(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸（１０）から突出する部分（１２）の２つの対向する側面（１６；１７）の少なくとも一方が過剰圧力下のガスを供給され、
ガス圧力が前記軸（１０）から突出する部分（１２）の前記２つの対向する側面（１６；１７）の少なくとも一方と、前記側面（１６；１７）の外側に設けられた少なくとも１つの、多孔質材料からなるガス透過性本体（１５）との間にガス圧が形成され、
前記軸（１０）に軸線方向に働く力が前記ガス圧の関数として決定されることを特徴とする軸（１０）に軸線方向に働く力を測定する方法。
【請求項２】
前記軸（１０）から突出する部分（１２）の前記２つの対向する側面が過剰圧力下のガスを供給され、前記軸（１０）から突出する部分（１２）の前記２つの対向する側面（１６；１７）の一方と前記側面（１６；１７）の外側に設けられた少なくとも１つの、多孔質材料からなるガス透過性本体（１５）との間にガス圧が形成され、
前記２つの対向する側面（１６；１７）上のガス圧同士の間に差圧が形成され、前記軸（１０）に軸線方向に働く力がｋ*ΔＰとして決定され、ｋは定数であり、かつΔＰは前記２つの対向する側面（１６；１７）のガス圧の間の差圧であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
軸（１０）に作用する軸力を測定するための回転軸（１０）を備える測定装置であって、
前記軸（１０）の周りに少なくとも１つの、多孔質材料からなるガス透過性本体（１５）が前記軸（１０）の周囲に設けられ、前記軸（１０）の外形表面と前記本体（１５）との間には加圧下のギャップ（１１）が設けられ、
前記軸（１０）は、前記本体（１５）に遊びをもって形成された軸線方向に対向する２つの側面を有する突出部（１２）を備え、
前記本体（１５）に過剰圧力下ガスを供給するための手段が設けられ、
前記突出部（１２）の前記２つの側面の少なくとも一方上の圧力を測定するために圧力測定手段（１８）が設けられ、前記軸（１０）に軸線方向に働く力が前記測定圧力の関数であることを特徴とする測定装置。
【請求項４】
軸線方向に延在する複数の第２のチャネル（１４）が前記本体（１５）に設けられ、前記第２のチャネル（１４）の出口（１９；２０）は前記半径方向に突出する部分（１２）の前記２つの側面（１６；１７）に対して軸線方向に向けられており、
前記第２のチャネル（１４）は前記圧力測定手段（１８）に接続されていることを特徴とする請求項３記載の測定装置。
【請求項５】
前記本体（１５）はシールされたケーシング（２１）により包囲されていることを特徴とする。請求項３記載の測定装置。
【請求項６】
前記本体（１５）が少なくとも１つの多孔質、ガス透過性スリーブを備えたことを特徴とする請求項３記載の測定装置。
【請求項７】
前記軸（１０）の第１の端部が第１の測定本体（２２）に結合され、第２の測定本体（２３）が前記第１の測定本体（２２）に被験媒体（２４）を介して結合され、前記被験媒体（２４）の粘弾性を測定するようにしたことを特徴とする請求項３記載の測定装置。
【請求項８】
前記被験媒体（２４）が試験チャンバ（２５）内に囲まれ、該試験チャンバ（２５）は前記第２の測定本体（２３）と前記柱（１１）とにより画定され、前記柱（１１）の過剰圧力が前記被験媒体を加圧されるようにしたことを特徴とする請求項７記載の測定装置。
【請求項９】
前記本体（１５）が第１の載置板（３９）に結合され、前記軸（１０）が第２の載置板（４０）に結合され、前記第１の載置板と前記第２の載置板（４０）が前記軸（１０）の軸線方向に相互に対して可動に設けられていることを特徴とする請求項５記載の測定装置。
【請求項１０】
軸（１０）に作用する半径方向の力を測定する方法であって
前記軸（１０）の外形表面が過剰圧力下のガスを供給され、
前記外形表面と前記外形表面に隣接する少なくとも１つの、多孔質材料からなるガス透過性本体（１５）との間の空間にガス圧が形成され、
