JP2009505072A - 二重定数の力トランスデューサ - Google Patents

Abstract

二重定数の力トランスデューサが開示される。ばねは、第１のばね定数を有する第１のばね部分と、第２のばね定数を有する第２の部分と、ばねの２つの部分の間のプラテンとを有するように機械加工されている。１対のフランジが、ばね部分の遠位端に取り付けられる。少なくとも１つのセンサがフランジの一方に取り付けられ、少なくとも１つの他のセンサがフランジの他の１つに取り付けられる。装着ハードウェアは、ばねと、フランジと、プラテンとを共に結合するために使用され、ばねの変位を制限するための少なくとも１つの機械的ストッパを有する。

Description

関連出願の記載
本願は、米国特許仮出願第６０／７０７，３２２号を基礎として優先権を主張している。

本開示は、一般に、測定装置、より詳しくは、２つの異なるばね定数を提供するために一体的に機械加工されたばねを利用する力トランスデューサ、及び異なる定数を測定するための多数のセンサに関する。

従来技術では、２つの異なる力範囲を測定するために、２つの別個の力トランスデューサが使用されている。このため、各々のトランスデューサのために別個の装着スキームが必要であり、このことにより、ハードウェアスキーム全体が機械的に複雑となり、重量が増してしまう。

発明の要旨
二重定数の力トランスデューサは、２つの対向部材の間に結合された二重定数のばねを有する。ばねの一つの部分は第１のばね定数を有し、ばねの他の部分は第２のばね定数を有する。ばね変位を測定するために、多数のセンサが結合される。ばねの圧縮を制限するために、機械的ストッパが使用される。

記載した実施形態は、添付図を参照することによってより容易に理解できる。

図面の複数の図の全体にわたって、同様の参照番号は同様の部分を指す。

本明細書に記載した好ましい実施形態は、二重定数の力トランスデューサである。二重定数のばねは、ばね部分の間に共有のフランジ又はプラテンを有するばねの両端に２つの異なる張力仕様を有するように、単一片の材料（例えばステンレス鋼）を機械加工することによって設けられる。他のフランジは、各々のばね部分の遠位端に取り付けられる。多数のＬＶＤＴには、変位を測定するためのばねが装着される。例えば、好ましい実施形態において、ＬＶＤＴ変圧器は、中心の共有フランジに取り付けられ、一方、可動コア（電機子）は端部フランジのいずれか一方に取り付けられる。すべてのＬＶＤＴからの信号は、信号処理回路に結合され、ここで信号が処理され、検出及び制御スキームのために使用される。

図１Ａと図１Ｂに概略的に示したように、力トランスデューサ１０は、１対の対向するストラット部２０Ｌ、２０Ｒと、ストラット部の間に装着されたばね３０とを有する。力センサ１０は、典型的に、航空機用途に使用され、パイロットによって補助翼、昇降舵、及び方向舵制御部に加えられる力を感知することを含めて、コックピット制御用途に理想的である。ストラット部２０Ｌ、２０Ｒは、ストラット部の近端に形成されたフランジ部分２２Ｌと２２Ｒを有する。好ましい一実施形態において、ストッパロッド３２はフランジ部分２２Ｌ、２２Ｒの間に結合され、かつシステムの全体の限界及び極限の力負荷からばねが保護されるように、ばね３０の圧縮／収縮及び拡張／延伸を制限するために使用される。具体的に、ばね３０は、（ｉ）ばねが延伸又は収縮中に無制限の範囲の行程にわたって移動可能にされる場合、あるいは（ｉｉ）ばねが、ストラット部２０Ｌ、２０Ｒに加えられるような全量の力負荷を受ける場合、変形するか又は破壊される可能性がある。

ばね３０の内部の操作のために、図２に示したように、３つの線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）４０、４１、４２が装着される。ＬＶＤＴは、円筒状変圧器内の可動コア（電機子）の変位に比例する電気信号を生成する周知の変位測定装置である。その完全な説明は、本発明の開示を理解するために不必要であると考えられる。

