JP2006509986A - アクティブテンショナ - Google Patents

Abstract

伝動ベルトの張力を検出し、制御するためのロードセルを備えたオートテンショナ。テンショナは、レバーアーム／プーリの位置を設定することによりベルト荷重を設定する、電動モータにより駆動されるリードスクリュを備える。テンショナは更に、ベルト荷重を検出するためのテンショナリードスクリュに係合されたロードセルを備える。テンショナモータは、ロードセル信号を用いループ制御される。コントローラは、要求されるベルト荷重を特定し、要求されるベルト荷重に対応するテンショナレバーアームの位置を設定するために、検出されたロードセルからのベルト荷重を所定のベルト荷重値と比較する。テンショナは、エンジンの運転状況によっても制御され得る。

Description

本発明は、テンショナに関し、より具体的には、ロードセルの信号、あるいはエンジンの運転状態に基づいてベルト張力を制御するオートテンショナに関する。

乗物のエンジンは、その他の多くのものの中にあって、エンジンにより駆動される補機を備える。補機には、例えばパワーステアリングポンプ、エアコン用コンプレサ、オルタネータなどが含まれる。これら各々の補機は、単独のベルトあるいは複数のベルトによりエンジンのクランクシャフトプーリに連結されるプーリを備える。補機は、クランクシャフトが回転すると単独のベルトあるいは複数のベルトにより駆動される。

効率的に運転するには、ベルトは予め一定の負荷すなわち張力のもとに置かれている必要がある。これは従来知られた方法を用いて達成することもできる。１つの補機における移動可能なシャフトがベルトに張力を与えるために機械的に調整されてもよい。別の方法としては、ベルトテンショナの利用が挙げられる。

ベルトテンショナは、レバーアームに力を与えるスプリングを備える。レバーアームは、一般的にはそれに枢着されたプーリを備える。プーリはベルトと接触した状態にある。テンショナ内のスプリングなどのバイアス部材がベルト荷重を与え維持するために用いられる。ベルト荷重は、テンショナスプリングのバネ係数の関数であるとともに、テンショナの幾何学的構造の関数である。

テンショナの位置を制御し、それによりベルト張力を制御するためにアクチュエータが利用されている。例えば、それらは原動プーリと従動プーリとの間の位相差を調整するために用いられる。制御信号は、従動プーリと比較された原動プーリの相対的な回転位相から得られる。

この技術の代表は、シキ(Shiki)等の米国特許第５，７３３，２１４号明細書（１９９８年）であり、これは原動プーリと従動プーリとの間の位相角に基づいてテンショナから無端ベルトに掛けられるべき張力を調整する制御システムを備える内燃機関における無端伝動ベルトの張力を調整するためのシステムを開示する。

必要とされているのは、ロードセルにより検出されたベルト荷重により制御されるオートテンショナである。必要とされているのは、ベルト張力を制御するためにエンジンの運転状態に応答可能なオートテンショナである。本発明はこれらの要求に合致する。

本発明の第１の目的は、ロードセルにより検出されたベルト荷重により制御されるオートテンショナを提供することにある。

本発明の別の目的は、ベルト張力を制御するためにエンジンの運転状態に応答可能なオートテンショナを提供することである。

本発明のその他の目的は、本発明の以下の説明と添付された図面により指摘され明らかとされる。

伝動ベルトの張力を検出し制御するためのロードセルを備えたオートテンショナ。テンショナは、レバーアーム／プーリ位置を設定し、これによりベルト張力を設定するための電動モータにより駆動されるリードスクリュを備える。テンショナは更に、ベルト荷重を検出するためにテンショナリードスクリュに係合されたロードセルを備える。テンショナモータは、ロードセルの信号を用いてループ制御される。コントローラは、必要とされるベルト荷重を特定し、それにより前記必要とされるベルト荷重に対応するテンショナアームの位置を設定するために、ロードセルから検出されたベルト荷重を所定のベルト荷重の値と比較する。またテンショナは、エンジンの運転状況により制御されてもよい。

図１は、ベルト伝動システムにおけるテンショナの斜視図である。本発明は、エンジンの運転中に変化するエンジンの要求に応じて、ベルトテンショナから伝動ベルトに掛けられる力を変化させることを可能にする。テンショナアームの位置の能動的リアルタイム制御は、所定のテンショナバイアス部材位置とベルト張力要求とに基づき所定の力を与える従来の取り合わせに反して、常にベルトに与えられるべき最適な張力を実現可能にする。

本発明のテンショナとシステムは、電子的に制御されるダンピング機能を備える。より具体的には、伝動装置の能動的な動きによりエンジンの様々な運転状態においてテンショナに与えられる様々な動的な力に対するテンショナの動的な応答を減衰する。ダンピングパラメータは、無限大とされることも可能であり、すなわち、テンショナコントローラは、特定の運転状態に必要とされる張力を計算する。そして、プーリを介して適正な張力をベルトに与え、その後運転中にベルトに発生する動的な（高周波）張力変動には応答しない（動かない）。

ダンピングパラメータが有限の場合、動的張力は、連続的なベルト張力の調整によりベルトシステムの共振周波数を変えることにより低減することができる。連続的なベルト張力の調整は、ベルトが平均的に低い張力の下で運転されることを可能にし、これは直接ベルト寿命を延ばす。またこれはベルトだけではなく、例えばベアリングなど、システムの他の構成部品についても同様に当てはまる。

テンショナの別の有利な点は、例えば高速運転やアイドリングなど、異なるエンジン状態で要求される張力レベルの間において妥協する必要がないことから、騒音レベルを大幅に低減することである。最適の設定は、運転状態に応じてコントローラにより特定される。低いベルト張力は、ベルトに対する要求が最小であるアイドリングの際に設定され、高いベルト張力は、例えば２０００ＲＰＭなど、所定速度を越えたエンジンの運転や、ベルトの加速あるいは減速が大きい期間に対し設定される。

