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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Lastfühler. Weiter
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
des Lastfühlers.
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Beispielsweise
offenbart die
US 2005/0103124
A1 (
JP-A-2005-172793 )
ein Lastdetektierungselement der Kompressionsbauart, welches ein
druckempfindliches Element und elektrische Isolatoren enthält.
Das druckempfindliche Element hat eine elektrische Eigenschaft,
welche sich in Abhängigkeit von der auf das Element einwirkenden
Beanspruchung ändert. Das druckempfindliche Element besitzt
zwei einander gegenüberliegende Oberflächen, auf
welchen elektrische Isolatoren einstückig vorgesehen sind.
Das druckempfindliche Element des Lastdetektierungselementes enthält
eine Matrix, welche aus Glas gebildet ist, sowie leitfähige
Partikel, welche eine bestimmte Leitfähigkeit haben. Die
leitfähigen Partikel sind in der Matrix verteilt. Die leitfähigen
Partikel sind beispielsweise aus RuO
2 hergestellt.
Die Dicke des druckempfindlichen Elementes beträgt beispielsweise
1 μm bis 200 μm. Das druckempfindliche Element
ist mit einem Paar von Elektroden versehen.
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Wie
in der
US 2005/0193828
A1 (
JP-A-2005-249598 )
und der
JP-A-1137860 offenbart,
kann das Lastdetektierungselement Druckbelastungen zusätzlich
zu Zugbelastungen durch vorheriges Aufbringen einer Vorbelastung
auf das Lastdetektierungselement detektieren. Die
US 2005/0193828 A1 und
die
JP-A-11-37860 mögen eine
Wirkung lehren, welche durch Aufbringen der Vorbelastung auf das
Detektierungselement erzeugt wird, lehren jedoch nicht ein Verfahren
zur Aufbringung der Vorbelastung im Einzelnen. Die Vorbelastung
innerhalb eines bevorzugten Bereiches ist aufzubringen und daher
muss die Vorbelastung eins nach dem anderen in Berücksichtigung
der Abmessungsänderung der Komponenten des Lastdetektierungselementes
eingestellt werden. Im allgemeinen ist die Torsionsfestigkeit des
Lastdetektierungselementes geringer als die Druckfestigkeit des
Elementes und daher ist das Lastdetektierungselement weniger widerstandsfähig
gegen Anwendung eines Drehmoments im Vergleich zu der An wendung
einer Druckbelastung. Aus diesem Grunde wird in den Strukturen nach
der
US 2005/0193828
A1 und der
JP-A-11-37860 ,
in welchen jeweils eine Schraube zur Aufbringung der Vorbelastung
verwendet wird, das Lastdetektierungselement mit einem Drehmoment
in Abhängigkeit von der Aufbringung der Vorbelastung beaufschlagt.
Im allgemeinen ist die Festigkeit oder Starrheit in der Torsionsrichtung
des Lastdetektierungselementes relativ zu der Festigkeit und der Starrheit
in der Kompressionsrichtung ungenügend. Da das Lastdetektierungselement
brechen kann, wenn ein zu großes Drehmoment aufgebracht
wird, kann die Vorbelastung aufgrund der Aufbringung des Drehmomentes
auf das Lastdetektierungselement beschränkt sein, damit
kein Ausfall des Lastdetektierungselementes verursacht wird.
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Ein
Beispiel eines Belastungsfühlers wird unter Bezugnahme
auf 6 beschrieben. Ein Belastungsfühler 91 enthält
ein Lastdetektierungselement 910, ein erstes bauliches
Teil 920, ein zweites bauliches Teil 930, ein
Vorbelastungs-Einstellteil 935, eine Signalverarbeitungsschaltung 950 und
dergleichen. Die auf das Lastdetektierungselement 910 aufgebrachte
Vorbelastung wird durch Verschrauben des Vorbelastungs-Einstellteils 935 in
dem zweiten baulichen Teil 930 eingestellt. Um die Vorbelastung
zu erhöhen bedarf es eines weiteren Einschraubens des Vorbelastungs-Einstellteiles 935.
Die von dem Vorbelastungs-Einstellteil 935 auf das Lastdetektierungselement 910 aufgebrachte
Beanspruchung erhöht sich in Abhängigkeit von
der Zunahme der Einschraubtiefe und der Aufbringung der Vorbelastung.
Folglich nimmt die Reibung zwischen dem Vorbelastungs-Einstellteil 135 und
dem Lastdetektierungselement 910 zu und daher besteht die
Neigung, dass das Drehmoment weiter auf das Lastdetektierungselement 910 übertragen
wird. Wenn das Vorbelastungs-Einstellteil 935 weiter eingeschraubt
wird, so wird das Drehmoment weiterhin direkt auf das Lastdetektierungselement 910 übertragen.
Wenn eine große Vorbelastung auf das Lastdetektierungselement 910 aufgebracht
wird, kann ein übergroßes Drehmoment an dem Lastdetektierungselement 910 zur
Wirkung kommen. Aus diesem Grunde ist die maximale Vorbelastung
unter Berücksichtigung des Drehmomentes, welches auf das
Lastdetektierungselement 910 einwirkt, beschränkt.
