(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通の回転軸の周囲に設置された第一及び第二導電性環状流体流路であって、前記環状流路の内部に導電性液体保証質量の半径方向の流れを形成させるポンプ手段によって両者が連結されているもの；
前記第一及び第二流路に対して垂直な交番電磁場を生じさせることにより、前記第一及び第二流路を横切る磁場を形成させる磁場発生手段；並びに前記交番電磁場、及び、前記導電性液体保証質量に対する前記第一及び第二環状流路の回転速度とともに強さが変化する前記電場を検出するための、前記第一及び第二導電性環状流体流路と平行してトロイダル変圧器のコアの周囲に設置された検出巻き線からなることを特徴とする磁気流体角速度センサー。
【請求項２】
前記磁場発生手段は、前記第一及び第二導電性環状流体流路の間に設置された交流巻き線を受けるための、前記共通の回転軸と共通する軸を有するトロイダルコイルからなるものである請求項１記載の磁気流体角速度センサー。
【請求項３】
前記検出巻き線は、変圧器の一次巻き線であり、前記変圧器は、前記一次巻き線に誘導された電流に感応して前記変圧器の二次巻き線に増幅電圧を与えるものである請求項１記載の磁気流体角速度センサー。
【請求項４】
前記ポンプ手段は、前記２つの環状流路の外周部をつなげる戻り流路、及び、前記２つの環状流路の内周部をつなげる中央流路；並びに前記２つの環状流路をつなげる前記流路のうちの１つにあるポンプからなるものである請求項１記載の磁気流体角速度センサー。
【請求項５】
前記ポンプは、磁気流体ポンプからなるものである請求項４記載の磁気流体角速度センサー。
【請求項６】
前記磁気流体ポンプは、前記中央流路に対して垂直な静磁場を形成させるための永久磁気手段、及び前記静磁場に対して垂直な電場を形成させて、前記中央流路に電流を流れさせることにより前記中央流路で前記導電性流体を動かし、前記環状流路に半径方向の流れを作りだすための、前記中央流路に沿って配置される第一及び第二電極からなるものである請求項５記載の磁気流体角速度センサー。
【請求項７】
基板によってその一端が閉じられている周囲外壁を有するハウジング；
前記ハウジング内に配置された第一及び第二同心状巻き線を有する変圧器；
前記変圧器の上に配置された第一環状流路であって、その外周部に沿って第一電極を、その内周部に沿って、前記変圧器の第一巻き線に接続される第二電極を、有する第一環状流路；
前記第一環状流路の上に設置された第二環状流路であって、前記２つの環状流路の軸に沿って配置された中央流路によって、前記第一流路の内周部と内周部に沿ってつながれ、外周部に沿って前記第一流路の外周部とつながれることにより、連続的な流体経路が前記２つの流路の間に形成される第二環状流路；
前記連続的な流体経路に導電性液体保証質量を流すためのポンプ手段；
前記２つの環状流路に対して垂直な交番磁場を導入するための磁場発生手段であって、電場が前記第一及び第二電極の間に形成されて、前記変圧器によって増幅される磁場発生手段；並びに前記ハウジングのエンクロージャを形成する上部流路キャップからなることを特徴とする磁気流体角速度センサー。
【請求項８】
前記ポンプ手段は、前記中央流路に隣接する永久磁気手段、及び、印加された電圧に対応して前記中央流路に垂直な電場を提供して、前記中央流路で導電性液体質量に吐出力を形りだすための第一及び第二ポンプ用電極からなるものである請求項７記載の磁気流体角速度センサー。
【請求項９】
前記磁場発生手段は、前記ポンプ手段を内包する磁気コイル枠に支持された、交流を受けるためのトロイダル巻き線からなるものである請求項８記載の磁気流体角速度センサー。
【請求項１０】
導電性保証質量を内部に有する環状流路であって、前記環状流路の中央部と前記環状流路の円周部の間で導電性液体の半径方向の流れを受ける環状流路；
前記環状流路に対して垂直な向きに交番電磁場を形成させるための電磁巻き線；
