、本明細書に表現された本発明概念の範囲において、他のさまざまな組み合わせ、変更及び環境において使用することができ、かつ、変更及び改良できることが、理解されるであろう。
【００６７】
また、本明細書に記載した実施形態は、本発明の実施に関して知られている最良の態様を説明し、当業者がそのような実施形態又は他の実施形態にて本発明を、本発明の特定の応用又は用途によって必要となる種々の変更とともに利用できるようにしようとするものである。したがって、本明細書は、本発明を本明細書に開示の形態に限定しようとするものではない。また、添付の特許請求の範囲は、詳細な説明において明示的には定められていない他の実施形態をも含むものと解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】一実施形態による液体プルーフ・マスを備えるＭＨＤアクチュエータ／センサの上面の概略図を示している。
【図２】図１の断面Ａ−Ａに沿って得た側断面の概略図である。
【図３】本発明の実際的な実施形態の断面図である。
【図４】図３のＭＨＤアクチュエータに印加される電流に対する標準的なプラットフォームのプラットフォーム予測角度を、周波数に対して示している。
【図５】図３の装置についてのシミュレーションであり、同じ試験用プラットフォームの角加速度を、入力電流及び周波数に対して示している。
【図６】回転角速度を感知するため、図３の装置の周波数に対する大きさの応答を示している。
【図７】センサとしての態様にある図３のＭＨＤアクチュエータ／センサについて、周波数に対して予測される角速度位相応答である。
【図８】他の実施形態によるＭＨＤアクチュエータ／センサの斜視の概略図である。
【図９】図８の実施形態の進化型である本発明の他の実施形態によるＭＨＤアクチュエータ／センサの断面図である。
【図１０】複数チャネル式のＭＨＤアクチュエータ／センサの単一セルの一部分の断面図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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