JP6028193B2 - Multi-axis gravity sensor - Google Patents
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Description
本発明は、圧電片に作用する重力の変化を当該圧電片の発振周波数の変化として検出する重力センサーに係り、特に、圧電片で構成した複数のセンサーユニットを共通基台に所定の位置関係で配置することにより重力加速度の相対変化を高精度で測定可能とした多軸型重力センサーに関する。 The present invention relates to a gravity sensor that detects a change in gravity acting on a piezoelectric piece as a change in the oscillation frequency of the piezoelectric piece, and in particular, a plurality of sensor units composed of piezoelectric pieces in a predetermined position on a common base. The present invention relates to a multi-axis gravitational sensor that can measure the relative change in gravitational acceleration with high accuracy.
地球あるいは他の惑星等において、その重力加速度の変化を検出して地下あるいは海底下に埋蔵されている資源の探査を遠隔で行う手段にMEMS技術を利用した高感度重力センサーが用いられる。重力センサーを利用して資源探査を遠隔で行う既知の技術を開示したものとしては、例えば、特許文献1、特許文献2に記載がある。
A high-sensitivity gravity sensor using MEMS technology is used as a means for detecting a change in gravitational acceleration on the earth or other planets and remotely searching for resources buried underground or under the seabed. For example,
この分野では、従来から重力加速度センサーとして、コイルばねや板ばねで錘を吊るし、重力変化に応じたばねの伸縮量を読み取る機械式が広く使用されている。このような重力センサーは装置が大型である。ここでいう重力センサーは、重力の方向を検出するだけでなく、特定位置での総体変化量(水準面での値からの偏差値だけでなく、注目位置の周囲との間の変化分)を測定するもので、本明細書では、地球における重力検出を例として説明する。 In this field, as a gravitational acceleration sensor, a mechanical type in which a weight is suspended by a coil spring or a leaf spring and a spring expansion / contraction amount corresponding to a change in gravity is widely used. Such a gravity sensor is large in size. The gravity sensor here detects not only the direction of gravity but also the total amount of change at a specific position (not only the deviation from the value at the level, but also the change between the target position and its surroundings). In this specification, the detection of gravity on the earth will be described as an example.
上記の機械式以外の重力測定センサーには、様々な方式が知られているが、圧電物質が重力の変化でその共振周波数が変化することを利用する本発明者等が新規に開発した重力測定センサーに類似する測定装置として次のようなものがある。 Various methods are known for gravity measurement sensors other than the mechanical type described above, but the gravity measurement newly developed by the present inventors using the fact that the resonance frequency of piezoelectric materials changes due to the change of gravity. There are the following measuring devices similar to sensors.
すなわち、水晶片等の圧電物質を用い、水晶片に付着した物質の質量変化を振動周波数の変化で測定するQCMプローブ(水晶天秤)が特許文献3に開示がある。このQCMプローブは、片持ち支持した圧電素子(水晶片)で構成したセンサーユニットを用い、物質の付着による重力変化で圧電素子が歪み、発生電流が変化することに基づいて質量の変化量(変化値)を測定するものである。 That is, Patent Document 3 discloses a QCM probe (quartz balance) that uses a piezoelectric substance such as a quartz piece and measures a mass change of the substance attached to the quartz piece by a change in vibration frequency. This QCM probe uses a sensor unit composed of a piezoelectric element (quartz piece) supported in a cantilever manner. The piezoelectric element is distorted by the gravity change due to the adhesion of the substance, and the change in mass (change) Value).
開発中の重力センサーでは、圧電物質を利用する重力センサーとして、水晶に代表される圧電物質を薄片に加工し、その表又は表裏あるいは固定部材側に適宜の電極を設け、その1端部を片持ち支持した振動素子で構成し、これを適宜の容器に封入してセンサーユニットとする。このセンサーユニットを地軸(地球中心を通る直線)に対して所定の角度で配置し、重力変化に応じた前記センサーユニットを構成する前記振動素子の振動出力を発振器に印加して、その発振周波数の変化に基づいた周波数の偏差をデータ処理手段で演算し、演算結果から重力の変化量(変化値)を検出する。 In the gravity sensor under development, as a gravity sensor using a piezoelectric material, a piezoelectric material typified by quartz is processed into a thin piece, and an appropriate electrode is provided on the front, front, back, or fixed member side, and one end thereof is a piece. The sensor unit is composed of a vibrating element that is held and supported, and is enclosed in a suitable container. This sensor unit is arranged at a predetermined angle with respect to the earth axis (straight line passing through the center of the earth), and the vibration output of the vibration element constituting the sensor unit according to gravity change is applied to an oscillator, and the oscillation frequency The frequency deviation based on the change is calculated by the data processing means, and the amount of change in gravity (change value) is detected from the calculation result.
