JP4034899B2 - 回転式加速度発生装置における加速度センサの偏心誤差のキャンセル装置およびその方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度を検出する加速度センサの特性調査に好適なターンテーブル式加速度発生装置（回転式加速度発生装置）に関するものであり、特に加速度センサの特性調査時において、小径ターンテーブル（小径回転体）上に加速度センサを載置した際に、加速度センサの感度軸重心と小径ターンテーブルの回転中心との偏心量を簡単にキャンセルし、小径ターンテーブル上に載置した加速度センサの特性を偏心量に係わらず簡単にかつ正確に測定できる回転式加速度発生装置における加速度センサの偏心誤差のキャンセル装置およびその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりロボットや飛行機等三次元で動く物体や、自動車等二次元平面で移動する物体の加速度を加速度センサで検知し、この結果に基づいて物体の動き或いは物体に搭載した各種機器を夫々の目的に従って制御することが行われている。前記制御を実現するために現在では種々の形態の加速度センサが使用されているが、制御機器に加速度センサを組み込む場合、実際に使用する加速度センサがどのような特性をもった加速度センサであるかを把握しておく必要がある。
【０００３】
ところで、加速度センサの諸特性を調査するために現在では振動試験機によって調査しているが、この方法だと次のような問題点がある。
（１）振動試験機は、試験台上に搭載した被試験体に往復加速度を加えて加速度特性を調査するものであるが、試験機の機構上、試験台の往復動（上下動）中に多少試験台が傾くことがあり、正確に試験台を往復動させることが困難である。即ち、試験中に加速度センサに往復方向以外の成分が働くことになり、加速度を干渉出力を含んで計測することとなり、センサの諸特性を精密に調査するには十分ではない。
（２）前記振動試験機は振動発生装置を用いて加速度センサに実際に振動を与えて試験を行っているため、試験装置が大掛かりにならざるを得ず、その上、振動という動的加速度を実際に加速度センサに与えなければならないため、加速度センサの性能試験が面倒である。
【０００４】
このような背景において本発明者らは、上述の諸問題を解決するために、特性精度を飛躍的に向上できる新規な遠心力加速度試験機（ターンテーブル式加速度発生装置）を提案した（特開平７−１１０３４２号公報参照）。このターンテーブル式加速度発生装置は、試験台上に搭載した加速度センサに遠心力によって所定方向、所定力の加速度（即ちＤＣ成分の加速度）を加え、これによって加速度センサの諸特性を精密に試験することができるというものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のターンテーブル式加速度発生装置を使用して加速度センサの特性調査を行なう場合、小径ターンテーブルの回転中心と被検査体としての加速度センサの感度軸重心とを一致させることが実際上では殆ど不可能であり、このため、出力信号の中から小径ターンテーブルの回転中心と加速度センサの感度軸重心との偏心によって生じる出力誤差が発生し、この誤差を様々な手法によって補正する必要があった。
即ち、市販されている加速度センサの特性試験をする際には、加速度センサの感度軸重心を知ることが非常に重要であるが、現在では、そうした感度軸重心を正確に知る手法がなく、このため、加速度センサの特性出力値には必ず感度軸重心のずれが原因となる誤差が入り込み、正確な加速度センサ特性を知ることが出来なかった。このようにターンテーブル式加速度発生装置を使って加速度センサの特性試験を行う場合、従来の振動式加速度試験機に比較してその試験が格段に容易になったものの、加速度センサの感度軸重心と小径ターンテーブルの回転中心とを確実に一致させることが出来なかったため、加速度センサの精密な特性を知る上で不充分な点があった。
【０００６】
こうした背景のもと、本発明者は加速度センサの感度軸重心の偏心の影響を除去する方法について、鋭意研究を進めた結果、上述したターンテーブル式加速度発生装置を使用して出力した加速度センサの出力成分中には、加速度センサの本来の特性を示す低周波成分と感度軸重心が偏心していることによって生じる直流成分（偏心誤差成分）とが重畳していることを見いだした。
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、上記直流成分を取り除くことで加速度センサの感度軸重心と小径ターンテーブルの回転中心とがどの位置に偏心していても、その偏心誤差をキャンセルできるターンテーブル式加速度発生装置における加速度センサの偏心誤差のキャンセル装置およびその方法を提案し、上記問題点を解決することを目的とする。
