JP2005121371A - Dynamic matrix sensitivity measuring method for force sensor, and instrument therefor - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dynamic matrix sensitivity measuring method for a force sensor capable of measuring accurately dynamic sensitivity expressing a dynamic characteristic of the force sensor by a matrix, and an instrument for executing the method. <P>SOLUTION: Translation motion and rotation motion are imparted to a table 11 by an X-axis actuator 5, a Z-axis actuator 6 and a Y-axis actuator 7, vibration of the table 11 is detected as vibration in the first corner cube 3 by the first table face measuring actual time laser interferometers 21x, y, z, vibration in a sensor 1 of a calibration object fixed on the same table 11 is also measured as vibration in the second corner cube 13 via a mass 12 by the second table face measuring actual time laser interferometers 22x, y, z. Signals from the force sensor on the table 11, the respective interferometers, a force sensor for calibration and the like are input into a signal processor, and all the elements of the matrix are determined to measure the sensitivity. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、力センサの動的感度を計測する技術に関し、特にエアバック制御用ダミーや、ロボットの運動制御等に用いる力センサを動的マトリックスにより正確に感度を計測することができるようにした力センサの動的マトリックス感度計測法とその装置に関する。   The present invention relates to a technique for measuring the dynamic sensitivity of a force sensor, and more particularly, a force sensor used for airbag control dummies and robot motion control can be accurately measured with a dynamic matrix. The present invention relates to a dynamic matrix sensitivity measurement method and apparatus for a force sensor.

力センサは、殆どの使用分野において時間的に変動する力を計測するにもかかわらず、その動的な力の標準は確立していない。また、国際度量衡局が主催する国際比較の対象にもなっていないし、ましてや担当する諮問委員会もないのが実情である。力センサの動的特性評価に関する研究としては、ドイツの物理工学研究所(PTB)が図４に示すような装置を用いて、感度軸が一軸の力センサの動特性評価結果を発表している。   Despite the fact that force sensors measure time-varying forces in most fields of use, their dynamic force standards have not been established. In fact, it is not subject to international comparisons sponsored by the International Bureau of Weights and Measures, and there is no advisory committee in charge. As a study on dynamic characteristic evaluation of force sensors, the German Physical Engineering Institute (PTB) has published the dynamic characteristic evaluation results of force sensors with a single axis of sensitivity using a device as shown in FIG. .

図４に示す装置において２１は一軸の振動台、２２は振動台２１のテーブル面、２３は振動台２１のテーブル面に取り付けられた一軸力センサ、２４は１軸力センサの力の受け面、２５は力センサに慣性力を作用させるための質量、２６は力センサ２３の感度軸の方向、２７は振動台１のテーブル面の振動の方向で、力センサ２３の感度軸方向と一致している。   In the apparatus shown in FIG. 4, 21 is a uniaxial vibration table, 22 is a table surface of the vibration table 21, 23 is a uniaxial force sensor attached to the table surface of the vibration table 21, 24 is a force receiving surface of the uniaxial force sensor, 25 is a mass for applying an inertial force to the force sensor, 26 is a direction of the sensitivity axis of the force sensor 23, 27 is a direction of vibration of the table surface of the vibration table 1, and coincides with the sensitivity axis direction of the force sensor 23. Yes.

このような装置において、質量２５の運動加速度をαとすると、ニュートンの法則に従って、力センサに作用する力fは、f = m×(α-テーブル２２の運動加速度)で表される。図４に示すように振動台の上にこれをセットすれば、運動加速度は振動加速度となり、正弦波で時間的に変化する動的な力を、力センサに印加することが可能になり、このような装置を用いて力センサの動的特性評価を行っている。なお、多軸力センサの校正については特開平９−１１１６８号公報に記載され、PTBの実験を示す試料として下記の非特許文献１が存在する。
特開平９−１１１６８号公報 Error sources in dynamic force calibration, R. Kumme, proceedings ofthe XIII IMEKO world congress, Volume 1, P259. In such a device, when the motion acceleration of the mass 25 is α, the force f acting on the force sensor is expressed by f = m × (α-motion acceleration of the table 22) according to Newton's law. If this is set on a vibration table as shown in FIG. 4, the motion acceleration becomes vibration acceleration, and a dynamic force that changes with time in a sine wave can be applied to the force sensor. Such a device is used to evaluate the dynamic characteristics of the force sensor. The calibration of the multi-axis force sensor is described in Japanese Patent Laid-Open No. 9-11168, and the following Non-Patent Document 1 exists as a sample showing the PTB experiment.
JP-A-9-111168 Error sources in dynamic force calibration, R. Kumme, proceedings ofthe XIII IMEKO world congress, Volume 1, P259.

上記のような装置を用いた力センサの動的特性評価方法、及び従来の技術においては下記のような原理的な欠点がある。   The method for evaluating the dynamic characteristics of the force sensor using the apparatus as described above and the conventional technique have the following principle drawbacks.

１：力センサは、構造上不可避な横感度を有し、当然周波数に依存するにもかかわらず、その特性を計測することができない。   1: The force sensor has a lateral sensitivity that is unavoidable in terms of structure, and of course, its characteristics cannot be measured although it depends on the frequency.

２：力がベクトルである以上、入力が実際の力ベクトルであって力センサの出力は電圧値であるにせよベクトルであるから、信号の変換の割合を示す感度は、線形代数学の教えに従えばマトリックスにならないといけないにもかかわらず、そのような数学的原理には反している。   2: As long as the force is a vector, the input is an actual force vector and the output of the force sensor is a vector regardless of whether it is a voltage value. Therefore, the sensitivity that indicates the rate of signal conversion depends on the teaching of linear algebra. It is against such mathematical principles, though it must be a matrix if followed.

３：実際に使われている力センサの中には三軸、六軸など、感度軸が複数個あるものがあるが、このような多軸の力センサでは、一軸の振動発生装置による慣性力発生を用いたのでは、高い精度で感度をマトリックスとして求めることは不可能である。   3: Some force sensors that are actually used have multiple sensitivity axes, such as three or six axes. In such a multi-axis force sensor, the inertial force generated by a uniaxial vibration generator is used. Using generation, it is impossible to determine the sensitivity as a matrix with high accuracy.

４：力がベクトルである以上、動的な力を計測するということは、大きさと方向を計ることを意味する。従って動的な力の計測のための校正としては、大きさと方向の検出の両方を行わなければ、無意味である。それに対して図１に示した方法においては、力センサの感度軸と振動台の振動方向を人為的に最初から一致させているので動的力の校正になっていない。   4: As long as the force is a vector, measuring a dynamic force means measuring the size and direction. Therefore, calibration for dynamic force measurement is meaningless unless both magnitude and direction are detected. On the other hand, in the method shown in FIG. 1, since the sensitivity axis of the force sensor and the vibration direction of the shaking table are artificially matched from the beginning, the dynamic force is not calibrated.

５：圧電物質は剪断成分を持つので、圧電材料を用いた力センサは必然的に横感度を持つ。従って、精度の高い計測のためには横感度を明らかにする必要があったが、従来の技術では不可能であった。さらに圧電型の三軸力センサも開発されているが、マトリックス感度は与えられてはいないので、線形代数学の教えには反している。   5: Since a piezoelectric substance has a shear component, a force sensor using a piezoelectric material necessarily has lateral sensitivity. Therefore, it is necessary to clarify the lateral sensitivity for high-accuracy measurement, but this is not possible with the conventional technique. In addition, a piezoelectric triaxial force sensor has been developed, but it is contrary to the teachings of linear algebra because no matrix sensitivity is given.

６：力センサと関係が深い加速度センサの校正技術においては、最も一般的な一軸加速度センサの感度軸と振動台の振動方向を一致させて校正がなされており、加速度が本来はベクトルであり、大きさと方向を持つ物理量であることが無視されている。最初から加速度センサの感度軸と振動方向を一致させたのでは、加速度の大きさでしか校正していないのであって、ベクトルとしての校正ではない以上、加速度計を用いてf (力)=m(質量)×α(加速度)の関係から力センサを力ベクトルで校正することは、完全に不可能な状況にある。   6: In the calibration technology of the acceleration sensor that is closely related to the force sensor, the calibration is made by matching the sensitivity axis of the most common uniaxial acceleration sensor and the vibration direction of the shaking table, and the acceleration is originally a vector, It is ignored that it is a physical quantity with size and direction. If the sensitivity axis of the acceleration sensor and the vibration direction are matched from the beginning, the calibration is performed only with the magnitude of acceleration, and since it is not a calibration as a vector, using an accelerometer, f (force) = m It is completely impossible to calibrate the force sensor with a force vector from the relationship of (mass) × α (acceleration).

７：本発明は力センサの横感度を求める方法と装置に関するもので、力センサの感度はマトリックスで表されなければならず、運動発生装置が３自由度であれば一軸力センサでは１×３のマトリックスで、運動発生装置が３自由度であれば二軸力センサでは２×３のマトリックスで、運動発生装置が３自由度であれば三軸力センサでは３×３のマトリックスで表現されることと、それらのマトリックスの全ての要素が各周波数において連立一次方程式の根として求まることを示している。ところで加速度センサを、ベクトルとしての加速度を検出するセンサとして校正する技術に関しては、『加速度センサの動的マトリックス感度の計測方法及びその計測装置』出願番号：特願２００３−１２３４１７として、平成１５年４月２８日に出願している。本発明は、前記加速度センサの場合と同様に、力センサの動特性はマトリックスで表されるべきであること、そのマトリックスの要素は連立一次方程式の根として求まることをその本質としているが、装置の一部として感度がマトリックスで定義された加速度センサなどの運動量センサを用いなければならない。横感度を成分として持つマトリックスとして、力センサの感度を絶対校正に基づいて定義することは、従来不可能であった。   7: The present invention relates to a method and apparatus for determining the lateral sensitivity of a force sensor. The sensitivity of the force sensor must be expressed in a matrix, and if the motion generator is 3 degrees of freedom, the uniaxial force sensor is 1 × 3. If the motion generator is 3 degrees of freedom, the biaxial force sensor is represented by a 2 × 3 matrix. If the motion generator is 3 degrees of freedom, the triaxial force sensor is represented by a 3 × 3 matrix. And that all elements of these matrices are found as roots of simultaneous linear equations at each frequency. By the way, regarding a technique for calibrating an acceleration sensor as a sensor for detecting acceleration as a vector, “Measuring method and measuring apparatus of dynamic matrix sensitivity of acceleration sensor” application number: Japanese Patent Application No. 2003-123417, April 2003 It is filed on the 28th of the month. As in the case of the acceleration sensor, the present invention is based on the essence that the dynamic characteristics of the force sensor should be expressed in a matrix, and that the elements of the matrix are obtained as roots of simultaneous linear equations. As a part of this, a momentum sensor such as an acceleration sensor whose sensitivity is defined by a matrix must be used. In the past, it was impossible to define the sensitivity of a force sensor based on absolute calibration as a matrix having lateral sensitivity as a component.

したがって本発明は、力センサの動特性を表す動的感度をマトリックスにより正確に感度を計測することができるようにした力センサの動的マトリックス感度計測法とその方法を実施するための装置を提供することを主たる目的とする。   Therefore, the present invention provides a dynamic sensor sensitivity measurement method for a force sensor and a device for carrying out the method, in which the dynamic sensitivity representing the dynamic characteristics of the force sensor can be accurately measured by a matrix. The main purpose is to do.

本発明は以下に述べる基本原理によって上記課題を解決することができる。即ち、そもそも力センサへの入力信号は、力（並進運動）であれトルク（回転運動）であれ、あるいは両方の組み合わせであれ、基本的にはベクトルである。一方、力センサの出力もベクトルである。つまり、力センサはベクトルの集合としての力のベクトル空間を、ベクトル信号の集合である力のベクトル空間に射影する機能を持つ。   The present invention can solve the above problems by the basic principle described below. That is, the input signal to the force sensor is basically a vector, whether it is force (translational motion), torque (rotational motion), or a combination of both. On the other hand, the output of the force sensor is also a vector. That is, the force sensor has a function of projecting a force vector space as a set of vectors onto a force vector space that is a set of vector signals.

ベクトルには数値ベクトルと関数ベクトルが数学的にはありうるが、計測で考えるのは数値ベクトルであるから、射影の際の換算を意味する感度は線形性を仮定する限り線形代数学の教えに従えば、マトリックスにならねばならない。すなわち、マトリックスを決めることができなければ、力センサなどのベクトル量を計測する装置を校正したとは言えない。   Numerical vectors and function vectors can be mathematically defined as vectors, but since measurement is based on numerical vectors, the sensitivity that means conversion in projection is linear algebra teaching as long as linearity is assumed. If you follow, it must be a matrix. That is, if the matrix cannot be determined, it cannot be said that the device for measuring the vector quantity such as the force sensor is calibrated.

力センサがK軸を持ち出力ベクトル空間の次元がK次元になりうるとし、運動発生装置の自由度がM自由度あるとすると、力センサの感度マトリックスとしてK×M次マトリックスを導くことができる。この感度マトリックスの要素の全てを、振動数及び関連する環境変数の関数として解くことが校正を行うことと定義される。   If the force sensor has K-axis and the output vector space can be K-dimensional, and the motion generator has M degrees of freedom, a K × M-order matrix can be derived as the force sensor sensitivity matrix. . Solving all of the elements of this sensitivity matrix as a function of frequency and related environmental variables is defined as calibration.

このマトリックスの全ての成分を未知数とし、力センサを搭載した運動発生装置がM自由度の運動を発生することが出来るので、M個の独立なベクトル運動を発生させて、そのときの出力信号をK個の出力軸から測定することによって、K×M次のマトリックスの全ての要素に関する連立一次方程式を立てることが可能になる。この連立一次方程式を解けば、ある周波数wにおける主軸感度と横感度からなる力センサの動的感度マトリックスを導くことができ、最終的に校正を行うことができる。   Since all the components of this matrix are unknown and the motion generator equipped with the force sensor can generate motion with M degrees of freedom, it generates M independent vector motions and outputs the output signal at that time. By measuring from K output axes, it is possible to establish simultaneous linear equations for all elements of the K × M order matrix. By solving this simultaneous linear equation, a dynamic sensitivity matrix of the force sensor composed of the principal axis sensitivity and the lateral sensitivity at a certain frequency w can be derived, and finally calibration can be performed.

