JP7133763B2 - 荷重センサー、および、荷重検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、ひずみゲージを用いてＸＹＺ軸方向の荷重やＸＹＺ軸回りのモーメントなどを検出できるようにした荷重センサーに関するものであって、より詳しくは、温度による補正を行えるようにした荷重センサー、および、荷重検出方法に関するものである。

従来より、物体に作用する荷重を検出するセンサーとして、ひずみゲージを用いた荷重センサーが存在している。この荷重センサーは、外部から作用する荷重によって変形する起歪部と、この起歪部に貼り付けられるひずみゲージとを備えてなるものであって、ひずみゲージでブリッジ回路を形成し、入力電圧に対する出力電圧の変化によって、外部から作用する荷重を検出できるようにしたものである。

ところで、このような荷重センサーを用いて荷重を検出する場合、外部から作用する温度によって起歪部が変形してしまう場合がある。このため、その変形によって検出される荷重に誤差を生じてしまう場合がある。

これに対して、下記の特許文献には、荷重センサーに温度センサーを設け、その温度センサーによる補正によって正確な荷重値を検出できるようにした方法が開示されている。

特開2003-207405号公報

しかしながら、この補正による荷重値の検出方法では、各軸に対して温度センサーを設けてひずみの抵抗値の段階で補正を行うようにしているため、温度センサーを多く設けなければならない。また、各軸での特性を把握するための専用の校正を行わなければならず、補正係数等を算出する必要があるため、補正係数を設定するのに時間がかかってしまうといった問題があった。具体的には、荷重と温度によるひずみを考慮して荷重を検出する場合、次式によって算出しなければならず、変数が多くなりすぎて、補正係数を設定するのに時間がかかってしまうといった問題があった。

そこで、本発明は上記課題に着目して、より簡単な方法で温度による補正を行えるようにした荷重センサーを提供することを目的とする。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、ドライブプレートの同一円周上に形成された複数の開口部と、隣接する開口部と開口部との間に形成された起歪部と、当該起歪部における前記開口部側の回転方向に沿った側面に取り付けられる第一ひずみゲージと、前記起歪部のドライブプレートにおける表裏面に取り付けられる第二ひずみゲージと、前記起歪部に取り付けられる温度検出部と、前記ドライブプレートの表面に設けられた受電コイルに対して、送電コイルを設けておき、電磁誘導方式によって前記第一ひずみゲージおよび第二ひずみゲージ、温度検出部に対して電力を供給する電力供給部と、前記第一ひずみゲージおよび第二ひずみゲージで検出された各軸方向のひずみ量に基づく荷重と、前記温度検出部で検出された温度とを入力値とし、補正された各軸方向の荷重を出力する演算部と、を備えるようにしたものである。

また、このような発明において、前前記開口部を、外周側の辺と内周側の辺が円弧状となり、径方向に沿った左右の辺が直線状となるように構成する。

本発明によれば、一つの温度検出部で検出された温度を用いて、すべての軸方向の荷重を補正することができ、簡単に演算を行うことができるようになるとともに、各軸方向に温度センサーを設ける必要がないため、すでに設置されている荷重センサーに温度検出部を後付けで取り付け、温度による補正を行うこともできるようになる。また、温度検出部を離れた位置に設けた場合であっても、行列の各値を変えるだけで均一な補正を行うことができ、温度検出部の位置に限定されることなく補正を行うことができるようになる。

本発明の一実施の形態におけるドライブプレートを示す図 同形態における起歪部近傍を示す図 同形態における送信コイルと受信コイルの配置を示す図 同形態におけるトルクとスラスト荷重の作用を示す図 同形態における機能ブロック図 同形態における温度を用いて補正を行った状態を示す図

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。

この実施の形態における荷重センサーは、温度による補正が必要な場所に取り付けられるものであって、外部から作用する荷重によって変形する起歪部３と、この起歪部３に貼り付けられるひずみゲージと、このひずみゲージを用いてひずみに対応する値（以下、「ひずみ量」と称する）を出力する演算部６とを備える。そして、特徴的に、外部の温度を検出する温度検出部５を設け、その温度検出部５で検出された温度と、前記ひずみ量を入力値とし、所定の行列式を掛け合わせることによって温度補正された各軸方向の荷重を出力できるようにしたものである。以下、この実施の形態における荷重検出センサー１の構成について詳細に説明する。

