JP2004514884A

JP2004514884A - 多軸ロードセル本体

Info

Publication number: JP2004514884A
Application number: JP2002544618A
Authority: JP
Inventors: メイヤー，リチャード・エイ; ケンパイネン，アラン・ジェイ; オルソン，ダグラス・ジェイ
Original assignee: エムティエス・システムズ・コーポレーション
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2004-05-20
Also published as: EP1336085A1; WO2002042726A1; AU2001293119A1; US20020059837A1; US6769312B2

Abstract

本発明は、大型車両に使用され、しかも製造が容易な改善されたコンパクトなロードセル（１０；３００）である。ロードセル（１０；３００）は第１のリング（１４；３０４）から第２のリング（１６；３０６）へ延びる少なくとも３つのチューブを有する２つのリング（１４、１６；３０４、３０６）を含む。センサ（３０）は複数の方向におけるロードセル本体（１０；３００）の歪を測定するようにチューブ（２１−１８；３１０）上に装着される。ロードセルは更に、車両が作動するときに、スピンドル（８０）での車輪組立体の力及びモーメントを測定するように車両のスピンドル（８０）上に装着することができる。

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は３つの直交する軸線に沿って力を伝達し、これら軸線のまわりでモーメントを伝達するロードセルに関する。詳細には、車輪力トランスジューサとしての応用に適したコンパクトなロードセル本体が開示される。
【０００２】
３つの直交する軸線に沿った力又はこれら軸線のまわりのモーメントを測定するための車輪力トランスジューサ即ちロードセルは既知である。車輪力トランスジューサは典型的には車両のスピンドルと車両のリム部分との間でこれらに装着される。トランスジューサは、車両が作動するときに、スピンドルにおいて車輪組立体を介して反抗する力およびモーメントを測定する。
【０００３】
実質的な成功及び重大な絶賛を持っていた車輪力トランスジューサの１つの形はミネソタ州のエデン・プレーリー（ＥｄｅｎＰｒａｉｒｉｅ）のＭＴＳシステムズ・コーポレーションにより販売されているＳｗｉｆｔ（登録商標名）トランスジューサであり、米国特許第５，９６９，２６８号及び同第６，０３８，９３３号各明細書に記載されている。一般に、このトランスジューサは剛直な中央部材と、剛直な環状リングと、半径方向に延び、中央部材を環状リングに結合する複数の管状部材とを有するロードセル本体を含む。複数の感知回路は複数の管状部材に装着される。剛直な中央部材は車両のスピンドルに装着され、一方、環状リングは車両のリムに取付けられる。エンコーダはロードセル本体の角度位置を測定し、半径方向の管状部材を介して伝達される力が直交する静止の座標系に関して解明されるのを許容する。
【０００４】
Ｓｗｉｆｔ（登録商標名）トランスジューサは乗用車の如き車両のスピンドルを介して反抗する負荷を測定するのに十分適するが、ロードセルはオーバー・ザ・ロードトラックの如き大型車両に実質上使用できない。その理由は、トラック上のスピンドルの直径が大きく、スピンドルとタイヤのリムとの間の間隙が小さいからである。
【０００５】
従って、大型車両に使用でき、しかも製造が容易な改善されたコンパクトなロードセルを提供する進行中の要求がある。
【０００６】
【発明の概要】
本発明の１つの実施の形態は複数の方向で力及びモーメントを伝達するためのロードセル本体である。ロードセル本体は第１のリング部材及び第２のリング部材を有する一体の組立体である。各リング部材は基準軸線上に中心を持つ中央開口を有する。３又はそれ以上のチューブが基準軸線に平行に第１のリング部材から第２のリング部材へ延びる。
【０００７】
別の実施の形態は複数の方向で力を伝達するための車輪力ロードセル本体を含む。車輪力ロードセル本体は第１及び第２のリング部材を備えた一体の組立体を有する。各リング部材は基準軸線上に中心を持つ中央開口を有する。更に、少なくとも３つのチューブが基準軸線に平行に第１のリング部材から第２のリング部材へ延びる。車輪力ロードセル本体はまた第１及び第２の環状リムを備えた装着ハブを有する。装着ハブはまた第１及び第２のリム間を延びる円筒状の支持体を有する。
【０００８】
本発明の更に別の態様はロードセル本体を作る方法を含む。この方法は、材料の単一のブロックから、第１の環状リングと、第２の環状リングと、これらのリング間を跨ぐ複数の部材とを有する一体の組立体を製造する工程を含む。各々は基準軸線上に中心を持つ中央開口を有する。この方法は更に各部材内にボアを形成する工程を含み、各ボアは環状リングのうちの少なくとも１つ内の開口に整合する。
【０００９】
【実例の実施の形態の詳細な説明】