このような基本原理により本発明に係る力センサの動的マトリックス感度計測方法においては、テーブル上に被計測力センサをその取り付け面が該テーブルに向くように固定し、運動発生装置により前記テーブルに対して３軸方向の各並進運動と各回転運動の計６自由度のうち、任意に選択した並進運動と回転運動を付与し、前記運動発生装置による特定の周波数において、前記力センサの３軸方向の各力と各トルクのうち任意に選択した力またはトルクの検出自由度と、前記運動発生装置の前記任意に選択した並進運動と回転運動の自由度とから求まる次数のマトリックス感度の全ての要素を未知数とする連立一次方程式を得て、前記マトリックス感度の全ての要素を決めることにより、力センサの動的マトリックス感度を計測するようにしたものである。   In the dynamic matrix sensitivity measuring method of the force sensor according to the present invention based on such a basic principle, the measured force sensor is fixed on the table so that its mounting surface faces the table, and the motion generating device applies the force sensor to the table. On the other hand, an arbitrary selected translational motion and rotational motion out of a total of 6 degrees of freedom of each translational motion and rotational motion in three axis directions are given, and the three axes of the force sensor at a specific frequency by the motion generator. All of the order matrix sensitivities determined from the arbitrarily selected force or torque detection freedom of each direction force and torque, and the arbitrarily selected translational motion and rotational motion freedom of the motion generator. The dynamic matrix sensitivity of the force sensor is measured by obtaining simultaneous linear equations with unknown elements and determining all the elements of the matrix sensitivity. Those were.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測方法においては、テーブル上に被計測力センサをその取り付け面が該テーブルに向くように固定し、運動発生装置により前記テーブルに対して３軸方向の各並進運動と各回転運動の計６自由度のうち、任意に選択した並進運動と回転運動を付与し、前記運動発生装置による特定の周波数において、前記力センサの３軸方向の各力と各トルクのうち任意に選択した力またはトルクの検出自由度をN個とし、前記運動発生装置の前記選択した運動の自由度をM個とするとき、N×M次の感度マトリックスの全ての要素に関する連立一次方程式を得てそれを解き、前記感度マトリックスの全ての要素を決めることにより、力センサの動的マトリックス感度を計測するようにしたものである。   In the dynamic matrix sensitivity measurement method for another force sensor according to the present invention, the measurement force sensor is fixed on the table so that its mounting surface faces the table, and the motion generator applies the force sensor to the table. Arbitrarily selected translational motion and rotational motion are given out of a total of 6 degrees of freedom for each translational motion and rotational motion in each of the three axial directions, and at a specific frequency by the motion generator, the force sensor in the three axial directions When the number of degrees of freedom of detection of the force or torque arbitrarily selected from each force and each torque is N, and the number of degrees of freedom of the selected motion of the motion generator is M, The system is configured to measure the dynamic matrix sensitivity of the force sensor by obtaining simultaneous linear equations for all elements and solving them to determine all the elements of the sensitivity matrix.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測方法においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測方法において、力センサの出力軸のうちのN1個の出力軸に対して、M1の自由度をもつ運動発生装置を用いて前記マットリックス感度を求め、力センサの出力軸のうちのN2個の出力軸に対して、M2の自由度をもつ運動発生装置を用いて前記マットリックス感度を求め、両マトリックス感度を合成することにより最終的なマトリックス感度を求めるようにしたものである。   Further, in the dynamic matrix sensitivity measurement method of another force sensor according to the present invention, in the dynamic matrix sensitivity measurement method of the force sensor, M1 with respect to N1 output shafts of the output shafts of the force sensor. The matrix sensitivity is obtained using a motion generator having a degree of freedom, and the mattrix is obtained using a motion generator having a degree of freedom of M2 with respect to N2 output shafts of the force sensor output shafts. The final matrix sensitivity is obtained by obtaining the sensitivity and synthesizing both matrix sensitivities.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測方法においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測方法において、前記運動発生装置を前記テーブルに固定した運動検出センサの信号により制御し、前記運動検出センサの感度を、力センサと運動発生装置とによる前記N×M次のマトリックスとして与えることにより、前記力センサの感度を少なくともN×M次のマトリックスとして与えるようにしたものである。   According to another dynamic sensor sensitivity measurement method for a force sensor according to the present invention, in the dynamic sensor sensitivity measurement method for the force sensor, the motion generator is controlled by a signal of a motion detection sensor fixed to the table. The sensitivity of the motion sensor is given as an N × M-order matrix by the force sensor and the motion generator, so that the sensitivity of the force sensor is given as at least an N × M-order matrix. .

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測方法においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測方法において、前記運動検出センサは加速度センサ、速度センサ、変位センサ、レーザ光の干渉に基づく振動計、レーザ光の干渉に基づく変位計のいずれか一つとしたものである。   Further, in another dynamic sensor sensitivity measurement method for force sensors according to the present invention, in the dynamic sensor sensitivity measurement method for force sensors, the motion detection sensor is an acceleration sensor, a velocity sensor, a displacement sensor, or laser beam interference. One of a vibration meter based on the above and a displacement meter based on laser beam interference.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測方法においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測方法において、力センサに継続時間の短い衝撃的運動ベクトルによる衝撃力を印加し、そのときの力センサからの出力信号と入力信号をスペクトル分解して、各振動数成分に対応するマトリックス感度の全ての要素に関する連立一次方程式をたて、前記振動数の関数としてマトリックス感度を求めるようにしたものである。   Further, in the dynamic matrix sensitivity measurement method of another force sensor according to the present invention, in the dynamic matrix sensitivity measurement method of the force sensor, an impact force by a shock motion vector having a short duration is applied to the force sensor, The output signal and the input signal from the force sensor at that time are spectrally decomposed, and simultaneous linear equations relating to all elements of the matrix sensitivity corresponding to each frequency component are formed, and the matrix sensitivity is obtained as a function of the frequency. It is a thing.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測方法においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測方法において、力センサに必要な振動数帯域を持つランダム運動ベクトルによるランダムな力を印加し、そのときの力センサからの出力信号と入力信号をスペクトル分解して特性の周波数成分に対応するマトリックス感度の全ての要素に関する連立一次方程式をたて、前記振動数の関数としてマトリックス感度を求めるようにしたものである。   Further, in the dynamic matrix sensitivity measurement method for another force sensor according to the present invention, in the dynamic matrix sensitivity measurement method for the force sensor, a random force generated by a random motion vector having a frequency band necessary for the force sensor is obtained. Applying the spectrum, the output signal from the force sensor and the input signal are spectrally decomposed to form simultaneous linear equations for all elements of the matrix sensitivity corresponding to the frequency component of the characteristic, and the matrix sensitivity as a function of the frequency is obtained. It is what you want.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測方法においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測方法において、力センサの出力信号ベクトル空間の次元の値がLであって、前記力センサがL次元の力を検出するL次元力センサとしての、Ｌ軸力センサとしたものである。   Further, in the dynamic matrix sensitivity measurement method for another force sensor according to the present invention, in the dynamic matrix sensitivity measurement method for the force sensor, the dimension value of the output signal vector space of the force sensor is L, and The force sensor is an L-axis force sensor as an L-dimensional force sensor that detects an L-dimensional force.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測方法においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測方法において、入力運動ベクトルの入力軸と出力信号ベクトルの成分の出力軸との関係によって、マトリックス感度の対応する要素が誤差を表すようにしたものである。   According to another force sensor dynamic matrix sensitivity measurement method of the present invention, in the force sensor dynamic matrix sensitivity measurement method, a relationship between an input axis of an input motion vector and an output axis of a component of an output signal vector. Thus, the corresponding element of the matrix sensitivity represents an error.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測方法においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測方法において、校正対象とする力センサに印加する動的力ベクトルは、レーザ干渉計、またはレーザ干渉計と運動発生装置で校正された基準力センサ、もしくはそれにトレーサブルな力センサで計測されること、若しくはレーザ干渉計と運動発生装置で校正された力センサセンサまたはそれにトレーサブルな力センサで計測されるようにしたものである。   In the dynamic matrix sensitivity measurement method for another force sensor according to the present invention, the dynamic force vector applied to the force sensor to be calibrated in the dynamic matrix sensitivity measurement method for the force sensor is a laser interferometer. Or a reference force sensor calibrated with a laser interferometer and a motion generator, or measured with a force sensor traceable thereto, or a force sensor sensor calibrated with a laser interferometer and motion generator or a force sensor traceable with it It is made to measure with.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測方法においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測方法において、重力加速度に対する力センサの姿勢角を含む、動特性に影響を及ぼす全ての変数の関数として、マトリックス感度を求めるようにしたものである。   Further, in the dynamic matrix sensitivity measurement method for another force sensor according to the present invention, in the dynamic matrix sensitivity measurement method for the force sensor, all of the dynamic characteristics including the posture angle of the force sensor with respect to gravitational acceleration are affected. The matrix sensitivity is obtained as a function of the variables.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測方法においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測方法において、自動車乗員保護用エアバッグ開発実験用ダミーの体内にセットする力センサの校正に用いるものである。   Further, in the dynamic matrix sensitivity measurement method for another force sensor according to the present invention, in the dynamic matrix sensitivity measurement method for the force sensor, the force sensor set in the body of the vehicle occupant protection airbag development experiment dummy Used for calibration.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測方法においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測方法において、ロボットの運動制御用多軸力センサの校正に用いるものである。   According to another dynamic sensor sensitivity measurement method for a force sensor according to the present invention, the dynamic sensor sensitivity measurement method for a force sensor is used for calibration of a multi-axis force sensor for robot motion control.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、取り付け面がテーブルに向くように該テーブル上に固定した被計測力センサと、前記テーブルに対して３軸方向の各並進運動と各回転運動の計６自由度のうち、任意に選択した並進運動と回転運動を付与する運動発生装置と、前記運動発生装置による特定の周波数において、前記力センサの３軸方向の各力と各トルクのうち任意に選択した力またはトルクの検出自由度と、前記運動発生装置の前記任意に選択した並進運動と回転運動の自由度とから求まる次数のマトリックス感度の全ての要素を未知数とする連立一次方程式を得て、前記マトリックス感度の全ての要素を決めることにより、力センサの動的マトリックス感度を計測する手段を備えたものである。   Further, in the dynamic matrix sensitivity measuring apparatus for another force sensor according to the present invention, the measured force sensor fixed on the table so that the mounting surface faces the table, and each of the three axial directions with respect to the table Of a total of six degrees of freedom of translational motion and rotational motion, a motion generator that gives arbitrarily selected translational motion and rotational motion, and each of the force sensors in each of the three axial directions at a specific frequency by the motion generator All the elements of the matrix sensitivity of the order obtained from the force and the degree of freedom of detection of the force or torque arbitrarily selected from each torque and the arbitrarily selected translational motion and rotational freedom of the motion generator are unknown. And a means for measuring the dynamic matrix sensitivity of the force sensor by determining all the elements of the matrix sensitivity.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、取り付け面がテーブルに向くように該テーブル上に固定した被計測力センサと、前記テーブルに対して３軸方向の各並進運動と各回転運動の計６自由度のうち、任意に選択した並進運動と回転運動を付与する運動発生装置と、前記運動発生装置による特定の周波数において、前記力センサの３軸方向の各力と各トルクのうち任意に選択した力またはトルクの検出自由度をN個とし、前記運動発生装置の自由度をM個とするとき、N×M次の感度マトリックスの全ての要素に関する連立一次方程式を得てそれを解き、前記感度マトリックスの全ての要素を決めることにより、力センサの動的マトリックス感度を計測する手段を備えたものである。   Further, in the dynamic matrix sensitivity measuring apparatus for another force sensor according to the present invention, the measured force sensor fixed on the table so that the mounting surface faces the table, and each of the three axial directions with respect to the table Of a total of six degrees of freedom of translational motion and rotational motion, a motion generator that gives arbitrarily selected translational motion and rotational motion, and each of the force sensors in each of the three axial directions at a specific frequency by the motion generator When the number of degrees of freedom of detection of force or torque arbitrarily selected from the force and each torque is N, and the number of degrees of freedom of the motion generator is M, simultaneous first order for all elements of the N × Mth order sensitivity matrix Means are provided for measuring the dynamic matrix sensitivity of the force sensor by obtaining an equation, solving it, and determining all elements of the sensitivity matrix.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測装置において、力センサの出力軸のうちのN1個の出力軸に対して、M1の自由度をもつ運動発生装置を用いて前記マットリックス感度を求める手段と、力センサの出力軸のうちのN2個の出力軸に対して、M2の自由度をもつ運動発生装置を用いて前記マットリックス感度を求める手段と、両マトリックス感度を合成することにより最終的なマトリックス感度を求める手段とを備えたものである。   Further, in the dynamic matrix sensitivity measuring device for another force sensor according to the present invention, in the dynamic matrix sensitivity measuring device for the force sensor, M1 is output with respect to N1 output shafts of the output shafts of the force sensor. Means for obtaining the matrix sensitivity using a motion generator having a degree of freedom, and the motion generator having a degree of freedom of M2 for the N2 output shafts of the force sensor output shafts. A means for obtaining the matrix sensitivity and a means for obtaining the final matrix sensitivity by combining the two matrix sensitivities are provided.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測装置において、前記運動発生装置を前記テーブルに固定した運動検出センサの信号により制御する制御手段と、前記運動検出センサの感度を、前記力センサと運動発生装置とによる前記N×M次のマトリックスとして与えることにより、前記力センサの感度をN×M次のマトリックスとして与える信号処理手段とを備えたものである。   In the dynamic matrix sensitivity measuring device for another force sensor according to the present invention, the motion generating device is controlled by a signal of a motion detection sensor fixed to the table in the dynamic matrix sensitivity measuring device for the force sensor. Signal processing means for giving the sensitivity of the force sensor as an N × M-order matrix by providing the control means and the sensitivity of the motion detection sensor as the N × M-order matrix by the force sensor and the motion generator It is equipped with.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測装置において、前記運動検出センサは加速度センサ、速度センサ、変位センサのいずれか一つとしたものである。   Further, in another dynamic matrix sensitivity measuring apparatus for force sensors according to the present invention, in the dynamic matrix sensitivity measuring apparatus for force sensors, the motion detection sensor is one of an acceleration sensor, a speed sensor, and a displacement sensor. It is a thing.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測装置において、前記運動発生装置は前記被計測力センサに継続時間の短い衝撃的運動ベクトルによる衝撃力を印加するものであり、力センサからの出力信号と入力信号をスペクトル分解して、各振動数成分に対応するマトリックス感度の全ての要素に関する連立一次方程式をたて、前記振動数の関数としてマトリックス感度を求める信号処理手段を備えるものである。   In the dynamic matrix sensitivity measuring device for another force sensor according to the present invention, in the dynamic matrix sensitivity measuring device for the force sensor, the motion generating device has a shocking motion having a short duration for the measured force sensor. Applying an impact force by a vector, spectrally decomposing the output signal and input signal from the force sensor, and creating simultaneous linear equations for all elements of matrix sensitivity corresponding to each frequency component, the frequency The signal processing means for obtaining the matrix sensitivity as a function of

