JP5495397B2 - 環状ハウジングを備える力測定リング - Google Patents

Description

本発明は、力測定リング又はロードセルに関し、これは、少なくとも１つの圧電測定素子を収納する環状ハウジングと、このハウジングに、円環状の内側及び外側膜（ダイアフラム）領域を介して接続、好ましくは、溶接、される圧力伝達要素とを有する。本発明は、更に、軸又は押し部（stamp）に対して軸方向に作用する力を測定するための装置にも関する。

力測定リングは、力、圧力、加速、及びモーメントを測定するために使用され、そして、この目的のために、力伝達手段と機関(engine)部品との間に挿入される。

例えば、国際公開第２００４／０７０３３４ Ａ１から、実質的にアダプタ部と、アダプタ・スリーブとから成るプレテンション（初荷重）装置を備える測定センサが知られている。前記アダプタ部は、一体の中央テンショニング（荷重）・スリーブを有し、これは前記アダプタ・スリーブの中央ボア内に延出するとともに、ナットによってそこでプレテンションする（初荷重をかける）ことができる。前記アダプタ・スリーブのリング形状受け入れ空間に力測定リングが配置され、この力測定リングの測定素子は環状ハウジング内に配設されるとともに、前記アダプタ部に当接する膜（ダイアフラム）によってカバーされている。この膜は、溶接によって前記センサ・ハウジングに取り付けられ、それによってプレテンションされている（初荷重がかけられている）。

図１は、例えば、G. GAUTSCHIの「圧電センサ」Springer 2002に提示されている公知の力測定リングをより詳細に示している。前記力測定リング１は、環状ハウジング２を有し、このハウジングは、内側フランジ８と外側フランジ９とによって形成される受け入れ空間を形成し、二つの圧電測定素子５と、これら両素子間に配設されたピックアップ電極６とを収納している。前記ピックアップ電極６は、前記外側フランジ９に取り付けられたソケット部材７に接続されている。前記力測定リング１に作用する力は、圧力伝達要素１１を介して圧電測定素子５に伝達される。前記圧力伝達要素１１は、内側膜領域１２と外側膜領域１３とを備え、これら領域は、前記ハウジング２の内側フランジ８と外側フランジ９とにそれぞれ溶接されている。この種の力測定リングは、測定される力が前記圧力伝達要素１１の接触表面に対して均等に加えられる状況に適している。そのような状況が前述した国際公開第２００４／０７０３３４ Ａ１に記載されている。

しかしながら、圧力伝達要素の表面に渡って均等に力が分散されることが前提とされないような用途が存在する。そのような用途の一例が、図２に図示されているボールベアリングに対する軸方向の力の測定である。そのような場合、力を、二つのボールケージの一方から取り出さなければならない。

図２は、その軸の軸心を２０’で示す軸方向の荷重を有する回転軸２０の断面を図示している。前記回転軸上に位置するボールベアリング２１は、内側ケージ２２と外側ケージ２３とを備え、これらの中にボール２４が保持されている。前記力測定リング１に対して力を伝達するには、この力測定リング１全体に渡って均等に力を分布させるために環状媒介部２５が必要である。この構成の欠点は、高さが嵩張ること、と、測定アセンブリの弾性が高いことである。

国際公開第２００４／０７０３３４号

本発明の課題は、上述したタイプの力測定リングを、空間的制限があり、かつ、力の入力が非対称である状態においても十分に使用可能となるように改良するにある。特に、軸ボールベアリングに作用する軸方向の力を測定するための頑丈な力測定リングを提供することを課題とする。

本発明に拠れば、この課題は、前記環状ハウジングは、環状内側フランジ、第１圧力伝達要素及び１つの外側膜領域を備える第１ハウジング部分と、環状外側フランジ、第２圧力伝達要素及び１つの内側膜領域を備える第２ハウジング部分とを有し、前記内側膜領域が前記環状内側フランジと前記第２圧力伝達要素との間に位置し、前記外側膜領域が前記環状外側フランジと前記第１圧力伝達要素との間に位置しており、前記力測定リングの前記内側膜領域と外側膜領域とを前記少なくとも１つの環状圧電測定素子によって規定される前記対称面の両側に位置することによって達成される。

