(57)【要約】【課題】被測定物に作用する未知な荷重の分力を、変形と荷重の非線形関係を考慮して、より正確に求める。【解決手段】被測定物に歪みゲージを取り付ける（Ｓ３０１）。次に、被測定物に対して各分力方向にのみ作用する荷重を、その大きさを徐々に増加させて与える。演算装置は、歪みゲージの検出出力と荷重値のグラフを表示装置に表示する（Ｓ３０２）。作業者は、これらのグラフを見て、グラフを複数のほぼ線形な領域に分割する処理を行う（Ｓ３０３）。次に、各線形領域において被測定物に各分力方向にのみ作用し、単位ベクトルに相当する荷重を与える（Ｓ３０４〜Ｓ３０６）。演算装置は、得られた検出出力に基づき、各線形領域α，β，γにおける変形−荷重変換行列式を演算する（Ｓ３０７）。演算装置はこの行列式に基づき未知な各分力を演算する。【選択図】　　　　図３
2004132901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に作用する未知な分力の大きさを求める分力測定装置であって、
被測定物の変形を検出する複数の変形検出器と、
変形と分力の非線形関係に関するデータを保存する記憶装置と、
前記変形検出器の検出出力と、前記記憶装置に保存された非線形関係データに基づき、前記被測定物に作用する分力の大きさを求める演算装置と、
を備えることを特徴とする分力測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の分力測定装置であって、
前記記憶装置は、非線形な変形−荷重曲線における各線形領域に対応付けられた複数の変形−荷重変換行列式を保存し、
前記演算装置は、前記変形検出器の検出出力に基づき、前記複数の変形−荷重変換行列式からいずれか一つを選択し、選択された変形−荷重変換行列式に、前記検出出力を代入して、前記被測定物に作用する分力の大きさを求めることを特徴とする分力測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の分力測定装置であって、
前記記憶装置は、変形量を変数とする非線形関係式を成分として含む変形−荷重変換行列式を保存し、
前記演算装置は、前記変形−荷重変換行列式に、前記検出出力を代入して、前記被測定物に作用する分力の大きさを求めることを特徴とする分力測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の分力測定装置であって、
前記記憶装置が保存する関係式は、最小自乗法により求められた近似式であることを特徴とする分力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物に作用する未知な分力を求める分力測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、被測定物に作用する未知な荷重による分力を計測するために、分力測定装置が用いられている。このような分力測定装置の一例が、特開平１１−１０８７８０号公報（特許文献１）に記載されている。なお、被測定物としては一般に存在する様々な物を対象とすることができる。例えば、自動車であればエンジン、トランスミッションなどの内部部品などである。
【０００３】
この文献の分力測定装置では、複数の変形検出器を被測定物の任意の位置に取り付け、その取付状態で較正を行って変形−荷重伝達係数行列を記憶し、被測定物に荷重が加わると、変形−荷重伝達係数行列を用いて各分力を求めている。
【０００４】
この分力測定装置では、次のように較正を行っている。まず、変形検出器の数に対応した数の異なる既知の分力を被測定物に与える。そして、各分力毎の較正変形データを入力して荷重−変形伝達係数行列を作成し、荷重−変形伝達係数行列を変形−荷重伝達係数行列に逆変換する。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１０８７８０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術の分力測定装置では、較正により得られる変形−荷重伝達係数行列は一つだけであった。しかし、被測定物の変形は、荷重に対して非線形の特性を持つため、変形−荷重伝達係数行列を一つだけ求め、この変形−荷重伝達係数行列に基づいて被測定物に作用する分力を演算しても、正確な変形量を計算できないといった問題があった。
【０００７】
なお、変形と荷重の関係は、あらゆる系において一般的に非線形となる。但し、被測定物がゴムなどを含む場合には、特に非線形関係が顕著となる。自動車であれば、ゴムを材料とするブッシュ、ショックアブソーバを含む場合である。
