JP4763175B2

JP4763175B2 - 荷重検出装置

Info

Publication number: JP4763175B2
Application number: JP2001249554A
Authority: JP
Inventors: 裕水野
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2021-08-20
Also published as: JP2003057127A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、引張と圧縮の双方向の荷重を検出することができる荷重検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、磁歪効果を利用して荷重を電磁気的に検出する磁歪式荷重センサを先に提案した（特開平１１−２４１９５５号公報参照）。この磁歪式荷重センサは、コイルに電流を流して検出ロッドを磁化し、該検出ロッドに荷重を加えてその磁気特性を変化させ、この磁気特性の変化を電圧変化に変換して出力することによって荷重を検出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の磁歪式荷重センサにおいては、圧縮荷重しか検出することができず、引張方向の荷重を検出することができないため、その応用範囲が限定されるという問題があった。
【０００４】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、引張と圧縮の双方向の荷重を検出することができる荷重検出装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、センサ本体から突出する検出部を備える荷重センサをホルダー内に移動可能に収納するとともに、該荷重センサのセンサ本体と検出部を第１、第２のバネで互いに逆方向に付勢し、第１のバネのセット荷重Ｐ１を第２のバネのセット荷重Ｐ２よりも大きく設定してセンサ本体をホルダーに押圧して荷重検出装置を構成したことを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記荷重センサの使用範囲を、引張方向はＰ２よりも小さく、圧縮方向は（Ｐ１−Ｐ２）よりも小さい範囲に設定したことを特徴とする。
【０００７】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記荷重センサの検出部に常時圧縮荷重を作用させることを特徴とする。
【０００８】
請求項４記載の発明は、請求項１，２又は３記載の発明において、前記荷重センサを磁歪式、歪みゲージ式又は静電容量式センサで構成したことを特徴とする。
【０００９】
従って、本発明によれば、荷重センサの検出部には第２のバネによって常時圧縮荷重が作用し、引張方向の荷重に対しては検出部に作用する圧縮荷重の減少として検出され、圧縮方向の荷重に対しては検出部に作用する圧縮荷重の増加として検出されるため、引張と圧縮の双方向の荷重を検出することができる。ここで、第１、第２のバネのセット荷重をそれぞれＰ１，Ｐ２とした場合、荷重センサの使用範囲を、引張方向はＰ２よりも小さく、圧縮方向は（Ｐ１−Ｐ２）よりも小さい範囲に設定すると、荷重センサが静止したままでの変位のない検出が可能となる。
【００１０】
又、引張荷重と圧縮荷重に対してセンサ出力方向が逆である（引張荷重の増加と共にセンサ出力は減少し、圧縮荷重の増加と共に出力は増大する）ため、力の方向と大きさの同時検出が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１２】
＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る荷重検出装置１の断面図であり、該荷重検出装置１は、固定台２上に設置されたホルダー３内に荷重センサ４を上下動可能に収納するとともに、該荷重センサ４を第１及び第２のバネ５，６で互いに逆方向（上下方向）に付勢して構成されている。
