(57)【要約】  本発明は、長手に延びる連結体（１１）およびセンサ（１２）を備えた連結要素（１０）ならびにそのような連結要素（１０）を用いた方法および測定システムに関する。連結要素（１０）は、長手に延びる連結体（１１）と、連結体（１１）の中空空間（１４）内に配置されており、かつ連結体（１１）と固定的に連結されているセンサ（１２）とを有しており、センサ（１２）は、作用している機械的な力に応じて変化する負荷依存性の弾性率をもつ少なくとも１つのセンサ要素（２２、２４）を有しており、センサ要素（２２、２４）は測定構成（３０）と信号伝送接続することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手に延びる連結体（１１）と、該連結体（１１）の中空空間（１４）内に配置されており、かつ連結体（１１）と固定的に連結されているセンサ（１２）とを備えた連結要素（１０）であって、センサ（１２）は、作用している機械的な力に応じて変化する負荷依存性の弾性率をもつ少なくとも１つのセンサ要素（２２、２４）を有しており、センサ要素（２２、２４）は測定構成（３０）と信号伝送接続することができる、前記連結要素。
【請求項２】
センサ（１２）は、連結体（１１）の長手方向に互いに離間している第１のセンサセクション（１５）および第２のセンサセクション（１６）を有しており、該第１のセンサセクション（１５）および該第２のセンサセクション（１６）はそれぞれ連結体（１１）と固定的に連結しており、または連結体（１１）に固定されている、請求項１に記載の連結要素。
【請求項３】
少なくとも１つのセンサ要素（２２、２４）は、機械的な力の作用に応じて変化する電気的に測定可能な振動固有周波数を有している、請求項１または２に記載の連結要素。
【請求項４】
少なくとも１つのセンサ要素（２２、２４）は、圧電結晶または圧電セラミックスを有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の連結要素。
【請求項５】
測定構成（３０）と導電性に連結可能な電気接点（２６）は、少なくとも１つのセンサ要素（２２、２４）の長手端部に配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の連結要素。
【請求項６】
センサ（１２）は、連結体（１１）の長手方向に互いに離間している少なくとも２つのセンサ要素（２２、２４）を有しており、該センサ要素（２２、２４）の間に電気接点（２６）が配置されており、該電気接点（２６）は、両方のセンサ要素（２２、２４）と電気接触している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の連結要素。
【請求項７】
中空空間（１４）内のセンサ（１２）は、軸方向の機械的な圧迫に曝されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の連結要素。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の少なくとも１つの連結要素（１０）と、少なくとも１つの測定構成（３０）とを備えた測定システムであって、測定構成（３０）は、連結要素（１０）のセンサ（１２）の少なくとも１つのセンサ要素（２２、２４）と信号伝送接続することができる、前記測定システム。
【請求項９】
測定構成（３０）は：
時変の電気入力信号を発生させるために、少なくとも１つの電気信号発生器（３２）を有しており、
かつ少なくとも１つの第１の信号受信器（３４）を有しており、
該第１の信号受信器（３４）および信号発生器（３２）は、少なくとも１つのセンサ要素（２２、２４）と電気接続することができ、第１の信号受信器（３４）は、少なくとも１つのセンサ要素（２２、２４）の応答信号を評価するために形成されている、請求項８に記載の測定システム。
【請求項１０】
信号発生器（３２）および第１の信号受信器（３４）は、共通の信号ケーブル（３６）を介して少なくとも１つのセンサ要素（２２、２４）と接続することができる、請求項９に記載の測定システム。
【請求項１１】
信号発生器（３２）と第１の信号受信器（３４）は、電気抵抗（３８）を介して直列接続されている、請求項９または１０に記載の測定システム。
【請求項１２】
信号発生器（３２）によって発生させた出力信号の周波数を測定するために形成された第２の信号受信器（３５）をさらに備えている、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の測定システム。
【請求項１３】
第１の信号受信器（３４）は、少なくとも１つのセンサ要素（２２、２４）の応答信号の周波数スペクトルを測定するために形成されている、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の測定システム。
【請求項１４】
連結要素に作用している力の測定方法であって、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の連結要素（１０）を準備する工程と、
少なくとも１つのセンサ要素（２２、２４）と測定構成（３０）とを電気的に連結する工程と、
少なくとも１つのセンサ要素（２２、２４）に時変の電気信号を印加する工程と、
センサ要素（２２、２４）によって反射された応答信号を測定する工程と、
連結要素（１０）に長手方向に作用している力を決定するために応答信号を評価する工程と
を有する、前記測定方法。
【請求項１５】
応答信号の評価は、該応答信号のスペクトル解析を含んでおり、連結要素（１０）に長手方向に作用している力を決定するために、少なくとも１つのセンサ要素（２２、２４）の共振周波数または固有周波数が測定される、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長手に延びる連結体と、連結体の中空空間内に配置されており、かつ連結体と固定的に連結されているセンサとを備えた連結要素に関する。本発明はとりわけロードピン（Kraftmessbolzen）に関し、このピンが同時に、相互に連結すべき部材のための連結要素として機能する。さらなる態様では、本発明は、測定構成および連結要素を備えた測定システムならびに連結要素に作用している機械的な力の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
