(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
力及びモーメントを直交座標系に関して検出するためのロードセルにおいて、前記ロードセルは、
剛性中央部材と、剛性環状リングと、前記中央部材と前記環状リングとを接合するように半径方向に延在する複数の半径方向部材を含む、ロードセル本体と、
複数の第１検出回路であって、該第１検出回路は各半径方向部材にそれぞれ一つ設けられ、第１検出回路の各々は、その半径方向部材に設けられたセンサのみから成り、前記中央部材と前記環状リングとの間で対応する半径方向部材を通して第１方向に及ぼされた第１力に応じて第１出力信号を提供する、複数の第１検出回路と、
複数の第２検出回路であって、該第２検出回路は各半径方向部材にそれぞれ一つ設けられ、第２検出回路の各々は、その半径方向部材に設けられたセンサのみから成り、前記中央部材と前記環状リングとの間で対応する半径方向部材を通して前記第１方向に対して実質的に垂直な第２方向に及ぼされた第２力に応じて第２出力信号を提供する、複数の第２検出回路と、
を有することを特徴とする、ロードセル。
【請求項２】
力及びモーメントを直交座標系に関して検出するためのロードセルにおいて、前記ロードセルは、
剛性中央部材と、該中央部材と同心にかつ共通の中央軸線に同心に設けられた剛性環状リングと、前記中央部材と前記環状リングとを接合するように半径方向に延在する複数の半径方向部材を含む、ロードセル本体と、
複数の第１検出回路であって、該第１検出回路は各半径方向部材にそれぞれ一つ設けられ、第１検出回路の各々は、その半径方向部材に設けられた第１の組のセンサのみから成り、該第１の組のセンサは前記中央部材と前記環状リングとの間で該対応する半径方向部材を通して前記共通の中央軸線に直交する方向に及ぼされた第１力に応じて第１出力信号を提供する、複数の第１検出回路と、
を有することを特徴とする、ロードセル。
【請求項３】
各第１検出回路は、剪断検出回路を含む、請求項１又は２に記載のロードセル。
【請求項４】
各第２検出回路は、剪断検出回路を含む、請求項１に記載のロードセル。
【請求項５】
各第１検出回路は、曲げ検出回路を含む、請求項１−４のいずれかに記載のロードセル。
【請求項６】
各第２検出回路は、曲げ検出回路を含む、請求項１又は４に記載のロードセル。
【請求項７】
前記複数の半径方向部材は、３つの半径方向部材を含む、請求項１−６のいずれかに記載のロードセル。
【請求項８】
前記複数の半径方向部材は、４つの半径方向部材を含む、請求項１−６のいずれかに記載のロードセル。
【請求項９】
前記４つの半径方向部材は、二つの垂直な軸線に沿って延在する、請求項７に記載のロードセル。
【請求項１０】
各半径方向部材はチューブを有する、請求項１−９のいずれかに記載のロードセル。
【請求項１１】
前記第１検出回路の各々は、ホイートストンブリッジ回路を含む、請求項１−１０のいずれかに記載のロードセル。
【請求項１２】
前記第２検出回路の各々は、ホイートストンブリッジ回路を含む、請求項１及び３−１１のいずれかに記載のロードセル。
【請求項１３】
前記環状リングは共通の中央軸線に関して前記中央部材を中心として同心に位置決めされ、前記第２方向の各々は共通の中央軸線と対応する、請求項１及び３−１２のいずれかに記載のロードセル。
【請求項１４】
前記検出回路の各々からの出力信号の各々を受け入れるための制御装置を有し、前記制御装置は、前記第２検出回路からの出力信号の各々を組み合わせることによって共通の中央軸線に沿った力を計算する、請求項１及び３−１３のいずれかに記載のロードセル。
【請求項１５】
制御装置が、少なくとも二つの第１検出回路からなる第１の組からの出力信号を組み合わせることによって、共通の中央軸線に対して垂直な第１軸線に沿った力を計算し、前記制御装置は、少なくとも二つの第１検出回路を有する第２の組からの出力信号を組み合わせることによって、共通の中央軸線及び第１軸線に対して垂直な第２軸線に沿った力を計算し、少なくとも二つの第１検出回路からなる第２の組は、少なくとも二つの第１検出回路からなる第１の組と異なっている、請求項１−１４のいずれかに記載のロードセル。
【請求項１６】
制御装置が、第１検出回路の出力信号から、共通の中央軸線を中心としたモーメントを計算する、請求項１−１５のいずれかに記載のロードセル。
【請求項１７】
