專利名稱：負(fù)載和負(fù)載方向檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及負(fù)栽和負(fù)載方向檢測裝置，其用于檢測施加到各種構(gòu)件或 裝置的負(fù)載的數(shù)值(也就是大小)和方向。例如，該檢測裝置用于檢測施 加到車輛踏板等等上的壓低負(fù)載的數(shù)值和方向、檢測施加到車輛駐車制動 桿上的負(fù)載的數(shù)值和方向、檢測車輛座椅的座椅表面負(fù)栽和負(fù)栽方向、檢 測施加到懸架上的車體負(fù)載或車輪負(fù)栽的數(shù)值和方向以及檢測施加到起重 裝置上的負(fù)栽的數(shù)值和方向等等。
背景技術(shù)：
總體來說，負(fù)載檢測裝置具有例如圖12到圖14所示出的結(jié)構(gòu)。圖12 是傳統(tǒng)負(fù)載檢測裝置的透視圖，圖13是該負(fù)載檢測裝置的主傳感器單元中 的應(yīng)變體的展開視圖，圖14是該負(fù)載檢測裝置的電路圖。在圖12到圖14 中，圓周方向應(yīng)變檢測元件對2和寬度方向應(yīng)變檢測元件對3被固定到圓 柱形應(yīng)變體l的外圓周表面。另外，通過用電路圖案7對圓周方向應(yīng)變檢 測元件2、寬度方向應(yīng)變體3、電源端子4、 GND端子5以及輸出端子6 進(jìn)行電氣連接，在應(yīng)變體1的外圓周表面上構(gòu)建如圖14所示的橋接電路。在由此構(gòu)建的傳統(tǒng)負(fù)載檢測裝置中，當(dāng)壓縮力沿平行于軸C的方向作 用在圃柱形應(yīng)變體l上時(shí)，寬度方向應(yīng)變檢測元件對3的電阻值減小，圓 周方向應(yīng)變檢測元件對2的電P且值增大。由于電源端子4、 GND端子5、 輸出端子6和電路圖案7構(gòu)成橋接電路7，寬度方向應(yīng)變檢測元件對3和圓周方向應(yīng)變檢測元件對2根據(jù)作用在應(yīng)變體1上的壓縮力從輸出端子6輸出信號。例如，專利文獻(xiàn)l (日本未審查專利公開No.H6-207866)已知 為與本申請的發(fā)明有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)。但是，在上面介紹的傳統(tǒng)負(fù)栽檢測裝置中，負(fù)載被施加或作用在與應(yīng) 變體1的軸C平行的方向上。因此，應(yīng)變體l本身會抵抗由負(fù)載引起的形 變，從而使得在圓周方向應(yīng)變檢測元件2和寬度方向應(yīng)變檢測元件3中不 太容易發(fā)生應(yīng)變，故而降低了輸出信號的靈敏度。此外，不能檢測施加到 主傳感器單元的負(fù)載的方向，這限制了該負(fù)載檢測裝置的應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明以上述狀況為背景而做出，其目的是提供這樣的負(fù)載和負(fù)載方 向檢測裝置該裝置能夠提高對施加到主傳感器單元的負(fù)載進(jìn)行檢測的靈 敏度，并能檢測施加到主傳感器單元的負(fù)載的方向。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一實(shí)施形態(tài)的特征在于一種用于檢測負(fù) 栽數(shù)值和負(fù)載方向的負(fù)栽和負(fù)載方向檢測裝置，其包含(a)主傳感器單 元，該單元包含(i)圓柱形應(yīng)變體，在其圓周表面上配備有沿圓周方向 間隔開的至少四個應(yīng)變檢測元件，以及(ii)笫一構(gòu)件和第二構(gòu)件，其分別 被固定并支撐應(yīng)變體的相應(yīng)末端，使得垂直于應(yīng)變體的軸定向的負(fù)載作用 于應(yīng)變體的所勤目應(yīng)末端中的一個，反作用力作用于所迷相應(yīng)末端中的另 一個；(b)負(fù)載數(shù)值計(jì)算單元，該單元使用第一輸出信號計(jì)算負(fù)載數(shù)值， 所述第一輸出信號基于輸出自第一電橋的信號，所述第一電橋包含所述至 少四個應(yīng)變檢測元件中相對于所述軸定位的至少 一對應(yīng)變檢測元件；以及 (c)負(fù)栽方向計(jì)算單元，該單元使用(i)第二輸出信號以及(ii)第一輸 出信號來計(jì)算負(fù)載方向，所述第二輸出信號基于輸出自第二電橋的信號， 所述第二電橋由所述至少四個應(yīng)變檢測元件中相對于所迷軸定位的一對應(yīng) 變檢測元件和兩個固定電阻器構(gòu)成。采用根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施形態(tài)的負(fù)載和負(fù)載方向檢測裝置，負(fù)載沿垂 直于應(yīng)變體軸的方向從第一構(gòu)件和第二構(gòu)件中的一個施加到其中的另一個，使得剪切力作用在圓柱形應(yīng)變體上。因此，與負(fù)載沿軸向方向在圓柱 形應(yīng)變體上施加的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，應(yīng)變體容易發(fā)生形變或發(fā)生偏斜，從而 容易在應(yīng)變檢測元件中產(chǎn)生應(yīng)變。