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特開2024-9435対象物状態解析システム、対象物状態解析方法、およびプログラム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024009435
(43)【公開日】2024-01-23
(54)【発明の名称】対象物状態解析システム、対象物状態解析方法、およびプログラム
(51)【国際特許分類】
G01B 7/16 20060101AFI20240116BHJP
【ＦＩ】
G01B7/16 R
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022110957
(22)【出願日】2022-07-11
(71)【出願人】
【識別番号】508319990
【氏名又は名称】株式会社グローセル
(74)【代理人】
【識別番号】110002066
【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】岡田 亮二
(72)【発明者】
【氏名】飛島 崇志
(72)【発明者】
【氏名】山崎 雅裕
【テーマコード（参考）】
2F063
【Ｆターム（参考）】
2F063AA25
2F063BA13
2F063BB02
2F063BB05
2F063BC03
2F063CA08
2F063CB01
2F063DA02
2F063DA05
2F063EC05
2F063EC24
2F063FA10
2F063KA01
(57)【要約】
【課題】ひずみセンサによるひずみの測定精度を高める。
【解決手段】対象物例えば鉄道レールに貼り付けられ温度センサおよびひずみセンサを含むセンサ部と、センサ部から出力された収集データに基づいて温度とひずみ値との関係を求める関係特定部と、求められた関係に基づいて、対象物のひずみがひずみセンサに伝達される割合を示す伝達率Ｔｒと、ひずみセンサ出力値のオフセットΔεｓとを算出する算出部と、を備える対象物状態解析システムを提供する。
【選択図】図１６
【解決手段】対象物例えば鉄道レールに貼り付けられ温度センサおよびひずみセンサを含むセンサ部と、センサ部から出力された収集データに基づいて温度とひずみ値との関係を求める関係特定部と、求められた関係に基づいて、対象物のひずみがひずみセンサに伝達される割合を示す伝達率Ｔｒと、ひずみセンサ出力値のオフセットΔεｓとを算出する算出部と、を備える対象物状態解析システムを提供する。
【選択図】図１６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
対象物の状態を解析する対象物状態解析システムであって、
前記対象物に貼り付けられひずみセンサおよび温度センサを含むセンサ部と、
前記センサ部から出力されたデータに基づいて、前記対象物の温度と前記ひずみセンサの出力値との関係を求める関係特定部と、
求められた前記関係に基づいて、前記対象物のひずみが前記ひずみセンサに伝達される割合を示す伝達率と、前記ひずみセンサの出力値のオフセットとを算出する算出部と、
を備える対象物状態解析システム。
前記対象物に貼り付けられひずみセンサおよび温度センサを含むセンサ部と、
前記センサ部から出力されたデータに基づいて、前記対象物の温度と前記ひずみセンサの出力値との関係を求める関係特定部と、
求められた前記関係に基づいて、前記対象物のひずみが前記ひずみセンサに伝達される割合を示す伝達率と、前記ひずみセンサの出力値のオフセットとを算出する算出部と、
を備える対象物状態解析システム。
【請求項2】
請求項１に記載の対象物状態解析システムにおいて、
算出された前記伝達率および前記オフセットに基づいて、前記ひずみセンサの出力値を補正する補正部を備える、
対象物状態解析システム。
算出された前記伝達率および前記オフセットに基づいて、前記ひずみセンサの出力値を補正する補正部を備える、
対象物状態解析システム。
【請求項3】
請求項１に記載の対象物状態解析システムにおいて、
特性特定部を備え、
前記算出部は、時系列的に複数の前記伝達率を算出し、
前記特性特定部は、算出された時系列の前記伝達率に基づいて、前記伝達率の時間変化の特性を求める、
対象物状態解析システム。
特性特定部を備え、
前記算出部は、時系列的に複数の前記伝達率を算出し、
前記特性特定部は、算出された時系列の前記伝達率に基づいて、前記伝達率の時間変化の特性を求める、
対象物状態解析システム。
【請求項4】
請求項３に記載の対象物状態解析システムにおいて、
前記特性に基づいて推定される設定時点までの将来的な前記伝達率が基準値を下回る場合にアラームを報知する報知部を備える、
対象物状態解析システム。
前記特性に基づいて推定される設定時点までの将来的な前記伝達率が基準値を下回る場合にアラームを報知する報知部を備える、
対象物状態解析システム。
【請求項5】
請求項１に記載の対象物状態解析システムにおいて、
算出された前記伝達率が基準値を下回る場合にアラームを報知する報知部を備える、
対象物状態解析システム。
算出された前記伝達率が基準値を下回る場合にアラームを報知する報知部を備える、
対象物状態解析システム。
【請求項6】
請求項１に記載の対象物状態解析システムにおいて、
前記関係特定部は、前記データのうち、前記温度の変化に対する前記ひずみセンサの出力値の変化を表す勾配が直線的であるデータに基づいて、前記関係を求める、
対象物状態解析システム。
前記関係特定部は、前記データのうち、前記温度の変化に対する前記ひずみセンサの出力値の変化を表す勾配が直線的であるデータに基づいて、前記関係を求める、
対象物状態解析システム。
【請求項7】
請求項１に記載の対象物状態解析システムにおいて、
前記センサ部は、前記ひずみセンサおよび前記温度センサを含む半導体チップと、前記半導体チップに接合された金属板とを含み、
前記金属板は、前記対象物に接着剤で接着される、
対象物状態解析システム。
前記センサ部は、前記ひずみセンサおよび前記温度センサを含む半導体チップと、前記半導体チップに接合された金属板とを含み、
前記金属板は、前記対象物に接着剤で接着される、
対象物状態解析システム。
【請求項8】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の対象物状態解析システムにおいて、
前記対象物は、鉄道レールであり、
前記ひずみセンサの出力値は、前記鉄道レールの軸力を表す、
対象物状態解析システム。
前記対象物は、鉄道レールであり、
前記ひずみセンサの出力値は、前記鉄道レールの軸力を表す、
対象物状態解析システム。
【請求項9】
対象物の状態を解析する対象物状態解析方法であって、
前記対象物に貼り付けられひずみセンサおよび温度センサを含むセンサ部から出力されたデータに基づいて、温度と前記ひずみセンサの出力値との関係を求め、
求められた前記関係に基づいて、前記対象物のひずみが前記ひずみセンサに伝達される割合を示す伝達率と、前記ひずみセンサの出力値のオフセットとを算出する、
対象物状態解析方法。
前記対象物に貼り付けられひずみセンサおよび温度センサを含むセンサ部から出力されたデータに基づいて、温度と前記ひずみセンサの出力値との関係を求め、
求められた前記関係に基づいて、前記対象物のひずみが前記ひずみセンサに伝達される割合を示す伝達率と、前記ひずみセンサの出力値のオフセットとを算出する、
対象物状態解析方法。
【請求項10】
コンピュータを、
対象物に貼り付けられひずみセンサおよび温度センサを含むセンサ部から出力されたデータに基づいて、温度と前記ひずみセンサの出力値との関係を求める関係特定部、および
求められた前記関係に基づいて、前記対象物のひずみが前記ひずみセンサに伝達される割合を示す伝達率と、前記ひずみセンサの出力値のオフセットとを算出する算出部、
として機能させるためのプログラム。
対象物に貼り付けられひずみセンサおよび温度センサを含むセンサ部から出力されたデータに基づいて、温度と前記ひずみセンサの出力値との関係を求める関係特定部、および
求められた前記関係に基づいて、前記対象物のひずみが前記ひずみセンサに伝達される割合を示す伝達率と、前記ひずみセンサの出力値のオフセットとを算出する算出部、
として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、対象物状態解析システム、対象物状態解析方法、およびプログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
