JP4242345B2 - シャフトの動的挙動を測定するためのトランスデューサ - Google Patents

Description

本発明はトランスデューサに関し、特に、円弧状センサ部材を間に支持する同心的な部材を有する、シャフトの動的挙動を測定するためのトランスデューサに関する。

様々な歪測定装置が知られている。従来公知の装置は、平行に置かれた梁部材により一体的に連結された、間隔を空けられた端壁部材を含む二重梁センサ部材であり、梁部材は一方向にのみ可撓性を有し、あるいは曲げ可能である。端壁の一方は支持構造物に取付けられ、端壁の他方はシャフトに動作的すなわち直接取付けられる。

他の公知の装置は、シャフト部材と荷重センサ装置の間に連結された片持ち梁を備える。連結された片持ち梁の性質により、装置の幅あるいは厚みが増加し、これにより装置を収容するために必要な空間が増加する。

従来技術の代表はエデンス（Eddens）（1990年）に付与された米国特許第4,899,599号明細書である。これは、フレーム部材を含むウェブすなわちストランド部材における張力を測定するための歪センサ装置を開示しており、シャフト部材がフレーム部材から延びるとともにウェブすなわちストランドが取付けられ、歪センサ装置はフレーム部材においてシャフトの一部を支持している。

従来技術のトランスデューサはコンパクトでなく、またシステムプーリの構成部分として用いることはできない。

必要なものは、円弧状センサ部材を間に挟んで支持する、同心的かつ同一平面上の部材を備えるトランスデューサである。必要なものは、プーリの中に収容されることのできるトランスデューサである。必要なものは、円弧状センサ部材を間に挟んで支持し、かつ負荷の自動調心機能を有する、同心的かつ同一平面上の部材を備えるトランスデューサである。本発明はこれらのニーズに合致する。

本発明の特徴は、円弧状センサ部材を間に挟んで支持する、同心的かつ同一平面上の部材を備えるトランスデューサを提供することである。

本発明の他の特徴は、プーリの中に収容されることのできるトランスデューサを提供することである。

本発明の他の特徴は、円弧状センサ部材を間に挟んで支持し、かつ負荷の自動調心機能を有する、同心的かつ同一平面上の部材を備えるトランスデューサを提供することである。

本発明の他の特徴は、本発明の後述の説明と添付図面により示され、明らかにされる。

本発明はシャフトの動的挙動を検出するためのトランスデューサを備える。トランスデューサはインナー部材とアウター部材の間に支持された円弧状センサ部材を備える。少なくとも１つの歪ゲージがシャフトの動的挙動により発生した面歪を検出するために円弧状センサ部材の面に取付けられる。インナー部材、アウター部材およびセンサ部材は実質的に同一平面上にある。インナー部材はトランスデューサを取付け面に取付けるための手段を備える。インナー部材はセンサの感度を最適化するために自動調心特性を備える。

明細書に組み込まれて明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の好ましい実施形態を示し、記述とともに、本発明の原理を説明するために役立つ。

図１はトランスデューサの斜視図である。トランスデューサは比較的コンパクトであり、シャフト負荷あるいはシャフトの動的挙動の測定のためにプーリに用いられてもよい。これはハブ負荷およびそれによるベルト張力の測定を含む。ハブ負荷とは、ベルト駆動システムにおいてベルト張力によって、プーリおよびそのシャフトに与えられる負荷である。トランスデューサはシャフト振動の測定に用いられてもよい。

トランスデューサ１００は概略的に、円弧状インナー部材すなわちハブリング１０１、センサリング１０２、および円弧状アウター部材すなわちアウターリング１０３を備える。ハブリング１０１は、トランスデューサを取付け面に取付けるための手段として作用するボア１０４を備える。ボルトのような締め具が、取付け面にトランスデューサを取付けるためにボア１０４を介してハブリング１０１に係合する。ハブリング１０１は、トランスデューサを取付け面に取付けるための固定手段を提供するために、比較的堅い。ハブリング１０１はまた、ハブリングを取付け面に取付けるために一体的なシャフトを備えていてもよい。ハブリング１０１は、連結部すなわち連結部材１０８によってセンサリング１０２に連結される。

