JP2021096256A - Ｗｉｍ力変換器及びそのようなｗｉｍ力変換器のハウジング・プロファイル - Google Patents

Abstract

【課題】ＷＩＭ力変換器及びそのハウジング・プロファイルを提供する。【解決手段】ＷＩＭ力変換器１００は、ハウジング・プロファイル１と、圧電測定構成５とを備え、圧電測定構成５は、測定されるべき反力Ｋの影響下で分極電荷を発生させ、ハウジング・プロファイル１は、管状部分２と、管状部分２の内部の空洞２２とを備え、反力は、力導入軸Ｙに沿ってハウジング・プロファイル１を介して圧電測定構成５に作用し、圧電測定構成５は、力導入軸Ｙに沿った機械的プレストレスＶの下で空洞２２内に取り付けられ、取り付け力軸Ｘに沿って作用する取り付け力Ｍを管状部分２に加えることができ、圧電測定構成５を取り付けるために、管状部分２は、加えられる取り付け力Ｍによって、力導入軸Ｙに沿って拡張することができ、力導入軸Ｙ及び取り付け力軸Ｘによって規定される断面平面ＸＹにおいて、管状部分２は、楕円の形状である。【選択図】図５

Description

本発明は、独立請求項のプリアンブルに記載のＷＩＭ力変換器に関する。本発明はまた、そのようなＷＩＭ力変換器のハウジング・プロファイルにも関する。

力変換器が一般的に知られている。測定されるべき力が力変換器に作用し、力変換器は、この力の作用の下で測定信号を生成する。

より詳細には、力変換器は、無停止検量（ＷＩＭ：Ｗｅｉｇｈ−Ｉｎ−Ｍｏｔｉｏｎ）力変換器の形態で知られている。そのようなＷＩＭ力変換器は、道路に設置され、道路上を走行する車両がＷＩＭ力変換器を横切るときに、車両の反力を測定する。本出願人は、ＷＩＭ力変換器の市場の大手であり、ＷＩＭ力変換器においては、圧電測定構成が反力の影響下で分極電荷の形態の測定信号を生成する。分極電荷は電極によって受け取られる。分極電荷の数は、反力の量に比例する。反力の測定は動的である、すなわち、反力は、２ｋｍ／ｈから最大２００ｋｍ／ｈ以上に及ぶ車両速度において測定される。測定信号から、軸重、総重量、中心間距離、車両長さ、車両速度などのような、広範な交通情報を決定することが可能である。

特許文献１において、本出願人は、そのようなＷＩＭ力変換器を開示している。ＷＩＭ力変換器は、力導入フランジ、管状部分及び力固定フランジを含むハウジング・プロファイルを備える。圧電測定構成が、管状部分内の空洞内に配置される。道路は、水平軸に沿って延在する。力導入フランジは、路面の数ｃｍ下の距離をおいて配置される。測定されるべき反力は、垂直軸に沿ってハウジング・プロファイルを介して圧電測定構成へと誘導される。垂直軸は、力導入軸とも呼ばれる。ＷＩＭ力変換器は、力固定フランジによって、道路の表面下に永続的に機械的に固定される。

管状部分は壁を備える。壁は、汚染、塵芥及び湿気などの有害な環境条件から圧電測定構成を保護する。

管状部分は、２つの取り付け部材を備える。取り付け部材は、壁と一体的に作製される。取り付け部材は、管状部分の内部で圧電測定構成を収容するための空洞の境界を定める。

さらに、取り付け部材は、空洞内の機械的プレストレスの下で圧電測定構成を保持する。この機械的プレストレスのため、圧電測定素子の表面及び圧電測定構成の電極はフォースロック式に順に重なり合って、互いに電気的に接触していない領域及び部分的な電荷タップがなくなり、これらの表面上の粗さ及び不均一性が封じられ、結果として、ＷＩＭ力変換器の測定再現性及び線形性が高くなる。測定再現性は、同一の条件下で測定を再現することができる正確度に関係する。線形性は、反力の増加とともに分極電荷の数がどれだけ均一に増加するかを示す。

機械的プレストレスを発生させるために、力導入軸の方向における圧電測定構成のサイズは、空洞のサイズに対して一定程度オーバーサイズにされる。圧電測定構成を空洞内に取り付けるために、管状部分は、水平方向に作用する取り付け力によって、力導入軸の方向に弾性的に拡張される。水平軸は、取り付け力軸としても参照される。取り付け力は、圧電測定構成が空洞内に取り付けられた後に、解放される。したがって、力導入軸に沿った管状部分の弾性拡張は部分的に反転され、オーバーサイズであることに起因して、この時点で機械的プレストレスが力導入軸の方向に作用する。

特許文献１の教示によれば、管状部分は、力導入軸及び取り付け力軸によって規定される断面において円形の形状を有し、壁は均一な壁厚である。

取り付け部材の間の空洞の寸法は、高い精度で製造されなければならないことが分かっている。オーバーサイズにしすぎると、管状部分を拡張するためにより大きい取り付け力を加えなければならず、これには、組み立て中に管状部分が部分的に塑性拡張するリスクが伴う。部分的な塑性拡張を受ける管状部分は、取り付け力が解放されたときに、予測不可能な形状をとり、結果、優勢な機械的プレストレスが小さくなりすぎことになる。加えて、オーバーサイズが十分でない場合、取り付け力が解放された後に作用する機械的プレストレスが小さくなりすぎる。

これに関連して、特許文献２は、ＷＩＭ力変換器を教示しており、管状部分が、取り付け部材からの距離が増加するに伴って一定に増加する壁厚を有する壁を備える。取り付け力軸に沿って取り付け力が壁に作用する２つの取り付け点において、壁は最大の壁厚を有する。取り付け部材から取り付け点までの壁厚は余弦関数的に増加する。この結果として、塊状で菱形形状の管状部分がもたらされる。

ＷＩＭ力変換器の可能な最も高い感度を得るために、圧電測定構成は、主力経路内に配置されるべきである。感度とは、分極電荷の数と、反力の大きさとの比である。主力経路において、反力の可能な最も高い割合が、ハウジング・プロファイルを介して圧電測定構成に伝達される。特許文献２の教示による塊状で菱形形状の管状部分は、ＷＩＭ力変換器の感度を低減する。

