JPWO2015198525A1 - 歪センサと、これを用いた荷重検出装置 - Google Patents

Abstract

歪センサは荷重を検出するように構成されている。その歪センサは、環形状を有する起歪部と、荷重が印加されるように構成された第１の受圧部と、起歪部に接続された第２の受圧部と、少なくとも第１の受圧部と起歪部のいずれか一方に設けられた歪検出素子とを備える。第１の受圧部は、起歪部から離れる第１の方向で起歪部に接続されている。第２の受圧部は、起歪部から第１の方向の反対側の第２の方向で起歪部に接続されている。第１の受圧部は起歪部よりも第１の方向のみに設けられている。この歪センサは、荷重の加えられ方によらず安定して荷重を検出することができる。

Description

本開示は、印加された荷重を検出する歪センサと、これを用いた荷重検出装置に関する。

起歪体の歪みを検出する歪センサを用いて、車両用ペダル類の踏み込み荷重が検出されている。

図９は特許文献１に開示されている従来の歪センサ１の断面図である。歪センサ１は、互いに同心に配設された起歪体２、固定部材（第１部材）３、変位部材（第２部材）４を有する。起歪体２の下側の外側面には、第１歪抵抗素子（歪検知素子）５が設けられている。そして、第１歪抵抗素子５の一端は回路パターン（図示せず）により電源電極と電気的に接続されている。そして、他端は第２の出力電極に接続されている。また、起歪体２の下側の外側面には、第１歪抵抗素子５と略平行に第２歪抵抗素子（歪検知素子）６が設けられている。第２歪抵抗素子６の一端が回路パターン（図示せず）により電源電極と電気的に接続されている。また、第２歪抵抗素子６の他端は第１の出力電極（図示せず）と電気的に接続されている。

さらに、起歪体２の上側の外側面には、第３歪抵抗素子（歪検知素子）７が設けられている。そして、第３歪抵抗素子７の一端は回路パターン（図示せず）により第１歪抵抗素子５および第２の出力電極に電気的に接続されている。また、第３歪抵抗素子７の他端はＧＮＤ電極（図示せず）と接続している。

さらに、起歪体２の上側の外側面には、第３歪抵抗素子７と略平行に第４歪抵抗素子（歪検知素子）８が設けられている。そして、第４歪抵抗素子８の一端は回路パターンにより第２歪抵抗素子６および第１の出力電極と電気的に接続されている。また、第４歪抵抗素子８の他端はＧＮＤ電極と電気的に接続されている。以上のように、フルブリッジ回路が構成されている。

フェライト系ステンレス製の固定部材（第１部材）３は、円盤形状の取付部９と、取付部９を長手方向の中間部に一体的に備えた軸部１０とで構成されている。そして取付部９により起歪体２の一端開口部を閉塞した状態で、取付部９の外周部が起歪体２の側縁に嵌合状態で溶接されている。また、固定部材３の軸部１０の一端部は、起歪体２の内側を貫通している。金属製（たとえばフェライト系ステンレス製）の変位部材（第２部材）４は、円環形状のワッシャ１１と、ワッシャ１１の一端に固定されたケースとして機能する円筒状の取付部材１２とで構成されている。そして取付部材１２の内側においてワッシャ１１の外周部は起歪体２における他端部の開口縁に溶接により嵌合状態で固定されている。ケースとして機能する円筒状の取付部材１２内には、取付部９、起歪体２、ワッシャ１１が収容されている。

歪センサ１は、起歪体２の軸心２Ａと垂直な方向に変位部材４に荷重を加えることにより、起歪体２にせん断力が作用するように構成されている。

特許第４２３０５００号公報

歪センサは荷重を検出するように構成されている。その歪センサは、環形状を有する起歪部と、荷重が印加されるように構成された第１の受圧部と、起歪部に接続された第２の受圧部と、少なくとも第１の受圧部と起歪部のいずれか一方に設けられた歪検出素子とを備える。第１の受圧部は、起歪部から離れる第１の方向で起歪部に接続されている。第２の受圧部は、起歪部から第１の方向の反対側の第２の方向で起歪部に接続されている。第１の受圧部は起歪部よりも第１の方向のみに設けられている。

