JP4176956B2 - スラストセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
この発明は、スラストセンサに関する。この発明は特に、機械的に動作させられるアクチュエータのシャフト内で発生されるスラストの継続的測定に応用可能であるが、いかなる意味でも限定されるものではない。らせん状ねじ山およびナットまたは他の回転運動から線形運動への変換器を使用することによる、シャフトの回転運動の線形運動への変換において、この発明は、シャフトのスラスト軸受によって支えられる軸方向の力の継続的直接測定に関する。
【０００２】
この発明は、また、シャフトが、流体で動作させられるピストンに直接的にまたは間接的に接続されるか、または電気油圧式手段または電気流体手段を通じて駆動される、流体の圧力によって動作させられるアクチュエータに適用される。
【０００３】
この発明は特に、流体移送システムにおいてバルブおよび水圧管を動作させるために使用されるアクチュエータのギヤケースに適用可能である。
【０００４】
上記の文脈において、「流体」という語は液体、気体および蒸気を含むと理解される。
【０００５】
【発明の背景】
アクチュエータにおいては、通常、バルブのスピンドルにおいて発生される力またはトルクを継続的にモニタし正確に制御することができることが望ましい。バルブが閉じられているときは、これらの力またはトルクは弁座と可動要素との間に「閉じる（seating）」力または「密封する」力を生成する。さらに、摩擦および閉じられた弁座全体にかかる水圧差の蓄積のために、閉じる力またはトルクよりも著しく大きくなり得る、閉じられたバルブを開くために必要とされる力またはトルクをモニタできることが必要である。
【０００６】
いくつかのバルブには、バルブが完全に開いたときの「後部弁座」が設けられる。このため、アクチュエータがバルブを開く方向に動作するとき設備をモニタし制御するさらなる必要が出てくる。
【０００７】
バルブアクチュエータにおける主な関心事は、バルブの可動要素にかかる閉じる力をモニタし制御することができるようにすることだが、加えて、バルブがその全可動行程を通じて運動させられるときに作動する力をモニタする必要がある。このような必要のある例としては、水圧および流体力学的圧力勾配のために大きな不均衡な力が弁座にわたって存在するとき、および、所定の臨界設備においてアクチュエータのギヤケースの効率を継続的にモニタする必要があるときである。
【０００８】
機械的に動作させられるバルブアクチュエータにおいては、出力シャフトに対する最後の駆動部は通常、ウォームおよびウォーム歯車である。このタイプのギヤ駆動装置においては、上にウォーム歯車が装着された出力シャフトで発生されるトルクを、ウォームシャフトにかかる軸方向の力を測定し、この値をウォーム歯車のピッチ円の半径で乗算することにより決定できる。このように、ウォームシャフト内で発生される軸方向の力をモニタするよう設計された力測定要素を、ギヤケースのウォーム歯車シャフト内で発生されるトルクを判定するために使用できることがわかる。
【０００９】
アクチュエータの力およびトルク測定システムは、たとえば、ばねを中心としたウォームシャフトの偏向がポテンショメータを使用することで測定される特許番号ＧＢ２ １９６ ４９４ Ｂ号（ロトーク・コントロールズ・リミテッド）、および特許番号ＤＥ ４２３９９４７ Ｃｌ号（ウェルナー・リースター（Werner Riester））およびひずみ計を備えシャフト軸受とアクチュエータハウジングとの間に介装されるダイヤフラム部材に対して軸方向の力が反作用を及ぼし得る特許出願番号ＥＰ ０７３０１１４ Ａｌ号（ニッポン・ギヤ（Nippon Gear Co.））から公知である。ＵＳ ４ ８９８ ３６２（リバティ・テクノロジー・センター・インク（Liberty Technology Center Inc.））は、ステムナットとステムナットロックとの間に位置付けられたスラストセンサを組入れるアクチュエータを記載する。このセンサは、一旦所定のスラストに達するとモータがオフにされることを可能にするが、継続的スラスト測定を行なうことはできない。
【００１０】
工学の他分野で圧縮力センサが公知である。たとえば、ＥＰ ０６６８４９１（ティムケン（The Timken Co.））は、軸受上のスピンドルのまわりを回転するハブ配置を記載する。軸受にかかる予圧を最適化するため、軸受における予圧を表わす力が、力の大きさを反映する信号を生成する力センサへ伝達される。力センサをモニタすることで、軸受を所望の予圧に調節できる。
【００１１】
ＵＳ ５０３６７１４（ＷＡＢＣＯファールツォイクレムゼンＧｍｂＨ（WABCO Fahrzeughremsen GmbH））は、継手装置によって伝達される軸方向の力を測定するための、このような軸方向の力の大きさを示す信号を発生できる、装置を記載する。この場合、比較的大きなエラストマの要素が対向する移送肩の間に装着される。圧力センサは、エラストマの要素と、これら２つの間に介装される小さな軟らかいエラストマのパッドを介して間接的に接触する。
【００１２】
ＥＰ ０３６３７８５（ポリセンスＳｐＡ（Polysens SpA））は、２つの対向する表面の間の動力を検出するためのトランスデューサとしての圧電性ガスケットの使用を記載する。
【００１３】
このような従来技術においては、軸方向の力の測定は、力測定要素の精密な校正に依存しており、校正が、信号の整合性および精度に影響し得る。ポテンショメータおよびばねパック（spring pack）は、摩耗および疲労し、金属のダイヤフラム上に装着されるひずみ計は組立ておよび校正に費用がかかる。
【００１４】
このような既存の技術のさらなる基本的な問題点は、バルブアクチュエータの典型的な範囲においてカバーされる出力される力の範囲が広いために、さまざまな大きさの力測定要素を提供し保管せねばならない点である。これは、たとえば、さまざまな大きさおよびこわさのばねパックまたはダイヤフラムの予備を保管することを含む。この要件は、いくつかのアクチュエータのフレームサイズにまたがる３０／１の典型的な出力トルクまたは力の範囲の比率をカバーするために必要とされる。これらの多数の構成要素は、製造および現場での使用の両方のために必要とされ、主な費用がかかる。
