KR20160084399A - 전극과 접촉 핀 사이에 전기 접속을 갖는 압전력 센서 - Google Patents

전극과 접촉 핀 사이에 전기 접속을 갖는 압전력 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 압전체(11) 및 상기 압전체(11)에 전기적으로 접속되는 전극(12)을 갖는 하우징(10)을 포함하는 압전력 센서(1)에 관한 것으로서, 상기 하우징(10) 상에 측정 신호를 전송하기 위한 접촉 핀(131)을 갖는 접속 디바이스(131)가 고정되거나 몰딩된다. 상기 접촉 핀(131)은 상기 전극(12)에 전기적으로 도전성 방식으로 접속된다. 본 발명에 따르면, 나선형 압축 스프링(14)이 상기 압전력 센서(1) 내의 전기 접속으로서, 상기 접촉 핀(131)에 전기적으로 도전성으로 접속된다. 이러한 목적을 위해, 상기 나선형 압축 스프링(14)은 상기 접촉 핀(131)이 상기 전극(12)으로부터 공간적인 간격을 갖도록 동작 가능한 방식으로 상기 전극(12)에 탈착 가능하게 및 전기적으로 도전성으로 접속되며, 상기 전극(12)으로부터의 측정 신호가 상기 나선형 압축 스프링(14) 및 접속된 접촉 핀(131)을 통해 상기 압전력 센서(1)의 상기 하우징(10)으로부터 추출될 수 있고 상기 접속 디바이스(13)에서 선택될 수 있다.

Description

전극과 접촉 핀 사이에 전기 접속을 갖는 압전력 센서 {PIEZOELECTRIC FORCE SENSOR HAVING AN ELECTRICAL CONNECTION BETWEEN ELECTRODE AND CONTACT PIN}
본 발명은 적어도 하나의 압전체 및 상기 압전체에 전기적으로 접속되는 전극을 갖는 하우징을 포함하는 압전력 센서를 기재하며, 여기에서 접촉 핀을 갖는 측정 신호를 전송하기 위한 접속 디바이스가 하우징 상에 고정되거나 몰딩되고, 접촉 핀은 전극에 전기적으로 도전 방식으로 접속된다.
여러 기술 분야에서, 힘 센서 및 특히 압전력 센서가 채용되며 그 센서는 적어도 하나의 압전체를 포함한다. 그러한 압전력 센서는 힘 및 모멘트(Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz)의 측정을 위한 6개 성분까지 하나의 공간적인 배향(Fz)에서의 힘을 측정하기 위한 성분에 대해 상이한 설계로 상업적으로 시판되고 있다. 응용 분야는 어셈블리 기술에서의 예를 들면, 스폿 용접에서 및 가압에서의, 절단 및 형성하는 힘의 측정에 뿐만 아니라 궤도 차량에서의 파단력(breaking force)을 결정하는 분야에서의 힘 측정이다.
힘 측정에 덧붙여서 토크의 또는 가속력의 결정을 위해 채용되는 알려진 압전력 센서가 피에조 로드 와셔(piezo load washer)라고 지칭된다. 하나의 공간적인 방향(z 방향)으로 동적인 및 준정적인 힘 Fz의 측정을 위해 종래 기술로부터 알려진 그러한 피에조 로드 와셔(1)가 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있고 이후 더욱 상세히 설명될 것이다. 피에조 로드 와셔(1)는 접속 디바이스(13)가 고정되거나 몰딩되는 다수 부분 하우징(10)을 포함한다. 일반적으로, 하우징(10)은 강철로 제작되며 뚜껑 및 바닥을 갖는다. 하우징(10) 내에 미리 설치하는 나사(도시 생략됨)가 통과할 수 있는 중앙 개구(100)가 구비된다. 여기에서는, 고리 모양을 갖는 2개의 압전체(11, 11')가 서로 겹쳐진 상태로 하우징(10) 내에 배치된다. 각각이 환상체의 형상을 갖는 압전체(11, 11') 사이에 전극(12)이 있다. 전극(12)은 전극 탭(121)이 반경 방향으로 멀리 선두에 몰딩되거나 용접되는 환상체 형상으로 전극 본체(120)를 갖는다. z 축의 방향으로 만곡된 접합 플레이트(122)가 전극 탭(121)에 용접된다.
