JP2020085592A - 荷重計測装置および荷重計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサをブレーキロータなどの可動部位に取り付ける場合の取り付けが容易で、且つ可動部位の動きに影響を与えにくくすること。【解決手段】荷重を計測するセンサに、印加される荷重に応じて固有振動数が変化する振動板を設け、気体の通路を振動板の近傍へ配置して、振動板に供給する気体の流れにより振動を誘発させる。振動板の振動により荷重に応じた振動数の音を発生させ、マイクなどで音を検知する。音の周波数変化から荷重を算出できる。可動部位またはその近傍へ配線する必要がないのでセンサの取り付けが容易であり、ブレーキロータが高速回転する状態でも計測できる。同時に複数のセンサを設置する場合には、各センサの固有振動数の比率が整数倍からずれるように仕様を定め、発生する音に倍音成分が多く含まれる場合でも複数の信号の周波数分離を容易にする。【選択図】図１

Description

本発明は、荷重を計測する１つ又はそれ以上のセンサを有する荷重計測装置および荷重計測方法に関する。

例えば、車両等に搭載されるブレーキシステムを開発する場合には、ブレーキを構成するディスクロータの面と、摩擦材との間に働く力の分布状況を正しく把握することが重要である。したがって、ディスクロータと摩擦材との接触面における圧力分布を計測するために、荷重計測装置が用いられる。また、このような用途で用いられる荷重計測装置において、センサとして歪みゲージが採用されている。

一方、例えば特許文献１および特許文献２は、音叉振動子を備えた荷重検出センサを開示している。これらの荷重検出センサは、音叉振動子の２枚の平行に配置した振動片の振動数が荷重測定端間に作用する荷重に応じて変化することを利用して荷重を検出している。また、荷重検出センサは、電磁コイルにより磁力を作用させて振動片の吸引、解除を繰り返し、振動を発生させる。発生した振動は、圧電素子を用いて電気信号に変換される。したがって、荷重検出センサは、圧電素子が出力する電気信号の振動数により荷重を把握できる。

特開２００９−１９２２８６号公報 特開２０１８−１２８４３８号公報

荷重計測装置を利用してブレーキのディスクロータと摩擦材との接触面における圧力分布を計測する場合には、通常は多数の歪みゲージをディスクロータ上に設置する必要がある。そのため、以下の（１）〜（３）に示すような課題があった。

（１）各歪みゲージから電線でブレーキの外側に電気信号を取り出して計測することになるので、歪みゲージの数が多い場合には多数の電線の接続および引き回しが生じる。
（２）ディスクロータ上の多数の歪みゲージが多数の電線で外側の装置と接続されているため、計測中はディスクロータを高速で回転させることができない。
（３）歪みゲージが熱に弱いので、ディスクロータが高温になるような高負荷の環境では計測ができない。

一方、例えば特許文献１および特許文献２に示される荷重検出センサを利用する場合であっても、音叉振動子を振動させるために、電磁コイルにより磁力を作用させて振動片の吸引、解除を繰り返す必要がある。つまり、電磁コイルに電力を供給する電線を荷重検出センサに接続しなければならない。更に、振動片の振動を検知する圧電素子から電気信号を取り出すために、電線を接続しなければならない。したがって、上記（１）および（２）の課題を解決できなかった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサを可動部位に取り付ける場合の取り付けが容易で、且つ可動部位の動きに影響を与えにくくすることが可能な荷重計測装置および荷重計測方法を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る荷重計測装置および荷重計測方法は、下記（１）〜（６）を特徴としている。
（１） 荷重を計測する１つ又はそれ以上のセンサを有する荷重計測装置であって、
前記センサが、
印加される前記荷重によって振動数が変化する振動体と、
前記振動体の近傍へ供給される流体の通路と、
を備え、前記通路を使って前記振動体へ流体を供給することで前記振動体の振動を誘発し、前記振動体が荷重に応じた振動数の振動を発する、
ことを特徴とする荷重計測装置。