前記環状流路の中央部と前記環状流路の円周部の間に誘導される時間により変化する電位を検出するために接続された第一及び第二電極であって、前記時間により変化する電位が、時間により変化する電場の強さと、前記保証質量に対する前記流路の回転速度とに比例した振幅を有するものである第一及び第二電極；
並びに前記２つの電極間の前記電位を受けて、前記電位を表す増幅シグナルを与えるように接続された変圧器；
からなることを特徴とする、角速度を測定するための磁気流体センサーであって、前記環状流路と平行な第二の環状流路であって、前記環状流路及び前記第二環状流路は、その中心部において、両流路に共通の軸に沿った管路によって連結されており、かつ、前記環状流路及び前記第二環状流路は、その円周部で互いに連結しているものである第二環状流路；並びに前記環状流路及び前記第二環状流路の間に導電性液体の流れを生じさせるために連結されたポンプ：を更に有する磁気流体センサー。
【請求項１１】
前記ポンプは、前記管路に沿った永久磁気手段、及び、電場を生成する前記管路に沿って、かつ、前記２つの環状流路の間で前記導電性液体をポンプする力を生じさせるための前記磁場に垂直の一対の電極からなるものである請求項１０記載の磁気流体センサー。
【請求項１２】
前記交番電磁場を形成させるための前記電磁巻き線に接続された精密発振器；及び前記精密発振器と、前記液体保証質量に対する前記流路の回転速度に比例する電圧を生じさせるための前記変圧器の二次巻き線とに接続された同期復調器を更に有する請求項１０記載の磁気流体センサー。
【請求項１３】
前記電磁巻き線は、前記環状流路の軸と共通の軸を有し、磁気コアで支持されるトロイダル巻き線である請求項１０記載の磁気流体センサー。
【発明の詳細な説明】
本発明は、角速度を測定するためのセンサーに関する。具体的には、円形又は環状流路の内部にある導電性液体のコリオリ加速度から生じる円周方向の流速を測定する磁気流体センサーを開示する。
本発明は、米国特許４７１８２７６号、５０６７３５１号及び５１７６０３０号で本発明者が以前に開示した発明を発展させたものである。米国特許５１７６０３０号は、角速度を検出するために用いられる能動ＭＨＤ発電機を開示している。この特許製品の操作原理は、円形流路における導電性液体の半径方向の流れ場に依拠している。このセンサーが検出軸の周囲に過渡的な角回転を受けた時には、円形流路の内部にある導電性液体は保証質量（ｐｒｏｏｆ  ｍａｓｓ）として作用し、導電性液体を含むセンサーに与えられた回転に対して静止した状態のままである。静磁場は導電性液体の流路に対して垂直に印加される。この装置の内部にある２つの円形検出流路のそれぞれにおいて半径方向に液体をポンプで送り込むことにより、液体に流れが誘導される。入力速度が一定である条件下では、コリオリの加速度によって、検出流路内部の液体の流れ場に接線方向（円周方向）の速度成分が生じる。この接線方向の速度成分に与えるＭＨＤ効果は、導電性流体の内周部と導電性流体の外周部との間に、センサーに対する入力角速度に比例する静電ポテンシャルを生じさせる。
上述した特許の能動センサーは、利用分野によっては不充分な分解能とドリフト率を持つことが明らかになっている。慣性ナビゲーションで利用するには、０．０００１°／秒以上の分解能で角速度を測定することが望ましいが、上述した特許の装置が有する測定分解能はおよそ１°／秒に限られている。
従来の磁気流体センサーが有するドリフト率は１時間あたりおよそ数百度であるが、慣性ナビゲーションジャイロで利用するには、ドリフト率は０．１°／時間未満が望ましい。
はるかに小さな角速度を測定するため、具体的には、慣性陸路ナビゲーションで利用する際に必要とされる精度を発揮する低価格の角速度センサーを開発するために、上述した装置に対して構造の変更を行った。
発明の要約
本発明は、１°／秒未満の角速度の測定を達成することを目的とするものである。
本発明は、また、低いドリフト率を有する角速度センサーを提供することを目的とするものである。
