接触面形状測定装置
【課題】柔軟な物体同士の接触面の形状をより正確に測定できる測定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明にかかる接触面形状測定装置１００は、柔軟な物体１０２、１０４同士の接触面１０６の形状を測定する測定装置において、接触面に沿って配置される柔軟性を有する基板１０８と、基板に貼付され貼付位置での基板の歪量を測定する２つ以上の歪センサ１１０と、歪量に基づいて曲率を算出し、該曲率に基づいて、２つ以上の歪センサが貼付された経路に沿った接触面の形状を近似した曲線を算出する形状近似部１２０と、基板上の経路に配置され配置位置での基板の傾斜角を測定する少なくとも２つの加速度センサ１１２と、いずれかの加速度センサの配置位置における近似した曲線の接線角と測定した傾斜角との差分を算出する比較部１２２と、差分が所定の値以内に収まるように、近似した曲線を補正する補正部１２４とを備えることを特徴とする。
【解決手段】本発明にかかる接触面形状測定装置１００は、柔軟な物体１０２、１０４同士の接触面１０６の形状を測定する測定装置において、接触面に沿って配置される柔軟性を有する基板１０８と、基板に貼付され貼付位置での基板の歪量を測定する２つ以上の歪センサ１１０と、歪量に基づいて曲率を算出し、該曲率に基づいて、２つ以上の歪センサが貼付された経路に沿った接触面の形状を近似した曲線を算出する形状近似部１２０と、基板上の経路に配置され配置位置での基板の傾斜角を測定する少なくとも２つの加速度センサ１１２と、いずれかの加速度センサの配置位置における近似した曲線の接線角と測定した傾斜角との差分を算出する比較部１２２と、差分が所定の値以内に収まるように、近似した曲線を補正する補正部１２４とを備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柔軟な物体同士の接触面の形状を測定する接触面形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、柔軟な物体同士が接触した場合、その接触面（接触界面）には、物体同士の相互作用によって変形が生じる。以下では、柔軟な物体同士として、車両の座席（シートクッション）と、この座席に着座する乗員とを挙げて説明する。
【０００３】
車両の座席は、内部に配置される骨格となる部材と、発泡倍率の異なるクッションや表皮材などの異なった柔軟性を有する複数の部材とを含み、これらの部材が複合して形成されている。また、乗員は、骨格と柔軟性を有する複数の筋肉とを内包している。つまり、車両の座席および乗員は、双方とも荷重によって変形する柔軟な物体である。
【０００４】
このような乗員と座席との接触面は、双方の相互作用によって複雑な変形を生じ易い。例えば、体格や体の状態に個人差のある乗員が座席に着座し、任意に姿勢を調整し、さらに、車両走行中の振動や加速度を受けるような状況では、接触面は複雑な変形を生じる。
【０００５】
乗員と座席との相互作用は、乗員が感じる座り心地に非常に大きな影響を及ぼすだけでなく、場合によっては、痛みなどを人体に与え、健康を損なう原因にもなり得る。このため、柔軟な物体同士の接触面の状態を外部から予測する技術は、車両の設計においても重要となる。
【０００６】
例えば、シート状の感圧センサを用いて接触面での圧力分布を測定し、この測定した圧力分布に基づいて、接触面の状態を観測する技術がある。しかし、この技術では、着座時の乗員の筋肉の硬さなどの物理パラメータを観測できないことから、接触面の変形状態を正確に予測することは困難である。
【０００７】
特許文献１には、テープ状の弾性金属板の表面に多数の歪センサを貼付したものを、座席と乗員との接触面に挟み込み、弾性金属体の変形を歪センサで検出することで、接触面の形状を測定する技術が記載されている。なお、弾性金属体の形状は、接触面の形状に沿って変形する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−２９６７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
歪センサは、弾性金属板に貼付された位置の歪量のみ測定可能である。特許文献１のように、歪センサを用いた技術では、複数の歪センサの測定値である歪量に基づいて曲率を算出し、さらに、所定の半径および中心角を有する各円弧を算出する。そして、各円弧を接続することにより、弾性金属板の形状を近似している。
【００１０】
しかし、弾性金属体の形状は、連続的な曲面である。このため、連続的な曲面に対して、離散的な曲率のみを用いて形状を近似する上記技術では、例えば、歪センサが貼付されていない位置で急激な折れ曲がりが発生した場合など、算出した円弧と実際の形状とが一致しないことがある。よって、上記技術では、実際の形状と一致しない算出された円弧を接続することで形状を近似することから、実際の形状との誤差が累積してしまう。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑み、柔軟な物体同士の接触面の形状をより正確に測定できる接触面形状測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明にかかる接触面形状測定装置の代表的な構成は、柔軟な物体同士の接触面の形状を測定する接触面形状測定装置において、接触面に沿って配置される柔軟性を有する基板と、基板に貼付され貼付位置での基板の歪量を測定する２つ以上の歪センサと、歪量に基づいて曲率を算出し、曲率に基づいて、２つ以上の歪センサが貼付された経路に沿った接触面の形状を近似した曲線を算出する形状近似部と、基板上の経路に配置され配置位置での基板の傾斜角を測定する少なくとも２つの加速度センサと、いずれかの加速度センサの配置位置における近似した曲線の接線角と測定した傾斜角との差分を算出する比較部と、差分が所定の値以内に収まるように近似した曲線を補正する補正部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、柔軟性を有する基板が接触面の形状に沿って連続的な曲面を形成する場合に、複数の歪センサが基板の貼付位置での歪量を測定する。つまり、歪センサは、連続的な曲面に対して、離散的な歪量を測定する。形状近似部は、離散的な歪量に基づいて曲率を算出し、この曲率に基づいて曲線を算出することから、算出された曲線と実際の接触面の形状とは一致せず誤差が生じる場合がある。一方、加速度センサで測定される傾斜角は、加速度センサの配置位置での重力方向に対して成す角度であり、常に一定の精度を保っている。そこで、補正部が、測定点となる加速度センサの配置位置における、近似によって得られた曲線の接線角と、実際に測定された傾斜角との差分が所定の値以内に納まるように、近似曲線を補正する。よって、上記構成では、歪センサで測定された離散的な歪量に起因する曲線の誤差を、加速度センサで測定された傾斜角を用いてキャンセルすることで、接触面の形状をより正確に測定できる。
【００１４】
近似した曲線は、形状近似部で算出された曲率に基づく各円弧同士を接続して成り、補正部は、近似した曲線全体を差分だけ傾き補正するとよい。この場合には、補正部が、近似した曲線の計測基準となる起点での接線角から、加速度センサの配置位置での接線角と傾斜角との差分を減算し、近似した曲線全体を傾き補正すればよい。このようにすれば、曲線の補正を簡易に行うことができる。
【００１５】
近似した曲線は、形状近似部で算出された曲率に基づく各円弧同士を接続して成り、補正部は、歪センサの数で差分を除した角度を各円弧の中心角から減算または加算することで近似した曲線を各円弧毎に補正し、補正された各円弧同士を接続することで近似した曲線を補正するとよい。この場合には、補正部は、近似した曲線を各円弧毎に補正するので、曲線を全体的に滑らかに補正できる。
【００１６】