前記空間の半径方向に対向する２つの第１の部分上のガス圧同士の間の第１の差圧が確立され、
前記空間の半径方向に対向する２つの第２の部分上のガス圧同士の間の第２の差圧が確立され、前記第１および第２の部分は相互に垂直であり、
前記第１および第２の差圧は２つの直角に働く力の第１の成分Ｆ1および第２のＦ2にそれぞれ対応し、そして
前記力の第１の成分Ｆ1および第２のＦ2の合成力Ｆが前記軸に作用する半径方向の力に対応することを特徴とする方法。
【請求項１１】
測定板（１２）の２つの対向面（１６；１７）の少なくとも一方が過剰圧力下のガスを、ガス圧が前記２つの対向面（１６：１７）の少なくとも一方と前記２つの対向面（１６；１７）の外部に設けられた少なくとも１つの、多孔質材料からなるガス透過性本体（１５）との間にガス圧が形成されるように、供給され、
前記２つの対向面（１６；１７）の少なくとも一方上にガス圧が確立され、
前記２つの対向面（１６；１７）の一方に作用する力が前記確立されたガス圧の関数として決定されることを特徴とする力を測定する方法。
【請求項１２】
測定板（１２）の２つの対向面（１６；１７）が過剰圧力下のガスを、ガス圧が前記２つの対向面（１６：１７）の少なくとも一方と前記２つの対向面（１６；１７）の外部に設けられた少なくとも１つの、多孔質材料からなるガス透過性本体（１５）との間にガス圧が形成されるように、供給され、
前記２つの対向面（１６；１７）上にガス圧が確立され、
前記２つの対向面（１６；１７）の一方の上に作用する力がｋ*ΔＰとして決定され、ここに、ｋは定数であり、ΔＰは２つの面（１６；１７）上のガス圧同士の間の差圧であることを特徴とする請求項１１記載の力を測定する方法。
【請求項１３】
前記ガスは、前記ガス透過性本体（１５）を通して供給されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記ガスは、前記ガス透過性本体（１５）に開放チャンバを通して供給されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
測定板（１２）に働く力を測定するための測定装置であって、
前記測定板（１２）は、少なくとも１つの、多孔質材料からなるガス透過性本体（１５）に、前記測定板（１２）の２つの対向面（１６；１７）の少なくとも一方が前記本体（１５）のガス透過性表面に向かって移動可能に設けられており、
過剰圧力下のガスを前記本体（１５）に提供するための手段が設けられており、
前記測定板（１２）の前記２つの対向面（１６；１７）の少なくとも一方上のガス圧を測定するための手段が設けられ、
前記測定板（１２）に作用する力が前記測定されたガス圧の関数であることを特徴とする測定装置。
【請求項１６】
前記測定板（１２）は、前記少なくとも１つの本体（１５）に、前記測定板（１２）の前記２つの対向面（１６；１７）が前記本体（１５）のガス透過性表面に向かって移動可能に設けられており、
過剰圧力下のガスを前記本体（１５）に提供するための手段が設けられており、
前記測定板（１２）の前記２つの対向面（１６；１７）上のガス圧の間の差圧を測定するための圧力測定手段（１８）が設けられ、該差圧が前記測定板（１２）に作用する力の測定値であることを特徴とする請求項１５記載の測定装置。
【請求項１７】
前記測定板（１２）が軸（４５）に堅固に結合され該軸（４５）から突出しており、該軸（４５）はトルクを受けていることを特徴とする請求項１６記載の測定装置。
【請求項１８】
前記測定板（１２）が前記軸（４５）の半径方向に突出するように設けられていることを特徴とする請求項１７記載の測定装置。
【請求項１９】
前記測定板（１２）の前記本体（１５）から突出している部分が、前記本体（１５）に対して固定された支持装置と関節状に結合されていることを特徴とする請求項１６記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
