JP2009531604A - トランスミッションベルトの摩耗を検知し、ベルト駆動システム性能を監視する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

エンドレス・ベルト及び関連するベルト駆動システムの磨耗もしくは変則的動作を、非接触センサーによって監視することができ、ベルト駆動システムの状態を判断し、ベルト及びシステムの不具合の初期段階を検知する装置及び方法。１もしくは複数の独立した検出部を特徴とするセンサーユニットが、ベルトに隣接、もしくは近接して設置されており、それによって、ベルト稼動の同時に起こる複数の正常モードを監視する。本センサーは、収集した信号を処理し、構造的な損傷を検知することで、タイミング駆動装置全体における正常性を連続的に判断できる。収集されたデータは、センサーに統合されたマイクロコントローラによって処理される。エンドレスベルトの磨耗もしくは変則的動作を監視する本装置及び本方法は、非接触コンデンサ配列を使用している。その非接触コンデンサ配列は、一つもしくは複数の検出部から構成されており、検出部は、ベルトに隣接もしくは近接して設置され、ベルトが呈する静電容量効果及び圧電効果に連動した動的な電気容量変化を特に感知するように構成された電子回路に接続している。また、本装置は、ベルトが関連部品の変則的動作によって影響を受けているかどうかを検知することで、ベルトの関連駆動部品の監視も可能である。本センサーは、ベルト駆動装置の通常稼動中に、ベルトを連続的に監視する。本センサーは、工場用、工業用及び自動車用用途で現在使用されている、繊維コード耐荷重性コアを有するポリマーマトリクスを特徴とするベルトの検知に特に適合する。

Description

動力伝達の分野において、ベルト駆動装置は、回転部材を連結するための好適な手段である。従来から、ベルト駆動装置は、非同期ベルト(non-synchronous belt)駆動装置と同期ベルト(synchronous belt)駆動装置という大まかな二種類に分けられる。車両において、両種類とも広く使用されている。非同期駆動装置は、ウォーターポンプ、空調コンプレッサ、パワーステアリングポンプ及びオルタネータユニットなどのアクセサリを駆動させるための好適な手段である。タイミング駆動装置と通常称される同期駆動装置は、オーバーヘッドカムシャフトシステムを駆動させるための好適な手段として用いられてきた。また、同期駆動装置は、被駆動部品の同期が必要な内燃機関内で広く使用されている。そのような駆動装置の例を図１に示す。

タイミングベルトは、通常、グラスファイバー、織物、ゴム及びその他様々なポリマーの複合材である。これら全ての素材は圧電特性を示す。すなわち、変形を加えられている間に、電荷を発生することができる。正常な稼動条件下において、ベルトは、スプロケット及びプーリー上を移動する際に、張力及び曲げ力によって変形を加えられる。このような変形によって電荷が発生する。ベルト素材の抵抗が比較的大きいため、電荷は、検知されるのに十分な時間存在する。圧電効果によって発生した電荷は、ひずみに比例する。この特性は、力変換器や加速度計において活用されてきた。

本発明は、両タイプの駆動装置に適応するが、特に、タイミング駆動装置に適している。ベルトは、チェーン駆動装置やギア駆動装置など、その他使用されている手段よりも、経済的で、複雑でなく、効率的な手段である。ベルトの主な欠点は、その耐用年数の判断、もしくは、車両の耐用年数期間においてベルトが不具合を起こし得る時点の判断が困難なことである。今日まで、目視検査が、ベルト駆動装置やその関連部品の状態を点検する唯一の方法であった。しかしながら、この目視検査は、非常に厄介で非実用的な作業である。タイミング駆動装置は、汚れに対して脆弱であるため、通常はカバーで覆われた状態で稼動するが、目視検査の前にそのカバーを取り外すのは、通常、かなりの労働力を要する作業である。また、ベルトや他の部品の破損は必ずしも見た目に明らかであるとは限らず、目視検査は無駄になるかもしれない。さらに、ベルトの不具合は、車両や駆動装置を操作不能にし、また、高圧縮比を有する最近の燃焼エンジンの性質のために、ベルトの不具合によって、非同期や、バルブトレインとピストンとが衝突する危険性が生じるため、通常、作用するエンジンに大きな損傷を与える。

