JP2018017511A - 荷重検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】起歪体に備えた歪検出素子の信号を容易に取り出せる荷重検出器を構成する。
【解決手段】円柱状部材の外周の一部を取り除いた形状の切欠面１１Ｓを、軸芯Ｘに沿う方向で中央部から少なくとも一方の軸端まで形成して起歪体１１が構成されている。切欠面１１Ｓに歪検出素子２１を備え、切欠面１１Ｓを除く起歪体１１の外周面に対して内周面が当接するように起歪体１１を収容する円筒部材１２を備え、起歪体１１と円筒部材１２との間に作用する荷重を、歪検出素子２１からの信号に基づいて処理する処理部２３を備えた。
【選択図】図３

Description

本発明は、起歪体に作用する荷重を、起歪体に備えた歪検出部により電気信号として取り出す荷重検出器に関する。

荷重検出器として特許文献１には、作業機械においてアタッチメントを回動自在に支持するピンに対してロードセルを備えた技術が記載されている。

この特許文献１では、アーム先端部の貫通孔と２枚のリブとの間に、回転軸に対応してピン型のロードセルを貫通状態で支持するものであり、ロードセルはピン本体とピン穴内に取付られたせん断検出部とで構成されている。

また、特許文献２には、支軸を中心に回動可能に支持された操作ペダルに対して、連結ピンを中心に相対回動自在に反力部材としてオペレーティングロッドが支持され、操作ペダルに形成されたセンサ取付孔と、連結ピンとの間に荷重センサを備えた技術が記載されている。

この特許文献２の技術では、荷重センサからの信号をワイヤハーネスで取り出し、車両の制御回路に接続している。

特開２０１５‐１７８３８号公報 特開２００８‐１２０３４８号公報

車両のブレーキペダルのように、操作時に操作荷重等を検知するための荷重検出器を考えると、筒状部材の内部に起歪体を挿入し、筒状部材と起歪体との間に作用する荷重を検出するように起歪体に対して歪検出素子を備える構成が合理的である。

歪検出素子は起歪体の表面に備える構成が簡便で製造も容易である。また、特許文献１に記載された構成と同様に、両端が支持される起歪体の歪を適正に検出するためには、起歪体の長手方向の中央位置に歪検出素子を備えることが重要となる。しかしながら、起歪体の両端側で筒状部材の当接のための構成を用いる場合には、歪検出素子の検出信号を取り出すためのケーブル類を配置する空間を確保する必要があり改善の余地がある。

この不都合を解消するため、例えば、ケーブルを配置するための孔部を筒状部材に形成することも考えられるが、筒状部材の強度低下を招くことになる。

このような理由から、起歪体に備えた歪検出素子の検出信号を容易に取り出せる荷重検出器が求められる。

本発明の特徴は、円柱状部材の外周の一部を取り除いた形状の切欠面を、軸芯に沿う方向で中央部から少なくとも一方の軸端まで形成して起歪体が構成されると共に、
前記切欠面に歪検出素子を備え、前記切欠面を除く前記起歪体の外周面に対して内周面が当接するように前記起歪体を収容する円筒部材を備え、前記起歪体に作用する荷重を、前記歪検出素子からの信号に基づいて処理する処理部を備えている点にある。

この特徴によると、起歪体に形成された切欠面のうち、軸芯に沿う方向で中央部に歪検出素子を備えることにより、偏りのない位置での起歪体の歪みの検出が可能となる。また、切欠面を除く起歪体の外周面を、円筒部材の内周に当接するように、起歪体が円筒部材に収容するため、円筒部材に作用する荷重を起歪体に対して直接的に作用させ、この荷重に起因する起歪体の歪を検出できる。また、歪検出素子からの信号に基づいて処理部が処理を行うことにより歪の情報を適正に取得できる。

他の構成として、前記切欠面が平面状であり、前記歪検出素子の信号を前記処理部に送る配線が前記切欠面に沿って配置されても良い。

これによると、切欠面と円筒部材との間に形成される空間に配線を配置できるため、円筒部材に対して配線を通過させるための貫通孔を形成せずに済み、配線が外部に露出することもない。

