JP2018535437A5 - - Google Patents

Description

高荷重高分解能計装スピンドル又はロードセル

本発明は、一般に、力及びモーメントを測定するための装置及びアセンブリに関する。より具体的には、本発明は、一般に、高荷重、高分解能用の計装スピンドル又はロードセルに関する。

計装スピンドル及びロードセルは、例えばタイヤにかかる力及びモーメントなど、多くのものを測定するために使用される。ほとんどの場合、高荷重と高分解能との間にトレードオフの関係が成立し、高分解能で高荷重を測定することは困難である。

ロードセルの動作には、通常、工学的弾性を利用する。例えば、典型的な方法は、所与の荷重範囲を保持するのに十分な強度を有する一方、荷重が加えられた場合の変位又はひずみの形で測定可能な、工学的弾性範囲を有する装置を構築することである。魚用のはかりがどのように機能するか。加えられる荷重に比例する弾性（すなわち伸び）を示すバネがある。バネの伸びによるフックの変位は、ダイヤル又はインジケータによって測定される。ダイヤル又はインジケータの位置を特定の荷重に関連付けるために、較正係数が適用される。通常、荷重が大きいほど剛な測定器が必要とされるが、測定器の精度が高くなると計測器の限界により高分解能を得ることが困難になる。例えば、クジラを測定するためには、魚用はかりは非常に剛性の高いバネを必要とし、そうでなければ対応する荷重の下では測定することができない。金魚を秤量するために同じ魚用はかりを使用しようとすると、非常に剛なバネは肉眼でダイヤル又はインジケータを視認して測定するのに十分に変形しないであろう。このように、高荷重対高分解能が問題なのである。

したがって、当技術分野で依然として必要とされているのは、高価な計器を使用する必要性を回避しながら、高荷重を含む、ある範囲の荷重を高分解能で測定することができる計装スピンドル又はロードセルである。

様々な実施形態の例において、本発明は、高価な計器を使用する必要性を回避しながら、高荷重を含むある範囲の荷重を測定するためのデュアルセンサアプローチを提供する。このデュアルセンサアプローチでは、まずひずみゲージ又は他の検出デバイスが大荷重を測定するために使用され、第２のはるかに高い分解能を有する非接触（又は他の）計測システムが、前記ひずみゲージ（又は他の）ロードセルの変位を並行して測定するために使用され、非接触（又は他の）計測システムの範囲を超えたら、その時点でひずみゲージ（又は他の）ロードセルが測定を引き継ぐ。

魚用はかりのアナロジーを使用すると、これはダイヤルに高解像度の顕微鏡を置き、ダイヤルの最小の変化を観察することと等価である。十分にクジラを保持することができるほどのバネであっても、金魚の重さでなにがしか変形するものである。高分解能顕微鏡を用いれば、フックが数ｎｍ程度動くのを知ることになるかも知れず、金魚の正確な重量を示すべくこの値を較正することができる。難しいのは、高荷重を受ける場合、高分解能顕微鏡の表示領域外に移動する可能性があるということである。しかし、高解像度顕微鏡は魚用はかりのダイヤルに接触していないので、損傷を受けることがなく、いったんダイヤルを大きく動かすのに十分な荷重が作用すれば、肉眼でダイヤルを観察し始めることができる。いずれにせよ、はかりの構造的剛性は、より大きな重量を保持するのに十分である。

この技術は、大きな荷重を維持するのに十分な剛性を備えるとともに、低い荷重に対してより高い分解能を提供するために第２の（非接触）計測方法を使用するスピンドル又はロードセルを構築するために適用される。１つの特定の用途は、（グリップ、トラクション、コーナリングなどを分析するために）路面上のタイヤによって生成される力及びモーメントを測定するように設計された測定スピンドルである。これらの力は、典型的な乗用車では容易に数千ポンド（数千キログラム）に達することがある。しかしながら、タイヤの転がり抵抗もまた、車両の燃費に影響を与えるので、非常に重要である。転がり抵抗は、通常、５〜１５ポンド（２〜７キログラム）程度とはるかに小さい。本発明は、両方を同時に測定する手段を提供する。

