JP6561802B2

JP6561802B2 - 動的荷重測定装置及び補正プログラム

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Publication number: JP6561802B2
Application number: JP2015232180A
Authority: JP
Inventors: 智史広瀬; 考基中村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2035-11-27
Also published as: JP2017096888A

Description

本発明は、動的荷重測定装置及び補正プログラムに関する。

特許文献１には、試験体の動的変形特性を測定する動的荷重計測装置が開示されている。この動的荷重測定装置は、動的荷重の作用開始点と荷重検出部の支持構造が直線的に配置され、かつ、作用開始点、試験体、荷重検出部、及び、荷重検出部と隣接する、荷重検出部の支持構造が、この順に配置されている。また、この動的荷重測定装置は、荷重検出部が円柱状であり、その直径Ｄ（ｍｍ）と、長さＬ（ｍｍ）の比が、０．３≦Ｌ／Ｄ≦３を満たし、３０ｍｍ≦Ｌ≦３００ｍｍ、８０ｍｍ≦Ｄであり、かつ、５×（荷重検出部の断面積）＜（荷重検出部と隣接する、荷重検出部の支持構造の断面積）を満たしている。

特許文献２には、引張荷重又は圧縮荷重を計測する円柱状の荷重検出部、及び該荷重検出部の軸線方向の両端部に設けられた一対の保持部を有する荷重計測装置が開示されている。当該荷重計測装置は、一対の保持部と上記荷重検出部とが一体に、且つ一対の保持部における荷重検出部の軸線と直交する断面の断面積が、荷重検出部における該軸線と直交する断面の断面積よりも大きく形成された複数の荷重計測部材と、各荷重計測部材の一方側の保持部が連結された、引張荷重又は圧縮荷重を作用させる単一の接触部材と、各荷重計測部材の他方側の保持部が連結された単一の支持部材と、を備えている。また、この荷重計測装置において、上記複数の荷重計測部材は、上記接触部材と支持部材との間に、各荷重検出部の軸線方向が相互に平行となるように並列に配設されている。さらに、この荷重計測装置において、上記接触部材及び支持部材は、上記荷重計測部材の荷重検出部の軸線と直交する断面の断面積が、各荷重検出部における該軸線と直交する断面の断面積よりも大きく形成されている。

特許第４７４１２７２号公報特開２０１３−１９７７１号公報

外周面にひずみゲージが配置されている円柱と、円柱の端面に設けられ、動的荷重を受ける受け部とを含むロードセルを備え、ひずみゲージの出力を線形処理して動的荷重を測定する構成が知られている。この構成の場合、受け部が動的荷重を受ける位置が軸心から離れるほど、動的荷重の測定精度が低くなる。

本発明は、受け部が円柱の軸心からずれた位置で動的荷重を受ける場合であっても、動的荷重を高精度に測定するための動的荷重測定装置又は補正プログラムの提供を目的とする。

本発明に係る動的荷重測定装置は、円柱と、該円柱の軸方向から見て前記円柱の全周からはみ出した状態で前記円柱の一端に設けられ、動的荷重を受ける受け部と、前記軸方向から見て前記全周からはみ出した状態で前記円柱の他端に設けられ、前記円柱を支持する支持部と、前記軸方向から見て、隣同士で形成するすべての中心角がそれぞれ１８０°以下となるように前記円柱の外周に配置されている複数のひずみゲージと、前記複数のひずみゲージの各出力から動的荷重に関する第１データ及びモーメント長に関する第２データを算出し、前記第１データを予め定められた前記第２データに対する前記第１データの補正比で補正して動的荷重を特定する補正部と、を備えている。

本発明に係る動的荷重測定装置は、複数のひずみゲージの各出力から動的荷重に関する第１データ及びモーメント長に関する第２データを算出し、第１データを予め定められた第２データに対する第１データの補正比で補正して動的荷重を特定している。そのため、本発明に係る動的荷重測定装置は、受け部が円柱の軸心からずれた位置で動的荷重を受ける場合であっても、動的荷重を高精度に測定することができる。

本発明に係る補正プログラムは、コンピュータを、本発明の動的荷重測定装置における前記補正部として機能させる。

本発明に係る動的荷重測定装置によれば、受け部が円柱の軸心からずれた位置で動的荷重を受ける場合であっても、動的荷重を高精度に測定することができる。また、本発明に係る補正プログラムによれば、動的荷重測定装置の受け部が円柱の軸心からずれた位置で動的荷重を受ける場合、動的荷重を高精度に測定することができる。

