(57)【要約】  本発明は、トルク伝達シャフト（３）における力および／またはトルクを規定するための測定システム（１）であって、測定システム（１）は、それぞれ好ましい方向（Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ）を有する少なくとも３つ、特に少なくとも４つの圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）を有し、圧電素子はそれぞれ、力伝達経路の力が特に排他的に圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）に印加されるように、シャフト（３）を介して伝達される力伝達経路において、シャフト（３）の回転軸（Ｄ）の周りの異なる位置に配置されており、ここで、好ましい方向はそれぞれ、回転軸が交差する単一の平面に平行であるか、または、回転軸が交差する単一の平面内にあり、圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）の少なくとも２つ、特に少なくとも３つの好ましい方向（Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ）は、互いに平行でも逆平行でもないように方向づけられている測定システム（１）に関する。
2021512294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク伝達シャフト（３）における力および／またはトルクを規定するための測定システム（１）であって、
前記測定システム（１）は、それぞれ好ましい方向（Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ）を有する少なくとも３つ、特に少なくとも４つの圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）を有し、
前記圧電素子はそれぞれ、力伝達経路の力が特に排他的に前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）に印加されるように、前記シャフト（３）を介して伝達される前記力伝達経路において、前記シャフト（３）の回転軸（Ｄ）の周りの異なる位置に配置されており、
前記好ましい方向はそれぞれ、回転軸が交差する単一の平面に平行であるか、または、回転軸が交差する単一の平面内にあり、
前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）の少なくとも２つ、特に少なくとも３つの前記好ましい方向（Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ）は、互いに平行でも逆平行でもないように方向づけられており、
前記測定システム（１）は、個々の前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）の測定信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）に基づいて、力構成要素およびトルク構成要素のための方程式系を用いて、力および／またはトルクを規定するために設定された信号処理装置（７）をさらに有する、測定システム（１）。
【請求項２】
前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が、平面上への投影における互いにそれぞれの相対位置について、ミラー軸および／またはミラー点が存在しないように幾何学的に配置されている、請求項１に記載の測定システム（１）。
【請求項３】
前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が、少なくとも２つの圧電素子が回転軸（Ｄ）から異なる半径方向の距離を有するように、および／またはそれぞれ２つの圧電素子の間の回転軸（Ｄ）の周りの２つの扇形（αａｂ、αｂｃ、αｃａ）が、異なる角度で広がるように幾何学的に配置されている、請求項１または２に記載の測定システム（１）。
【請求項４】
前記信号処理装置がさらに、前記測定信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）を、それぞれの規定されるべきパラメータに寄与する構成要素に分解するように設定されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の測定システム（１）。
【請求項５】
前記信号処理装置がさらに、個々の圧電素子の様々な力構成要素およびトルク構成要素への寄与を考慮するように設定されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の測定システム（１）。
【請求項６】
前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）のそれぞれの好ましい方向、前記測定信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）、または個々の前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）によって測定された力を、少なくとも２つの構成要素に、特に直交分解することによって、前記シャフト（３）への力および／またはトルクが規定されるように設定され、それぞれ平行な構成要素が合計された信号処理装置（７）を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の測定システム（１）。
【請求項７】
その好ましい方向が前記平面に対してそれぞれ平行であるか、または前記平面内にある全ての圧電素子からの測定信号が、力および／またはトルクを規定するために使用される、請求項１から６のいずれか一項に記載の測定システム（１）。
【請求項８】
前記平面が、少なくとも前記シャフト（３）の回転軸（Ｄ）に対して略垂直である、請求項１から７のいずれか一項に記載の測定システム（１）。
【請求項９】
力が導入される前記圧電素子の一方の面（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、２０ｂ、２０ｄ）が、前記平面に対して少なくとも略平行に位置している、請求項１から８のいずれか一項に記載の測定システム（１）。
【請求項１０】
前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）は、前記力伝達経路について力の主経路を形成し、特に取付手段における力の分流は、前記力伝達経路の力の１０％未満、好ましくは５％未満、最も好ましくは２％未満を取る、請求項１から９のいずれか一項に記載の測定システム（１）。
【請求項１１】
各圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）に隣接して、前記シャフト（３）の回転軸（Ｄ）の方向にさらなる圧電素子（４ｅ、４ｆ）が配置され、この圧電素子の好ましい方向（Ｖｅ、Ｖｆ、Ｖｇ、Ｖｈ）が、前記平面に対して非平行に、特に少なくとも略垂直に方向づけられ、前記圧電素子（４ａ；４ｂ；４ｃ；４ｄ）は、それぞれ隣接して配置されたさらなる圧電素子（４ｅ；４ｆ）と対（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）を形成し、前記力伝達経路の力は、特に排他的に、前記対（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）に印加される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の測定システム（１）。
【請求項１２】
固定装置（５）、特にベアリングケージを有する固定装置（５）が、前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ）を担持し、相対的に位置決めする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の測定システム（１）。
【請求項１３】
前記圧電素子が、回転軸（Ｄ）の周りに不均等に分布している、請求項１から１２のいずれか一項に記載の測定システム（１）。
【請求項１４】
全ての圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）および／または対（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）が、例えば角度α＜３００°、好ましくはα＜２４０°、より好ましくはα＜１８０°、最も好ましくはα＜１２０°で回転軸の周りに定義された扇形内に配置され、固定装置（５）が、好ましくはこの角度領域を覆うように構成されている、請求項１から１３のいずれか一項に記載の測定システム（１）。
【請求項１５】
前記シャフト（３）が軸受装置（２）、特にその出力シャフトおよび／または入力シャフトが前記トルク伝達シャフト（３）によって形成された機械によって支承され、
