(57)【要約】【課題】荷重負荷体などの計測系の慣性力の影響を受けずに、動的な抵抗力を計測することができる抵抗力計測方法および抵抗力計測装置を提供する。【解決手段】移動可能な移動体本体２０２と、該移動体本体に接続され該移動体本体の移動により抵抗力が加わる荷重負荷体２０４とを有する移動体２０の、前記移動に応じて加わる動的な抵抗力を計測する抵抗力計測方法であって、移動体２０の変位を非接触で計測し、計測された変位と、移動体の質量とに基づいて、移動体に加わる動的な抵抗力として荷重負荷体に加わる抵抗力を算出するステップを備えた。【選択図】図２
2017090455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動可能な本体と、該本体に接続され該本体の移動により抵抗力が加わる荷重負荷体とを有する移動体の、前記移動により加わる動的な抵抗力を計測する抵抗力計測方法であって、
前記移動体までの距離を検出できるセンサを用いて、前記移動体の変位を非接触で計測するステップと、
前記計測された変位と、前記移動体の質量とに基づいて、前記移動体に加わる動的な抵抗力として前記荷重負荷体に加わる抵抗力を算出するステップと
を備えることを特徴とする抵抗力計測方法。
【請求項２】
前記移動体には、前記移動体の変位を計測するための、前記移動体の移動方向に向かって傾斜する変位計測面が形成されており、
前記変位を計測するステップは、前記移動体の移動に伴い移動する前記変位計測面と前記センサとの間の距離の変化を検出することにより、前記移動体の変位を計測する
ことを特徴とする請求項１記載の抵抗力計測方法。
【請求項３】
前記変位計測面が形成された変位計測部が前記移動体に着脱自在に取り付けられており、
前記変位を計測するステップは、前記変位計測部の変位計測面と前記センサとの間の距離の変化を検出することにより、前記移動体の変位を計測する
ことを特徴とする請求項２記載の抵抗力計測方法。
【請求項４】
前記変位を計測するステップは、基準となる時刻をｔ0、時刻ｔ0の時の基準となる変位をＸ0、時刻ｔ0の時の前記センサから前記変位計測面までの距離をｄ0、前記移動体の移動後の時刻ｔnの時の前記センサから前記変位計測面までの距離をｄnとしてこれらを取得し、記憶部に格納された前記移動体の移動方向に直交する前記移動体から前記センサを見た垂直方向における前記変位計測面の長さａと、前記移動方向における前記変位計測面の長さｂとを取得し、時刻ｔnの時の変位Ｘnを式（１）を用いて算出し、算出した各時刻における変位に基づいて、単位時間当たりの変位の変化量を速度として算出し、算出した単位時間当たりの速度の変化量を加速度とし、該加速度に前記移動体の質量を乗じて前記荷重負荷体の抵抗力を算出する
ことを特徴とする請求項２または請求項３記載の抵抗力計測方法。
【数１】
2017090455.tif 000004
【請求項５】
前記変位計測面の長さａは、前記センサの計測範囲以内の長さであり、
前記変位計測面の長さｂは、前記センサの計測範囲以上の長さである
ことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の抵抗力計測方法。
【請求項６】
前記センサは、渦電流式または高速レーザ式の変位センサである
ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の抵抗力計測方法。
【請求項７】
移動可能な本体と、該本体に接続され該本体の移動により抵抗力が加わる荷重負荷体とを有する移動体への、前記移動により加わる動的な抵抗力を計測する抵抗力計測装置であって、
前記移動体までの距離を検出できるセンサを有し、前記移動体の変位を非接触で計測する変位計測部と、
前記計測された変位と、前記移動体の質量とに基づいて、前記移動体に加わる動的な抵抗力として前記荷重負荷体に加わる抵抗力を算出する抵抗力算出部と
