JP6273746B2 - 荷重測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷重測定装置に関する。

荷重測定装置は、例えば試験片の摩擦力を測定したい際に用いられる。特にブレーキ鳴きの原因の研究において、荷重測定装置の需要が高まっている。例えば荷重測定装置により、ブレーキ鳴きと、ブレーキパッドの摩擦係数及びブレーキロータの回転数の関係を調査することができる。しかし、通常の荷重測定装置では、ブレーキパッド（摩擦材）の振動を積極的に制御できず、ブレーキ鳴きの原因のさらなる究明は困難であった。

そこで、非特許文献１に記載の装置では、ブレーキパッドを想定した摩擦材に圧電素子により積極的に振動を与えることで、摩擦係数と回転数の関係のみならず、摩擦係数と振動速度（振動周波数）の関係とブレーキ鳴きとの相関をある程度調査することができるようになった。これにより、ブレーキの鳴きの原因の研究をさらに進めることが可能となった。

Ｄ＆Ｄ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２０１１ ＮＯ．４０７ ブレーキ鳴き振動がパッド摩擦係数の速度依存性に与える影響

しかしながら、非特許文献１に記載の装置では、振動の周波数が大きくなるほどパッド側の慣性力（Ｆ＝ｍａ）の影響が大きくなる。この慣性力を含んだ値を荷重センサが検出し、ノイズ成分が大きくなっていた。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、摩擦に関する荷重の測定精度を向上させることができる荷重測定装置を提供することを目的とする。

本発明の様相１に係る荷重測定装置は、支持部材と、所定の加振方向に振動し前記加振方向の一端側が前記支持部材に支持された加振部と、前記加振部の他端側に固定され少なくとも前記加振方向の力を検出する荷重センサと、前記支持部材に前記加振方向に移動可能に支持され、前記加振部の振動を受けて前記加振方向へのみ振動が許容される被測定側振動体と、前記被測定側振動体の前記加振方向に平行な側面と直接又は間接的に当接することで前記被測定側振動体の振動に対して抵抗を付与する抵抗付与部材と、前記支持部材及び前記抵抗付与部材の少なくとも一方を前記支持部材と前記抵抗付与部材とが近づく方向に付勢する付勢部と、前記付勢部の付勢する力を検出する付勢力センサと、を備え、前記荷重センサは、前記加振部と面内均一の力で接触する接触面を有し、前記荷重センサと前記被測定側振動体とは、前記接触面の重心を通る前記加振方向に平行な直線を中心軸とする締結部材により固定され、前記被測定側振動体の重心は、前記接触面の重心を通る前記加振方向に平行な直線上に位置している。

本発明の上記様相１によれば、慣性力を発生させる被測定側振動体の重心が、荷重センサと加振部との接触面の重心を通る加振方向に平行な直線上にあることで、回転モーメントが抑制される。上記様相１によれば、被測定側振動体に生じる回転モードの影響を可能な限り小さくすることができ、摩擦力以外の力（ノイズ）を低減させ、摩擦に関する荷重の測定精度を向上させることができる。

本発明の様相２に係る荷重測定装置は、上記様相１において、前記加振部の重心、前記荷重センサの重心、及び前記被測定側振動体の重心が、前記加振方向に平行な直線上に位置している。

本発明の上記様相２によれば、被測定側振動体が自身を含み振動に関わる３つの部材（加振部、荷重センサ、被測定側振動体）の重心を通る直線上で振動することになり、より確実に且つ安定して慣性力の影響を低減することができる。

本発明の様相３に係る荷重測定装置は、上記様相１又は２において、前記被測定側振動体の加速度、速度、又は変位を測定するセンサをさらに備える。本発明の上記様相３によれば、被測定側振動体自身の加速度、速度、又は変位を直接的に測定することができる。これによれば、例えば、被測定側振動体の振動速度に対する摩擦力（摩擦係数）の関係を精度良く調査することができる。