図１Ａ及び１Ｂは本発明のロードセル１０の第１の実施の形態を示す。ロードセル１０は好ましくは材料の単一のブロックから製造された一体の本体１２を有する。本体１２は第１の剛直な環状リング１４と、共通の軸線１５のまわりに中心を持つように第１の環状リング１４に平行でこれに整合する第２の環状リング１６とを有する。複数のチューブ２０は第１の環状リング１４を第２の環状リング１６に結合する。図示の実施の形態においては、複数のチューブ２０は８つのチューブ２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８を含む。チューブ２１−２８の各々は軸線に平行に第１の環状リング１４から第２の環状リング１６へ延びる。図示では複数のチューブ２０は８個に等しいが、第１の環状リング１４を第２の環状リング１６に結合するために３又はそれ以上の任意の数のチューブを使用できることを理解すべきである。図示の実施の形態においては、複数のチューブ２０は軸線１５のまわりにおいて実質上等角度間隔で離間している。
【００１０】
複数のセンサ３０は内部の歪を感知するように複数のチューブ２０上に装着される。図示の実施の形態においては、６４個のストレインゲージが１６個のホイートストンブリッジ内に組み込まれ、ここでは、各チューブ２１−２８に対して２つのホイートストンブリッジが設けられる。１６個のホイートストンブリッジはロードセル１０からの出力として提供される８つのストレインゲージ信号と組み合わされる。説明の目的で、直交座標系３１を定義することができ、この場合、Ｘ軸を符号３３で示し、Ｚ軸を符号３５で示し、Ｙ軸は中央軸線１５に対応する。後に説明するが、ロードセル１０からの８つのストレインゲージ信号はＸ軸３３、Ｙ軸１５およびＺ軸３５に沿う及びそのまわりの力を計算するために使用される。
【００１１】
一般に、Ｘ軸３３及びＺ軸３５に沿う力の測定はせん断用のセンサから測定され；Ｙ軸１５に沿う力は軸方向伸長／圧縮用のセンサから測定され（好ましくは軸方向及びポアソンゲージの双方がブリッジ内に設けられる）；中央軸線１５のまわりでのモーメントはせん断用のセンサから測定され；Ｘ軸３３及びＺ軸３５のまわりでのモーメントはセンサからの差動軸方向歪により測定される。各チューブ２１−２８は、好ましくは各チューブの長手方向の長さのほぼ中央で装着された歪センサを含む。歪センサ（例えば、図１Ａに示すセンサ２９Ａ及び（又は）センサ２９Ｂ）は複数のチューブ２０の壁内のせん断応力を示す出力信号を提供するように普通に装着されるが、曲げ応力の表示を提供するもののような他の形のセンサも使用でき、当業者なら認識できるように、そのようなセンサはチューブ２０からリング１４、１６への遷移部に装着される。更に、複数のセンサ３０は図示の実施の形態では抵抗性ストレインゲージからなるが；光学基礎の又は容量基礎のセンサの如き他の形の感知装置も使用することができる。
【００１２】
好ましい実施の形態においては、チューブ２１−２８の各々は内部で応力を集中させるように減少した厚さの複数の離間した壁部分を含む。図２Ａ，２Ｂを参照し、チューブ２１（図２Ａ）を例にとると、チューブ２１は矩形ではない外表面３１を有し、この場合、減少した厚さの壁部分を３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄで示す。減少した厚さの壁部分３３Ａ−３３Ｄはチューブ２１内の円筒状のボア７５により形成され、第１の対の平行で平坦な表面３７Ａ、３７Ｂは反対方向に向き、第２の組の平坦な表面３９Ａ、３９Ｂも反対方向に向く。第２の組の平坦な表面３９Ａ、３９Ｂは、第１の組及び第２の組の平坦な表面がチューブ２１の対応する長手方向の軸線のまわりで交互に位置するように、第１の組の平坦な表面３７Ａ、３７Ｂに対して実質上直交する。部分３３Ａ−３３Ｄの厚さがほぼ等しいものとして図示するが、所望なら、厚さは選択された方向において所望の感度を提供するように異ならせることができる。好ましくは、部分３３Ａの厚さは部分３３Ｃにほぼ等しくすべきであり、部分３３Ｂの厚さは部分３３Ｄにほぼ等しくすべきである。
【００１３】
歪センサは第１の対の平行で平坦な表面３７Ａ、３７Ｂ及び第２の組の平坦な表面３９Ａ、３９Ｂに装着される。平坦な装着表面は有利となることがある。その理由は、測定された出力信号が、湾曲した装着表面と対比して平坦な表面上の均一なゲージクランプ圧力のために、一層小さなヒステリシス及び一層小さなクリープゲージボンディングを有し、これがゲージ内に残留応力を閉じ込めるからである。また、けがきラインに対するゲージの整合けがき及び貼り付けは湾曲表面上では一層困難である。矩形ではない外表面３１はまた有利である。その理由は、この形が歪センサの近傍のチューブ２１の部分に応力を集中させるからである。矩形の横断面（隅部で交差する４つの平坦な表面）を有するチューブを使用することができるが、著しい応力集中は、歪センサを容易に装着できない平坦な表面の交差部で生じる。従って、性能が実質的に減少する。