本実施形態の動的荷重測定装置の概略図（斜視図）である。本実施形態の動的荷重測定装置の概略図（正面図）である。本実施形態の動的荷重測定装置を構成する本体を、図２における３−３断面線で切った断面図である。本実施形態の動的荷重測定装置を構成するロードセルに測定対象物を取り付けた状態を示す概略図（正面図）である。本実施形態の動的荷重測定装置を構成するデータ処理部（ブロック図）と、本体を構成する複数のひずみゲージからデータ処理部を構成する複数のブリッジ回路に送られる入力信号と、データ処理部を構成するＣＰＵにより特定された動的荷重の出力信号と、の関係（信号処理の流れ）を示す模式図である。本実施形態のロードセルを構成する受け部が動的荷重を受けた後に、ロードセルを構成する円柱の軸方向に伝搬する応力波のエネルギーの大きさを表すグラフである。本実施形態のデータ処理部によるデータ処理のフロー図である。本実施形態の補正プログラムで、データＤ１及びデータＤ２を算出する際のモデルを示す図である。本実施形態のデータ処理部による補正プログラムで補正される第２データに対する第１データの補正比を示すグラフである。受け部が動的荷重を受けた状態において、軸方向から見た円柱における応力分布についてのシミュレーションの結果を示す図であって、受け部がオフセット量０ｍｍの位置（軸Ｏの位置）で動的荷重を受けた場合の応力分布である。受け部が動的荷重を受けた状態において、軸方向から見た円柱における応力分布についてのシミュレーションの結果を示す図であって、受け部がオフセット量５０ｍｍの位置（軸Ｏから５０ｍｍずれた位置）で動的荷重を受けた場合の応力分布である。受け部が動的荷重を受けた状態において、軸方向から見た円柱における応力分布についてのシミュレーションの結果を示す図であって、受け部がオフセット量１００ｍｍの位置（軸Ｏから１００ｍｍずれた位置）で動的荷重を受けた場合の応力分布である。受け部が動的荷重を受けた状態において、軸方向から見た円柱における応力分布についてのシミュレーションの結果を示す図であって、受け部がオフセット量１４１ｍｍの位置（軸Ｏから１４１ｍｍずれた位置）で動的荷重を受けた場合の応力分布である。受け部が動的荷重を受けた状態において、円柱における軸から＋Ｘ方向（横方向）半分の部分の形状についてのシミュレーションの結果を示す図であって、（Ａ）は受け部がオフセット量０ｍｍの位置（受け部における円柱の軸Ｏに重なる位置）で動的荷重を受けた場合の模式図、（Ｂ）は受け部がオフセット量５０ｍｍの位置（受け部における円柱の軸Ｏから５０ｍｍずれた位置）で動的荷重を受けた場合の模式図、及び、（Ｃ）は受け部がオフセット量１００ｍｍの位置（受け部における円柱の軸Ｏから１００ｍｍずれた位置）で動的荷重を受けた場合の模式図である。受け部が動的荷重を受けた状態において、円柱における軸方向のひずみ分布についてのシミュレーションの結果（実線）と、円柱の内部が線形に変形したと仮定した場合のひずみ分布についての結果（破線）とを示すグラフであって、受け部がオフセット量０ｍｍの位置（受け部における円柱の軸Ｏの位置）で動的荷重を受けた場合のグラフである。受け部が動的荷重を受けた状態において、円柱における軸方向のひずみ分布についてのシミュレーションの結果（実線）と、円柱の内部が線形に変形したと仮定した場合のひずみ分布についての結果（破線）とを示すグラフであって、受け部がオフセット量５０ｍｍの位置（受け部における円柱の軸Ｏから５０ｍｍずれた位置）で動的荷重を受けた場合のグラフである。受け部が動的荷重を受けた状態において、円柱における軸方向のひずみ分布についてのシミュレーションの結果（実線）と、円柱の内部が線形に変形したと仮定した場合のひずみ分布についての結果（破線）とを示すグラフであって、受け部がオフセット量１００ｍｍの位置（受け部における円柱の軸Ｏから５０ｍｍずれた位置）で動的荷重を受けた場合のグラフである。受け部が異なる大きさの動的荷重を受けた状態において、補正プログラムにより補正する前の動的荷重に対する実際の動的荷重の関係を示すグラフであって、＋Ｘ方向のオフセット量を変更した場合のグラフである。本実施形態の受け部が異なる大きさの動的荷重を受けた状態において、補正プログラムにより補正した動的荷重に対する実際の動的荷重の関係を示すグラフであって、＋Ｘ方向のオフセット量を変更した場合のグラフである。受け部が異なるオフセット量で動的荷重を受けた場合において、シミュレーションの結果と、補正プログラムにより補正して動的荷重を特定した場合の結果と、線形処理プログラムのみで動的荷重を特定した場合の結果と、比較したグラフである。（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、変形例のロードセルの断面図である。変形例のロードセルの断面図である。

≪概要≫
以下、本実施形態の動的荷重測定装置１０（図１及び図２参照）について説明する。まず、本実施形態の動的荷重測定装置１０の構成について説明する。次いで、本実施形態の動的荷重測定装置１０を用いた動的荷重の測定方法について説明する。次いで、本実施形態の効果について説明する。

