JPWO2018100762A1 - 変位計測装置 - Google Patents

Abstract

変位計測装置は、全体が伸縮可能なテレスコピック構造の測定子と、前記測定子の基端に対する先端の変位量を計測する計測部とを備え、前記測定子は、１の円筒体又は径が異なる複数の円筒体、及び前記１の円筒体又は前記複数の円筒体のうちの最小径の円筒体に進退自在に挿入されて先端が変位計測対象物に取付固定される円柱状又は円筒状の先端部材からなり、前記１又は複数の円筒体及び前記先端部材は、外側の円筒体に対して内側の円筒体又は先端部材が伸縮方向に進退動作する際、その進退動作に連動して回転動作を付与する回転付与機構を有する。

Description

本発明は、直線的に伸縮して変位計測対象物の変位量を計測する変位計測装置に関する。

相対変位する変位計測対象物に接続されて、例えば相対的な三次元の変位を計測する変位計測装置として、三次元変位計測システムが知られている（下記特許文献１参照）。この三次元変位計測システムは、変位計測対象物の６自由度の挙動を的確に計測し、非接触式のものより安価で小型なシステムを実現し、変位計測対象物への取付時の位置決めが容易とされている。

特開２００７−３１５８１５号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された従来技術の三次元変位計測システムでは、システムを構成する三次元変位検出ユニットにおいて、変位計測対象物に取付固定される測定子の変位を検出する変位計測装置が、連結ロッドの伸縮に伴い伸び縮みするワイヤの移動量を検出するワイヤタイプのものである。

このため、例えば自動車の衝突試験等に用いられる安全性評価用人体ダミーの肋骨部の変位量を計測する場合に、ワイヤタイプの変位計測装置では衝突時の肋骨部の変位速度にワイヤの収縮速度が追い付かないことがあった。また、肋骨部への衝突の力の入力方向が、変位計測装置が設置された２点間を結ぶ線分に対して変位計測装置の固定点に向けて斜め方向であったときには、連結ロッドの収縮が妨げられることがあった。このような場合は、変位計測対象物の変位量を直線的に安定して計測することができないという問題がある。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消し、変位計測対象物の変位量を直線的に安定して計測することができる変位計測装置を提供することを目的とする。

本発明に係る変位計測装置は、全体が伸縮可能なテレスコピック構造の測定子と、前記測定子の基端に対する先端の変位量を計測する計測部とを備え、前記測定子は、１の円筒体又は径が異なる複数の円筒体、及び前記１の円筒体又は前記複数の円筒体のうちの最小径の円筒体に進退自在に挿入されて先端が変位計測対象物に取付固定される円柱状又は円筒状の先端部材からなり、前記１又は複数の円筒体及び前記先端部材は、外側の円筒体に対して内側の円筒体又は先端部材が伸縮方向に進退動作する際、その進退動作に連動して回転動作を付与する回転付与機構を有することを特徴とする。

本発明の一実施形態においては、前記計測部は、前記測定子に付設されて前記先端部材に対する最大径の前記円筒体の回転角度を検出する回転変位計を含む変位検出手段と、前記変位検出手段からの出力値に基づいて前記変位計測対象物の変位量を算出する演算手段とを有する。

本発明の他の実施形態においては、前記計測部は、前記測定子に付設されて最大径の前記円筒体とその一つ内側に配置された円筒体との前記伸縮方向の変位を検出する可変抵抗器を含む変位検出手段と、前記変位検出手段からの出力値に基づいて前記変位計測対象物の変位量を算出する演算手段とを有する。

本発明の更に他の実施形態においては、前記回転付与機構は、前記外側の円筒体に設けられた、前記伸縮方向に対して傾斜した溝部と、前記内側の円筒体又は先端部材の外周部に設けられ前記溝部に遊嵌する突起部とを有する。

