JPH1062277A

JPH1062277A - 圧縮力測定装置

Info

Publication number: JPH1062277A
Application number: JP9162139A
Authority: JP
Inventors: Tore Hesthamar; トーレ・ヘストハマール; Torgeir Landaas; トルゲイル・ランダアス; Ole E Broenlund; オーレ・イー・ブロンルンド
Original assignee: Scan Mag Sense AS
Current assignee: Scan Mag Sense AS
Priority date: 1996-06-19
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 1998-03-06
Anticipated expiration: 2017-06-19
Also published as: NO962598L; NO962598D0; US5942697A; NO302715B1; CN1170871A; EP0814328A2; JP4121169B2; CN1125974C; EP0814328A3; EP0814328B1

Abstract

(57)【要約】【課題】ボルト接続などにおける予荷重を監視するの
に適するよう改良された圧力センサを提供すること。【解決手段】力を受ける一対の対向する表面（２，
３）を具備する環状体（１）であって、前記表面は前記
環状体の主軸（４）に垂直である環状体（１）と、前記
主軸と実質的に同心であり、前記力の影響を表す電気信
号の出力のためのセンサ手段（６）を受け入れている環
状キャビティ（５）とを有する圧縮力測定装置である。
前記センサ手段（６）は、前記キャビティ（５）の半径
方向内側表面（７）の上に載置されたセンサ要素（９）
を有し、前記表面は、負荷を受けるリング体（１）のそ
の部分に対するモーメント平衡のための半径（ｒ_R）に
実質的に対応する所定距離だけ前記主軸（４）から離れ
て位置決めされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、力を受ける一対の
対向する表面(front surface) を具備する環状体であっ
て、前記表面は前記環状体の中央の主軸に垂直である環
状体と、前記主軸と実質的に同心であり、前記力の影響
を表す電気信号の出力のためのセンサ手段を受け入れて
いる環状キャビティとを有する圧縮力測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】上述の型の装置は、ＤＥ−Ｂ２−２３５
７１０５から公知である。この公知の装置は、磁歪材料
から構成され、測定用巻線の受け入れのための環状のキ
ャビティを具備するリング体を有する。その装置は、機
械的な負荷の下でそれの透磁性を変化させる磁歪材料の
特徴を基礎としている。これは、結果的に測定用巻線を
通る磁束の変化をもたらし、すなわち、測定用巻線のＡ
Ｃ抵抗の変化に帰着する。

【０００３】前記公知の発明の目的は、圧縮力の磁気弾
性測定のための装置を提供することである。ここで、測
定ができる限り正確になるように、圧力の影響を受けて
いる場合のリング体は、圧縮負荷だけを受けるか、材料
の中に発生する引っ張り応力による測定結果の精度に対
する悪い影響が取り除かれる程度まで圧縮負荷のみを受
けるようにする。

【０００４】この目的は、リング体の各表面がキャビテ
ィに対して整列させられ、キャビティの幅に実質的に等
しい幅をもつリング溝を具備しているという場合に達成
され、したがって、各表面の上には２つの円形突起であ
って、それぞれがリング体の側壁のひとつを延ばし、一
緒に力を受け取る表面を形成する２つの円形突起が形成
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】公知の装置において、
材料の選択は、リング体の材料が磁気弾性的でなければ
ならないという事実故に強く制限されている。測定用巻
線は、低渦電流損失の観点から比較的に低い周波数でな
ければならない交流電流で大きな“鉄”容積を磁化させ
なければならない故に、比較的に大きくなければならな
い。

【０００６】加えて、この装置は、それがこれらの重要
な適用例における材料に発生する高応力に耐えるように
構築されていないので、ボルト接続における大事な予荷
重を測定するのに適していないであろう。

【０００７】本発明の目的は、組み立て制御および／ま
たはボルト接続における大事な予荷重の監視に適してい
る改良された力センサを提供し、それによって、最大の
安全性を獲得し、最小の維持費用にすることである。

【０００８】したがって、その装置は、話題のボルト接
続、例えば、スルーリング(slew ring) ベアリング、パ
イプのフランジ、モータシリンダヘッド、接地固定装置
において、現存の中間ディスクあるいはワッシャと置き
換えられるであろうし、あるいは、そのようなものが存
在しない場合にワッシャとして導入されるであろう。

