(57)【要約】【課題】正弦波状の連続波の力に対する力センサの応答特性を精度よく適正に測定できる方法を提供する。【解決手段】直動軸受け１（直動静圧空気軸受け）に直動自在に設けられた可動部５と、可動部５に対向して固定配置された力センサ２の受圧部２ａとを弾性体７を介して連結しておく。可動部５の直動運動を開始させて可動部を連続的に振動させる。このとき、力センサ２の検出出力と可動部の振動運動によって可動部５に発生する慣性力とを計測する。可動部５の慣性力は、光波干渉計１３で可動部５の移動速度を計測し、その移動速度を微分してなる加速度から求める。【選択図】図１
2005147701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正弦波状の連続波の力に対する力センサの応答特性を測定する方法であって、
直動軸受けに直動自在に設けられた可動部と、該可動部の直動運動によって該可動部に接近・離反するように該可動部に対向して固定配置された力センサとをあらかじめ弾性体を介して連結しておき、
前記可動部の直動運動を開始させ、前記弾性体の弾性力によって該可動部を連続的に振動させる工程と、この可動部の振動運動によって前記力センサに作用する力に伴う前記力センサの検出出力と該可動部の振動運動によって該可動部に発生する慣性力とを計測する工程とを備えたことを特徴とする力センサの連続波応答特性の測定方法。
【請求項２】
前記慣性力を計測する工程では、前記可動部の移動速度を光波干渉計によって計測し、その計測した移動速度を微分して求めた加速度から前記慣性力を計測することを特徴とする請求項１記載の力センサの連続波応答特性の測定方法。
【請求項３】
前記直動軸受けは、直動静圧空気軸受けであることを特徴とする請求項１又は２記載の力センサの連続波応答特性の測定方法。
【請求項４】
前記可動部の重心の位置と、該可動部と前記弾性体との接合部の中央位置とを結ぶ直線が前記可動部の可動方向に平行になるように該可動部と弾性体が接合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の力センサの連続波応答特性の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は正弦波状に連続的に変動する力に対する力センサの応答特性を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、静的な力（時間的に変動しないか、もしくはその変化速度が十分に小さい力）に対する力センサの検出出力の校正手法（静的校正法）は確率されている。この静的校正手法は、既知の一定の力（例えば所定の質量の物体に作用する重力）を力センサに作用させ、このときの力センサの検出出力と、該力センサに作用させた力の真値とを比較して、力センサの静的特性（静的な力に対する検出出力の相関関係）を測定し、その測定データに基づいて作成された校正データに従って力センサの検出出力を校正する方法である。
【０００３】
ところで、力センサに動的な力が作用した場合は、力の変化に対する検出出力の応答遅れ等の独特の現象を生じ、この動的応答特性に起因して、力センサの検出出力を静的校正法で校正しても、動的な力を正確に計測することはできない。そのため、力センサの動的応答性を正確に把握することが強く要望されている。
【０００４】
ここで、動的な力に対する力センサの応答特性の一つとして、例えば正弦波状の連続波の力に対する応答特性が挙げられる。正弦波状の連続波の力に対する応答特性を評価しておくことは、周期的に変動する力を力センサで計測しようとする場合に有用である。例えばある材料の疲労試験を行うためにその材料の試験体に周期的に変動する力を作用させる場合に、その作用力をモニタリングしたり、圧延機などの生産機械で発生する周期的な変動力を力センサでモニタリングする場合に有用である。
【０００５】
