(57)【要約】【課題】  軸方向に沿い移動自在な棒状の可動軸の変位とその可動軸に加えられる荷重の両方を同時に検出可能な変位および荷重検出装置を提供する。【解決手段】  軸方向に沿って移動自在な棒状の可動軸５の変位とその可動軸５に加えられる荷重を超音波を用いて検出するための変位および荷重検出装置１において、上記可動軸５に超音波を発生させる超音波発生装置６と、上記可動軸５を伝達した超音波を検出する二つの超音波検出装置９、１０とを備え、これら上記超音波発生装置６と上記超音波検出装置９、１０を、上記可動軸５或いは固定外部部材のいずれかに、かつこれらが上記可動軸５の移動と共に相対移動するように固定したものである。【選択図】  図１
2005164359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に沿って移動自在な棒状の可動軸の変位とその可動軸に加えられる荷重を超音波を用いて検出するための変位および荷重検出装置において、上記可動軸に超音波を発生させる超音波発生装置と、上記可動軸を伝達した超音波を検出する二つの超音波検出装置とを備え、これら上記超音波発生装置と上記超音波検出装置を、上記可動軸或いは固定外部部材のいずれかに、かつこれらが上記可動軸の移動と共に相対移動するように固定したことを特徴とする変位および荷重検出装置。
【請求項２】
上記超音波発生装置が上記固定外部部材に固定され、上記超音波検出装置のいずれか一方又は双方が、上記超音波発生装置に対して相対移動するよう上記可動軸に固定され、上記超音波発生装置から上記超音波検出装置に超音波が伝達する時間から変位を検出し、上記超音波発生装置と上記固定外部部材に固定された上記超音波検出装置の間或いは上記可動軸に固定された上記二つの超音波検出装置の間の所定長さを超音波が伝達する時間から荷重を検出するようにした請求項１記載の変位および荷重検出装置。
【請求項３】
上記超音波発生装置が上記可動軸に固定され、上記超音波検出装置のいずれか一方又は双方が、上記超音波発生装置に対して相対移動するよう上記固定外部部材に固定され、上記超音波発生装置から上記超音波検出装置に超音波が伝達する時間から変位を検出し、上記超音波発生装置と上記固定外部部材に固定された上記超音波検出装置の間或いは上記固定外部部材に固定された上記二つの超音波検出装置の間の所定長さを超音波が伝達する時間から荷重を検出するようにした請求項１記載の変位および荷重検出装置。
【請求項４】
上記超音波発生装置が、上記固定外部部材に固定され、上記二つの超音波検出装置が、上記可動軸に任意の距離をおいて各々固定された請求項１記載の変位および荷重検出装置。
【請求項５】
上記超音波発生装置が、上記可動軸に固定され、上記二つの超音波検出装置が、上記固定外部部材に任意の距離をおいて各々固定された請求項１記載の変位および荷重検出装置。
【請求項６】
上記超音波発生装置は、永久磁石とコイルとを備える請求項１〜５記載の変位および荷重検出装置。
【請求項７】
上記超音波検出装置は、永久磁石とコイルとを備える請求項１〜６記載の変位および荷重検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸方向に沿って移動自在な棒状の可動軸の変位と、その可動軸に加えられる荷重の両方を、超音波を用いて検出するための変位および荷重検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を用いた変位検出装置としては、磁歪式変位検出装置がある。この磁歪式変位検出装置を図６を用いて説明する。
【０００３】
図６は、磁歪式変位検出装置の構成図を示す。
【０００４】
