DE10002138A1

DE10002138A1 - Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung und Verfahren zur Exzentrizitätsfehler-Korrektur bei einem Beschleunigungssensor in einer Beschleunigungserzeugungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10002138A1
Application number: DE10002138A
Authority: DE
Inventors: Takashi Kunimi
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd; Akebono Research and Development Centre Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd; Akebono Research and Development Centre Ltd
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2000-08-31
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: JP4034899B2; JP2000206143A; US6408675B1; DE10002138B4

Abstract

Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung für eine Beschleunigungserzeugungsvorrichtung des Drehtyps. Die Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung umfaßt einen Drehtisch von großem Durchmesser und einen Drehtisch von kleinem Durchmesser. Der Drehtisch von großem Durchmesser wird durch einen ersten Servomotor gedreht. Der Drehtisch von kleinem Durchmesser ist an dem äußeren Umfangsabschnitt des Drehtisches von großem Durchmesser angebracht und mittels eines zweiten Servomotors drehbar, wobei am Drehtisch von kleinem Durchmesser ein Beschleunigungssensor anbringbar ist. Die Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung umfaßt ein Mittel zum Entfernen einer Mittelwert-Komponente, das nur die Mittelwert-Komponente aus einem Ausgangssignal des Beschleunigungssensors entfernt, der am Drehtisch von kleinem Durchmesser angebracht ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine drehtellerartige Beschleunigungserzeugungsvor richtung (drehförmige Beschleunigungserzeugungsvorrichtung), die für die Untersu chung der Eigenschaften eines Beschleunigungssensors zur Erfassung einer Beschleu nigung geeignet ist. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Ex zentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung zum Korrigieren eines Exzentrizitätsfehlers bei einem Beschleunigungssensor in einer Drehbeschleunigungs-Erzeugungsvorrichtung, wobei die Vorrichtung die Exzentrizität zwischen dem Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors und dem Drehmittelpunkt des Drehtellers von kleinem Durchmesser sofort korrigieren kann, wenn ein Beschleunigungssensor auf dem Dreh teller von kleinem Durchmesser (Drehteil von kleinem Durchmesser) plaziert wird, um die Sensoreigenschaften zu untersuchen, und wobei die Vorrichtung die Eigenschaften des Beschleunigungssensors unabhängig vom Maß der Exzentrizität einfach und genau messen kann, sowie ein Verfahren zur Entfernung eines Exzentrizitätsfehlers eines Be schleunigungssensors bei der Drehbeschleunigungserzeugungsvorrichtung.

2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik

Die Beschleunigung eines Objekts, das sich in einem dreidimensionalen Raum bewegt, beispielsweise Roboter und Flugzeuge, und anderer Objekte, die sich in einem zweidi mensionalen Raum bewegen, beispielsweise Fahrzeuge, wird durch einen Beschleuni gungssensor erfaßt. Die Bewegungen des Objekts oder verschiedener Vorrichtungen, die auf dem Objekt installiert sind, werden in Übereinstimmung mit den so gesammelten Daten für bestimmte Zwecke gesteuert. Für diese Art der Steuerung werden derzeit ver schiedene Arten von Beschleunigungssensoren verwendet. Daher ist es notwendig, die Eigenschaften der Beschleunigungssensoren zu kennen, bevor die Sensoren in die Steuervorrichtungen eingebaut werden.

Derzeit wird ein Vibrationstester zur Untersuchung der Eigenschaften des Beschleuni gungssensors verwendet. Das Untersuchungsverfahren, bei dem der Vibrationstester verwendet wird, weist jedoch die folgenden Probleme auf.

(1) Der Vibrationstester untersucht eine Beschleunigungscharakteristik eines zu unter suchenden Objekts so, daß das Objekt auf einem Testtisch angeordnet ist und einer hin- und hergehenden Beschleunigung unterworfen ist. In einigen Fällen neigt sich der Test tisch während des hin- und hergehenden Betriebs (senkrechte Vibration) des Testti sches etwas. Die Neigung des Tisches macht es schwer, eine exakt hin- und hergehen de Bewegung sicherzustellen. Wenn sich der Tisch neigt, wirkt zusätzlich eine Kraft komponente auf den zu testenden Beschleunigungssensor in Richtungen, die sich von denen der hin- und hergehenden Kräfte unterscheiden. Die Resultierende der Messung beinhaltet zusätzlich zu einer Beschleunigung des Sensors eine Wechselwirkungskom ponente. Die im Meßergebnis enthaltene Wechselwirkungskomponente beeinträchtigt die Untersuchung der Eigenschaften des Beschleunigungssensors und die Untersu chungsgenauigkeit.