制御装置が、少なくとも二つの第１検出信号からなる第１の組と少なくとも二つの第１検出信号からなる第２の組との出力信号から、共通の中央軸線を中心としたモーメントを計算する、請求項１−１５のいずれかに記載のロードセル。
【請求項１８】
制御装置が、少なくとも二つの第２検出回路からなる第１の組からの出力信号を組み合わせることによって前記第１軸線を中心としたモーメントを計算し、前記制御装置は、少なくとも二つの第２検出回路からなる第２の組からの出力信号を組み合わせることによって前記第２軸線を中心としたモーメントを計算し、少なくとも二つの第２検出回路からなる第２の組は、少なくとも二つの第２検出回路からなる第１の組と異なっている、請求項１及び３−１７のいずれかに記載のロードセル。
【請求項１９】
前記複数の半径方向部材の各々を前記環状リングに接合する撓み部材が設けられ、該撓み部材は対応する半径方向部材の軸線に沿った力に対し柔軟である、請求項１−１８のいずれかに記載のロードセル。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、３つの直交軸線に沿った線型力及びこれらの軸線を中心としたモーメントを伝達し且つ計測するロードセルに関する。更に詳細には、剛性中央ハブ、このハブと同心の剛性環状リング、及び中央ハブと環状リングとの間を延びる半径方向部材を持つコンパクトなロードセル本体を開示する。このロードセル本体は、性能が改善されており、ロードセルの感度を変化させるため、その特徴を容易に調節できる。
３つの直交軸線に沿った力及びこれらの軸線を中心としたモーメントを決定するためのトランスジューサ又はロードセルが周知である。二つのこのようなロードセルが米国特許第４，６４０，１３８号及び米国特許第４，８２１，５８２号に開示されている。米国特許第４，６４０，１３８号は、軸線方向に間隔が隔てられた一対のスパイダーによって接合された内部材及び外部材を持つ多軸荷重検出トランスジューサを示す。スパイダーは、内部材と一体のアームを有し、これらのアームは、所定の長さ方向長さを持つ可撓性ストラップで外部材に連結されている。ストラップの端部は外部材に固定されている。スパイダーのアームは、関連したストラップの中央に固定されている。スパイダーアームに作用する曲げの関数として荷重を検出する。
米国特許第４，８２１，５８２号は、３つの軸線での線型力及びこれらの軸線のうちの二つの軸線を中心としたモーメントを計測する荷重トランスジューサを示す。トランスジューサは、荷重感知スパイダーアーム即ち剪断ビームによって連結された内構造及び外構造を有する。スパイダーの外端は、スパイダーの平面に対して垂直な軸線に沿った所定方向で内構造に荷重が加えられた場合に剛性の外長（outer lengths）に連結される。
他の更にコンパクトなロードセルが英国特許出願第ＧＢ  ２０９６７７７Ａ号に記載されている。これらのロードセルは、中央ハブ部分、環状リング部分及びハブ部分とリング部分とを連結する４つの半径方向スポーク部分を含み、適当な歪ゲージが接着してある。この構造を持つ従来技術のロードセルは、英国特許出願第ＧＢ  ２０９６７７７Ａ号で論じられているが、スポークを通って延びる軸線を中心として加えられるモーメントを計測しなかった。英国特許出願第ＧＢ  ２０９６７７７Ａ号には、幹区分及び端区分を持つ中実スポークが開示されている。各端区分の「幅」寸法は、対応する幹区分よりも小さい。各端区分の減少させた幅は、これをスポークが延びる方向を中心とした捩じり力に関して可撓性にするのに十分小さい。
現在、製造が容易であり且つ力及びモーメントの複数の方向での成分を計測する改良されたコンパクトなロードセルを提供することが必要とされている。
発明の概要
本発明は、力及びモーメントを直交座標系に関して検出するためのロードセルを提供する。このロードセルは、剛性中央部材と、剛性環状リングと、これら中央部材と環状リングとを接合するように半径方向に延在する複数の半径方向部材を含むロードセル本体を有する。ロードセルは更に複数の検出回路を有し、上述の複数の半径方向部材の各々が、中央部材と環状リングとの間で対応する半径方向部材を通して第１方向に及ぼされた第１力に応じて第１出力信号を提供する第１検出回路と、中央部材と環状リングとの間で対応する半径方向部材を通して第１方向に対して実質的に垂直な第２方向に及ぼされた第２力に応じて第２出力信号を提供する第２検出回路を設けられてる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明のロードセルの斜視図である。