上記（１）の構成の荷重計測装置によれば、通路を介して振動体へ供給される流体の流れに起因して振動体に振動が発生する。ここで発生する振動の周波数は、振動体の固有振動数であり、振動体に印加される荷重に応じて変動する。したがって、振動体の振動の周波数に基づき荷重の大きさを把握できる。しかも、振動体に振動を発生させるために電磁コイルを使う必要がないのでその配線が不要になる。更に、振動体が荷重に応じた振動数の音などを発生するので、振動数を計測するために振動体に圧電素子を設置する必要がなく、その配線も不要になる。したがって、例えばブレーキのディスクロータと摩擦材との接触面における圧力分布を計測する場合には、ディスクロータ上のセンサに配線を接続する必要がなくなり、ディスクロータを高速回転させながら計測することも可能になる。

（２） 前記センサとして、少なくとも第１センサと第２センサとを備え、
前記第１センサにおける前記振動体の第１の振動数と、前記第２センサにおける前記振動体の第２の振動数との比率が、整数倍からずれた状態に定めてある、
ことを特徴とする上記（１）に記載の荷重計測装置。

上記（２）の構成の荷重計測装置によれば、複数のセンサがそれぞれ出力する音などの信号を周波数の違いにより分離することが容易になる。特に、複数の振動体の振動数の比率が、整数倍からずれた状態に定めてあるので、各振動波形が整数倍の振動周波数成分を多く含む場合であっても、複数の振動体の振動周波数成分が重なるのを避けることができ、それらの分離が容易になる。

（３） 前記センサの振動体の振動数が、２０Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲内に定めてある、
ことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の荷重計測装置。

上記（３）の構成の荷重計測装置によれば、実用的な振動体を利用することが可能になる。すなわち、振動数を２０Ｈｚ以上に定めることで振動体の大型化を避けることができ、振動数を５０ｋＨｚ以下に定めることで振動体の加工が困難になるのを避けることができる。また、振動体から発生する音などの検出も容易になる。

（４） １つ又はそれ以上の所定のセンサを用いて荷重を計測するための荷重計測方法であって、
印加される前記荷重によって振動数が変化する振動体を前記センサに設置すると共に、前記振動体の近傍へ供給される流体の通路を形成し、
前記通路を使って前記振動体へ流体を供給することで、前記振動体の振動を誘発し、前記振動体が荷重に応じた振動数の振動を発する、
ことを特徴とする荷重計測方法。

上記（４）の構成の荷重計測方法によれば、通路を介して振動体へ供給される流体の流れに起因して振動体に振動が発生する。ここで発生する振動の周波数は、振動体の固有振動数であり、振動体に印加される荷重に応じて変動する。したがって、振動体の振動の周波数に基づき荷重の大きさを把握できる。しかも、振動体に振動を発生させるために電磁コイルを使う必要がないのでその配線が不要になる。更に、振動体が荷重に応じた振動数の音などを発生するので、振動数を計測するために振動体に圧電素子を設置する必要がなく、その配線も不要になる。したがって、例えばブレーキのディスクロータと摩擦材との接触面における圧力分布を計測する場合には、ディスクロータ上のセンサに配線を接続する必要がなくなり、ディスクロータを高速回転させながら計測することも可能になる。

（５） 前記センサとして、少なくとも第１センサと第２センサとを用意すると共に、
前記第１センサにおける前記振動体の第１の振動数と、前記第２センサにおける前記振動体の第２の振動数との比率を整数倍からずれた状態に定める、
ことを特徴とする上記（４）に記載の荷重計測方法。

上記（５）の構成の荷重計測方法によれば、複数のセンサがそれぞれ出力する音などの信号を周波数の違いにより分離することが容易になる。特に、複数の振動体の振動数の比率が、整数倍からずれた状態に定めてあるので、各振動波形が整数倍の振動周波数成分を多く含む場合であっても、複数の振動体の音の周波数成分が重なるのを避けることができ、それらの分離が容易になる。

（６） 前記センサの振動体の振動数を、２０Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲内に制限する、
ことを特徴とする、上記（４）又は（５）に記載の荷重計測方法。

上記（６）の構成の荷重計測方法によれば、実用的な振動体を利用することが可能になる。すなわち、振動数を２０Ｈｚ以上に定めることで振動体の大型化を避けることができ、振動数を５０ｋＨｚ以下に定めることで振動体の加工が困難になるのを避けることができる。また、振動体から発生する音などの検出も容易になる。