しかしながら、圧電片を用いた重力測定用のセンサーユニットを一つ用いた、所謂一軸用重力センサーでは、5mgalが限度であり、それよりも精密な重力変化を検出することは難しい。特に、重力変化を、一桁精度の高い高精度、例えば0.1mgalオーダーでの重力変化値を測定することは困難である。また、このセンサーユニットを複数備える構成の所謂多軸型重力センサーでは、これら複数のセンサーユニットのそれぞれを地軸に 対して所定の角度および所定の姿勢で精度よく設置しかつ互いに所定の位置関係で配置することが容易ではないといった課題を有している。 However, in a so-called uniaxial gravity sensor using one sensor unit for gravity measurement using a piezoelectric piece, the limit is 5 mgal, and it is difficult to detect a change in gravity more precisely than that. In particular, it is difficult to measure a gravity change value with a high precision with a single digit accuracy, for example, a value of 0.1 mgal. In the configuration of the so-called multiaxial gravity sensor comprising a plurality of the sensor unit, arranged for each of the plurality of sensor units to the Earth's axis is placed accurately at a predetermined angle and a predetermined posture and at a predetermined positional relationship with each other There is a problem that it is not easy to do.
本発明の目的は、上記した0.1mgalの高精度で重力変化の相対値の測定ができると共に、設計裕度があり、製造容易、かつ低コストの多軸型重力測定センサーを提供することにある。また、複数のセンサーユニットのそれぞれが、容易に地軸に対して所定の角度および所定の姿勢で精度よく設置されかつ互いに所定の位置関係で配置されて形成される多軸型重力測定センサーを提供することも本発明の目的である。 An object of the present invention is to provide a multi-axis gravity measuring sensor that can measure the relative value of gravity change with high accuracy of 0.1 mgal as described above, has design margin, is easy to manufacture, and is low in cost. is there. In addition, there is provided a multi-axis gravity measuring sensor in which each of a plurality of sensor units is easily installed with a predetermined angle and a predetermined attitude with respect to the earth axis and arranged in a predetermined positional relationship with each other. This is also an object of the present invention.
上記目的を達成するため、本発明は、地軸に対して任意に選定した所定の角度、かつ所定の姿勢で設置する複数の一軸用重力測定用のセンサーユニットと、この複数の一軸用重力測定用のセンサーユニットを正確かつ確実に固定可能とした共通基台(以下、単に基台とも言う)を用いる。この基台として、3面以上の任意の数の一軸用重力測定センサーユニットを設置する固定面(facet:ファセット、センサーユニット固定面)と地軸に対する基準面(base plane)を持つ多角柱、円柱、センサーユニット固定面、基準面の形成のための精密加工が容易な金属材料(金属ブロックが好適)を用いることによって達成される。この共通基台を構成する金属材料は、熱膨張率が小さく、加工が容易で、環境による劣化が少ないアルミニウム、銅、鉄、ニッケル、若しくはこれらの合金等が好適である。そして、この金属のブロックを削り出し加工して形成するのが望ましい。 In order to achieve the above object, the present invention provides a plurality of uniaxial gravity measuring sensor units installed at a predetermined angle and a predetermined attitude arbitrarily selected with respect to the ground axis, and the plurality of uniaxial gravity measuring sensors. A common base (hereinafter simply referred to as a base) that can fix the sensor unit accurately and reliably is used. As this base, a polygonal column, cylinder, with a fixed surface (facet: sensor unit fixed surface) on which an arbitrary number of uniaxial gravity measuring sensor units of three or more surfaces are installed and a base plane with respect to the ground axis, This is achieved by using a metal material (a metal block is preferable) that can be easily processed precisely for forming the sensor unit fixing surface and the reference surface. The metal material constituting the common base is preferably aluminum, copper, iron, nickel, or an alloy thereof having a low coefficient of thermal expansion, easy processing, and little deterioration due to the environment. Then, it is desirable to cut and form the metal block.
