JP2009540304A - 横方向力の測定 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧電センサ内の測定要素の軸で曲げモーメントを測定するために、測定要素をその軸で分離して、両半分を、反対の配向方向に電気的接続するという概念に関する。センサ自体の軸が機械構造体の中立曲げ軸上に取り付けられたセンサは、したがって、その軸の両側で機械構造体の引っ張りと圧縮の両方を同時に測定する。

Description

本発明は、独立請求項のプリアンブルに従って、少なくとも１つの軸が、１つの面に並べて配置された少なくとも２つの圧電板要素を備える、曲げモーメント又はトルクを測定するための圧電センサに関する。

曲げモーメント又はトルクを測定するためのセンサは、産業では、例えばワイヤボンディング装置とも称されるワイヤ溶接接点装置の力伝達アームの力を求めるために広く使用されている。

米国特許第６，４２５，５１４号には、溶接アームとワイヤ溶接接点装置の構造の間に従来型の力センサ又は圧力センサが導入されるプロセスが示されている。最終的に、溶接アーム先端の溶接荷重は測定された力を用いて計算され得る。

そのようなデバイスの短所には、測定精度を向上させるために、そのようなセンサの最も好ましい２つを内蔵しなければならないという事実がある。しかし、経済的な理由のために、これが行われている例は少ない。

本発明の目的は、同等の製作コストで、このタイプの従来型センサと比較して感度の向上を示す、曲げモーメント又はトルクの測定のためのセンサを提供することである。

この目的は、独立請求項の特徴によって解決される。

本発明は、曲げモーメント又はトルクを圧電センサ内の測定要素の軸で測定するために、測定要素を計測上分離して、両半分を、それらの逆分極の方向に電気的接続するという概念に関する。したがって、機械構造体の中立曲げ軸にセンサ自体の軸が取り付けられたそのようなセンサは、機械構造体の軸の両側で引っ張りと圧縮の両方を同時に測定する。そこで、測定要素が一体に形成されれば、測定要素上の電極だけが互いから分離されるという特別の利点がある。

以下では、本発明が、図面を参照しながら詳細に説明される。

すべての図で、同一要素に対する名称及び番号付けは同一である。

図１ａ〜図１ｆは、各々が、曲げモーメント又はトルクの測定向けの圧電センサ１の、少なくとも２つのプレート要素３ａ、３ｂの断面を示す。図１の２つの矢印は、測定されることになっているプレート要素上での可能な力又は張力効果を示す。プレート要素３ａ、３ｂは、プレートの一部であることを示す。これらのプレート要素は、層状に平面に並置される。配向方向Ｐは、力が印加された状態でのプレート要素の分極方向を示す。この方向は、簡単な矢印及びＰによって示される。

プレート要素３ａ、３ｂは、軸方向効果を有する圧電材料から成る。前記プレート要素３ａ、３ｂの間にセンサの１つの軸２が進む。そのようなセンサ１の適用分野は、センサ１の軸２上に中立曲げ軸９がある曲げモーメント又はトルクの測定に対応する。したがって、測定されるモーメントは、示された２つの矢印に対応して作用する力から生じることになる。そのようなモーメントは、プレート要素３ａにおける圧縮及びプレート要素３ｂにおける伸びをもたらすことになる。プレート要素３ａ、３ｂは、それぞれ両面上に電極４、４’を示し、これらは、測定においてそこに生じた電荷を収集する。

第１のプレート要素３ａの電極４又は４’は、第２のプレート要素３ｂの逆分極（＋、−）の電極４又は４’と電気的接続される。そのような接続は、センサ又は評価デバイスで現れることがある。

電気的接続５の各々が、電極４、４’を、測定において形成された逆分極（＋、−）を有する２つのプレート要素３ａ、３ｂと接続する。それによって、同一の実施例で、両半分の軸２に関して対称の配置では、信号がそれ自体２倍になる。電極４、４’は、圧電板要素上の金属被覆又は導電性プレートの形をした独立要素として設計されてよい。

