(57)【要約】【課題】  圧力センサに計測させる圧力変化を時間の関数として正確に定義できるようにし、圧力を増減できるようにして、圧力センサの校正を動的に行なう。【解決手段】  １）錘の慣性力を用いて気体や液体を圧縮あるいは膨張させる加減圧装置と、２）その加減圧された気体や液体の圧力を計測させる圧力センサと、３）その錘に慣性力を与える運動発生機と、４）その加減圧装置と圧力センサを設置する運動発生機のテーブルと、５）その錘の運動状態を計測する第１の計測器と、６）上記のテーブルの運動状態を計測する第２の計測器と、７）これらの計測された運動状態から、加減圧された圧力を導き出す計算手段とを備え、８）そのテーブルの運動で、その錘の運動を誘導して、圧力センサに計測させる圧力を動的に変化させ、計算後の圧力データと、圧力センサの信号値やそれから導かれた値とを比較して圧力センサを校正する。【選択図】  図１
2005345215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
錘の慣性力を用いて、気体あるいは液体を圧縮あるいは膨張するように力を印加する加減圧装置と、
前記の加減圧装置で加減圧された上記の気体あるいは液体の圧力を計測させる圧力センサと、
上記の錘に慣性力を与える運動発生機と、
上記の加減圧装置と上記の圧力センサを設置する運動発生機のテーブルと、
上記の錘の運動状態を計測する第１の計測器と上記のテーブルの運動状態を計測する第２の計測器と、
これらの計測された運動状態から、加減圧された圧力を導き出す計算手段とを備え、
上記のテーブルの運動で、上記の錘の運動を誘導して、上記の圧力センサに計測させる圧力を動的に変化させ、
上記の計算手段から導かれた圧力データと、上記の圧力センサの信号値あるいは該信号値から導かれた値とを比較することによって、前記圧力センサを動的に校正することを特徴とする、圧力センサの動的校正装置。
【請求項２】
加減圧装置は、内部に気体もしくは流体が充填されたシリンダをピストンによって封印し、
該ピストン（あるいはシリンダ）上に錘を設置し、該シリンダ（あるいは該ビストン）を上記のテーブルに固定して、
ピストン−シリンダ系を運動発生機のテーブル上に設置し、上記のテーブルの運動により該錘に対して、正弦波振動、ランダム振動、あるいはインパルス運動を与え、
その結果生じた慣性力を用いて、上記の気体もしくは流体を加減圧することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項３】
上記の第１の計測器あるいは上記の第２の計測器は、レーザ干渉計であって、上記の計算手段は、上記のシリンダ内部の圧力媒体に作用する慣性力をもとめ、前記の慣性力をピストンの面積で割って、上記の圧力センサに計測させる圧力を求めることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項４】
第１の計測器と第２の計測器は、それぞれ加速度センサであり、これらの加速度センサを用いた計測から慣性力をもとめ、前記の慣性力をピストンの面積で割って、上記の圧力センサに計測させる圧力を求めることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項５】
上記の加速度センサは、請求項３に記載の圧力センサの動的校正装置を用いて校正した加速度センサであることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項６】
それぞれの加速度センサの一方は、上記の錘に固定されていることを特徴とする請求項４あるいは５に記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載された圧力センサの動的校正装置によって校正された圧力センサを基準圧力センサとし、
錘の慣性力を用いて、気体あるいは液体を圧縮あるいは膨張させる加減圧装置と、
前記の加減圧装置で加減圧された上記の気体あるいは液体の圧力を、上記の基準圧力センサと校正すべき圧力センサとに計測させる構成と、
上記の錘に慣性力を与える運動発生機と、
上記の加減圧装置と上記の基準圧力センサと校正すべき圧力センサとを設置する運動発生機のテーブルとを備え、
上記のテーブルの運動で、上記の錘の運動を誘導して、上記の基準圧力センサと校正すべき圧力センサとに計測させる圧力を動的に変化させ、
前記の基準圧力センサとの比較により上記の校正すべき圧力センサを動的に校正することを特徴とする圧力センサの動的校正装置。
【請求項８】
運動発生機は、垂直方向のアクチュエータと水平方向のアクチュエータとを備え、実際のテーブルの運動を２次元あるいは３次元的に計測してテーブルの実際の運動と目標値との誤差が最小になるように、テーブルの水平方向の加速度センサからの信号を水平方向のアクチュエータに帰還して水平方向の運動を抑制するように制御することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項９】
加速度センサは、その感度がマトリックスで定義されている加速度センサであることを特徴とする、請求項４、５、６、７あるいは８のいずれかに記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項１０】
上記の運動発生機は、垂直方向のアクチュエータと水平方向のアクチュエータとを備え、水平方向のアクチュエータを、その感度がマトリックスで定義され、錘上に設けられた加速度センサからの信号によりテーブルの横方向の運動を抑制するように制御することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項１１】