(2) Bei dem oben erwähnten Vibrationstester wird der Beschleunigungssensor tatsäch lich durch einen Vibrationsgenerator vibriert. Daher ist der Tester selbst zwangsläufig groß gebaut. Des weiteren ist es notwendig, tatsächlich eine dynamische Vibrationsbe schleunigung auf den Beschleunigungssensor einwirken zu lassen. Dies ergibt einen komplexen Testvorgang.

Vor diesem Hintergrund haben die Erfinder der vorliegenden Patentanmeldung die Lö sung zu diesen Problemen vorgeschlagen. Die Lösung hat die Form eines neuartigen Zentrifugalbeschleunigungstesters (drehtellerförmige Beschleunigungserzeugungsvor richtung), der in der Lage ist, die Testgenauigkeit bemerkenswert zu verbessern (unge prüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. Hei. 7-110342). Bei dem Tester wird ein Beschleunigungssensor auf einen Testtisch plaziert und eine vorbestimmte Beschleuni gung (d. h. eine Mittelwert-(DC)komponente der Beschleunigung) in eine vorbestimmte Richtung auf ihn aufgebracht, wodurch die Eigenschaften des Beschleunigungssensors mit hoher Genauigkeit untersucht werden.

Bei der Untersuchung des Beschleunigungssensors unter Verwendung der Drehteller- Beschleunigungserzeugungseinrichtung ist es in der Praxis beinahe unmöglich, den Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors als zu untersuchendes Objekt in Übereinstimmung mit dem Drehmittelpunkt des Drehtellers von kleinem Durchmesser zu bringen. Entsprechend führt eine Exzentrizität zwischen dem Schwer punkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors und dem Drehmittelpunkt des Drehtellers von kleinen Durchmesser zwangsweise zu einem Fehler im Ausgangssignal des Beschleunigungssensors. Daher muß der im Ausgangssignal enthaltene Fehler mittels verschiedener Verfahren korrigiert werden.

Bei einer Untersuchung der Eigenschaften von kommerziell verfügbaren Beschleuni gungssensoren ist es sehr wichtig, den Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleu nigungssensors zu kennen. Bislang gibt es keine Technik, den Schwerpunkt auf der Meßachse genau zu bestimmen. Aus diesem Grund enthält der charakteristische Aus gangswert des Beschleunigungssensors unvermeidbar einen Fehler, der durch die Ex zentrizität des Schwerpunkts auf der Meßachse verursacht wird, so daß man die Eigen schaften des Beschleunigungssensors nicht exakt kennen kann. Das Testen mittels des Eigenschaftstests des Beschleunigungssensors unter Verwendung der drehtellerartigen Beschleunigungserzeugungseinrichtung ist beträchtlich einfacher als der Testvorgang, der den herkömmlichen Beschleunigungssensor der Vibrations-Bauart verwendet. Je doch kann der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors auf ge naue Weise nicht sicher in Übereinstimmung mit dem Drehmittelpunkt des Drehtisches von kleinem Durchmesser gebracht werden. Daher ist der herkömmliche Test für die Sensorcharakteristik unzureichend, um genaue Kenntnis über die Eigenschaften des Beschleunigungssensors zu erlangen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Angesichts des oben erwähnten Hintergrunds konzentrierte der Anmelder der vorliegen den Patentanmeldung seine Aufmerksamkeit auf die Entwicklung eines technischen Verfahrens, um die nachteilige Wirkung der Exzentrizität des Schwerpunkts auf der Meß achse des Beschleunigungssensors zu entfernen. Aufgrund dieser Studie wurde he rausgefunden, daß eine niederfrequente Komponente, die die dem Beschleunigungs sensor eigenen Eigenschaften darstellt, und eine Mittelwert-(DC)komponente (Exzentri zitätsfehler-Komponente), die durch eine Exzentrizität des Schwerpunkts auf der Me ßachse erzeugt wird, übereinandergelagert im Ausgangssignal, das vom Beschleuni gungssensor ausgegeben wird, wenn er unter Verwendung der drehtellerartigen Be schleunigungserzeugungsvorrichtung betrieben wird, enthalten sind.

Die vorliegende Erfindung wurde auf der Basis der oben erwähnten Erkenntnisse ge macht und schlägt eine Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung und ein Verfahren zur Korrektur eines Exzentrizitätsfehlers des Schwerpunkts auf der Meßachse eines Be schleunigungssensors vor, der auf eine drehtellerartige Beschleunigungserzeugungsvor richtung gesetzt wird. Die Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung ist in der Lage, einen Exzentrizitätsfehler zu korrigieren, indem sie die Mittelwert-Komponente selbst dann entfernt, wenn sich der Schwerpunkt auf der Meßachse eines Beschleunigungssensors in einer beliebigen exzentrischen Lage relativ zum Drehmittelpunkt eines Drehtisches von kleinem Durchmesser befindet. Entsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfin dung, die oben erwähnten Probleme zu lösen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Beschleunigungssensor selbst dann ge eicht werden und die genauen Eigenschaften des Beschleunigungssensors bestimmt werden, wenn sich der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors in einer beliebigen exzentrischen Lage oder in einer unbekannten Lage befindet.

