KR100812879B1 - 밀폐형 로드 셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄성체를 갖는 정밀 로드 셀에 관한 것으로, 상기 로드 셀은 베이스 단부, 로드 또는 힘 수용부, 및 상기 베이스 단부와 상기 로드 또는 힘 수용부를 연결하는 둘 이상의 빔을 포함한다. 상기 빔들중 적어도 하나의 빔은 로드 또는 힘 수용부를 상기 베이스 단부에 배치된 베이스 단부의 공동의 가요성 벽에 연결하는 빔을 구성한다. 상기 가요성 벽은 빔의 작용을 통한 로드 또는 힘 수용부의 변위의 결과로서 변형을 겪게 되어 있으며, 상기 센서 수단은 가요성 벽의 변형 또는 가요성 벽내의 스트레인을 측정하게 되어 있다.

로드 수용부, 빔, 베이스 단부의 공동, 가요성 벽, 센서 캐리어, 스터드, 용량성, 유도성, 스트레인 게이지 센서

Description

밀폐형 로드 셀{Sealed load cell}

본 발명은, 탄성체내의 스트레인(strain)과, 측정될 로드 또는 힘에 대한 탄성체내의 변형(deformation)을 측정하기 위한 센서들을 구비하는 탄성체를 포함하는, 기계적 로드 및 힘(loads and forces)을 측정하기 위한 로드 셀에 관한 것이다.

살(spokes)이 달린 디스크 또는 휠과 같은 다양한 형상의 탄성체들이 다양한 스트레인 게이지 센서, 유도성(inductive) 센서, 용량성(capacitive) 센서 또는 광학적 센서에 제공되는 곳에서는, 대부분의 저비용 저정밀도의 로드 또는 힘 센서들이 존재한다. 이들 로드 또는 힘 센서는 로드나 힘의 작용점에 종속되며, 대부분 OEM 분야에서 간단한 힘 센서, 가속도계 및 조이스틱으로서 사용된다.

본 발명은 특히, 탄성체를 갖는 정밀 로드 셀로서, 베이스 단부, 로드 또는 힘 수용부, 상기 베이스 단부를 상기 로드 또는 힘 수용부와 연결하는 둘 이상의 빔들, 및 측정될 로드 또는 힘에 의한 탄성체내의 스트레인 또는 탄성체의 변형을 감지하기 위한 센서 수단을 포함하는 로드 셀에 관한 것이다.

정밀 스트레인 게이지 빔(beam) 로드 셀을 제조하기 위해 대부분의 제조업자들에 의해 사용되는 로드 셀의 표준 형태는, 고강도의 알루미늄 탄성체를 갖고, 지지 구조물에 로드 셀을 장착하기 위한 베이스 단부(base end)와, 로드(load) 또는 힘이 가해질 수 있는 로드 또는 힘 수용부, 및 상기 베이스 단부를 로드 수용부에 연결하는 두 개의 빔들을 포함하는, 공지된 고전적인 로베르발 기구(Roberval mechanism)로서 설계된다. 때로는 제 3 의 빔이 상기 두 빔들 사이에 도입된다. 스트레인 게이지들은 측정될 로드 또는 힘에 의해 생성되는 스트레인들이 그 최대값 및 최소값을 갖는 상기 빔들상의 위치에 적용된다.

수년에 걸쳐서 상기와 같은 기술적 사상은 보다 높은 정확도를 제공하도록 발전되어 왔지만, 습도 환경, 및 스트레인 게이지 기술의 과부하에 대한 고유 민감도에서 기인하는 손상된 접착 및 감소되는 절연 저항의 문제점들을 회피하기 위해 스트레인 게이지들을 실리콘 고무로 포팅(potting)하는 통상적인 절차는 이러한 형태의 로드 셀이 혹독한 산업 환경에서는 적합하지 않다는 것을 의미한다. 또한, 하나 이상의 빔을 따라서 분포된 스트레인 게이지들을 서로 연결하고 이들을 신호 케이블에 연결한 후 포팅하는데 필요한 과도한 프로세스 단계들은 상당히 시간 소모적이고 비용이 든다.

본 발명의 목적은, 밀폐된 공동에 장착되어 있고 로드 셀에 가해지는 로드 또는 힘을 산업 환경에서 고정밀도로 측정하는 센서 수단이 구비된, 정밀 형태의 로드 셀을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은 서두에 언급한 형태의 로드 셀에 있어서, 상기 빔들중 적어도 하나의 빔은 상기 로드 또는 힘 수용부를 상기 베이스 단부에 배치된 베이스 단부의 공동의 가요성 벽에 연결하는 빔을 구성하며, 상기 베이스 단부의 공동은 상기 센서 수단을 구비하고, 상기 가요성 벽은 상기 로드 또는 힘 수용부가 상기 빔의 작용을 통해 변위되는 결과로서 변형을 겪게 되어 있으며, 상기 센서 수단은 가요성 벽의 변형 또는 가요성 벽내의 스트레인을 측정하게 되어 있는, 로드 셀에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면 측정될 로드 또는 힘은 베이스 단부의 공동의 벽에 의해 주위 환경으로부터 모두 분리됨으로써 로드 셀이 혹독한 환경에서 기능할 수 있게 해주는 다수의 센서 형태에 의해 측정될 수 있다.

본 발명에 따른 로드 셀의 바람직한 실시예에서, 상기 센서 수단은 가요성 벽의 변형과 가요성 벽내의 스트레인을 측정하기 위한 다수의 센서들을 포함한다. 이 실시예의 중요한 장점은 센서들의 상대 감도를 조절하여 굽힘력의 효과를 보상하기 위한 수단을 제공함으로써 온도 효과를 평균화시킬 수 있다는 점이다.

