(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの物体の任意断面における二次元変位を検出する二次元変位センサであって、
測定すべき二次元変位の前記一方の物体の被測定面に固定される第１の測定基準部を有する第１のポストと、
前記測定すべき二次元変位の前記他方の物体の被測定面に固定される第２の測定基準部を有する第２のポストと、
一端が、前記任意断面の垂直軸廻りに相対的に回動可能となるように、前記第１のポストに軸着された第１のリンクと、
一端が、前記任意断面の垂直軸廻りに相対的に回動可能となるように、前記第２のポストに軸着され、他端が、前記任意断面の垂直軸廻りに相対的に回動可能となるように前記第１のリンクに軸着された第２のリンクと、
前記第１のポストと前記第１のリンクとの回動軸、前記第２のポストと前記第２のリンクとの回動軸、及び前記第１のリンクと前記第２のリンクとの回動軸のうち少なくとも２つの回動軸の回動角をそれぞれ検出する第１の角度検出手段及び第２の角度検出手段と、を備え、
前記第１のポスト及び前記第１のリンクの回動軸と、前記第２のポスト及び前記第２のリンクの回動軸とは、前記測定すべき二次元変位の各方向に沿って、それぞれ離隔させて設けられていることを特徴とする二次元変位センサ。
【請求項２】
請求項１記載の二次元変位センサと、
前記二次元変位センサの第１の角度検出手段及び第２の角度検出手段からの出力信号に基づいて、前記測定すべき二次元変位を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする二次元変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二つの物体間の面差や隙間などの二次元変位を自動的に測定することができる二次元変位センサ、及びこれを用いた二次元変位測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バンパーなどの自動車用外装樹脂部品は、極高温又は極低温などの使用環境によっては熱変形が生じるおそれがあることから、開発段階等において、耐熱耐寒試験による品質評価が行われている。この種の耐熱耐寒試験は、外装樹脂部品が装着された実車を例えば−４０℃〜９０℃の恒温室に入れ、極恒温及び極低温における車体との面差や隙間寸法の変化状況を測定し、外装樹脂部品の品質評価の一項目としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の耐熱耐寒試験における面差や隙間は、測定者がゲージを用いて直接測定していたので、−４０℃前後の極低温や９０℃前後の極高温の恒温室に測定者が入室しなければならなかった。かかる恒温室内に長時間入室していることはきわめて困難であるため、測定に要する時間は極力短時間とする必要があり、このため、測定部位を多くすることや、慎重に測定して測定精度を高めることに制約が生じていた。また、この種の耐熱耐寒試験は、極恒温や極低温環境下で長時間行われ経時的な変化も測定する必要があるが、恒温室への入室間隔も制約されるので、精度の高い経時変化データを得ることが困難であった。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、二次元変位を自動的に測定できる二次元変位センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明の二次元変位センサは、二つの物体の任意断面における二次元変位を検出する二次元変位センサであって、測定すべき二次元変位の前記一方の物体の被測定面に固定される第１の測定基準部を有する第１のポストと、前記測定すべき二次元変位の前記他方の物体の被測定面に固定される第２の測定基準部を有する第２のポストと