JP7193799B2

JP7193799B2 - Load measuring device and load measuring method

Info

Publication number: JP7193799B2
Application number: JP2018218355A
Authority: JP
Inventors: 賢治天谷; 裕喜中川; 正則井上; 敏孝泉原; 陽介宮原
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2022-12-21
Anticipated expiration: 2038-11-21
Also published as: JP2020085592A

Description

本発明は、荷重を計測する１つ又はそれ以上のセンサを有する荷重計測装置および荷重計測方法に関する。 The present invention relates to a load measuring device and a load measuring method having one or more sensors for measuring loads.

例えば、車両等に搭載されるブレーキシステムを開発する場合には、ブレーキを構成するディスクロータの面と、摩擦材との間に働く力の分布状況を正しく把握することが重要である。したがって、ディスクロータと摩擦材との接触面における圧力分布を計測するために、荷重計測装置が用いられる。また、このような用途で用いられる荷重計測装置において、センサとして歪みゲージが採用されている。 For example, when developing a brake system to be mounted on a vehicle or the like, it is important to correctly grasp the distribution of force acting between the surface of the disc rotor that constitutes the brake and the friction material. Therefore, a load measuring device is used to measure the pressure distribution on the contact surface between the disk rotor and the friction material. Moreover, strain gauges are employed as sensors in load measuring devices used for such applications.

一方、例えば特許文献１および特許文献２は、音叉振動子を備えた荷重検出センサを開示している。これらの荷重検出センサは、音叉振動子の２枚の平行に配置した振動片の振動数が荷重測定端間に作用する荷重に応じて変化することを利用して荷重を検出している。また、荷重検出センサは、電磁コイルにより磁力を作用させて振動片の吸引、解除を繰り返し、振動を発生させる。発生した振動は、圧電素子を用いて電気信号に変換される。したがって、荷重検出センサは、圧電素子が出力する電気信号の振動数により荷重を把握できる。 On the other hand, for example, Patent Literature 1 and Patent Literature 2 disclose a load detection sensor provided with a tuning fork vibrator. These load detection sensors detect the load by utilizing the fact that the frequency of the two vibrating bars of the tuning fork vibrator arranged in parallel changes according to the load acting between the load measuring ends. Also, the load detection sensor repeats the attraction and release of the vibrating bars by applying a magnetic force from an electromagnetic coil to generate vibration. The generated vibration is converted into an electrical signal using a piezoelectric element. Therefore, the load detection sensor can grasp the load from the frequency of the electric signal output by the piezoelectric element.

特開２００９－１９２２８６号公報JP 2009-192286 A 特開２０１８－１２８４３８号公報JP 2018-128438 A

荷重計測装置を利用してブレーキのディスクロータと摩擦材との接触面における圧力分布を計測する場合には、通常は多数の歪みゲージをディスクロータ上に設置する必要がある。そのため、以下の（１）～（３）に示すような課題があった。 When using a load measuring device to measure the pressure distribution on the contact surface between the disc rotor and the friction material of the brake, it is usually necessary to install a large number of strain gauges on the disc rotor. Therefore, there are problems as shown in (1) to (3) below.

（１）各歪みゲージから電線でブレーキの外側に電気信号を取り出して計測することになるので、歪みゲージの数が多い場合には多数の電線の接続および引き回しが生じる。
（２）ディスクロータ上の多数の歪みゲージが多数の電線で外側の装置と接続されているため、計測中はディスクロータを高速で回転させることができない。
（３）歪みゲージが熱に弱いので、ディスクロータが高温になるような高負荷の環境では計測ができない。 (1) Since the electric signal is taken out from each strain gauge to the outside of the brake by an electric wire and measured, a large number of electric wires are connected and routed when the number of strain gauges is large.
(2) Since many strain gauges on the disk rotor are connected to an external device by many electric wires, the disk rotor cannot be rotated at high speed during measurement.
(3) Since strain gauges are vulnerable to heat, measurement cannot be performed in a high-load environment where the disk rotor becomes hot.

一方、例えば特許文献１および特許文献２に示される荷重検出センサを利用する場合であっても、音叉振動子を振動させるために、電磁コイルにより磁力を作用させて振動片の吸引、解除を繰り返す必要がある。つまり、電磁コイルに電力を供給する電線を荷重検出センサに接続しなければならない。更に、振動片の振動を検知する圧電素子から電気信号を取り出すために、電線を接続しなければならない。したがって、上記（１）および（２）の課題を解決できなかった。 On the other hand, even when the load detection sensors disclosed in Patent Documents 1 and 2, for example, are used, in order to vibrate the tuning fork vibrator, a magnetic force is applied by an electromagnetic coil to repeatedly attract and release the vibrating bars. There is a need. In other words, the wire that supplies power to the electromagnetic coil must be connected to the load detection sensor. Furthermore, an electric wire must be connected in order to extract an electric signal from the piezoelectric element that detects the vibration of the vibrating reed. Therefore, the above problems (1) and (2) could not be solved.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサを可動部位に取り付ける場合の取り付けが容易で、且つ可動部位の動きに影響を与えにくくすることが可能な荷重計測装置および荷重計測方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the circumstances described above, and an object of the present invention is to provide a load measuring device that is easy to attach when attaching a sensor to a movable part and that is less likely to affect the movement of the movable part. An object of the present invention is to provide an apparatus and a load measuring method.

前述した目的を達成するために、本発明に係る荷重計測装置および荷重計測方法は、下記（１）～（６）を特徴としている。
（１）荷重を計測する１つ又はそれ以上のセンサを有する荷重計測装置であって、
前記センサが、
印加される前記荷重によって振動数が変化する振動体と、
空気室と、
前記空気室と前記センサの外側とを連通する空気流入路であって前記センサの外側から前記空気室内に空気流として空気を送り込むための空気流入路と、
前記空気室と前記センサの外側とを連通する空気流出路であって前記空気室内に送り込まれた前記空気を前記センサの外側へ流出させるための空気流出路と、
を備え、
前記振動体は、板厚方向に振動可能な細長の薄板状の形状を有し、
前記振動体は、前記板厚方向の一側面が前記空気流出路の前記空気室内側の開口と微小隙間を介して対向配置されるように、前記空気室内に配置されており、
前記空気流入路を介して前記空気流として前記空気を前記空気室内に送り込み、且つ、前記空気流出路を介して前記空気室内に送り込まれた前記空気を前記センサの外側へ流出させることで前記振動体の振動を誘発し、前記振動体が荷重に応じた振動数の振動を発する、
ことを特徴とする荷重計測装置。 In order to achieve the above object, a load measuring device and a load measuring method according to the present invention are characterized by the following (1) to (6).
(1) A load measuring device having one or more sensors for measuring load,
the sensor
a vibrating body whose frequency changes according to the applied load;
an air chamber;
an air inflow passage communicating between the air chamber and the outside of the sensor, the air inflow passage for feeding air from the outside of the sensor into the air chamber as an air flow;
an air outflow path communicating between the air chamber and the outside of the sensor, the air outflow path for causing the air sent into the air chamber to flow out of the sensor;
with
The vibrating body has an elongated thin plate-like shape that can vibrate in the plate thickness direction,
The vibrating body is arranged in the air chamber such that one side surface in the plate thickness direction faces an opening of the air outflow path on the inside of the air chamber with a minute gap therebetween,
The air is sent into the air chamber as the air flow through the air inflow path, and the air sent into the air chamber through the air outflow path is discharged to the outside of the sensor, thereby causing the vibration. inducing vibration of the body, wherein the vibrating body emits a vibration with a frequency corresponding to the load;
A load measuring device characterized by:

上記（１）の構成の荷重計測装置によれば、通路を介して振動体へ供給される流体の流れに起因して振動体に振動が発生する。ここで発生する振動の周波数は、振動体の固有振動数であり、振動体に印加される荷重に応じて変動する。したがって、振動体の振動の周波数に基づき荷重の大きさを把握できる。しかも、振動体に振動を発生させるために電磁コイルを使う必要がないのでその配線が不要になる。更に、振動体が荷重に応じた振動数の音などを発生するので、振動数を計測するために振動体に圧電素子を設置する必要がなく、その配線も不要になる。したがって、例えばブレーキのディスクロータと摩擦材との接触面における圧力分布を計測する場合には、ディスクロータ上のセンサに配線を接続する必要がなくなり、ディスクロータを高速回転させながら計測することも可能になる。 According to the load measuring device having the configuration (1) above, the vibrating body vibrates due to the flow of the fluid supplied to the vibrating body through the passage. The frequency of the vibration generated here is the natural frequency of the vibrating body, and varies according to the load applied to the vibrating body. Therefore, the magnitude of the load can be grasped based on the frequency of vibration of the vibrating body. Moreover, since there is no need to use an electromagnetic coil to generate vibrations in the vibrating body, the wiring becomes unnecessary. Furthermore, since the vibrating body generates sound with a frequency corresponding to the load, there is no need to install a piezoelectric element on the vibrating body for measuring the frequency, and wiring therefor is also unnecessary. Therefore, for example, when measuring the pressure distribution on the contact surface between the disc rotor and the friction material of a brake, there is no need to connect wires to the sensor on the disc rotor, and it is possible to measure while rotating the disc rotor at high speed. become.