第２図は、半径方向チューブを断面で示すため、一部が取り除いてあるロードセルの側面図である。
第３図は、変形例の半径方向チューブを断面で示すため、一部が取り除いてあるロードセルの側面図である。
第４図は、断面で示すタイヤリムに取り付けられたロードセルの側面図である。
第５図は、本発明のロードセルの第２実施例の平面図である。
第６図は、第５図のロードセルの断面図である。
第７図は、スリップリングを取り付けプレート及びコネクタを備えた第２実施例の平面図である。
第８図は、制御装置の概略ブロックダイヤグラムである。
第９図は、換算−幾何学的変換回路のブロックダイヤグラムである。
第１０図は、クロスカップリングマトリクス回路の一部の回路図である。
第１１図は、座標変換回路のブロックダイヤグラムである。
第１２図は、変形例の半径方向チューブを断面で示すために一部が取り除いてあるロードセルの側面図である。
第１３図は、ホイートストンブリッジの概略回路図である。
好ましい実施例の詳細な説明
第１図は、本発明のロードセル１０の第１実施例を示す。ロードセル１０は、好ましくは、単一の材料ブロックから製造した本発明の一体の本体１２を含む。本体１２は、剛性中央ハブ１４及びこの中央ハブ１４と同心の剛性環状リング１６を含む。複数の半径方向チューブ２０が中央ハブ１４を環状リング１６に接合する。図示の実施例では、複数の半径方向チューブ２０は、四つのチューブ２１、２２、２３、及び２４を含む。これらのチューブ２１−２４の各々は、対応する長さ方向軸線２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ、及び２４Ａに沿って中央ハブ１４から環状リング１６に向かって半径方向に延びている。好ましくは、軸線２１Ａは軸線２３Ａと整合しており、軸線２２Ａは軸線２４と整合している。更に、軸線２１Ａ及び２３Ａは、軸線２２Ａ及び２４Ａに対して垂直である。複数の半径方向チューブ２０は四つに等しいように示してあるが、中央ハブ１４を環状リング１６に連結するのに任意の数のチューブ、例えば３つ又はそれ以上のチューブを使用できるということは理解されるべきである。好ましくは、複数の半径方向チューブ２０は、参照番号２６を附した中央軸線を中心として等間隔に離間されている。
撓み部材３１、３２、３３、及び３４が各半径方向チューブ２１−２４の端部を環状リング１６に夫々連結する。撓み部材３１−３４は柔軟であり、そのため、対応する半径方向チューブ２１−２４の各々は、対応する長さ方向軸線２１Ａ−２４Ａに沿って変位する。図示の実施例では、撓み部材３１−３４は等しく、撓みストラップ３６及び３８が一体に形成されている。撓みストラップ３６及び３８は、各長さ方向軸線２１Ａ−２４Ａの両側に配置されており、対応する半径方向チューブ２１−２４を環状リング１６に連結する。
チューブ２０の歪みを検出するため、複数の歪みセンサ４０が複数のチューブ２０に取り付けられている。半径方向チューブの曲げ応力の表示を提供するため、複数のセンサ４０を複数の半径方向チューブ２０に配置できるけれども、好ましくは、これらの歪みセンサは、複数の半径方向チューブ２０の壁の剪断応力を示す出力信号を提供するため、従来の態様で取り付けられる。図示の実施例では、４組の歪みセンサが各チューブ２１−２４の各々に、好ましくは各チューブの長さ方向長さのほぼ中央に設けられている。第１歪みセンサ対４４が各半径方向チューブ２１−２４の上方に面した部分に設けられている。第２歪みセンサ対（図示せず）は、第１歪みセンサ対４４から約１８０°の下方に面した表面に設けられている。各チューブ２１−２４に設けられた第１及び第２の歪みセンサ対は、従来のホイートストンブリッジをなして接続され、各半径方向チューブ２１−２４についての第１検出回路を形成する。第３歪みセンサ対４６が第１歪みセンサ対４４から約９０°のところに取り付けられており、第４歪みセンサ４８が第３歪みセンサ対４６から約１８０°のところに取り付けられている。各チューブ２１−２４に設けられた第３歪みセンサ対及び第４歪みセンサ対もまた、従来のホイートストンブリッジをなして接続され、各半径方向チューブ２１−２４についての第２検出回路を形成する。一般的には、複数のセンサ４０は、抵抗歪みゲージからなる。しかしながら、光学的センサや容量センサ等の他の形態の検出装置を使用してもよい。