センサ機構内蔵の連結要素、例えばロードピンは、現況技術では例えば特許文献１から知られている。そこでは、長手に方向合わせされた支持構造と、センサユニットとから実質的に成っている構造が提案されている。そこではセンサユニットに関し、支持体上での歪みゲージの適用が提案されている。このセンサユニットは、機械的および／または熱的な測定量を捕捉するために形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１３９４６４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これに対して本発明の基礎となる課題は、連結要素に作用している機械的な力の、長期的に安定で特に精密な測定を行える、改善された連結要素および改善された測定システムならびに連結要素に作用している力の改善された測定方法を提供することである。これに関し、この連結要素は、再現性の良い構造を特色とするべきである。加えて測定システムおよび測定方法は、高い精密さおよび高度の再現性を特色とするべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、独立特許請求項１に基づく連結要素ならびに請求項８に基づく測定システムおよび特許請求項１４に基づく方法によって解決される。これに関し、有利な形態はそれぞれ従属特許請求項の対象である。
【０００６】
これに応じて一態様によれば、長手に延びる連結体およびセンサを備えた連結要素が提供されている。このセンサは連結体の中空空間内に配置されている。さらにセンサは連結体と固定的に連結されている。センサは、負荷依存性の弾性率をもつ少なくとも１つのセンサ要素を有している。これは、センサ要素の材料の弾性率が、センサ要素に作用している機械的な力に応じて変化することを意味する。
【０００７】
さらに、センサ要素は測定構成と信号伝送接続することができる。センサ要素は、測定構成と電気信号伝送接続可能な電気センサ要素であることが好ましい。これに関し、接続は有線で行うことができ、または無線で行ってもよい。センサは、連結体のうちの止まり穴状に形成された中空空間内にあるのが典型的である。この中空空間は、とりわけ軸方向穴として連結体内に施すことができる。連結体は、とりわけ長手に延びるねじまたは長手に延びる円筒ピンの形態を有することができる。
【０００８】
典型的には、連結体が少なくとも１つの雄ねじ山セクションおよび／または径方向に拡がった頭部セクションを有することである。連結体、それゆえ連結要素全体は、例えば、少なくとも２つの部材を相互に連結するために、連結ねじまたは連結ピンとして使用することができる。
【０００９】
センサ要素の負荷依存性の弾性率により、センサ要素は、そのとき掛かっている機械的負荷に応じて振動固有周波数を変化させる。このセンサ要素には、発振する電気入力信号によって機械的振動を励起できるのが典型的である。少なくとも１つのセンサ要素の共振周波数または固有周波数は、負荷依存性の弾性率に基づき、その時々にセンサ要素に作用している機械的な力に応じて変化することができる。
【００１０】
センサ要素の振動固有周波数は、測定構成により、例えばインピーダンス／反射測定法に基づいて、測定技術的に決定できるのが典型的である。測定された振動固有周波数から、その時々にセンサ要素に作用している機械的な力の大きさを直接的に逆推理できる。
【００１１】
この場合の特別な利点は、少なくとも１つのセンサ要素の振動固有周波数が、ほぼ排他的に、センサ要素に作用している機械的な力の変化によって変化することである。これにより、長期にわたって繰返し実施すべき、センサ要素に作用している力の測定が、常に変わらない結果をもたらす。このようにして、センサ要素に作用している機械的な力の、特に長期的に安定で精密な測定が可能になる。
【００１２】
センサおよびそのセンサ要素が連結体の中空空間内にあることにより、ならびにセンサおよびそのセンサ要素が連結体と固定的に連結していることにより、センサ要素は、いわば連結要素の負荷経路内に、それゆえ連結体の負荷経路内に存在している。したがってセンサ要素は、連結体自体と同程度に機械的応力または機械的な力の作用に曝されている。この連結要素を用いて実施可能な測定方法は、少なくとも１つのセンサ要素を連結体の負荷経路内にまたは力の流れの中に挿入することを必要とする。こうすることで、少なくとも１つのセンサ要素に作用している機械的な力の変化を、直接的に、測定構成によって測定可能な少なくとも１つのセンサ要素の振動固有周波数の変化に変換することができる。
【００１３】
相応の検定または較正を前提として、少なくとも１つのセンサ要素の電気的に測定可能な振動固有周波数は、少なくとも１つのセンサ要素に作用している、したがって連結体にも作用している機械的な力に関する直接的な量的尺度である。
【００１４】
さらなる一形態によれば、センサは、第１のセンサセクションおよび第２のセンサセクションを有している。第１および第２のセンサセクションは、連結体の長手方向に、典型的には中空空間の長手方向にも、互いに離間している。これに関し第１のセンサセクションおよび第２のセンサセクションはそれぞれ連結体と固定的に連結しており、または連結体に固定されている。第１のセンサセクションおよび第２のセンサセクションは、同時に連結体の長手方向でのセンサの端部セクションであることもでき、または対応する長手端部と一致することができる。
【００１５】