（２）前記センサとして、少なくとも第１センサと第２センサとを備え、
前記第１センサにおける前記振動体の第１の振動数と、前記第２センサにおける前記振動体の第２の振動数との比率が、整数倍からずれた状態に定めてある、
ことを特徴とする上記（１）に記載の荷重計測装置。 (2) comprising at least a first sensor and a second sensor as the sensors;
A ratio between a first frequency of the vibrating body in the first sensor and a second frequency of the vibrating body in the second sensor is set to be deviated from an integer multiple,
The load measuring device according to (1) above, characterized in that:

上記（２）の構成の荷重計測装置によれば、複数のセンサがそれぞれ出力する音などの信号を周波数の違いにより分離することが容易になる。特に、複数の振動体の振動数の比率が、整数倍からずれた状態に定めてあるので、各振動波形が整数倍の振動周波数成分を多く含む場合であっても、複数の振動体の振動周波数成分が重なるのを避けることができ、それらの分離が容易になる。 According to the load measuring device having the configuration (2) above, it becomes easy to separate the signals such as sounds output by the plurality of sensors according to the difference in frequency. In particular, since the ratio of the vibration frequencies of the plurality of vibrating bodies is determined to deviate from an integer multiple, even if each vibration waveform contains many vibration frequency components of an integral multiple, the vibration of the plurality of vibrating bodies Overlapping of frequency components can be avoided, making their separation easier.

（３）前記センサの振動体の振動数が、２０Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲内に定めてある、
ことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の荷重計測装置。 (3) the vibration frequency of the vibrating body of the sensor is set within the range of 20 Hz to 50 kHz;
The load measuring device according to the above (1) or (2), characterized by:

上記（３）の構成の荷重計測装置によれば、実用的な振動体を利用することが可能になる。すなわち、振動数を２０Ｈｚ以上に定めることで振動体の大型化を避けることができ、振動数を５０ｋＨｚ以下に定めることで振動体の加工が困難になるのを避けることができる。また、振動体から発生する音などの検出も容易になる。 According to the load measuring device having the configuration (3) above, it is possible to use a practical vibrating body. That is, by setting the frequency to 20 Hz or more, it is possible to avoid an increase in the size of the vibrating body, and by setting the frequency to 50 kHz or less, it is possible to avoid difficulty in processing the vibrating body. In addition, it becomes easy to detect the sound generated from the vibrating body.

（４）１つ又はそれ以上の上記（１）に記載の荷重計測装置が有する前記センサを用いて荷重を計測するための荷重計測方法であって、
前記空気流入路を介して前記空気流として前記空気を前記空気室内に送り込み、且つ、前記空気流出路を介して前記空気室内に送り込まれた前記空気を前記センサの外側へ流出させることで前記振動体の振動を誘発し、前記振動体が荷重に応じた振動数の振動を発する、
ことを特徴とする荷重計測方法。 (4) A load measuring method for measuring a load using the sensor included in one or more of the load measuring devices according to (1) above, comprising :
The air is sent into the air chamber as the air flow through the air inflow path, and the air sent into the air chamber through the air outflow path is discharged to the outside of the sensor, thereby causing the vibration. inducing vibration of the body, wherein the vibrating body emits a vibration with a frequency corresponding to the load;
A load measuring method characterized by:

上記（４）の構成の荷重計測方法によれば、通路を介して振動体へ供給される流体の流れに起因して振動体に振動が発生する。ここで発生する振動の周波数は、振動体の固有振動数であり、振動体に印加される荷重に応じて変動する。したがって、振動体の振動の周波数に基づき荷重の大きさを把握できる。しかも、振動体に振動を発生させるために電磁コイルを使う必要がないのでその配線が不要になる。更に、振動体が荷重に応じた振動数の音などを発生するので、振動数を計測するために振動体に圧電素子を設置する必要がなく、その配線も不要になる。したがって、例えばブレーキのディスクロータと摩擦材との接触面における圧力分布を計測する場合には、ディスクロータ上のセンサに配線を接続する必要がなくなり、ディスクロータを高速回転させながら計測することも可能になる。 According to the load measuring method having the configuration (4) above, the vibrating body vibrates due to the flow of the fluid supplied to the vibrating body through the passage. The frequency of the vibration generated here is the natural frequency of the vibrating body, and varies according to the load applied to the vibrating body. Therefore, the magnitude of the load can be grasped based on the frequency of vibration of the vibrating body. Moreover, since there is no need to use an electromagnetic coil to generate vibrations in the vibrating body, the wiring becomes unnecessary. Furthermore, since the vibrating body generates sound with a frequency corresponding to the load, there is no need to install a piezoelectric element on the vibrating body for measuring the frequency, and wiring therefor is also unnecessary. Therefore, for example, when measuring the pressure distribution on the contact surface between the disc rotor and the friction material of a brake, there is no need to connect wires to the sensor on the disc rotor, and it is possible to measure while rotating the disc rotor at high speed. become.

（５）前記センサとして、少なくとも第１センサと第２センサとを用意すると共に、
前記第１センサにおける前記振動体の第１の振動数と、前記第２センサにおける前記振動体の第２の振動数との比率を整数倍からずれた状態に定める、
ことを特徴とする上記（４）に記載の荷重計測方法。 (5) preparing at least a first sensor and a second sensor as the sensors;
setting the ratio between the first frequency of the vibrating body in the first sensor and the second frequency of the vibrating body in the second sensor to be deviated from an integer multiple;
The load measuring method according to (4) above, characterized in that:

上記（５）の構成の荷重計測方法によれば、複数のセンサがそれぞれ出力する音などの信号を周波数の違いにより分離することが容易になる。特に、複数の振動体の振動数の比率が、整数倍からずれた状態に定めてあるので、各振動波形が整数倍の振動周波数成分を多く含む場合であっても、複数の振動体の音の周波数成分が重なるのを避けることができ、それらの分離が容易になる。 According to the load measuring method having the configuration (5) above, it becomes easy to separate the signals such as sounds output by the plurality of sensors according to the difference in frequency. In particular, since the ratio of the vibration frequencies of the plurality of vibrating bodies is determined to deviate from an integer multiple, even if each vibration waveform contains many vibration frequency components of an integral multiple, the sound of the plurality of vibrating bodies frequency components can be avoided from overlapping, facilitating their separation.

（６）前記センサの振動体の振動数を、２０Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲内に制限する、
ことを特徴とする、上記（４）又は（５）に記載の荷重計測方法。 (6) limiting the vibration frequency of the vibrating body of the sensor to within the range of 20 Hz to 50 kHz;
The load measuring method according to (4) or (5) above, characterized in that:

上記（６）の構成の荷重計測方法によれば、実用的な振動体を利用することが可能になる。すなわち、振動数を２０Ｈｚ以上に定めることで振動体の大型化を避けることができ、振動数を５０ｋＨｚ以下に定めることで振動体の加工が困難になるのを避けることができる。また、振動体から発生する音などの検出も容易になる。 According to the load measuring method having the configuration (6) above, it is possible to use a practical vibrating body. That is, by setting the frequency to 20 Hz or more, it is possible to avoid an increase in the size of the vibrating body, and by setting the frequency to 50 kHz or less, it is possible to avoid difficulty in processing the vibrating body. In addition, it becomes easy to detect the sound generated from the vibrating body.

