JPH1137860A - 荷重検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電式の荷重センサの、感応面である両面を
一対の板部材で挟み、板部材をボルトで共締めして荷重
センサにプリロードをかけて検出感度を高めた荷重検出
装置の検出精度を向上することである。 【解決手段】 板部材２１，２２で挟まれた複数の上記
荷重センサ３１〜３３をボルトの軸心Ｃを中心とする同
一円上でかつ周方向に等間隔に配置し、被測定荷重を、
複数の荷重センサ３１〜３３の検出出力を加算して検出
することで、軸心Ｃ回りのモーメント力が発生しても各
荷重センサ３１〜３３に偏荷重が生じないようにすると
ともに、各荷重センサ３１〜３３に等しくプリロードが
かかるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動荷重等を検出
する荷重検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】荷重検出装置は、車両ボディに伝わる振
動荷重等を検出するのに用いられ、例えばエンジンマウ
ントと、車体側ブラケット間を連結するボルトに、ワッ
シャ型の圧電式の荷重センサが挿通保持され、車体側ブ
ラケットからエンジンマウントの下部取り付けプレート
に伝達される振動荷重を検出している。荷重センサはボ
ルトによりエンジンマウントおよび車体側ブラケットと
共締めすることによりプリロードがかけられ検出感度を
高めている。

【０００３】特開平８−１４５８１８号公報に記載の座
金型荷重センサ装置のように、荷重センサと車体側ブラ
ケットの間にボルトに同軸に、車体側ブラケットからの
荷重を荷重センサと下部取り付けプレートとに分散する
皿ばねを設けて小型の荷重センサであっても大きな荷重
を検出可能としたものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら実走行状
態において、この種の装置ではボルトの回りにモーメン
ト力（こじり力）が発生し、荷重センサの感圧面に均一
に圧力が作用せず偏荷重となる。この結果、検出精度が
必ずしも十分とはいえない。

【０００５】また上記座金型荷重センサ装置は、荷重セ
ンサを小型化しようとするとボルト径が細くなってしま
い、ボルトの耐荷重性が低下し、実際にはあまり大きな
荷重は検出することができない。

【０００６】そこで本発明は、モーメント力による検出
誤差を防止し、しかもボルト径が荷重センサの大きさで
制限されない荷重検出装置を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、圧電式の荷重センサの両面を、被測定荷重が印加さ
れる一対の板部材で挟み、両板部材をボルトで共締めし
荷重センサにプリロードを印加して検出感度を高めた荷
重検出装置において、複数の上記荷重センサを上記ボル
トの軸心を中心とする同一円上でかつ周方向に等間隔に
配置し、上記被測定荷重を、複数の上記荷重センサの検
出出力を加算して検出する構成とする。

【０００８】荷重センサをボルトの軸心を中心とする同
一円上でかつ周方向に等間隔に配置することで、各荷重
センサにプリロードが均等に印加され、荷重センサの検
出出力を加算したものが被測定荷重に対して直線的な対
応関係を示し、被測定荷重が検出される。また荷重セン
サを上記配置とすることにより荷重センサは上記ボルト
の軸心から離れ、ボルトを中心にモーメント力が生じて
も荷重センサが偏荷重の影響を受けないからモーメント
力による検出誤差を防止できるとともに、荷重センサの
大きさとは無関係にボルト径を選択することができる。

【０００９】請求項２記載の発明では、上記荷重センサ
はワッシャ型で構成し、各荷重センサに、各荷重センサ
の検出感度を補正するボルトを挿通し、ボルトで上記両
板部材を連結する構成とする。

【００１０】かかる構成とすることにより、両板部材間
に各荷重センサとボルトとが並列接続されることにな
る。ボルトの剛性すなわちばね定数を調整することで、
印加荷重に対する実質的な感度が補正され、上記荷重セ
ンサの感度に個体差があっても高い検出精度が得られ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１に本発明の荷重検出装置の全
体を示し、図２に該荷重検出装置の要部を示す。荷重検
出装置１は、車両ボディ６がマウントされるサブフレー
ム７のマウント部８に取り付けられ、サブフレーム７か
ら車両ボディ６へ伝わる振動荷重を検出するようになっ
ている。