本発明によって提案設計される力測定リングは、剛性が高くしかも高さが小さく、その結果として、例えば、軸ボールベアリングの力入力面のための介在部の必要性を無くするものである。

以下、本発明を添付の図面を参照しながらより詳細に説明する。
従来技術の力測定リングの軸方向断面である。 軸ボールベアリングに作用する軸方向の力を測定するためのアセンブリにおける従来技術の力測定リングである。 図２の従来技術の力測定リングの拡大断面図である。 本発明の力測定リングの断面図である。 図２のもののようなアセンブリにおける、本発明による力測定リングの断面図である。 図１と同様の断面視での、本発明の力測定リングの変形例である。 図１と同様の断面視での、本発明の力測定リングの変形例である。 更に別の組み付け状況における本発明の力測定リングの断面図である。

図１及び図２に図示の従来の力測定リングとその組み付け状況については既に説明したとおりである。

図３及び図４は、本発明（図４）と従来技術（図３）との間の相違点を拡大して比較する図である。従来の力測定リング１の場合、内側膜（ダイアフラム）領域１２と外側膜（ダイアフラム）領域１３とは、圧電測定素子５、それぞれ、二つ又は二つ以上の測定素子５のスタック（積み重ね）、によって形成される対称面（ε）の片側であって同じ側に位置している。このようにして、前記圧力伝達要素１１の二つの面は、これらの薄い膜領域１２，１３のみを介してハウジング２の前記内側フランジ８と外側フランジ９とに接続されることになる。均等な力入力を達成するためには、環状媒介部２５が必要である。

図４に示されている本発明の力測定リング１の場合、状況は異なる。そのハウジング２は、環状フランジ８と第１圧力伝達要素１０とを備える第１の下方のハウジング部分３と、環状外側フランジ９と第２圧力伝達要素１１とを備える第２の上方のハウジング部分４とを有する。前記内側膜領域１２は、前記内側フランジ９と第２圧力伝達要素１１との間に位置している。前記外側膜領域１３は、前記外側フランジ９と第１圧力伝達要素１０との間に位置している。従来技術と異なり、内側膜領域１２と外側膜領域１３とは、圧電測定素子５によって規定される対称面（ε）の両側に位置している。

本発明によれば、前記内側フランジ８は、第１圧力伝達要素１０と外側膜領域１３と共に、一体ユニット（部品）として構成することができる。外側フランジ９は、第２圧力伝達要素１１と内側膜領域１２と共に、同様に一体ユニット（部品）として構成することができる。これによって、頑強な力測定リングが構成され、このリングは、図４中においてたとえ片側の力を受けたとしても（矢印２６）ねじり力に対して剛性を有し、環状媒介部２５を必要としない。

更に、前記外側フランジ９を、内側フランジ８よりも強く形成することができ、それによって力測定リングの剛性が更に高められる。

図示の例において、前記外側膜領域１３は、外側フランジ９に対して外側膜領域１３の外側リム（周縁）において溶接され、これに対して前記内側膜領域は、内側フランジ８に対して内側膜領域の内側リム（周縁）において溶接されている。前記内側フランジ８と第１圧力伝達要素１０とは実質的にL形状断面である。外側フランジ９と第２圧力伝達要素１１とは、同様に実質的にL形状断面である。

従来技術に関して図１〜３に図示したものと同様に、図４〜７に図示の本発明の力測定リングも、二つの部品のハウジング２内に、二つの圧電測定素子５を有して備えられ、その二つの圧電素子の隣接する接触表面がピックアップ電極６と接触する。図１に図示したものと同様に、ソケット部材７（図６及び７を参照）を外側フランジ９に設けることができる。

図５において、図４の力測定リング１は、軸ボールベアリング２１の軸方向の力を測定するためのアセンブリに設けられた状態で図示されている。この場合、従来の測定リングにおいて均等な力入力のために必要であった介在リング２５（図２参照）は設ける必要がなく、測定アセンブリの高さは、大幅に低減される。介在する軸ボールベアリング２１を介して、前記軸２０は、例えば、この軸２０上の肩部（ショルダ）２６を用いて、力測定リング１によって支持される。