金属、樹脂などの物体は、その物体の温度によって体積が変化する。物体の温度変化によって物体の体積が変化すると、物体にひずみが生じ、その物体の利用に悪影響が及ぶ場合がある。
【0003】
例えば、鉄道レール（以下、「レール」ともいう）では、温度上昇に伴う軸力の増加を原因としてレールの張り出しや座屈など（以下、「非正常状態」ともいう）が発生する場合がある。レールの非正常状態が発生すると、鉄道車両（以下、電車、列車ともいう）が安全、正常に運転できなくなり、ひいては鉄道の運行に支障をきたすおそれがある。
【0004】
したがって、座屈等のレールの非正常状態の発生を防止または抑制し、列車の安全運行を維持するために、従前より、レールの軸力を測定し、レールの状態を監視する作業が行われている。すなわち、レールが座屈を生じる前にレールに発生している軸力を測定することができれば、軸力の大きさによって適宜対応処理を行うことができるため、列車の安全運行に寄与することができる。
【0005】
一方、対象物のひずみを高精度に計測するデバイスとして、半導体基板の表面に複数のピエゾ抵抗素子とアンプやＡ／Ｄコンバータ、他、様々な回路を形成したひずみセンサが開発されている。そのひずみセンサのモジュールの一例が特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特許第６２９３９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、ひずみセンサを用いて対象物のひずみを計測する場合、ひずみセンサは、接着剤などの介在物を介して対象物に貼り付けられる。対象物に生じたひずみは、介在物を介して半導体チップに伝わる。介在物の状態は、常に一定ではなく、個々にバラツキが存在し、経年劣化も発生する。そのため、ひずみセンサによるひずみの測定精度を高めることは、非常に難しい。
【0008】
本発明の目的は、ひずみセンサによる対象物のひずみの測定精度を高めることが可能な技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の代表的な一実施の形態は、対象物の状態を解析する対象物状態解析システムであって、前記対象物に貼り付けられひずみセンサおよび温度センサを含むセンサ部と、前記センサ部から出力されたデータに基づいて温度と前記ひずみセンサの出力値との関係を求める関係特定部と、求められた前記関係に基づいて、前記対象物のひずみが前記ひずみセンサに伝達される割合を示す伝達率と、前記ひずみセンサの出力値のオフセットとを算出する算出部と、を備える対象物状態解析システムである。
【0010】
本発明の代表的な一実施の形態は、対象物の状態を解析する対象物状態解析方法であって、前記対象物に貼り付けられひずみセンサおよび温度センサを含むセンサ部から出力されたデータに基づいて、温度と前記ひずみセンサの出力値との関係を求め、求められた前記関係に基づいて、前記対象物のひずみが前記ひずみセンサに伝達される割合を示す伝達率と、前記ひずみセンサの出力値のオフセットとを算出する、対象物状態解析方法である。
【0011】
また、本発明の代表的な一実施の形態は、コンピュータを、対象物に貼り付けられひずみセンサおよび温度センサを含むセンサ部から出力されたデータに基づいて、温度と前記ひずみセンサの出力値との関係を求める関係特定部と、求められた前記関係に基づいて、前記対象物のひずみが前記ひずみセンサに伝達される割合を示す伝達率と、前記ひずみセンサの出力値のオフセットとを算出する算出部として機能させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、ひずみセンサによる対象物のひずみの測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本実施の形態にかかるひずみセンサおよび温度センサを含む半導体チップの構成を示す概略平面図である。
【図2】センサモジュールの上面図である。
【図3】センサモジュールの封止樹脂を取り除いた状態を示す上面図である。
【図5】レール軸力の計測を説明するための図である。
【図6】コンピュータによって実現される機能ブロックを示す図である。
【図7】レールの不動区間に貼り付けられたセンサモジュールの出力に基づくレール温度とひずみセンサ出力値との関係の一例を示す図である。
【図9】レールの不動区間用のデータ補正処理を説明するための第１図である。
【図10】レールの不動区間用のデータ補正処理を説明するための第２図である。
【図11】レールの可動区間におけるひずみセンサ出力値の典型的なデータの例を示す図である。
【図12】昇温時のひずみセンサ出力値のデータプロファイルを示す図である。
【図13】レールの可動区間用のデータ補正処理を説明するための図である。
【図14】ひずみセンサ出力値からオフセットの影響を減ずる手順を説明するための図である。
【図15】ひずみセンサ出力値から伝達率の影響を減ずる手順を説明するための図である。
【図16】本実施の形態に係るデータ補正アルゴリズムの処理の流れを説明するための図である。
【図17】抽出された昇温時のデータの一例をグラフ化して示す図である。
【図18】実験方法を説明するための図である。
【図19】亀裂形成後の引張試験の結果を示す図である。
【図20】伝達率を長期間にわたり間欠的に継続して測定した結果を示す図である。
【図22】本実施の形態にかかる被計測体状態解析システムによる接着層の健全性のモニタリングに関するアルゴリズムの一例を示すフロー図である。
【図23】本実施の形態にかかる被計測体状態解析システムによる接着層の健全性のモニタリングに関するアルゴリズムの別例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【0015】
本実施の形態は、ひずみセンサおよび温度センサを含むセンサモジュールを被計測体に貼り付け、同モジュールをコンピュータに接続し、コンピュータが、ひずみセンサの出力値を補正して被計測体のひずみを高精度に計測または監視する被計測体状態解析システムである。なお、センサモジュールは、本願における「センサ部」の一例である。また、被計測体は、本願における「対象物」の一例である。
【0016】
＜ひずみセンサおよび温度センサ＞
図１は、本実施の形態にかかるひずみセンサおよび温度センサを含む半導体チップ１の構成を示す概略平面図である。図１に示すように、半導体チップ１は、シリコン基板９に、センサエレメントとしてのピエゾ抵抗素子２ｘ－１，２ｙ－１，２ｘ－２，２ｙ－２と、増幅器３と、Ａ／Ｄ変換器４と、記憶演算部５，６と、温度センサ７と、外部装置と電気的に接続するための電極としてのパッド８と、を備えてなる。なお、シリコン基板９、ピエゾ抵抗素子２ｘ－１，２ｙ－１，２ｘ－２，２ｙ－２、増幅器３、Ａ／Ｄ変換器４、および記憶演算部５，６は、ひずみセンサであり、本願における「ひずみセンサ」の一例である。また、温度センサ７は、本願における「温度センサ」の一例である。
図１は、本実施の形態にかかるひずみセンサおよび温度センサを含む半導体チップ１の構成を示す概略平面図である。図１に示すように、半導体チップ１は、シリコン基板９に、センサエレメントとしてのピエゾ抵抗素子２ｘ－１，２ｙ－１，２ｘ－２，２ｙ－２と、増幅器３と、Ａ／Ｄ変換器４と、記憶演算部５，６と、温度センサ７と、外部装置と電気的に接続するための電極としてのパッド８と、を備えてなる。なお、シリコン基板９、ピエゾ抵抗素子２ｘ－１，２ｙ－１，２ｘ－２，２ｙ－２、増幅器３、Ａ／Ｄ変換器４、および記憶演算部５，６は、ひずみセンサであり、本願における「ひずみセンサ」の一例である。また、温度センサ７は、本願における「温度センサ」の一例である。
【0017】
ピエゾ抵抗素子２ｘ－１，２ｙ－１，２ｘ－２，２ｙ－２は、ひずみセンサの中核をなす部分であり、これらピエゾ抵抗素子２ｘ－１，２ｙ－１，２ｘ－２，２ｙ－２に加えられた力によって抵抗値が変化する性質を有する。
【0018】
図１に示す例では、ピエゾ抵抗素子２ｘ－１，２ｙ－１，２ｘ－２，２ｙ－２は、シリコン基板９の外形と平行に配置されている。具体的には、ピエゾ抵抗素子２ｘ－１，２ｘ－２は、シリコン基板９のＸ方向に配置され、ピエゾ抵抗素子２ｙ－１，２ｙ－２は、シリコン基板９のＹ方向に配置されている。これら４つのセンサエレメントは、ブリッジを形成しており、ブリッジの中心はシリコン基板９の中心とほぼ等しい。
