JP2567100B2 - 小型加速度測定記録装置 - Google Patents

小型加速度測定記録装置

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JP2567100B2 JP1158293A JP15829389A JP2567100B2 JP 2567100 B2 JP2567100 B2 JP 2567100B2 JP 1158293 A JP1158293 A JP 1158293A JP 15829389 A JP15829389 A JP 15829389A JP 2567100 B2 JP2567100 B2 JP 2567100B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は小型加速度測定記録装置に関し、物体に加わ
る微小な加速度の時間的変化を記録するに適した装置及
び加速度環境をμＧレベルにまで向上した無重力実験方
法を提供することを目的とし、 小型加速度測定記録装置において、加速度センサと、
加速度センサの信号をディジタル変換するAD変換器と、
ディジタル信号の処理を行う制御素子と、加速度の変化
データをストアする着脱可能な外部記憶装置と、前記セ
ンサに電力を供給するバッテリとから構成され、前記AD
コンバータ、前記制御素子および前記外部記憶装置およ
び前記小型加速度測定記録装置が測定すべき運動系に搭
載され、前記小型加速度測定記録装置が前記バッテリに
よって駆動される小型加速度測定記録装置、及びスペー
スシャトルもしくは航空機の弾道飛行を用いて無重力実
験を行う方法であって、無重力実験系をスペースシャト
ルもしくは航空機から浮遊させて行う無重力実験方法に
より達成される。
〔発明の背景〕
1.発明の技術分野 本発明は小型加速度測定記録装置、とくに物体に加わ
る微小な加速度の時間的変化を記録するに適した装置に
関する。
さらに本発明はスペースシャトルもしくは航空機の弾
道（もしくはパラボリック）飛行による無重力実験にお
いて無重力実験系をスペースシャトルもしくは航空機か
ら浮遊させて行う無重力実験装置に関する。
2.関連技術の説明 近年、新材料の開発のために無重力環境を利用するこ
とが注目されている。これは、無重力下では、地上では
得られない物理現象例えば溶液又は融液の対流や、その
中で生成する結晶の沈降などが起こらないなどの現象を
容易に起こすことが可能であり、新規な材料の創製の可
能性が内在するためである。無重力環境の提供の場とし
ては、宇宙空間が最も理想的であり、米国航空宇宙局
（NASA）のプロジェクトであるスペースシャトルや、日
本における第一次材料実験計画（FMPT）など、宇宙環境
での実験が精力的に進められている。また、比較的簡便
に行える無重力実験としては、航空機の弾道飛行による
無重力場の提供や、高い塔からの、あるいは深い垂直抗
における実験系の自由落下による短時間の無重力の利用
が代表的である。
しかしながら、上記の系においても、物体に加わる重
力はほとんど零に近いが、完全に零ではなく、一般的に
は、垂直自由落下では１×10-5〜１×10-3G、宇宙実験
では１×10-6〜１×10-3G、航空機実験では１×10-4〜
１×10-2G程度の無重力が得られると言われている。さ
らに、上記の系においては、地球に対して垂直方向の加
速度、いわゆる重力は零に近いものの、実験系の振動な
ど、水平方向に加わる加速度が零である保証は無い。こ
のため、かかる実験系において、時々刻々と変化する加
速度を記録することは、実験の質を決定する上で重要と
なる。また、無重力環境における実験機会は時間や費用
の点で大きな制限があり、最小の実験回数で有意水準の
高いデータを得ることが求められているため、得られた
実験結果の信頼性を向上する上で、加速度変化のデータ
を収集することが重要である。
従来、加速度を測定するには、大きさが80cm×80cm×
40cm程度で、重量が20kg程度の測定・記録装置を必要と
していた。その装置は、加速度センサの信号を増幅する
アンプ、アンプの信号をディジタル変換するAD変換器、
信号の処理を行う中央処理装置、加速度の変化を記録さ
せる補助記憶装置及びペン式記録計などから構成されて
いた。
このような従来の大きく、かつ重い加速度測定装置
は、宇宙船（スペースシャトル）又は航空機全体の加速
度を測定する場合は問題ないが、材料実験に代表され
る、限られた空間内の局所的加速度の測定が必要となる
場合には、かかる大きな測定装置の使用は適当でない。
従って、前記したような材料開発などにおける無重力
実験用の加速度変化の測定においては、前記したような
従来の大型の測定装置は実験系の特定の位置での加速度
変化の測定には適用できず、加速度データは、宇宙船あ
るいは航空機全体の加速度変化のデータにて代表せざる
を得なかった。しかし、これでは特定の現象が生じた瞬
間の、特定の位置における加速度が正確に把握できない
ため、実験の質に制限が生じていた。
かかる問題を解決するためには、従来の加速度測定・
記録装置において、例えば加速度センサ部をその制御・
記録部と分離し、ケーブルで接続する方法も考えられる
が、この場合には、ケーブルを通じて加わる外部からの
振動等による系の撹乱は避けられないため、信頼のおけ
るデータが得られず、また、測定の速度も、例えばビデ
オカメラによる現象の画像記録に対応するだけの高速記
録は困難であった。
一方において、近年、半導体技術の進歩により、Ｃ−
MOSプロセスによりスタテックRAM（随時書込読出可能記
憶素子:S−RAM）の性能が向上している。
即ち、１素子あたりの記憶密度が高まるとともに、低