本発明の荷重計測装置および荷重計測方法によれば、センサを可動部位に取り付ける場合の取り付けが容易で、且つ可動部位の動きに影響を与えにくくすることが可能である。すなわち、振動体の機械振動を誘発するために電磁コイルを用いる必要がなく、発生した機械振動を外側から非接触で検出できるので、可動部位やその近傍に配線を接続する必要がない。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）、図１（ｄ）および図１（ｅ）は本発明の実施形態における荷重センサを表し、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、図１（ｄ）は斜視図、図１（ｅ）は部分拡大断面図である。 図２は、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示した荷重センサに含まれる金属プレートを示す斜視図である。 図３は、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示した荷重センサの一部分を示す分解斜視図である。 図４は、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示した荷重センサにおける空気の流れを示す斜視図である。 図５は、金属プレートの振動板を通過する空気の流れを示す正面図である。 図６は、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示した荷重センサにおける負荷荷重−周波数特性の例を示すグラフである。 図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、および図７（ｄ）は、原理的な音発生部の構成を表す断面図であり、それぞれ同じ部位における異なる状態を表している。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、自励振動する音叉梁の状態を示す正面図である。 図９（ａ）および図９（ｂ）は、振動板が発生する音の周波数スペクトルの例を表すグラフであり、図９（ａ）は荷重が最小の状態、図９（ｂ）は荷重が最大の状態をそれぞれ表す。 図１０は、複数の荷重センサを利用したブレーキ圧力分布計測装置の構成例を示すブロック図である。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

＜荷重センサの構成例＞
図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）、図１（ｄ）および図１（ｅ）は本発明の実施形態における荷重センサ１０の構成例を示し、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、図１（ｄ）は斜視図、図１（ｅ）は図１（ｃ）における振動板１１ｄの近傍を示す部分拡大図である。また、この荷重センサ１０を構成する金属プレート１１全体の外観を図２に示し、荷重センサ１０の一部分を分解した状態を図３に示し、全体の空気の流れを図４に示し、振動板１１ｄ近傍の空気の流れを図５に示す。

図１（ａ）〜図１（ｅ）に示すように、本実施形態の荷重センサ１０は、１枚の金属プレート１１をその厚み方向（Ｚ）の両側からハウジング部材１２、１３で挟み込み、図示しないねじで固定し一体化するように構成されている。ねじを固定する穴の位置で、金属プレート１１とハウジング部材１２、１３とを位置合わせできる。

図２に示すように、金属プレート１１は、荷重受け部１１ａ、テコ１１ｂ、テコ支点１１ｃ、振動板１１ｄ、開口部１１ｅ等の部位を備えている。振動板１１ｄは、細長い薄板形状に形成され、振動して音源となるリードを構成する。また、振動板１１ｄは鋼板のように振動しやすい材料を用いて構成され、定常状態における固有振動数が事前に定めた規定値になるように製造される。振動板１１ｄは両持梁の構造を有している。尚、金属プレート１１の材料としては、鋼板などの金属に限らず、例えば樹脂を利用できる。また、振動板１１ｄは必ずしも板状でなくてよい。

金属プレート１１の荷重受け部１１ａに荷重が加わると、この力がテコ１１ｂを介して拡大され、振動板１１ｄに伝達される。これにより、振動板１１ｄの長手方向に対する引っ張り力、または圧縮力の荷重が発生する。後述するように、振動板１１ｄの固有振動数は、それに加わった荷重の大きさに応じて変動する。

振動板１１ｄを機械振動するためには、振動板１１ｄに力を加える必要がある。しかし、電磁コイルなどを利用する場合には、電源と電磁コイルとを接続する配線が必要になるため、回転する部位などの可動部位に取り付けることが難しい。そこで、本実施形態の荷重センサ１０は、空気等の気体の流れを利用して振動板１１ｄが振動するように構成されている。尚、気体の代わりに液体の流れを利用して振動板１１ｄを振動させてもよい。

図１（ａ）〜図１（ｅ）に示すように、ハウジング部材１２および１３は、それぞれ凹部１２ａ、１３ａを有し、これらの凹部１２ａ、１３ａが、開口部１１ｅにより連通し、金属プレート１１の周囲に空気室１４を形成している。また、ハウジング部材１２には、空気流路１５が形成されている。この空気流路１５は、円柱状の開口であり、ハウジング部材１２の外表面と凹部１２ａ側の空気室１４との間を連通している。したがって、図４に示すように、空気流路１５を利用して荷重センサ１０の外側から空気流１７として空気室１４内に空気を送り込むことができる。また、空気室１４内の空気は、隙間１６から空気流１８として流出することができる。

