(57)【要約】【課題】  構造物間に働く加振力の測定は、正確な騒音・振動の予測と低減のために非常に重要である。間接的逆行列法は非常に柔軟に適用できる手法だが、逆行列処理のために信頼性の低い結果を算出してしまう。逆行列処理に伴う誤差を回避することは現実的には非常に難しい。従って最大の課題は、複数の加振力による構造物への影響を分離し、逆行列処理を完全に回避することである。【解決手段】  本発明は加振力計測デバイスにおいて、２つの歪計測素子と、少なくとも１つ以上の論理演算回路とを備え、振動を受ける構造体に前記２つの歪計測素子を設置することで加振力の計測を行うことを特徴とするものである。【選択図】図1(a)
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの歪計測素子と、少なくとも１つ以上の論理演算回路とを備え、振動を受ける構造体に前記２つの歪計測素子を設置することで加振力の計測が可能な加振力計測デバイス。
【請求項２】
請求項１において、
２つの歪計測素子は互いに近接して平行に配置されていることを特徴とする加振力計測デバイス。
【請求項３】
請求項１において、
前記論理演算回路は２つの歪計測素子からの信号を差分し、信号処理を行った後に出力することを特徴とする加振力計測デバイス。
【請求項４】
請求項３において、
前記論理演算回路は伝達関数を用いた信号処理を行って加振力を求めることを特徴とする加振力計測デバイス。
【請求項５】
請求項４において、
前記伝達関数はキャリブレーションを行って予め算出し、前記論理演算回路に記憶することを特徴とする加振力計測デバイス。
【請求項６】
請求項１において、
少なくとも２つ以上の加振力が働く状態で、前記加振力計測デバイスをそれぞれの加振点の近傍に設置することで、実稼働時の加振力を独立に計測することを特徴とする加振力計測デバイス。
【請求項７】
請求項１において、
前記論理演算回路は歪加算モード、歪乗算モードの少なくとも一方を行う歪計測モードスイッチを備えることを特徴とする加振力計測デバイス。
【請求項８】
２つの歪計測素子を設けること、
少なくとも１つ以上の論理演算手段を設けること、
振動を受ける構造体に前記２つの歪計測素子を設けることを特徴とする加振力計測方法。
【請求項９】
請求項８において、
前記２つの歪計測素子は互いに近接して平行に配置することを特徴とする加振力計測方法。
【請求項１０】
請求項８において、
論理演算手段は２つの歪計測素子からの信号を差分し、信号処理を行った後に出力することを特徴とする加振力計測方法。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記論理演算手段は伝達関数を用いた信号処理を行って加振力を求めることを特徴とする加振力計測方法。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記伝達関数はキャリブレーションを行って予め算出し、前記論理演算手段に記憶することを特徴とする加振力計測方法。
【請求項１３】
請求項８において、
少なくとも２つ以上の加振力が働く状態で、前記２つの歪計測素子をそれぞれの加振点の近傍にそれぞれ設置することで、実稼働時の加振力を独立に計測することを特徴とする加振力計測方法。
【請求項１４】
請求項８において、
前記論理演算手段は歪加算モード、歪乗算モードの少なくとも一方を行うことを特徴とする加振力計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
二物体間のインターフェース部分で発生する加振力の計測は、振動騒音解析、構造の健全性診断、構造設計などに不可欠であり、本発明はそれに関するものである。 
【背景技術】
【０００２】
二物体間のインターフェース部分で発生する加振力の計測は、振動騒音解析、構造の健全性診断、構造設計などに不可欠であり、現在知られている以下の計測方法にはそれぞれ課題がある。
(1)直接計測法（特許文献１）は、ロードセルなどの測定デバイスを伝達経路に挿入する必要があり、これにより測定対象の構造的特性が変わってしまう。
(2)間接的マウント剛性法（非特許文献１）は、マウントの剛性と実稼働時の相対変位を計測する必要があり、この方法は柔らかいマウントにしか適用できない。
(3)間接的逆行列法（特許文献2）は、構造の伝達特性を記述した伝達関数の逆行列計算に基づいている。理論的にはこの方法は幅広く適用できるはずだが、実際には逆行列計算に伴う誤差のため、精度が一般的に低い。 
本発明の目的は、加振力計測の精度を向上することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】Force Sensor. Pub.No: US 2009/0320610 A1