本発明によれば、加速度センサの感度軸重心がどの位置に偏心して設置されても、あるいは、加速度センサの感度軸重心の位置が不明な加速度センサであっても、加速度センサの校正が可能となり、常に極めて正確に加速度センサ特性を知ることが可能となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
第１サーボモータ６と、該第１サーボモータ６によって回転される大径ターンテーブル１と、大径ターンテーブル１の一面側に配置され加速度センサを取り付けることが出来る小径ターンテーブルと、大径ターンテーブル１の他面側に取り付けられ前記小径ターンテーブルを回転させる第２サーボモータ１１とを備え、前記大径ターンテーブルの小径ターンテーブルを取り付けた側に小径ターンテーブル上の加速度センサからの出力信号を取り出す信号取り出し線を配置し、前記大径ターンテーブルの第２サーボモータを取り付けた側に第２サーボモータへの制御信号線を配置し、さらに前記大径ターンテーブルには前記制御信号線と同じ側にアース線が配置接続されており、前記小径ターンテーブル上に載置した加速度センサからの出力信号の中から直流成分を除去する直流成分除去手段を設けたことを特徴とする加速度センサの偏心誤差のキャンセル装置である。
また、前記直流成分除去手段はハイパスフィルターであることを特徴とする加速度センサの偏心誤差のキャンセル装置である。
【０００８】
【実施形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の係る回転式加速度発生装置としてのターンテーブル式加速度発生装置の概略側面図である。
以下図を参照して、本発明において使用するターンテーブル式加速度発生装置の構成を説明すると、１は適宜直径を有し、アルミまたは銅等の非磁性体からなる回転体としての大径ターンテーブルであり、この大径ターンテーブル１には回転軸２が固定されており、大径ターンテーブル１の回転軸２の上下端は図示せぬターンテーブル支持アームに設けた軸受によって軸支されており、大径ターンテーブル１が回転軸２を中心に回転できるようになっている。
【０００９】
回転軸２にはエンコーダを備えた大径ターンテーブル駆動用のサーボモータ６（以下第１サーボモータ６という）が取り付けられており、電力供給線２１、制御信号線２２を介して制御機器と接続されている。このため、第１サーボモータ６を駆動すると大径ターンテーブル１もターンテーブル支持アームに対して回転することになる。
【００１０】
大径ターンテーブル１の適宜位置にはセンサ載置台を兼ねた回転体としての小径ターンテーブル９が回転自在に軸支されており、この小径ターンテーブル９の回転軸１０に小径ターンテーブル駆動用のサーボモータ１１（以下第２サーボモータ１１という）の出力軸が連結され、第２サーボモータ１１が駆動すると小径ターンテーブル９が回転するようになっている。１８はスリップリングである。大径ターンテーブル１には回転バランスをとるために前記小径ターンテーブル９と第２サーボモータ１１との重量に見合ったバランサ（不図示）が所定の位置に設けられており、大径ターンテーブル１がスムーズに回転できるようにしてある。また小径ターンテーブルもスムーズな回転を実現できるよう必要に応じてバランサを取り付ける。
大径ターンテーブル１の回転軸２の大径ターンテーブル１より下側適所には第１スリップリング１３が配置され、この第１スリップリング１３に前述の第２サーボモータ１１に電力を供給するための電力・制御信号線１４および大径ターンテーブル１のアース線１５が接続されている。
【００１１】
また、大径ターンテーブル１の上側適所の回転軸２には第２スリップリング１６が配置され、この第２スリップリング１６に小径ターンテーブル９上に乗せた加速度センサ２０からの信号を取り出すための信号取り出し線１７の一端が接続されている。信号取り出し線１７の他端は、小径ターンテーブル９の回転軸に設けた第３スリップリング１８に接続されている。
このため回転している小径ターンテーブル９上の加速度センサからの信号は、小径ターンテーブル９および大径ターンテーブル１がともに回転中であっても第３、第２スリップリング１８、１６を介して装置外の測定機器により計測できる構成となっている。
【００１２】
上記の如く構成されたターンテーブル式加速度発生装置では以下のようにして加速度センサの特性試験がおこなわれる。
１．大径ターンテーブル１上の小径ターンテーブル９に加速度センサ２０を固定する。
２．第１サーボモータ６によって大径ターンテーブル１を回転させ遠心力を発生させ、同時に小径ターンテーブル９を第２サーボモータ１１によって回転させながら加速度センサ２０に対して所定方向、所定力の加速度を発生させ、加速度センサの特性を測定する。
３．第１サーボモータ６には電力供給、制御信号線を介して制御機器から電力が供給され、また第２サーボモータ１１には第１スリップリング１３を介して図外の制御機器から電力供給、制御信号等が供給される。なお、大径ターンテーブル１は第１スリップリング１３を介してアースされている。