負(fù)載的檢測靈敏度由此得到提高，所迷負(fù)載由負(fù)載計(jì)算單元使用第一 輸出信號計(jì)算，所述第一輸出信號基于輸出自第一電橋的信號。另外，負(fù) 載的方向由負(fù)載方向計(jì)算單元使用第二輸出信號和上述第一輸出信號計(jì) 算，所述第二輸出信號基于輸出自第二電橋的信號。優(yōu)選為，第一電橋由第三應(yīng)變檢測元件與笫二應(yīng)變檢測元件、第四應(yīng) 變檢測元件與第 一應(yīng)變檢測元件構(gòu)成。第 一輸出信號對應(yīng)于當(dāng)電源電壓施 加到第三應(yīng)變檢測元件與第四應(yīng)變檢測元件之間以及第二應(yīng)變檢測元件與 第 一應(yīng)變檢測元件之間時(shí)出現(xiàn)在第三應(yīng)變檢測元件與第二應(yīng)變檢測元件間 所產(chǎn)生電勢和第四應(yīng)變檢測元件與第 一應(yīng)變檢測元件間所產(chǎn)生電勢之間的 電勢差。相應(yīng)地，在由第三應(yīng)變檢測元件與第二應(yīng)變檢測元件、第四應(yīng)變檢測 元件與笫一應(yīng)變檢測元件構(gòu)成的第一電橋中，當(dāng)電源電壓施加到第三應(yīng)變 檢測元件與第四應(yīng)變檢測元件之間以及第二應(yīng)變檢測元件與第 一應(yīng)變檢測 元件之間時(shí)，第一電橋如下所述地運(yùn)行。即，將出現(xiàn)在第三應(yīng)變檢測元件 與第二應(yīng)變檢測元件間所產(chǎn)生電勢和第四應(yīng)變檢測元件與笫 一應(yīng)變檢測元 件間所產(chǎn)生電勢之間的電勢差或該電勢差的放大值輸出為第一輸出信號。負(fù)載數(shù)值計(jì)算單元基于第一輸出信號計(jì)算負(fù)載數(shù)值。優(yōu)選為，第二電橋由第四應(yīng)變檢測元件與笫 一應(yīng)變檢測元件以及兩個固定電阻器構(gòu)成。第二輸出信號對應(yīng)于當(dāng)電源電壓施加到笫四應(yīng)變檢測元 件與 一個固定電阻器之間以及第一應(yīng)變檢測元件與另 一固定電阻器之間時(shí)出現(xiàn)在第四應(yīng)變檢測元件與第 一應(yīng)變檢測元件間所產(chǎn)生電勢和兩個固定電阻器間所產(chǎn)生電勢之間的電勢差。相應(yīng)地，在由第四應(yīng)變檢測元件與第 一應(yīng)變檢測元件以及兩個固定電阻器構(gòu)成的第二電橋中，當(dāng)電源電壓施加到笫四應(yīng)變檢測元件與一個固定電阻器之間以及第一應(yīng)變檢測元件和另 一 固定電阻器之間時(shí)，第二電橋如下所述地運(yùn)行。即，將出現(xiàn)在第四應(yīng)變檢測元件與第一應(yīng)變檢測元件間所 產(chǎn)生電勢和兩個固定電阻器間所產(chǎn)生電勢之間的電勢差或該電勢差的放大 值輸出為第二輸出信號。因此，負(fù)載方向計(jì)算單元基于第一輸出信號和第 二輸出信號計(jì)算負(fù)載方向。優(yōu)選為，所述至少四個應(yīng)變檢測元件沿圓周方向等距地布置在圓柱形 應(yīng)變體上。響應(yīng)于所施加的負(fù)載，第二應(yīng)變檢測元件及第四應(yīng)變檢測元件 在其電阻值上以與第三應(yīng)變檢測元件及笫 一應(yīng)變檢測元件相反的方向變 化。采用這樣的結(jié)構(gòu)，基于輸出自第一電橋的信號的第一輸出信號根據(jù)負(fù) 載數(shù)值的變化而變化，而與負(fù)栽方向的變化無關(guān)?；谳敵鲎缘诙姌虻?信號的笫二輸出信號根據(jù)負(fù)載方向的變化而變化。


圖1是用于解釋根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的負(fù)載和負(fù)栽方向檢測裝置的結(jié)構(gòu)的浮見圖；圖2是沿圖1的線2-2截取的縱向截面圖，用于解釋圖1的實(shí)施例中主傳感器單元的結(jié)構(gòu)；圖3示出了處于展開狀態(tài)的、圖1的實(shí)施例中固定到主傳感器單元應(yīng) 變體的外圓周表面上的檢測電路以及連接到該檢測電路的測量電路的結(jié)構(gòu)；圖4示出用于解釋檢測單元和圖3的檢測電路中所構(gòu)建的第一電橋與 第二電橋的等效電路圖；圖5是沿圖2的線5-5截取的截面圖，用于解釋在向圖l和圖2示出 的主傳感器單元施加負(fù)載時(shí)應(yīng)變體的形變；圖6是用于解釋圖3和圖4所示第一電橋中輸出電壓相對于負(fù)載的變 化的特性圖；圖7是用于解釋圖3和圖4所示第一電橋中以負(fù)載為^L、輸出電壓 相對于負(fù)載方向的變化的特性圖；圖8是用于解釋圖3和圖4所示第二電橋中以負(fù)載為參數(shù)、輸出電壓 相對于負(fù)載方向的變化的特性圖；圖9是與圖4對應(yīng)、用于解釋本發(fā)明另一實(shí)施例的主傳感器單元等效 電路的圖；圖IO是用于解釋圖9所示第一電橋中以負(fù)載為參數(shù)、輸出電壓相對于 負(fù)載方向的變化的特性圖；圖ll是用于解釋圖9所示第二電橋中以負(fù)載為參數(shù)、輸出電壓相對于 負(fù)載方向的變化的特性圖；圖12是示出布置在傳統(tǒng)主傳感器單元中的應(yīng)變體的透視圖；圖13示出了處于展開狀態(tài)的、固定到圖12的應(yīng)變體的外圓周表面上 的檢測電路；以及圖14是用于解釋固定到圖12的應(yīng)變體的外圓周表面上的檢測電路結(jié) 構(gòu)的等效電路圖。
