(57)【要約】【課題】本開示は、荷重が加えられたときに起歪体に生じる歪みを測定するとき、周方向の回転精度の高い、歪みを検出できる歪センサを提供することを目的とする。【解決手段】この目的を達成するために本開示は、部材から印加された荷重により生じた歪を検出する環状の歪センサ１であって、部材から荷重が入力される第１の受圧部２と、第１の受圧部２と接続された起歪部３と、起歪部３と接続され起歪部３よりも剛性が大きい第２の受圧部４とを有し、第２の受圧部４に第２の受圧部４に生じた歪を検出する歪検出素子６が設けられた構成とした。【選択図】図１
2016156616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続部材から印加された荷重により生じた歪を検出する環状の歪センサであって、
前記接続部材から荷重が印加される第１の受圧部と、
前記第１の受圧部と接続された起歪部と、
前記起歪部と接続され前記起歪部よりも剛性が大きい第２の受圧部とを有し、
前記第２の受圧部に生じた歪を検出する歪検出素子が前記第２の受圧部に設けられている歪センサ。
【請求項２】
前記歪検出素子は、
前記第２の受圧部の径方向の一方側の半周面上に設けられている請求項１に記載の歪センサ。
【請求項３】
前記歪検出素子は、
前記第２の受圧部の前記荷重が印加される方向に設けられている請求項２に記載の歪センサ。
【請求項４】
前記荷重が印加されるときに前記接続部材と前記第１の受圧部が接触する領域の前記第１の受圧部の径方向の端点を第１の端点と第２の端点としたとき、
前記歪検出素子は、前記第１の受圧部の径方向の中心と前記第１の端点とを結ぶ直線と、
前記第１の受圧部の径方向の中心と前記第２の端点とを結ぶ直線とで囲まれる範囲内に設けられている請求項１に記載の歪センサ。
【請求項５】
前記歪検出素子の周方向の端点と前記第１の受圧部の中心とを結ぶ２つの直線のなす角度が６０°以下である請求項１に記載の歪センサ。
【請求項６】
前記第２の受圧部の径方向の厚さが前記起歪部の径方向の厚さよりも厚い請求項１に記載の歪センサ。
【請求項７】
請求項１〜６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、入力荷重を伝達する伝達部材とからなる被検出体を有し、
前記歪センサによって前記入力部材と前記伝達部材が接続されている荷重検出装置。
【請求項８】
前記入力部材は孔を有し、
前記歪センサは前記孔に取り付けられている請求項７に記載の荷重検出装置。
【請求項９】
前記第１の受圧部が多角形状であり、
前記接続部材は前記第１の受圧部の角に向かって荷重が印加されるように配置される請求項７に記載の荷重検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、荷重が加えられたときに起歪体に生じる歪みを検出できる歪センサとこれを用いた荷重検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の歪センサは、起歪体のせん断歪みにより生じる起歪体の外周面の変形部分を基準として、歪み検出素子を配置していた。
【０００３】
例えば、特許文献１は、起歪体の引張変形させられる部分の外周面に歪み検出素子を設ける歪センサが開示され、また、特許文献２は、起歪体の引張変形、圧縮変形させられる部分の外周面で区分けし、そこに歪み検出素子を設ける歪センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２８１５４０号公報
【特許文献２】特開２００８−２８１５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の歪み検出装置では、起歪体の外周面に設けられる歪み検出素子が、起歪体の固定部より荷重入力位置に近い、荷重を入力される軸受け部を有する第１の受圧部の外周面、または起歪部の外周面に設けられていることにより、荷重の周方向の入力ずれによる影響が大きく、歪み検出装置の検出精度が低下するという課題がある。
【０００６】
また、特許文献２の歪み検出装置では、起歪体の引張変形、圧縮変形させられる部分に１個ずつ離間し、荷重が入力される方向に対して、起歪体の中心軸を挟んで対称的に２箇所、の計４個の歪み検出素子が起歪体の外周面に配置されている。そのため、全ての歪み検出素子が主に起歪部の外周面に設けられるため、荷重の周方向の入力ずれによる影響が大きく、歪み検出装置の検出精度が低下するという課題がある。
【０００７】
