JP5248856B2 - 力測定エレメント - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項の上位概念部に記載した力測定エレメントに関する。

ドイツ連邦共和国特許公開第１００１２９８３号明細書によれば、３つの力測定管が互いに１２０°の角度を成して配置されている力・モーメントセンサが公知である。力測定管は、ケーシング中心点に向いたそれぞれ１つの一方の端部を介してケーシング底部に堅固に結合されている。力測定管は、他方の自由端部を介してそれぞれ１つのねじ山付きピンを受容する。このねじ山付きピンはケーシングカバーの側壁に挿入されている。力測定管に対して横方向の力だけが伝達されるようになっている。力測定管は、堅固に緊締された端部の近傍において、互いに直角に配置された２つの横方向孔を有しており、これらの横方向孔によって、管横断面は４つのウエブに減少される。これら４つのウエブに、力測定管に伝達される横方向力の大きさ及び方向を測定するための伸張測定ストリップが固定される。この場合、互いに反対側に設けられたそれぞれ２つの伸張測定ストリップがこの横方向力成分を測定する。このようにして規定された全部で６つの軸方向力成分によって、外部から作用する、それぞれ３つの力及びモーメント成分より成る負荷が算出される。

発明の利点
これに対して、独立請求項の特徴部に記載した本発明による力測定エレメントは、力を測定するための著しく簡単な構造を用いることができるという利点を有している。この力測定エレメントは大量生産で製作することができ、例えば質量測定のためにシート（座席）に簡単に組み込むことができる。しかしながら力測定エレメントを、力測定のための別の装置に設けることも可能である。本発明による力測定エレメントはモーメント測定も可能である。この場合、力測定エレメントはねじ又はピンであってよく、それによって最小の構造スペースを必要とするだけである。

この場合、力測定のための測定原理としてダイヤフラムが使用される。このダイヤフラムはその中央でピンによって保持され、ダイヤフラムの外側はスリーブによって取り囲まれている。必要なシール面は小さくて済むという別の利点が得られる。スリーブとピン若しくはねじとの間にギャップが必要なだけである。ダイヤフラムに伸張に感応する領域が設けられ、この領域に、伸張を測定するためのセンサが取り付けられており、この場合、伸張は力の大きさを表す。この伸張に感応する領域は、硬質材料例えば高張力鋼より成っており、これに対してその他のエレメントは、あまり硬質ではない材料より形成されていてよい。理想的なケースでは、力の方向がピンに対して垂直となるように、力がスリーブに加えられる。しかしながら、力が別の角度でスリーブに作用するようにしてもよい。この場合、本発明による力測定エレメントは、ダイヤフラムを伸張させる主な原因である、ピンに対してほぼ垂直な力成分を測定する。

伸張測定センサの使用若しくは取り付けは特に簡単である。何故ならば、この伸張測定センサは一平面に配置されるからである。従って、伸張測定センサを被着するために薄膜法を使用することもできる。身長測定センサは、複数の伸張測定エレメントより成っていてよい。

従属請求項に記載した手段及び実施態様によって、独立請求項に記載した力測定エレメント有利な改良が可能である。

特に有利には、本発明による力測定エレメントは一体的に構成されている。これによって、本発明による力測定エレメントを特に簡単に製作することができる。特にこの場合、力測定エレメントは回転対称的に構成されており、この場合、回転対称性から少しだけずれていても、力測定エレメントの機能に影響を及ぼすことはない。有利な形式で本発明による力測定エレメントはねじとして構成されている。これによって、力測定エレメントを、例えば車両のシート（座席）に働く重量を測定するために、種々異なる使用箇所に特に簡単に組み込むことができる。

正確な測定を可能にするために、伸張測定センサが伸張測定ストリップを有していて、この伸張測定ストリップがホイートストンブリッジに接続されていれば、有利である。また選択的に、圧電抵抗的な欠陥に関して伸張を測定するために、センサが圧電抵抗式エレメントを有していてもよい。このエレメントは、薄膜法で力測定エレメントのダイヤフラムに被着することができる。

本発明の実施態様によれば、力を導入するための旋回レバーが設けられている。この場合、旋回レバーはスリーブと作用接続している。

さらに本発明によれば、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向におけるモーメントを解除するために、旋回レバーと力測定エレメントとの間に球面すり合わせジョイント（Gelenlkpfanne）が設けられている。力を導入するために、旋回レバーが使用し、また力測定エレメントの固定端が使用すれば、幾つかの又はすべてのモーメントを力測定エレメントから解除することができる。スリーブとピンとの間の中間室内に力制限部材としてのリングを設けることができる。