本発明におけるこれらの目的及び他の目的は、環状流路が測定軸の周囲を回転する時に高頻度（＞１Ｈｚ）の速度を測定するため、実質的に静止した状態のままである導電性液体保証質量を包含する環状又は円形流路を有する磁気流体センサーによって達成される。低頻度（＜１Ｈｚ）の速度測定を可能にするため、上記流路には、環状流路の円周部と環状流路の中央部との間に導電性流体の半径方向の流れをつくる。検出流路における半径方向の流体の流れのコリオリ成分を測定することによって、低頻度（１Ｈｚ付近までで一定）において角速度が検出される。交番電磁場を環状流路の平面に対して垂直な方向に形成させると、環状流路に垂直な電磁場内での導電性保証質量の動きのために、環状流路の内部で半径方向に交番電位が誘起される。環状流路を横断する方向での電圧は、それぞれ環状流路の内周部と外周部にある第一電極及び第二電極によって検出され、この電極間を接続する一次巻き線を有する変圧器によって増幅される。この変圧器の二次巻き線で作られた増幅シグナルは、センサーに与えられた角速度に比例し、検出流路における磁束密度によって変調されている。
上記センサーから発生した角速度シグナルは、印加された電磁場に対して同期して検出されて、従来のセンサー構造から実質的に増加した測定分解能（及び向上したノイズ除去能）を提供する。
本発明の好ましい態様においては、磁気流体速度センサーは、導電性流体保証質量を搭載した、互いに対して平行に設置された２つの流路、すなわち検出流路と整流用流路を有する。この二つの流路は、内周部に沿って二つの環状流路をつなげる中央流路と、環状流路の各々の外周部をつなげる戻り流路とによってつなげられている。上記中央流路の内部にある磁気流体ポンプは２つの環状流路の間で流体に流れを与えて、各流路を横断する半径方向の流れを生じさせる。受動モードゲインと能動モードゲインが一致することができかつ位相応答がゼロ度付近のままであるように、この流れは検出流路において半径方向で外向きに設定される。
２つの環状流路を支持するハウジングに角速度が与えられれば、このハウジングと導電性液体保証質量との相対的な動きが、環状流路を出入りする半径方向に流れる液体にコリオリの加速度を付与し、環状流路の内部に円周方向の流速を生み出す。流路内部の液体保証質量の円周方向の流速は、半径方向の流速、印加された磁束密度及び入力される角速度に比例するものであり、検出流路の内周部と外周部の間に、時間により変位する電位を生じさせる。その電圧は同期的に検出される以前に、変圧器によって増幅される。
図の説明
図１は、本発明の好ましい態様に係るセンサー組み立て品の平面図である。
図２は、上記好ましい態様に係るセンサー組み立て品の、図１の線Ａ−Ａに沿った断面図である。
図３は、中央流路１４、下部流路１１、上部流路１２及び戻り流路１３からなる流体回路を通る、ポンプで送られた保証質量の導電性流体経路を例示した図である。
図４は、ポンプ組み立て品２１の平面断面図である。
図５は、上記好ましい態様に係るセンサーにおける交番磁場経路及びポンプ組み立て品を例示した図である。
図６は、上記好ましい態様のセンサーの分解図である。
図７は、上記好ましい態様のセンサーから導かれる測定回路及びこれに関する電子回路構成を図示したブロック線図である。
図８は、角速度の周波数に対するセンサーの振幅応答を示した図である。
図９は、角速度の周波数に対するセンサーの位相応答を示した図である。
好ましい態様の説明
図１及び２は、本発明の好ましい態様に係る、ほぼ１／１０００°／秒という小さな回転速度を測定しうる磁気流体（ＭＨＤ）角速度検出器の平面図及び横断面図である。
このセンサーは、水銀等の導電性液体で満たされた下部流路１１及び上部流路１２を有する。流路１１及び１２は平行な二平面にあるものであり、センサー３の測定軸８に沿ってある中央流路１４と、流路１２及び１１の外周部にある戻り流路１３とによってつなげられている。中央流路１４に配置されたポンプ２１は、下部流路１１と上部流路１２に半径方向に出入りする導電性液体保証質量を循環させるものである。この液体保証質量は空泡を含まないものであり、実質的に圧縮不可能な液体を構成する。下部流路１１は実質的に円形であり、上部流路１２は半径方向に伸びた複数の通路を有する。
トロイダル磁気巻き線２２は、上部流路１１と下部流路１２の間に配置されており、下部流路１１と上部流路１２に対して垂直な磁場を誘起する。