加速度センサは、互いに直交する２軸の検出軸を有するとよい。この場合には、２軸の検出軸の出力値が９０度の位相を保っているので、一方の検出軸の感度が低下する領域では、他方の検出軸の感度が高い。このため、２軸の加速度センサを用いることで、３６０度に亘って一意に傾斜角を測定できる。
【００１７】
加速度センサは、互いに直交する３軸の検出軸を有するとよい。これにより、基板が長手方向の軸周りに捩れて変形した場合であっても、３軸の検出軸により基板の捩れを検出できる。よって、補正部が検出された捩れを考慮して曲線を補正することで、より正確な接触面の形状を測定できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、柔軟な物体同士の接触面の形状をより正確に測定できる接触面形状測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態における接触面形状測定装置を用いた状態を示す図である。
【図２】図１の接触面形状測定装置の概略構成を示す図である。
【図３】図２の接触面形状測定装置の機能を示すブロック図である。
【図４】歪センサを基板に貼付した状態を示す図である。
【図５】歪センサで測定される歪量に基づく半径と中心角との関係を模式的に示す図である。
【図６】円弧の連続により形状を近似する原理を模式的に示す図である。
【図７】図２の接触面形状測定装置で用いられる加速度センサの原理を説明する図である。
【図８】本実施形態における接触面形状測定装置による補正の原理を模式的に示す図である。
【図９】本実施形態における接触面形状測定装置により曲線を補正した状態を例示する図である。
【図１０】１軸の検出軸を有する加速度センサの傾斜角と出力との関係を示す図である。
【図１１】２軸の検出軸を有する加速度センサを説明する図である。
【図１２】２軸の検出軸を有する加速度センサの傾斜角と出力との関係を示す図である。
【図１３】３軸の検出軸を有する加速度センサを用いた接触面形状測定装置による補正の原理を模式的に示す図である。
【図１４】加速度センサの他の配置例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２１】
図１は、本実施形態における接触面形状測定装置を用いた状態を示す図である。図２は、図１の接触面形状測定装置の概略構成を示す図である。図３は、図２の接触面形状測定装置の機能を示すブロック図である。接触面形状測定装置１００は、図１に示すように、荷重によって変形する柔軟な物体同士、すなわち、座席１０２と座席１０２に着座する乗員１０４との接触面（界面）１０６の形状を測定する装置である。
【００２２】
接触面形状測定装置１００は、図２に示すように、基板１０８と、歪センサ（歪ケージ）１１０と、加速度センサ（重力センサ）１１２とを備える。基板１０８は、柔軟性を有するテープ状の薄板である。歪センサ１１０は、基板１０８上に所定間隔で複数貼付されている。なお「所定間隔」は、本実施形態ではすべて一定としているが、予め定めた様々な長さの間隔としてもよい。加速度センサ１１２は、歪センサ１１０を少なくとも１つ含む間隔で基板１０８に配置されている。これらの基板１０８、歪センサ１１０および加速度センサ１１２は、図１に示す接触面１０６に挟み込まれた状態で用いられる。なお、基板１０８は、接触面１０６に挟み込まれた状態で接触面１０６の形状に沿って変形する。
【００２３】
歪センサ１１０は、図２に示すように、白抜き矢印で示される基板１０８に加わる引張力および圧縮力の影響を受けることで、基板１０８に貼付された位置（貼付位置）での基板１０８の歪量を測定する。
【００２４】
加速度センサ１１２は、基板１０８に配置された位置（配置位置）での基板１０８の傾斜角を測定する。加速度センサ１１２は、図２に示すように、矢印で示す重力方向を基準とし、一点鎖線で示す基板１０８の配置位置での接線の傾き、すなわち傾斜角を計測する。
【００２５】
また、接触面形状測定装置１００は、図３に示すように、上記歪センサ１１０および加速度センサ１１２を含む入力部１１４と、界面形状推定部１１６と、表示部１１８とを備える。界面形状推定部１１６は、形状近似部１２０と、比較部１２２と、補正部１２４とを有する。界面形状推定部１１６は、歪センサ１１０から入力される歪量に基づいて接触面１０６の形状を近似し、さらに、加速度センサ１１２から入力される傾斜角に基づいて、近似された接触面１０６の形状を補正する。以下、各構成について概略的に説明する。
【００２６】
形状近似部１２０には、歪センサ１１０により測定された基板１０８の貼付位置での歪量が入力される。形状近似部１２０は、入力された歪量に基づいて曲率を算出し、この曲率に基づいて、接触面１０６の形状を近似した曲線を算出する。なお、曲線とは、曲線を示すデータをいう。
【００２７】
比較部１２２には、形状近似部１２０で算出された曲線を示すデータと、加速度センサ１１２により測定された基板１０８の配置位置での傾斜角とが入力される。比較部１２２は、基板１０８の配置位置での、形状近似部１２０で算出された曲線の接線角（図６（ａ）にて後述する）と、加速度センサ１１２から入力された傾斜角とを比較し、差分を算出する。
【００２８】
補正部１２４は、比較部１２２で算出された差分が所定範囲内に収まるように、形状近似部１２０で算出された曲線を示すデータを補正する。なお、所定範囲内とは、例えば、接線角を傾斜角にほぼ一致させて差分をより小さくすることが好ましいが、特に制限されない。
【００２９】
表示部１１８は、適宜のディスプレイなどであり、補正部１２４で補正された曲線を示すデータに基づいて、曲線を表示する。
【００３０】
次に、図４〜図６を参照して、歪センサ１１０を用いて接触面１０６の形状を近似した曲線を算出する原理について説明する。図４は、歪センサ１１０を基板１０８に貼付した状態を示す図である。図４（ａ）は、基板１０８が荷重を受けていない状態を示している。図４（ｂ）は、基板１０８が荷重を受けて変形している状態を示している。図５は、歪センサ１１０で測定される歪量に基づく半径と中心角との関係を模式的に示す図である。図６は、円弧の連続により形状を近似する原理を模式的に示す図である。図６（ａ）は、円弧の連続により形状を近似した状態を示す図である。図６（ｂ）は、歪センサ１１０の測定による誤差を示す図である。
【００３１】
まず、図４（ａ）に示す基板１０８に貼付された複数の歪センサ１１０は、基板１０８が接触面１０６に挟み込まれる状態になると、図４（ｂ）に白抜き矢印で示す引張力および圧縮力を受ける。歪センサ１１０は、基板１０８の貼付位置（張り付け点）での歪量εを測定する。
【００３２】
歪量εは、基板１０８の厚さｔおよび曲率半径ｒと式（１）の関係にある。
【００３３】
ε＝ｔ／２ｒ （１）
このため、式（１）より、歪量εと基板１０８の厚さｔから、歪センサ１１０の貼付位置を含む円弧の曲率半径ｒが導出される。
【００３４】
さらに、図５に示すように、歪センサ１１０の間隔をｄとすると、等間隔に貼付された歪センサ１１０間は、歪量εから得られた曲率を持つ円弧の長さとなる。この歪センサ１１０の間隔ｄは、円弧の中心角θと式（２）の関係にある。
【００３５】
θ＝ｄ／ｒ （２）
形状近似部１２０は、各歪センサ１１０の計測値から導出された半径ｒ、中心角θを持つ円弧を、図６（ａ）に示すように接続していくことで、接触面１０６の形状を近似する。ここでは、半径ｒ０、中心角θ１を持つ円弧に、半径ｒ１、中心角θ２を持つ円弧を接続した状態を示している。
【００３６】
また、図６（ａ）に示すθ０を計測基準としている。なお、計測基準θ０は、水平としている。さらに、半径ｒ０、中心角θ１を持つ円弧の接線角を「θ０＋θ１」で示し、この円弧に接続された半径ｒ１、中心角θ２を持つ円弧の接線角θｓを「θ０＋θ１＋θ２」で示している。このように、円弧の接線角は、円弧が接続される毎に中心角が加算され算出される。
【００３７】
ところが、柔軟性を有する基板１０８が接触面１０６の形状に沿って連続的な曲面を形成するのに対して、歪センサ１１０は、基板１０８の貼付位置での歪量を測定するに過ぎない。つまり、形状近似部１２０は、連続的な曲面に対して、測定された歪量から離散的な曲率を算出している。
