(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性波の伝搬しうる棒状体と、該棒状体を鉛直方向もしくは予め決められた角度で斜め方向に自由落下させる手段と、自由落下中の上記棒状体の第１の一端に、第１物体、第２物体をそれぞれ単独で衝突させて弾性波を発生させる手段、および、第１物体と第２物体とを同時に衝突させて弾性波を発生する手段と、上記棒状体の第２の一端の上記弾性波による運動の加速度を検出することのできる評価対象となる第１の加速度センサおよび基準となる第２の加速度センサと、比較手段と、上記の棒状体の第１の一端における衝突による弾性波が引起す上記の棒状体の第２の一端の運動における加速度を第１の加速度センサと第２の加速度センサとでそれぞれ検出する構成とを備え、
上記第１物体の衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度による第１の加速度センサの出力と、第２物体の衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度による第１の加速度センサの出力とを加算したものを、上記第１物体の衝突と同じ速度の第１物体と上記第２物体の衝突と同じ速度の第２物体の同時衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度による第１の加速度センサの出力と上記比較手段で比較して第１の加速度センサの動的線形性を評価することを特徴とする加速度センサの動的特性測定装置。
【請求項２】
弾性波の伝搬しうる棒状体と、該棒状体を鉛直方向もしくは予め決められた角度で斜め方向に自由落下させる手段と、自由落下中の上記棒状体の第１の一端に、第１物体群、第２物体群をそれぞれ単独で衝突させて弾性波を発生させる手段、および、第１物体群と第２物体群とを同時に衝突させて弾性波を発生する手段と、上記棒状体の第２の一端の上記弾性波による運動の加速度を検出することのできる評価対象となる第１の加速度センサおよび基準となる第２の加速度センサと、比較手段と、上記の棒状体の第１の一端における衝突による弾性波が引起す上記の棒状体の第２の一端の運動における加速度を第１の加速度センサと第２の加速度センサとでそれぞれ検出する構成とを備え、
上記第１物体群の衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度による第１の加速度センサの出力と、第２物体群の衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度による第１の加速度センサの出力とを加算したものを、上記第１物体群の衝突と同じ速度の第１物体群と上記第２物体群の衝突と同じ速度の第２物体群の同時衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度による第１の加速度センサの出力と上記比較手段で比較して第１の加速度センサの動的線形性を評価することを特徴とする加速度センサの動的特性測定装置。
【請求項３】
弾性波の伝搬しうる棒状体と、該棒状体を鉛直方向もしくは予め決められた角度で斜め方向に自由落下させる手段と、自由落下中の上記棒状体の第１の一端に、第１物体、第２物体をそれぞれ単独で衝突させて弾性波を発生させる手段、および、第１物体と第２物体とを時間差を設けて衝突させて弾性波を発生する手段と、上記棒状体の第２の一端の上記弾性波による運動の加速度を検出することのできる評価対象となる第１の加速度センサおよび基準となる第２の加速度センサと、比較手段と、上記の棒状体の第１の一端における衝突による弾性波が引起す上記の棒状体の第２の一端の運動における加速度を第１の加速度センサと第２の加速度センサとでそれぞれ検出する構成とを備え、
上記第１物体の衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度による第１の加速度センサの出力と、第２物体の衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度による第１の加速度センサの出力とを時間差を置いて加算したものを、上記第１物体の衝突と同じ速度の第１物体と上記第２物体の衝突と同じ速度の第２物体の時間差を置いた衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度による第１の加速度センサの出力と上記比較手段で比較して第１の加速度センサの動的線形性を評価することを特徴とする加速度センサの動的特性測定装置。
【請求項４】
上記の棒状体を伝搬する弾性波を上記の棒状体の側面において検出することのできる弾性波検出手段をさらに備え、
該弾性波検出手段により第２の一端の加速度を求め、第１物体もしくは第１物体群の衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度と、第２物体もしくは第２物体群の衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度とを加算又は時間差を置いて加算したものが、第１物体もしくは第１物体群と第２物体もしくは第２物体群の同時衝突又は時間差を置いた衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度になっているかを確認することを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の加速度センサの動的特性測定装置。
【請求項５】
上記の第２の加速度センサにより第２の一端の加速度を求め、第１物体もしくは第１物体群の衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度と、第２物体もしくは第２物体群の衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度とを加算又は時間差を置いて加算したものが、第１物体もしくは第１物体群と第２物体もしくは第２物体群の同時衝突又は時間差を置いた衝突による弾性波が第２の一端に及ぼす加速度になっているかを確認することを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の加速度センサの動的特性測定装置。
