JPH10318862A - 構造体の作用力計測方法および装置 - Google Patents

構造体の作用力計測方法および装置

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JPH10318862A
JPH10318862A JP9131474A JP13147497A JPH10318862A JP H10318862 A JPH10318862 A JP H10318862A JP 9131474 A JP9131474 A JP 9131474A JP 13147497 A JP13147497 A JP 13147497A JP H10318862 A JPH10318862 A JP H10318862A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造体のＸ軸方向作用力、Ｙ軸方向作用力、
Ｚ軸方向作用力およびＹ軸周りのトルクの４種類の作用
力をひずみゲージからなるセンサセグメントを用いて簡
便に分離計測する。 【解決手段】 上記構造体には、上記Ｘ軸方向力Ｆを計
測するに適したひずみゲージを有するＦセンサ３１と、
上記Ｙ軸方向力Ｓを計測するに適したひずみゲージを有
するＳセンサ３２と、上記Ｚ方向力Ｎを計測するに適し
たひずみゲージを有するＮセンサ３３と、上記Ｙ軸周り
のトルクＦｂを計測するに適したひずみゲージを有する
Ｆｂセンサ３４の少なくとも２つが配置されており、上
記各センサのうちのいずれかのセンサの出力が表すひず
み量に係数を乗じて当該作用力を求めるにあたり、他の
作用力の大きさによる上記係数の変化傾向に応じ、他の
作用力が作用している場合にその大きさによって決まる
係数を用いて当該作用力を求める。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本願発明は、構造体の作用力
計測方法および装置に関し、詳しくは、自動車の車輪支
持部材など、同時に複数種類の力が作用する場合におい
て、ひずみゲージで構成される簡易なセンサを用いて各
作用力を分離計測するための技術に関する。
【０００２】
【発明の背景】たとえば、自動車などの車輪を支持する
車軸あるいは車軸支持部材には、走行中に様々な力が作
用する。これを図１に示す簡単なモデルについて説明す
ると、制動時にタイヤ１０が路面から受ける摩擦力Ｆ
は、車軸２０に対して車両前後方向に等価に作用する。
路面反力（垂直荷重）Ｎは、車軸２０に対して垂直方向
に作用する。また、制動時には、車軸２０をねじろうと
するブレーキトルクＦｂが作用する。
【０００３】本願の出願人による特開平３−２２００５
６号公報には、理想的なＡＢＳ（Anti-Skid Brake Syst
em) の制御についての提案がなされている。この提案
は、路面摩擦係数あるいはこれに相当する物理量をリア
ルタイムで検出して、路面の状態にかからわず、最大の
制動効果を生むようにブレーキ液圧を制御しようとする
ものである。上記公報によってなされた提案は、いわゆ
るタイヤのスリップ率を推測演算して、路面摩擦係数μ
が最大となるスリップ率（車体速度−車輪周速度／車体
速度）となるようにブレーキ液圧を制御するという現存
のＡＢＳとは、大いに異なる。
【０００４】すなわち、現存のＡＢＳにおいては、スリ
ップ率を演算するための根拠となるべき車体速度を直接
計測することができないため、演算によって車体速度お
よびスリップ率を求めており、したがって、正確な制御
を行うことができない。また、乾燥アスファルト路面、
水濡れアスファルト路面、土路面、凍結路面等、路面の
状態によって、スリップ率と路面摩擦係数との関係が異
なるが、現存のＡＢＳは、これに対応できない。
【０００５】上記公報に示された提案は、リアルタイム
で計測される路面摩擦係数あるいはこれに相当する物理
量をＡＢＳ制御に用いているので、上記現存のＡＢＳの
欠点は、すべて解消される。
【０００６】ところで、路面摩擦係数μは、直接には計
測することができないが、μ＝Ｆ／Ｎとの関係式によっ
て、路面摩擦力Ｆと路面垂直抗力Ｎとを計測することが
できれば、演算によって求めることができる。
【０００７】本願の出願人は先に、特願平５−６５８９
１（特開平６−２４１９２２号）等において、ひずみゲ
ージからなるセンサセグメントを車軸内の最適位置に埋
設し、たとえば、車軸に作用するブレーキトルクＦｂの
影響を少なくしつつ摩擦力Ｆを検出する手法を提案して
いる。この手法は、４つのセンサセグメントのブリッジ
をセグメント切り換え可能に構成し、第１のセグメント
構成を選択することによって水平方向の剪断力を検出す
るとともに、第２のセグメント構成によってブレーキト
ルク成分を求め、これを補正項として上記第１のセグメ
ント構成によって検出された剪断力を補正しようとする
ものである。
【０００８】しかしながら、上記の手法は、セグメント