消費電力で動作が可能なRAMが出現するに到っている。
このＳ−RAMの特徴を生かした応用の一つとして、従
来、磁気テープ、磁気ディスク、フロッピィディスクな
どの外部記憶媒体を、Ｓ−RAMで構成する方法が考えら
れる。
このＳ−RAMを使用した外部記憶媒体の特徴は、高速
で書き込みおよび読み出しが可能なため、コンピュータ
システム等に応用した場合においては、プログラムやデ
ータのアクセス時間を従来に比べ大幅に短縮できる点で
ある。また、固体素子であるために、可動部分や磨滅す
る部分は全くなく、寿命が長く、かつ信頼性が高いとい
う長所がある。そして、具体的にコンピュータシステム
に応用される場合は、取り扱いの容易さから、一枚の板
状の“RAMカード”として用いられる場合が多い。
上記のRAMカードがコンピュータシステムに正しく装
着され、自由にデータのアクセスが可能な状態に置かれ
ているか否かを検出するためには、装着の有無を検出す
るための電気的接点を１回路以上設け、この接点の電気
的な探索により、RAMカードの装着を検出する方法が一
般的である。あるいは、発光素子と受光素子の組み合わ
せによる、いわゆるフォトインタラプタによるRAMカー
ド検出が頻繁に用いられている。
しかしながら、前者においては、RAMカードの装着検
出のための専用接点が必要であり、小型化の難しいコネ
クタ接点の数を増加させ、結果としてシステムの小型化
を妨げる要因になりかねない。一方、後者の方法におい
ては、フォトインタラプタの検出光路を設ける必要があ
り、空間的にやはり小型化には不利であるとともに、た
とえばRAMカードが見掛け上正しく装着されているにも
かかわらず、接点部の装着不良等の事故はこのメカニズ
ムを用いることによっては検出が不可能であった。
従って、従来の方法では、RAMカードを用いたシステ
ムの小型化には不利であった。一方、信頼性の点におい
ても、従来の方法には問題があり、確実に、すなわちシ
ステムのデータを任意に読み書きする状態での装着の有
無を検出することは困難であった。
〔発明の要約〕
本発明は、かゝる従来の加速度測定・記録装置の問題
点を排除し、物体に作用する加速度を該物体と同一の運
動系に搭載して微小な加速度の時間的変化を測定記録す
ることを可能にする小型加速度測定記録装置を提供する
ことを目的とする。
本発明に係る小型加速度測定記録装置は加速度センサ
と、加速度センサの信号をディジタル変換するAD変換器
と、ディジタル信号の処理を行う制御素子と、加速度の
変化を記憶する着脱可能な外部記憶装置とから構成され
る、物体に作用する加速度を該物体と同一の運動系に搭
載して測定することを可能にした小型加速度測定記録装
置である。
即ち、本発明では、前記の問題を解決するため、従来
の加速度記録装置におけるペン式レコーダによる記録
や、フロッピーディスク、磁気テープなどの補助記憶装
置に代えて、データを測定装置（回路）に容易に着脱可
能な固体素子を使用した記憶装置に蕃積し、測定データ
の量に応じてこれを交換するようにして測定加速度デー
タを、高速でかつ長時間記録することを可能にしたもの
である。
本発明の他の目的はコンピュータシステムに半導体記
憶素子を用いた外部記憶媒体を装着して用いる場合に記
憶媒体の装着を確認するための記憶媒体検出方式に関
し、 装着の確認を特別の装置を用いることなく容易かつ確
実に行うことにある。
本発明は、上記の課題を解決するため、コンピュータ
システムに半導体記憶素子を用いた外部記憶媒体を装着
して処理するに際して、記憶素子の内容の一部または全
部に対する任意のデータの書き込みと読み出しによるデ
ータの比較により、前記外部記憶媒体の装着を確認する
ことを特徴とする記憶媒体検出方式を提供する。
即ち、本発明においては、RAMカードの任意書込読出
機能を応用して、特定の番地に任意のデータを書き込
み、これを後に読み出して、書き込んだデータと照合
し、一致した場合にのみRAMカードの装着有りと判定す
る方法を採用するものである。
本発明の他の目的は無重力実験を行う改良された方法
を提供することにある。
この目的を達成するため本発明によれば、スペースシ
ャトルもしくは航空機の弾道飛行を用いて無重力実験を
行う方法であって、無重力実験系をスペースシャトルも
しくは航空機から浮遊させて行う方法が提案される。
〔実施例〕
第１図は従来の加速度測定装置の典型的な例を示す。
第１図に示す装置は加速度センサ１、AD変換器２、制御
素子３、入出力回路４、外部記憶装置５、ペン型レコー
ダ６および電源回路７を有する。この型の装置は大きさ
が80cm×80cm×40cm、重さが20kg程度を必要とした。
このような従来の大きく、かつ重い加速度測定装置
は、宇宙船（スペースシャトルなど）又は航空機全体の
加速度を測定する場合は問題ないが、材料実験に代表さ
れる、限られた空間内の局所的加速度の測定が必要とな
る場合には、かかる大きな測定装置の使用は適当でな
い。
第２図は、本発明の原理説明図である。図中、11は加
速度センサ、12はAD変換器、13は制御素子又は中央処理
装置（例えば８ビットマイクロプロセッサ）、14は着脱
可能な高速外部記憶装置、15は電源回路、16は入出力回
路を示す。
高速外部記憶装置14として、大容量のスタティックあ
るいはダイナミック方式の随時書込み読出式記憶素子
（RAM）を用いれば、小型の電池でデータのバックアッ
プが可能となり、見掛け上の不揮発記憶装置が実現でき
る。特に着脱可能な機械的駆動部を有しない記録媒体
（例えばリチウム電池でバックアップしたスタティック
RAMカード）を外部記憶装置として使用するのが好まし
い。