を備えることを特徴とする抵抗力計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、直線的な運動をする移動体に対して動的な抵抗力が加わる際の当該抵抗力を計測する抵抗力計測方法および抵抗力計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、静止物体に作用する動的な荷重を計測する装置としては、荷重を検知するセンサとしてロードセルが広く用いられている。例えば、特許文献１に示される動的荷重の計測方法は、荷重を受ける荷重負荷体を介して計測対象の試験体をロードセルに接続して、間接的に、試験体の側の荷重負荷体端面に作用する動的荷重をロードセルにより検知している。
【０００３】
運動する移動体の抵抗力の計測方法もこれと同様に考えられる。例えば、図６に示される、固定部材９０１と固定軸９０２の連結、および、荷重負荷体にあたる荷重軸９０３と試験体９０との連結を分離し、形成された移動体にあたる、固定軸９０２およびロードセル９０６および荷重軸９０３の連結体が、矢印の方向に運動中に、静止物体との動摩擦や衝突などにより荷重負荷体である荷重軸に動的抵抗力が作用する場合、その抵抗力をロードセル９０６が計測する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１２３６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、荷重を検知するためのセンサとしてロードセルを使用する場合、移動体に加わる動的な抵抗力を計測しようとすると、抵抗力を直接受ける荷重負荷体およびロードセルに至るまでの接続部分の質量により慣性力が過大となり、ロードセルで検知する荷重が、荷重負荷体が受ける抵抗力より過大な値となり、正確な抵抗力の計測ができないという問題があった。
【０００６】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、荷重負荷体などの計測系の慣性力の影響を受けずに、動的な抵抗力を計測することができる抵抗力計測方法および抵抗力計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、移動可能な本体と、該本体に接続され該本体の移動により抵抗力が加わる荷重負荷体とを有する移動体の、前記移動により加わる動的な抵抗力を計測する抵抗力計測方法であって、前記移動体までの距離を検出できるセンサを用いて、前記移動体の変位を非接触で計測するステップと、前記計測された変位と、前記移動体の質量とに基づいて、前記移動体に加わる動的な抵抗力として前記荷重負荷体に加わる抵抗力を算出するステップとを備える。
【０００８】
また、本発明の一態様は、移動可能な本体と、該本体に接続され該本体の移動により抵抗力が加わる荷重負荷体とを有する移動体への、前記移動により加わる動的な抵抗力を計測する抵抗力計測装置であって、前記移動体の変位を非接触で計測する変位計測部と、前記計測された変位と、前記移動体の質量とに基づいて、前記移動体に加わる動的な抵抗力として前記荷重負荷体に加わる抵抗力を算出する抵抗力算出部とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、荷重負荷体などの計測系の慣性力の影響を受けずに、動的な抵抗力を計測することができる。なお、本発明のその他の効果については、以下の発明を実施するための形態の項でも説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態に係る抵抗力計測装置を模式的に示すブロック図である。
【図２】本実施の形態に係る移動体を模式的に示す概略側面図である。
【図３】移動体に設けられた変位計測部の概略側面図である。
【図４】（ａ）は移動体が移動する前のセンサと変位計測部との関係を説明するための変位計測部の概略側面図であり、（ｂ）は移動体が移動した後のセンサと変位計測部との関係を説明するための変位計測部の概略側面図である。
【図５】（ａ）は変位計測部およびセンサの他の取り付け方法を説明するための移動体の概略平面図であり、（ｂ）はその概略右側面図である。