본 발명에 따른 로드 셀의 실시예에서, 센서 수단은 센서 캐리어의 표면에 장착되며, 상기 센서 캐리어의 표면은 가요성 벽의 변형을 측정하기 위해 가요성 벽과 대면하고 있다. 이 실시예는 다른 센서 부분들 각각의 사이에 잘 형성된 거리로 인해 특히 상기 표면이 편평한 경우에 로드 셀에 센서 시스템을 설치하는 것이 간단하다. 또한 상기 센서 캐리어의 후방에는 전자 측정 모듈이 통합될 수 있다.

본 발명에 따른 다른 로드 셀에서, 센서 수단은 센서 캐리어에 장착되며, 상기 센서 캐리어는 다시 가요성 벽에 대해 수직하게 스터드(stud)상에 장착된다. 로드 셀은 센서들과 상기 베이스 단부의 공동의 대응 벽들 사이의 갭이 용이하게 접근할 수 있으므로 간단하게 조절된다. 또한 본 실시예에서 전자 측정 모듈은 센서 캐리어의 후방에 통합될 수 있다.

본 발명에 따른 로드 셀의 바람직한 실시예에서, 센서 수단은 가요성 벽에 그와 수직하게 장착되는 다수의 핀을 구비하는 센서 시스템을 포함하며, 하나 이상의 상기 핀들에는 가요성 벽의 변형을 측정하기 위한 센서들이 배치된다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 측정되는 로드 및 힘에 대한 매우 높은 감도와, 로드 셀을 그 지지체에 장착하는 것에서 기인하는 응력에 대한 고도의 둔감성이다.

본 발명에 따른 로드 셀의 다른 바람직한 실시예에서, 센서 수단은 가요성 벽에 수직하게 장착되는 다수의 핀을 포함하는 센서 시스템을 포함하며, 하나 이상의 상기 핀들 사이에는 가요성 벽의 변형을 측정하기 위한 센서들이 배치된다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 측정되는 로드 및 힘에 대한 매우 높은 감도와, 센서들 및 대응 핀들 사이의 갭에 대한 접근이 용이한데서 오는 센서의 용이한 조절이다.

다수의 핀을 사용하는, 본 발명에 따른 로드 셀의 실시예에서, 빔들 및 핀들의 폭은 베이스 단부의 공동의 폭보다 작으며, 따라서 가요성 벽은 베이스 단부의 공동의 내벽과 빔들 및 핀들의 에지 사이의 영역에서 변형될 수 있다.

다수의 핀을 사용하는, 본 발명에 따른 로드 셀의 실시예에서, 핀들은 유리하게는 가요성 벽에 장착되는 개별 유닛들이 될 수 있다. 따라서 보다 정교한 핀의 가공이 회피되고, 개별 핀 유닛들의 조립 공정에 의해, 가요성 벽에 짧은 스터드를 가공하거나, 가능한 최저비용을 위해 가요성 벽으로 대체되는 장점이 얻어진다.

본 발명에 따른 로드 셀의 다른 바람직한 실시예에서, 센서 수단은 가요성 벽에서의 스트레인을 측정하기 위해 가요성 벽에 장착되는 하나 이상의 스트레인 센서들을 포함한다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 밀폐된 베이스 단부의 공동으로 인해 혹독한 환경에 대한 차단이 제공된다는 것이다.

본 발명에 따른 로드 셀의 또 다른 바람직한 실시예에서, 스트레인 센서 수단은 가요성 벽에서의 스트레인을 측정하기 위해 가요성 벽에 장착되는 하나 이상의 스트레인 게이지들을 포함한다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 밀폐된 베이스 단부의 공동으로 인해 혹독한 환경에 대한 차단이 제공된다는 것과, 스트레인 게이지의 간단하고 콤팩트한 배선이 가능하다는 것이다.

단 두 개의 빔이 로드 셀의 베이스 단부와 로드 수용부를 연결하는 본 발명에 따른 로드 셀의 실시예에서, 하나 이상의 이들 두 개의 빔은 가요성 벽에 작용하는 빔을 구성하는 것이 유리할 수 있다. 이로 인해 얻어지는 장점은 구조가 간단한 것과, 초과 빔들의 스프링 상수로부터의 간섭이 전혀 없다는 것이다.

센서 수단이 센서 캐리어(sensor carrier)에 장착되고 이 센서 캐리어는 다시 가요성 벽에 대해 수직하게 짧은 스터드에 장착되는 본 발명에 따른 로드 셀의 실시예에서, 센서 캐리어에는 전극들이 가요성 벽과 대면하여 배치된다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 전극들이 짧은 스터드로부터 일정 거리에서 센서 캐리어에 배치될 때 전극들과 가요성 벽 사이의 거리 변화가 보다 크다는 것이다.

본 발명에 따른 로드 셀의 다른 실시예에서, 센서 수단은 두 개의 상,하로 된 개별 센서 캐리어들을 구성하며, 상기 센서 캐리어 각각은 가요성 벽에 수직하게 짧은 스터드상에 장착되고, 각각의 센서 캐리어상에는 전극들이 가요성 벽과 대면하여 배치된다. 이 실시예에서는 상기 가요성 벽이 변형될 때 하나의 센서 캐리어의 전극들은 가요성 벽에 대한 거리가 증가하고 다른 센서 캐리어의 전극들은 가요성 벽에 대한 거리가 감소하도록 하기 위해 가요성 벽의 형상 변화가 사용된다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 예를 들면 전극 캐리어의 일단부에서의 증가되는 거리가 전극 캐리어의 다른 단부에서의 대응하는 감소되는 거리에 의해 보상되기 때문에 짧은 스터드상의 전극 캐리어의 기울어짐이 단지 작은 측정 오차를 제공할 뿐이라는 것이다.