しかし、第１および第２のセンサセクションの一方だけが、センサの長手端部と一致することも考えられる。第１のセンサセクションも第２のセンサセクションも、長手方向に互いに離間しており、かつそれぞれ連結体と直接的または間接的に連結しており、かつそれに応じて連結体に固定されていることにより、連結体に長手方向に作用する万一の機械的応力を、相応にセンサに伝達することができる。センサの中空空間内での配置および固定のこのやり方により、センサは、いわば連結体の副次的な力の流れの中に存在しており、その一方で連結体自体は本来の主要な力の流れを示している。第１および第２のセンサセクションが連結体とそれぞれ連結していることにより、連結体に作用している長手方向の機械的な応力または力が、第１および第２のセンサセクションに相応に伝達される。
【００１６】
さらなる一形態によれば、少なくとも１つのセンサ要素は、機械的な力の作用に応じて変化する電気的に測定可能な振動固有周波数を有している。センサ要素のこの特性を測定構成が利用する。測定構成により、センサの少なくとも１つのセンサ要素に機械的振動を励起することができる。その時々にセンサ要素に作用している機械的な力に対応して、測定構成により、センサ要素のそのときの振動固有周波数を、センサ要素の特徴的な固有値として測定することができる。これに関してこの振動固有周波数は、そのセンサ要素にその時々に作用している機械的な力に関する直接的な尺度である。
【００１７】
さらなる一形態によれば、少なくとも１つのセンサ要素は、圧電結晶または圧電セラミックスを有している。すなわちセンサ要素は、１つまたはそれ以上圧電結晶からまたは１つまたはそれ以上の圧電セラミックスから成ることもできる。少なくとも１つのセンサ要素を圧電セラミックスとして実装する場合、この圧電セラミックスは、例えばチタン酸ジルコン酸鉛および／またはニオブ酸マグネシウム鉛または圧電セラミックスの製造に適したその他の素材を有することができる。
【００１８】
圧電結晶または圧電セラミックスはほぼ剛性または非弾性であるにもかかわらず、それでもこれらは負荷依存性の弾性率を有している。
【００１９】
これに関してはとりわけ、少なくとも１つのセンサ要素が長手方向に電気接触しており、かつ圧電結晶または圧電セラミックスの分極方向が連結体の長手方向に実質的に平行に方向づけられている。このような方向合わせおよび方向づけにより、圧電の長手効果または縦効果に基づき、少なくとも１つのセンサ要素の圧電結晶または圧電セラミックスに縦方向に、つまり連結体の長手方向に振動を励起できることが達成される。このようにして、少なくとも１つのセンサ要素が、連結体の長手方向に作用している機械的な力を測定および決定するために形成されていることが好ましい。
【００２０】
さらなる一形態によれば、測定構成と導電性に連結可能な電気接点は、少なくとも１つのセンサ要素の長手端部に配置されている。センサ要素の例えば近位の長手端部での電気接点が、測定構成と連結しており、その一方でセンサ要素の反対側の遠位端部は、例えば導電性に連結体と連結することができる。この場合、連結体は接地電位であることができ、その一方でセンサ要素の近位端部での電気接点は、連結体に対して電気絶縁されていることが好ましい。
【００２１】
単一の電気接点により、センサ要素に振動を励起することができる。反射構成内に形成された測定システムまたは対応する測定構成に基づき、少なくとも１つのセンサ要素の反射、それゆえ反射応答を、この少なくとも１つのセンサ要素の電気接点によって受けて、測定構成に伝達することができる。したがって力測定の実施には、原理的には、測定構成と少なくとも１つのセンサ要素の間の１本だけの信号伝送ケーブルまたは１つだけの信号伝送性の連結もしくは接続で十分である。
【００２２】
さらなる一形態によれば、センサは、連結体の長手方向に互いに離間している少なくとも２つのセンサ要素を有しており、これらのセンサ要素の間に電気接点が配置されている。この電気接点は、両方のセンサ要素と電気接触している。これはいわば、２つのセンサ要素の直列接続である。長手方向または軸方向においてこれらのセンサ要素の間に電気接点が存在していることにより、両方のセンサ要素に同時に振動を励起することができる。この場合の電気接点は、同時に、センサ要素の振動固有周波数を決定するため、測定受け部として機能することができる。両方のセンサ要素は、連結体の中空空間内でのそれぞれの配置および固定に基づいて、長手方向に作用するほぼ同一の機械的な力に曝されている。したがって、これらセンサ要素の負荷依存性の弾性率は、外力作用の変化によって同じように変化する。
【００２３】
長手方向に互いに離間しており、かつ電気接点によって互いから分離されている少なくとも２つのセンサ要素により、電気接点において比較的大きな信号振幅を測定することができる。これにより、感度および測定精度を高めることができる。
【００２４】
さらなる一形態によれば、中空空間内のセンサは、長手方向の機械的な圧迫（Kompression）に曝されている。それゆえ、センサは長手方向に予応力をかけられている。したがって連結要素の原初状態または出発状態では、センサ要素は軸方向の圧迫予応力を受けている。連結要素を規定通りに使用する場合、連結要素に軸方向の引張力が作用する。この引張力は、センサ要素の予応力に対抗する。すなわち、これによって測定可能な少なくとも１つのセンサ要素の振動固有周波数のずれの程度が、連結体に作用している長手方向の機械的な力に関する尺度である。
【００２５】
さらなる一態様によれば、少なくとも１つの前述の連結要素と、典型的には測定機器の形態での少なくとも１つの測定構成とを有する測定システムが提供されている。測定構成または測定機器は、連結要素のセンサの少なくとも１つのセンサ要素と信号伝送接続することができる。この信号伝送接続は、とりわけ有線で、しかし無線でも実装することができる。測定構成は、連結要素のセンサの少なくとも１つのセンサ要素の電気的に測定可能な振動固有周波数を決定するために形成されている。測定可能な振動固有周波数から、その後、連結体に、それゆえ連結要素に長手方向に作用している機械的な力を導き出すことができる。
【００２６】