【特許文献２】Method and system for determining static and/or dynamic, loads using inverse dynamic calibration. Pub.No:US 2012/0048026 A1
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Doyle J F, Modern Experimental Stress Analysis: Completing the Solution of Partially Specified Problems, 2004 (London: Wiley)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
構造物間に働く加振力は、正確な騒音・振動の予測と低減のために非常に重要である。間接的逆行列法は非常に柔軟に適用できる手法だが、逆行列処理のために信頼性の低い結果を算出してしまう。逆行列処理に伴う誤差を回避することは現実的には非常に難しい。従って最大の課題は、複数の加振力による構造物への影響を分離し、逆行列処理を完全に回避することである。こうすることで、加振力を高い精度で測定することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するために、本発明は加振力計測デバイスにおいて、
２つの歪計測素子と、少なくとも１つ以上の論理演算回路とを備え、振動を受ける構造体に前記２つの歪計測素子を設置することで加振力の計測を行うことを特徴とするものである。
【０００７】
更に、本発明は加振力計測デバイスにおいて、
２つの歪計測素子は互いに近接して平行に配置されていることを特徴とするものである。
【０００８】
更に、本発明は加振力計測デバイスにおいて、
前記論理演算回路は２つの歪計測素子からの信号を差分し、信号処理を行った後に出力することを特徴とするものである。
【０００９】
更に、本発明は加振力計測デバイスにおいて、
少なくとも２つ以上の加振力が働く状態で、前記加振力計測デバイスをそれぞれの加振点の近傍に設置することで、実稼働時の加振力を独立に計測することを特徴とするものである。
【００１０】
更に、本発明は加振力計測デバイスにおいて、
前記論理演算回路は歪加算モード、歪乗算モードの少なくとも一方を行う歪計測モードスイッチを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
また、上記課題を達成するために、本発明は加振力計測方法において、
２つの歪計測素子を設けること、少なくとも１つ以上の論理演算手段を設けること、
振動を受ける構造体に前記２つの歪計測素子を設けることを特徴とするものである。
【００１２】
更に、本発明は加振力計測方法において、
前記２つの歪計測素子は互いに近接して平行に配置することを特徴とするものである。
【００１３】
更に、本発明は加振力計測方法において、
論理演算手段は２つの歪計測素子からの信号を差分し、信号処理を行った後に出力することを特徴とするものである。
【００１４】
更に、本発明は加振力計測方法において、
少なくとも２つ以上の加振力が働く状態で、前記２つの歪計測素子をそれぞれの加振点の近傍にそれぞれ設置することで、実稼働時の加振力を独立に計測することを特徴とするものである。
【００１５】
更に、本発明は加振力計測方法において、
前記論理演算手段は歪加算モード、歪乗算モードの少なくとも一方を行うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ひずみ応答の局所的な特性と、差分法のテクニックを利用することで、複数の加振力が相互に及ぼす影響は分離され、複数の加振力をそれぞれ独立に計測することができる。これにより逆行列処理が回避されるので精度が向上するとともに、全ての加振力を同時に計測する必要がなくなるため、コスト削減を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１（ａ）】２つの歪計測素子と論理演算回路を備えた構成の模式図である。加振力測定に適用するため２つの歪計測素子を平行に配置している。
【図１（ｂ）】２つの歪計測素子と論理演算回路を備えた構成の模式図である。加振力測定に適用するため２つの歪計測素子を平行に配置している。
【図２】本発明の適用対象を示しており、２つの物体間で伝達する加振力に着目する。Object１が振動源となる構造物、Object２が振動を受ける側の構造物である。
【図３】本発明により加振力を分離するための原理を示すための模式図である。
【図４（ａ）】本発明の効果を検証するための実験結果である。
【図４（ｂ）】本発明の効果を検証するための実験結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１９】
図1に本発明の1つの実施形態を説明する。
【００２０】
