(57)【要約】【課題】周囲と絶縁したシステムのトルクを決定する方法および装置を提供すること。【解決手段】既知の角度剛性および少なくとも２つの結合体部分を有する非接触磁気結合体を介して、駆動システムは、周囲と絶縁したシステムに結合する。各結合体部分の相対偏位が、光学的に測定され、トルクが、相対偏位および既知の角度剛性に基づいて決定される。【選択図】図１
2011169901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内容積（１２４）を含み、駆動トルクに応答して回転する外側回転子（１１２）と、
前記外側回転子の前記内容積内に少なくとも部分的に配置され、前記外側回転子から離間し、前記外側回転子に磁気的に結合して、それと共に回転する内側回転子（１１４）と、
前記外側回転子に近接して配置され、前記外側回転子の方に第１の入射光を選択的に送信し、前記外側回転子から反射された第１の入射光を受信するように構成され、受信した反射された第１の入射光に応答して第１の信号を生成するようにさらに構成された第１の光送受信機（１０４）と、
前記内側回転子に近接して配置され、前記内側回転子の方に第２の入射光を選択的に送信し、前記内側回転子から反射された第２の入射光を受信するように構成され、受信した反射された第２の入射光に応答して第２の信号を生成するようにさらに構成された第２の光送受信機（１０６）と、
前記第１の信号および前記第２の信号を受信するために結合し、それらを受け取り次第、前記内側回転子のトルクを決定するように構成された処理装置（１０８）とを含む、トルク決定システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記外側回転子および前記内側回転子は、既知の角度剛性を有する磁気結合体を含み、
前記処理装置は、前記既知の角度剛性ならびに前記第１および第２の信号に基づいて、前記トルクを決定するようにさらに構成された、システム。
【請求項３】
周囲と絶縁したシステムのトルクを決定する方法であって、
既知の角度剛性および少なくとも２つの結合体部分を有する非接触磁気結合体を介して、駆動システムを前記周囲と絶縁したシステムに結合するステップと、
各結合体部分の相対偏位を光学的に測定するステップと、
前記トルクを前記相対偏位および前記既知の角度剛性に基づいて決定するステップとを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、概略的にはトルク決定に関し、より詳細には、非機械的結合回転システムのトルクを決定するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]多くの様々な方法が、回転システムのトルクを決定するのに導入されてきた。既知の方法のいくつかの例は、磁気ブレーキ、ひずみゲージ式変換器、およびシステム駆動モータの電流の使用を含む。第１の方法を実施するために、電流に基づく既知の磁界および関連する応答トルクを有する磁気ブレーキが、システムの回転部分に結合される。動作中、磁界を発生させるために供給される電流が、加えられたトルクを決定するのに使用される。第２の方法を実施するために、ひずみゲージ式変換器が、システムの回転部分に結合され、信号および電力が、スリップリングを通して伝達される。トルクは、ゲージが結合する軸のねじり応力に基づいて得られる。第３の方法を実施するために、既知のトルク定数を有する駆動モータが、システムの回転部分に結合され、それを駆動する。その際、トルクは、既知のトルク定数およびシステムに供給される電流を使用して決定される。
【０００３】
[0003]上述の方法の各々は、その利点を有する。しかし、各々は、様々な方法で回転システムに機械的に結合する要素に依存するため、これらの方法は、十分な精度で周囲と絶縁した回転システムのトルクを決定するのには適さない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0004]故に、回転システムとの機械的結合または回転システムとの接触に依存しない、周囲と絶縁した回転システムのトルクを決定するシステムおよび方法の必要性が存在する。本発明は、少なくともこの必要性に対処する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0005]１つの例示的な実施形態において、トルク決定システムは、外側回転子、内側回転子、第１の光送受信機、第２の光送受信機、および処理装置を含む。外側回転子は、内容積を含み、駆動トルクに応答して回転する。内側回転子は、回転可能に取り付けられ、外側回転子の内容積内に少なくとも部分的に配置される。内側回転子は、外側回転子から離間し、外側回転子に磁気的に結合して、それと共に回転する。第１の光送受信機は、外側回転子に近接して配置される。