JP6525166B2 - 力測定装置の与圧デバイス - Google Patents

Description

本発明は、力センサを受け取るための受け取りポケットを有する与圧デバイスであって、長手方向軸に対して垂直に延びる方向に相互に向き合って配置され、相互に離れるように力測定装置の方を向いた力導入面を有する、少なくとも２つの力導入プレートを備えた与圧デバイス、並びに、力測定装置を、１つの機械部品内若しくは複数の機械部品間、又はローラ内の凹所に取り付けるための方法に関する。

力センサを取り付けるための与圧デバイスを備える力測定装置は、かなり長い間に様々な変形例で知られてきた。このタイプの力測定装置は、空間の少なくとも一方向に加えられた動的及び準静的な力を測定することができる。使用される力センサは、好ましくは、通常、圧電性力センサ、いわゆる圧電性測定ワッシャからなる。既知の力測定装置は、例えば、プロセス監視など、様々な力を測定する多くの用途で使用されている。

欧州特許第０７１９４０５（Ｂ１）号は、二重ウェッジ（double-wedge）の力測定装置の形式における、力センサ用の複部構成与圧デバイスを有する力測定装置を開示している。この装置は、相互に平行に延びる機械部品間の、好ましくは、力バイパス原理（force bypass principle）に従う力を測定するのに適している。平行な接触面間の直交距離は変化する。相互に置き換えられ得る２つのウェッジは、調整装置によって相互に接続される。ウェッジ及び力センサは、機械部品間のポケット型の凹所に分離可能なように取り付けられ、力センサ及びウェッジは構造ユニットを形成し、力センサは第１のウェッジに組み入れられる。力センサの第１の測定面は、第１のウェッジから突出し、第１の接触面を形成する。力センサは、第１のウェッジ内で、第２の測定面によって支持される。この複部構成の構造は、低い構造高となり、従って、取り付けやすい。

力センサと共に力測定装置を形成する、国際公開第２００４／０６５９２４号から知られる与圧デバイスは、平行な壁を有する凹所内、並びに円筒形状に対称な凹所内に挿入され、より柔軟な力測定が達成可能なように、与圧下で凹所内に固定され得る。例えば、ローラに作用する力は、ローラの円筒形の穴の中で、機能的に与圧デバイスに接続された力センサを有する与圧デバイスを配置することによって測定され得る。与圧デバイスは複部構成の構造を有し、ボルト及び少なくとも１つのウェッジ面を有する台座を備える。少なくとも１つの締め付け要素が、ウェッジ面上に移動可能なように配置され、テンションねじによって抜け止めプレート（retaining plate）に対して引っ張られる。特別の実施例において、反対圧力が抜け止めプレートにより締め付け要素上に加えられることを保証するために、ばね要素が使用される。このコンパクトに設計された与圧デバイスを有する力センサは、適切なツールでテンションねじを単に締め付けることにより、与圧下で凹所内に分離可能なように取り付けられ、与圧方向での与圧デバイスの高さは、凹所のサイズに応じてテンションねじを締め付けることによりそのサイズに適合され得る。与圧デバイスの力導入面は、力が与圧デバイス及び力センサに伝達されるように、それぞれの凹所の壁に適合する。与圧デバイスは、このタイプの与圧デバイスが、ローラの円筒形の穴の中に配置され、使用されるように、与圧方向を横切って延びる方向からのみアクセスされることによって、取り付けられ、且つ、除去され得る。

従来技術から知られている、それぞれの与圧デバイス、及び、取り付けられた力センサを有する与圧デバイスを備えた力測定装置は、複部構成の構造を有し、ねじ回し工具により、与圧下で様々な形状の凹所の壁の間に、念入りに取り付けられる必要がある。与圧デバイスの与圧状態は、ウェッジ様の構造物を共にねじで締め、それにより与圧デバイスの高さを調節することによって達成される。この高さの調節中に、与圧デバイスの表面が凹所壁に対して十分押し付けるまでテンションねじが締められ、それにより力センサが、十分な与圧下で所定の位置に固定される。既知の与圧デバイスにおいて、力センサは、例えば、一方の側では与圧デバイスにより、他方の側では凹所壁に対してボルトにより、所定の位置に非対称的に固定される。テンションねじにより、それぞれウェッジの置き換え中又は調節中に、摩擦力が力センサに作用する。