【００１５】
この発明の主題であるアクチュエータ技術の改良は、シャフトにおいて発生される力が、弾性のポリマー部材が取付けられた剛性の裏当てプレートに対して反作用を及ぼすよう配置することである。ポリマー部材は装着プレートと接触しており、この配置は、軸方向の力が、接触表面領域によって分割される力と実質的に等しい圧縮応力または圧力をポリマー部材内に発生させるようになっている。
【００１６】
電子圧力トランスデューサが、その感知面がプレートの表面と同一表面に来、弾性のポリマー部材と接触するよう、装着プレートに挿入される。この配置は、圧力トランスデューサが、ポリマー部材内に存在する均一な圧力と実質的に等しい圧力を示すであろうようになっている。したがって、ポリマー部材の接触面積を変えることによって、シャフトにより支えられる力とトランスデューサの出力との間で実質的に線形のいかなる所望の関係も達成できる。
【００１７】
特に、この発明の目的の１つは、範囲内のアクチュエータの任意の構造内に挿入される単一サイズの予め校正された圧力トランスデューサを使用できるようにすることであり、各アクチュエータにおいて発生される力の範囲が単一サイズの圧力トランスデューサの動作範囲内に来るよう、各アクチュエータのフレームサイズ内に弾性のパッド領域を設計することである。
【００１８】
上述の従来技術において対処されておらず予期すらされていないさらなる問題は、端縁が拘束されていないエラストマのパッド上に装着された圧縮トランスデューサの応答の非線形性である。拘束されていないパッドを圧縮すると、周辺側部（複数の側部）が膨らむ。すなわち、エラストマのパッドの初期の断面は、トルクがゼロの条件下では実質的に矩形であるのに、トルクを印加すると、パッドが歪み断面がドーナツの形に近くなる。これによって校正および非線形性の問題が生じ、単にエラストマのパッドまたは複数のパッドの接触面積を適切に変更することでバルブのアクチュエータのサイズの範囲をカバーしようとする目的が妨げられることになる。
【００１９】
必要とされるトランスデューサは１つだけだが、安全性を補完するために１以上の圧力トランスデューサが使用される場合、臨界区域内にバルブが設けられ得ることは理解されよう。
【００２０】
【発明の概要】
本発明のスラストセンサアセンブリは、アクチュエータシャフトに原動力が印加されるタイプのアクチュエータとともに使用するために適したスラストセンサアセンブリである。スラストセンサアセンブリは、第１の圧縮プレート手段と第２の圧縮プレート手段とを含んでいる。第１および第２圧縮プレート手段の少なくとも一方は、シャフトとともに軸方向に運動するようシャフトの上にあるかまたは直接的または間接的にシャフトと係合するよう適合される。第２の圧縮プレート手段は、少なくとも１つの弾性的に圧縮可能な実質的にエラストマのパッドを介装して第１の圧縮プレート手段と対向するよう配置される。圧力トランスデューサが第１および第２の圧縮プレート手段の一方上に装着される。パッドは第１および第２圧縮プレート手段の少なくとも一方と接触する接触領域を備える接触面を有しており、第１および第２の圧縮プレート手段のうち圧力トランデューサを装着した方に接触面は面している。第２の圧縮プレート手段へ向かう第１の圧縮プレート手段の運動が、第１の圧縮プレート手段と第２の圧縮プレート手段との間のエラストマのパッドを押し、エラストマのパッドの一部の接触面が圧力トランデューサを押し、圧力トランデューサを押すことによってアクチュエータシャフトのスラストに対応する信号を圧力トランスデューサから誘導するようにセンサアセンブリは配置され、第１および第２の圧縮プレート手段のうち圧力トランデューサを装着した方に面する圧縮可能なパッドの表面の接触面の全面積は、圧力トランスデューサに伝達されるスラストの割合を変えるように、選択的に変えることができる。接触面の全面積は、パッドを、より大きなまたはより小さなパッドと交換することで、または実質的に同一のパッドの数をより多数またはより少数使用することで、選択的に変えることができる。したがって、圧力トランスデューサに印加される圧力を圧力トランスデューサの動作範囲内に維持しつつ広い範囲のアクチュエータのスラストに対処し得るよう、スラストセンサアセンブリは適合される。
【００２１】
この配置は、ばねを必要としない簡潔で空間効率のよいセンサを提供する。この配置はまた、トランスデューサの感知区域よりも大きな区域にわたって高いスラストが作用できるようにすることで、スラストがトランスデューサの通常の動作範囲を大きく上回るとき、圧力トランスデューサがスラストを感知するため動作することを可能にする。これによってトランスデューサ自体を交換する必要がなくなる。
【００２２】
好ましい実施例においては、スラストは、圧力トランスデューサからの信号を、トランスデューサ定数（１５頁を参照）で乗算し、再びパッド（複数のパッド）の総面積で乗算することで導出される。
【００２３】
疑問点をなくすため、第１の圧縮プレート手段は、たとえば、シャフトのまわりの個別のプレートまたはリングであってもよく、またはシャフト上のフランジまたは肩であってもよく、第２の圧縮プレート手段は、たとえば、個別のプレートもしくはリングまたはスラストセンサアセンブリハウジングの端部壁もしくは肩を含んでよい。これらの変形例は、以下の好ましい実施例の説明において詳細に説明され、以下に説明する第１の好ましい実施例の場合には、「裏当てプレート」という語が、第１の圧縮プレート手段を説明するため使用され、「装着プレート」という語が第２の圧縮プレート手段を説明するため使用される。
【００２４】
圧力トランスデューサを担持する圧縮プレート手段の一方と面する圧縮可能なパッドまたは複数のパッドの表面の組合せられた総接触面積は、多くの場合、圧力トランスデューサの圧力感知表面面積のみよりも大きく、使用中の、圧縮されているパッドまたは複数のパッドの圧力は、圧力トランスデューサ感知表面および圧力トランスデューサを担持する圧縮プレート手段の既知の大きさの表面区域の両方を含む既知の接触区域にわたって分散される。
【００２５】
