(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の車軸又は車軸近傍の構造体に取着され、該構造体に作用する応力を検出する応力センサを備えた車両の応力測定装置であって、
前記応力検出センサは、基板の少なくとも片面に突設状態で並設された複数個の櫛刃電極を夫々有する雄電極板と雌電極板とを備え、
雄電極板の櫛刃電極と、雌電極板の櫛刃電極との間の距離の変化に基づいて前記応力を検出するものであり、
前記雄電極板は、厚みが前記雌電極板の厚みより薄く設定され、かつ、雄電極板の各櫛刃電極は、前記雌電極板の厚み方向中央位置において雌電極板の各櫛刃電極間に噛み合わされていることを特徴とする車両の応力測定装置。
【請求項２】
上記応力センサの基板に、雄電極板及び雌電極板に接続した増幅回路などの信号処理回路を一体に形成したことを特徴とする請求項１に記載の車両の応力測定装置。
【請求項３】
請求項１及び２に記載の応力センサを、車両の車軸又は車軸近傍の構造体に設けた穴からなる応力計測手段に装着し、車軸又は車軸近傍の構造体に生じる剪断歪みに相応して応力センサの櫛刃電極間のコンデンサ容量を変化させ、その変化量を応力信号として直接取出すようにしたことを特徴とする車両の応力測定装置。
【請求項４】
上記車両の車軸又は車輪近傍の構造体に、垂直荷重を計測する応力計測手段と路面摩擦力を計測する応力計測手段とを設け、各応力計測手段に上記応力センサを夫々装着して、一方の応力センサで車軸又は車軸近傍の構造体に生じる剪断歪みに相応した垂直荷重を、他方の応力センサで車軸又は車軸近傍の構造体に生じる剪断歪みに相応した路面摩擦力を夫々直接検出し、両検出信号を演算処理して路面摩擦係数を取出すようにしたことを特徴とする請求項１乃至３に記載の車両の応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車、航空機、鉄道車両等の運送用車両の車軸又は車軸近傍の構造体に生じる剪断歪みなどの応力を計測する車両の応力測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車、航空機、鉄道車両等の運送用車両等の運送車両の車軸又は車軸近傍の構造体に生じる剪断歪みなどの応力を計測するための計測方法としては、光弾性法、応力塗料膜法、コースティックス法、ホログラフィ法、歪ゲージ法等があり、一般的には歪ゲージ法が多用されている。歪ゲージは種類が豊富で扱い易いが応力計測用として変換器にしなければならず、又歪ゲージ法では歪ゲージに加わるあらゆる方向の応力を受けてしまうため、解析が必要であり、必要によって複数個の歪ゲージを車軸又は車軸近傍の構造体に取付け、必要な応力を取り出す作業を必要とする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の歪ゲージからなる応力センサは、歪ゲージに加わるあらゆる方向の応力を感知してしまうため、例えば路面摩擦力を計測したくても他のクロストークを含んだ応力しか計測できず、或は歪ゲージからなる応力センサを複数個取付けて、必要でない応力を応力センサで計測して取り除く作業が必要であった。かかる点に鑑み本発明は、半導体プロセスなどにより構成された差動コンデンサ機能を有した応力センサを用いて、車両の車軸又は車軸近傍の構造体のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向などから伝わる応力に対して、その一方向の応力のみを捕えてその他の応力を減少もしくは関知しないことを利用して、車両の急制動時に車軸又は車軸近傍の構造体に生じる応力を精度よく簡便に計測できる、車両の応力測定装置を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、車両の車軸又は車軸近傍の構造体に取着され、該構造体に作用する応力を検出する応力センサを備えた車両の応力測定装置であって、前記応力検出センサは、基板の少なくとも片面に突設状態で並設された複数個の櫛刃電極を夫々有する雄電極板と雌電極板とを備え、雄電極板の櫛刃電極と、雌電極板の櫛刃電極との間の距離の変化に基づいて前記応力を検出するものであり、前記雄電極板は、厚みが前記雌電極板の厚みより薄く設定され、かつ、雄電極板の各櫛刃電極は、前記雌電極板の厚み方向中央位置において雌電極板の各櫛刃電極間に噛み合わされていることを特徴とするものである。