技術紹介

FBGセンサによるフラットベルト上のロードホイール回転時の高速動ひずみ計測
荒川 敬弘 *

中島 富男 **Ta k a h i r o A r a k a w a

To m i o N a k a j i m a

著者らは、光ファイバセンサの一つである FBG（Fiber Bragg Grating）センサからの反射光を光学フィルタに通し、透過光と反射光の光強度を電圧に変換してひずみを計測する方式が、高速動ひずみの計測に優れ、また回転物に FBG センサを取り付け、光ファイバ・ロータリジョイント（Fiber Optical Rotary Joint＝ FORJ）を介して光信号を外部に取り出すことにより回転物の高速動ひずみを監視できることを既に報告している（１）。今回、自動車用のロードホイールのディスク部およびリム部に FBG センサを取り付け、路上走行を模擬したフラットベルト上でタイヤを時速 200km までの速度で回転させたときの動ひずみを低雑音で計測できたので報告する。このとき取得したひずみ波形は低速回転から高速回転まで相似であり、周波数解析結果より回転次数成分はロードホイールの回転数増加につれて、高周波数側へ移動するだけで、雑音によるスペクトルの劣化はなかった。また、高速回転時には、100kHz 以上の高い周波数帯域にロードホイールの弾性変形に伴う共振と考えられるピークも観察された。

キーワード：FBG センサ、動ひずみ、光学、ひずみ計測、ロードホイール、フラットベルトなシステムで耐衝撃にも優れた長所を持つと考1．はじめにえ、産総研との共同研究を通して、これの特長を近年、各種の光ファイバを用いたひずみや変位生かした適用開発に取り組んできた。この度、当などの計測システムが提案され、さらなる実用化社が開発したフラットベルト上を高速で回転するに向けて着々と研究が進められている。著者らは自動車のロードホイールに発生するひずみをリアFBG センサからの反射光を透過光ポートと反射ルタイムに計測することができたので報告する。

光ポートを有する光学フィルタに通し、各々のフラットベルトとは、路上での走行状態をよりポートの光強度を電圧に変換する産総研（独立行

忠実に再現するために、路面に近いフラットなベ政法人

計測フロンティア

ルトを回転させる装置である。なお、輪荷重（車研究部門）殿が提案されている方式が、高速動ひ輪の荷重が一点に作用する場合の荷重）を模擬しずみの計測に優れており、かつ比較的コンパクトて、10kN までの垂直荷重をタイヤに負荷するこ

産業技術総合研究所＊フェロー 工学博士＊＊ 研究開発センター

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とが可能である。このとき、フラットベルトの平坦さはエアベアリングにより維持している。ロー
ドホイールに発生する動ひずみを時速 200km の高速条件において低雑音で計測できた。取得したひずみ信号の周波数解析によりタイヤの回転高次

図1成分およびロードホイールの弾性共振と思われる

FBG センサの構造の模式図信号を計測することができた。
2．計測システム
FBG（Fiber Bragg Grating）とは、光ファイバコ
アの軸線の屈折率を周期的に変化させ、一次元のブラッグ回折格子を形成させたものである。図１に FBG の構造を模式的に示す。この FBG からの反射光は、FBG 部の有効屈折角とブラッグ格子間隔により決まる特定の波長のみの光となる。こ

図 2 WDM フィルターを用いた
FBG センサ計測システムの構成図の波長をブラッグ波長と呼ぶ。FBG にひずみが加わってブラッグ格子間隔が変化すると、FBGからの反射光の波長が変化する。この性質をセンサとして利用する。FBG 反射光の波長の計測には、光スペクトルアナライザがよく用いられているが、光スペクトルアナライザは回転機構を有する回折格子とミラーを組合せて波長ごとの光強度を測定するため、掃引時間に数秒を要することがあり、高速での動ひずみの計測は不可能である。
高速の動ひずみの計測を可能にするために、光学 フ ィ ル タ を 用 い て い る。 図 2 に 示 す よ う に、FBG センサからの反射光は、光サーキュレータ

図3を介して WDM フィルタと呼ばれる光学フィルタ

WDM フィルタの特性に導かれる。
WDM（Wavelength Division Multiplexing 波 長 分割多重）フィルタは、光ファイバを伝播する光をラッグ波長をこの遷移領域Ⅱを利用して推定する短波長帯域Ⅰと長波長帯域Ⅲの二つの帯域に分割ことが可能である。

するものである。図 3 に使用した WDM フィル

予 め、FBG セ ン サ か ら の 反 射 光 の 波 長 が、タの特性を示しているが、短波長帯域Ⅰと長波長

WDM フィルタの遷移領域Ⅱの波長範囲に位置す帯域Ⅲの間に、透過率と反射率が順次変化する遷るようにしておくと、FBG センサにひずみが負移領域Ⅱが存在する。FBG センサで変化するブ荷されブラッグ波長が変化すると、WDM フィル