本発明では、第２図に示したように、軽量で高速の着
脱可能な記憶装置を加速度測定記録装置に備えて、時間
とともに微小に変化する加速度の値を高速に測定可能と
した。その測定速度は、ビデオ画像の１フレーム以下の
サンプリングタイムであり、測定系における画像記録デ
ータに対応可能である。
従って、航空機や宇宙船などのように限られた空間
で、高速で変化する物理現象の観察などの実験を進める
必要がある場合に、従来の装置では測定不可能なデータ
が入手可能となる。
第３図は本発明の一実施例構成図であり、小型静的加
速度測定記録装置を示している。図中、第２図で示した
ものと同一のものは同一の信号で示してある。11a〜11c
は小型化高精度化に有利なサーボ型加速度センサ（日本
航空電子（株）製、JA5V）、12はAD変換器（アナログデ
バイセズ（株）製、AD7582）、13は中央処理装置（富士
通（株）、MB68B09）、15は電源回路（ニッケル−カド
ミウム電池と定電圧装置）、16はLED表示器および制御
用スイッチである。14は256kbitのスタティックRAM、４
個を用いて構成される外部補助記録ブロックであり、こ
れは多極コネクタ19を介して本体に容易に着脱可能であ
る。加速度の測定においては、三次元方向の同時測定が
重要であるため、例えば加速度センサ11a〜11cを３個使
用し、互いに直交する向きにセットし、これらの出力
は、サンプリング信号に同期して17a〜17cのサンプル−
ホールド回路に記憶された後、AD変換器で順次ディジタ
ル値に変換される。また測定のダイナミックレンジを拡
大するため、18a〜18cで示す可変利得制御増幅器を加速
度センサ11a〜11cとサンプルホールド回路17a〜17cの間
に挿入してある。中央処理素子13は、測定の全ての手順
をROM（Read Only Memoty）に書き込まれたプログラム
に従って進める。この場合、データのサンプリングの間
隔はスイッチから入力された値で行い、測定の開始およ
び終了は、やはり外部のスイッチにより行う。あるいは
加速度測定の起動点および終了点は加速度センサの出力
信号、例えば航空機の弾道もしくはパラボリック飛行に
よって変化するものをトリガとして用いることによって
自動的に決定することもできる。弾道飛行を行う場合、
第４図、第５図のようなＺ軸方向の加速度を基準とし加
速度が大→小への所定値以下となる点を起動点とし又加
速度が小→大への所定値以上となる点を終了点として自
動的にサンプリングすることができる。制御回路は常に
航空機の重力状態を測定し、実験装置の無重力実験の起
動もしくは自由浮遊の開始およびその終了のサンプルの
タイミングを決定し、その値を浮遊の機構にフィードバ
ックしてサンプリング時間を制御することができる。可
変利得制御回路18a〜18cの利得制御は、フルスケール値
に対する測定データの値から、中央処理素子が自動的に
計算して求める。
本体の形状は、例えば12cm×18cm×12cmの直方体で、
重量は1kg程度である。
本発明に係る小型加速度測定記録装置の外部補助記憶
装置に記録されたデータは、実験終了後、他の装置によ
り読みだして、処理することができる。
本実施例による測定データの一例を第４図及び第５図
に示す。
第４図および第５図は米国航空宇宙局（NASA）所有の
弾道飛行実験機KC−135による微小重量実験における加
速度データの一例である。
第４図は実験装置をKC−135の機体に固定して加速度
データを収集したものである。この図において、前半20
秒の間では加速上昇によりＺ軸（鉛直）方向には2G（重
力加速度の２倍）程度の加速度が記録されている。次の
20秒は、エンジン推力の減少により微小重力が実現され
ている。しかしながら、エンジンおよび気流の変動等に
起因する振動は±70mG程度あり、微小重力環境における
機体の振動成分が無視し得ないことがわかる。
すなわち第４図に実験装置を機体の床に固定した場合
の代表的な加速度変化のパターンを示す。弾道飛行の初
期には、Ｚ軸方向に約1.8G程度の高重力が観測される
が、エンジン推力の低下により、約３秒程で0.1G以下の
微小重力状態に到達する。また、Ｙ軸方向には、弾道飛
行初期に0.2G程度の加速度が加わっており、機体の姿勢
と推力が反映されていると思われる。弾道飛行終期に
は、機体の立て直しによる高重力が同様に加わってい
る。
第５図は、本発明による小型加速度測定記録装置を含
んだ測定装置全体を機体から浮遊させて測定したデータ
である。初期の10秒間は第４図と同様に過重力が記録さ
れている。次の10秒は、手操作により実験装置全体を浮
遊させている時間であり、装置に触れることによる振動
が記録されている。以上の説明において実験装置全体と
いうのは、例えば、結晶成長実験装置、もしくはとくに
たん白質結晶もしくはInPもしくはGaAsのごときIII−Ｖ
族合成半導体結晶またはSiもしくはGeもしくは例えばUS
P4755363またはFujitsu Scientific＆Technical Journa
l 1988,Vol24,No.2 p126〜131に開示される自動多結晶
準備装置のごときものを称する。また宇宙においてたん
白質結晶を生成する実験装置または液体滴の自由表面の
模様またたとえば水溶液滴安定に影響する臨界Ｇレベル
の基礎データもしくは２つの水溶液滴の融合の実験装置
の要素技術に関する液体の処理方法に関する。しかしな
がらさらに次の５秒間は該装置全体が低重量状態にあっ
て、全装置がフローテング状態になり記録された加速度
はほとんど０に近く、非常に高品質の微少重力環境が実
現されることを証明している。
なお、第6A図は第４図及び第５図の弾道飛行実験にお