【００１３】
上記荷重センサ４は磁歪式荷重センサであって、これはセンサ本体であるケース７内に検出部である検出ロッド８と該検出ロッド８を磁化する不図示のコイル等を組み込んで構成されており、図示のように検出ロッド８の上端はケース７の上端面から上方へ突出している。この磁歪式荷重センサ４は、検出ロッド８に作用する荷重による該検出ロッド８の透磁率の変化を利用して荷重を電磁気的に検出するものであって、コイルの両端の電圧変化を検出することによって荷重が算出される。尚、本実施の形態では、荷重センサ４を磁歪式荷重センサで構成したが、歪みゲージ式又は静電容量式センサで構成しても良い。
【００１４】
ところで、前記ホルダー３の内周の中間高さ位置にはフランジ状のストッパ部３ａが一体に形成されており、ホルダー３内のストッパ部３ａよりも下方に前記荷重センサ４が上下動可能に嵌合保持され、ホルダー３内のストッパ部３ａよりも上方にはロッド９が上方から挿入されている。尚、ロッド９のホルダー３から上方へ延出する部分の上端部にはジョイント１０が結着されている。
【００１５】
そして、荷重センサ４は、ホルダー３内の下部に縮装された前記第１のバネ５によって上方に付勢されており、前記ロッド９はホルダー３内の上部に縮装された前記第２のバネ６によって下方に付勢され、その下面はスペーサ１１を介して荷重センサ４の検出ロッド８の上端に当接して該検出ロッド８を下方へ押圧している。
【００１６】
ここで、第１のバネ５のセット荷重Ｐ１は第２のバネ６のセット荷重Ｐ２よりも大きく（Ｐ１＞Ｐ２）設定されているため、荷重センサ４は、図示のように、そのケース７の上面がホルダー３のストッパ部３ａに下面に当接して静止しており、ロッド９のジョイント１０に外部荷重が負荷されない無負荷状態では、ケース７には第１のバネ５のセット荷重Ｐ１が上向きに作用し、検出ロッド８には第２のバネ６のセット荷重Ｐ２が圧縮力として下向きに作用している。尚、無負荷状態である場合とロッド９に引張力が作用する場合及びロッド９に（Ｐ１−Ｐ２）未満の圧縮力が作用する場合には、スペーサ１１は図示のようにホルダー３のストッパ部３ａの上面より所定量だけ突出しており、ロッド９の下面はホルダー３のストッパ部３ａの上面より所定量（初期設定値）ａ₀ だけ離間している。
【００１７】
次に、以上の構成を有する荷重検出装置１の作用を図２及び図３に基づいて説明する。尚、図２は荷重検出装置の作用を示す部分断面図、図３はロッドに作用する外部荷重（引張力又は圧縮力）に対する該ロッドの変位とセンサ出力との関係を示す図である。又、以下の説明では、ロッドに作用する引張力を負（−）、圧縮力を正（＋）とする。
【００１８】
ロッド９に外部荷重として第２のバネ６のセット荷重Ｐ２よりも大きな上向きの引張力Ｐが作用すると、ロッド９は第２のバネ６の下向きの付勢力に抗して上動してスペーサ１１から離間する。そして、ロッド９に作用する引張力Ｐが所定値Ｐ４に達した時点で図２（ａ）に示すように第２のバネ６の最圧縮状態となり、ロッド９の変位量は最大となってこれとホルダー３のストッパ部３ａとの隙間ａは図２（ａ）及び図３に示すようにａ₁ （＞ａ₀ ）となる。そして、ロッド９にＰ４以上の引張力Ｐが作用した場合、その引張力Ｐは第２のバネ６を介してホルダー３によって受けられ、荷重センサ４に引張力Ｐが作用することがなく、ロッド９とホルダー３のストッパ部３ａとの隙間ａはａ₁ に保持される（ａ＝ａ₁ ）。
【００１９】
又、ロッド９にＰ４よりも小さく、第２のバネ６のセット荷重Ｐ２よりも大きな引張力Ｐが作用した場合、図２（ｂ）に示すようにロッド９は依然としてスペーサ１１から離間した状態を維持し、該ロッド９の隙間ａは図３に示すように引張力Ｐの減少と共にリニアに減少する。そして、引張力Ｐが第２のバネ６のセット荷重Ｐ２に達した時点（Ｐ＝Ｐ２）で、図２（ｃ）に示すように、ロッド９がスペーサ１１に当接してロッド９の隙間ａは初期値ａ₀ を示す（ａ＝ａ₀ ）。
