JP3783073B2 - 構造体の作用力計測方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本願発明は、構造体の作用力計測方法および装置に関し、詳しくは、自動車の車輪支持部材など、同時に複数種類の力が作用する場合において、ひずみゲージで構成される簡易なセンサを用いて各作用力を分離計測するための技術に関する。
【０００２】
【発明の背景】
たとえば、自動車などの車輪を支持する車軸あるいは車軸支持部材には、走行中に様々な力が作用する。これを図１に示す簡単なモデルについて説明すると、制動時にタイヤ１０が路面から受ける摩擦力Ｆは、車軸２０に対して車両前後方向に等価に作用する。路面反力（垂直荷重）Ｎは、車軸２０に対して垂直方向に作用する。また、制動時には、車軸２０をねじろうとするブレーキトルクＦｂが作用する。
【０００３】
本願の出願人による特開平３−２２００５６号公報には、理想的なＡＢＳ（Anti-Skid Brake System) の制御についての提案がなされている。この提案は、路面摩擦係数あるいはこれに相当する物理量をリアルタイムで検出して、路面の状態にかかわらず、最大の制動効果を生むようにブレーキ液圧を制御しようとするものである。上記公報によってなされた提案は、いわゆるタイヤのスリップ率を推測演算して、路面摩擦係数μが最大となるスリップ率（車体速度−車輪周速度／車体速度）となるようにブレーキ液圧を制御するという現存のＡＢＳとは、大いに異なる。
【０００４】
すなわち、現存のＡＢＳにおいては、スリップ率を演算するための根拠となるべき車体速度を直接計測することができないため、演算によって車体速度およびスリップ率を求めており、したがって、正確な制御を行うことができない。また、乾燥アスファルト路面、水濡れアスファルト路面、土路面、凍結路面等、路面の状態によって、スリップ率と路面摩擦係数との関係が異なるが、現存のＡＢＳは、これに対応できない。
【０００５】
上記公報に示された提案は、リアルタイムで計測される路面摩擦係数あるいはこれに相当する物理量をＡＢＳ制御に用いているので、上記現存のＡＢＳの欠点は、すべて解消される。
【０００６】
ところで、路面摩擦係数μは、直接には計測することができないが、μ＝Ｆ／Ｎとの関係式によって、路面摩擦力Ｆと路面垂直抗力Ｎとを計測することができれば、演算によって求めることができる。
【０００７】
本願の出願人は先に、特願平５−６５８９１（特開平６−２４１９２２号）等において、ひずみゲージからなるセンサセグメントを車軸内の最適位置に埋設し、たとえば、車軸に作用するブレーキトルクＦｂの影響を少なくしつつ摩擦力Ｆを検出する手法を提案している。この手法は、４つのセンサセグメントのブリッジをセグメント切り換え可能に構成し、第１のセグメント構成を選択することによって水平方向の剪断力を検出するとともに、第２のセグメント構成によってブレーキトルク成分を求め、これを補正項として上記第１のセグメント構成によって検出された剪断力を補正しようとするものである。
【０００８】
しかしながら、上記の手法は、セグメント構成の切り換えによる時間遅れが発生し、リアルタイムで路面摩擦係数μを演算する上で問題が残るし、車軸には、前述したように、路面摩擦力ＦやブレーキトルクＦｂ以外に、路面垂直抗力ＮあるいはサイドフォースＳが作用する場合があり、これらの影響も無視できない。
【０００９】
一方、車軸に埋設するなどしたひずみゲージからなるセンサセグメントを用いることにより、路面摩擦力Ｆ、路面垂直抗力Ｎ、ブレーキトルクＦｂ、およびサイドフォースＳの４種類の力を分離計測することができれば、上記したようなＡＢＳの最適制御のほか、コーナリング時のサイドフォースを考慮した四輪操舵制御等、自動車の総合的な走行最適化制御のための入力として、有効に利用することができる。
【００１０】
【発明の開示】
したがって、本願発明の目的は、車両の車軸ないしは車軸支持部材に配置したひずみゲージからなるセンサセグメントを用いて、路面摩擦力Ｆ、路面垂直抗力Ｎ、ブレーキトルクＦｂ、およびサイドフォースＳを分離計測する方法および装置を提供することである。
【００１１】
本願発明の他の目的は、構造体のＸ軸方向作用力、Ｙ軸方向作用力、Ｚ軸方向作用力およびＹ軸周りのトルクの４種類の作用力をひずみゲージからなるセンサセグメントを用いて簡便に分離計測する方法および装置を提供することである。
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
本願発明の第１の側面によって提供される構造体の作用力計測方法は、構造体に作用するＸ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、および、Ｙ軸周りのトルクＦｂのいずれか２つ、３つまたは４つを計測するための方法であって、上記構造体には、上記Ｘ軸方向力Ｆを計測するに適したひずみゲージを有するＦセンサと、上記Ｙ軸方向力Ｓを計測するに適したひずみゲージを有するＳセンサと、上記Ｚ方向力Ｎを計測するに適したひずみゲージを有するＮセンサと、上記Ｙ軸周りのトルクＦｂを計測するに適したひずみゲージを有するＦｂセンサの少なくとも２つが配置されており、
上記各センサのうちのいずれかのセンサの出力が表すひずみ量に係数を乗じて当該作用力を求めるにあたり、他の作用力の大きさによる上記係数の変化傾向に応じ、他の作用力が作用している場合にその大きさによって決まる係数を用いて当該作用力を求めるようにしたことを特徴とするものである。
【００１９】
本願発明の第２の側面によって提供される構造体の作用力計測装置は、構造体に作用するＸ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、および、Ｙ軸周りのトルクＦｂのいずれか２つ、３つまたは４つを計測するための装置であって、上記構造体には、上記Ｘ軸方向力Ｆを計測するに適したひずみゲージを有するＦセンサと、上記Ｙ軸方向力Ｓを計測するに適したひずみゲージを有するＳセンサと、上記Ｚ方向力Ｎを計測するに適したひずみゲージを有するＮセンサと、上記Ｙ軸周りのトルクＦｂを計測するに適したひずみゲージを有するＦｂセンサの少なくとも２つが配置されており、上記各センサのうちのいずれかのセンサの出力が表すひずみ量に係数を乗じて当該作用力を求める演算手段と、他の作用力の大きさによる上記係数の変化傾向を記憶する記憶手段と、を備え、上記演算手段は、他の作用力が作用している場合にその大きさに応じた係数を上記記憶手段から読み出し、この係数を用いて当該作用力を求めるように構成されていることを特徴とするものである。
