JP2011085514A - 棒状体の荷重測定センサ及び荷重測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】棒状体への適用に優れた棒状体の荷重測定センサ及び荷重測定システムを提供する。
【解決手段】荷重により変形する棒状体２に対して長手方向の２箇所における周方向の複数箇所において密着固定される部分（荷重伝達部３）と密着されない部分（外殻部６）とを有する応力変換部材４と、応力変換部材４の長手方向の少なくとも２箇所における周方向の複数箇所にそれぞれ取り付けられた複数の歪みゲージ５とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、棒状体への適用に優れた棒状体の荷重測定センサ及び荷重測定システムに関する。

自動車の運動制御には、運動に伴って路面から受ける荷重の把握が必要である。路面からの荷重は、タイヤ、ハブ、ショックアブソーバ等からなるサスペンションを介して車体に伝えられる。荷重の伝達系路にある各部材に荷重が入力されると部材に応力や運動が生じ、応力により部材の変形が生じる。この変形は、歪みゲージや変位センサ等で測定することができ、運動は加速度センサ等で測定することができる。これらの測定を行う技術が以下の先行技術文献に開示されている。

非特許文献１においては、自動車のショックアブソーバに路面から加わる前後方向と左右方向の荷重が、ショックアブソーバを構成するサスペンションに貼り付けられた歪みゲージにより測定される。

特許文献１においては、ショックアブソーバに荷重測定センサが設置される。荷重測定センサにおいて、ショックアブソーバの荷重入力部（タイヤ側）と固定部（車体側）の間に挿入された測定用アダプタにより歪みが測定される。

特許文献２においては、自動車のハブユニット（転がり軸受け）の車体側（非回転側）部材に歪みゲージあるいは変位センサが設置され、ハブユニットの回転側から非回転側に入力される荷重による回転側と非回転側の変位やハブ構成部材の変形が検出される。

特許文献３においては、ハブユニットの内輪（非回転側）中心部に圧電素子等の荷重センサが取り付けられる。ハブユニットの回転側から非回転側に入力される荷重による回転側と非回転側の変位やハブ構成部材の変形が検出される。センサが設置される位置はハブの中心軸方向の１箇所である。中心軸に対して直交する２方向の荷重が検出される。

特許文献４においては、平面に入力される荷重が検出される。平面状の被計測部に加えられる圧力（荷重）及び平面に平行な摩擦応力は、平面の片側に十字型部材で連結された４本の梁が取り付けられ、梁と十字架部材の変形が複数の歪みセンサで検出されることにより求められる。平面に直行する方向の圧力は４本の梁の撓みで検出されるが、梁の平面と反対側は固定されていないため、圧力（平面に直行する方向の応力）の検出感度は低い。

米国特許出願公開第２００２／００９５９７９号明細書 特開２００７−２７１００５号公報 特開２００７−２７０９４１号公報 特開２００９−３６６７２号公報 特許第４２４２３４５号公報 特開平５−１１８９４３号公報

S.H.Choi, et al,Direct Measurement of the Dynamic Side Forces on the Automotive Suspension Strut, Special Publications. Society of Automotive Engineers, SP-2128,2007

歪みセンサ等が直接サスペンションに取り付けられる非特許文献１の技術にあっては、歪みセンサの組み付けが煩雑であり、歪みセンサの位置精度管理が困難であり、歪みセンサ取り付け後の校正が必要であり、歪みセンサが剥がれるおそれがある。また、貼り付け後に防湿処理が必要である。また、歪みセンサの交換が困難である。

ショックアブソーバが車体に取り付けられる部分に荷重変換機が設置される特許文献１の技術にあっては、測定用アダプタの強度及び信頼性が必要である。また、荷重変換機の組み付け作業が繁雑である。また、荷重変換機の交換が困難である。荷重入力部と固定部の間に挿入された測定用アダプタにより歪みが測定される場合、測定用アダプタの取り付け部に制約が生じる。

ハブの変位や変形が測定される特許文献２、３の技術にあっては、ハブユニットが自動車制動時に高温となるので、歪みゲージあるいは変位センサに対して１５０℃程度までの環境温度が考慮される必要がある。

平面状の被計測部に加えられる圧力及び摩擦応力が測定される特許文献４の技術にあっては、平面と直交する方向の感度が小さい。

そこで、本発明の目的は、棒状体への適用に優れた棒状体の荷重測定センサ及び荷重測定システムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の棒状体の荷重測定センサは、荷重により変形する棒状体に対して長手方向の２箇所において密着固定される部分と密着されない部分とを有する応力変換部材と、前記応力変換部材の長手方向の少なくとも２箇所における周方向の複数箇所にそれぞれ取り付けられた複数の歪みゲージとを備えたものである。

前記応力変換部材は、前記棒状体の周囲を周方向に複数分割して囲む複数の分割囲みブロックと、前記複数の分割囲みブロックを前記棒状体に固定する固定具とを有してもよい。

前記分割囲みブロックは、前記分割囲みブロックの周方向両端部それぞれに、前記棒状体の径方向外方に突き出し、かつ長手方向に伸びる突起を有し、前記固定具は、互いに隣接する２つの前記分割囲みブロックの前記突起同士を連結する複数のボルトを有してもよい。