プレート要素３ａ、３ｂは、圧力及び張力を測定することができるように、センサ内でバイアス荷重をかけて取り付けられる。

図１ａでは、プレート要素３ａ、３ｂは、反対の配向方向Ｐに配置され、各電気的接続５が、プレート要素３ａ、３ｂの同じ面の電極４を接続する。この例では、電極４、４’及び電気的接続５は、各々単一の導電層又はプレートとして一般的に設計されてよい。

図１ｂでは、図１ａと対照的に、同じ配向方向Ｐに配置された２つのプレート要素３ａ、３ｂを示すデバイスが示される。したがって、電極４、４’は、１つの面で互いに接続されるのでなく、逆分極（＋、−）と対角に接続される。この接続は示されないが、単に電子接続５の端部のプラス（＋）とマイナス（−）の符号から明白である。同一符号を有する端部は、センサ又は評価デバイス内で互いに電気的接続される。

図１ｃの実施例は、ほとんど図１ｂの実施例に相当し、プレート要素３ａ、３ｂがプレート３に一体化して設計されている。これは、プレート要素３ａ、３ｂの配向方向Ｐが等しく進むので、いかなる困難もなく可能である。したがって、この実施例では、圧電板は、プリント回路基板として使用されてよく、その上へ電極がスイッチ・プレートと同様に金属被覆面として与えられる。この構成の利点に、処理して組み込まなければならないプレートが１つだけであるという事実があり、これによって取扱いが簡単になる。

図１ｄ、図１ｅ及び図１ｆは、各々図１ａ、図１ｂ及び図１ｃの実施例に相当するプレート要素３ａと３ａ’並びに３ｂと３ｂ’のスタックを表す。同様に、３つ以上のプレート要素３ａ”、３ｂ”も、スタック状に配置されてよい。好ましくは、プレート要素３ａ、３ａ’の間及びプレート要素３ｂ、３ｂ’の間のスタック中の接合接触である電極４’は、金属被覆によって実現される。好ましくは、金属被覆が、隣接したプレート要素を相互に接続する。この接続によって、個々のプレート要素の取扱いが容易になる。

センサ又は評価デバイス内で、電極４の各々は、次の４”の後の層の電極と電気的接続５によって電子的に接続される。同様に、これは、スタック中の２つより多い層にも当てはまる。

図２には、図１ｃに対応して本発明によるセンサ１の上面図が示されており、連続したプレート３及び測定に現れる逆分極（＋、−）の２つの電極４を有する。軸２の両側に電極４が配置されるが、一体化された状態では、軸２は機械部分の中立曲げ軸上になければならない。対応する逆分極を有する向い合わせの電極４’は、センサの裏側に配置される。

好ましくは、取付けデバイス６が（例えば取付けねじ又は同等品を送り込むための凹部７の形で）、センサの中心に設けられる。

図３は、本発明によるセンサ組立体１向けに様々に可能な位置にある、構造体１１を有する力伝達アーム１０の形をした機械構造体８の断面図を表す。中立曲げ軸９は、機械構造体内の領域にあり、機械構造体に適切に応力を与える過程では伸びも圧縮も生じない。本発明によるセンサ１は、この中立曲げ軸９に沿った任意の位置に取り付けられてよく、センサ１の軸２は、常にこの中立曲げ軸９になければならない。したがって、軸２の片側の圧縮は、その反対側の張力に対して反対方向であり、且つ同一の効果がある。電極４、４’の適切な組合せによって、具体的には軸２の両側での電極４、４’の逆分極の接続によって、信号が集計される。対称な配置では、これは、２倍になることを意味する。

本発明によれば、図３に示されるように、センサ１は、機械構造体のアーム部分に取り付けることもでき、この部分は特にこの目的のために作られている。組付けねじによるセンサ中心での組付けによって、前記組立体の軸は、アーム端に荷重がかかった状態で中立曲げ軸９になる。

