(57)【要約】      （修正有）【課題】機械的荷重を受ける部材を有するシステムにおいて、応力およびひずみを効果的に測定するための、新規で、しかも、より良好な技術を提供する。【解決手段】荷重を受ける長手方向に延びるシャフト状部材４を有し、磁気弾性活動部位６は、機械的応力が活動部位に伝えられるような仕方で部材１１，１２の一部に直接的もしくは間接的に取り付けられ、または部材の一部を形成する。活動部位の磁気分極領域は、作用した応力が増大するにつれて次第にらせん形状になる。磁場センサ手段Ｌｘ１は、磁気分極領域から発生する応力誘起磁束に対応する信号を出力するために、少なくとも１つの磁気弾性活動部位の近くに配置される。磁気センサ手段Ｌｘ１は、せん断応力および／または引っ張りまたは圧縮の応力を決定するように構成される。【選択図】図７
2014206531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に延びるシャフト状部材であって、前記シャフト状部材内に機械的応力をもたらす荷重を受ける、前記シャフト状部材と、
少なくとも１つの磁気弾性活動部位であって、前記磁気弾性活動部位は、前記機械的応力が前記磁気弾性活動部位に伝えられるような仕方で前記シャフト状部材の一部に直接的もしくは間接的に取り付けられ、または前記シャフト状部材の一部を形成し、作用した前記機械的応力が増大するにつれて磁気分極が次第にらせん状になるような、少なくとも１つの磁気分極領域を含む、前記少なくとも１つの磁気弾性活動部位と、
前記磁気分極領域から発生する応力誘起磁束に対応する信号を出力するための、前記少なくとも１つの磁気弾性活動部位の近くに配置された磁場センサ手段と、
を備える、磁気弾性センサであって、
前記磁気センサ手段は、せん断応力および／または引っ張りまたは圧縮の応力を決定するように構成された少なくとも１つの方向感知性磁場センサを備え、前記磁場センサは、予め設定された固定的空間的な協働性を前記シャフト状部材に対して有するように特に配置されることを特徴とする、磁気弾性センサ。
【請求項２】
前記方向感知性磁場センサは、前記磁場センサの感知方向が前記シャフト状部材の接線方向に対して少なくともほぼ平行になるように、または前記磁場センサの前記感知方向が前記シャフト状部材の径方向に対して少なくともほぼ平行になるように配置される、請求項１に記載の磁気弾性センサ。
【請求項３】
前記磁気センサ手段は、互いに１８０°反対の感知方向を有する第１および第２の方向感知性磁場センサを備える、請求項１または２に記載の磁気弾性センサ。
【請求項４】
前記第１および前記第２の磁場センサは、前記磁気弾性活動部位の両側の近くにそれぞれ配置され、前記磁気弾性活動部位のそれぞれの側が前記軸芯の反対側にある、請求項３に記載の磁気弾性センサ。
【請求項５】
前記センサ手段は、少なくとも４つの磁場センサを備え、前記少なくとも４つの磁場センサは、第１から第４の感知方向を有し、前記感知方向および軸芯は、互いに少なくともほぼ平行であり、前記第１から第４の磁場センサは、前記シャフトの円周に沿って、互いに円周方向にほぼ等しい距離を有して配置される、請求項１から４までのいずれか１項に記載の磁気弾性センサ。
【請求項６】
前記第１および第３の磁場センサは、前記軸芯に対して互いに反対に配置され、前記第１および第３の感知方向は、互いに１８０°反対に配置され、前記第２および第４の磁場センサは、前記軸芯に対して互いに反対に配置され、前記第２および第４の感知方向は、互いに１８０°反対に配置される、請求項５に記載の磁気弾性センサ。
【請求項７】
前記シャフト状部材は、第１の磁気弾性活動部位および第２の磁気弾性活動部位を備え、前記第１、第２の磁気弾性活動部位は、前記機械的応力が前記磁気弾性活動部位に伝えられるような仕方で、前記シャフト状部材の一部に直接的もしくは間接的に取り付けられ、または前記シャフト状部材の一部を形成し、
各磁気弾性活動部位は、それぞれ磁気分極領域を含み、前記第１の活動部位の磁気分極および前記第２の活動部位の磁気分極は、互いにほぼ反対であり、
前記磁気センサ手段は、第１の対の磁気センサを備え、前記第１の対の磁気センサは、前記第１の磁気分極領域から発生する応力誘起磁束に対応する第１の信号を出力するために前記第１の磁気弾性活動部位の近くに配置された第１および第２の磁場センサを備え、
前記磁気センサ手段は、第２の対の磁気センサを備え、前記第２の対の磁気センサは、前記第２の磁気分極領域から発生する応力誘起磁束に対応する第２の信号を出力するために前記第２の磁気弾性活動部位の近くに配置された第１および第２の磁場センサを備え、
前記磁気弾性センサはさらに、制御ユニットを備え、前記制御ユニットは、センサの前記第１の対およびセンサの前記第２の対の前記信号の微分評価を実施することによって前記シャフト状部材に作用した前記応力を決定するように構成されている、請求項１から６までのいずれか１項に記載の磁気弾性センサ。
【請求項８】
前記シャフト状部材は、少なくとも部分的に中空のシャフトであり、前記センサ手段のすべての磁場センサは、全体的に、前記中空シャフトの内部の内側に配置される、請求項１から７までのいずれか１項に記載の磁気弾性センサ。
【請求項９】
前記少なくとも１つの磁気弾性活動部位は、前記シャフト状部材の円周に沿って突出し、前記少なくとも１つの磁気弾性活動部位は、前記磁気分極領域における磁化された範囲が、最大でも前記シャフト状部材の円周方向のプラスマイナス４５°の限界値内にあるように磁化される、請求項１から８までのいずれか１項に記載の磁気弾性センサ。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項に記載の磁気弾性センサを構成している長手方向に延びるシャフト状部材を有する荷重ピン。
【請求項１１】
軸受スタッドおよびソケットを有するボールジョイントであって、前記受けスタッドは、請求項１から９までのいずれか１項に記載の磁気弾性センサを構成している長手方向に延びるシャフト状部材を備える、ボールジョイント。
【請求項１２】
湾曲したシャフトおよびけん引ボールを有する牽引カップリングであって、前記湾曲したシャフトは、請求項１から９までのいずれか１項に記載の磁気弾性センサを構成している少なくとも１つの長手方向に延びるシャフト状部材を備え、特に、前記湾曲したシャフトは、第１および第２の長手方向に延びるシャフト状部材を備え、前記第１、第２シャフト状部材の軸芯は、互いにほぼ直角であり、前記第１および前記第２の長手方向に延びるシャフト状部材の各々は、請求項１から９までのいずれか１項に記載の磁気弾性センサを構成している、牽引カップリング。
【請求項１３】
