KR102491230B1 - 힘을 전기적으로 측정하는 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 2개의 함께 압축된 금속 전극(1) 및 금속 전극(3) 사이에 적어도 작용하는 힘(F)을 전기적으로 측정하기 위한 장치에 있어서, 수 밀리 옴 내지 10옴 이하의 범위의 전기 저항 및 400㎚ 이하의 평균 거칠기 깊이(Ra)를 갖는 세라믹, 유리 또는 플라스틱 몸체들 상의 초경 합금, 강 또는 저 저항 금속층들로 이루어진 금속 전극들은 접촉 면들에서 힘과 무관한 전도율을 가지며, 상기 힘은 금속 전극(1)과 금속 전극(3) 사이에 형상 끼워 맞춤 방식으로 배치된 절연 박막(2) 또는 다층 절연 박막(2) 상에 직접 작용하고, 상기 박막은 상기 금속 전극(1) 및 금속 전극(3)의 0.1 퍼밀 이하 범위의 매우 낮은 상대 변형을 가지면서, 산화아연 또는 x = 2.4 내지 x = 2.8인, 확률적으로 감소된 산화알루미늄(Al2Ox) 또는 탄화규소 또는 DLC 막(다이아몬드형 탄소)으로 이루어지고, 측정될 힘 플럭스와 무관하게 배치되며 고정 요소(5)의 일정한 유지력하에서 고정되는 기준 금속 전극(4)은 구조적으로 동일한 절연 박막(2) 또는 정확히 동일한 물리적 거동을 갖는 다층 절연 박막(2)에 의해 금속 전극(3)에 전기적으로 작용함으로써, 금속 전극(3)과 금속 전극(4) 사이의 절연 박막의 기준 저항은 측정 장치의 완전한 온도 보상을 위해 일정한 가압력 하에서 풀 브리지 (full-bridge) 또는 하프 브리지(half-bridge)로서 사용되며, 직렬 회로의 전류 경로에서, 고정밀 전류원(6)의 규정된 전류가 금속 전극(1)을 통해, 절연 박막(2)을 통해 금속 전극(3)으로 그리고 절연 박막(2)을 통해 금속 전극(4)으로 흐르며, 이로써 절연 박막을 통해, 금속 전극(1)과 금속 전극(3) 사이에서 힘-의존성 전압(8)이 감소하고, 절연 박막(2)의 금속 전극(4)과 금속 전극(3) 사이에서 기준 전압(9)이 감소하며, 그들의 전압 비는 온도 의존적이지 않고, 상기 측정 브리지의 브리지 전압 또는 직접 측정된 전압 비는, 힘의 전기적 측정을 위해, 상기 장치의 동작 온도와 무관하게, 작용력에 대해 일정하고 고해상도이며 정확하게 나타내지며 반복 가능한 함수를 규정하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 적어도 2개의 금속 전극들 사이에 형성되는 힘을 전기적으로 측정하는 장치에 관한 것이며, 적어도 하나의 절연 박막은 작용력의 명확하고 정확히 추적 가능한 함수를 나타내는 전기 전도율을 갖는 센서 요소로서 작용한다.
일반적으로, 본 발명은, 힘 센서들의 단순화된 구조가 변형 몸체 없이 형성됨으로써, 종래 기술에 비해 신규한 응용 다양성이 달성되는 힘 측정 기술 분야에 관한 것이다. 이 경우, 설계 특징으로서, 적어도 하나 이상의 균일한 절연 박막들이 기계적 동력 전달 요소들의 평면 또는 자유 형상 면들 상에 도포됨으로써, 전기적으로 절연된 힘 전달 요소들과 금속 전극들 사이에 센서 구성이 가능하고, 상기 센서는 직접 그리고 상기 요소들의 상당한 변형 없이 주어진 전류에서 힘에 의존하는 전압 변화의 형태인 전기 신호를 생성하며, 상기 신호는 작용력에 대한 일대일의, 고해상도의, 연속적인 매핑을 직접적인 기계적 및 전기적 방식으로 나타낸다.
이 기술에 의해, 선택된 절연 박막에 따라 높은 온도 강도를 갖고 소형 구조인, 즉 밀리-뉴턴(milli-Newton) 범위의 힘 측정에 대해 1 입방 밀리미터 미만의 설치 공간을 갖는 그리고 또한 뉴턴 범위 내지 메가 뉴턴 범위의 임의의 거대 거시 구조인 센서가 형성될 수 있고, 측정 과제에 따라, 도포된 절연 박막들을 구비한 기계적 힘 전달 요소들의 임의의 기하학적 설계는 설치 공간, 힘 작용 방향 및 기계적 변속비와 관련한 자유로운 선택을 허용한다.
예컨대, 절연 박막이 도포된 외부 원뿔 표면을 갖는 내부 및 외부 원뿔대의 원뿔 경사도의 자유로운 선택에 의해, 달성될 측정 감도의 설계가 자유롭게 선택될 수 있으며, 기하학적 설계에 따라 인장 또는 압력 센서가 가능해진다. 힘 센서들의 기계적 및 전기적 설계의 또 다른 자유도는 힘 전달 요소들에 도포된 절연 박막 또는 층 시스템의 재료 선택, 구조 및 화학적 조성이고, 절연 박막의 온도 강도, 측정 감도는 측정 과제의 요구에 따라 자유롭게 선택될 수 있다. 예컨대 3차원, 즉 공간의 폭(x-성분), 길이(y- 분), 깊이(z-성분)와 관련한 힘 작용 및 힘 방향을 상호 작용 없이 검출하기 위해, 조합된 센서 유닛의 실시에서 절연 박막들을 이용한 다수의 힘 센서들의 소형 및 대형 조합의 설계도 가능해진다.
일반적으로, 본 발명은, 힘 센서들의 단순화된 구조가 변형 몸체 없이 형성됨으로써, 종래 기술에 비해 신규한 응용 다양성이 달성되는 힘 측정 기술 분야에 관한 것이다. 이 경우, 설계 특징으로서, 적어도 하나 이상의 균일한 절연 박막들이 기계적 동력 전달 요소들의 평면 또는 자유 형상 면들 상에 도포됨으로써, 전기적으로 절연된 힘 전달 요소들과 금속 전극들 사이에 센서 구성이 가능하고, 상기 센서는 직접 그리고 상기 요소들의 상당한 변형 없이 주어진 전류에서 힘에 의존하는 전압 변화의 형태인 전기 신호를 생성하며, 상기 신호는 작용력에 대한 일대일의, 고해상도의, 연속적인 매핑을 직접적인 기계적 및 전기적 방식으로 나타낸다.
이 기술에 의해, 선택된 절연 박막에 따라 높은 온도 강도를 갖고 소형 구조인, 즉 밀리-뉴턴(milli-Newton) 범위의 힘 측정에 대해 1 입방 밀리미터 미만의 설치 공간을 갖는 그리고 또한 뉴턴 범위 내지 메가 뉴턴 범위의 임의의 거대 거시 구조인 센서가 형성될 수 있고, 측정 과제에 따라, 도포된 절연 박막들을 구비한 기계적 힘 전달 요소들의 임의의 기하학적 설계는 설치 공간, 힘 작용 방향 및 기계적 변속비와 관련한 자유로운 선택을 허용한다.
예컨대, 절연 박막이 도포된 외부 원뿔 표면을 갖는 내부 및 외부 원뿔대의 원뿔 경사도의 자유로운 선택에 의해, 달성될 측정 감도의 설계가 자유롭게 선택될 수 있으며, 기하학적 설계에 따라 인장 또는 압력 센서가 가능해진다. 힘 센서들의 기계적 및 전기적 설계의 또 다른 자유도는 힘 전달 요소들에 도포된 절연 박막 또는 층 시스템의 재료 선택, 구조 및 화학적 조성이고, 절연 박막의 온도 강도, 측정 감도는 측정 과제의 요구에 따라 자유롭게 선택될 수 있다. 예컨대 3차원, 즉 공간의 폭(x-성분), 길이(y- 분), 깊이(z-성분)와 관련한 힘 작용 및 힘 방향을 상호 작용 없이 검출하기 위해, 조합된 센서 유닛의 실시에서 절연 박막들을 이용한 다수의 힘 센서들의 소형 및 대형 조합의 설계도 가능해진다.