【０００８】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、被測定物に作用する未知な荷重の分力を、変形と荷重の非線形関係を考慮して、より正確に求めることができる分力測定装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る分力測定装置は、被測定物に作用する未知な分力の大きさを求める分力測定装置であって、被測定物の変形を検出する複数の変形検出器と、変形と分力の非線形関係に関するデータを保存する記憶装置と、前記変形検出器の検出出力と、前記記憶装置に保存された非線形関係データに基づき、前記被測定物に作用する分力の大きさを求める演算装置と、を備えるものである。
【００１０】
これにより、変形と荷重の非線形関係を考慮して、被測定物に作用する未知な分力をより正確に求めることができる。ここで、変形検出器とは、被測定物の変形を検出する様々なものを用いることができる。例えば、一般的な荷重検出器の他、歪みゲージなどを用いることができ、これらの組み合わせでもよい。また、記憶装置に保存される変形と分力の非線形関係に関するデータとは、例えば行列や関数などの形式で保存されるデータであり、所定の変形に対応した分力を一義的に算出可能なデータである。
【００１１】
上述の分力測定装置は、より具体的には、次のような態様とすることができる。
【００１２】
つまり、前記記憶装置は、非線形な変形−荷重曲線における各線形領域に対応付けられた複数の変形−荷重変換行列式を保存し、前記演算装置は、前記変形検出器の検出出力に基づき、前記複数の変形−荷重変換行列式からいずれか一つを選択し、選択された変形−荷重変換行列式に、前記検出出力を代入して、前記被測定物に作用する分力の大きさを求める。このような態様においては、全体として非線形な変形−荷重曲線を複数の線形領域に分割し、各線形領域に対応した変形−荷重変換行列式に基づいて、分力を演算するため、変形−荷重変換行列式と検出出力の列ベクトルの積を求めるだけの単純な演算するだけで済む。つまり、演算処理が簡易であり、迅速に分力を求めることができる。
【００１３】
また、分力測定装置は、次のような態様とすることもできる。
【００１４】
前記記憶装置は、変形量を変数とする非線形関係式を成分として含む変形−荷重変換行列式を保存し、前記演算装置は、前記変形−荷重変換行列式に、前記検出出力を代入して、前記被測定物に作用する分力の大きさを求める。ここで、前記記憶装置が保存する関係式は、最小自乗法などの近似方法により求められた近似式としてもよい。この態様においては、変形−荷重伝達行列が非線形関係式を含むため、より実際に近い分力の値を求めることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
第１の実施形態．
（１）分力測定装置の構成
第１の実施形態に係る分力測定装置について説明する。図１は、第１の実施形態に係る分力測定装置１０の概略構成を示すブロック図である。
【００１７】
第１の実施形態に係る分力測定装置１０は、被測定物に発生する変形量を検出する変形検出器１２、変形検出器１２の出力を増幅する増幅器１４、増幅された出力をアナログ値からデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器１６、変形−荷重変換行列式の保存する記憶装置１８、変形−荷重変換行列式の演算処理、分力の演算処理などを行う演算装置（ＣＰＵ）２０、及び表示装置２２が接続されて構成されている。
【００１８】
変形検出器１２は、本実施形態では歪みゲージであり、被測定物の表面に取り付けられる。荷重を受ける被測定物がエンジン２４である場合には、図２に示されるように、エンジンマウント２６に歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚを取り付ければよい。
【００１９】
なお、変形検出器１２としては、歪みゲージの他、一般的な様々な荷重検出器を用いることができる。また、複数の種類の荷重検出器を組み合わせて用いてもよい。一般的に変形検出器１２の個数ｍは、測定する分力の数ｎの２乗以上の数が必要である。但し、以下の説明では、説明を簡略化するために歪みゲージの個数を、実際に必要な個数より少なくしている。
【００２０】
（２）変形−荷重変換行列式を求める方法
次に、図３のフローチャートを参照して、荷重−変形伝達係数行列を求める方法について説明する。
【００２１】