前記分割囲みブロックは、前記分割囲みブロックの長手方向両端部それぞれに被固定用フランジを有し、前記固定具は、前記分割囲みブロックの長手方向両端の長手方向外方に配置された前記棒状体と一体の固定用フランジと、前記固定用フランジに前記複数の分割囲みブロックの前記被固定用フランジを連結する複数のボルトを有してもよい。

前記分割囲みブロックは、前記分割囲みブロックの長手方向両端部それぞれに、複数の前記分割囲みブロックを周回するバンド固定溝を有し、前記固定具は、前記バンド固定溝に嵌められて複数の前記分割囲みブロックを周回して締結されるバンドを有してもよい。

前記分割囲みブロックは、前記分割囲みブロックの長手方向両端部に前記密着固定される部分を有してもよい。

前記密着固定される部分は、周方向に複数に分割して形成されてもよい。

前記密着固定される部分は、隣接する密着固定される部分との間に隙間を有してもよい。

前記応力変換部材は、前記棒状体の外周面から径方向に所定の間隙を隔てて前記２箇所の密着固定される部分間を繋ぐ外殻部を有してもよい。

前記密着固定される部分が密着固定される前記棒状体の外周の長手方向の異なる２箇所のうち１箇所は、前記棒状体の固定端であってもよい。

前記応力変換部材の剛性は、前記棒状体の剛性より小さくてもよい。

また、本発明の棒状体の荷重測定システムは、前記いずれかの棒状体の荷重測定センサと、前記複数の歪みゲージが出力する信号に基づいて前記棒状体の荷重を算出する算出部を備えたものである。

前記算出部は、周方向の同一箇所における長手方向の２箇所に配置された２つの歪みゲージにより検出される前記棒状体の伸び歪み又は圧縮歪みと前記棒状体の曲げ剛性に基づいて、前記棒状体の曲げ荷重を算出してもよい。

前記算出部は、周方向の複数箇所それぞれにおける長手方向の２箇所に配置された２つの歪みゲージにより検出される前記棒状体の伸び歪み又は圧縮歪みと前記棒状体の引張又は圧縮剛性に基づいて、前記棒状体の長手方向の荷重を算出してもよい。

前記算出部は、周方向の同一箇所における長手方向の２箇所に配置された２つの歪みゲージの検出結果から求められる前記棒状体の捻り歪みと前記棒状体の捻り剛性に基づいて、前記棒状体の捻り荷重を算出してもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）組み付け作業性がよい。

（２）耐振動性、耐温度性、耐湿度性がよい。

（３）センサの取り付け部を確保するための制約が少ない。

（４）センサの使用環境温度が低く抑えられる。

（５）重力加速度の影響を考慮しなくてよい。

（６）棒状体の軸方向の感度が高い。

（ａ）〜（ｉ）は、本発明の一実施形態を示す荷重測定センサの図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の荷重測定センサが適用される棒状体の図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１の荷重測定センサに用いられる分割囲みブロックの図である。 （ａ）〜（ｈ）は、本発明の一実施形態を示す荷重測定センサの図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図４の荷重測定センサが適用される棒状体の図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図４の荷重測定センサに用いられる分割囲みブロックの図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態を示す荷重測定センサの図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図７の荷重測定センサに用いられる分割囲みブロックの図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態を示す分割囲みブロックの図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態を示す荷重測定センサの図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１０の荷重測定センサが適用される棒状体の図である。 （ａ）〜（ｅ）は、図１０の荷重測定センサに用いられる分割囲みブロックの図である。 本発明の荷重測定センサが適用される自動車の部分図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）〜（ｉ）に示されるように、本発明に係る棒状体の荷重測定センサ１は、荷重により変形する棒状体２に対して長手方向の少なくとも２箇所において密着固定される部分（荷重伝達部３）と密着されない部分（２箇所の荷重伝達部３間部分）とを有する応力変換部材４と、応力変換部材４の長手方向の２箇所における周方向の複数箇所にそれぞれ取り付けられた複数の歪みゲージ５とを備えたものである。

応力変換部材４の剛性（曲げ剛性、引張・圧縮剛性、捻り剛性）は、棒状体２の剛性より小さいのが好ましい。

この実施形態にあっては、棒状体２は、図２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、断面が円形の円柱体又は円筒体であり、以下、被測定管２という。被測定管２は、図示上端部を固定部２ａとし、図示下端部を荷重入力部２ｂとする。固定部２ａは、荷重入力部２ｂに入力される荷重によって変位しない場所（図示せず）にボルト等により固定されるものとする。固定部２ａから荷重入力部２ｂまでの間を円筒部２ｃという。固定部２ａと荷重入力部２ｂは、円筒部２ｃより外径が大きい。

この実施形態にあっては、棒状体２に密着固定される部分である荷重伝達部３は、応力変換部材４の上下両端に周方向に連続して形成される。

また、歪みゲージ５が応力変換部材４に取り付けられる箇所は、長手方向の２箇所における周方向の４箇所となっている。つまり歪みゲージ５は、全部で８箇所に取り付けられる。長手方向の２箇所では、４箇所の歪みゲージ５が被測定管２の軸に対して等円周角度で回転対称となる位置にある。

