JP2650058B2

JP2650058B2 - 力検出装置

Info

Publication number: JP2650058B2
Application number: JP63329370A
Authority: JP
Inventors: 義輝水谷; 茂佐久間; 信行森; 龍幸尼子
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1988-12-28
Filing date: 1988-12-28
Publication date: 1997-09-03
Anticipated expiration: 2012-09-03
Also published as: JPH02176438A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、梁部材の一端面に作用せしめた外力をそれ
ぞれ垂直のX,Y,Zの３軸方向の力にわけて検出する力検
出装置、および該検出装置の複数個を一平面上に配列せ
しめて荷重分布を計測する計測装置に係り、例えば自動
車タイヤの接地面圧分布や自動車デイスクブレーキのロ
ータとパツドとの間の面圧分布等の測定に利用する力検
出装置および測定装置として適するものである。

〔従来の技術〕

自動車タイヤの接地面圧分布を測定するに用いる力検
出装置として、一対の支柱の間に両支柱から延出された
梁で支持された中央柱を一体的に形成し、該中央柱の上
端に作用する荷重により該中央柱を支持する梁に生ずる
歪を該梁の上下両面に接着した歪ゲージで検出する力検
出装置、およびこの力検出装置の複数個を並列させ、前
記中央柱の頂部をケースの頂板に形成した透孔より前記
頂板の上面より僅かに突出せしめた面圧測定装置が提案
されている（特開昭62−34027号公報）が、この力検出
装置は中央柱の長さ方向（上下方向）の外力しか検出で
きず、また上下方向以外の外力の影響を消去することは
困難である。

また、上下方向（Ｚ軸方向）の外力のほかにＺ軸に垂
直な面内の直交する２軸（Ｘ軸およびＹ軸）方向の外力
を同時に検出するタイヤ接地圧計測装置用として、第17
図に示す力検出装置が用いられているが、この装置は円
柱状に形成した縦梁101の頂部に、該縦梁101の内外径と
ほぼ同一の内外径を有する円環状の支台102にダイアフ
ラム103を一体に形成し、該ダイアフラム103の裏面に歪
ゲージ104を接着した圧力計タイプのセンサを固定し
て、前記縦梁101の軸方向（Ｚ軸方向）に作用する外力
による前記ダイアフラム103の歪を歪ケージ104により検
出し、前記縦梁101の固定端に近接した位置に縦梁101の
外周面にＸ軸方向に垂直な平面部105およびＹ軸方向に
垂直な平面部106を夫々一対形成して、縦梁101にＸ軸方
向に作用する外力の成分により前記平面部105に生じた
歪を歪ケージ107により検出し、縦梁101にＹ軸方向に作
用する外力の成分により前記平面部106に生じた歪を歪
ケージ108により検出するものである。この力検出装置
では、外力を作用せしめる位置がダイアフラム103であ
ることから、作用位置の剛性が全体に均一でないため
に、実際の自動車タイヤの接地現象のように、偏心およ
び分布をもつた面圧がＺ軸方向に作用した場合には、入
力に比例した出力を正確に検出することが困難であり、
Ｘ軸およびＹ軸方向の外力の影響も受けやすい、またＸ
軸およびＹ軸方向の外力を円柱状の棒状体の曲げ歪で検
出しているため、Ｘ軸およびＹ軸回りのモーメントの影
響を受けやすい。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は小型かつ簡単な構造で、かつ外力の作用点が
変位しても、前記外力の互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およ
びＺ軸方向の分力を、それぞれ他方向の分力の影響を受
けることなく高精度に分離計測できる力検出装置、およ
びこの力検出装置を用いた面圧分布を測定するに適した
計測装置を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による力検出装置は、硬質の弾性体材料よりな
る板状の横梁をその長手方向両端に形成した固定部間に
橋架せしめ、該横梁の中央部の少くとも一面に該横梁の
長手方向に垂直に一体的に杆状の縦梁を植立せしめたセ
ンサを用い、前記縦梁の頂部または頂部付近に作用する
外力を互いに垂直な３軸方向に分離検出しようとするも
のであつて、縦梁の長手方向の中心軸（Ｚ軸）方向の外
力またはその分力は横梁に生じる歪により、前記Ｚ軸に
垂直で前記横梁の長手方向に平行なＸ軸方向の外力また
はその分力および前記Ｚ軸およびＸ軸に垂直なＹ軸方向
の外力またはその分力は、それぞれ縦梁に生じた歪によ
り、それぞれ検出する。

このため縦梁の外周面のＸ軸方向に指向する面の少く
とも一面には、縦梁の長手方向の上下２箇所にＸ軸に垂
直な第１の平面を形成して、この第１の平面にそれぞれ
第１の歪ゲージを構成し、この２個の第１の歪ゲージを
それぞれ隣接する辺に組み込んだハーフブリツジ回路に
より、その出力差でＸ軸方向の外力またはその分力を検
出する。縦梁の外周面のＹ軸方向に指向する面の少くと
も一面には、同様に縦梁の長手方向の上下２箇所にＹ軸
に垂直な第２の平面を、前記第１の平面と対応する箇所
に形成して、この第２の平面にそれぞれ第２の歪ゲージ
を構成し、この２個の第２の歪ゲージをそれぞれ隣接す
る辺に組み込んだハーフブリツジ回路により、その出力
差でＹ軸方向の外力またはその分力を検出する。

