JP2013019895A - 力センサアッセンブリおよび力センサアッセンブリの組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容易で、信頼性および費用効果の高い方法で製造されることが可能である力センサアッセンブリおよびそのような力センサアッセンブリの製造方法を提供する。
【解決手段】力センサアッセンブリは、力センサアッセンブリの軸方向に沿った測定の軸を有し、かつ、少なくとも２つの検知素子３が設けられた力リング２と、電子部品５を有するプリント回路基板４と、プリント回路基板４を力リング２上に保持するカバープレート６と、プリント回路基板４およびカバープレート６を覆いかつ力リング２に取り付けられるセンサキャップ７とを含む。製造は、スタッキング（積み重ね）、固定および溶接を用いて容易に達成される。
【選択図】図１

Description

本出願は、２０１１年７月１２日に出願された、“力センサアッセンブリおよび力センサアッセンブリの組立方法”と題されたヨーロッパ特許出願第１１１７３５４５．２号の優先権の利益を要求し、引用することでその全体がここに包含される。本発明は、力センサアッセンブリの軸方向に沿った測定の軸を有する、力センサアッセンブリに関する。

特許文献１は、電磁ブレーキ用の測定装置を開示する。測定装置は、Ｃ字形状の輪郭を有する閉じたリング部材を含み、このリング部材は、ブレーキシステムの軸方向に加えられる力により変形する。Ｃ字形状の輪郭には、Ｃ字形状の輪郭の変形量を測定することのできる例えば歪みゲージ（例えば、半径方向に配向される）が設けられる。

特許文献２は、リング形状の荷重測定装置を開示し、これは、測定装置に加えられた軸方向の力の測定を可能にする。リングには、特定の形状が設けられ、その結果、力によりリングの領域がフープ引張に置かれ、リングのさらなる領域がフープ圧縮に置かれる。歪みゲージのような検知素子は、２つの領域のそれぞれに位置決めされ、力は、センサ素子信号から計算されることができる。

ドイツ特許出願ＤＥ−Ａ−１０３５００８５号 イギリス特許出願ＧＢ−Ａ−２１４７４２６号

本発明は、容易で、信頼性および費用効果の高い方法で製造されることが可能である、特に軸方向の力測定に適した、力センサアッセンブリを提供することを目的とする。

本発明によれば、上記に規定される力センサアッセンブリが設けられ、当該力センサアッセンブリは、少なくとも２つの検知素子が設けられた力リングと、電子部品を有するプリント回路基板と、プリント回路基板を力リング上に保持するカバープレートと、プリント回路基板およびカバープレートを覆い、かつ力リングに取り付けられるセンサキャップとを有する。

このような力センサアッセンブリは、従来の力センサよりも組み立てが簡単であり、さらに、製造がよりコスト効果的である。力センサアッセンブリは、典型的に自動車産業において適用され、特に、電磁ブレーキシステムの力センサアッセンブリに適用される。

本発明の他の態様によれば、力センサアッセンブリの組立方法が提供され、当該方法は、電子部品を有するプリント回路基板をカバープレートで重ねること（スタッキングする）こと、カバープレートを力リングに取付けることによって、プリント回路基板およびカバープレートを、少なくとも２つの検知素子が設けられた力リング上に固定すること、少なくとも２つの検知素子をプリント回路基板に電気的に接続すること、プリント回路基板およびカバープレートを覆うセンサキャップの外側のリムおよび内側のリムを力リングに溶接することを含む。

本発明は、いくつかの実施例を用い、添付図面を参照して、下記により詳細に説明される。
図１は、本発明の第１の実施例による力センサアッセンブリの分解図を表しており、主要素が分離して表されている。 図２は、組み立てられたときの図１の力センサアッセンブリの斜視図を表す。 図３は、図２の力センサアッセンブリの側面図を表す。 図４は、図２の力センサアッセンブリの断面図を表す。 図５は、本発明の第２の実施例による力センサアッセンブリの斜視図を表す。 図６は、図５の力センサアッセンブリの側面図を表す。 図７ａは、本発明の他の実施例による力センサアッセンブリで使用可能な力リングの上面図を表す。 図７ｂは、図７ａで表された力リングの側面図を表す。 図８は、本発明による力センサアッセンブリの実施例で使用可能なセンサキャップの斜視図を表す。 図９は、本発明による力センサアッセンブリの他の実施例において使用される電子部品の電気回路図を表す。