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波長を測定する方式に比べて、本方法は間接的ではあるが、光電変換器で変換した電圧により測定するもので、高速の動ひずみの計測が可能であり、また、システムがコンパクトに構成でき、衝撃性に強い特徴が得られている。同一の光ファイバで複数の箇所のひずみを同時計測する場合には、ブラッグ波長の異なる複数の FBG センサを直列に繋ぎ、それぞれの反射光の波長に対して波長遷移領域Ⅱを有する複数の WDM フィルタを組み合わ

図4

無次元量 R 値と波長の関係せることによりそれぞれの箇所のひずみを分離できる。
回転物に FBG センサを取り付けて回転物に発生するひずみを監視するには、光信号を回転物から外部に取り出す仕組みが必要となる。ここでは
光ファイバ・ロータリジョイント（Fiber OpticalRotary Joint ＝ FORJ）（図 5）を用いた。すなわち、ロードホイールの回転と共に回転する軸と、固定した軸との軸心を通して光信号の伝達を行っている。
なお、FBG センサからの反射光の波長は、FBGセンサに加わるひずみの他にも、温度による光ファイバの屈折率の変化にも強い影響を受ける。

図 5 光ファイバ・ロータリジョイント（Fiber Optical Rotary Joint ＝ FORJ）の外観

通常はひずみの加わらない状態の FBG センサをダミーに用いて温度の影響を測定し、これにより補正を行うのが一般的である。回転体の測定を行

タを透過した反射光と透過光の光強度は変化すう本試験においては、回転体のひずみ変動は周期る。WDM フィルタを通過した透過光と反射光を的な変化を示すのに対し、温度による変化は連続光電変換器に接続して、光強度を電圧信号 VT とした変化と予測されるので、これを分離するアルVR に変換する。この電圧信号 VT と VR から次式ゴリズムを用いて補正している。すなわち、ダミーに示す無次元量 R 値を定義している。の FBG センサを設置することなしに、コンピューR ＝（VR − VT）／（VR ＋ VT） …

（1）

ター上のソフトにより補正している。

この R 値と波長の関係を予め測定しておけば、3．ロードホイールの高速動ひずみ計測計測した R 値より FBG センサからの反射光の波長を推定することができる。図 4 に測定した R

3.1

値と波長の関係を示す。

図 6 に示すように、ロードホイールのディス先に述べた、光スペクトルアナライザを用いて

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試験方法

ク部の中央部とより車軸に近い側の 2 箇所および44

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図 7 フラットベルト上でのロードホイールのひずみ計測の様子

図 6 ロードホイールへのFBG センサ取り付けの様子

図 8 エアベアリングの構造の模式図

リム部に 1 箇所 FBG センサを取り付け、それぞは、ベルトを回転させる機構（速度可変）を持つれ半径方向及び周方向の動ひずみを計測した。用とともに、タイヤより負荷される垂直荷重をエアいた FBG センサは、無ひずみ（常温）での反射ベアリングで支持しベルトをゆがませることな波長が 1550nm、半値幅 0.2nm である。FBG セン

く、道路上での走行を模擬するためにフラットのサよりの光信号は、軸心部に取り付けた光ファイ状態を維持する機構を有している。図 8 にエアバ・ロータリジョイント（公称回転数：2000rpm

ベアリングの構造を模式的に示しているが、オリ以下）を介して外部に取り出した。

フィスより高圧の空気を噴出させて、ベルトのフラットな状態を維持させている（2）。

測定は、図 7 に示すように、フラットベルト

なお、用いたタイヤは、225/60R17、ロードホイー上のロードホイールに垂直荷重 4kN を負荷して、ル は 17 × 6.5JJ

フラットベルトの速度を変化させ、一般道路での09̲FBGセンサ.indd 45
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ハブ径 60 のものである。試験は時速 200km ま走行を模擬して試験した。なお、フラットベルト

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⒜ 時速 30km 走行におけるディスク部の 1 秒間のひずみ履歴⒜ 時速 30km 走行におけるリム部の 1 秒間のひずみ履歴⒝ 時速 200km 走行におけるディスク部の 0.2 秒間のひずみ履歴⒝ 時速 200km 走行におけるリム部の 0.2 秒間のひずみ履歴

図 9 時速 30km 及び 200km 走行時のロードホイールディスク部のひずみ履歴

図 11 時速 30km 及び 200km 走行時のロードホイールリム部のひずみ履歴⒜ 時速 30km 走行におけるひずみ履歴の周波数解析結果⒜ 時速 30km 走行におけるひずみ履歴の周波数解析結果⒝ 時速 200km 走行におけるひずみ履歴の周波数解析結果⒝ 時速 200km 走行におけるひずみ履歴の周波数解析結果