磁気流体力学の原理によれば、印加された磁場に対する下部流路１１内部での保証質量の相対的な動きは、接続流路１４で規定される内周部と、戻り流路１３で規定される外周部との間に静電ポテンシャルを生じさせる。センサーがその検出軸の周囲を回転すると、内周部と外周部に接して配置されている２つの電極１７及び１８が静電ポテンシャルを生じさせるが、これは磁気ドライブコイル２２に印加された電圧の周期的変化に対応して時間変化するものである。変圧器の一次巻き線２３は、下部環状流路１１の内周部と外周部に接触している２つの電極１７と１８を接続している。
検出流路を構成する下部円形流路１１を横切る半径方向の流れが導入されるので、ＭＨＤセンサーは（１Ｈｚ未満の）低周波数の角速度に対する感度が改善される。この半径方向の流れは、センサー軸８を中心とするセンサーの角回転に応答してコリオリの速度成分を生み出す。下部円形検出流路１１の内部電極１７と外部電極１８の間の電圧は、液体保証質量に対する下部流路１１の角周波数変位を表している。
図３は、下部円形流路１１と上部流路１２の間に形成される流体経路を例示したものである。ポンプ２１は、中央流路１４を通って導電性流体を垂直に降下させる。この後、水銀等の流体は、下部流路１１で外向きに半径方向に流される。次に、この流体は下部流路１１の外周部から上方に、戻り流路１３を通って上部流路１２の外周部まで移動する。ポンプされた導電性液体は図３の矢印で表された複数の半径方向の経路を通過して、上部流路１２の内周部に向かって流される。上部流路１２は、コイル枠３９の上にある楕円形のブロック３８によって、複数の放射状経路に分割されている。上部流路キャップ３３は上部流路１２の外壁を形成する（図２を参照）。放射状ブロックは、ドライブコイル２２の末端２２ａ、２２ｂが１つの孔から一対になって通される複数の貫通孔を有し、同時に、コイル枠３９にドライブコイル巻き線２２とともに同心状に巻きつけられたドライブコイルフィードバック巻き線２８の末端２８ａ、２８ｂが通される１つの貫通孔も有する。
加えて、上部流路キャップ３３にブロック３８を通る孔が存在しており、２つの接続用電極４５及び４６のそれぞれがここを通っておりこれらから絶縁されている。これら接続用電極４５、４６は上蓋３３の上部に突き出しているので、回路基板４９と、ポンプ２１の電極４３、４４とを接続することができる。
ＥＭドライブコイルフィードバック巻き線２８の一対の末端２８ａ及び２８ｂは一対になって、ブロック３８の孔を通り抜けている。ブロック３８の残りの孔は、ポンプ組み立て品２１と上蓋３３をコイル枠３９に固定するために、留め具を受けている。
戻り流路１３は、上部流路絶縁体４０と外部戻り壁３４との間の空隙を構成する。下部円形流路１１への流れは、センサーがその検出軸８の周囲を回転する時にコリオリの加速度を受ける半径方向の成分を含む。円形流路１１の流体経路で生じた円周方向の速度成分は、流路１１において半径方向の静電ポテンシャルを生じさせる。
円形下部流路１１は、外部電極１８、下部検出流路絶縁体３２及び内部検出流路電極１７からなる外壁を有する。これらの構成要素はそれぞれが円形であって、ハウジング２６内にはめ込まれて、一次巻き線２３に支持される。一次巻き線２３はトロイダル変圧器のコア２５及び二次巻き線２４を内包する。
円形下部流路１１、戻り流路１３及び上部流路１２の内壁は、戻り流路絶縁体（コイル枠カバー）４０、ポンプ組み立て品２１、及び、ドライブコイル２２を支持するトロイダルコイル枠３９によって形成される。上部流路キャップ３３は外部ハウジング２６に留め具４７で固定される。