本発明は、力センサアッセンブリに関し、特に、自動車の用途に使用されることのできる力センサアッセンブリに関する。力センサアッセンブリ１は、軸方向の力を測定するのに適合され、例えば、電磁ブレーキシステム（例えば、キャリパーを使用する）の力を測定するのに適用される。

図１は、本発明の第１の実施例による力センサアッセンブリの分解図を表しており、主要素が個別に表されている。力センサアッセンブリ１の主要素の１つは、力リング（force ring）２であり、その上に、歪みゲージ３（例えば、マイクロフューズされたシリコン歪みゲージ（MSG）のようなシリコン歪みゲージ）が力リング２の変形を測定するのに取り付けられる。力リング２は、金属から構成されることができ、概して、縦軸（緯度）１４に対して垂直の上面１５を有する、円筒形状のボディであることができ、ここで、力は、外側領域上の一る方向に加えられ、かつ内側領域内の反対方向に加えられ、これは、上面１５の変形を引き起こす。力リング２は、金属射出成形技術を使用して生産されることができる。

力センサアッセンブリ１の他の主要素は、プリント配線基板（ＰＣＢ）４（もしくは同等のホルダー）であり、その上に電子部品５が位置決めされる（集積回路、および抵抗、コンデンサ等の受動素子）。また、ＰＣＢ４を力リング２に固定するのに使用され、かつ下記で説明されるさまざまな機能を提供するカバープレート６が提供される。センサキャップ７は、力センサアッセンブリ１のカバーを提供し、かつコネクタ８のような十分な機能的なインターフェースを提供するために設けられる。選択的に、封止部材１２が設けられ、封止部材１２は、センサキャップ７と協働して、力センサ１の内部部品が環境にさらされないことを保証する。このため、封止部材１２は、圧縮可能な部材から構成されることができる。

図２では、組み立てられた時の、図１の力センサアッセンブリの斜視図が示され、図３は、同じ実施例の側面図を示す。さらに図４では、力アッセンブリ１の同実施例の断面図が示される。組み立てられた状態では、力センサアッセンブリ１の力リング２は、センサキャップ７、コネクタ８（リーフスプリング（板バネ）コネクタ素子を有する、図４の断面図も参照）、およびいくつかの配向素子２１、２３（後述される）と同様に、見ることができる。さらに、本実施例では、力リング２には、力リング２の底の外側領域に切り込み（ノッチ）の形状で追加の配向素子２２が設けられる。さらに、力リング２の力取付け領域２４、２５は、例えば電磁ブレーキシステムで力センサアッセンブリ１を使用するために、これらの図で示されており、内側の力取付け領域２５は、例えばブレーキピストンに接触し、外側の力取付け領域２４は、ブレーキキャリパーに接触する。力取付け領域２４、２５は、それらの全体の円周面で使用されることができ、もしくは、いくつかの点の力接触面を使用することも可能である。

図５は、本発明の第２の実施例による力センサアッセンブリの斜視図を表し、図６は、図５の力センサアッセンブリの側面図を表す。本実施例には、コネクタ８と、コイルスプリング状のコネクタスプリング９とが設けられ、これらは、コネクタへの軸方向の接続を可能にし、これに対し、図１から図４の実施例は、接線方向の接続を可能にするであろう。さらに、本実施例の力リング２の形状は異なっており、力センサアッセンブリ１の信号挙動に異なる力を提供する。最後に、第２の実施例には、測定軸１４と平行な力リングの局所的な平坦化の形状で、力リング２の底側に配向素子２２が設けられる。

概して言えば、本発明の実施例は、力センサアッセンブリ１の軸方向１４に沿った測定軸を有する力センサアッセンブリ１に関する。力センサアッセンブリ１は、少なくとも２つの検知素子３が設けられた力リング２と、電子部品５を搭載するプリント配線基板４と、プリント配線基板４を力リング２上に保持するカバープレート６と、プリント配線基板４およびカバープレート６を覆いかつ力リング２に取り付けられるセンサキャップ７とを含む。