複数の一軸用重力測定のセンサーユニットを設置する基台のセンサーユニット固定面は金属加工で精密に形成される。すなわち、基台の材料として任意形状の精密加工が容易な上記の金属を用いることで、複数のセンサーユニット固定面を基準面に対して同一角度或いは正確な姿勢で、かつ複数の一軸用重力測定センサーユニットが互いに等間隔となるように正確に、かつ地軸に対する任意の設置角度で固定可能に形成することができる。共通基台の地軸に対する前記基準面も、地軸に直角(重力の作用方向と水平な方向)となるよう、精密に加工して形成できる。 The sensor unit fixing surface of the base on which a plurality of uniaxial gravity measuring sensor units are installed is precisely formed by metal processing. In other words, by using the above-mentioned metal that can be precisely machined in any shape as the base material, multiple sensor unit fixed surfaces have the same angle or accurate posture with respect to the reference surface, and multiple uniaxial gravity measurements It is possible to form the sensor units so as to be fixed at an arbitrary installation angle with respect to the ground axis accurately and at equal intervals. The reference plane with respect to the ground axis of the common base can also be formed by precise machining so as to be perpendicular to the ground axis (a direction parallel to the direction of gravity action).
複数の一軸用重力測定センサーを固定する共通基台のセンサーユニット固定面を精密に、かつ地軸に対して任意の角度で設定できることで、各一軸用重力測定センサーの共振周波数を正確に決定することができることになり、複数の一軸用重力センサーの共振周波数を最適に決定できる。したがって、例えば0.1mgalオーダーの高精度で重力変化を検出できる多軸型重力測定センサーを得ることができる。 Precisely determine the resonance frequency of each uniaxial gravity measurement sensor by accurately setting the sensor unit fixing surface of the common base that fixes multiple uniaxial gravity measurement sensors at an arbitrary angle with respect to the ground axis. Thus, the resonance frequency of a plurality of uniaxial gravity sensors can be determined optimally. Therefore, it is possible to obtain a multi-axis gravity measuring sensor that can detect a change in gravity with high accuracy of the order of 0.1 mgal, for example.
以下、本発明の実施形態について、実施例の図面を参照して詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings of the examples.
図1は、本発明の実施例1を説明する多軸型重力センサーの斜視図である。この多軸型重力センサー1は、6角柱の頂面近傍の部分を柱状部の一部とともに切り取った6角盤形状を有する金属(例えば、アルミニウム)からなるセンサー基台10に3以上の複数の一軸用重力測定用のセンサーユニット(以下、単にセンサーユニットとも称する)を固定して構成される。以下では、説明の便宜上、センサー基台10を単に6角柱と記す。6角柱の頂面(長軸:図の高さ方向軸と交差する面)に形成した6面(6個のファセット)の一面置きに3つのセンサーユニット4a,4b,4cが、当該6面の一つ置きに位置する3つのセンサーユニット固定面3a,3b,3cに等間隔に固定されている。基台10を構成する6角柱の頂面の反対側(裏面)には、その面で地軸に対する基準面を構成する基部2を有している。この基部2の高さは任意で、この高さ寸法が大きい(軸方向寸法が長い)ほど6角柱の形状表現に適う(suitableもの)となる。
FIG. 1 is a perspective view of a multi-axis gravity
図2は、本発明の実施例1を説明する多軸型重力センサーの4面図であって、図2(a)は頂面図、図2(b)は図2(a)を矢印A方向から見た側面図、図2(c)は図2(a)を矢印B方向から見た側面図、図2(d)は底面図である。図1と同じ部分には同じ符号を付してある。多軸型重力センサー1の基台10を構成する6角柱の中心軸Cは6面の3角形に共通な頂点を通り、センサーユニット固定面3a,3b,3cの前記頂点での角度θ1、θ2、θ3は、θ1=θ2=θ3である。他の残り3つの面の前記頂点での対応する角度は等しい。なお、これら残り3つの面の前記頂点での角度はセンサーユニット固定面3a,3b,3cの前記頂点での角度と必ずしも等しい必要はない。実施例1は軸対称の正6角柱なので、上記残り3つの面の前記頂点での角度とセンサーユニット固定面3a,3b,3cの前記頂点での角度とは等しい。