【請求項６】
上記の棒状体の側面において検出することのできる弾性波検出手段は、Ｓｋａｌａｋの解を用いて上記の弾性波検出手段の出力信号から上記の第２の一端に入射する弾性波パルスの過渡ひずみ信号を求めることを含むことを特徴とする請求項４に記載の加速度センサの動的特性測定装置。
【請求項７】
上記の棒状体の側面において検出することのできる弾性波検出手段は、上記の第２の加速度センサで検出した結果により予め校正された手段であることを特徴とする請求項４又は６に記載の加速度センサの動的特性測定装置。
【請求項８】
上記の棒状体の側面において検出することのできる弾性波検出手段は、上記の棒状体の第１の一端から第２の一端に向かう上記の弾性波の進行方向に直交するひとつの平面上にあって上記の棒状体の外周に設けられた複数の弾性波検出手段からなることを特徴とする請求項４、６又は７に記載の加速度センサの動的特性測定装置。
【請求項９】
上記の棒状体の第１の一端に衝突する物体もしくは物体群は、衝突部分の先端部の硬度が、その他の部分の硬度よりも低いことを特徴とする請求項１ないし８の何れか１項に記載の加速度センサの動的特性測定装置。
【請求項１０】
上記の棒状体の第１の一端に物体を衝突させる手段は、物体の運動方向を中心軸として軸対称性をもつことを特徴とする請求項１ないし９の何れか１項に記載の加速度センサの動的特性測定装置。
【請求項１１】
上記の棒状体の第１の一端に物体を衝突させる手段は、上記の棒状体に生じる弾性波が予め決められた周波数帯域となる様に、個々の物体の衝突による弾性波が重なるようにあらかじめ決められた時間間隔で複数の物体を衝突させることを特徴とする請求項２に記載の加速度センサの動的特性測定装置。
【請求項１２】
上記の第１の加速度センサの動的線形性の評価は、周波数領域と時間領域からなる２次元領域で行われることを特徴とする請求項１ないし１１の何れか１項に記載の加速度センサの動的特性測定装置。
【請求項１３】
上記の弾性波検出手段を、上記の第２の加速度検出手段で検出した結果により予め校正するにあたり、校正は、周波数領域と時間領域からなる２次元領域で行われることを特徴とする請求項７ないし１２の何れか１項に記載の加速度センサの動的特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、定常的な加速度（直流加速度）成分をも検出する加速度センサの校正を行うことのできる加速度センサの動的特性測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
加速度センサは、たとえば車両サスペンション、ロボット、輸送機器、輸送システム、原子力発電関連諸機器、船舶、宇宙航空機器、マイクロ運動デバイス、地震、建築構造物の耐震性、土木構造物の耐震性、建築構造物が受ける微小振動（微小地震や風によるもの）、土木構造物（微小地震や風によるもの）が受ける微小振動等の分野で使われており、加速度の変化成分のみ検出する加速度センサと、定常的な加速度成分も含めて検出する直流加速度センサとがあることが知られている。
【０００３】
また、このような加速度センサを校正する方法としては、地球の重力を用いるものの他に、１）円運動をする物体上で遠心力を用いて定常的な加速度を作り出して行う方法と、２）振動する物体上で周期的に変化する加速度を用いて行う方法がある。前者は、例えば、特開平０７−１１０３４２号公報に記載されており、後者は、例えば、特開平０７−０５５６２９号公報に記載されている。
【０００４】
しかし、直流（ＤＣ）型加速度センサに限らず、加速度センサ全般に言えることとして、加速度センサ自身の共振特性も含めた周波数特性は問題にされても、その前提となる動的線形性は検証されてこなかった。ここで言う動的線形性とは、過渡状態下の加速度センサにおいて、入力信号の加算性がそのまま出力信号にも反映されることを意味する。
【０００５】
また、特にＤＣ型加速度センサ分野では、動的な校正を行うには運動の直進性に比較して、加速度センサの感度が高すぎること、振動台が発生する運動の直進性が十分で無く寄生横振動の影響を評価することが困難であること、等の理由から動的な校正がなされていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の様に、従来の校正では、動的線形性について直流（ＤＣ）型加速度センサの校正は行われていない。
【０００７】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、ＤＣ型加速度センサにおいても十分な精度で動的線形性を校正することができる加速度センサの動的特性測定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明における第１の発明は、加速度センサの動的特性、とくにその線形性を測定する装置に関しており、鉛直方向もしくは予め決められた角度で斜め方向に落下し弾性波の伝搬しうる金属棒などの棒状体と、該棒状体の第１の一端にアルミニウムや鉛などの比較的硬度の低い物体を衝突させる手段と、光電計測などの方法により物体の速度を計測することにより上記の物体の速度を計測する手段と、上記の棒状体の第２の一端の運動の加速度を検出することのできる校正しようとする加速度計である第１の加速度検出手段およびレーザ干渉計などによる基準加速度計である第２の加速度検出手段と、第１の加速度検出手段の結果と第２の加速度検出手段の結果とを比較する手段と、上記の棒状体の第１の一端における衝突による弾性波が引起す上記の棒状体の第２の一端の運動における加速度を第１の加速度検出手段と第２の加速度検出手段とでそれぞれ検出する構成とを備えることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明における第２の発明は、棒状体に、