JP6763057B2 - センサパッケージを備えたwimセンサ - Google Patents

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Description

本発明は、道路上の車両がWIMセンサ上を通過する時の車両の車輪力を計測するためのWIMセンサであって、第1及び第2内側押圧面を有する内部空間を備え、その長手方向軸線に沿った細長い中空プロファイルを具備し、この押圧面が互いに対向して配置され、その両側において、湾曲しプレテンションされたプロファイル端部により互いに接続され、上記内部空間には、長手方向軸線に沿って配置された第1及び第2力吸収面をそれぞれ有する複数の圧電測定素子が配置され、この力吸収面がそれぞれ上記第1及び第2押圧面に対向し、上記測定素子のそれぞれが2つの吸収素子の間に配置され、この2つの吸収素子が、上記押圧面を介して測定素子にプレテンションをかけ、上記測定素子の第1力吸収面が全て電極によって互いに電気的に接続され且つ第1押圧面から電気的に絶縁された、WIMセンサに関する。
この種のWIMセンサは、少なくとも1つの車輪の間隔を横切るように、また、好ましくは道路車両用の車線全体をカバーするように、道路に埋め込まれる。その長さが4mと長いWIMセンサも知られている。WIMセンサは、その上を通過する車輪の動的車輪荷重を算出し、最終的にそこから1つ又は複数のWIMセンサ上を通過する際にそのセンサに作用する、必要に応じてトレーラーと共に、車両の全動的荷重を導出することができる。
さまざまな測定原理に基づく多様な設計のWIMセンサが入手可能である。本発明において重要なのは、上述のような種類のWIMセンサである。
上記種類のWIMセンサの第1の例が、特許文献1に記載されている。中空プロファイルの内部空間に2つの圧電測定素子が上下に配置されている。それらの間には、この測定素子の全ての対を接続する電極が配置され、それ自体が中空プロファイルの端部にあるプラグや出力ワイヤと電気的に接続されている。両側、すなわち、測定素子の上下には支持素子が配置されて、測定素子が内部空間の押圧面間に水平に確実に配置されることになる。この押圧面は、プロファイル端部を介して両側で互いに接続され、プロファイル端部に張力をかけ続けることにより測定素子のプレテンショニングが一様に行われる。
正確な測定を行うためには、プレテンション量がWIMセンサの全長にわたって同じであることが重要である。このため、まず、プロファイル端部の壁厚、押圧面間の距離、押圧面の均一性について、中空プロファイルをその全長にわたって一様に形成する必要がある。さらに、その中空プロファイルに挿入されるセンサパッケージ全体も、全ての測定素子にわたって、同じ厚さを示していなければならない。このことは、測定素子自体のみならず、具体的には、支持素子や電極に関しても重要である。特許文献1では、測定素子の各対が支持素子の対を有する。このような配置は、センサパッケージの部品を全て正確に配列して、センサパッケージが固定された中空プロファイルに完全に挿入されるまで互いに動かないようにしなければならないため、その組み立ては比較的困難である。
さらなる問題としては、許容厚に対応するよう圧延された鋼製電極の使用に起因する。圧延処理の結果、そのストリップは一時的にそのストリップの全長に沿って湾曲した形状となる。厚さや幅の公差を満たしていたとしても、横方向オフセットは1メートルにつき2mm以上変動する場合がある。これにより、横方向に短絡が発生してしまうために、ストリップの直線部分しか使えず、あまりにも多くの部分が廃棄されることになる。
同様の測定原理に従うWIMセンサが、特許文献2に記載されている。この文献の目的は、所要の公差を満たしつつよりコスト効率の高い方法でセンサパッケージを生産することにある。これは、長い吸収素子をその端面で形状固定接続により接続することで達成される。これにより、一方では、WIMセンサの全長よりはるかに短い吸収素子を使用可能であり、他方では、その形状固定接続により、センサパッケージ全体が中空プロファイルに容易に統合される。短い吸収素子の方が非常に長い吸収素子に比べて寸法精度の実現がはるかに容易である。測定素子の対を備えた特許文献1に記載のものと対照的に、このセンサパッケージは各測定店に測定素子を一つしか有していないので、全ての測定素子を接続する電極が絶縁体によって覆われている。
