JP2019027958A - ロードセルおよび軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】スラスト方向の荷重を精度よく測定することのできるロードセルおよびこのロードセルを用いた軸受を提供する。【解決手段】ロードセル１は、起歪体２と、起歪体２に生じた歪みを検出する歪みゲージセット３ａ〜３ｄと、を備えている。起歪体２は、軸心Ｏ方向に配置された２つの環状平板２０ａ、２０ｂと、環状平板２０ａ、２０ｂ間を連結する連結部材２１と、を有する。連結部材２１は、軸心Ｏを中心とする円周上に等間隔でかつ軸心Ｏに対して線対称となるように配置された複数のアーム部２２で構成され、軸心Ｏに対して傾斜している。歪みゲージセット３ａ〜３ｄは、ホイートストンブリッジ回路を構成する４つの歪みゲージセット３ａ〜３ｄで構成され、連結部材２１の軸心Ｏに対して線対称な位置にそれぞれに取り付けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、ロードセルに関し、特にサスペンションに加わる車両の荷重を測定するのに好適なロードセルに関する。

特許文献１には、サスペンションに加わる車両の荷重を支持しながらこの荷重を測定することのできる軸受が開示されている。この軸受は、回転体と、回転体を介して相対的に回転可能に組み合わされたトップレースおよびボトムレースと、トップレースに連結されて車体側に配置されるトップカップと、ボトムレースに連結されてサスペンションスプリング側に配置されるボトムカップと、トップレースあるいはトップカップに取り付けられた歪ゲージ等の変形センサと、を備えている。この軸受では、トップレースあるいはトップカップが起歪体として機能し、起歪体の歪みを変形センサで検出し、検出した歪みの大きさに基づいてスラスト方向の荷重（車両の荷重）を算出している。

特開２００４−１７７４１１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の軸受は、サスペンションに加わる車両の荷重を支持する構造であるため、スラスト方向の荷重に対して十分な剛性を有するように設計される。このため、トップレースあるいはトップカップを起歪体として用いた場合、スラスト方向の荷重に対する起歪体の歪みが小さいので、変形センサの検出感度が低くなり、精度よく車両の荷重を測定することが難しい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、スラスト方向の荷重を精度よく測定することのできるロードセルおよびこのロードセルを用いた軸受を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、２つの環状平板を軸心方向に配置して、これらの環状平板間を連結部材で連結することにより、起歪体を構成し、連結部材を軸心に対して傾斜させるとともに、歪みゲージを連結部材に取り付けた。

例えば、本発明のロードセルは、
起歪体と、
前記起歪体に生じた歪みを検出する歪みゲージと、を備え、
前記起歪体は、
軸心方向に配置された２つの環状平板と、
前記２つの環状平板間を連結する連結部材と、を有し、
前記連結部材は、軸心に対して傾斜しており、
前記歪みゲージは、前記連結部材に取り付けられている。

また、本発明の軸受は、
サスペンションに加わる車両の荷重を支持する軸受であって、
車体側に取り付けられるアッパーケースと、
前記サスペンションを構成するスプリング側に取り付けられ、前記アッパーケースと相対的に回転可能に組み合わされるロワーケースと、
前記アッパーケースと前記車体との間に配置される上述のロードセルと、を備えている。

本発明のロードセルは、起歪体を構成する連結部材を軸心に対して傾斜させているので、２つの環状平板間を縮める方向に加わるスラスト方向の荷重に対して、連結部材は、圧縮変形に加えて、曲げ変形も生じて、圧縮変形のみの場合と比べてより大きく歪む。このため、歪みゲージの検出感度が高くなる。したがって、本発明によれば、スラスト方向の荷重を精度よく測定することができる。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、本発明の一実施の形態に係るロードセル１の正面図および側面図である。 図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すロードセル１のＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。 図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、図１（Ｂ）に示すロードセル１のＣ−Ｃ断面図およびＤ−Ｄ断面図である。 図４（Ａ）は、スラスト方向の荷重に対する起歪体２の歪みを説明するための図であり、図４（Ｂ）は、ラジアル方向の荷重に対する起歪体２の歪みを説明するための図である。 図５は、車両用サスペンション４を構成するダンパアッセンブリ５、軸受６、およびアッパーサポート７の部分断面図である。 図６（Ａ）、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）は、軸受６の正面図、背面図および側面図であり、図６（Ｄ）は、図６（Ａ）に示す軸受２のＥ−Ｅ断面図である。

