(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度センサを固定するためのテーブルと、
前記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な3つのリンクと、
前記3つのリンクの1つに設けられた単一の回転板と、
前記回転板を回転駆動させて前記3つのリンクを同期回転駆動させるための単一の駆動モータと
を具備する加速度センサ特性評価装置。
【請求項２】
さらに、前記各リンクに前記加速度センサ及び前記テーブルの質量に応じたカウンタウェイトを該テーブルと反対側に設けた請求項１に記載の加速度センサ特性評価装置。
【請求項３】
前記加速度センサ及び前記テーブルの質量中心、前記各リンクの質量中心、及び前記カウンタウェイトの質量中心が前記装置の高さ方向で一致している請求項２に記載の加速度センサ特性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
建築物の耐震基準として、建築基準法により、荷重、許容応力度、剛性、偏心率の指定に加えて、建築物自体の相対的な変形を表わす層間変形角が１／２００以内であるという指定を設けている。各層間変形角の値は、設計段階での建築物の部材の特性から計算しているので、施行の条件、建築後の外的条件による変化は考慮されていない。従って、地震や経年変化等の影響を受けた建築物が耐震基準を満足しているか否かを判別するためには、設計段階の建築物でなく実際の建築物自体の各層間変形角の値を計算する必要がある。
【０００３】
つまり、建築物が地震等で振動した場合、建築物の変形挙動としての各層間変形角の値を計算する必要がある。この層間変形角はある階層の床、天井の各水平変位及びその階層の高さより求められる値であり、従って、各階層の床及び天井の変位を測定する必要がある。
【０００４】
変位を直接測定するものとして、絶対的な基準面あるいは基準位置を必要とする変位量センサがある。
【０００５】
しかしながら、実験室系と異なり、実際の建築物では絶対的な基準面あるいは基準位置を得ることは難しく、この結果、建築物の各階層の変位を変位量センサを用いて直接測定することは現実的でない。
【０００６】
他方、近年、建築物の各階層の変位を間接的に測定するものとして、測定値を２階積分して変位を得る加速度センサが注目されている。特に、高層建築物等では、地震等によって受けた影響を測定する現実的手段がないので、自動的に測定できる加速度センサを用いた変位測定装置の実用化が期待される。
【０００７】
図７は地震計として加速度センサを設置した建築物を模式的に示す図である。図７に示すように、建築物の各階層の振動に対する応答特性を得るためには、各階層に１〜数個の加速度センサ７０１〜７０９を設ける必要がある。尚、図７の波形は地震の伝播があった場合の加速度センサ７０１〜７０９の出力波形を示し、制御回路（コンピュータ）７１０に供給されて各階層の層間変形角を計算するのに用いる。この場合、低層建築物であれば加速度センサの個数はそれほど多くないが、高層建築物であれば加速度センサの個数は数１０、数１００と多くなる。この結果、加速度センサは製造コスト面から安価なものを使用することになる。しかしながら、安価な加速度センサの製品群は個体毎の精度が現実的には保証されないので、加速度センサの測定精度のばらつきが問題となる。特に、高層建築物に対して大きな損失を与えるとされる低周波成分は、変位への寄与が大きい一方、加速度振幅が小さいので、ノイズの影響を受け易い。従って、加速度センサの測定精度がばらつくと、低周波成分を２階積分して得られる変位の精度はさらにばらつくことになる。
【０００８】
一般に、加速度センサの測定値を２階積分して変位を得るためには、加速度センサが有する基線が不安定である等の理由から基線補正処理を行う必要があり、また、ノイズ除去のために適切なバンドパスフィルタリング処理を行った上で２階積分を行う。従って、これらの処理を行わずに加速度センサの出力を２階積分して得られる変位は蓄積誤差が増大して実際の変位から大きく異なる値となる。たとえば、加速度センサに半径5cm、周期10秒の等速円運動の基準円運動を与えた場合の単純な２階積分によって得られる運動軌跡は、図８に示すごとく、等速円運動の基準円から大きくずれてしまう。
【０００９】
このように、製品群の各加速度センサの個体別の特性つまり測定精度を評価して補正する必要がある。
【００１０】
図９は従来の加速度センサ特性評価装置を示す平面図である（参照：非特許文献１のp.14〜p.15）。尚、図９において、（Ｂ）は（Ａ）の状態がほぼ90°回転した状態を示す。
【００１１】
図９においては、低周波２軸加振のために、大回転テーブル９０１及び小回転テーブル９０２を設けており、大回転テーブル９０１の回転軸A1に対して小回転テーブル９０２の回転軸A2はずらしてある。小回転テーブル９０２上には加速度センサ９０３が固定されている。
【００１２】
図９においては、回転テーブル９０１、９０２の角速度ω1、ω2は反対向きでいずれも一定であり、しかも、この場合、
ω1 = ω2