材質はおなじであるが個数の異なる物体からなる物体群により弾性波を発生するものであり、鉛直方向もしくは予め決められた角度で斜め方向に落下し弾性波の伝搬しうる棒状体と、該棒状体の第１の一端にそれぞれの物体群を衝突させる手段と、上記の物体群の速度を計測する手段と、上記の棒状体の第２の一端の運動の加速度を検出することのできる第１の加速度検出手段および第２の加速度検出手段と、第１の加速度検出手段の結果と第２の加速度検出手段の結果とを比較する手段と、上記の棒状体の第１の一端における衝突による弾性波が引起す上記の棒状体の第２の一端の運動における加速度を第１の加速度検出手段と第２の加速度検出手段とでそれぞれ検出する構成とを備えることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明における第３の発明は、複数の物体による複数の弾性波パルスを用いるものであり、鉛直方向もしくは予め決められた角度で斜め方向に落下し弾性波の伝搬しうる棒状体と、該棒状体の第１の一端に複数の物体を衝突させる手段と、上記の物体の速度を計測する手段と、上記の棒状体の第２の一端の運動の加速度を検出することのできる第１の加速度検出手段および光学的手段を用いた第２の加速度検出手段と、第１の加速度検出手段の結果と第２の加速度検出手段の結果とを比較する手段と、上記の棒状体の第１の一端に時間差をおいて衝突された複数の物体のそれぞれの衝突による弾性波が引起す上記の棒状体の第２の一端の運動における加速度を第１の加速度検出手段と第２の加速度検出手段とで検出する構成とを備えることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明における第４の発明は、弾性波の形状をみて、加速度計の結果を補正するものであり、上記した第１ないし第３のいずれかの発明の構成に加えて、上記の棒状体を伝搬する弾性波を上記の棒状体の側面において検出することのできる弾性波検出手段をさらに備え、上記の棒状体の第１の一端への衝突による弾性波が引起す上記の棒状体の第２の一端の運動における加速度を第１の加速度検出手段で検出した結果を、上記の弾性波を上記の弾性波検出手段で検出した結果により補正する構成とを備えることを特徴としている。
【００１２】
また、本発明における第５の発明は、上記した第４の発明の構成に加えて、上記の弾性波検出手段は、上記の第２の加速度検出手段で検出した結果により補正された手段であることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明における第６の発明は、加速度センサの質量の影響を無視し、取り付け方が共通な加速度センサであればどれでも適用できるという便宜を提供する構成であり、上記した第５の発明の構成に加えて、上記の第２の加速度検出手段で検出した結果により補正された手段は、上記の第１の加速度検出手段を上記の棒状体に設けることなく、上記の弾性波の進行方向に直交するひとつの平面上にある棒状体の外周に設けられた単数あるいは複数の弾性波検出手段を用いて用意された弾性波と加速度との対応を含む手段であることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明における第７の発明は、加速度センサの質量の影響を含んだ補正関数を用いてより正確な補正を提供するものであり、上記した第５の発明の構成に加えて、上記の第２の加速度検出手段で検出した結果により補正された手段は、上記の第１の加速度検出手段を上記の棒状体に設けて、上記の弾性波の進行方向に直交する複数の平面上にある棒状体の外周に設けられた複数の弾性波検出手段を用いて用意された弾性波と加速度との対応を含む手段であることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明における第８の発明は、歪みゲージなどの弾性波検出器による弾性波の検出結果により加速度計を校正するものであり、鉛直方向もしくは予め決められた角度で斜め方向に落下する弾性波の伝搬しうる棒状体と、該棒状体の第１の一端に運動量を持った物体を衝突させる手段と、上記の物体の速度を計測する手段と、上記の棒状体を伝搬する弾性波を上記の棒状体の側面において検出することのできる弾性波検出手段と、上記の棒状体の第２の一端の運動の加速度を検出することのできる第１の加速度検出手段と、上記の第１の加速度検出手段の結果と弾性波検出手段の結果とを比較する手段と、上記の棒状体の第１の一端に衝突された衝突による弾性波が引起す上記の棒状体の第２の一端の運動における加速度を第１の加速度検出手段で検出し、上記の弾性波を上記の弾性波検出手段でそれぞれ検出する構成とを備えることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明における第９の発明は、上記した第８の発明の構成に加えて、上記の弾性波検出手段による検出結果は、予めもとめられた弾性波の特性と加速度との対応関係により補正されることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明における第１０の発明は、上記した第１ないし第９の何れかの発明の構成に加えて、種々の弾性波を発生するためのものであり、上記の棒状体の一端に衝突する物体は、衝突部分の先端部の硬度が、その他の部分の硬度よりも低いことを特徴としている。
【００１８】
また、本発明における第１１の発明は、上記した第１ないし第１０の何れかの発明の構成に加えて、平面波に近い弾性波を発生するためのものであり、上記の棒状体の第１の一端に物体を衝突させる手段は、物体の運動方向を軸とする対称性をもつことを特徴としている。
【００１９】
また、本発明における第１２の発明は、上記した第１ないし第１１の何れかの発明の構成に加えて、狭い周波数帯域をもつ弾性波を発生させるために衝突のタイミングを調整する必要があることから、上記の棒状体の第１の一端に物体を衝突させる手段は、上記の棒状体に生じる弾性波が予め決められたの周波数帯域となる様にあらかじめ決められた時間間隔で複数の物体を衝突させることを特徴としている。