前記固定装置（５）が、前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）および／または対（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）を担持し、前記圧電素子によって前記軸受装置（２）と前記軸受装置（２）を支持するための支持装置（１０）との間の力、特に剪断力が測定可能であるように構成されている、請求項１から１４のいずれか一項に記載の測定システム（１）。
【請求項１６】
前記固定装置（５）が、摩擦接合によって前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）および／または対（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）の端面（１７ａ、１７ｂ）に平行に力を導入可能である、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の測定システム（１）。
【請求項１７】
トルクに寄与する前記シャフトの回転方向に対して接線方向に作用する力、および、特に平面内の直交する２方向において、前記シャフトの回転方向に対して垂直に作用する横力の両方を測定するように設定されている、請求項１から１６のいずれか一項に記載の測定システム（１）。
【請求項１８】
トルク伝達シャフト（３）における力および／またはトルクを規定するための測定機構（９）であって、圧電効果に基づく請求項１から１７のいずれか一項に記載の測定システム（１）と、シャフト（３）と、を有し、
前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が、前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）によって第１の部分と第２の部分との間の力、特に剪断力が測定可能であるように、前記シャフト（３）の第１の部分と前記シャフト（３）の第２の部分との間に配置されている、測定機構（９）。
【請求項１９】
前記シャフト（３）が、連結装置を介して接続可能な２つの部分からなり、前記測定システム（１）が、前記２つの部分のうちの１つで力および／またはトルクを規定する、請求項１８に記載の測定機構（９）。
【請求項２０】
トルク伝達シャフト（３）における力および／またはトルクを規定するための測定機構（９）であって、特に請求項１から１７のいずれか一項に記載の圧電効果に基づく測定システム（１）と、シャフト（３）と、軸受装置（２）と、前記軸受装置（２）の支持装置（１０）と、を有し、
前記軸受装置（２）が前記シャフト（３）を支承し、
前記測定システム（１）が前記シャフト（３）の回転質量および／または前記シャフト（３）と前記軸受装置（２）のアセンブリの回転部の回転質量を変化させない、測定機構（９）。
【請求項２１】
シャフト（３）に印加されるトルクおよび／またはシャフト（３）に印加される力を規定するための方法であって、
特に、それぞれ好ましい方向（Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ）を有し、力伝達経路の力が特に排他的に前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）に印加されるように、前記シャフト（３）を介して伝達される前記力伝達経路において、前記シャフト（３）の回転軸（Ｄ）の周りの異なる位置に配置されている、少なくとも３つ、特に少なくとも４つの圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）を有する、特に請求項１から１７のいずれか一項に記載の測定システム（１）を用いる方法において、
前記圧電素子のそれぞれの好ましい方向、前記測定信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）、または個々の前記圧電素子によってそれぞれ測定された力を、構成要素に直交分解することによって、前記シャフトへの力および／またはトルクが規定され、それぞれ平行な構成要素が合計される方法。
【請求項２２】
以下の作業ステップ：
−  第１の圧電センサ（４ａ；４ｅ）の第１の信号（Ｓ１）と、第２の圧電センサ（４ｂ；４ｆ）の第２の信号（Ｓ２）と、第３の圧電センサ（４ｃ；４ｇ）の第３の信号（Ｓ３）とを検出するステップ、
−  この方向の圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ；４ｅ、４ｇ、４ｈ）の好ましい方向（Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ；Ｖｅ、Ｖｆ、Ｖｇ）のそれぞれの構成要素に応じて、少なくとも１つの方向の信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を部分的に合計するステップ、および
−  合計された前記信号からトルクおよび／または力を導出するステップ、または
−  この方向における前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ；４ｅ、４ｇ、４ｈ）の前記好ましい方向（Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ；Ｖｅ、Ｖｆ、Ｖｇ）のそれぞれの構成要素に応じて、少なくとも１つの方向における個々の各信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）に対するトルクおよび／または力を導出するステップ、および
−  トルクおよび／または力を合計するステップ
を有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
シャフト（３）に印加されるトルクおよび／またはシャフト（３）に印加される力を規定するための方法であって、
それぞれ好ましい方向（Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ）を有し、力伝達経路の力が特に排他的に前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）に印加されるように、前記シャフト（３）を介して伝達される前記力伝達経路において、前記シャフト（３）の回転軸（Ｄ）の周りの異なる位置にそれぞれ配置されている、少なくとも３つ、特に少なくとも４つの圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）を有する、特に請求項１から１７のいずれか一項に記載の測定システムを用いる方法であり、
力構成要素およびトルク構成要素のための方程式系を用いて、個々の圧電素子の測定信号に基づいて、トルクおよび／または力を規定する方法。
【請求項２４】
以下の作業ステップ：
−  平面に平行な第１の方向に定義された力を加えるステップ、
−  平面に平行な第２の方向に定義された力を加えるステップ、
−  前記定義された力を加える間、少なくとも第１の圧電センサ（４ａ；４ｅ）の第１の信号（Ｓ１）、第２の圧電センサ（４ｂ；４ｆ）の第２の信号（Ｓ２）、および第３の圧電センサ（４ｃ）の第３の信号（Ｓ３）を検出するステップ、および
−  検出された前記信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）と、前記定義された力の第１および第２の方向とに基づいて、前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ）の好ましい方向（Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ）を導出するステップ
を有する、請求項１から１７のいずれか一項に記載の測定システム（１）を較正するための方法。
【請求項２５】
以下の作業ステップ：
−  前記シャフト（３）の回転軸の周りの定義されたトルクを加えるステップ、
−  少なくとも第１の圧電素子（４ａ）の第１の信号（Ｓ１）、第２の圧電素子（４ｂ）の第２の信号（Ｓ２）、および第３の圧電素子（４ｃ）の第３の信号（Ｓ３）を検出するステップ、および
−  検出された前記信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）と定義された前記トルクに基づいて、回転軸（Ｄ）かの前記圧電素子（４ａ、４ｂ、４ｃ）の距離（ｒａ、ｒｂ、ｒｃ）を導出するステップ
を有する、請求項１から１７のいずれか一項に記載の測定システム（１）を較正するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルク伝達シャフト上における力および／またはトルクを規定するための測定システムに関し、測定システムは、それぞれ好ましい方向を有する少なくとも３つ、特に少なくとも４つの圧電素子を有し、圧電素子はそれぞれ、力伝達経路(Kraftfluss)の力が特に排他的に圧電素子に印加されるように、シャフトを介して伝達される力伝達経路において、シャフトの回転軸の周りの異なる位置に配置されている。
【背景技術】
【０００２】
モータ、特に内燃機関や電動機を開発および制御する場合、特に試験台の動作において、モータのシャフトのトルクを可能な限り正確に知ることが重要である。
【０００３】
このために、歪ゲージや圧電センサを備えた測定システムを使用することが従来技術から公知である。
【０００４】