このような荷重センサーが取り付けられる場所としては、種々の場所が考えられるが、この実施の形態では、図１に示すように、温度による影響の強い自動車のエンジン付近に設けられるドライブプレート２２を例に挙げて説明する。

このドライブプレート２は、自動車のエンジンとトランスミッションのトルクコンバーターとの間に設けられるものであって、外周部分に外歯を有し、セルモーターによって始動時の駆動力を伝達させられるように構成されている。そして、この駆動時におけるセルモーターからの力をクランクシャフトを介してエンジンに伝達し、エンジンを駆動させるようにするとともに、エンジンを駆動させた後においては、エンジンからの力をクランクシャフトを介して伝達させ、内側連結部２１に連結されたドライブプレート２にその力を伝達させるとともに、そのドライブプレート２の外側連結部２３に取り付けられたトルクコンバーターに力を伝達させられるようになっている。

このドライブプレート２とクランクシャフトとは、内側連結部２１を用いて連結されている。この内側連結部２１は、ドライブプレート２の中心側に設けられるものであって、同一円周上に複数の取付穴２２を設け、その取付穴２２に、図示しないボルトなどを装着して、クランクシャフトを連結させるようにしている。

一方、このドライブプレート２とトルクコンバーターとを連結する外側連結部２３は、ドライブプレート２の外周に近い側に設けられるものであって、同一円周上に設けられた複数の取付穴２３にボルトを取り付けてトルクコンバーターを取り付けられるようになっている。

このように構成されたドライブプレート２の内側の取付穴２２と外側の取付穴２３の間には、複数の開口部２５が形成されている。この開口部２５は、同一円周上に複数設けられるものであって、ここでは、外周側の辺と内周側の辺が円弧状となり、半径方向に沿った左右の辺が直線状となるように構成されている。そして、左右の開口部２５を互いに隣接させるように設けることで、その間を起歪部３とするようにしている。なお、この実施の形態では、左右に隣接した開口部２５を、回転軸を中心として直交する方向に合計４セット（開口部２５を８箇所）設け、その開口部２５の間に形成された起歪部３を直交方向に配置させることで、小さな撓みを軸対称の起歪部３によって増幅させて、検出精度を上げられるようにしている。

このように構成されたドライブプレート２において、本実施の形態では、回転方向のトルクを検出する第一ひずみゲージ４１と、ドライブプレート２のスラスト方向の荷重を検出する第二ひずみゲージ４２からなるひずみ量検出部４を設けるようにしている。

このうち、第一ひずみゲージ４１は、図１や図２に示すように、起歪部３の回転方向に沿った両側壁に対向するように取り付けられる。そして、この第一ひずみゲージ４１を抵抗とするブリッジ回路を形成し、入力伝達に対する出力電圧の差をトルクに換算した電気信号をひずみ量として取り出すようにしている。この場合、第一ひずみゲージ４１うち、起歪部３における回転方向の前面側に設けたもの同士をブリッジ回路の相対向する一方の二辺の抵抗とし、中央部の起歪部３における回転方向後面側に設けたもの同士をブリッジ回路の相対向する他方の二辺の抵抗とするようにしている。

一方、第二ひずみゲージ４２は、ドライブプレート２の回転軸方向に沿った表裏面側に取り付けられる。なお、この第二ひずみゲージ４２を取り付ける場合、好ましくは、起歪部３の両側面に設けられた第一ひずみゲージ４１に挟まれる位置であって、ドライブプレート２の表裏面側に取り付けるようにしている。このような位置に取り付ければ、第一ひずみゲージ４１にスラスト方向の荷重が作用した場合であっても、その近傍に設けられた第二ひずみゲージ４２によって、その位置におけるスラスト荷重の影響を補正することができるようになる。そして、このように取り付けられた第二ひずみゲージ４２によってブリッジ回路を構成し、入力伝達に対する出力電圧の差をトルクに換算した電気信号をひずみ量として取り出す。