カバープレート６はさらに、組み立てられたときに、センサキャップ７の対応する開口８ａを介して延在する電気コネクタ８を収容する（存在する場合には、封止部材１２ｂの開口８ｂも介して）。電気コネクタ８は、例えば、いくつかのコネクタスプリング９を保持するために空間を提供するハウジング素子を含み、コネクタスプリング９は、力によりプリント配線基板４へ保持される。図１から図４の実施例では、コネクタスプリング９はリーフスプリング（板バネ）であり（図４の断面図により確認できる）、測定軸１４に対して接線方向において係合するコネクタが接続されることを可能にし、これは、あるアプリケーションにおいて力センサアッセンブリの搭載のさらなる容易さを提供する。図５および図６の実施例では、コネクタスプリング９はコイルバネ９であり、コイルバネ９は、
軸方向においてＰＣＢ４と力のある接触で電気コネクタ８により保持される。

カバープレート６は、力センサアッセンブリ１にいくつかの機能を提供する。ある実施例では、カバープレート６は、内部金属クリップ１１を含み、図１の分解図ではふたつの延在するクリップ１１が見ることができる。これらの延在するクリップは、ＰＣＢ４およびカバープレート６を保持する力リング２に（例えば接点溶接によって）取り付けられることができ、さらに力センサアッセンブリ１のためのケースグランドを提供することができる。また、図４の断面図に示されるように、力リング２には、例えば、力リング２のリム（または選択的に、力リング２の円周の穴もしくは溝）に抗してカバープレート６の延在するクリップ１１の取付けを可能にするアッセンブリの特徴が設けられる。

カバープレート６はさらに、内部金属チップ１１を（完全に、もしくは部分的に）覆うプラスチップ部材を含み、これは、ＰＣＢ４の絶縁被覆を提供するが、力センサアッセンブリ１の組立てに使用される複数の配向素子２０、２３を提供することもできる。他の実施例では、カバープレート６は、例えば複数の化合物成型技術を使用して、封止部材１２を一体化することができる。

図１の分解部に見て取れるように、配向素子２０は、カバープレート６の上面１５に提供され、これは、封止部材１２の対応する開口２０ａと協働する。おおよそ同じ位置に、配向素子２０はまた、カバープレート６の底面に提供されることができ、これは、ＰＣＢ４の対応する開口２０ｂおよび力リング２のノッチ２０ｃと協働する。言うまでもなく、カバープレートの上面および底面上の配向素子２０は、互いに異なる位置に位置決めされ得る。

さらに、カバープレート６に外部の配向素子２３を設けることができ、これは、センサキャップ７の開口２３ａ（および封止部材１２の対応する開口２３ｂ）を介して突出する。図示される実施例では、外部の配向素子２３は、電気コネクタ８のおおよそ正反対のところに提供され、信頼性のある堅牢な外部取付けを可能にする。代替的な実施例では、外部の配向素子２３は、コネクタ８に対して異なる場所に位置決めされる。

図７ａは、本発明の他の実施例による、力センサアッセンブリ１で使用可能な力リング２の上面図を示し、図７ｂは、図７ａで示された力リング２の側面図を示す。力センサアッセンブリ１の測定軸は１４で示されており、図７ａの図面に対して垂直に延在する。

概して、軸方向の荷重のもとで力リング２の歪みを測定することができるよう、少なくとも２つの検知素子３が、力リング２の上面１５の円周に均等に分配される。ある実施例では、上面１５は、例えばマイクロフューズされたシリコン歪みゲージ（ＭＳＧ）である検知素子３のための良好な取付け面を提供するようにサンドブラストされる。

他の実施例では、少なくとも２つの検知素子３（例えば、図７ａおよび図７ｂの実施例では、４つの素子３が示されている）の各々は、力リング２の上面１５に対応する面に感度の方向性（破線１６で示される）を有し、感度の方向性１６は、力センサアッセンブリ１の中心軸（図７ａでは１４で示される）に対して角度をもって方向付けられる。これは、力センサアッセンブリ１の組立中に、ワイヤボンディング工程にとって検知素子３へのより良いアクセスを可能にする。