具體實(shí)施方式
下面將參照附圖解釋根據(jù)本發(fā)明 一 實(shí)施例的負(fù)載和負(fù)栽方向檢測裝置10。〈實(shí)施例1〉圖l是用于解釋負(fù)載和負(fù)載方向檢測裝置(下文中稱為"檢測裝置") 10的結(jié)構(gòu)的視圖。在圖1中，檢測裝置10由主傳感器單元12和檢測單元 14構(gòu)成，主傳感器單元12由用于檢測負(fù)載W的多個部件構(gòu)成，檢測單元 14用于檢測施加到主傳感器12的負(fù)載W的數(shù)值和負(fù)載W的方向6 w。檢測單元14具有負(fù)載數(shù)值計(jì)算單元16和負(fù)載方向計(jì)算單元18。負(fù)載 數(shù)值計(jì)算單元16基于第一橋接電路Bl的輸出電壓VI計(jì)算負(fù)載W,第一 橋接電路Bl包括布置在主傳感器單元12中的四個應(yīng)變電阻元件HR1、 HR2、 HR3和HR4。負(fù)載方向計(jì)算單元18基于第二橋接電路B2的輸出 電壓V2計(jì)算負(fù)載W的方向，第二橋接電路B2包括布置在主傳感器單元 12中的四個應(yīng)變電阻元件HR1、 HR2、 HR3和HR4中的兩個以及兩個固定電阻器SR1和SR2。在圖1中，主傳感器單元12在其一部分?jǐn)嚅_的狀態(tài)下顯示。圖2是沿 圖1所示主傳感器單元12的線II-II截取的截面圖。如圖l和圖2所示， 主傳感器單元12具有圓柱形應(yīng)變體20、外殼構(gòu)件(權(quán)利要求中的第一構(gòu) 件)24、移置(displacing )構(gòu)件(權(quán)利要求中的第二構(gòu)件)26以及裝入移 置構(gòu)件26的負(fù)栽傳送閂28。為了接收反作用力，外殼構(gòu)件24被固定或安 裝到任意構(gòu)件，并通過環(huán)形墊圏22固定到應(yīng)變體20的一個軸向末端以便 對其進(jìn)行支撐。固定到應(yīng)變體20的另一軸向末端以^t對其進(jìn)行支撐的移置 構(gòu)件26被施加或接受負(fù)載W。這些構(gòu)件以同心的方式或與軸C同軸地布 置。應(yīng)變體20、墊圈22、外殼構(gòu)件24、移置構(gòu)件26以及負(fù)栽傳送閂28 均由金屬制成，例如鐵素體不銹鋼。外殼構(gòu)件24具有圓柱形管部分24a、 向外突出為與圓柱形管部分24a為一體的外定向凸緣部分24b以及向內(nèi)突 出為與圓柱形管部分24a為一體的內(nèi)定向凸緣部分24c。環(huán)狀墊圏22被固定到內(nèi)定向凸緣部分24c的內(nèi)圓周邊緣。墊圏22的 外圓周部分在一個軸向末端(右端)被裝配到應(yīng)變體20的開口，并通過焊 接固定到所述開口的整個圓周或整個圓周的一部分。移置構(gòu)件26具有管狀 圓柱形部分26a和盤狀安裝部分26b，負(fù)載傳送閂28居中地插入管狀圓柱 形部分26a，盤狀安裝部分26b向外突出為與管狀圓柱形部分26a在其一 個軸向末端(左端)上成為一體。在另一軸向末端(左端)封閉應(yīng)變體20 的開口的安裝部分26b被裝配到其外圓周部分，并通過焊接固定到整個圓 周或其部分。由于應(yīng)變體20在直徑上大于移置構(gòu)件26的圓柱形部分26a，且外殼 構(gòu)件24的圓柱形管部分24a在直徑上大于應(yīng)變體20,外殼構(gòu)件24作為主 傳感器單元12的外殼。應(yīng)變體20、塾圈22以及移置構(gòu)件26被容納在外 殼構(gòu)件24內(nèi)。在由此構(gòu)建的主傳感器單元12中，應(yīng)變體20的所述另一軸向末端由 移置構(gòu)件26的安裝部分26b支撐，應(yīng)變體20的所述一個軸向末端通過墊圏22由外殼構(gòu)件24的內(nèi)定向凸緣部分24c支撐。也就是說，應(yīng)變體20的 各個軸向末端被固定到作為第二構(gòu)件的移置構(gòu)件26和作為第一構(gòu)件的外 殼構(gòu)件24并由其支撐。因此，在外殼構(gòu)件24的外圓周表面位置固定的狀 態(tài)下，當(dāng)通過居中地裝配在移置構(gòu)件26中的負(fù)載傳送閂28沿垂直于軸C 的方向施加負(fù)載W時(shí)，切向應(yīng)力作用在應(yīng)變體20上。在本實(shí)施例的主傳感器單元12中，相比于負(fù)載沿應(yīng)變體20的軸C方 向作用的情況，在應(yīng)變體20中更容易產(chǎn)生應(yīng)變，使得輸出信號的靈敏度得 到提高。圖5是沿圖2的線V-V截取的截面圖，其用夸張手法示出了通 過切向應(yīng)力的施加在應(yīng)變體20中產(chǎn)生的應(yīng)變。為了檢測應(yīng)變體20中的應(yīng)變，通過粘性劑等在應(yīng)變體20的外圓周表 面上固定如圖3所示的膜片狀或膜狀的應(yīng)變檢測電路30,在該電路中形成 有預(yù)定的縱向帶狀電路圖案。應(yīng)變檢測電路30具有基底膜32、絕緣層34、 預(yù)定圖案的導(dǎo)電膜36以及應(yīng)變電阻膜38?