タイミングベルトは、改良された素材や改善された歯形を用いることでかなりの進化をしてきたが、そういった構造的な進歩では、タイミング駆動システム全体に対する寿命予測の問題は解決されなかった。高額な修理費とその結果起こる顧客不満足を伴うベルト駆動装置の寿命予測の不確かさのために、エンジン製造業者は、そのような駆動装置の設計及び使用において、かなりのセーフティーマージンをもって計算することを強いられてきた。その結果、ベルトは必要以上に非常に幅広に製造され、ベルト交換において推奨される走行距離は、大事を取って短めとなっている。エンジン製造業者やタイミング駆動装置の設計者は、ベルト耐用年数の不確かさによって、ベルトを使うよりはチェーン駆動に立ち戻る考えを強いられてきた。保守不要のエンジンを指向する市場の動向が、そのような考えを特に強めてきた。それにもかかわらず、エンジン製造業者は、チェーンに切り替えることに非常に消極的であり、あらゆる可能な手段でもって、長年この難問の解決に取り組んできた。

先行技術は、この問題に取り組むという趣旨を有した多くの発明による、熱心な取り組みを教示している。しかし、提案されたこれら多くのアイデアでは問題が解決されておらず、また、概して工業化は現実的でない。多くの解決策は、必要となる追加費用や設計課題の正当化が不十分であるため、投資者を引き付けることができなかった。以下は、ベルトにおいて設計変更を必要とする種類の解決策である。米国特許登録番号６，１８１，２３９号及び米国特許登録番号６，５２３，４００号は、ベルトに埋め込まれたワイヤや金属構造物の破損、もしくはインダクタンスや静電容量の変化によって、ベルトの摩耗を検知する解決策を開示する。ベルト製造分野の当業者にとっては、このような解決策は非現実的である。ベルトに金属構造物を埋め込むことは、ベルト製造の方法論から甚だしく逸脱することを意味するのであって、そのような金属構造物がベルトの全体的な耐久性に与える影響は非常に不透明である。ベルト製造業者は、いかなる設計変更についても非常に保守的な姿勢を示す傾向にあり、この種の解決策の実施は非常に疑わしい。さらに、そのような実施に伴う費用によって、製品は過度に高額となる。他の欠点は、そのような解決策は、ＯＥＭによって設置されたベルトでしか機能しないことである。自動車のアフターマーケットでは、特定のエンジン駆動装置で用いられるベルトが、数社の製造業者によって製造されるのはよくあることである。多くの場合、修理に使用されるベルトは、ＯＥＭによって設置されたベルトではなく、異なる製造業者が作ったものである。

また、機械式、光電式、もしくはオンオフ式のスイッチセンサー装置に基づく発明の代表的な例として、摩耗したベルトのサイドトラッキングに応答する光学式スイッチもしくは機械式スイッチの使用を開示する米国特許登録番号６，５６９，０４６号や、不具合のある歯またはコグの検知にそのようなスイッチを使用することを開示した米国特許登録番号４，６２６，２３０号が挙げられるが、このような発明は全て、目的を達成するには不十分であると考えられる。これらの装置は、休止状態にある装置が、保護するベルトが損傷した場合のみ始動するので、汚れに対して脆弱であり、誤警報を出したり信頼性を失いやすい。さらに、要求されるインプットをシミュレートできないので、そのような装置の機能を確かめることは不可能である。そのような装置は、誤警報発生の可能性があるため、ベルトがすでに著しく不具合を起こしている場合に発生するような、システムにおける深刻な異常に反応するように調整される必要があるが、そうすると、ドライバーにはほとんどあるいは全く警告が与えられない。

発明の要約

駆動用ベルトの摩耗及び損傷を非接触手段によって検出する本発明は、ベルトに対する物理的もしくは構造的な損傷の他に、ベルトに支障をきたすいかなる影響やインプットも感知することにより、駆動装置の性能を監視する手段を提供する。したがって、本発明は、上記先行技術の発明に対して顕著な改良を与えるものである。図１に示すタイミングシステムで使用されるベルトを、変則的なインプットのない最適な条件下で稼動させた場合、チェーンと同程度の耐久性を呈することは、当該分野の当業者にとって明らかである。ベルトが早期に不具合を起こす場合の大多数は、変則的な事象によるものであって、例えば、ベルトが、連結する部品の誤作動の影響を受けた後、もしくは、油や冷却液あるいはその他のエンジンや工業機械で通常使用される流動体で汚れた後、もしくは、漏れ穴のあるカバーから入ってきた、ほこり、氷、水及び石の小片などの外的な汚れにさらされた後などである。本発明は、その性質からして、そのような変則的な影響の発生に対して、駆動用ベルトを監視するのに使用できる。本発明は、先行技術で述べられている発明とは反対に、設計変更を必要とせずにベルト駆動装置で即時に実施できるというさらなる利点を有する。本発明は、ベルト駆動装置の寿命を判断する信頼性のあるシステムを提供し、また、設計従事者は、本発明により、全体的なシステム品質をどのように改良するかについて、多くの方策を採用することができる。