上記のピストンとシリンダとの相対的な運動方向は鉛直線方向であり、前記の相対的運動により発生する振動テーブルに固定されていないピストン部あるいはシリンダ部に印加される総合的な力の作用点と前記ピストン部あるいはテーブル部の重心とを結ぶ線は上記の鉛直線上にあることを特徴とする請求項２ないし１０のいずれかに記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項１２】
回転モーメントセンサを、上記のテーブルと上記の加減圧装置との間に設け、前記回転モーメントセンサの出力信号が小さくなるようにテーブル部の運動を制御することにより、ピストンとシリンダとの相対的な運動方向を鉛直線方向に保持することを特徴とする請求項１１に記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項１３】
回転モーメントセンサとして動作する歪ゲージを、上記のテーブルと上記の加減圧装置との間に設け、前記歪ゲージの検知する歪が小さくなるようにテーブル部の運動を制御することにより、ピストンとシリンダとの相対的な運動方向を鉛直線方向に保持することを特徴とする請求項１１に記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項１４】
上記の錘による慣性力の方向あるいはその逆の方向に、前記の慣性力に加えて復元力によりバイアス力を重畳する構成を備えることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項１５】
上記の復元力を調整してバイアス力を調整する構成を備えることを特徴とする請求項１４に記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項１６】
上記の復元力は、非線形特性を有することを特徴とする請求項１４ないし１５のいずれかに記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項１７】
上記の加減圧装置の錘の運動の共振周波数、あるいは、錘の運動が共振する周波数で運動発生機を駆動し、共振した状態で校正を行うことを特徴とする請求項１４に記載の圧力センサの動的校正装置。
【請求項１８】
錘の慣性力を用いて、気体あるいは液体の圧力媒体を圧縮あるいは膨張させる加減圧装置と、
前記の加減圧装置で加減圧された、上記の気体あるいは液体の圧力を計測させる圧力センサと、
上記の錘に慣性力を与える運動発生機と、
上記の加減圧装置と上記の圧力センサを設置する運動発生機のテーブルと、上記の錘の運動状態を計測する第１の計測器と上記のテーブルの運動状態を計測する第２の計測器と、これらの計測された運動状態から、加減圧された圧力を導き出す計算手段とを備え、
上記のテーブルの運動で、上記の錘の運動を誘導して、上記の圧力センサに計測させる圧力を変化させ、上記の計算手段から導かれた圧力データと、上記の圧力センサの信号値あるいは該信号値から導かれた値とを比較することによって該圧力センサを校正することを特徴とする圧力センサの校正装置において、
上記の加減圧装置から上記の圧力媒体を取り去り、圧力媒体に対して錘の慣性力を作用させない状態で評価した該圧力センサの周波数特性を、
圧力媒体をシリンダ内部にセツトし、圧力媒体に対して錘の慣性力を作用させた状態で評価した該圧力センサの周波数特性から差し引いて、
上記の圧カセンサの周波数応答特性を求めて校正を行うことを特徴とする圧力センサの動的校正方法。
【請求項１９】
シリンダとピストンを備え、錘の慣性力を用いて気体あるいは液体の圧力媒体を圧縮あるいは膨張させる加減圧装置と、前記の加減圧装置で加減圧された、上記の気体あるいは液体の圧力を計測させる圧力センサと、上記の錘に慣性力を与える運動発生機と、上記の加減圧装置と上記の圧力センサを設置する運動発生機のテーブルと、上記の錘の運動状態を計測する第１の計測器と上記のテーブルの運動状態を計測する第２の計測器と、これらの計測された運動状態から、加減圧された圧力を導き出す計算手段とを備え、上記のテーブルの運動で、上記の錘の運動を誘導して、上記の圧力センサに計測させる圧力を変化させ、上記の計算手段から導かれた圧力データと、上記の圧力センサの信号値あるいは該信号値から導かれた値を比較して該圧力センサを校正することを特徴とする圧力センサの動的校正装置において、
上記のピストンとシリンダとを相対的に回転させつつ上記の圧力センサの周波数特性を測定することを特徴とする圧力センサの動的校正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、錘の慣性力を用いて気体あるいは液体を圧縮あるいは膨張させる加減圧装置を用いる圧力センサの動的校正装置および動的校正方法に関している。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサの校正は、従来静的にのみ行われてきた。典型的な例とし重錘型圧力校正装置がある。これは、錘を用いてシリンダ内部に静的圧力を発生させることを原理としている。
【０００３】
また、非特許文献１に記載されているように、圧力センサの校正を、動的に行なうためには、動的な圧力を発生させる必要がある。図９に、その例を示す。この方法としては、重錘型圧力計の錘を急激に取り外して圧力を変化させること、あるいはバルブを急激に開閉することによるものであった。この方法は、１）バルブ開閉の再現性が低く、圧力センサに加える圧力変化を時間の関数として正確に定義することが困難なので、校正結果は目安にしかならない、２）圧力を減少する方向にしか変化させることが出来ず、産業界での動的圧力の利用状況にはそぐわない、等の基本的な欠点がある。
