(57)【要約】  本発明は、軸を支持する軸受装置（１０）において、その軸受装置（１０）は、軸受（１５）と、軸受（１５）を支持する支持構造体（１６）と、少なくとも１つのピエゾ抵抗センサ（２４、３０、５０）と、を有し、ピエゾ抵抗センサは、支持構造体（１６）の中に一体的に組み込まれ、軸受装置（１０）のフラックス領域に配置され、センサ（２４、３０、５０）の電気抵抗は、センサ（２４、３０、５０）に影響を与える軸受（１５）の垂直荷重に影響され、その結果、軸受（１５）の垂直荷重をセンサ（２４、３０、５０）において電気的に取り出すことができる、軸受装置（１０）に関する。さらに本発明は、軸の前記シャフト軸受の静的及び／又は動的な垂直軸受荷重を求める対応する方法、制御システム、及びシャフト軸受の垂直軸受荷重を求めるピエゾ抵抗センサの使用に関する。
2013512420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受（１５）を有し、軸を支持する軸受装置（１０）において、前記軸受装置（１０）は、前記軸受（１５）を支持する台座プレート（１３）、及び少なくとも１つのピエゾ抵抗センサ（２４，３０，５０）を備えた支持構造体（１６）を有し、前記ピエゾ抵抗センサ（２４，３０，５０）は、前記台座プレート（１３）の中に一体的に装着され、かつ前記軸受装置（１０）のパワーフロー領域に配置され、前記センサ（２４，３０，５０）の電気抵抗は、前記センサ（２４，３０，５０）に働く前記軸受（１５）の接触荷重に影響され、その結果、前記軸受（１５）の前記接触荷重は、前記センサ（２４，３０，５０）で電気的に取り出すことができることを特徴とする、軸受装置（１０）。
【請求項２】
１つ又は複数のピエゾ抵抗薄層（４４，６０）を有する前記センサ（２４，３０，５０）を備える、請求項１に記載の軸受装置（１０）。
【請求項３】
非晶質炭素（ＤＬＣ「ダイヤモンドライクカーボン」）の層を有する前記１つ又は複数のピエゾ抵抗薄層（４４，６０）を備える、請求項２に記載の軸受装置（１０）。
【請求項４】
１つ又は複数のセンサプレート（３２，３３，５１，５２，７４，７５）又はセンサディスクを有する前記センサ（２４，３０，５０）を備え、かつ前記ピエゾ抵抗薄層（４４，６０）が、前記センサプレート（３２，３３，５１，５２，７４，７５）又は前記センサディスクに付与されている、請求項２又は３に記載の軸受装置（１０）。
【請求項５】
前記ピエゾ抵抗薄層（４４，６０）に載置された少なくとも１つの接触電極（５５，７６）によって前記接触荷重を取り出すことができる、請求項２から４のいずれか一項に記載の軸受装置（１０）。
【請求項６】
前記ピエゾ抵抗センサ（２４，３０，５０）の温度が監視される、請求項１から５のいずれか一項に記載の軸受装置（１０）。
【請求項７】
ロータ、及び前記ロータのロータ軸を支持する複数の軸受装置（１０）を有し、前記ロータ軸は、静的に重複定義された態様で支持され、かつ前記軸受装置（１０）の少なくとも１つが、請求項１から６の一項に記載の軸受装置（１０）である、ロータシステム。
【請求項８】
軸の前記シャフト軸受の静的及び／又は動的な軸受接触荷重を求める方法において、前記軸は、静的に重複定義された態様で支持され、請求項１から６のいずれか一項に記載の１つ又は複数の軸受装置（１０）によって支持され、前記方法において、軸受接触荷重は、請求項１０に記載の少なくとも１つのピエゾ抵抗センサ（２４，３０，５０）を使用して電気的に取り出され、前記センサ（２４，３０，５０）は、台座プレート（１３）の中のパワーフロー領域に一体化されるように組み込まれている、方法。
【請求項９】
ロータ、及び前記ロータを駆動するためのロータ軸を有し、複数の軸受を備えたロータシステムに使用される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
シャフト軸受の前記軸受接触荷重を求めるためのピエゾ抵抗センサの使用であって、前記センサ（２４，３０，５０）が、請求項１から６のいずれか一項に記載の軸受装置（１０）のシャフト軸受（１５）の台座プレート（１３）の中に一体的に組み込まれていることを特徴とする、使用。
【請求項１１】