静的力を測定するためには、一般的に歪ゲージや類似の測定素子が用いられる。しかし、一般的に、この種の測定素子を有する測定システムは、動的力の経過を測定するには反応時間が長すぎる。一方、圧電測定素子または圧電素子は、動的引張力、押圧力、剪断力の測定に適している。これらは、ダイナミックレンジが幅広く、剛性を有し、また、高い動的力を同時に高分解能で測定できる。
【０００５】
特許文献１は、力およびトルク測定のための圧電検出素子に関し、この圧電検出素子は、少なくとも２つの圧電素子と、それらの間に配置された、絶縁材料からなる少なくとも１つの担持板とからなり、圧電素子は、担持板の座標系について結晶学的に予め配向されており、これと固定して接続されている。
【０００６】
特許文献２は、複数の力測定セルと、アンプ機構とからなる力およびモーメント測定機構に関し、複数の力測定セルは、組付板の間に固定してネジ止めされて測定ユニットを形成し、モーメント形成が可能なように座標軸に対して配置されており、力測定セルの信号が、評価のためにアンプのグループに伝送され、また、その出力がオペアンプのグループに伝送され、これにより、個々の力構成要素と力モーメントの両方が測定可能になることを特徴としている。
【０００７】
特許文献３は、互いに平行に軸方向に対向し、半径方向内側にあるモーメント伝達要素によって互いに強固に接続されている第１および第２の円盤状の取付フランジからなるトルクセンサに関し、第２の取付フランジは、その半径方向外側の取付領域と、同軸方向内側にあるモーメント伝達要素との間の同軸上の周方向領域に、半径方向補強ウェブによって互いに分離された複数の切欠部と、剪断力検出器とを有する測定フランジとして構成されており、切欠部は、一方の面で軸方向外側に開口している少なくとも３つの測定ポケットによって形成されており、測定ポケットの基底面は、一様に薄く、ばね弾性を有する変形体である平坦な閉鎖面として構成されており、剪断力検出器は、基底面、または測定ポケットの軸方向に対向する外面に適用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許公開第０２６６４５２号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１９５２５２２号明細書
【特許文献３】独国特許第１０２００９０１４２８４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、トルク伝達シャフトに印加されるトルクまたは印加される力の規定の改善を可能にすることである。特に、本発明の課題は、較正が容易な測定システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題は、力および／またはトルクを規定するための測定システム、トルク伝達シャフトに印加されるトルクおよび／またはシャフトに印加される力を規定するための方法、および独立請求項にかかる測定システムを較正するための方法によって解決される。有利な構成は、従属請求項で請求される。
【００１１】
本発明の第１の態様は、トルク伝達シャフトにおける力および／またはトルクを規定するための測定システムに関し、測定システムは、それぞれ好ましい方向を有する少なくとも３つ、特に少なくとも４つの圧電素子を有し、圧電素子はそれぞれ、力伝達経路の力が特に排他的に圧電素子に印加されるように、シャフトを介して伝達される力伝達経路において、シャフトの回転軸の周りの異なる位置に配置されており、ここで、好ましい方向はそれぞれ、回転軸が交差する単一の平面に平行であるか、または、回転軸が交差する単一の平面内にあり、圧電素子の少なくとも２つ、特に少なくとも３つの好ましい方向は、互いに平行でも逆平行でもないように方向づけられている。平行または逆平行でない２つの好ましい方向がある場合、２つの好ましい方向は、好ましくは互いに垂直である。
【００１２】
本発明の第１の態様に関して以下に記載された特徴および利点は、本発明の他の態様にも該当し、またその逆も同様である。
【００１３】
本発明の意味での力伝達経路とは、機械システムにおける、作用点、特に導入箇所から、力および／またはトルクが反力および／または反モーメントによって吸収される１つの箇所または複数の箇所までの、力および／またはトルクの経路である。好ましくは、力伝達経路は、力、特にシャフトの回転方向に対する横力と、トルク、特に回転軸の周りのトルクとで構成される。
【００１４】
本発明の意味での動力伝達経路(Leistungsfluss)とは、機械システムにおける導入箇所から動力が減少する１つの箇所または複数の箇所までの、動力を伝達する経路である。
【００１５】
本発明の意味での固定装置は、好ましくは圧電素子を担持し、特に取り付けるために用いられる。さらに好ましくは、固定装置は個々の圧電素子を接続し、これにより、圧電素子が互いに相対的な位置で保持される。好ましくは、固定装置は取付板、リング要素、測定フランジ、または取付ブラケットである。さらに好ましくは、固定装置は既存の装置、例えばハウジング、ギアまたは機械の構成部材であってよい。
【００１６】
本発明の意味での圧電素子は、好ましくは、圧電素子と当接する２つの面を介して作用する力を測定するように設置された測定素子である。好ましくは、圧電素子は、圧電結晶と、電荷放出部または電気回路からなる。
【００１７】
本発明の意味での測定システムは、好ましくは圧電センサである。この場合、測定システムは圧電素子のハウジングとして機能する。あるいは、測定システムは、圧電素子が別個のハウジングに配置された個々の圧電センサを有してもよい。
【００１８】
本発明の意味での機械は、エネルギー、好ましくは運動エネルギー、特に回転を電気エネルギーに、またはその逆に、または化学エネルギーを運動エネルギーに変換するように設置されている。本発明の意味での機械は、好ましくはハウジングを有する。
【００１９】
本発明の意味での軸受装置は、好ましくは、シャフトを回転可能に支承するための装置であり、特に、転がり軸受、玉軸受または滑り軸受である。好ましくは、軸受装置はハウジングも有する。また、好ましくは、軸受装置自体も支持または支承されている。さらに好ましくは、軸受装置は、本発明によれば機械または機械の一部である。
【００２０】
本発明の意味での支持装置は、好ましくは、この要素に作用する力および／またはこの要素に作用するトルクに対して要素を支持するための装置である。支持装置は、好ましくは、いわゆる反力または支承反力を与えるように設置されている。本発明の意味での支持装置は、好ましくは、軸受装置を支持するために用いられる。支持装置は、好ましくはベルハウジング、駆動系のハウジング、または基板である。
【００２１】
本発明の意味での「支承可能」という用語は、「支承できる」または「支承されている」ことを意味する。
【００２２】
本発明の意味での「接続可能」という用語は、「接続できる」または「接続されている」ことを意味する。
【００２３】
本発明の意味での「導入可能」という用語は、「導入できる」または「導入されている」ことを意味する。好ましくは、ある本体から別の本体への力の伝達を意味する。
【００２４】
本発明の意味での「支持可能」という用語は、「支持できる」または「支持されている」ことを意味する。
【００２５】
本発明の意味での「貫通可能」という用語は、「貫通できる」または「貫通されている」ことを意味する。
【００２６】
本発明の意味での「負荷可能」という用語は、「負荷できる」または「負荷されている」ことを意味する。
【００２７】
本発明の意味での「配置可能」という用語は、「配置できる」または「配置されている」ことを意味する。
【００２８】
本発明は特に、個々の測定素子の測定信号に基づいて、力構成要素およびトルク構成要素のための方程式系を用いて、トルク伝達シャフトに印加される力および／またはトルクを規定するというアプローチに基づく。
【００２９】
このために、少なくとも３つの圧電素子の好ましい方向は、それぞれ、シャフトの回転軸が交差する平面と平行に、またはシャフトの回転軸が交差する平面内に位置する必要がある。好ましくは、この平面は、シャフトの回転軸に対してほぼ垂直である。さらに、３つの圧電素子の好ましい方向は、異なる力構成要素が異なる箇所で測定されるように方向づけられている必要がある。このため、少なくとも２つ、好ましくは３つの好ましい方向は、互いに平行でも逆平行でもないことが必要である。
【００３０】
上述の配置構成により、少なくとも２つの圧電素子の測定信号を直線状の独立した構成要素に分解することができる。特に、このように配置された圧電素子の測定信号によって、シャフトに作用する平面内の各力およびトルクを規定することができる。
【００３１】
本発明にかかる測定システムでは、個々の圧電素子の様々な力構成要素およびトルク構成要素への寄与を考慮して、全ての圧電素子を用いて力またはトルクを規定することができる。
【００３２】
これにより、様々な力方向および／またはトルクに対してそれぞれ異なる圧電素子または圧電素子グループを設ける必要性を回避することができる。これは、力構成要素またはトルクの測定に寄与しない圧電素子が、これらの力構成要素またはトルクについて、測定結果を歪める力の分流を形成するために有利である。本発明にかかる測定システムでは、力の分流は、圧電素子が取り付けられた取付手段を介して生じる。