ストラット部２０Ｌ、２０Ｒの構造も一般に周知である。好ましくは、ストラットの形状は円筒状であり、１．９０５ｃｍ（０．７５０インチ）の直径ＤＩを有するステンレス鋼又はアルミニウムから機械加工される。（本開示に示されるすべての寸法は、近似である）。ストラットの取付け部２４は、０．６３５ｃｍ（０．２５００インチ）の直径Ｄ２を有する円形開口部を有し、センサの一方の端部で固定位置に接続され、センサの他方の端部で対象の荷重に接続される。フランジ部分２２Ｌ、２２Ｒも、約５．７１５ｃｍ（約２．２５インチ）の直径Ｄ３を有するステンレス鋼又はアルミニウムから製造され、例えば溶接によってストラットに固定される。ゼロ位置のセンサの全長Ｌ１は２４．１３ｃｍ（９．５インチ）であり、ストラット部の各々の測定長さＬ２は７．６２ｃｍ（３．００インチ）であり、ばね部の測定長さＬ３は８．８９ｃｍ（３．５０インチ）である。

ばね３０の好ましい実施形態の詳細図が、図３Ａ〜図３Ｃに示されている。ばね３０は、円筒状の形状を有するように、溶液熱処理状態で、航空宇宙材料仕様（「ＡＭＳ」）５６５９による単一片の１５−５ＰＨステンレス鋼から機械加工されることが好ましい。図３Ａの右から始まって、ばね３０は、約０．６３ｃｍ（約０．２５２インチ）の深さＸ１と、フランジ２２Ｌが装着される約０．００７６２ｃｍ（約０．００３インチ）の厚さＸ２とを有する環状部３３を有する。好ましい一実施形態において、フランジ２２Ｌは適所に溶接される。ばね３０の左側は、図３Ａに示したように、フランジ２２Ｒを装着するための同様の環状部を有する。ストッパロッド３２の端部は、フランジ２２Ｌ、２２Ｒの対応するフランジ開口部１２７をそれぞれ通過する。図１Ａと図３Ａから理解されるように、ばね３０は、２つの異なる定数部分、すなわち、ばね分割フランジ３０ｂによって分離されたフライトデータレコーダ（Ｆｌｉｇｈｔ Ｄａｔａ Ｒｅｃｏｒｄｅｒ）（ＦＤＲ）部３０ａ及びフライト制御エレクトロニクス（Ｆｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ）（ＦＣＥ）部３０ｃを有する。ばね３０のＦＤＲ部分３０ａ及びＦＣＥ部分３０ｃは、それぞれ、ＦＤＲとＦＣＥとの係合中に、制御システムに加えられる力に反応する２つのばねを有効に生成する。

一般に、周知の設計基準を使用して、ばねは、互いに９０°だけオフセットされるビームから構成される。ビームの厚さは、所定の荷重下で曲がることによって、ばねにそのばね定数を与えるものである。ビームの厚さは、任意の所定の用途に特定の異なるばね定数を生成するために変更される。ビームの間の間隙又は溝３４、３５、３６と３７は、ビームの厚さ及びばねの全長によって指定される。この種類の力トランスデューサは、典型的に、一方が他方よりもはるかに大きな２つの力範囲を必要とする状態に使用され、このことは、範囲及び精度の要件を達成するために、典型的に、２つの別個のトランスデューサを必要とするであろう。各々のばねは、他方のばねの範囲に影響を及ぼすことなく単一の力範囲に対し調製されたそのばね定数（ビームの厚さ）を有することができる。所定の力及びサイクル数について、各々のばねは、疲労破壊を経験することなく応力に耐えることができなければならない。このことを念頭において、ストッパは、いずれのばねもその動作範囲を越える力を受けないことを確実にするために利用される。

ばね及び分割フランジは単一片の素材から機械加工されることが好ましいが、２つの個々のばねを機械加工し、次に、例えば溶接又はろう付けによってそれらを共通の分割フランジに接続することが可能である。さらに、二重定数を有する単一ばねは、中央フランジなしに機械加工でき、フランジは、例えばピン又は溶接によって後で追加できるであろう。