하우징의 원주 벽에는, 접속 개구(101)가 접속 디바이스(13)의 피드스루(feedthrough)(130)으로 선두에 형성된다. 전극 탭(121) 및 접합 플레이트(122)는 접속 개구(101)를 통해 피드스루(130)의 내부로 접속 디바이스(13)의 접촉 핀(131)까지 연장한다. 접촉 핀(131)은 절연재(132)에 의해 피드스루(130)의 벽 및 거기에 부착되는 어셈블링된 하우징(10)으로부터 전기적으로 절연된다. 접촉 핀(131)은 전기적으로 도전성 및 형태 부합(form-fit) 방식으로 접합 플레이트(122)를 통해 전극 탭(121)에 접속된다.
측정 전자장치에 피에조 로드 와셔(1)의 외부 케이블 접속을 위해, 고절연 저용량 동축 케이블의 형태의 접속 케이블이 사용된다. 이들 접속 케이블은 최소의 움직임 시에 최소의 마찰 전기만을 생성한다. 산업용의 그러한 접속 케이블은 상업적으로 시판되고 있고 전하 신호가 접촉 핀(131)으로부터 선택될 수 있도록 피에조 로드 와셔(1)의 접속 디바이스(13)에 쉽게 접속될 수 있다. 피에조 로드 와셔(1)가 힘을 측정할 수 있게 하기 위해, 성분들이 서로에 가압되고 그에 따라 성분들이 하우징 내부에 용접되어 이동 불가능하게 고정되어야 하는 방식으로 z 방향으로 하우징(10) 내에 성분들이 배치되어야 한다.
측정을 수행하기 위해, 피에조 로드 와셔(1)가 사전 설치 하의 머신 구조의 2개의 동일 평면상의 표면 사이에 미리 설치한 나사에 의해 장착된다. z 방향에서의 로드의 경우에, 피에조 로드 와셔(1)는 적용된 힘 Fz에 비례하는 전기 전하를 방출한다. 로드 적용될 때 압전체에 작용하는 힘으로 인해, 그리고 압전 효과를 이용함으로써, 전하 신호가 생성되어 피드스루(130)를 가로지르는 전극(12)을 통해 접촉 핀(131)에 유도되며, 여기에서 전하 신호가 선택되어 압전력 센서(1)의 외부로부터 처리될 수 있다.
앞서, 저항에 의해 포인트 용접 또는 레이저 용접이 접촉 핀(131) 상의 접합 플레이트(122) 및 전극 탭(121)을 통해 전극(12)의 전기 접속을 달성하도록 수행되었다. 도 1c에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 압전체(11') 및 전극(12)이 개방된 하우징(10)의 바닥에 위치하며, 여기에서 피드스루(130)는 하우징의 원주 표면에 이미 고정되어 있다. 전극 탭(121)은 자신에 고정되어 있는 접합 플레이트(122)와 함께 이들이 피드스루(130)를 통해 하우징(10) 밖으로 연장하도록 그리고 접합 플레이트(122)가 접촉 핀(131)의 정면의 전방에 위치하도록 배치된다. 그 후, 용접 전극(S)이, 접합 플레이트(122)가 접촉 핀(131)의 정면에 포인트 용접될 수 있도록 접속 개구(101)를 통해 삽입될 수 있으며 그에 의해 전극(12)이 탈착 불가능하고 형태 부합 방식으로 접촉 핀(131)에 접속된다.
피에조 로드 와셔(1)가 수 밀리미터 최대 수 센티미터까지의 직경을 갖고 제조되기 때문에, 개방된 하우징(10) 상에 포인트 용접을 수행하는 것이 비교적 어렵다. 오늘날, 시판되는 피에조 로드 와셔(1)의 크기의 상이한 변형 및 미니어처 포맷(miniature format)으로 인해, 접속 디바이스(13)의 접촉 핀(131)으로의 전극(12)의 전기 접속의 제작의 자동화가 불가능하다.
저항 용접 동안에 전극(12)과 접촉 핀(131) 사이의 접속의 전기 도전성을 방해하는 오염이 빈번하게 발생한다. 전극(12)과 접촉 핀(131) 사이의 불충분한 전기 접촉에 덧붙여서, 스폿 용접 동안에 단락이 발생할 수도 있다. 하우징(10)이 폐쇄되어 압력 밀폐 방식으로 밀봉되기 전에 그러한 불량 전기 접속이 검출되지 않으면, 피에조 로드 와셔(1)는 완전히 사용 불가능하게 된다. 일반적으로, 전기 접속이 공급된 후 및 하우징(10)을 폐쇄하기 전의 용접의 세밀한 조사가 수행되어야 하며 이는 추가의 노력을 수동으로 유발한다.