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測装置において、前記運動発生装置は前記被計測力センサに必要な振動数帯域を持つランダム運動ベクトルによるランダムな力を印加するものであり、力センサからの出力信号と入力信号をスペクトル分解して各周波数成分に対応するマトリックス感度の全ての要素に関する連立一次方程式をたて、前記振動数の関数としてマトリックス感度を求める信号処理手段を備えたものである。   In the dynamic matrix sensitivity measuring device for another force sensor according to the present invention, in the dynamic matrix sensitivity measuring device for the force sensor, the motion generating device has a frequency band necessary for the measured force sensor. Applying a random force by a random motion vector, the output signal from the force sensor and the input signal are spectrally decomposed to create a simultaneous linear equation for all elements of matrix sensitivity corresponding to each frequency component, and the vibration It comprises signal processing means for determining the matrix sensitivity as a function of the number.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測装置において、力センサの出力信号ベクトル空間の次元の値がLであって、前記力センサがL次元の力を検出するL次元力センサとしたものである。   Further, in the dynamic matrix sensitivity measuring device of another force sensor according to the present invention, in the dynamic matrix sensitivity measuring device of the force sensor, the dimension value of the output signal vector space of the force sensor is L, and The force sensor is an L-dimensional force sensor that detects an L-dimensional force.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測装置において、前記信号処理手段は、入力運動ベクトルの入力軸と出力信号ベクトルの成分の出力軸との関係によって、マトリックス感度の対応する要素が、誤差出力の感度を表すようにしたものである。   In the dynamic matrix sensitivity measuring device for another force sensor according to the present invention, in the dynamic matrix sensitivity measuring device for the force sensor, the signal processing means includes an input axis of an input motion vector and an output signal vector component. The corresponding element of the matrix sensitivity represents the sensitivity of the error output according to the relationship with the output axis.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測装置において、校正対象とする力センサに印加する動的力ベクトルを、レーザ干渉計、またはレーザ干渉計と運動発生装置で校正された基準力センサ、もしくはそれにトレーサブルな力センサで計測し、若しくはレーザ干渉計と運動発生装置で校正された力センサセンサまたはそれにトレーサブルな力センサで計測するものである。   In the dynamic matrix sensitivity measuring apparatus for another force sensor according to the present invention, a dynamic force vector applied to the force sensor to be calibrated in the dynamic matrix sensitivity measuring apparatus for the force sensor is a laser interferometer. Measured with a reference force sensor calibrated by a laser interferometer and a motion generator, or a force sensor traceable thereto, or measured by a force sensor calibrated by a laser interferometer and a motion generator, or a force sensor traceable thereto. To do.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測装置において、前記信号処理手段は、重力加速度に対する力センサの姿勢角を含む、動特性に影響を及ぼす全ての変数の関数として、マトリックス感度を求めるものである。   In the dynamic matrix sensitivity measuring device for another force sensor according to the present invention, in the dynamic matrix sensitivity measuring device for the force sensor, the signal processing means includes a motion sensor including a posture angle of the force sensor with respect to gravitational acceleration. Matrix sensitivity is determined as a function of all variables that affect characteristics.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測装置において、自動車乗員保護用エアバッグ開発実験用ダミーの体内にセットする力センサの校正に用いるものである。   Further, in the dynamic matrix sensitivity measuring device for another force sensor according to the present invention, in the dynamic matrix sensitivity measuring device for the force sensor, the force sensor to be set in the body of an automobile passenger protection airbag development experiment dummy. Used for calibration.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、前記力センサの動的マトリックス感度計測装置において、ロボットの運動制御用多軸力センサの校正に用いることによるものである。   In the dynamic matrix sensitivity measuring device for another force sensor according to the present invention, the dynamic matrix sensitivity measuring device for the force sensor is used for calibrating a multi-axis force sensor for robot motion control. .

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、テーブル上に直接設置した第１コーナキューブと、前記テーブル上に固定した被計測力センサ上に設置した第２コーナキューブと、前記テーブルに対して任意の並進運動と回転運動を付与する運動発生装置と、前記第１及び第２コーナキューブの運動を実時間で各々計測するレーザ干渉計と、前記テーブル上に固定し該テーブルの運動を検出するテーブル運動検出用センサと、前記テーブル運動検出用センサの信号により前記運動発生装置の駆動を制御し、前記レーザ干渉計の出力信号と、被計測力センサの出力信号とを入力して被計測力センサの校正処理を行う信号処理装置を備えたものである。   In the dynamic matrix sensitivity measuring apparatus for another force sensor according to the present invention, the first corner cube installed directly on the table and the second corner cube installed on the measured force sensor fixed on the table. A motion generating device that applies arbitrary translational motion and rotational motion to the table, a laser interferometer that measures the motions of the first and second corner cubes in real time, and fixed on the table. A table motion detection sensor for detecting the motion of the table; the drive of the motion generator is controlled by a signal of the table motion detection sensor; an output signal of the laser interferometer; and an output signal of a force sensor to be measured; Is provided with a signal processing device that performs calibration processing of the measured force sensor.

また、本発明に係る他の力センサの動的マトリックス感度計測装置においては、テーブル上に直接設置したマトリックス感度が定義されている第１加速度計と、前記テーブル上に固定した被計測力センサ上に設置したマトリックス感度が定義されている第２加速度計と、前記テーブルに対して任意の並進運動と回転運動を付与する運動発生装置と、前記テーブル上に固定し該テーブルの運動を検出するテーブル運動検出用センサと、前記テーブル運動検出用センサの信号により前記運動発生装置の駆動を制御し、前記第１及び第２加速度計の出力信号と、被計測力センサの出力信号とを入力して被計測力センサの校正処理を行う信号処理装置を備えたものである。   In the dynamic matrix sensitivity measuring apparatus for another force sensor according to the present invention, the first accelerometer in which the matrix sensitivity is defined directly on the table and the measured force sensor fixed on the table. A second accelerometer in which matrix sensitivity is defined, a motion generating device for applying arbitrary translational motion and rotational motion to the table, and a table fixed on the table and detecting the motion of the table The motion detection sensor and the table motion detection sensor signal are used to control the drive of the motion generator, and the output signals of the first and second accelerometers and the output signal of the measured force sensor are input. A signal processing device that performs calibration processing of the measured force sensor is provided.

本発明は上記のような方法及び装置を採用することにより、以下に示すような種々の効果を奏する。即ち、
（１）従来の校正技術では、力センサは力の振幅値で静的にしか校正されていなかったのであるから、力センサでベクトルとしての動的力を計測することは出来なかった。力は、そもそもベクトル量であるから、大きさと方向を持つのであって、力の計測とはそもそも大きさと方向が未知な状況において、それら両方を計測できて初めて力の計測になり、同時に校正技術の出発点としなければならない。この点本発明によってベクトルとしての動的力で絶対校正できることになるため、本発明による手法によって初めて力センサは動的力で絶対校正されたことになり、力センサによって動的力が計測できるようになる。
（２）ベクトル合成が出来る力センサが開発される。これによって、作用方向がわからない時の動的力計測の精度が向上する。良く理解されていない現象の計測には、重要である。 By adopting the method and apparatus as described above, the present invention has various effects as described below. That is,
(1) In the conventional calibration technique, since the force sensor was calibrated only statically with the force amplitude value, it was not possible to measure the dynamic force as a vector with the force sensor. Since force is a vector quantity in the first place, it has magnitude and direction. In the situation where the magnitude and direction are unknown, it is only possible to measure both forces, and at the same time, calibration technology. Must be the starting point for. In this respect, since absolute calibration can be performed with a dynamic force as a vector according to the present invention, the force sensor has been absolutely calibrated with dynamic force for the first time by the method according to the present invention, and the dynamic force can be measured by the force sensor. become.
(2) A force sensor capable of vector synthesis is developed. This improves the accuracy of dynamic force measurement when the direction of action is unknown. It is important for measuring phenomena that are not well understood.

（３）自動車乗員の衝突安全のためにダミー内部に設置される力センサのように、ベクトルとしての力を計測できないと意味のない応用において、利用が広まり衝突時の乗員の安全性が高まる。
（４）自動車のサスペンション制御等に用いられる多軸力センサの利用技術が向上する。 (3) In a useless application where force as a vector cannot be measured, such as a force sensor installed inside a dummy for the safety of collision of an automobile occupant, the use is widened and the safety of the occupant at the time of collision is increased.
(4) The utilization technique of the multi-axis force sensor used for suspension control of an automobile is improved.

（５）縦ゆれと横ゆれがある地震によって土木構造物及び建築構造物がどのような影響を受けるかを調べるためには、本特許で示す方法で動的に校正された力センサが用いられることが期待される。このことは、我が国のような地震多発国で最近のように建物も高層化が可能な状況において、力の計測技術はその強度を保証する意味で重要である。かつ、建築基準法は、地震時の建物の強度を品質保証することを要求している点からも、重要である。   (5) A force sensor dynamically calibrated by the method shown in this patent is used to examine how civil engineering structures and building structures are affected by earthquakes with vertical and horizontal vibrations. It is expected. This is important in the sense that the force measurement technology guarantees the strength in the earthquake-prone countries like Japan, where the building can be made taller. In addition, the Building Standards Law is important because it requires quality assurance of buildings during an earthquake.

（６）現在、基準力センサとして広く用いられている歪ゲージ型一軸力センサ、圧電型一軸力センサでは横感度が与えられていないが、本特許に示す技術によって横感度が与えられることになる。圧電型基準力センサ出力が１次元出力空間を構成するので、そのような力センサを三個直交座標系で組み立てる現状の三軸力センサで、ベクトル合成をすることによって、正確なベクトルとしての動的力の計測が可能になる。   (6) Currently, the lateral sensitivity is not given in the strain gauge type uniaxial force sensor and the piezoelectric type uniaxial force sensor widely used as the reference force sensor, but the lateral sensitivity is given by the technique shown in this patent. . Since the piezoelectric reference force sensor output constitutes a one-dimensional output space, the current three-axis force sensor that assembles such force sensors in a three-orthogonal coordinate system can be used as an accurate vector by combining vectors. It becomes possible to measure the target force.

（７）ベクトル合成機能を持つ数値演算器を内蔵するような新しいタイプの力センサが製品として市場に現れる。その結果、実時間での力計測が可能になる。
（８）力センサを校正するビジネスがより高度化する。
（９）従来は計測が困難であった力センサの回転による誤差を計測することが可能になる。
（１０）並進運動力検出機能及びトルク検出機能を持つ多自由度の力センサの性能評価が可能になることによって、製品の性能が向上する。 (7) A new type of force sensor that incorporates a numerical calculator having a vector composition function appears on the market as a product. As a result, it is possible to measure force in real time.
(8) The business of calibrating force sensors will become more sophisticated.
(9) It is possible to measure an error due to rotation of the force sensor, which has been difficult to measure conventionally.
(10) Product performance is improved by enabling performance evaluation of a multi-degree-of-freedom force sensor having a translational motion force detection function and a torque detection function.

本発明による力センサの動的マトリックス感度計測装置は、取り付け面がテーブルに向くように該テーブル上に固定した被計測力センサと、前記テーブルに対して３軸方向の各並進運動と各回転運動の計６自由度のうち、任意に選択した並進運動と回転運動を付与する運動発生装置と、前記運動発生装置による特定の周波数において、前記力センサの３軸方向の各力と各トルクのうち任意に選択した力またはトルクの検出自由度と、前記運動発生装置の前記任意に選択した並進運動と回転運動の自由度とから求まる次数のマトリックス感度の全ての要素を未知数とする連立一次方程式を得て、前記マトリックス感度の全ての要素を決めることにより、力センサの動的マトリックス感度を計測する手段を備えたものであり、それにより、力センサは動的力で校正されたことになり、力センサによって動的力が計測できるようになる。   The force sensor dynamic matrix sensitivity measuring apparatus according to the present invention includes a measured force sensor fixed on a table so that a mounting surface faces the table, and translational motions and rotational motions in three axial directions with respect to the table. Among a total of six degrees of freedom, a motion generating device that provides arbitrarily selected translational motion and rotational motion, and at a specific frequency by the motion generating device, among the forces and torques in the three axial directions of the force sensor Simultaneous linear equations with all the elements of the matrix sensitivity of the order obtained from the arbitrarily selected force or torque detection freedom and the arbitrarily selected translational motion and rotational motion freedom of the motion generator as unknowns. And a means for measuring the dynamic matrix sensitivity of the force sensor by determining all the elements of the matrix sensitivity. Will be calibrated in the dynamic force, the dynamic force by the force sensor is to be measured.

本発明を実施するには図１に示すような計測装置を用い、以下に述べるような原理、及び方法によって実施することができる。図１に示す実施例においては振動テーブル１１上に直接第１コーナキューブ３を設置し、同じテーブル１１上に校正対象の力センサ１をその取り付け面をテーブル面に向けて固定し、その上に所定の質量１２を載置し、その質量１２の上に第２コーナキューブ１３を設置しており、また、運動発生装置制御用の力センサまたは加速度センサ４または干渉計システム２１X、２１Y、２１Zと３も設置している。   The present invention can be carried out by using a measuring apparatus as shown in FIG. 1 according to the principle and method described below. In the embodiment shown in FIG. 1, the first corner cube 3 is installed directly on the vibration table 11, and the force sensor 1 to be calibrated is fixed on the same table 11 with its mounting surface facing the table surface. A predetermined mass 12 is placed, a second corner cube 13 is installed on the mass 12, and a force sensor or acceleration sensor 4 for controlling a motion generator or an interferometer system 21X, 21Y, 21Z; 3 is also installed.