前記Ｚ軸方向の外力またはその分力を検出するために
は、次の三方式のうちの何れか１つが採用される。その
第１の方式は、横梁には縦梁を植立した上面およびその
反対側の面である下面に、縦梁の長手方向の中心軸から
所定の距離だけ隔たつた対称のそれぞれの位置に、前記
第１の平面に垂直な第３の平面を、縦梁の両側にの横梁
の上下面に４箇所形成してこれらの平面にそれぞれ第３
の歪ゲージを構成し、この第３の歪ゲージのそれぞれを
各辺に組み込んだフルブリツジ回路を構成する。その第
２の方式は横梁には縦梁を植立した上面およびその反対
側の面である下面のいずれか一方の面に、縦梁の長手方
向の中心軸から第１の距離だけ隔たつた対称のそれぞれ
の位置に、前記第１の平面に垂直な第３の平面を２箇所
形成してこれらの平面にそれぞれ第３の歪ゲージを構成
し、さらに縦梁の長手方向の中心軸から前記第１の距離
より小なる第２の距離だけ隔たつたそれぞれ対称の位置
に、前記第１の平面に垂直な第４の平面を２箇所形成し
てこれら第４の平面にそれぞれ第４の歪ゲージを構成す
る。そして前記横梁の第３の歪ゲージおよび第４の歪ゲ
ージのそれぞれを各辺を組みこむとともに、これらの歪
ゲージのうち、縦梁の中心軸上に該縦梁の長手方向の力
が加わつたときに前記横梁の歪が同極性となる位置の歪
ゲージを互いに対向する辺に配置したフルブリツジ回路
を構成する。その第３および第４の方式は、横梁には縦
梁を植立した上面およびその反対側の面である下面に、
縦梁の長手方向の中心軸から第１の距離だけ隔たつたそ
れぞれ対称の位置に、前記第１の平面に垂直な第３の平
面を、縦梁の両側の横梁の上下面に４箇所形成してこれ
らの平面にそれぞれ第３の歪ゲージを構成し、また縦梁
の長手方向の中心軸から前記第１の距離より小なる距離
だけ隔たつた対称のそれぞれの位置に、前記第１の平面
に垂直な第４の平面を同様に４箇所形成してこれら第４
の平面にそれぞれ第４の歪ゲージを構成する。そして第
３の方式は横梁の第３の歪ゲージおよび第４の歪ゲージ
のうちの少くとも１個を各辺に組みこむとともに、これ
らの歪ゲージのうち、縦梁の中心軸上に該縦梁の長手方
向の力が加わつたときに前記横梁の歪が同極性となる位
置の歪ゲージを互いに対向する辺に配置したフルブリツ
ジ回路を構成する。また第４の方式は横梁の一面の第３
の歪ゲージを一辺に直列に組み込むとともに上下面の第
３の歪ゲージを隣接する辺に配置し、前記横梁の一面の
第４の歪ゲージを一辺に直列に組み込むとともに上下面
の第４の歪ゲージを隣接する辺に配置したフルブリツジ
回路を構成する。そして前記第１ないし第４の方式にお
いては、それぞれのフルブリツジ回路が、縦梁の中心軸
上に該梁の長手方向の力が加わつたときに前記横梁の歪
が同極性となる位置の歪ゲージを互いに対向する辺に配
置したことを特徴とし、このフルブリツジ回路により、
Ｚ軸方向の外力またはその分力を出力差で検出し、Ｘ軸
方向の外力またはその分力とＹ軸回りのモーメントによ
る横梁の弾性歪による出力を消去している。またＹ軸方
向の外力またはその分力とＸ軸回りのモーメントによる
横梁の弾性歪による影響を消去するため、横梁の長手方
向に垂直な断面を、その幅が厚さよりも十分に大であつ
て、幅方向の剛性を厚さ方向の剛性より十分大にしたこ
と、および歪ゲージを横梁の幅方向の中心線を中心とし
て構成したものである。

〔実施例〕

第１図に本発明によるセンサの一実施例を斜面図で示
し、第２図ないし第４図には、その上面図、正面図およ
び側面図を示す。

センサ10は、横梁11、横梁11の中央部に一体的に形成
した縦梁基台12、該基台12に一体的に植立せしめた縦梁
13および前記横梁11の両端部に一体的に形成した固定部
14とから成り、全体を鋼、アルミニウム等の硬質の弾性
体材料により形成される。横梁11は長手方向に垂直な断
面において幅を厚さより十分に大として、幅方向の剛性
を厚さ方向の剛性より十分に大とした板状材により形成
され、その中央部および両端部に幅を前記横梁11の幅と
同一とし厚さを該横梁11の厚さの数倍とした立方体状の
外形形状とした縦梁基台12と固定部14を形成し、縦梁基
台12と両端の固定部14との間にそれぞれ位置する横梁11
の長手方向の寸法を同一寸法とする。縦梁基台12には横
梁11の厚さ方向に縦梁13を一体に起立せしめて形成す
る。該縦梁13は、横梁11の幅と同一寸法の辺を有する正
方形断面の杆状に形成され、その中心軸は横梁11の長手
方向に垂直に、その外周面の対向する２面は横梁11の長
手方向に垂直に、他の対向する２面は横梁11の長手方向
に平行に形成される。上記センサ10は、横梁11の両端の
固定部14に縦梁13の中心軸と平行に突設された貫通孔15
を有しており、計測装置の基台の水平な取付座に固定部
14を載置せしめて、貫通孔15に挿入した螺子により固定
すると、横梁11はその長手方向を水平方向に、厚さ方向
を垂直方向として固定部14間に橋架され、縦梁13は垂直
に位置せしめられ、縦梁13の自由端の頂面16に垂直方向
（Ｚ軸方向）の外力Fzが加えられたときは、横梁11と固
定部14との連結部17、17間の横梁11、11が全体として外
力の作用方向に撓み、縦梁13の頂面16に横梁11の長手方
向に平行に水平方向（Ｘ軸方向）の外力Fxが加えられた
ときは、横梁11は該横梁11と縦梁基台12との連接部18と
前記連接部17との間で撓むとともに縦梁13もその中心軸
に関して撓み、縦梁13の頂面に横梁11の長手方向に直角
に水平方向（Ｙ軸方向）の外力Fyが加えられたときは、
縦梁13はその中心軸に関して撓むが、横梁11はその幅方
向の剛性を厚さ方向の剛性よりも十分に大にしてあるの
で、撓みにくい。