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Wie
oben beschrieben kann die Vorbelastung nicht ausreichend in der
Schraubstruktur aufgebracht werden, in welcher das Vorbelastungseinstellteil 935 direkt
auf das Lastdetektierungselement 910 einwirkt. Zusätzlich
ist in der Schraubstruktur die Last, welche auf ein detektiertes
Objekt wirkt, in Serie zu dem Lastdetektierungselement geschaltet,
wenn das Vorbelastungseinstellteil an dem zweiten baulichen Teil
verschraubt wird und folglich neigt der verschraubte Teil zur Verursachung
einer elastischen Deformation. Aus diesem Grunde besteht die Neigung,
dass die Belastung durch die elastische Deformation in dem verschraubten
Teil verbraucht wird, im Vergleich zu den Verhältnissen
mit einer Struktur bei welcher die Last direkt auf das Lastdetektierungselement
aufgebracht wird. Bei der Schraubstruktur ist also die äußere
Zugbelastung und Druckbelastung, welche auf das Lastdetektierungselement
wirkt, geringer. Die Zuordnung der auf das Lastdetektierungselement
aufgebrachten Belastung wird daher geringer und die Empfindlichkeit
der Detektierung der Last kann ungenügend werden.
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In
Berücksichtigung des vorstehenden und anderer Probleme
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Belastungsfühler
zu erzeugen, bei welchem ein Bereich der Vorbelastung, ein Detektierungsbereich
der Last und die Detektierungsempfindlichkeit der Last ebenfalls
erhöht werden können. Es ist ein weiteres Ziel
der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung des Belastungsfühlers
zu schaffen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Belastungsfühler
ein Detektierungselement, welches zum Detektieren mindestens einer
Druckbelastung ausgebildet ist. Der Belastungsfühler enthält
weiter ein bauliches Teil mit einem ersten Teil, einem zweiten Teil
und einem Vorbelastungseinstellteil. Das erste Teil hat eine Oberfläche, die
mit dem Detektierungselement versehen ist. Das erste Teil und das
zweite Teil sind miteinander verbunden und so konfiguriert, dass
eine Belastung auf das Detektierungselement übertragen
wird. Das Vorbelastungs-Einstellteil hat im wesentlichen säulenförmige
Gestalt und hat ein Kuppenende, das so ausgebildet ist, dass es
eine Druckbelastung auf das Detektierungselement aufbringt. Das
zweite Teil weist einen aufnehmenden Teil auf, welcher mit seinem
Innenumfang eine Presssitzverbindung mit dem Vorbelastungs-Einstellteil
hat. Das zweite Teil ist so ausgebildet, dass es sich elastisch
deformiert, um eine Änderung in der Vorbelastung zu bewirken,
die auf das De tektierungselement in Abhängigkeit von der
Einstellung des Presssitzes des Vorbelastungs-Einstellteiles einwirkt.
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Bei
einem Verfahren zur Herstellung des Belastungsfühlers umfasst
dieses Verfahren die Anordnung des Detektierungselementes zwischen
dem ersten Teil und dem zweiten Teil. Das Verfahren umfasst weiter
die Herstellung eines Presssitzes des Vorbelastungs-Einstellteiles
in dem aufnehmenden Teil, so dass ein Lastdetektierungssignal, welches von
dem Detektierungselement abgegeben wird, einen vorbestimmten Wert
erhält.
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Die
obigen und weiteren Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich noch deutlicher aus der folgenden detaillierten
Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen. In
diesen stellen dar:
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1 eine
Schnittansicht, welche einen Belastungsfühler gemäß einer
Ausführungsform zeigt;
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2 eine
Explosionsdarstellung, welche den Belastungsfühler gemäß der
genannten Ausführungsform im Schnitt zeigt;
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3 eine
Schnittansicht welche den Belastungsfühler erkennen lässt,
bei welchem ein Vorbelastungseinstellteil mit Presssitz eingesetzt
ist, gemäß der genannten Ausführungsform;
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4 ein
Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Presssitzbelastung,
welche auf das Vorbelastungs-Einstellteil aufgebracht wird, wenn das
Vorbelastungs-Einstellteil durch Presssitz eingesetzt ist, und der
Vorbelastung erkennen lässt, welche auf das Lastdetektierungselement
in dem Belastungsfühler gemäß der genannten
Ausführungsform einwirkt;
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5A eine
perspektivische Darstellung, welche einen Belastungsfühler
zeigt und 5B eine Schnittansicht dieses
Belastungsfühlers, gemäß einer Modifikation
der genannten Ausführungsform; und
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6 eine
Schnittansicht, welche einen Belastungsfühler nach dem
Stande der Technik zeigt.
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AUSFÜHRUNGSFORM AUFBAU
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Es
folgt nun die Beschreibung des Aufbaus und der Konstruktion eines
Belastungsfühlers gemäß der vorliegenden
Ausführungsform.
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Wie
in den 1 und 2 gezeigt enthält ein
Belatungsfühler 1 nach der vorlegenden Ausführungsform
ein Lastdetektierungselement (Detektierungselement 10),
einen Bauteilkörper, ein Vorbelastungs-Einstellbauteil 35,
eine Signalverarbeitungsschaltung 50 und dergleichen. Der
Bauteilkörper enthält ein erstes Bauteil (erstes
Teil) 20 und ein zweites Bauteil (zweites Teil) 30.
Das Lastdetektierungselement 10 ist so ausgebildet, dass
es mindestens eine Druckkraft detektiert. Das Lastdetektierungselement 10 enthält
Teile 11 und 12 und ein druckempfindliches Element 100.
Jedes der Lastdetektierungselementteile (isolierende Teile) 11 und 12 ist
aus einem Isolierwerkstoff gefertigt. Das druckempfindliche Element 100 hat
im wesentlichen die Gestalt eines Films und ist zwischen die Elementteile 11 und 12 eingelagert.
Die Isoliermaterialien der Elementteile 11 und 12 sind
vorzugsweise keramische Materialien, beispielsweise Aluminiumoxid
(Al2O3) mit hoher
Festigkeit. Die Elementteile 11 und 12 können
aus mindestens einem der folgenden Werkstoffe gefertigt sein: Zirkonoxid
ZrO2, MgAl2O4, SiO2, 3Al2O3·2SiO2, Y2O3, CeO2, La2O3,
Si3N4 und dergleichen.
