荷重検出装置
【課題】高剛性の起歪体を用いて、起歪体に加えられた荷重を高精度に検出できる荷重検出装置を提供する。
【解決手段】荷重検出装置１０の起歪体１１は、起歪体に荷重軸方向と直交する方向の両端部より起歪体の外面形状と異なる内面形状の凹部１３、１４を形成することにより、これら凹部の底部に荷重軸方向およびそれに垂直な荷重軸垂直方向に平行に形成され、荷重軸方向に加えられる荷重によって荷重軸方向および荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む薄肉平面状の歪検出部１５と、凹部の周囲に設けられ荷重軸方向に平行な方向に厚さを有する第１肉厚部２２と、荷重軸方向に垂直な方向でかつ歪検出部の平面と平行な方向に厚さを有し第１肉厚部の厚さよりも厚くした第２肉厚部２１と、歪検出部の少なくとも片面に配置され歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段２３とを有する。
【解決手段】荷重検出装置１０の起歪体１１は、起歪体に荷重軸方向と直交する方向の両端部より起歪体の外面形状と異なる内面形状の凹部１３、１４を形成することにより、これら凹部の底部に荷重軸方向およびそれに垂直な荷重軸垂直方向に平行に形成され、荷重軸方向に加えられる荷重によって荷重軸方向および荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む薄肉平面状の歪検出部１５と、凹部の周囲に設けられ荷重軸方向に平行な方向に厚さを有する第１肉厚部２２と、荷重軸方向に垂直な方向でかつ歪検出部の平面と平行な方向に厚さを有し第１肉厚部の厚さよりも厚くした第２肉厚部２１と、歪検出部の少なくとも片面に配置され歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段２３とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、起歪体の両側に設けた凹部の底部平面に歪検出手段を設けた荷重検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加えられた荷重の大きさを検出するために、例えば、特許文献１に記載されているようなロードセル１０が用いられる。特許文献１に記載のロードセル１０は、ボディ（起歪体）２５の両側に形成された円形の凹部の底部に薄肉の平面（歪検出部）４０が形成され、この歪検出部４０に歪ゲージ２０が取付けられている。この種のロードセルは、起歪体１０に荷重が入力されると、歪検出部４０が変形して圧縮歪と引張歪が生じ、これを歪ゲージ２０によって検出することにより、起歪体１０に加えられた荷重を検出するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国公開特許２００５／００８１６５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のロードセル１０においては、歪検出部（平面）２０に穴３０を開けることで、歪検出部２０に発生する圧縮歪と引張歪の大きさを近づけ、高感度な検出を行えるように構成されているため、穴３０の周辺部は歪検出部２０より剛性が低下し、応力集中が生じてしまう。このため、歪検出部の材料の強度等に依存して最大許容歪が決まるので、起歪体で発生する最大歪を最大許容歪以下とする必要がある。
【０００５】
また、長期に亘って強度保証するには、応力集中部に合わせて起歪体の強度設計を行わなければならず、応力集中部と歪検出部での歪量の差が大きい場合には、歪検出部で発生する歪が小さくなってしまうため、相対的に感度を低下せざるを得ない問題がある。さらには、適正に歪を検出しようとすれば、穴の位置や歪ゲージの配置位置を高精度にする必要があるため、製造コストのアップを招くおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述した従来の問題を解消するためになされたもので、高剛性の起歪体を用いて、起歪体に加えられた荷重を高精度に検出できる荷重検出装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、荷重が作用する荷重軸方向に沿って配置された起歪体を有する荷重検出装置であって、前記起歪体は、前記荷重軸方向の剛性と該荷重軸方向に垂直な荷重軸垂直方向の剛性とが異なるように、前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向の端部より凹部を形成することにより、該凹部の底部に前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向に平行に形成され、前記荷重軸方向に加えられる荷重によって前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む平面状の歪検出部と、前記歪検出部の少なくとも片面に配置され前記歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段とを有することである。
【０００８】
請求項２に係る発明の特徴は、荷重が作用する荷重軸方向に沿って配置された起歪体を有する荷重検出装置であって、前記起歪体は、前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向の両端部より前記起歪体の外面形状と異なる内面形状の凹部を形成することにより、これら凹部の底部に前記荷重軸方向およびそれに垂直な荷重軸垂直方向に平行に形成され、前記荷重軸方向に加えられる荷重によって前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む薄肉平面状の歪検出部と、前記凹部の周囲に設けられ前記荷重軸方向に平行な方向に厚さを有する第１肉厚部と、前記荷重軸方向に垂直な方向でかつ前記歪検出部の平面と平行な方向に厚さを有し前記第１肉厚部の厚さよりも厚くした第２肉厚部と、前記歪検出部の少なくとも片面に配置され前記歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段とを有することである。
【０００９】
請求項３に係る発明の特徴は、請求項２において、前記第１肉厚部の断面積と前記第２肉厚部の断面積の比を、１：１．５〜２．５としたことである。
【００１０】
請求項４に係る発明の特徴は、請求項３において、前記第２肉厚部の厚さ寸法に対する歪検出部の板厚の寸法を、１／１０〜１／５倍としたことである。
【００１１】
請求項５に係る発明の特徴は、請求項３において、前記第２肉厚部の厚さ寸法に対する前記起歪体の外径の寸法を、４〜８倍としたことである。
【００１２】
請求項６に係る発明の特徴は、請求項２ないし請求項５のいずれか１項において、前記起歪体の外面形状を真円形状とし、前記凹部の内面形状を長円形状とすることにより、前記第２肉厚部の厚さよりも前記第１肉厚部の厚さを薄くしたことである。
【００１３】
請求項７に係る発明の特徴は、請求項２ないし請求項５のいずれか１項において、前記起歪体の外面形状を長円形状とし、前記凹部の内面形状を真円形状とすることにより、前記第２肉厚部の厚さよりも前記第１肉厚部の厚さを薄くしたことである。
【００１４】
請求項８に係る発明の特徴は、荷重が作用する荷重軸方向に沿って配置された起歪体を有する荷重検出装置であって、前記起歪体は、凹部周辺の平面部の板厚より凹部中央の平面部の板厚が薄く、凹部中央の平面部の荷重軸方向長さが荷重軸垂直方向長さより長くなるように、前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向に凹部を形成することにより、前記凹部中央に前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向に平行に形成され、前記荷重軸方向に加えられる荷重によって前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む歪検出部と、前記歪検出部の少なくとも片面に配置され前記歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段とを有することである。
【００１５】
請求項９に係る発明の特徴は、請求項８において、前記起歪体の外面形状を真円形状とし、前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向の両端部より真円状の第１凹部を形成し、該第１凹部の中央部に長方形もしくは長円形の第２凹部を形成することにより、前記荷重軸方向の剛性より前記荷重軸垂直方向の剛性を低下させるように構成したことである。
【００１６】
請求項１０に係る発明の特徴は、請求項９において、前記平面部の板厚を、凹部周辺の平面部の板厚の１／１２〜１／３倍としたことである。
【００１７】
請求項１１に係る発明の特徴は、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項において、前記歪検出手段を前記歪検出部の中央部の両側の面に配置したことである。
【発明の効果】
【００１８】
上記のように構成した請求項１に係る発明によれば、荷重が加えられる起歪体が、荷重軸方向の剛性と荷重軸方向に垂直な荷重軸垂直方向の剛性とが異なるように、起歪体に荷重軸方向と直交する方向の端部より凹部を形成することにより、凹部の底部に荷重軸方向および荷重軸垂直方向に平行に形成され、荷重軸方向に加えられる荷重によって荷重軸方向および荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む平面状の歪検出部と、歪検出部の少なくとも片面に配置され歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段とを有している。
【００１９】
このように、歪検出部における荷重軸方向の剛性と荷重軸垂直方向の剛性との比が適切となるように凹部を形成することにより、歪検出部に発生する荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさを近づけることができるので、従来のように穴などを開ける必要がなく、高剛性の起歪体によって起歪体に加えられた荷重を高感度に検出することができる。従って、穴の形成が不要となって、局所的な剛性低下部をなくすることができ、かつ起歪体の加工コストを低減することができる。
【００２０】
請求項２に係る発明によれば、荷重が加えられる起歪体が、荷重軸方向および荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む薄肉平面状の歪検出部と、凹部の周囲に設けられ荷重軸方向に平行な方向に厚さを有する第１肉厚部と、荷重軸方向に垂直な方向でかつ歪検出部の平面と平行な方向に厚さを有し第１肉厚部の厚さよりも厚くした第２肉厚部と、歪検出部の少なくとも片面に配置され歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段とを有している。
【００２１】
これにより、第１肉厚部と第２肉厚部との比を適切に設定することにより、歪検出部に発生する荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさを近づけることができるので、従来のように穴などを開ける必要がなく、高剛性の起歪体によって起歪体に加えられた荷重を高感度に検出することができる。従って、穴の形成が不要となって、局所的な剛性低下部をなくすることができ、かつ起歪体の加工コストを低減することができる。
【００２２】
請求項３に係る発明によれば、第１肉厚部の断面積と第２肉厚部の断面積の比を、１：１．５〜２．５としたので、第１肉厚部の曲げ剛性を低下させることなく、歪検出部に発生する引張歪と圧縮歪の大きさの差を小さくすることができる。
【００２３】
請求項４に係る発明によれば、第２肉厚部の厚さ寸法に対する歪検出部の板厚の寸法を、１／１０〜１／５倍としたので、起歪体の強度を確保しつつ、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさの差を小さくすることができる。
【００２４】
請求項５に係る発明によれば、第２肉厚部の厚さ寸法に対する起歪体の外径の寸法を、４〜８倍としたので、起歪体の感度を向上しつつ、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさの差を小さくすることができる。
【００２５】
請求項６に係る発明によれば、起歪体の外面形状を真円形状とし、凹部の内面形状を長円形状とすることにより、第２肉厚部の厚さよりも第１肉厚部の厚さを薄くしたので、起歪体を真円に、凹部を長円とするだけで、凹部の周囲に第２肉厚部の厚さよりも第１肉厚部の厚さを薄くした肉厚部を容易に形成することができる。
【００２６】
請求項７に係る発明によれば、起歪体の外面形状を長円形状とし、凹部の内面形状を真円形状とすることにより、第２肉厚部の厚さよりも第１肉厚部の厚さを薄くしたので、起歪体を長円に、凹部を真円とするだけで、凹部の周囲に第２肉厚部の厚さよりも第１肉厚部の厚さを薄くした肉厚部を容易に形成することができる。
【００２７】
請求項８に係る発明によれば、荷重が加えられる起歪体が、凹部周辺の平面部の板厚より凹部中央の平面部の板厚が薄く、凹部中央の平面部の荷重軸方向長さが荷重軸垂直方向長さより長くなるように、起歪体に荷重軸方向と直交する方向に凹部を形成することにより、凹部中央に荷重軸方向および荷重軸垂直方向に平行に形成され、荷重軸方向に加えられる荷重によって荷重軸方向および荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む歪検出部と、歪検出部の少なくとも片面に配置され歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段とを有している。
【００２８】
これにより、凹部中央に形成された歪検出部に発生する荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさを近づけることができるので、高剛性の起歪体によって起歪体に加えられた荷重を高感度に検出することができる。しかも、歪検出部を凹部中央に集めることができるので、起歪体および起歪体周囲の温度勾配による検出誤差の影響を受けにくくすることができる。
【００２９】