テーブル１１は垂直並進運動アクチュエータ＋回転運動発生用のZ軸アクチュエータ６によってZ軸方向としての垂直方向への並進運動とこの垂直軸を中心とした回転運動が与えられ、このZ軸アクチュエータ６に対して互いに直角方向に位置するX軸アクチュエータ５とY軸アクチュエータ７とを設けている。X軸方向アクチュエータは水平面におけるX軸方向について並進運動とその軸線を中心とした回転運動を行う。また、Y軸方向アクチュエータは水平面におけるY軸方向について並進運動とその軸線を中心とした回転運動を行う。これらの運動はテーブル１１上の運動発生装置制御用の力センサまたは加速度センサ４によって検出され、これを信号処理装置９に入力して所定の運動データと比較し、フィードバック制御信号を出力してこれを電力増幅器８によって電力増幅し、前記各アクチュエータの運動制御を行っている。これらの駆動系の冷却のため、冷却水配管系１０を用いて冷却を行っている。   The table 11 is given a translational motion in the vertical direction as the Z-axis direction and a rotational motion around the vertical axis by the vertical translational motion actuator + the Z-axis actuator 6 for generating the rotational motion. An X-axis actuator 5 and a Y-axis actuator 7 that are positioned at right angles to each other are provided. The X-axis direction actuator performs translational movement in the X-axis direction on the horizontal plane and rotational movement around that axis. The Y-axis direction actuator performs translational movement and rotational movement about the axis in the Y-axis direction on the horizontal plane. These motions are detected by the force sensor or acceleration sensor 4 for controlling the motion generator on the table 11 and input to the signal processing device 9 for comparison with predetermined motion data, and a feedback control signal is output to Is amplified by a power amplifier 8 to control the motion of each actuator. In order to cool these drive systems, the cooling water piping system 10 is used for cooling.

テーブル１１上に直接設置した第１コーナキューブ３の並進運動は、X軸、Y軸、Z軸方向にそれぞれ設けた制御または計測用の実時間レーザ干渉計２１によって計測しており、前記のように校正対象の力センサに載置した質量１２上の第２コーナキューブ１３の並進運動は、同様にX軸、Y軸、Z軸方向にそれぞれ設けた制御または計測用の実時間レーザ干渉計２２によって計測している。また図面が錯綜するので図示を省略しているが各コーナキューブの回転運動については、各コーナキューブに対して各々別途設ける鏡とレーザ干渉計、もしくは回折格子とレーザ等を用いることにより計測している。それらの計測信号は全て信号処理装置９に出力し、また校正対象の力センサ１の信号も信号処理装置９に入力して、これらの信号により後述するような手法によって力センサを正確に校正することができる。   The translational motion of the first corner cube 3 installed directly on the table 11 is measured by a control or measurement real-time laser interferometer 21 provided in each of the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, as described above. Similarly, the translational motion of the second corner cube 13 on the mass 12 placed on the force sensor to be calibrated is similarly controlled or measured real-time laser interferometer 22 provided in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, respectively. It is measured by. In addition, since the drawings are complicated, the illustration is omitted, but the rotational movement of each corner cube is measured by using a mirror and a laser interferometer or a diffraction grating and a laser provided separately for each corner cube. Yes. All of these measurement signals are output to the signal processing device 9, and the signal of the force sensor 1 to be calibrated is also input to the signal processing device 9, and the force sensor is accurately calibrated by such a method as will be described later. be able to.

前記第１コーナキューブ３と第２コーナキューブ１３で計測される振動加速度ベクトルを（a_x,a_y,a_z）、テーブル面上で計測される加速度を(a_tx, a_ty, a_tz)とすると、質量１２をm₁、コーナキューブの質量をm₂とすると、力センサに印可される動的力(f_x,f_y,f_z)は以下の式で表される。

（１） The vibration acceleration vector measured by the first corner cube 3 and the second corner cube 13 is (a _x , a _y , a _z ), and the acceleration measured on the table surface is (a _tx , a _ty , a _tz ). Assuming that the mass 12 is m ₁ and the mass of the corner cube is m ₂ , the dynamic force (f _x , f _y , f _z ) applied to the force sensor is expressed by the following equation.

(1)

本発明においては、マトリックス感度が定義されている加速度計を使う場合にはより校正を簡素化することができ、例えば図２に示すような装置によって計測を行うことができる。図２においてテーブルの駆動系及びその制御系、並びに冷却系は前記図１に示すものと同様であるのでその説明は省略する。   In the present invention, when an accelerometer in which matrix sensitivity is defined is used, calibration can be simplified, and for example, measurement can be performed by an apparatus as shown in FIG. In FIG. 2, the table drive system, its control system, and cooling system are the same as those shown in FIG.

テーブル１１上にはマトリックス感度が定義されているテーブル面の運動計測用第１加速度センサ２３と、テーブル上に設置された校正対象の力センサ１上に載置されている質量１２上に固定されたマトリックス感度が定義されている質量の運動計測用第２加速度センサ３３の信号を信号処理装置９に入力し、テーブル１１上に設置されたマトリックス感度が定義されているテーブル面の運動制御用三次元加速度計２４の信号も信号処理装置９に入力し、後述するような原理に基づいて校正対象の力センサの校正を行うようにしている。   On the table 11 are fixed on the first acceleration sensor 23 for measuring the motion of the table surface on which the matrix sensitivity is defined and the mass 12 mounted on the force sensor 1 to be calibrated installed on the table. The signal of the second acceleration sensor 33 for measuring the motion of the mass for which the matrix sensitivity is defined is input to the signal processing device 9, and the tertiary for motion control of the table surface installed on the table 11 and for which the matrix sensitivity is defined. The signal from the original accelerometer 24 is also input to the signal processing device 9, and the force sensor to be calibrated is calibrated based on the principle described later.

この装置において第１加速度センサ２３と第２加速度センサ３３の出力を以下のように定義する。
第２加速度センサ３３の出力＝(a_2x, a_2y, a_2z)
第１加速度センサ２３の出力＝(a_1x, a_1y, a_1z)
加速度センサの質量をm₂、質量１１をm₁とする。このとき、力センサに作用する力ベクトル(f_x f_y f_z)は以下のように表される。

（２） In this apparatus, the outputs of the first acceleration sensor 23 and the second acceleration sensor 33 are defined as follows.
Output of second acceleration sensor 33 = (a _2x , a _2y , a _2z )
Output of the first acceleration sensor 23 = (a _1x , a _1y , a _1z )
The mass of the acceleration sensor is m ₂ and the mass 11 is m ₁ . At this time, the force vector (f _x f _y f _z ) acting on the force sensor is expressed as follows.

(2)

上記のような装置を用いて力センサの校正を行うに際して、本発明については、一軸力センサの動特性を三次元振動台で校正する場合と二軸力センサの動特性を三次元振動台で校正する場合、三軸力センサの動特性を三次元振動台で校正する場合、及び力センサが三軸の力検出及び１自由度のトルクを検出するセンサで、四次元振動台（並進３自由度、ねじり振動１自由度）を用いる場合についての校正手法を説明する。以下これらの校正手法を順に説明する。なお、本発明は上記のような三次元振動台を用いるもの以外に、例えば６次元あるいは６自由度の振動台を用いたものにおいても同様の手法により校正を行うことができるものであるが、説明が冗長となるのでここでの説明は省略する。   When the force sensor is calibrated using the apparatus as described above, the present invention relates to the case where the dynamic characteristic of the uniaxial force sensor is calibrated with a three-dimensional vibration table and the case where the dynamic characteristic of a two-axis force sensor is calibrated with a three-dimensional vibration table. When calibrating, when calibrating the dynamic characteristics of a three-axis force sensor with a three-dimensional vibration table, and when the force sensor detects three-axis force detection and one-degree-of-freedom torque, a four-dimensional vibration table (3 translational freedom) A calibration method in the case of using the degree of freedom and one degree of freedom of torsional vibration will be described. Hereinafter, these calibration methods will be described in order. In addition to the one using the three-dimensional shaking table as described above, the present invention can be calibrated by the same method, for example, using a six-dimensional or six-degree-of-freedom shaking table. Since the description is redundant, the description here is omitted.

１．一軸力センサの動特性を三次元振動台で校正する場合
力センサの１個の感度軸をX軸とし、出力信号の振動値のベクトルを (f_ox(ω), 0, 0)とする。ωは角振動数である。Y軸成分とZ軸成分は勿論ゼロである。これに対して、入力する力の振幅値のベクトルをf_ix(ω), f_iy(ω), f_iz(ω)とする。入力信号としての力ベクトルが、該力センサの感度軸上にあるとは仮定しない。感度軸上にあると仮定したのでは、力加速度をベクトルとみなしたことにはならない。この時、マトリックス感度は１×３のマトリックス(S_x,x, S_x,y, S_x,z)で表される。S_x,x, S_x,y, S_x,zは各々、力センサのX軸入力に対する出力信号との関係を表すので主軸感度、力センサのY軸成分に対する出力信号との関係を表すので横感度、力センサのZ軸成分に対する出力信号との関係を表すので横感度を表す。このときに、出力信号と入力信号の関係は、以下の式で表される。

（３） 1. When calibrating the dynamic characteristics of a uniaxial force sensor using a three-dimensional shaking table Let one sensitivity axis of the force sensor be the X axis and the vector of the vibration value of the output signal be (f _ox (ω), 0, 0). ω is the angular frequency. Of course, the Y-axis component and the Z-axis component are zero. On the other hand, let the vector of the amplitude value of the input force be f _ix (ω), f _iy (ω), and f _iz (ω). It is not assumed that the force vector as an input signal is on the sensitivity axis of the force sensor. Assuming that it is on the sensitivity axis, force acceleration is not considered as a vector. At this time, the matrix sensitivity is represented by a 1 × 3 matrix (S _{x, x} , S _{x, y} , S _{x, z} ). Since S _{x, x} , S _{x, y} , S _{x, z} each represent the relationship with the output signal for the X-axis input of the force sensor, it represents the relationship with the spindle sensitivity and the output signal for the Y-axis component of the force sensor. Since the relationship between the lateral sensitivity and the output signal for the Z-axis component of the force sensor is represented, the lateral sensitivity is represented. At this time, the relationship between the output signal and the input signal is expressed by the following equation.

(3)

上記数式（３）の意味するところを次に説明する。
力センサは感度軸方向の入力成分に対しては当然出力信号があるが、感度軸に垂直な二つの方向からの入力成分にも出力信号を持つ。その理由は、例えば圧電材料を用いる力センサの場合には、圧電定数が剪断成分を持つからである。つまり、圧電物質はズレに対しても電荷を発生させる。起歪体とよばれる金属固体にひずみゲージを貼り付けた力を受ける固体においても、材料自体がポアソン比で定義される横感度を持つ。感度とは、入力信号に対して発生する電圧の割合であるので、線形性を仮定する限りにおいて以下の数式が成立する。
力センサの感度軸出力電圧 (f_ox(ω)exp(jωｔ))
=主軸感度×主軸感度方向の力の入力成分
＋横感度１×主軸に直角な方向１への力の入力成分
＋横感度２×主軸に直角な方向２への力の入力成分
=S_x,x(ω)×f_ixexp(jωt) +S_x,y(ω)×f_iyexp(jωt) +S_x,z(ω)×f_izexp(jωt)
この式をマトリックス形式に書いたものが上記（３）の式である。 The meaning of the formula (3) will be described next.
The force sensor naturally has an output signal for an input component in the sensitivity axis direction, but also has an output signal for input components from two directions perpendicular to the sensitivity axis. This is because, for example, in the case of a force sensor using a piezoelectric material, the piezoelectric constant has a shear component. That is, the piezoelectric material generates electric charges even with respect to deviation. Even in a solid that receives a force obtained by attaching a strain gauge to a metal solid called a strain generating body, the material itself has a lateral sensitivity defined by Poisson's ratio. Since sensitivity is the ratio of the voltage generated with respect to the input signal, the following formula is established as long as linearity is assumed.
Sensitivity axis output voltage of force sensor (f _ox (ω) exp (jωt))
= Spindle sensitivity × Force input component in the spindle sensitivity direction
+ Lateral sensitivity 1 x Input component of force in direction 1 perpendicular to the main axis
+ Lateral sensitivity 2 x Input component of force in direction 2 perpendicular to the main axis
= S _{x, x} (ω) × f _ix exp (jωt) + S _{x, y} (ω) × f _iy exp (jωt) + S _{x, z} (ω) × f _iz exp (jωt)
The above formula (3) is the formula written in matrix form.

三次元振動台は、三次元空間で独立な３個のベクトル振動加速度を生成することが出来るので、それらを(f_ix1, f_iy1, f_iz1)exp(jωt), (f_ix2, f_iy2, f_iz2)exp(jωt), (f_ix3, f_iy3, f_iz3)exp(jωt)とする。この時（３）式に代入すると、以下の関係が成立する。f_ox1, f_ox2, f_ox3は、exp(jωt)との位相、ゲインを考えたwの関数としての複素数である。

（４） The three-dimensional shaking table can generate three independent vector vibration accelerations in three-dimensional space, so they can be _expressed as (f _ix1 , f _iy1 , f _iz1 ) exp (jωt), (f _ix2 , f _iy2 , Let f _iz2 ) exp (jωt), (f _ix3 , f _iy3 , f _iz3 ) exp (jωt). At this time, if substituting into equation (3), the following relationship is established. f _ox1 , f _ox2 , and f _ox3 are complex numbers as functions of w considering the phase and gain with exp (jωt).

(4)

（４）式は、各々の角振動数ωにおける (S_x,x, S_x,y, S_x,z)に関する連立一次方程式であり、係数マトリックスは、(f_ixk, f_iyk, f_izk) (k=1,2,3)が独立である以上行列式はゼロではないので、必ず解ける。したがって、主軸感度S_x,x、横感度S_x,y, S_x,zが求まることを意味する。（４）の連立一次方程式で角振動数を走査することで、主軸感度、横感度を、周波数の関数として定義することが可能になる。 Equation (4) is a simultaneous linear equation for (S _{x, x} , S _{x, y} , S _{x, z} ) at each angular frequency ω, and the coefficient matrix is (f _ixk , f _iyk , f _izk ) Since (k = 1,2,3) is independent, the determinant is not zero, so it can always be solved. Therefore, it means that the main axis sensitivity S _{x, x} and the lateral sensitivities S _{x, y} , S _{x, z} are obtained. By scanning the angular frequency with the simultaneous linear equations (4), it is possible to define the main shaft sensitivity and the lateral sensitivity as functions of the frequency.