テンショナは、リードスクリュのコンセプトに基づくアクチュエータを備える。リードスクリュの一端は、例えばエンジンなどのベースに回動自在に連結されたテンショナレバーアームと連結される。偏心して取り付けられたプーリは、レバーアームの一端に枢着される。プーリはベルトを押圧し、この接触を通してベルト張力が生成される。リードスクリュは、軸方向に移動可能であり、より具体的には、ギヤ列によって、螺刻された延長ナット、すなわちカラーを通してリードスクリュが回転されると、リードスクリュは軸方向に移動する。リードスクリュの軸方向への運動は、レバーアームを移動させ、これによりベルトの張力が変更される。リードスクリュと螺接可能に係合された延長ナット、すなわちカラーは、六角形の端部をテンショナ端部カバーの雌六角形状に嵌め入れることにより、回転しないようにされている。

延長ナット、すなわちカラーは、テンショナ端部カバーの雌六角形状と反対側の端部に設けられたボアにより位置決めされている。これは延長ナット、結果リードスクリュがその軸に沿って上下することを可能とする。延長ナットの六角形部分は、荷重分散ワッシャを押圧することによりスペーサーを押圧し、最終的に荷重検出装置、すなわちロードセルを押圧する。荷重検出装置には、リードスクリュが同軸的に延在する中央開口部を有する「ドーナッツ形」すなわち環状ロードセルが含まれる。スペーサーは、必要に応じた、異なる大きさの減衰力を与えるように、例えば、エラストマや、プラスチック、金属など、異なる素材から作られていてもよい。

リードスクリュの駆動力は、エンジンの電気系への接続に適合された、従来知られている例えば１２Ｖ ＤＣ 電気モータなどのアクチュエータモータによって与えられる。このモータには、４２Ｖ、あるいは特定のエンジンの電気系に好適な他の電圧のものも含まれる。他の好適なモータも市場において容易に手に入れることができるが、代表例は、ジョンソンモータやイガラシによって製造されたモータである。駆動力は、減速ギヤ変速機によってアクチュエータからリードスクリュへと伝達される。

ロードセルは、レバーアームからリードスクリュに掛かる軸荷重を計測する。軸荷重データ、レバーアームとテンショナプーリに関する既知の幾何学的な情報は、ベルトの張力を計算、すなわち特定するのに用いられる。

より具体的には、図１に示されるように、テンショナ１０００は、ギヤボックス１００、アクチュエータ２００、ロードセル３００、リードスクリュ組立体４００、プーリ５００、そしてレバーアーム６００を備える。ギヤボックス１００は、ギヤ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５を有する減速変速機を備える。ギヤ１０１〜１０５は、一例であり、ギヤボックスで使用されるギヤの数を限定するものではない。無論、必要とされるギヤの減速を達成するために何個ギヤを用いてもよい。アクチュエータ２００は、ギヤ１０１に連結されている。リードスクリュ４０１は、ギヤ１０５に連結されている。ギヤボックス１００によるギヤの減速は１００〜１の範囲にある。

リードスクリュ４０１は、環状ロードセル３００のセンタボアを通して同軸的に延在する荷重付与部材(force imparting member)である。リードスクリュシャフト４０２は、延長ナット、すなわちカラー４０３と螺接可能に係合する。リードスクリュ４０１がギヤ１０５の作動により回転されると、リードスクリュ４０１は、その主軸に沿って軸方向に移動し、アーム６００をＭ＋あるいはＭ−の何れかに動かす。これは、結果として、カラー４０２に掛かる力を増大あるいは低減するベルト張力を増大させる。そして、カラー４０２は、ロードセル３００に押圧力を与える。ロードセル３００、すなわち荷重センサは、ロードセル信号を生成し、ここでより十分に説明されるように、コントローラに送信する。ロードセル信号は、ベルト荷重を示すものであり、したがってベルト張力を示す。

ロードセル３００は、代替的に、ロードセルを直接押圧するリードシャフト４０１から荷重を直接受ける「ボタン」形式のロードセルであってもよい。あるいは、ロードセル３００は、水晶やセラミック素子など圧縮あるいは引張応力を与えられたときに電圧を発生する圧電素材(piezoelectric material)であってもよい。

レバーアーム６００は、ピボット点５０１（図２参照）の回りに回転する。リードスクリュ４０１は、レバーアーム６００と係合される。レバーアーム６００のＭ＋方向への動きは、ベルト張力の増大をもたらし、それにより、リードスクリュ４０１によりロードセル３００に伝達される力を増大させる。レバーアーム６００のＭ−方向への動きは、ベルト張力の減少をもたらし、それにより、リードスクリュ４０１によりロードセル３００に伝達される力を減少させる。

図２は、テンショナの断面図である。リードスクリュ４０１は、ナット、すなわちカラー４０２の螺刻された内側ボア部４０４と係合する螺刻部４０３を有する。カラー４０２は、ロードセル３００を押圧する。前述したように、Ｍ＋方向へのシャフト４０１の移動により、カラー３００はベルトに伝達される力を増大させ、そしてロードセル３００へ伝達される力を増大させる。アイドルプーリ７００は、ベルトの動きを更に安定させるのに用いられる。

距離（ａ１）は、リードスクリュのレバーアームとの接点からピボット点５０１へのリードスクリュの力の方向に沿った距離である。距離（ａ２）は、リードスクリュのレバーアームとの接点からピボット点５０１へのリードスクリュの力の方向に垂直な方向に沿った距離である。これらには、与えられたテンショナの配置により実現される有利な機械的な特性を特定する幾何学的な関係を示す変数が含まれる。

図３は、ベルト伝動システムにおけるテンショナの正面斜視図である。テンショナ１０００は、代表例としてのベルト伝動システムの一部分として示されている。ベルトＢの一部が、システムの他のプーリ（不図示）と同様に、プーリ５００、プーリ７００に掛け回された状態で示される。システムの他のプーリには、エアコン用コンプレサ、パワーステアリングポンプ、燃料噴射ポンプ、オイルポンプ、オルタネータやジェネレータ／スタータなどに連結されたプーリが含まれるが、これらに限定されるものではない。

