JP2012122837A - 回動操作具の荷重変位特性測定装置および荷重変位特性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レバーなどの回動操作具の荷重変位特性を簡易かつ精度よく測定する。
【解決手段】回動して操作する回動操作具の荷重変位特性を測定する荷重変位特性測定装置であって、荷重を測定するロードセル１２２と、ロードセル１２２を移動させながらストローク量を測定するクロスヘッド１２４と、レバー１３２に固定されるクランプ１２８と、クランプ１２８とロードセル１２２の作動軸１２２ａとを連結するリンク機構１２６とを備え、リンク機構１２６は２節以上であって、レバー１３２が回動する面と平行な面内で各関節が回動自在であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レバーなどの回動操作具の荷重変位特性測定装置および荷重変位特性測定方法に関する。

従来から、快適な操作性を保証するために、ユーザーが操作する装置（以下、「操作具」という。）の荷重変位特性（操作力特性ともいう）を定量的に測定することが行われている。スイッチのように直線的に操作する操作具であれば比較的単純な構成で測定することができるが、回動する操作具（以下、「回動操作具」という。）は測定が難しい。荷重を測定するためには、古くはバネばかり、近年では圧電素子が使用されるが、いずれも直線的な荷重を測定するものだからである。

回動操作具の例としては、自動車においてはＡＴセレクトレバー（ＡＴはオートマチックトランスミッションの略）、パーキングブレーキレバー、ペダルなどが挙げられる。また自動車以外にもレバーやスライダ、ロータリースイッチなど回動する操作具は様々な技術分野で多く用いられている。

特許文献１（車両用変速機のチェンジレバー操作力検出装置）には、チェンジレバーのシフトノブに４本の柱（起歪部）と３２個のひずみゲージを内包させ、レバー操作する際の荷重を測定する操作力検出装置が提案されている。特許文献１に提案された操作力検出装置を用いた場合、測定者が手動にてレバー操作を行い、同時にレバーの回転角（移動量）をポテンショメータで測定することにより、シフトノブ部の荷重変位特性を測定することができる。

しかしながらこの構成では、人の手により操作するためレバーを一定の速度で回動させることが難しく、測定データには手操作の影響による測定ノイズが乗りやすい。また、手操作のため同じ動作を繰り返すことが難しく、複数回測定するにあたって繰り返し誤差が大きくなるという問題がある。またストロークについても、ポテンショメータをシフトノブ以外の箇所に接続する必要があるため、実際のシフトノブ部のストロークと測定値との間に差が生じてしまうという問題がある。

特許文献２（シフトレバー位置制御装置）には、アクチュエータによってシフトレバーを操作する構成が開示されている。このように、手操作の代わりにアクチュエータを用いてレバー操作を行えば、一定の速度でレバーを回動させることが可能である。しかしながら、特許文献２では操作力は測定するものではなく、アクチュエータに指令値として与えるパラメータである。すなわち実際にレバーに与えられている荷重を測定しているわけではないので、頻繁な較正が必要になり、測定作業が繁雑になるという問題がある。また回動するレバーにアクチュエータによって直線的な力を加えているため、トルクを求めるためにはレバーの姿勢をも考慮する必要があり、特許文献２に開示されている構成では不足している。

直線的に力を加えるアクチュエータの代わりに、ロボットアームを用いてレバー操作を行うことも考えられる。すなわちレバーの先端にシフトノブの代わりに特許文献１に開示された操作力検出装置を取り付け、この操作力検出装置をロボットアームによって操作する構成である。このようにすれば、手操作による測定ノイズがなく、繰り返し誤差も少なく操作力の測定を行うことが可能である。しかし、ロボットアームはどうしても装置が大型化し、また高価となってしまう。さらには、回転運動するシフトレバーに合わせて荷重入力方向のティーチングを行う必要があり、簡易に測定できるとはいいがたい。

特許３３５７８９６号公報 特許２６０３００９号公報

今後さらに快適な操作性を確保する安定した品質を実現するために、回動操作具の荷重変位特性を簡易かつ精度よく測定することが要求されている。

また、上記特許文献１、特許文献２、およびロボットアームを用いた例のいずれも、シフトレバーに限定される測定方法となる。しかし上記のように回動操作具には様々な種類のものがあるため、汎用性を持たせて、他の回動操作具の荷重変位特性も測定可能とすることが望まれる。