【図６】移動する移動体の抵抗力を計測する従来の装置を説明するためのである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施の形態に係る抵抗力計測装置を模式的に示すブロック図であり、図２は、本実施の形態に係る移動体を模式的に示す概略側面図である。図３は、移動体に設けられた変位計測部の概略側面図である。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１２】
本実施の形態に係る抵抗力計測方法は、図１に示される抵抗力計測装置１０が、一方向への直線運動が可能な被測定体である移動体２０の変位を高速計測し、変位の計測結果から荷重、具体的には抵抗力を求めることにより、移動体の動的な抵抗力を計測するものである。抵抗力計測方法を実行する抵抗力計測装置１０は、図１に示されるように、センサ１０２と、演算部１０４とを備えて構成されている。
【００１３】
センサ１０２は、移動体２０の変位を計測するために移動体２０と離間されて位置および方向が不変に固定された固定式の距離計であり、微小な時間間隔で距離を計測できるようにサンプリングレートが高速であることが好ましい。このようなセンサ１０２としては、例えば渦電流式や高速レーザ式の変位センサが挙げられる。このセンサ１０２により、当該センサ１０２と移動体２０、具体的には移動体２０に設けられた後述する変位計測部４０との間の距離を非接触で検出することができる。
【００１４】
演算部１０４は、センサ１０２により検出された距離に基づいて、移動体２０の変位を算出すると共に、その算出結果に基づいて移動体２０の動的な抵抗力を算出するものである。演算部１０４は、全体の制御を行うＣＰＵ(Central Processing Unit)１０４ａおよびメモリ等の記憶部１０４ｂを有し、これらのハードウェア資源が協働することにより、上述した移動体２０の変位や動的な抵抗力が算出される。これらの演算部１０４による変位および抵抗力の算出方法の詳細については後述する。
【００１５】
移動体２０は、図２に示されるように、レール３０上に移動可能に載置された移動体本体２０２と、移動体２０の移動方向Ａ先端に固定された荷重負荷体２０４と、荷重負荷体２０４の移動方向Ａ先端部の下面に固定された摩擦材２０６と、を備えて構成されており、例えば、摩擦材２０２と相手材５０といった、抵抗力に関わる部材の材料を変えた場合に動的抵抗力がどの程度変わるかを測定する手段、即ち治具である。本実施の形態においては、レール３０は、摩擦が無視できるほど小さい面積で移動体本体２０２と接している。レール３０上には、相手材５０が移動不能に固定されており、摩擦材２０６の下面は相手材５０の上面に接触可能となっている。なお、相手材５０は、レール３０に固定せずに他の部位、例えばレール３０を固定する固定面（地面、床面等）や当該固定面上の構造物に固定または載置するようにしてもよく、その固定手法は適宜である。また、移動体本体２０２の上面には、後述する変位計測部４０が移動不能に固定されている。
【００１６】
このような構成の移動体２０によれば、移動体２０が移動方向Ａにレール３０上を走行した場合、摩擦材２０６が相手材５０上に接触して摺動する形となり、その摺動により生じる摩擦力に応じて、計測されるべき抵抗力Ｂ（ここでは摩擦抵抗力）が荷重負荷体２０４に対して加わることとなる。これにより、移動体本体２０２、変位計測部４０、および移動体本体２０２に連結されるその他の構成物（図示せず）は一体として運動が変化、即ち動的な抵抗力が加えられた状態となる。なお、本実施の形態では、このような構成の移動体２０に対して、上方に且つ変位計測部４０が計測範囲内に位置するようにセンサ１０２が配設されている。このセンサ１０２と変位計測部４０の後述するテーパ面との間の距離ｄは、センサ１０２の計測範囲（計測スパン）内とする必要がある。
【００１７】