第１の光送受信機は、磁気外側回転子の方に第１の入射光を選択的に送信し、磁気外側回転子から反射された第１の入射光を受信するように構成される。さらに、第１の光送受信機は、受信した反射された第１の入射光に応答して第１の信号を生成するように構成される。第２の光送受信機は、内側回転子に近接して配置される。第２の光送受信機は、内側回転子の方に第２の入射光を選択的に送信し、内側回転子から反射された第２の入射光を受信するように構成される。さらに、第２の光送受信機は、受信した反射された第２の入射光に応答して第２の信号を生成するように構成される。処理装置は、第１の信号および第２の信号を受信するために結合し、それらを受け取り次第、透磁性回転子のトルクを決定するように構成される。
【０００６】
[0006]別の例示的な実施形態において、トルク決定システムは、磁気結合体、第１の光送受信機、第２の光送受信機、および処理装置を含む。磁気結合体は、既知の角度剛性を有し、入力トルクを受け取り、かつ負荷に駆動トルクを供給するようになされ、内側回転子に磁気的に結合する外側回転子と、内側回転子とを含む。第１の光送受信機は、外側回転子に近接して配置される。第１の光送受信機は、外側回転子の方に第１の入射光を選択
的に送信し、外側回転子から反射された第１の入射光を受信するように構成される。さらに、第１の光送受信機は、受信した反射された第１の入射光に応答して第１の信号を生成するように構成される。第２の光送受信機は、内側回転子に近接して配置される。第２の光送受信機は、内側回転子の方に第２の入射光を選択的に送信し、内側回転子から反射された第２の入射光を受信するように構成される。さらに、第２の光送受信機は、受信した反射された第２の入射光に応答して第２の信号を生成するように構成される。処理装置は、第１の信号および第２の信号を受信するために結合し、既知の角度剛性ならびに第１および第２の信号に基づいて、透磁性回転子のトルクを決定するように構成される。
【０００７】
[0007]さらに別の例示的な実施形態において、周囲と絶縁したシステムのトルクを決定する方法は、既知の角度剛性および少なくとも２つの結合体部分を有する非接触磁気結合体を介して、駆動システムを周囲と絶縁したシステムに結合するステップを含む。各結合体部分の相対偏位が、光学的に測定され、トルクが、相対偏位および既知の角度剛性に基づいて決定される。
【０００８】
[0008]さらに、続く詳細な説明および添付の特許請求の範囲を、添付の図面および上述の背景と併せて読めば、トルク決定システムおよび方法の他の望ましい特徴および特性が明らかになるであろう。
【０００９】
[0009]以下、本発明を、以下の作図と併せて説明し、同様の番号は、同様の要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】[0010]トルクを決定する非接触システムの機能ブロック図である。
【図２】[0011]トルク対すべりのグラフの形で、例示的な磁気結合体の角度剛性を示す図である。
【図３】[0012]図１の非接触を使用することができる試験装置の斜視図である。
【図４】[0012]図１の非接触を使用することができる試験装置の端面図である。
【図５】[0013]図４の線５−５に沿って切り取られた、図３および４に示す例示的な試験装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[0014]以下の詳細な説明は、本質的には例示的なものにすぎず、本発明、または本発明の用途および使用を限定することを目的とするものではない。さらに、上述の背景または以下の詳細な説明に示すいかなる理論にも拘束されることを目的としない。その際、特定の好ましい実施形態は、軸受組立体を試験し、かつ軸受組立体の空転トルクを測定するのに使用される試験装置と共に実装されるものとして説明するが、システムおよび方法は、様々な他のシステム、要素、デバイス、および環境と共に、かつそれらの中で使用することができる。
【００１２】
[0015]最初に図１を参照すると、例示的な非接触トルク決定システム１００の機能ブロック図が示され、このシステムは、磁気結合体１０２、第１の光送受信機１０４、第２の光送受信機１０６、および処理装置１０８を含む。磁気結合体１０２は、外側回転子１１２および内側回転子１１４を含む。外側回転子１１２は、駆動トルクに応答して回転し、示された実施形態においては、ハブ１１６、および１つまたは複数の磁石１１８を含む。したがって、外側回転子１１２は、本明細書の残りの部分を通して、磁気回転子と呼ばれる。ハブ１１６および磁石１１８は、一体的に形成され、または別々に形成して共に結合することができることが理解されよう。さらに、駆動トルクは、多くの動力源のいずれか１つより磁気回転子１１２に供給することができるが、さらに以下でより詳細に説明される特定の実施形態において、動力源は、モータである。