【００３８】
形状近似部１２０は、離散的な曲率に基づいて曲線を算出することから、図６（ｂ）に示すように、実線で示す実際の接触面１０６の形状１４０と、二点鎖線で示す算出された曲線１４２とは一致せず誤差が生じる場合がある。以下に、他の問題点について説明する。
【００３９】
まず、各歪センサ１１０による中心角の測定誤差が、加算蓄積されていく場合がある。また、各歪センサ１１０での歪量を、相当する円弧で近似して積算していくことから、歪センサ１１０の曲がり方が円弧の連続で近似し難いような形状の場合に誤差が発生してしまう。
【００４０】
さらに、歪センサ１１０同士の間で、急激な折れ曲がりが発生した場合には、その歪量は歪センサ１１０で計測できず、円弧半径と中心角とから推定した曲線と、実際の曲線との間にはずれが生じ、全体の形状に誤差が発生する。また、歪量から算出された曲率を積み重ねていく起点として、計測基準となる座標系に固定した部分が歪センサ１１０上に必要となり、少なくとも図６（ａ）に示す計測基準θ０が予め把握されている必要がある。
【００４１】
また、測定の精度を高めるには、歪センサ１１０の間隔を小さくして多数の歪センサ１１０を設置することが考えられる。しかし、その場合には、配線の数が多くなり、歪センサ１１０全体の小型化が困難となる上に、多数の歪計測用アンプが必要となるり、装置が複雑化してしまう。
【００４２】
そこで、本実施形態の接触面形状測定装置１００では、図２に示すように、歪センサ１１０に加えて加速度センサ１１２を基板１０８に配置し、主たる計測は歪センサ１１０で行い、複数の歪センサ１１０による累積誤差を加速度センサ１１２でキャンセルするという手法を採用した。以下、図７および図８を参照して説明する。
【００４３】
図７は、図２の接触面形状測定装置１００で用いられる加速度センサ１１２の原理を説明する図である。重力センサである加速度センサ１１２は、一般的なＤＣ成分の検出能力を有する。加速度センサ１１２では、図７に示すように、検出軸１３０が地球上の垂直線と成す角度θに応じて、検出される重力加速度Ｇがｃｏｓθの割合で減少する。なお、図中では、加速度センサ１１２が検出する重力加速度を「Ｇ・ｃｏｓθ」で示している。
【００４４】
つまり、加速度センサ１１２は、検出したＤＣ成分加速度の大きさからｃｏｓ−１を用いて加速度センサ１１２の傾斜を検出できる。このような加速度センサ１１２による傾斜の検出は、各測定点の重力方向に対して成す角を測定することから、どの位置でも常に一定の精度を有するという特性を持っている。
【００４５】
接触面形状測定装置１００では、加速度センサ１１２の上記特性を利用して、歪センサ１１０による手法で測定した接触面１０６の形状を示す曲線の接線傾き（接線角）が、重力センサで測定した傾き（傾斜角）と一定の誤差範囲内に収まるように、歪センサ１１０で測定した曲線を傾き補正することで精度の向上を図っている。
【００４６】
ただし、加速度センサ１１２は、一般的に歪センサ１１０に比べて外形が大きく、また、電源供給を必要とする分の配線が必要となり、さらに、価格も高価であることが多い。このため、接触面形状測定装置１００では、歪センサ１１０を少なくとも１つ含む間隔で配置している。なお、加速度センサ１１２は、歪センサ１１０数個に１個の割合で、例えば歪センサ１１０と歪センサ１１０との中間点に設置することも好ましい。
【００４７】
図８は、本実施形態における接触面形状測定装置１００による補正の原理を模式的に示す図である。図８（ａ）は、図６（ａ）に対応していて、加速度センサ１１２（図中では、Ｇで示す）を追加した状態を示している。図８（ｂ）は、加速度センサ１１２で傾斜角を測定した状態を示している。図９は、本実施形態における接触面形状測定装置１００により曲線を補正した状態を例示する図である。
【００４８】
比較部１２２は、図８（ａ）で示す加速度センサ１１２の配置位置での、形状近似部１２０で算出された曲線の接線角θｓと、図８（ｂ）で示す同じく加速度センサ１１２の配置位置での、算出された重力方向との傾斜角θｇとの差分θｄを算出する。なお、差分θｄは、「θｓ−θｇ」で示される。
【００４９】
補正部１２４は、加速度センサ１１２で補正を行う区間、すなわち図８（ａ）に示す２つの円弧が接続された区間に対して、区間の曲線全体を差分だけ傾き補正を行う。具体的には、補正部１２４は、区間のうち計測基準となる接線角θ０から差分θｄを減算して、新たな計測基準を「θ０−θｄ」として、区間の曲線全体を傾き補正する。このようにすれば、曲線の補正を簡易に行うことができる。
【００５０】
ここで図９を参照して説明する。なお、図中、図６（ｂ）と同様に実線で示される形状１４０を、真の形状とした。また、二点鎖線で示される形状１４２を、形状近似部１２０で算出された曲線の近似形状とした。さらに、図示のように、真の形状１４０の終点における接線方向１４０ａと近似形状１４２の終点における接線方向１４２ａとが、上記差分θｄが存在する場合を想定した。補正部１２４は、近似形状１４２の計測基準を起点として、図示のように、近似形状１４２の全体を差分θｄだけ回転させて傾き補正を行い、図中、一点鎖線で示す補正形状１４４を得た。このような補正部１２４による曲線の補正が行われることで、真の形状１４０の始点における接線方向と補正形状１４４の始点の接線方向との間には上記差分θｄが生じる。しかし、補正形状１４４の終点の接線方向１４４ａが真の形状１４０の接線方向１４０ａと一致するので、補正部１２４による曲線の簡易な補正が行われることになる。
【００５１】
また、補正部１２４は、上記補正方法に限られず、加速度センサ１１２で補正を行う区間に対して、この区間に含まれる各円弧の中心角を一定の割合で加算または減算し、区間を各円弧毎に補正してもよい。
【００５２】
具体的には、補正部１２４は、区間に含まれる歪センサ１１０の数ｎ（図８（ａ）では、２つ）で差分θｄを除した角度θｄ／ｎを、各円弧の中心角（図８（ａ）では、θ１、θ２）から減算または加算して、区間を各円弧毎に補正する。このようにすれば、区間の曲線全体を傾き補正する上記方法に比べて、曲線を全体的に滑らかに補正できる。
【００５３】
再び図９を参照すると、図中、点線で示す補正形状１４６は、補正部１２４によって、近似形状１４２が各円弧毎に補正された後の状態を示している。各円弧毎に補正された補正形状１４６は、図示のように、その終点の接線方向１４６ａが真の形状１４０の終点の接線方向１４０ａと一致しているし、両形状の始点の接線方向も一致している。したがって補正形状１４６は、例えば上記補正形状１４４に比べて、より真の形状１４０に近い形状となっている。
【００５４】
本実施形態の接触面形状測定装置１００では、安価で小型かつ薄型の歪センサ１１０による形状測定を、誤差が累積しない加速度センサ１１２で補正している。すなわち、補正部１２４は、近似された曲線の接線角が、重力方向に対して成す傾斜角との誤差が一定範囲に収まるように補正することで、接触面１０６の形状の測定精度を向上させている。
【００５５】
言い換えると、接触面形状測定装置１００では、歪センサ１１０により間欠的に得られる歪量に基づいて算出された曲率を、加速度センサ１１２により得られる傾斜角で補間する。これにより、接触面形状測定装置１００では、歪センサ１１０での円弧を積算する手法のように起点からの累積誤差が発生せず、全体の形状の測定精度を向上できる。
【００５６】
また、接触面形状測定装置１００では、基板１０８に貼付された歪センサ１１０に加えて、間隔をあけて加速度センサ１１２を配置するので、加速度センサ１１２単体による形状測定よりも装置を小型かつ薄型にでき、さらに、配線量を低減してコストも抑えられる。
【００５７】
また、上記実施形態では、加速度センサ１１２は、１軸の検出軸１３０を有していたが、これに限られず、２軸の検出軸を有するものであってもよい。以下、図１０〜図１２を参照して具体的に説明する。
【００５８】