【００２０】
本願発明の各側面の技術的意義は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明により、明らかとなろう。
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【発明の実施の形態】
本願発明の第１および第２の側面に係る構造体の作用力計測方法および装置は、構造体に作用するＸ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、およびＹ軸周りのトルクＦｂのいずれか２つ、３つ、または４つを計測するための方法および装置である。これを車両の車軸周りに作用する力についていえば、図１に示すように、上記Ｘ軸方向力は路面摩擦力Ｆ、上記Ｙ軸方向力はサイドフォースＳ、Ｚ軸方向力は路面垂直抗力Ｎ、上記Ｙ軸周りのトルクは制動時に作用するブレーキトルクＦｂに相当する。
【００３１】
ここで、構造体２０には、上記Ｘ軸方向力Ｆを計測するに適したひずみゲージを有するＦセンサ３１と、上記Ｙ軸方向力Ｓを計測するに適したひずみゲージを有するＳセンサ３２と、上記Ｚ軸方向力Ｎを計測するに適したひずみゲージを有するＮセンサ３３と、上記Ｙ軸周りのトルクＦｂを計測するに適したひずみゲージを有するＦｂセンサ３４とが配置される。各センサは、単数でも複数でもよい。そして、各センサは、図２、図３に示したような構成のひずみゲージａ，ｂ，ｃ，ｄを有するものであってもよいし、その他の構成のひずみゲージを有するものであってもよい。
【００３２】
たとえば、上記Ｎセンサを形成する場合、図４に示すように、樹脂、金属またはシリコンなどでできた四角柱２２の上下面にひずみゲージａ，ｂを貼着したセグメントを、車軸２０に開けた孔内に図４に示すように長軸がＹ方向に向くように配設した構成とすることができる。この場合も、目的の作用力（垂直抗力Ｎ）以外の作用力による影響を受けにくい場所に配設することはいうまでもない。この場合、垂直抗力Ｎが作用した場合、図にＮ１で示す曲げ変形が起こるため、次の式(1) によって垂直抗力Ｎを演算することができる。
【００３３】
【数１】
ここで、Δａおよびｂはひずみゲージの変形によって計測されるひずみ量であり、ｋn は係数である。
【００３４】
この場合、図５に示すように、各ひずみゲージａ，ｂはそれぞれブリッジ回路に組み込まれ、各ブリッジ回路の出力は、アンプ８を介した後、演算回路９に入力される。
【００３５】
さらに、たとえば、Ｓセンサを形成する場合、図６に示すように、樹脂、金属またはシリコンなどでできた四角柱の長手側面にひずみゲージａ，ｂを貼着したセグメントを、車軸２０に設けた孔内に図６に示す姿勢で配設した構成とすることもできる。この場合も、目的の作用力（サイドフォースＳ）以外の作用力による影響を受けにくい場所に配設することはいうまでもない。この場合サイドフォースＳが作用した場合、各ひずみゲージａ，ｂが共に伸びまたは縮むため、次の式(2) によってサイドフォースＳを演算することができる。
【００３６】
【数２】
ここで、ΔａおよびΔｂはひずみゲージの変形によって計測されるひずみ量であり、ｋS は係数である。なお、この場合、図５と同様の回路構成を採用することができる。
【００３７】
図７は、図４の構成と図５の構成とを組み合わせた構成のセンサを示す。平行に対向する一対のひずみセンサａ，ｂがそれぞれセンサセグメントを構成する。
【００３８】
図８は、一定の厚みの板材２１に、互いに９０度方向が異なる２種類のセンサセグメントを形成した例である。
【００３９】
図９は、一定厚みの板材２１に、３つのＸ方向単軸センサセグメントと、３つのＹ方向単軸センサセグメントを形成した例である。
【００４０】
図１０は、立方体をした基材２３の各表面に、所定方向のセンサセグメントを形成した例である。
【００４１】
図１１は、一定厚みの板材２１に、１つのクロスゲージ型センサセグメントと、１つのＸ方向単軸センサセグメントと、１つのＹ方向単軸センサセグメントとを形成した例である。
【００４２】
図１２は、一定厚みの板材２１に、３つのクロスゲージ型センサセグメントと、３つのＸ方向単軸センサセグメントと、３つのＹ方向単軸センサセグメントとを形成した例である。
【００４３】
図１３は、図１２に示す板材よりもやや厚手の板材２１の表裏面に、３つのクロスゲージ型センサセグメントと、３つのＸ方向単軸センサセグメントと、３つのＹ方向単軸センサセグメントと、両端面に３つの単軸センサセグメントとを形成した例である。
【００４４】
図１４は、図１３に示す構成と類似しており、両端面に、３つの単軸センサセグメントを形成する代わりに、クロスゲージ型センサセグメントを形成した例である。
【００４５】
図１５および図１６は、立方体をした基材２３の各表面に所定方向の単軸センサセグメントまたはクロスゲージ型センサセグメントを形成した例である。
【００４６】
図１７ないし図２４は、上記した各センサセグメントを、構造体２０（車軸等）に埋設した様子を示している。繰り返すが、各センサセグメントの基材は、板状にするにせよ、立方体状にするにせよ、樹脂、金属、シリコンなどが選択される。また、基材上のセンサセグメント（通常は対向する一対のひずみゲージ）は、構造体２０において、計測しようとする作用力以外の作用力の影響を受けにくい位置を有限要素解析によって探して配置される。この場合、図１２、図１３あるいは図１４に示す例のように、同種のセンサセグメントが３つ、あるいは複数隣接していると、構造体に設ける孔の加工誤差や配置の誤差が存在しても、複数のセンサセグメントのなかから、最も理想に近い位置のものを選択して使用することができるので都合がよい。