Alternativ können die Elementteile 11, 12 aus
einem metallischen Material oder dergleichen gefertigt sein und
mit mindestens einem der vorgenannten Isolierwerkstoffe, nämlich
(ZrO2), MgAl2O4, SiO2, 3Al2O3·2SiO2,
Y2O3, CeO2, La2O3,
Si3N4 oder dergleichen
beschichtet sein, um elektrisch isolierend zu werden.
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Es
genügt, dass das druckempfindliche Element 100 aus
einem Material gefertigt ist, welches sich bezüglich einer
elektrischen Eigenschaft in Abhängigkeit von einer von
außen aufgebrachten Last ändert. Beispielsweise
kann das druckempfindliche Element 100 aus einem zusammengesetzten
Werkstoff hergestellt sein, der aus Glas als Matrix sowie elektrisch
leitfähigen Partikeln gebildet ist, welche in der Matrix
verteilt sind. Die Matrix des druckempfindlichen Elements 100 kann
beispielsweise aus Borsilikatglas hergestellt sein. Die leitfähigen
Partikel des druckempfindlichen Elements können aus Rutheniumoxid
(RuO2), Blei-Ruthenat, oder dergleichen
hergestellt sein. Die leitfähigen Partikel werden aber
vorzugsweise aus Rutheniumoxid hergestellt.
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Das
druckempfindliche Element 100 des Lastdetektierungselements 10 kann
durch Aufrakeln, Extrudieren, Drucken, beispielsweise Siebdrucken, Übertragung
oder dergleichen gebildet werden. Insbesondere wird das druckempfindliche
Element 100 beispielsweise durch Verteilen von RuO2-Partikeln in Glas als Matrix hergestellt,
so dass ein zusammengesetztes Material entsteht, wobei nach Belieben
ein Schäumungsmittel oder ein Verstärkungsmittel
zu dem zusammengesetzten Material hinzugefügt wird und
ein geeigneter organischer Binder und Lösungsmittel verwendet
werden derart, dass das zusammengesetzte Material Pastenform erhält.
Das zusammengesetzte Material in Gestalt einer Paste wird geschmolzen
und gesintert, so dass als Produkt das druckempfindliche Element 100 entsteht.
Der organische Binder kann ein Zelluloseharz, Acrylharz oder dergleichen
sein. Das Lösungsmittel kann Terpentinöl, Butylkarbitolazetat
oder dergleichen sein.
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Der
organische Binder und das Lösungsmittel sind so gewählt,
dass Poren in dem zusammengesetzten Material des druckempfindlichen
Elements 100 entstehen, wenn das zusammengesetzte Material
erhitzt wird und die Temperatur so erhöht wird, dass es
trocknet und entfettet wird. Das bedeutet, der organische Binder
und das Lösungsmittel sind so gewählt, dass sie
als Porenbildungsmittel wirken. Das Schäumungsmittel kann
ein organisches Schäumungsmittel, beispielsweise Azodikarvonamid
(ADCA) und ein anorganisches Schäumungsmittel sein.
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Das
druckempfindliche Element 100 kann durch Bildung von Poren
darin bezüglich des erscheinenden Young-Modul reduziert
werden und hierdurch kann die Spannung, welche durch Einwirken von
Beanspruchung auf das druckempfindliche Element 100 verursacht
wird, erhöht werden. Somit kann die Empfindlichkeit des
Lastdetektierungselements 10 weiter verbessert werden.
Wie oben beschrieben können die Poren spontan gebildet
werden, wenn das zusammengesetzte Material einer Wärmebehandlung ausgesetzt
und kalziniert wird, um das druckempfindliche Element 100 zu
bilden. Ein Schäumungsmittel aus einer organischen Substanz
oder einer anorganischen Substanz kann zu dem zusammengesetzten Material
des druckempfindlichen Elements 100 hinzugefügt
werden, um das zusammengesetzte Material aufzuschäumen,
so dass sich darin Poren bilden, wenn das zusammengesetzte Material
gesintert wird.
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Wenn
das druckempfindliche Element 100 durch Sintern hergestellt
wird, dann wird ein Glaswerkstoff, der in dem zusammengesetzten
Material des druckempfindlichen Elements 100 enthalten
ist, aufgeschmolzen und bildet bei der Erhitzung und Erhöhung
der Temperatur die Matrix. In dem geschmolzenen Glas nehmen die
Poren leicht im Wesentlichen kugelige Gestalt an. Jede der Poren
ist vorzugsweise von kugeliger Gestalt. Da jede der Poren die Gestalt einer
Kugel erhält, kann die Spannungskonzentration, welche teilweise
in dem druckempfindlichen Element 100 hervorgerufen wird,
vermindert werden und folglich kann ein Bruch des Lastdetektierungselements 10 verhindert
werden. Das isolierende Material kann durch Aufrakeln, Extrudieren
oder dergleichen gebildet werden. Das druckempfindliche Element 100 und
das isolierende Material können durch denselben Herstellungsprozess
gebildet werden oder können durch unterschiedliche Herstellungsprozesse
erzeugt werden.
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Das
druckempfindliche Element 100 und das isolierende Material
werden einstückig hergestellt, vorzugsweise durch Sintern.