請求項２に記載の本発明は、上記応力センサの基板に、雄電極板及び雌電極板に接続した増幅回路などの信号処理回路を一体に形成した構成になっている。請求項３に記載の本発明は、請求項１及び２に記載の応力センサを、車両の車軸又は車軸近傍の構造体に設けた穴からなる応力計測手段に装着し、車軸又は車軸近傍の構造体に生じる剪断歪みに相応して応力センサの櫛刃電極間のコンデンサ容量を変化させ、その変化量を応力信号として直接取出す構成になっている。請求項４に記載の本発明は、上記車両の車軸又は車軸近傍の構造体に、垂直荷重を計測する応力計測手段と路面摩擦力を計測する応力計測手段とを設け、各応力計測手段に上記応力センサを夫々装着して、一方の応力センサで車軸又は車軸近傍の構造体に生じる剪断歪みに相応した垂直荷重を、他方の応力センサで車軸又は車軸近傍の構造体に生じる剪断歪みに相応した路面摩擦力を夫々直接検出し、両検出信号を演算処理して路面摩擦係数を取出す構成になっている。
【０００５】
【作用】
請求項１に記載の本発明は、車両の車軸又は車軸近傍の構造体に差動コンデンサ機能が形成された応力センサを取着することにより、車両の急制動時に車軸又は車軸近傍の構造体に生じる剪断歪みに相応して、応力センサの雄・雌電極板の櫛刃電極の間隔が電極板の積層方向即ち直交方向に働く一方向のみに変化して静電容量を変化させ、その変化量に相応した一方向のみの応力を計測することができる。請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の応力センサの基板に、増幅回路などの信号処理回路を一体形成することにより、静電容量変化を応力の変化量として直接取り出すことができる。請求項３に記載の本発明は、車両の車軸又は車軸近傍の構造体に孔を設けて応力計測手段を形成し、この応力計測手段に請求項１及び２に記載の応力センサを装着することにより、一方向のみの応力をより精度よく計測することができる。請求項４に記載の本発明は、垂直荷重計測用の孔からなる応力計測手段と路面摩擦力計測用の孔からなる応力計測手段とを、車両の車軸又は車軸近傍の構造体に各別に設け、各応力計測手段の孔に請求項１及び２に記載の応力センサを各別に装着し、両応力センサの出力信号を演算処理することにより、クロストークを排除した路面摩擦係数を取出すことができる。
【０００６】
【実施例】
ここに示すものは好ましい実施形態の一例であって、特許請求の範囲はここに示す実施例に限定されるものではない。以下に車両の応力測定装置の例を図示の実施例に基づいて本発明を説明する。図１は差動コンデンサ機能を有する応力センサの基本構成例である。応力センサＳは雄型電極板Ａと雌型電極板Ｂから構成され、雄型電極板Ａは雌型電極板Ｂに対して厚み方向の大きさは小さくする。又雄型電極板Ａ及び雌型電極板Ｂは夫々基板ａ及びｂから突設した複数個の櫛刃電極ａ１〜ａ４及びｂ１〜ｂ６を有し、間隔を置いて互いに噛み合っている。雄型電極板Ａの櫛刃電極の数は雌型電極板Ｂの櫛型電極の数より一つ少なく、全体の数量は偶数個にすることが望ましく、雄型電極板Ａは厚みの厚い雌型電極板Ｂの厚み方向に対して中央に位置させ、且つ雄型電極板Ａの櫛刃電極は雌型電極板Ｂの櫛刃電極間の中央に配置する。このように配置された雄型電極板Ａと雌型電極板Ｂは、その電極板が積層する方向に応力が伝わると電極板が動き、雄型電極板Ａの櫛刃電極ａ１〜ａ４と雌型電極板Ｂの櫛刃電極ｂ１〜ｂ５の間の距離が変化する構造になっている。
【０００７】