センサリング１０２はハブリング１０１とアウターリング１０３の間に連結される。センサリング１０２は、ハブリング１０１とアウターリング１０３の円弧形状に同心的に協働する円弧形状を有する。ハブリング、センサリングおよびアウターリングにおける同心関係により、本発明トランスデューサは、プーリのような限られた領域において好適に用いるために、最小半径を有することができる。

スロット５１０はセンサリング１０２とアウターリング１０３の間に配置される。スロット５１１はセンサリング１０２とインナーリング１０１の間に配置される。負荷を受けるとセンサリング１０２は、方向Ａ−Ａの長軸と方向Ｂ−Ｂの短軸（図３参照）を有する長円すなわち楕円形状になるように変形する。スロット５１１の幅は、負荷がかかるときの方向Ｂ−Ｂにおけるセンサリング１０２の望ましい全体変形により決定される。スロット５１１の幅は、センサリング１０２の厚さＴの関数でもある。厚さＴは、センサリングがおかれる動的状況によって決定される。

少なくとも１つの歪ゲージが、図３に示されたセンサリングに取付けられる。ハブ負荷のベクトルはベクトル６００によって表される。センサリング１０２は、ハブリングに対してハブ負荷を付与したときに歪ゲージの位置において面歪を引き起こすために十分な可撓性を有する。センサリング１０２は、円弧状取付部材５１２を介してアウターリング１０３と部分１０７に連結される。部分１０７と取付部材１０８はセンサリング１０２の実質的に反対側に配置される。部材５１２においてセンサリング１０２をアウターリング１０３に連結することは、センサリング１０２の変形を大きくし、したがって、軸Ａ−Ａに沿うハブ負荷６００を受けるときにセンサリング１０２における面歪を大きくする。ベクトル６００は特定の方向を有しているが、トランスデューサはどんな方向におけるベクトルを有する負荷も検出することができる。もちろん、全体的な感度は、ベクトル６００とそれに関する歪ゲージの位置との位置関係に依存して影響される。

各部材５１２は、トランスデューサが負荷を受けるとき、センサリング１０２に協働して部分的に変形する。部材５１２は、トランスデューサによって、特にセンサリング１０２によって発生する動的負荷の関数である所定のバネ定数を有する。所定のバネ定数は各部材５１２の円弧形状を決定する。

動作中にセンサリング１０２が振動と周期的な負荷を連続的に受けることが理解される。これはセンサリング１０２とアウターリング１０３の間の連結部に応力をかける。したがって部材５１２の円弧形状は、センサリング１０２とアウターリング１０３の間の連結部に存在したかもしれない応力上昇部（stress riser）を拡散、分散させて減少させることにより、トランスデューサの動作寿命を延ばす。ひいては、これは連結部において応力上昇部（stress riser）によって発生したかもしれない潜在的な疲労クラックを最小限にする。

アウターリング１０３の開口１０５、１０６は、センサリング１０２における歪ゲージ３０１と３０４の取付けを容易にするために用いられる（図３参照）。

ブラケット５００は歪ゲージ信号コンディショナを受けるために用いられる。ブラケット５００はアウターリング１０３に取付けられる。ブラケットは、アウターリング１０３の一体的な部分として成形あるいは鋳造されてもよい。

アウターリング１０３は、トランスデューサを軸受およびプーリに係合させるための手段を提供するだけでなく、装置に対して構造強度を与える。アウターリング１０３はプーリ軸受に圧入され、プーリ軸受はベルトに係合するためにプーリに係合する。アウターリング１０３は、ベルト駆動システムにおいてトランスデューサの周りにおけるプーリの回転動作を許容するほど十分に堅い。