本発明の荷重計測装置および荷重計測方法によれば、センサを可動部位に取り付ける場合の取り付けが容易で、且つ可動部位の動きに影響を与えにくくすることが可能である。すなわち、振動体の機械振動を誘発するために電磁コイルを用いる必要がなく、発生した機械振動を外側から非接触で検出できるので、可動部位やその近傍に配線を接続する必要がない。 According to the load measuring device and the load measuring method of the present invention, it is possible to easily attach the sensor to the movable part and to make it difficult to affect the movement of the movable part. That is, there is no need to use an electromagnetic coil to induce the mechanical vibration of the vibrating body, and the generated mechanical vibration can be detected from the outside without contact, so there is no need to connect wiring to the movable portion or its vicinity.

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。 The present invention has been briefly described above. Furthermore, the details of the present invention will be further clarified by reading the following detailed description of the invention (hereinafter referred to as "embodiment") with reference to the accompanying drawings. .

図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）、図１（ｄ）および図１（ｅ）は本発明の実施形態における荷重センサを表し、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ－Ｂ線断面図、図１（ｄ）は斜視図、図１（ｅ）は部分拡大断面図である。1(a), 1(b), 1(c), 1(d) and 1(e) show a load sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 1(a) being a front view; 1(b) is a cross-sectional view along the line AA in FIG. 1(a), FIG. 1(c) is a cross-sectional view along the line BB in FIG. 1(a), FIG. 1(d) is a perspective view, and FIG. e) is a partially enlarged sectional view. 図２は、図１（ａ）～図１（ｄ）に示した荷重センサに含まれる金属プレートを示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a metal plate included in the load sensor shown in FIGS. 1(a) to 1(d). 図３は、図１（ａ）～図１（ｄ）に示した荷重センサの一部分を示す分解斜視図である。FIG. 3 is an exploded perspective view showing a portion of the load sensor shown in FIGS. 1(a) to 1(d). 図４は、図１（ａ）～図１（ｄ）に示した荷重センサにおける空気の流れを示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing the flow of air in the load sensor shown in FIGS. 1(a) to 1(d). 図５は、金属プレートの振動板を通過する空気の流れを示す正面図である。FIG. 5 is a front view showing the flow of air passing through the metal plate diaphragm. 図６は、図１（ａ）～図１（ｄ）に示した荷重センサにおける負荷荷重－周波数特性の例を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing an example of load-frequency characteristics in the load sensors shown in FIGS. 1(a) to 1(d). 図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、および図７（ｄ）は、原理的な音発生部の構成を表す断面図であり、それぞれ同じ部位における異なる状態を表している。7(a), 7(b), 7(c), and 7(d) are cross-sectional views showing the principle configuration of the sound generating portion, and each showing a different state at the same portion. there is 図８（ａ）および図８（ｂ）は、自励振動する音叉梁の状態を示す正面図である。FIGS. 8(a) and 8(b) are front views showing the state of the tuning fork beam which self-oscillates. 図９（ａ）および図９（ｂ）は、振動板が発生する音の周波数スペクトルの例を表すグラフであり、図９（ａ）は荷重が最小の状態、図９（ｂ）は荷重が最大の状態をそれぞれ表す。9(a) and 9(b) are graphs showing examples of the frequency spectrum of the sound generated by the diaphragm. Each represents the maximum state. 図１０は、複数の荷重センサを利用したブレーキ圧力分布計測装置の構成例を示すブロック図である。FIG. 10 is a block diagram showing a configuration example of a brake pressure distribution measuring device using a plurality of load sensors.

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。 Specific embodiments relating to the present invention will be described below with reference to each drawing.

＜荷重センサの構成例＞
図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）、図１（ｄ）および図１（ｅ）は本発明の実施形態における荷重センサ１０の構成例を示し、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ－Ｂ線断面図、図１（ｄ）は斜視図、図１（ｅ）は図１（ｃ）における振動板１１ｄの近傍を示す部分拡大図である。また、この荷重センサ１０を構成する金属プレート１１全体の外観を図２に示し、荷重センサ１０の一部分を分解した状態を図３に示し、全体の空気の流れを図４に示し、振動板１１ｄ近傍の空気の流れを図５に示す。 <Configuration example of load sensor>
FIGS. 1(a), 1(b), 1(c), 1(d) and 1(e) show a configuration example of a load sensor 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1(a) is a front view, FIG. 1(b) is a cross-sectional view along the line AA of FIG. 1(a), FIG. 1(c) is a cross-sectional view along the line BB of FIG. 1(a), and FIG. 1(d) is a perspective view 1(e) is a partially enlarged view showing the vicinity of the diaphragm 11d in FIG. 1(c). 2 shows the appearance of the entire metal plate 11 that constitutes the load sensor 10, FIG. 3 shows a partially disassembled state of the load sensor 10, FIG. FIG. 5 shows the air flow in the vicinity.

図１（ａ）～図１（ｅ）に示すように、本実施形態の荷重センサ１０は、１枚の金属プレート１１をその厚み方向（Ｚ）の両側からハウジング部材１２、１３で挟み込み、図示しないねじで固定し一体化するように構成されている。ねじを固定する穴の位置で、金属プレート１１とハウジング部材１２、１３とを位置合わせできる。 As shown in FIGS. 1(a) to 1(e), the load sensor 10 of this embodiment includes a single metal plate 11 sandwiched between housing members 12 and 13 from both sides in the thickness direction (Z). It is configured to be fixed and integrated with screws that do not. The metal plate 11 and the housing members 12, 13 can be aligned at the locations of the holes for fixing the screws.

図２に示すように、金属プレート１１は、荷重受け部１１ａ、テコ１１ｂ、テコ支点１１ｃ、振動板１１ｄ、開口部１１ｅ等の部位を備えている。振動板１１ｄは、細長い薄板形状に形成され、振動して音源となるリードを構成する。また、振動板１１ｄは鋼板のように振動しやすい材料を用いて構成され、定常状態における固有振動数が事前に定めた規定値になるように製造される。振動板１１ｄは両持梁の構造を有している。尚、金属プレート１１の材料としては、鋼板などの金属に限らず、例えば樹脂を利用できる。また、振動板１１ｄは必ずしも板状でなくてよい。 As shown in FIG. 2, the metal plate 11 includes parts such as a load receiving portion 11a, a lever 11b, a lever fulcrum 11c, a diaphragm 11d, an opening 11e, and the like. The diaphragm 11d is formed in an elongated thin plate shape and constitutes a reed that vibrates and becomes a sound source. The diaphragm 11d is made of a material that easily vibrates, such as a steel plate, and is manufactured so that the natural frequency in a steady state is a predetermined specified value. The diaphragm 11d has a double-supported beam structure. The material of the metal plate 11 is not limited to metal such as steel plate, and for example, resin can be used. Also, the diaphragm 11d does not necessarily have to be plate-shaped.

金属プレート１１の荷重受け部１１ａに荷重が加わると、この力がテコ１１ｂを介して拡大され、振動板１１ｄに伝達される。これにより、振動板１１ｄの長手方向に対する引っ張り力、または圧縮力の荷重が発生する。後述するように、振動板１１ｄの固有振動数は、それに加わった荷重の大きさに応じて変動する。 When a load is applied to the load receiving portion 11a of the metal plate 11, this force is magnified via the lever 11b and transmitted to the diaphragm 11d. As a result, a load of tensile force or compressive force is generated in the longitudinal direction of the diaphragm 11d. As will be described later, the natural frequency of the diaphragm 11d fluctuates according to the magnitude of the load applied thereto.

振動板１１ｄを機械振動するためには、振動板１１ｄに力を加える必要がある。しかし、電磁コイルなどを利用する場合には、電源と電磁コイルとを接続する配線が必要になるため、回転する部位などの可動部位に取り付けることが難しい。そこで、本実施形態の荷重センサ１０は、空気等の気体の流れを利用して振動板１１ｄが振動するように構成されている。尚、気体の代わりに液体の流れを利用して振動板１１ｄを振動させてもよい。 In order to mechanically vibrate the diaphragm 11d, it is necessary to apply force to the diaphragm 11d. However, when an electromagnetic coil or the like is used, wiring is required to connect the power supply and the electromagnetic coil, so it is difficult to attach it to a movable part such as a rotating part. Therefore, the load sensor 10 of this embodiment is configured so that the vibration plate 11d vibrates using the flow of gas such as air. Note that the vibrating plate 11d may be vibrated using a flow of liquid instead of gas.