この歪センサは、荷重の加えられ方によらず安定して荷重を検出することができる。

図１Ａは実施の形態の歪センサの上面図である。 図１Ｂは実施の形態の歪センサの側面図である。 図１Ｃは図１Ａに示す歪センサの線ＩＣ−ＩＣにおける断面図である。 図２は実施の形態の歪センサの起歪部の外周面の展開図である。 図３は実施の形態の歪センサの回路図である。 図４Ａは実施の形態の歪センサに荷重が加えられたときの一部拡大断面図である。 図４Ｂは比較例の歪センサに荷重が加えられたときの一部拡大断面図である。 図５は実施の形態の他の歪センサの断面図である。 図６は実施の形態のさらに他の歪センサの断面図である。 図７は実施の形態の歪センサを用いた荷重検出装置の側面図である。 図８は図７に示す荷重検出装置の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩにおける断面図である。 図９は従来の歪センサの断面図である。

図１Ａと図１Ｂはそれぞれ実施の形態の歪センサ２１の上面図と、側面図である。図１Ｃは図１Ａに示す歪センサ２１の線ＩＣ−ＩＣにおける断面図である。

歪センサ２１は、起歪部２２と、起歪部２２に接続された受圧部２５、２７と、起歪部２２に設けられた歪検出素子２８とで構成されている。起歪部２２は中心軸２２Ｌを囲む環形状を有する。環形状を有する起歪部２２は、中心軸２２Ｌに沿って互いに反対側に位置する開口部２３、２６を有する。受圧部２５は起歪部２２の開口部２３に接続されている。受圧部２５は、起歪部２２の開口部２３に面して開口部２３に接続されている面２４を有する。受圧部２７は起歪部２２の開口部２６に接続されている。環形状を有する起歪部２２は、中心軸２２Ｌから直角に放射状に離れる径方向２２Ｒに向く外周面２２Ａと、径方向２２Ｒと反対に中心軸２２Ｌに向く内周面２２Ｂとを有する。歪検出素子２８は起歪部２２の外周面２２Ａ上に設けられている。受圧部２７は、固定部４４に固定されるように構成されている（図１Ｃ参照）。受圧部２５の径方向２２Ｒの長さＬ_１は、起歪部２２の中心軸２２Ｌの軸方向２２Ｍの長さＬ_２よりも長い。受圧部２５の内側には面２９、３０を有する受け部３１が設けられている。すなわち、受け部３１は、受圧部２５の径方向２２Ｒと反対の方向の部分に設けられている。受圧部２５の面２４は起歪部２２に面する。受け部３１の面２９は起歪部２２に面する。受け部３１の軸方向２２Ｍの長さＬ_３は受圧部２５の軸方向２２Ｍの長さＬ_４よりも短い。受け部３１には径方向２２Ｒの受け部３１の内側に向かって軸方向２２Ｍの長さが短くなるようにテーパ面３２が設けられている。これにより、受け部３１を形成する時にバリが発生することを防止できる。このため、受け部３１の特定の位置への応力集中を防止することができる。受け部３１の面２９は起歪部２２の開口部２６に面する。受圧部２５の開口部２６側の面２４と受け部３１の開口部２６側の面２９とは、起歪部２２と受圧部２５とが接続された接続部３３よりも軸方向２２Ｍにおいての開口部２３側に位置している。このように、受圧部２５は起歪部２２から軸方向２２Ｍに沿ってかつ起歪部２２から離れる方向Ｄ１で起歪部２２に接続されている。受圧部２７は、起歪部２２から方向Ｄ１の反対側の方向Ｄ２で起歪部２２に接続されている。

図２に実施の形態の歪センサ２１の起歪部２２の外周面２２Ａの展開図である。図３は実施の形態の歪センサ２１の回路図である。歪検出素子２８は歪抵抗３４、３５、３６、３７で構成されている。起歪部２２の外周面２２Ａには、出力電極３８、３９と電源電極４０とグランド電極４１とを含む回路パターン２８Ａが設けられている。歪抵抗３４は電源電極４０と出力電極３８との間に電源電極４０と出力電極３８とに直列に接続されている。歪抵抗３５はグランド電極４１と出力電極３８との間にグランド電極４１と出力電極３８とに直列に接続されている。歪抵抗３６は電源電極４０と出力電極３９との間に電源電極４０と出力電極３９とに直列に接続されている。歪抵抗３７はグランド電極４１と出力電極３９との間にグランド電極４１と出力電極３９とに直列に接続されている。歪抵抗３４、３６は、歪抵抗３５、３７に比べ、軸方向２２Ｍにおいて受圧部２５の近くに配置されている。図３に示すように、歪検出素子２８と回路パターン２８Ａとでフルブリッジ回路が構成されている。起歪部２２が変形すると、歪検出素子２８の歪抵抗３４〜３７の抵抗値が変化し、この変化を検出することで起歪部２２に生じた歪みを検出することができる。このため、歪検出素子２８を起歪部２２が大きく変形する場所に配置することにより歪センサ２１の感度を向上させることができる。なお、歪検出素子２８は起歪部２２に設けられているが、歪検出素子２８の一部が受圧部２５や受圧部２７に設けられていてもよい。