本発明の更に他の実施形態においては、前記突起部は、前記円筒体及び前記先端部材の円周方向に沿って均等配置され、且つ隣接する円筒体同士又は隣接する円筒体及び先端部材に設けられた前記突起部は、前記伸縮方向から見て前記円周方向にずれて配置されている。

本発明の更に他の実施形態においては、前記計測部は、前記測定子の軸と直交し且つ互いに直交する軸回りの回転角度をそれぞれ装置全体の傾斜角として検出する複数の回転変位計からなる傾斜角検出手段を有する。

本発明によれば、変位計測対象物の変位量を直線的に安定して計測することができる。

本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置を備えた安全性評価用人体ダミーの一部を透過して示す全体的な外観斜視図である。 同変位計測装置の安全性評価用人体ダミーの体幹骨格部内への配置態様を示す上面図である。 同変位計測装置の最大伸長時の状態を示す正面図である。 同変位計測装置を示す上面図である。 同変位計測装置の一部を断面で示す上面図である。 図５の一部拡大図である。 図４のＡ−Ａ’線断面図である。 図４のＢ−Ｂ’線断面図である。 同変位計測装置の最大収縮時の状態を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る変位計測装置を示す正面図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態に係る変位計測装置を詳細に説明する。ただし、以下の実施の形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施の形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、以下の実施形態は、本発明に係る変位計測装置を安全性評価用人体ダミーの体幹骨格部の内部に適用することで安全性評価システムとして構成した場合を例示するものである。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置を備えた安全性評価用人体ダミーの一部を透過して示す全体的な外観斜視図である。図２は、この変位計測装置の安全性評価用人体ダミーの体幹骨格部内への配置態様を示す上面図である。図３は、この変位計測装置の最大伸長時の状態を示す正面図である。

また、図４は、この変位計測装置を示す上面図、図５はこの変位計測装置の一部を断面で示す上面図である。更に、図６は、図５の一部拡大図、図７は図４のＡ−Ａ’線断面図、図８は図４のＢ−Ｂ’線断面図である。そして、図９は、この変位計測装置の最大収縮時の状態を示す断面図である。

図１に示すように、安全性評価用人体ダミー（以下、「人体ダミー」と略記する。）１００は、例えば首骨格部１０５を有する頭部１０１と、この頭部１０１が設置される体幹部１０２とを備えている。また、人体ダミー１００は、この体幹部１０２に取り付けられる一対の腕部１０３と、同じくこの体幹部１０２に取り付けられる一対の脚部１０４とを備えている。体幹部１０２は、例えば人体ダミー１００の胸部、胴部及び腰部を構成している。

体幹部１０２内には、体幹骨格部１１０が備えられる。体幹骨格部１１０は、例えば着座姿勢或いは立ち姿勢の人体ダミー１００の体幹部１０２内に設けられる。また、体幹骨格部１１０は、例えば首骨格部１０５を介して頭部１０１と接続されている。この体幹骨格部１１０は、例えば人体の脊椎に近似する脊椎部１２０や人体の胸郭に近似する胸郭部１３０を備えている。

脊椎部１２０は、例えば複数の椎骨部１２１を有している。胸郭部１３０は、一つの椎骨部１２１に対して人体ダミー１００の左右方向に一組ずつ備えられるように複数の肋骨部１３１を有している。そして、体幹骨格部１１０の内部には、本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置１０が複数設置されている。

具体的には、図２に示すように、各変位計測装置１０は、衝突試験等における人体ダミー１００の左右方向からの衝突等によってもたらされる肋骨部１３１の変形を変位量として計測可能となるように、この左右方向にそれぞれ測定子２０が全体的に伸縮可能となる状態で設置されている。すなわち、各変位計測装置１０は、例えば体幹骨格部１１０の中心部を中心として、この中心を通る上記左右方向に沿った椎骨部１２１と左右の各肋骨部１３１との間にそれぞれ配置されている。