【００４７】
なお、Ｆｂセンサとしては、図に示すように構造体２０としての車軸内にセンサセグメントを載置するほか、たとえば、ナックル部材におけるキャリパ支持部にひずみゲージを配設することによって構成することができる。このようにすれば、比較的ノイズ成分の少ないブレーキトルクＦｂを簡易に計測することができる。
【００４８】
さて、本願発明の第１および第２の側面に係る構造体の作用力計測方法および装置においては、上記各センサのうちのいずれかのセンサの出力が表すひずみ量に係数を乗じて当該作用力を求めるに当たり、他の作用力の大きさによる上記係数の変化傾向に応じ、他の作用力が作用している場合にその大きさによって決まる係数を用いて当該作用力を求める。
【００４９】
すなわち、上記Ｆセンサ３１、Ｓセンサ３２、Ｎセンサ３３、Ｆｂセンサ３４は、たとえ目的の作用力以外の作用力による影響を受けにくい位置にひずみセンサを配置したものであるとはいえ、他の作用力の影響を全く受けないようにすることは困難である。本願発明の第１および第２の側面は、このようなことに鑑み、各センサが目的の作用力以外の作用力の影響を受けていることを前提として、簡易な手法によって他の作用力の影響を除去した出力を得ようとするものである。
【００５０】
以下にその手法を述べるが、ここでは、Ｆセンサ３１、Ｓセンサ３２、Ｎセンサ３３、Ｆｂセンサ３４のうちの少なくともいずれか１つが、ほぼ他の作用力を影響を受けない純粋に近い作用力を検出できていることを前提とする。以下においては、便宜上、Ｎセンサがほぼ正確な作用力を計測できているものとして説明する。
【００５１】
いま、構造体２０にＦセンサ３１を形成する場合において、この構造体にＸ軸方向力Ｆのみが作用している場合、すなわち、たとえばＺ軸方向力Ｎが作用していない場合の作用力ＦとＦセンサのひずみ量出力εF との関係は、図２６のグラフの特性線Ｌ1 のようになり、この関係はまた、式(3) のように表すことができる。しかしながら、この構造体にＸ軸方向作用力Ｆ以外にＺ軸方向力Ｎも同時に作用している場合には、作用力ＦとＦ線のひずみ量出力εF との関係は、図２６のグラフ中特性線Ｌ2 、あるいはＬ3 のようになる。特性線Ｌ2 はたとえば３００ｋｇのＺ軸方向力Ｎが作用している場合を示し、特性線Ｌ3 はたとえば６００ｋｇのＺ軸方向力Ｎが作用している場合を示す。これら特性線Ｌ2 あるいはＬ3 はまた、式(4) 、(5) のように表すことができる。
【００５２】
【数３】
【００５３】
各特性線Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 の傾きは、弾性係数に相当する係数を表し、したがって、図２６のグラフは、Ｚ軸方向力が混入しうるＦセンサにおいては、係数ξF が変化することを表しており、混入するＺ軸方向力Ｎが大きくなるほど係数ξF が小さくなる。そしてこのようなＺ軸方向力ＮとＦセンサの係数ξF との関係は、図２７のグラフに示すように線型であり、式(6)の線型式で表すことができる。式(6)において係数γ1 は、図２７のグラフの傾きである。
【００５４】
【数４】
【００５５】
式(6)は、式(3) 、(4) 、(5) から判るように、Ｆセンサを配置した構造体に、Ｆを作用させた場合のセンサ出力を、同時に一定のＮ荷重を作用させながら計測し、かつ、少なくとも２種類のＮ荷重を作用させることによって実験的に求めることができる。本願発明の実施に当たっては、式(6)の関係は、ＲＯＭなどのメモリ１００に格納される。
【００５６】
したがって、Ｚ軸方向力成分（Ｎ荷重成分）が混入することを前提とするＦセンサを用いて、別途Ｎセンサによって正確に計測されるＮ荷重データを式(7)に代入することにより、実質的に、Ｎ荷重成分が除去されたＸ軸方向荷重Ｆを計測することができる。ここにおいて、Ｚ軸方向力Ｎと、Ｘ軸方向力Ｆとが比較的正確に分離計測できたことになる。
【００５７】
【数５】
【００５８】
上記と同様の手法により、たとえば、Ｓセンサの出力にＸ軸方向荷重Ｆの影響が大きくでる場合には、Ｓセンサを配置した構造体に一定のＦ荷重を同時に作用させつつＳ荷重を作用させた場合のセンサ出力を記録するという実験を少なくとも２種のＦ荷重について行うことにより、式(8)のような関係式を得ることができる。
【００５９】
【数６】
【００６０】
したがって、Ｘ軸方向力成分（Ｆ荷重成分）が混入することを前提とするＳセンサを用いて、上記Ｆセンサによって正確に計測されるＦ荷重データを式(9)に代入することにより、実質的に、Ｆ荷重成分が除去されたＹ軸方向荷重Ｓを計測することができる。ここにおいて、Ｚ軸方向力Ｎと、Ｘ軸方向力Ｆと、Ｙ軸方向力Ｓとが比較的正確に分離計測できたことになる。
【００６１】
【数７】
【００６２】
上記式(7)と(9)とにより、式(10)を得ることができる。
【００６３】
【数８】
【００６４】
上記と同様の手法により、残るＦｂセンサの出力にＹ軸方向荷重Ｓの影響が大きくでる場合には、Ｆｂセンサを配置した構造体に一定のＳ荷重を同時に作用させつつＦｂトルクを作用させた場合のセンサ出力を記録するという実験を少なくとも２種のＳ荷重について行うことにより、式(11)のような関係式を得ることができる。
【００６５】
【数９】
【００６６】
したがって、Ｙ軸方向力成分（Ｓ荷重成分）が混入することを前提とするＦｂセンサを用いて、上記Ｓセンサによって正確に計測されるＦ荷重データを式(12)に代入することにより、実質的に、Ｓ荷重成分が除去されたＹ軸周りのトルクＦｂを計測することができる。ここにおいて、Ｚ軸方向力Ｎと、Ｘ軸方向力Ｆと、Ｙ軸方向力Ｓと、Ｙ軸周りトルクＦｂとが比較的正確に分離計測できたことになる。
【００６７】
【数１０】
【００６８】
上記式(10)と(12)とにより、式(13)を得ることができる。
【００６９】
【数１１】
【００７０】
上記の処理は、図２４に示すような回路によって処理される。すなわち各センサ３１，３２，３３，３４からの信号（ひずみ量）は演算回路９に入力され、演算回路９内において上記した分離処理が行われる。
【００７１】
