JP4924933B2 - 加速度を検出するセンサを校正する方法および加速度計測方法 - Google Patents
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Description
加速度センサが一軸の場合には、加速度センサの出力軸は1つで振動台が生成するベクトル空間の次元を3次元とすると、感度マトリックスは次のマトリックスで定義される。
加速度センサが二軸の場合には、加速度センサの出力軸は2つで振動台が生成するベクトル空間の次元を3次元とすると、感度マトリックスは次のマトリックスで定義される。
加速度センサが三軸の場合には、加速度センサの出力軸は3つで振動台が生成するベクトル空間の次元を3次元とすると、感度マトリックスは次のマトリックスで定義される。
加速度センサが四軸の場合には、加速度センサの出力軸は4つで振動台が生成するベクトル空間の次元を4次元とすると、感度マトリックスは次のマトリックスで定義される。
加速度センサが五軸の場合には、加速度センサの出力軸は5つで振動台が生成するベクトル空間の次元を5次元とすると、感度マトリックスは次のマトリックスで定義される。
加速度センサが六軸の場合には、加速度センサの出力軸は6つで振動台が生成するベクトル空間の次元を6次元とすると、感度マトリックスは次のマトリックスで定義される。
(1)簡単な構造の一軸振動台と治具とを用いて加速度を検出するセンサのマトリックス感度を計測することができる。
(2)一般的には、加速度計測の精度が向上する。その理由を以下に説明する。
(3)加速度計測の精度が向上することによって、我が国産業技術の高度化、高付加価値化が図られる。
(4)一軸の振動発生機を用いて多軸多次元振動台を用いて校正したのとほぼ同じ加速度センサのマトリックス感度が得られることになり、ベクトルとしての加速度を計測することが可能になる。
(5)横感度を考慮することにより加速度をより正確に求めることが出来るので、各種強制規格を守って製作しなければならない工業製品開発においては、限界設計が可能になる。強制規格としては、自動車乗員安全規格(米国規格FMVSS201規格に相当する我が国を含めた諸外国の強制法規)、人体振動規格ISO8041、2631-1, 2631-2, 2631-3, 2631-4, 2631-5などが挙げられる。
(6)産業用ロボットの高精度の制御が可能になる。
(7)運動を発生する試験機(例えば、振動発生機など)の高性能化が進む。
(8)ヒューマノイドロボットによる繊細で高度な制御が可能になる。
(9)地震計による地震の計測が、高精度になる。
(10)人体の振動暴露規制値にもとづく人体暴露振動モニター装置の開発につながる。
(11)構造物などのための振動計測、加速度計測の精度が向上する。
(12)国際度量衡局がおこなった国際キーコンパリズンの無意味さが広く認識されるようになり、横感度計測のための国際比較が実施されるようになる。
(13)半導体加速度センサでは、横感度を考えたマトリックス感度による表現が一般化することによって、半導体加速度センサの性能が飛躍的に向上する。
(14)地殻地盤常時監視システムが実現し、地殻変動が画像として認識されるようになる。
図4Aは1個の一軸加速度センサ5を治具としての立方体ブロック6の一面に取り付けたものであり、
図4Bは2個の一軸加速度センサ5を治具としての立方体ブロック6の二つの面に各々取り付けたものであり、
図4Cは3個の一軸加速度センサ5を治具としての立方体ブロック6の三つの面に各々取り付けたものであり、
図4Dは半導体加速度計(ジャイロ機能、角加速度測定機能を含むものも対象とする)であり、これも治具としての立方体ブロックの一面に取り付ける。
一軸加速度センサ5として一般的な圧電型加速度センサは、図5のような形状をしており、下端部に設けたねじ部分を治具としての立方体ブロック6の一面にねじ込み固定することによって、一軸加速度センサ5は立方体ブロック6に取り付けられる。立方体ブロック6は十分な形状精度および面精度が得られたものを使用する。この状態では、加速度センサ5の主軸感度軸の方向はこれを固定した立方体ブロック6の取り付け面6aと垂直である。