ハブリング１０１、センサリング１０２、およびアウターリング１０３は実質的に同一平面にある。特に、各リングは他のリングの中に同心的に入れ子式に収められる。リングを入れ子式に収めることにより、本発明装置の厚さが最小限に小さくなり、それにより、例えば、装着スペースが限られている実際の車両のフロントエンドアクセサリードライブのプーリにおけるトランスデューサの使用が可能となる。本発明トランスデューサはベルト駆動システムに存在するプーリを交換するために用いることができ、これにより、実際のシステムに対してほとんど修正することなく、器具取付けのための改造が可能となる。トランスデューサはまた、シャフトの動的挙動あるいはテンショナアームの動的挙動の測定のために、テンショナのプーリシャフトにおいてテンショナプーリとテンショナアームの間に用いられてもよい。

好ましい実施形態において、本発明トランスデューサは金属のような単一の材料から機械加工できる。装置はまた、トランスデューサにより発生する負荷によっては、プラスチックあるいはセラミックのような適切な材料から鋳造されてもよい。

他の実施形態において、３つの部分、すなわち接着剤あるいはねじによって接合されるハブリング、センサリング、およびアウターリングを備える（図４a参照）。ある実施形態において、ハブリングとアウターリングはセラミック材料であり、またセンサリングは金属材料である。しかし他の実施形態では、ハブリングとアウターリングは、特に小さな負荷のアプリケーションではプラスチック材料であってもよい。プラスチックの必要性は、取付けられたエンジンの動作温度に対して十分な強度と十分な抵抗を有することである。

しかし他の実施形態において、センサリングとアウターリングは単一の機械加工部品であり、ハブリングがセンサリングにねじあるいは接着剤により取付けられる。この実施形態において、センサリングとアウターリングは金属材料であり、ハブリングはセラミック材料である。ハブリングはまた、比較的小さな負荷のアプリケーションではプラスチック材料であってもよい。プラスチックの必要性は、取付けられたエンジンの動作温度に対して十分な強度と十分な抵抗を有することである。

図２はトランスデューサの斜視図である。トランスデューサ１００はプーリ２００の中に収容されて示されている。軸受２０５はアウターリング１０３の外側に嵌着され、アウターリング１０３とプーリ２００の間の環状空間をふさいでいる。ブラケット５００は締め具５０１、５０２によりトランスデューサ１００に取付けられる。

図３はトランスデューサセンサリングの平面図である。センサリング１０２は、完全なブリッジ構成で取付けられた歪ゲージ３０１、３０２、３０３、３０４と共に示されている。そのような歪ゲージはワイヤ４０１、４０２、４０３、４０４によって連結される。ワイヤ４０２と４０３は、装置のリードワイヤに連結するためのブラケット５００につながれる。歪ゲージ３０１と３０４は開口１０５と１０６を介してセンサリング１０２に取付けられてもよい。歪ゲージは、力ベクトルの軸Ａ−Ａが歪ゲージの間の仮想線Ｂ−Ｂに垂直になるように位置決めされる。

図４Ａはトランスデューサの平面図である。これは、この明細書に記載されているように、別のハブリング１０１、センサリング１０２、およびアウターリング１０３を用いた実施形態である。センサリング１０２は、ねじ２０３と２０４を用いてアウターリング１０３に締結される。ハブリング１０１は、ねじ２０１と２０２を用いてセンサリング１０２に締結される。リングを締結する他の手段は、溶接、接着剤、リベット、あるいは従来技術で知られている他の手段であってもよい。ねじ２０１、２０２、２０３、２０４は、ハブ負荷の軸Ａ−Ａに関して示されているように位置決めされる。

図４Ｂはライン４Ｂ−４Ｂにおける図４Ａの断面図である。ねじ２０１と２０４はセンサリング１０２をアウターリング１０３に連結して示されている。ブラケット５００はこの明細書に記載されているように、歪ゲージワイヤを装置のリードワイヤに連結させる手段を提供する。

