JP5442945B2

JP5442945B2 - 荷重および荷重方向検出装置

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Publication number: JP5442945B2
Application number: JP2007242861A
Authority: JP
Inventors: 昇藤原; 昭松浦
Original assignee: Panasonic Corp; Toyoda Iron Works Co Ltd; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Toyoda Iron Works Co Ltd; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2027-09-19
Also published as: JP2008281540A; CN101285724A; CN101285724B

Description

本発明は、車両用ペダル類の踏込み荷重および荷重方向の検出、車両用パーキングブレーキレバーに加えられる荷重および荷重方向の検出、車両用シートの座面荷重および荷重方向の検出、サスペンションに加えられる車体或いは車輪荷重およびその方向の検出、リフト装置に加えられる荷重および荷重方向の検出等、種々の部材或いは装置に加えられる荷重および荷重方向を検出するための荷重および荷重方向検出装置に関するものである。

一般に、荷重検出装置は、図１２〜図１４に示すような構成となっていた。図１２は従来の荷重検出装置の斜視図、図１３は同荷重検出装置のセンサ本体部における起歪体の展開図、図１４は同荷重検出装置の回路図である。図１２〜図１４において、円筒形状の起歪体１の外側面には、一対の周方向歪検知素子２および一対の幅方向歪検知素子３が固着されている。また、前記起歪体１の外側面には、前記周方向歪検知素子２および幅方向歪検知素子３と電源端子４、ＧＮＤ端子５および出力端子６とを回路パターン７で電気的に接続することにより図１３に示すようなブリッジ回路が構成されているものである。

以上のように構成された従来の荷重検出装置では、円筒形状の起歪体１に、軸心Ｃと平行な方向に圧縮力が作用すると、一対の幅方向歪検知素子３の抵抗値は小さくなるとともに、一対の周方向歪検知素子２の抵抗値は大きくなる。そして、この一対の幅方向歪検知素子３および一対の周方向歪検知素子２は、電源端子４、ＧＮＤ端子５、出力端子６および回路パターン７でブリッジ回路を構成しているため、起歪体１に作用する圧縮力に応じて出力信号を出力端子６から出力するものである。なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平６−２０７８６６号公報

しかしながら、上記した従来の荷重検出装置においては、起歪体１の軸心Ｃと平行な方向に荷重が作用するようになっているため、起歪体１自身が荷重に対する変形の抵抗となって、周方向歪検知素子２および幅方向歪検知素子３に歪が発生しにくくなり、これにより、出力信号の感度が低下してしまうという問題があった。また、センサ本体部に加えられた荷重の方向を検出できず、用途が限定されるという問題もあった。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、センサ本体部に加えられる荷重の検出感度の向上が図れるとともに、そのセンサ本体部に加えられる荷重の方向を検出することができる荷重および荷重方向検出装置を提供することにある。

かかる目的を達成するための請求項１に係る発明の要旨とするところは、荷重およびその荷重方向を検出する荷重および荷重方向検出装置であって、(a) 周方向に離隔した少なくとも４つの歪検知素子が周面に設けられた円筒形状の起歪体と、該起歪体の両端部の一方に対してその起歪体の軸心に垂直な方向の荷重が、他方に対してその反力がそれぞれ加えられるように、その起歪体の両端部にそれぞれ固定されて起歪体を支持する第１部材および第２部材とを有するセンサ本体部と、(b) 前記少なくとも４つの歪検知素子のうち前記軸心に対して相対的に位置する一対の歪検知素子と、前記軸心に対して相対的に位置し、前記一対の歪検知素子とは異なる他の一対の歪検知素子とを含む第１ブリッジから出力される信号に基く第１出力信号から荷重を算出する荷重算出部と、(c) 前記少なくとも４つの歪検知素子のうち前記軸心に対して相対的に位置する一対の歪検知素子と２つの固定抵抗器とから構成されるフルブリッジである第２ブリッジから出力される信号に基づく第２出力信号と、前記第１出力信号とに基づいて荷重方向を算出する荷重方向算出部とを、含むことを特徴とする。
また、請求項２に係る発明の要旨とするところは、荷重およびその荷重方向を検出する荷重および荷重方向検出装置であって、(a) 周方向に離隔した少なくとも４つの歪検知素子が周面に設けられた円筒形状の起歪体と、該起歪体の両端部の一方に対して該起歪体の軸心に垂直な方向の荷重が、他方に対してその反力が加えられるように、該起歪体の両端部にそれぞれ固定されて起歪体を支持する第１部材および第２部材とを有するセンサ本体部と、(b) 前記少なくとも４つの歪検知素子のうち前記軸心に対して相対的に位置する一対の歪検知素子と２つの固定抵抗器とから構成されるフルブリッジである第３ブリッジから出力される信号に基く第３出力信号と、前記軸心に対して相対的に位置し、前記一対の歪検知素子とは異なる他の一対の歪検知素子と前記２つの固定抵抗器とから構成されるフルブリッジである第４ブリッジから出力される第４出力信号との加算値から荷重を算出する荷重算出部と、(c) 前記第４ブリッジから出力される信号に基づく第４出力信号と、前記３ブリッジから出力される信号に基づく第３出力信号とに基づいて荷重方向を算出する荷重方向算出部とを、含むことを特徴とする。

