JP5697149B2 - Acceleration sensor characteristic evaluation method and program - Google Patents
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Description
本発明はたとえば変位測定手段として用いられる加速度センサの特性評価方法及びプログラム、特に、加速度センサのセンサ主軸方向及び感度を同定する特性評価方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a characteristic evaluation method and program for an acceleration sensor used as, for example, a displacement measuring means, and more particularly to a characteristic evaluation method and program for identifying the sensor main axis direction and sensitivity of the acceleration sensor.
たとえば3軸加速度センサの校正方法はISO16063(参照:非特許文献1)、ISO5347(参照:非特許文献2)等で定義されているが、これらの方法は加速度センサのパッケージの方向と加速度センサの各軸のセンサ主軸方向とが一致していることが前提となっている。しかしながら、この前提は必ずしも保証されているとは言えない。しかも、上述の校正方法は加速度センサに対して直動方向で加速度を入力するので、この入力加速度を知るには、一般には、変位センサのデータを2回微分するか、あるいは、加速度センサの質量及び力を同時に計測する必要がある。この結果、高精度の校正を実現することは技術的に困難がある。 For example, the calibration method of the triaxial acceleration sensor is defined in ISO16063 (reference: Non-patent document 1), ISO5347 (reference: Non-patent document 2), etc. It is assumed that the sensor spindle direction of each axis matches. However, this assumption is not always guaranteed. In addition, since the above-described calibration method inputs acceleration in the linear motion direction to the acceleration sensor, in general, in order to know the input acceleration, the displacement sensor data is differentiated twice or the mass of the acceleration sensor. And force must be measured simultaneously. As a result, it is technically difficult to realize highly accurate calibration.
加速度センサ中のある一方向のセンサは、その原理上、基本的にその主軸方向の加速度しか検出できない。しかしながら、実際の加速度センサでは、製造時および取り付け時に生じる方向の誤差があるので、加速度センサのパッケージ方向と各センサ主軸方向とを完全に一致させることは困難である。また、現在広く普及しているマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)デバイスの加速度センサにおいても、加速度センサのパッケージ方向と各センサ主軸方向とを高精度に一致させることは容易ではない。この方向の不一致の結果、たとえば、x軸方向のセンサがy軸あるいはz軸方向の加速度を検出してしまうという現象を引き起こす。一般に、このような本来の検出方向でない加速度を検出してしまう度合は横感度と呼ばれ、加速度センサのデータシートに記載されている場合も少なくない。 A sensor in one direction among the acceleration sensors can basically detect only the acceleration in the principal axis direction in principle. However, in an actual acceleration sensor, there is an error in the direction that occurs at the time of manufacture and attachment, so it is difficult to completely match the package direction of the acceleration sensor with the direction of each sensor spindle. Further, even in the acceleration sensor of a micro electro mechanical system (MEMS) device that is widely used at present, it is not easy to make the package direction of the acceleration sensor coincide with each sensor main axis direction with high accuracy. As a result of this mismatch in direction, for example, a phenomenon occurs in which the sensor in the x-axis direction detects acceleration in the y-axis or z-axis direction. In general, the degree of detection of acceleration that is not in the original detection direction is called lateral sensitivity, and is often described in a data sheet of the acceleration sensor.
従来の加速度センサ特性評価方法によれば、加速度センサに定義したx軸方向がテーブルの振動x軸方向と一致するように加速度センサをテーブル上に取り付けた立方体ブロック(パッケージに相当)を固定しテーブルをx軸方向に正弦波加振してx軸に関する主軸感度Sxxを求め、また、加速度センサに定義したy軸方向がテーブルの振動x軸方向と一致するように加速度センサをテーブル上に取り付けた立方体ブロック(パッケージに相当)を固定しテーブルをy軸方向に正弦波加振してx軸に関する横感度Sxyを求め、さらに、加速度センサに定義したz軸方向がテーブルの振動x軸方向と一致するように加速度センサをテーブル上に取り付けた立方体ブロック(パッケージに相当)を固定しテーブルをz軸方向に正弦波加振してx軸に関する横感度Sxzを求める。同様にして、並進化速度に関する感度Syx、Syy、Syz、Szx、Szy、Szzを求める。これにより、加速度を正確な三次元ベクトルとして算出できる(参照:特許文献1及び非特許文献3)。 According to a conventional acceleration sensor characteristic evaluation method, a cube block (corresponding to a package) in which an acceleration sensor is mounted on a table is fixed so that the x-axis direction defined in the acceleration sensor matches the vibration x-axis direction of the table. Sine wave in the x-axis direction to obtain the principal axis sensitivity Sxx for the x-axis, and the acceleration sensor is mounted on the table so that the y-axis direction defined for the acceleration sensor matches the vibration x-axis direction of the table The cube block (corresponding to the package) is fixed and the table is sine wave-excited in the y-axis direction to obtain the lateral sensitivity S xy with respect to the x-axis. A cubic block (corresponding to a package) with an acceleration sensor mounted on the table is fixed so that it coincides with the sine wave in the z-axis direction and the x-axis Determine the horizontal sensitivity S xz related. Similarly, sensitivities S yx , S yy , S yz , S zx , S zy , and S zz related to the parallel evolution rate are obtained. Thereby, acceleration can be calculated as an accurate three-dimensional vector (see: Patent Document 1 and Non-Patent Document 3).
しかしながら、上述の従来の加速度センサ特性評価方法によれば、コスト、測定時間、及び測定精度の点で劣るという課題があった。 However, according to the conventional acceleration sensor characteristic evaluation method described above, there is a problem that the cost, the measurement time, and the measurement accuracy are inferior.
従って、本発明は慣性モーメント、摩擦力が位相に依存しなくするようにした上に、重量バランスによってどのような位相でも必要トルクが一定となるようにし、加速度センサを外界に対して角度姿勢を保持させた状態で等速円運動を可能にして、微小時間でも、高精度の2軸同時測定を可能にする加速度センサ特性評価装置を用いて、加速度センサのセンサ主軸方向及び感度を同定する。 Therefore, according to the present invention, the moment of inertia and the frictional force are made independent of the phase, and the necessary torque is made constant at any phase due to the weight balance, so that the acceleration sensor is positioned at an angle with respect to the outside world. The sensor main axis direction and sensitivity of the acceleration sensor are identified by using an acceleration sensor characteristic evaluation device that enables constant-speed circular motion in a held state and enables high-precision simultaneous measurement of two axes even in a minute time.