【０００４】
また、非特許文献２に記載されているように、運動発生機を用いる方式では、図１０に示すような手法がとられている。この手法では絶対校正が可能であるが、次のような欠点がある。１）周波数を低くすることは、一般には困難であり、２）また、周波数を高くすることは、共振と液柱のダンピングの点で困難であり、３）さらに、圧力の変動振幅を大きくすることが困難である、ことなどである。
【０００５】
特に、非特許文献３に記載されているように、正弦波の変動圧力を発生する手法としては、図１１に示す方法が過去に行われた。この方法には、１）絶対校正ではなく、比較校正でしかないという基本的な問題があり、２）基準になる圧力センサは静的な校正しか行われていない状況なので、動的校正にはならない、という基本的な欠陥がある。
【非特許文献１】新版計量技術ハンドブック  コロナ社昭和６２年、916P、12.6  重錘型圧力計
【非特許文献２】ENDEVCO  “DYNAMIC PRESSURE MEASUREMENT TECHNOLOGY”  P/N 30096
【非特許文献３】東京大学宇宙航空研究所報告  第９巻第１号（A）1973年１月、浅沼  強  他、貼付式小型指指圧計
【特許文献１】特願２００３−１２３４１７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
圧力センサに計測させる圧力変化を時間の関数として正確に定義できるようにし、圧力を増減できるようにして、圧力センサの校正を動的に行なうことが、本発明の目的である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明を用いることにより、以下の効果を期待することができるようになる。
【０００８】
本発明により、圧力センサに計測させる圧力を正確に定義することができるようになり
、また、圧力を増減できる状態で、圧力センサの校正を動的に行うことができるようになる。
【０００９】
また、圧力センサに圧力を計測させるための加減圧装置を、シリンダとピストンという簡単な構成で実現できる。
【００１０】
また、レーザ干渉計を用いて圧力センサに計測させる圧力を正確に定義することができるようになる。
【００１１】
また、加速度センサという小型の装置を用いて、圧力センサに計測させる圧力を正確に定義することができるようになる。
【００１２】
また、加速度センサという小型の装置を用いても、レーザ干渉計を用いた場合と同様に、圧力センサに計測させる圧力を正確に定義することができるようになる。
【００１３】
また、本発明の校正装置により正確に校正された基準圧力センサを用いるので、簡単な構成でありながら、正確な校正が可能になる。
【００１４】
また、垂直方向の慣性力に限定した圧力を用いることができるようになるので、圧力センサに計測させる圧力をより正確に定義することができるようになる。
【００１５】
また、上記の校正をより正確に行うことができるようになる。
【００１６】
また、加速度センサを用いる場合でも、垂直方向の慣性力に限定した圧力を用いることができるようになるので、圧力センサに計測させる圧力をより正確に定義することができるようになる。
【００１７】
また、垂直方向の慣性力に限定した圧力を用いることができるようになるので、圧力センサに計測させる圧力をより正確に定義することができるようになる。
【００１８】
また、垂直方向の慣性力に限定した圧力となっているかどうかを、監視することができるようになる。
【００１９】
また、垂直方向の慣性力に限定した圧力となっているかどうかを監視するために、ひずみゲージを用いるので、装置を簡単な構成とすることができる。
【００２０】
また、慣性力に加えて復元力によるバイアス圧力が加わるので、慣性力のみの領域を超えた測定ができるようになる。
【００２１】
また、上記のバイアス圧力を自由に変えられるようになり、測定領域を自由に設定できるようになる。
【００２２】
また、より広い範囲の上記のバイアスを印加できるようになる。
【００２３】
また、共振現象を用いて、より広い周波数領域での慣性力を用いて校正ができるようになる。
【００２４】
また、寄生的な周波数特性を除外して圧力センサの校正を行うことができるようになる。
【００２５】
また、ピストンとシリンダ間の摩擦を低減した状態で圧力センサの校正を行うことができるようになる。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
動的圧力の発生方法としては、質量を運動させる際に発生する慣性力を用いる。質量は高精度に計測することが可能であり、かつ、本発明の利用状況では、静的計測と動的計測で計測精度に違いがでることはない。従って、慣性力の計測精度は、運動の計測の精度に依存する。このため、一次標準とするのであれば、振動や衝撃の計測標準の場合と同様に、レーザ干渉計を用いて運動を高精度で計測する。また、二次標準として計測するのであれば、運動を、干渉計で校正された加速度センサで計測する。さらに、レーザ干渉計あるいはレーザ干渉計で校正した加速度計もしくは加速度センサで、動特性が評価された圧力センサと、校正対象の圧力センサとを比較するために、時間的に変化する同一の圧力を計測して、校正対象とする圧力センサの周波数特性を求めて校正することも可能になる。
【００２７】