けるX,Y及びＺ軸を示す図面である。
第6A図に示される無重力実験用航空機KC−135は本来
空中給油機であり、初期のジェット旅客機Boeing B−70
7型の原型となった高性能の航空機である。NASAはこの
タイプの航空機を改造して種々の無重力実験のために運
用している。
１回の弾道飛行パターンを第6B図に示す。実験は10回
の弾道飛行を１セットとして１日に４セットを行い、こ
れを３日間繰り返して、合計120回行われた。１回の微
小重力持続時間は約20秒程度であるから、20秒×120＝2
400秒＝40分の無重力実験が提供される。
本システムを前記の観察実験用モジュールに搭載し、
米国メキシコ湾上空にて微小重力実験を行った。
これらのデータから、高品質の微小重力環境を得る場
合において、その加速度データのチェックに本発明によ
る小型加速度測定記録装置の有用性は明らかである。
第7A図から第7J図までは第３図に示す装置の動作を説
明するフローチャートである。
第7A図は第３図に示す装置のソフトウエアの主ルーチ
ンを示し、ブロック21に示す初期化ルーチン、ブロック
22に示すSTARTから起動する測定開始、ブロック23にINT
ERで示す測定ルーチン、ブロック24に示すCLEARから始
まるファイルクリヤルーチン、ブロック25に示すファイ
ルNo.インクリメントルーチン、ブロック26に示すファ
イルNo.デクリメントルーチン、ブロック27に示すLEDド
ライブ、およびブロック28に示すスイッチ入力ルーチン
からなる。
第7B図は測定ルーチンを示し、ブロック22aにおけるF
AT（file allocation table）をサーチして空ファイル
が存在するときはCPU割込み許可がブロック22bにあたえ
られてデータはブロック22cのメモリカセットに書込ま
れ測定ルーチンに入る。
第7C図はインターバルタイム変更ルーチンを示し、測
定インターバルタイムを増加するか減少するかをブロッ
ク23aおよび23bにて決定する。
第7D図はファイルクリヤルーチンを示し、ファイルが
ブロック24aにおいてファイルが空でないとき先頭FATが
ブロック24bでサーチされFATはブロック24cでクリアさ
れる。DIRはディレクトリである。
第7E図および第7F図はファイル番号インクリメントお
よびデクリメントルーチンであり、第7G図はシステム初
期化ルーチンである。
第7H図は桁データをLEDディスプレイに表示するLEDド
ライブルーチンを示す。
第7I図はスイッチ入力ルーチンを示す。
第7J図はインタラプトルーチンを示し、インタラプト
信号によりこのルーチンが起動しサンプルホールド回路
が動作して、ホールドされたデータがディジタルデータ
に変換されてデータバッファに記憶される。
本発明においては半導体メモリ素子を用いたメモリ媒
体が外部記憶媒体としてコンピュータシステムに用いら
れ、装着が完全であるかないかを外部メモリの１部の部
分的書込みおよび読出しによって確認する。
第８図は、本発明の原理説明図である。図中、RAMカ
ードに割り当てられた番地をＮ〜Ｎ＋Ｖ（Ｎは開始アド
レス、Ｖは全容量）とすると、この範囲で、特定のアド
レス線が重複しないように、適当な間隔で番地P1,P2,・
・・,Pnを選び、この番地を対象として任意のデータを
書き込んだ後、直ちに読み出し、書き込んだデータと比
較するチェックを繰り返す。このチェックを複数回行
い、全ての番地について書き込んだデータと同一のデー
タが読み出せれば、RAMカードは正常に装着されている
ことが確かめられたことになる。
本発明では、RAMカードとして本質的に必要な電気的
接点、すなわち電源供給線、アドレス線、データ線、書
き込み読み出し制御線等の配線を接続するための接点以
外には、何ら物理的、ハードウェア的な付加を要求され
ない。
従って、このために従来必要であった空間が節約され
て、システムの小型軽量化に大きく貢献する。また、複
数のアドレスについての書き込みおよび読み出しをも行
うため、接点が確実に接続しているか、あるいはRAMカ
ード中のＳ−RAMが正常に機能しているかの検査をも兼
ねることができる。
第９図に128kByteのRAMカードに対し、本発明による
記録媒体検出方式を適用した場合の一実施例を示す。
128kByteのメモリ空間のうち、アドレス＆H00001,＆H
000C0,＆H00F38,＆H06566,＆H19A1B（＆Ｈは16進数を表
す記号）を選んだ。まず、上記のアドレスに格納されて
いるデータを一時退避しておく。つぎに、これらのアド
レスのそれぞれにデータ＆H12,＆H24,＆H58,＆H7C,＆HD
3を書き込み、直ちに読み出す。読み出したデータが書
き込んだデータと全て一致すれば、RAMカードは正常に
装着されているものとみなす。全く一致しなければ、RA
Mカードは装着されていないものとみなす。部分的に一
致しない場合は、RAMカードの不良あるいはコネクタに
おける接点不良等が考えられるため、その場合は適切な
処理（メッセージの表示等）をする。
第10図は第３図に示す本発明の装置のさらに詳細なブ
ロック図であり、第10図において第３図における対応の
部分は第３図におけると同じ記号をもって示す。第11A
図ないし第11H図は第10図の装置のブロック図の詳細な
例を示す。
第11A図は第10図に示す制御部であって、第11A図に示
す部分はCPU40,ROM41,RAM42,PTM（プログラムタイマ）4
3、PIA（周辺インタフェースアダプタ）44およびメモリ
カセットインターフェース45を含む。第11A図に示すよ
うに、ROM41,RAM42,PIA44はアドレスバスＡ（A0〜A15）
