JPH07504507A - ホール効果のセンサーを利用する変位／力のトランスデユーサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ホール効果のセンサーを利用する変位／力のトランスデユーサ−発明の背景 多数の環境において、機械的システム内の物体の小さい位置の変位の正確かつ精 確な測定が要求される。また、特定の方向に加えられる力の測定値を得ることが しばしば要求される。

これらの測定を実施するほとんどの機械的装置は、典型的には、機械的システム の固有の特性により制限される。これらの制限はヒステリシスおよびバックラッ シュを包含する。また、力および変位は応用において単一の方向のみに限定され ることはめったにない。例えば、主としてＺ方向に加えられる力または変位は、 また、Ｘおよびｙの両方の方向における成分を有するであろう。さらに、ｘ、ｙ 、および２の捩り成分がまた存在するであろう。２方向のみにおける変位または 力の正確な測定を得ようとする場合、これらの追加の成分の効果は測定装置にお いて最小としなくてはならない。

発明の要約 本発明は、変位を測定する装置を提供する。この装置は、２つの平行のビームを 介して一緒に連結された２つの材料の質量からなる。ビームは、２つの質量をビ ームに対して横方向に互いに関して、ビームにより提供される戻り力に抗して動 かすことができるような形状を有する。質量の間の他方の方向における動きは、 平行のビームの形状により事実上一方の質量は他方の質量内に位置することがで きる。この立体配置において、質量およびそれらを連結する平行のビームは一体 の材料から形成された単一の単位を形成することができる。

ビームの各々は、それ自体の回りを包んでビームをばね部材に形成する一体の材 料から成ることができる。これは、一体の材料から質量およびフォルト・バック （ｆｏｌｄ−ｂａｃｋ）ばねのビームを切断することによって達成することがで きる。

この装置は、また、カドランスデューサーとして使用することができる。既知の リンケージのばね特性を使用すると、変位の測定は質量の一方に加えられた力の 指示を提供する。こうして、リンケージにおいて異なるばね部材を使用すること によって、種々の範囲の力を測定することができる。

この装置は、また、傾斜トランスデユーサ−として使用することができる。既知 の質量をもつ質量および既知のはね定数を有するビームを使用すると、変位の測 定はこの装置の傾斜角の指示を提供する。

本発明の好ましい態様において、センサーは２つの磁石の間に位置するホール効 果のセンサーからなる。ホール効果のセンサーは第１質量に固定される。２つの 磁石は、一方の磁石をホール効果のセンサーのいずれかの側にして、第２質量に 固定される。こうして、ホール効果のセンサーは２つの磁石の間のギャップ内の 磁場の中に配置される。第２質量が第１質量に関して変位するとき、ホール効果 のセンサーは磁場の生ず本発明の以上および他の目的、特徴および利点は、添付 図面に示すように、本発明の好ましい態様の次のいっそう特定の説明から明らか であろう。添付図面において、同様な参照数字は異なる図面を通して同一部分を 意味する。図面は必ずしも一定の割合で表わされていないで、本発明の原理を強 調している。

第１図は、２つの質量および平行のビームの先行技術の立体配置を概略的に描写 する。

第２図は、好ましい態様における一体の材料から切断された質量および平行のビ ームのリンケージを示す。

第３図は、平行のビームのフォルト・バックおよび装置の変位の方程式において 使用するパラメーターの詳細を描写する。

第４図は、本発明の好ましい態様を示す。

第５図は、好ましい態様の断面図である。

第６図は、好ましい態様の等角投影図である。

第７図は、好ましい態様のエレクトロニクスのブロック線図である。

発明の詳細な説明 第１図は平行のビーム１８および２０により並んで結合された質量１２および１ ４の先行技術の立体配置を概略的に描写する。質量１２は平行のビームのリンケ ーン１６を介して質量１４に結合されている。質量１２は静止し、そして質量１ ４は可動であると考える。リンケージ１６は２つの平行のビーム１８および２０ から構成されている。ビーム１８、が、任意の池の方向における實１１１１４の 動きに対して剛性を維持する。