상기 발명의 바람직한 실시예에서는, 두 개의 개별 센서 캐리어들에 의해, 두 개의 개별 빔들이, 바람직하게는 두 개의 센서 캐리어를 지지하는 두 개의 짧은 스터드 위치에서 가요성 벽과 결합된다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 센서 수단의 위치에서 직접 가요성 벽이 많이 변형된다는 것이다.

본 발명의 실시예에서, 가요성 벽에 적용되는 스트레인 측정 센서들은, 바람직하게는 빔 작용의 결과로 스트레인 센서의 변형이 최대로 되는 위치에서, 가요성 벽과 결합하는 두 빔에 의해 작동된다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 센서 수단의 위치에서 직접 가요성 벽이 많이 변형된다는 것이다.

가요성 벽에 핀들이 장착되는 본 발명에 따른 로드 셀에서, 두 개의 빔들은 바람직하게는 이들 빔의 작용이 핀의 최대 편향을 초래하는 위치들에서 가요성 벽과 결합한다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 가요성 벽의 높은 변형으로 인한 핀의 높은 편향이다.

본 발명에 따른 로드 셀의 바람직한 실시예에서, 베이스 단부와 로드 수용부는 S형 로드 셀을 제공하도록 연장된다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 인장력과 걸리는 로드를 측정할 수 있다는 것이다.

본 발명에 따른 로드 셀의 다른 바람직한 실시예에서, 베이스 단부는 무차별한 장착 수단을 갖는 로드 셀을 제공하기 위해 연장된다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 매우 높은 정밀도를 갖고 동시에 장착 나사의 토크에 전혀 주의를 기울이지 않고서도 거친 표면에 장착될 수 있는 로드 셀을 제공할 수 있다는 것이다.

본 발명에 따른 로드 셀의 또 다른 바람직한 실시예에서, 베이스 단부에는 수직면에 로드 셀을 장착하기 위한 설비가 제공된다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 많은 적용들이 수직 표면을 제공할 뿐이라는 사실에 있다.

본 발명에 따른 로드 셀의 바람직한 실시예에서, 가요성 벽에 작용하는 빔의 가요성 부분은 가요성 벽의 방향으로 로드 수용부로부터 이격되어 배치된다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 상이한 로드 셀 정전용량(capacitance)을 위해 빔의 작동 길이를 가요성 벽의 두께로 최적화할 수 있다는 것이다.

본 발명에 따른 로드 셀의 바람직한 실시예에서, 베이스 단부 및 로드 수용부에는 중량 연장부가 연장된다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 센서 시스템의 민감한 부분들로부터 분리되는 튼튼한 장착부를 갖는 로드 셀을 제공할 수 있다 는 것이다.

본 발명에 따른 로드 셀의 다른 바람직한 실시예에서, 베이스 단부 및 로드 수용부는 상향 및 하향으로 연장된다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 매우 편심적으로 적용되는 로드를 견딜 수 있는 로드 셀을 제공하는 빔들 사이에 상당한 거리가 존재한다는 것이다.

본 발명에 따른 로드 셀의 바람직한 실시예에서, 가요성 벽은 베이스 단부의 공동의 단단한 벽에 이웃하는 영역에서 얇게 만들어진다. 이 실시예에 의해 얻어지는 장점은 가요성 벽의 변형이 주로 가요성 벽의 치수들에 의해 결정된다는 것이다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 가요성 벽은 빔으로 이어져서, 빔의 상기 가요성 벽에 작용하는 부분을 구성한다. 이 실시예의 센서 수단은 바람직하게는 스트레인 측정 센서들이며, 이 실시예는 가요성 벽에서의 거의 순수한 인장 및 압축의 측정 가능성을 제공한다.

본 발명에 따른 로드 셀의 바람직한 실시예에서, 상기 센서 수단은 용량성이다. 용량성 센서 시스템에 의해 얻어지는 장점들은 로드 셀에 가해지는 힘들 및 로드들에 대한 매우 높은 감도이며, 또한 탄성체만이 과부하되고 센서 시스템은 그렇지 않으므로 충격 및 과부하에 대한 높은 공차를 제공하는 비접촉 측정 원리이다.

본 발명에 따른 로드 셀의 바람직한 실시예에서, 상기 센서 수단은 유도성이다. 유도성 센서 시스템에 의해 얻어지는 장점은 극한적인 환경에서 작동할 수 있다는 것과, 탄성체만이 과부하되고 센서 시스템은 그렇지 않으므로 충격 및 과부하 에 대한 높은 공차를 제공하는 비접촉 측정 원리이다.

도 1은 널리 사용되는 종래 기술의 스트레인 게이지 로드 셀의 도시도.

도 2는 로드 수용부와 가요성 벽 사이에 빔이 연결되어 있는 상태를 도시하는, 본 발명의 기본 실시예의 도시도.

도 3은 도 2의 기본 실시예의 다른 부분들의 변형을, 명료함을 위해 과장하여 도시한 도면.

도 4는 가요성 벽의 변형을 측정하기 위한 용량성 또는 유도성 센서 수단을 도시하는, 본 발명의 실시예의 도시도.

도 5는 가요성 벽의 변형들로부터 유도되는 변위들을 측정하기 위한 제 2 형태의 용량성 또는 유도성 센서 수단을 도시하는, 본 발명의 실시예의 도시도.

도 6은 가요성 벽의 변형들을 측정하기 위한 제 3 형태의 용량성 또는 유도성 센서 수단을 도시하는, 본 발명의 실시예의 도시도.

도 7은 가요성 벽에 대해 수직하게 바라본, 도 6의 센서 시스템의 도시도.

도 8은 가요성 벽에 체결된 핀들에 배치되는 커패시터 전극들의 예의 도시도.