図7は一軸加速度センサ5の主軸感度を計測する際の、一軸振動台11に対する一軸加速度センサ5の固定の態様を示すものであり、一軸振動台11の上部のテーブル12上に一軸加速度センサ5を取り付けた立方体ブロック6を固定する。テーブル12は平坦であり、図7に示すように、テーブル12が水平になるように設置された状態で当該テーブル12が垂直方向(図中、矢印⇔で示す)に振動する。図7における固定の態様は、立方体ブロック6の一軸加速度センサ5の取り付け面6aの反対側(裏側)の面をテーブル12に固定した。したがって、この状態では、入力加速度を定義する空間の座標系の座標軸のZ軸の方向が、振動台のテーブル12の振動方向に一致しており、この状態で振動台のテーブル12を振動させる。テーブル12面の運動加速度が一軸加速度センサ5への入力加速度となる。テーブル12面の運動は、レーザ干渉計か、またはより精度の高い加速度センサ等の計測装置で独立に計測する。なお、一軸加速度センサ5への入力加速度の計測は、テーブル面の運動を独立に計測して求める以外にも、後述のようにして求めることができる。
図10に示すように、振動台11のテーブル12に、一軸加速度センサ5に対して定義したX軸の方向が、振動台のテーブル12の振動の方向と一致するように、一軸加速度センサ5を取り付けた立方体ブロック6の面6bを取り付け固定した。この状態で、振動台のテーブル12を振動させる。主軸感度の計測と同様にして、一軸加速度センサ5からの測定結果と、テーブル12の面の運動を独立に計測する計測装置の計測結果とに基づいて、横感度Szxを求める。すなわち、
入力加速度をaixexp(jωt)で表し、加速度センサの出力信号をaozexp(jωt)で表すとすると、マトリックス感度における加速度センサの感度Szx(ω)は、以下の式で定義される。
入力加速度をaiyexp(jωt) で表し、加速度センサ5の出力信号をaozexp(jωt) で表すとすると、マトリックス感度における加速度センサの感度はSzy(ω)は、以下の式で定義される。
2個の一軸加速度センサ5,7を立方体ブロック6の取り付け面6aと6bとに各々取り付け固定する。この状態では、加速度センサ5の主軸感度軸の方向はこれを固定した立方体ブロック6の取り付け面6aと直交しており、加速度センサ7の主軸感度軸の方向はこれを固定した立方体ブロック6の取り付け面6bと直交している。ここで、一軸加速度センサ5については前述した図4Aと同様であり、一軸加速度センサ7の出力軸である主軸感度軸方向をX軸と定義し、このX軸と直交する2軸であるY軸およびZ軸に関し、このX軸と直交し、立方体ブロック6の取り付け面6cと直交する軸に一致する軸をY軸とし、さらにX軸と直交し、立方体ブロック6の取り付け面6aと直交する軸をZ軸と定義した。
3個の一軸加速度センサ5,7,8を立方体ブロック6の取り付け面6aと6bと6cとに各々取り付け固定する。この状態では、加速度センサ5の主軸感度軸の方向はこれを固定した立方体ブロック6の取り付け面6aと直交しており、加速度センサ7の主軸感度軸の方向はこれを固定した立方体ブロック6の取り付け面6bと直交しており、加速度センサ8の主軸感度軸の方向はこれを固定した立方体ブロック6の取り付け面6cと直交している。ここで、一軸加速度センサ5および7については前述した図4Bと同様であり、一軸加速度センサ8の出力軸である主軸感度軸方向をY軸と定義し、このY軸と直交する2軸であるX軸およびZ軸に関し、このY軸と直交し、立方体ブロック6の取り付け面6bと直交する軸に一致する軸をX軸とし、さらにY軸と直交し、立方体ブロック6の取り付け面6aと直交する軸をZ軸と定義した。
半導体加速度センサ9の場合は、並進加速度の主軸感度軸を一つ持つ加速度センサを組みあわせたものとみなすことは不可である。すなわち、一軸加速度センサの場合のように、単独に一軸加速度センサの特性を調べてそれぞれの横感度を元に、マトリックス感度を調べるというようなことは不可能である。また、並進加速度についての感度の主軸は最大でも3個しかない。そこで、入力加速度を定義する座標系をX軸、Y軸、Z軸として定義する。半導体加速度センサ9の出力の軸の個数が1個の場合には、OX(Oは座標の原点を示す。以下同様)を出力軸とする。加速度センサ9の出力の軸の個数が2個の場合には、OX、OYを出力軸とする。加速度センサ9の出力の軸の個数が3個の場合には、OX、OY、OZを出力軸とする。