上記課題を鑑みて、本発明の代表的な構成は、回動して操作する回動操作具の荷重変位特性を測定する荷重変位特性測定装置であって、荷重を測定するロードセルと、ロードセルを移動させながらそのストローク量を測定するクロスヘッドと、回動操作具に固定されるクランプと、クランプとロードセルの作動軸とを連結するリンク機構とを備え、リンク機構は２節以上であって、回動操作具が回動する面と平行な面内で各関節が回動自在であることを特徴とする。

上記構成によれば、リンク機構によって回動操作具の回動運動を直線運動に変換することができ、ロードセルによって回動操作具を回動させながらその荷重を測定することができる。これにより、自動車のＡＴセレクトレバーのような回動する回動操作具の荷重変位特性を、手操作による測定ノイズが乗ることなく、簡易かつ精度よく測定することができる。

上記荷重変位特性測定装置は、リンク機構が２節であることが好ましい。３以上の関節を有すると、引くことはできても押すことができなくなる。リンク機構が２節であることにより、クロスヘッドを回動操作具に近づければこれを押すことができる。これにより、押す場合と引く場合の両方向の特性を測定することができる。

本発明の他の代表的な構成は、回動して操作する回動操作具の荷重変位特性を測定する回動操作具の荷重変位特性測定方法であって、回動操作具に固定したクランプとロードセルの作動軸とを２節のリンク機構によって接続し、回動操作具の回動中心の位置およびリンク機構の各関節の回動中心の位置を測定し、各回動中心間の距離を算出し、ロードセルを支持するクロスヘッドを移動させて回動操作具を回動させながら荷重を測定し、各回動中心間の距離から荷重とストローク量の関係を回動角とトルクの関係に変換することを特徴とする。

上記構成によれば、リンク機構によって回動操作具の回動運動を直線運動に変換することができるため、ロードセルによって回動させながらその荷重を測定することができる。また、リンク機構が２節であることにより、押す場合と引く場合の両方向の特性を測定することができる。そして、荷重とストローク量の関係を回動角とトルクの関係（θ−Ｔ特性）に変換することにより、作用点であるノブやペダルの位置の荷重を容易に算出することができる。これにより、自動車のＡＴセレクトレバーのような回動する回動操作具の荷重変位特性を、手操作による測定ノイズが乗ることなく、かつ簡易に測定することができる。

上記方法においては、回動操作具を水平方向に支持した位置で上下方向に回動するように支持して第１回目の荷重を測定し、回動操作具の上下を反転させた状態で支持して第２回目の荷重を測定し、第１回目の測定値と第２回目の測定値とから重力の影響を除去することが好ましい。

仮に回動操作具を垂直に立てた状態で測定を行うと、回動操作具が傾いたときの重力の影響を除去することができない。しかし上記構成によれば、重量による影響を除去して、回動操作具の純粋な操作力のみを抽出することができる。

本発明によれば、自動車のＡＴセレクトレバーのような回動する回動操作具の荷重変位特性を、手操作による測定ノイズが乗ることなく、簡易かつ精度よく測定することができる。

本実施形態に係る回動操作具の荷重変位特性測定装置の構成を示す図である。 本実施形態に係る荷重変位特性測定方法を説明するフローチャートである。 ストロークと荷重の関係を示す荷重・ストローク線図である。 操作トルク算出式を説明する図である。 θ−Ｔ特性を説明する図である。 比較例を示す図である。 ペダルに本発明を適用した例である。

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。

図１は本実施形態に係る回動操作具の荷重変位特性測定装置（以下、単に「測定装置１００」という。）の構成を示す図であって、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は正面図である。

図１に示す測定装置１００は、土台となる定盤１０２の上に、回動操作具の例としてのＡＴセレクトレバーを固定するための固定板１０４と、引張圧縮試験機１２０を備えている。