前記センサ（２４，３０，５０）が、少なくとも１つの層（４４，６０）を有する複数のセンサプレート又はディスクを備え、前記層（４４，６０）は、前記センサプレート又はディスクに付与され、非晶質炭素（ＤＬＣ「ダイヤモンドライクカーボン」）からなり、及び、前記層（４４，６０）は、非晶質炭素からなる前記少なくとも１つの層（４４，６０）と電気的に接触するために、センサプレート又はディスク（３２，３３，５１，５２，７４，７５）の間に接触電極（５５，７６）を有する、請求項１０に記載のピエゾ抵抗センサ（２４，３０，５０）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸の軸受接触荷重を計測するセンサを有する軸受装置に関する。特に、本発明は、センサを有し、そのセンサによって軸受の接触荷重を電気的に取り出すことができる軸受装置に関する。さらに、本発明は、センサを有する軸受装置を有するロータシステムに関する。さらに、本発明は、軸の静的及び／又は動的な軸受接触荷重を求めるための対応する方法、対応する制御システム、及びシャフト軸受の軸受接触荷重を求めるためのセンサの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の軸受を備えたロータシステムは、単一又は多重に静的に重複定義されている（simply or multiply statically over-defined）。これは、軸に対する軸受の幾何学的な位置（又は、逆も同様）（以下に続く本明細書では、アライメントと称される）の変化は、軸受接触荷重の変化になるということを意味する。軸及び軸受システムの幾何学的な構成によって、非常に小さいアライメント変化でも、軸受で大きな荷重変化となり、結果的に軸システムの曲げ応力の大きな変化にもなる。ジャーナル軸受の負荷依存型の動的特性のために、このようなロータシステムの動的特性も、同様に、接触荷重分布とともに変化する。
【０００３】
逆に、複数の軸受を備えたロータシステムの静的接触荷重を知ることによって、軸システムに対する軸受のアライメントの評価が可能である。動的接触荷重を知ることによって、複数の軸受を備えたロータシステムの振動状態の評価が可能である。
【０００４】
アライメントの誤差は、軸の曲げ応力負荷の増加をもたらすことがあり、かつ過度の振動及び軸受損傷をもたらすことがある。同様に、高い動的接触荷重は、軸受損傷、又は、油ラインなどの、近辺の又は接続された構成部材に、派生的な損傷をもたらすことがある。許容可能な最大の振動強度は、運転員によって特定されることが多い。静的及び動的接触荷重の１つの特徴は、それらは、短期間にも長期間にも運転中に変化し得るということである。短期間の変化は、例えば、昇温プロセス及び負荷変化によって引き起こされる。長期間の変化は、例えば、クリープ変形及び沈降現象（seating phenomena）によって引き起こされる。さらに、静的接触荷重の変化は、様々でしばしば不明瞭である運転挙動の変化によって明らかとなるため、直接的に確認することができない。動的接触荷重は、一般的に振動計測によって求められるが、その定量的な評価は、システム剛性が同時に分かっているときだけ可能であり、したがって、かなり不確実であることがある。
【０００５】
これまで、静的軸受接触荷重、及び軸受に対する軸アライメントは、設定誤差が全くないか又は限られた設定誤差しかない状態で、軸継手を互いに接続することによって求められてきた。しかしながら、この方法において、運転中の変化は直接的に記録されない。実際、軸受温度計測、油圧力上昇、及び振動などの間接計測が行われ、それによって、軸受に対する軸アライメントの運転中の変化の可能性について間接的な結論が引き出され得る。停止期間中、軸継手が「切り離され」、かつ軸継手位置の誤差を計測することによって、アライメントが求められる。同様に、機械基礎（machine foundation）及び静止構成部材（stationary components）について運転中に実施される動き計測によって、長期間及び短期間に生じる許容不可能な程度に大きな軸受接触荷重の変化の指示が、提供される。
【０００６】
動的軸受接触荷重は、振動計測によって求められる。相対及び絶対振動計測の両方が、この目的のために実施される。相対振動計測の場合、軸の振動は、一般的に、ピックアップの動きに対して計測される。ピックアップは、軸受又は軸受ハウジングに取り付けられている。絶対振動計測の場合、絶対的な動きは三次元で計測される。この場合、送信機、すなわち絶対的な動きを求めるためのセンサ又は計測プローブは、一般的に、軸受又は軸受ハウジングに取り付けられる。接触推定に関する推定が、これらの計測値、及び支持部の剛性に関する更なる仮定によって、行われ得る。