上述の課題を解決するために、本発明に係る加速度センサ特性評価方法は、テーブルと、テーブルに接続され、同一長さを有する、無限回転可能かつ平行の少なくとも2つのリンクと、これら各リンクを同期回転駆動させるための駆動手段とを有する加速度センサ特性評価装置のテーブルのxyz座標系に対して加速度センサパッケージの123座標系を第1の回転行列を用いて回転させて加速度センサパッケージをテーブルに固定する段階と、第1の回転行列を用いて回転固定後にテーブルを駆動手段によってxyz座標系のxy平面上で等速円運動による加振を行って加速度センサパッケージ内の各センサの正弦波状の出力電圧を用いて各センサの主軸方向のxyz座標系のxy平面上の第1の射影方向を演算する段階と、xyz座標系のz軸及びxyz座標系のxy平面上の第1の射影方向を含む第1の平面を演算する段階と、xyz座標系の第1の平面を第1の回転行列の逆行列を用いて123座標系の第1の平面に変換する段階と、テーブルのxyz座標系に対して加速度センサパッケージの123座標系を第1の回転行列と異なる第2の回転行列を用いて回転させて加速度センサパッケージをテーブルに固定する段階と、第2の回転行列に用いた回転固定後にテーブルを駆動手段によってxyz座標系のxy平面上で等速円運動による加振を行って加速度センサパッケージ内の各センサの正弦波状の出力電圧を用いて各センサの主軸方向のxyz座標系のxy平面上の第2の射影方向を演算する段階と、xyz座標系のz軸及びxyz座標系のxy平面上の第2の射影方向を含む第2の平面を演算する段階と、xyz座標系の第2の平面を第2の回転行列の逆行列を用いて123座標系の第2の平面に変換する段階と、123座標系の第1、第2の平面の交線を加速度センサパッケージの各センサの主軸方向として演算する段階とを具備するものである。また、加速度センサパッケージの各センサの主軸方向の単位ベクトルと等速円運動による入力加速度ベクトルとの内積に応じた各センサからの出力電圧によって各センサの感度を演算する段階を具備する。 In order to solve the above-described problems, an acceleration sensor characteristic evaluation method according to the present invention includes a table, at least two links that are connected to the table and have the same length, are infinitely rotatable, and are parallel to each other. A 123 coordinate system of the acceleration sensor package is rotated using the first rotation matrix with respect to the xyz coordinate system of the table of the acceleration sensor characteristic evaluation apparatus having a driving means for synchronously rotating the acceleration sensor package. And a step of fixing the table using the first rotation matrix, and performing a vibration by a constant-speed circular motion on the xy plane of the xyz coordinate system by the driving means after the rotation is fixed by the driving means. Calculating a first projection direction on the xy plane of the xyz coordinate system in the principal axis direction of each sensor using the output voltage; and the z-axis of the xyz coordinate system and the xy of the xyz coordinate system Calculating a first plane including a first projection direction on the surface, and converting the first plane of the xyz coordinate system to the first plane of the 123 coordinate system using an inverse matrix of the first rotation matrix Rotating the 123 coordinate system of the acceleration sensor package with respect to the xyz coordinate system of the table using a second rotation matrix different from the first rotation matrix, and fixing the acceleration sensor package to the table; After the rotation is fixed to the rotation matrix of 2, the table is excited by a constant velocity circular motion on the xy plane of the xyz coordinate system by the driving means, and the output voltage of the sine wave of each sensor in the acceleration sensor package is used. Calculating a second projection direction on the xy plane of the xyz coordinate system in the principal axis direction of the sensor, and a second plane including the z axis of the xyz coordinate system and the second projection direction on the xy plane of the xyz coordinate system And the second plane of the xyz coordinate system Using the inverse of the rotation matrix of 2 to convert to the second plane of the 123 coordinate system, and calculating the intersection of the first and second planes of the 123 coordinate system as the principal axis direction of each sensor of the acceleration sensor package The step of performing. In addition, the method includes a step of calculating the sensitivity of each sensor based on an output voltage from each sensor corresponding to an inner product of a unit vector in the principal axis direction of each sensor of the acceleration sensor package and an input acceleration vector by a constant velocity circular motion.
また、本発明に係る加速度センサ特性評価プログラムは、テーブルと、テーブルに接続され、同一長さを有する、無限回転可能かつ平行の少なくとも2つのリンクと、これら各リンクを同期回転駆動させるための駆動手段とを有する加速度センサ特性評価装置のテーブルのxyz座標系に対して加速度センサパッケージの123座標系を第1の回転行列を用いて回転させて加速度センサパッケージをテーブルに固定した後に、テーブルを駆動手段によってxyz座標系のxy平面上で等速円運動による加振を行って加速度センサパッケージ内の各センサの正弦波状の出力電圧を用いて各センサの主軸方向のxyz座標系のxy平面上の第1の射影方向を演算する手順と、xyz座標系のz軸及びxyz座標系のxy平面上の第1の射影方向を含む第1の平面を演算する手順と、xyz座標系の第1の平面を第1の回転行列の逆行列を用いて123座標系の第1の平面に変換する手順と、テーブルのxyz座標系に対して加速度センサパッケージの123座標系を第1の回転行列と異なる第2の回転行列を用いて回転させて加速度センサパッケージをテーブルに固定した後に、テーブルを駆動手段によってxyz座標系のxy平面上で等速円運動による加振を行って加速度センサパッケージ内の各センサの正弦波状の出力電圧を用いて各センサの主軸方向のxyz座標系のxy平面上の第2の射影方向を演算する手順と、xyz座標系のz軸及びxyz座標系のxy平面上の第2の射影方向を含む第2の平面を演算する手順と、xyz座標系の第2の平面を第2の回転行列の逆行列を用いて123座標系の第2の平面に変換する手順と、123座標系の第1、第2の平面の交線を加速度センサパッケージの各センサの主軸方向として演算する手順とを具備するものである。また、加速度センサパッケージの各センサの主軸方向の単位ベクトルと等速円運動による入力加速度ベクトルとの内積に応じた各センサからの出力電圧によって各センサの感度を演算する手順を具備する。 The acceleration sensor characteristic evaluation program according to the present invention includes a table, at least two links that are connected to the table and have the same length and are infinitely rotatable and parallel, and driving for synchronously driving these links. The acceleration sensor package 123 is rotated with respect to the xyz coordinate system of the acceleration sensor characteristic evaluation apparatus table using the first rotation matrix to fix the acceleration sensor package to the table, and then the table is driven. By means of a constant velocity circular motion on the xy plane of the xyz coordinate system by means and using the sinusoidal output voltage of each sensor in the acceleration sensor package on the xy plane of the xyz coordinate system in the principal axis direction of each sensor A procedure for calculating a first projection direction and a procedure for calculating a first plane including the z-axis of the xyz coordinate system and the first projection direction on the xy plane of the xyz coordinate system , A procedure for converting the first plane of the xyz coordinate system to the first plane of the 123 coordinate system using the inverse matrix of the first rotation matrix, and the 123 coordinate system of the acceleration sensor package with respect to the xyz coordinate system of the table Is rotated using a second rotation matrix different from the first rotation matrix to fix the acceleration sensor package to the table, and then the table is driven by a constant velocity circular motion on the xy plane of the xyz coordinate system by the driving means. Performing a second projecting direction on the xy plane of the xyz coordinate system in the principal axis direction of each sensor using the sine wave-like output voltage of each sensor in the acceleration sensor package; A procedure for calculating the second plane including the second projection direction on the xy plane of the xyz coordinate system, and the second plane of the xyz coordinate system using the inverse matrix of the second rotation matrix and the second plane of the 123 coordinate system. The procedure for converting to a plane of 2 and the 123rd coordinate system It is intended to and a procedure for calculating the line of intersection of the second plane as the main axis of the respective sensors of the acceleration sensor package. Further, a procedure is provided for calculating the sensitivity of each sensor based on the output voltage from each sensor in accordance with the inner product of the unit vector in the principal axis direction of each sensor of the acceleration sensor package and the input acceleration vector by constant velocity circular motion.
本発明によれば、従来の加速度センサ特性評価方法において用いられた横感度という概念は不要となり、センサ主軸の方向を回転行列及びその逆行列を用いて演算しているので、コスト、測定時間及び測定精度の点で優れている。 According to the present invention, the concept of lateral sensitivity used in the conventional acceleration sensor characteristic evaluation method is not necessary, and the direction of the sensor main axis is calculated using the rotation matrix and its inverse matrix. Excellent in measurement accuracy.
図1は本発明に係る加速度センサ特性評価装置を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing an acceleration sensor characteristic evaluation apparatus according to the present invention.
図1に示すように、加速度センサパッケージ1を固定する正三角状のテーブル2の各頂点に、同一長さrたとえば50mmのリンク3−1、3−2、3−3が接続されている。リンク3−1、3−2、3−3は互いに平行であり、矢印R1、R2、R3に示すごとく、これらの回転軸4−1、4−2、4−3に対して無限回転可能である。従って、ベアリングの偏り等を無視すれば、テーブル2の慣性モーメント、摩擦力は位相に依存せずに一定となり、テーブル2つまり加速度センサパッケージ1は外界に対して姿勢を保持した状態で、矢印R0に示すごとく、リンク3−1、3−2、3−3の長さrを半径とする完全な等速円運動が可能となる。この等速円運動の角度θはテーブル2上に設けられたロータリエンコーダ2aによって検出される。この結果、加速度センサパッケージ1は同時にx方向、y方向に正弦波振動を受け、これにより、加速度センサパッケージ1の2軸同時測定が可能となる。また、加速度センサパッケージ1の既知の変位がリンク3−1、3−2、3−3の長さrを半径とする真円で保証されるので、加速度センサパッケージ1の測定値の補正も可能となる。 As shown in FIG. 1, links 3-1, 3-2 and 3-3 having the same length r, for example, 50 mm, are connected to each vertex of a regular triangular table 2 for fixing the acceleration sensor package 1. The links 3-1, 3-2 and 3-3 are parallel to each other, and can rotate infinitely with respect to the rotation axes 4-1, 4-2 and 4-3 as indicated by arrows R 1, R 2 and R 3. is there. Therefore, if the bias of the bearing is ignored, the moment of inertia and the frictional force of the table 2 are constant without depending on the phase, and the table R2, that is, the acceleration sensor package 1, holds the posture with respect to the outside and the arrow R0 As shown in FIG. 4, complete constant-speed circular motion with the radius r of the link 3-1, 3-2, 3-3 is possible. The angle θ of the constant velocity circular motion is detected by a rotary encoder 2 a provided on the table 2. As a result, the acceleration sensor package 1 is simultaneously subjected to sinusoidal vibration in the x direction and the y direction, thereby enabling the biaxial simultaneous measurement of the acceleration sensor package 1. In addition, since the known displacement of the acceleration sensor package 1 is guaranteed by a perfect circle whose radius is the length r of the links 3-1, 3-2 and 3-3, the measurement value of the acceleration sensor package 1 can be corrected. It becomes.