本発明の様相４に係る荷重測定装置は、上記様相１〜３の何れか一つにおいて、前記荷重センサが、前記加振方向の荷重のみを検出する。本発明の上記様相４によれば、荷重センサとして１軸力センサを用いており、他のセンサ（例えば３成分力センサ）に比べて振動対象の小型化及び軽量化が可能となる。これにより、さらに慣性力（Ｆ＝ｍａ）の影響を小さくすることができ、測定精度を向上させることができる。

第一実施形態の荷重測定装置の構成を示す右側面図である。 第一実施形態の荷重測定装置の構成を示す斜視図である。 第一実施形態の荷重測定装置の構成を示す正面図である。 第一実施形態の荷重測定装置の構成を示す平面図である。 第一実施形態のアクチュエータ、荷重センサ、及び振動体の台座部を説明するための模式図である。 第一実施形態の荷重センサの接触面を説明するための模式図である。 第二実施形態の荷重測定装置の構成を示す右側面図である。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。また、各図は概念図であり、必ずしも細部構造の寸法まで規定するものではない。

＜第一実施形態＞
第一実施形態の荷重測定装置は、図１〜図４に示すように、支持部材１と、アクチュエータ（「加振部」に相当する）２と、荷重センサ３と、振動体（「被測定側振動体」に相当する）４と、円盤部材（「抵抗付与部材」に相当する）５と、付勢部６と、付勢力センサ７と、加速度センサ８と、制御部９と、を備えている。以下、図１を荷重測定装置の右側面図として、すなわち図３を荷重測定装置の正面図（前面図）として説明する。図２〜図４では、円盤部材５、付勢部６、付勢力センサ７、及び制御部９を省略した荷重測定装置を表している。説明における「上と下」、「左と右」、及び「前と後」は、「一方と他方」に換言することができる。

支持部材１は、各部を支持する略Ｌ字型の金属部材であって、前後方向に移動可能にレールＺに係合して配置されている。支持部材１は、具体的に、直方体形状の第一本体部１１と、第一本体部１１の上面の後方部位から上方に延びる直方体形状の第二本体部１２と、固定部１３と、スライドガイド部１４と、を備えている。固定部１３は、第一本体部１１の上面の前方部位に凹形状に設けられ、アクチュエータ２の下端部を第一本体部１１に固定可能に形成されている。スライドガイド部１４は、第二本体部１２の前方側面に設けられ、前方が凸となり上下に延びるレールを構成している。スライドガイド部１４は、後述する振動体４と係合し、振動体４の移動方向を上下方向のみに限定する。

アクチュエータ２は、下端部が固定部１３に接着固定された、上下方向に振動するアクチュエータである。第一実施形態において、上下方向がアクチュエータ２の加振方向となる。アクチュエータ２は、具体的に、ピエゾ素子を有する圧電アクチュエータ部２１と、圧電アクチュエータ部２１の一端（上端）に接着固定されたセンサ固定部２２と、を備えている。圧電アクチュエータ部２１は、四角柱形状に形成されている。圧電アクチュエータ部２１は、後述する制御部９（そのうちのドライバ）からの電気信号により振動し、センサ固定部２２及び荷重センサ３を介して振動体４を加振する。圧電アクチュエータ部２１を駆動するドライバへの電気信号（振幅及び周波数）は、制御部９（そのうちのファンクションジェネレータ）が制御している。圧電アクチュエータ部２１は、任意の振幅及び周波数で微小振動を発生させる。

センサ固定部２２は、図５に示すように、台座部２２１と、ボルト２２２と、を備えている。台座部２２１は、中央に貫通孔２２１ａを有する直方体形状の部材である。貫通孔２２１ａにはボルト２２２が挿通され、台座部２２１とボルト２２２が径方向に係合している。台座部２２１の下端面は、圧電アクチュエータ部２１の上端面に接着されている。ボルト２２２は、下側が頭部で上側が軸部となるように、台座部２２１の貫通孔２２１ａに係合されている。貫通孔２２１ａの形状は、ボルト２２２の頭部が収まる部分が軸部が収まる部分に比べて拡径した段差形状となっている。ボルト２２２の頭部と圧電アクチュエータ部２１の上端面との間には、荷重センサ３が力を受ける際に、接触面積が変化しないように、隙間Ｃが形成されている。荷重センサ３及び台座部２２１は、ボルト２２２に対して摺動可能となっている。