４．加速度センサ２０からの信号は、小径ターンテーブル９の回転軸に設けた第３スリップリング１８、大径ターンテーブル１の上側に配線した信号取り出し線１７、第２スリップリング１６を介して計測器に伝達され、所定のデータが収集される。
【００１３】
ところで上記特性測定の際には上述したように、加速度センサの感度軸重心と小径ターンテーブルの回転中心とを一致させることが困難であり、その結果出力した加速度センサの出力成分中には、加速度センサの本来の特性を示す低周波成分と感度軸重心が偏心していることによって生じるノイズ成分とが重畳しており、精密な加速度センサの特性を調査することが困難である。
そこで本発明者は、上記ターンテーブル式加速度センサの出力成分について理論的に考察をすすめた結果、測定時の出力波形中には加速度センサの本来の特性を示す低周波成分と感度軸重心が偏心していることによって生じる直流成分とが重畳していることを見いだし、出力成分中から直流成分のみを除去することで容易に加速度センサの正確な特性を得ることができることを確認した。
【００１４】
以下加速度センサの出力成分の解析手法を図２を参照して説明する。
図２中、１は大径ターンテーブル（以下主ターンテーブルという）、９は小径ターンテーブル（以下副ターンテーブルという）、２０は被検査体としての加速度センサである。
図において座標系ＸＹを、主ターンテーブル１の回転軸を原点、副ターンテーブル９の回転軸方向をＸ軸、原点を通りＸ軸に直角方向をＹ軸とする座標系と定義する。原点から副ターンテーブル９の回転軸までの距離をＲ、主ターンテーブル１と副ターンテーブル９はそれぞれ、角速度ω1 、ω2 、で時計廻りに回転し、副ターンテーブル９の回転軸からｒだけ偏心して加速度センサ２０の感度軸重心が設置されているとする。
このとき、各ターンテーブルの回転前では加速度センサの感度軸はＸ軸に平行になるように設置され、また、その感度軸とＸ軸が完全に一致していない場合の偏角をθ1 とする。また、各ターンテーブルの回転前のＸ軸とベクトルｒとの角度をθ0 とする。
ここで、主ターンテーブル１の回転により発生する加速度を見てみると、加速度センサ感度軸重心の座標ベクトルｒR は
【００１５】
【数１】
ベクトルｒR に作用する主ターンテーブル１の回転ω1 による求心加速度ベクトルａr Ｒは
【００１６】
【数２】
このとき、ベクトルＲ、ベクトルｒに作用する加速度の大きさを、それぞれａR 、ａr とすれば
【００１７】
【数３】
となる。
いま、副ターンテーブル９がω2 で回転するとすればベクトルＲ、ベクトルｒに作用する加速度のセンサ感度軸方向の成分ａR0、ａr0は以下の通りとなる。
【００１８】
【数４】
ここで、ベクトルｒに作用する加速度のセンサ感度軸方向の成分ａr0は定数値となり、偏心が無い場合の加速度センサ出力に直流分が追加される結果となる。
以上から、主ターンテーブル１の回転による加速度センサの感度軸方向の全体の加速度成分ａTmは以下の通りとなる。
副ターンテーブル９の回転前では、副ターンテーブル９の回転軸を通り、Ｙ軸に平行な直線の右平面側に加速度センサの感度軸重心が設置されている場合、ベクトルｒによる加速度ａr は加速度センサの正の感度軸方向に作用し、
【００１９】
【数５】
となる。
左平面に設置されている場合は、ベクトルｒによる加速度ａr は加速度センサの負の感度軸方向に作用し、
【００２０】
【数６】
となる。
副ターンテーブル９の回転により発生する加速度
偏心がある場合、副ターンテーブル９の回転による求心加速度が発生し、加速度センサの感度軸方向の成分として追加される。副ターンテーブル９の回転によって発生する求心加速度ベクトルａω2 は以下の通り求めることができる。
【００２１】
【数７】
この求心加速度の大きさは
【００２２】
【数８】
となる。
又、加速度センサの感度軸方向の成分ａω20は
【００２３】
【数９】
となる。また、この加速度成分はａr0と同様に取り扱うことができ、加速度センサの感度軸重心が右平面側に設置されている場合は正の感度軸方向に作用し、左平面に設置されている場合は負の感度軸方向に作用する。
全体の加速度
以上から、加速度センサの感度軸方向の全体の加速度成分ａT は以下の通りとなる。
ａ）加速度センサ感度軸重心が副ターンテーブル９の回転軸を通り、Ｙ軸に平行な直線に対して、右平面に設置されている場合
【００２４】
【数１０】
ｂ）加速度センサ感度軸重心が副ターンテーブル９の回転軸を通り、Ｙ軸に平行な直線に対して、左平面に設置されている場合
【００２５】
【数１１】
となる。
よって、加速度センサの感度軸重心がどの位置に偏心して設置されていたとしても、加速度センサ出力の偏心の影響は、偏心が無い場合の加速度センサ出力に直流成分が追加される結果となる。つまり、加速度センサ出力の直流成分を除去することで、偏心の影響を無視することが可能となる。また、位相特性に関しては副ターンテーブル９の回転前に加速度センサの感度軸とＸ軸が平行であれば、位相特性の測定に誤差は生じない。但し、感度軸とＸ軸が完全に一致していない場合にはθ1 だけの位相ずれが発生する。