構成の切り換えによる時間遅れが発生し、リアルタイム
で路面摩擦係数μを演算する上で問題が残るし、車軸に
は、前述したように、路面摩擦力ＦやブレーキトルクＦ
ｂ以外に、路面垂直抗力ＮあるいはサイドフォースＳが
作用する場合があり、これらの影響も無視できない。
【０００９】一方、車軸に埋設するなどしたひずみゲー
ジからなるセンサセグメントを用いることにより、路面
摩擦力Ｆ、路面垂直抗力Ｎ、ブレーキトルクＦｂ、およ
びサイドフォースＳの４種類の力を分離計測することが
できれば、上記したようなＡＢＳの最適制御のほか、コ
ーナリング時のサイドフォースを考慮した四輪操舵制御
等、自動車の総合的な走行最適化制御のための入力とし
て、有効に利用することができる。
【００１０】
【発明の開示】したがって、本願発明の目的は、車両の
車軸ないしは車軸支持部材に配置したひずみゲージから
なるセンサセグメントを用いて、路面摩擦力Ｆ、路面垂
直抗力Ｎ、ブレーキトルクＦｂ、およびサイドフォース
Ｓを分離計測する方法および装置を提供することであ
る。
【００１１】本願発明の他の目的は、構造体のＸ軸方向
作用力、Ｙ軸方向作用力、Ｚ軸方向作用力およびＹ軸周
りのトルクの４種類の作用力をひずみゲージからなるセ
ンサセグメントを用いて簡便に分離計測する方法および
装置を提供することである。
【００１２】本願発明の第１の側面によって提供される
構造体の作用力計測方法は、構造体内に設定された第１
のＸＹ平面に沿って、Ｘ軸に対して傾斜するとともに互
いに交差するひずみゲージａとひずみゲージｂ、およ
び、第１のＸＹ平面に対してＺ軸方向に所定間隔隔てた
第２のＸＹ平面に沿って、上記ひずみゲージａと対向す
るひずみゲージｃと上記ひずみゲージｂと対向するひず
みゲージｄを配置する一方、Ｘ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方向力
Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、および、Ｙ軸周りのトルクＦｂのう
ち、少なくともＮおよびＳを、次式により演算すること
を特徴とする。なお、ひずみゲージａとひずみゲージｂ
とは、共にＸ軸に対して４５°傾斜し、互いに９０°で
交差するのが好ましい。
【００１３】
【数１】 ただし、Δａ，Δｂ，Δｃ，Δｄは、ひずみゲージの変
形によって計測されるひずみ量であり、ｋf ，ｋs ，ｋ
n ，ｋt は、それぞれ係数を表す。
【００１４】好ましい実施形態においては、上記Ｘ軸は
車両の前後方向軸であり、上記Ｙ軸は車両の車幅方向軸
であり、上記Ｚ軸は車両の上下方向軸であるとともに、
上記構造体は略Ｙ軸方向に延びる車軸ないしはこの車軸
を支持する部材であり、上記Ｘ軸方向力Ｆは路面摩擦力
を、上記Ｙ軸方向力Ｓはサイドフォースを、上記Ｚ軸方
向力Ｚは路面垂直抗力を、上記Ｙ軸周りのトルクＦｂは
上記ブレーキトルクをそれぞれ表すものである。
【００１５】本願発明の第２の側面によって提供される
構造体の作用力計測装置は、構造体内に設定された第１
のＸＹ平面に沿って、Ｘ軸に対して傾斜するとともに互
いに交差するひずみゲージａとひずみゲージｂ、およ
び、第１のＸＹ平面に対してＺ軸方向に所定間隔隔てた
第２のＸＹ平面に沿って、上記ひずみゲージａと対向す
るひずみゲージｃと上記ひずみゲージｂと対向するひず
みゲージｄを配置する一方、Ｘ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方向力
Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、および、Ｙ軸周りのトルクＦｂのう
ち、少なくともＮおよびＳを、次式により演算する演算
手段を備えることを特徴としている。
【００１６】
【数２】 ただし、Δａ、Δｂ、Δｃ、Δｄは、ひずみゲージの変
形によって計測されるひずみ量であり、ｋf ｋs ｋn ｋ
t は、それぞれ係数を表す。
【００１７】好ましい実施形態においては、上記Ｘ軸は
車両の前後方向軸であり、上記Ｙ軸は車両の車幅方向軸
であり、上記Ｚ軸は車両の上下方向軸であるとともに、
上記構造体は略Ｙ軸方向に延びる車軸ないしはこの車軸
を支持する部材であり、上記Ｘ軸方向力Ｆは路面摩擦力
を、上記Ｙ軸方向力Ｓはサイドフォースを、上記Ｚ軸方
向力Ｚは路面垂直抗力を、上記Ｙ軸周りのトルクＦｂは
上記ブレーキトルクをそれぞれ表すものである。
【００１８】本願発明の第３の側面によって提供される
構造体の作用力計測方法は、構造体に作用するＸ軸方向
力Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、および、Ｙ軸周り
のトルクＦｂのいずれか２つ、３つまたは４つを計測す
るための方法であって、上記構造体には、上記Ｘ軸方向
力Ｆを計測するに適したひずみゲージを有するＦセンサ