一軸加速度センサへの入力加速度は、一軸加速度センサにレーザ干渉計からのレーザを直接照射して計測することができる。そのための一軸加速度センサのいくつかの(ケーシングの)構造を説明する。図15に示すように、一般的な構造の一軸加速度センサ13の下部は、被検出物にねじ込み固定するためのナット状をしており、その上の部分は断面円柱状をしている。この一般的な構造の一軸加速度センサ13の上面13cは平坦であり、軸心と直交しており、ここにレーザ干渉計からのレーザを照射することができる。このため、一軸加速度センサ13の上面13cに、入力加速度を定義する空間の座標系のX,Y,Z軸のうちの一つ(例えばZ軸)にその光路を一致させたレーザを垂直に照射することができる。さらに、一軸加速度センサ13の断面円柱状の部分の側面に突出部分13a,13bを形成し、これら2つの突出部分13a,13bを平坦な表面になるように且つこれら表面の間の角度が90度になるように加工(例えば十分高い精度を有する切削加工)し、これら2つの突出部分13a,13bの平坦な表面を、一軸加速度センサ13の軸心と直交するように加工した。したがって、これらの突出部分13a,13bの平坦な表面に、残りの2軸(X,Y軸)に光路を一致させたレーザ干渉計からのレーザを垂直に照射することができ、これらの突出部分13a,13bと上面13cとに照射するレーザの光路をX,Y,Z軸に高精度に一致させることができる。この構造は1個の一軸加速度センサのみを使用する場合に適用できる。
さらに、以上のようなセンサの感度マトリックスを求める際に、当該センサの回転軸回りの回転による影響を考慮することができる。
図20は、図7に示す一軸の並進加速度センサの校正方法に対応した、一軸の角加速度センサの校正方法を示している。26は角加速度センサ、6はその取り付けブロック、27は振動角加速度を発生する一軸振動台であり、円板状のテーブル28は一軸振動台27の本体に対して図中の両方向矢印の方向に回転振動する。テーブル28は、その側面に光学回折格子が形成されている。角加速度センサの感度軸周りの振動角加速度は一軸振動台27によって作成され、その方向は両方向矢印である←→により示される。テーブル28の振動角加速度、すなわち、テーブル28に取り付けブロック6を介して取り付けた角加速度センサ26に印加される振動角加速度を計測するためのレーザ干渉計からのレーザ光がテーブル28の側面の光学回折格子に水平に照射される。角加速度センサ26の感度軸は、テーブルの取りつけ面と垂直になるよう、取りつけブロックの各面は高い平面度を持ち、かつ面相互の直角度が出ていなければならない。また、図7に示されている垂直方向の一軸並進振動加速度台のテーブルに、図20に示されている角加速度センサ26をセットすれば感度軸と並進加速度の方向が一致するので、上述した感度軸方向の並進振動加速度に関する、横感度を測定することが出来る。
Claims (11)
- 並進加速度を検出する少なくとも1つのセンサを、治具を介して振動台上に固定し、前記振動台によって前記センサに並進加速度、または回転振動を印加し、前記印加によって得られた前記センサの出力値と、前記印加時に前記センサから独立した計測装置によって計測して得られた前記センサへの入力加速度の計測値とに基づいて、前記センサを校正する方法であって、
前記振動台は、一軸の振動方向に並進加速度を印加し、または前記一軸を回転軸とする回転振動を印加し、
前記センサへの入力加速度を定義する空間の座標系の座標軸の1つを前記振動方向と一致させた状態で、前記一軸の振動方向に並進加速度を印加した場合に、前記一軸の振動方向と前記センサの出力軸とが一致するときの出力の前記計測して得られた入力に対する比を主軸感度とし、前記一軸の振動方向に対する前記主軸感度軸以外の出力の前記計測して得られた入力に対する比を横感度としたとき、前記並進加速度の印加と前記回転振動の印加を実行して、前記センサの感度マトリックスの要素の1つである主軸感度または横感度を計測し、