実施形態の一例では、本発明は、加えられた荷重に従って偏向され、又は変形される単一の弾性的曲げ機構と、前記弾性的曲げ機構に結合されて、比較的高い荷重の下で、前記弾性的曲げ機構の偏向及び変形のうちの一方を測定するように動作可能な低分解能荷重センサと、前記弾性的曲げ機構に結合されて、比較的低い荷重の下で、前記弾性的曲げ機構の偏向及び変形のうちの一方を測定するように動作可能な高分解能荷重センサとを備え、前記高分解能荷重センサは、前記比較的高い荷重によって損傷を受けないように、前記弾性的曲げ機構からある距離離して配置された非接触センサである、力及びモーメントのうちの一方を測定するように動作可能なアセンブリを提供する。前記アセンブリは、前記弾性的曲げ機構、前記低分解能荷重センサ、前記高分解能荷重センサのうちの１つ以上に結合された支持構造をさらに備えている。前記低分解能荷重センサは、前記弾性的曲げ機構に物理的に接触する接触センサである。あるいは、前記低分解能荷重センサは、前記弾性的曲げ機構からある距離離して配置された非接触センサである。前記低分解能荷重センサは、前記弾性的曲げ機構の狭められたネック部分に隣接して配置することができる。前記低分解能荷重センサはひずみゲージを含んでもよい。前記高分解能荷重センサは、静電容量ゲージ、渦電流プローブ、及び光学センサのうちの１つを含むものとしてもよい。

実施形態の他の例では、本発明は、力及びモーメントのうちの一方を測定するように動作可能なアセンブリを提供するための方法であって、加えられた荷重に従って偏向され、又は変形される単一の弾性的曲げ機構を設けることと、前記弾性的曲げ機構に結合されて、比較的高い荷重の下で、前記弾性的曲げ機構の偏向及び変形のうちの一方を測定するように動作可能な低分解能荷重センサを設けることと、前記弾性的曲げ機構に結合されて、比較的低い荷重の下で、前記弾性的曲げ機構の偏向及び変形のうちの一方を測定するように動作可能な高分解能荷重センサを設けることと、を備え、前記高分解能荷重センサは、前記比較的高い荷重によって損傷を受けないように、前記弾性的曲げ機構からある距離離して配置された非接触センサである。前記方法は、前記弾性的曲げ機構、前記低分解能荷重センサ、前記高分解能荷重センサのうちの１つ以上に結合された支持構造を設けることをさらに備えている。前記低分解能荷重センサは、前記弾性的曲げ機構に物理的に接触する接触センサである。あるいは、前記低分解能荷重センサは、前記弾性的曲げ機構からある距離離して配置された非接触センサである。前記低分解能荷重センサは、前記弾性的曲げ機構の狭められたネック部分に隣接して配置することができる。前記低分解能荷重センサはひずみゲージを含んでもよい。前記高分解能荷重センサは、静電容量ゲージ、渦電流プローブ、及び光学センサのうちの１つを含むものとしてもよい。

図１は、本発明の実施形態の一例にかかる計装スピンドル又はロードセルの動作を概念的に示す概略図である。 図２は、本発明の実施形態の他の例にかかる計装スピンドル又はロードセルの動作を概念的に示す概略図である。 図３は、本発明の実施形態のさらに他の例にかかる計装スピンドル又はロードセルの動作を概念的に示す概略図である。

関連出願との相互参照
本特許出願は、２０１５年１１月３０日に出願された、「高荷重高分解能計装スピンドル又はロードセル」と称する、同時係属中の米国仮特許出願第６２／２６０９５１号の優先権を主張するものであり、その内容全体が参照により本特許出願に援用される。

