(57)【要約】  本発明は、平行移動可能な全方向回転部、即ち、摺動継手と全方向回転部を有する種類の弾性継手に関する。弾性継手は、関節連結された弾性的な平面(13)と、弾性的な平面(13)が強固に拘束された支持体(16)と、弾性的な平面(13)に直交する軸線(11)に沿って配置された軸線方向要素(14)とを有する。関節連結された弾性的な平面(13)は、一連の弾性要素(12)を有し、弾性要素(12)は、軸線方向要素(14)に向い合い且つそれに強固に連結された第１の端部を有し、弾性要素(12)は、４つの自由度を有し、４つの自由度は、軸線(11)の方向における軸線方向要素(14)の平行移動、軸線(11)を含む任意の垂直方向平面内並びに水平方向平面(13)内における曲げによる空間的回転、及び軸線(11)を中心とする捩りである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行移動可能な全方向回転部、即ち、摺動継手と全方向回転部を有する種類の弾性継手であって、
関節連結された弾性的な平面（１３）と、
前記関節連結された弾性的な平面（１３）が強固に拘束される支持体（１６）と、
前記関節連結された弾性的な平面（１３）に直交する軸線（１１）に沿って配置された軸線方向要素（１４）と、を有し、
前記関節連結された弾性的な平面（１３）は、一連の弾性要素（１２）を有し、前記弾性要素（１２）は、軸線方向要素（１４）に向い合い且つ強固に連結された第１の端部を有し、
前記弾性要素（１２）は、前記軸線（１１）を含む任意の垂直方向平面内及び水平方向平面（１３）内で曲げ可能であり、それにより、４つの自由度を有し、４つの自由度は、前記軸線（１１）の方向における前記軸線方向要素（１４）の平行移動、前記軸線（１１）を含む任意の垂直方向平面内における弾性要素（１２）の曲げ並びに水平方向平面（１３）内における前記弾性要素（１２）の曲げによる前記軸線方向要素（１４）の空間的回転、及び、前記軸線（１１）を中心とする前記軸線方向要素（１４）の捩りである、弾性継手。
【請求項２】
前記弾性要素（１２）は、前記弾性的な平面（１３）内で互いに等間隔に分散配置され、即ち、互いに等しい角度をなす、請求項１に記載の弾性継手。
【請求項３】
少なくとも２枚の弾性薄板（１２）を有する、請求項２に記載の弾性継手。
【請求項４】
前記水平方向平面（１３）内で整列している２枚の弾性薄板（１２）を有し、前記２枚の弾性薄板（１２）は、その厚さよりも非常に大きい広がりを前記弾性的な平面（１３）内に有し、前記２枚の弾性薄板（１２）は、この弾性薄板（１２）にその横方向及び長手方向に作用する拘束反力を測定する測定手段（１０４）を有する、請求項３に記載の弾性継手。
【請求項５】
少なくとも３本のビーム又はワイヤ（１２）を有する、請求項２に記載の弾性継手。
【請求項６】
前記弾性要素（１２）は、前記軸線（１１）を中心に螺旋状に配置される、請求項２に記載の弾性継手。
【請求項７】
本体（１０１）に作用する力及びモーメントを測定するのに適した改善された力及びモーメントセンサ（１００）であって、
３アーム型の測定構造体（１０２）を有し、前記測定構造体（１０２）は、端部を有し、前記端部はそれぞれ、請求項１に記載の平行移動可能な全方向回転部（１０）を備えた弾性継手によって前記本体（１０１）に連結される、力及びモーメントセンサ。
【請求項８】
更に、平行移動可能な全方向回転部（１０）を備えた前記弾性継手に直接はたらく６つの応力の大きさを測定する測定手段（１０４）を有し、前記測定手段（１０４）により、前記本体（１０１）に作用する力ベクトル（Ｆ）及びモーメントベクトル（Ｔ）を数学的に得ることができる、請求項７に記載の力及びモーメントセンサ。
【請求項９】
更に、前記測定構造体（１０２）の３つのアームにはたらく６つの応力の大きさを測定する測定手段（１０４）を有し、前記測定手段（１０４）により、前記本体（１０１）に作用する力ベクトル（Ｆ）及びモーメントベクトル（Ｔ）を数学的に得ることができる、請求項７に記載の力及びモーメントセンサ。
【請求項１０】
更に、前記測定構造体（１０２）の３つのアームの各々の一端と、平行移動可能な全方向回転部（１０）を備えた相対継手の各々との間に配置された測定手段（１０４）を有し、前記測定手段（１０４）は、前記軸線（１１）に対して直交し且つ互いに直交する２つの力を測定することが可能な圧電要素であり、前記測定手段（１０４）により、前記本体（１０１）に作用する力ベクトル（Ｆ）及びモーメントベクトル（Ｔ）を数学的に得ることができる、請求項７に記載の力及びモーメントセンサ。
【請求項１１】
シリコンの使用に基づく技術又はその他の技術を用いて、ナノスケールで作られる、請求項７に記載の力及びモーメントセンサ。