さらに他の実施例では、力リング２には、例えば図７ａの実施例に示されるように窪みもしくは溝のような形状の輪郭的な特徴１７（対称的に位置決めされる）が設けられる。これらの輪郭的な特徴１７は、検知素子３の接線方向の歪みを減少させ、力センサアッセンブリ１をより堅牢で信頼性の高いものにする。

図１の分解図で最も明瞭に示されるように、プリント回路基板４およびカバープレート６には、開口１８、１９が設けられる。これらの開口１８、１９は、力リング２上の少なくとも２つの検知素子３の位置に整合され、力リング２、プリント回路基板４およびカバープレート６の部分的な組立ての後に、プリント回路基板４上の対応するボンディングパッドへの検知素子３のコンタクトのボンディングを可能にする。他の実施例では、検知素子３のＰＣＢ４上の電子部品５への電気的な接続の後に、少なくとも２つの検知素子３は、開口１８、１９により提供された空間内の保護材料（例えば、ゲルのような材料）で覆われる。

図８は、本発明による力アッセンブリ１の実施例で使用可能なセンサキャップ７の斜視図を表す。外側のリム３０および内側のリム３１が提供され、これらは、図２、３、５および６に示されるように、力リング２に溶接（レーザー溶接）されることができる。さらに、センサキャップ７には、少なくとも１つの配向素子２１が設けられ、これは、例えば、センサキャップ７の側面から延在する１つもしくは３つの窪み（ディンプル）である。これら配向素子は、力センサアッセンブリ１を取付けるときに、センタリングの目的で有利に使用されることができる。

図９には、本発明による力センサアッセンブリ１のさらなる実施例で使用される少なくとも２つの検知素子３と電子部品５（の一部）の電気回路図が示されている。本実施例の少なくとも２つの検知素子３は、４つの歪みゲージ（それぞれ２つのインピーダンス）を含み、図のように、２つの並列のホイートストンブリッジ構成に配列される。そして、力センサアッセンブリ１の電気回路は、外部に接続され得る。信号Ｖ＋およびＶ−は、例えばＡＳＩＣのような処理回路に接続され、処理回路３は、差電圧に温度補償ゲインおよびオフセットを差動電圧を
与え、かつアナログ力信号を提供するように構成される。そして、３つのワイヤ（アナログ力信号、供給電圧Ｖｓ、信号グラウンド）のみを有するコネクタ８を使用して、外部の世界との接続が成し得る。
代替的な構成では、各ハーフホイートストンブリッジは、電子処理部品（ＰＣＢ４上の電子部品５として提供される）に接続され、これらの信号のそれぞれが、外部のユニットに接続されることができる（例えば、前述の電磁ブレーキ用のコントローラユニット）。これは、ディジタル信号処理や可能であれば信号ワイヤ出力として提供され得るディジタルインターフェースを提供するような適切な電子部品５を用いて実行される。このようなディジタルインターフェースは、アナログ信号出力よりも、単一のピン上により多くのデータ信号を提供し、かつより信頼性のある接続を提供する（例えば、力センサアッセンブリ１の外側で、エラー検出および訂正回路を可能にする）。適切なインターフェースは、例えば、ＳＰＩ（シリアル ペリフェラル インターフェース：Serial Peripheral Interface）やＬＩＮ（ローカル インターコネクト ネットワーク：Local Interconnect Network）の標準を使用して提供される。

