(57)【要約】【課題】被測定物にかかる荷重を容易に測定できること。【解決手段】荷重測定装置は、第１及び第２被測定物との間に膜が形成され、第１及び第２被測定物にかかる荷重を測定する。荷重測定装置は、第１及び第２被測定物のうちの一方の外側から膜に向けて超音波を出力する超音波出力手段と、第１及び第２被測定物の膜からの超音波の反射波に基づいて、膜の厚さを算出する膜厚さ算出手段と、膜厚さ算出手段により算出された膜の厚さに基づいて、第１及び第２被測定物にかかる荷重を算出する荷重算出手段と、を備える。【選択図】図１
2019090750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２被測定物との間に膜が形成され、該第１及び第２被測定物にかかる荷重を測定する荷重測定装置であって、
前記第１及び第２被測定物のうちの一方の外側から前記膜に向けて超音波を出力する超音波出力手段と、
前記第１及び第２被測定物の膜からの前記超音波の反射波に基づいて、前記膜の厚さを算出する膜厚さ算出手段と、
前記膜厚さ算出手段により算出された膜の厚さに基づいて、前記第１及び第２被測定物にかかる荷重を算出する荷重算出手段と、
を備えることを特徴とする荷重測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の荷重測定装置であって、
前記膜厚さ算出手段は、前記第１及び第２被測定物からの前記超音波の反射波の瞬時振動数を算出し、該算出した瞬時振動数と、予め設定された瞬時振動数と膜の厚さとの相関関係と、に基づいて、前記膜の厚さを算出する、
ことを特徴とする荷重測定装置。
【請求項３】
第１及び第２被測定物との間に膜が形成され、該第１及び第２被測定物にかかる荷重を測定する荷重測定方法であって、
前記第１及び第２被測定物のうちの一方の外側から前記膜に向けて超音波を出力するステップと、
前記第１及び第２被測定物の膜からの前記超音波の反射波に基づいて、前記膜の厚さを算出するステップと、
前記算出された膜の厚さに基づいて、前記第１及び第２被測定物にかかる荷重を算出するステップと、
を含む、ことを特徴とする荷重測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物にかかる荷重を測定する、荷重測定装置及び荷重測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロードセルを用いて、被測定物にかかる荷重を測定する荷重測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１７８３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、被測定物の形状や測定位置によっては、ロードセルを設けるのが困難となるため、その荷重を測定するのが困難となる虞がある。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、被測定物にかかる荷重を容易に測定できる荷重測定装置及び荷重測定方法を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
第１及び第２被測定物との間に膜が形成され、該第１及び第２被測定物にかかる荷重を測定する荷重測定装置であって、
前記第１及び第２被測定物のうちの一方の外側から前記膜に向けて超音波を出力する超音波出力手段と、
前記第１及び第２被測定物の膜からの前記超音波の反射波に基づいて、前記膜の厚さを算出する膜厚さ算出手段と、
前記膜厚さ算出手段により算出された膜の厚さに基づいて、前記第１及び第２被測定物にかかる荷重を算出する荷重算出手段と、
を備えることを特徴とする荷重測定装置
である。
この一態様において、前記膜厚さ算出手段は、前記第１及び第２被測定物からの前記超音波の反射波の瞬時振動数を算出し、該算出した瞬時振動数と、予め設定された瞬時振動数と膜の厚さとの相関関係と、に基づいて、前記膜の厚さを算出してもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
第１及び第２被測定物との間に膜が形成され、該第１及び第２被測定物にかかる荷重を測定する荷重測定方法であって、
前記第１及び第２被測定物のうちの一方の外側から前記膜に向けて超音波を出力するステップと、
前記第１及び第２被測定物の膜からの前記超音波の反射波に基づいて、前記膜の厚さを算出するステップと、
前記算出された膜の厚さに基づいて、前記第１及び第２被測定物にかかる荷重を算出するステップと、
を含む、ことを特徴とする荷重測定方法
であってもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、被測定物にかかる荷重を容易に測定できる荷重測定装置及び荷重測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る荷重測定装置の概略的構成を示すブロック図である。
【図２】超音波出力部から出力された反射波の経路を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る荷重測定方法のフローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る荷重測定装置の概略的構成を示すブロック図である。本実施形態に係る荷重測定装置１は、第１被測定物Ｘ１及び第２被測定物Ｘ２にかかる荷重を測定する。
【００１０】
第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２との間に膜Ｘ３が形成され、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２は密着している。第１及び第２被測定物は、例えば、ボルト及びワッシャー、軸及び軸受けなど、である。膜は、例えば、ボルトの座面とワッシャーとの間や、軸と軸受との間に形成された油膜である。
【００１１】
なお、荷重測定装置１は、例えば、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、それぞれ、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ、メモリ、及びインターフェイス部は、データバスなどを介して相互に接続されている。
【００１２】
ところで、例えば、ロードセルを用いて、被測定物にかかる荷重を測定する場合、被測定物の形状や測定位置によっては、ロードセルを設けるのが困難となるため、その荷重を測定するのが困難となる虞がある。
【００１３】
これに対し、本実施形態に係る荷重測定装置１は、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２のうちの一方の側から膜Ｘ３に向けて超音波を出力する超音波出力部２と、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２の間の膜Ｘ３からの超音波の反射波に基づいて、膜厚さＷを算出する膜厚さ算出部３と、算出された膜厚さＷに基づいて、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重を算出する荷重算出部４と、を備えている。
【００１４】
これにより、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２の間の膜Ｘ３からの超音波の反射波に基づいて膜厚さＷを算出でき、その算出した膜厚さＷから、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重を容易に算出できる。すなわち、被測定物にかかる荷重を容易に測定できる。
【００１５】
超音波出力部２は、超音波出力手段の一具体例である。超音波出力部２は、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２のうちの一方の外側から膜Ｘ３に向けて超音波を出力する。超音波出力部２は、例えば、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２のうちの一方の側面に取り付けられる、超音波探触子を有する。
【００１６】
膜厚さ算出部３は、膜厚さ算出手段の一具体例である。膜厚さ算出部３は、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２の間の膜Ｘ３からの超音波の反射波に基づいて、膜厚さＷを算出する。
【００１７】
次に、超音波を用いた膜厚さの測定原理について、説明する。図２は、超音波出力部から出力された反射波の経路を示す図である。超音波出力部２から出力された超音波（入射波）は、図２に示す如く、第１被測定物Ｘ１と膜Ｘ３との境界Ｙ１に向けて進行する。
【００１８】
超音波は、その一部が第１被測定物Ｘ１と膜Ｘ３の境界Ｙ１で反射する（経路１）と共に、残りの一部は境界Ｙ１を透過して膜Ｘ３を通過し、第２被測定物Ｘ２と膜Ｘ３の境界Ｙ２に到達する。この境界Ｙ２において、一部は反射し、残りは透過して第２被測定物Ｘ２内へ進行する（経路２）。上記境界Ｙ２で反射した一部の超音波は、再び境界Ｙ１に到達し、境界Ｙ１での反射と透過が再び行われる（経路３）。
【００１９】