；啄?2由不銹鋼、鎳或銅等 金屬箔制成，或者由聚酰亞胺樹脂等耐熱樹脂制成。由玻璃或耐熱樹脂制成的絕緣層34固定到基底膜32的整個表面上。 預(yù)定圖案的導(dǎo)電膜36由鋁、鎳或銀等制成，這些材料通過印刷、濺射或其 他技術(shù)固定到絕緣層34。應(yīng)變電阻膜38由預(yù)定圖案的厚膜電阻材料或鴒、 釕等金屬電阻材料制成，這些材料類似地通過印刷、'濺射或其他技術(shù)固定 到絕緣層34。外圓周表面的狀態(tài)形成。也就是說，首先，玻璃涂漿(未示出)被印在圓 柱形無縫不銹鋼管(未示出)的外圓周表面上，其將成為厚度約lmm的 用于應(yīng)變體20的材料。然后，將不銹鋼管在約850t:下烘烤約10分鐘， 以形成絕緣層34。接下來，印上以銀為主要成份并置于不銹鋼管外表面上的導(dǎo)電涂漿(未 示出)，接著，在約850X:下烘烤該不銹鋼管約IO分鐘。從而，在該不銹 鋼管的外圓周表面上形成電源端子EVcc和EGND、輸出端子EVf+和EFf-以及預(yù)定圖案的導(dǎo)電膜36。然后，將金屬釉電阻性涂漿(未示出)印到不銹鋼管外圓周表面，并在約130'C下干燥約IO分鐘。之后，將該不銹鋼管在約850'C下烘烤約l0 分鐘，以形成四個應(yīng)變電阻元件HR1、 HR2、 HR3和HR4。由此，該不 銹鋼管凈ib^工成了應(yīng)變體20。預(yù)定圖案的導(dǎo)電膜36和應(yīng)變電阻膜38構(gòu)成一對電源端子EVcc和 EGND、第一橋接電路B1 (其為包括四個應(yīng)變電阻元件HR1、 HR2、 HR3 和HR4的全橋)以及第一橋接電路Bl的輸出端子EVf +和EVf-。四個應(yīng) 變電阻元件HR1、 HR2、 HR3和HR4位于縱向帶狀應(yīng)變檢測電路30上以 從寬度中心WC向一個軸向側(cè)移動。在纏繞并附著在應(yīng)變體20的外圓周 表面周圍的應(yīng)變檢測電路30上，應(yīng)變電阻元件HR1、 HR2、 HR3和HR4 在圓周方向基本等距布置，也就是相對于軸C等角度。如圖2所示，為了表現(xiàn)負(fù)載W相對于軸C一一其為中心方向一一的偏 轉(zhuǎn)角度，將負(fù)載W的參考方向A定義為零度。在這樣的定義下，在本實(shí) 施例中，應(yīng)變電阻元件HR2被布置為橫跨基本為順時(shí)針45度的位置，即 圍繞這個位置。相應(yīng)地，應(yīng)變電阻元件HR1 ;敗布置為橫跨基本為順時(shí)針 135度的位置，應(yīng)變電阻元件HR3被布置為橫跨基本為順時(shí)針225度的位 置，應(yīng)變電阻元件HR4被布置為橫跨基本為順時(shí)針315度的位置。因此， 應(yīng)變電阻元件HR3和HR4以及應(yīng)變電阻元件HR1和HR2分別位于負(fù)載 W的參考方向A的左側(cè)和右側(cè)。應(yīng)變電阻元件HR4和HR2以及應(yīng)變電阻載W方向的上游側(cè))和下側(cè)(負(fù)載W方向的下游側(cè))。在圖3中，檢測單元14裝備有電源裝置40，裝置40輸出固定的DC 電壓或AC電壓，裝置40的一對輸出端子分別連接至電源端子EVcc和 EGND。檢測單元14還裝備有串聯(lián)連接在電源裝置40的輸出端子對之間 的兩個固定電阻器SR1和SR2。在所述四個應(yīng)變電阻元件HR1、 HR2、 HR3和HR4之中，相對于軸C對稱放置的兩個應(yīng)變電阻元件(在本實(shí)施 例中為應(yīng)變電阻元件HR1和HR4)和外部連接的兩個固定電阻器SR1與 SR2構(gòu)成第二橋接電路B2。圖4示出了作為全橋的第二電橋B2和第一電橋B1的等效電路。在圖3中，檢測單元14裝備有連接至第一電橋B1的輸出端子EVf十 和EVf-的第一差分放大器42、連接至第二電橋B2的輸出端子EVd-和EVd + ( =EVf+ )的第二差分^L大器44以及負(fù)栽方向計(jì)算器46。負(fù)載方向計(jì) 算器46基于第一差分放大器42的輸出信號VI和第二差分放大器44的輸 出信號V2計(jì)算負(fù)栽W的方向。接下來，將要描述圖3和圖4中第一電橋B1和第二電橋B2的運(yùn)行。 四個應(yīng)變電阻元件HR1、 HR2、 HR3和HR4的電阻值分別用Rl、 R2、 R3和R4表示，在施加應(yīng)變時(shí)這些電阻值的變化量分別用AR1、 AR2、 厶R3和厶R4表示。固定電阻器SR1和SR2的電阻值用R0和R0表示。 Rl、 R2、 R3和R4以及R0各自的電阻值被認(rèn)為是相等的，第一差分放大 器42和第二差分放大器44的放大率被i人為是1。這里，第一差分放大器42的第一輸出信號一一即第一電橋B1的輸出 電壓VI__由下面的公式(1)估算，第二差分放大器44的第二輸出信 號一一即第二電橋B2的輸出電壓V2——由下面的公式(2)估算。<formula>formula see original document page 12</formula> (1)<formula>formula see original document page 12</formula> (2)在第一電橋B1中，在施加負(fù)栽W時(shí)的應(yīng)變下具有同樣的電阻變化趨 勢的應(yīng)變電阻元件M置在相對側(cè)。