最後に、特許文献3に、上記種類のWIMセンサが知られている。このセンサは、並んで又は上下に配置された2つの異なる種類の測定素子が支持される絶縁板を備えている。この絶縁板の一部には導体経路が備えられている。
電極の絶縁体や導電層は、この場合、互いに移動することができないため、一つの部品に統合されることが有利である。
米国特許第5265481号明細書 国際公開第2013/104080号 欧州特許出願公開第0654654号明細書
本発明の目的は、測定精度の高い上記種類のWIMセンサを提供することにある。さらに、このWIMセンサは、製造コストがかからず、組み立てが容易であるものとする。
この目的は、第1請求項の特徴によって達成される。本発明によれば、電極は、片側に導電層を備えた長い一片の絶縁膜の形状を有し、電極は、測定素子と第1押圧面との間の内部空間に配置され、導電層が測定素子に対向している。
本発明の基礎となる概念によれば、部品の全厚さ公差は、絶縁体を電極と共に単一部材、具体的には、導電層を備えた絶縁膜の形状に統合することによって低減される。プラスチックの厚さ公差は、通常、全厚さの約10%を占めるので、この公差は、絶縁体が板状ではなく膜状である場合に大幅に低減される場合がある。そしてまた、本発明の装置の場合のように、電極が導電層の形状で絶縁膜に塗布される場合、部品が2つ、すなわち、絶縁体と電極がある場合とは対照的に、部材を一つしか設置する必要がないので、公差がさらに低減される場合がある。各部材は、荷重経路の方向におけるその両側において一定の均一性を有し、そのような均一性を全てまとめると、組立構造全体の厚さの寸法精度が低減し、部品数を減らすことにより所要の厚さを好適に達成することができる。
従って、一方では、部品、具体的には、プラスチック絶縁体の全体の厚さを減少させることによって、他方では、部品数を減らすことによって改善が行われる。導電層は、絶縁膜と物質的に結合し、電極の技術的機能を果たす。本発明では電極を層形状で絶縁膜に塗布するため、以下において絶縁膜及び電極という用語は交互に用いられる。
正確な測定結果を得るために、特に石英からなる単結晶を圧電測定素子として用いることが好ましい。
以下、図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
車両がその上を通過するWIMセンサが埋め込まれた道路を示す概略図である。 道路に埋め込まれた従来のWIMセンサを示す概略断面図である。 従来技術に係るセンサパッケージを有するWIMセンサを示す概略断面図である。 本発明の実施例に係るセンサパッケージを有するWIMセンサを示す概略断面図である。 隣接する押圧面と共に本発明に係るセンサパッケージを示す概略断面図である。 本発明のWIMセンサの端部の詳細を示す概略縦断面図である。 本発明の実施例に係る絶縁膜を示す概略断面図である。 図6aの絶縁膜の他の実施例を示す断面図である。 センサパッケージをまとめて保持するケージを示す図5のA−A線に沿った概略断面図である。 図7aのケージを示すB−B線に沿った概略断面図である。
図1は、車両2が矢印の方向にWIMセンサ1上を通過する道路3を示す。このWIMセンサ1は、道路3に埋め込まれ、長手方向軸線4を有する。WIMセンサ1はその幅が約5cmと、車両2の車輪の接触面より狭いが、その長さは、通常、車両2が占有する車線全体、この場合、図1に示すように道路3全体にわたる。車両2がセンサ上を通過する間に道路3に作用する動的荷重を計測する。
図2は、道路3に埋め込まれた従来のWIMセンサ1を示す概略断面図である。このWIMセンサ1は、その長手方向軸線4が紙面に対して垂直な細長い形状を有している。WIMセンサ1は、センサパッケージ14がその真ん中に配置された内部空間6を有する中空プロファイル5を備えている。このセンサパッケージ14を有する中空プロファイル5は、図3aにも図示され表示されている。本実施例では、中空部5は、印加された車輪力をまとめてセンサパッケージ14へ誘導する2つの力入力フランジ10を備えている。この力入力フランジ10は、力出力フランジ10とも呼ばれる。上部力入力フランジ10の表面には、その両側を軟質の補償壁12で取り囲まれた塊、通常は、埋め込み用樹脂11が配置されている。WIMセンサ1が挿入される道路3の溝を埋めるのにも同じ埋め込み用樹脂11を用いる。また、この中空プロファイル5を直接取り囲む領域は、横力が中空プロファイル5に作用するのを防ぐ軟質の充填材13で取り囲まれている。