上記（４）式で示された連立一次方程式が解けるかどうかは、本特許が示す技術にとっては、非常に重要である。そこで、運動発生装置がM自由度をもち、M個の線形独立な運動ベクトルが力センサに与えられたときに、N個の自由度を持つ力センサの感度に関するN×M次の係数行列の行列式が、ゼロでないことは以下のように証明される。運動発生装置が与える線形独立な運動ベクトルが以下のように与えられるとする。

（５） Whether or not the simultaneous linear equations expressed by the above equation (4) can be solved is very important for the technique shown in this patent. Therefore, when the motion generator has M degrees of freedom and M linearly independent motion vectors are given to the force sensor, the coefficient matrix of the N × M order coefficient matrix for the sensitivity of the force sensor with N degrees of freedom It is proved that the determinant is not zero as follows. Assume that linearly independent motion vectors given by the motion generator are given as follows.

(5)

上のベクトルは一次独立なので（６）式を成り立たせるためには、A₁, A₂, A₃,・・・・,A_Mは、全てゼロでなければならない。

（６） Since the above vector is linearly independent, all of A ₁ , A ₂ , A ₃ ,..., A _M must be zero in order to satisfy equation (6).

(6)

そこで問題は（６）の仮定のもとで、以下のベクトルが一次独立であるかどうかということになる。そこで、（５）式の線形独立なM個の運動ベクトルを、a₁,a₂,a₃,・・・,ａ_Ｍとし、０がM個並んだゼロベクトルを、ベクトルOとする。したがって、線形独立かどうかを調べるN×M個のベクトルは、以下のようになる。

（７） Therefore, the problem is whether the following vectors are linearly independent under the assumption of (6). Therefore, the linearly independent M motion vectors of equation (5) are a ₁ , a ₂ , a ₃ ,..., A _M, and the zero vector in which M 0s are arranged is a vector O. Therefore, N × M vectors to check for linear independence are as follows.

(7)

（７）式で示すベクトルの線形結合をゼロとおきその係数が全てゼロになれば、ベクトルが線形独立であることが証明されるのであるが、書き下すと、（６）式に一致する式がN個出てくるだけなので、a₁,a₂,a₃,・・・,ａ_Ｍは線形独立であることから、全ての係数はゼロであることが証明されるため、係数行列式はゼロにはならないことは明らかである。 If the linear combination of the vectors shown in equation (7) is set to zero and the coefficients are all zero, it is proved that the vectors are linearly independent, but if written down, the equation that matches equation (6) since but only come out N _{pieces, a 1, a 2, a} 3, ···, since the a _M are linearly independent, since it all coefficients are zero as evidenced, the coefficient determinant Clearly it will not be zero.

なお、上記のように（４）式で示された連立一次方程式が解けることの説明は、後述する（１３）式、（１９式）、（２６）式で示された連立一次方程式が解けることの説明ともなる。   In addition, the explanation that the simultaneous linear equations expressed by the equation (4) can be solved as described above is that the simultaneous linear equations expressed by the equations (13), (19), and (26) described later can be solved. It becomes explanation of.

２．二軸力センサの動特性を三次元振動台で校正する場合
力センサの２個の感度軸をX軸、Y軸とし、出力信号のベクトルの振幅値を(f_ox(ω), f_oy(ω), 0)とする。ωは角振動数である。Z軸成分は勿論ゼロである。これに対して、入力となる力ベクトルの振幅値を、（f_ix(ω), f_iy(ω), f_iz(ω)）とする。入力となる力が、該力センサの二個の感度軸で決まる平面（感度平面）上にあるとは仮定しない。感度軸で決まる平面上にあると仮定したのでは、入力となる力をベクトルとみなしたことにはならない。この時、マトリックス感度は以下に示す２×３のマトリックスで表される。

（８） 2. When calibrating the dynamic characteristics of a two-axis force sensor with a three-dimensional shaking table The two sensitivity axes of the force sensor are the X and Y axes, and the amplitude value of the output signal vector is (f _ox (ω), f _oy ( ω), 0). ω is the angular frequency. Of course, the Z-axis component is zero. On the other hand, the amplitude value of the input force vector is (f _ix (ω), f _iy (ω), f _iz (ω)). It is not assumed that the input force is on a plane (sensitivity plane) determined by the two sensitivity axes of the force sensor. Assuming that it is on a plane determined by the sensitivity axis, the input force is not regarded as a vector. At this time, the matrix sensitivity is represented by a 2 × 3 matrix shown below.

(8)

S_x,x, S_x,y, S_x,zは各々、力センサへのX軸入力成分に対するX軸出力信号との関係を表すので主軸感度、力センサへのＹ軸入力成分に対するX軸出力信号との関係を表すので横感度、力センサへのZ軸入力成分に対するX軸出力信号との関係を表すので横感度を表す。S_y,x, S_y,y, S_y,zは、各々力センサへのX軸入力信号に対するY軸出力信号との関係を表すので横感度、S_y,yは力センサへのY軸入力成分に対するY軸出力信号との関係を表すので主軸感度、S_y,zは力センサへのZ軸入力成分に対するY軸出力信号との関係を表すので横感度を表す。このとき、入力ベクトルと、出力ベクトルとの関係は次式で表される。

（９） S _{x, x} , S _{x, y} , S _{x, z} each represent the relationship between the X axis input component to the force sensor and the X axis output signal, so the main axis sensitivity, the X axis for the Y axis input component to the force sensor Since it represents the relationship with the output signal, it represents the lateral sensitivity and the lateral sensitivity because it represents the relationship with the X-axis output signal for the Z-axis input component to the force sensor. S _{y, x,} S _{y, y,} S _{y, z} are cross sensitivity since they represent the relationship between the Y-axis output signal to the X-axis input signals to each force sensor, S _y, Y-axis of _y to the force sensor Since it represents the relationship between the input component and the Y-axis output signal, the main-axis sensitivity, and _{Sy, z} represents the relationship between the Z-axis input component to the force sensor and the Y-axis output signal, and thus represents the lateral sensitivity. At this time, the relationship between the input vector and the output vector is expressed by the following equation.

(9)

三次元振動台は、三次元空間で独立な３個のベクトル振動加速度を生成することが出来るので、それらを(f_ix1,f_iy1,f_iz1)exp(jωt), (f_ix2,f_iy2,f_iz2)exp(jωt), (f_ix3,f_iy3,f_iz3)exp(jωt)とする。この時（３）式に代入すると、以下の関係が成立する。f_ox1, f_ox2, f_ox3 , f_oy1, f_oy2, f_oy3は、exp(jωt)との位相、ゲインを考えたωの関数としての複素数である。このときに（９）式に代入すると、以下の３個の方程式（１０）、（１１）、（１２）が成立するが、それを感度マトリックスの全ての要素に関する連立一次方程式としてまとめると、（１３）式を得る。

（１０）

（１１）

（１２）

（１３） The three-dimensional shaking table can generate three independent vector vibration accelerations in three-dimensional space, so that they can be _expressed as (f _ix1 , f _iy1 , f _iz1 ) exp (jωt), (f _ix2 , f _iy2 , Let f _iz2 ) exp (jωt), (f _ix3 , f _iy3 , f _iz3 ) exp (jωt). At this time, if substituting into equation (3), the following relationship is established. f _ox1 , f _ox2 , f _ox3 , f _oy1 , f _oy2 , and f _oy3 are complex numbers as functions of ω considering the phase and gain with exp (jωt). When substituting into the equation (9) at this time, the following three equations (10), (11), and (12) are established. When these are combined as simultaneous linear equations for all elements of the sensitivity matrix, 13) Equation is obtained.

(10)

(11)

(12)

(13)

（１３）式において、３個のベクトル(f_ixk, f_iyk, f_izk) (k=1,2,3)が独立であることから、６個のベクトル(f_ixk, f_iyk, f_izk、0, 0, 0) (k=1,2,3)、(0,0,0,f_ixk, f_iyk, f_izk) (k=1,2,3)は独立であることがわかるから、連立一次方程式の行列式はゼロではないので、かならず解けることになる。感度S_i,j (i=x, y: j=x, y, z)では、添え字が等しいと主軸感度であり、等しくなければ横感度を表す。（１３）の連立一次方程式で角振動数を走査することで、主軸感度、横感度を、周波数の関数として定義することが可能になる。 In the equation (13), since the three vectors (f _ixk , f _iyk , f _izk ) (k = 1, 2, 3) are independent, the six vectors (f _ixk , f _iyk , f _izk , (0, 0, 0) (k = 1,2,3), (0,0,0, f _ixk , f _iyk , f _izk ) (k = 1,2,3) Since the determinant of the simultaneous linear equations is not zero, it can always be solved. In the sensitivity S _{i, j} (i = x, y: j = x, y, z), if the subscripts are equal, the main axis sensitivity is obtained. By scanning the angular frequency with the simultaneous linear equations (13), it is possible to define the main shaft sensitivity and the lateral sensitivity as functions of the frequency.

３．三軸力センサの動特性を三次元振動台で校正する場合
力センサの３個の感度軸をX軸、Y軸、Z軸とし、出力信号のベクトルの振幅を(f_ox(ω), f_oy(ω), f_oz(ω))とする。ωは角振動数である。これに対して、力センサに入力する力の振幅値のベクトルを、(f_ix(ω), f_iy(ω), f_iz(ω))とする。入力としての力が、該力センサの三個の感度軸で決まる空間（感度空間）上にあるとは仮定しない。感度軸で決まる感度空間にあると仮定したのでは、入力としての力をベクトルとみなしたことにはならない。力センサは、入力としての力ベクトル空間を出力信号としての力のベクトル空間に射影する。
この時、マトリックス感度は以下に示す３×３のマトリックスで表される。

（１４） 3. When calibrating the dynamic characteristics of a three-axis force sensor with a three-dimensional shaking table The three sensitivity axes of the force sensor are the X, Y, and Z axes, and the amplitude of the vector of the output signal is (f _ox (ω), f _oy (ω), f _oz (ω)). ω is the angular frequency. On the other hand, a vector of force amplitude values input to the force sensor is defined as (f _ix (ω), f _iy (ω), f _iz (ω)). It is not assumed that the force as an input is on a space (sensitivity space) determined by the three sensitivity axes of the force sensor. Assuming that it is in the sensitivity space determined by the sensitivity axis, the force as an input is not regarded as a vector. The force sensor projects a force vector space as an input into a force vector space as an output signal.
At this time, the matrix sensitivity is represented by a 3 × 3 matrix shown below.

(14)

S_x,x, S_x,y, S_x,zは各々、力センサのX軸出力に対する各入力信号との関係を表す。S_x,xは力のX軸入力成分に対するX軸出力の割合を表すので主軸感度、S_x,yは力のY軸入力成分に対するX軸出力信号との関係を表すので横感度、S_x,zは力のZ軸入力成分に対するX軸出力信号との関係を表すので横感度を表す。S_y,x, S_y,y, S_y,zは力センサの各軸入力成分に対するY軸出力信号との関係を表す。S_y,xは力のX軸入力成分に対するY軸出力信号との関係を表すので横感度、S_y,yは力のY軸入力成分に対するY軸出力信号との関係を表すので主軸感度、S_y,zは力のZ軸入力成分に対するY軸出力信号との関係を表すので横感度を表す。S_z,x, S_z,y, S_z,zは、各々力センサのZ軸出力に対する入力信号との関係を表す。S_z,xは力センサへのX軸入力成分に対するZ軸出力信号との関係を表すので横感度、S_z,yは力センサへのY軸入力成分に対するZ軸出力信号との関係を表すので横感度、S_z,zは力センサへのZ軸入力成分に対するZ軸出力信号との関係を表すので主軸感度を表す。このとき、入力ベクトルと、出力ベクトルとの関係は次式で表される。

（１５） S _{x, x} , S _{x, y} , S _{x, z} each represent a relationship with each input signal with respect to the X-axis output of the force sensor. S _{x, x} represents the ratio of the X-axis output to the X-axis input component of the force, so the main axis sensitivity, S _{x, y} represents the relationship with the X-axis output signal to the Y-axis input component of the force, so the lateral sensitivity, S _{x , z} represents the relationship between the Z-axis input component of the force and the X-axis output signal, and thus represents the lateral sensitivity. S _{y, x} , S _{y, y} , S _{y, z} represent the relationship with the Y-axis output signal for each axis input component of the force sensor. S _{y, x} represents the relationship with the Y-axis output signal relative to the X-axis input component of the force, so the lateral sensitivity, S _{y, y} represents the relationship with the Y-axis output signal relative to the Y-axis input component of the force, Since _{Sy, z} represents the relationship between the Z-axis input component of the force and the Y-axis output signal, it represents the lateral sensitivity. S _{z, x} , S _{z, y} , and S _{z, z} each represent a relationship with the input signal with respect to the Z-axis output of the force sensor. S _{z, x} represents the relationship with the Z-axis output signal for the X-axis input component to the force sensor, so lateral sensitivity, S _{z, y} represents the relationship with the Z-axis output signal for the Y-axis input component to the force sensor Therefore, the lateral sensitivity, S _{z, z} represents the principal axis sensitivity because it represents the relationship with the Z-axis output signal for the Z-axis input component to the force sensor. At this time, the relationship between the input vector and the output vector is expressed by the following equation.

(15)

三次元振動台は、三次元空間で独立な３個のベクトル振動加速度を生成することが出来るので、それらを(f_ix1, _iy1,,f_iz1)exp(jωt),(f_ix2, f_iy2, f_iz2)exp(jωt), (f_ix3, f_iy3, f_iz3)exp(jωt)とする。この時（１５）式に代入すると、以下の３個の方程式（１６）、（１７）、（１８）が成立する。f_ox1, f_oy1, f_oz1,f_ox2, f_oy2, f_oz2, f_ox3, f_oy3,f_oz3は、exp(jωt)との位相、ゲインを考えたωの関数としての複素数である。３個の方程式（１６）、（１７）、（１８）を感度マトリックスの全ての要素に関する連立一次方程式としてまとめると、（１９）式を得る。

（１６）

（１７）

（１８）

（１９） The 3D shaking table can generate three independent vector vibration accelerations in 3D space, so that they can be _expressed as (f _ix1 , _iy1,, f _iz1 ) exp (jωt), (f _ix2 , f _iy2 , Let f _iz2 ) exp (jωt), (f _ix3 , f _iy3 , f _iz3 ) exp (jωt). At this time, by substituting into the equation (15), the following three equations (16), (17), and (18) are established. f _ox1 , f _oy1 , f _oz1 , f _ox2 , f _oy2 , f _oz2 , f _ox3 , f _oy3 , and f _oz3 are complex numbers as a function of ω considering the phase and gain with exp (jωt). When the three equations (16), (17), and (18) are collected as simultaneous linear equations for all elements of the sensitivity matrix, the following equation (19) is obtained.