【００２０】
また、本発明における第１３の発明は、理論的な解析から補正するものであり、上記した第９の発明の構成に加えて、上記の弾性波検出手段の結果を補正する手段は、弾性波伝播理論に従った手段であり、上記の弾性波検出手段の出力信号から上記の第２の一端に入射する弾性波パルスの過渡ひずみ信号を求める際に、解析解の少なくとも１次の項（Skalakの解）を含むことを特徴としている。
【００２１】
また、本発明における第１４の発明は、スペクトルアナライザを用いて比較するものであり、上記した第１ないし第１３の何れかの発明の構成において、上記の第１の加速度検出手段の結果と第２の加速度検出手段の結果との比較は、周波数領域で行われることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明における第１５の発明は、スペクトルアナライザを用いて比較するものであり、上記した第４ないし第１３の何れかの発明の構成において、上記の第１の加速度検出手段の結果あるいは上記の第２の加速度検出手段の結果と、上記の弾性波検出手段の結果との比較は、周波数領域で行われることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明における第１６の発明は、弾性波の重なりをもちいて、さまざまな強度の弾性波を発生させるものであり、上記した第１ないし第５あるいは第１０ないし第１５の何れかの発明の構成に加えて、上記の第１の一端に複数の物体を衝突させる構成と、その複数の物体の衝突による弾性波パルスは重なりを有する構成と、その重なった弾性波パルスを上記の第１の加速度検出手段および第２の加速度検出手段とで検出する構成とを備えることを特徴としている。
【００２４】
また、本発明における第１７の発明は、重力加速度の影響を取り除くものであり、上記した第１ないし第１６の何れかの発明の構成に加えて、上記の棒状体を自由落下させる間に、弾性波を発生し、検出することを特徴としている。
【００２５】
また、本発明における第１８の発明は、重力加速度の影響をパラメータとして測定できる様にするものであり、上記した第１７の発明の構成に加えて、重力加速度の方向と検出する加速度の方向の角度が、弾性波を発生し検出する間、あらかじめ決められた値にあることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明における第１９の発明は、重力加速度の影響をパラメータとして測定する際に、重力加速度の方向に直角の方向の運動の加速度の影響を抑制するものであり、上記した第１７の発明の構成に加えて、重力加速度の方向と検出する加速度の方向が平行であることを特徴としている。
【００２７】
また、本発明における第２０の発明は、弾性波の反射と減衰を用いて、強度の異なる弾性波を利用するものであり、第１ないし第１９の何れかの発明の構成に加えて、上記の棒状体の両端で反射した弾性波を用いることを特徴としている。
【００２９】
【発明の実施の形態】
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。先ず本発明の原理を説明し、次に、望ましい実施形態の一例を図１を用いて説明する。
【００３０】
以下の説明において、動的線形性としては、入力信号ｘ（ｔ）に対する出力信号をＸ（ｔ）として、入力信号ｙ（ｔ）に対する出力信号をＹ（ｔ）とするとき、任意定数ａ、ｂを用いて、次の入力信号、
【００３１】
【数１】
0004300288.tif 000002
に対する出力信号が
【００３２】
【数２】
0004300288.tif 000003
となれば、動的線形性が成立する、と言うものとする。
【００３３】
（１）  本発明においては、重力加速度方向に中心軸を設置した棒状体として金属棒を用い、その端面に測定対象の加速度センサを取り付け、棒のもう一方端面に内側発射管から発射される内側飛翔体を衝突させる。この衝突によって発生した弾性波パルスが加速度センサを取り付けた端面に到達したときに生じる端面の運動加速度を用いて、加速度センサの校正を行うものである。
【００３４】
このために、まず、加速度センサへの入力加速度信号
【数３】
0004300288.tif 000004
と加速度センサの出力、
【００３５】
【数４】
0004300288.tif 000005
とを求める。次に、棒の端面に外側発射管から発射される外側飛翔体を衝突させることによって発生した弾性波パルスがもう一方の端面に到達したときに生じる端面の運動加速度すなわち加速度センサへの入力加速度信号、
【００３６】
【数５】
0004300288.tif 000006
と加速度センサの出力、
【００３７】
【数６】
0004300288.tif 000007
とを求める。
【００３８】
最後に内側飛翔体と外側飛翔体を同時に金属棒に衝突させた時に、加速度センサへの入力信号として作用する加速度信号は、弾性波の定義とその線形性から
【００３９】
【数７】
0004300288.tif 000008
となる。この時にゲージの出力信号を
【００４０】
【数８】
0004300288.tif 000009
とする。線形性が成立すると仮定するならば、出力信号は、
【００４１】
【数９】
0004300288.tif 000010
となる筈である。したがってその逆に、数９で表わされる信号と数８で表わされる信号とを周波数領域あるいは時間領域で比較することによって、加速度センサの動的線形性をゲイン、位相に関して計測することができることがわかる。
【００４２】
発射管から発射された飛翔体が、金属棒端面に衝突して発生した弾性波パルスが加速度センサを取り付けた端面に到達して反射するときに発生する時間（ｔ）の関数としての衝撃的加速度（ａ（ｔ））は、金属棒内部の縦波弾性波速度（Ｃ）と端面での入射弾性波パルスのひずみ（ε（ｔ））とによって、以下の式で表される。
【００４３】
【数１０】
0004300288.tif 000011
そこで、内側発射管から飛翔体が発射される場合に端面に発生する加速度と入射弾性波パルスのひずみとを、それぞれ
【００４４】