欧州特許出願公開第０６５４６５４号明細書 中国特許出願公開第１０２９２８００５号明細書

本発明の第１の目的は、高い測定再現性及び高い線形性を以て測定信号を生成するＷＩＭ力変換器を提供することである。本発明の第２の目的は、非常に感度の高いＷＩＭ力変換器を提供することである。さらに、第３の目的は、そのようなＷＩＭ力変換器のハウジング・プロファイルをコスト効率的に製造することを可能にすることである。

これらの目的の少なくとも１つは、独立請求項の特徴によって達成されている。

本発明は、ハウジング・プロファイルと、圧電測定構成とを備えるＷＩＭ力変換器であって、上記圧電測定構成は、測定されるべき反力の影響下で分極電荷を発生させ、上記ハウジング・プロファイルは、管状部分と、管状部分の内部の空洞とを備え、上記反力は、力導入軸に沿ってハウジング・プロファイルを介して圧電測定構成に作用し、上記圧電測定構成は、力導入軸に沿った機械的プレストレスの下で空洞内に取り付けられ、取り付け力軸に沿って作用する取り付け力を管状部分に加えることができ、圧電測定構成を空洞内に取り付けるために、上記管状部分は、加えられる取り付け力によって、力導入軸に沿って拡張可能であり、力導入軸及び取り付け力軸によって規定される断面平面において、管状部分は、取り付け力軸に沿って延在する長半軸及び力導入軸に沿って延在する短半軸を有する楕円の形状である、ＷＩＭ力変換器に関する。

本発明によれば、ＷＩＭ力変換器の管状部分は、もはや、特許文献１に教示されているように、断面において円形の形状を有しない。代わりに、本発明による管状部分は、断面が楕円形である。

本出願人は、断面が楕円形であり、力導入軸に沿ってよりも取り付け力軸に沿ってより大きい寸法を有する管状部分に、特許文献１の円形管状部分の場合と同じ量の取り付け力が加えられることによって、管状部分の塑性拡張を回避しながら、力導入軸に沿ってより大きい拡張がもたらされることを見出した。

比較すると、同じ量の取り付け力が引き起こす管状部分の垂直拡張は、実質的に３０％大きい。結果として、本発明による管状部分及び圧電測定構成の製造公差はそれほど厳密ではなく、それらの製造がよりコスト効率的になっている。

有利な実施例において、ＷＩＭ力変換器の管状部分は、外面及び中心点を備え、上記外面は、中心点から外方に向かって楕円形に形成されており、管状部分は、少なくとも取り付け領域及び内面を備え、取り付け領域は、取り付け力軸上に配置され、内面は、取り付け領域内で中心点に向かって凹状になるように形成されている。

取り付け力を加えることができる取り付け領域において、管状部分は、特別な設計によって特定の領域において機械的に強化されている。外面は、中心点から外方に向かって楕円形に形成されており、内面は、中心点に向かって凸状になるように形成されている。この理由は、取り付け力が取り付け領域内で局所的に作用し、取り付け領域を変形させることである。取り付け力は、外面に対する圧縮力をもたらし、取り付け力は、内面に対する張力をもたらす。外面上で、圧縮力は、取り付け領域に向かって接線方向に作用する。内面上で、張力は、取り付け領域から外方に向かって接線方向に作用する。外面の楕円形状及び内面の凹形状は特に、圧縮力及び張力の影響下での取り付け領域の塑性変形を回避する。

取り付け領域は、特許文献１の管状部分に加えられるものと等しい量の取り付け力が発生させる管状部分の塑性拡張の割合が実質的に２５％小さくなるように、補強される。結果として、この取り付け領域の補強によって、取り付け力が解放された後に所望の機械的プレストレスが達成され、それによって力変換器のより高い測定再現性及びより高い線形性がもたらされる可能性がより高くなる。

別の有利な実施例によれば、ＷＩＭ力変換器の管状部分の取り付け領域は、内面上で２つの転換点の間に延在し、内面上で、取り付け領域は一定の凹状補強半径を含む。

これには、取り付け力軸に沿った取り付け領域の軸方向の拡張を、補強半径のサイズによって精密に調整することができるという利点がある。したがって、補強取り付け領域のサイズは、特に、取り付け力の大きさに対して調整される。補強取り付け領域のサイズは、補強取り付け領域にわたって散逸される、測定されるべき反力が可能な最小の割合になり、圧電測定構成に作用する反力が可能な最大の割合になり、結果としてＷＩＭ力変換器の可能な最高の感度がもたらされるように、必要なだけ小さく維持される。

別の有利な実施例によれば、ＷＩＭ力変換器の管状部分の取り付け領域は、半径方向軸に沿って、取り付け領域角度にわたって延在し、又は、ＷＩＭ力変換器の管状部分の取り付け領域は、補強高さにわたって力導入軸に沿って延在する。

これには、半径方向軸に沿った取り付け領域の半径方向の拡張を、取り付け領域角度のサイズによって精密に調整することができ、力導入軸に沿った取り付け領域の軸方向の拡張を、補強高さのサイズによって精密に調整することができるという利点がある。これによってまた、補強取り付け領域のサイズが、必要なだけ小さくなり、補強取り付け領域にわたって散逸される、測定されるべき反力が可能な最小の割合になり、圧電測定構成に作用する反力が可能な最大の割合になる。併せて、この結果として、ＷＩＭ力変換器の可能な最も高い感度がもたらされる。

別の有利な実施例によれば、ＷＩＭ力変換器の管状部分は、複数の壁領域を備え、壁領域の外面は、中心点から外方に向かって楕円形に成形されており、壁領域の内面は、中心点から外方に向かって楕円形に成形されており、壁領域は壁厚を有し、上記壁厚は実質的に一定である。

特許文献２の教示とは対照的に、ＷＩＭ力変換器の管状部分は、一定の壁厚を有するいくつかの壁領域を備える。この壁厚は、壁領域にわたって散逸される、測定されるべき反力が可能な最小の割合になり、圧電測定構成に達する、測定されるべき反力が可能な最大の割合になり、結果としてＷＩＭ力変換器の可能な最高の感度がもたらされるように、必要なだけ小さく維持される。