およびデータバスＤ（D0〜D7）を介してCPUに結合され
る。素子40〜44はそれぞれIC1（MBL68B09）,IC2（MB276
4−20）,IC3（MB8464A−10LLP）,IC4（MB8873H）および
IC（MB8874H）によって構成される。
第11B図は第10図に示すメモリカセットインターフェ
イス45を示し、メモリカセットインターフェース45はア
ドレスバスＡ、データバスＤおよびコネクタを介してCP
Uとメモリカセット14との間に接続される。
第11C図は第10図に示すスイッチ、ディスプレイおよ
び遠隔制御器16（第３図におけるI/O回路16に相当）を
示し、第11C図の上方の部分はLEDディスプレイをもつ表
示部を示し、第11C図の下方の部分はスイッチおよび遠
隔制御部を示す。
第11D図はA/Dコンバータ12のディジタル部分および第
10図のPGAインターフェース46を含むその周辺回路を示
し、第11E図は第10図に示すA/Dコンバータ12のアナログ
部分を示す。A/Dコンバータ12はIC28（AD7582KN）によ
って構成され、PGAインターフェース46はIC22,IC25,IC2
6およびIC27によって形成される。
第11F図は第３図に示す可変もしくはプログラマブル
利得制御増幅器（IC30,AD526BD）18a〜18cを示し、サン
プルホールド回路（IC31,AD389KD）およびインバータ増
幅器（IC32,LF356H）により構成され、プログラマブル
利得制御増幅器18a〜18cの出力はADコンバータIC28のア
ナログ部分に供給される。
第11G図は電源回路を示し、電力調節器IC36,IC37およ
びDC−DCコンバータIC38（AD940）によって構成され
る。
第11H図は第３図に示すメモリカセット回路14を示
し、メモリカセットコネクタ19を介して第11B図に示す
メモリカセットインターフェースに接続される。メモリ
カセット回路14は４つのIC35（MB82256）によって構成
され、メモリカセット回路14の容量は128Kバイトであ
る。
第12A図は本発明にかゝる記憶装置の１実施例のメモ
リマップを示す。メモリカセット内のデータ管理方式を
以下説明する。第12A図においてディレクトリDIRECTORY
は＆H00002〜＆H0000C7におかれファイルNo.01〜99に
対応しており、ファイルNo.をＦとすると、〔Ｆ×２〕
番地にFATの先頭番地を、〔Ｆ×２＋１〕番地にサンプ
リングタイムを格納する。データが記憶されていないフ
ァイルNo.の場合は、〔Ｆ×２〕に＆H00が書かれる。
FATは＆H00102〜＆H001FFに置かれ、16進アドレスの
下位２桁がブロック番号＆H02〜＆HFF）に対応する。FA
Tが＆H00の場合は、対応するブロックにはデータが記録
されていない。データが記録されている場合には、次の
FATのナンバーが書かれる。＆H01の場合は、そのブロッ
クが最終ブロックであることを意味する。
データ領域は、各512バイトずつ、ブロック番号＆H02
〜＆HFFに分けられている。一つのブロック内では、デ
ータは時系列に従って、x,y,zの順に格納されてゆく。
一軸あたり２バイトが必要であるため、２×３＝６バイ
トで１回のサンプリングのデータが構成される。従っ
て、１ブロックあたり512÷６≒85（85＋２）個のデー
タが記録される。余りの２バイトは未使用である。ブロ
ック番号と実アドレスの対応は、ブロック番号をＢ、実
アドレスをADとすると、AD＝Ｂ×512である。これは、
実アドレスの上位８ビットをブロック番号にみなせばよ
い。
一つのデータの構成は第12B図に示すとおりである。
電圧信号はデータ/2048×倍率で換算することができ
る。
第13図は本発明にかゝる加速度測定系の配置図を示
し、記号14は第３図に示すメモリカセットを示す。
第14図は地上作業部分におけるメモリカセット読出装
置のブロック図である。第14図のブロック図に示すよう
に、メモリカセット14の内容はメモリカセットインター
フェース50を介してパーソナルコンピュータ51へ転送す
る。転送されたデータはフロッピィディスクドライブ52
によってフロッピィディスクに蓄えられる。この時点で
データは取り扱いやすいデータに変換され他のシステム
でも利用できる。
第15図は第14図に示すメモリカセットインターフェー
ス50の詳細回路図である。第15図において、LS273およ
びLS175はメモリカセットの書込および読出しアドレス
を特定するためのラッチ、LS640,LS245はデータバスト
ランシーバーを示し、パーソナルコンピュータとカセッ
トメモリデータ間のインターフェースにおいてデータの
方向を制御する。さらにLS123は書込読出のタイミング
を制御するワンショットマルチ、またはLS20,30,139は
パーソナルコンピュータのアドレスを選択するためのア
ドレスデコーダである。
以上示したように、本発明は小型で高速に物体に加わ
る加速度を測定することが可能なため、従来の装置では
測定不可能であった微小な空間にセットされた実験系の
加速度変化を容易に測定することができる。本発明に従
えば、例えば30分の１秒以下の高速測定及び記録が可能
である。
さらにまた本発明によれば、簡便な構成で、確実にRA
Mカードの有無を検出することが可能である。本発明に
より、コンピュータの外部記憶素子としてのRAMカード
が小型軽量化され、システム全体の小型化に役立つ。ま
た、確実にRAMカードの存在が検知できるため、システ
ムの高信頼化を達成することができる。
本装置を米国航空宇宙局（NASA）の無重力実験専用航
空機KC−135による微小重力実験に用いて性能の検証を