図１（ａ）〜（ｉ）に示されるように、応力変換部材４は、被測定管２の周囲を周方向に２つに分割して囲む２つの分割囲みブロック４ａ，４ｂと、２つの分割囲みブロック４ａ，４ｂを被測定管２に固定する固定具（図示せず）とを有する。

図３（ａ）〜（ｄ）に示されるように、分割囲みブロック４ａは、円筒を半割りしたような半円筒部４ｃを有し、半円筒部４ｃの周方向両端部それぞれに、被測定管２の径方向外方に突き出し、かつ長手方向に伸びる突起４ｄを有する。分割囲みブロック４ｂは、分割囲みブロック４ａと対称形である。固定具は、互いに隣接する２つの分割囲みブロック４ａ，４ｂが被測定管２を挟んで組み合わされたときに突起４ｄ同士を連結する複数のボルト（図示せず）を有する。

分割囲みブロック４ａは、分割囲みブロック４ａの長手方向両端において、半円筒部４ｃの内側に荷重伝達部３となる縮径部４ｅが形成されている。上端の縮径部４ｅと下端の縮径部４ｅとの間は、縮径部４ｅより内径が大きい拡径部４ｆとなっている。縮径部４ｅの内径は、被測定管２の円筒部２ｃの外径と同じである。これにより、固定具によって突起４ｄ同士が強固に連結されたとき、縮径部４ｅの内面が円筒部２ｃに押し付けられ、２つの分割囲みブロック４ａ，４ｂが被測定管２を挟んで組み合わされてなる応力変換部材４は、被測定管２に対して強固に締結されて固定されることになる。このとき、上端の縮径部４ｅと下端の縮径部４ｅが被測定管２の外周面に接して機械的に強固に接続され、上端と下端の荷重伝達部３（縮径部４ｅ）間を繋ぐ外殻部６（ここでは拡径部４ｆを指す）は、被測定管２に密着されず、被測定管２の外周面から径方向に所定の間隙を隔てることになる。

被測定管２は、例えば、長さが２００ｍｍ、円筒部２ｃの外径が４０ｍｍφ（２０ｍｍＲ）、肉厚が５ｍｍ、縦弾性係数が２０７ＧＰａ、ポアソン比が０．３の鋼である。固定部２ａと荷重入力部２ｂにおいては、外径が５０ｍｍφ、肉厚が１０ｍｍである。

これに対して、応力変換部材４は、例えば、長さが１００ｍｍ、外殻部６（拡径部４ｆ）の外径が２２．５ｍｍＲ、肉厚が１ｍｍ、荷重伝達部３（縮径部４ｅ）の内径が２０ｍｍＲ、荷重伝達部３の長さが１０ｍｍ、縦弾性係数が２０７ＧＰａ、ポアソン比が０．３の鋼である。上部の荷重伝達部３の長手方向中心と下部の荷重伝達部３の長手方向中心部との距離は９０ｍｍである。

この実施形態では、応力変換部材４の上端が固定部２ａから離れて配置されているが、これには限定されない。

歪みゲージ５は、応力変換部材４の外殻部６（拡径部４ｆ）の外表面に貼り付けにより取り付けられる。歪みゲージ５は公知のものである。ここでは、歪みゲージ５のリード線（図示せず）は、公知の歪み測定器（図示せず）に接続されてもよい。

本発明の棒状体の荷重測定システム（図示せず）は、被測定管２の荷重測定センサ１と、荷重測定センサ１が有する複数の歪みゲージ５が出力する信号に基づいて被測定管２の荷重を算出する算出部（図示せず）を備える。

算出部は、周方向の同一箇所における長手方向の２箇所の２つの歪みゲージ５により検出される被測定管２の伸び歪み又は圧縮歪みと被測定管２の曲げ剛性に基づいて被測定管２の曲げ荷重を算出することができる。

また、算出部は、周方向の複数箇所それぞれにおける長手方向の２箇所に配置された２つの歪みゲージ５により検出される被測定管２の長手方向の伸び歪み又は圧縮歪みと被測定管２の引張又は圧縮剛性に基づいて被測定管２の長手方向の荷重を算出することができる。

また、算出部は、周方向の同一箇所における長手方向の２箇所に配置された２つの歪みゲージ５により検出される長手方向の２箇所における周方向の伸び歪み又は圧縮歪みから求めた、被測定管２の捻り歪みと被測定管２の捻り剛性に基づいて被測定管２の捻り荷重を算出することができる。