このように、膜Ｘ３中において超音波の多重反射が生じる。この膜厚さＷが、出力する超音波のパルス幅に比べて薄い場合には、境界Ｙ１、Ｙ２での反射波と膜Ｘ３内での多重反射波は分離せずに干渉しあう。このため、第１被測定物Ｘ１と第２被測定物Ｘ２の境界Ｙ１、Ｙ２からの反射波の振幅（反射エコー高さ）は、膜厚さＷに応じて変化することになる。このような特例を利用して、第１被測定物Ｘ１と第２被測定物Ｘ２の境界Ｙ１、Ｙ２からの反射波の振幅に基づいて膜厚さＷを算出することができる。
【００２０】
ここで、第１被測定物Ｘ１と第２被測定物Ｘ２の境界Ｙ１、Ｙ２からの反射波の振幅に基づいて膜厚さＷを算出する場合、従来、反射波の成分のうち初期周期分を用いて膜厚さＷの算出を行っている。この場合、膜Ｘ３からの反射波を含む複数の反射波が干渉し合うため、膜厚次第（膜厚が非常に小さい場合など）では、初期周期分を判別するのが困難となる。また、反射波の振幅の変化が小さい場合に、膜厚さＷを精度よく算出できない虞もある。
【００２１】
これに対し、本実施形態に係る膜厚さ算出部３は、第１被測定物Ｘ１と第２被測定物Ｘ２の境界Ｙ１、Ｙ２からの反射波に基づいて、瞬時振動数を算出する。そして、膜厚さ算出部３は、算出した瞬時振動数に基づいて、膜厚さＷを算出する。
【００２２】
瞬時振動数を用いて膜厚さＷを算出することで、判別が困難な初期周期分の反射波を用いる必要がない。また、瞬時振動数は、時間とともに変遷する反射波の瞬間的な振動数を表し、通常のフーリエ変換などによる周波数解析と比較してその周波数変化を明確に捉え易いという特性を有している。したがって、反射波の微小な振幅変化を顕著化することができ、微小な膜厚変化をも算出できる。
【００２３】
次に、超音波の反射波に基づいた瞬時振動数の算出方法の一例を詳細に説明する。
例えば、超音波の反射波ｕ（ｔ）を下記（１）式のように、振幅Ａ（ｔ）と正弦波sinφ（ｔ）の積として表現する。
反射波ｕ（ｔ）＝Ａ（ｔ）・sinφ（ｔ）    （１）
【００２４】
φ（ｔ）は、超音波の反射波の位相を示す。位相φ（ｔ）は一定の時間割合で変化するとは限らず、正弦波sinφ（ｔ）の位相は、速い変化から徐々にゆっくりとした変化を示している。この位相の変化率に着目し、下記（２）式で定義する位相φ（ｔ）の時間変化率を瞬時振動数ｆ（ｔ）（Ｈｚ）とする。
瞬時振動数ｆ（ｔ）＝（１／２π）・（ｄφ（ｔ））／ｄｔ）    （２）
【００２５】
瞬時振動数ｆ（ｔ）は時間ｔの関数であり、超音波振動数の時間的な変化を表す。
膜厚さ算出部３は、例えば、ウェーブレット変換法、ヒルベルト変換法、などを用いて、瞬時振動数を算出する。以下、一例として、ヒルベルト変換法に基づいた算出方法を説明する。
【００２６】
ｕ（ｔ）を連続な実関数とすると、ｕ（ｔ）のヒルベルト変換ｈ（ｔ）は次式で定義される。
【数１】
2019090750.tif 000003
・・・（３）
【００２７】
ｈ（ｔ）は、ｕ（ｔ）の振動数成分の位相を９０°シフトさせた信号になる。実際に測定する超音波の反射波ｕ（ｔ）は離散データである。その場合のヒルベルト変換は、上記式（３）ではなく、ｕ（ｔ）のフーリエ変換ｕ（ω）_ハットに対し、下記（４）式に示す操作を行い、ｚ（ω）_ハットを、逆フーリエ変換して求めたｚ（ｔ）＝ｕ（ｔ）＋ｉｈ（ｔ）(ｉは虚数単位）の虚部として得る。なお、ｕ（ω）及びｚ（ω）の上にハット記号を付したものをｕ（ω）_ハット、及び、ｚ（ω）_ハットと記載しており、他のパラメータに関しても以下同様の記載を行う。
【数２】
2019090750.tif 000004
・・・（４）
【００２８】
時間の関数として表される振幅Ａ（ｔ）及び位相φ（ｔ）は、下記（５）式で表される。
【数３】
2019090750.tif 000005
・・・（５）
【００２９】
膜厚さ算出部３は、瞬時振動数ｆ（ｔ）を上記（２）式の微分を数値的に実行して算出する。なお、上記ヒルベルト変換はノイズに敏感であるため、超音波の反射波ｕ（ｔ）のフーリエ変換ｕ（ｔ）_ハットに対しフィルタリングを行うのが好ましい。フィルタリングとして、例えば、矩形フィルタを用いている。このようにフィルタリングを行うことで、瞬時振動数ｆ（ｔ）をより高精度に算出できる。
【００３０】
続いて、算出した瞬時振動数に基づいた膜厚さの算出方法の一例を詳細に説明する。
予め実験的に、膜厚さと瞬時振動数との相関関係が算出される。例えば、膜厚さと瞬時振動数との相関係数（ピアソン積率相関係数など）が算出される。予め算出された相関係数などの相関関係は、例えば、メモリなどに記憶されている。膜厚さ算出部３は、メモリに記憶された膜厚さと瞬時振動数との相関関係と、上記算出された瞬時振動数と、に基づいて、膜厚さを算出する。
【００３１】