図４は、テンショナの背面斜視図である。レバーアーム６００が示される。リードスクリュ４０１は、レバーアーム６００に係合する。プーリ５００はレバーアーム６００に枢着されている。

図５は、ギヤボックスの図である。ギヤ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５を備えるギヤ列が、ギヤボックスカバーを取り除いた状態で示される。ギヤ１０１は、アクチュエータ駆動シャフトに連結されている。規制スイッチ８００、８０１が、アクチュエータ２００の作動を制御するために用いられ、リードスクリュ４０１の最大可動範囲を規制する。ギヤ１０５は、リードスクリュ４０１が軸方向に移動すると、ギヤ１０４に沿って軸方向に移動する。可動範囲の一方におけるリードスクリュギヤ１０５による規制スイッチ８００、８０１の一方との係合は、アクチュエータ２００を停止させ、これによりギヤ列、アクチュエータ、あるいはベルトを損傷させる可能性がある過負荷状態の発生を防止する。

テンショナの全体の大きさ、すなわち物理的な寸法を小さくするために、ギヤ列のギヤ１０１は、ハイポイドギヤの配置を代わりに採用してもよい。すなわち、ギヤ１０１は、周知のハイポイドギヤを備え、アクチュエータ２００の駆動シャフト２００ａは、ギヤ１０１の外周を駆動する。これはまた、ギヤ列に用いられるギヤの数を減らすことができる。

テンショナの作動と、それによるテンショナの位置は、電子制御システムによって制御される。システムは、テンショナリードスクリュの位置とそれによるベルト張力を制御するプロセッサを備えたコントローラを備える。コントローラは、様々な入力を受け取り、それに従って作動する。またコントローラは、任意の入力パラメータに対するリードスクリュの位置特性に対し最適化されたテンショナベルト荷重の対応付けを行なう。位置特性は、対応関係から計算されるか、コントローラメモリに格納されたマップから選択、すなわち検索される。入力パラメータは、リードスクリュの力を制御する特定の制御出力値を与え、それにより必要とされるベルト張力を設定するために、更に検索あるいは計算と結び付けられる。システムのセンサから収集されたデータを格納するためにメモリが設けられる。

リードスクリュの力と、それによるベルト張力は、ロードセルを通して実現されるリードスクリュ力のフィードバックループにより制御される。他の制御変数には、例えば、エンジン速度、負荷、スロットルポジション、エンジン変速ギヤ比、エンジン冷却剤および／あるいはオイル温度、走行速度、ベルト騒音信号などが含まれる。この変数のリストは、１つの代表例であり、テンショナを制御するのに使用され得る全ての変数を含むものではない。また、この制御プロトコルは、所定のリードスクリュ力がシステムに入力されるフィードフォワード、すなわちプレコントロール期間(pre-control term)によって実現されてもよい。

また変数は、例えば、エンジンの加速度を与えるエンジン速度の１階微分などのように加工されてもよい。スロットルの動きの１階微分は、ドライバの要求を示すものとしてエンジンスロットルの位置の変化率を与え、これはまたベルト張力の変化を要求する。例えば、１０，０００ＲＰＭ／秒など、大きな加速あるいは減速もまた、これに釣り合ったベルト張力の急激な変化を必要とし得る。

テンション診断システムは、能動的テンショナと結合されることも可能である。テンショナ診断システムは、幾つかの異なる方法で機能し得る。例えば、温度センサは、時間と温度の完全な履歴を管理するために用いられる。履歴はコントローラメモリに格納される。この情報は、アレニウス則(Arhennius relationship)を用いて、一定の温度での等価な期間と比較するために利用される。これは更に、例えば警告レベルおよび「切迫」したレベルを含む一定のレベルでの所定のベルト寿命と比較される。これは、例示的な、背面クラック、コンパウンドの硬化、ジャケットのクラック、心線の劣化などを含むゴムの時効(aging)により引き起こされ得る多くの作用をカバーする。警告はシステムによって、所定のスレショールド値を超えたときに、周知のユーザインタフェース（例えばＣＲＴやＬＣＤ表示装置）に送出される。

温度センサの更なる利用法は、システムとベルトが晒される極端な低温始動の繰り返し数(number of cycles)をモニタするものである。これは、そのような極端な運転状態により引き起こされる付加的な心線の疲労の特定を可能にする。この情報は、モデルへの付加的累積的な損傷として記録される。更に、特定の温度での低温始動による損傷は新品のベルトに対してよりも温度時効(temperature aging)を経た後の方が大きくなるが、この情報はその程度を特定するのに用いられる。これは、ベルトの時効と最終的なベルトの破壊をより適切に予測するのに用いられる。

テンショナの診断は、ベルト弾性係数(belt modulus)の計測（あるいは見かけのベルト弾性係数）に基づいて行なわれる。テンショナコントローラは、エンジンの運転サイクルにおける適切な時点において診断サイクルを実行し、最も好ましくはエンジンを停止するときごとに行なう。処理は、テンショナが所定のエンジン停止状態に至る前に２つの特別な条件を通してテンショナを循環させる。これらの条件は、荷重（Ｌ）と位置（Ｐ）の計測値、Ｌ１、Ｐ１とＬ２、Ｐ２を与える。これらは、テンショナの両側にある各ベルト要素における弾性係数の計算を可能にする。弾性係数は、ベルトが最初に特定されたときにコントローラメモリに格納された参照値と比較され、そしてベルトが取り付けられてから最初の１０回あるいは２０回の始動における平均値と比較され、そして更に最新の１０回あるいは２０回の始動における平均と比較される。

弾性係数の比較は、適正な弾性係数のベルトが取り付けられたかについての初期チェックを可能にし、続いてその特定のベルトに対する所定レンジ内の実際の弾性係数の合理的な測定が実行される。例えば、コントローラは、ベルトを交換した後、始動−停止サイクル１０回に対し情報を集めることが可能である。そして初期ベルト弾性係数は、収集された情報を用いて計算される。そして初期弾性係数は、コントローラメモリに格納される。更に、この初期弾性係数は、ベルトの運転期間(operating life)を通して弾性係数を悪化傾向とすることにより弾性係数の疲労予測のための基礎となる。これは、ベルト使用期間における任意の時点での実際のベルト弾性係数を目標張力の調整に取り入れることを可能にする。最新の一定数のサイクルにおける平均値に対する弾性係数のチェックは、ベルトの短区間において進行中の弾性係数の問題（ベルトとプーリとの間に入り込む異物によるクリンピング(crimping)や損傷により発生し得る）の特定を可能にする。これらの問題は、弾性係数の低下という観点から現れる。弾性係数減少の変化率は、ベルトの余命を予測するのに用いられる。