背景技術
本発明は、軸に作用する軸力を測定する方法および装置に関する。本発明は、また、測定板上に働く力の測定方法および装置に関する。
あるタイプの測定装置を用いて測定するときに、回転している軸またはそれと同様の機械要素に働く軸力を測定する必要が生じる。軸力は測定すべき性質の統一された部分であってもよいが、軸力の測定は他の力または性質の測定と結びついた一つのファクタまたは条件であってもよい。
力の測定は、一般に、例えば測定板に働き軸上のトルクに対応する力の測定にも用いられる。
従来の技術
測定中に軸は回転しているか、あるいは回転し得るので、一部は測定信号を記録することに関連して、一部は測定信号を測定装置の非回転部品に伝達することに関連してある問題が起きる。これらの問題を避ける慣用の方法の一つは、その要素に働く力により引き起こされる変位または移動を、軸その他の回転要素に影響を与える実際の力を測定する代わりに、間接的方法によって測定するものである。
そのような技術を用いると、他の問題、例えば、測定の正確さの低下、反復可能性の低下、記録された測定信号のふらつき、が生じる。
力およびトルクを測定する装置に普通に起きる他の問題は、測定信号が高増幅等の結果、浮動することである。
発明の要約
本発明の一つの目的は、上述の問題を間接的測定方法を用いて取り除くことである。この目的は、請求項１および２に記載のような、本発明により適合された特長により、達成される。これらの特長で、本発明は以下の詳細な説明および請求項から理解される他の改善された特徴が備わっている。特に好適な実施の形態においては、いわゆる空気軸受（すでに周知である）が改変されさらに発展されている。本発明の方法および装置はレオロジー、すなわち物質の粘弾性の測定、の範囲内で特に好適である。
他の目的は、低いまたは検出できない浮動を持つ測定装置および自己安定性を表す測定装置を達成することである。本発明では、必要とされる電子部品を実際の測定場所から離して配置することができるようになる。
上述の目的は、本発明により下記の独立請求項に示した特徴を導入することにより達成される。本発明のさらなる目的および利点は以下の説明、図面および従属請求項から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
添付図面を参照して本発明の種々の実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
図１は、本発明により設計された装置の基本的断面図である。
図２は、図１による装置の模式図であり、レオロジー測定装置に関する。
図３は、図１による装置の模式図であり、図２に示す実施例とは異なる実施例のレオロジー測定装置における測定本体に関する。
図４は、軸線方向空気軸受および半径方向空気軸受の双方を持つ別の実施例を示す。
図５は、ロッドの種々の性質を測定する別の実施例を示す。
図６は、本発明による半径方向の負荷および変位の測定装置を示す。
図７は、トルク測定用の別の実施例の断面図である。
図８は、図７の実施例のＶIII−ＶIII側面図である。
詳細な説明
図１による実施例では、本発明の装置は縦軸１０を保持し、縦軸１０は空気軸受で回転状態に担持される。空気軸受は、軸１０の部分を包囲する２つの環状片からなる本体１５を保持するので、空気柱１１が軸１０と本体１５との間に形成される。本体１５は空気に対して透過性であり、適宜の多孔質、例えばグラファイト製である。空気柱１１は軸１０のための空気軸受として機能する。
本体１５の２片の間に、回転ホイール１２を有するロータの形をしている部分が軸１０から半径方向に延在している。図示の実施例ではロータ１２は環状であり、軸線方向に対向する２つの側面、すなわち面、１６および１７を持ち、本体１５と本質的に同じ外径を持つ。過剰圧力ガスが本体１５にチャンバを通って従来の方法で導入される。２つの部分を持つ本体１５はケーシング２１に包囲されており、ケーシング２１を貫通して第１のチャネル１３が空気の復帰用のスルーホールまたはベントとして設けられている。