Das druckempfindliche Element 100 und das isolierende Material
können aneinander unter Verwendung eines Klebstoffs, beispielweise
niedrig schmelzenden Glases, aneinander festgeklebt werden. Das
Lastdetektierungselement 10 kann aus Zirkonoxid und La1-xSrxMnO3 (0 ≤ x ≤ 1), welches
einen Druckwiderstandseffekt hat, als Hauptmaterialien, hergestellt
sein. Im Einzelnen kann das Lastdetektierungselement 10 aus
Partikeln von Zirkonoxid als einer Matrix und La1-xSrxMnO3 (0 ≤ x ≤ 1),
welches einen Druckwiderstandseffekt hat und in der Matrix verteilt
ist, hergestellt sein. In der vorliegenden Struktur ändert
das Lastdetektierungselement 10 seinen ohm'schen Widerstand
(elektrischer Widerstand) entsprechend der Aufbringung einer Last
und hierdurch kann die Last entsprechend der Änderung des
ohm'schen Widerstands detektiert werden. Zirkonoxid hat einen hohen
Wärmewiderstand, wodurch es schwierig ist, eine Temperaturänderung
innerhalb des Sensors zu bewirken, der aus Zirkonoxid hergestellt
ist. Aus diesem Grunde kann ein Detektierungsfehler, welcher durch
eine Änderung in der Temperatur innerhalb des Sensors verursacht
wird, in der vorliegenden Konstruktion vermindert werden. Zirkonoxid
hat eine hohe Zähigkeit und aus diesem Grunde hat der Sensor,
der aus Zirkonoxid hergestellt ist, eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen
Belastung und Druck. Somit wird die mechanische Festigkeit des Lastdetektierungselements 10 erhöht,
wenn es aus Zirkonoxid hergestellt wird und dadurch kann auch die
Festigkeit und Starrheit des Belastungssensors 1 erhöht
werden.
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Das
erste Bauteil 20 besitzt auf einer Seite eine Ausnehmung 21 im
Wesentlichen im mittleren Bereich. Die Ausnehmung 21 hat
feste Verbindung mit dem Lastdetektierungselement 10. Das
erste Bauteil 10 weißt einen äußeren
Umfangsrand auf, der einen Flansch 22 definiert. Die Ausnehmung 21 nimmt
eine Verdrahtung 61, einen Signaldraht 62 und dergleichen
zusätzlich zu dem Lastdetektierungselement 10 auf.
Die Verdrahtung 61 verbindet elektrisch die Signalverarbeitungsschaltung 50 mit
dem Lastdetektierungselement 10. Der Signaldraht 62 leitet
ein von der Signalverarbeitungsschaltung 50 verarbeitetes
Signal zu einem äußeren Gerät weiter.
Das erste Bauteil 20 ist beispielsweise aus Karbonstahl
hergestellt. Das erste Bauteil 20 weist eine zweite Seite auf,
welche gegenüberliegen zu derjenigen Seite liegt, an welcher
das Lastdetektierungselement 10 befestigt ist. Diese andere
Seite des ersten Bauteils 20 ist mit einem Befestigungsteil 23 versehen, über welches
das erste Bauteil 20 an einem Teil eines untersuchten Objektes
(nicht dargestellt) befestigt ist, auf welches die zu messende Last
einwirkt. Das Befestigungsteil 23 hat im Wesentlichen säulenförmige Gestalt
und erstreckt sich von der Seite, an welcher das Lastdetektierungselement 10 angeordnet
ist, in der Richtung zur gegenüberliegenden Seite. Der
Außenumfang des Befestigungsteils 23 trägt
ein Gewinde 23a, über welches das Befestigungsteil 23 an
dem untersuchten Objekt festgeschraubt wird.
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Das
zweite Bauteil 30 enthält einen Hauptkörper 33,
einen Kragen und ein Anschlussteil 34. Der Hauptkörper 33 hat
im Wesentlichen säulenförmige Gestalt und erstreckt
sich mit Bezug auf die Darstellung von 1 in vertikaler
Richtung. Der Kragen ist an der Unterseite des Hauptkörpers 33 gelegen,
wie aus 1 ersichtlich ist. Der Kragen
hat im Wesentlichen die Gestalt eines Flansches und erstreckt sich
radial von der Unterseite des Hauptkörpers 33 weg.
Das Anschlussteil 34 reicht von dem äußeren
Umfangsrand des Kragens nach abwärts. Das Anschlussteil 34 ist
im Durchmesser reduziert und so ausgebildet, dass es den Flansch 22 des
ersten Bauteils 20 umgreift. Das Anschlussteil 34 kann
an dem Flansch 22 des ersten Bauteils 20 fest
geschweißt sein. Das zweite Bauteil 30 verformt
sich elastisch und bringt dadurch eine Vorbelastung auf das Lastdetektierungselement 10 auf.
Das zweite Bauteil 30 und das erste Bauteil 20 übertragen
die Belastung, welche von außen aufgebracht wird, auf das
Lastdetektierungselement 10 und dadurch kann die Belastung
durch das Lastdetektierungselement 10 detektiert werden.
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Aufgrund
der vorliegenden Gestaltung des ersten Bauteils 20 und
des zweiten Bauteils 30 ist die Starrheit des ersten Bauteils 20 und
des zweiten Bauteils 30 in der Kompressionsrichtung, in
welcher das Lastdetektierungselement 10 mit Druck beaufschlagt
wird, geringer als die Starrheit der genannten Teile in anderen
Richtungen. Das erste Bauteil und das zweite Bauteil 20 bzw. 30 sind
an einem Ort zusammengefügt, welcher das Lastdetektierungselement 10 in
einer Richtung senkrecht zu der Richtung umgibt, in welcher das
Lastdetektierungselement 10 eingelagert ist. Die Übertragung
von Zugbelastung und Druckbelastung, welche von außen aufgebracht wird,
wird in einen Übertragungsweg durch das erste Bauteil 20 und
das zweite Bauteil 30 und einen Übertragungsweg
durch das Lastdetektierungselement 10 aufgeteilt. Da die
Zuteilung der aufgebrachten Last auf das Lastdetektierungselement 10 groß wird,
wird die Empfindlichkeit des Lastdetektierungselement 10 erhöht.