図１（ａ）～図１（ｅ）に示すように、ハウジング部材１２および１３は、それぞれ凹部１２ａ、１３ａを有し、これらの凹部１２ａ、１３ａが、開口部１１ｅにより連通し、金属プレート１１の周囲に空気室１４を形成している。また、ハウジング部材１２には、空気流路１５が形成されている。この空気流路１５は、円柱状の開口であり、ハウジング部材１２の外表面と凹部１２ａ側の空気室１４との間を連通している。したがって、図４に示すように、空気流路１５を利用して荷重センサ１０の外側から空気流１７として空気室１４内に空気を送り込むことができる。また、空気室１４内の空気は、隙間１６から空気流１８として流出することができる。 As shown in FIGS. 1(a) to 1(e), the housing members 12 and 13 have recesses 12a and 13a, respectively. An air chamber 14 is formed around the . An air flow path 15 is formed in the housing member 12 . The air flow path 15 is a cylindrical opening, and communicates between the outer surface of the housing member 12 and the air chamber 14 on the recess 12a side. Therefore, as shown in FIG. 4 , air can be sent into the air chamber 14 as an air flow 17 from the outside of the load sensor 10 using the air flow path 15 . Also, the air in the air chamber 14 can flow out through the gap 16 as an air flow 18 .

金属プレート１１の振動板１１ｄは、空気室１４の端部に配置してある。また、図１（ｃ）に示すように、空気室１４内と振動板１１ｄとの間に僅かな隙間１６が形成されており、図４および図５に示すように、この隙間１６を通って空気室１４内と荷重センサ１０の外部との間で空気が出入りできるように構成されている。 A diaphragm 11 d of the metal plate 11 is arranged at the end of the air chamber 14 . Further, as shown in FIG. 1(c), a slight gap 16 is formed between the air chamber 14 and the diaphragm 11d. Air can flow in and out between the inside of the air chamber 14 and the outside of the load sensor 10 .

図１（ａ）～図１（ｅ）に示した荷重センサ１０を実際に使用する場合には、適当な空気供給装置または空気吸引装置を用いて空気流路１５と空気室１４の間に空気などの気体を流通させる。これにより、図１（ｅ）や図５に示す空気流１８が振動板１１ｄの表側と裏側の両方に発生し、それに伴う差圧の影響で、振動板１１ｄにその固有振動数に対応する周波数で機械振動が発生する。また、振動板１１ｄの固有振動数は、荷重受け部１１ａに加わる荷重の大きさに応じて変動する。 When actually using the load sensor 10 shown in FIGS. 1(a) to 1(e), an appropriate air supply device or air suction device is used to separate air between the air flow path 15 and the air chamber 14. to circulate the gas such as As a result, the air flow 18 shown in FIG. 1(e) and FIG. 5 is generated on both the front side and the back side of the diaphragm 11d. mechanical vibration occurs. Also, the natural frequency of the diaphragm 11d varies according to the magnitude of the load applied to the load receiving portion 11a.

振動板１１ｄの固有振動数や、検出対象とする機械振動の高調波成分の周波数については、２０［Ｈｚ］以上、且つ５０［ｋＨｚ］以下の範囲内とする。したがって、振動板１１ｄに発生した機械振動が周囲の空気を振動させ、人間の可聴周波数範囲程度の音などの物理振動が発生する。 The natural frequency of the diaphragm 11d and the frequency of the harmonic component of the mechanical vibration to be detected are set within the range of 20 [Hz] or more and 50 [kHz] or less. Therefore, the mechanical vibration generated in the diaphragm 11d vibrates the surrounding air, and physical vibration such as sound within the human audible frequency range is generated.

ここで、発生する振動および検出対象の振動の周波数を２０［Ｈｚ］以上とすることにより、振動板１１ｄが大型化するのを避けることができ、外部からの振動ノイズの影響を避けることも容易になる。また、振動数を５０［ｋＨｚ］以下とすることにより、仕様に合わせた振動板１１ｄの製造が加工精度の観点から困難になるのを避けることができ、マイクロホンを用いた音の検出も容易になる。したがって、実用的な荷重センサ１０を実現できる。 Here, by setting the frequency of the generated vibration and the vibration to be detected to 20 [Hz] or more, it is possible to avoid the diaphragm 11d from increasing in size, and it is easy to avoid the influence of vibration noise from the outside. become. In addition, by setting the frequency to 50 [kHz] or less, it is possible to avoid difficulty in manufacturing the diaphragm 11d that meets the specifications from the viewpoint of processing accuracy, and it is possible to easily detect sound using a microphone. Become. Therefore, a practical load sensor 10 can be realized.

振動板１１ｄから発生した音の信号は、一般的なマイクロホンを用いて電気信号に変換することができる。発生した音の周波数が、荷重受け部１１ａに加わる荷重の大きさに対応するので、音の周波数から荷重の大きさを計測できる。 A sound signal generated from the diaphragm 11d can be converted into an electric signal using a general microphone. Since the frequency of the generated sound corresponds to the magnitude of the load applied to the load receiving portion 11a, the magnitude of the load can be measured from the frequency of the sound.

＜荷重センサの特性例＞
図１（ａ）～図１（ｅ）に示した荷重センサ１０における負荷荷重－周波数特性の例を図６に示す。図６において、横軸は荷重センサ１０の荷重受け部１１ａ又は振動板１１ｄに加わる負荷荷重（Tensile）［Ｎ］を表し、縦軸は振動板１１ｄに発生する機械振動の周波数（Frequency）［ｋＨｚ］を表す。 <Example of load sensor characteristics>
FIG. 6 shows an example of load-frequency characteristics of the load sensor 10 shown in FIGS. 1(a) to 1(e). In FIG. 6, the horizontal axis represents the load (Tensile) [N] applied to the load receiving portion 11a of the load sensor 10 or the diaphragm 11d, and the vertical axis represents the frequency (Frequency) [kHz] of the mechanical vibration generated in the diaphragm 11d. ] represents.

図６に示すように、荷重センサ１０に加わる荷重の大きさに応じて振動板１１ｄの機械振動の周波数が変動することが分かる。したがって、機械振動により生じた音の周波数から荷重の大きさを計測できる。音の振動は距離の離れた場所まで伝搬するので、荷重センサ１０から離れた位置で音を検出し荷重を計測することができる。したがって、非接触で計測が可能であり、計測対象の可動部位に配線を接続する必要もない。 As shown in FIG. 6, it can be seen that the frequency of the mechanical vibration of the diaphragm 11d fluctuates according to the magnitude of the load applied to the load sensor 10. FIG. Therefore, the magnitude of the load can be measured from the frequency of the sound generated by mechanical vibration. Since sound vibration propagates to a distant place, the sound can be detected and the load can be measured at a position distant from the load sensor 10 . Therefore, non-contact measurement is possible, and there is no need to connect wiring to the movable part to be measured.

＜振動原理の説明＞
自励振動を利用する原理的な音発生部４０の構成例を図７（ａ）～図７（ｄ）に示す。図７（ａ）～図７（ｄ）は、音叉梁４１の中央部分における断面構造を表している。また、自励振動する音叉梁４１を正面から視た状態を図８（ａ）および図８（ｂ）に示す。 <Explanation of vibration principle>
FIG. 7(a) to FIG. 7(d) show configuration examples of a principled sound generator 40 that utilizes self-excited vibration. 7(a) to 7(d) show the cross-sectional structure of the central portion of the tuning fork beam 41. FIG. 8(a) and 8(b) show a front view of the self-oscillating tuning fork beam 41. FIG.

図１（ａ）～図１（ｅ）に示した荷重センサ１０は、自励振動の原理を利用して振動板１１ｄを振動させる構造になっている。このような自励振動の原理は、例えばハーモニカにおいても利用されている。 The load sensor 10 shown in FIGS. 1(a) to 1(e) has a structure in which the vibration plate 11d is vibrated using the principle of self-excited vibration. Such a principle of self-excited vibration is also used, for example, in harmonica.

図７（ａ）～図７（ｄ）、図８（ａ）および図８（ｂ）に示した音発生部４０においては、音叉梁４１の両端がプレート４２で支持され、音叉梁４１は振動可能な状態になっている。音叉梁４１は、プレート４２の開口部４２ｂと対向する状態で配置されている。開口部４２ｂの幅は音叉梁４１の幅よりも僅かに大きい程度の寸法に形成されている。そのため、空気流４５が通過可能な隙間４２ａが、音叉梁４１とプレート４２との間に形成されている。また、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、音叉梁４１の一端に引張荷重４８が印加され、音叉梁４１はその厚み方向に振動する。 In the sound generator 40 shown in FIGS. 7(a) to 7(d), 8(a) and 8(b), both ends of the tuning fork beam 41 are supported by plates 42, and the tuning fork beam 41 vibrates. is in a possible state. The tuning fork beam 41 is arranged facing the opening 42 b of the plate 42 . The width of the opening 42 b is formed to be slightly larger than the width of the tuning fork beam 41 . Therefore, a gap 42 a through which the airflow 45 can pass is formed between the tuning fork beam 41 and the plate 42 . Also, as shown in FIGS. 8A and 8B, a tensile load 48 is applied to one end of the tuning fork beam 41, and the tuning fork beam 41 vibrates in its thickness direction.