そして、正弦波状の連続波の力に対する応答特性を測定する手法としては、既知質量の分銅を力センサに接触させつつ、これらを一体的に加振器によって振動させるもの（非特許文献１）が知られている。この手法は、分銅および力センサを加振器によって振動（単振動）させたときの分銅の慣性力を既知として、その慣性力と力センサの検出出力とから力センサの応答特性を測定しようとするものである。
【０００６】
しかしながら、この手法では、力センサ自身をも加振器によって振動させるため、力センサ自身の運動に伴う慣性力の影響が該力センサの検出出力に現れてしまう。そして、力センサ自身の運動に伴う慣性力の影響を分離して、力センサに作用した真の力（これは分銅の慣性力と同一にはならない）を把握することが困難である。このため、前記文献１の手法では、正弦波状の連続波の真の力に対する力センサの応答特性を適正に測定することが困難であった。また、加振器を用いるために、騒音や振動が発生しやすいという不都合もある。
【０００７】
なお、単発的な衝撃力に対する力センサの応答特性を測定する手法としては、例えば特許第３１７７６８１号公報（特許文献１）に見られる技術が提案されている。この技術では、直動軸受けの可動部を力センサに衝突させ、このときの力センサの検出出力を計測すると共に、可動部の速度を計測して、その速度変化から可動部の慣性力（＝可動部の質量×運動加速度）が計測される。この技術によれば、計測する可動部の慣性力が力センサに作用する真の衝撃力に相当するものとなるので、その慣性力と力センサの検出出力とから単発的な真の衝撃力に対する力センサの応答特性を適正に測定することが可能である。しかし、この特許文献１の技術は、単発的な衝撃力に対する力センサの応答特性を測定するものであり、正弦波状の連続波の力に対する力センサの応答特性を測定する手法は未だ開発されていないのが現状である。
【非特許文献１】Kumme R, 1998,Investigation of the comparison method for the dynamic calibration of force transducers, Measurement 23, 239-45
【特許文献１】特許第３１７７６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、正弦波状の連続波の力に対する力センサの応答特性を精度よく適正に測定できる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】
【０００９】
本発明の力センサの連続波応答特性の評価方法は、正弦波状の連続波の力に対する力センサの応答特性を測定する方法である。そして、前記の目的を達成するために、直動軸受けに直動自在に設けられた可動部と、該可動部の直動運動によって該可動部に接近・離反するように該可動部に対向して固定配置された力センサとをあらかじめ弾性体を介して連結しておき、前記可動部の直動運動を開始させ、前記弾性体の弾性力によって該可動部を連続的に振動させる工程と、この可動部の振動運動によって前記力センサに作用する力に伴う前記力センサの検出出力と該可動部の振動運動によって該可動部に発生する慣性力とを計測する工程とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
かかる本発明によれば、可動部に対向して固定配置された力センサと直動軸受けの可動部とを弾性体を介して連結しておくので、可動部の直動運動を開始することで、該可動部が弾性体の弾性力によって振動（単振動）する。このため、力センサには可動部の振動運動に伴う慣性力によって正弦波状の連続波の力が作用し、それに応答した検出出力を発生する。この場合、力センサは固定されて不動状態であるので、該力センサ自身には慣性力は発生しない。また、弾性体は可動部の慣性質量に比して十分に小さい慣性質量のものでよいので、可動部の振動運動時に弾性体に発生する慣性力は、可動部に発生する慣性力に比して十分に小さなものにすることができる。このため、可動部に発生する慣性力を力センサに作用する真の力に相当するものとすることができる。したがって、可動部の慣性力と力センサの検出出力とを計測することで、それらの計測値（正弦波状に変化する計測値）に基づいて、正弦波状の連続波の力に対する力センサの応答特性（以下、単に連続波応答という）を精度よく適正に測定することができる。