欧州特許第０７１９４０５（Ｂ１）号 国際公開第２００４／０６５９２４号

本発明は、様々な形状の凹所に柔軟且つ単純化された方法で配置され、分離可能なように取り付けられ得る、与圧デバイスを開発することを目的とする。与圧デバイスの挿入中には、力センサに作用する干渉摩擦力（interfering frictional force）は防止されなければならない。凹所は、機械部品間、又は、機械部品の円筒形の穴の中にそれぞれ配置されてよい。本発明は、ねじ回し工具無しに、且つ、ねじを締めることなく、凹所内に取り付けられ得る、与圧デバイスを実現する目的に基づくものである。

本目的は、少なくとも１つの弾性的可撓性部が設けられる、与圧デバイスの構造によって達成される。このように、与圧デバイスは、挿入中に、最小化されたデバイス高を有する弾性的に圧縮された挿入状態に変形され、その結果、凹所壁の間に摩擦のない方法で挿入され得る。所望の端部位置に到達すると、与圧デバイスは、弾性的に張力をかけられた設置状態に変形され得、その結果、内部に固定された与圧デバイス及び力センサは、与圧下で凹所内の測定位置に保持される。力センサは、弾性的に圧縮された設置状態で、与圧デバイスの挿入中には何らの摩擦力も被ることはない。

従来技術と対比すると、破滅的な故障を避けるために、例えばウェッジといった剛性の締め付け要素をもはや取り換える必要はない。
本発明を、図面を参照しながら以下でより詳細に説明する。

与圧デバイス内に分離可能なように固定された力センサを備え、２つの機械部品間の凹所に弾性的に張力をかけた設置状態で固定された、力測定装置の断面図である。 凹所に挿入する前の、ゆるんだ基本的状態にある力測定装置全体の長手方向の断面図である。 ゆるんだ基本的状態にある与圧デバイスのみの斜視図である。 与圧デバイスが、弾性的に圧縮された挿入状態で示された、力測定装置の断面図である。 与圧デバイスが、追加の固定手段により弾性的に張力をかけた設置状態で保持された、力測定装置の断面図である。 与圧デバイスが、追加の固定手段により弾性的に張力をかけた設置状態で保持された、力測定装置の断面図である。 挿入方向でローラ内の円筒形状に対称な凹所内にある、力測定装置の断面図である。 凹所の外側でゆるんだ基本的状態にある湾曲した力導入プレートを有する、与圧デバイスの斜視図である。

図１は、与圧デバイス１及び力センサ２を備える力測定装置０を示す。与圧デバイス１はこの場合１つの構造を有し、２つの機械部品５、５’の間の凹所４に挿入されると共に分離可能なように固定される。凹所４は、平らで滑らかな凹所壁４０によって形成され、長手方向Ｌに対して垂直に作用する力Ｆによって特徴付けられる加力方向の距離は、弾性的に張力をかけられた設置状態の与圧デバイス１の高さＨに対応する。与圧デバイス１の与圧は、その構造の結果である。というのは、与圧デバイス１は、定義された部分において弾性的に可撓性があり、その結果、凹所４に挿入可能であり、且つ、その中で凹所壁４０に対して締め付けられるからである。機械部品５、５’に作用する力Ｆは、長手方向軸Ｌを横切り、従って締付方向において、中に固定された（clamped-in）力センサ２によって測定され得る。

一例として、この場合に使用される力センサ２は、複部構成のハウジングを有する圧電性測定ワッシャ２からなり、接続デバイス２０が、その上で固定され、又は一体的に形成される。ハウジングは、通常、鋼鉄製であり、カバー及び底部を備えている。この場合、環状構造の２つの圧電性本体は、互いにハウジングの頂部に積み重ねられている。電極は、それぞれリング形で実現されている圧電性本体の間に配置されている。高絶縁性で低容量の同軸ケーブル形式の接続ケーブルが、図示していない測定電子装置に対する圧電性測定ワッシャ２の外部配線に使用される。これもまた図示していない接続ケーブルは、その最小の動作中に最小の摩擦電気のみを生成する。こうした工業的用途の接続ケーブルは、市販されており、圧電性本体の電荷信号をタップするために、圧電性測定ワッシャ２の接続デバイス２０に容易に接続することが可能である。圧電性測定ワッシャ２が力を測定することができるようにするために、構成部品は、締め付け方向に相互に押し付け合うようにハウジング内に配置され、この状態でハウジングに動かないように溶接されなければならない。