【００２０】
従って、ロッド９に第２のバネ６のセット荷重Ｐ２よりも大きな引張力Ｐが作用する場合には、ロッド９はスペーサ１１から離間して荷重センサ４には引張力Ｐが作用しないため、荷重センサ４は作用せず、図３に示すようにセンサ出力はゼロを示す。
【００２１】
そして、ロッド９に第２のバネ６のセット荷重Ｐ２よりも小さい引張力Ｐ又は（Ｐ１−Ｐ２）よりも小さい圧縮力Ｐが作用する間（つまり、荷重センサ４を押し下げようとする力が第１のバネ５のセット荷重Ｐ１未満である間）は図２（ｃ）に示す状態が維持され、ロッド９の隙間ａは初期値ａ₀ に維持され（ａ＝ａ₀ ）、荷重センサ４の変位がゼロに維持された状態でロッド９に作用する引張と圧縮の双方向の荷重が荷重センサ４によって検出される。
【００２２】
即ち、ロッド９に引張力Ｐが作用する場合、荷重センサ４の検出ロッド８には（Ｐ２−Ｐ）の荷重が圧縮力として作用し、ロッド９に圧縮力Ｐが作用する場合には荷重センサ４の検出ロッド８には（Ｐ２＋Ｐ）の荷重が圧縮力として作用する。
【００２３】
以上のように、ロッド９に作用する外部荷重Ｐが引張力又は圧縮力の何れであっても、荷重センサ４の検出ロッド８には常時圧縮荷重が作用するため、該検出ロッド８に作用する圧縮力を電磁気的に検出することによって、ロッド９に作用する引張と圧縮の双方向の荷重を検出することができる。この場合、引張荷重と圧縮荷重に対してセンサ出力方向が逆である（図３に示すように、引張荷重の増加と共にセンサ出力は減少し、圧縮荷重の増加と共に出力は増大する）ため、力の方向（つまり、ロッド９に作用する外部荷重が引張力であるか圧縮力であるか）と大きさ（絶対値）の同時検出が可能となる。
【００２４】
又、ロッド９に作用する圧縮荷重ＰがＰ３（＝Ｐ１−Ｐ２）を超えると（つまり、荷重センサ４を押し下げる力（Ｐ２＋Ｐ）が第１のバネ５のセット荷重Ｐ１）よりも大きくなると、図２（ｄ）に示すように、荷重センサ４は第１のバネ５の付勢力に抗して下動し、ロッド９の隙間ａは図３に示すように圧縮荷重Ｐの増加に反比例してリニアに減少する。この場合、荷重センサ４の検出ロッド８には圧縮荷重が作用するため、図３に示すようにセンサ出力は圧縮荷重Ｐの増加に比例してリニアに増大し、ロッド９に作用する圧縮荷重Ｐが荷重センサ４によって引き続いて検出される。
【００２５】
そして、ロッド９に作用する圧縮荷重Ｐが所定値Ｐ５以上になると、図２（ｅ）に示すようにロッド９の下面がホルダー３のストッパ部３ａに当接して荷重センサ４のそれ以上の下動が阻止されるため、ロッド９の隙間ａはゼロ（ａ＝０）となり、荷重センサ４の検出ロッド８には一定の圧縮力Ｐ（＝Ｐ２＋Ｐ５）が作用するため、図３に示すようにセンサ出力は一定値を示す。この場合、Ｐ５を超える外部荷重はホルダー３によって受けられ、検出ロッド８には常に一定の圧縮力（Ｐ２＋Ｐ５）が作用するため、荷重センサ４が有効に保護されてその損傷が防がれる。
【００２６】
以上のように、本実施の形態に係る荷重検出装置１によれば、荷重センサ４の検出ロッド８には第２のバネ６によって常時圧縮荷重が作用し、引張方向の荷重に対しては検出ロッド８に作用する圧縮荷重の減少として検出され、圧縮方向の荷重に対しては検出ロッド８に作用する圧縮荷重の増加として検出されるため、引張と圧縮の双方向の荷重を検出することができる。ここで、荷重センサ４の使用範囲を、引張方向はＰ２よりも小さく、圧縮方向はＰ３（＝Ｐ１−Ｐ２）よりも小さい範囲に設定すると（図３参照）、図２（ｃ）に示すような荷重センサ４が静止したままでの変位のない状態での荷重の検出が可能となる。
【００２７】
そして、ロッド９に作用する外部荷重が引張力又は圧縮力の何れであっても、荷重センサ４の検出ロッド８には常時圧縮荷重が作用するため、荷重センサ４の感度が一定となって感度の直線性を容易に確保することができる。
