(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両のための機械的な部材であって、表面と、前記部材に負荷される力を検出するための、測定範囲に割り当てられた力センサとを有する測定範囲を備えており、前記力センサが、前記測定範囲（ｘ）の前記表面へ設けられ、カーボンナノチューブから成る、以下ではＣＮＴ層（５）と呼ばれる層（５）を含んでいる、前記機械的な部材において、
当該機械的な部材が、シャシの結合リンク（１）として形成されており、前記結合リンク（１）が、ボールジョイント（２）を介して、軸部（３ｂ）を備えるボールスタッド（３）に結合されており、前記ＣＮＴ層（５）が、前記ボールスタッド（３）の円すい状に形成された前記軸部（３ｂ）へ設けられていることを特徴とする機械的な部材。
【請求項２】
前記ＣＮＴ層（５）と前記部材（３ｂ）の表面の間に絶縁層（４）が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の機械的な部材。
【請求項３】
前記ＣＮＴ層（５）が、導電性の結合部を形成しているとともに、少なくとも１つの入力接触部（６）及び少なくとも１つの出力接触部（７）を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の機械的な部材。
【請求項４】
前記入力接触部及び前記出力接触部（６，７）が、導電体（６ａ，７ａ）を介して評価電子機器（８）及び電源に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の機械的な部材。
【請求項５】
前記ＣＮＴ層（５）が、前記部材（３ｂ）の表面に付着するラッカー層として形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の機械的な部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面と、部材に負荷される力を検出するための、測定範囲に割り当てられた力センサとを有する測定範囲を備えた、車両のための機械的な部材に関するものである。本発明は、特別な力センサの使用方法に関するものでもある。
【背景技術】
【０００２】
出願番号第１０２０１３２１３６７２．２号を有する本出願人の以前の出願には力センサを有する機械的な部材が開示されており、この機械的な部材は、好ましい実施形態において結合リンクとして形成されており、力センサは曲げ弾性的な変更要素として形成されていて、力センサは、測定範囲の内部に係合式に結合リングに結合されている。このとき、変形要素は、棒状に形成された結合リンクにおける機械的な負荷の増強部として作用し、結合リンク内では第１に引張応力及び圧縮応力が生じる。圧縮応力又は引張応力から生じる結合リンクの圧縮ひずみ又は引張ひずみ（延び）は、弓状に形成された変形要素へ伝達され、曲げを生じさせ、これにより、引張ひずみ又は圧縮ひずみが増強される。磁性材料から製造されている変形要素の機械的な変化が磁場の変化と同時に現れ、このことは、測定可能であるとともに電気信号へ変換可能である。変形要素の変形は、適当なセンサ、好ましくは磁場測定の実行の下で検出される。
【０００３】
特許文献１により力センサを有するトレーラ連結部が知られており、力センサは、好ましくはひずみ測定ゲージとして形成されているとともに連結フックの表面に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１１１１７５１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、機械的な部材における力測定の更なるポテンシャルを利用し尽くすことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題は、独立請求項１の特徴によって解決される。有利な構成は、従属請求項から明らかである。
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、力センサが測定範囲の表面に設けられた、カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ：ＣＮＴ）又はカーボンナノチューブ（Ｋｏｈｌｅｎｓｔｏｆｆ−Ｎａｎｏｒｏｅｈｒｃｈｅｎ）から成る層として形成されているように設定されている。材料であるカーボンナノチューブ（以下「ＣＮＴ」という。）は、それ自体公知である：微視的に小さなチューブ状の炭素から成る形成物である。本発明により用いられるＣＮＴ材料は、導電性であるとともに、さらに、機械的な負荷時、例えば力の入力による引張ひずみ時又は圧縮ひずみ時にその電気抵抗が変化するという特性を有している。この作用は、ＣＮＴ材料を力センサの感応要素として使用するために、本発明により用いられる。このとき、ＣＮＴ材料は、層として、負荷を受ける部材の表面へ設けられる。このことは、感応要素が直接部材の部材の力の作用経路に直接位置し、すなわち負荷を受ける部材の引張ひずみ又は圧縮ひずみが、部材の表面へ付着するＣＮＴ層へ直接伝達されるという利点を有している。このとき、正確な力の計測が得られる。また、適当な、好ましくはラッカーの形態の結合剤に含まれているＣＮＴ材料が好ましくは塗布によって容易に部材へ貼付され得ることが有利である。