なお縦梁基台12は縦梁13に加えられる外力により横梁
11に生起する撓みを可及的に大とするために形成するも
のであつて、図示の実施例においては横梁11の長手方向
における縦梁基台12の長さを縦梁13の断面の一辺の寸法
より若干寸法大なる寸法として示しているが、該基台12
は必ずしも形成する必要がなく、横梁11より直接縦梁13
が起立する形状としてもよい。要は縦梁13の両側に位置
する横梁11の長手方向の寸法を同一とし、縦梁13の中心
軸をその中心に位置せしめることが重要である。

上記センサ10に加えられた外力または外力の分力をＸ
軸、Ｙ軸およびＺ軸に沿つた方向の力に分離し検出する
ために、センサ10に歪ゲージが構成される。この歪ゲー
ジは、半導体単結晶のピエゾ抵抗効果を利用した歪ゲー
ジが高性能でかつ形も小さく、適切である。この歪ゲー
ジは半導体単結晶の薄片により製作して上記センサの表
面に絶縁性接着剤で接着して構成してもよく、あるいは
上記センサの表面に絶縁層を形成した後半導体薄膜を蒸
着法あるいはスパツタリング法によつて形成して構成し
てもよい。歪ゲージは抵抗変化を利用するものであれば
よく、本実施例においては箔歪ゲージを接着せしめて構
成した。図面において各歪ゲージは誇張して大きく画か
れている。

Ｘ軸方向の外力またはその分力を検出するため、上記
センサ10の縦梁13の外周面における横梁11の長手方向に
垂直な面の一面には、横梁11に近接した位置に歪ゲージ
X₁が、自由端の頂面16に近接した位置に歪ゲージX₂が、
それぞれ該面における縦梁13の長手方向に沿う幅の中心
線に沿つて接着される。また、Ｙ軸方向の外力またはそ
の分力を検出するため、縦梁13の外周面における横梁11
の長手方向に平行な面の一面には、横梁11に近接した位
置に歪ゲージY₁が、自由端の頂面16に近接した位置に歪
ゲージY₂が、それぞれ該面における縦梁13の長手方向に
沿う幅の中心線に沿つて接着される。

一方Ｚ軸方向の外力またはその分力を検出するため、
上記センサ10の横梁11には、横梁11と固定部14との連接
部17に近接した位置において、横梁11の上面（縦梁13を
植立せしめた面）に歪ゲージZ₁、Z₄を、下面（その反対
側の面）に歪ゲージZ₅、Z₈を接着し、横梁11と縦梁基部
12との連接部18に近接した位置において、横梁11の上面
に歪ゲージZ₂、Z₃を、下面に歪ゲージZ₆、Z₇を接着す
る。前記連接部17に近接して接着せしめた歪ゲージZ₁、
Z₄、Z₅、Z₈の接着箇所は、縦梁13の中心軸から等しい第
１の距離にある位置とし、また連接部18に近接して接着
せしめた歪ゲージZ₂、Z₃、Z₆、Z₇の接着箇所は縦梁13の
中心軸から前記第１の距離よりは小なる第２の距離にあ
る位置とする。

第５図ないし第８図に基いてＸ軸方向の外力またはそ
の分力を検出する原理および回路を説明する。第５図
は、上記センサ10の横梁11、11がその端部において固定
基台50に固定して水平に橋架され、縦梁13が橋架された
横梁11、11の中央部において垂直に配設されているとこ
ろを示す原理図である。図において外力の作用点である
縦梁13の自由端に形成した平坦な頂面16から距離L₁だけ
離れた位置に歪ゲージX₁が接着構成され、距離L₂だけ離
れた位置に歪ゲージX₂が接着構成されている。今頂面16
に横梁11の長手方向に平行なＸ軸に沿つて外力Fxが作用
した場合を考えると、Ｘ軸に垂直な縦梁13の面51には第
６図の右側の線図に示すように自由端では零で下端の横
梁11への固定部において最大の引張り歪分布を生ずる。
そして自由端より距離L₁、L₂の位置にある歪ゲージX₁、
X₂の出力ε_１、ε_２は、縦梁13の断面係数をＳ、ヤング
率をＥとすると、 ε_１＝Fx・L₁/S・Ｅ ε_２＝Fx・L₂/S・Ｅとなるから、その出力差（ε_１−ε_２）をハーフブリツ
ジ回路を形成して検出すれば、距離（L₁−L₂）は一定値
であるから、検出値は外力Fxに比例した値となる。従つ
て外力Fxが縦梁13の自由端に形成した平坦な頂面16に作
用した場合のみでなく、該頂面16を形成した自由端から
自由端近傍のゲージX₂に至るまでの間の縦梁13の前記面
51に作用した場合も、自由端から該作用位置までの距離
に関係なく同様に外力Fxの検出が可能である。

