JPH04190162A - 加速度センサ校正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 加速度を検出してそれに対応した電気量に変換する加速
度センサの校正方法に関し、 高精度の校正を可能とすることを目的とし、校正すべき
加速度センサと該加速度センサの出力を記録する加速度
センサ出力記録装置とを同一の筐体内に装備した校正モ
ジュールと、微小重力状態の室と、該室内における上記
校正モジュールの浮遊運動状態を記録する装置とを使用
し、上記室内における上記校正モジュールの浮遊運動時
の上記加速度センサの出力を上記加速度センサ出力記録
装置に記録する工程と、上記校正モジュールの上記室内
における浮遊運動状態を、上記加速度センサ出力の上記
加速度センサ出力記録装置への記録と同期して、上記浮
遊運動状態記録装置に記録する工程と、上記加速度セン
サ記録装置の記録情報に基づいて上記加速度センサの加
速度を算出する工程と、上記浮遊運動状態記録装置の記
録情報に基づいて上記校正モジュールの真の加速度ヲ算
出する工程と、上記加速度センサ加速度算出工程におい
て算出した加速度センサ加速度と上記校正モジュールの
真の加速度算出工程において算出した真の加速度とを照
合して、上記加速度センサの新たなオフセット値を算出
する工程とよりなるよう校正する。

〔産業上の利用分野〕 本発明は、加速度を検出してそれに対応した電気量に変
換する加速度センサの校正方法に関する。

近年、新材料の開発における無重力環境の利用が注目さ
れている。これは、無重力下では、溶液あるいは融液の
対流による場の乱れや、その中て生成する結晶の沈降な
どが起こらず、地上では得られない物理現象を容易に起
こすことか可能てあり、新規な材料の創製の可能性を秘
めているためである。

無重力環境の提供の場としては、宇宙空間が最も理想的
であり、米国航空宇宙局（ＮＡＳＡ）のプロジェクトで
あるスペースシャトルや、日本における第一次材料実験
計画（ＦＭＰＴ）なと、宇宙環境での実験が精力的に進
められている。また、比較的簡便に行える無重力実験と
しては、航空機の弾道飛行による無重力場の提供や、高
い塔からの、あるいは深い垂直坑における実験系の自由
落下による短時間の無重力状態の利用か代表的である。

　上記の実験においては、加速度と実験結果との相関を
明らかにするため、実験部に加わる加速度を正確に測定
することが必要である。

加速度の測定には、加速度センサか使用される。

また、特に、サーボ型の加速度センサは、航空機や弾道
ミサイルの慣性航行装置や地震計等にも用いられている
。

ここで、一般的に、加速度センサの特性を決定する量は
、単位大刃物理量に対する出力値、いわゆるスケール・
ファクターＡと、大刃物理量が零の時に出てくる出力で
あるオフセット値ａ　ｏｆｓである。

加速度センサの出力電圧の測定値を特とする請求める加
速度ａは、 ａ＝Ｖ／Ａ−ａｏｆｓ　　　　　　　　　　　　■によ
り与えられる。

上記の加速度センサには経時変化があり、加速度の測定
を精度良く行うために、オフセット値を求め直して、定
期的に校正を行う必要かある。

〔従来の技術〕

第６図は従来の校正方法であり、地球の重力を利用して
いる。

ｌは加速度センサてあり、２はその測定軸である。

従来は、加速度センサｌを、水平の防振台３上に水平に
載置し、この状態で測定器４により出力を測定すること
によって、オフセットａｏｆｓを得ていた。

新たに得たオフセットａ　ｏｆｓによって、加速度セン
サ１は校正される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記方法によるオフセット値の測定には、困難かつきま
とう。

即ち、第７図に示すように、地球の加速度Ｇに対し、加
速度センサ１に加わる加速度の大きさａ、、は、 ａ、＝ＩＧｘｓｉｎ　　θ　　　　　　　　　　　　　
　　■て表わされる。

ここてθぼ、加速度センサ１の測定軸２が真の水平面５
となす角度である。

加速度ａ、をｌＸｌ０−’Ｇ（即ち１ｍＧ）程度の精度
で行うためには、θを０．０５７°以下にしなければな
らない。

しかし、防振台３の水平の精度を０．０５７°以下とす
ることは困難であり、オフセットａ　ｏｆｓを高精度に
測定することは困難となり、結果的には校正を精度良く
行うことが困難となる。

本発明は高精度な校正を可能とした加速度センサの測定
方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の加速度センサの校正方法の原理を示す
。