本開示は、上記課題を解決し、検出精度を向上させた歪み検出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本開示の歪み検出装置は、部材から印加された荷重により生じた歪を検出する環状の歪センサであって、部材から荷重が入力される第１の受圧部と、第１の受圧部と接続された起歪部と、起歪部と接続され起歪部よりも剛性が大きい第２の受圧部とを有し、第２の受圧部に第２の受圧部に生じた歪を検出する歪検出素子が設けられた構成になっている。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成により本開示は、荷重入力の周方向の回転ずれ、歪み検出装置の設置の回転ずれ、歪み検出素子の印刷位置の周方向の回転方向ずれの影響を低減でき、歪み検出装置の検出精度を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）本開示の一実施の形態の歪センサの側断面図、（ｂ）同歪センサの上面図、（ｃ）同歪センサの側面図
【図２】（ａ）同歪センサに外力が加わったときの側断面図、（ｂ）同歪センサに外力が加わったときの上面図
【図３】同歪センサの歪量の誤差を示すグラフ
【図４】同歪センサを用いた荷重検出装置の側面図
【図５】図４におけるＡＡ線断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（実施の形態１）
以下に、本開示の一実施の形態の歪センサ１について図面を用いながら説明する。
【００１２】
図１（ａ）は本開示の一実施の形態の歪センサ１の側断面図、図１（ｂ）は同歪センサ１の上面図、図１（ｃ）は同歪センサ１の側面図を示している。
【００１３】
図１に示すように、本開示の一実施の形態の歪センサ１は、円筒形状に形成された第１の受圧部２と、第１の受圧部２に一端開口部が接続された円筒形状の起歪部３と、起歪部３の他端開口部に接続された円筒形状の第２の受圧部４とからなる起歪体５を有している。第２の受圧部４には歪検出素子６が設けられており、歪センサ１は内側に接続部材７が挿入され、接続部材７から荷重Ｆが加えられることにより歪センサ１に生じる歪みを歪検出素子６で検出する。また、第２の受圧部４は別の部材（図示せず）に固定される。
【００１４】
第１の受圧部２の内側には、接続部材７から荷重Ｆが歪センサ１に加えられるときに接続部材７と当接する受け部８が第１の受圧部２と一体に形成されており、受け部８は受け部８の中心に向かって受け部８の軸９方向の長さが短くなるようにテーパー面１０が形成されている。テーパー面１０が形成されていることにより、受け部８形成時にバリが発生することを防止できるため、受け部８の特定の位置への応力集中を防止することができる。また、受け部８の内側に接続部材７を挿入するときに位置決めが容易になり、組み立て易くなる。なお、歪センサ１の受け部８は第１の受圧部２と一体に形成されているが、受け部８を第１の受圧部２と別体として形成しても良く、また、受け部８にテーパー面１０を設けなくても接続部材７から歪センサ１に加えられた荷重Ｆを検出することはできる。
【００１５】
第１の受圧部２の径方向の厚さは第２の受圧部４の径方向の厚さＬ１と起歪部３の径方向の厚さＬ２よりも厚く、また、第２の受圧部４の径方向の厚さＬ１が起歪部３の厚さＬ２よりも厚く、第２の受圧部４の外周面に歪検出素子６が設けられている。接続部材７から受け部８に荷重Ｆが加えられると、起歪部３と第２の受圧部４にせん断歪みが生じる。この第２の受圧部４の変形を歪検出素子６で検出することにより、接続部材７から歪センサ１に加えられた荷重Ｆを検出することができる。
【００１６】
歪センサ１は、ステンレス等の金属により構成された第２の受圧部４の外周面にガラスペーストを印刷した後に、約５５０℃で約１０分間焼成して第２の受圧部４を形成する。次に、第２の受圧部４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を形成し、抵抗ペーストを印刷し、起歪体を約５５０℃で約１０分間焼成することで歪センサ１を形成されている。第１の受圧部２と起歪部３は、第２の受圧部４に溶接により接合して一体的に形成したり、同一材料からなる部材を加工して形成しても良い。
【００１７】
次に、接続部材７から荷重Ｆが歪センサ１に入力されたときの歪センサ１の変形について説明する。
【００１８】
図２（ａ）に歪センサ１に荷重Ｆが加わったときの歪センサ１の側断面図、図２（ｂ）に荷重Ｆが加わったときの歪センサ１の上面図を示す。
【００１９】
歪センサ１の断面視において、部材から第１の受圧部２に荷重Ｆが加えられると、荷重Ｆが加えられた方向に第１の受圧部２が変形する。これにより、起歪部３と第２の受圧部４に対し図２（ａ）に示す様なせん断歪みが生じ、このせん断歪を第２の受圧部４に設けられた歪検出素子６によって検出する。
【００２０】