４つの半径方向チューブ２１−２４を持つ図示の実施例では、８つの個々の剪断検出ホイートストンブリッジを使用する。検出回路の数は、使用された半径方向チューブの数に応じて増減できる。しかしながら、少なくとも三つの半径方向チューブが好ましい。
歪みセンサ４０からの出力信号は、中央ハブ１４と環状リング１６との間で自由度６で伝達された力及びモーメントの成分を示す。説明の目的で、Ｘ軸が長さ方向軸線２１Ａ及び２３Ａと整合し、Ｚ軸が長さ方向軸線２２Ａ及び２４Ａと整合し、Ｙ軸が中央軸線２６と整合した直交座標系４７を定義する。
図示の実施例では、ロードセル１０は、複数のチューブ２０に作用する８つの力を計測する。次いで、これらの８つの力は形態を変え、座標系４７の軸線に沿った力、及びこれらの軸線を中心としたモーメントを提供する。詳細には、Ｘ軸に沿った力は、半径方向チューブ２１及び２３の端部に設けられた撓み部材３１及び３３がこの方向で柔軟であるため、半径方向チューブ２２及び２４に発生した剪断応力による主歪みとして計測される。これは、以下の等式で表現できる。
ＦX＝Ｆ22X＋Ｆ24X      等式１
この場合、チューブ２２及び２４上に設けられた歪みセンサ４４を含む第１検出回路が出力信号を提供する。
同様に、Ｚ軸に沿った力は、チューブ２２及び２４の端部に設けられた撓み部材３２及び３４がこの方向で柔軟であるため、半径方向チューブ２１及び２３に発生した剪断応力による主歪みとして計測される。これは、以下の等式で表現できる。
ＦZ＝Ｆ21Z＋Ｆ23Z      等式２
この場合、チューブ２１及び２３上に設けられた歪みセンサ４４を含む第１検出回路が出力信号を提供する。
Ｙ軸即ち中央軸線２６に沿った力は、全ての半径方向チューブ２１−２４の端部で発生した剪断応力による主歪みとして計測される。これは、以下の等式で表現できる。
ＦY＝Ｆ21Y＋Ｆ22Y＋Ｆ23Y＋Ｆ24Y      等式３
この場合、チューブ２１−２４上に設けられた歪みセンサ４６及び４８を含む第２検出回路が出力信号を提供する。
Ｘ軸を中心とした逆転モーメントが、半径方向チューブ２２及び２４に加えられた反対方向の力により発生した剪断応力による主歪みとして計測される。半径方向チューブ２１及び２３は、Ｘ軸を中心とした逆転モーメントに対して実質的に剛性である。これは、以下の等式で表現できる。
ＭX＝Ｆ22Y−Ｆ24Y      等式４
この場合、チューブ２２及び２４上に設けられた歪みセンサ４６及び４８を含む第２検出回路が出力信号を提供する。
同様に、Ｚ軸を中心とした逆転モーメントは、半径方向チューブ２１及び２３に加えられた反対方向の力により発生した剪断応力による主歪みとして計測される。半径方向チューブ２２及び２４は、Ｚ軸を中心とした逆転モーメントについて実質的に剛性である。これは、以下の等式で表現できる。
ＭZ＝Ｆ21Y−Ｆ23Y      等式５
この場合、チューブ２１及び２３上に設けられた歪みセンサ４６及び４８を含む第２検出回路が出力信号を提供する。
Ｙ軸を中心とした逆転モーメントは、全ての半径方向チューブ２１−２４で発生した剪断応力による主歪みとして計測される。これは、以下の等式で表現できる。
ＭY＝（Ｆ22X−Ｆ24X）＋（Ｆ21Z−Ｆ23Z）等式      ６
この場合、チューブ２１−２４上に設けられた歪みセンサ４４を含む第１検出回路が出力信号を提供する。
計測された力及びモーメントの自由度が６以下であるのが所望である場合、歪みセンサ４０の数及び検出回路の数を減らすことができるということは理解されるべきである。
好ましい実施例では、半径方向チューブ２１−２４の各々は、間隔が隔てられた複数の壁厚の薄い部分を含む。これは、これらの部分に応力を集中させるためである。第２図及び半径方向チューブ２３を例として参照する。半径方向チューブ２３は、矩形でない形状の外面６０を有する。壁厚の薄い部分には、参照番号６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、及び６２Ｄが附してある。壁厚の薄い部分６２Ａ−６２Ｄは、半径方向チューブ２３の円筒形ボア６４によって形成されており、平行な平らな表面６６Ａ及び６６Ｂからなる第１対は、反対方向に向いており、平らな表面６８Ａ及び６８Ｂからなる第２対もまた反対方向に向いている。平らな表面６８Ａ及び６８Ｂからなる第２の組は、平らな表面６６Ａ及び６６Ｂからなる第１の組とほぼ直交しており、第１組及び第２組の平らな表面は、対応する長さ方向軸線２３Ａを中心として交互に配置されている。部分６２Ａ−６２Ｄの厚さがほぼ同じであるように示してあるけれども、所望であれば、選択された方向に所望の感度を提供するため、厚さを変えることができる。好ましくは、部分６２Ａの厚さは、部分６２Ｃとほぼ等しくなければならず、部分６２Ｂの厚さは、部分６２Ｄとほぼ等しくなければならない。
