KR20040072654A

KR20040072654A - 작용력 센서

Info

Publication number: KR20040072654A
Application number: KR10-2004-7009168A
Authority: KR
Inventors: 슐체베르너; 쿨만오토
Original assignee: 사토리우스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2004-08-18
Also published as: WO2003060439A1; US6955098B2; EP1470396B1; US20050072246A1; DE50302820D1; EP1470396A1; KR100911750B1; JP4133831B2; JP2005515420A; DE10202400A1

Abstract

본 발명은 측정될 작용력 및 지지력(11)이 공급되는 두 개의 작용력 입력 부재(3, 5/6)를 구비한 작용력 센서에 관한 것이며, 상기 두 개의 작용력 입력 부재는 본질적으로 회전 대칭으로 구성되고 축 방향으로 이격되고 측정될 작용력과 지지력은 반경 방향으로 입력된다. 상기 두 개의 작용력 입력 부재 사이에 축 방향으로 배치되는 스프링 부재(2)는 상기 두 개의 작용력 입력 부재를 연결하고, 그것의 하중에 따른 변형은, 예를 들어 스트레인 측정 스트립에 의하여 전기적인 신호로 변환된다. 본 발명에 의하면, 횡방향 작용력은 횡방향 작용력의 영향이 작용력 센서의 출력 신호 상에서 무시될 수 있을 정도로 순전히 기계적인 방법으로 억제되고, 상기 양 입력 부재는, 스프링 부재(2)를 둘러싸고 평행 안내 요소로서 두 개의 조정부를 포함하며 측정 대상 작용력에 수직인 방향보다 측정 대상 작용력의 방향으로 더 유연한 안내 부재(42)에 의하여 추가적으로 서로 결합된다.

Description

작용력 센서{FORCE SENSOR}

상기와 같은 작용력 센서는, 예를 들어, 미국 특허 제6,002,090호에 개시되어 있다. 이런 종류의 작용력 센서에서는 일반적으로 작용력의 측정 방향으로는 가능한 한 높은 레벨의 신호를 출력하고, 이와 수직인 방향에서는 가능한 한 신호를 출력하지 않는(횡 방향 응답이 없는) 것이 바람직하다. 이러한 목적은 기본적으로, 부하에 의한 변형의 측정을 위한 스트레인 측정 스트립을 적절하게 배치하여, 각각의 스트레인 측정 스트립의 신호가 측정 방향으로는 가산되고 수직 방향으로는 감산되도록 함으로써 달성된다. 그러면, 기계적 구조와 스트레인 측정 스트립의 미세한 비대칭에 의한 잔여 신호만 남게 된다. 이러한 잔류 오차를 수정하기 위하여, 미국 특허 제 6,002,090 호에서는 측정 방향으로 응답하는 스트레인 측정 스트립들 이외에, 측정 방향에 대해 수직으로 응답하고 그 신호가 측정 방향 스트레인 측정스트립들의 신호를 수정하는 추가적인 스트레인 측정 스트립들이 스프링 부재에 장착된다. 그런데, 이러한 추가적인 스트레인 측정 스트립과 그에 따르는 전기 회로는 작용력 센서의 제조 비용을 크게 상승시키는 문제가 있다.

본 발명은 기본적으로 회전 대칭으로 구성되고 축 방향으로 이격되고 측정할 작용력과 지지력이 반경 방향으로 가해지는 두 개의 작용력 입력 부재와, 상기 작용력 입력 부재들 사이에 축 방향으로 배치되어 상기 작용력 입력 부재들을 결합하고 하중에 따른 변형을 전기적 신호로 변환하는 스프링 부재(2)를 구비하는 작용력 센서에 관한 것이다.

이하에서, 본 발명의 실시예가 첨부 도면을 참조하여 설명되는데, 여기에서,

도 1은 스프링 부재를 구비하지 않은 본 발명에 따른 작용력 센서의 측면도이고,

도 2는 스프링 부재의 측면도이고,

도 3은 스프링 부재의 평면도이고,

도 4는 작용력 센서에 나사 결합될 수 있는 슬리브이고,

도 5는 작용력 센서의 다른 실시예의 측면도이다.

따라서, 본 발명은 횡 방향 응답을, 예를 들어 스트레인 측정 스트립과 추가적인 전자 장치를 필요로 하지 않고, 순수한 기계적 수단으로 측정하는 상기의 작용력 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적은 두 개의 작용력 입력 부재가, 상기 스프링 부재를 둘러싸고 평행 안내 요소로서 두 개의 조정부를 포함하며 측정 대상 작용력의 수직 방향에 비해 측정 대상 작용력 방향으로 높은 유연성을 갖는 안내 부재를 통해 추가적으로 서로 결합됨으로써 달성된다.