請求項９に係る発明によれば、起歪体の外面形状を真円形状とし、起歪体に荷重軸方向と直交する方向の両端部より真円状の第１凹部を形成し、第１凹部の中央に長方形もしくは長円形の第２凹部を形成することにより、荷重軸方向の剛性より荷重軸垂直方向の剛性を低下させた平面部を形成したので、第１凹部の中央に荷重軸方向と荷重軸垂直方向に長さの異なる平面部を形成することができ、この平面部の長さ比を適切に設定することで、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさを容易に近づけることができる。
【００３０】
請求項１０に係る発明によれば、平面部の板厚を、凹部周辺の平面部の板厚の１／１２〜１／３倍としたので、起歪体の強度を確保しつつ、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさの差を小さくすることができる。
【００３１】
請求項１１に係る発明によれば、歪検出手段を歪検出部の中央部の両側の面に配置したので、歪検出部の両側の歪検出手段より検出出力が得られるため、これらを加算することにより、検出出力を倍増することができ、高精度な荷重検出を行うことができる。しかも、入力される荷重が凹部平面を含む面内で偏った偏荷重となった場合でも、中央部の歪はほとんど変化しないため、偏荷重による検出誤差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す荷重検出装置の断面図である。
【図２】図１の２−２線に沿って切断した断面図である。
【図３】図１の３−３線に沿って切断した断面図である。
【図４】荷重検出装置の検出回路を示す図である。
【図５】起歪体の荷重軸方向と荷重軸垂直方向の肉厚部の断面積比に対する荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を示すグラフである。
【図６】荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比に影響を及ぼす起歪体の各部の寸法を示す図である。
【図７】起歪体の肉厚部に対して歪検出部の板厚を変化させた場合の肉厚部の断面積比と荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比の関係を示すグラフである。
【図８】起歪体の肉厚部に対して起歪体の外径を変化させた場合の肉厚部の断面積比と荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比の関係を示すグラフである。
【図９】荷重検出装置をブレーキペダルの踏力を検出するものに適用した図である。
【図１０】荷重検出装置の作動状態を示す図である。
【図１１】引張荷重を検出する場合の荷重検出装置の作動状態図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態を示す荷重検出装置の断面図である。
【図１３】荷重検出装置の歪検出手段の第１変形例を示す図である。
【図１４】荷重検出装置の歪検出手段の第２変形例を示す図である。
【図１５】荷重検出装置の歪検出手段の第３変形例を示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態を示す荷重検出装置の断面図である。
【図１７】図１６の１７−１７線に沿って切断した断面図である。
【図１８】図１６の１８−１８線に沿って切断した断面図である。
【図１９】荷重検出装置の作動状態を示す図である。
【図２０】第３の実施の形態に係る起歪体の凹部中央の平面部の長さ比に対する荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を示すグラフである。
【図２１】起歪体に引張荷重が作用した場合の荷重検出装置の作動状態図である。
【図２２】起歪体に偏荷重が作用した状態を示す図である。
【図２３】起歪体に偏荷重が作用した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１、図２および図３は本発明の第１の実施の形態に係る荷重検出装置１０を示すもので、当該荷重検出装置１０は、外周面が真円をなす円筒状の起歪体１１を有している。円筒状の起歪体１１の軸方向の両端部、言い換えれば、荷重が作用する荷重軸Ｘ０方向と直交する方向の両端部には、内面が長円（楕円）形状の凹部１３、１４が同一深さに亘って起歪体１１の外周面と同心的に形成されている。これら凹部１３、１４の形成によって、凹部１３、１４の底部、すなわち、起歪体１１の軸方向中央部に、長円形状の薄肉平面からなる歪検出部１５が、荷重軸Ｘ０方向およびそれに垂直な荷重軸垂直方向に平行に形成される。
【００３４】
起歪体１１は、凹部１３、１４の長円の長径方向が、荷重軸Ｘ０方向となるように構成されており、起歪体１１の荷重軸Ｘ０方向の両端部には、ロッド部１７、１８がそれぞれ一体的に連結されている。ロッド部１７、１８は、その中心が、起歪体１１の中心に一致し、かつ起歪体１１の軸方向中央部（歪検出部１５）に一致する位置に配置されている。これにより、ロッド部１７、１８の一方には、歪検出部１５に一致する線上に荷重が入力され、入力された荷重に応じて歪検出部１５に歪が生起される。
【００３５】
長円形状の凹部１３、１４の形成によって、凹部１３、１４の周囲には、短径方向（荷重軸Ｘ０垂直方向）に沿って荷重軸Ｘ０方向に平行な方向にＹ１の厚さ（肉厚）を有する一対の第１肉厚部２２と、長径方向（荷重軸Ｘ０方向）に沿って荷重軸Ｘ０方向に垂直な方向で、かつ歪検出部１５の平面と平行な方向にＸ１の厚さ（肉厚）を有する一対の第２肉厚部２１が形成されており、第１肉厚部２２の厚さＹ１よりも第２肉厚部２１の厚さＸ１を厚くしてある。ここで、荷重軸Ｘ０垂直方向を含む断面（図１の３−３断面）の断面積は、荷重軸Ｘ０方向を含む断面（図１の２−２断面）の断面積の２倍程度とすることが好ましい。その理由については後述する。
【００３６】
凹部１３、１４の周囲の肉厚部２１、２２を、荷重軸Ｘ０方向より荷重軸Ｘ０垂直方向を薄くすると、次のような効果が生ずる。歪検出部１５の板厚が十分に薄ければ、荷重軸Ｘ０方向の剛性は、第２肉厚部２１の肉厚Ｘ１によって決定され、荷重軸Ｘ０垂直方向の剛性は、第１肉厚部２２の肉厚Ｙ１によって決定される。ここで、荷重軸Ｘ０方向の第２肉厚部２１に対して荷重軸Ｘ０垂直方向の第１肉厚部２２を薄くしていくと、荷重軸Ｘ０方向より荷重軸Ｘ０垂直方向の剛性が低下することで、荷重軸Ｘ０垂直方向への変形が助長される（以下、これを効果Ｉという）。一方、荷重軸Ｘ０垂直方向の第１肉厚部２２が薄くなると、第１肉厚部２２の曲げ剛性が低下するため、荷重軸Ｘ０方向への変形が助長される（以下、これを効果ＩＩという）。
【００３７】
これにより、凹部１３、１４の周囲に、荷重軸Ｘ０方向に沿って厚さ寸法がＸ１の第２肉厚部２１を形成するとともに、荷重軸Ｘ０垂直方向に沿って厚さ寸法がＸ１よりも小さなＹ１の第１肉厚部２２を形成することにより、一方のロッド部１７に入力された荷重に応じて、起歪体１１の歪検出部１５には、荷重軸Ｘ０方向に圧縮歪が生起されると同時に、荷重軸Ｘ０垂直方向に引張歪が生起される。
【００３８】
起歪体１１の歪検出部１５の中央部の両面には、歪検出部１５に生ずる引張歪および圧縮歪を検出する複数の歪検出素子からなる歪検出手段２３が設けられている。歪検出手段２３は、図１〜図３に示す第１の実施の形態においては、荷重軸Ｘ０垂直方向の引張歪を検出する各１個ずつの歪検出素子ａ１、ａ２が歪検出部１５の両面にそれぞれ貼付され、荷重軸Ｘ０垂直方向の圧縮歪を検出する各１個ずつの歪検出素子ｂ１、ｂ２が歪検出部１５の両面にそれぞれ貼付されている。これら４個の歪検出素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は、歪検出部１５の中央部に荷重軸Ｘ０に対して対称に配置されている。
【００３９】
４個の歪検出素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２によって、図４に示すように、ブリッジ回路ＢＣが構成されている。ブリッジ回路ＢＣを構成する歪検出素子ａ１、ｂ１の各一端は、電源端子２５に接続され、歪検出素子ａ２、ｂ２の各一端は、ＧＮＤ端子２６に接続されている。歪検出素子ａ１、ｂ２の各他端は互いに接続され、増幅器２７の一方の入力端子に接続され、歪検出素子ａ２、ｂ１の各他端は互いに接続され、増幅器２７の他方の入力端子に接続されている。
【００４０】
これにより、起歪体１１の歪検出部１５に引張歪および圧縮歪が生ずると、歪検出素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は、引張歪および圧縮歪に応じてそれぞれ抵抗値が変化し、歪検出素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２の抵抗値変化に応じた出力電圧が増幅器２７より出力される。なお、歪検出手段２３として、積み重ねゲージを使用することもできる。
【００４１】
この際、歪検出素子ａ１、ａ２の貼付位置は、必ずしも歪検出部１５の中央部に設ける必要はないが、歪検出部１５の中央部に設けることで、起歪体１１周囲の温度勾配による検出誤差の発生を抑制できるとともに、起歪体１１に入力される荷重が、歪検出部１５の平面を含む面内で、荷重軸Ｘ０に対して偏った偏荷重となる場合であっても、偏荷重による検出誤差の発生を抑制できる。
【００４２】
すなわち、入力される荷重が、歪検出部１５の平面を含む面内で、荷重軸Ｘ０に対して偏った偏荷重となると、偏った側の歪が大きくなり、反対側の歪は小さくなるが、歪検出部１５の平面中央部の歪はほとんど変化しないため、偏荷重による検出誤差を排除できる。
【００４３】
また、歪検出部１５の平面の両面で歪を検出することにより、歪検出部１５の平面の法線方向に荷重軸Ｘ０から偏った偏荷重が生ずる場合においても、偏荷重の影響を小さくすることができる。
【００４４】
次に図５のグラフに基づいて、上記した効果Ｉ（荷重軸Ｘ０垂直方向への変形が助長作用）と効果ＩＩ（荷重軸Ｘ０方向への変形が助長作用）による歪感度への影響について説明する。図５は、横軸に荷重軸方向の第２肉厚部２１の断面積と荷重軸垂直方向の第１肉厚部２２の断面積の比（第２肉厚部２１の断面積／第１肉厚部２２の断面積）をとり、縦軸に荷重軸方向の発生歪と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比をとったものである。同図に示すように、荷重軸方向の第２肉厚部２１より荷重軸垂直方向の第１肉厚部２２を薄くして、第１肉厚部２２の断面積と第２肉厚部２１の断面積との比を１より大きくしていくと、断面積比が１〜２の範囲では上記効果Ｉの影響が大きくなって、荷重軸方向の歪（圧縮歪）の大きさと荷重軸垂直方向の歪（引張歪）の大きさとの差が徐々に小さくなっていき、起歪体１１の感度が高くなる。これに対して、断面積比が２を超えると、断面積比が大きくなっていくにつれて効果ＩＩの影響が大きくなり、断面積比が２〜３の範囲では荷重軸方向の歪の大きさと荷重軸垂直方向の歪の大きさとの差が漸減していき、起歪体１１の感度が僅かに低下する傾向となる。この結果、断面積比２において荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比が最も１に近似することとなり、荷重を検出するための起歪体１１の感度を最大にできる。
【００４５】
なお、断面積比が大きくなりすぎると、荷重軸方向の第２肉厚部２１の肉厚Ｘ１に対して荷重軸垂直方向の第１肉厚部２２の肉厚Ｙ１が薄くなりすぎて、第１肉厚部２２の曲げ剛性が低下し、起歪体１１の感度が鈍くなるため、断面積比の上限は、２．５程度が適当である。この結果、断面積比としては、１．５〜２．５の範囲に設定するのが望ましい。
【００４６】
上記したように、荷重軸方向の歪の大きさと荷重軸垂直方向の歪の大きさとの差が最も小さくなる断面積比となるように肉厚部２１、２２を設定することにより、発生する荷重軸方向の歪の大きさと荷重軸垂直方向の歪の大きさの比を１に近づけることができ、最も高感度な起歪体１１を形成できることになる。すなわち、起歪体１１に荷重が加えられた際の荷重軸方向の歪の大きさと荷重軸垂直方向の歪の大きさをほぼ等しくすることができる。
【００４７】
このことから、荷重軸垂直方向の第２肉厚部２２の断面積に対する荷重軸方向の第１肉厚部２１の断面積の比を、１：２程度とすることが最適である。ただし、断面積比を、１：１．５〜２．５の範囲に設定することにより、荷重軸方向の歪の大きさと荷重軸垂直方向の歪の大きさの差を小さくでき、有効である。
【００４８】
次に、起歪体１１の各部の形状寸法の変化による起歪体１１の感度の影響について、図６〜図８に基づいて説明する。なお、以下においては、図６に示すように、外径寸法Ｄ１＝３０ｍｍ、軸方向寸法Ｗ１＝１４ｍｍ、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１＝５ｍｍ、歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２＝１ｍｍ、ロッド部１７、１８の外径寸法Ｄ２＝１０ｍｍ、および凹部１３、１４と接続する歪検出部１５の周縁部のＲ面取の半径寸法Ｒ１＝２ｍｍからなる起歪体１１を製作し、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１に対して、起歪体１１の外径寸法Ｄ１、起歪体１１の軸方向寸法Ｗ１、歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２、ロッド部１７、１８の外径寸法Ｄ２、歪検出部１５のＲ面取の半径寸法Ｒ１を変化させた場合の影響について検証した。
【００４９】
まず、歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２と肉厚部２１、２２の厚さ寸法Ｘ１、Ｙ１との寸法関係について調べた。図７に示すグラフＡ１１、Ａ１２、Ａ１３は、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１（５ｍｍ）に対して歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２を、それぞれ１／１０、１／５、３／１０（０．５〜１．５ｍｍ）に変化させた場合の肉厚部の断面積比（肉厚部２１の断面積／肉厚部２２の断面積）に対する荷重軸方向の発生歪と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を示したものである。
【００５０】