Der Hauptkörper 33 hat einen Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31,
welcher im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist und
eine Bohrung aufweist, welche sich von einem mittleren Bereich der
Oberseite des Hauptkörpers aus erstreckt und im Wesentlichen in
axialer Richtung durch den Hauptkörper verläuft, wie
aus 2 ersichtlich ist. Der Außenumfang des Hauptkörpers 33 trägt
ein Schraubgewinde 33a. Das Schraubgewinde 33a ist
so ausgebildet, dass es in ein untersuchtes Objekt (nicht dargestellt)
eingeschraubt werden kann.
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Das
Vorbelastungs-Einstellteil 35 hat im Wesentlichen rohrförmige
Gestalt oder säulenförmige Gestalt und besitzt
einen Außendurchmesser, welcher im Wesentlichen gleich
oder geringfügig größer als der Innendurchmesser
der inneren Umfangsfläche 32 des Einstellteil-Aufnahmekörpers 31 ist.
Im Einzelnen ist der Außendurchmesser des Vorbeanspruchungs-Einstellteiles 35 so
gewählt, dass er eine vorbestimmte Reibung zwischen dem
Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31 und dem Vorbelastungs-Einstellteil 35 verursacht.
Somit wird der Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31 nicht
hochgezogen, selbst wenn eine vorbestimmte maximale Belastung auf
den Belastungsfühler 1 in einer Betriebsbedingung
wirkt, bei welcher das Vorbelastungs-Einstellteil 35 durch
Presssitz mit dem Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31 verbunden
ist. Das Ende des Vorbelastungs-Einstellteiles 35 ist in
der Axialrichtung im Wesentlichen konisch angeschrägt und
kann daher leicht durch Presssitz mit dem Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31 verbunden
werden. Das Vorbelastungs-Einstellteil 35 ist mit Presssitz
in den Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31 eingebracht und
presst letztlich das Lastdetektierungselement 10 mit dem Abschlussende 38.
Das Vorbelastungs-Einstellteil 35 ist beispielsweise aus
abgeschrecktem Karbonstahl gefertigt. Das erste Bauteil 20 und
das zweite Bauteil 30 brauchen nicht gesonderte Teile zu
sein, sondern können einstückig ausgebildet sein.
Ein Pufferstück 40, welches aus rostfreiem Stahl
gefertigt ist, ist zwischen das Vorbelastungs-Einstellteil 35 und
das Lastdetektierungselement 10 eingesetzt, um den durch
thermische Ausdehnung verursachten Einfluss zu vermindern.
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Wirkungsweise
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Gemäß der
vorliegenden Ausführungsform bringt der Belastungsfühler
der oben beschriebenen Konstruktion die folgenden Wirkungen im Gebrauch hervor.
Das Lastdetektierungselement 10, die Signalverarbeitungsschaltung 50 und
dergleichen sind innerhalb der Ausnehmung 21 des ersten
Bauteils 20 untergebracht. Darauf folgend wird der Anschlussabschnitt 34 des
zweiten Bauteils an dem Flansch 22 des ersten Bauteils 20 befestigt.
Hierauf wird der Anschlussabschnitt 34 deformiert und bildet
einen Einbördelungsbereich 34a und wird mit dem
Flansch 22 in Eingriff gebracht. Auf diese Weise wird das
erste Bauteil 20 mit dem zweiten Bauteil 30 vereinigt.
Danach wird das Vorbelastungs-Einstellteil 35 mit Presssitz
in den Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31 eingesetzt. Bei
der Herstellung des Presssitzes werden die folgenden Vorgänge
unter Überwachung der Last ausgeführt, welche
unter Verwendung des Lastdetektierungselements 10 erfasst
und durch die Signalverarbeitungsschaltung 50 für
das detektierte Signal ausgegeben wird. Das Vorbelastungs-Einstellteil 35 wird
mit Presssitz eingebracht, während die durch das Lastdetektierungselement 10 festgestellte
Last rückgekoppelt eingeregelt wird. Hierdurch kann die Vorbelastung,
welche auf das Lastdetektierungselement 10 einwirkt, nach
Wunsch genau gesteuert werden. Wie in 3 gezeigt
wird das Vorbelastungs-Einstellteil 35 in einem Zustand
mit Presssitz eingebracht, in welchem das Gewinde 33a am
Außenumfang des Hauptkörpers 33 des zweiten
Bauteils 30 in ein Gewinde 71a einer stationären
Bohrung 71 einer Befestigungskonstruktion 70 eingeschraubt ist.
Nachfolgend wird die Aufbringung der Vorbelastung beschrieben.
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Wie
in 4 für den Punkt A gezeigt, kann das Vorbelastungs-Einstellteil 35 in
den Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31 ohne Anwendung einer Last
bei dem Vorgang der Herstellung des Presssitzes des Vorbelastungs-Einstellteils 35 an
dem oberen Abschnitt des Einstellteil-Aufnahmeabschnitts 31 eingesetzt
oder angesetzt werden. Hiernach wird, wiederum an dem Punkt A die
Reibung zwischen dem Außenumfang des Vorbelastungs-Einstellteils 35 und
der inneren Umfangswand 32 des Einstellteil-Aufnahmeabschnitts 31 beträchtlich
und daher kann das Vorbelastungs-Einstellteil 35 nicht
weiter in den Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31 ohne Anwendung
einer Last eingesetzt werden. Eine Vorbelastung wird auf das Lastdetektierungselement 10 nicht aufgebracht,
bevor das äußere Ende 38 des Vorbelastungs-Einstellteils 35 in
Kontakt mit dem Lastdetektierungselement 10 kommt, was
an dem Punkt B geschieht. Wie in 4 gezeigt
ist die auf das Lastdetektierungselement 10 aufgebrachte
Vorbelastung im Wesentlichen null und bleibt im Wesentlichen konstant
im Bereich von dem Punkt A zu dem Punkt B, an welchem die Spitze 38 des
Vorbelastungs-Einstellteils 35, welches mit Presssitz in den
Einstellungsteil-Aufnahmeabschnitt 31 eingebracht ist,
Kontakt mit dem Lastdetektierungselement 10 aufnimmt.