また、このドライブプレート２には、温度検出部５が設けられる。この温度検出部５は、起歪部３に設けられており、ドライブプレート２の温度を検出できるように構成されている。このような温度検出部５としては、測温抵抗体やサーミスタ、熱電対、ＩＣ温度センサや、感温フィライト、熱膨張型などの接触式の温度センサーを用いられる。なお、この実施の形態では、ドライブプレート２の起歪部３に温度検出部５を設けるようにしているが、各ひずみゲージに均等に温度が伝達すると仮定して、各ひずみゲージの中心となる位置に設けるようにしてもよい。

これらの第一ひずみゲージ４１や第二ひずみゲージ４２や温度検出部５に対して電力を供給する場合、電磁誘導方式によって電力が供給される。具体的には、図１や図３に示すように、ドライブプレート２側に回転軸を中心とする受電コイル６２を設けておくとともに、エンジン側の壁面に送電コイル６１を設けておき、交流電力を供給することによって受電コイル６２側に電力を供給し、また、第一ひずみゲージ４１や第二ひずみゲージ４２からの出力も受信できるようにする。そして、その出力された値を演算部６（図５参照）に出力してトルクを計測するとともに、スラスト方向からの荷重による補正を行うようにしている。

演算部６でトルク演算を行う場合、トルクに対して、スラスト方向の荷重やドライブプレート２の温度変形による誤差が含まれていると解釈して、次式を用いてトルクＭやスラスト方向の荷重Ｆを算出する。

次に、このように構成された荷重センサー１を用いて、ドライブプレート２に作用するトルクを計測する場合について説明する。

まず、エンジンが駆動している状態において、エンジンから出力された力はクランクシャフトに伝達され、その力が内側連結部２１を介してドライブプレート２に伝達される。これにより、ドライブプレート２が回転するようになる。

このようにドライブプレート２が回転すると、そのドライブプレート２の外側連結部２３に連結されたトルクコンバーターが回転するようになる。そして、このトルクコンバーターを回転させようとするトルクによりひずみが生ずる。

このようにトルクによるひずみが生ずると、起歪部３の回転方向の両側面に取り付けられた第一ひずみゲージ４１がひずむようになり、ブリッジ回路によってひずみに基づく出力電圧が出力される。そして、これを増幅させることによってトルクを計測する。

一方、エンジンが駆動している状態では、エンジンからの熱がドライブシャフトに伝達され、ドライブプレート２が加熱されて、ひずみゲージの温度ドリフト量が大きくなる。また、トルクコンバーターは高速で回転しており、その内部圧力は高くなり、トルクコンバーター自身を膨張させ、ドライブプレート２をスラスト方向に押圧してしまう。そこで、このスラスト方向に作用する荷重を第二ひずみゲージ４２で計測する。

ドライブプレート２がスラスト方向にひずむと、ドライブプレート２の表裏面側に取り付けた第二ひずみゲージ４２が変形し、これに伴って、ブリッジ回路からその変形に伴った荷重が出力される。

また、このようにドライブプレート２が加熱されると、ドライブプレート２が変形するため、温度検出部５によって温度を検出し、その値を演算部６に出力する。

演算部６では、第一ひずみゲージ４１のブリッジ回路によって検出されたトルク（εｍｚ）と、第二ひずみゲージ４２のブリッジ回路によって検出されたスラスト方向の荷重（εｆｚ）、温度検出部５で検出された温度ｔを数２を用いて、最終的にスラスト荷重や温度による補正が行われたトルクＭｚを演算する。また、これと同時に、スラスト方向にける荷重Ｆｚを算出し、これを出力する。