【００３３】
圧電素子の測定信号のうち、それぞれ対象となる力構成要素やトルクに寄与しない構成要素は、本発明では考慮しない。このため、測定信号の望ましくない部分を除去するための逆平行に方向づけられた好ましい方向を有する圧電素子の対の配置構成は、本発明にかかる測定システムでは不要である。
【００３４】
ここで好ましくは、測定システムは、トルクに寄与するシャフトの回転方向に対して接線方向に作用する力、およびシャフトの回転方向に対して垂直に作用する横力、特に平面内の直交する２方向に作用し、シャフトのぐらつきに寄与し得る力の両方を測定するように設定されている。
【００３５】
また、本発明によれば、好ましくは、任意の数の圧電素子を用いて、個々の力方向またはトルクを規定することができる。これにより、測定精度を大幅に向上させることができる。
【００３６】
測定時に圧電素子を使用することで、高い動的力の変化やトルクの変化を登録することができる。
【００３７】
測定に３つ以上の圧電素子を使用すると、測定精度をさらに向上させることができる。圧電素子の２つ以上の好ましい方向が互いに平行でも逆平行でもない場合も同様である。
【００３８】
本発明にかかる測定システムの有利な構成では、特に３つ以上の圧電素子を有する場合、圧電素子は、平面上への投影における互いにそれぞれの位置について、ミラー軸および／またはミラー点が存在しないように幾何学的に配置されている。
【００３９】
本発明にかかる測定システムによって、特に、鏡面反転された方法で、対で配置する必要のない圧電素子の配置構成が可能である。圧電素子の配置構成が非対称であるため、力やトルクを特に正確に規定することができる。
【００４０】
好ましくは、少なくとも１つの圧電素子の好ましい方向は、シャフトの回転方向に対して接線方向ではない。
【００４１】
測定システムのさらなる有利な構成では、圧電素子は、少なくとも２つの圧電素子が回転軸から異なる半径方向の距離を有するように、および／またはそれぞれ２つの圧電素子の間の回転軸の周りの２つの扇形が、異なる角度で広がるように幾何学的に配置されている。
【００４２】
これにより、圧電素子の配置構成に大きな非対称性が確保され、ひいては測定精度が向上する。
【００４３】
さらなる有利な構成では、本発明にかかる測定システムはさらに、圧電素子のそれぞれの好ましい方向、または個々の圧電素子によってそれぞれ測定された力を、少なくとも２つの構成要素に特に直交分解することによって、シャフトへの力および／またはトルクを規定するように設定され、それぞれ平行な構成要素が合計された信号処理装置を有する。好ましくは、第１の構成要素は、シャフトの回転方向に対して少なくとも略接線方向であり、第２の構成要素は、好ましくは、回転方向に対して少なくとも略垂直である。
【００４４】
好ましい方向または力を分解することにより、それぞれが定義された方向の測定信号または力に寄与する、圧電素子からの多数の測定信号を考慮することができる。
【００４５】
本発明にしたがって配置された３つの圧電素子の方程式系の解が明確な場合であっても、方程式系の中でより多くの圧電素子を考慮することにより、システムのより正確な解を得ることができる。好ましくは、力構成要素および／またはトルクは、このためにそれぞれ３つの測定信号の組み合わせから計算され、その後、組み合わせの数に対する平均化が行われる。
【００４６】
さらに、測定信号を好ましい方向または力の構成要素に分解することは、個々の圧電素子の好ましい方向に関する圧電素子の正確な設置状況を知る必要がないという利点を有する。また、シャフトに対する圧電素子の配置構成、特にその半径方向の距離は知る必要がない。この場合、両方のパラメータは、較正測定によって規定することができる。
【００４７】
好ましくは、その好ましい方向がそれぞれ平面に対して平行であるか、または平面内にある全ての圧電素子からの測定信号が、力および／またはトルクを規定するために使用される。これにより、測定に関与していないセンサの力の分流によって力伝達経路の一部が失われることを回避できる。
【００４８】
本発明にかかる測定システムのさらなる有利な構成では、平面は、少なくともシャフトの回転軸に対して略垂直である。
【００４９】
このような平面の向きとこれに伴う圧電素子の好ましい方向の向きとにより、トルクと回転方向に対する横力に関して測定の特に高い分解能を実現できる。平面が回転軸に対して垂直でない場合、測定信号は、横力およびトルクを規定するために部分的にのみ考慮される。ここで、この部分は、それぞれ回転軸に対して法線または垂直な架空平面上に各圧電素子の好ましい方向を投影することに対応している。
【００５０】
本発明にかかる測定システムのさらなる有利な構成では、力が導入される圧電素子の一方の面が、平面に対して少なくとも略平行に位置している。これにより、剪断力を圧電素子に特に良好に導入することができる。
【００５１】
本発明にかかる測定システムのさらなる有利な構成では、圧電素子は、力伝達経路について力の主経路を形成し、特に取付手段における力の分流は、力伝達経路の力の１０％未満、好ましくは５％未満、最も好ましくは２％未満を取る。これにより、力および／またはトルクを特に正確に規定することができる。
【００５２】
本発明にかかる測定システムのさらなる有利な構成では、各圧電素子に隣接して、シャフトの回転軸の方向にさらなる圧電素子が配置され、この圧電素子は好ましい方向において、平面に対して非平行に、特に少なくとも略垂直に方向づけられ、圧電素子は、それぞれ隣接して配置されたさらなる圧電素子と対を形成し、力伝達経路の力は、特に実質的に、対に印加される。
【００５３】
これらの圧電素子をさらに備えることで、平面内の構成要素を２次元で測定するだけでなく、全ての力構成要素を３次元で測定することができる。これは、シャフトの回転軸方向の圧縮力または引張力を決定する場合に特に有益である。その好ましい方向が平面と平行である、または平面内に配置されている圧電素子の、特に有利な対での配置構成により、力の分流が可能な限り低く抑えられ、あるいは完全に排除される。
【００５４】
さらなる有利な構成では、測定システムは固定装置、特にベアリングケージを備えており、固定装置は圧電素子を担持し、相対的に位置決めする。
【００５５】
そのような固定装置を設けることにより、測定システムは、個々の圧電素子が互いに固定された位置を有する閉鎖されたユニットとして使用することができる。特に、そのような測定システムは事前に較正でき、圧電素子の個々の好ましい方向の向きと、固定装置の基準系における個々の圧電素子の位置が予め定義される。さらに好ましくは、圧電素子は、少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７０％、さらに好ましくは少なくとも９０％、固定装置の凹部、特に止まり穴に収容されている。
【００５６】
本発明にかかる測定システムのさらなる有利な構成では、圧電素子は、回転軸の周りに不均等に分布している。これにより、構成上の理由から、回転軸周りの円周上の全ての箇所ではトルクを規定できない測定機構を実現できる。
【００５７】
さらなる有利な構成では、全ての圧電素子および／または対は、例えば角度α＜３００°、好ましくはα＜２４０°、より好ましくはα＜１８０°、最も好ましくはα＜１２０°で回転軸の周りに定義された扇形内に配置され、固定装置は、好ましくはこの角度領域を覆うように構成されている。
【００５８】
本発明にかかる測定システムのさらなる有利な構成では、シャフトは軸受装置、特にその出力シャフトおよび／または入力シャフトがトルク伝達シャフトによって形成された機械によって支承され、固定装置は圧電素子および／または対を担持し、圧電素子によって軸受装置と軸受装置を支持するための支持装置との間の力、特に剪断力が測定可能であるように構成されている。
【００５９】
この構成により、トルク伝達シャフトに印加される力および／またはトルクは、直接このシャフトで測定する必要はない。
【００６０】
特に、例えば冒頭に引用した特許文献３に記載されているように、トルク伝達シャフトでネジ止め固定されているか、その他の方法で取り付けられている測定装置を使用する必要はない。これに対し、本構成では、シャフトの軸受装置に反力として印加される力が測定され、この力から、シャフトに加わる力、またはシャフトに印加されるトルクが推測される。換言すると、本発明によれば、力伝達経路におけるトルク伝達シャフト以外の箇所で、かつ動力伝達経路の外側で力が測定され、この力からトルク伝達シャフトに印加されるトルクが規定され、特に計算される。
【００６１】
一方で、測定素子として使用される圧電素子の強度および剛性のために、軸受装置は、好ましくは圧電素子によって完全に支持されるか、または支承される。この構成においても、好ましくは全ての負荷または全ての力伝達経路が圧電素子に印加され、力の分流は少なくとも無視することができる。
【００６２】
この構成では、測定システムは回転シャフトの構成部材ではないため、測定システムが測定結果を歪めない。特に、測定されるトルク伝達システム、特に試験台で試験されるシステムの運動質量または回転質量は変更されない。また、測定装置は、振動ダンパとして作用し、トルク伝達システムの固有振動数に影響を与え、特に歪めるような弾力をトルク伝達システムに付加しない。これは、圧電素子と比較して構成上比較的柔らかく、被試験システムに影響を与える測定素子としての歪ゲージを有するシステムと比べて特に有利である。
