KR101808928B1 - 스트레인 전송기 - Google Patents

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토마스 카도나우
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키스틀러 홀딩 아게
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Abstract

본 발명은 스트레인 바디(3)를 구조체(2) 상에 고정시키기 위한 고정 디바이스들(5)과 스트레인 축(4)을 갖는 스트레인 바디(3) 및 스트레인 축(4) 상에서 구조체(2)의 상기 고정 디바이스들(5) 사이 중심에 배열되는 측정 요소(6)를 포함하는 구조체(2)의 스트레인을 검출하기 위한 스트레인 전송기에 관한 것이다. 측정 요소(6)는 금속 시트(11)를 포함하며, 여기서 풀 브리지(7)에 연결되는 정적 측정, 압전 저항성 실리콘 칩(8)이 금속 시트(11)의 전체 표면에 적용된다. 칩은 스트레인의 레벨에 비례하여 변형된 상태로 전압을 낸다. 측정 요소(6)는 또한 인쇄 회로 기판(13)을 포함하며, 전기 접촉부들(12)이 실리콘 칩(8)으로부터 인쇄 회로 기판(13)을 따라 안내된다.

Description

스트레인 전송기{STRAIN TRANSMITTER}
본 발명은 스트레인 바디를 구조체에 부착시키기 위한 부착 디바이스들과 스트레인 축을 갖는 스트레인 바디, 그리고 스트레인 축 상에서 구조체의 상기 부착 디바이스들 사이에 중심 배열되는 측정 요소를 포함하는, 구조체 상의 스트레인을 기록하기 위한 스트레인 전송기에 관한 것이다.
스트레인 전송기들은 예를 들어, 공정들을 모니터링하기 위해 기계 구조체들 상에 장착된다. 사출 성형 기계들의 경우에, 예를 들어, 성형 도구들의 폐쇄력은 스트레인 전송기들로 모니터링되며, 여기서 스트레인 게이지들이 일반적으로 이러한 목적으로 사용된다. 이들은 도구들이 폐쇄될 때 발생하는 힘들과 같은 큰 힘들에서 비롯되는 큰 스트레인들에 대한 매우 신뢰할 수 있는 측정값들을 산출한다. 그러나, 다른 한편으로는, 매우 작은 힘들을 측정하는 것 또한 가능해야 한다. 동작하는 동안, 이른바 주형 보호 기능은 구성 요소가 주형으로부터 정확하게 제거되지 않은 경우 주형 부분들의 폐쇄가 즉시 중단된다는 점에서 도구를 손상으로부터 보호하도록 설계된다. 이를 위해, 도구 상의 스트레인들에 대하여 최소 힘들을 기록하는 것이 가능해야 한다.
스트레인 게이지들은 작은 스트레인들을 기록하는데 더 부족할 수 있다. 반면에, 압전 스트레인 전송기들은 작은 스트레인 및 큰 스트레인 모두를 기록하는데 탁월하게 적절하지만, 공교롭게도 정적 측정들은 행할 수 없다.
GB 1456403에, 중앙에 측정 브리지를 갖는 칩을 특징으로 하고, 결정되는 전단 응력에 기반하여 기본 구조체 상의 스트레인을 추정할 수 있는 S자형 스트레인 전송기가 명시되어 있다. 상기 칩과의 접촉은 매우 번거로운 것으로 나타났다.
본 발명의 목적은 매우 작고 매우 큰 측정들 모두를 기록할 수 있고, 정적 측정들을 행할 수도 있는 도입 부분에 설명된 유형의 스트레인 전송기를 구체화하는 것이다. 더욱이, 상기 스트레인 전송기는 구조체와의 접촉이 용이해야 하고, 구조체 상의 온도 변동들을 용이하게 보상할 수 있어야 한다.
상기 목적은 측정 요소가 플레이트를 포함하며, 여기서 압전 저항성 실리콘 칩이 플레이트의 전체 표면 영역에 걸쳐 장착되며; 이러한 칩이 정적 측정들을 행할 수 있고, 풀 브리지에 연결되며, 칩의 스트레인에 비례하는 전압을 출력하여 회로 기판이 측정 요소 상에 장착되고, 이 회로 기판은 실리콘 칩의 전기 접촉부들과 전기적으로 연결된다는 점에서 달성된다. 회로 기판은 필연적으로 플레이트로부터 절연되는 전도성 트랙들을 포함하며, 이 전도성 트랙들은 바람직한 배열에서 연결기와 차례로 전기적으로 연결되며, 이 연결기는 마찬가지로 플레이트 상에 배열된다.