また、ビーム１８．２０は力または変位の入力１５に対する反応の力を提供し、 こうして入力１５が除去されるとき、’Ｉｔｊｌ１４はそのもとの位置に戻る。

こうしてリンケージ１６は實ｊｌ１２に関する質量１４の横方向の動きを可能と するが、他の方向における動きを最小とする。

Ｚ軸で質量１４に加えられた力または変位の入力１５は、質量１４を２軸に動か す。ビーム１８および２０はその動きに対してばねの力を提供する立体配置であ る。また、それらは他の軸における任意の動きに対して剛性である。したがって 、それらは１つのみの方向における質量１４の動きを可能とするが、他の方向に おけるほとんどの動きを排除する。

第１図の立体配置により排除されない１つの形の動きは、入力１５が加えられる とき、互いに向かう質量１２．１４の動きである。質量１４が下に押しやられる とき、ビーム１８および２０の各々はわずかに「Ｓ」字形に曲がる。これは質量 １４に取り付けられたビーム１８および２０の端を、第１図に点線の弧により示 すように（明瞭のために誇張されて示されている）、弧に沿って移動させる。ビ ーム１８．２０の端は弧を描くので、それらが固定されている質量１４も弧を描 （。この弧を描く動きのために、ｙ方向において質量１２に関して質量１４は多 少変位する。

第２図は、本発明の好ましい態様における質量１２および１４およびリンケージ １６を断面図で示す。トランスデユーサ−１０の本体は、第１図から静止質量１ ２として働く。１つの特定の態様において、本体は高さ１，２５インチ、幅２， ３フインチおよび深さ１インチの長方形のブロックである。好ましい態様におい て、可動の質量１４は質量１２内れ、その詳細を下に記載する。質量１２および １４の両方およびリンケ−ジ１６は、電線の放電加工（ＥＤＭ）技術を使用して 一体の材料から切断される。スロット２４および２６は質量１２および質量１４ を定め、そしてリンケージ１６の一部分を構成する。スロット２８および３ｏは リンケージ１６を完成する。スロット２４および２８はビーム１８を形成し、そ してスロット２６および３ｏはビーム２ｏを形成する。変位または力の入力１５ は、質量１２の中の開口（図示せず）を介して質量１４に加えられる。

質量の間の平行のビームのリンケージ１６は第３図の中に詳細に示されている。

この態様において、各ビームはフォルト・バックの立体配置で２つのアームから 構成されている。１例として、ビーム１８はビーム構造体それ自体に対して横方 向に互いに関して変位された、アーム７゜および７２から構成されている。アー ム７ｏおよび７２は端対端で接合されている。スロット２４．２６．２８、およ び３ｏにより実行されるビーム１８．２０のフォルト・バックの設計は、独特の 利点をもつ好ましい態様を提供する。ビーム１８．２０のフォルト・バックは、 ｙ軸における質量１４の変位を最小にする。例示するために、変位または力の入 力１５を第３図において矢印２３で示す方向に加える場合、質量１４はその方向 に動くであろう。アーム７０および７２が互いがら離れる方向に動くとき、ビー ム１８は膨張する。同時に、アーム７４および７６が互いに向かって動くとき、 ビーム２ｏは圧縮するであろう。

ビーム内の個々のアームの動きは、ｙ方向における質量１４の動きを０の端は点 線の矢印７３で示すように弧を描く。この弧はアーム７ｏの端を左に移動させる 傾向がある。しかしながら、同時に、アーム７２はまたＳ字形に曲がり、そして アーム７２の端は点線の矢印で示すように弧を描く。この動きはアーム７２の端 を右に移動させる。これらの２つのほぼ等しくかつ反対の動きは互いに相殺する 傾向がある。こうして、質量１４の上部は２方向にのみ動く。質量１４の底部は ビーム２０により同一方法においてｙ方向に動くのを防止される。アーム７６は 点線の矢印７５で示すように弧を描き、質量１４を右に動かす傾向がある。アー ム７４は点線の矢印７７で示すように弧を描き、質量１４を左に動かすする傾向 があり、こうして右への動きを相殺する。こうして、フォルト・バックばねとし て造形されたビーム１８および２０は、ア方向の質量１４の動きを排除すること と協調して作用する。