【数１１】
0004300288.tif 000012
とする。外側発射管から飛翔体が発射される場合に端面に発生する加速度と入射弾性波パルスのひずみを、それぞれ
【００４５】
【数１２】
0004300288.tif 000013
とする。このとき、以下の式が成立する。
【００４６】
【数１３】
0004300288.tif 000014
【００４７】
また、レーザ干渉計で計測できるのは端面の運動速度であるから、内側発射体と外側発射体によりそれぞれ発生する端面の運動速度を
【００４８】
【数１４】
0004300288.tif 000015
とすると以下の数式が成立する。
【００４９】
【数１５】
0004300288.tif 000016
【００５０】
したがって、内側飛翔体を単独で発射した場合、外側飛翔体を単独で発射した場合、内側飛翔体と外側飛翔体を同時にかつ単独で発射した場合と同一の条件で発射した場合のレーザ干渉計で計測する端面の運動速度を、それぞれ
【００５１】
【数１６】
0004300288.tif 000017
とすると、以下の式が成立する。
【００５２】
【数１７】
0004300288.tif 000018
【００５３】
その時の加速度センサの出力信号をそれぞれの場合で、
【００５４】
【数１８】
0004300288.tif 000019
とすると、数１９が成立する範囲内で、数２０が成立する周波数範囲、加速度範囲を明らかにすることが動的線形性の計測である。
【００５５】
【数１９】
0004300288.tif 000020
【００５６】
【数２０】
0004300288.tif 000021
【００５７】
ここで、内側飛翔体と外側飛翔体の衝突が同時でない場合には、その時間差をΔｔとすると数２１が成立する周波数範囲、加速度範囲を明らかにすることが動的線形性の計測である。
【００５８】
【数２１】
0004300288.tif 000022
【００５９】
（２）次に、ゲージ出力（１個）をそのまま用いて、DC型加速度センサの動的線形性を計測する場合を説明する。図１に示す実施の形態において飛翔体の衝突する端面から距離L1に貼ってあるひずみゲージの出力信号について、内側飛翔体を単独で発射した場合、外側飛翔体を単独で発射した場合、内側飛翔体と外側飛翔体を同時にかつ単独で発射した場合と同一の条件で発射した場合の各々について、それぞれ、
【００６０】
【数２２】
0004300288.tif 000023
とする。この場合、ひずみゲージの周波数応答特性、弾性波の分散、減衰、音速値の不確かさなどを考慮しないので、ゲージの出力信号であるひずみがそのまま加速度センサ取り付け面への入射弾性波パルスのひずみになるとみなす。
【００６１】
数２２に対応する加速度センサの出力信号を、
【数２３】
0004300288.tif 000024
とすれば、数２４が成立する範囲内で、数２５が成立する周波数範囲、加速度範囲を明らかにすることが動的線形性の計測である
【００６２】
【数２４】
0004300288.tif 000025
【数２５】
0004300288.tif 000026
【００６３】
内側飛翔体と外側飛翔体の衝突が同時でない場合には、その時間差をΔｔとするときに成立する周波数範囲、加速度範囲を明らかにすることが動的線形性の計測である。
【００６４】
【数２６】
0004300288.tif 000027
【００６５】
次に、複数個のひずみゲージの出力をそのまま用いて、DC型加速度センサの動的線形性を計測する場合について説明する。金属丸棒の軸方向に複数個のひずみゲージは、丸棒の衝撃端面から、Ln（ｎ＝１…N）だけ離れた位置に貼られているとする。また、棒の軸方向の複数位置に貼り付けたゲージの代表位置をL1とする。この場合、各Ln（ｎ＝１…N）位置において、加速度センサを取り付けた端面への入射波と反射波とは分離して観察されなければならない。
【００６６】
弾性波の伝播理論から、衝撃端面から十分離れた丸棒断面での弾性波パルスのひずみは、平面波となるため衝撃端面からの距離ｚと時間ｔ（ｔ＝０で飛翔体の衝突が始まるとする）で解析的に表すことが可能である。そこで、平面波としての丸棒内部のひずみを次式で表すことにする。
【００６７】
【数２７】
0004300288.tif 000028
但し、数２７の右辺は次のように表される。（Skalakの解、級数展開の第一項目）
【００６８】
【数２８】
0004300288.tif 000029
ただしここで、
【００６９】
【数２９】
0004300288.tif 000030
であり、また、
【００７０】
【数３０】
0004300288.tif 000031
であり、
【数３１】
0004300288.tif 000032
である。
【００７１】
多数のひずみゲージを用いて感度を上げるために、以下の手順を取る。位置Ln（ｎ＝１…N）における複数個のゲージ出力の断面での平均値を、
【００７２】
【数３２】
0004300288.tif 000033
とする。波動伝播に時間がかかり、位置Ln（ｎ＝１…N）におけるひずみゲージの出力信号は同相ではないので、以下の手順により数３３を用いて代表位置L1に貼ってあるゲージの出力と等価な出力に変換することができる。
【００７３】
【数３３】
0004300288.tif 000034
（ｎ＝２…N）
ここで、
【数３４】
0004300288.tif 000035
は、ラプラス演算子、逆ラプラス演算子である。したがって、代表位置における弾性波パルスのひずみは以下の式で表される。
【００７４】
【数３５】
0004300288.tif 000036
この結果から、複数のひずみゲージを用い出力信号の加算平均を計算することにより、ノイズの影響を減らし微小動的ひずみの計測が可能になることが理解できる。
【００７５】
複数個のひずみゲージの出力をそのまま用いて、DC型加速度センサの動的線形性を計測する場合には、代表位置から加速度センサを取り付けた端面までの弾性波パルスの伝播による弾性波動の分散、減衰などは考慮しない。ひずみゲージの動特性を考慮した補正も行わない。そこで、内側飛翔体を単独で発射した場合、外側飛翔体を単独で発射した場合、内側飛翔体と外側飛翔体を同時にかつ単独で発射した場合と同一の条件で発射した場合の各々について、代表位置における代表ひずみ信号を、