まず、被測定物に歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚを取り付ける（Ｓ３０１）。次に、被測定物に対して各分力方向にのみ作用する荷重を、その大きさを徐々に増加させて与える。このような荷重は、荷重を負荷するための一般的な装置を用いることにより与えることができる。本実施形態では、被測定物の前後方向（Ｘ軸方向）、左右方向（Ｙ軸方向）、上下方向（Ｚ軸方向）を分力方向としているので、始めにＸ軸方向に負荷Ｆｘを徐々にその大きさを増加させて与え、その後Ｙ軸方向、Ｚ軸方向についても、負荷Ｆｘ，Ｆｙを徐々にその大きさを増加させて与える。このとき、この荷重により歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚの取り付け位置が変形し、変形が抵抗値変化として各歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚで検出される。演算装置２０は、各歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚの検出出力を取得すると共に、荷重負荷装置から荷重値を入力し、歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚの検出出力と荷重値を関連づけて記憶装置１８に保存する。そして、この保存されたデータから、図４（ａ）〜（ｃ）に示されるような、各分力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと歪みゲージ検出出力の関係を示すグラフを作成し、表示装置２２に表示する（Ｓ３０２）。
【００２２】
次に、作業者は、これらのグラフを見て、グラフを複数のほぼ線形な領域に分割する処理を行う（Ｓ３０３）。図４の場合、具体的には、作業者がグラフに３つの線形領域α，β，γがあることを目視で認識し、グラフが屈曲し線形性が失われるポイントαｍａｘ，βｍａｘをキーボード、マウス等の入力手段を用いて、演算装置２０に入力することにより行う。入力が行われると、演算装置２０は、ポイントの名称（αｍａｘ，βｍａｘなど）と、そのポイントにおける荷重値Ｆｘ（αｍａｘ），Ｆｙ（αｍａｘ），Ｆｚ（αｍａｘ），Ｆｘ（βｍａｘ），Ｆｙ（βｍａｘ），Ｆｚ（βｍａｘ）と、そのポイントにおける各歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚの検出出力、つまりポイントαｍａｘについては検出出力｛ε１１（αｍａｘ），ε１２（αｍａｘ），ε１３（αｍａｘ）｝，｛ε２１（αｍａｘ），ε２２（αｍａｘ），ε３２（αｍａｘ）｝，｛ε３１（αｍａｘ），ε３２（αｍａｘ），ε３３（αｍａｘ）｝を関連付けて、またポイントβｍａｘについては｛ε１１（βｍａｘ），ε１２（βｍａｘ），ε１３（βｍａｘ）｝，｛ε２１（βｍａｘ），ε２２（βｍａｘ），ε３２（βｍａｘ）｝，｛ε３１（βｍａｘ），ε３２（βｍａｘ），ε３３（βｍａｘ）｝を関連付けて、記憶装置１８に保存する。なお、図４の例では、各グラフの屈曲ポイントが互いに対応しているため、Ｘ軸についてのみグラフの線形領域の設定を行っているが、各軸についてグラフを線形領域に分割する処理を行ってもよい。
【００２３】
次に、演算装置２０を用いて、各線形領域α，β，γについて、変形−荷重伝達係数行列を演算する処理を行う。このために先ず、各線形領域において被測定物に各分力方向にのみ作用し、単位ベクトルに相当する荷重を与える。すなわち、線形領域αについては、
（ｘ，ｙ，ｚ）＝（１，０，０）、（０，１，０）、（０，０，１）
線形領域βについては、
（ｘ，ｙ，ｚ）＝（Ｆｘ（αｍａｘ）＋１，０，０）、（０，Ｆｙ（αｍａｘ）＋１，０）、（０，０，Ｆｙ（αｍａｘ）＋１）
線形領域γについては、
（ｘ，ｙ，ｚ）＝（Ｆｘ（βｍａｘ）＋１，０，０）、（０，Ｆｙ（βｍａｘ）＋１，０）、（０，０，Ｆｙ（βｍａｘ）＋１）
の荷重を与える。そして、これらの荷重を被測定物に与えたときの、歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚの検出出力のデータを得る（Ｓ３０４〜Ｓ３０６）。
【００２４】
次に、演算装置２０が、得られた検出出力に基づき、各線形領域α，β，γにおける変形−荷重変換行列式を演算するために、以下に説明する処理を行う（Ｓ３０７）。
【００２５】
線形領域αにおいて、上記３つの荷重を与えたときの歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚの検出出力がそれぞれ｛ａ１１（α），ａ１２（α），ａ３１（α）｝、｛ａ２１（α），ａ２２（α），ａ３２（α）｝、｛ａ３１（α），ａ３２（α），ａ３３（α）｝である場合には、荷重−変形伝達係数行列［Ａ（α）］は次の式１で表される。
【数１】
2004132901.tif 000003
【００２６】
この荷重−変形伝達係数行列［Ａ（α）］を逆変換することにより、変形−荷重伝達係数行列［Ｂ（α）］を求めることができる。
【数２】
2004132901.tif 000004
【００２７】