この好ましい実施形態では、一連の溝付きの３つの部分３４が、３０のばねＦＤＲ部３０ａのビームの間に形成され、３つの部分の各々は、５．５８８ｃｍ（２．２インチ）の深さＸ３と、２．４１３ｃｍ（０．０９５インチ）の曲率Ｒ１の内側半径とを有する。溝３４の幅Ｗ１は、０．４８２６ｃｍ（０．１９０インチ）である。溝付きの２つのより小さな部分３５が、ばね３０のＦＣＥ部３０ｃに形成され、２つのより小さな部分の各々は、溝３４と同一の深さＸ３と、１．３９７ｃｍ（０．０５５インチ）の内側半径Ｒ２と、１．７７８ｃｍ（０．０７０インチ）の幅Ｗ２とを有する。溝３４、３５の縁部は、０．０２５４〜０．０７６２ｃｍ（０．０１０〜０．０３０インチ）の半径混合部又はその０．００５〜０．０３０倍の４５度±１０度の面取りの周りの内部及び外部で破壊されるべきである。さらに、溝の内側半径に又はばねの外面に機械マークがあってはならない。

一連の３つの間隙３６及び２つの間隙３７がばね３０にも形成される。第１の組の間隙ャップ３６は溝３４と同一の幅Ｗ１を有し、第２の組の間隙ャップ３７は溝３５と同一の幅Ｗ２を有する。間隙３６、３７の深さＸ４は４．９５３ｃｍ（１．９５０インチ）である。溝３４、３５及び間隙３６、３７は、ばね３０の小さな圧縮度を可能にする挟まれた開口部であることを理解できる。

図３Ｃに示したように、ばね３０のばね分割フランジ３０ｂは一連の開口部を有する。０．７９３７５ｃｍ（０．３１２５インチ）の直径Ｄ４を各々が有する３つの開口部２６Ａ−Ｃは、以下に説明するように、ＬＶＤＴ（図示せず）の変圧器部分の装着部を受容するように設けられる。開口部２６Ｂの１つは、フランジの中心に位置決めされ、他の２つの開口部２６Ａ、２６Ｃは、中心開口部と一列に中心開口部から１．８２６２６ｃｍ（０．７１９インチ）の距離Ｘ５に位置決めされる。０．６３５ｃｍ（０．２５０インチ）の直径Ｄ５を各々が有する２つの開口部２７は、中心開口部２６から１．６５１ｃｍ（０．６５０インチ）の距離Ｘ８に位置決めされる。開口部２７は、それを通して挿入するためのストッパロッド３２用に設けられる。０．３５０５２ｃｍ（０．１３８インチ）の直径Ｄ６を各々が有する３つの開口部２８は、ばね３０の内部に配置されたＬＶＤＴからの導体１８を受容するために設けられる。

図３Ｄ〜図３Ｅに示したように、フランジ２２Ｌ（同様にフランジ２２Ｒ、図示せず）は一連の開口部を有する。０．７９３７５ｃｍ（０．３１２５インチ）の直径Ｄ７を各々が有する３つの開口部１２６Ａ−Ｃは、以下に説明するように、ＬＶＤＴ（図示せず）の金属コアの装着部を受容するために設けられる。開口部１２６ｂの１つは、フランジの中心に位置決めされ、他の２つの開口部１２６Ａ、１２６Ｃは、中心開口部１２６ｂと一列に中心開口部１２６ｂから１．８２６２６ｃｍ（０．７１９インチ）の距離Ｘ６に位置決めされる。０．６３５ｃｍ（０．２５０インチ）の直径Ｄ７を各々が有する２つの開口部１２７は、中心開口部１２６ｂから１．６５１ｃｍ（０．６５０インチ）の距離Ｘ７に位置決めされる。開口部１２７は、それを通して挿入するためのストッパロッド３２用に設けられる。