【００７６】
【数３６】
0004300288.tif 000037
とすると、複数個のひずみゲージの代表位置から加速度センサを取り付けた端面までの距離は、Ｌ−Ｌ1であるから、それぞれの場合に加速度センサを取り付けた端面に発生する加速度ａ（ｔ）は,次式で表される。
【００７７】
【数３７】
0004300288.tif 000038
数３７の各式の入力加速度に対応する加速度センサの出力信号をそれぞれ、
【００７８】
【数３８】
0004300288.tif 000039
とすると、数３９が成立する範囲内で数４０が成立することが、加速度センサの動的線形性である。
【００７９】
【数３９】
0004300288.tif 000040
【数４０】
0004300288.tif 000041
【００８０】
また、内側飛翔体と外側飛翔体の衝突が同時でない場合には、その時間差をΔｔとすると数４１が成立する周波数範囲、加速度範囲を明らかにすることが動的線形性の計測である。
【数４１】
0004300288.tif 000042
【００８１】
（３）次に、ゲージ（軸方向に１個）出力を理論的に補正して端面への入射弾性波パルスのひずみを求め、DC型加速度センサの動的線形性を計測する場合について説明する。この場合は、軸方向の一箇所に貼り付けたひずみゲージ出力を、弾性波理論で補正して端面への入射弾性波パルスを求める。しかし、ゲージの周波数応答は無視される。数１３で示されるひずみ信号は、衝突端面から距離L1の位置に貼られているとし、内側飛翔体のみの衝突で発生したひずみ信号を、
【数４２】
0004300288.tif 000043
外側飛翔体のみの衝突で発生したひずみ信号を、
【数４３】
0004300288.tif 000044
内側飛翔体と外側飛翔体が同時に衝突した時のひずみ信号を、
【数４４】
0004300288.tif 000045
とすると以下の式が成り立つ。
【００８２】
【数４５】
0004300288.tif 000046
【００８３】
【数４６】
0004300288.tif 000047
を、内側飛翔体と外側飛翔体を同時に発射した時の、加速度センサを取り付けた端面への入射弾性波パルスのひずみ、衝突端面から距離L1に貼られたひずみゲージの出力信号とする。数４５から求まる
【００８４】
【数４７】
0004300288.tif 000048
および各々に対応する加速度センサの出力信号、
【００８５】
【数４８】
0004300288.tif 000049
を用いると、［請求項４］における加速度センサの動的線形性とは、数４９が成立する周波数、加速度範囲内において、数５０が成立する周波数範囲、加速度範囲を明らかにすることである。
【００８６】
【数４９】
0004300288.tif 000050
【数５０】
0004300288.tif 000051
【００８７】
また、内側飛翔体と外側飛翔体の衝突が同時でない場合には、その時間差をΔｔとすると数５１が成立する周波数範囲、加速度範囲を明らかにすることが動的線形性の計測である。
【００８８】
【数５１】
0004300288.tif 000052
【００８９】
（４）  次に、複数個（軸方向に）のひずみゲージの出力を理論的に補正して端面への入射弾性波パルスのひずみを求め、DC型加速度センサの動的線形性を計測する場合について以下に説明する。この場合は、軸方向に複数個貼り付けたひずみゲージ出力から代表値を計算する方法として［請求項３］の数３５に示す方法を用い、代表位置（衝撃端面から距離L1）におけるひずみゲージ出力信号を、
【００９０】
内側飛翔体を単独で発射する場合の、
【数５２】
0004300288.tif 000053
【００９１】
外側飛翔体を単独で発射する場合の、
【数５３】
0004300288.tif 000054
【００９２】
内側飛翔体と外側飛翔体を同時に金属棒に衝突させる場合の、
【数５４】
0004300288.tif 000055
について求める。
【００９３】
【数５５】
0004300288.tif 000056
【００９４】
ここで、
【数５６】
0004300288.tif 000057
のそれぞれに対応する加速度センサの出力を、
【００９５】
【数５７】
0004300288.tif 000058
とする。このように決めれば、複数個（軸方向に）のひずみゲージの出力を理論的に補正して端面への入射弾性波パルスのひずみを求め、ＤＣ型加速度センサの動的線形性を計測する場合において、動的線形性とは、数５８が成立する周波数、加速度範囲内において、数５９が成立する周波数範囲、加速度範囲を明らかにすることである。
【００９６】
【数５８】
0004300288.tif 000059
【数５９】
0004300288.tif 000060
【００９７】
また、内側飛翔体と外側飛翔体の衝突が同時でない場合には、その時間差をΔｔとすると数６０が成立する周波数範囲、加速度範囲を明らかにすることが動的線形性の計測である。
【００９８】
【数６０】
0004300288.tif 000061
【００９９】
（６）  次に、ゲージ出力（１個）をレーザ干渉計で計測した結果により補正して端面への入射弾性波パルスのひずみを求め、DC型加速度センサの動的線形性を計測する場合について説明する。この場合には、軸方向の一箇所に貼り付けたひずみゲージの出力を、レーザ干渉計で計測した結果により補正して端面への入射弾性波パルスのひずみを求め、入力信号の線形性をチェックする方法を請求項としている。
【０１００】
干渉計により棒端面の運動速度
【数６１】
0004300288.tif 000062
が測定され、入射弾性波パルスのひずみ
【数６２】
0004300288.tif 000063
との関係は、
【０１０１】
【数６３】
0004300288.tif 000064