Um die obigen Probleme zu lösen, ist eine Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung zum Entfernen der Wirkung eines Exzentrizitätsfehlers bei einem Beschleunigungssensor vorgesehen, wobei die Vorrichtung in Kombination mit einer Drehbeschleunigungs- Erzeugungsvorrichtung mit einem Drehtisch von großem Durchmesser, der durch einen ersten Servomotor gedreht wird, und mit einem Drehtisch von kleinem Durchmesser verwendet wird, der an einer geeigneten Stelle am äußeren Umfangsabschnitt des Drehtisches von großem Durchmesser angebracht ist und durch einen zweiten Servo motor drehbar ist sowie die Anbringung eines Beschleunigungssensors daran ermög licht. Die Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung umfaßt ein Mittel zum Entfernen der Mittelwertkomponente, die nur die Mittelwertkomponente von einem Ausgangssignal eines Beschleunigungssensors entfernt, der auf dem Drehtisch von kleinem Durchmes ser angeordnet ist.

Bei der Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung kann das Mittel zum Entfernen der Mit telwert-(DC)komponente ein Hochpaßfilter sein.

Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Entfernen der Wirkung eines Exzentrizitätsfehlers bei einem Beschleunigungssensor vor, wobei das Verfahren bei einer Drehbeschleunigungs-Erzeugungseinrichtung mit einem Drehtisch von großem Durchmesser, der durch einen ersten Servomotor gedreht wird, und einem Drehtisch mit kleinem Durchmesser verwendet wird, der an einer geeigneten Stelle am äußeren Um fangsabschnitt des Drehtisches von großem Durchmesser angebracht ist und durch ei nen zweiten Servomotor drehbar ist sowie eine Anbringung eines Beschleunigungssen sors daran erlaubt. Das Verfahren beinhaltet die Schritte: Plazieren eines Beschleuni gungssensors als zu untersuchendes Objekt auf dem Drehtisch von kleinem Durchmes ser; und Entfernen einer niederfrequenten Komponente aus einem Ausgangssignal des Beschleunigungssensors, der auf dem Drehtisch von kleinem Durchmesser plaziert ist, wenn die Drehtische von kleinem und großem Durchmesser gedreht werden, um da durch einen Fehler zu entfernen, der durch eine Exzentrizität des Schwerpunkts auf der Meßachse des Beschleunigungssensors bezüglich des Drehmittelpunkts des Drehti sches von kleinem Durchmesser erzeugt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht, in der eine drehtellerartige Beschleunigungs erzeugungsvorrichtung schematisch dargestellt ist, die ein Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 2 zeigt ein Vektordiagramm, in dem eine Beschleunigung erläutert ist, wie sie durch die drehtellerartige Beschleunigungserzeugungsvorrichtung erzeugt ist;

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm, in dem ein Schema zur Entfernung nur einer Mittelwert-Komponente aus einem Ausgangssignal des Beschleuni gungssensors dargestellt ist;

Fig. 4A zeigt ein Diagramm, in dem ein Schwerpunkt auf der Meßachse eines Beschleunigungssensors dargestellt ist, wenn θ₀ = 0 (rad) gibt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht (wobei θ₀: der Winkel zwischen einer X- Achse und einem Vektor r darstellt);

Fig. 4B und 4C zeigen Ausgangssignale des Sensors, wenn θ₀ = 0 (rad) beträgt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht;

Fig. 5A zeigt ein Diagramm, in dem ein Schwerpunkt auf der Meßachse eines Beschleunigungssensor dargestellt ist, wenn 0<θ_0<π/2 (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht;

Fig. 5B zeigt ein Ausgangssignal des Sensors, wenn 0<θ_0<π/2 (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht;

Fig. 6A zeigt ein Diagramm, in dem ein Schwerpunkt auf der Meßachse eines Beschleunigungssensors dargestellt ist, wenn θ₀= π/2 (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht;

Fig. 6B zeigt ein Sensorausgangssignal, wenn θ₀ = π/2 (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht;

Fig. 7A zeigt ein Diagramm, in dem ein Schwerpunkt auf der Meßachse eines Beschleunigungssensors dargestellt ist, wenn π/2<θ_0<π (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht;