【０００９】本発明による装置が標準ワッシャと同じよ
うにナットの下に組み付けられる場合には、２つの実質
的に有利な点、すなわち、予荷重がボルト接続において
直接測定されるということ、および、精密な部材である
ボルトとナットと完全に影響を受けないままであるとい
うこととが達成される。

【００１０】適用に関するもう一つの意図された分野
は、その装置を負荷セル、例えば、重量測定工程、およ
び、現存の技術が比較的に短い稼働寿命をもっている特
に高度の運動を伴う重量測定工程における負荷セルとし
て使用することである。

【００１１】したがって、例えば、故障や漏洩等を防止
するために、組み立てにおけるボルト接続における予荷
重に関してよりよい制御、および／または、ボルト接続
における予荷重力の連続的あるいは周期的制御を与える
装置を提供することが本発明の目的である。

【００１２】本発明のもう一つの目的は、例えば搬送装
置等における重量測定工程を単純にし改良するために、
負荷セルとして使用することが可能な装置を提供するこ
とであり、さらに、高度の運動を伴う重量測定工程にお
けるそのような装置に対して実質的に延ばされた稼働寿
命を達成することである。

【００１３】本発明の追加目的は、センサ手段が配置さ
れたリング体の領域における大きな機械的安定性の故
に、測定結果に関する境界条件の変動の影響をほとんど
取り除く装置を提供することである。

【００１４】本発明の追加目的は、低い生産費用で連続
生産に非常によく適している装置を提供することであ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、導入部分で述べられた型の装置が提供されるが、
その装置は、本発明にしたがって、前記センサ手段が前
記キャビティの半径方向内側表面の上に載置されたセン
サ要素を有し、前記内側表面は、負荷を受けるリング要
素の部分に対するモーメント平衡のための半径に実質的
に対応する所定距離だけ主軸から離れて位置決めされて
いるということを特徴としている。

【００１６】その装置の有利な実施例において、前記キ
ャビティは、圧力を受ける表面に垂直である平行な半径
方向の内側表面および外側表面を具備する狭い間隙とし
て形成されており、前記圧力を受ける表面に平行な平面
の中の前記キャビティの横断面領域は、前記平面の中の
リング体の残りの横断面領域よりもずっと小さい。

【００１７】前記センサ要素は、好ましくは前記キャビ
ティの半径方向内側表面に取り付けあるいは接着されて
いる非結晶(amorphous) の磁気弾性リボンから構成さ
れ、および、前記リボンが比較的に高い周波数（ラジオ
周波数）において作動するように意図された励磁／ピッ
クアップコイルの形の追加のセンサ要素によって取り囲
まれている。

【００１８】前記センサ要素による測定は、リング体の
周りの連続した周辺において、特にキャビティが内側に
配置されているリング体の外周に沿って実行される。こ
のことは、センサ要素が前記外周の全てに沿う負荷を積
分する積分器であるということを意味する。

【００１９】リング体のモーメント平衡の位置にセンサ
要素を配置することによって、実質的に改良された機械
的な特性が得られる。第１に、その配置は、センサ要素
の圧縮が、リング体の平均圧縮に等しくなり、それによ
って１：１で作用する負荷を反映するであろうというこ
とを意味する。

【００２０】さらに、その配置は、基材や支持体の性
質、ナットの表面や傾斜性、ボルト等の性質のような境
界条件における変化によって少ししか影響されない、よ
り丈夫なセンサを意味する。加えて、リング体を傾斜し
て組み付けても、センサ要素の配置とそれの積分効果の
故に、大きな誤差源とならないであろう。

【００２１】リング体のモーメント平衡のための場所の
位置決めの計算に関しては、以下でさらに説明する。本
発明による構造の最も重要な有利な点のひとつは、境界
条件における変化の影響を最大可能範囲まで除去できる
ということである。

【００２２】低く／短い負荷支持要素（例えば、高さ１
４ｍｍで直径６０−７０ｍｍ）についていえば、センサ
要素は、表面、組み立て位置、組み立て経路などにおけ
る変化のような境界条件の変化からひどく影響を受ける
であろう。

【００２３】従来、通常の圧縮負荷セルにおいては、こ
の問題は負荷支持要素を長くほっそりさせることによっ
て解決されており、この場合、センサ要素自身は、上方
および下方の境界、すなわち、負荷支持表面から遠くに
配置されている。ワッシャにおいてはこの可能性はな
く、これを基に本発明による装置は、センサ要素の理想
的な配置により開発されたのである。