本発明のさらなる態様は、力センサアッセンブリを製造する方法に関する。この方法は、電子部品５を有するプリント回路基板４をカバープレート６でその上に重ねること（スタッキング）、プリント回路基板４とカバープレート６を、少なくとも２つの検知素子３が設けられた力リング２上に固定することを含む。これは、カバープレート６を（例えば、内部金属クリップ１１の複数の延在するピンを使用して）、力リング２に取り付ける（例えば、溶接する）ことにより達成され得る。その後、少なくとも２つの検知素子３は、プリント回路基板４に電気的に接続される（例えば、カバープレート６およびＰＣＢ４に設けられた開口１８、１９を介してワイヤボンドを用いる）。最後に、プリント回路基板４およびカバープレート６を覆うセンサキャップ７の外縁もしくは外側のリム３０と内縁もしくは内側のリム３１とが、力リング２に溶接される。溶接工程は、例えば、レーザ溶接として実施され、これは、力センサアッセンブリの組立てにおいて利用することができる空間および配向に適している。この組立ては、簡単なオペレーションのみを含むので（スタッキング、溶接、ボンディング、およびセンサキャップの溶接のみ）、組立ては、コスト効果的かつ信頼性をもって実行され得る。また、含まれる組立て工程は、力リング２に非常に度を越さない歪みのみを引き起こし、これは、組立て完了後に、キャリブレーション工程を使用することにより、容易に調整され得る。

本発明の実施例が、図中に表されたいくつかの例示的な実施例を参照して上述された。いくつかの部品および要素の変更および代替的な実施は可能であり、添付の請求項で明らかにされたものとして保護の範囲に含まれる。

Claims (15)

1. 力センサアッセンブリ（１）の軸方向（１４）に沿った測定の軸を有する力センサアッセンブリであって、
   少なくとも２つの検知素子（３）が設けられた力リング（２）と、
   電子部品（５）を有するプリント回路基板（４）と、
   プリント回路基板（４）を力リング（２）上に保持するカバープレート（６）と、
   プリント回路基板（４）とカバープレート（６）とを覆い、かつ力リング（２）に取り付けられるセンサキャップ（７）と、を有する力センサアッセンブリ。
2. カバープレート（６）はさらに、センサキャップ（７）を介して延在する電気コネクタ（８）を収容する、請求項１に記載の力センサアッセンブリ。
3. カバープレート（６）は、内部金属クリップ（１１）を含む、請求項１または２に記載の力センサアッセンブリ。
4. カバープレート（６）は、プラスチック材料を含む、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の力センサアッセンブリ。
5. 力センサアッセンブリはさらに、カバープレート（６）とセンサキャップ（７）との間に、圧縮可能な材料の封止部材（１２）を含む、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の力センサアッセンブリ。
6. 少なくとも２つの検知素子（３）は、力リング（２）の上面（１５）の円上に均等に配される、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の力センサアッセンブリ。
7. 少なくとも２つの検知素子（３）は、４つの歪ゲージを含み、４つの歪ゲージは、二重の並列のホイートストンブリッジ構造に構成される、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の力センサアッセンブリ。
8. 少なくとも２つの検知素子（３）の各々は、力リング（２）の上面（１５）に対応する面において感度の方向性（１６）を有し、感動の方向性（１６）は、力センサアッセンブリ（１）の中心軸（１４）に対して角度で方向付けられる、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の力センサアッセンブリ。
9. 力リング（２）には、輪郭の特徴（１７）が設けられる、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の力センサアッセンブリ。
10. プリント回路基板（４）およびカバープレート（６）には開口（１８、１９）が設けられる、請求項１ないし９のいずれか１つに記載の力センサアッセンブリ。
11. 少なくとも２つの検知素子（３）は、開口（１８、１９）内の保護材料で覆われる、請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の力センサアッセンブリ。
12. カバープレート（６）には、配向素子（２０）が設けられる、請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の力センサアッセンブリ。
13. 力リング（２）には、カバープレート（６）の取付けを可能にする組立て特徴が設けられる、請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の力センサアッセンブリ。
14. センサキャップ（７）には、少なくとも１つの配向素子（２１）が設けられる、請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の力センサアッセンブリ。
15. 力センサアッセンブリの組立て方法であって、
    電子部品（５）を有するプリント回路基板（４）をカバープレート（６）で重ねること、
    カバープレート（６）を力リング（２）に取り付けることによって、プリント回路基板（４）およびカバープレート（６）を、少なくとも２つの検知素子（３）が設けられた力リング（２）上に固定すること、
    少なくとも２つの検知素子（３）をプリント経路基板（４）に電気的に接続すること、
    プリント回路基板（４）およびカバープレート（６）を覆うセンサキャップ（７）の外縁および内縁を力リング（２）に溶接すること、を含む力センサアッセンブリの組み立て方法。
    

Images