行った結果を以下に示す。
第16図はＺ方向加速度が0.1G以下であった時間を各弾
動飛行について求め、時間を横軸にとったヒストグラム
を示す。これから、21秒を中心に、最小18秒から最大24
秒程度の間に持続時間が分布している。
第17図はＺ方向加速度が0.1G以下になった時間の前後
１秒のデータを破棄し、データを平均化することで、１
回の弾動飛行中の残留加速度レベルを求めた。残留加速
度を横軸にとったヒストグラムを示す。この図より、残
留加速度のレベルは12〜14mGにピークのある分布を示し
ている。
第18図は実験モジュール浮遊時は、持続時間が短かか
ったため、残留加速度が5mG以下になった期間（16回存
在）内に得られた1163個のデータのヒストグラム（第18
図）で残留加速度の分布を示した。ほぼOG（単純平均す
ると−２μＧ）を中心に、標準偏差1mG程度のゆらぎで
あることが示されている。すなわち、実験モジュールの
浮遊により、加速度環境はμＧレベルにまで著しく向上
する。実験モジュールを機体に固定した場合（前述）に
ついての、52086個のデータについての同様ヒストグラ
ムを第19図に示す。
前途の如く、残留加速度が継続して5mG以下であった
期間内に得られた1163個のデータについて、残留加速度
の分布を見るとほぼOG（単純平均では−２μＧ）を中心
に、標準偏差1mG程度のゆらぎであることがわかった。
すなわち、実験装置の浮遊により、加速度環境はμＧレ
ベルにまで著しく向上したがこのことは、航空機に固定
した場合の残留加速度データ（52086個）との比較（黒
四角）によりさらに明確になる。
加速度測定のデータには、第４図に見られるように若
干の振動成分が重畳している。振動成分における特定の
周波数成分の有無を調べるため、フーリエ変換により微
小重力状態の振動を解析した。一例を（第20図）に示
す。この解析からは特定の周波数の振動成分は見出され
なかった。また、機体に固定した場合と実験モジュール
を浮遊した場合とでは、振動成分のパワーに１桁以上の
差がある 航空機KC−135に搭載して微小重力実験の間に加速度
を測定するためにコンパクトな３軸加速度測定システム
が開発された。この加速度測定システムは次の特徴を有
する、すなわち１）ダイナミック範囲の広いこと、２）
小型軽量であること、３）機械的衝撃および振動に対し
て記憶媒体が高信頼度であることおよび４）電池駆動系
の電力消費が少ないことである。航空機を用いた微小重
力実験において無重力状態での残留重力の分布はほぼ正
規分布状である。残留重力の平均値は13±25mGであっ
た。微少重力状態の期間および間隔はそれぞれ21秒およ
び81秒であった。KC−135室内の加速度測定系をもった
減少重力実験に対する装置の浮遊残留重力を0.002±1mG
と大幅に改良した。
従来の加速度測定装置では、磁気テープやフロッピィ
ディスクが記録媒体として利用されているため小型化が
難しく、過酷な振動環境にさらされることに対して脆弱
であることが予想された。また機械的駆動部の発する振
動が実験系の微小重量環境を劣化させる懸念があった。
さらに複数の実験で加速度測定装置を共有してそれぞれ
の局所環境を計測するためにはポータブルであることが
望ましく、電源を内蔵する必要がある。一方、微小重力
状態のみならず、過渡的な過重力状態（ロケットの打ち
上げなど）を測定することも宇宙実験の遂行上意義があ
り、広い測定レンジが求められていた。これらの問題を
解決するため以下の項目が課題であった。（１）小型・
軽量化（体積4000cc、重量4kg以下） （２）機械的駆動部の排除 （３）電源駆動が可能なこと （４）ワイドレンジ化（10G〜10μＧ） 上記課題は上述した本発明装置により達成された 〔小型軽量化〕 記憶媒体に、256KビットスタティクRAMをモジュール
化した“メモリカセット”を採用しメモリカセットは、
コネクタにより本体に容易に着脱可能とする。加速度セ
ンサの信号はA/Dコンバータでディジタル化され、時系
列のデータとしてメモリカセット内に格納される。メモ
リカセットの使用により、記録部の体積・重量とも従来
の1/5以下にすることができ、機械的駆動部の排除も可
能となる。
メモリカセットに記録されたデータは、実験後にイン
ターフェース回路を通じてコンピュータで読み出し、グ
ラフ化各種数値演算等のデータ処理を行う。
〔電池駆動〕
マイクロプロセッサおよび周辺のロジックなどディジ
タルICには＋5Vが、加速度センサや高精度のA/Dコンバ
ータなどのアナログ信号処理系の素子には±15Vの電源
が必要である。ニッケル−カドミウム電池モジュール
（7.2V.1200mAh）から安定化電源で＋5Vを作り、DC−DC
コンバータで±15Vを得る。アナログ信号処理系におい
てはリップルなどのノイズの影響が大きいため、特に低
ノイズのDC−DCコンバータを選択した。これにより、一
個の電池モジュール（130×45×22mm）で１時間の連続
動作が可能となった。
〔ワイドレンジ化〕
可変利得増幅器を加速度センサA/Dコンバータの間に
設置し、マイクロコンピュータで常に最適増幅率になる
ようにリアルタイムで制御する。A/Dコンバータの分解
能は12ビットであるが、これにより、16ビット以上のレ
ンジが実現できた。
本装置を米国航空宇宙局（NASA）の無重力実験専用航
空機・KC−135による微小重力実験に用いて、性能の検
証を行い良好な上記結果を得た。微小重力実験に適した
世界最小の三軸加速度測定記録装置を開発した。航空機
用および宇宙用の２種類の製品化が進められている。こ
れら二つのタイプの諸性能を表１に示す。
微小重力実験用として、従来になく小型でポータブル