図７（ａ）～図７（ｄ）、図８（ａ）および図８（ｂ）に示した音発生部４０は、空気の流れによる自励振動の原理を利用して音波振動４７を発生することを特徴としている。図７（ａ）～図７（ｄ）の例では、上から下に向かう空気流４５の流路４６がある。この流路４６は開口部４２ｂにあり、音叉梁４１の幅よりも少し大きい幅を有している。音叉梁４１は流路４６の入口に設置されている。図７（ａ）のように空気を上から流すと、この空気流４５は音叉梁４１と開口部４２ｂとの隙間４２ａを通って下に流れる。この空気は、隙間４２ａを通る際に減圧されるので、音叉梁４１のすぐ下に低圧領域４４が生じる。すると、音叉梁４１の上側は高圧領域４３であるので、音叉梁４１がその上下間の圧力差により下向きの力を受け、図７（ｂ）のように音叉梁４１が下方に変位する。そして、図７（ｃ）のように音叉梁４１が十分に下まで変位すると、隙間４２ａを流れる空気流４５の流量が減少し、音叉梁４１の上下間の圧力差が小さくなる。その結果、図７（ｄ）のように音叉梁４１はそれ自身の弾性復元力を受けて、元の位置に戻ろうとする。そして、音叉梁４１が元の位置に戻ると、再び図７（ａ）の状態に遷移し、上記と同じ動作を繰り返す。 The sound generator 40 shown in FIGS. 7(a) to 7(d), 8(a) and 8(b) generates sound wave vibration 47 using the principle of self-excited vibration caused by air flow. It is characterized by In the example of FIGS. 7(a)-7(d), there is a flow path 46 for the airflow 45 from top to bottom. This channel 46 is located at the opening 42b and has a width slightly larger than the width of the tuning fork beam 41. As shown in FIG. The tuning fork beam 41 is installed at the inlet of the channel 46 . When air flows from above as shown in FIG. 7A, this air flow 45 flows downward through the gap 42a between the tuning fork beam 41 and the opening 42b. Since this air is decompressed when passing through the gap 42 a , a low pressure region 44 is generated just below the tuning fork beam 41 . Then, since the upper side of the tuning fork beam 41 is the high pressure region 43, the tuning fork beam 41 receives a downward force due to the pressure difference between the upper and lower sides thereof, and the tuning fork beam 41 is displaced downward as shown in FIG. 7(b). When the tuning fork beam 41 is displaced sufficiently downward as shown in FIG. 7(c), the flow rate of the airflow 45 flowing through the gap 42a decreases, and the pressure difference between the upper and lower parts of the tuning fork beam 41 becomes smaller. As a result, as shown in FIG. 7(d), the tuning fork beam 41 receives its own elastic restoring force and attempts to return to its original position. Then, when the tuning fork beam 41 returns to its original position, it transits to the state shown in FIG. 7A again, and repeats the same operation as described above.

したがって、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように音叉梁４１が上下に撓みながら振動を繰り返す。つまり、外部から振動を加える必要はなく空気流４５により音叉梁４１が自励振動することになる。図８（ａ）の状態は、音叉梁４１の一端に加わる引張荷重４８が比較的大きい場合を想定しているので、この状態では音叉梁４１の振動周波数が高くなり、それに伴って発生する音波振動４７の周波数も高くなる。 Therefore, as shown in FIGS. 8(a) and 8(b), the tuning fork beam 41 repeatedly vibrates while bending vertically. In other words, the tuning fork beam 41 is self-excited by the air flow 45 without the need to apply vibration from the outside. Since the state of FIG. 8A assumes that the tensile load 48 applied to one end of the tuning fork beam 41 is relatively large, in this state, the vibration frequency of the tuning fork beam 41 becomes high, and the sound waves generated along with this increase. The frequency of vibration 47 also increases.

一方、図８（ｂ）の状態は、音叉梁４１の一端に加わる引張荷重４８が比較的小さい場合を想定しているので、この状態では音叉梁４１の振動周波数が図８（ａ）と比べて低くなり、発生する音波振動４７の周波数も低くなる。
空気流４５の流れが継続している間は、音叉梁４１の振動が継続し、音波振動４７の発生も継続する。発生する音波振動４７周波数は、音叉梁４１の固有振動数と引張荷重４８の大きさとで定まる。なお、ハーモニカの場合は振動板に荷重が加わることはないので、発生する音の周波数は一定である。また、音叉梁４１を通過する空気の流量を大きくすれば、十分な音圧で音を発生することができる。図１（ａ）～図１（ｅ）に示した振動板１１ｄの場合も同様である。
上記のような音発生部４０は、単純な機械的構造を持つため、材料を任意に選ぶことができる。すなわち、金属材料を用いれば高温状態での適用も可能である。また、小型化も容易である。さらに、音波の周波数変化を計測するため、計測において電気的配線は不要である。加えて、梁の形状を変化させることで固有振動数をシフトさせることができるため、複数チャンネルを持つ荷重の多点計測も可能になる。 On the other hand, in the state of FIG. 8(b), it is assumed that the tensile load 48 applied to one end of the tuning fork beam 41 is relatively small. , and the frequency of the generated sound wave vibration 47 also becomes lower.
While the flow of the airflow 45 continues, the vibration of the tuning fork beam 41 continues and the generation of the sound wave vibration 47 also continues. The frequency of the generated sonic vibration 47 is determined by the natural frequency of the tuning fork beam 41 and the magnitude of the tensile load 48 . In the case of a harmonica, since no load is applied to the diaphragm, the frequency of the generated sound is constant. Also, by increasing the flow rate of the air passing through the tuning fork beam 41, sound can be generated with sufficient sound pressure. The same applies to the diaphragm 11d shown in FIGS. 1(a) to 1(e).
Since the sound generator 40 as described above has a simple mechanical structure, the material can be arbitrarily selected. That is, if a metal material is used, application in a high temperature state is also possible. Also, miniaturization is easy. Furthermore, since the frequency change of sound waves is measured, no electrical wiring is required for the measurement. In addition, since the natural frequency can be shifted by changing the shape of the beam, multi-point measurement of loads with multiple channels becomes possible.

＜音の周波数スペクトルの例＞
図９（ａ）および図９（ｂ）は、振動板が発生する音の周波数スペクトルの例を表すグラフであり、図９（ａ）は荷重が最小の状態、図９（ｂ）は荷重が最大の状態をそれぞれ表す。図９（ａ）および図９（ｂ）において、横軸は周波数［Ｈｚ］、縦軸は音圧［ｄＢ］を表している。 <Example of sound frequency spectrum>
9(a) and 9(b) are graphs showing examples of the frequency spectrum of the sound generated by the diaphragm. Each represents the maximum state. In FIGS. 9A and 9B, the horizontal axis represents frequency [Hz] and the vertical axis represents sound pressure [dB].

図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、振動板が発生する音には様々な周波数成分が含まれているが、ある周波数に音圧のピークが表れる。すなわち、振動板の固有振動数と加わった荷重の大きさとで定まる周波数にピークが表れる。つまり、図９（ａ）の例では荷重が小さいので、音圧のピークに対応する周波数が３０００［Ｈｚ］近傍になる。図９（ｂ）の例では、図９（ａ）の例よりも荷重が大きいので、音圧のピークに対応する周波数が３５００［Ｈｚ］の近傍にシフトしている。尚、このような音の周波数スペクトルにおいては、基本波の周波数（固有振動数に相当）以外に、その整数倍の周波数の倍音成分、すなわち高調波が多く含まれる場合もある。 As shown in FIGS. 9A and 9B, the sound generated by the diaphragm includes various frequency components, and a sound pressure peak appears at a certain frequency. That is, a peak appears at a frequency determined by the natural frequency of the diaphragm and the magnitude of the applied load. That is, in the example of FIG. 9A, since the load is small, the frequency corresponding to the sound pressure peak is around 3000 [Hz]. In the example of FIG. 9(b), the load is larger than in the example of FIG. 9(a), so the frequency corresponding to the sound pressure peak is shifted to the vicinity of 3500 [Hz]. In addition to the frequency of the fundamental wave (corresponding to the natural frequency), the frequency spectrum of such sound may include many overtone components, that is, harmonics, of integral multiples of the frequency.