で表される。ゲージ出力（１個）をレーザ干渉計で計測した結果により補正して端面への入射弾性波パルスのひずみを求め、DC型加速度センサの動的線形性を計測する場合では、入力加速度の線形性を検証するためにひずみゲージ出力から加速度センサへの入力加速度を推定するときに、ゲージの周波数応答を補正し、弾性波動の伝播の分散、減衰、加速度センサの質量の影響などを干渉計出力をもとに補正する。軸方向に一箇所に貼り付けてあるひずみゲージの衝突端面からの位置を、L1とする。ゲージからの出力信号について、内側飛翔体が単独で発射された場合を、
【０１０２】
【数６４】
0004300288.tif 000065
外側飛翔体が単独で発射された場合を、
【０１０３】
【数６５】
0004300288.tif 000066
内側飛翔体と外側飛翔体が同時に発射される場合を、
【０１０４】
【数６６】
0004300288.tif 000067
とする。このとき、ゲージの出力信号を加速度センサ取り付け端面への入射弾性波パルスのひずみに変換する数６７の左辺の補正関数を求める。
【０１０５】
【数６７】
0004300288.tif 000068
このように決めれば、内側飛翔体が単独で発射された場合の加速度センサ出力を、
【０１０６】
【数６８】
0004300288.tif 000069
外側飛翔体が単独で発射された場合の加速度センサ出力を、
【０１０７】
【数６９】
0004300288.tif 000070
内側飛翔体と外側飛翔体が同時に発射される場合の加速度センサ出力を、
【０１０８】
【数７０】
0004300288.tif 000071
として、ゲージ出力（１個）をレーザ干渉計で計測した結果により補正して端面への入射弾性波パルスのひずみを求め、DC型加速度センサの動的線形性を計測する場合において動的線形性とは、数７１が成立する周波数、加速度範囲内において、数７２が成立する周波数範囲、加速度範囲を明らかにすることである。
【０１０９】
【数７１】
0004300288.tif 000072
【０１１０】
【数７２】
0004300288.tif 000073
【０１１１】
また、内側飛翔体と外側飛翔体の衝突が同時でない場合には、その時間差をΔｔとすると数７３が成立する周波数範囲、加速度範囲を明らかにすることが動的線形性の計測である。
【０１１２】
【数７３】
0004300288.tif 000074
【０１１３】
（７）  次に、複数個のひずみゲージの出力をレーザ干渉計で計測した結果により補正して端面への入射弾性波パルスのひずみを求め、DC型加速度センサの動的線形性を計測する場合について説明する。この場合は、複数個のひずみゲージの出力をレーザ干渉計で計測した結果により補正して端面への入射弾性波パルスのひずみを求め、入力信号の線形性を求める。数３５で求められる代表位置におけるひずみゲージ出力信号に関して、内側飛翔体が単独で発射された場合を、
【０１１４】
【数７４】
0004300288.tif 000075
外側飛翔体が単独で発射された場合を、
【０１１５】
【数７５】
0004300288.tif 000076
内側飛翔体と外側飛翔体が同時に発射される場合を、
【０１１６】
【数７６】
0004300288.tif 000077
とする。内側飛翔体が単独で発射された場合の加速度センサ出力を、
【０１１７】
【数７７】
0004300288.tif 000078
外側飛翔体が単独で発射された場合の加速度センサ出力を、
【０１１８】
【数７８】
0004300288.tif 000079
内側飛翔体と外側飛翔体が同時に発射される場合の加速度センサ出力を
【０１１９】
【数７９】
0004300288.tif 000080
として、複数個のひずみゲージの出力をレーザ干渉計で計測した結果により補正して端面への入射弾性波パルスのひずみを求め、DC型加速度センサの動的線形性を計測する場合において動的線形性とは、数８０が成立する周波数、加速度範囲内において、数８１が成立する周波数範囲、加速度範囲を明らかにすることである。
【０１２０】
【数８０】
0004300288.tif 000081
【０１２１】
【数８１】
0004300288.tif 000082
また、内側飛翔体と外側飛翔体の衝突が同時でない場合には、その時間差をΔｔとすると数８２が成立する周波数範囲、加速度範囲を明らかにすることが動的線形性の計測である。
【０１２２】
【数８２】
0004300288.tif 000083
【０１２３】
（８）  図１は、棒状体として直径３ｃｍ、長さ２００ｃｍの金属（ＳＵＳ）製丸棒を用いる加速度センサの動的線形性測定装置の一例を示している。この金属製丸棒３は、測定開始直前に自由落下させ、短時間の測定の後、丸棒ブレーキ装置５により把持されることによって停止する。この間、金属製丸棒３が丸棒ブレーキ装置５と接触しないように、非接触式金属丸棒ガイドおよび傾斜装置4が設けられている。この非接触式金属丸棒ガイドおよび傾斜装置4により、金属製丸棒３を傾けた角度で斜め方向に落下させることも可能である。
【０１２４】
この金属製丸棒３の上端には、評価対象の加速度センサ２を設けており、そのすぐ隣には、レーザ干渉計からのレーザ光１を照射している。このレーザ干渉計は、正確な距離あるいはその変化を測定できることから、正確な加速度センサとして用いることができる。ここで用いる加速度計としては、校正しようとする加速度センサよりも正確なものであることが肝要であり、レーザ干渉計を用いた加速度計に限定すべき理由は無い。しかし、非接触で加速度を検出できるものであることが望ましく、微小な変移を正確に検出することのできる光学装置は複数知られており、これらを用いて加速度センサとしたものでもよいことは容易に理解できる。また、光学装置以外のものとしては、渦電流センサや静電マイクロメーター（静電容量型変位計）等を用いることができる。
【０１２５】
また、この金属製丸棒３の側面には弾性波の検出用に歪みゲージを貼りつけている。ここで用いる歪みゲージの数は、弾性波の検出方法に応じて複数個設けることがあるが、この際の配置としては、金属製丸棒３の中心軸に対称に設けることが望ましい。
【０１２６】