次に、図１Ａと図４を参照すると、ストッパロッド３２が１対のねじ付きロッドと、開口部２７を通して取り付けられたロックナットとを有することが理解できる。具体的に、ストッパロッド３２は、ばね３０のばね分割フランジ３０ｂの対応する開口部２７を通して、同様にフランジ２２Ｌ及びフランジ２２Ｒの対応する開口部１２７を通して取り付けられる１対のねじ付きロッド５０を有する。フランジ２２Ｌの近くで、ロックナット５３は、フランジ２２Ｌから外側にずれた位置でねじ付きロッド５０に固定され、ばね３０のＦＤＲ部３０ａの延伸に対する機械的ストッパを提供する。同様に、ロックナット５４は、フランジ２２Ｌから内側にずれた位置でねじ付きロッド５０に固定され、ばね３０のＦＤＲ部３０ａに対する機械的ストッパを提供する。同様に、フランジ２２Ｒの近くで、ロックナット５１と５２は、ねじ付きロッド５０に固定され、フランジ２２Ｒからのばね３０のＦＣＥ部３０ｃの伸縮それぞれに対する機械的ストッパを提供する。ばね３０のＦＣＥ部３０ｃのストッパ係合点は、その無負荷位置から０．０５０８ｃｍ（０．０２０インチ）であり、ばね３０のＦＤＲ部３０ａのストッパ係合点は、その無負荷部分から０．２２８６ｃｍ（０．０９０インチ）である。ストッパロッド仕様は、限界負荷及び極限負荷によって指定される。ロッドの材料及び大きさは、ユニットに生じる負荷に対し座屈することなく耐えることができなければならない。圧縮負荷は、限定要因であり、引張負荷ではない。ロッドがフランジ２２Ｌと２２Ｒを通過する案内端部におけるロッド及びその限定支持部の長さを考慮すると、ナットを通して加えられる力は、ロッドが限界負荷及び極限負荷を支持する程度に十分な大きさの安全マージンを有することを確実にするために、カラム法によって分析されなければならない。使用するストッパロッドは、標準的なねじ付きロッド素材によることができるが、大きさは応力分析に従って選択されなければならない。また、同様に、ねじ付きロッドの材料を異種材料に変更して、より強いロッドを達成しかつより小さなパッケージを提供することができる。ナットは、典型的に、標準的な既製の種類の回り止めナットであろうが、フランジ負荷を支持する意図する機能を補助する任意の形状であることができるであろう。１つ、２つ又は望むだけ多くのストッパを使用することも任意であるが、必要とする個々のロッドの最小調整による高い安全マージンを可能にするために、２つのストッパがおそらく好ましい構成である。

次に、図２と図４を参照すると、ＬＶＤＴ４１は、ばね分割フランジ３０ｂの中心開口部２６ｂに対しばね３０内の適所に固定されたその変圧器部分４１Ｔを有し、可動コア４１Ａは、中心開口部１２６ｂに対しフランジ２２Ｌに固定される。同様に、ＬＶＤＴ４０は、ばね分割フランジ３０ｂの開口部２６Ａに対しばね３０内の適所に固定されたその変圧器部分４０Ｔを有し、可動コア４０Ａは、端部開口部１２６Ａに対し他方のフランジ２２Ｒに固定される。ＬＶＤＴ４２は、その変圧器部分４２Ｔがばね３０のばね分割フランジ３０ｂの開口部２６に対し固定され、かつその可動コア４２Ａがフランジ２２Ｒの開口部１２６Ａに対し固定されるように、ＬＶＤＴ４０と同一の方法で構成される。このように、２つの外側ＬＶＤＴ４０、４２は、フランジ２２Ｒに固定されたそれらの可動コアを有し、一方、中心ＬＶＤＴ４１は、フランジ２２Ｌに固定されたその可動コアを有する。ＬＶＤＴの各々の電気概略図が図５Ａ〜図５Ｃに示されている。ばね３０のＦＣＥ部３０ｃの出力特性は、図６Ａに示されており、チャネル１と２（ＬＶＤＴ４０と４２）が位相加算される。ばね３０のＦＤＲ部３０ａの出力特性は、図６Ｂに示されており、チャネル３（ＬＶＤＴ４１）が測定される。