本発明では、慣性力の発生方法としては振動を用いるが、圧力発生用の重錘の質量、必要な振動の周波数帯域、動的圧力発生用の加減圧装置として用いるピストンシリンダ装置の機構とその高さ、を考慮すると、加速度ピックアップを校正するために用いるような小型の振動台では十分ではない。また、重心のずれによるモーメントによって、振動台が垂直方向の直線的運動から外れる可能性が高い。このため、そのモーメントをキャンセルする制御ができる振動運動発生装置を用いる必要がある。
【００２８】
次に、圧力センサの周波数特性を求めるための手段あるいは方法について、以下により具体的に説明する。
【００２９】
まず、第１の発明は、圧力センサの校正装置で、１）錘の慣性力を用いて、気体あるいは液体を圧縮あるいは膨張させる加減圧装置と、２）前記の加減圧装置で加減圧された、上記の気体あるいは液体の圧力を計測させる圧力センサと、３）上記の錘に慣性力を与える運動発生機と、４）上記の加減圧装置と上記の圧力センサを設置する運動発生機のテーブルと、５）上記の錘の運動状態を計測する第１の計測器と、６）上記のテーブルの運動状態を計測する第２の計測器と、７）これらの計測された運動状態から、加減圧された圧力を導き出す計算手段とを備え、８）上記のテーブルの運動で、上記の錘の運動を誘導して、上記の圧力センサに計測させる圧力を動的に変化させ、上記の計算手段から導かれた圧力データと、上記の圧力センサの信号値あるいは該信号値から導かれた値とを比較して該圧力センサを校正するものである。ここで、動的な変化とは、準静的な変化の否定形の変化である。
【００３０】
また、第２の発明は、圧力センサの校正装置で、１）上記の加減圧装置は、内部に気体もしくは流体が充填されたシリンダをピストンによって封印し、２）該ピストン（あるいはシリンダ）上に錘を設置し、３）該シリンダ（あるいは該ビストン）を上記のテーブルに固定して、４）ピストン−シリンダ系と錘を運動発生機のテーブル上に設定し、５）上記のテーブルの運動により該錘に対して、正弦波振動、ランダム振動、インパルス運動を与え、その結果生じた慣性力を用いて、上記の気体もしくは流体を加減圧するものである。
【００３１】
また、第３の発明は、圧力センサの校正装置で、１）上記の第１の計測器と上記の第２の計測器とは、レーザ干渉計であって、２）上記の計算手段は、上記のシリンダ内部の圧力媒体に作用する慣性力を求め、前記の慣性力をピストンの面積で割って、上記の圧力センサに計測させる圧力を求めるようにするものである。
【００３２】
また、第４の発明は、圧力センサの校正装置で、上記の第１の計測器と上記の第２の計
測器とは、加速度センサであり、これらの加速度センサを用いた計測から慣性力をもとめ、前記の慣性力をピストンの面積で割って、上記の圧力センサに計測させる圧力を求めるものである。
【００３３】
また、第５の発明は、圧力センサの校正装置で、上記の加速度センサが、上記の動的校正装置を用いて校正した加速度センサであるものである。
【００３４】
また、第６の発明は、圧力センサの校正装置で、上記の加速度センサの一方は、上記の錘に固定されているようにするものである。
【００３５】
また、第７の発明は、圧力センサの校正装置で、上記の圧力センサの校正装置によって校正された圧力センサを基準圧力センサとし、錘の慣性力を用いて、気体あるいは液体を圧縮あるいは膨張させる加減圧装置と、前記の加減圧装置で加減圧された上記の気体あるいは液体の圧力を、上記の基準圧力センサと校正すべき圧力センサとに計測させる構成と、上記の錘に慣性力を与える運動発生機と、上記の加減圧装置と上記の基準圧力センサと校正すべき圧力センサとを設置する運動発生機のテーブルとを備え、上記のテーブルの運動で、上記の錘の運動を誘導して、上記の基準圧力センサと校正すべき圧力センサとに計測させる圧力を動的に変化させ、前記の基準圧力センサとの比較により上記の校正すべき圧力センサを動的に校正するようにするものである。
【００３６】
また、第８の発明は、圧力センサの校正装置で、上記の運動発生機は、垂直方向のアクチュエータと水平方向のアクチュエータとを備え、実際のテーブルの運動を２次元あるいは３次元的に計測してテーブルの実際の運動と目標値との誤差が最小になるように、テーブルの水平方向の加速度センサからの信号を水平方向のアクチュエータに帰還して水平方向の運動を抑制するように制御するものである。
【００３７】
また、第９の発明は、上記の加速度センサとしては、その感度がマトリックスで定義されている加速度センサを用いるものである。
【００３８】
また、第１０の発明は、圧力センサの校正装置で、上記の運動発生機は、垂直方向のアクチュエータと水平方向のアクチュエータとを備え、水平方向のアクチュエータを、その感度がマトリックスで定義され、錘上に設けられた加速度センサからの信号によりテーブルの横方向の運動を抑制するように制御するものである。
【００３９】
また、第１１の発明は、圧力センサの校正装置で、上記のピストンとシリンダとの相対的な運動方向は鉛直線方向であり、前記の相対的運動により発生する振動テーブルに固定されていないピストン部あるいはシリンダ部に印加される総合的な力の作用点と前記ピストン部あるいはテーブル部の重心とを結ぶ線は上記の鉛直線上にあるものである。
【００４０】
また、第１２の発明は、圧力センサの校正装置で、回転モーメントセンサを、上記のテーブルと上記の加減圧装置との間に設け、前記回転モーメントセンサの出力信号が小さくなるようにテーブル部の運動を制御することにより、ピストンとシリンダとの相対的な運動方向を鉛直線方向に保持するものである。