本発明による力測定エレメントを一体的に構成する代わりに、スリーブとピンとダイヤフラムとを、接合箇所によって結合してもよい。接合箇所として、例えば溶接が用いられる。この場合、特に、スリーブ、ダイヤフラム及びピンのために種々異なる材料を使用することができる。これによって、製作技術もさらに簡略化される。接合箇所は、容易にアクセス可能であり、それによって構成部材を簡単に結合することができる。スリーブとダイヤフラムとの間の接合箇所、並びにダイヤフラムとピンとの接合箇所を互いにずらしてもよい。これによって本発明による力測定エレメントをさらに簡単に製作することができる。

また、ダイヤフラムにおける、伸張に感応する領域をさらに良好に高感度に構成するために、力測定エレメントが、ピン、ダイヤフラム及びスリーブの相応の構成によって、内方に向いた自由室を有するようにすれば、有利である。これによって、力に関連した伸張のより大きいストローク、及びひいては力のより良好な測定が可能である。

有利な形式で、ダイヤフラムエレメントはリング状（環状）に構成することができ、ひいては伸張に感応する領域内に配置することができる。これは硬質の材料の節約を意味する。

本発明によれば、接合箇所もリング状に構成することができる。これによって本発明による力測定エレメントを特に簡単に製作することができる。この場合、リング状のダイヤフラムが使用される。

図面
本発明の実施例が図面に示されていて、以下に詳しく説明されている。

図１ａは、本発明による力測定エレメントの正面図、
図１ｂは、図１に示した力測定エレメントを断面した側面図、
図１ｃは、本発明による力測定エレメントの断面図、
図２ａは、力測定エレメントの、組み付けた状態の側面図、
図２ｂは、力測定エレメントの断面図、
図３ａは、球面すり合わせジョイント（Gelenkpfanne）を有する力測定エレメント、
図３ｂは、力測定エレメントの断面図、
図４は、断面した側面図、
図５は、別の実施例の断面した側面図、
図６は、別の実施例の断面した側面図、
図７ａは、平面図、
図７ｂは、第４の断面した側面図、
図８は、
図９は、伸張測定エレメントの別の変化例を備えた別の正面図、
図１０は、伸張測定エレメントの別の変化例を備えたさらに別の正面図、
図１１は、第５の断面した側面図である。

実施例の説明
公知の力センサにおいては、力又はモーメントが作用すると変形する、Ｓ字状又はロッド状のエレメントが使用される。このような形状においては、構造スペースが大きく、しかもねじ又はピン等の従来の固定エレメントに組み込むことが困難である、という欠点がある。

本発明によれば、特別に構成されたねじ又はピンによって力測定及び／又はモーメント測定を可能にすることが提案されている。力測定エレメントは、製作が簡単で、最小の構造スペースを可能にするような、簡単な幾何学的なエレメント（geometrische Elemente）より成っている。

伸張を介して力測定エレメントによって力が測定されるので、伸張測定式のセンサを位置決めすることによって、主に一方方向の力だけを感知することができる。

力測定エレメントの基本的な構造は図１ａ及び図１ｂに示されている。力測定エレメントは、主に回転対称的な部分より成っており、この場合、回転対称性に対する小さいずれが機能に影響を及ぼすことはない。図１ａは、力測定エレメントの正面図を示している。この正面図では、与えられた伸張に関連した複数の抵抗１４を備えたダイヤフラム３及び、これらの抵抗１４を接続する配線１５並びに電気的な接続部１６だけが示されている。伸張に関連した抵抗１４は、一方では、引張力の負荷にされている領域１２ａ内に配置されていて、他方では押圧力の負荷にさらされている領域１３ａ内に配置されている。一方の領域１２ａは引張力の領域であって、他方の領域１３ａは図示の力作用方向Ｆにおける押圧力の領域である。力Ｆが図示の方向とは逆方向に作用すると、引張力が押圧力に変わり、押圧力が引張力に変わる。電圧（Spannung）に基づく伸張を測定するためにそれぞれ１つの抵抗が使用される。前記２つの領域間にそれぞれ２つの別の抵抗が配置されており、これらの抵抗は、ダイヤフラム３上の伸張感応度の低い領域内に位置決めされている。これによって、これらの抵抗１４がホイートストンブリッジ内で接続されることによって、電圧差を評価することによって非常に精確に測定することができる。別のブリッジ回路若しくは評価回路も可能である。電気的な接続部１６は評価回路、例えばマイクロコンピュータに接続されている。このマイクロコンピュータは、自動車の有利には制御装置内に配置される。図１ａ、図１ｂ，図１ｃにおいては、それぞれ下側に配置された座標系が方向を定める。これは図２ａ，図２ｂ、図３ａ，図３ｂ及び図８にも当てはまる。