FIG. 2 is a four-side view of the multi-axis gravity sensor for explaining the first embodiment of the present invention. FIG. 2 (a) is a top view, FIG. 2 (b) is an arrow A in FIG. 2 (c) is a side view of FIG. 2 (a) viewed from the direction of arrow B, and FIG. 2 (d) is a bottom view. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. The central axis C of the hexagonal prism constituting the
図1、図2で説明した多軸型重力センサーについて、例えば、正6面の各3つのセンサーユニット固定面3a,3b,3cに等間隔にセンサーユニットを固定した場合を説明する。この場合、長軸と直行する平面に対するセンサーユニット固定面3a,3b,3cの傾斜角度を120度とする。この傾斜面に一軸用重力測定用のセンサーユニット4a,4b,4cを接着剤で固定する。図2(b)に示したY面は6角柱の長軸であるZ軸に対して垂直であり、長軸と直行する平面に平行で、地球中心を通る直線に対して垂直である。
With respect to the multi-axis gravity sensor described in FIGS. 1 and 2, for example, the case where the sensor units are fixed at equal intervals on each of the three sensor
センサーユニット4a,4b,4cを固定する接着剤の粘性やY面の設置機構との取り付け誤差等により、各一軸用重力測定用のセンサーユニット4a,4b,4cの傾斜120度に±3度程度の誤差が生じる。この誤差は事前の校正で払拭できる。センサーユニット固定面3a,3b,3cの傾斜角度が120度以外の下記する各実施例の場合も、同程度の誤差が生じる。この誤差の校正については、図7以下を参照して後述する。
Due to the viscosity of the adhesive that fixes the
図3は、本発明の実施例2を説明する多軸型重力センサーの2面図であって、図3(a)は頂面図、図3(b)は図3(a)を矢印A方向から見た側面図である。図1と同じ符号は同じ部分を示す。実施例2は、基台を構成する3角柱の頂面に形成した3面(3個のファセット)のそれぞれに一軸用重力測定用のセンサーユニット4a,4b,4cを等間隔に固定したものである。3個のファセットの頂点Cでの角度θ1、θ2、θ3は、θ1=θ2=θ3である。基台10の3角柱の頂面の反対側(裏面)には、その面で地軸に対する基準面を構成する基部2を有している。この基部2の高さ(Z軸方向の寸法)は任意で、この高さ寸法が長いほど3角柱の形状表現に適うものとなる。
FIGS. 3A and 3B are two views of a multi-axis gravity sensor for explaining the second embodiment of the present invention. FIG. 3A is a top view, and FIG. 3B is an arrow A in FIG. It is the side view seen from the direction. 1 denote the same parts. In the second embodiment,
図4は、本発明の実施例3を説明する多軸型重力センサーの2面図であって、図4(a)は頂面図、図4(b)は図4(a)を矢印A方向から見た側面図である。図1と同じ符号は同じ対応部分を示す。実施例3は、基台10を構成する正4角柱の頂面のセンサーユニット固定面3eと、側面のセンサーユニット固定面3a,3b,3c,3dのそれぞれに一軸用重力測定用のセンサーユニット4e,4a,4b,4c,4dを固定したものである。4角柱の長軸(図の高さ方向:Z軸方向の中心軸)に直角な面である4角柱の頂面の反対側には、その下面で基準面を構成する基部2を有している。この基部2のZ軸方向の高さは任意で、この高さ寸法が長いほど正4角柱の形状表現に適うものとなる。
FIG. 4 is a two-side view of a multi-axis gravity sensor for explaining the third embodiment of the present invention. FIG. 4 (a) is a top view, FIG. 4 (b) is FIG. It is the side view seen from the direction. 1 denote the same corresponding parts. In the third embodiment, the sensor
図5は、本発明の実施例4を説明する多軸型重力センサーの2面図であって、図5(a)は頂面図、図5(b)は図5(a)を矢印A方向から見た側面図である。図1と同じ符号は同じ対応部分を示す。実施例4は、基台10を構成する円柱の頂面のセンサーユニット固定面3a,3b,3cのそれぞれに一軸用重力測定用のセンサーユニット4a,4b,4cを固定したものである。円柱の長軸(図の高さ方向の中心軸)に直角な面である縁柱の頂面の反対側には、その下面で基準面を構成する基部2を有している。この基部2の高さは任意で、高さ寸法が長いほど縁柱の形状表現に適うものとなる。