일반적으로, 피에조 저항 효과는 1920년경에 이미 알려진 최초 공개 문헌 및 종래 기술로부터 충분히 알려져 있다. 피에조 저항 효과는 큰 외부의 힘 또는 압력에 의한 재료의 전기 저항 변화를 나타낸다. 낮은 전기 전도율 내지 높은 전기 전도율을 갖는 모든 재료의 경우, 상기 효과가 나타나지만, 반도체의 압력 감도는 금속에 비해 수배 더 높다. 기본적으로, 반도체의 경우 단결정의 배향, 즉 전류 흐름 방향 및 캐리어 재료 내의 불순물로의 도핑이 의도적으로 조정됨으로써, 상기 압력 감도는 외부 힘 작용에 의한 저항 변화와 관련해서 증가될 수 있는 것으로 나타난다. DE199 54 164 B4에 기재된 바와 같은 다이아몬드형 격자 구조를 갖는, 비정질 탄소층의 예에서도 피에조 저항 효과가 나타난다. 이 경우, 피에조 저항 효과의 강도는 비정질 탄소층에서 격자 구조의 디자인 및 화학적 조성에 의해 조절될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 박막들 또는 다층 시스템들, 예컨대, 알루미늄-티타늄-아질산염, 알루미늄-크롬-아질산염, 지르코늄-산화물-아질산염 또는 알루미늄-크롬-아질산염-산화물과 같은 소위 다층들 및 많은 다른 것들에서, 나노 복합체 캐리어 층에 입자들로서 불순물들 또는 분자 구조들의 도입에 의해, 피에조 저항 효과의 큰 증대가 달성된다. 즉, 외부로부터 기계적으로 작용하는 힘 또는 압력의 크기에 대한 전기 저항 변화의 감도는 크게 증가하는데, 그 이유는 반도체의 재료 조합 및 도입된 불순물에 따라 이온 및/또는 전자 형태의 추가 전하 캐리어가 압력에 따라 방출되기 때문이다. 이러한 효과는 1920년부터 알려져 있지만, 기술의 발전 및 응용의 진보 및 층 시스템들의 제조는 한편으로는 예컨대 금속, 세라믹, 유리 또는 플라스틱 표면과 같은 다양한 재료 상에 도포되며, 다른 한편으로는 전기적 특성과 관련해서 반도체에 매우 근접한 재료 조성을 갖는 새로운 재료 조합 및 층 시스템들을 가져온다. 그러나 이러한 피에조 저항 층들은 종래 기술에서도 기술된 바와 같이, 상대적인 온도 의존성 저항 변화로서 켈빈 온도 상승 당 약 -0.4% 내지 약 -1.2% 범위인 저항의 매우 강한 온도 의존성 드리프트를 갖는다. 이러한 층들 및 구조들은 예컨대, 현대 평면 스크린의 제조에 사용되는 유리와 같은 평면 캐리어 재료들 상에 개별 전자 부품들 및 회로들의 설계를 허용한다. 또한, 상기 코팅된 표면들은, 캐리어 몸체 및 도포된 층 시스템의 선택에 따라, 2기가 파스칼을 초과하는 압축 강도 및 -100℃ 내지 1200℃ 범위의 내열성을 가진 초경 합금 이상의 극한의 기계적 강도를 특징으로 한다. DE 10 2010 024 808 A1은 구조화된 배치를 가진 피에조 저항성 탄소 박막 및 전자 측정 장치를 구비한 센서 구성을 개시한다. 탄소 층들(DLC-다이아몬드형 탄소)만이 사용된다. 이러한 층들은 매우 낮은 옴을 갖는다. 압전 기능층은 구조화되고, 이는 힘 도입 면을 만들기 위한 높은 제조 비용을 초래한다. 추가로, DLC로 이루어진 기능 층은 내마모층으로 코팅되고, 상기 내마모층은 측정 장치에서 전기적 간섭을 일으킬 수 있다. US 2003/0164047 A1은 힘 검출 요소 및 온도 보상 요소를 구비한 힘 센서를 개시하고, 상기 2개의 요소들은 동일한 재료로 제조되며 동일한 치수를 갖는다. DE 102 53 178 A1은 바람직하게는 기계의 마찰 공학적으로 필요한 영역에 사용되는 온도 센서로서 다이아몬드형 탄소로 이루어진 층의 사용을 개시한다. 또한, 국부적으로 상이한 층 영역에서 압력 및 온도의 동시 측정 가능성이 언급된다.
본 발명의 과제는 개선된 상기 방식의 측정 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항에 따른 방법 및 장치에 의해 해결된다.
도 1은 전기적 하프 측정 브리지로서 온도 보상을 위한 기준 절연 박막을 가진 절연 박막 힘 측정 셀의 단면도.
도 2는 저항 측정으로서 온도 보상을 위한 기준 박막을 가진 절연 박막 힘 측정 셀의 단면도.
도 3은 고감도 풀 측정 브리지로서 온도 보상을 위한 이중 기준 절연 박막을 가진 절연 박막 힘 측정 셀의 단면도.
도 4는 전기 다채널 저항 측정으로서 온도 보상을 위한 기준 절연 박막을 가진 2개의 힘 방향 F_x 및 F_y의 동일 측면 검출을 위한 절연 박막 힘 측정 셀의 단면도.
도 5는 온도 보상을 위한 다채널 기준 절연 박막을 가진 n배 측정 회로를 구비한 N-차원 절연 박막 힘 센서의 구성 및 측정 회로;
상부 - 2D 절연 층 센서 세그먼트의 단면도; 및
하부 - 힘 방향 및 그 크기를 컴포넌트와 관련해서 측정하기 위해 n = 4 x 2D 센서 블록 및 4 x 2 = 8개의 측정 채널들로 구성된 실시 예로서의 회전식 세그먼트 어셈블리.
범례 :
El-1 및 El-2 : 전극 쌍 Fy + Fx 회전 각도 0°;
E2-1 및 E2-2 : 전극 쌍 Fy + Fx 회전 각도 45°;
E3-1 및 E3-2 : 전극 쌍 Fy + Fx 회전 각도 90°;
E4-1 및 E4-2 : 전극 쌍 Fy + Fx 회전 각도 135°.
도 6은 타입_02의 코팅된 초경합금 전극과 코팅되지 않은 초경합금 전극으로 구성된 절연 박막 측정 셀의 힘-저항 특성 그래프.
도 7은 타입_03의 코팅된 초경 합금 전극과 코팅되지 않은 초경합금 전극으로 구성된 절연 박막 측정 셀의 힘-저항 특성 그래프.
도 8은 타입_01의 코팅된 초경합금 전극과 코팅되지 않은 초경합금 전극으로 구성된 절연 박막 측정 셀의 힘-저항 특성 그래프.
도 9는 2개의 코팅되지 않은 초경합금 전극들로 구성된 절연 박막 측정 셀의 힘-저항 특성 그래프, 즉 접촉 면들 사이의 저항은 +/- 1 m Ohm에서 낮은 밀리옴 범위에 있음.
도 10은 2개의 코팅되지 않은 초경합금 전극들로 구성된 절연 박막 측정 셀의 힘-저항 특성 그래프, 즉 접촉 면들 사이의 저항은 +/- 1 m Ohm에서 낮은 밀리옴 범위에 있음.
도 11은 서로 다른 거칠기를 갖는 코팅된 2개의 초경 합금 전극들로 구성된 절연 박막 측정 셀의 힘-저항 특성 그래프[폴리싱되지 않은 SiC_02 상에 폴리싱된 SiC_05 배치], 및
도 12는 서로 다른 거칠기를 갖는 코팅된 2개의 초경 합금 전극들로 구성된 절연 박막 측정 셀의 힘-저항 특성 그래프[폴리싱되지 않은 SiC_03 상에 폴리싱된 SiC_05 배치].
도 2는 저항 측정으로서 온도 보상을 위한 기준 박막을 가진 절연 박막 힘 측정 셀의 단면도.
도 3은 고감도 풀 측정 브리지로서 온도 보상을 위한 이중 기준 절연 박막을 가진 절연 박막 힘 측정 셀의 단면도.
도 4는 전기 다채널 저항 측정으로서 온도 보상을 위한 기준 절연 박막을 가진 2개의 힘 방향 F_x 및 F_y의 동일 측면 검출을 위한 절연 박막 힘 측정 셀의 단면도.
도 5는 온도 보상을 위한 다채널 기준 절연 박막을 가진 n배 측정 회로를 구비한 N-차원 절연 박막 힘 센서의 구성 및 측정 회로;
상부 - 2D 절연 층 센서 세그먼트의 단면도; 및
하부 - 힘 방향 및 그 크기를 컴포넌트와 관련해서 측정하기 위해 n = 4 x 2D 센서 블록 및 4 x 2 = 8개의 측정 채널들로 구성된 실시 예로서의 회전식 세그먼트 어셈블리.
범례 :
El-1 및 El-2 : 전극 쌍 Fy + Fx 회전 각도 0°;
E2-1 및 E2-2 : 전극 쌍 Fy + Fx 회전 각도 45°;
E3-1 및 E3-2 : 전극 쌍 Fy + Fx 회전 각도 90°;
E4-1 및 E4-2 : 전극 쌍 Fy + Fx 회전 각도 135°.
도 6은 타입_02의 코팅된 초경합금 전극과 코팅되지 않은 초경합금 전극으로 구성된 절연 박막 측정 셀의 힘-저항 특성 그래프.
도 7은 타입_03의 코팅된 초경 합금 전극과 코팅되지 않은 초경합금 전극으로 구성된 절연 박막 측정 셀의 힘-저항 특성 그래프.
도 8은 타입_01의 코팅된 초경합금 전극과 코팅되지 않은 초경합금 전극으로 구성된 절연 박막 측정 셀의 힘-저항 특성 그래프.
도 9는 2개의 코팅되지 않은 초경합금 전극들로 구성된 절연 박막 측정 셀의 힘-저항 특성 그래프, 즉 접촉 면들 사이의 저항은 +/- 1 m Ohm에서 낮은 밀리옴 범위에 있음.
도 10은 2개의 코팅되지 않은 초경합금 전극들로 구성된 절연 박막 측정 셀의 힘-저항 특성 그래프, 즉 접촉 면들 사이의 저항은 +/- 1 m Ohm에서 낮은 밀리옴 범위에 있음.
도 11은 서로 다른 거칠기를 갖는 코팅된 2개의 초경 합금 전극들로 구성된 절연 박막 측정 셀의 힘-저항 특성 그래프[폴리싱되지 않은 SiC_02 상에 폴리싱된 SiC_05 배치], 및
도 12는 서로 다른 거칠기를 갖는 코팅된 2개의 초경 합금 전극들로 구성된 절연 박막 측정 셀의 힘-저항 특성 그래프[폴리싱되지 않은 SiC_03 상에 폴리싱된 SiC_05 배치].