校正には、校正モジュール１０と、微小重力室１１と、
運動状態記録装置１２とを使用する。

校正モジュールｌＯは、同一の筺体１３内に、校正すべ
き加速度センサ１４と、この加速度センサ１４の出力を
記録する加速度センサ出力記録装置１５とを装備した構
成である。

微小重力室１１は、例えば宇宙船や宇宙基地の内部、又
は弾道飛行を行っている航空機の内部である。

校正モジュール１０は、微小重力室１１内で浮遊してい
る。

運動状態記録装置１２は、微小重力室１１に設置してあ
り、上記浮遊している校正モジュールｌＯの運動状態を
、上記加速度記録装置１５の記録と同期をとって記録す
る。

加速度センサ１４の校正は、次の工程を経て行う。

まず、測定を行い、次いで解析を行う。

測定は、加速度記録工程２０と、運動状態記録工程２１
とよりなる。

加速度センサ出力記録工程２０においては、校正モジュ
ール１０を微小重力室１１内に浮遊させて、浮遊時の加
速度センサ１４の出力を記録する。

運動状態記録工程２１においては、上記微小重力室１１
内に浮遊している校正モジュール１２の運動状態を、上
記加速度センサ出力記録装置１５による記録と同期をと
って記録する。

次に、上記の記録結果に基づいて解析を行う。

２２は加速度センサ加速度算出工程であり、上記加速度
センサ出力記録工程で行った記録の再生信号に基づいて
、上記加速度センサ１４の加速度ａを算出する。

具体的には、次式（■と同一）、 ２＝Ｖ／Ａ−ａｏｆｓ　　　　　　　　　　　　■に基
づいて加速度ａを算出する。■は加速度センサ１４の出
力電圧、Ａはスケールファクター、ａｏｆｓは前回の校
正により得たオフセット値である。

２３は真の加速度算出工程であり、運動状態記録工程２
１で行った記録の再生信号に基づいて真の加速度ａ０を
算出する。

例えば第２図に示すように、校正モジュールｌＯが時間
△ｔの間に二点鎖線で示す位置から実線で示す位置まて
△Ｘだけ移動したとすると、真の加速度ａ０は△Ｘ２／
△ｔ２て求まる。

ここて、真の加速度を知るのは、微小重力状態において
は、空気の運動による影響か無視出来ないものであるか
らである。

また宇宙船の内においては、加速度は略零であるものの
、軌道の修正や乗員活動などによって撹乱か生ずる場合
があるからである。

２４は新オフセット値算出工程であり、上記加速度セン
サ加速度ａと真の加速度ａ。とを照合し、（ａｏｆｓ　
−（ａ−ａｏ　）　）の計算を行って、新たなオフセッ
ト値ａ　ｏｆｓｌを求める。

これにより、上記加速度センサ１４は校正され、以後、
この加速度センサ１４か検出する加速度ａは、 ａ　＝　Ｖ／　Ａ　−ａ　ｏｆｓｌ　　　　　　　　　
　　　■とじて求められる。

〔作用〕

微小重力室１１は、校正モジュール１０が静止している
場合にはその装置の如何に関係な（、加速度センサ１４
に作用する重力の加速度を零とする。これによって、浮
遊時、加速度センサ１４は重力の影響を受けずに、校正
モジュール１０の運動のみによる加速度に対応した信号
を出力することを可能とする。

工程２１及び２３は、校正モジュールＩＯの浮遊時に加
速度センサ１４に作用した加速度を高精度に求めること
を可能とする。

これらによって、新たなオフセット値ａ　ｏｆｓｌか高
精度に求まる。

〔実施例〕

第３図は本発明の加速度センサ校正方法の一実施例を行
うための設備を示す。

３０は微小重力室であり、弾道飛行を行っている航空機
の機内である。

３１は校正モジュールであり、−の筐体３２に、校正す
べき加速度センサ３３．加速度センサ３３の出力電圧信
号を記録する電圧信号測定記録装置３４、及び同期用Ｌ
ＥＤ３５か設けられた構造である。

加速度センサ３３は、５ｕｎｄｓｔｒａｎｄ　Ｄａｔａ
　Ｃｏｎｔｒ。

１社製の型番Ｑ　Ａ　−７００てあり、その測定軸３６
か校正モジュール３１の浮遊時の移動方向と一致する向
きで取り付けである。

電圧信号測定記録装置３４は、第１図中の加速度センサ
出力記録装置１５を構成し、加速度センサ３３よりの電
圧出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ３７．Ａ／Ｄ
コンバータ３７の出力を記憶する半導体メモリ３８．こ
れらを制御するマイクロプロセッサ３９．及びバッテリ
４０等よりなり、加速度センサ３３の出力電圧信号を測
定して記録する。