この発明の第１の局面において、圧縮可能なパッドまたは複数のパッドの総接触面積は、パッドまたは複数のパッドを、１つまたは２つ以上のより大きなパッドもしくはより小さなパッドと交換することによって、または、実質的に同一のパッドをより多数またはより少数使用することによって、選択的に変更可能であり、したがって、圧力トランスデューサに印加される圧力を圧力トランスデューサの動作範囲内に来るように調節することによって、広い範囲のアクチュエータスラストに対処し得る。
【００２６】
好ましくは、パッドまたは各パッドは、第１または第２の圧縮プレート手段上に固定して装着される。これによって、動作中にパッドが偶然移動することが避けられる。
【００２７】
有利には、パッドまたは各パッドは、剛性の中間部材上に装着され、スラストは、第１の圧縮プレート手段から中間部材を介してパッド（複数のパッド）へ伝達される。この配置では、パッドを容易に変えることか可能であり、パッドの数、大きさおよび構成を随意変えることができる。
【００２８】
好ましくは、１または２つ以上の凹部が、圧縮プレート手段の一方の中に設けられ、または、剛性の中間部材が圧縮プレート手段の間に設けられている場合には、任意に中間部材内に設けられ、凹部または各凹部は前記エラストマのパッドそれぞれを収納し、パッドの周囲を完全に拘束し、それによってパッドまたは複数のパッドすべてが使用中完全に周囲が拘束される。パッドの周囲が拘束された配置により、パッド（複数のパッド）の膨らみおよびクリープから生じる誤差の極めて実質的な問題が緩和されかまたは克服される。
【００２９】
好ましくは、圧縮プレート手段または圧縮プレート手段の一方に対向しこれを押す中間部材または凹部（複数の凹部）を有する中間部材は、パッド（複数のパッド）を押すよう前記凹部（複数の凹部）に突出するよう構成される。
【００３０】
代替的に、圧縮不可能なインサートは、パッド（複数のパッド）上に載置され、使用中のパッド（複数のパッド）に圧縮力を均等に伝達するよう、凹部または各凹部内に設けられ得る。インサートは、凹部に嵌合するよう成形され、たとえば金属のディスクまたは環であり得る。これらの配置のいずれかによって、パッド（複数のパッド）が、対向する圧縮プレート手段または中間部材と接触するよう凹部（複数の凹部）から突出する必要なく、スラストが完全にパッド（複数のパッド）に確実に伝達される。これは、感知されているプレートの運動を通じて、実質的に完全な拘束を維持するため重要である。
【００３１】
有利には、特に、各圧縮可能パッドの周囲が拘束されていない配置の場合に、パッドまたは複数のパッドは重ね合わされた構造をとり、１対の弾性的に圧縮可能な層を含み、各々が、より弾性係数の大きい材料の層の側部上に来る。対は、ゴムまたは他のエラストマ材料を含むことが適当であり、介在する層はナイロンまたは同様に弾性係数の大きい材料であることが適当である。この配置は、スラストが印加されるときに圧縮を加える表面に対してパッドが広がることを最小限にとどめるかまたは全くなくしさえすることを助け、それによって、印加されるスラストと圧力トランスデューサからの信号との実質的に単純な関係が確実に維持される。たとえば裏当てプレート内の凹部内に挿入されることにより、弾性のパッドまたは複数のパッドの周囲が拘束される配置においては、シリコーンゴムなどの均質な弾性材料が使用され得る。
【００３２】
好ましい一実施例において、アセンブリは、前記シャフト上での端部装着のため適合される。シャフトの上に端部に置いて装着されシャフトの軸と整列された単一のパッドおよびトランスデューサを使用することにより、一方向でのスラストを簡単かつ効率的に測定できる。
【００３３】
好ましくは、第２の圧縮プレート手段は、シャフトが逆方向に運動するときシャフトとともに運動するようシャフトに係合可能であり、第１の圧縮プレート手段は、シャフトが逆方向に運動するときシャフトとの運動から脱離可能であり、したがって、逆方向のスラストが感知され得る。
【００３４】
圧力トランスデューサは、トランスデューサの圧力感知面が、トランスデューサが中に装着される圧縮プレート手段の面と同一平面上に来るよう、前記圧縮プレート手段の一方の中に組入れられることが適当である。
【００３５】
圧縮プレート手段または各圧縮プレート手段は円形および／または環形であることが適当である。
【００３６】
好ましくは、弾性パッドまたは各弾性パッドは円形および／または環形である。
【００３７】
２つの弾性パッドが設けられ、前記パッドは互いに正反対に対向するよう位置付けられることが適当である。
【００３８】
この発明はさらに、ここに説明するようなスラストセンサアセンブリを組入れるバルブアクチュエータも包含する。
【００３９】
この発明の好ましい実施例を、単に例として、添付図面を参照し以下に説明する。
【００４０】
【詳細な説明】
この発明の実施例を、これから単なる例として説明する。これらの実施例は、この発明が実施され得る唯一の方策ではないが、現在出願人が知る最良の方策である。
【００４１】
互いに対して１８０°をなす２つの方向、すなわちシャフトに沿う両方向のスラストを測定することが必要とされるアクチュエータを参照し、第１の実施例を以下に説明する。
【００４２】
簡略化された実施例および一方向のスラストのみを測定するよう適合される実施例を後で説明する。
【００４３】
図１および図２を参照し、電動機１が、ウォームシャフト２を回転させ、ウォームシャフトの上に、歯車４と噛み合うウォーム３が機械加工され、歯車４はアクチュエータの出力シャフト５を囲む。ウォーム歯車４は、図１に示していない滑り噛み合いクラッチによって、出力シャフト５へ掛止され得る。
【００４４】
アクチュエータが動作させられているときは、外部からの負荷により、ウォーム歯車４上に反作用トルクが発生し、これがウォームシャフト２上で軸方向の力となり、この力はウォーム／ウォーム歯車噛み合い歯６を介して伝達される。ウォームシャフトの軸方向の力のベクトルは、ウォーム歯車４の回転方向に依存して、両方向に存在し得る。１対の深溝玉軸受７および８がウォームシャフト２上に設けられ、これらは組合せられたジャーナルおよびスラスト軸受として作用する。
【００４５】
軸受７は、アクチュエータハウジング９内の凹部内に装着され、外側トラックリング１０は凹部内に自由嵌合される。軸受は、外側トラックリング１０と装着プレート１１との間の当接によって凹部内に軸方向に位置付けられる。