均一な強度をもつ新品のベルトにおいては、圧電電荷は均一に分散している。本発明のセンサーは、電荷密度の変化に敏感であり、それゆえに出力信号に大きな変動はない。使用の結果ベルトが摩耗すると、他に比べて弱くなった部分が発生し、エンジン稼動中に負荷がかけられると、その部分は他より大きな変形ひずみを呈する。すなわち、弱くなったベルト部分では、他より大きな圧電効果が生じ、他より高い局所電荷密度が発生する。本発明のセンサーは、他に比べて高まっている局所電荷を感知し、増幅した信号振幅を発生させる。したがって、信号振幅が大きいほど、ベルトはより弱くなっている。本発明のセンサーは、電気容量における変化も感知する。この変化は、ベルトの誘電特性における動的変化の結果として生じたものである。

本発明は、ＭＰＵ(micro processing unit：マイクロプロセッサ)に連結する非接触センサーを特徴とする。そのセンサーは、一もしくは複数の電気容量検出部によって動作し、該電気容量検出部は回路に連結しており、誘電率の変化や、電気容量の変化を感知するよう設計されている。また、システムの通常稼動中、ベルトのひずんだ構造材が電気容量検出部を通過する際に、ベルトは圧電効果を引き起こすが、本発明のセンサーは、この圧電効果によって生じる静電容量も感知する。ベルトの圧電特性によって、ベルト駆動装置の稼動中に、ベルトに加えられた変形に比例した電荷もしくは準静電(quasi static electricity)がベルト上に蓄積する。弱くなったベルト部分は他より大きく変形するので、他より高い電荷を生じ、これはセンサーからの他より高い信号レベルとなるため、この効果はベルト弱化の指標として利用することができる。検出部は、ベルトの重要な特性、特に、ベルトやベルト駆動装置が稼働中に呈する重要なモードに対応した信号応答を発するように配置される。典型的な検知モードとしては、基本的なベルト特性、固有周波数及び噛み合い周波数のスパン振動(span vibration of natural and
meshing frequencies)、ベルト歯に起因する瞬間的ＲＰＭ、及び１回転毎信号イベント（one per revolution signal
events）が挙げられる。損傷につながるベルトの劣化は、通常、ベルトの１箇所で始まるが、センサーはこれを感知し、ベルト１回転毎信号イベント（以降ＯＰＲＳＥと称する）を発生させる。

汚れによって、ベルトの誘電率及び／又は静電容量及び圧電反応に、永久的もしくは半永久的な変化が生じ、その変化はいずれかの検出部で確認され、信号の閾値に全体的な変化を与える。いかなる連結部品における初期の不具合も、ベルト張力に変化を与える。張力の変化によって、通常稼働中にベルトスパンが繰り返し示す振動特性がシフトする。さらに、ベルト駆動装置のねじれ特性もまた変化する。特性におけるこのような変化が、ベルト張力の量的増大もしくは減少に直接関連し得ることは、ベルト駆動装置分野の当業者にとって明らかである。センサー回路から出力された信号は、あらゆる信号処理の方法論で処理できる。さらに、アナログベースの信号は、データ収集及び信号解析が可能ないかなる装置にも調整し、合わせることができる。しかしながら、本発明が最大限に実現されるのは、独立した装置としてであって、その独立した装置では、センサー構造内に内蔵されたＭＰＵ(in-the-sensor structure
embedded MPU)で実行されるＤＳＰ(digital signal processing：デジタル・シグナル・プロセッサ)アルゴリズムにより、アナログ信号が解析される。結果として生じたデータはセンサー構造上に記憶される。このデータは、エンドユーザーの戦略に応じて、さらに、外部ＰＬＣ(Programmable Logic Controller：プログラマブル論理制御装置)もしくは車両制御装置のアルゴリズムで解析することができ、あるいは、中央データベースへの送信用に記憶することができる。