【請求項１２】
更に、前記測定構造体（１０２）の３つのアームの各々の一端に配置された移動測定手段（１０４）を有し、前記移動測定手段（１０４）により、前記本体（１０１）にはたらく力ベクトル（Ｆ）及びモーメントベクトル（Ｔ）を数学的に得ることができる、請求項１１に記載の力及びモーメントセンサ。
【請求項１３】
前記測定構造体（１０２）は、ホイール即ち本体（１０１）のハブ（１０３）の中心に組立てられ、前記測定構造体（１０２）のアームは前記弾性継手（１０）の軸線方向要素（１４）を形成し、前記弾性継手（１０）の支持体（１６）は、ホイール（１０１）のリムに連結される、請求項７に記載の力及びモーメントセンサ。
【請求項１４】
平行移動可能な全方向回転部を備えた前記３つの弾性継手（１０）は、本体即ちリム（１０１）の中で前記測定構造体（１０２）と一体にされると共に、リム即ちダイナモメータハブを形成する前記ハブ（１０３）と一体にされ、単一ピースとして作られる、請求項１３に記載の力及びモーメントセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平行移動可能な全方向回転部（translating spherical hinge）を備えた弾性継手、及びかかる弾性継手によって改善された力及びモーメントセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
限定する訳ではないが、タイヤと路面との間の力及びモーメントを測定するためには、構造体の一点を基準にして加えられた力ベクトル及びモーメントベクトルを測定することが可能なセンサの使用に頼る必要がある。
【０００３】
例えば、力を交換する要素と要素との間に配置される剛性センサ、又は応力を測定すべき本体に静的に決められた方法で拘束された測定構造体を有するセンサが使用される。
【０００４】
センサは、例えば、測定構造体を有し、この測定構造体は、その中心部に３つのアームを有し、各アームは、支持体に拘束され、この支持体は、応力を測定すべき本体に、平行移動可能な全方向回転部からなる継手、即ち、全方向回転部及び摺動継手によって連結されている。
【０００５】
平行移動可能な全方向回転部は各々、２つの自由度だけが拘束され、実際、４つの自由度、即ち、上記拘束平面に対して直交する平面内における平行移動のための１つの自由度、捩りのための１つの自由度、及び回転に関する２つの自由度を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
既知の種類の平行移動可能な全方向回転部は、例えば、全方向枢動継手と平行移動スリーブとを互いに直列に組合せることによって作られている。しかしながら、これらの平行移動可能な全方向回転部は、円滑ベアリング即ちボールベアリングの使用による摩擦を受け、それにより、測定の感度及び正確さが損なわれる。
【０００７】
本発明の１つの目的は、上記欠点を解決できる、平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手、及び、かかる弾性継手によって改善された力及びモーメントセンサを提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、正確で高感度な力及びモーメントセンサを提供することにある。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、低コストである、平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手、及び、特に簡単で機能的な改善された力及びモーメントセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のこれらの目的は、特許請求の範囲の請求項１に記載の平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手を提供することによって達成される。
【００１１】
平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手、及び、かかる弾性継手によって改善された力及びモーメントセンサの他の特徴は、請求項１の従属請求項に記載されている。
【００１２】
本発明による平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手、及び前記弾性継手により改善された力及びモーメントセンサの特徴及び長所は、概略図を参照して後述する例示及び非制限的説明により一層明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ワイヤで作られた平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手の機械的モデルを示す図である。