【００４６】
軸受８は、裏当てプレート１２内の凹部内に収納される。軸受８の内側トラックリング１３は、ピン１５によってウォームシャフトに固定されるスリーブ１４と当接する。
【００４７】
装着プレート１１と裏当てプレート１２との間に２つの弾性ポリマーディスク１６および１７が挟まれる。これらのディスクは同一のピッチ円直径であり、１８０度離して装着される。ディスクは裏当てプレート１２に取付けられ、一方のディスク１７は、装着プレート１１内の凹部内に位置付けられる電子圧力トランスデューサ１８の感知面上に位置付けられるよう配置される。装着プレートの後部から穴２０を通じて出るよう、浮遊導線が配置される。トランスデューサは、補償熱抵抗器を備える通常のホイートストン・ブリッジ・ネットワーク内に配置されるひずみ計または圧電抵抗感知素子を用いるタイプのものであることが好ましいであろうし、関連する回路は、トランスデューサから出力される電圧が、トランスデューサの感知面に印加される圧力と線形または線形に近い関係を持つように配置される。しかし、その面における圧力変化を検知できる任意の適当な圧力感知装置を用いることができる。
【００４８】
もし、シャフト２に右向きのらせん状ウォーム３が設けられており、図１に見られるようにウォーム歯車が時計回り方向に回転させられるのであれば、軸方向の力の方向は矢印２１に示すようになるであろう。軸方向への力は軸受８によって裏当てプレート１２へと伝達され、そこから弾性ポリマー部材１６および１７へと伝達される。これらのディスク型の部材において発生される圧力は、裏当てプレートと接触している２つのディスクの組合せられた領域によって分割される軸方向の力であろう。この配置においては、ディスク１７は、この圧力をトランスデューサ１８の感知面へと伝達し、シャフト２内の軸方向の力に実質的に比例する信号をそれによって与えるであろう。
【００４９】
もしここで、電動機の方向が逆転され、ウォーム歯車が図１に見られるように反時計回り方向に回転させられると、軸受７はシャフト２における軸方向の力を当接部２２を介して伝達するであろう。軸受７の静止外側トラックリングは、当接部２３を介して装着プレート１１へ力を伝達する。そして、弾性ポリマー部材１６および１７を介して力は裏当てプレート１２へと伝達される。この態様においては、そのうち１つのみを図示する３つのテンション肩ボルト２４によって裏当てプレートは軸方向および回転方向の運動を抑制される。このように、シャフト２の２方向のいずれへの軸方向のスラストも、弾性ポリマー部材１６および１７に圧縮圧力を発生させ、それによって、信号トランスデューサ１８から力に関連する信号が生成され提供されるよう、スラスト軸受アセンブリが設計されることがわかる。
【００５０】
圧力の読取値を得るため、たとえば電圧信号である電気的信号の値に乗算する、線形関係数値係数を、トランスデューサ定数と呼ぶ。印加される圧力と電圧読取値との関係を示すトランスデューサの特性曲線は、実質的に原点を通るかまたは原点近くを通る直線であるため、この簡略化された関係を使用することができる。しかし、他の非線形関係を包含することもこの発明の範囲内にあり、この場合には、電圧読取値から印加された圧力値を導出するため表または図が提供され得、または、代替的に、前記表または図はコンピュータプログラムに組込まれ得る。
【００５１】
図３を参照し、弾性のポリマー部材１６および１７は、シャフト２における軸方向の力が作用する区域を増加させるため、弾性ポリマーディスクの２つの付加的な群２５および２６によって補強されている。アセンブリはやはり弾性ポリマー部材１７と接触している単一の圧力トランスデューサを備える。
【００５２】
いくつかの典型的な寸法および値を考慮すると、もし、トランスデューサが中程度の範囲の信号圧力、１０バール（＝１Ｎ／ｍｍ²）を示し、２つの弾性ポリマー部材１６および１７の直径が各々１２ｍｍであれば、圧力読取値１０バールから、軸方向の力、
π／４×１２²×２×１＝２２６Ｎ
が示されよう。
【００５３】
図３の場合には、２つの群２５および２６の１０個の弾性ポリマーディスクの付加によって、総接触面積が増やされている。これらのディスクは、ディスク１６および１７と同じ寸法に作られているため、トランスデューサの圧力読取値が１０バール（１Ｎ／ｍｍ）の場合、示される軸方向の力は、
π／４×１２²×１２×１＝１３５７Ｎ
である。
【００５４】
図４を参照し、弾性ポリマー部材の面積を迅速かつ簡単に変更できるようにするため、別個の薄いプレート３１に取付けられた弾性のポリマー部材を用い、このプレートを裏当てプレート１２と装着プレート１１との間に挿入することがより好都合であろう。こうすると、アクチュエータには、既にプレート３１に取付けられている代替的な弾性ポリマー部材のセットが提供され得、したがって、迅速なフィールド交換が行なわれ得る。
【００５５】
大きさおよびパワー入力の異なるアクチュエータにより生成されるスラストを、同一の圧力トランスデューサを使用して測定する能力は、この発明の重要な特徴である。弾性的に圧縮可能な材料のより大きな区域へと、伝達される力を拡散させることにより、アクチュエータの範囲を、単一圧力トランスデューサ／スラストセンサアセンブリのセットに適合させることができる。
【００５６】
もし同一の表面面積を有する弾性材料の円形パッドが使用されるのであれば、パッドの数を増やすことで、測定され得る力が段階的に増加されるので、有利である。この発明が成功裡に作用するためには、パッド１７とトランスデューサ１８との間に大きな空隙があってはならないことは理解されよう。さらに、この発明は、従来技術におけるようにアクチュエータ構造の部分であるダイヤフラムまたはそれと均等な構成要素のいずれかの撓曲に根本的に依存するのではなく、２つの平らな表面の間の固体の圧縮に依存する。
【００５７】
中間プレート上にパッドまたは複数のパッドが装着される代替的実施例は、パッドの位置づけおよび交換を著しく簡単にする。
【００５８】