본 발명은 일반적으로 2개의 함께 압축된 금속 전극(1)과 금속 전극(3) 사이에 적어도 작용하는 힘(F)을 전기적으로 측정하는 장치에 관한 것이다. 금속 전극들은 수 밀리 옴 내지 10옴 이하의 범위의 전기 저항 및 400㎚ 이하의 평균 거칠기 깊이(Ra)를 가진 세라믹, 유리 또는 플라스틱 몸체들 상의 초경 합금, 강 또는 저 저항 금속 층들로 이루어지며, 접촉 면들에서 힘과 무관한 전도율을 갖는다. 상기 힘은 금속 전극(1)과 금속 전극(3) 사이에 형상 끼워 맞춤 방식으로 배치된 절연 박막(2) 또는 다층 절연 박막(2)으로 직접 작용하고, 상기 박막은 상기 금속 전극(1) 및 금속 전극(3)의 0.1 퍼밀 이하 범위의 매우 낮은 상대 변형을 가지면서, 산화아연 또는 x = 2.4 내지 x = 2.8인, 확률적으로 감소된 산화알루미늄(Al2Ox) 또는 탄화규소 또는 DLC 막(다이아몬드형 탄소)으로 이루어진다. 측정될 힘 플럭스와 무관하게 배치되며 고정 요소(5)의 일정한 유지력하에서 고정되는 기준 금속 전극(4)은 구조적으로 동일한 절연 박막(2) 또는 정확히 동일한 물리적 거동을 갖는 다층 절연 박막(2)에 의해 금속 전극(3)에 전기적으로 작용함으로써, 금속 전극(3)과 금속 전극(4) 사이의 절연 박막의 기준 저항은 측정 장치의 완전한 온도 보상을 위해 일정한 가압력 하에서 풀 브리지 (full-bridge) 또는 하프 브리지(half-bridge)로서 사용되며, 직렬 회로의 전류 경로에서, 고정밀 전류 원(6)의 규정된 전류가 금속 전극(1)을 통해, 절연 박막(2)을 통해 금속 전극(3)으로 그리고 절연 박막(2)을 통해 금속 전극(4)으로 흐르며, 이로써 절연 박막을 통해, 금속 전극(1)과 금속 전극(3) 사이에서 힘-의존성 전압(8)이 감소하고, 절연 박막(2)의 금속 전극(4)과 금속 전극(3) 사이에서 기준 전압(9)이 감소하며, 그들의 전압 비는 온도 의존적이지 않고, 상기 측정 브리지의 브리지 전압 또는 직접 측정된 전압 비는, 힘의 전기적 측정을 위해, 상기 장치의 동작 온도와 무관하게, 작용력에 대해 일정하고 고해상도이며 정확하게 나타내지며 반복 가능한 함수를 규정하고, 온도 보상된 전압 비 또는 측정된 브리지 전압은 전기적 접속을 통해 신호 컨디셔닝 및 평가 유닛에 직접 공급되며, 이로써 본 발명에 따른 힘 측정 장치의 전기적으로 분리되고 기계적으로 견고한 구조가 달성된다. 금속 전극들(1, 2, 3)의 기하학적 구조는 평면 또는 자유 형상 면의 형태로 자유롭게 선택될 수 있다.
장치의 일 실시 예는, 400㎚ 이하의 평균 표면 거칠기(Ra)의 적어도 2개의 금속 전극들의 접촉 면들의 제조 시에 전체 접촉 면에 걸쳐 4 마이크로미터 미만 범위의 형상 끼워 맞춤이 달성됨으로써, 예컨대 수 밀리 옴 내지 10 옴 이하의 범위의 전기 저항을 갖는 세라믹, 유리 또는 플라스틱 몸체들 상의 초경 합금, 매우 강한 강 또는 금속 분말 사출 성형물, 또는 저 저항 금속 층들로 제조된, 절연 박막 없는 적어도 2개 이상의 금속 전극들(1) 및 금속 전극들(3) 및 금속 전극들(4)의 접촉 면들 사이의 전기 저항은, 이들 금속 몸체를 함께 압축하는 작용력과 무관하게 ± 3 밀리 옴의 공차 범위 내에서 일정하게 유지되며, 사용된 금속 및 접촉 면의 면적에 따라 20 밀리 옴 내지 최대 160 밀리 옴의 범위에서 조절되고, 그로 인해 절연성 박막(2)만이 힘 의존성 저항 변화를 검출한다는 측정 기술적 전제 조건이 형성되는 것을 특징으로 한다.
장치의 일 실시 예는, 상기 절연 박막(2)이 수 밀리 옴 내지 10 옴 이하의 범위의 전기 저항을 갖는 세라믹, 유리 또는 플라스틱 몸체 상의 초경 합금 전극들, 강 전극들 또는 금속층 전극들에 도포됨으로써, 금속 전극(1), 금속 전극(3) 및 금속 전극(4)의 전극 베이스 바디는 절연 박막(2) 이상의 강도를 가지며, 이로써 압입 또는 파단에 의한 캐리어 재료에 대한 절연 박막의 변형 및 손상이 방지되고, 측정 장치는 힘 작용에 의해 변형되지 않거나 또는 매우 적게, 즉 0.1 퍼밀 미만의 상대 변형으로 변형되므로, 전체 힘 측정 시스템은 기계적 금속 전극(1), 금속 전극(3) 및 금속 전극(4)의 변형으로 인한 경로 변경 없이 작동하여, 절연 박막에 대한 힘 작용은 직접적인 저항 변화로 바뀌고, 상기 저항 변화는 힘의 명확한, 고 해상도의, 연속적인 함수인 것을 특징으로 한다.
장치의 일 실시 예는, 상기 기계적 전달 요소들이 금속 전극들(3)과 금속 전극들(4) 사이에 배치된 기준 절연 박막(2) 및 힘 측정 장치의 절연 박막(2)에 대한 외력 작용점들 사이에 힘 전달을 위한 금속 전극들(1), 금속 전극들(3) 및 금속 전극들(4)로서, 특수 고강도 층들 또는 층 시스템이 도포된 고강도 강 또는 초경 합금, 금속 분말 사출 성형물, 세라믹 재료 또는 유리 재료로 제조되며, 상기 층들 또는 층 시스템들은 탄화규소, DLC(다이아몬드형 탄소), 산화아연 또는 확률적으로 감소된 산화알루미늄(Al2Ox: 산소 비 x가 2.4 내지 2.8 이상)로 이루어지며, 이로써 금속 전극들(1), 금속 전극들(3) 및 금속 전극들(4) 및 절연 박막(2)으로 이루어진 측정 셀의 요소들의 매우 높은 기계적, 화학적 견고성, 치수 안정성 및 마모 방지가 달성되며, 이는 200 밀리미터 이하의 공간 거리를 갖는 측정 장치 부근의 부품들(6, 7, 내지 17)의 전자식 측정 평가 회로에 대한 전기 접촉 및 절연 박막(2)의 열 부하를 견딜 수 있고, 따라서 측정 장치는 -80°C 미만 내지 + 300°C 이하의 온도 범위에서 작동하며, 10 만회 이상의 스위칭 사이클들이 절연 박막(2) 또는 다층의 절연 박막(2)의 명확한 힘-저항 함수의 변화를 일으키지 않는 것을 특징으로 한다.
장치의 일 실시 예는, -80℃ 내지 +1100 ℃, 개별의 경우 + 1200℃까지의 온도 범위에서, 금속 전극들(1), 금속 전극들(3) 및 금속 전극들(4)로 이루어진 힘 측정 셀은 절연 박막(2)과 부품(6, 7 내지 17)의 전자 평가 유닛 사이의 내열성 전기 접속부의 사용에 의해 실현될 수 있으며, 접속 시스템의 접촉면 및 절연체 및 금속 도체는 절연 층 시스템(2)[SiC, Al2Ox, ZnO]의 의도된 선택에 의해 20 밀리미터 내지 5 미터 초과의 라인 길이로 1200℃까지 내열성을 갖는 것을 특징으로 한다.
밀리 뉴턴 내지 메가 뉴턴 범위의 힘(F)을 전기적으로 측정하기 위해 소형화되고 콤팩트한 구성으로 형성되는 장치의 일 실시 예는, 힘 측정 시스템의 매우 강하고 동적 부하를 견딜 수 있는 구조는 금속 전극들(1), 금속 전극들(3) 및 금속 전극들(4)의 기계적 구성에 의해 그리고 또한 성형품으로서 금속 전극 접촉 면의 설계에 의해 달성되며, 비율 30 : 1 내지 2 : 1의 금속 전극 접촉 면(1)과 금속 전극 접촉 면(4)의 평균 거칠기 깊이(Ra)는 200 나노미터 이하의 금속 전극들(3)의 평균 거칠기 깊이보다 더 거칠기 때문에, 전극의 1 : 1의 거칠기 비율은 힘-저항 특성 곡선의 훨씬 더 심한 증가를 일으키는 X = 1.5 내지 30.0일 때 X : 1의 더 높은 비율에 비해 힘- 저항 특성 곡선의 훨씬 더 낮은 증가를 일으키는 방식으로, 측정 셀의 일정한 힘-저항 특성 곡선의 증가는 응용 맞춤형으로 정해지는 것을 특징으로 한다.
또한, 금속 전극 접촉면이 성형품으로서 형성되고, 이 경우 힘 전달 면에 대한 고강도 코팅의 접착 강도를 증가시키는 규정된 표면 거칠기를 가진 평면들 또는 자유 형상 면들이 사용됨으로써, 2 기가 파스칼까지의 초경합금 또는 1, 2 기가 파스칼까지의 고강도 강들의 압력 수용 능력을 가진 금속 전극(1), 금속 전극(3) 및 금속 전극(4)의 베이스 바디 및 절연 박막(2) 또는 다층 절연 박막(2)의 강도가 달성된다.
재료 선택 및 이용 가능한 코팅 기술로 재료 처리와 관련한 절연 박막(2)의 제조 방법의 선택에 의해, 특수 저항 특성 값 또는 힘 의존성 절연 거동의 작동 범위가 밀리 옴(milliohm), 옴들 내지 수백 ㏀ 범위에서 정해지고, 이는 밀리뉴턴의 범위에 대해 수 입방 밀리미터의 설치 공간을 가진 작은 구조로, 뉴턴 내지 킬로뉴턴까지의 범위에서 수백 입방 센티미터까지의 범위의 중간 구조로, 그리고 메가 뉴턴 범위에서 1 입방 미터 미만의 큰 구조로 작동한다.
장치의 일 실시 예는, 요소들(1, 2, 3 내지 17)의 측정 장치가 다수의 절연 박막들(2) 또는 다층 막이라고도 하는 다층 절연 박막들(2)의 조합에 의해, 하프 또는 풀 측정 브리지로서 전기적으로 작동됨으로써, 전기 상호 접속에 의해 의도적으로 측정 감도가 수배 증가하는 것을 특징으로 한다. 온도 관련 저항 편차는 힘 측정 셀당 하나 이상의 기준 금속 전극들(4)에 의해 완전히 보상된다. 또한 측정하려는 힘 작용 방향으로 금속 전극들(1) 및 금속 전극들(3), 절연 박막들(2) 및 기준 금속 전극들(4)로 이루어진 하나의 측정 셀 조합의 공간적 배치, 및 예컨대, 시스템에서 기계적으로 중첩된 진동으로서 야기되는 방해 힘 성분의 방향으로 제 2 측정 셀 조합의 요소들(1, 2, 3 및 4)의 제 2 공간적 배치는 전기 차동 회로로서의 하프 측정 브리지 또는 풀 측정 브리지의 작동을 가능하게 하므로, 간섭 신호가 의도적으로 기계적 기생 진동에 의해 감소되거나 완전히 보상된다.
장치의 일 실시 예는, 상기 측정 장치가 다수의 절연 박막들(2.1은 채널 1에 상응하며 2.2는 채널 2에 상응함) 또는 다층 막들이라고도 하는 다층 절연 박막들(2.1, 2.2 ~ 2.n)을 조합함으로써 하나 이상의 하프 측정 브리지 또는 풀 측정 브리지에 의해 다수의 측정 채널들의 그룹 회로로서 전기적으로 작동되며, 그들의 공간적 또는 기하학적 배치는, 측정될 힘이 폭-X, 길이-Y, 높이-Z을 가진 직교 좌표계의 적어도 3개의 공간 차원에서 및/또는 추가로 X-Y 평면의 법선 벡터를 중심으로 하는 회전 축, Z 축, 및 X-Y 평면에 대한 경사각을 일 대 일로 나타내는 추가의 회전 축의 극 좌표계에서 벡터 성분으로서 힘 작용의 별도 검출에 의해 관련 측정 채널당 정확한 크기 및 방향의 벡터 크기로서 동시에 결정될 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 한다.
장치의 일 실시 예는, 전기 힘 측정 장치로서 금속 전극들(1), 절연 박막들(2), 금속 전극들(3) 및 기준 금속 전극들(4)의 단순한 기계적 구성 및 복잡한 기계적 구성이 형성되며, 상기 구성들은 절연 박막들(2)에 의해, 단일 박막(2), 또는 몇 개의 성형품들 상에 평면 또는 자유 형상 면으로서 10㎜보다 큰 범위의 매크로 구조로 및 소형화로서 서브밀리미터 범위의 마이크로 구조로 도포된 다층 막들(2 또는 2.n)(소위 다층 박막들)로 구성되는 하나 이상의 전기적 힘 측정 장치들의 조합으로서 형성되며, 다수의 금속 부품 및/또는 세라믹 부품 또는 유리 부품은 압력 끼워 맞춤 방식으로 및/또는 형상 끼워 맞춤 방식으로 배치되고, 모멘트 및 힘은 온도 보상된 상태로 검출되며, 메가 옴 범위의 고 저항 절연 층들의 도포에 의해, 상기 부품들은 외부 환경에 대해 전기적으로 고 저항으로 절연되고, 전기적으로 서로 충분히 절연되며, 기계적으로 및 전기적으로 상호작용 없이 서로 분리되어 금속 전극들(1, 3 및 4)로서 작동되는 것을 특징으로 한다.
장치의 일 실시 예는, 상기 전기적 힘 측정 장치의 측정 감도가 밀리뉴턴 내지 메가뉴턴 범위의 힘 측정 범위에 대해 정해지며, 또한 힘의 방향은 금속 전극들(1), 금속 전극들(3) 및 기준 금속 전극들(4)의 구조적 기하학적 디자인에 의해 설정되고, 상기 전극들은 자유로이 선택 가능한 규칙적인 기하학의 조립 가능한 몸체로서 포지티브 형상 및 네거티브 형상으로서 구성되어 제조되고, 상기 형상들의 편차는 400 나노미터 이하인 전극 접촉 표면의 평균 거칠기 깊이(Ra)에서 6 마이크로미터 이하이고, 상기 포지티브 형상 및 네거티브 형상은 예컨대 인장력 또는 압축력을 측정하기 위한, 절연 박막(2)이 도포된 동일한 형상의 표면의 내부 원뿔대 및 외부 원뿔대이고, 원뿔 각 및 그에 따른 압력 측정 셀 또는 인장 측정 셀의 기계적 전달비는 자유로이 선택 가능한 것을 특징으로 한다. 또한, 실린더 표면 상에 도포된 절연 박막을 가진 외부 실린더와 내부 실린더의 끼워진 실린더 면에 의해, 반경 방향 클램핑력의 검출이 달성되고, 따라서 원통형 클램핑 시스템들 사이의 수축 조인트들의 반경 방향 및 축 방향 힘 전달력이 직접 측정되며, 이것은 2개의 몸체 사이의 힘 작용으로서 선형으로 검출된다.
다른 적용 예에서 상기 측정 시스템의 구조적 설계 자유도를 위해 계단형 실린더에 의한 축 방향 인장력 또는 압축력의 직접 측정이 가능하고, 2개 이상의 성형품들의 절연 박막(2)은 실린더 링들의 단부면 상에 도포되며, 따라서 압축된 성형품들의 축 방향으로 작용하는 인장력 또는 압축력이 직접 선형으로 검출되고, 또한 금속 전극들(1)과 금속 전극들(3)과 상기 금속 전극들 사이에 개재된 절연 박막(2) 사이의 평면 접촉 면에 의해, 그 법선 벡터가 끼워지는 회전 대칭 성형품들의 회전 방향에 대해 접선이므로 토크의 직접적인 측정이 가능해지며, 상기 절연 박막은 측정될 힘의 방향으로 향한 법선 벡터를 가진 샤프트의 평면 또는 자유 형상 면에 도포되며, 상기 힘은 두 몸체의 실린더 원주에 비틀림으로서 작용한다.
장치의 일 실시 예는, 상기 금속 전극들이 하나 이상의 절연 박막들(2 또는 2.n)에 의해 서로 전기적으로 절연되며, 기계적으로 규칙적인 기하학 또는 자유 형상 기하학(freeform geometry)으로서 설계되어, 각각의 내부 전극의 외부 면상의 2개의 서로 연결된 원뿔대의 원주 면 상에 절연 박막이 도포됨으로써 압축력 및 인장력의 적어도 하나의 동시의 2채널 또는 다채널 측정이 가능하며, 상기 내부 전극은 정확한 끼워 맞춤 방식 하우징과는 달리, 즉 400 나노 미터 미만의 평균 거칠기 깊이의 표면 거칠기 및 6 마이크로미터 미만의 형상 공차를 가지고 2개의 전기 절연된 외부 전극들로서 네거티브 형상으로서 장착되고, 예컨대 초경 합금으로 제조된 금속 전극들(1), 금속 전극들(3) 및 기준 금속 전극들(4)의 변형이 일어나지 않거나 또는 0.01 퍼밀 미만의 극히 작은 상대 변형이 일어나고, 힘 작용 방향으로 팁을 갖는 원뿔대 상의 절연 박막(2)은 압축력을 측정하며 힘 작용 방향과 반대로 팁을 갖는 원뿔대는 인장력을 측정하므로, 이 전기적 힘 측정 장치는 반대 방향의 힘을 포지티브 작용력 및 네거티브 작용력으로서 동시에 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
전술한 장치를 사용하여 절연 박막(2)에 의해 힘을 전기적으로 측정하는 경우, 전류 원(6)으로서 정밀 전자 신호 발생기가 사용되며, 상기 전자 신호 발생기는 작동 모드에서 조절된 직류 원으로서 또는 작동 모드에서 교류 신호 소스로 작동하므로, 명확하게 규정된 그리고 정확한 기준으로서 사용 가능한 출력 전류 신호가 자유롭게 선택될 수 있는 진폭 및 주파수들을 가진 예컨대, 사인파, 구형파 또는 삼각파 신호 형태로 저항 측정 회로에 공급된다. 또한 신호 처리 및 평가 회로는 각각의 작동 모드에 따라 조정되므로, 용도에 따라, 환경으로부터의 전기 간섭, 즉, 강한 전기장 또는 전자기장은 용도 관련해서 설계된 컷오프 주파수를 갖는 밴드 패스 또는 밴드 스톱에 의한 신호 필터링을 통해 의도적으로 억압되거나 또는 보상된다. 또한, 펄스-포우즈 모드에서 상기 측정 장치의 에너지 소비가 20 ~ 40 퍼센트 이상 감소된다.
금속 전극들(1), 절연 박막들(2), 금속 전극들(3) 및 기준 금속 전극들(4)로 이루어진 박막 힘 측정 시스템의 다이내믹 또는 전기적 힘 측정 장치들의 조합체의 다이내믹은 요소들(1, 2, 3 및 4)의 절연 박막들에 의해 힘 곡선들의 메가 헤르츠 범위의 시간적 해상도를 제공하고, 상기 해상도는 절연 박막들(2) 및 기준 박막들(4)의 설계에 의해서만 100옴 내지 1옴 이하 범위의 저 임피던스 측정 저항으로서 발생한다. 이로써 측정 전류의 증가, 특히 절연 박막 저항을 통한 전압 강하로서 검출되고 낮은 마이크로초 내지 수십 나노초 범위에서 달성되는 검출된 측정 전압의 에지 경사도의 증가가 달성된다. 절연 박막들(2 또는 2n)을 통한 전압 강하를 검출하기 위한 전자 측정 장치는 800 나노초 미만의 시간 지연에서 최소 세 자릿수의 마이크로볼트 범위의 해상도로 전기적으로 조정되므로, 시간 거동 및 감도와 관련한 전체 측정 시스템의 성능은 상기 조정에 의해서만 결정되고, 그에 따라 예컨대 터빈 또는 발전기의 베어링 셸에서 실시되는, 시간적 고해상도의 및 변형 없는 힘 측정이 가능해진다.