풀 브리지에 연결되는 상기 실리콘 칩은 마찬가지로 풀 브리지에 연결되는 통상적인 스트레인 게이지 센서의 감도보다 대략 60배 더 높은 감도를 갖기 때문에, 대략 1마이크로스트레인(1 με) 즉, 미터 당 1마이크로미터(㎛/m)까지의 매우 낮은 레벨 신호들도 기록할 수 있다. 압전 센서들과 대조적으로, 저항 브리지에 연결되는 실리콘 칩은 전압 신호를 출력하고 정적 측정들을 행할 수 있다.
칩이 플레이트 상에 배열되고 회로 기판을 통해 접촉부들과 이미 연결되어 있으므로, 이에 따라 측정 요소의 기능성은 스트레인 바디에 장착되기 전에 확인될 수 있다. 이러한 방법에 의해, 결함이 있는 칩이 초기 단계에서 확인되고 불합격 처리될 수 있어, 완성된 제품들의 불량률이 크게 감소될 수 있다.
플레이트는 모든 스트레인 바디의 주변 에지들을 따라 스트레인 바디에 용접될 수 있어 안정적인 연결을 생성할 수 있다.
플레이트는 바람직하게는 스트레인 바디의 하부면 상에 장착되며, 스트레인 바디가 구조체의 장착 평면상에 장착될 때 상기 하부면 쪽으로 안착된다. 그러나, 플레이트는 작은 이격 거리, 예를 들어, 모세관 이격 거리만큼 상기 장착 평면으로부터 이격되어, 플레이트와 구조체 사이의 어떤 마찰력도 측정을 왜곡하지 않도록 해야 한다. 구조체와의 근접도는 측정 요소 상의 온도가 구조체 상의 온도와 동일할 것을 보장한다. 이를 위해, 칩 및 회로 기판은 구조체로부터 멀리 향하는 플레이트의 측부 상에 놓인다. 스트레인 바디의 하부면을 통과하는 스트레인 바디의 연속 개방부는 연결기로의 단자 연결부 또는 회로 기판상의 적절한 접촉부들로의 액세스를 제공한다.
이하에서, 본 발명은 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명된다:
도 1은 종래 기술에 따른 스트레인 전송기의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 스트레인 전송기에 사용되는 풀 브리지를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 스트레인 전송기의 바람직한 실시예의 도면이다.
도 4는 본 발명의 스트레인 전송기에 대한 측정 요소의 개략 평면도이다.
도 5는 구조체 상에 장착되는, 증폭기를 갖는 본 발명의 스트레인 전송기의 개략 단면도이다.
본 발명은 스트레인 전송기(1)가 구조체(2) 상에 장착될 때, 구조체(2) 상의 스트레인을 검출하기 위한 스트레인 전송기(1)에 관한 것이다. 도 3은 본 발명의 스트레인 전송기(1)의 간단한 바람직한 형태를 도시한다. 구조체(2)에 부착되고 증폭기를 포함하는 전술한 스트레인 전송기(1)의 일 예가 도 5에 도시된다.
도 1은 종래 기술에 따른 스트레인 전송기를 도시한다. 스트레인 전송기는 중심 스트레인 축(4)을 갖는 스트레인 바디(3)를 가지며, 측정 시에 상기 스트레인 바디(3)는 중심 스트레인 축(4)을 따라 변형된다(strained). 스트레인 바디(3)는 각각 2개의 부착 디바이스(5)를 갖는 2개의 단부 영역(9) 및 또한 측정 요소(6)를 갖는 중심 영역(10)을 포함하며, 특히 측정 요소(6)는 또한 스트레인 축(4) 상에서 부착 디바이스들(5) 사이의 중심에 배열된다. 상기 측정 요소(6)는 풀 브리지(7)를 형성하도록 연결되는 4개의 스트레인 감응성 저항(R)을 포함하며; 여기서 저항 각각은 스트레인 축과 평행하게 또는 스트레인 축에 수직으로 배열된다. 도 2에서는, 본 발명의 구성에서 바람직하게 배치되어 있는 풀 브리지가 보다 상세히 설명된다. 저항들 사이의 대향하는 각각의 브리지쌍은 각자 측정된 신호의 전압 강하 S+, S-에 대해 전원 E+, E-의 단자들을 각각 형성하며, 여기서 전압 강하 S+, S-는 V로 지정된다. 도 1에서의 구성과 대조적으로, 도 2에서의 풀 브리지(7)의 저항들은 스트레인 축(4)과 45°각도로 배열되며, 이는 도 1에서의 구성과 비교하여 측정 요소의 감도를 대략 50% 증가시킨다.