FIGS. 5A and 5B are two views of a multi-axis gravity sensor for explaining the fourth embodiment of the present invention. FIG. 5A is a top view, and FIG. 5B is FIG. It is the side view seen from the direction. 1 denote the same corresponding parts. In the fourth embodiment, the
なお、多軸型重力センサーは上記した実施例1〜4で説明したものに限らず、基台10として3以上の角柱以上の頂面と、複数の等間隔に形成した複数の側面を持つものであればよい。
The multi-axis gravity sensor is not limited to the one described in the first to fourth embodiments, but has a top surface of three or more prisms as a
図6は、本発明の多軸型重力センサーを構成する一軸用センサーユニットの1構成例の説明図で、図6(a)は断面図、図6(b)は平面図である。この一軸用センサーユニット4は、容器41aに収納した台座42の一箇所に、導電性接着剤43で片持ち固定したカンチレバー型水晶片5を有し、内部に不活性ガスを満たして蓋41bで密閉されている。水晶片5の一方の面には電極(可動電極)5aを有し、台座42には、水晶片5の可動電極5aと対応する内面には固定電極5bが設けられている。このセンサーユニットの動作については後述する。
FIGS. 6A and 6B are explanatory diagrams of one configuration example of the single-axis sensor unit constituting the multi-axis gravity sensor of the present invention, FIG. 6A is a cross-sectional view, and FIG. 6B is a plan view. This single-
可動電極5aに接続する導電性接着剤43での固定箇所と、台座42に設けた固定電極5bにはそれぞれ出力端子が設けられており、次に説明する図6の重力測定回路の入力端子に接続される。
An output terminal is provided for each of the fixed portion of the conductive adhesive 43 connected to the
図7は、本発明の多軸型重力センサーを用いた重力測定回路の一例を説明する概略ブロック図である。この重力測定回路は、前記した基台に固定した複数の一軸用センサーユニット4a,4b,4c,・・・に励振電力を供給して発振回路を構成する発振部7a,7b,7c,・・・、発振部7a,7b,7c,・・・の発振出力に基づいて、各発振部の共振周波数における偏差を検出する周波数偏差検出部8と、周波数偏差検出部8の周波数偏差値を補正演算し、センサーユニットの間のノイズを除去する補正を施し、正確な重力偏差の相対値を出力する重力偏差演算部9から構成される。
FIG. 7 is a schematic block diagram for explaining an example of a gravity measuring circuit using the multi-axis gravity sensor of the present invention. This gravity measuring circuit supplies oscillation power to a plurality of
次に、図8乃至図15を用いて、図6で説明したセンサーユニットの取り付け誤差の校正について、その動作原理と共に説明する。図8乃至図15において、図中、符号11は水晶片5の片持ち固定部、5aは可動電極、5bは固定電極、Sは感度軸、aは重力加速度を示す。
Next, calibration of the sensor unit mounting error described with reference to FIG. 6 will be described with reference to FIGS. 8 to 15,
図8は、センサーユニットの水晶片が傾斜角θが零、即ちθ=0degにある場合を示す。センサーユニットの水晶片5が地軸と直角な面に平行に設置されている場合である。この状態では、cosθ=0なので、感度軸Sに印加される重力加速度aは、
a=9.8(m/sec2)×cosθ
=9.8(m/sec2)
となる。
FIG. 8 shows a case where the crystal piece of the sensor unit has an inclination angle θ of zero, that is, θ = 0 deg. This is a case where the
a = 9.8 (m / sec 2 ) × cos θ
= 9.8 (m / sec 2 )
It becomes.
図9は、センサーユニットの水晶片が傾斜角θが0でない値を持つ場合、即ちθ=Δdegにある場合を示す。センサーユニットの水晶片5が地軸と直角な面からΔθdegで傾斜しているとき、cosθ=Δθdegにおいて、感度軸Sに印加される重力加速度aは、
a=9.8(m/sec2)×cosΔθ
となる。
FIG. 9 shows a case where the crystal piece of the sensor unit has a value where the inclination angle θ is not 0, that is, θ = Δdeg. When the
a = 9.8 (m / sec 2 ) × cos Δθ
It becomes.