単一の質量およびビームの設計は、追加の特徴をもつトランスデユーサ−１０を 提供する。フォルト・バックの設計は小さい空間においていっそう望ましいばね の長さを提供するので、トランスデユーサ−１０をコンパクトにすることができ る。また、質量１２．１４およびビーム１８．２０は一体の材料から作らるので 、ヒステリシス不含の動きを達成することができる。前述したように、質量１２ ．１４の間の側面の動きは本質的に存在しない。また、動きは方向的であり、そ してＺ軸に沿った力に直線的に比例する。

単一の設計のスロット２４．２６．２８．３０は、また、トランスデユーサト２ ４または２６が閉じるとき、質量１４を表面３２または３４に対して単に突き当 てさせる。こうして、好ましい態様の一体の形状はトランスデユーサ−１０の超 過荷重を防止する変位のストップを提供する。

また、本発明の一体の設計のために、’１ｊｌ１４に加えられる非常に高い張力 または圧縮荷重はトランスデユーサ−１０を損傷しない。側面の荷重（Ｆ、、Ｆ 、）容量および捩り（Ｍ、、Ｍ、、Ｍ、）容量は実質的であり、そしてトランス デユーサ−１０の荷重範囲に依存する。荷重範囲は、後述するように、平行のビ ーム１８．２０の特性を変化させることによって変えることができる。

第４図は、好ましい態様の変位および力のトランスデユーサ−１０を示す。変位 センサー２２は、ホール効果のセンサー４２の対向する側の２つの磁石３８およ び４０からなる。ホール効果のセンサー４２は印刷回路盤４４に取り付けられて おり、そしてこの印刷回路盤４４はみぞ１７の中においてトランスデユーサ一本 体１２上に取り付けられている（第２図参照）。磁石ホルダー４６および４８は 質量１４の中にプレス嵌めされている。磁石３８および４０は、それぞれ、磁石 ホルダー４６および４８に、同様な極を互いに面するようにして、取り付けられ ており、そしてホール効果のセンサー４２は磁石３８．４０の間のギヤツブの中 点に位置する。この磁石の配置は磁場を生成し、この磁場は磁石３８．４０の間 のギャップの中心においてゼロであり、そして磁石３８．４０の面に対して垂直 の方向に直線的に変化する。ギャップに対して平行な動きのための場の変化は、 磁石の直径の半分より小さいギャップお位は、磁石３８．４０の間のギャップの 中の磁場を変化させる。ホール効果のセンサー４２は磁場の変化を感知し、゛そ して変化を示す信号を発生する。この信号は印刷回路盤４４上の回路に伝送され る。この回路は信号をコンディショニングし、そして質量１４の変位を示す２極 の出力信号を提供する。

第５図は、第４図に示すように切断したトランスデユーサ−１０の断面図（Ａ− Ａ）である。カバー８０および８２はこのアセンブリーを取り囲む。この図面は 、磁石３８および４０の間に取り付けられた回路盤４４上のホール効果のセンサ ー４２を示す。理解できるように、質量１４の変位は磁石３８および４０を変位 させるであろう。これは回路盤４４の回りの磁場を変化させ、この変化はホール 効果のセンサー４２により感知される。

第６図はトランスデユーサ−１０の好ましい態様の等角投影図である。

カバー８０および８２は除去される。接点５０は磁石ホルダー４６の中にねじ込 まれる。この接点５０を除去し、そして異なる型の接点５０と交換することがで きる。シール９０は環境の汚染物質からトランスデユーサ−を閉鎖する。シール のリテイナ−９２はシール９０を所定位置に保持する。磁石３９は磁石ホルダー ４６に取り付けられており、そして回路盤４４上のホール効果のセンサー４２の 直ぐ上に位置する。

取り付けたとき、カバー８０および８２はトランスデユーサ−１０を密閉する。

カバー８２は整合孔１０６の中にプレスされた整合ピン５４８０の中の孔１０６ の中に入れてトランスデユーサ−１０を取り囲む。

カバー８２上のシール９６およびカバー８０上のソール９８はトランスデューサ ーの本体と接触して、環境の汚染物質を閉鎖排除する。トランスデユーサ−１０ を組み立てるとき、カバー８０．８２および１０４中のクリアランス孔１００お よび本体中のクリアランス孔１０４は、トランスデユーサ−１０を取り付けるた めのハードウェアーのためのクリアランスを提供する（図示せず）。アクセス孔 １０８および１１０は、それぞれ、回路盤４４上のドライバー調節可能な電位差 計８８および８６へのアクセスを提供する（第４図参照）。