ここで、加速度センサからの出力信号から直流成分のみを取り除くブロック図を図３に示す。この図に示すものはハイパスフィルター（Ｈ．Ｐ．Ｆ）を使用して直流成分を除去している。
以上は、偏心位置ベクトルｒは一般的には不明だが、加速度センサの感度軸方向とＸ軸はほぼ平行に設置出来ることを前提としている。
【００２６】
上記解析に基づいて加速度センサ感度軸重心が設置される位置とセンサ出力の関係についてシミュレ−ションした結果を以下に示す。
＜条件＞
回転半径 Ｒ ：０．２ｍ
偏心量 ｒ ：０．０００８ｍ
主ターンテーブル１の角速度 ω1 ：７．００ｒａｄ／ｓ
副ターンテーブル９の角速度 ω2 ：１２５．７ｒａｄ／ｓ（２０Ｈｚ）
上記条件にて主ターンテーブル１の回転によって発生する加速度は１Ｇ。
偏心量はトルクバランス型加速度センサの偏心量の一例（この値は加速度センサのタイプによって異なる）。
＜図の記号＞
ａR ：主ターンテーブル１の回転によるベクトルＲに作用する加速度の大きさ
ａr ：主ターンテーブル１の回転によるベクトルｒに作用する加速度の大きさ
ａω2 ：副ターンテーブル９の回転によるベクトルｒに作用する加速度の大きさ
ａR0：ａR の加速度センサ感度軸方向成分
ａr0：ａr の加速度センサ感度軸方向成分
ａω20：ａω2 の加速度センサ感度軸方向成分
ａT ：加速度センサ感度軸方向の全体の加速度成分
【００２７】
図４に示すように感度軸とＸ軸との偏角θ1 が大きくなると、加速度センサ出力信号に、θ1 に応じた位相ずれが発生する。また、θ1 分のａr 、ａω2 の加速度センサ感度軸方向成分も減少する。ａr の誤差は１％程度、ａω2 の誤差は副ターンテーブル９の角速度の二乗に比例して大きくなり、２０Ｈｚの場合、重大な誤差要素（最大で１００％程度、最初の偏心位置に依存する）となる。この特性は加速度センサの感度軸がどの位置に設置されたとしても同じ結果となる。
このため、図５以下からはθ1 ＝０の場合のみの出力波形を示す。
以上のように、本発明では加速度センサの感度軸重心と小径ターンテーブルの回転中心とがどの位置に偏心していても、あるいは、加速度センサの感度軸重心の位置が不明な加速度センサであっても、加速度センサの校正が可能となり、常に極めて正確な加速度センサ特性を知ることが可能となる。
なお上記実施形態では、回転体としてターンテーブルを使用した例について説明したが、安定した回転をうることができるものであれば必ずしもターンテーブルに限定する必要はない。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳細に述べた如く本発明によれば、本ターンテーブル式加速度発生装置の副ターンテーブル上に載置した加速度センサの感度軸重心と小径ターンテーブルの回転中心とがどの位置に偏心していても、あるいは、加速度センサの感度軸重心の位置が不明な加速度センサであっても、その偏心誤差をキャンセルすることができ、常に極めて正確な加速度センサ特性を知ることが可能となるという優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るターンテーブル式加速度発生装置の概略側面図である。
【図２】本ターンテーブル式加速度発生装置による加速度発生状態の説明図である。
【図３】加速度センサからの出力信号から直流成分を除去するためのブロック図である。
【図４】副ターンテーブルの回転前のＸ軸とベクトルｒとの角度がθ0 ＝０ｒａｄである時の加速度センサ感度軸重心の位置とセンサ出力の図である。
【図５】副ターンテーブルの回転前のＸ軸とベクトルｒとの角度が０＜θ0 ＜π／２（ｒａｄ）である時の加速度センサ感度軸重心の位置とセンサ出力の図である。
【図６】副ターンテーブルの回転前のＸ軸とベクトルｒとの角度がθ0 ＝π／２（ｒａｄ）である時の加速度センサ感度軸重心の位置とセンサ出力の図である。
【図７】副ターンテーブルの回転前のＸ軸とベクトルｒとの角度がπ／２＜θ0 ＜π（ｒａｄ）である時の加速度センサ感度軸重心の位置とセンサ出力の図である。
【図８】副ターンテーブルの回転前のＸ軸とベクトルｒとの角度がθ0 ＝π（ｒａｄ）である時の加速度センサ感度軸重心の位置とセンサ出力の図である。
【符号の説明】
１ 大径ターンテーブル（主ターンテーブル）
２ 回転軸
６ 第１サーボモータ
９ 小径ターンテーブル（副ターンテーブル）
１０ 回転軸
１１ 第２サーボモータ
１３ 第１スリップリング
１４ 電力・制御信号線（第２サーボモータ用）
１５ アース線
１６ 第２スリップリング
１７ 信号取り出し線
１８ 第３スリップリング
２０ 加速度センサ
２１ 電力線（第１サーボモータ用）
２２ 制御信号線（第１サーボモータ用）