【００４１】
また、第１３の発明は、圧力センサの校正装置で、回転モーメントセンサとして動作する歪ゲージを、上記のテーブルと上記の加減圧装置との間に設け、前記歪ゲージの検知する歪が小さくなるようにテーブル部の運動を制御することにより、ピストンとシリンダとの相対的な運動方向を鉛直線方向に保持するものである。
【００４２】
また、第１４の発明は、圧力センサの校正装置で、上記の錘による慣性力の方向あるい
はその逆の方向に、前記の慣性力に加えて復元力によりバイアス力を重畳する構成を備えるようにするものである。
【００４３】
また、第１５の発明は、圧力センサの校正装置で、上記の復元力を調整してバイアス力を調整する構成を備えるようにするものである。
【００４４】
また、第１６の発明は、圧力センサの校正装置で、上記の復元力は、非線形特性を有するようにするものである。
【００４５】
また、第１７の発明は、圧力センサの校正装置で、加減圧装置の錘の運動の共振周波数、あるいは、錘の運動が共振する周波数で運動発生機を駆動し、共振した状態で校正を行うようにするものである。
【００４６】
また、第１８の発明は、圧力センサの校正方法で、１）錘の慣性力を用いて、気体あるいは液体の圧力媒体を圧縮あるいは膨張させる加減圧装置と、前記の加減圧装置で加減圧された、上記の気体あるいは液体の圧力を計測させる圧力センサと、上記の錘に慣性力を与える運動発生機と、上記の加減圧装置と上記の圧力センサを設置する運動発生機のテーブルと、上記の錘の運動状態を計測する第１の計測器と上記のテーブルの運動状態を計測する第２の計測器と、これらの計測された運動状態から、加減圧された圧力を導き出す計算手段とを備え、上記のテーブルの運動で、上記の錘の運動を誘導して、上記の圧力センサで計測させる圧力を変化させ、上記の計算手段から導かれた圧力データと上記の圧力センサの信号値あるいは該信号値から導かれた値とを比較することによって該圧力センサを校正することを特徴とする圧力センサの校正装置において、２）上記の加減圧装置から上記の圧力媒体を取り去り、圧力媒体に対して錘の慣性力を作用させない状態で評価した該圧力センサの周波数特性を、３）圧力媒体をシリンダ内部にセツトし、圧力媒体に対して錘の慣性力を作用させた状態で評価した該圧力センサの周波数特性から差し引いて、上記の圧カセンサの周波数応答特性を求めるようにするものである。
【００４７】
また、第１９の発明は、圧力センサの校正方法で、１）シリンダとピストンを備え、錘の慣性力を用いて気体あるいは液体の圧力媒体を圧縮あるいは膨張させる加減圧装置と、前記の加減圧装置で加減圧された、上記の気体あるいは液体の圧力を計測させる圧力センサと、上記の錘に慣性力を与える運動発生機と、上記の加減圧装置と上記の圧力センサを設置する運動発生機のテーブルと、上記の錘の運動状態を計測する第１の計測器と上記のテーブルの運動状態を計測する第２の計測器と、これらの計測された運動状態から、加減圧された圧力を導き出す計算手段とを備え、上記のテーブルの運動で、上記の錘の運動を誘導して、上記の圧力センサに計測させる圧力を変化させ、上記の計算手段から導かれた圧力データと、上記の圧力センサの信号値あるいは該信号値から導かれた値とを比較することによって該圧力センサを校正することを特徴とする圧力センサの校正装置において、２）上記のピストンとシリンダとを相対的に回転させつつ上記の圧力センサの周波数特性を測定するようにするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。また、本発明は、以下の説明や、図面の記載に限定されるべき理由は無く、広範囲に適用可能なものである。
【実施例１】
【００４９】
本発明の圧力センサの校正装置は、図１に示すように、正弦波振動、若しくはランダム振動、あるいはインパルス運動する運動発生機のテーブル６上に固定されたシリンダ３と
、錘１に固定されたピストンによって、圧力伝ぱ媒体９である気体もしくは液体に発生する加圧あるいは減圧状態を用いて、圧力計もしくは圧力センサセンサ４に圧力を計測させるものである。運動発生機のテーブル６には、レーザ干渉計からのレーザ光８が照射され、その運動状態は、正確に計測される。校正する圧力計もしくは圧力センサ４には、気体あるいは液体の圧力媒体の圧力がかかっている。
【００５０】
また、図１では、運動発生機のテーブル６にシリンダ３を固定したが、ピストン２とシリンダ３とを入れ替えて、図２に示すようにピストン２を固定するようにしても良いことは明らかである。この方法のメリットは、より大振幅の動的圧力を発生することが可能になる点である。これは、振動台上に搭載する構造物の質量の内訳として、動的圧力発生に寄与する質量を大きくすることが可能なので、振動台が発生することの出来る加速度が一定とすると、振動台の許容動的荷重の範囲内であれば、より大振幅の動的圧力を発生することができるためである。また、圧力伝ぱ媒体９は、ピストンとシリンダによって形成される圧力室で加圧されることは必須ではなく、閉じた圧力室が形成されていることが重要であり、袋状のものでも用いることができる。可動壁をもった密閉室が形成されるならば、原理的にはこの発明に適用することができる。
【００５１】
ここで、圧力室の中の気体もしくは液体の圧力伝ぱ媒体９がピストンあるいは錘に作用する加速度をａd（ｔ）、運動発生機のテーブルの運動の加速度をａT（ｔ）で表されるとするとき、錘の質量をｍd、図１の場合はピストン、図２の場合はシリンダの質量をｍsとして、慣性力は、
【００５２】
【数１】
2005345215.tif 000003