本発明はさらに、そのようなＷＩＭ力変換器のハウジング・プロファイルに関する。

課題に対するさらなる有利な解決策は、さらなる従属請求項の特徴によって達成される。

以下において、図面を参照しながら、例として、本発明をより詳細に説明する。

本発明によるＷＩＭ力変換器のハウジング・プロファイルの一実施例の一部分を通る断面図である。 図１によるＷＩＭ力変換器の圧電測定構成の一実施例の一部分を通る断面図である。 取り付け力によって拡張されている、図１によるＷＩＭ力変換器のハウジング・プロファイルの部分を通る断面図である。 図３によるＷＩＭ力変換器の拡張されたハウジング・プロファイル内に取り付けられた後の、図２による力変換器の圧電測定構成の部分の断面図である。 取り付け力が解放された後の、図４によるＷＩＭ力変換器の部分を通る断面図である。 モデル化された円形管状部分の圧縮及び拡張の表現を示す図である。 モデル化された楕円形管状部分の圧縮及び拡張の表現を示す図である。

図面内の同じ部分は常に同じ参照符号によって示されている。

図１は、本発明によるＷＩＭ力変換器１００のハウジング・プロファイル１の一実施例の一部分を通る断面図を示す。そのようなＷＩＭ力変換器１００は、道路内に挿入され、道路上を運転する車両がＷＩＭ力変換器の上を横切るときに、車両からの反力を測定する。しかしながら、本発明を知った当業者には、ハウジング・プロファイルを有する他の力変換器において本発明を実行することも可能である。

水平軸又は取り付け力軸Ｘ及び垂直軸又は力導入軸Ｙが、図１に示されている。これら２つの軸は、力変換器１００の中心点Ｃにおいて交差する。この断面は、取り付け力軸Ｘ及び力導入軸Ｙによって規定される断面平面ＸＹにおいて示されている。長手方向軸は示されていない。取り付け力軸Ｘ、力導入軸Ｙ及び長手方向軸は、互いに垂直である。道路は、取り付け力軸Ｘに平行に延在する。

ハウジング・プロファイル１は、鉄、鉄合金、鋼、アルミニウムなどのような、機械的に抵抗性のある材料から作成される。ハウジング・プロファイル１は、例えば、取り付け力軸Ｘに沿って３５ｍｍの幅を有する。ハウジング・プロファイル１は、例えば、力導入軸Ｙに沿って３５ｍｍの高さを有する。ハウジング・プロファイル１は、長手方向軸に沿って１０００ｍｍ又は２０００ｍｍの長さを有することができる。ハウジング・プロファイル１は、好ましくはアルミニウムから作成される。好ましくは、ハウジング・プロファイル１は一体的に製造される。一個のアルミニウム片から作成されるハウジング・プロファイル１は、コスト効率的に製造することができ、鉄、鉄合金、鋼などと比較して軽量であるため、容易に輸送し、道路に設置することができる。

ハウジング・プロファイル１は、力導入フランジ３、管状部分２及び力固定フランジ４を備える。力導入軸Ｙに関して、管状部分２は、力導入フランジ３と力固定フランジ４との間に配置される。力導入フランジ３の力導入面３０は、取り付け力軸Ｘに平行であり、路面の数ｃｍ下の距離をおいて配置される。測定されるべき反力は、力導入フランジ３の力導入面３０から力導入軸Ｙに沿って管状部分２へと誘導される。力変換器１００は永続的に、力固定フランジ４によって、道路の表面下に機械的に固定される。力固定フランジ４の力固定面４０は、取り付け力軸Ｘに平行である。

中心点Ｃの領域において、管状部分２は内部が中空である。断面において、管状部分２は、半径方向軸Ｒに沿って空洞２２を３６０°完全に取り囲む。半径方向軸Ｒは、断面平面ＸＹ内に延在する。管状部分２は、内面２００を備え、内面２００は中心点Ｃに面し、内面２００は空洞２２の境界を定める。管状部分２は、外面２１０を備え、外面２１０は中心点Ｃの反対方向に面し、外面２１０は外側に向かって管状部分２の境界を定める。

外面２１０は、中心点Ｃから外方に向かって楕円形に成形されている。外面２１０は、長半軸ａ及び短半軸ｂを有する。長半軸ａは、取り付け力軸Ｘと一致し、短半軸ｂは、力導入軸Ｙと一致する。加えて、楕円形外面２１０の第１の焦点Ｆ１及び楕円形外面２１０の第２の焦点Ｆ２は、取り付け力軸Ｘ上に位置する。

長半軸ａは取り付け力軸Ｘ上で、中心点Ｃと外面２１０上の取り付け点２５２との間で測定される。長半軸ａは、例えば、１２．５ｍｍ長である。短半軸ｂは、力導入軸Ｙ上で、中心点Ｃと、遷移領域２３の遷移線２３０上の一点との間で測定される。短半軸ｂは、例えば、１２．０ｍｍ長である。

管状部分２は、種々の領域２０、２３、２５を備える。したがって、管状部分２は、複数の壁領域２０、複数の遷移領域２３及び複数の取り付け領域２５を備える。種々の領域２０、２３、２５によって、管状部分２は、半径方向軸Ｒに沿って空洞２２を３６０°完全に取り囲む。種々の領域２０、２３、２５は、内面２００及び外面２１０を有する。種々の領域２０、２３、２５の各々は、特別な機能向けに最適化されている。

好ましくは、管状部分２は、力導入軸Ｙと取り付け力軸Ｘとの間に４つの壁領域２０を備える。壁領域２０は、管状部分２の壁厚が可能な限り小さくなるように最適化されている。壁厚は可能な限り小さくなっているため、測定されるべき反力の相対的に小さい割合のみが壁領域２０に伝達される。各壁領域２０は、半径方向軸Ｒに沿って、壁領域角度α２０＝５０°にわたって延在する。壁領域２０内で、外面２１０は、中心点Ｃから外方に向かって実質的に楕円形に成形されている。壁領域２０内で、内面２００は、中心点Ｃから外方に向かって実質的に楕円形に成形されている。本発明の目的のために、副詞「実質的に」は、少なくとも９０％達成されていることを意味する。