【０００７】
しかしながら、上述の方法は、場合によっては、かなり不確実であると共に、求められるべき軸受接触荷重の推定のみ提供するという共通の特徴を有する。
【０００８】
特許文献１は、センサを有する軸受を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】仏国特許出願公開第２８５２０８９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の１つの目的は、静的及び動的軸受接触荷重を正確に求めることができる、軸受装置、軸受装置を備えたロータシステム、及び軸受装置における静的及び動的軸受接触荷重を計測する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、独立請求項１に記載の軸受装置によって達成されるとともに、他の独立請求項６、８、１０に記載のロータシステム、軸受接触荷重を求める方法、及びセンサの使用によって達成される。
【００１２】
独立請求項１によれば、軸を支持する軸受装置が提供され、該軸受装置は、軸受と、軸受を支持するための支持構造体と、支持構造体の中に一体的に組み込まれると共に、軸受装置のパワーフロー領域に配置された少なくとも１つのピエゾ抵抗センサと、を有する。センサに働く軸受の接触荷重は、センサの電気抵抗に影響を与え、その結果、軸受の接触荷重は、センサで電気的に取り出すことができる。
【００１３】
本発明に係る軸受装置は、軸受の接触荷重が直接的な計測によって求められ得るという利点を有する。特に、この理由は、センサが支持構造体の中に一体的にパワーフローの中に組み込まれ、したがって、計測されるべき接触荷重がセンサに直接働き、次に、このセンサが、その電気抵抗の挙動は圧力に依存するので、その圧力依存型の抵抗特性にしたがって、それに働く荷重を電気的に取り出すことを可能にするということにある。
【００１４】
ピエゾ抵抗センサの場合、すなわち圧力依存型の電気抵抗の挙動を有するセンサの場合、荷重がセンサに働いたとき、全く変形が生じないか、又は、例えば、ナノメートル領域の小さな変形だけが生じる。同時に、荷重がセンサに働いたとき、センサ材料の圧力が変化する結果として、計測可能な電気抵抗の変化がすでに生成されている。
【００１５】
とりわけ、これは、本発明の１つの利点として、センサが、支持構造体の中のパワーフロー領域において、軸受装置の中の負荷支持部の機能を果たすということを意味する。センサは、パワーフロー領域に配置される。本発明に係る軸受装置の場合、センサが支持構造体の中に一体的に配置されているので、センサを備える結果として構造的完全性の低下は全くない。
【００１６】
静的軸受接触荷重及び動的軸受接触荷重の両方が、本発明に係る軸受装置を使用して直接求められ得るということは有利である。間接計測とは対照的に、このことは、特にさらに振動診断において、不確実さ及び推定誤差の低減を結果として生じる。したがって、直接計測とは対照的に、実際の軸受接触荷重と間接計測によって提供された計測値との関係は、不正確にしか分からないことが多いので、間接計測は、一般的に、軸受接触荷重を求めるための指示のみを提供し、不正確な表示のみを可能とする。
【００１７】
軸受装置を有する機械の運転中、及びそれが静止しているときの両方において、計測が実施され得る。これは、特に歪みゲージによる計測を上回る利点である。何故なら、歪みゲージを使用する場合、計測点は変形される必要があり、これは、機械が運転中には実際的でなく又は実施可能でないからである。
【００１８】
本発明は、電気的計測の原理に基づいているので、標準的な評価及び診断方法が使用され得る。計測値は、警報及び警告値に接続され得、自動監視を可能にする。また、静止構成部材の長期間の評価は、長期間のアライメント変化の特定を可能にする。さらに、本発明に係る解決手段は、静止した非回転構成部材のみが影響を受けるだけであるので、すべてのタイプの機械に使用され、かつ容易に実行され得る。その分析精度は、あらゆる既知のリアルタイムの方法と比較して、大幅に向上される。
【００１９】