で表される。シリンダの面積をＳとすると、慣性力による圧力変動は、
【００５３】
【数２】
2005345215.tif 000004
【００５４】
で表され、この信号が圧力センサへの入力信号となる。この圧力変動に対して、圧力センサの出力信号の変動にどのように現れるかを調べて、圧力センサの動特性を明らかにし、校正することが本発明の目的である。
【００５５】
図１の例では、運動発生機のテーブル６の運動を正確に計測するために、レーザ干渉計を用いたが、これは、必須のものではなく、図３に示すように、基準となる圧力計もしくは圧力センサ１１と校正されるべき圧力計もしくは圧力センサ４とで同じ物理状態（例えば圧力）を計測することによって校正することも可能である。基準となる圧力計もしくは圧力センサで校正することが可能である点については、図には示していないが、図２の校正装置の場合も同様である。
【実施例２】
【００５６】
また、図１、図２、あるいは、図３に示した校正装置は、ピストンとそれに固定された錘と、シリンダとの相対運動による慣性力により、圧力伝ぱ媒体９に圧力が発生するように構成されているが、図４に示すように、復元力のあるバネもしくはバネ機構１４を併用することによって、バイアス圧力を圧力伝ぱ媒体９に印加することができ、上記の慣性力のみを用いた場合に比較して、その計測範囲を容易に拡大することがでる。一般に、バネの復元力は、変位に比例するが、この様な線形の応答特性をもったバネに限らず、非線形の応答特性をもったバネを用いることによって、バイアス圧力の範囲を使用しやすいよう
に設定することが可能な場合がある。図４に示す校正装置のバネ機構１４は、圧縮されたガスが充填された加圧室に設けられており、バネの力に加えて、圧縮されたガスによるバイアス圧力をピストンに印加できるようになっている。また、図２の校正装置にさらにバネ機構１４や圧縮されたガス圧によるバイアス圧力を印加するようにしたものを図５に示す。
【００５７】
図４、図５の校正装置は、第１５、第１６あるいは第１７の発明に関するものである。上記の説明のように重力以外の方法でバイアス圧力をかける場合については、以下のように考える。重力加速度をｇL、バネが発生する下向きの力をＦS（ｔ）、運動発生機が発生する正弦振動による錘の運動の加速度をａd（ｔ）、運動発生機のテーブルの運動加速度をａT（ｔ）とすると、以下の式が成立する範囲で、片振幅で変動圧力を圧力センサに計測させることが可能になる。
【００５８】
【数３】
2005345215.tif 000005
【００５９】
この場合、錘が運動発生機による運動を開始する前の状態では、シリンダの断面積をＳとすると、
【００６０】
【数４】
2005345215.tif 000006
【００６１】
の静的な圧力Ｆがかかっている。
【実施例３】
【００６２】
次に、第１、第２、第７から第１９の発明にかかわる実施例について説明する。
まず、一般の測定においては、正弦波のバースト信号がよく用いられる。この場合、圧力センサの出力信号もバースト信号である。つまり、運動発生機が発生するサインバースト信号（周期Ｔi＝２π／ωi、ωi＝２πｆi、振動数＝ｆiである正弦波の１周期分の信号が複数周期分連続した波形）に従って、錘の加速度波形もバースト信号になる。
【００６３】
そこで、一般の場合には、錘がもっとも安定して運動している区間において、レーザ干渉計で計測した錘の運動加速度波形がａdL（ｔ）、レーザ干渉計で計測した運動発生機のテーブルの運動加速度波形がａTL（ｔ）、と記述されるとする。この時の圧力センサの出力信号をｐL（ｔ）、無負荷状態における該圧力センサの出力信号をｎsL（ｔ）、シリンダの断面積をＳとすると、以下の式が成立する。
【００６４】
【数５】
2005345215.tif 000007
【００６５】
【数６】
2005345215.tif 000008
【００６６】
数５は、錘とシリンダの慣性力によって発生する当該の圧力センサに計測させる動的圧
力を表し、数６は、無負荷の時の該圧力センサからの出力信号を考慮した、変動圧力による圧力センサの出力信号である。ｎs（ｔ）が無視できるほど小さいのであれば、数６右辺の第二項は省略してよい。入力信号と出力信号が明確に定義できれば、入力信号、出力信号はともに平衡点からの変化分であるから、伝達関数の定義に従って、該圧力センサの伝達関数ＧL（σ）は、以下の式で定義される。
【００６７】
【数７】
2005345215.tif 000009
Ｌはラプラス変換、σはラプラス変換パラメータである。
【実施例４】
【００６８】
次に、第３、第４、第５、第７から第１９の発明にかかわる実施例について説明する。
錘がもっとも安定して運動している区間において、加速度センサで計測した錘の運動加速度波形がａdA（ｔ）、加速度センサで計測した運動発生機のテーブルの運動加速度波形をａTA（ｔ）、と記述されるとする。この時の圧力センサの出力信号をｐin,A（ｔ）、ｐout,A（ｔ）、無負荷状態における当該の圧力センサの出力信号をｎsA（ｔ）とすると、以下の式が成立する。
【００６９】
【数８】
2005345215.tif 000010
【００７０】
【数９】
2005345215.tif 000011
【００７１】
数８は、錘とシリンダの慣性力によって発生する該圧力センサに計測させる動的圧力を表し、数９は、無負荷の時の該圧力センサからの出力信号を考慮した、変動圧力による圧力センサの出力信号である。ｎsA（ｔ）が無視できるほど小さいのであれば、数９右辺の第二項は省略してよい。入力信号と出力信号が明確に定義できれば、入力信号、出力信号はともに平衡点からの変化分であるから、伝達関数の定義に従って、該圧力センサの伝達関数ＧA（σ）は、以下の式で定義される。