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度を検出する加速度センサの特性調査に好適なターンテーブル式加速度発生装置（回転式加速度発生装置）に関するものであり、特に加速度センサの特性調査時において、小径ターンテーブル（小径回転体）上に加速度センサを載置した際に、加速度センサの感度軸重心と小径ターンテーブルの回転中心との偏心量を簡単にキャンセルし、小径ターンテーブル上に載置した加速度センサの特性を偏心量に係わらず簡単にかつ正確に測定できる回転式加速度発生装置における加速度センサの偏心誤差のキャンセル装置およびその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりロボットや飛行機等三次元で動く物体や、自動車等二次元平面で移動する物体の加速度を加速度センサで検知し、この結果に基づいて物体の動き或いは物体に搭載した各種機器を夫々の目的に従って制御することが行われている。前記制御を実現するために現在では種々の形態の加速度センサが使用されているが、制御機器に加速度センサを組み込む場合、実際に使用する加速度センサがどのような特性をもった加速度センサであるかを把握しておく必要がある。
【０００３】
ところで、加速度センサの諸特性を調査するために現在では振動試験機によって調査しているが、この方法だと次のような問題点がある。
（１）振動試験機は、試験台上に搭載した被試験体に往復加速度を加えて加速度特性を調査するものであるが、試験機の機構上、試験台の往復動（上下動）中に多少試験台が傾くことがあり、正確に試験台を往復動させることが困難である。即ち、試験中に加速度センサに往復方向以外の成分が働くことになり、加速度を干渉出力を含んで計測することとなり、センサの諸特性を精密に調査するには十分ではない。
（２）前記振動試験機は振動発生装置を用いて加速度センサに実際に振動を与えて試験を行っているため、試験装置が大掛かりにならざるを得ず、その上、振動という動的加速度を実際に加速度センサに与えなければならないため、加速度センサの性能試験が面倒である。
【０００４】
このような背景において本発明者らは、上述の諸問題を解決するために、特性精度を飛躍的に向上できる新規な遠心力加速度試験機（ターンテーブル式加速度発生装置）を提案した（特開平７−１１０３４２号公報参照）。このターンテーブル式加速度発生装置は、試験台上に搭載した加速度センサに遠心力によって所定方向、所定力の加速度（即ちＤＣ成分の加速度）を加え、これによって加速度センサの諸特性を精密に試験することができるというものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のターンテーブル式加速度発生装置を使用して加速度センサの特性調査を行なう場合、小径ターンテーブルの回転中心と被検査体としての加速度センサの感度軸重心とを一致させることが実際上では殆ど不可能であり、このため、出力信号の中から小径ターンテーブルの回転中心と加速度センサの感度軸重心との偏心によって生じる出力誤差が発生し、この誤差を様々な手法によって補正する必要があった。
即ち、市販されている加速度センサの特性試験をする際には、加速度センサの感度軸重心を知ることが非常に重要であるが、現在では、そうした感度軸重心を正確に知る手法がなく、このため、加速度センサの特性出力値には必ず感度軸重心のずれが原因となる誤差が入り込み、正確な加速度センサ特性を知ることが出来なかった。このようにターンテーブル式加速度発生装置を使って加速度センサの特性試験を行う場合、従来の振動式加速度試験機に比較してその試験が格段に容易になったものの、加速度センサの感度軸重心と小径ターンテーブルの回転中心とを確実に一致させることが出来なかったため、加速度センサの精密な特性を知る上で不充分な点があった。
【０００６】
こうした背景のもと、本発明者は加速度センサの感度軸重心の偏心の影響を除去する方法について、鋭意研究を進めた結果、上述したターンテーブル式加速度発生装置を使用して出力した加速度センサの出力成分中には、加速度センサの本来の特性を示す低周波成分と感度軸重心が偏心していることによって生じる直流成分（偏心誤差成分）とが重畳していることを見いだした。
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、上記直流成分を取り除くことで加速度センサの感度軸重心と小径ターンテーブルの回転中心とがどの位置に偏心していても、その偏心誤差をキャンセルできるターンテーブル式加速度発生装置における加速度センサの偏心誤差のキャンセル装置およびその方法を提案し、上記問題点を解決することを目的とする。
本発明によれば、加速度センサの感度軸重心がどの位置に偏心して設置されても、あるいは、加速度センサの感度軸重心の位置が不明な加速度センサであっても、加速度センサの校正が可能となり、常に極めて正確に加速度センサ特性を知ることが可能となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