この機能性は、ベルトユーザー(ＯＥＭ)に多くの利点を提供する。例えば、修理間隔に対する非直線的なアプローチを可能にする。すなわち、あらかじめ決められた走行距離に到達した際、ベルトやその他タイミング駆動部品において、これまでと比較して修理をする必要がある場合に、車両から信号が送られる（これは、救急車両、警察車両もしくはタクシー車などの極度の負荷サイクルにさらされる車両にとっては特に有益である）。機能に深刻な損傷や損失が起きる前に、駆動装置不具合の初期兆候を検知することで大きなコスト削減となり、不具合が保証期間中に発生すれば特に大きなコスト削減となる。収集されたデータに基づき、ユーザーは積極的な対応、すなわち、業務公報（service bulletin）を発行することができる。収集されたデータに基づき、ユーザーは、タイミング駆動装置の耐用年数の構成要素となるもの、及び駆動装置を設計する最善の方法についてノウハウを作成することができる。ベルトの幅をより狭くすることができるため、数ミリメートルのスペースの確保が重要な意味を成す箇所において、それだけのスペースを確保することができる。本発明をマーケティング手段として用いれば、ベルト駆動装置は信頼できないという現在の考え方を緩和もしくは取り除くことができ、車両のエンドユーザーに安心感を与えるであろう。上述の利点は、工業用のベルト駆動システムにも直接適用できる。

詳細な説明と好適な実施形態

本発明は、下記の図面とともに、下記の詳細な記載及び好適な態様から、より理解される。

好適な実施形態の説明

本発明は、センサー装置及び信号解析の方法論であって、特に、ベルト駆動装置の稼動状況を提示し、駆動上の不具合を回避するために、ベルト及び／又はその関連部品を交換すべき時点の予測に適したセンサー装置及び信号解析の方法論を特徴とする。さらに、本発明は、図２２に示すような電子回路５１及び検出部３６を特徴とし、これは静電容量特性及び圧電特性を伴った電気容量手段によって稼動し、ベルトに接触せずに信号データを収集する。検出部３６は、静的構造、すなわちベルトを覆うカバーを通して、ベルトを感知することができる。この特性によって、本センサーは、特に、通過するベルトからの動的調波及び一時的イベントの感知によく適合する。本電子回路は、電気容量性(capacitive)、静電容量性(electrocapacitive)、及び圧電性のセンサー回路分野の当業者によって、多くの方法で実現可能である。ラリー・Ｋ・バクスターの「Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ
Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」(ニュージャージー州ピスカタウェイ、電気電子技術者協会発行)は、そういった回路例の優れた情報源である。この中で記載されているＭＯＳ(metal
oxide semiconductor：金属酸化膜半導体)トランジスタを用いる新しいアプローチは、混成信号回路に構成要素を容易に組み込むことができるので好適であるが、本発明に関して言えば、適した特性をもつどのような電気容量センサー回路も適用可能である。回路のこの部分を、アナログ回路５１と称する。アナログ回路と連結した検出部は、所望の信号インプットを最もよく生じるように、対象となるベルト構造のまわりに設置される。検出部５１は、隣接して設置された２つの電極から構成され、その電極は、既定の電気容量を発生し、電気容量場を与える。電極は、ベルトの変化する誘電特性が電極の電気容量が変化するような形で電気容量場へ影響を与えるように、ベルトに向けて配置される。電極の電気容量の変化は、連結したアナログ回路５１によって感知される。検出部は、誘導結合（inductive
coupling）によるベルト素材複合物の圧電材料特性から生じるベルト上の静電容量の電荷集積も感知する。

図８及び９に示すように、ベルト構造と交差して設置された検出部３６は、通過する歯構造２１に特有の信号応答を発生する。該検出部の信号応答は、図２８に示されており、間隔８０は、ベルト１７の歯ピッチに相当する。

本発明においては、図８、図９及び図１３に示されるように、ベルト歯ピッチ１６の倍数の間隔をあけて設置された２つ以上の検出部３６、３８が、通過する歯の信号応答を増幅させる効果を有する。

図１９及び図２０に示すように、ベルト運行の主方向に対して縦方向に向けられた検出部３７は、図７に示すようなベルトスパン１４の側方運動２７に特有の信号応答を主に発生する。側方運動は通常、固有スパン振動もしくは誘導(induced)スパン振動によって生じる。図２３は、図７に示す固有スパン振動２７の典型的な信号応答を、振動周期８４及び振幅７３とともに表している。図２４は信号の周波数スペクトルであり、７４は、ベルトスパン１４の固有周波数７１を表している。ベルト歯ピッチ１６の３倍もしくはそれ以上と等しい長さを有する検出部３７は、通過するベルト歯の影響を受けず、ゆえに、ベルト歯から生じた噛み合い信号に対し、フィルタの役割を果たす。該検出部は、ベルトスパン１４の側方運動２６において噛み合いに関連した周波数７０が存在すれば、それのみを検知する。

図２１に示すように、複数の検出部３６、３７及び３８から構成されるセンサーは、多重スイッチ５０を用いたアナログ回路５１と接続している。多重スイッチは、図２２に示すＭＰＵ５３によって制御され、各検出部３６、３７及び３８からの信号を、個別に、もしくは集合的に、もしくは採用されたＤＳＰ戦略で必要とされるあらゆる組み合わせでサンプリングすることを可能にする。