荷重ベクトルの方向を決定する方法であって、磁気弾性センサを設けるステップであって、前記磁気弾性センサが、長手方向に延びるシャフト状部材であって、前記シャフト状部材内に機械的応力をもたらす荷重を受ける前記シャフト状部材と、少なくとも１つの磁気弾性活動部位であって、前記機械的応力が前記磁気弾性活動部位に伝えられるような仕方で、前記シャフト状部材の一部に直接的もしくは間接的に取り付けられ、または前記シャフト状部材の一部を形成し、作用した応力が増大するにつれて磁気分極が次第にらせん形状になるような、少なくとも１つの磁気分極領域を含む、前記少なくとも１つの磁気弾性活動部位と、磁場センサ手段であって、前記磁気分極領域から発生する応力誘起磁束に対応する信号を出力するために前記少なくとも１つの磁気弾性活動部位の近くに配置された前記磁場センサ手段とを備え、前記磁気センサ手段が、前記予め設定された固定的空間的な協働性をシャフト状部材と持たせるように特に配置された、少なくとも１つの方向感知性磁場センサを備える、前記磁気弾性センサを設けるステップと、
前記長手方向に延びるシャフト状部材を前記荷重にさらすステップと、
前記少なくとも１つの方向感知性磁場センサの測定データを処理して、せん断応力および／または引っ張りまたは圧縮の応力を決定し、特に前記荷重ベクトルの方向を前記測定データおよび前記方向感知性磁場センサと前記シャフト状部材の間の前記予め設定された既知の空間的な協働性から決定するステップとを含む、荷重ベクトルの方向を決定する方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の荷重ベクトルの方向を決定する方法であって、
前記センサ手段が、第１から第４の感知方向を有する少なくとも第１から第４の磁場センサを備え、前記感知方向および軸芯が、互いに少なくともほぼ平行であり、前記第１から第４の磁場センサが、前記シャフトの円周に沿って互いに円周方向にほぼ等しい距離を有して配置されている、前記荷重ベクトルの方向を決定する方法は、さらに、
前記第１および第３の磁場センサの測定データを処理して、荷重ベクトルの第１の成分を決定するステップと、
前記第２および第４の磁場センサの測定データを処理して、前記荷重ベクトルの第２の成分を決定するステップと、
前記長手方向に延びるシャフト状部材が受ける前記荷重ベクトルの方向を、前記決定された第１および第２の成分ならびに前記シャフト状部材に対する前記第１から第４の磁場センサの予め設定された既知の空間的な協働性から決定するステップとを含む、請求項１３に記載の荷重ベクトルの方向を決定するための方法。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の荷重ベクトルの方向を決定するための方法であって、
前記シャフト状部材が、第１の磁気弾性活動部位および第２の磁気弾性活動部位を備え、前記第１の磁気弾性活動部位および第２の磁気弾性活動部位が、前記機械的応力が前記磁気弾性活動部位に伝えられるような仕方で前記シャフト状部材の一部に直接的もしくは間接的に取り付けられ、または前記シャフト状部材の一部を形成し、各活動部位が、磁気分極領域を含み、前記第１の活動部位の磁気分極および前記第２の活動部位の磁気分極が、互いにほぼ反対であり、前記磁気センサ手段が、第１の対の磁気センサを備え、前記第１の対の磁気センサが、前記第１の磁気分極領域から発生する応力誘起磁束に対応する第１の信号を出力するために前記第１の磁気弾性活動部位の近くに配置された第１および第２の磁場センサを備え、前記磁気センサ手段が、第２の対の磁気センサを備え、前記第２の対の磁気センサが、前記第２の磁気分極領域から発生する応力誘起磁束に対応する第２の信号を出力するために前記第２の磁気弾性活動部位の近くに配置された第１および第２の磁場センサを備えている、前記荷重ベクトルの方向を決定するための方法は、さらに、
センサの前記第１の対およびセンサの前記第２の対の微分評価を実施して前記シャフト状部材に作用した前記応力を決定するステップを含む、請求項１３または１４に記載の荷重ベクトルの方向を決定するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、荷重を測定するための磁場センサの使用を伴うシステムおよび方法に関する。具体的には、本発明は、この磁場センサを組み込んでいる磁気弾性センサ、荷重ピン、ボールジョイント、および牽引カップリング（ｔｏｗ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）に関する。さらに、本発明は、荷重ベクトルの方向を決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械的な力の影響を受ける部材を有するシステムの制御において、機械的荷重を決定することは、基礎的パラメータの関心事の１つである。荷重、トルク、曲げ、および／またはせん断応力の感知は、正確、確実、かつ安価な仕方で実施されなければならない。
【０００３】
これまでは、機械的荷重の測定は、接触タイプのセンサを用いて達成された。接触タイプは、部材に直接取り付けられ、あるいは、前記シャフト状部材に構成されたものである。一般的な接触タイプのセンサは、ひずみゲージである。この検出器は、部材の表面に直接的に取り付けられ、または部材に構成されていた。たとえば、ひずみゲージは、シャフトの表面に取り付けられる。ひずみゲージが特定のひずみを受けたとき、この装置の電気的抵抗が変化する。
【０００４】
ひずみゲージの典型的な応用は、荷重ピンである。荷重ピンは、荷重および力を測定し、かつ過荷重の保護をもたらすために使用される変換器である。複数の荷重ピンが、通常のシャフトの代わりに機械内に装着されることがある。これらは、典型的には、ひずみゲージに嵌合され、測定された荷重に比例する信号を生成することができる。
【０００５】
しかし、ひずみゲージは、荷重を受ける部材と直接的に機械接触する必要があるため、比較的不安定であり、信頼性が限られている。これに加えて、ひずみゲージの測定値はドリフトする傾向があり、それによって信頼性が損なわれる。長期測定するときは、なおさらである。
【０００６】
幅広く使用されているひずみゲージの代替策として、磁気弾性効果を活用する、複数の非接触タイプのセンサが開発された。これらは、さまざまな機械的システムにおける回転シャフトのトルク測定に使用されることが多い。たとえば、Ｇａｒｓｈｅｌｉｓの米国特許第６，５５３，８４７Ｂ２号明細書は、参照によってその開示が本明細書に全体的に組み込まれるものであるが、磁気弾性トルクセンサを開示している。磁気弾性トルクセンサは、作用したトルクを示す出力信号を供する。別のセンサが、このセンサは回転シャフトに適用されたものであるが、Ｇａｒｓｈｅｌｉｓの米国特許第５，３５１，５５５号明細書に開示されている。Ｇａｒｓｈｅｌｉｓの米国特許第５，３５１，５５５号明細書は、参照によってその開示が本明細書に全体的に組み込まれる。このＵＳ’５５５特許において、磁気弾性活動部位が、シャフトまわりの環状部材にある。この環状部材は、効果的な一軸性の磁気異方性が円周方向に与えられた磁気材料を備えている。シャフトがトルクを受けたとき、シャフト内に誘発された応力は、シャフトに堅固に連結された環状部材に伝達される。ＵＳ’８４７特許では、シャフトの材料自身が、円周方向に磁気分極されている。したがって、このセンサは、磁気材料からなる別部材のリングを設けずにすむ。いずれのシステムにおいても、磁気弾性活動部位から発生する磁場を感知するため、磁場センサは、この領域の近傍に装着される。シャフトにねじり応力が作用したとき、円周方向に指向された磁化は向きを変え、ねじり応力が増大するにつれて次第にらせん状になる。