図２に示したゆるんだ基本的状態において、力測定装置０又は与圧デバイス１は、それぞれ締付方向に高さＨｇを有する。与圧デバイス１は、締付方向を横切って延びる挿入方向Ｅで凹所４内に挿入され得る。少なくとも１つの弾性的可撓性部（elastically flexible section）１０１が、与圧デバイス１を凹所４内に挿入するために、その与圧デバイス１上に設けられ、この弾性的可撓性部により与圧デバイス１が、締付方向に部分的に弾性的に撓む。弾性的可撓性部１０１は、長手方向軸Ｌに平行に延び、一方、弾性的撓み中に、締付方向、従って長手方向軸Ｌに垂直な方向に、高さの変化が発生する。

与圧デバイス１の具体的な実施例が図３に示されており、フォーク型の構造を有し、２つのアーム１０、１０’が、長手方向軸Ｌの方向に、ツール係合部１２から離れて突出するように配置される。中に力センサ２が配置され分離可能なように固定された受け取りポケット１１が、アーム１０、１０’の間に配置される。受け取りポケット１１は、第１の壁１１１及び第２の壁１１２を有し、その間に力センサ２が固定され得る。受け取りポケット１１は、壁１１１、１１２が、これらの壁の間に固定され従って遊びなく固定された力センサ２に力を均一に伝達できるように形作られている。２つのアーム１０、１０’は、締付方向に相互に弾性的に撓み得るので、力センサ２は、平らな壁１１１、１１２によって少なくとも部分的に囲まれるように、受け取りポケット１１内で固定され得る。

ツール係合部１２は、図示されていないツールに機能的に接続し得る張力／圧力プレート１２０を備える。ツール係合部１２とツール間の接続は、一体的に形成されたアンダーカット１２１によって強化され得る。

アーム１０、１０’は、この場合、平らな力導入面を備える力導入プレート１００、１００’をそれぞれ備える。弾性的可撓性部１０１、１０１’は、それぞれ力導入プレート１００、１００’に隣接して配置され、それぞれの力導入プレート１００、１００’から受け取りポケット１１の方向に延びる。少なくとも１つの弾性的可撓性部１０１は、受け取りポケット１１と力導入プレート１００のうちの少なくとも１つとの間に、長手方向軸Ｌに対して垂直に延びる方向に分離できないように固定される。

図示の好ましい実施例において、弾性的可撓性部１０１、１０１’は、それぞれ複数の薄板１０１０によって形成され、この薄板は、弾性的可撓性部１０１、１０１’を通って延びる楕円形の穴１０１１によって相互に間隔を隔てて配置される。

図４に弾性的に圧縮された挿入状態における力測定装置０を示す。ここでは、ツールは単純化のため示していない。矢印で示された反対方向の力は、それぞれ与圧デバイス１、特に、両方の力導入プレート１００、１０１’のエッジ部１００１、１００１’、及び、ツール係合部１２に作用する。これらの力は、ユーザによって用いられ、この目的のためにツールを使用するのが好ましい。力は、エッジ部１００１、１００１’に挿入方向Ｅで作用し、一方、ツール係合部１２に挿入方向Ｅと逆に作用する。上記の力が使用されると、弾性的可撓性部１０１、１０１’は、各力導入プレート１００、１００’と受け取りポケット１１との間の距離が短くなるように弾性的に撓む。このように、与圧デバイス１の構造高は、ゆるんだ基本的状態の高さＨｇから挿入状態の高さｈへと低くなる。ここでｈはＨｇよりも相応に低い。こうした弾性的に撓んだ与圧デバイス１は、Ｈｇとｈの間の高さでもって凹所４に挿入され得る。