도 9는 가요성 벽에 체결된 핀들 사이에 장착되는 커패시터 전극들의 예시도.

도 10은 가요성 벽의 변형을 측정하기 위한 스트레인 센서들을 구비하는 본 발명의 실시예의 도시도.

도 11은 가요성 벽에 작용하는 빔으로서 기능하는 로드 또는 힘 수용부와 베이스 단부를 연결하는 빔들을 구비하는 본 발명의 실시예의 도시도.

도 12는 가요성 벽의 변형들을 측정하기 위한 다른 형태의 용량성 또는 유도성 센서 수단을 도시하는 본 발명의 실시예의 도시도.

도 13은 가요성 벽의 변형들을 측정하기 위한 또 다른 형태의 용량성 또는 유도성 센서 수단을 도시하는 본 발명의 실시예의 도시도.

도 14는 가요성 벽에 작용하는 두 빔을 도시하는, 도 13의 발명의 실시예의 도시도.

도 15는 가요성 벽에 작용하는 두 빔을 도시하는, 도 10의 발명의 실시예의 도시도.

도 16은 가요성 벽에 작용하는 두 빔을 도시하는, 도 9의 발명의 실시예의 도시도.

도 17은 로드 셀이 인장력 및 걸리는 로드를 측정하게 되어 있는 본 발명의 실시예의 도시도.

도 18은 거친 표면에 장착되었을 때에도 로드 셀이 고정밀도로 측정하게 되어 있는 본 발명의 실시예의 도시도.

도 19는 로드 셀이 수직 표면에 장착되게 되어 있는 본 발명의 실시예의 도시도.

도 20은 빔의 작동 길이를 변화시킴으로써 로드 셀이 최적화될 수 있는 본 발명의 실시예의 도시도.

도 21은 로드 셀이 거친 적용들에서 장착되게 되어 있는 본 발명의 실시예의 도시도.

도 22는 로드 셀이 매우 편심적인 로드를 측정하게 되어 있는 본 발명의 실시예의 도시도.

도 23은 가요성 벽의 변형을 베이스 단부의 공동의 벽으로부터 격리시키기 위해 로드 셀의 가요성 벽이 둘레에서 감소되는 본 발명의 실시예의 도시도.

도 24는 가요성 벽이 빔으로 이어져서, 가요성 벽에 작용하는 빔의 일부를 구성하는 본 발명의 실시예의 도시도.

좌측 단부가 지지체에 지지되어 있고 우측 단부가 측정될 힘이나 로드 P를 받는 도 1에서의 로드 셀은 종래 기술을 나타내며, 스트레인 게이지 빔 로드 셀의 제조를 위해 대부분의 제조업자들이 사용하는 로드 셀의 표준 형태이다. 보통 고강도 알루미늄으로 제조되는 탄성체는 중실형 베이스 단부(1), 두개의 빔(2) 및 중실형 로드 수용부(3)를 구비한다.

상기 탄성체는 로드 P가 가해질 때 상기 중실형 로드 수용부(3)의 곡선 운동을 방지함으로써 공지의 로베르발 기구로서 작용하며, 따라서 로드나 힘 P가 매우 편심적으로 가해질 때에도 상기 로드 수용부(3)의 변위를 평행 변위로 제한한다. 로드 셀을 로드가 가해지는 위치에서 로드 셀을 민감하지 않게 만드는 특징은 로드 셀에 의한 정밀 측정을 위해서는 필수적인 것이다. 때로는 두 개의 빔(2) 사이에 제 3 빔(4)이 도입된다. 이들 로드 셀은 두 빔(2)과 제 3 빔(4)에서만 주로 S1 내지 S8의 위치에서 변형을 겪으며, 베이스 단부(1)와 로드 수용부(3)는 중실형이어서 변형되지 않는다. 그러므로 스트레인 게이지는 보통은 이들 위치 S1 내지 S8 중 하나 이상의 위치에 적용되지만, 위치 S3 내지 S6이 선호되는데 그 이유는 제 3 빔(4)이 빔(2)의 작용을 통해서 명확한 S형상으로 변형되기 때문이다.

본 발명은 이제 도 2를 참조하여 보다 상세히 기재될 것이며, 상기 도 2는 탄성체가 베이스 단부(1), 두 개의 빔(2), 로드 수용부(3)를 포함하고, 추가적으로 장착되어 있는 센서 수단과 베이스 단부(1)에 배치된 공동과 가요성 벽(5)을 포함하는 본 발명을 도시하고 있다.

본 발명에서 빔(4)으로서 작용하는 제 3 빔(4)은 또한 상기 가요성 벽(5)을 로드 셀의 로드 수용부(3)에 연결한다. 튼튼한 중간 부분과 가요성 단부(6)들을 구비하는 빔(2)은 베이스 단부(1)를 로드 수용부(3)와 연결한다. 따라서 상기 로드 수용부(3)는 힘 P가 매우 편심되어 적용될 때에도 평행한 변위로 제한된다. 로드가 가해지는 위치에서 로드 셀이 민감하지 않도록 만드는 이러한 설계는 로드 셀에 의한 정밀 측정을 위해서는 필수적이다.

커버(7)는 베이스 단부의 공동을 가요성 벽(5)과 함께 폐쇄하며, 상기 커버(7)에는 센서에 대해 파워 및 신호의 입출력을 전도하기 위한 케이블(8)이 장착될 수 있다.

도 3은 로드 P가 가해질 때, 로드 수용부(3)의 변위, 빔(2)과 빔(4)의 각운동, 및 가요성 벽(5)의 변형을 도시한다. 모든 변위들 및 변형들은 명료함을 위해 과장 도시되어 있다. 본 발명에 따른 로드 셀의 정밀도를 위해서는, 중요하게 로드 셀의 탄성 특성 및 강성이 가요성 벽의 치수에 의해서 거의 완전히 결정되어지며, 또한 빔(2)의 가요성 단부(6)의 강성이 거의 무시할 수 있는 것이 매우 중요하다.