他の構成として、前記配線が接続する前記処理部が、前記起歪体の一方の端部位置に配置されても良い。

これによると、処理部を起歪体の一方の端部位置に固定状態で配置することが可能となり、切欠面と円筒部材との間に形成される空間に配置した配線を、処理部に直接的に接続することも可能となる。これにより、処理部の位置を安定させ、配線を損傷する不都合も回避できる。

他の構成として、前記切欠面において、前記起歪体に作用する荷重中心を挟んで対称となる位置に前記歪検出素子が備えられても良い。

これによると、起歪体が荷重によって等しく歪む位置に複数の歪検出素子を配置できるため、複数の歪検出素子で偏りのない高精度の検出を行える。

他の構成として、前記起歪体の軸芯に沿う方向での位置関係を決める保持部材を備えても良い。

これによると、軸芯に沿う方向での起歪体の位置が決まるため、歪検出素子による荷重を適正に検出する位置に、起歪体の位置に保持し、検出精度を高く維持する。

他の構成として、前記起歪体の両端が固定フレームに支持されると共に、踏み込み操作されるフットペダルからの荷重が、前記フットペダルと前記円筒部材とを繋ぐペダルアームを介して前記円筒部材に作用しても良い。

これによると、フットペダルの踏力をペダルアームから円筒部材から起歪体に伝え、この起歪体を歪ませるため、この歪を起歪体に備えた歪検出素子によって踏力の値を判定することも可能となる。

ブレーキ操作ユニットの斜視図である。 ブレーキ操作ユニットの正面図である。 荷重検出器の構成を示す断面図である。 起歪体の形状を示す斜視図である。 筒状フレームと円筒部材と起歪体との断面図である。 固定フレームと支持プレートとの斜視図である。 適正な荷重が作用した際の起歪体の歪を説明する断面図である。 偏った荷重が作用した際の起歪体の歪を説明する断面図である。 別実施形態（ａ）の起歪体の断面図である。 別実施形態（ｂ）の起歪体の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１、図２に示すように、下端にフットペダル１を備えたペダルアーム２（アーム部の一例）を、一対の固定フレーム３に対し軸芯Ｘを中心に揺動自在に支持し、ペダルアーム２に対しクレビス４を介してプッシュロッド５を連結してブレーキ操作ユニットが構成されている。

固定フレーム３は車両の車体フレーム等に固定され、クレビス４は連結ピン４Ａを介してペダルアーム２に連結している。図面には示していないが、踏み込み操作を解除した場合に、フットペダル１を非操作姿勢に復帰させるスプリングを備えている。

この構成により、フットペダル１の踏み込み操作時には、フットペダル１の操作力をプッシュロッド５からブレーキ装置のマスターシリンダのピストンに伝達し、ピストンで加圧されたブレーキオイルを複数の車輪のブレーキ装置に供給して制動を実現する。

このブレーキ操作ユニットは、ペダルアーム２を支持する位置の軸芯Ｘと同軸芯に荷重検出器Ｓを備えており、フットペダル１の踏み込み操作時には、軸芯Ｘに直交する方向（剪断方向）に作用する操作荷重を荷重検出器Ｓが計測する。

〔荷重検出器〕
図３〜図６に示すように、荷重検出器Ｓは、軸芯Ｘと同軸芯上に配置された軸状の起歪体１１と、起歪体１１を収容する円筒部材１２と、円筒部材１２を収容する筒状フレーム１３とを備えている。起歪体１１は複数の歪検出素子２１を備えており、これらの歪検出素子２１の信号を伝達する配線２２が接続される処理装置２３（処理部の一例）を備えている。

円筒部材１２と筒状フレーム１３とは、軸芯Ｘに沿う方向で一対の固定フレーム３に挟み込まれる位置に配置されている。円筒部材１２と筒状フレーム１３とには鋼材が使用され、筒状フレーム１３には鋼材で成るペダルアーム２が溶接固定されている。円筒部材１２の外周で両端側にはブッシュ１４を備えており、このブッシュ１４に外嵌する位置に筒状フレーム１３が配置されている。ブッシュ１４は金属材が使用されるものであるが、樹脂材を用いても良い。

