JP2007500361A - ひずみに基づく器具のための改善されたたわみシステム - Google Patents

Abstract

センサ本体に対する力を測定するためのデバイスであって、梁（１１０）を備える。少なくとも１つの凹部を備えるアレイ（１２０）が、この梁に形成される。このアレイは、１．０未満の長さ対高さの比を有する。少なくとも１つのひずみ変換器（１３０）が、少なくとも１つの凹部に設置され、ここで、このデバイスは、センサ本体に組み込まれる場合、全体的な低い偏向を提供するために十分に剛性であり、一方で、十分に高い距離ひずみレベルを提供する。Ｕ字型金具を有するフレームデバイスもまた、提供される。さらに、ひずみ計、膨張計、または直径方向伸び計。トルクが、同心状リングおよびスポークを保有する凹部で測定される。

Description

（関連出願）
本願は、仮出願番号６０／４７２，７５７（２００３年５月２２日出願、この内容は、その全体が本明細書中に参考として援用される）の出願であり、そしてこの仮出願の利益を主張する。

（発明の分野）
本発明は、一般に、力、トルク、および偏向を測定するデバイスに関し、そしてより具体的には、このようなデバイスについての改善された構成に関する。より具体的には、本発明は、小さい偏向に対する高い距離ひずみレベルを提供するように、小さい長さ対高さの比を有する、小型の高強度のひずみ要素システムに関する。

（発明の背景）
ひずみに基づく、力、トルク、および移動の器具は、従来、たわみ、カラム、ダイアフラム、またはせん断パネルの形態の、ひずみ要素を備えた。これらの要素は、張力、圧縮、屈曲、ねじれ、またはせん断によって引き起こされる応力に反作用する。このようなデバイスの１つの目的は、構造体全体におけるひずみおよび偏向を最小に維持しながら（すなわち、負荷に対する高レベルの感度）、ひずみ距離変換器（例えば、結合された抵抗ひずみゲージ）を作動させるために、この要素において必要とされるひずみのレベルを生じることであった。さらなる目的は、充分なひずみ要素を組み込む、小型の、潜在的に綿密な構造体を提供することであった。せん断パネル要素型のデバイスは、梁構造体において横断方向に位置する、円形または矩形の死角の空洞を備えて構築され、この梁が応力を受けると、薄いせん断パネルが、この応力に反作用する。図１〜４は、現在使用されている、先行技術の構築物の図示である。これらの器具は、首尾よく、かつ経済的であるが、これらは、小型であることおよび強固さが制限されている。

従って、非常に低レベルの作動偏向で、高い感度（高い表面およびひずみレベル）を提供する、小型のひずみに基づく測定デバイスに対する必要性が存在する。

（発明の要旨）
本発明は、センサ構造体に、少なくとも１軸方向で作用する力または偏向を測定するための、小型の、高い強固さの、高感度なデバイスに関する。本発明の実施形態の目的は、このデバイスの構造が、類似の用途を意図された公知の従来のセンサよりも、長さ方向がずっと小さく、すなわち、短く、構築され得ることである。

２００３年５月２２日に出願された、米国仮出願番号６０／４７２，７５７の明細書および図面は、それらの全体が本明細書中に参考として援用される。

１つの実施形態において、このデバイスは、フレーム、およびこのフレームに形成された凹部のアレイを備え、この凹部のアレイは、１．０よりかなり小さい長さ対高さの比を有する。この構成は、このデバイスの要素部分の全長が、従来の単一要素のせん断パネル設計における長さよりも、かなり小さくなることを可能にする。これらの凹部は、各面から死角の空洞として形成されて、薄いせん断表面を提供する。ひずみゲージまたは類似の変換器が、これらの凹部のうちの少なくとも１つに設置され、ここで、この要素がセンサ本体に組み込まれる場合、このデバイスは、低い偏向負荷の下で、高いひずみレベルを測定するために十分に剛性である。このようなデバイスは、比較的小さい移動に対応する高レベルのひずみが必要とされる適用に、最も適切である。

別の実施形態において、主軸を有するフレーム部材における力を測定するための、小型の高強度の高感度デバイスが、提供される。このデバイスは、基部および実質的に平行な対のアームを有する、Ｕ字型金具を備える。凹部のアレイが、この１対のアームの各１つに形成され、各凹部のアレイは、１．０未満の長さ対高さの比を有する。少なくとも１つのひずみゲージまたは類似の変換器が、各アレイにおける凹部の少なくとも１つの中に設置される。軸方向に負荷を受ける部材に設置される場合、このデバイスは、低い偏向で高いひずみレベルを測定するために十分に剛性である。