移動体本体２０２上に配設されている変位計測部４０は、上面および下面が直角三角形をなす三角柱の側面における、２面で直角を画成する側面のうちの一方を移動体本体２０２上面に当接するようにして取り付けられた鋼製部材である。より具体的には、変位計測部４０は図３に示されるように、移動体本体２０２に当接する移動方向Ａに平行な底面４０２と、底面４０２の移動方向Ａ後端に位置して移動方向Ａに垂直な側面４０４と、側面４０４の高さ方向Ｃ先端から底面４０２の移動方向Ａ先端を結び、移動方向Ａに対して傾斜するテーパ面４０６とを有する。この変位計測部４０の側面４０４の高さ方向Ｃ（移動方向Ａに直交する移動体２０からセンサ１０２を見た垂直方向）における長さａは、センサ１０２の計測スパン（計測範囲）以内の小さな長さとなっており、底面４０２の移動方向Ａにおける長さｂは、長さａより大きな長さとなっている。なお、底面４０２の長さｂは、側面４０４の長さａと同等または短くなっていてもよい。また、テーパ面４０６は、センサ１０２によりセンサ１０２とテーパ面４０６との間の距離ｄ（図２参照）が検出できる素材、例えば、金属素材等で構成されていればよく、必ずしも底面４０２や側面４０４が鋼製である必要はない。
【００１８】
このように構成された抵抗力計測装置１０の抵抗力計測方法について、図４を用いて詳細に説明する。図４（ａ）は移動体が移動する前のセンサと変位計測部との関係を説明するための変位計測部の概略側面図であり、図４（ｂ）は移動体が移動した後のセンサと変位計測部との関係を説明するための変位計測部の概略側面図である。
【００１９】
先ず、抵抗力計測装置１０は、移動方向Ａに沿ってレール３０上を移動する移動体２０の移動方向Ａの変位を算出する。本実施の形態においては、この変位の算出をセンサ１０２による変位計測部４０を対象とした計測により実現している。図４（ａ）および図４（ｂ）に示されるように、センサ１０２とテーパ面４０６との距離ｄは、テーパ面４０６が傾斜しているため、移動体２０の移動に伴う変位計測部４０の移動に応じてｄ0からｄnへと変化する。即ち、移動体２０の移動距離に比例して、センサ１０２とテーパ面４０６との間の距離ｄが連続的に変化するため、変位計測部４０のテーパ面４０６をセンサ１０２の計測対象として、距離ｄの変化をセンサ１０２により連続的に計測することにより、移動体２０の移動方向Ａの変位を算出することが可能となる。
【００２０】
具体的には、センサ１０２が移動体２０の移動に応じて距離ｄを検出し、記憶部１０４ｂに格納する。演算部１０４は、この検出結果を取得し、移動体２０が移動前の初期状態にある時の時刻を基準となる時刻ｔ0とし、時刻ｔ0の時の基準となるテーパ面４０６の変位をＸ0、時刻ｔ0の時のセンサ１０２からテーパ面４０６までの距離（センサ１０２に対向するテーパ面４０６上の一点）をｄ0、移動体２０の移動後の時刻ｔnの時のセンサ１０２からテーパ面４０６までの距離をｄnとし、予めメモリ１０４ｂに格納された、変位計測部４０の側面４０４の長さａの値および底面４０２の長さｂの値とを取得し、時刻ｔ0の時の基準となるテーパ面４０６の変位をＸ0として、下記の変位算出式（１）を用いて、時刻ｔnの時の変位Ｘnを算出する。
【数１】
2017090455.tif 000003
【００２１】
なお、演算部１０４は、センサ１０２による距離ｄの計測の開始に同期して、図示しない外部の駆動装置または移動体２０内部の駆動装置を作動し、移動体２０の移動を開始させるようにすることが好ましい。ここで、前述の駆動装置の作動は、計測開始の初期のみであり、初期以後に移動体２０が摩擦などの抵抗力を受けながら直線運動中は駆動装置を駆動させてはならない。
【００２２】
演算部１０４は、この算出結果、即ち算出した各時刻における変位に基づいて、単位時間当たりの変位の変化量を速度として算出し、算出した単位時間当たりの速度の変化量を加速度とし、当該加速度に荷重負荷体２０４および摩擦材２０６などを含む移動体２０の質量を乗じて荷重負荷体２０４に加わる摩擦抵抗力を算出する。この算出した荷重負荷体２０４に加わる摩擦抵抗力は、移動体２０全体に加わる抵抗力となるため、当該摩擦抵抗力を、移動体２０に加わる動的な抵抗力とすることができる。
【００２３】
本実施の形態によれば、距離計であるセンサ１０２を用いた非接触の計測によって、被測定体となる移動体２０へ加わる動的な抵抗力を計算により求めることができるため、荷重負荷体２０４といった計測系の質量による慣性力の影響を除去することができ、正確な抵抗力の値を得ることができる。
【００２４】