パッドは、たとえばＩＲＨＤ等級で２５と６０との間の硬度を有するシリコーンゴムなど、材料の専門家により選択される任意の適当な材料で作られ得る。もちろん、使用される圧縮応力の範囲がパッドにクリープを生じさせず、物理特性が周囲の温度範囲にわたって実質的に一定のままであるならば、パッドは、任意の天然のまたは合成の弾性ポリマー材料で作られ得る。上に述べたように周囲が拘束されていない場合には、パッドは、弾性材料よりも弾性係数が大きい特性を有するたとえばナイロンであり得るプラスチックシートの介在する層を間に挟んだゴムまたは他のエラストマー材料であることが適当である１対の外側弾性ポリマー層で形成される重ね合わされた弾性ポリマーパッドであることが最も好ましい。パッドは、たとえば、０．７５ｍｍ厚のシリコーンゴムのシートから切出された弾性層を含み得、介在するシートは０．２５ｍｍ厚のナイロンであり得る。この重ね合わされた構造では、使用中の圧縮する表面に対してパッドの広がりが減じられる。
【００５９】
弾性パッドの周囲が拘束されている場合には、図１１に示すように、パッドは均質なポリマー材料で作られ得る。
【００６０】
図５は、アクチュエータ出力シャフト５を囲むスラスト軸受アセンブリに挿入され、出力シャフトのいずれかの方向において存在する軸方向の力を測定するよう設計される圧力トランスデューサ１８を示す。この実施例では、出力シャフトにより、より大きな力が支えられるので、図１に示した組合せられたジャーナルおよびスラスト軸受７および８の代わりに玉スラスト軸受２８および２９が使用される必要がある。
【００６１】
動作原理は、図１に示したアセンブリの原理と同様である。この実施例では、出力シャフトにかかる図示するような上向きの軸方向の力は、保持リング３０によって封じ込められる。
【００６２】
図６は、図１、図２および図３に示される個別のディスク型の部材１６、１７、２５および２６の代わりに嵌合される単一の環形弾性ポリマー部材２７を示す。これは可能な限り大きな弾性表面区域を得るためで、典型的には、軸方向の力がウォームシャフトに存在する力よりも著しく大きな場合にアクチュエータ出力シャフトにおいて必要とされよう。環形ポリマー部材の最大の大きさを外径８０ｍｍ、内径４５ｍｍとすると、面積は３４３６ｍｍ²となろう。トランスデューサの読取値が１０バールであると、軸方向の力、３４３６Ｎを意味するであろう。
【００６３】
このように説明のために選んだ特定の例から、トランスデューサの中間範囲信号が、力の範囲を表示するよう、２２６Ｎから３４３６Ｎへと約１５：１の比率で拡張できることがわかる。
【００６４】
説明および図示した特定の例においては、弾性のポリマーディスクが、２以上の数で使用されるときには、トランスデューサ１８上に位置づけられるディスク１７と同じ直径および厚さに維持されたことが留意されよう。これは、ディスクすべてに同じ圧力が印加され、単一のトランスデューサの圧力の読取値をディスク面積の総合計で乗算したものがシャフトにかかる軸方向の力を確実に表わすようにするためである。しかし、ポリマー技術においては圧縮係数は、圧縮されるポリマーブロックの自由表面面積と拘束されるかまたは接触する表面の面積との関係および材料の性質の両方の関数であるという事実を考慮して所定の拘束が使用されるのであれば、アセンブリ内で周囲が拘束されていない異なった形の個別の弾性ポリマー部材を使用することも可能である。この関係は、たとえば、チャップマン・アンド・ホール（Chapman and Hall）出版のピーター・Ｃ・パウェル（Peter C. Powell）によるテキストブック『ポリマー工学（Engineering with Polymers）』などに説明される。
【００６５】
一群の弾性パッドが単一の力の下で同一の内部応力または圧力にたえるためには、見かけの圧縮係数「Ｅ」がすべてのパッドについて同一であることを確実にする必要がある。これは、関係
Ｅ＝応力または圧力÷歪み
だからである。
【００６６】
この関係においては、歪みは、各パッドの偏向を応力のかかっていない時の厚みで割った比率、すなわち図７に示すような比率Δｔ／ｔと定義される。
【００６７】
したがって、見かけの圧縮係数「Ｅ」が一定のままであるとするならば、一群のパッドについての厚み「ｔ」が一定なら、偏向Δｔは、したがって各パッドについて同一の歪みを生成し、したがって同一の圧力を生成する。
【００６８】
どの特定の弾性ポリマー材料についても、張力または圧縮についての絶対係数は、硬度の関数であり、通常「Ｅ₀」で表わされる。圧縮下にある単純な円形および矩形のブロックについては、見かけの係数「Ｅ」と「Ｅ₀」との関係は等式
Ｅ＝Ｅ₀（１＋２ｋＳ²）
で決定できる。
【００６９】
上の等式において、「ｋ」は、０．５から１．０の間の値をとり、材料の硬度に関係する経験上の定数である。
【００７０】
項「Ｓ」は、形状係数（Shape Factor）と呼ばれ、ブロックの負荷のかけられる面の面積を力のかからないブロックの総面積、すなわち、負荷の下で外向きに膨らみ得る面で除した比率として定義される無次元量である。項「Ｓ」は、上の等式では二乗されるので、見かけの係数項「Ｅ」が一定のままとなるよう、１つのアセンブリ内のすべての個別のブロックについてこの比率が確実に一定のままとなるようにすることが重要である。
【００７１】
直径１２ｍｍ厚さ２ｍｍのディスクを使用する特定の例では、形状係数の値は、
Ｓ＝（π／４×１２²）÷（π×１２×２）＝１．５
となるであろう。
【００７２】
この例では、形状係数が１．５に等しい値のままであるのであれば、図３にディスク２５、２６の代わりに代替的な形のパッドを加えることが可能であったであろう。さらに側面が直線の矩形ブロックについては、この要件を満たす２つの形は、
正方形１２×１２×２ｍｍ厚 Ｓ＝１２²÷（１２×４×２）＝１．５
矩形１８×９×２ｍｍ厚 Ｓ＝（１８×９）÷（１８＋９）×２×２＝１．５である。
【００７３】
このタイプのアクチュエータは、通常、図１のように、出力シャフトにかかるトルクを測定するため、ウォームシャフトに取付けられた力測定トランスデューサを備えるか、または図５に示すように出力シャフトの軸方向の力を測定するため出力シャフトに取付けられた力測定トランスデューサを備えるであろうと理解されよう。しかし、所定の臨界区域内では、ギアケースの効率の継続的測定値を記録でき、それによって、ギアまたは軸受がじきに故障することを示す効率の低下が始まったときに早期に修正動作を行なうことができるよう、トルクおよび出力力トランスデューサアセンブリ両方を設ける必要があるであろう。