荷重センサ３は、荷重を検出するセンサであって、中央に貫通孔３ａを有するリング形状のセンサである。本実施形態の荷重センサ３は、加振方向（上下方向）の荷重のみを検出する１軸力センサである。本実施形態の荷重センサ３は、水晶圧電式の荷重センサである。貫通孔３ａにはボルト２２２が挿通され、荷重センサ３とボルト２２２が径方向に係合している。台座部２２１と荷重センサ３は、同軸的に固定されている。荷重センサ３の下端面は、台座部２２１の上端面に接触している。つまり、荷重センサ３は、アクチュエータ２の発生する力が伝達される接触面３ｂを有している。

接触面３ｂは、図６に示すように、リング形状の面である。接触面３ｂは、ボルト２２２が振動体４に固定されることで、面内均一（全面均一）の力（圧力）でアクチュエータ２の発生する力を伝達される。つまり、接触面３ｂの任意の一部位の面圧は、接触面３ｂの任意の他部位の面圧と同一となる。面圧値は測定中に変化するが、接触面３ｂは均一の面圧を受ける。面内均一の力を受ける構成とは、面と面が一様に接触し、当該面に対して同じような力が加わる構成である。

振動体４は、被測定物を有し、加振に対して全体で一体に振動する部材である。具体的に、振動体４は、台座部４１と、スライド部４２と、パッド４３と、を備えている。台座部４１は、直方体形状であり、前面と上面とに連通して開口した凹部４１ａを有している。凹部４１ａには、パッド４３が固定されている。台座部４１は、スライド部４２に対して固定（本実施形態ではねじ止め）されている。台座部４１は、荷重センサ３に予荷重を与える部材であるとともに、スライド部４２とパッド４３とを保持する機能も有している。

台座部４１の下端部には、図５に示すように、ボルト２２２が螺合する雌ねじ４１ｂが形成されている。雌ねじ４１ｂは、振動体４の重心Ｘを通り加振方向（上下方向）に平行な直線が中心軸となるように形成されている。荷重センサ３は、ボルト２２２が雌ねじ４１ｂに螺合することで、台座部２２１と台座部４１とで挟まれて固定されている。

スライド部４２は、図４に示すように、スライドガイド部１４のレール部分に係合する溝部４２ａを有する直方体の部材である。スライド部４２は、スライドガイド部１４により、上下方向の移動が許容され、左右方向及び後方への移動が禁止される。スライド部４２の前後方向への移動は、アクチュエータ２を介して固定された支持部材１によっても規制される。つまり、振動体４は、加振方向（上下方向）へのみ振動が許容される。

パッド４３は、ブレーキパッドを想定した摩擦材であり、本実施形態における被測定物である。パッド４３は、直方体形状に形成され、一面（被測定面）が正面となるように台座部４１に固定されている。パッド４３の加振方向に平行な側面（平行に延在する面）、すなわち前端面が円盤部材５に当接する被測定面である。第一実施形態の振動体４は、被測定物を含んで構成されている。

ここで、振動体４の重心Ｘは、接触面３ｂの中心（重心）Ｏを通り加振方向（上下方向）に平行な直線（仮想直線）Ａ上に位置している。重心Ｘの位置は、各部の密度や形状等を考慮して演算により算出できる。各部の重心の位置は、配線を除いた各部の本体部分の重心で求める。接触面３ｂの中心Ｏは、図６に示すように、リング（円環）の中心（重心）である。さらに本実施形態では、振動体４の重心Ｘと、アクチュエータ２の重心Ｘ１と、荷重センサ３の重心Ｘ２とが、加振方向に延びる一直線上に位置している。