壁領域２０は、壁厚Ｗ２０を有する。壁厚Ｗ２０は図１に示されている。壁厚Ｗ２０は、外面２１０上の一点と、内面２００上の一点との間で測定される。好ましくは、壁厚Ｗ２０は実質的に一定である。壁厚Ｗ２０は、管状部分２の最小の壁厚である。壁厚Ｗ２０は、例えば２．０ｍｍである。

壁領域２０は、遷移領域２３に連続している。さらに、壁領域２０は、取り付け領域２５に連続している。本発明の目的のために、連続しているとは、壁厚Ｗ２０が遷移領域２３の遷移壁厚Ｗ２３へと連続的且つ無段階に変化すること、及び、壁厚Ｗ２０が取り付け領域２５の補強壁厚Ｗ２５へと連続的且つ無段階に変化することを意味する。そのような連続的な遷移は、機械的態様において、取り付け力の作用下で特に安定的であり、その量の取り付け力に対して塑性変形を示さない。内面２００上で、壁領域２０の各々は、遷移領域２３の頂点Ｐ２３と取り付け領域２５の転換点Ｐ２０との間に延在する。

好ましくは、管状部分２は、２つの遷移領域２３を備え、遷移領域２３は力導入軸Ｙ上にある。各遷移領域２３は、半径方向軸Ｒに沿って、遷移領域角度α２３＝２０°にわたって延在する。遷移領域２３は、圧電測定構成への可能な最も高い力変換のために最適化されている。可能な最も高い力変換によって、相対的に高い割合の測定されるべき反力が、圧電測定構成に伝達される。

第１の遷移領域２３において、管状部分２は力導入フランジ３に機械的に接続される。第２の遷移領域２３において、管状部分２は力固定フランジ４に機械的に接続される。したがって、管状部分２は遷移領域２３において外面を有しない。代わりに、管状部分２は遷移領域２３において遷移線２３０を有する。遷移線２３０は、隣接する壁２０の外面２１０から連続的に延伸する破線として示されている。遷移線２３０は、管状部分２の、力導入フランジ３及び力固定フランジ４に対する境界を表す。遷移領域２３において、管状部分２は、好ましくは材料接合によって、力導入フランジ３及び力固定フランジ４に接続されている。

第１の遷移領域２３は、第１の取り付け部材２６に機械的に接続される。第２の遷移領域２３は、第２の取り付け部材２６に機械的に接続される。好ましくは、管状部分２は、２つの取り付け部材２６を備え、取り付け部材２６は力導入軸Ｙ上にある。２つの取り付け部材２６は、断面がパンチ形状である。２つの取り付け部材２６は、同一の断面寸法を有する。２つの取り付け部材２６は、２つの内側力導入面２６０が互いに向き合う。２つの内側力導入面２６０は、力導入軸Ｙに沿って空洞２２を境界を定める。２つの内側力導入面２６０は、内面２００の一部である。好ましくは、内側力導入面２００は、取り付け力軸Ｘに平行な平面内にある。内側力導入面２６０は、好ましくは０．０２ｍｍの、それほど厳密ではない均一性で製造される。内側力導入面２６０は、好ましくは０．０２ｍｍの、それほど厳密ではない平行性で製造される。内側力導入面２６０は、好ましくは０．０２ｍｍの、それほど厳密ではない厚さ公差で製造される。内側力導入面２６０は、例えば、力導入軸Ｙに沿って５．９ｍｍの垂直距離２６１を有する。

内面２００の一部は、遷移領域２３において放物線形状である。各遷移領域２３が、２つの放物線を有する。各放物線が、頂点Ｐ２３を有する。

遷移領域２３は、遷移壁厚Ｗ２３を有する。遷移壁厚Ｗ２３は図１に示されている。遷移壁厚Ｗ２３は、力導入軸Ｙ上で、遷移線２３０上の一点と、内側力導入面２６０上の一点との間で測定される。遷移壁厚Ｗ２３は、管状部分２の最大の壁厚である。遷移壁厚Ｗ２３は、例えば１０ｍｍである。

好ましくは、管状部分２は、２つの取り付け領域２５を備え、取り付け領域２５は取り付け力軸Ｘ上にある。取り付け領域２５は、管状部分２の特定の局所的な機械的補強のために最適化されている。各取り付け領域２５は好ましくは、外面２１０上に位置する取り付け点２５２と、内面２００上に位置する補強点２５３とを備える。取り付け点２５２において、外面２１０は、中心点Ｃから外方に向かって楕円形に形成されている。補強点２５３において、内面２００は、中心点Ｃに向かって凹状になっている。外面の楕円形状及び内面の凹形状は、特に、圧縮力及び張力の作用下での取り付け領域の塑性変形を回避する。

各取り付け領域２５は、半径方向軸Ｒに沿って、取り付け領域角度α２５＝２０°にわたって延在する。半径方向軸Ｒに沿った取り付け領域２５の半径方向の広がりは、取り付け領域角度α２５のサイズによって精密に調整され得る。各取り付け領域２５は、内面２００上の２つの転換点Ｐ２０の間に延在する。各取り付け領域２５は、補強高さ２５１にわたって力導入軸Ｙに沿って延在する。力導入軸Ｙに沿った取り付け領域２５の軸方向寸法は、補強高さ２５１のサイズによって精密に調整され得る。補強高さ２５１は、例えば、６．０ｍｍである。補強点２５３において、内面２００は好ましくは、一定の凹状補強半径Ｒ２５を有し、補強半径Ｒ２５は参照点Ｐ２５から測定され、上記参照点Ｐ２５は、取り付け力軸Ｘ上で管状部分２の外側にある。取り付け力軸Ｙに沿った取り付け領域２５の軸方向寸法は、補強半径Ｒ２５のサイズによって精密に調整され得る。補強半径Ｒ２５は、例えば、１６．０ｍｍである。