なお、以下の説明では、図中における矢印Ｈの方向（＋Ｈ方向及び−Ｈ方向）を装置高さ方向とし、＋Ｈ方向を装置高さ方向上側、−Ｈ方向を装置高さ方向下側とし、特段の事情がない限り、単に上側、下側とする。また、図中における矢印Ｘの方向（＋Ｘ方向及び−Ｘ方向）を装置幅方向、矢印Ｈ方向及び矢印Ｘ方向に直交する方向を、すなわち図中の矢印Ｙ方向（＋Ｙ方向及び−Ｙ方向）を装置奥行き方向とする。

≪構成≫
本実施形態の動的荷重測定装置１０は、動的荷重を測定する機能を有する。動的荷重測定装置１０は、図１及び図２に示されるように、ロードセル２０と、データ処理部３０と、を含んで構成されている。

＜ロードセル＞
ロードセル２０は、図２に示されるように、本体４０と、複数のひずみゲージ５０と、を含んで構成されている。

［本体］
本体４０は、図１及び図２に示されるように、円柱４２と、受け部４４と、支持部４６と、を含んで構成されている。本実施形態の本体４０は、一例として鋼材（鉄）の塊が削り出されて製造されている。すなわち、円柱４２と、受け部４４と、支持部４６とは、一体的に構成されている。なお、受け部４４と、支持部４６とは、円柱４２を挟んで、円柱４２の両端に設けられている。

〔円柱〕
円柱４２は、受け部４４が動的荷重を受けると、受け部４４が動的荷重を受ける位置（荷重点）及び動的荷重の大きさに応じて異なる形状に弾性変形するようになっている。また、円柱４２は、受け部４４が動的荷重を受けることで発生される波（応力波）を円柱４２の軸方向に伝搬させる機能を有する。なお、本実施形態の円柱４２（本体４０）は、その軸（図２及び図３における符号Ｏ）が装置高さ方向に沿った状態で配置されている。

円柱４２の直径Ｄは、一例としてφ８５ｍｍとされている。また、円柱の（軸方向の）長さＬＡは４５ｍｍ、すなわち、本実施形態の円柱４２の長さＬＡは１５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下とされている。また、長さＬＡを直径Ｄで除した値（ＬＡ／Ｄ）は約０．５３、すなわち、本実施形態のＬＡ／Ｄは０．３以上３．０以下とされている。

〔受け部〕
受け部４４は、動的荷重を受ける機能を有する。本実施形態の受け部４４は、一例として、幅Ｗが２００ｍｍ、奥行きＣが２００ｍｍ、厚みＴが７５ｍｍの直方体とされている。また、受け部４４は、円柱４２の軸方向から見て（装置高さ方向から見て）、円柱４２の全周（全外周）からはみ出して、軸Ｏに中心を合わせた状態で、円柱４２の一端（上端）に設けられている。

受け部４４の上面には、複数のねじ穴（図示省略）が形成されている。そして、受け部４４の上面には、図４に示されるように、測定対象物１００が固定された板１０２が取り付けられるようになっている。なお、本実施形態の測定対象物１００は、一例として、自動車（図示省略）のフロントサイドメンバーとされている。

〔支持部〕
支持部４６は、円柱４２を支持する機能を有する。また、支持部４６は、受け部４４で発生されて円柱４２に伝搬された応力波を反射させる機能を有する。本実施形態の支持部４６は、一例として、幅Ｗが２００ｍｍ、奥行きＣが２００ｍｍ、厚みＴが７５ｍｍの直方体、すなわち、受け部４４と同一の形状とされている。また、支持部４６は、図３に示されるように、円柱４２の軸方向から見て（装置高さ方向から見て）、円柱４２の全周（全外周）からはみ出して、軸Ｏに中心を合わせた状態で円柱４２の下端（すなわち、上端を一端とした場合の他端）に設けられている。なお、図３は図２のロードセル２０の３−３線断面図であるが、支持部４６の外周には受け部４４の外周が重なっている。

なお、支持部４６における円柱４２の軸に直交する（仮想）直交面で切った支持部４６の断面積Ｓ１は２００ｍｍ×２００ｍｍ（＝４００００ｍｍ^２）であり、円柱４２における軸に直交する直交面で切った円柱４２の断面積Ｓ２は（８５ｍｍ／２）^２×π（＝５６７５ｍｍ^２)であることから、断面積Ｓ１は、断面積Ｓ２の約７倍とされている。別の見方をすると、断面積Ｓ２は断面積Ｓ１の約１／７であり、すなわち、断面積Ｓ２は断面積Ｓ１の１／５よりも小さい。また、支持部４６の下面は、動的荷重測定装置１０の筐体（図示省略）に固定されている。