なお、上記の説明においては、Ｎ荷重が単独のセンサで正確に計測できることを前提として、Ｆセンサ、Ｓセンサ、Ｆｂセンサの順に各作用力を分離計測する手法を述べたが、構造体の形状やセンサセグメントの特性により、どの順に各作用力を分離計測することができるかが変わる。また、かならずしもＮ、Ｆ、Ｓ、Ｆｂのすべてを上記の手法で計測する必要はない。センサセグメントの配置によって充分に正確な作用力を計測することができるならば、上記の手法によらずともよいことはもちろんである。
【００７２】
上記の説明においては、構造体として、車両の車軸ないしはこれを支持する部材を例にとった。この場合、路面摩擦力Ｆ、垂直抗力Ｎ、ブレーキトルクＦｂのほか、サイドフォースＳをも比較的簡易に分離計測することが可能となるので、これらをリアルタイムで計測するとともに適当な処理を施すことにより、本明細書の冒頭に述べたようなＡＢＳの理想的な制御に供することができるほか、コーナリング時の快適走行制御等、車両な総合的な走行制御をより適切に行えるようになる。
【００７３】
もちろん、本願発明は、上記のような車両の車軸周りに作用する力を計測するほか、種々の構造体の作用力計測方法および装置として適用することができる。たとえば、図２８に示すように、ロボットアームの先端部に作用する作用力を計測するようにしたり、図２９に示すように、義手の先端部に作用する作用力を計測するようにしたりすることができる。いずれにしても、本願発明によれば、ひずみゲージからなるセンサセグメントの数を少なくして、Ｘ軸方向作用力、Ｙ軸方向作用力、Ｚ軸方向作用力、および、Ｙ軸周りのトクルＦｂという、４つの複合的な作用力を比較的簡便に分離計測することができるのであり、産業上の利用価値は、きわめて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明が適用される構造体の一例としての車軸に作用する力を説明するための斜視図である。
【図２】 本願発明に係るひずみゲージの上記車軸に対する配置例を示す透視斜視図である。
【図３】 図２に示す配置のひずみゲージを用いた作用力検出回路例である。
【図４】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図５】 図４に示す配置のひずみゲージを用いた作用力検出回路例である。
【図６】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図７】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図８】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図９】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１０】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１１】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１２】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１３】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１４】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１５】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１６】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１７】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図１８】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図１９】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図２０】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図２１】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図２２】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図２３】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図２４】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図２５】 本願発明に係る構造体の作用力計測装置の概略構成例を示すブロック図である。
【図２６】 本願発明に係る構造体の作用力計測方法の具体的手法を説明するためのグラフである。
【図２７】 本願発明に係る構造体の作用力計測方法の具体的手法を説明するためのグラフである。
【図２８】 本願発明の適用例を示す説明図である。
【図２９】 本願発明の適用例を示す説明図である。
【符号の説明】
８ ひずみアンプ
９ 演算回路
２０ 構造体（車軸）
３１ Ｆセンサ
３２ Ｓセンサ
３３ Ｎセンサ
３４ Ｆｂセンサ
１００ メモリ
【発明が属する技術分野】
本願発明は、構造体の作用力計測方法および装置に関し、詳しくは、自動車の車輪支持部材など、同時に複数種類の力が作用する場合において、ひずみゲージで構成される簡易なセンサを用いて各作用力を分離計測するための技術に関する。
【０００２】
【発明の背景】
たとえば、自動車などの車輪を支持する車軸あるいは車軸支持部材には、走行中に様々な力が作用する。これを図１に示す簡単なモデルについて説明すると、制動時にタイヤ１０が路面から受ける摩擦力Ｆは、車軸２０に対して車両前後方向に等価に作用する。路面反力（垂直荷重）Ｎは、車軸２０に対して垂直方向に作用する。また、制動時には、車軸２０をねじろうとするブレーキトルクＦｂが作用する。
【０００３】