【００７４】
同様の状況においては、個別の関連づけられる電子回路を備える２つまたは３つ以上の圧力トランスデューサを設け、トランスデューサ信号間で展開されるいかなるずれもモニタできるようにすることが望ましいであろうし、このようなずれは、圧力トランスデューサまたはそれに関連づけられる回路が故障しつつあるという初期警告を与える。
【００７５】
上述の説明は、電子圧力トランスデューサの使用を含むが、光ファイバ信号に関連づけられる小型の偏向ダイヤフラムなどの他の形の圧力トランスデューサも同様にうまく用いられ得ることが理解されよう。
【００７６】
上の説明は、シャフトの両軸方向におけるスラストを測定する必要のあるバルブアクチュエータにおいて見られるようなスラストセンサアセンブリに関する。一方向においてのみスラストの測定が必要な場合は、アセンブリを著しく簡略化できる。また、スラストセンサアセンブリを、シャフトの全長に沿っていずれかの他の好都合な点に位置づけるのではなくシャフトの端部に位置づけることもできる。こうした２つの配置例を図８および図９に示す。
【００７７】
典型的なアクチュエータ電動機のシャフトの端部を示す図８を参照し、装着プレート３４とハウジング３５との間に組み入れられる単一の弾性ポリマーディスクを示す。スラスト軸受が、電動機のシャフト３３とプレート３４との間に挟まれる単一の玉３２からなる小型のアクチュエータ電動機については、弾性ポリマーディスク１７をプレート３４に接着でき、圧力トランスデューサ１８は電動機のハウジング３５の端部の凹部内に装着される。
【００７８】
図９は、スラストが組合わされたジャーナルおよびスラスト深溝玉軸受３６により封じ込められる、負荷のより大きな応用例を示す。軸受の外側トラックリングは、電動機ハウジング３７内の凹部に摺動自由に嵌合され、やはり同じ凹部に摺動自由に嵌合されるプレート３８と当接する。弾性ポリマーディスク１７は、プレート３８に接着され、圧力トランスデューサ１８は、前の例と同様電動機ハウジング３７の端部のより小さな凹部内に装着される。
【００７９】
図１および図５に示し説明したような２方向シャフトスラスト測定アセンブリの本質的な動作特徴が、シャフト３８上のスラストの代替的方向が矢印３９および４０で示される図１０に簡略化された形で示される。
【００８０】
シャフト３８においてスラストが方向３９に作用するとき、シャフトとスラストワッシャ４２との間で当接部４１を介して反力が伝達され、そこからスラストワッシャ面４３を介してハウジング４５内の凹部内を自由に軸方向に摺動するプレート４４へ反力が伝達される。この力は、プレート４４に固定された２つの弾性ポリマーディスク１６および１７によって伝達され、そこから弾性ポリマーディスク１７と協動する単一の圧力トランスデューサ１８を含む装着プレート４６へ伝達される。装着プレート４６は、やはり、ハウジング４５内へ摺動自由に嵌合され、力は最終的に、当接部４７を介してハウジングへ伝達される。
【００８１】
スラストが逆方向４０に作用するとき、反力は、ワッシャとカラー５０との間の当接部４９を介してまずスラストワッシャ４８へ伝達される。このカラーは、ピン５１によってシャフトに固定される。このとき、力は、スラストワッシャ面５２を介して装着プレート４６へ伝達され、装着プレートから弾性ポリマーディスク１６および１７を介してプレート４４へ伝達され、最後に、プレート４４とハウジング４５との間の当接部５３を介してハウジング４５へ伝達される。
【００８２】
このように、矢印３９および４０によって示される２方向のいずれかに、スラストが作用するとき、圧力トランスデューサ１８がスラストに比例する読取値を与えるであろうことがわかる。
【００８３】
実際には、圧力トランスデューサおよび弾性ポリマーディスクが所与の径方向位置にとどまることを確実にするため、プレート４４および４６の径方向位置を、かぎおよびかぎ溝またはこの等価物によって固定する必要があろう。
【００８４】
図１１は、単一の環形弾性ポリマー部材５４がプレート５５と５６との間に挟まれる実施例を示す。これらのプレートは位置および動作において図１の装着プレート１１および裏当てプレート１２に対応するが、プレート５６は、上に環形弾性ポリマー部材またはエラストマーのパッド５４が装着される窪んだ環状表面５７を備える。凹部の内側および外側環状壁は、ポリマー部材の内側および外側環状壁と密接して嵌合する。凹部の環状壁は、プレート５５上の協動する直径部上に摺動して嵌合するよう延在する。同様に、ポリマー部材が密接に嵌合する孔を備えるよう与えられ、この孔を通じてテンション肩ボルト２４が通る。これらの手段により、弾性ポリマー部材は、その動作位置に嵌合されるとき、全く自由端縁区域を持たない。
【００８５】
この特定の実施例では、端縁が支持されていないポリマーパッドにおいて生じ得るようなクリープ現象による永久的な区域変化をパッドが受ける危険なく、均一なシリコーンゴムパッドを使用することができる。
【００８６】
測定される軸方向スラストの範囲が、圧力トランスデューサの通常の動作信号範囲を超えるような状況では、環形弾性ポリマー部材１４の有効区域を、内径および外径を変化させ、協動するプレート５５および５６の直径にも対応する変更を行なうことで、変えることができ、それによって、ポリマー部材により伝達される圧力範囲をトランスデューサの作動圧力範囲内に保持できる。
【００８７】
これは、多数の均等な間隔をおいて位置づけられた凹部を有するプレートを使用することで達成され得、使用される凹部（複数の凹部）は、パッドのどの数、形および大きさに適するようにも選択され得る。代替的に、適当な寸法の凹部（複数の凹部）を有する最も適当な圧縮プレートの選択は、予め形成されるか、さもなくば容易に交換可能なこのようなプレートの範囲から行なわれ得る。代替的に、ともにまたは別個に運動させられ得る調節可能な側壁を有する凹部は、大きさを調整可能であり得る。
【００８８】