加速度センサパッケージ1の正弦波状の1軸加速度信号vout_1、2軸加速度信号vout_2及び3軸加速度信号vout_3はロータリエンコーダ2aの角度信号Eに同期して制御回路(コンピュータ)10に供給され、この結果、制御回路10は1軸加速度信号vout_1、2軸加速度信号vout_2及び3軸加速度信号vout_3から加速度センサパッケージ1のセンサ主軸方向及び感度を演算する。 The sinusoidal uniaxial acceleration signal v out_1 , the biaxial acceleration signal v out_2 and the triaxial acceleration signal v out_3 of the acceleration sensor package 1 are supplied to the control circuit (computer) 10 in synchronization with the angle signal E of the rotary encoder 2a. As a result, the control circuit 10 calculates the sensor main axis direction and sensitivity of the acceleration sensor package 1 from the uniaxial acceleration signal vout_1 , the biaxial acceleration signal vout_2, and the triaxial acceleration signal vout_3 .
図1においては、加速度センサ特性評価装置の固定部の座標系をxyzとし、その基底ベクトルをベクトルex、ey、ezとする。また、加速度センサパッケージ1の座標系を123とし、その基底ベクトルをベクトルe1、e2、e3とする。尚、ベクトルは、明細書の式及び図面においては、表示「ベクトル」の代りに、太字で表わすものとする。 In Figure 1, the coordinate system of the fixed portion of the acceleration sensor characteristic evaluation apparatus and xyz, to the base vector vectors e x, e y, and e z. The coordinate system of the acceleration sensor package 1 is 123, and its base vectors are vectors e 1 , e 2 , and e 3 . In the formulas and drawings of the specification, the vector is expressed in bold instead of the display “vector”.
図2は図1の加速度センサ特性評価装置の詳細を示す斜視図、図3は図2の加速度センサ特性評価装置の部分断面図であって、特に、リンク3−2、3−3の断面図を示している。 2 is a perspective view showing details of the acceleration sensor characteristic evaluation apparatus of FIG. 1, and FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the acceleration sensor characteristic evaluation apparatus of FIG. 2, particularly, a cross-sectional view of links 3-2 and 3-3. Is shown.
図2、図3に示すように、リンク3−1、3−2、3−3は2つの支持板5−1、5−2の間にねじによって固定されている。また、支持板5−1、5−2は4つの支持柱6−1、6−2、6−3、6−4によって支持されている。各リンク3−1、3−2、3−3は回転軸4−1、4−2、4−3とテーブル2の保持軸8−1、8−2、8−3との距離で表わされる同一長さrを有しており、rを半径として同期して無限回転可能である。この結果、リンク3−1、3−2、3−3が同期して半径rで回転すると、テーブル2つまり加速度センサパッケージ1も半径rで円運動することになる。 As shown in FIGS. 2 and 3, the links 3-1, 3-2 and 3-3 are fixed by screws between the two support plates 5-1 and 5-2. The support plates 5-1 and 5-2 are supported by four support columns 6-1, 6-2, 6-3, and 6-4. Each of the links 3-1, 3-2 and 3-3 is represented by the distance between the rotary shafts 4-1, 4-2 and 4-3 and the holding shafts 8-1, 8-2 and 8-3 of the table 2. They have the same length r and can rotate infinitely in synchronization with r as the radius. As a result, when the links 3-1, 3-2 and 3-3 are synchronously rotated with the radius r, the table 2, that is, the acceleration sensor package 1 also moves circularly with the radius r.
また、回転時に荷重が偏るのを防止するために、各リンク3−1、3−2、3−3には、カウンタウェイト7−1、7−1’、7−2、7−2’、7−3、7−3’を設けて質量のバランスを図っている。たとえば、リンク3−2においては、M1はカウンタウェイト7−2、7−2’の質量中心、M2はカウンタウェイト7−2、7−2’を除くカウンタ3−2全体の質量中心とし、M3は加速度センサパッケージ1及びテーブル2の両者の1/3の質量中心とする。尚、“1/3”はリンク数に応じた値である。リンク数がnであれば、1/3は1/nとなる。この場合、加速度センサパッケージ1及びテーブル2の両者の1/3の質量が保持軸8−2にかかるように、カウンタウェイト7−2、7−2’の重さを定める。これにより、リンク3−1、3−2、3−3が回転しても、カウンタウェイト7−1、7−1’、7−2、7−2’、7−3、7−3’を含んだ各リンク3−1、3−2、3−3の質量中心は各リンク3−1、3−2、3−3の回転軸4−1、4−2、4−3にあるので、回転軸4−1、4−2、4−3には遠心力つまり並進力は発生せず、従って、安定な回転が得られる。また,ある回転軸について加速度センサパッケージ1及びテーブル2を合わせた質量中心(保持軸の位置に相当)から回転軸までの距離rと加速度センサパッケージ1及びテーブル2を合わせた質量との積と、各カウンタウェイトの質量中心から回転軸までの距離r’と各カウンタウェイトの積の合計とが一致すれば、加速度センサパッケージ1及びテーブル2を合わせた質量と各カウンタウェイトの合計質量は一致しなくてもよい。つまり、センサ系の質量×長さr=カウンタウェイト系の質量×長さr’を満足すればよい。 In order to prevent the load from being biased during rotation, the links 3-1, 3-2, 3-3 have counterweights 7-1, 7-1 ′, 7-2, 7-2 ′, 7-3 and 7-3 ′ are provided to balance the mass. For example, in the link 3-2, M1 is the center of mass of the counterweights 7-2 and 7-2 ′, M2 is the center of mass of the entire counter 3-2 excluding the counterweights 7-2 and 7-2 ′, and M3 Is the center of mass of 1/3 of both the acceleration sensor package 1 and the table 2. “1/3” is a value corresponding to the number of links. If the number of links is n, 1/3 becomes 1 / n. In this case, the weights of the counterweights 7-2 and 7-2 'are determined so that 1/3 of the mass of both the acceleration sensor package 1 and the table 2 is applied to the holding shaft 8-2. As a result, even if the links 3-1, 3-2, and 3-3 rotate, the counter weights 7-1, 7-1 ', 7-2, 7-2', 7-3, and 7-3 ' Since the center of mass of each included link 3-1, 3-2, 3-3 is on the rotating shaft 4-1, 4-2, 4-3 of each link 3-1, 3-2, 3-3, Centrifugal force, that is, translational force is not generated on the rotating shafts 4-1, 4-2, and 4-3, and thus stable rotation can be obtained. Further, the product of the distance r from the center of mass (corresponding to the position of the holding shaft) of the acceleration sensor package 1 and the table 2 to the rotation axis and the mass of the acceleration sensor package 1 and the table 2 together for a certain rotation axis; If the distance r ′ from the center of mass of each counterweight to the rotation axis and the sum of the products of each counterweight match, the total mass of the acceleration sensor package 1 and table 2 and the total mass of each counterweight do not match. May be. That is, the mass of the sensor system × the length r = the mass of the counterweight system × the length r ′ may be satisfied.
テーブル2及びリンク3−1、3−2、3−3は3つの平行リンク構造の結合であるので、リンク3−1、3−2、3−3の1つのみを駆動回転すれば、3つのリンク3−1、3−2、3−3は同期回転駆動される。図2、図3においては、リンク3−3のみが駆動モータ9によって回転板9aを介して駆動される。 Since the table 2 and the links 3-1, 3-2, 3-3 are a combination of three parallel link structures, if only one of the links 3-1, 3-2, 3-3 is driven and rotated, 3 The three links 3-1, 3-2, and 3-3 are driven to rotate synchronously. 2 and 3, only the link 3-3 is driven by the drive motor 9 via the rotating plate 9a.
