JP5219087B2 - モーメント印加装置及びモーメント計測方法 - Google Patents
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Description
(a) 2箇所にスリットを形成したスリット形成ブロックと、前記スリットに磁界を発生するための複数の永久磁石とからなる磁界発生器と、
(b) 前記スリットにそれぞれ挿入される電磁コイルと、試料表面に接触させる試料接触部とからなるモーメント印加体と、
で構成され、電磁コイルに電流を流して磁化させることにより、モーメント印加体によって試料表面にモーメントを印加するとともに、電磁コイルに流した電流値を測定することによって、試料表面に印加したモーメントを検知することができるようにしたモーメント印加装置も提案されている。(例えば、非特許文献2の第24頁〜第29頁を参照。)。
(a)外力Fが加えられる操作部と、
(b)外力Fに起因するモーメントMを試料表面に印加するための試料接触部と、
(c)操作部と試料接触部とを連結し、外力Fによって弾性的に曲げ変形を行う連結部と、
(d)モーメントMを検知するためのモーメント検知手段と、
(e)試料接触部が試料表面に対して摺り動かないように試料接触部を試料表面に対して吸着させるとともに、その吸着力を瞬時に遮断できる吸着手段と、
を備え、
試料表面に試料接触部を吸着させて操作部に外力Fを加えている状態で前記吸着力を遮断することにより、前記吸着力が遮断される直前のモーメントMを検知することができるようにしたことを特徴とするモーメント印加装置
を提供することによって解決される。
本発明のモーメント印加装置の好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。図1は、本発明のモーメント印加装置における試料接触部を試料表面に吸着させた状態(モーメント印加前)を示した図である。図2は、本発明のモーメント印加装置における試料接触部を試料表面に吸着させて操作部に外力Fを加えた状態(モーメント印加時)を示した図である。図3は、本発明のモーメント印加装置における試料接触部を試料表面に吸着させて操作部に外力Fを加えているときに吸着手段の吸着力を遮断した状態(モーメント印加後)を示した図である。
(a)外力Fが加えられる操作部と、
(b)外力Fに起因するモーメントMを試料表面に印加するための試料接触部と、
(c)操作部と試料接触部とを連結し、外力Fによって弾性的に曲げ変形を行う連結部と、
(d)モーメントMを検知するためのモーメント検知手段と、
(e)試料接触部が試料表面に対して摺り動かないように試料接触部を試料表面に対して吸着させるとともに、その吸着力を瞬時に遮断できる吸着手段と、
(f) モーメント検知手段の測定値(ひずみや力など)からモーメントMを算出するための演算手段と、
を備えたものとなっており、試料表面に試料接触部を吸着させて操作部に外力Fを加えている状態で前記吸着力を遮断することにより、前記吸着力が遮断される直前のモーメントMを検知することができるものとなっている。
操作部の寸法形状は、外力Fを加える方法によって適宜変更されるため、特に限定されない。外力Fは、人力によって加えられる場合と、機械によって加えられる場合とがある。外力Fを人力によって加える場合には、操作部は、人体における所定部位(通常は手である。)で操作しやすい寸法形状に形成される。また、外力Fを機械によって加える場合には、操作部は、所望の機械のアクチュエータに応じた寸法形状に形成される。外力Fを人の手によって操作する場合には、操作部の外面に指の形状に沿った凹凸を形成し、握りやすくしてもよい。
連結部の素材は、外力Fによって弾性的に曲げ変形するものであれば特に限定されない。しかし、連結部をヤング率の低い素材で形成すると、連結部を太く形成しなければならなくなり、モーメント印加装置を取り扱いにくくなるおそれがある。一方、連結部をヤング率の高い素材で形成すると、連結部が変形しにくくなり、得られるモーメントMの測定精度を高く維持できなくなる(後述するひずみゲージで連結部のひずみを検知しにくくなる)おそれがある。このため、連結部の素材は、通常、そのヤング率が0.1〜500GPaとなる範囲で選択される。連結部を形成する素材のヤング率は、1〜400GPaであると好ましく、50〜300GPaであるとより好ましい。このような素材としては、アルミニウム(ヤング率70GPa)や、銅(ヤング率110〜130GPa)や、鉄(ヤング率150〜210GPa)などの金属が例示される。