【0019】
本実施例では、センサエレメントとして、不純物をシリコンに拡散したピエゾ抵抗素子２ｘ－１，２ｙ－１，２ｘ－２，２ｙ－２を用いている。なお、センサエレメントは、ピエゾ抵抗素子に限定されるものではなく、ひずみによって抵抗が変化する物質、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化クロム（ＣｒＮ）の薄膜などであってもよい。
【0020】
【0021】
次に、ひずみを受けた場合のピエゾ抵抗素子２ｘ－１，２ｙ－１，２ｘ－２，２ｙ－２の出力について述べる。Ｘ方向のひずみ量εｘによって生じるピエゾ抵抗素子２ｘ－１とピエゾ抵抗素子２ｘ－２の抵抗値の変化は、ほぼ等しい。そこで、ここでは両方すなわちピエゾ抵抗素子２ｘ－１とピエゾ抵抗素子２ｘ－２の抵抗変化の和をΔＲｘと表記する。同様に、Ｙ方向のひずみ量εｙによって生じるピエゾ抵抗素子２ｙ－１とピエゾ抵抗素子２ｙ－２の抵抗変化の和をΔＲｙとする。本実施例に用いるひずみセンサでは、Ｘ方向のひずみ量εｘとＹ方向のひずみ量εｙとの差分、すなわちεｘ－εｙに相当する出力値が発生する。したがって、ひずみを受けた場合のピエゾ抵抗素子２ｘ－１，２ｙ－１，２ｘ－２，２ｙ－２の出力は、ΔＲｘ－ΔＲｙの抵抗変化に応じた出力となる。
【0022】
詳しく説明するために、Ｘ方向だけの引張応力σｘを受けた場合の出力を考えてみる。ピエゾ抵抗素子２ｘ－１，２ｙ－１，２ｘ－２，２ｙ－２にＸ方向だけの引張応力σｘを受けた場合、Ｘ方向のひずみ量εｘが生じる。また、この場合、Ｙ方向には応力を受けないが、材料のポアソン比νだけεｙ＝－νεｘの圧縮ひずみを生じる。その結果、εｘ－εｙ＝εｘ（１＋ν）のひずみ量に相当する信号値を出力する。
【0023】
さらに、本実施例で用いる半導体チップ１は、上述の通り、ブリッジ回路の信号を増幅する増幅器３と、Ａ／Ｄ変換器４、記憶演算部５，６と、温度センサ７と、を備えている。記憶演算部５，６は、例えば、半導体メモリ等の記憶部と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）等の演算部とを備えている。
【0024】
記憶演算部５，６の記憶部には、ブリッジ回路の出力を補正するための補正データが記憶されている。記憶演算部５，６の演算部は、記憶部に記憶された補正データに基づいてブリッジ回路の出力を補正する。一方の記憶演算部５は、例えば、ひずみに対する出力を調整するためのプログラムである出力調整ロジックが記憶部に記憶され、演算部によってブリッジ回路の出力を出力調整ロジックに基づいて調整する。他方の記憶演算部６は、例えば、温度特性による誤差を補正するプログラムである温度特性誤差補正ロジックが記憶部に記憶され、演算部によってブリッジ回路の出力を、温度センサ７の検出結果と温度特性誤差補正ロジックに基づいて補正する。
【0025】
＜センサモジュール＞
被計測体に生じたひずみは、上述した半導体チップ１のひずみセンサに伝わらなければならない。一方、被計測体に半導体チップ１を直接貼り付けることは、ハンドリングの観点から現実的ではない。また、半導体チップ１からの信号の取り出しも困難である。そこで、本実施の形態では、被計測体に容易に貼り付けることができるセンサモジュールを提案する。その一例を図２に示す。
被計測体に生じたひずみは、上述した半導体チップ１のひずみセンサに伝わらなければならない。一方、被計測体に半導体チップ１を直接貼り付けることは、ハンドリングの観点から現実的ではない。また、半導体チップ１からの信号の取り出しも困難である。そこで、本実施の形態では、被計測体に容易に貼り付けることができるセンサモジュールを提案する。その一例を図２に示す。
【0026】
図２は、センサモジュール１０の上面図である。センサモジュール１０は、基材としてのＦＰＣ（Flexible printed circuits）１３と、ＦＰＣ１３の第一の面に配置された金属薄板１１と、ＦＰＣ１３の第二の面に配置された封止樹脂１２と、を備える。なお、センサモジュール１０は、本願における「センサ部」の一例である。また、金属薄板１１は、本願における「金属板」の一例である。
【0027】
ＦＰＣ１３は、例えば図２に示すような長尺状の形状を有し、ＦＰＣ１３の一端側に金属薄板１１および封止樹脂１２が配置され、ＦＰＣ１３の他端側には出力端子１３１が設けられている。出力端子１３１は、コネクタあるいはケーブル等を介して、後述するコンピュータと接続される。
【0028】
【0029】
センサモジュール１０の使用時には、センサモジュール１０の金属薄板１１の図２における裏側の面を被計測体に貼り付ける。ここで、貼付け方法としては、スポット溶接などによる接合、ネジによる機械的な締結も可能であるが、スポット溶接では金属薄板１１に局部的にひずみが生じる、ネジ締結ではネジ頭との摩擦によって生じる金属薄板１１にねじりひずみが生じる。これらのひずみは、いわゆるノイズであり、センサモジュール１０の計測精度を低減する大きな要因となることから、望ましくない。
【0030】
本発明者らは、センサモジュール１０を被計測体、特に鉄道のレールなどに貼り付ける場合には、接着剤を用いて貼り付けることが、金属薄板１１に発生するひずみを抑制する観点から最も適切であるという知見を得るに至った。
【0031】
なお、接着剤によりセンサモジュール１０を被計測体に貼り付けた場合、被計測体のひずみが接着剤を介して金属薄板１１に伝わり、金属薄板１１のひずみが半導体チップ１に伝わることになる。
【0032】
図３は、センサモジュール１０の封止樹脂１２を取り除いた状態を示す上面図である。ＦＰＣ１３に設けられた打抜き孔１３２の中心に半導体チップ１が配置される。図２および図３に示すように、金属薄板１１、半導体チップ１、および打抜き孔１３２は、ほぼ中心位置が等しく、点対称の配置になっている（図４も参照）。このような配置によれば、金属薄板１１、ＦＰＣ１３、半導体チップ１の熱膨張率差によって生じる熱ひずみの低減が期待できる。
【0033】
図４は、図３のＡ－Ａ断面図である。図４に示すように、半導体チップ１は、接合層１５によって金属薄板１１と接合されている。接合層１５は、本実施例では金－錫共晶はんだを用いたが、これに限定されるものではない。接合層１５は、強固な接合力と、金属薄板１１のひずみを半導体チップ１に伝える十分な弾性率を有すればよい。接合層１５は、例えば、加圧しながら加熱する拡散接合、真空中で清浄表面を形成して加圧する表面活性化接合などの方法を用いて構成してもよい。
【0034】
本実施例では、図１で示したパッド８（図４では示さない）とＦＰＣ１３に形成された配線（図示せず）を金ワイヤ１４で接続し、ＦＰＣ１３の末端に形成された出力端子１３１から信号が出力される。金属薄板１１は、接着剤１６を用いて被計測体であるレール１００に貼り付けられる。なお、接着剤１６は、本願における「接着剤」の一例である。
【0035】
＜レールへのセンサモジュールの貼付け＞
本実施の形態では、被計測体としてのレールにセンサモジュール１０を貼り付けて、レールのひずみによって生じる軸力（以下、レール軸力ともいう）を計測する場合を例に説明する。
本実施の形態では、被計測体としてのレールにセンサモジュール１０を貼り付けて、レールのひずみによって生じる軸力（以下、レール軸力ともいう）を計測する場合を例に説明する。
【0036】
【0037】
センサモジュール１０の貼付け位置は、機能的には限定されるものではないが、鉄道の車輪との干渉を回避する必要性、貼付け作業のしやすさ等を考慮すると、図５に示す位置、すなわちレール１００の腹部と呼ばれる側面の位置とすることが望ましい。本実施例では、加熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いてレール１００にセンサモジュール１０を貼り付ける。より具体的には、センサモジュール１０を所定の力でレールに押し付けながら、レールを加熱してエポキシ系接着剤を硬化させることにより、レール１００にセンサモジュール１０を貼り付ける。また、本実施例では、ヒータで加熱したアルミヒートブロック（図示せず）を、レール１００におけるセンサモジュール１０の貼付け面の反対側にある面に押し当てる方法を用いる。
【0038】