図１ｂは、本発明による力測定エレメントを断面した側面図を示している。力測定エレメントは、ねじ山付き部分１７をダイヤフラム３に結合するピンを有している。ダイヤフラム３は、ピン２よりも大きい直径を有していて、その外側領域がスリーブ１に接続されており、このスリーブ１は、ダイヤフラム３及びピン２並びにねじ山付き部分１７と同様に回転対称的に構成されている。ダイヤフラム３は外側の１／３においてそれぞれ凹部２００を有しており、これらの凹部２００が伸張に感応する領域４を規定している。この場合、スリーブ１は段部１９を有しており、この段部１９に、ピン２若しくはねじ山付き部分１７の長手方向に対して垂直な力Ｆが働くようになっている。スリーブ１とピン２との間に中間室２１が形成されており、この中間室２１は、力Ｆを加えることによって縮小されるので、伸張に感応する領域４は押圧力若しくは引張力にさらされる。ダイヤフラム３とピン２とは、接合箇所１０を介して互いに結合されている。この場合、接合技術として溶接技術を用いることができる。

図１ｃには、ピン２は断面されているが、スリーブ１は断面されていない、図１ｂのＡ−Ａ線に沿った力測定センサの断面図が示されている。従って図１ｃには、Ａ−Ａ線に沿った断面図で、中間室２１とスリーブ１とが示されている。スリーブ１は、別の内側の円によって規定された段部１９も示している。

力Ｆで示されているように、力は段部１９を介してスリーブ１に導入される。このモーメントはスリーブ１とピン２との間に作用する。このスリーブ１とピン２との間にダイヤフラム３が配置されており、このダイヤフラム３は、モーメント導入によってねじられる。ダイヤフラム３の、大きく伸張するリング状（環状）の領域４に、伸張若しくは電圧を測定するエレメント例えば伸張ストリップ、圧電抵抗式の構造体又は薄膜構造体が被着される。

図８、図９及び図１０には、伸張測定エレメントの配置に関する変化例が示されている。このような配置の利点は、全部で４つの抵抗が変化するという点にある。２つの抵抗は引張負荷にさらされている領域内にあり、残りの２つの抵抗は押圧負荷にさらされている領域内にある。

図８には、それぞれ薄壁状のダイヤフラム領域の縁部に配置された、複数の伸張測定エレメントが示されている。この場合、負のｚ方向で負荷が加えられると、領域１２ａ，１３ｂ内の抵抗１４が引張力にさらされ、また領域１２ｂ，１３ａ内の抵抗１４は、押圧力にさらされる。接続部８４は測定評価に通じている。この場合も、伸張に基づく抵抗１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂは、ホイートストンブリッジに接続されている。

図９には、領域１２ａ，１３ａだけを利用した別の変化例が示されている。この場合、抵抗１４は、負のｚ方向の力が働くと、領域１２ａ内では引張力として作用し、また領域１３ａ内で押圧力として作用する。

同様の配置は、領域１２ｂ若しくは１３ｂでも可能である。これは図１０に示されている。図１０の実施例では、抵抗１４は、力が負のｚ方向に働くと領域１２ｂ内で押圧力が作用し、領域１３ｂ内で引張力が作用する。

凹部２００は円形に形成されている。この場合、この円形形状の半径はどこでも同じである。変化実施例が図１１に示されている。図１１ではピン２がダイヤフラム３を介してスリーブ１に接続されている。測定信号を最適化するために、ピン２に向いた側の、部分円２０２の部分が、スリーブ１に向いた側の、部分円２０１の部分とは異なる、有利にはこの部分円２０１の部分よりも大きい半径を有している。このような形状によって、伸張測定エレメントの上記配置のために、伸張分布を、伸張測定エレメントの測定信号が力Ｆの作用に対して最大の感度で反応するように、適合させることができる。この部分円形状は、放物線状、スプライン曲線状（splinefoermig）又はその他の関数によっても近似的な若しくは最適なものが形成され得る。