取り付け領域２５は、補強壁厚Ｗ２５を有する。補強壁厚Ｗ２５は図１に示されている。補強壁厚Ｗ２５は取り付け力軸Ｘ上で、外面２１０上の取り付け点２５２と内面２００上の補強点２５３との間で測定される。補強壁厚Ｗ２５は、例えば、２．５ｍｍである。

図２は、本発明による力変換器１００の圧電測定構成５の一実施例の一部分を通る断面図を示す。

圧電測定構成５は、少なくとも１つの圧電測定素子５０と、少なくとも１つの電極５１とを備える。圧電測定構成５は、例えば、力導入軸Ｙに沿って６．００ｍｍの垂直高さ５５１を有する。圧電測定構成５は、例えば、取り付け力軸Ｘに沿って１２．０ｍｍの幅を有する。圧電測定構成５は、例えば、長手方向軸に沿って１２．０ｍｍの長さを有する。

圧電測定構成５は、測定されるべき力Ｋが力導入軸Ｙに沿って作用する外側力導入面５００を備える。力Ｋは、図２に黒い矢印として示されている。好ましくは、圧電測定構成５は、測定されるべき力Ｋが力導入軸Ｙに沿って作用する２つの外側力導入面５００を備える。外側力導入面５００は、取り付け力軸Ｘに平行な平面内にある。外側力導入面５００の均一性、平行性、厚さ公差などのような製造公差はそれほど厳密ではなく、コスト効率的な生産が可能である。外側力導入面５００は、好ましくは０．０３ｍｍの、それほど厳密ではない均一性で製造される。外側力導入面５００は、好ましくは０．０３ｍｍの、それほど厳密ではない平行性で製造される。外側力導入面５００は、好ましくは０．０３ｍｍの、それほど厳密ではない厚さ公差で製造される。

圧電測定素子５０はディスク形状であり、石英（ＳｉＯ_２単結晶）、ガロゲルマニウム酸カルシウム（Ｃａ_３Ｇａ_２Ｇｅ_４Ｏ_１４又はＣＧＧ）、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４又はＬＧＳ）、トルマリン、オルトリン酸ガリウム、圧電セラミックなどの圧電結晶材料から構成される。圧電測定素子５０は、測定されるべき力Ｋに対して高い感度を有するような結晶方位に切断される。感度は、測定されるべき一定量の力Ｋに対して発生する分極電荷の数の測度である。好ましくは、圧電測定素子５０は、力Ｋが力導入軸Ｙに沿って作用する表面上で負及び正の分極電荷が発生するような縦効果に従って配向される。分極電荷の数は、力Ｋのサイズに比例する。分極電荷の数は、力Ｋが力導入軸Ｙに沿って作用する表面のサイズの２乗とともに増加する。表面が大きくなるほど、圧電測定構成５の感度は高くなる。しかしながら、本発明を理解した当業者はまた、分極電荷が力が作用する表面に垂直に発生する横効果に基づくもののような、異なる配向を有する圧電測定素子を使用することもできる。

図２による圧電測定構成５は、好ましくは２つの圧電測定素子５０を備える。２つの圧電測定素子５０は、互いに対して対抗する結晶方位で配置される。結果として、極性の同じ分極電荷が発生する２つの圧電測定素子５０の表面は、互いに向き合う。電極５１は、力導入軸Ｙに関して２つの圧電測定素子５０のこれらの表面の間に配置される。電極５１は、２つの圧電測定素子５０のこれらの表面と直に機械的に接触する。電極５１は、２つの圧電測定素子５０のこれらの表面から分極電荷を受け取る。タップされた分極電荷は、電気信号として、導電体を介して、それらを評価する評価ユニットへと送信される。導電体及び評価ユニットは、図面に示されていない。

圧電測定構成５の寸法は、圧電測定素子５０の表面を、感度を高めるために可能な限り大きくし、外側力導入面５００の、均一性、平行性及び厚さ公差のような製造公差を、コスト効率的な製造を可能にするためにそれほど厳密にならないように選択するように、最適化される。

力導入軸Ｙに沿った圧電測定構成５の寸法は、特に、空洞２２と比較して垂直方向にオーバーサイズになるように製造される。図示されている例示的な実施例において、圧電測定構成５は、力導入軸Ｙに沿って６．００ｍｍの垂直高さ５５１を有し、一方、中空プロファイル２のために、内側力導入面２６０の間の垂直距離２６１は、力導入軸Ｙに沿って５．９０ｍｍである。垂直高さ５５１と垂直距離２６１との間の差が、垂直方向のオーバーサイズである。この例示的な実施例において、垂直方向のオーバーサイズは０．１０ｍｍである。

圧電測定構成５は、空洞２２内に取り付けることができる。圧電測定構成５を管状部分２の空洞２２内に取り付けるために、管状部分２は、力導入軸Ｙに沿って拡張される。この拡張の大きさは少なくとも、垂直方向のオーバーサイズ、並びに、力導入軸Ｙに沿った管状部分２及び圧電測定構成５の製造公差程度である。取り付け力軸Ｘに沿った作用する取り付け力Ｍが、図３及び図４に示すように、この目的のために加えられる。好ましくは、取り付け力Ｍは、２つの取り付け点２５２において外側から加えられる。取り付け力Ｍは、図３及び図４に黒い矢印として示されている。取り付け力Ｍの作用下で、管状部分２は取り付け力軸Ｘの水平方向において圧縮され、力導入軸Ｙの垂直方向において拡張される。水平圧縮ｘは、管状部分２の弾性的に圧縮された長半軸ａ−−をもたらす。垂直拡張ｙは、管状部分２の弾性的に拡張された短半軸ｂ＋＋をもたらす。管状部分２の水平圧縮ｘ及び垂直拡張Ｙは、図３及び図４において、破線の内面２００及び破線の外面２１０として表されている。