な本発明加速度測定記録装置により、微小重力下にある
実験装置の加速度環境を精密に測定することが可能にな
った。
加速度センサブロックとして、本システム用の加速度
センサには、 スタティックな加速度変化が検出可能で、 微小重力領域で、十分な精度を有し、 小型軽量で低消費電力である、 ことが要求される。本システムではこの条件に最も適し
ているサーボ方式の加速度センサを使用し、航空機の主
翼方向（Ｘ軸）および進行方向（Ｙ軸）にはスパン±1G
の加速度センサを、鉛直方向（Ｚ軸）にはスパン±4Gの
加速度センサを使用した。計測制御部では、センサから
の信号を適当な倍率で増幅し、A/D変換器でディジタル
値に変換した後、メモリカセットに転送する処理を行
う。この処理を行うため、８ビットのマイクロプロセッ
サを使用した専用のマイクロコンピュータモジュールと
し、マイクロプロセッサはROMに格納されたプログラム
に従い、以下の動作を行う。
センサ信号増幅率の最適化 サンプリング信号の発生 メモリカセットの管理 コマンドの入力・動作状況の表示 メモリカセットは、半導体メモリを使用した記憶媒体
である。今回開発したものは、１個のカセットあたり12
8kbyteの容量を有し、サンプリング間隔10ms〜100msに
対応して、210〜2100s間の連続測定が可能となる。ま
た、航空機実験では、一つの実験が比較的短時間で終了
するため、測定データを複数の自由長ファイルに割り当
てられるようにして、メモリの容量を有効に活用できる
ようにする。
本発明にかかる小型加速度測定記録装置は車、車両も
しくはロケットの加速度測定記録に用いることができ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来の加速度測定記録装置のブロック図、第２
図は本発明にかゝる加速度測定記録装置の構成原理の説
明図、第３図は本発明にかゝる装置の１実施例のブロッ
ク図、第４図および第５図は本発明において弾道飛行航
空機を用いた微小重力実験から得られた加速データの１
例、第6A図はパラボリック飛行航空機KC−135における
加速度測定における測定軸を示す図、第6B図はKC−135
航空機の弾道飛行の軌跡を示す図、第7A図ないし第7J図
は第３図の装置の動作を説明するためのフローチャー
ト、第８図は第３図に示す装置に外部メモリの正確な装
置を確認するための原理説明図、第９図は第８図に示す
外部メモリの正確な装着を確認するための１実施例の
図、第10図は第３図に示す装置のさらに詳細なブロック
図、第11A図ないし第11H図は第10図の装置の各ブロック
における詳細回路図、第12A図は第10図に示すメモリカ
セットのメモリマップ、第12B図は12A図に示すマップの
１ブロックの構成を示す図、第13図は本発明にかゝる加
速度計の外観図、第14図は測定終了後地上の作業所にお
いてメモリカセットの内容を読出す装置のブロック図、
第15図は第14図に示すブロック図のカセットインターフ
ェースの詳細回路図、第16図は減少重力時間の分布を示
す図、第17図は平均減少重力の分布を示す図、第18図は
実験装置が浮遊した状態における減少重力データの分布
を示す図、第19図は実験装置が航空機に固定された場合
の減少重力データの分布を示す図、第20図は重力変動の
パワースペクトラムを示す図である。 11,11a,11b,11c……加速度センサ、 12……AD変換器、13……制御素子、 14……外部記憶装置、15……電源回路、 16……入出力回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤田 省三 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 浅野 高治 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 鈴木 博章 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 菅間 明夫 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 小嶋 尚美 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−168596（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−79164（ＪＰ，Ｕ)

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】運動系に搭載され加速度の時々刻々の変化
    データを測定・記録する小型加速度測定記録装置であっ
    て、サーボ型加速度センサと、該サーボ型加速度センサ
    に接続された可変利得制御増幅器（PGA）と、該可変利
    得制御増幅器に接続されたサンプルホールド回路（Ｓ＆
    Ｈ）と、該サンプルホールド回路に接続され該加速度セ
    ンサのアナログ出力信号をディジタル信号に変換するA/
    D変換器と、該A/D変換器に接続され該ディジタル信号の
    処理を行う中央処理装置（CPU）、該中央処理装置に各
    々接続される読出専用記憶素子（ROM）、随時書込読出
    可能記憶素子（RAM）、プログラマブルタイマ（PTM）、
    可変利得制御増幅器インターフェース、周辺インターフ
    ェースアダプタ（PIA）、及びメモリカセットインター
    フェースを備える制御素子と、該制御素子にコネクタを
    介して着脱可能に装着され加速度の変化データをストア
    する機械的駆動部を有しない外部記憶装置と、該制御素