金属プレート１１の振動板１１ｄは、空気室１４の端部に配置してある。また、図１（ｃ）に示すように、空気室１４内と振動板１１ｄとの間に僅かな隙間１６が形成されており、図４および図５に示すように、この隙間１６を通って空気室１４内と荷重センサ１０の外部との間で空気が出入りできるように構成されている。

図１（ａ）〜図１（ｅ）に示した荷重センサ１０を実際に使用する場合には、適当な空気供給装置または空気吸引装置を用いて空気流路１５と空気室１４の間に空気などの気体を流通させる。これにより、図１（ｅ）や図５に示す空気流１８が振動板１１ｄの表側と裏側の両方に発生し、それに伴う差圧の影響で、振動板１１ｄにその固有振動数に対応する周波数で機械振動が発生する。また、振動板１１ｄの固有振動数は、荷重受け部１１ａに加わる荷重の大きさに応じて変動する。

振動板１１ｄの固有振動数や、検出対象とする機械振動の高調波成分の周波数については、２０［Ｈｚ］以上、且つ５０［ｋＨｚ］以下の範囲内とする。したがって、振動板１１ｄに発生した機械振動が周囲の空気を振動させ、人間の可聴周波数範囲程度の音などの物理振動が発生する。

ここで、発生する振動および検出対象の振動の周波数を２０［Ｈｚ］以上とすることにより、振動板１１ｄが大型化するのを避けることができ、外部からの振動ノイズの影響を避けることも容易になる。また、振動数を５０［ｋＨｚ］以下とすることにより、仕様に合わせた振動板１１ｄの製造が加工精度の観点から困難になるのを避けることができ、マイクロホンを用いた音の検出も容易になる。したがって、実用的な荷重センサ１０を実現できる。

振動板１１ｄから発生した音の信号は、一般的なマイクロホンを用いて電気信号に変換することができる。発生した音の周波数が、荷重受け部１１ａに加わる荷重の大きさに対応するので、音の周波数から荷重の大きさを計測できる。

＜荷重センサの特性例＞
図１（ａ）〜図１（ｅ）に示した荷重センサ１０における負荷荷重−周波数特性の例を図６に示す。図６において、横軸は荷重センサ１０の荷重受け部１１ａ又は振動板１１ｄに加わる負荷荷重（Tensile）［Ｎ］を表し、縦軸は振動板１１ｄに発生する機械振動の周波数（Frequency）［ｋＨｚ］を表す。

図６に示すように、荷重センサ１０に加わる荷重の大きさに応じて振動板１１ｄの機械振動の周波数が変動することが分かる。したがって、機械振動により生じた音の周波数から荷重の大きさを計測できる。音の振動は距離の離れた場所まで伝搬するので、荷重センサ１０から離れた位置で音を検出し荷重を計測することができる。したがって、非接触で計測が可能であり、計測対象の可動部位に配線を接続する必要もない。

＜振動原理の説明＞
自励振動を利用する原理的な音発生部４０の構成例を図７（ａ）〜図７（ｄ）に示す。図７（ａ）〜図７（ｄ）は、音叉梁４１の中央部分における断面構造を表している。また、自励振動する音叉梁４１を正面から視た状態を図８（ａ）および図８（ｂ）に示す。

図１（ａ）〜図１（ｅ）に示した荷重センサ１０は、自励振動の原理を利用して振動板１１ｄを振動させる構造になっている。このような自励振動の原理は、例えばハーモニカにおいても利用されている。

図７（ａ）〜図７（ｄ）、図８（ａ）および図８（ｂ）に示した音発生部４０においては、音叉梁４１の両端がプレート４２で支持され、音叉梁４１は振動可能な状態になっている。音叉梁４１は、プレート４２の開口部４２ｂと対向する状態で配置されている。開口部４２ｂの幅は音叉梁４１の幅よりも僅かに大きい程度の寸法に形成されている。そのため、空気流４５が通過可能な隙間４２ａが、音叉梁４１とプレート４２との間に形成されている。また、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、音叉梁４１の一端に引張荷重４８が印加され、音叉梁４１はその厚み方向に振動する。