取り付け領域２５は、壁領域２０と比較して局所的に補強されている。取り付け領域２５の補強壁厚Ｗ２５は、壁領域２０の壁厚Ｗ２０よりも大きい。壁厚Ｗ２５の増加のみに起因して、取り付け点２５２及び補強点２５３における圧縮は弾性的である。図３及び図４の黒い矢印によって示すように、取り付け点２５２における取り付け力Ｍは、外面２１０上の圧縮力Ｄ、及び、内面２１０上の補強点２５３における張力Ｚをもたらす。圧縮力Ｄは、外面上２１０で、取り付け点２５２に向かって、及び、遷移領域２３から外方に向かって接線方向に作用する。張力Ｚは、内面上２００で、補強点２５３から外方に向かって、及び、遷移領域２３に向かって接線方向に作用する。

例示的な実施例において、管状部分２及び圧電測定構成５の均一性及び平行性に関する製造公差を考慮に入れて、管状部分２は、力導入軸Ｙに沿って０．１５ｍｍの垂直拡張ｙだけ広げられる。拡張されている管状部分２の内側力導入面２６０の間の拡張垂直距離２６０＋＋は６．０５ｍｍである。その後、圧電測定構成５が、垂直方向に拡張されている管状部分２に挿入される。好ましくは、圧電測定構成５は、拡張されている管状部分２の内側力導入面２６０の間の６．００ｍｍの垂直高さ５５１をもって設置される。

圧電測定構成５が中に挿入されると、取り付け力Ｍは管状部分２から解放される。圧電測定構成５の寸法と比較しての、力導入軸Ｙに沿った空洞２２の０．１０ｍｍの垂直方向のオーバーサイズに起因して、管状部分２の水平圧縮及び垂直拡張は部分的に維持される。図５に示すように、取り付け力が解放されることによって、圧縮されている水平拡張ａ−−が変形して、残留圧縮水平拡張ａ−になり、拡張垂直拡張ｂ＋＋が、残留拡張垂直拡張ｂ＋になる。したがって、０．１０ｍｍの、管状部分２の残留拡張垂直拡張ｂ１が維持される。

残留拡張垂直拡張ｂ＋は、管状部分２内の圧電測定構成５の機械的プレストレスＶを発生させる。図５から分かるように、力導入軸Ｙに沿った機械的プレストレスＶによって、圧電測定素子５０の表面及び電極５１はフォースロック式に順に重なり合い、結果、不完全な電荷タップをもたらす、互いに電気的に接触していない領域がなくなり、これらの表面上の粗さ及び不均一性が封じられ、結果として、力変換器１００の測定再現性及び線形性が高くなる。

しかしながら、管状部分２の材料には材料特有の弾性限界があり、管状部分２が組み立て中に部分的な塑性拡張を呈する可能性があるというリスクがある。取り付け力Ｍが解放された後、部分的な塑性拡張を受ける管状部分２は、予測不可能な形状をとり、その結果、優勢な機械的プレテンションが小さくなりすぎることになる。加えて、垂直方向のオーバーサイズが小さすぎる場合も、取り付け力Ｍが解放された後に作用する機械的プレストレスＶはいずれにしても小さくなりすぎる。例示的な実施例においてハウジング・プロファイル１の材料として使用されるアルミニウムは、鉄、鉄合金、鋼などと比較して、特に弾性限界が低い。

本発明による管状部分２は、楕円形である。短半軸ｂよりも長い長半軸ａを有する楕円形の管状部分２について、取り付け力軸Ｘに沿った取り付け力Ｍは、取り付け力軸及び力導入軸に沿って同じ円半径を有する特許文献１の円形の管状部分の場合よりも、力導入軸Ｙに沿って大きい垂直拡張ｙを生じる。短半軸ｂよりも５％長い長半軸ａについて、取り付け力Ｍは好ましくは、取り付け力軸及び力導入軸に沿って同じ円半径を有する円形の管状部分の場合よりも、実質的に３０％大きい拡張垂直拡張ｙを生じる。０．１５ｍｍの垂直拡張ｙを達成するために、楕円形の管状部分２は、０．１２ｍｍの水平圧縮ｘを引き起こす取り付け力Ｍを加えることを必要とする。対照的に、特許文献１による円形の管状部分について、取り付け力Ｍは、０．１５ｍｍの水平圧縮を達成しなければならない。

力導入軸Ｙに沿った垂直拡張ｙが大きくなることは、本発明による管状部分２の２つの幾何学関連効果によって説明することができる。これら２つの幾何学関連効果は、下記により詳細に説明する。

これに関連して、図６及び図７は、モデル化された管状部分２’の圧縮及び拡張の２つの表現を示す。図６は、円半径ｒを有するモデル化された円形管状部分２’の水平圧縮及び垂直拡張を示す。図７は、短半軸ｂ及び長半軸ａを有するモデル化された楕円形管状部分２’の水平圧縮及び垂直拡張を示す。

取り付け力軸に沿って作用する取り付け力Ｘの影響下で、モデル化された管状部分２’は、力導入軸Ｙに沿って拡張される。モデル化された管状部分２’の垂直拡張は、破線によって表されている。

図６によるモデル化された円形管状部分２’の垂直拡張ｙの結果として、拡張した楕円形がもたらされる。力導入軸Ｙに沿って、拡張した楕円形の円半径ｒは垂直拡張ｙだけ拡大され、一方、取り付け力軸Ｘに沿って、拡張した楕円形の円半径ｒは水平圧縮ｘだけ縮小される。図７によるモデル化された楕円形管状部分２’の垂直拡張ｙの結果として、拡張した楕円形がもたらされる。拡張した楕円形は、破線によって表されている。力導入軸Ｙに沿って、拡張した楕円形の短半軸ｂは垂直拡張ｙだけ拡大され、一方、取り付け力軸Ｘに沿って、拡張した楕円形の長半軸ａは水平圧縮ｘだけ縮小される。

剛体について、拡張されるとき、斜辺ｃの長さは変化しないままである。

図６によるモデル化された円形管状部分２’について、取り付け力Ｍの結果として、水平圧縮ｘと同じ量の垂直拡張ｙがもたらされる。

しかしながら、これは、図７によるモデル化された楕円形管状部分２’の拡張については異なる。ピタゴラスの定理によれば、以下のように述べられる。
ｃ^２＝ａ^２＋ｂ^２＝（ａ−ｘ）^２＋（ｂ＋ｙ）^２
この式を垂直拡張ｙについて解くと、以下のようになる。