第１サーボモータ６と、該第１サーボモータ６によって回転される大径ターンテーブル１と、大径ターンテーブル１の一面側に配置され加速度センサを取り付けることが出来る小径ターンテーブルと、大径ターンテーブル１の他面側に取り付けられ前記小径ターンテーブルを回転させる第２サーボモータ１１とを備え、前記大径ターンテーブルの小径ターンテーブルを取り付けた側に小径ターンテーブル上の加速度センサからの出力信号を取り出す信号取り出し線を配置し、前記大径ターンテーブルの第２サーボモータを取り付けた側に第２サーボモータへの制御信号線を配置し、さらに前記大径ターンテーブルには前記制御信号線と同じ側にアース線が配置接続されており、前記小径ターンテーブル上に載置した加速度センサからの出力信号の中から直流成分を除去する直流成分除去手段を設けたことを特徴とする加速度センサの偏心誤差のキャンセル装置である。
また、前記直流成分除去手段はハイパスフィルターであることを特徴とする加速度センサの偏心誤差のキャンセル装置である。
【０００８】
【実施形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の係る回転式加速度発生装置としてのターンテーブル式加速度発生装置の概略側面図である。
以下図を参照して、本発明において使用するターンテーブル式加速度発生装置の構成を説明すると、１は適宜直径を有し、アルミまたは銅等の非磁性体からなる回転体としての大径ターンテーブルであり、この大径ターンテーブル１には回転軸２が固定されており、大径ターンテーブル１の回転軸２の上下端は図示せぬターンテーブル支持アームに設けた軸受によって軸支されており、大径ターンテーブル１が回転軸２を中心に回転できるようになっている。
【０００９】
回転軸２にはエンコーダを備えた大径ターンテーブル駆動用のサーボモータ６（以下第１サーボモータ６という）が取り付けられており、電力供給線２１、制御信号線２２を介して制御機器と接続されている。このため、第１サーボモータ６を駆動すると大径ターンテーブル１もターンテーブル支持アームに対して回転することになる。
【００１０】
大径ターンテーブル１の適宜位置にはセンサ載置台を兼ねた回転体としての小径ターンテーブル９が回転自在に軸支されており、この小径ターンテーブル９の回転軸１０に小径ターンテーブル駆動用のサーボモータ１１（以下第２サーボモータ１１という）の出力軸が連結され、第２サーボモータ１１が駆動すると小径ターンテーブル９が回転するようになっている。１８はスリップリングである。大径ターンテーブル１には回転バランスをとるために前記小径ターンテーブル９と第２サーボモータ１１との重量に見合ったバランサ（不図示）が所定の位置に設けられており、大径ターンテーブル１がスムーズに回転できるようにしてある。また小径ターンテーブルもスムーズな回転を実現できるよう必要に応じてバランサを取り付ける。
大径ターンテーブル１の回転軸２の大径ターンテーブル１より下側適所には第１スリップリング１３が配置され、この第１スリップリング１３に前述の第２サーボモータ１１に電力を供給するための電力・制御信号線１４および大径ターンテーブル１のアース線１５が接続されている。
【００１１】
また、大径ターンテーブル１の上側適所の回転軸２には第２スリップリング１６が配置され、この第２スリップリング１６に小径ターンテーブル９上に乗せた加速度センサ２０からの信号を取り出すための信号取り出し線１７の一端が接続されている。信号取り出し線１７の他端は、小径ターンテーブル９の回転軸に設けた第３スリップリング１８に接続されている。
このため回転している小径ターンテーブル９上の加速度センサからの信号は、小径ターンテーブル９および大径ターンテーブル１がともに回転中であっても第３、第２スリップリング１８、１６を介して装置外の測定機器により計測できる構成となっている。
【００１２】
上記の如く構成されたターンテーブル式加速度発生装置では以下のようにして加速度センサの特性試験がおこなわれる。
１．大径ターンテーブル１上の小径ターンテーブル９に加速度センサ２０を固定する。
２．第１サーボモータ６によって大径ターンテーブル１を回転させ遠心力を発生させ、同時に小径ターンテーブル９を第２サーボモータ１１によって回転させながら加速度センサ２０に対して所定方向、所定力の加速度を発生させ、加速度センサの特性を測定する。
３．第１サーボモータ６には電力供給、制御信号線を介して制御機器から電力が供給され、また第２サーボモータ１１には第１スリップリング１３を介して図外の制御機器から電力供給、制御信号等が供給される。なお、大径ターンテーブル１は第１スリップリング１３を介してアースされている。
４．加速度センサ２０からの信号は、小径ターンテーブル９の回転軸に設けた第３スリップリング１８、大径ターンテーブル１の上側に配線した信号取り出し線１７、第２スリップリング１６を介して計測器に伝達され、所定のデータが収集される。
【００１３】