なお、レール１００や接着剤等を加熱する方法としては、ヒータで加熱したヒートブロックをひずみセンサを取り囲むよう貼付側から押し当てる方法、高温の温風を当てる方法等、様々な方法を用いることができる。
【0039】
また、図５に示すように、センサモジュール１０には、コンピュータ２０が接続されている。コンピュータ２０は、プロセッサ２１、メモリ２２、記憶装置２３、およびインタフェース２４を有しており、これらはバス２５を介して互いに接続されている。プロセッサ２１は、例えば、ＣＰＵなどで構成される。メモリ２２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などで構成される。記憶装置２３は、いわゆるストレージであり、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）などで構成される。
【0040】
メモリ２２あるいは記憶装置２３には、プログラムＰＧが格納されている。プロセッサ２１は、格納されているプログラムＰＧを読み出し、メモリ２２、記憶装置２３などを利用して実行することにより、各機能ブロックして機能する。
【0041】
図６は、コンピュータ２０によって実現される機能ブロックを示す図である。図６に示すように、コンピュータ２０は、関係特定部３１、算出部３２、補正部３３、特性特定部３４、および報知部３５として機能する。また、これら機能ブロックが連携して、各種処理および各種アルゴリズム等を実行する。実行される各種処理および各種アルゴリズムの中には、データ補正処理、データ前処理、データ補正アルゴリズム、データ監視アルゴリズムなどが含まれる。各機能ブロック、各種処理、および各種アルゴリズムの詳細については後述する。
【0042】
＜ひずみセンサによる計測結果例１＞
ここで、レールの不動区間におけるひずみセンサ出力値の計測事例と、ひずみセンサ出力値を補正するデータ補正処理とについて説明する。
ここで、レールの不動区間におけるひずみセンサ出力値の計測事例と、ひずみセンサ出力値を補正するデータ補正処理とについて説明する。
【0043】
一般に、レールは、整列配置する枕木に固定され、その固定力の積算によって長手方向の動きが拘束される。そのため、レールは、温度が上昇しても長手方向の熱膨張が生じ難い。レールにおけるこの領域は、「不動区間」と呼ばれる。
【0044】
一方で、レールの端部やつなぎ目などは積算した固定力が小さいため、レール温度が上昇した場合、熱膨張力が固定力を上回り、長手方向に熱膨張を生じる。レールにおけるこの領域は、「可動区間」と呼ばれる。
【0045】
図７は、レールの不動区間に貼り付けられたセンサモジュールの出力に基づくレール温度Ｔとひずみセンサ出力値εｓとの関係の一例を示す図である。図７に示すグラフは、レールの不動区間に貼り付けられた４つのひずみセンサＨ１～Ｈ４についての測定結果を示している。図７に示すグラフにおいて、横軸はレール温度Ｔを示しており、縦軸はひずみセンサ出力値εｓを示している。ひずみセンサ出力値εｓは、レール長手方向のひずみを表す値であり、正の値が引張ひずみを表し、負の値が圧縮ひずみを表す。
【0046】
ここで、ひずみセンサ出力値εｓについて改めて説明する。ひずみセンサは、温度が上昇すると、レールとひずみセンサとの熱膨張率差によってひずみが生じる。このひずみをεthと称する。しかし、レールとひずみセンサを構成する金属薄板１１とは、同じ鉄系材料であり、その熱膨張率はほぼ等しく、熱膨張率差による影響は小さい。しかしながら、正確を期すため、事前に、拘束されず自由に熱膨張が可能な、レールと同質の鉄材に、ひずみセンサを貼付けし、温度を変えて、温度に対するひずみセンサの出力、すなわちレールとひずみセンサとの熱膨張率差によって生じるひずみεthを計測した。このひずみεthの値を、ひずみセンサの出力から差し引き、εthの影響をキャンセルした。
【0047】
また、先の説明のように、ひずみセンサ出力値は、内部に設けられたＸ方向のピエゾ抵抗素子の抵抗変化ΔＲｘとＹ方向のピエゾ抵抗素子の抵抗変化ΔＲｙとの差分から算出される。すなわち、Ｘ方向のひずみ量εｘとＹ方向のひずみ量εｙとの差分、すなわちεｘ－εｙに相当する出力値が発生する。図７の実施例では、レール長手方向をＸ方向、レール高さ方向をＹ方向として、その詳細を説明する。
【0048】
レールは長手方向、すなわちＸ方向に拘束されているため、貼付けされているひずみセンサのＸ方向の熱膨張が抑制され、圧縮ひずみが生じる。このひずみがεｘである。
【0049】
一方、レールは、高さ方向すなわちＹ方向においては拘束されておらず自由なので、熱膨張する。貼付けされているひずみセンサも同様に熱膨張するが、その熱膨張差によってひずみが生じる。しかしながら、先に説明したように、レールの熱膨張率とひずみセンサを構成する金属薄板１１の熱膨張率とは、ほぼ等しく、その熱膨張率差による影響は小さい。かつ、その影響はひずみεthとしてキャンセルしているので、その影響は無視できる。
【0050】
さらに厳密な議論をすれば、レールは長手方向に拘束されているため、温度上昇に伴い圧縮ひずみが発生する。その結果、レール高さ方向にポアソン比νだけの引張ひずみが発生する。ひずみセンサにもこのひずみが反映される。このひずみが、εｙである。
【0051】
以上の議論のように、温度上昇に伴うひずみセンサのεｘ－εｙに相当する出力値は、レールの長手方向の拘束によって発生する圧縮ひずみと、高さ方向におけるポアソン比νだけの引張ひずみとの合計になる。
【0052】
本実施例では、レール温度Ｔは、センサモジュールに含まれる温度センサの出力を用いて測定した。図７に示すグラフは、数日間のレール温度変化と、その時に生じたひずみセンサ出力値εｓを表示したものである。
【0053】
ここで、レールにおける軸力とひずみとの関係について説明する。材料力学的には、軸力とひずみとの関係は、以下の式（１）で表される。
軸力＝ひずみ×弾性率×レール断面積 ・・・・・（１）
軸力＝ひずみ×弾性率×レール断面積 ・・・・・（１）
【0054】
上記の式（１）において、弾性率、レール断面積は一定値であるため、ひずみは軸力を意味すると考えてよい。レールは、温度上昇と共に熱膨張するが、枕木に完全固定されているため熱膨張が抑制され、圧縮ひずみとなる。すなわち、温度上昇とひずみは、直線関係になる。
【0055】
センサモジュール１０をレールに貼り付けた時の温度をＴｓとする。なお、接着剤を硬化させるためにレールを加熱するが、温度Ｔｓは接着剤が硬化後、冷却した温度を示す。接着剤は加熱によって構成する分子が重合し硬化する。また、一般に、接着剤は、硬化と共に収縮する。接着剤の硬化は、一様に起きるとは限らず、一般的には、ある範囲内の温度を起点に発生し進展する。そのため、接着層の収縮は、必ずしも均一ではなく、不均一なひずみが生じる。その結果、不均一なひずみが金属薄板１１に伝わり、センサモジュール１０にひずみが発生する。このひずみは、レール１００の軸力ではなく、接着によってセンサモジュール１０に生じるオフセットΔεｓである。
【0056】
図７に示すように、オフセットΔεｓは、接着剤の状態に依存するため、一定にはならない。このオフセットΔεｓが一定にならないということが、ひずみセンサを用いたレールのひずみ計測における課題（１）である。
【0057】
図７において、ひずみセンサ出力値εｓ／レール温度Ｔの勾配をＥとする。一般的に、勾配Ｅは、理論的なひずみ／温度の勾配であるレールの熱膨張率αと一致しない。これは、レールのひずみが、接着剤と金属薄板１１を介して半導体チップ１に伝わる間に減衰するためである。さらに、勾配Ｅは、接着剤の状態に依存するため、値が一定ではない。この勾配Ｅが一定にならないということが、ひずみセンサを用いたレールのひずみ計測における課題（２）である。
【0058】
【0059】
不動区間用のデータ補正処理を説明する前に、用語を定義する。
【0060】
図８は、図７に示したひずみセンサ出力値εｓの一部と、レールの熱膨張率αから算出されたひずみと温度との関係とを比較した図である。図８では、このひずみセンサ出力値εｓの一部として、データプロファイルＰ１が示されている。ここで、温度Ｔ０は、レールを固定した時の温度である。また、この温度Ｔ０におけるレールひずみをゼロとする。すなわち、レール温度Ｔが温度Ｔ０である場合のひずみセンサ出力値εｓを、オフセットΔεとする。図８に示すように、ひずみセンサ出力値εｓ／レール温度Ｔで表される勾配を勾配Ｅ１とする。勾配Ｅ１とレールの熱膨張率αとから、以下の式（２）で示すように、伝達率Ｔｒを定義する。