モーメント検知手段としては、連結部の所定箇所に発生する曲げモーメントを検知可能な曲げモーメント検知手段(図4,5におけるモーメント検知手段α1,α2を参照。)や、操作部や連結部、あるいは操作部と連結部の接続部分などの所定箇所に作用する力を検知可能な力検知手段(図6における力検知手段βを参照。)などが例示される。後述するように、曲げモーメント検知手段を取り付けた場所や、力検知手段を取り付けた場所が既知であるならば、曲げモーメント検知手段によって検知された曲げモーメントや、力検知手段によって検知された力から、試料表面に作用するモーメントMを計算によって求めることができる。
吸着手段は、試料接触部を試料表面に対して吸着させるとともに、その吸着力を瞬時に遮断できるものが使用される。吸着手段としては、電磁石や真空ポンプを利用したものが例示される。図1〜3におけるモーメント印加装置では、吸着手段として、電磁石を利用したもの(電磁コイルと、電磁コイルに直流電流を流すための遮断スイッチ付き電源とで構成したもの)を使用している。この吸着手段は、遮断スイッチ付き電源のスイッチを「ON」にすることにより、電磁コイルに電磁力(吸着力)を発生させて試料接触部を試料表面に吸着させ、遮断スイッチ付き電源のスイッチを「OFF」にすることにより、電磁コイルで発生する電磁力をゼロにして試料接触部を試料表面から剥がすことができるものとなっている。電磁コイル(吸着手段)による吸着力は、想定される外力Fの大きさや、試料の素材などによっても異なり、特に限定されない。吸着手段の吸着力は、試料接触部を試料表面に吸着させて操作部に外力Fを加えた際に、試料接触部が試料表面から剥がれたり、試料接触部が試料表面上で動いたりしない程度に設定する。
演算手段は、モーメント検知手段の測定値からモーメントMを算出できるものであれば特に限定されない。演算手段としては、FFTアナライザなどが例示される。図1〜3の例では、試料表面に加速度センサを取り付けており、試料の周波数応答関数(FRF)を求めることができるようにしているが、この加速度センサも演算手段と接続されている。
本発明のモーメント印加装置は、試料表面に印加したモーメントMの計測原理などに応じて、様々な実施態様がある。以下においては、モーメントMの計測原理の異なる代表的な3つの実施態様(第一実施態様、第二実施態様及び第三実施態様)のモーメント印加装置について順番に説明する。
まず、第一実施態様のモーメント印加装置について説明する。図4は、第一実施態様のモーメント印加装置におけるモーメントMの計測原理を説明する図である。第一実施態様のモーメント印加装置は、図4に示すように、試料接触部の先端から連結部の中心軸に沿って距離L1の位置にある連結部断面S1での曲げモーメントM1を検知するための曲げモーメント検知手段α1(モーメント検知手段の下位概念)と、試料接触部の先端から連結部の中心軸に沿って距離L2(>L1)の位置にある連結部断面S2での曲げモーメントM2を検知するための曲げモーメント検知手段α2(モーメント検知手段の下位概念)とを備えたものとなっており、外力Fに起因して試料表面に印加されるモーメントMを、その連結部に取り付けた曲げモーメント検知手段α1,α2によって検知することができるものとなっている。
次に、第二実施態様のモーメント印加装置について説明する。図5は、第二実施態様のモーメント印加装置におけるモーメントMの計測原理を説明する図である。第二実施態様のモーメント印加装置は、図5に示すように、操作部が試料接触部の先端から連結部の中心軸に沿って距離L4の位置でのみ連結部と接続されるとともに、試料接触部の先端から連結部の中心軸に沿って距離L1(<L4)の位置にある連結部断面S1での曲げモーメントM1を検知するための曲げモーメント検知手段α1(モーメント検知手段の下位概念)を備えたものとなっており、外力Fに起因して試料表面に印加されるモーメントMを、モーメント検知手段α1によって検知することができるものとなっている。
最後に、第三実施態様のモーメント印加装置について説明する。図6は、第三実施態様のモーメント印加装置におけるモーメントMの計測原理を説明する図である。第三実施態様のモーメント印加装置は、図6に示すように、操作部が試料接触部の先端から連結部の中心軸に沿って距離L4の位置でのみ連結部と接続されるとともに、操作部に外力Fを加えた際に操作部と連結部との接続部分に作用する力fを検知するための力検知手段β(モーメント検知手段の下位概念)を備えたものとなっており、外力Fに起因して試料表面に印加されるモーメントMを、力検知手段βによって検知することができるものとなっている。