【００２４】本発明は、図面を参照しつつ、実施形態に
関連して以下でさらに説明されるであろう。

【００２５】

【発明の実施の形態】図に示されるように、本発明によ
る装置は、この装置によって測定されるべきである軸方
向に作用する圧縮力を使用時に受け、リング体１の中央
の主軸４（図３および図４）に垂直な一対の対向する平
らな表面２，３を具備する環状体１を有する。リング体
１には、主軸４と同心であり、センサ手段６を受け入れ
るところの一周する環状の内側キャビティ５が設けられ
ている。

【００２６】図示されているように、キャビティ５は、
平行な半径方向の内側と外側の表面７，８をそれぞれ具
備する狭い間隙として形成され、それらの表面７，８
は、表面２，３に垂直であり、表面２，３に対して平
行、すなわち中央の主軸４に対し垂直な平面におけるキ
ャビティの横断面積は、同じ平面内のリング体１の残り
の横断面領域よりもずっと小さい。

【００２７】センサ手段６は、非結晶(amorphous) の磁
気弾性材料のリボン８の形状をした第１のセンサ要素を
有する。この材料は、強い透磁力と、その透磁力とその
材料が受ける機械的な応力と間の強い関係とを持ってい
る。

【００２８】センサリボン９は、キャビティ５の半径方
向内側表面７に載置、更に具体的には固定あるいは接着
されており、この表面は、負荷を受けるリング体のその
部分におけるモーメント平衡のための半径（図３の
ｒ_R）に実質的に対応する、リング体１の主軸４から所
定の距離に位置づけられている。センサリボンのこの位
置づけは、最適な構造的および作動的な性質を与えるこ
とが見い出され、また、計算やＦＥＭ解析（Finite Ele
ment Model Analysis）によって検証もされた。

【００２９】また、センサ手段は、センサリボン９の外
側に載置され、したがって、リボンセンサを取り囲む励
磁／ピックアップコイル１０からなる追加のセンサ要素
を有する。励磁コイル１０は、比較的に高い周波数（ラ
ジオ周波数）において作動するように意図されている。

【００３０】そのコイルは、センサ信号の励磁／ピック
アップのためのフレキシブル回路１１を介して接点等に
接続され、あるいは、励磁／ピックアップおよび内部信
号処理のためのＡＳＩＣ回路（ASIC＝Application Spec
ific Integrated Circuit）に接続されている。

【００３１】そのセンサ手段は、最も敏感な方向がリン
グ体１の主軸４に実質的に平行であるように方向性を与
えられている。

【００３２】リング体のモーメント平衡のための位置あ
るいは半径の計算のために、図３を参照する。図３にお
いて、リング体１は、内径ｒ₁と外径ｒ₂とを具備するよ
うに示され、モーメント平衡のための半径は、ｒ_Rと指
示されている。そこで、モーメント平衡のための式は、
次の数式(1) となり、ｒ_Rは次の数式(2) で表わされ
る。

【００３３】

【数１】

【００３４】

【数２】

【００３５】上述の式は、合力Ｒの位置づけと、同時
に、均一な軸方向の負荷を受ける固体ディスク形のリン
グ体に対するモーメント平衡を与える。しかしながら、
その式は、リング体／ワッシャのキャビティに対して係
数Ｋ₁によって修正されなければならない。

【００３６】加えて、ワッシャがねじ付きボルト上にナ
ットの下に組み付けられるとき、その式は、また係数Ｋ
_nによって、ねじ角およびナットの型の関数としてのワ
ッシャの表面上の押圧力の配分に対して修正されなけれ
ばならない。そこで、最終的な式は、次の数式(3）とな
る。

【００３７】

【数３】

【００３８】この場合、係数Ｋ_iおよびＫ_nは、全てのワ
ッシャ／ナットの組み合わせに対して計算されなければ
ならない。

【００３９】その装置の作動において、この装置は、主
軸と実質的に平行な外部の力の影響の部分を表す電気信
号を出す。外部との通信、すなわち、外部の受信装置に
対しての電気信号の伝達は、電磁伝達手段によって行わ
れ、その信号は、いかなる電線接続も無しに伝達され
る。

【００４０】その伝達手段は、コネクタとＡＳＩＣとを
有する。図２において、ブロック１２によって象徴化さ
れているこの手段は、リング体の内部キャビティ５から
外表面１４まで延びている半径方向に延びる穴１３の中
に配置されている。伝達手段のもう一つの実施例は、普
通の電気コンタクトであろう。