【００１３】
[0016]磁気回転子１１２は、さらに、内容積１２４を画定する内部表面１２２、および外部表面１２６を含む。示された実施形態において、１つまたは複数の磁石１１８が、内部表面１２２の上またはその近傍に配置されるものとして示される。それでもなお、１つまたは複数の磁石を、外部表面１２６の上またはその近傍に配置することができることが理解されよう。第１の反射構造１１７が、外部表面１２６上に配置される。第１の反射構造１１７は、明暗差表面反射を提供するが、その目的は、さらに以下で説明する。第１の反射構造１１７は、様々に実装することができる。いくつかの限定されない例には、外部表面１２６内に形成される表面構造、または外部表面１２６上に配置される反射帯が含まれる。
【００１４】
[0017]内側回転子１１４は、多くの透磁性材料のいずれか１つから少なくとも部分的に形成されるのが好ましい。したがって、内側回転子１１４は、本明細書の残りの部分を通して、透磁性回転子と呼ばれる。透磁性回転子１１４は、回転可能に取り付けられ、磁気回転子１１２の内容積１２４内に少なくとも部分的に配置される。内容積１２４内にある透磁性回転子１１４部分は、磁気回転子１１２から離間しているが、磁気的には磁気回転子１１２と結合している。示されていないが、透磁性回転子１１４は、１つまたは複数の突起部、好ましくは磁石１１８の数に対応する数の突起部によって構成されるのが好ましい。したがって、磁気回転子１１２が回転するとき、透磁性回転子１１４は、それと同期して回転する。透磁性回転子１１４は、様々な手段および方法を介して回転可能に取り付けることができる。しかし、示された実施形態においては、透磁性回転子１１４は、１つまたは複数の軸受組立体１２８（図１には１つだけを示す）を介して回転可能に取り付けられ、負荷に結合される。さらに以下でより詳細に説明される特定の好ましい実施形態において、負荷は、１つまたは複数の軸受組立体１２８を介して回転可能に取り付けられる試験軸である。
【００１５】
[0018]透磁性回転子１１４は、その上に配置される第２の反射構造１２７を有する外部表面１１５を含む。第１の反射構造１１７と同様に、第２の反射構造１２７は、明暗差表面反射を提供する。第２の反射構造１２７は、様々に実装することができる。いくつかの限定されない例には、透磁性回転子１１４の外部表面１１５内に形成される表面構造、または透磁性回転子１１４の外部表面１１５上に配置される反射帯が含まれる。
【００１６】
[0019]さらに図１が示すように、透磁性回転子１１４は、ハウジング１２５内に配置されることが好ましい。このハウジング１２５は、非透磁性材料から形成されることが好ましい。したがって、磁気回転子１１２および透磁性回転子１１４は、互いに物理的にも熱的にも絶縁している。
【００１７】
[0020]さらに続ける前に、外側回転子１１２および内側回転子１１４は、それぞれ、磁気回転子および透磁性回転子（と本明細書で呼ばれる）として構成されるが、これは、１つの特定の実施形態の例示にすぎないことに留意されたい。他の実施形態においては、外側回転子１１２は、多くの透磁性材料のいずれか１つおよび付随する突起部から少なくとも部分的に形成することができ、内側回転子１１４は、１つまたは複数の磁石１１８を含むことができる。そのような実施形態では、外側回転子１１２を透磁性回転子と呼ぶことができ、内側回転子１１４を磁気回転子と呼ぶことができる。実施形態のいずれにおいても、外側回転子１１２および内側回転子１１４は、磁気的に、かつ非機械的に共に結合している。
【００１８】
[0021]もう一度説明に戻ると、第１の光送受信機１０４は、磁気回転子１１２に近接して配置され、磁気回転子１１２の方へ入射光を選択的に送信するように構成される。さらに、第１の光送受信機１０４は、磁気回転子１１２から反射された入射光を受信し、第１
の光送受信機１０４が磁気回転子１１２から反射された入射光を受信するごとに、第１の信号を生成するように構成される。第２の光送受信機１０６は、透磁性回転子１１４に近接して配置され、透磁性回転子１１４の方へ入射光を選択的に送信するように構成される。さらに、第２の光送受信機１０６は、透磁性回転子１１４から反射された入射光を受信し、第２の光送受信機１０６が透磁性回転子１１４から反射された入射光を受信するごとに、第２の信号を生成するように構成される。
【００１９】
[0022]少なくとも特定の好ましい実施形態において、第１および第２の光送受信機１０４および１０６、磁気回転子１１２、透磁性回転子１１４、ならびに第１および第２の反射構造１１７および１２７は、第１および第２の反射構造１１７および１２７がそれぞれ第１および第２の光送受信機１０４および１０６をそれぞれ回転して通り過ぎるごとに、第１および第２の信号の特性が変化するように、実装されることに留意されたい。変化する特定の特性は、多くの電気的特性のいずれか１つとすることができる。しかし、示された実施形態においては、振幅が変化する。したがって、第１および第２の信号は、たとえば図１に示された、等振幅矩形波パルス信号などのパルス波信号として現れるのが好ましい。