前記振動台に固定する面を変えて前記治具を前記振動台に固定することにより、前記座標軸のすべてについて前記印加を実行して、前記感度マトリックスに含まれる各々の要素を求めることを特徴とするセンサを校正する方法。 - 回転角速度または回転角加速度を検出する少なくとも1つのセンサを、治具を介して振動台上に固定し、前記振動台によって前記センサに回転振動、または並進加速度を印加し、前記印加によって得られた前記センサの出力値と、前記印加時に前記センサから独立した計測装置によって計測して得られた前記センサへの入力加速度の計測値とに基づいて、前記センサを校正する方法であって、
前記振動台は、一軸の振動方向に並進加速度を印加し、または前記一軸を回転軸とする回転振動を印加し、
前記センサへの入力加速度を定義する空間の座標系の座標軸の1つを前記振動方向と一致させた状態で、前記一軸を回転軸とする回転振動を印加した場合に、前記一軸の振動方向と前記センサの出力軸とが一致するときの出力の前記計測して得られた入力に対する比を主軸感度とし、前記一軸の振動方向に対する前記主軸感度軸以外の出力の前記計測して得られた入力に対する比を横感度としたとき、前記回転振動の印加と前記並進加速度の印加を実行して、前記センサの感度マトリックスの要素の1つである主軸感度または横感度を計測し、
前記振動台に固定する面を変えて前記治具を前記振動台に固定することにより、前記座標軸のすべてについて前記印加を実行して、前記感度マトリックスに含まれる各々の要素を求めることを特徴とするセンサを校正する方法。 - 前記センサが前記治具に固定されたとき、当該センサのケーシングが、少なくとも2個以上の前記座標軸に垂直な面を有することを特徴とする請求項1または2に記載のセンサを校正する方法。
- 前記計測装置は、前記センサの前記面にレーザを照射するレーザ干渉計を含むことを特徴とする請求項3に記載のセンサを校正する方法。
- 前記センサが前記治具に固定されたとき、当該センサのケーシングが、前記回転軸を含む面上かまたは当該回転軸と平行な面上に形成された照射面を有することを特徴とする請求項4に記載のセンサを校正する方法。
- 前記計測装置は、前記センサの前記照射面の2箇所にレーザを照射するレーザ干渉計を含むことを特徴とする請求項5に記載のセンサを校正する方法。
- 前記センサが前記治具に固定されたとき、当該センサのケーシングが、前記センサの回転軸回りの回折格子を有することを特徴とする請求項3に記載のセンサを校正する方法。
- 前記計測装置は、前記センサの前記回折格子にレーザを照射するレーザ干渉計を含むことを特徴とする請求項7に記載のセンサを校正する方法。
- 前記振動方向に並進運動を発生する振動台によって算出された主軸感度または横感度と、前記一軸を回転軸とする回転振動を発生する振動台によって算出された主軸感度または横感度とを、それぞれ前記センサの感度マトリックスの要素とすることを特徴とする請求項1または2に記載のセンサを校正する方法。
- 加速度を検出するN(N:2以上の整数)個のセンサを組み合わせて加速度のN個の成分を計測する加速度計測方法であって、
請求項1ないし9のいずれかの方法により求めた感度マトリックスから逆マトリックスを算出し、
前記N個のセンサの各々の出力に対応する成分からなるベクトルに、前記逆マトリックスを乗算することによって、加速度を計測することを特徴とする加速度計測方法。 - 少なくとも2軸の並進加速度、回転角速度または回転角加速度を検出するセンサによって加速度を計測する加速度計測方法であって、
請求項1ないし9のいずれかの方法より求めた感度マトリックスから逆マトリックスを算出し、
前記センサの各々の軸の出力に対応する成分からなるベクトルに、前記逆マトリックスを乗算することによって、加速度を計測することを特徴とする加速度計測方法。
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