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Die
auf das Lastdetektierungselement 10 aufgebrachte Vorbelastung
nimmt allmählich in dem Bereich von dem Punkt B zu dem
Punkt C in Abhängigkeit eines weiteren Einschiebens mit
Presssitz des Vorbelastungs-Einstellteils 35 zu, nachdem
das äußere Ende 38 des Vorbelastungs-Einstellteiles 35 Kontakt
mit dem Lastdetektierungselement 10 aufgenommen hat. Wenn
danach die Last, die augenblicklich von der Außenseite
auf das Vorbelastungs-Einstellteil 35 einwirkt, weggenommen
wird, dann bleibt in dem Lastdetektierungselement 10 die
Vorbelastung gemäß dem Punkt D. Die auf das Lastdetektierungselement 10 aufgebrachte
Vorbelastung nimmt in dem Bereich vom Punkt C zu dem Punkt D aufgrund
des Rückfederns ab, das in dem Vorbelastungs-Einstellteil 35 und
dem zweiten Bauteil 30 verursacht wird. Das Rückfedern
wird in Entsprechung mit der elastischen Deformation verursacht,
die in dem zweiten Bauteil 30 und dergleichen hervorgerufen
wurde, bevor das Vorbelastungs-Einstellteil 35 mit dem
Lastdetektierungselement 10 Berührung aufgenommen
hat. In Berücksichtung des Rückfederns wird die
Position des Punktes C, welcher der Einbringung des Vorbelastungs-Einstellteils 35 mit Presssitz
entspricht, so bestimmt, dass die vorbestimmte Vorbelastung erreicht
wird. Im Einzelnen wird das Vorbelastungs-Einstellteil 35 mit
Presssitz eingebracht, bis das Lastdetektierungssignal, welches
von dem Lastdetektierungselement 10 abgegeben wird, einer
Summe des Rückfederns und der vorbestimmten Vorbelastung
entspricht und dadurch kann die vorbestimmte Vorbelastung erreicht
werden.
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Die
in 3 gezeigte Befestigungskonstruktion 70 wird
bei der Herstellung des Presssitzes des Vorbelastungs-Einstellteils 35 verwendet
und dadurch kann die Vorbelastung stetig auf das Lastdetektierungselement 10 aufgebracht
werden. Es sei hier angenommen, dass das Vorbelastungs-Einstellteil 35 mit
Presssitz eingebracht wird, während die untere Seite des
ersten Bauteils 20 von 3 festgehalten
wird, anstatt die Befestigungskonstruktion 70 zu verwenden,
welche einen Bereich in der Nachbarschaft des Einstellteil-Aufnahmeabschnitts 31 festhält.
Bei dieser Annahme ändert sich, wie durch die unterbrochene
Linie von Punkt B über den Punkt E zu dem Punkt F in 4 gezeigt
ist, die Beziehung zwischen der Last für die Herstellung
des Presssitzes und der Vorbelastung gegenüber dem Fall,
bei welchem die Befestigungskonstruktion 70 verwendet wird.
Die Vorbelastung an dem Punkt F ist im Wesentlichen gleich null.
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In
dem Bereich von dem Punkt A zu dem Punkt B vor der Berührung
des äußeren Endes 38 des Vorbelastungs-Einstellteils 35 an
dem Lastdetektierungselement 10 wird die Vorbelastung nicht
auf das Lastdetektierungselement 10 zur Wirkung gebracht.
In diesem Bereich ist die Beziehung zwischen der Last für
die Herstellung des Presssitzes und der Vorbelastung im Wesentlichen
dieselbe wie für den Fall, in welchem die Befestigungskonstruktion 70 verwendet
wird. Nachdem das äußere Ende 38 Kontakt mit
dem Lastdetektierungselement 10 aufgenommen hat, wird die
Last, welche auf das Vorbelastungs-Einstellteil 35 aufgebracht
wird, für die Deformierung des zweiten Bauteils 30 und/oder
des ersten Bauteils 20 verbraucht. Aus diesem Grunde wirkt
die auf das Vorbelastungs-Einstellteil 35 aufgebrachte
Last kaum im Sinne der Herstellung des Presssitzes des Vorbelastungs-Einstellteils 35 in
dem Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31. Die vorliegende
Bedingung wird erzeugt, da die Reibung zwischen dem Vorbelastungs-Einstellteil 35 und
dem Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31 ausreichend groß gewählt
wird, so dass sich die beiden Teile relativ zueinander nicht bewegen,
selbst wenn die vorbestimmte Maximallast unter Betriebsbedingungen
auf den Belastungsfühler 1 einwirkt. Die vorliegende
Annahme, bei welcher das Vorbelastungs-Einstellteil 35 ohne
Verwendung der Befestigungskonstruktion 70 mit Presssitz
eingebracht wird, ist im Wesentlichen äquivalent zu einer
tatsächlichen Betriebsweise des Belastungsfühlers
und demgemäß ist es schwierig, das Vorbelastungs-Einstellteil 35 zur
Einsetzung mit Presssitz weiter relativ zu dem Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31 zu
bewegen.