상기 금속 전극들(1), 금속 전극들(3) 및 기준 금속 전극들(4)로의 힘 전달을 위한 기계적 전달 요소들은 상기 절연 박막(2)에 대한 외력 작용점들 사이에서 고체 플라스틱 또는 고강도 복합 재료로 성형품으로서 제조되고, 상기 전기 힘 측정 시스템은 요소들(1, 3, 4)의 전기 전도성 금속 전극으로서 고강도 금속 층들의 도포에 의해, 상기 금속 전극들(1, 3, 4) 상에 상기 절연 박막들(2 또는 2.n)의 도포에 의해, 그리고 50 밀리옴 미만 저항 범위의 상기 전극과 상기 전자 측정 시스템의 저 저항 전기 접촉부로서 상기 금속 전극들(1, 3 및 4)의 플라스틱 또는 복합 재료로 이루어진 전극 베이스 바디의 캐리어 재료 상에 요소들(6, 7 내지 17)의 제공에 의해 형성된다.
상기 금속 전극들(1), 금속 전극들(3) 및 금속 전극들(4)은 절연 박막(2)에 의해 서로 전기적으로 절연되므로, 요소들(1, 2, 3 내지 17)로 이루어진 상기 전기 측정 셀의 커패시턴스 및/또는 저항은 외부로부터 측정 셀에 작용하는 압력의 명확하고 연속하는 함수이며, 힘 의존성 커패시턴스(C) 또는 임피던스(Z)를 전기적으로 측정하기 위해 전류 원으로서 정밀 전자 신호 발생기가 사용되며, 상기 전자 신호 발생기는 작동 모드에서 조절된 교류 신호 소스로서 작동하므로, 명확하게 규정된 그리고 정확한 기준으로서 사용 가능한 출력 전류 신호가 자유롭게 선택될 수 있는 진폭 및 주파수들을 가진 예컨대, 사인파, 구형파 또는 삼각파 신호 형태로 커패시턴스 또는 임피던스 측정 회로에 공급되고, 공진 주파수에서 진동 회로로서 이들을 여기하며, 상기 금속 전극들(1, 3, 4) 사이의 작용력에 의해 진동 회로는 커패시턴스 변화 및/또는 임피던스 변화에 의해 동조되지 않으며, 또한 상기 교류 전압 측정 신호의 진폭은 상기 절연 박막(2)의 용량-저항성 저항을 통해 감소하고, 그 프로파일은 작용 압력에 대한 일대일의 그리고 연속하는 함수이고, 전자 신호 처리 및 평가 회로는 용도 맞춤형 밴드 스톱 필터 또는 밴드 패스 필터에 의해 기생의 기계적 진동 또는 환경으로부터의 전기장들의 결과로서 간섭 신호의 거의 완전한 억압 또는 보상을 수행한다.
상기 금속 전극들(1), 금속 전극들 (3) 및 금속 전극들(4)은 절연 박막에 의해 서로 전기적으로 절연되므로, 상기 전기 측정 셀의 임피던스 Z, 즉 유도성 교류 저항 또는 용량성 교류 저항은 외부로부터 상기 측정 셀에 작용하는 압력의 명확하고 연속하는 함수를 나타내며, 힘 의존성 인덕턴스(L) 또는 커패시턴스(C)를 전기적으로 측정하기 위해, 전류원으로서 정밀 전자 신호 발생기가 사용되고, 상기 신호 발생기는 작동 모드로 조절된 교류 신호 소스로서 작동함으로써, 명확하게 규정되고 정확한 기준으로서 사용 가능한 출력 전류 신호가 자유로이 선택 가능한 진폭 및 주파수를 가진 예컨대 사인파, 구형파 또는 삼각파 신호 형태로 커패시턴스 또는 인덕턴스 측정 회로에 공급되어 공진 주파수에서 공진 회로로서 이들을 여기한다.
재료 선택 및 이용 가능한 코팅 기술로 재료 처리와 관련한 절연 박막(2)의 제조 방법의 선택에 의해, 특수 저항 특성 값 또는 힘 의존성 절연 거동의 작동 범위가 밀리 옴(milliohm), 옴들 내지 수백 ㏀ 범위에서 정해지고, 이는 밀리뉴턴의 범위에 대해 수 입방 밀리미터의 설치 공간을 가진 작은 구조로, 뉴턴 내지 킬로뉴턴까지의 범위에서 수백 입방 센티미터까지의 범위의 중간 구조로, 그리고 메가 뉴턴 범위에서 1 입방 미터 미만의 큰 구조로 작동한다.
장치의 일 실시 예는, 요소들(1, 2, 3 내지 17)의 측정 장치가 다수의 절연 박막들(2) 또는 다층 막이라고도 하는 다층 절연 박막들(2)의 조합에 의해, 하프 또는 풀 측정 브리지로서 전기적으로 작동됨으로써, 전기 상호 접속에 의해 의도적으로 측정 감도가 수배 증가하는 것을 특징으로 한다. 온도 관련 저항 편차는 힘 측정 셀당 하나 이상의 기준 금속 전극들(4)에 의해 완전히 보상된다. 또한 측정하려는 힘 작용 방향으로 금속 전극들(1) 및 금속 전극들(3), 절연 박막들(2) 및 기준 금속 전극들(4)로 이루어진 하나의 측정 셀 조합의 공간적 배치, 및 예컨대, 시스템에서 기계적으로 중첩된 진동으로서 야기되는 방해 힘 성분의 방향으로 제 2 측정 셀 조합의 요소들(1, 2, 3 및 4)의 제 2 공간적 배치는 전기 차동 회로로서의 하프 측정 브리지 또는 풀 측정 브리지의 작동을 가능하게 하므로, 간섭 신호가 의도적으로 기계적 기생 진동에 의해 감소되거나 완전히 보상된다.
장치의 일 실시 예는, 상기 측정 장치가 다수의 절연 박막들(2.1은 채널 1에 상응하며 2.2는 채널 2에 상응함) 또는 다층 막들이라고도 하는 다층 절연 박막들(2.1, 2.2 ~ 2.n)을 조합함으로써 하나 이상의 하프 측정 브리지 또는 풀 측정 브리지에 의해 다수의 측정 채널들의 그룹 회로로서 전기적으로 작동되며, 그들의 공간적 또는 기하학적 배치는, 측정될 힘이 폭-X, 길이-Y, 높이-Z을 가진 직교 좌표계의 적어도 3개의 공간 차원에서 및/또는 추가로 X-Y 평면의 법선 벡터를 중심으로 하는 회전 축, Z 축, 및 X-Y 평면에 대한 경사각을 일 대 일로 나타내는 추가의 회전 축의 극 좌표계에서 벡터 성분으로서 힘 작용의 별도 검출에 의해 관련 측정 채널당 정확한 크기 및 방향의 벡터 크기로서 동시에 결정될 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 한다.
장치의 일 실시 예는, 전기 힘 측정 장치로서 금속 전극들(1), 절연 박막들(2), 금속 전극들(3) 및 기준 금속 전극들(4)의 단순한 기계적 구성 및 복잡한 기계적 구성이 형성되며, 상기 구성들은 절연 박막들(2)에 의해, 단일 박막(2), 또는 몇 개의 성형품들 상에 평면 또는 자유 형상 면으로서 10㎜보다 큰 범위의 매크로 구조로 및 소형화로서 서브밀리미터 범위의 마이크로 구조로 도포된 다층 막들(2 또는 2.n)(소위 다층 박막들)로 구성되는 하나 이상의 전기적 힘 측정 장치들의 조합으로서 형성되며, 다수의 금속 부품 및/또는 세라믹 부품 또는 유리 부품은 압력 끼워 맞춤 방식으로 및/또는 형상 끼워 맞춤 방식으로 배치되고, 모멘트 및 힘은 온도 보상된 상태로 검출되며, 메가 옴 범위의 고 저항 절연 층들의 도포에 의해, 상기 부품들은 외부 환경에 대해 전기적으로 고 저항으로 절연되고, 전기적으로 서로 충분히 절연되며, 기계적으로 및 전기적으로 상호작용 없이 서로 분리되어 금속 전극들(1, 3 및 4)로서 작동되는 것을 특징으로 한다.
장치의 일 실시 예는, 상기 전기적 힘 측정 장치의 측정 감도가 밀리뉴턴 내지 메가뉴턴 범위의 힘 측정 범위에 대해 정해지며, 또한 힘의 방향은 금속 전극들(1), 금속 전극들(3) 및 기준 금속 전극들(4)의 구조적 기하학적 디자인에 의해 설정되고, 상기 전극들은 자유로이 선택 가능한 규칙적인 기하학의 조립 가능한 몸체로서 포지티브 형상 및 네거티브 형상으로서 구성되어 제조되고, 상기 형상들의 편차는 400 나노미터 이하인 전극 접촉 표면의 평균 거칠기 깊이(Ra)에서 6 마이크로미터 이하이고, 상기 포지티브 형상 및 네거티브 형상은 예컨대 인장력 또는 압축력을 측정하기 위한, 절연 박막(2)이 도포된 동일한 형상의 표면의 내부 원뿔대 및 외부 원뿔대이고, 원뿔 각 및 그에 따른 압력 측정 셀 또는 인장 측정 셀의 기계적 전달비는 자유로이 선택 가능한 것을 특징으로 한다. 또한, 실린더 표면 상에 도포된 절연 박막을 가진 외부 실린더와 내부 실린더의 끼워진 실린더 면에 의해, 반경 방향 클램핑력의 검출이 달성되고, 따라서 원통형 클램핑 시스템들 사이의 수축 조인트들의 반경 방향 및 축 방향 힘 전달력이 직접 측정되며, 이것은 2개의 몸체 사이의 힘 작용으로서 선형으로 검출된다.
다른 적용 예에서 상기 측정 시스템의 구조적 설계 자유도를 위해 계단형 실린더에 의한 축 방향 인장력 또는 압축력의 직접 측정이 가능하고, 2개 이상의 성형품들의 절연 박막(2)은 실린더 링들의 단부면 상에 도포되며, 따라서 압축된 성형품들의 축 방향으로 작용하는 인장력 또는 압축력이 직접 선형으로 검출되고, 또한 금속 전극들(1)과 금속 전극들(3)과 상기 금속 전극들 사이에 개재된 절연 박막(2) 사이의 평면 접촉 면에 의해, 그 법선 벡터가 끼워지는 회전 대칭 성형품들의 회전 방향에 대해 접선이므로 토크의 직접적인 측정이 가능해지며, 상기 절연 박막은 측정될 힘의 방향으로 향한 법선 벡터를 가진 샤프트의 평면 또는 자유 형상 면에 도포되며, 상기 힘은 두 몸체의 실린더 원주에 비틀림으로서 작용한다.
장치의 일 실시 예는, 상기 금속 전극들이 하나 이상의 절연 박막들(2 또는 2.n)에 의해 서로 전기적으로 절연되며, 기계적으로 규칙적인 기하학 또는 자유 형상 기하학(freeform geometry)으로서 설계되어, 각각의 내부 전극의 외부 면상의 2개의 서로 연결된 원뿔대의 원주 면 상에 절연 박막이 도포됨으로써 압축력 및 인장력의 적어도 하나의 동시의 2채널 또는 다채널 측정이 가능하며, 상기 내부 전극은 정확한 끼워 맞춤 방식 하우징과는 달리, 즉 400 나노 미터 미만의 평균 거칠기 깊이의 표면 거칠기 및 6 마이크로미터 미만의 형상 공차를 가지고 2개의 전기 절연된 외부 전극들로서 네거티브 형상으로서 장착되고, 예컨대 초경 합금으로 제조된 금속 전극들(1), 금속 전극들(3) 및 기준 금속 전극들(4)의 변형이 일어나지 않거나 또는 0.01 퍼밀 미만의 극히 작은 상대 변형이 일어나고, 힘 작용 방향으로 팁을 갖는 원뿔대 상의 절연 박막(2)은 압축력을 측정하며 힘 작용 방향과 반대로 팁을 갖는 원뿔대는 인장력을 측정하므로, 이 전기적 힘 측정 장치는 반대 방향의 힘을 포지티브 작용력 및 네거티브 작용력으로서 동시에 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
전술한 장치를 사용하여 절연 박막(2)에 의해 힘을 전기적으로 측정하는 경우, 전류 원(6)으로서 정밀 전자 신호 발생기가 사용되며, 상기 전자 신호 발생기는 작동 모드에서 조절된 직류 원으로서 또는 작동 모드에서 교류 신호 소스로 작동하므로, 명확하게 규정된 그리고 정확한 기준으로서 사용 가능한 출력 전류 신호가 자유롭게 선택될 수 있는 진폭 및 주파수들을 가진 예컨대, 사인파, 구형파 또는 삼각파 신호 형태로 저항 측정 회로에 공급된다. 또한 신호 처리 및 평가 회로는 각각의 작동 모드에 따라 조정되므로, 용도에 따라, 환경으로부터의 전기 간섭, 즉, 강한 전기장 또는 전자기장은 용도 관련해서 설계된 컷오프 주파수를 갖는 밴드 패스 또는 밴드 스톱에 의한 신호 필터링을 통해 의도적으로 억압되거나 또는 보상된다. 또한, 펄스-포우즈 모드에서 상기 측정 장치의 에너지 소비가 20 ~ 40 퍼센트 이상 감소된다.
금속 전극들(1), 절연 박막들(2), 금속 전극들(3) 및 기준 금속 전극들(4)로 이루어진 박막 힘 측정 시스템의 다이내믹 또는 전기적 힘 측정 장치들의 조합체의 다이내믹은 요소들(1, 2, 3 및 4)의 절연 박막들에 의해 힘 곡선들의 메가 헤르츠 범위의 시간적 해상도를 제공하고, 상기 해상도는 절연 박막들(2) 및 기준 박막들(4)의 설계에 의해서만 100옴 내지 1옴 이하 범위의 저 임피던스 측정 저항으로서 발생한다. 이로써 측정 전류의 증가, 특히 절연 박막 저항을 통한 전압 강하로서 검출되고 낮은 마이크로초 내지 수십 나노초 범위에서 달성되는 검출된 측정 전압의 에지 경사도의 증가가 달성된다. 절연 박막들(2 또는 2n)을 통한 전압 강하를 검출하기 위한 전자 측정 장치는 800 나노초 미만의 시간 지연에서 최소 세 자릿수의 마이크로볼트 범위의 해상도로 전기적으로 조정되므로, 시간 거동 및 감도와 관련한 전체 측정 시스템의 성능은 상기 조정에 의해서만 결정되고, 그에 따라 예컨대 터빈 또는 발전기의 베어링 셸에서 실시되는, 시간적 고해상도의 및 변형 없는 힘 측정이 가능해진다.
상기 금속 전극들(1), 금속 전극들(3) 및 기준 금속 전극들(4)로의 힘 전달을 위한 기계적 전달 요소들은 상기 절연 박막(2)에 대한 외력 작용점들 사이에서 고체 플라스틱 또는 고강도 복합 재료로 성형품으로서 제조되고, 상기 전기 힘 측정 시스템은 요소들(1, 3, 4)의 전기 전도성 금속 전극으로서 고강도 금속 층들의 도포에 의해, 상기 금속 전극들(1, 3, 4) 상에 상기 절연 박막들(2 또는 2.n)의 도포에 의해, 그리고 50 밀리옴 미만 저항 범위의 상기 전극과 상기 전자 측정 시스템의 저 저항 전기 접촉부로서 상기 금속 전극들(1, 3 및 4)의 플라스틱 또는 복합 재료로 이루어진 전극 베이스 바디의 캐리어 재료 상에 요소들(6, 7 내지 17)의 제공에 의해 형성된다.
상기 금속 전극들(1), 금속 전극들(3) 및 금속 전극들(4)은 절연 박막(2)에 의해 서로 전기적으로 절연되므로, 요소들(1, 2, 3 내지 17)로 이루어진 상기 전기 측정 셀의 커패시턴스 및/또는 저항은 외부로부터 측정 셀에 작용하는 압력의 명확하고 연속하는 함수이며, 힘 의존성 커패시턴스(C) 또는 임피던스(Z)를 전기적으로 측정하기 위해 전류 원으로서 정밀 전자 신호 발생기가 사용되며, 상기 전자 신호 발생기는 작동 모드에서 조절된 교류 신호 소스로서 작동하므로, 명확하게 규정된 그리고 정확한 기준으로서 사용 가능한 출력 전류 신호가 자유롭게 선택될 수 있는 진폭 및 주파수들을 가진 예컨대, 사인파, 구형파 또는 삼각파 신호 형태로 커패시턴스 또는 임피던스 측정 회로에 공급되고, 공진 주파수에서 진동 회로로서 이들을 여기하며, 상기 금속 전극들(1, 3, 4) 사이의 작용력에 의해 진동 회로는 커패시턴스 변화 및/또는 임피던스 변화에 의해 동조되지 않으며, 또한 상기 교류 전압 측정 신호의 진폭은 상기 절연 박막(2)의 용량-저항성 저항을 통해 감소하고, 그 프로파일은 작용 압력에 대한 일대일의 그리고 연속하는 함수이고, 전자 신호 처리 및 평가 회로는 용도 맞춤형 밴드 스톱 필터 또는 밴드 패스 필터에 의해 기생의 기계적 진동 또는 환경으로부터의 전기장들의 결과로서 간섭 신호의 거의 완전한 억압 또는 보상을 수행한다.
상기 금속 전극들(1), 금속 전극들 (3) 및 금속 전극들(4)은 절연 박막에 의해 서로 전기적으로 절연되므로, 상기 전기 측정 셀의 임피던스 Z, 즉 유도성 교류 저항 또는 용량성 교류 저항은 외부로부터 상기 측정 셀에 작용하는 압력의 명확하고 연속하는 함수를 나타내며, 힘 의존성 인덕턴스(L) 또는 커패시턴스(C)를 전기적으로 측정하기 위해, 전류원으로서 정밀 전자 신호 발생기가 사용되고, 상기 신호 발생기는 작동 모드로 조절된 교류 신호 소스로서 작동함으로써, 명확하게 규정되고 정확한 기준으로서 사용 가능한 출력 전류 신호가 자유로이 선택 가능한 진폭 및 주파수를 가진 예컨대 사인파, 구형파 또는 삼각파 신호 형태로 커패시턴스 또는 인덕턴스 측정 회로에 공급되어 공진 주파수에서 공진 회로로서 이들을 여기한다.
본 발명에 따라 전기적으로 서로 절연된 전극으로서 구현된 적어도 2개의 기계적 힘 전달 요소들(도 1 및 도 3) 사이에 절연 박막(2)이 도포됨으로써, 도 1, 도 2 및 도 3에서 실시 예로서 도시된 바와 같은 힘의 측정이 이루어지는데, 상기 절연 박막(2)의 전기 저항은 작용력(F)의 명확하게 추적 가능한 함수이며, 기준 금속 전극(4)이 힘 플럭스의 외부에서 구조적으로 근접하게 배치되며, 상기 기준 금속 전극(4)의 홀더는 상기 기준 금속 전극(4)을 일정한 유지력하에서 소스 전극(3)에 대해 고정한다.
따라서, 측정 장치의 온도 의존성을 완전히 보상하는 하프 측정 브리지 또는 풀 측정 브리지가 구성될 수 있어서, 브리지 전압은 주변 온도와 무관하게 전극들(1 및 3) 사이의 힘 작용의 일 대 일로 추적 가능한 함수를 나타낸다. 이를 위해, 적어도 2개의 전극들(1 및 3) 또는 공통 소스 전극(E_q 또는 3) 및 그들의 인접한 센서 전극들(E_n)이 전류 원(6)에 전기적으로 접속되며, 이로써 전류(I)로서 전류계(7)에 의해 측정된 상기 조절된 전류 원(6)의 주어진 공지된 전류(I_q)가, 상기 절연 박막을 통해 다차원 센서에서 전압 강하(U 또는 U_n)를 일으키고, 상기 전압 강하는 전압계(8)에 의해 고해상도로 측정되고 하나 이상의 기준 측정 전극들(4 또는 U.ref(n))에 비해 하프 또는 풀 측정 브리지를 사용하여 브리지 전압으로서 변환됨으로써, 절연 박막 저항 또는 측정 장치의 온도 의존성의 완전한 보상이 달성된다.
이전에 공지된 힘 측정 센서들의 솔루션들에 비해, 특히 특허 DE 199 54 164 B4 및 DE 10 2006 019 942 A1과 관련하여, 다른 점들은 다음과 같다:
- 종래 기술에 기재된 피에조 저항성 절연 박막 시스템들에 기초한 모든 힘 측정 장치들은 절연 저항의 온도 의존성 드리프트를 매우 정확하고 완전하게 보상하기 위한 어떠한 수단도 포함하지 않는다.
- 여러 가지 절연 박막들 및 반도체 거동을 갖는 다층 시스템들이 사용되며, 그들의 감도는 힘 의존성 전기 전도율 또는 전기 저항과 관련하여, 특별한 제조 공정, 화학적 재료 조합, 및 힘 의존성 피에조 저항 효과를 크게 증가시키는 추가의 전하 캐리어들을 방출하는, 불순물의 도입에 의해 의도적으로 조절된다. 이러한 절연 박막들 또는 절연 박막 조합의 예로는 알루미늄-티타늄-아질산염, 알루미늄-크롬-아질산염, 지르코늄-산화물-아질산염 또는 알루미늄-크롬-아질산염-산화물, 및 반도체로서 힘 의존성 저항 변화의 큰 감도를 갖는 많은 다른 것들이 있다.
- 기계적 힘 전달 요소들은 기하학 및 재료 선택과 관련하여, 기계적 힘 전달 요소의 기하학적 변화가 없거나 또는 무시할만한 변형이 나타나므로, 힘 측정이 경로 변경 또는 이동 경로의 에러 없이 전기적으로 측정 가능한 신호로 직접 바뀌도록 설계된다. 즉 단일 센서 커플링 부재는 절연 박막이고, 추가의 부품 공차 및 기계적 장애들은 측정 체인에 포함되지 않도록 설계된다.
- 또한, 예컨대 전극들(1 및 3)로서 초경 합금 힘 전달 요소들을 구비한 센서 실시 예에서, 상기 요소들이 함께 압축되는 작용력과 무관하게, 정확하게 일정한 밀리 옴 범위의 접촉 저항을 갖는 금속 전극들(1 및 3)의 경계면들 사이에 전기적으로 정확하게 규정된 접촉 저항들이 달성된다.
- 다차원 힘 측정 유닛으로서 힘 측정 센서들 또는 힘 측정-센서-조합들의 임의의 소형 실시 예는 극히 빠르며 고해상도의 측정 유닛을 허용하며, 이 시스템의 물리적 한계는 아날로그/디지털 변환기까지 측정 회로의 전압 변화 또는 측정 전류의 재충전 시간에 의해 전기적으로만 제한된다. 최신 전자 신호 증폭 및 처리 회로는 동적 힘 측정에서 지금까지 알려지지 않은 성능 등급을 가능하게 한다.
- 선택된 절연 박막 또는 다중 절연 박막 시스템 및 그의 재료 조성 및 상응하게 견고한 동력 전달 요소들에 따라, 100℃ 내지 1200℃ 미만 범위의 상기 센서들의 지금까지 알려지지 않은 온도 강도가 가능해진다.
- 측정 시스템의 매우 짧은 과도 단계가 매우 짧은 활성 지속 시간을 허용하는 상태에서, 매우 긴 휴지 단계를 갖는 활성 슬립 모드에서 측정 전류가 잠깐 동안만 스위칭될 수 있기 때문에, 수년에 걸친 배터리 작동 기능을 갖춘 매우 비용 효율적인 소형 힘 측정 시스템들 및 에너지 절약형 응용들이 가능하게 된다.
- 절연 박막의 기계적 견고성 및 내마모성은, 예컨대 2기가 파스칼 압축 강도 이상의 초경 합금에서, 기계적 커플링 요소의 부하 한계를 초과한다.
소형화와 관련하여, 기계적 표준 요소, 예컨대 볼트, 스크루, 스러스트 와셔 등과 같은 연결 요소들, 심지어 건설 중장비 분야의 응용들에서의 보통 사이즈와 관련하여 매우 높은 자유도를 갖는 다양한 설계 가능성은 절연 박막을 이용하는 상기 측정 기술 덕분에 가능해진다.
- 종래 기술에 기재된 피에조 저항성 절연 박막 시스템들에 기초한 모든 힘 측정 장치들은 절연 저항의 온도 의존성 드리프트를 매우 정확하고 완전하게 보상하기 위한 어떠한 수단도 포함하지 않는다.
- 여러 가지 절연 박막들 및 반도체 거동을 갖는 다층 시스템들이 사용되며, 그들의 감도는 힘 의존성 전기 전도율 또는 전기 저항과 관련하여, 특별한 제조 공정, 화학적 재료 조합, 및 힘 의존성 피에조 저항 효과를 크게 증가시키는 추가의 전하 캐리어들을 방출하는, 불순물의 도입에 의해 의도적으로 조절된다. 이러한 절연 박막들 또는 절연 박막 조합의 예로는 알루미늄-티타늄-아질산염, 알루미늄-크롬-아질산염, 지르코늄-산화물-아질산염 또는 알루미늄-크롬-아질산염-산화물, 및 반도체로서 힘 의존성 저항 변화의 큰 감도를 갖는 많은 다른 것들이 있다.
- 기계적 힘 전달 요소들은 기하학 및 재료 선택과 관련하여, 기계적 힘 전달 요소의 기하학적 변화가 없거나 또는 무시할만한 변형이 나타나므로, 힘 측정이 경로 변경 또는 이동 경로의 에러 없이 전기적으로 측정 가능한 신호로 직접 바뀌도록 설계된다. 즉 단일 센서 커플링 부재는 절연 박막이고, 추가의 부품 공차 및 기계적 장애들은 측정 체인에 포함되지 않도록 설계된다.
- 또한, 예컨대 전극들(1 및 3)로서 초경 합금 힘 전달 요소들을 구비한 센서 실시 예에서, 상기 요소들이 함께 압축되는 작용력과 무관하게, 정확하게 일정한 밀리 옴 범위의 접촉 저항을 갖는 금속 전극들(1 및 3)의 경계면들 사이에 전기적으로 정확하게 규정된 접촉 저항들이 달성된다.
- 다차원 힘 측정 유닛으로서 힘 측정 센서들 또는 힘 측정-센서-조합들의 임의의 소형 실시 예는 극히 빠르며 고해상도의 측정 유닛을 허용하며, 이 시스템의 물리적 한계는 아날로그/디지털 변환기까지 측정 회로의 전압 변화 또는 측정 전류의 재충전 시간에 의해 전기적으로만 제한된다. 최신 전자 신호 증폭 및 처리 회로는 동적 힘 측정에서 지금까지 알려지지 않은 성능 등급을 가능하게 한다.
- 선택된 절연 박막 또는 다중 절연 박막 시스템 및 그의 재료 조성 및 상응하게 견고한 동력 전달 요소들에 따라, 100℃ 내지 1200℃ 미만 범위의 상기 센서들의 지금까지 알려지지 않은 온도 강도가 가능해진다.
- 측정 시스템의 매우 짧은 과도 단계가 매우 짧은 활성 지속 시간을 허용하는 상태에서, 매우 긴 휴지 단계를 갖는 활성 슬립 모드에서 측정 전류가 잠깐 동안만 스위칭될 수 있기 때문에, 수년에 걸친 배터리 작동 기능을 갖춘 매우 비용 효율적인 소형 힘 측정 시스템들 및 에너지 절약형 응용들이 가능하게 된다.
- 절연 박막의 기계적 견고성 및 내마모성은, 예컨대 2기가 파스칼 압축 강도 이상의 초경 합금에서, 기계적 커플링 요소의 부하 한계를 초과한다.
소형화와 관련하여, 기계적 표준 요소, 예컨대 볼트, 스크루, 스러스트 와셔 등과 같은 연결 요소들, 심지어 건설 중장비 분야의 응용들에서의 보통 사이즈와 관련하여 매우 높은 자유도를 갖는 다양한 설계 가능성은 절연 박막을 이용하는 상기 측정 기술 덕분에 가능해진다.
도 4 하부의 실시 예는, 일 방향에서 힘 측정을 단면도로 나타내며, 도 4 상부에는 2 방향에서, 즉 힘 성분 F_x와 F_y를 가진 2차원 공간(2D)에서, 성분 관련 힘 측정을 나타낸다.
도 5에 따른 또 다른 실시 예에는, 다차원 센서 구조가 예로서 도시되어 있으며, 여기서 성분 관련 전기 힘 측정은 3D 공간에서(F_x + F_y) 4개의 상이한 회전 각들로부터 2 x 4차원 공간에서 실시된다. 이 전기 측정 회로 및 선택된 센서 구조는 단면도로 도시되어 있고, 회전식으로 부착될 임의의 개수의 (n) 센서 요소들이 조합될 수 있지만, 구체적인 예에서 4개의 회전 각에 대해 n = 4개의 별도의 유닛들이 결정되면, 기계 구성 및 전자 평가 가능성과 관련한 설계 자유도가 나타난다.
도 5에 따른 또 다른 실시 예에는, 다차원 센서 구조가 예로서 도시되어 있으며, 여기서 성분 관련 전기 힘 측정은 3D 공간에서(F_x + F_y) 4개의 상이한 회전 각들로부터 2 x 4차원 공간에서 실시된다. 이 전기 측정 회로 및 선택된 센서 구조는 단면도로 도시되어 있고, 회전식으로 부착될 임의의 개수의 (n) 센서 요소들이 조합될 수 있지만, 구체적인 예에서 4개의 회전 각에 대해 n = 4개의 별도의 유닛들이 결정되면, 기계 구성 및 전자 평가 가능성과 관련한 설계 자유도가 나타난다.