計測条件Ｌ１／Ｐ１、Ｌ２／Ｐ２は、荷重を特定し位置を計測すること、あるいはその逆を行なうことにより決定される。所定位置の特定は、位置センサの全レンジを使用するよりも、規制スイッチ８００、８０１の利用を可能とする利点がある。これはシステムの複雑さを低減する。位置は、与えられた位置（Ｐ１）に到達するのにかかる時間についての既知の情報に基づき、一定期間に渡り一定の衝撃係数によりアクチュエータを駆動することにより決定されてもよい。その後荷重（Ｌ１）が決定される。アクチュエータはその後、第２位置（Ｐ２）に到達するのにかかる時間についての既知の情報に基づき一定の衝撃係数で第２期間に渡って駆動される。そして第２の荷重（Ｌ２）が決定される。ベルトの弾性係数の計算方法は、従来技術から容易に得られる。

弾性係数の値は、心線疲労、エッジの摩滅、底のクラック(root crack)（テンショナの両側にあるプーリに溝が設けられているならば、ベルト前縁および後縁両者における）を含む一定のベルト破壊モードの累積的な検出を可能にする。前述したように、クリンピング(crimping)の検出や他の局所的な物理的損傷も検出される。

更に、識別可能参照歯(identifiable reference tooth)（図１８参照）がベルトに設けられてもよい。参照歯(reference tooth)を用いて、ベルトの全長に渡るベルト弾性係数のマップが作成される。渦巻抗張力心線(spiral wound tensile cord)の場合のベルト弾性係数は、ベルト全長に沿って一定ではないため、この情報は有益である。特定のベルト部分に対する弾性係数の値の特定は、心線疲労の計測精度を大幅に向上する。また、ベルトに分散された任意の数の測定に依存するよりも、ベルト全体がサンプリングされるため、ベルト全体の弾性係数の正確な表示をもたらすという利点を有する。

本システムの別の利点は、張力制御ユニットをエンジン管理システムに結び付けることに基づく。それをエンジン管理システムに結び付けることは、参照歯がセンサを通り過ぎるごとに、累積的なベルトサイクルの数が計数されることを可能にする。更に、各サイクルにおいて、ベルトに掛けられる張力と運転温度も検出可能であり格納可能である。これはベルト心線疲労状況を特定するためのより多くの情報を与える。

また、別の有利な点は、ベルト交換期間の明示を不要とすることである。現在、ベルト交換期間は、いくぶん恣意的であり、しかも控えめであるため、殆どのベルトは交換が必要となるかなり以前に交換されている。ベルト交換期間は控えめな見積もりに代えて、実際の計測により決定されることから、本発明のシステムの使用は、平均的ベルト寿命に大きな増大をもたらす。また、実際に運転された時間に係らず、破壊の始まりが実際の破壊が起こる前に検出されて、信頼性の向上が実現される。

図６は、テンショナ制御モジュールの模式図である。コントロールモジュール（Ａ）は、テンショナのための様々な入力を受け、様々な出力（制御信号）を生成する。代表的な入力は、１）ロードセルにより計測されるアクチュエータリードスクリュに作用する力（Ｂ）、２）サーミスタにより計測されるエンジン温度（Ｃ）、３）エンジン速度（Ｄ）、４）同期クロック信号（Ｅ）、５）アクチュエータ電動モータ電流フィードバック（Ｆ）、６）規制スイッチ８００からの第１方向への行程終端（Ｇ）、７）規制スイッチ８０１からの第２方向への行程終端（Ｈ）である。制御システムの出力は、Ｈ−ブリッジドライバへのパルス幅変調信号（数値と符合、すなわち方向によって決定される）である。Ｈ−ブリッジドライバの場合、電流は正負何れも可能であり、そのためアクチュエータ４００の両方向への運動を提供する。システムは、車両の１２Ｖ電気系（Ｊ）への接続により電力が供給される。

ベルト張力の制御は、ロードセル信号からのフィードバック制御に基づく。ベルトの張力は、ベルト巻付け角とテンショニングプーリ／レバーアームの特有な幾何学的配置に基づく三角法による関係を用いて、リードスクリュに掛かる力、そしてそれによりロードセルに掛かる力から計算される。

具体的には、
Ｔ＝ベルト力
θ＝プーリの回りのベルト巻付け角
Ｆ_P＝プーリハブに作用する力
Ｆ＝アクチュエータスクリュに作用する力
ａ１＝リードスクリュに掛かる力からプーリピボットまでの力の方向に沿った距離
ａ２＝リードスクリュに掛かる力からプーリピボットまでの力の方向に垂直な距離

スクリュに作用する力は：
Ｆ＝Ｆ_P×（ａ１／ａ２）
そして Ｆ_P＝２×Ｔ×ｓｉｎ（θ／２）

この計算を目的として、リードスクリュの行程は、距離ａ１、ａ２と巻付け角θに有意な影響を与えないように十分に小さいと仮定される。

例えば：
θ＝８６．４５°
ａ１＝１０ｍｍ
ａ２＝４５．５ｍｍ

張力制御システムは、参照制御ループ(reference control loop)として利用されるリードスクリュ力の値を計算するのに２つのモードを用いる。これらのモードの１つは、目標ベルト張力に基づいて、目標リードスクリュ力を計算する。別の方法として、目標リードスクリュ力は、エンジン速度の関数としてのルックアップマップから取得されてもよい。