【００２０】
[0023]第１および第２の光送受信機１０４および１０６を、様々に構成し、かつ実装することができることが理解されよう。示された実施形態において、第１および第２の光送受信機１０４および１０６は、ほぼ同一の光ファイバケーブル１３６を介してほぼ同一の光源／センサ回路デバイス１３４と動作可能に通信する、ほぼ同一の送受信機探針１３２を含む。これは、光送受信機の構成および実装の１つの例にすぎない。他の実施形態において、第１および第２の光送受信機１０４および１０６は、探針１３２および光源／センサ回路デバイス１３４が一体的に形成されるように実装され、それによって光ファイバケーブルの必要性を解消することができる。
【００２１】
[0024]示された実施形態において、各送受信機探針１３２は、その関連する光ファイバケーブル１３６を介して、その関連する光源／センサ回路デバイス１３４から供給される入射光を受信するように結合される。各送受信機探針は、場合によって、磁気回転子１１２または透磁性回転子１１４へ入射光を送信し、それらの回転子から反射された入射光を受信する。受信された反射光は、適切に関連付けられた光ファイバケーブル１３６を介して、適切に関連付けられた光源／センサ回路デバイス１３４に供給される。
【００２２】
[0025]光源／センサ回路デバイス１３４は各々、２つだけ挙げれば、レーザ光源またはＬＥＤなどの、図示されていない１つまたは複数の光源を含み、図示されていない適切な制御およびセンサ回路をさらに含む。制御およびセンサ回路は、光源を制御し、反射光の光／電気信号変換を適切に実施する。さらに、制御およびセンサ回路は、必要または要望に応じて、たとえばアナログ／デジタル変換、フィルタリング、増幅などを含む適切な信号調整を実施するように構成される。光源／センサ回路デバイス１３４は、２つの物理的に独立したデバイスとして示されるが、両方とも同じ一体的回路パッケージ内に実装することができる。
【００２３】
[0026]第１および第２の光送受信機１０４および１０６の特定の構成および実装にかかわらず、送受信機がそれぞれ供給する第１および第２の信号は、処理装置１０８に受信される。処理装置１０８は、第１および第２の信号を受け取り次第、示された実施形態では１つまたは複数の軸受組立体１２８の空転トルクに対応する、透磁性回転子１１４のトルクを決定するように構成される。そうするために、処理装置１０８は、第１および第２の信号間の位相差を決定し、磁気結合体１０２の角度剛性も用いてトルクを計算する。
【００２４】
[0027]磁気結合体１０２の角度剛性は、予め定められ、磁気結合体トルク（τ）対すべ
り（θ）の形でグラフに表すことができる。１つの特定の磁気結合体１０２の実施形態に関する、磁気結合体トルク対すべりの例示的なグラフが、図２に示される。示された曲線２０２は、
τ＝．００５６θ２＋．１６９１θ−．００１４．
という最小二乗最良適合特性方程式を有する。示された曲線２０２および付随する最良適合特性方程式は、１つの特定の磁気結合体１０２の実施形態の例示にすぎず、他の曲線および方程式は、他の磁気結合体の実施形態１０２に適合することができるのが理解されよう。
【００２５】
[0028]磁気結合体１０２の角度剛性は、図示されていない記憶装置内に格納されることが好ましい。記憶装置は、処理装置１０８に取り付けられ、または処理装置１０８によって読取可能な外部記憶デバイスとして実装することができる。いずれの場合でも、上述した通り、処理装置１０８は、第１および第２の信号間の位相差を決定する。位相差は、図１に示されるように、磁気結合体１０２のすべり（θ）に対応する。次に、処理装置１０８は、既知の角度剛性を使用してトルク（τ）を決定することができる。
【００２６】
[0029]非接触トルク決定システム１００は、多くのシステム、要素、デバイス、および環境のいずれか１つのトルクを決定するのに使用することができる。１つの特定の好ましい実施形態において、システム１００は、軸受組立体を試験し、かつ軸受組立体の空転トルクを決定するのに使用される試験装置と共に実装される。そのような試験装置の１つの特定の物理的実施形態が、図３〜５に示され、完全を期して、ここで説明する。そうするとき、図１および図３〜５の同様の参照番号は、同様の要素を示す点に留意されたい。
【００２７】