図10は、センサーユニットの水晶片が傾斜角θ90度、即ちθ=90degにある場合を示す。センサーユニットの水晶片5が地軸と平行に設置されている場合である。この状態では、cosθ=0なので、感度軸Sに印加される重力加速度aは、
a=9.8(m/sec2)×cosθ
=0
となる。
FIG. 10 shows a case where the crystal piece of the sensor unit is at an inclination angle θ90 degrees, that is, θ = 90 deg. This is a case where the
a = 9.8 (m / sec 2 ) × cos θ
= 0
It becomes.
そして、このセンサーユニットの出力は、次のように示すことができる。
Vout1=k×cosθ・・・・・・・・・・・(1)
Vout2=k×cos(θ+Δθ)・・・・・・(2)
ここで、kはセンサーユニットの感度係数である。なお、Vout1は、基準の重力加速度、Vout2は、変化した際の重力加速度である。
And the output of this sensor unit can be shown as follows.
V out1 = k × cos θ (1)
V out2 = k × cos (θ + Δθ) (2)
Here, k is a sensitivity coefficient of the sensor unit. Note that V out1 is a reference gravitational acceleration, and V out2 is a gravitational acceleration when changed.
印加される重力の変化分ΔGは、
ΔG=(cosθ―cosΔθ)×9.8(m/sec2)・・・(3)
The applied gravity change ΔG is:
ΔG = (cos θ−cos Δθ) × 9.8 (m / sec 2 ) (3)
印加される重力加速度ΔGが変化したときのセンサーユニットの出力ΔVoutは、
ΔVout=Vout1―Vout2・・・・・・(4)
The output ΔV out of the sensor unit when the applied gravitational acceleration ΔG changes is
ΔV out = V out1 -V out2 (4)
重力方向に垂直(地面に水平)な角度θ=0degとしたときに、Δθ傾斜させたときのセンサーユニットの感度は、
Vout1―Vout2=k×(1―cosΔθ)・・・(5)
The sensitivity of the sensor unit when tilted by Δθ when the angle θ = 0 deg perpendicular to the direction of gravity (horizontal to the ground) is
V out1 −V out2 = k × (1−cos Δθ) (5)
このセンサーユニットは、重力の計測を目的とするものあるため、重力加速度方向に感度軸を配置し、その状態を0点としている。よって、0degあるいは予め設定された角度からの出力変化分を評価し、センサーユニットの感度軸に対して正確に決められた角度へ感度軸をセットする必要がある。 Since this sensor unit is intended to measure gravity, a sensitivity axis is arranged in the direction of gravitational acceleration, and the state is set to zero. Therefore, it is necessary to evaluate the output change from 0 deg or a preset angle, and set the sensitivity axis to an angle accurately determined with respect to the sensitivity axis of the sensor unit.
図11は、センサーユニットの感度軸を重力方向に平行で、初期の角度θに対して±Δθ傾斜させたときの、当該変化角度(Δθ)に対する変化加速度(ΔG)を説明する図である。図10に示されたように、初期傾斜角度が0degに対し±Δθの両側に傾斜させたときの、当該変化角度(Δθ)に対する変化加速度(ΔG)は、図の左(−)、同右(+)方向で、夫々、
ΔG=1−cos(±Δθ)・・・・・・(6)
であり、両者の変化分は一致し、印加される重力加速度の変化ΔGは(6)式で決まる。
FIG. 11 is a diagram for explaining a change acceleration (ΔG) with respect to the change angle (Δθ) when the sensitivity axis of the sensor unit is parallel to the direction of gravity and tilted by ± Δθ with respect to the initial angle θ. As shown in FIG. 10, when the initial inclination angle is inclined to both sides of ± Δθ with respect to 0 deg, the change acceleration (ΔG) with respect to the change angle (Δθ) is the left (−) and right ( +) Direction,
ΔG = 1−cos (± Δθ) (6)
Therefore, the amount of change between the two coincides, and the change ΔG in the gravitational acceleration applied is determined by equation (6).