也就是說，如圖5所示，當(dāng)施加負(fù)載 W時(shí)，位于線B上側(cè)的應(yīng)變電阻元件HR2和HR4接受沿應(yīng)變體20的寬 度方向的壓縮應(yīng)力，表現(xiàn)出電阻值減小的趨勢。這里，圖5是沿線V-V截 取的截面圖，以夸張手法示出了由負(fù)載W導(dǎo)致的應(yīng)變體20的應(yīng)變形變。另一方面，位于線B下側(cè)的應(yīng)變電阻元件HR1和HR3接受沿應(yīng)變體 20的寬度方向的拉伸應(yīng)力，表現(xiàn)出電阻值增大的趨勢。在第一電橋B1中， 在兩對相對側(cè)中，應(yīng)變電阻元件HR2和HR4^b改置在一對相對側(cè)上，應(yīng) 變電阻元件HR1和HR3 4it故置在另一對相對側(cè)上。在由此構(gòu)建的第一電橋B1中，在施加負(fù)載W時(shí)，相對于負(fù)載W的 參考方向A以及與之垂直的方向位于交叉位置的半橋?qū)Φ闹悬c(diǎn)電勢Vf +和Vf-以相反的方向變化。相應(yīng)地，得到以高靈敏度相對于負(fù)載w的值變
化的輸出電壓VI。
在保持電阻值相對于負(fù)載w的變化趨勢的范圍內(nèi)，如上所述布置的第 一電橋B1具有對所施加負(fù)載W的角度6w的變化不敏感的特性。這種特 性已通過將在下面描述的、本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。因此， 第一差分放大器42的第一輸出信號指示負(fù)載W，第一差分放大器42構(gòu)成 負(fù)載數(shù)值計(jì)算單元16的一部分或全部。
圖6和圖7示出了發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6示出在試制的笫一電橋B1 中，當(dāng)沿垂直于圖2所示軸C的方向施加到移置構(gòu)件26的負(fù)載W的數(shù)值 增加時(shí)測量得到的輸出電壓VI的值。由于所得到的與負(fù)栽W成比例的輸 出電壓V1，通過事先存儲負(fù)載W與輸出電壓VI之間的關(guān)系，可以利用 這種關(guān)系基于輸出電壓VI測量負(fù)載W。
圖7示出分別在五種固定負(fù)載數(shù)值F1、 F2、 F3、 F4和F5中的每一種 作為負(fù)載W凈皮施加的狀態(tài)下，當(dāng)負(fù)載施加的角度(方向)6w變化時(shí)測量 得到的輸出電壓VI的值。負(fù)栽數(shù)值從最小值(Fl )連續(xù)增加到最大值(F5 )。 此結(jié)果顯示，對于五種負(fù)載的每一個，即使在負(fù)載施加的角度(方向)ew 變化的時(shí)候，輸出電壓V1并不改變。因此，即使是角度6w變化的負(fù)載W 也能以高精度得到測量。
第二電橋B2是由兩個半橋構(gòu)成的全橋。 一個半橋由串聯(lián)連接的應(yīng)變 電阻元件HR4和HR1形成，或是位于相對于第一電橋Bl中應(yīng)變電阻元 件HR2和HR3的交叉位置的。另一半橋由串聯(lián)連接的固定電阻器SR1和 SR2構(gòu)成。圖8示出了對于試制的第二電橋B2，分別在五種固定負(fù)載數(shù)值 Fl、 F2、 F3、 F4和F5中的每一種作為負(fù)載W沿著垂直于圖2所示軸C 的方向施加到移置構(gòu)件26的狀態(tài)下，當(dāng)負(fù)載施加的角度(方向)6w變化 時(shí)測量得到的輸出電壓V2的值。
從圖8中顯而易見，輸出電壓V2與負(fù)載W的數(shù)值成比例，并隨著所 施加負(fù)載W的角度(方向)6w成比例變化。因此，使用通it^負(fù)載W 歸一化的實(shí)驗(yàn)而確定的常數(shù)oc和系數(shù)P (輸出電壓VI的函數(shù))，得到由下面的公式(3)表達(dá)的關(guān)系式。使用該關(guān)系式，基于輸出電壓V2計(jì)算所
施加負(fù)載的角度(方向)ew。構(gòu)成負(fù)載方向計(jì)算單元18的一部分或全部
的負(fù)載方向計(jì)算器46基于第一電橋B1的輸出電壓VI和電橋B2的輸出電 壓V2通過公式(3)計(jì)算表示所施加負(fù)載W的角度(方向)6w的角度信 號se,從而將其輸出。常數(shù)cx不必固定，而是可以在必要時(shí)根據(jù)VI的值 等受到校正。
6w= P xv2-oc (其中ot =常數(shù)；P=f2(Vl)) (3) 如上所述，根據(jù)本實(shí)施例的檢測裝置10被布置為當(dāng)負(fù)載W沿垂直于應(yīng) 變體20的軸C的方向從移置構(gòu)件26施加到外殼構(gòu)件24時(shí)，剪切力作用在 圓柱形應(yīng)變體20上。因此，與負(fù)載沿軸C的方向施加到圓柱形應(yīng)變體20 的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，應(yīng)變體20易于產(chǎn)生形變，從而易于在應(yīng)變電阻元件HR1 到HR4上產(chǎn)生應(yīng)變。