上述の説明は、好ましい実施形態であるが、寸法及び測定は近似であることが指摘される。一般に、この説明に従って構成されたセンサを使用して、±１４５０ポンド（６５７．７２ｋｇ）の荷重限界及び±２１７５ポンド（９８６．５８ｋｇ）の極限限界により、±６２７ポンド（２８４．４０７ｋｇ）のフルスケール範囲を測定することができる。ＦＣＥの延伸のばね定数は、１０００±１０％のポンド（０．４５３６ｋｇ）／インチ（２．５４ｃｍ）であり、ＦＤＲの収縮のばね定数は、７０００±１０％のポンド（０．４５３６ｋｇ）／インチ（２．５４ｃｍ）である。

電気仕様は表Ｉに示されている。

電気仕様は表ＩＩに示されている。

特定の実施形態について説明してきたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、本実施形態に対し様々な修正及び変更をなし得ることが明白であろう。したがって、本明細書及び図面は、制限的というよりもむしろ例示的であると見なされるべきである。本発明の適切な範囲は、特許請求の範囲によって規定される。

好ましい実施形態による力センサの平面図である。 好ましい実施形態による力センサの平面図である。 ＬＶＤＴを示すためにばねを省略した力センサの斜視図である。 ばね及びフランジの平面図である。 ばね及びフランジの平面図である。 ばね及びフランジの平面図である。 ばね及びフランジの平面図である。 ばね及びフランジの平面図である。 ＬＶＤＴを示すためにばねの部分を切り開いた力センサの斜視図である。 ＬＶＤＴの電気概略図である。 ＬＶＤＴの電気概略図である。 ＬＶＤＴの電気概略図である。 入力の力対出力偏差のグラフである。 入力の力対出力偏差のグラフである。

Claims (22)