このように上記実施の形態によれば、ドライブプレート２の同一円周上に形成された複数の開口部２５と、隣接する開口部２５と開口部２５との間に形成された起歪部３と、当該起歪部３における前記開口部２５側の回転方向に沿った側面に取り付けられる第一ひずみゲージと、前記起歪部のドライブプレートにおける表裏面に取り付けられる第二ひずみゲージ４１と、前記起歪部３に取り付けられる温度検出部５と、前記ドライブプレート２の表面に設けられた受電コイル６２に対して、送電コイル６１を設けておき、電磁誘導方式によって前記第一ひずみゲージ４１および第二ひずみゲージ４２、温度検出部５に対して電力を供給する電力供給部と、前記第一ひずみゲージ４１および第二ひずみゲージ４２で検出された各軸方向のひずみ量に基づく荷重と、前記温度検出部５で検出された温度とを入力値とし、補正された各軸方向の荷重を出力する演算部７と、を備えるようにしたので、一つの温度検出部５で検出された温度を用いて、すべての軸方向の荷重を補正することができ、簡単に演算を行うことができるようになるとともに、各軸方向に温度センサーを設ける必要がないため、すでに設置されている荷重センサーに温度検出部５を後付けで取り付け、温度による補正を行うこともできるようになる。また、温度検出部５を離れた位置に設けた場合であっても、行列の各値を変えるだけで均一な補正を行うことができ、温度検出部５の位置に限定されることなく補正を行うことができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態によれば、トルクを検出する場合、第二ひずみゲージ４２と温度検出部５による温度を用いて補正を行うようにしたが、温度検出部５による温度のみによって補正を行うようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、ドライブプレート２でのトルクを検出する場合について説明したが、これ以外に温度による影響が大きくなる場所に使用することができる。このとき、高温による影響だけでなく、低温による影響も考慮できるような場所に使用してもよい。

また、上記実施の形態では、ドライブプレート２に温度検出部５を設けるようにしたが、起歪部３に作用する温度と同等の温度を計測できる場所であれば、同じ空間内の異なる場所に設けるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、３軸方向の軸力と３軸回りのモーメントを検出する際に、６×７行列の演算式を用いて算出するようにしたが、３軸方向の軸力や、３軸回りのモーメントのみを検出する場合、３×４行列の演算式を用いて算出するようにしてもよい。

ドライブプレート２に第一ひずみゲージ４１と第二ひずみゲージ４２を用いてトルクを検出した場合と、温度による影響を考慮してトルクを検出した場合の比較例を図６に示す。

図６の上図は、入力されたトルクと、温度の作用を受けた第一ひずみゲージ４１や第二ひずみゲージ４２によって検出されたドライブプレート２のトルクを示したものである。この図に示すように、エンジン始動から一定時間が経過してドライブプレート２が過熱されると、入力値と検出値が大きくずれてしまうことが分かる。

一方、図６の下図は、温度検出部５によって検出された温度を用いて温度補正を行ったトルクを示す。この図から分かるように、入力値とドライブプレート２から検出されたトルクとが一致していることが分かり、正確なトルクを計測できていることが分かる

１・・・トルク計測装置
２・・・ドライブプレート
２１・・・内側連結部
２２・・・取付穴
２３・・・外側連結部
２４・・・取付穴
２５・・・開口部
３・・・起歪部
４・・・ひずみ量検出部（４１：第一ひずみゲージ、４２：第二ひずみゲージ）
５・・・温度検出部
６１・・・送電コイル
６２・・・受電コイル
７・・・演算部

Claims (2)

1. ドライブプレートの同一円周上に形成された複数の開口部と、
   隣接する開口部と開口部との間に形成された起歪部と、
   当該起歪部における前記開口部側の回転方向に沿った側面に取り付けられる第一ひずみゲージと、
   前記起歪部のドライブプレートにおける表裏面に取り付けられる第二ひずみゲージと、
   前記起歪部に取り付けられる温度検出部と、
   前記ドライブプレートの表面に設けられた受電コイルに対して、送電コイルを設けておき、電磁誘導方式によって前記第一ひずみゲージおよび第二ひずみゲージ、温度検出部に対して電力を供給する電力供給部と、
   前記第一ひずみゲージおよび第二ひずみゲージで検出された各軸方向のひずみ量に基づく荷重と、前記温度検出部で検出された温度とを入力値とし、補正された各軸方向の荷重を出力する演算部と、
   を備えたドライブプレートの荷重検出センサー。
2. 前記開口部が、外周側の辺と内周側の辺が円弧状となり、径方向に沿った左右の辺が直線状となるように構成されるものである請求項１に記載の荷重検出センサー。

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