도 4는 베이스 단부의 공동내의 용량성 센서가 세라믹 디스크일 수 있는 센서 캐리어(9)로 구성되고, 가요성 벽(5)으로부터 일정 거리 이격되어 변위 감지 전극(10, 11)이 상기 벽과 대면하여 배치되는 기본적인 발명을 도시하며, 여기에서 상기 거리는 변형이 최대인 거리인 것이 바람직하다. 선택적 기준 전극(12)은 가요성 벽의 평균 변위가 최소가 되는 센서 캐리어의 중간에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 변위가 본질적으로 제로인 센서 캐리어(9)의 외주에 배치될 수도 있다.

커패시터 전극들은 센서 캐리어(9)의 후방에 장착되는 정전용량 측정 회로에 연결될 수도 있다. 이 회로는 미국 특허 제 4,737,706호에 따른 것일 수 있다.

커패시터 전극 대신에, 소형 코일 형태의 유도성 센서들이, 커패시터 전극들에 대해 도시된 바와 같이, 센서 캐리어(9)상의 동일한 위치들에 배치될 수도 있다. 측정되어야 할 힘의 결과로서 가요성 벽이 변위될 때 코일의 인덕턴스 변화를 검출하거나 또는 와류 효과를 검출하는 회로가 센서 캐리어(9)의 후방에 배치될 수 있다.

본 발명의 모든 실시예들에서 상기 빔(4)은 바람직하게는 얇은 단면부(13)를 갖는 바, 이 얇은 단면부는 통상 상기 빔이 탄성체의 로드 수용부(3)에 체결되는 곳인 단부에 배치되며, 따라서 상기 로드 수용부(3)의 어떤 변위에 대해 가요성 벽(5)의 변형이 증대된다.

도 5는 센서 캐리어(sensor carrier; 14)와 커패시터 전극(15, 16)을 구비하고, 상기 센서 캐리어가 빔(4)의 연장부일 수 있는 스터드(stud; 17)상에 장착되는, 다른 용량성 센서를 구비한, 기본 발명을 도시한다. 빔(4)의 작용에 의한 로드 수용부(3)의 변위가 가요성 벽(5)의 변형으로 전환되고, 이는 다시 스터드(17)에 의해 베이스 단부의 공동의 내벽에 대한 커패시터 전극(15, 16)의 거리 변화로 전환된다.

또한 본 발명의 실시예에서, 커패시터 전극은 유도성 센서로 대체될 수 있다.

본 발명의 모든 실시예에서, 베이스 단부의 공동은 원형, 장방형 또는 임의의 다른 단면 형상을 가질 수 있으며, 도 4에서의 센서 캐리어(9)와 도 5에서의 센서 캐리어(14)는 가요성 벽(5)의 어떤 변형에 대해 최대의 정전용량 변화를 얻기 위해 베이스 단부의 공동의 단면에 대응하는 형태를 갖는 것이 유리할 수 있다.

예를 들어 도 5에서의 베이스 단부의 공동의 단면이 장방형이면, 센서 캐리어(14)는 장방형인 것이 바람직하며, 센서 캐리어(14)의 상부 및 하부의 수평면은 전극(15, 16)에 의해 커버된다.

커패시터 전극들은 본 발명에 따르면 상기 공동의 내벽에 배치될 수 있으며 대응하는 접지된 전극들은 센서 캐리어(9 또는 14)상에 배치된다.

도 6에 도시된 다른 용량성 센서 시스템을 구비하는 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 다수의 핀(18, 19, 20, 21, 22, 23)들이 가요성 벽으로부터 바람직하게는 수직하게 돌출된다.

가요성 벽이 빔(4)의 작용을 통해서 도 3에 도시된 바와 같이 변형을 겪을 때, 핀들의 선단(tip)은 그 상호 간격이 증가하거나 감소되는 것을 쉽게 볼 수 있으며, 커패시터 전극들이 핀상에 또는 핀들 사이에 배치됨으로써 매우 민감한 용량성 센서 시스템이 얻어진다.

상기 핀들은 공동의 가공중에 탄성체의 재료로 제조되는 것이 바람직하며, 그렇지 않으면 보다 긴 핀의 가공을 방지하기 위해서 핀은 가요성 벽에 가공된 짧은 스터드에 체결되거나 가요성 벽에 직접 체결되는 별도의 유닛이 될 수 있다. 핀이 편향될 수 있도록 하기 위해서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 핀의 폭이, 가요성 벽이 베이스 단부의 공동의 내부와 핀의 에지 사이 영역에서 변형될 수 있게 해주는 양만큼 가요성 벽의 폭보다 작은 것이 필요하다.

마찬가지로 상기 빔(4)의 폭은 핀의 폭과 실질적으로 동일한 것이 유리하지만 필수적인 것은 아니다.

도 8에는, 커패시터 전극(24, 25)이 절연층(26, 27)상에 장착되어 있는 핀(fin)이 도시되어 있다. 만약 예를 들어 핀(19, 22)이 도 8에 따른 커패시터 전극과 조립되고 핀들(18, 20, 21, 23)이 접지되면, 가요성 벽(5)의 변형은 도 3에 도시되어 있듯이, 핀(19)상의 전극들의 정전용량을 증가시키는 한편 핀(22)상의 전극들의 정전용량을 감소시키는 것을 알 수 있다. 본 발명에 따르면, 핀의 갯수가 증가 또는 감소될 수 있으며, 예를 들면 핀(20, 21)은 하나의 핀으로 조합될 수도 있다. 마찬가지로 커패시터 전극들은 또한 임의 갯수의 핀에서 일 측부 또는 양 측부에 배치될 수 있다.