これを用いた補正方法としては、弾性波の進行方向に直交するひとつの平面上にある棒状体の外周に、単数あるいは複数の弾性波検出用歪みゲージを設けて、校正用の加速度センサを設けること無く、レーザ干渉計を用いた加速度計と弾性波データとの対応をとる方法がある。この方法は、取り付け方が共通な加速度センサであればどれでも適用できるという利点があり、また補正を簡単に行うことができるが、次の方法に比べて正確でない、とう特徴がある。
【０１２７】
他の補正方法としては、弾性波の進行方向に直交する複数の平面上にある棒状体の外周に、複数の弾性波検出用歪みゲージを設けて、しかも校正用の加速度センサを設けて、レーザ干渉計を用いた加速度計と弾性波データとの対応をとる方法がある。この方法は、上記の方法にくらべて正確であるが、弾性波媒体や加速度センサあるいは弾性波検出用歪みゲージが換わるごとに加速度計と弾性波データとの対応をとる必要がある。
【０１２８】
この金属製丸棒３の下端に、物体を飛翔の後に衝突させるために、発射管７（内径＝１．４ｃｍ、長さ１５０ｃｍ）と発射管１０（内径＝３ｃｍ、長さ１５０ｃｍ）が設けられている。
【０１２９】
この発射管の数を、さらに増加させることにより、より詳しい測定を行うことができる。また、金属製丸棒３に偏りの無い弾性波を発生するために、これらの発射管は、中心軸について対称な形状を持つことが望ましい。これらの発射管の中には、衝突させるための飛翔体８（アルミニウム製、直径＝１．３４ｃｍ、長さ＝１５ｃｍ、質量＝５７ｇ）、飛翔体９（アルミニウム製、ドーナッツ状で、外径＝２．９５ｃｍ、内径＝１．８５ｃｍ、長さ＝１５ｃｍ、質量＝１６８ｇ）が備えられている。この飛翔体は、発射管の形状に合わせてある。また、飛翔体としては、それぞれ単体のものでなく、複数のものからなる複合体あるいはそれぞれが結合されていない物体群であっても弾性波を発生させることができる。この飛翔体の材質は、比較的硬度の低いもの（例えば、青銅）から、硬度の高いもの（例えば、セラミックス）まで用いられる。その先端部のみ硬度の低いものを用いることも可能である。この材質を調整することによって、発生する弾性波のスペクトルを調整することができる。
【０１３０】
図１における構成では、これらの飛翔体は、高圧空気源１４（圧力＝２〜４ｋｇ/ｃｍ2）、高圧空気源１５（圧力＝２〜４ｋｇ/ｃｍ2）からの高圧空気により発射管７、１０より打ち出される。その発射のタイミングは、電磁弁制御装置１１により制御された電磁弁１２、１３の開閉により決められる。こうして発射された飛翔体の速度は、レーザ光源１７と鏡１８と光検出器１９と速度計測用カウンタ２０で構成されるよく知られた光計測装置により測定される。この飛翔体の速度は、４ｍ毎秒から４０ｍ毎秒程度であるが、この範囲に限るべき理由はなく、さらに低速あるいは高速であってもこの構成を適用することができる。また、上記の飛翔体の質量を前もって測定しておくことにより、衝突の規模を予測できることから、発生する弾性波の予測を行うことができる。
【０１３１】
また、発生した弾性波は、金属製丸棒３の両端で反射を繰り返しながら減衰するので、これを用いて、強度の異なる加速度を加速度計に与えることができる。この方法により、１度の衝突でいくつかの加速度における測定を行うこともできる。
【０１３２】
発射管の位置と加速度センサの位置は、逆転してもよく、逆転した測定を併用することによって、加速度センサのオフセットを評価することができる。
【０１３３】
また、発射管とそれに対応する飛翔体が、その中心軸について対称な形状を持たない場合は、飛翔体を回転させるか、金属製丸棒３を飛翔体の運動方向の周りに回転して、中心軸について対称な形状を持たないことによる影響を調べることが望ましい。
【０１３４】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【０１３５】
第１、第２、第１７、第１８あるいは第１９の発明では、垂直あるいは斜め方向に落下する棒状体に物体あるいは物体群の衝突による弾性波を用いて、急激な加  速度変化を発生するようにし、また、正確な加速度センサとの比較が可能となったことから、広範な加速度について、加速度センサを校正することができる様になる。また、第３の発明では、正確な加速度センサに光学的手段を用いた加速度検出手段を用いることにしたので、非接触で正確な加速度計測ができるようになる。また、第４、第５、第６、第７、第８あるいは第９の発明では、弾性波の形状による補正を加えるため、加速度計の校正がより正確になる。
【０１３６】
また、第１０の発明では、衝突する物体の材質を変えて弾性波の周波数成分を変えることができるようになる。また、第１１の発明では、物体の運動方向を軸とする対称性をもつようにするため、弾性波をより平面波に近づけることができる。また、第１２の発明では、あらかじめ決められた時間間隔で複数の物体を衝突させるため、弾性波が予め決められた周波数帯域とすることができる。また、第１３の発明では、弾性波伝播理論に従った補正を加えるため、より正確に校正することができる。また、第１４あるいは第１５の発明では、校正が周波数領域で行われるため、校正の周波数的な限界を容易に知ることができる。また、第１６の発明では、弾性波パルスの重なり部分を用いるため、種々の加速度を容易に発生することができる。
【０１３７】
また、第２０の発明では、弾性波パルスの反射と減衰を用いるため、種々の加速度を容易に発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の望ましい実施の形態を示す模式図である。
【符号の説明】
１  レーザ干渉計からのレーザ光
２  評価対象の加速度センサ
３  金属製丸棒
４  非接触式金属丸棒ガイドおよび傾斜装置
５  丸棒ブレーキ装置
６  ひずみゲージ
７  発射管
８、９  飛翔体
１０  発射管
１１電磁弁制御装置
１２、１３  電磁弁
１４、１５  高圧空気源
１６  発射管傾斜装置
１７  レーザ光源
１８  鏡
１９  光検出器
２０  速度計測用カウンタ
【図１】
0004300288.tif 000084