【００６３】
この構成ではさらに、トルク伝達シャフトの動きを解析し、シャフトの動きの不規則性や振動を検知することが可能である。特に、シャフトのぐらつき運動を検知して測定することができる。シャフト上に配置された測定フランジのような測定システムでは、これはできないか、または困難である。特に、そのような測定フランジでは、測定フランジが実際にぐらついているシャフトの箇所にあることを保証できない。また、トルク伝達シャフトがその軸受装置または機械、特にモータに及ぼす力は、本発明の手段によって規定することができる。そのような力は、測定フランジで測定することはできず、利用可能な測定では規定することができないか、少なくとも正確には規定できない。
【００６４】
この構成により、シャフトに印加される動的トルクと、シャフトの垂直方向と水平方向の振動を規定することができる。
【００６５】
固定装置のさらなる有利な構成では、摩擦接合によって圧電素子および／または対の端面に平行に力を導入可能である。
【００６６】
この構成では、圧電剪断素子を圧電素子として使用することができる。特にこれにより、２つの反対方向の力は、圧電素子の端面とそれぞれ力を導入する素子との間に材料接合を確立する必要なく、単一の圧電素子によって測定することができる。
【００６７】
好ましくは、圧電素子は、固定装置および／または軸受装置および／または支持装置に摩擦結合によって接続され得る。さらに好ましくは、固定装置は、少なくとも回転方向の略接線方向および／またはシャフトの回転軸と平行に力を測定可能であるように構成されている。
【００６８】
本発明にかかる測定システムのさらなる有利な構成では、圧電素子は、それぞれ中空部、特に中空円筒を有し、これにそれぞれ取付装置、特に止めネジが案内可能である。
【００６９】
本発明にかかる測定システムのさらなる有利な構成では、固定装置はまた、圧電センサの中空部と少なくとも部分的に一直線上に並び、止めネジが支承可能な中空部を有する。
【００７０】
圧電素子および／または固定装置に中空部を設けることにより、取付装置によって特に予圧または予荷重を圧電素子に加えることができ、これにより、圧電素子の端面とさらなる素子との間に摩擦接合を確立できる。
【００７１】
本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様による測定システムを備えた試験台または車両に関する。
【００７２】
本発明の第３の態様は、トルク伝達シャフトにおける力および／またはトルクを規定するための測定機構であって、圧電効果に基づく測定システムと、シャフトとを有し、圧電素子は、圧電素子によって第１の部分と第２の部分との間の力、特に剪断力が測定可能であるようにシャフトの第１の部分と第２の部分との間に配置されている。
【００７３】
測定機構の有利な構成では、シャフトは、連結装置を介して接続可能な２つの部分からなり、測定システムは、２つの部分のうちの１つで力および／またはトルクを規定する。
【００７４】
本発明の第４の態様は、トルク伝達シャフトにおける力および／またはトルクを規定するための測定機構であって、圧電効果に基づく測定システムと、シャフトと、軸受装置と、軸受装置の支持装置とを有し、軸受装置はシャフトを支承し、測定システムはシャフトの回転質量および／またはシャフトと軸受装置のアセンブリの回転部の回転質量を変化させない測定機構に関する。ここで、好ましくは、シャフトの軸受の反力を測定できる測定システムが使用される。
【００７５】
ここで、好ましくは、軸受装置は機械、特に負荷および／または駆動機械、好ましくは電気機械または内燃機関である。
【００７６】
本発明の第５の態様は、シャフトに印加されるトルクおよび／またはシャフトに印加される力を規定するための方法に関し、力および／またはシャフトに印加されるトルクは、圧電素子のそれぞれの好ましい方向、または個々の圧電素子によって測定された力を構成要素に直交分解することで規定され、それぞれ平行な構成要素が合計される。
【００７７】
有利な構成では、方法は以下の作業ステップ：
−  少なくとも第１の圧電センサの第１の信号と、第２の圧電センサの第２の信号と、第３の圧電センサの第３の信号とを検出するステップ、
−  この方向の圧電素子の好ましい方向のそれぞれの構成要素に応じて、少なくとも１つの方向の信号を部分的に合計するステップ、および
−  合計された信号からトルクおよび／または力を導出するステップ、または
−  この方向における圧電素子の好ましい方向のそれぞれの構成要素に応じて、少なくとも１つの方向における個々の各信号に対するトルクおよび／または力を導出するステップ、および
−  トルクおよび／または力を合計するステップ
を有する。
【００７８】
本発明の第６の態様は、以下の作業ステップ：
−  平面に平行な第１の方向に定義された力を加えるステップ、
−  平面に平行な第２の方向に定義された力を加えるステップ、
−  少なくとも第１の圧電素子の第１の信号、第２の圧電素子の第２の信号、および第３の圧電素子の第３の信号を検出するステップ、および
−  検出された信号と、定義された力の第１および第２の方向とに基づいて、圧電素子の好ましい方向を導出するステップ
を有する測定システムを較正するための方法に関する。
【００７９】
本発明の第７の態様は、以下の作業ステップ
−  シャフトの回転軸の周りの定義されたトルクを加えるステップ、
−  少なくとも第１の圧電センサの第１の信号、第２の圧電センサの第２の信号、および第３の圧電センサの第３の信号を検出するステップ、および
−  検出された信号と定義されたトルクに基づいて、特に圧電素子のシャフトの回転軸に関して圧電素子の距離を導出するステップ
を有する測定システムを較正するための方法に関する。
【００８０】
本発明のさらなる態様は、コンピュータによって実行されると、本発明にかかる方法のステップをコンピュータに実行させるように設定されたコンピュータプログラム、および対応するコンピュータ読取り可能な媒体に関する。したがって、本発明にかかる方法は、コンピュータによって実行することができる。
【００８１】
さらなる利点および特徴は、図に関連した好ましい実施例の以下の説明から明らかである。図は、以下の少なくとも一部を模式的に示す。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】トルク伝達シャフトにおける力および／またはトルクを規定するための測定機構の第１の実施例を示す。
【図２】測定システムの第１の実施例の圧電素子の配置構成を示す。
【図３】測定システムの第２の実施例の圧電素子の配置構成を示す。
【図４】測定システムの第３の実施例の圧電素子の配置構成を示す。
【図５】測定システムの第４の実施例の斜視図を示す。
【図６】測定機構の第２の実施例を示す。
【図７】測定機構の第３の実施例を示す。
【図８】測定機構の第４の実施例を示す。
【図９】図８による第４の実施例にかかる測定装置を有する測定機構の部分斜視図である。
【図１０ａ】測定システムの第５の実施例の平面図および側面断面図である。
【図１０ｂ】測定システムの第５の実施例の平面図および側面断面図である。
【図１１ａ】測定システムの第６の実施例の平面図および側面断面図である。
【図１１ｂ】測定システムの第６の実施例の平面図および側面断面図である。
【図１２】全ての実施例の測定システムの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００８３】
図１は、駆動試験台１５上のトルク伝達シャフト３ａ、３ｂにおける力および／またはトルクを測定するための測定機構９の第１の実施例を示す平面図である。ここで、シャフト３ａ、３ｂは、特にシャフト３ａ、３ｂの軸受装置として機能するモータ２を、ギアと、車軸部を介してホイールダイナモメータ１４ａ、１４ｂと接続されている差動装置１３とに接続する。
【００８４】
シャフトの第１の部分３ａとシャフトの第２の部分３ｂとの間には、固定装置として２つの部分からなる測定フランジ５ａ、５ｂを有する測定システム１が配置されている。シャフトの第１の部分３ａは測定フランジの第１の部分５ａに接続され、シャフトの第２の部分３ｂは測定フランジの第２の部分５ｂに回転不能に接続されている。３つの圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃは、測定フランジの２つの部分５ａ、５ｂの間に配置されており、また、測定フランジの部分５ａ、５ｂに、特に摩擦接合によって固定的に接続されている。
【００８５】
この測定機構９により、支持装置１０（図示せず）から、モータ２、シャフトの第１の部分３ａ、測定フランジの第１の部分５ａ、３つの圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、測定フランジの第２の部分５ｂ、シャフトの第２の部分３ｂ、ギアおよび差動装置１３、および車軸部分を介して、その側で適切な手段によって支持されているホイールダイナモメータ１４ａ、１４ｂに対して力伝達経路を実現することができる。ここで可能な動力伝達経路は、モータ２からシャフト３ａ、３ｂおよび測定フランジ５ａ、５ｂならびにギアおよび差動装置１３を介して、ホイールダイナモメータ１４ａ、１４ｂへ延びる。
【００８６】