図７（ａ）〜図７（ｄ）、図８（ａ）および図８（ｂ）に示した音発生部４０は、空気の流れによる自励振動の原理を利用して音波振動４７を発生することを特徴としている。図７（ａ）〜図７（ｄ）の例では、上から下に向かう空気流４５の流路４６がある。この流路４６は開口部４２ｂにあり、音叉梁４１の幅よりも少し大きい幅を有している。音叉梁４１は流路４６の入口に設置されている。図７（ａ）のように空気を上から流すと、この空気流４５は音叉梁４１と開口部４２ｂとの隙間４２ａを通って下に流れる。この空気は、隙間４２ａを通る際に減圧されるので、音叉梁４１のすぐ下に低圧領域４４が生じる。すると、音叉梁４１の上側は高圧領域４３であるので、音叉梁４１がその上下間の圧力差により下向きの力を受け、図７（ｂ）のように音叉梁４１が下方に変位する。そして、図７（ｃ）のように音叉梁４１が十分に下まで変位すると、隙間４２ａを流れる空気流４５の流量が減少し、音叉梁４１の上下間の圧力差が小さくなる。その結果、図７（ｄ）のように音叉梁４１はそれ自身の弾性復元力を受けて、元の位置に戻ろうとする。そして、音叉梁４１が元の位置に戻ると、再び図７（ａ）の状態に遷移し、上記と同じ動作を繰り返す。

したがって、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように音叉梁４１が上下に撓みながら振動を繰り返す。つまり、外部から振動を加える必要はなく空気流４５により音叉梁４１が自励振動することになる。図８（ａ）の状態は、音叉梁４１の一端に加わる引張荷重４８が比較的大きい場合を想定しているので、この状態では音叉梁４１の振動周波数が高くなり、それに伴って発生する音波振動４７の周波数も高くなる。

一方、図８（ｂ）の状態は、音叉梁４１の一端に加わる引張荷重４８が比較的小さい場合を想定しているので、この状態では音叉梁４１の振動周波数が図８（ａ）と比べて低くなり、発生する音波振動４７の周波数も低くなる。
空気流４５の流れが継続している間は、音叉梁４１の振動が継続し、音波振動４７の発生も継続する。発生する音波振動４７周波数は、音叉梁４１の固有振動数と引張荷重４８の大きさとで定まる。なお、ハーモニカの場合は振動板に荷重が加わることはないので、発生する音の周波数は一定である。また、音叉梁４１を通過する空気の流量を大きくすれば、十分な音圧で音を発生することができる。図１（ａ）〜図１（ｅ）に示した振動板１１ｄの場合も同様である。
上記のような音発生部４０は、単純な機械的構造を持つため、材料を任意に選ぶことができる。すなわち、金属材料を用いれば高温状態での適用も可能である。また、小型化も容易である。さらに、音波の周波数変化を計測するため、計測において電気的配線は不要である。加えて、梁の形状を変化させることで固有振動数をシフトさせることができるため、複数チャンネルを持つ荷重の多点計測も可能になる。

＜音の周波数スペクトルの例＞
図９（ａ）および図９（ｂ）は、振動板が発生する音の周波数スペクトルの例を表すグラフであり、図９（ａ）は荷重が最小の状態、図９（ｂ）は荷重が最大の状態をそれぞれ表す。図９（ａ）および図９（ｂ）において、横軸は周波数［Ｈｚ］、縦軸は音圧［ｄＢ］を表している。

図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、振動板が発生する音には様々な周波数成分が含まれているが、ある周波数に音圧のピークが表れる。すなわち、振動板の固有振動数と加わった荷重の大きさとで定まる周波数にピークが表れる。つまり、図９（ａ）の例では荷重が小さいので、音圧のピークに対応する周波数が３０００［Ｈｚ］近傍になる。図９（ｂ）の例では、図９（ａ）の例よりも荷重が大きいので、音圧のピークに対応する周波数が３５００［Ｈｚ］の近傍にシフトしている。尚、このような音の周波数スペクトルにおいては、基本波の周波数（固有振動数に相当）以外に、その整数倍の周波数の倍音成分、すなわち高調波が多く含まれる場合もある。