(16)

(17)

(18)

(19)

（１９）式において、３個のベクトル(f_ixk, f_iyk,f_izk) (k=1,2,3)が線形独立であるから、係数行列に見られる９個のベクトル(f_ixk, f_iyk, f_izk, 0, 0, 0, 0, 0, 0) (k=1,2,3), (0, 0, 0, f_ixk, f_iyk,f_izk, 0, 0, 0) (k=1,2,3), (0, 0, 0, 0, 0, 0, f_ixk, f_iyk, f_izk) (k=1,2,3)は線形独立であるから、（１９）の係数行列式はゼロでないので、かならず解けることになる。感度S_i,j (i=x, y, z: j=x, y, z)では、添え字が等しいと主軸感度であり、等しくなければ横感度を表す。（１９）の連立一次方程式で角振動数を走査することで、主軸感度、横感度を、周波数の関数として定義することが可能になる In equation (19), since three vectors (f _ixk , f _iyk , f _izk ) (k = 1, 2, 3) are linearly independent, nine vectors (f _ixk , f _iyk , f _izk , 0, 0, 0, 0, 0, 0) (k = 1,2,3), (0, 0, 0, f _ixk , f _iyk , f _izk , 0, 0, 0) ( k = 1,2,3), (0, 0, 0, 0, 0, 0, f _ixk , f _iyk , f _izk ) (k = 1,2,3) is linearly independent (19) Since the coefficient determinant of is not zero, it must be solved. In the sensitivity S _{i, j} (i = x, y, z: j = x, y, z), when the subscripts are equal, the main axis sensitivity is indicated. When the subscripts are not equal, the lateral sensitivity is indicated. By scanning the angular frequency with the simultaneous linear equations of (19), it becomes possible to define the spindle sensitivity and the lateral sensitivity as a function of frequency.

４．力センサが三軸の力検出及び１自由度のトルクを検出するセンサで、四次元振動台（並進３自由度、ねじり振動１自由度）を用いる場合
力センサの３個の並進運動の感度軸をX軸、Y軸、Z軸とし、さらに、垂直軸周りのトルクの入力軸、出力軸をα軸とする。この場合には、質量の重心がねじり振動の回転中心軸上にあるとする。出力信号のベクトルの振幅を(f_ox(ω), f_oy(ω), f_oz(ω), f_oα(ω))とする。ωは角振動数である。これに対して、力センサに入力する力の振幅値のベクトルを、(f_ix(ω), f_iy(ω),f_iz(ω), f_iα(ω))とする。 4). When the force sensor uses a three-dimensional vibration table (translational 3 degrees of freedom, torsional vibration 1 degree of freedom) that detects three-axis force detection and torque with one degree of freedom, the sensitivity axis for the three translational motions of the force sensor Are the X axis, Y axis, and Z axis, and the input axis and output axis of the torque around the vertical axis are the α axis. In this case, it is assumed that the center of mass is on the rotation center axis of torsional vibration. Let the amplitude of the vector of the output signal be (f _ox (ω), f _oy (ω), f _oz (ω), f _oα (ω)). ω is the angular frequency. On the other hand, let the vector of the amplitude value of the force input to the force sensor be (f _ix (ω), f _iy (ω), f _iz (ω), f _iα (ω)).

この時、マトリックス感度は以下に示す４×４のマトリックスで表される。

（２０）
S_x,x, S_x,y, S_x,z, S_x,αは各々、複合力センサのX軸出力に対する入力信号との関係を表す。力以外にトルクも検出する場合を想定するので、複合力センサと称することにする。S_x,xは力のX軸入力成分に対するX軸出力信号との関係を表すので主軸感度、S_x,yは力のY軸入力成分に対するX軸出力信号との関係を表すので横感度、S_x,zは力のZ軸入力成分に対するX軸出力信号との関係を表すので横感度を、S_x,αはトルクのα軸入力成分に対するX軸出力信号との関係を表すので横感度を表す。S_x,αは、力の検出とトルクの検出の干渉の程度を表す指標となる重要な量である。 At this time, the matrix sensitivity is represented by the following 4 × 4 matrix.

(20)
S _{x, x} , S _{x, y} , S _{x, z} , S _{x, α} each represent a relationship with the input signal with respect to the X-axis output of the composite force sensor. Since it is assumed that torque is detected in addition to force, it is referred to as a compound force sensor. S _{x, x} represents the relationship with the X-axis output signal for the force X-axis input component, so the main axis sensitivity, S _{x, y} represents the relationship with the X-axis output signal for the force Y-axis input component, so the lateral sensitivity, Since S _{x, z} represents the relationship with the X-axis output signal for the Z-axis input component of force, S _{x, α} represents the relationship with the X-axis output signal for the α-axis input component of torque. Represents. S _{x, α} is an important quantity that serves as an index representing the degree of interference between force detection and torque detection.

S_y,x, S_y,y, S_y,z, S_y,αについては、夫々複合力センサのY軸出力に対する入力信号との関係を表す。S_y,xは力のX軸入力成分に対するY軸出力信号との関係を表すので横感度、S_y,yは力のY軸入力成分に対するY軸出力信号との関係を表すので主軸感度、S_y,zは力のZ軸入力成分に対するY軸出力信号との関係を表すので横感度を、S_y,αはトルクのα軸入力成分に対するY軸出力信号との関係を表すので横感度を表す。S_y,αは、力の検出とトルクの検出の干渉の程度を表す指標となる重要な量である。 S _{y, x} , S _{y, y} , S _{y, z} , S _{y, α} each represent the relationship with the input signal for the Y-axis output of the composite force sensor. S _{y, x} represents the relationship with the Y-axis output signal relative to the X-axis input component of the force, so the lateral sensitivity, S _{y, y} represents the relationship with the Y-axis output signal relative to the Y-axis input component of the force, Since S _{y, z} represents the relationship with the Y-axis output signal for the Z-axis input component of force, S _{y, α} represents the relationship with the Y-axis output signal for the α-axis input component of torque. Represents. S _{y, α} is an important quantity that serves as an index representing the degree of interference between force detection and torque detection.

S_z,x, S_z,y, S_z,z, S_z,αは、各々複合力センサのZ軸出力に対する入力信号との関係を表す。S_z,xは複合力センサへの入力力ベクトルのX軸入力成分に対するZ軸出力信号との関係を表すので横感度、S_z,yは複合力センサへのY軸入力に対するZ軸出力信号との関係を表すので横感度、S_z,zは複合力センサへのZ軸入力に対するZ軸出力信号との関係を表すので主軸感度を、S_z,αは複合力センサへのα軸トルク入力に対するZ軸出力信号との関係を表すので横感度を表す。S_z,αは、力の検出とトルクの検出の干渉の程度を表す指標となる重要な量である。 S _{z, x} , S _{z, y} , S _{z, z} , S _{z, α} each represent the relationship with the input signal for the Z-axis output of the composite force sensor. Since S _{z, x} represents the relationship with the Z-axis output signal for the X-axis input component of the input force vector to the compound force sensor, S _{z, y} is the Z-axis output signal for the Y-axis input to the compound force sensor The lateral sensitivity, S _{z, z} represents the relationship with the Z-axis output signal relative to the Z-axis input to the compound force sensor, so the main axis sensitivity, S _{z, α} represents the α-axis torque to the compound force sensor. Since it represents the relationship with the Z-axis output signal for the input, it represents the lateral sensitivity. S _{z, α} is an important quantity that serves as an index representing the degree of interference between force detection and torque detection.

S_α,x,S_α,y, S_α,z,S_α,αは、複合力センサのα軸出力に対する入力信号との関係を表すので、S_α,xは力のX軸入力成分に対するα軸出力信号との関係を表すので横感度を、S_α,yは力のY軸入力成分に対するα軸出力信号との関係を表すので横感度を、S_α,zは力のZ軸入力成分に対するα軸出力信号との関係を表すので横感度を、S_α,αはトルクのα軸入力成分に対するα軸出力信号との関係を表すので主軸感度を表す。このとき、入力ベクトルと、出力ベクトルとの関係は次式で表される。

（２１） Since S _{α, x} , S _{α, y} , S _{α, z} , S _{α, α} represents the relationship with the input signal for the α-axis output of the composite force sensor, S _{α, x} is for the X-axis input component of the force Since it represents the relationship with the α-axis output signal, it represents the lateral sensitivity, S _{α, y} represents the relationship with the α-axis output signal for the Y-axis input component of the force, so it represents the lateral sensitivity, and S _{α, z} represents the Z-axis input of the force. Since it represents the relationship with the α-axis output signal with respect to the component, it represents the lateral sensitivity, and S _{α, α} represents the relationship with the α-axis output signal with respect to the α-axis input component of the torque, and thus represents the main shaft sensitivity. At this time, the relationship between the input vector and the output vector is expressed by the following equation.

(21)

四次元振動台は、四次元空間で独立な４個のベクトル振動加速度を生成することが出来るので、それらを(f_ix1, f_iy1,f_iz1, f_iα1)exp(jωt), (f_ix2, f_iy2, f_iz2, f_iα2)exp(jωt), (f_ix3, f_iy3, f_iz3,f_iα3)exp(jωt)、(f_ix4, f_iy4, f_iz4,f_iα4)exp(jωt)とする。この時（２１）式に代入すると、以下の4個の方程式（２２）、（２３）、（２４）、（２５）が成立する。f_ox1, f_oy1, f_oz1,f_oα1, f_ox2,f_oy2, f_oz2, f_oα2, f_ox3,f_oy3, f_o3z, f_oα3, f_ox4,f_oy4, f_oz4, f_oα4は、exp(jωt)との位相、ゲインを考えたωの関数としての複素数である。４個の方程式（２２）、（２３）、（２４）、（２５）を感度マトリックスの全ての成分に関する連立一次方程式としてまとめると、（２６）式を得る。

（２２）

（２３）

（２４）

（２５）

（２６） The four-dimensional shaking table can generate four independent vector vibration accelerations in four-dimensional space, so that they are (f _ix1 , f _iy1 , f _iz1 , f _iα1 ) exp (jωt), (f _ix2 , f _iy2 , f _iz2 , f _iα2 ) exp (jωt), (f _ix3 , f _iy3 , f _iz3 , f _iα3 ) exp (jωt), (f _ix4 , f _iy4 , f _iz4 , f _iα4 ) exp (jωt) To do. At this time, by substituting into the equation (21), the following four equations (22), (23), (24), and (25) are established. f _ox1 , f _oy1 , f _oz1 , f _oα1 , f _ox2 , f _oy2 , f _oz2 , f _oα2 , f _ox3 , f _oy3 , f _o3z , f _oα3 , f _ox4 , f _oy4 , f _oz4 , f _oα4 is a complex number as a function of ω considering the phase and gain with exp (jωt). When the four equations (22), (23), (24), and (25) are collected as simultaneous linear equations for all the components of the sensitivity matrix, the following equation (26) is obtained.

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

（２６）式において、４個のベクトル(f_ixk, f_iyk, f_izk, f_iαk)(k=1,2,3,4)が線形独立であるから、係数行列に見られる１６個のベクトル(f_ixk, f_iyk, f_izk, f_iαk, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0)(k=1,2,3,4), (0, 0, 0, 0, f_ixk, f_iyk,f_izk, f_iαk, 0, 0, 0, 0, 0,0, 0, 0)(k=1,2,3,4), (0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, f_ixk, f_iyk, f_izk, f_iαk, 0, 0, 0, 0 ) (k=1,2,3,4)、(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, f_ixk, f_iyk, f_izk, f_iαk) (k=1,2,3,4)は線形独立であって、（２６）の係数行列式はゼロでないので、かならず解けることになる。感度S_i,j (i=x, y, z, _α : j=x, y, z, _α)では、添え字が等しいと主軸感度であり、等しくなければ横感度を表す。（２６）の連立一次方程式で角振動数を走査することで、主軸感度、横感度を、周波数の関数として定義することが可能になる。 Since the four vectors (f _ixk , f _iyk , f _izk , f _iαk ) (k = 1, 2, 3, 4) are linearly independent in the equation (26), the 16 vectors found in the coefficient matrix (f _ixk , f _iyk , f _izk , f _iαk , 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0) (k = 1,2,3,4), ( 0, 0, 0, 0, f _ixk , f _iyk , f _izk , f _iαk , 0, 0, 0, 0, 0,0, 0, 0) (k = 1,2,3,4), (0 , 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, f _ixk , f _iyk , f _izk , f _iαk , 0, 0, 0, 0) (k = 1,2,3,4), (0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, f _ixk , f _iyk , f _izk , f _iαk ) (k = 1, 2, 3, 4) are linearly independent. Since the coefficient determinant of (26) is not zero, it can always be solved. In the sensitivity S _{i, j} (i = x, y, z, _α : j = x, y, z, _α ), if the subscripts are equal, the main axis sensitivity is indicated. If not, the lateral sensitivity is indicated. By scanning the angular frequency with the simultaneous linear equation (26), it is possible to define the main shaft sensitivity and the lateral sensitivity as a function of frequency.