これに対し、図２Ａに示す矩形でないチューブ２１は第１の組の各平坦な表面と第２の組の連続する平坦な表面との間を延びる平坦な表面４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄを含む。好ましい実施の形態においては、平坦な表面３７Ａ、３７Ｂ、３９Ａ、３９Ｂ及び４１Ａ−４１Ｄは好ましくは八角形の横断面を形成する。八角形の外表面３１を備えた各チューブ２１−２４を形成すると、構造が簡単になり、平坦な表面を容易に機械加工できるので製造コストが減少する。１つの平坦な表面が第１の組の各平坦な表面と第２の組の連続する表面例えば平坦な表面４１Ａとの間を延びるものとして示したが、複数の介在する平坦な表面を使用できることを理解すべきである。同様に、矩形でないチューブを形成するために平坦な表面４１Ａ−４１Ｄの代わりに湾曲した壁部分を使用することができる。このような管状の構造体は均一の厚さの環状壁を有しないが、逆に、平坦な表面３７Ａ、３７Ｂ、３９Ａ、３９Ｂにより再度形成された減少した壁厚さの離間した部分３３Ａ−３３Ｄは直交した横断面と同様にその中に応力を集中させる。
【００１４】
複数のチューブ２０のための異なる構造をロードセル本体に使用できることも理解すべきである。例えば、複数のチューブ２０の外表面は、ここに参照として組み込む２０００年３月３日に出願された「多軸ロードセル」という名称の米国特許出願第０９／５１８，２９０号明細書に記載されたものと同様の凹状の外表面を備えるように構成することができる。特に、減少した厚さの壁部分３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄは各々凹状の外表面を含む。ここで使用するような「凹状」は中空の球体の内表面の一部に限定されず、例えば、円筒状、放物線状、楕円状等の外側に開いた湾曲表面をすべて含む。減少した厚さの壁部分３３Ａ−３３Ｄは半径方向のチューブ内の円筒状ボアにより形成され、（表面３７Ａ、３７Ｂと同様に位置する）第１の対の凹状の外表面は反対方向に向き、（表面３９Ａ、３９Ｂと同様に位置する）第２の組の凹状の外表面も反対方向に向く。凹状の外表面及び直線状のボアの使用は減少した厚さの壁部分に対する漸進的な応力集中を提供するという利点を有することができる。更に、減少した壁部分からの壁の厚さが減少した厚さの部分から小距離にわたって大幅に増大するので、構造体は超過モーメントに対して一層剛直になる。
【００１５】
ロードセル本体１２はアルミニウム、チタン、４３４０スチール、１７−４ｐＨステンレススチール又は他の高強度材料から製造することができる。
図２Ａ，２Ｂ、３Ａ、３Ｂは上述の１６個のホイートストンブリッジ内のストレインゲージの位置及び接続を示す。一般に、各チューブは各チューブ２１−２８の第１の部分（表面３７Ａ）上に設けた第１の対の歪センサ５０を含む。第２の対の歪センサ５２は第１の対の歪センサ５０からほぼ１８０度の第２の部分（表面３７Ｂ）上に設けられる。各チューブ２１−２８上の第１及び第２の対の歪センサは普通のホイートストンブリッジ内で接続されて、各チューブ２１−２８上に第１の感知回路を形成する。第１のホイートストンブリッジは軸線３３又は３５の１つに沿う力を感知する。特に、図示の実施の形態においては、Ｘ軸３３に沿う力はチューブ２１、２２、２５、２６の各々に設けた第１のホイートストンブリッジからの出力信号から計算される。同様に、チューブ２３、２４、２７、２８の各々上の第１のホイートストンブリッジからの出力信号はＺ軸３５に沿う力を計算するために使用される。ホイートストンブリッジ回路の各々はせん断感知回路である。チューブ２１−２８の各々上の第２の感知回路はＹ軸１５に沿う軸方向伸長／圧縮を感知する。各第２のホイートストンブリッジ回路は第１の対のセンサ５０からほぼ９０度の第３の部分（表面３９Ｂ）上に装着された第３の対のセンサ５４を含み、一方、第４の対のセンサ５６は第３の対のセンサ５４からほぼ１８０度の第４の部分（表面３９Ａ）上に装着される。図示の実施の形態においては、第２のホイートストンブリッジ（軸方向ブリッジ）の各々内の２つのポアソンゲージは第１のホイートストンブリッジ（せん断ブリッジ）内のすべてのセンサと同様に十分に活性ではない。
【００１６】
図３Ａ、３Ｂはロードセル１０からの８つの出力信号を実現するためのチューブ２１−２８上のホイートストンブリッジの接続を示す概略線図である。本質的に、対をなす同様の感知ホイートストンブリッジ回路は各チューブ間に位置する垂直チューブの出力信号を提供するように一緒に接続される。例えば、チューブ２１の第１のホイートストンブリッジ回路２１８は図２Ａに符号４０１で示され、一方、チューブ２２の第１のホイートストンブリッジ回路２２０は図Ｂに符号４０３で示される。ホイートストンブリッジ２１８、２２０は図２Ａ，２Ｂでチューブ２１、２２間に位置する垂直チューブ４０２のための単一の出力信号を有効に形成する。抵抗２７８、２８０は、それらの出力を組み合わせ、１つの出力信号を有効に形成するために、各ホイートストンブリッジ回路２１８、２２０の感度を適合させるように設けられ、選択される。
【００１７】