次に、歪センサ２１の製造方法について説明する。

ステンレス等の金属等の弾性部材よりなる環形状の基材の外周面にガラスペーストを印刷した後に、約５５０℃で約１０分間焼成して起歪部２２を形成する。次に、起歪部２２の外周面２２Ａに銀のペーストを印刷して約５５０℃で約１０分間焼成して回路パターン２８Ａを形成する。次に、抵抗ペーストを印刷し、起歪部２２を約５５０℃で約１０分間焼成することで歪抵抗３４〜３７が形成され、歪センサ２１が形成されている。

次に、歪センサ２１に荷重が加わったときに歪センサ２１に発生する歪みの検出について説明する。図４Ａは歪センサ２１に荷重Ｆ_１が加えられたときの一部拡大断面図である。図４Ｂは比較例の歪センサ５２１に荷重Ｆ_１が加えられたときの一部拡大断面図である。図４Ｂにおいて、図１Ａから図１Ｃに示す実施の形態の歪センサ２１と同じ部分には同じ参照番号を付す。比較例の歪センサ５２１は、実施の形態の歪センサ２１の受圧部２５の代わりに、起歪部２２の開口部２３に接続部３３で接続された受圧部５２５を備える。受圧部５２５は接続部３３よりも方向Ｄ２に延びる受け部５３１を有する。荷重Ｆ_１は受圧部５２５（受け部５３１）を介して場所Ｐ_３において起歪部２２の場所に伝わり、起歪部２２での接続部３３付近の場所Ｐ_１において起歪部２２は大きく変形する。歪検出素子２８は起歪部２２が大きく変形する場所Ｐ_１に設けるのが好ましい。以下の説明では歪検出素子２８の一部が設けられる場所Ｐ_１にかかるモーメントについて説明をする。

実施の形態では中心軸２２Ｌに沿って延びる棒形状を有する部材４２が受け部３１に荷重Ｆ_１を加える。この場合、受け部３１に対して径方向２２Ｒに荷重Ｆ_１が加えられる場合と、部材４２が受け部３１の場所Ｐ_２に斜めに接触して受け部３１の一部分のみに荷重Ｆ_１が加えられ、受圧部２５に偏荷重が伝達される場合がある。部材４２が受け部３１に斜めに接触する場合、受け部３１の面３０側に部材４２から荷重Ｆ_１が加えられる場合と、受け部３１の面２９側に部材４２から荷重Ｆ_１が加えられる場合があり、夫々について受圧部２５への荷重Ｆ_１が伝達のされる場合の動作を説明する。

受け部３１に対して径方向２２Ｒに荷重Ｆ_１が加えられる場合、受圧部２７が固定部４４に固定されているので、受け部３１の形状によらず受圧部２５には径方向２２Ｒに押されるように荷重Ｆ_１が伝達される。これにより、場所Ｐ_１には、場所Ｐ_１の方向Ｄ１から径方向２２Ｒに向かう方向のモーメントＭ_１がかかる。

また、部材４２が受け部３１の面３０の近くに斜めに接し、受け部３１に対して偏荷重が加えられるとき、受圧部２５には受け部３１の形状によらず径方向２２Ｒに押されるように荷重Ｆ_１が伝達される。これにより、場所Ｐ_１には、上記の方向のモーメントＭ_１がかかる。

一方で、部材４２が受け部３１、５３１の面２９、５２９の近くに斜めに接し、荷重Ｆ_１が受け部３１、５３１に対して偏って加えられるとき、図４Ａ、図４Ｂに示すように、受け部３１、５３１の形状によって受圧部２５、５２５にそれぞれ伝達される荷重の方向が異なる。

図４Ａに示す実施の形態の歪センサ２１では、面２９が接続部３３よりも方向Ｄ１にあり、受け部３１に径方向２２Ｒに荷重Ｆ_１が加えられる場合と同様に、場所Ｐ_１には径方向２２Ｒに荷重が伝達される。このように、部材４２から受け部３１に荷重Ｆ_１が加えられるときに、部材４２がどのように受け部３１と接しても、受圧部２５に伝達される荷重の方向は径方向２２Ｒとなる。したがって、場所Ｐ_１に対し、上記の方向のモーメントＭ_１がかかり、受け部３１への荷重Ｆ_１の加えられ方によらず起歪部２２が同じように変形するので、偏荷重の影響があっても安定して歪みを検出することができる。