次に第７図によつて、第５図と同様のＸ軸方向の外力
Fxのほかに、縦梁13の中心軸52よりＸ軸方向に距離ｅだ
け偏心した位置にＺ軸方向の外力Fzが作用する場合を考
える。Ｘ軸方向の外力Fxのみにより前記面51に生ずる引
張り歪分布は、第６図の場合と同一である。Ｘ軸方向に
偏心した位置に作用するＺ軸方向の外力FzはＹ軸回りの
モーメントMyを生ずる外力であり、縦梁13の前記面51に
引張り歪Fz・e/S・Ｅを生ずる。即ち前記面51の表面の
引張り歪分布は第７図の右側に示した線図のとおりとな
り、歪ゲージX₁の出力ε′_１と歪ゲージX₂の出力ε′_２
とは、それぞれ ε′_１＝ε_１＋Fz・e/S・E, ε′_２＝ε_２＋Fz・e/S・Ｅであらわされ、Ｙ軸回りのモーメントMyにより前記面51
の表面に付加される引張り歪はＺ軸方向に沿つて一定で
あるから、歪ゲージX₁の出力ε′_１と歪ゲージX₂の出力
ε′_２の出力差を検出すれば、前記モーメントMyによる
影響が消去され、Ｘ軸方向の外力Fxの大きさが検出でき
る。

従つて第８図の最上段に示したように歪ゲージX₁と歪
ゲージX₂とを隣接する辺に組みこんだハーフブリツジ回
路によりＸ軸方向の外力Fxを検出することができる。

また第５図において縦梁13の外周面の横梁11の長手方
向に垂直な他の面53を考えると、該面53には外力Fxによ
り圧縮歪が面51に生じた引張り歪と同様の分布勾配で発
生しているから、面51における歪ゲージ構成位置と対称
する自由端の頂面16から距離L₁,L₂隔たつた位置に歪ゲ
ージX₃,X₄を接着構成すると、前記と同様に外力Fxに比
例した出力を得るから、第８図の第２段に示したように
歪ゲージX₃と歪ゲージX₄とを隣接する辺に組みこんだハ
ーフブリツジ回路からの出力と、最上段の回路の出力と
を差動増幅すると２倍の出力を得られる。

第１図、第２図に示すように、縦梁13の中心軸52に垂
直でかつ横梁11の長手方向に平行な縦梁13の面54には、
縦梁13の自由端の頂面16から距離L₁だけ隔たつた位置に
歪ゲージY₁が、また距離L₂だけ隔たつた位置に歪ゲージ
Y₂が接着構成される。そして頂面16に横梁11の長手方向
および縦梁13の中心軸52に垂直なＹ軸に沿つて外力Fyが
作用した場合は、該面54に第６図および第７図において
外力Fxにより生ずる引張り歪について説明したと同様の
引張り歪の分布および勾配が生ずるから、第８図の第３
段に示したように歪ゲージY₁と歪ゲージY₂とを隣接する
辺に組みこんだハーフブリツジ回路によりＹ軸方向の外
力Fyを検出することができる。また縦梁13の前記面54に
平行な他の面55（第４図）には外力Fyにより圧縮歪を生
ずるから、面54における歪ゲージ構成位置と対応する自
由端の頂面16から距離L₁,L₂だけ隔たつた位置に歪ゲー
ジY₃,Y₄を接着構成し、第８図の第４段に示したように
歪ゲージY₃と歪ゲージY₄とを隣接する辺に組みこんだハ
ーフブリツジ回路からの出力と、第３段の回路の出力と
を作動増幅すると２倍の出力を得られる。

前記外力Fx,Fyは第１の面と第２の面とのみでも検出
できるが、本実施例のようにそれぞれ相対する２面で求
めると、前記のように出力が２倍になるほか、極性の異
なる方向の外力が作用した場合にも安定した出力が得ら
れるとともに、他の外力による影響を除去することがで
きる。

第９図は第５図と同様の原理図であつて、第９図には
Ｚ軸方向の外力またはその分力を検出するための歪ゲー
ジZ₁〜Z₈のみが示されている。第10図はＺ軸方向の外力
またはその分力を検出するための歪ゲージの結線方法の
一例を示した回路であつて、横梁11の上面の固定部14と
の連接部17に近接せしめて接着構成した歪ゲージZ₁,Z₄
（第３の歪ゲージ）を直列に結線した辺と横梁11の下面
の固定部14との連接部17に近接せしめて接着構成した歪
ゲージZ₅,Z₈（第３の歪ゲージ）を直列に結線した辺と
を隣接する辺に配置し、横梁11の上面の縦梁基部12との
連接部18に近接せしめて接着構成した歪ゲージZ₂,Z
₃（第４の歪ゲージ）を直列に結線した辺と横梁11の下
面の縦梁基部12との連接部18に近接せしめて接着構成し
た歪ゲージZ₆,Z₇（第４の歪ゲージ）を直列に結線した
辺とを隣接する辺に配置したフルブリツジ回路を構成
し、前記連結部17に近接せしめて配置した歪ゲージを連
結した辺間および前記連接部18に近接せしめて配置した
上下の歪ゲージを連結した辺間から取り出した出力を検
出出力とする回路を示している。

前記センサ10の縦梁13にＺ軸方向の外力Fzが作用する
と、第11a図に示すように横梁11が撓み、歪ゲージZ₁,
Z₄,Z₆,Z₇は引張り歪を検出し、歪ゲージZ₂,Z₃,Z₅,Z₈は
圧縮歪を検出し、歪ゲージの出力は、図に「＋」、
「−」で表示したような極性となつて、フルブリツジ回
路の各辺の歪ゲージの極性は第11b図に示すように各辺
ごとに同一の極性を示すことになる。そこで歪ゲージを
接着した個所の横梁11の表面に生じた歪みがすべて等し
い歪み（絶対値で）あるとすれば、フルブリツジ回路の
出力は１枚の歪ゲージの出力の４倍となる。