残りの１４個のホイートストンブリッジは図３Ａ、３Ｂに示すように対として同様に組み合わされる。特に、それぞれチューブ２３、２４の第１のホイートストンブリッジ回路２２６、２２８は符号４０５で示す出力を有効に形成するように組み合わされ；それぞれチューブ２５、２６の第１のホイートストンブリッジ回路２３４、２３６は符号４０８で示すチューブのための出力信号を有効に形成するように組み合わされ；それぞれチューブ２７、２８の第１のホイートストンブリッジ回路２１０、２１２は符号４１１で示すチューブのための出力信号を有効に形成するように組み合わされ；それぞれチューブ２１、２２の第２のホイートストンブリッジ回路２２２、２２４は符号４０２で示すチューブのための第２の出力信号を有効に形成するように組み合わされ；それぞれチューブ２３、２４の第２のホイートストンブリッジ回路２３０、２３２は符号４０５で示すチューブのための第２の出力信号を有効に形成するように組み合わされ；それぞれチューブ２５、２６の第２のホイートストンブリッジ回路２３８、２４０は符号４０８で示すチューブのための第２の出力信号を有効に形成するように組み合わされ；それぞれチューブ２７、２８の第２のホイートストンブリッジ回路２１４、２１６は符号４１１で示すチューブのための第２の出力信号を有効に形成するように組み合わされる。抵抗２７０、２７２、２７４、２７６、２８２、２８４、２８６、２８８、２９０、２９２、２９４、２９６、２９８、３００は感度を適合させるために抵抗２７８、２８０と同様の方法で使用される。
【００１８】
当業者なら認識できるように、本発明を実施するためにはホイートストンブリッジ回路を図３Ａ、３Ｂに示すように組み合わせる必要は必ずしもない。換言すれば、各ホイートストンブリッジにより提供される出力信号が得られ、この場合、適当なハードウエア又はソフトウエアが直交軸３３、３５、１５の座標系に関して対応する出力信号の各々を解明するために使用される。しかし、上述し、図２Ａ，２Ｂに示したようなホイートストンブリッジの接続はロードセル１０から提供される出力信号の数を減少させることにより製造コストの節約を実現できる。
【００１９】
図示の実施の形態においては、ロードセル１０は上述のような８つの信号を提供する。次いで、８つの信号は座標系３１の軸のまわりでの力及びモーメントを提供するように変換される。特に、Ｘ軸３３に沿う力はチューブ２１、２２、２５、２６内に発生したせん断応力による主要な歪として測定される。これは次式で表すことができる：
Ｆ_Ｘ　＝　Ｆ_Ｘ１　＋　Ｆ_Ｘ２
ここに、Ｆ_Ｘ１及びＦ_Ｘ２は図３Ａに示すように得られたものである。
【００２０】
同様に、Ｚ軸３５に沿う力はチューブ２３、２４、２７、２８内に発生したせん断応力による主要な歪として測定される。これは次式で表すことができる：
Ｆ_Ｚ　＝　Ｆ_Ｚ１　＋　Ｆ_Ｚ２
ここに、Ｆ_Ｚ１及びＦ_Ｚ２は図３Ｂに示すように得られたものである。
【００２１】
Ｙ軸１５に沿う力はすべてのチューブ２１−２８内に発生した軸方向伸長／圧縮として測定される。これは次式で表すことができる：
Ｆ_ｙ　＝　Ｆ_ｙ１　＋　Ｆ_ｙ２　＋　Ｆ_ｙ３　＋　Ｆ_ｙ４
ここに、Ｆ_ｙ１、Ｆ_ｙ２、Ｆ_ｙ３及びＦ_ｙ４は図３Ａ、３Ｂに示すように得られたものである。
【００２２】
Ｘ軸のまわりでの超過モーメントはそれに適用された対向する力からチューブ２１、２２、２５、２６内に発生した軸方向伸長／圧縮として測定される。これは次式で表すことができる：
Ｍ_Ｘ　＝　Ｆ_ｙ１　−　Ｆ_ｙ３
Ｆ_ｙ２及びＦ_ｙ４を示す出力は、これらの出力の各々がＸ軸３３の各側でのチューブから形成されるので、事実上ゼロであることに留意されたい。
【００２３】
同様に、Ｚ軸３５のまわりでの超過モーメントはそれに適用された対向する力からチューブ２３、２４、２７、２８内に発生した軸方向伸長／圧縮として測定される。これは次式で表すことができる：
Ｍ_Ｚ　＝　Ｆ_ｙ４　−　Ｆ_ｙ２
Ｚ軸３５のまわりのモーメントに対しては、出力Ｆ_ｙ１及びＦ_ｙ３がゼロであることに留意されたい。
【００２４】
Ｙ軸１５のまわりでの超過モーメントはすべてのチューブ２１−２８内に発生したせん断応力による主要な歪として測定される。これは次式で表すことができる：
Ｍ_ｙ　＝　（Ｆ_Ｘ１　−　Ｆ_Ｘ２）＋　（Ｆ_Ｚ１　−　Ｆ_Ｚ２）。
【００２５】
６つの自由度以下の測定された力及びモーメントが望まれる場合は、センサ３０の数及び感知回路の数を減少できることを理解すべきである。
ロードセル１０は回転する車輪の力及びモーメントの成分を測定するのに特に十分に適する。図４Ａ、４Ｂを参照すると、ロードセル１０は車両のスピンドル８０から車輪リム７０への負荷経路内で接続されているものとして示されている。実際、ロードセル１０はリム７０の中心部分に置き換えられている。
【００２６】