なお別の実施形態において、フレーム部材における偏向の力を測定するための、小型の高強度の高感度デバイスが提供される。このデバイスは、基部および間隔を空けた複数のアームを有するフレームを備える。これらのアームは、この基部と一体的に形成され、そしてこの基部から外向きに延びる。凹部のアレイが、これらのアームのうちの少なくとも１つに形成され、このアレイの凹部は、１．０未満の長さ対高さの比を有する。特定の用途に依存して、このアレイが形成されるアームは、基部の垂直軸と、アームの下面によって形成される軸とによって規定される、垂直または鈍角で、外向きに延び得る。フレームアセンブリに設置される場合、このデバイスは、低い偏向で高いひずみレベルを測定するための十分に剛性である。

第四の実施形態において、軸方向部材（例えば、ポンプシャフト）におけるトルクを測定するための、高い強固さの高感度デバイスが提供される。このデバイスは、同心状の内側リングおよび外側リングを有するホイールを備え、これらの内側リングおよび外側リングは、半径方向に延びる複数のスポークによって、相互接続される。凹部が、これらのスポークのうちの少なくとも２つに形成され、各凹部は、１．０未満の長さ対高さの比を有する。少なくとも１つのせん断ひずみ要素が、これらの凹部のうちの少なくとも２つに設置される。トルクを測定するために使用される場合、この内側リングは、測定されるべき軸方向部材の周りに設置され、そして外側リングは、負荷供給源に設置される。

本発明のこれらおよび他の局面は、図面と組み合わせて考慮される場合に、以下の記載される実施形態の説明を読んだ後に、当業者に明らかになる。上記一般的説明および下の詳細な説明の両方が、例示および説明のみであり、そして本願発明を制限しないことが、理解されるべきである。

（好ましい実施形態の説明）
本発明は、センサ本体に対して付与される力または偏向を測定するための、高い強固さの高感度デバイスに関する。本発明のいくつかの可能な実施形態が、本明細書中に記載されるが、当業者は、開示される構成の局面を再検討する際に、本明細書中に記載される原理に従って考案され得るデバイスの、多数の構成および配置が存在することを理解する。すなわち、本明細書中に開示される高い強固さの高感度の寸法を有する、他の用途のためのデバイスが、開発され得る。

図５に示されるように、本発明の特徴を有するデバイスの１つの実施形態（一般に、１００として示される）は、梁１１０、梁に形成された凹部１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、または死角の空洞を備えるアレイ１２０、および少なくとも１つの凹部１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃの中に設置された少なくとも１つのひずみゲージまたは類似のひずみ変換器１３０ａ、１３０ｂを備える。梁１１０は、屈曲する際のこのデバイスの有効高さを増加させるように、そしてねじれる際のパネルの長さ方向の水平軸の周りの有効半径を増加させるように、形成される。貫通穴１２０ｂが、強固さを加えることなく、このデバイスの高さをさらに増加させるために使用される。この図に示されるように、凹部１２０のアレイの高さは、「ｈ」として示され、そして凹部１２０の長さは、「ｌ」として示される。高い強固さおよび感度を提供するために、凹部のアレイの長さ「ｌ」対高さ「ｈ」の比は、１．０以下である。この構成は、高い偏向感度および負荷の主軸での強固さを有する、１軸方向での測定のために構成される。各凹部１２０ａ、１２０ｃと、ひずみ変換器１３０との組み合わせはまた、作動せん断パネルとして公知である。望ましくは、この作動せん断パネルは、約１．０の長さ対高さの比を有し、そして図５に示されるように、垂直アレイとして配置され得、ここで、これらのせん断パネルは、互いに平行な関係にある。図６に示される、本発明の第二の実施形態において、高い強固さの高感度デバイス２００（本発明の特徴を有する）は、とりわけ、軸方向に負荷を受ける部材２８０における重量測定の適用または力の測定において、用途を見出し得る。デバイス２００は、基部を有するＵ字型金具アセンブリ２１０（図６において、１対の対称的な部分２１０ａ、２１０ｂとして示される）、ならびにこの基部から外向き／下向きに延びる、１対の実質的に平行なアーム２１２ａおよび２１２ｂを備える。好ましくは、必須ではないが、基部２１０ａ、２１０ｂおよびアーム２１２ａ、２１２ｂは、一体的に形成される。凹部２２０ａ、２２０ｂ、および２２０ｃのアレイ２２０が、対称的な基部２１０ａ、２１０ｂの各々に形成される；しかし、対称的な基部２１０ａ、２１０ｂの各々に形成される凹部２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃの数は、この実施形態の特徴を限定しない。むしろ、アレイ２２０の凹部は、各アレイが、１．０未満の長さ「ｌ」対高さ「ｈ」の比を有するように、基部２１０ａ、２１０ｂに形成される。少なくとも１つのひずみゲージ２３０が、各基部２１０ａ、２１０ｂの少なくとも１つの凹部の中に設置される。複数のひずみゲージ２３０が同じアレイ内に設置されている、図５の実施形態においてと同様に、作動せん断パネルは、望ましくは、互いに平行な関係にあり、そして各々が、（必須ではないが）望ましくは、個々の１．０の長さ対高さの比を有する。