［複数のひずみゲージ］
複数のひずみゲージ５０は、図３に示されるように、一例として、円柱４２の軸方向から見て、軸Ｏ（軸心Ｏ）に対して対称に（軸対称に）円柱４２の外周に配置されている。ここで、「軸対称に配置されている」とは、円柱４２の軸方向から見て、円柱４２の軸Ｏを挟んでひずみゲージ５０が対向して配置されていることを意味する。また、複数のひずみゲージ５０は、図２に示されるように、それぞれ円柱４２の軸方向中央に配置されている。本実施形態において円柱４２の外周に配置されている複数のひずみゲージ５０の個数は、一例として１２個とされている。また、本実施形態では、円柱４２の軸方向から見て、隣り合って配置されている（隣り同士の）各ひずみゲージ５０が軸心Ｏに形成する角度（中心角）θは３０°、すなわち、すべての中心角θはそれぞれ１８０°以下とされている。なお、ひずみゲージ５０から得られるデータを処理するために、ひずみゲージ５０は、軸対称かつ等間隔離れた状態で配置されていることが望ましい。本実施形態のひずみゲージ５０は、一例として等方性導体を用いた、金属ひずみゲージとされている。ただし、ひずみゲージ５０には、金属ひずみゲージに換えて、半導体ひずみゲージを用いてもよい。

＜データ処理部＞
データ処理部３０は、複数のひずみゲージ５０からの各出力Ｓを用いて動的荷重を特定する機能を有する。具体的に、データ処理部３０は、複数のひずみゲージ５０の各出力Ｓから動的荷重に関するデータＤ１及びモーメント長Ｌに関するデータＤ３を算出し、データＤ１を予め定められたデータＤ３に対するデータＤ１の補正比（図９参照、以下、補正比γという。）で補正して動的荷重を特定するようになっている（図７参照）。ここで、データ処理部３０は、補正部の一例である。また、データＤ１は第１データの一例、データＤ３は第２データの一例である。以下、データ処理部３０について、構成と、処理のアルゴリズムとについて図面を参照しつつ説明する。なお、前述の各出力Ｓは、測定対象物１００に動的荷重が付与された際に発生するものである。

データ処理部３０は、図５に示されるように、演算装置３２と、複数のブリッジ回路３４と、記憶装置３６と、を含んで構成されている。ここで、本実施形態の演算装置３２は一例としてＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置３６は一例としてＲＯＭ（Read Only Memory）とされている。記憶装置３６には、後述する補正プログラム３６Ａが収容されている。また、記憶装置３６以外のデータ処理部３０（データ処理部３０の一部３０Ａ）は、コンピュータの一例である。

本実施形態では、複数のブリッジ回路３４の個数が一例として１２個とされており、各ブリッジ回路３４と各ひずみゲージ５０とは、それぞれ接続されている。また、複数のブリッジ回路３４と、記憶装置３６とは、演算装置３２に接続されている。なお、本実施形態では、ひずみゲージ５０とブリッジ回路３４とは、別の構成であるとして説明するが、互いに接続されているひずみゲージ５０とブリッジ回路３４とを含む構成を、ひずみゲージ５０と捉えてもよい。

なお、データ処理部３０による各出力Ｓを用いての動的荷重の特定の方法及び補正プログラム３６Ａについては、後述する動的荷重の測定方法の説明の中で説明する。

以上が、本実施形態の動的荷重測定装置１０の構成についての説明である。

≪測定方法≫
次に、本実施形態の動的荷重測定装置１０を用いた動的荷重の測定方法について、図面を参照しつつ説明する。以下の説明では、まず、ロードセル２０を構成する本体４０の弾性変形について説明し、次いで、データ処理部３０によるデータ処理方法について説明する。次いで、データ処理方法において、各出力ＳからデータＤ１、データＤ２及び後述するデータＤ３を算出して、算出したデータＤ１の補正比γ（図９参照）を算出して、データＤ１に導出した補正比γを乗じて補正することの技術的意義（以下、補正の技術的意義という。）について説明する。なお、補正比γは、図９に示されるように、モーメント長Ｌをパラメータとする関数である。

＜本体の弾性変形＞
まず、作業者は、図４に示されるように、測定対象物１００が固定された板１０２を受け部４４の上面に取り付ける。

次いで、作業者は、動的荷重測定装置１０の操作パネル（図示省略）を操作して、測定対象物１００の上側に保持されている衝撃付与部材（図示省略）を落下させる。その結果、衝撃付与部材が測定対象物１００に衝突して、受け部４４は動的荷重を受ける。これに伴い、受け部４４は、弾性変形して応力波を発生させる。

受け部４４が弾性変形すると、円柱４２は、受け部４４の弾性変形に伴い弾性変形する。また、円柱４２は、受け部４４に発生された応力波を軸方向に伝搬させる。

円柱４２の軸方向に伝搬した応力波は、上側から下側に進行し、支持部４６における円柱４２との境界部分に到達して、反対方向（下側から上側）に反射する。次いで、反射した応力波は、受け部４４における円柱４２との境界部分に到達して、さらに反対方向（上側から下側）に反射する。そして、上記２つの境界部分による反射を繰り返して円柱４２の軸方向において重ね合わされる応力波が飽和した状態（応力波のエネルギーが最大の状態）になると（図６参照）、本体４０が最も弾性変形した状態（ひずんだ状態）となる。

以上が、動的荷重測定装置１０を用いた動的荷重の測定方法に伴うロードセル２０の本体４０の弾性変形についての説明である。

＜データ処理部によるデータ処理方法＞
次に、データ処理部３０によるデータ処理方法、すなわち、各出力Ｓを用いての動的荷重の特定の方法について、図７〜図９を参照しつつ説明する。

受け部４４が動的荷重を受けて円柱４２が弾性変形すると、複数のひずみゲージ５０に接続されている各ブリッジ回路３４の各出力Ｓが、演算装置３２に入力される（図５参照）。なお、各出力Ｓとしては、応力波が飽和した状態での出力が想定されている。

次いで、演算装置３２は、記憶装置３６の補正プログラム３６Ａを用いて、各出力Ｓから動的荷重に関するデータＤ１と、モーメントＭに関するデータＤ２とを算出する。ここで、補正プログラム３６Ａは、データＤ１、データＤ２及びデータＤ３を算出して、補正比γ（図９参照）を算出して、補正比γをデータＤ１に乗じることでデータＤ１を補正して、動的荷重を特定するためのプログラムである。

データＤ１は、各出力Ｓを円柱４２の断面積で面積分した積分値に、予め定められた係数（以下、係数ｋ１という。）を乗じて算出される。具体的に、データＤ１は、下記の式（数１）により求められる。係数ｋ１とは、円柱４２の形状、弾性率その他のパラメータにより定められる。なお、下記の式（数１）のＦに係数ｋ１を乗じると、データＤ１が算出される。

ここで、上記の式（数１）における各パラメータの意味は以下のとおりである。
・N_i：形状関数
・ξ、η：正規化座標
・Ｊ：ヤコビアンマトリックス
なお、ξ、ηは、図８におけるＸ−Ｙ平面座標における位置Ｐの座標（x、y）に対応する正規化座標の各成分を示す。

また、データＤ２は、各出力Ｓに円柱４２の断面の半径（Ｄ／２）から求められる各出力の位置のＸ座標値（Ｘi）、またはＹ座標値（Ｙi）を乗じた値（Ｍyi、Ｍxi）を、円柱４２の断面積で面積分した積分値に、予め定められた係数（以下、係数ｋ２という。）を乗じて算出される。具体的に、データＤ２は、下記の式（数２）により求められる。係数ｋ２とは、円柱４２の形状、弾性率その他のパラメータにより定められる。なお、下記の式（数２）のＭに係数ｋ２を乗じると、データＤ２が算出される。

ここで、上記の式（数２）における各パラメータの意味は以下のとおりである。
・Ｍ_ｘi：座標（Ｘi、Ｙi）におけるモーメントのｘ成分
・Ｍ_ｙi：座標（Ｘi、Ｙi）におけるモーメントのｙ成分
・Ｍ_ｘ：座標（ｘ、ｙ）におけるモーメントのｘ成分
・Ｍ_ｙ：座標（ｘ、ｙ）におけるモーメントのｙ成分
・ξ、η：正規化座標におけるx、yに対応する成分（図８参照）
・Ｊ：ヤコビアンマトリックス

次いで、演算装置３２は、補正プログラム３６Ａを用いて、モーメント長Ｌに関するデータＤ３を算出する。具体的に、データＤ３は、下記の式（数３）のとおり、データＤ２をデータＤ１で除して算出される。なお、下記の式（数３）のＬに定められた係数（係数ｋ３という。）を乗じると、データＤ３が算出される。

次いで、演算装置３２は、記憶装置３６の補正プログラム３６Ａを用いて、算出したデータ１に対応する補正比γ（図９参照）を導出し、算出したデータＤ１に導出した補正比γを乗じることでデータＤ１を補正して動的荷重を特定する。以上のとおり、補正プログラム３６Ａは、記憶装置３６以外のデータ処理部３０を、補正比γでデータＤ１を補正して動的荷重を特定させるためのプログラムといえる。データ処理部３０は、特定された動的荷重（に関するデータ）を報知手段（図示省略）に送信して、本実施形態の測定方法が終了する。

＜補正の技術的意義＞
以上のとおり、本実施形態のデータ処理部３０は、補正プログラム３６ＡによりデータＤ１、データＤ２及びデータＤ３を算出した後、データＤ１を補正して動的荷重を特定するようになっている。以下、各出力Ｓを補正することの技術的意義について説明する。

図１０〜図１３は、受け部４４が定められた大きさの動的荷重を受けた状態において、軸方向から見た円柱４２における応力分布についてのシミュレーションの結果を示す図である。各図の違いは、それぞれ受け部４４における動的荷重を受ける位置の違い（オフセット量の違い）のみである。図１０、図１１、図１２、図１３の記載順で、軸Ｏ（軸心）からのオフセット量が０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、１４１ｍｍと大きくなっている。