【０００７】
米国特許出願公開第２０１２／００７４９３３Ａ１号明細書は、参照によってその開示が本明細書に全体的に組み込まれるものであるが、シャフトの円周の周りに配置された複数のセンサを備える磁気弾性タイプの非接触センサを開示している。磁場センサは、シャフトが回転する間は固定されている。その結果、各センサは、磁気分極領域の特定の部分から発生する磁場に繰り返しさらされる。このため、ひずみの測定値に対する平均化効果がもたらされる。これは、ひずみの値の決定のために、個々のセンサの信号が平均化されるためである。こうして、磁気分極に残存する不均一性が平均化される。
【０００８】
要約すると、すべての従来技術の概念は、従来のひずみゲージを使用するものであるか、あるいは磁気分極領域を含む回転シャフトと共働する１つ以上の固定式の磁場センサを有するか、のどちらかである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，５５３，８４７Ｂ２号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３５１，５５５号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１２／００７４９３３Ａ１号明細書
【発明の概要】
【００１０】
前述に基づいて、典型的には非回転式であるが、機械的荷重を受ける部材を有するシステムにおいて、応力およびひずみを効果的に測定するための、新規で、しかも、より良好な技術が必要とされる。
【００１１】
本発明の１つの態様において、少なくとも１つの磁気弾性活動部位を有し、長手方向に延びるシャフト状部材と、磁場センサ手段と、を備える磁気弾性センサが設けられる。長手方向に延びるシャフト状部材は、前記シャフト状部材の内部に機械的応力をもたらす荷重を受ける。少なくとも１つの磁気弾性活動部位は、シャフト状部材に直接的または間接的に取り付けられる。しかし、少なくとも１つの磁気弾性活動部位はまた、前記シャフト状部材の一部を形成していてもよい。磁気弾性活動部位は、機械的応力が、活動部位に伝えられるような仕方で配置される。前記部位は、作用した応力が増大するにつれて磁気分極が次第にらせん状になるような、少なくとも１つの磁気分極領域を備える。磁場センサ手段は、少なくとも１つの磁気弾性活動部位の近くに配置される。磁場センサ手段は、さらに、磁気分極領域から発生する応力誘起磁束に対応する信号を出力するように構成される。本発明の態様によるセンサは、少なくとも１つの方向感知性磁場センサを備える磁気センサ手段を備える。方向感知性磁場センサは、せん断応力および／または引っ張りまたは圧縮の応力を決定するように構成される。方向感知性磁場センサは、予め設定された固定的空間的な協働性を前記シャフト状部材に対して有するように特に配置される。
【００１２】
有利なことは、本発明の態様による磁気弾性センサは、センサ手段とシャフト部材の間の機械的なリンク結合または連結を不要とする。これは、そのような連結の機械的不具合が招来するエラーの根源を解消する。センサは、厳しい作動条件下でも確実に作動する。長期測定中の測定値のドリフトは低減される。本発明の態様によるセンサは、たとえば、陸上、海上、鉄道、または航空の輸送車両の油圧ユニットの一部であってもよく、ほぼすべてのシャフト状部材に使用されていてもよく、または構成されていてもよい、という点で万能である。
【００１３】
本発明の有利な実施形態によれば、少なくとも１つの方向感知性磁場センサの感知方向は、シャフト状部材の接線方向に対して少なくともほぼ平行になるように配置される。磁気弾性活動部位は、直角力にさらされたとき、シャフトの接線方向に指向された成分を有する応力誘起磁束を発生させる。磁気弾性効果を利用する従来のセンサシステムでは、磁場ベクトルの接線成分は無視される。これは、主として、これらの従来のセンサは、せん断応力を測定するトルクセンサであるという事実によるものである。この状況では、磁気誘発された磁場ベクトルは、シャフトの軸方向に対してほぼ平行である。しかし、本発明の態様による磁気弾性センサは、磁場ベクトルの接線成分を感知し、したがって、シャフト状部材内の引っ張りまたは圧縮の応力になり得る法線応力を決定することができる。このタイプの応力は、シャフトの曲がり、または軸方向荷重を受けることによる場合がある。換言すれば、引っ張り応力および圧縮応力は、好ましくは、シャフトのほぼ軸方向に作用した力によるものである。
【００１４】
本発明の別の実施形態によれば、磁気センサ手段の少なくとも１つの磁場センサは、前記センサの感知方向が、シャフト状部材の径方向に対して少なくともほぼ平行になるように配置される。応力に誘発された磁場の径方向成分は、シャフト状部材内に誘発されたすべての応力タイプから進化する。換言すれば、せん断応力および法線応力は、何れも活動部位から発生する磁場ベクトルを誘発する。前記磁場ベクトルは径方向成分を有する。その結果、本発明のこの特定の実施形態による磁気弾性センサは、すべての応力タイプに対して感知性のものである。本実施形態は、シャフトが１つのタイプの応力だけを受ける場合に特に適している。
【００１５】
本発明のさらに別の実施形態によれば、磁気センサ手段は、第１の方向感知性磁場センサと、第２の方向感知性磁場センサとを備える。第１および第２のセンサは、これらが、１８０°反対の感知方向を有するように配置される。磁場センサのこの「逆も同様の」構成は、この実施形態による磁気弾性センサが、作用した応力と機械的荷重との間の異なる方向を区別することを可能にする。たとえば、圧縮応力および引っ張り応力は、第１および第２のセンサから取得された測定データが微分処理された（differentially processed）場合に区別可能である。
【００１６】
本発明の別の実施形態では、第１および第２の磁場センサは、磁気弾性活動部位の両側の近くにそれぞれ配置される。活動部位の両側は、軸芯に対して互いに反対側にある。活動部位の片側は、シャフトの内部の表面または壁であってもよく、同様に、シャフト状部材の外部の壁または表面であってもよい。これは、センサ手段の個々の構成に依存する。たとえば、センサ手段の複数のセンサが、中空のシャフト状部材の内部に配置されたとき、それらの側面は、部材の空洞の面に対向する。センサがシャフト状部材の外部に配置されたとき、それらの対向側面は、シャフトの外側面であって、これらは、軸芯に関して対向している。この固有のセンサ配置では、センサ手段は、シャフトの軸方向の応力および荷重、すなわち引っ張り応力および圧縮応力を取得するのに適している。好ましくは、第１および第２の感知方向は、これらが軸芯に対してほぼ直角になるように配置されていてもよい。
【００１７】
本発明の別の有利な態様によれば、磁気弾性センサは、少なくとも４つの磁場センサを有するセンサ手段を備える。これらの４つのセンサは、第１から第４の感知方向を有する。第１から第４のセンサは、少なくとも、第１から第４の感知方向と軸芯とが互いにほぼ平行になるように配置される。さらに、第１から第４の磁場センサは、シャフトの円周に沿って配置されており、互いに円周方向においてほぼ等しい距離を有している。特に、第１および第３の磁場センサは、軸芯に対して互いに反対側に配置される。第１および第３の感知方向は、互いに１８０°反対側に配置されていてもよい。さらに、第２および第４の磁場センサは、軸芯に対して互いに反対に配置されていてもよい。第２および第４の感知方向は、互いに１８０°反対に配置されていてもよい。