一変形形態によれば、測定システムの測定構成は、時変の電気入力信号を発生させるために、少なくとも１つの電気信号発生器を有している。電気入力信号は、発振する、場合によっては周期的に発振する電気信号であるのが典型的である。測定構成は、少なくとも１つの第１の信号受信器をさらに有している。第１の信号受信器および信号発生器は、連結要素のセンサの少なくとも１つのセンサ要素と接続することができる。測定システムの稼働中は、第１の信号受信器および信号発生器は、少なくとも１つのセンサ要素と電気的に連結している。さらに第１の信号受信器は、入力信号への返答における少なくとも１つのセンサ要素の応答信号を評価するために形成されている。
【００２７】
この場合はとりわけ、信号発生器が様々な周波数の入力信号シーケンスを発生させ、かつ信号受信器が、応答信号の信号振幅を、それぞれ帰属の入力信号の周波数に対応させて確定および決定する。このようにして、信号発生器および信号受信器により、少なくとも１つのセンサ要素の振動固有周波数を決定することができる。
【００２８】
さらに、センサ要素は組立複合体の部材として形成されている。組立複合体は、センサ要素のほかに、組立キャップまたは機能部材をさらに有することができる。組立キャップおよび／または機能部材は、少なくとも１つのセンサ要素と力結合式に連結することができる。とりわけ、少なくとも１つのセンサ要素が組立キャップおよび機能部材の少なくとも一方に軸方向で当接することができる。センサ要素を、組立キャップと機能部材の軸方向での間に挟んで、中空空間の内部に配置することもできる。
【００２９】
センサ要素と、機能部材および組立キャップの少なくとも一方とによって構成された組立複合体は、１ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの間または例えば１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの間の範囲内の固有振動周波数を有することができる。この範囲は、測定技術的に特に優れており、かつ安価に実装可能な測定機器によって測定することができる。こうして、センサ要素の振動固有周波数を決定する代わりにまたはそれを補充して、機能部材および／または組立キャップを備えたセンサ要素の組立複合体の対応する振動固有周波数も測定および決定することができる。
【００３０】
少なくとも１つのセンサ要素と測定構成の間の信号伝送接続は、信号ケーブルによって行われるのが典型的である。すなわち、信号ケーブルがセンサ要素と測定構成の間の有線の信号伝送連結を提供する。信号ケーブルと、センサ要素および／または測定構成との連結は、プラグおよびこれに対応するソケットによる取外し可能な差込み連結として実施することができる。しかしこの連結が、１つまたはそれ以上バネ接点および／または接点板を有してもよい。
【００３１】
さらなる一形態によれば、信号発生器および第１の信号受信器は、共通の信号ケーブルを介して少なくとも１つのセンサ要素と接続することができる。とりわけ、測定構成はインピーダンス／反射測定を実施するために形成されている。少なくとも１つのセンサ要素の振動を励起するための入力信号も、いわば第１のセンサ要素によって反射される応答信号も、１本の同じ信号ケーブルを介して信号発生器と信号受信器とセンサ要素の間を伝送することができる。１本だけの信号ケーブルを使用することは、連結要素にとって組立技術的および製造技術的な観点で有利であることが分かっている。
【００３２】
測定システムのさらなる一形態によれば、信号発生器と第１の信号受信器は、電気抵抗を介して直列接続されている。これに関し第１の信号受信器はさらに、少なくとも１つのセンサ要素と直接的に電気的に連結している。信号発生器と少なくとも１つのセンサ要素の間の電気的な連結経路も電気抵抗を通っている。この電気抵抗により、信号発生器と第１の信号受信器を、いわば互いにデカップリングすることができる。これにより、入力信号成分を第１の信号受信器のところで低減または減衰することができる。応答信号成分も、信号発生器の側で低減または減衰することができる。
【００３３】
そのうえ、さらなる一実施形態によれば、測定構成は第１の信号受信器のほかにさらに第２の信号受信器を有しており、この第２の信号受信器は、信号発生器によって発生させた出力信号の周波数を測定するために形成されている。第２の信号受信器は、信号発生器にいわば並列に接続することができる。第２の信号受信器は、電気抵抗に対して信号発生器と同じ側にあることができる。第２の信号受信器により、実際に信号発生器によって発生させた入力信号の周波数を精密に測定することができる。したがって信号評価のためには、第１および第２の信号受信器の測定信号を相互に比較するだけでよい。
【００３４】
さらなる一形態によれば、第１の信号受信器は、少なくとも１つのセンサ要素の応答信号の周波数スペクトルを測定するために形成されている。同様に第２の信号受信器も、信号発生器によって発生させた入力信号の周波数スペクトルを測定するために形成することができる。第１および第２の信号受信器の少なくとも一方は、評価ユニットを備えることができ、または外部の評価ユニットと信号伝送接続することができ、評価ユニットは、入力信号によって励起されたセンサ要素の振動固有周波数を量的に確定するために形成されている。
【００３５】
そのうえ、さらなる一態様によれば、連結要素に作用している力の測定方法が提供されている。この方法は、前述の連結要素を準備する工程ならびに連結要素の少なくとも１つのセンサ要素と測定構成とを、典型的には前述の測定システムに属する測定構成とを電気的に連結することを含んでいる。この方法はさらに、少なくとも１つのセンサ要素に時変の電気信号を印加することを含んでいる。少なくとも１つのセンサ要素に、可変の周波数の発振する電気入力信号を印加するのが典型的である。
【００３６】
この方法はさらに、少なくとも１つのセンサ要素によって反射された応答信号の測定および連結要素またはそのセンサ要素に長手方向に作用している力を決定するための応答信号の評価を含んでいる。この方法は、とりわけ計算機を用いて実施することができる。すなわち、少なくとも１つのセンサ要素に時変の電気信号を印加する工程、反射された応答信号の測定、および応答信号の評価は、計算機実装、とりわけソフトウェア実装によって準備を整えることができる。
【００３７】