さらに、装置を縦置きにして加速度センサパッケージ1が常に重力加速度gを受けながら動作することを想定し、各質量中心M1、M2、M3は装置の高さ方向でも一致させている。従って、装置がどのような傾きにおいても回転させる際のトルクはほとんど不要となり、非常に滑らかな回転が期待できると共に、装置を小型化できる。 Further, assuming that the apparatus is placed vertically and the acceleration sensor package 1 always operates while receiving gravitational acceleration g, the respective mass centers M1, M2, and M3 are made to coincide in the height direction of the apparatus. Therefore, almost no torque is required when the device is rotated at any inclination, and a very smooth rotation can be expected, and the device can be miniaturized.
尚、図1〜図3では、制御安定性、加工精度等を考慮してリンク3−1、3−2、3−3の数を3個としているが、リンク数は2もしくは4以上であってもよい。また、加速度センサパッケージ1のセンサとしては、たとえば、静電容量加速度センサであるが、本発明は他の加速度センサにも適用し得る。 1 to 3, the number of links 3-1, 3-2 and 3-3 is 3 in consideration of control stability, machining accuracy, etc., but the number of links is 2 or 4 or more. May be. Further, the acceleration sensor package 1 is, for example, a capacitance acceleration sensor, but the present invention can also be applied to other acceleration sensors.
図4は図1〜図3の加速度センサパッケージ1内における実際のセンサ主軸方向の単位ベクトルs1、s2、s3を示す。尚、s1、s2、s3は各センサ主軸をも指すものとする。単位ベクトルs1、s2、s3は123座標系に対する方向余弦で表わすことができる。
s1= [c11, c12, c13]t
s2= [c21, c22, c23]t
s3= [c31, c32, c33]t
但し、tは転置を意味する。理想的には、センサ主軸方向は加速度センサパッケージ1の座標方向に一致しており、
cij = δij
但し、δijはクロネッカーの記号、
i = 1, 2, 3
j = 1, 2, 3
つまり、
cii=1
cij=0 (i≠j)
であるが、実際には、図4に示すごとく、センサ主軸方向は加速度センサパッケージ1の座標方向に一致せず、この結果、i=jのときには、cijは1に近い値、つまり、
cij≒1
i≠jのときには、cijは0に近い値、つまり、
cij≒0
である。
FIG. 4 shows unit vectors s 1 , s 2 , and s 3 in the actual sensor main axis direction in the acceleration sensor package 1 of FIGS. Note that s 1 , s 2 , and s 3 also indicate the respective sensor spindles. The unit vectors s 1 , s 2 , s 3 can be represented by direction cosines for the 123 coordinate system.
s 1 = [c 11 , c 12 , c 13 ] t
s 2 = [c 21 , c 22 , c 23 ] t
s 3 = [c 31 , c 32 , c 33 ] t
However, t means transposition. Ideally, the sensor main axis direction coincides with the coordinate direction of the acceleration sensor package 1,
c ij = δ ij
Where δ ij is the Kronecker symbol,
i = 1, 2, 3
j = 1, 2, 3
That means
c ii = 1
c ij = 0 (i ≠ j)
However, in practice, as shown in FIG. 4, the sensor main axis direction does not coincide with the coordinate direction of the acceleration sensor package 1, and as a result, when i = j, c ij is a value close to 1, that is,
c ij ≒ 1
When i ≠ j, c ij is close to 0, that is,
c ij ≒ 0
It is.
図1〜図3において、図5の(A)に示すごとく、加速度センサパッケージ1の123座標系をxyz座標系に一致させかつ理想的な配置のセンサ主軸s1、s2、s3の場合の動作を説明する。 1 to 3, as shown in FIG. 5A, the sensor coordinate axes s 1 , s 2 , and s 3 are ideally arranged by matching the 123 coordinate system of the acceleration sensor package 1 with the xyz coordinate system. The operation of will be described.
すなわち、図1〜図3の加速度センサパッケージ1を等速円運動させると、遠心力及び重力によって加速度センサパッケージ1の各センサ主軸に加わる入力加速度ベクトルaは、xyz座標系(=123座標系)で表わすと、
a = [r|ω|2cosθ, r|ω|2sinθ, -g]t
但し、rは加速度センサパッケージ1の回転の半径、
ωは加速度センサパッケージ1の回転の角速度ベクトル、
θはエンコーダ角度、つまり、リンク3−1、3−2、3−3と単位ベクトルexとがなす角度、
gは重力加速度である。
2つのベクトルの内積si・aは各センサ主軸siのセンサの出力電圧のうち、ベクトルaによって生じた電圧を感度で除算した値とみなせる。従って、センサ主軸s1、s2、s3が理想的な配置の場合、つまり、cii=1、cij=0(i≠j)の場合、センサ主軸s1については、θ=0°のとき出力電圧vout_1は最大、θ=180°のとき出力電圧vout_1は最小、また、センサ主軸s2については、θ=90°のとき出力電圧vout_2は最大、θ=270°のとき出力電圧vout_2は最小、さらに、センサ主軸s3については、出力電圧vout_3は一定である。尚、図5の(B)はセンサ主軸s1に対応する出力電圧vout_1を示し、θ=0°で加速度つまり出力電圧vout_1が最大、θ=180°で加速度つまり出力電圧vout_1が最小となっている。
That is, when the acceleration sensor package 1 shown in FIGS. 1 to 3 is circularly moved at a constant speed, an input acceleration vector a applied to each sensor main axis of the acceleration sensor package 1 by centrifugal force and gravity is expressed in an xyz coordinate system (= 123 coordinate system). In terms of
a = [r | ω | 2 cosθ, r | ω | 2 sinθ, -g] t
Where r is the radius of rotation of the acceleration sensor package 1,
ω is an angular velocity vector of rotation of the acceleration sensor package 1,
θ is an encoder angle, that is, an angle formed by the links 3-1, 3-2, 3-3 and the unit vector e x ,
g is the gravitational acceleration.
The inner product s i · a of the two vectors can be regarded as a value obtained by dividing the voltage generated by the vector a by the sensitivity among the output voltages of the sensors of the sensor spindles s i . Therefore, when the sensor spindles s 1 , s 2 , and s 3 are ideally arranged, that is, when c ii = 1 and c ij = 0 (i ≠ j), θ = 0 ° for the sensor spindle s 1 Output voltage v out_1 is maximum when θ = 180 °, output voltage v out_1 is minimum when θ = 180 °, and for sensor spindle s 2 , output voltage v out_2 is maximum when θ = 90 °, and θ = 270 ° The output voltage v out — 2 is minimum, and the output voltage v out — 3 is constant for the sensor spindle s 3 . FIG. 5B shows the output voltage v out_1 corresponding to the sensor main axis s 1. When θ = 0 °, the acceleration, that is, the output voltage v out_1 is maximum, and when θ = 180 °, the acceleration, that is, the output voltage v out_1 is minimum. It has become.
図1〜図3において、図6の(A)に示すごとく、加速度センサパッケージ1の123座標系をxyz座標系に一致させかつ実際の配置のセンサ主軸s1、s2、s3の場合の動作を説明する。 In FIG. 1 to FIG. 3, as shown in FIG. 6A, the 123 coordinate system of the acceleration sensor package 1 is made coincident with the xyz coordinate system and the sensor main axes s 1 , s 2 , s 3 in the actual arrangement are used. The operation will be described.
この場合には、cii≒1、cij≒0(i≠j)であり、センサ主軸s1については、xy平面上の射影方向のずれをΔθ1とすれば、θ=0°と異なるθ=Δθ1のとき出力電圧vout_1は最大、θ=180°と異なるθ=180°+Δθ1のとき出力電圧vout_1は最小、また、センサ主軸s2については、xy平面上の射影方向のずれをΔθ2とすれば、θ=90°と異なるθ=90°+Δθ2のとき出力電圧vout_2は最大、θ=270°と異なるθ=270°+Δθ2のとき出力電圧vout_2は最小となる。さらに、センサ主軸s3についても、xy平面上の射影方向のずれをΔθ3とすれば、θ=Δθ3のとき出力電圧vout_3は最大、θ=180°+Δθ3のとき出力電圧vout_3は最小となる。尚、図6の(B)はセンサ主軸s1に対応する加速度信号(出力電圧)vout_1を示す。 In this case, c ii ≈ 1, c ij ≈ 0 (i ≠ j), and the sensor main axis s 1 is different from θ = 0 ° if the deviation of the projection direction on the xy plane is Δθ 1 Output voltage v out_1 is maximum when θ = Δθ 1 , different from θ = 180 °, output voltage v out_1 is minimum when θ = 180 ° + Δθ 1 , and projection direction on the xy plane for sensor main axis s 2 if the deviation between Δθ 2, θ = 90 ° is different from θ = 90 ° + output voltage when the [Delta] [theta] 2 v OUT_2 up, θ = 270 ° different from θ = 270 ° + when [Delta] [theta] 2 output voltage v OUT_2 Is minimal. Furthermore, for the sensor main axis s 3, if a projection direction of displacement of the xy plane and [Delta] [theta] 3, the output voltage v OUT_3 when theta = [Delta] [theta] 3 is the maximum, the output voltage v OUT_3 when θ = 180 ° + Δθ 3 is Minimal. FIG. 6B shows an acceleration signal (output voltage) v out — 1 corresponding to the sensor main axis s 1 .