上記のような本発明を実施するに際して、前記図１、図２及び図３に示すような装置によって力センサの動的マトリックス感度計測を行うことができるものであるが、その感度計測に際しては種々の手法により実施することができ、例えば前記被校正用力センサに対してこれを駆動するアクチュエータにより、継続時間の短い衝撃的運動ベクトルによる衝撃力を印加し、そのときの力センサからの出力信号と入力信号をスペクトル分解して、各振動数成分に対応するマトリックス感度の全ての要素に関する連立一次方程式をたて、前記振動数の関数としてマトリックス感度を求めるようにしてもよい。その際には、図３に示すように、運動発生装置制御用のコーナキューブ３、一次校正用運動発生装置制御用の軸時間レーザ干渉計（二次校正用運動発生装置では運動発生装置制御用の加速度計４で制御する）、被校正対象の力センサ１、基準力センサ２４、質量１２、質量２５、運動発生装置機制御用の加速度計４、電力増幅器８，水平並進運動用アクチュエータ＋回転運動発生用アクチュエータ７、垂直並進運動用アクチュエータ＋回転運動発生用アクチュエータ１１、信号処理装置９、質量の運動を測定する加速度計１３を用いて、前記と同様に計測を行ってもよい。   In carrying out the present invention as described above, the dynamic matrix sensitivity measurement of the force sensor can be performed by the apparatus as shown in FIG. 1, FIG. 2, and FIG. For example, an impact force based on a shocking motion vector having a short duration is applied by an actuator that drives the force sensor to be calibrated, and an output signal from the force sensor at that time The input signal may be spectrally decomposed to generate simultaneous linear equations for all elements of the matrix sensitivity corresponding to each frequency component, and the matrix sensitivity may be obtained as a function of the frequency. In this case, as shown in FIG. 3, a corner cube 3 for controlling the motion generator, an axial time laser interferometer for controlling the motion generator for primary calibration (in the motion generator for secondary calibration, for controlling the motion generator) ), A force sensor 1 to be calibrated, a reference force sensor 24, a mass 12, a mass 25, an accelerometer 4 for controlling a motion generator, a power amplifier 8, an actuator for horizontal translation and a rotational motion Measurement may be performed in the same manner as described above using the generating actuator 7, the actuator for vertical translation motion + the actuator 11 for generating the rotational motion, the signal processing device 9, and the accelerometer 13 for measuring the motion of the mass.

また、前記力センサに前記アクチュエータにより必要な振動数帯域を持つランダム運動ベクトルによるランダムな力を印加し、そのときの力センサからの出力信号と入力信号をスペクトル分解して特定の周波数成分に対応するマトリックス感度の全ての要素に関する連立一次方程式をたて、前記振動数の関数としてマトリックス感度を求めることもできる。   In addition, a random force based on a random motion vector having a necessary frequency band is applied to the force sensor by the actuator, and the output signal and input signal from the force sensor at that time are spectrally resolved to correspond to a specific frequency component. It is also possible to establish simultaneous linear equations relating to all the elements of the matrix sensitivity to obtain the matrix sensitivity as a function of the frequency.

また、力センサの出力信号が力であり（複合力センサの場合には力とトルク）、力及びトルクはともにベクトルであるから、出力信号の集合はベクトル空間をなす。そこで、力センサもしくは複合力センサの出力信号ベクトル空間の次元を考え、その値をLとするときには、前記力センサはＬ次元力センサもしくはL次元複合力センサと称することができる。   Further, since the output signal of the force sensor is a force (force and torque in the case of a compound force sensor), and the force and torque are both vectors, the set of output signals forms a vector space. Therefore, when the dimension of the output signal vector space of the force sensor or the combined force sensor is considered and the value is L, the force sensor can be referred to as an L-dimensional force sensor or an L-dimensional combined force sensor.

また、入力運動ベクトルの入力軸と出力信号ベクトルの成分の出力軸との関係によっては、マトリックス感度の対応する成分が誤差を表すこととなり、このデータも有効に利用することができる。   Further, depending on the relationship between the input axis of the input motion vector and the output axis of the component of the output signal vector, the corresponding component of the matrix sensitivity represents an error, and this data can also be used effectively.

また、校正対象とする力センサに印加する動的力ベクトルは、前記のようなレーザ干渉計、またはレーザ干渉計と運動発生装置で校正され感度マトリックスが与えられた基準力センサ、もしくはそれにトレーサブルな感度マトリックスが与えられた力センサで計測され、若しくはレーザ干渉計と運動発生装置で校正された感度マトリックスが与えられた力センサまたはそれにトレーサブルな感度マトリックスが与えられた力センサで計測される。また、校正対象とする力センサに印可する動的力ベクトルは、前記のようなレーザ干渉計、またはレーザ干渉計と運動発生装置で校正された感度マトリックスが与えられた基準加速度センサ、もしくはそれにトレーサブルな感度マトリックスが与えられた加速度センサで計測され、もしくはレーザ干渉計と運動発生装置で校正された感度マトリックスが与えられた加速度センサまたはそれにトレーサブルな感度マトリックスが与えられた加速度センサで計測される。   The dynamic force vector applied to the force sensor to be calibrated is a laser interferometer as described above, a reference force sensor calibrated by a laser interferometer and a motion generator and given a sensitivity matrix, or traceable to it. Measurement is performed by a force sensor provided with a sensitivity matrix, or by a force sensor provided with a sensitivity matrix calibrated by a laser interferometer and a motion generator, or by a force sensor provided with a sensitivity matrix traceable thereto. Further, the dynamic force vector applied to the force sensor to be calibrated is the above-described laser interferometer, a reference acceleration sensor provided with a sensitivity matrix calibrated by the laser interferometer and the motion generator, or traceable to the reference acceleration sensor. It is measured by an acceleration sensor provided with a different sensitivity matrix, or measured by an acceleration sensor provided with a sensitivity matrix calibrated by a laser interferometer and a motion generator or an acceleration sensor provided with a sensitivity matrix traceable thereto.

また、本発明の力センサの動的マトリックス感度計測方法及び装置は、動特性に影響を及ぼす全ての変数の関数として、マトリックス感度を求めることができる。   Also, the dynamic sensor sensitivity measuring method and apparatus for the force sensor of the present invention can determine the matrix sensitivity as a function of all the variables that affect the dynamic characteristics.

本発明は自動車乗員保護用エアバッグ開発実験用ダミーの体内にセットする力センサの校正に用い、更にロボットの運動制御用多軸力センサの校正に用いることることもできる。   The present invention can be used for calibrating a force sensor set in the body of an automobile passenger protection airbag development experiment dummy, and can also be used for calibrating a multi-axis force sensor for robot motion control.

本発明を実施する装置の実施例を示すシステム概要図である。It is a system outline figure showing the example of the device which enforces the present invention. 本発明を実施する装置の他の実施例を示すシステム概要図である。It is a system schematic diagram which shows the other Example of the apparatus which implements this invention. 本発明を実施する装置の更に他の実施例を示すシステム概要図である。It is a system schematic diagram which shows further another Example of the apparatus which implements this invention. 本発明における数式（１）を説明する図である。It is a figure explaining numerical formula (1) in this invention. 従来例を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

１ 校正対象の力センサ
３ 第１コーナキューブ
４ 運動発生装置用制御用の力センサまたは加速度センサ
５ X軸アクチュエータ
６ Z軸アクチュエータ
７ Y軸アクチュエータ
８ 電力増幅器
９ 信号処理装置
１０ 冷却水配管系
１１ テーブル
１２ 質量
１３ 第２コーナキューブ
２１ｘ、ｙ、ｚ テーブル面計測用実時間レーザ干渉計
２２ｘ、ｙ、ｚ 力センサ面計測用実時間レーザ干渉計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Force sensor to be calibrated 3 First corner cube 4 Force sensor or acceleration sensor for motion generator control 5 X-axis actuator 6 Z-axis actuator 7 Y-axis actuator 8 Power amplifier 9 Signal processing device 10 Cooling water piping system 11 Table 12 Mass 13 Second corner cube 21x, y, z Real time laser interferometer for table surface measurement 22x, y, z Real time laser interferometer for force sensor surface measurement

Claims (28)