【００１２】マウント部８は、車両ボディ６下部から垂
下するマウントアッセンブリ８ａと、これとサブフレー
ム７間を弾性的に接続する２つのゴムクッション８６，
８７より構成される。

【００１３】マウントアッセンブリ８ａは車両ボディ６
を貫通してボディ取り付け部８１が設けられている。ボ
ディ取り付け部８１は周壁に、位置決め用の鍔部８１１
が形成されたもので、下側の半部が車両ボディ６から下
方へ突出している。マウントアッセンブリ８ａは、車両
ボディ６の下方にボディ取り付け部８１に同軸に、荷重
検出装置１を構成するセンサ部１ａ、環状の第１のマウ
ントプレート８２、ボス８３、環状の第２のマウントプ
レート８４、ワッシャ８５が積層し、これらセンサ部１
ａ等は、プリロードボルト４１がセンサ部１ａ等を挿通
しボディ取り付け部８１と螺結することで共締めされ、
マウントアッセンブリ８ａは車両ボディ６と一体化して
いる。プリロードボルト４１は荷重検出装置１を構成す
るもので、例えばＳＵＳ６３０を熱処理してなる剛性の
高い金属材料が用いられている。

【００１４】サブフレーム７は鋼板等を折り曲げ成形し
て構成した中空の梁部材で、中央に凹部７０１が形成さ
れている。凹部７０１の底には貫通穴７０２が形成され
て、これに、車両ボディ６と一体のマウントアッセンブ
リ８ａの先端部が挿通している。

【００１５】第１のゴムクッション８６は短寸の筒状に
成形されたもので、ボス８３に接着してあり、外周面が
サブフレーム７の凹部７０１側面と密着している。ゴム
クッション８６は下端部の外周縁よりフランジ部８６１
が斜め外方へ延出している。フランジ部８６１は環状の
下端面８６１ａにおいて第２のマウントプレート８４と
密着するとともに、上端面８６１ｂにおいてサブフレー
ム７を下方から受けている。

【００１６】第２のゴムクッション８７は第１のマウン
トプレート８２と略同じ外径の環状に成形されたもの
で、マウント用のプレート８２の下端面に接着してあ
り、環状の下端面がサブフレーム７の上端面と密着して
いる。

【００１７】しかしてサブフレーム７が両ゴムクッショ
ン８６，８７を介して水平方向および垂直方向に車両ボ
ディ６を弾性的に保持する。

【００１８】かかるマウント部８に設けられる荷重検出
装置１について説明する。センサ部１ａは環状のアッパ
ープレート２１とロアプレート２２とを有している。ア
ッパープレート２１およびロアプレート２２には、その
段付きの内周壁に沿って樹脂製のスペーサ２３が設けて
あり、アッパープレート２１およびロアプレート２２が
やや間隔をおいて同軸に重ねられ、車両ボディ取り付け
部８１の外周に配置される。スペーサ２３は内径が車両
ボディ取り付け部８１の外径と同じに成形され、アッパ
ープレート２１およびロアプレート２２が車両ボディ取
り付け部８１に同軸に位置決めされる。

【００１９】アッパープレート２１およびロアプレート
２２は、上記のごとくマウントアッセンブリ８ａを構成
する他の部材とともにプリロードボルト４１で共締めさ
れ、アッパープレート２１の上端面が車両ボディ６の下
面と密着し、ロアプレート２２の下端面が第１のマウン
トのプレート８２と密着し、全面で振動荷重を受けるよ
うになっている。

【００２０】アッパープレート２１とロアプレート２２
とには、図の左側半部に２か所と右側半部に１カ所に、
対向する矩形の溝２０１，２０２が形成してある。各溝
２０１，２０２はアッパープレート２１とロアプレート
２２の周縁より図の左右方向に形成してある。対向する
溝２０１、２０２で形成される空間にはそれぞれに荷重
センサ３１，３２，３３が一つづつセットされる。