一方、図２（ｂ）に示すように、歪センサ１を上面から見た場合、第１の受圧部２は荷重Ｆが加えられた方向に伸び、外周が楕円形の様な形になるように変形する。第１の受圧部２が荷重Ｆが加えられた方向に縦長になるように変形することで、起歪部３と第２の受圧部４にも第１の受圧部２と同様に荷重Ｆが加えられた方向に縦長になるように変形する。この様に第２の受圧部４が変形することで、第２の受圧部４の周方向の位置によって変形量が異なっており、第２の受圧部４の周方向の位置によって歪検出素子６の検出精度が低下する回転ずれが生じる。
【００２１】
しかしながら、歪センサ１の第２の受圧部４の径方向の厚さＬ１は起歪部３の径方向の厚さＬ２よりも厚く歪み難いため、第２の受圧部４の周方向の位置によって変形量が異なるという影響が小さくなり、歪検出素子６の検出精度が向上している。
【００２２】
ここで、受け部８の曲率をρ１、接続部材７の曲率をρ２とし、受け部８の半径をｒ１、接続部材７の半径をｒ２とし、受け部８を凹円筒面形状とした場合、曲率の和は（１）式で表される。
【００２３】
【数１】
2016156616.tif 000003
【００２４】
また、受け部８のヤング率をＥ１、接続部材７のヤング率をＥ２、
受け部８のポアソン比をν１、接続部材７のポアソン比をν２とし、
接続部材７から受け部８に荷重Ｆが加えられるときの受け部８と接続部材７の接触面の周方向の端点をＰ１、Ｐ２としたときのＰ１とＰ２の距離を２ｂとし、受け部８と接続部材７の接触面の軸９方向の有効長さをＬとしたとき、距離ｂは（２）式で表される。
【００２５】
【数２】
2016156616.tif 000004
【００２６】
ここで、第２の受圧部４の回転ずれの影響が小さく歪検出素子６を設けた場合に歪検出素子６の検出精度を向上させることができる角度をθとすると、（１）式〜（４）式を用いて角度θは（３）式で表すことができる。
【００２７】
【数３】
2016156616.tif 000005
【００２８】
この様に、（３）式で表される範囲内に歪検出素子６を設けることによって、歪センサ１の検出精度を向上させることができる。つまり、受け部８の中心Ｏと荷重Ｆを加えるときに受け部８と接続部材７との接触面の周方向の端点Ｐ１、Ｐ２とを結ぶ直線Ｂの範囲内に歪検出素子６を設けることによって、回転ずれの影響を小さくし、歪センサ１の検出精度を向上させることができる。
【００２９】
次に、歪センサ１への回転ずれの影響をシミュレーションした結果を図３に示す。
【００３０】
図３は歪センサ１の周方向の異なる位置において検出される歪量をシミュレーションし、歪量の誤差の絶対値を示したグラフである。第１の受圧部２と起歪部３と第２の受圧部４におけるシミュレーション結果を示してある。角度θは荷重Ｆが入力される方向の荷重Ｆが入力される側の点を基準点Ａ１で０［ｄｅｇ］とし、図１（ｂ）の歪センサ１の上面視における時計回り方向を正方向として荷重Ｆが入力される位置と反対側の点をＡ２で１８０［ｄｅｇ］としている。歪量は０［ｄｅｇ］または１８０［ｄｅｇ］の歪量を基準とし、基準に対してどの程度異なっているのかを示している。０［ｄｅｇ］を基準とするか、１８０［ｄｅｇ］を基準とするかは歪量を検出する位置での０［ｄｅｇ］または１８０［ｄｅｇ］からの歪量の変化の大きさで選択し、歪量の変化が小さい基準を選択している。図３において、基準が０［ｄｅｇ］から１８０［ｄｅｇ］に変化する点を変化点とする。このとき、第１の受圧部２では、０［ｄｅｇ］から変化点Ｃ１の間の範囲Ｒ１では０［ｄｅｇ］を基準とし、それ以外の範囲では１８０［ｄｅｇ］を基準としている。また、起歪部３では、０［ｄｅｇ］から変化点Ｃ２の間の範囲Ｒ２では０［ｄｅｇ］を基準とし、それ以外の範囲では１８０［ｄｅｇ］を基準としている。また、第２の受圧部４では、０［ｄｅｇ］から変化点Ｃ３の間の範囲Ｒ３では０［ｄｅｇ］を基準とし、それ以外の範囲では１８０［ｄｅｇ］を基準としている。すなわち、基準の歪量を１としたときに、０．５、または、１．５の歪量が検出される位置では、５０％歪量がずれているとして示してある。
【００３１】
図３に示すように、第２の受圧部４は第１の受圧部２、起歪部３に比べて歪量のずれが小さく、例えば、３０［ｄｅｇ］では第１の受圧部２と起歪部３の歪量のずれが約２０％であるのに対し、第２の受圧部４の歪量のずれが約３％と第２の受圧部４の歪量のずれが小さいことがわかる。また、第２の受圧部４は０［ｄｅｇ］〜３０［ｄｅｇ］と３３０［ｄｅｇ］〜３６０［ｄｅｇ］において、歪量のずれが４％以下であるのに対し、４０［ｄｅｇ］と３２０［ｄｅｇ］では歪量のずれは約１０％となっている。この様に、基準に対して±３０［ｄｅｇ］の範囲内に歪検出素子６を設けることによって、さらに歪センサ１の検出精度を特に向上させることができる。また、図３に示しているように、基準の位置の近傍、すなわち、第２の受圧部４の荷重Ｆが加えられる側の外周の半周面の方が他の位置に比べて歪量のずれが小さいため、第２の受圧部４の荷重Ｆが加えられる側の外周の半周面に歪検出素子６を設けることが有効である。