、一端が、前記任意断面の垂直軸廻りに相対的に回動可能となるように、前記第１のポストに軸着された第１のリンクと、一端が、前記任意断面の垂直軸廻りに相対的に回動可能となるように、前記第２のポストに軸着され、他端が、前記任意断面の垂直軸廻りに相対的に回動可能となるように前記第１のリンクに軸着された第２のリンクと、前記第１のポストと前記第１のリンクとの回動軸、前記第２のポストと前記第２のリンクとの回動軸、及び前記第１のリンクと前記第２のリンクとの回動軸のうち少なくとも２つの回動軸の回動角をそれぞれ検出する第１の角度検出手段及び第２の角度検出手段とを備え、
前記第１のポスト及び前記第１のリンクの回動軸と、前記第２のポスト及び前記第２のリンクの回動軸とは、前記測定すべき二次元変位の各方向に沿って、それぞれ離隔させて設けられていることを特徴とする。
【０００６】
この請求項１記載の二次元変位センサでは、第１のポストの第１の測定基準部を一方の物体の被測定面に、第２のポストの第２の測定基準部を他方の物体の被測定面に固定し、このとき、第１のポストと第１のリンクとの回動軸（以下Ｐ１ともいう）、第２のポストと第２のリンクとの回動軸（以下Ｐ２  ともいう）、及び第１のリンクと第２のリンクとの回動軸（以下Ｐ３  ともいう）の３点で形成される三角形の幾何学的性質を利用することにより、二つの物体の任意断面における二次元変位を検出する。
【０００７】
すなわち、測定すべき二つの物体の任意断面における二次元変位は、その任意断面のＸ−Ｙ平面における２つの回動軸Ｐ１  ，Ｐ２  の座標で置き換えることができる。また、第１のリンク及び第２のリンクの長さ、つまり三角形の２辺の長さはそれぞれ既知であり、第１の角度検出手段及び第２の角度検出手段により三角形の２つの内角が求められるので、幾何学的計算により２つの回動軸Ｐ１  ，Ｐ２  の点座標を求めることができる。したがって、本発明の二次元変位センサを用いれば、測定すべき二次元変位を自動的に測定することができる。
【０００８】
請求項１記載の二次元変位センサにおいて、３つの回動軸Ｐ１  ，Ｐ２  ，Ｐ３  で形成される三角形がどのような三角形であっても、幾何学的計算により二次元変位を求めることができるが、請求項２記載の二次元変位センサは、前記第１のポスト及び前記第１のリンクの回動軸と、前記第２のポスト及び前記第２のリンクの回動軸とが、前記測定すべき二次元変位方向に対して非同一直線上に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
測定すべき二次元変位によっては、三角形の幾何学的な性質上、二次元変位が三角形の内角の変化に大きく反映されないことも生じ得る。つまり、３つの回動軸Ｐ１  ，Ｐ２  ，Ｐ３  で形成される三角形の形状によっては、二次元変位センサの感度が鈍くなることもあるが、この請求項１記載の二次元変位センサでは、感度が鈍くなる範囲を避けて構成されているので、測定精度が著しく向上することになる。
【００１０】
また、上記目的を達成するために、請求項２記載の二次元変位測定装置は、請求項１記載の二次元変位センサと、前記二次元変位センサの第１の角度検出手段及び第２の角度検出手段からの出力信号に基づいて、前記測定すべき二次元変位を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
この請求項２記載の二次元変位測定装置では、上述した請求項１記載の二次元変位センサを備え、しかもこの二次元変位センサからの出力信号を演算処理する演算手段をも備えているので、二次元変位の測定を自動的に行うことができる。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１記載の二次元変位センサによれば、三角形の幾何学的性質を利用して計算により簡単に二次元変位を求めることができるので、測定者による誤差がなくなり測定精度が向上する。また、第１の角度検出手段及び第２の角度検出手段からの出力により計算できるので、測定者が接近し難い環境であっても二次元変位を容易に測定することができる。