【００２１】荷重センサ３１〜３３は圧電式のもので、
図３に示すように薄型の矩形体ハウジング３０１を有
し、ハウジング３０１内に圧電材料である水晶を用いた
３組のリングと出力を取り出すための電極板を積層した
ものが格納してある。各水晶リングは感応軸の方向が互
いに直角となるようにカットされ、測定される成分の軸
方向が図の前後方向（Ｘ方向）、左右方向（Ｙ方向）、
上下方向（Ｚ方向）としてある。上記水晶リングには、
ハウジング３０１上下の感応面３０１ａ，３０１ｂより
荷重が印加される。またハウジング３０１の側面３０１
ｃには、これら３方向の測定成分の検出出力を取り出す
出力端子３０２が突設している。

【００２２】荷重センサ３１〜３３は、面たる上下の感
応面３０１ａ，３０１ｂがアッパープレート２１および
ロアプレート２２の溝２０１，２０２の底面と密着し、
プリロードボルト４１によりアッパープレート２１およ
びロアプレート２２からプリロード荷重が印加される。

【００２３】各荷重センサ３１〜３３には上下に貫通す
る穴３０１ｄが形成してある。この穴３０１ｄは上記３
組のリングに同軸に形成され、穴３０１ｄの中心が荷重
センサ３１〜３３の検出中心位置となる。各荷重センサ
３１〜３３の穴３０１ｄには、アッパープレート２１お
よびロアプレート２２の溝２０１，２０２の底に形成さ
れた荷重センサ位置決め用の円形の凸部２０３，２０４
が嵌まるようになっている。荷重センサ３１〜３３の穴
３０１ｄと凸部２０３，２０４の間にはスペーサ２４が
介挿され、正確に荷重センサ３１〜３３の位置決めが行
われるようになっている。

【００２４】この荷重センサ位置決め用の凸部２０３，
２０４は、形成位置がアッパープレート２１およびロア
プレート２２の中心（すなわちプリロードボルト４１の
軸心Ｃ）を中心とする同一円上でかつ周方向に等間隔に
形成してあり、荷重センサ３１〜３３が凸部２０３，２
０４で規定される対称な位置に配置される。

【００２５】アッパープレート２１およびロアプレート
２２には、凸部２０３，２０４位置に貫通穴２０５，２
０６が形成してあり、ロアプレート２２に形成された貫
通穴２０６は下半部２０６ａがねじ穴２０６ａとしてあ
る。これら穴２０５，２０６にはアッパープレート２１
側より、小ボルト４２がワッシャ４３を介して挿通しね
じ穴２０３ａに螺入せしめてあり、アッパープレート２
１とロアプレート２２とを連結せしめている。小ボルト
４２は剛性の高い、例えばプリロードボルト４１と同じ
材料で製作される。ワッシャ４３は小ボルト４２締め付
け時の摩擦を軽減するためのものである。

【００２６】小ボルト４２の締め付け荷重は各荷重セン
サ３１〜３３について等しい値に設定し、荷重センサ３
１〜３３間でプリロード荷重がばらつかないようにす
る。また締め付け荷重は、荷重センサ３１〜３３にプリ
ロードボルト４１により締め付けたときの圧縮歪み量よ
りも大きな歪み量が与えられるようにしてあり、この締
め付け荷重を与えることで、小ボルト４２がアッパープ
レート２１およびロアプレート２２を連結するばねとし
て作用するようになっている。

【００２７】図４は荷重センサ３１〜３３を含み構成さ
れる、荷重検出装置１の電気回路で、各方向（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）ごとに、荷重センサ３１〜３３の出力がワイヤ結合
し、共通のチャージアンプ回路５に入力せしめてあり、
３つの荷重センサ３１〜３３の加算出力が検出出力とし
て得られるようになっている。図例ではＺ方向出力につ
いてのみ示しているが他の方向についても同様の構成が
用いられる。なお荷重センサ３１のみが他の荷重センサ
３２，３３と左右反対向きに配置されるため、第１の荷
重センサ３１はＸ方向の出力が反転するものが用いられ
る。