以下、本発明の一実施の形態について説明する。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、本実施の形態に係るロードセル１の正面図および側面図である。また、図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すロードセル１のＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。また、図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、図１（Ｂ）に示すロードセル１のＣ−Ｃ断面図およびＤ−Ｄ断面図である。

本実施の形態に係るロードセル１は、スラスト方向（軸心Ｏ方向）に加わる荷重を測定するためのものであり、起歪体２と、起歪体２に生じた歪みを検出する複数の歪みゲージセット３ａ〜３ｄ（以下、単に歪みゲージセット３とも呼ぶ）と、を備えている。

起歪体２は、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂で形成され、軸心Ｏ方向に配置された２つの環状平板２０ａ、２０ｂと、２つの環状平板２０ａ、２０ｂ間を連結する連結部材２１と、を有する。

環状平板２０ａ、２０ｂは、それぞれの中心を軸心Ｏに一致させて互いに平行に配置されている。

連結部材２１は、軸心Ｏを中心とする円周上に等間隔でかつ軸心Ｏに対して線対称となるように配置された複数のアーム部２２を有する。アーム部２２は、軸心Ｏを含む平面における断面形状が、環状平板２０ａから環状平板２０ｂに向かうに従い、軸心Ｏから離れる方向に傾斜している。したがって、軸心Ｏに対して線対称な位置に配置された２つのアーム部２２は、軸心Ｏを含む平面における断面形状が軸心Ｏに対して線対称に傾斜してハの字形状をなしている。これにより、起歪体２は、軸心Ｏを含む平面における断面形状が軸心Ｏに対して線対称なＺ形状となる（図２（Ａ）および図２（Ｂ）参照）。

歪みゲージセット３は、軸心Ｏに対して線対称となるように配置されている。具体的には、歪みゲージセット３ａ、３ｂが軸心Ｏに対して線対称となり、かつ歪みゲージセット３ｃ、３ｄが軸心Ｏに対して線対称となるように配置されている。

また、歪みゲージセット３は、ホイートストンブリッジ回路を構成する４つの歪みゲージ３０ａ〜３０ｄにより構成される。ここで、歪みゲージ３０ａは、アーム部２２の環状平板２０ａ側の端部２２０ａの外壁面（径方向外方側の面）２２１に取り付けられ、歪みゲージ３０ｂは、アーム部２２の環状平板２０ｂ側の端部２２０ｂの外壁面２２１に取り付けられる。また、歪みゲージ３０ｃは、アーム部２２の環状平板２０ａ側の端部２２０ａの内壁面（径方向内方側の面）２２２に取り付けられ、歪みゲージ３０ｄは、アーム部２２の環状平板２０ｂ側の端部２２０ｂの内壁面２２２に取り付けられる。

つぎに、上記構成のロードセル１に荷重が加えられた場合における起歪体２の歪みについて説明する。

図４（Ａ）は、スラスト方向の荷重に対する起歪体２の歪みを説明するための図であり、図４（Ｂ）は、ラジアル方向の荷重に対する起歪体２の歪みを説明するための図である。図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、図２（Ｂ）の一部を省略した図に相当する。