例えば、ブレーキのディスクロータにおける圧力分布などを計測する場合には、図１（ａ）〜図１（ｅ）に示した荷重センサ１０を複数用意して、複数の位置でそれぞれの荷重を同時に計測することが想定される。そのような場合、複数の荷重センサ１０が発生する音の周波数をずらすことにより、それぞれの荷重センサ１０の信号を互いに分離することが可能になる。しかし、図９に示した周波数スペクトルのように、それぞれの音が倍音成分を多く含む場合には、同時に使用するセンサの数が増えると、複数の信号の周波数成分が重なって信号を分離できない可能性が想定される。

そこで、本発明の実施形態においては、複数の荷重センサ１０を同時に使用する場合には、それぞれの荷重センサ１０における固有振動数の比率が、整数の比率からずれるように、各荷重センサ１０の仕様を選定する。なお、各荷重センサ１０の固有振動数は印加される荷重に応じて変動するので、この変動範囲も考慮して固有振動数の比率を選定することが望ましい。

＜荷重センサを利用したシステムの構成例＞
図１０は、複数の荷重センサを利用したブレーキ圧力分布計測装置６０の構成例を示すブロック図である。図１０に示すブレーキ圧力分布計測装置６０は、回転可能なディスクロータ６１とキャリパー６３とを含むディスクブレーキ装置を計測する場合を想定している。勿論、例えばドラム式のブレーキ装置を計測することも可能である。

キャリパー６３は、ディスクロータ６１と対向する位置に配置されており、油圧制御により動く可動部（図示しないピストン）を備えている。すなわち、キャリパー６３の可動部を動かすことにより、ブレーキパッドをディスクロータ６１の表面に押圧し、これらの接触面に生じる摩擦力により、ディスクロータ６１の回転に制動をかけることができる。

このディスクブレーキ装置を車両に搭載する際には、ディスクロータ６１の中央部のロータ回転軸６２が車輪の回転軸と連結される。また、図１０に示したブレーキ圧力分布計測装置６０を用いて計測を行う場合にも、ディスクロータ６１は、実際の車両の車輪の回転軸と連結されるか、あるいは試験用の特別な回転軸と連結され、回転可能な状態で使用される。

図１０に示したブレーキ圧力分布計測装置６０は、前記ディスクロータ６１、及びキャリパー６３の他に、油圧ゲージ６４、複数の荷重センサ６５、６６、空気供給装置６７、マイクロホン６８、光学エンコーダ６９、増幅器７１、周波数解析部７２、センサ信号分離部７３、データロガー７４、および圧力分布演算部７５を備えている。

油圧ゲージ６４は、キャリパー６３の可動部のピストンに加わる油圧を検出するためのセンサである。なお、油圧ゲージ６４は必要不可欠ではなく、油圧ゲージ６４がなくてもブレーキ圧力分布を計測可能である。

各荷重センサ６５、６６は、図１（ａ）〜図１（ｅ）に示した荷重センサ１０に相当し、ディスクロータ６１の押圧面における厚み方向の荷重の動的変化を計測するために設けられている。２つの荷重センサ６５、６６はディスクロータ６１の半径方向または円周方向に互いに少しずれた位置に配置されている。また、２つの荷重センサ６５、６６については、振動板１１ｄの固有振動数が互いに異なる以下の仕様のものを採用している。

２０［Ｈｚ］≦ｆ１，ｆ２≦５０［ｋＨｚ］
ｆ１＜ｆ２
ｆ１×ｎ≠ｆ２ （ｎは１以上の整数）
ｆ１：荷重センサ６５の固有振動数
ｆ２：荷重センサ６６の固有振動数

空気供給装置６７は、各荷重センサ６５、６６の空気流路１５に一定量の空気の流れが生じるように、空気を供給する機能を有する。具体的には、電気モータの駆動により周囲の空気を吸引し、荷重センサ６５、６６に対して空気を供給する。空気供給装置６７の空気供給口は、各荷重センサ６５、６６の移動範囲と対向するように配置される。勿論、空気を吸引する装置で置き換えても良いし、空気以外の気体を利用しても良い。

マイクロホン６８は、２０［Ｈｚ］〜５０［ｋＨｚ］の周波数範囲の空気振動による音波を検知して電気信号に変換する変換器である。マイクロホン６８は、各荷重センサ６５、６６から発生する音波を検知可能な適当な位置に配置される。