【００４１】リング体１の表面２，３の上に作用する圧
縮力がこの装置に負荷されると、リング体は、センサリ
ボン９に歪み（変形）を伝達するであろう。そこで、セ
ンサリボンの磁気透過性が変化し、コイル１０のインダ
クタンスの対応する変化を結果としてもたらす。その結
果は、ＡＳＩＣ回路の中で処理されるであろうし、手持
ちの装置によって読み取り可能である。連続した監視に
おいては、電気コンタクトを介した固定した電気接続を
用いるのも適切である。

【００４２】リング体１それ自身は、便宜的に鋼鉄から
作られている。しかしながら、材料選択は、その材料が
その装置に加えられる最大の力あるいは負荷に耐えるた
めの充分な降伏点および極限強さを具備している限り、
重要ではない。図示されるように、リング体は、ディス
ク形状をしており、図示された実施形態においては、互
いに取り付けられ、組み立て状態でキャビティ５を与え
る２つの同軸的なディスク部品から作り上げられてい
る。

【００４３】このように、図３の実施例においては、リ
ング体あるいはワッシャは、一対の負荷支持部分、すな
わち、下方部分１５と上方部分１６とから構成されてい
る。図に示されているように、下方部分１５は、キャビ
ティ５の半径方向外側表面８を構成している内周表面を
もち、上方に延びている外側部分を具備しており、他
方、上方部分１６は、キャビティの半径方向内側表面７
を構成している外周表面をもち、下方に延びている内側
部分を具備している。

【００４４】２つの部分１５，１６は、下方および上方
の水平表面部分に沿って互いに支え合い、それら部分
は、リング体／ワッシャの内周表面および外周表面１
９，１４に沿って延びている連結部分１７，１８の中で
それぞれ連結されている。それらの部分は、例えば溶接
によって適切に連結されている。

【００４５】図３において示されているように、上方ワ
ッシャ部分１６は、下方に延びる部分と上方水平表面部
分との間の遷移部分に角突起２０を具備している。この
突起２０は、キャビティ５と同じ半径方向の幅を具備し
ており、したがって、突起２０の外側と下方部分１５の
上方に延びる部分の隣接する周面との間に圧力ばめが提
供される。このようにして、搬送の間および溶接操作の
間において、部分１５，１６は組み立てられた後に一緒
に保たれるということが達成される。

【００４６】図面において示されるような内部キャビテ
ィを具備するワッシャは、多くの異なる方法によって形
成される個別の部品から構成することができるというこ
とは明らかであろう。しかしながら、図３において示さ
れた実施形態では、次のように集約できる多くの有利な
特徴を具備している。それは、組み立てが容易であると
同様に機械加工も容易である最小数の部品から構成され
ている。

【００４７】その実施形態は、センサリボン９と励磁コ
イル１０の容易な組み立てを与える。溶接は、内周表面
および外周表面において行われ、接触面、すなわち、底
面と上面２，３に関して良好な制御を与え、センサリボ
ンにおいて熱の問題を与えない。加えて、搬送時および
溶接時に、部品を一緒に保つ（正しい相対的な位置に）
のに問題がない。

【００４８】導入部分で述べたように、中でも本発明に
よる装置は、通常のボルト接続における中間のディスク
すなわちワッシャとして用いられるであろう。この理由
で、その装置は、標準のナットと一緒に使用されるよう
につくられなければならない。

【００４９】市場には、非常に多くの異なる型のナット
がある。最も良く用いられる２つは、例えばスルーリン
グ(slew ring) ベアリングに屡々用いられるシリンダ状
のナットと、広く使われている６角ナットとである。図
３に示されている実施形態は、シリンダ状のナットに対
して設計されている一方、図４においては、６角ナット
と一緒の使用のために設計された実施形態が示されてい
る。

【００５０】図４の実施形態は、大部分において図３の
実施形態と類似しているが、ワッシャのそれぞれ下方お
よび上方部分２１，２２の構造が、図３からは部分的に
異なっている。このように、下方および上方部分２１，
２２は、話題の６角ナットの負荷表面に適合するため
に、表面２，３の幅よりも小さな半径方向の幅をもつそ
れぞれの負荷支持表面２３，２４を具備している。

【００５１】さらに、下方部分２１は、負荷支持表面２
３，２４の半径方向外側に配置され、負荷支持表面２
３，２４に関して皿形にされ、したがって負荷が与えら
れない底面２５および上面２６をもつ外側周辺部分を具
備している。