各変位計測装置１０は、図２に示すように、左右方向にそれぞれ全体が伸縮可能なテレスコピック構造の測定子２０と、この測定子２０の基端（椎骨部１２１側）に対する先端（肋骨部１３１側）の変位量を計測する計測部４０とを備えて構成されている。従って、変位計測装置１０は、本実施形態では変位計測対象物として、左右の肋骨部１３１の変位量をそれぞれ計測する。

図３〜図５及び図７〜図９に示すように、変位計測装置１０の計測部４０は、板状の取付ベース４１を有する。この取付ベース４１は、例えば椎骨部１２１に取付ボルト４１ａ（図２参照）を介して取付固定される。取付ベース４１には、測定子２０の方向に向かって立設された一対の取付プレート４１ｂが備えられている。

取付プレート４１ｂ間には、例えば測定子２０の伸縮方向（Ｚ方向）から見てロの字枠状に形成された回動枠部４１ｃが、例えば取付ベース４１の主面に平行で、且つＺ方向のｚ軸と直交するｘ軸回りに回動可能に取り付けられている。また、取付プレート４１ｂの一方の外側には、この回動枠部４１ｃの回動軸４１ｄの回転角度を検出する回転変位計５１が取り付けられている。

一方、回動枠部４１ｃの内側には、例えば矩形箱状に形成された回動基台４１ｅが、例えばｚ軸及びｘ軸とそれぞれ直交するｙ軸回りに回動可能に取り付けられている。また、回動枠部４１ｃのｙ軸に沿って対向する部分の一方の外側には、この回動基台４１ｅの回動軸４１ｆの回転角度を検出する回転変位計５２が取り付けられている。

なお、取付ベース４１及び取付プレート４１ｂ、回動枠部４１ｃ、回動軸４１ｄ、回動基台４１ｅ並びに回動軸４１ｆの各部で自由度２のジンバル機構を構成する。また、回転変位計５１，５２は、ｘ軸及びｙ軸回りの回転角度をそれぞれ変位計測装置１０全体の傾斜角として検出する傾斜角検出手段を構成する。そして、回動基台４１ｅの内部には、回転板２６ｄを介して測定子２０に接続された回転変位計５０が備えられている。

変位計測装置１０の測定子２０は、全体が伸縮可能となるように、径が異なる複数の円筒体２２，２３，２４，２５，２６と、各円筒体２２〜２６のうちの最小径の円筒体２２に進退自在に挿入されて先端が肋骨部１３１に取付固定される円柱状又は円筒状の先端部材２１とからなる。なお、この先端部材２１は、その先端側に設けられた固定環２１ｃを介して、例えば肋骨部１３１の左右端部内側部分に対して取付固定されている。

そして、このように構成された測定子２０は、次のような特徴を備えている。すなわち、測定子２０の各円筒体２２〜２６及び先端部材２１は、外側の円筒体２２〜２６に対して内側の円筒体２２〜２５又は先端部材２１がＺ方向に進退動作する際、その進退動作に連動して回転動作を付与する回転付与機構を有している。この回転付与機構は、複数の円筒体に設けられた、Ｚ方向に傾斜した溝部又はガイド部と、複数の円筒体のうちの最大径の円筒体を除く円筒体及び先端部材の外周部に設けられ外側に隣接する円筒体の溝部に遊嵌する突起部又はガイドピンとを有する。回転付与機構は、より具体的には、例えばそれぞれ外側に配置される円筒体２２〜２６に設けられた傾斜した溝部３１，３２，３３，３４，３５を有する。

また、回転付与機構は、内側に配置される円筒体２２〜２５及び先端部材２１の外周部である外周面２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ，２５ａから突出するように設けられ、外側に隣接する円筒体２２〜２６の溝部３１〜３５に対し遊びをもった状態で嵌まる（遊嵌する）突起部１１，１２，１３，１４，１５を有する。