垂直方向の矢印は、道路3のWIMセンサ1上を通過する車輪の力束を表している。この力はまとめられてセンサパッケージ14へ誘導され、下部力出力フランジ10の支持面からセンサを出ていく。両側の矢印は、WIMセンサ1に作用する横力を示し、この横力は充填材13と軟質の補償壁12によって吸収される。
図3aは、同じ中空プロファイル5を有するセンサパッケージ14を備えたWIMセンサ1を示す概略断面図である。この中空プロファイル5には、互いに対向して配置された第1及び第2内側押圧面7、8を有する内部空間6が含まれている。それらの押圧面はその両側において、湾曲しプレテンションされたプロファイル端部9により互いに接続されている。
センサパッケージ14は、内部空間6において上記2つの押圧面7、8の間に配置され、長手方向軸線に沿って配置された複数の圧電測定素子15を備えている。各圧電測定素子は、第1及び第2押圧面7、8にそれぞれ対向する第1及び第2力吸収面16、17を有する。各測定素子15は、押圧面7、8を介して測定素子15にプレテンションをかける2つの吸収素子18の間に配置されている。一方では、測定素子の第1力吸収面16は全て電極19によって互いに電気的に接続されるよう配置され、他方では、第1押圧面7から電気的に絶縁されている。圧電測定素子15としては、単結晶、とりわけ、石英が好ましい。
図3b及び図4〜図7に示すような本発明に係る実施例は、図1〜図3に示す実施例と同様の基本構造を有する。本発明のWIMセンサ1は、0.5m〜4mの全長を有することが好ましい。
図3aは、従来技術に係る実施例を示す。この実施例では、絶縁板20と電極19とが含まれ、これらは従来技術では2つの別々の部品として形成され、測定素子15に隣接して配置されている。センサパッケージが図3aに示す変形例とは少し異なるWIMセンサのいくつかの変形例も知られている。突起に取り付けられた図示のものの代替案として、中空プロファイル5の押圧面7、8は、例えば、米国特許第5265481号に記載されているように、プロファイル端部9から直接分岐することもできる。
図3aに示すような従来技術に係る実施例とは基本的に異なる本発明に係るセンサパッケージ14を図3bに示し、その拡大図を図4に示す。
本発明に係るWIMセンサ1は、道路3上の車両2がセンサ上を通過する時の車両の車輪力を計測するのに適している。このWIMセンサ1は、互いに対向して配置され、その両側において、湾曲しプレテンションされたプロファイル端部9により互いに接続された第1及び第2内側押圧面7、8を含む内部空間6を有し、その長手方向軸線4に沿って形成された中空プロファイル5を備えている。
図4は、上記内部空間6に挿入された本発明のセンサパッケージ14の断面を示し、中空プロファイル5の第1及び第2内側押圧面7、8の領域だけが示されている。
図5は、最初の2つの測定素子15の領域における長手方向軸線4に沿った第1及び第2内側押圧面7、8の間の内部空間6を示す。以下において、図3b、図4、図5を参照して本発明を説明する。
第1及び第2押圧面7、8にそれぞれ対向する第1及び第2力吸収面16、17をそれぞれ有する複数の圧電測定素子15が長手方向軸線4に沿って内部空間6内に配置されている。各測定素子15は、押圧面7、8を介して測定素子15にプレテンションをかける2つの吸収素子18の間に配置されている。測定素子15の第1力吸収面16は全て電極19によって互いに電気的に接続され、第1押圧面7から電気的に絶縁されている。圧電測定素子15は、例えば、石英などの単結晶から作られることが好ましい。