ところで上記特性測定の際には上述したように、加速度センサの感度軸重心と小径ターンテーブルの回転中心とを一致させることが困難であり、その結果出力した加速度センサの出力成分中には、加速度センサの本来の特性を示す低周波成分と感度軸重心が偏心していることによって生じるノイズ成分とが重畳しており、精密な加速度センサの特性を調査することが困難である。
そこで本発明者は、上記ターンテーブル式加速度センサの出力成分について理論的に考察をすすめた結果、測定時の出力波形中には加速度センサの本来の特性を示す低周波成分と感度軸重心が偏心していることによって生じる直流成分とが重畳していることを見いだし、出力成分中から直流成分のみを除去することで容易に加速度センサの正確な特性を得ることができることを確認した。
【００１４】
以下加速度センサの出力成分の解析手法を図２を参照して説明する。
図２中、１は大径ターンテーブル（以下主ターンテーブルという）、９は小径ターンテーブル（以下副ターンテーブルという）、２０は被検査体としての加速度センサである。
図において座標系ＸＹを、主ターンテーブル１の回転軸を原点、副ターンテーブル９の回転軸方向をＸ軸、原点を通りＸ軸に直角方向をＹ軸とする座標系と定義する。原点から副ターンテーブル９の回転軸までの距離をＲ、主ターンテーブル１と副ターンテーブル９はそれぞれ、角速度ω1 、ω2 、で時計廻りに回転し、副ターンテーブル９の回転軸からｒだけ偏心して加速度センサ２０の感度軸重心が設置されているとする。
このとき、各ターンテーブルの回転前では加速度センサの感度軸はＸ軸に平行になるように設置され、また、その感度軸とＸ軸が完全に一致していない場合の偏角をθ1 とする。また、各ターンテーブルの回転前のＸ軸とベクトルｒとの角度をθ0 とする。
ここで、主ターンテーブル１の回転により発生する加速度を見てみると、加速度センサ感度軸重心の座標ベクトルｒR は
【００１５】
【数１】
【００１６】
【数２】
【００１７】
【数３】
いま、副ターンテーブル９がω2 で回転するとすればベクトルＲ、ベクトルｒに作用する加速度のセンサ感度軸方向の成分ａR0、ａr0は以下の通りとなる。
【００１８】
【数４】
以上から、主ターンテーブル１の回転による加速度センサの感度軸方向の全体の加速度成分ａTmは以下の通りとなる。
副ターンテーブル９の回転前では、副ターンテーブル９の回転軸を通り、Ｙ軸に平行な直線の右平面側に加速度センサの感度軸重心が設置されている場合、ベクトルｒによる加速度ａr は加速度センサの正の感度軸方向に作用し、
【００１９】
【数５】
左平面に設置されている場合は、ベクトルｒによる加速度ａr は加速度センサの負の感度軸方向に作用し、
【００２０】
【数６】
副ターンテーブル９の回転により発生する加速度
偏心がある場合、副ターンテーブル９の回転による求心加速度が発生し、加速度センサの感度軸方向の成分として追加される。副ターンテーブル９の回転によって発生する求心加速度ベクトルａω2 は以下の通り求めることができる。
【００２１】
【数７】
【００２２】
【数８】
又、加速度センサの感度軸方向の成分ａω20は
【００２３】
【数９】
全体の加速度
以上から、加速度センサの感度軸方向の全体の加速度成分ａT は以下の通りとなる。
ａ）加速度センサ感度軸重心が副ターンテーブル９の回転軸を通り、Ｙ軸に平行な直線に対して、右平面に設置されている場合
【００２４】
【数１０】
【００２５】
【数１１】
よって、加速度センサの感度軸重心がどの位置に偏心して設置されていたとしても、加速度センサ出力の偏心の影響は、偏心が無い場合の加速度センサ出力に直流成分が追加される結果となる。つまり、加速度センサ出力の直流成分を除去することで、偏心の影響を無視することが可能となる。また、位相特性に関しては副ターンテーブル９の回転前に加速度センサの感度軸とＸ軸が平行であれば、位相特性の測定に誤差は生じない。但し、感度軸とＸ軸が完全に一致していない場合にはθ1 だけの位相ずれが発生する。
ここで、加速度センサからの出力信号から直流成分のみを取り除くブロック図を図３に示す。この図に示すものはハイパスフィルター（Ｈ．Ｐ．Ｆ）を使用して直流成分を除去している。
以上は、偏心位置ベクトルｒは一般的には不明だが、加速度センサの感度軸方向とＸ軸はほぼ平行に設置出来ることを前提としている。
【００２６】
上記解析に基づいて加速度センサ感度軸重心が設置される位置とセンサ出力の関係についてシミュレ−ションした結果を以下に示す。
＜条件＞
回転半径 Ｒ ：０．２ｍ
偏心量 ｒ ：０．０００８ｍ
主ターンテーブル１の角速度 ω1 ：７．００ｒａｄ／ｓ
副ターンテーブル９の角速度 ω2 ：１２５．７ｒａｄ／ｓ（２０Ｈｚ）
上記条件にて主ターンテーブル１の回転によって発生する加速度は１Ｇ。
偏心量はトルクバランス型加速度センサの偏心量の一例（この値は加速度センサのタイプによって異なる）。
＜図の記号＞
ａR ：主ターンテーブル１の回転によるベクトルＲに作用する加速度の大きさ