図示のように、チューブ２０は各々Ｙ軸１５に実質上対応するスピンドル軸線に実質上平行に指向する。このように指向したチューブ２０は、チューブ２０が米国特許第５，９６９，２６８号明細書に開示されているような規則的に指向した感知素子の曲げ／せん断負荷と対比する伸長／圧縮負荷状態にあるときに、ロードセル１０が一層大きなモーメントを支えることを許容する。更に、中型の及び酷使に耐えるトラックの如き多くの車両は大きなラグナットボルト円（トラックのリムをスピンドルに装着するために使用するファスナー）及び比較的小さなリム直径を備えたリムを有し、これは、上記米国特許第５，９６９，２６８号明細書に開示されているような半径方向に指向した感知部材の使用を許容しない。これに対し、図示のようなロードセル１０は大きなラグナットボルト円を収容するように比較的大きな内径及び車両リムへの締結を許容するように比較的小さな外径を有する。
【００２７】
図４Ａ、４Ｂに示すように、第１の環状リング１４はリム７０に固定され、一方、ハブアダプタ７４は第２の環状リング１６を車両のスピンドル８０に結合する。リム７０を第１の環状リング１４に結合するファスナー７２は第１の環状リング１４内の任意に所望の位置で固定することができるが；各チューブ２０内に負荷を直接集中させるためには、各チューブ２０のボア７５と整列する方向に方位決めするようにファスナー７２を第１の環状リング１４に固定するのが好ましいかもしれない。図示の実施の形態においては、第１の環状リング１４の各開口は各チューブ２１−２８のボア７５への開口に整列し、対応する開口内で固定される装着素子７６を含む。例えば、図示のように、装着素子７６は第１の環状リング１４の対応する開口内に設けたネジ部に係合するネジプラグを有することができる。次いで、ファスナー７２を装着素子７６内に設けたネジ部に螺合することができる。所望なら、装着素子７６は溶接、蒸着、接着、結着等の如き他の手段により開口内で固定することができる。環状リング１４の表面３６の上方へ僅かに延びる隆起部分３９を設けて、各チューブ２１−２８（図１Ｂ）の近くで隆起部上に応力を集中させることができる。ロードセル本体１０をリム７０に装着するための同様の隆起部を設けることができる。延長するフランジ４１を設けて、リム７０（図１Ａ）上でロードセル本体１０をセンタリングすることができる。
【００２８】
第２の環状リング１６はリム７０への第１の環状リング１４の接続と同様の方法でハブアダプタ７４に固定することができる。図示の実施の形態においては、ファスナー７８は装着素子７６と同様の装着素子７５を使用してハブアダプタ７４を第２の環状リング１６に固定する。ハブアダプタ７４はロードセル１０と車両のスピンドル８０との間で負荷を伝達する。ハブアダプタ７４は車両のスピンドル８０上に存在するスタッド２８４を受け入れることのできる開口を有する内側の環状リング２８２を含み、この場合、ラグナット２８５がハブアダプタ７４を車両のスピンドル８０に固定する。補強リブ２８７を備えた円筒状部分２８６は内側のリング２８２を、上述のようにロードセル１０に固定された半径方向外方へ延びるフランジ２８８又はリング部分に結合する。
【００２９】
複数のチューブ２０を保護するために、外側の円筒状カバー４０及び内側の円筒状カバー４２もロードセル１０上に設けることができる。外側のカバー４０及び内側のカバー４２は第１の環状リング１４と第２の環状リング１６との間で固定し、橋渡しすることができる。カバー４０、４２は、撓みを許すが、複数のチューブ２０特に複数のセンサ３０と接触するようになるごみ又は他の物質の不当な進入を阻止するシリコーンの如き接着剤又は他の適当なファスナーを使用してロードセル本体上に固定することができる。この方法で使用されるカバー４０、４２はチューブ２１−２８のためのシールされた室を形成する。
【００３０】
図５を参照すると、タイヤのリム７０が回転又は部分的に回転する場合に、スリップリング組立体８４を介してのコントローラ８２により、パワーが供給され、出力信号が複数のセンサ３０から得られる。コントローラ８２はロードセル１０により測定された力及びモーメントの成分を計算し、記録し及び（又は）表示する。
【００３１】
ロードセル１０は増幅回路７１、７３を含む。増幅回路７１、７３はチューブ２１−２８上の複数のセンサ３０に接続され、スリップリング組立体８４を介しての伝達前に出力信号を増幅する。出力信号を増幅することにより、スリップリング組立体８４により生じるノイズに関連する問題が減少する。図４、Ｂ５を参照すると、開口８３、８４、８５、８６内にそれぞれ装着されたコネクタ７９、８０、８１、８２は増幅回路７１、７３をスリップリング組立体８４に接続する。装着板８７はスリップリング組立体８４を第２の環状リング１６に装着する。８７Ａ、８７Ｂの如き通路が装着板８７内に設けられ、導体をスリップリング組立体８４からコネクタ７９、８１へ導く。エンコーダ８９はロードセル１０の角度位置を表示する角度入力信号をコントローラ８２へ提供する。
【００３２】
図６は静的直交座標系内の６つの自由度に関して力及びモーメントの成分を表示する出力信号１０８を得るためにチューブ２１−２８上の個々の感知回路から受け取った出力信号８８を変換するようにコントローラ８２により遂行される作動を一般的に示す。図示のように、感知回路からの出力信号８８はスケーリング及び幾何学変換回路９０により受け取られる。スケーリング及び幾何学変換回路９０は感知回路間のいかなる不平衡をも補償するように出力信号８８を調整する。回路９０はまた上述の式に従って出力信号８８を組み合わせ、直交座標系のための力及びモーメントの成分を表示する出力信号９４を提供する。