만약 예를 들어 핀(18, 23)이 도 8에 따른 전극들과 조립된다면, 각 핀상의 하나의 전극은 증가할 것이고 나머지 전극은 감소될 것인 바, 이는 핀(19, 22)과 함께 내벽들이 대전극(counter electrodes)으로서 작용하기 때문이다.

마찬가지로 핀(20, 21)은 도 8에 따른 전극들과 조립될 수 있으며, 접지된 핀이 핀(20, 21) 사이에 배치될 수도 있다.

본 발명의 이 실시예에서는 또한 커패시터 전극이 유도성 센서로 대체될 수도 있다.

도 9에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 분리된 측정 전극들(28, 29)이 핀들 사이에 배치되며, 바람직하게는 가요성 벽(5)에 대해 고정된 위치에 장착되거나 베이스 단부의 공동의 내벽에 대해 고정된 위치에 장착되지만 필수적인 것은 아니다. 핀(30, 31)을 가요성 벽(5)의 적절한 변형을 겪는 위치에 배치함으로써, 빔(4)의 연장부일 수 있는 핀(32)은 로드나 힘 P가 가해질 때 전극(28)에 대한 거리를 감소시키는 한편, 유리하게 배치된 핀(30) 또한 벽이 변형될 때 전극(28)에 대한 거리를 감소시킬 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

마찬가지로 전극(29)은 핀(32) 및 핀(31)에 대한 거리를 증가시킬 것이다.

본 발명의 이 실시예에서는 또한 커패시터 전극이 유도성 센서로 대체될 수도 있다.

공동의 내벽을 대전극으로는 사용하지 않지만 예를 들어 핀상의 다른 전극 또는 분리 장착된 전극으로 사용하는 본 발명에 따른 모든 실시예들의 장점은, 가요성 벽(5)을 둘러싸는 베이스 단부의 공동의 벽의, 예를 들면 로드 셀상의 장착 응력으로 인한 뒤틀림이 측정 에러를 유도하지 않는다는 것이다.

도 10은 스트레인 게이지(35, 36) 형태의 스트레인 센서들이 조립되는 기본 발명을 도시하며, 상기 센서들은 바람직하게는 가요성 벽(5)이 최대 변형을 갖는 위치에 배치되며, 최소 변형을 갖는 위치에는 기준 스트레인 게이지(37')가 선택적으로 배치된다.

종래 기술의 스트레인 게이지 로드 셀에 비해, 본 발명에 따른 스트레인 게이지 로드 셀은 어떠한 추가적인 제조 단계들 없이, 스트레인 게이지들이 환경에 대해 차단된다는 매우 중요한 장점을 가지며, 모든 게이지들이 상호 근접함으로써 매우 간단한 배선을 적용할 수 있다는 추가적인 장점 또한 갖는다.

저비용 대량 생산을 위해서는 모든 게이지들이 하나의 유닛에 통합된 특수 스트레인 게이지 시스템이 적용될 수 있다.

본 발명에 따르면 가요성 벽에서의 스트레인은 예를 들면 광학적 또는 유도적인 다른 스트레인 측정 수단에 의해 측정될 수 있다.

본 발명에 따르면, 도 11에 도시된 바와 같이, 상술한 실시예들로부터의 빔(4)의 기능은, 베이스 단부(1)를 로드 또는 힘 수용부(3)와 연결하는 빔(2)의 일부가 될 수 있는 하나 또는 두개의 빔(33)에 의해 수행될 수 있다. 가요성 벽의 변형이 일어날 수 있도록 하기 위해서는, 도 11에서 구멍(34)들로서 유리하게 위치결정될 수 있는 구멍 또는 슬롯이 베이스 단부(1)에 가공된다.

대안적으로, 도 12에 도시되어 있듯이, 가요성 벽(5)과 대면하는 센서(38, 39)들을 갖는 전극 캐리어(37)가 짧은 스터드 또는 핀(40)에 장착될 수 있다. 빔(4)의 작용을 통한 가요성 벽(5)의 변형은 센서들 또는 전극들(38, 39)과 가요성 벽(5) 사이 거리의 변화에 의해 측정된다.

본 발명에 따른 다른 배치가 도 13에 도시되어 있는 바, 여기에서는 두 개의 센서 또는 전극 캐리어(41, 43)가 가요성 벽(5)상의 유리하게 배치된 위치들에서 스터드 또는 리브(rib)에 분리 장착되어 있으며, 전극들(42, 44)은 가요성 벽과 대면하고 있다. 하나의 센서 캐리어상의 전극들은 가요성 벽에 대한 거리가 증가될 것이고 다른 센서 캐리어상의 전극들은 가요성 벽에 대한 거리가 감소될 것이다. 각각의 센서 캐리어가 단 하나의 전극과 조립되어 표면을 커버하면, 짧은 스터드상의 전극 캐리어의 기울어짐은 단지 작은 오차를 생성할 것인 바, 이는 전극 캐리어의 일 단부에서의 감소되는 거리가 전극 캐리어의 대향 단부에서의 상응하는 증가되는 거리에 의해 대부분 보상될 것이기 때문이다.

도 13에 따른 로드 셀은 유리하게는 도 14에 도시된 바와 같이 두 개의 개별 빔으로 분할되는 빔(4)을 구비할 수 있으며, 상기 분할된 빔의 각각은 바람직하게는 두 개의 센서 캐리어가 그 스터드에 장착되는 두 위치에서 가요성 벽에 직접 작용한다.