図３０に示すように、２つの検出部３６は、ベルトピッチの１つと半個分の間隔４５をあけ、それゆえに、片方は歯先に面し、もう片方は根元に面するという独特な配置でもって、ベルトをはさんで反対側もしくは同じ側に配置される。この検出部配置では、図３０に示すように、信号４６と４７とがお互いに打ち消しあう性質によって、通過するベルト歯２０に起因する信号応答に著しい減衰が生じる。なお、図３０のダイアグラム８１は、この互いの打ち消し合いを説明したものである。これは、センサーがＯＰＲＳＥ（one-per-revolution signal event：１回転毎信号イベント）を探知するために作られている場合や、内部の構造的損傷、すなわちベルト弱化を探知する場合に特に有益である。ベルト１７の構造的欠陥もしくは劣化による損傷が検知されると、ＯＰＲＳＥが表れる。多くの場合、ベルト損傷は一箇所で始まり、それ以上稼動する過程で損傷が広がり、全体的なベルト不具合をもたらす。ＯＰＲＳＥは、ベルト１７に不具合が発生しており、早急に交換すべきことを指し示すものである。図５は、通常、ＯＰＲＳＥによって示される２種類のベルト損傷、すなわち、初期のコード破損２２及びポリマー欠損２３を示したもである。図６は、欠損した歯構造２４もしくは裂けた歯２５による、ベルト１７の損傷を示したものである。これらの種類の損傷は、はっきりと認識できる信号イベントとして、信号トレース上に表れる。上記信号トレースの例を図２７に示す。図２７では、間隔７８が、検出部を通過したベルト１回転分を表しているのに対して、信号ピーク７９は、ベルトのある特定の１箇所における上記ＯＰＲＳＥを表している。ストレイ信号及び誤警報を避けるため、閾値と比較する前または比較した後に、いくつかの周期分の信号ピーク７９を合計してもよい。

図１に示すような駆動装置に用いられたベルト１７が、油やエンジン冷却液、あるいはその他のベルトに残留物を残してベルトの誘電特性及び／又は静電容量特性に重大な変化を与えるような流動汚染物質で汚れた場合、センサーアセンブリは、その流動体の存在を検知し、図３１に示すような信号閾値の全体的なシフト記録する。図３１では、８２は、汚れる前に測定された信号レベルを表し、８３は、汚れた後に測定された信号レベルを表している。

図１は、本発明をベルト駆動装置に対する監視装置として適用した主要な例の一つであるが、このベルト駆動装置は、通常、内燃機関におけるカムシャフトの同期を維持するのに用いられ、タイミング駆動装置と称される。このベルト駆動装置では、本発明のセンサー３０がカムシャフトスプロケット７に隣接して設置されている。センサー３０は、この位置において、駆動装置の監視、ベルト１７に対するいかなる変則的インプットの検知、また、ベルトに対する損傷の検知を最も良くできるよう設置される。センサー３０は非接触手段で稼動するため、図２に示すように、動いているベルト構造１７を妨げないような十分な隙間３４及び３５が存在する。センサー３０は、図２２の点線の囲み枠で示すように、その構造内に内蔵された検出部３６、３７、３８と、電子機器の全てを有しており、そのため、センサー３０は、独立して稼動することができる。センサー３０は、車両のエンジン制御器に接続され、マスターの車両エンジン制御器５８に対して一般的に行われている子器（slave）として機能させることができ、ワイヤ３１もしくはワイヤレスアンテナ３２を介して該制御器と通信ができる。信号経路は、次の通りである。検出部３６が電界７２によってベルト１７を感知する。検出部３６は、図２１に示した多重化手段５０によってアナログ回路５１と連結される。アナログ回路５１はアナログ信号６１を発生させ、そのアナログ信号は、Ａ／Ｄコンバータ５２によってデジタルデータ流へ変換され、マイクロプロセッサＭＰＵ５３内に記憶される。ＭＰＵ５３は、内蔵されたアルゴリズムによって、デジタル信号プロセッシングＤＳＰを実行する。適したＤＳＰは、デジタル信号解析の分野の当業者であれば誰にでも周知である。

センサーアセンブリ３０は、車両の電源供給から独立した稼動を可能にする内蔵バッテリー電源供給装置を有する自立ユニットとして稼動してもよい。このオプションは、アフターマーケットでの利用に特に適している。