第１検出回路の歪みセンサ４４は、平行な平らな表面６６Ａ及び６６Ｂからなる第１対に取り付けられており、第２検出回路の歪みセンサ４６及び４８は、平らな表面６８Ａ及び６８Ｂからなる第２の組に取り付けられている。取り付け表面は平らであるのが好ましい。これは、ゲージクランプ圧力が平らな表面上に均等に及ぼされるため、計測された出力信号のヒステリシス及びゲージ結合のクリープが小さいためである。これに対し、取り付け表面が湾曲している場合、残留応力をゲージに係止する。更に、湾曲した表面の場合、整合線を引くこと及び引いた線に合わせてゲージを取り付けることが困難である。更に、矩形でない形状の外面６０は、この形態が、歪みセンサ４０に近い半径方向チューブ２３の部分に応力を集中するため、有利である。矩形断面を持つ（４つの平らな表面が隅部で交差する）チューブを使用してもよいが、平らな表面が交差する場所に応力が顕著に集中する。この場所には歪みセンサは、容易に取り付けることができない。かくして、性能が大幅に低下する。これとは対照的に、第２図に示す矩形でない形状の半径方向チューブ２３は、第１組の平らな表面の各々とこれらの表面の次の第２組の平らな表面との間を延びる平らな表面７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、及び７０Ｄを含む。好ましい実施例では、６６Ａ、６６Ｂ、６８Ａ、及び６８Ｂ、及び７０Ａ−７０Ｄは、好ましくは、８角形断面を形成する。半径方向チューブ２１−２４の各々を８角形形状の外面６０によって形成することにより、構造が簡単になり、製造費が低下する。これは、平らな表面の機械加工が容易であるためである。第１組の各平らな表面とこれらの表面の次にある第２組の表面との間を延びる一つの平らな表面を例えば平らな表面７０Ａとして示してあるが、複数の平らな介在表面を使用できるということは理解されるべきである。同様に、平らな表面７０Ａ−７０Ｄの代わりに湾曲した壁部分７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃ、及び７６Ｄを使用し、第３図に示す矩形でない半径方向チューブ２３’を形成できる。厚さが均等な壁を持つ管状構造と異なり、半径方向チューブ２３’もまた、間隔が隔てられた壁厚の薄い部分６２Ａ−６２Ｄを有する。これらの部分は、平らな表面６６Ａ、６６Ｂ、６８Ａ、及び６８Ｂによって形成される。これらの表面は、８角形断面の場合と同様に応力を部分に集中する。半径方向チューブ２３の８角形断面又は半径方向チューブ２３’の断面は、同じ面積の均等な環状壁厚を持つチューブよりも出力（Ｓ／Ｎ比）を約１４％高め、感度を向上する。これは、８角形チューブ２３で発生した剪断応力を環状壁厚が均等なチューブと比較することによって示すことができる。
ビームの任意の箇所ｑでの剪断応力Ｔは、以下の等式によって与えられる。
0004104173.tif 000002
ここで、Ｖは、ｑを含む任意の断面での垂直方向剪断であり、Ａ’は、ｑよりも上（又は下）の断面の部分の面積であり、ｚ’は、中立軸線からＡ’の中心までの距離であり、ｂは、ｑを通して計測された断面の正味幅（ここでは、チューブの壁厚の２倍）であり、Ｉは、慣性モーメントである。
半径が１６．５１mm（０．６５０インチ）の内ボアを有し、最小壁厚（部分６２Ａ−６２Ｄ）が３．８１mm（０．１５０インチ）であり、中立軸線上の箇所ｑを使用する８角形チューブについては、Ａ’が約２．５７cm2（約０．３９８平方インチ）であり、ｚ’が約３．０４cm2（約０．４７１平方インチ）であり、Ｉが約９．１１５cm4（０．２１９in4）に等しく、ｂが約７．６２mm（約０．３００インチ）に等しい。垂直方向剪断力が４５３．５９２kg（１０００ポンド）であると仮定すると、８角形チューブについての剪断応力は約２００．５６６kg／cm2（約２８５３psi）である。