図２に示す矢印はこの応力センサＳに加えられた剪断応力であり、このとき雄型電極板Ａの櫛刃電極と雌型電極板Ｂの櫛刃電極の両方が動く、両方の櫛刃電極が矢印方向にそれぞれ動くと両櫛刃電極の距離が変化し、この２つの櫛刃電極（導体）間の静電容量が変化する。即ち雄型電極板Ａと雌型電極板Ｂの櫛刃電極の間の距離を変化させる応力が働くと、その応力（静電引力）に対して２乗に反比例した電圧を計測することができる、この静電引力はもちろん剪断応力である。剪断応力は応力センサＳの櫛刃電極（ａ１〜ａ４，ｂ１〜ｂ５）で形成される差動コンデンサＣに対して一方向からかかるわけではなく、その他の方向からも加わる、即ち差動コンデンサＣに対して垂直な方向から加わる応力と捻れる方向に加わる圧力である。図１に示す応力センサＳは、垂直に働く応力に対しては雌型電極板Ｂに対して雄型電極板Ｂが、上あるいは下に移動した場合双方の櫛刃電極（ａ１〜ａ４，ｂ１〜ｂ５）の間の距離は変化せず、静電引力が働かない状態と同じになり電圧出力はない。雄型電極板Ａに対して雌型電極板Ｂが動く場合も同様である。応力センサＳ全体に垂直方向の応力が働くと、雄型電極板Ａと雌型電極板Ｂの双方の櫛刃電極がそれぞれ同じ方向に動くことになり、山形或は谷形のように変化し、この場合でもそれぞれの櫛刃電極間の距離は変化しないため電圧出力はない。又捻る方向に働く応力に対しては、雌型電極板Ｂに対して雄型電極板Ａは上下に移動しなお且つお互いの櫛刃電極間の距離を変化させるような移動をする、このため静電引力が働いたようになり電圧出力が得られる。上記したように応力センサＳは、常に雄型電極板Ａと雌型電極板Ｂの積層方向即ち直交方向に働く応力のみを検知するものである。
【０００８】
図３に示すように雄型電極板Ａの櫛刃電極（ａ１〜ａ４）の断面形状を角柱でなく円柱形状とし、雌型電極板Ｂの櫛刃電極（ｂ１〜ｂ５）の断面形状を緩かな曲率半径をもった凸型と凹型の２種類に形成し、雌型電極板の櫛刃電極はこの凸型と凹型を交互に組合せ、雄型電極板の櫛刃電極をこの凸型櫛刃電極と凹型櫛刃電極との間に配置した構成とすることにより、雄型電極板Ａが雌型電極板Ｂに対して上方向或は下方向に変化し且つ櫛刃電極間の距離が変化するように移動した場合、図３の左側の関係では櫛刃電極間の距離が変化するが、右側の関係では櫛刃電極間の距離の変化は小さいか又は変化がない。従って櫛刃電極間の距離が変化する側の出力をキャンセル又は出力しないようにすれば、このような動きに容易に対処できる応力センサを作成できる。このような櫛刃電極をもつ差動コンデンサは、それと同じ材料であるＩＶ族元素或は鋼材などで作られたフレームに接合して応力センサＳとするか、又はフレームを差動コンデンサと同じ半導体プロセスで同時に作ることが可能である。
【０００９】
図４は基板（フレーム）ｆに櫛刃電極（ａ１〜ａ４）と（ｂ１〜ｂ５）とを有する差動コンデンサＣが接合もしくは積層され、且つ基板ｆの一部に櫛刃電極と接続されたアルミ蒸着などによる配線を結ぶ端子台ｔと温度補償回路や増幅回路などの信号処理回路ｅを一体的に形成した応力センサＳである。尚ｒは絶縁部を示す。図５は基板（フレーム）ｆを櫛刃電極とは別に作りそれらを接合技術を使用して接合して応力センサＳを製作したもので、この場合雄型と雌型の櫛刃電極のアライメントを十分見ながら接合する必要がある。図６は半導体プロセスにより製作した応力センサＳを示すもので、これは基板（フレーム）ｆを後から接合するのではなく、櫛刃電極（ａ１〜ａ４）と（ｂ１〜ｂ５）を作るのと同時に基板（フレーム）ｆも作るものである。この応力センサＳは、上記のものと異なる点は、基板ｆに底板が付いていることである。応力伝達能力が著しく減退する場合は、この底板をエッチング等の処理により取り除いてもかまわない。なお半導体プロセスによると精度のよい小型の応力センサを製作できる利点がある。
【００１０】
図７は応力センサＳを車両の車軸又は車軸近傍の構造体Ｋに取着した車両の応力測定装置を示したもので、応力センサＳは応力計測手段ｇである穴に装着されるのであるが、その穴は、車軸或は、車軸近傍の構造体Ｋに設けられる。応力計測手段ｇは、応力分布の解析を行い、図８に示すように急制動力が印加されたときに発生する剪断応力が伝わる穴の周壁と応力センサ周縁とを接触させて装着する。ストラットに開けられた応力計測手段ｇの位置は、ＦＥＭ解析などによる応力分布解析において最適な位置に設けることが望ましい。注意することは、応力を伝えない場所があり、この位置では、応力センサは、剪断歪を関知することは出来ない。ただし、その他の応力が伝わる場所に応力センサを設置してもそれらの応力は検知しないため、考慮する必要はない。