円盤部材５は、振動体４の前端面と直接又は間接的に当接することで振動体４の振動に対して抵抗を付与する円柱形状の部材である。本実施形態において、円盤部材５は、ブレーキロータを想定したディスクである。円盤部材５は、支持部材１に対して位置が固定されている。円盤部材５は、回転制御可能な駆動装置（例えばモータ等）Ｙにより回転する。円盤部材５は、回転軸が前後方向に延びるように配置されている。円盤部材５の後端面と、パッド４３の前端面とを当接させることで測定が開始される。本実施形態では、円盤部材５は、回転するとともにパッド４３（振動体４）に直接当接して、振動に対する抵抗をパッド４３に付与する。パッド４３は複合材であるが、本実施形態ではパッド４３が円盤部材５と面接触するため、複合材の特性を含んだ測定結果が得られる。

付勢部６は、支持部材１を円盤部材５に向けて付勢する付勢手段であり、例えばエア式加圧装置である。付勢部６は、支持部材１の後方から支持部材１を押圧し、支持部材１をレールＺに沿って前進させる。付勢部６は、支持部材１を付勢することで、支持部材１と円盤部材５とを接近させ、パッド４３と円盤部材５とを当接させる。

付勢力センサ７は、付勢部６の支持部材１への付勢力（荷重）を測定するセンサである。本実施形態の付勢力センサ７は、ひずみ式の荷重センサである。付勢力センサ７は、支持部材１と付勢部６の間に配置されている。付勢力センサ７は、前後方向の荷重を検出する。

加速度センサ８は、振動体４の加速度を測定するセンサである。加速度センサ８は、台座部４１の上端面に設置され、振動体４の加振方向（上下方向）の加速度を測定する。つまり、振動体４自身の加速度を直接的に測定することができる。加速度センサ８により測定される加速度に基づいて振動速度や変位などが演算できる。

制御部９は、荷重測定装置の制御及び計測機能を発揮する部位であって、各種ドライバ、コンピュータ、及び計測器で構成されている。制御部９は、作業者の操作に応じてアクチュエータ２、駆動装置Ｙ、及び付勢部６の駆動を制御する。つまり、本実施形態では、アクチュエータ２の振動周波数及びその振幅と、円盤部材５の回転数と、パッド４３の円盤部材５への押圧力とを自由に設定できる。制御部９は、各種センサ３、７、８からの情報を受信し記録する。そして、制御部９では、各種センサ３、７、８からの情報に基づいて、摩擦力、摩擦係数、円盤部材の回転数、及び振動速度などを演算し記録する。なお、制御部９は、各部の制御装置の総称であって、各部の制御が可能であれば良く、前記演算機能のないものでも良い。

（第一実施形態の作用効果）
第一実施形態の構成によれば、振動体４の重心Ｘは直線Ａ上に位置している。これにより、振動体４が重心Ｘを通る直線Ａ上を振動することになり、振動体４の質量による慣性力の回転モーメントの支点が直線Ａ上又はその近辺となり、慣性力の影響を小さくすることができる。換言すると、振動体４の重心Ｘがアクチュエータ２と荷重センサ３のセンサ軸に同軸上となることで振動時の慣性による回転モードの影響を低減することができる。

また、振動周波数（振動速度）が大きくなることで慣性力が大きくなるが、振動体４が直線Ａ上を振動することで、慣性力による回転モードの影響を小さくすることができる。つまり、本実施形態によれば、荷重センサ３の検出対象について、パッド４３に加わる摩擦力以外の力を低減させ、ノイズ成分を低減させてＳＮ比を改善し、精度の良い荷重測定が可能となる。本実施形態によれば、高周波及び大振幅の条件であっても、摩擦力（せん断抵抗力）の測定が可能となる。このように、本実施形態によれば、振動体４に生じる回転モードの影響を可能な限り小さくすることができ、摩擦に関する荷重の測定精度を向上させることができる。本実施形態によれば、例えば、一定付勢力下における摩擦係数と振動速度の関係を測定することができる。