마찬가지로 도 10에 따른 로드 셀은 유리하게는 도 15에 도시된 바와 같이 두 개의 개별 빔으로 분할되는 빔(4)을 구비할 수 있으며, 이들 분할된 빔의 각각은 바람직하게는 스트레인 센서에서 가장 높은 스트레인이 발생되는 두 위치에서 가요성 벽에 직접 작용한다.

도 9에 따른 로드 셀은 유리하게는 도 16에 도시된 바와 같이 두 개의 개별 빔으로 분할되는 빔(4)을 구비할 수 있으며, 이들 분할된 빔의 각각은 바람직하게는 핀의 최대 편향이 발생되는 두 위치에서 가요성 벽에 직접 작용한다.

본 발명에 따른 로드 셀은 유리하게는 도 17에 도시되어 있듯이, 인장력을 측정하고 로드를 걸기에 이상적인 공지된 S형태의 로드 셀을 제공하기 위해, 베이스 단부(1) 및 연장부(48, 49)를 갖는 로드 수용부(3)를 구비할 수 있다. 빔(2)의 가요성 단부(6)의 정확한 가공을 용이하게 하기 위해, 빔의 내부 및 외부에 있는 홈(50)들은 동시에 밀링가공된다. 도 18의 로드 셀은 도 9의 센서 시스템과 함께 도시되어 있지만, 본 발명에 따른 임의의 센서 시스템이 적용될 수도 있다.

도 19에는, 본 발명에 따른 로드 셀이 수직 표면에 장착되기 위한 설비와 함께 도시되어 있다. 볼트(51)로부터의 장착 응력들을 센서 시스템에 도달하도록 유지하기 위해, 홈(52)들은 베이스 단부의 공동의 내면과 외면에서 밀링가공될 수 있다. 도 19의 로드 셀은 도 9의 센서 시스템과 함께 도시되어 있지만, 본 발명에 따른 임의의 센서 시스템이 적용될 수도 있다.

도 20은 빔(4)의 가요성 부분(13)이 연장부(53)에 의해 로드 수용부에 있는 위치로부터 베이스 단부 근처의 위치로 이동되는, 본 발명에 따른 로드 셀을 도시한다. 측정에 있어서의 고정밀을 위해서, 빔(2)은 가능한 최저의 강성을 가져야 한다. 이는 가요성 단부(6)를 매우 얇게 만들거나(이는 가요성 부분의 강도가 감소되기 때문에 이상적이지 않음) 빔(2)을 길게 만드는 것에 의해 얻어질 수 있다. 상기 빔(2)이 보다 길게 만들어지면 빔(4) 또한 보다 길어지며, 이는 로드 수용부(3)의 특정 변위를 위해 가요성 벽의 편향을 감소시킨다. 고속 측정을 위해서는 상기 로드 수용부(3)의 편향이 낮게 유지되어야 하므로, 가요성 벽(5)의 치수들과 함께 로드 셀의 정전용량을 결정하는, 연장부(53)의 길이에 대한 빔(4)의 길이를 치수 설정함으로써 최적에 도달할 수 있다. 도 20의 로드 셀은 도 9의 센서 시스템과 함께 도시되어 있으며, 본 발명에 따른 센서 시스템들중 임의의 것이 적용될 수 있다.

도 21에 도시된 본 발명에 따른 로드 셀은, 각각 거친 환경에서의 로드 셀 장착을 용이하게 하는 베이스 단부(1)와 로드 수용부(3)의 중실형 연장부(57, 58)를 갖는다.

도 21의 로드 셀 본체는 통상 빔(2), 빔(4), 가요성 부분(6,13, 54, 55) 및 센서 시스템을 베이스 단부의 공동에서 밀링가공함으로써 제조된다. 상기 중실형 연장부(57, 58)는 재료를 56에서 플라즈마 커팅함으로써 저비용으로 제조될 수 있다. 외부 로드 수용부(59)는 연장부(57)의 중실형 치수들로 인해 볼트 인장으로부터의 간섭이 전혀 없이 볼트(60)들에 의해 로드 셀에 볼트연결될 수 있으며, 마찬가지로 로드 셀은 중실형 연장부(58)로 인해 측정에 대한 영향이 없이 기본적인 구조물에 장착될 수 있다. 도 21의 로드 셀은 도 9의 센서 시스템과 함께 도시되지만, 본 발명에 따른 임의의 센서 시스템들이 적용될 수 있다.

도 22에는 본 발명에 따른 로드 셀이 도시되어 있으며, 여기에서 빔(2)들 사이의 거리는 로드 P가 매우 편심적으로 가해질 때 빔(2)내의 스트레인을 감소시키 기 위해 증가된다. 도 22의 로드 셀은 도 9의 센서 시스템과 함께 도시되지만, 본 발명에 따른 임의의 센서 시스템들이 적용될 수 있다.

도 23에 도시된 본 발명에 따른 로드 셀내의 가요성 벽은 베이스 단부의 공동의 벽으로부터 가요성 벽의 변형을 격리시키기 위해 둘레에서 감소된다. 이는 가요성 벽의 변형이 거의 완전히 가요성 벽 자체의 치수에 의해 결정됨을 의미하며, 이는 정밀 측정을 위해서는 필수적이다. 도 23의 로드 셀은 도 9의 센서 시스템과 함께 도시되지만, 본 발명에 따른 임의의 센서 시스템들이 적용될 수 있다.

도 24에는 로드 셀이 도시되어 있으며, 여기에서 가요성 벽은 빔내로 연장되어, 공동(45)을 형성함으로써, 예를 들면 스트레인 센서(46, 47)들이 공동내에 장착될 가능성을 제공한다. 전술한 형태의 다른 센서 수단들은 공동(45) 주위에서 가요성 벽내에 또는 그 표면에 장착될 수 있다.