상기 두 개의 작용력 입력 부재 사이의 추가적 안내 부재를 통하여 스프링 부재로 향하는 작용력 분로가 형성되어, 입력된 작용력의 일부만이 상기 스프링 부재에 작용하게 된다. 추가적 안내 부재의 서로 상이한 방향에서의 상이한 강성(rigidity) 때문에 상기 작용력의 일부도 작용력의 방향에 따라 각각 상이하게 된다. 측정 방향으로 추가적 안내 부재는 상대적으로 유연하고, 스프링 부재를 관통하는 작용력의 부분도 그에 따라 상대적으로 크게 된다. 그러나, 추가적인 스프링 부재는 측정 방향의 수직 방향으로 높은 강성을 가지고 있기 때문에 입력된 작용력의 많은 부분을 수용한다. 따라서, 측정 방향에 대하여 수직인 작용력은 크게 약화된 상태로 스프링 부재에 도달한다. 따라서, 스트레인 측정 스트립을 스프링부재에 기하학적으로 장착하는 주지된 방법과 휘트스톤 브릿지(Wheatstone bridge)로 연결하는 방법은 측정 방향에 대하여 수직인 작용력의 출력 신호를 실질적으로 0으로 감소시키기에 충분하다.

특별히 공간 절약적이고 저렴하게 제조되는 실시예는 안내 부재를 기본적으로 관형으로 구성함으로써 얻어지는데, 이때 스프링 부재는 관의 내부에 축 방향으로 배치되고, 평행 안내 요소는 관 벽체 내의 하나 이상의 횡 방향 보어 홀을 통해 형성된다. 이런 방법으로 안내 부재는 나머지 작용력 센서의 기본적으로 회전 대칭적인 형태를 수용하게 되고, 선반에서 동일한 작업 공정으로 제작될 수 있는데, 이 것은 작용력 입력 부재와 안내 부재가 일체형으로 구성될 때에 특히 그러하다. 평행 안내 요소를 형성하기 위한 횡 방향 보어 홀(들)도 작업 센터에서 변경의 필요없이 제작할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 종속항 4 내지 10에 기재되어 있다.

도 1에는 상기 작용력 센서의 측면도가, 개괄적 이해를 돕기 위해 스프링 부재 없이 도시되어 있다. 도 2는 스프링 부재의 측면도를 도시한다. 조립된 상태에서 스프링 부재의 전단부(21)는 블라인드 홀(7)의 단부(8)와 작용력 전달 방식으로 결합되어 있고, 스프링 부재의 후단부(22)는 블라인드 홀의 구역(9)과 결합되어 있다.

작용력 센서(1)는 기본적으로 대칭축(10)과 회전 대칭되도록 구성된다. 도 1에서 두 개의 화살표(11)로 표시된 측정 대상 작용력과 지지력은 한편으로는 나사(15)를 구비하며 플랜지(6)에 의해 제한된 결합부(5)에 가해지고, 다른 한편으로는 나사(13)를 구비하는 축 스터브(3)에 가해진다. 플랜지(6)를 구비하는 결합부(5)와 축 스터브(3)는 두 개의 작용력 입력 부재를 형성한다. 축 스터브(3)는 작용력 센서의 장착 시에 정확한 작용력 측정 방향을 설정하기 위해, 전 후의 경계면이 측정 방향과 평행하고 상부 및 하부의 경계면(4')이 측정 방향에 대하여 수직인 각재(4)를 후단 구역에 구비한다. 상기 각재 대신에, 예를 들어 배향 핀이 작용력 센서의 방향 설정을 위하여 구비될 수도 있다. 상기 두 개의 작용력 입력 부재(5/6, 3)들 사이에는 한편으로는 스프링 부재(2)가, 다른 한편으로는 안내 부재(12)가 구비된다. 상기 안내 부재(12)는 축 스터브(3)와 결합된 안정 구역(18)과, 축소부(17)를 통해 결합부(5)와 연결된 안정 구역(19)과, 그리고 상기 구역(18, 19)들을 평행 안내 요소의 형태로 결합하는 3개의 조정부(14)들로 구성된다. 상기 3개의 조정부(14)는 관형의 안내 부재(12)에 4개의 횡 방향 보어 홀을 조성하여 형성된다. 상기와 같은 구성으로 인해 상기 안내 부재는 측정 대상 작용력(11)에 대해서는 상대적으로 유연한 반면 이에 수직인 방향에서는 훨씬 높은 강성을 나타내게 된다. 예를 들어, 측정 대상 작용력(11) 방향에서의 강성은 1 MN/mm 인 반면에 이와 수직인 방향에서의 강성은 1000 MN/mm 이다.

작용력 센서(1)의 블라인드 홀(7) 내에는, 도 2에서 측면도로 도시된 바와 같이 -즉, 도 1에서 도시된 나머지 작용력 센서에서와 마찬가지로- 스프링 부재(2)가 구비된다. 도 3에서는 스프링 부재(2)의 평면도, 즉 도 2를 90°회전시킨 도면이 도시된다. 상기 스프링 부재는, 예를 들어 단일체 실린더의 양면을 절삭하여 제작될 수 있다. 스프링 부재(2)의 전단부(21)는 조립된 작용력 센서에서 블라인드 홀(7)의 단부(8)에 용접, 접착, 수축, 기타의 방법으로 삽입 고정된다. 중간부(23)는, 도 1에서 알 수 있듯이 블라인드 홀(7)의 해당 구역의 직경이 크기 때문에, 벽체와 접촉하지 않는다. 스프링 부재(2)의 계단부(22)가 비로소 블라인드 홀(7)의 구역(9) 내에서 벽체와 접촉하고, 용접, 접착, 수축, 기타의 방법으로 벽체와 작용력 전달형으로 결합된다. 스프링 부재(2)의 후단 구역(26)은, 도 1에 따른 작용력 센서의 구성에서 블라인드 홀(7)의 해당 구간의 직경이 다시 커지기 때문에, 다시 접촉되지 않게 된다. 스프링 부재(2)의 최말단에는 스프링 부재의 장착 시 측정 방향의 설정을 위한 슬롯(27)이 구비된다. 나아가, 상기 스프링 부재(2)는 관통 횡 방향 보어 홀(24)을 구비하여, 각 면에는 상대적으로 얇은 재료 구역이 존재하게 되고, 그에 대해 연장 핀이 공지된 방법으로 적용된다.

상기한 바와 같은 배치를 통해 스프링 부재(2)와 그 주위의 안내 부재(12)는작용력적으로 평행하게 연결된다. 측정 작용력과 횡 방향 작용력은 두 가지 경로로 분리되고, 이때 부분 작용력들 간의 상관관계는 각각의 강성 간의 상관관계에 의존한다. 예를 들어, 안내 부재(12)의 강성이 측정 방향에서 1 MN/mm 이고 수직 방향에서 1000 MN/mm 이고, 스프링 부재(2)의 강성이 측정 방향에서 10 kN/mm 이고 수직 방향에서 100 kN/mm 이면, 작용 작용력의 약 1%가 측정 방향으로, 또 작용 작용력의 약 0.01%가 수직 방향으로 스프링 부재(2)에 작용하게 된다. 즉, 안내 부재(12)의 양 방향 강성의 상기와 같은 큰 차이를 통해서 횡 방향 작용력은 측정 방향 작용력에 대하여 100분의 1 정도의 작은 양을 연장 핀을 구비한 스프링 부재(2)에 전달하게 된다. 스트레인 측정 스트립을 스프링 부재(2)에 기하학적으로 장착하는 방법과 휘트스톤 브릿지로 연결하는 방법 같은 주지된 방법과 결합하여, 상기 방법은 횡 방향 작용력의 출력 신호에 대한 작용이 일반적인 측정 정확도에 영향을 미치지 않을 정도로 억제되게 할 수 있다.

도 1에서 두 개의 작용력 입력 부재(3, 5/6)와 안내 부재(12)는 일체형으로 구성되어 있는데, 이런 구성은 히스테리시스(hysteresis)를 감소시켜 준다. 상기한 바와 같은 규격에서 측정 작용력의 99% 이상이 안내 부재(12)를 통해 전달되므로, 형성되는 안내 요소의 히스테리시스와, 나아가, 전체 작용력 센서의 히스테리시스는 미미하다.

도 4에는 작용력 센서(1)와 나사 결합될 수 있는 슬리브(31)의 측면도가 도시되어 있다. 슬리브(31)는 회전 대칭적으로 구성되어 있고, 대칭축은 부호"30"으로 표시 되어 있다. 슬리브는 코어 드릴 홀(32)에 작용력 센서(1)의 외부 나사(15)와 나사 결합될 수 있는 내부 나사(33)를 구비한다. 슬리브(31)의 외면에는 마감 플랜지(34)와 외부 나사(35)가 구비되고, 이 슬리브를 통해 결합부(5)는 플랜지(6)와 함께 작용력 입력 부재로서 확장되게 된다. 작용력 입력은 작용력 센서의 필요한 구성에 따라, 외부 나사(35), 또는 비나사 구역(36), 또는 플랜지(34)에서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 슬리브(31)를 구비하는 작용력 센서는 외부 나사(35) 상에서 마감 플랜지(34)와 암나사 사이에 고정된, 공동을 구비하는 철판의 내부에 장착될 수 있다. 마감 플랜지(34)에 근접한 위치에서의 상기 작용력 입력은 측정 작용력과 지지력(도 1에서의 작용력(11)) 간의 거리를 감소시키고, 따라서, 측정될 회전 모멘트를 감소시킨다. 상기 슬리브(31)는, 나아가, 환경 영향(예를 들어, 먼지)에 대한 보호 장치로, 또 레디알 과부하 보호 장치로도 작용한다.