本発明のモーメント印加装置は、試料表面に印加したモーメントを正確に検知できるだけでなく、取り扱いが容易で操作性に優れているために、幅広い用途に使用することができる。なかでも、試料の振動特性を実験的に評価する場合に好適に使用することができる。本発明のモーメント印加装置を用いて振動解析を行うのに適した試料(製品)としては、静寂性や低振動性などを重視される各種工業製品が例示される。特に、ドアパネル、屋根、ボンネット又はトランクリッドといった自動車のボデーパーツなどは、その振動特性を理論的に評価することが困難な複雑な形状をしていることが多いことに加えて、近年、それらの静寂性に対する要求も強まっているが、本発明のモーメント印加装置は、これらの自動車のボデーパーツの振動解析にも好適に使用することができる。図1〜3に示すように、試料表面に加速度ピックアップなどの加速度センサを取り付けると、試料の周波数応答関数(FRF)を求めることもできる。
実際に、本発明のモーメント印加装置を用いて試料の周波数応答関数(FRF)を測定してみた。図7は、本発明のモーメント印加装置を用いて試料の周波数応答関数を測定する際に用いた実験システムを示した図である。試料には、長辺の長さが160mmで短辺の長さが30mmの長方形の鉄板(厚さ0.8mm)を用いた。試料の中心には、図7に示すように、加速度センサを取り付けた。モーメント印加装置は、上記の第一実施態様のものを用いた。ただし、モーメント印加装置の連結部は、鋼材によって形成し、その中心軸に沿った全体の長さX(図4を参照)は150mmとした。連結部の中心軸に垂直な断面は、一辺5mmの正方形とした。試料接触部には、直径20mm、長さ15mmの電磁コイル(図示省略。図4を参照)を取り付けた。ひずみゲージG1,1,G1,2は、図4に示す距離X1が50mmとなる位置に取り付け、ひずみゲージG2,1,G2,2は、図4に示す距離X2が50mmとなる位置に取り付けた。モーメント印加装置の試料接触部は、試料の中心から70mm離れた箇所に吸着させた。ひずみゲージG1,1,G1,2,G2,1,G2,2は、ブリッジボックスとひずみアンプとハイパスフィルタを介してFFTアナライザ(演算手段)に接続した。また、加速度センサもFFTアナライザに接続した。
f 外力Fに起因して操作部と連結部との接続部分に作用する力
G1 ひずみゲージ(曲げモーメント検知手段α1)
G1,1 連結部の引張側に取り付けられたひずみゲージG1
G1,2 連結部の圧縮側に取り付けられたひずみゲージG1
G2 ひずみゲージ(曲げモーメント検知手段α2)
G2,1 連結部の引張側に取り付けられたひずみゲージG2
G2,2 連結部の圧縮側に取り付けられたひずみゲージG2
G’ ひずみゲージ(力検知手段β)
G1’ 操作部と連結部との接続部分の外面に取り付けられたひずみゲージG’
G2’ 操作部と連結部との接続部分の外面におけるひずみゲージG1’と対称な位置に取り付けられたひずみゲージG’
L1 モーメント印加装置における試料接触部の先端から曲げモーメント検知手段α1が設けられた場所までの連結部の中心軸に沿った距離
L2 モーメント印加装置における試料接触部の先端から曲げモーメント検知手段α2が設けられた場所での連結部の中心軸に沿った距離
L3 モーメント印加装置における試料接触部の先端から外力Fが加えられた場所までの連結部の中心軸に沿った距離
L4 モーメント印加装置における試料接触部の先端から力fが加えられた場所(操作部と連結部との接続部分)までの連結部の中心軸に沿った距離
M モーメント印加装置における試料接触部の先端から試料表面に印加されるモーメント
M1 操作部に加えられた外力Fに起因して試料接触部の先端から距離L1の位置にある連結部断面S1に生じる曲げモーメント
M2 操作部に加えられた外力Fに起因して試料接触部の先端から距離L2の位置にある連結部断面S2に生じる曲げモーメント
P0 試料接触部における試料接触面の中心
P1 連結部の中心軸と連結部断面S1との交点
P2 連結部の中心軸と連結部断面S2との交点
P3 操作部の中心軸と、操作部外面における外力Fが加えられた点を含む操作部の中心軸に垂直な操作部断面との交点