Ｔｒ＝Ｅ１／α ・・・・・・・・・・・・（２）
Ｔｒ＝Ｅ１／α ・・・・・・・・・・・・（２）
【0061】
レールのひずみは、接着剤と金属薄板を介して半導体チップに伝わるため、半導体チップに伝わる前に減衰する。伝達率Ｔｒは、この減衰を定量的に示す値であり、被計測体に生じたひずみの大きさがひずみセンサの半導体チップに伝わる割合を示す値である。
【0062】
コンピュータのプロセッサ、すなわち関係特定部３１は、ある設定期間内に収集されたセンサモジュールの出力データに基づき、そのひずみセンサ出力値εｓとレール温度Ｔの関係を表すものとして、勾配Ｅ１と、温度Ｔ０の場合のひずみセンサ出力値εｓとを求める。また、プロセッサ、すなわち算出部３２は、当該関係、すなわち、勾配Ｅ１と温度Ｔ０の場合のひずみセンサ出力値εｓとに基づき、伝達率ＴｒとオフセットΔεとを求める。
【0063】
次いで、不動区間用のデータ補正処理の概要を説明する。
【0064】
図９は、レールの不動区間用のデータ補正処理を説明するための第１図である。まず、プロセッサ、すなわち補正部３３は、下記の式（３）にしたがって、ひずみセンサ出力値εｓからオフセットΔεを減ずることによりεｓ１を求める。図９では、オフセットΔεを減ずる前のひずみセンサ出力値εｓを点線で示し、減じた後のひずみセンサ出力値εｓ１を実線で示す。
εｓ１＝εｓ－Δε ・・・・・・・・・・・・（３）
εｓ１＝εｓ－Δε ・・・・・・・・・・・・（３）
【0065】
図１０は、レールの不動区間用のデータ補正処理を説明するための第２図である。次に、補正部３３は、下記の式（４）に従って、ひずみセンサ出力値εｓ１を伝達率Ｔｒで除することによりεｓ２を求める。図１０では、伝達率Ｔｒで除す前のひずみセンサ出力値εｓ１のデータプロファイルＰ１を点線で示し、除した後のひずみ出力値εｓ２のデータプロファイルＰ２を実線で示す。
εｓ２＝εｓ１／Ｔｒ ・・・・・・・・・・・・（４）
εｓ２＝εｓ１／Ｔｒ ・・・・・・・・・・・・（４）
【0066】
このようにして求められた補正後のεｓ２に基づいて、レールの不動区間におけるひずみすなわち軸力を、高精度に求めることができる。
【0067】
以上の不動区間用のデータ補正処理によって、ひずみセンサを用いたレールのひずみ計測における上述した課題（１）、課題（２）を解決することができる。
【0068】
次いで、レールの可動区間におけるひずみセンサ出力値の計測事例と、ひずみセンサ出力値を補正する可動区間用のデータ補正処理とについて説明する。
【0069】
＜ひずみセンサによる計測結果例２＞
可動区間は、レールと固定具との間で微小なすべりが生じて軸力が解放されるため、その挙動は複雑である。また、その挙動は、レールと固定具との摩擦に依存するため一定ではなく、さまざまである。
可動区間は、レールと固定具との間で微小なすべりが生じて軸力が解放されるため、その挙動は複雑である。また、その挙動は、レールと固定具との摩擦に依存するため一定ではなく、さまざまである。
【0070】
図１１は、レールの可動区間におけるひずみセンサ出力値の典型的なデータの例を示す図である。図１１に示すグラフの構成は、図７と同一である。図１１では、レール温度上昇時（昇温時）におけるひずみセンサ出力値εｓのデータプロファイルＰＡを実線で示しており、レール温度下降時（降温時）におけるひずみセンサ出力値εｓのデータプロファイルＰＢを点線で示している。さらに、レール温度Ｔの上昇に伴うひずみセンサ出力値の変化の向きと、レール温度Ｔの下降に伴うひずみセンサ出力値の変化の向きを、それぞれ矢印で示している。
【0071】
可動区間でも不動区間と同様に、レール温度の上昇に比例してレールには圧縮ひずみが生じる。しかしながら、レール温度が一定以上に上昇すると、レールの圧縮ひずみ、すなわち圧縮の軸力がレールの固定力を上回り、レールと固定具との間で微小なすべりが生じ、レールは熱膨張する。その結果、圧縮ひずみが解放され、ひずみセンサ出力値εｓのレール温度Ｔに対する関係は、比例関係からは外れる。
【0072】
レールが熱膨張した状態からレール温度Ｔが降下すると、すべりが生じた状態のレールと固定具との位置関係が固定されたままレールが収縮しようとするため、温度低下に比例して引張ひずみが生じる。一定温度まで低下すると、レールの引張ひずみによる軸力がレールの固定力を上回り、レールと固定具との間ですべりが生じる。その結果、レールと固定具との状態は、レール温度が上昇を開始する時の状態に戻る。すなわち、ひずみセンサ出力値εｓは、グラフにおいて、昇温時と降温時とで異なる軌道を通るヒステリシスを描く。
【0073】
このように、可動区間におけるひずみセンサ出力値εｓ対レール温度Ｔのデータ変化は、不動区間の場合と比較すると複雑である。しかしながら、可動区間におけるひずみセンサ出力値εｓのデータに対して適切な前処理を施せば、本願提案の演算アルゴリズムは効果的であり、その効果は不動区間の場合と比較して差異は無い。
【0074】
なお、上記ヒステリシスの態様は、レールと固定具との間の摩擦力に依存するため、レールを固定する強度、摩擦面の状態などによって変化する。すなわち、グラフ上におけるヒステリシスの形状は一定ではない。そのため、ひずみセンサ出力値εｓは、例えば、ヒステリシスを生じず、レール温度降下時に、レール温度上昇時のプロファイルをそのままたどって戻る場合もあり得る。
【0075】
＜可動区間データの前処理＞
上述した、レールの可動区間におけるひずみセンサ出力値のデータの前処理について説明する。
上述した、レールの可動区間におけるひずみセンサ出力値のデータの前処理について説明する。
【0076】
図１１に示すグラフのように、ひずみセンサ出力値εｓがヒステリシスを描く場合、昇温時、降温時の両方のデータを利用すると、レールの正確な挙動が把握できない。そのため、可動区間の場合には、データ補正アルゴリズムに用いるひずみセンサ出力値のデータとして、昇温時、降温時のどちらか一方のデータを使うのがよい。本実施例では、昇温時のデータだけを抽出するものとする。
【0077】
図１２は、昇温時のひずみセンサ出力値εｓのデータプロファイルを示す図である。なお、ひずみセンサ出力値εｓのレール温度Ｔに対するデータ変化が、ヒステリシスを生じず、降温時に昇温時のデータのプロファイルをそのままたどって戻る場合は、昇温時のデータだけを抽出する必要はない。
【0078】
次いで、図１２に示すグラフから、レール温度Ｔとひずみセンサ出力値εｓとが、比例関係、すなわち直線的な関係となるレール温度Ｔの温度域を定義する。後述する可動区間用のデータ補正処理では、この定義された温度域のデータを解析対象とする。この解析するデータの温度域を定義するという前処理の趣旨は、レールの微小すべりによって軸力が解放される影響を除去することにある。その方法は次節で詳細に説明する。
【0079】
＜可動区間データの補正処理＞
図１３は、レールの可動区間用のデータ補正処理を説明するための図である。まず、プロセッサ、すなわち関係特定部３１は、図１２に示すようなデータプロファイルから直線領域を抽出し、直線近似を行い、近似された直線の傾き（勾配）Ｅ１を求める。図１１で説明したように、ひずみセンサ出力値εｓのデータプロファイルＰＡは、レール温度Ｔの低温側では直線を維持する。しかしながら、レール温度Ｔの高温側ではレールと固定具との間で微小なすべりが生じ、ひずみセンサ出力値εｓのデータプロファイルは直線から逸脱する。すなわち、データプロファイルＰＡにおける直線領域の抽出は、データ解析の対象とするひずみセンサ出力値εｓの温度域の上限温度をどこに設定するかがポイントである。
図１３は、レールの可動区間用のデータ補正処理を説明するための図である。まず、プロセッサ、すなわち関係特定部３１は、図１２に示すようなデータプロファイルから直線領域を抽出し、直線近似を行い、近似された直線の傾き（勾配）Ｅ１を求める。図１１で説明したように、ひずみセンサ出力値εｓのデータプロファイルＰＡは、レール温度Ｔの低温側では直線を維持する。しかしながら、レール温度Ｔの高温側ではレールと固定具との間で微小なすべりが生じ、ひずみセンサ出力値εｓのデータプロファイルは直線から逸脱する。すなわち、データプロファイルＰＡにおける直線領域の抽出は、データ解析の対象とするひずみセンサ出力値εｓの温度域の上限温度をどこに設定するかがポイントである。
【0080】