【００２８】上記荷重検出装置１の作動を説明する。タ
イヤ等からサブフレーム７へと伝わる振動は、サブフレ
ーム７からさらに第１のゴムクッション８６や第２のゴ
ムクッション８７を介してマウントアッセンブリ８ａへ
と伝わり、さらに車両ボディ６に伝わっていく。かかる
振動荷重は、荷重検出装置１ではアッパープレート２１
とロアプレート２２に印加され、この振動荷重を３つの
荷重センサ３１〜３３が分担して受ける。各荷重センサ
３１〜３３に印加される荷重に比例した検出信号の加算
出力がチャージアンプ５から被測定荷重である上記振動
荷重の検出信号として出力される。

【００２９】図５は荷重検出装置１のモデル図で、荷重
センサ３１〜３３、プリロードボルト４１、小ボルト４
２はこれと等価なばねで示される（図例では荷重センサ
３３は省略）。荷重Ｍが印加されると、これはプリロー
ドボルト４１に印加される荷重Ｆb と各荷重センサ３１
〜３３部に印加される荷重Ｆ1 ，Ｆ2 ，Ｆ3 に分配さ
れ、式（１）と表せる。 Ｍ＝Ｆb ＋Ｆ1 ＋Ｆ2 ＋Ｆ3 ……（１）

【００３０】各荷重センサ３１〜３３部には小ボルト４
２が設けられているから、荷重センサ３１〜３３部に印
加される荷重Ｆi （ｉ＝１，２，３、以下同じ）は荷重
センサ３１〜３３が受ける荷重Ｆsiと、小ボルト４２が
受ける荷重Ｆsbi に分配され、式（２）が成り立つ。 Ｍ＝Ｆb ＋Ｆs1＋Ｆsb1 ＋Ｆs2＋Ｆsb2 ＋Ｆs3＋Ｆsb3 ……（２）

【００３１】一方、各荷重センサ３１〜３３は、各荷重
センサ３１〜３３に印加される荷重に比例した検出信号
を出力するので、チャージアンプ５の出力Ｖは、各荷重
センサ３１〜３３の感度をＰi とすると式（３）で与え
られる。 Ｖ＝Ｐ1 ×Ｆs1＋Ｐ2 ×Ｆs2＋Ｐ3 ×Ｆs3……（３）

【００３２】各荷重センサ３１〜３３は対称位置に配置
されているから、各荷重センサ３１〜３３には、その感
度Ｐi を決めるプリロード荷重が均等に印加されて各荷
重センサ３１〜３３の感度Ｐi は実質的に等しい。した
がってチャージアンプ５の出力Ｖは荷重Ｍに対して直線
的に変化し、出力Ｖから荷重Ｍが検出できる。

【００３３】また荷重センサ３１〜３３の位置はプリロ
ードボルト４１の軸心Ｃから離れているから、プリロー
ドボルト４１回りのモーメント力が発生しても各荷重セ
ンサ３１〜３３は偏荷重の影響を受けることなくその取
り付け位置における荷重を検出することができる。また
プリロードボルト４１の径は荷重センサ３１〜３３の大
きさとは無関係に、必要な耐荷重性等に応じて設定し得
る。

【００３４】ところで荷重センサ３１〜３３は実質的に
同一の構成のものを用いているが、多少、特性が異なり
感度に個体差がある。これを小ボルト４２の剛性を調整
することで補正し、さらに検出精度を高めることができ
る。各荷重センサ３１〜３３に印加される荷重Ｆsiは、
各荷重センサ３１〜３３のばね定数をＫsi、小ボルト４
２のばね定数をＫsbi とすると式（４）で表される。 Ｆsi＝（Ｆi ×Ｋsi）／（Ｋsi＋Ｋsbi ）……（４）