【００１８】
本発明のこの実施形態によれば、センサ手段は、シャフト状部材に作用した荷重の第１の成分および第２の成分を決定するように構成される。特に、第１および第３の磁場センサは、センサの第１のグループを形成することができ、第２および第４の磁場センサは、センサの第２のグループを形成することができる。デカルト座標系で考えた場合、センサの第１のグループは、第１のデカルト軸、たとえばＸ軸に沿って指向された荷重成分を決定するのに適している。センサの第２のグループは、第１の成分に対してほぼ直角である荷重の成分を感知する。これを同じデカルト座標系で考えた場合、センサの第２のグループは、Ｙ方向の力成分を感知する。換言すれば、荷重のＸおよびＹの成分を決定できる。その結果、シャフト状部材に作用した応力または力の方向および値は、たとえばデカルト座標系において前記成分から決定できる。
【００１９】
本発明のさらに別の態様によれば、シャフト状部材は、第１の磁気弾性活動部位および第２の磁気弾性活動部位を含む。本発明の他の実施形態と同様に、これらは、機械的応力が活動部位に伝えられるような仕方で、部材の一部に直接的もしくは間接的に取り付けられ、または部材の一部を形成する。活動部位のそれぞれ１つは、磁気分極領域を含む。第１の活動部位の磁気分極は、第２の活動部位の磁気分極のほぼ反対である。磁気センサ手段は、第１の対の磁気センサおよび第２の対の磁気センサを備える。各対は、第１および第２の方向感知性磁場センサを備える。配置されている第１および第２の対のセンサは、第１および第２の磁気弾性活動部位それぞれの近くにある。第１のセンサ対は、第１の磁気分極領域から発生する応力誘起磁束に対応する第１の信号を出力する。同様に、磁場センサの第２の対は、第２の磁気分極領域から発生する応力誘起磁束に対応する第２の信号を出力する。磁気弾性センサの制御ユニットは、部材に作用した応力を決定するように構成される。制御ユニットは、センサの第１の対およびセンサの第２の対の信号の微分評価を実施する。
【００２０】
信号の微分評価は、有利には、作用した応力に連関する信号を２倍にする。第１および第２の磁気活性部位の磁気分極は、互いに反対であるため、理論上生じ得る外部磁場は相殺される。本実施形態による磁気弾性センサは、より感知性が高いとともに、よりエラーになりにくい。
【００２１】
本発明の実施形態によれば、部材は、少なくとも部分的に中空のシャフトであり、センサ手段のすべての磁場センサは、全体的に、中空シャフトの内部の内側に配置される。これは、シャフト状部材周りの構造を占める空間が制限されている場合に有利である。さらには、磁気弾性センサは、シャフトの遮蔽効果のために外部の場の影響を受けにくい。特な、少なくとも１つの磁気弾性活動部位は、部材の円周に沿って突出する。前記領域は、磁気分極領域における磁化された範囲が最大でも部材の円周方向のプラスマイナス４５°の限界値内にあるように、磁化される。さらに、方向感知性磁場センサは、ベクトルセンサであってもよい。特に、ベクトルセンサは、ホール効果センサ、磁気抵抗センサ、磁気トランジスタセンサ、磁気ダイオードセンサ、ＭＡＧＦＥＴ場センサ、またはフラックスゲート磁気計のうちの１つであってもよい。これらの態様は、有利には、本発明のすべての実施形態に適用される。
【００２２】
本発明の態様によるセンサは、路上走行車またはオフロード走行車に基づくランド部の一部でよい、荷重ピン、ボールジョイント、または牽引カップリングを構成するのに特に適している。
【００２３】
本発明の別の態様によれば、本発明の態様による磁気弾性センサを構成する、長手方向に延びるシャフト状部材を有する荷重ピンが、提供される。従来、荷重ピンには、ひずみゲージが装備される。ひずみケージは、良く知られている技術的欠陥を有する。本発明の態様による荷重ピンは、従来技術の解決策の欠点を克服する。特に、本荷重ピンは、測定値のドリフトの傾向がなく、エラーが起こりにくい。
【００２４】
せん断力がかけられる、油圧ピストン、クレーン用途、車ならびにボルトおよびピンを組み込んでいる他のさまざまな用途に、本発明の態様による荷重ピンを設けることができる。従来、ひずみゲージを用いたせん断力センサは、作用した荷重の測定を可能にするように十分な変形をもたらすべく、これらが意図的に弱くなるように、設計されている。しかし、磁気弾性せん断力センサは、弱い部位がなく、しかも極めて過荷重能力の高いボルトを設計する可能性を与える。磁気弾性センサを構成する荷重ピンは、ピン、ねじ、ボルト等内のせん断力を検出する可能性を与える。
【００２５】
本発明のさらに別の態様によれば、軸受スタッドおよびソケットを有するボールジョイントであって、軸受スタッドが、本発明の態様による磁気弾性センサを構成する長手方向に延びるシャフト状部材を備えている、ボールジョイントが設けられる。ボールジョイントは通常、さまざまな方向の力および応力を受ける。本発明の態様によるセンサは、有利には、ボールジョイントのシャフト状部材に作用している力または応力の方向を決定するのに適している。スタビライザーリンクおよびステアリングシステムでは、ボールジョイントは、可動式の構成要素同士を連結して柔軟性を与えるために使用される。ボールジョイント内の荷重の検出は、将来的な安定性制御システム、特にシャーシ応用におけるシステムのために、拡張された可能性を提供する。集積された荷重センサを有するボールジョイントは、スタビライザーリンク、ステアリング等に作用する荷重を検出する可能性を与える。
【００２６】
本発明のさらに別の態様によれば、湾曲したシャフトおよびけん引ボールを有する牽引カップリングが、提供される。湾曲したシャフトは、本発明の態様による磁気弾性センサを構成する、少なくとも１つの長手方向に延びるシャフト状部材を備える。ボールジョイントと同様に、牽引カップリングもまた、さまざまな方向を有する力を受ける。前記力の決定は、安全要求事項を伴って安定した制御のために達成するのに適し得る。牽引カップリングに作用した荷重の検出は、自動車業界において望ましい。本発明の態様による磁気弾性センサは、推奨された正確性、コスト目標を達成し、環境的仕様を満たす可能性を与える。
【００２７】
有利な実施形態によれば、牽引カップリングの湾曲したシャフトは、第１および第２の長手方向に延びるシャフト状部材を備える。第１および第２のシャフト状部材の軸芯は、相互にほぼ直角である。第１および第２のシャフト状部材の各々には、本発明の態様による磁気弾性センサが設けられる。特に、これらのセンサは、上記シャフト状部材で構成されていてもよい。有利には、仮に２つのセンサシステムが牽引カップリングに構成されると、支持力およびけん引力を検出することができる。これに加えて、対応する横断方向力を決定することができる。
【００２８】