本実施例では、ひずみセンサ出力値εｓのデータプロファイルにおける直線領域を抽出する方法として、次に説明する方法を用いる。
【0081】
関係特定部３１は、事前に設定した温度Ｔ０を、一旦上限温度と仮定し、ひずみセンサ出力値εｓのデータプロファイルに直線近似を行い、近似された直線の傾きＥ０を求める。次いで、関係特定部３１は、上限温度を、温度Ｔ０に事前に設定した温度幅ΔＴを加えた温度Ｔ０＋ΔＴとし、上限温度以下の温度域におけるひずみセンサ出力値εｓのデータプロファイルに直線近似を行い、近似された直線の傾きＥ１（０）を求める。なお、温度幅ΔＴに格段の制約はなく、温度Ｔ０＋ΔＴがレール温度Ｔとして想定し得る温度であればよい。
【0082】
次に、関係特定部３１は、傾きＥ１（０）と傾きＥ０とを比較する。その差異が規定値以上ならば、温度Ｔ０＋ΔＴから温度幅ΔＴよりも小さい微小温度幅ｄＴを引き、上限温度を温度Ｔ０＋ΔＴ－ｄＴとする。なお、微小温度幅ｄＴは事前に定めておく。微小温度幅ｄＴに格段の制約はないが、計算精度を考えると、例えば、温度幅ΔＴの数十分の一程度が適当である。
【0083】
関係特定部３１は、上限温度を温度Ｔ０＋ΔＴ－ｄＴとする温度域におけるひずみセンサ出力値εｓのデータプロファイルに直線近似を行い、近似された直線の傾きＥ１（１）を算出する。次いで、傾きＥ１（１）と傾きＥ０とを比較し、その差異が規定値以上ならば、現時点で設定されている上限温度からさらに微小温度幅ｄＴを減じ、上限温度を温度Ｔ０＋ΔＴ－２ｄＴとする。関係特定部３１は、上限温度を温度Ｔ０＋ΔＴ－２ｄＴとする温度域におけるひずみセンサ出力値εｓのデータプロファイルに直線近似を行い、近似された直線の傾きＥ１（２）を求める。次いで、傾きＥ１（２）と傾きＥ０とを比較し、その差異が規定値以上ならば、現時点で設定されている上限温度からさらに微小温度幅ｄＴを引き、上限温度を温度Ｔ０＋ΔＴ－３ｄＴとする。
【0084】
すなわち、関係特定部３１は、設定された上限温度に基づいて算出された傾きＥ１（ｍ）と傾きＥ０との差異が一定値以下となるまで、この一連の計算を繰り返し、傾きＥ０との差異が規定値以下となった温度Ｔ０＋ΔＴ－ｎｄＴを、最終的な上限温度と定める。本実施例では、Ｅ１（ｎ）／Ｅ０が０．９５以上、１．０５以下となった温度を上限温度と定める。この手法で求めたＥ１（ｎ）（以後はＥ１と表記する）を、ひずみセンサ出力値εｓのデータプロファイルの直線領域における傾きと定める。
【0085】
なお、グラフにおけるデータプロファイルの直線領域の抽出方法は、様々な方法がある。直線領域の抽出方法は、適切に直線領域が抽出できればいずれの方法でもよく、上記の方法に限定されるものではない。例えば、ひずみセンサ出力値εｓと温度のデータをグラフ化した後、画像処理でデータ領域を判別して、直線領域を抽出する方法を用いてもよい。
【0086】
直線領域の抽出以降に行うデータの補正は、可動区間データの補正と同様である。算出部３２は、上記手順で求めた傾きＥ１を用い、式（２）で伝達率Ｔｒを求め、温度Ｔ０の場合のひずみセンサ出力値εｓからオフセットΔεを求める。
【0087】
図１４は、ひずみセンサ出力値εｓからオフセットΔεの影響を減ずる手順を説明するための図である。まず、補正部３３は、図１４に示すように、ひずみセンサ出力値εｓからオフセットΔεを減ずる補正を行う。図１４では、当該補正前のひずみセンサ出力値εｓのデータプロファイルＰＡを点線で、当該補正後のひずみセンサ出力値εｓ１のデータプロファイルＰＡ１を実線で示す。これによって、レールを固定した時の温度Ｔ０におけるひずみをゼロとする。
【0088】
図１５は、ひずみセンサ出力値から伝達率の影響を減ずる手順を説明するための図である。次いで、補正部３３は、図１５に示すように、ひずみセンサ出力値εｓ１を伝達率Ｔｒで除する補正を行い、ひずみセンサ出力値εｓ２を得る。図１５では、当該補正前のひずみセンサ出力値εｓ１のデータプロファイルＰＡ１を点線で、当該補正後のひずみセンサ出力値εｓ２のデータプロファイルＰＡ２を実線で示す。当該補正によって、ひずみセンサ出力値εｓ２の直線領域におけるひずみ／温度の勾配が熱膨張率αになるようにする。以上の一連の補正によって、可動区間におけるひずみセンサ出力値のデータでも、ひずみセンサを用いたレールのひずみ計測における課題（１）および課題（２）を解決することができる。
【0089】
＜データ補正アルゴリズム＞
本実施の形態に係る被計測体状態解析システムによるデータ補正アルゴリズムについて説明する。このデータ補正アルゴリズムは、センサモジュールに接続されたコンピュータが有するプロセッサによって実行される。
本実施の形態に係る被計測体状態解析システムによるデータ補正アルゴリズムについて説明する。このデータ補正アルゴリズムは、センサモジュールに接続されたコンピュータが有するプロセッサによって実行される。
【0090】
図１６は、本実施の形態に係るデータ補正アルゴリズムの処理の流れを説明するための図である。図１６において、符号Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３は、それぞれデータを示す。符号Ｓ１からＳ８は、補正アルゴリズムの各ステップを示す。
【0091】
まず、利用するデータから説明する。上述したひずみセンサおよび温度センサを含むセンサモジュールを被計測体であるレールに貼り付けた後、センサモジュールに接続されたコンピュータが有するプロセッサは、以下に説明する各ステップの処理を実行する。すなわち、プロセッサは、センサモジュールからインタフェースを介して入力されるひずみセンサの出力値およびレール温度のデータと、コンピュータ内の時計部から入力されるそのデータが取得された日付および時刻のデータとを対応付けて、継続収集データＤ１として、コンピュータの記憶装置に継続的に格納する。また、プロセッサは、当該格納されたデータから、事前に設定された条件で、間欠的に設定された一定期間内の連続データＤ２を抽出し、当該抽出されたデータを、上記記憶装置に格納する。
【0092】
なお、本発明者らが実際に行った例では、４週間ごとに、最初の１週間のデータを一定期間の連続データＤ２として抽出する設定とした。この場合、後述するステップＳ７において、プロセッサは、１週間のデータＤ２を用いて補正計算を行い、その後の４週間のデータを補正する。また、プロセッサは、最後の１週間の補正無しのデータを用いて再び補正計算を行い、その後の４週間のデータを補正し、この作業を繰り返す。
【0093】
ただし、連続データＤ２の計測時間と間欠間隔は、上記の例に限定されるものではない。必要であれば、かかる期間より長く設定してもよいし、短く設定してもよい。連続データＤ２の計測時間と間欠間隔は、監視する被計測体の状況に合わせて設定すればよい。
【0094】
次いで、具体的な補正処理の手順を説明する。ステップＳ１において、プロセッサ、すなわち関係特定部３１は、処理対象のデータを出力したひずみセンサの貼付位置、すなわちレールの計測区間が、可動区間であるか不動区間であるかを判定する。
【0095】
このステップＳ１の処理をより具体的に説明すると、まず、関係特定部３１は、連続データＤ２から昇温時のデータだけを抽出する。
【0096】
図１７は、抽出された昇温時のデータの一例をグラフ化して示す図である。図１７に示すグラフにおいて、縦軸はひずみセンサ出力値εｓを示し、横軸は同センサから検出されたレール温度Ｔ（℃）を示す。計測区間が可動区間である場合、図１７に示すように、レール温度Ｔの低温側では直線を維持するが、レール温度Ｔの高温側ではレールと固定具との間で微小なすべりが生じ、ひずみセンサの出力は直線から逸脱する。
【0097】
次いで、関係特定部３１は、計算の基準となる温度Ｔｃ０を定め、その後、温度Ｔｃｎと温度Ｔｃ０との間で、ひずみ／温度の勾配Ｅｎを計算する。
【0098】
可働区間は、高温側でレールと固定具が滑り、ひずみが解放されるためＥｎは絶対値として小さくなる。しかしながら、不動区間では、勾配Ｅｎは、温度に対しほぼ一定値となる。本実施例では、温度に対する勾配Ｅｎの変化率に閾値を設けることによって、可動区間であるか又は不動区間であるかを判定する。
【0099】
なお、可動区間と不動区間とを区別する判定は、様々なアルゴリズムを用いることが可能であり、両者の区別を適切に判断できればよく、上記の方法に限定されるものではない。ステップＳ１における判定手法の他の例としては、連続データＤ２をグラフ化した後、画像処理で判別し、可動区間と不動区間を判別してもよい。