【０００８】
有利な実施形態によれば、ＣＮＴ層と部材の表面の間に絶縁層が配置されており、この絶縁層は、導電性のＣＮＴ層を導電性の部材に対して絶縁するものである。したがって、ＣＮＴ層は、絶縁性の設置後に設けられることが可能である。
【０００９】
機械的な部材が非導電性の材料、好ましくは合成樹脂から製造されている限り、絶縁層は不要である。
【００１０】
別の好ましい実施形態によれば、ＣＮＴ層が少なくとも１つの入力接触部及び少なくとも１つの出力接触部を備えている。上述のように、力の測定は、部材の機械的な負荷によるＣＮＴ層の電気抵抗の変化を測定することによって行われる。各接触部の間ではＣＮＴ層を好ましくは特に定電流が流れ、電気抵抗が変化するときに電圧の変化が生じ、この電圧は、信号として測定可能であるととも評価可能である。これに代えて、測定を、変化する、一定でない電流においても行うことが可能である。
【００１１】
別の好ましい実施形態によれば、入力接触部及び出力接触部が、導電体を介して評価電子機器及び電源に接続されている。評価電子機器を介して、電気信号、特に電圧信号が、部材の測定された負荷を表す信号へ変換される。
【００１２】
別の好ましい実施形態によれば、ＣＮＴ層が、部材の表面に付着するラッカー層として形成されている。したがって、ＣＮＴ材料はラッカーに含まれており、このラッカーは、部材の測定範囲へ容易に設けられることができ、そこで永続的に抵抗性の層を形成する。
【００１３】
別の好ましい実施形態によれば、機械的な部材が、シャシの結合リンクとして形成されており、棒状に形成された結合リンクは、好ましくはボールジョイントを介して、軸部を備えるボールスタッドに結合されている。ＣＮＴ層あるいはラッカー層は、結合リンクの表面へ、又は好ましくは円筒状若しくはやや円すい状に形成されたボールスタッドへ設けられることが可能である。後者の場合には、結合リンクで作用する軸方向の引張力又は圧縮力によってボールスタッドにおける曲げ応力が引き起こされ、したがってこの引張力又は圧縮力が増強される。したがって、ボールスタッドに設けられたＣＮＴ層では、より大きな引張ひずみ又は圧縮ひずみ（変形）と、したがってより大きな信号が生じる。すなわちより正確な測定が可能である。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、力センサのための感応要素としてのＣＮＴ材料の使用方法が設定されている。これにより、適宜の機械的な部材における力の測定のためのより良好かつより単純な可能性が得られる。
【００１５】
本発明の上述の特徴は、本発明の範囲を逸脱しない限り、それぞれ記載された組合せにおいてのみならず他の組合せ又は単独で用いることが可能である。また、本発明の個々の機械的な要素の機能の機械的な改変をもたらすことも同様に本発明の範囲内にある。
【００１６】
本発明の各実施形態は、図面に図示されているとともに、以下に詳細に説明され、この説明及び／又は図面から更なる特徴及び／又は利点が明らかであり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】結合リンクにおけるＣＮＴ層を有する本発明による力センサを示す図である。
【図２】ＣＮＴ層の概略的な図である。
【図３】図１に基づく詳細（図１に基づく力センサの詳細）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１には、縮小して図示された、棒状に形成された結合リンク１が示されており、この結合リンクは、その不図示の自由端で原動機付き車両のためのシャシのスタビライザにリンク式に結合されている。機械的な部材の実施例である結合リンク１は、軸方向力ＦＡｘｉａｌで負荷されるとともに、ボールジョイント２を介してボールスタッド３に結合されており、ボールスタッド３は、ボールヘッド３ａ、軸部３ｂ及びネジ部分３ｃを備えている。ボールスタッド３は、ネジ部分３ｃを介して不図示の態様で別のシャシ部材、例えばサスペンションストラットに固結されている。したがって、ボールスタッド３が、静的に見て、ネジ部分３ｃの範囲で結合されている一方、ボールヘッド３ａには軸方向力ＦＡｘｉａｌが作用し、これによって、曲げモーメントが軸部３ｂに作用するとともに、ボールジョイントのボールへ径方向に作用する力が加えられる。したがって、引張応力及び圧縮応力で構成される曲げ応力が軸部３ｂの範囲に生じる。引張応力及び圧縮応力により生じる変形、すなわち軸部３ｂの表面の範囲における一方では引張ひずみ（延び）と、他方では圧縮ひずみとが測定されることとなる。軸部３ｂの範囲における曲げ応力の値は本質的に結合リンク１における圧縮応力の値よりも大きいため、増強作用が生じる。