例えば、ブレーキのディスクロータにおける圧力分布などを計測する場合には、図１（ａ）～図１（ｅ）に示した荷重センサ１０を複数用意して、複数の位置でそれぞれの荷重を同時に計測することが想定される。そのような場合、複数の荷重センサ１０が発生する音の周波数をずらすことにより、それぞれの荷重センサ１０の信号を互いに分離することが可能になる。しかし、図９に示した周波数スペクトルのように、それぞれの音が倍音成分を多く含む場合には、同時に使用するセンサの数が増えると、複数の信号の周波数成分が重なって信号を分離できない可能性が想定される。 For example, when measuring the pressure distribution in the disc rotor of a brake, a plurality of load sensors 10 shown in FIGS. It is assumed that In such a case, by shifting the frequencies of sounds generated by the plurality of load sensors 10, it is possible to separate the signals of the respective load sensors 10 from each other. However, as in the frequency spectrum shown in Fig. 9, when each sound contains many overtone components, if the number of sensors used at the same time increases, the frequency components of multiple signals may overlap and the signals may not be separated. is assumed.

そこで、本発明の実施形態においては、複数の荷重センサ１０を同時に使用する場合には、それぞれの荷重センサ１０における固有振動数の比率が、整数の比率からずれるように、各荷重センサ１０の仕様を選定する。なお、各荷重センサ１０の固有振動数は印加される荷重に応じて変動するので、この変動範囲も考慮して固有振動数の比率を選定することが望ましい。 Therefore, in the embodiment of the present invention, when a plurality of load sensors 10 are used at the same time, the specifications of each load sensor 10 are adjusted so that the ratio of the natural frequencies of each load sensor 10 deviates from the integer ratio. to select. Since the natural frequency of each load sensor 10 fluctuates according to the applied load, it is desirable to select the ratio of the natural frequencies in consideration of this fluctuation range.

＜荷重センサを利用したシステムの構成例＞
図１０は、複数の荷重センサを利用したブレーキ圧力分布計測装置６０の構成例を示すブロック図である。図１０に示すブレーキ圧力分布計測装置６０は、回転可能なディスクロータ６１とキャリパー６３とを含むディスクブレーキ装置を計測する場合を想定している。勿論、例えばドラム式のブレーキ装置を計測することも可能である。 <Configuration example of a system using a load sensor>
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration example of a brake pressure distribution measuring device 60 using a plurality of load sensors. A brake pressure distribution measuring device 60 shown in FIG. 10 assumes a case of measuring a disc brake device including a rotatable disc rotor 61 and a caliper 63 . Of course, it is also possible to measure, for example, a drum brake system.

キャリパー６３は、ディスクロータ６１と対向する位置に配置されており、油圧制御により動く可動部（図示しないピストン）を備えている。すなわち、キャリパー６３の可動部を動かすことにより、ブレーキパッドをディスクロータ６１の表面に押圧し、これらの接触面に生じる摩擦力により、ディスクロータ６１の回転に制動をかけることができる。 The caliper 63 is arranged at a position facing the disc rotor 61, and has a movable portion (a piston, not shown) that moves under hydraulic control. That is, by moving the movable portion of the caliper 63, the brake pad is pressed against the surface of the disc rotor 61, and the frictional force generated on the contact surfaces of these brake pads can brake the rotation of the disc rotor 61. FIG.

このディスクブレーキ装置を車両に搭載する際には、ディスクロータ６１の中央部のロータ回転軸６２が車輪の回転軸と連結される。また、図１０に示したブレーキ圧力分布計測装置６０を用いて計測を行う場合にも、ディスクロータ６１は、実際の車両の車輪の回転軸と連結されるか、あるいは試験用の特別な回転軸と連結され、回転可能な状態で使用される。 When this disc brake device is mounted on a vehicle, the rotor rotating shaft 62 at the central portion of the disc rotor 61 is connected to the rotating shaft of the wheel. Also, when performing measurement using the brake pressure distribution measuring device 60 shown in FIG. It is connected with and used in a rotatable state.

図１０に示したブレーキ圧力分布計測装置６０は、前記ディスクロータ６１、及びキャリパー６３の他に、油圧ゲージ６４、複数の荷重センサ６５、６６、空気供給装置６７、マイクロホン６８、光学エンコーダ６９、増幅器７１、周波数解析部７２、センサ信号分離部７３、データロガー７４、および圧力分布演算部７５を備えている。 In addition to the disk rotor 61 and caliper 63, the brake pressure distribution measuring device 60 shown in FIG. 71 , a frequency analysis unit 72 , a sensor signal separation unit 73 , a data logger 74 , and a pressure distribution calculation unit 75 .

油圧ゲージ６４は、キャリパー６３の可動部のピストンに加わる油圧を検出するためのセンサである。なお、油圧ゲージ６４は必要不可欠ではなく、油圧ゲージ６４がなくてもブレーキ圧力分布を計測可能である。 The oil pressure gauge 64 is a sensor for detecting oil pressure applied to the piston of the movable portion of the caliper 63 . Note that the hydraulic gauge 64 is not essential, and the brake pressure distribution can be measured without the hydraulic gauge 64 .

各荷重センサ６５、６６は、図１（ａ）～図１（ｅ）に示した荷重センサ１０に相当し、ディスクロータ６１の押圧面における厚み方向の荷重の動的変化を計測するために設けられている。２つの荷重センサ６５、６６はディスクロータ６１の半径方向または円周方向に互いに少しずれた位置に配置されている。また、２つの荷重センサ６５、６６については、振動板１１ｄの固有振動数が互いに異なる以下の仕様のものを採用している。 Each load sensor 65, 66 corresponds to the load sensor 10 shown in FIGS. It is The two load sensors 65 and 66 are arranged at positions slightly displaced from each other in the radial or circumferential direction of the disk rotor 61 . Also, for the two load sensors 65 and 66, the following specifications are adopted in which the natural frequencies of the diaphragm 11d are different from each other.

２０［Ｈｚ］≦ｆ１，ｆ２≦５０［ｋＨｚ］
ｆ１＜ｆ２
ｆ１×ｎ≠ｆ２（ｎは１以上の整数）
ｆ１：荷重センサ６５の固有振動数
ｆ２：荷重センサ６６の固有振動数 20 [Hz] ≤ f1, f2 ≤ 50 [kHz]
f1 < f2
f1×n≠f2 (n is an integer greater than or equal to 1)
f1: Natural frequency of load sensor 65 f2: Natural frequency of load sensor 66

空気供給装置６７は、各荷重センサ６５、６６の空気流路１５に一定量の空気の流れが生じるように、空気を供給する機能を有する。具体的には、電気モータの駆動により周囲の空気を吸引し、荷重センサ６５、６６に対して空気を供給する。空気供給装置６７の空気供給口は、各荷重センサ６５、６６の移動範囲と対向するように配置される。勿論、空気を吸引する装置で置き換えても良いし、空気以外の気体を利用しても良い。 The air supply device 67 has a function of supplying air so that a constant amount of air flow is generated in the air flow paths 15 of the load sensors 65 and 66 . Specifically, the electric motor is driven to suck ambient air and supply the air to the load sensors 65 and 66 . The air supply port of the air supply device 67 is arranged so as to face the movement range of each of the load sensors 65 and 66 . Of course, a device for sucking air may be substituted, or a gas other than air may be used.

マイクロホン６８は、２０［Ｈｚ］～５０［ｋＨｚ］の周波数範囲の空気振動による音波を検知して電気信号に変換する変換器である。マイクロホン６８は、各荷重センサ６５、６６から発生する音波を検知可能な適当な位置に配置される。 The microphone 68 is a transducer that detects sound waves caused by air vibration in a frequency range of 20 [Hz] to 50 [kHz] and converts them into electric signals. A microphone 68 is arranged at an appropriate position that can detect sound waves generated from the load sensors 65 and 66 .