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Nachdem
das äußere Ende 38 Berührung mit
dem Lastdetektierungselement 10 aufgenommen hat, hat dies
zur Folge, dass das Vorbelastungs-Einstellteil 35 kaum
weiter mit Presssitz in den Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31 mit
Presssitz eingesetzt werden kann. Wenn daher die Last weggenommen wird,
dann wird die elastische Deformation, welche in dem zweiten Bauteil 30 und
dergleichen hervorgerufen wurde, bevor das äußere
Ende 38 Kontakt mit dem Lastdetektierungselement 10 in
dem Be reich vom Punkt A zu dem Punkt B aufgenommen hatte, entspannt,
so dass das Rückfedern erzeugt wird. Aus diesem Grunde
kann das äußere Ende 38 des Vorbelastungs-Einstellteils 35 nicht
die Vorbelastung auf das Lastdetektierungselement 10 einwirken
lassen. Daher kann das äußere Ende 38 des
Vorbelastungs-Einstellteils 35 nicht Berührung
mit dem Lastdetektierungselement 10 haben, wenn die Belastung weggenommen
wird. In diesem Falle hat folglich der Belastungsfühler 1 ein
totes Band, in welchem die von außen aufgebrachte Belastung
nicht im Sinne einer Beaufschlagung des Lastdetektierungselements 10 wirksam
ist, bevor das äußere Ende 38 des Vorspannungs-Einstellteils 35 Kontakt
mit dem Lastdetektierungselement 10 aufnimmt. Selbst in
diesem Falle kann das Vorbelastungs-Einstellteil 35 mit Presssitz
in den Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31 durch Aufbringen
einer beachtlich großen Belastung auf das Vorbelastungs-Einstellteil 35 eingesetzt
werden, wobei diese große Belastung die angenommene Maximalbelastung überschreitet.
In diesem Falle jedoch kann die beachtlich große Belastung,
welche auf das Lastdetektierungselement 10, das zweite Bauteil 30 und
das erste Bauteil 20 einwirkt, die zulässige Belastung überschreiten.
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Im
Gegensatz hierzu wird bei der vorliegenden Ausführungsform
die Befestigungskonstruktion 70 verwendet, um einen Bereich
in der Nachbarschaft des Einstellteil-Aufnahmeabschnitts 31 zu
halten. Aus diesem Grunde wird die Federkonstante des zweiten Bauteils 30 groß und
dadurch kann die Kraft, welche auf die Grenze zwischen dem Vorbelastungs-Einstellteil 35 und
dem inneren Umfangsrand 32 des Einstellteil-Aufnahmeabschnitts 31 ausgeübt wird,
vergrößert werden. Somit kann das Vorbelastungs-Einstellteil 35 mit
Presssitz in den Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31 gegen
die zwischen diesen Teilen wirkenden Reibungskräfte eingesetzt
werden.
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Im
Folgenden wird eine Betrachtung über die Belastung angestellt,
welche auf das Lastdetektierungselement 10 im praktischen
Betrieb des Belastungsfühlers 1 aufgebracht wird.
Die von einem untersuchten Objekt auf den Belastungsfühler 1 aufgebrachte
Belastung wird auf das Lastdetektierungselement 10 über
den Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 31 des Körpers 33,
welcher mit dem untersuchten Objekt verbunden ist, und das Vorbelastungs-Einstellteil 35 übertragen.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform
ist das Vorbelastungs-Einstellteil 35 mit Presssitz in
den Einstellteil-Auf nahmeabschnitt 31 im Gegensatz zur
herkömmlichen Technik eingesetzt, bei welcher ein Vorbelastungs-Einstellteil
in einen Einstellteil-Aufnahmeabschnitt eingeschraubt ist. Aus diesem
Grunde wird die auf das Vorbelastungs-Einstellteil 35 aufgebrachte
Belastung nicht durch eine Deformation verbraucht, welche in dem Gewindebereich
zwischen den Gewindegängen des Vorbelastungs-Einstellteils 35 und
des Einstellteil-Aufnahmeabschnitts bei der herkömmlichen
Konstruktion verursacht wird. Die Belastung wird daher effektiv
auf das Lastdetektierungselement 10 aufgebracht und dadurch
kann die Empfindlichkeit der Detektierung der Belastung wesentlich
erhöht werden.
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Das
erste Bauteil 20 und das zweite Bauteil halten zwischen
sich das Lastdetektierungselement 10 in eingelagerter Position
und das erste Bauteil 20 wird in Zusammensetzungsrichtung
gegen das Lastdetektierungselement 10 gedrängt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Starrheit des
zweiten Bauteils 30, welches die Belastung auf das Lastdetektierungselement 10 überträgt,
in der Zusammensetzungsrichtung geringer als die Starrheit des zweiten
Bauteils 30 in von der Zusammensetzungsrichtung verschiedenen
Richtungen. In der vorliegenden Konstruktion wird der Einfluss auf
die Empfindlichkeit des Belastungsfühlers, verursacht durch
Belastungen, die aus anderen Richtungen einwirken, vermindert. Aus
diesem Grunde kann die Belastung, welche in der Zusammensetzungsrichtung
aufgebracht wird, selektiv und genau detektiert werden.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform werden die Komponenten
jeweils aus den zuvor erwähnten Materialien hergestellt
und daher kann eine Änderung in der Vorbelastung aufgrund
thermischer Expansion auf ein Minimum reduziert werden, beispielsweise
auf einen Mittelwert von null. Die linearen Ausdehnungskoeffizienten
von Aluminiumoxid, Karbonstahl (S35C, SCM435) und von rostfreiem
Stahl (SUS304, SUS305) sind jeweils etwa 7,2 × 10–6/°C, 10,8–11,4 × 106/°C und 17,3 × 10–6/°C. Die Summation des
Produktes der Dicke und des linearen Ausdehnungskoeffizienten des
Verbindungsbereichs zwischen dem ersten Bauteil 20 und
dem zweiten Bauteil 30 ist vorzugsweise gleich der Summe
des Produkts der Dicke und des linearen Ausdehnungskoeffizienten
des zwischengelagerten Bereichs, der hauptsächlich das
Vorbelastungs-Einstellteil 35, das Pufferteil 40 und
das Lastdetektierungselement 10 enthält. Das bedeutet,
die thermische Ausdehnung, welche in dem ersten Bauteil 20,
dem zweiten Bauteil 30, dem Vorbelastungs-Einstellteil 35,
dem Pufferteil 40 und dem Lastdetektierungselement 10 verursacht wird,
welche sich im Zentrum des Belastungsfühlers 1 befindet,
und die thermische Ausdehnung, welche in dem Verbindungsbereich
zwischen dem ersten Bauteil 20 und dem zweiten Bauteil 30 verursacht wird,
sind vorzugsweise gleich.