これら突起部１１〜１５は、例えば円筒体２２〜２５及び先端部材２１の円周方向に沿って均等配置されている。また、突起部１１〜１５は、隣接する円筒体２２〜２５同士又は隣接する円筒体２２及び先端部材２１に設けられたものが、Ｚ方向から見て円周方向にずれて配置されている。具体的には、突起部１１を例に挙げると、この突起部１１は、例えば図４に示すように先端部材２１の円周方向に１８０°間隔で２つ設けられている。他の突起部１２〜１５も、それぞれ円筒体２２〜２５の円周方向に１８０°間隔でそれぞれ２つずつ設けられている。

また、隣接する円筒体２２〜２５同士に設けられた突起部１２〜１５は、Ｚ方向から見て円周方向にずれて配置されている。更に、隣接する円筒体２２及び先端部材２１に設けられた突起部１２，１１は、Ｚ方向から見て円周方向にずれて配置されている。より具体的には、突起部１１〜１５は、Ｚ方向から見て円周方向にそれぞれ９０°ずつずれた状態で配置されている。

一方、溝部３１〜３５は、各円筒体２２〜２６の軸（ｚ軸）に対して所定角度、例えば２°〜３０°の範囲の角度（本実施形態では２５°）で傾斜した状態で形成されている。各溝部３１〜３５は、例えば各突起部１１〜１５に対応する位置にそれぞれ設けられている。各溝部３１〜３５は、このように所定角度傾斜した状態で設けられることにより、突起部１１〜１５と共に、外側の円筒体２２〜２６に対して内側の円筒体２２〜２５又は先端部材２１がＺ方向に進退動作する際に、その進退動作に連動して、外側の各円筒体２２〜２６をｚ軸回りに回転動作させる回転付与機構を構成する。

なお、各突起部１１〜１５及び各溝部３１〜３５は、例えば上記のような円周方向に沿って、１２０°間隔で３つ均等配置されたり、それ以上の数設けられたりしてもよい。このように円周方向に均等配置することで、測定子２０を伸縮させる力の偏りを極力防ぐことが可能となる。

なお、各溝部３１〜３５及び各突起部１１〜１５は、次のように形成されることが好ましい。ここでは、図６に示すように、突起部１３及び溝部３３を例に挙げて説明するが、他の溝部３１，３２，３４，３５及び突起部１１，１２，１４，１５も同様に形成され得る。

溝部３３は、その開口部分の切欠内周面３６が、円筒体２４の内周面２７側から外周面２４ａ側に向けて開口径が広がるようなテーパ状に形成され得る。これに伴い、この溝部３３に遊嵌する突起部１３は、切欠内周面３６に合致するテーパ状の突起外周面１６を有するように形成され得る。

なお、図示のように、突起部１３は、例えば円筒体２３の外周面２３ａに対して波ワッシャ１７を介して取付ボルト１８により取り付けられる。取付ボルト１８のヘッド部と突起部１３との間には、平ワッシャ１７ａが備えられる。このような構造により、合致する溝部３３の切欠内周面３６と突起部１３の突起外周面１６とが、上記進退動作に伴う回転動作時の摺動の際にも最適な角度及び最適な当接力の下での面接触による遊嵌状態となるよう保たれる。

また、図示は省略するが、各突起部１１〜１５は、円周方向に均等配置されるのみならず、各溝部３１〜３５の長手方向に沿うように、複数設けられていてもよい。このようにすれば、測定子２０の伸縮に伴い、先端部材２１及び各円筒体２２〜２６がｚ軸に対して傾いて進退動作することをより効果的に防止することができる。