センサーアセンブリ３０に組み込まれた電子機器は、連続的な自動通信プロトコルを用いて、ワイヤもしくはワイヤレスにて車両と通信を行う。このようなプロトコルには、例えば、ＬＩＮ（Ｌｏｃａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ
Ｎｅｔｗｏｒｋ：ローカル相互接続ネットワーク）、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ：コントローラー・エリア・ネットワーク）５７、もしくはそのようなプロトコルから派生したものなどが含まれる（図２２）。

センサーアセンブリ３０に組み込まれた電子機器は、内蔵マイクロコントローラＭＰＵ５３を有し、その内蔵マイクロコントローラＭＰＵ５３は、ベルトや駆動装置の不具合が今にも起ころうとしている場合に、感知した信号に基づいて、独自に決定を行うことができるアルゴリズムでプログラムされている。

センサーアセンブリ３０は、システム監視ツールとして利用することができ、その場合、センサーアセンブリ３０が、定期的もしくは要求に応じて、ベルト張力もしくはカムシャフトねじれ特性などの記憶されたタイミング駆動性能パラメータを、車両制御器ＥＣＵ５８へ送信することができる。性能パラメータは、車両が通信アップリンクを備えていれば、ワイヤレスで車両製造業者へ送信することができるし、もしくは、通常の定期メンテナンスの際に、車両ＯＥＭ５９データベースへダウンロードすることもできる。

検出部の表面積の調整に加えて、所望の検知長さ及び電気容量値が達成される多くの方法で検出部を製造することができる。検出部の表面積の調整は、静電容量効果に対する検出部の感度を決定する。基礎的な検出部は、誘電性部材で隔てられ所定の間隔をあけて配置された２つの金属構造物で構成されている。図１４は、２つの平行な銅製のトラック４０及び４１から構成された検出部を表しており、トラック４０及び４１は、標準的な電子回路基板製造方法を用いてＰＣＢ（printed circuit board：プリント基板）３９上にエッチングされている。図１５は、Ｕ字型の銅製トラック４１に囲まれた銅製トラック４０が、小設置面積を維持しつつ、検出部の電気容量を増加させる方法を表したものである。図１６は、蹄形の２つの銅製トラック４０及び４１を表したものである。図１７は、検出部を製造する他の方法を表したものであって、各々誘電物質で覆われた２つのワイヤ４０及び４１を捻りあわせて検出部を作っている。ワイヤシースの厚さによって、電極を構成する両ワイヤの間隔が定められる。図２９は、誘電物質の対抗側面に溶接された２つの金属プレートもしくは金属ストリップ４２を示したものであり、両者の間隔は、対象となるベルト１７のベルト歯ピッチ間隔１６の半分もしくは一つ分に等しい。この検出部構造は、通過するベルト歯構造を感知するのに適している。

好適な方法の実施形態

アナログ回路５１に接続した検出部３６、３７及び３８は、図２８に示すように、連続的に変調するアナログ交流信号を出力する。その信号は、バイナリ信号に変換され、アナログ回路５１に連結した記憶演算ユニットＭＰＵ５３へ送られる。その信号に基づき、組み込まれたＤＳＰアルゴリズムによって、瞬間的なベルト駆動速度が計算される。

アナログ回路５１に接続した検出部３７は、図２３及び２５に示すように、連続して変調するアナログ交流信号を出力する。その信号は、バイナリ信号に変換され、アナログ回路５１に連結した記憶演算ユニットＭＰＵ５３へ送られる。その信号に基づいて、ＤＳＰアルゴリズムを組み込んだＭＰＵ５３は、検出部近くの特定ベルトスパンの固有周波数７４を計算する。ベルト駆動装置分野の当業者であれば、計算された周波数７４を、ベルトスパンの張力レベルと関連付けることができる。したがって、図２６に示すような周波数７６における変化は、ベルト張力の変化を示している。周波数の監視は、ベルトの張力レベルが所定の動作閾値を越えて変化したかどうかを検知する手段を提供する。さらに、図２５に示す信号が、枠７７内のような付加的な周波数成分を呈した場合は、その信号は、付加的に引き起こされたベルトスパン運動を示している。通常、周波数成分は、ベルト歯及びスプロケット歯の噛み合い２６と関連しており、通過するベルト歯２０の測定信号周波数と一致する。この現象は、ベルト構造に誤ったベルト張力が適用された結果、上記噛み合い２６において不整合が生じることで悪化する。ＤＳＰアルゴリズムを組み込んだＭＰＵ５３のその他の部は、上記周波数の発生及び大きさを監視し、上記信号を所定の稼動制限値と比較するように設計されている。信号の閾値が稼動制限値を超えた場合、アルゴリズム内蔵のＭＰＵ５３は、ベルト駆動不具合警告を発生する。