また、一対のブッシュ１４の外端位置が径方向外方に延出するように、外端位置にフランジ状部１４Ａを一体形成しており、このフランジ状部１４Ａを筒状フレーム１３の外端と固定フレーム３の内側壁面との間に配置している。

起歪体１１と円筒部材１２とはステンレス材や、アルミニウム材等の金属材が使用されている。起歪体１１の一方の端部にはボルト頭部状の当接部１１Ａが一体形成されている。特に、起歪体１１は、円柱状部材の外周の一部を、軸芯Ｘに沿う方向での全長に亘って取り除き切欠面１１Ｓを形成している。

この切欠面１１Ｓが形成されることにより、起歪体１１が円筒部材１２の内部に収容された状態では、図５に示すように、切欠面１１Ｓと円筒部材１２の内周面との間には間隙が形成されると共に、起歪体１１のうち、切欠面１１Ｓを除く外周領域が円筒部材１２の内周面に密着状態で当接する。

切欠面１１Ｓは平面状であり、切欠面１１Ｓのうち軸芯Ｘに沿う方向で円筒部材１２の中央と対応する位置に荷重中心Ｐが設定されている。この荷重中心Ｐを挟んで対称となる位置に一対の歪検出素子２１が貼着され、４つの歪検出素子２１を導線によりブリッジ接続することでホイートストンブリッジ型の検出回路が構成されている。

配線２２には、検出回路の一対の入力端子に所定の電圧を印加し、検出回路の一対の出力端子からの電圧信号を取り出す導通ラインを備えている。この配線２２は、切欠面１１Ｓと円筒部材１２の内周との間に形成される間隙に沿って配置されるため、この配線２２を配置するために特別の加工を不要にしている。

尚、歪検出素子２１としては、歪により電気抵抗が変化する金属箔で構成されるものを想定しているが、ピエゾ抵抗素子のように半導体を用いた素子であっても良い。また、歪検出素子２１の数は４に限るものではなく、１あるいは４以上であって良い。

処理装置２３は起歪体１１の一方の端部位置に配置されるものであり、処理装置２３は、配線２２が接続する処理基板２３Ａをケース２３Ｂに収めて構成されている。ケース２３Ｂは、支持プレート１５に取付けられている。処理基板２３Ａは、外部から供給される電力により処理行い、処理結果を外部に出力するようにマイクロプロセッサやＤＳＰ（digital signal processor）等を備えて構成されている。

起歪体１１を一対の固定フレーム３に支持する場合には、一方の固定フレーム３の外壁面に支持プレート１５をビス等で固定し、円筒部材１２と、筒状フレーム１３と、ブッシュ１４とを図３に示す位置関係で予め組み立てておく。

図６に示すように、支持プレート１５には軸芯Ｘと同軸芯の支持孔部１５Ａが形成されると共に、起歪体１１の当接部１１Ａが嵌り込むことで軸芯Ｘを中心とする起歪体１１の回転を規制する嵌合凹部１５Ｂが形成されている。図３に示すように、一対の固定フレーム３には軸芯Ｘと同軸芯の固定孔部３Ａが形成されている。

これにより、前述の如く円筒部材１２と筒状フレーム１３とを予め組立てた状態において、支持プレート１５の支持孔部１５Ａと、一方の固定フレーム３の固定孔部３Ａと、円筒部材１２の内部と、他方の固定フレーム３の固定孔部３Ａとに亘って起歪体１１を挿通し、当接部１１Ａを支持プレート１５の嵌合凹部１５Ｂに嵌合させる。

そして、起歪体１１の他方の端部のうち、他方の固定フレーム３の外壁面から外方の露出した部位に保持リング１６を外嵌し、外端位置のピン挿通孔に割ピン１７（保持部材の一例）を挿通して、起歪体１１の位置決めを行うことにより、ブレーキ操作ユニットが完成する。尚、割ピン１７に代えてＣリングやｅリング等の保持部材を用いて、起歪体１１の位置決めを行っても良い。