テーブル上に被計測力センサをその取り付け面が該テーブルに向くように固定し、
運動発生装置により前記テーブルに対して３軸方向の各並進運動と各回転運動の計６自由度のうち、任意に選択した並進運動と回転運動を付与し、
前記運動発生装置による特定の周波数において、前記力センサの３軸方向の各力と各トルクのうち任意に選択した力またはトルクの検出自由度と、前記運動発生装置の前記任意に選択した並進運動と回転運動の自由度とから求まる次数のマトリックス感度の全ての要素を未知数とする連立一次方程式を得て、
前記マトリックス感度の全ての要素を決めることにより、力センサの動的マトリックス感度を計測することを特徴とする力センサの動的マトリックス感度計測方法。 Fix the measured force sensor on the table so that its mounting surface faces the table,
A translational motion and a rotational motion arbitrarily selected from a total of 6 degrees of freedom of each translational motion and each rotational motion in three axial directions are given to the table by the motion generator,
At a specific frequency by the motion generator, the force sensor freely selected from among the forces in the three axial directions and the torques of the force sensor or the torque, and the arbitrarily selected translational motion of the motion generator. And a simultaneous linear equation with all elements of the matrix sensitivity of the order obtained from the degree of freedom of rotational motion as unknowns,
A dynamic matrix sensitivity measurement method for a force sensor, wherein dynamic matrix sensitivity of the force sensor is measured by determining all elements of the matrix sensitivity. テーブル上に被計測力センサをその取り付け面が該テーブルに向くように固定し、
運動発生装置により前記テーブルに対して３軸方向の各並進運動と各回転運動の計６自由度のうち、任意に選択した並進運動と回転運動を付与し、
前記運動発生装置による特定の周波数において、前記力センサの３軸方向の各力と各トルクのうち任意に選択した力またはトルクの検出自由度をN個とし、前記運動発生装置の前記選択した運動の自由度をM個とするとき、N×M次の感度マトリックスの全ての要素に関する連立一次方程式を得てそれを解き、
前記感度マトリックスの全ての要素を決めることにより、力センサの動的マトリックス感度を計測することを特徴とする力センサの動的マトリックス感度計測方法。 Fix the measured force sensor on the table so that its mounting surface faces the table,
A translational motion and a rotational motion arbitrarily selected from a total of 6 degrees of freedom of each translational motion and each rotational motion in three axial directions are given to the table by the motion generator,
At a specific frequency by the motion generator, the number of degrees of freedom of detection of the force or torque arbitrarily selected from the forces and torques in the three axial directions of the force sensor is N, and the selected motion of the motion generator is selected. If there are M degrees of freedom, obtain simultaneous linear equations for all elements of the N × Mth order sensitivity matrix and solve it,
A dynamic matrix sensitivity measurement method for a force sensor, wherein dynamic matrix sensitivity of the force sensor is measured by determining all elements of the sensitivity matrix. 力センサの出力軸のうちのN1個の出力軸に対して、M1の自由度をもつ運動発生装置を用いて前記マットリックス感度を求め、
力センサの出力軸のうちのN2個の出力軸に対して、M2の自由度をもつ運動発生装置を用いて前記マットリックス感度を求め、
両マトリックス感度を合成することにより最終的なマトリックス感度を求めることを特徴とする請求項１または請求項２記載の力センサの動的マトリックス感度計測方法。 For the N1 output shafts of the output shafts of the force sensor, the matrick sensitivity is obtained using a motion generator having M1 degrees of freedom,
For the N2 output shafts of the output shafts of the force sensor, the matrix sensitivity is obtained using a motion generator having a degree of freedom of M2,
3. The dynamic matrix sensitivity measuring method for a force sensor according to claim 1, wherein the final matrix sensitivity is obtained by synthesizing both matrix sensitivities. 前記運動発生装置を前記テーブルに固定した運動検出センサの信号により制御し、
前記運動検出センサの感度を、力センサと運動発生装置とによる前記N×M次のマトリックスとして与えることにより、前記力センサの感度を少なくともN×M次のマトリックスとして与えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の力センサの動的マトリックス感度計測方法。 Controlling the motion generator by a signal of a motion detection sensor fixed to the table;
The sensitivity of the force detection sensor is given as an N × M-order matrix by the force sensor and the motion generator, so that the sensitivity of the force sensor is given as at least an N × M-order matrix. The method for measuring the dynamic matrix sensitivity of the force sensor according to claim 1. 前記運動検出センサは加速度センサ、速度センサ、変位センサ、レーザ光の干渉に基づく振動計、レーザ光の干渉に基づく変位計のいずれか一つであることを特徴とする請求項４記載の力センサの動的マトリックス感度計測方法。 5. The force sensor according to claim 4, wherein the motion detection sensor is one of an acceleration sensor, a speed sensor, a displacement sensor, a vibration meter based on laser beam interference, and a displacement meter based on laser beam interference. Dynamic matrix sensitivity measurement method. 力センサに継続時間の短い衝撃的運動ベクトルによる衝撃力を印加し、
そのときの力センサからの出力信号と入力信号をスペクトル分解して、各振動数成分に対応するマトリックス感度の全ての要素に関する連立一次方程式をたて、
前記振動数の関数としてマトリックス感度を求めることを特徴とする請求項１または請求項２記載の力センサの動的マトリックス感度計測方法。 Applying an impact force with a short duration motion vector to the force sensor,
At that time, the output signal and input signal from the force sensor are spectrally decomposed, and simultaneous linear equations for all elements of the matrix sensitivity corresponding to each frequency component are established.
3. The method of measuring dynamic matrix sensitivity of a force sensor according to claim 1, wherein matrix sensitivity is obtained as a function of the frequency. 力センサに必要な振動数帯域を持つランダム運動ベクトルによるランダムな力を印加し、
そのときの力センサからの出力信号と入力信号をスペクトル分解して特性の周波数成分に対応するマトリックス感度の全ての要素に関する連立一次方程式をたて、
前記振動数の関数としてマトリックス感度を求めることを特徴とする請求項１または請求項２記載の力センサの動的マトリックス感度計測方法。 Apply a random force with a random motion vector with the frequency band required for the force sensor,
At that time, the output signal from the force sensor and the input signal are spectrally decomposed and a simultaneous linear equation for all elements of the matrix sensitivity corresponding to the frequency component of the characteristic is established.
3. The method of measuring dynamic matrix sensitivity of a force sensor according to claim 1, wherein matrix sensitivity is obtained as a function of the frequency. 力センサの出力信号ベクトル空間の次元の値がLであって、前記力センサがL次元の力を検出するL次元力センサとしての、L軸力センサであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の力センサの動的マトリックス感度計測方法。 The dimension value of the output signal vector space of the force sensor is L, and the force sensor is an L-axis force sensor as an L-dimensional force sensor for detecting an L-dimensional force. The dynamic matrix sensitivity measuring method of the force sensor according to claim 2. 入力運動ベクトルの入力軸と出力信号ベクトルの成分の出力軸との関係によって、マトリックス感度の対応する要素が誤差を表すことを特徴とする請求項１または請求項２記載の力センサの動的マトリックス感度計測方法。 3. The dynamic matrix of a force sensor according to claim 1, wherein the corresponding element of the matrix sensitivity represents an error depending on the relationship between the input axis of the input motion vector and the output axis of the component of the output signal vector. Sensitivity measurement method. 校正対象とする力センサに印加する動的力ベクトルは、レーザ干渉計、またはレーザ干渉計と運動発生装置で校正された基準力センサ、もしくはそれにトレーサブルな力センサで計測されること、若しくはレーザ干渉計と運動発生装置で校正された力センサまたはそれにトレーサブルな力センサで計測されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の力センサの動的マトリックス感度計測方法。 The dynamic force vector applied to the force sensor to be calibrated is measured by a laser interferometer, a reference force sensor calibrated by a laser interferometer and a motion generator, or a force sensor traceable thereto, or laser interference. 3. The method for measuring the dynamic matrix sensitivity of a force sensor according to claim 1, wherein the force sensor is measured by a force sensor calibrated by a meter and a motion generator or a force sensor traceable thereto. 重力加速度に対する力センサの姿勢角を含む、動特性に影響を及ぼす全ての変数の関数として、マトリックス感度を求めることを特徴とする請求項１または請求項２記載の力センサの動的マトリックス感度計測方法。 3. The dynamic matrix sensitivity measurement of a force sensor according to claim 1, wherein the matrix sensitivity is obtained as a function of all variables affecting the dynamic characteristics, including the attitude angle of the force sensor with respect to gravitational acceleration. Method. 自動車乗員保護用エアバッグ開発実験用ダミーの体内にセットする力センサの校正に用いることを特徴とする請求項１または請求項２記載の力センサの動的マトリックス感度計測方法。 3. The method for measuring the dynamic matrix sensitivity of a force sensor according to claim 1, wherein the force sensor is used for calibration of a force sensor set in a dummy for developing an automobile occupant protection airbag. ロボットの運動制御用多軸力センサの校正に用いることを特徴とする請求項１または請求項２記載の力センサの動的マトリックス感度計測方法。 3. The method for measuring the dynamic matrix sensitivity of a force sensor according to claim 1, wherein the method is used for calibration of a multi-axis force sensor for robot motion control. 取り付け面がテーブルに向くように該テーブル上に固定した被計測力センサと、
前記テーブルに対して３軸方向の各並進運動と各回転運動の計６自由度のうち、任意に選択した並進運動と回転運動を付与する運動発生装置と、
前記運動発生装置による特定の周波数において、前記力センサの３軸方向の各力と各トルクのうち任意に選択した力またはトルクの検出自由度と、前記運動発生装置の前記任意に選択した並進運動と回転運動の自由度とから求まる次数のマトリックス感度の全ての要素を未知数とする連立一次方程式を得て、前記マトリックス感度の全ての要素を決めることにより、力センサの動的マトリックス感度を計測する手段を備えたことを特徴とする力センサの動的マトリックス感度計測装置。 A measured force sensor fixed on the table such that the mounting surface faces the table;
A motion generator for imparting arbitrarily selected translational motion and rotational motion out of a total of 6 degrees of freedom of each translational motion and rotational motion in three axial directions with respect to the table;
At a specific frequency by the motion generator, the force sensor freely selected from among the forces in the three axial directions and the torques of the force sensor or the torque, and the arbitrarily selected translational motion of the motion generator. The dynamic matrix sensitivity of the force sensor is measured by obtaining simultaneous linear equations with all elements of the matrix sensitivity of the order obtained from the degree of freedom and the degree of freedom of rotational motion as unknowns, and determining all the elements of the matrix sensitivity. A dynamic matrix sensitivity measuring apparatus for a force sensor, characterized by comprising means. 取り付け面がテーブルに向くように該テーブル上に固定した被計測力センサと、
前記テーブルに対して３軸方向の各並進運動と各回転運動の計６自由度のうち、任意に選択した並進運動と回転運動を付与する運動発生装置と、
前記運動発生装置による特定の周波数において、前記力センサの３軸方向の各力と各トルクのうち任意に選択した力またはトルクの検出自由度をN個とし、前記運動発生装置の自由度をM個とするとき、N×M次の感度マトリックスの全ての要素に関する連立一次方程式を得てそれを解き、前記感度マトリックスの全ての要素を決めることにより、力センサの動的マトリックス感度を計測する手段を備えたことを特徴とする力センサの動的マトリックス感度計測装置。 A measured force sensor fixed on the table such that the mounting surface faces the table;
A motion generator for imparting arbitrarily selected translational motion and rotational motion out of a total of 6 degrees of freedom of each translational motion and rotational motion in three axial directions with respect to the table;
At a specific frequency by the motion generation device, the number of degrees of freedom of detection of the force or torque arbitrarily selected from each force and torque in the three axial directions of the force sensor is N, and the degree of freedom of the motion generation device is M. Means for measuring the dynamic matrix sensitivity of a force sensor by obtaining simultaneous linear equations for all elements of an N × M order sensitivity matrix, solving it, and determining all elements of the sensitivity matrix A dynamic matrix sensitivity measuring device for a force sensor, comprising: 力センサの出力軸のうちのN1個の出力軸に対して、M1の自由度をもつ運動発生装置を用いて前記マットリックス感度を求める手段と、
力センサの出力軸のうちのN2個の出力軸に対して、M2の自由度をもつ運動発生装置を用いて前記マットリックス感度を求める手段と、
両マトリックス感度を合成することにより最終的なマトリックス感度を求める手段とを備えることを特徴とする請求項１４または請求項１５記載の力センサの動的マトリックス感度計測装置。 Means for obtaining the matrix sensitivity using a motion generator having a degree of freedom of M1 for N1 output shafts of the output shafts of the force sensor;
Means for determining the matrix sensitivity using a motion generator having M2 degrees of freedom for N2 output shafts of the output shafts of the force sensor;
The force sensor dynamic matrix sensitivity measuring apparatus according to claim 14, further comprising a unit that obtains a final matrix sensitivity by synthesizing both matrix sensitivities. 前記運動発生装置を前記テーブルに固定した運動検出センサの信号により制御する制御手段と、
前記運動検出センサの感度を、前記力センサと運動発生装置とによる前記N×M次のマトリックスとして与えることにより、前記力センサの感度をN×M次のマトリックスとして与える信号処理手段とを備えることを特徴とする請求項１４または請求項１５記載の力センサの動的マトリックス感度計測装置。 Control means for controlling the motion generator by a signal of a motion detection sensor fixed to the table;
Signal processing means for giving the sensitivity of the force sensor as an N × M order matrix by giving the sensitivity of the motion sensor as the N × M order matrix by the force sensor and the motion generator. 16. The dynamic matrix sensitivity measuring device for a force sensor according to claim 14 or claim 15. 前記運動検出センサは加速度センサ、速度センサ、変位センサのいずれか一つであることを特徴とする請求項１７記載の力センサの動的マトリックス感度計測装置。 18. The force sensor dynamic matrix sensitivity measuring apparatus according to claim 17, wherein the motion detection sensor is one of an acceleration sensor, a speed sensor, and a displacement sensor. 前記運動発生装置は前記被計測力センサに継続時間の短い衝撃的運動ベクトルによる衝撃力を印加するものであり、
力センサからの出力信号と入力信号をスペクトル分解して、各振動数成分に対応するマトリックス感度の全ての要素に関する連立一次方程式をたて、前記振動数の関数としてマトリックス感度を求める信号処理手段を備えることを特徴とする請求項１４または請求項１５記載の力センサの動的マトリックス感度計測装置。 The motion generator applies an impact force by a shocking motion vector having a short duration to the measured force sensor,
A signal processing means for spectrally decomposing the output signal and the input signal from the force sensor, obtaining simultaneous linear equations for all elements of the matrix sensitivity corresponding to each frequency component, and obtaining the matrix sensitivity as a function of the frequency. 16. The dynamic matrix sensitivity measuring apparatus for a force sensor according to claim 14 or 15, further comprising: 前記運動発生装置は前記被計測力センサに必要な振動数帯域を持つランダム運動ベクトルによるランダムな力を印加するものであり、
力センサからの出力信号と入力信号をスペクトル分解して、各周波数成分に対応するマトリックス感度の全ての要素に関する連立一次方程式をたて、前記振動数の関数としてマトリックス感度を求める信号処理手段を備えたことを特徴とする請求項１４または請求項１５記載の力センサの動的マトリックス感度計測装置。 The motion generating device applies a random force by a random motion vector having a frequency band necessary for the measured force sensor,
A signal processing means is provided for spectrally decomposing the output signal and the input signal from the force sensor, obtaining simultaneous linear equations for all elements of the matrix sensitivity corresponding to each frequency component, and obtaining the matrix sensitivity as a function of the frequency. 16. The dynamic matrix sensitivity measuring apparatus for a force sensor according to claim 14 or 15, wherein 力センサの出力信号ベクトル空間の次元の値がLであって、前記力センサがL次元の力を検出するL次元力センサであることを特徴とする請求項１４または請求項１５記載の力センサの動的マトリックス感度計測装置。 16. The force sensor according to claim 14, wherein the force sensor output signal vector space has a dimension value L, and the force sensor is an L-dimensional force sensor for detecting an L-dimensional force. Dynamic matrix sensitivity measuring device. 前記信号処理手段は、入力運動ベクトルの入力軸と出力信号ベクトルの成分の出力軸との関係によって、マトリックス感度の対応する要素が、誤差出力の感度を表すことを特徴とする請求項１４または請求項１５記載の力センサの動的マトリックス感度計測方法。 15. The signal processing means according to claim 14, wherein the corresponding element of the matrix sensitivity represents the error output sensitivity depending on the relationship between the input axis of the input motion vector and the output axis of the component of the output signal vector. Item 16. The method for measuring the dynamic matrix sensitivity of the force sensor according to Item 15. 校正対象とする力センサに印加する動的力ベクトルを、レーザ干渉計、またはレーザ干渉計と運動発生装置で校正された基準力センサ、もしくはそれにトレーサブルな力センサで計測し、若しくはレーザ干渉計と運動発生装置で校正された力センサセンサまたはそれにトレーサブルな力センサで計測することを特徴とする請求項１４または請求項１５記載の力センサの動的マトリックス感度計測装置。 The dynamic force vector applied to the force sensor to be calibrated is measured by a laser interferometer, a reference force sensor calibrated by a laser interferometer and a motion generator, or a traceable force sensor, or a laser interferometer The force sensor dynamic matrix sensitivity measuring device according to claim 14 or 15, wherein the force sensor sensor calibrated by the motion generating device or a force sensor traceable thereto is used for measurement. 前記信号処理手段は、重力加速度に対する力センサの姿勢角を含む、動特性に影響を及ぼす全ての変数の関数として、マトリックス感度を求めることを特徴とする請求項１４または請求項１５記載の力センサの動的マトリックス感度計測装置。 16. The force sensor according to claim 14 or 15, wherein the signal processing means obtains matrix sensitivity as a function of all variables affecting dynamic characteristics including a posture angle of the force sensor with respect to gravitational acceleration. Dynamic matrix sensitivity measuring device. 自動車乗員保護用エアバッグ開発実験用ダミーの体内にセットする力センサの校正に用いることを特徴とする請求項１４または請求項１５記載の力センサの動的マトリックス感度計測装置。 16. The force sensor dynamic matrix sensitivity measuring device according to claim 14, wherein the force sensor dynamic matrix sensitivity measuring device is used for calibration of a force sensor set in a dummy for developing an automobile occupant protection airbag. ロボットの運動制御用多軸力センサの校正に用いることを特徴とする請求項１４または請求項１５記載の力センサの動的マトリックス感度計測装置。 The dynamic matrix sensitivity measuring apparatus for a force sensor according to claim 14 or 15, wherein the apparatus is used for calibration of a multi-axis force sensor for robot motion control. テーブル上に直接設置した第１コーナキューブと、
前記テーブル上に固定した被計測力センサ上に設置した第２コーナキューブと、
前記テーブルに対して任意の並進運動と回転運動を付与する運動発生装置と、
前記第１及び第２コーナキューブの運動を実時間で各々計測するレーザ干渉計と、
前記テーブル上に固定し該テーブルの運動を検出するテーブル運動検出用センサと、
前記テーブル運動検出用センサの信号により前記運動発生装置の駆動を制御し、前記レーザ干渉計の出力信号と、被計測力センサの出力信号とを入力して被計測力センサの校正処理を行う信号処理装置を備えたことを特徴とする力センサの動的マトリックス感度計測装置。 The first corner cube installed directly on the table;
A second corner cube installed on a measured force sensor fixed on the table;
A motion generator for imparting arbitrary translational motion and rotational motion to the table;
A laser interferometer for measuring each of the movements of the first and second corner cubes in real time;
A table motion detection sensor fixed on the table and detecting the motion of the table;
A signal for controlling the driving of the motion generating device based on the signal of the sensor for detecting the table motion and performing the calibration process of the measured force sensor by inputting the output signal of the laser interferometer and the output signal of the measured force sensor. A dynamic matrix sensitivity measuring device for a force sensor, comprising a processing device. テーブル上に直接設置したマトリックス感度が定義されている第１加速度計と、
前記テーブル上に固定した被計測力センサ上に設置したマトリックス感度が定義されている第２加速度計と、
前記テーブルに対して任意の並進運動と回転運動を付与する運動発生装置と、
前記テーブル上に固定し該テーブルの運動を検出するテーブル運動検出用センサと、
前記テーブル運動検出用センサの信号により前記運動発生装置の駆動を制御し、前記第１及び第２加速度計の出力信号と、被計測力センサの出力信号とを入力して被計測力センサの校正処理を行う信号処理装置を備えたことを特徴とする力センサの動的マトリックス感度計測装置。

A first accelerometer with matrix sensitivity defined directly on the table;
A second accelerometer in which a matrix sensitivity is defined on a measured force sensor fixed on the table;
A motion generator for imparting arbitrary translational motion and rotational motion to the table;
A table motion detection sensor fixed on the table and detecting the motion of the table;
The movement of the motion generator is controlled by the signal of the sensor for detecting the table motion, and the output signals of the first and second accelerometers and the output signal of the measured force sensor are input to calibrate the measured force sensor. A dynamic matrix sensitivity measuring device for a force sensor, comprising a signal processing device for processing.

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