アーム１０、１０’の弾性的撓みは、受け取りポケット１１の壁１１１、１１２に何の影響も与えないので、与圧デバイス１の挿入中には、中に固定された力センサ２に干渉力（interfering forces）が作用することはない。いったん与圧デバイス１が、凹所４の所望の測定位置に配置されると、アーム１０、１０’及びツール係合部１２に用いられた力はゼロに減少する。

図示の弾性的可撓性部１０１は、定義された範囲内で弾性的に可撓性であり、締付方向に対して角度αで整列された複数の薄板１０１０を備える。締付方向は、与圧デバイス１の長手方向軸Ｌに対して垂直に位置合わせされている。従って、薄板１０１０の間の楕円形の穴１０１１もまた角度をなして配置されている。この角度αは、好ましくは締付方向から１０度以下それるように選択される。力が弾性的に圧縮された挿入状態で力導入プレート１００に加えられた場合、すべての薄板１０１０が概ね均一に弾性的に撓み、高さの相違は与圧デバイス１の異なる状態から生ずる。

力が止まった後で、弾性的可撓性部１０１、１０１’は、元の形状に戻ろうと試みるが、力導入プレート１００、１０１’の受け取りポケット１１からの距離は、力導入プレート１００、１００’の力導入面が凹所壁４０に接触するまで復元力によって増加する。図１によれば、与圧デバイス１の構造高は、このプロセス中にｈから凹所４の高さＨまで変化する。従って、与圧デバイス１及び力測定装置０は、弾性的可撓性部１０１、１０１’の復元力によってぴったり合うように、与圧下で凹所４内にそれぞれ分離可能なように取り付けられる。

力測定装置０が、凹所４内に位置決めされ、与圧下で測定位置に取り付けられた後で、力測定装置０が凹所４内で移動することを防止し、一定の与圧を保証するために、任意の固定手段３を使用してもよい。

図５ａに示した実例によれば、固定手段３は、ツール係合部１２に挿入方向Ｅで作用するように、与圧デバイス１上に設置可能なはりを備えることができる。ねじ３１、３１’が、はり３０を与圧デバイス１上に取り付けるために設けられ、前記ねじは、はり３０を貫いてエッジ部内に入り、力導入プレート１００、１０１’のねじ穴１００２に分離可能なように固定される。ねじ３１、３１’を締め付けると、弾性的可撓性部１０１、１０１’の薄板１０１０の、それぞれの撓み又は復元力によって、与圧デバイス１の与圧を増大させることが可能となり、与圧デバイス１の剛性が、加力方向Ｆ、すなわち、締付方向にそれぞれ増大され得る。

図５ｂに示した固定手段３’及び与圧デバイス１’の多少変更した実施例において、雌ねじ３３を有する中央貫通孔を備える変更されたはり３０’が、中央ねじ３２によりツール係合部１２のねじ山に分離可能なように固定されている。はり３０’は、力導入プレート１００を矢印の方向へ押し付けるように中央ねじ３２によってねじで締められ得る。この場合、与圧もまた、はり３０’を締め付けることによって調節され得る。しかし、図５ｂによれば、薄板１０１０の配列が与圧デバイス１’内で変更され、弾性的可撓性部１０１は、力導入プレート１００に挿入方向Ｅとは逆の張力をかけ、且つ、同時にツール係合部１２に挿入方向Ｅの圧力をかけることによって、弾性的に撓み得る。このように設計された与圧デバイス１’をそれぞれ挿入し、高さを低下させるために必要な力を生成するために、張力が力導入プレート１００にかけられるように、また、圧縮力がツール係合部１２又は図示していない張力／圧力プレートにそれぞれかけられるように、対応するツールが異なって設計されなければならない。

図６ａによれば、与圧デバイス１は、ローラ６中の円筒形の凹所４内に配置され得るように設計することができ、ローラ６に作用する力は、径方向に測定され得る。凹所４に入る挿入方向Ｅについて言及すると、アーム１０の力導入プレート１００は、湾曲した力導入面を備えていると考えられ得る。アーム１０は、上で述べたように他の方法で形作られる。力導入面は、分割された方法で凹所壁４０に適合する。このように、力の流れは、それぞれ正確に力測定装置０又は力センサ２に導入される。