ここで、被測定管２の中心軸をｚ軸とし、ｚ軸と直交し、互いに直交する２つの軸をそれぞれｘ軸、ｙ軸とする。ただし、ｘ軸、ｙ軸は分割囲みブロック４ａ，４ｂの合わせ目を避けて定義する。歪みゲージ５は、歪みゲージ５の中心がｚ軸に沿って応力変換部材４の上端から３０ｍｍの箇所、及びｚ軸に沿って応力変換部材４の下端から３０ｍｍの箇所における、ｘ軸上となる２箇所、及びｙ軸上となる２箇所において、応力変換部材４の外表面に取り付けられる。ここで、各歪みゲージ５に次のような規則で符号を与える。Ｇは歪みゲージを表し、ｘ，ｙはｘ軸又はｙ軸を表し、それに続く数字１又は２はｘ軸上又はｙ軸上の位置（ｚ軸を原点とし、負側が１、正側が２とする）を表し、ｕ，ｄは、応力変換部材４の上と下を表す。よって、８個の歪みゲージ５は、Ｇｘ１ｕ、Ｇｘ１ｄ、Ｇｘ２ｕ、Ｇｘ２ｄ、Ｇｙ１ｕ、Ｇｙ１ｄ、Ｇｙ２ｕ、Ｇｙ２ｄの符号で識別される。例えば、分割囲みブロック４ａには、Ｇｘ１ｕ、Ｇｘ１ｄ、Ｇｙ１ｕ、Ｇｙ１ｄの歪みゲージ５が配置され、分割囲みブロック４ｂには、Ｇｘ２ｕ、Ｇｘ２ｄ、Ｇｙ２ｕ、Ｇｙ２ｄの歪みゲージ５が配置される。

次に、被測定管２に荷重が入力された場合における荷重測定システムの動作を説明する。

被測定管２の荷重入力部２ｂにｘ軸方向の荷重が入力されると、被測定管２にはｘ軸とｚ軸を含む面内でたわみ（曲げ歪み）が生じる。この結果、被測定管２に強固に固定された応力変換部材４の荷重伝達部３から応力変換部材４に荷重が加わる。このとき、荷重は、荷重入力部２ｂに近いたわみの外側では荷重伝達部３がｘ軸の一方向に押される荷重となり、固定部２ａに近いたわみの内側では反対方向の荷重となる。被測定管２には、ｚ−ｘ平面内の回転モーメントがかかる。応力変換部材４の上下、つまりｚ軸状の２箇所に荷重伝達部３が設けてあるため、応力変換部材４は、被測定管２と同じ向きに同じ曲率でたわむ。この状態にて、応力変換部材４の拡径部４ｆに生じる歪みが歪みゲージ５により検出されると、歪みゲージ５と同じｚ軸位置における被測定管２に生じている歪みとほぼ同じ歪みが検出される。

被測定管２の荷重入力部２ｂにｘ軸方向にのみ荷重が入力された場合、歪みゲージＧｘ１ｕとＧｘ１ｄにより、伸び歪みが検出され、歪みゲージＧｘ２ｕとＧｘ２ｄとにより圧縮歪みが検出され、歪みゲージＧｙ１ｕとＧｙ１ｄ、Ｇｙ２ｕとＧｙ２ｄでは歪みは検出されない。これらの歪みは、各歪みゲージ５と同じｚ軸位置における被測定管２に生じている歪みと同じと考えられるため、被測定管２の荷重入力部２ｂにｘ軸方向に荷重が入力されたときの被測定管２の曲げ歪みが求められる。被測定管２の曲げ歪みと被測定管２の曲げ剛性に基づいて被測定管２の曲げ荷重が算出される。

被測定管２の荷重入力部２ｂにｚ軸方向の荷重が入力されると、被測定管２はｚ軸方向に伸びるかあるいは縮む。すなわち、被測定管２に伸び歪み又は圧縮歪みが生じる。この結果、被測定管２に強固に固定された応力変換部材４の荷重伝達部３から応力変換部材４に荷重が加わり、応力変換部材４には、被測定管２と同じ伸び歪み又は圧縮歪みが生じる。この場合、全ての歪みゲージ５は、Ｇｘ１ｕとＧｘ１ｄ、Ｇｘ２ｕとＧｘ２ｄ、Ｇｙ１ｕとＧｙ１ｄ、Ｇｙ２ｕとＧｙ２ｄにおいて伸び歪み又は圧縮歪みが検出される。これにより、被測定管２の伸び歪み又は圧縮歪みが求まり、被測定管２の伸び歪み又は圧縮歪みと被測定管２の引張又は圧縮剛性に基づいて被測定管２の長手方向の荷重（ｚ軸方向の応力）が算出される。

以上説明したように、本発明に係る荷重測定センサ１によれば、被測定管２に対して荷重伝達部３を介して応力変換部材４が同軸に配置されるので、被測定管２に生じる曲げ歪みと同等の曲げ歪みが応力変換部材４に生じる。応力変換部材４に取り付けられた上下２箇所の歪みゲージ５で検出された曲げ歪みから曲げ荷重を算出することができる。また、上下２箇所×周囲４箇所に取り付けられた歪みゲージ５を用いることにより、あらゆる方向の曲げ荷重及び被測定管２の長手方向の荷重が算出される。

また、本発明に係る荷重測定センサ１によれば、応力変換部材４の肉厚を被測定管２の肉厚より薄くするなどして、応力変換部材４の曲げ剛性を被測定管２の曲げ剛性よりも小さくすることにより、荷重伝達部３が被測定管２に接する箇所において応力変換部材４に生じる応力集中を緩和させることができる。