【図２】ビームで作られた平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手の機械的モデルを示す図である。
【図３Ａ】ビームで作られた平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手の機能原理を示す図である。
【図３Ｂ】ビームで作られた平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手の機能原理を示す図である。
【図３Ｃ】ビームで作られた平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手の機能原理を示す図である。
【図４】本発明の目的のために、ビームで作られた平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手の一実施形態の斜視図である。
【図５】本発明の目的のために、平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手によって改善された力及びモーメントセンサの斜視図である。
【図６Ａ】本発明の目的のために、平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手によって改善された他の力及びモーメントセンサの全体設計を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａの線ＶＩ−ＶＩにおける力及びモーメントセンサの断面図である。
【図７】本発明の目的のために、２つの整列した薄板を有する弾性継手を示す図である。
【図８】図５及び図６のセンサの測定構造体を示す概略図である。
【図９】図７の弾性継手を備えた力及びモーメントセンサの第３の実施形態を示す図である。
【図１０】図７の弾性継手の２つの整列した薄板上の２対のストレインゲージの位置を示す概略図である。
【図１１】各平行移動可能な全方向回転部が測定構造体及びリムチャネル自体と一体に作られているダイナモメータハブとして作られた力及びモーメントセンサの最後の実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１〜図３を参照して、本発明による平行移動可能な全方向回転部を備えた継手の機能の機械的原理を概略的に示し且つ説明する。
【００１５】
図１を参照すれば、小変位させるように機能すべき平行移動可能な全方向回転部を構成するために、垂直ロッド１４がそれ自体の軸線１１に沿って平行移動し且つ中心回転部の回りで全方向に回転できる構造体を構成してもよいことを注目すべきである。水平方向弾性要素１２は、適当に引張られたワイヤ又はビームからなり、その端部に回転部（一般に全方向回転部）からなる拘束部１５を有している。この構造体は、４方向に不安定であり、即ち、垂直ロッド１４の３方向の空間的回転に加え、垂直ロッド１４の垂直方向の小さい移動も可能である。この構造体は、３本又は４本以上の多数のワイヤ又はビーム１２を用いて機能することが可能である。実際、２本のワイヤ又はビーム１２を用いると、２本のビーム又はワイヤ１２を含む水平方向平面１３内に位置し且つ２本のビーム又はワイヤ１２の軸線に対して直交する方向に弱さがあるので、上記構造体は正確に機能しない。
【００１６】
図２及び図３を参照して、図１の機械的モデルに対する変形例を説明する。この場合、４本の水平方向ビーム１２からなる構造体の拘束部１５は、固定継手であり、従って、平行移動可能な全方向回転部１０は、関連する弾性平行移動変形及び弾性回転変形によって作られる。図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃを考察すれば、水平方向ビーム１２は、軸線１１の回りの捩り及び垂直方向平面内又は水平方向平面１３内の曲げによって、弾性全方向回転部１０の形成を可能にする。
【００１７】
更に、水平方向ビーム１２は、垂直方向平面内の曲げによって、平行移動を得ることが可能である（図３参照）。図２及び図３は、４本の水平方向ビーム１２を示し、弾性継手１０を形成するビーム１２は、明らかに、３本又は４本以上の多数である。実際、１本の水平方向ビームの場合、垂直方向の平行移動に対して不正確な機能を有し、２本のビームの場合、２本のビーム１２を含む水平方向平面１３内に位置し且つ２本のビーム１２の軸線に対して直交する方向に過度の変形を生じさせる。横方向の過度の曲げ変形の問題は、２本のビームを図７に示すような２枚のシートに置換することによって、簡単な構造体の長所を有するように解決される。