同期用ＬＥＤ３５は、半導体メモリ３８のうち加速度セ
ンサ３３の出力電圧信号か格納されるアドレスを数字で
表示する。

４１．４２はビデオカメラであり、微小重力室３０内に
設置してあり、浮遊状態の構成モジュール３１を異なる
角度から撮像する。

４３．４４はビデオテープレコーダ装置であり、夫々ビ
デオカメラ４１．４２が撮像した画像を記録する。

同期用ＬＥＤ３５．　　ビデオカメラ４１，４２゜及び
ビデオテープレコーダ装置４３．４４か、第１図中の運
動状態記録装置Ｉ２を構成する。

次に、加速度センサ３３の校正を行う方法について、第
４図を併せ参照して説明する。

まず、工程５０を行い、航空機を弾道飛行状態として、
室３０を校正モジュールを回収するまで数１０秒間微小
重力の状態とする。

次いで、工程５１を行い、校正モジュール３１を室３０
内で浮遊させる。

校正モジュール３１内には可動する部分は無く、校正モ
ジュール３１は、回転運動を殆ど生ずることなく、静か
に浮遊する。浮遊状態か静かであることは、校正を精度
良く行う上で好都合である。

浮遊状態において、次の二つの工程５２．５３を行う。

工程５２においては、加速度センサ３３の出力を、ｌＯ
ミリ秒間隔の時系列データとして、半導体メモリ３８に
記憶させる。

このとき、同期用ＬＥＤ３５は、半導体メモリ３８のう
ち上記データか格納されるアドレスを数値で表示する。

また工程５３においては、ビデオカメラ４１゜４２によ
って、校正モジュール３１を撮像し、校正モジュール３
１の動きと同期用ＬＥＤ３５の表示をビデオテープレコ
ーダ４３．４４に記録する。

ここで、ビデオカメラ４１．４２によって水平と垂直の
異なる角度から撮像しており、−台のビデオカメラで撮
像する場合に比べて、校正モジュール３１の室３０内の
空間中の立体的な位置関係かより明確となる。

次いで、工程５４を行ない、校正モジュール３１を回収
する。

続いて、工程５５を行ない、上記回収した校正モジュー
ル３１の半導体メモリ３８よりここに記憶されている電
圧値Ｖを読み出し、これを次式％式％ に代入して、上記校正モジュール３１の浮遊動作中にお
ける加速度センサ３３が検圧した加速度を算出する。

上記のａ　ｏｆｓは、前回に校正したときに得たオフセ
ット値である。

次に、真の加速度を求める工程５６を行う。

この工程５６は、校正モジュール３１の速度を求める工
程５６−１と、求めた速度から加速度センサに作用する
加速度を算出する工程５６−２とよりなる。

工程５６−１においては、ビデオテープレコーダ装置４
３．４４を再生して、校正モジュール３１の直線運動の
速度Ｖを求める。校正モジュール３１が回転運動を行っ
ているときには、回転の角速度ωを求める。

ビデオテープレコーダ装置４３．４４を再生すると、校
正モジュール３１の画像から校正モジュール３１の位置
の情報が得られ、数字を表示している同期用ＬＥＤ３５
の画像から時間の情報か得られる。

この両方の情報に基づいて、第２図に示すようにして、
校正モジュール３１の速度Ｖと角速度ωか求まる。

次いで、工程５６−２を行う。

ここて、浮遊している校正モジュール３１の運動状態に
より発生する加速度について説明する。

浮遊している校正モジュール３１の運動状態により発生
する加速度は、空気中を直線的に移動することにより生
しる空気抵抗力および校正モジュール３１の回転による
求心力である。

前者は、空気抵抗力をｆ１校校正モジュール空気抵抗力
を受ける面の面積をＳ、移動速度をＶ。

空気の密度をρ、抵抗係数をＣとすると、ＳＶ４０ ｆ＝Ｃ□　　　　　　　　　　　　　■て与えられる。

これから、移動しているときに重量ｍの校正モジュール
に加わる加速度αはα＝ｆ／ｍ　　　　　　　　　　　
　　　　　■と求まる。

一方、後者の回転による加速度α、は、回転の角速度を
ω１回転中心からの加速度センサ３３までの距離がｒの
とき、 α、＝ｒω　　　　　　　　　　　　　　　■となる。