本体１５に軸線方向に第２のチャネル１４が多数設けられ、半径方向突出部分１２の両側面１６および１７に対してこれら第２のチャネル１４の出口(以下、単に「出口」という)１９および２０が軸線方向に向けられている。出口１９および２０は後続の圧力測定において最大の精度を得るために相互に直接対向するように配列しなければならない。図示の実施例では、圧力測定ユニットは出口１９および２０と接続された差圧センサの形をしており、半径方向突出部分１２の両側面１６および１７に働く圧力同士の間の圧力差を測定するためのものである。差圧センサ１８は出口１９および２０から任意の距離に設けてよい。しかし、出口１９および２０の間の圧力ラインおよび差圧センサ１８内の多量のガスのせいで動的測定が困難になる。
空気、または他のガス、がチャネル２８を介して本体１５に導かれると、空気は本体に分布し、その中を流れ、孔隙または開口を経て排出されるので、圧力膜が形成され、これがロータ１２を担持し、そしてロータとステータとの間の機械的接触を達成することなしにそれを機械的に装荷することを可能にする。間隔、すなわちロータとステータとの間に得られた空気柱またはギャップは大きさの程度にして０．１ｍｍ以下である。ロータ軸がアンロードされると、ホイール１２はホイールの両側面に同じ圧力を与える位置を採る。圧力が一致することはかならずしも空気ギャップが両側面で同じ大きさであることを意味しない。一方、圧力は両側面で等しい。
軸１０が軸力により例えば矢印のＦ方向に影響を受けると、軸およびその半径方向突出部は矢印の方向に動こうとし、そのため下側面の空気ギャップが減る。これが起きると、面１７と本体１５の２つの片の内の下方のものとの間の圧力が増加する。その結果、上側面のギャップは増加し圧力が低下する。このようにして部分１２の２つの環状面の外側の圧力同士の間に差が生じる。圧力差は直接に軸力に関係する。部分１２の２つの環状面の面積を決定し、圧力差を測定することにより力の値を直接決定することができる。
図２は従来のレオロジー測定セルを含む測定装置を有する実際の設計を模式的に示す。この測定装置は図１に示すものと同等である。軸１０はその第１の端部に円板の形の第１の測定本体２２が接続されている。第２の測定本体２３は、円形固定板から成るが、被験媒体２４を介して第１の測定本体２２に接続される。図２による測定装置は被験媒体２４の粘弾性の測定に使用される。軸１０はその第２の端部において従来の方法で駆動モータ３７に接続され、被験媒体２４の粘弾性を決定するように構成されている。
レオロジー測定に差圧および軸力の測定結果を含めることにより、確実性および包括性のおおいに増した測定結果が得られる。このタイプの測定では、被験媒体２４の圧力増加を正確に制御することもふつうに行われる。これは軸力を連続的に測定し、載置板３９および４０の間の間隔の調整を制御することによって可能となる。
図３には、もっと発展したデザインのレオロジー測定セルを含む測定装置が示されている。このデザインでは被験媒体２４は試験チャンバ２５内に収容されており、試験チャンバ２５は第２の測定本体２３および柱１１により範囲を画定されている。柱１１内に過剰圧力を維持することにより被験媒体の加圧が達成できる。
被験媒体は、外側の円筒状測定本体２３と、過剰圧力下にあり軸１０の周りに設けられている柱で測定本体を閉じるカバーとにより範囲を画定される試験チャンバ内に封入されている。外側測定本体２３はカバーにねじ込まれＯ−リング２７で封止される。
ギャップすなわち柱がカバーの第１の開口内に設けられている。軸１０は柱に対して軸１０の軸線方向に第１の測定本体２２に向けて変位された第２の開口を通して延びている。軸１０の外径と第２の開口の内径との差は約０．２ｍｍである。