[0030]図３〜５を同時に参照すると、試験装置３００は、ハウジング組立体３０２、試験軸３０４（図５）、および駆動トルク発生源３０６を含む。ハウジング組立体３０２は、台座３０８上に取り付けられ、様々な要素の中でも特に、冷却用組立体３１２、複数の軸受支持部３１４、軸受カバー３１６、および回転子カバー３１８を含む。これらの要素は、共に適切に組み立てられたとき、排気され、かつ真空圧に維持されるのが好ましい内容積３２２を画定する。示された付属器具３２４のいくつかは、この排気を促進する。残りの付属器具３２４は、冷却用組立体３１２内への、かつ冷却用組立体３１２を通る冷却流を促進する。
【００２８】
[0031]試験軸３０４は、複数の軸受組立体１２８を介して、ハウジング組立体内容積３２２（図５）内に回転可能に取り付けられる。軸受組立体１２８は、ハウジング組立体内容積３２２内に配置され、各々がハウジング組立体３０２内に取り付けられる。試験軸３０４は、ハウジング組立体内容積３２２内に同様に配置される透磁性回転子１１４に結合される。具体的には、回転子カバー３１８は、透磁性回転子１１４を取り囲み、ハウジング組立体内容積３２２内に透磁性回転子１１４を封入することがわかる。試験軸３０４は、多くの技法のいずれか１つを使用して透磁性回転子１１４に結合することができるが、示された実施形態において、これらの要素は、各要素上に形成される嵌合ねじ山を介して、共に結合される。
【００２９】
[0032]駆動トルク発生源３０６は、支持部内に取り付けられ、磁気回転子１１２に結合し、磁気回転子１１２に駆動トルクを供給するように構成される。上述したように、駆動トルク発生源３０６は、様々に実装することができる。しかし、示された実施形態において、駆動トルク発生源３０６は、駆動モータを使用して実装される。駆動モータ３０６は、理解することができるように、様々に実装することもできる。たとえば、駆動モータ３０６は、多くの空気モータ、油圧モータ、または電気モータのいずれか１つを使用して実装することができる。特定の好ましい実施形態において、駆動モータ３０４は、電気モータである。
【００３０】
[0033]試験装置３００は、軸受組立体１２８の空転トルクを決定するのに使用されるのが好ましい。そうするために、上述の試験システム１００は、試験装置３００の一部として実装される。第１の光送受信機１０４（または関連の探針１３２）は、台座３０８に固定された取付具３１１（図３および４を参照）上に取り付けられ、第２の光送受信機１０６（または関連の探針１３２）は、回転子カバー３１８内の開口部３１３（図５を参照）内に、かつその開口部を通じて密閉するように配置されるのが好ましい。
【００３１】
[0034]本明細書に説明したシステム１００は、７ｘ１０−５Ｎ・ｍ（約０．０１インチ・オンス）の精度で軸受空転トルクを決定する。試験システム１００は、それを回転負荷に機械的に結合することを必要とせずに、これらの正確なトルク決定を提供する一方で、トルク駆動発生源を回転負荷から熱的に絶縁する。
【００３２】
[0035]上述の本発明の詳細な説明において、少なくとも１つの例示的な実施形態が示されてきたが、膨大な数の変形形態が存在することを理解されたい。１つの例示的な実施形態または複数の例示的な実施形態は、単なる例であり、本発明の範囲、適用性、または構成を限定することを決して目的とするものではない点も理解されたい。むしろ、上述の詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態を実施するのに便宜的な指針を当業者に提供する。添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態で説明した要素の機能および配置において、様々な変更を行うことができる点を理解されたい。
【符号の説明】
【００３３】
１００  非接触トルク決定システム
１０２  磁気結合体
１０４  第１の光送受信機
１０６  第２の光送受信機
１０８  処理装置
１１２  外側回転子
１１４  内側回転子
１１６  ハブ
１１７  第１の反射構造
１１８  磁石
１２２  内部表面
１２４  内容積
１２５  ハウジング
１２６  外部表面
１２７  第２の反射構造
１２８  軸受組立体
１３２  探針
１３４  光源／センサ回路デバイス
１３６  光ファイバケーブル
２０２  曲線
３００  試験装置
３０２  ハウジング組立体
３０４  試験軸
３０６  駆動トルク発生源
３０８  台座
３１１  取付具
３１２  冷却用組立体
３１３  開口部
３１４  軸受支持部
３１６  軸受カバー
３１８  回転子カバー
３２２  内容積
３２４  付属器具
【図１】
2011169901.tif 000003
【図２】
2011169901.tif 000004
【図３】
2011169901.tif 000005
【図４】
2011169901.tif 000006
【図５】
2011169901.tif 000007
【外国語明細書】
2011169901000001.pdf