本発明のさらに別の態様によれば、荷重ベクトルの方向を決定する方法が、提供される。前記方法においては、本発明の態様による磁気弾性センサが、設けられる。換言すれば、長手方向に延びるシャフト状部材を備えるセンサが設けられ、前記シャフト状部材は、部材に機械的応力をもたらす荷重を受ける。さらに、シャフト状部材は、少なくとも１つの磁気弾性活動部位を含む。この活動部位は、部材の一部に直接的もしくは間接的に取り付けられ、または部材の一部を形成する。この活動部位は、機械的応力が活動部位に伝えられるような仕方で部材と共働する。前記磁気弾性活動部位は、作用した応力が増大するにつれて磁気分極が次第にらせん形状になるような、少なくとも１つの磁気分極領域を備えている。磁場センサ手段は、少なくとも１つの磁気弾性活動部位の近くに配置される。これは、磁気分極領域から発生する応力誘起磁束に対応する信号を出力するように構成される。磁気センサ手段は、さらに、少なくとも１つの方向感知性磁場センサを備える。磁場センサは、せん断応力および／または引っ張りまたは圧縮の応力を決定するように構成される。上記磁場センサは、予め設定された固定的空間的な協働性を前記シャフト状部材に対して有するように特に配置される。
【００２９】
さらに、本発明の態様による方法では、長手方向に延びるシャフト状部材は、荷重にさらされる。少なくとも１つの方向感知性磁場センサの測定データは、せん断応力および／または引っ張りまたは圧縮の応力を決定するように処理される。特に、荷重ベクトルの方向は、一方では測定データから、他方では磁場センサと部材の間の予め設定された既知の空間的な協働性から決定されてもよい。
【００３０】
本発明の有利な実施形態によれば、センサ手段は、少なくとも第１から第４の磁場センサを備える。これらの４つのセンサは、第１から第４の感知方向を有する。少なくとも、感知方向と軸芯とが互いにほぼ平行である。第１から第４の磁場センサは、シャフトの円周に沿って配置されており、互いに円周方向においてほぼ等しい距離を有している。本発明のこの実施形態による方法は、さらに、荷重ベクトルの第１の成分を決定するように第１および第３の磁場センサの測定データを処理することを具備する。さらに、上記方法は、荷重ベクトルの第２の成分を決定するように、第２および第４の磁場センサの測定データを処理することを具備する。荷重ベクトルの方向は、第１および第２の成分と、部材に対する第１から第４の磁場センサの予め設定された既知の空間座標から決定される。
【００３１】
本発明の別の実施形態では、磁気弾性センサが提供される。磁気弾性センサは、第１の磁気弾性活動部位および第２磁気弾性活動部位を含む部材を有する。これらは、機械的応力が活動部位に伝えられるような仕方で、部材の一部に直接的もしくは間接的に取り付けられ、または部材の一部を形成する。各々の活動部位は、磁気分極領域を含み、第１の活動部位の磁気分極および第２の活動部位の磁気分極は、互いにほぼ反対である。磁気センサ手段は、第１の磁気弾性活動部位の近くに配置された第１および第２の磁場センサを備える第１の対の磁気センサを備える。この第１の対は、第１の磁気分極領域から発生する応力誘起磁束に対応する第１の信号を出力する。磁気センサ手段は、さらに、第１および第２の磁場センサを備える第２の対の磁気センサを備える。これらは、第２の信号を出力するために第２の磁気弾性活動部位の近くに配置される。この第２の信号は、第２の磁気分極領域から発生する応力誘起磁束に対応する。２つの信号、すなわちセンサの第１の対およびセンサの第２の対の微分評価が実施される。部材に作用した応力は、この微分測定および対応する評価から決定される。
【００３２】
本発明の態様による磁気弾性センサに関してすでに述べてきた同じまたは類似の利点は、荷重ベクトルの方向を決定する方法に対しても同じまたは類似の方法で適用されるため、反復しない。
【００３３】
本発明のさらなる態様および特性が、添付の図を参照して本発明の好ましい実施形態の以下の説明から続く。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態による磁気弾性センサ構成を示し、（ａ）は、簡略化された側面図、（ｂ）は、（ａ）の対応する簡略化された断面図である。
【図２】本発明の実施形態による磁気弾性センサ構成を示し、（ａ）は、簡略化された側面図、（ｂ）は、（ａ）の対応する簡略化された断面図である。
【図３】本発明の実施形態による磁気弾性センサ構成を示し、（ａ）は、簡略化された側面図、（ｂ）は、（ａ）の対応する簡略化された断面図である。
【図４】本発明の実施形態による磁気弾性センサ構成を示し、（ａ）は、簡略化された軸方向断面図、（ｂ）は、対応する簡略化された断面図である。
【図５】本発明の実施形態による磁気弾性センサ構成を示し、（ａ）は、簡略化された軸方向断面図、（ｂ）は、対応する簡略化された断面図である。
【図６】本発明の実施形態による磁気弾性センサ構成を示し、（ａ）は、簡略化された軸方向断面図、（ｂ）は、対応する簡略化された断面図である。
【図７】本発明の実施形態による荷重ピンの簡略化された軸方向断面図である。
【図８】この荷重ピンの断面図である。
【図８ａ】本発明の実施形態による磁気弾性センサの簡略化された断面図である。
【図９】本発明の実施形態によるボールジョイントの簡略化された軸方向断面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘで指定された切断線に沿った断面図である。
【図１１】本発明の実施形態によるボールジョイントの簡略化された軸方向断面図である。
【図１２】図１１の切断線ＸＩＩ−ＸＩＩに沿った断面図である。
【図１３】本発明の実施形態による牽引カップリングの簡略化された軸方向断面図である。
【図１４】本発明の実施形態による牽引カップリングの簡略化された軸方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１（ａ）は、本発明の実施形態による磁気弾性センサ２の簡略化された側面図である。回転シャフト状部材４には、矢印によってその方向が示されている円周方向の磁気分極Ｐを有する磁気弾性活動部位６が設けられる。シャフト４がせん断応力を受けるとき、すなわち、例えば活動部位６から左のシャフト部分が、第１の方向に押し付けられ、活動部位６から右のシャフト部分が、このシャフトを反対方向に押し付ける反作用力を受けているとき、活動部位４から発生する磁束ベクトルは、シャフト４の軸方向に指向される成分を有する。センサＬは、せん断応力で誘発された磁場のこの成分を検出し、信号Ｓを出力する。処理ユニット８は、シャフト４に作用した応力を決定するためにこの信号Ｓを処理するように構成される。センサＬは、点線で示される軸芯Ａに対してほぼ平行である感知方向を有する。図１ｂの簡略化された断面は、さらに、シャフト４に対するセンサＬの配置を示している。
【００３６】