본 발명의 스트레인 전송기(1)는 스트레인 바디(3)가 장착되어 있으며, 스트레인 바디(3)는 그 안에 구비되는 도 2에 따른 풀 브리지를 갖는 실리콘 칩(8)을 포함하며; 스트레인 바디는 그의 스트레인에 비례하는 전압을 출력한다.
도 3은 본 발명의 스트레인 전송기(1)에 바람직하게 설치된 본 발명의 스트레인 바디(3)를 도시한다. 상기 스트레인 바디(3)는 S자의 형상과 유사한 형상을 갖고 있으며; 그 형상은 미러링(mirroring)된 S자와 유사할 수도 있다. 이어서, 상기 스트레인 바디(3)는 각각 2개의 부착 디바이스(5)를 갖는 2개의 외부 단부 영역(9), 그리고 또한 측정 요소(6)를 갖는 중심 영역(10)을 갖는다. 본 발명의 실시예의 형태에서, 외부 영역들과 중심 영역의 연결부들(18)은 스트레인 축(4)의 외부 중심점에 대하여 대칭적으로 배열된다. 그러므로, 스트레인 축(4)은 스트레인 바디(3)의 외부에서 부착 디바이스들(5) 사이에 두 번 제공된다. 부착 디바이스들(5) 사이의 당김이 있는 경우, 스트레인 바디(3)의 중심 영역(10)은 연결부들(18)에서의 단부 영역들과 연결되기만 하였으므로 회전되고 뒤틀린다. 이러한 연결부들(18)이 스트레인 축(4)의 외부의 중심점에 대하여 대칭적으로 배열되므로, 모멘트가 중심 영역(10)에 작용한다. 본 발명의 스트레인 전송기의 측정 요소(6)는 바람직하게는 전단 응력을 기록한다. 이는, 전단 응력이 인장 응력보다 훨씬 더 균질의 형태로 발생되므로 유리하다.
도 4는 플레이트(11)를 갖는 전술한 측정 요소(6)를 도시하며, 여기서 바람직하게는 중심에, 실리콘 칩(8)이 플레이트(11)의 전체 표면 영역에 걸쳐 장착된다. 측정 요소(6)는 또한 회로 기판(13)를 포함하며, 여기서 전기 접촉부들(12)은 회로 기판(13)을 통하여 실리콘 칩(8)에 연결된다. 회로 기판(13)은 적어도 전도성 트랙들(23)을 포함하며, 전도성 트랙들(23)은 플레이트(11) 상에 절연 방식으로 장착된다. 플레이트(11)는 바람직하게는 연결기(11)를 포함하며, 연결기(11)는 전도성 트랙들(23)에 접촉되어 있다. 다른 상황들에서, 회로 기판(13)은 도시되지는 않았지만 접촉점들을 가질 수 있으며, 접촉점들은 증폭기 또는 평가부의 단자 연결부들에 직접적으로 접촉할 수 있다.
전단 응력의 기록에서, 실리콘 칩(8)은 플레이트(11) 상에 대각선으로 장착되어 있어, 실리콘 칩(8)이 원하는 방향으로의 전단을 겪는다.
플레이트(11)를 갖는 측정 요소(6)는 바람직하게는 스트레인 바디(3)의 주변부 전체에 걸쳐 스트레인 바디(3) 바로 위에 장착되며, 또는 바람직하게는 용접된다. 이러한 방법에 의해, 안정적인 접합이 생성될 수 있다. 게다가, 스트레인 바디(3)는 특히 이러한 용접된 영역 내에 개구부(22)를 가지며, 개구부(22)를 통해 회로 기판(13)으로의 연결을 행할 수 있다.
도 5는 스트레인 축(4)의 단면상에서의 본 발명의 스트레인 전송기(1)를 도시한다. 부착 나사들(19)은 스트레인 전송기(1), 특히 스트레인 바디(3)의 단부 영역들(9)에서 구조체(2)로 고정시킨다. 스트레인 바디(3)는 장착 평면(15)을 가지며, 여기서 스트레인 바디(3)는 상기 장착 평면(15)을 통해 구조체(2)에 대하여 평평하게 안착된다. 상기 스트레인 바디(3)가 도 3에 따라 S자 형상을 가지므로, 스트레인 바디(3)는 계속해서 도시되지 않는다. 실리콘 칩(8)을 갖는 측정 요소(6)는 중심 영역(10)에 배열된다.
본 발명에 따르면, 장착된 상태의 측정 요소(6)는 최소한 가능한 이격 거리, 예를 들어, 모세관 이격 거리(21)만을 갖고 구조체(2)에 대하여 거의 평평하게 안착된다. 이것은 구조체의 온도가 측정 요소(6)에서의 온도와 항상 가능한 근접하게 동일하다는 이점을 갖는다.
실리콘 칩(8)에서의 측정을 위해, 각각의 경우에 정전류 전원이 E+, E-로 인가된다. S+와 S- 사이에서 기록되는 전압 V은 칩에서 스트레인에 의해 야기되는 측정된 신호를 재생한다. 본 발명에 따르면, 스트레인에 의해 야기되는 전압 V에 더하여, 전류 국부 온도 T1가 실리콘 칩(8)으로부터 판독될 수도 있다. 이를 위해, E+와 E- 사이의 브리지 전압이 정전류 전원에서 측정된다. 칩(8) 상의 정적 온도가 변동되면, 저항들 또한 칩 상에 어떤 스트레인도 없이 변동된다. 이러한 브리지 저항의 변화는 E+, E-에서의 브리지 전압의 변화로 기록될 수 있으며, 이 결과로서 구조체의 제1 온도 T1가 결정될 수 있다.
V, T1와 같은 값들을 기반으로, 교정표들을 이용하여 구조체(2) 상의 스트레인을 결정할 수 있다. 따라서, 정적 온도 조건들이 보상될 수 있다. 정적 온도 조건은 상승되거나 하락될 수 있는 온도지만 더 긴 기간에 걸쳐서는 일정하다.
정적 온도 조건에 의해 야기되는 측정 오류들은 상술된 방식으로 보상될 수 있다. 따라서, 칩(8)은 또한 제1 온도 센서로 설계될 수도 있다.
스트레인 전송기(1)는 바람직하게는 또한 도시되지 않은 평가부로의 단자 연결부(20)를 갖으며 증폭기(17)가 구비된다. 특히, 증폭기(17)는 전기 접촉부들 또는 연결기(14) 상의 추가의 연결기로 측정 요소(6)에 부착될 수 있다. 증폭기(17)의 오작동의 경우에, 후자는 용이하게 분리되고 교체될 수 있으며, 스트레인 전송기(1)가 이러한 목적으로 구조체(2)로부터 분리될 필요가 없다.
증폭기(17)는 바람직하게는 2개의 상이한 출력 범위를 갖는 쌍채널 증폭기이다. 이러한 방식으로, 매우 작고 매우 큰 신호들 모두가 동일한 스트레인 전송기로 송신될 수 있다는 점이 보장될 수 있다.
특히, 증폭기(17)는 온도 변동들에 의해 야기되는 측정 오류들을 보상하기 위해 제2 온도 센서(16)를 포함할 수 있다.
부가 온도 센서(16)를 사용하여 제2 국부 온도 T2가 결정될 수 있다. 온도들 T1, T2이 서로 상이한 값을 갖게 되자마자, 정적 온도 조건들은 더 이상 우세하지 않고, 오히려 온도 변동들이 우세하게 된다. 동적으로 동일하지 않은 온도들 T1, T2이 검출되었을 때, 구조체(2) 상에서 결정되는 스트레인은 추가의 교정 곡선들을 사용하여 정정되어 동적 온도 변동들을 보상할 수 있다.
1 스트레인 전송기 2 구조체
3 스트레인 바디 4 스트레인 축
5 부착 디바이스들 6 측정 요소
7 풀 브리지 8 실리콘 칩
9 단부 영역 10 중심 영역
11 플레이트 12 전기 접촉부들
13 회로 기판 14 연결기
15 장착 평면 16 제2 온도 센서
17 증폭기 18 연결부들
19 부착 나사들 20 단자 연결부
21 모세관 이격 거리 22 개구부
23 절연된 전도성 트랙들 R 저항
E+, E- 전원 S+, S- 측정된 신호의 전압 강하
V 스트레인을 결정하기 위한 전압 T1 플레이트 및 구조체 상의 온도
T2 구조체와는 다른 온도인, 주변 온도

Claims (14)

  1. 구조체(2) 상의 스트레인을 검출하기 위한 스트레인 전송기(1)로서,
    스트레인 바디(3)를 구조체(2)에 부착시키기 위한 부착 디바이스들(5)과 스트레인 축(4)을 가지며, 측정 동안에 스트레인 바디(3)가 스트레인 축(4)을 따라 변형되는(strained) 상기 스트레인 바디(3)와,
    상기 부착 디바이스들(5) 사이의 스트레인 축(4) 상에서 상기 구조체(2)의 중심에 배열되는 측정 요소(6)를 포함하며:
    상기 측정 요소(6)는 플레이트(11)를 포함하고, 압전 저항성 실리콘 칩(8)이 상기 플레이트(11)의 전체 표면 영역에 걸쳐 장착되며; 상기 플레이트(11)는 상기 스트레인 바디(3) 상에 직접(directly) 장착되고; 상기 압전 저항성 실리콘 칩(8)은 정적 측정들을 행할 수 있고 풀 브리지(7)에 연결되며, 변형된 상태(strained state)에서 칩의 스트레인에 비례하는 전압을 출력하며; 상기 측정 요소(6)는 또한 회로 기판(13)을 포함하고, 상기 회로 기판(13)은 상기 플레이트(11) 상에 절연 방식으로 장착되는 절연된 전도성 트랙들(23)을 포함하며, 전기 접촉부들(12)이 상기 압전 저항성 실리콘 칩(8)으로부터 상기 회로 기판(13)을 통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 스트레인 전송기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정 요소는 연결기(14)를 포함하며,
    여기서, 상기 전기 접촉부들(12)은 상기 회로 기판(13)을 통하여 상기 실리콘 칩(8)으로부터 상기 연결기(14)에 연결되는 것을 특징으로 하는 스트레인 전송기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 풀 브리지(7)는 상기 스트레인 축(4)에 45°각도로 배열되는 저항들을 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 전송기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인 바디(2)는 부착 디바이스들(5)을 갖는 2개의 외부 단부 영역(9)과 측정 요소(6)를 갖는 중심 영역(10)을 가지고, S자의 형상과 유사한 형상을 가지며,
    여기서, 상기 외부 단부 영역들과 상기 중심 영역의 연결부들은 상기 스트레인 축(4)의 외부에 있는 중심점에 대하여 대칭적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 스트레인 전송기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인 바디(3) 상의 스트레인이 발생하는 경우에, 상기 측정 요소(6)는 전단 응력을 기록할 수 있는 것을 특징으로 하는 스트레인 전송기.
  6. 제1항에 있어서,
    장착된 상태에서 상기 구조체(2)에 대하여 평평하게 안착되는 장착 평면(15)을 포함하며,
    상기 측정 요소(6)는 상기 장착 평면(15)에 인접한 스트레인 전송기에 장착되어 모세관 이격 거리(21)만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 스트레인 전송기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 칩(8)은 온도 변동들에 의해 야기되는 측정 오류들을 보상하기 위한 제1 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 전송기.
  8. 제1항에 있어서,
    평가부로의 단자 연결부(20)를 갖는 증폭기(17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 전송기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 증폭기(17)는 전기 접촉부들(12)을 갖는 상기 측정 요소(6) 상에 부착되는 것을 특징으로 하는 스트레인 전송기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 증폭기(17)는 2개의 상이한 출력 범위를 갖는 쌍채널 증폭기인 것을 특징으로 하는 스트레인 전송기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 증폭기(17)는 동적 온도 변동들에 의해 야기되는 측정 오류들을 보상하기 위한 제2 온도 센서(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 전송기.
  12. 제1 온도 센서를 갖는, 제7항에 따른 스트레인 전송기(1)를 사용하여 구조체(2) 상의 스트레인을 기록하기 위한 방법으로서,
    상기 실리콘 칩(8)으로부터 상기 스트레인에 의해 야기되는 전압 V과 또한 전류 국부 온도 T1가 판독되고, 상기 V, T1 값들 및 또한 교정표들을 기반으로, 상기 구조체(2) 상의 상기 스트레인이 측정되어 정적 온도 조건들을 보상하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 스트레인 전송기(1)는 평가부로의 단자 연결부(20)를 갖는 증폭기(17)를 포함하고, 상기 증폭기(17)는 동적 온도 변동들에 의해 야기되는 측정 오류들을 보상하기 위한 제2 온도 센서(16)를 포함하며,
    상기 제2 온도 센서(16) 상에서 제2 국부 온도 T2가 결정되고,
    동일하지 않은 온도들 T1, T2을 검출하는 경우에, 상기 구조체(2) 상에서 결정되는 상기 스트레인이 정정되어 동적 온도 변동들을 보상하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 증폭기(17)는 상기 플레이트(11) 상에 장착되는 연결기(14) 상에 부착되는 것을 특징으로 하는 스트레인 전송기.
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