Fig. 7B zeigt ein Sensorausgangssignal, wenn π/2<θ_0<π (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht;

Fig. 8A zeigt ein Diagramm, in dem ein Schwerpunkt auf der Meßachse eines Beschleunigungssensors dargestellt ist, wenn θ₀ = π (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht; und

Fig. 8B zeigt ein Ausgangssignal des Sensors, wenn θ₀ = π (rad) gilt, bevor sich der Nebendrehtisch dreht.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im folgenden un ter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht, in der schematisch eine Drehtisch-Beschleunigungs erzeugungsvorrichtung als erfindungsgemäß aufgebaute Drehbeschleunigungsvorrich tung des Drehtyps dargestellt ist.

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird eine Anordnung der zu ver wendenden Drehtisch-Beschleunigungserzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfin dung beschrieben. In der Abbildung bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Drehtisch von großem Durchmesser als ein Drehteil von geeignetem Durchmesser, der aus einem nicht magnetischen Werkstoff, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, gefertigt ist. Am Drehtisch 1 von großem Durchmesser ist eine Drehwelle 2 befestigt. Die oberen und unteren Enden der Drehwelle 2 des Drehtisches von großem Durchmesser sind durch Lager gehalten, die an den Stützarmen (nicht gezeigt) des Drehtisches so vorgesehen sind, daß der Drehtisch 1 von großen Durchmesser um die Drehachse 2 drehbar ist.

Ein Servomotor 6 (der im folgenden als erster Servomotor 6 bezeichnet wird) ist an der Drehwelle 2 angebracht, weist einen Encoder auf und dient zum Antrieb des Drehti sches von großem Durchmesser. Der erste Servomotor 6 ist über eine Energieleitung 21 und eine Steuersignalleitung 22 mit einer Steuervorrichtung verbunden. Wenn somit der erste Servomotor 6 angetrieben wird, dreht sich der Drehtisch 1 von großem Durchmes ser auch relativ zum Stützarm des Drehtisches.

An einer geeigneten Stelle auf dem Drehtisch von großem Durchmesser ist ein Dreh tisch 9 von kleinem Durchmesser sowohl als ein Drehelement als auch als ein Sensor tisch drehbar gehalten. Eine Ausgangswelle eines Servomotors 11 (im folgenden als zweiter Servomotor 11 bezeichnet) zum Antrieb des Drehtisches von kleinem Durch messer ist mit einer Drehwelle 10 des Drehtisches 9 von kleinem Durchmesser so ver bunden, daß der Drehtisch 9 von kleinem Durchmesser sich dreht, wenn der zweite Servomotor 11 angetrieben wird. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet einen dritten Schleifring 18.

An einer vorbestimmten Stelle auf dem Drehtisch 1 von großem Durchmesser ist eine Balanciereinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen. Die Balanciereinrichtung oder Un wuchteinrichtung ist mit dem Gewicht des Drehtisches 9 und des zweiten Servomotors 11 gut ausbalanciert, um dadurch eine ausgewuchtete Drehung zu gewährleisten. Durch die Verwendung der Unwuchteinrichtung kann der Drehtisch 1 von großem Durchmes ser glatt gedreht werden. Wenn es nötig ist, kann eine weitere Unwuchteinrichtung am Drehtisch von kleinem Durchmesser angebracht werden, um dessen glatte Drehung zu gewährleisten.

Ein erster Schleifring 13 ist an einer geeigneten Stelle der Drehwelle 2 des Drehtisches 1 von großem Durchmesser angeordnet, die sich unterhalb des Drehtisches 1 von gro ßem Durchmesser befindet. Mit dem ersten Schleifring 13 ist eine Energie-/Steuersig nalleitung 14 zur Zufuhr von elektrischer Leistung an den zweiten Servomotor 11 und eine Erdungsleitung 15 des Drehtisches 1 von großem Durchmesser verbunden.

Ein zweiter Schleifring 16 ist an einer geeigneten Stelle der Drehwelle 2 oberhalb des Drehtisches 1 von großem Durchmesser angeordnet. Ein Ende der Signalleitung 17 zum Ableiten eines Signals von einem Beschleunigungssensor 20, der sich auf dem Dreh tisch 9 von kleinem Durchmesser befindet, ist mit dem zweiten Schleifring 16 verbun den. Das andere Ende der Signalleitung 17 ist mit dem dritten Schleifring 18 verbunden, der auf der Drehwelle des Drehtisches 9 von kleinem Durchmesser vorgesehen ist.