本願の出願人による特開平３−２２００５６号公報には、理想的なＡＢＳ（Anti-Skid Brake System) の制御についての提案がなされている。この提案は、路面摩擦係数あるいはこれに相当する物理量をリアルタイムで検出して、路面の状態にかかわらず、最大の制動効果を生むようにブレーキ液圧を制御しようとするものである。上記公報によってなされた提案は、いわゆるタイヤのスリップ率を推測演算して、路面摩擦係数μが最大となるスリップ率（車体速度−車輪周速度／車体速度）となるようにブレーキ液圧を制御するという現存のＡＢＳとは、大いに異なる。
【０００４】
すなわち、現存のＡＢＳにおいては、スリップ率を演算するための根拠となるべき車体速度を直接計測することができないため、演算によって車体速度およびスリップ率を求めており、したがって、正確な制御を行うことができない。また、乾燥アスファルト路面、水濡れアスファルト路面、土路面、凍結路面等、路面の状態によって、スリップ率と路面摩擦係数との関係が異なるが、現存のＡＢＳは、これに対応できない。
【０００５】
上記公報に示された提案は、リアルタイムで計測される路面摩擦係数あるいはこれに相当する物理量をＡＢＳ制御に用いているので、上記現存のＡＢＳの欠点は、すべて解消される。
【０００６】
ところで、路面摩擦係数μは、直接には計測することができないが、μ＝Ｆ／Ｎとの関係式によって、路面摩擦力Ｆと路面垂直抗力Ｎとを計測することができれば、演算によって求めることができる。
【０００７】
本願の出願人は先に、特願平５−６５８９１（特開平６−２４１９２２号）等において、ひずみゲージからなるセンサセグメントを車軸内の最適位置に埋設し、たとえば、車軸に作用するブレーキトルクＦｂの影響を少なくしつつ摩擦力Ｆを検出する手法を提案している。この手法は、４つのセンサセグメントのブリッジをセグメント切り換え可能に構成し、第１のセグメント構成を選択することによって水平方向の剪断力を検出するとともに、第２のセグメント構成によってブレーキトルク成分を求め、これを補正項として上記第１のセグメント構成によって検出された剪断力を補正しようとするものである。
【０００８】
しかしながら、上記の手法は、セグメント構成の切り換えによる時間遅れが発生し、リアルタイムで路面摩擦係数μを演算する上で問題が残るし、車軸には、前述したように、路面摩擦力ＦやブレーキトルクＦｂ以外に、路面垂直抗力ＮあるいはサイドフォースＳが作用する場合があり、これらの影響も無視できない。
【０００９】
一方、車軸に埋設するなどしたひずみゲージからなるセンサセグメントを用いることにより、路面摩擦力Ｆ、路面垂直抗力Ｎ、ブレーキトルクＦｂ、およびサイドフォースＳの４種類の力を分離計測することができれば、上記したようなＡＢＳの最適制御のほか、コーナリング時のサイドフォースを考慮した四輪操舵制御等、自動車の総合的な走行最適化制御のための入力として、有効に利用することができる。
【００１０】
【発明の開示】
したがって、本願発明の目的は、車両の車軸ないしは車軸支持部材に配置したひずみゲージからなるセンサセグメントを用いて、路面摩擦力Ｆ、路面垂直抗力Ｎ、ブレーキトルクＦｂ、およびサイドフォースＳを分離計測する方法および装置を提供することである。
【００１１】
本願発明の他の目的は、構造体のＸ軸方向作用力、Ｙ軸方向作用力、Ｚ軸方向作用力およびＹ軸周りのトルクの４種類の作用力をひずみゲージからなるセンサセグメントを用いて簡便に分離計測する方法および装置を提供することである。
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
本願発明の第１の側面によって提供される構造体の作用力計測方法は、構造体に作用するＸ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、および、Ｙ軸周りのトルクＦｂのいずれか２つ、３つまたは４つを計測するための方法であって、上記構造体には、上記Ｘ軸方向力Ｆを計測するに適したひずみゲージを有するＦセンサと、上記Ｙ軸方向力Ｓを計測するに適したひずみゲージを有するＳセンサと、上記Ｚ方向力Ｎを計測するに適したひずみゲージを有するＮセンサと、上記Ｙ軸周りのトルクＦｂを計測するに適したひずみゲージを有するＦｂセンサの少なくとも２つが配置されており、
上記各センサのうちのいずれかのセンサの出力が表すひずみ量に係数を乗じて当該作用力を求めるにあたり、他の作用力の大きさによる上記係数の変化傾向に応じ、他の作用力が作用している場合にその大きさによって決まる係数を用いて当該作用力を求めるようにしたことを特徴とするものである。
【００１９】
本願発明の第２の側面によって提供される構造体の作用力計測装置は、構造体に作用するＸ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、および、Ｙ軸周りのトルクＦｂのいずれか２つ、３つまたは４つを計測するための装置であって、上記構造体には、上記Ｘ軸方向力Ｆを計測するに適したひずみゲージを有するＦセンサと、上記Ｙ軸方向力Ｓを計測するに適したひずみゲージを有するＳセンサと、上記Ｚ方向力Ｎを計測するに適したひずみゲージを有するＮセンサと、上記Ｙ軸周りのトルクＦｂを計測するに適したひずみゲージを有するＦｂセンサの少なくとも２つが配置されており、上記各センサのうちのいずれかのセンサの出力が表すひずみ量に係数を乗じて当該作用力を求める演算手段と、他の作用力の大きさによる上記係数の変化傾向を記憶する記憶手段と、を備え、上記演算手段は、他の作用力が作用している場合にその大きさに応じた係数を上記記憶手段から読み出し、この係数を用いて当該作用力を求めるように構成されていることを特徴とするものである。
【００２０】
本願発明の各側面の技術的意義は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明により、明らかとなろう。
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【発明の実施の形態】