目標ベルト張力モードを用い、リードスクリュ力は以下の式を用いて計算できる。
Ｆ＝２×Ｔ×ｓｉｎ（θ／２）×（ａ１／ａ２）
ここで、ａ１およびａ２については前述した通りであり、
Ｔ＝ベルト張力の集められた値
θ＝ベルト巻付け角

リードスクリュ力が測定されると、コントローラはアクチュエータに第１あるいは第２の方向に作動するように合図し、これにより、リードスクリュ力を増大あるいは減少させ、それによりベルト張力を増大あるいは減少させるためにリードスクリュを動かす。ロードセルからの信号は、目標リードスクリュ力と連続的に比較される。目標リードスクリュ力が達成されると、コントローラはリードスクリュアクチュエータを停止する。もし規制スイッチが作動されると、コントローラは、規制スイッチ信号を受信したときにアクチュエータの作動を停止する。

図７は、ベルト張力を制御するための論理図である。変数「ｂｅｌｔ＿ｗｒａｐ＿ａｎｇｌｅ」、「ａ１＿ｐｕｌｌｅｙ＿ｃｅｎｔｅｒ」、「ａ１＿ｔｅｎｓｉｏｎ」は、テンショナが使用される特定のベルト伝動装置に基づいた入力スカラー値である。

パラメータ「ｍａｐ＿ｓｉｎｅ＿ｂｅｌｔ＿ａｎｇｌｅ」は、システムメモリに格納されたルックアップテーブルから得られる。

目標リードスクリュ力は、アンチワインドアップ機能(anti-windup functionality)を備えた比例、積分、微分（ＰＩＤ）コントローラを用いて制御される。アンチワイドアップの装備は、比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲイン、アンチワイドアップゲインを可調整パラメータ(calibrated parameters)として規定する。

図８は、フィードバック制御とパルス幅変調（ＰＷＭ）処理のための論理図である。ＰＷＭは、トランスを使用することなく、０ボルトと参照値との間で変動する電圧をアクチュエータに供給するための方法である。図８は、能動的テンショナのための最上位レベルの機能を示す。制御アルゴリズムを計算するためのサイクル時間は、約０．００４秒である。制御目的の利用のために、エンジン速度（Ｎ＿Ｅｎｇ＿ｒｐｍ）とロードセル信号（ＬｏａｄＣｅｌｌ）には、デジタルローパスフィルタが適用される。

図８には、以下の階層が呈示され描かれる。
１）ピストン力の計算８００：この階層では、目標リードスクリュ力が計算される。前述されたように、２つのモードがリードスクリュ力を取得するのに用いられる（図９も参照）。
ａ．上述の簡単な三角法の関係を用いた目標ベルト張力からのリードスクリュ力の計算。エンジン速度が、マップから目標ベルト張力を読み出すためのブレークポイントとして使用される。飽和ブロックは、ベルト張力が可調整範囲(calibratable range)内にあることを保証する。
ｂ．目標リードスクリュ力は、エンジン速度の関数としてルックアップテーブルから直接読み出すことが可能である。
２）不感帯(dead-zone)８０１：これはＰＩＤ制御ループの誤差信号に適用される不感帯を与える（図１０参照）
３）アンチワインドアップＰＩＤ８０２：これはリードスクリュ力を制御するためのＰＩＤコントローラであり、積分項のアンチワインドアップ効果を防止する（図１１参照）。
４）信号変換８０３：これはＰＩＤコントローラの出力を、アクチュエータモータを駆動するために適切なＰＷＭ信号に変換する（図１２参照）。

変数Ｔ＿ＳＰＥＥＤ（テンショナ速度）、Ｎ＿Ｅｎｇ＿ｒｐｍ（エンジン速度）、Ｔ＿ＬＯＡＤ（テンショナ荷重）、Ｌｏａｄ＿Ｃｅｌｌ（ロードセル信号）、Ｎ＿Ｅｎｇ＿Ｖ＿２＿ｒｐｍ、Ｎ＿Ｅｎｇ＿ｒｐｍ＿ｏｆｆｓｅｔ、Ｋ＿Ｌｏａｄはスカラーである。

再び図８を参照して、目標リードスクリュ力と計測されたリードスクリュ力の間の差から生じるリードスクリュ力の誤差は、不感帯処理(dead-zone treatment)により、比例−積分−微分（ＰＩＤ）コントローラに供給される前に調整される。ＰＩＤコントローラの不感帯は、もしそれが所定の調整範囲(calibrated range)内に含まれるならば誤差を０に設定する。コントローラは、リードスクリュ力の誤差が所定の調整範囲に入ると、アクチュエータの動きを停止し、それによりリードスクリュの動きを停止する。もしリードスクリュの誤差が調整範囲から外れると、コントローラは計測されたリードスクリュ力を調整範囲内に戻すようにアクチュエータを作動させる。

図９は、計算目標ピストン力のための論理図である。張力−ピストン力変換（ｔｅｎｓｉｏｎ＿ｔｏ＿ｐｉｓｔｏｎ＿ｆｏｒｃｅ）９００は、既知のリードスクリュ力に基づいてベルト張力を計算する。マップ目標ベルト力リミッタ１（ｍａｐ＿＿ｔａｒｇｅｔ＿ｂｅｌｔ＿ｆｏｒｃｅ＿Ｌｉｍｉｔｔｅｒ＿１）は、最大値および最小値（ｂｅｌｔ＿ｔｅｎｓｉｏｎ＿ｍａｘ、ｂｅｌｔ＿ｔｅｎｓｉｏｎ＿ｍｉｎ）の間でリードスクリュ力を制限する。最大および最小リードスクリュ力を超えていなければ、目標ピストン（リードスクリュ）力９０３が生成される。目標リードスクリュ力は、ロードセル信号と比較される。そして、コントローラによってリードスクリュの位置を調整し、それによりベルト張力を要求される値に調整するために制御信号が生成される。代表的なベルト張力の範囲は、約０Ｎ〜３０００Ｎであり、これは約０Ｎ〜１０００Ｎのピストン力の範囲に対応する。計算は、０．００４秒の間隔で実行されるが、間隔は要求される動作状況に応じて調整され得る。