本発明の１つの発展によれば、センサは、１つの又は複数のピエゾ抵抗薄層を有する。センサの薄層の１つの利点は、軸受装置が、材料の少ない使用及び小さい体積で、大きい領域のセンサを備えることが可能であり、比較的大きい領域が、パワーフローに対して直角に配置され、したがって、できるだけ高感度で正確な圧力計測又は接触荷重計測を可能にするということである。しかしながら、本発明は、薄層を備えたセンサ、すなわちいわゆる薄膜センサに限定されず、必要に応じて、より厚い層を使用することも可能であり、それは、特に使用されるセンサ材料の性質にも依存し得る。
【００２０】
１つ又は複数のピエゾ抵抗薄層が、非晶質炭素であるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の層を有することが好ましい。これによって、高いセンサ感度を生じる。しかしながら、本発明は、センサ材料としてＤＬＣに限定されず、特にＤＬＣ薄層センサに限定されない。代替的に、他のピエゾ抵抗材料も使用され得る。例えば、シリコンも使用され得る。
【００２１】
センサが、１つ又は複数のセンサプレート又はセンサディスクを有し、ピエゾ抵抗薄層が、センサプレート又はセンサディスクに付与されていることが好ましい。センサディスク又はセンサプレートの１つの利点は、ピエゾ抵抗センサが、狭い許容誤差で製作し得るということである。例えば、最初に、センサディスク及びそれに付与されたピエゾ抵抗層を含むユニットが製作され、この場合において、ピエゾ抵抗層の表面は、滑らかな接触表面を生成するために再加工され得る。センサディスク及びピエゾ抵抗層を有するユニットは、この目的のために軸受装置の支持構造体の中に提供された切り欠きの中へ導入される。さらに、本発明によれば、センサディスクの厚さは、軸受装置のピエゾ抵抗センサが機械的にプレストレスを与えられるように選定され得る。機械的なプレストレスを提供することによって、センサの計測特性を改善することが可能となり、例として、取り付けられたセンサに対して線形計測特性が達成され得る。
【００２２】
好ましくは、ピエゾ抵抗薄層に載置された少なくとも１つの接触電極によって接触荷重を取り出すことができる。取り出すために接触電極を使用する１つの利点は、センサのピエゾ抵抗層を通過せずにピエゾ抵抗層を「バイパス」する電流の影響が最小化されるので、抵抗計測の評価、又はピエゾ抵抗センサにおいて生じる抵抗変化の評価が、より正確に求められ得るということである。しかしながら、本発明は、そのような直接接触をする接触電極に限定されない。代替的に、例えば、後面、すなわちセンサディスクの被覆されていない表面だけに電気的接続部を設けることによって、センサの抵抗変化が、ピエゾ抵抗層に直接載置されていない電極のみによって求められ得る。しかしながら、上述のように、このような代替的な実施形態の場合、電気的接続部の間に導電接続が形成され、意図する圧電層の抵抗計測を悪化させるリスクが増加する。例示的な一実施形態では、センサに直接載置される接触電極を設けることよりも、非導電性の表面を有する切り欠きの中にセンサを一体化させることによって、この問題は解決される。
【００２３】
好ましくは、ピエゾ抵抗センサの温度が監視される。温度が監視されるセンサは、軸受装置の温度変化によって生じるセンサの抵抗変化が、センサ信号の評価においてより良く補償され得るという利点を有する。例えば、センサの較正曲線が、この目的のために使用され得る。この較正曲線は、軸受接触荷重の固定値に対するセンサの抵抗値をセンサ温度の関数として示す。
【００２４】
本発明によれば、ロータ、及びロータのロータ軸を支持する複数の軸受装置を有するロータシステムも提供され、ロータ軸は、静的に重複定義された態様で支持され、かつ軸受装置の少なくとも１つが、上述した本発明に係る軸受装置の１つである。
【００２５】
さらに軸のシャフト軸受の静的及び／又は動的な軸受接触荷重を求める方法であって、軸が、静的に重複定義された態様で支持され、かつ本発明に係る１つ又は複数の軸受装置によって支持され、該方法において、軸受接触荷重は、少なくとも１つのピエゾ抵抗センサによって電気的に取り出され、該ピエゾ抵抗センサは、シャフト軸受のうちの１つの支持構造体の中のパワーフロー領域に一体化されるように組み込まれている、前記方法が提供される。本発明の例示的な一実施形態によれば、前記方法は、ロータとロータを駆動するためのロータ軸とを有し、複数の軸受を備えたロータシステムに適用される。
【００２６】