これに対し、図４Ｂに示す比較例の歪センサ５２１では、受け部３１が方向Ｄ２に延在し、面５２９が接続部３３よりも方向Ｄ２にあるので、受け部３１に径方向２２Ｒに荷重Ｆ_１が加えられる場合とは起歪部２２に加わる荷重が異なる。受け部５３１全体は荷重Ｆ_１により径方向２２Ｒに押されるが、場所Ｐ_１に対して受け部５３１の部材４２との接点を中心として、場所Ｐ_１の方向Ｄ２から径方向２２Ｒに向かう方向のモーメントＭ_２がかかる。このため、受け部３１の面３０の近くに荷重Ｆ_１が加えられたときと起歪部２２の変形の仕方が実施の形態の歪センサ２１とは異なる。この様に、部材４２の受け部３１、５３１への接触の仕方によって感度が異なるので、比較例の歪センサ５２１は安定して歪みを検出することができない。

また、図９に示す従来の歪センサ１では、固定部材３から起歪体２に荷重が加えられるときに偏った荷重が加えられると、荷重の加えられ方により荷重に対する感度が変化し、安定して荷重を検出できない。

この様に、面２９が接続部３３に対して方向Ｄ１にあるか、方向Ｄ２にあるかによって歪センサの検出感度が大きく変化する。実施の形態の歪センサ２１は面２９が接続部３３よりも方向Ｄ１にある。すなわち、受圧部２５の受け部３１は、軸方向２２Ｍにおいて接続部３３から方向Ｄ１に位置する場所で荷重を受け、軸方向２２Ｍにおいて接続部３３から方向Ｄ２に位置する場所では荷重を受けないように構成されている。したがって、歪センサ２１は安定して歪みすなわち荷重を検出することができ、検出精度を向上させることができている。

また、接続部３３から、面２９が方向Ｄ１にあるか方向Ｄ２にあるかによって受圧部２５に伝達される荷重の方向が変化するが、面２９が接続部３３に近い方が、偏荷重の影響を低減することができる。ここで、実施の形態の歪センサ２１では面２４と面２９とが同一平面になるように受け部３１が形成されている。したがって、受圧部２５と受け部３１とを同一部材で形成することができるので、工程を簡略化して生産性を向上させることができる。更に、歪センサ２１では、接続部３３に近い位置に面２９があるので、偏荷重の影響をより効果的に低減することができている。

なお、受け部３１の軸方向２２Ｍの長さは、短い方が偏荷重の影響を低減することができるが、短すぎると応力集中により壊れやすくなる。したがって、受け部３１の軸方向２２Ｍの長さは応力集中により破壊されない程度の長さに、使用用途に応じて適宜設計すればよい。

なお、実施の形態の歪センサ２１は、受け部３１を備えるが、受け部３１を備えずに受圧部２５に部材４２から直接荷重が加えられるようにしてもよい。この場合、面２４が接続部３３よりも方向Ｄ１にあれば実施の形態の効果を得ることができる。

なお、歪検出素子２８は、少なくとも受圧部２５と起歪部２２のいずれか一方に設けられていてもよい。

図５は実施の形態の他の歪センサ２１Ａの断面図である。図５において図１Ｃに示す歪センサ２１と同じ部分には同じ参照番号を付す。歪センサ２１Ａでは、歪検出素子２８は、起歪部２２ではなく、受圧部２５に設けられている。歪センサ２１Ａは図１Ｃに示す歪センサ２１と同様の効果を有する。

図６は実施の形態のさらに他の歪センサ２１Ｂの断面図である。図６において図１Ｃに示す歪センサ２１と同じ部分には同じ参照番号を付す。歪センサ２１Ｂでは、歪検出素子２８は、起歪部２２のみではなく、起歪部２２と受圧部２５に設けられている。歪センサ２１Ｂは図１Ｃに示す歪センサ２１と同様の効果を有する。

図７は実施の形態の歪センサ２１（２１Ａ、２１Ｂ）を用いた荷重検出装置４３の側面図である。図８は図７に示す荷重検出装置４３の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩにおける断面図である。

歪センサ２１（２１Ａ、２１Ｂ）の受圧部２７の外周には固定部４４が取り付けられており、受圧部２７が固定部４４に固定されている。

荷重検出装置４３は、踏力である荷重Ｆ_２が入力されるペダルアームである入力部材４５と、入力部材４５と接続された接続部材４８と、接続部材４８に接続され荷重Ｆ_２を伝達する伝達部材４９とを備える。接続部材４８は、クレビス４７と、入力部材４５と接続されたクレビスピン４６とからなる。伝達部材４９は、クレビス４７と接続されたオペロッドである。