図 10 時速 30km 及び 200km 走行時のロードホイールディスク部のひずみ履歴の周波数解析結果

図 12 時速 30km 及び 200km 走行時のロードホイールディスク部のひずみ履歴の周波数解析結果

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でを模擬して行ったが、時速 30km 時のロードホ

200km 試験においては、時速 30km 試験では観察

イ ー ル の 回 転 数 は 240rpm に、 時 速 200km で はされなかった 100Hz 〜 450Hz の周波数のピーク1500rpm の回転数に相当した。

が観察されている。これらは、ロードホイールの弾性変形に伴う共振と考えられる。100Hz から

3.2

試験結果及び考察

400Hz の周波数帯域は、高速走行時に車室内騒音

図 9 に、ロードホイールのディスク部中央にの原因となるロードノイズの周波数帯域に相当す取り付けた FBG センサによる半径方向のひずみる。本計測手法は、ロードホイールを伝達系とすを計測したときのひずみ波形を示している。（a）

る車両の振動・騒音試験に適用できる可能性を示

図は時速 30km における計測結果であり、1 秒間すものと考えられる。ここで示した結果より、光の横軸の間隔に周期的に 4 つの波形が現れてお学フィルタを用いた FBG センサによるひずみ計

り、4Hz のサイクルで 240rpm のホイールの回転測システムは高速での動ひずみ解析に有効な手段数に一致している。（b）図は時速 200km での計と考えられる。

測 結 果 で、0.2 秒 間 に 周 期 的 に 5 波 形 が あ り、なお、ディスク部でよりリム部側に取り付けた25Hz、つまり 1500rpm に相当する。

FBG セ ン サ の 計 測 で は、 ひ ず み 値 は 小 さ い が、

1 周 期 に お け る ひ ず み 波 形 の 傾 向 は、 時 速中央部とほぼ同様の傾向が得られている。

30km と時速 200km で大差なく、A 点における最図 11 に、ロードホイールのリム部に取り付け大の圧縮ひずみを受け、B 点で最大の引張ひずみ

た FBG センサにより周方向のひずみを計測したに変わり、C 点のほぼ無ひずみ状態を経て、D 点ときのひずみ履歴を示している。FBG センサがの再度最大の引張ひずみに変化しているのがわかフラットベルトとの接地点に位置すると考えられる。A 点においては、FBG センサを取り付けたディる A 点において、最大の引張ひずみが計測されスクの位置が、車軸とフラットベルトとの接地点ており、FBG センサが上方に位置して荷重の影との間に位置して最大の圧縮ひずみを受けてい響を受けない C 点において無ひずみ状態となるる。逆に C 点では、ホイールが 180 度回転したことが観察されている。また、A 点と C 点との状態での計測で、無負荷状態になっている。これ中間においてそれぞれ圧縮のひずみが計測されてに対して± 90 度回転した位置では逆に引張のひいる。最大の引張ひずみは、時速 30km の場合にずみを受けているのがわかる。

は約 20me であるのに対して、時速 200km では約なお、時速 30km の計測に対して、時速 200km2 倍の 40me と高くなることも観察されている。

計測の場合に、最大の圧縮ひずみはやや小さめのひずみ履歴の周波数解析結果を図 12 に示して値になるのに対し、最大の引張ひずみは、時速いる。ディスク部での観察結果と同様に、ロード30km の場合は約 50me に対し、時速 200km ではホイールの回転一次成分及び二次、三次成分の約 75me と大きくなっているのも観察されている。

ピークが観察されており、また、時速 200km の一方、得られたひずみサイクルの周波数解析結場合に、時速 30km では観察されていない 100Hz果を図 10 に示している。それぞれ回転一次の周を超える帯域での弾性変形に伴う共振が観察され波数は、時速 30km 試験では 4Hz に、時速 200kmている。リム部の周波数解析結果で特徴的なこと

試験では 25Hz に現れており、それぞれ二次、三は、回転一次成分より回転二次成分の方が大きい次と回転高次成分も観察されている。一方、時速ことである。これはロードホイールのリムは回転̶09̲FBGセンサ.indd 47
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数の 2 倍の周波数で加振されていることを表してトルの劣化は無かった。

いる。

本試験結果より、FBG センサを用いて、回転中のロードホイールの動ひずみ計測は十分可能で４．まとめあると考える。

FBG セ ン サ を 使 用 し 高 速 回 転 す る 自 動 車 用

参考文献

ロードホイールの動ひずみ計測が低雑音で可能なことを確認した。

1）中島、荒川：FBG センサによる高速動ひずみ

取得したひずみ波形は低速回転から高速回転まで相似であった。

計測技術について、IIC REVIEW No.38（2007

周波数解析結果からは回転次年 10 月）、p.p.37-44

数成分はロードホイールの回転数増加につれて、2）社会や産業の安心・安全に寄与する製品展開、高周波数側へ移動するだけで、雑音によるスペク

IIC REVIEW No.40（2008 年 10 月）、p.p.105-109

フェロー研究開発センター

工学博士

課長

荒川 敬弘

中島 富男

TEL. 045-759-2927

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FAX. 045-759-2155

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