図４は、図３と同じ機械構造体の配置を示すが、これは正面図である。アクチュエータ１３に隣接する構造１１は、アタッチメント１４によって力伝達アーム１０を適応させる。機械構造体８の全体によって示されるように中立曲げ軸９が進む。本発明によるセンサ１は、例えば中立曲げ軸９上を進む１つの組付けポイント１２で中心の横に配置することもできる。もう１つの組付けポイント１２は、測定誤差を生じないように、センサ１と同じ剛性を示さなければならない。そうでなければ、測定精度を向上するために、第２の組付けポイントに第２のセンサを取り付けることが可能である。

本発明によるこのセンサの利点は、プロセスの障害を引き起こすことなく、簡単に組み付け可能なことである。さらに、電極を分割することによって感度が向上する。

本発明のさらなる利点は、評価能力にある。個々のプレート要素３ａ、３ｂの電極４が、電気的接続５によってセンサ１に結合されることなく評価デバイス又は増幅器に別個に向けられるなら、さらなる物理的変数を求めることができる。一方では、電気的接続５によって明らかになっていたはずの曲げモーメントは、測定値の和によって計算することができる。他方では、センサに作用する力は、測定値の差を計算することによって求めることができる。このことは、図１ａによるプレート要素の配置に当てはまり、図１ｂ又は図１ｃによる例では、差の計算が曲げモーメントをもたらし、和の計算が力をもたらす。

本発明の拡張が、図５ａ及び図５ｂに示される。説明された実施例と同様に、センサは、２つのプレート要素の代わりに、第１軸２に対して垂直に配置され且つセンサを４分割する第２軸２’を挿入することにより、４つのプレート要素３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを用いて設計されてもよい。そのようなやり方で設計されたセンサによって、両方の軸及びそれらの組合せにおけるたわみが可能になる。この目的のために、電極４を別個に評価しなければならない。等しい配向方向Ｐが、図５ａに示されるように反対側の対角の場所に配置されるか、又は図５ｂに示されるように互いの次に配置されるように、電極のグラデュエーションが選択されてよい。したがって、図５のセンサによれば、２方向の曲げモーメント並びに１方向の力測定が可能になる。

本発明のさらなる拡張が図６ａに示されている。軸方向効果を有する圧電材料からのプレート要素の代わりに、軸方向せん断効果を有する材料が使用される。したがって、図５に表されるように、プレート要素の信号が別個に評価されるなら、せん断及びトルクを同時に測定することができる。ここでは、図１ａから図１ｆに表されたタイプに似て、プレート３をプレート要素３ａ、３ｂへ分割することもでき、又は電極４が分割されてよく、いくつかのプレートがスタック化して使用されてよい。

図６ｂは、様々な方向のせん断感応プレートの組合せを示し、図５の説明と同様に評価されてよい。

様々な物理的変数を同時に求めることができるように、様々な圧電効果のプレート要素を有する様々な面がセンサ内で組み合わせられてよい。

電極及びその電気的接続を有して、反対の配向方向に配置された２つのプレート要素の断面図である。 電極及びその電気的接続を有して、同じ配向方向に配置された２つのプレート要素の断面図である。 電極及びその電気的接続を有する、同一プレート上の２つのプレート要素の断面図である。 電極及びその電気的接続を有して、反対の配向方向に配置された１対の２つのプレート要素の断面図である。 電極及びその電気的接続を有して、同じ配向方向に配置された１対の２つのプレート要素の断面図である。 電極及びその電気的接続を有して、各々が同一プレート上にある１対の２つのプレート要素の断面図である。 本発明による、２つのプレート要素を有するセンサの上面図である。 本発明によるセンサ組立体向けに可能な位置にある構造体の接合アームの形をした機械構造体の断面図である。 本発明によるセンサ組立体向けに可能な位置にある構造体の力伝達アームの形をした機械構造体の前面図である。 本発明による、４つのプレート要素を有するセンサの上面図である。 本発明による、４つのプレート要素を有する別のセンサの上面図である。 本発明による、２つのプレート要素を有してせん断に感応する別のセンサの上面図である。 本発明による、４つのプレート要素を有してせん断に感応する別のセンサの上面図である。