ここで図７を参照すると、本発明の特徴を有するデバイスのさらなる実施形態は、フレームアセンブリ３８０における偏向の力を測定するための、高い強固さの高感度デバイス３００に関する。このようなデバイスは、ひずみ計、膨張計、または直径方向伸び計のような用途のために、使用され得る。このデバイス３００は、垂直軸を有する基部３１０ａを有するフレーム３１０、ならびにアーム３１０ｂおよび３１０ｃを備え、これらのアームは、互いから間隔を空けており、そして基部３１０ａから外向きに延びる。望ましくは、アーム３１０ｂ、３１０ｃは、この基部と一体的に形成されており、各アーム３１０ｂ、３１０ｃは、上面、下面、および自由端を有する。凹部３２０ａ、３２０ｂのアレイ３２０が、これらのアームのうちの少なくとも１つに形成される。ここでまた、凹部のアレイは、１．０未満の長さ対高さの比を有する。ひずみゲージ２３０が、凹部３２０ａ、３２０ｂのうちの少なくとも１つに設置される。本発明の他の実施形態においてと同様に、ひずみゲージ２３０が、アレイの１つより多くの凹部内に設置される場合、このアレイ３２０内の作動せん断パネルは、平行な関係で配置される。特定の用途に依存して、アーム３１０ｂ、３１０ｃのうちの１つは、基部３１０ａから外向きに鈍角に延びて、偏向の力に対してより大きい感度を提供し得る。この鈍角は、この基部の垂直軸と、アームの下面によって形成される軸とによって規定される。図７に示されるように、アーム３１０ｂは、基部３１０ａから外向きかつ上向きに延びる。

図８に示される別の実施形態において、軸方向部材（例えば、ポンプシャフトなど）におけるトルクを測定するための、高い強固さの高感度デバイス８００が示されている。このデバイス８００は、内側リング８１０、外側リング８２０、および複数のスポーク８３０を有するホイールを備え、これらのスポークは、内側リング８１０から半径方向外向きに延び、そして内側リング８１０と外側リング８２０とを相互接続する。好ましい実施形態において、凹部８３２が、スポーク８３０の各１つに形成される。形成される際に、複数の凹部８３２が、内側リング８１０と外側リング８２０との間で、周囲アレイとして配置される。各凹部は、約１．０の長さ対高さの比を有する。少なくとも１つの測定要素８３４が、交互の凹部８３２内に設置される。作動の際に、デバイス８００は、内側リング８１０が、測定される備品のシャフト（例えば、ポンプシャフト）の周りに設置されるように、設置される。ついで、この外側リングが、モータのような負荷供給源に設置され、ここで、このデバイスは、このシャフトが負荷を受ける場合のトルクを測定するために、十分に剛性である。

本発明のデバイスの作動の原理は、パネル構造体におけるせん断ひずみが、角変位であるという事実に基づく。部材のせん断ひずみは、このパネル上で、最初は直角に変化し、片面が、負荷の軸に対して整列され、従って、この面は、この構造体の負荷を受ける端部の移動、およびせん断システムの有効長さの関数である。

ひずみ要素の内部、またはひずみ要素と平行な、測定されない負荷経路は、代表的に、低い安定性および乏しい精度で、統計学的に不確定な構造を生じることが、広く公知であるが、図５に示される構造の分析によって、高強度せん断構造体が、合理的かつ良好な設計の実施の範囲内で、これらの影響に遭遇することなく、複数の平行なステージを備えて構成され得ることが、容易に見られ得る。図３および４においてのような、従来のせん断梁のセルは、そしてせん断システムの長さを減少させるように規模が縮小された場合、問題が多いほど可撓性となり、屈曲応力に供されるが、開示される構造の平行なシステムは、ひずみ要素および配線の実用的な問題以外の、せん断システムの長さに対する限定なしで、任意の高さおよび剛性であり得る。上記のことは、図９に示されるような、平行な連結部の単純なシステムとして、モデル化され得る。連結部９４０ａ、９４０ｂ、９４０ｃ（作動せん断パネル９２０ａ、９２０ｂ、９２０ｃに対応する）を短くすることによって、これらが配置される角度が増加し、そして可動端部の所定の垂直方向運動を生じる。同様に、せん断構造体を短縮することによって、より高い角ひずみが生じ、従って、所定の移動に対して、より高い表面せん断ひずみが生じる。すなわち、角せん断ひずみγは、τ（せん断ひずみ要素の計量特性として通常使用される、単位表面積せん断ひずみ）に関連する；すなわち、τ＝γ／２であり、ここで、γは、ラジアンで表される。