1. 二重定数の力センサにおいて、
   １対の対向部材の間に結合された二重定数のばねを有する、前記１対の対向部材と、
   前記ばねに近接して装着され、かつ前記ばねの変位を測定するように構成された複数のセンサとを備える、二重定数の力センサ。
2. 前記二重定数のばねが、単一片の素材から精密機械加工されており、第１のばね定数を有する第１のばね部分と、第２のばね定数を有する第２のばね部分と、前記第１のばね部分の近接端部と前記第２のばね部分の近接端部の間に固定されたプラテンとを有する、請求項１に記載の二重定数の力センサ。
3. 前記複数のセンサの各々が固定変圧器と可動コアとを有し、前記複数のセンサの中の少なくとも１つが、一方の対向部材に結合された前記複数のセンサの可動コアを有し、前記複数のセンサの中の少なくとも１つが、他方の対向部材に結合された前記複数のセンサの中の可動コアを有する、請求項１に記載の二重定数の力センサ。
4. 前記複数のセンサが信号処理回路に結合されている、請求項１に記載の二重定数の力センサ。
5. ばね変位用の物理的限界を提供する機械的ストッパをさらに備える、請求項１に記載の二重定数の力センサ。
6. 二重定数の力トランスデューサにおいて、
   １対のストラットの近位端にフランジを各々が有する、前記１対のストラットと、
   前記１対のストラットの間の前記フランジに装着され、かつ第１のばね定数を有する第１の部分と、第２のばね定数を有する第２の部分と、前記第１の部分の近接端部と前記第２の部分の近接端部の間に固定されたプラテンとを有するばねであって、前記ばねの第１の端部が一方のフランジに結合され、前記ばねの第２の端部が他方のフランジに結合されるばねと、
   前記ばねに隣接して結合された複数の変位センサであって、前記複数のセンサの各々が固定変圧器と可動コアとを有し、前記複数の変位センサの少なくとも１つが、前記一方のフランジに結合された前記センサの可動コアを有し、前記センサの少なくとも１つが、前記他方のフランジに結合された前記センサの可動コアを有する、複数の変位センサとを備える、二重定数の力トランスデューサ。
7. 前記ばねが単一片の素材から精密機械加工されている、請求項６に記載の二重定数の力トランスデューサ。
8. ばね変位用の物理的限界を提供する機械的ストッパをさらに備える、請求項６に記載の二重定数の力トランスデューサ。
9. 二重定数の力センサにおいて、
   第１のばね定数を有する第１のばねと、
   第２のばね定数を有する第２のばねと、
   前記第１のばねの遠位端及び前記第２のばねの遠位端に各々がそれぞれ位置決めされた第１及び第２のフランジと、
   前記第１のばねの近接端部を前記第２のばねの近接端部に結合する第３のフランジと、
   前記第１、第２及び第３のフランジを通して結合された装着ハードウェアと、
   前記第１及び第２のばねに近接して装着され、かつばね変位を測定するように構成された複数の力センサとを備える、二重定数の力センサ。
10. 前記第１のばね、第２のばね、及び第３のフランジが単一片の素材から精密機械加工される、請求項９に記載の二重定数の力センサ。
11. 前記複数の変位センサの各々が固定変圧器と可動コアとを有し、前記複数の変位センサの少なくとも１つが、前記第１のフランジに結合された前記センサの可動コアを有し、前記複数の変位センサの少なくとも１つが、前記第２のフランジに結合された前記複数の変位センサの可動コアを有する、請求項９に記載の二重定数の力センサ。
12. 前記装着ハードウェアが、ばね変位用の物理的限界を提供する機械的ストッパを有する、請求項９に記載の二重定数の力センサ。
13. 二重定数の力トランスデューサにおいて、
    単一片の素材から精密機械加工されており、第１のばね定数を有する第１のばね部分と、第２のばね定数を有する第２のばね部分と、前記第１のばね部分の近接端部と前記第２のばね部分の近接端部の間に固定されたプラテンとを有する二重定数のばねと、
    前記第１のばね部分及び前記第２のばね部分の遠位端に各々がそれぞれ結合された第１のフランジ及び第２のフランジと、
    ばね変位用の物理的限界を提供する機械的ストッパを有する、前記フランジと前記プラテンとを通して結合された装着ハードウェアと、
    前記ばね内に装着された複数の変位センサであって、前記複数の変位センサの少なくとも一方が前記第１のフランジに結合され、かつ前記複数の変位センサの少なくとも他方が前記第２のフランジに結合される、複数の変位センサとを備えている、二重定数の力トランスデューサ。
14. 二重定数の力センサを製造する方法において、
    第１のばね定数を有する第１の部分と、第２のばね定数を有する第２の部分とを有する二重定数のばねを形成するステップと、
    前記ばねに近接して複数の変位センサを装着するステップとを備えている方法。
15. 前記形成するステップが、単一片の素材から前記ばねを精密機械加工するステップを有する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記単一片の素材から、前記第１のばね部分の近接端部と前記第２のばね部分の近接端部の間にプラテンを形成するステップをさらに備えている、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１のばね部分及び前記第２のばね部分の遠位端に各々がそれぞれ結合される１対のフランジを形成するステップをさらに備えている、請求項１６に記載の方法。
18. 前記変位センサの少なくとも１つがフランジの一方に結合され、かつ前記変位センサの少なくとも他の１つが前記フランジの他方に結合される、請求項１７に記載の方法。
19. ばね変位を制限するために前記ばねに機械的ストッパを用意するステップをさらに備えている、請求項１４に記載の方法。
20. ばね変位を測定する方法において、
    ２つの対向部材の間に結合された二重定数ばねを用意するステップと、
    前記ばねに近接して結合され、かつばね変位を測定するように構成された複数のセンサを用意するステップとを備えている方法。
21. 少なくとも１つのセンサが、第１のばね定数を測定するために結合され、かつ少なくとも１つの他のセンサが、第２のばね定数を測定するために結合される、請求項２０に記載の方法。
22. 前記少なくとも１つのセンサ及び前記少なくとも１つの他のセンサが信号処理回路に結合される、請求項２１に記載の方法。

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