引張圧縮試験機１２０自体は市販の汎用装置である。引張圧縮試験機１２０は、荷重を測定するロードセル１２２と、ロードセル１２２を移動させながらストローク量を測定するクロスヘッド１２４から構成される。引張圧縮試験機１２０は、定盤１０２から上方に延びる左右一対のネジ棒１０６によって支持されている。なお、図１（ｂ）では引張圧縮試験機１２０の手前側のネジ棒１０６を省略している。クロスヘッド１２４は内部にネジ棒１０６と噛合する駆動部（不図示）を有し、ロードセル１２２を上下に移動させると共にそのストローク量を測定する。ロードセル１２２の作動軸１２２ａ（すなわち荷重測定方向）は上下方向に設定され、クロスヘッド１２４によるロードセル１２２の移動方向も上下方向に設定される。

固定板１０４には、測定対象であるＡＴセレクトレバー１３０を、レバー１３２がほぼ鉛直面内を回動する姿勢で固定する。模範的には、回動範囲のほぼ中央がほぼ水平方向に向く姿勢とすることが好ましい。ただし、回動範囲が鉛直を超えなければよい。

さらに作動軸１２２ａには、２節のリンク機構１２６を介してクランプ１２８が連結される。クランプ１２８は、ＡＴセレクトレバー１３０のレバー１３２に固定される。リンク機構１２６はロッド１２６ａの両端に関節１２６ｂ、１２６ｃを有している。各関節１２６ｂ、１２６ｃは、レバー１３２が回動する面（ほぼ鉛直面）と平行な面（ほぼ鉛直面）内で回動自在である。レバー１３２の回動する面とリンク機構１２６が回動する面は、一致していてもよいし、平行になっていてずれていてもよい。

また測定装置１００には、位置測定器１４０が備えられている。位置測定器１４０は、レバー１３２の回動軸１３４と、関節１２６ｂ、１２６ｃの回動中心（それぞれＣ点、Ｐ点、Ｓ点：図４参照）の初期位置を測定するために使用される。位置測定器１４０は定盤１０２上に設けられたレール１４２によって左右方向に移動可能なシャフト１４４の上で、上下方向に移動可能となっている。そしてセンターピン１４０ａの位置を回動軸１３４、関節１２６ｂ、１２６ｃの回動中心にあわせることにより、これらの位置を測定することができる。なお位置を測定するための構成としては、レール１４２およびシャフト１４４にゲージ（目盛り）を切っておいてこれを読み取ることでもよいが、デジタルノギスのようにロータリーエンコーダを持たせてもよい。

上記構成によれば、リンク機構１２６によってＡＴセレクトレバー１３０の回動運動を直線運動に変換することができ、ロードセル１２２によってレバー１３２を回動させながらその荷重を測定することができる。これにより、自動車のＡＴセレクトレバーのような回動操作具の荷重変位特性を、手操作による測定ノイズが乗ることなく、簡易かつ精度よく測定することができる。また、リンク機構１２６が剛体であることから伸びが生じることがなく、高い精度でレバー１３２を回動させることができる。

次に、上記構成の測定装置１００を用いた荷重変位特性測定方法について説明する。図２は本実施形態に係る荷重変位特性測定方法を説明するフローチャートである。

まず、ロードセル１２２の作動軸１２２ａにリンク機構１２６を取り付ける（ステップＳ２００）。固定板１０４により定盤１０２にＡＴセレクトレバー１３０を固定する（ステップＳ２０２）。

次に引張圧縮試験機１２０で荷重のゼロリセットを行い、リンク機構１２６の重量（ロッド１２６ａ、関節１２６ｂ、１２６ｃ、クランプ１２８）の重量を除去する（ステップＳ２０４）。そして、クランプ１２８を用いてレバー１３２とロッド１２６ａを接続する（ステップＳ２０６）。この状態で、位置測定器１４０によりＣ点、Ｐ点、Ｓ点（回動軸１３４、関節１２６ｂ、１２６ｃの回動中心）の初期位置を測定する（ステップＳ２０８）。

そして、クロスヘッド１２４によってロードセル１２２を移動させ、レバー１３２を回動させながら、ロードセル１２２の作動軸１２２ａにかかる荷重を測定する（ステップＳ２１０）。例えば、ロードセル１２２を上に移動させると、リンク機構１２６がレバー１３２を引き上げる。すると、このとき、レバー１３２とロッド１２６ａの角度が相対的に変化することから、Ｃ点とＳ点の距離が変化することができ、ロードセル１２２の直線運動によってレバー１３２を円滑に回動させることができる。