また、変位の計測結果から抵抗力を正確に求めるためには、変位をより微小な時間間隔で記録すること、例えば高速なサンプリングレートの変位計を用いることが好ましく、このような変位計としては渦電流式や高速レーザ式の変位計がある。一方、このようなセンサは計測範囲が数ｍｍ〜数十ｍｍと小さく、移動距離の大きな移動体の変位計測が困難である。しかしながら、本実施の形態によれば、テーパ面４０６を有し、側面４０４の長さａが、センサ１０２の計測範囲以内の小さな長さであり、底面４０２の長さｂが、長さａより大きな長さとなっている変位計測部４０を移動体２０に設けることにより、計測範囲の小さい渦電流式や高速レーザ式のセンサ１０２を用いたとしても、その計測範囲より大きな範囲の変位を計測することができる。したがって、計測された変位と時間とから荷重（抵抗力）に変換する上述した算出方法において、計測誤差をより小さく、延いては極めて精度のよい結果を得ることができる。
【００２５】
なお、本実施の形態においては、変位計測部４０のテーパ面４０６が上方を向いており、その上方にセンサ１０２を配設するとしたがこれに限定されるものではなく、図５（ａ）および図５（ｂ）に示されるように、変位計測部４０のテーパ面４０６が側方を向くように載置し、これに対向するようセンサ１０２を水平方向に離間して設けるようにしてもよい。また、変位計測部４０は、移動体本体２０２上に設けられているが、センサ１０２により距離が検出可能であれば、移動体２０の荷重負荷体２０４等の他の部分に設けてもよく、その配設位置は自在である。また、台形等、テーパ面４０６が形成可能な形状であればよく、移動体２０にテーパ面４０６に対応する斜面が形成されていれば、それを流用することも可能である。更に、変位計測部４０は移動方向Ａに向かうに従い、その高さが漸次減少するようテーパ面４０６が形成されているが、移動方向Ａに向かうに従い、その高さが漸次増加するようテーパ面４０６を形成するようにしてもよい。
【００２６】
また、演算部１０４は、側面４０４の長さａと底面４０２の長さｂとが記憶部１０４ｂに予め記憶されているとしたが、適宜抵抗力計測装置１０のユーザが手入力してもよく、センサ１０２より検出可能であれば、検出するようにしてもよい。
【００２７】
また、本実施の形態においては、移動体２０が摩擦材２０６を有し、摩擦材２０６と相手材５０とが摺動することにより生じる摩擦抵抗力Ｂを動的な抵抗力として計測したが、これに限定されるものではなく、荷重負荷体２０６を介して移動体２０に抵抗力が加えられる状況であれば、上述した抵抗力計測方法により、その抵抗力を計測できることは言うまでもない。
【００２８】
本発明は、その要旨または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、全て本発明の範囲内のものである。
【００２９】
なお、特許請求の範囲に記載の抵抗力計測装置は、例えば、前述の実施の形態における抵抗力計測装置１０であり、移動体は例えば移動体２０である。本体は例えば移動体本体２０２であり、荷重負荷体は例えば荷重負荷体２０４である。変位計測部は例えばセンサ１０２および演算部１０４であり、抵抗力算出部は例えば演算部１０４である。変位計測部は例えば変位計測部４０であり、変位計測面は例えばテーパ面４０６である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  抵抗力計測装置、２０  移動体、２０２  移動体本体、２０４  荷重負荷体、４０  変位計測部、４０６  テーパ面。
【図１】
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【図２】
2017090455.tif 000006
【図３】
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【図４】
2017090455.tif 000008
【図５】
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【図６】
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