Mit einer derartigen elektrischen Verbindung kann selbst dann ein Ausgangssignal vom Drehbeschleunigungssensor auf dem Drehtisch 9 von kleinem Durchmesser über den dritten Schleifring 18 und den zweiten Schleifring 16 mittels einer außerhalb der Vor richtung angeordneten Meßvorrichtung gemessen werden, wenn sich sowohl der Dreh tisch 9 von kleinem Durchmesser als auch der Drehtisch 1 von großem Durchmesser drehen.

Die auf diese Weise aufgebaute Drehtisch-Beschleunigungserzeugungsvorrichtung wird zum Testen eines Beschleunigungssensors für die Untersuchung seiner Eigenschaften auf die folgende Weise betrieben.

1. Ein Beschleunigungssensor 20 wird auf den Drehtisch 9 von kleinem Durchmesser, der sich auf den Drehtisch 1 von großem befindet, befestigt.
2. Der erste Servomotor 6 wird angetrieben, um den Drehtisch von großem Durchmes ser zu drehen und so eine Zentrifugalkraft zu erzeugen. Gleichzeitig wird der zweite Servomotor 11 angetrieben, um den Drehtisch 9 von kleinem Durchmesser zu dre hen und eine Beschleunigung mit einer vorgegebenen Größe und in eine vorbe stimmte Richtung zu erzeugen. Unter diesen Bedingungen werden Signale vom Be schleunigungssensor ausgegeben und die Eigenschaften des Beschleunigungssen sors werden gemessen.
3. Über die Energieleitung und die Steuersignalleitung wird dem ersten Servomotor 6 elektrische Leistung von der Steuervorrichtung zugeführt. Über den ersten Schleif ring 13 werden elektrische Leistung, Steuersignale und ähnliches von der Steuervor richtung dem zweiten Servomotor 11 zugeführt und wirken auf diesen. Übrigens ist der Drehtisch von großem Durchmesser über den ersten Schleifring 13 geerdet.
4. Die vom Beschleunigungssensor 20 abgeleiteten Signale werden über den dritten Schleifring 18, der an der Drehwelle des Drehtisches 9 von kleinem Durchmesser vorgesehen ist, die oberhalb des Drehtisches 1 von großem Durchmesser angeord nete Signalleitung 17 und den zweiten Schleifring 16 an die Meßvorrichtung übertra gen, wodurch die notwendigen Daten gesammelt werden.

Wie oben beschrieben wurde, ist es beim Messen der Sensoreigenschaften schwierig, den Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors mit dem Drehmittel punkt des Drehtisches von kleinem Durchmesser so auszurichten, daß diese zusam menfallen. Als Ergebnis enthält das Ausgangssignal des Beschleunigungssensors eine niederfrequente Komponente, die die dem Beschleunigungssensor eigenen Eigen schaften darstellt, sowie eine Rauschkomponente, die durch eine Exzentrizität des Schwerpunkts auf der Meßachse des Beschleunigungssensors verursacht wird. Das Vorliegen der Rauschkomponente macht es schwierig, die Eigenschaften des Be schleunigungssensors genau zu untersuchen.

Der Erfinder hat die Signalkomponenten des Ausgangssignals des Beschleunigungs sensors auf dem Drehtisch analysiert und theoretisch untersucht und hat herausgefun den, daß eine Mittelwert-Komponente, die eine Exzentrizität des Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors darstellt, einer niederfrequenten Komponente, die die dem Sensor eigenen Eigenschaften darstellt, in der Wellenform des Ausgangs signals überlagert ist. Des weiteren wurde bestätigt, daß die Eigenschaften des Be schleunigungssensors genau vermessen werden konnten, wenn nur die Mittelwertkom ponente entfernt wurde.

Das Auswerteverfahren der Ausgangssignalkomponenten des Beschleunigungssensors wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 beschrieben.

In Fig. 2 bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Drehtisch von großem Durchmesser (im folgenden als Hauptdrehtisch bezeichnet); 9 bezeichnet einen Drehtisch von kleinem Durchmesser (im folgenden als Nebendrehtisch bezeichnet); und 20 bezeichnet einen Beschleunigungssensor als das zu untersuchende Objekt.

In einem in der Abbildung dargestellten Koordinatensystem XY ist ein Ursprung definiert, der eine Position darstellt, an der die Drehwelle des Hauptdrehtisches 1 aufrecht steht; eine X-Achse stellt die Richtung der Drehwelle des Nebendrehtisches 9 dar und die Y- Achse verläuft senkrecht zur X-Achse. In der Abbildung bezeichnet R einen Abstand vom Ursprung des Koordinatensystems zur Drehwelle des Nebendrehtisches 9. Der Hauptdrehtisch 1 und der Nebendrehtisch 9 drehen sich mit Winkelgeschwindigkeiten ω₁, und ω₂ im Uhrzeigersinn. Der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungs sensors 20 ist vom Drehmittelpunkt des Nebendrehtisches 9 um einen Abstand r beabstandet.