そして、上述したように先端部材２１に対する最大径の円筒体２６の基端側には回転板２６ｄが取り付けられているので、測定子２０に回転板２６ｄを介して接続された回転変位計５０は、測定子２０の基端に対する先端の変位量を得るために、測定子２０の伸縮に伴い回転する各円筒体２２〜２６のうちの最大径の円筒体２６の回転角度を検出し得る。なお、各回転変位計５０〜５２からの出力は、例えば取付ベース４１に設けられたセンサ回路４２に入力される。回転変位計５０は、測定子２０の全変位量に対する出力回転角が、３６０°を超えない範囲で極力大きい方が分解能が高く望ましいので、全変位量に対して例えば６０°〜３６０°、好ましくは１８０°〜３６０°の出力回転角となるように設定されている。

センサ回路４２は、肋骨部１３１の変位に伴い検出された最大径の円筒体２６の回転角度を示す回転変位計５０からの出力値に基づき、肋骨部１３１のＺ方向の変位量（距離）を算出する。また、センサ回路４２は、回転変位計５１，５２からの出力値に基づき、変位計測装置１０のｘ軸及びｙ軸の傾斜角を算出する。そして、センサ回路４２は、これら回転変位計５０〜５２からの出力値に基づいて、肋骨部１３１の三次元的な変位量を算出する。

第１の実施形態に係る変位計測装置１０は、このような構造により、肋骨部１３１の変位量を計測するときに、肋骨部１３１の変位速度に追従して測定子２０が全体的に収縮し得る。また、肋骨部１３１への衝突の力の入力方向が上述したような斜め方向であったとしても、各突起部１１〜１５及び溝部３１〜３５による回転付与機構の作用により、測定子２０の収縮が妨げられることはない。このため、各肋骨部１３１の変位量を直線的に安定して計測することが可能となる。なお、変位計測装置１０は、測定子２０が上記のような回転付与機構を備えたテレスコピック構造からなるため、繰り返し計測に供することが可能であり、また測定子２０及び計測部４０を含む各部の機構自体も簡易な構成であるため、安価に製造することが可能である。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る変位計測装置を示す正面図である。なお、図１０を含む以降の説明においては、第１の実施形態と同一の構成要素に関しては同一の符号を付しているので、以下では重複する説明は省略する。

図１０に示すように、本発明の第２の実施形態に係る変位計測装置１０Ａは、測定子２０及び計測部４０の各部の構成は、第１の実施形態の変位計測装置１０と同様であるが、計測部４０の回転変位計５０が回転基台４１ｅの内部に備えられると共に、更に測定子２０に可変抵抗器６０が設けられた点が、第１の実施形態とは相違している。これにより、変位量を直線的に安定して計測することについて、より精度を期すことが可能となる。

可変抵抗器６０は、例えば先端部材２１に対する最大径の円筒体２６とその一つ内側の円筒体２５とのＺ方向の変位を検出し得る。可変抵抗器６０は、具体的には、円筒体２５の外周面２５ａ上に設けられた摺動子６１と、円筒体２６の内周面２７上に設けられた抵抗体６２とから構成される。なお、図１０中の円筒体２５及び円筒体２６に跨がる曲線は、曲線により区分けされた部分が、装置全体の断面とは異なる部分断面を表すことを示している。この可変抵抗器６０からの出力値は、回転変位計５０の出力値と共にセンサ回路４２に入力され、これに基づき肋骨部１３１のＺ方向の変位量（距離）が算出される。なお、センサ回路４２では、例えば入力した出力値に基づき、円筒体２２〜２６の段数を係数として利用しこれに乗した結果により、先端部材２１のＺ方向への移動距離を求めて肋骨部１３１の変位量を算出するようにしてもよい。