本願発明の第１および第２の側面に係る構造体の作用力計測方法および装置は、構造体に作用するＸ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、およびＹ軸周りのトルクＦｂのいずれか２つ、３つ、または４つを計測するための方法および装置である。これを車両の車軸周りに作用する力についていえば、図１に示すように、上記Ｘ軸方向力は路面摩擦力Ｆ、上記Ｙ軸方向力はサイドフォースＳ、Ｚ軸方向力は路面垂直抗力Ｎ、上記Ｙ軸周りのトルクは制動時に作用するブレーキトルクＦｂに相当する。
【００３１】
ここで、構造体２０には、上記Ｘ軸方向力Ｆを計測するに適したひずみゲージを有するＦセンサ３１と、上記Ｙ軸方向力Ｓを計測するに適したひずみゲージを有するＳセンサ３２と、上記Ｚ軸方向力Ｎを計測するに適したひずみゲージを有するＮセンサ３３と、上記Ｙ軸周りのトルクＦｂを計測するに適したひずみゲージを有するＦｂセンサ３４とが配置される。各センサは、単数でも複数でもよい。そして、各センサは、図２、図３に示したような構成のひずみゲージａ，ｂ，ｃ，ｄを有するものであってもよいし、その他の構成のひずみゲージを有するものであってもよい。
【００３２】
たとえば、上記Ｎセンサを形成する場合、図４に示すように、樹脂、金属またはシリコンなどでできた四角柱２２の上下面にひずみゲージａ，ｂを貼着したセグメントを、車軸２０に開けた孔内に図４に示すように長軸がＹ方向に向くように配設した構成とすることができる。この場合も、目的の作用力（垂直抗力Ｎ）以外の作用力による影響を受けにくい場所に配設することはいうまでもない。この場合、垂直抗力Ｎが作用した場合、図にＮ１で示す曲げ変形が起こるため、次の式(1) によって垂直抗力Ｎを演算することができる。
【００３３】
【数１】
【００３４】
この場合、図５に示すように、各ひずみゲージａ，ｂはそれぞれブリッジ回路に組み込まれ、各ブリッジ回路の出力は、アンプ８を介した後、演算回路９に入力される。
【００３５】
さらに、たとえば、Ｓセンサを形成する場合、図６に示すように、樹脂、金属またはシリコンなどでできた四角柱の長手側面にひずみゲージａ，ｂを貼着したセグメントを、車軸２０に設けた孔内に図６に示す姿勢で配設した構成とすることもできる。この場合も、目的の作用力（サイドフォースＳ）以外の作用力による影響を受けにくい場所に配設することはいうまでもない。この場合サイドフォースＳが作用した場合、各ひずみゲージａ，ｂが共に伸びまたは縮むため、次の式(2) によってサイドフォースＳを演算することができる。
【００３６】
【数２】
【００３７】
図７は、図４の構成と図５の構成とを組み合わせた構成のセンサを示す。平行に対向する一対のひずみセンサａ，ｂがそれぞれセンサセグメントを構成する。
【００３８】
図８は、一定の厚みの板材２１に、互いに９０度方向が異なる２種類のセンサセグメントを形成した例である。
【００３９】
図９は、一定厚みの板材２１に、３つのＸ方向単軸センサセグメントと、３つのＹ方向単軸センサセグメントを形成した例である。
【００４０】
図１０は、立方体をした基材２３の各表面に、所定方向のセンサセグメントを形成した例である。
【００４１】
図１１は、一定厚みの板材２１に、１つのクロスゲージ型センサセグメントと、１つのＸ方向単軸センサセグメントと、１つのＹ方向単軸センサセグメントとを形成した例である。
【００４２】
図１２は、一定厚みの板材２１に、３つのクロスゲージ型センサセグメントと、３つのＸ方向単軸センサセグメントと、３つのＹ方向単軸センサセグメントとを形成した例である。
【００４３】
図１３は、図１２に示す板材よりもやや厚手の板材２１の表裏面に、３つのクロスゲージ型センサセグメントと、３つのＸ方向単軸センサセグメントと、３つのＹ方向単軸センサセグメントと、両端面に３つの単軸センサセグメントとを形成した例である。
【００４４】
図１４は、図１３に示す構成と類似しており、両端面に、３つの単軸センサセグメントを形成する代わりに、クロスゲージ型センサセグメントを形成した例である。
【００４５】
図１５および図１６は、立方体をした基材２３の各表面に所定方向の単軸センサセグメントまたはクロスゲージ型センサセグメントを形成した例である。
【００４６】
図１７ないし図２４は、上記した各センサセグメントを、構造体２０（車軸等）に埋設した様子を示している。繰り返すが、各センサセグメントの基材は、板状にするにせよ、立方体状にするにせよ、樹脂、金属、シリコンなどが選択される。また、基材上のセンサセグメント（通常は対向する一対のひずみゲージ）は、構造体２０において、計測しようとする作用力以外の作用力の影響を受けにくい位置を有限要素解析によって探して配置される。この場合、図１２、図１３あるいは図１４に示す例のように、同種のセンサセグメントが３つ、あるいは複数隣接していると、構造体に設ける孔の加工誤差や配置の誤差が存在しても、複数のセンサセグメントのなかから、最も理想に近い位置のものを選択して使用することができるので都合がよい。
【００４７】
なお、Ｆｂセンサとしては、図に示すように構造体２０としての車軸内にセンサセグメントを載置するほか、たとえば、ナックル部材におけるキャリパ支持部にひずみゲージを配設することによって構成することができる。このようにすれば、比較的ノイズ成分の少ないブレーキトルクＦｂを簡易に計測することができる。
【００４８】
さて、本願発明の第１および第２の側面に係る構造体の作用力計測方法および装置においては、上記各センサのうちのいずれかのセンサの出力が表すひずみ量に係数を乗じて当該作用力を求めるに当たり、他の作用力の大きさによる上記係数の変化傾向に応じ、他の作用力が作用している場合にその大きさによって決まる係数を用いて当該作用力を求める。
【００４９】
すなわち、上記Ｆセンサ３１、Ｓセンサ３２、Ｎセンサ３３、Ｆｂセンサ３４は、たとえ目的の作用力以外の作用力による影響を受けにくい位置にひずみセンサを配置したものであるとはいえ、他の作用力の影響を全く受けないようにすることは困難である。本願発明の第１および第２の側面は、このようなことに鑑み、各センサが目的の作用力以外の作用力の影響を受けていることを前提として、簡易な手法によって他の作用力の影響を除去した出力を得ようとするものである。