【００１９】
本発明によれば、軸部３ｂの表面には絶縁層４が設けられており、この絶縁層４には、カーボンナノチューブから成る層が設けられている。本発明によれば、カーボンナノチューブ層（以下単に「ＣＮＴ層」という。）は、力センサの感応要素又はセンサ要素としての役割を担うとともに、２つの電気的な接触部である入力接触部６及び出力接触部７を備えている。接触部６，７は導電体（参照符号なし）を介して評価電子機器８に接続されており、この評価電子機器は電気的な接続部（参照符号なし）を介して不図示の電源に接続されている。ボールスタッド３の軸方向における入力接触部及び出力接触部６，７の間の間隔はｘで示されており、すなわち、この範囲は、電流が流れるＣＮＴ層５の測定範囲を形成している。この範囲では、曲げ応力に基づき、比較的大きな引張ひずみ及び圧縮ひずみが生じ、これら引張ひずみ及び圧縮ひずみは直接ＣＮＴ層５へ伝達され、これにより、このＣＮＴ層の電気抵抗が変化する。
【００２０】
図２には、異なるＣＮＴ層９ａ，９ｂ，９ｃの構造が概略的な図示において示されている。公知のように、ＣＮＴ材料は、ナノ領域における最も微細なカーボンチューブで構成されていて、これらカーボンチューブは図示のように六角形に配置されており、すなわち、これらカーボンナノチューブは、ハニカム状の構造を形成している。ＣＮＴ材料は、機械的な負荷においてその導電性が変化する。
【００２１】
図３には、破線の四角形によって特徴付けられた図１に基づく詳細が示されている。この詳細は、本発明による、力センサのための感応要素の構造を示している。同一又は類似の要素については図１と同一の参照符号が用いられている。軸部３ｂの実施例では、まず、円筒状に形成された部材に絶縁層４と、つづいてＣＮＴ層５とが設けられている。絶縁層４は、導電性のＣＮＴ層５を導電性の部材３ｂに対して電気的に絶縁するためのものである。ＣＮＴ層５は、軸方向においてずらして配置されたその両端部において電気的な接触部６，７を備えており、これら接触部は、導電体６ａ，７ａに接続されている。導電体６ａ，７ａは、図１に図示された評価電子機器８に接続されている。ＣＮＴ層５は、好ましくはＣＮＴ構成部材を結合するラッカー層として形成されることができ、このラッカー層は、特に容易に部材３ｂ上へ設けられることが可能である。
【００２２】
本発明による、ＣＮＴ層５として形成された感応要素を有する力センサは、以下のように機能する：軸方向力ＦＡｘｉａｌによる結合リンク１への負荷時に、ボールスタッド３の挟み込まれた軸部３ｂは曲げ負荷を受けるため、軸部３ｂの範囲ｘでは増強された（引張繊維における）引張ひずみ及び（圧縮繊維における）圧縮ひずみが生じる。これら変形は、直接軸部３ｂの表面に固結されたＣＮＴ層５へ伝達され、その結果、ＣＮＴ層５もこの変形を受ける。これにより、ＣＮＴ層５の電気抵抗が変化することとなる。接触部６，７に基づき、このＣＮＴ層を好ましくは定電流が流れるため、電気抵抗が変化すると、評価電子機器８へ供給され信号として評価される電圧の変化も生じる。電気信号により、力学の法則に基づいて、結合リンク１に作用する軸方向力を演算することが可能である。演算された軸方向力の大きさは、車両のアクティブなロール安定化に対する初期量として用いられる。
【符号の説明】
【００２３】
１              結合リンク
２              ボールジョイント
３              ボールスタッド
３ａ            ボールヘッド
３ｂ            軸部
３ｃ            ネジ部分
４              絶縁層
５              ＣＮＴ層
６              入力接触部
６ａ            導電体
７              出力接触部
７ａ            導電体
８              評価電子機器
９ａ            ＣＮＴ構造部
９ｂ            ＣＮＴ構造部
９ｃ            ＣＮＴ構造部
ｘ              測定範囲
ＦＡｘｉａｌ    軸方向力
【図１．３】
0006619811.tif 000002
【図２】
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