図12は、センサーユニットの感度軸を重力方向に平行で、初期の角度θがずれている場合、当該、初期の角度θに対して±Δθ傾斜させたときの、変化角度(Δθ)に対する変化加速度(ΔG)を説明する図である。図12に示されたように、初期傾斜角度が0degに対し±Δθの両側に傾斜させたときの、当該変化角度(Δθ)に対する変化加速度(ΔG)は、図の左側を−、右側を+としたとき、左側(ΔG1)、右側(ΔG2)で、
ΔG1=cosθ−cos(θ―Δθ)・・・・・・(7)
ΔG2=cosθ−cos(θ+Δθ)・・・・・・(8)
であり、初期角度(θ)が既知値でないため、印加される重力加速度の測定精度は著しく低下する。
FIG. 12 shows the change with respect to the change angle (Δθ) when the sensitivity axis of the sensor unit is parallel to the gravitational direction and the initial angle θ is deviated from the initial angle θ by ±± θ. It is a figure explaining acceleration (ΔG). As shown in FIG. 12, when the initial inclination angle is inclined to both sides of ± Δθ with respect to 0 deg, the change acceleration (ΔG) with respect to the change angle (Δθ) is − on the left side and + on the right side. , On the left side (ΔG 1 ) and right side (ΔG 2 ),
ΔG 1 = cos θ−cos (θ−Δθ) (7)
ΔG 2 = cos θ−cos (θ + Δθ) (8)
Since the initial angle (θ) is not a known value, the measurement accuracy of the applied gravitational acceleration is significantly reduced.
図13は、例として、初期傾斜を誤差と見立てた0.1mgal相当の傾斜(0.0811deg)を印加したときに発生する加速度変化の説明図である。初期傾斜0.1degズレている傾斜評価機もしくはセンサーに1mgal感度の評価をした場合、実際に印加される加速度変化分は5mgalとなり、初期傾斜が既値でない場合は、500%誤差で高精度なセンサー評価とならない。 FIG. 13 is an explanatory diagram of an acceleration change that occurs when, for example, an inclination equivalent to 0.1 mgal (0.0811 deg) with the initial inclination regarded as an error is applied. When a 1 mgal sensitivity evaluation is performed on a tilt evaluator or sensor with an initial tilt of 0.1 deg, the actual change in acceleration applied is 5 mgal, and when the initial tilt is not an existing value, the accuracy is high with a 500% error. It is not a sensor evaluation.
図14で説明したような誤差を補正する方法を以下に説明する。センサーの傾斜を0degに合わせる方法として、センサー出力を計測しながら傾斜させていき、出力が最大となる角度をθ=0degとする方法がある。しかし、cos(0deg)近傍での出力変化は僅かであるため、補正は困難である。そこで、未既値θの状態で±Δθを印加し、そのときのセンサー出力から初期傾斜角度θを算出して補正することで、高精度評価が可能となる。 A method for correcting the error as described in FIG. 14 will be described below. As a method for adjusting the tilt of the sensor to 0 deg, there is a method in which the sensor output is tilted while measuring and the angle at which the output becomes maximum is θ = 0 deg. However, since the output change in the vicinity of cos (0 deg) is slight, correction is difficult. Therefore, by applying ± Δθ in the state of the unexplained value θ, and calculating and correcting the initial inclination angle θ from the sensor output at that time, high accuracy evaluation becomes possible.
図14おいて、
cos(θ―Δθ)=cosθ・cosΔθ―sinθ・sinΔθ
=ΔG1・・・・・・(9)
cos(θ+Δθ)=cosθ・cosΔθ+sinθ・sinΔθ
=ΔG2・・・・・・(10)
ΔG1、ΔG2はセンサーへ約1G印加したときの出力から正規化した加速度とする。
式(1)、(2)から、初期傾斜角度θは、
θ=sin-1[(ΔG1―ΔG2)/2・sinΔθ]・・・(11)
となる。式(10)での補正状態を図13、図14のグラフ図に示す。
In FIG.
cos (θ−Δθ) = cos θ · cos Δθ−sin θ · sin Δθ
= ΔG 1 (9)
cos (θ + Δθ) = cos θ · cos Δθ + sin θ · sin Δθ
= ΔG 2 (10)
ΔG 1 and ΔG 2 are accelerations normalized from the output when about 1 G is applied to the sensor.
From the equations (1) and (2), the initial inclination angle θ is
θ = sin −1 [(ΔG 1 −ΔG 2 ) / 2 · sin Δθ] (11)
It becomes. The correction state in equation (10) is shown in the graphs of FIGS.