線形領域αにおいては、この変形−荷重伝達係数行列［Ｂ（α）］に各歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚの検出出力の列ベクトルを積算することにより、各分力（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）を求めることができる。つまり、この積算した行列式が、線形領域αの変形−荷重変換行列式である。
【００２８】
また、線形領域βにおいて、上述の３つの荷重を与えたときの歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚの検出出力がそれぞれ｛ａ１１（β），ａ１２（β），ａ１３（β）｝、｛ａ２１（β），ａ２２（β），ａ３２（β）｝、｛ａ３１（β），ａ３２（β），ａ３３（β）｝である場合には、荷重−変形伝達係数行列［Ａ（β）］は次の式３で表される。
【数３】
2004132901.tif 000005
【００２９】
この荷重−変形伝達係数行列［Ａ（β）］を逆変換することにより、変形−荷重伝達係数行列［Ｂ（β）］を求めることができる。
【数４】
2004132901.tif 000006
【００３０】
線形領域βにおいては、次式の変形−荷重変換行列式に示すように、変形−荷重伝達係数行列［Ｂ（β）］を用いた次式に各歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚの検出出力（ε１，ε２，ε３）を代入することにより、荷重値（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）を求めることができる。
【数５】
2004132901.tif 000007
【００３１】
また、線形領域γについても、線形領域βと同様に、変形−荷重変換行列式を求めることができる。線形領域が多数あるときには、一般的に線形領域βと同様の方法で変形−荷重変換行列式を求めればよい。
【００３２】
（３）実働荷重の演算処理
次に、被測定物に未知の外力が作用したときに、演算装置２０が上述の処理により求められた変形−荷重変換行列式を用いて外力の各分力を演算する処理について説明する。図５は、各分力を演算する処理のフローチャートである。
【００３３】
まず、演算装置２０が各歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚの検出出力を入力する（Ｓ５０１）。
【００３４】
この検出値の出力に基づき、被測定物に作用する外力がいずれの線形領域に属するかを判別する。本実施形態の場合、歪みゲージＡの検出出力を、記憶装置１８に保存された屈曲ポイントαｍａｘ，βｍａｘ等における検出値と比較し、線形領域を選択する（Ｓ５０２）。
【００３５】
次に、演算装置２０は、選択された線形領域の変形−荷重変換行列式を、記憶装置１８から読み出し、この変形−荷重変換行列式（式５）に、ステップＳ５０１で入力された歪みゲージ検出出力の列ベクトル｛ε１，ε２，ε３｝を代入する（Ｓ５０３）。この結果、各分力が求められる。演算装置２０は、これらの各分力｛Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ｝を表示装置２２にリアルタイムで表示する（Ｓ５０４）。
【００３６】
本実施形態では、上述したように、各線形領域ごとに保存された変形−荷重変換行列式を、記憶装置１８から読み出し、この行列式に基づき、被測定物に作用する未知の外力の各分力を演算するため、荷重−変形特性が非線形であっても、真の値に近い分力を求めることができる。また、本実施形態では、変形−荷重変換行列式が簡易な行列式であるため、演算装置２０は歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚの検出出力を取得後、速やかに各分力を演算することができる。
【００３７】
第２の実施形態．
次に、第２の実施形態に係る分力測定装置について説明する。第２の実施形態に係る分力測定装置の装置構成は、第１の実施形態の分力測定装置と同じであるため、説明を省略する。第２の実施形態では、「変形−荷重変換行列式を求める方法」が、第１の実施形態と異なる。以下に、図６のフローチャートを参照して、第２の実施形態に係る「変形−荷重変換行列式を求める方法」について説明する。
【００３８】