また、本発明に係る荷重測定センサ１によれば、応力変換部材４の肉厚を被測定管２の肉厚より薄くするなどして、応力変換部材４の断面の２次モーメントを被測定管２の１／１０以下にしておくと、被測定管２に荷重が加わった際に、荷重伝達部３が被測定管２に接する箇所において応力変換部材４に生じる応力集中を実用上問題がない程度に小さく抑えることができる。

また、本発明に係る荷重測定センサ１によれば、応力変換部材４が２つの分割囲みブロック４ａ，４ｂに分割されているので、被測定管２がその応用場所にすでに設置されている場合でも、いわゆる後付が可能であり、後から荷重測定センサ１を被測定管２に取り付けることができる。その一方、応力変換部材４への歪みゲージ５の取り付けは、精密な位置決めや防湿処理が可能な設備が整った場所であらかじめ行うことができるため、取り付け位置の精度や信頼性の確保が容易となる。

応力変換部材４を分割する個数は、２個に限らず、３個以上でも良い。例えば、棒状体２の周囲のスペースが狭い場合、分割数を大きくすることで、ひとつの分割囲みブロックの大きさが小さくなり、棒状体２への取り付けが容易になる。

本実施形態では、被測定管２の上端を固定部２ａとし、下端を荷重入力部２ｂとしたが、上端下端のどちらを固定部とするかは任意である。また、被測定管２の中心軸の向きは鉛直に限らず任意である。したがって、本発明は、例えば、水平に置かれた被測定管２に生じる自重によるたわみを検出する用途にも適用することができる。

本実施形態では、応力変換部材４の上部の荷重伝達部３が被測定管２の固定部２ａから長手方向に離れて配置されたが、荷重伝達部３が固定部２ａに配置可能な場合、荷重伝達部３は固定部２ａに配置されても良い。このようにすると、応力変換部材４の上端が固定部２ａに強固に固定されるので下端の荷重伝達部３を介してより大きな荷重を受けることができ、測定精度が向上する。

棒状体２は、断面が円形の円柱体又は円筒体に限らず、断面が角形（多角形）、不定形のものでもよい。さらには、測定対象物の全体が棒状でなくとも、その一部が棒状であればその棒状部分に本発明の荷重測定センサ１を適用することができる。

応力変換部材４に取り付けられる歪みゲージ５の個数やその配置は、本実施形態に限定されない。歪みゲージ５の個数が多くなれば、荷重測定センサ１がより高性能になり、歪みゲージ５の個数が少なくなれば、荷重測定センサ１が低コストになる。配置としては、例えば、応力変換部材４の半円筒部４ｃの内面に歪みゲージ５が取り付けられると、周囲温度が歪み検出に及ぼす影響が低減される。また、歪みゲージ５が取り付けられる位置の半径（ｚ軸からの距離）が大きくなると、歪みが大きくなるので感度が良くなる。

本実施形態では、歪みゲージ５は、応力変換部材４の長手方向の歪みを検出するものとしたが、応力変換部材４の周方向の歪みを検出するようにしてもよい。これにより、被測定管２の中心軸の周りの回転モーメントを求めて捻り荷重を測定することができる。例えば、ｘ軸上のｚ軸に対して対称な２箇所にｙ軸方向の歪みを検出する歪みゲージ５を配置し、それぞれの歪みゲージ５で検出された歪みの符号と大きさとから、ｘ−ｙ平面内でのｚ軸周りの回転モーメントを算出することができる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

図４（ａ）〜（ｈ）に示される荷重測定センサ４１は、図１の荷重測定センサ１の構成に加えて、被測定管２と応力変換部材４にそれぞれｚ軸方向に対向して接する部材を有する。すなわち、図５（ａ）〜（ｃ）に示されるように、被測定管（棒状体）２には、固定具として、被測定管２と一体化された固定用フランジ２ｄが長手方向２箇所に設けられる。一方、図６（ａ）〜（ｃ）に示されるように、応力変換部材４の分割囲みブロック４ａには、分割囲みブロック４ａの長手方向両端部それぞれに被固定用フランジ４ｇが設けられる。分割囲みブロック４ｂについても同様である。

被測定管２の２箇所の固定用フランジ２ｄ間距離は、分割囲みブロック４ａ，４ｂの両端間（被固定用フランジ４ｇの厚みを含める）の距離と同じである。２箇所の固定用フランジ２ｄ間に、分割囲みブロック４ａ，４ｂからなる応力変換部材４が挟み込まれ、固定用フランジ２ｄに対しての被固定用フランジ４ｇが複数のボルト（図示せず）で連結される。これにより、応力変換部材４が被測定管２に対してｚ軸方向に強固に固定されて、応力変換部材４がｚ軸方向にずれることが抑制されるので、ｚ軸方向の荷重が精度良く測定できる。

固定用フランジ２ｄは、棒状体（被測定管）２にあらかじめ一体的に設けられる。例えば、棒状体２が自動車のサスペンションのような工業製品であれば、あらかじめ固定用フランジ２ｄが設けられたものを製造することは容易である。