請求項１に係る発明の荷重および荷重方向検出装置によれば、起歪体の軸心と垂直な方向に第１部材および第２部材の一方から他方へ荷重が加えられることにより、円筒状の起歪体にせん断力が作用するように構成しているため、円筒状の起歪体にその軸心方向に荷重を加える従来の場合に比較して起歪体が撓み易く、歪検知素子に歪が発生し易くなる。したがって、荷重算出部により第１ブリッジから出力される信号に基づく第１出力信号から算出される荷重の検出感度が向上する。また、荷重方向算出部により、第２ブリッジから出力される信号に基づく第２出力信号と前記第１出力信号とに基づいて算出されることにより、上記荷重の方向が得られる。
また、請求項２に係る発明の荷重および荷重方向検出装置によれば、起歪体の軸心と垂直な方向に第１部材および第２部材の一方から他方へ荷重が加えられることにより、円筒状の起歪体にせん断力が作用するように構成しているため、円筒状の起歪体にその軸心方向に荷重を加える従来の場合に比較して起歪体が撓み易く、歪検知素子に歪が発生し易くなる。したがって、荷重算出部により第３ブリッジから出力される信号に基づく第１出力信号と第４ブリッジから出力される信号に基づく第４出力信号との加算値、から算出される荷重の検出感度が向上する。また、荷重方向算出部により、第４ブリッジから出力される信号に基づく第４出力信号と前記第３ブリッジから出力される第３出力信号とに基づいて算出されることにより、上記荷重の方向が得られる。

ここで、好適には、(a) 前記第１ブリッジは、第３歪検知素子および第２歪検知素子と第４歪検知素子および第１歪検知素子とから構成されるものであり、(b) 前記第１出力信号は、前記第３歪検知素子および第４歪検知素子の間と前記第２歪検知素子および第１歪検知素子の間とに電源電圧が印加されたときに、該第３歪検知素子および第２歪検知素子の間に発生する電位と該第４歪検知素子および第１歪検知素子の間に発生する電位との電位差に対応するものである。このため、第３歪検知素子および第２歪検知素子と前記第４歪検知素子および第１歪検知素子とから構成される第１ブリッジにおいて、第３歪検知素子および第４歪検知素子の間と前記第２歪検知素子および第１歪検知素子の間とに電源電圧が印加されたときに、該第３歪検知素子および第２歪検知素子の間に発生する電位と該第４歪検知素子および第１歪検知素子の間に発生する電位との電位差またはその増幅値が、第１出力信号として出力され、前記荷重算出部によりその第１出力信号に基づいて荷重が算出される。

また、好適には、(a) 前記第２ブリッジは、前記第４歪検知素子および第１歪検知素子と２つの固定抵抗器とから構成されるものであり、(b) 前記第２出力信号は、前記第４歪検知素子および一方の固定抵抗器の間と前記第１歪検知素子および他方の固定抵抗器の間とに電源電圧が印加されたときに、該第４歪検知素子および第１歪検知素子の間に発生する電位と該２つの固定抵抗器の間に発生する電位との電位差に対応するものである。このため、第４歪検知素子および第１歪検知素子と２つの固定抵抗器とから構成される第２ブリッジにおいて、第４歪検知素子および一方の固定抵抗器の間と前記第１歪検知素子および他方の固定抵抗器の間とに電源電圧が印加されたときに、該第４歪検知素子および第１歪検知素子の間に発生する電位と該２つの固定抵抗器の間に発生する電位との電位差またはその増幅値が、第２出力信号として出力され、前記荷重方向算出部により前記第１出力信号およびその第２出力信号に基づいて荷重の方向が算出される。

また、好適には、(a) 前記少なくとも４つの歪検知素子は、前記円筒形状の起歪体の周方向に等間隔となる位置に配置されており、(b) 前記第２歪検知素子および第４歪検知素子は、前記第３歪検知素子及び第１歪検知素子に対して、前記荷重に応答して抵抗値が逆方向に変化するものである。このようにすれば、前記第１ブリッジから出力された信号に基づく第１出力信号は、前記荷重の方向の変化に拘わらずその荷重の変化に対応して変化し、前記第２ブリッジから出力された信号に基づく第２出力信号は前記荷重方向の変化に対応して変化する。

以下、本発明の一実施例の荷重および荷重方向検出装置１０について、図面を参照しながら説明する。

図１は上記荷重および荷重方向検出装置( 以下、検出装置という）１０の構成を説明する図である。図１において、検出装置１０は、荷重Ｗを検出するために複数の部品から構成されたセンサ本体部１２と、そのセンサ本体部１２に加えられる荷重Ｗおよびその荷重Ｗの方向θw を検出する検出部１４とから構成されている。この検出部１４には、センサ本体部１２に設けられた４つの歪抵抗素子ＨＲ１、ＨＲ２、ＨＲ３、ＨＲ４を含む第１ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧Ｖ１に基づいて荷重Ｗを算出する荷重算出部１６と上記センサ本体部１２に設けられた４つの歪抵抗素子ＨＲ１、ＨＲ２、ＨＲ３、ＨＲ４のうちの２つと２つの固定抵抗器ＳＲ１、ＳＲ２とを含む第２ブリッジ回路Ｂ２の出力電圧Ｖ２に基づいて荷重Ｗの方向を算出する荷重方向算出部１８とを、備えている。