増幅器７１は、マイクロホン６８が出力する電気信号を増幅し、増幅後の信号を出力する。周波数解析部７２は、増幅器７１が出力するアナログの電気信号をデジタル信号に変換し、その信号波形を周波数解析する。すなわち、信号波形のフーリエ変換を実施して、周波数毎の信号成分の分布状況を把握する。

センサ信号分離部７３は、周波数解析部７２の解析結果を入力し、複数の荷重センサ６５、６６の信号を互いに分離する機能を有している。すなわち、荷重センサ６５、６６の固有振動数ｆ１、ｆ２が異なり、マイクロホン６８が検出する音波に含まれる周波数成分もセンサ毎に異なるので、特定の周波数成分だけをセンサ信号分離部７３で抽出することにより、複数の荷重センサ６５、６６の信号を互いに分離して個別に出力できる。

光学エンコーダ６９は、ディスクロータ６１の外周と対向する位置に、光軸をディスクロータ６１側に向けて固定された反射型の光学センサであり、ディスクロータ６１の回転位置、すなわち回転角度に対応する電気信号を出力する。

データロガー７４は、計測の際に得られたデータを自動的に記録する装置である。図６の構成においては、データロガー７４は、油圧ゲージ６４が出力する油圧のデータと、各荷重センサ６５、６６で発生した音を個別に検出した信号のデータと、光学エンコーダ６９が出力する回転位置（角度）のデータとを時系列データとして同時に記録する。

圧力分布演算部７５は、データロガー７４に記録されたデータに基づいて所定の演算を行い、ディスクロータ６１の円周方向に対する圧力の分布状態を表すデータを算出する。

＜ブレーキ圧力分布計測装置６０の利点＞
図１０に示したブレーキ圧力分布計測装置６０は、荷重センサ６５、６６を使用するための電気配線をディスクロータ６１やその近傍に接続する必要がない。すなわち、ブレーキ圧力分布計測装置６０は、空気供給装置６７が発生する気流によって荷重センサ６５、６６の振動板１１ｄの振動が誘発されるので、センサ駆動のための電気配線を必要としない。また、荷重センサ６５、６６により発生した音は、荷重センサ６５、６６から離れた位置に設置されたマイクロホン６８を用いて検知されるので、信号を取り出すための電気配線をディスクロータ６１やその近傍に接続する必要もない。

したがって、ディスクロータ６１上の圧力分布を精密に計測するために多数のセンサを使用する場合であっても、配線の困難性は生じない。また、配線がなく非接触であるためディスクロータ６１が高速回転している状態であっても、荷重センサ６５、６６を用いて圧力の分布状態を計測できる。

また、同時に使用する複数の荷重センサ６５、６６の固有振動数の比率が整数倍からずれるように仕様を定めてあるので、発生する音に倍音成分が多く含まれる場合であっても、複数の荷重センサ６５、６６から発生する音の周波数が重なるのを避けることができる。そのため、複数の荷重センサ６５、６６の音を周波数の違いにより容易に分離でき、それぞれのセンサ設置位置における荷重の検出状態を同時に計測できる。

また、各センサの振動板の固有振動数を２０Ｈｚ〜５０ｋＨｚの範囲内に定めてあるので、実用的なブレーキ圧力分布計測装置６０を実現できる。すなわち、固有振動数を２０Ｈｚ以上に定めることで振動板の大型化を避けることができ、固有振動数を５０ｋＨｚ以下に定めることで振動板の加工が困難になるのを避けることができる。また、振動板から発生する音の検出も容易になる。

ここで、上述した本発明の実施形態に係る荷重計測装置および荷重計測方法の特徴をそれぞれ以下［１］〜［６］に簡潔に纏めて列記する。
［１］ 荷重を計測する１つ又はそれ以上のセンサを有する荷重計測装置であって、
前記センサ（荷重センサ１０）が、
印加される前記荷重によって振動数が変化する振動体（振動板１１ｄ）と、
前記振動体の近傍へ供給される流体の通路（空気流路１５）と、
を備え、前記通路を使って前記振動体へ流体を供給することで前記振動体の振動を誘発し、前記振動板が荷重に応じた振動数の振動を発する、
ことを特徴とする荷重計測装置。