環状壁の壁厚が均等なチューブについての内ボアの半径が１６．５１mm（０．６５０インチ）であると仮定すると、上掲の８角形チューブとほぼ同じ面積を持つためには、外径は４．１７３cm（１．６４３インチ）に等しい。中立軸線上の箇所ｑについては、中心ｚ’はほぼ１．１９６cm（０．４７１インチ）に等しく、Ｉは約９．０７３cm4（０．２１８in4）に等しく、ｂは０．８７１cm（０．３４３インチ）に等しい。垂直方向剪断力が同じく４５３．５９２kg（１０００ポンド）であると仮定すると、環状壁の壁厚が均等なチューブについての剪断応力は上掲の等式によって与えられ、約１７６．０３kg／cm2（２５０４psi）に等しい。かくして、８角形チューブについての剪断応力の集中は、環状壁の壁厚が均等なチューブについての剪断応力の集中よりも約１４％大きい。応力集中の増大により、センサ４０のＳ／Ｎ比が高くなり、感度が向上する。更に、この性能の改善に伴って、慣性モーメント及び曲げ強度比が高くなる。更に、疲労寿命が伸びる。例えば、本体１２が２０２４Ｔ３アルミニウムで製造されている場合、疲労寿命は、環状壁の壁厚が均等なチューブについての１０6サイクルから８角形チューブについての４×１０6サイクルまで伸びる。このため、同じ疲労寿命に亘って更に多くの出力が提供される。この他の適当な材料には、チタニウム、４３４０鋼、１７−４ＰＨステンレス鋼、又は他の高強度材料が含まれる。上文中に説明した利点の多くは、第３図に示すチューブ２３’にも適用される。
ロードセル１０は、回転ホイールの力及びモーメントの成分の計測に特に適している。本発明の第２実施例１０’を第４図、第５図、第６図、及び第７図に示す。ロードセル１０’は、ロードセル１０とほぼ同じであり、同様の構成要素には同じ参照番号が附してある。
第４図を参照すると、ロードセル１０’がタイヤリム７０の中央部分に設けられている。環状リング１６には、ロードセル１０’をタイヤリム７０に固定する複数のファスナ７４を受け入れるねじ穴７２が設けられている。内側取り付けプレート７５が中央ハブに複数のファスナ７６を使用して取り付けられている。これらのファスナは、中央ハブ１４に設けられた対応するねじ穴７８に固定される（第４図参照）。内側取り付けプレート７５は、適当なファスナ８０を使用して車輌のスピンドルに固定されている。制御装置８２によって複数の歪みセンサ４０に電力を供給し、これらのセンサから出力信号を得る。これは、タイヤリム７０が回転するか或いは部分的に回転する場合、スリップリングアッセンブリ８４を通して行われる。制御装置８２は、ロードセル１０’が計測した力及びモーメントの成分を計算し、記録し、及び／又は表示する。
好ましい実施例では、ロードセル１０’は増幅回路７１及び７３を含み、これらの回路は、第７図に示すように、凹所７５及び７７に夫々取り付けられている。増幅回路７１及び７３は、半径方向チューブ２１−２４に設けられた検出回路に接続されており、スリップリングアッセンブリ８４を通して伝達する前に出力信号を増幅する。出力信号を増幅することによって、スリップリングアッセンブリ８４が発するノイズと関連した問題を少なくする。穴８３及び８５に取り付けられたコネクタ７９及び８１が増幅回路７１及び７３をスリップリングアッセンブリ８４に連結する。スリップリングアッセンブリ８４は、取り付けプレート８７によって中央ハブ１４に取り付けられている。導体をスリップリングアッセンブリ８４からコネクタ７９及び８１まで延ばすため、取り付けプレート８７には通路８７Ａ及び８７Ｂが設けられている。ロードセル１０’の角度位置を示す角度入力信号をエンコーダ８９が制御装置８２に提供する。
第８図は、チューブ２１−２４に設けられた８つの個々の検出回路から受け取った出力信号８８の形態を変え、静的直交座標系の自由度６に関する力及びモーメントの成分を示す出力信号１０８を得るために制御装置８２が実行する動作を概括的に示す。図示のように、検出回路からの出力信号８８が換算−幾何学的変換回路９０によって受け入れられる。換算−幾何学的変換回路９０は、出力信号８８を調節し、検出回路間の不均衡を補償する。更に、回路９０は、上掲の等式に従って出力信号８８を組み合わせ、力及びモーメントの直交座標系４７（第１図参照）の成分を示す出力信号９４を提供する。
本発明の好ましい実施例の顕著な利点は、温度により生じるエラーが小さいということである。上文中に論じたように、半径方向チューブ２１−２４の各々には、出力信号を提供する独立した検出回路が設けられている。これらの出力信号を組み合わせ、直交座標系４７の力及びモーメントを実現する。一般的には、従来技術は、歪ゲージ等の検出要素を持つ検出回路を使用する。歪ゲージは、実質的に間隔が隔てられた二つの異なる撓み部材に接着してある。例えば、Ｘ軸等の軸線を中心としたモーメントを計算するため、向き合った半径方向部材に歪ゲージが取り付けられたホイートストンブリッジを形成するのが一般的である。しかしながら、半径方向部材の温度が異なる場合、これらの部材に取り付けられており且つ単一のホイートストンブリッジを形成する歪ゲージもまた温度が異なる。個々の歪ゲージの温度が異なる場合には、ホイートストンブリッジで不均衡が生じ、これによって、計測される軸線を中心としたモーメントに関して誤った表示がなされる。