図１において、上記センサ本体部１２はその一部を切り欠いて示されている。図２は図１に示すセンサ本体部１２のII-II 視断面図である。図１および図２に示すように、センサ本体部１２は、円筒状の起歪体２０と、反力を受けるためにいずれかの部材に固定或いは取り付けられ、円環状のワッシャ２２を介してその起歪体２０の一端に固定されてそれを支持するケース部材（第１部材）２４と、起歪体２０の他端に固定されてそれを支持し、荷重Ｗが加えられる変位部材（第２部材）２６と、その変位部材２６に嵌め入れられた荷重伝達ピン２８とを備え、それらの部品は軸心Ｃを中心として互いに同心に配設されている。

上記起歪体２０、ワッシャ２２、ケース部材２４、変位部材２６、荷重伝達ピン２８は、いずれも金属製であり、たとえばフェライト系ステンレスから構成されている。ケース部材２４は、円筒状の筒部２４a と、その円筒状の筒部２４a の一端から外周側へ一体的に突き出す外向フランジ部２４b と、その円筒状の筒部２４a の他端から内周側へ一体的に突き出す内向フランジ部２４c とを、備えている。円環状のワッシャ２２はその内向フランジ部２４c の内周縁に固定されるとともに、そのワッシャ２２の外周部は起歪体２０における一端部の開口に嵌合状態でその開口の全周に或いは全周の一部に溶接により固定されている。変位部材２６は、荷重伝達ピン２８が中心に挿通された筒状の円筒状部２６a と、その円筒状部２６a の一端外周側へ一体的に突き出す円盤形状の取付部２６b とを備え、その取付部２６b が起歪体２０の他端部の開口を閉塞した状態でその取付部２６b の外周部が起歪体２０の他端部の開口に嵌合状態でその開口の全周に或いは全周の一部に溶接されている。

また、起歪体２０は変位部材２６の円筒状部２６a よりも大径であり、ケース部材２４の円筒状の筒部２４a は起歪体２０よりも大径であるので、ケース部材２４はセンサ本体１２のケースとして機能し、そのケース部材２４内には、起歪体２０、ワッシャ２２、変位部材２６が収容されている。

上記のように構成されたセンサ本体部１２では、起歪体２０の軸心方向の他端部が変位部材２６の取付部２６b によって支持されるとともに、起歪体２０の軸心方向の一端部がケース部材２４の内向フランジ部２４c によりワッシャ２２を介して支持されている。すなわち、起歪体２０の軸心方向の両端部が第２部材としての変位部材２６と第１部材としてのケース部材２４とにそれぞれ固定されて支持されている。これにより、ケース部材２４の外周面が位置固定に保持されている状態で、変位部材２６の中心に嵌合された荷重伝達ピン２８を介して軸心Ｃに直角な方向から荷重Ｗが加えられると、起歪体２０に剪断方向の応力が加えられるようになっている。本実施例のセンサ本体部１２では、起歪体２０の軸心Ｃ方向に荷重が加えられる場合に比較して、歪が発生し易くされており、出力信号の感度が向上させられている。図５は、図２のＶ−Ｖ視断面図であり、上記剪断方向の応力が加えられることにより起歪体２０に発生する歪みを強調して示している。

上記起歪体２０の歪みを検出するために、図３に示すような、所定の回路パターンが長手帯状に形成された膜状或いはフィルム状の歪検出回路３０が、上記起歪体２０の外周面に、接着剤等により固着されている。歪検出回路３０は、ステンレス、ニッケル、銅等の金属箔或いはポリイミド樹脂などの耐熱性樹脂から構成された基体フィルム３２と、ガラス或いは耐熱樹脂から構成され、基体フィルム３２上に一面に固着された絶縁層３４と、その絶縁層３４上に印刷或いはスパッタ等の技術により固着されたアルミニウム、ニッケル、銀等から成る所定パターンの導電膜３６と、同様に、絶縁層３４上に印刷或いはスパッタ等の技術により固着された所定パターンの厚膜抵抗材料や、タングステン、ルテニウム等の金属抵抗材料等から成る歪抵抗膜３８とを、備えている。

上記歪検出回路３０は、以下に示す工程によって起歪体２０の外周面に直接固着した状態で形成されることができる。たとえば、先ず、起歪体２０の材料となる厚みが１ｍｍ程度の円筒形状のシームレスのステンレス管（図示せず）の外側面にガラスペースト（図示せず）を印刷した後、約８５０℃で約１０分間焼成し絶縁層３４を形成する。次に、上記ステンレス管の外側面に位置して銀を主成分とする導電ペースト（図示せず）を印刷し、約８５０℃で約１０分間焼成することにより、前記ステンレス管の外側面に電源端子ＥＶccおよびＥＧＮＤ、出力端子ＥＶf+およびＥＶf-、所定パターンの導電膜３６を形成する。次に、上記ステンレス管の外側面にメタルグレーズ系抵抗ペースト（図示せず）を印刷した後、約１３０℃で約１０分間乾燥し、その後、前記ステンレス管を約８５０℃で約１０分間焼成することにより、４つの歪抵抗素子ＨＲ１、ＨＲ２、ＨＲ３、ＨＲ４を形成する。これにより、上記ステンレス管は起歪体２０として製造される。