磁歪線３０の始端（図６において左端部）は支持部材３２に固定され、終端は張力を与えるためのスプリング３１を介し支持部材３４に固定され、また終端部には反射波の影響を抑制するためのダンピング材３９が塗布される。さらに磁歪線３０の始端近傍には受信用コイル３６、３８が磁歪線３０を囲むように固定され、磁歪線３０の中央近傍には円環状の磁石３５が軸方向へ移動自在に挿通される。そして、この移動自在な磁石３５の変位を検出するには、まず磁歪線３０の始端より電流パルスを流す。すると、この電流パルスは、磁歪線３０を伝わり磁石３５近傍において磁歪線３０に超音波（ねじり弾性波）を発生させる。そして、発生した超音波は、磁歪線３０を伝わり受信用コイル３６、３８により検出され、この超音波の磁石３５から受信コイル３６、３８までの伝達時間より磁石３５の変位が測定される。（特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１７２５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の超音波を用いた変位検出装置などでは物体の変位しか測定できないため、例えば、自動車のブレーキペダルなどに用いられるセンサで、踏み込み量と同時に踏力を検出することが求められる場合には、踏み込み量を検出する変位検出装置の他に別途踏力を検出するための荷重検出装置が必要となる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、軸方向に沿い移動自在な棒状の可動軸の変位とその可動軸に加えられる荷重の両方を同時に検出可能な変位および荷重検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための請求項１に係る発明は、軸方向に沿って移動自在な棒状の可動軸の変位とその可動軸に加えられる荷重を超音波を用いて検出するための変位および荷重検出装置において、上記可動軸に超音波を発生させる超音波発生装置と、上記可動軸を伝達した超音波を検出する二つの超音波検出装置とを備え、これら上記超音波発生装置と上記超音波検出装置を、上記可動軸或いは固定外部部材のいずれかに、かつこれらが上記可動軸の移動と共に相対移動するように固定したものである。
【０００９】
上記目的を達成するための請求項２に係る発明は、上記超音波発生装置が上記固定外部部材に固定され、上記超音波検出装置のいずれか一方又は双方が、上記超音波発生装置に対して相対移動するよう上記可動軸に固定され、上記超音波発生装置から上記超音波検出装置に超音波が伝達する時間から変位を検出し、上記超音波発生装置と上記固定外部部材に固定された上記超音波検出装置の間或いは上記可動軸に固定された上記二つの超音波検出装置の間の所定長さを超音波が伝達する時間から荷重を検出するようにしたものである。
【００１０】
上記目的を達成するための請求項３に係る発明は、上記超音波発生装置が上記可動軸に固定され、上記超音波検出装置のいずれか一方又は双方が、上記超音波発生装置に対して相対移動するよう上記固定外部部材に固定され、上記超音波発生装置から上記超音波検出装置に超音波が伝達する時間から変位を検出し、上記超音波発生装置と上記固定外部部材に固定された上記超音波検出装置の間或いは上記固定外部部材に固定された上記二つの超音波検出装置の間の所定長さを超音波が伝達する時間から荷重を検出するようにしたものである。
【００１１】
上記目的を達成するための請求項４に係る発明は、上記超音波発生装置が、上記固定外部部材に固定され、上記二つの超音波検出装置が、上記可動軸に任意の距離をおいて各々固定されたものである。
【００１２】
上記目的を達成するための請求項５に係る発明は、上記超音波発生装置が、上記可動軸に固定され、上記二つの超音波検出装置が、上記固定外部部材に任意の距離をおいて各々固定されたものである。
【００１３】
上記目的を達成するための請求項６に係る発明は、上記超音波発生装置は、永久磁石とコイルとを備えるものである。
【００１４】
上記目的を達成するための請求項７に係る発明は、上記超音波検出装置は、永久磁石とコイルとを備えるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、軸方向に沿って移動自在な可動軸の変位とその可動軸に加えられる荷重の両方を同時に検出できるという優れた効果を発揮するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１７】
図１は本実施の形態の変位および荷重検出装置１をブレーキペダルセンサとして用いるブレーキシステムの構成図を示す。
【００１８】