Bevor sich die Drehtische drehen, verläuft die Meßachse des Beschleunigungssensors parallel zur X-Achse. Wenn die Meßachse nicht perfekt mit der X-Achse zusammenfällt, wird angenommen, daß ein Exzenterwinkel θ₁ beträgt. Ein Winkel der X-Achse bezüg lich des Vektors r bevor sich die beiden Drehtische drehen, wird zu θ₀ angenommen.

Im folgenden wird eine durch den sich drehenden Hauptdrehtisch 1 erzeugte Beschleu nigung betrachtet. Ein Koordinatenvektor des Schwerpunkts auf der Meßachse des Beschleunigungssensors ist durch

[Formel 1]

= R + r

gegeben.

Ein Vektor der Zentripetalbeschleunigung, die durch die Winkelgeschwindigkeit ω₁, des Hauptdrehtisches 1 erzeugt ist, wie sie auf den Vektor wirkt, ist durch

[Formel 2]

= ω₁ × (ω₁) × )
= -ω₁ ²
= -ω₁ ²)R + r)
= -ω₁ ²R-ω₁ ²r

gegeben.

Unter der Annahme, daß die Größen der Beschleunigungen, die auf den Vektor R und den Vektor r wirken, a_R und a_r betragen, sind diese Vektoren

[Formel 3]

a_R = ω₁ ²R

a_r = ω₁ ²r

Wenn sich der Nebendrehtisch 9 mit ω₂ dreht, sind die Komponenten a_R0 und a_r0, die in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors und auf den Vektor R und den Vektor r wirken,

[Formel 4]

a_R0 = ω₁ ²Rcos(ω₂t-θ₁)

a_r0 = ω₁ ²rcos(θ₀ + θ₁) (konstanter Wert).

Die Komponente a_r0 der Beschleunigung in Richtung der Meßachse, die auf den Vektor r wirkt, ist ein konstanter Wert und dies lehrt, daß eine Mittelwert-(DC)Komponente dem Ausgangssignal des Beschleunigungssensors dann hinzuaddiert wird, wenn keine Ex zentrizität auftritt.

Aus der obigen Diskussion wird klar, daß die Gesamtbeschleunigungskomponente a_Tm, die in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors erzeugt wird, ist, wie unten beschrieben wird.

Bevor sich der Nebendrehtisch 9 dreht, wirkt eine Beschleunigung a_r durch den Vektor r in positiver Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors, wenn der Schwer punkt der Meßachse des Beschleunigungssensors in einer Position in einer Ebene auf der rechten Seite einer geraden Linie liegt, die durch die Drehwelle des Nebendrehti sches 9 und parallel zur X-Achse verläuft, und wird durch

[Formel 5]

a_Tm - a_R0 + a_r0

ausgedrückt.

Wenn der Beschleunigungssensor in einer Position in einer Ebene auf der linken Seite der geraden Linie plaziert wird, wirkt eine Beschleunigung a_r durch den Vektor r in ne gativer Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors und wird ausgedrückt durch

a_Tm = a_R0 - a_r0

= ω₁ ²R cos(ω₂t - θ₁)- a_r0 (Mittelwert-Komponente)

Durch Drehung des Nebendrehtisches 9 erzeugte Beschleunigung

Wenn der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors exzentrisch liegt, wird eine Zentripetalbeschleunigung durch die Drehung des Nebendrehtisches 9 erzeugt und als eine Komponente in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssen sors hinzuaddiert. Eine Zentripetalbeschleunigung aω₂, die durch die Drehung des Ne bendrehtisches 9 erzeugt wird, ist durch

[Formel 7]

gegeben.

Die Größe der Zentripetalbeschleunigung ist durch

[Formel 8]

a_ω₂ = ω₂ ²r

gegeben.

Eine Komponente aω₂₀ in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors wird durch

[Formel 9]

a_w₂₀ = ω₂ ²rcos(θ₀ + θ₁)

gegeben.

Diese Beschleunigungskomponente kann wie a_r0 behandelt werden. Mit anderen Wor ten wirkt die Beschleunigung in die positive Richtung der Meßachse, wenn sich der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors auf der rechten Seite in der Ebene befindet. Wenn andererseits der Schwerpunkt der Meßachse des Beschleu nigungssensors sich auf der linken Seite in der Ebene befindet, wirkt die Beschleuni gung in negativer Richtung der Meßachse.