増幅器７１は、マイクロホン６８が出力する電気信号を増幅し、増幅後の信号を出力する。周波数解析部７２は、増幅器７１が出力するアナログの電気信号をデジタル信号に変換し、その信号波形を周波数解析する。すなわち、信号波形のフーリエ変換を実施して、周波数毎の信号成分の分布状況を把握する。 The amplifier 71 amplifies the electrical signal output by the microphone 68 and outputs the amplified signal. The frequency analysis unit 72 converts the analog electrical signal output from the amplifier 71 into a digital signal, and frequency-analyzes the signal waveform. That is, the Fourier transform of the signal waveform is performed to grasp the distribution of signal components for each frequency.

センサ信号分離部７３は、周波数解析部７２の解析結果を入力し、複数の荷重センサ６５、６６の信号を互いに分離する機能を有している。すなわち、荷重センサ６５、６６の固有振動数ｆ１、ｆ２が異なり、マイクロホン６８が検出する音波に含まれる周波数成分もセンサ毎に異なるので、特定の周波数成分だけをセンサ信号分離部７３で抽出することにより、複数の荷重センサ６５、６６の信号を互いに分離して個別に出力できる。 The sensor signal separation section 73 has a function of inputting the analysis result of the frequency analysis section 72 and separating the signals of the plurality of load sensors 65 and 66 from each other. That is, the natural frequencies f1 and f2 of the load sensors 65 and 66 are different, and the frequency components contained in the sound waves detected by the microphone 68 are also different for each sensor. Therefore, the signals of the plurality of load sensors 65 and 66 can be separated from each other and output individually.

光学エンコーダ６９は、ディスクロータ６１の外周と対向する位置に、光軸をディスクロータ６１側に向けて固定された反射型の光学センサであり、ディスクロータ６１の回転位置、すなわち回転角度に対応する電気信号を出力する。 The optical encoder 69 is a reflective optical sensor fixed at a position facing the outer circumference of the disk rotor 61 with its optical axis directed toward the disk rotor 61, and corresponds to the rotational position, that is, the rotational angle of the disk rotor 61. Output an electrical signal.

データロガー７４は、計測の際に得られたデータを自動的に記録する装置である。図６の構成においては、データロガー７４は、油圧ゲージ６４が出力する油圧のデータと、各荷重センサ６５、６６で発生した音を個別に検出した信号のデータと、光学エンコーダ６９が出力する回転位置（角度）のデータとを時系列データとして同時に記録する。 The data logger 74 is a device that automatically records data obtained during measurement. In the configuration of FIG. 6, the data logger 74 includes oil pressure data output by the oil pressure gauge 64, signal data obtained by individually detecting sounds generated by the load sensors 65 and 66, and rotation data output by the optical encoder 69. Position (angle) data is simultaneously recorded as time-series data.

圧力分布演算部７５は、データロガー７４に記録されたデータに基づいて所定の演算を行い、ディスクロータ６１の円周方向に対する圧力の分布状態を表すデータを算出する。 The pressure distribution calculator 75 performs a predetermined calculation based on the data recorded in the data logger 74 to calculate data representing the distribution of pressure in the circumferential direction of the disk rotor 61 .

＜ブレーキ圧力分布計測装置６０の利点＞
図１０に示したブレーキ圧力分布計測装置６０は、荷重センサ６５、６６を使用するための電気配線をディスクロータ６１やその近傍に接続する必要がない。すなわち、ブレーキ圧力分布計測装置６０は、空気供給装置６７が発生する気流によって荷重センサ６５、６６の振動板１１ｄの振動が誘発されるので、センサ駆動のための電気配線を必要としない。また、荷重センサ６５、６６により発生した音は、荷重センサ６５、６６から離れた位置に設置されたマイクロホン６８を用いて検知されるので、信号を取り出すための電気配線をディスクロータ６１やその近傍に接続する必要もない。 <Advantages of brake pressure distribution measuring device 60>
The brake pressure distribution measuring device 60 shown in FIG. 10 does not require electrical wiring for using the load sensors 65 and 66 to be connected to the disk rotor 61 or its vicinity. That is, the brake pressure distribution measuring device 60 does not require electrical wiring for driving the sensors because the vibration of the vibration plates 11d of the load sensors 65 and 66 is induced by the air flow generated by the air supply device 67. FIG. Sounds generated by the load sensors 65 and 66 are detected using a microphone 68 installed at a position distant from the load sensors 65 and 66, so electrical wiring for picking up the signals is placed near the disk rotor 61 or its vicinity. does not need to be connected to

したがって、ディスクロータ６１上の圧力分布を精密に計測するために多数のセンサを使用する場合であっても、配線の困難性は生じない。また、配線がなく非接触であるためディスクロータ６１が高速回転している状態であっても、荷重センサ６５、６６を用いて圧力の分布状態を計測できる。 Therefore, even if a large number of sensors are used to precisely measure the pressure distribution on the disk rotor 61, wiring difficulties do not arise. Moreover, since there is no wiring and there is no contact, the pressure distribution can be measured using the load sensors 65 and 66 even when the disk rotor 61 is rotating at high speed.

また、同時に使用する複数の荷重センサ６５、６６の固有振動数の比率が整数倍からずれるように仕様を定めてあるので、発生する音に倍音成分が多く含まれる場合であっても、複数の荷重センサ６５、６６から発生する音の周波数が重なるのを避けることができる。そのため、複数の荷重センサ６５、６６の音を周波数の違いにより容易に分離でき、それぞれのセンサ設置位置における荷重の検出状態を同時に計測できる。 In addition, since the specifications are defined so that the ratio of the natural frequencies of the plurality of load sensors 65 and 66 used simultaneously deviates from an integer multiple, even if the generated sound contains many overtone components, It is possible to avoid overlap of frequencies of sounds generated from the load sensors 65 and 66 . Therefore, the sounds of the plurality of load sensors 65 and 66 can be easily separated according to the difference in frequency, and the load detection state at each sensor installation position can be measured simultaneously.

また、各センサの振動板の固有振動数を２０Ｈｚ～５０ｋＨｚの範囲内に定めてあるので、実用的なブレーキ圧力分布計測装置６０を実現できる。すなわち、固有振動数を２０Ｈｚ以上に定めることで振動板の大型化を避けることができ、固有振動数を５０ｋＨｚ以下に定めることで振動板の加工が困難になるのを避けることができる。また、振動板から発生する音の検出も容易になる。 Moreover, since the natural frequency of the vibration plate of each sensor is set within the range of 20 Hz to 50 kHz, a practical brake pressure distribution measuring device 60 can be realized. That is, by setting the natural frequency to 20 Hz or more, it is possible to avoid an increase in size of the diaphragm, and by setting the natural frequency to 50 kHz or less, it is possible to avoid difficulty in processing the diaphragm. Also, it becomes easy to detect the sound generated from the diaphragm.

ここで、上述した本発明の実施形態に係る荷重計測装置および荷重計測方法の特徴をそれぞれ以下［１］～［６］に簡潔に纏めて列記する。
［１］荷重を計測する１つ又はそれ以上のセンサを有する荷重計測装置であって、
前記センサ（荷重センサ１０）が、
印加される前記荷重によって振動数が変化する振動体（振動板１１ｄ）と、
前記振動体の近傍へ供給される流体の通路（空気流路１５）と、
を備え、前記通路を使って前記振動体へ流体を供給することで前記振動体の振動を誘発し、前記振動板が荷重に応じた振動数の振動を発する、
ことを特徴とする荷重計測装置。 Here, the features of the load measuring device and the load measuring method according to the embodiments of the present invention described above are briefly summarized in [1] to [6] below.
[1] A load measuring device having one or more sensors for measuring load,
The sensor (load sensor 10) is
a vibrating body (diaphragm 11d) whose frequency changes according to the applied load;
a fluid passage (air flow path 15) supplied to the vicinity of the vibrating body;
wherein the fluid is supplied to the vibrating body using the passage to induce vibration of the vibrating body, and the vibrating plate emits vibration at a frequency corresponding to the load.
A load measuring device characterized by:

［２］前記センサとして、少なくとも第１センサと第２センサ（荷重センサ６５、６６）とを備え、
前記第１センサにおける前記振動体の第１の振動数と、前記第２センサにおける前記振動体の第２の振動数との比率が、整数倍からずれた状態に定めてある、
ことを特徴とする上記［１］に記載の荷重計測装置。 [2] At least a first sensor and a second sensor (load sensors 65 and 66) are provided as the sensors,
A ratio between a first frequency of the vibrating body in the first sensor and a second frequency of the vibrating body in the second sensor is set to be deviated from an integer multiple,
The load measuring device according to [1] above, characterized in that:

［３］前記センサの振動板の振動数が、２０Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲内に定めてある、
ことを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の荷重計測装置。 [3] The vibration frequency of the diaphragm of the sensor is set within the range of 20 Hz to 50 kHz.
The load measuring device according to the above [1] or [2], characterized by:

［４］１つ又はそれ以上の所定のセンサを用いて荷重を計測するための荷重計測方法であって、
印加される前記荷重によって振動数が変化する振動体（振動板１１ｄ）を前記センサ（荷重センサ１０）に設置すると共に、前記振動体の近傍へ供給される流体の通路（空気流路１５）を形成し、
前記通路を使って前記振動体へ流体を供給することで、前記振動体の振動を誘発し、前記振動体が荷重に応じた振動数の振動を発する、
ことを特徴とする荷重計測方法。 [4] A load measurement method for measuring a load using one or more predetermined sensors, comprising:
A vibrating body (diaphragm 11d) whose frequency changes according to the applied load is installed in the sensor (load sensor 10), and a passage (air flow path 15) for fluid supplied to the vicinity of the vibrating body is provided. form,
Supplying a fluid to the vibrating body using the passage induces vibration of the vibrating body, causing the vibrating body to vibrate at a frequency corresponding to a load.
A load measuring method characterized by:

［５］前記センサとして、少なくとも第１センサと第２センサ（荷重センサ６５、６６）とを用意すると共に、
前記第１センサにおける前記振動体の第１の振動数と、前記第２センサにおける前記振動体の第２の振動数との比率を整数倍からずれた状態に定める、
ことを特徴とする上記［４］に記載の荷重計測方法。 [5] Prepare at least a first sensor and a second sensor (load sensors 65 and 66) as the sensors,
setting the ratio between the first frequency of the vibrating body in the first sensor and the second frequency of the vibrating body in the second sensor to be deviated from an integer multiple;
The load measuring method according to [4] above, characterized in that:

［６］前記センサの振動体の振動数を、２０Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲内に制限する、
ことを特徴とする上記［４］又は［５］に記載の荷重計測方法。 [6] limiting the vibration frequency of the vibrating body of the sensor to within the range of 20 Hz to 50 kHz;
The load measuring method according to the above [4] or [5], characterized by:

１０，６５，６６荷重センサ
１１金属プレート
１１ａ荷重受け部
１１ｂテコ
１１ｃテコ支点
１１ｄ振動板
１２，１３ハウジング部材
１２ａ，１３ａ凹部
１４空気室
１５空気流路
１６隙間
４０音発生部
４１音叉梁
４２プレート
４２ａ隙間
４２ｂ開口部
４３高圧領域
４４低圧領域
４５空気流
４６流路
４７音波振動
４８引張荷重
６０ブレーキ圧力分布計測装置
６１ディスクロータ
６２ロータ回転軸
６３キャリパー
６４油圧ゲージ
６７空気供給装置
６８マイクロホン
６９光学エンコーダ
７１増幅器
７２周波数解析部
７３センサ信号分離部
７４データロガー
７５圧力分布演算部 Reference Signs List 10, 65, 66 Load sensor 11 Metal plate 11a Load receiver 11b Lever 11c Lever fulcrum 11d Diaphragm 12, 13 Housing member 12a, 13a Recess 14 Air chamber 15 Air flow path 16 Gap 40 Sound generating part 41 Tuning beam 42 Plate 42a Gap 42b Opening 43 High pressure area 44 Low pressure area 45 Air flow 46 Flow path 47 Sound wave vibration 48 Tensile load 60 Brake pressure distribution measuring device 61 Disk rotor 62 Rotor shaft 63 Caliper 64 Oil pressure gauge 67 Air supply device 68 Microphone 69 Optical encoder 71 Amplifier 72 Frequency Analysis Section 73 Sensor Signal Separation Section 74 Data Logger 75 Pressure Distribution Calculation Section

Claims

荷重を計測する１つ又はそれ以上のセンサを有する荷重計測装置であって、
前記センサが、
印加される前記荷重によって振動数が変化する振動体と、
空気室と、
前記空気室と前記センサの外側とを連通する空気流入路であって前記センサの外側から前記空気室内に空気流として空気を送り込むための空気流入路と、
前記空気室と前記センサの外側とを連通する空気流出路であって前記空気室内に送り込まれた前記空気を前記センサの外側へ流出させるための空気流出路と、
を備え、
前記振動体は、板厚方向に振動可能な細長の薄板状の形状を有し、
前記振動体は、前記板厚方向の一側面が前記空気流出路の前記空気室内側の開口と微小隙間を介して対向配置されるように、前記空気室内に配置されており、
前記空気流入路を介して前記空気流として前記空気を前記空気室内に送り込み、且つ、前記空気流出路を介して前記空気室内に送り込まれた前記空気を前記センサの外側へ流出させることで前記振動体の振動を誘発し、前記振動体が荷重に応じた振動数の振動を発する、
ことを特徴とする荷重計測装置。 A load measuring device having one or more sensors for measuring load,
the sensor
a vibrating body whose frequency changes according to the applied load;
an air chamber;
an air inflow passage communicating between the air chamber and the outside of the sensor, the air inflow passage for feeding air from the outside of the sensor into the air chamber as an air flow;
an air outflow path communicating between the air chamber and the outside of the sensor, the air outflow path for causing the air sent into the air chamber to flow out of the sensor;
with
The vibrating body has an elongated thin plate-like shape that can vibrate in the plate thickness direction,
The vibrating body is arranged in the air chamber such that one side surface in the plate thickness direction faces an opening of the air outflow path on the inside of the air chamber with a minute gap therebetween,
The air is sent into the air chamber as the air flow through the air inflow path, and the air sent into the air chamber through the air outflow path is discharged to the outside of the sensor, thereby causing the vibration. inducing vibration of the body, wherein the vibrating body emits a vibration with a frequency corresponding to the load;
A load measuring device characterized by:

前記センサとして、少なくとも第１センサと第２センサとを備え、
前記第１センサにおける前記振動体の第１の振動数と、前記第２センサにおける前記振動体の第２の振動数との比率が、整数倍からずれた状態に定めてある、
ことを特徴とする請求項１に記載の荷重計測装置。 At least a first sensor and a second sensor are provided as the sensors,
A ratio between a first frequency of the vibrating body in the first sensor and a second frequency of the vibrating body in the second sensor is set to be deviated from an integer multiple,
The load measuring device according to claim 1, characterized in that:

前記センサの振動体の振動数が、２０Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲内に定めてある、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の荷重計測装置。 The vibration frequency of the vibrating body of the sensor is set within the range of 20 Hz to 50 kHz.
The load measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that:

１つ又はそれ以上の請求項１に記載の荷重計測装置が有する前記センサを用いて荷重を計測するための荷重計測方法であって、
前記空気流入路を介して前記空気流として前記空気を前記空気室内に送り込み、且つ、前記空気流出路を介して前記空気室内に送り込まれた前記空気を前記センサの外側へ流出させることで前記振動体の振動を誘発し、前記振動体が荷重に応じた振動数の振動を発する、
ことを特徴とする荷重計測方法。 A load measuring method for measuring a load using one or more of the sensors included in the load measuring device according to claim 1 ,
The air is sent into the air chamber as the air flow through the air inflow path, and the air sent into the air chamber through the air outflow path is discharged to the outside of the sensor, thereby causing the vibration. inducing vibration of the body, wherein the vibrating body emits a vibration with a frequency corresponding to the load;
A load measuring method characterized by:

前記センサとして、少なくとも第１センサと第２センサとを用意すると共に、
前記第１センサにおける前記振動体の第１の振動数と、前記第２センサにおける前記振動体の第２の振動数との比率を整数倍からずれた状態に定める、
ことを特徴とする請求項４に記載の荷重計測方法。 As the sensors, at least a first sensor and a second sensor are prepared,
setting the ratio between the first frequency of the vibrating body in the first sensor and the second frequency of the vibrating body in the second sensor to be deviated from an integer multiple;
The load measuring method according to claim 4, characterized in that:

前記センサの振動体の振動数を、２０Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲内に制限する、
ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の荷重計測方法。 limiting the vibration frequency of the vibrating body of the sensor to within the range of 20 Hz to 50 kHz;
6. The load measuring method according to claim 4 or 5, characterized in that: