KR102482611B1

KR102482611B1 - 분할 브리지 회로 힘 센서

Info

Publication number: KR102482611B1
Application number: KR1020227021816A
Authority: KR
Inventors: 아쉬윈람 수레쉬
Original assignee: 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2022-12-30
Also published as: EP3710800A4; US11460360B2; JP7114706B2; KR20220093402A; EP3710800A1; CN115574994A; CN111480059A; US20220390300A1; US11965789B2; CN111480059B; US20200278265A1; KR102415597B1; WO2019099562A1; KR20200058567A; JP2022161908A; JP2021503082A

Abstract

힘 센서는, 종방향 축 및 근위 단부와 원위 단부를 갖는 빔; 복수의 인장 게이지 저항기들과 복수의 압축 게이지 저항기들을 포함하고, 빔의 제1 면 상에 배치된 제1 휘트스톤 브리지; 복수의 인장 게이지 저항기들과 복수의 압축 게이지 저항기들을 포함하고, 빔의 제1 면 상에 배치된 제2 휘트스톤 브리지를 포함하며, 제1 및 제2 휘트스톤 브리지들 각각으로부터의 적어도 하나의 인장 게이지 저항기 및 적어도 하나의 압축 게이지 저항기는 빔의 근위 단부에 배치되고, 제1 및 제2 휘트스톤 브리지들 각각으로부터의 적어도 하나의 인장 게이지 저항기 및 적어도 하나의 압축 게이지 저항기는 빔의 원위 단부에 배치된다.

Description

분할 브리지 회로 힘 센서{SPLIT BRIDGE CIRCUIT FORCE SENSOR}

본 출원은 2017년 11월 15일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/586,721호, 및 2017년 11월 14일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/586,166호의 우선권의 이익을 주장하며, 그 각각은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.

특허 공보 제US 2011/0283804 A호가 "물리적 값, 예를 들어 힘, 압력, 온도, 토크, 또는 이들의 조합을 측정하기 위한 측정 장치"에서 휘트스톤 브리지 회로를 개시하고, 특허 공보 제JP 2017-194467 A호(또한, 대응 미국 특허 제US 10,871,413 B2호 참조)가 "장치에서 유체 압력을 측정하기 위한 변형 게이지 기반 압력 센서"에서 휘트스톤 브리지 회로를 개시한다.

최소한의 침습적 외과 수술 동안의 힘 감지 및 피드백은 더 나은 몰입감, 현실성 및 직관성을 그 수술을 수행하는 외과의사에게 가져다 줄 수 있다. 햅틱 렌더링 및 정확도의 최상의 성능을 위해, 힘 센서들은 수술 기구 상에 그리고 가능한 한 해부학적 조직 상호작용에 근접하여 배치될 수 있다. 하나의 접근법은 인쇄 또는 가산적 퇴적 프로세스들을 통해 힘 변환기 상에 형성된 전기 변형 게이지들을 갖는 수술 기구 샤프트의 원단에 힘 센서를 내장하여, 수술 기구에 전해지는 변형을 측정하는 것이다.

도 1은 4개의 풀-휘트스톤 브리지(풀-브리지들)를 갖는 직사각형 빔을 포함하는 힘 센서를 나타내는 예시적인 도면이다. 브리지 회로는 2개의 회로 브랜치(통상적으로 서로 평행함)가 그들을 따라 어떤 중간 포인트에서의 처음 2개의 브랜치 사이에 연결된 제3 브랜치에 의해 브리징되는 전기 회로의 회로 토폴로지이다. 빔의 종방향 축과 직교하는 힘들을 측정하기 위해 빔의 2개의 인접한 직교 측면들 각각 상에 2개의 풀-브리지가 형성된다. 빔은 샤프트의 종방향 축과 직교하는 힘들을 감지하기 위해 수술 기구 샤프트의 원위 부분에 고정될 수 있다. 빔의 측면과 직교하여 인가된 힘들(즉, X 또는 Y 힘)은 빔의 그 측면의 근위 및 원위 단부들에서 풀-브리지들에 의해 결정된 힘 측정치들을 감산함으로써 결정된다.

힘 센서는 측정될 관심 직교 힘, 모멘트, 비축(off axis) 힘, 비축 모멘트, 압축/인장, 비틀림, 주위 온도 및 온도 기울기를 포함하는 다양하고 상이한 변형 소스들을 경험할 수 있다. 풀-브리지들 각각은 다음의 응력, 즉 온도, 비틀림, 비축 힘, 및 비축 모멘트를 소거한다. 각각의 개별 풀-브리지 출력은 힘, 모멘트, 및 압축/인장으로 인한 응력을 나타낸다. 측면 상의 원위 풀-브리지에 의해 생성된 출력 값으로부터의 동일 측면 상에 형성된 근위 풀-브리지에 의해 생성된 출력 값의 감산은, 모멘트 및 압축/인장을 소거하여, 측정될 관심 직교 힘을 나타내는 출력 값을 낳는다.

수술 기구 힘 센서는 환자 안전을 보장하는 데에 중요할 수 있다. 따라서, 힘 센서 에러 검출은 힘 센서 고장들을 검출함으로써 손상을 보호하기 위해 요구될 수 있다. 에러 검출에 대한 하나의 접근법은 에러들을 검출하기 위해 비교될 수 있는 중복 힘 측정치들을 생성하기 위해 추가적인 풀-브리지들을 제공하는 것일 수 있다. 그러나, 빔 측면들 상의 제한된 공간은 측면 상의 추가적인 풀-브리지들의 형성이 비실용적이게 한다. 더욱이, 제조 프로세스는 통상적으로 최대 2개의 측면 상의 브리지들의 형성으로 제한된다. 4개의 측면 상의 브리지들의 형성은 제조 비용을 상당히 증가시킬 것이다.

일 양태에서, 힘 센서는 종방향 축 및 근위 단부와 원위 단부를 갖는 빔을 포함한다. 제1 휘트스톤 브리지는 제1 및 제2 인장 게이지 저항기들과 제1 및 제2 압축 게이지 저항기들을 포함하고 빔의 제1 면 상에 배치된다. 제2 휘트스톤 브리지는 제3 및 제4 인장 게이지 저항기들과 제3 및 제4 압축 게이지 저항기들을 포함하고 빔의 제1 면 상에 배치된다. 제1 및 제3 인장 게이지 저항기들과 제1 및 제3 압축 게이지 저항기들은 빔의 근위 단부에 배치된다. 제2 및 제4 인장 게이지 저항기들과 제2 및 제4 압축 게이지 저항기들은 빔의 원위 단부에 배치된다.

다른 양태에서, 힘 센서는 종방향 축 및 근위 단부와 원위 단부를 갖는 빔을 포함한다. 제1 인장 게이지 하프-브리지는 제1 및 제2 인장 게이지 저항기들을 포함하고 빔의 제1 면 상에 배치된다. 제2 인장 게이지 하프-브리지는 제3 및 제4 인장 게이지 저항기들을 포함하고 빔의 제1 면 상에 배치된다. 압축 게이지 하프-브리지는 제1 및 제2 압축 게이지 저항기들을 포함하고 빔의 제1 면 상에 배치된다. 제1 및 제3 인장 게이지 저항기들과 제1 압축 게이지 저항기는 빔의 근위 단부에 배치된다. 제2 및 제4 인장 게이지 저항기들과 제2 압축 게이지 저항기는 빔의 원위 단부에 배치된다.

또 다른 양태에서, 힘 센서는 종방향 축 및 근위 단부와 원위 단부를 갖는 빔을 포함한다. 제1 브리지 회로는 복수의 인장 게이지 저항기들 및 적어도 하나의 압축 게이지 저항기를 포함하고 빔의 제1 면 상에 배치된다. 제2 브리지 회로는 복수의 인장 게이지 저항기들 및 적어도 하나의 압축 게이지 저항기를 포함하고 빔의 제1 면 상에 배치된다. 제1 및 제2 브리지 회로들 각각으로부터의 적어도 하나의 인장 저항기와 제1 및 제2 브리지들 중 하나로부터의 적어도 하나의 압축 게이지 저항기는 빔의 근위 단부에 배치된다. 제1 및 제2 브리지 회로들 각각으로부터의 적어도 하나의 인장 저항기와 제1 및 제2 브리지들 중 다른 하나로부터의 적어도 하나의 압축 게이지 저항기는 빔의 원위 단부에 배치된다.

반드시 축척에 맞게 그려진 것이 아닌 도면들에서, 유사한 부호들이 상이한 도면들 내의 유사한 구성요소들을 기술할 수 있다. 상이한 문자 접미사들을 갖는 유사한 부호들은 유사한 구성요소들의 상이한 사례들을 나타낼 수 있다. 도면들은 일반적으로, 비제한적인 예로서, 본 문서에서 논의되는 다양한 실시예들을 예시한다.
도 1은 4개의 풀-휘트스톤 브리지(풀-브리지들)를 갖는 직사각형 빔을 포함하는 힘 센서를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 2는 일부 예들에 따라, 힘 센서 빔이 그 위에 장착된 세장형 샤프트를 갖는 수술 기구의 원위 부분의 예시적인 측면도이다.
도 3은 분할 브리지 회로들의 쌍이 그 위에 형성된 빔 측면을 갖는 힘 센서 빔의 예시적인 사시도이다.
도 4a는 제1 풀-브리지 회로를 나타내는 예시적인 개략도이다.
도 4b는 제2 풀-브리지 회로를 나타내는 예시적인 개략도이다.
도 5는 엇갈림식 분할 브리지 회로들의 쌍이 그 위에 형성된 빔 측면을 갖는 힘 센서 빔의 예시적인 사시도이다.
도 6은 인터리빙된 분할 하프-브리지 회로들의 쌍을 갖는 빔 측면을 갖는 힘 센서 빔의 예시적인 사시도이다.
도 7은 3개의 하프-브리지 회로를 나타내는 예시적인 개략도이다.
도 8은 도 6의 인터리빙된 3개의 하프-브리지 예의 게이지 센서들의 배열을 도시하는 빔의 예시적인 측면도이다.
도 9는 엇갈림식 분할 하프-브리지 회로들의 쌍을 갖는 빔 면을 갖는 힘 센서 빔의 예시적인 사시도이다.
도 10은 도 9의 엇갈림식 3개의 하프-브리지 예의 게이지 센서들의 배열을 나타내는 예시적인 측면도이다.
도 11은 빔의 중립 축을 따라 배치된 T-게이지(인장) 및 C 게이지(압축)를 갖는 빔의 예시적인 사시도이다.
도 12는 빔의 근위 단부 및 원위 단부에서 각각 빔의 중립 축을 따라 배치된 인장 게이지들(R1 및 R2)을 갖는 빔의 예시적인 사시도이다.
도 13은 도 12의 R1 및 R2를 포함하는 하프-브리지 회로를 나타내는 예시적인 개략도이다.
도 14는 힘이 빔에 인가되는 위치로부터의 거리 l에서의 변형 측정을 나타내는 캔틸레버 빔에 인가되는 힘의 예시적인 측면도이다.
도 15는 힘이 빔에 인가되는 위치로부터의 근위 거리 및 원위 거리에서의 변형 측정을 나타내는 캔틸레버 빔에 인가되는 힘의 예시적인 측면도이다.
도 16은 캔틸레버 빔의 측면도이다.
도 17a는 그 근위 단부에 배치된 휘트스톤 브리지를 갖는 빔의 측면도이다.
도 17b는 도 17a의 휘트스톤 브리지 회로의 개략도이다.
도 18은 인장 게이지 저항기(R1) 및 압축 게이지 저항기(R2)를 갖는 분할 휘트스톤 브리지를 갖는 빔의 측면도이다.
도 19는 그 위에 2개의 분할 풀 브리지 회로들을 갖는 빔을 포함하는 예시적인 힘 센서를 나타내는 예시적 도면이다.
도 20a는 2개의 근위 분할 브리지 회로 하프의 변형 게이지 요소들과 2개의 원위 분할 브리지 회로 하프의 변형 게이지 요소들 사이에서 연장되는 기계적으로 격리된 리드 라인들을 도시하는 예시적인 간략화된 블록도이다.
도 20b는 도 20a의 예시적인 센서의 변형 게이지 요소들의 제1 예시적인 배열의 특정 상세들을 도시하는 예시적인 도면이다.
도 20c는 도 20a의 예시적인 센서의 변형 게이지 요소들의 제2 예시적인 배열의 특정 상세들을 도시하는 예시적인 도면이다.
도 21은 입력 패드들 및 측정 패드들이 매칭하는 면적들을 갖는 한 세트의 근위 연결 패드들 및 한 세트의 원위 연결 패드들을 도시하는 예시적인 도면이다.
도 22는 측정 패드들이 입력 패드들보다 큰 면적을 갖는 한 세트의 근위 연결 패드들 및 한 세트의 원위 연결 패드들을 도시하는 예시적인 도면이다.
도 23은 여기 전압 입력들을 공유하는 빔에 배치된 예시적인 제1 및 제2 분할 브리지 회로들을 포함하는 힘 센서를 개략적으로 도시하는 예시적인 회로이다.
도 24는 도 23의 예시적인 이중 분할 브리지 회로에 대한 탭 리드 라인들을 나타내는 예시적인 도면이다.

도 2는 일부 예들에 따라, 힘 센서 빔(206)이 그 위에 장착되어 있는 부분적으로 절단된 것으로 도시된 세장형 샤프트(204)를 갖는 수술 기구(202)의 원위 부분의 예시적인 측면도이다. 수술 기구(202)는 엔드 이펙터(208)를 포함하며, 이는 예를 들어 관절식 조들을 포함할 수 있다. 외과 수술 동안, 엔드 이펙터(208)는 X, Y, 또는 Z 방향의 힘들을 초래할 수 있고 y-방향 축 중심의 모멘트 M_Y와 같은 모멘트 힘들을 초래할 수 있는 해부학적 조직과 접촉한다. 종방향 축(210)을 포함하는 힘 센서(206)는 종방향 축(210)에 수직인 X 및 Y 힘들을 측정하는데 이용될 수 있다.

도 3은 분할 브리지 회로들의 쌍이 그 위에 형성된 빔 측면(212)을 갖는 힘 센서 빔(206)의 예시적인 사시도이다. 브리지 회로들은 각각의 브리지 회로의 일부가 빔의 근위 단부에 배치되고, 브리지 회로의 일부가 빔의 원위 단부에 배치되는 식으로 분할된다. 보다 상세하게는, 도 3의 예에서, 브리지 회로들은, 일부 예들에 따라, 근위 빔 단부(206P)에서 중립 축(빔의 측면들로부터 등거리임)을 따라 정렬된 변형 게이지 저항기들(R_C1, R_C3, R_T1, R_T3)을 갖고, 원위 빔 단부(206D)에서 중립 축을 따라 정렬된 변형 게이지 저항기들(R_C2, R_C4, R_T2, R_T4)을 갖는, 브리지 회로들 상에 형성된 인터리빙된 분할 풀-휘트스톤 브리지들(풀-브리지들)로서 구성된다. 인터리빙된 분할 풀-브리지들의 동일한 쌍(도시되지 않음)이 인접한 직교 빔 측면(214) 상에 형성된다. 인접한 직교 측면들 상에 형성된 인터리빙된 분할 풀-브리지들의 쌍은 빔(206)의 종방향 축(210)에 수직인 힘들을 측정하도록 구성되고, 이는 빔에 인장 변형을 줄 수 있다. 중립 축을 따른 게이지 저항기들의 정렬은 중립 축이 비축 힘과 모멘트들에 둔감하기 때문에 비축 부하의 영향을 감소시킨다는 것을 이해할 것이다.

도 4a는 입력 전압 V_in을 수신하고 제1 출력 전압 V_O1을 생성하도록 도시된 바와 같이 결합된, 인장 변형 게이지 저항기들(R_T1 및 R_T2)을 포함하는 인장-게이지 하프-브리지를 포함하고, 압축 변형 게이지 저항기들(R_C1 및 R_C2)을 포함하는 압축-게이지 하프-브리지를 포함하는, 제1 분할 풀-브리지 쌍을 나타내는 예시적인 개략도이다. 도 4b는 입력 전압 V_in을 수신하고 제2 출력 전압 V_O2를 생성하도록 도시된 바와 같이 결합된, 인장-게이지 하프-브리지 인장 변형 게이지 저항기들(R_T3 및 R_T4)을 포함하고, 압축 변형 게이지 저항기들(R_C3 및 R_C4)을 포함하는 압축-게이지 하프-브리지를 포함하는, 제2 분할 풀-브리지 쌍을 나타내는 예시적인 개략도이다.

아래에 더 충분히 설명되는 바와 같이, 각각의 인장 변형 게이지 저항기(R_T1-R_T4) 및 각각의 압축 변형 게이지 저항기(R_C1-R_C4)는 병렬로 정렬되고 단부-대-단부 결합되어 사형 또는 뱀 같은 구성을 형성하는 복수의 세장형 저항기 부분들을 포함한다. 압축 변형 게이지 저항기들(R_C1-R_C4)의 세장형 부분들은 빔(206)에 대한 압축 변형을 감지하기 위해 빔의 종방향 축(210)에 평행하게 정렬될 수 있다. 인장 변형 게이지 저항기들(R_T1-R_T4)의 세장형 부분들은 빔에 대한 인장 변형을 감지하기 위해 빔의 종방향 축에 수직하게 정렬될 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 각각의 인터리빙된 분할 풀-브리지는 빔(206)의 근위 단부(206P)에 배치된 인장 게이지 센서 저항기 및 압축 게이지 센서 저항기를 갖는다. 각각의 인터리빙된 분할 풀-브리지는 또한, 빔(206)의 원위 단부(206D)에 배치된 인장 게이지 센서 및 압축 게이지 센서를 갖는다. 구체적으로, 변형 게이지 저항기들(R_T1, R_T3,R_C1 및 R_C3)은 빔(206)의 근위 단부(206P)에 배치되고, 변형 게이지 저항기들(R_T2, R_T4, R_C2 및 R_C4)은 빔(206)의 원위 단부(206D)에 배치된다. 더욱이, 변형 게이지 저항기(R_T1)의 세장형 부분들은 공동 위치되고 빔의 동일한 종방향 영역을 점유하기 위해 변형 게이지 저항기(R_T3)의 세장형 부분들과 인터리빙된다. 변형 게이지 저항기(R_C1)의 세장형 부분들은 공동 위치되고 빔의 동일한 종방향 영역을 점유하기 위해 변형 게이지 저항기(R_C3)의 세장형 부분들과 인터리빙된다. 인터리빙된 압축 게이지 저항기들(R_C1, R_C3)은 인터리빙된 인장 저항기들(R_T1, R_T3)보다 빔의 근위 단부에 더 가깝게 배치된다. 변형 게이지 저항기(R_T2)의 세장형 부분들은 공동 위치되고 빔의 동일한 종방향 영역을 점유하기 위해 변형 게이지 저항기(R_T4)의 세장형 부분들과 인터리빙된다. 변형 게이지 저항기(R_C3)의 세장형 부분들은 공동 위치되고 빔의 동일한 종방향 영역을 점유하기 위해 변형 게이지 저항기(R_C4)의 세장형 부분들과 인터리빙된다. 인터리빙된 압축 게이지 저항기들(R_C2, R_C4)은 인터리빙된 인장 저항기들(R_T2, R_T4)보다 빔의 원위 단부로부터 더 멀리 배치된다. 도 3의 예의 변형 게이지 저항기들의 인터리빙은 도 8의 예시적인 도면들에 나타낸 인터리빙된 하프-브리지 예와 관련한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.

도 5는 일부 예들에 따라, 근위 빔 단부(206P)에서 중립 축을 따라 정렬된 변형 게이지 저항기들(R_C1, R_C3, R_T1, R_T3)을 각각 갖고, 원위 빔 단부(206D)에서 중립 축을 따라 정렬된 변형 게이지 저항기들(R_C2, R_C4, R_T2, R_T4)을 각각 갖는, 그 위에 형성된 엇갈림식 분할 풀-브리지들을 갖는 빔 측면(212)을 갖는 힘 센서 빔(206)의 예시적인 사시도이다. 빔은 4개의 세장형의 직사각형 측면들 및 직사각형 단부 면들을 갖는다. 엇갈림식 분할 풀-브리지들의 동일한 쌍(도시되지 않음)이 인접한 직교 빔 측면(214) 상에 형성된다. 인접한 직교 측면들 상에 형성된 엇갈림식 분할 풀-브리지들의 쌍은 빔의 종방향 축에 수직인 힘들을 측정하도록 구성되며, 이는 빔에 인장 변형을 줄 수 있다.

위에서 설명된 도 4a-4b의 예시적인 개략도들은 도 5의 엇갈림식 분할 풀-브리지들의 제1 및 제2 풀-브리지들을 나타낸다. 각각의 엇갈림식 분할 풀-브리지는 빔(206)의 근위 단부(206P)에 배치된 인장 게이지 센서 저항기 및 압축 게이지 센서 저항기를 갖는다. 각각의 풀-브리지는 또한 빔(206)의 원위 단부(206D)에 배치된 인장 게이지 센서 및 압축 게이지 센서를 갖는다. 구체적으로, 변형 게이지 저항기들(R_T1, R_T3,R_C1 및 R_C3)은 빔(206)의 근위 단부(206P)에 배치되고, 변형 게이지 저항기들(R_T2, R_T4, R_C2 및 R_C4)은 빔(206)의 원위 단부(206D)에 배치된다. 그러나, 도 3의 인터리빙된 분할 풀-브리지들의 쌍과 달리, 도 5의 엇갈림식 분할 브리지들은 각각의 풀-브리지의 변형 게이지들의 쌍들이 빔의 대향 단부들에서 서로 인접하게 배치되는 "엇갈림식" 배열로 배치된다. 제1 엇갈림식 분할 풀-브리지의 변형 게이지 저항기들(R_T1 및 R_C1)은 빔(206)의 근위 단부(206P)에서 서로 인접하게 배치된다. 제2 엇갈림식 분할 풀-브리지의 변형 게이지 저항기들(R_T3 및 R_C3)은 빔(206)의 근위 단부(206P)에서 서로 인접하게 배치되며, 변형 게이지 저항기들(R_T1 및 R_C1)보다 근위 단부(206B)로부터 더 멀리 오프셋된다. 유사하게, 제1 엇갈림식 분할 풀-브리지의 변형 게이지 저항기들(R_T2 및 R_C2)은 빔(206)의 원위 단부(206D)에서 서로 인접하게 배치된다. 제2 엇갈림식 분할 풀-브리지의 변형 게이지 저항기들(R_T4 및 R_C4)은 원위 단부(206D)에서 서로 인접하게 배치되며, 변형 게이지 저항기들(R_T2 및 R_C2)보다 원위 단부(206D)에 더 가깝게 오프셋된다.

인터리빙된 분할 풀-브리지와 엇갈림식 분할 풀-브리지 둘 다는 중복 제1 및 제2 출력 전압들 V_O1 및 V_O2를 생성한다. 도 3의 인터리빙된 분할 풀-브리지들의 쌍 및 도 5의 엇갈림식 분할 풀-브리지들의 쌍의 인장 및 압축 게이지 센서 저항기들의 종방향 분포는 소거되고, 3개의 방향 중 어느 방향에서 비축 부하 모멘트들과 같은 다른 소스들로부터의 힘들 및 측정되는 힘에 대해 2개의 직교 방향 중 어느 하나에서의 힘들에 의해 야기될 수 있는 잡음을 실질적으로 제거한다. 또한, 인터리빙된 분할 풀-브리지들의 쌍의 풀-브리지들 각각과 엇갈림식 분할 풀-브리지들의 쌍의 풀-브리지들 각각은 온도 변화의 영향들을 실질적으로 소거하도록 구성된 인장 및 압축 변형 게이지 저항기들 둘 다를 포함한다. 더욱이, 도 3의 예에서 이러한 변형 게이지 저항기들의 인터리빙은 빔의 동일한 위치들에서의 변형을 측정하는 것을 보장하고, 이는 빔의 길이를 따라 온도 변화들이 있더라도 중복 제1 출력 전압 V_O1 및 제2 출력 전압 V_O2가 매칭하는 값들을 갖는 것을 보장한다.

따라서, 빔의 근위 단부와 원위 단부 사이의 각각의 풀-브리지의 게이지 센서 저항기들의 분포는, 제1 및 제2 출력 신호들 V_O1 및 V_O2가 동일한 중복 값을 생성하도록, 힘의 다른 소스들로부터 기인하는 잡음의 영향들을 제거하고 온도의 영향들을 소거한다. 제1 및 제2 출력 신호 값들 V_O1 및 V_O2는 이들이 상이한 값들을 갖는지를 결정하기 위해 비교될 수 있다. V_O1 및 V_O2가 상이한 값들을 갖는다는 결정은 예를 들어 힘 센서에 대한 손상으로 인한 에러의 표시를 제공한다.

도 6은 일부 예들에 따라, 빔(206)의 근위 및 원위 단부들에 형성된 인장 게이지 센서 저항기들을 각각 포함하는 인터리빙된 분할 하프-휘트스톤 브리지들(하프-브리지들)의 쌍을 갖고 빔의 근위 및 원위 단부들에 형성된 압축 게이지 저항기들을 포함하는 공유된 하프-브리지를 갖는 빔 면(212)을 갖는 힘 센서 빔(206)의 예시적인 사시도이다. 제1 인장 게이지 하프-브리지는 근위 단부(206P)에서 변형 게이지 저항기(R_T1)를 포함하고, 원위 단부(206D)에서 변형 게이지 저항기(R_T2)를 포함한다. 제2 인장 게이지 하프-브리지는 근위 단부(206P)에서 변형 게이지 저항기(R_T3)를 포함하고, 원위 단부(206D)에서 변형 게이지 저항기(R_T4)를 포함한다. 압축 게이지 하프-브리지는 근위 단부에서 변형 게이지 저항기(R_C1)를 포함하고, 원위 단부(206D)에서 변형 게이지 저항기(R_C2)를 포함한다. 인장 게이지 센서 저항기들을 포함하는 인터리빙된 분할 하프-브리지들의 동일한 쌍(도시되지 않음) 및 압축 게이지 센서 저항기들을 포함하는 동일한 공유된 하프-브리지(도시되지 않음)가 인접한 직교 빔 면(214) 상에 형성된다. 인접한 직교 면들 상에 형성된 인터리빙된 분할 하프-브리지들의 쌍은 빔(206)의 종방향 축(210)에 수직인 힘들을 측정하도록 구성되며, 이는 빔에 인장 변형을 줄 수 있다. 인접한 직교 빔 면들 상에 형성된 공유된 압축 게이지 센서 저항기들은 빔의 종방향 축에 평행한 힘들을 측정하도록 구성되며, 이는 빔(206)에 압축 변형을 줄 수 있다.

도 7은 3개의 하프-브리지를 나타내는 예시적인 개략도이다. 제1 인장 게이지 하프-브리지(602)는 중립 축을 따라 정렬된 인장 변형 게이지 저항기들(R_T1 및 R_T2)을 포함한다. 제2 인장 게이지 하프-브리지(604)는 중립 축을 따라 정렬된 인장 변형 게이지 저항기들(R_T3 및 R_T4)을 포함한다. 압축 하프-브리지(606)는 중립 축을 따라 정렬된 압축 변형 게이지 저항기들(R_C1 및 R_C2)을 포함한다. 제1 및 제2 인장 게이지 하프-브리지들(602, 604) 및 압축 게이지 하프-브리지(606) 각각은 입력 전압 V_in을 수신하도록 결합된다. 제1 인장 게이지 하프-브리지(602)는 제1 인장 힘 출력 V_O1을 제공하도록 결합된다. 제2 인장 게이지 하프-브리지(604)는 제2 인장 힘 출력 V_O3을 제공하도록 결합된다. 압축 게이지 하프-브리지(606)는 압축 힘 출력 V_O2를 생성하도록 결합된다. 각각의 저항기(R_T1-R_T4 및 R_C1-R_C2)는 병렬로 정렬되고 단부-대-단부 결합되어 사형 또는 뱀 같은 구성을 형성하는 복수의 평행한 세장형 부분들을 포함한다. 저항기들(R_C1-R_C2)의 세장형 부분들은 압축 게이지 센서들로서 동작하도록 빔(206)의 종방향 축(210)에 평행하게 정렬된다. 저항기들(R_T1-R_T4)의 세장형 부분들은 인장 게이지 센서들로서 동작하도록 빔(206)의 종방향 축(210)에 수직하게 정렬된다.

다시 도 6을 참조하면, 각각의 인터리빙된 분할 하프-브리지는 빔(206)의 근위 단부(206P)에 배치된 인장 게이지 센서 저항기 및 공유된 압축 게이지 센서 저항기를 갖는다. 각각의 인터리빙된 분할 하프-브리지는 또한 빔(206)의 원위 부분(206D)에 배치된 인장 게이지 센서 및 공유된 압축 게이지 센서를 갖는다. 구체적으로, 변형 게이지 저항기들(R_T1, R_C1 및 R_T3)은 빔(206)의 근위 단부(206P)에 배치되고, 변형 게이지 저항기들(R_T2, R_C2 및 R_T4)은 빔(206)의 원위 단부(206D)에 배치된다.

도 8은 도 6의 인터리빙된 3개의 하프-브리지 예의 게이지 센서들의 배열을 나타내는, 파선들로 표시된 빔의 예시적인 측면도이다. 변형 게이지 저항기(R_T1)의 세장형 부분들(L_T1)은 공동 위치되고 빔의 동일한 종방향 영역을 점유하기 위해 변형 게이지 저항기(R_T3)의 세장형 부분들(L_T3)과 인터리빙된다. 인터리빙된 변형 게이지 저항기들(R_T1 및 R_T3)은 압축 게이지 저항기(R_C1)보다 빔의 근위 단부로부터 더 멀다. 근위 단부와 원위 단부 사이에서 연장되는 리드_{T1, T2}는 근위 단부(206P)에 위치된 R_T1을 원위 단부(206D)에 위치된 R_T2와 결합시킨다. 변형 게이지 저항기(R_T2)의 세장형 부분들(L_T2)은 공동 위치되고 빔의 동일한 종방향 영역을 점유하기 위해 변형 게이지 저항기(R_T4)의 세장형 부분들(L_T4)과 인터리빙된다. 인터리빙된 변형 게이지 저항기들(R_T2 및 R_T4)은 압축 게이지 저항기(R_C2)보다 빔의 원위 단부에 더 가깝게 배치된다. 근위 단부와 원위 단부 사이에서 연장되는 리드_{T3, T4}는 근위 단부(206P)에 위치된 R_T3을 원위 단부(206D)에 위치된 R_T4와 결합시킨다. 근위 단부와 원위 단부 사이에서 연장되는 리드_{C1, C2}는 근위 단부(206P)에 위치된 R_C1을 원위 단부(206D)에 위치된 R_C2와 결합시킨다.

도 9는 일부 예들에 따라, 빔의 근위 및 원위 단부들에 형성된 인장 게이지 센서 저항기들을 각각 포함하는 엇갈림식 분할 하프-브리지들의 쌍을 갖고 빔의 근위 및 원위 단부들에 형성된 압축 게이지 저항기들을 포함하는 공유된 하프-브리지를 갖는 빔 면(212)을 갖는 힘 센서 빔(206)의 예시적인 사시도이다. 도 7의 개략도는 또한 도 9의 엇갈림식 3개의 하프-브리지를 나타낸다. 제1 인장 게이지 하프-브리지는 근위 단부(206P)에서 변형 게이지 저항기(R_T1)를 포함하고, 원위 단부(206D)에서 변형 게이지 저항기(R_T2)를 포함한다. 제2 인장 게이지 하프-브리지는 근위 단부(206P)에서 변형 게이지 저항기(R_T3)를 포함하고, 원위 단부(206D)에서 변형 게이지 저항기(R_T4)를 포함한다. 압축 게이지 하프-브리지는 근위 단부에서 변형 게이지 저항기(R_C1)를 포함하고, 원위 단부(206D)에서 변형 게이지 저항기(R_C2)를 포함한다. 인장 게이지 센서 저항기들을 포함하는 인터리빙된 분할 하프-브리지들의 동일한 쌍(도시되지 않음) 및 압축 게이지 센서 저항기들을 포함하는 동일한 공유된 하프-브리지(도시되지 않음)가 인접한 직교 빔 면(214) 상에 형성된다. 인접한 직교 면들 상에 형성된 인터리빙된 분할 하프-브리지들의 쌍은 빔(206)의 종방향 축(210)에 수직인 힘들을 측정하도록 구성되며, 이는 빔(206)에 인장 변형을 줄 수 있다. 인접한 직교 빔 면들 상에 형성된 공유된 압축 게이지 센서 저항기들은 빔의 종방향 축(210)에 평행한 힘들을 측정하도록 구성되며, 이는 빔(206)에 압축 변형을 줄 수 있다.

도 10은 도 9의 엇갈림식 3개의 하프-브리지 예의 게이지 센서들의 배열을 나타내는 예시적인 측면도이다. 제1 인장 게이지 저항기 하프-브리지는 중립 축을 따라 정렬된 인장 변형 게이지 저항기들(R_T1 및 R_T2)을 포함한다. 제2 인장 게이지 저항기 하프-브리지는 중립 축을 따라 정렬된 인장 변형 게이지 저항기들(R_T3 및 R_T4)을 포함한다. 압축 게이지 저항기 하프-브리지는 중립 축을 따라 정렬된 압축 변형 게이지 저항기들(R_C1 및 R_C2)을 포함한다. 제1 압축 게이지 저항기(R_C1)는 제1 및 제3 인장 게이지 저항기들(R_T1, R_T3) 사이의 빔의 근위 단부에 배치되고, 제1 인장 게이지 저항기(R_T1)는 제3 인장 게이지 저항기(R_T3)보다 빔의 근위 단부에 더 가깝게 배치된다. 제2 압축 게이지 저항기(R_C2)는 제2 및 제4 인장 게이지 저항기들(R_T2, R_T4) 사이의 빔의 원위 단부에 배치되고, 제4 인장 게이지 저항기(R_T4)는 제2 인장 게이지 저항기(R_T2)보다 빔의 원위 단부에 더 가깝게 배치된다. 근위 단부와 원위 단부 사이에서 연장되는 리드_{T1, T2}는 근위 단부(206P)에 위치된 R_T1을 원위 단부(206D)에 위치된 R_T2와 결합시킨다. 근위 단부와 원위 단부 사이에서 연장되는 리드_{T3, T4}는 근위 단부(206P)에 위치된 R_T3을 원위 단부(206D)에 위치된 R_T4와 결합시킨다. 근위 단부와 원위 단부 사이에서 연장되는 리드_{C1, C2}는 근위 단부(206P)에 위치된 R_C1을 원위 단부(206D)에 위치된 R_C2와 결합시킨다.

따라서, 인터리빙된 분할 하프-브리지와 엇갈림식 분할 하프-브리지 둘 다는 중복 제1 및 제2 인장 힘 출력 전압들 V_O1 및 V_O3을 생성한다. 도 6의 인터리빙된 분할 하프-브리지들의 쌍과 도 9의 엇갈림식 분할 하프-브리지들의 쌍의 인장 및 압축 게이지 센서 저항기들의 종방향 분포는 소거되고, 3개의 방향 중 어느 방향에서 비축 부하 모멘트들과 같은 다른 소스들로부터의 힘들 및 측정되는 힘에 대해 2개의 직교 방향 중 어느 하나에서의 힘들에 의해 야기될 수 있는 잡음을 실질적으로 제거한다. 또한, 도 6의 인터리빙된 하프-브리지 예에서, 변형 게이지 저항기들의 인터리빙은 그들이 빔의 동일한 위치들에서 변형을 측정하는 것을 보장하며, 이는 빔의 길이에 따라 온도 변화들이 있더라도 중복 제1 출력 전압 V_O1 및 제3 출력 전압 V_O3이 매칭하는 값들을 갖는 것을 보장한다.

본 발명에 도달함에 있어서, 본 발명자는 각각의 하프-브리지(인장 게이지 하프-브리지들과 압축 게이지 하프-브리지 모두)가 다음의 응력들, 즉 모멘트, 비축 힘, 비축 모멘트, 압축/인장, 비틀림 및 주위 온도를 소거한다는 것을 인식하였다. 본 발명자는 또한 각각의 개별 하프-브리지 출력이 힘 및 온도 기울기를 포함한다는 것을 인식하였다. 본 발명자는 또한 Vo가 하프 브리지의 출력이면,

이라는 것을 인식하였고, 여기서

및

는 근위 응력 및 원위 응력을 나타내고, GF는 게이지율을 나타낸다.

이어서, 위 방정식의

에서의 감산은 모멘트, 비축 힘, 비축 모멘트, 압축/인장, 비틀림 및 주위 온도를 소거하고, 이제 'T 게이지' 하프-브리지 출력 및 'C 게이지' 하프-브리지 출력을 감산하고, 온도 기울기를 소거한다.

Vo1이 'T 게이지들'의 하프-브리지들의 출력이고, Vo2가 'C 게이지들'의 하프-브리지의 출력이면, Vo1-Vo2에서의 감산은 주위 온도 및 온도 기울기를 소거하고, 감산 후의 최종 출력은 '힘' 이후에만 구해진다.

도 6 및 도 9의 분할 하프-브리지 예들의 경우, 중복 비교들은 다음과 같이 수행될 수 있다.

중복 비교는 하프-브리지 측정치들 V_O1, V_O2 및 V_O3으로부터 힘 신호 및 온도 차분 신호를 추출한 후에 행해진다.

X 축의 경우('x'로 표시됨), 예를 들어,

V_O1_x 및 V_O2_x를 이용하여 Force1_x 및 deltaT1_x를 얻을 수 있다.

V_O3_x 및 V_O2_x를 이용하여 Force2_x 및 deltaT2_x를 얻을 수 있다.

Y 축의 경우('y'로 표시됨),

V_O1_y 및 V_O2_y를 이용하여 Force1_y 및 deltaT1_y를 얻을 수 있다.

V_O2_y 및 V_O2_y를 이용하여 Force2_y 및 deltaT2_y를 얻을 수 있다.

중복 체크의 경우,

Force_x: Force1_x와 Force2_x가 매칭하는지를 체크한다.

Force_y: Force1_y와 Force2_y가 매칭하는지를 체크한다.

deltaT: deltaT1_x와 deltaT1_y가 매칭하는지를 체크한다.

이러한 비교 체크들은 게이지들 중 임의의 것에서의 고장들을 커버할 것이다.

deltaT2_x 및 deltaT2_y는 추가 정보를 제공하지 않기 때문에 일종의 쓰고 버리는 용어들이다.

전압 출력으로부터 힘 및 deltaT를 계산하는데 이용되는 수학은 다음과 같다:

, 여기서

이고,

, 여기서

이고,

여기서 'T 게이지 Vo'는 V_O1이고, 'C 게이지 Vo'는 V_O2이다.

따라서, 빔의 근위 단부와 원위 단부 사이의 각각의 인장 게이지 하프-브리지의 게이지 센서 저항기들의 분포는, 제1 및 제2 인장 게이지 힘 출력 신호들 V_O1 및 V_O3이 동일한 중복 값을 생성하도록, 힘의 다른 소스들로부터 기인하는 잡음의 영향들을 제거하고 온도의 영향들을 소거한다. 제1 및 제2 인장 게이지 힘 출력 신호 값들 V_O1 및 V_O3은 이들이 상이한 값들을 갖는지를 결정하기 위해 비교될 수 있다. V_O1 및 V_O3이 상이한 값들을 갖는다는 결정은 예를 들어 힘 센서에 대한 손상으로 인한 에러의 표시를 제공한다.

중복 온도 값들은 인접한 직교 면들에 형성된 압축 게이지 하프-브리지들에 의해 생성된 압축 출력 값들 V_O2에 의해 제공된다. 인접한 직교 면들에 형성된 하프-브리지들에 의해 생성된 압축 출력 값들 V_O2는 이들이 상이한 값들을 갖는지를 결정하기 위해 비교될 수 있다. 인접한 직교 면들 상의 압축 게이지 하프-브리지들이 상이한 값들을 갖는다는 결정은 예를 들어 힘 센서에 대한 손상으로 인한 에러의 표시를 제공한다.

증명

A. T-게이지 변형 및 C-게이지 변형을 결정한다:

도 11은 빔의 중립 축을 따라 배치된 T-게이지(인장) 및 C 게이지(압축)를 갖는 빔의 예시적인 사시도이다.

힘 및 온도 변화를 결정하는데 이용되는 값들은 다음을 포함한다:

F_g: 감지 면을 따른 힘

l: 인가된 힘의 위치

M: 감지 면에 수직하게 인가된 모멘트

F_Z: 중립 축에 평행하게 인가된 힘

I: 관성 모멘트

A: 면적 또는 단면

CTE: 열팽창 계수

ΔT: 온도 변화

ε: 변형

ρ: 푸아송 비

T-게이지 변형 측정 방정식:

C 게이지 변형 측정 방정식:

B. 힘 및 ΔT의 결정:

도 12는 빔의 근위 단부 및 원위 단부에서 각각 빔의 중립 축을 따라 배치된 인장 게이지들(R1 및 R2)을 갖는 빔의 예시적인 사시도이다. 도 13은 도 12의 R1 및 R2를 포함하는 하프-브리지 회로를 나타내는 예시적인 개략도이다.

도 12 및 도 13의 하프-브리지의 경우, 위의 T-게이지 변형 측정을 이용하여, R1, R2 및 V_in에 기반하여 V_o를 계산할 수 있다:

, 여기서 i = 1, 2이고,

이다.

양 게이지들의 공칭 저항들은 부하가 없는 경우 동일한 R 값이다. 저항 변화는 게이지율을 곱합 게이지가 경험하는 변형에 의존한다. 작은 저항 변화의 경우, 1차 근사를 이용하여, 다음의 방정식을 얻는다.

변형 방정식을 치환하여 힘 면에서 V_o를 얻을 수 있다.

유사하게, 압축(C) 게이지들을 이용하여 하프-브리지에 대한 방정식을 얻는다.

C 게이지 및 T 게이지에 대한 방정식들을 이용하여,

및 ΔT = (ΔT₁-ΔT₂)를 풀 수 있고, 다음을 얻는다:

여기서,

이고,

여기서,

이다.

C. 변형을 이용한 기본 힘 측정:

도 14는 힘이 빔에 인가되는 위치로부터의 거리 l에서의 변형 측정을 나타내는 캔틸레버 빔에 인가되는 힘의 예시적인 측면도이다.

캔틸레버 빔의 원위 단부에 인가된 수직 힘에 대한 변형 방정식은,

이고,

여기서,

E: 탄성률이고,

I: 관성 모멘트이다.

변형 방정식은 감지 포인트로부터의 거리 'l'뿐만 아니라 인가된 힘 'F'에 의존한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 인가된 힘을 측정할 수 있기 위해, 'l'의 의존성을 제거하기 위한 제2 측정이 필요하다. 이것을 하기 위한 가장 명백한 방식은 빔을 따라 상이한 포인트에서 변형을 측정하는 것이다.

도 15는 힘이 빔에 인가되는 위치로부터의 근위 거리(lprox)에서의 그리고 원위 거리(ldist)에서의 변형 측정을 나타내는 캔틸레버 빔에 인가되는 힘의 예시적인 측면도이다. 이어서, 다음을 얻는다:

이어서, 2개의 측정치를 감산할 때 다음을 얻는다:

거리 차이는 알려진 양이고, 이것은 2개의 감지 포인트 사이의 거리이다.

D. 잡음 소스들 하에서의 힘 측정들

도 16은 캔틸레버 빔의 측면도이다.

전형적인 힘 측정 시나리오에서는, 관심이 없지만 여전히 감지하고 있는 빔에 대해 측정가능한 변형을 생성하는 잡음 소스들/신호들이 존재하며, 이것은 인가된 힘의 부정확한 추정을 초래할 것이다. 존재할 수 있는 변형의 일부 다른 소스들은 다음과 같다:

ㆍ 2개의 직교 방향에서의 힘

ㆍ 모든 3개의 방향에서의 모멘트들

ㆍ 온도 변화들

기준 프레임이 측정하기를 원하는 힘이 X 축을 따라 배향되도록 선택되면, 측정에 원치 않는 변형 소스들은 힘들(Fy, Fz), 모멘트들(Mx, My, Mz) 및 온도(ΔT)이다.

그러므로, 중립 축에 평행하게 배향된 캔틸레버 빔 상의 포인트 감지 요소에 대한 가장 일반적인 변형 방정식은 다음과 같다:

T 게이지 변형 =

=

C 게이지 변형 =

=

여기서,

E: 탄성률

I = 관성 모멘트

r: 중립 축을 통과하는 YZ 면까지의 수직 거리

d: 중립 축을 통과하는 XZ 면까지의 수직 거리

A: 단면의 면적

CTE: 열팽창 계수

: 중립 축에 수직한 비틀림 M _Z 로 인한 변형

: 중립 축에 평행한 비틀림 M _Z 로 인한 변형

: 기판의 푸아송 비

위의 방정식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 변형의 포인트 측정은 많은 변형 소스들에 의존할 것이다. 근위 및 원위 측정치들을 감산하는 동작은 또한 공통 모드로서 변형의 일부 소스들을 제거할 것이다. 다음이 제거된다:

ㆍ 힘: Fz

ㆍ 모멘트들: My, Mz

감지 포인트/요소가 중립 축을 중심으로 대칭적으로 배치되면(d=0), 다음은 변형 측정치에 영향을 미치지 않는다:

ㆍ 힘: Fy

ㆍ 모멘트: Mx

따라서, 보상되지 않은 변형 소스는 온도 변화이다. 온도를 보상하기 위한 가장 평범한 방식은 'C'(압축) 및 'T'(인장) 게이지들을 이용한 휘트스톤 브리지 구성을 이용하여 온도 변화로부터의 변형을 국부적으로 제거하는 것이다.

도 17a는 그 근위 단부에 배치된 휘트스톤 브리지를 갖는 빔의 측면도이다. 도 17b는 도 17a의 휘트스톤 브리지 회로의 개략도이다.

휘트스톤 브리지의 출력은 다음과 같다:

게이지들의 저항 변형 관계는 다음과 같다:

모든 게이지들의 공칭 저항이 동일하고, 변형-저항 관계를 치환하고, 1차 근사를 수행하면, 다음의 방정식을 얻는다:

Fx가 적용될 때, 위의 방정식은 다음의 형태로 축소된다.

여기서, K는 스칼라 상수이고,

이고,

이다.

따라서, 인가된 힘에 비례하는 출력 신호를 얻는다.

온도 변화가 있을 때, 모든 게이지들에 의해 보여지는 변형이 동일하고, 출력이 0이 되며, 이는 온도 변화들이 국부적으로 보상된다는 것을 의미한다.

따라서, 감지 방향(x 축)에서 인가된 힘을 측정하기 위해, 빔의 근위 및 원위 단부 근처에 위치한 2개의 휘트스톤 브리지가 필요하다.

E. 단일 휘트스톤 브리지를 이용한 힘 측정

도 18은 그 근위 단부에서 중립 축을 따라 배치된 인장 게이지 저항기(R1) 및 압축 게이지 저항기(R2)를 갖고 그 원위 단부에서 중립 축을 따라 배치된 인장 게이지 저항기(R3) 및 압축 게이지 저항기(R4)를 갖는 분할 휘트스톤 브리지를 갖는 빔의 측면도이다. 도 17b의 개략도는 도 18의 분할 브리지에 적용가능하다.

평범한 설계를 보면, 온도를 국부적으로 보상하고, 2개의 신호를 측정하고, 2개의 신호를 외부적으로 감산하여 인가된 힘을 얻지만, 휘트스톤 브리지 방정식의 구조는 내부적으로 신호들을 감산하는 능력을 가지며, 따라서 이것을 우리의 장점으로 이용할 수 있다. 또한, 온도가 국부적으로 보상되는 대신에, 온도 영향을 전역적으로 보상할 수 있도록 게이지들을 배열할 수 있다.

각각의 측정 포인트에서 보여지는 온도 변화는 주위 온도와 그 포인트에서의 온도 사이의 온도 델타인 온도 차이 및 어디에서나 동일한 주위 온도 변화로 분해될 수 있다. 주위 온도 변화는 공통 모드가 되고, 단지 근위 및 원위 신호를 감산하는 동작은 그 영향들을 제거한다.

위의 구성에서, 출력 신호를 다음과 같이 얻는다:

온도 차이가 존재하지 않는 경우, R1 및 R2가 함께 인가된 힘을 측정할 수 있고, 유사하게 R3 및 R4가 인가된 힘을 측정할 수 있다는 것을 알 수 있는데, 그 이유는 R1, R2가 인장 게이지이고, R3, R4가 압축 게이지이고, 인가된 힘과의 그 관계가 -

만큼 변하기 때문이다. 따라서, 총 방정식은 다음과 같이 축소될 것이다:

이고,

여기서, K가 고정 상수인 경우,

이다.

온도 차이에 대한 동일한 구성은 상이한 결과를 가지며, R1 및 R2는 근위 및 원위 게이지들 사이의 온도 차이의 영향을 측정하고, 유사하게 R3 및 R4는 온도 차이의 영향을 측정한다. 2개의 쌍이 상이한 게이지 유형들이더라도, 이들은 온도 변화들로 인한 변형에 대해 동일한 감도를 갖는다:

이고,

여기서, K가 고정 상수인 경우,

이다.

따라서, 'C' 게이지들을 온도 보상 게이지들로서 그리고 'T' 게이지들을 측정 게이지들로서 대략 고려할 수 있다.

도 19는 2개의 분할 풀 브리지 회로들을 그 위에 갖는 빔(1902)을 포함하는 힘 센서(1900)를 나타내는 예시적인 도면이다. 빔(1902)은 근위 단부(1902P)와 원위 단부(1902D) 및 그 사이의 중심부를 포함한다. 제1 분할 브리지 회로는 변형 게이지 저항기들(R_C1, R_C3, R_T1, R_T3)을 포함한다. 제1 브리지 회로는 분할되고, 압축 변형 게이지 저항기(R_C1) 및 인장 게이지 저항기(R_T1)는 빔의 근위 단부에 위치되고, 압축 변형 게이지 저항기(R_C3) 및 인장 게이지 저항기(R_T3)는 빔의 원위 단부에 위치된다. 제2 분할 브리지 회로는 변형 게이지 저항기들(R_C2, R_C4, R_T2, R_T4)을 포함한다. 제2 브리지 회로는 분할되고, 압축 변형 게이지 저항기(R_C2) 및 인장 게이지 저항기(R_T2)는 빔의 근위 단부에 위치되고, 압축 변형 게이지 저항기(R_C4) 및 인장 게이지 저항기(R_T4)는 빔의 원위 단부에 위치된다.

빔 상에 배치된 전기 전도성 측정 출력 리드 라인들(L1-L4) 및 입력 신호 리드 라인들(L5-L6)은, 도시된 바와 같이 변형 게이지 저항기들을 전기적으로 결합시킨다. 측정 출력 리드 라인(L1)은 노드(V_O1 ^-)에서 R_T1 및 R_T3을 전기적으로 결합시키기 위해 빔의 근위, 중심 및 원위 부분들과 일체로 연장되도록 배치된다. 측정 출력 리드 라인(L2)은 노드(V_O1 ⁺)에서 R_C1 및 R_C3을 전기적으로 결합시키기 위해 빔의 근위, 중심 및 원위 부분들과 일체로 연장되도록 배치된다. 측정 출력 리드 라인(L3)은 노드(V_O2 ⁺)에서 R_C2 및 R_C4를 전기적으로 결합시키기 위해 빔과 일체로 연장되도록 배치된다. 측정 출력 리드 라인(L4)은 노드(V_O2 ^-)에서 R_T2 및 R_T4를 전기적으로 결합시키기 위해 빔과 일체로 연장되도록 배치된다. 입력 신호 리드 라인(L5)은 노드(V_I ⁺)에서 R_C1, R_C2, R_T1 및 R_T2를 전기적으로 결합시키기 위해 빔의 근위 부분 내에서 연장된다. 입력 신호 리드 라인(L6)은 노드(V_I ^-)에서 R_C3, R_C4, R_T3 및 R_T4를 전기적으로 결합시키기 위해 빔의 원위 부분 내에서 연장된다. 리드 라인들(L1-L6)은 빔과 일체로 배치되고, 빔에 기계적으로 결합된다.

입력 탭 노드들, 즉 R_T1, R_T3, R_C1, R_C3에 결합된 V_I ⁺, 및 R_T2, R_T4, R_C2, R_C4에 결합된 V_I ^-는 입력 여기 신호의 양 및 음의 극성들을 수신하도록 결합되는 입력 신호 노드들로서 동작한다. R_T1, R_T3의 각각의 접합부 및 R_C1, R_C3의 접합부에서의 측정 탭 노드들 V_O1 ^- 및 V_O1 ⁺는 변형을 나타내는 출력 측정 신호들을 제공하도록 결합되는 출력 측정 신호 노드들로서 동작한다. 마찬가지로, R_T2, R_T4의 각각의 접합부 및 R_C2, R_C4의 접합부에서의 측정 탭 노드들 V_O2 ^- 및 V_O2 ⁺는 변형을 나타내는 출력 측정 신호들을 제공하도록 결합되는 출력 측정 신호 노드들로서 동작한다.

각각의 분할 브리지가 빔의 근위 단부에 배치된 변형 게이지 저항기들 및 빔의 원위 단부에 배치된 변형 게이지 저항기들 둘 다를 포함하므로, 각각의 브리지의 저항기들을 전기적으로 결합시키는 리드 라인들(L1-L6)은 비교적 길다. 예를 들어, 도 19의 제1 및 제2 분할 브리지들의 저항기들을 결합시키는 리드 라인들은 도 1의 예시적인 브리지의 비-분할 브리지 회로들의 저항기들을 결합하는데 이용되는 리드 라인들보다 상대적으로 더 길고, 여기서 각각의 브리지는 빔의 근위 단부 또는 빔의 원위 단부에 완전히 위치된다.

분할 브리지 회로는 변형 게이지들 사이에 바람직하지 않은 양의 불균형한 리드 저항을 도입할 수 있는데, 그 이유는 게이지들이 변형 게이지들의 크기에 대해 큰 거리들에 걸친 빔 위치에 분포되기 때문이다. 리드 저항은 센서 측정들의 정확도에 영향을 미치고 교차 결합 및 온도 의존 오프셋을 도입할 수 있다.

더 구체적으로, 전도성 리드 라인들은 변형 게이지들을 생성하는 퇴적 및 에칭 프로세스를 통해 빔 상에 일체로 형성된다. 바람직하게는, 리드 라인들은 예를 들어 빔에 가해지는 힘들 또는 온도 변화에 응답하여 전기적 특성들을 변화시키지 않는다. 그러나, 빔의 대향 단부들에서 능동 저항성 변형 게이지들을 결합시키도록 빔을 따라 연장되는 전도성 리드 라인들은 빔에 가해지는 힘에 응답하여 빔이 편향됨에 따라 변형을 겪고, 이는 전도성 라인들의 저항을 변화시킨다. 일부 예들에서, 리드 라인들의 길이는 사형의 저항성 변형 게이지 요소들을 구성하는 전도체 라인 부분들의 전체 길이에 대해 크기에 있어서 필적할 수 있다. 전기적 연결 라인들이 브리지 회로들의 능동 저항성 요소들로서 거동하도록 의도되지 않기 때문에, 전기적 전도 라인들의 저항의 변화는 변형 측정들의 왜곡을 초래할 수 있다. 따라서, 리드 저항들을 감소시키고 최소의 리드 저항이 남아 있는 것을 균형화할 필요가 있다.

도 20a 및 도 20b는 중립 축(2004)을 갖는 빔(2002)을 포함하고, 측정 출력 리드 라인들(L1'-L4')에 의해 전기적으로 결합된 분할 브리지 하프들을 갖는 2개의 분할 풀 브리지 회로를 포함하는 예시적인 힘 센서(2000)를 나타내는 예시적인 도면이고, 전기적으로 결합된 입력 리드 라인들(L5-L6)은 빔(2002)으로부터 기계적으로 격리된다. 도 20a는 분할 브리지 하프들의 변형 게이지 요소들(R_C1-R_C4 및 R_T1-R_T4)을 간략화된 블록도 형태로 나타내고, 분할 브리지 하프들의 변형 게이지 요소들 사이에 연장되는 기계적으로 격리된 측정 출력 리드 라인들(L1'-L4')을 나타내고, 노드(V_I ⁺)에서 R_C1, R_C2, R_T1 및 R_T2를 전기적으로 결합시키는 입력 신호 리드 라인(L5')과, 노드(V_I ^-)에서 R_C3, R_C4, R_T3 및 R_T4를 전기적으로 결합시키는 입력 신호 리드 라인(L6')을 나타낸다. 도 20b는 도 20a의 예시적인 센서의 변형 게이지 요소들(R_C1-R_C4 및 R_T1-R_T4)의 제1 예시적인 배열의 상세들을 도시한다. 도 20c는 도 20a의 예시적인 센서(2000)의 변형 게이지 요소들(R_C1-R_C4 및 R_T1-R_T4)의 제2 예시적인 배열의 상세들을 도시한다. 도면들을 단순화하기 위해, 기계적으로 격리된 측정 출력 리드 라인들(L1'-L4') 및 입력 리드 라인들(L5-L6)은 도 20b 및 도 20c로부터 생략되지만, 그 상호연결들이 아래에 설명된다.

도 20a를 참조하면, 도 20a의 기계적으로 격리된 측정 출력 리드 라인들(L1'-L4')은 도 19의 대응적으로 라벨링된 일체의 측정 출력 리드 라인들(L1-L4)에 대응한다. 기계적으로 격리된 리드 라인들(L1'-L4')은 빔으로부터 외부로 라우팅되고, 이 구현의 일 예는 리드들(L1'-L6')이 빔에 와이어 본딩되는 플렉스 회로/케이블의 일부가 되게 하는 것이다. 플렉스 케이블은, 인가되는 힘으로 인한 빔의 편향이 플렉스 회로/케이블의 임의의 변형을 생성하지 않을 정도로 충분한 슬랙을 갖도록 장착될 것이고, 게다가 플렉스 회로 상의 리드 라인들은 더 높은 저항 박막 물질, 예컨대 니크롬(니켈 및 크롬의 합금)과 비교하여 구리와 같은 더 낮은 저항의 전기적 물질로 만들어질 수 있고, 따라서 더 낮은 크기의 리드 저항들을 제공한다. 따라서, 변형 게이지 요소들을 전기적으로 결합시키는 리드 라인들(L1'-L4')은 빔에 인가되는 편향력(도시되지 않음)으로 인해 빔(2002)의 편향 동안에 가해지는 변형으로부터 기계적으로 격리된다.

도 20b의 예시적인 2-브리지 배열을 참조하면, 리드 라인들의 변화를 제외하고는, 도 20b의 예시적인 힘 센서(2000)의 배열은 도 19의 센서의 배열과 동일하다. 세장형 측정 출력 리드 라인들(L1'-L4') 및 입력 리드 라인들(L5-L6)은 빔으로부터 기계적으로 격리되고, 더 짧은 일체의 근위 리드 라인 세그먼트들(X_P1-X_P6) 및 더 짧은 일체의 원위 리드 라인 세그먼트들(X_D1-X_D6)은 빔과 일체로 배치된다. 그 결과, 빔의 기계적 편향 동안에 리드들에게 더 적은 응력이 가해지고, 따라서 도 19의 예시적인 센서와 비교할 때 더 적은 변형 측정 왜곡이 발생된다.

기계적으로 격리된 리드 라인(L1')은 빔의 근위, 중심 및 원위 부분들 사이에서 빔으로부터 기계적으로 격리된 식으로 연장되어, 근위 및 원위 브리지 하프들의 V_O1 ^-로 라벨링된 노드들에서 R_C1 및 R_C3을 전기적으로 결합시키도록 배치된다. 격리된 리드 라인(L2')은 빔의 근위, 중심 및 원위 부분들 사이에서 빔으로부터 기계적으로 격리된 식으로 연장되어, 근위 및 원위 브리지 하프들의 V_O1 ⁺로 라벨링된 노드들에서 R_T1 및 R_T3을 전기적으로 결합시키도록 배치된다. 격리된 리드 라인(L3')은 빔의 근위, 중심 및 원위 부분들 사이에서 빔으로부터 기계적으로 격리된 식으로 연장되어, 근위 및 원위 브리지 하프들의 V_O2 ^-로 라벨링된 노드들에서 R_C2 및 R_C4를 전기적으로 결합시키도록 배치된다. 격리된 리드 라인(L4')은 빔의 근위, 중심 및 원위 부분들 사이에서 빔으로부터 기계적으로 격리된 식으로 연장되어, 근위 및 원위 브리지 하프들의 V_O2 ⁺로 라벨링된 노드들에서 R_T2 및 R_T4를 전기적으로 결합시키도록 배치된다. 근위 리드 라인 요소들(X_P3-X_P4)은 전압 V_I ⁺에 결합되어 전압 V_I ⁺에서 R_C1, R_C2, R_T1 및 R_T2를 전기적으로 결합시킨다. 원위 리드 라인 요소들(X_D3-X_D4)은 전압 V_I ^-에 결합되어 전압 V_I ⁺에 R_C3, R_C4, R_T3 및 R_T4를 전기적으로 결합시킨다.

도 20c의 예시적인 2-브리지 배열을 참조하면, 압축 게이지 저항기들 각각 및 인장 게이지 저항기들 각각은 빔의 중립 축(2004)을 중심으로 대칭적으로 배열된다. 또한, 제2 예시적인 배열에서, 제1 브리지의 근위 하프의 R_C1 및 R_T1, 및 제2 브리지의 근위 하프의 R_C2 및 R_T2는 빔의 근위 부분에서 그들 사이의 근위 횡방향 축(2006P)을 중심으로 대칭적으로 배열된다. R_T1은 R_C1을 부분적으로 둘러싸고, R_T2는 R_C2를 부분적으로 둘러싼다. R_C1 및 R_T1의 단자들은 근위 횡방향 축(2006P)에 대해 근위로 횡방향으로 정렬되고, R_C2 및 R_T2의 단자들은 근위 횡방향 축(2006P)에 대해 원위로 횡방향으로 정렬된다. 마찬가지로, 제1 브리지의 원위 하프의 R_C3 및 R_T3, 및 제2 브리지의 원위 하프의 R_C4 및 R_T4는 빔의 원위 부분에서 그들 사이의 원위 횡방향 축(2006D)을 중심으로 대칭적으로 또한 배열된다. R_C3 및 R_T3의 단자들은 원위 횡방향 축(2006D)에 대해 근위로 횡방향으로 정렬되고, R_C4 및 R_T4의 단자들은 원위 횡방향 축(2006D)에 대해 원위로 횡방향으로 정렬된다. R_C3은 R_C3을 부분적으로 둘러싸고, R_T4는 R_C4를 부분적으로 둘러싼다.

계속해서 도 20c를 참조하면, 세장형 리드 라인 세그먼트들(L1'-L4')은 빔으로부터 기계적으로 격리되고, 더 짧은 일체의 근위 리드 라인 세그먼트들(X_P7-X_P8) 및 더 짧은 일체의 원위 리드 라인 세그먼트들(X_D7-X_D8)은 빔과 일체로 배치된다. 그 결과, 빔의 기계적 편향 동안에 리드들에게 더 적은 응력이 가해지고, 따라서 도 19의 예시적인 센서와 비교할 때 더 적은 변형 측정 왜곡이 발생된다.

노드들과 리드 라인들 사이의 결합은 도 20b 및 도 20c의 제1 및 제2 예시적인 배열들에 대해 동일하다. 보다 구체적으로, 도 20c를 참조하면, 기계적으로 격리된 리드 라인(L1')은 빔의 근위, 중심 및 원위 부분들 사이에서 빔으로부터 기계적으로 격리된 식으로 연장되어, 근위 및 원위 브리지 하프들의 V_O1 ^-로 라벨링된 노드들에서 R_C1 및 R_C3을 전기적으로 결합시키도록 배치된다. 격리된 리드 라인(L2')은 빔의 근위, 중심 및 원위 부분들 사이에서 빔으로부터 기계적으로 격리된 식으로 연장되어, 근위 및 원위 브리지 하프들의 V_O1 ⁺로 라벨링된 노드들에서 R_T1 및 R_T3을 전기적으로 결합시키도록 배치된다. 격리된 리드 라인(L3')은 빔의 근위, 중심 및 원위 부분들 사이에서 빔으로부터 기계적으로 격리된 식으로 연장되어, 근위 및 원위 브리지 하프들의 V_O2 ^-로 라벨링된 노드들에서 R_C2 및 R_C4를 전기적으로 결합시키도록 배치된다. 격리된 리드 라인(L4')은 빔의 근위, 중심 및 원위 부분들 사이에서 빔으로부터 기계적으로 격리된 식으로 연장되어, 근위 및 원위 브리지 하프들의 V_O2 ⁺로 라벨링된 노드들에서 R_T2 및 R_T4를 전기적으로 결합시키도록 배치된다. 근위 리드 라인 요소들(X_P7-X_P8)은 전압 V_I ⁺에 결합되어 전압 V_I ⁺에서 R_C1, R_C2, R_T1 및 R_T2를 전기적으로 결합시킨다. 원위 리드 라인 요소들(X_D7-X_D8)은 전압 V_I ^-에 결합되어 전압 V_I ⁺에 R_C3, R_C4, R_T3 및 R_T4를 전기적으로 결합시킨다.

도 21은 입력 패드들(2112) 및 측정 패드들(2114)이 매칭하는 면적들을 갖는, 도 20a의 빔(2002) 상에 배치된 근위 연결 패드 세트(2110P) 및 원위 연결 패드 세트(2110D)를 도시하는 예시적인 도면이다. 근위 연결 패드 세트(2110) 및 원위 연결 패드 세트(2110)는 기계적으로 격리된 측정 출력 리드 라인들(L1'-L4') 및 입력 신호 라인들(L5'-L6')의 변형 게이지 저항기들로의 전기적 결합을 위해 예시적인 빔(2002) 상에 배치된다. 와이어 본드들(도 21에는 이들이 패드들로부터 리드 라인들의 집합으로 가는 작은 원호인 것으로 있다. 또한, 리드들의 묶음에 L5-L6을 포함시킴)은 전기적으로 측정 출력 리드들(L1'-L4')을 측정 패드들(2114)에 결합시키고 입력 신호 리드들(L5'-L6')을 입력 패드들(2112)에 결합시킨다. 입력 신호 패드들(2112)은 도시된 바와 같이 여기 전압(V_I ⁺, V_I ^-)을 수신하도록 결합된다. 측정 출력 패드들(2114)은 도시된 바와 같이 감지된 출력 전압들(V_O1 ^-, V_O1 ⁺, V_O2 ^-, V_O2 ⁺)을 수신하도록 결합된다.

통상적으로, 모든 패드들은 전형적으로 동일한 면적이고, 따라서 동일한 저항을 갖는다. 그러나, 와이어 본드들은 가변적일 수 있고, 이는 패드들과 리드들 사이의 전기적 연결의 저항에 영향을 줄 수 있고, 결국 상이한 전기적 리드들 상의 신호들 사이의 제로 오프셋에 영향을 미칠 수 있고, 또한 전기적 연결의 온도 감도에 영향을 줄 수 있다. 입력 패드들에서의 증가된 저항은 측정의 감도에 관련된 전압 이득에 영향을 미친다. 출력 측정 패드들에서의 증가된 저항은 제로 오프셋에 영향을 미친다. 일반적으로, 이득은 예를 들어 소프트웨어를 이용하여 제로 오프셋보다 더 쉽게 관리될 수 있다.

도 22는 측정 출력 패드들(2114')이 입력 신호 패드들(2112')보다 큰 면적을 갖는, 근위 연결 패드 세트(2110P') 및 원위 연결 패드 세트(2110D')를 도시하는 예시적인 도면이다. 더 큰 측정 패드 면적을 제공하기 위해 입력 패드 면적이 희생된다. 더 큰 측정 패드 면적은 측정 패드들(2114')의 감소된 저항을 낳고, 이는 연결 패드 저항에 대한 와이어 본드 변동의 영향을 감소시키고, 결국 제로 오프셋에 대한 와이어 본드 변동의 영향을 감소시킨다. 따라서, 입력 신호 패드 크기에 비해 측정 패드 크기의 상대적 증가는 측정 패드 저항의 변동성을 감소시켜 측정 정확도에 있어서 와이어 본드의 위치 및 크기에서의 변동의 영향을 감소시킨다.

계속해서 도 22를 참조하면, 근위 연결 패드 세트(2110P') 및 원위 연결 패드 세트(2110D')는 기계적으로 격리된 리드 라인들(L1'-L4' 및 L5'-L6')의 변형 게이지 저항기들로의 전기적 결합을 위해 예시적인 빔(2002) 상에 배치된다. 와이어 본드들은 리드들(L1'-L4')을 측정 출력 패드들(2114')에 전기적으로 결합시킨다. 입력 신호 패드들(2112')은 도시된 바와 같이 여기 전압(V_I ⁺, V_I ^-)을 수신하도록 결합된다. 측정 신호 출력 패드들(2114')은 도시된 바와 같이 감지된 출력 전압들(V_O1 ^-, V_O1 ⁺, V_O2 ^-, V_O2 ⁺)을 수신하도록 결합된다.

도 23은 여기 전압 입력들(V_I ⁺, V_I ^-)을 공유하는 빔 상에 배치된 예시적인 제1 및 제2 분할 브리지 회로들(2310, 2320)을 포함하는 힘 센서(2000)를 개략적으로 나타내는 예시적인 회로이다. 각각의 브리지 회로의 하프는 빔의 근위 단부에 배치되고, 각각의 브리지 회로의 하프는 빔의 원위 부분에 배치된다. 그러나, 도면을 단순화하기 위해, 도 23은 빔의 대향 단부들에서의 근위 및 원위 하프들의 물리적 분리를 도시하지 않는다. 도 23은 빔 상의 중첩되지 않는 분리된 위치들에서 제1 및 제2 분할 브리지 회로들의 예시적인 배열을 도시한다. 도 5는 제1 및 제2 분할 브리지 회로들의 예시적인 엇갈림식 배열을 도시한다. 도 6은 제1 및 제2 분할 브리지 회로들의 예시적인 인터리빙된 배열을 도시한다.

위에서 설명된 바와 같이, 측정 중복성은 2개의 분할 브리지 회로를 이용하여 달성되고, 각각의 분할 브리지 회로는 빔의 근위 단부에 배치된 하프-브리지를 갖고 빔의 원위 단부에 배치된 하프-브리지 부분을 갖는다. 예를 들어, 2개의 분할 브리지 회로의 대응하는 출력 측정치들의 불일치는 2개의 브리지 회로 중 하나 또는 둘 다의 가능한 손상 및 측정 에러를 나타낸다. 측정 불일치들의 결정에서의 정확도를 보장하기 위해, 예를 들어, 제1 및 제2 브리지 회로들에 대한 대응하는 탭 리드 라인들의 저항은 매칭되어야 한다.

도 24는 도 23의 예시적인 이중 분할 브리지 회로에 대한 탭 리드 라인들을 나타내는 예시적인 도면이다. 전압 레벨과 회로 노드 사이의 탭 리드 라인들은 동일한 리드 라인 길이들을 가지며, 주어진 탭 포인트와 그 탭 포인트에 전기적으로 결합된 회로 노드들 각각 사이의 매칭하는 저항을 제공하기 위해 균일한 라인 폭들을 갖는다. 따라서, 각각의 탭 포인트와 그 탭 포인트에 전기적으로 결합된 노드들 사이의 저항들은 균형을 이룬다.

특히, 예를 들어, 여기 입력 전압 V_I ⁺의 탭 포인트와 V_I ^+A를 수신하는 회로 노드 사이의 탭 리드 라인 길이 및 리드 라인 폭은, V_I ⁺ 탭 포인트의 양측 상의 단일 해시 마크들에 의해 표시된 바와 같이, 전압 V_I ⁺의 탭 포인트와 V_I ^+B를 수신하는 회로 노드 사이의 탭 리드 라인 길이 및 리드 라인 폭과 동일하다.

여기 입력 전압 V_I ^-의 탭 포인트와 V_I ^-A를 수신하는 회로 노드 사이의 탭 리드 라인 길이 및 리드 라인 폭은, V_I ^- 탭 포인트의 양측 상의 이중 해시 마크들에 의해 표시된 바와 같이, 전압 V_I ^-의 탭 포인트와 V_I ^-B를 수신하는 회로 노드 사이의 탭 리드 라인 길이 및 리드 라인 폭과 동일하다.

측정 전압 V_O1 ⁺의 탭 포인트와 V_O1 ^+A를 제공하는 회로 노드 사이의 탭 리드 라인 길이 및 리드 라인 폭은, V_O1 ⁺ 탭 포인트의 양측 상의 3개의 해시 마크에 의해 표시된 바와 같이, 전압 V_O1 ⁺의 탭 포인트와 V_O1 ^+B를 수신하는 회로 노드 사이의 탭 리드 라인 길이 및 리드 라인 폭과 동일하다.

측정 전압 V_O1 ^-의 탭 포인트와 V_O1 ^-A를 제공하는 회로 노드 사이의 탭 리드 라인 길이 및 리드 라인 폭은, V_O1 ^- 탭 포인트의 양측 상의 4개의 해시 마크에 의해 표시된 바와 같이, 전압 V_O1 ^-의 탭 포인트와 V_O1 ^-B를 수신하는 회로 노드 사이의 탭 리드 라인 길이 및 리드 라인 폭과 동일하다.

측정 전압 V_O2 ⁺의 탭 포인트와 V_O2 ^+A를 제공하는 회로 노드 사이의 탭 리드 라인 길이 및 리드 라인 폭은, V_O2 ⁺ 탭 포인트의 양측 상의 5개의 해시 마크에 의해 표시된 바와 같이, 전압 V_O2 ⁺의 탭 포인트와 V_O2 ^+B를 수신하는 회로 노드 사이의 탭 리드 라인 길이 및 리드 라인 폭과 동일하다.

측정 전압 V_O2 ^-의 탭 포인트와 V_O2 ^-A를 제공하는 회로 노드 사이의 탭 리드 라인 길이 및 리드 라인 폭은, V_O2 ^- 탭 포인트의 양측 상의 5개의 해시 마크에 의해 표시된 바와 같이, 전압 V_O2 ^-의 탭 포인트와 V_O2 ^-B를 수신하는 회로 노드 사이의 탭 리드 라인 길이 및 리드 라인 폭과 동일하다.

동일한 탭 리드 라인 길이는 각각의 탭 포인트의 각각의 측 상의 균형을 이룬 탭 라인 리드 길이 저항을 보장하여, 예를 들어 측정 출력 신호 불일치들에 기반한 회로 손상의 더 정확한 결정들을 낳는다.

예시적인 예들이 도시되고 설명되었지만, 광범위한 수정, 변경 및 치환이 전술한 개시내용에서 고려되고, 일부 경우들에서는, 그 예들의 일부 특징들이 다른 특징들의 대응하는 이용 없이 이용될 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자라면 많은 변형들, 대안들 및 수정들을 잘 알 것이다. 따라서, 본 개시내용의 범위는 이하의 청구항들에 의해서만 제한되어야 하고, 청구항들이 넓게 그리고 본 명세서에 개시되는 예들의 범위와 일치하는 방식으로 해석되는 것이 적절하다. 위 설명은 관련 기술분야의 통상의 기술자가 빔 및 분산형 브리지 회로를 갖는 힘 센서를 생성하고 이용할 수 있게 하기 위해 제시된다. 이러한 예들에 대한 다양한 수정들은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 쉽게 명백할 것이고, 본 명세서에 정의된 일반 원리들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 예들 및 응용들에 적용될 수 있다. 앞선 설명에서는 설명의 목적을 위해 다양한 상세들이 제시되었다. 그러나, 관련 기술분야의 통상의 기술자라면 이러한 특정 상세들을 이용하지 않더라도 본 발명을 실시할 수 있음을 잘 알 것이다. 다른 경우들에 있어서, 불필요한 상세로 본 발명의 설명을 불명료하게 하지 않도록 잘 알려진 프로세스들이 블록도 형태로 도시된다. 동일한 참조 부호들은 상이한 도면들에서 동일하거나 유사한 아이템의 상이한 뷰들을 나타내는데 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 예들의 위의 설명 및 도면들은 단지 본 발명의 원리들의 예시일 뿐이다. 따라서, 첨부된 청구항들에 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 그 예들에 대해 다양한 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims

힘 센서로서,
빔 - 상기 빔은, 근위 단부, 원위 단부 및 상기 빔의 상기 근위 단부와 상기 빔의 상기 원위 단부 사이의 제1 면을 포함함 -;
상기 빔의 상기 제1 면 상의 제1 브리지 회로 - 상기 제1 브리지 회로는 제1 인장 변형 게이지 저항기, 제2 인장 변형 게이지 저항기, 제1 압축 변형 게이지 저항기 및 제2 압축 변형 게이지 저항기를 포함함 -;
를 포함하며,
제1 인장 변형 게이지 저항기 및 제1 압축 변형 게이지 저항기는 빔의 근위 단부에 위치되고;
제2 인장 변형 게이지 저항기 및 제2 압축 변형 게이지 저항기는 빔의 원위 단부에 위치되고;
제1 측정 신호 리드 라인은 빔으로부터 기계적으로 격리되고 제1 압축 변형 게이지 저항기 및 제2 압축 변형 게이지 저항기를 전기적으로 결합하며;
제2 측정 신호 리드 라인은 빔으로부터 기계적으로 격리되고 제1 인장 변형 게이지 저항기 및 제2 인장 변형 게이지 저항기를 전기적으로 결합하는, 힘 센서.
제1항에 있어서,
제1 브리지 회로는 제1 입력 신호 탭 라인, 제2 입력 신호 탭 라인, 제1 입력 신호 패드, 제2 입력 신호 패드, 제1 측정 신호 패드, 및 제2 측정 신호 패드를 추가로 포함하고;
제1 압축 변형 게이지 저항기 및 제1 인장 변형 게이지 저항기는 제1 입력 신호 탭 라인을 통해 제1 입력 신호를 수신하기 위해 전기적으로 결합되고;
제2 압축 변형 게이지 저항기 및 제2 인장 변형 게이지 저항기는 제2 입력 신호 탭 라인을 통해 제2 입력 신호를 수신하기 위해 전기적으로 결합되고;
제1 입력 신호 패드는 제1 입력 신호 탭 라인에 전기적으로 결합되고;
제2 입력 신호 패드는 제2 입력 신호 탭 라인에 전기적으로 결합되고;
제1 측정 신호 패드는 제1 측정 신호 리드 라인에 전기적으로 결합되고;
제2 측정 신호 패드는 제1 측정 신호 리드 라인에 전기적으로 결합되고;
제1 입력 신호 패드의 면적은 제1 측정 신호 패드의 면적보다 적고, 제2 입력 신호 패드의 면적은 제2 측정 신호 패드의 면적보다 적은, 힘 센서.
제2항에 있어서,
제1 입력 신호 패드는 제1 입력 신호 탭 라인에 와이어 본딩되고;
제2 입력 신호 패드는 제2 입력 신호 탭 라인에 와이어 본딩되고;
제1 측정 신호 패드는 제1 측정 신호 리드 라인에 와이어 본딩되고;
제2 측정 신호 패드는 제1 측정 신호 리드 라인에 와이어 본딩되는, 힘 센서.
제2항 또는 제3항에 있어서,
힘 센서는 빔의 제1 면 상의 제2 브리지 회로를 추가로 포함하고, 제2 브리지 회로는 제3 인장 변형 게이지 저항기, 제4 인장 변형 게이지 저항기, 제3 압축 변형 게이지 저항기, 및 제4 압축 변형 인장 저항기를 포함하며;
제3 인장 변형 게이지 저항기 및 제3 압축 변형 게이지 저항기는 빔의 근위 단부에 위치되고;
제4 인장 변형 게이지 저항기 및 제4 압축 변형 게이지 저항기는 빔의 원위 단부에 위치되고;
제3 측정 신호 리드 라인은 빔으로부터 기계적으로 격리되고 제3 압축 변형 게이지 저항기 및 제4 압축 변형 게이지 저항기를 전기적으로 결합하며;
제4 측정 신호 리드 라인은 빔으로부터 기계적으로 격리되고 제3 인장 변형 게이지 저항기 및 제4 인장 변형 게이지 저항기를 전기적으로 결합하는, 힘 센서.
제4항에 있어서,
종방향 축은 빔의 근위 단부와 빔의 원위 단부 사이에서 연장되고;
중립 축은 빔의 제1 면에서 종방향 축에 평행하게 연장되고 제1 면의 대향 에지들로부터 등거리이며;
제1, 제2, 제3, 및 제4 압축 변형 게이지 저항기들 각각은 중립 축을 중심으로 대칭적으로 위치되고;
제1, 제2, 제3, 및 제4 인장 변형 게이지 저항기들 각각은 중립 축을 중심으로 대칭적으로 위치되는, 힘 센서.
제4항에 있어서,
종방향 축은 빔의 근위 단부와 빔의 원위 단부 사이에서 연장되고;
중립 축은 빔의 제1 면에서 종방향 축에 평행하게 연장되고 제1 면의 대향 에지들로부터 등거리이며;
제1, 제2, 제3, 및 제4 압축 변형 게이지 저항기들 각각은 중립 축을 중심으로 대칭적으로 동일하게 위치되고;
제1, 제2, 제3, 및 제4 인장 변형 게이지 저항기들 각각은 중립 축을 중심으로 대칭적으로 동일하게 위치되는, 힘 센서.
제4항에 있어서,
제1 압축 변형 게이지 저항기, 제1 인장 변형 게이지 저항기, 제3 압축 변형 게이지 저항기, 및 제3 인장 변형 게이지 저항기는 제1 입력 신호 탭 라인을 통해 제1 입력 신호에 전기적으로 결합되고;
제2 압축 변형 게이지 저항기, 제2 인장 변형 게이지 저항기, 제4 압축 변형 게이지 저항기, 및 제4 인장 변형 게이지 저항기는 제2 입력 신호 탭 라인을 통해 제2 입력 신호에 전기적으로 결합되고;
제3 측정 신호 패드는 제3 측정 신호 리드 라인에 전기적으로 결합되고;
제4 측정 신호 패드는 제3 측정 신호 리드 라인에 전기적으로 결합되고;
제1 입력 패드의 면적 및 제2 입력 패드의 면적은 제1, 제2, 제3 및 제4 측정 신호 패드들 각각의 면적보다 적은, 힘 센서.
제4항에 있어서,
근위 횡방향 축은 제1 압축 변형 게이지 저항기와 제3 압축 변형 게이지 저항기 사이에서 연장되고;
원위 횡방향 축은 제2 압축 변형 게이지 저항기와 제4 압축 변형 게이지 정항기 사이에서 연장되고;
제1 인장 변형 게이지 저항기 및 제1 압축 변형 게이지 저항기는 근위 횡방향 축에 대하여 근위측에 위치되고;
제2 인장 변형 게이지 저항기 및 제2 압축 변형 게이지 저항기는 원위 횡방향 축에 대하여 근위측에 위치되고;
제3 압축 변형 게이지 저항기 및 제3 인장 변형 게이지 저항기는 근위 횡방향 축에 대하여 원위측에 위치되고;
제4 압축 변형 게이지 저항기 및 제4 인장 변형 게이지 저항기는 근위 횡방향 축에 대하여 원위측에 위치되는, 힘 센서.
힘 센서로서,
빔 - 상기 빔은, 근위 단부, 원위 단부, 및 상기 빔의 상기 근위 단부와 상기 빔의 상기 원위 단부 사이의 제1 면을 포함함 -;
상기 빔의 상기 제1 면 상의 제1 브리지 회로 - 상기 제1 브리지 회로는 제1 인장 변형 게이지 저항기, 제2 인장 변형 게이지 저항기, 제1 압축 변형 게이지 저항기, 및 제2 압축 변형 게이지 저항기를 포함함 -;
상기 빔의 상기 제1 면 상의 제2 브리지 회로 - 상기 제2 브리지 회로는 제3 인장 변형 게이지 저항기, 제4 인장 변형 게이지 저항기, 제3 압축 변형 게이지 저항기, 및 제4 압축 변형 게이지 저항기를 포함함 -;
를 포함하며,
제1 인장 변형 게이지 저항기, 제1 압축 변형 게이지 저항기, 제3 인장 변형 게이지 저항기, 및 제3 압축 변형 게이지 저항기는 빔의 근위 단부에 위치되고;
제2 인장 변형 게이지 저항기, 제2 압축 변형 게이지 저항기, 제4 인장 변형 게이지 저항기, 및 제4 압축 변형 게이지 저항기는 빔의 원위 단부에 위치되고;
제1 측정 신호 리드 라인은 빔으로부터 기계적으로 격리되고 제1 압축 변형 게이지 저항기 및 제2 압축 변형 게이지 저항기를 전기적으로 결합하고;
제2 측정 신호 리드 라인은 빔으로부터 기계적으로 격리되고 제1 인장 변형 게이지 저항기 및 제2 인장 변형 게이지 저항기를 전기적으로 결합하고;
제3 측정 신호 리드 라인은 빔으로부터 기계적으로 격리되고 제3 압축 변형 게이지 저항기 및 제4 압축 변형 게이지 저항기를 전기적으로 결합하고;
제4 측정 신호 리드 라인은 빔으로부터 기계적으로 격리되고 제3 인장 변형 게이지 저항기 및 제4 인장 변형 게이지 저항기를 전기적으로 결합하는, 힘 센서.
제9항에 있어서,
제1 측정 신호 리드 라인은 제1 측정 신호 탭 포인트를 포함하고, 제1 측정 신호 탭 포인트와 제1 압축 변형 게이지 저항기 사이의 제1 측정 신호 리드 라인의 저항은 제1 측정 신호 탭 포인트와 제2 압축 변형 게이지 저항기 사이의 제1 측정 신호 리드 라인의 저항과 매칭하고;
제2 측정 신호 리드 라인은 제2 측정 신호 탭 포인트를 포함하고, 제2 측정 신호 탭 포인트와 제1 인장 변형 게이지 저항기 사이의 제2 측정 신호 리드 라인의 저항은 제2 측정 신호 탭 포인트와 제2 인장 변형 게이지 저항기 사이의 제2 측정 신호 리드 라인의 저항과 매칭하고;
제3 측정 신호 리드 라인은 제3 측정 신호 탭 포인트를 포함하고, 제3 측정 신호 탭 포인트와 제3 압축 변형 게이지 저항기 사이의 제3 측정 신호 리드 라인의 저항은 제3 측정 신호 탭 포인트와 제4 압축 변형 게이지 저항기 사이의 제1 측정 신호 리드 라인의 저항과 매칭하고;
제4 측정 신호 리드 라인은 제4 측정 신호 탭 포인트를 포함하고, 제4 측정 신호 탭 포인트와 제3 인장 변형 게이지 저항기 사이의 제4 측정 신호 리드 라인의 저항은 제4 측정 신호 탭 포인트와 제4 인장 변형 게이지 저항기 사이의 제4 측정 신호 리드 라인의 저항과 매칭하는, 힘 센서.
제9항 또는 제10항에 있어서,
힘 센서는 제1 입력 신호 탭 라인, 제1 입력 신호 탭 포인트, 제2 입력 신호 탭 라인, 및 제2 입력 신호 탭 포인트를 추가로 포함하고;
제1 압축 변형 게이지 저항기, 제1 인장 변형 게이지 저항기, 제3 압축 변형 게이지 저항기, 및 제3 인장 변형 게이지 저항기는 제1 입력 신호 탭 라인을 통해 제1 입력 신호를 수신하기 위해 전기적으로 결합되고;
제1 입력 신호 탭 라인의 저항들은 제1 입력 신호 탭 포인트 및 제1 압축 변형 게이지 저항기와 제1 인장 변형 게이지 저항기의 접합부 사이에서, 그리고 제1 입력 신호 탭 포인트 및 제3 압축 변형 게이지 저항기와 제3 인장 변형 게이지 저항기의 접합부 사이에서 매칭되고;
제2 압축 변형 게이지 저항기, 제2 인장 변형 게이지 저항기, 제4 압축 변형 게이지 저항기, 및 제4 인장 변형 게이지 저항기는 제2 입력 신호 탭 라인을 통해 제2 입력 신호를 수신하기 위해 전기적으로 결합되고;
제2 입력 신호 탭 라인의 저항들은 제2 입력 신호 탭 포인트 및 제1 압축 변형 게이지 저항기와 제1 인장 변형 게이지 저항기의 접합부 사이에서, 그리고 제2 입력 신호 탭 포인트 및 제3 압축 변형 게이지 저항기와 제3 인장 변형 게이지 저항기의 접합부 사이에서 매칭되는, 힘 센서.
제11항에 있어서,
힘 센서는 제1 입력 신호 패드, 제2 입력 신호 패드, 제1 측정 신호 패드, 제2 측정 신호 패드, 제3 측정 신호 패드, 및 제4 측정 신호 패드를 추가로 포함하고;
제1 입력 신호 패드는 제1 입력 신호 탭 라인에 와이어 본딩되고;
제2 입력 신호 패드는 제2 입력 신호 탭 라인에 와이어 본딩되고;
제1 측정 신호 패드는 제1 측정 신호 리드 라인에 와이어 본딩되고;
제2 측정 신호 패드는 제1 측정 신호 리드 라인에 와이어 본딩되고;
제3 측정 신호 패드는 제3 측정 신호 리드 라인에 와이어 본딩되고;
제4 측정 신호 패드는 제3 측정 신호 리드 라인에 와이어 본딩되고;
제1 입력 신호 패드의 면적은 제1 측정 신호 패드의 면적보다 적고, 제2 입력 신호 패드의 면적은 제2 측정 신호 패드의 면적보다 적은, 힘 센서.
제9항 또는 제10항에 있어서,
종방향 축은 빔의 근위 단부와 빔의 원위 단부 사이에서 연장되고;
중립 축은 빔의 제1 면에서 종방향 축에 평행하게 연장되고 제1 면의 대향 에지들로부터 등거리이며;
제1, 제2, 제3, 및 제4 압축 변형 게이지 저항기들 각각은 중립 축을 중심으로 대칭적으로 위치되고;
제1, 제2, 제3, 및 제4 인장 변형 게이지 저항기들 각각은 중립 축을 중심으로 대칭적으로 위치되는, 힘 센서.
제9항 또는 제10항에 있어서,
종방향 축은 빔의 근위 단부와 빔의 원위 단부 사이에서 연장되고;
중립 축은 빔의 제1 면에서 종방향 축에 평행하게 연장되고 제1 면의 대향 에지들로부터 등거리이며;
제1, 제2, 제3, 및 제4 압축 변형 게이지 저항기들 각각은 중립 축을 중심으로 대칭적으로 동일하게 위치되고;
제1, 제2, 제3, 및 제4 인장 변형 게이지 저항기들 각각은 중립 축을 중심으로 대칭적으로 동일하게 위치되는, 힘 센서.
제9항 또는 제10항에 있어서,
근위 횡방향 축은 제1 압축 변형 게이지 저항기와 제3 압축 변형 게이지 저항기 사이에서 연장하고;
원위 횡방향 축은 제2 압축 변형 게이지 저항기와 제4 압축 변형 게이지 정항기 사이에서 연장하고;
제1 인장 변형 게이지 저항기 및 제1 압축 변형 게이지 저항기는 근위 횡방향 축에 대하여 근위측에 위치되고;
제3 압축 변형 게이지 저항기 및 제3 인장 변형 게이지 저항기는 근위 횡방향 축에 대하여 원위측에 위치되고;
제2 인장 변형 게이지 저항기 및 제2 압축 변형 게이지 저항기는 원위 횡방향 축에 대하여 근위측에 위치되고;
제4 압축 변형 게이지 저항기 및 제4 인장 변형 게이지 저항기는 근위 횡방향 축에 대하여 원위측에 위치되는, 힘 센서.
힘 센서로서,
빔 - 상기 빔은, 근위 단부, 원위 단부, 및 상기 빔의 상기 근위 단부와 상기 빔의 상기 원위 단부 사이의 제1 면을 포함함 -;
상기 빔의 상기 제1 면 상의 제1 인장 브리지 회로 - 상기 제1 인장 브리지 회로는 제1 인장 변형 게이지 저항기 및 제2 인장 변형 게이지 저항기를 포함함 -;
상기 빔의 상기 제1 면 상의 제2 인장 브리지 회로 - 상기 제2 인장 브리지 회로는 제3 인장 변형 게이지 저항기 및 제4 인장 변형 게이지 저항기를 포함함 -; 및
상기 빔의 상기 제1 면 상의 압축 브리지 회로 - 상기 압축 브리지 회로는 제1 압축 변형 게이지 저항기 및 제2 압축 변형 게이지 저항기를 포함함 -;
를 포함하며,
제1 인장 변형 게이지 저항기, 제1 압축 변형 게이지 저항기, 및 제3 인장 변형 게이지 저항기는 빔의 근위 단부에 위치되고;
제2 인장 변형 게이지 저항기, 제2 압축 변형 게이지 저항기, 및 제4 인장 변형 게이지 저항기는 빔의 원위 단부에 위치되고;
제1 측정 신호 리드 라인은 빔으로부터 기계적으로 격리되고 제1 압축 변형 게이지 저항기 및 제2 압축 변형 게이지 저항기를 전기적으로 결합하고;
제2 측정 신호 리드 라인은 빔으로부터 기계적으로 격리되고 제1 인장 변형 게이지 저항기 및 제2 인장 변형 게이지 저항기를 전기적으로 결합하고;
제3 측정 신호 리드 라인은 빔으로부터 기계적으로 격리되고 제3 인장 변형 게이지 저항기 및 제4 인장 변형 게이지 저항기를 전기적으로 결합하는, 힘 센서.
제16항에 있어서,
힘 센서는 제1 입력 신호 탭 라인, 제1 입력 신호 패드, 제2 입력 신호 탭 라인, 제2 입력 신호 패드, 제1 측정 신호 패드, 및 제2 측정 신호 패드를 추가로 포함하고;
제1 압축 변형 게이지 저항기, 제1 인장 변형 게이지 저항기, 및 제3 인장 변형 게이지 저항기는 제1 입력 신호 탭 라인을 통해 제1 입력 신호를 수신하기 위해 전기적으로 결합되고;
제2 압축 변형 게이지 저항기, 제2 인장 변형 게이지 저항기, 및 인장 변형 게이지 저항기는 제2 입력 신호 탭 라인을 통해 제2 입력 신호를 수신하기 위해 전기적으로 결합되고;
제1 입력 신호 패드는 제1 입력 신호 탭 라인에 전기적으로 결합되고;
제2 입력 신호 패드는 제2 입력 신호 탭 라인에 전기적으로 결합되고;
제1 측정 신호 패드는 제2 측정 신호 리드 라인에 전기적으로 결합되고;
제2 측정 신호 패드는 제1 측정 신호 리드 라인에 전기적으로 결합되고;
제3 측정 신호 패드는 제1 측정 신호 리드 라인에 전기적으로 결합되고;
제1 입력 신호 패드의 면적은 제1 측정 신호 패드의 면적보다 적고, 제2 입력 신호 패드의 면적은 제2 측정 신호 패드의 면적보다 적은, 힘 센서.
제17항에 있어서,
제1 입력 신호 탭 라인의 저항들은 제1 입력 신호 탭 포인트 및 제1 압축 변형 게이지 저항기와 제1 인장 변형 게이지 저항기의 접합부 사이에서, 그리고 제1 입력 신호 탭 포인트 및 제3 압축 변형 게이지 저항기와 제3 인장 변형 게이지 저항기의 접합부 사이에서 매칭되고;
제2 입력 신호 탭 라인의 저항들은 제2 입력 신호 탭 포인트 및 제1 압축 변형 게이지 저항기와 제1 인장 변형 게이지 저항기의 접합부 사이에서, 그리고 제2 입력 신호 탭 포인트 및 제3 압축 변형 게이지 저항기와 제3 인장 변형 게이지 저항기의 접합부 사이에서 매칭되는, 힘 센서.
제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 측정 신호 리드 라인은 제1 및 제2 압축 변형 게이지 저항기로부터 동일하게 이격된 제1 측정 신호 탭 포인트를 포함하고;
제2 측정 신호 리드 라인은 제1 및 제2 인장 변형 게이지 저항기로부터 동일하게 이격된 제2 측정 신호 탭 포인트를 포함하고;
제3 측정 신호 리드 라인은 제3 및 제4 인장 변형 게이지 저항기로부터 동일하게 이격된 제3 측정 신호 탭 포인트를 포함하는, 힘 센서.
제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
종방향 축은 빔의 근위 단부와 빔의 원위 단부 사이에서 연장되고;
중립 축은 빔의 제1 면에서 종방향 축에 평행하게 연장되고 제1 면의 대향 에지들로부터 등거리이며;
제1 및 제2 압축 변형 게이지 저항기들 각각은 중립 축을 중심으로 대칭적으로 위치되고;
제1, 제2, 제3, 및 제4 인장 변형 게이지 저항기들 각각은 중립 축을 중심으로 대칭적으로 위치되는, 힘 센서.
제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
종방향 축은 빔의 근위 단부와 빔의 원위 단부 사이에서 연장되고;
중립 축은 빔의 제1 면에서 종방향 축에 평행하게 연장되고 제1 면의 대향 에지들로부터 등거리이며;
제1 및 제2 압축 변형 게이지 저항기들 각각은 중립 축을 중심으로 대칭적으로 동일하게 위치되고;
제1, 제2, 제3, 및 제4 인장 변형 게이지 저항기들 각각은 중립 축을 중심으로 대칭적으로 동일하게 위치되는, 힘 센서.
힘 센서로서,
빔 - 상기 빔은, 근위 단부, 원위 단부, 및 상기 빔의 상기 근위 단부와 상기 빔의 상기 원위 단부 사이의 제1 면을 포함함 -;
상기 빔의 상기 제1 면 상의 제1 브리지 회로 - 상기 제1 브리지 회로는 제1 인장 게이지 저항기, 제2 인장 게이지 저항기, 제1 압축 게이지 저항기, 및 제2 압축 게이지 저항기를 포함함 -; 및
상기 빔의 상기 제1 면 상의 제2 브리지 회로 - 상기 제2 브리지 회로는 제3 인장 게이지 저항기, 제4 인장 게이지 저항기, 제3 압축 게이지 저항기, 및 제4 압축 게이지 저항기를 포함함 -;
를 포함하며,
제1 인장 및 제3 인장 게이지 저항기 및 제1 및 제3 압축 게이지 저항기는 빔의 근위 단부에 위치되고;
제2 및 제4 인장 게이지 저항기 및 제2 및 제4 압축 게이지 저항기는 빔의 원위 단부에 위치되고;
종방향 축은 빔의 근위 단부와 빔의 원위 단부 사이에서 연장되고;
중립 축은 빔의 제1 면에서 종방향 축에 평행하게 연장되고 빔의 제1 면의 대향 에지들로부터 등거리이며;
제1, 제2, 제3, 및 제4 인장 게이지 저항기들은 빔의 제1 면 상에 각각 위치되고 중립 축을 따라 각각 정렬되는, 힘 센서.
제22항에 있어서,
제1 및 제3 인장 게이지 저항기들은 빔 상에 공동 위치되고;
제1 및 제3 압축 게이지 저항기들은 빔 상에 공동 위치되고;
제2 및 제4 인장 게이지 저항기들은 빔 상에 공동 위치되고;
제2 및 제4 압축 게이지 저항기들은 빔 상에 공동 위치되는 힘 센서.
제22항에 있어서,
제1 및 제3 인장 게이지 저항기들은 대응하는 제1 및 제3 인장 게이지 저항기의 세장형 부분들을 포함하고, 제1 및 제3 인장 게이지 저항기의 세장형 부분들은 서로 인터리빙되고;
제1 및 제3 압축 게이지 저항기들은 대응하는 제1 및 제3 압축 게이지 저항기의 세장형 부분들을 포함하고, 제1 및 제3 압축 게이지 저항기의 세장형 부분들은 서로 인터리빙되고;
제2 및 제4 인장 게이지 저항기들은 대응하는 제2 및 제4 인장 게이지 저항기의 세장형 부분들을 포함하고, 제2 및 제4 인장 게이지 저항기의 세장형 부분들은 서로 인터리빙되고;
제2 및 제4 압축 게이지 저항기들은 대응하는 제2 및 제4 압축 게이지 저항기의 세장형 부분들을 포함하고, 제2 및 제4 압축 게이지 저항기의 세장형 부분들은 서로 인터리빙되는, 힘 센서.
제22항에 있어서,
제1 및 제3 인장 게이지 저항기들은 대응하는 제1 및 제3 인장 게이지 저항기의 사형(serpentine) 구성들을 포함하고, 제1 및 제3 인장 게이지의 사형 구성들은 서로 인터리빙되고;
제1 및 제3 압축 게이지 저항기들은 대응하는 제1 및 제3 압축 게이지 저항기의 사형 구성들을 포함하고, 제1 및 제3 압축 게이지 저항기의 사형 구성들은 서로 인터리빙되고;
제2 및 제4 인장 게이지 저항기들은 대응하는 제2 및 제4 인장 게이지 저항기의 사형 구성들을 포함하고, 제2 및 제4 인장 게이지 저항기의 사형 구성들은 서로 인터리빙되고;
제2 및 제4 압축 게이지 저항기들은 대응하는 제2 및 제4 압축 게이지 저항기의 사형 구성들을 포함하고, 제2 및 제4 압축 게이지 저항기의 사형 구성들은 서로 인터리빙되는, 힘 센서.
제22항에 있어서,
제1, 제2, 제3, 및 제4 압축 게이지 저항기들은 빔의 제1 면 상에 각각 위치되고 중립 축을 따라 각각 정렬되는, 힘 센서.
제22항에 있어서,
제1 및 제3 인장 게이지 저항기들 중 하나는 제1 및 제3 압축 게이지 저항기들 사이에 있고, 제1 및 제3 인장 게이지 저항기들 중 다른 하나는 제1 및 제3 압축 게이지 저항기들 중 하나 또는 다른 하나에만 인접하고;
제2 및 제4 인장 게이지 저항기들 중 하나는 제2 및 제4 압축 게이지 저항기들 사이에 있고, 제2 및 제4 인장 게이지 저항기들 중 다른 하나는 제2 및 제4 압축 게이지 저항기들 중 하나 또는 다른 하나에만 인접하는, 힘 센서.
제27항에 있어서,
제1, 제2, 제3, 및 제4 압축 게이지 저항기들은 제1 면 상에 각각 위치되고 빔의 제1 면에서 중립 축을 따라 각각 정렬되는, 힘 센서.
제22항에 있어서,
빔은 제1 면과 직교하는 제2 면을 포함하고;
힘 센서는 빔의 제2 면 상의 제3 브리지 회로를 추가로 포함하고, 제3 브리지 회로는 제5 및 제6 인장 게이지 저항기들과 제5 및 제6 압축 게이지 저항기들을 포함하고;
힘 센서는 빔의 제2 면 상의 제4 브리지 회로를 추가로 포함하고, 제4 브리지 회로는 제7 및 제8 인장 게이지 저항기들과 제7 및 제8 압축 게이지 저항기들을 포함하고;
제5 및 제7 인장 게이지 저항기들과 제5 및 제7 압축 게이지 저항기들은 빔의 근위 단부에 있고;
제6 및 제8 인장 게이지 저항기들과 제6 및 제8 압축 게이지 저항기들은 빔의 원위 단부에 있는, 힘 센서.
힘 센서로서,
빔 - 상기 빔은, 근위 단부, 원위 단부, 상기 빔의 상기 근위 단부와 상기 빔의 상기 원위 단부 사이의 제1 면, 및 상기 빔의 상기 근위 단부와 상기 빔의 상기 원위 단부 사이의 제2 면을 포함함 -;
상기 빔의 상기 제1 면 상의 제1 브리지 회로; 및
상기 빔의 상기 제2 면 상의 제2 브리지 회로를 포함하며,
제1 브리지 회로는 제1 인장 변형 게이지 저항기 및 제2 인장 변형 게이지 저항기를 포함하고;
제2 브리지 회로는 제3 인장 변형 게이지 저항기 및 제4 인장 변형 게이지 저항기를 포함하고;
제1 및 제3 인장 게이지 저항기는 빔의 근위 단부에 있고;
제2 및 제4 인장 게이지 저항기는 빔의 원위 단부에 있는, 힘 센서.
제30항에 있어서,
제1 브리지 회로는 제1 압축 변형 게이지 저항기 및 제2 압축 변형 게이지 저항기를 추가로 포함하고;
제1 압축 게이지 저항기는 빔의 근위 단부에 있고;
제2 압축 게이지 저항기는 빔의 원위 단부에 있는, 힘 센서.
제30항 또는 제31항에 있어서,
힘 센서는 빔의 제1 면 상에 제3 브리지 회로를 추가로 포함하고;
제3 브리지 회로는 제5 인장 변형 게이지 저항기 및 제6 인장 변형 게이지 저항기를 포함하고;
제5 인장 변형 게이지 저항기는 빔의 근위 단부에 있고;
제6 인장 변형 게이지 저항기는 빔의 원위 단부에 있는, 힘 센서.
제31항에 있어서,
힘 센서는 빔의 제1 면 상에 제3 브리지 회로를 추가로 포함하고;
제3 브리지 회로는 제5 인장 변형 게이지 저항기, 제6 인장 변형 게이지 저항기, 제3 압축 게이지 저항기, 및 제4 압축 게이지 저항기를 포함하고;
제5 인장 변형 게이지 저항기 및 제3 압축 게이지 저항기는 빔의 근위 단부에 있고;
제6 인장 변형 게이지 저항기 및 제4 압축 게이지 저항기는 빔의 원위 단부에 있는, 힘 센서.
제33항에 있어서,
종방향 축은 빔의 근위 단부와 빔의 원위 단부 사이에서 연장되고;
중립 축은 빔의 제1 면에서 종방향 축에 평행하게 연장되고 빔의 제1 면의 대향 에지들로부터 등거리이며;
제1, 제2, 제3, 및 제4 압축 게이지 저항기들은 빔의 제1 면 상에 각각 위치되고 중립 축을 따라 각각 정렬되는, 힘 센서.
제33항에 있어서,
제1 및 제5 인장 게이지 저항기들은 빔 상에 공동 위치되고;
제1 및 제3 압축 게이지 저항기들은 빔 상에 공동 위치되고;
제2 및 제6 인장 게이지 저항기들은 빔 상에 공동 위치되고;
제2 및 제4 압축 게이지 저항기들은 빔 상에 공동 위치되는, 빔 센서.
제30항, 제31항 또는 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 브리지 회로는 제5 압축 변형 게이지 저항기 및 제6 압축 변형 게이지 저항기를 추가로 포함하고;
제5 압축 게이지 저항기는 빔의 근위 단부에 있고;
제6 압축 게이지 저항기는 빔의 원위 단부에 있는, 빔 센서.