まず、被測定物に歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚを取り付ける（Ｓ６０１）。次に、被測定物に対して各分力方向にのみ作用する荷重、すなわち上下方向にのみ作用する荷重Ｆｘ、前後方向にのみ作用する荷重Ｆｙ、左右方向にのみ作用する荷重Ｆｚを、その大きさを所定値ごと徐々に増加させて与え、負荷検定を行う（Ｓ６０２〜Ｓ６０４）。各方向の荷重が与えられると、各歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚから検出出力｛ａ１１，ａ１２，ａ１３｝、｛ａ２１，ａ２２，ａ２３｝、｛ａ３１，ａ３２，ａ３３｝が得られる。なお、これらの各検出出力ａ１１〜ａ３３の値は、荷重Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの値により変化する値である。演算装置２０は、各歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚの検出出力と共に、荷重負荷装置から荷重値を入力し、歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚの検出出力と荷重値を関連づけて記憶装置１８に保存する。
【００３９】
次に、演算装置２０は、各検出出力ａ１１〜ａ３３について、最小自乗法を用いて、荷重値Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを変数とする検出出力値の非線形な関係式ａ１１（Ｆｘ），ａ１２（Ｆｘ），ａ１３（Ｆｘ），ａ２１（Ｆｙ），ａ２２（Ｆｙ），ａ２３（Ｆｙ），ａ３１（Ｆｚ），ａ３２（Ｆｚ），ａ３３（Ｆｚ）を求める。これらの関係式は、荷重値Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの多次式とすればよい。このように本実施形態においては、検出出力値の関係式として、最小自乗法により近似式を求めているが、近似を用いない多次式としてもよい。各関係式ａ１１（Ｆｘ）〜ａ３３（Ｆｚ）を求めることにより、次式の荷重−変形伝達係数行列［Ａ］を求めることができる。
【数６】
2004132901.tif 000008
【００４０】
さらに、この荷重−変形伝達係数行列［Ａ］を逆変換して、変形−荷重変換行列式［Ｂ］、すなわち変形−分力変換行列式を求めることができる（Ｓ６０５）。
【００４１】
被測定物に作用する未知の荷重の分力を測定するときには、演算装置２０は未知な荷重により生じた各歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚの検出出力を取得し、変形−荷重伝達係数行列［Ｂ］の各成分に検出出力を代入し、さらに変形−荷重伝達係数行列［Ｂ］と検出出力の列ベクトルを積算する。これにより、未知の荷重の各分力を求めることができる。
【００４２】
以上に説明した第２の実施形態に係る分力測定装置では、変形−荷重変換行列式が、変形量を変数とする非線形関係式を成分として含む行列であるため、第１の実施形態と同様に、変形と分力の非線形関係を補正して、真の値に近い分力を求めることができる。
【００４３】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、等価な範囲で様々な変形が可能である。例えば、第１の実施形態に係るグラフを複数の線形領域に分割する方法と、第２の実施形態に係る最小自乗法を用いた方法を組み合わせた変形−荷重変換行列式を求め、未知な外力の分力を演算してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
本発明では、被測定物に作用する荷重と、この荷重による変形の特性が非線形である場合でも、実際の値に近い分力を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る分力測定装置１０の構成を示すブロック図である。
【図２】被測定物２４，２６に歪みゲージ１２Ｘ，Ｙ，Ｚが取り付けられた様子を示す斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係る分力測定装置１０の較正処理を示すフローチャートである。
【図４】第１の実施形態に係る分力測定装置１０の較正処理を説明するための説明図である。
【図５】第１の実施形態に係る分力測定装置１０の分力演算処理を示すフローチャートである。
【図６】第２の実施形態に係る分力測定装置１０の較正処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０　分力測定装置、１２，１２Ｘ，１２Ｙ，１２Ｚ　変形検出器（歪みゲージ）、１４　増幅器、１６　Ａ／Ｄ変換器、１８　記憶装置、２０　演算装置、２２　表示装置、２４　エンジン、２６　マウント。
【図１】
2004132901.tif 000009
【図２】
2004132901.tif 000010
【図３】
2004132901.tif 000011
【図４】
2004132901.tif 000012
【図５】
2004132901.tif 000013
【図６】
2004132901.tif 000014