流体の流れを作りだす磁気流体ポンプ２１を図４及び５の断面図においてより具体的に示す。ポンプ２１は、磁気の方向が共通している一対の永久磁石１９及び２０であって円形下部流路１１と放射状上部流路１２とをつなぐ中央流路１４に対して垂直なポンプハウジング２９に支持されているものを有する。永久磁石１９及び２０は中央流路１４の短い方の巾をへだてて対面する。一対の電極４３、４４（図２を参照）は、中央流路１４の長い方の巾をへだてて備えつけられ、外部接触子４５、４６と接する。流路１４に電圧を印加するための電極４３、４４は、上記長い方の巾をはさんで配置されるものであり、中央流路１４の内壁にまで伸長して中央流路１４内の導電性液体と接触する導電性のネジ付き挿入子を構成する。ＭＨＤの原理を用いると、外部接触子４５、４６への直流電圧の印加は、磁石１９及び２０の磁場に対して垂直に、中央流路１４の広い方の巾を横切る静電場とこれに相当する電流を生じさせる。この結果、吐出力が流路内の導電性液体（水銀）に与えられる。ここに、上部流路１２から中央流路１４を通って下部流路１１に至る流れが確立する。
流路キャップ３３は、中央流路１４の皿型開口部３０ａで受けられるテーパ中央セクション３３ａを有する。流路キャップ３３は、ポンプされた導電性流体を積載する放射状流路１２の上部壁面を形成する。流路キャップ３３は、磁気コイル枠３９に巻き付けられたトロイダルドライブコイルに接続するための孔を有する。
コイル２２は、上部流路キャップ３３のブロック３８を通って交番電圧の発生源にまで伸長する末端２２ａ及び２２ｂを有する。本装置の測定感度が向上したのは、一部には、センサーが検出軸の周囲を回転する時に電極１７及び１８で生じた交番ＭＨＤ電位を発生させる交番磁場に起因する。内部電極１７及び外部電極１８で検出された交番電圧も時間変化するものであり、コイル２２に印加された電圧を基準電圧として用いて二次巻き線２４のリード線の電圧と比較する同期検出法を用いて、検出流路における電極１７と１８の間のＭＨＤ発生電圧を、トロイダル変圧器のコア２５で増幅することにより、ピコボルトの範囲で検出することができる。
第二フィードバックコイル２８はコイル枠３９に巻き付けられて、一対の巻き線末端２８ａ、ｂを有する。この２つの巻き線末端はねじり合わされた一対のものとして、コイル枠３９、楕円形ブロック３８及び蓋３３にある同一の孔を通って伸長して、図２の回路基板４９に接続される。フィードバックコイルは、ドライブコイル２２が作りだした磁束をモニターすることができるので、磁束密度の振幅Ｂ及び振動数を一定に維持することができる。磁束密度の制御が、このセンサーの分解能を高め、時間と温度に対する極めて安定な感度（倍率）の制御を提供する。
更に、トロイダルコア２５、二次巻き線２４及び一次巻き線２３からなる逓昇変圧器の使用を通じて、この装置の速度感度又は分解能を著しく増加させることが可能になる。内部電極１７及び外部電極１８は変圧器の一次巻き線２３に接続される。変圧器の一次巻き線２３は、トロイダル変圧器のコア２５が通るトロイダル通路と、変圧器のコアに巻き付けられた多重巻きの二次巻き線２４とを有する銅カップからなる一重巻きのものである。一次巻き線は電極１７及び１８に２つのポイントで接続される。電極１７はその基部に、ボルト３１を受けるためのネジ孔を有する。１つの電極１７と絶縁体３２は、一次巻き線２３からなる銅カップに固定される。
外部電極１８は検出流路絶縁体３２によって、内部電極１７から間隔を置いて配置される。外部電極１８はその表面で、一次巻き線２３からなる銅カップに接する。
二次巻き線２４の末端２４ａ、ｂはねじり合わせられた一対のものとして、孔２３ａから出される。このねじり合わされた一対の末端は、ハウジング２６と戻り流路の外壁３４との間をハウジング２６と接しつつ上に向かって伸長し、上蓋３３の開口部を通過する。変圧器の二次巻き線の末端はセンサーの電子回路基板４９で受けられる。変圧器のコア２５に巻き付けられた二次巻き線２４、及び、一次巻き線２３は、軸８の周囲の角速度を測定するため、ドライブコイル２２に印加される電圧に対して同期する検出法に用いることができる電流の増幅シグナルを与える。
交番磁場と検出流路１１との関係を図５に例示する。矢印は、磁気コア３９に支持されたトロイダル巻きコイル２２から発生する磁束の方向が円形下部流路１１に対して垂直であることを示している。