固定用フランジ２ｄの代わりに、棒状体（被測定管）２に窪みを形成しておき、応力変換部材４の分割囲みブロック４ａ，４ｂには前記窪みに嵌合する部材を設けてもよい。

図７（ａ）〜（ｅ）に示される荷重測定センサ７１は、図１の荷重測定センサ１とは被測定管２に応力変換部材４を固定するための構成が異なる。すなわち、図７の荷重測定センサ７１の分割囲みブロック４ａ，４ｂは、突起４ｄを有さず、代わりに、分割囲みブロック４ａ，４ｂの長手方向両端部それぞれに、２つの分割囲みブロック４ａ，４ｂを周回するバンド固定溝４ｈを有する。図８（ａ）〜（ｃ）に示されるように、バンド固定溝４ｈは、内周側が荷重伝達部３となる縮径部４ｅの外周に形成される。被測定管２に応力変換部材４を固定する固定具としては、バンド固定溝４ｈに嵌められて分割囲みブロック４ａ，４ｂを周回して締結されるバンド（図示せず）が好ましい。

荷重測定センサ７１は、荷重測定センサ１，４１のような突起４ｄや被固定用フランジ４ｇを有さない。このため、応力変換部材４には、突起４ｄや被固定用フランジ４ｇによる剛性の偏りがなく、ｘ軸方向からｙ軸方向までの全ての曲げ方向によらず、曲げ剛性が均一になる。よって、曲げ荷重に対する測定精度が良くなる。

応力変換部材４は分割囲みブロック４ａ，４ｂが荷重伝達部３の外側からバンドで締め付けられて被測定管２に固定される。このとき、バンドがバンド固定溝４ｈに嵌められているため、バンドがｚ軸方向にずれることがない。

図９（ａ）〜（ｄ）に示される分割囲みブロック４ａ（分割囲みブロック４ｂも同様）においては、荷重伝達部３の長手方向の位置は、これまで説明したものと同様分割囲みブロックの長手方向両端部であるが、荷重伝達部３の形状がこれまで説明したものと異なる。すなわち、荷重伝達部３は、応力変換部材４の全周にわたり連続しておらず、周方向に間隔をおいて４箇所の個別荷重伝達部３ａに分割されている。個別荷重伝達部３ａは、ｘ軸上とｙ軸上に設けるのが好ましい。個別荷重伝達部３ａは、ｘ軸又はｙ軸を中心として円周角±２２．５度の範囲を占める。なお、ここに示した分割囲みブロック４ａ，４ｂは、応力変換部材４がｘ軸に沿って分割されているため、ｘ軸上の個別荷重伝達部３ａは、分割囲みブロック４ａと分割囲みブロック４ｂに半分ずつに分けて設けられている。

この構成によれば、ｘ軸を０度としたとき２２．５〜６７．５度及び１１２．５〜１５７．５度の範囲において、分割囲みブロック４ａの両端部は、被測定管２の外周面から径方向に所定の間隙を隔てていることになる。この間隙を隔てている部分は、荷重伝達部３を介して被測定管２に拘束されていない。よって、被測定管２がｘ−ｚ平面内でたわんだ場合、荷重伝達部３が応力変換部材４の全周にわたり連続しているものに比べて、応力変換部材４の歪みが大きくなるので、ｘ軸方向の荷重に対する感度が良くなる。

図１０（ａ）〜（ｅ）に示される荷重測定センサ１０１は、被測定管２の断面が角形の場合に好適なものである。応力変換部材４は、２つのコ字状断面を有する分割囲みブロック４ａ，４ｂと、２つの分割囲みブロック４ａ，４ｂを被測定管２に固定する固定具（図示せず）とを有する。

図１１（ａ）〜（ｃ）に示されるように、被測定管２は、断面が角形のものであるが、これまで説明した断面が円形のものと同様、図示上端部を固定部２ａとし、図示下端部を荷重入力部２ｂとし、その中間を角筒部２ｃとする。例えば、被測定管２の長さは２２０ｍｍ（うち角筒部２ｃの長さは２００ｍｍ）、固定部２ａ及び荷重入力部２ｂは５０ｍｍ×５０ｍｍ、角筒部２ｃは３２ｍｍ×３２ｍｍである。

図１２（ａ）〜（ｅ）に示されるように、分割囲みブロック４ａ（分割囲みブロック４ｂも同様）は、上面視でほぼコ字状に形成される。荷重伝達部３は、応力変換部材４の全周にわたり連続するように設けてもよいが、ここでは、周方向に隙間をあけて複数に分割してもよく、ここでは４個の個別荷重伝達部３ａに分割されている。個別荷重伝達部３ａは、分割囲みブロック４ａの角部を避けて配置される。バンド固定溝４ｈには図示しないバンドが嵌め込まれるが、バンドが締め付けられても個別荷重伝達部３ａの内側にある被測定管２に接しないように、個別荷重伝達部３ａの幅と厚さを決めておくと良い。例えば、個別荷重伝達部３ａの幅は３０ｍｍ、個別荷重伝達部３ａの厚さは５．５ｍｍである。これにより、個別荷重伝達部３ａと隣の個別荷重伝達部３ａの間のバンド固定溝４ｈにおいて、バンドが被測定管２に接することがない。