図１に示すブレーキシステムは、その上端が支持軸７により軸支されるブレーキペダル２と、マスターシリンダ３のピストン軸で構成される可動軸５とを備え、この可動軸５はリンク４を介してブレーキペダル２に接続される。そして、ブレーキペダル２が踏み込まれると、ブレーキペダル２が支持軸７を中心に回動することで、踏力がリンク４を介し可動軸５に伝えられ、さらに、可動軸５が踏み込み量に応じてマスターシリンダ３に押し込まれ、ブレーキシステムが機能する。この時の踏み込み量と踏力を検出するためのブレーキペダルセンサとして、変位および荷重検出装置１が用いられる。
【００１９】
図２は変位および荷重検出装置１の詳細図を示す。なお、図１では可動軸５にその右端から左向きに荷重が加えられるが、図２では左端から右向きに荷重が加わえられた状態を示している。
【００２０】
図２に示すように、変位および荷重検出装置１は、可動軸５に超音波を発生させる超音波発生装置６と、可動軸５に発生した超音波を検出する超音波検出装置９、１０と、超音波発生装置６に電流を供給する発振器８と、この発振器８および超音波検出装置９、１０に接続される信号処理回路１１とを備える。
【００２１】
超音波発生装置６と超音波検出装置９、１０は、電磁超音波センサの原理により動作し、各々永久磁石１４、１６、１８とコイル１５、１９、２０とを備える。
【００２２】
本実施の形態においては、超音波発生装置６は、可動軸５の中央部近傍に設けられた固定外部部材１２に固定され、超音波検出装置９、１０は可動軸５の両端部に各々固定される。そして、可動軸５の移動と共に超音波発生装置６は超音波検出装置９、１０に対し相対移動し、また超音波検出装置９、１０間の距離は可動軸５の移動に関係なく一定である。
【００２３】
次に、この変位および荷重検出装置１の動作について説明する。発振器８により超音波発生装置６のコイル１５に通電されると、可動軸５に超音波が発生する。この超音波が超音波検出装置９、１０まで伝達することでコイル１９、２０に電流が流れる。そして、この電流が信号処理回路１１に入力され、変位と荷重が検出される。
【００２４】
次に、信号処理回路１１で行われる変位と荷重の検出について説明する。
【００２５】
まず可動軸５の変位の検出について説明する。
【００２６】
超音波発生装置６と超音波検出装置９間の距離をｘ、超音波検出装置９、１０間の距離をＬ（所定長さ）、超音波発生装置６から超音波検出装置９へ超音波が伝達する時間をａ、超音波発生装置６から超音波検出装置１０へ超音波が伝達する時間をｂとすると、距離ｘ、Ｌの比とそれらの距離を超音波が伝達する時間ａ、（ａ＋ｂ）の比との関係よりｘは次式（１）のようになる。
【００２７】
ｘ＝ａＬ／（ａ＋ｂ）  ・・・（１）
【００２８】
このｘは可動軸５が右に移動すると減少し、左に移動すると増加する。そこで、可動軸５が基準状態にある時のｘをｘ0と定め、このｘ0とｘとの差分より可動軸５の変位を検出する。なお、ｘは超音波発生装置６と超音波検出装置９間の距離としたが、超音波発生装置６と超音波検出装置１０間の距離としてもよい。
【００２９】
次に可動軸５の荷重の検出について説明する。
【００３０】
荷重は、音弾性効果に基づいて検出する。音弾性効果によると、可動軸５に荷重が加えられると可動軸５を伝わる超音波の速度Ｖは次式（２）のように変化する。
【００３１】
Ｖ＝（Ｖ0−Ｃｅσ）  ・・・（２）
【００３２】
ここで、Ｖ0は可動軸５の無荷重状態における超音波の伝達速度、Ｃｅは可動軸５の音弾性係数、σは可動軸５に加えられる応力である。さらに、所定長さＬは、超音波発生装置６から超音波検出装置９、１０までの各々の距離の和であり、可動軸５の移動に関係なく常に一定なので、超音波発生装置６から超音波検出装置９、１０まで超音波が各々伝達する時間の和（ａ＋ｂ）の変化より可動軸５に加えられる荷重が求まる。例えば、上式２に既知のＶ0、Ｃｅと、超音波の伝達速度Ｖ、所定長さＬおよび伝達時間（ａ＋ｂ）の関係式Ｖ＝Ｌ／（ａ＋ｂ）を代入することで応力σを求め、この応力σより可動軸５に加えられる荷重を検出する。
【００３３】
以上より可動軸５の変位と加えられる荷重が検出できる。
【００３４】
次に本発明の他の実施の形態を図３により説明する。
【００３５】