測定フランジ５ａ、５ｂの部分を介して、特に圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃの端面を介して印加される力が圧電素子に導入されるか、または圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃに印加される。測定システム１は図１において、基準系のＹ軸とＺ軸に広がる平面を上から見た平面図で示される。
【００８７】
図２は、例えば図１による測定機構９の第１の実施例に使用可能な測定システム１の第１の実施例の圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃの配置構成を示す。
【００８８】
ここで、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃの配置構成は、図１による基準系のＹ軸とＸ軸に広がる平面で示されている。よって、圧電素子の端面１７ａ、１７ｂ、１７ｃは視認可能となる。
【００８９】
圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃの中心点は全て、シャフト３（図示せず）の回転軸Ｄが通る中心点からの距離ｄに配置されている。圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃは、それぞれ回転軸Ｄまたは中心点の周りに異なる位置をとる。破線の円は、シャフトまたは中心点の周りに延び、シャフト３（図示せず）の回転時の回転軸Ｄまたは中心点の周りの各点における圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃの回転方向を示す。
【００９０】
各圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃは、Ｘ軸とＹ軸に広がる平面上に位置する、異なる好ましい回転方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃをそれぞれ有する。好ましくは、３つの好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃは異なる方向を有し、よって、平行でも逆平行でもない向きである。しかし、さらに好ましくは、３つの好ましい方向のうちの２つＶａ、Ｖｂのみが平行でも逆平行でもない向きである。この場合、第３の好ましい方向Ｖｃは、他の２つの好ましい方向Ｖａ、Ｖｂのいずれかと平行であってもよい。
【００９１】
回転軸Ｄに関して個々の圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃの位置の間に角度領域１９ａ、１９ｂ、１９ｃが広がっている。第１の圧電素子４ａと第２の圧電素子４ｂとの間の角度領域１９ａは角度αａｂを有し、第２の圧電素子４ｂと第３の圧電素子４ｃとの間の角度領域１９ｂは角度αｂｃを有し、第３の圧電素子４ｃと第１の圧電素子４ａとの間の角度領域１９ｃは角度αｃａを有する。
【００９２】
好ましくは、角度領域の角度αａｂ、αｂｃ、αｃａのうち少なくとも２つは、異なる値を有する。
【００９３】
全ての圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃは、取付手段、特にボルトまたはネジ（図示せず）が通過可能な穴２１ａ、２１ｂ、２１ｃを有する。端面１７ａ、１７ｂ、１７ｃを介して剪断力を導入できる。
【００９４】
図３は、測定システム１の第２の実施例の圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃの配置構成を示す。
【００９５】
図２と同様に、圧電素子の端面１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの平面図が示されている。図３でも、基準系（αａｂ、αｂｃ、αｃａ）のＸ軸とＹ軸に広がる平面に対して垂直の視線方向であり、図２による配置構成も図１の測定機構９に使用できる。
【００９６】
個々の圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄは、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの配置構成の中で異なる方向を指しており、点線の円で示される回転方向に接線していないが、図２のように、基準系のＸ軸とＹ軸とに広がる平面内にあり、したがって、回転軸Ｄが像平面の外側の中心点を通るシャフト３（図示せず）に垂直に延びる。
【００９７】
示された配置構成における第２の圧電素子４ｂの好ましい方向Ｖｂは、第４の圧電素子４ｄの好ましい方向Ｖｄと逆平行の向きである。
【００９８】
全ての圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、図２に示すように、取付手段、特にボルトまたはネジ（図示せず）が通過できる穴２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを有する。端面１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄを介して剪断力を導入することができる。
【００９９】
図４は、図１による測定機構９にも使用できる、測定システムの第３の実施例の４つの圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの配置構成を示す。
【０１００】
図２および図３の配置構成とは対照的に、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、測定システムにおいてシャフト３（図示せず）が通るだろう配置構成の中心点Ｄから異なる距離Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄで配置されている。回転軸Ｄまたは中心点を中心とした圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの回転方向を点線の円で示す。
【０１０１】
圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄは、回転方向に対して接線方向である。
【０１０２】
さらに、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、図３とは異なり、回転軸Ｄまたは中心点の周りに円周にわたって不均等に配置されている。
【０１０３】
図５は、測定システム１の第４の実施例のセンサのさらなる配置構成を示す。
【０１０４】
示された測定システム１では、個々の圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは固定装置５によって支承されている。圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄは、好ましくは固定装置５の進路において方向づけられているが、各好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄのそれぞれが単一の平面、特に、固定装置５によっても定義される各平面に位置するか、または平行である限り、他の方向を向いていてもよい。
【０１０５】
力および／またはトルクが印加される（図示せず）シャフト３（図示せず）の回転軸Ｄは、本実施例では図５に関して、固定装置５の左側の領域に配置されている。点線は考えられる回転軸Ｄを示す。
【０１０６】
ここで、回転軸Ｄは、各圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄから同じ距離で配置される必要はなく、また、回転軸Ｄは、固定装置５の曲率によって定義され得る中心点を通過する必要もない。
【０１０７】
図６は、試験台１５上の測定機構９の第２の実施例を示す。
【０１０８】
図１による測定機構９とは異なり、図６の測定機構９はまた、連結部６ａ、６ｂを有する。ここで、第１の連結部６ａは、測定フランジの第２の部分５ｂに回転不能に接続されており、第２の連結部６ｂと着脱可能に摩擦接合式に接触できる。
【０１０９】
連結板６ａ、６ｂの相対位置と、モータ２からホイールダイナモメータ１４ａ、１４ｂへの力伝達経路で伝達される動力に応じて、測定フランジ５ａ、５ｂには、規定されるべきトルクが印加される。
【０１１０】
図７は、試験台１５上の測定機構９の第３の実施例を示す。
【０１１１】
図１および図６による測定機構９とは異なり、力および／またはトルクの測定は、モータ２とホイールダイナモメータ１４ａ、１４ｂとの間、またはモータ２とギアおよび差動装置１３との間の動力伝達経路の中では行われない。代わりに、トルク伝達シャフト３に印加されるトルクおよび／または力は、支持装置１０によってモータ２が試験台上に支持される反力を介して動力伝達経路の外側で規定される。
【０１１２】
したがって、圧電素子は、支持装置１０とモータ２との間の力伝達経路に配置されている。
【０１１３】