さらに、軸のシャフト軸受の静的及び／又は動的な軸受接触荷重を監視する制御システムであって、該軸が、単一又は多重に静的に重複定義されるように支持され、軸は、本発明による１つ又は複数の軸受装置によって支持されている、前記制御システムが提供される。前記制御システムは、シャフト軸受のうちの１つの支持構造内において、パワーフロー領域に一体化されるように組み込まれている少なくとも１つのピエゾ抵抗センサから信号を読み取る読み取りユニットと、少なくとも１つのピエゾ抵抗センサから受けた信号から軸受接触荷重の計算をする更なる電子的な処理をするユニットと、を有する。本発明の１つの発展によれば、制御システムは、計算された軸受接触荷重を使用者のために表示する出力ユニットを有する。本発明に係る制御システムは、複数の軸受を有するロータシステムに接続されると共に、さらに、センサ信号から計算された軸受接触荷重に応答して、ロータシステムのロータの回転速度を制御するように構成されていることが好ましい。本発明の１つの発展によれば、本発明に係る制御システムは、使用者に警報するための、及びセンサ信号から計算された軸受接触荷重を用いて軸受接触荷重の決定的な閾値が超えられたかどうかを決定する警報ユニットを有する。
【００２７】
さらに、本発明は、上述のように、シャフト軸受の軸受接触荷重を求めるためのピエゾ抵抗センサの使用であって、前記センサが、軸受装置のシャフト軸受の支持構造体の中に一体的に組み込まれている、前記使用を提供する。好ましくは、使用されるセンサは、少なくとも１つの層を有する複数のセンサプレート又はセンサディスクを備え、該層は、センサプレート又はセンサディスクに付与され、非晶質炭素（ＤＬＣ）からなり、及び、その層は、非晶質炭素からなる少なくとも１つの層と電気的に接触するために、センサプレート又はディスクの間に接触電極を有する。
【００２８】
本発明の好適な例示的な一実施形態を、添付の概略図を参照して以下の本明細書で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の例示的な一実施形態に係る軸受装置の斜視図である。
【図２】図１に示された本発明の例示的な実施形態の軸受装置の構成部材の詳細図である。
【図３】図２のピエゾ抵抗センサの構成部材の概略図である。
【図４】図２のピエゾ抵抗センサの構成の概略断面図である。
【図５】図２のピエゾ抵抗センサの構成部材の概略図である。
【図６】図２のピエゾ抵抗センサの構成の概略断面図である。
【図７】本発明の例示的な一実施形態に係るピエゾ抵抗センサの電気回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
同じ参照記号は、図面に関する以下の説明の中において同じ部材を示す。例として、図１及び図２は、発電所で使用される高圧タービン要素の支持構造体の中の３つのセンサの取り付けを示す。図１は、本発明の例示的な一実施形態に係る軸受装置１０の斜視図を示す。軸受構造体１１は、軸受保持部１４に保持された軸受１５を有する。軸受保持部１４は、台座プレート１３の上に取り付けられた保持部、または軸受台座１２の上に着座している。軸受保持部１４、軸受台座１２、及び台座プレート１３は、軸受装置１０の軸受１５のための支持構造体１６を形成する。図１に示されるように、台座プレート１３は穴１７を含み、穴１７は、ピエゾ抵抗センサ２４を対象としたものであり、そのセンサ２４を支持構造体１６の中へ、この場合では台座プレート１３の中へ、一体的に導入するためのものである。
【００３１】
しかしながら、本発明は、図１に示された軸受構造体１１、又はジャーナル軸受を有する軸受構造体に限定されず、回転軸を支持するのに適した任意の他の構造の軸受タイプ及び軸受構造体に適用することが可能である。
【００３２】
図２は、図１に示された本発明の例示的な実施形態の軸受装置の構成部材の詳細図である。図２及び図１に示された例示的な実施形態によれば、ピエゾ抵抗センサ２４は、円筒形状を有しているとともに台座プレート１３に設けられた穴１７の中へ正確な嵌め合いで導入されている。この場合、穴１７の深さと比較したピエゾ抵抗センサ２４の高さは、支持構造体が組み立てられたとき、十分に高い静的圧力がセンサ部材に形成されるように選択されるべきである。運転中にセンサに働き、そして軸受装置に働く荷重は、これによって結果として十分に大きな機械的プレストレスが生じるように設定されることが好ましい。図２に示されるように、台座プレート１３は、ピエゾ抵抗センサ２４へと電気的接続するための導線２５を供給する溝２６を有する。導線２５は、抵抗測定のために使用される。さらに、温度測定のためのフィード（図示せず）が、設けられることも可能である。