本発明は、様々な図を参照して本明細書に図示され説明されており、同様の参照番号は同様の装置又はアセンブリ構成要素／方法ステップを示すために適宜使用される。

再び、様々な実施形態の例において、本発明は、高価な計器を使用する必要性を回避しながら、高荷重を含むある範囲の荷重を測定するためのデュアルセンサアプローチを提供する。このデュアルセンサアプローチでは、まずひずみゲージ又は他の検出デバイスが大荷重を測定するために使用され、第２のはるかに高い分解能を有する非接触（又は他の）計測システムが、前記ひずみゲージ（又は他の）ロードセルの変位を並行して測定するために使用され、非接触（又は他の）計測システムの範囲を超えたら、その時点でひずみゲージ（又は他の）ロードセルが測定を引き継ぐ。

ここでもまた、魚用はかりのアナロジーを使用すると、これはダイヤルに高解像度の顕微鏡を置き、ダイヤルの最小の変化を観察することと等価である。十分にクジラを保持することができるほどのバネであっても、金魚の重さでなにがしか変形するものである。高分解能顕微鏡を用いれば、フックが数ｎｍ程度動くのを知ることになるかも知れず、金魚の正確な重量を示すべくこの値を較正することができる。難しいのは、高荷重を受ける場合、高分解能顕微鏡の表示領域外に移動する可能性があるということである。しかし、高解像度顕微鏡は魚用はかりのダイヤルに接触していないので、損傷を受けることがなく、いったんダイヤルを大きく動かすのに十分な荷重が作用すれば、肉眼でダイヤルを観察し始めることができる。いずれにせよ、はかりの構造的剛性は、より大きな重量を保持するのに十分である。

ここでもまた、この技術は、大きな荷重を維持するのに十分な剛性を備えるとともに、低い荷重に対してより高い分解能を提供するために第２の（非接触）計測方法を使用するスピンドル又はロードセルを構築するために適用される。１つの特定の用途は、（グリップ、トラクション、コーナリングなどを分析するために）路面上のタイヤによって生成される力及びモーメントを測定するように設計された測定スピンドルである。これらの力は、典型的な乗用車では容易に数千ポンド（数千キログラム）に達することがある。しかしながら、タイヤの転がり抵抗もまた、車両の燃費に影響を与えるので、非常に重要である。転がり抵抗は、通常、５〜１５ポンド（２〜７キログラム）程度とはるかに小さい。本発明は、両方を同時に測定する手段を提供する。

ここで図１を参照すると、例示する一実施形態では、本発明の計装スピンドル又はロードセル１０は、荷重Ｆの作用下で伸張され、圧縮され、捻られ、たわめられ、又はその他の方法で偏向され又は変形される弾性的曲げ機構１２を含む。この弾性的曲げ機構１４は、（１以上の）任意の適切な支持構造１６に結合することができる。接触式（又は非接触式）荷重センサ１８は、弾性的曲げ機構１２に連結され、比較的高い荷重Ｆの下での全体のたわみ又は変形１９を、直接的又は間接的に測定するように構成される。非接触荷重センサ２０は、比較的低い荷重Ｆの下で微小なたわみ又は変形２１を直接的又は間接的に測定するように構成されている。あるいは、非接触荷重センサ２０は、直接的又は間接的に、接触式（又は非接触式）荷重センサ１８のたわみ又は変形を測定することができる。前記非接触荷重センサ２０は非接触であるので、比較的高い荷重Ｆによって損傷されない。この点で、非接触荷重センサ２０は、接触式（又は非接触式）荷重センサ１８の計測全体を微調整するために使用することもできる。したがって、非接触荷重センサ２０は、比較的高い荷重Ｆによる損傷を受けない限り、接触荷重センサであってもよい。