本発明によれば、電極19は、片側に導電層22を備え、この導電層22が測定素子15の方を向くように測定素子15と第1押圧面16との間の内部空間6に配置された長い一片の絶縁膜21として形成されている。導電層22に適した導電材料としては、具体的に、クロム及び/又は銅及び/又はジルコニウム及び/又は金、並びに、このような金属を含有する合金が挙げられる。その厚さは、厚さ公差が10%未満、且つ、好ましくは0.002mm未満で、その全長にわたって0.005mm〜0.05mm、好ましくは0.009mm〜0.036mmの範囲である。
この種類の電極を図6aに示す。絶縁膜21は、プラスチック膜、具体的には、ポリイミド膜であることが好ましく、その厚さは0.02mm〜0.2mm、好ましくは0.05mmであり、絶縁膜の厚さ公差が10%未満、且つその全長にわたって0.01mm未満である。
プラスチックは、通常、特に10%以上の大きな厚さ公差を有するので、絶縁板20の代わりに絶縁膜21を用いることにより、センサパッケージ14の寸法精度を制限することが可能である。また、ここではその機能上の理由により電極19と呼ばれている一つの要素19に導電層22と絶縁膜21を統合することによって、厚さ公差をさらに低減可能なことが分かっている。
導電層22と絶縁膜21とを機械的に安定して接続するのに有用な塗布法がいくつか知られている。導電層22は絶縁膜21に積層されてもよい。この積層とは、介在する接着剤の有無にかかわらず実行可能な、強固な接合を形成する熱接合法を指す。導電層22は、接着剤を介在させて絶縁膜21と強固に接合されてもよい。しかしながら、例えば、絶縁膜21が高温及び/又は高圧で粘性を有し、この粘性状態では接着剤を介さずに導電層22と強固に接合可能なプラスチック製である場合は、導電層22は、接着剤を介在させずに絶縁膜21と強固に接合されてもよい。
その他の既知の塗布法としては、熱蒸着、スパッタリングによる塗布、めっきが挙げられる。熱蒸着では、導電材料を加熱することで原子や分子が放出されて絶縁膜21に凝集し、導電層22が形成される。スパッタリングとは、導電材料にエネルギーイオンを衝突させ、それにより原子や分子が放出されて絶縁膜21に堆積し、導電層22を形成する処理である。めっき塗布では、非晶質導電材料からなる強固に接着した導電層22を絶縁膜21に塗布する。熱蒸着やスパッタリングによる塗布やめっき塗布により、絶縁膜21の表面が高い均一性と純度を有する導電層22を形成する導電材料でコーティングされる。よって、このような塗布法を採用することで、非常に精度の高い層厚を実現可能であるため、厚さ公差をさらに低減することができる。また、絶縁膜21の表面の小さな凸凹は、導電層22によって平らにならしてもよい。本発明を心得ている当業者であれば、上記塗布法を組み合わせて用いる方法、例えば、積層やめっき塗布と共に金属接着剤を用いる方法を把握している。そのようなクロムやジルコニウム又は他の好適な金属からなる金属接着剤は、熱蒸着やスパッタリングによって積層やめっき塗布の前に絶縁膜21に塗布され、その後実際の積層やめっき塗布処理を実行する。
導電層22は、腐食を防ぐため、例えば、銀を含有可能な腐食防止材23でコーティングされていてもよい。この腐食防止材23の厚さは、0.0001mm〜0.0005mmの範囲であることが好ましい。また、導電層22には、銅の代わりに、貴金属、具体的には、金が含まれていてもよい。これにより腐食が防がれる。
本発明の好適な実施例では、絶縁膜21は、導電層22に隣接する両側に絶縁端部24を有する。これは、薄い絶縁膜21を使用し、導電層が端まで延在する場合に起こり得る短絡を防止するのに有用となる。この電気絶縁端部24は、少なくとも0.5mmの幅を有することが好ましい。導電層22は、均一な幅を有し、少なくとも隣接する吸収素子18と同じ幅、又は、少なくとも各測定素子15と同じ幅でなくてはならないので、絶縁膜21が測定素子15や絶縁膜21に接している吸収素子18よりも幅が広くなることは明らかである。
絶縁膜21は、第1押圧面7に隣接して配置されることが好ましい。これにより、測定素子15を吸収素子18と共にまとめて、最終的にコーティングされた絶縁膜21が設けられるパッケージを組み立てることができるという利点がある。これによって、具体的には、測定素子15のセンタリングについては、吸収素子18と測定素子15を錠剤の形状に形成することによって組み立てが簡略化される。このような配置によって得られるもう一つの利点としては、測定素子15、具体的には、単結晶は吸収素子18などの金属板間に配置され、プラスチックは、例えば、石英や他の圧電単結晶よりはるかに柔らかいため、絶縁膜21や絶縁板20などのプラスチック部品の隣には設置されないので、より良い結果が得られる。従って、硬質の支持面を設けることによって測定素子の振動が予防される。