図４Ｃは図４Ｂの４Ｃ−４Ｃにおける側面図である。ねじ２０３と２０４はアウターリング１０３をセンサリング１０２に連結して示されている。

図５はトランスデューサの破断して示す斜視図である。軸受２０５はトランスデューサ１００のアウターリング１０３に嵌着される。プーリ２００は軸受２０５に嵌着される。

図６は自動調心部の部分平面図である。トランスデューサの感度を最適化するために、センサリングは、ベクトル６００が軸Ａ−Ａに整列して歪ゲージが軸Ｂ−Ｂに整列するように、ハブ負荷のベクトル６００に配置されることが望ましい（図３参照）。これは自動調心部材７００を用いて達成される。

特に、偏心した自動調心部材７００はインナーリングボア１０４に配置される。例として、また限定されないものとして、偏心部材７００はボア１０４の中に圧入される。部材７００はまた、単純に、円弧状インナー部材１０１の一体的な部分であってもよく、すなわち円弧状インナー部材は、トランスデューサの幾何学的中心に整列しない中心７０５を有するボア７０１を備えている。

偏心部材７００はボア７０１を備える。ボア７０１の中心７０５は偏心部材の幾何学的中心７０４から距離をおいて偏心的に配置される。偏心部材の幾何学的中心７０４はまた、トランスデューサの幾何学的中心およびセンサリングの幾何学的中心に一致する。軸受７０２はボア７０１の中に圧入される。ボルトのような締結部材７０３は、軸受７０２を貫通して取付けられ、これによりトランスデューサが取付け面（図示せず）に取付けられる。軸受７０２の作用により、トランスデューサは締結部材７０３の周りに自由に回転する。

典型的な状況において、ハブ負荷のベクトル６００はトランスデューサに作用して示される。ハブ負荷は張力を有するベルトＢＴにより発生する。典型的な構成において、ベクトル６００は最初、距離（Ｄ）だけボア中心７０５から横方向にずれている。ハブ負荷６００が作用すると、部材７００の自動調心特性が作用してトランスデューサを適切に整列させる。特に、距離（Ｄ）は、トルクを偏心部材７００に作用させるレバーアームとして作用する。トルクは偏心部材７００を、したがってトランスデューサ１００とセンサリング１０２を、ベクトル６００が中心７０５に整列するまで、軸受７０２の周りに回転させ、これにより自動調心トルクを除去し、平衡状態を復元させる。この自動調整の動作はベクトル６００の方向に関係なく作用する。

図７は自動調心部の部分的な平面図である。ベクトル６００はボア中心７０５に整列する。この整列により、歪ゲージ３０１、３０２、３０３、３０４は最適な検出位置に定められ、すなわち図３に示された軸Ｂ−Ｂに整列する。

トランスデューサは図６および７に示されているように自動調心部材７００を用いて、あるいは用いることなく動作することが理解される。自動調心部材７００の使用はトランスデューサの望ましい感度に依存する。これはまた、動作中にベクトル６００の動く範囲に一部依存する。トランスデューサの感度は、歪ゲージの負荷ベクトル６００に対する整列の関数である。例えば、本発明のトランスデューサがベクトル６００に対する狭い範囲における方向でアイドラーと共に用いられるとすると、自動調心部材の必要性はさほど重要ではない。代案において、トランスデューサがテンショナアームの動きによって引き起こされる比較的広い範囲の動きを有するテンショナに用いられる場合、自動調心部材の使用はトランスデューサの望ましい感度を維持するのに利点がある。

本発明の形態が記載されたが、この明細書に記載された精神と範囲から逸脱しない範囲において、構成と関連部分に変形を施すことは当業者にとって自明である。

トランスデューサの斜視図である。 トランスデューサの斜視図である。 トランスデューサのセンサリングの平面図である。 トランスデューサの平面図である。 ラインＢ−Ｂにおける図４Ａの断面図である。 図４Ｂの４Ｃ−Ｃにおける側面図ある。 トランスデューサの一部を破断した斜視図である。 自動調心部の部分平面図である。 自動調心部の部分平面図である。

Claims (19)