도 5에는 본 발명에 따른 작용력 센서의 다른 실시예의 측면도가 도시된다. 여기에서 도 1 및 도 2와 동일한 부분은 같은 부호로 표시되어 있는데, 이에 대한 설명은 생략한다. 차이점은 안내 요소의 형태에서만 존재하는데, 여기에서 안내 부재(42)는 안정 구역(48, 49)을 결합하는 두 개의 조정부(44)를 구비한다. 상기 조정부(44)는 두 개의 보어 홀(46)과 연장 홀(45)에 의해 형성된다. 안내 요소에서 세 번째 조정부가 제거됨에 따라 측정 대상 작용력(11) 방향에서의 조정부의 강성은 도 1 실시예에서의 강성의 2/3로 감소된다. 측정 대상 작용력의 수직 방향에서의 강성도 비슷한 비율로 감소되어, 횡 방향 작용력의 억제는 두 형태에서 거의 비슷하게 된다.

그 밖에도, 완성된 작용력 센서에서 조정부(44)의 얇은 구역과 스프링부재(2)의 얇은 구역이 연장 핀(25)과 동일 평면상에 위치하는 것을 도 5에서 알 수 있는데, 이것은 도 1과 도 2에 따른 작용력 센서에서도 마찬가지 이다.

Claims

기본적으로 회전 대칭으로 구성되고 축 방향으로 이격되고 측정될 작용력과 지지력(11)이 반경 방향으로 공급되는 두 개의 작용력 입력 부재(3, 5/6)와, 상기 작용력 입력 부재들 사이에 축 방향으로 배치되어 상기 작용력 입력 부재들을 결합하고 하중에 따른 변형이 전기적 신호로 변환되는 스프링 부재(2)를 구비하는 작용력 센서에 있어서,

상기 두 개의 작용력 입력 부재(3, 5/6)는 안내 부재(12, 42)를 통해 추가적으로 서로 결합되고,

상기 안내 부재(12, 42)는 상기 스프링 부재(2)를 둘러싸고, 평행 안내 요소로서 적어도 두 개의 조정부(14, 44)를 포함하고, 측정 대상 작용력(11)의 수직인 방향에 비해 측정 대상 작용력 방향으로 높은 유연성을 갖는 것을 특징으로 하는 작용력 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 안내 부재(12, 42)는 기본적으로 관형으로 구성되고,

상기 스프링 부재(2)는 상기 관의 내부(7)에 축 방향으로 구비되고,

상기 평행 안내 요소는 관 벽체 내의 적어도 하나의 횡 방향 보어 홀(16; 45, 46)을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 작용력 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 안내 부재(12, 42)는 상기 두 개의 작용력 입력 부재(3, 5/6)와 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 작용력 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 안내 부재(12)는 세 개의 조정부(14)를 구비하는 것을 특징으로 하는 작용력 센서.
제 1 항에 있어서,

작용력 입력 부재(3)는 작용력 센서가 정확하게 측정 대상 작용력을 향하도록 하는 각재(4)를 구비하는 것을 특징으로 하는 작용력 센서.
제 1 항에 있어서,

작용력 입력 부재(3)는 작용력 센서가 정확하게 측정 대상 작용력을 향하도록 하는 배향 핀을 구비하는 것을 특징으로 하는 작용력 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 스프링 부재(2)는 상기 두 개의 작용력 입력 부재(3, 5/6) 사이에 용접 삽입되는 것을 특징으로 하는 작용력 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 스프링 부재(2)는 상기 두 개의 작용력 입력 부재(3, 5/6) 사이에 수축 삽입되는 것을 특징으로 하는 작용력 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 스프링 부재(2)는 상기 두 개의 작용력 입력 부재(3, 5/6) 사이에 접착 삽입되는 것을 특징으로 하는 작용력 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 스프링 부재(2)는 판형 스프링으로 구성되고, 중간부에 횡 방향 보어 홀(24)을 구비하고,

스트레인 측정 스트립(25)은 상기 횡 방향 보어 홀에 의해 형성된 얇은 부위에 장착되는

것을 특징으로 하는 작용력 센서.
제 1 항에 따른 작용력 센서로서,

작용력 입력 부재(5/6) 상에 나사 결합되고, 상기 안내 부재(12, 42)를 둘러싸는 슬리브(31)를 구비하는 것을 특징으로 하는 작용력 센서.