測定精度をさらに向上させるために、絶縁膜21には、図6Bに示すように、導電層22に対向する導電対向層25を備えていてもよい。これにより、絶縁膜21が特定の領域で導電層22から離間している場合に、導電層22と第1内側押圧面7との間にキャパシタンスが生じるのを防止する。また、この場合、短絡の可能性を回避するため、絶縁端部24を維持しなければならない。
さらに、本発明に係るWIMセンサ1の好適な実施例では、導電層22を有する追加絶縁膜26を測定素子15と第2押圧面8の間に配置する。この追加絶縁膜26は、測定素子15と対向して配置される。これによって、例えば、WIMセンサ1の接地が不完全な場合に、接地に関連する測定妨害を防ぐことができる。具体的には、この追加絶縁膜26は、絶縁膜21と同一の設計であってもよく、これらの膜は長手方向軸線4に対して互いに対称的に配置されていてもよい。
好適な実施例では、測定素子15と吸収素子18を固定してその取り付けを行いやすくした本発明に係るWIMセンサ1の内部空間6に1つ以上のケージ27が配置されている。例としては、は、そのようなケージ27の上面図及び別の方向から見た図をそれぞれ図7a、図7bに示す。ケージ27は、図5に示す測定素子15と吸収素子18を所定位置に保持するためのブラケット29を有する凹部28を備えている。また、ケージ27は、コーティングされた絶縁膜21を挿入可能な挿入レール30を備えている。第2内側押圧面8にわたってセンサパッケージ14を誘導するための取付け補助として、上記第1挿入レールに対向して配置されたもう一つの挿入レール30’を採用することができる。その間には、図7a、図7bに同様に示すように、追加絶縁膜26を挿入可能である。
上記取付けは、両プロファイル端部9を押して内側押圧面7、8を互いに離間させ、センサパッケージ14が挿入可能なスペースを形成することによって行われる。プロファイル端部9にかかる押圧力が除かれると、押圧面7、8によって目的に応じた適切な全高を示すセンサパッケージ14にプレテンションがかけられる。この全高は、空の弛緩状態にある2つの内側押圧面7、8同士間の距離よりも大きい。
本発明によれば、第1押圧面7の幅は、挿入レール30の幅やこの挿入レール30に挿入された電極19の幅よりも小さい。この場合、絶縁膜21は、その全表面を導電層22でコーティングすることができる。このように、絶縁膜21の先端に沿って導電層22がその裏側で端部も覆う場合でも、導電層22と第1押圧面7との間には一定の間隔が確保されることになる。それにより、短絡を防止することができる。絶縁端部24を設ける必要がないので、さらに一層コスト効率よく電極19の加工を行うことが可能である。
上記WIMセンサ1の品質、具体的には、その測定精度及び/又は処理安定性は、所要の厚さ公差の寸法精度に大きく左右される。上述したように、全ての測定素子に等しく作用する一様なプレテンションを実現する。
1 WIMセンサ
2 車両
3 道路
4 長手方向軸線
5 中空プロファイル
6 内部空間
7 第1内側押圧面
8 第2内側押圧面
9 プロファイル端部
10 力入力フランジ、力出力フランジ
11 埋め込み用樹脂
12 補償壁
13 充填材
14 センサパッケージ
15 圧電測定素子
16 第1力吸収面
17 第2力吸収面
18 吸収素子
19 電極
20 絶縁板
21 絶縁膜
22 導電層
23 腐食防止材
24 絶縁端部
25 導電対向層
26 追加絶縁膜
27 ケージ
28 凹部
29 ブラケット
30、30’ 挿入レール

Claims (13)