【００３３】
ピエゾ抵抗センサ２４は、台座プレート１３の中へ一体的に装着されているので、それらは、支持構造体１６の中で負荷支持機能を発揮する。したがって、例えば、組み立てられた軸受装置１０の支持構造体１６の中に、中身の詰まっていない余計な空洞が生じることがないので、本発明による支持構造体１６には、静力学及び動力学の観点から見て、一体化されたセンサのない一般的な支持構造体と比較して、重大な構造的な変化又は損失がない。
【００３４】
センサ２４の形は、図２に示された円筒形状に限定されない。例えば、別の例示的な実施形態によれば、細長い長方形のセンサ、すなわちストリップ形状のセンサが設けられる。それは、軸受装置のパワーフロー領域にある支持構造体の中へ、パワーフロー方向に対して直角に、一体的に組み込まれる。
【００３５】
図１及び図２の例示的な実施形態によれば、センサは、取り付けられた状態で完全に台座プレート１３の材料によって囲まれており、それによって、センサの配置が非常に強固になる。しかしながら、別の例示的な実施形態によれば、台座プレートの縁部領域における接触荷重を求めるための長方形圧電センサが、台座プレートの穴又は凹所に挿入され、センサの縁部と台座プレートの縁部とが、互いに同一平面となるように整列させられる。
【００３６】
さらに別の例示的な実施形態によれば、センサはセンサディスクを有さず、かつピエゾ抵抗薄層が直接台座プレートに付与される。その結果、センサディスクが挿入され得る深い穴は必要ではなく、最大限でも平坦なくぼみが設けられ、そこに薄層が配置される。この場合、薄層は、パワーフロー方向に対して直角に配置される。
【００３７】
図１及び図２に示された例示的な実施形態において、３つのセンサ２４が使用されているが、さらに多くの数の又はさらに少ない数のセンサを使用することも可能である。別の例示的な実施形態において、パワーフローの閾値が決定的に超えられたかどうかを検出するために、単一のセンサだけが使用される。また、さらに別の例示的な実施形態において、検出精度を高めるために３つ以上のセンサが設けられる。
【００３８】
例として、図３は、ピエゾ抵抗センサ３０の構成部材の概略図を示す。図３に示されたセンサ３０は、図２のセンサ２４に相当し、かつ円形のセンサディスク３２、３３を有する。センサディスク３２、３３の説明において斜線部分によって示されるように、センサディスク３２、３３は、例えば、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などのピエゾ抵抗材料で被覆されている。ピエゾ抵抗材料は、２つのセンサディスク３２、３３の間に配置された接触電極３１と電気的に接続し、その結果、接触電極が、センサディスク３２、３３の上のピエゾ抵抗材料に接するようになっている。
【００３９】
図４は、図３に示されたピエゾ抵抗センサの構成の概略断面図である。図４に示されるように、接触電極３１は、センサディスク３２とセンサディスク３３との間に、サンドイッチのように配置されている。ピエゾ抵抗層４４は、センサディスク３２、３３に付与され、接触電極３１に接触している。接触電極３１は、箔状の構造を有している。好適な例示的な一実施形態によれば、接触電極３１は、鋼箔である。センサ３０の電気抵抗は、電気的接続部４５及び電気的接続部４６を用いることによって計測することができる。
【００４０】
この場合、図４に示された構成において、センサディスク３３に付与された下部ピエゾ抵抗層４４の抵抗が計測される。接続部４５が、図４に示す下部センサディスク３３の代わりに、上部センサディスク３２に装着されている場合、２つの層４４のうちの上部の抵抗を計測することが可能である。
【００４１】
さらに別の例示的な実施形態によれば、接触電極３１が存在せず、かつ電気的接続部が、上部及び下部のセンサディスク３２、３３に装着されている。
【００４２】