第７図は、印刷回路盤４４上の電子回路のブロック線図である。単一端のＤＣ電 力供給（図示せず）は、＋１０〜＋３０ボルトのＤＣ電圧を＋８ＶＤＣプレレギ ユレーター５４に供給する。プレレギュレーター５４の＋８ＶＤＣ出力を＋５Ｖ ＤＣレギユレーター５６に供給される。レギュレーター５６の出力はホール効果 のセンサー４２に電力を与える。

センサー４２はそれを取り囲む磁場の強度に基づいた出力を増幅器５８に供給す る。好ましい態様において、質量１４の±ｏ、ｏｉｏインチの変位はセンサー４ ２の回りの磁場のほぼ±２００ガウスの変動を引き起こす。これはセンサー４２ の出力の±０．３ボルトの変化に相当する。

Ｄ　Ｃ／Ｄ　Ｃ変換器６０はプレレギュレーター５４からの＋８ＶＤＣを±１５ ＶＤＣに変換して増幅器５８に電力を供給する。ホール効果のセンサー４２から の±０３ボルトの出力は電子回路からの±２０．０ボルトの出力に増幅される。

（第４図参照）を介して、トランスデユーサ−１０の出力の調節を可能とする。

増幅器５８の利得は、出力の範囲が可変であるように、電位差計８６を介して調 節することができる。例え゛ば、使用者は±１０ボルトの代わりに±５ボルトの 間でスウィングするための出力を要求することができる。使用者へのアクセス可 能な他のコントロールは単位のゼロバランスである。通常、ゼロ変位はゼロ入力 を生じ、そして変位がゼロインチのいずれかの側で変化するとき、電圧出力はゼ ロボルトのいずれかの側で対称的に変化するであろう。しかしながら、ある応用 において、ゼロ変位が非ゼロ電圧出力を生ずるように、ゼロバランスを設定する ことが望ましいことがある。これは、より多い変位が他方の方向より一方の方向 において期待される場合に起こることがある。この設定は調節可能な電位差計８ ８により達成することができる。

本発明の変位および力のトランスデユーサ−１０は、多数の異なる荷重範囲につ いて使用することができる。トランスデユーサ−１０の最大変位は、±０．００ ６インチのオーバートラベル（ｏｖｅｒｔｒａｖｅｌ）で±０．０１０インチに 設定される。この現寸の変位を生成するために要求される力は、約１０グラム〜 約２０ポンドで変化することができる。トランスデユーサ−１０のための現寸の カはリンケージ１６のばね特性により決定される。リンケージ１６の詳細を示す 第３図を再び参照すると、これを理解することができる。方程式においてＺにつ いて０゜０１０インチの要求される変位およびＦについて所望の現寸の荷重範囲 を代入することによって、要求されるビームのパラメーターについて解クリツメ ーターとして使用することができる。この立体配置において、接点５０．５２を 除去し、そして質量１４へのアクセス孔のキャップを取る。インクリツメ−ター のモードにおいて、質量１４の重量はリンケージ１６のばね部材１８．２０に対 してそれ自体を変位させるために十分な力を提供する。変位軸が垂直に近（なる ほど、変位はより大きくなる。こうして、質量１４の変位量はトランスデユーサ −１０の傾斜角の指示を提供する。垂直からの変位軸の傾斜角θは、次式により 計算するｍ＝質量１４の質量、 ｇ＝重力による加速、 ｋ＝リンケーン１６のばね定数、そしてＸ＝質量１４の変位。

同様な装置は２方向における加速のために加速度計として働くことができる。

本発明をとくに本発明の好ましい態様を参照して示しかつ記載したが、添付した 請求の範囲により規定される本発明の範囲および精神から逸脱しないで、形態お よび細部の種々の変化をなすことができることを当業者は理解するであろう。

例えば、第１質量は第２質量を完全に取り囲む必要はない。第１質量できる。

ＦＩＧ、ｌ　従来技術 ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、　５ ＦＩＧ、　７ 田野臘査報告