上記所定パターンの導電膜３６および歪抵抗膜３８は、一対の電源端子ＥＶccおよびＥＧＮＤと、前記４つの歪抵抗素子ＨＲ１、ＨＲ２、ＨＲ３、ＨＲ４を含むフルブリッジである第１ブリッジ回路Ｂ１と、その第１ブリッジ回路Ｂ１の出力端子ＥＶf+およびＥＶf-と、を構成している。上記４つの歪抵抗素子ＨＲ１、ＨＲ２、ＨＲ３、ＨＲ４は、長手帯状の歪検出回路３０の幅中心ＷＣから片側へ偏った位置において、長手方向の略等間隔に、起歪体２０の外周面に歪検出回路３０が巻回されて固着された状態では周方向に略等間隔すなわち軸心Ｃまわりに略等角度間隔で配置されている。本実施例では、図２に示すように、荷重Ｗの振り角の中央方向すなわち荷重Ｗの基準方向Ａを軸心Ｃまわり零度とすると、右まわりの略４５度の位置を中心として歪抵抗素子ＨＲ２が、略１３５度の位置を中心として歪抵抗素子ＨＲ１が、略２２５度の位置を中心として歪抵抗素子ＨＲ３が、略３１５度の位置を中心として歪抵抗素子ＨＲ４が、それぞれ配置されている。したがって、歪抵抗素子ＨＲ３およびＨＲ４と、歪抵抗素子ＨＲ１およびＨＲ２とが荷重Ｗの基準方向Ａに対して左右にそれぞれ位置させられ、歪抵抗素子ＨＲ４およびＨＲ２と、歪抵抗素子ＨＲ３およびＨＲ１とが荷重Ｗの基準方向Ａに直交する線Ｂに対して、上側( 荷重Ｗの方向の上流側) および下側( 荷重Ｗの方向の下流側) にそれぞれ位置させられている。

検出部１４には、一定の直流電圧若しくは交流電圧を出力する電源装置４０が設けられており、その一対の出力端子が電源端子ＥＶccおよびＥＧＮＤにそれぞれ接続されている。また、検出部１４には、上記電源装置４０の一対の出力端子間に直列接続された２つの固定抵抗器ＳＲ１、ＳＲ２が設けられており、前記４つの歪抵抗素子ＨＲ１、ＨＲ２、ＨＲ３、ＨＲ４のうち、軸心Ｃに対して対称に位置する２つの歪抵抗素子、本実施例では、歪抵抗素子ＨＲ１およびＨＲ４と外部接続された２つの固定抵抗器ＳＲ１、ＳＲ２とによりフルブリッジである第２ブリッジ回路Ｂ２が構成されている。図４は、上記第１ブリッジＢ１および第２ブリッジＢ２の等価回路を示している。

図３において、検出部１４には、第１ブリッジＢ１の出力端子ＥＶｆ+およびＥＶｆ−に接続された第１差動増幅器４２と、第２ブリッジＢ２の出力端子ＥＶd−およびＥＶd+（＝ＥＶf+) に接続された第２差動増幅器４４と、第１差動増幅器４２の出力信号Ｖ１と第２差動増幅器４４の出力信号Ｖ２とに基づいて荷重Ｗの方向を算出する荷重方向算出器４６とが設けられている。

上記図３および図４における、第１ブリッジＢ１および第２ブリッジＢ２の作動を説明するために、４つの歪抵抗素子ＨＲ１、ＨＲ２、ＨＲ３、ＨＲ４の抵抗値をＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４とし、歪みが加わったときのそれら抵抗値の変化量をΔＲ１、ΔＲ２、ΔＲ３、ΔＲ４とし、固定抵抗器ＳＲ１、ＳＲ２の抵抗値をＲ０、Ｒ０とし、各抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ０は共に同じ値であるとし、第１差動増幅器４２および第２差動増幅器４４の増幅率を１としたとき、第１差動増幅器４２の第１出力信号すなわち第１ブリッジＢ１の出力電圧Ｖ１は次式（１）に、第２差動増幅器４４の第２出力信号すなわち第２ブリッジＢ２の出力電圧Ｖ２は次式（２）にそれぞれ近似式として示される。