【００１１】
本発明において可動部に発生する慣性力は、該可動部の慣性質量と加速度との積であり、この可動部の慣性質量は、あらかじめ計測しておくことで既知となる。したがって、可動部の振動運動時の慣性力を計測するためには、該可動部の加速度を計測すればよい。そして、本発明では可動部の慣性力をできるだけ精度よく計測することが望ましい。そこで、本発明では、前記慣性力を計測する工程では、前記可動部の移動速度を光波干渉計によって計測し、その計測した移動速度を微分して求めた加速度から前記慣性力を計測する。
【００１２】
ここで、光波干渉計は、光のドップラ効果を利用して移動体の速度を高精度で計測できるものであり、加速度は、速度の微分値として求められる。したがって、このような光波干渉計によって前記可動部の移動速度を計測して、その移動速度を微分して加速度を求めることで、該可動部の加速度を高精度で計測でき、ひいては、この加速度と可動部の慣性質量との積としての慣性力を高精度で計測できる。この結果、力センサの連続波応答の測定の信頼性を高めることができる。
【００１３】
また、本発明では、前記直動軸受けは、直動静圧空気軸受けであることが好ましい。すなわち、直動静圧空気軸受けは、可動部とこれを直動自在に支持するガイド部との間に静圧の空気層を介在させたものである。このような直動静圧空気軸受を用いることで、可動部の振動運動をさせたときに、その振動運動を抑制する摩擦力を極めて小さいものにすることができると共に、可動部の運動を精密に１自由度に制限できる。このため、可動部の振動運動時に該可動部に発生する慣性力、ひいては、力センサに作用する力を一定振幅の理想的な正弦波に近いものとすることができる。その結果、力センサの連続波応答の測定を好適に行うことができる。
【００１４】
また、本発明では、前記可動部の重心の位置と、該可動部と前記弾性体との接合部の中央位置とを結ぶ直線が前記可動部の可動方向に平行になるように該可動部と弾性体が接合されていることが好ましい。このようにすることにより、可動部の振動運動時に該可動部と力センサとの間に生じる力が、可動部を回転させようとするモーメントとして働くのを防止できる。このため、可動部がこれを支持するガイド部に部分的に接触して、該可動部の円滑な連続的な振動運動が阻害されるような事態を防止でき、可動部の振動運動時に該可動部に発生する慣性力、ひいては、力センサに作用する力を理想的な正弦波に近いものとすることができる。特に、直動静圧空気軸受けと併用することで、この効果を高めることができる。その結果、力センサの連続波応答の測定をより好適に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の一実施形態を図１〜図３を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態を適用した測定装置の全体構成を示すブロック図であり、図中、１は直動軸受け、２は力センサ、３は力センサ２を固定した基台、４は力センサ２の検出出力と直動軸受け１の可動部５の加速度とを計測する計測装置である。
【００１６】
直動軸受け１は、摩擦抵抗の小さい直動静圧空気軸受けであり、例えばＮＴＮ株式会社製のエアスライド（登録商標）を使用している。この直動軸受け１は、ブロック状の可動部５と、この可動部５に形成した貫通穴５ｃに挿通されて水平に延在する直状のガイド部６とを備えている。そして、可動部５の貫通穴５ｃの内周面とガイド部６の外周面との間には全周にわたって圧縮空気層が形成されている。これにより、可動部５は、極めて小さな摩擦抵抗でガイド部６に沿って水平に直動自在とされている。なお、ガイド部６は床に固定設置されている。
【００１７】