因此，用作為第一輸出信號的輸出電壓VI表示的負(fù)載W的檢測靈敏度 得到提高，負(fù)載W是由第一差分放大器42 (負(fù)載數(shù)值計(jì)算單元16)基于輸 出自第一電橋B1的信號計(jì)算得到的。另外，由負(fù)載方向計(jì)算器46 (負(fù)載 方向計(jì)算單元18 )基于輸出電壓V2和輸出電壓VI計(jì)算負(fù)載W的方向6 w。 這里，輸出電壓V2是第二差分放大器44基于輸出自第二電橋B2的信號 計(jì)算得到的第二輸出信號。輸出電壓VI是輸出自第一差分放大器42的第 一輸出信號。
另外，對于根據(jù)本實(shí)施例的檢測裝置10，第一電橋B1由第三應(yīng)變電 阻元件HR3與第二應(yīng)變電阻元件HR2以及第四應(yīng)變電阻元件HR4與第一 應(yīng)變電阻元件HR1構(gòu)成。輸出電壓VI是出現(xiàn)在第三應(yīng)變電阻元件HR3 與第二應(yīng)變電阻元件HR2間所產(chǎn)生電勢和第四應(yīng)變電阻元件HR4與第一 應(yīng)變電阻元件HR1間所產(chǎn)生電勢之間的電勢差。當(dāng)在第三應(yīng)變電阻元件 HR3與第四應(yīng)變電阻元件HR4之間以及第二應(yīng)變電阻元件HR2與第 一應(yīng) 變電阻元件HR1之間施加電源電壓Vcc時(shí)，出現(xiàn)此電勢差。
因此，在由第三應(yīng)變電阻元件HR3與第二應(yīng)變電阻元件HR2以及第 四應(yīng)變電阻元件HR4與第一應(yīng)變電阻元件HR1構(gòu)成的第一電橋B1中，當(dāng)在第三應(yīng)變電阻元件HR3與第四應(yīng)變電阻元件HR4之間以及第二應(yīng)變 電阻元件HR2與笫一應(yīng)變電阻元件HR1之間施加電源電壓Vcc時(shí)，執(zhí)4亍 下面的運(yùn)^f亍。也就是說，在第三應(yīng)變電阻元件HR3與第二應(yīng)變電阻元件 HR2間所產(chǎn)生電勢和第四應(yīng)變電阻元件HR4與第一應(yīng)變電阻元件HR1間 所產(chǎn)生電勢之間出現(xiàn)電勢差。該電勢差作為輸出電壓Vl被輸出。第一差 分放大器42 (負(fù)載數(shù)值計(jì)算單元16 )基于該輸出電壓VI計(jì)算負(fù)栽W的 數(shù)值。
另外，對于根據(jù)本實(shí)施例的檢測裝置10,第二電橋B2由笫四應(yīng)變電 阻元件HR4與第一應(yīng)變電阻元件HR1以及兩個固定電阻器SR1和SR2 構(gòu)成。輸出電壓V2是出現(xiàn)在笫四應(yīng)變電阻元件HR4與第一應(yīng)變電阻元件 HR1間所產(chǎn)生電勢和兩個固定電阻器SR1與SR2間所產(chǎn)生電勢之間的電 勢差。為了檢測輸出電壓V2，在第四應(yīng)變電阻元件HR4與一個固定電阻 器SR1之間以及第 一應(yīng)變電阻元件HR1與另 一 固定電阻器SR2之間施加 電源電壓Vcc。
因此，在由第四應(yīng)變電阻元件HR4與第一應(yīng)變電阻元件HR1以及兩 個固定電阻器SR1與SR2構(gòu)成的第二電橋B2中，當(dāng)在第四應(yīng)變電阻元件 HR4與 一個固定電阻器SR1之間以及第 一應(yīng)變電阻元件HR1與另 一 固定 電阻器SR2之間施加電源電壓Vcc時(shí)，執(zhí)行下面的運(yùn)行。也就是說，電勢 差出現(xiàn)在第四應(yīng)變電阻元件HR4與第一應(yīng)變電阻元件HR1間所產(chǎn)生電勢 和兩個固定電阻器SR1與SR2間所產(chǎn)生電勢之間，并作為輸出電壓V2被 輸出。負(fù)載方向計(jì)算器46基于輸出自第一差分放大器42的笫一輸出信號 (輸出電壓VI)和輸出自第二差分放大器44的第二輸出信號(輸出電壓 V2)計(jì)算負(fù)載W的方向6w。
另外，對于才艮據(jù)本實(shí)施例的檢測裝置10，四個應(yīng)變電阻元件HR1、 HR2、 HR3和HR4以沿圓周方向基本等距間隔的位置輛J改置在圓柱形應(yīng) 變體20的外表面上。響應(yīng)于所施加的負(fù)載W，第二應(yīng)變電阻元件HR2及 第四應(yīng)變電阻元件HR4在電阻值上以與笫三應(yīng)變電阻元件HR3及第一應(yīng) 變電阻元件HR1相反的方向變化。因此，第一電橋B1的輸出電壓Vl對應(yīng)于負(fù)載W的數(shù)值而變化，而與負(fù)栽W的方向6w的變化無關(guān)，第二電 橋B2的輸出電壓V2對應(yīng)于負(fù)栽方向e,而變化。于是，獲得高的靈敏度， 即高的測量精度。 〈實(shí)施例2〉
下面將介紹本發(fā)明的另一實(shí)施例。在接下來的描述中，為與上面的實(shí) 施例l共通的構(gòu)件或部分添加同樣的符號，并省略對其的介紹。
圖9示出主傳感器單元12的另一實(shí)施例中的等效電路。本實(shí)施例的第 一電橋B1與圖4的第一電橋B1的不同之處在于，代替應(yīng)變電阻元件HR1 和HR4，布置固定電阻器SR2和SR1。第一電橋Bl的其他部分以及第二 電橋B2以與實(shí)施例1同樣的方式布置。