また、図１４（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、受け部４４が定められた大きさの動的荷重を受けた状態での変形についてのシミュレーションの結果を示す図である。各図は、円柱４２における軸Ｏを通る断面であって、＋Ｘ方向側の部分の変形を示している。各図の違いは、それぞれ受け部４４における動的荷重を受ける位置の違い（オフセット量の違い）のみである。（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の記載順で、軸Ｏ（軸心）からのオフセット量が０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍと大きくなっている。

ここで、図１０は、オフセット量が０ｍｍの場合のシミュレーションの結果である。図１０によれば、円柱４２の応力分布は軸Ｏに対して対称（点対称）であり、ほぼ均一な応力分布であることが分かる。これに対して、図１１〜図１３に示されるように、円柱４２の内部の応力は、線形でない（非線形である）ことがわかる。特に、円柱４２の内部の応力の非線形性は、オフセット量が大きくなるほど顕著となることがわかる。

また、図１５〜図１７は、受け部４４が定められた大きさの動的荷重を受けた状態において、円柱４２における軸方向のひずみ分布についてのシミュレーションの結果（実線）と、線形に変形したと仮定した場合の軸方向のひずみ分布についての結果（破線）とを示す図である。各図の違いは、それぞれ受け部４４における動的荷重を受ける位置の違い（オフセット量の違い）のみである。図１５、図１６、図１７の記載順で、軸Ｏ（軸心）からのオフセット量が０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍと大きくなっている。

なお、図１５〜図１７において、線形に変形したと仮定した場合の軸方向のひずみ分布についての結果（破線）は、後述する比較形態の結果に相当する。比較形態（図示省略）の場合、複数のひずみゲージ５０と１個のブリッジ回路３４とが接続されており、ブリッジ回路３４に入力された複数のひずみゲージ５０からの出力Ｓを線形処理して、動的荷重を特定するようになっている。比較形態は、上記の点以外、本実施形態と同様の構成とされている。

図１５〜図１７に示されるように、円柱４２のひずみのシミュレーションの結果（実線）から、オフセット量が大きくなるほど、非線形性が顕著となることがわかる。別の見方をすると、円柱４２のひずみが線形に変形したと仮定した場合のひずみ分布（破線）は、シミュレーションの結果（実線）に対して、オフセット量が大きくなるほどずれている。特に、線形に変形したと仮定した場合における円柱４２の＋Ｘ方向の外周側の部分、すなわち、圧縮側のひずみ（図１７の一点鎖線Ａで囲まれた部分）は、シミュレーションの結果（実線）に対して、顕著にずれていることがわかる。

また、図１８は、受け部４４が異なる大きさの動的荷重を受けた状態において、データＤ１に基づく動的荷重、すなわち、補正プログラム３６Ａにより補正する前の動的荷重に対する実際の動的荷重との関係を示すグラフであって、＋Ｘ方向のオフセット量を変更した場合のグラフである。図１８のグラフによれば、補正プログラム３６Ａにより補正する前の動的荷重は、オフセット量が大きいほど、小さく算出されている。

以上のとおり、比較形態の場合、複数のひずみゲージ５０からの各出力Ｓを線形処理して動的荷重を算出すると、（実際の）動的荷重を正確に特定することができない。特に、比較形態の場合、オフセット量が大きくなるほど、ずれは大きくなる（不正確になり易い）。そして、本願の発明者らは、オフセット量（モーメント長Ｌ）と、比較形態の場合に測定される動的荷重のずれとの相関を見出すことができれば、受け部４４が円柱４２の軸Ｏからずれた位置で動的荷重を受ける場合であっても（オフセット量に関わらず）、比較形態に比べて、動的荷重を高精度で測定することができると考えた。なお、上記相関は、補正比γに相当する。

そこで、本願の発明者らは、補正比γを定めるべく、以下の実験と評価とを行った。具体的には、受け部４４における軸Ｏ（軸心）から０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、１４１ｍｍの位置に、球（図示省略）を衝突させることで受け部４４に２０ｋＮの動的荷重を付与して、円柱４２の外周に配置されている１２個のひずみゲージ５０（図３参照）の各出力Ｓを取得した。そして、取得したすべての出力Ｓと、ひずみ分布のシミュレーションの結果とを評価（すべての出力Ｓが図１５〜図１７に示されるひずみ分布のシミュレーションの結果（各図における実線）に合うように係数を検討）して、図９の補正比γを求めた。ここで、図９における４ヶ所のプロットは上記の実験の結果であり、図９における曲線は、求めた補正比γである。求めた補正比γは、下記の式（数４）のとおりとされ、本実施形態の場合は、モーメント長Ｌについての３次の近似式とした。

その結果、本実施形態により特定した動的荷重（図１９参照）は、補正プログラム３６Ａにより補正しない場合（図１８参照）に比べて、オフセット量、及び、動的荷重の大きさに関わらず、ずれが小さい。すなわち、本願の発明者らは、補正プログラム３６ＡによりデータＤ１、データＤ２及びデータＤ３を算出した後、算出したデータＤ１の補正比γを導出して、算出したデータＤ１に導出した補正比γを乗じて補正することで、比較形態よりも正確に動的荷重を測定できることを見出した。