ａ＞ｂ、すなわちｎを正の百分率として、ａ＝（１＋ｎ）ｂである場合、以下が当てはまる。

この式は、任意の正の百分率ｎについて解くことができ、ここで、垂直拡張ｙの量は常に水平圧縮ｘの量よりも大きい。

楕円形の管状部分２について、長半軸ａは好ましくは、短半軸ｂよりも５％大きく、これは、ｎ＝５％であることを意味する。さらに、楕円形の管状部分２の場合の短半軸ｂ＝１２．０ｍｍ且つ水平圧縮ｘ＝１．２％について、垂直拡張ｙ＝１．２６％となり、これは、特許文献１の円形の管状部分の場合よりも実質的に６％大きい。

しかしながら、剛体は、無限に高い引張剛性εを有する。しかしながら、本発明による楕円形の管状部分２及び特許文献１による円形の管状部分は、引張剛性εが管状部分材料の弾性率Ｅと管状部分の特定の幾何学的形状の両方に依存するため、有限の引張剛性εを有する。

引張剛性εは、フックの法則から得られる。ｌの長さを有する円筒中実体について、中実体の長手方向の拡張Δｌ／ｌは、中実体に作用する張力又は圧縮力Ｋに比例する。比例係数は引張剛性εである。

これが図６によるモデル化された円形管状部分２’に適用されるとき、取り付け力軸Ｘに沿った引張剛性ε_ｋは、円半径ｒと取り付け力Ｍとの積を、水平圧縮ｘで除算した値である。したがって、円形の管状部分２’の引張剛性ε_ｋは、以下のようになる。

さらに、図７によるモデル化された楕円形管状部分２’はしたがって、取り付け力軸Ｘに沿った引張剛性ε_ｅは、長半軸ａと取り付け力Ｍとの積を、水平圧縮ｘで除算した値である。したがって、楕円形の管状部分２’の引張剛性ε_ｅは、以下のようになる。

しかしながら、楕円形の管状部分２について、取り付け力軸Ｘに沿った長半軸ａは、力導入軸Ｙに沿った短半軸ｂよりも長く、一方、特許文献１の円形の管状部分について、円半径ｒは、取り付け力軸Ｘ及び力導入軸Ｙに沿って同じである。さらに、楕円形の管状部分２及び円形の管状部分は、力導入軸Ｙに沿って実質的に同じ幾何学的形状を有し、結果、力導入軸Ｙに沿って、短半軸ｂの長さは円半径ｒと同じである。好ましくは、楕円形の管状部分２について、長半軸ｂは短半軸ａよりも５％長く、したがってまた、円半径ｒよりも５％長い。したがって、楕円形の管状部分２の引張剛性ε_ｅは、円形の管状部分の引張剛性ε_ｋよりも５％大きい。同じ量の取り付け力Ｍが、円形の管状部分と比較して、楕円形の管状部分２に対しては５％だけより大きい水平圧縮ｘをもたらす。

したがって、楕円形の管状部分２と、特許文献１による円形の管状部分とは、２つの幾何学関連効果によって異なる。第１の幾何学関連効果は、楕円形の管状部分２の力導入軸Ｙに沿った、相対的により大きい垂直拡張ｙであり、第２の幾何学関連効果は、楕円形の管状部分２の取り付け力軸Ｘに沿った、相対的により大きい引張剛性ε_ｅである。これら２つの幾何学関連効果は相乗的に作用し、それらは互いに独立して生じるため、２つの幾何学関連効果は相乗して、楕円形の管状部分２の場合に実質的に３０％だけより大きい垂直拡張ｙが達成される。

１ ハウジング・プロファイル
２ 管状部分
２’ モデル化された管状部分
３ 力導入フランジ
４ 力固定フランジ
５ 圧電測定構成
２０ 壁領域
２２ 空洞
２３ 遷移領域
２５ 取り付け領域
２６ 取り付け部材
３０ 力導入面
４０ 力固定面
５０ 圧電測定素子
５１ 電極
１００ 力変換器
２００ 内面
２１０ 外面
２３０ 遷移線
２５１ 補強高さ
２５２ 取り付け点
２５３ 補強点
２６０ 内側力導入面
２６１ 垂直距離
２６１＋＋ 拡張垂直距離
５００ 外側力導入面
５５１ 垂直高さ
α２０ 壁領域角度
α２３ 遷移領域角度
α２５ 取り付け領域角度
ａ 長半軸
ａ− 残留圧縮長半軸
ａ−− 圧縮長半軸
ｂ 短半軸
ｂ＋ 残留拡張短半軸
ｂ＋＋ 拡張短半軸
ｃ 斜辺
Ｃ 中心点
Ｄ 圧縮力
Ｆ１ 第１の焦点
Ｆ２ 第２の焦点
ｎ 正の百分率
Ｋ 力
Ｍ 取り付け力
Ｐ２３ 頂点
Ｐ２０ 転換点
Ｐ２５ 参照点
Ｒ 半径方向軸
Ｒ２５ 補強半径
ｒ 円半径
Ｖ 機械的プレストレス
Ｗ２０ 壁厚
Ｗ２３ 遷移壁厚
Ｗ２５ 補強壁厚
ｘ 水平圧縮
Ｘ 取り付け力軸
ＸＹ 断面平面
Ｙ 力導入軸
ｙ 垂直拡張
Ｚ 張力

Claims (15)