【００３３】
図６に戻ると、クロス結合マトリックス回路９６は出力信号９４を受け取り、いかなるクロス結合効果をも補償するように出力信号を調整する。座標変換回路１０２はクロス結合マトリックス回路９６からの出力信号１００及びエンコーダ等からの角度入力１０４を受け取る。座標変換回路１０２は出力信号１００を調整し、静的直交座標系に関する力及びモーメントの成分を提供するようにロードセル１０の位置の関数である出力信号１０８を提供する。
【００３４】
図７はスケーリング及び幾何学変換回路９０を詳細に示す。高インピーダンスバッファ増幅器１１０Ａないし１１０Ｈはスリップリング組立体８４から出力信号８８を受け取る。次いで、加算器１１２Ａないし１１２Ｈはゼロ調整を提供し、一方、好ましくは、調整可能な増幅器１１４Ａないし１１４Ｈは出力信号８８を個々に調整し、その結果、チューブ２１−２８上の歪センサ３０の位置の壁厚における不一致又はチューブ毎のセンサ３０の配置における不一致の如き物理的な差異に関連するいかなる不平衡をも容易に補償することができる。加算器１１２Ａないし１１２Ｈは上述の式に従って増幅器１１０Ａないし１１０Ｈからの出力信号を組み合わせる。調整可能な増幅器１１８Ａ、１１８Ｄを設けて、加算器１１６Ａ、１１６Ｄからの出力信号が適正な振幅を有するのを補償する。
【００３５】
上述のように、クロス結合補償は回路９６により提供される。例えば、図８は信号Ｆ_Ｘのためのクロス結合補償を示す。他の出力信号Ｆ_ｙ、Ｆ_Ｚ、Ｍ_Ｘ、Ｍ_ｙ及びＭ_Ｚの各々は同様にクロス結合効果を補償される。
【００３６】
図９は座標変換回路１０２を詳細に示す。エンコーダ８９はＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）の如き適当なメモリー１２０、１２２内に記憶された正弦及び余弦デジタル値のためのインデックスを提供する。デジタル／アナログ変換器１２４、１２６は適当なデジタル値を受け取り、ロードセル１０の角度位置を表示する対応するアナログ信号を発生させる。倍率器１２８Ａないし１２８Ｈ及び加算器１３０Ａないし１３０Ｄは、静的直交座標系に関する力及びモーメント出力信号１０８を提供するようにＸ軸及びＺ軸に沿う及びそのまわりでの力及びモーメント出力信号を組み合わせる。
【００３７】
この時点で、本発明のロードセル１０は図１−５に示す実施の形態に制限されないことに留意すべきである。図１０Ａ、１０Ｂは、これまた回転する車輪の力及びモーメントの成分を測定するために使用できる別の形のロードセル３００を示す。上述のロードセル１０と同様、ロードセル３００はまた第１のリング部材３０４と、第２のリング部材３０６と、第１のリング部材３０４を第２のリング部材３０６に結合する複数の感知チューブ３１０とで形成される一体の本体３０２を有する。チューブ３１０は上述のものと同様の方法で構成され、上述のような感知素子を含む。しかし、この実施の形態においては、第１の環状リング３０４はロードセル３００を車両のスピンドル８０に直接固定するために使用できる半径方向内方へ延びる装着フランジ３０８を含む。特に、環状リング３０４は車両のスピンドルのスタッド２８４を受け入れる開口を備え、この場合、ラグナット２８５が環状リング３０４を車両のスピンドル８０に固定する。この実施の形態においては、円筒状のリム拡張器３３０が第２の環状リング３０６を車両のリム７０に結合し、ファスナー３１８について上述したものと同様の方法で第２の環状リング３０６に装着することができ、この場合、装着素子３１４は複数のチューブの各々を形成するボアへ開いた開口内に設けられる。別の方法では、溶接の如き他の締結技術を使用できるが、ある形の着脱可能なファスナーが一般に好ましい。
【００３８】
図１１は、所望なら、ロードセル１０、３００内に組み込むことのできる過剰運行停止組立体１７４、１７６の２つの実施の形態を示す。最初に過剰運行停止組立体１７４を参照すると、この組立体は第１の環状リング１４から第２の環状リング１６へ延びるボア７５内に固定された延長素子１８２、１８４を有する。各延長素子１８２、１８４のそれぞれの第１の端部１８６、１８８は第１の環状リング１４及び第２の環状リング１６にそれぞれ固定される。延長素子１８２、１８４は、端部１９０、１９２が互いに近接して位置するように、ボア１７０内で互いの方へ延びる。図示の実施の形態においては、延長素子１８２は僅かな間隙を伴って端部１９２を受け入れるのに適した形状及び寸法を有するくぼみを備える。ここに示すネジボルトの如きファスナー１９４は互いに離れるような延長素子１８２、１８４の軸方向変位を制限する。ファスナーは延長素子１８２に設けたボア１９６を通って僅かな間隙を伴って延び、ネジ開口１９８を備えた延長素子１８４に固定される。
【００３９】