본 발명의 모든 실시예들에 의해 공유되는 매우 중요한 장점은 베이스 단부의 공동의 폐쇄가 가요성 벽으로부터 이격되어 실시되고 따라서 측정을 전혀 간섭하지 않는다는 것이다. 종래 기술에 따른 로드 셀내에 센서 시스템을 밀폐식으로 밀봉하는 방법은 금속제 벨로우즈 또는 금속제 커버를 포함하는 바, 이는 그 스프링 상수로 인해 측정에 간섭 영향을 준다. 이뿐 아니라 이들은 장착에 비용이 많이 들며 산업 환경에 대해 적합하지 않다.

용량성 센서 시스템의 높은 감도로 인해, 탄성체의 재료의 항복 강도에 대한 요건은 비교적 낮고, 바람직하게는 용량성 센서가 사용될 때 플라즈마 커팅, 소결 및 주조와 같은 제조 공정들이 저비용으로 큰 용적에서 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예들이 본원에 개시되었지만, 당업자라면 특정하게 개시된 형태에 대한 다양한 수정 및 개선이 이루어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명은 특별한 실시예에 한정되지 않는다.

예를 들면, 가요성 벽은 센서 수단과 함께 로드 수용부(3)에 배치될 수 있지만, 그렇지 않으면 베이스 단부 및 로드 수용부에 배치될 수도 있다.

또한, 본 발명에 따른 빔(4)은 가요성 벽(5)과 로드 수용부(3) 사이의 어느 곳에나 배치될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 로드 셀은 가요성 벽의 변형을 특정 센서에 맞게 하기 위해 가요성 벽과 결합되는 빔을 둘 이상 구비할 수 있다.

Claims (15)

1. 베이스 단부(base end; 1)와,

   상기 베이스 단부(1)에 연결된 둘 이상의 빔들(beams; 2, 4)과,

   상기 두 빔들(2, 4)에 연결된 로드 수용부(3)와,

   상기 빔들(2, 4)중 적어도 하나에 의해 영향을 받게될 가요성 바디(flexible body)와,

   상기 로드 수용부(3)상의 로드(load)에 대응해서 상기 가요성 바디의 스트레인 및 변형을 측정하도록 된 센서 수단을 포함하는 로드 셀에 있어서,

   상기 베이스 단부(1)은 공동을 가지고, 상기 가요성 바디는 상기 공동의 가요성 벽(5)이며,

   상기 빔들(2, 4)중 적어도 하나의 빔은 상기 빔들(2, 4)의 작용을 통해서 상기 로드 수용부의 변위의 결과로서 변형을 겪게될 수 있는 상기 가요성 벽(5)에 연결되어 있으며,

   상기 센서 수단은 상기 공동내에 위치되어 상기 가요성 벽(5)의 변형 또는 가요성 벽내의 스트레인(strain)을 측정하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 로드 셀.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 수단은 다수의 센서들을 포함하는 것을 특징으로 하는 로드 셀.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 센서 수단은 상기 가요성 벽(5)과 대면하는 센서 캐리어(senor carrier; 9)의 표면에 장착되는 적어도 하나의 센서(10, 11, 12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 로드 셀.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 수단은 상기 가요성 벽(5)에 설치된 스터드(stud)상에 장착된 센서 캐리어(14)상에 장착되는 적어도 하나의 센서(15, 16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 로드 셀.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 수단은 상기 가요성 벽(5)에 수직하게 장착되는 다수의 핀들(fins; 18, 19, 20, 21, 22, 23)을 포함하는 센서 시스템을 포함하며, 하나 이상의 상기 핀들 상에는 상기 가요성 벽(5)의 변형을 측정하기 위한 센서들이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 로드 셀.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 수단은 상기 가요성 벽(5)에 수직하게 장착되는 다수의 핀들(fins; 30, 31, 32)을 포함하는 센서 시스템을 포함하며, 하나 이상의 상기 핀들 사이에는 상기 가요성 벽(5)의 변형을 측정하기 위한 센서(28, 29)들이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 로드 셀.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 빔들 및 상기 핀들의 폭은 상기 공동의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 로드 셀.
8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 핀들은 가요성 벽과 일체형인 것을 특징으로 하는 로드 셀.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 수단은 상기 가요성 벽(5)에 설치된 짧은 스터드(40)상에 장착된 하나 이상의 센서 캐리어를 포함하며, 상기 센서 캐리어상에 상기 가요성 벽(5)과 대면하는 전극(38, 39)이 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 로드 셀.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 수단은 상기 가요성 벽(5)에 설치된 각각의 짧은 스터드상에 장착된 두 개의 센서 캐리어(41, 43)를 포함하며, 상기 센서 캐리어상에 상기 가요성 벽(5)과 대면하는 전극(42, 44)이 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 로드 셀.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 센서 수단은 상기 센서 캐리어(41, 43)를 지지하는 두 개의 짧은 스터드의 위치에, 상기 가요성 벽(5)에 연결된 두 개의 분리 빔들을 포함하는 것을 특징으로 하는 로드 셀.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 수단은 용량성(capacitive)인 것을 특징으로 하는 로드 셀.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 수단은 유도성(inductive)인 것을 특징으로 하는 로드 셀.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 수단은 상기 가요성 벽(5)에서의 스트레인을 측정하기 위해 가요성 벽(5)들에 장착되는 하나 이상의 스트레인 센서(35, 36)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 로드 셀.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 수단은 상기 가요성 벽(5)에서의 스트레인을 측정하기 위해 가요성 벽(5)들에 장착되는 하나 이상의 스트레인 게이지 센서(strain gauge sensors; 35, 36, 37')들을 포함하는 것을 특징으로 하는 로드 셀.

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