【0100】
関係特定部３１は、ステップＳ１でＹｅｓすなわち連続データＤ２が可動区間であると判定した場合、ステップＳ２に移行して、図１１および図１２で説明したデータ前処理を行う。さらに、関係特定部３１は、ステップＳ３における勾配Ｅ１の計算も、図１３で説明した手順で行う。
【0101】
一方、関係特定部３１は、ステップＳ１でＮｏすなわち連続データＤ２が可動区間ではなく不動区間であると判定した場合、ステップＳ２のデータ前処理をスキップして、上記のステップＳ３に進む。関係特定部３１は、勾配Ｅ１の算出後のステップＳ４において、勾配Ｅ１の妥当性すなわち算出された勾配Ｅ１の値が妥当であるか否かを判定する。ここで、勾配Ｅ１の理想値は、レールの熱膨張率αに等しい。しかしながら、接着剤と金属薄板を介して半導体チップに伝わるため、減衰する。それでも、センサモジュールの基礎実験結果から、勾配Ｅ１の妥当な範囲を設定できることが判明した。本実施例で用いたセンサモジュールの場合、０．９５×α＞Ｅ１＞０．６×αの範囲にあるため、妥当な範囲としてかかる数式を設定した。
【0102】
かくして、ステップＳ４において、関係特定部３１は、算出された勾配Ｅ１の値が０．９５×α以上の場合または０．６×α以下の場合、Ｎｏすなわち勾配Ｅ１の値が妥当でないと判定し、処理をステップＳ１に戻し、上述したステップＳ１～ステップＳ４までの処理を繰り返し実行する。
【0103】
このように、ステップＳ１～ステップＳ４の処理が繰り返されることにより、判定条件とステップＳ２の前処理条件の見直しが行われる。
【0104】
さらに、ステップＳ１、ステップＳ２の条件を見直したのち、再度、ステップＳ４にてＥ１が所定の範囲から逸脱している場合、ひずみセンサの貼付に問題がある可能性がある。その場合、ステップＳ４４で貼付の見直しのアラームを発する。なお、勾配Ｅ１の妥当な範囲はセンサモジュールの構造に依存する。必ずしも、０．９５×α＞Ｅ１＞０．６×αの範囲に限定されるものではない。利用するセンサモジュールの基礎実験結果から妥当な範囲を定め、利用するべきである。
【0105】
妥当な勾配Ｅ１が算出されれば、プロセッサ、すなわち算出部３２が、ステップＳ５にて、伝達率Ｔｒ、ステップＳ６にてオフセットΔεを算出する。なお、オフセットΔεの算出には、レールを枕木に固定した時のレールの温度Ｔ０が必要である。そのため、温度Ｔ０は事前に設定しておかねばならない。ただし、保線作業の度に温度Ｔ０は変化するはずである。そこで、本実施の形態にかかるシステムでは、温度Ｔ０は上書き入力できるようにしておく必要がある。
【0106】
ステップＳ５とステップＳ６にて算出された伝達率ＴｒとオフセットΔεは、プロセッサ、すなわち関係特定部３１によって、データＤ１に戻される。
【0107】
プロセッサ、すなわち補正部３３は、ステップＳ７にて、式（３）、式（４）を用いて、算出された伝達率ＴｒとオフセットΔεにより、図１４、図１５で説明した手順で計測ひずみを補正し、ステップＳ８にて、補正されたひずみセンサ出力値εｓ２を出力する。同時に、関係特定部３１は、伝達率ＴｒとオフセットΔεに、算出の基となったデータの検出期間を付記し、データＤ３として格納する。
【0108】
＜接着層の健全性のモニタリング＞
本実施例では、センサモジュール１０は、熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて、被計測体であるレールに貼り付けられている。接着剤による貼付けによれば、貼付けによって生じるひずみが小さく、安定した接着が可能である。加えて、エポキシ系接着剤は、安定性の高い材料であり、例えば、優れた耐候性を有する。
本実施例では、センサモジュール１０は、熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて、被計測体であるレールに貼り付けられている。接着剤による貼付けによれば、貼付けによって生じるひずみが小さく、安定した接着が可能である。加えて、エポキシ系接着剤は、安定性の高い材料であり、例えば、優れた耐候性を有する。
【0109】
しかしながら、そのような安定性の高い材料であっても、熱サイクルと同時に被計測体の伸縮によるひずみを繰り返し受け、加えて、水分、紫外線等に晒されると、長期的には劣化する。具体的には、エポキシ系接着剤は、まずは、樹脂中の重合の切断によって、弾性率の低下が生じる。次いで、エポキシ系接着剤は、応力の集中する接着層と金属薄板、もしくは接着層と被計測体との界面に、亀裂や剥離が生じる。
【0110】
ここで、エポキシ系接着剤の弾性率が低下したり、接着層と被計測体との界面に剥離が生じたりすると、被計測体のひずみが金属薄板に伝わらず、ひずみセンサの出力は低下する。しかしながら、ひずみセンサの出力そのものだけからは、弾性率の低下や界面の剥離を予想することは困難である。これが、ひずみセンサを用いたレールのひずみ計測における課題（３）である。
【0111】
上記のように、接着層の健全性が損なわれる程度に応じて、伝達されるひずみが減ずる、すなわち、伝達率Ｔｒが低下する。従って、伝達率Ｔｒを長期間にわたり、間欠的に、継続して測定すれば、測定される伝達率Ｔｒの推移ないし変化率を求めることにより、接着層の健全性を推定することができる。
【0112】
下記に、その検証のために行った実験とその結果について説明する。
【0113】
図１８は、実験方法を説明するための図である。図１８に示すように、センサモジュール１０は、試験片２００に、熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて貼り付けた。センサモジュール１０は、前述の通り、半導体チップ１に金属薄板１１が接合され、金属薄板１１は接着剤による接着層３００を介して試験片２００に貼り付けられている。なお、ここでは、半導体チップ１の位置を示すため、封止樹脂１２は図示していない。
【0114】
半導体チップ１の寸法は、ＸＹ平面方向において２．３ｍｍ×２．３ｍｍである。金属薄板１１の寸法は、ＸＹ平面方向において１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚み０．３ｍｍであり、金属薄板１１の材質は、ＳＵＳ４０３である。接着層３００の厚みは、おおよそ０．０５ｍｍである。試験片２００は、厚み１０ｍｍの引張試験片であり、材質はＳＵＳ３０４である。
【0115】
センサモジュール１０を貼り付け後、試験片２００を引張試験機で試験した。ただし、付与したひずみ範囲は、接着層３００が損傷を受けない範囲にとどめた。今回の試験事例では、ひずみセンサ出力値、すなわち、ひずみ若しくはひずみ量で、最大５００×１０－６とした。ひずみセンサの出力と、引張試験機に取り付けられたロードセルの出力から求めた試験片２００の理論的なひずみとを比較し、伝達率Ｔｒを算出した。
【0116】
上記試験後、金属薄板１１の先端から、接着層３００に亀裂３０１を形成した。接着層３００と試験片２００との界面に亀裂形成を試みたが、接着層３００の厚みが薄いため加工が難しく、接着層３００がほぼ削除された状態である。金属薄板１１の下の亀裂３０１は、Ｙ方向を突き抜けて形成した。金属薄板１１の先端から計測した、亀裂の幅をＡとする。
【0117】
剥離距離すなわち亀裂幅Ａ＝１ｍｍの亀裂を形成後、再び引張試験を行い、伝達率Ｔｒを算出した。その後さらに亀裂幅Ａを広げ、引張試験、伝達率Ｔｒ算出を繰り返した。その試験結果を図１９に示す。
【0118】
図１９は、亀裂形成後の引張試験の結果を示す図である。図１９に示すように、亀裂幅Ａが２ｍｍくらいまでは、伝達率Ｔｒの低減は緩やかである。亀裂幅Ａが２ｍｍを超えると伝達率Ｔｒの低減が増え、亀裂幅Ａが３ｍｍ以上になると伝達率Ｔｒは急激に低下する。これは、亀裂が半導体チップ１の直下まで達したため、半導体チップ１に伝わるひずみ量が急激に低下したと考えられる。この結果から、伝達率Ｔｒの低減と接着層の健全性との間には、明確な相関がある事が確かめられた。
【0119】
図２０は、伝達率Ｔｒを長期間にわたり間欠的に継続して測定した結果を示す図である。図２０は、ひずみセンサの特性を示す図であり、横軸は時間（日）を、縦軸は伝達率Ｔｒを表しており、センサモジュールの貼付日を含め合計１５回測定したものである。また、伝達率Ｔｒは、約１週間の連続データから算出した。図２０に示すように、伝達率Ｔｒは、初期すなわち貼付日から数カ月程度の期間では略一定値であるが、時間の経過と共に徐々に低下し、最後の方では、伝達率Ｔｒの低下は加速する。伝達率Ｔｒの低下は、接着層の劣化、剥離によるものと予想される。
