ジャイロの信頼性を評価する角速度標準の開発 第12回振動計測クラブ 2015/02/10 発表者： 穀山 渉 2015/02/10 角速度とジャイロスコープ 角速度：（回転方向位置についての）角度の変化率 単位は rad/s （正式表記） または °/s （併記・通常使用） ジャイロスコープ（以下ジャイロと省略）： • 角速度に比例する電圧を出力するセンサ • 原理：コリオリ力や光のサニャック効果 • MEMS ジャイロの技術進展・低価格化が著しい MEMSジャイロ 光ファイバジャイロ ジャイロの角速度校正 → 角速度と出力電圧値を対応づける 2 2015/02/10 角速度標準開発の背景 自動車分野の予防安全装置： ESC (Electronic Stability Control) 日本を含む各国で搭載義務化が進んでいる 米国運輸省規格 FMVSS 126 （ESC 試験方法） にジャイロ性能の 規定 自動車のスリップを 角速度の計測によって 検知・防止 Measurement Range ±100 °/s Accuracy < 0.05 % Full Scale 特に非直線性が問題となる 対応する範囲(5 °/s - 300 °/s)の標準を規制化に先行し整備 3社程度との国内ラウンドロビン試験を調整中 3 2015/02/10 加速度計における経緯との対比 ESC およびその試験方法 （ジャイロ） FMVSS 126 衝突安全性試験 （加速度計） 米国 踏襲 ECE/TRANS/180 Add.8 FMVSS 208 踏襲・発展 欧州 ECE R94 準拠 ISO 6487 準拠 現在のところなし 日本 道路運送車両法 技術基準 4 2015/02/10 角速度校正装置 時間標準 （Rb発振器） 部署内校正 等速回転 校正対象ジャイロ パルス信号計測器 回転テーブル SelfA 出力パルス PCによる データ集録・解析 デジタイザ ジャイロ出力 部署内校正 電気標準 （標準電圧発生器） 自己校正型 ロータリーエンコーダ （SelfA）：角度標準 入力電源およびジャイロ出力は スリップリングを介している 5 動画 2015/02/10 角速度 : Ω = 300 °/s 6 2015/02/10 校正原理 被校正ジャイロ 演算 角速度 SelfA パルス の計測 SelfA パルス 自己校正型 ロータリーエンコーダ （SelfA）を内蔵 ジャイロ出力 電圧（DC値） デジタイザ 回転テーブル 1. 被校正ジャイロに一定の角速度を与える 2. 角速度は、SelfA の角度計測値の時間変化より算出 3. 電圧値（DC値）は、デジタイザ計測データより算出 4. 以上の計測を、指定された校正角速度ごとに繰り返す 角速度毎の出力電圧の対応関係を得る 証明書では、フィッティングはしない 7 2015/02/10 校正装置のトレーサビリティ 産総研 産総研 jcss JCSS認定 事業者 JCSS 産総研 jcss JCSS認定 事業者 JCSS 比較試験済 Rb 周波数 発振器 装置搭載の SelfA が 角度標準器 標準直流 電圧源 部署内校正 SelfA 搭載角速度計測装置 角度 時間 部署内校正 デジタイザ 電気量（電圧） 8 2015/02/10 ジャイロのトレーサビリティ体系（例） 角度標準 時間標準 角速度標準 産総研 校正事業者 参照用標準器 （ジャイロ） ？ 回転テーブル 校正器物 （ジャイロ） 現状 確認 比較校正 標準供給開始後により 考えられうる体系 9 2015/02/10 測定から校正結果算出までの概略 校正器物の取付 電源ON（2時間以上待機） ジャイロの零点補正機能 を実行（オプション） デジタイザの電圧校正 角速度校正 本測定 （10回測定） 測定データの確認 （ばらつき等） 異常・不良な点を 確認 NG OK 日を変え2回測定 不確かさの推定と 校正証明書の作成 10 実測データ例 2015/02/10 直線の傾き（感度係数） フィッティングによる計算値 24. 987 mV/(°/s) 相違 0.05 % メーカによるカタログスペック 25. 000 mV/(°/s) 11 2015/02/10 角速度校正における不確かさ要因 𝜔𝜔 角速度 V 電圧 ジャイロ 角速度計測における要因 電圧計測における要因 (1) 角度計測 （SelfA自己校正機能適用） (6) 測定系（スリップリング等）のノイズ (2) 時間計測 （パルス時刻の計測） (7) デジタイザ量子化誤差 (8) デジタイザ部署内校正 角速度発生における要因 その他の要因 (3) 発生角速度の安定性 (4) 地球自転の補正項の誤差 (5) 回転軸と感度軸との平行度 (9) 取り付けによる回転軸と感度軸のずれ (10) 温度変動による影響 (11) 測定の繰り返し性 12 2015/02/10 主な角速度における不確かさ 角速度 [rad/s] 0.087 0.52 1.8 5.2 換算値 [°/s] 5 30 100 300 拡張不確かさ (k =2) [V] 𝟐𝟐. 𝟖𝟖 × 𝟏𝟏𝟏𝟏−𝟒𝟒 𝟐𝟐. 𝟖𝟖 × 𝟏𝟏𝟏𝟏−𝟒𝟒 換算値 [rad/s] 1.9 × 10−4 1.9 × 10−4 1.9 × 10−4 2.1 × 10−4 換算値 [°/s] 1.1 × 10−2 1.1 × 10−2 1.1 × 10−2 1.2 × 10−2 𝟐𝟐. 𝟖𝟖 × 𝟏𝟏𝟏𝟏−𝟒𝟒 𝟑𝟑. 𝟎𝟎 × 𝟏𝟏𝟏𝟏−𝟒𝟒 13
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