シャフト４がせん断力をもたらすことがない力、たとえば曲げ力または軸方向の荷重を受けるとき、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す構成がこの荷重を決定することができる。図２（ａ）には、本発明のこの実施形態による、センサ２を示す簡略化された側面図がある。磁気弾性センサ２は、磁気弾性活動部位６内に引っ張りまたは圧縮の応力をもたらす荷重を受ける、長手方向に延びるシャフト状部材４を備える。シャフト４は、回転式部分でも非回転式部分でもよい。たとえば、シャフト４は、ピンまたはボルトの一部でよい。しかし、シャフト状部材４はまた、たとえば、伝達シャフトなどの回転式部分でもよい。活動部位６の磁気分極Ｐは、作用した応力が増大するにつれて次第にらせん状になる。特に、活動部位６の磁気分極領域から発生する磁場は、接線成分を有している。応力誘起磁場ベクトルのこの成分は、方向感知性センサＬを用いて検出される。このセンサＬは、シャフト状部材４について、固定された空間的な協働性を持つように配置されていてもよい。たとえば、シャフト４およびセンサＬは、それぞれについて、時間的に一定の空間的な協働性を有することができる。
【００３７】
方向感知性センサＬは、信号Ｓを出力し、信号Ｓは、処理ユニット８に通信される。方向感知性センサＬの測定データは、荷重の方向および値が、信号Ｓおよび部材４とセンサＬの間の予め設定された既知の空間的な協働性から決定されるように処理される。軸方向に作用した引っ張り応力および圧縮応力が、決定される。図２（ｂ）の簡略化された断面は、さらに、部材４とその方向感知性センサＬの間の空間的な協働性を示している。感知方向は、シャフト４の接線に対して平行である。換言すれば、これは、軸芯Ａに対して少なくともほぼ直角である。
【００３８】
図３（ａ）には、本発明の別の実施形態による磁気弾性センサ２の別の簡略化された側面図がある。シャフト状部材４は、図２の実施形態と同様に構成される。しかし、方向感知性センサＬは、シャフト４の径に対して平行である感知方向を有するように配置される。図３（ｂ）の簡略化された断面は、さらに、部材４とセンサＬの間の空間的な協働性を示している。
【００３９】
本発明のこの実施形態による磁気弾性センサ２は、すべてのタイプの応力に対して感知する。活動部位６の磁気分極Ｐは、作用した応力が増大するにつれて次第にらせん形状になる。応力誘起磁場ベクトルは、径方向成分を含む。磁場ベクトルの前記径方向成分は、センサＬを用いて検出される。径方向配向は、１つだけのタイプの応力が現れる状況または用途において適用可能である。これは、処理ユニット８内で信号Ｓを正しく解釈するための前提条件である。そうでなければ、応力の異なるタイプ間、たとえばトルクと引っ張りまたは圧縮の応力との間で区別することは不可能になってしまうであろう。
【００４０】
図４（ａ）は、本発明の実施形態による別の磁気弾性センサ２を示している。図４（ｂ）は、このセンサ２の対応する断面である。シャフト状部材４は中空シャフトであり、この場合センサＬは、シャフト４の内部空間の内側に配置される。センサＬの感知方向は、軸芯Ａに対して平行である。センサＬの信号Ｓは、任意の適切なデータリンク、たとえば無線データリンクを用いて処理ユニット８に通信される。センサＬの軸方向の配向により、シャフト４に作用したトルクおよび／またはせん断応力が検出可能である。特に、この実施形態は、せん断の応力または力を検出するように構成される。
【００４１】
図５（ａ）は、本発明の実施形態による、方向感知性センサＬを組み込んでいる中空のシャフト状部材４を備える磁気弾性センサ２の簡略化された軸方向断面である。磁場センサＬは、シャフト４に対して接線方向に配置される。図２と同様に、センサ２は、中空シャフト４に作用した引っ張りまたは圧縮の応力の測定に適している。このタイプの応力は、シャフト４が曲がることによるものであってもよい。さらに、シャフト４は、せん断力の影響も受ける場合がある。軸芯Ａに沿って作用した力もまた、引っ張りまたは圧縮の応力をもたらす可能性がある。図５（ｂ）は、図５（ａ）に対応する簡略化された断面である。出力信号Ｓは、センサＬからたとえば無線データリンクを介して処理ユニット８に通信される。シャフト４は、たとえばボルトなどの非回転式部分でよく、またはこれは、たとえば、トルクを伝えるシャフトなどの回転式部分でもよい。
【００４２】
図６（ａ）は、本発明の実施形態による磁気弾性センサ２の別の簡略化された断面である。図６（ｂ）は、このセンサ２の対応する断面を示している。図３の実施形態と同様に、図６のセンサ２は、いかなるタイプの応力の検出にも適している。これは、磁場センサＬの径方向配向によるものである。
【００４３】
図７は、本発明の実施形態による荷重ピン１０の簡略化された断面である。荷重ピン１０は、第１の部材、すなわち上部材１１を備える。上部材１１は、シャフト状部材４を介して第２の部材、すなわち下部材１２に結合されている。上部材１１は、左向きの第１のせん断力ＦＳ１を受ける。下部材１２は、右向きの第２の反対のせん断力ＦＳ２にさらされる。シャフト状部材４は、上部材１１と下部材１２の間の途中部に配置された活動部位６を含む。その結果、活動部位６は両せん断力を受けている。それによって、前記磁気弾性活動部位６の磁気分極領域から発生する磁束は、せん断力ＦＳ１、ＦＳ２が増大するとき、次第にらせん形状になる。荷重ピン１０のセンサ手段は、シャフト状部材４の内周に沿って配置された、４つの方向感知性磁場センサＬＸ１、ＬＸ２、ＬＹ１、ＬＹ２を備える。
【００４４】
方向感知性磁場センサＬＸ１、ＬＸ２、ＬＹ１、ＬＹ２の構成は、図８に示す荷重ピン１０の簡略化された断面を参照することによってより詳細に説明される。断面平面は、軸芯Ａに対してほぼ直角になるように配置される。第１の方向感知性センサＬＸ１および第３の方向感知性センサＬＸ２は、磁場センサの第１のグループを形成する。センサの第２のグループは、第２の方向感知性センサＬＹ１および第４の方向感知性センサＬＹ２からなる。第１のセンサＬＸ１の感知方向ＳＸ１は、第３のセンサＬＸ２の第３の感知方向ＳＸ２の１８０°反対である。これは、従来の記号を用いて図に示される。第１の感知方向ＳＸ１は、紙面から出る方向を指し、第３の感知方向ＳＸ２は、紙面に入る方向を指す。センサＬＸ１、ＬＸ２の第１のグループと同様に、第２の感知方向ＳＹ１および第４の感知方向ＳＹ２も、互いに１８０°反対である。第２および第４のセンサＬＹ１、ＬＹ２は、それにしたがって配置される。これは、一般的に知られている方向記号を用いて示されているため、第２の感知方向ＳＹ１は紙面から出る方向を指し、一方で第４の感知方向ＳＹ２は、紙面に入るように指向される。
【００４５】
第２の感知方向ＳＹ１を有する第２のセンサＬＹ１および第４の感知方向ＳＹ２を有する第４のセンサＳＹ２が、図７の簡略化された断面図に示されている。第１のセンサＬＸ１および第１の感知方向ＳＸ１は、センサの構成を明確にするためだけに図７の簡略化された断面に加えられる。当然のことであるが、第１のセンサＬＸ１は、第２および第４のセンサ、ＳＹ１、ＳＹ２と共通の平面内には配置されず、これは、図８の断面に示されている通りである。
【００４６】