【００７２】
【数１０】
2005345215.tif 000012
Ｌはラプラス変換、σはラプラス変換パラメータである。
【００７３】
次に第６の発明から第１８の発明に係わるもので、基準圧力センサで計測した結果と比較して、校正対象の圧力センサの周波数応答特性を求める方法について説明する。
【００７４】
基準圧力センサの動的応答特性は、錘の運動加速度と運動発生機のテーブルの運動加速度をレーザ干渉計で計測して求められる。従って、図２に示すような構成において、加速度センサの伝達関数は既知であると仮定することができる。そこで、基準加速度センサの出力信号をｐR（ｔ）、伝達関数をＧR（σ）、無負荷の時の基準圧力センサの出力信号をｎsR（ｔ）、基準圧力センサに計測させる動的圧力信号をｐiR（ｔ）とると、以下の式が成立する。
【００７５】
【数１１】
2005345215.tif 000013
【００７６】
評価対象とする圧力センサの出力信号をｐtc（ｔ）、評価対象とする該圧力センサの無負荷時の出力信号をｎst（ｔ）、評価対象とする該圧力センサの伝達関数をＧt（σ）とすると、以下の式が成立する。
【００７７】
【数１２】
2005345215.tif 000014
【００７８】
数１１と数１２においてＬ[ｐiR（ｔ）]を消去すると、以下の式が得られる。すなわち、基準圧力センサの出力信号、基準圧力センサの既知の伝達関数、評価対象の該圧力センサの出力信号から、該圧力センサの伝達関数を求めることが出来る。
【００７９】
【数１３】
2005345215.tif 000015
【００８０】
駆動装置や制御系を含めた本発明の圧力センサの校正装置の全体像は、例えば、図６の構成とすることができる。この構成においては、ピストンを兼ねた錘２上には、垂直方向の錘の運動状態を計測するレーザ干渉計からのレーザ光８を反射するための鏡１７と加速度センサ７が備えられ、ピストンを兼ねた錘２は、シリンダ３に収められ、このシリンダとピストンは、圧力室の圧力伝ぱ媒体９を加減圧し、圧力計もしくは圧力センサ４に圧力を計測させる。圧力室に液体の圧力伝ぱ媒体９が注入される場合は、圧力室と圧力伝ぱ媒体中には気体が残らないようにすることが望ましい。バルブ３２は、圧力室に気体が残らないようにするための排気孔であり、また、注入する液体を余分に流して気泡を除去するための排出孔でもある。シリンダ３は、運動発生機のテーブル６の運動により振動し、この振動により、圧力室の圧力伝ぱ媒体９を加減圧する。また、運動発生機のテーブル６は、Ｘ軸方向用のアクチュエータ１９、Ｙ軸方向用のアクチュエータ２０、Ｚ軸方向用のア
クチュエータ２１、で駆動される。運動発生機のテーブル６の運動状態は、コーナーキューブ１８に、Ｘ軸方向用のレーザ干渉計２２、Ｙ軸方向用のレーザ干渉計２３、あるいはＺ軸方向用のレーザ干渉計２４からのレーザ光を照射して計測する。
【００８１】
図６のプッシュプル型のＹ軸方向用のアクチュエータ２０および３８は、ピストン２が重力方向以外の水平方向の運動が僅かに観測される場合に、この運動の影響を取り除くためにも用いる。このような影響がある場合には、重力方向の運動による校正が正しい値にならないので、この影響を取り除くことが望ましい。この影響を取り除くには、運動発生機の制御に用いる加速度センサの感度をマトリックスで定義でし、振動台の制御伝達関数をマトリクスで表現されるものとして、また、取り付けテーブルの運動を、マトリックスでは定義されない加速度センサを用いて検出する場合よりも高い感度と精度で検出して、その非対角成分が消失するように非対角行列要素の値を帰還信号に用いて、Ｘ軸、Ｙ軸方向用のアクチュエータ１９，３８を制御する。この制御により、水平方向の運動の影響を抑制することができる。
【００８２】
上記のレーザ干渉計や加速度計または加速度センサからの計測データ、あるいは、基準圧力センサもしくは基準圧力計を用いる場合はそれらからの計測データは、インターフェース２７を通じて信号処理装置２５に送られる。信号処理装置２５では、また、上記のそれぞれのアクチュエータを制御して、あらかじめ決められた圧力あるいは圧力変化を校正されるべき圧力計もしくは圧力センサに計測させる。
【００８３】
また、信号処理装置２５は、上記のレーザ干渉計や加速度計または加速度センサからの計測データにより、シリンダの回転による横方向運動成分を検出し、Ｘ軸方向用のアクチュエータ１９、あるいは補助的に設けたＹ軸方向用のアクチュエータ３８を制御してこの横方向運動成分を抑制する。
【実施例５】
【００８４】
一般に、ピストンを兼ねた錘１とシリンダ３との間には摩擦が発生するが、ピストンを兼ねた錘１を回転させながら計測することにより、この摩擦の垂直方向の成分を抑制することができる。なお、この場合は、レーザ光を反射する鏡１７をピストンを兼ねた錘１の中心に設けることが望ましい。図７は、この目的のための構成である。ピストン上部には、錘を兼ねた歯車があり、この歯車に接してモータの回転軸に固定された歯車があり、この様にモータ駆動で回転させることができる。ピストンを回転させるために用いることのできる機構は、この他、種々のものがあり、図には示していないが、歯車を回転子として電磁的に回転させる事は容易である。また、高圧空気を吹き付けて回転させることもできる。また、歯車は、駆動装置を止めても、慣性でしばらくの間、回り続けるので、校正のための測定中は、駆動を中断することができる。
【００８５】