【００１１】
この応力計測手段ｇは、車両の進行方向に対して同じ方向に作られたものである。これは、車両の急制動力に対して発生する摩擦力を検知する為のものである。又、路面摩擦係数μを求めるためには、垂直荷重であるＮと路面摩擦力Ｆを計測しなければならないが、垂直荷重Ｎを求める応力計測手段は図の位置とは異なりそれと垂直な方向を持つ。応力計測手段ｇに装着される応力センサＳは、路面摩擦力Ｆを計測するために使用したものと同じものが使用できる。垂直荷重Ｎを計測する応力計測手段ｇは、路面摩擦力Ｆと同様に車軸或は車軸近傍の構造体Ｋに孔を設ける。又、応力センサＳの位置は、路面摩擦力Ｆを計測する応力センサＳと同じ位置でも良いし、別途応力解析し応力集中する位置に取り付けても良く路面摩擦力Ｆと垂直荷重Ｎをそれぞれ測定する応力センサは、直交するように配置する。応力計測手段である穴と応力センサの接合は、各種接着材の使用、拡散接合、電子ビーム溶接、レーザー溶接等の接合方法により行う。これらは、応力計測手段である穴を伝わる剪断応力を応力センサに伝えることが出来る方法である。穴と応力センサＳの接合部は、穴の内面とフレーム、穴の内面とフレーム及び電極板、穴の内面と電極とを接触接合する３通りがありどの方法を使用してもかまわない。又、応力センサ接合部の強度を考慮して耐熱ガラスなどを陽極接合して穴の内面と接合しても良い。応力計測手段である穴と応力センサの接合後、両者の間に隙間がある。この隙間を樹脂など応力を伝達しない材質で埋める場合もある。応力計測手段でなる穴と応力センサの接合後は、防水を考慮して穴を塞ぐことが望まれる。
【００１２】
【効果】
本発明によれば、差動コンデンサ機能を有する応力センサに加わるあらゆる方向の荷重・応力に対して、純粋に一方向のみの荷重・応力を計測することができ、計測したい方向の荷重・応力は応力センサをその方向に設置することで計測できるので、従来の歪ゲージからなる応力センサのように、クロストークの荷重・応力を排除するため多点に応力センサを設置し、そのデータから一方向の荷重・応力を求めるような複雑な装置の必要がなく、応力測定装置が簡素で小型であり、一方向のみの荷重・応力を１個の応力センサで計測できるため車両の構造体に容易に取り付けることができる。又、応力センサを取り付ける応力計測手段は、とくに複雑な構成を有することなく穴でよりため、応力センサの取付に特別な技術力を必要とせず、車両の構造体に容易に装着できる。なお純粋に一方向のみの荷重・応力が計測できるため、路面摩擦力Ｆと垂直荷重Ｎを２個の応力センサで計測して路面摩擦係数μも容易に取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】応力センサの基本構造を示す斜視図。
【図２】図１に示した応力センサの櫛刃電極の動作説明図。
【図３】応力センサの櫛刃電極の変形例を示す断面図。
【図４】応力センサの異なる実施例を示す平面図。
【図５】応力センサの他の実施例を示す斜視図。
【図６】応力センサの更に異なる実施例を示す斜視図。
【図７】応力測定装置の実施例を示す斜視図。
【図８】図７に示す応力計測手段部分の拡大斜視図。
【符号の説明】
Ｓ  応力センサ
Ａ  雄型電極板
Ｂ  雌型電極板
ａ，ｂ，ｆ  基板（フレーム）
ａ１〜ａ４，ｂ１〜ｂ５  櫛刃電極
Ｃ  差動コンデンサ
Ｋ  構造体
ｇ  応力計測手段
【図１】
0003603104.tif 000002
【図２】
0003603104.tif 000003
【図３】
0003603104.tif 000004
【図４】
0003603104.tif 000005
【図５】
0003603104.tif 000006
【図６】
0003603104.tif 000007
【図７】
0003603104.tif 000008
【図８】
0003603104.tif 000009