基台３は、直動軸受け１のガイド部６の一端側（図１では左端側）で床に固定設置されている。そして、この基台３の、可動部５に対向する面部３ａに、図示しない取り付け部材を介して力センサ２が着脱可能に固定されている。この力センサ２は、その軸心（力センサ２に力を作用させるべき方向）を可動部５の可動方向（ガイド部６の延在方向）に向けた水平姿勢で、該力センサ２の受圧部２ａ（力を作用させるべき部分）を可動部５に対面させて基台３に固定されている。
【００１８】
直動軸受け１の可動部５の、力センサ２に対向する面部５ａは、可動部５の可動方向と直交する平面となっており、この面部５ａと力センサ２の受圧部２ａとがこれらの間に介装した弾性体７を介して連結されている。該弾性体７は本実施形態では、スプリングであり、可動部５の質量に比して十分に軽量なものが使用されている。そして、該弾性体７は、その軸心（圧縮・伸長方向）を可動部５の可動方向に向けた水平姿勢で、該弾性体７の両端部をそれぞれ力センサ２の受圧部２ａと可動部５の面部５ａとに接合している。なお、力センサ２の受圧部２ａと弾性体７の接合、並びに可動部５の面部５ａと弾性体７の接合は、接着剤や図示しない取り付け部材を介して行われている。この場合、可動部５の全体の重心Ｇ（より詳しくは後述する第１コーナ・キューブ・プリズム１６等、可動部５に一体的に固定されているものを含めた可動部５全体の重心）と、弾性体７と可動部５との接合部の中央点Ｐとを結ぶ直線Ｌが可動部５の可動方向と同方向（平行）となるような位置で、弾性体７が可動部５の面部５ａに接合されている。この直線Ｌは、弾性体７であるスプリングの軸心と一致すると共に、力センサ２の受圧部２ａの中央部を通るものとなっている。なお、本実施形態では、弾性体７と可動部５との接合部の位置をガイド部６の周囲の所望の位置（本実施形態ではガイド部６の上側における可動部５の面部５ａ）に設定するために、可動部５に適当な付加質量体（図示省略）を固着し、この付加質量体を合わせた可動部５全体の重心Ｇと、弾性体７と可動部５との接合部の中央点Ｐとを結ぶ直線Ｌが可動部５の可動方向と同方向になるようにしている。また、可動部５の面部５ａと反対側の面部５ｂには、突部８が突設されており、この突部８をハンマ９などで叩いて、該可動部５に運動量を与えることにより該可動部５の直動運動が開始されるようになっている。
【００１９】
計測装置４は、力センサ２の検出出力の増幅および波形整形（ノイズ成分の除去）を行うシグナルコンディショナ１０と、このシグナルコンディショナ１０を介して得られる力センサ２の検出出力（アナログ信号）を高速でＡ／Ｄ変換して記憶保持するメモリ付きＡ／Ｄ変換器１１と、このＡ／Ｄ変換器１１等に電気的に接続されたコンピュータ１２と、可動部５の加速度を計測するための光波干渉計１３とを備えている。コンピュータ１２は、パーソナルコンピュータ等の汎用コンピュータでもよいが、本装置に専用的なものであってもよい。
【００２０】
光波干渉計１３は、その基本的構成は公知のものであり、その概要を説明すると次の通りである。すなわち、本実施形態の光波干渉計１３は、レーザ光源１４、分光器１５、第１コーナ・キューブ・プリズム１６、第２コーナ・キューブ・プリズム１７、ミラー１８、グラン・トンプソン・プリズム（Glan-Thompson prism)１９、光検出器２０、第１および第２周波数カウンタ２１，２２を主な構成要素として備えている。この場合、第１コーナ・キューブ・プリズム１６（以下、第１プリズム１６という）は、可動部５の面部５ｂに固設され、該可動部５と一体に移動自在とされている。また、レーザ光源１４、分光器１５、第２コーナ・キューブ・プリズム１７（以下、第２プリズム１７という）、ミラー１８、グラン・トンプソン・プリズム１９および光検出器２０は、それらの相互の位置関係を一定として、図示しない床上の基台などに固定設置されている。また、光検出器２０とレーザ光源１４（詳しくはこれに内蔵された図示しない光検出器）とは、それぞれ第１周波数カウンタ２１、第２周波数カウンタ２２に電気的に接続され、さらに、第１および第２周波数カウンタ２１，２２は、前記コンピュータ１２に電気的に接続されている。
【００２１】