図２では、超音波発生装置６を固定外部部材１２に固定し、超音波検出装置９、１０を可動軸５に固定した形態を説明したが、図３では、超音波発生装置６を可動軸５に固定し、超音波検出装置９、１０を固定外部部材２２、２４に各々固定した形態を示している。
【００３６】
この図３の実施の形態において、可動軸５の移動と共に超音波発生装置６は超音波検出装置９、１０に対し相対移動し、また超音波検出装置９、１０間の距離は移動に関係なく一定である。
【００３７】
超音波発生装置６と超音波検出装置９間の距離ｘと、可動軸５に加えられる応力σとは図２の実施の形態と同様に、超音波発生装置６から超音波検出装置９へ超音波が伝達する時間をａ、超音波発生装置６から超音波検出装置１０へ超音波が伝達する時間をｂ、超音波検出装置９、１０間の距離をＬとし、上記式（１）および式（２）より求めることができる。そして、これら距離ｘと応力σから可動軸５の変位と荷重が検出される。
【００３８】
なお、荷重側の超音波検出装置９は、固定外部部材２２に固定されるため、可動軸５の最大ストローク時にも、可動軸５の超音波が検出できるような位置に固定される。
【００３９】
次に本発明の他の実施の形態を図４、図５により説明する。
【００４０】
図２、図３においては、超音波検出装置９、１０を可動軸５に共に固定するか、固定外部部材２２、２４に各々固定する形態を説明したが、図４、図５では、超音波検出装置９、１０の一方を、可動軸５に、他方を固定外部部材２４に固定する形態を示したものである。
【００４１】
図４の実施の形態では、超音波発生装置６を図２と同様に固定外部部材１２に固定し、超音波検出装置９を可動軸５に固定し、超音波検出装置１０を固定外部部材２４に固定したものである。
【００４２】
この形態においては、可動軸５の移動と共に超音波発生装置６と超音波検出装置９間の距離ｘが変化し、また可動軸５の移動に関係なく超音波発生装置６と超音波検出装置１０間の距離Ｌ（所定長さ）が常に一定なので、距離ｘ、距離Ｌの比とそれらの距離を超音波が伝達する時間の比との関係より変位を求めることができ、距離Ｌを超音波が伝達する時間の変化より荷重を求めることができる。
【００４３】
図５の実施の形態は、超音波発生装置６を可動軸５に固定し、超音波検出装置９、１０を図４と同様に各々可動軸５と固定外部部材２４に固定したものである。可動軸５の変位と荷重は、図４の実施の形態と同様に求めることが出来る。
【００４４】
なお、上述した実施の形態では、超音波発生装置６を超音波検出装置９、１０の間に配置したが、本発明はこれに限定されず、例えば、可動軸５の左端部に超音波発生装置６を固定し、可動軸５の中央部付近に設けられた固定外部部材１２に一方の超音波検出装置９を固定し、可動軸５の右端部近傍に設けられた固定外部部材２４に他方の超音波検出装置１０を固定してもよい。この場合、相対移動する超音波発生装置６と超音波検出装置９（または１０）間の距離ｘと、超音波検出装置９、１０間の距離Ｌと、それらの距離を超音波が伝達する時間とを基に、上述した実施の形態と同様に可動軸５の変位と加えられる荷重が検出される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る変位および荷重検出装置をブレーキペダルセンサとして用いるブレーキシステムの構成図を示す。
【図２】本発明に係る変位および荷重検出装置の構成図を示す。
【図３】他の実施の形態に係る変位および荷重検出装置の構成図を示す。
【図４】他の実施の形態に係る変位および荷重検出装置の構成図を示す。
【図５】他の実施の形態に係る変位および荷重検出装置の構成図を示す。
【図６】従来の超音波を用いた変位検出装置の構成図を示す。
【符号の説明】
【００４６】
１、２１、２５、２６  変位および荷重検出装置
６  超音波発生装置
９、１０  超音波検出装置
１４、１６、１８  永久磁石
１５、１９、２０  コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005164359.tif 000006
【図５】
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【図６】
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