본 발명의 목적은 압전력 센서의 하우징 내에 배치되는 전극과 접촉 핀 사이의 전기 접속이 재생 가능하게 달성될 수 있고 도전성 문제를 유발함 없이 추가적으로 종래 기술로부터 알려져 있는 바와 같이 더욱 쉽게 제조될 수 있도록 압전력 센서를 개량하는 것이다.
그 목적은 청구항 1의 특징에 의해 달성된다. 본 발명에 따르는 압전력 센서에서, 나선형 압축 스프링이 압전력 센서 내부에서 전기 접속을 수행하는 접촉 핀에 전기적으로 도전성으로 접속된다. 나선형 압축 스프링은 상기 접촉 핀이 상기 전극으로부터 공간적인 간격을 갖도록 동작 가능한 방식으로 상기 전극에 탈착 가능하게 및 전기적으로 도전성으로 접속된다. 이러한 방식으로, 상기 전극으로부터의 측정 신호가 상기 나선형 압축 스프링 및 접속된 접촉 핀을 통해 상기 압전력 센서의 상기 하우징으로부터 추출될 수 있고 상기 접속 디바이스에서 선택될 수 있다.
이 디바이스의 장점은 이 접속을 이용하여 접촉 핀이 강하게 흔들리더라도 접촉 핀으로부터 전극 상으로 힘이 전달될 수 없다는 것이다. 더욱이, 전극과 나선형 압축 스프링 사이의 접속이 이제 탈착 가능하기 때문에, 즉, 고정되지 않기 때문에 용접이 더 이상 필요 없다. 이 접속은 언제나 전극과 나선형 압축 스프링이 서로 접촉만 하고 있더라도 매우 신뢰할 수 있는 접촉을 보증한다.
본 발명과 관련하여 용어 "탈착 가능한"은 단지 전극과 나선형 압축 스프링이 서로에 분리 불가능한 방식으로 부착되지 않는다는 특히, 종래 기술로부터 알려져 있는 바와 같이 서로에 용접되지 않는다는 사실을 지칭한다. 압전력 센서 내부의 접속이기 때문에, 확립되었을 때의 이 탈착 가능한 접속은 결코 다시 비고정되지 않게 된다. 따라서, 탈착 가능한 접속은 원하는 경우 접속 및 분리될 수 있는 플러그 접속의 경우에 일반적이기 때문에 실제로 분리되어 있는 분리 가능한 접속으로 혼동되지 않아야 한다. 자체로 탈착 가능한 압전력 센서 내부의 본 발명에 따르는 접속은 액세스 불가능하고 따라서 압전력 센서를 파괴하지 않고 기술적으로 분리 가능하지 않다. 그럼에도 불구하고, 접속 자체는 저절로 탈착 가능하다.
본 발명의 목적의 바람직한 실시예가 첨부한 도면과 관련하여 이하에 기재된다. 각각의 경우에 동일한 참조 번호는 동일한 부품을 지칭한다. 도 2 및 도 3은 본 발명에 따르는 실시예들을 도시한다.
도 1a는 종래 기술에 따르는 피에조 로드 와셔(piezo load washer)로서 형성된 압전력 센서의 부분 절단 측면도를 도시한다.
도 1b는 압전체의 모사가 생략된 도 1a의 피에조 로드 와셔의 전극의 일부분, 전극에 용접되어 있는 전극 탭을 갖는 접촉 핀을 통한 상세한 단면도를 도시한다.
도 1c는 하우징을 폐쇄하기 전에 접촉 핀 상에 접합 플레이트 및 전극 탭 각각의 형태 부합 부착의 부분 단면도를 도시한다.
도 2a는 나선형 스프링을 갖는 접촉 핀을 포함하는 전기 접속의 사시도를 도시하며, 여기에서 웨지형 전극 탭이 부착되어 있다.
도 2b는 가시가 있는 후크(barbed hook)를 갖는 전극 탭을 갖는 전기 접속의 사시도를 도시한다.
도 2c는 전극 탭과 나선형 스프링 사이에 탈착 가능한 전기 접속의 다른 변형의 사시도를 도시하며, 여기에서 전극 탭은 L 형상을 갖고 코일 사이에 더 짧은 레그가 삽입되어 있다.
도 2d는 계단식 전극 탭을 갖는 사시도를 도시하며, 여기에서 나선형 압축 스프링을 대면하는 레그가 코일 내에 부분적으로 삽입되어 있다.
도 3a∼도 3c는 전극 탭이 없이 실시예들의 사시도를 도시하며, 여기에서 나선형 스프링은 a) 전극 원주 표면 상에 접촉부를 생성하고, b) 전극 원주 표면의 블라인드 홀에 삽입되며, c) 원주 표면 티스(teeth)로 전극에 동작 가능하게 접속되어 있다.