図１２は、パッドの周囲を拘束することによる驚くべき実質的な利点を示すグラフである。グラフの線Ｃからわかるように、厚さ２ｍｍ、直径１９ｍｍの３つの円形シリコーンパッドが、パッドの周囲が拘束されない第１のスラストセンサアセンブリにおいて増加していく圧縮に晒されたとき、線Ｃに示すように印加される圧縮負荷を増加させると（Ｘ軸、０〜１６００Ｎ）、圧電抵抗圧力センサからの読取値の対応性（Ｙ軸、０〜６０ｍＶ）は、予測値（線Ａ）から著しくずれた。対照的に、アセンブリが、パッドの周囲を拘束するよう適合されたときは、センサの出力、線Ｂは、予測値（線Ａ）とよく一致した。
【００８９】
硬度の小さいシリコーンゴム材料を使用するときに、弾性部材のすべての端縁がプレート５５および５６の一方または他方において剛性の周囲壁によって拘束されるとするならば、トランスデューサの作動圧力範囲を維持するため、他の形および数の弾性パッドを、この発明の範囲から逸脱することなく、使用し得ることが理解されるであろう。
【００９０】
したがって、要約するとこの発明の目的は以下のとおりである。
１） まず、既知の接触面積を持つ剛性部材の間に挟まれた弾性エラストマーの部材または複数の部材に対して力が反作用を及ぼすよう配置し、第２に、弾性のエラストマー部材または複数の部材においてこのようにして発生された圧力を少なくとも１つの電子圧力トランスデューサによって継続的に測定することによって、アクチュエータのシャフトにおいて発生される軸方向スラストを測定するための手段および方法を提供する。
【００９１】
２） 前記シャフトによって発生された反力に耐える剛性および弾性の部材の間の接触領域を変えることができ、それによって、結果として発生される圧力の範囲を前記少なくとも１つの電子圧力トランスデューサの作動範囲内に維持する目的で、範囲の上限の力を比較的大きな接触区域を使用して測定し得、範囲の下限の力を比較的小さな接触区域を使用して測定し得る、手段を提供する。
【００９２】
３） ウォームおよびウォーム歯車減速ギヤ駆動装置を使用するアクチュエータにおいて目的（１）および（２）において説明した手段を使用してウォームシャフト内に生じる軸方向反力を測定することで、そして、そのようにして得られた力の値をウォーム歯車のピッチ円半径で乗算することにより、ウォーム歯車により伝達されているトルクを継続的に判定する。
【００９３】
４） 上述の目的において、シャフト軸と平行または一致するが、１８０度離れた方向において作用する力が、常に少なくとも１つの圧力トランスデューサに面する前記弾性部材上に圧縮反力を及ぼすであろうように手段を提供する。
【００９４】
５） 上述のアクチュエータにおいて、トランスデューサの感知面に近接する領域内では前記弾性部材の圧力に大きなずれは生じないよう、周囲の装着プレートに対してのトランスデューサの感知面の運動が極めて少なく、１つまたは２つ以上の電子圧力トランスデューサを提供する。この文脈において、トランスデューサ感知面の偏向は、たとえば、有効面直径の１０００分の１のオーダであろう。
【００９５】
６） 上述の目的において、トランスデューサの感知面がシャフト軸と直角になるがシャフト軸からずれる少なくとも１つの電子圧力トランスデューサを提供する。
【００９６】
７） スラストセンサアセンブリにおいて、パッドの周囲が使用中膨らむことを実質的に防止するようヘッドの周囲を拘束することにより、弾性的に圧縮可能なエラストマーのパッドの使用によって生じる誤差を緩和または実質的に防止する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電動機のシャフトと一体のウォームシャフトおよびアクチュエータの出力シャフトを囲むウォーム歯車を露出させるため、電動機シャフトの中央線と一致する平面でとった電気アクチュエータの部分断面を示す。
【図２】 図１の平面ＡＡで示されるウォームシャフトスラスト軸受アセンブリを通る部分断面図である。
【図３】 図２と同じく平面ＡＡの図であるが、弾性ポリマー部材の代替的配置例を示す。
【図４】 弾性ポリマー部材が別個の薄いプレートに取付けられたスラスト軸受アセンブリの部分を通る代替的断面を示す。
【図５】 出力シャフトにより発生される軸方向の力の測定であるこの発明の代替的実施例を明らかにする、アクチュエータの出力シャフトを通る断面図を示す。
【図６】 個別の弾性ポリマー部材が単一の環形弾性ポリマー部材で置換えられた図５の代替的断面図ＢＢを示す。
【図７】 ポリマーブロックが力の作用下で歪む態様を示す。この図は、ポリマーブロックの圧縮係数を決定するために必要な特別な式の説明を助けるため必要とされる。
【図８】 単一方向のスラストのみを測定するため、シャフトの端部にスラストセンサが位置づけられるセンサ配置例を示す。
【図９】 単一方向のスラストのみを測定するため、シャフトの端部にスラストセンサが位置づけられるセンサ配置例を示す。
【図１０】 図１に示すスラストセンサの簡略化されたものを示す。
【図１１】 図１に示すようなアクチュエータのさらなる実施例および変更例を示し、環形弾性パッドは、すべての周辺端縁が拘束されるような態様で装着される。
【図１２】 パッドの周囲が拘束されていないアセンブリの使用とパッドが拘束されているアセンブリの使用とを比較する、比較テストの結果のグラフである。

Claims (16)

1. アクチュエータシャフトに原動力が印加されるタイプのアクチュエータとともに使用するために適したスラストセンサアセンブリであって、前記スラストセンサアセンブリは、第１の圧縮プレート手段と第２の圧縮プレート手段とを含み、前記第１および第２圧縮プレート手段の少なくとも一方は、シャフトとともに軸方向に運動するよう前記シャフトの上にあるかまたは直接的または間接的に前記シャフトと係合するよう適合され、前記第２の圧縮プレート手段は、少なくとも１つの弾性的に圧縮可能な実質的にエラストマのパッドを介装して前記第１の圧縮プレート手段と対向するよう配置され、圧力トランスデューサが前記第１および前記第２の圧縮プレート手段の一方上に装着され、前記パッドは前記第１および第２圧縮プレート手段の少なくとも一方と接触する接触領域を備える接触面を有し、前記第１および前記第２の圧縮プレート手段のうち前記圧力トランデューサを装着した前記一方に前記接触面は面し、前記第２の圧縮プレート手段へ向かう前記第１の圧縮プレート手段の運動が、前記第１の圧