工程５６−２においては、工程５６−８で求めた速度ｆ
を上記式■、■に代入して加速度αを求めると共に、同
じく工程５６−３で求めた角速度ωを上記式■に代入し
て加速度α７を求める。

求めた加速度α、α、は夫々Ｏ，１ｍＧ程度てあり、両
者を統合した真の加速度α。は０．２ｍＧ程度となる。

最後に新オフセット値算出工程５７を行う。

この工程５７においては、工程５５で算出した加速度セ
ンサ加速度ａと、工程５６て算出した真の加速度α。と
を照合して、（ａｏｆｓ　−（ａ−ａｏ））の計算を行
う。

これによって、新たなオフセット値ａ　ｏｆｓｌか求ま
る。

以上により、加速度センサ３１の校正か終了し、以後、
この加速度センサ３１により検出される加速度ａは、 ａ＝Ｖ／Ａ−ａｏｆｓｌ の式に基づいて求めたものとなる。

次に、上記の第３図に示す構成のものを使用して実験を
した結果について説明する。

実験はＮＡＳＡの弾道飛行機Ｋ　Ｃ−１３５を使用して
微小重力空間を形成して行った。

第５図（Ａ）は、ビデオテープレコーダ装置４３．４４
を再生した情報に基づいて算出した（工程５１．）、校
正モジュール３１の浮遊状態における速度の変化状況を
示す。

同図（Ｂ）は、工程５５により得た加速度センサ３１の
加速度ａの変化の状況を示す。ここで、加速度ａを求め
るに使用したオフセット値は、前回校正した値である。

第５図（Ａ）、（Ｂ）を参照するに、時刻ｔ。

についてみると、校正モジュール３１の移動速度が極小
であって、加速度センサ３３の加速度の変化も極小とな
っている。

時刻ｔ２についてみると、校正モジュール３１の移動速
度が極大であって、加速度センサ３３の加速度も極大と
なっている。

また、時刻ｔ、についてみるに、校正モジュール３１か
今までとは逆方向に運動を開始した時点である。

このときには、校正モジュール３１の加速度はほとんど
ＯＧである筈である。

これにも拘らず、加速度センサ３３は＋２ｍＧの加速度
を検出している。

このことより、前回の校正の時点から、＋２ｍＧオフセ
オフセット値ていることか分かる。

従って、今回の校正後のオフセット値ａｏｆｓｌは前回
の校正によるオフセット値ａｏｆＳに＋２ｍＧを加算し
た、ａｏｆｓ＋２ｍＧとなる。

このオフセット値は、上記実施例において、工程５７て
算出した値と略一致しており、本発明の校正方法は正し
いことか実験的に確認された。

次に上記実施例における特徴的な点について説明する。

■　校正を精度良く行うためには、真の加速度α、α、
を正確に算出する必要かある。出来れば、真の加速度α
、α７．特にα、が零であることか望ましい。真の加速
度の算出か不要となるからである。

そこて、校正モジュール３１は出来るたけ静かに浮遊す
ることか必要とされ、特に回転運動か出来る限り生じな
いことが望ましい。

校正モジュール３１内に記録装置として加速度の撹乱を
引き起こすテープレコーダ等を使用すると、回転機構又
は摺動機構の動作によってコリオリカ又は振動が発生し
、校正モジュール３１は回転を伴う複雑な運動をしてし
まい、真の加速度を正確に算出出来なくなる虞れかある
。

しかし、本実施例では、記録には半導体メモリ３８を使
用しており、校正モジュール３１内には加速度撹乱を引
き起こす装置は搭載されていない。

このため、校正モジュール３１は回転を伴わずに静かに
浮遊し、真の加速度は精度良く算出される。

これにより、校正は精度良く行われる。

■　校正モジュール３１とこの浮遊運動状態を記録する
装置との間に信号伝送用のケーブルを接続したりすると
、ケーブルか校正モジュール３１の浮遊に対して抵抗と
なってしまい、校正モジュール３１に不要な加速度か作
用してしまい、微小重力状態ではなくなってしまう。

しかし、本実施例においては、校正モジュール３１は完
全に浮遊しており、空気抵抗力以外は校正モジュール３
Ｉに及ぼす力は存在せず、加速度センサ３３に加わる加
速度を正確に把握できる。