また、リンク機構１２６が２節であることから、クロスヘッド１２４をレバー１３２に近づければこれを押すことができる。これにより、押す場合と引く場合の両方向の特性を測定することができる。なお、リンク機構１２６を３節以上としてもよいが、その場合は引く方向のみの荷重測定となる。

図３は上記のようにして測定した、ストロークと荷重の関係を示す荷重・ストローク線図である。図３で上側の線はレバー１３２を上げるときの荷重、下側の線は下げるときの荷重である。このストロークと荷重の関係を、回動角とトルクの関係（θ−Ｔ特性）に変換する（図５参照）（ステップＳ２１２）。

図４は操作トルク算出式を説明する図である。図に示すように、各回動中心間の距離について、Ｃ点とＰ点の距離をｒ、Ｐ点とＳ点の距離をｌ、Ｃ点とＳ点の距離をａとする。またＣ点とＳ点を結ぶ線とロッド１２６ａのなす角度をα、ロッド１２６ａと作動軸１２２ａの軸方向がなす角度をβ、レバー１３２とロッド１２６ａがなす角度をγとする。Ｃ点の初期位置の座標を（ｘｃ，ｙｃ）、Ｐ点の初期位置の座標を（ｘｐ，ｙｐ）、Ｓ点の初期位置の座標を（ｘｓ，ｙｓ）とすると、各座標から距離ａ、ｒ、ｌを求めることができる。すると図４に示す操作トルク算出式を用いることにより、荷重Ｆとストローク量（移動後のｙｓとｙｓの初期値の差）から回動角θとトルクＴをそれぞれ求めることができ、これらの関係（θ−Ｔ特性）を求めることができる。

次に、測定が１回目か２回目かの判断を行い（ステップＳ２１４）、１回目であれば重力の影響を排除するためにＡＴセレクトレバー１３０の上下を反転して測定を行う。

測定がまだ１回目であった場合は（ステップＳ２１４のＹＥＳ）、レバー１３２からクランプ１２８を取り外して、レバー１３２とロッド１２６ａとの接続を解除する（ステップＳ２１６）。そしてＡＴセレクトレバー１３０を固定板１０４から取り外して、上下を反転して再度固定する（ステップＳ２１８）。すなわち、重力方向に対し、レバー１３２の回動方向（測定方向）を反転する。

そして先ほどと同様に、荷重のゼロリセット（ステップＳ２０４）からθ−Ｔ特性への変換（ステップＳ２１２）までを行う。２回目の測定が完了したら（ステップＳ２１４のＮＯ）、測定は終了となる。

図５はθ−Ｔ特性を説明する図であって、図５（ａ）は重力の影響を排除する前、図５（ｂ）は重力の影響を排除した後を示している。なお図５（ａ）の横軸のレバー角度θ（ｄｅｇ）は、天地基準ではなく、ＡＴセレクトレバー１３０上の角度を示している。また横軸上にあるＰはパーキング、Ｒはバック、Ｎはニュートラル、Ｄはドライブ、２は２速固定、Ｌはロー（１速固定）のポジションをそれぞれ示している。そして図５（ａ）では、上下反転前の特性を実線で、反転後の特性を破線で示している。これら反転前後のトルクから、レバー１３２などに重力によって発生しているトルクを知ることができる。具体的には、これらのトルクの中間値を取ることにより、重力の影響を排除したθ−Ｔ特性を得ることができる。

上記のようにして求めたθ−Ｔ特性は、角度とトルクの関係を示しているため、クランプ１２８をレバー１３２のどの位置に固定したかに依存しない。したがって、レバー１３２の先端にシフトノブを取り付けるとすれば、トルクをレバー１３２の長さで割ることにより、シフトノブ部の荷重変位特性を求めることができる。

図６は比較例を示す図である。比較例は、シフトノブに特許文献１に示した操作力検出装置を取り付け、手操作によってＡＴセレクトレバー１３０を操作して荷重を測定し、レバーの回転角をポテンショメータで測定して、荷重とストローク量の関係（Ｆ−Ｓ特性）を取得した例である。図６と図５を比較すれば、図６では多くのノイズが検知されていることがわかる。このことから、本実施形態の装置および方法によれば、手操作による測定ノイズが排除できることにより、極めて精度よく測定できることが確認できる。