図14は、傾斜評価機の傾斜補正前のデータで、横軸は時間(秒:sec)、縦軸はセンサー出力(μG)で、センサーユニットの設置角度+傾斜評価機の水平度による未既値θの状態で、未後へ傾斜0.573deg→左へ傾斜0.573degとしたときのセンサー出力を示す。 FIG. 14 shows data before tilt correction of the tilt evaluator, the horizontal axis is time (seconds: sec), the vertical axis is sensor output (μG), and the sensor unit installation angle + tilt evaluator level In the state of the value θ, the sensor output when the inclination is 0.573 deg to the rear and the inclination is 0.573 deg to the left is shown.
図15は、傾斜評価機の初期傾斜を補正後に測定した結果を示す。測定結果を式(3)に代入し、求めた補正角度0.56degで傾斜評価機を左へ補正して再度計測した結果を示す。なお、縦軸の単位である(μG)は(mgal)とほぼ等価である。このときの傾斜センサー(水準器)は、リオン株式会社製LS−40C「高感度加速度センサー」を用いて補正方法の確認を行った。 FIG. 15 shows the measurement results after correcting the initial tilt of the tilt evaluator. The measurement result is substituted into equation (3), and the measurement result is shown again after correcting the tilt evaluator to the left with the obtained correction angle of 0.56 deg. The unit (μG) on the vertical axis is almost equivalent to (mgal). The inclination sensor (level) at this time confirmed the correction method using LS-40C "high sensitivity acceleration sensor" by Rion Co., Ltd.
以上説明したような校正により、各センサーユニット3の測定誤差が修正される。修正された複数のセンサーユニットを共通の金属製の基台(台座)に固定して多軸型重力センサーとすることで、重力加速度の相対変化を高精度で測定可能とした多軸型重力センサーを得ることができる。 The measurement error of each sensor unit 3 is corrected by the calibration as described above. A multi-axis gravity sensor that can measure relative changes in gravitational acceleration with high accuracy by fixing multiple modified sensor units to a common metal base (pedestal) to form a multi-axis gravity sensor. Can be obtained.
1・・・多軸型重力センサー、2・・・基部、3(3a,3b,3c,3d, 3e)・・・センサーユニット固定面、4(4a,4b,4c,4d, 4e)・・・センサーユニット、41a・・・容器、41b・・・蓋、42・・・台座、43・・・導電性接着剤、5・・・水晶片、5a・・・可動電極、5b・・・固定電極、7(7a,7b,7c,・・)・・・発振部、8・・・周波数偏差検出部、9・・・重力偏差演算部、10・・・共通基台、11・・・片持ち固定部。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記金属製の共通基台は、3m個(mは2以上の自然数)の側面を有する3m角柱の中心軸に直角な面で切断した面を前記背面とし、
前記頂面には、前記中心軸を頂点とし、前記中心軸から離れるに従って前記背面に接近する如く傾斜する3以上の同一形状を有するセンサーユニット固定面を有し、
前記頂面に有する前記センサーユニット固定面は、前記3m個の側面と前記頂面の境界を底辺とし、共有する隣接2辺間距離が前記中心軸に向かって漸次幅狭となって前記中心軸で各頂点が一致する3m個の3角形の傾斜面のうちの合同3角形の傾斜面で、かつ前記中心軸周りに等角度で位置する傾斜面であり、
前記センサーユニット固定面のそれぞれに、前記一軸型センサーユニットを前記中心軸周りに固定したことを特徴とする多軸型重力センサー。A metal common base having a top surface, a side surface and a back surface intersecting the central axis, and three or more uniaxial sensor units are fixed to the top surface of the common base, and the back surface with respect to the ground axis A multi-axis gravity sensor with a right reference plane,
The metal common base has a surface cut by a plane perpendicular to the central axis of a 3 m prism having 3 m (m is a natural number of 2 or more) side surfaces as the back surface,
The top surface has a sensor unit fixing surface having three or more identical shapes that have the central axis as an apex and are inclined so as to approach the back surface as the distance from the central axis increases.
The sensor unit fixing surface on the top surface has a boundary between the 3m side surfaces and the top surface as a bottom, and a shared distance between two adjacent sides gradually becomes narrower toward the central axis. And an inclined surface located at an equiangular angle around the central axis, of the 3m triangular inclined surfaces having the same vertex at each other.
A multi-axis gravity sensor, wherein the uniaxial sensor unit is fixed around the central axis on each of the sensor unit fixing surfaces.
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