幾つかの用途では、半径方向チューブ２１−２４の温度を容易に変化させることができる。例えば、装置１０を、第４図と関連して上文中に論じたように使用し、車輌に取り付けられている場合の転動するホイールの力荷重を計測する場合。車輌に急制動が加えられると、ブレーキキャリバー等の制動要素及び関連した部品の温度が大幅に上昇する。制動後、車輌が長時間に亘って動かなかった場合、制動要素からの輻射エネルギにより半径方向チューブ２１−２４が容易に不均等に加熱される。しかしながら、本発明の検出回路を形成する歪ゲージの各々が同じ半径方向部材に取り付けられていることを考えると、歪ゲージの各々はほぼ同じ温度であり、温度により生じる不均衡が最小になる。
第８図を再度参照する。クロスカップリングマトリクス（cross-coupling matrix）回路９６が出力信号９４を受け取り、これらの出力信号を調節し、任意のクロスカップリング効果について補償する。座標変換回路１０２は、クロスカップリングマトリクス回路９６から出力信号１００を受け取り、角度入力１０４をエンコーダ等から受け取る。座標変換回路１０２は、出力信号１００を調節し、ロードセル１０’の位置の関数である出力信号１０８を提供し、静的直交座標系に関する力及びモーメントの成分を提供する。
第９図は、換算−幾何学的変換回路９０を詳細に示す。高インピーダンスの緩衝増幅器１１０Ａ−１１０Ｈがスリップリングアッセンブリ８４から出力信号８８を受け入れる。加算器１１２Ａ−１１２Ｈはゼロ調節を提供し、この際、好ましくは、調節可能な増幅器１１４Ａ−１１４Ｈが出力信号８８を個々に調節する。この調節は、チューブ２１−２４に設けられた歪みセンサ４０の位置の壁厚の変化やチューブ毎のセンサ４０の配置の相違等の物理的相違と関連した不均衡を補償できるように行われる。加算器１１６Ａ−１１６Ｈは、増幅器１１４Ａ−１１４Ｈからの出力信号を上掲の等式に従って組み合わせる。加算器１１６Ａ−１１６Ｈからの出力信号の振幅を適正化するため、調節自在の増幅器１１８Ａ−１１８Ｄが設けられている。
上文中に説明したように、クロスカップリング補償は、回路９６によって提供される。例として、第１０図は、信号ＦXについてのクロスカップリング補償を示す。他の出力信号ＦY、ＦZ、ＭX、ＭY、及びＭZの各々は、クロスカップリング効果について同様に補償される。
第１１図は、座標変換回路１０２を詳細に示す。エンコーダ８９は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等の適当なメモリ１２０及び１２２に記憶された正弦及び余弦のデジタル値についてのインデックスを提供する。デジタル−アナログコンバーター１２４及び１２６は、適当なデジタル値を受け入れ、ロードセル１０’の角度位置を示す対応するアナログ信号を発生する。掛け算器１２８Ａ−１２８Ｈ及び加算器１３０Ａ−１３０ＤがＸ軸及びＺ軸に沿った、及びこれらの軸線を中心とした力及びモーメントの出力信号を組み合わせ、静的直交座標系に関する力及びモーメントの出力信号１０８を提供する。
上文中に説明したロードセル１０及び１０’には、半径方向チューブ２０で発生した剪断応力の表示を提供する剪断センサとして機能する複数のセンサ４０が配置されている。所望であれば、これらの複数のセンサ４０は、半径方向チューブ２０の曲げ応力の表示を提供する曲げセンサとして機能するように半径方向チューブ２０に取り付けることができる。好ましい実施例では、曲げセンサは、チューブの根元、即ち各チューブ２１−２４を中央ハブ１４に接合する隅肉の開始部に、例えば、第５図でチューブ２１上で参照番号１４０及び１４２で示すように、配置できる。