シャフト状部材４が、第１および第２のせん断応力の力ＦＳ１、ＦＳにさらされたとき、（第１および第３のセンサＬＸ１、ＬＸ２を備える）センサの第１のグループの信号が分析され、それによってそれぞれのせん断応力の力ＦＳ１、ＦＳ２を誘発する力Ｆの第１の成分を決定する。デカルト座標系では、この第１の成分は、作用した力ＦのＸ成分ＦＸで特定されていてもよい。これは、図８（ｂ）に示されている。第２のグループ（すなわち第２のセンサＬＹ１および第４のセンサＬＹ２）のセンサの測定値の評価の結果、力Ｆの第２の成分に対する値が生じる。同じデカルト座標系内において、この第２の力は、力ＦのＹ成分、すなわち力成分ＦＹで特定される。
【００４７】
本発明のこの実施形態による荷重ピン１０を用いて、作用した力Ｆの量および方向が決定されてもよい。別の本発明の実施形態（図示せず）によれば、方向感知性センサは、軸芯Ａに対してほぼ直角である感知方向を有する。このセンサ構成は、たとえば、第１および第３のセンサＳＸ１、ＳＸ２を選択し、軸芯Ａに対して９０°で回転させることによって達成することができる。本発明のこの特定の実施形態によれば、荷重ピン１０は、軸方向の圧縮または引っ張りの応力をもたらす力を決定するのに適している。
【００４８】
図８ａは、本発明の別の実施形態による磁気弾性センサ２の断面である。第１の部材１１は、力Ｆにさらされる第２の部材１２を取り囲む。スリーブ状の第１の部材１１は、反作用力を吸収し、これは、部材１１の各側部がＦ／２の力を吸収することを意味している。長手方向に延びるシャフト状部材４は、軸芯Ａに沿って第１および第２の部材１１、１２と交差する。シャフト状部材４は、第１の磁気弾性活動部位６１および第２の磁気弾性活動部位６２を含む。本発明の他の実施形態と同様に、これらは、機械的応力が活動部位６１、６２に伝えられるような仕方で、部材４の一部に直接的もしくは間接的に取り付けられ、または部材の一部を形成する。活動部位６１、６２は、それぞれ反対方向に磁気分極される。これは、第１の活動部位６１の第１の磁気分極Ｐ６１および第２の活動部位６２の第２の磁気分極Ｐ６２によって示されている。磁気分極Ｐ６１、Ｐ６２は、互いにほぼ１８０°反対である。さらには、これらは、軸芯Ａに対してほぼ直角である。
【００４９】
第１のセンサＬ１および第２のセンサＬ２を備える磁場センサの第１の対は、このセンサの対が第１の活動部位６１と共働するように、シャフト状部材４の内側に配置される。同様に、第１のセンサＬ１＊および第２のセンサＬ２＊を備える磁場センサの第２の対は、第２の活動部位６２と相互作用するようにシャフト４の内側に配置される。第１の対のセンサＬ１、Ｌ２および第２の対のセンサＬ１＊、Ｌ２＊は、それぞれ、第１および第２の磁気弾性活動部位６１、６２の近くに配置される。第１のセンサ対Ｌ１、Ｌ２は第１の信号Ｓを出力し、この信号は、図８ａの下側左に、作用した力Ｆに伴って変化する電圧Ｖとして示される。信号Ｓは、第１の磁気分極領域６１から発生する応力誘起磁束に対応する。
【００５０】
同様に、磁気センサＬ１＊、Ｌ２＊の第２の対は、第２の磁気分極領域６２から発生する応力誘起磁束に対応する第２の信号Ｓ＊を出力する。この信号Ｓ＊もまた、作用した力Ｆ（図８ａの下側左を参照されたい）に伴って変化する電圧Ｖ＊である。しかし、第２の信号Ｓ＊の傾きは、第１の信号Ｓのものと反対である。磁気弾性センサ２の制御ユニット（図示せず）は、部材４内に応力を誘発する力Ｆを決定するように構成される。制御ユニットは、センサＬ１、Ｌ２の第１の対およびセンサＬ１＊、Ｌ２＊の第２の対の信号ＳおよびＳ＊の微分評価を実施する。この微分評価は、有利には、作用した応力に相関付けられた信号の感知性を２倍にする。第１および第２の磁気活性部位６１、６２の磁気分極Ｐ６１およびＰ６２は互いに反対であるため、理論上生じ得る外部磁場は相殺される。この実施形態による磁気弾性センサ２は、より感知性が高く、エラーが起こりにくい。
【００５１】
有利には、本発明のすべての実施形態には、個別に反対に磁気分極された活動部位６１、６２と、２つの対応するセット、すなわちセンサＬ１、Ｌ２の対とＬ１＊、Ｌ２＊の対とを有する、図８ａのセンサ構成が装備されていてもよい。
【００５２】
さらには、図８ａの実施形態には、図８の荷重ピンから分かるセンサ構成が装備されていてもよい。換言すれば、センサの対Ｌ１、Ｌ２およびＬ１＊、Ｌ２＊は、図７および図８に例示的に示される４つのセンサＬＸ１、ＬＸ２、ＬＹ１、ＬＹ２を有するセンサ構成によって置き換えられていてもよい。本発明のこの特定の実施形態によれば、付加的な力ベクトルを決定することができる。
【００５３】
図９は、本発明の別の実施形態による、ボールジョイント２０の簡略化された断面である。ボールジョイント２０は、センサシステムを組み込むシャフト状部材４を有する軸受スタッド２４を保持するソケット２２を備えている。図１０は、平面Ｘ−Ｘに沿う、対応する断面である。力Ｆがボールジョイント２０に作用したとき、シャフト状部材４はさまざまな荷重を受ける。図９および１０の実施形態によるボールジョイント２０のセンサシステムは、せん断応力を検出するように構成される。全般的に、せん断応力の検出は、図７および８の荷重ピンにおけるせん断応力の検出と同様に作動する。
【００５４】
ボールジョイント２０のシャフト状部材４は、４つの方向感知性センサＬＸ１、ＬＸ２、ＬＹ１、ＬＹ２を組み込んでいる。ここでも第１および第３の磁場センサＬＸ１、ＬＸ２は、作用した力Ｆの第１の成分ＦＸの決定のためのセンサの第１のグループを形成する（図１０を参照されたい）。第２および第４の方向感知性磁場センサＬＹ１、ＬＹ２を備えるセンサの第２のグループは、作用した力Ｆの第２の成分ＦＹを決定するように構成される。第１から第４のセンサＬＸ１、ＬＸ２、ＬＹ１、ＬＹ２の感知方向（図示せず）は、図８と同様に構成される。換言すれば、ＬＸ１およびＬＹ１の感知方向は、紙面から出る方向を指す。ＬＹ２およびＬＸ２の感知方向は、紙面に入る方向を指す。
【００５５】
図１１および図１２は、本発明の別の実施形態によるボールジョイント２０を示している。図１１は、図１２の平面ＸＩＩ−ＸＩＩに沿った簡略化された軸断面である。シャフト状部材４内で構成されたセンサシステムは、第１から第４の方向感知性磁場センサＬ１、Ｌ２、Ｌ１＊、およびＬ２＊を備える。方向感知性センサＬ１、Ｌ２、Ｌ１＊、Ｌ２＊は、図９および１０の実施形態のセンサＬＸ１、ＬＸ２、ＬＹ１およびＬＹ２との対比した場合、軸芯Ａに対して９０°傾斜される。専ら明確にするために、２つだけが示される磁場センサの感知方向（第１および第２のセンサＬ１、Ｌ２のＳ１、Ｓ２を参照されたい）は、シャフト状部材４の軸芯Ａに対してほぼ直角である。さらに、センサの対Ｌ１およびＬ２の感知方向、すなわちＳ１およびＳ２は、互いに１８０°反対である。同様に、第２のセンサ対の感知方向（図示せず）Ｓ１＊およびＳ２＊は、互いにほぼ１８０°反対である。これは、図１２の簡略化された断面にさらに示される。図８の実施形態と同様に、図１１および１２のセンサ配置は、さまざまな方向の引っ張り応力および圧縮応力を決定するように構成される。換言すれば、センサ対Ｌ１、Ｌ２およびＬ１＊、Ｌ２＊の測定値が、応力ベクトルの成分を決定するために評価されていてもよい。
【００５６】
この実施形態によるボールジョイント２０のセンサシステムは、軸方向力Ｆを決定するように構成される。第１および第２のセンサＬ１、Ｌ２の逆の感知方向Ｓ１、Ｓ１により、軸方向に指向された力Ｆの、値および向き、すなわち方向を決定することができる。