延長素子１８２、１８４は、溶接、蒸着、結着又は接着の如き普通の技術を使用して、第１の環状リング１５及び第２の環状リング１６の対応する開口内で固定することができる。図示の実施の形態においては、延長素子１８２、１８４上並びに第１の環状リング１４及び第２の環状リング１６に形成した開口上に形成された噛み合うネジ部を使用して、素子を固定する。ファスナー７２、７８は装着素子７５、７６に関して上述した方法でネジ部１８３、１８５とネジ噛合できる。
【００４０】
延長素子１８２、１８４はまた、過剰運行ストッパとして機能するほかに、第１の環状リング１４と第２の環状リング１６との間の熱伝導性分路としても作用することができる。所望なら、熱伝導性を向上させるために、熱的に伝導性のグリースを端部１９０、１９２間に設けることができる。
【００４１】
組立体１７６は組立体１７４と類似しており、第１の環状リング１４及び第２の環状リング１６に固定されたその第１の端部２０４、２０６を有する延長素子２００、２０２を含み、一方、その第２の端部２０８、２１０は互いに近接して位置する。この実施の形態においては、ファスナー２１２はネジボルト２１４とネジナット２１６とを有する。ファスナー２１２は延長素子２００の第２の端部２０８に形成されたボア２１８を通って僅かな間隙を伴って延びる。ナット２１６はまた延長素子２０２の第２の端部に形成されたボア２２を通って僅かな間隙を伴って延びる。ナット２１６はボルト２１４により延長素子２０２に固定される。ナット２１６は延長素子２０２のボア２２０よりも大きな寸法の延長フランジからなる部分２２２を含む。ここでは円錐形状のボア２２０の内壁とのナット２１６の延長フランジとの接触が、互いに離れるような延長素子２００、２２０の軸方向変位を制限する。
【００４２】
過剰運行ストッパ及び（又は）熱伝導性分路として機能するかによって、組立体１７４、１７６のいずれかを、ここに示すロードセル１０の複数のチューブ２０の如き管状の感知構造体内に、又は、ロードセルが中央のハブから環状リングへ延びる半径方向に指向したチューブを有するような米国特許第５，９６９，２６８号明細書（その内容を参照としてここに全体的に組み込む）に開示されたような管状の感知構造体を有する他のロードセル内に組み込むことができる。
【００４３】
第２の端部１９０、１９２、２０９、２１０が各対応するチューブのほぼ中間点に位置するものとして示したが、当業者なら、これが必ずしも必要ではなく、素子の端部の位置をチューブ内に形成されたボアの長さに沿ったどこの位置でも配置できることを認識できよう。図１０Ａ、１０Ｂのロードセル３００はまた、チューブ３０４を形成するボアが第１の環状リング３０４を通って延長される場合は、組立体１７４、１７６を含むことができる。
【００４４】
好ましい実施の形態を参照して本発明を説明したが、当業者なら、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、形及び詳細について変更を行うことができることを認識できよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１Ａは、本発明に係るロードセルの側立面図である。
図１Ｂは、図１Ａに示すロードセルの後立面図である。
【図２】
図２Ａは、図１Ａの２−２線における断面図の一部であり、ロードセル上のセンサの配置を示す概略線図を含む図である。
図２Ｂは、図１Ａの２−２線における断面図の一部であり、ロードセル上のセンサの配置を示す概略線図を含む図である。
【図３】
図３Ａは、直交する座標系のまわりで力及びモーメントを測定するために使用される電気回路の概略図である。
図３Ｂは、直交する座標系のまわりで力及びモーメントを測定するために使用される電気回路の概略図である。
【図４】
図４Ａは、タイヤのリムに装着されたロードセルの断面図である。
図４Ｂは、トランスジューサの前立面図である。
【図５】
タイヤのリムに装着され、スリップリング組立体を含むロードセルの断面図である。
【図６】
コントローラの一般的なブロック線図である。
【図７】
スケーリング及び幾何学変換回路のブロック線図である。
【図８】
クロス結合マトリックス回路の一部の回路線図である。
【図９】
座標変換回路のブロック線図である。
【図１０】
図１０Ａは、タイヤリムに装着されたロードセルの第２の実施の形態の断面図である。
図１０Ｂは、ロードセルの第２の実施の形態の前立面図である。
【図１１】
過剰運行停止組立体の２つの実施の形態を示す横断面図である。

Claims

複数の方向に力及びモーメントを伝達するためのロードセル本体において、
基準軸線上に中心を持つ中央開口を各々備えた第１のリング部材及び第２のリング部材と；
上記基準軸線に平行に上記第１のリング部材から上記第２のリング部材へ延びる少なくとも３つのチューブと；
を備えた一体の組立体を有することを特徴とするロードセル本体。
選択されたチューブに装着されたセンサを更に有することを特徴とする請求項１に記載のロードセル本体。
上記センサが各チューブに装着されたせん断センサ及び軸方向伸長／圧縮センサからなることを特徴とする請求項２に記載のロードセル本体。
