JPH02253131A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ノｊ、加速度、速度、振動数等の各種物理
量を測定することができる測定装置にかかり、特にその
物理量を三次元方向についてそれぞれ同時に測定するこ
とができる新規の測定装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来より、各種物理量、即ち例えば力、加速度速度、振
動数等を測定するだめの手段として各種測定装置が開発
され、使用されている。

〔解決しようとする課題〕

ところで、通常このような測定装置にあっては、一般に
１個の装置で１つの方向及び１種の物理量のみしか測定
が行えず、不便である。また、このような測定装置は、
一般に大型で重量の嵩むものが多く、その分製造コスト
も高い等の欠点がある。

そこで、この発明は、上記した従来の欠点に鑑み、１個
のもので同時に三次元方向ついての各成分の測定が可能
であると共に、各種の物理量を測定することができ、し
かも軽量小型化を図ることが容易な測定装置を提供する
ことを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

即ち、この発明は、絶対座標系に対し通常静止している
と共に外力が作用すると運動するように取付けられた静
止体と、互いに直交する各方向毎に配置された圧電素子
によって前記静止体のケーシング内部に支持された一定
質量の被測定体と、この被測定体の変位動作と共に変位
する圧電素子から出力される起電力を人力し、これに基
づいて所定の変換式を用いて演算を行い、前記外力を被
測定体の所定方向における分力、加速度、速度振動数等
の物理量に演算・変換する演算部とを備えたものである
。

〔作用〕

この発明の測定装置は、外力の作用によって被測定体が
運動変位すると、その変位動作に伴って各圧電素子に特
定の力が作用してこの圧電素子に起電力が発生し、この
発生した起電力を人力した演算部が所定の変換式を用い
て演算を行い、これによって被測定物の特定方向に作用
する力、加速度、速度、振動数等の物理量を算出する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例について添イて１図面を参照
しながら説明する。

第１図はこの発明に係る測定装置を示すものであり、こ
の測定装置は、基準体１と、被測定体２と、圧電素子３
と、演算部４と１表示部５とから構成されている。

基準体１は、第２図に示すように剛性を有する材質のも
のを用いて正六面体の中空箱状に形成されており、地球
（絶対座標系）に対し通常は静止した状態となるように
据え付けられているが、外力の作用によって運動するよ
うになっている。

被測定体２は、各種物理量を観測するため外力の作用に
よって基準体Ｉ内へ振動変位させるものであり、質量Ｍ
の球状のものが使用されており、次に説明する圧電素子
３によって基準体１内方に支持されている。

圧電素子３は、外力の作用により被測定体２の変位動作
に伴って伸縮しながらその伸縮変位量に応じ起電力を発
生するものであり、この実施例では第２図に示すように
、三次元的な各方向、即ちｘ、　　ｙ、　　ｚの３方向
にそれぞれ２個づつ都合６個配置されており、それぞれ
演算部４の入力端と接続されている。即ち、この実施例
の圧電素子３は、Ｘ方向に沿って第１．第２圧電素子３
ａ、３ｂとＸ方向に沿って第３．第４圧電素子３ｃ、３
ｄと２方向に沿って第５．第６圧電素子３ｅ、３ｆとか
ら構成されている。なお、この発明の圧電素子としては
、例えばｘｙｚの３方向についてそれぞれ１個づつ都合
３個のもので構成することも可能である。

演算部４は、圧電素子３から出力される起電力に基づい
て後に説明する所定の変換式を用いて所定の演算を行い
被測定体２の一定方向に作用する各種物理量を算出する
ようになっており、この実施例ではマイクロコンピュー
タが使用されている。

表示部５は、演算部４によって算出された各種物理量の
データを表示させるものであり、画面上にその測定した
物理量の種類、即ち力、加速度。

速度１振動数とその数値等とを表示させるようになって
いる。

次に、この実施例の測定装置における圧電素子から発生
ずる起電力に基づいて各種物理量を算出するときの算出
方法について説明する。

まず、第２図に示すように、基準体１が特定の力Ｆを受
は振動したときに、その力Ｆを受けて変位する被測定体
２の変位量を（ｆイ　（ｔ）、ｒｙ（ｔ）、ｆ、（ｔ）
）で表すことができるものとする。ここで、説明を簡単
にするために１つの成分、即ぢＸ成分についてその変位
を調べて見る。

即ち、第３図において、力ＦのＸ成分Ｆ、によって第１
．第２圧電素子３ａ、３ｂには抵抗力Ｒが発生するが、
その抵抗力Ｒは、Ｘの函数Ｒ（ｘ）として表すことがで
きる。そこで、この抵抗力Ｒ（ｘ）をティラー展開して
、 Ｒ（！１ｌ＝ｃＯＸ　＋ｃ　Ｉ父＋Ｃ２父＋・・・・・
・＋Ｃ＋、ｘ　”’＋−−・−・− となるが、一般に近似的には第２項までで充分であり、
したがって次式のように表すことができ、即ち、 Ｒｆｘｌ　〜ＣｏＸ　＋　［：　＋　ｘ　　　　　　　
　　　、、、　、、・■となる。

今ここで、第４図のように被測定体３のＸ方向での変位
量ｆイを０とするような新しい座標系（以下これを絶対
座標系とよぶ）ｏ−ｘ’　を設けたとき、それらの間に
は次式で示すような関係式、即ち座標変換式が成立する
。