車輪スピンドルなどは、タイヤの力及びモーメントを測定するためにこの測定手法を使用することができ、センサを変更することなく（通常、低分解能で高荷重に対応するもの、高分解能ではあるが最大荷重が非常に制限されたもの、２つの別個の測定機器が必要である。）転がり抵抗を測定するのに十分な分解能も有する。この場合、弾性的曲げ機構１２は、最大荷重、例えば、２０００ポンド（約９００キログラム）の下でのひずみゲージ１８の出力を最大にするのに十分な量を偏向させるように設計されてもよい。同時に、別個の静電容量ゲージ又は同様の非接触測定装置２０を使用して、荷重作用時でのスピンドル軸の偏向を監視することができる。静電容量ゲージ２０の分解能は、０．８ｎｍ又はそれを上回る微細なものとすることができる。従って、軽荷重（転がり抵抗を示すものなど）では、前記たわみシステムはひずみゲージ１８からの有意な信号を得るほど十分にたわむことはないが、静電容量プローブ２０はその動きを容易に検出することができ、低荷重についても正確に荷重を検出することができる。荷重が増加すると、静電容量プローブ２０の範囲を超過するが、その後はひずみゲージ１８が測定するために使用される。静電容量ゲージ２０は非接触であるため、計測システムに損傷は生じない。

次に図２を参照すると、実施形態の他の例では、計装スピンドル又はロードセル１０の分解能は、１つの計測システムを他の計測システムにさらに適合させることによってさらに強化することができる。この場合、所与の荷重Ｆ（最終的に求めたい値）は、δｌｓ２３の低分解能検出領域でのたわみを生じるが、同じ力は、梁１２の全長においてより大きなたわみδｌｈｒ２５をもたらす。より小さいたわみδｌｓ２３は、ひずみゲージ１８を損傷から保護する（ひずみゲージは、約１〜２ミリストレインによって制限され、それが取り付けられる「ネック」領域２２の幾何学的設計を決定する）。明確にするために、ひずみは、検出された長さの変化δｌｓを、検出された長さｌｓで除した値である。

［数１］ε = δls / ls （１）
ひずみゲージ１８が１０ｍｍの長さを有する場合、１ミリストレインは０．０１ｍｍの長さの変化に等しい。したがって、ネック部２２の断面は、０．０１〜０．０２ｍｍ（最大２ミリストレイン）のたわみを越えないように、荷重Ｆで破損しない程度の厚みに設計される。

高分解能センサ２０は非接触であり、過度のたわみによって損傷するおそれがないので、より大きなたわみδｌｈｒ２５を利用する。そのようなセンサの一例は、静電容量ゲージ、渦電流プローブ、又は光学ベースのセンサであってもよい。一例として、高分解能センサ２０は、０．８ｎｍの分解能及び０．０１０インチ（約０．２５ミリメートル）のオフセットを有する静電容量ゲージであると仮定する。その場合、バーは、全体としてδｌｈｒ２５＝０．００５インチ（約０．１３ミリメートル）たわむことがあり、なおその非常に優れた分解能を有する静電容量ゲージの範囲内にある。δｌｈｒ２５が０．００５インチ（約０．１３ミリメートル）を超えた後は、容量プローブはプローブに損傷を受けることなく最大電圧又は最小電圧を読み込む。

図３に示されているように、たわみ部１２は、移動ピース２４を固定ピース２６に対して支持することができ、例えば、３０００ポンド（約１３６０キログラム）が横方向に加えられたとき、０．００６インチ（約０．１５ミリメートル）横方向に移動する。この相対移動を確認するために、ひずみゲージ１８とキャップゲージ２０の両方が設けられている。

本発明は、好ましい実施形態及びその特定の実施例を参照して本明細書中に例示及び記載される。当業者には、他の実施形態及び実施例が同様の機能を実行し得、及び／又は同様の結果を達成し得ることは容易に明らかになるであろう。そのような均等な実施形態及び実施例はすべて、本発明の精神及び範囲内であり、添付の特許請求の範囲によって網羅されることが意図され、本明細書で検討される。

Claims (16)