通過する歯２０によって発生した信号は、カムシャフトのねじれ位相角度を計算（ＤＳＰ）する際に利用される。そのデータは、駆動装置ねじれ特性としてコンパイルされ、ベルト駆動装置の稼動状況における変化を診断するために使用できる。

センサー３０に内蔵されたＭＰＵ５３は、組込みＤＳＰアルゴリズムを有し、そのアルゴリズムは、検出部３６、３７、３８及び４２から出力された信号を監視し、対象のベルト１７もしくはベルト駆動装置において、不具合を引き起こす運転挙動が見られるかを判断する。不具合が今にも起ころうとしている場合、アルゴリズムは障害コードを発生させる。その障害コードは、車両が早急に修理されるべきであることを運転者／操作者に通知するのに使用することができ、または、今後の対応のために、車両のＯＥＭもしくはサービス会社へ送信することができる。

センサー３０は、コネクタ３３を介して、車両のワイヤハーネスに接続される。内蔵されたアルゴリズムは、デジタルネットワークコミュニケーションプロトコルＬＩＮ／ＣＡＮ５７を用い、そのワイヤハーネスを介して、車両ＥＣＵ（engine control unit：エンジン制御ユニット）と通信を行う。

図１は、適した位置にセンサー装置を有するベルト駆動装置の正面図である。 図２は、センサー装置と隣接するベルト構造の断面図である。 図３は、典型的なベルト構造の断面図である。 図４は、典型的なベルト構造の側面図である。 図５は、典型的なベルトにおいて、繊維コードがむき出しになり、典型的な構造的欠陥がある場合の故障モードを図示した、ベルトの正面図である。

図６は、個々のベルト歯構造における不具合を図示した、ベルトの側面図である。 図７は、２つの部品間のベルトスパンにおける振動の典型的モードを図示した、ベルト駆動装置の正面図である。 図８は、検出部の好適な垂直配置を図示した、典型的なベルト構造の断面図である。 図９は、検出部の好適な垂直配置を図示した、ベルトの側面図である。 図１０は、検出部の好適な平行配置を図示した、典型的なベルト構造の断面図である。

図１１は、検出部の好適な平行配置を図示した、ベルトの側面図である。 図１２は、検出部の好適な水平配置を図示した、典型的なベルト構造の断面図である。 図１３は、検出部の好適な水平配置を図示した、ベルトの側面図である。 図１４は、検出部の好適な工法を示した正面図である。 図１５は、検出部の好適な工法を示した正面図である。

図１６は、検出部の好適な工法を示した正面図である。 図１７は、検出部の好適な工法を示した正面図である。 図１８は、好適な検出部を示した正面図である。 図１９は、検出部一式の好適な態様の図示を有する、典型的なタイミング駆動装置の一部の正面図を示したものである。 図２０は、図１９と同じセンサー装置の補助図である。

図２１は、検出部／ピックアップの好適な位置及び、検出部を電子回路に接続する方法を図示したベルトの断面図である。 図２２は、センサー装置の主要部品を介した信号経路及び、センサー外部装置との通信を図示したブロック図である。 図２３は、５５Ｈｚスパン振動で発生した信号を示したものである。 図２４は、図２３の信号スペクトルを示したものである。 図２５は、３０Ｈｚスパン振動で発生した信号を示したものである。

図２６は、図２５の信号スペクトルを示したものである。 図２７は、１回転毎イベントを拾い上げる信号を示したものである。 図２８は、ベルト歯振動の信号を示したものである。 図２９は、検出部の断面を図示した、ベルトの側面図である。 図３０は、信号の打ち消し合いを利用する、２つの検出部の好適な垂直配置を図示した、ベルトの側面図である。 図３１は、ベルト歯振動の信号及びベルトが汚れた場合の影響を示したものである。

Claims (19)