測定構成は、少なくとも１つのプロセッサ、例えばマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラと、メモリとを有するのが典型的である。測定構成はさらに、プログラマブルロジックコントローラおよび／またはＦＰＧＡモジュール（フィールドプログラマブルゲートアレイ）を有することができる。測定構成は、コンピュータまたはタブレットコンピュータとして形成することができる。
【００３８】
説明した測定方法は、とりわけ前述の測定システムによって、しかし少なくとも前述の連結要素によって実施することができる。すなわち、連結要素および測定システムに関して挙げたすべての特徴、特性、および利点は、測定方法にも同様に当てはまる；およびその逆である。
【００３９】
測定方法のさらなる一形態によれば、応答信号の評価は、応答信号のスペクトル解析を含んでいる。連結要素または少なくとも１つのセンサ要素に長手方向に作用している力を決定するために、少なくとも１つのセンサ要素の共振固有周波数または振動固有周波数を測定する。少なくとも１つのセンサ要素の共振固有周波数または振動固有周波数は、少なくとも１つのセンサ要素の負荷依存性の弾性率に基づき、センサ要素および長手に延びる連結体に長手方向に作用している力に関する直接的な尺度である。
【００４０】
この方法は、測定を実施する前に、使用する連結要素を較正および／または検定することももちろん含むことができる。このようにして、前もって実施された連結要素の特徴づけに対応して、各々の測定可能な振動固有周波数に、機械的な力を割り当てることができる。この測定方法を適用する際には、予め例えばメモリ内に格納している、振動固有周波数とこれをそれぞれ生じさせる機械的な力の割当てを、振動固有周波数の測定後に読み出すだけでよい。
【００４１】
連結要素、測定システム、およびこれを用いて実施可能な測定方法のさらなる利点、特徴、および有利な特性を、以下の例示的実施形態の記述において図を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】２つの部材を相互に連結している連結要素の断面の概略図である。
【図２】図１に対応する断面図であり、ただし連結要素の形態が僅かに相違している。
【図３】第１の実施形態に基づく長手に延びる連結体の中空空間内でのセンサの固定の概略的な拡大図である。
【図４】中空空間内でのセンサの固定についてのさらなる一実施形態を示す図である。
【図５】中空空間内でのセンサの固定についてのさらなる一実施形態を示す図である。
【図６】２つのセンサ要素を備えたセンサの一形態の概略図である。
【図７】全部で２つのセンサ要素を備えたセンサのさらなる一実施形態を示す図である。
【図８】センサと信号伝送連結される測定構成の概略図である。
【図９】第１の力が存在する際の測定のグラフである。
【図１０】第２の力が存在する際の力測定のグラフである。
【図１１】異なる力を掛けて測定した振動固有周波数の全部で４つのグラフ線によるグラフである。
【図１２】測定方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１および図２では、連結要素１０に軸方向または長手方向に作用している力を測定および決定するための測定システムを概略的に示している。測定システム５０は、長手に延びる連結体１１を備えた連結要素１０と、典型的には測定機器の形態で形成される測定構成３０とを含んでいる。連結要素１０はロードピンとして形成されている。長手に延びる連結体１１は、ねじ状またはピン状で長手に延びる円筒形の外形を有している。
【００４４】
図１の例示的実施形態では連結体１１が、長手に延びるシャフト１７を、シャフトの上端部に配置され径方向に拡がった頭部１８を備えて有している。シャフト１７は、少なくとも部分的に雄ねじ山２５を有しており、雄ネジ山２５は、これに対応して形成された第１の部材１の雌ねじ山２９内にねじ込まれており、または雌ネジ山２９内にねじ込むことができる。第１の部材１は、本例示的実施形態では貫通口３を有しており、貫通口３は、第２の部材の貫通口４に対して一直線に配置されている。シャフト１７は第２の部材２の貫通口４を貫いている。径方向に拡がった頭部１８は、貫通口４のうちの第１の部材に面していない口縁部と軸方向で当接している。
【００４５】
連結体１１をねじ固定することにより、連結要素１０が、第１および第２の部材をつなぎ合わせる力をもたらすことができる。それゆえ連結要素１０により、第２の部材２が頭部１８と第１の部材１の間に挟まれて保持される。第１の部材１内に連結要素１０をねじ込むために、頭部１８は、例えば径方向外側にあるスパナ面を有することができる。
【００４６】
その代わりにおよび図１に示しているように、頭部１８の端面が受け部２８を有することができ、受け部２８は、ねじ類用工具（Schraubwerkzeug）に対応している形状結合構造２７またはスパナ面を備えている。連結要素１０をねじ込むことおよび締付トルクを施すことは、連結体１１による、長手方向または軸方向に方向づけられた機械的応力の発生を伴う。連結要素１０をねじ込むおよびねじ締結することにより、連結体１１は、長手方向または軸方向の引張応力を受ける。
【００４７】
連結体１１は、本例示的実施形態では径方向の中心に、長手方向に延びる中空空間１４を有しており、中空空間１４は、軸方向に上へ、頭部１８の端面内にまで通じている。この中空空間は、一種の軸方向止まり穴として、連結体１１内に形成することができる。中空空間１４内ではセンサ１２が固定的に配置されている。センサ１２は、図３〜図７でより詳しく分かるように、少なくとも１つのセンサ要素２２を有しており、場合によっては２つのセンサ要素２２、２４を有してもいる。少なくとも１つのセンサ要素２２は、場合によっては両方のセンサ要素２２、２４も、負荷依存性の弾性率をもつ材料を有している。
【００４８】