図１０は、１軸の検出軸１３０を有する加速度センサ１１２の傾斜角と出力との関係を示す図である。図１１は、２軸の検出軸１３０、１３２を有する加速度センサ１１２Ａを説明する図である。図１２は、２軸の検出軸１３０、１３２を有する加速度センサ１１２Ａの傾斜角と出力との関係を示す図である。
【００５９】
加速度センサ１１２の出力と傾斜角とは、ｃｏｓθの関係にある。このため、加速度センサ１１２は、重力との成す角度により、角度の検出感度が変化する。図１０に示す１軸の検出軸１３０を有する加速度センサ１１２では、０度、１８０度、３６０度近傍では角度変化に対する出力の変化が小さく、傾斜の検出感度が低い。一方、９０度、２７０度近傍では、角度変化に対する出力の変化が大きく、傾斜の検出感度が高い。
【００６０】
つまり、９０度と２７０度のように、同一出力であっても傾斜角が異なる点が存在するので、１軸の検出軸１３０を有する加速度センサ１１２の値だけでは角度の絶対値を求めることができない。特に、基板１０８の表面と垂直一軸に、加速度センサ１１２の検出軸１３０を設置したような場合には、基板１０８がほぼ水平である状況では、感度が低い上に、水平に対してプラス側の傾斜なのか、マイナス側の傾斜なのかが分からず、歪センサ１１０の出力を十分に補正することができない。
【００６１】
そこで、図１１に示すように、互いに直交する２軸の検出軸１３０、１３２を有する加速度センサ１１２Ａを用いることで、傾斜角の測定を精度よく行うことができる。２軸の加速度センサ１１２Ａでは、２つの検出軸１３０、１３２の出力が、図１２に示すように、一方の検出軸１３０の感度が低下する領域を、他方の検出軸１３２の出力で補うことができる。その上、２つの検出軸１３０、１３２による出力値が９０度の位相を有しているので、３６０度に亘って一意に接線の傾斜角を求めることができる。例えば、ｃｏｓ成分が同じ０となる９０度、２７０度の点で、ｓｉｎ成分はそれぞれ１、−１と異なった値を出力するので、確実に双方を区別できる。
【００６２】
このように、２軸の検出軸１３０、１３２を有する加速度センサ１１２Ａでは、１軸の検出軸１３０を有する加速度センサ１１２に比べて、傾斜角の感度および絶対角度の検出性能が向上する。このため、加速度１１２Ａを用いることで、歪センサ１１０の出力を十分に補正して、接触面１０６の形状を確実に測定できる。
【００６３】
さらに、上記実施形態では、１軸または２軸の加速度センサ１１２、１１２Ａを用いたが、これに限定されず、３軸の検出軸を有する加速度センサを用いてもよい。３軸の検出軸を有する加速度センサ（３次元加速度センサ）を用いることで、基板１０８の長手方向に沿った軸周りの捻じれ方向の変形を検出して、断面曲線の形状の検出精度を向上できる。以下、具体的に説明する。
【００６４】
図１３は、３軸の検出軸を有する加速度センサを用いた接触面形状測定装置による補正の原理を模式的に示す図である。図中では、２つの３次元加速度センサ（図中では、Ｇ０、Ｇ１）に挟まれた区間を想定している。
【００６５】
まず、歪センサ１１０で測定された歪量に基づいて、形状近似部１２０で算出された加速度センサＧ１の配置位置での曲線の接線角θｓを、図８（ａ）と同様に「θ０＋θ１＋θ２」とした。また、加速度センサＧ０の姿勢を計算上の便宜から水平とした。さらに、Ｇ１の姿勢を、ヨー（θｙ）、ピッチ（θｐ）およびロール（θｒ）の順のＺＸＹ型オイラー角とした。
【００６６】
Ｇ０、Ｇ１の三軸加速度ベクトルＡは、重力ｇを用いると、以下の式（３）で示される。また、ヨー角は、加速度センサＧ１では測定できないので、式（３）に基づいて、歪センサ１１０で測定するセンサ撓み量に相当するθｐ、およびセンサの捩じれ角に相当するθｒのみを、式（４）で示すように計算することが可能となる。
【００６７】
【数１】
【００６８】
【数２】
【００６９】
１軸または２軸の検出軸１３０、１３２を有する加速度センサ１１２、１１２Ａを用いた測定では、テープ状の薄板である基板１０８の長手方向の軸に沿って歪センサ１１０を貼付しているが、基板１０８の軸周りの捩れ変形を考慮していない。すなわち、上記測定では、基板１０８が捻じれずに、軸線が同一の平面内で変形していくことを仮定して、曲線を累積させる手法を採っている。このため、３次元曲線となる接触面１０６の形状を測定する場合に、断面形状として誤った形状を測定してしまう可能性がある。
【００７０】
これに対して、ｘｙｚ直交３軸の検出軸を有する加速度センサＧ１を用いることで、上記式（３）および（４）で示したように、基板１０８の軸周りの捻じれ方向の変形を検出できる。
【００７１】
よって、歪センサ１１０の出力から推測した円弧の連続による曲線を、加速度センサＧ１の配置位置となる測定点で重力に対して捩じり変形を施すことで、基板１０８が接触している接触面１０６の形状をより正確に推定できる。つまり、実際に三次元表面のどの部分の形状を測定しているのか、ある程度の推測が可能となり、曲線の形状の検出精度を向上できる。
【００７２】
さらに、上記実施形態では、加速度センサ１１２を基板１０８上で傾けた状態で設置していたが、これに限定されない。図１４は、加速度センサの他の配置例を示す図である。ここでは、加速度センサ１１２Ｂは、基板１０８の面方向と検出軸とが垂直になるように設置されている。
【００７３】
このような接触面形状測定装置１００Ａでは、加速度センサ１１２Ｂを傾けた状態で基板１０８上に設置する場合に比べて、基板１０８上に正しいアライメントで設置し易い。なお、接触面形状測定装置１００のように、加速度センサ１１２を傾けた状態で基板１０８上に設置する場合には、例えば、不図示の水平治具上で加速度センサ１１２の初期出力を測定するキャリブレーションを行えばよい。
【００７４】
また、上記実施形態では、柔軟な物体同士として、車両の座席１０２と乗員１０４とを挙げて説明したが、これに限定されず、電動車椅子の座席、家具、寝具などであってもよく、これらの柔軟な物体同士の接触面の形状を測定する用途に上記接触面形状測定装置１００を適用してもよい。
【００７５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、柔軟な物体同士の接触面の形状を測定する接触面形状測定装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１００、１００Ａ…接触面形状測定装置、１０２…座席、１０４…乗員、１０６…接触面、１０８…基板、１１０…歪センサ、１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ…加速度センサ、１１４…入力部、１１６…界面形状推定部、１１８…表示部、１２０…形状近似部、１２２…比較部、１２４…補正部、１３０、１３２…検出軸、１４０…真の形状、１４２…近似された形状、１４４、１４６…補正された形状、１４０ａ、１４２ａ、１４４ａ、１４６ａ…接線方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柔軟な物体同士の接触面の形状を測定する接触面形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、柔軟な物体同士が接触した場合、その接触面（接触界面）には、物体同士の相互作用によって変形が生じる。以下では、柔軟な物体同士として、車両の座席（シートクッション）と、この座席に着座する乗員とを挙げて説明する。
【０００３】
車両の座席は、内部に配置される骨格となる部材と、発泡倍率の異なるクッションや表皮材などの異なった柔軟性を有する複数の部材とを含み、これらの部材が複合して形成されている。また、乗員は、骨格と柔軟性を有する複数の筋肉とを内包している。つまり、車両の座席および乗員は、双方とも荷重によって変形する柔軟な物体である。
【０００４】
このような乗員と座席との接触面は、双方の相互作用によって複雑な変形を生じ易い。例えば、体格や体の状態に個人差のある乗員が座席に着座し、任意に姿勢を調整し、さらに、車両走行中の振動や加速度を受けるような状況では、接触面は複雑な変形を生じる。
【０００５】