このように、実際には、センサ主軸s1、s2、s3は123座標方向からずれるが、センサ主軸s1、s2、s3の出力電圧が最大となるエンコーダ角度θは必ず存在する。さらに、加速度センサパッケージ1の123座標系を任意にxyz座標系に対して設定しても、つまり、加速度センサパッケージ1をどのような姿勢にしても、図1〜図3の加速度センサ特性評価装置を用いて加速度センサパッケージ1を等速円運動させると、センサ主軸s1、s2、s3の出力電圧が最大となるエンコーダ角度θが必ず存在する。本発明は後者を利用してセンサ主軸方向の単位ベクトルs1、s2、s3を演算する。 Thus, in practice, the sensor spindles s 1 , s 2 , and s 3 deviate from the 123 coordinate direction, but there is always an encoder angle θ that maximizes the output voltage of the sensor spindles s 1 , s 2 , and s 3. . Furthermore, even if the 123 coordinate system of the acceleration sensor package 1 is arbitrarily set with respect to the xyz coordinate system, that is, regardless of the posture of the acceleration sensor package 1, the acceleration sensor characteristic evaluation apparatus shown in FIGS. When the acceleration sensor package 1 is circularly moved at a constant speed using, there is always an encoder angle θ at which the output voltages of the sensor spindles s 1 , s 2 , and s 3 are maximum. The present invention uses the latter to calculate unit vectors s 1 , s 2 , and s 3 in the sensor main axis direction.
次に、図1の制御回路10の動作を図7のフローチャート及び図8を参照して説明する。 Next, the operation of the control circuit 10 of FIG. 1 will be described with reference to the flowchart of FIG. 7 and FIG.
始めに、ステップ701において、図8の(A)に示すxyz座標系に対して123座標系が一致している状態からある回転行列Raによって123座標系つまり加速度センサパッケージ1を回転させて固定する(図8の(B))。尚、回転行列Raの値については後述する。 First, in step 701, by rotating the rotation matrix R a by 123 coordinate system, i.e. the acceleration sensor package 1 from state 123 coordinate system relative xyz coordinate system shown in FIG. 8 (A) is coincident fixed (B in FIG. 8). It will be described later value of the rotation matrix R a.
次に、ステップ702において、図2、図3の駆動モータ9を動作させてテーブル2つまり加速度センサパッケージ1に対してたとえば0.1Hzのxy平面上で等速円運動の加振を行う。この状態で、エンコーダ角度θと同期して取り込んだ1軸加速度信号vout_1、2軸加速度信号vout_2及び3軸加速度信号vout_3を用いて各センサ主軸方向の単位ベクトルsi(i=1,2,3)のxy平面への射影角θiaを得る。このときの単位ベクトルsiのxy平面上の射影方向の単位ベクトルsia’は
[cosθia, sinθia, 0]t
となる。
Next, in step 702, the drive motor 9 shown in FIGS. 2 and 3 is operated, and the table 2, that is, the acceleration sensor package 1 is subjected to constant-speed circular motion on the xy plane of 0.1 Hz, for example. In this state, the unit vectors s i (i = 1, i = 1, y) in the direction of each sensor main axis using the uniaxial acceleration signal v out — 1, the biaxial acceleration signal v out — 2, and the triaxial acceleration signal v out — 3 captured in synchronization with the encoder angle θ. Get the projection angle θ ia to the xy plane of (2, 3). The unit vector s ia 'in the projection direction on the xy plane of the unit vector s i at this time is
[cosθ ia , sinθ ia , 0] t
It becomes.
次に、ステップ703において、単位ベクトルsia’及び単位ベクトルezを含む平面φiaを平面φiaのxyz座標系の単位法線ベクトルnia’で設定する。つまり、
nia’ = ez × sia’
= [-sinθia, cosθia, 0]t
となる。
Next, in step 703, it sets a unit vector s ia 'and unit vectors e z plane phi ia including planar phi ia xyz coordinate system unit normal vector n ia a'. That means
n ia '= e z × s ia '
= [-Sinθ ia, cosθ ia, 0] t
It becomes.
次に、ステップ704において、xyz座標系の平面φiaを図8の(C)に示す123座標系の平面φiaに変換する。この123座標系の平面φiaは123座標系の平面φiaの単位法線ベクトルnia’で設定される。つまり、
nia = Ra -1nia’
= Ra tnia’
Next, in step 704, the plane φ ia of the xyz coordinate system is converted into a plane φ ia of the 123 coordinate system shown in FIG. This plane phi ia of 123 coordinate system is set at 123 coordinate plane phi ia unit normal vector n ia of '. That means
n ia = R a -1 n ia '
= R a t n ia '
次に、ステップ705において、図8の(A)に示すxyz座標系に対して123座標系が一致している状態からRaと異なる回転行列Rbによって123座標系つまり加速度センサパッケージ1を回転させて固定する(図8の(D))。尚、回転行列Rbの値については後述する。 Next, in step 705, the 123 coordinate system, that is, the acceleration sensor package 1 is rotated by the rotation matrix R b different from R a from the state in which the 123 coordinate system coincides with the xyz coordinate system shown in FIG. To fix (FIG. 8D). The value of the rotation matrix Rb will be described later.
次に、ステップ706において、図2、図3の駆動モータ9を動作させてテーブル2つまり加速度センサパッケージ1に対してたとえば0.1Hzのxy平面上で等速円運動の加振を行う。この状態で、1軸加速度信号vout_1、2軸加速度信号vout_2及び3軸加速度信号vout_3を用いて各センサ主軸方向の単位ベクトルsi(i=1,2,3)のxy平面への射影角θibを得る。このときの単位ベクトルsiのxy平面上の射影方向の単位ベクトルsib’は
[cosθib, sinθib, 0]t
となる。
Next, in step 706, the drive motor 9 shown in FIGS. 2 and 3 is operated to excite the table 2, that is, the acceleration sensor package 1, with a constant-speed circular motion on the xy plane of 0.1 Hz, for example. In this state, the unit vector s i (i = 1,2,3) in the direction of each sensor main axis to the xy plane using the uniaxial acceleration signal v out_1 , the biaxial acceleration signal v out_2, and the triaxial acceleration signal v out_3 Obtain the projection angle θ ib . The unit vector s ib ′ in the projection direction on the xy plane of the unit vector s i at this time is
[cosθ ib , sinθ ib , 0] t
It becomes.
次に、ステップ707において、ベクトルsi及び単位ベクトルezを含む平面φibを平面φibのxyz座標系の単位法線ベクトルnib’で設定する。つまり、
nib’ = ez × sib’
= [-sinθib, cosθib, 0]t
となる。
Next, in step 707, it sets a vector s i and unit vector e z unit normal vector of the xyz coordinate system of the plane phi ib the plane phi ib comprising n ib '. That means
n ib '= e z × s ib '
= [-Sinθ ib, cosθ ib, 0] t
It becomes.
次に、ステップ708において、xyz座標系の平面φibを図8の(E)に示す123座標系の平面φibに変換する。この123座標系の平面φibは123座標系の平面φibの単位法線ベクトルnib’で設定される。つまり、
nib = Rb -1nib’
= Rb tnib’
Next, in step 708, the plane φ ib in the xyz coordinate system is converted into a plane φ ib in the 123 coordinate system shown in FIG. This plane phi ib of 123 coordinate system is set at 123 the coordinate system of the plane phi ib unit normal vector n ib of '. That means
n ib = R b -1 n ib '
= R b t n ib '
次に、ステップ709において、123座標系の平面φia、φibの交線によりセンサ主軸siを求める。つまり、図8の(F)に示すごとく、
si = ±(nia×nib)/|nia×nib|
但し、nia、nibはベクトルであり、nia×nibは外積を表わす。
Next, in step 709, the sensor main axis s i is obtained from the intersection line of the planes φ ia and φ ib of the 123 coordinate system. That is, as shown in FIG.
s i = ± (n ia × n ib ) / | n ia × n ib |
However, n ia and n ib are vectors, and n ia × n ib represents an outer product.