好ましい態様におけるセンサーの詳細な分解図を図６に示す。センサーは、適当な留め具４８によって基盤２７に固定されたハウジング２６に収納される。内部検出流路電極１７は絶縁体３２に支持される。外部電極１８は円形流路１１の外壁の一部を形成する。ドライブコイル２２は上部流路絶縁体（コイル枠カバー）４０で覆われる。上部流路絶縁体４０は戻り流路絶縁体３４の内部でスライドする。戻り流路絶縁体３４は外部電極１８とハウジング２６の間に、絶縁のための空気間隙を維持する。上部流路絶縁体４０と戻り壁３４との間の隙間は、磁気コア３９と上部流路の蓋３３の間に形成される上部流路１２から出てくる流体に対して戻り流路を与える。上部流路の蓋３３は、戻り壁３４内部の隆起部３４ａ上にある円形の隆起部（図２でより明らかに図示）を有する。
ポンプ２１は磁気コア３９の内部に配置される。磁気ポンプ２１は、その上下に皿型開口部３０ａ及び３０ｂにおいて開口している中央流路１４を有する。皿型開口部３０ａ及び３０ｂはそれぞれ、上部流路キャップ３３のテーパ部３３ａと、テーパ型内部検出電極１７を受ける。テーパ型内部検出電極１７と上部流路キャップテーパ３３ａの両方が、中央流路１４に出入りする流体経路の壁面を形成する。
上部流路キャップ３３は、クリアランスホール４７を通ってネジ孔のあるハウジング壁面２６まで届く一連のネジによって外部ケース２６に固定される。
図２はまた、一連の積み重なったプリント配線基板を有する完全な形のセンサーユニットも例示する。一番目のプリント配線基板４９は、ドライブコイルのリード線２２ａ、２２ｂ、二次検出巻き線２４ａ、２４ｂ、ポンプ電極４５、４６及びドライブフィードバック巻きリード線２８ａ、２８ｂを接続する。プリント配線基盤５０は、検出された角速度シグナルを同期に復調するために必要な復調回路構成を有する。ドライブ基板５１は電磁ドライブコイル２２に交番電圧を与える。検波基板５０及びドライブ基板５１上で電子回路をはたらかせるための電源電圧を提供する電源基板５３を示す。コネクタ基板５４は、電子装置の上蓋５５で支持される。５２は、半径方向の流速を制御するＭＨＤポンプ基板である。
上記基板を含む円筒形支柱５８は、上部流路キャップ３３にねじ込まれる第一及び第二ネジ末端を有する。締めつけリング５９は適所にコネクタ６０及びそのヘッダ６１を保持する。ハウジングの壁面２６に固定された基盤２７には、センサー及び電子組み立て品を測定面に固定するための複数のクリアランスホール６４を有するフランジがある。
図７は、センサーの操作に必要な電子回路構成を例示したブロック線図である。ドライブ基板５１は、センサー内に交番磁束を形成させる交流シグナル源７０を有する。プリセッション発振器のような交流シグナル源７０は、制御された電流をセンサーのドライブコイル２２に供給する。フィードバック巻き線２８は、エラーシグナルを誘導してセンサー内の磁束密度を一定に維持するためのフィードバック回路７２に接続される。加算接合点７１は一定の磁束密度を維持するために、電流ドライバー７３にエラーシグナルを与える。
ＭＨＤポンプ基板５２は、検出流路１１での半径方向の流速を設定するための電圧基準を有する。流速の制御は、ＭＨＤポンプが生じさせた流速を検出して、フィードバック回路７６を通じて加算接合点７８にフィードバックシグナルを与えることによって行われる。パルス幅変調電力回路７７は、エラーシグナルに応じてＭＨＤポンプ電極４５、４６にパルス幅が変調したパルスを与えることで、センサー内に制御された流速を提供し、中央流路１４の液体に対して吐出力を生じさせる。
検出流路内の半径方向の流れを一定に保ち、同時に磁束を一定に維持することによって、内部検出電極１７及び外部検出電極１８からの検出された出力シグナルは、巻き線２２が形成させる電磁束Ｂ、半径方向の流速Ｕr、及び、加算関数で表される入力角速度ωo（ｔ）に比例するので、入力角速度ωo（ｔ）の正確な測定値である出力シグナルが得られる。
内部検出電極１７及び外部検出電極１８で検出された電圧は、一次巻き線２３及び二次巻き線２４からなるトロイダル変圧器によって増幅される。
検出された角速度シグナルを同期検波するために必要な変調回路を有するセンサーシグナル処理電子回路は、センサー電子回路基板５０に含まれる。このセンサーシグナル処理電子回路は、巻き線２４からのシグナルを増幅する計測増幅器８１を有する。帯域フィルター８２は、同期復調器８３によって同期に検出されたシグナルを通す。