1. 正常な稼動条件下で動いているポリマー及び繊維複合材ベルト(composite
   polymer and fiber belt)の物理的及び構造的状態を判断する方法において、
   瞬間的な動的電気容量信号を発生する電気容量センサー装置のそばをベルト部分が通過する際に、該ベルト部分の瞬間的な動的誘電特性及び静電容量特性を感知し、
   該センサー装置の少なくとも１つの検出部によって発生した該瞬間的動的電気容量信号を、同時に存在する他の静的な電気容量信号から分離し、
   該瞬間的動的電気容量信号と動的電気容量信号の閾値とを比較し、
   該瞬間的動的電気容量信号による、動的電気容量信号の該閾値に対する周期的突破(cyclic
   breach)に応答して、出力信号を発生させることを特徴とする方法。
2. 請求項１に係る方法において、該出力信号の発生に先立って、所定の期間、動的電気容量信号の該閾値を突破する該瞬間的動的電気容量信号を合計することを特徴とする方法。
3. 請求項１に係る方法において、該出力信号が警告信号であることを特徴とする方法。
4. 電気容量センサー装置において、
   正常に動いているポリマー及び繊維複合材ベルトに隣接した位置に構成された少なくとも１つの検出部、及び、
   少なくとも一つのアナログ・デジタル変換コンバータと、マイクロプロセッサと、ベルトの誘電性における動的変化の閾値に対する周期的突破に応答して出力信号を発生させる手段とを含む電算手段、を含み、
   該検出部は、該ベルトが該センサー装置を通り過ぎる際に、該ベルトの誘電特性における動的変化に応答して、周期的に変化する電気信号を発生させるように構成されていることを特徴とする電気容量センサー装置。
5. 請求項４に係る電気電容量センサー装置において、複数の検出部が、該ベルトの上側及び少なくとも一方の側面に集まっていることを特徴とする電気容量センサー装置。
6. 請求項４に係る電気容量センサー装置において、複数の検出部が、該ベルトの移動方向に沿って該ベルトに隣接し間隔をあけて配置されていることを特徴とする電気容量センサー装置。
7. 請求項４に係る電気容量センサー装置において、該出力信号が警報であることを特徴とする電気容量センサー装置。
8. 正常な稼動条件下で動いているポリマー及び繊維複合材ベルトの物理的状態を判断する方法において、
   瞬間的な動的信号を発生させるセンサー装置のそばをベルト部分が通過する際に、該ベルト部分の瞬間的な動的静電界を感知し、
   該センサー装置の少なくとも１つの検出部によって発生した該瞬間的動的信号を、同時に存在する他の静的な信号から分離し、
   該瞬間的動的信号と動的信号の閾値とを比較し、
   該瞬間的動的信号による、動的信号の該閾値に対する周期的突破に応答して、出力信号を発生させることを特徴とする方法。
9. 請求項８に係る方法において、該出力信号の発生に先立って、所定の期間、動的信号の該閾値を突破する該瞬間的動的信号を合計することを特徴とする方法。
10. 請求項８に係る方法において、該出力信号が警告信号であることを特徴とする方法。
11. センサー装置において、
    正常に動いているポリマー及び繊維複合材ベルトに隣接した位置に構成された少なくとも１つの検出部、及び、
    少なくとも一つのアナログ・デジタル変換コンバータと、マイクロプロセッサと、ベルトの静電界における動的変化の閾値に対する周期的突破に応答して出力信号を発生させる手段とを含む電算手段、を含み、
    該検出部は、該ベルトが該センサー装置を通り過ぎる際に、該ベルトの静電界における動的変化に応答して周期的に変化する電気信号を発生するように構成されていることを特徴とするセンサー装置。
12. 請求項１１に係るセンサー装置において、複数の検出部が、該ベルトの上側及び少なくとも一方の側面に集まっていることを特徴とするセンサー装置。
13. 請求項１１に係るセンサー装置において、複数の検出部が、該ベルトの移動方向に沿って該ベルトに隣接し間隔をあけて配置されていることを特徴とするセンサー装置。
14. 請求項１１に係るセンサー装置において、該出力信号が警報であることを特徴とするセンサー装置。
15. 正常な稼動条件下で動いているポリマー及び繊維複合材ベルトの物理的状態及び劣化を判断する方法において、
    ベルト部分が非接触電荷センサーのそばを通過する際に、該ベルト部に存在する圧電性結合（piezoelectric coupling）によって発生した電荷を感知し、それによって、瞬間的なベルト部分の電荷密度に応答して信号を発生させることを特徴とする方法。
16. 請求項１５に係る方法において、該信号が該電荷密度に比例することを特徴とする方法。
17. 請求項１５に係る方法において、出力信号の発生に先立って、選択された期間に発生し、特定の閾値を突破した信号を合計することを特徴とする方法。
18. 請求項１７に係る方法において、該出力信号が警告信号であることを特徴とする方法。
19. センサー装置において、
    ベルトの移動方向と一直線になるように配置される少なくとも一つの導電性検出部と、該ベルトの移動方向と垂直になるように配置される少なくとも一つの導電性検出部と、該ベルトの移動方向に平行な平面上に位置するように配置される少なくとも一つの導電性検出部とを含み、
    該センサー装置は、通過する該ベルトの一部を少なくとも部分的に囲むような形状をしていることを特徴とする方法。