1. リング状のアウター部材と、
   前記アウター部材の内側に配設され、リング状のインナー部材と、
   歪を検出するための円弧状センサ部材と、
   前記円弧状センサ部材の面に配置される少なくとも１つの歪ゲージとを備え、
   前記円弧状センサ部材が前記アウター部材とインナー部材との間に支持され、
   前記アウター部材とインナー部材が同一平面であり、
   前記アウター部材と前記円弧状センサ部材は、前記アウター部材の中心に関して、前記インナー部材と前記円弧状センサ部材が連結される部分とは反対側の部分において連結される
   トランスデューサ。
2. 前記円弧状センサ部材と前記アウター部材と前記インナー部材が同一平面にある請求項１に記載のトランスデューサ。
3. 前記インナー部材が前記インナー部材を取付け面に連結するための手段を有する請求項１に記載のトランスデューサ。
4. 前記アウター部材とインナー部材が同心的である請求項１に記載のトランスデューサ。
5. 前記インナー部材がボアを有する請求項１に記載のトランスデューサ。
6. リング状のアウター部材と、
   前記アウター部材の内側に配設され、リング状のインナー部材と、
   歪を検出するための円弧状センサ部材と、
   前記円弧状センサ部材の面に配置される少なくとも１つの歪ゲージとを備え、
   前記円弧状センサ部材が第１位置で前記アウター部材に連結され、第２位置で前記インナー部材に連結され、
   前記第１位置と第２位置が、前記アウター部材の中心に関して、前記円弧状センサ部材の実質的に反対側の位置に配置され、
   前記アウター部材およびインナー部材が同一平面である
   トランスデューサ。
7. 前記円弧状センサ部材と前記アウター部材と前記インナー部材が同一平面にある請求項６に記載のトランスデューサ。
8. 前記インナー部材がボアを有する請求項６に記載のトランスデューサ。
9. 前記アウター部材と前記インナー部材が同心的である請求項６に記載のトランスデューサ。
10. リング状のアウター部材と、
    前記アウター部材の内側に配設され、リング状のインナー部材と、
    歪を検出するための円弧状センサ部材と、
    前記円弧状センサ部材の面に配置される少なくとも１つの歪ゲージとを備え、
    前記円弧状センサ部材が前記アウター部材とインナー部材の間に連結され、円弧状連結部材が前記円弧状センサ部材と前記アウター部材を連結し、
    前記アウター部材とインナー部材が同一平面にあり、
    前記アウター部材と前記円弧状センサ部材は、前記アウター部材の中心に関して、前記インナー部材と前記円弧状センサ部材が連結される部分とは反対側の部分において連結される
    センサ。
11. 前記円弧状センサ部材と前記アウター部材と前記インナー部材が同一平面である請求項１０に記載のセンサ。
12. 前記インナー部材がボアを有する請求項１０に記載のセンサ。
13. 前記アウター部材とインナー部材が同心的である請求項１０に記載のセンサ。
14. リング状のアウター部材と、
    前記アウター部材の内側に配設され、リング状のインナー部材と、
    歪を検出するための円弧状センサ部材と、
    前記円弧状センサ部材の面に配置された少なくとも１つの歪ゲージとを備え、
    前記円弧状センサ部材が前記アウター部材とインナー部材の間に連結され、
    前記アウター部材とインナー部材が同一平面にあり、
    前記アウター部材と前記円弧状センサ部材は、前記アウター部材の中心に関して、前記インナー部材と前記円弧状センサ部材が連結される部分とは反対側の部分において連結され、
    前記インナー部材がセンサ中心から偏心したボアを備え、前記センサ中心の周りに偏心して回転可能である
    センサ。
15. 前記円弧状センサ部材と前記アウター部材と前記インナー部材が同一平面にある請求項１４に記載のセンサ。
16. 前記インナー部材がボアを有する請求項１４に記載のセンサ。
17. 前記アウター部材とインナー部材が同心的である請求項１４に記載のセンサ。
18. 前記円弧状センサ部材とアウター部材の間の円弧状連結部材をさらに備える請求項１４に記載のセンサ。
19. 締め具に係合するための偏心したボアに配置された軸受をさらに備える請求項１４に記載のセンサ。

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