〔荷重の検出〕
起歪体１１の両端部が固定フレーム３に支持され、この起歪体１１に対して円筒部材１２が外嵌し、更に、筒状フレーム１３が外嵌しているため、フットペダル１を踏み込み操作した場合には、軸芯Ｘに対して剪断方向に荷重が作用する。この荷重は、プッシュロッド５からペダルアーム２に作用する反力が増大した時点で発生するものであり、プッシュロッド５の操作方向と逆向きとなる。

図５、図７に示すように、歪検出素子２１によって良好に荷重Ｆを検出する具体例として、切欠面１１Ｓの姿勢を、荷重Ｆの作用方向に直交させており、４つの歪検出素子２１を、荷重中心Ｐを挟む位置に配置している。尚、切欠面１１Ｓの姿勢は、これに限るものではなく、例えば、荷重Ｆの作用方向に沿う方向や、荷重Ｆの作用方向に傾斜する方向でも良い。

例えば、フットペダル１を、軸芯Ｘに対して直交する方向に適正に踏み込んだ場合のように、荷重Ｆが起歪体１１の軸芯Ｘに対して直交する方向に作用する状況では、図７に示すように、起歪体１１が同図において破線で示す如く湾曲するように歪む。尚、同図に矢印で示す荷重Ｆの作用方向の概念を示すものであり、現実に作用する方向と異なる。

破線で示す歪は誇張したものであるが、この歪により、図７において上側の一対の歪検出素子２１には軸芯Ｘに沿う圧縮荷重が作用し、下側の一対の歪検出素子２１には軸芯Ｘに沿う方向に引張荷重が作用する。

これとは異なり、例えば、フットペダル１を、軸芯Ｘに対して傾斜する方向に踏み込んだ場合のように、荷重Ｆが起歪体１１の軸芯Ｘの方向の一方の端部側に偏って作用する状況では、図８に示すように、起歪体１１が同図において破線で示す如くＳ字状に歪む。尚、同図に矢印で示す荷重Ｆの作用方向の概念を示すものであり、現実に作用する方向と異なる。

破線で示す歪は誇張したものであるが、この歪により、４つの歪検出素子２１には異なる方向に荷重が作用する。

上記した何れの場合でも、起歪体１１に作用する歪を確実に検出できるように、４つの歪検出素子２１を、荷重中心Ｐを挟んで対称となる位置に配置しており、これらをブリッジ接続している。これにより、偏りのない検出を可能にするだけでなく、高感度での検出を可能にしているのである。

〔実施形態の作用・効果〕
このように、起歪体１１の外周の一部を取り除く形態で平坦な切欠面１１Ｓを形成することで、起歪体１１に対する歪検出素子２１の取付け（貼着）を容易にしている。つまり、起歪体１１の円周状の曲面に歪検出素子２１を取り付ける場合には、歪検出素子２１を起歪体１１の外周に沿う形状に成形する工程を必要とするが、切欠面１１Ｓを形成することで、このような工程を不要にする。

また、歪検出素子２１と処理装置２３との間に配置される配線２２を、切欠面１１Ｓと円筒部材１２の内周との間に形成される間隙に配置できるため、配線２２を配置するための空間を特別に形成するための加工を行う必要もない。

更に、処理装置２３が起歪体１１の一方の端部側に配置された固定フレーム３に支持され、配線２２が外部に露出しない構成であるため、フットペダル１が踏み込み操作された場合にも起歪体１１と処理装置２３とが相対回転せず、配線２２に対して外力が作用することもない。また、配線２２が露出しない構成であるため、配線２２に柔軟性の高い材料を用いる必要がなく、破損の虞も低減する。