更に、第５図は、根元、即ち各チューブ２１−２４を中央ハブ１４に接合する隅肉の開始部に取り付けられた曲げセンサ１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃ、及び１５０Ｄを示す。これらのセンサ１５０Ａ−１５０Ｄは、一般的には、Ｘ軸及びＺ軸が形成する平面と平行な共通の平面内に配置されている。更に、第１３図を参照すると、第２の複数のセンサ１５２Ａ−１５２Ｄが半径方向チューブ２１−２４にセンサ１５０Ａ−１５０Ｄと同様の方法で取り付けられているが、センサ１５０Ａ−１５０Ｄとは反対側に取り付けられている。例えば、第２図を参照すると、センサ１５０Ａは、表面６６Ａを中央ハブ１４に接合する隅肉に取り付けられているが、センサ１５０Ｂは、表面６６Ｂを中央ハブに接合する隅肉に取り付けられている。センサ１５０Ａ−１５０Ｄ及び１５２Ａ−１５２Ｄは、Ｙ軸即ち中央軸線２６に沿った力を直接検出するホイートストンブリッジ回路１５４（第１３図参照）を形成する。ブリッジ回路１５４は、上掲の等式３によって与えられたのと同じ力を計測するという点で幾分重複するが、場合によっては、直接的に計測するのが望ましいのである。例えば、回転ホイールに作用する力及びモーメントの計測にロードセル１０’を使用する場合、Ｙ軸即ち中央軸線２６に沿った力は、タイヤと道路との接触面のところで発生する。接触面が中央軸線２６からずれているため、中央軸線２６に沿った力は全ての半径方向チューブ２１−２４に等しく分配されない。ブリッジ回路１５４を使用することにより、力が中央軸線２６に沿って半径方向チューブ２１−２４にどのように分配されるのかを仮定する必要がなくなる。当業者には理解されることであろうが、ブリッジ回路１５４を、ここに例示した曲げセンサ１５０Ａ−１５０Ｄ及び１５２Ａ−１５２Ｄでなく、剪断センサから形成してもよい。
第１図及び第５図のロードセル本体１２を形成するための本発明による方法は、単一の材料ブロックから一体の剛性中央ハブ１４、このハブ１４と同心の剛性環状リング１６、及び中央ハブ１４から環状リングまで延びる半径方向部材を製造する工程を含む。ここで、撓み部材３１−３４は各半径方向部材の端部から環状リング１６まで延びている。撓み部材３１−３４は柔軟であり、そのため、対応する半径方向部材２１−２４が対応する長さ方向軸線２１Ａ−２４Ａに沿って変位する。ロードセル本体１２が対称であるため、従来の制御下での機械加工プロセスを使用して容易に製造できる。二つの主面を持つ単一のブロックを固定し、これから、ロードセル本体１２の第１主面を機械加工し、中央ハブ１４、環状リング１６、及び半径方向部材２１−２４等の主構成要素の各々のほぼ半分を形成する。次いで、材料ブロックを引っ繰り返し、第２主面を機械加工装置に向ける。次いで第２面に機械加工作業を施し、中央ハブ１４、環状リング１６、及び半径方向部材２１−２４の残りを形成する。好ましくは、上文中に説明したように、半径方向部材２１−２４は平らな直交配置された側部６６Ａ、６６Ｂ、６８Ａ、及び６８Ｂを備えた矩形でない形状の外面６０を持つように機械加工される。
本方法は、各半径方向部材２１−２４内に対応する長さ方向軸線２１Ａ−２４Ａに沿ってボア６４を形成し、管状構造を形成する工程を更に含む。この工程では、ロードセル本体１２の感度は、半径方向部材２１−２４に形成されたボア６−４の直径の関数である。第２図及び第１２図を参照すると、チューブ２３のボア６４及び６４’は大きさが異なっている。チューブ２１−２４のボアの直径を変えることによって、チューブの壁厚を調節できる。好ましい実施例では、環状リング１６には、チューブ２１−２４のボア６４と整合した穴１２０（第１図参照）が形成されている。好ましくは、これらの穴１２０は、少なくとも、チューブ２１−２４のボア６４の直径と同じであり、ボア６４の形成直前に環状リング１６を通して中央ハブ１４に向かって穿孔することによって形成される。穴１２０を環状リング１６にも形成することによって、ロードセル本体１２の感度を容易に調節できる。これは、環状リング１６を通して中央ハブ１４に向かって穿孔することによってボア６４を容易に形成できるためである。
第５図に示す別の好ましい実施例では、半径方向中チューブ２１−２４のボア６４は、中央ハブ１４を更に貫通し、小さな開口部１２２まで僅かにテーパしている。
本発明を好ましい実施例に関して説明したが、形態及び詳細について、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく変更を行うことができるということは当業者には理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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