同期復調器８３の基準シグナルはシグナル発生源７０から引き出される。移相器８４は、この同期復調器の基準シグナルのために正確な位相を確立する。
復調された出力シグナルは低域フィルター８５を更に通って、入力角速度ωo（ｔ）に比例するシグナルを与える。
ドライブ電子回路基板５１からの磁束密度の制御は、速度測定帯域幅より少なくとも大きい速度で振動する磁束密度を生じさせる。センサーは、１０００Ｈｚ以上の磁束密度振動数において得ることができる少なくとも１００Ｈｚの測定帯域幅を達成する。
検出流路における制御された半径方向の流速は、センサー内のＭＨＤポンプを通過する流速に直接比例する。半径方向の流速は、基準７９によって定められた設定済の基準値に対して一定に維持される。温度及び電圧基準ドリフトの変化は、ＭＨＤポンプ制御回路５２によって著しく減少させられる。
図７の回路素子に所期の操作電位を供給する電源回路５３が示される。この装置への外部からの接続は全て、コネクタ６０を通じてなされる。
復調された出力電圧は、直流−１００Ｈｚの測定帯域幅において、センサーの検出（円柱形）軸の周囲の角入力に比例する。周波数応答関数（ＦＲＰ）は調節可能であり、センサー及び図７のシグナル調整電子回路の両方に関係する多数のパラメーターに依存する。米国特許５１７６０３０号に記載されたＦＲＰと類似して、このセンサーの角速度感度は、出力シグナルに重ねられている２つの速度検出機構が複合したものである。式１は、シグナル処理電子回路の寄与を含むセンサーの周波数応答関数である。式中、
0004014640.tif 000002
式中、
Ｂac       ＝  検出流路１１に標準的に印加されたピーク交番磁束密度（Ｔ）
Ｗ         ＝  検出流路１１の有効幅（ｍ）
ｈ         ＝  検出流路１１の有効厚さ（ｍ）
Ｕr        ＝  検出流路１１での半径方向の平均速度（ｍ／ｓ2）
ｒrms      ＝  検出流路１１の二乗平均半径（ｍ）
Ｍ         ＝  ハルトマン数（無単位のパラメーター）
Ｎ1        ＝  一次巻き線２３の巻き数（好ましい態様では事実上１である）
Ｎ2        ＝  二次巻き線２４の巻き数
Ａv        ＝  シグナル調整電子回路の増幅器８１のゲイン
ＨLPF（ｓ）＝  シグナル調整電子回路の低域フィルター８５の応答
ｓ＝ｊω＝ｊ２πｆ＝  複素周波数変数
検出流路１１の有効幅ｗは、外部検出電極１８と接する検出流路１１の外径と、内部検出電極１７と接する検出流路１１の内径との差である。ハルトマン数Ｍは、粘性力に対する磁気体積力の比として定義された、無単位の磁気流体力学上のパラメーターであり、ここでは下式で表される。
0004014640.tif 000003
式中、
Ｂ          ＝  検出流路１１に印加された（一定及び交番の）平均磁束密度
ν          ＝  導電性流体保証質量の動的速度（νｈｇ＝１．１５ｅ−７ｍ2／ｓ）
η          ＝  導電性流体保証質量の電気抵抗率（ηｈｇ＝９．５８ｅ−７Ωｍ）
σ          ＝  導電性流体保証質量の密度（σｈｇ＝１．３５４ｅ＋４ｋｇ／ｍ3）
ｈ          ＝  検出流路１１の有効高さ（ｍ）
上記周波数応答におけるＮ2／Ｎ1なる項は、インテグラルトロイダル変圧器による検出流路１１の電圧増幅である。Ｎ2／Ｎ1の比は、磁束密度の変調周波数が逓昇変圧器の低コーナー周波数よりもはるかに高い（例えば１０倍以上）と推定されるから、電圧増幅は、一次巻き線２３の巻き数に対する二次巻き線２４の巻き数の比、すなわちＮ2／Ｎ1として近似的に計算することができる。本態様におけるトロイダル変圧器は、典型的には１０Ｈｚ未満という低コーナー周波数ｆcを有するが、磁束密度の変調周波数ｆmodは通常１００Ｈｚよりも大きいであろう。理想的な電磁逓昇変圧器の周波数応答は下記式で表すことができ：
0004014640.tif 000004
式中、
Ｖ1       ＝  一次巻き線２３の電圧（Ｖ）
Ｖ2       ＝  二次巻き線２４の出力電圧（Ｖ）
Ｒ1       ＝  一次巻き線２３の抵抗（Ω）