符号の説明

１ センサ
２ ２’ 軸
３ プレート
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ａ’、３ｂ’ プレート要素
４ ４’ 電極
５ 電極の電気的接続
６ 取付けデバイス
７ 凹部
８ 機械構造体
９ 中立曲げ軸
１０ 力伝達アーム
１１ 構造体
１２ 組付けポイント
１３ アクチュエータ
１４ アタッチメント

Claims (35)

1. 少なくとも２つの圧電板要素を備える、曲げモーメント又はトルクの測定のための圧電センサ（１）であって、前記圧電板要素は、少なくとも１つの軸（２）が１つの面（３ａ、３ｂ）内に並べて配置され、少なくとも部分的に両面上に電極（４、４’）が設けられ、且つ前記センサ内で前記軸（２）の両側にバイアス荷重をかけて配置され、
   前記第１のプレート要素（３ａ）の前記電極（４、４’）が、前記第２のプレート要素（３ｂ）の逆分極（＋、−）の前記電極（４、４’）と電気的接続されることを特徴とする圧電センサ。
2. 同一プレート（３）上の前記プレート要素（３ａ、３ｂ）が一体設計されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記プレート要素（３ａ、３ｂ）が２つの部分に設計されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
4. 反対の配向方向Ｐを有する前記プレート要素（３ａ、３ｂ）が前記センサ内に配置されることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
5. 同一の配向方向Ｐを有する前記プレート要素（３ａ、３ｂ）が前記センサ内に配置されることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
6. 前記プレート要素（３ａ、３ｂ）が等しいことを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載のセンサ。
7. 前記プレート要素（３ａ、３ｂ）が、前記軸（２）に対して対称に配置されることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一項に記載のセンサ。
8. 前記センサが、前記軸（２）の中心に取付けデバイス（６）を含むことを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載のセンサ。
9. ねじを通して送り込むための中央の凹部（７）を示すことを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
10. いくつかのプレート要素（３ａ、３ｂ、３ａ’、３ｂ’）がスタック状の複数の層に配置され、且つ中間電極（４’）を有して設計され、前記電極（４）の各々が、次の（４”）（５）の後の層の電極と電子的に接続されることを特徴とする請求項１から９までのいずれか一項に記載のセンサ。
11. 前記中間電極（４’）が金属被覆であり、前記金属被覆が、各々の場合、前記スタック内で接合接触してプレート要素（３ａと３ａ’並びに３ｂと３ｂ’）を相互接続することを特徴とする請求項１０に記載のセンサ。
12. 前記プレート要素（３ａ、３ａ’、３ｂ、３ｂ’）が、軸２のまわりの曲げモーメントを求めるための圧電軸方向効果を示すことを特徴とする請求項１から１１までのいずれか一項に記載のセンサ。
13. 前記プレート要素（３ａと３ａ’並びに３ｂと３ｂ’）が、前記プレートの面に対して垂直な中心回転軸のまわりのトルクを求めるための圧電軸方向せん断効果を示すことを特徴とする請求項１から１２までのいずれか一項に記載のセンサ。
14. 曲げモーメント又はトルクの測定並びに力又は圧力の測定のための圧電センサ（１）であって、少なくとも１つの軸（２）が少なくとも２つの圧電板要素を備え、前記圧電板要素が、１つの面（３ａ、３ｂ）内に並べて配置され、少なくとも部分的に両面上に電極（４、４’）を備え、且つ前記センサ内で前記軸（２）の両側にバイアス荷重をかけて配置され、
    前記電極（４、４’）が、互いから電気的に分離され、且つ各プレート要素（３ａ、３ｂ）の個々の測定値を求めるための評価ユニットへ向けられることを特徴とする圧電センサ。
15. 前記プレート要素（３ａ、３ｂ）が前記同一プレート（３）上で一体設計されていることを特徴とする請求項１４に記載のセンサ。
16. 前記プレート要素（３ａ、３ｂ）が２つの部分に設計されていることを特徴とする請求項１４に記載のセンサ。