である。従って、加速度センサ９０３の測定軸M（たとえばＸ軸）の角度は遠心力Fの方向に関係なく一定となる。この結果、加速度センサ９０３は外界に対して角度姿勢を保持した状態で等速円運動が可能となり、これにより、加速度センサ９０３の２軸同時測定が可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】ISO 16063-1:Methods for the calibration of vibration and shock transducers Part 1, Basic concepts, 1998
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、図９の加速度センサ特性評価装置においては、大回転テーブル９０１、小回転テーブル９０２の慣性モーメント及び摩擦力は位相に依存して変化し、この結果、微小時間では、揺らいで、ω1=ω2は成立しない。従って、微小時間では、加速度センサ９０３の測定軸M（たとえばＸ軸）の角度は一定とならない。この結果、微小時間では、加速度センサ９０３は外界に対して角度姿勢を保持できず等速円運動が不可能となり、これにより、加速度センサ９０３の高精度の２軸同時測定が不可能となる課題がある。また、２つの回転テーブル９０１、９０２の回転によって定める基準値としての加速度センサ９０３の既知の円運動変位が揺らいで保証されないので、加速度センサ９０３の測定値を補正できないという課題がある。さらに、慣性モーメントが位相に依存して変化するので、加速度を高精度で制御することが困難であるという課題もある。
【００１５】
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、微小時間でも、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高精度の２軸同時測定を可能にすると共に、加速度センサの既知の変位を保証して加速度センサの測定値を補正可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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装置は、加速度センサを固定するためのテーブルと、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3つのリンクと、これら3つのリンクの1つに設けられた単一の回転板と、この回転板を回転駆動させて3つのリンクを同期回転駆動させるための単一の駆動モータとを具備するものである。これにより、テーブルはリンクの長さを半径とする円運動を行う。
【００１７】
また、各リンクに加速度センサ及びテーブルの質量に応じたカウンタウェイトをテーブルと反対側に設けた。これにより、回転時に荷重の偏るのを防止する。さらに、加速度センサ及びテーブルの質量中心、各リンクの質量中心、及びカウンタウェイトの質量中心が装置の高さ方向で一致している。これにより、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る。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、慣性モーメント、摩擦力が位相に依存しないので、微小時間でも、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高精度の２軸同時測定できる。リンクの長さを半径とする加速度センサの既知の変位を保証して加速度センサの測定値を補正できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る加速度センサ特性評価装置の原理を示す図である。
【図２】本発明に係る加速度センサ特性評価装置の実施の形態を示す斜視図である。
【図３】図２の加速度センサ特性評価装置の部分断面図である。
【図４】図３の制御回路の動作を示すフローチャートである。
【図５】図３の加速度センサのＸ軸加速度信号及びＹ軸加速度信号の例を示すタイミング図である。
【図６】図５のＸ軸加速度信号及びＹ軸加速度信号から計算されたＸ軸変位及びＹ軸変位の軌跡を示すグラフである。
【図７】地震計として加速度センサを設けた建築物の例を示す図である。
【図８】図７の加速度センサの測定値から計算されたＸ軸変位及びＹ軸変位の軌跡を示すグラフである。
【図９】従来の加速度センサ特性評価装置を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は本発明に係る加速度センサ特性評価装置の原理を示す図である。
【００２１】
図１に示すように、加速度センサ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。この結果、加速度センサ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１の２軸同時測定が可能となる。また、加速度センサ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１の測定値の補正も可能となる。