シャフト３に測定フランジ５ａ、５ｂを設けた他の実施例と同様に、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、モータ２および支持装置１０の間には、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃまたはその端面は、モータ２と支持装置１０の対応する部分と摩擦係合を形成することにより、トルク伝達接続が確立される。
【０１１４】
図８は、特に車両で使用することができる測定機構９の第４の実施例を示す。
【０１１５】
図７による実施例とは異なり、本実施例の支持装置１０は、ベルハウジングの一種として構成されている。したがって、モータ２は、ギアおよび差動装置１３のハウジング８に支持されている。
【０１１６】
よって、この実施例における力伝達経路は、ギアハウジング１３からベルハウジング１０を介してモータ２へ、そしてそこからトルク伝達シャフト、ギアおよび差動装置１３を介してホイールダイナモメータ１４ａ、１４ｂへと延びる。
【０１１７】
反力および／または反トルクを伝達するために、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃはここでも、モータ２とベルハウジング１０との間の動力伝達経路の外側に配置されている。ここでも、モータ２とベルハウジング１０の対応する面と圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃとの間には摩擦係合が形成されている。
【０１１８】
好ましくは、図２から図５に示した測定システム１の様々な実施例の圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの配置構成のいずれかを、図６から図８に示した測定機構９の実施例に使用することができる。
【０１１９】
一例として、図９は、図８による測定機構９の第４の実施例における図５による測定システムの使用を示す。固定装置５と圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを備えた測定システム１は、この平面図ではベルハウジング１０上に配置されている。
【０１２０】
好ましくは、測定システム１はここで、取付手段１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄによってベルハウジング１０に支持されている。さらに、取付手段１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのそれぞれの端面がベルハウジング１０の表面とモータ２の表面とに接触して摩擦係合式の接続を形成するように、モータ２（図示せず）とベルハウジング１０との間に予圧を確立するのに用いられる。
【０１２１】
圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとモータ２と支持装置１０との間の摩擦係合により、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの端面を介して圧電素子に剪断力を導入でき、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに電荷分離を生じさせることができる。これにより、剪断力に依存した電位が電荷放出部または電線２２に印加される。
【０１２２】
ベルハウジング１０の開口部１１を通り、シャフト３（図示せず）がベルハウジング１０を貫通して、ギアおよび差動装置１３に向かって延びることができる。
【０１２３】
図１０ａおよび図１０ｂは、固定装置５に支承された圧電素子対１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを有する測定システム１の第５の実施例を示す。
【０１２４】
ここで、図１０ａは、測定システム１の平面図であり、図１０ｂは、線Ｙ−Ｙに沿った断面図である。圧電素子対１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは、それぞれ、印加される力および／または印加されるトルクが規定されるべきトルク伝達シャフト３（図示せず）の回転軸Ｄの方向に隣接して配置された、２つの圧電素子４ｂ、４ｅ；４ｄ、４ｆによって形成されている。
【０１２５】
ここで、各圧電素子対１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの第１の圧電素子４ｂ、４ｄは、シャフト３の回転軸Ｄが交差する単一の平面に平行である、または単一の平面内にある好ましい方向を有し、平面は、図１０ｂに示すように、好ましくは回転軸Ｄに対して垂直である。これらの第１のセンサ４ｂ、４ｄによって、好ましくはこの平面に作用する力および／またはトルクを規定できる。
【０１２６】
圧電素子対１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの他の圧電素子４ｅ、４ｆは、好ましくは、平面に平行ではなく、さらに好ましくはこの平面に垂直な方向を有する。よって、他の圧電素子４ｅ、４ｆによって、好ましくは、回転方向Ｄに対して略垂直である圧縮力または引張力を測定することができる。
【０１２７】
図１０ｂに示すように、各圧電素子対は、圧電素子４ｂ、４ｅ；４ｄ、４ｆのそれぞれ１つによって形成される２つの端面１７ｂ、２０ｂ；１７ｄ、２０ｄを有する。
【０１２８】
ここで、一方の端面２０ｂ、２０ｄは、それぞれ固定装置５に支承されている。他方の端面１７ｂ、１７ｄは、それに関して力が測定されるべき部品に接触することができる。端面１７ｂ、１７ｄおよび第２の端面２０ｂ、２０ｄの両方は、好ましくは、固定装置と他の部品との間に摩擦接合式の、特に摩擦係合式の接続を形成する。
【０１２９】
既に説明したように、取付手段、特に止めネジは、圧電素子対１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの穴２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを通って圧電素子の穴に案内され、それによって、固定装置と、それぞれの他の部品、ひいては圧電素子対１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを固定することができる。好ましくは、固定装置５も取付手段を収容するための中空部１２を有する。
【０１３０】
各圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆは、電荷放出部２２を介して減少できる測定信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６を生成する。
【０１３１】
図１１ａおよび図１１ｂは、本発明にかかる測定システム１の第６の実施例を示す図であり、ここで、図１１ａは斜視平面図、図１１ｂは側面断面図である。
【０１３２】
本実施例の測定システム１は、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄがフランジ５ａの第１の部分と測定フランジ５ｂの第２の部分との間に配置されており、回転軸Ｄに対して半径方向に予圧が加えられていることを特徴としている。これは、予圧、ひいては摩擦接合が回転軸Ｄの方向に発生する図１から図５および図１０ａ／図１０ｂの実施例とは対照的である。
【０１３３】
各圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、電荷放出部を介して減少できる測定信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を生成する。
【０１３４】
測定フランジ５ａ、５ｂに代わるものとして、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄにそれぞれ接合する図示された部品は、軸受装置２およびシャフト３の支持装置１０（図示せず）であってもよい。
【０１３５】
図１２に示すように、測定システム１は、好ましくは、第１の圧電素子４ａの測定信号Ｓ１、第２の圧電素子４ｂの測定信号Ｓ２、第３の圧電素子４ｃの測定信号Ｓ３、および第４の圧電素子４ｄの測定信号Ｓ４を処理するための信号処理装置７を有する。
【０１３６】
シャフト上のトルクＭｚと横力Ｆｘ、Ｆｙを計算できるようにするために、信号処理装置７は、好ましくは、測定信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、および／または測定された力の圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのそれぞれの好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄの直交分解を行う。
【０１３７】
ここで、規定されるパラメータＭｚ、Ｆｘ、Ｆｙは方程式系の解であり、各測定信号に対して以下のような方程式が有効である。
Ｓ１＝ａ１１・Ｍｚ＋ａ１２・Ｆｘ＋ａ１３・Ｆｙ
Ｓ２＝ａ２１・Ｍｚ＋ａ２２・Ｆｘ＋ａ１３・Ｆｙ
Ｓ３＝ａ３１・Ｍｚ＋ａ３２・Ｆｘ＋ａ２３・Ｆｙ
・
・
・
ＳＮ＝ａＮ１・Ｍｚ  ．．．
【０１３８】