上記説明したように、本実施形態に係る荷重変位特性測定方法によれば、リンク機構１２６によってＡＴセレクトレバー１３０の回動運動を直線運動に変換することができるため、ロードセル１２２によって回動させながらその荷重を測定することができる。また、リンク機構１２６が２節であることにより、押す場合と引く場合の両方向の特性を測定することができる。そして、荷重とストローク量の関係を回動角とトルクの関係（θ−Ｔ特性）に変換することにより、作用点であるシフトノブの位置の荷重を容易に算出することができる。これにより、自動車のＡＴセレクトレバーのような回動操作具の荷重変位特性を、手操作による測定ノイズが乗ることなく、かつ簡易に測定することができる。

また、レバー１３２を水平方向に支持した位置で上下方向に回動するように支持して第１回目の荷重を測定し、ＡＴセレクトレバー１３０の上下を反転させた状態で支持して第２回目の荷重を測定することにより、第１回目の測定値と第２回目の測定値とから重力の影響を除去することができる。これにより、回動操作具の純粋な操作力のみを抽出することができる。

なお、上記実施形態においては回動操作具の例として自動車のシフトレバーを用いて説明したが、本発明は回動する操作具であれば適用し、その利益を得ることができる。例えば、パーキングブレーキレバー（サイドブレーキ）、ペダル、自動車以外のレバーやスライダ、ロータリースイッチなどである。

図７は、ペダルに本発明を適用した例である。図７では、固定板１０４にペダル装置１５０を固定し、ペダルアーム１５２にクランプ１２８を取り付けて、上記と同様にして測定を行う。そしてθ−Ｔ特性を求めることにより、クランプ１２８の位置に関わらず、ペダル踏面１５４の位置における荷重変位特性を、簡易かつ精度よく求めることができる。

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。

本発明は、レバーなどの回動操作具の荷重変位特性測定装置および荷重変位特性測定方法として利用することができる。

１００…測定装置、１０２…定盤、１０４…固定板、１０６…ネジ棒、１２０…引張圧縮試験機、１２２…ロードセル、１２２ａ…作動軸、１２４…クロスヘッド、１２６…リンク機構、１２６ａ…ロッド、１２６ｂ…関節、１２６ｃ…関節、１２８…クランプ、１３０…ＡＴセレクトレバー、１３２…レバー、１３４…回動軸、１４０…位置測定器、１４０ａ…センターピン、１４２…レール、１４４…シャフト、１５０…ペダル装置、１５２…ペダルアーム、１５４…ペダル踏面

Claims (4)

1. 回動して操作する回動操作具の荷重変位特性を測定する荷重変位特性測定装置であって、
   荷重を測定するロードセルと、
   ロードセルを移動させながらそのストローク量を測定するクロスヘッドと、
   前記回動操作具に固定されるクランプと、
   前記クランプと前記ロードセルの作動軸とを連結するリンク機構とを備え、
   前記リンク機構は２節以上であって、前記回動操作具が回動する面と平行な面内で各関節が回動自在であることを特徴とする回動操作具の荷重変位特性測定装置。
2. 前記リンク機構が２節であることを特徴とする請求項１に記載の回動操作具の荷重変位特性測定装置。
3. 回動して操作する回動操作具の荷重変位特性を測定する荷重変位特性測定方法であって、
   回動操作具に固定したクランプとロードセルの作動軸とを２節のリンク機構によって接続し、
   前記回動操作具の回動中心の位置および前記リンク機構の各関節の回動中心の位置を測定し、
   前記各回動中心間の距離を算出し、
   ロードセルを支持するクロスヘッドを移動させて前記回動操作具を回動させながら荷重を測定し、
   前記各回動中心間の距離から荷重とストローク量の関係を回動角とトルクの関係に変換することを特徴とする回動操作具の荷重変位特性測定方法。
4. 前記回動操作具を水平方向に支持した位置で上下方向に回動するように支持して第１回目の荷重を測定し、
   前記回動操作具の上下を反転させた状態で支持して第２回目の荷重を測定し、
   第１回目の測定値と第２回目の測定値とから重力の影響を除去することを特徴とする請求項３に記載の回動操作具の荷重変位特性測定方法。