と、上記Ｙ軸方向力Ｓを計測するに適したひずみゲージ
を有するＳセンサと、上記Ｚ方向力Ｎを計測するに適し
たひずみゲージを有するＮセンサと、上記Ｙ軸周りのト
ルクＦｂを計測するに適したひずみゲージを有するＦｂ
センサの少なくとも２つが配置されており、上記各セン
サのうちのいずれかのセンサの出力が表すひずみ量に係
数を乗じて当該作用力を求めるにあたり、他の作用力の
大きさによる上記係数の変化傾向に応じ、他の作用力が
作用している場合にその大きさによって決まる係数を用
いて当該作用力を求めるようにしたことを特徴とするも
のである。
【００１９】本願発明の第４の側面によって提供される
構造体の作用力計測装置は、構造体に作用するＸ軸方向
力Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、および、Ｙ軸周り
のトルクＦｂのいずれか２つ、３つまたは４つを計測す
るための装置であって、上記構造体には、上記Ｘ軸方向
力Ｆを計測するに適したひずみゲージを有するＦセンサ
と、上記Ｙ軸方向力Ｓを計測するに適したひずみゲージ
を有するＳセンサと、上記Ｚ方向力Ｎを計測するに適し
たひずみゲージを有するＮセンサと、上記Ｙ軸周りのト
ルクＦｂを計測するに適したひずみゲージを有するＦｂ
センサの少なくとも２つが配置されており、上記各セン
サのうちのいずれかのセンサの出力が表すひずみ量に係
数を乗じて当該作用力を求める演算手段と、他の作用力
の大きさによる上記係数の変化傾向を記憶する記憶手段
と、を備え、上記演算手段は、他の作用力が作用してい
る場合にその大きさに応じた係数を上記記憶手段から読
み出し、この係数を用いて当該作用力を求めるように構
成されていることを特徴とするものである。
【００２０】本願発明の各側面の技術的意義は、添付図
面を参照して以下に行う詳細な説明により、明らかとな
ろう。
【００２１】
【発明の実施の形態】上記本願発明の第１および第２の
側面によって提供される構造体の作用力計測方法および
装置においては、図２に示すように、たとえば、車両の
車軸２０に設けた孔内に、上記４つのひずみゲージａ，
ｂ，ｃ，ｄがエポキシ樹脂、金属、あるいはシリコンな
どからなる所定厚みの板材２１の表裏面に貼着された恰
好で配置される。図２において矢印Ｘ方向が車両前後方
向、矢印Ｙ方向が車両の車幅方向、矢印Ｚ方向が上下方
向、矢印Ｆｂ方向がＹ軸周り方向を示している。いま、
図１が、車両の左側車輪に係る車軸２０を右斜め後方か
ら見た図であるとする。ひずみゲージａ，ｂ，ｃ，ｄ
は、目的とする作用力以外の作用力の影響をできるだけ
受けない位置を探して配置される。たとえば、Ｘ軸方向
力ＦやＹ軸方向力Ｓを計測する場合、ノイズとしての上
記捩じり力の影響を受けにくい位置を選択して配置され
るが、図２に示すような単純な円柱状の車軸２０の場
合、上記板材２１の厚み方向中心面が、車軸２０の中心
線ＣＬに沿うような恰好で水平または略水平に配置され
ることになる。また、ひずみゲージａ，ｂ，ｃ，ｄは、
可能な限り小さくし、車軸２０の中心線ＣＬに近い位置
に配置することが好ましい。しかしながら、車軸ないし
は、車軸を支持するナックル部材等、異形の構造体であ
っても、有限要素解析により、計測目的に係る作用力以
外の作用力の影響を最も少なくする位置を探すことがで
きる。
【００２２】各ひずみゲージａ，ｂ，ｃ，ｄは、図３に
示すようにそれぞれブリッジ回路に組み込まれ、各ブリ
ッジ回路の出力は、アンプ８を介して演算回路９に入力
される。
【００２３】図１および図２において、図示しない車輪
が制動されると、Ｘ軸方向の路面摩擦力Ｆが図の矢印方
向に作用し、このＦは、車軸２０にも等価に作用する。
車両重量および制動時の重量移動に起因して変化するＺ
軸方向の垂直抗力Ｎが図の矢印方向に作用する。同時
に、車軸支持部材に取り付けられた図示しないブレーキ
キャリパがディスクを挟圧して制動するときにキャリパ
が受ける反力に起因するブレーキトルクＦｂがＹ軸、す
なわち、車軸中心線ＣＬ周りに作用する。さらには、旋
回走行時には、たとえば右旋回の場合、Ｙ軸方向のサイ
ドフォースＳが図の矢印方向に作用する。
【００２４】いま、路面摩擦力Ｆが上記車軸２０に作用
して車軸に剪断ひずみが生じている場合を考える。この
場合、ひずみゲージａ，ｃが伸び、ひずみゲージｂ，ｄ
が縮む。したがって上記式(1) によれば、各ひずみゲー
ジの変形が加算された恰好で、すなわち、増幅された恰
好で出力される。こうして出力されるひずみ量に所定の
係数を乗ずると、上記路面摩擦力Ｆが検出される。
【００２５】次に、サイドフォースが上記車軸に作用し
て車軸にひずみが生じている場合を考える。この場合、
４つのひずみゲージａ，ｂ，ｃ，ｄが縮むか、または伸
びる。したがって、上記式(2) によれば、各ひずみゲー
ジの変形が加算された恰好で、すなわち、増幅された恰
好で出力される。こうして出力されるひずみ量に所定の