【００２８】
＜実施の形態２＞
次に、本発明の実施の形態２を図４に基づいて説明する。尚、図４は本実施の形態に係る荷重検出装置の断面図であり、本図においては図１に示したと同一要素には同一符号を付している。
【００２９】
本実施の形態に係る荷重検出装置１’では、ホルダーを２つに分割し、荷重センサ４とこれを付勢する第１のバネ５を収容する第１のホルダー３を第１の固定台２に設置し、ロッド９とこれを付勢する第２のバネ６を収容する第２のホルダー３’を第２の固定台２’に設置する構成を採用しており、該荷重検出装置１’の作用は前記実施の形態１に係る荷重検出装置１のそれと同様であって、ロッド９に作用する引張と圧縮の双方向の荷重を検出することができる。
【００３０】
＜実施の形態３＞
次に、本発明の実施の形態３を図５に基づいて説明する。尚、図５は本実施の形態に係る荷重検出装置の断面図であり、本図においても図１に示したと同一要素には同一符号を付している。
【００３１】
本実施の形態に係る荷重検出装置２１は、ホルダー３の下端から下方へ延出するロッド９’を上方のロッド９と同軸的に配し、両ロッド９，９’のジョイント１０，１０’に作用する引張と圧縮の双方向の荷重を検出可能としたものであって、ジョイント１０，１０’に作用する外部荷重がどの方向に作用しても相対的な力の大きさを検出することができる。そして、この荷重検出装置２１には、前記実施の形態１，２に係る荷重検出装置１，１’と同様に過荷重防止機能が設けられているため、ジョイント１０，１０’に大きな外部荷重が作用しても、荷重センサ４には一定値以下の荷重が作用し、該荷重センサ４が有効に保護されてその耐久性向上が図られる。
【００３２】
又、ホルダー３とロッド９，９’とは自由に相対回転することができるため、当該荷重検出装置２１は捩れや撓みが調整されて高精度に取り付けられる。
【００３３】
＜実施の形態４＞
次に、本発明の実施の形態４を図６に基づいて説明する。尚、図６は前記実施の形態３に係る荷重検出装置の応用例を示す自動二輪車のエンジン部分の側面図である。
【００３４】
図６において、１２は自動二輪車のエンジンであって、その側部の上下には変速ギヤ軸１３とシフトレバー１４がそれぞれ配され、変速ギヤ軸１３に結着された変速レバー１５とシフトレバー１４との間に荷重検出装置２１が連結されて設けられている。
【００３５】
而して、ライダーのシフト操作時にシフトレバー１４に作用する引張及び圧縮の双方向のシフト荷重が荷重検出装置２１によって検出されるが、荷重検出装置２１においてホルダー３とロッド９，９’とは前述のように自由に相対回転することができるため、該荷重検出装置２１は捩れや撓みが調整されて高精度に取り付けられるとともに、エンジン振動に伴う無理な力を逃がすことができるために荷重検出装置２１の耐久性が高められる。
【００３６】
尚、図７に示すように、荷重検出装置２１の変速レバー１５とシフトレバー１４との連結部（ジョイント１０，１０’部）に防振部材１６，１７を設けることによってエンジン１２の振動ノイズを低減することができる。或は、図８に示すように、荷重センサ４と差動増幅回路１８の間に電気的フィルター回路１９を設け、荷重センサ４からの検出信号からエンジンの振動ノイズをフィルター回路１９によって除去するようにしても良い。具体的には、荷重センサ４は３ｋＨｚ以上の周波数で駆動され、エンジン振動の周波数は０〜２００Ｈｚ程度であるため、フィルター回路１９によって３００Ｈｚ以下の周波数を除去する。
【００３７】
＜実施の形態５＞
次に、本発明の実施の形態５を図９に基づいて説明する。尚、図９は前記実施の形態３に係る荷重検出装置の応用例を示す自動二輪車のエンジン部分の側面図である。
【００３８】
図９に示すシステムは、直動ロボット等のアクチュエータ２０を使用し、外部動力でシフトレバー１４を操作することによってシフト操作を自動化するものであって、アクチュエータ２０とシフトレバー１４との間に荷重検出装置２１が介設されている。