【００２２】
加速度センサ１のＸ軸加速度信号SX、Ｙ軸加速度信号SYは制御回路（コンピュータ）１０に供給され、この結果、制御回路１０はＸ軸加速度信号SX、Ｙ軸加速度信号SYから加速度センサ１のＸ軸変位X、Ｙ軸変位Yを計算する。必要に応じて、基準の真円に対して補正値を計算する。
【００２３】
図２は本発明に係る加速度センサ特性評価装置の実施の形態を示す斜視図、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。
【００２４】
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１も半径rで円運動することになる。
【００２５】
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、Cはカウンタウェイト７−２、７−２’の質量中心、T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、Sは加速度センサ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。
【００２６】
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。
【００２７】
さらに、装置を縦置きにして加速度センサ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C、T、S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。
【００２８】
次に、図２の制御回路１０の動作を図４のフローチャートを参照して説明する。
【００２９】
始めに、ステップ４０１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１に対してたとえば0.1Hzの加振を行う。この状態で、図５に示す加速度センサ１のディジタル形式のＸ軸加速度信号SX、Ｙ軸加速度信号SYを数周期分をサンプリング速度たとえば20Hzで取込んで記憶する。
【００３０】
次に、ステップ４０２において、ステップ４０１にて取込まれたＸ軸加速度信号SX、Ｙ軸加速度信号SYのデータの平均値をデータ全体から差し引いてオフセット補正処理を行う。
【００３１】
次に、ステップ４０３において、基線補正処理を行う。
【００３２】
次に、ステップ４０４において、バンドパスフィルタリング処理を行う。たとえば、高域カット周波数を1Hzとして装置の加工精度、取付精度等に起因するノイズを除去し、低域カット周波数を0.09Hzとして加振周波数0.1Hz未満の成分を除去して蓄積誤差を除去する。
【００３３】
次に、ステップ４０５において、Ｘ軸加速度信号SX、Ｙ軸加速度信号SYのデータを２階積分することにより、Ｘ軸変位X、Ｙ軸変位Yを計算し、図６に示す変位軌跡を得る。
【００３４】
最後に、ステップ４０６において、ステップ４０５にて作られた変位軌跡を装置のリンク３−１、３−２、３−３の長さrを半径とする既知の真円軌跡と比較することにより補正値を計算する。たとえば、図６においては、Ｘ方向変位Xの最大振幅は既知の真円軌跡の最大振幅より10％程度ずれており、Ｙ方向変位Yの最大振幅は既知の真円軌跡の最大振幅より20％程度ずれている。この場合、Ｘ方向変位Xの補正値αXを1/0.9とし、Ｙ方向変位Yの補正値αYを1/0.8とする。尚、補正値αX、αYは、加速度センサ１の主軸（Ｘ軸）の感度、副軸（Ｙ軸）の感度、２階積分の計算誤差、加速度センサ１の取付角度等に依存する。
【００３５】
尚、上述のステップ４０５、４０６におけるＸ方向変位X、Ｙ方向変位Yには、位相ずれを含むが、ステップ４０１における加振が周波数依存性がなければ、上述のごとく、Ｘ方向変位X、Ｙ方向変位Yの各最大振幅を求めて既知の真円軌跡の各最大振幅と比較することにより加速度センサ１の感度を測定することができる。しかしながら、本発明に係るステップ４０１における加振が周波数依存性がある場合には、回転板９ａ等に設けられたロータリエンコーダ（図示せず）の出力等と同期をとって位相を合わせることによりＸ方向変位X、Ｙ方向変位Yを求め、その周波数における加速度センサ１の感度を測定できる。
【００３６】
尚、上述の実施の形態では、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１としては、たとえば、安価な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。
【符号の説明】
【００３７】
１：加速度センサ
２：テーブル
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
SX：Ｘ軸加速度信号 
SY：Ｙ軸加速度信号 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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