Gesamtbeschleunigung

Aufgrund der obigen Erläuterung kann eine Gesamtbeschleunigungskomponente ar in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors wie folgt beschrieben werden.

a) Wenn sich der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors in einer Ebene auf der rechten Seite einer geraden Linie befindet, die durch die Drehwelle des Nebendrehtisches 9 hindurchgeht und parallel zur X-Achse verläuft, ist die Ge samtbeschleunigungskomponente a_T durch
[Formel 10]
a_T = ω₁ ²Rcos(ω₂t - θ₁) + (a_r0 - a_ω ₂₀) (Mittelwert-Komponente)
gegeben.
b) Wenn er in einer Ebene auf der linken Seite einer geraden Linie angeordnet ist, die durch die Drehwelle des Neberidrehtisches 9 hindurchgeht und parallel zur Y-Achse verläuft, dann ist die Gesamtbeschleunigungskomponente a_T durch
[Formel 11]
a_T = ω₁ ²Rcos(ω₂t - θ₁) - (a_r0 + a_ω ₂₀) (Mittelwert-Komponente)
gegeben.

Wie anhand der obigen Formeln zu erkennen ist, übt die Exzentrizität auf das Aus gangssignal des Beschleunigungssensors den Effekt aus, daß die Mittelwert- Komponente zusätzlich im Ausgangssignal des Beschleunigungssensors enthalten ist, selbst wenn der Schwerpunkt auf der Meßachse des Beschleunigungssensors auf eine beliebige exzentrische Position gesetzt wird. Anhand dieser Tatsache ist sofort zu er kennen, daß die Auswirkungen der Exzentrizität vernachlässigbar gemacht werden kön nen, indem die Mittelwert-Komponente des Ausgangssignals des Sensors entfernt wird. Die Phasencharakteristik des Beschleunigungssensors kann genau gemessen werden, wenn die Meßachse des Beschleunigungssensors parallel zur X-Achse verläuft, bevor sich der Nebendrehtisch 9 dreht. Wenn die Meßachse nicht perfekt mit der X-Achse zu sammenfällt, wird eine Phasenverschiebung 6, erzeugt.

Vom Ausgangssignal des Beschleunigungssensors braucht nur die Mittelwert- Komponente entfernt werden, wie in Blockdarstellung in Fig. 3 gezeigt ist. Bei diesem Beispiel wird ein Hochpaßfilter (H. P. F) zum Entfernen der Mittelwert-Komponente ver wendet.

Die obige Erläuterung beruht auf der Tatsache, daß die Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors im wesentlichen parallel zur X-Achse gesetzt werden kann, während der Vektor zur exzentrischen Position im allgemeinen unbekannt ist.

Die Beziehung zwischen einer Position, an der sich der Schwerpunkt der Meßachse des Beschleunigungssensors befindet, und dem Ausgangssignal des Sensors wurde auf Basis der oben erläuterten Analyse durchgeführt und die Ergebnisse der Simulation sind im folgenden angeführt:

Bedingungen

Drehradius R: 0,2 m
Maß der Exzentrizität r: 0,0008 m
Winkelgeschwindigkeit ω₁

des Hauptdrehtisches

1

: 7,00 rad/s
Winkelgeschwindigkeit ω₂

des Nebendrehtisches

9

: 125,7 rad/s (20 Hz)

Unter den obigen Bedingungen beträgt die durch Drehung des Hauptdrehtisches 1 er zeugte Beschleunigung 1 G.

Das Maß der Exzentrizität ist eine der Größen der Exzentrizität eines Beschleunigungs sensors der Bauart mit Momentenausgleich (dieser Wert ändert sich in Abhängigkeit von der Art des Beschleunigungssensors).

Symbole in den Zeichnungen

a_R

: Größe einer Beschleunigung, die auf den Vektor R

durch Drehung des Haupt drehtisches

1

wirkt;
a_r

: Größe einer Beschleunigung, die auf den Vektor r

durch Drehung des Hauptdreh tisches

1

wirkt;
aω₂

: Größe einer Beschleunigung, die auf den Vektor r

durch Drehung des Neben drehtisches

9

wirkt;
a_R0

: Komponente von a_R

in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors;
a_r0

: Komponente von a_r

in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors;
aω₂₀

: Komponente von aω₂

in Richtung der Meßachse des Beschleunigungssensors;
a_T

: Komponente der Gesamtbeschleunigung in Richtung der Meßachse des Be schleunigungssensors.