また、図８は、ピストン部を振動テーブル側に配置し、シリンダ部をその上部に配置した構成を示す。ピストン部の乗った回転台には、歯車が設けられており、これがモータの回転軸に付けられた歯車を通して駆動される。また、シリンダ部の回転を止めるには、シリンダ部からピンを出し、これを外部から固定されたガイドに通して、上下方向のみに動くようにすればよい。また、シリンダ部とピストン部との上下関係がこの逆の場合でも、致命的な問題とはならないことは明らかである。
（実施例４終わり）
【００８６】
液体（例えば油）を圧力の伝ぱ媒体として用いる場合には、気泡が入ると、錘の運動が圧力として伝わらなくなり、正しい校正ができない。そこで、気泡の混入の有無を、調べるためには、つぎようにすればよい。
１）シリンダの断面積をＳ、ピストンをｄだけ、上から下まで移動させて、ドレインを開
放した時に出てくる油の重さが、密度をρ0とした時に、積、ρ0Ｓｄ、からかけ離れていれば、気泡の影響が大きいと結論付けられる。
２）油を冷やしてみて顕著な影響があれば、気泡の影響があると結論される。
【００８７】
また、相対的に回転するピストンとシリンダとの間の隙間から圧力伝播媒体としての液体が漏れる場合には、ピストンリングなどのシーリングを用いるが、明らかに、なるべく相対的な運動を妨げないものが望ましい。この例としては、ピストンリングの代わりに磁性流体を用いる。この場合、漏れを防止できる程度に磁性流体を硬化させるための磁場を外部から作用させる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の効果は、以下のように広範囲に及ぶものである。
まず、例えば、レシプロサイクルエンジンのシリンダ内圧力の計測用圧力センサに適用すると、最適燃料注入量とそのタイミングを制御できるので、有害廃棄物を減少させて環境浄化に寄与する。
また、レシプロサイクルエンジンのシリンダ内圧力の計測用圧力センサに適用することによって、最適燃料注入量とそのタイミングを制御できるので燃焼効率を高め、地球温暖化防止、炭酸ガス排出量を抑えることができる。
また、原子力発電所、火力発電プラントなどの異常監視の信頼性、制御の信頼性を向上させることができる。
また、蒸気タービン、ガスタービン、ロータリーエンジン、スターリングエンジンなど、動力発生装置の制御性の向上、異常監視の信頼性を向上させることができる。
また、化学プラント、製鉄プラント、など生産に係わる設備における異常監視の信頼性の向上、圧力制御の制御性の向上をもたらすことができる。
また、油圧、空圧制御系における管路系に設置することによって異常検出の信頼性向上をもたらすことができる。
また、動的圧力の計測標準という新技術の開発により、動的圧力計測標準のトレーサビリティを確立することができる。
また、容易に、動的圧力に関して国家標準にトレーサブルな圧力センサ、圧力計を用いた計測を実施することが可能になる。
また、微小圧力計の精密な動的校正により、心臓など循環器系のモニタリングが等の健康管理において、動的圧力の波形が利用されるようになり、国民の健康向上に資する。
また、流量計測の精度が向上する。例えば、乱流、脈動流での圧力計測の精度が向上する。
また、動的圧力に関する国際比較を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】第１の実施例を示す断面図である。
【図２】第１の実施例の他の例を示す断面図である。
【図３】第２の実施例を示す断面図である。
【図４】第２の実施例の他の例を示す断面図である。
【図５】第３の実施例を示す断面図である。
【図６】圧力センサの校正装置の全体像を示す模式図である。
【図７】第４の実施例を示す断面図である。
【図８】第４の実施例を示す断面図である。
【図９】第１の従来例を示すブロック図である。
【図１０】第２の従来例を示すブロック図である。
【図１１】第３の従来例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９０】
１  錘
２  ピストン
３  シリンダー
４  圧力計または圧力センサ
５  シリンダー取り付け金具
６  運動発生機のテーブル
７  加速度計または加速度センサ
８  干渉計のレーザビーム
９  圧力伝ぱ媒体
１０  加速度センサ
１１  参照用圧力センサ
１２  圧力伝達孔
１３  バネ機構支持部
１４  バネまたはバネ機構
１５  孔
１６  ピストンの台座
１７  鏡
１８  コーナーキューブ
１９  Ｘ軸用アクチュエータ
２０  Ｙ軸用アクチュエータ
２１  Ｚ軸用アクチュエータ
２２  Ｘ軸用レーザ干渉計
２３  Ｙ軸用レーザ干渉計
２４  Ｚ軸用レーザ干渉計
２５  信号処理装置
２６  電力増幅器
２７  インターフェース
２８  ガスまたは液体タンク
２９  圧力計
３０  ポンプ
３１  配管
３２  バルブ
３３  増幅器
３４  干渉計
３５  ドレイン
３６  歯車
３７  モータ
３８  Ｙ軸用アクチュエータ
【図１】
2005345215.tif 000016
【図２】
2005345215.tif 000017
【図３】
2005345215.tif 000018
【図４】
2005345215.tif 000019
【図５】
2005345215.tif 000020
【図６】
2005345215.tif 000021
【図７】
2005345215.tif 000022
【図８】
2005345215.tif 000023
【図９】
2005345215.tif 000024
【図１０】
2005345215.tif 000025
【図１１】
2005345215.tif 000026