Ｌ1       ＝  Ｎ12／Ｒｍ＝一次巻き線２３のインダクタンス（Ｈ）
Ｌ12      ＝  Ｎ1Ｎ2／Ｒｍ＝二次巻き線２４のインダクタンス（Ｈ）
Ｒｍ      ＝  トロイダルコア２５の磁気抵抗（Ａ／Ｗｂ）
コーナ低周波数ｆcは次式で定義される、
ｆc＝Ｒ1／（２πＬ1）              （４）
もしｆmod≫ｆcであれば、変圧器応答の分母はｓＬ1の項が優位を占めてＲ1の寄与を無視することができ、（３）の分母はＳＬ1で近似することができる。従って、正弦磁束密度［Ｂacｓｉｎ（２πｆmodｔ）］が変圧器の遮断周波数（ｆc）よりはるかに高い周波数（ｆmod）で振動する場合、周波数応答関数はＳＬ12／ＳＬ1として近似的に計算され、Ｎ2／Ｎ1になり、変調周波数での位相応答は０度付近である。
ＦＲＦでの２／πなる項は、全波整流化正弦シグナルの平均振幅に対する最高振幅の比である。同期変調回路５０は、二次巻き線２４の出力シグナルの符号依存全波整流を行う。
周波数応答関数における上方遮断周波数は低域フィルタ（ＬＰＦ）８５によって設定される。変調リプルが適度に除去されるように、遮断周波数は通常、交番磁場の変調周波数ｆmodの１／５〜１／１０に設定される。好ましい態様では、変調周波数を５００Ｈｚ以上と推測して、ＦＲＦのプロットを１００Ｈｚに設定する。二次のＬＰＦ８５は、ｆLPFという遮断周波数及び減衰係数ξを有しており、下式で表される、
0004014640.tif 000005
式中、
ｆLPF     ＝  低域フィルタの−３ｄＢ遮断周波数
ξ        ＝  減衰係数、及び
ｓ        ＝  複素周波数変数
米国特許４７１８２７６号及び５０６７３５１号に記載の受動（非直流）型の検出素子と類似して、（１Ｈｚ以上の）高周波数応答を支配する周波数応答は、検出流路の二乗平均半径（ｒrms）に比例するが、低周波数（直流から約１Ｈｚ）応答は検出流路１１の外側を流れる半径方向の平均流速（Ｕr）に基づく。
直流−１００Ｈｚからのセンサーの伝達関数の応答が平坦であるために、低周波数と高周波数のゲインが等しくなければならない。この条件は半径方向の流速が下式に等しいとき当てはまる：
0004014640.tif 000006
Ｕｒ＝０の場合、式６で計算されたＵr＝Ｕro（平坦な応答）の場合、及び、Ｕr＝２Ｕroの場合のセンサーのＦＲＦに関する、図８はボード振幅プロットであり、図９は位相プロットである。Ｕr＝０という条件は直流（周波数が零）のゲインが零に等しい受動型の周波数応答に類似している。図８及び図９で示した周波数応答については下記のパラメーターが計算で用いられた：
Ｂac           ＝  ０．００５Ｔ
ｗ             ＝  ０．０１ｍ
ｈ             ＝  ０．０００５ｍ
ｒrms          ＝  ０．０１６ｍ
Ｕr＝Ｕro      ＝  ０．００３７ｍ／ｓ2（図８及び９の実線）
Ｕr＝０        ＝  ｍ／ｓ2（図８及び９の破線）
Ｕr＝２Ｕro    ＝  ０．００７４ｍ／ｓ2（図８及び９の破点線）
Ｍ             ＝  ０．０６５（無単位）
Ｎ1            ＝  １巻き
Ｎ2            ＝  １００００巻き
ｆLPF          ＝  １００Ｈｚ
Ａv            ＝  ２０００Ｖ／Ｖ
これらのパラメーターは、導電性流体として水銀を用いる望ましい態様におけるセンサーで典型的なものである。この例の直流倍率は１０Ｖ／（ｒａｄ／ｓ）である。
以上のように、ここでは、向上した分解能で角速度を測定する装置を開示する。当業者であれば、以下の請求の範囲でより詳細に記載される他の態様を理解することができるであろう。
【図１】
0004014640.tif 000007
【図２】
0004014640.tif 000008
【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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