P4 連結部の中心軸と、連結部外面における操作部と接続される点を含む連結部の中心軸に垂直な連結部断面との交点
Q1,1 連結部外面におけるひずみゲージG1,1の取付場所
Q1,2 連結部外面におけるひずみゲージG1,2の取付場所
Q2,1 連結部外面におけるひずみゲージG2,1の取付場所
Q2,2 連結部外面におけるひずみゲージG2,2の取付場所
S1 試料接触部の先端から距離L1の位置にある連結部断面
S2 試料接触部の先端から距離L2の位置にある連結部断面
X 連結部のその中心軸に沿った全体の長さ
X1 連結部の先端から曲げモーメント検知手段α1が設けられた場所までの連結部の中心軸に沿った距離
X2 連結部の先端から曲げモーメント検知手段α2が設けられた場所までの連結部の中心軸に沿った距離
α1 曲げモーメント検知手段(モーメント検知手段)
α2 曲げモーメント検知手段(モーメント検知手段)
β 力検知手段(モーメント検知手段)
Claims (10)
- (a)外力Fが加えられる操作部と、
(b)外力Fに起因するモーメントMを試料表面に印加するための試料接触部と、
(c)操作部と試料接触部とを連結し、外力Fによって弾性的に曲げ変形を行う連結部と、
(d)モーメントMを検知するためのモーメント検知手段と、
(e)試料接触部が試料表面に対して摺り動かないように試料接触部を試料表面に対して吸着させるとともに、その吸着力を瞬時に遮断できる吸着手段と、
を備え、
試料表面に試料接触部を吸着させて操作部に外力Fを加えている状態で前記吸着力を遮断することにより、前記吸着力が遮断される直前のモーメントMを検知することができるようにしたことを特徴とするモーメント印加装置。 - 吸着手段が、電磁石又は真空ポンプを利用したものである請求項1記載のモーメント印加装置。
- モーメント検知手段が、
試料接触部の先端から連結部の中心軸に沿って距離L1の位置にある連結部断面S1での曲げモーメントM1を検知するための曲げモーメント検知手段α1と、
試料接触部の先端から連結部の中心軸に沿って距離L2(>L1)の位置にある連結部断面S2での曲げモーメントM2を検知するための曲げモーメント検知手段α2と、
曲げモーメントM1,M2及び距離L1,L2に基づいてモーメントMを算出する演算手段と、
で構成された請求項1又は2記載のモーメント印加装置。 - 操作部が、試料接触部の先端から連結部の中心軸に沿って距離L4の位置でのみ連結部と接続され、
モーメント検知手段が、
試料接触部の先端から連結部の中心軸に沿って距離L1(<L4)の位置にある連結部断面S1での曲げモーメントM1を検知するための曲げモーメント検知手段α1と、
曲げモーメントM1及び距離L1,L4に基づいて、モーメントMを算出する演算手段と、
で構成された請求項1又は2記載のモーメント印加装置。 - 曲げモーメント検知手段αn(nは1又は2)が、連結部の外周面における連結部断面Snとの交線に重なる位置に取り付けられたひずみゲージGnである請求項3又は4記載のモーメント印加装置。
- ひずみゲージGnが、連結部の外周面における外力Fによって連結部が曲げ変形した際に引っ張られる引張側に取り付けられたひずみゲージGn,1と、連結部の外周面における外力Fによって連結部が曲げ変形した際に圧縮される圧縮側に取り付けられたひずみゲージGn,2とで構成された請求項5記載のモーメント印加装置。
- 操作部が、試料接触部の先端から連結部の中心軸に沿って距離L4の位置でのみ連結部と接続され、
モーメント検知手段が、
操作部に外力Fを加えた際に操作部と連結部との接続部分に作用する力fを検知するための力検知手段βと、
力f及び距離L4に基づいてモーメントMを算出する演算手段と、
で構成された請求項1又は2記載のモーメント印加装置。 - 力検知手段βが、操作部と連結部との接続部分の外周面に取り付けられたひずみゲージG’である請求項7記載のモーメント印加装置。
- ひずみゲージG’が、操作部と連結部との接続部分の外周面における該接続部分の中心軸に対して対称な位置に取り付けられた一対のひずみゲージG1’,G2’で構成された請求項8記載のモーメント印加装置。
- 請求項1〜9いずれか記載のモーメント印加装置を用いて試料表面に印加したモーメントMを計測するモーメント計測方法。
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