乗員と座席との相互作用は、乗員が感じる座り心地に非常に大きな影響を及ぼすだけでなく、場合によっては、痛みなどを人体に与え、健康を損なう原因にもなり得る。このため、柔軟な物体同士の接触面の状態を外部から予測する技術は、車両の設計においても重要となる。
【０００６】
例えば、シート状の感圧センサを用いて接触面での圧力分布を測定し、この測定した圧力分布に基づいて、接触面の状態を観測する技術がある。しかし、この技術では、着座時の乗員の筋肉の硬さなどの物理パラメータを観測できないことから、接触面の変形状態を正確に予測することは困難である。
【０００７】
特許文献１には、テープ状の弾性金属板の表面に多数の歪センサを貼付したものを、座席と乗員との接触面に挟み込み、弾性金属体の変形を歪センサで検出することで、接触面の形状を測定する技術が記載されている。なお、弾性金属体の形状は、接触面の形状に沿って変形する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−２９６７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
歪センサは、弾性金属板に貼付された位置の歪量のみ測定可能である。特許文献１のように、歪センサを用いた技術では、複数の歪センサの測定値である歪量に基づいて曲率を算出し、さらに、所定の半径および中心角を有する各円弧を算出する。そして、各円弧を接続することにより、弾性金属板の形状を近似している。
【００１０】
しかし、弾性金属体の形状は、連続的な曲面である。このため、連続的な曲面に対して、離散的な曲率のみを用いて形状を近似する上記技術では、例えば、歪センサが貼付されていない位置で急激な折れ曲がりが発生した場合など、算出した円弧と実際の形状とが一致しないことがある。よって、上記技術では、実際の形状と一致しない算出された円弧を接続することで形状を近似することから、実際の形状との誤差が累積してしまう。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑み、柔軟な物体同士の接触面の形状をより正確に測定できる接触面形状測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明にかかる接触面形状測定装置の代表的な構成は、柔軟な物体同士の接触面の形状を測定する接触面形状測定装置において、接触面に沿って配置される柔軟性を有する基板と、基板に貼付され貼付位置での基板の歪量を測定する２つ以上の歪センサと、歪量に基づいて曲率を算出し、曲率に基づいて、２つ以上の歪センサが貼付された経路に沿った接触面の形状を近似した曲線を算出する形状近似部と、基板上の経路に配置され配置位置での基板の傾斜角を測定する少なくとも２つの加速度センサと、いずれかの加速度センサの配置位置における近似した曲線の接線角と測定した傾斜角との差分を算出する比較部と、差分が所定の値以内に収まるように近似した曲線を補正する補正部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、柔軟性を有する基板が接触面の形状に沿って連続的な曲面を形成する場合に、複数の歪センサが基板の貼付位置での歪量を測定する。つまり、歪センサは、連続的な曲面に対して、離散的な歪量を測定する。形状近似部は、離散的な歪量に基づいて曲率を算出し、この曲率に基づいて曲線を算出することから、算出された曲線と実際の接触面の形状とは一致せず誤差が生じる場合がある。一方、加速度センサで測定される傾斜角は、加速度センサの配置位置での重力方向に対して成す角度であり、常に一定の精度を保っている。そこで、補正部が、測定点となる加速度センサの配置位置における、近似によって得られた曲線の接線角と、実際に測定された傾斜角との差分が所定の値以内に納まるように、近似曲線を補正する。よって、上記構成では、歪センサで測定された離散的な歪量に起因する曲線の誤差を、加速度センサで測定された傾斜角を用いてキャンセルすることで、接触面の形状をより正確に測定できる。
【００１４】
近似した曲線は、形状近似部で算出された曲率に基づく各円弧同士を接続して成り、補正部は、近似した曲線全体を差分だけ傾き補正するとよい。この場合には、補正部が、近似した曲線の計測基準となる起点での接線角から、加速度センサの配置位置での接線角と傾斜角との差分を減算し、近似した曲線全体を傾き補正すればよい。このようにすれば、曲線の補正を簡易に行うことができる。
【００１５】
近似した曲線は、形状近似部で算出された曲率に基づく各円弧同士を接続して成り、補正部は、歪センサの数で差分を除した角度を各円弧の中心角から減算または加算することで近似した曲線を各円弧毎に補正し、補正された各円弧同士を接続することで近似した曲線を補正するとよい。この場合には、補正部は、近似した曲線を各円弧毎に補正するので、曲線を全体的に滑らかに補正できる。
【００１６】
加速度センサは、互いに直交する２軸の検出軸を有するとよい。この場合には、２軸の検出軸の出力値が９０度の位相を保っているので、一方の検出軸の感度が低下する領域では、他方の検出軸の感度が高い。このため、２軸の加速度センサを用いることで、３６０度に亘って一意に傾斜角を測定できる。
【００１７】
加速度センサは、互いに直交する３軸の検出軸を有するとよい。これにより、基板が長手方向の軸周りに捩れて変形した場合であっても、３軸の検出軸により基板の捩れを検出できる。よって、補正部が検出された捩れを考慮して曲線を補正することで、より正確な接触面の形状を測定できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、柔軟な物体同士の接触面の形状をより正確に測定できる接触面形状測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態における接触面形状測定装置を用いた状態を示す図である。
【図２】図１の接触面形状測定装置の概略構成を示す図である。
【図３】図２の接触面形状測定装置の機能を示すブロック図である。
【図４】歪センサを基板に貼付した状態を示す図である。
【図５】歪センサで測定される歪量に基づく半径と中心角との関係を模式的に示す図である。
【図６】円弧の連続により形状を近似する原理を模式的に示す図である。
【図７】図２の接触面形状測定装置で用いられる加速度センサの原理を説明する図である。
【図８】本実施形態における接触面形状測定装置による補正の原理を模式的に示す図である。
【図９】本実施形態における接触面形状測定装置により曲線を補正した状態を例示する図である。
【図１０】１軸の検出軸を有する加速度センサの傾斜角と出力との関係を示す図である。
【図１１】２軸の検出軸を有する加速度センサを説明する図である。
【図１２】２軸の検出軸を有する加速度センサの傾斜角と出力との関係を示す図である。
【図１３】３軸の検出軸を有する加速度センサを用いた接触面形状測定装置による補正の原理を模式的に示す図である。
【図１４】加速度センサの他の配置例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２１】
図１は、本実施形態における接触面形状測定装置を用いた状態を示す図である。図２は、図１の接触面形状測定装置の概略構成を示す図である。図３は、図２の接触面形状測定装置の機能を示すブロック図である。接触面形状測定装置１００は、図１に示すように、荷重によって変形する柔軟な物体同士、すなわち、座席１０２と座席１０２に着座する乗員１０４との接触面（界面）１０６の形状を測定する装置である。
【００２２】
接触面形状測定装置１００は、図２に示すように、基板１０８と、歪センサ（歪ケージ）１１０と、加速度センサ（重力センサ）１１２とを備える。基板１０８は、柔軟性を有するテープ状の薄板である。歪センサ１１０は、基板１０８上に所定間隔で複数貼付されている。なお「所定間隔」は、本実施形態ではすべて一定としているが、予め定めた様々な長さの間隔としてもよい。加速度センサ１１２は、歪センサ１１０を少なくとも１つ含む間隔で基板１０８に配置されている。これらの基板１０８、歪センサ１１０および加速度センサ１１２は、図１に示す接触面１０６に挟み込まれた状態で用いられる。なお、基板１０８は、接触面１０６に挟み込まれた状態で接触面１０６の形状に沿って変形する。