また前記センサ10の縦梁13にＸ軸方向の外力Fxが作用
すると、第12a図に示すように横梁11が撓み、歪ゲージZ
₁,Z₃,Z₆,Z₈は引張り歪を検出し、歪ゲージZ₂,Z₄,Z₅,Z₇
は圧縮歪を検出して、歪ゲージの圧力は、図に「＋」、
「−」で表示したような極性となつて、外力Fxによる歪
はフルブリツジ回路により電気的に相殺され、検出され
ないこととなる。

さらにＹ軸方向の外力Fyについては、前述したように
横梁11の幅方向の剛性を厚さ方向の剛性より十分に大と
したこと、および歪ゲージZ₁〜Z₈を横梁11の中心軸上に
接着構成したことで抑えることができる。

なおＺ軸方向の外力またはその分力を検出するための
歪ゲージの結線方法は、前記８個の歪ゲージZ₁〜Z₈のう
ちＺ軸方向の外力Fzが加わつたとき横梁11の歪が同極性
となる位置の歪ゲージを各辺に直列に組みこむととも
に、反対の極性となる対称な位置の歪ゲージを組みこん
だ辺と隣合わせにフルブリツジ回路を構成するものであ
るから、第10図に示したフルブリツジ回路のほかに、第
13a図または第13b図に示す回路を構成することができ
る。第10図、第13a図または第13b図に示したように８個
の歪ゲージでフルブリツジ回路を構成した本発明の実施
例は、極性の異なる外力Fzが作用した場合の出力の安定
化や、他の外力Fx、Fyまたはその分力に対する影響の除
去に極めて効果がある、好適な実施例である。

本発明においては歪ゲージは必ずしも８個を構成する
必要がなく、Ｚ軸方向の外力Fzが加わつたとき横梁11の
歪が同極性となる対称な位置の歪ゲージ２個と横梁11の
歪が反対の極性となる対称な位置の歪ゲージ２個との４
個を構成し、これにより第14a図、第14b図または第14c
図に示すようにフルブリツジ回路を構成することも可能
である。

上記本発明の実施例におけるフルブリツジ回路は、何
れも縦梁の中心軸上に該縦梁の長手方向の力が加わつた
ときに前記横梁の歪が同極性となる位置の歪ゲージを互
いに対向する辺に配置したフルブリツジ回路に構成され
ていることを特徴とする。

第15図および第16図は、上記センサを備えた力検出装
置を自動車タイヤの接地圧分布計測装置に適用した実施
例を示す。

タイヤの転勤時に、接地面にはＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸
方向の力Fx,Fy,Fzと、Ｘ軸回りのモーメントMx,Y軸回り
のモーメントMy,Z軸回りのモーメントMzの６分力が発生
する。前記３軸方向の力は、接地面内における単位面積
あたりに発生する接地圧力Fzと摩擦力Fx,Fyを総計した
ものであり、これらの力が各軸回りにつくるモーメント
を総計したものが、タイヤに作用するモーメントとな
る。従つてこの６分力を評価するには、単位面積あたり
に発生する力Fx,Fy,Fzの３成分を接地面全体にわたつて
求めればよい。

第15図に示す計測装置は平板式タイヤ試験機などとの
併用による台上試験に用いる計測装置であり、タイヤ21
は固定部分22に回転自在に支承された軸23に取付けられ
て計測装置24の測室板25の頂面26上に接地せしめられ、
計測装置24はローラ26によりタイヤ設置面の表面速度で
設置長分だけ直線方向に移動せしめられ、これにより計
測装置24に配設したセンサ10の縦梁13の頂面16にタイヤ
からの力が伝達される。センサ10は横梁11の長手方向を
平行せしめて複数個が計測装置24の測定板25の内部に配
設され、縦梁13の長手方向の中心軸を一線上に整列せし
めて取付けられる。例えば鋼製のセンサで容量が5kgf/c
m²場合、センサ10の横梁11の幅および縦梁13の断面の一
辺の幅は4mmに形成され、このセンサ10が5mm程度の間隔
で軸23の軸方向にタイヤ21の全幅にわたる接地圧分布が
計測できるように配列される。

第16図は計測装置の断面図を示し、測定板25を支承す
る基板27には、その表面にセンサ10の固定部14間の寸法
に等しい幅の凹条28が刻設され、前記基板27の凹条28と
の境界部を共通の基台29として、センサ10の固定部14の
貫通孔15に挿入した螺子30により、複数個のセンサ10を
整列固定せしめている。

計測装置24の計測板25には開口部31が形成され、各セ
ンサ10の縦梁13の自由端を該開口部31に臨ませ、その自
由端の頂面16を計測板25の表面とほぼ同一平面上にあら
しめている。

このように構成したことにより、少なくともタイヤ設
置長分だけ計測装置24を移動させることにより、接地面
全体にわたる接地圧分布と摩擦力分布を計測することが
できる。

また第16図に示した計測装置は計測板25の表面を自動
車の走行用路面と同一平面となるように路面に設置する
ことにより、実車走行状態での計測が可能である。

なお本発明においては、歪ゲージX₁〜X₄の群、Y₁〜Y₄
の群およびZ₁〜Z₈の群はそれぞれ同一特性の歪ゲージを
用いることが好ましい。また縦梁13は横梁11の幅を一辺
とする正方形断面の杆状体に限られるものではなく、正
８角形断面、正16角形断面の杆状体でもよく、また任意
の直径の円形断面の杆状体であつてもよく、この場合第
１の平面および第２の平面を外周面に形成すればよい。