ａr ：主ターンテーブル１の回転によるベクトルｒに作用する加速度の大きさ
ａω2 ：副ターンテーブル９の回転によるベクトルｒに作用する加速度の大きさ
ａR0：ａR の加速度センサ感度軸方向成分
ａr0：ａr の加速度センサ感度軸方向成分
ａω20：ａω2 の加速度センサ感度軸方向成分
ａT ：加速度センサ感度軸方向の全体の加速度成分
【００２７】
図４に示すように感度軸とＸ軸との偏角θ1 が大きくなると、加速度センサ出力信号に、θ1 に応じた位相ずれが発生する。また、θ1 分のａr 、ａω2 の加速度センサ感度軸方向成分も減少する。ａr の誤差は１％程度、ａω2 の誤差は副ターンテーブル９の角速度の二乗に比例して大きくなり、２０Ｈｚの場合、重大な誤差要素（最大で１００％程度、最初の偏心位置に依存する）となる。この特性は加速度センサの感度軸がどの位置に設置されたとしても同じ結果となる。
このため、図５以下からはθ1 ＝０の場合のみの出力波形を示す。
以上のように、本発明では加速度センサの感度軸重心と小径ターンテーブルの回転中心とがどの位置に偏心していても、あるいは、加速度センサの感度軸重心の位置が不明な加速度センサであっても、加速度センサの校正が可能となり、常に極めて正確な加速度センサ特性を知ることが可能となる。
なお上記実施形態では、回転体としてターンテーブルを使用した例について説明したが、安定した回転をうることができるものであれば必ずしもターンテーブルに限定する必要はない。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳細に述べた如く本発明によれば、本ターンテーブル式加速度発生装置の副ターンテーブル上に載置した加速度センサの感度軸重心と小径ターンテーブルの回転中心とがどの位置に偏心していても、あるいは、加速度センサの感度軸重心の位置が不明な加速度センサであっても、その偏心誤差をキャンセルすることができ、常に極めて正確な加速度センサ特性を知ることが可能となるという優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るターンテーブル式加速度発生装置の概略側面図である。
【図２】本ターンテーブル式加速度発生装置による加速度発生状態の説明図である。
【図３】加速度センサからの出力信号から直流成分を除去するためのブロック図である。
【図４】副ターンテーブルの回転前のＸ軸とベクトルｒとの角度がθ0 ＝０ｒａｄである時の加速度センサ感度軸重心の位置とセンサ出力の図である。
【図５】副ターンテーブルの回転前のＸ軸とベクトルｒとの角度が０＜θ0 ＜π／２（ｒａｄ）である時の加速度センサ感度軸重心の位置とセンサ出力の図である。
【図６】副ターンテーブルの回転前のＸ軸とベクトルｒとの角度がθ0 ＝π／２（ｒａｄ）である時の加速度センサ感度軸重心の位置とセンサ出力の図である。
【図７】副ターンテーブルの回転前のＸ軸とベクトルｒとの角度がπ／２＜θ0 ＜π（ｒａｄ）である時の加速度センサ感度軸重心の位置とセンサ出力の図である。
【図８】副ターンテーブルの回転前のＸ軸とベクトルｒとの角度がθ0 ＝π（ｒａｄ）である時の加速度センサ感度軸重心の位置とセンサ出力の図である。
【符号の説明】
１ 大径ターンテーブル（主ターンテーブル）
２ 回転軸
６ 第１サーボモータ
９ 小径ターンテーブル（副ターンテーブル）
１０ 回転軸
１１ 第２サーボモータ
１３ 第１スリップリング
１４ 電力・制御信号線（第２サーボモータ用）
１５ アース線
１６ 第２スリップリング
１７ 信号取り出し線
１８ 第３スリップリング
２０ 加速度センサ
２１ 電力線（第１サーボモータ用）
２２ 制御信号線（第１サーボモータ用）
Claims (2)
- 第１サーボモータ６と、該第１サーボモータ６によって回転される大径ターンテーブル１と、大径ターンテーブル１の一面側に配置され加速度センサを取り付けることが出来る小径ターンテーブルと、大径ターンテーブル１の他面側に取り付けられ前記小径ターンテーブルを回転させる第２サーボモータ１１とを備え、前記大径ターンテーブルの小径ターンテーブルを取り付けた側に小径ターンテーブル上の加速度センサからの出力信号を取り出す信号取り出し線を配置し、前記大径ターンテーブルの第２サーボモータを取り付けた側に第２サーボモータへの制御信号線を配置し、さらに前記大径ターンテーブルには前記制御信号線と同じ側にアース線が配置接続されており、前記小径ターンテーブル上に載置した加速度センサからの出力信号の中から直流成分を除去する直流成分除去手段を設けたことを特徴とする加速度センサの偏心誤差のキャンセル装置。
- 前記直流成分除去手段はハイパスフィルターであることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサの偏心誤差のキャンセル装置。
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