係数を乗ずると、上記サイドフォースＳが検出される。
【００２６】さらに、垂直抗力Ｎが上記車軸に作用して
車軸にひずみが生じている場合を考える。この場合、上
記板材が図２のＮ′方向に曲げ変形する。この場合、ひ
ずみゲージａ，ｂが縮み、ひずみゲージｃ，ｄが伸び
る。したがって、上記式(3) によれば、各ひずみゲージ
の変形が加算された恰好で、すなわち、増幅された恰好
で出力される。こうして出力されるひずみ量に所定の係
数を乗ずると、垂直抗力Ｎが検出される。
【００２７】さらに、ブレーキトルクＦｂが上記車軸に
作用して車軸にひずみが生じている場合を考える。この
場合、ひずみゲージａ，ｄが伸び、ひずみゲージｂ，ｃ
が縮むか、または、ひずみゲージａ，ｂが縮み、ひずみ
ゲージｂ，ｃが伸びる。したがって、上記式(4) によれ
ば、各ひずみゲージの変形が加算された恰好で、すなわ
ち、増幅された恰好で出力される。こうして出力される
ひずみ量に所定の係数を乗ずると、垂直抗力ブレーキト
ルクＦｂが出力される。
【００２８】なお、本願発明の第１および第２の側面
は、Ｘ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎあるい
はＹ軸周りのトルクＦｂのすべてを上記ひずみゲージ
ａ，ｂ，ｃ，ｄで検出することを意味するのではない。
上記構成のひずみゲージａ，ｂ，ｃ，ｄを用いれば、上
記式(1) 、(2) 、(3) または(4) により、Ｘ軸方向力
Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力ＮあるいはＹ軸周りのト
ルクＦｂを感度よく計測することができることを意味す
る。
【００２９】次に、本願発明の第３および第４の側面に
ついて、詳細に説明する。
【００３０】本願発明の第３および第４の側面に係る構
造体の作用力計測方法および装置は、構造体に作用する
Ｘ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、およびＹ
軸周りのトルクＦｂのいずれか２つ、３つ、または４つ
を計測するための方法および装置である。これを車両の
車軸周りに作用する力についていえば、図１に示すよう
に、上記Ｘ軸方向力は路面摩擦力Ｆ、上記Ｙ軸方向力は
サイドフォースＳ、Ｚ軸方向力は路面垂直抗力Ｎ、上記
Ｙ軸周りのトルクは制動時に作用するブレーキトルクＦ
ｂに相当する。
【００３１】ここで、構造体２０には、上記Ｘ軸方向力
Ｆを計測するに適したひずみゲージを有するＦセンサ３
１と、上記Ｙ軸方向力Ｓを計測するに適したひずみゲー
ジを有するＳセンサ３２と、上記Ｚ軸方向力Ｎを計測す
るに適したひずみゲージを有するＮセンサ３３と、上記
Ｙ軸周りのトルクＦｂを計測するに適したひずみゲージ
を有するＦｂセンサ３４とが配置される。各センサは、
単数でも複数でもよい。そして、各センサは、上記本願
発明の第１および第２の側面において説明した構成のひ
ずみゲージａ，ｂ，ｃ，ｄを有するものであってもよい
し、その他の構成のひずみゲージを有するものであって
もよい。
【００３２】たとえば、上記Ｎセンサを形成する場合、
図４に示すように、樹脂、金属またはシリコンなどでで
きた四角柱２２の上下面にひずみゲージａ，ｂを貼着し
たセグメントを、車軸２０に開けた孔内に図４に示すよ
うに長軸がＹ方向に向くように配設した構成とすること
ができる。この場合も、目的の作用力（垂直抗力Ｎ）以
外の作用力による影響を受けにくい場所に配設すること
はいうまでもない。この場合、垂直抗力Ｎが作用した場
合、図にＮ１で示す曲げ変形が起こるため、次の式(5)
によって垂直抗力Ｎを演算することができる。
【００３３】
【数３】 ここで、Δａおよびｂはひずみゲージの変形によって計
測されるひずみ量であり、ｋn は係数である。
【００３４】この場合、図５に示すように、各ひずみゲ
ージａ，ｂはそれぞれブリッジ回路に組み込まれ、各ブ
リッジ回路の出力は、アンプ８を介した後、演算回路９
に入力される。
【００３５】さらに、たとえば、Ｓセンサを形成する場
合、図６に示すように、樹脂、金属またはシリコンなど
でできた四角柱の長手側面にひずみゲージａ，ｂを貼着
したセグメントを、車軸２０に設けた孔内に図６に示す
姿勢で配設した構成とすることもできる。この場合も、
目的の作用力（サイドフォースＳ）以外の作用力による
影響を受けにくい場所に配設することはいうまでもな
い。この場合サイドフォースＳが作用した場合、各ひず
みゲージａ，ｂが共に伸びまたは縮むため、次の式(6)
によってサイドフォースＳを演算することができる。
【００３６】
【数４】 ここで、ΔａおよびΔｂはひずみゲージの変形によって
計測されるひずみ量であり、ｋS は係数である。なお、
この場合、図５と同様の回路構成を採用することができ
る。
【００３７】図７は、図４の構成と図５の構成とを組み
合わせた構成のセンサを示す。平行に対向する一対のひ