前室２６の形の空間が柱と第２の開口との間に位置している。前室２６は柱および前室２６と柱の間のカバー内に配置された第３の開口を介して加圧される。軸１０を包囲する流体ロック２７が試験チャンバ２５と前室２６との間に配置される。
測定セルの加圧は次のようにして達成される。ガス、好ましくは空気、を圧力入口２８を介して過剰圧力下のスリーブすなわち柱に導く。空気は第３の開口を通って前室２６に圧し下げる。前室の圧力は圧力入口２８の圧力よりもいくぶん低い。前室２６と大気圧との差圧は大きいため、空気の一部は柱を介して大気に漏出する。しかし、柱は空気抵抗が大きいので、漏出は比較的に取るに足らない。
流体ロック２７は、図示の実施例ではカバーから垂直に突出するスリーブ状ショルダを含むが、この流体ロック２７は試験チャンバの換気を阻止する機能を持つ。試験チャンバ内の圧力は前室内の圧力に等しい。敏感なサンプルの酸化を阻止するために不活性ガスを前室２６に過剰圧力を用いて直接注入することができる。これは前室内の特別の開口を通してまたは普通にシールされた排気口を通して行うことができる。不活性ガスはカバーに形成された開口を介して導き、前室内および試験チャンバ内の圧力の測定を可能にするようにすることもできる。駆動モータ３７が軸１０を駆動する。軸１０の異なる部分同士がチャック３８を介して相互に結合されている。
図３からわかるように、測定装置は駆動モータ３７を持つ上部と測定本体を持つ下部とに分かれる。上部は第１の載置板３９に固定され、下部は第２の載置板４０に固定される。載置板同士の間隔は調整可能である。
図４の別の実施例では、別個に軸線方向空気軸受４３および半径方向空気軸受４４が設けられている。過剰圧力下のガスが第１のチャネル２８を介して軸線方向空気軸受４３に、そして第２のチャネル２９を介して半径方向空気軸受４４に導かれる。復帰または余剰ガスは、一部はチャネル１３および３０から、また一部は軸１０周りの漏出として排出される。ガスベント３１，３２，３３および３４が軸線方向空気軸受４３に存在し、ホイール１２の両側で相互に対向している。好ましくは、これらのガスベントは対をなして半径方向に相互に対向し、軸１０の中心線から半径の半分だけ外側にある。このように、ガスベントは圧力が最高となる場所に位置していなければならない。ガスベント３１，３２，３３および３４はすべて均等化室３５および３６内に開口しており、均等化室では平均圧力値がホイール１２とベアリングの間の柱内に維持されている。このようにして、測定は他の干渉負荷、例えば、軸１０に垂直に働く力に従属することが少なくなる。ついで、２つの均等化室の間で、出力値が力に比例し極性が方向（引張り力または押しつけ力）を示す差圧センサを用いて差圧を測定する。軸上の所与の軸力は軸線方向の軸受内の対応する差圧によってバランスされていなければならないので、センサは空気軸受への圧力の適度の変化からは独立した状態を保つ。
反対の効果を達成することも可能である。空気軸受内への空気圧が一定に保たれるならば、センサはステータ内のロータの軸線方向変位を測定するのに使用できる。この種の測定に対しては目盛り調整が必要である。
本発明の測定装置のすべての実施例において、圧力測定を別の方法で行うことができる。例えば、圧力センサを本体１５内に設置するか、または部分１２で間接的に接続することが可能である。部分１２の両側面の圧力は両側面間の差圧値が計算手段すなわち制御装置、例えばプロセッサを用いて決定されるときは個別に測定することもできる。
図５の実施例はロッドの種々の特性、特にそれらの弾性を測定するのに使用するためのものである。ロッド４１を軸１０に結合し、チャンバ４２の内部に設ける。チャンバ４２はオーブンとして機能する。このオーブンを図示しない加熱装置により制御された仕方で加熱して所望の温度にする。ロッド４１の種々の性質を種々の温度で測定する。