【００２３】
歪センサ１１０は、図２に示すように、白抜き矢印で示される基板１０８に加わる引張力および圧縮力の影響を受けることで、基板１０８に貼付された位置（貼付位置）での基板１０８の歪量を測定する。
【００２４】
加速度センサ１１２は、基板１０８に配置された位置（配置位置）での基板１０８の傾斜角を測定する。加速度センサ１１２は、図２に示すように、矢印で示す重力方向を基準とし、一点鎖線で示す基板１０８の配置位置での接線の傾き、すなわち傾斜角を計測する。
【００２５】
また、接触面形状測定装置１００は、図３に示すように、上記歪センサ１１０および加速度センサ１１２を含む入力部１１４と、界面形状推定部１１６と、表示部１１８とを備える。界面形状推定部１１６は、形状近似部１２０と、比較部１２２と、補正部１２４とを有する。界面形状推定部１１６は、歪センサ１１０から入力される歪量に基づいて接触面１０６の形状を近似し、さらに、加速度センサ１１２から入力される傾斜角に基づいて、近似された接触面１０６の形状を補正する。以下、各構成について概略的に説明する。
【００２６】
形状近似部１２０には、歪センサ１１０により測定された基板１０８の貼付位置での歪量が入力される。形状近似部１２０は、入力された歪量に基づいて曲率を算出し、この曲率に基づいて、接触面１０６の形状を近似した曲線を算出する。なお、曲線とは、曲線を示すデータをいう。
【００２７】
比較部１２２には、形状近似部１２０で算出された曲線を示すデータと、加速度センサ１１２により測定された基板１０８の配置位置での傾斜角とが入力される。比較部１２２は、基板１０８の配置位置での、形状近似部１２０で算出された曲線の接線角（図６（ａ）にて後述する）と、加速度センサ１１２から入力された傾斜角とを比較し、差分を算出する。
【００２８】
補正部１２４は、比較部１２２で算出された差分が所定範囲内に収まるように、形状近似部１２０で算出された曲線を示すデータを補正する。なお、所定範囲内とは、例えば、接線角を傾斜角にほぼ一致させて差分をより小さくすることが好ましいが、特に制限されない。
【００２９】
表示部１１８は、適宜のディスプレイなどであり、補正部１２４で補正された曲線を示すデータに基づいて、曲線を表示する。
【００３０】
次に、図４〜図６を参照して、歪センサ１１０を用いて接触面１０６の形状を近似した曲線を算出する原理について説明する。図４は、歪センサ１１０を基板１０８に貼付した状態を示す図である。図４（ａ）は、基板１０８が荷重を受けていない状態を示している。図４（ｂ）は、基板１０８が荷重を受けて変形している状態を示している。図５は、歪センサ１１０で測定される歪量に基づく半径と中心角との関係を模式的に示す図である。図６は、円弧の連続により形状を近似する原理を模式的に示す図である。図６（ａ）は、円弧の連続により形状を近似した状態を示す図である。図６（ｂ）は、歪センサ１１０の測定による誤差を示す図である。
【００３１】
まず、図４（ａ）に示す基板１０８に貼付された複数の歪センサ１１０は、基板１０８が接触面１０６に挟み込まれる状態になると、図４（ｂ）に白抜き矢印で示す引張力および圧縮力を受ける。歪センサ１１０は、基板１０８の貼付位置（張り付け点）での歪量εを測定する。
【００３２】
歪量εは、基板１０８の厚さｔおよび曲率半径ｒと式（１）の関係にある。
【００３３】
ε＝ｔ／２ｒ （１）
このため、式（１）より、歪量εと基板１０８の厚さｔから、歪センサ１１０の貼付位置を含む円弧の曲率半径ｒが導出される。
【００３４】
さらに、図５に示すように、歪センサ１１０の間隔をｄとすると、等間隔に貼付された歪センサ１１０間は、歪量εから得られた曲率を持つ円弧の長さとなる。この歪センサ１１０の間隔ｄは、円弧の中心角θと式（２）の関係にある。
【００３５】
θ＝ｄ／ｒ （２）
形状近似部１２０は、各歪センサ１１０の計測値から導出された半径ｒ、中心角θを持つ円弧を、図６（ａ）に示すように接続していくことで、接触面１０６の形状を近似する。ここでは、半径ｒ０、中心角θ１を持つ円弧に、半径ｒ１、中心角θ２を持つ円弧を接続した状態を示している。
【００３６】
また、図６（ａ）に示すθ０を計測基準としている。なお、計測基準θ０は、水平としている。さらに、半径ｒ０、中心角θ１を持つ円弧の接線角を「θ０＋θ１」で示し、この円弧に接続された半径ｒ１、中心角θ２を持つ円弧の接線角θｓを「θ０＋θ１＋θ２」で示している。このように、円弧の接線角は、円弧が接続される毎に中心角が加算され算出される。
【００３７】
ところが、柔軟性を有する基板１０８が接触面１０６の形状に沿って連続的な曲面を形成するのに対して、歪センサ１１０は、基板１０８の貼付位置での歪量を測定するに過ぎない。つまり、形状近似部１２０は、連続的な曲面に対して、測定された歪量から離散的な曲率を算出している。
【００３８】
形状近似部１２０は、離散的な曲率に基づいて曲線を算出することから、図６（ｂ）に示すように、実線で示す実際の接触面１０６の形状１４０と、二点鎖線で示す算出された曲線１４２とは一致せず誤差が生じる場合がある。以下に、他の問題点について説明する。
【００３９】
まず、各歪センサ１１０による中心角の測定誤差が、加算蓄積されていく場合がある。また、各歪センサ１１０での歪量を、相当する円弧で近似して積算していくことから、歪センサ１１０の曲がり方が円弧の連続で近似し難いような形状の場合に誤差が発生してしまう。
【００４０】
さらに、歪センサ１１０同士の間で、急激な折れ曲がりが発生した場合には、その歪量は歪センサ１１０で計測できず、円弧半径と中心角とから推定した曲線と、実際の曲線との間にはずれが生じ、全体の形状に誤差が発生する。また、歪量から算出された曲率を積み重ねていく起点として、計測基準となる座標系に固定した部分が歪センサ１１０上に必要となり、少なくとも図６（ａ）に示す計測基準θ０が予め把握されている必要がある。
【００４１】
また、測定の精度を高めるには、歪センサ１１０の間隔を小さくして多数の歪センサ１１０を設置することが考えられる。しかし、その場合には、配線の数が多くなり、歪センサ１１０全体の小型化が困難となる上に、多数の歪計測用アンプが必要となるり、装置が複雑化してしまう。
【００４２】
そこで、本実施形態の接触面形状測定装置１００では、図２に示すように、歪センサ１１０に加えて加速度センサ１１２を基板１０８に配置し、主たる計測は歪センサ１１０で行い、複数の歪センサ１１０による累積誤差を加速度センサ１１２でキャンセルするという手法を採用した。以下、図７および図８を参照して説明する。
【００４３】
図７は、図２の接触面形状測定装置１００で用いられる加速度センサ１１２の原理を説明する図である。重力センサである加速度センサ１１２は、一般的なＤＣ成分の検出能力を有する。加速度センサ１１２では、図７に示すように、検出軸１３０が地球上の垂直線と成す角度θに応じて、検出される重力加速度Ｇがｃｏｓθの割合で減少する。なお、図中では、加速度センサ１１２が検出する重力加速度を「Ｇ・ｃｏｓθ」で示している。
【００４４】
つまり、加速度センサ１１２は、検出したＤＣ成分加速度の大きさからｃｏｓ−１を用いて加速度センサ１１２の傾斜を検出できる。このような加速度センサ１１２による傾斜の検出は、各測定点の重力方向に対して成す角を測定することから、どの位置でも常に一定の精度を有するという特性を持っている。
【００４５】
接触面形状測定装置１００では、加速度センサ１１２の上記特性を利用して、歪センサ１１０による手法で測定した接触面１０６の形状を示す曲線の接線傾き（接線角）が、重力センサで測定した傾き（傾斜角）と一定の誤差範囲内に収まるように、歪センサ１１０で測定した曲線を傾き補正することで精度の向上を図っている。
【００４６】