このような構成によっても、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することが可能である。なお、可変抵抗器６０は、第１の実施形態の回転変位計５０と同様に回転板２６ｄを介して回転基台４１ｅに内蔵され、円筒体２６の回転変位を抵抗値の変化として検出して出力するタイプのものでもよい。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上記の実施形態では、変位計測装置１０，１０Ａの測定子２０の基端に対する先端の変位量を、変位計測装置１０では回転変位計５０で、また変位計測装置１０Ａでは回転変位計５０及び可変抵抗器６０でそれぞれ検出するものとしたが、回転変位計５０の代わりに可変抵抗器６０のみを備えるように、変位計測装置を構成するようにしてもよい。この場合でも、測定子２０の伸縮に伴って測定子２０の基端側が回転付与機構によって回転するので、直線動作のみでの計測よりも、軋みや歪みなどの影響が出にくくなり、正確な測定が可能になる。また、回転付与機構は、溝部３１〜３５が円筒体２２〜２６に対して螺旋状（スパイラル、ヘリカル）に形成されていたり、突起部１１〜１５と溝部３１〜３５との形成位置関係が上記の例と反対であったりしてもよい。更に、上述した実施形態における突起部１１〜１５や溝部３１〜３５の形状は、遊嵌状態を維持可能であればその他の種々の態様を採用し得る。また、測定子２０は１つの円筒体と、この円筒体に進退自在に挿入される先端部材とによっても構成可能である。

１０，１０Ａ 変位計測装置
１１〜１５ 突起部
１６ 突起外周面
２０ 測定子
２１ 先端部材
２１ａ 外周面
２１ｃ 固定環
２２〜２６ 円筒体
２２ａ〜２６ａ 外周面
２６ｄ 回転板
２７ 内周面
３１〜３５ 溝部
３６ 切欠内周面
４０ 計測部
４１ 取付ベース
４１ｃ 回動枠部
４１ｅ 回動基台
４２ センサ回路
５０〜５２ 回転変位計
６０ 可変抵抗器
６１ 摺動子
６２ 抵抗体
１００ 安全性評価用人体ダミー
１０２ 体幹部
１１０ 体幹骨格部
１２０ 脊椎部
１２１ 椎骨部
１３０ 胸郭部
１３１ 肋骨部

Claims (6)

1. 全体が伸縮可能なテレスコピック構造の測定子と、
   前記測定子の基端に対する先端の変位量を計測する計測部とを備え、
   前記測定子は、
   １の円筒体又は径が異なる複数の円筒体、及び前記１の円筒体又は前記複数の円筒体のうちの最小径の円筒体に進退自在に挿入されて先端が変位計測対象物に取付固定される円柱状又は円筒状の先端部材からなり、
   前記１又は複数の円筒体及び前記先端部材は、外側の円筒体に対して内側の円筒体又は先端部材が伸縮方向に進退動作する際、その進退動作に連動して回転動作を付与する回転付与機構を有する
   ことを特徴とする変位計測装置。
2. 前記計測部は、
   前記測定子に付設されて前記先端部材に対する最大径の前記円筒体の回転角度を検出する回転変位計を含む変位検出手段と、
   前記変位検出手段からの出力値に基づいて前記変位計測対象物の変位量を算出する演算手段とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の変位計測装置。
3. 前記計測部は、
   前記測定子に付設されて最大径の前記円筒体とその一つ内側に配置された円筒体との前記伸縮方向の変位を検出する可変抵抗器を含む変位検出手段と、
   前記変位検出手段からの出力値に基づいて前記変位計測対象物の変位量を算出する演算手段とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の変位計測装置。
4. 前記回転付与機構は、
   前記外側の円筒体に設けられた、前記伸縮方向に対して傾斜した溝部と、
   前記内側の円筒体又は先端部材の外周部に設けられ前記溝部に遊嵌する突起部とを有する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の変位計測装置。
5. 前記突起部は、前記円筒体及び前記先端部材の円周方向に沿って均等配置され、且つ隣接する円筒体同士又は隣接する円筒体及び先端部材に設けられた前記突起部は前記伸縮方向から見て前記円周方向にずれて配置されている
   ことを特徴とする請求項４記載の変位計測装置。
6. 前記計測部は、
   前記測定子の軸と直交し且つ互いに直交する軸回りの回転角度をそれぞれ装置全体の傾斜角として検出する複数の回転変位計からなる傾斜角検出手段を有する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の変位計測装置。

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