圖10和圖11示出了本實(shí)施例的第一電橋B1和第二電橋B2的輸出電 壓V3和輸出電壓V4的測量值。在五種固定負(fù)載數(shù)值F1、 F2、 F3、 F4和 F5中的每一種如圖2所示沿垂直于軸C的方向作為負(fù)栽W施加到移置構(gòu) 件26，且所施加負(fù)載的角度(方向)6w變化的相應(yīng)的狀態(tài)下進(jìn)行測量。 負(fù)載數(shù)值從最小值(Fl)連續(xù)增加到最大值(F5)。
結(jié)果，獲得輸出電壓V3，其與負(fù)載W的數(shù)值成比例地變化，并與所 施加負(fù)載W的角度(方向)6w成比例地變化。獲得輸出電壓V4，其與 負(fù)載W的數(shù)值成比例地變化，并與所施加負(fù)栽W的角度(方向)6w成 反比例地變化。因此，在本實(shí)施例中，輸出電壓V3和輸出電壓V4的合計(jì) 值一一即(V3 + V4) —一具有不依賴于負(fù)載W的角度6w的固定數(shù)值，與 上面的實(shí)施例1的圖7相似。
因此，對于本實(shí)施例，負(fù)載W的數(shù)值可使用輸出電壓的合計(jì)值(V3 + V4)代替上面的實(shí)施例的輸出電壓Vl來確定。采用公式(3)，基于作 為合計(jì)值(V3 + V4)的函數(shù)的P、常數(shù)a以及輸出電壓V4 (V2)來計(jì)算 負(fù)載W的角度(方向)6W。與上面的實(shí)施例類似，常數(shù)a不必固定，而 是可以在必要時(shí)根據(jù)輸出電壓的合計(jì)值(V3 + V4)等等得到校正。
盡管直到此時(shí)基于附圖介紹了本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明也可以以其他 的模式實(shí)施。例如，在上面的檢測裝置10中，應(yīng)變檢測電路30被固定到應(yīng)變體20 的外圓周表面上，但是，它也可以被固定到應(yīng)變體20的內(nèi)圓周表面上。
另外，上面的檢測裝置10中的第一應(yīng)變電阻元件HR1、第二應(yīng)變電 阻元件HR2、第三應(yīng)變電阻元件HR3和第四應(yīng)變電阻元件HR4不僅可以 由厚膜電阻器形成，還可以由薄膜電阻器形成。
如圖3所示，在應(yīng)變檢測電路30中，考慮到電極(端子)圖案的定位 等等，各應(yīng)變電阻元件HR1、 HR2、 HR3和HR4被定位在應(yīng)變體20的外 圓周表面上，以從寬度中心沿寬度方向移動。但是，應(yīng)變電阻元件可以沿 寬度方向在中心位置上定位在外圓周表面上?？偟膩碚f，位于線B上側(cè)的 應(yīng)變電阻元件和位于線B下側(cè)的應(yīng)變電阻元件^皮布置為^f吏得前者和后者接 受以相反方向定向的應(yīng)力。
在上面的實(shí)施例的檢測裝置10中，外殼構(gòu)件24被用作為第一構(gòu)件， 移置構(gòu)件26被用作為第二構(gòu)件。但是，外殼構(gòu)件24可以被用作為第二構(gòu) 件，而移置構(gòu)件26可以被用作為笫一構(gòu)件。另外，在上面的實(shí)施例中，負(fù) 栽W被施加到移置構(gòu)件26且外殼構(gòu)件24接受^^作用力，但是，負(fù)載W 可被施加到外殼構(gòu)件24且移置構(gòu)件26可接受反作用力。取決于安裝結(jié)構(gòu)、 支撐結(jié)構(gòu)和負(fù)載施加結(jié)構(gòu)，可在必要時(shí)對上述實(shí)施例中的外殼構(gòu)件24和移
置構(gòu)件26進(jìn)行多種改變。
第一應(yīng)變電阻元件HR1、第二應(yīng)變電阻元件HR2、第三應(yīng)變電阻元件 HR3和第四應(yīng)變電阻元件HR4不必具有圖3示出的圖案形狀?？蓪D案 形狀的長和/或?qū)挶壤约翱傮w形狀等等進(jìn)行多種改變。
由無縫不銹鋼管形成的上述應(yīng)變體20可以通過沿縱向接合矩形不銹 鋼板的1兩個末端而形成。當(dāng)被焊接到移置構(gòu)件26的安裝部分26b和墊圏 22時(shí)，不銹鋼板可被形成為圓柱形。
在應(yīng)變檢測電路30中，各應(yīng)變電阻元件HR1、 HR2、 HR3和HR4 如圖2所示沿圓周方向等距地布置在應(yīng)變體20上。但是，它們不必布置為 嚴(yán)格等間距，而是可以根據(jù)負(fù)載檢測裝置的定位模式或負(fù)載輸入情況等在 一定范圍內(nèi)環(huán)向移動。在實(shí)施例2中，第二電橋B2的輸出電壓V4用于計(jì)算負(fù)載W的角度 (方向)6W。但是，也可以使用第一電橋B1的輸出電壓V3類似地計(jì)算 角度(方向)6w。
不言而喻，本發(fā)明可以以其他模式來實(shí)行，其中，盡管沒有一一詳細(xì) 解釋這樣的其他模式，基于本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識，可以做出多種變化和 修改。
權(quán)利要求