さらに第一実施形態では、振動体４の重心Ｘと、アクチュエータ２の重心Ｘ１と、荷重センサ３の重心Ｘ２とが、加振方向に延びる一つの直線（直線Ａ）上に位置している。これにより、振動体４はすべての重心を通る直線上で振動することになり、より確実に且つ安定して慣性力の影響を低減することができる。また、設計も容易となる。

さらに本実施形態では、３成分力センサに比べて小型で軽量な１軸力センサを荷重センサ３として採用しているため、アクチュエータ２が振動を与える対象（荷重センサ３及び振動体４）の質量を小さくすることができる。また、本実施形態によれば、台座部４１が荷重センサ３に予荷重を与える機能とスライド部４２（スライド部材）とパッド４３（被測定物）を保持する機能とを兼ねているため、振動体４の質量を小さくすることができる。このように、本実施形態では、アクチュエータ２の加振対象物の質量を小さくすることができるため、さらに慣性力（Ｆ＝ｍａ）の影響を小さくすることができる。

また、本実施形態の台座部４１には、直線Ａ上に雌ねじ４１ｂが形成されており、ボルト２２２でアクチュエータ２（台座部２２１）及び荷重センサ３を荷重測定可能に台座部４１に固定することで、容易に重心Ｘを所定位置（直線Ａ上）に配置することができる。本実施形態では、振動体４への荷重センサ３等の固定と同時に自動的に、各部の所定位置への位置決めが可能となる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態の荷重測定装置は、第一実施形態と比較して、パッド４３が金属ブロック４３０に変わり、金属ブロック４３０と円盤部材５の間に試験片（被測定物）Ｓを配置しているところが異なっている。したがって、異なる部分のみ説明する。

第二実施形態の振動体４は、図７に示すように、台座部４１と、スライド部４２と、金属ブロック４３０と、を備えている。金属ブロック４３０は、鉄製の直方体部材であり、パッド４３同様、台座部４１に固定されている。第二実施形態の振動体４の重心Ｘ３は、第一実施形態同様、直線Ａ上に位置している。重心がＸ１と同じ位置となるように金属ブロック４３０の大きさや形状を設定しても良い。金属ブロック４３０は、試験片Ｓを介して円盤部材５に当接しており、被測定物補助部材ともいえる。

試験片Ｓは、シムを想定した板状の複合材である。試験片Ｓは、例えば板状の鉄材にゴム等の弾性部材でコーティングした部材である。試験片Ｓは、支持部材１の移動により金属ブロック４３０と円盤部材５に面接触して挟まれる。換言すると、振動体４は、円盤部材５に、試験片Ｓを介して間接的に当接している。第二実施形態の振動体４は、被測定物を含まない構成となっている。

第二実施形態では、円盤部材５を回転しないように固定し、試験片Ｓが金属ブロック４３０と円盤部材５に挟まれた状態で付勢部６により付勢力を印加し、振動体４をアクチュエータ２により加振する。これにより、第一実施形態と同様の効果が発揮され、例えば試験片Ｓのせん断特性を測定することができる。なお、荷重センサ３で測定される力は、試験片Ｓのせん断方向の弾性率（ばね力）と粘性抵抗力の合力であるため、振動体４の位相情報をもとに両者を切り分けることができる。加速度を位相の基準（０度）としたとき、９０度遅れ成分が粘性抵抗力（減衰）であり、１８０度遅れ成分が弾性率である。この加速度は、加速度センサ８で検出される加振方向の加速度である。

＜その他変形態様＞
本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、荷重センサ３は、３軸方向の荷重を測定する３成分力センサであっても良い。また、荷重センサ３は、リング形状に限られない。また、上記実施形態では付勢部６が支持部材１を付勢するが、付勢部６は、円盤部材５を支持部材１に向けて付勢するように配置されても良い。つまり、付勢部６は、支持部材１と円盤部材５とが近づく方向に、支持部材１及び円盤部材５の少なくとも一方を付勢するものであれば良い。

また、ボルト２２２は、振動体４の下端面から下方に、直線Ａを中心軸として突出するように形成されても良い。この場合、センサ固定部２２の台座部２２１の上端部に雌ねじが形成されていれば良い。つまり、アクチュエータ２と荷重センサ３と振動体４とは、直線Ａを中心軸とする締結部材により、荷重測定可能に固定されていれば良い。振動体４は、被測定物（パッド４３）を一部に持ち又は荷重測定装置において被測定物（試験片Ｓ）側に配置されており、被測定側振動体といえる。被測定物は、パッド４３や試験片Ｓに限られない。円盤部材５は、円盤形状に限らず、被測定物に抵抗力を付与できるものであれば良い。

また、加速度センサ８は、速度センサ又は変位センサに置換されても良い。加速度センサ８などのセンサが配置されていない場合でも、例えばアクチュエータ２の制御（所定振動）に対する摩擦力（測定状態における摩擦力）や、積極的に振動を与えている状態と与えていない状態における摩擦力を（比較のために）精度良く測定することができる。また、付勢部６は、例えばねじやハンドル式ねじを回すことで付勢力を加えるような手動で付勢するものであっても良い。各種センサは、荷重計など単純な計器を含む。

圧電アクチュエータ部２１は、円筒形状に形成されていても良い。この場合、ボルト２２２の頭部の直径を、圧電アクチュエータ部２１の内径よりも小さくすることで、隙間Ｃを形成しなくとも荷重センサ３での荷重の測定が可能となる。また、上記実施形態において、接触面３ｂの中心（重心）Ｏは、荷重センサ３の計測軸上に位置している。また、上記実施形態では、接触面３ｂの中心（重心）Ｏは、アクチュエータ２の中心軸上に位置している。

１：支持部材、 ２：アクチュエータ（加振部）、 ２１：圧電アクチュエータ部、
２２：センサ固定部、 ２２１：台座部、 ２２２：ボルト、
３：荷重センサ、 ３ｂ：接触面、
４：振動体（被測定側振動体）、 ４１：台座部、 ４２：スライド部、
４３：パッド、 ４３０：金属ブロック、 ５：円盤部材（抵抗付与部材）、
６：付勢部、 ７：付勢力センサ、 ８：加速度センサ（センサ）、 ９：制御部、
Ｘ、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３：重心、 Ｏ：接触面の中心（重心）

Claims (4)

1. 支持部材と、
   所定の加振方向に振動し前記加振方向の一端側が前記支持部材に支持された加振部と、
   前記加振部の他端側に固定され少なくとも前記加振方向の力を検出する荷重センサと、
   前記支持部材に前記加振方向に移動可能に支持され、前記加振部の振動を受けて前記加振方向へのみ振動が許容される被測定側振動体と、
   前記被測定側振動体の前記加振方向に平行な側面と直接又は間接的に当接することで前記被測定側振動体の振動に対して抵抗を付与する抵抗付与部材と、
   前記支持部材及び前記抵抗付与部材の少なくとも一方を前記支持部材と前記抵抗付与部材とが近づく方向に付勢する付勢部と、
   前記付勢部の付勢する力を検出する付勢力センサと、
   を備え、
   前記荷重センサは、前記加振部と面内均一の力で接触する接触面を有し、
   前記荷重センサと前記被測定側振動体とは、前記接触面の重心を通る前記加振方向に平行な直線を中心軸とする締結部材により固定され、
   前記被測定側振動体の重心は、前記接触面の重心を通る前記加振方向に平行な直線上に位置している荷重測定装置。
2. 請求項１において、
   前記加振部の重心、前記荷重センサの重心、及び前記被測定側振動体の重心は、前記加振方向に平行な直線上に位置している荷重測定装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記被測定側振動体の加速度、速度、又は変位を測定するセンサをさらに備える荷重測定装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項において、
   前記荷重センサは、前記加振方向の荷重のみを検出する荷重測定装置。

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