力は固定端を介して導出される。

これは図２に示されている。この場合、図１と同じ部材には同じ符号が用いられている。固定端２３は、例えばねじ山付き部分１７をねじ山にねじ込むことによって得られる。付加的に、図２ａには旋回レバー（Schwinge）２２が図示されている。この旋回レバー２２は、力測定エレメントを断面した別の側面図（図２ｂ）にも示されている。この旋回レバー２２は、力を導入するために用いられる。この場合、旋回レバー２２を介して力が導入され、固定端２３を介して力が導出される。原則的に、固定端２３と旋回アーム２２とは交換することができる。旋回アームは、力測定エレメントのＹ軸線を中心にしたモーメントを解除する。

図２ｂは、図１に示した力測定エレメントのＡ−Ａ線に沿った断面図を示しており、この場合、ピン２及び中間室２１の隣に、段部１９を備えたスリーブ１及び旋回レバー２２が示されている。

図３ａは、力測定エレメントを断面した側面図を示しており、この場合、同じ部材には御材符号が記されている。図３では、図２に示した実施例とは異なる構成の旋回レバー２４及びスリーブ１が使用されている。スリーブは、旋回レバー２４に回転方向３２で必要な遊びを与えるために、自由室３１を有している。

すべての室軸線におけるモーメントを解除するための、図３ａ及び図３ｂに示した回転方向３２は、例えば旋回レバー２４における球面すり合わせジョイント２５によって可能である。球面すり合わせジョイント２５は、互いに係合し合う２つのエレメントより成っており、これえらのエレメントは、同じ中心点Ｍと同じ半径３０とを有する（図３ａ参照）それぞれ１つの球状の表面２５を備えている。旋回レバー２４の球状の面は、内方に（中心点Ｍに）向いており、これに対して軸受２６の球状の面は中心点Ｍから離れる方向で外方に向いている。２つの面は、回転運動を可能にするために、互いに僅かな遊びを有していてよい。

図３ｂは、図３ａのＡ−Ａ線に沿った断面図であって、この場合、ピン２だけが断面されていて、ｘ、ｙ、ｚ軸線を中心にして球面すり合わせ２５で可動な旋回レバー２４のスリーブ１は正面図で示されている。

一般的には、力が中間エレメントを介して力測定エレメントに導入される場合、この中間エレメントがジョイントとして構成されていれば、モーメントの解除が行われる。

図４は、別の実施例の断面した側面図を示している。この実施例でも、ねじ山付き部分１７が固定端２３に螺合されている。ピン２は接合箇所１０を介してダイヤフラム３に結合されていて、ダイヤフラム３は接合箇所１１を介してスリーブ１に結合されている。この実施例では、ピン２に付加的にスペーサリング２０が取り付けられており、このスペーサリング２０は力制限部材として用いられる。スリーブ１に力が加えられることによって、間隔２１が０に減少されると、力が制限される。何故ならば、それ以上の力が加えられることはなく、それ以上伸張することがないからである。この機能は、その他の図面において相応に選択された寸法によって実現される。このような構成では、接合箇所１０及び１１を省くことができ、力測定エレメントを１つの部材から簡単に製作することができるという利点が得られる。これは、スペーサリングを取り付ける前に、加工のために内室６３に簡単にアクセス（接近）できるので、可能である。

図５は、別の実施例の断面した側面図を示している。この実施例では、接合箇所１１と接合箇所１０とは、図４の実施例におけるように同一平面にあるのではなく、互いにずらして配置されている。オフセット（ずれ）５０を設けたことによって、本発明による力測定エレメントをより容易に製作することができる。

図６には、ダイヤフラムとスリーブ６０とが一体的に形成されている力測定エレメントが示されている。スリーブ６０と、斜面６１を備えたピン６２とは、伸張に感応する領域を製作するために自由室６３が内方へ変形されているように、成形されている。接合箇所１０及び１１は、スリーブつまりダイヤフラム６０とピン６２とを接続するために用いられる。

図７ａは、本発明による力測定エレメントの別の実施例が示されている。この実施例ではリング状（環状）の２つの接合箇所１０，１１が設けられており、これらの接合箇所１０，１１によって、ダイヤフラム７０をリング状に形成することができる。従ってピン７２は表面が露出していて、またリング状のスリーブ７１も表面が露出している。これによって、ダイヤフラム７０のための材料つまり高張力鋼を節約することができる。図７ｂは、この実施例の断面した側面図を示している。この場合、リング状のダイヤフラム７０とねじ山付き部分１７とを備えた力測定エレメントは、固定端２３に配属されている。