1. 一種用于檢測負(fù)載值和負(fù)載方向的負(fù)載和負(fù)載方向檢測裝置(10)，包括主傳感器單元(12)，該單元包括(i)圓柱形應(yīng)變體(20)，其在圓周表面上配備有沿圓周間隔開的至少四個應(yīng)變檢測元件(HR1，HR2，HR3，HR4)，以及(ii)第一構(gòu)件(24)和第二構(gòu)件(26)，這兩個構(gòu)件分別被固定，并支撐所述應(yīng)變體的相應(yīng)末端，使得垂直于所述應(yīng)變體的軸(C)定向的負(fù)載作用在所述應(yīng)變體的所述相應(yīng)末端中的一個上，反作用力作用在所述相應(yīng)末端的另一個上；負(fù)載數(shù)值計(jì)算單元(16)，該單元使用第一輸出信號計(jì)算負(fù)載數(shù)值，所述第一輸出信號基于輸出自第一電橋(B1)的信號，所述第一電橋包括所述至少四個應(yīng)變檢測元件中相對于所述軸定位的至少一對應(yīng)變檢測元件(HR4，HR1)；以及負(fù)載方向計(jì)算單元(18)，該單元使用(i)第二輸出信號以及(ii)所述第一輸出信號來計(jì)算負(fù)載方向，所述第二輸出信號基于輸出自第二電橋(B2)的信號，所述第二電橋由所述至少四個應(yīng)變檢測元件中相對于所述軸定位的一對應(yīng)變檢測元件(HR4，HR1)和兩個固定電阻器(SR1，SR2)構(gòu)成。
2. 如權(quán)利要求l的負(fù)載和負(fù)載方向檢測裝置，其中，所述第一電橋 (Bl)由第三應(yīng)變檢測元件(HR3)與第二應(yīng)變檢測元件(HR2)以及第四應(yīng)變檢測元件(HR4)與第一應(yīng)變檢測元件(HR1)構(gòu)成，且所述第 一輸出信號對應(yīng)于當(dāng)在所述第三應(yīng)變檢測元件與所述第四應(yīng)變 檢測元件之間以及所述第二應(yīng)變檢測元件與所述第 一應(yīng)變檢測元件之間施 加電源電壓(E)時(shí)出現(xiàn)在所述第三應(yīng)變檢測元件與所述第二應(yīng)變檢測元 件間所產(chǎn)生電勢和所述第四應(yīng)變檢測元件與所述第 一應(yīng)變檢測元件間所產(chǎn) 生電勢之間的電勢差。
3. 如權(quán)利要求1或2的負(fù)載和負(fù)栽方向檢測裝置，其中，所述第二電橋(B2)由第四應(yīng)變檢測元件(HR4)與第一應(yīng)變檢測元件(HR1)以 及兩個固定電阻器(SR1， SR2)構(gòu)成，且所述第二輸出信號對應(yīng)于當(dāng)在所述第四應(yīng)變檢測元件與 一個固定電阻 器之間以及所述第 一應(yīng)變檢測元件與另 一 固定電阻器之間施加電源電壓 (E)時(shí)出現(xiàn)在所述第四應(yīng)變檢測元件與所述第 一應(yīng)變檢測元件間所產(chǎn)生 電和所述兩個固定電阻器間所產(chǎn)生電勢之間的電勢差。
4. 如權(quán)利要求l的負(fù)載和負(fù)載方向檢測裝置，其中，所述至少四個 應(yīng)變檢測元件(HR1到HR4 )沿圓周方向等距地布置在所述圓柱形應(yīng)變體(20)上，且響應(yīng)于施加的負(fù)載，所述第二應(yīng)變檢測元件(HR2)及所述第四應(yīng)變 檢測元件(HR4)在其電阻值上與所述第三應(yīng)變檢測元件(HR3)及所述 第一應(yīng)變檢測元件(HR1)以相反的方向變化。
5. 如權(quán)利要求2的負(fù)載和負(fù)載方向檢測裝置，其中，所述至少四個 應(yīng)變檢測元件(HR1到HR4)沿圓周方向等距地布置在所述圓柱形應(yīng)變體(20)上，且響應(yīng)于施加的負(fù)載，所述第二應(yīng)變檢測元件(HR2)及所述第四應(yīng)變 檢測元件(HR4)在其電阻值與所述第三應(yīng)變檢測元件(HR3)及所述第 一應(yīng)變檢測元件(HR1)以相反的方向變化。
6. 如權(quán)利要求3的負(fù)載和負(fù)載方向檢測裝置，其中，所述至少四個 應(yīng)變檢測元件(HR1到HR4)沿圓周方向等距地布置在所述圓柱形應(yīng)變體(20)上，且響應(yīng)于施加的負(fù)載，所述第二應(yīng)變檢測元件(HR2)及所述第四應(yīng)變 檢測元件(HR4)在其電阻值上與所述第三應(yīng)變檢測元件(HR3)及所述 第一應(yīng)變檢測元件(HR1)以相反的方向變化。
全文摘要
負(fù)載和負(fù)載方向檢測裝置被構(gòu)建為使得當(dāng)負(fù)載W沿垂直于應(yīng)變體(20)的軸(C)的方向(A)從移置構(gòu)件(26)施加到外殼構(gòu)件(24)時(shí)，剪切力作用在圓柱形應(yīng)變體(20)上。因此，應(yīng)變體(20)易于發(fā)生形變。于是，負(fù)載(W)的數(shù)值的檢測靈敏度得到提高，其中，負(fù)載數(shù)值由第一差分放大器(42)(負(fù)載數(shù)值計(jì)算單元(16))基于輸出自第一電橋(B1)的輸出電壓(V1)進(jìn)行計(jì)算。負(fù)載(W)的方向(θw)由負(fù)載方向計(jì)算器(46)(負(fù)載方向計(jì)算單元(18))基于輸出自第二電橋(B2)的輸出電壓(V2)和輸出自第一電橋(B1)的輸出電壓(V1)進(jìn)行計(jì)算。
文檔編號G01L1/22GK101285724SQ200810092449
公開日2008年10月15日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者松浦昭, 藤原升 申請人:豐田鐵工株式會社;松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社