同図に示すように、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１に対して、歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２が厚くなるほど、荷重軸Ｘ０方向の剛性が向上するため、荷重軸Ｘ０垂直方向への変形助長効果（上記効果Ｉ）が小さくなるとともに、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比が小さくなる。
【００５１】
従って、歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２を薄くすることにより、グラフＡ１１に示すように、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を１に近づけることができる。ただし、板厚寸法Ｗ２を薄くすると、荷重軸Ｘ０方向の剛性が低下し、起歪体１１の強度が低下する傾向となるが、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１に対して歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２を１／１０倍程度にしても、強度的には特に問題は生じない。
【００５２】
このことから、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１に対する歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２は、起歪体１１の強度を確保しつつ、グラフＡ１２に示すように荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を１に近づけることができる、１／１０〜１／５倍程度が適当である。
【００５３】
次に、起歪体１１の外径寸法Ｄ１と肉厚部２１、２２の厚さ寸法Ｘ１、Ｙ１との寸法関係について調べた。図８に示すグラフＡ２１、Ａ２２、Ａ２３、Ａ２４、Ａ２５は、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１（５ｍｍ）に対して起歪体１１の外径寸法Ｄ１を、それぞれ３倍、４倍、６倍、８倍、１２倍（１５〜６０ｍｍ）に変化させた場合の第２肉厚部２１と第１肉厚部２２の断面積比に対する荷重軸方向の発生歪と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を示したものである。
【００５４】
同図に示すように、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１に対し、起歪体１１の外径寸法Ｄ１を大きくしていくと、相対的に第１肉厚部２２の曲げ剛性が低下し、荷重軸方向への変形助長効果（上記効果ＩＩ）が大きくなる。よって、起歪体１１の外径寸法Ｄ１を余り大きくすると、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比が小さくなり、断面積比の小さいところで発生歪の大きさ比が最大値をとるようになる。
【００５５】
ただし、断面積比が１に近い場合は、起歪体１１の外径寸法Ｄ１が小さいうちは効果Ｉの影響が大きく、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさの差が徐々に小さくなっていき、起歪体１１の感度が高くなっていくが、起歪体１１の外径寸法Ｄ１が大きくなっていくにつれて、効果ＩＩの影響が大きくなり、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさの差が大きくなっていき、起歪体１１の感度が低下する。
【００５６】
よって、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１に対して起歪体１１の外径寸法Ｄ１が、グラフのＡ２１に示すように小さすぎても、逆にグラフのＡ２４、Ａ２５に示すように大きすぎても、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比の絶対値が小さくなり、好ましくない。
【００５７】
このことから、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１に対する起歪体１１の外径寸法Ｄ１は、起歪体１１の感度を向上しつつ、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を１に近づけることができる、４〜８倍程度が適当である。
【００５８】
なお、ロッド部１７、１８の外径寸法Ｄ２、起歪体１１の軸方向寸法Ｗ１および歪検出部１５の周縁部のＲ面取りの半径寸法Ｒ１については、荷重軸方向の発生歪と荷重軸垂直方向の歪の大きさ比に与える影響は小さいことが分かった。
【００５９】
図９は、上記した構成の荷重検出装置１０を、ブレーキペダル３０とマスタシリンダのマスタピストン３１との間に配置し、ブレーキペダル３０に加えられた踏力を荷重検出装置１０を介してマスタシリンダに伝達するとともに、ブレーキペダル３０に加えられた踏力の大きさを荷重検出装置１０によって検出するようにしたものである。
【００６０】
図９において、荷重検出装置１０のロッド部１７、１８の外周には、それぞれねじ部１７ａ、１８ａが形成されている。一方のロッド部１７のねじ部１７ａには、連結部材３３の一端が螺着され、この連結部材３３の他端に、ブレーキペダル３０の連結部３０ａが連結ピン３４によって枢動可能に連結されている。他方のロッド部１８のねじ部１８ａには、連結部材３５の一端が螺着され、この連結部材３５の他端に、球面軸受３６を介してマスタピストン３１が連結されている。
【００６１】
これにより、ブレーキペダル３０に踏力が加えられると、これが連結ピン３４、連結部材３３および一方のロッド部１７を介して起歪体１１に伝達される。起歪体１１に伝達された踏力は、他方のロッド部１８、連結部材３５および球面軸受３６を介してマスタピストン３１に伝達される。
【００６２】
これにより、ブレーキペダル３０に加えられた踏力がマスタシリンダに伝達されるとともに、その踏力の大きさに応じて荷重検出装置１０の起歪体１１の歪検出部１５に歪が発生され、この歪が歪検出手段２３によって検出される。
【００６３】
次に、荷重検出装置１０を、ブレーキペダル３０に加えられた踏力の検出に適用した場合の動作について説明する。
【００６４】
ブレーキペダル３０に踏力が加えられると、一方のロッド部１７を介して起歪体１１に踏力に応じた荷重が作用され、この荷重は他方のロッド部１８を介してマスタピストン３１に伝達される。
【００６５】
起歪体１１に踏力に応じた荷重が加えられると、その荷重に応じて歪検出部１５に歪が発生する。この際、荷重軸方向の第２肉厚部２１の肉厚に対して荷重軸垂直方向の第１肉厚部２２の肉厚が薄く構成されているので、荷重軸方向より荷重軸垂直方向の剛性が低下して、荷重軸垂直方向への変形が助長され、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比が１に近づくようになる。言い換えれば、図１０に示すように、起歪体１１の歪検出部１５に発生する荷重軸方向の圧縮歪ＣＳの大きさと、荷重軸垂直方向の引張歪ＴＳの大きさの差が小さくなり、起歪体１１の感度が高められる。
【００６６】
かかる起歪体１１の歪検出部１５に発生した引張歪ＴＳおよび圧縮歪ＣＳに応じて、歪検出部１５に貼付された歪検出素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２が歪み、歪みに応じて抵抗値が変化する。これら歪抵抗素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２の抵抗値の変化により、ブリッジ回路ＢＣ（図４参照）より、ブレーキペダル３０に加えられた踏力に応じた出力電圧が出力される。
【００６７】
なお、上記した第１の実施の形態においては、荷重検出装置１０を圧縮荷重が作用する部位に設けた例について説明したが、荷重検出装置１０を引張荷重が作用する部位に設けることもできる。この場合には、図１１に示すように、歪検出部１５には、荷重軸の方向に引張歪ＴＳが生起し、荷重軸垂直方向に圧縮歪ＣＳが生起するようになる。
【００６８】
図１２は本発明の第２の実施の形態を示すもので、上記した第１の実施の形態と異なる点は、起歪体１１１の外周面を荷重軸Ｘ０垂直方向に沿った長円（楕円）形状とし、この起歪体１１１の軸方向の両端部に真円形状の凹部１１３、１１４を形成することにより、凹部１１３、１１４の周囲に、荷重軸Ｘ０方向に沿って肉厚がＸ１の第２肉厚部２１と、荷重軸Ｘ０垂直方向に沿って肉厚がＹ１（ただし、Ｙ１＜Ｘ１）の第１肉厚部２２を形成したものである。なお、その他の点は、第１の実施の形態とほぼ同様であるので、第１の実施の形態と同一の構成部品については同一の参照番号を付し、説明を省略する。
【００６９】
かかる第２の実施の形態においても、第１の実施の形態で述べたと同様な作用、効果を奏するようになり、荷重軸垂直方向の第２肉厚部２２の断面積に対する荷重軸方向の第１肉厚部２１の断面積を、１．５〜２．５倍、好ましくは２倍程度とすることにより、荷重軸方向の歪の大きさと荷重軸垂直方向の歪の大きさの差を小さくできるようになる。
【００７０】
図１３ないし図１５は、歪検出部１５に貼付される歪検出手段２３の第１〜第３変形例を示すものである。なお、図１３ないし図１５において、(ａ)、(ｂ)は歪検出手段２３を設けた起歪体１１の異なる断面図を示し、（ｃ）は歪検出手段２３を構成する歪検出素子をブリッジ回路に結線した検出回路図を示している。
【００７１】
図１３に示す第１変形例は、起歪体１１の歪検出部１５の中央部の片面にのみ、引張歪を検出する歪検出素子ａ１と、圧縮歪を検出する歪検出素子ｂ１を、それぞれ１個ずつ貼付したものであり、これら２個の歪検出素子ａ１、ｂ１と２個の固定抵抗ｒとによってブリッジ回路ＢＣを構成したものである。
【００７２】
図１４に示す第２変形例は、起歪体１１の歪検出部１５の片面の中央部に、引張歪を検出する２個の歪検出素子ａ１、ｃ１と、圧縮歪を検出する２個の歪検出素子ｂ１、ｄ１をそれぞれ貼付し、これら４個の歪検出素子ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１によってブリッジ回路ＢＣを構成したものである。
【００７３】
上記した第１および第２変形例に記載のものは、歪検出部１５の平面の法線方向の偏荷重の影響を受けない、もしくは無視できる部位に荷重検出装置１０を適用した場合に有効であり、歪検出手段２３を片側だけに配置した簡単な構成で、起歪体１１に生じた歪を高精度に検出することができる。
【００７４】
図１５に示す第３変形例は、起歪体１１の歪検出部１５の片面の中央部に、引張歪を検出する２個の歪検出素子ａ１、ｃ１と、圧縮歪を検出する２個の歪検出素子ｂ１、ｄ１をそれぞれ貼付し、これら４個の歪検出素子ａ１〜ｄ１によって第１ブリッジ回路ＢＣ１を構成している。また、起歪体１１の歪検出部１５の反対側の面の中央部に、引張歪を検出する２個の歪検出素子ａ２、ｃ２と、圧縮歪を検出する２個の歪検出素子ｂ２、ｄ２をそれぞれ貼付し、これら４個の歪検出素子ａ２〜ｄ２によって第２ブリッジ回路ＢＣ２を構成している。そして、第１および第２のブリッジ回路ＢＣ１、ＢＣ２の各出力を増幅器２７、２９を介して加算回路２８の入力端子にそれぞれ入力するようになっている。
【００７５】
このように、歪検出部１５の両面に貼付した計８個の歪検出素子によって、第１および第２ブリッジ回路ＢＣ１、ＢＣ２を構成することにより、第１の実施の形態で述べたもの（図４参照）に比して、検出感度を倍増することができ、起歪体１１に生じた歪を高感度に検出できるとともに、偏荷重の影響を受けなくすることができる。
【００７６】
上記した実施の形態によれば、荷重が加えられる起歪体１１の軸方向（荷重軸方向と直交する方向）の両端部より、起歪体１１の外面形状と異なる形状の凹部１３，１４を形成したことにより、荷重軸方向およびそれに垂直な荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む薄肉平面状の歪検出部１５を形成するとともに、凹部１３、１４の周囲に荷重軸方向に平行な方向に厚さを有する第１肉厚部２２と、荷重軸方向に垂直な方向でかつ歪検出部の平面と平行な方向に厚さを有し第１肉厚部２２の厚さよりも厚くした第２肉厚部２１を形成し、歪検出部１５に発生する圧縮歪および引張歪を歪検出素子からなる歪検出手段２３によって検出するようにした。
【００７７】
これにより、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の肉厚部２１、２２を適切に設定することにより、歪検出部１５に発生する荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさを近づけることができるように、荷重軸方向の剛性と荷重軸垂直方向の剛性とを異ならせることができる。従って、従来のように歪検出部１５に穴などを開ける必要がないため、局所的な剛性低下部をなくすることができ、高剛性の起歪体１１によって荷重を高感度に検出することができる。しかも、穴の形成が不要となるため、起歪体１１の加工コストを低減することができる。
【００７８】
また、上記した実施の形態によれば、起歪体１１の外面形状および凹部１３，１４の内面形状の一方を真円形状とし、他方を長円形状とすることにより、第１肉厚部２２の厚さよりも第２肉厚部２１の厚さを厚くしたので、凹部１３，１４の周囲に第１肉厚部２２の厚さよりも第２肉厚部２１の厚さを厚くした肉厚部を容易に形成することができる。
【００７９】
上記した実施の形態においては、荷重検出装置１０をブレーキペダル３０に加えられる踏力を検出するものに適用した例について述べたが、本発明は、自動車のサスペンション荷重を検出するもの、車両シートに着座する体重を検出するもの、クレーン車等に作用する荷重検出にも適用でき、また、自動車以外でも、ロードセルとして広範な荷重の検出に利用できるものである。
【００８０】
また、上記した実施の形態においては、起歪体１１（１１１）の外周面および凹部１３、１４（１１３、１１４）のいずれか一方を、真円形状とし、他方を長円形状とすることによって、凹部１３、１４の周囲の肉厚部を、荷重軸の方向よりも荷重軸と垂直な方向を薄くした例について述べたが、起歪体１１（１１１）の外面形状および凹部１３、１４（１１３、１１４）の内面形状は、必ずしも真円形状および長円形状の組み合わせによって、異なる厚みの肉厚部２１、２２を構成するものに限定されるものではない。
【００８１】
さらに上記した実施の形態においては、起歪体１１の軸方向の両端部に同一深さの凹部１３、１４を形成した例について述べたが、凹部１３、１４の深さは必ずしも同一でなくてもよい。
【００８２】
次に本発明の第３の実施の形態を図面に基づいて説明する。第３の実施の形態における荷重検出装置１００は、図１６〜図１８に示すように、外周面が真円をなす円筒状の起歪体２１１を有しており、起歪体２１１の軸方向（荷重が作用する荷重軸Ｘ０方向と直交する方向）の両側には、真円状の第１凹部２０１が外周面と同心的に設けられ、これによって、起歪体２１１の軸方向の中央部には板厚ｔ１の第１平面部２０２が形成され、起歪体２１１の両端部には肉厚ｄの円筒部２０５が形成されている。両第１凹部２０１の中心部には、長円形もしくは長方形の第２凹部２０３がそれぞれ設けられ、これによって、第１平面部２０２の中央部に第１平面部２０２の板厚ｔ１より薄い板厚ｔ２の第２平面部２０４を形成している。
【００８３】
このように、起歪体２１１に、真円状の第１凹部２０１と長円形もしくは長方形の第２凹部２０３を設けたことにより、凹部周辺の第１平面部２０２の板厚ｔ１より、凹部中央の第２平面部２０４の板厚ｔ２を薄くするとともに、凹部中央の第２平面部２０４の荷重軸方向の長さＬ２を、それに垂直な荷重軸垂直方向の長さＬ１より長くしている。凹部中央の第２平面部２０４により、長円形（長方形）の薄肉平面からなる歪検出部２１５が、荷重軸方向および荷重軸垂直方向に平行に構成されている。
【００８４】
起歪体２１１の荷重軸方向の両端部には、ロッド部１７、１８が溶接やねじ、圧入などによって一体的に連結されている。ロッド部１７、１８は、その中心が、起歪体２１１の中心に一致し、かつ起歪体２１１の軸方向中央部（第２平面部２０４）に一致する位置に配置されている。これにより、ロッド部１７、１８の一方に、例えば圧縮荷重が入力されると、図１９に示すように、入力された圧縮荷重に応じて歪検出部２１５（第２平面部２０４）には、荷重軸方向に圧縮歪が、荷重軸垂直方向に引張歪が生起される。
【００８５】
第２平面部２０４（歪検出部２１５）の片面には、歪検出部２１５に生ずる圧縮歪および引張歪を検出する複数の歪検出素子（歪ゲージ）ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２からなる歪検出手段２２３が荷重軸Ｘ０に対称に設けられている。荷重軸方向の圧縮歪を検出する歪検出素子ａ１、ａ２と、荷重軸垂直方向の引張歪を検出する歪検出素子ｂ１、ｂ２によって、第１の実施の形態の図４で述べたと同様なブリッジ回路ＢＣが構成される。これにより、歪検出部２１５に圧縮歪と引張歪が生ずると、歪検出素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は圧縮歪および引張歪に応じてそれぞれ抵抗値が変化し、その抵抗値変化に応じた出力電圧が増幅器２７（図４参照）より出力される。
【００８６】
なお、歪検出手段２２３の配置は上記したように、第２平面部２０４（歪検出部２１５）の片面にのみ配置するものに限定するものではなく、第２平面部２０４の両面に配置してもよく、また、長円形もしくは長方形の第２凹部２０３は、第１凹部２０１の片側にのみ設けるようにしてもよい。歪検出手段２２３を第２平面部２０４（歪検出部２１５）の両面に配置し、第２平面部２０４の両面で検出した歪を加算することにより、出力を倍増することができるとともに、第２平面部２０４の法線方向に荷重軸から偏った偏荷重が生ずる場合においても、偏荷重の影響を小さくすることができる。
【００８７】
また、歪検出素子ａ１〜ａ４の貼付位置は、必ずしも荷重軸Ｘ０に対して対称に設ける必要はないが、荷重軸Ｘ０に対称に設けることで、入力される荷重が、凹部中央の第２平面部２０４を含む面内で荷重軸Ｘ０に対し偏った偏荷重となった場合でも、偏荷重による検出誤差の発生を抑制できる。
【００８８】
すなわち、入力される荷重が、凹部中央の第２平面部２０４を含む面内で荷重軸Ｘ０に対し偏った偏荷重となると、偏った側の歪が大きくなり、反対側の歪は小さくなるが、ブリッジ回路ＢＣにより偏荷重の影響はキャンセルされるため、偏荷重による検出誤差を排除できる。
【００８９】
次に、起歪体２１１の各部の形状寸法を変化させた場合の検出感度の影響について説明する。なお、以下においては、図１７、図１８に示すように、外径寸法Ｄ１＝３０ｍｍ、軸方向寸法Ｗ＝１８ｍｍ、円筒部２０５の肉厚ｄ＝３ｍｍ、凹部周辺の第１平面部２０２の板厚ｔ１＝３ｍｍ、ロッド部１７、１８の外径Ｄ２＝１０ｍｍからなる起歪体２１１を製作し、凹部中央の第２平面部２０４の荷重軸垂直方向の長さＬ１と、荷重軸方向の長さＬ２との長さ比（Ｌ１／Ｌ２）、ならびに凹部中央の第２平面部２０４の板厚ｔ２を変化させた場合に、凹部中央の第２平面部２０４で発生する歪の大きさ比への影響について検証した。
【００９０】
凹部中央の第２平面部２０４の荷重軸方向の剛性は、主に凹部中央の第２平面部２０４の荷重軸垂直方向の長さＬ１によって決まり、荷重軸垂直方向の剛性は、主に凹部中央の第２平面部２０４の荷重軸方向の長さＬ２によって決まる。ここで、長さＬ１より長さＬ２を長くすることで、荷重軸方向の剛性より荷重軸垂直方向の剛性のほうが低くなり、荷重軸垂直方向への変形が助長される。
【００９１】
図２０に示すグラフＡ３１、Ａ３２、Ａ３３は、凹部中央の第２平面部２０４の板厚ｔ２を、第１平面部２０２の板厚ｔ１に対して、それぞれ１／１２倍（０．２５ｍｍ）、１／６倍（０．５ｍｍ）、１／３倍（１ｍｍ）に変化させた場合の、第２平面部２０４の長さ比（Ｌ１／Ｌ２）に対する第２平面部２０４の荷重軸方向の発生歪と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を示したものである。
【００９２】
図２０に示すように、第２平面部２０４の長さ比（Ｌ１／Ｌ２）を１より小さくしていくと、荷重軸方向の発生歪の大きさと荷重軸垂直方向の発生歪の大きさの差が徐々に小さくなっていき、ついには逆転する傾向となる。荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比が１のとき（｜荷重軸方向発生歪｜＝｜荷重軸垂直方向発生歪｜）、荷重検出装置１００の感度は最大となるので、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比が１となる形状に起歪体２１１を構成することにより、高感度な荷重検出装置１００を実現できる。
【００９３】
なお、凹部中央の第２平面部２０４の板厚ｔ２の値に係らず、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を１に近づけることが確認できた。この場合、凹部中央の第２平面部２０４の長さ比（Ｌ１／Ｌ２）は、０．４〜０７が好適である。また、凹部板厚が凹部周辺と凹部中央に係らず０．５ｍｍで一定とした場合、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比は約０．８１であったことが確認できた。
【００９４】
上記したように、凹部周辺の第１平面部２０２の板厚ｔ１より凹部中央の第２平面部２０４の板厚ｔ２を薄く形成したことにより、ロッド１７（１８）に荷重が入力されると、凹部周辺と凹部中央で板厚が一定の場合に比べ、凹部中央の第２平面部２０４へ応力が集中する。凹部周辺の第１平面部２０２の板厚ｔ１と凹部中央の第２平面部２０４の板厚ｔ２との板厚比を調整することで、歪検出手段２２３が配置された凹部中央への応力集中度合いを容易に調整することができる。また、歪検出部２２３が起歪体２１１における最弱部となるよう設計することも容易になるため、応力集中部と歪検出部２２３での歪量の差をなくす（応力集中部での歪量＝歪検出部２２３での歪量）ことができ、相対的な感度低下を避けることができる。
【００９５】
このように、第３の実施の形態においては、凹部中央に、凹部周辺の板厚（ｔ１）よりも薄い板厚（ｔ２）の平面部（第２平面部）２０４を設け、この平面部２０４の荷重軸方向長さ（Ｌ２）を荷重軸垂直方向長さ（Ｌ１）より長くし、凹部中央の平面部２０４を歪検出部２１５として、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の歪を検出できるよう歪検出手段２２３を設けたものである。
【００９６】
第３の実施の形態によれば、歪検出部２１５となる凹部中央の第２平面部２０４の長さ比（Ｌ１／Ｌ２）を適切に設定することにより、歪検出部２１５に発生する荷重軸方向の発生歪と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさを近づけるように、歪検出部２２３の荷重軸方向の剛性と荷重軸垂直方向の剛性とを異ならせることができるので、第１の実施の形態で述べたと同様に、高剛性の起歪体２１１によって起歪体２１１に加えられた荷重を高感度に検出することができる。
【００９７】
しかも、第３の実施の形態によれば、歪検出部２１５を凹部２０１の中央に集めることができるので、起歪体２１１および起歪体周囲の温度勾配による検出誤差の影響を受けにくい利点もある。
【００９８】
図２１は起歪体２１１に入力される荷重が引張となった場合を示すもので、凹部中央の第２平面部２０４には、荷重軸方向に引張歪が、荷重軸垂直方向に圧縮歪が生じ、歪検出部２１５に設けた歪検出手段２２３（図１６参照）により、引張荷重を高感度に検出できる。
【００９９】
また、図２２に示すように、入力される荷重が第２平面部２０４を含む面内で、対象軸（荷重軸）から偏った偏荷重となると、偏った側の歪が大きくなり、反対側の歪は小さくなるが、凹部中央の歪はほとんど変化しないため、偏荷重による検出誤差はほとんど生じない。
【０１００】
さらに、図２３に示すように、凹部中央の第２平面部２０４の法線方向に対象軸（荷重軸）から偏った偏荷重が生ずる場合は、第２平面部２０４の両面で歪検出を行うことで、偏荷重の影響をキャンセルできる。
【０１０１】
起歪体２１１が荷重軸に対して対称に形成され、円筒部２０５の軸方向の長さが十分ある場合には、凹部中央の第２平面部２０４はほぼ中立線に相当するので、偏荷重により生ずる第２平面部２０４の曲げモーメントは非常に小さくなり、第２平面部２０４の片面で歪を検出するようにしても、偏荷重による誤差をほとんど生じない。従って、第２平面部２０４の法線方向の偏荷重がほとんど生じない場合、第２平面部２０４の片面での歪を検出するようにしても問題ない。
【０１０２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明に係る荷重検出装置は、自動車のブレーキペダルに加えられた踏力等を検出するものに用いるのに適している。
【符号の説明】
【０１０４】
１０、１００…荷重検出装置、１１、１１１、２１１…起歪体、１３、１４、２０１、２０３…凹部、１５、２１５…歪検出部、１７、１８…ロッド部、２１…第２肉厚部、２２…第１肉厚部、２３、２２３…歪検出手段、３０…ブレーキペダル、３１…マスタピストン、２０２、２０４…平面部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、起歪体の両側に設けた凹部の底部平面に歪検出手段を設けた荷重検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加えられた荷重の大きさを検出するために、例えば、特許文献１に記載されているようなロードセル１０が用いられる。特許文献１に記載のロードセル１０は、ボディ（起歪体）２５の両側に形成された円形の凹部の底部に薄肉の平面（歪検出部）４０が形成され、この歪検出部４０に歪ゲージ２０が取付けられている。この種のロードセルは、起歪体１０に荷重が入力されると、歪検出部４０が変形して圧縮歪と引張歪が生じ、これを歪ゲージ２０によって検出することにより、起歪体１０に加えられた荷重を検出するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国公開特許２００５／００８１６５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のロードセル１０においては、歪検出部（平面）２０に穴３０を開けることで、歪検出部２０に発生する圧縮歪と引張歪の大きさを近づけ、高感度な検出を行えるように構成されているため、穴３０の周辺部は歪検出部２０より剛性が低下し、応力集中が生じてしまう。このため、歪検出部の材料の強度等に依存して最大許容歪が決まるので、起歪体で発生する最大歪を最大許容歪以下とする必要がある。
【０００５】
また、長期に亘って強度保証するには、応力集中部に合わせて起歪体の強度設計を行わなければならず、応力集中部と歪検出部での歪量の差が大きい場合には、歪検出部で発生する歪が小さくなってしまうため、相対的に感度を低下せざるを得ない問題がある。さらには、適正に歪を検出しようとすれば、穴の位置や歪ゲージの配置位置を高精度にする必要があるため、製造コストのアップを招くおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述した従来の問題を解消するためになされたもので、高剛性の起歪体を用いて、起歪体に加えられた荷重を高精度に検出できる荷重検出装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、荷重が作用する荷重軸方向に沿って配置された起歪体を有する荷重検出装置であって、前記起歪体は、前記荷重軸方向の剛性と該荷重軸方向に垂直な荷重軸垂直方向の剛性とが異なるように、前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向の端部より凹部を形成することにより、該凹部の底部に前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向に平行に形成され、前記荷重軸方向に加えられる荷重によって前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む平面状の歪検出部と、前記歪検出部の少なくとも片面に配置され前記歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段とを有することである。
【０００８】
請求項２に係る発明の特徴は、荷重が作用する荷重軸方向に沿って配置された起歪体を有する荷重検出装置であって、前記起歪体は、前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向の両端部より前記起歪体の外面形状と異なる内面形状の凹部を形成することにより、これら凹部の底部に前記荷重軸方向およびそれに垂直な荷重軸垂直方向に平行に形成され、前記荷重軸方向に加えられる荷重によって前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む薄肉平面状の歪検出部と、前記凹部の周囲に設けられ前記荷重軸方向に平行な方向に厚さを有する第１肉厚部と、前記荷重軸方向に垂直な方向でかつ前記歪検出部の平面と平行な方向に厚さを有し前記第１肉厚部の厚さよりも厚くした第２肉厚部と、前記歪検出部の少なくとも片面に配置され前記歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段とを有することである。
【０００９】
請求項３に係る発明の特徴は、請求項２において、前記第１肉厚部の断面積と前記第２肉厚部の断面積の比を、１：１．５〜２．５としたことである。
【００１０】
請求項４に係る発明の特徴は、請求項３において、前記第２肉厚部の厚さ寸法に対する歪検出部の板厚の寸法を、１／１０〜１／５倍としたことである。
【００１１】
請求項５に係る発明の特徴は、請求項３において、前記第２肉厚部の厚さ寸法に対する前記起歪体の外径の寸法を、４〜８倍としたことである。
【００１２】
請求項６に係る発明の特徴は、請求項２ないし請求項５のいずれか１項において、前記起歪体の外面形状を真円形状とし、前記凹部の内面形状を長円形状とすることにより、前記第２肉厚部の厚さよりも前記第１肉厚部の厚さを薄くしたことである。
【００１３】
請求項７に係る発明の特徴は、請求項２ないし請求項５のいずれか１項において、前記起歪体の外面形状を長円形状とし、前記凹部の内面形状を真円形状とすることにより、前記第２肉厚部の厚さよりも前記第１肉厚部の厚さを薄くしたことである。
【００１４】
請求項８に係る発明の特徴は、荷重が作用する荷重軸方向に沿って配置された起歪体を有する荷重検出装置であって、前記起歪体は、凹部周辺の平面部の板厚より凹部中央の平面部の板厚が薄く、凹部中央の平面部の荷重軸方向長さが荷重軸垂直方向長さより長くなるように、前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向に凹部を形成することにより、前記凹部中央に前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向に平行に形成され、前記荷重軸方向に加えられる荷重によって前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む歪検出部と、前記歪検出部の少なくとも片面に配置され前記歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段とを有することである。
【００１５】
請求項９に係る発明の特徴は、請求項８において、前記起歪体の外面形状を真円形状とし、前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向の両端部より真円状の第１凹部を形成し、該第１凹部の中央部に長方形もしくは長円形の第２凹部を形成することにより、前記荷重軸方向の剛性より前記荷重軸垂直方向の剛性を低下させるように構成したことである。
【００１６】
請求項１０に係る発明の特徴は、請求項９において、前記平面部の板厚を、凹部周辺の平面部の板厚の１／１２〜１／３倍としたことである。
【００１７】
請求項１１に係る発明の特徴は、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項において、前記歪検出手段を前記歪検出部の中央部の両側の面に配置したことである。
【発明の効果】
【００１８】
上記のように構成した請求項１に係る発明によれば、荷重が加えられる起歪体が、荷重軸方向の剛性と荷重軸方向に垂直な荷重軸垂直方向の剛性とが異なるように、起歪体に荷重軸方向と直交する方向の端部より凹部を形成することにより、凹部の底部に荷重軸方向および荷重軸垂直方向に平行に形成され、荷重軸方向に加えられる荷重によって荷重軸方向および荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む平面状の歪検出部と、歪検出部の少なくとも片面に配置され歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段とを有している。
【００１９】
このように、歪検出部における荷重軸方向の剛性と荷重軸垂直方向の剛性との比が適切となるように凹部を形成することにより、歪検出部に発生する荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさを近づけることができるので、従来のように穴などを開ける必要がなく、高剛性の起歪体によって起歪体に加えられた荷重を高感度に検出することができる。従って、穴の形成が不要となって、局所的な剛性低下部をなくすることができ、かつ起歪体の加工コストを低減することができる。
【００２０】
請求項２に係る発明によれば、荷重が加えられる起歪体が、荷重軸方向および荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む薄肉平面状の歪検出部と、凹部の周囲に設けられ荷重軸方向に平行な方向に厚さを有する第１肉厚部と、荷重軸方向に垂直な方向でかつ歪検出部の平面と平行な方向に厚さを有し第１肉厚部の厚さよりも厚くした第２肉厚部と、歪検出部の少なくとも片面に配置され歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段とを有している。
【００２１】
これにより、第１肉厚部と第２肉厚部との比を適切に設定することにより、歪検出部に発生する荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさを近づけることができるので、従来のように穴などを開ける必要がなく、高剛性の起歪体によって起歪体に加えられた荷重を高感度に検出することができる。従って、穴の形成が不要となって、局所的な剛性低下部をなくすることができ、かつ起歪体の加工コストを低減することができる。
【００２２】
請求項３に係る発明によれば、第１肉厚部の断面積と第２肉厚部の断面積の比を、１：１．５〜２．５としたので、第１肉厚部の曲げ剛性を低下させることなく、歪検出部に発生する引張歪と圧縮歪の大きさの差を小さくすることができる。
【００２３】
請求項４に係る発明によれば、第２肉厚部の厚さ寸法に対する歪検出部の板厚の寸法を、１／１０〜１／５倍としたので、起歪体の強度を確保しつつ、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさの差を小さくすることができる。
【００２４】
請求項５に係る発明によれば、第２肉厚部の厚さ寸法に対する起歪体の外径の寸法を、４〜８倍としたので、起歪体の感度を向上しつつ、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさの差を小さくすることができる。
【００２５】
請求項６に係る発明によれば、起歪体の外面形状を真円形状とし、凹部の内面形状を長円形状とすることにより、第２肉厚部の厚さよりも第１肉厚部の厚さを薄くしたので、起歪体を真円に、凹部を長円とするだけで、凹部の周囲に第２肉厚部の厚さよりも第１肉厚部の厚さを薄くした肉厚部を容易に形成することができる。
【００２６】
請求項７に係る発明によれば、起歪体の外面形状を長円形状とし、凹部の内面形状を真円形状とすることにより、第２肉厚部の厚さよりも第１肉厚部の厚さを薄くしたので、起歪体を長円に、凹部を真円とするだけで、凹部の周囲に第２肉厚部の厚さよりも第１肉厚部の厚さを薄くした肉厚部を容易に形成することができる。
【００２７】
請求項８に係る発明によれば、荷重が加えられる起歪体が、凹部周辺の平面部の板厚より凹部中央の平面部の板厚が薄く、凹部中央の平面部の荷重軸方向長さが荷重軸垂直方向長さより長くなるように、起歪体に荷重軸方向と直交する方向に凹部を形成することにより、凹部中央に荷重軸方向および荷重軸垂直方向に平行に形成され、荷重軸方向に加えられる荷重によって荷重軸方向および荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む歪検出部と、歪検出部の少なくとも片面に配置され歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段とを有している。
【００２８】
これにより、凹部中央に形成された歪検出部に発生する荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさを近づけることができるので、高剛性の起歪体によって起歪体に加えられた荷重を高感度に検出することができる。しかも、歪検出部を凹部中央に集めることができるので、起歪体および起歪体周囲の温度勾配による検出誤差の影響を受けにくくすることができる。
【００２９】
請求項９に係る発明によれば、起歪体の外面形状を真円形状とし、起歪体に荷重軸方向と直交する方向の両端部より真円状の第１凹部を形成し、第１凹部の中央に長方形もしくは長円形の第２凹部を形成することにより、荷重軸方向の剛性より荷重軸垂直方向の剛性を低下させた平面部を形成したので、第１凹部の中央に荷重軸方向と荷重軸垂直方向に長さの異なる平面部を形成することができ、この平面部の長さ比を適切に設定することで、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさを容易に近づけることができる。
【００３０】
請求項１０に係る発明によれば、平面部の板厚を、凹部周辺の平面部の板厚の１／１２〜１／３倍としたので、起歪体の強度を確保しつつ、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさの差を小さくすることができる。
【００３１】
請求項１１に係る発明によれば、歪検出手段を歪検出部の中央部の両側の面に配置したので、歪検出部の両側の歪検出手段より検出出力が得られるため、これらを加算することにより、検出出力を倍増することができ、高精度な荷重検出を行うことができる。しかも、入力される荷重が凹部平面を含む面内で偏った偏荷重となった場合でも、中央部の歪はほとんど変化しないため、偏荷重による検出誤差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す荷重検出装置の断面図である。
【図２】図１の２−２線に沿って切断した断面図である。
【図３】図１の３−３線に沿って切断した断面図である。
【図４】荷重検出装置の検出回路を示す図である。
【図５】起歪体の荷重軸方向と荷重軸垂直方向の肉厚部の断面積比に対する荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を示すグラフである。
【図６】荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比に影響を及ぼす起歪体の各部の寸法を示す図である。
【図７】起歪体の肉厚部に対して歪検出部の板厚を変化させた場合の肉厚部の断面積比と荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比の関係を示すグラフである。
【図８】起歪体の肉厚部に対して起歪体の外径を変化させた場合の肉厚部の断面積比と荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比の関係を示すグラフである。
【図９】荷重検出装置をブレーキペダルの踏力を検出するものに適用した図である。
【図１０】荷重検出装置の作動状態を示す図である。
【図１１】引張荷重を検出する場合の荷重検出装置の作動状態図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態を示す荷重検出装置の断面図である。
【図１３】荷重検出装置の歪検出手段の第１変形例を示す図である。
【図１４】荷重検出装置の歪検出手段の第２変形例を示す図である。
【図１５】荷重検出装置の歪検出手段の第３変形例を示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態を示す荷重検出装置の断面図である。
【図１７】図１６の１７−１７線に沿って切断した断面図である。
【図１８】図１６の１８−１８線に沿って切断した断面図である。
【図１９】荷重検出装置の作動状態を示す図である。
【図２０】第３の実施の形態に係る起歪体の凹部中央の平面部の長さ比に対する荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を示すグラフである。
【図２１】起歪体に引張荷重が作用した場合の荷重検出装置の作動状態図である。
【図２２】起歪体に偏荷重が作用した状態を示す図である。
【図２３】起歪体に偏荷重が作用した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１、図２および図３は本発明の第１の実施の形態に係る荷重検出装置１０を示すもので、当該荷重検出装置１０は、外周面が真円をなす円筒状の起歪体１１を有している。円筒状の起歪体１１の軸方向の両端部、言い換えれば、荷重が作用する荷重軸Ｘ０方向と直交する方向の両端部には、内面が長円（楕円）形状の凹部１３、１４が同一深さに亘って起歪体１１の外周面と同心的に形成されている。これら凹部１３、１４の形成によって、凹部１３、１４の底部、すなわち、起歪体１１の軸方向中央部に、長円形状の薄肉平面からなる歪検出部１５が、荷重軸Ｘ０方向およびそれに垂直な荷重軸垂直方向に平行に形成される。
【００３４】
起歪体１１は、凹部１３、１４の長円の長径方向が、荷重軸Ｘ０方向となるように構成されており、起歪体１１の荷重軸Ｘ０方向の両端部には、ロッド部１７、１８がそれぞれ一体的に連結されている。ロッド部１７、１８は、その中心が、起歪体１１の中心に一致し、かつ起歪体１１の軸方向中央部（歪検出部１５）に一致する位置に配置されている。これにより、ロッド部１７、１８の一方には、歪検出部１５に一致する線上に荷重が入力され、入力された荷重に応じて歪検出部１５に歪が生起される。
【００３５】
長円形状の凹部１３、１４の形成によって、凹部１３、１４の周囲には、短径方向（荷重軸Ｘ０垂直方向）に沿って荷重軸Ｘ０方向に平行な方向にＹ１の厚さ（肉厚）を有する一対の第１肉厚部２２と、長径方向（荷重軸Ｘ０方向）に沿って荷重軸Ｘ０方向に垂直な方向で、かつ歪検出部１５の平面と平行な方向にＸ１の厚さ（肉厚）を有する一対の第２肉厚部２１が形成されており、第１肉厚部２２の厚さＹ１よりも第２肉厚部２１の厚さＸ１を厚くしてある。ここで、荷重軸Ｘ０垂直方向を含む断面（図１の３−３断面）の断面積は、荷重軸Ｘ０方向を含む断面（図１の２−２断面）の断面積の２倍程度とすることが好ましい。その理由については後述する。
【００３６】
凹部１３、１４の周囲の肉厚部２１、２２を、荷重軸Ｘ０方向より荷重軸Ｘ０垂直方向を薄くすると、次のような効果が生ずる。歪検出部１５の板厚が十分に薄ければ、荷重軸Ｘ０方向の剛性は、第２肉厚部２１の肉厚Ｘ１によって決定され、荷重軸Ｘ０垂直方向の剛性は、第１肉厚部２２の肉厚Ｙ１によって決定される。ここで、荷重軸Ｘ０方向の第２肉厚部２１に対して荷重軸Ｘ０垂直方向の第１肉厚部２２を薄くしていくと、荷重軸Ｘ０方向より荷重軸Ｘ０垂直方向の剛性が低下することで、荷重軸Ｘ０垂直方向への変形が助長される（以下、これを効果Ｉという）。一方、荷重軸Ｘ０垂直方向の第１肉厚部２２が薄くなると、第１肉厚部２２の曲げ剛性が低下するため、荷重軸Ｘ０方向への変形が助長される（以下、これを効果ＩＩという）。
【００３７】
これにより、凹部１３、１４の周囲に、荷重軸Ｘ０方向に沿って厚さ寸法がＸ１の第２肉厚部２１を形成するとともに、荷重軸Ｘ０垂直方向に沿って厚さ寸法がＸ１よりも小さなＹ１の第１肉厚部２２を形成することにより、一方のロッド部１７に入力された荷重に応じて、起歪体１１の歪検出部１５には、荷重軸Ｘ０方向に圧縮歪が生起されると同時に、荷重軸Ｘ０垂直方向に引張歪が生起される。
【００３８】
起歪体１１の歪検出部１５の中央部の両面には、歪検出部１５に生ずる引張歪および圧縮歪を検出する複数の歪検出素子からなる歪検出手段２３が設けられている。歪検出手段２３は、図１〜図３に示す第１の実施の形態においては、荷重軸Ｘ０垂直方向の引張歪を検出する各１個ずつの歪検出素子ａ１、ａ２が歪検出部１５の両面にそれぞれ貼付され、荷重軸Ｘ０垂直方向の圧縮歪を検出する各１個ずつの歪検出素子ｂ１、ｂ２が歪検出部１５の両面にそれぞれ貼付されている。これら４個の歪検出素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は、歪検出部１５の中央部に荷重軸Ｘ０に対して対称に配置されている。
【００３９】
４個の歪検出素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２によって、図４に示すように、ブリッジ回路ＢＣが構成されている。ブリッジ回路ＢＣを構成する歪検出素子ａ１、ｂ１の各一端は、電源端子２５に接続され、歪検出素子ａ２、ｂ２の各一端は、ＧＮＤ端子２６に接続されている。歪検出素子ａ１、ｂ２の各他端は互いに接続され、増幅器２７の一方の入力端子に接続され、歪検出素子ａ２、ｂ１の各他端は互いに接続され、増幅器２７の他方の入力端子に接続されている。
【００４０】
これにより、起歪体１１の歪検出部１５に引張歪および圧縮歪が生ずると、歪検出素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は、引張歪および圧縮歪に応じてそれぞれ抵抗値が変化し、歪検出素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２の抵抗値変化に応じた出力電圧が増幅器２７より出力される。なお、歪検出手段２３として、積み重ねゲージを使用することもできる。
【００４１】
この際、歪検出素子ａ１、ａ２の貼付位置は、必ずしも歪検出部１５の中央部に設ける必要はないが、歪検出部１５の中央部に設けることで、起歪体１１周囲の温度勾配による検出誤差の発生を抑制できるとともに、起歪体１１に入力される荷重が、歪検出部１５の平面を含む面内で、荷重軸Ｘ０に対して偏った偏荷重となる場合であっても、偏荷重による検出誤差の発生を抑制できる。
【００４２】
すなわち、入力される荷重が、歪検出部１５の平面を含む面内で、荷重軸Ｘ０に対して偏った偏荷重となると、偏った側の歪が大きくなり、反対側の歪は小さくなるが、歪検出部１５の平面中央部の歪はほとんど変化しないため、偏荷重による検出誤差を排除できる。
【００４３】
また、歪検出部１５の平面の両面で歪を検出することにより、歪検出部１５の平面の法線方向に荷重軸Ｘ０から偏った偏荷重が生ずる場合においても、偏荷重の影響を小さくすることができる。
【００４４】
次に図５のグラフに基づいて、上記した効果Ｉ（荷重軸Ｘ０垂直方向への変形が助長作用）と効果ＩＩ（荷重軸Ｘ０方向への変形が助長作用）による歪感度への影響について説明する。図５は、横軸に荷重軸方向の第２肉厚部２１の断面積と荷重軸垂直方向の第１肉厚部２２の断面積の比（第２肉厚部２１の断面積／第１肉厚部２２の断面積）をとり、縦軸に荷重軸方向の発生歪と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比をとったものである。同図に示すように、荷重軸方向の第２肉厚部２１より荷重軸垂直方向の第１肉厚部２２を薄くして、第１肉厚部２２の断面積と第２肉厚部２１の断面積との比を１より大きくしていくと、断面積比が１〜２の範囲では上記効果Ｉの影響が大きくなって、荷重軸方向の歪（圧縮歪）の大きさと荷重軸垂直方向の歪（引張歪）の大きさとの差が徐々に小さくなっていき、起歪体１１の感度が高くなる。これに対して、断面積比が２を超えると、断面積比が大きくなっていくにつれて効果ＩＩの影響が大きくなり、断面積比が２〜３の範囲では荷重軸方向の歪の大きさと荷重軸垂直方向の歪の大きさとの差が漸減していき、起歪体１１の感度が僅かに低下する傾向となる。この結果、断面積比２において荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比が最も１に近似することとなり、荷重を検出するための起歪体１１の感度を最大にできる。
【００４５】
なお、断面積比が大きくなりすぎると、荷重軸方向の第２肉厚部２１の肉厚Ｘ１に対して荷重軸垂直方向の第１肉厚部２２の肉厚Ｙ１が薄くなりすぎて、第１肉厚部２２の曲げ剛性が低下し、起歪体１１の感度が鈍くなるため、断面積比の上限は、２．５程度が適当である。この結果、断面積比としては、１．５〜２．５の範囲に設定するのが望ましい。
【００４６】
上記したように、荷重軸方向の歪の大きさと荷重軸垂直方向の歪の大きさとの差が最も小さくなる断面積比となるように肉厚部２１、２２を設定することにより、発生する荷重軸方向の歪の大きさと荷重軸垂直方向の歪の大きさの比を１に近づけることができ、最も高感度な起歪体１１を形成できることになる。すなわち、起歪体１１に荷重が加えられた際の荷重軸方向の歪の大きさと荷重軸垂直方向の歪の大きさをほぼ等しくすることができる。
【００４７】
このことから、荷重軸垂直方向の第２肉厚部２２の断面積に対する荷重軸方向の第１肉厚部２１の断面積の比を、１：２程度とすることが最適である。ただし、断面積比を、１：１．５〜２．５の範囲に設定することにより、荷重軸方向の歪の大きさと荷重軸垂直方向の歪の大きさの差を小さくでき、有効である。
【００４８】
次に、起歪体１１の各部の形状寸法の変化による起歪体１１の感度の影響について、図６〜図８に基づいて説明する。なお、以下においては、図６に示すように、外径寸法Ｄ１＝３０ｍｍ、軸方向寸法Ｗ１＝１４ｍｍ、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１＝５ｍｍ、歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２＝１ｍｍ、ロッド部１７、１８の外径寸法Ｄ２＝１０ｍｍ、および凹部１３、１４と接続する歪検出部１５の周縁部のＲ面取の半径寸法Ｒ１＝２ｍｍからなる起歪体１１を製作し、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１に対して、起歪体１１の外径寸法Ｄ１、起歪体１１の軸方向寸法Ｗ１、歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２、ロッド部１７、１８の外径寸法Ｄ２、歪検出部１５のＲ面取の半径寸法Ｒ１を変化させた場合の影響について検証した。
【００４９】
まず、歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２と肉厚部２１、２２の厚さ寸法Ｘ１、Ｙ１との寸法関係について調べた。図７に示すグラフＡ１１、Ａ１２、Ａ１３は、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１（５ｍｍ）に対して歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２を、それぞれ１／１０、１／５、３／１０（０．５〜１．５ｍｍ）に変化させた場合の肉厚部の断面積比（肉厚部２１の断面積／肉厚部２２の断面積）に対する荷重軸方向の発生歪と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を示したものである。
【００５０】
同図に示すように、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１に対して、歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２が厚くなるほど、荷重軸Ｘ０方向の剛性が向上するため、荷重軸Ｘ０垂直方向への変形助長効果（上記効果Ｉ）が小さくなるとともに、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比が小さくなる。
【００５１】
従って、歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２を薄くすることにより、グラフＡ１１に示すように、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を１に近づけることができる。ただし、板厚寸法Ｗ２を薄くすると、荷重軸Ｘ０方向の剛性が低下し、起歪体１１の強度が低下する傾向となるが、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１に対して歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２を１／１０倍程度にしても、強度的には特に問題は生じない。
【００５２】
このことから、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１に対する歪検出部１５の板厚寸法Ｗ２は、起歪体１１の強度を確保しつつ、グラフＡ１２に示すように荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を１に近づけることができる、１／１０〜１／５倍程度が適当である。
【００５３】
次に、起歪体１１の外径寸法Ｄ１と肉厚部２１、２２の厚さ寸法Ｘ１、Ｙ１との寸法関係について調べた。図８に示すグラフＡ２１、Ａ２２、Ａ２３、Ａ２４、Ａ２５は、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１（５ｍｍ）に対して起歪体１１の外径寸法Ｄ１を、それぞれ３倍、４倍、６倍、８倍、１２倍（１５〜６０ｍｍ）に変化させた場合の第２肉厚部２１と第１肉厚部２２の断面積比に対する荷重軸方向の発生歪と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を示したものである。
【００５４】
同図に示すように、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１に対し、起歪体１１の外径寸法Ｄ１を大きくしていくと、相対的に第１肉厚部２２の曲げ剛性が低下し、荷重軸方向への変形助長効果（上記効果ＩＩ）が大きくなる。よって、起歪体１１の外径寸法Ｄ１を余り大きくすると、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比が小さくなり、断面積比の小さいところで発生歪の大きさ比が最大値をとるようになる。
【００５５】
ただし、断面積比が１に近い場合は、起歪体１１の外径寸法Ｄ１が小さいうちは効果Ｉの影響が大きく、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさの差が徐々に小さくなっていき、起歪体１１の感度が高くなっていくが、起歪体１１の外径寸法Ｄ１が大きくなっていくにつれて、効果ＩＩの影響が大きくなり、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさの差が大きくなっていき、起歪体１１の感度が低下する。
【００５６】
よって、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１に対して起歪体１１の外径寸法Ｄ１が、グラフのＡ２１に示すように小さすぎても、逆にグラフのＡ２４、Ａ２５に示すように大きすぎても、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比の絶対値が小さくなり、好ましくない。
【００５７】
このことから、第２肉厚部２１の厚さ寸法Ｘ１に対する起歪体１１の外径寸法Ｄ１は、起歪体１１の感度を向上しつつ、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を１に近づけることができる、４〜８倍程度が適当である。
【００５８】
なお、ロッド部１７、１８の外径寸法Ｄ２、起歪体１１の軸方向寸法Ｗ１および歪検出部１５の周縁部のＲ面取りの半径寸法Ｒ１については、荷重軸方向の発生歪と荷重軸垂直方向の歪の大きさ比に与える影響は小さいことが分かった。
【００５９】
図９は、上記した構成の荷重検出装置１０を、ブレーキペダル３０とマスタシリンダのマスタピストン３１との間に配置し、ブレーキペダル３０に加えられた踏力を荷重検出装置１０を介してマスタシリンダに伝達するとともに、ブレーキペダル３０に加えられた踏力の大きさを荷重検出装置１０によって検出するようにしたものである。
【００６０】
図９において、荷重検出装置１０のロッド部１７、１８の外周には、それぞれねじ部１７ａ、１８ａが形成されている。一方のロッド部１７のねじ部１７ａには、連結部材３３の一端が螺着され、この連結部材３３の他端に、ブレーキペダル３０の連結部３０ａが連結ピン３４によって枢動可能に連結されている。他方のロッド部１８のねじ部１８ａには、連結部材３５の一端が螺着され、この連結部材３５の他端に、球面軸受３６を介してマスタピストン３１が連結されている。
【００６１】
これにより、ブレーキペダル３０に踏力が加えられると、これが連結ピン３４、連結部材３３および一方のロッド部１７を介して起歪体１１に伝達される。起歪体１１に伝達された踏力は、他方のロッド部１８、連結部材３５および球面軸受３６を介してマスタピストン３１に伝達される。
【００６２】
これにより、ブレーキペダル３０に加えられた踏力がマスタシリンダに伝達されるとともに、その踏力の大きさに応じて荷重検出装置１０の起歪体１１の歪検出部１５に歪が発生され、この歪が歪検出手段２３によって検出される。
【００６３】
次に、荷重検出装置１０を、ブレーキペダル３０に加えられた踏力の検出に適用した場合の動作について説明する。
【００６４】
ブレーキペダル３０に踏力が加えられると、一方のロッド部１７を介して起歪体１１に踏力に応じた荷重が作用され、この荷重は他方のロッド部１８を介してマスタピストン３１に伝達される。
【００６５】
起歪体１１に踏力に応じた荷重が加えられると、その荷重に応じて歪検出部１５に歪が発生する。この際、荷重軸方向の第２肉厚部２１の肉厚に対して荷重軸垂直方向の第１肉厚部２２の肉厚が薄く構成されているので、荷重軸方向より荷重軸垂直方向の剛性が低下して、荷重軸垂直方向への変形が助長され、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比が１に近づくようになる。言い換えれば、図１０に示すように、起歪体１１の歪検出部１５に発生する荷重軸方向の圧縮歪ＣＳの大きさと、荷重軸垂直方向の引張歪ＴＳの大きさの差が小さくなり、起歪体１１の感度が高められる。
【００６６】
かかる起歪体１１の歪検出部１５に発生した引張歪ＴＳおよび圧縮歪ＣＳに応じて、歪検出部１５に貼付された歪検出素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２が歪み、歪みに応じて抵抗値が変化する。これら歪抵抗素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２の抵抗値の変化により、ブリッジ回路ＢＣ（図４参照）より、ブレーキペダル３０に加えられた踏力に応じた出力電圧が出力される。
【００６７】
なお、上記した第１の実施の形態においては、荷重検出装置１０を圧縮荷重が作用する部位に設けた例について説明したが、荷重検出装置１０を引張荷重が作用する部位に設けることもできる。この場合には、図１１に示すように、歪検出部１５には、荷重軸の方向に引張歪ＴＳが生起し、荷重軸垂直方向に圧縮歪ＣＳが生起するようになる。
【００６８】
図１２は本発明の第２の実施の形態を示すもので、上記した第１の実施の形態と異なる点は、起歪体１１１の外周面を荷重軸Ｘ０垂直方向に沿った長円（楕円）形状とし、この起歪体１１１の軸方向の両端部に真円形状の凹部１１３、１１４を形成することにより、凹部１１３、１１４の周囲に、荷重軸Ｘ０方向に沿って肉厚がＸ１の第２肉厚部２１と、荷重軸Ｘ０垂直方向に沿って肉厚がＹ１（ただし、Ｙ１＜Ｘ１）の第１肉厚部２２を形成したものである。なお、その他の点は、第１の実施の形態とほぼ同様であるので、第１の実施の形態と同一の構成部品については同一の参照番号を付し、説明を省略する。
【００６９】
かかる第２の実施の形態においても、第１の実施の形態で述べたと同様な作用、効果を奏するようになり、荷重軸垂直方向の第２肉厚部２２の断面積に対する荷重軸方向の第１肉厚部２１の断面積を、１．５〜２．５倍、好ましくは２倍程度とすることにより、荷重軸方向の歪の大きさと荷重軸垂直方向の歪の大きさの差を小さくできるようになる。
【００７０】
図１３ないし図１５は、歪検出部１５に貼付される歪検出手段２３の第１〜第３変形例を示すものである。なお、図１３ないし図１５において、(ａ)、(ｂ)は歪検出手段２３を設けた起歪体１１の異なる断面図を示し、（ｃ）は歪検出手段２３を構成する歪検出素子をブリッジ回路に結線した検出回路図を示している。
【００７１】
図１３に示す第１変形例は、起歪体１１の歪検出部１５の中央部の片面にのみ、引張歪を検出する歪検出素子ａ１と、圧縮歪を検出する歪検出素子ｂ１を、それぞれ１個ずつ貼付したものであり、これら２個の歪検出素子ａ１、ｂ１と２個の固定抵抗ｒとによってブリッジ回路ＢＣを構成したものである。
【００７２】
図１４に示す第２変形例は、起歪体１１の歪検出部１５の片面の中央部に、引張歪を検出する２個の歪検出素子ａ１、ｃ１と、圧縮歪を検出する２個の歪検出素子ｂ１、ｄ１をそれぞれ貼付し、これら４個の歪検出素子ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１によってブリッジ回路ＢＣを構成したものである。
【００７３】
上記した第１および第２変形例に記載のものは、歪検出部１５の平面の法線方向の偏荷重の影響を受けない、もしくは無視できる部位に荷重検出装置１０を適用した場合に有効であり、歪検出手段２３を片側だけに配置した簡単な構成で、起歪体１１に生じた歪を高精度に検出することができる。
【００７４】
図１５に示す第３変形例は、起歪体１１の歪検出部１５の片面の中央部に、引張歪を検出する２個の歪検出素子ａ１、ｃ１と、圧縮歪を検出する２個の歪検出素子ｂ１、ｄ１をそれぞれ貼付し、これら４個の歪検出素子ａ１〜ｄ１によって第１ブリッジ回路ＢＣ１を構成している。また、起歪体１１の歪検出部１５の反対側の面の中央部に、引張歪を検出する２個の歪検出素子ａ２、ｃ２と、圧縮歪を検出する２個の歪検出素子ｂ２、ｄ２をそれぞれ貼付し、これら４個の歪検出素子ａ２〜ｄ２によって第２ブリッジ回路ＢＣ２を構成している。そして、第１および第２のブリッジ回路ＢＣ１、ＢＣ２の各出力を増幅器２７、２９を介して加算回路２８の入力端子にそれぞれ入力するようになっている。
【００７５】
このように、歪検出部１５の両面に貼付した計８個の歪検出素子によって、第１および第２ブリッジ回路ＢＣ１、ＢＣ２を構成することにより、第１の実施の形態で述べたもの（図４参照）に比して、検出感度を倍増することができ、起歪体１１に生じた歪を高感度に検出できるとともに、偏荷重の影響を受けなくすることができる。
【００７６】
上記した実施の形態によれば、荷重が加えられる起歪体１１の軸方向（荷重軸方向と直交する方向）の両端部より、起歪体１１の外面形状と異なる形状の凹部１３，１４を形成したことにより、荷重軸方向およびそれに垂直な荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む薄肉平面状の歪検出部１５を形成するとともに、凹部１３、１４の周囲に荷重軸方向に平行な方向に厚さを有する第１肉厚部２２と、荷重軸方向に垂直な方向でかつ歪検出部の平面と平行な方向に厚さを有し第１肉厚部２２の厚さよりも厚くした第２肉厚部２１を形成し、歪検出部１５に発生する圧縮歪および引張歪を歪検出素子からなる歪検出手段２３によって検出するようにした。
【００７７】
これにより、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の肉厚部２１、２２を適切に設定することにより、歪検出部１５に発生する荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさを近づけることができるように、荷重軸方向の剛性と荷重軸垂直方向の剛性とを異ならせることができる。従って、従来のように歪検出部１５に穴などを開ける必要がないため、局所的な剛性低下部をなくすることができ、高剛性の起歪体１１によって荷重を高感度に検出することができる。しかも、穴の形成が不要となるため、起歪体１１の加工コストを低減することができる。
【００７８】
また、上記した実施の形態によれば、起歪体１１の外面形状および凹部１３，１４の内面形状の一方を真円形状とし、他方を長円形状とすることにより、第１肉厚部２２の厚さよりも第２肉厚部２１の厚さを厚くしたので、凹部１３，１４の周囲に第１肉厚部２２の厚さよりも第２肉厚部２１の厚さを厚くした肉厚部を容易に形成することができる。
【００７９】
上記した実施の形態においては、荷重検出装置１０をブレーキペダル３０に加えられる踏力を検出するものに適用した例について述べたが、本発明は、自動車のサスペンション荷重を検出するもの、車両シートに着座する体重を検出するもの、クレーン車等に作用する荷重検出にも適用でき、また、自動車以外でも、ロードセルとして広範な荷重の検出に利用できるものである。
【００８０】
また、上記した実施の形態においては、起歪体１１（１１１）の外周面および凹部１３、１４（１１３、１１４）のいずれか一方を、真円形状とし、他方を長円形状とすることによって、凹部１３、１４の周囲の肉厚部を、荷重軸の方向よりも荷重軸と垂直な方向を薄くした例について述べたが、起歪体１１（１１１）の外面形状および凹部１３、１４（１１３、１１４）の内面形状は、必ずしも真円形状および長円形状の組み合わせによって、異なる厚みの肉厚部２１、２２を構成するものに限定されるものではない。
【００８１】
さらに上記した実施の形態においては、起歪体１１の軸方向の両端部に同一深さの凹部１３、１４を形成した例について述べたが、凹部１３、１４の深さは必ずしも同一でなくてもよい。
【００８２】
次に本発明の第３の実施の形態を図面に基づいて説明する。第３の実施の形態における荷重検出装置１００は、図１６〜図１８に示すように、外周面が真円をなす円筒状の起歪体２１１を有しており、起歪体２１１の軸方向（荷重が作用する荷重軸Ｘ０方向と直交する方向）の両側には、真円状の第１凹部２０１が外周面と同心的に設けられ、これによって、起歪体２１１の軸方向の中央部には板厚ｔ１の第１平面部２０２が形成され、起歪体２１１の両端部には肉厚ｄの円筒部２０５が形成されている。両第１凹部２０１の中心部には、長円形もしくは長方形の第２凹部２０３がそれぞれ設けられ、これによって、第１平面部２０２の中央部に第１平面部２０２の板厚ｔ１より薄い板厚ｔ２の第２平面部２０４を形成している。
【００８３】
このように、起歪体２１１に、真円状の第１凹部２０１と長円形もしくは長方形の第２凹部２０３を設けたことにより、凹部周辺の第１平面部２０２の板厚ｔ１より、凹部中央の第２平面部２０４の板厚ｔ２を薄くするとともに、凹部中央の第２平面部２０４の荷重軸方向の長さＬ２を、それに垂直な荷重軸垂直方向の長さＬ１より長くしている。凹部中央の第２平面部２０４により、長円形（長方形）の薄肉平面からなる歪検出部２１５が、荷重軸方向および荷重軸垂直方向に平行に構成されている。
【００８４】
起歪体２１１の荷重軸方向の両端部には、ロッド部１７、１８が溶接やねじ、圧入などによって一体的に連結されている。ロッド部１７、１８は、その中心が、起歪体２１１の中心に一致し、かつ起歪体２１１の軸方向中央部（第２平面部２０４）に一致する位置に配置されている。これにより、ロッド部１７、１８の一方に、例えば圧縮荷重が入力されると、図１９に示すように、入力された圧縮荷重に応じて歪検出部２１５（第２平面部２０４）には、荷重軸方向に圧縮歪が、荷重軸垂直方向に引張歪が生起される。
【００８５】
第２平面部２０４（歪検出部２１５）の片面には、歪検出部２１５に生ずる圧縮歪および引張歪を検出する複数の歪検出素子（歪ゲージ）ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２からなる歪検出手段２２３が荷重軸Ｘ０に対称に設けられている。荷重軸方向の圧縮歪を検出する歪検出素子ａ１、ａ２と、荷重軸垂直方向の引張歪を検出する歪検出素子ｂ１、ｂ２によって、第１の実施の形態の図４で述べたと同様なブリッジ回路ＢＣが構成される。これにより、歪検出部２１５に圧縮歪と引張歪が生ずると、歪検出素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は圧縮歪および引張歪に応じてそれぞれ抵抗値が変化し、その抵抗値変化に応じた出力電圧が増幅器２７（図４参照）より出力される。
【００８６】
なお、歪検出手段２２３の配置は上記したように、第２平面部２０４（歪検出部２１５）の片面にのみ配置するものに限定するものではなく、第２平面部２０４の両面に配置してもよく、また、長円形もしくは長方形の第２凹部２０３は、第１凹部２０１の片側にのみ設けるようにしてもよい。歪検出手段２２３を第２平面部２０４（歪検出部２１５）の両面に配置し、第２平面部２０４の両面で検出した歪を加算することにより、出力を倍増することができるとともに、第２平面部２０４の法線方向に荷重軸から偏った偏荷重が生ずる場合においても、偏荷重の影響を小さくすることができる。
【００８７】
また、歪検出素子ａ１〜ａ４の貼付位置は、必ずしも荷重軸Ｘ０に対して対称に設ける必要はないが、荷重軸Ｘ０に対称に設けることで、入力される荷重が、凹部中央の第２平面部２０４を含む面内で荷重軸Ｘ０に対し偏った偏荷重となった場合でも、偏荷重による検出誤差の発生を抑制できる。
【００８８】
すなわち、入力される荷重が、凹部中央の第２平面部２０４を含む面内で荷重軸Ｘ０に対し偏った偏荷重となると、偏った側の歪が大きくなり、反対側の歪は小さくなるが、ブリッジ回路ＢＣにより偏荷重の影響はキャンセルされるため、偏荷重による検出誤差を排除できる。
【００８９】
次に、起歪体２１１の各部の形状寸法を変化させた場合の検出感度の影響について説明する。なお、以下においては、図１７、図１８に示すように、外径寸法Ｄ１＝３０ｍｍ、軸方向寸法Ｗ＝１８ｍｍ、円筒部２０５の肉厚ｄ＝３ｍｍ、凹部周辺の第１平面部２０２の板厚ｔ１＝３ｍｍ、ロッド部１７、１８の外径Ｄ２＝１０ｍｍからなる起歪体２１１を製作し、凹部中央の第２平面部２０４の荷重軸垂直方向の長さＬ１と、荷重軸方向の長さＬ２との長さ比（Ｌ１／Ｌ２）、ならびに凹部中央の第２平面部２０４の板厚ｔ２を変化させた場合に、凹部中央の第２平面部２０４で発生する歪の大きさ比への影響について検証した。
【００９０】
凹部中央の第２平面部２０４の荷重軸方向の剛性は、主に凹部中央の第２平面部２０４の荷重軸垂直方向の長さＬ１によって決まり、荷重軸垂直方向の剛性は、主に凹部中央の第２平面部２０４の荷重軸方向の長さＬ２によって決まる。ここで、長さＬ１より長さＬ２を長くすることで、荷重軸方向の剛性より荷重軸垂直方向の剛性のほうが低くなり、荷重軸垂直方向への変形が助長される。
【００９１】
図２０に示すグラフＡ３１、Ａ３２、Ａ３３は、凹部中央の第２平面部２０４の板厚ｔ２を、第１平面部２０２の板厚ｔ１に対して、それぞれ１／１２倍（０．２５ｍｍ）、１／６倍（０．５ｍｍ）、１／３倍（１ｍｍ）に変化させた場合の、第２平面部２０４の長さ比（Ｌ１／Ｌ２）に対する第２平面部２０４の荷重軸方向の発生歪と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を示したものである。
【００９２】
図２０に示すように、第２平面部２０４の長さ比（Ｌ１／Ｌ２）を１より小さくしていくと、荷重軸方向の発生歪の大きさと荷重軸垂直方向の発生歪の大きさの差が徐々に小さくなっていき、ついには逆転する傾向となる。荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比が１のとき（｜荷重軸方向発生歪｜＝｜荷重軸垂直方向発生歪｜）、荷重検出装置１００の感度は最大となるので、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比が１となる形状に起歪体２１１を構成することにより、高感度な荷重検出装置１００を実現できる。
【００９３】
なお、凹部中央の第２平面部２０４の板厚ｔ２の値に係らず、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比を１に近づけることが確認できた。この場合、凹部中央の第２平面部２０４の長さ比（Ｌ１／Ｌ２）は、０．４〜０７が好適である。また、凹部板厚が凹部周辺と凹部中央に係らず０．５ｍｍで一定とした場合、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさ比は約０．８１であったことが確認できた。
【００９４】
上記したように、凹部周辺の第１平面部２０２の板厚ｔ１より凹部中央の第２平面部２０４の板厚ｔ２を薄く形成したことにより、ロッド１７（１８）に荷重が入力されると、凹部周辺と凹部中央で板厚が一定の場合に比べ、凹部中央の第２平面部２０４へ応力が集中する。凹部周辺の第１平面部２０２の板厚ｔ１と凹部中央の第２平面部２０４の板厚ｔ２との板厚比を調整することで、歪検出手段２２３が配置された凹部中央への応力集中度合いを容易に調整することができる。また、歪検出部２２３が起歪体２１１における最弱部となるよう設計することも容易になるため、応力集中部と歪検出部２２３での歪量の差をなくす（応力集中部での歪量＝歪検出部２２３での歪量）ことができ、相対的な感度低下を避けることができる。
【００９５】
このように、第３の実施の形態においては、凹部中央に、凹部周辺の板厚（ｔ１）よりも薄い板厚（ｔ２）の平面部（第２平面部）２０４を設け、この平面部２０４の荷重軸方向長さ（Ｌ２）を荷重軸垂直方向長さ（Ｌ１）より長くし、凹部中央の平面部２０４を歪検出部２１５として、荷重軸方向と荷重軸垂直方向の歪を検出できるよう歪検出手段２２３を設けたものである。
【００９６】
第３の実施の形態によれば、歪検出部２１５となる凹部中央の第２平面部２０４の長さ比（Ｌ１／Ｌ２）を適切に設定することにより、歪検出部２１５に発生する荷重軸方向の発生歪と荷重軸垂直方向の発生歪の大きさを近づけるように、歪検出部２２３の荷重軸方向の剛性と荷重軸垂直方向の剛性とを異ならせることができるので、第１の実施の形態で述べたと同様に、高剛性の起歪体２１１によって起歪体２１１に加えられた荷重を高感度に検出することができる。
【００９７】
しかも、第３の実施の形態によれば、歪検出部２１５を凹部２０１の中央に集めることができるので、起歪体２１１および起歪体周囲の温度勾配による検出誤差の影響を受けにくい利点もある。
【００９８】
図２１は起歪体２１１に入力される荷重が引張となった場合を示すもので、凹部中央の第２平面部２０４には、荷重軸方向に引張歪が、荷重軸垂直方向に圧縮歪が生じ、歪検出部２１５に設けた歪検出手段２２３（図１６参照）により、引張荷重を高感度に検出できる。
【００９９】
また、図２２に示すように、入力される荷重が第２平面部２０４を含む面内で、対象軸（荷重軸）から偏った偏荷重となると、偏った側の歪が大きくなり、反対側の歪は小さくなるが、凹部中央の歪はほとんど変化しないため、偏荷重による検出誤差はほとんど生じない。
【０１００】
さらに、図２３に示すように、凹部中央の第２平面部２０４の法線方向に対象軸（荷重軸）から偏った偏荷重が生ずる場合は、第２平面部２０４の両面で歪検出を行うことで、偏荷重の影響をキャンセルできる。
【０１０１】
起歪体２１１が荷重軸に対して対称に形成され、円筒部２０５の軸方向の長さが十分ある場合には、凹部中央の第２平面部２０４はほぼ中立線に相当するので、偏荷重により生ずる第２平面部２０４の曲げモーメントは非常に小さくなり、第２平面部２０４の片面で歪を検出するようにしても、偏荷重による誤差をほとんど生じない。従って、第２平面部２０４の法線方向の偏荷重がほとんど生じない場合、第２平面部２０４の片面での歪を検出するようにしても問題ない。
【０１０２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明に係る荷重検出装置は、自動車のブレーキペダルに加えられた踏力等を検出するものに用いるのに適している。
【符号の説明】
【０１０４】
１０、１００…荷重検出装置、１１、１１１、２１１…起歪体、１３、１４、２０１、２０３…凹部、１５、２１５…歪検出部、１７、１８…ロッド部、２１…第２肉厚部、２２…第１肉厚部、２３、２２３…歪検出手段、３０…ブレーキペダル、３１…マスタピストン、２０２、２０４…平面部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重が作用する荷重軸方向に沿って配置された起歪体を有する荷重検出装置であって、
前記起歪体は、
前記荷重軸方向の剛性と該荷重軸方向に垂直な荷重軸垂直方向の剛性とが異なるように、前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向の端部より凹部を形成することにより、該凹部の底部に前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向に平行に形成され、前記荷重軸方向に加えられる荷重によって前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む平面状の歪検出部と、
前記歪検出部の少なくとも片面に配置され前記歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段と、
を有する荷重検出装置。
【請求項２】
荷重が作用する荷重軸方向に沿って配置された起歪体を有する荷重検出装置であって、
前記起歪体は、
前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向の両端部より前記起歪体の外面形状と異なる内面形状の凹部を形成することにより、これら凹部の底部に前記荷重軸方向およびそれに垂直な荷重軸垂直方向に平行に形成され、前記荷重軸方向に加えられる荷重によって前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む薄肉平面状の歪検出部と、
前記凹部の周囲に設けられ前記荷重軸方向に平行な方向に厚さを有する第１肉厚部と、前記荷重軸方向に垂直な方向でかつ前記歪検出部の平面と平行な方向に厚さを有し前記第１肉厚部の厚さよりも厚くした第２肉厚部と、
前記歪検出部の少なくとも片面に配置され前記歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段と、
を有する荷重検出装置。
【請求項３】
請求項２において、前記第１肉厚部の断面積と前記第２肉厚部の断面積の比を、１：１．５〜２．５とした荷重検出装置。
【請求項４】
請求項３において、前記第２肉厚部の厚さ寸法に対する歪検出部の板厚の寸法を、１／１０〜１／５倍とした荷重検出装置。
【請求項５】
請求項３において、前記第２肉厚部の厚さ寸法に対する前記起歪体の外径の寸法を、４〜８倍とした荷重検出装置。
【請求項６】
請求項２ないし請求項５のいずれか１項において、前記起歪体の外面形状を真円形状とし、前記凹部の内面形状を長円形状とすることにより、前記第２肉厚部の厚さよりも前記第１肉厚部の厚さを薄くした荷重検出装置。
【請求項７】
請求項２ないし請求項５のいずれか１項において、前記起歪体の外面形状を長円形状とし、前記凹部の内面形状を真円形状とすることにより、前記第２肉厚部の厚さよりも前記第１肉厚部の厚さを薄くしたことを特徴とする荷重検出装置。
【請求項８】
荷重が作用する荷重軸方向に沿って配置された起歪体を有する荷重検出装置であって、
前記起歪体は、
凹部周辺の平面部の板厚より凹部中央の平面部の板厚が薄く、凹部中央の平面部の荷重軸方向長さが荷重軸垂直方向長さより長くなるように、前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向に凹部を形成することにより、前記凹部中央に前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向に平行に形成され、前記荷重軸方向に加えられる荷重によって前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む歪検出部と、
前記歪検出部の少なくとも片面に配置され前記歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段と、
を有する荷重検出装置。
【請求項９】
請求項８において、前記起歪体の外面形状を真円形状とし、前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向の両端部より真円状の第１凹部を形成し、該第１凹部の中央に長方形もしくは長円形の第２凹部を形成することにより、前記荷重軸方向の剛性より前記荷重軸垂直方向の剛性を低下させた平面部を形成した荷重検出装置。
【請求項１０】
請求項９において、前記平面部の板厚を、凹部周辺の平面部の板厚の１／１２〜１／３倍とした荷重検出装置。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項において、前記歪検出手段を前記歪検出部の中央部の両側の面に配置したことを特徴とする荷重検出装置。
【請求項１】
荷重が作用する荷重軸方向に沿って配置された起歪体を有する荷重検出装置であって、
前記起歪体は、
前記荷重軸方向の剛性と該荷重軸方向に垂直な荷重軸垂直方向の剛性とが異なるように、前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向の端部より凹部を形成することにより、該凹部の底部に前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向に平行に形成され、前記荷重軸方向に加えられる荷重によって前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む平面状の歪検出部と、
前記歪検出部の少なくとも片面に配置され前記歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段と、
を有する荷重検出装置。
【請求項２】
荷重が作用する荷重軸方向に沿って配置された起歪体を有する荷重検出装置であって、
前記起歪体は、
前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向の両端部より前記起歪体の外面形状と異なる内面形状の凹部を形成することにより、これら凹部の底部に前記荷重軸方向およびそれに垂直な荷重軸垂直方向に平行に形成され、前記荷重軸方向に加えられる荷重によって前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む薄肉平面状の歪検出部と、
前記凹部の周囲に設けられ前記荷重軸方向に平行な方向に厚さを有する第１肉厚部と、前記荷重軸方向に垂直な方向でかつ前記歪検出部の平面と平行な方向に厚さを有し前記第１肉厚部の厚さよりも厚くした第２肉厚部と、
前記歪検出部の少なくとも片面に配置され前記歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段と、
を有する荷重検出装置。
【請求項３】
請求項２において、前記第１肉厚部の断面積と前記第２肉厚部の断面積の比を、１：１．５〜２．５とした荷重検出装置。
【請求項４】
請求項３において、前記第２肉厚部の厚さ寸法に対する歪検出部の板厚の寸法を、１／１０〜１／５倍とした荷重検出装置。
【請求項５】
請求項３において、前記第２肉厚部の厚さ寸法に対する前記起歪体の外径の寸法を、４〜８倍とした荷重検出装置。
【請求項６】
請求項２ないし請求項５のいずれか１項において、前記起歪体の外面形状を真円形状とし、前記凹部の内面形状を長円形状とすることにより、前記第２肉厚部の厚さよりも前記第１肉厚部の厚さを薄くした荷重検出装置。
【請求項７】
請求項２ないし請求項５のいずれか１項において、前記起歪体の外面形状を長円形状とし、前記凹部の内面形状を真円形状とすることにより、前記第２肉厚部の厚さよりも前記第１肉厚部の厚さを薄くしたことを特徴とする荷重検出装置。
【請求項８】
荷重が作用する荷重軸方向に沿って配置された起歪体を有する荷重検出装置であって、
前記起歪体は、
凹部周辺の平面部の板厚より凹部中央の平面部の板厚が薄く、凹部中央の平面部の荷重軸方向長さが荷重軸垂直方向長さより長くなるように、前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向に凹部を形成することにより、前記凹部中央に前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向に平行に形成され、前記荷重軸方向に加えられる荷重によって前記荷重軸方向および前記荷重軸垂直方向にそれぞれ歪む歪検出部と、
前記歪検出部の少なくとも片面に配置され前記歪検出部に発生する圧縮歪および引張歪を検出する歪検出素子からなる歪検出手段と、
を有する荷重検出装置。
【請求項９】
請求項８において、前記起歪体の外面形状を真円形状とし、前記起歪体に前記荷重軸方向と直交する方向の両端部より真円状の第１凹部を形成し、該第１凹部の中央に長方形もしくは長円形の第２凹部を形成することにより、前記荷重軸方向の剛性より前記荷重軸垂直方向の剛性を低下させた平面部を形成した荷重検出装置。
【請求項１０】
請求項９において、前記平面部の板厚を、凹部周辺の平面部の板厚の１／１２〜１／３倍とした荷重検出装置。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項において、前記歪検出手段を前記歪検出部の中央部の両側の面に配置したことを特徴とする荷重検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１２−７３２４４（Ｐ２０１２−７３２４４Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８８８８１（Ｐ２０１１−１８８８８１）
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
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