最後に、ステップ710において、感度を演算する。尚、感度について、後述する。 Finally, in step 710, the sensitivity is calculated. The sensitivity will be described later.
上述のセンサ主軸siの方向はベクトルsiの成分のうち、通常は最大となる余弦成分cijが正になるよう設定すればよいが、出力電圧の測定値と整合させてもよい。 The direction of the sensor main axis s i may be set so that the cosine component c ij that is normally the maximum among the components of the vector s i is positive, but may be matched with the measured value of the output voltage.
また、決定する2つの回転行列Ra、Rbは、すべての方向(i=1, 2, 3)について2つの法線ベクトルnia’とnib’とのなす角度がなるべく大きくなるように設定する必要がある。実際の測定ではさまざまな誤差が含まれるので、センサ主軸s i を含むふたつの平面φia、φibがなす角度はなるべく90°に近いことが望ましい。また、回転軸(ez)といずれかのセンサ主軸方向siを平行に近く設定してしまうと、その方向のセンサ出力電力vout_1の振幅が小さくなってしまうことにも注意する必要がある。仮にある方向のセンサ主軸をxy平面に射影したときのxy平面上での誤差の大きさをleとすると、射影角θiの測定精度はセンサ主軸方向の単位ベクトルsiの射影長さをlsとしたときle/lsとなる。従って、装置の回転面に対するセンサ主軸方向siの射影長さはすべての方向のセンサ主軸siについてなるべく大きくとる必要がある。 Further, the two rotation matrices R a and R b to be determined are set so that the angle formed by the two normal vectors n ia ′ and n ib ′ becomes as large as possible in all directions (i = 1, 2, 3). Must be set. Since actual measurement includes various errors, it is desirable that the angle formed by the two planes φ ia and φ ib including the sensor principal axis s i is as close to 90 ° as possible. Also, if the rotation axis (e z ) and one of the sensor spindle directions s i are set to be nearly parallel, the amplitude of the sensor output power v out_1 in that direction must be reduced. . If the magnitude of the error on the xy plane when the sensor principal axis in a certain direction is projected onto the xy plane is l e , the measurement accuracy of the projection angle θ i is the projection length of the unit vector s i in the sensor principal axis direction. When l s , l e / l s . Accordingly, the projection length of the sensor spindle direction s i on the rotation surface of the apparatus needs to be as large as possible for the sensor spindle s i in all directions.
3軸に対して3つの直交姿勢で測定を行えば理論的には最も精度よく主軸方向と感度を同定することが可能だが、実際には測定の度にセンサの姿勢を変更するので、取り付け誤差や温度変化、入力電圧変化といった測定条件の不一致による問題が生じる。また、コスト的にも測定回数は少ないことが望ましい。本発明では、加速度センサパッケージ1の姿勢をうまくとれば1回の等速円運動で3方向のセンサ主軸方向s i を含む平面が3つ同時に得られるので、合計2回の測定実験によって3つのセンサ主軸方向siを全て同定することが可能である。 Theoretically, it is possible to identify the spindle direction and sensitivity with the highest accuracy by performing measurement in three orthogonal orientations with respect to the three axes. Problems due to inconsistencies in measurement conditions, such as changes in temperature, temperature, and input voltage. Also, it is desirable that the number of measurements is small in terms of cost. In the present invention, if the orientation of the acceleration sensor package 1 is properly adjusted, three planes including the sensor principal axis directions s i in three directions can be obtained simultaneously by one uniform circular motion. It is possible to identify all sensor spindle directions s i .
理想の3軸加速度センサで考えた場合、全方向のセンサ主軸siの射影長さを全て等しくとるような姿勢は有限回転群であり、本発明において有意に異なる姿勢は図9に示すようにxy平面に対して4つ存在する。この4つの姿勢のうち、任意の2つの姿勢の組合せは3方向のセンサ主軸のうちどれか1つの方向のセンサを含む平面同士が同一になってしまう。従って、センサのxyz座標系に対する2つの姿勢を式(1)で示す回転行列Ra、Rbで表わすとすると、2回の等速円運動で全方向のセンサの射影長さの合計を等しくとる組合せ(Ra’のcosα=√(3/5))か、2つの平面の法線ベクトル同士の外積が大きいほど2平面同士のなす角度が90°に近くなることを考慮し、1つのセンサあたりの2回分の射影長さの積と、法線ベクトルの外積との積が等しくなるような姿勢の組合せ(Ra’のcosα=√(7/3))といったものが候補として考えられる。
発明者らの実験によると、xy平面に対して3つのセンサ主軸s1、s2、s3の射影長さを大きくするために、回転行列Ra、Rbを図10の(A)、図11の(A)に示すごとく設定した。この場合、図10の(A)のRa、図11の(A)のRbにおいては、式(1)における角度αはcosα=1/√3となる鋭角である。尚、図10の(B)、図11の(B)は図10の(A)、図11の(A)の回転行列Ra、Rbで123座標系を回転させた場合のxyz座標系に対する回転後の123座標系を示し、図10の(C)、図11の(C)は、Ra、Rb回転後の123座標系の実際の加速度センサパッケージを示す写真である。図10、図11のいずれの場合も、センサ主軸siのxy平面に対する射影長さは1/√2以上となる。 According to the inventors' experiment, in order to increase the projection lengths of the three sensor main axes s 1 , s 2 , and s 3 with respect to the xy plane, the rotation matrices R a and R b are represented by (A) in FIG. Settings were made as shown in FIG. In this case, in R a in FIG. 10A and R b in FIG. 11A, the angle α in the equation (1) is an acute angle where cos α = 1 / √3. 10B and 11B show the xyz coordinate system when the 123 coordinate system is rotated by the rotation matrices R a and R b of FIG. 10A and FIG. 11A. FIG. 10C and FIG. 11C are photographs showing an actual acceleration sensor package of the 123 coordinate system after R a and R b rotation. In either case of FIG. 10 or FIG. 11, the projection length of the sensor principal axis s i with respect to the xy plane is 1 / √2 or more.
図10、図11の回転行列Ra、Rbによって回転後のセンサ主軸siに対して図7のステップ702、706によって得られたxy平面上の射影角θia、θibの一例を下表に示す。
表1の射影角Δθiは次の条件によって得られた。加速度センサパッケージ1の回転半径rは50mm、ロータリエンコーダ2aは324000pprのものを使用する。ただし,ロータリエンコーダのパルス数は必要な精度に応じて前後してかまわない。ギアヘッドの振動の影響を避けるために、駆動モータ9の端部は円形とし、ゴムで表面を覆ったテーブル2を利用して機構を回転させている。PID制御による0.1Hz 駆動時の回転周波数の平均誤差は約1%である。0.002 〜 0.2m/s2(0.2 〜 20gal)の範囲の入力加速度を設定可能である。 The projection angle Δθ i in Table 1 was obtained under the following conditions. The acceleration sensor package 1 has a rotation radius r of 50 mm and a rotary encoder 2a of 324000ppr. However, the number of pulses of the rotary encoder may vary depending on the required accuracy. In order to avoid the influence of the vibration of the gear head, the end of the drive motor 9 is circular, and the mechanism is rotated using the table 2 whose surface is covered with rubber. The average error of the rotation frequency at the time of 0.1Hz drive by PID control is about 1%. Input acceleration in the range of 0.002 to 0.2 m / s 2 (0.2 to 20 gal) can be set.
上述の装置を用いてMEMS デバイスの加速度センサパッケージ1の等速円運動の加振実験を行った。この加振条件は加振周波数0.5Hz であり、センサが受ける加速度は最大約0.5m/s2である。オフセット電圧の時間変化の影響が無視できない場合は基線補正を行う必要があるが、今回実験に用いたセンサは電圧変化率が1%以内で安定しており、補正は行っていない。測定によって得られた出力電圧は、非線形曲線近似を行う。得られた近似正弦波とロータリエンコーダ2aから得られる入力加速度とを比較することで、センサ主軸方向を含む平面とパッケージ角度とのずれΔθiを測定した。 Using the above-mentioned apparatus, a vibration experiment of constant velocity circular motion of the acceleration sensor package 1 of the MEMS device was performed. This excitation condition is an excitation frequency of 0.5 Hz, and the acceleration received by the sensor is a maximum of about 0.5 m / s 2 . If the effect of offset voltage change over time is not negligible, it is necessary to perform baseline correction. However, the sensor used in this experiment has a stable voltage change rate of 1% or less, and correction is not performed. The output voltage obtained by the measurement performs nonlinear curve approximation. By comparing the obtained approximate sine wave and the input acceleration obtained from the rotary encoder 2a, the deviation Δθ i between the plane including the sensor main axis direction and the package angle was measured.