【００１８】
図４、図５及び図６はそれぞれ、平行移動可能な全方向回転部を備え且つ全体として参照番号１０で示す弾性継手と、この弾性継手１０によって改善され且つ全体として参照番号１００で示す力及びモーメントセンサの２つの異なる実施形態を示す。
【００１９】
平行移動可能な全方向回転部１０を備えた弾性継手、即ち、摺動継手を備えた全方向回転部を有する形式の継手は、例えば、測定すべき力及びモーメントが加えられる本体１０１に３つの継手１０を介して連結される３アーム形測定構造体１０２を有する力及びモーメントセンサ１００に使用するのに特に適している。
【００２０】
本発明の目的のために平行移動可能な全方向回転部１０を備えた弾性継手は、第１の水平方向平面内に配置された一連の弾性要素１２、即ち、少なくとも３本のビーム又は少なくとも２枚の弾性薄板１２を有し、一連の弾性要素１２は、関節連結された弾性的な平面１３を形成するように向い合う第１の端部を備えている。弾性要素１２の向い合う第１の端部は、関節連結された弾性的な平面１３に対して直交する軸線１１に沿って配置された軸線方向ロッド要素１４に強固に連結されている。図４に示す構成によれば、一連のビーム１２は、互いに等間隔に、即ち、互いに対して等しい角度をなすように、水平方向平面１３内に一様に分配されている。
【００２１】
ビーム１２は、その反対側の端部のところで、剛性支持体１６に連結され、剛性支持体１６は、ダップ継手(dap joint)１５によって本体１０１に拘束される（図５参照）。
【００２２】
ビーム１２は、直交軸線１１を含む任意の垂直方向平面内、及び、水平方向平面１３内で曲げ可能である。
【００２３】
継手１０の関節連結は、軸線方向要素１４と剛性支持体１６との間でなされ、４つの自由度を可能にし、４つの自由度は、直交軸線１１の方向における軸線方向要素１４の平行移動と、軸線方向要素１４の空間的回転であり、かかる空間的回転は、直交軸線１１を含む任意の垂直方向平面内における弾性要素１２の曲げと、水平方向平面１３内における弾性要素１２の曲げによる直交軸線１１を中心とする軸線方向要素１４の捩りとによる。
【００２４】
図７に示すように、水平方向平面１３内で互いに等間隔に配置されたビーム１２は、２つの整列した薄板１２からなり、薄板１２は、関節連結された弾性的な平面内１３内において、厚さに比べて非常に大きい広がりを有している。
【００２５】
図示し且つ説明した弾性要素１２を、種々の材料で作ることができ、例えば、図１のワイヤ１２を、スチールワイヤで作ってもよいし、ケブラーフィラメントで作ってもよいし、これらと異なる材料で作ってもよく、更に、樹脂マトリックス内に浸漬させるのがよい。ビーム又は薄板１２を、例えば、スチール、プラスチック又は複合材等の種々の材料で作ることができる。材料、厚さ及び幅の選択は、剛性間の比を最適化することを意図して行われる。
【００２６】
本発明の目的のために平行移動可能な弾性回転部１０を備えた弾性継手１０は、軸線方向要素１４を拘束し、且つ、平面１３内での移動に対する大きい剛性を軸線方向要素１４に付与する。一方、軸線方向要素１４は、軸線１１の方向に柔軟な動きを有し、且つ、弾性要素１２の効果による全方向回転を行うこともできる。
【００２７】
本発明の目的のために平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手の可能な非排他的用途は、図５、図６及び図９に示す力及びモーメントセンサ１００である。
【００２８】
力及びモーメントセンサセンサ１００は、３アーム測定構造体１０２（図８参照）を有し、３アーム測定構造体１０２は、本体１０１に連結され、本体１０１に、測定すべき力及びモーメントが、平行移動可能な全方向回転部１０を備えた３つの弾性継手を介して加えられる。
【００２９】
図５では、図８の測定構造体が、ホイール１０１のハブ１０３上に中心合わせされたダイナモメータハブとして組立てられ、アーム、即ちその延長部は、弾性継手１０の軸線方向要素１４を表している。
【００３０】
一方、弾性継手１０の剛性支持体１６は、ダップ継手形式１５の拘束部によって本体１０１（図示の例ではホイールリム）に強固に連結されている。
【００３１】
図６Ａ及び図６Ｂは、静的な力及びモーメントセンサとして使用するために、本発明の目的のための平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手によって改善された他の力及びモーメントセンサ１００を示している。実際、図６Ａ及び図６Ｂのセンサ１００により、弾性継手１０が拘束される第１の支持要素１０１と、測定構造体１０２と一体の第２の軸線方向要素１０３との間で交換される力を測定することを可能にする。測定構造体１０２は、静的に決められ、且つ、６つの応力の大きさを測定する手段１０４を有し、上記測定する手段１０４から、本体１０１に作用する力ベクトル及びモーメントベクトルを数学的に得ることができる。