さらなる利点として、屈曲が無視できるほど十分に移動が小さいことを条件として、せん断構造体の各部分が、同じせん断応力を受けるので、このシステムの全てのセクションが、実施されなければならないわけではない。有効長さ対高さの比が屈曲応力を回避するように低く（１．０未満に）維持される限り、さらなるパネルまたは梁が、ひずみゲージの回路をさらに複雑にすることなく、この構造体を強固にし、そして制御するために、追加され得る。

これらの機構は、より複雑な構造体に組み合わせられて、ひずみ器具および多軸セルのような適用のための、高感度の低偏向の設計を作製し得る。高い跳ね戻り速度が、感度を犠牲にすることなく達成され得るので、この機構はまた、まとめられた多セグメントデバイス（例えば、一群の実施される支持体）においても、良好に働く。これらの支持体は、別個の器具をアクチュエータと構造体との間に介在させることによって適所にボルトで通常留められる、大きいリニアアクチュエータによって送達される力を運ぶ。

本発明は、例示的な実施形態を用いて記載されたが、当業者が容易に理解するような改変および改善が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく利用され得ることが、理解されるべきである。このような改変および改善は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の領域および範囲内であるとみなされる。

図１は、力およびトルクの測定において従来使用されているような、先行技術の矩形の梁せん断要素を図示する。 図２は、負荷の軸における円筒形の穴によって形成される、先行技術のせん断要素を図示する。 図３は、力およびトルクの測定において従来使用されているような、負荷の軸を横断する死角の円筒形の穴によって形成されるパネルを有する、先行技術の梁せん断要素を図示する。 図４は、力およびトルクの測定において従来使用されているような、負荷の軸を横断する死角の円筒形の穴によって形成されるパネルを有する、先行技術のフランジ付きの梁せん断要素を図示する。 図５は、高い感度および強固さ、ならびに負荷の主軸における低い偏向で、１軸方向の測定のために構成された、本発明の１つの実施形態を図示する。 図６は、軸方向に負荷を受ける部材における重量の付与または力の測定を意図された、Ｕ字型金具アセンブリにおける、高い感度および強固さ、ならびに低い偏向のために構成された、本発明の第二の実施形態を図示する。 図７は、ひずみ計、膨張計、または直径方向伸び計としての適用を意図されたフレームアセンブリにおける、高い感度および強固さのために構成された、本発明の第三の実施形態を図示する。 図８は、シャフトの周りのトルクを測定するために構成された、本発明の第四の実施形態を図示する。 図８Ａは、線８Ａ−８Ａに沿って見た、図８のデバイスの断面図である。 図９は、平行連結部のシステムによって生じる運動に対する、作動せん断パネルの平行システムのひずみ挙動の類推を図示する。

Claims (27)