이하에서는, 압전력 센서(1) 특히 피에조 로드 와셔(1)의 전기 신호를 유도하기 위한 전기 접속을 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다. 가장 간단한 피에조 로드 와셔(1)는 하나의 공간 방향에서(이 경우에는 Fz) 0과 1000 kN 초과 사이의 힘을 측정할 수 있다. 이러한 목적을 위해, 압전력 센서(1)가 기밀 압축 방식으로 용접된 하우징 내부에 전극(12)과 함께 배열된 적어도 하나의 압전체(11)를 갖는다. 전기 접속은 전기 신호가 하우징(10) 외부로부터 추출될 수 있게 보증한다. 하우징(10) 외부로부터, 접속 케이블이 접속 디바이스(13)에 접속되어 측정 신호가 전하 증폭기로 측정 전자장치에 추출될 수 있게 된다.
여기에서, 주안점은 압전력 센서(1) 내의 전기 접속에 있으며, 따라서, 명확하게 하기 위해, 종래 기술로부터 알려져 있는 것으로서 구성될 수도 있는 적어도 하나의 압전체(11) 및 하우징의 표시가 생략되었거나 각각 점선에 의해서만 표시된다. 압전력 센서(1)의 접속 디바이스(13)는 하우징(10)과 함께 접속 개구(101)를 둘러싸는 공통 내부 공동을 형성하며 기밀하게 밀봉된다. 접속 디바이스(13)는 탈착 불가능한 방식으로 하우징(10)에 고정 바람직하게는, 용접된다. 이 내부 공동으로의 외부로부터의 접근은 하우징을 거쳐서도 접속 디바이스(13)를 통해서도 제공되지 않으며, 그 피드스루(feedthrough)(130)는 밀봉된다.
특히, 압전력 센서(1)의 내부 구성은 전극(12)과 접촉 핀 사이의 접속을 제외하고 도 1에서 묘사되고 기재되어 있는 것과 같을 수 있다. 도 2 및 도 3의 각각에서는, 전극 탭(120)을 갖거나 갖지 않는 전극 본체(120)를 갖는 전극(12)이 도시되어 있으며, 여기에서 전극(12)은 도 1에 기재되어 있는 바와 같이 하우징(10) 내에 위치하고 있다. 전기 접속은 전극(12) 또는 전극 탭(120) 각각과 접촉 핀(131) 사이에 제공되며 탈착 가능한 접속으로서 설계된다.
접촉 핀(131)은 하우징(10)에 인접하여 배치되는 접속 디바이스(13)의 부분을 형성한다. 접촉 핀(131)은 전기 도전성으로 제작되고, 하우징(10)으로부터 멀리 대면하는 그 일부분에서, 접촉 핀(131)이 절연재(insulation)(132)에 의해 둘러싸여 있다. 이 방법으로, 전극(12)으로부터 접촉 핀(131)을 통해 접속 디바이스(13)로의 전기 전하의 절연된 리드스루(leadthrough)가 달성될 수 있다. 접속 디바이스(13) 상에 및 그에 따라 하우징(10)의 외부에, 적절한 커넥터 또는 소켓을 갖는 적절한 접속 케이블이 예를 들면, 나사산(screw thread)에 의해 쉽게 탈착 가능하게 접속될 수 있다. 반면에, 접속 케이블은 또한 각각 고정되거나 분리 불가능한 방식으로 측정 신호를 전송하기 위한 접속 디바이스(13)에 고정될 수도 있다.
전극(12)과 접촉 핀(131) 사이의 전기 접속을 달성하기 위해, 그에 따라 하우징(10) 밖으로 전극(12)으로부터 전기 신호 특히, 측정 신호의 전도를 달성하기 위해, 나선형 압축 스프링(14)이 채용되며, 이 스프링은 전기적으로 도전체로 제작되고 바람직하게는 용접에 의해 바람직하게는 분리 가능하지 않고 형태 부합 방식으로 접촉 핀 대면 단부(141)에서 접촉 핀(131)에 고정된다. 이 형태 부합 접속은 나선형 압축 스프링(14)의 접촉 핀 대면 단부(141)에서 스프링 부착(140)의 형태로 배치된다. 나선형 압축 스프링(14)은 스프링 길이(l)를 갖고 다양한 방식으로 전극(12)과 접촉된다. 이러한 목적으로, 나선형 압축 스프링(14)의 전극 대면 단부(142)가 전극(12) 또는 전극 탭(121)과 각각 탈착 가능하게 접속된다. 전극(12) 및 접촉 핀(131)은 서로에 대해 이격되어 있으며, 그 공간적인 간격은 나선형 압축 스프링(14)에 의해 브리지된다(bridged). 접촉 핀(131)에 의해 전극(12)을 접촉하는 것이 회피된다.