各係数ａは、ここでは、センサのそれぞれの位置および基準系における好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄの向き、それぞれの圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの感度、および取付手段を介した力の分流による信号損失の可能性などのいくつかの要因に依存する。
【０１３９】
トルク構成要素Ｍｚ、第１の横力構成要素Ｆｘおよび第２の横力構成要素Ｆｙのためのこのような方程式系を解くために、測定信号は、好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃが単一の平面内に位置するように方向づけされた少なくとも３つの圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃから必要とされる。さらに、好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃのうち少なくとも２つの方向は、平行でも逆平行でもない向きであることが必要である。
【０１４０】
ここに記載したＮ＝３の一般的な場合、すなわち３つの圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃを有する場合には、上述の方程式系の解は明らかである。測定システム１にさらに圧電素子を追加すると、規定されるべき３つのパラメータＭｚ、Ｆｘ、Ｆｙを有する方程式系が過大に規定されるが、再度測定精度を向上させることができる。
【０１４１】
Ｎ＝４の場合、４つの異なる方程式系Ｆ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）、Ｆ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４）、Ｆ（Ｓ１、Ｓ３、Ｓ４）、Ｆ（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）を設定することができる。規定されるべき個々のパラメータＭｚ、Ｆｘ、Ｆｙに対して規定された値は、その後、加算され、平均化され、すなわち、この場合４つの圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを４で割ることができる。同様に、最小化タスクによって解かれる過規定方程式Ｆ（Ｓ１、Ｓ２．．．、ＳＮ）を設定することができる。
【０１４２】
方程式系の一般的な解が見つかった場合、規定されるべき構成要素Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｚの計算は、行列の乗算に還元することができる。これは、３つの行と、測定信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、ＳＮが利用可能な数だけの列を持つ。行列の要素または係数は、規定されるパラメータＦｘ、Ｆｙ、Ｍｚに対する個々のセンサのそれぞれの寄与を表す。
【０１４３】
【数１】
2021512294.tif 000003
【０１４４】
測定信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４をそれぞれの規定されたパラメータＭｚ、Ｆｘ、Ｆｙに寄与する構成要素に分解するためには、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃの位置と好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄの向きを知る必要がある。
【０１４５】
幾何学的パラメータは、測定システム１の構築図から、および圧電素子４ａ、４ｂ、４ｄの好ましい方向を知ることで規定できる。
【０１４６】
しかし、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄの向きは、較正測定を用いて好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄを測定することにより規定することもできる。好ましくは、測定システム１は、このために２つの平板の間にクランプされる。次のステップでは、公知の方向を有する外部横力がかかる。導入された横力の大きさおよび方向に対する個々の測定信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の大きさから、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄに広がる平面内での圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄを規定することができる。
【０１４７】
同様に、個々の圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの好ましい方向Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄが公知であれば、定義されたトルクＭｚを加え、個々の測定信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を測定することにより、回転軸Ｄからの圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの距離ｒａ、ｒｂ、ｒｃ、ｒｄを規定することができる。
【０１４８】
記載されている実施例は単なる例であり、保護範囲、用途、構造を何ら制限することを意図したものではない。むしろ、上記説明は、少なくとも一つの実施例を実施するためのガイドラインを当業者に提供するものであり、それによって、特に記載された構成部材の機能および配置構成に関して様々な変更が、特許請求の範囲およびこれらの同等の特徴の組み合わせから生じる保護範囲から離れることなく行われることが可能である。特に、個々の実施例は、互いに組み合わせることができる。
【符号の説明】
【０１４９】
１  測定システム
２  軸受装置／モータ
３  シャフト
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ  圧電素子
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ  固定装置
６ａ、６ｂ  連結部
７  信号処理装置
８  ハウジング
９  測定機構
１０  支持装置
１１  開口部
１２  中空部
１３  ギアおよび差動装置
１４ａ、１４ｂ  ホイールダイナモメータ
１５  試験台
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ  取付手段
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ  第１の端面
１８ａ、１８ｂ  圧電素子対
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ  角度領域
２０ｂ、２０ｄ  第２の端面
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ  穴
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ  電荷放出部／電線
Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ  好ましい方向
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４  測定信号
Ｄ  回転軸
【図１】
2021512294.tif 000004
【図２】
2021512294.tif 000005
【図３】
2021512294.tif 000006
【図４】
2021512294.tif 000007
【図５】
2021512294.tif 000008
【図６】
2021512294.tif 000009
【図７】
2021512294.tif 000010
【図８】
2021512294.tif 000011
【図９】
2021512294.tif 000012
【図１０ａ】
2021512294.tif 000013
【図１０ｂ】
2021512294.tif 000014
【図１１ａ】
2021512294.tif 000015
【図１１ｂ】
2021512294.tif 000016
【図１２】
2021512294.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】令和2年9月24日(2020.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０ａ】
2021512294.tif 000018
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０ｂ】
2021512294.tif 000019
【国際調査報告】
2021512294.tif 000020
2021512294.tif 000021
2021512294.tif 000022
2021512294.tif 000023
2021512294.tif 000024
2021512294.tif 000025
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