V1＝[(ΔR1/R1)-(ΔR2/R2)+(ΔR3/R3)-(ΔR4/R4)]Vcc/4 ・・・( １）
V2＝[(ΔR1/R1)-(ΔR4/R4)]Vcc/4 ・・・( ２）

第１ブリッジＢ１では、荷重Ｗが加えられたときに受ける歪みによる抵抗変化傾向が同じとなるものが対辺に位置させられている。すなわち、荷重Ｗによって受ける起歪体２０の歪み変形を強調して示す図２のＶ−Ｖ視断面図である図５に示すように、荷重Ｗが加えられると、線Ｂの上側に位置する歪抵抗素子ＨＲ２およびＨＲ４は起歪体２０の幅方向の圧縮応力を受けて抵抗値が共に低下傾向となる一方で、線Ｂの下側に位置する歪抵抗素子ＨＲ１およびＨＲ３は起歪体２０の幅方向の引っ張り応力を受けて抵抗値が共に増加傾向となる。第１ブリッジＢ１では、第１ブリッジＢ１の２組の対辺のうち、歪抵抗素子ＨＲ２およびＨＲ４が一方の組の対辺に位置させられ、歪抵抗素子ＨＲ１およびＨＲ３が他方の組の対辺に位置させられている。このように構成された第１ブリッジＢ１では、荷重Ｗが加えられることにより、荷重Ｗの基準方向Ａとその方向の垂直方向に対してたすき掛け位置すなわちクロス位置に位置する一対のハーフブリッジの中点電位Ｖf+およびＶf-が反対方向に変化し、荷重Ｗに対して高感度に変化する出力電圧Ｖ１が得られる。また、上記のように構成された第１ブリッジＢ１では、上記荷重Ｗに対する抵抗値の変化傾向が維持される範囲で、荷重Ｗが加えられる角度θ_Wの変化に対して鈍感である特性を備えている。このことは、以下に説明する本発明者等による実験によっても確認されている。したがって、第１差動増幅器４２の第１出力信号は荷重Ｗを示すものであり、第１差動増幅器４２は前記荷重算出部１６の一部又は全部を構成している。

図６および図７は、本発明者等による実験結果を示している。図６は、試作された第１ブリッジＢ１について、図２に示すように変位部材２６の軸心Ｃに荷重Ｗを加えてそれを増加したときに測定された出力電圧Ｖ１を示している。これによれば、荷重Ｗに比例した出力電圧Ｖ１が得られるので、予め荷重Ｗと出力電圧Ｖ１との関係を記憶することにより、その関係から出力電圧Ｖ１に基づいて荷重Ｗが測定される。図７は、荷重Ｗとして５段階の一定且つ順次大きい荷重値Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５をそれぞれ加えた状態で、その荷重を加える角度( 方向) θ_Wを変化させたときに測定された出力電圧Ｖ１を示している。これによれば、所定荷重について、その荷重を加える角度( 方向) θ_Wが変化しても、出力電圧Ｖ１が変化しないので、角度θ_Wの変化を伴う荷重Ｗであっても高精度で測定可能であることを示している。

第２ブリッジＢ２は、第１ブリッジＢ１のうちの歪抵抗素子ＨＲ４とＨＲ１もしくは、歪抵抗素子ＨＲ２とＨＲ３のクロス位置に配列されて直列に接続されたハーフブリッジと、直列に接続された固定抵抗器ＳＲ１およびＳＲ２から成るハーフブリッジとから構成されるフルブリッジである。図８は試作された第２ブリッジＢ２について、図２に示すように変位部材２６の軸心Ｃに荷重Ｗとして５段階の一定且つ順次大きい荷重値Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５をそれぞれ加えた状態で、その荷重を加える角度( 方向) θ_Wを変化させたときに測定された出力電圧Ｖ２を示している。これによれば、荷重Ｗに比例し且つその荷重Ｗを加える角度( 方向) θ_Wに比例して変化する出力電圧Ｖ２が得られた。このため、荷重Ｗについて正規化するために実験的に求められた係数β( 出力電圧Ｖ１の函数)および定数αを用いることにより、次式（３）に示す関係が得られ、その関係から出力電圧Ｖ２に基づいて荷重が加えられた角度( 方向) θ_Wが算出される。前記荷重方向算出器４６は、前記荷重方向算出部１８の一部または全部を構成し、その式（３）から、第１ブリッジＢ１の出力電圧Ｖ１とブリッジＢ２の出力電圧Ｖ２とに基づいて、荷重Ｗが加えられた角度( 方向) θ_Wを示す角度信号Ｓθを算出し、出力する。なお、αは必ずしも定数である必要はなく、必要に応じてＶ１の値等によって補正されるようにしてもよい。

θ_W＝β×Ｖ２−α (但し、α＝定数、β＝ｆ_２(Ｖ１) ) ・・・( ３）

上述のように、本実施例の検出装置１０によれば、起歪体２０の軸心Ｃと垂直な方向Ａに変位部材２６からケース部材２４へ荷重Ｗが加えられることにより、円筒状の起歪体２０にせん断力が作用するように構成しているため、円筒状の起歪体２０にその軸心Ｃ方向に荷重を加える従来の場合に比較して、起歪体２０が撓み易く、歪抵抗素子ＨＲ１乃至ＨＲ４に歪が発生し易くなる。このため、第１ブリッジＢ１から出力された信号に基づいて第１差動増幅器４２( 荷重算出部１６) により算出された第１出力信号である出力電圧Ｖ１が示す荷重Ｗの検出感度が向上する。また、荷重方向算出器４６( 荷重方向算出部１８) により、第２ブリッジＢ２から出力された信号に基づいて第２差動増幅器４４により算出された第２出力信号である出力電圧Ｖ２と上記第１差動増幅器４２により出力された第１出力信号である出力電圧Ｖ１とに基づいて算出されることにより、上記荷重Ｗの方向θ_Wが得られる。