切欠面１１Ｓにおいて荷重中心Ｐを挟んで対称となる位置に合計４つの歪検出素子２１を貼着し、これらをブリッジ接続してホイートストンブリッジ型の検出回路を構成している。これにより、フットペダル１が、適正な方向から外れる斜め方向に踏み込み操作された場合でも、起歪体１１に作用する荷重を適正に検出する。これにより、ブレーキ操作の程度を正確に判定し、この操作に基づきエンジン等の制御も適正に行え、しかも、例えば、ブレーキ操作が急激に行われた場合には、これに対処する適切な制御も可能にする。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（ａ）図９に示すように、起歪体１１に対して２つの切欠面１１Ｓを形成する。２つの切欠面１１Ｓが互いに直交する姿勢で形成され、夫々の切欠面１１Ｓに対して複数に歪検出素子２１を備えている。

このように構成することにより、異なる方向に作用する荷重も高感度で検出できる。尚、２つの切欠面１１Ｓは必ずしも、互いに直交する姿勢で形成する必要はなく、荷重の作用方向に対応する姿勢で形成しても良い。

（ｂ）図１０に示すように、起歪体１１に対して３つの切欠面１１Ｓを形成する。３つの切欠面１１Ｓは、隣合うものが互いに直交する姿勢で形成され、夫々の切欠面１１Ｓに対して複数に歪検出素子２１を備えている。

このように構成することにより、異なる方向に作用する荷重も高感度で検出できる。特に、３つの切欠面１１Ｓに備えた歪検出素子２１で歪を検出するため、例えば、歪検出素子２１の１つが故障した場合でも、他の歪検出素子２１で歪を検出できる。尚、切欠面１１Ｓを４つ以上形成することも考えられる。

（ｃ）切欠面１１Ｓを起歪体１１の全長に亘る領域には形成せず、起歪体１１の長手方向の中央から一方の端部に亘る領域に形成する。この構成では、例えば、切欠面１１Ｓを加工によって形成する場合には、加工時間の短縮が可能となる。

（ｄ）処理装置２３（処理部の一例）を、切欠面１１Ｓと円筒部材１２との間の空間に配置する。このように構成することにより、起歪体１１の外端位置に処理装置２３の配置スペースを確保する必要がなく、荷重検出装置Ｓの小型化が実現する。

（ｅ）ブレーキ操作ユニット以外の、操作系に作用する荷重を検出するように構成する。このような構成でも、操作系に作用する荷重を適正に検出できる。

本発明は、起歪体に作用する荷重を、起歪体に備えた歪検出部で検出する荷重検出器に利用することができる。

１ フットペダル
２ ペダルアーム
３ 固定フレーム
１１ 起歪体
１１Ｓ 切欠面
１２ 円筒部材
１７ 割ピン（保持部材）
２１ 歪検出素子
２２ 配線
２３ 処理装置（処理部）
Ｐ 荷重中心
Ｘ 軸芯

Claims (6)

1. 円柱状部材の外周の一部を取り除いた形状の切欠面を、軸芯に沿う方向で中央部から少なくとも一方の軸端まで形成して起歪体が構成されると共に、
   前記切欠面に歪検出素子を備え、前記切欠面を除く前記起歪体の外周面に対して内周面が当接するように前記起歪体を収容する円筒部材を備え、前記起歪体に作用する荷重を、前記歪検出素子からの信号に基づいて処理する処理部を備えている荷重検出器。
2. 前記切欠面が平面状であり、前記歪検出素子の信号を前記処理部に送る配線が前記切欠面に沿って配置されている請求項１に記載の荷重検出器。
3. 前記配線が接続する前記処理部が、前記起歪体の一方の端部位置に配置されている請求項２に記載の荷重検出器。
4. 前記切欠面において、前記起歪体に作用する荷重中心を挟んで対称となる位置に前記歪検出素子が備えられている請求項１〜３のいずれか一項に記載の荷重検出器。
5. 前記起歪体の軸芯に沿う方向での位置関係を決める保持部材を備えている請求項１〜４のいずれか一項に記載の荷重検出器。
6. 前記起歪体の両端が固定フレームに支持されると共に、踏み込み操作されるフットペダルからの荷重が、前記フットペダルと前記円筒部材とを繋ぐペダルアームを介して前記円筒部材に作用する請求項１〜５のいずれか一項に記載の荷重検出器。

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