［発明の作用および効果］本発明の力検出装置は、長手方向に垂直な断面におい
て幅を圧さより十分に大とした板状の横梁を、その長手
方向両端に形成した固定部間に前記断面における幅を上
下面として橋架せしめ、前記横梁の中央部の少くとも一
面に該横梁に垂直に杆状の縦梁を一体的に植立せしめる
ことともに、横梁および縦梁を硬質の弾性体材料により
形成してセンサを構成したから、縦梁の自由端の頂面に
縦梁の長手方向（Ｚ軸方向）に外力が作用したときは横
梁に外力の作用方向への撓みが生じ、縦梁の自由端の頂
面に横梁の長手方向に平行な方向（Ｘ軸方向）に外力が
作用したときは、縦梁に曲げおよび横梁に厚さ方向の撓
みが生じ、縦梁の自由端に横梁の幅方向に平行な方向
（Ｙ軸方向）に外力が作用したときは、縦梁に曲げが生
ずるが、横梁は幅方向の剛性を厚さ方向の剛性より十分
に大に構成しているから、ほとんど撓みを生じない。

本発明は上記センサの縦梁および横梁に生じた曲げ歪
みを検出することにより、縦梁の自由端に作用した外力
をＸ軸方向の分力、Ｙ軸方向の分力、Ｚ軸方向の分力に
分離して検出しようとするものであつて、縦梁にはその
横梁の長手方向（Ｘ軸方向）に垂直な第１の平面をその
少くとも外周面の一面の上下２個所に形成して、その第
１の平面にそれぞれ第１の美済ゲージを構成し、該第１
の歪ゲージをそれぞれ隣接する辺に組み込んだハーフブ
リツジ回路を設けて２個の歪ゲージの出力差を検出する
ようにしたから、Ｘ軸方向の外力が縦梁の自由端から自
由端側の第１の歪ゲージの間で縦梁の長手方向または幅
方向に偏心して作用したり、あるいはＺ軸方向の外力Fz
がＸ軸およびＹ軸に関して偏心して作用しても、外力の
作用点による影響は消去され、外力またはその分力に比
例した出力を得られるので、予め既知のＸ軸方向の外力
を加えてその出力によりキヤリブレーシヨンを行うこと
により、正確に外力のＸ軸方向成分を検出することがで
きる。またＹ軸方向の外力成分についても、前記第１の
平面に直交し横梁の長手方向に平行な第２の平面を前記
縦梁の他の少くとも一面の上下２個所に形成して、この
第２の平面にそれぞれ第２の歪ゲージをそれぞれ構成
し、この第２の歪みゲージをそれぞれ隣接する辺に組み
込んだハーフブリツジ回路を設けて２個の歪ゲージの出
力差を検出するようにしたから、Ｘ軸方向の外力成分の
検出と同一理由によりＹ軸方向成分を正確に検出するこ
とができる。

さらに横梁には、その上下面の幅方向の中心線に沿つ
て、横梁の上下面に、縦梁の長手方向の中心線より第１
の距離だけ隔立つた対称の位置に前記第１の面および第
２の平面にともに垂直な第３の平面を４個所形成して、
該第３の平面にそれぞれ第３の歪ゲージを構成し、およ
び／または、縦梁の長手方向の中心軸より前記第１の距
離より小なる第２の距離だけ隔つた対称の位置に前記第
１の平面および第２の平面にともに垂直な第４の平面を
４個所形成して、該第４の平面にそれぞれ第４の歪ゲー
ジを構成するとともに、前記４個の第３の歪ゲージのそ
れぞれを各辺に組み込んだフルブリツジ回路、または前
記４個の第４の歪ゲージのそれぞれを各辺に組み込んだ
フルブリツジ回路、または前記横梁の上下面の何れか一
方の面に形成された２個の第３の歪ゲージおよび２個の
第４の歪ゲージのそれぞれを各辺に組み込んだフルブリ
ツジ回路を構成し、あるいは前記横梁の一面の第３の歪
ゲージの２個を一辺に直列に組み込むとともに上下面の
それぞれ２個の第３の歪ゲージを隣接する辺に配置し、
前記横梁の一面の第４の歪ゲージの２個を一辺に直列に
組み込むとともに上下面のそれぞれ２個の第４の歪ゲー
ジを隣接する辺に配置したフルブリツジ回路を構成し、
さらに前記各ブリツジ回路においては、前記縦梁の中心
軸上に該縦梁の長手方向の力が加わつたときに前記横梁
の歪が同極性となる位置の歪ゲージを互いに対向する辺
に配置し、これによりＺ軸方向の外力またはその分力を
検出するようにした。従つて、縦梁の長手方向に平行な
外力またはその成分により横梁が撓んだときは、フルブ
リツジ回路の対向する２辺に組み込まれた歪ゲージは横
梁表面の引つ張り歪による出力を出力し、他の対向する
２辺に組み込まれた歪ゲージは横梁表面の圧縮歪による
出力をそれぞれ出力するから、フルブリツジ回路は外力
のＺ軸方向成分に比例する値を出力し、予め既知のＺ軸
方向の外力を加えてその出力によりキヤリブレーシヨン
を行うことにより、正確に外力のＺ軸方向成分を検出す
ることができる。そして外力のＸ軸方向成分が大であつ
て横梁に撓みを生ずる場合は、Ｚ軸方向の外力が作用す
る場合の撓みと異るが、Ｘ軸方向の外力により横梁に発
生する歪は前記フルブリツジ回路において電気的に相殺
させるためＺ軸方向の外力のみに比例した出力を検出す
ることができる。また横梁が幅方向の剛性を厚さ方向の
剛性より十分大に形成したことと、横梁に形成した歪ゲ
ージを横梁の幅方向の中心線上に構成したことにより、
その出力に対する影響を解消せしめている。