オーブン内の温度が上昇すると、ロッド４１は膨張し軸１０に軸力が生じる。これらの軸力は測定に影響する。あるタイプの測定では軸力に注目する必要があるが、他の応用例ではこれらの力は望ましくない。軸力は非常に大きくなることもあるので空気軸受が損傷することがある。生じる軸力を連続的に測定することによりそれらを測定に含めることも発生および効果を阻止することもともに可能である。阻止は圧力センサ１８からの出力が載置板３０および４０間の距離を変える縦変位ツールを制御するようにすることにより達成できる。
図６の実施例では、本体１５は半径方向に軸に向けられたチャネルを備え、開口１９および２０が軸１０の相当する側面上にある。上述の開口１９および２０に向かって直角に開口を有するもう２つのチャネルが設置されている。図６に示す力図は軸１０に働く半径方向の力が軸の各側面に上述の仕方で差圧を生じることを示している。第１の差圧が第１の半径に沿って働く力の結果得られ、第２の差圧が第１の半径と直角の第２の半径に沿って働く力の結果得られる。測定された差圧は２つの直角に働く力の成分Ｆ1およびＦ2に対応し、その合成力が実際の力Ｆに対応する。
上述の実施例と同様に、図６の実施例は、突き当たる力を決定する代わりとして、この場合は、軸線方向ではなく半径方向の軸変位の決定に使用できる。
図７の実施例では、測定板１２は本体１５のスリット内に挿入される。このスリットは２枚の平行ディスクからなる。これらのディスクはケーシング２１に囲まれている。過剰圧力下のガスが空気導入チャネル２８から上述の仕方でチャンバ４６内に導かれる。このガスは本体１５内の２枚のディスクを通って侵入し、本体１５と測定板１２との間にガス層を形成する。
測定板１２はケーシング２１から突出する伸張部４７を備え、測定軸４５と堅固に結合される。図示の実施例では、伸張部４７は半径方向に軸４５に向けて設けられている。軸４５と測定板１２の間の他の角度も設定できる。軸４５（図８にも示す）がトルクを受けると、対応する力が測定板１２に伝達される。この力は上述のようにしてバランスされ、測定板１２の２つの側面の間に生じる差圧が測定板１２に働く力の測定値となる。軸４５の中心線と測定板１２の中点との間のレバーＬが軸４５に影響するトルクを決定するのに用いられる。
図示しない他の実施例では、伸張部４７は本体１５に関して固定された支持装置と関節状に、または旋回可能に結合されている。長さ方向以外の他の方向における伸張部４７に影響する力は測定板の法線方向に向けられた力を引き起こす。この法線方向の力は上述したのと同様に決定される。
すぐ上に説明した２つの測定装置において、測定装置内のバランス機能のため伸張部４７の角度の偏倚が必然的に非常に小さく、そのため測定における誤りももしあったとしても非常に小さいかあるいは無視し得る。本発明の測定装置のバランス機能の必然的結果として、一般に、差圧センサ１８およびそれらに接続された制御装置の増幅器等の電気部品における浮動の問題を最低限にするか、または完全に解消することができる。
圧力を一方の側面においてのみ測定するときは、なかんずく非装荷軸上の空気軸受に存在する基礎圧力に関してさらに修正することが必要である。そのような場合は側面１６および１７の一方において測定される絶対圧を基礎圧力に関係づける必要がある。測定圧力と基礎圧力との間に生じる差圧の変動はこの場合測定出力を構成し、軸に働く力を決定するのに使用される。差圧は軸に働く力に関して線形ではなく、もっと複雑な関数に従っており、そのためさらなる修正または計算が必要とされる。
一方の側面のみのガス圧を使用することも可能である。そのような場合、必要な抗力を他方の側面に例えば磁石を用いて加える必要がある。種々の応用例で用いられる空気軸受と本体１５はいわゆる「ジェット型」を備えていてもよく、すなわち多数の孔を設けそれらを通してガスを過剰圧力下に導くようにしてもよい。そうすると流入が別々のポイントで生じる。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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