【００３２】
センサ１００の第１の実施形態によれば、測定構造体１０２のアーム上の６つの大きさが明らかにされる。各アームは、実際、２つの直交する曲げモーメントにより、アーム自体の長さ方向に沿った応力を受ける。上記２つの直交曲げモーメントによって加えられる２つの応力曲げは、図８に概略的に示すように、アーム自体の両面に貼り付けられた２対のストレインゲージによって測定され、図８では、参照番号１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａ及び６ｂが、可能性のある測定手段の一例である６対のストレインゲージを示している。
【００３３】
図９に示す力及びモーメントセンサセンサ１００の第３の実施形態では、平行移動可能な全方向回転部１０を備えた弾性継手は、図７に示す構成に従って、関節連結された弾性的な平面１３内の広がりを有する２つの整列した薄板１２を有している。
【００３４】
６つの応力の大きさは、感応要素としても使用される３対の薄板１２上で直接測定される。図１０は、薄板１２上で横方向に働く拘束反作用を測定し且つ長手方向に働く拘束反作用を測定するための２つの整列した薄板１２上の２対のストレインゲージ１′ａ、１′ｂと、２′ａ、２′ｂの位置を概略的に示す。
【００３５】
曲げの測定に使用することができる他の測定手段１０４は、例えば、薄板１２に直接加えられた薄板１２の移動を明らかにする移動センサである。
【００３６】
６つの測定値に基づいて、力ベクトルＦを一義的に得て、３つの座標軸に沿って差し向けられる３つのベクトルに分解し、モーメントベクトルＴを、３つの座標軸に沿って差し向けられる３つのベクトルに分解し、即ち、本体に作用する６つの一般化された力に分解する。
【００３７】
使用できる他の測定手段１０４は、測定構造体１０２の３つのアームの各々の端部と、平行移動可能な全方向回転部１０を備えた相対継手の各々との間に配置される圧電要素又は他の種類の要素（図示せず）である。これらの測定手段は、軸線１１に対して直交し且つ互いに直交する２つの力を測定することが可能であり、本体１０１に作用する力Ｆのベクトル及びモーメントＴのベクトルを数学的に得ることが可能である。
【００３８】
また、シリコン又は他の同様な技術を用いることにより、平行移動可能な全方向回転部１０を備えた弾性継手と相対センサ１００をナノスケールで、即ち、最小寸法で作ることを可能にする。この場合、測定構造体１０２の３つのアームの各々の端部に配置された移動測定手段１０４によって、本体１０１に作用する力Ｆのベクトル及びモーメントＴのベクトルを数学的に得ることが可能である。
【００３９】
最後に図１１を参照すると、図１１は、ダイナモメータハブとして作られた力及びモーメントセンサ１００の最後の実施形態を示し、この実施形態において、平行移動可能な全方向回転部１０の各々が、単一構造体を形成するロード車両又はオフロード車両として、測定構造体１０２と一体に且つ測定構造体のリムチャネル１０１と一体に作られる。このリムは、作用する力及びモーメントを、通常のリムと実質的に同じコストで測定することを可能にする局部変形領域を有するので、かかるリムは極めて経済的である。
【００４０】
本発明の目的のために平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手は、摩擦の問題をなくす利点を有している。
【００４１】
平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手はまた、力及びモーメントセンサを改善することを可能にし、それにより、比較的経済的な構造体コストに加えて、センサの部品により正確且つ高感度な最適性能を可能にする。
【００４２】
平行移動可能な回転部を備えた弾性継手により改善されたセンサはまた、車両に広く使用される可能性を有する極めて正確且つ低コストのダイナモメータハブを作るのに適している。
【００４３】
このように考えられた継手によって改善された、平行移動可能な全方向回転部を備えた弾性継手及び力及びモーメントセンサに種々の変更を行うことができるが、全ては本発明に包含され、また全ての細部を、技術的に均等な要素で置換してもよい。実際に、使用される材料及び寸法は、技術的条件に従って変更できる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
2009537771.tif 000017
2009537771.tif 000018
2009537771.tif 000019