ｘ　　＝ｘ＋ｆウ　　　　　　　　　　・・・・・・■
ここで、この座標変換式■において、時間ｔについて２
階微分を行うと次式が得られる。

父°　−父＋７８　　　　　　　　　　・・・・・・■
ところで、一般に第４図に示すような関係にある質量ｍ
の被測定体２については次のような運動方式が成立して
おり、即ち、 ｍ父′＋２Ｃ大＋２ｋｘ＝Ｏ−−−−−−■（但し、ｋ
は弾性定数、Ｃは減衰係数）ここで０式を０式へ代入し
て、 ｍｘ−４−２ｃｘ＋２ｋｘ＝　−ｍ？ｔ＋　　　＋＋＋
・・・■この０式を変形すると、 父＋２ε文＋ｗ　ｎ’　ｘ　＝−？　＋１　　　　””
”■”（但し、ここでε−Ｃ／ｍ、ω２＝２に７ｍ）と
ころで、一般に■°のような微分方程式にあっては、そ
の一般解χ（被測定体の変位）はｘ　＝ａ　−ｅｘｐ　
　［−αｔ　　〕　　・　５ｉｎ（βを十ψ）のような
函数形をしており、減衰函数であるため、この実施例の
場合、特殊解のみを完えればよい。

ところで、変位ｆイをフーリエ展開すると、ｆ　Ｘ＝　
党Ｃｉ６　ｅｘｐ　　［ｉｎｔ〕　　　　　　　　−−
−−−−■したがって、 （＋＋＝　−免ｎ　２・Ｃｈ−ｅｘｐ　Ｃ１ｎｔｌここ
で、ａｈ−−ｎ２Ｃｏ　　　　　　・・・・・・■と置
くと、 いま、ここでｆ　ＩＩ８の第ｎ項？　Ｘｎについて考え
てみると、■′の式において、 父、＋２ε文。＋　ωＩｌ’ｘＩ＋＝−？ｊｊｈａ７　
°　ｅＸｐ　　Ｉ：ｉｎｌ、　　］　　−−−−−、■
（、“、■式より） ここで、ｘｌ、＝　ａ　・ｅｘｐ　　［ｉＢｔ　〕−■
とおくと、 ■、■を■に代入すると、 αβ２・ｅｙ、ｐ　　［ｉ　βｔ〕＋２１εαβ’　ｅ
ｘｐ〔１βｔ　〕　＋　ω、　　’　　ａ　　争　ｅｘ
ｐ　　　［’ｉ　　βｔ　〕ａｈ′ｅｘｐ　［ｉ　ｎ　
ｔ〕 整頓すると、 ０≦ｔく■ のとき０式が成立するためには、 ｎ−β でなければならない。

したがって、このとき０式より ａｎ　−ａ　（−ｎ２＋２　εｉ　ｎ＋ｒｎ２゜）・・
・・・・０が得られる。

ところで、■式よりａ、、−−ｎ２ｃ、、なので、とお
くと、■、■式から Ｘ　ｎ−αＩｌ’　Ｃｈ。ｅｘｐ　［ｉｎｔ］α。・ｆ
、、　　　　（、−、■より）ところで、変位Ｘは ｘ、＝ｆ）、α、°「８゜ ｆ８・ゑα、 ・・・・・・■ 従って、振動する被測定体２の速度は、文−Ｌα、す。

（ｔ）　＋　ｆｉα。ｆ、（ｔ）また、このときの加速
度は、 父＝２ｆｉａ、？、（ｔ）＋ｆｉα。￥、　（１）十ｊ
δ。ｒ、（ｔ） また、このときの被測定体２に作用する力Ｆ８は、Ｆｘ
＝ｍ−父 ｍ　［２ｆｉａｎ・ｉ、（Ｌ） ＋立αｈＹＸ（ｔ）−ｔ−云ｄ。ｆ、（ｔ）〕以上、Ｘ
成分について求めてきたが、ｙ、　　ｚ各成分について
も同様に求められる。

また、このときの合成された速度Ｖは、Ｖ−・　×２＋
、２＋２２ から、またこれら各成分について合成された加速度αに
ついても、 α−「・「’＋　Ｖ　’＋　、ｐ　’−から、さらに、
これらの各成分について合成された力Ｆは、 Ｆ−さ「〒−”十Ｆ　ｙ’−１−Ｆ　ｇ’から、求めら
れる。

〔効果〕

以上説明してきたように、この発明に係る測定装置によ
れば、被測定体が運動変位すると、その変位動作に伴っ
て圧電素子から起電力が発生し、この発生した起電力に
基づいて演算部が所定の演算を行い、被測定体に作用す
るカ、加速度、速度振動数等の物理量を三次元での各成
分毎に算出できるため、大型で特殊な、かつ高価な装置
を使用しなくても簡単に測定することができる。

また、この発明に係る測定装置によれば、圧電素子から
発生ずる起電力のみを用いて各種の物理量を測定するこ
とができ、極めて実用的である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る測定装置の構成を示すブロック
図、第２図はこの発明に係る測定装置に使用する基準体
とこの基準体内に圧電素子によって取付けられた被測定
体を示す斜視図、第３図及び第４図はそれぞれこの発明
に係る測定装置の作用を説明するための説明図である。 １　・・・基準体、　　　３　用圧電素子２　・・・被
測定体、　　４　・・・演算部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶対座標系に対し通常静止していると共に外力が作
   用すると運動するように取付けられた静止体と、 互いに直交する各方向毎に配置された圧電素子によって
   前記静止体のケーシング内部に支持された一定質量の被
   測定体と、 この被測定体の変位動作と共に変位する圧電素子から出
   力される起電力を入力し、これに基づいて所定の変換式
   を用いて演算を行い、前記外力を被測定体の所定方向に
   おける分力、加速度、速度振動数等の物理量に演算・変
   換する演算部とを備えたことを特徴とする測定装置。