上記構成のロードセル１において、起歪体２の連結部材２１を構成する複数のアーム部２２は、軸心Ｏを中心とする円周上に等間隔でかつ軸心Ｏに対して線対称となるように配置されている。また、軸心Ｏを含む平面における断面形状が、環状平板２０ａから環状平板２０ｂに向かうに従い、軸心Ｏから離れる方向に傾斜している。このため、図４（Ａ）に示すように、起歪体２を構成する２つの環状平板２０ａ、２０ｂ間を縮める軸心Ｏ方向の荷重であるスラスト荷重Ｔがロードセル１に加わると、各アーム部２２は、軸心Ｏ方向の圧縮変形に加えて、環状平板２０ａ側の端部２２０ａが径方向内方に撓み、かつ環状平板２０ｂ側の端部２２０ｂが径方向外方に撓むように曲げ変形する。この曲げ変形により、各アーム部２２は、外壁面２２１が延びる方向に歪む一方、内壁面２２２が縮む方向に歪む。このため、圧縮変形のみの場合と比べて起歪体３の歪みが大きくなり、歪みゲージセット３で検出できる歪みの検出感度が高くなる。

また、図４（Ｂ）に示すように、軸心Ｏ方向に対して垂直な方向の荷重であるラジアル荷重Ｒがロードセル１に加わると、ラジアル荷重Ｒが加えられる側のアーム部２２（図４（Ｂ）において左側のアーム部２２）では、外壁面２２１が延びる方向に歪む一方、内壁面２２２が縮む方向に歪む。これに対して、ラジアル荷重Ｒが加えられる側のアーム部２２と軸心Ｏ方向に対して線対称な位置にあるアーム部２２（図４（Ｂ）において右側のアーム部２２）では、外壁面２２１が縮む方向に歪む一方、内壁面２２２が延びる方向に歪む。つまり、軸心Ｏ方向に対して線対称な位置にある２つのアーム部２２は、ラジアル荷重Ｒに対して互いに反対方向に歪みが生じるので、軸心Ｏ方向に対して線対称な位置にある２つのアーム部２２に取り付けた歪みゲージセット３の検出値の極性が逆となる。本実施の形態では、歪みゲージセット３を軸心Ｏに対して線対称となるように配置しているので、各歪みゲージセット３の検出値を平均することにより、ラジアル荷重Ｒによる影響を相殺することができる。

したがって、本実施の形態に係るロードセル１によれば、歪みゲージセット３で検出できる歪みの検出感度を高くでき、さらに、歪みゲージセット３の検出値の平均を取ることにより、歪みゲージセット３の検出値に含まれているラジアル荷重Ｒによる影響を相殺できるので、歪みゲージセット３の検出値の平均値に基づいてスラスト荷重Ｔを算出することにより、スラスト荷重Ｔを精度よく測定することができる。また、連結部材２１を構成する複数のアーム部２２の軸心Ｏに対する傾きを変えることにより、歪みゲージセット３で検出できる歪みの検出感度を調節することができる。

つぎに、本実施の形態に係るロードセル１を用いた軸受について説明する。

図５は、車両用サスペンション４を構成するダンパアッセンブリ５、滑り軸受６、およびアッパーサポート７の部分断面図である。

車両用サスペンション４は、自動車等の車両の懸架に用いられ、図示するように、ショックアブソーバ５０を含むダンパアッセンブリ５と、ダンパアッセンブリ５を車両のボディ側に取り付けるためのアッパーサポート７と、ダンパアッセンブリ５およびアッパーサポート７間に配された滑り軸受６と、を備えている。

ダンパアッセンブリ５は、ショックアブソーバ５０に加えて、コイルスプリング５１と、ロワースプリングシート５２と、バンプストッパ５３と、ダストブーツ５４と、を備えている。

コイルスプリング５１は、ショックアブソーバ５０の周囲を囲むようにショックアブソーバ５０と同軸に配され、その上端部５１０が滑り軸受６に設けられたアッパースプリングシート５５によって支持されるとともに、その下端部５１１がショックアブソーバ５０に設けられたロワースプリングシート５２によって支持される。

バンプストッパ５３は、ショックアブソーバ５０のピストンロッド５６に装着され、ピストンロッド５６が圧縮された際にショックアブソーバ５０が車両のボディに衝突するのを防止する。

ダストブーツ５４は、バンプストッパ５３が装着されたピストンロッド５６を覆うように装着され、塵埃、泥水等がピストンロッド５６に付着するのを防止する。

滑り軸受２は、ダンパアッセンブリ５とアッパーサポート７との間に配され、コイルスプリング５１およびアッパーサポート７間の相対的な回動を許容しつつ、ダンパアッセンブリ５１に加わる荷重を支持する。