1. ハウジング・プロファイル（１）と、圧電測定構成（５）とを備えるＷＩＭ力変換器（１００）であって、前記圧電測定構成（５）は、測定されるべき反力（Ｋ）の影響下で分極電荷を発生させ、前記ハウジング・プロファイル（１）は、管状部分（２）と、前記管状部分（２）の内部の空洞（２２）とを備え、前記反力は、力導入軸（Ｙ）に沿って前記ハウジング・プロファイル（１）を介して前記圧電測定構成（５）に作用し、前記圧電測定構成（５）は、前記力導入軸（Ｙ）に沿った機械的プレストレス（Ｖ）の下で前記空洞（２２）内に取り付けられ、取り付け力軸（Ｘ）に沿って作用する取り付け力（Ｍ）を前記管状部分（２）に加えることができ、前記圧電測定構成（５）を前記空洞（２２）内に取り付けるために、前記管状部分（２）は、加えられる取り付け力（Ｍ）によって、前記力導入軸（Ｙ）に沿って拡張することができ、前記力導入軸（Ｙ）及び前記取り付け力軸（Ｘ）によって規定される断面平面（ＸＹ）において、前記管状部分（２）は、前記取り付け力軸（Ｘ）に沿って延在する長半軸（ａ）及び前記力導入軸（Ｙ）に沿って延在する短半軸（ｂ）を有する楕円の形状であることを特徴とする、ＷＩＭ力変換器（１００）。
2. 前記管状部分（２）は、外面（２１０）及び中心点（Ｃ）を有し、前記外面（２１０）は、前記中心点（Ｃ）から外方に向かって楕円形に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のＷＩＭ力変換器（１００）。
3. 前記管状部分（２）は、少なくとも１つの取り付け領域（２５）及び内面（２００）を備え、前記取り付け領域（２５）は前記取り付け力軸（Ｘ）上にあること、及び、前記取り付け領域（２５）内で、前記内面（２００）は、前記中心点（Ｃ）に向かって凹状になるように形成されていることを特徴とする、請求項２に記載のＷＩＭ力変換器（１００）。
4. 前記取り付け領域（２５）は、前記内面（２００）上で２つの転換点（Ｐ２０）の間に延在すること、及び、前記内面（２００）上で、前記取り付け領域（２５）は一定の凹状補強半径（Ｒ２５）を有することを特徴とする、請求項３に記載のＷＩＭ力変換器（１００）。
5. 前記取り付け領域（２５）は、半径方向軸（Ｒ）に沿って、取り付け領域角度（α２５）にわたって延在すること、又は、前記取り付け領域（２５）は、補強高さ２５１にわたって前記力導入軸（Ｙ）に沿って延在することを特徴とする、請求項３又は４のいずれか一項に記載のＷＩＭ力変換器（１００）。
6. 前記管状部分（２）は、複数の壁領域（２０）を有し、前記壁領域（２）内の前記外面（２１０）は、前記中心点（Ｃ）から外方に向かって楕円形に形成されており、前記壁領域（２０）内の前記内面（２００）は、前記中心点（Ｃ）から外方に向かって楕円形に形成されていること、及び、前記壁領域（２０）は、壁厚（Ｗ２０）を有し、前記壁厚（Ｗ２０）は実質的に一定であることを特徴とする、請求項２から５までのいずれか一項に記載のＷＩＭ力変換器（１００）。
7. 前記壁領域（２０）は、壁厚（Ｗ２０）を有すること、前記取り付け領域（２５）は、補強壁厚（Ｗ２５）を有すること、及び、前記補強壁厚（Ｗ２５）は、前記壁厚（Ｗ２０）よりも大きいことを特徴とする、請求項６に記載のＷＩＭ力変換器（１００）。
8. 前記取り付け領域（２５）は、前記内面（２００）上で２つの転換点（Ｐ２０）の間に延在すること、及び、転換点（Ｐ２０）において、前記取り付け領域（２５）は壁領域（２０）と連続していることを特徴とする、請求項６又は７のいずれか一項に記載のＷＩＭ力変換器（１００）。
9. 前記力導入軸（Ｙ）に沿って、前記空洞（２２）は、特に、前記圧電測定構成（５）の寸法と比較して垂直方向にオーバーサイズになるように製造されることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載のＷＩＭ力変換器（１００）。
10. 前記力導入軸（Ｙ）に沿って、前記空洞（２２）は、内側力導入面（２６０）によって境界を定められること、前記内側力導入面（２６０）は、互いからの垂直距離（２６１）を有すること、前記圧電測定構成（５）は、前記力導入軸（Ｙ）に沿って垂直高さ（５５１）を有すること、及び、前記垂直距離（２６１）と前記垂直高さ（５５１）との間の差が、前記垂直方向のオーバーサイズであることを特徴とする、請求項９に記載のＷＩＭ力変換器（１００）。
11. 前記圧電測定構成（５）を前記空洞（２２）内に取り付けるために、前記短半軸（ｂ）を、前記力導入軸（Ｙ）に沿って、拡張短半軸（ｂ＋＋）まで拡張することができ、前記拡張の大きさは少なくとも、前記垂直方向のオーバーサイズ、並びに、前記力導入軸（Ｙ）に沿った前記管状部分（２）及び前記圧電測定構成（５）の製造公差程度であることを特徴とする、請求項９に記載のＷＩＭ力変換器（１００）。
12. 前記圧電測定構成（５）は、拡張短半軸（ｂ＋＋）を有する前記管状部分（２）内に取り付けることができることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一項に記載のＷＩＭ力変換器（１００）。
13. 前記取り付けられた圧電測定構成（５）を有する前記拡張短半軸（ｂ＋＋）は、残留拡張短半軸（ｂ＋）まで変形することができ、前記残留拡張短半軸（ｂ＋）の拡張の量は、前記垂直方向のオーバーサイズ、並びに、前記力導入軸（Ｙ）に沿った前記管状部分（２）及び前記圧電測定構成（５）の製造公差と同じであることを特徴とする、請求項１２に記載のＷＩＭ力変換器（１００）。
14. 前記取り付けられた圧電測定構成（５）を有する前記拡張短半軸（ｂ＋＋）は、力導入軸（Ｙ）に沿って作用する取り付け力（Ｍ）を解放することによって、前記残留拡張短半軸（ｂ＋）まで変形することができること、及び、前記残留拡張短半軸（ｂ＋）が、前記機械的プレストレス（Ｖ）を発生させることを特徴とする、請求項１３に記載のＷＩＭ力変換器（１００）。
15. 前記長半軸（ａ）が、前記短半軸（ｂ）よりも実質的に５％大きいことを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか一項に記載のＷＩＭ力変換器（１００）のためのハウジング・プロファイル（１）。

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