レーザ光源１４は、本実施形態ではゼーマンタイプの２周波ヘリウムネオンレーザを使用しており、このレーザ光源１４から出力される光ａ１が分光器１５で測定光ａ２と参照光ａ３とに分光される。このうちの測定光ａ２は、分光器１５から第１プリズム１６に入射され、この第１プリズム１６で進行方向が反転された後、分光器１５に再び入射される。この場合、測定光ａ２は、可動部５の可動方向と平行に第１プリズム１６に進入するようになっており、第１プリズム１６で進行方向が反転するとき、可動部５の移動速度（＝第１プリズム１６の移動速度）に応じたドップラシフト（ドップラ効果による周波数変化）を伴った信号光ａ２’となり、この信号光ａ２’が分光器１５に入射される。また、分光器１５で分光された参照光ａ３は、分光器１５から第２プリズム１７に入射され、この第２プリズム１７で進行方向が反転された後、再び分光器１５に入射される。この参照光ａ３の周波数は、レーザ光源１４から出力された光ａ１の周波数と同一である。そして、信号光ａ２’と参照光ａ３とは、分光器１５で合成されて、これらの信号光ａ２’および参照光ａ３の周波数の差分の周波数のビートを伴う干渉光ａ４となり、この干渉光ａ４が分光器１５から、ミラー１８およびグラン・トンプソン・プリズム１９を経由して光検出器２０に入射される。該光検出器２０では、干渉光ａ４は、そのビート周波数ｆbeatに応じた電気信号に変換されて第１周波数カウンタ２１に入力され、この第１周波数カウンタ２１によりビート周波数ｆbeatの値を表すデジタルデータが生成され、それが前記コンピュータ１２に与えられる。また、前記レーザ光源１４では、それに内蔵された光検出器（図示省略）によって、可動部５の静止状態（移動速度＝０の状態）に対応する基準周波数ｆrest（本実施形態では、約２．６ＧＨｚ）に応じた電気信号が生成され、それが第２周波数カウンタ２２に入力される。そして、この第２周波数カウンタ２２で、基準周波数ｆrestの値を表すデジタルデータが生成され、それが前記コンピュータ１２に与えられる。
【００２２】
ここで、前記干渉光ａ４のビート周波数ｆbeatは、可動部５の移動速度に応じて、基準周波数ｆrestを中心に変化し、基準周波数ｆrestとの差が、前記信号光ａ２’の周波数のドップラシフト量（ドップラ効果による周波数変化分）になる。したがって、可動部５の移動速度Ｖは、次式（１）により求められることができることとなる。
【００２３】
Ｖ＝λair・（ｆbeat−ｆrest）／２      ……（１）
但し、λair：空気の屈折率
そして、前記コンピュータ１２は、その機能的手段（プログラムによって実現される手段）として、式（１）の演算により可動部５の移動速度Ｖを逐次算出する手段と、この移動速度Ｖの時系列値を逐次微分することにより可動部５の加速度を算出する手段と、移動速度Ｖの時系列値を逐次積分することにより可動部５の移動位置を算出する手段と、算出した加速度とあらかじめ記憶保持された可動部５の慣性質量（詳しくは可動部５に一体的に固定されたもの（前記付加質量体や、第１プリズム１６など）を含めた可動部５全体の慣性質量）とを乗算することにより可動部５の慣性力を算出する手段とを備えている。なお、コンピュータ１２は、算出した移動速度Ｖ、加速度、位置、慣性力を時系列的にハードディスク等の記憶手段（図示省略）に記憶保持し、また、それらのデータを図示省略するディスプレイやプリンタに適宜出力可能としている。さらに、コンピュータ１２は、前記Ａ／Ｄ変換器１１の動作制御を行なったり、該Ａ／Ｄ変換器１１で記憶保持された力センサ２の検出出力の時系列データを適宜取り込んで、その検出出力を静的校正法（力センサ２の静的特性に従った校正手法）で校正し、その校正した検出出力をハードディスク等の記憶手段に記憶保持したり、ディスプレイやプリンタに出力可能としている。
【００２４】
次に、本実施形態の装置による力センサ２の連続波応答の測定処理を説明する。計測装置４を起動した後に、可動部５の突部８をハンマー９などで叩くことにより、可動部５に運動量を与え、これにより可動部５の直動運動を開始する。なお、可動部５の直動運動を開始するために、人が手で可動部５を押したり、あるいは適宜のアクチュエータによって可動部５に初期運動量を与えるようにしてもよい。