また、本実施例の検出装置１０によれば、(a) 第１ブリッジＢ１は、第３歪抵抗素子ＨＲ３および第２歪抵抗素子ＨＲ２と第４歪抵抗素子ＨＲ４および第１歪抵抗素子ＨＲ１とから構成されるものであり、(b) 出力電圧Ｖ１は、第３歪抵抗素子ＨＲ３および第４歪抵抗素子ＨＲ４の間と第２歪抵抗素子ＨＲ２および第１歪抵抗素子ＨＲ１の間とに電源電圧Ｖccが印加されたときに、それら第３歪抵抗素子ＨＲ３および第２歪抵抗素子ＨＲ２の間に発生する電位とそれら第４歪抵抗素子ＨＲ４および第１歪抵抗素子ＨＲ１の間に発生する電位との電位差である。このため、第３歪抵抗素子ＨＲ３および第２歪抵抗素子ＨＲ２と第４歪抵抗素子ＨＲ４および第１歪検知素子ＨＲ１とから構成される第１ブリッジＢ１において、第３歪抵抗素子ＨＲ３および第４歪抵抗素子ＨＲ４の間と第２歪抵抗素子ＨＲ２および第１歪抵抗素子ＨＲ１の間とに電源電圧Ｖccが印加されたときに、第３歪抵抗素子ＨＲ３および第２歪抵抗素子ＨＲ２の間に発生する電位と第４歪抵抗素子ＨＲ４および第１歪抵抗素子ＨＲ１の間に発生する電位との電位差が、出力電圧Ｖ１として出力され、第１差動増幅器４２( 荷重算出部１６) によりその出力電圧Ｖ１に基づいて荷重Ｗが算出される。

また、本実施例の検出装置１０によれば、(a) 第２ブリッジＢ２は、第４歪抵抗素子ＨＲ４および第１歪抵抗素子ＨＲ１と２つの固定抵抗器ＳＲ１、ＳＲ２とから構成されるものであり、(b) 出力電圧Ｖ２は、第４歪抵抗素子ＨＲ４および一方の固定抵抗器ＳＲ１の間と第１歪抵抗素子ＨＲ１および他方の固定抵抗器ＳＲ２の間とに電源電圧Ｖccが印加されたときに、第４歪抵抗素子ＨＲ４および第１歪抵抗素子ＨＲ１の間に発生する電位と２つの固定抵抗器ＳＲ１、ＳＲ２の間に発生する電位との電位差である。このため、第４歪抵抗素子ＨＲ４および第１歪抵抗素子ＨＲ１と２つの固定抵抗器ＳＲ１、ＳＲ２とから構成される第２ブリッジＢ２において、第４歪抵抗素子ＨＲ４および一方の固定抵抗器ＳＲ１の間と第１歪抵抗素子ＨＲ１および他方の固定抵抗器ＳＲ２の間とに電源電圧Ｖccが印加されたときに、第４歪抵抗素子ＨＲ４および第１歪抵抗素子ＨＲ１の間に発生する電位と２つの固定抵抗器ＳＲ１、ＳＲ２の間に発生する電位との電位差が、出力電圧Ｖ２として出力され、荷重方向算出器４６により第１差動増幅器４２から出力される第１出力信号( 出力電圧Ｖ１) および第２差動増幅器４４から出力される第２出力信号( 出力電圧Ｖ２) に基づいて荷重Ｗの方向θ_Wが算出される。

また、本実施例の検出装置１０によれば、(a) ４つの歪抵抗素子ＨＲ１、ＨＲ２、ＨＲ３、ＨＲ４は、円筒形状の起歪体２０の外側面の周方向に略等間隔となる位置に配置されており、(b) 第２歪抵抗素子ＨＲ２および第４歪抵抗素子ＨＲ４は、第３歪抵抗素子ＨＲ３及び第１歪抵抗素子ＨＲ１に対して、荷重Ｗに応答して抵抗値が逆方向に変化するものである。このため、第１ブリッジＢ１の出力電圧Ｖ１は、荷重Ｗの方向θ_Wの変化に拘わらずその荷重Ｗに対応して変化し、第２ブリッッジＢ２の出力電圧Ｖ２は荷重の方向θ_Wに対応して変化する。このため、高い感度すなわち高い測定精度が得られる。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお以下の説明では、前述の実施例と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図９は、前述のセンサ本体部１２の他の実施例における等価回路を示している。本実施例の第１ブリッジＢ１は、図４の第１ブリッジＢ１の歪抵抗素子ＨＲ１およびＨＲ４に代えて、固定抵抗器ＳＲ２およびＳＲ１が設けられている点で相違し、他の部分および第２ブリッジＢ２は同様に構成されている。