1. センサ本体に対する力を測定するためのデバイスであって、以下：
   （ａ）梁；
   （ｂ）該梁に形成された、少なくとも１つの凹部を内部に備えるアレイであって、該アレイは、１．０未満の長さ対高さの比を有する、アレイ；および
   （ｃ）少なくとも１つの凹部に設置された、少なくとも１つのひずみ変換器であって、該デバイスは、センサ本体に組み込まれる場合、低い総偏向を提供するために十分に剛性であり、一方で、十分に高い距離ひずみレベルを提供する、ひずみ変換器、
   を備える、デバイス。
2. 前記凹部のアレイが、垂直に配向する、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記アレイの長さ対高さの比が、約０．５である、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記アレイの長さ対高さの比が、約０．３である、請求項２に記載のデバイス。
5. ひずみゲージまたは類似の変換器が、前記凹部のアレイの１つより多い凹部内に設置される場合、該測定要素は、平行な関係で配置される、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記凹部のアレイの各凹部が、約１．０の長さ対高さの比を有する、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記測定要素が、ひずみ要素である、請求項１に記載のデバイス。
8. 主軸を有するフレーム部材における偏向の力を測定するためのデバイスであって、以下：
   （ａ）Ｕ字型金具であって、以下：
   （ｉ）対称的な部分を有する基部；
   （ｉｉ）該対称的な部分の各々から下向きに延びるアームであって、該アームは、実質的に平行である、アーム、
   を備える、Ｕ字型金具；
   （ｂ）該対称的な部分の各々に形成された、凹部のアレイ；
   （ｃ）１．０未満の長さ対高さの比を有する、各凹部のアレイ；および
   （ｄ）該凹部のアレイの少なくとも１つの凹部内で、該対称的な部分の各々に設置される測定要素であって、該デバイスは、軸方向に負荷される部材に設置される場合、低い偏向負荷の下で、高いひずみレベルを測定するために十分に剛性である、測定要素、
   を備える、デバイス。
9. 前記対称的な部分の各々における、各凹部のアレイが、垂直に配向している、請求項８に記載のデバイス。
10. 各凹部のアレイが、約０．５の長さ対高さの比を有する、請求項８に記載のデバイス。
11. 各凹部のアレイが、約０．３の長さ対高さの比を有する、請求項８に記載のデバイス。
12. 測定要素が、各凹部のアレイの１つより多くの凹部内に設置され、各凹部のアレイにおける該測定要素が、平行な関係で配置されている、請求項８に記載のデバイス。
13. 各凹部のアレイの各凹部が、約１．０の長さ対高さの比を有する、請求項８に記載のデバイス。
14. 前記測定要素が、ひずみ要素である、請求項８に記載のデバイス。
15. フレーム部材における偏向の力を測定するためのデバイスであって、以下：
    （ａ）フレームであって、以下：
    （ｉ）垂直軸を有する基部；
    （ｉｉ）該基部と一体的に形成され、そして該基部から延びる、間隔を空けた複数のアームであって、該アームの各々が、上面、下面、および自由端を有する、アーム；
    を有する、フレーム；
    （ｂ）該間隔を空けたアームのうちの少なくとも１つに形成された、凹部のアレイ；
    （ｃ）１．０未満の長さ対高さの比を有する、該アレイの凹部；ならびに
    （ｄ）該凹部のアレイの少なくとも１つの凹部に設置された測定要素であって、フレームアセンブリに設置される場合、低い負荷レベルの下で、高いひずみレベルを測定するために十分に剛性である、測定要素、
    を備える、デバイス。
16. 前記間隔を空けたアームの少なくとも１つに形成された凹部のアレイが、垂直に配向している、請求項１５に記載のデバイス。
17. 前記凹部のアレイの各凹部が、約０．５の長さ対高さの比を有する、請求項１６に記載のデバイス。
18. 前記凹部のアレイの各凹部が、約０．３の長さ対高さの比を有する、請求項１６に記載のデバイス。
19. 測定要素が、各凹部のアレイの１つより多くの凹部内に設置される場合、該測定要素は、各凹部のアレイにおいて、互いに平行な関係で配置されている、請求項１５に記載のデバイス。
20. 前記凹部のアレイの各凹部が、約１．０の長さ対高さの比を有する、請求項１５に記載のデバイス。
21. 前記測定要素が、ひずみ要素である、請求項１５に記載のデバイス。
22. 前記間隔を空けた複数のアームのうちの１つが、前記基部から、該基部の垂直軸と該アームの下面によって形成される軸とによって規定される鈍角で、外向きに延びている、請求項１５に記載のデバイス。
23. 前記凹部のアレイが、主軸を規定し、該主軸が、前記アームの前記下面の軸に対して、実質的に垂直である、請求項２２に記載のデバイス。
24. シャフトの軸の周りでのトルクを測定するためのデバイスであって、以下：
    （ａ）ホイールであって、以下：
    （ｉ）内側の同軸状リングおよび外側の同軸状リング；
    （ｉｉ）該内側リングと外側リングとを相互接続している、半径方向に延びる複数のスポーク、
    を備えるホイール；
    （ｂ）該スポークのうちの少なくとも１つに形成された、少なくとも１つの凹部；
    （ｃ）少なくとも１つの凹部内に設置された、少なくとも１つの測定要素であって、該デバイスは、シャフト上に設置される場合、該シャフトが負荷される場合のトルクを測定するために十分に剛性である、測定要素、
    を備える、デバイス。
25. 前記少なくとも１つの凹部の長さ対高さの比が、約１．０である、請求項２４に記載のデバイス。
26. 周囲のアレイに形成された複数の凹部を備える、請求項２４に記載のデバイス。
27. 前記測定要素が、ひずみ要素である、請求項２４に記載のデバイス。

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