図１０は、不感帯のための論理図である。与えられた不感帯は、制御動作が行なわれず、すなわち無限大のダンピング特性を与える可調整領域が存在することを保証する。可調整パラメータＳｔａｒｔＤＺとＥｎｄＤＺが同一でない限り、クラスは前述の範囲に見出される入力引数(input arguments)に対しては「０」に戻る。もし、不感帯の限界が同一であれば、入力引数は変更されずに戻される。この範囲の外の入力信号値に対しては、パラメータＳｔａｒｔＤＺとＥｎｄＤＺが適切に減ぜられる。接頭辞「ｃａｌｃ＿」は、対象となる変数(subject variables)の計算を表わす。

図１１は、アンチワインドアップのための論理図である。階層Ｉの論理図については図１３を参照。階層ＤＴ１の論理図については図１４参照。「ＣｔｒｌＤｅｖｉａｔｉｏｎ」は、制御偏差ピストン力を表わす。「Ｌｏａｄ」は、ピストン荷重を表わす。「ｖａｒ＿Ｎ＿Ｅｎｇ」は、エンジン速度を表わす。「ＰＷＭ」はパルス幅変調を表わし、「ｃｏｍｐｕｔｅ」は、計算である。

図１２は、変換信号のための論理図である。これはハイレベル制御により計算されるスタンダードＰＷＭ値からの変換であり、この値はプロセッサによって翻訳可能である。例えば、プロセッサ／コントローラにより計算された値は、−１００と＋１００の間（−と＋は回転における２つの認識(senses)である）で変動でき、ローレベルのソフトウエアドライバのために２つの値に翻訳される。第１の信号(sign)は極性（方向）であり、第２の値は以下のように計算される最終的ＰＷＭ値である。
ＰＷＭ＿Ｃｍｄ＝１００−ＰＷＭ

ここで、ＰＷＭ＿Ｃｍｄはアクチュエータ４００に転送される値であり、ＰＷＭはハイレベル制御で計算される値である。「ＨＢ＿ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ」は、広く電動モータの方向を表わす。「ＨＢ＿Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ＿Ｃｍｄ」は、電動モータの方向に関する指令信号を表わす。

図１３は、階層Ｉのための論理図である。これは、ＰＩＤ制御に属するアンチワインドアップ積分器制御(anti-wind up integrator control)である。ルックアップテーブルＴ１は、エンジン回転速度（ゲインスケジューリング）に従って、異なる積分器ゲイン(integrator gains)を与えられる。アンチワインドアップの寄与は、単一のスカラーゲインｋＡによって調整される。パラメータ「ＩｎｔｅｇｒａｔｏｒＯｆｆ」は、必要に応じてオペレータが手動で積分器をオフに切り替えることを可能にする。「ＣｔｒｌＩｎｐｕｔ」は、テンショナの位置に従ってＰＩＤコントローラに入力される。「Ｉｎｔｅｇｒａｌ＿ｉｎｐｕｔ＿ｖａｌｕｅ」はスカラー積分コントローラ入力項(term)である。

図１４は、ＰＩＤ制御に属する階層ＤＴ１のための論理図である。微分の寄与はゲインＫｄにより調整される。「ｄｔ１ｂｕｆｆｅｒ」は、スカラーメモリ項であり、「ｄｔｌｏｕｔ」はスカラー出力ＤＴ１の項である。

図１５は、診断とリカバリー機構のための論理図である。診断には、クロック診断（ハイ／ロースレッショルド）、エンジン速度レンジ診断（ハイ／ロースレッショルド）、ロードセル（ハイ／ロースレッショルド）、規制スイッチに対する行程の終端診断（スイッチ開／閉）、アクチュエータモータ電流フィードバック診断（過剰電流に対するハイスレッショルド）などが含まれる。各々は、図示されるようにエラーフラッグを設定する。

図１６（ａ）は、サーミスタ入力のための論理図である。サーミスタ入力（ＲａｗＶａｌｕｅ７＿ＯＣ−ＡＤＣ）は、エンジン制御ユニットから受け取られる。これは、この明細書の他の場所で説明されたように、ベルトのための運転温度の履歴をマップするのに使われ得る。

図１６（ｂ）は、アクチュエータ電流フィードバック計算のための論理図である。アクチュエータ電流フィードバック（ＲａｗＶａｌｕｅ５＿ＯＣ＿ＡＤ）とフィードバック因子（ＡＤＣ＿Ｏ＿Ｃｕｒｒｅｎｔ＿Ｆｅｅｄｂａｃｋ＿Ｆａｃｔｏｒ）は、異常な運転状況、例えばローターがロックされアクチュエータの作動を停止させる必要がある状況を確認するのに用いられる。ロックされたローターは、アクチュエータによる異常に大きな電流の流れをもたらす。ローターがロックされた状況は、レバーアームの可動範囲にある障害物や、動作範囲の何れかの終端における規制スイッチの故障によって起こされる。

図１６（ｃ）は、ロードセルキャリブレーションのための論理図である。ロードセルキャリブレーションは、参照として用いられる第２ロードセルを用いてエンジンの各始動時に行なわれ得る。本システムでは、ロードセルキャリブレーション（電圧［ｍＶ］から荷重［Ｎ］への関係）は、製造の段階に行なわれ、センサの使用期間内において指定された許容誤差内に収められる。

図１６（ｄ）は、エンジン速度計算のための論理図である。エンジン速度は、ベルト張力を特定するのに用いられる。それはまた、ベルト余命(belt life duration)を予測するための累積的運転履歴(cumulative operating life history)を特定するのに用いられる。

図１６（ｅ）は、ＰＷＭの自動／手動制御のための論理図である。ＰＷＭは、ここで説明される自動モードに加え、手動（ＭＡＮＵＡＬ）でも制御できる。手動モードでは、車両のオペレータ、あるいは技術者は、要求されるベルト張力を入力できる。入力ベルト張力は、ベルトに過剰な応力を与えないように、所定の制限範囲内にある必要がある。手動モードは、システムにおける運転中の故障を避けるためにも用いられ得る。