【００３９】
而して、上記システムにおいて、シフトレバー１４に作用するシフト荷重は荷重検出装置２１によって検出され、この検出データはシフト操作制御情報として利用される。
【００４０】
従って、本実施の形態においても、エンジン１２の振動ノイズに影響されない高精度な検出が可能となるとともに、荷重検出装置２１の振動や過荷重に対する耐久性を高めることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、センサ本体から突出する検出部を備える荷重センサをホルダー内に移動可能に収納するとともに、該荷重センサのセンサ本体と検出部を第１、第２のバネで互いに逆方向に付勢し、第１のバネのセット荷重Ｐ１を第２のバネのセット荷重Ｐ２よりも大きく設定してセンサ本体をホルダーに押圧して荷重検出装置を構成したため、引張と圧縮の双方向の荷重を検出することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る荷重検出装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る荷重検出装置の作用を示す部分断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る荷重検出装置のロッドに作用する外部荷重（引張力又は圧縮力）に対する該ロッドの変位とセンサ出力との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る荷重検出装置の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る荷重検出装置の断面図である。
【図６】実施の形態３に係る荷重検出装置の応用例を示す自動二輪車のエンジン部分の側面図である。
【図７】実施の形態３に係る荷重検出装置の応用例を示す自動二輪車のエンジン部分の側面図である。
【図８】荷重センサの信号出力経路にフィルター回路を設けた構成を示すブロック図である。
【図９】実施の形態３に係る荷重検出装置の応用例を示す自動二輪車のエンジン部分の側面図である。
【符号の説明】
１，１’，２１荷重検出装置
３，３’ ホルダー
４荷重センサ
５第１のバネ
６第２のバネ
７ケース（センサ本体）
８検出ロッド（センサ本体）
９，９’ ロッド
１０，１０’ ジョイント
１１スペーサ
Ｐ１第１のバネのセット荷重
Ｐ２第２のバネのセット荷重

Claims

センサ本体から突出する検出部を備える荷重センサをホルダー内に移動可能に収納し、
前記荷重センサを挟んで互いに反対側に第１、第２のバネを配置し、
外部から圧縮荷重又は引張荷重を受けるロッドの一端側を前記第２のバネと前記荷重センサの前記検出部との間に位置させ、当該ロッドを前記検出部に接近する圧縮方向と当該検出部から離れる引張方向とに移動可能に配置し、
前記ロッドに圧縮荷重と引張荷重の双方が作用していない無負荷状態において、前記ロッドの前記一端側を前記圧縮方向に押す前記第２のバネのセット荷重Ｐ２によって、前記一端側を前記検出部に向けて押し、
前記センサ本体を前記引張方向に押す前記第１のバネのセット荷重Ｐ１を前記第２のバネの前記セット荷重Ｐ２よりも大きく設定しておくことで、前記無負荷状態において、前記センサ本体の前記引張方向への移動を規制する前記ホルダーのストッパ部に前記センサ本体を押圧することを特徴とする荷重検出装置。
前記荷重センサの使用範囲を、引張方向はＰ２よりも小さく、圧縮方向は（Ｐ１−Ｐ２）よりも小さい範囲に設定したことを特徴とする請求項１記載の荷重検出装置。
前記荷重センサの検出部に常時圧縮荷重を作用させることを特徴とする請求項１又は２記載の荷重検出装置。
前記荷重センサを磁歪式、歪みゲージ式又は静電容量式センサで構成したことを特徴とする請求項１，２又は３記載の荷重検出装置。