    子に接続される入出力装置と、該サーボ型加速度セン
    サ、該可変利得制御増幅器（PGA）、該サンプルホール
    ド回路（Ｓ＆Ｈ）と、該A/D変換器、該制御素子、該外
    部記憶装置、該入出力装置に電力を供給するバッテリと
    を有し、該中央処理装置は該読出専用記憶素子（ROM）
    に格納されたプログラムに従い、加速度センサ信号増幅
    率の決定、サンプリング信号の発生、該外部記憶装置の
    管理、コマンドの入力・動作状況の表示並びに該可変利
    得制御増幅器の最適増幅率の常時制御を成し、該小型加
    速度測定記録装置は測定すべき運動系に搭載され、又、
    該小型加速度測定記録装置は該バッテリにより駆動され
    ることを特徴とする小型加速度測定記録装置。
  2. 【請求項２】上記A/D変換器（12）のサンプリング時間
    はビデオ画像の１フレーム時間以下であり測定系におけ
    るビデオ記録データに対応する請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】互いに直交する３軸（x,y,z）方向の加速
    度の変化データを測定記録する三つのサーボ型加速度セ
    ンサ（11a,11b,11c）を有する請求項１または２に記載
    の装置。
  4. 【請求項４】上記可変利得制御増幅器（PGA）（18）の
    利得制御は上記制御素子の上記中央処理装置（CPU）（4
    0）によりフルスケール値に対する測定値を自動的に計
    算することにより自動的に行う請求項１−３のいずれか
    に記載の装置。
  5. 【請求項５】上記外部記憶装置（14）内の記録データは
    実験の終了後他の装置で読取られ、処理される請求項１
    −４のいずれかに記載の装置。
  6. 【請求項６】さらに上記サーボ型加速度センサ（11）か
    らの出力信号をトリガとして加速度測定の開始点と終了
    点を自動的に決定する手段を有する請求項１−５のいず
    れかに記載の装置。
  7. 【請求項７】上記制御素子（13）は実験装置のフリーフ
    ローティングの開始又は無重力実験のスタート、並び
    に、フローフローティングの停止又は無重力実験の終了
    のサンプリング時間を決定し、サンプリング時間が制御
    される様にフリーフローティング機構にその値をフィー
    ドバックする請求項１−５のいずれかに記載の装置。
  8. 【請求項８】さらに、データ処理のためコンピュータシ
    ステムへの上記外部記憶装置（14）の正確な装着を決定
    する手段を有し、該手段は特別なアドレスにデータを書
    込む手段と、該データを読出す手段と、しかる後、該書
    込データと該読出データを比較する手段と、該読出デー
    タが該書込データに一致した時、該外部記憶装置が正し
    く装着されたことを判定する手段からなる請求項１−７
    のいずれかに記載の装置。
  9. 【請求項９】スペースシャトル又は弾道飛行中の航空機
    を用いて、無重力実験システムを該スペースシャトル又
    は該航空機からフリーフローティングした状態の微小重
    力状態を介して無重力実験を行う際、請求項１−８記載
    の装置のいずれかを該無重力実験システムに搭載して加
    速度を測定記録する方法。
  10. 【請求項１０】実験は加速度が高から低へ変化し所定の
    値以下に成った時を開始点とし実験を開始し、加速度が
    低から高へ変化し所定の値以上に成った時を終了点とし
    実験を終了する請求項２記載の装置を用いて無重力実験
    を行う請求項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】前記無重力実験がたん白質成長実験、II
    I−Ｖ族合成半導体結晶成長実験、および固有半導体結
    晶成長実験であって、その無重力実験が加速度が高から
    低に変化し予め決められた値以下になった時をスタート
    点として開始され、加速度が低から高に変化し予めきめ
    られた値以上になったときを終了点として終了しサンプ
    ルホールド回路が自動的にサンプルを行う請求項９もし
    くは10に記載の方法。
  12. 【請求項１２】微小重力環境において10G〜10-6Gの範囲
    の加速度を測定・記録する小型加速度測定記録装置であ
    って、10G〜10-6Gの範囲の加速度を検出するサーボ型加
    速度センサと、該サーボ型加速度センサのアナログ出力
    信号をディジタル信号に変換するA/D変換器と、該ディ
    ジタル信号の処理を行う制御素子と、該制御素子にコネ
    クタを介して着脱可能に装着され加速度の変化データを
    蓄積する機械的駆動部を有しない外部記憶装置と、該サ
    ーボ型加速度センサ、該A/D変換器、該制御素子、該外
    部記憶装置に電力を供給するバッテリから構成され、上
    記小型加速度測定記録装置が宇宙船又は弾道飛行中の航
    空機において該宇宙船又は該航空機からフリーフローテ
    ィング可能な無重力実験システムに搭載され、上記外部
    記憶装置は該小型加速度測定記録装置の筐体の外部にコ
    ネクタ手段をもって着脱可能に取り付けられ、上記小型
    加速度測定記録装置は上記バッテリによって駆動される
    ことを特徴とする小型加速度測定記録装置。
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