図６ｂは、ゆるんだ基本的状態を説明するために、力センサのない与圧デバイス１のみを示す。力導入面は湾曲した構造を有しているので、力の伝達は円筒形状の凹所内で実現され得る。

与圧デバイス１は、好ましくは、１つ又は一体となって実現され、従って、与圧要素１を形成する。しかし、個々の部分はまた、相互に分離され、与圧デバイス１に接続され得る構成部品からなっていてもよい。

この場合、受け取りポケット１１は、与圧デバイス１が長手方向軸Ｌに関して鏡面対称で実現され得るように、それぞれ２つのアーム１０、１０’の間で中央に凹所をなし、又は、配置される。しかし、与圧デバイス１が、１つの弾性的可撓性部１０１のみによって実現されているとしても、受け取りポケット１１はまた、長手方向軸Ｌに関して非対称に与圧デバイス１の本体中に配置され得る。

２つ又は１つだけの弾性的可撓性部１０１、１０１’の構造もまた、先の詳細な説明とは異なって実現され得る。例えば、弾性的可撓性部１０１は、板ばねの形式で実現することができ、力導入プレート１００の受け取りポケット１１からの距離は、また、一定の範囲内において弾性的に可変である。

与圧デバイス１は、金属材料からなってもよいが、プラスチック又はゴムからなってもよく、与圧デバイス１の材料及び構造は、締付方向で測定される力に適合したものでなければならない。
コレットチャックは、与圧デバイス１を所望の凹所４内に挿入するツールとして、場合によっては使用することができる。

０ 力測定装置
１ 与圧デバイス／与圧要素（１つ）
１’ 与圧デバイス
２ 力センサ
２ 圧電性測定ワッシャ
３ 固定手段
３’ 固定手段
４ 凹所
５ 機械部品
５’ 機械部品
６ ローラ
１０ アーム
１０’ アーム
１１ 受け取りポケット
１２ ツール係合部
２０ 接続デバイス
３０ はり
３０’ はり
３１ ねじ
３１’ ねじ
３２ 中央ねじ
３３ 雌ねじ
４０ 凹所壁
１００ 力導入面を有する力導入プレート
１００’ 力導入面を有する力導入プレート
１０１ 弾性的可撓性部
１０１’ 弾性的可撓性部
１１１ 第１の壁
１１２ 第２の壁
１２０ 張力／圧力プレート
１２１ アンダーカット
１２２ 雌ねじ
１００１ エッジ部
１００１’ エッジ部
１００２ ねじ穴
１０１０ 薄板
１０１１ 楕円形の穴
Ｅ 挿入方向／取付方向
Ｆ 締付方向及び加力方向
Ｈ 弾性的に張力をかけた設置状態の高さ
Ｈｇ ゆるんだ基本的状態の高さ
ｈ 挿入状態の高さ
Ｌ 長手方向軸

Claims (15)