センサ要素２２の材料は、その弾性または剛性を、そのとき掛かっている機械的な力に応じて変化させる。この弾性率の変化は、とりわけセンサ要素２２、２４の振動挙動に現れる。例えば電気的または電気機械的に振動を励起した際のセンサ要素２２、２４の振動固有周波数は、その時々にセンサ要素２２、２４に作用している機械的な力または応力に応じて変化する。少なくとも１つのセンサ要素２２、２４の振動固有周波数は、測定構成３０と、例えば信号ケーブル３６によって構成されるセンサ１２と測定構成３０の間の信号伝送性の電気接続とによって測定することができる。
【００４９】
少なくとも１つのセンサ要素２２、２４の振動固有周波数を決定するために、インピーダンス／反射測定の実施が規定されている。つまり、信号線３６を介し、少なくとも１つのセンサ要素２２、２４に機械的振動を励起する。その後、応答信号としての反射信号も信号ケーブル３６により測定構成３０に伝送する。このようにして、所定の周波数帯による同調により、機械的応力下にあるセンサ１２の振動固有周波数を決定することができる。
【００５０】
図２に基づく測定システム５０の構造は、図１に基づく測定システムの構造に類似している。ただしここでは図１に基づく形態とは異なり、頭部を備えた連結体１１の代わりに、実質的に完全に円筒形の連結体１１１が用いられており、連結体１１１は、向かい合う端部セクションにそれぞれ雄ねじ山２５、４５を有している。第２の部材２のうち第１の部材１に面していない側から突き出ている連結体１１１の端部は、ここでは雄ねじ山４５を備えており、雄ねじ山４５は、ナット４２の雌ねじ山４６と協働する。ナット４２はその外周に形状結合構造４７を有しており、この形状結合構造４７により、適切なネジ類用工具を利用してナット４２にトルクを施すことができる。
【００５１】
センサ１２用の中空空間１４は、ここでも円筒形止まり穴として、連結体１１１内で径方向の中心に設けられている。
【００５２】
図３〜図５では、中空空間１４内でセンサ１２を固定および保持するための幾つかの実施形態を示している。図３〜図５でモノリシック型センサとして示しているセンサ１２は、１つだけのセンサ要素２２を例えば圧電結晶の形態でまたは圧電セラミックスの形態で有することができる。ただしセンサ１２は、図６および図７で具体例を示しているように、２つまたはそれ以上のセンサ要素２２、２４を有することができる。
【００５３】
センサ１２は、電気的観点では、その向かい合う長手端部で接触している。中空空間１４の底６０にあるセンサ１２の下端部は、底６０と、したがって典型的には金属製の連結体１１と直接的に導電接触している。センサ１２の反対側の端部は、電気接点２６と連結している。電気接点２６は、信号ケーブル３６を介して測定構成３０と電気的に連結している。
【００５４】
センサ１２は、中空空間１４内で組立キャップ６４によって固定されている。同様に金属製であり得る組立キャップ６４と電気接点２６の間には、電気絶縁体６６がさらに配置されている。こうすることで、電気接点２６が金属の連結体１１から電気絶縁されている。組立キャップ６４はケーブルブッシング６５を有している。電気絶縁体６６もケーブルブッシング６７を有している。これにより信号ケーブル３６は、組立キャップ６４および電気絶縁体６６を通り抜けることができる。
【００５５】
中空空間１４内でセンサ１２を機械的に固定するため、ここでは、連結体１１の塑性変形を行う。製造技術的には、最初は中空円筒形の中空空間１４内にセンサ１２を、電気接点２６、信号ケーブル３６と一緒に、ならびに電気絶縁体６６および組立キャップ６４と一緒に入れることができる。その後、組立キャップ６４に、したがって組立キャップ６４と、電気絶縁体６６と、センサ１２との構成全体に、軸方向または長手方向に作用する予応力が掛かるように、中空空間１４の内壁６２を径方向内側に向かって変形させる。言い換えれば、センサ１２が連結体１１の軸方向または長手方向に圧迫される。内壁６２は、塑性変形が行われた後、径方向内側に張り出した少なくとも１つまたはそれ以上の突出部６３を有しており、この突出部６３が、センサ１２を予応力下で中空空間１４内に固定して保持する。
【００５６】
機械的観点では、センサ１２は、底６０と、径方向内側に張り出しておりリング状に形成してもよい少なくとも１つの突出部６３との間で、軸方向に圧迫されている。その結果、連結体１１の長手方向において互いに離間している第１のセンサセクション１５および第２のセンサセクション１６はそれぞれ別々に連結体１１と連結しており、または連結体１１に固定されている。本例示的実施形態ではセンサ１２の長手端部と一致する第２のセンサセクション１６は、中空空間１４の底６０と直接当接している。センサ１２の反対側の長手端部と一致する第１のセンサセクション１５は、電気絶縁体６６または組立キャップ６４に直接当接している。
【００５７】
すなわち、第１のセンサセクション１５は、組立キャップ６４および電気絶縁体６６を介して間接的に、連結体１１のうち底６０から長手方向に離間した領域、例えば突出部６３と固定的に連結しており、またはこの領域、例えば突出部６３に固定されている。連結体１１に長手方向または軸方向に作用する力、例えば連結体１１への引張負荷は、センサ１２の軸方向の圧迫に直接的に影響を及ぼす。連結体１１への引張負荷は、とりわけセンサ１２の予応力に対抗する。これは否応なしに、センサ１２に作用している軸方向のおよび長手方向に作用している機械的な力を変化させる。その結果、センサ１２またはそのセンサ要素２２、２４が、その電気的に測定可能な振動固有周波数を変化させる。したがって振動固有周波数の変化は、連結体１１に作用している引張負荷の変化に関する直接的な尺度および印である。
【００５８】
図４に基づく例示的実施形態では、中空空間１４の内壁６２の塑性変形の代わりに、センサ１２と、電気絶縁体６６と、組立キャップ６４との構成の力結合式の保持が提供されている。内壁６２の径方向内側に張り出した突出部６３を発生させるための塑性変形の代わりに、図４に基づく例示的実施形態によれば、組立キャップ６４と内壁６２の材料結合式の連結が提供されている。この連結は、例えば溶接によりおよび溶接部１６３を形成することで行うことができる。組立キャップ６４と内壁６２の材料結合式の連結は、ここでもセンサ１２の軸方向の圧迫下で行われる。
【００５９】