縮プレート手段と第２の圧縮プレート手段との間の前記エラストマのパッドを押し、前記エラストマのパッドの一部の接触面が前記圧力トランデューサを押し、前記圧力トランデューサを押すことによってアクチュエータシャフトのスラストに対応する信号を圧力トランスデューサから誘導するように前記センサアセンブリは配置され、前記第１および前記第２の圧縮プレート手段のうち前記圧力トランデューサを装着した前記一方に面する圧縮可能な前記パッドの表面の前記接触面の全面積は、前記圧力トランスデューサに伝達されるスラストの割合を変えるように、選択的に変えることができ、前記接触面の全面積は、前記パッドを、より大きなまたはより小さなパッドと交換することで、または実質的に同一のパッドの数をより多数またはより少数使用することで、選択的に変えることができ、したがって、前記圧力トランスデューサに印加される圧力を前記圧力トランスデューサの動作範囲内に維持しつつ広い範囲のアクチュエータのスラストに対処し得るよう、前記スラストセンサアセンブリは適合される、スラストセンサアセンブリ。
2. 前記弾性的に圧縮可能なパッドは重ね合わされた構造であり、前記重ね合わされた構造は１対の弾性的に圧縮可能な層を含み、前記１対の層は、前記１対の層の弾性係数よりも大きな弾性係数を有する層を間に挟んでいる、請求項１に記載のスラストセンサアセンブリ。
3. 前記パッドは、第１または第２の圧縮プレート手段上に固定して装着される、請求項１または２に記載のスラストセンサアセンブリ。
4. 前記パッドは、剛性の中間部材上に装着され、スラストは第１の圧縮プレート手段から中間部材を介して前記パッドへ伝達される、請求項１から３のいずれかに記載のスラストセンサアセンブリ。
5. 凹部が圧縮プレート手段に設けられ、前記凹部は、前記エラストマのパッドそれぞれを完全に収納し前記パッドの周囲を完全に拘束するようにされ、それによって、前記パッドすべてが完全に周囲を拘束される、請求項１から４のいずれかに記載のスラストセンサアセンブリ。
6. 前記凹部を有する前記第１および第２の圧縮プレート手段の一方または中間部材に対向し、かつ対向する前記第１および第２の圧縮プレート手段の前記一方または前記中間部材を押す圧縮プレート手段または中間部材は、前記パッドを押すように、前記凹部へ突出するよう構成される、請求項５に記載のスラストセンサアセンブリ。
7. 圧縮不可能なインサートが、前記パッド上に載置されかつ前記パッドへ均等に圧縮力を伝達するよう、前記凹部内に設けられる、請求項５に記載のスラストセンサ。
8. 第２の圧縮プレート手段は、シャフトが軸方向に沿った一の方向へ運動するときシャフトの前記一の方向の力を前記シャフトから受け、前記第１の圧縮プレート手段は、シャフトが前記一の方向へ運動するとき、前記一の方向への運動を抑制された状態で、前記パッドを介して前記一の方向の力を前記第２圧縮プレート手段から受け、それによって、前記一の方向におけるスラストが感知され得る、請求項１から７のいずれかに記載のスラストセンサアセンブリ。
9. 前記圧力トランスデューサは、前記圧力トランスデューサの圧力感知面が、前記圧力トランスデューサが中に装着される前記圧縮プレート手段の面と同一平面上に来る状態で前記第１および第２の圧縮プレート手段の一方の中に組入れられる、請求項１から８のいずれかに記載のスラストセンサアセンブリ。
10. 前記圧縮プレート手段の１つまたは各々は、円形および／または環形である、請求項１から９のいずれかに記載のスラストセンサアセンブリ。
11. 前記弾性的に圧縮可能なパッドの１つまたは各々は円形および／または環形である、請求項１から１０のいずれかに記載のスラストセンサアセンブリ。
12. ２つの前記弾性的に圧縮可能なパッドが設けられ、前記パッドはアクチュエータシャフトのまわりに互いに正反対に対向するよう位置付けられる、請求項１から１１のいずれかに記載のスラストセンサアセンブリ。
13. 前記センサアセンブリは、ウォームおよびウォーム歯車タイプのアクチュエータギヤケースのウォームシャフト上に装着され、それによってウォームシャフト上の軸方向の力が測定されるように配置され、前記力はウォーム歯車のピッチ円半径で乗算され、ウォーム歯車により前記アクチュエータギヤケースの出力シャフトへ伝達されているトルクの値を得る、請求項１から１２のいずれかに記載のスラストセンサアセンブリ。
14. アクチュエータシャフトに原動力が印加されるタイプのアクチュエータとともに使用するために適したスラストセンサアセンブリであって、前記スラストセンサアセンブリは、第１の圧縮プレート手段と第２の圧縮プレート手段とを含み、圧縮プレート手段の少なくとも一方は、シャフトとともに軸方向に運動するよう直接的または間接的に前記シャフトの上にあるかまたは前記シャフトと係合するよう適合され、第２の圧縮プレート手段は、少なくとも１つの弾性的に圧縮可能な実質的にエラストマのパッドを介装して第１の圧縮プレート手段と対向するよう配置され、圧力トランスデューサが圧縮プレート手段の一方上に装着され、それによって第２の圧縮プレート手段へ向かう第１の圧縮プレート手段の運動が２つの圧縮プレート手段間のエラストマのパッド（複数のパッド）を圧力トランスデューサに向けて圧縮し、それによってアクチュエータシャフトのスラストに対応する信号を圧力トランスデューサから誘導し、１つまたは２つ以上の凹部が、圧縮プレート手段の一方の中に設けられるかまたは、圧縮プレート手段間に剛性の中間部材が設けられる場合は、中間部材内に任意に設けられ、凹部または各凹部は、前記エラストマのパッドそれぞれを収納し、使用中のパッドの周囲を拘束し、それによってパッドまたは複数のパッドすべてがそのように拘束される、請求項１から１３のいずれかに記載のスラストセンサアセンブリ。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載のスラストセンサアセンブリを組入れたアクチュエータ。
16. ２つ以上のパッドがあり、接触領域は、２つ以上のパッド全ての接触面の組み合わされた領域を含む、請求項１から１５のいずれかに記載のスラストセンサアセンブリ。

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