【００１３】
請求項２記載の二次元変位センサによれば、上述した請求項１記載の二次元変位センサの効果に加え、測定感度が高くなり、測定精度が向上する。
【００１４】
請求項３記載の二次元変位測定装置によれば、二次元変位センサからの出力に対して幾何学的計算も自動的に行うので、測定部位を多くしたり、測定間隔を短く設定することが可能となり、測定精度をより高めることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の二次元変位センサの実施形態を示す斜視図、図２は同じく使用状態を示す斜視図、図３及び図４は同じく二次元変位センサの測定原理を説明するための正面図である。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態の二次元変位センサ１００は、第１のポスト１０及び第２のポスト２０、これらを接続する第１のリンク３０及び第２のリンク４０から構成されている。
【００１７】
第１のポスト１０は、測定すべき物体の一方に固定される部材であって、第２のポスト２０は測定すべき物体の他方に固定される部材である。例えば、図４に示すように、車体ＶとバンパＢとの面差Ｍと隙間Ｓを測定する場合には、第１のポスト１０は、当該第１のポスト１０の測定基準部である底面１２を例えば車体Ｖの平面部Ｖ１に当接させ、もう一つの測定基準部である側面１４を車体Ｖの垂直部Ｖ２に揃えて固定する。また、第２のポスト２０は、同図に示すように、当該第２のポスト２０の測定基準部である底面２２を例えばバンパＢの平面部Ｂ１に当接させ、もう一つの測定基準部である側面２４をバンパＢの垂直部Ｂ２に揃えて固定する。
【００１８】
このように、第１のポスト１０及び第２のポスト２０は、測定すべき面差Ｍ及び隙間Ｓの被測定面Ｖ１，Ｖ２，Ｂ１，Ｂ２に、直接的又は間接的に当接可能な測定基準部１２，１４，２２，２４を有しており、本実施形態では、それぞれの底面１２，２２が被測定面Ｖ１，Ｂ１に直接的に当接される測定基準部であり、それぞれの側面１４，２４が被測定面Ｖ２，Ｂ２に間接的に当接される測定基準部である。
【００１９】
第１のポスト１０には、第１のリンク３０の一端が回動軸Ｐ１  を中心に回動可能に接続されている。また、第２のポスト２０には、第２のリンク４０の一端が回動軸Ｐ２  を中心に回動可能に接続されている。さらに、第１のリンク３０の他端と第２のリンク４０の他端も、それぞれの一端から等しい距離Ｒ（図４参照）で、回動軸Ｐ３  を中心に回動可能に接続されている。これら３つの回動軸Ｐ１  ，Ｐ２  ，Ｐ３  は、全て平行に設けられており、これにより第１のポスト１０、第２のポスト２０、第１のリンク３０及び第２のリンク４０の４つの部材は、これら回動軸Ｐ１  ，Ｐ２  ，Ｐ３  に垂直な平面ＰＬに平行に移動することとなり、この平面ＰＬが測定すべき任意断面となって、この平面ＰＬ内のＸ方向の変位とＹ方向の変位とが求められる。
【００２０】
また、本実施形態の二次元変位センサ１００は、図３に示すように、第１のポスト１０と第２のポスト２０のそれぞれの測定基準面１２，１４，２２，２４を互いに揃えたときに、回動軸Ｐ１  及びＰ２  が測定変位方向、すなわち同図に示すＸ−Ｙ方向に沿う直線上に位置しないように形成されている。これは測定感度をより高めるためであり、その原理は後述する。
【００２１】