図１０および図１１は、本実施例の第１ブリッジＢ１および第２ブリッジＢ２について、図２に示すように変位部材２６の軸心Ｃに荷重Ｗとして５段階の一定且つ順次大きい荷重値Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５をそれぞれ加えた状態で、その荷重を加える角度( 方向) θ_Wを変化させたときに測定された出力電圧Ｖ３およびＶ４を示している。これによれば、荷重Ｗに比例し且つその荷重Ｗを加える角度( 方向) θ_Wに比例および逆比例して変化する出力電圧Ｖ３およびＶ４が得られた。このため、本実施例においては、出力電圧Ｖ３および出力電圧Ｖ４を加えることにより、それら出力電圧の加算値( Ｖ３＋Ｖ４)は荷重Ｗの角度θ_Wに拘わらず、前述の実施例の図７と同様に、一定の値となる。

したがって、本実施例によれば、上記出力電圧の加算値( Ｖ３＋Ｖ４) を前述の実施例の出力電圧Ｖ１に代えて用いることにより、荷重Ｗが求められ、式( ３）からその加算値( Ｖ３＋Ｖ４)の函数であるβと定数αおよび出力電圧Ｖ４（Ｖ２）とに基づいて荷重Ｗの角度( 方向) θ_Wが算出される。なお、前述の実施例と同様に、αは必ずしも定数である必要はなく、必要に応じて出力電圧の加算値（Ｖ３＋Ｖ４）等によって補正されるようにしてもよい。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適応される。

たとえば、前述の検出装置１０において、歪検出回路３０は、起歪体２０の外周面に固着されていが、内周面に固着されていても何等差し支えはない。

また、前述の検出装置１０において、起歪体２０の周面に固着された第１歪抵抗素子ＨＲ１、第２歪抵抗素子ＨＲ２、第３歪抵抗素子ＨＲ３、第４歪抵抗素子ＨＲ４は、厚膜抵抗だけでなく、薄膜抵抗により構成されてもよい。

また、図３に示すように、歪検出回路３０において、各歪抵抗素子ＨＲ１、ＨＲ２、ＨＲ３、ＨＲ４は、電極( 端子）パターンの配置等の関係で起歪体２０の外側面の幅方向においてその幅中心よりも偏った位置に配置されているが、幅方向の中心において配置されてもよく、要するに、線Ｂの上側に位置する歪抵抗素子と下側に位置する歪抵抗素子とが、逆の応力を受ければよいのである。

また、前述の実施例の検出装置１０において、第１部材としてケース部材２４が、第２部材として変位部材２６が用いられていたが、逆であってもよい。また、前述の実施例では、荷重Ｗは変位部材２６に加えられ、ケース部材２４が反力を受け止められるように説明されていたが、逆であってもよい。

また、前述の実施例のケース部材２４および変位部材２６は、取付構造、支持構造、荷重印加構造等、必要に応じて種々の形状に変更される。

また、前述の実施例の起歪体２０の外周面に固着された第１歪抵抗素子ＨＲ１、第２歪抵抗素子ＨＲ２、第３歪抵抗素子ＨＲ３、第４歪抵抗素子ＨＲ４は、必ずしも図３に示すパターン形状でなくてもよく、その縦横比や全体形状等は種々変更が加えられ得る。

また、前述の起歪体２０はシームレスのステンレス管から構成されていたが、長方形のステンレス板の長手方向の両端部が接合されたものであってもよいし、変位部材２６の取付部２６bおよびワッシャ２２に溶接されたときに円筒状とされてもよい。

また、図２に示すように、歪検出回路３０において、各歪抵抗素子ＨＲ１、ＨＲ２、ＨＲ３、ＨＲ４は、起歪体２０の周方向において等間隔に配置されていたが、荷重検出装置の配置形態、或いは荷重の入力条件等によりある範囲でずらす場合があり、必ずしも厳密に等間隔に配置する必要はない。

また、実施例２では、荷重Ｗの角度（方向）θ_Ｗを算出するのに第２ブリッジＢ２の出力電圧Ｖ４を用いているが第１ブリッジＢ１の出力電圧Ｖ３を用いても同様に算出することができる。

その他一々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

本発明の一実施例の荷重および荷重方向検出装置の構成を説明する図である。図１の実施例においてセンサ本体部の構成を説明する、図１のII-II 視縦断面図である。図１の実施例においてセンサ本体部の起歪体の外周面に固着された検出回路を展開して示し、検出回路に接続されて測定回路の構成を示す図である。図３の検出回路および検出部において構成される第１ブリッジおよび第２ブリッジを説明する等価回路図である。図１乃至図２に示すセンサ本体部の荷重負荷時における起歪体の変形を説明する、図２のＶ−Ｖ視断面図である。図３および図４に示す第１ブリッジにおいて、荷重に対する出力電圧の変化を説明する特性図である。図３および図４に示す第１ブリッジにおいて、荷重をパラメータとしたときの荷重方向に対する出力電圧の変化を説明する特性図である。図３および図４に示す第２ブリッジにおいて、荷重をパラメータとしたときの荷重方向に対する出力電圧の変化を説明する特性図である。本発明の他の実施例のセンサ本体部の等価回路を説明する図であって、図４に相当する図である。図９の実施例に示す第１ブリッジにおいて、荷重をパラメータとしたときの荷重方向に対する出力電圧の変化を説明する特性図である。図９の実施例に示す第２ブリッジにおいて、荷重をパラメータとしたときの荷重方向に対する出力電圧の変化を説明する特性図である。従来のセンサ本体部に設けられた起歪体を示す斜視図である。図１２の起歪体の外周面に固着された検出回路を展開して示す図である。図１２の起歪体の外周面に固着された検出回路の構成を説明する等価回路である。