図５に基づくさらなる例示的実施形態は、材料結合式の連結の代わりに、組立キャップ６４を中空空間１４内にねじ込み、組立キャップ６４をいわばねじ連結により中空空間１４内で固定する。このために、組立キャップ６４はその外面に雄ねじ山１６５を有しており、この雄ねじ山１６５は、内壁６２に設けられた雌ねじ山１６６と噛み合うことができる。図１に基づく頭部１８と類似して、ここでも、組立キャップ６４のうちのセンサに面していない端面が、ねじ類用工具とトルク伝達連結するための形状結合構造を有している。これにより、組立キャップ６４を、センサ１２に作用する軸方向の圧迫を発生させながら中空空間１４内にねじ込むことができる。
【００６０】
図６および図７に基づく例示的実施形態では、２つのセンサ変形形態１２を示しており、これらの場合のセンサ１２は、１つだけのセンサ要素２２の代わりに、電気的に直列接続された２つのセンサ要素２２、２４を有している。図６および図７に基づくセンサ１２は、図３〜図５で説明した方法の１つに基づいて予応力下で中空空間１４内で固定することができるが、これを図６または図７を参照しながらより詳しくは説明しない。
【００６１】
図６に示しているように、第１のセンサ要素２２と第２のセンサ要素２４の間に電気接点２６が存在しており、電気接点２６は信号ケーブル３６と電気的に連結している。すなわち、第１のセンサ要素２２は軸方向のケーブルブッシング２３を有している。図３〜図５について説明したことと類似して、ここでも、組立キャップ６４により、両方のセンサ要素２２、２４を備えたセンサ１２は軸方向の予応力下、とりわけ軸方向の圧迫下で中空空間１４内で固定されている。第１のセンサ要素２２および第２のセンサ要素２４は、連結体１１の長手方向でも中空空間１４の長手方向でも、電気接点２６によって互いから分離されている。
【００６２】
電気接点２６と同時に電気接触することで、第１のセンサ要素２２および第２のセンサ要素２４に同質に、発振する入力信号を印加することができる。第１および第２のセンサ要素２２、２４の機械的な直列接続と、組立キャップ６４により第１および第２のセンサ要素２２、２４が中空空間１４内で軸方向に互いに隣り合って存在して軸方向に予応力を掛けられているという事実とにより、第１および第２のセンサ要素２２、２４は、ほぼ同じ長手方向の機械的圧縮負荷も受けている。したがってセンサ要素２２、２４の応答もほぼ同一であり、これにより第１のセンサ要素２２および第２のセンサ要素２４の振動固有周波数を１つの同じ電気接点２６によって受けることができ、かつ信号ケーブル３６を介して測定構成３０に送ることができる。
【００６３】
第１のセンサ要素２２および第２のセンサ要素２４のうちの電気接点２６に面していない長手端部は、組立キャップ６４とおよび中空空間１４の底６０と電気的に連結している。これらの長手端部は両方とも、いわば接地電位にあることができる。
【００６４】
図７に基づくさらなる形態では、図６に基づく構造を補充して、もう１つのさらなる機能部材６８を、第２のセンサ要素２４と中空空間１４の底６０との間に配置している。機能部材６８は、規定の弾性または剛性を有することができ、したがってセンサ１２の構造の総弾性に十分に影響を及ぼすことができる。機械的観点では、および引張負荷または圧縮負荷に関しては、組立キャップ６４と、第１のセンサ要素２２と、電気接点２６と、第２のセンサ要素２４と、機能部材６８とがいわば直列接続されている。
【００６５】
弾性または幾何形状が可変の機能部材６８を適切に選択することにより、連結体１１とセンサ１２の間の機械的連結の種類を、様々な測定要件に適合することができる。とりわけ、弾性特性または幾何形状の異なる多くの提供されている機能部材から１つの機能部材６８を選択することにより、連結体１１の機械的応力および機械的負荷の変化を踏まえてセンサの感度を可変に適合することができる。
【００６６】
図８では、最後に測定構成３０の構造を概略的に示している。測定構成３０は、出力側でおよび信号ケーブル３６を介して、センサ１２と信号伝送接続することができる。測定構成３０は、信号発生器３２ならびに第１の信号受信器３４および第２の信号受信器３５を有している。第１の信号受信器３４と第２の信号受信器３５の間に、オーム抵抗または電気抵抗３８が配置されており、抵抗３８は、実質的に入力信号と応答信号のデカップリングを生じさせる。第２の信号受信器３５は、ことに信号発生器３２によって発生させた入力信号の監視および周波数測定に用いられる。入力信号は抵抗３８に基づき、第１の信号受信器３４によっては、低減または減衰されてしか測定されない。これに対して第１の信号受信器３４は信号ケーブル３６と、したがって反射法に基づいて動作する測定構成３０の出力部または入力部とは直接的に接続されている。
【００６７】
センサ１２によって反射された、センサ１２の振動固有周波数を特徴づける応答信号は、ことに第１の信号受信器３４によって受信される。抵抗３８に基づき、反射されたセンサ１２の応答信号は、第２の信号受信器３５内では低減または減衰されてしか受信されない。
【００６８】
測定構成３０および全体の測定システム５０の稼働中は、センサ１２がその共振または振動固有周波数を示す振動周波数を見つけ出すために、入力信号の周波数を所定の周波数範囲にわたって同調させる。
【００６９】
図９および図１０での２つのグラフ表示では、連結要素１０に作用している軸方向の２つの異なる力Ｆ１およびＦ２に関する信号の振幅Ａを示している。力Ｆ１の場合、センサ１２またはそのセンサ要素２２、２４の振動固有周波数は周波数ｆ１である。力Ｆ２が作用している場合、振動固有周波数は図１０に基づく表示により周波数ｆ２である。周波数ｆ１は周波数ｆ２より大きい。よってつまり、図１０の例でセンサ１２に作用している力は、図９でより小さい。
【００７０】