次に上記実施例の変形例について説明する。

上記同期用ＬＥＤ３５の代わりに、発光ダイオードやレ
ーザダイオードなとの発光素子による光学的な方法や、
電磁波（例えばＶＨＦ−ＵＨＦ等の高周波搬送波）に信
号を重畳した信号を利用する方法でもよい。

電磁波を利用した方法であれば、これを−旦低周波数の
信号に変換してから、ビデオテープの音声トラックに記
録することが可能となる。

また、ビデオカメラ４１．４２及びビデオテープレコー
ダ装置４３．４４に代えて、１６−フィルムを利用する
こともてき、更にはレーザや超音波を利用して校正モジ
ュール３１の位置を測定することもてきる。

また、微小重力室３０は、宇宙船や宇宙基地の内部であ
ってもよい。

この場合には、宇宙において、加速度センサの校正か可
能となる。

なお、本明細書中［微小重力室Ｊは「無重力室」も包含
する概念である。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明によれば、地球上においては
、地球の重力に基づいた校正に比べて、より高精度に校
正を行うことが出来る。

また、宇宙空間においても、校正を行うことか可能とな
る。　これにより、無重力状態において行われる種々の
実験の質の向上を図ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の加速度センサ校正方法の原理図、 第２図は浮遊している校正モジュールの速度の算出を説
明する図、 第３図は本発明の一実施例の加速度センサ校正方法に使
用する設備を示す図、 第４図は本発明の一実施例の加速度センサ校正方法を説
明する図、 第５図は本発明の一実施例の加速度センサ校正方法を実
際に行ったときの結果を示す図、第６図は従来の加速度
センサ校正方法の１例を示す図、 第７図は従来の方法による校正誤差を説明する図である
。 図において、 １０．３１は校正モジュール、 １１．３０は微小重力室、 １２は運動状態記録装置、 １３．３２は筐体、 １４．３３は校正すべき加速度センサ、１５は加速度セ
ンサ出力記録装置、 ２０．５２は加速度センサ出力記録工程、２１は運動状
態記録工程、 ２２．５５は加速度センサ加速度算出工程、２３．５６
は真の加速度算出工程、 ２４．５７は新オフセット値算出工程、３４は電圧信号
測定記録装置、 ３５は同期用ＬＥＤ、 ３６は測定軸、 ３７はＡ／Ｄコンバータ、 ３８は半導体メモリ、 ３９はマイクロプロセッサ、 ４０はバッテリ、 ４１．４２はビデオカメラ、 ４３．４４はビデオテープレコーダ装置、５０は微小重
力状態形成工程、 ５１は校正モジュール浮遊工程、 ５３は校正モジュール撮像記録工程、 ５４は校正モジュール回収工程、 ５６は真の加速度を求める工程、 ５６−１は校正モジュールの速度を求める工程、５６−
２は校正モジュールの加速度センサに作用する加速度を
算出する工程 を示す。 特許出願人　富　士　通　株式会社 １１４１−覧ン１−動）―＝。 第１図 １２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　校正すべき加速度センサ（１４，３３）と該加速度セ
   ンサの出力を記録する加速度センサ出力記録装置（１５
   ，３４）とを同一の筐体（１３，３２）内に装備した校
   正モジュール（１０，３１）と、微小重力状態の室（１
   １，３０）と、該室内における上記校正モジュールの浮
   遊運動状態を記録する装置（１２，４１〜４４）とを使
   用し、 上記室内における上記校正モジュールの浮遊運動時の上
   記加速度センサの出力を上記加速度センサ出力記録装置
   に記録する工程（２０，５２）と、上記校正モジュール
   の上記室内における浮遊運動状態を、上記加速度センサ
   出力の上記加速度センサ出力記録装置への記録と同期し
   て、上記浮遊運動状態記録装置に記録する工程（２１，
   ５３）と、 上記加速度センサ記録装置の記録情報に基づいて上記加
   速度センサの加速度を算出する工程（２２，５５）と、 上記浮遊運動状態記録装置の記録情報に基づいて上記校
   正モジュールの真の加速度を算出する工程（２３，５６
   ）と、 上記加速度センサ加速度算出工程において算出した加速
   度センサ加速度と上記校正モジュールの真の加速度算出
   工程において算出した真の加速度とを照合して、上記加
   速度センサの新たなオフセット値を算出する工程（２４
   ，５７）とよりなることを特徴とする加速度センサ校正
   方法。