17. 反対の配向方向Ｐを有する前記プレート要素（３ａ、３ｂ）が前記センサ内に配置されることを特徴とする請求項１６に記載のセンサ。
18. 同一の配向方向Ｐを有する前記プレート要素（３ａ、３ｂ）が前記センサ内に配置されることを特徴とする請求項１６に記載のセンサ。
19. 前記プレート要素（３ａ、３ｂ）が等しいことを特徴とする請求項１４から１８までのいずれか一項に記載のセンサ。
20. 前記プレート要素（３ａ、３ｂ）が、前記軸（２）に対して対称に配置されることを特徴とする請求項１４から１９までのいずれか一項に記載のセンサ。
21. 前記センサが、前記軸（２）の中心に取付けデバイス（６）を含むことを特徴とする請求項１４から２０までのいずれか一項に記載のセンサ。
22. ねじを通して送り込むための中央の凹部（７）を示すことを特徴とする請求項２１に記載のセンサ。
23. いくつかのプレート要素（３ａ、３ｂ、３ａ’、３ｂ’）がスタック状の複数の層に配置され、且つ中間電極（４’）を有して設計され、前記電極（４）の各々が、次の（４”）（５）の後の層の電極と電子的に接続されることを特徴とする請求項１４から２２までのいずれか一項に記載のセンサ。
24. 前記中間電極（４’）が金属被覆であり、前記金属被覆が、各々の場合、前記スタック内で接合接触してプレート要素（３ａと３ａ’並びに３ｂと３ｂ’）を相互接続することを特徴とする請求項２３に記載のセンサ。
25. 前記プレート要素（３ａ、３ａ’、３ｂ、３ｂ’）が、軸２のまわりの曲げモーメント並びに前記プレートの面に対して垂直な力又は圧力を求めるための圧電軸方向効果を示すことを特徴とする請求項１４から２３までのいずれか一項に記載のセンサ。
26. 前記プレート要素（３ａと３ａ’並びに３ｂと３ｂ’）が、前記プレートの面に対して垂直な中心回転軸のまわりのトルク並びに前記プレートの面内で前記軸２に向かうせん断力を求めるための圧電軸方向せん断効果を示すことを特徴とする請求項１４から２５までのいずれか一項に記載のセンサ。
27. 前記第１軸（２）に垂直な第２軸（２’）を有し、前記説明されたタイプの少なくとも４つの等しい圧電板要素（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）によって特徴づけられたセンサであって、前記圧電板要素が、前記軸（２、２’）によって画定されたセンサの４つのセグメントの各々に対称に配置され、前記電極（４、４’）が、両方の軸（２、２’）に対する曲げモーメントの測定又はトルクの測定を求めるために、互いから電気的に分離され、各プレート要素（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の個々の測定値を求めるための評価ユニットへ向けられる請求項１４から２６までのいずれか一項に記載のセンサ。
28. 前記プレート要素（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）が個々に設計されることを特徴とする請求項２７に記載のセンサ。
29. 前記個々のプレート要素（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）が、曲げモーメント又はトルク並びにせん断力を２方向で測定できるように選択されることを特徴とする請求項２８に記載のセンサ。
30. 機械構造体（８）の間接的な曲げ又はトルクの測定のためのセンサの適用であって、
    前記センサの前記軸（２）が前記機械構造体（８）の前記曲げ軸（９）上にあるように前記センサが前記機械構造体（８）に取り付けられることを特徴とする請求項１から２９までのいずれか一項に記載のセンサの適用。
31. 前記機械構造体（８）が、構造体（１１）で力伝達アーム（１０）を備える電気ワイヤ溶接接点装置であることを特徴とする請求項３０に記載の適用。
32. 前記センサが前記力伝達アーム（１０）内に配置されることを特徴とする請求項３１に記載の適用。
33. 前記センサが、力伝達アーム内の切断線において横向きに取り付けられることを特徴とする請求項３２に記載の適用。
34. 少なくとも１つのセンサが、前記力伝達アーム（１０）を前記ワイヤ溶接接点装置の前記構造体（１１）に結合する前記組付けポイント（１２）のうちの１つに配置されることを特徴とする請求項３１に記載の適用。
35. ２つのセンサ（１）がそのような組付けポイントに配置されることを特徴とする請求項３４に記載の適用。
    

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