【００５７】
図１３は、本発明の実施形態による、牽引カップリング３０を示す簡略化された断面である。牽引カップリング３０は、けん引ボール３４を担持する湾曲したシャフト３２を備える。牽引カップリング３０のシャフト３２は、第１のシャフト状部材４および第２のシャフト状部材４’を組み込んでいる。シャフト状部材４、４’のそれぞれ１つは、センサ配置によって検出可能な、応力誘起磁場ベクトルを発生させる磁気弾性活動部位６、６’を含む。第１のシャフト状部材４は、けん引力Ｆを検出するように構成された、第１および第２の方向感知性磁場センサＬ１、Ｌ２を備える。この第１のシャフト状部材４内の第１および第２のセンサＬ１、Ｌ２は、その感知方向（図示せず）が、第１の軸芯Ａに対してほぼ平行である。
【００５８】
第２のセンサシステムは、第２のシャフト状部材４’内に構成されているが、この第２のセンサシステムもまた、第１および第２の方向感知性センサＬ１’、Ｌ２’を備え、第１および第２の方向感知性センサＬ１’、Ｌ２’は、いずれも第２の軸芯Ａ’に対してほぼ平行である感知方向（図示せず）を有するように配置される。この第２のセンサシステムは、牽引カップリング３０の支持力Ｆ’を検出するように構成される。
【００５９】
第１および第２のシャフト状部材４、４’内にそれぞれ存在する、２つのセンサシステムには、各システムが４つの方向感知性磁場センサを備えるように追加のセンサを装備することができる。そのようなセンサ構成は、図７および８を参照してより詳細に説明されている。この構成がこの実施形態に移されたとき、力ＦおよびＦ’の対応する横断方向力もまた検出することができる。
【００６０】
図１４の簡略化された断面には、牽引カップリング３０の別の実施形態が存在する。方向感知性磁場センサＬ１、Ｌ２、ＬＩ’、Ｌ２’は、図１３の実施形態と対比したとき、それぞれの軸芯Ａ、Ａ’に対して９０°回転される。第１のシャフト状部材４に配置された第１のセンサシステムの第１および第２の方向感知性磁場センサＬ１、Ｌ２は、感知方向（図示せず）を有する。感知方向は、好ましくは互いに１８０°反対側にあり、軸芯Ａに対してほぼ直角である。第２のシャフト状部材４’に構成された第２のセンサシステムは、第１および第２の方向感知性磁場センサＬ１’、Ｌ２’を備える。第１および第２の方向感知性磁場センサＬ１’、Ｌ２’は、感知方向を有する。感知方向は、好ましくは互いに１８０°反対であり、第２の軸芯Ａ’に対してほぼ直角である。第１のセンサシステム（すなわち第１および第２のセンサＬ１、Ｌ２）は、支持力Ｆを決定するように構成される。第２のセンサシステムは、けん引力Ｆ’を決定するように構成される。
【００６１】
さらに、図１３の実施形態による牽引カップリングには、図８の荷重ピンから知られているセンサ構成が装備されていてもよい。換言すれば、第１および第２のシャフト状部材４、４’内に存在するセンサは、軸芯ＡおよびＡ’それぞれに対してほぼ平行である感知方向を有する４つのセンサＬＸ１、ＬＸ２、ＬＹ１、ＬＹ２を各々が有する、センサ構成になり得る。図７および８の荷重ピンに関して示されるセンサ構成は、牽引カップリング３０にも適用されてよい。本発明のこの特定の実施形態により、さらなる力ベクトルが決定することができる。
【００６２】
図１４の実施形態による牽引カップリング３０には、図１２から分かるセンサ構成が装備されていてもよい。換言すれば、第１および第２のシャフト状部材４、４’内にある各センサは、それぞれが軸芯ＡおよびＡ’に対してほぼ直角の感知方向を有する４つのセンサＬ１、Ｌ２、Ｌ１＊およびＬ２＊を有するセンサ構成であってもよい。図１１および１２のボールジョイントについて示されたセンサ構成は、図１４の牽引カップリング３０にも適用されていてもよい。本発明のこの特定の実施形態により、追加の力ベクトルが決定されていてもよい。
【００６３】
牽引カップリング３０のセンサＬ１、Ｌ２、Ｌ１’、Ｌ２’は、好ましくは牽引カップリング３０の中空の湾曲したシャフト状部材３２の内側に配置される。
【００６４】
方向感知性センサＬ１、Ｌ２、Ｌ１’、Ｌ２’、Ｌ１＊、Ｌ２＊、ＬＸ１、ＬＸ２、ＬＹ１、ＬＹ２は、ベクトルセンサであってもよい。特に、ホール効果、磁気抵抗、磁気トランジスタ、磁気ダイオード、ＭＡＧＦＥＴ場センサ、またはフラックスゲート磁気計センサが適用されていてもよい。これは、本発明のすべての実施形態に有利に適用される。
【００６５】
本発明の態様による磁気弾性センサは、有利には、クレーン内の荷重測定、エレベータ内の過荷重検出、耕作機械内の荷重検出、建設機械内の荷重検出、シャーシ用途における荷重検出、またはフォークリフタ内の荷重検出に適用可能である。
【００６６】
これに加えて、磁気弾性センサは、有利には、サスペンション用途における荷重検出、ケーブルカーの荷重検出、鉄道用途の荷重検出、およびケーブル力の荷重検出に適用可能である。さらに、これは、フラップの荷重検出、油圧シリンダ内の荷重検出、構造的荷重の検出、線張力の検出、滑車またプーリの荷重検出、またはシャックルの荷重検出に適用可能である。これに加えて、磁気弾性センサは、有利には、けん引荷重または引っ張り荷重の検出および／またはブレーキ力の検出に適用可能である。
【００６７】
磁気弾性センサは、巻き上げギア内に、またはウィンチ内、ケーブル敷設装置、海上タンカー内または海上基地内を構成していてもよい。ロープ、チェーン、および／またはブレーキアンカ、軸受ブロック、ピボットおよび／またはシャックルには、本発明の態様による磁気弾性センサが設けられていてもよい。
【００６８】
床上搬送装置、スプロケット車軸、フロント・エンド・ローダ、および鉄道用連結器、搬送装置ベルトローラ、クレビス継ぎ手、クレーン・カーゴ・フック、けん引バー連結、レールポイント荷重ピン、および／または連結ロッドは、本発明の実施形態による磁気弾性センサを含むことができる。係船索の引っ張りまたはけん引ラインの引っ張りが決定されていてもよい。
【００６９】
先述した実体のそれぞれ１つには、有利には、本発明の態様によるセンサが装備されていてもよいことが理解される。特に、これらの実体は、本発明の態様による荷重ピンを備えることができ、これは、たとえば海上設備または工業設備に適用される。
【００７０】
開示した本発明の特定の現在好ましい実施形態が、本明細書において詳細に説明されてきたが、本発明が関係する当業者には、本明細書において図示し説明したさまざまな実施形態の変更形態および改変形態が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく加えられてよいことが明らかになろう。したがって、本発明は、付属の特許請求の範囲および法律の適用可能な規則によって必要とされる程度にのみ限定されることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図８ａ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【外国語明細書】
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