(1) 다차원 측정 셀의 전극 또는 공통 전극
(2) 절연 박막[다차원 구조 2-n 또는 2.n에서], 즉 n 번째 절연 박막
(3) 다차원 센서의 전극 또는 N 번째 전극[다차원 구조 3-n 또는 3.n에서]
(4) 다차원 센서의 기준 금속 전극 또는 N 번째 전극[다차원 구조 4-n 또는 4.n에서]
(5) 일정한 유지력하에서 2개의 반대 방향으로부터의 일정한 유지력으로 기준 금속 전극을 고정시키는 기준 금속 전극용 홀더
(6) 전류원 l_q
(7) 전류계 I 또는 다차원 실시 예의 경우 각각의 힘 성분(방향) 및 관련 N 번째 전류 측정 채널의 N 번째 전류계
(8) 전압계 U 또는 U_n - 다차원 실시 예의 경우 각각의 힘 성분(방향) 및 관련 N 번째 전압 측정 채널의 N 번째 전압계[다차원 구조 8-n 또는 8.n에서]
(9) 기준 전압계 U_ref 또는 U_ref-m - 다차원 실시 예의 경우 각각의 힘 성분(방향) 및 관련 M 번째 기준 전압 측정 채널의 M 번째 전압계[다차원 구조 9-m 또는 9.m에서]
(10) 기준 전류계 l_ref 또는 I_ref-m - 다차원 실시 예의 경우 각각의 힘 성분(방향) 및 관련 M 번째 기준 전류 측정 채널의 M 번째 기준 전류계[다차원 구조 9 -m 또는 9.m에서]
(11) 고정 저항 R_1 = 하프 측정 브리지의 상수.
(12) 고정 저항 R_2 = 하프 측정 브리지의 상수.
(13) 풀 측정 브리지의 절연 층 저항 R_1
(14) 풀 측정 브리지의 절연 기준 저항 R_ref-1
(15) 풀 측정 브리지의 절연 저항 R_2
(16) 풀 측정 브리지의 절연 기준 저항 R_ref-2
(17) 2개의 연속하는 측정 셀들 사이의 절연 층 저항 R_17, 그에 따라 풀 측정 브리지 회로가 가능해진다[R_17 > = 500 * R_1].
(2) 절연 박막[다차원 구조 2-n 또는 2.n에서], 즉 n 번째 절연 박막
(3) 다차원 센서의 전극 또는 N 번째 전극[다차원 구조 3-n 또는 3.n에서]
(4) 다차원 센서의 기준 금속 전극 또는 N 번째 전극[다차원 구조 4-n 또는 4.n에서]
(5) 일정한 유지력하에서 2개의 반대 방향으로부터의 일정한 유지력으로 기준 금속 전극을 고정시키는 기준 금속 전극용 홀더
(6) 전류원 l_q
(7) 전류계 I 또는 다차원 실시 예의 경우 각각의 힘 성분(방향) 및 관련 N 번째 전류 측정 채널의 N 번째 전류계
(8) 전압계 U 또는 U_n - 다차원 실시 예의 경우 각각의 힘 성분(방향) 및 관련 N 번째 전압 측정 채널의 N 번째 전압계[다차원 구조 8-n 또는 8.n에서]
(9) 기준 전압계 U_ref 또는 U_ref-m - 다차원 실시 예의 경우 각각의 힘 성분(방향) 및 관련 M 번째 기준 전압 측정 채널의 M 번째 전압계[다차원 구조 9-m 또는 9.m에서]
(10) 기준 전류계 l_ref 또는 I_ref-m - 다차원 실시 예의 경우 각각의 힘 성분(방향) 및 관련 M 번째 기준 전류 측정 채널의 M 번째 기준 전류계[다차원 구조 9 -m 또는 9.m에서]
(11) 고정 저항 R_1 = 하프 측정 브리지의 상수.
(12) 고정 저항 R_2 = 하프 측정 브리지의 상수.
(13) 풀 측정 브리지의 절연 층 저항 R_1
(14) 풀 측정 브리지의 절연 기준 저항 R_ref-1
(15) 풀 측정 브리지의 절연 저항 R_2
(16) 풀 측정 브리지의 절연 기준 저항 R_ref-2
(17) 2개의 연속하는 측정 셀들 사이의 절연 층 저항 R_17, 그에 따라 풀 측정 브리지 회로가 가능해진다[R_17 > = 500 * R_1].
Claims (16)
- 힘(F)을 전기적으로 측정하는 장치로서,
-- 힘과 무관한 전도율을 형성하기 위한 제 1 금속 전극(1), 및 측정될 힘(F)의 방향으로 상기 제 1 금속 전극에 마주 놓인 제 2 금속 전극(3)으로서, 상기 금속 전극들은 각각 세라믹, 유리 또는 플라스틱 몸체들 상의 초경 합금, 강 또는 저 저항 금속 층으로 이루어지며 접촉면들을 포함하고, 상기 접촉면을 통해 상기 측정될 힘(F)이 가해질 수 있으며, 상기 금속 전극들은 수 밀리 옴 내지 10옴 이하의 범위의 전기 저항 및 400㎚ 이하의 평균 거칠기 깊이(Ra)를 갖는, 상기 제 1 금속 전극 및 상기 제 2 금속 전극,
-- 상기 금속 전극들(1, 3) 사이에 형상 끼워 맞춤 방식으로 배치되며,
--- 산화지르코늄,
--- x = 2.4 내지 2.8인, 확률적으로 감소된 산화알루미늄(Al2Ox),
--- 탄화규소
로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 이루어지는 절연 박막(2),
-- 상기 제 1 금속 전극(2)으로부터 힘 분리되어 상기 절연 박막(2)의 하나의 섹션 상에 배치되며 고정 세그먼트(5)에 의해 일정한 유지력으로 상기 제 2 금속 전극(3)에 대해 고정되는, 기준 금속 전극(4)의 DLC 층[다이아몬드형 탄소]을 구비한
- 힘 측정 셀, 및
- 하프 브리지 또는 풀 브리지로서 형성된 측정 회로를 포함하고,
-- 전류 원(6)으로부터 전류를 공급받는, 직렬 회로 내의 전류 경로가 상기 제 1 금속 전극(1) 및 상기 절연 박막(2)을 통해 상기 제 2 금속 전극(3)으로, 그리고 상기 절연 박막(2)을 통해 상기 기준 금속 전극(4)으로 연장되고,
-- 상기 제 1 금속 전극(1)과 상기 제 2 금속 전극(3) 사이에서 힘 의존성 전압(8)이 탭되고, 상기 전압은 상기 절연 박막(2)을 통해 강하하며,
-- 상기 제 2 금속 전극(3)과 기준 금속 전극(4) 사이에서 기준 전압(9)이 탭되고,
-- 상기 측정 회로는 상기 힘 의존성 전압(8)과 상기 기준 전압(9)으로부터, 가해진 힘의 값을 나타내는 전압 비를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 절연 박막(2)은 다층 절연 박막(2)으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 금속 전극(1, 3)의 상기 접촉면은 전체 접촉면에 걸쳐 4 마이크로미터 미만 범위의 형상 끼워 맞춤을 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 금속 전극(1), 상기 제 2 금속 전극(3) 및 상기 금속 전극(4)은 적어도 상기 절연 박막(2) 이상의 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 측정 회로와 상기 힘 측정 셀 사이에 200 밀리미터 이하의 공간적 거리가 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 비율 30 : 1 내지 2 : 1의 상기 제 1 금속 전극(1)과 상기 기준 금속 전극(4)의 접촉 면의 평균 거칠기 깊이(Ra)는 200 나노미터 이하의 평균 거칠기 깊이(Ra)를 갖는 상기 제 2 금속 전극(3)의 접촉면의 평균 거칠기 깊이보다 더 거친 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 다수의 기준 금속 전극(4)이 상기 힘 측정 셀 상에 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 동일한 구성의 제 2 힘 측정 셀을 포함하고, 상기 제 2 힘 측정 셀은 간섭 힘 성분의 방향으로 포지셔닝될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 힘 측정 셀은 다수의 절연 박막(2.1, 2.2)을 포함하고, 상기 절연 박막들은 다수의 측정 회로에 전기적으로 할당되고, 상기 측정 회로의 공간적 및 기하학적 배치는 측정될 힘들이 양과 방향의 벡터 크기로서 동시에 검출되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속 전극들(1, 3) 및 상기 기준 금속 전극(4)은 자유로이 선택 가능한 규칙적인 기하학의 조립 가능한 몸체로서 포지티브 형상 및 네거티브 형상으로서 제조되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 10 항에 있어서, 상기 조립 가능한 몸체는
- 상기 절연 박막(2)이 도포된, 동일한 형상의 표면을 가진 내부 원뿔대 및 외부 원뿔대로서 형성된 몸체,
- 실린더 표면 상에 도포된 절연 박막을 가진 외부 실린더 및 내부 실린더의 서로 끼워지는 실린더 면으로서 형성된 몸체로서, 상기 절연 박막(2)은 실린더 링의 단부면 상에 도포되는, 상기 서로 끼워지는 실린더 면으로서 형성된 몸체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치. - 제 1 항에 있어서, 서로 결합되는 2개의 원뿔대의 원주면 상의 상기 절연 박막(2)은 서로 전기 절연된 2개의 외부 전극으로 이루어진 정확한 끼워맞춤 방식 하우징에 대해 네거티브 형상으로서 장착되는 내부 전극의 외부면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 전류 원(6)으로서 전자 신호 발생기가 사용되고, 상기 전자 신호 발생기는 제 1 작동 모드에서 조절된 직류원으로서 또는 제 2 작동 모드에서 교류 신호 소스로서 작동하고, 상기 측정 회로는 각각의 작동 모드로 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속 전극들(1, 3) 및 상기 기준 금속 전극(4)으로의 힘 전달을 위한 기계적 전달 요소들이 제공되고, 상기 전달 요소는 고체 플라스틱 또는 고강도 복합 재료로 성형품으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 측정 회로는 밴드 스톱 필터 또는 밴드 패스 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 삭제
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