図１において、２つの歪計測素子(Strain sensing elements)は互いに平行に配置されており、さらに、２つの歪計測素子の互いの距離は出来る限り近接して配置されるのが望ましく、互いの距離Ｂは、素子の幅Ａに対してB<A/2を満たすように配置されるのが望ましい。
【００２１】
上記の歪計測素子は、圧電材料や、シリコン材料、もしくはその他の半導体用のセンサ材料でできているが、それ以外にも電気抵抗回路や、その他の歪計測手段で構成されても良い。
【００２２】
図２に示すように、本発明の適用対象は、複数の点で接続された任意の２つの物体間で伝達される加振力である。２つの物体Object1とObject2は機械的に接続されており、Object1が振動源となる構造物、Object 2が振動を受ける側の構造物である。
【００２３】
Object1からObject2に伝達する加振力を計測するためには、本発明の加振力センサは振動を受ける側、すなわちObject2に設置される必要があり、測定したい加振力（例えば図２中のFj）が伝達される結合点になるべく近接して設置されるのが望ましい。
【００２４】
Object1からObject2に伝達する加振力を計測するためには、最初のステップとして、本発明の加振力センサをキャリブレーションする必要がある。ここで言うキャリブレーションとは、本発明の加振力センサが測定対象物に取り付けられた状態で、既知の加振力に対するセンサ出力への校正係数を算出することを言う。以下、キャリブレーションの具体的な方法について述べる。まず、キャリブレーションのステップでは、振動源であるObject1がObject2から外されている必要がある。この理由は、Object1とObject2が結合した状態だと、インパクトハンマなどによる既知の加振力を例えばFjに与えた場合に、Object1の振動によりFiやFkにも加振力が作用してしまい、Fjだけに単位加振力を加えた時のセンサ応答を算出することができないためである。次に、着目している結合点（ここでは図２中のFj）をインパクトハンマなどにより既知の加振力で加振し、その時の加振力センサの応答信号を記録する。加振力センサの応答信号は、２つの歪計測素子からの出力電圧を論理演算回路(Logical Circuit & Amplifier)で差分処理した電圧信号が出力される。インパクトハンマからの加振力信号と、本発明の加振力センサからの応答信号は、ともにデータロガーなどに収録される。また、既知の加振力を与えるためには、インパクトハンマやシェーカー加振器などを使用する。インパクトハンマからの加振力信号と、本発明の加振力センサからの応答信号は、ともに周波数分析され、通常のハンマリング試験などと同様に、H1推定、H2推定、もしくはHv推定などのノイズ除去処理を経て、結合点を単位加振力で加振した時のセンサ応答への伝達関数Hが算出される。この伝達関数Hは論理演算回路(Logical Circuit & Amplifier)に記憶される。
【００２５】
伝達関数Hは、時間領域と周波数領域のいずれで算出してもよく、加振力センサの感度として[Volt/Newton]という単位で算出される。 
実稼働時にObject1からObject2へ伝達する加振力を計測するためには、上記のようにして現場でキャリブレーションされた加振力センサの感度の伝達関数Hと、実稼働状態で加振力センサから出力される電圧信号Sを用いて、以下の（式1）により加振力Fが算出される。
F=S/H  …〔式1〕
【００２６】
実稼働時には、Object1とObject2の複数の接続点で、それぞれ異なる加振力が同時に作用しているが、本発明では全ての加振力を全て同時に同定する必要はなく、ある１つの接続点に作用する加振力を測定するためには、その近傍に本発明の加振力センサを１つ設置すれば十分である。この理由は、加振力センサを構成する２つの歪計測素子により、複数の加振力からの影響が分離されるため、あたかも加振力センサを設置した点の近傍の加振力だけが作用しているかのように、それぞれの加振力を独立に測定することが可能になるからである。本発明の加振力センサが複数の加振力からの影響を分離できる理由について、図３、図４を用いて説明する。
【００２７】
図３において、加振力F1、F2はそれぞれの点に作用する加振力、出力S1、S2はそれぞれF1、F2の近傍に設置された加振力センサからの出力である。出力S11、S12は加振力センサ１に内蔵された２つの歪計測素子からの出力、出力S21、S22は加振力センサ２に内蔵された２つの歪計測素子からの出力であり、出力S1=S11-S12、出力S2=S21-S22の関係がある。また伝達関数H11、H11’は、それぞれ加振力F1からS11、加振力F1からS12への伝達関数であり、加振力センサ１の感度H1は、感度H1=H11-H11’で表わされる。同様に、加振力センサ２の感度H2は、感度H2=H22-H22’で表わされる。さらに、それぞれの歪計測素子は離れた位置からの加振力の影響も受け、伝達関数H12、H12’はそれぞれ加振力F2からS11、加振力F2からS12への伝達関数、伝達関数H21、H21’はそれぞれ加振力F1からS21、加振力F1からS22への伝達関数である。歪計測素子の応答S11、S12、S21、S22と、加振力F1、F2の関係は以下の式で記述される。