［２］ 前記センサとして、少なくとも第１センサと第２センサ（荷重センサ６５、６６）とを備え、
前記第１センサにおける前記振動体の第１の振動数と、前記第２センサにおける前記振動体の第２の振動数との比率が、整数倍からずれた状態に定めてある、
ことを特徴とする上記［１］に記載の荷重計測装置。

［３］ 前記センサの振動板の振動数が、２０Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲内に定めてある、
ことを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の荷重計測装置。

［４］ １つ又はそれ以上の所定のセンサを用いて荷重を計測するための荷重計測方法であって、
印加される前記荷重によって振動数が変化する振動体（振動板１１ｄ）を前記センサ（荷重センサ１０）に設置すると共に、前記振動体の近傍へ供給される流体の通路（空気流路１５）を形成し、
前記通路を使って前記振動体へ流体を供給することで、前記振動体の振動を誘発し、前記振動体が荷重に応じた振動数の振動を発する、
ことを特徴とする荷重計測方法。

［５］ 前記センサとして、少なくとも第１センサと第２センサ（荷重センサ６５、６６）とを用意すると共に、
前記第１センサにおける前記振動体の第１の振動数と、前記第２センサにおける前記振動体の第２の振動数との比率を整数倍からずれた状態に定める、
ことを特徴とする上記［４］に記載の荷重計測方法。

［６］ 前記センサの振動体の振動数を、２０Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲内に制限する、
ことを特徴とする上記［４］又は［５］に記載の荷重計測方法。

１０，６５，６６ 荷重センサ
１１ 金属プレート
１１ａ 荷重受け部
１１ｂ テコ
１１ｃ テコ支点
１１ｄ 振動板
１２，１３ ハウジング部材
１２ａ，１３ａ 凹部
１４ 空気室
１５ 空気流路
１６ 隙間
４０ 音発生部
４１ 音叉梁
４２ プレート
４２ａ 隙間
４２ｂ 開口部
４３ 高圧領域
４４ 低圧領域
４５ 空気流
４６ 流路
４７ 音波振動
４８ 引張荷重
６０ ブレーキ圧力分布計測装置
６１ ディスクロータ
６２ ロータ回転軸
６３ キャリパー
６４ 油圧ゲージ
６７ 空気供給装置
６８ マイクロホン
６９ 光学エンコーダ
７１ 増幅器
７２ 周波数解析部
７３ センサ信号分離部
７４ データロガー
７５ 圧力分布演算部

Claims (6)

1. 荷重を計測する１つ又はそれ以上のセンサを有する荷重計測装置であって、
   前記センサが、
   印加される前記荷重によって振動数が変化する振動体と、
   前記振動体の近傍へ供給される流体の通路と、
   を備え、前記通路を使って前記振動体へ流体を供給することで前記振動体の振動を誘発し、前記振動体が荷重に応じた振動数の振動を発する、
   ことを特徴とする荷重計測装置。
2. 前記センサとして、少なくとも第１センサと第２センサとを備え、
   前記第１センサにおける前記振動体の第１の振動数と、前記第２センサにおける前記振動体の第２の振動数との比率が、整数倍からずれた状態に定めてある、
   ことを特徴とする請求項１に記載の荷重計測装置。
3. 前記センサの振動体の振動数が、２０Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲内に定めてある、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の荷重計測装置。
4. １つ又はそれ以上の所定のセンサを用いて荷重を計測するための荷重計測方法であって、
   印加される前記荷重によって振動数が変化する振動体を前記センサに設置すると共に、前記振動体の近傍へ供給される流体の通路を形成し、
   前記通路を使って前記振動体へ流体を供給することで、前記振動体の振動を誘発し、前記振動体が荷重に応じた振動数の振動を発する、
   ことを特徴とする荷重計測方法。
5. 前記センサとして、少なくとも第１センサと第２センサとを用意すると共に、
   前記第１センサにおける前記振動体の第１の振動数と、前記第２センサにおける前記振動体の第２の振動数との比率を整数倍からずれた状態に定める、
   ことを特徴とする請求項４に記載の荷重計測方法。
6. 前記センサの振動体の振動数を、２０Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲内に制限する、
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の荷重計測方法。

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