1. 力センサ（２）を受け取るための受け取りポケット（１１）を有する与圧デバイス（１）であって、長手方向軸（Ｌ）に対して垂直に延びる方向に相互に対向して配置され、相互に離れるように向いている力導入面を有する、少なくとも２つの力導入プレート（１００、１００’）を備え、
   それにより、前記受け取りポケット（１１）内で外部の力（Ｆ）が前記力センサ（２）に伝達され得るような方法で、前記力導入プレート（１００、１００’）の前記力導入面間に与圧を生成することにより、１つの機械部品内若しくは複数の機械部品間（５、５’）、又はローラ（６）内の凹所（４）内に、前記与圧デバイス（１）が配置される、与圧デバイス（１）において、
   前記与圧デバイス（１）が、前記受け取りポケット（１１）から前記長手方向軸（Ｌ）の方向に距離をおいて配置されたツール係合部（１２）を備え、少なくとも１つの弾性的可撓性部（１０１）が、前記受け取りポケット（１１）と前記力導入プレート（１００）のうちの少なくとも１つとの間に分離できないように配置され、
   前記少なくとも１つの弾性的可撓性部（１０１）の弾性的撓みにより、前記長手方向軸（Ｌ）に平行なそれぞれ異なる方向に、前記力導入プレート（１００、１００’）のうちの少なくとも１つ、及び、前記ツール係合部（１２）に力を及ぼすことにより、前記与圧デバイス（１）のゆるんだ状態の高さ（Ｈｇ）を前記与圧デバイス（１）の設置状態の高さ（ｈ）に低減することが可能となることを特徴とする、与圧デバイス（１）。
2. 両方の力導入プレート（１００、１００’）が、弾性的可撓性部（１０１、１０１’）にそれぞれ接続している、請求項１に記載の与圧デバイス（１）。
3. 与圧要素（１）の形式における１つの部品で実現される、請求項１から２までのいずれか一項に記載の与圧デバイス（１）。
4. 金属材料又はプラスチックからなる、請求項３に記載の与圧デバイス（１）。
5. 前記力導入プレート（１００、１００’）が、前記与圧デバイス（１）が円筒形状の凹所（４）内に挿入され得るように湾曲した力導入面を有する、請求項１から４までのいずれか一項に記載の与圧デバイス（１）。
6. 前記少なくとも１つの弾性的可撓性部（１０１、１０１’）が、前記力導入プレート（１００、１００’）から、前記受け取りポケット（１１）の方向に延びる複数の薄板（１０１０）及び楕円形の穴（１０１１）によって形成される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の与圧デバイス（１）。
7. 前記弾性的可撓部（１０１、１０１’）及びそれに応じた前記楕円形の穴（１０１１）が、前記弾性的可撓部（１０１、１０１’）から前記力センサ（２）への締付方向に対して角度αで配列される、請求項６に記載の与圧デバイス（１）。
8. 前記角度αが１０度以下になる、請求項７に記載の与圧デバイス（１）。
9. 前記ツール係合部（１２）が、ツールに接続し得る張力／圧力プレート（１２０）を備える、請求項１から８までのいずれか一項に記載の与圧デバイス（１）。
10. 中に形成された弾性的可撓性部（１０１、１０１’）を有する２つのアーム（１０、１０’）が、前記ツール係合部（１２）から発する、請求項１から９までのいずれか一項に記載の与圧デバイス（１）。
11. 前記長手方向軸（Ｌ）に関して鏡面対称な形状を有する与圧デバイス（１）が形成されるように、前記受け取りポケット（１１）が前記与圧デバイス（１）の本体内で中央に凹所をなす、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の与圧デバイス（１）。
12. 請求項１から１１までのいずれか一項に記載の与圧デバイス、及び、前記受け取りポケット（１１）内に固定された力センサ（２）を備える力測定位置（０）。
13. 前記与圧デバイス（１）が、固定手段（３、３’）を使用して前記凹所（４）内に分離可能なように取り付けられ得る、請求項１２に記載の力測定位置（０）。
14. 使用された前記固定手段（３、３’）が、はり（３０）と少なくとも１つのねじ（３１、３１’）とからなり、前記ねじ（３１、３１’）が、エッジ部（１００１、１００１’）又は前記ツール係合部（１２）の、ねじ穴（１００２、１００２’）内にそれぞれ固定され得る、請求項１３に記載の力測定位置（０）。
15. 請求項１２から１４までのいずれか一項に記載の力測定位置（０）を、１つの機械部品内若しくは複数の機械部品間（５、５’）、又はローラ（６）内の凹所（４）内に取り付けるための方法であって、
    前記少なくとも１つの弾性的可撓性部（１０１）の弾性的な撓みが発生するように、少なくとも１つの力導入プレート（１００）及び前記ツール係合部（１２）に対して、前記与圧デバイス（１）の前記長手方向軸（Ｌ）に平行な反対方向の力を加えるステップと、
    前記力を加えるのを中止する前に、前記力測定位置（０）を挿入方向で前記凹所（４）内に同時に挿入するステップと、
    その後に、前記少なくとも１つの弾性的可撓性部（１０１）の弾性的復元力による締付方向の与圧下で、前記与圧デバイス（１）を前記凹所（４）内に前記挿入方向と垂直に固定するステップと
    を含むことを特徴とする方法。

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