【００２５】
このとき、弾性体７であるスプリングがその弾性力によって圧縮・伸長を繰り返すことで可動部５が振動し、可動部５に慣性力が発生すると共に、力センサ２の受圧部２ａに正弦波状の連続波の力が作用する。この場合、本実施形態では、直動軸受け１は静圧直動空気軸受けであるので、可動部５の振動運動時の摩擦力は、可動部５の慣性力に比して十分に小さいものとなる。さらに、可動部５の全体の重心Ｇと、弾性体７と可動部５との接合部の中央点Ｐとを結ぶ直線Ｌが可動部５の可動方向と同方向（平行）になっているので、可動部５と力センサ２との間に作用する力が、可動部５を回転させるモーメントとして働くことがない。このため、可動部５は、ガイド部６との間に機械的な摩擦力が発生したりすることなく、確実にガイド部６の延在方向と同方向に円滑に移動しつつ、ほぼ一定の振幅で振動する。また、弾性体７として軽量なものを使用することで、弾性体７自身に生じる慣性力も、可動部５の慣性力に比して十分に小さいものとなる。したがって、可動部５の慣性力は、力センサ２の受圧部２ａに作用する真の力と高精度で同等になると共に、理想的な正弦波に近い形で時間的に変動する。そして、このときの力センサ２の検出出力が、可動部５の直動運動の開始直前から所定時間分、逐次、Ａ／Ｄ変換器１１によりＡ／Ｄ変換されて記憶保持される。これにより、力センサ２の検出出力が計測されて、その時系列データが得られる。
【００２６】
一方、コンピュータ１２は、可動部５の直動運動の開始直前から、前記第１周波数カウンタ２１および第２周波数カウンタ２２の出力データ、すなわち、前記干渉光ａ４のビート周波数ｆbeatの値を示すデジタルデータと基準周波数ｆrestの値を示すデジタルデータとを逐次取得し、それらの値を図示しないメモリに記憶保持する。この記憶保持は、Ａ／Ｄ変換器１１により力センサ２の検出出力を取り込む期間と同等の期間分、行われる。そして、コンピュータ１２は、それらの値（ｆbeatおよびｆrestの値）から前記式（１）によって、可動部５の移動速度Ｖを逐次算出し、さらに、その移動速度Ｖの時系列データから該移動速度Ｖの微分値である加速度を逐次算出すると共に、該移動速度Ｖを積分して、可動部５の移動位置（あるいは可動部５の初期位置からの移動量）を逐次算出する。さらに、コンピュータ１２は、算出した加速度とあらかじめ記憶保持した可動部５の全体の慣性質量とを乗算することで、可動部５に発生した慣性力を逐次算出する。このようにして算出された可動部５の移動速度Ｖ、加速度、移動位置（あるいは移動量）、慣性力は、図示しないメモリあるいはハードディスクに記憶保持される。これにより、可動部５の移動速度Ｖ、加速度、移動位置（あるいは移動量）、および慣性力が計測され、その計測値の時系列データが得られる。この場合、前記したように可動部５が、ガイド部６との間に機械的な摩擦力を生じることなく円滑に移動するため、その移動時の振動が光波干渉計１３に伝わったりするような事態も防止でき、可動部５の移動速度Ｖ等を高精度で計測できる。
【００２７】
なお、可動部５の移動速度Ｖ、加速度、移動位置（あるいは移動量）、慣性力の算出処理は、第１および第２周波数カウンタ２１，２２の出力データを所定期間分、記憶保持するのと並行して行ってもよいが、該出力データの記憶保持を完了した後に、行うようにしてもよい。また、本実施形態では、可動部５の移動位置（あるいは移動量）を算出するようにしたが、該移動位置は、力センサ２の連続波応答を評価する上では、必ずしも必要ではなく、その算出を省略するようにしてもよい。但し、可動部５の移動速度Ｖ、加速度あるいは慣性力と同期して変化する可動部５の移動位置に係わる情報を取得することは、実施形態の装置の不確かさ要因（系統誤差要因）の推定・分析等を行う上で有用となる場合がある。
【００２８】