【0120】
図２１は、図２０のデータを基に伝達率Ｔｒの変化率を示す図である。横軸は時間（日）を、縦軸は前後の伝達率Ｔｒの差分ΔＴｒを計測時間の間隔で除した値である。図２０では微小な伝達率Ｔｒの減少も変化率で示すと、その変化はより明確になる。
【0121】
伝達率Ｔｒを継続的に算出し、図１６に示すデータＤ３として任意の記憶装置に時系列的に格納しておくことにより、接着層の異常を予測することが出来る。例えば、図２０に示すように、予め、センサモジュールの貼替えのタイミングに対応した伝達率Ｔｒの基準値１を決めておき、伝達率Ｔｒがその基準値に達したらアラームを報知する。もしくは、伝達率Ｔｒの変化率を都度算出し、伝達率Ｔｒの変化率が基準値２に達したらアラームを報知する。
【0122】
図２２は、本実施の形態にかかる被計測体状態解析システムによる接着層の健全性のモニタリングに関するアルゴリズムの一例を示すフロー図である。
【0123】
図２２に示すように、ステップＪ１では、センサモジュールに接続されたコンピュータのプロセッサ、すなわち特性特定部３４が、新たな伝達率Ｔｒが算出されたか否かを判定する。新たな伝達率Ｔｒが算出されていないと判定された場合（Ｊ１：Ｎｏ）には、特性特定部３４は、処理ステップをステップＪ１に戻す。新たな伝達率Ｔｒが算出されていると判定された場合（Ｊ１：Ｙｅｓ）には、特性特定部３４は、処理ステップをＪ２に進める。
【0124】
ステップＪ２では、特性特定部３４が、これまでに算出された時系列の伝達率Ｔｒを記憶装置から読み出す。
【0125】
ステップＪ３では、特性特定部３４が、読み出された最新の伝達率Ｔｒが、設定された基準値１を下回るか否かを判定する。特性特定部３４は、その伝達率Ｔｒが基準値を下回ると判定された場合（Ｊ３：Ｙｅｓ）には、処理ステップをＪ４に進め、その伝達率Ｔｒが基準値を下回らないと判定された場合（Ｊ３：Ｎｏ）には、処理ステップをＪ５に進める。
【0126】
ステップＪ４では、プロセッサ、すなわち報知部３５は、アラームを報知させる。アラームは、例えば、音を出力させるとともに、テキストを表示部に表示させる態様でよい。これにより、ユーザは、例えば、センサモジュールの接着層の劣化が進み、あるいは異常が発生し、センサモジュールの貼替え時期が到来したことを把握することができる。
【0127】
ステップＪ５では、特性特定部３４は、データ監視アルゴリズムを終了させる事由があるか否かを判定する。そのような事由があると判定された場合（Ｊ５：Ｙｅｓ）には、特性特定部３４は、データ監視アルゴリズムを終了する。そのような事由がないと判定された場合（Ｊ５：Ｎｏ）には、特性特定部３４は、処理ステップをＪ１に戻す。
【0128】
図２３は、本実施の形態にかかる被計測体状態解析システムによる接着層の健全性のモニタリングに関するアルゴリズムの別例を示すフロー図である。
【0129】
図２３に示すように、ステップＪ１１では、センサモジュールに接続されたコンピュータのプロセッサ、すなわち特性特定部３４が、新たな伝達率Ｔｒが算出されたか否かを判定する。新たな伝達率Ｔｒが算出されていないと判定された場合（Ｊ１１：Ｎｏ）には、特性特定部３４は、処理ステップをステップＪ１１に戻す。新たな伝達率Ｔｒが算出されていると判定された場合（Ｊ１１：Ｙｅｓ）には、特性特定部３４は、処理ステップをＪ１２に進める。
【0130】
ステップＪ１２では、特性特定部３４が、これまでに算出された時系列の伝達率Ｔｒを記憶装置から読み出す。
【0131】
ステップＪ１３では、特性特定部３４が、伝達率Ｔｒの時間変化率を算出する。具体的には、特性特定部３４は、時系列の伝達率Ｔｒから前後の伝達率Ｔｒの差分ΔＴｒを計測時間の間隔で除する。
【0132】
ステップＪ１４では、特性特定部３４が読み出した最新の伝達率Ｔｒから算出された伝達率Ｔｒの時間変化率が、設定された基準値２を上回るか否かを判定する。特性特定部３４は、その伝達率Ｔｒの時間変化率が基準値２を上回ると判定された場合（Ｊ１４：Ｙｅｓ）には、処理ステップをＪ１５に進め、その伝達率Ｔｒの時間変化率が基準値２を上回らないと判定された場合（Ｊ１４：Ｎｏ）には、処理ステップをＪ１６に進める。
【0133】
ステップＪ１５では、プロセッサ、すなわち報知部３５は、アラームを報知する。アラームは、例えば、音を出力させるとともに、テキストを表示部に表示させる態様でよい。これにより、ユーザは、例えば、センサモジュールの接着層の劣化あるいは異常の程度を把握し、センサモジュールの貼替え時期が近付いたことを知ることができる。
【0134】
ステップＪ１６では、特性特定部３４は、データ監視アルゴリズムを終了させる事由があるか否かを判定する。そのような事由があると判定された場合（Ｊ１６：Ｙｅｓ）には、特性特定部３４は、データ監視アルゴリズムを終了する。そのような事由がないと判定された場合（Ｊ１６：Ｎｏ）には、特性特定部３４は、処理ステップをＪ１１に戻す。
【0135】
このようなデータ監視アルゴリズムによれば、センサモジュールに含まれるひずみセンサの弾性率の低下あるいは界面の剥離など予測し、センサモジュールの交換時期を把握することができ、被計測体のひずみの監視を予期せぬトラブルで中断することなく、安定して継続させることが可能になる。すなわち、本データ監視アルゴリズムによれば、ひずみセンサを用いたレールのひずみ測定における上記課題（３）を解決することができる。
【0136】
なお、本実施例では、説明の簡単のため、一つのセンサモジュールの出力を例に説明をした。しかしながら、実際には、複数のセンサモジュールが被計測体に貼り付けられ、複数のセンサモジュールの出力について、それぞれ、データ補正アルゴリズム、およびデータ監視アルゴリズムを適用することが考えられる。
【0137】
また、本願発明の実施の形態は、上記に限定されず、上記システムで行われる、対象物の状態を解析する方法も、本願発明の一実施の形態である。すなわち、対象物の状態を解析する対象物状態解析方法であって、対象物に貼り付けられひずみセンサおよび温度センサを含むセンサ部から出力されたデータに基づいて、温度とひずみセンサの出力値との関係を求め、求められた関係に基づいて、対象物のひずみがひずみセンサに伝達される割合を示す伝達率と、ひずみセンサの出力値のオフセットとを算出する、対象物状態解析方法も、実施の形態の一例である。
【0138】
また、本願発明の実施の形態は、上記の他に、上記システムでコンピュータが実行するプログラムも、本願発明の一実施の形態である。すなわち、コンピュータを、対象物に貼り付けられひずみセンサおよび温度センサを含むセンサ部から出力されたデータに基づいて、温度とひずみセンサの出力値との関係を求める関係特定部、および、求められた関係に基づいて、対象物のひずみがひずみセンサに伝達される割合を示す伝達率と、ひずみセンサの出力値のオフセットとを算出する算出部、として機能させるためのプログラムも、実施の形態の一例である。さらに、当該プログラムを非一時的に記憶した有形のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体も、本願発明の一実施の形態である。
【符号の説明】
【0139】
１…半導体チップ、２ｘ－１，２ｙ－１，２ｘ－２，２ｙ－２…ピエゾ抵抗素子、３…増幅器、４…Ａ／Ｄ変換器、５，６…記憶演算部、７…温度センサ、８…パッド、９…シリコン基板、１０…センサモジュール、１１…金属薄板、１２…封止樹脂、１３…ＦＰＣ、１４…金ワイヤ、１５…接合層、１６…接着剤、２０…コンピュータ、２１…プロセッサ、２２…メモリ、２３…記憶装置、２４…インタフェース、２５…バス、３１…関係特定部、３２…算出部、３３…補正部、３４…特性特定部、３５…報知部、１００…レール、１３１…出力端子、１３２…打抜き孔、３００…接着層、εｓ…ひずみセンサ出力値、εｓ１，εｓ２…補正後のひずみセンサ出力値、Δεｓ…オフセット、α…レールの熱膨張率、Ｔｒ…伝達率、ＰＧ…プログラム
【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15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】