外部から連結要素１０に作用するまたは外部から施される力、それゆえ連結要素１０を介して部材１、２に伝達される引張力が、センサ１２の予応力とは逆に方向づけられていることを考慮して、図１０に基づく配置は、図９に基づく力Ｆ１より大きい力Ｆ２であり得る。つまり力Ｆ１は、連結構成１０の無負荷の出発状況を示すことができ、この出発状況では、センサ要素２２、２４もしくはセンサ要素の１つ２２、組立キャップ６４、および／または機能部材６８によって構成された組立複合体が、軸方向の予応力を有して中空空間１４内で配置されており固定されている。例えばねじ連結の締付けによって発生した連結要素１０への引張力は、元々の予応力に対抗する。これによりセンサ要素２２および／または組立複合体への総負荷が低下する。その結果として、振動固有周波数はｆ１からｆ２へと小さくなる。このような依存性は、とりわけ、施される力に弾性率が漸増的に依存する場合に観察することができる。施される力に弾性率が漸減的に依存する場合、前述のシナリオでは周波数は大きくなるであろう。
【００７１】
図１１に基づくグラフでは、連結要素に施される力の異なる全部で４つの測定を示している。個々のグラフ線は、０〜６０ｋＮの力または締付トルクを表している。点線のグラフ線は、元々の状態の連結要素に対応しており、破線は２０ｋＮの力の場合の測定を示している。ひし形付きのグラフ線は４０ｋＮの場合の測定を示しており、実線は外部から施される力が６０ｋＮの場合の測定を表している。図１１のグラフから直接的に明らかなのは、個々のグラフ線の振動固有周波数がずれていることである。無負荷状態では、つまり０ｋＮの場合は、振動固有周波数ｆ０は約８５ｋＨｚである。２０ｋＮの引張負荷の場合、振動固有周波数ｆ２０は約８０ｋＨｚである。４０ｋＮの機械的負荷の場合、振動固有周波数ｆ４０は約７６ｋＨｚであり、６０ｋＮの負荷の場合、振動固有周波数ｆ６０は約７１ｋＨｚである。
【００７２】
これらの試験が示したのは、測定を任意に幾度でも様々な時間で繰り返すことができ、その際にそれぞれ変わらない測定結果がもたらされるということである。それゆえここで説明している測定システムにより、連結要素に軸方向に作用している機械的な力の、長期的に安定で極めて精密な測定を決定することができる。
【００７３】
ここで提示した周波数範囲は、純粋に例示的でプロトタイプのためである。少なくとも１つのセンサ要素の振動固有周波数は、完全に別の周波数範囲内にあってもよく、例えば１００ｋＨｚ超または１０ｋＨｚ未満の範囲内にあってもよい。連結要素の具体的な構造形式に応じて、異なる力範囲での測定も考えられる。
【００７４】
図１２に基づくフロー図では、連結要素１０に作用している力を測定するための基本的な方法を概略的に示している。第１の工程１００では、連結要素１０を準備し、かつ連結要素１０のセンサ１２またはそのセンサ要素２２、２４を、測定構成３０と電気信号伝送連結する。さらなる工程１０２では、少なくとも１つのセンサ要素２２、２４に、時変の電気信号を、とりわけ信号発生器３２によって発生させた入力信号を印加する。工程１０２と同時に進行し得るさらなる工程１０４では、センサ要素２２、２４によって反射された応答信号を測定する。
【００７５】
工程１０２および１０４は、周波数スペクトル全体に対して実施するのが典型的である。周波数スペクトルを解析した後、最後の工程１０６で、測定された応答信号から、センサ要素２２、２４の振動固有周波数を確定する。振動固有周波数は、応答信号の振幅が測定した周波数範囲で最大である周波数として決定することができる。
【００７６】
この場合、測定された振動固有周波数を、実際に連結要素に作用している力に割り当てることは、前もって実施した較正または検定に基づいて行われる。
【００７７】
さらに図２で示唆しているように、測定システムは、既に説明した第１の測定構成３０のほかに、もう１つのさらなる、つまり第２の測定構成１３０を有してもよい。この場合、センサ１２の信号ケーブル３６は、選択的に第１または第２の測定構成３０、１３０と接続または連結することができる。これにより、センサを取り替えることなく信号評価を切り替えられるという利点が生じる。こうして、例えば長期的に安定な測定には第１の測定構成３０を使用することができ、その一方で非常にダイナミックなまたは特に繊細な測定には、第２の測定構成１３０に基づく、例えば容量性負帰還をもつオペアンプに基づくもう一方の測定方法を用いることができる。測定構成間の切替えは、例えばスイッチによって行うことができる。
【符号の説明】
【００７８】
１  部材
２  部材
３  貫通口
４  貫通口
１０  連結要素
１１  連結体
１２  センサ
１４  中空空間
１５  センサセクション
１６  センサセクション
１７  シャフト
１８  頭部
２２  センサ要素
２３  ケーブルブッシング
２４  センサ要素
２５  雄ねじ山
２６  電気接点
２７  形状結合構造
２８  受け部
２９  雌ねじ山
３０  測定構成
３２  信号発生器
３４  信号受信器
３５  信号受信器
３６  信号ケーブル
３８  抵抗
４２  ナット
４５  雄ねじ山
４６  雌ねじ山
４７  形状結合構造
５０  測定システム
６０  底
６２  内壁
６３  突出部
６４  組立キャップ
６５  ケーブルブッシング
６６  電気絶縁体
６７  ケーブルブッシング
６８  機能部材
１１１  連結体
１３０  測定構成
１６３  溶接部
１６５  雄ねじ山
１６６  雌ねじ山
【図１】
2019536014.tif 000003
【図２】
2019536014.tif 000004
【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】
2019536014.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2019536014.tif 000013
【図１２】
2019536014.tif 000014
【国際調査報告】
2019536014.tif 000015
2019536014.tif 000016
2019536014.tif 000017
2019536014.tif 000018
2019536014.tif 000019
2019536014.tif 000020
2019536014.tif 000021
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