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．材料の第１質量、 前記材料の第１質量に平行のビームを介して連結された材料の第２質量であって 、前記平行のビームはそれらに対して横方向における前記質量の間の変位を可能 としそして前記変位に対する戻り力を提供し、前記ビームの各々はそれらに対し て横方向に互いに関して変位しかつ端対端で接合されたアームからなる第２質量 、および前記第１質量に関する前記第２質量の変位を感知するセンサー、からな る変位測定装置。
2. ２．材料の第１質量、 前記材料の第１質量により取り囲まれそして平行のビームを介して前記材料の第 １質量に連結された材料の第２質量であって、前記平行のビームはそれらに対し て横方向における前記質量の間の変位を可能としそして前記変位に対する戻り力 を提供する第２質量、および前記第１質量に関する前記第２質量の変位を感知す るセンサー、からなる変位測定装置。
3. ３．各ビームがそれらに対して横方向に互いに関して変位しかつ端対端で接合さ れたアームからなる、請求の範囲３の装置。
4. ４．変位の測定が変位の方向に前記第２質量に加えられた力の指示を提供する、 請求の範囲２の装置。
5. ５．変位の側底が前記装置ノ傾斜角の指示を提供する、請求の範囲２の装置。
6. ６．前記第１質量、第２質量、および平行のビームが一体の材料から形成された 単一の単位である、請求の範囲２の装置。
7. ７．前記単位が電線の放電加工（ＥＤＭ）技術により形成されている、請求の範 囲６の装置。
8. ８．前記センサーが磁場内に位置するホール効果のセンサーからなる、請求の範 囲２の装置。
9. ９．前記磁場が前記第２質量に固定的に取り付けられた２つの磁石により形成さ れ、前記磁石は固定されたギャップにより互いに分離されており、そして前記ホ ール効果のセンサーは前記第１質量に固定的に取り付けられかつ磁石の間に位置 し、こうしてホール効果のセンサーは前記質量の互いに関する変位を感知しそし て前記変位の量を示す信号を発生させる、請求の範囲８の装置。
10. １０．前記ホール効果のセンサーが回路盤上に位置し、前記回路盤が前記第１質 量に固定的に取り付けられておりそして前記磁石の間のギャップを通過する、請 求の範囲９の装置。
11. １１．材料の第１質量および材料の第２質量を準備し、前記２つの質量を平行の ビームを介して連結して、前記ビームに対して横方向における前記質量の間の変 位を可能としそして前記変位に対する戻り力を提供し、前記ビームの各々はそれ らに対して横方向に互いに関して変位しかつ端対端で接合されたアームからなり 、そして前記第１質量に関する前記第２質量の変位を感知する、からなる変位を 測定する方法。
12. １２．材料の第１質量および材料の第２質量を準備し、前記第２質量前記第１質 量内に取り囲み、前記２つの質量を平行のビームを介して連結して、前記平行の ビームはそれらに対して横方向における前記質量の間の変位を可能としそして前 記変位に対する戻り力を提供し、そして前記第１質量に関する前記第２質量の変 位を感知する、からなる変位を測定する方法。
13. １３．各ビームがそれらに対して横方向に互いに関して変位しかつ端対端で接合 されたアームからなる、請求の範囲１２の方法。
14. １４．感知工程が変位の方向に前記第２質量に加えられた力の指示を提供する、 請求の範囲１２の方法。
15. １５．前記感知工程が前記装置の傾斜角の指示を提供する、請求の範囲１２の方 法。
16. １６．前記２つの質量の準備および連結が前記２つの質量および平行のビームを 一体の材料から形成することからなる、請求の範囲１２の方法。
17. １７．前記形成が電線の放電加工（ＥＤＭ）技術により達成される、請求の範囲 １６の方法。
18. １８．前記感知が磁場内に位置するホール効果のセンサーからなるセンサーによ り提供される、請求の範囲１２の方法。
19. １９．前記磁場が前記第２質量に固定的に取り付けられた２つの磁石により形成 され、前記磁石は固定されたギャップにより互いに分離されており、そして前記 ホール効果のセンサーは前記第１質量に固定的に取り付けられかつ磁石の間に位 置し、こうしてホール効果のセンサーが前記質量の互いに関する変位を感知しそ して前記変位の量を示す信号を発生させる、請求の範囲１８の方法。
20. ２０．前記ホール効果のセンサーが回路盤上に位置し、前記回路盤が前記第１質 量に固定的に取り付けられておりそして前記磁石の間のギャップを通過する、請 求の範囲１９の方法。