以上が、補正の技術的意義である。また、本実施形態の動的荷重測定装置１０を用いた動的荷重の測定方法についての説明である。

≪効果≫
次に、本実施形態の効果（第１〜第３の効果）について説明する。

＜第１の効果＞
第１の効果とは、補正プログラム３６ＡによりデータＤ１、データＤ２びデータＤ３を算出し、データＤ１を補正して動的荷重を特定すること（以下、構成Ａとする。）による効果である。第１の効果については、前述の比較形態と比較しながら図面を参照しつつ説明する。

前述のとおり、比較形態の場合、ロードセル２０の円柱４２内が線形に変形しているとの仮定のもと動的荷重を特定していることから、実際の動的荷重に対して測定される動的荷重がずれる。特に、比較形態の場合、オフセット量が大きくなるほど、実際の動的荷重に対して測定される動的荷重は大きくずれる（図１８参照）。

これに対して、本実施形態の場合、補正プログラム３６ＡによりデータＤ１、データＤ２及びデータＤ３を算出した後、算出したデータＤ１の補正比γを導出して、算出したデータＤ１に導出した補正比γを乗じて補正する（図７及び図９参照）。

したがって、本実施形態によれば、比較形態（ロードセル２０の円柱４２内が線形に変形しているとの仮定のもと動的荷重を特定している場合）に比べて、実際の動的荷重に対して測定される動的荷重がずれ難い。すなわち、本実施形態によれば、上記比較形態に比べて、動的荷重を高精度で測定することができる。特に、受け部４４が円柱４２の軸Ｏからずれた位置で動的荷重を受ける場合であっても（オフセット量に関わらず）、本実施形態は、比較形態に比べて、動的荷重を高精度で測定することができる（図２０参照）。

＜第２の効果＞
第２の効果とは、本実施形態が、構成Ａを有するうえで、円柱４２の長さＬＡを円柱４２の直径Ｄで除した値（ＬＡ／Ｄ）が０．３以上３．０以下とされていること（以下、構成Ｂとする。）による効果である。なお、本実施形態は、前述のとおり、ＬＡ／Ｄが約０．５３とされており、構成Ｂを満たす。

ここで、ＬＡ／Ｄが小さいほど、円柱４２内の応力は不均一になり易い。また、ＬＡ／Ｄが大きいほど、円柱４２内での応力が飽和するまでの時間が長くなり易い。

したがって、本実施形態によれば、ＬＡ／Ｄが０．３より小さい場合に比べて、動的荷重を高精度で測定することができる。また、本実施形態によれば、ＬＡ／Ｄが３．０より大きい場合に比べて、動的荷重を高精度かつ短時間で測定することができる。なお、ＬＡ／Ｄが０．３よりも小さい場合及び３．０より大きい場合の何れか一方を満たす場合であっても、構成Ａを有する形態は、本発明の技術的範囲に含まれる。

＜第３の効果＞
第３の効果とは、本実施形態が構成Ａを有するうえで、円柱４２の軸Ｏに直交する直交面で切った円柱４２の断面積Ｓ２が前記直交面で切った支持部４６の断面積Ｓ１の１／５よりも小さいこと（以下、構成Ｃとする。）による効果である。なお、本実施形態は、前述のとおり、断面積Ｓ２は断面積Ｓ１の約１／７とされており、構成Ｃを満たす。

ここで、円柱４２の断面積Ｓ２が小さいほど、すなわち、断面積Ｓ２を断面積Ｓ１で除した値が小さいほど、支持部４６における円柱４２との境界部分で反射した応力波が軸方向に沿って進行し易い（応力波が乱れ難い）。

したがって、本実施形態によれば、円柱４２の軸Ｏに直交する直交面で切った円柱４２の断面積Ｓ２が前記直交面で切った支持部４６の断面積Ｓ１の１／５以上である場合に比べて、動的荷重を高精度で測定することができる。なお、断面積Ｓ２が断面積Ｓ１の１／５以上である場合であっても、構成Ａを有する形態は、本発明の技術的範囲に含まれる。

以上が、本実施形態の効果についての説明である。

以上のとおり、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的範囲には前述した実施形態以外の形態も含まれる。例えば、本発明の技術的範囲には、下記のような形態も含まれる。

本実施形態の動的荷重測定装置１０は、測定対象物１００の動的荷重を測定するとして説明した。しかしながら、静的荷重の測定にも用いることができる。

本実施形態の受け部４４は一例として直方体であるとして説明したが、受け部４４が動的荷重を受ける機能を有し、円柱４２の全外周からはみ出していれば、直方体でなくてもよい。例えば、円板状、多面体その他の立体であってもよい。

本実施形態の円柱４２の外周に配置されている複数のひずみゲージ５０の個数は一例として１２個であり、円柱４２の外周に配置されている各ひずみゲージ５０は、円柱４２の軸方向から見て、等間隔離れた状態で配置されているとして説明した。しかしながら、円柱４２の軸方向から見て、隣り同士のひずみゲージ５０が形成するすべての中心角θがそれぞれ１８０°以下であれば、複数のひずみゲージ５０の個数は、１２個でなくてもよい。２個以上１１個以下、又は、１３個以上であってもよい（図２１（Ａ）及び（Ｂ）参照）。