【００３２】
なお、本開示の歪センサ１において、第２の受圧部４の径方向の厚さＬ１が、起歪部３の径方向の厚さＬ２よりも厚い構成になっているが、例えば、第１の受圧部２と第２の受圧部４の材料をステンレスとし、起歪部３の材料を鉄等のステンレスよりもヤング率が小さい材料を用いても良い。第２の受圧部４のヤング率が起歪部３のヤング率よりも大きいとすることで第２の受圧部４の径方向の厚さＬ１と起歪部３の径方向の厚さＬ２が同じ場合でも、回転ずれの影響を低減することができる。この様に、第２の受圧部４の剛性が起歪部３の剛性よりも大きい構成にすることにより、本開示の実施の形態１の効果を得ることができる。
【００３３】
次に、歪センサ１を用いた荷重検出装置１１について説明する。
【００３４】
図４は、歪センサ１を用いた荷重検出装置１１を示す図であり、図５は、歪センサ１を用いた荷重検出装置１１のＡＡ線断面図である。
【００３５】
歪センサ１の第２の受圧部４の外周側には固定部１２が取り付けられている。
【００３６】
荷重検出装置１１は、荷重である踏力ｆが入力される入力部材であるペダルアーム１３と、入力部材と接続されたクレビスピン１４とクレビス１５からなる接続部材７と、クレビス１５と接続され踏力ｆを伝達する伝達部材であるオペロッド１６とを有している。
【００３７】
ペダルアーム１３に孔１７が設けられており、歪センサ１が孔１７に嵌められるように接続され、歪センサ１がペダルアーム１３にネジ等により接続されている。歪センサ１の中心部には歪センサ１の径方向に延在するようにクレビスピン１４が挿入されており、歪センサ１の受け部８がクレビスピン１４と接し、固定部１２でペダルアーム１３と接するように固定されている。
【００３８】
荷重検出装置１１は車両（図示せず）に取り付けられ、車両の乗員がペダルアーム１３を踏み踏力ｆをペダルアーム１３に加えると、ペダルアーム１３によってクレビスピン１４が押され、クレビスピン１４に歪センサ１がオペロッド１６の方向に押される。
【００３９】
このとき、クレビスピン１４に第１の受圧部２が押されることによって、起歪部３と第２の受圧部４にせん断歪が生じ、このせん断歪を第２の受圧部４に設けられた歪検出素子６によって検出することにより、踏力ｆを検出することができる。
【００４０】
ここで、歪センサ１は、第２の受圧部４のオペロッド１６側の半周面のうち、荷重Ｆが加わる方向を基準として歪センサ１の周方向に±３０°の範囲内に歪検出素子６が設けられている。このため、乗員がペダルアーム１３に加えた踏力ｆを精度良く検出することができる。
【００４１】
なお、歪センサ１の第１の受圧部２と起歪部３と第２の受圧部４とは円筒形状を例にして説明しているが、環状の構造であればよく、例えば、正方形等の多角形にしても良い。第１の受圧部２と起歪部３と第２の受圧部４とを多角形にした場合、荷重Ｆが印加されるときに、接続部材７が第１の受圧部２の角に向かって荷重Ｆが印加されるように配置することで接続部材７と第１の受圧部２とが複数点で接するようになる。これにより、応力集中を防止することができ、第１の受圧部２及び接続部材７の耐久性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本開示の歪み検出装置は、荷重入力の周方向の回転ずれ、歪センサ１の設置の回転ずれの影響を低減し、歪み検出装置の検出精度を向上させ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等に有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１  歪センサ
２  第１の受圧部
３  起歪部
４  第２の受圧部
５  起歪体
６  歪検出素子
７  接続部材
８  受け部
９  軸
１０  テーパー面
１１  荷重検出装置
１２  固定部
１３  ペダルアーム
１４  クレビスピン
１５  クレビス
１６  オペロッド
１７  孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
2016156616.tif 000008
【図４】
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【図５】
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