また、滑り軸受６は、本実施の形態に係るロードセル１を備えている。ロードセル１は、滑り軸受６が支持する荷重によって起歪体２に生じた歪みに応じた信号を複数の歪みゲージセット３から出力する。そして、複数の歪みゲージセット３から出力された信号は、車両に搭載された荷重測定部８に入力される。荷重測定部８は、複数の歪みゲージセット３から出力された信号が示す検出値の平均値を算出し、この平均値に基づいてダンパアッセンブリ５１に加わる荷重を測定する。そして、検出した荷重に基づいて車重を算出する。

例えば、車両の四輪すべてのサスペンションにロードセル１を備えた滑り軸受６が搭載されている場合、各ロードセル１で測定した荷重を合計することにより車重を算出する。また、例えば、前輪あるいは後輪のサスペンションにのみロードセル１を備えた滑り軸受６が搭載されている場合、各ロードセル１で検出した荷重の合計を２倍にすることで車重を算出する。また、例えば、四輪のうちの一つのサスペンションにのみロードセル１を備えた滑り軸受６が搭載されている場合、このロードセル１で検出した荷重を４倍にすることで車重を算出する。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）は、滑り軸受６の正面図、背面図および側面図であり、図６（Ｄ）は、図６（Ａ）に示す滑り軸受６のＥ−Ｅ断面図である。

滑り軸受６は、バンプストッパ５３が装着されたピストンロッド５６を収容するための収容孔６０を有する。また、滑り軸受６は、アッパーケース６１と、アッパーケース６１と回動自在に組み合わされて、アッパーケース６１との間に環状空間６４を形成するロワーケース６２と、この環状空間６４に配された環状のセンタープレート６３と、アッパーケース６１とアッパーサポート７との間に配置されたロードセル１と、を備えている。

アッパーケース６１は、必要に応じて潤滑油が含浸されたポリアセタール樹脂等の摺動特性に優れた熱可塑性樹脂で形成され、ピストンロッド５６が挿入された状態でロードセル１を介してアッパーサポート７に取り付けられる。

ロワーケース６２は、必要に応じてガラス繊維等で強化されたポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂で形成され、バンプストッパ５３が装着されたピストンロッド５６が挿入された状態でコイルスプリング５１の上端部５１０を支持するアッパースプリングシート５５としても機能する。

センタープレート６３は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＴＦＥが添加された熱可塑性樹脂、黄銅合金等の摺動特性に優れた材料で形成された円環状部材であり、環状空間６４において、例えばロワーケース６２との相対的な回動が拘束された状態でアッパーケース６１と摺動することにより、アッパーケース６１およびロワーケース６２間の自在な回動を実現する軸受体として機能する。

以上、本発明の一実施の形態について説明した。

本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

例えば、上記の実施の形態では、起歪体２に生じた歪みを検出する複数の歪みゲージセット３として、４つの歪みゲージセット３ａ〜３ｄを用いた場合を例にとり説明している。しかし、本発明はこれに限定されない。歪みゲージセット３は、軸心Ｏに対して線対称となるように複数配置されていればよい。

また、上記の実施の形態では、ホイートストンブリッジ回路を構成する４つの歪みゲージ３０ａ〜３０ｄにより歪みゲージセット３を構成し、歪みゲージ３０ａ〜３０ｄを、アーム部２２の両端部２２０ａ、２２０ｂの外壁面２２１および内壁面２２２に取り付けている。しかし、本発明はこれに限定されない。歪みゲージセット３は、少なくとも一つの歪みゲージを含んで構成されていればよく、また、その取付け位置も、スラスト荷重Ｔに対して圧縮変形に加えて曲げ変形する連結部材２１であれば、どこに取り付けてもよい。