【００５０】
以下にその手法を述べるが、ここでは、Ｆセンサ３１、Ｓセンサ３２、Ｎセンサ３３、Ｆｂセンサ３４のうちの少なくともいずれか１つが、ほぼ他の作用力を影響を受けない純粋に近い作用力を検出できていることを前提とする。以下においては、便宜上、Ｎセンサがほぼ正確な作用力を計測できているものとして説明する。
【００５１】
いま、構造体２０にＦセンサ３１を形成する場合において、この構造体にＸ軸方向力Ｆのみが作用している場合、すなわち、たとえばＺ軸方向力Ｎが作用していない場合の作用力ＦとＦセンサのひずみ量出力εF との関係は、図２６のグラフの特性線Ｌ1 のようになり、この関係はまた、式(3) のように表すことができる。しかしながら、この構造体にＸ軸方向作用力Ｆ以外にＺ軸方向力Ｎも同時に作用している場合には、作用力ＦとＦ線のひずみ量出力εF との関係は、図２６のグラフ中特性線Ｌ2 、あるいはＬ3 のようになる。特性線Ｌ2 はたとえば３００ｋｇのＺ軸方向力Ｎが作用している場合を示し、特性線Ｌ3 はたとえば６００ｋｇのＺ軸方向力Ｎが作用している場合を示す。これら特性線Ｌ2 あるいはＬ3 はまた、式(4) 、(5) のように表すことができる。
【００５２】
【数３】
各特性線Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 の傾きは、弾性係数に相当する係数を表し、したがって、図２６のグラフは、Ｚ軸方向力が混入しうるＦセンサにおいては、係数ξF が変化することを表しており、混入するＺ軸方向力Ｎが大きくなるほど係数ξF が小さくなる。そしてこのようなＺ軸方向力ＮとＦセンサの係数ξF との関係は、図２７のグラフに示すように線型であり、式(6)の線型式で表すことができる。式(6)において係数γ1 は、図２７のグラフの傾きである。
【００５４】
【数４】
式(6)は、式(3) 、(4) 、(5) から判るように、Ｆセンサを配置した構造体に、Ｆを作用させた場合のセンサ出力を、同時に一定のＮ荷重を作用させながら計測し、かつ、少なくとも２種類のＮ荷重を作用させることによって実験的に求めることができる。本願発明の実施に当たっては、式(6)の関係は、ＲＯＭなどのメモリ１００に格納される。
【００５６】
したがって、Ｚ軸方向力成分（Ｎ荷重成分）が混入することを前提とするＦセンサを用いて、別途Ｎセンサによって正確に計測されるＮ荷重データを式(7)に代入することにより、実質的に、Ｎ荷重成分が除去されたＸ軸方向荷重Ｆを計測することができる。ここにおいて、Ｚ軸方向力Ｎと、Ｘ軸方向力Ｆとが比較的正確に分離計測できたことになる。
【００５７】
【数５】
上記と同様の手法により、たとえば、Ｓセンサの出力にＸ軸方向荷重Ｆの影響が大きくでる場合には、Ｓセンサを配置した構造体に一定のＦ荷重を同時に作用させつつＳ荷重を作用させた場合のセンサ出力を記録するという実験を少なくとも２種のＦ荷重について行うことにより、式(8)のような関係式を得ることができる。
【００５９】
【数６】
したがって、Ｘ軸方向力成分（Ｆ荷重成分）が混入することを前提とするＳセンサを用いて、上記Ｆセンサによって正確に計測されるＦ荷重データを式(9)に代入することにより、実質的に、Ｆ荷重成分が除去されたＹ軸方向荷重Ｓを計測することができる。ここにおいて、Ｚ軸方向力Ｎと、Ｘ軸方向力Ｆと、Ｙ軸方向力Ｓとが比較的正確に分離計測できたことになる。
【００６１】
【数７】
上記式(7)と(9)とにより、式(10)を得ることができる。
【００６３】
【数８】
上記と同様の手法により、残るＦｂセンサの出力にＹ軸方向荷重Ｓの影響が大きくでる場合には、Ｆｂセンサを配置した構造体に一定のＳ荷重を同時に作用させつつＦｂトルクを作用させた場合のセンサ出力を記録するという実験を少なくとも２種のＳ荷重について行うことにより、式(11)のような関係式を得ることができる。
【００６５】
【数９】
したがって、Ｙ軸方向力成分（Ｓ荷重成分）が混入することを前提とするＦｂセンサを用いて、上記Ｓセンサによって正確に計測されるＦ荷重データを式(12)に代入することにより、実質的に、Ｓ荷重成分が除去されたＹ軸周りのトルクＦｂを計測することができる。ここにおいて、Ｚ軸方向力Ｎと、Ｘ軸方向力Ｆと、Ｙ軸方向力Ｓと、Ｙ軸周りトルクＦｂとが比較的正確に分離計測できたことになる。
【００６７】
【数１０】
上記式(10)と(12)とにより、式(13)を得ることができる。
【００６９】
【数１１】
上記の処理は、図２４に示すような回路によって処理される。すなわち各センサ３１，３２，３３，３４からの信号（ひずみ量）は演算回路９に入力され、演算回路９内において上記した分離処理が行われる。
【００７１】
なお、上記の説明においては、Ｎ荷重が単独のセンサで正確に計測できることを前提として、Ｆセンサ、Ｓセンサ、Ｆｂセンサの順に各作用力を分離計測する手法を述べたが、構造体の形状やセンサセグメントの特性により、どの順に各作用力を分離計測することができるかが変わる。また、かならずしもＮ、Ｆ、Ｓ、Ｆｂのすべてを上記の手法で計測する必要はない。センサセグメントの配置によって充分に正確な作用力を計測することができるならば、上記の手法によらずともよいことはもちろんである。
【００７２】
上記の説明においては、構造体として、車両の車軸ないしはこれを支持する部材を例にとった。この場合、路面摩擦力Ｆ、垂直抗力Ｎ、ブレーキトルクＦｂのほか、サイドフォースＳをも比較的簡易に分離計測することが可能となるので、これらをリアルタイムで計測するとともに適当な処理を施すことにより、本明細書の冒頭に述べたようなＡＢＳの理想的な制御に供することができるほか、コーナリング時の快適走行制御等、車両な総合的な走行制御をより適切に行えるようになる。
【００７３】
もちろん、本願発明は、上記のような車両の車軸周りに作用する力を計測するほか、種々の構造体の作用力計測方法および装置として適用することができる。たとえば、図２８に示すように、ロボットアームの先端部に作用する作用力を計測するようにしたり、図２９に示すように、義手の先端部に作用する作用力を計測するようにしたりすることができる。いずれにしても、本願発明によれば、ひずみゲージからなるセンサセグメントの数を少なくして、Ｘ軸方向作用力、Ｙ軸方向作用力、Ｚ軸方向作用力、および、Ｙ軸周りのトクルＦｂという、４つの複合的な作用力を比較的簡便に分離計測することができるのであり、産業上の利用価値は、きわめて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明が適用される構造体の一例としての車軸に作用する力を説明するための斜視図である。
【図２】 本願発明に係るひずみゲージの上記車軸に対する配置例を示す透視斜視図である。
【図３】 図２に示す配置のひずみゲージを用いた作用力検出回路例である。
【図４】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図５】 図４に示す配置のひずみゲージを用いた作用力検出回路例である。
【図６】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図７】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図８】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図９】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１０】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１１】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１２】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１３】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１４】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１５】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１６】 ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１７】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図１８】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図１９】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図２０】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図２１】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図２２】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図２３】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図２４】 構造体としての車軸内へのひずみゲージの配置例を示す透視斜視図である。
【図２５】 本願発明に係る構造体の作用力計測装置の概略構成例を示すブロック図である。
【図２６】 本願発明に係る構造体の作用力計測方法の具体的手法を説明するためのグラフである。
【図２７】 本願発明に係る構造体の作用力計測方法の具体的手法を説明するためのグラフである。
【図２８】 本願発明の適用例を示す説明図である。
【図２９】 本願発明の適用例を示す説明図である。
【符号の説明】
８ ひずみアンプ
９ 演算回路
２０ 構造体（車軸）
３１ Ｆセンサ
３２ Ｓセンサ
３３ Ｎセンサ
３４ Ｆｂセンサ
１００ メモリ
Claims (2)
- 構造体に作用するＸ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、および、Ｙ軸周りのトルクＦｂのいずれか２つ、３つまたは４つを計測するための方法であって、
上記構造体には、上記Ｘ軸方向力Ｆを計測するに適したひずみゲージを有するＦセンサと、上記Ｙ軸方向力Ｓを計測するに適したひずみゲージを有するＳセンサと、上記Ｚ方向力Ｎを計測するに適したひずみゲージを有するＮセンサと、上記Ｙ軸周りのトルクＦｂを計測するに適したひずみゲージを有するＦｂセンサの少なくとも２つが配置されており、
上記各センサのうちのいずれかのセンサの出力が表すひずみ量に係数を乗じて当該作用力を求めるにあたり、他の作用力の大きさによる上記係数の変化傾向に応じ、他の作用力が作用している場合にその大きさによって決まる係数を用いて当該作用力を求めるようにしたことを特徴とする、構造体の作用力計測方法。 - 構造体に作用するＸ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、および、Ｙ軸周りのトルクＦｂのいずれか２つ、３つまたは４つを計測するための装置であって、
上記構造体には、上記Ｘ軸方向力Ｆを計測するに適したひずみゲージを有するＦセンサと、上記Ｙ軸方向力Ｓを計測するに適したひずみゲージを有するＳセンサと、上記Ｚ方向力Ｎを計測するに適したひずみゲージを有するＮセンサと、上記Ｙ軸周りのトルクＦｂを計測するに適したひずみゲージを有するＦｂセンサの少なくとも２つが配置されており、
上記各センサのうちのいずれかのセンサの出力が表すひずみ量に係数を乗じて当該作用力を求める演算手段と、他の作用力の大きさによる上記係数の変化傾向を記憶する記憶手段と、を備え、上記演算手段は、他の作用力が作用している場合にその大きさに応じた係数を上記記憶手段から読み出し、この係数を用いて当該作用力を求めるように構成されていることを特徴とする、構造体の作用力計測装置。
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