ペダルアーム（入力部材４５）には孔５０が設けられており、歪センサ２１（２１Ａ、２１Ｂ）は孔５０に嵌められている。歪センサ２１（２１Ａ、２１Ｂ）はペダルアームに対してネジ等によって接続されている。歪センサ２１（２１Ａ、２１Ｂ）の中心部には歪センサ２１（２１Ａ、２１Ｂ）の軸方向２２Ｍに延在するようにクレビスピン４６が挿入されている。歪センサ２１（２１Ａ、２１Ｂ）の受け部３１がクレビスピン４６と接している。固定部４４はペダルアームと接するように固定されている。

荷重検出装置４３は車両４３Ａに取り付けられ、車両の乗員がペダルアーム（入力部材４５）を踏みペダルアームに踏力である入力荷重Ｆ_２を加えると、ペダルアームによってクレビスピン４６（接続部材４８）がオペロッド（伝達部材４９）に向かって押される。歪センサ２１（２１Ａ、２１Ｂ）にはクレビスピン４６が挿入されているので、クレビスピン４６によって受け部３１にオペロッドの方向に荷重Ｆ_３が加えられる。すなわち、伝達部材４９は接続部材４８と接続され、入力荷重Ｆ_２に基づく荷重Ｆ_３を歪センサ２１（２１Ａ、２１Ｂ）の受圧部２５の受け部３１に伝達する。荷重Ｆ_２により起歪部２２にせん断歪が生じ、せん断歪を起歪部２２に設けられた歪検出素子２８によって検出することにより、荷重Ｆ_２を検出することができる。

ここで、乗員のペダルアームの踏み方によってクレビスピン４６が歪センサ２１（２１Ａ、２１Ｂ）に斜めに接することもあるが、歪センサ２１（２１Ａ、２１Ｂ）は偏荷重の影響を低減できるので、乗員の踏み方によらず安定して荷重Ｆ_２を検出することができる。

本発明の歪センサは、歪みの伝達のされ方によらず安定して歪みを検出することができるため、車両用ペダル類の踏み込み荷重の検出、車両用パーキングブレーキのケーブル張力の検出、車両用シートの座面荷重の検出等に有用である。

２１ 歪センサ
２２ 起歪部
２３ 開口部（第１の開口部）
２４ 面（第１の面）
２５ 受圧部（第１の受圧部）
２６ 開口部（第２の開口部）
２７ 受圧部（第２の受圧部）
２８ 歪検出素子
２９ 面（第２の面）
３１ 受け部
３２ テーパ面
４３ 荷重検出装置
４５ 入力部材
４８ 接続部材
４９ 伝達部材

Claims (6)

1. 荷重を検出する歪センサであって、
   環形状を有する起歪部と、
   前記荷重が印加されるように構成されており、前記起歪部から離れる第１の方向で前記起歪部に接続された第１の受圧部と、
   前記起歪部から前記第１の方向の反対側の第２の方向で前記起歪部に接続された第２の受圧部と、
   少なくとも前記第１の受圧部と前記起歪部のいずれか一方に設けられた歪検出素子と、
   を備え、
   前記第１の受圧部は前記起歪部よりも前記第１の方向のみに設けられている、歪センサ。
2. 前記起歪部の前記環形状は、軸方向に延びる中心軸を囲み、
   前記第１の受圧部は、前記中心軸から離れる径方向と反対の方向の部分に設けられた受け部を有し、
   前記受け部の前記軸方向の長さは前記第１の受圧部の前記軸方向の長さよりも短い、請求項１に記載の歪センサ。
3. 前記第１の受圧部は前記起歪部に面する第１の面を有し、
   前記受け部は前記起歪部に面する第２の面を有している、請求項２に記載の歪センサ。
4. 前記第１の面と前記第２の面は同一の平面上に設けられている、請求項３に記載の歪センサ。
5. 前記起歪部の前記環形状は、軸方向に延びる中心軸を囲み、
   前記第１の受圧部は、前記中心軸から離れる径方向と反対の方向に向かって前記第１の受圧部の前記軸方向の長さが短くなるテーパ面を有する、請求項１に記載の歪センサ。
6. 請求項１から５のうちの一項に記載の歪センサと、
   入力荷重が加えられる入力部材と、
   前記入力部材と接続された接続部材と、
   前記接続部材と接続され、前記入力荷重に基づく荷重を前記歪センサの前記第１の受圧部に伝達する伝達部材と、
   を備えた荷重検出装置。

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