本実施形態の円柱４２の外周に配置されている複数のひずみゲージ５０は、円柱４２の軸方向から見て、円柱４２の外周に等間隔離れた状態で配置されているとして説明した。しかしながら、一例として図２１（Ｃ）及び図２２に示されるように、円柱４２の軸方向から見て、隣り同士のひずみゲージ５０が形成するすべての中心角θがそれぞれ１８０°以下であれば、複数のひずみゲージ５０における円柱４２の周方向の間隔は等間隔でなくてもよい。

本実施形態では、各ひずみゲージ５０と各ブリッジ回路３４とはそれぞれ接続されているとして説明した。しかしながら、少なくとも２個のブリッジ回路３４を有し、各ブリッジ回路３４に各ひずみゲージ５０が接続されていれば、各ひずみゲージ５０の個数と各ブリッジ回路３４の個数とは同数でなくてもよい。例えば、６個のブリッジ回路３４と、１２個のひずみゲージ５０とを有し、各ブリッジ回路３４に２個のひずみゲージ５０の出力Ｓが入力されるようにしてもよい。

本実施形態のロードセル２０は、図１、図２、図３及び図４等に示される形状であるとして説明した。しかしながら、ロードセルが、円柱、円柱の両端に設けられた受け部及び支持部を含んで構成されていれば、ロードセルの形状は本実施形態のロードセル２０の形状と異なる形状であってもよい。このように、ロードセルの形状が異なる場合、記憶装置３６に収容される補正プログラムを当該ロードセルの形状に合わせて変更してもよい。

本実施形態のロードセル２０は、鉄であるとして説明した。しかしながら、ロードセルが、円柱、円柱の両端に設けられた受け部及び支持部を含んで構成されていれば、ロードセルの材質は鉄でなくてもよい。このように、ロードセルの材質が異なる場合、記憶装置３６に収容される補正プログラムを当該ロードセルの材質に合わせて変更してもよい。

本実施形態では、図４に示されるように、受け部４４の上面に測定対象物１００が固定された板１０２を取り付け、測定対象物１００に衝撃付与部材を落下させることで、受け部４４が動的荷重を受けるとして説明した。しかしながら、受け部４４の上面に直接測定対象物１００を落下させて動的荷重を測定してもよい。

本実施形態では、１台の動的荷重測定装置１０により測定対象物１００の動的荷重を測定するとして説明した。しかしながら、複数の動的荷重測定装置１０を並べ、１枚の板（図示省略）を各動的荷重測定装置１０の受け部４４の上面に固定して、当該１枚の板に測定対象物を衝突させて、動的荷重を測定するようにしてもよい。

本実施形態の補正比γは、式（数４）のとおり、モーメント長Ｌについての３次の近似式であるとして説明した。しかしながら、取得したすべての出力Ｓと、ひずみ分布のシミュレーションの結果とが合えば、３次の近似式でなくてもよい。例えば、補正比γは、モーメント長Ｌについての４次以上の近似式であってもよい。

１０動的荷重測定装置
３０データ処理部（補正部の一例）
３０Ａデータ処理部の一部（コンピュータの一例）
３６Ａ補正プログラム
４２円柱
４４受け部
４６支持部
５０複数のひずみゲージ
Ｄ円柱の直径
Ｄ１データ（第１データの一例）
Ｄ３データ（第２データの一例）
ＬＡ円柱の長さ
θ 中心角

Claims

円柱と、
該円柱の軸方向から見て前記円柱の全周からはみ出した状態で前記円柱の一端に設けられ、動的荷重を受ける受け部と、
前記軸方向から見て前記全周からはみ出した状態で前記円柱の他端に設けられ、前記円柱を支持する支持部と、
前記軸方向から見て、隣同士で形成するすべての中心角がそれぞれ１８０°以下となるように前記円柱の外周に配置されている複数のひずみゲージと、
前記複数のひずみゲージの各出力から、動的荷重に関する第１データ、及び、前記円柱の軸心に対する前記受け部における動的荷重を受ける位置のオフセット量に関する第２データを算出し、前記第１データを予め定められた前記第２データに対する前記第１データの補正比で補正して動的荷重を特定する補正部と、
を備えた動的荷重測定装置。
前記円柱の長さを前記円柱の直径で除した値は、０．３以上３．０以下とされている、
請求項１に記載の動的荷重測定装置。
前記円柱の軸に直交する直交面で切った前記円柱の断面積は、前記直交面で切った前記支持部の断面積の１／５よりも小さい、
請求項１又は２に記載の動的荷重測定装置。
コンピュータを、
請求項１〜３の何れか１項に記載の動的荷重測定装置における前記補正部として機能させる、
補正プログラム。