第２のポスト２０と第２のリンク４０との回動軸Ｐ２には、この回動軸廻りの回動角ωを測定するために、第１の角度測定手段であるポテンショメータ５０が設けられており、第１のリンク３０と第２のリンク４０との回動軸Ｐ３  にも、この回動軸廻りの回動角ψを測定するための第２の角度測定手段であるポテンショメータ６０が設けられている。これらのポテンショメータ５０，６０は、回転角ω，ψが電圧差で出力されるものであり、それぞれの出力信号は、図２に示すようにデータ収集器７０を介してパーソナルコンピュータ８０に入力される。
【００２２】
なお、本実施形態では、第１の角度検出手段であるポテンショメータ５０を第２のポスト２０と第２のリンク４０との回動軸Ｐ２  に設けたが、この回動軸Ｐ２  に設ける代わりに第１のポスト１０と第１のリンク３０との回動軸Ｐ１  に設けても良い。また、第２の角度検出手段であるポテンショメータ６０も第１のリンク３０と第２のリンク４０との回動軸Ｐ３  にのみ限定されず、要するに、３つの回動軸Ｐ１  ，Ｐ２  ，Ｐ３  のうち少なくとも２つの回動軸にポテンショメータ５０，６０が設けられれば良い。
【００２３】
次に測定原理及び使用方法を説明する。
図４に示すように、車体ＶとバンパＢとの面差Ｍ１  及び隙間Ｓ１  を測定する場合について考える。回動軸Ｐ１  ，Ｐ２  を結ぶ直線を斜辺とする直角三角形Ｐ１  Ｐ２  Ａを想定し、斜辺の長さをＬ、角度Ｐ１  Ｐ２  Ａをθ、Ｐ１  Ａの長さをＭ、Ｐ２  Ａの長さをＳとすると、
【数１】
Ｍ＝Ｌｓｉｎθ    …（１）
Ｓ＝Ｌｃｏｓθ        …（２）
となる。
【００２４】
この長さＭは、図３に示す基本状態における長さＭ０  に求めるべき面差Ｍ１  を加えた値であり、長さＳは、図３に示す基本状態における長さＳ０  に求めるべき隙間Ｓ１  を加えた値である。したがって、上記（１）及び（２）式からＭ，Ｓが求められれば、Ｍ０  ，Ｓ０  は既知であるので、目的とする面差Ｍ１  及び隙間Ｓ１  が求められる。
【数２】
Ｍ１  ＝Ｍ−Ｍ０    …（３）
Ｓ１  ＝Ｓ−Ｓ０          …（４）
【００２５】
図４に示すように、第１の角度検出手段であるポテンショメータ５０により回動軸Ｐ２  廻りの回動角ωが検出され、第２の角度検出手段であるポテンショメータ６０により回動軸Ｐ３  廻りの回動角ψが検出される。また、回動軸Ｐ１  ，Ｐ３  間の距離Ｒと回動軸Ｐ２  ，Ｐ３  間の距離Ｒは等しいので、△Ｐ１  Ｐ２  Ｐ３  は常に二等辺三角形となる。したがって、回動軸Ｐ１  ，Ｐ２  間の距離Ｌは、二等辺三角形の頂角ψと等辺の長さＲとを用いて、下記（５）式により求められる。また、角度θをωとψで表すと、幾何学的関係より下記（６）式のようになる。
【数３】
Ｌ＝２Ｒｓｉｎ（ψ／２）  …（５）
θ＝ω−（π−ψ）／２    …（６）
【００２６】
これら（５）式及び（６）式に、既知の長さＲと、ポテンショメータ５０，６０による測定値を代入すると、Ｌ及びθが求められ、これらＬ及びθを（１）式及び（２）式に代入することにより、Ｍ及びＳが求められる。そして、これらＭ及びＳを（３）式及び（４）式に代入することにより目的とする面差Ｍ１  と、隙間Ｓ１  とが求められる。
【００２７】
以上が本実施形態の二次元変位センサ１００の測定原理であるが、この二次元変位センサ１００は、熱変形などの経時変化を測定する場合に用いて好ましい。例えば、極低温や極高温によるバンパの歪みを測定する場合、図２に示すように、車体ＶとバンパＢとの間に本実施形態の二次元変位センサ１００を複数取り付け、それぞれの二次元変位センサ１００のポテンショメータ５０，６０からの出力信号をデータ収集器７０で収集する。このデータ収集器７０で集められたデータは、これに接続されたパーソナルコンピュータ８０に入力され、上述した計算が瞬時に実行される。これにより、作業環境の悪い恒温室に測定者が入室する必要がなくなり、測定部位を多くしたり、或いは、極恒温や極低温環境下での長時間にわたる経時的変化も測定することができ、精度の高いデータを得ることができる。