図１ａは本発明による力測定エレメントの正面図、図１ｂは図１に示した力測定エレメントを断面した側面図、図１ｃは本発明による力測定エレメントの断面図である。 図２ａは力測定エレメントの、組み付けた状態一部断面した側面図、図２ｂは図２ａのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図３ａは球面すり合わせジョイントを有する力測定エレメントの、組み付けた状態の一部断面した側面図、図３ｂは図３ａのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 別の実施例による力測定エレメントの断面した側面図である。 別の実施例の一部断面した側面図である。 別の実施例の一部断面した側面図である。 図７ａは本発明の別の実施例による力測定エレメントの平面図、図７ｂは図７ａの一部断面した側面図である。 別の実施例による伸張測定エレメントの正面図である。 別の実施例による伸張測定エレメントの正面図である。 さらに別の変化例による伸張測定エレメントの正面図である。 別の実施例による力測定エレメントの一部断面した側面図である。

Claims (16)

1. 力測定エレメントであって、ピン（２）と、ダイヤフラム（３）とを有しており、該ダイヤフラム（３）の外側領域がスリーブ（１）に接続されており、前記ダイヤフラム（３）の伸張を測定するためのセンサ（１４，１５，１６）が設けられており、前記スリーブ（１）が前記ピン（２）に対して間隔を保っており、
   ダイヤフラム（３）がピン（２）に結合されており、
   ピン（２）に対するスリーブ（１）の前記間隔（２１）は、ダイヤフラム（３）が、ピン（２）の長手方向に対して直交する方向でスリーブ（１）に加えられる力成分に基づいて伸張せしめられるように構成されており、
   力測定エレメントは、ダイヤフラム（３）内で伸張に感応する領域を規定するために、ダイヤフラム（３）内に凹部（２００）が形成されるように構成されており、
   力測定エレメントを断面した側面図で見て、前記凹部（２００）が、円形に形成されている力測定エレメントにおいて、
   力測定エレメントを断面した側面図で見て、前記凹部（２００）が、第１の部分円形状（２０１）と第２の部分円形状（２０２）とを有しており、第１の部分円形状（２０１）が、第２の部分円形状（２０２）よりも小さい半径を有していることを特徴とする、力測定エレメント。
2. 力測定エレメントが、ピン（２）とダイヤフラム（３）とスリーブ（１）と一体的に構成されている、請求項１記載の力測定エレメント。
3. 力測定エレメントがねじ（１７）として構成されている、請求項１又は２記載の力測定エレメント。
4. センサ（１４，１５，１６）が、伸張を測定するための伸張測定ストリップを有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の力測定エレメント。
5. 前記センサが、伸張を測定するための圧電抵抗エレメントを有している、請求項１記載の力測定エレメント。
6. 前記センサが、薄膜技術によって被着されている、請求項４又は５記載の力測定エレメント。
7. 前記センサが、回路としてホイートストンブリッジを有している、請求項４から６までのいずれか１項記載の力測定エレメント。
8. ホイートストンブリッジが、押圧負荷にさらされる領域（１２ｂ，１３ａ）内で２つの抵抗を有していて、また引張負荷にさらされる領域（１２ａ，１３ｂ）内で別の２つの抵抗を有している、請求項７記載の力測定エレメント。
9. ホイートストンブリッジが、押圧負荷にさらされる領域内で第１の抵抗を有し、引張負荷にさらされる領域内で第２の抵抗を有し、また伸張しにくい領域内で別の２つの抵抗を有している、請求項７記載の力測定エレメント。
10. ピンに、力制限部材として用いられるスペーサリング（２０）が設けられている、請求項１から９までのいずれか１項記載の力測定エレメント。
11. ダイヤフラム（３）とピン（２）とを接続するための少なくとも１つの接合箇所が力測定エレメントに設けられている、請求項１記載の力測定エレメント。
12. ピン（２）とダイヤフラム（３）とを接続する接合箇所（１０）と、ダイヤフラム（３）とスリーブ（１）とを接続する接合箇所（１１）との２つの接合箇所が設けられていて、これらの接合箇所（１０，１１）が、同一平面ではなく、互いにずらした平面に配置されている、請求項１１記載の力測定エレメント。
13. 力測定エレメントを断面した側面図で見て、前記部分円形状がそれぞれ放物線状に又はスプライン曲線状に構成されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の力測定エレメント。
14. 接合箇所がリング状に構成されていて、それによってリング状のダイヤフラムが提供されている、請求項１１又は１２記載の力測定エレメント。
15. ダイヤフラム（３）が高張力鋼より成っている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の力測定エレメント。
16. 力測定エレメントがほぼ回転対称的に構成されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の力測定エレメント。

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