次に、本発明の荷重測定センサが自動車に適用される実施形態を説明する。

図１３は、車両のサスペンションとして一般に用いられているストラット式サスペンションの車輪付近を示す図であり、車両が前輪駆動式の場合における右側前輪を後ろ側から見た図である。

タイヤ３０１は、直進時やコーナーリング時の安定性を増すために一般に垂直軸Ｖに対してキャンバー角（約１度）分傾いており、ホイール（図示せず）を介してハブ３０２の回転部に接続される。ハブ３０２の回転部は、エンジンからの回転を伝えるドライブシャフト３０３に接続されている。ハブ３０２は、ナックル３０４で支持（剛結）されている。また、ナックル３０４は、その上部側でショックアブソーバ３０５の下部側に剛結され、即ち、このショックアブソーバ３０５を介して車体（図１３では、エンジンルームとの境界壁３０６で示す）と接続される。ショックアブソーバ３０５は、ダンパ３１４とばね３０７とから構成される。ショックアブソーバ３０５においては、ダンパ３１４による緩衝機能とばね３０７による弾性機能により、路面Ｈの凹凸やコーナーリング時の車体のローリングやピッチングに対する上下動が緩和されるようになっている。つまり、ショックアブソーバ３０５は、ダンパ３１４とばね３０７の特性によって、車体の揺り返し現象（周期振動）を緩和し収束させる役割をなす。ナックル３０４の下部は、ボールジョイント３０８によりロワーアーム３０９に接続される。また、このロワーアーム３０９は、ロワーアーム３０９の動きを干渉させるためのゴムブッシュ（図示せず）を介して車体側部品３１０に接続される。また、ナックル３０４には、車輪の向きを変える（転舵する）ためにタイロッド３１１が接続されており、タイロッド３１１が左右に動くと、ボールジョイント３０８を支点にしてナックル３０４が回転する。これにより、車両の車輪の向きが変わり、車両のコーナーリングが行える。

車体側の部品（エンジンルームとの境界壁３０６、車体側部品３１０等）とタイヤ３０１側との間には、ばね３０７、ショックアブソーバ３０５、ナックル３０４、ハブ３０２、ブレーキロータ３１２、ドライブシャフト３０３、タイロッド３１１等のように様々な部品がある。このうちハブ３０２は、ディスクブレーキやドラムブレーキのロータに近い位置にある。制動によりこれらの部品は数百℃に加熱され、走行継続時には、走行に伴う冷却効果で発熱や周囲への熱伝達が抑制されるが、制動直後に停止すると熱がこもるためにハブ３０２付近では１５０℃程度の温度上昇が生じる。

このように、自動車のサスペンション機構においては、車体側の部材（例えば、エンジンルームとの境界壁３０６）とダンパ下部３１３に固定されたばね３０７と、車体側の部材とナックル３０４間に取り付けられたダンパ３１４とによりショックアブソーバ３０５が構成されている。ダンパ下部３１３は棒状体２であり、ダンパ下部３１３に応力変換部材４が取り付けられる。

この構成により、タイヤ３０１からハブ３０２、ナックル３０４を介してダンパ下部３１３に入力される荷重が測定される。これにより、路面から受ける上下方向、左右方向、前後方向の各力を求めることができる。荷重測定センサ１、４１、７１を各輪のダンパ下部３１３に設置すると、各輪ごとの３方向の力を求めることができる。自動車の運動制御（横滑り防止、ロールオーバ防止、タイヤのロック防止及び空転防止、サスペンション制御等）に応用することができる。

本発明の荷重測定センサ１、４１、７１をＡＢＳセンサと複合して自動車の運動制御に使用することにより、全体として低コスト化が図れる。

加速度を測定して力に変換する荷重測定センサが従来からあるが、この場合、重力加速度の影響があるため、これを補償しなくてはならない。本発明では、歪みから荷重を測定することができるので、重力加速度の影響は考慮しなくて良い。

本発明の荷重測定センサ１、４１、７１は、ダンパ下部３１３に設置可能である。環境温度が１５０℃となるハブ３０２に設置するのに比べると、ダンパ下部３１３は８５℃以下であるため、高温による不具合をなくすることができる。

本発明の荷重測定センサ１、４１、７１は、いわゆる後付が可能であるため、自動車の組み立てが容易になると共に、性能向上や故障修理の目的で交換することが容易になる。また、棒状体２に直接歪みゲージを貼り付けにより取り付けると、歪みゲージが振動や使用環境温度・湿度の影響で剥がれることがあるが、本発明では、歪みゲージ５を応力変換部材４に取り付けるので、剥がれることがないように強固に貼り付けることができる。また、棒状体２に直接歪みゲージを取り付けると、取り付け位置が精密に管理しづらく、位置ずれによる感度低下が避けられないが、本発明では、取り付け位置精度がよく管理できるので、位置ずれによる感度の低下が防止される。

本発明は、自動車に限らず、多くの分野に適用することができる。例えば、鉄橋等の骨格建造物の骨材に本発明の荷重測定センサを適用する場合、既存の鉄橋に対して加工を加えることなく、応力変換部材４を取り付けることができる。骨材の断面が角形の場合、荷重測定センサ１０１が好適である。これにより、骨材に異常な応力が加わっていないか、所定の負荷がかかった状態で異常な変形が起きていないかなどを容易に確認することができる。また、ビル、航空機、船舶、ロボットなどにおいて、強度を確保するために使用されている骨材に本発明を適用することができる。