上記第１のリング部材が上記チューブの各ボアへの開口に整合する開口を有することを特徴とする請求項１に記載のロードセル本体。
上記第２のリング部材が上記チューブの各ボアへの開口に整合する開口を有することを特徴とする請求項４に記載のロードセル本体。
上記第１のリング部材に結合された第１の環状リムと、貫通する複数のボアを備えた第２の環状リムと、上記第１の環状リムと上記第２の環状リムとの間を延びる円筒状の支持体とを備えた装着ハブを更に有することを特徴とする請求項１に記載のロードセル本体。
各チューブの外表面が矩形でないことを特徴とする請求項１に記載のロードセル本体。
各チューブの外表面が複数の対向する表面を含み、上記センサが上記対向する表面に装着されることを特徴とする請求項２に記載のロードセル本体。
上記外表面が反対方向に向いた第１の対の表面と、反対方向に向いた第２の組の表面とを有し、上記第２の組の表面は、上記第１の組及び当該第２の組の表面が各対応する長手軸線のまわりで交互に位置するように、当該第１の組の表面に対して実質上直交しており、上記センサが該第１及び第２の組の表面に装着されることを特徴とする請求項８に記載のロードセル本体。
８つのチューブが上記第１のリング部材を上記第２のリング部材に結合し、隣接するチューブの対向する表面は、上記第１の対の対向する表面が同じ方向に向きかつ上記第２の対の対向する表面が同じ方向に向くように、整合することを特徴とする請求項９に記載のロードセル本体。
上記対向する表面の各々が平坦であることを特徴とする請求項１０に記載のロードセル本体。
各チューブの上記外表面が八角形を形成することを特徴とする請求項１０に記載のロードセル本体。
上記センサが、上記第１の組の対向する表面に装着され、各チューブのための第１のせん断感知回路を含む第１の組のせん断センサと、上記第２の組の対向する表面に装着され、各チューブのための第２の軸方向伸長／圧縮感知回路を含む第２の組の軸方向伸長／圧縮センサとを有することを特徴とする請求項１０に記載のロードセル本体。
上記隣接する対のチューブの各々の上記第１のせん断感知回路が出力信号を提供するように電気的に結合されており、上記隣接する対のチューブの各々の上記第２の軸方向伸長／圧縮感知回路が出力信号を提供するように電気的に結合されることを特徴とする請求項１３に記載のロードセル本体。
上記ボアに整合する上記第１のリング部材の上記開口の少なくともいくつかが装着ネジ部を含むことを特徴とする請求項４に記載のロードセル本体。
上記ボアに整合する上記第１及び第２のリング部材の上記開口の少なくともいくつかが装着ネジ部を含むことを特徴とする請求項５に記載のロードセル本体。
上記第１及び第２のリング部材のうちの少なくとも１つに結合された内側の円筒状壁板と；
上記第１及び第２のリング部材のうちの少なくとも１つに結合された外側の円筒状壁板と；
を有し、上記複数のチューブが上記内側及び外側の円筒状壁板間に位置することを特徴とする請求項１に記載のロードセル本体。
上記内側及び外側の円筒状壁板がシールされた室を形成するように上記第１及び第２のリング部材に結合されることを特徴とする請求項１７に記載のロードセル本体。
チューブのボア内で延びる過剰運行制限組立体を更に有することを特徴とする請求項１に記載のロードセル本体。
上記過剰運行制限組立体が上記第１のリング部材に結合された第１の延長部と、上記第２のリング部材に結合された第２の延長部と、上記第２の延長部からの上記第１の延長部の変位を制限するために当該第１及び第２の延長部材を選択的に結合する結合装置とを有することを特徴とする請求項１９に記載のロードセル本体。
上記第１の延長部材及び上記第１のリング部材が噛み合うネジ部を含み、上記第２の延長部材及び上記第２のリング部材が噛み合うネジ部を含むことを特徴とする請求項２０に記載のロードセル本体。
上記第１及び第２の延長部材の各々が内側ネジ部内に中央くぼみを有することを特徴とする請求項２１に記載のロードセル本体。
上記センサが曲げセンサであることを特徴とする請求項２に記載のロードセル本体。
複数の方向へ力及びモーメントを伝達するためのロードセル本体を作る方法において、
材料の単一のブロックから、基準軸線上に中心を持つ中央の開口を備えた第１の環状リングと、基準軸線上に中心を持つ中央の開口を備えた第２の環状リングと、上記第１及び第２の環状リング間を跨ぐ複数の部材とを有する一体の組立体を製造する製造工程と；
上記第１の環状部材からそこを通して各部材内にボアを形成する工程と；
を有することを特徴とする方法。
上記製造工程が上記部材内に形成された対応するボアに整合する開口を上記第２の環状リング内に形成する工程を有することを特徴とする請求項２４に記載の方法。
各半径方向の部材の外表面が矩形でないことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
各半径方向の部材の上記外表面が平坦な表面を含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。