【００５２】このように、前記外周部分の上部は、上方
部分２２の上部の半径方向外側に配置されており、これ
らの部分は、ワッシャ部品２１，２２が組み立てられた
状態にあるとき、それらの隣接する周辺表面が圧力ばめ
を形成するように寸法的に相互に適応されている。圧力
ばめ表面は、前記部品が圧力ばめのみによって恒久的に
一緒に保たれるように充分に大きな領域を具備してお
り、したがって、この実施形態における部品の溶接は必
要ではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態による装置の断面外観
図。

【図２】拡大寸法で図１の一部分を示す断面図。

【図３】ディスク形をしており、２つのディスク部品か
ら作り上げられているリング体の実施形態の部分的な断
面図。

【図４】図３と同様な断面図で前記ディスク部品のもう
一つの設計例を示す断面図。

【符号の説明】

１環状体（リング体）２，３表面４主軸５キャビティ６センサ手段７内側表面８外側表面９センサリボン１０励磁コイル１１フレキシブル回路１２ブロック１３穴１４外周表面１５ワッシャ部品（下方部分）１６ワッシャ部品（上方部分）１９内周表面２５底面２６上面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者オーレ・イー・ブロンルンドノールウェー国、エヌ−1404 シッゲルッド、エコルンヴン．13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】力を受ける一対の対向する表面（２，
３）を具備する環状体（１）であって、前記表面は前記
環状体の中央の主軸（４）に垂直である環状体（１）
と、前記主軸と実質的に同心であり、前記力の影響を表
す電気信号の出力のためのセンサ手段（６）を受け入れ
ている環状キャビティ（５）とを有する圧縮力測定装置
において、前記センサ手段は、前記キャビティ（５）の半径方向内
側表面（７）の上に載置されたセンサ要素（９）を有
し、前記表面は、負荷を受けるリング要素（１）のその
部分に対するモーメント平衡のための半径（ｒ_R）に実
質的に対応する所定距離だけ前記主軸（４）から離れて
位置決めされていることを特徴とする圧縮力測定装置。
【請求項２】前記キャビティ（５）は、前記表面
（２，３）に直角で平行な半径方向内側表面および外側
表面（７，８）を具備する狭い間隙として形成されてお
り、前記表面（２，３）に平行な平面の中の前記キャビ
ティ（５）の横断面領域は、前記平面の中のリング体
（１）の残りの横断面領域よりもずっと小さいことを特
徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】前記センサ手段（６）は、それの最も敏
感な方向が前記リング体（１）の主軸（４）に実質的に
平行な向きに向けられていることを特徴とする請求項１
または２記載の装置。
【請求項４】前記センサ要素は、前記キャビティ
（５）の半径方向内側表面（７）に接着されている非結
晶の磁気弾性リボン（９）から構成されており、前記リ
ボン（９）がラジオ周波数範囲の周波数において作動す
るように意図された励磁／ピックアップコイル（１０）
の形の追加のセンサ要素によって取り囲まれていること
を特徴とする請求項１，２または３記載の装置。
【請求項５】如何なる電気的なライン接続も無しに、
外部の受信手段に対する電気信号の伝達のための電磁伝
達手段（１２）を有することを特徴とする先行請求項の
いずれかに記載の装置。
【請求項６】外部の受信手段および信号処理手段に対
して前記電気信号を伝達するための電気コンタクトを有
していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか
に記載の装置。
【請求項７】前記伝達手段（１２）は、前記キャビテ
ィ（５）から前記リング体（１）の外側表面（１４）ま
で延びている半径方向の穴（１３）の中に配置されてい
ることを特徴とする請求項５および６記載の装置。
【請求項８】前記リング体（１）は、鋼鉄から作られ
ていることを特徴とする先行請求項のいずれかに記載の
装置。
【請求項９】前記リング体（１）は、ディスク形状で
あって、組み立てられた状態において前記キャビティ
（５）を画定する２つのワッシャ部品（１５，１６；２
１，２２）から作り上げられていることを特徴とする請
求項８記載の装置。
【請求項１０】前記ワッシャ部品（１５，１６）は、
前記リング体（１）の前記内周表面と外周表面（１９，
１４）とに沿って連結部（１７，１８）の中で溶接によ
って連結されていることを特徴とする請求項８記載の装
置。