センサを異なる姿勢にして同様の実際のセンサ主軸siの方向を含む2平面φia、φibが得られ、その交線が実際のセンサ主軸siの方向を示すことになる。このとき、123座標系の2つの平面φia、φib同士が平行に近くなるような状態は避けるようにする。 Two planes φ ia and φ ib including the same direction of the actual sensor main axis s i are obtained with the sensors in different postures, and the intersecting line indicates the direction of the actual sensor main axis s i . At this time, a state where the two planes φ ia and φ ib of the 123 coordinate system are close to each other is avoided.
次に、図7の感度演算ステップ710について詳述する。 Next, the sensitivity calculation step 710 in FIG. 7 will be described in detail.
実際の加速度センサパッケージ1では、同一パッケージ内でも各センサ主軸方向でセンサ感度が異なっている。さらに温度ドリフトなどによってオフセット電圧voff_iも変化する。センサ主軸siのセンサ感度をκiとすると、厳密には、κiは、入力加速度a、温度T、入力電圧vinなどに依存する非線形関数である。また、センサ主軸siのセンサが出力する電圧vout_iは式(2)で示される。
時間であれば温度や入力電圧の変化による影響は小さいと考えられる。この場合、センサ感度κiはaのみを変数としたκi=kisi・a (kiはセンサ主軸siの加速度のみに対する感度を意味する定数) と近似することができる。この場合、式(2) は次式で示される。
さて、 式(3)より装置によって得られる出力電圧vout_iの振幅にはセンサ主軸方向と入力加速度によって決定されるsi・aの成分と、センサ感度κiの両者が積算されて含まれていることが分かる。両者を分離して同定するためにはセンサ感度κiかセンサ主軸siの方向のどちらかが既知である必要がある。センサ主軸siの方向が不明な状態でセンサ感度κiのみを特定することはできないから、上述の方法でセンサ主軸方向の単位ベクトルsiの成分を先に求めた後、内積si・aの値からセンサ感度κiを計算することになる。 Now, the amplitude of the output voltage v out_i obtained by the device from the equation (3) includes both the component of s i · a determined by the sensor main axis direction and the input acceleration and the sensor sensitivity κ i integrated. I understand that. In order to identify the two separately, either the sensor sensitivity κ i or the direction of the sensor spindle s i needs to be known. Since the direction of the sensor main axis s i can not be identified only sensor sensitivity kappa i in an unknown state, after obtaining the components of the unit vector s i in the sensor main axis direction ahead in the manner described above, the inner product s i · a The sensor sensitivity κ i is calculated from the value of.
今、センサ主軸方向の単位ベクトルsiが既知となった場合、装置によって等速円運動で加振された際のセンサ主軸siのセンサの最大電圧をvout_i(max)、最小電圧をvout_i(min)としたとき、両者の差は式(4)となる。
式(5)、(6)より、3軸加速度センサの特性を得るためには必ずしもテンソルSとテンソルKとを分離して求める必要はなく、積KSの形で求まればよい。但し、オフセット電圧ベクトルvoffは時間によって変化する場合があることに注意しなければならない。仮にK, S(あるいはKS)およびベクトルvoffが既知となれば、入力加速度ベクトルaは出力電圧ベクトルvoutから式(7)を利用して求めることができる。
複数軸の加速度センサのうち2軸の主軸方向が重なるとか、ある方向の感度が0であるなどの異常な事態を除けば逆変換T-1は存在する。上述の方法で校正した加速度センサは、互いのセンサ実軸方向が必ずしも直交していなくても入力加速度を3次元のベクトルとして求められるので、センサの特性が安定していれば常に高精度な計測ができる利点がある。また、実際の計算は3×3の正方行列を扱うだけなので高速な演算が可能であり、校正後のリアルタイム処理、例えば航空機や自動車のデッドレコニングなどの応用にも有利と考えられる。 The inverse transformation T −1 exists except for abnormal situations such as the two axes of the multi-axis acceleration sensors overlapping or the sensitivity in a certain direction being zero. Since the acceleration sensors calibrated by the above method can obtain the input acceleration as a three-dimensional vector even if the actual sensor axis directions are not necessarily orthogonal to each other, highly accurate measurement is always possible if the sensor characteristics are stable. There is an advantage that can be. In addition, since the actual calculation only involves a 3 × 3 square matrix, high-speed calculation is possible, and it is considered advantageous for applications such as real-time processing after calibration, for example, dead reckoning for aircraft and automobiles.
実験で得られた2つの姿勢における各Δθiの表1から計算で得られたセンサ主軸方向の単位ベクトルsiと感度を表2に示す。
つまり、求められたセンサ主軸方向ベクトルsiより、横感度に換算した場合最大2.3%という結果が得られ、当該加速度センサパッケージ1のデータシートの標準的な値(最大3%、標準2%) と一致した。オフセット電圧は時間に依存せずほぼ一定であった(最大ノイズレベルは加速度換算で約0.4m/s2)。感度に関してもデータシートの値1000mV/g (≒100mV/(m/s2))とほぼ同様の結果が得られた。また、表2の結果を式(5)の形式で示すと式(8)のようになる。
この結果から、サンプルとして用いた加速度センサパッケージ1については式(5)あるいは式(7)を利用して出力電圧から入力加速度をベクトルの形で求められることが示された。このように、センサ個別にセンサ主軸方向と感度とを同定できるので、センサ個体のばらつきにも対応可能となる。 From this result, the acceleration sensor package 1 used as a sample was shown to be able to obtain the input acceleration in the form of a vector from the output voltage using the formula (5) or the formula (7). As described above, since the sensor spindle direction and sensitivity can be identified individually for each sensor, it is possible to cope with variations in individual sensors.
上述の加速度センサパッケージ1は3軸加速度センサを有するが、本発明は、2軸加速度センサあるいは1軸加速度センサを含む加速度センサパッケージにも適用し得る。 Although the above-described acceleration sensor package 1 has a three-axis acceleration sensor, the present invention can also be applied to an acceleration sensor package including a two-axis acceleration sensor or a one-axis acceleration sensor.