上述のようにして、力センサ２の検出出力と可動部５の移動速度Ｖ、加速度、移動位置（あるいは移動量）、および慣性力とを計測した後、Ａ／Ｄ変換器１１で記憶保持された力センサ２の検出出力の時系列データがコンピュータ１２に取り込まれ、さらにそれが静的校正法で校正される。また、力センサ２の検出出力および可動部５の慣性力等の計測は、複数回行われ、その各回の計測データがコンピュータ１２に取り込まれる。この場合、各回の計測ごとに、可動部５に与える初期運動量等を変更する。可動部５の初期運動量の変更は可動部５の直動運動を開始する時に可動部５を叩く力を変えることでなされる。なお、可動部５の慣性質量等を各回の計測毎に変更するようにしてもよい。
【００２９】
このようにして力センサ２の検出出力（静的校正法で校正した後の検出出力）の計測データと、可動部５の慣性力の計測データとを得ることで、力センサ２の連続波応答を測定することができる。すなわち、力センサ２の検出出力が表す力の検出値の波形データと、可動部５の慣性力の波形データとを比較することで、力センサ２の検出出力が、該力センサ２に作用する真の力に対してどのような応答特性を持つか（あるいはどのような誤差特性）を持つかが判り、それによって、力センサ２の連続波応答を測定できる。より具体的な事例を以下に説明する。
【００３０】
図２に力センサ２の検出出力の計測データ（該検出出力が表す力の計測値のデータ）と可動部５の慣性力の計測データとの一例をそれぞれ実線、白丸点で示す。この図２に示されるように、力センサ２の検出出力と、可動部５の慣性力の計測データとはいずれも、可動部５の振動運動の開始直後を除いて、ほぼ一定振幅の正弦波状の連続波となる。この例では、正弦波状の連続波の周波数は、約１５Ｈｚである。可動部５の振動運動の開始直後では、可動部５の移動を開始する時にハンマー９によって該可動部５を叩いたことによる過渡的な影響で、可動部５の慣性力は、図２のＡ部分で示すように、瞬時的なインパルスが発生する。
【００３１】
力センサ２の連続波応答を測定する場合、例えば、力センサ２の検出出力および可動部５の慣性力のそれぞれの波形の半周期毎の時間積分値の比の値を、力センサ２に作用する正弦波状の連続波の真の力に対する、力センサ２の応答特性を表す一つの指標として用いることができる。本実施形態では、可動部５の慣性力の値が０になる点から次に０になるまでの各半周期区間（図２のＢ１，Ｂ２，……の区間で、慣性力の波形の各山部の区間）において、可動部５の慣性力の積分値（以下、これに参照符号∫Ｆ＿慣性力を付する）と、力センサ２の検出出力の積分値（以下、これに参照符号∫Ｆ＿センサを付する）とを算出し、それらの積分値∫Ｆ＿慣性力，∫Ｆ＿センサの比の値（＝∫Ｆ＿センサ／∫Ｆ＿慣性力）から「１」を減算してなる値（＝∫Ｆ＿センサ／∫Ｆ＿慣性力−１）を力センサ２の連続波応答の評価用指標としてコンピュータ１２により算出することとした。但し、この場合、可動部５の振動運動の開始直後は、前記したように可動部５の慣性力に瞬時的なインパルスが発生するので、最初の半周期区間（図２のＢ０の区間）は除外し、その次の半周期区間（図２のＢ１の区間）から、例えば複数個（例えば３０個）の半周期区間（Ｂ１を含む）で上記評価用指標を算出する。なお、比の値（＝∫Ｆ＿センサ／∫Ｆ＿慣性力）から「１」を減算するのは、∫Ｆ＿センサ＝∫Ｆ＿慣性力であるときの評価用指標の値を０にするためである。
【００３２】
このようにして求めた評価用指標の算出値のデータを図３に例示する。この図３において、縦軸は、評価用指標の値であり、横軸は、各評価用指標の算出を行った半周期区間での可動部５の慣性力のピーク値である。この図３の例では、グループＰ１，Ｐ２，Ｐ３のデータ群は、それぞれ異なる回の計測によって得られたものであり、各グループＰ１，Ｐ２，Ｐ３に対応する各回の計測では、可動部５の初期運動量が異なるものとされている。そして、各グループＰ１，Ｐ２，Ｐ３に対応する各回の計測では、可動部５の慣性力のピーク値（振幅値）が、それぞれ、約５０Ｎ、１００Ｎ、１５０Ｎになっている。また、各グループＰ１，Ｐ２，Ｐ３のデータ群において、黒丸は、最初の３個の半周期区間（図２のＢ１、Ｂ２、Ｂ３の区間）における評価用指標のデータを示し、白丸は、それ以後の半周期区間（図２のＢ４以後の半周期区間）における評価用指標のデータを示している。