このように本発明による力検出装置は、Ｘ軸,Y軸,Z軸
の３軸方向の外力成分を各々が相互に影響されることな
く精度よく計測でき、構造が簡単で各外力成分による変
形量や歪量が容易に算出でき、装置の定格容量の設定
や、収納スペースの制約から生ずる設計変更にも、時間
を要することなく対応できるものである。

さらに上記出力装置のセンサを、横梁の長手方向を平
行せしめるとともに縦梁の長手方向の中心軸を一線上に
整列せしめて複数個配設し、横梁の両端に形成した固定
部をそれぞれ共通の基台に固定せしめ、前記縦梁の頂部
を前記基台を覆う測定板の開口部に臨ませ、縦梁の自由
端の頂面を前記測定板の表面とほぼ同一表面にあらしめ
て圧力分布計測装置を構成せしめることにより、並列せ
しめたセンサの縦梁の頂面に当接した物体の縦梁の整列
方向に沿う圧力分布がＸ軸方向,Y軸方向およびＺ軸方向
に分離して検出測定でき、連続して前記物体を前記セン
サに転接せしめることにより、該物体の計測面への転接
面における圧力分布を精度よく検出測定できる有用な効
果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の力検出装置におけるセンサの一実施例
の斜面図、第２図はその上面図、第３図はその正面図、
第４図はその側面図、第５図は本発明のＸ軸方向の外力
成分を計測する原理を示す原理図、第６図および第７図
はそれぞれ外力により縦梁に生ずる歪み応力の発生およ
び勾配を示す原理図、第８図はＸ軸方向およびＹ軸方向
外力成分を検出するハーフブリツジ回路を示す回路図、
第９図はＺ軸方向の外力成分を計測する原理を示す原理
図、第10図は前記Ｚ軸方向外力成分を検出する８個の歪
ゲージを用いたフルブリツジ回路の一例を示す回路図、
第11a図および第11b図はそれぞれＺ軸方向の外力による
横梁の歪みを示す図および回路の極性を示す図、第12a
図および第12b図はそれぞれＸ軸方向の外力による横梁
の撓みを示す図および回路の極性を示す図、第13a図お
よび第13b図はそれぞれ前記Ｚ軸方向外力成分を検出す
るフルブリツジ回路の他の例を示す回路図、第14a図、
第14b図および第14c図はそれぞれ歪ゲージ４個を用いた
フルブリツジ回路の例を示す回路図、第15図は本発明に
よる圧力分布計測装置の一例を示す斜面図、第16図はそ
の要部断面図、第17図は従来装置の一部欠截側面図を示
す。なお図中次の符号は次の部分を示すものである。 10……センサ,11……横梁， 12……縦梁基部,13……縦梁， 14……固定部,X₁〜X₄……歪ゲージ， Y₁〜Y₄……歪ゲージ,Z₁〜Z₈……歪ゲージ， 24……計測装置,25……計測板， 27……基板,29……基台， 31……開口部。