1. 加えられた荷重に従って偏向され、又は変形される単一の弾性的曲げ機構と、
   前記弾性的曲げ機構に結合されて、比較的高い荷重の下で、前記弾性的曲げ機構の偏向及び変形のうちの一方を測定するように動作可能な低分解能荷重センサと、
   前記弾性的曲げ機構に結合されて、比較的低い荷重の下で、前記弾性的曲げ機構の偏向及び変形のうちの一方を測定するように動作可能な高分解能荷重センサと、を備え、
   前記高分解能荷重センサは、前記比較的高い荷重によって損傷を受けないように、前記弾性的曲げ機構からある距離離して配置された非接触センサである、力及びモーメントのうちの一方を測定するように動作可能なアセンブリ。
2. 前記弾性的曲げ機構、前記低分解能荷重センサ、前記高分解能荷重センサのうちの１つ以上に結合された支持構造をさらに備えている、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記低分解能荷重センサが、前記弾性的曲げ機構に物理的に接触する接触センサである、請求項１に記載のアセンブリ。
4. 前記低分解能荷重センサが、前記弾性的曲げ機構からある距離離して配置された非接触センサである、請求項１に記載のアセンブリ。
5. 前記低分解能荷重センサが、前記弾性的曲げ機構の狭められたネック部分に隣接して配置される、請求項１に記載のアセンブリ。
6. 前記低分解能荷重センサがひずみゲージを含む、請求項１に記載のアセンブリ。
7. 前記高分解能荷重センサが、静電容量ゲージ、渦電流プローブ、及び光学センサのうちの１つを含む、請求項１に記載のアセンブリ。
8. 前記低分解能荷重センサは、グリップ、トラクション、及びコーナリングの少なくとも一つにより路面とタイヤとの間に作用する力及びモーメントを測定するように構成され、前記高分解能荷重センサは、路面とタイヤとの間に作用する転がり抵抗を含む小さな力を測定するように構成されている、請求項１に記載のアセンブリ。
9. 力及びモーメントのうちの一方を測定するように動作可能なアセンブリを提供するための方法であって、加えられた荷重に従って偏向され、又は変形される単一の弾性的曲げ機構を設けることと、前記弾性的曲げ機構に結合されて、比較的高い荷重の下で、前記弾性的曲げ機構の偏向及び変形のうちの一方を測定するように動作可能な低分解能荷重センサを設けることと、前記弾性的曲げ機構に結合されて、比較的低い荷重の下で、前記弾性的曲げ機構の偏向及び変形のうちの一方を測定するように動作可能な高分解能荷重センサを設けることと、を備え、
   前記高分解能荷重センサは、前記比較的高い荷重によって損傷を受けないように、前記弾性的曲げ機構からある距離離して配置された非接触センサである、方法。
10. 前記弾性的曲げ機構、前記低分解能荷重センサ、前記高分解能荷重センサのうちの１つ以上に結合された支持構造を設けることをさらに備えている、請求項９に記載の方法。
11. 前記低分解能荷重センサが、前記弾性的曲げ機構に物理的に接触する接触センサである、請求項９に記載の方法。
12. 前記低分解能荷重センサが、前記弾性的曲げ機構からある距離離して配置された非接触センサである、請求項９に記載の方法。
13. 前記低分解能荷重センサが、前記弾性的曲げ機構の狭められたネック部分に隣接して配置される、請求項９に記載の方法。
14. 前記低分解能荷重センサがひずみゲージを含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記高分解能荷重センサが、静電容量ゲージ、渦電流プローブ、及び光学センサのうちの１つを含む、請求項９に記載の方法。
16. 前記低分解能荷重センサは路面とタイヤとの間に作用するグリップ、トラクション、及びコーナリングの少なくとも一つにより路面とタイヤとの間に作用する力及びモーメントを測定するように構成され、前記高分解能荷重センサは、路面とタイヤとの間に作用する転がり抵抗を含む小さな力を測定するように構成されている、請求項９に記載の方法。