図１６（ｆ）は、ＨＢＲＩＤＧＥ１のための論理図である。これは電動モータの回転方向（ＨＢｒｉｄｇｅ１＿Ｄｉｒ）を制御する。Ｈ−ブリッジ回路は、ＤＣモータを駆動するための技術分野において周知である。

図１７は、参照歯付きベルト(reference tooth belt)の側面図である。歯付きベルト２０００は、弾性体２００１を備える。抗張力部材２００２は、弾性体２００１内に埋設されている。抗張力部材２００２には、ポリアミド、アラミド、ポリエステルやこれらと等価なものからなる撚り糸などが含まれる。

弾性体２００１には、限定されるものではないが、ポリクロロプレン、アルキルクロロスルホン化ゴム、ポリブタジエン、水素化ニトリルブタジエンゴム（ＨＮＢＲ）、ＥＰＤＭやこれらの等価物、およびこれらの２以上の組み合わせなどを含む、天然ゴムや合成ゴムが含まれる。

歯２００３は、ベルト２０００のプーリ係合部から突出する。本発明のベルトは、ベルト伝動システムが作動している間に、ベルトの特定の位置あるいは複数の位置を特定するための手段を備える。歯付きベルトの場合、これはベルトに設けられたどの歯の場所も特定することができる。そしてこの情報は、この明細書に開示されたようにモニタリングに用いられる。

ベルトに照合用の目印を設ける手段は何通りかある。例えば、ベルトの表面に光学センサ２００７により検出される対照的なカラーストライプ２００４を設けてもよい。ストライプ２００４は、磁気センサ２００８によって検出される適当な磁気特性を有する粉末状の素材を含んでいてもよい。

別の例では、挿入物２００５かつ／または挿入物２００６が歯２００３あるいはベルト本体に型入れされる。挿入物２００６と挿入物 ２００５は、磁気、電気、ホール効果、静電容量、あるいは他の手段により検出可能な如何なる素子であってもよい。センサ２００７、２００８は、能動的テンショナコントローラに接続される。

ここでは、本発明の１つの形態について説明されたが、当業者にとっては、ここで説明された本発明の精神と範囲を逸脱することなく、その構成や構成部の関係を様々に変形することは容易である。

ベルト伝動システムにおけるテンショナの斜視図である。 テンショナの断面図である。 ベルト伝動システムにおけるテンショナの正面斜視図である。 テンショナの背面斜視図である。 ギヤボックスの図である。 テンショナ制御ユニットの模式図である。 ベルト張力を制御するための論理図である。 フィードバック制御とＰＷＭ処理のための論理図である。 計算ピストン力のための論理図である。 不感帯のための論理図である。 アンチワインドアップのための論理図である。 変換信号のための論理図である。 階層Ｉのための論理図である。 階層ｄｔ１のための論理図である。 診断とリカバリー機構のための論理図である。 サーミスタ入力のための論理図である。 アクチュエータ電流フィードバック計算のための論理図である。 ロードセルキャリブレーションのための論理図である。 エンジン速度計算のための論理図である。 ＰＷＭの自動／手動制御のための論理図である。 ＨＢＲＩＤＧＥ１のための論理図である。 参照歯付きベルト(reference tooth belt)の側面図である。

Claims (30)