また、上記の実施の形態では、環状平板２０ａ、２０ｂ間を連結する連結部材２１を、軸心Ｏを中心とする円周上に等間隔でかつ軸心Ｏに対して線対称となるように配置された複数のアーム部２２で構成している。しかし、本発明はこれに限定されない。連結部材は、軸心Ｏを含む平面における断面形状が軸心Ｏに対して線対称に傾斜していればよい。例えば、連結部材は、環状平板２０ａ、２０ｂの一方から他方に向けて直径が大きくなる筒状部材でもよい。

また、上記の実施の形態では、環状平板２０ａ、２０ｂを同径としているが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５に示すように、ロードセル１を滑り軸受６に組み込んで車両用サスペンション４に搭載する場合、環状平板２０ａを環状平板２０ａが取り付けられるアッパーサポート７のサイズに合わせ、環状平板２０ｂを環状平板２０ｂが取り付けられる滑り軸受６のアッパーケース６１のサイズに合わせることにより、環状平板２０ａ、２０ｂのサイズをそれぞれ異ならせてもよい。

また、上記の実施の形態に係るロードセル１を用いた軸受として、滑り軸受６を例にとり説明している。しかし、ロードセル１と組み合わせる軸受は、滑り軸受に限定されない。例えば転がり軸受であってもよい。また、本発明のロードセルは、軸受に限らず、スラスト荷重を測定する様々な用途に利用可能である。

１：ロードセル、 ２：起歪体、 ３、３ａ〜３ｄ：歪みゲージセット、 ４：車両用サスペンション、 ５：ダンパアッセンブリ、 ６：滑り軸受、 ７：アッパーサポート、 ８：荷重測定部、 ２０ａ、２０ｂ：環状平板、 ２１：連結部材、 ２２：アーム部、 ３０ａ〜３０ｄ：歪みゲージ、 ５０：ショックアブソーバ５０、 ５１：コイルスプリング、 ５２：ロワースプリングシート、 ５３：バンプストッパ、 ５４：ダストブーツ、 ５５：アッパースプリングシート、 ５６：ピストンロッド、 ２２０ａ、２２０ｂ：アーム部２２の端部、 ２２１：アーム部２２の外壁面、 ２２２：アーム部２２の内壁面、 ５１０：コイルスプリング５１の上端部、 ５１１：コイルスプリング５１の下端部

Claims (6)

1. 起歪体と、
   前記起歪体に生じた歪みを検出する歪みゲージと、を備え、
   前記起歪体は、
   軸心方向に配置された２つの環状平板と、
   前記２つの環状平板間を連結する連結部材と、を有し、
   前記連結部材は、前記軸心に対して傾斜しており、
   前記歪みゲージは、前記連結部材に取り付けられている
   ことを特徴とするロードセル。
2. 請求項１に記載のロードセルであって、
   前記連結部材は、
   前記軸心を含む平面における断面形状が当該軸心に対して線対称に傾斜しており、
   前記歪みゲージは、
   前記連結部材の前記軸心に対して線対称な位置にそれぞれに取り付けられている
   ことを特徴とするロードセル。
3. 請求項２に記載のロードセルであって、
   前記連結部材は、
   前記軸心を中心とする円周上に等間隔でかつ前記軸心に対して線対称となるように配置された複数のアーム部を有する
   ことを特徴とするロードセル。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載のロードセルであって、
   前記歪みゲージは、
   前記環状平板の内縁側に位置する前記連結部材の内壁面および前記環状平板の外縁側に位置する前記連結部材の外壁面にそれぞれに取り付けられている
   ことを特徴とするロードセル。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載のロードセルであって、
   前記歪みゲージは、
   前記連結部材の前記軸方向の両端部にそれぞれに取り付けられている
   ことを特徴とするロードセル。
6. サスペンションに加わる車両の荷重を支持する軸受であって、
   車体側に取り付けられるアッパーケースと、
   前記サスペンションを構成するスプリング側に取り付けられ、前記アッパーケースと相対的に回転可能に組み合わされるロワーケースと、
   前記アッパーケースと前記車体との間に配置される請求項１ないし５のいずれか一項に記載のロードセルと、を備えている
   ことを特徴とする軸受。

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