符号の説明

１０：荷重および荷重方向検出装置
１２：センサ本体部
１６：荷重算出部
１８：荷重方向算出部
２０：起歪体
２４：ケース部材( 第１部材)
２６：変位部材( 第２部材)
３０：歪検出回路
ＨＲ１：第１歪抵抗素子( 第１歪検知素子)
ＨＲ２：第２歪抵抗素子( 第２歪検知素子)
ＨＲ３：第３歪抵抗素子( 第３歪検知素子)
ＨＲ４：第４歪抵抗素子( 第４歪検知素子)
Ｂ１：第１ブリッジ
Ｂ２：第２ブリッジ
Ｃ：軸心

Claims

荷重およびその荷重方向を検出する荷重および荷重方向検出装置であって、
周方向に離隔した少なくとも４つの歪検知素子が周面に設けられた円筒形状の起歪体と、該起歪体の両端部の一方に対して該起歪体の軸心に垂直な方向の荷重が、他方に対してその反力が加えられるように、該起歪体の両端部にそれぞれ固定されて起歪体を支持する第１部材および第２部材とを有するセンサ本体部と、
前記少なくとも４つの歪検知素子のうち前記軸心に対して相対的に位置する一対の歪検知素子と、前記軸心に対して相対的に位置し、前記一対の歪検知素子とは異なる他の一対の歪検知素子とを含む第１ブリッジから出力される信号に基く第１出力信号から荷重を算出する荷重算出部と、
前記少なくとも４つの歪検知素子のうち前記軸心に対して相対的に位置する一対の歪検知素子と２つの固定抵抗器とから構成されるフルブリッジである第２ブリッジから出力される信号に基づく第２出力信号と、前記第１出力信号とに基づいて荷重方向を算出する荷重方向算出部と
を、含むことを特徴とする荷重および荷重方向検出装置。
荷重およびその荷重方向を検出する荷重および荷重方向検出装置であって、
周方向に離隔した少なくとも４つの歪検知素子が周面に設けられた円筒形状の起歪体と、該起歪体の両端部の一方に対して該起歪体の軸心に垂直な方向の荷重が、他方に対してその反力が加えられるように、該起歪体の両端部にそれぞれ固定されて起歪体を支持する第１部材および第２部材とを有するセンサ本体部と、
前記少なくとも４つの歪検知素子のうち前記軸心に対して相対的に位置する一対の歪検知素子と２つの固定抵抗器とから構成されるフルブリッジである第３ブリッジから出力される信号に基く第３出力信号と、前記軸心に対して相対的に位置し、前記一対の歪検知素子とは異なる他の一対の歪検知素子と前記２つの固定抵抗器とから構成されるフルブリッジである第４ブリッジから出力される第４出力信号との加算値から荷重を算出する荷重算出部と、
前記第４ブリッジから出力される信号に基づく第４出力信号と、前記３ブリッジから出力される信号に基づく第３出力信号とに基づいて荷重方向を算出する荷重方向算出部と
を、含むことを特徴とする荷重および荷重方向検出装置。
前記円筒形状の起歪体は、前記起歪体の軸心に垂直な方向の荷重によって剪断方向の応力が加えられるものであり、
前記４つの歪検出素子は、長手状であって、前記起歪体の周方向に沿い且つ該周方向に等間隔で、該起歪体の周面に配置されており、
前記起歪体の軸心に垂直な方向の荷重は、前記４つの歪検出素子のうちの２つの歪検出素子と他の２つの歪検出素子との間を通る方向で加えられる
ことを特徴とする請求項１又は２の荷重および荷重方向検出装置。
前記第１ブリッジは、第３歪検知素子および第２歪検知素子と第４歪検知素子および第１歪検知素子とから構成されるものであり、
前記第１出力信号は、前記第３歪検知素子および第４歪検知素子の間と前記第２歪検知素子および第１歪検知素子の間とに電源電圧が印加されたときに、該第３歪検知素子および第２歪検知素子の間に発生する電位と該第４歪検知素子および第１歪検知素子の間に発生する電位との電位差に対応するものである
ことを特徴とする請求項１の荷重および荷重方向検出装置。
前記第２ブリッジは、前記第４歪検知素子および第１歪検知素子と２つの固定抵抗器とから構成されるものであり、
前記第２出力信号は、前記第４歪検知素子および一方の固定抵抗器の間と前記第１歪検知素子および他方の固定抵抗器の間とに電源電圧が印加されたときに、該第４歪検知素子および第１歪検知素子の間に発生する電位と該２つの固定抵抗器の間に発生する電位との電位差に対応するものである
ことを特徴とする請求項４の荷重および荷重方向検出装置。
前記少なくとも４つの歪検知素子は、前記円筒形状の起歪体の周方向に等間隔となる位置に配置されており、
前記第２歪検知素子および第４歪検知素子は、前記第３歪検知素子及び第１歪検知素子に対して、前記荷重に応答して抵抗値が逆方向に変化するものである請求項４又は５の荷重および荷重方向検出装置。