1. 電動アクチュエータと、
   レバーアームに係合された荷重付与部材と、
   前記レバーアームに枢着され、ベルトと係合可能なプーリとを備え、
   前記荷重付与部材が前記電動アクチュエータと係合され、それにより前記荷重付与部材が前記電動アクチュエータにより軸方向に移動可能であり、
   前記荷重付与部材に係合され、負荷信号を検出しコントローラに転送する荷重センサを更に備え、
   前記コントローラは、荷重付与部材の位置を制御するために前記負荷信号を用いる
   ことを特徴とするテンショナ。
2. 前記荷重付与部材が、リードスクリュを備え、前記リードスクリュが螺刻されたカラーと回転可能に係合されることを特徴とする請求項１に記載のテンショナ。
3. 電動アクチュエータが電動モータであることを特徴とする請求項１に記載のテンショナ。
4. 前記荷重付与部材が、電動アクチュエータとギヤ変速機を通して係合されることを特徴とする請求項１に記載のテンショナ。
5. 前記荷重センサが、更にボアを有し、前記荷重センサが荷重付与部材と前記ボアを通して同軸的に係合されることを特徴とする請求項１に記載のテンショナ。
6. 前記レバーアームが取り付け面に回転可能に係合されることを特徴とする請求項１に記載のテンショナ。
7. 環状荷重センサと、レバーアームに枢着されたプーリとを有するテンショナを備え、前記プーリは無端ベルトにベルト荷重を与えるために前記無端ベルトと接触し、
   前記環状荷重センサはベルト荷重を検出するとともに、ベルト荷重信号をコントローラへ転送し、
   前記コントローラは、ベルト荷重のためのプーリの位置を選択するのに前記ベルト荷重信号を用いる
   ことを特徴とする無端ベルトの張力調整システム。
8. 前記テンショナが更に、
   電動アクチュエータにより移動可能な軸方向可動部材を備え、
   前記レバーアームが前記軸方向可動部材に係合され、
   前記環状荷重センサが、前記軸方向可動部材と同軸的に係合される
   ことを特徴とする請求項７に記載の張力調整システム。
9. 前記電動アクチュエータが電動モータであり、前記電動モータが前記軸方向可動部材とギヤ減速機を通して係合されることを特徴とする請求項８に記載の張力調整システム。
10. 回転レバーアームに枢着されたプーリをベルトに係合させ、
    前記レバーアームをベルト荷重のために位置決めするステップと、
    ベルト荷重を検出するために環状ロードセルを用いるステップと、
    要求されるベルト荷重に対応してベルト荷重の値を選択するステップと、
    前記ベルト荷重を前記ベルト荷重の値と比較するステップと、
    前記ベルト荷重の値に基づいて新たなレバーアーム位置を決定するステップと、
    前記レバーアームを、前記ベルト荷重の値に前記ベルト荷重を設定するために、前記新たなレバーアーム位置に移動するステップと
    を備えることを特徴とするベルト荷重制御方法。
11. エンジンパラメータを検出するステップと、
    前記エンジンパラメータに関連してベルト荷重の値を選択するステップと
    を備えることを特徴とする請求項１０に記載のベルト荷重制御方法。
12. 環状荷重センサを備えるテンショナをベルトに係合させるステップと、
    前記ベルトにベルト荷重を与えるためにテンショナ位置を調整するステップと、
    前記環状荷重センサにより前記ベルト荷重を検出するステップと、
    前記検出されたベルト荷重を要求されるベルト荷重と比較するステップと、
    前記検出されたベルト荷重が前記要求されるベルト荷重と実質的に等しくまで、前記テンショナ位置をコントローラにより調整するステップと
    を備えることを特徴とするベルトに張力を与える方法。
13. エンジンの運転パラメータに関連して前記要求されるベルト荷重を選択するステップを備えることを特徴とする請求項１２に記載のベルトに張力を与える方法。
14. エンジンの運転速度に関連して前記要求されるベルト荷重を選択するステップを備えることを特徴とする請求項１３に記載のベルトに張力を与える方法。
15. エンジンの運転温度を検出するステップと、
    前記エンジンの運転温度に関連して前記要求されるベルト荷重を選択するステップと
    を備えることを特徴とする請求項１３に記載のベルトに張力を与える方法。
16. 前記要求されるベルト荷重をルックアップテーブルから選択するステップを備えることを特徴とする請求項１２に記載のベルトに張力を与える方法。
17. エンジン温度の履歴をコントローラメモリに格納するステップを備えることを特徴とする請求項１５に記載のベルトに張力を与える方法。
18. 前記ベルトに設けられた照合用歯部を用いるステップと、
    累積的なベルトサイクルを特定するためにセンサにより前記照合用歯部の各通過を検出するステップと、
    前記累積的なベルトサイクルをベルト疲労状況の解析のためにメモリに格納するステップと、
    ユーザへ告知するステップと
    を備えることを特徴とする請求項１２に記載のベルトに張力を与える方法。
19. 荷重センサを備えるテンショナをベルトと係合させるステップと、
    前記ベルトに第１ベルト荷重（Ｌ１）を与えるために、前記テンショナを第１位置（Ｐ１）に調整するステップと、
    前記荷重センサにより前記第１ベルト荷重（Ｌ１）を検出するステップと、
    前記ベルトに第２ベルト荷重（Ｌ２）を与えるために、前記テンショナを第２位置（Ｐ２）に調整するステップと、
    前記荷重センサにより前記第２ベルト荷重（Ｌ２）を検出するステップと、
    （Ｌ１）、（Ｌ２）、（Ｐ１）、（Ｐ２）を用いてベルト弾性係数を計算するステップと
    を備えることを特徴とするベルト弾性係数計算方法。
20. 更に、コントロールメモリに前記計算されたベルト弾性係数の値を格納するステップと、
    ベルト弾性係数の傾向を特定するために、前記計算されたベルト弾性係数の値を比較するステップと、
    ユーザへ告知するステップと
    を備えることを特徴とする請求項１９に記載のベルト弾性係数計算方法。
21. 前記第１位置（Ｐ１）を検出するのに第１規制スイッチを用いるステップと、
    前記第２位置（Ｐ２）を検出するのに第２規制スイッチを用いるステップと
    を備えることを特徴とする請求項１９に記載のベルト弾性係数計算方法。
22. 前記テンショナを第１期間に渡り一定の衝撃係数で駆動することにより前記テンショナを位置（Ｐ１）に調整するステップと、
    前記テンショナを第２期間に渡り一定の衝撃係数で駆動することにより前記テンショナを位置（Ｐ２）に調整するステップと
    を備えることを特徴とする請求項１９に記載のベルト弾性係数計算方法。
23. 荷重センサを備えるテンショナをベルトに係合させるステップと、
    第１ベルト荷重（Ｌ１）を与えるために前記テンショナを調整するステップと、
    規制スイッチにより第１ベルト位置（Ｐ１）を検出するステップと、
    第２ベルト荷重（Ｌ２）を与えるために前記テンショナを調整するステップと、
    規制スイッチにより第２ベルト位置（Ｐ２）を検出するステップと、
    （Ｌ１）、（Ｌ２）、（Ｐ１）、（Ｐ２）を用いてベルト弾性係数を計算するステップと
    を備えることを特徴とするベルト弾性係数計算方法。
24. 更に、前記計算されたベルト弾性係数の値をコントロールメモリに格納するステップと、
    ベルト弾性係数の傾向を特定するために、前記計算されたベルト弾性係数の値を比較するステップと、
    ユーザへ告知するステップと
    を備えることを特徴とする請求項２３に記載のベルト弾性係数計算方法。
25. 電動アクチュエータと、
    レバーアームに係合されたリードスクリュと、
    前記レバーアームに枢着され、ベルトと係合可能なプーリとを備え、
    前記リードスクリュが前記電動アクチュエータに係合され、それにより前記リードスクリュが前記電動アクチュエータにより移動可能であり、
    前記リードスクリュと同軸的に係合され、コントローラに荷重信号を転送する荷重センサを備え、
    前記コントローラが、リードスクリュの位置を制御するのに前記荷重信号を利用する
    ことを特徴とするテンショナ。
26. 前記電動アクチュエータが電動モータであることを特徴とする請求項２５に記載のテンショナ。
27. 前記リードスクリュが、ギヤ変速機により電動アクチュエータと係合されることを特徴とする請求項２５に記載のテンショナ。
28. 前記荷重センサが、ボアを有する環状ロードセルであり、
    前記環状ロードセルが前記ボアを通して前記リードスクリュと同軸的に係合されることを特徴とする請求項２５に記載のテンショナ。
29. 前記レバーアームが、取り付け面に回転可能に係合されることを特徴とする請求項２５に記載のテンショナ。
30. 前記リードスクリュが、カラーに回転可能に係合されることを特徴とする請求項２５に記載のテンショナ。

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