フロントページの続き (72)発明者尼子龍幸愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献特開昭61−223626（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−255635（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−75930（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】硬質の弾性体材料より成り、長手方向に垂
直な断面において幅を厚さより十分に大とした板状の横
梁を、その長手方向両端に形成した固定部間に前記断面
における幅を上下面として橋架せしめ、前記横梁の中央
部の少くとも一面に該横梁に垂直に硬質の弾性体材料よ
り成る杆状の縦梁を一体的に植立せしめ、該縦梁には前
記横梁の長手方向に垂直な第１の平面を前記縦梁の少く
とも一面の上下２個所に形成して、該第１の平面に第１
の歪ゲージをそれぞれ構成するとともに、前記第１平面
に直交する第２の平面を前記縦梁の他の少くとも一面に
前記第１の平面と対応する箇所に上下２個所に形成し
て、該第２の平面に第２の歪ゲージをそれぞれ構成し、
かつ前記横梁の上下面には該横梁の幅方向の中心線に沿
つて、前記縦梁の長手方向の中心軸より所定の距離隔つ
た対称のそれぞれの位置に前記第１の平面に垂直な第３
の平面を４箇所形成して、該第３の平面にそれぞれ第３
の歪ゲージを構成したセンサと、前記第１の歪ゲージを
それぞれ一辺に組み込んだハーフブリツジ回路、前記第
２の歪ゲージをそれぞれ一辺に組み込んだハーフブリツ
ジ回路および前記横梁の第３の歪ゲージのそれぞれを各
辺に組みこむとともに、これらの歪ゲージのうち、縦梁
の中心軸上に該縦梁の長手方向の力が加わつたときに前
記横梁の歪が同極性となる位置の歪ゲージを互いに対向
する辺に配置したフルブリツジ回路とを設けたことを特
徴とする力検出装置。
【請求項２】硬質の弾性体材料より成り、長手方向に垂
直な断面において幅を厚さより十分に大とした板状の横
梁を、その長手方向両端に形成した固定部間に前記断面
における幅を上下面として橋架せしめ、前記横梁の中央
部の少くとも一面に該横梁に垂直に硬質の弾性体材料よ
り成る杆状の縦梁を一体的に植立せしめ、該縦梁には前
記横梁の長手方向に垂直な第１の平面を前記縦梁の少く
とも一面の上下２個所に形成して、該第１の平面に第１
の歪ゲージをそれぞれ構成するとともに、前記第１平面
に直交する第２の平面を前記縦梁の他の少くとも一面に
前記第１の平面と対応する箇所に上下２個所に形成し
て、該第２の平面に第２の歪ゲージをそれぞれ構成し、
かつ前記横梁の上下面の何れか一方の面には該横梁の幅
方向の中心線に沿つて、前記縦梁の長手方向の中心軸よ
り第１の距離隔つた対称のそれぞれの位置に前記第１の
平面に垂直な第３の平面を２箇所形成して、該第３の平
面にそれぞれ第３の歪ゲージを構成し、さらに前記横梁
の前記第３の平面が形成された面上にあつて前記縦梁の
長手方向の中心軸より前記第１の距離より小なる第２の
距離隔つた対称のそれぞれの位置に前記第１の平面に垂
直な第４の平面を２箇所形成して、該第４の平面にそれ
ぞれ第４の歪ゲージを構成したセンサと、前記第１の歪
ゲージをそれぞれ一辺に組み込んだハーフブリツジ回
路、前記第２の歪ゲージをそれぞれ一辺に組み込んだハ
ーフブリツジ回路および前記横梁の第３の歪ゲージおよ
び第４の歪ゲージのそれぞれを各辺に組みこむととも
に、これらの歪ゲージのうち、縦梁の中心軸上に該縦梁
の長手方向の力が加わつたときに前記横梁の歪が同極性
となる位置の歪ゲージを互いに対向する辺に配置したフ
ルブリツジ回路とを設けたことを特徴とする力検出装
置。
【請求項３】硬質の弾性体材料より成り、長手方向に垂
直な断面において幅を厚さより十分に大とした板状の横
梁を、その長手方向両端に形成した固定部間に前記断面
における幅を上下面として橋架せしめ、前記横梁の中央
部の少くとも一面に該横梁に垂直に硬質の弾性体材料よ
り成る杆状の縦梁を一体的に植立せしめ、該縦梁には前
記横梁の長手方向に垂直な第１の平面を前記縦梁の少く
とも一面の上下２個所に形成して、該第１の平面に第１
の歪ゲージをそれぞれ構成するとともに、前記第１平面
に直交する第２の平面を前記縦梁の他の少くとも一面に
前記第１の平面と対応する箇所に上下２個所に形成し
て、該第２の平面に第２の歪ゲージをそれぞれ構成し、
かつ前記横梁の上下面には該横梁の幅方向の中心線に沿
つて、前記縦梁の長手方向の中心軸より第１の距離隔つ
た対称のそれぞれの位置に前記第１の平面に垂直な第３
の平面を４箇所形成して、該第３の平面にそれぞれ第３
の歪ゲージを構成し、さらに前記縦梁の長手方向の中心
軸より前記第１の距離より小なる第２の距離隔つた対称
のそれぞれの位置に前記第１の平面に垂直な第４の平面
を４箇所形成して、該第４の平面にそれぞれ第４の歪ゲ
ージを構成したセンサと、前記第１の歪ゲージをそれぞ
れ一辺に組み込んだハーフブリツジ回路、前記第２の歪
ゲージをそれぞれ一辺に組み込んだハーフブリツジ回路
および前記横梁の第３の歪ゲージおよび第４の歪ゲージ
のうち少くとも１個を各辺に組みこむとともに、これら
の歪ゲージのうち、縦梁の中心軸上に該縦梁の長手方向
の力が加わつたときに前記横梁の歪が同極性となる位置
の歪ゲージを互いに対向する辺に配置したフルブリツジ
回路とを設けたことを特徴とする力検出装置。
【請求項４】硬質の弾性体材料より成り、長手方向に垂
直な断面において幅を厚さより十分に大とした板状の横
梁を、その長手方向両端に形成した固定部間に前記断面
における幅を上下面として橋架せしめ、前記横梁の中央
部の少くとも一面に該横梁に垂直に硬質の弾性体材料よ
り成る杆状の縦梁を一体的に植立せしめ、該縦梁には前
記横梁の長手方向に垂直な第１の平面を前記縦梁の少く
とも一面の上下２個所に形成して、該第１の平面に第１
の歪ゲージをそれぞれ構成するとともに、前記第１平面
に直交する第２の平面を前記縦梁の他の少くとも一面に
前記第１の平面と対応する箇所に上下２個所に形成し
て、該第２の平面に第２の歪ゲージをそれぞれ構成し、
かつ前記横梁の上下面には該横梁の幅方向の中心線に沿
つて、前記縦梁の長手方向の中心軸より第１の距離隔つ
た対称のそれぞれの位置に前記第１の平面に垂直な第３
の平面を４箇所形成して、該第３の平面にそれぞれ第３
の歪ゲージを構成し、さらに前記縦梁の長手方向の中心
軸より前記第１の距離より小なる第２の距離隔つた対称
のそれぞれの位置に前記第１の平面に垂直な第４の平面
を４箇所形成して、該第４の平面にそれぞれ第４の歪ゲ
ージを構成したセンサと、前記第１の歪ゲージをそれぞ
れ一辺に組み込んだハーフブリツジ回路、前記第２の歪
ゲージをそれぞれ一辺に組み込んだハーフブリツジ回路
および前記横梁の一面の第３の歪ゲージを一辺に直列に
組み込むとともに上下面の第３の歪ゲージを隣接する辺に配置し、前記横梁の一面の第４の歪ゲージを一
辺に直列に組み込むとともに上下面の第４の歪ゲージを
隣接する辺に配置したフルブリツジ回路とを設けたこと
を特徴とする力検出装置。
【請求項５】請求項１ないし請求項４に記載のセンサの
複数個を、前記横梁の長手方向を平行せしめるととも
に、縦梁の長手方向の中心軸を一線上に整列せしめて、
前記横梁の両端に形成した固定部をそれぞれ共通の基台
に固定せしめ、前記縦梁の頂部を前記基台を覆う測定板
の開口部に臨ませ、前記縦梁の頂面を前記測定板の表面
とほぼ同一表面にあらしめたことを特徴とする圧力分布
計測装置。