荷重算出部４は、荷重算出手段の一具体例である。荷重算出部４は、膜厚さ算出部３により算出された膜厚さに基づいて、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重を算出する。
【００３２】
例えば、予め実験的に、膜厚さと、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重との相関関係が算出される。膜厚さと第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重との相関係数などが算出される。予め算出された相関係数などの相関関係は、例えば、メモリなどに記憶されている。荷重算出部４は、メモリに記憶された膜厚さと第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重との相関関係と、膜厚さ算出部３により算出された膜厚さと、に基づいて、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重を算出する。
【００３３】
荷重算出部４は、算出した膜厚さ、及び、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重を、ディスプレイなどの表示装置５に出力してもよい。表示装置５は、荷重算出部４からの、算出した膜厚さ、及び、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重を表示する。
【００３４】
なお、上記手法では、膜厚さ及び荷重を同時に算出できるが、荷重のみを算出したい場合は、以下の手法を用いてもよい。
【００３５】
予め実験的に、瞬時振動数と、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重との相関関係が算出される。例えば、瞬時振動数と第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重との相関係数が算出される。予め算出された相関係数などの相関関係は、例えば、メモリなどに記憶されている。荷重算出部４は、メモリに記憶された瞬時振動数と第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重との相関関係と、膜厚さ算出部３により算出された瞬時振動数と、に基づいて、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重を算出する。これにより、処理負荷を低減できる。
【００３６】
次に、本実施形態に係る荷重測定方法について、説明する。図３は、本実施形態に係る荷重測定方法のフローを示すフローチャートである。
超音波出力部２は、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２のうちの一方の外側から膜Ｘ３に向けて超音波を出力する（ステップＳ１０１）。
膜厚さ算出部３は、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２の境界Ｙ１、Ｙ２からの反射波に基づいて、ウェーブレット変換法などを用いて、瞬時振動数を算出する（ステップＳ１０２）。
【００３７】
膜厚さ算出部３は、メモリに記憶された膜厚さと瞬時振動数との相関関係と、上記算出した瞬時振動数と、に基づいて、膜厚さを算出する（ステップＳ１０３）。
【００３８】
荷重算出部４は、メモリに記憶された膜厚さと第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重との相関関係と、膜厚さ算出部３により算出された膜厚さと、に基づいて、第１及び第２被測定物Ｘ１、Ｘ２にかかる荷重を算出する（ステップＳ１０４）。
【００３９】
以上、本実施形態において、第１及び第２被測定物のうちの一方の側から膜に向けて超音波を出力し、第１及び第２被測定物の間の膜からの超音波の反射波に基づいて、膜厚さを算出し、算出された膜厚さに基づいて、第１及び第２被測定物にかかる荷重を算出する。これにより、第１及び第２被測定物の間の膜からの超音波の反射波に基づいて膜厚さを算出でき、その算出した膜厚さから、第１及び第２被測定物にかかる荷重を容易に算出できる。すなわち、被測定物にかかる荷重を容易に測定できる。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
１  荷重測定装置、２  超音波出力部、３  膜厚さ算出部、４  荷重算出部、５  表示装置
【図１】
2019090750.tif 000006
【図２】
2019090750.tif 000007
【図３】
2019090750.tif 000008