ずみセンサａ，ｂがそれぞれセンサセグメントを構成す
る。
【００３８】図８は、一定の厚みの板材２１に、互いに
９０度方向が異なる２種類のセンサセグメントを形成し
た例である。
【００３９】図９は、一定厚みの板材２１に、３つのＸ
方向単軸センサセグメントと、３つのＹ方向単軸センサ
セグメントを形成した例である。
【００４０】図１０は、立方体をした基材２３の各表面
に、所定方向のセンサセグメントを形成した例である。
【００４１】図１１は、一定厚みの板材２１に、１つの
クロスゲージ型センサセグメントと、１つのＸ方向単軸
センサセグメントと、１つのＹ方向単軸センサセグメン
トとを形成した例である。
【００４２】図１２は、一定厚みの板材２１に、３つの
クロスゲージ型センサセグメントと、３つのＸ方向単軸
センサセグメントと、３つのＹ方向単軸センサセグメン
トとを形成した例である。
【００４３】図１３は、図１２に示す板材よりもやや厚
手の板材２１の表裏面に、３つのクロスゲージ型センサ
セグメントと、３つのＸ方向単軸センサセグメントと、
３つのＹ方向単軸センサセグメントと、両端面に３つの
単軸センサセグメントとを形成した例である。
【００４４】図１４は、図１３に示す構成と類似してお
り、両端面に、３つの単軸センサセグメントを形成する
代わりに、クロスゲージ型センサセグメントを形成した
例である。
【００４５】図１５および図１６は、立方体をした基材
２３の各表面に所定方向の単軸センサセグメントまたは
クロスゲージ型センサセグメントを形成した例である。
【００４６】図１７ないし図２４は、上記した各センサ
セグメントを、構造体２０（車軸等）に埋設した様子を
示している。繰り返すが、各センサセグメントの基材
は、板状にするにせよ、立方体状にするにせよ、樹脂、
金属、シリコンなどが選択される。また、基材上のセン
サセグメント（通常は対向する一対のひずみゲージ）
は、構造体２０において、計測しようとする作用力以外
の作用力の影響を受けにくい位置を有限要素解析によっ
て探して配置される。この場合、図１２、図１３あるい
は図１４に示す例のように、同種のセンサセグメントが
３つ、あるいは複数隣接していると、構造体に設ける孔
の加工誤差や配置の誤差が存在しても、複数のセンサセ
グメントのなかから、最も理想に近い位置のものを選択
して使用することができるので都合がよい。
【００４７】なお、Ｆｂセンサとしては、図に示すよう
に構造体２０としての車軸内にセンサセグメントを載置
するほか、たとえば、ナックル部材におけるキャリパ支
持部にひずみゲージを配設することによって構成するこ
とができる。このようにすれば、比較的ノイズ成分の少
ないブレーキトルクＦｂを簡易に計測することができ
る。
【００４８】さて、本願発明の第３および第４の側面に
係る構造体の作用力計測方法および装置においては、上
記各センサのうちのいずれかのセンサの出力が表すひず
み量に係数を乗じて当該作用力を求めるに当たり、他の
作用力の大きさによる上記係数の変化傾向に応じ、他の
作用力が作用している場合にその大きさによって決まる
係数を用いて当該作用力を求める。
【００４９】すなわち、上記Ｆセンサ３１、Ｓセンサ３
２、Ｎセンサ３３、Ｆｂセンサ３４は、たとえ目的の作
用力以外の作用力による影響を受けにくい位置にひずみ
センサを配置したものであるとはいえ、他の作用力の影
響を全く受けないようにすることは困難である。本願発
明の第３および第４の側面は、このようなことに鑑み、
各センサが目的の作用力以外の作用力の影響を受けてい
ることを前提として、簡易な手法によって他の作用力の
影響を除去した出力を得ようとするものである。
【００５０】以下にその手法を述べるが、ここでは、Ｆ
センサ３１、Ｓセンサ３２、Ｎセンサ３３、Ｆｂセンサ
３４のうちの少なくともいずれか１つが、ほぼ他の作用
力を影響を受けない純粋に近い作用力を検出できている
ことを前提とする。以下においては、便宜上、Ｎセンサ
がほぼ正確な作用力を計測できているものとして説明す
る。
【００５１】いま、構造体２０にＦセンサ３１を形成す
る場合において、この構造体にＸ軸方向力Ｆのみが作用
している場合、すなわち、たとえばＺ軸方向力Ｎが作用
していない場合の作用力ＦとＦセンサのひずみ量出力ε
F との関係は、図２６のグラフの特性線Ｌ1 のようにな
り、この関係はまた、式(7) のように表すことができ
る。しかしながら、この構造体にＸ軸方向作用力Ｆ以外
にＺ軸方向力Ｎも同時に作用している場合には、作用力
ＦとＦ線のひずみ量出力εF との関係は、図２６のグラ
フ中特性線Ｌ2 、あるいはＬ3 のようになる。特性線Ｌ
2 はたとえば３００ｋｇのＺ軸方向力Ｎが作用している
場合を示し、特性線Ｌ3 はたとえば６００ｋｇのＺ軸方
向力Ｎが作用している場合を示す。これら特性線Ｌ2 あ
るいはＬ3はまた、式(8) 、(9) のように表すことがで
きる。
【００５２】
【数５】
【００５３】各特性線Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 の傾きは、弾性
係数に相当する係数を表し、したがって、図２６のグラ
フは、Ｚ軸方向力が混入しうるＦセンサにおいては、係
数ξ F が変化することを表しており、混入するＺ軸方向
力Ｎが大きくなるほど係数ξ F が小さくなる。そしてこ
のようなＺ軸方向力ＮとＦセンサの係数ξF との関係
は、図２７のグラフに示すように線型であり、式(10)の
線型式で表すことができる。式(10)において係数γ
1 は、図２７のグラフの傾きである。
【００５４】
【数６】
【００５５】式(10)は、式(7) 、(8) 、(9) から判るよ
うに、Ｆセンサを配置した構造体に、Ｆを作用させた場
合のセンサ出力を、同時に一定のＮ荷重を作用させなが
ら計測し、かつ、少なくとも２種類のＮ荷重を作用させ
ることによって実験的に求めることができる。本願発明
の実施に当たっては、式(10)の関係は、ＲＯＭなどのメ
モリ１００に格納される。
【００５６】したがって、Ｚ軸方向力成分（Ｎ荷重成
分）が混入することを前提とするＦセンサを用いて、別
途Ｎセンサによって正確に計測されるＮ荷重データを式
(11)に代入することにより、実質的に、Ｎ荷重成分が除
去されたＸ軸方向荷重Ｆを計測することができる。ここ
において、Ｚ軸方向力Ｎと、Ｘ軸方向力Ｆとが比較的正
確に分離計測できたことになる。
【００５７】
【数７】
【００５８】上記と同様の手法により、たとえば、Ｓセ
ンサの出力にＸ軸方向荷重Ｆの影響が大きくでる場合に
は、Ｓセンサを配置した構造体に一定のＦ荷重を同時に
作用させつつＳ荷重を作用させた場合のセンサ出力を記
録するという実験を少なくとも２種のＦ荷重について行
うことにより、式(12)のような関係式を得ることができ
る。
【００５９】
【数８】
【００６０】したがって、Ｘ軸方向力成分（Ｆ荷重成
分）が混入することを前提とするＳセンサを用いて、上
記Ｆセンサによって正確に計測されるＦ荷重データを式
(13)に代入することにより、実質的に、Ｆ荷重成分が除
去されたＹ軸方向荷重Ｓを計測することができる。ここ
において、Ｚ軸方向力Ｎと、Ｘ軸方向力Ｆと、Ｙ軸方向
力Ｓとが比較的正確に分離計測できたことになる。
【００６１】
【数９】
【００６２】上記式(11)と(13)とにより、式(14)を得る
ことができる。
【００６３】
【数１０】
【００６４】上記と同様の手法により、残るＦｂセンサ
の出力にＹ軸方向荷重Ｓの影響が大きくでる場合には、
Ｆｂセンサを配置した構造体に一定のＳ荷重を同時に作
用させつつＦｂトルクを作用させた場合のセンサ出力を
記録するという実験を少なくとも２種のＳ荷重について
行うことにより、式(15)のような関係式を得ることがで
きる。
【００６５】
【数１１】
【００６６】したがって、Ｙ軸方向力成分（Ｓ荷重成
分）が混入することを前提とするＦｂセンサを用いて、
上記Ｓセンサによって正確に計測されるＦ荷重データを
式(16)に代入することにより、実質的に、Ｓ荷重成分が
除去されたＹ軸周りのトルクＦｂを計測することができ
る。ここにおいて、Ｚ軸方向力Ｎと、Ｘ軸方向力Ｆと、
Ｙ軸方向力Ｓと、Ｙ軸周りトルクＦｂとが比較的正確に
分離計測できたことになる。
【００６７】
【数１２】
【００６８】上記式(14)と(16)とにより、式(17)を得る
ことができる。
【００６９】
【数１３】
【００７０】上記の処理は、図２４に示すような回路に
よって処理される。すなわち各センサ３１，３２，３
３，３４からの信号（ひずみ量）は演算回路９に入力さ
れ、演算回路９内において上記した分離処理が行われ
る。
【００７１】なお、上記の説明においては、Ｎ荷重が単
独のセンサで正確に計測できることを前提として、Ｆセ
ンサ、Ｓセンサ、Ｆｂセンサの順に各作用力を分離計測
する手法を述べたが、構造体の形状やセンサセグメント
の特性により、どの順に各作用力を分離計測することが
できるかが変わる。また、かならずしもＮ、Ｆ、Ｓ、Ｆ
ｂのすべてを上記の手法で計測する必要はない。センサ
セグメントの配置によって充分に正確な作用力を計測す
ることができるならば、上記の手法によらずともよいこ
とはもちろんである。
【００７２】上記の説明においては、構造体として、車
両の車軸ないしはこれを支持する部材を例にとった。こ
の場合、路面摩擦力Ｆ、垂直抗力Ｎ、ブレーキトルクＦ
ｂのほか、サイドフォースＳをも比較的簡易に分離計測
することが可能となるので、これらをリアルタイムで計
測するとともに適当な処理を施すことにより、本明細書
の冒頭に述べたようなＡＢＳの理想的な制御に供するこ
とができるほか、コーナリング時の快適走行制御等、車
両な総合的な走行制御をより適切に行えるようになる。
【００７３】もちろん、本願発明は、上記のような車両
の車軸周りに作用する力を計測するほか、種々の構造体
の作用力計測方法および装置として適用することができ
る。たとえば、図２８に示すように、ロボットアームの
先端部に作用する作用力を計測するようにしたり、図２
９に示すように、義手の先端部に作用する作用力を計測
するようにしたりすることができる。いずれにしても、
本願発明によれば、ひずみゲージからなるセンサセグメ
ントの数を少なくして、Ｘ軸方向作用力、Ｙ軸方向作用
力、Ｚ軸方向作用力、および、Ｙ軸周りのトクルＦｂと
いう、４つの複合的な作用力を比較的簡便に分離計測す
ることができるのであり、産業上の利用価値は、きわめ
て大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明が適用される構造体の一例としての車
軸に作用する力を説明するための斜視図である。
【図２】本願発明に係るひずみゲージの上記車軸に対す
る配置例を示す透視斜視図である。
【図３】図２に示す配置のひずみゲージを用いた作用力
検出回路例である。
【図４】ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図５】図４に示す配置のひずみゲージを用いた作用力
検出回路例である。
【図６】ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図７】ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図８】ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図９】ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１０】ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１１】ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１２】ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１３】ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１４】ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１５】ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１６】ひずみゲージの配置例を示す斜視図である。
【図１７】構造体としての車軸内へのひずみゲージの配
置例を示す透視斜視図である。
【図１８】構造体としての車軸内へのひずみゲージの配
置例を示す透視斜視図である。
【図１９】構造体としての車軸内へのひずみゲージの配
置例を示す透視斜視図である。
【図２０】構造体としての車軸内へのひずみゲージの配
置例を示す透視斜視図である。
【図２１】構造体としての車軸内へのひずみゲージの配
置例を示す透視斜視図である。
【図２２】構造体としての車軸内へのひずみゲージの配
置例を示す透視斜視図である。
【図２３】構造体としての車軸内へのひずみゲージの配
置例を示す透視斜視図である。
【図２４】構造体としての車軸内へのひずみゲージの配
置例を示す透視斜視図である。
【図２５】本願発明に係る構造体の作用力計測装置の概
略構成例を示すブロック図である。
【図２６】本願発明に係る構造体の作用力計測方法の具
体的手法を説明するためのグラフである。
【図２７】本願発明に係る構造体の作用力計測方法の具
体的手法を説明するためのグラフである。
【図２８】本願発明の適用例を示す説明図である。
【図２９】本願発明の適用例を示す説明図である。
【符号の説明】
８ ひずみアンプ ９ 演算回路 ２０ 構造体（車軸） ３１ Ｆセンサ ３２ Ｓセンサ ３３ Ｎセンサ ３４ Ｆｂセンサ １００ メモリ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 構造体内に設定された第１のＸＹ平面に
    沿って、Ｘ軸に対して傾斜するとともに互いに交差する
    ひずみゲージａとひずみゲージｂ、および、第１のＸＹ
    平面に対してＺ軸方向に所定間隔隔てた第２のＸＹ平面
    に沿って、上記ひずみゲージａと対向するひずみゲージ
    ｃと上記ひずみゲージｂと対向するひずみゲージｄを配
    置する一方、 Ｘ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、または、
    Ｙ軸周りのトルクＦｂを、次式により演算することを特
    徴とする、構造体の作用力計測方法。 Ｆ ＝ｋf ｛（Δａ＋Δｃ）−（Δｂ＋Δｄ）｝ Ｓ ＝ｋs ｛（Δａ＋Δｂ）＋（Δｃ＋Δｄ）｝ Ｎ ＝ｋn ｛（Δｃ＋Δｄ）−（Δａ＋Δｂ）｝ Ｆｂ＝ｋt ｛（Δａ＋Δｄ）−（Δｂ＋Δｃ）｝ （ただし、Δａ，Δｂ，Δｃ，Δｄは、ひずみゲージの
    変形によって計測されるひずみ量であり、ｋf ，ｋs ，
    ｋn ，ｋt は、それぞれ係数を表す。）
  2. 【請求項２】 上記Ｘ軸は車両の前後方向軸であり、上
    記Ｙ軸は車両の車幅方向軸であり、上記Ｚ軸は車両の上
    下方向軸であるとともに、上記構造体は略Ｙ軸方向に延
    びる車軸ないしはこの車軸を支持する部材であり、上記
    Ｘ軸方向力Ｆは路面摩擦力を、上記Ｙ軸方向力Ｓはサイ
    ドフォースを、上記Ｚ軸方向力Ｚは路面垂直抗力を、上
    記Ｙ軸周りのトルクＦｂは上記ブレーキトルクをそれぞ
    れ表す、請求項１に記載の構造体の作用力計測方法。
  3. 【請求項３】 構造体内に設定された第１のＸＹ平面に
    沿って、Ｘ軸に対して傾斜するとともに互いに交差する
    ひずみゲージａとひずみゲージｂ、および、第１のＸＹ
    平面に対してＺ軸方向に所定間隔隔てた第２のＸＹ平面
    に沿って、上記ひずみゲージａと対向するひずみゲージ
    ｃと上記ひずみゲージｂと対向するひずみゲージｄを配
    置する一方、 Ｘ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、または、
    Ｙ軸周りのトルクＦｂを、次式により演算する演算手段
    を備えることを特徴とする、構造体の作用力計測装置。 Ｆ ＝ｋf ｛（Δａ＋Δｃ）−（Δｂ＋Δｄ）｝ Ｓ ＝ｋs ｛（Δａ＋Δｂ）＋（Δｃ＋Δｄ）｝ Ｎ ＝ｋn ｛（Δｃ＋Δｄ）−（Δａ＋Δｂ）｝ Ｆｂ＝ｋt ｛（Δａ＋Δｄ）−（Δｂ＋Δｃ）｝ （ただし、Δａ、Δｂ、Δｃ、Δｄは、ひずみゲージの
    変形によって計測されるひずみ量であり、ｋf ｋs ｋn
    ｋt は、それぞれ係数を表す。）
  4. 【請求項４】 上記Ｘ軸は車両の前後方向軸であり、上
    記Ｙ軸は車両の車幅方向軸であり、上記Ｚ軸は車両の上
    下方向軸であるとともに、上記構造体は略Ｙ軸方向に延
    びる車軸ないしはこの車軸を支持する部材であり、上記
    Ｘ軸方向力Ｆは路面摩擦力を、上記Ｙ軸方向力Ｓはサイ
    ドフォースを、上記Ｚ軸方向力Ｚは路面垂直抗力を、上
    記Ｙ軸周りのトルクＦｂは上記ブレーキトルクをそれぞ
    れ表す、請求項３に記載の構造体の作用力計測装置。
  5. 【請求項５】 構造体に作用するＸ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方
    向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、および、Ｙ軸周りのトルクＦｂ
    のいずれか２つ、３つまたは４つを計測するための方法
    であって、 上記構造体には、上記Ｘ軸方向力Ｆを計測するに適した
    ひずみゲージを有するＦセンサと、上記Ｙ軸方向力Ｓを
    計測するに適したひずみゲージを有するＳセンサと、上
    記Ｚ方向力Ｎを計測するに適したひずみゲージを有する
    Ｎセンサと、上記Ｙ軸周りのトルクＦｂを計測するに適
    したひずみゲージを有するＦｂセンサの少なくとも２つ
    が配置されており、 上記各センサのうちのいずれかのセンサの出力が表すひ
    ずみ量に係数を乗じて当該作用力を求めるにあたり、他
    の作用力の大きさによる上記係数の変化傾向に応じ、他
    の作用力が作用している場合にその大きさによって決ま
    る係数を用いて当該作用力を求めるようにしたことを特
    徴とする、構造体の作用力計測方法。
  6. 【請求項６】 構造体に作用するＸ軸方向力Ｆ、Ｙ軸方
    向力Ｓ、Ｚ軸方向力Ｎ、および、Ｙ軸周りのトルクＦｂ
    のいずれか２つ、３つまたは４つを計測するための装置
    であって、 上記構造体には、上記Ｘ軸方向力Ｆを計測するに適した
    ひずみゲージを有するＦセンサと、上記Ｙ軸方向力Ｓを
    計測するに適したひずみゲージを有するＳセンサと、上
    記Ｚ方向力Ｎを計測するに適したひずみゲージを有する
    Ｎセンサと、上記Ｙ軸周りのトルクＦｂを計測するに適
    したひずみゲージを有するＦｂセンサの少なくとも２つ
    が配置されており、 上記各センサのうちのいずれかのセンサの出力が表すひ
    ずみ量に係数を乗じて当該作用力を求める演算手段と、
    他の作用力の大きさによる上記係数の変化傾向を記憶す
    る記憶手段と、を備え、上記演算手段は、他の作用力が
    作用している場合にその大きさに応じた係数を上記記憶
    手段から読み出し、この係数を用いて当該作用力を求め
    るように構成されていることを特徴とする、構造体の作
    用力計測装置。
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