【００３５】ゆえに式（３）は（５）のように変形でき
る。

【００３６】式（５）より知られるように、偏荷重によ
り荷重印加位置が変わってもＶを常にＦi の加算値に比
例した出力とするには、Ｋs1／（Ｋs1＋Ｋsb1 ）とＫs2
／（Ｋs2＋Ｋsb2 ）とＫs2／（Ｋs2＋Ｋsb2 ）とを同じ
にすればよい。したがって荷重センサ３１〜３３間の感
度Ｐi やばね定数Ｋsiの個体差は、小ボルト４２のばね
定数Ｋsbi を調整することで解消できる。

【００３７】小ボルト４２のばね定数Ｋsbi の調整は小
ボルト４２の剛性を調整することで行う。剛性は小ボル
ト４２の軸部の断面積を、ボルト長で除したものに比例
するから、小ボルト４２を、図６に示すように小ボルト
４２のボルト径またはボルト長（小ボルト４２の軸部の
うち、ロアプレート２２のねじ穴２０６ａに螺入する先
端部を除く部分の長さ）の異なるものに変更する。例え
ば小ボルト４２のばね定数Ｋsbi を上げる必要がある場
合にはボルト径の大きなものに変更し、ばね定数Ｋsbi
を下げる必要がある場合にはボルト径の小さなものに変
更する。

【００３８】なお、本実施形態では、荷重センサ３１〜
３３として３方向の荷重を検出できるものを使用した
が、これに限らず、１方向（例えば上下方向）のみを検
出する荷重センサを使用してももちろんよい。また、荷
重センサの数は３個に限るものではなく、これより多く
てもよい。荷重センサをプリロードボルトの軸心Ｃを中
心とする同一円上でかつ周方向に等間隔に形成すること
で本実施形態と同様の効果が得られる。

【００３９】また荷重センサに特性のばらつきの小さい
ものを使用することができる場合や要求される検出精度
によっては必ずしも小ボルトにより検出感度の補正を行
う必要はない。この場合、荷重センサの形状はワッシャ
型に限られない。

【００４０】また本発明は車両の振動荷重の検出に限ら
ず他の用途にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の荷重検出装置を適用した車両ボ
ディマウント部分の全体断面図である。

【図２】（Ａ）は本発明の荷重検出装置のセンサ部の上
面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるIIＢ−IIＢ線に沿
う断面図である。

【図３】（Ａ）は本発明の荷重検出装置を構成する荷重
センサの上面図であり、（Ｂ）は荷重センサの正面図で
ある。

【図４】本発明の荷重検出装置の電気回路図である。

【図５】本発明の荷重検出装置の作動を説明するモデル
図である。

【図６】本発明の荷重検出装置を構成する小ボルトの正
面図である。

【符号の説明】

１ 荷重検出装置 １ａ センサ部 ２１ アッパープレート（板部材） ２２ ロアプレート（板部材） ３１，３２，３３ 荷重センサ ３０１ａ，３０１ｂ 感応面（面） ４１ プリロードボルト（ボルト） ４２ 小ボルト（ボルト） Ｃ 軸心

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 忠司 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 平坂 直人 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 平野 宏彦 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電式の荷重センサの両面を、被測定荷
   重が印加される一対の板部材で挟み、両板部材をボルト
   で共締めし荷重センサにプリロードを印加するようにし
   た荷重検出装置において、複数の上記荷重センサを上記
   ボルトの軸心を中心とする同一円上でかつ周方向に等間
   隔に配置し、上記被測定荷重を、複数の上記荷重センサ
   の検出出力を加算して検出するようにしたことを特徴と
   する荷重検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の荷重検出装置において、
   上記荷重センサはワッシャ型で構成し、各荷重センサに
   はこれを挿通し上記両板部材を連結する別のボルトを設
   けて各荷重センサの検出感度を補正するようにした荷重
   検出装置。