【００２８】
次に、本実施形態の二次元変位センサ１００の感度について説明する。
上述した（１）〜（６）式より、ポテンショメータ５０にて測定される角度ωと、ポテンショメータ６０にて測定される角度ψは、面差Ｍ、隙間Ｓ及びリンク長さＲを用いて下記のように表される。
【数４】
ψ＝２ｓｉｎ−１｛（Ｍ２＋Ｓ２）１／２／２Ｒ｝
２ｔａｎ−１｛（Ｍ２＋Ｓ２）／（４Ｒ２−Ｍ２−Ｓ２）｝１／２  …（７）
ω＝ｔａｎ−１（Ｍ／Ｓ）＋（π−ψ）／２
＝ｔａｎ−１（Ｍ／Ｓ）＋π／２−ｓｉｎ−１｛（Ｍ２＋Ｓ２）１／２／２Ｒ｝
…（８）
【００２９】
面差Ｍによる角度ψの変化度合い、すなわち感度は、ψをＭで偏微分することで求められる。
【数５】
δψ／δＭ
＝［｛１−（Ｍ２＋Ｓ２）／４Ｒ２｝｛（Ｍ２＋Ｓ２）／４Ｒ２｝］１／２・Ｍ／２Ｒ２
…（９）
【００３０】
同様にして、隙間Ｓによる角度ψの感度は、ψをＳで偏微分することにより求められる。
【数６】
δψ／δＳ
＝［｛１−（Ｍ２＋Ｓ２）／４Ｒ２｝｛（Ｍ２＋Ｓ２）／４Ｒ２｝］１／２・Ｓ／２Ｒ２
…（１０）
【００３１】
上記（９）及び（１０）式において、δψ／δＭ、δψ／δＳの値が０近傍のときは、面差Ｍ及び隙間Ｓが大きくても角度ψの変化は小さく、つまり感度が鈍い。（９）式の両辺が０となるのは、１−（Ｍ２＋Ｓ２）／４Ｒ２＝０又は  Ｍ＝０又はＳ＝０の場合が考えられる。
【００３２】
１−（Ｍ２＋Ｓ２）／４Ｒ２＝０のとき、すなわちＭ２＋Ｓ２＝（２Ｒ）２のときは、Ｍ＝Ｓ＝０の点を中心とした半径２Ｒの円周上を表しているが、半径が２Ｒであるので第１及び第２のリンク３０，４０が伸びきってψ＝πとなる条件であり、実際の使用時においては設計上使用できない状態である。したがって、感度が鈍い領域を避けることができる。
【００３３】
また、Ｍ＝０のときも角度ψの感度が鈍いが、本実施形態の二次元変位センサ１００では、上述したようにＭ＝０となる領域を避け、予めＭ０の値を与えているので、最も感度が鈍い領域での測定が行われることがない。つまり、第２のポスト２０を第１のポスト１０に対して面差が下側になる物体に装着する限り、Ｍ＝０となることはないので、感度が鈍くなることはない。
【００３４】
さらに、Ｓ＝０のときも角度ψの感度が鈍くなるが、図３に示すように、第１のポスト１０と第２のポスト２０の厚さがある限り、実際的にＳ＝０となる場合はなく、したがって、感度が鈍くなることはない。
【００３５】
このように、本実施形態の二次元変位センサ１００では、ポテンショメータ５０，６０の感度をも考慮しているので、面差Ｍや隙間Ｓに対する応答性が良く、測定精度が著しく向上することになる。
【００３６】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二次元変位センサの実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の二次元変位センサ及び二次元変位測定装置の使用状態を示す斜視図である。
【図３】図１の二次元変位センサを示す正面図である。
【図４】図１の二次元変位センサの測定原理を説明するための正面図である。
【符号の説明】
１０…第１のポスト
１２…測定基準部
１４…測定基準部
２０…第２のポスト
２２…測定基準部
２３…測定基準部
３０…第１のリンク
４０…第２のリンク
５０…ポテンショメータ（第１の角度検出手段）
６０…ポテンショメータ（第２の角度検出手段）
Ｐ１  ，Ｐ２  ，Ｐ３  …回動軸
ＰＬ…断面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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