ただし、加速度センサ１１２は、一般的に歪センサ１１０に比べて外形が大きく、また、電源供給を必要とする分の配線が必要となり、さらに、価格も高価であることが多い。このため、接触面形状測定装置１００では、歪センサ１１０を少なくとも１つ含む間隔で配置している。なお、加速度センサ１１２は、歪センサ１１０数個に１個の割合で、例えば歪センサ１１０と歪センサ１１０との中間点に設置することも好ましい。
【００４７】
図８は、本実施形態における接触面形状測定装置１００による補正の原理を模式的に示す図である。図８（ａ）は、図６（ａ）に対応していて、加速度センサ１１２（図中では、Ｇで示す）を追加した状態を示している。図８（ｂ）は、加速度センサ１１２で傾斜角を測定した状態を示している。図９は、本実施形態における接触面形状測定装置１００により曲線を補正した状態を例示する図である。
【００４８】
比較部１２２は、図８（ａ）で示す加速度センサ１１２の配置位置での、形状近似部１２０で算出された曲線の接線角θｓと、図８（ｂ）で示す同じく加速度センサ１１２の配置位置での、算出された重力方向との傾斜角θｇとの差分θｄを算出する。なお、差分θｄは、「θｓ−θｇ」で示される。
【００４９】
補正部１２４は、加速度センサ１１２で補正を行う区間、すなわち図８（ａ）に示す２つの円弧が接続された区間に対して、区間の曲線全体を差分だけ傾き補正を行う。具体的には、補正部１２４は、区間のうち計測基準となる接線角θ０から差分θｄを減算して、新たな計測基準を「θ０−θｄ」として、区間の曲線全体を傾き補正する。このようにすれば、曲線の補正を簡易に行うことができる。
【００５０】
ここで図９を参照して説明する。なお、図中、図６（ｂ）と同様に実線で示される形状１４０を、真の形状とした。また、二点鎖線で示される形状１４２を、形状近似部１２０で算出された曲線の近似形状とした。さらに、図示のように、真の形状１４０の終点における接線方向１４０ａと近似形状１４２の終点における接線方向１４２ａとが、上記差分θｄが存在する場合を想定した。補正部１２４は、近似形状１４２の計測基準を起点として、図示のように、近似形状１４２の全体を差分θｄだけ回転させて傾き補正を行い、図中、一点鎖線で示す補正形状１４４を得た。このような補正部１２４による曲線の補正が行われることで、真の形状１４０の始点における接線方向と補正形状１４４の始点の接線方向との間には上記差分θｄが生じる。しかし、補正形状１４４の終点の接線方向１４４ａが真の形状１４０の接線方向１４０ａと一致するので、補正部１２４による曲線の簡易な補正が行われることになる。
【００５１】
また、補正部１２４は、上記補正方法に限られず、加速度センサ１１２で補正を行う区間に対して、この区間に含まれる各円弧の中心角を一定の割合で加算または減算し、区間を各円弧毎に補正してもよい。
【００５２】
具体的には、補正部１２４は、区間に含まれる歪センサ１１０の数ｎ（図８（ａ）では、２つ）で差分θｄを除した角度θｄ／ｎを、各円弧の中心角（図８（ａ）では、θ１、θ２）から減算または加算して、区間を各円弧毎に補正する。このようにすれば、区間の曲線全体を傾き補正する上記方法に比べて、曲線を全体的に滑らかに補正できる。
【００５３】
再び図９を参照すると、図中、点線で示す補正形状１４６は、補正部１２４によって、近似形状１４２が各円弧毎に補正された後の状態を示している。各円弧毎に補正された補正形状１４６は、図示のように、その終点の接線方向１４６ａが真の形状１４０の終点の接線方向１４０ａと一致しているし、両形状の始点の接線方向も一致している。したがって補正形状１４６は、例えば上記補正形状１４４に比べて、より真の形状１４０に近い形状となっている。
【００５４】
本実施形態の接触面形状測定装置１００では、安価で小型かつ薄型の歪センサ１１０による形状測定を、誤差が累積しない加速度センサ１１２で補正している。すなわち、補正部１２４は、近似された曲線の接線角が、重力方向に対して成す傾斜角との誤差が一定範囲に収まるように補正することで、接触面１０６の形状の測定精度を向上させている。
【００５５】
言い換えると、接触面形状測定装置１００では、歪センサ１１０により間欠的に得られる歪量に基づいて算出された曲率を、加速度センサ１１２により得られる傾斜角で補間する。これにより、接触面形状測定装置１００では、歪センサ１１０での円弧を積算する手法のように起点からの累積誤差が発生せず、全体の形状の測定精度を向上できる。
【００５６】
また、接触面形状測定装置１００では、基板１０８に貼付された歪センサ１１０に加えて、間隔をあけて加速度センサ１１２を配置するので、加速度センサ１１２単体による形状測定よりも装置を小型かつ薄型にでき、さらに、配線量を低減してコストも抑えられる。
【００５７】
また、上記実施形態では、加速度センサ１１２は、１軸の検出軸１３０を有していたが、これに限られず、２軸の検出軸を有するものであってもよい。以下、図１０〜図１２を参照して具体的に説明する。
【００５８】
図１０は、１軸の検出軸１３０を有する加速度センサ１１２の傾斜角と出力との関係を示す図である。図１１は、２軸の検出軸１３０、１３２を有する加速度センサ１１２Ａを説明する図である。図１２は、２軸の検出軸１３０、１３２を有する加速度センサ１１２Ａの傾斜角と出力との関係を示す図である。
【００５９】
加速度センサ１１２の出力と傾斜角とは、ｃｏｓθの関係にある。このため、加速度センサ１１２は、重力との成す角度により、角度の検出感度が変化する。図１０に示す１軸の検出軸１３０を有する加速度センサ１１２では、０度、１８０度、３６０度近傍では角度変化に対する出力の変化が小さく、傾斜の検出感度が低い。一方、９０度、２７０度近傍では、角度変化に対する出力の変化が大きく、傾斜の検出感度が高い。
【００６０】
つまり、９０度と２７０度のように、同一出力であっても傾斜角が異なる点が存在するので、１軸の検出軸１３０を有する加速度センサ１１２の値だけでは角度の絶対値を求めることができない。特に、基板１０８の表面と垂直一軸に、加速度センサ１１２の検出軸１３０を設置したような場合には、基板１０８がほぼ水平である状況では、感度が低い上に、水平に対してプラス側の傾斜なのか、マイナス側の傾斜なのかが分からず、歪センサ１１０の出力を十分に補正することができない。
【００６１】
そこで、図１１に示すように、互いに直交する２軸の検出軸１３０、１３２を有する加速度センサ１１２Ａを用いることで、傾斜角の測定を精度よく行うことができる。２軸の加速度センサ１１２Ａでは、２つの検出軸１３０、１３２の出力が、図１２に示すように、一方の検出軸１３０の感度が低下する領域を、他方の検出軸１３２の出力で補うことができる。その上、２つの検出軸１３０、１３２による出力値が９０度の位相を有しているので、３６０度に亘って一意に接線の傾斜角を求めることができる。例えば、ｃｏｓ成分が同じ０となる９０度、２７０度の点で、ｓｉｎ成分はそれぞれ１、−１と異なった値を出力するので、確実に双方を区別できる。
【００６２】
このように、２軸の検出軸１３０、１３２を有する加速度センサ１１２Ａでは、１軸の検出軸１３０を有する加速度センサ１１２に比べて、傾斜角の感度および絶対角度の検出性能が向上する。このため、加速度１１２Ａを用いることで、歪センサ１１０の出力を十分に補正して、接触面１０６の形状を確実に測定できる。
【００６３】
さらに、上記実施形態では、１軸または２軸の加速度センサ１１２、１１２Ａを用いたが、これに限定されず、３軸の検出軸を有する加速度センサを用いてもよい。３軸の検出軸を有する加速度センサ（３次元加速度センサ）を用いることで、基板１０８の長手方向に沿った軸周りの捻じれ方向の変形を検出して、断面曲線の形状の検出精度を向上できる。以下、具体的に説明する。
【００６４】
図１３は、３軸の検出軸を有する加速度センサを用いた接触面形状測定装置による補正の原理を模式的に示す図である。図中では、２つの３次元加速度センサ（図中では、Ｇ０、Ｇ１）に挟まれた区間を想定している。
【００６５】
まず、歪センサ１１０で測定された歪量に基づいて、形状近似部１２０で算出された加速度センサＧ１の配置位置での曲線の接線角θｓを、図８（ａ）と同様に「θ０＋θ１＋θ２」とした。また、加速度センサＧ０の姿勢を計算上の便宜から水平とした。さらに、Ｇ１の姿勢を、ヨー（θｙ）、ピッチ（θｐ）およびロール（θｒ）の順のＺＸＹ型オイラー角とした。