例として、図５は、ピエゾ抵抗センサ５０の構成部材の概略図を示す。図５に示されたセンサ５０は、図２のセンサ２４に相当するが、例として図３に示されたセンサ３０とは対照的に、センサ５０は、１つのセンサディスク５１の上にのみ、圧力依存型の電気抵抗の材料のコーティングを有する。それとは対照的に、第２のセンサディスク５２には、このようにピエゾ抵抗層は設けられていない。電極５３及び電極５４は、ピエゾ抵抗層と電気的に接続するために装着され、かつ電極基板５５の上に取り付けられている。図３及び図４に示された例示的な実施形態の電極３１と対照的に、電極基板５５は、導電性材料から製造されているのではなく、電気絶縁材料から製造されている。例として、電極基板５５は、ポリアミドフィルムである。しかしながら、本発明に係る軸受装置のセンサの電極構造は、電極５３及び電極５４を有する図５に示された電極に限定さない。この代わりに、要求によっては、例えば、位置依存の観点から計測精度をさらに最適化するために、様々な電極形状を使用することも可能である。
【００４３】
図６は、図５のピエゾ抵抗センサの構成の概略断面図を示す。図６に示されるように、センサディスク５１に付与されると共にこの例示的な実施形態においてＤＣＬ層であるピエゾ抵抗層６０は、電極基板５５に接触させられる。この場合、電極５３、５４は、図６に示された配置から分かるように、ピエゾ抵抗層６０に面する。図６において、電気的接続部６２、６３が、電極基板及び電極の下部表面から離れるように導かれる。センサディスク５１には、ピエゾ抵抗層６０の抵抗を計測することができるようにするために電気的接続部６１が設けられている。
【００４４】
図７は、本発明の例示的な一実施形態に係るピエゾ抵抗センサ７０の電気回路を示す。センサ７０は、ピエゾ抵抗層に被覆された２つのセンサプレート７４、７５を有する。センサプレート７４、７５又はそれらのピエゾ抵抗層は、電極７６と電気的な接触をしている。電極７６とセンサプレート７４及びセンサプレート７５とは、図７に示された配置のように、互いに電気的に接続されている。図７に示された回路によって、二者択一の抵抗計測が可能である。
【００４５】
実線で示された第１回路は、電源Ｕと、バイアス抵抗器又は基準抵抗器７１と、電圧計測器７２と、を含む。第１回路が閉の場合、電圧計測器７２は、次式を使用して、センサプレート７４の上のピエゾ抵抗層の電気抵抗Ｒｓｅｎｓｏｒ、及びそれに適用される層を含むセンサプレート７４全体の電気抵抗を求めるために使用され得る。
Ｒｓｅｎｓｏｒ＝（Ｕｓｅｎｓｏｒ・Ｒｒｅｆ）／（ＵＳＱ−Ｕｓｅｎｓｏｒ）
【００４６】
ここで、Ｕｓｅｎｓｏｒは、上部センサディスク７４の抵抗層を横切る電圧降下であり、Ｒｒｅｆは、基準抵抗器７１の電気抵抗であり、ＵＳＱは、電源７６によって提供される電圧である。
【００４７】
第２回路において、センサディスク７４の電気接触は中断され（図７には示されず）、図７において点線で示される回路部によって回路が閉じられる。上記の式が同様に使用されることによって、下部センサプレート７５の圧電層の抵抗を電圧計測器７３によって求めることが可能である。計測の精度は、下部層及び上部層の両方を横切る電圧降下を計測することによって高めることが可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  軸受装置
１１  軸受構造体
１２  軸受台座
１３  台座プレート
１４  軸受保持部
１５  軸受
１６  支持構造体
１７  穴
２４  ピエゾ抵抗センサ
２５  導線
２６  溝
３０  ピエゾ抵抗センサ
３１  接触電極
３２  センサディスク
３３  センサディスク
４４  ピエゾ抵抗層
４５  電気的接続部
４６  電気的接続部
５０  ピエゾ抵抗センサ
５１  センサディスク
５２  センサディスク
５３  電極
５４  電極基板
５５  電極基板
６０  ピエゾ抵抗層
６１  電気的接続部
６２  電気的接続部
６３  電気的接続部
７０  ピエゾ抵抗センサ
７１  基準抵抗器
７２  電圧計測器
７３  電圧計測器
７４  センサプレート，センサディスク
７５  センサプレート，センサディスク
７６  電極，電源
【図１】
2013512420.tif 000003
【図２】
2013512420.tif 000004
【図３】
2013512420.tif 000005
【図４】
2013512420.tif 000006
【図５】
2013512420.tif 000007
【図６】
2013512420.tif 000008
【図７】