図６及び７において、寸法と構造の詳細が異なる本発明の力測定リング１の変形例が図示されている。

図８は、本発明の用途の更に別の有利な例を図示している。ここでは、本発明の力測定リング１は、押し部（stamp）２７に対して軸方向に作用する力を測定するためのアセンブリに使用されている。測定される力が作用する前記押し部２７の軸２８は、力測定リング１を通過し、軸２８は力測定リング１の内側フランジ８に接触し、それによって中心合わせされている。従来の力測定リングと異なり、本発明による力測定リング１の構成では、軸２８と内側フランジ８との間の相対移動が回避され、それによって力測定中のヒステリシスが排除されている。前記力測定リング１は、ハウジング２０の内部フランジ２９によって支持されている。

Claims (9)

1. 対称面（ε）を規定する少なくとも１つの環状圧電測定素子（５）を収納する環状ハウジング（２）を有する力測定リング（１）であって、
   前記環状ハウジング（２）は、環状内側フランジ（８）、第１圧力伝達要素（１０）及び１つの外側膜領域（１３）を備える第１ハウジング部分（３）と、環状外側フランジ（９）、第２圧力伝達要素（１１）及び１つの内側膜領域（１２）を備える第２ハウジング部分（４）とを有し、前記内側膜領域（１２）が前記環状内側フランジ（８）と前記第２圧力伝達要素（１１）との間に位置し、前記外側膜領域（１３）が前記環状外側フランジ（９）と前記第１圧力伝達要素（１０）との間に位置しており、
   前記力測定リング（１）の前記内側及び外側膜領域（１２，１３）が、前記少なくとも１つの環状圧電測定素子（５）によって規定される前記対称面（ε）の両側に位置することを特徴とする。
2. 請求項１に記載の力測定リング（１）であって、前記内側膜領域（１２）と前記外側膜領域（１３）とが、前記環状内側フランジ（８）と前記環状外側フランジ（９）とに、溶接により取り付けられている。
3. 請求項１又は２に記載の力測定リング（１）であって、前記環状内側フランジ（８）、前記第１圧力伝達要素（１０）及び前記外側膜領域（１３）が一つの部品として形成され、前記環状外側フランジ（９）、前記第２圧力伝達要素（１１）及び前記内側膜領域（１２）も一つの部品として形成されている。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の力測定リング（１）であって、前記外側膜領域（１３）は、前記環状外側フランジ（９）に対して前記外側膜領域（１３）の外側周縁で溶接され、前記内側膜領域（１２）は前記環状内側フランジ（８）に対して前記内側膜領域（１２）の内側周縁で溶接されている。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の力測定リング（１）であって、前記環状内側フランジ（８）と前記第１圧力伝達要素（１０）が実質的にＬ形状断面であり、更に、前記環状外側フランジ（９）と前記第２圧力伝達要素（１１）が実質的にＬ形状断面である。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の力測定リング（１）であって、前記環状外側フランジ（９）は、前記環状内側フランジ（８）よりも厚く形成されている。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の力測定リング（１）であって、前記環状ハウジング（２）内に、二つの圧電測定素子（５）が配設され、その二つの圧電測定素子（５）の隣接する接触表面がこれら素子間に配置されたピックアップ電極（６）と接触している。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の力測定リング（１）を使用して軸（２０）に対して軸方向に作用する力を測定するためのアセンブリであって、前記軸（２０）が、当該軸（２０）の肩部（２６）によって、軸心ボールベアリング（２１）を介在させた状態で、前記力測定リング（１）上に支持されている。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載の力測定リング（１）を使用して押し部（２７）に対して軸方向に作用する力を測定するためのアセンブリであって、前記押し部（２７）の軸（２８）が前記力測定リング（１）を通過し、前記軸（２８）が前記力測定リング（１）の前記環状内側フランジ（８）に接触し、前記環状内側フランジによって中心合わせされている。

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