【００６６】
Ｇ０、Ｇ１の三軸加速度ベクトルＡは、重力ｇを用いると、以下の式（３）で示される。また、ヨー角は、加速度センサＧ１では測定できないので、式（３）に基づいて、歪センサ１１０で測定するセンサ撓み量に相当するθｐ、およびセンサの捩じれ角に相当するθｒのみを、式（４）で示すように計算することが可能となる。
【００６７】
【数１】
【００６８】
【数２】
【００６９】
１軸または２軸の検出軸１３０、１３２を有する加速度センサ１１２、１１２Ａを用いた測定では、テープ状の薄板である基板１０８の長手方向の軸に沿って歪センサ１１０を貼付しているが、基板１０８の軸周りの捩れ変形を考慮していない。すなわち、上記測定では、基板１０８が捻じれずに、軸線が同一の平面内で変形していくことを仮定して、曲線を累積させる手法を採っている。このため、３次元曲線となる接触面１０６の形状を測定する場合に、断面形状として誤った形状を測定してしまう可能性がある。
【００７０】
これに対して、ｘｙｚ直交３軸の検出軸を有する加速度センサＧ１を用いることで、上記式（３）および（４）で示したように、基板１０８の軸周りの捻じれ方向の変形を検出できる。
【００７１】
よって、歪センサ１１０の出力から推測した円弧の連続による曲線を、加速度センサＧ１の配置位置となる測定点で重力に対して捩じり変形を施すことで、基板１０８が接触している接触面１０６の形状をより正確に推定できる。つまり、実際に三次元表面のどの部分の形状を測定しているのか、ある程度の推測が可能となり、曲線の形状の検出精度を向上できる。
【００７２】
さらに、上記実施形態では、加速度センサ１１２を基板１０８上で傾けた状態で設置していたが、これに限定されない。図１４は、加速度センサの他の配置例を示す図である。ここでは、加速度センサ１１２Ｂは、基板１０８の面方向と検出軸とが垂直になるように設置されている。
【００７３】
このような接触面形状測定装置１００Ａでは、加速度センサ１１２Ｂを傾けた状態で基板１０８上に設置する場合に比べて、基板１０８上に正しいアライメントで設置し易い。なお、接触面形状測定装置１００のように、加速度センサ１１２を傾けた状態で基板１０８上に設置する場合には、例えば、不図示の水平治具上で加速度センサ１１２の初期出力を測定するキャリブレーションを行えばよい。
【００７４】
また、上記実施形態では、柔軟な物体同士として、車両の座席１０２と乗員１０４とを挙げて説明したが、これに限定されず、電動車椅子の座席、家具、寝具などであってもよく、これらの柔軟な物体同士の接触面の形状を測定する用途に上記接触面形状測定装置１００を適用してもよい。
【００７５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、柔軟な物体同士の接触面の形状を測定する接触面形状測定装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１００、１００Ａ…接触面形状測定装置、１０２…座席、１０４…乗員、１０６…接触面、１０８…基板、１１０…歪センサ、１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ…加速度センサ、１１４…入力部、１１６…界面形状推定部、１１８…表示部、１２０…形状近似部、１２２…比較部、１２４…補正部、１３０、１３２…検出軸、１４０…真の形状、１４２…近似された形状、１４４、１４６…補正された形状、１４０ａ、１４２ａ、１４４ａ、１４６ａ…接線方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柔軟な物体同士の接触面の形状を測定する接触面形状測定装置において、
前記接触面に沿って配置される柔軟性を有する基板と、
前記基板に貼付され貼付位置での該基板の歪量を測定する２つ以上の歪センサと、
前記歪量に基づいて曲率を算出し、該曲率に基づいて、前記２つ以上の歪センサが貼付された経路に沿った前記接触面の形状を近似した曲線を算出する形状近似部と、
前記基板上の前記経路に配置され該配置位置での該基板の傾斜角を測定する少なくとも２つの加速度センサと、
いずれかの前記加速度センサの配置位置における前記近似した曲線の接線角と前記測定した傾斜角との差分を算出する比較部と、
前記差分が所定の値以内に収まるように前記近似した曲線を補正する補正部とを備えることを特徴とする接触面形状測定装置。
【請求項２】
前記近似した曲線は、前記形状近似部で算出された曲率に基づく各円弧同士を接続して成り、
前記補正部は、前記近似した曲線全体を前記差分だけ傾き補正することを特徴とする請求項１に記載の接触面形状測定装置。
【請求項３】
前記近似した曲線は、前記形状近似部で算出された曲率に基づく各円弧同士を接続して成り、
前記補正部は、前記歪センサの数で前記差分を除した角度を前記各円弧の中心角から減算または加算することで前記近似した曲線を各円弧毎に補正し、補正された該各円弧同士を接続することで前記近似した曲線を補正することを特徴とする請求項１に記載の接触面形状測定装置。
【請求項４】
前記加速度センサは、互いに直交する２軸の検出軸を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の接触面測定装置。
【請求項５】
前記加速度センサは、互いに直交する３軸の検出軸を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の接触面形状測定装置。
【請求項１】
柔軟な物体同士の接触面の形状を測定する接触面形状測定装置において、
前記接触面に沿って配置される柔軟性を有する基板と、
前記基板に貼付され貼付位置での該基板の歪量を測定する２つ以上の歪センサと、
前記歪量に基づいて曲率を算出し、該曲率に基づいて、前記２つ以上の歪センサが貼付された経路に沿った前記接触面の形状を近似した曲線を算出する形状近似部と、
前記基板上の前記経路に配置され該配置位置での該基板の傾斜角を測定する少なくとも２つの加速度センサと、
いずれかの前記加速度センサの配置位置における前記近似した曲線の接線角と前記測定した傾斜角との差分を算出する比較部と、
前記差分が所定の値以内に収まるように前記近似した曲線を補正する補正部とを備えることを特徴とする接触面形状測定装置。
【請求項２】
前記近似した曲線は、前記形状近似部で算出された曲率に基づく各円弧同士を接続して成り、
前記補正部は、前記近似した曲線全体を前記差分だけ傾き補正することを特徴とする請求項１に記載の接触面形状測定装置。
【請求項３】
前記近似した曲線は、前記形状近似部で算出された曲率に基づく各円弧同士を接続して成り、
前記補正部は、前記歪センサの数で前記差分を除した角度を前記各円弧の中心角から減算または加算することで前記近似した曲線を各円弧毎に補正し、補正された該各円弧同士を接続することで前記近似した曲線を補正することを特徴とする請求項１に記載の接触面形状測定装置。
【請求項４】
前記加速度センサは、互いに直交する２軸の検出軸を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の接触面測定装置。
【請求項５】
前記加速度センサは、互いに直交する３軸の検出軸を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の接触面形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−６４６７０（Ｐ２０１３−６４６７０Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０４０２９（Ｐ２０１１−２０４０２９）
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
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