2016102707.tif 000003
【００２８】
また、上記２つの式の差分式は以下のように記述される。
2016102707.tif 000004
【００２９】
ここで以下の仮定が成り立つと、上記の式は分離できる。
【００３０】
伝達関数H12 = H’12 ; H21 = H’21 (加振力が遠い場合には、近接した２つの歪計測素子の応答は同じ) …〔式4〕
伝達関数H11 ≠ H’11 ; H22 ≠ H’22 (加振力が近い場合には、近接した２つの歪計測素子の応答は異なる) …〔式5〕
そして上記の仮定の結果、以下の式のように、それぞれの加振力があたかも独立して加振力センサに作用しているかのように、加振力が分離される。
2016102707.tif 000005
【００３１】
上記の仮定は、歪応答の局所的な特性に基づくものである。
【００３２】
上記の仮定は、図４に示す実験結果により証明される。図4(a)に示す通り、長方形パネルの表面に、２つの歪計測素子を近接して設置した。そして、２つの歪計測素子から近い位置を加振した時の加振力F1、遠い位置を加振した時の加振力F2、による歪計測素子の伝達応答をそれぞれ計測した。
【００３３】
図4(b)が周波数応答関数の形式で表示した測定結果である。測定結果から、２つの歪計測素子から近い位置にある加振力F1による伝達関数H11、H’11は大きく異なっている（H11 ≠ H’11）のに対し、遠い位置にある加振力F2による伝達関数H12、H’12は基本的に同じ（H12 = H’12）である。この実験結果は、上述の仮定を証明するものである。
【００３４】
実験結果は加振力が２つの場合しか示していないが、加振力が複数ある場合にも上記の仮定が成り立つことは明らかである。
【００３５】
また、２つの歪計測素子は、少なくとも信号の差分処理機能を持った論理演算回路と組み合わせて構成されており、このようにすることで本発明は１つの加振力センサとして一体で使用することが可能である。
【実施例２】
【００３６】
本発明の加振力センサを使うことで、自動車用エンジンから車体への加振力、鉄道車両の台車から車体への加振力、工作機械から支持フレームへの加振力などをオンラインで測定でき、構造健全性のモニタリングシステムを構築することができる。上記のモニタリングを行うには、まず初めに加振源側の構造を外した状態で、加振力センサのキャリブレーションを現場で行う必要がある。
【００３７】
キャリブレーションを行う際には、加振力が伝達される結合点になるべく近い位置で、振動を受ける側の構造物に本発明の加振力センサが設置される必要がある。そして結合点を既知の加振力で加振した時のセンサ応答への伝達関数を記録する。この測定は、通常の周波数応答関数の測定技術により処理可能である。このようにして測定された伝達関数が、加振力センサの感度としてキャリブレーションされ、論理演算回路(Logical Circuit & Amplifier)に記憶される。
【００３８】
キャリブレーション処理の後は加振力センサを動かしてはならず、その状態で加振源側の構造物が取り付けられることで、測定の準備が整う。
【００３９】
このようにキャリブレーションされた加振力センサにより、結合点に働く実稼働時の加振力をリアルタイムにモニターすることが可能である。
【００４０】
振動を受ける側の構造物に変更がない限り、再キャリブレーションは通常不要である。
【実施例３】
【００４１】
本発明における論理演算回路に、歪計測用のモード切り替えスイッチを設ければ、センサ取付部表面の歪を直接測定することも可能である。
【００４２】
論理演算回路のモード切り替えスイッチを「歪加算モード」にすれば、２つの歪計測素子の信号は以下の式のように平均処理され、局所的な歪の平均値を計測できる。
εm=(ε1+ε2)/2. …〔式7〕  
【００４３】
論理演算回路のスイッチを「歪乗算モード」にすれば、２つの歪計測素子の応答を加算処理した信号、および差分処理した信号を乗算することで、以下の式のように歪エネルギーの変動を測定することができる。
(ε1+ε2)(ε1-ε2)= ε12-ε22 . …〔式8〕
【図１（ａ）】
2016102707.tif 000006
【図１（ｂ）】
2016102707.tif 000007
【図２】
2016102707.tif 000008
【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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