【００３３】
このようにして求めた図３の評価用指標のデータから、力センサ２に作用する正弦波状の連続波の真の力（≒可動部５の慣性力）に対する力センサ２の応答特性が判る。例えば、ピーク値（振幅値）が約１００Ｎの正弦波状の連続波の力を力センサ２に作用させた場合、力センサ２の検出出力から得られる半周期分の積分値（力積）∫Ｆ＿センサは、真の力の積分値（力積）∫Ｆ＿慣性力に対して、正方向（力センサ２の圧縮方向）で約０．７％、負方向（力センサ２の引っ張り方向）で約０．１％の誤差が生じることが判る。そして、それに基づいて力センサ２の検出出力を校正することもできる。
【００３４】
なお、力センサ２の連続波応答を測定するとき、必要に応じて、例えば可動部５の慣性力のピーク値の平均値と力センサ２の検出出力のピーク値の平均値と差を求めたり、あるいは、それらの慣性力および検出出力の波形の位相差を求めるようにしてもよい。また、力センサ２とこれの検出出力の増幅や整形を行う電気的手段とを併せた力センシングシステムの動的特性（連続波応答）を評価するようにすることも可能である。この場合、力センシングシステムの全体の動的な特性は、必ずしも計測装置の個々の構成要素の動的特性の単純な和で表すことはできないので、力センサ２、シグナルコンディショナ１０およびＡ／Ｄ変換器１１を合わせたものを、一つの力センシングシステムとして考えることが望ましい。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、可動部５の慣性力を理想的な正弦波に近い形で時間的に変化させつつ、その慣性力を力センサ２に作用する真の力とほぼ同等なものとして該力センサ２に作用させることができる。また、可動部５の慣性力は、光波干渉計１３を用いることで、高精度に計測できる。このため、この慣性力の計測データと、力センサ２に検出出力の計測データとから、力センサ２に作用する正弦波状の連続波の真の力に対する力センサ２の応答特性を適正に測定できる。
【００３６】
なお、以上説明した実施形態では、光波干渉計１３は、ゼーマンタイプのヘリウムネオンレーザを光源とするものを示したが、単一周波数発振のレーザを光源とする光波干渉計を使用してもよい。
【００３７】
また、前記実施形態では、弾性体７としてスプリングを用いたが、ゴム等の弾性材を用いるようにしてもよい。さらに、前記実施形態では、弾性体７を軽量なものとして、可動部５の振動運動時の弾性体７自身の慣性力を無視できるものとしたが、力センサと可動部とを連結する弾性体自身の慣性力を考慮して、可動部５の慣性力と弾性体７の慣性力との合力を力センサに作用する真の力として推定するようにすることも可能である。この場合、理想的な弾性体であれば、その質量の半分が可動部に、残りの半分が力センサに属するとみなすことができる。また、弾性体自身の慣性力をより高精度に推定する上では、弾性体の運動観測、有限要素法解析などを行ない、弾性体内部の加速度分布を推定することが有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態を適用した評価装置の全体構成を示すブロック図。
【図２】図１の評価装置で計測した力センサの検出出力と可動部の慣性力との一例を示すグラフ。
【図３】図１の評価装置で得られた計測データから求めた力センサの連続波応答の評価用指標のデータを示すグラフ。
【符号の説明】
【００３９】
１…直動軸受け、２…力センサ、４…計測装置、５…直動軸受けの可動部、７…弾性体、１３…光波干渉計。
【図１】
2005147701.tif 000003
【図２】
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【図３】
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