  1. WIMセンサ(1)上を通過する道路(3)上の車両(2)の車輪力を計測するためのWIMセンサ(1)であって、内部空間(6)を有しその長手方向軸線(4)に沿った細長い中空プロファイル(5)を具備し、前記内部空間(6)が第1及び第2内側押圧面(7,8)を有し、前記押圧面(7,8)が互いに対向して配置され、その両側において、湾曲しプレテンションされたプロファイル端部(9)により互いに接続され、前記内部空間(6)には、前記長手方向軸線(4)に沿って配置された第1及び第2力吸収面(16,17)をそれぞれ有する複数の圧電測定素子(15)が配置され、前記力吸収面(16,17)がそれぞれ前記第1及び第2押圧面(7,8)に対向し、前記測定素子(15)のそれぞれが2つの吸収素子(18)の間に配置され、前記2つの吸収素子(18)が、前記押圧面(7,8)を介して前記測定素子(15)にプレテンションをかけ、前記測定素子(15)の前記第1力吸収面(16)が全て電極(19)によって互いに電気的に接続され且つ第1押圧面(7)から電気的に絶縁された、WIMセンサ(1)において、
    前記電極(19)が、その片側に導電層(22)が設けられた長い一片の絶縁膜(21)として形成され、さらに、
    前記電極(19)が、前記測定素子(15)と前記第1押圧面(7)との間の前記内部空間(6)に配置され、且つ、
    前記導電層(22)が、前記測定素子(15)に対向し、且つ
    前記絶縁膜(21)の全長にわたる厚さ公差が10%未満であり且つ0.01mm未満であり、前記内部空間(6)には少なくとも1つのケージ(27)が配置され、前記ケージ(27)が、前記測定素子(15)及び吸収素子(18)が固定された取付け補助として機能し、前記ケージ(27)が、前記絶縁膜(21)が挿入される少なくとも1つの挿入レール(30)を備えていることを特徴とするWIMセンサ(1)。
  2. 前記絶縁膜(21)が、プラスチック膜、好ましくはポリイミド膜であり、前記絶縁膜(21)は0.02mm〜0.2mmの厚さを有することを特徴とする請求項1に記載のWIMセンサ(1)。
  3. 前記導電層(22)が、前記絶縁膜(21)上に、積層、熱蒸着、スパッタリングにより塗布、又はめっきされていることを特徴とする請求項1又は2に記載のWIMセンサ(1)。
  4. 前記導電層(22)が、0.005mm〜0.05mmの範囲内の厚さを有することを特徴とする請求項3に記載のWIMセンサ(1)。
  5. 前記導電層(22)が、その全長にわたって10%未満、且つ0.002mm未満の厚さ公差を有することを特徴とする請求項3又は4に記載のWIMセンサ(1)。
  6. 前記導電層(22)が腐食防止材(23)でコーティングされていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のWIMセンサ(1)。
  7. 前記腐食防止材(23)が、0.0001mm〜0.0005mmの厚さを有することを特徴とする請求項6に記載のWIMセンサ(1)。
  8. 前記絶縁膜(21)が、前記導電層(22)に隣接する両側に絶縁端部(24)を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のWIMセンサ(1)。
  9. 前記電気絶縁端部が、少なくとも0.5mmの幅を有し、前記絶縁膜(21)は隣接する吸収素子(18)の幅よりも広いことを特徴とする請求項8に記載のWIMセンサ(1)。
  10. 前記導電層(22)が、均一な幅を有し、少なくとも前記測定素子(15)と同じ幅であることを特徴とする請求項8又は9に記載のWIMセンサ(1)。
  11. 前記絶縁膜(21)が前記第1押圧面(7)に隣接して配置されることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載のWIMセンサ(1)。
  12. 前記測定素子(15)と第2押圧面(8)の間には、前記測定素子(15)に対向する導電層(22)を有する追加絶縁膜(26)が配置され、前記追加絶縁膜(26)は前記絶縁膜(21)と同一の設計であることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載のWIMセンサ(1)。
  13. 前記追加絶縁膜(26)が、前記長手方向軸線(4)に対して前記絶縁膜(21)と対称的に配置されていることを特徴とする請求項12に記載のWIMセンサ(1)。
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