Wie in den Fig. 4A bis 4C gezeigt ist, wird im Ausgangssignal des Beschleunigungssen sors eine Phasenverschiebung erzeugt, die vom Exzenterwinkel θ₁ abhängt, wenn der Exzenterwinkel θ₁, zwischen der Meßachse und der X-Achse zunimmt. Des weiteren verringern sich die Komponenten a_r und aω₂ in Richtung der Meßachse um einen Be trag des Exzenterwinkel θ₁. Ein Fehler in der Komponente a_r beträgt ungefähr 1% und ein Fehler in der Komponente aω₂ erhöht sich proportional zum Quadrat der Winkelge schwindigkeit des Nebendrehtisches 9. Wenn die Winkelgeschwindigkeit 20 Hz beträgt, resultiert dies in einem großen Fehlerfaktor (ungefähr 100% im Maximum, was von der ersten Exzenterposition abhängt). Diese Charakteristik wird selbst dann beibehalten, wenn sich die Meßachse des Beschleunigungssensors in einer beliebigen Position be findet.

Aus diesem Grund werden im Sensorausgang Wellenformen erzeugt, die in der Fig. 5B und folgenden dargestellt sind, die nachfolgenden werden erzeugt, wenn θ₁ = 0 ist.

Wie anhand der vorangegangen Diskussion zu erkennen ist, kann der Beschleuni gungssensor selbst dann kalibriert werden, wenn sich der Schwerpunkt auf der Me ßachse des Beschleunigungssensors in einer beliebigen Position beabstandet vom Drehmittelpunkt des Drehtisches von kleinem Durchmesser befindet oder die Position des Schwerpunkts auf der Meßachse des Beschleunigungssensor unbekannt ist. Daher können die Eigenschaften des Beschleunigungssensors sehr exakt bestimmt werden.

Obwohl das oben beschriebene Ausführungsbeispiel als Drehelement den Drehtisch verwendet, ist es klar, daß das Drehelement eine beliebige andere Form als ein Dreh tisch annehmen kann, wenn es stabil drehbar ist.

Wie anhand der obigen Beschreibung zu erkennen ist, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Charakteristiken von Beschleunigungssensoren selbst dann sehr exakt zu bestimmen, wenn der Schwerpunkt auf der Meßachse eines Beschleunigungs sensors, der auf einem Nebendrehtisch einer drehtellerförmigen Beschleunigungser zeugungsvorrichtung gesetzt wird, sich in einer beliebigen Position beabstandet vom Drehmittelpunkt des Drehtisches von kleinem Durchmesser befindet oder wenn die Po sition des Schwerpunktes auf der Meßachse des Beschleunigungssensors unbekannt ist, da die Erfindung einen Exzentrizitätsfehler entfernen kann, der durch eine Exzentri zität des Schwerpunkts auf seiner Meßachse erzeugt wird.

Obwohl nur ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung hier speziell beschrieben wurde, ist es klar, daß eine Vielzahl von Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne daß vom Kern und Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. Hei. 11- 10253, die hiermit durch Inbezugnahme mit aufgenommen ist.

Claims

1. Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung für eine Beschleunigungserzeugungsvor richtung des Drehtyps, umfassend einen Drehtisch von großem Durchmesser, der durch einen ersten Servomotor gedreht ist, und einen Drehtisch von kleinem Durchmesser, der auf einem äußeren Umfangsabschnitt des Drehtisches von gro ßem Durchmesser angebracht und durch einen zweiten Servomotor drehbar ist, wobei ein Beschleunigungssensor am Drehtisch von kleinem Durchmesser be festigbar ist und die Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung
ein Mittel zur Entfernung einer Mittelwert-Komponente aufweist, die nur die Mittel wert-Komponente aus einem Ausgangssignal des am Drehtisch von kleinem Durchmesser befestigten Beschleunigungssensors entfernt.

2. Exzentrizitätsfehler-Korrektureinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Entfernen der Mittelwert-Komponente ein Hochpaßfilter ist.

3. Verfahren zum Entfernen der Wirkung eines Exzentrizitätsfehlers bei einem Be schleunigungssensor, der an einer Beschleunigungserzeugungsvorrichtung des Drehtyps angebracht ist, welche einen Drehtisch von großem Durchmesser, der durch einen ersten Servomotor gedreht wird, und einen Drehtisch von kleinem Durchmesser umfaßt, der an einem äußeren Umfangsabschnitt des Drehtisches von großem Durchmessers angebracht und von einem zweiten Servomotor ge dreht wird, wobei der Beschleunigungssensor am Drehtisch von kleinem Durch messer angebracht wird und das Verfahren die Schritte umfaßt:
Anordnen eines Beschleunigungssensors als zu untersuchendes Objekt auf dem Drehtisch von kleinem Durchmesser; und
Entfernen einer niederfrequenten Komponente aus einem Ausgangssignal des Beschleunigungssensors, der auf dem Drehtisch von kleinem Durchmesser ange bracht ist, wenn sich die Drehtische von großem und kleinem Durchmesser dre hen.