2013512420.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成24年9月5日(2012.9.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受（１５）を有し、軸を支持する軸受装置（１０）において、前記軸受装置（１０）は、前記軸受（１５）を支持する台座プレート（１３）、及び少なくとも１つのピエゾ抵抗センサ（２４，３０，５０）を備えた支持構造体（１６）を有し、前記ピエゾ抵抗センサ（２４，３０，５０）は、前記台座プレート（１３）の中に一体的に装着され、かつ前記軸受装置（１０）のパワーフロー領域に配置され、前記センサ（２４，３０，５０）の電気抵抗は、前記センサ（２４，３０，５０）に働く前記軸受（１５）の接触荷重に影響され、その結果、前記軸受（１５）の前記接触荷重は、前記センサ（２４，３０，５０）で電気的に取り出すことができることを特徴とする、軸受装置（１０）。
【請求項２】
１つ又は複数のピエゾ抵抗薄層（４４，６０）を有する前記センサ（２４，３０，５０）を備える、請求項１に記載の軸受装置（１０）。
【請求項３】
非晶質炭素の層を有する前記１つ又は複数のピエゾ抵抗薄層（４４，６０）を備える、請求項２に記載の軸受装置（１０）。
【請求項４】
１つ又は複数のセンサプレート（３２，３３，５１，５２，７４，７５）又はセンサディスクを有する前記センサ（２４，３０，５０）を備え、かつ前記ピエゾ抵抗薄層（４４，６０）が、前記センサプレート（３２，３３，５１，５２，７４，７５）又は前記センサディスクに付与されている、請求項２又は３に記載の軸受装置（１０）。
【請求項５】
前記ピエゾ抵抗薄層（４４，６０）に載置された少なくとも１つの接触電極（５５，７６）によって前記接触荷重を取り出すことができる、請求項２から４のいずれか一項に記載の軸受装置（１０）。
【請求項６】
前記ピエゾ抵抗センサ（２４，３０，５０）の温度が監視される、請求項１から５のいずれか一項に記載の軸受装置（１０）。
【請求項７】
ロータ、及び前記ロータのロータ軸を支持する複数の軸受装置（１０）を有し、前記ロータ軸は、静的に重複定義された態様で支持され、かつ前記軸受装置（１０）の少なくとも１つが、請求項１から６の一項に記載の軸受装置（１０）である、ロータシステム。
【請求項８】
軸の前記シャフト軸受の静的及び／又は動的な軸受接触荷重を求める方法において、前記軸は、静的に重複定義された態様で支持され、請求項１から６のいずれか一項に記載の１つ又は複数の軸受装置（１０）によって支持され、前記方法において、軸受接触荷重は、少なくとも１つのピエゾ抵抗センサ（２４，３０，５０）を使用して電気的に取り出され、前記ピエゾ抵抗センサ（２４，３０，５０）が、請求項１から６のいずれか一項に記載の軸受装置（１０）のシャフト軸受（１５）の台座プレート（１３）の中に一体的に組み込まれ、シャフト軸受の軸受接触荷重を求めるためのピエゾ抵抗センサであり、前記センサ（２４，３０，５０）は、台座プレート（１３）の中のパワーフロー領域に一体化されるように組み込まれている、方法。
【請求項９】
ロータ、及び前記ロータを駆動するためのロータ軸を有し、複数の軸受を備えたロータシステムに使用される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
シャフト軸受の前記軸受接触荷重を求めるためのピエゾ抵抗センサの使用方法であって、前記センサ（２４，３０，５０）が、請求項１から６のいずれか一項に記載の軸受装置（１０）のシャフト軸受（１５）の台座プレート（１３）の中に一体的に組み込まれていることを特徴とする、使用方法。
【請求項１１】
前記センサ（２４，３０，５０）が、少なくとも１つの層（４４，６０）を有する複数のセンサプレート又はディスクを備え、前記層（４４，６０）は、前記センサプレート又はディスクに付与され、非晶質炭素からなり、及び、前記層（４４，６０）は、非晶質炭素からなる前記少なくとも１つの層（４４，６０）と電気的に接触するために、センサプレート又はディスク（３２，３３，５１，５２，７４，７５）の間に接触電極（５５，７６）を有する、請求項１０に記載のピエゾ抵抗センサ（２４，３０，５０）の使用方法。
【国際調査報告】
2013512420.tif 000010
2013512420.tif 000011
2013512420.tif 000012
2013512420.tif 000013
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