1:加速度センサパッケージ
2:テーブル
2a:ロータリエンコーダ
3−1、3−2、3−3:リンク
4−1、4−2、4−3:回転軸
5−1、5−2:支持板
6−1、6−2、6−3、6−4:支持柱
7−1、7−1’、7−2、7−2’、7−3、7−3’:カウンタウェイト
8−1、8−2、8−3:保持軸
9:駆動モータ
9a:回転板
10:制御回路
1: Acceleration sensor package 2: Table 2a: Rotary encoder 3-1, 3-2, 3-3: Links 4-1, 4-2, 4-3: Rotating shaft 5-1, 5-2: Support plate 6 -1, 6-2, 6-3, 6-4: support columns 7-1, 7-1 ′, 7-2, 7-2 ′, 7-3, 7-3 ′: counterweight 8-1, 8-2, 8-3: Holding shaft 9: Drive motor 9a: Rotating plate 10: Control circuit
Claims (8)
前記第1の回転行列を用いて回転固定後に前記テーブルを前記駆動手段によって前記xyz座標系のxy平面上で等速円運動による加振を行って前記加速度センサパッケージ内の各センサの正弦波状の出力電圧を用いて前記各センサの主軸方向の前記xyz座標系のxy平面上の第1の射影方向を演算する段階と、
前記xyz座標系のz軸及び前記xyz座標系のxy平面上の前記第1の射影方向を含む第1の平面を演算する段階と、
前記xyz座標系の第1の平面を前記第1の回転行列の逆行列を用いて前記123座標系の第1の平面に変換する段階と、
前記テーブルのxyz座標系に対して加速度センサパッケージの123座標系を前記第1の回転行列と異なる第2の回転行列を用いて回転させて該加速度センサパッケージを前記テーブルに固定する段階と、
前記第2の回転行列に用いた回転固定後に前記テーブルを前記駆動手段によって前記xyz座標系のxy平面上で等速円運動による加振を行って前記加速度センサパッケージ内の各センサの正弦波状の出力電圧を用いて前記各センサの主軸方向の前記xyz座標系のxy平面上の第2の射影方向を演算する段階と、
前記xyz座標系のz軸及び前記xyz座標系のxy平面上の前記第2の射影方向を含む第2の平面を演算する段階と、
前記xyz座標系の第2の平面を前記第2の回転行列の逆行列を用いて前記123座標系の第2の平面に変換する段階と、
前記123座標系の第1、第2の平面の交線を前記加速度センサパッケージの各センサの主軸方向として演算する段階と
を具備する加速度センサ特性評価方法。 The table of the acceleration sensor characteristic evaluation apparatus comprising: a table; at least two infinitely rotatable and parallel links connected to the table and having the same length; and driving means for synchronously driving the links. Rotating the 123 coordinate system of the acceleration sensor package with respect to the xyz coordinate system using the first rotation matrix to fix the acceleration sensor package to the table;
After the rotation is fixed using the first rotation matrix, the table is subjected to vibration by a constant-speed circular motion on the xy plane of the xyz coordinate system by the driving means, and a sinusoidal waveform of each sensor in the acceleration sensor package is obtained. Calculating a first projection direction on the xy plane of the xyz coordinate system in the principal axis direction of each sensor using an output voltage;
Calculating a first plane including the z-axis of the xyz coordinate system and the first projection direction on the xy plane of the xyz coordinate system;
Transforming a first plane of the xyz coordinate system to a first plane of the 123 coordinate system using an inverse matrix of the first rotation matrix;
Rotating the 123 coordinate system of the acceleration sensor package with respect to the xyz coordinate system of the table using a second rotation matrix different from the first rotation matrix to fix the acceleration sensor package to the table;
After fixing the rotation used for the second rotation matrix, the table is subjected to vibration by a constant-speed circular motion on the xy plane of the xyz coordinate system by the driving means, and a sinusoidal waveform of each sensor in the acceleration sensor package is obtained. Calculating a second projection direction on the xy plane of the xyz coordinate system in the principal axis direction of each sensor using an output voltage;
Computing a second plane including the z-axis of the xyz coordinate system and the second projection direction on the xy plane of the xyz coordinate system;
Transforming a second plane of the xyz coordinate system into a second plane of the 123 coordinate system using an inverse matrix of the second rotation matrix;
Calculating an intersection of the first and second planes of the 123 coordinate system as a principal axis direction of each sensor of the acceleration sensor package.
ni’ = ez×si’
但し、ezは前記xyz座標系のz軸の単位ベクトル、
si’は前記xyz座標系の前記各第1、第2の射影方向の単位ベクトル、
×は外積
によって演算される請求項1に記載の加速度センサ特性評価方法。 The first and second planes of the xyz coordinate system are represented by the following unit normal vector n i ′.
n i '= e z × s i '
Where e z is the z-axis unit vector of the xyz coordinate system,
s i ′ is a unit vector of the first and second projection directions of the xyz coordinate system,
The acceleration sensor characteristic evaluation method according to claim 1, wherein x is calculated by an outer product.
si = ±(nia×nib)/|nia×nib|
但し、niaは変換された前記123座標系の第1の平面の単位法線ベクトル、
nibは変換された前記123座標系の第2の平面の単位法線ベクトル、
×は外積を表わす、
によって演算される請求項1に記載の加速度センサ特性評価方法。 The first of the 123 coordinate system unit vectors s i of the principal axis direction of each sensor present on the line of intersection of the second plane,
s i = ± (n ia × n ib ) / | n ia × n ib |
Where n ia is a unit normal vector of the transformed first plane of the 123 coordinate system,
n ib is the transformed unit normal vector of the second plane of the 123 coordinate system,
X represents the outer product,
The acceleration sensor characteristic evaluation method according to claim 1, which is calculated by :
前記xyz座標系のz軸及び前記xyz座標系のxy平面上の第1の射影方向を含む第1の平面を演算する手順と、
前記xyz座標系の第1の平面を前記第1の回転行列の逆行列を用いて前記123座標系の前記第1の平面に変換する手順と、
前記テーブルのxyz座標系に対して加速度センサパッケージの123座標系を前記第1の回転行列と異なる第2の回転行列を用いて回転させて該加速度センサパッケージを前記テーブルに固定した後に、前記テーブルを前記駆動手段によって前記xyz座標系のxy平面上で等速円運動による加振を行って前記加速度センサパッケージ内の各センサの正弦波状の出力電圧を用いて前記各センサの主軸方向の前記xyz座標系のxy平面上の第2の射影方向を演算する手順と、
前記xyz座標系のz軸及び前記xyz座標系のxy平面上の第2の射影方向を含む第2の平面を演算する手順と、
前記xyz座標系の第2の平面を前記第2の回転行列の逆行列を用いて前記123座標系の第2の平面に変換する手順と、
前記123座標系の第1、第2の平面の交線を前記加速度センサパッケージの各センサの主軸方向として演算する手順と
を具備する加速度センサ特性評価プログラム。 The table of the acceleration sensor characteristic evaluation apparatus comprising: a table; at least two infinitely rotatable and parallel links connected to the table and having the same length; and driving means for synchronously driving the links. After rotating the 123 coordinate system of the acceleration sensor package with respect to the xyz coordinate system using the first rotation matrix to fix the acceleration sensor package to the table, the table is attached to the xyz coordinate system by the driving means. First excitation on the xy plane of the xyz coordinate system in the principal axis direction of each sensor is performed using a sinusoidal output voltage of each sensor in the acceleration sensor package by performing vibration by constant velocity circular motion on the xy plane. A procedure for calculating the projection direction;
Calculating a first plane including a z-axis of the xyz coordinate system and a first projection direction on the xy plane of the xyz coordinate system;
Transforming the first plane of the xyz coordinate system to the first plane of the 123 coordinate system using an inverse matrix of the first rotation matrix;
After the 123 coordinate system of the acceleration sensor package is rotated using a second rotation matrix different from the first rotation matrix with respect to the xyz coordinate system of the table, the acceleration sensor package is fixed to the table, and then the table The xyz in the principal axis direction of each sensor using the sinusoidal output voltage of each sensor in the acceleration sensor package by performing excitation by constant velocity circular motion on the xy plane of the xyz coordinate system by the driving means A procedure for calculating a second projection direction on the xy plane of the coordinate system;
Calculating a second plane including a z-axis of the xyz coordinate system and a second projection direction on the xy plane of the xyz coordinate system;
Converting the second plane of the xyz coordinate system to the second plane of the 123 coordinate system using an inverse matrix of the second rotation matrix;
An acceleration sensor characteristic evaluation program comprising: calculating an intersection line of the first and second planes of the 123 coordinate system as a principal axis direction of each sensor of the acceleration sensor package.
ni’ = ez×si’
但し、ezは前記xyz座標系のz軸の単位ベクトル、
si’は前記xyz座標系の前記各第1、第2の射影方向の単位ベクトル、
×は外積
によって演算される請求項5に記載の加速度センサ特性評価プログラム。 The first and second planes of the xyz coordinate system are represented by the following unit normal vector n i ′.
n i '= e z × s i '
Where e z is the z-axis unit vector of the xyz coordinate system,
s i ′ is a unit vector of the first and second projection directions of the xyz coordinate system,
6. The acceleration sensor characteristic evaluation program according to claim 5, wherein x is calculated by outer product.
si = ±(nia×nib)/|nia×nib|
但し、niaは変換された前記123座標系の第1の平面の単位法線ベクトル、
nibは変換された前記123座標系の第2の平面の単位法線ベクトル、
×は外積を表わす、
によって演算される請求項5に記載の加速度センサ特性評価プログラム。 The first of the 123 coordinate system unit vectors s i of the principal axis direction of each sensor present on the line of intersection of the second plane,
s i = ± (n ia × n ib ) / | n ia × n ib |
Where n ia is a unit normal vector of the transformed first plane of the 123 coordinate system,
n ib is the transformed unit normal vector of the second plane of the 123 coordinate system,
X represents the outer product,
The acceleration sensor characteristic evaluation program according to claim 5, which is calculated by:
6. The method of calculating sensitivity according to an output voltage from each sensor according to an inner product of a unit vector in a principal axis direction of each sensor of the acceleration sensor package and an input acceleration vector by the constant velocity circular motion. The acceleration sensor characteristic evaluation program described in 1.
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