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Daher
kann die thermische Ausdehnung, welche in dem Verbindungsbereich
und dem Lastdetektierungselement 10 verursacht wird, vernachlässigt
werden und daher kann der Einfluss, welchen beispielsweise eine Änderung
der Belastung aufgrund einer thermischen Expansion hat, auf ein
Minimum reduziert werden.
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Modifikation
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Das
erste Bauteil und das zweite Bauteil brauchen nicht als gesonderte
Teile ausgeführt zu werden und können einstückig
ausgebildet sein. Im Einzelnen hat gemäß der vorliegenden
Modifikation, wie sie in den 5A und 5B gezeigt
ist, ein Belastungsfühler 400 einen Körper 401 in
welchem ein Durchbruch (Innenraum) 405 ausgebildet ist,
in welchem das Lastdetektierungselement 10 vorgesehen ist.
Der Durchbruch oder die Öffnung 405 ist eine langgestreckte
Ausnehmung, welche sich senkrecht zur Vertikalrichtung mit Bezug
auf 5B erstreckt und in welcher die Belastung auf
das Lastdetektierungselement 10 zur Wirkung gebracht wird.
Der Durchbruch oder die Öffnung 405 erstreckt
sich in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene von 5B.
Der Durchbruch oder die Öffnung 405 hat eine Breite
in seitlicher Richtung senkrecht zur Vertikalrichtung, in welcher
die Belastung wirkt, und diese Breite ist größer
als die Höhe des Durchbruches oder der Öffnung 405 in
Vertikalrichtung. Gemäß der vorliegenden Modifikation
ist die Starrheit des Körpers 401 in der senkrechten
Richtung, in welcher die Belastung auf den Körper 401 aufgebracht
wird, geringer als die Starrheit des Körpers 401 in
anderen Richtungen. Der Körper 401 ist einstückig
mit den Befestigungsabschnitten 402 und 403 ausgebildet. Die
Befestigungsabschnitte 402 und 403 sind im Wesentlichen
säulenförmig beziehungsweise rohrförmig und
erstrecken sich von dem Körper 401 in entgegengesetzten
axialen Richtungen. Die Befestigungsabschnitte 402 und 403 erstrecken
sich in Vertikalrichtung, in welcher ein Vorbelastungs-Einstellteil 410 die
Vorbelastung auf das Lastdetektierungselement 10 zur Einwirkung bringt.
Die äußeren Umfangsränder der Befestigungsabschnitte 402 und 403 sind
jeweils mit Gewinden 402a und 403a versehen, mittels
welchen der Belastungsfühler 400 an einem untersuchten
Objekt (nicht dargestellt) befestigt wird.
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Der
Befestigungsabschnitt 403 und der Körper 401 weisen
einen Einstellteil-Aufnahmeabschnitt 4011 auf, der die
Gestalt einer Durchgangsbohrung hat, die sich von einer Endfläche
des Befestigungsabschnitts 403 auf der gegenüberliegenden
Seite von dem Körper 401 zu dem Durchbruch oder
der Öffnung 405 erstreckt. Das Vorbelastungs-Einstellteil 410 wird
in den Befestigungsabschnitt 403 mit Presssitz eingebracht
und hierdurch wird das Lastdetektierungselement 10 belastet
und mit der Belastung beaufschlagt. Ein Pufferteil 420 ist
zwischen das Vorbelastungs-Einstellteil 410 und das Lastdetektierungselement 10 eingesetzt.
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Es
sei hier angemerkt, dass zwar die Vorgänge bei den Ausführungsformen
nach der vorliegenden Erfindung hier so beschrieben sind, dass sie
eine bestimmte Folge von Schritten umfassen, dass aber alternative
Ausführungsformen vielerlei andere Folgen dieser Schritte
und/oder zusätzliche Schritte enthalten können,
welche hier nicht im Einzelnen angegeben sind, da sie im Bereiche
der erfindungsgemäßen Schritte liegend zu beurteilen
sind.
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Die
obigen Strukturen der Ausführungsformen können
in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden. Vielerlei Modifikationen
und Änderungen können bei den oben beschriebenen
Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne dass der Grundgedanke
der hier gegebenen technischen Lehre verlassen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2005/0103124
A1 [0002]
- - JP 2005-172793 A [0002]
- - US 2005/0193828 A1 [0003, 0003, 0003]
- - JP 2005-249598 A [0003]
- - JP 1137860 A [0003]
- - JP 11-37860 A [0003, 0003]