１、４１、７１、１０１ 荷重測定センサ
２ 棒状体（被測定管）
２ａ 固定部
２ｂ 荷重入力部
２ｃ 円筒部
２ｄ 固定用フランジ
３ 荷重伝達部（棒状体に対して密着固定される部分）
４ 応力変換部材
４ａ、４ｂ 分割囲みブロック
４ｃ 半円筒部
４ｄ 突起
４ｅ 縮径部
４ｆ 拡径部
４ｇ 被固定用フランジ
４ｈ バンド固定溝
５ 歪みゲージ
６ 外殻部（棒状体に対して密着固定されない部分）

Claims (15)

1. 荷重により変形する棒状体に対して長手方向の２箇所において密着固定される部分と密着されない部分とを有する応力変換部材と、
   前記応力変換部材の長手方向の少なくとも２箇所における周方向の複数箇所にそれぞれ取り付けられた複数の歪みゲージとを備えたことを特徴とする棒状体の荷重測定センサ。
2. 前記応力変換部材は、
   前記棒状体の周囲を周方向に複数分割して囲む複数の分割囲みブロックと、
   前記複数の分割囲みブロックを前記棒状体に固定する固定具とを有することを特徴とする請求項１記載の棒状体の荷重測定センサ。
3. 前記分割囲みブロックは、前記分割囲みブロックの周方向両端部それぞれに、前記棒状体の径方向外方に突き出し、かつ長手方向に伸びる突起を有し、
   前記固定具は、互いに隣接する２つの前記分割囲みブロックの前記突起同士を連結する複数のボルトを有することを特徴とする請求項２記載の棒状体の荷重測定センサ。
4. 前記分割囲みブロックは、前記分割囲みブロックの長手方向両端部それぞれに被固定用フランジを有し、
   前記固定具は、
   前記分割囲みブロックの長手方向両端の長手方向外方に配置された前記棒状体と一体の固定用フランジと、
   前記固定用フランジに前記複数の分割囲みブロックの前記被固定用フランジを連結する複数のボルトを有することを特徴とする請求項２記載の棒状体の荷重測定センサ。
5. 前記分割囲みブロックは、前記分割囲みブロックの長手方向両端部それぞれに、複数の前記分割囲みブロックを周回するバンド固定溝を有し、
   前記固定具は、前記バンド固定溝に嵌められて複数の前記分割囲みブロックを周回して締結されるバンドを有することを特徴とする請求項２記載の棒状体の荷重測定センサ。
6. 前記分割囲みブロックは、前記分割囲みブロックの長手方向両端部に前記密着固定される部分を有することを特徴とする請求項３〜５いずれか記載の棒状体の荷重測定センサ。
7. 前記密着固定される部分は、周方向に複数に分割して形成されることを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の棒状体の荷重測定センサ。
8. 前記密着固定される部分は、隣接する密着固定される部分との間に隙間を有することを特徴とする請求項７記載の棒状体の荷重測定センサ。
9. 前記応力変換部材は、前記棒状体の外周面から径方向に所定の間隙を隔てて前記２箇所の密着固定される部分間を繋ぐ外殻部を有することを特徴とする請求項１〜８いずれか記載の棒状体の荷重測定センサ。
10. 前記密着固定される部分が密着固定される前記棒状体の外周の長手方向の異なる２箇所のうち１箇所は、前記棒状体の固定端であることを特徴とする請求項１〜９いずれか記載の棒状体の荷重測定センサ。
11. 前記応力変換部材の剛性は、前記棒状体の剛性より小さいことを特徴とする請求項１〜１０いずれか記載の棒状体の荷重測定センサ。
12. 請求項１〜１１いずれか記載の棒状体の荷重測定センサと、
    前記複数の歪みゲージが出力する信号に基づいて前記棒状体の荷重を算出する算出部を備えたことを特徴とする棒状体の荷重測定システム。
13. 前記算出部は、周方向の同一箇所における長手方向の２箇所に配置された２つの歪みゲージにより検出される前記棒状体の伸び歪み又は圧縮歪みと前記棒状体の曲げ剛性に基づいて、前記棒状体の曲げ荷重を算出することを特徴とする請求項１２記載の棒状体の荷重測定システム。
14. 前記算出部は、周方向の複数箇所それぞれにおける長手方向の２箇所に配置された２つの歪みゲージにより検出される前記棒状体の伸び歪み又は圧縮歪みと前記棒状体の引張又は圧縮剛性に基づいて、前記棒状体の長手方向の荷重を算出することを特徴とする請求項１２又は１３記載の棒状体の荷重測定システム。
15. 前記算出部は、周方向の同一箇所における長手方向の２箇所に配置された２つの歪みゲージの検出結果から求められる前記棒状体の捻り歪みと前記棒状体の捻り剛性に基づいて、前記棒状体の捻り荷重を算出することを特徴とする請求項１２〜１４いずれか記載の棒状体の荷重測定システム。

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