이러한 나선형 압축 스프링(14)을 통한 이격 및 간접 접속으로 인해, 접촉 핀(131)으로부터 전극(12) 상으로 아무런 힘이 전달될 수 없도록 나선형 압축 스프링(14)만이 전극(12)에 대해 인접하기 때문에, 접촉 핀(131)이 전극으로부터 기계적으로 분리된다.
나선형 압축 스프링(14)의 선택에 의존하여, 모두 3개의 공간적인 방향 x, y, z에서의 힘이 수용될 수 있으며, 이 힘은 나선형 압축 스프링(14)에 의해 흡수된다. 이러한 타입의 전기 접속을 갖는 압전력 센서(1)의 측정 정확도는 접속 디바이스(13)로부터의 케이블 접속으로 인한 간섭이 전기 접속에 거의 작용하지 않기 때문에 향상된다.
압전력 센서(1)의 어셈블리의 부분으로서의 그러한 전기 접속의 제조는 간단하며 종래 기술에 비해 현저히 더 빠르고 특히 오염 없이 확립될 수 있다. 나선형 압축 스프링(14)과 전극(12) 또는 전극 탭(121) 각각 사이의 플러그된(plugged) 접속으로 인해, 스프링 와이어 및 전극(12) 또는 전극 탭(121) 각각의 표면이 영향을 받지 않거나 오염되지 않게 된다.
도 2a에 따르는 변형에서, 전극 탭(121)은 웨지 형상이다. 전극 탭(121)은 적어도 부분적으로 웨지 형상이어야 한다. 나선형 압축 스프링(14)이 그 스프링 축 A의 방향으로 전극 탭(121) 상에 부착되고, 웨지 형상 부분이 나선형 압축 스프링(14)의 코일 직경으로 삽입된다. 이 경우에는, 2개의 코일이 전극 탭(121) 상에 부착되는 것으로 묘사되어 있지만, 2개보다 많은 코일이 도전성 접속을 확립하게 하는 것도 또한 가능하다. 스프링 효과가 이용될 수 있도록 접촉 핀(131)의 정면이 전극 탭(121)으로부터 이격되어 있다. 웨지 형상 부분이 삽입되어 있는 나선형 압축 스프링(14)의 비틀림으로 인해, 스프링 와이어는 전극 탭(121)의 형상을 밀접하게 따르므로, 전기적으로 도전성 접속이 생성되고 비틀림 응력으로 인해 압전력 센서(1)로 측정을 실행하기에 충분히 안정적으로 된다. 전기 신호는 전극(12)으로부터 전극 탭(121) 및 나선형 압축 스프링(14)을 통해 접촉 핀(131)까지 전달될 수 있다.
도 2b에 따르는 변형에서, 전극 탭(121)으로부터 나선형 압축 스프링(14) 밖으로 원하지 않는 미끄러짐(slipping)을 더욱 방지하기 위해, 전극 탭(121)에 가시가 있는 후크(1210)가 추가로 제공된다. 적어도 하나의 가시가 있는 후크(1210)를 갖는 실시예는 전극 탭(121)과 나선형 압축 스프링(14) 사이의 접속의 원하지 않는 분리의 거의 완전한 방지를 달성한다. 또한 이 경우에는, 2개의 코일이 전극 탭(121)의 삽입된 부분을 근접하게 둘러싸며 그에 의해 탈착 가능한 전기 접속이 압전력 센서(1)에 사용하기 충분하게 달성된다. 또한 여기에서는, 전극 탭(121)으로부터 접촉 핀(131)의 정면의 충분한 거리가 각각의 경우에 달성될 스프링 효과에 대해 보증되어야 할지라도, 전극 탭(121)의 삽입된 부분이 2개보다 많은 코일에 의해 둘러싸일 수 있다.
도 2c에 따르는 변형에서, 전극 탭(121)은 L 형상을 갖는다. 전극 탭(121)의 제1 레그(1211)는 전극 본체(120)로부터 멀리, 바람직하게는 전극 원주 표면으로부터 방사상으로 멀리 연장한다. 제2 레그(1212)는 z 방향으로 약 90°의 각도로 제1 레그(1211) 바로 옆에 연장한다. 여기에서, 제2 레그(1212)는 제1 레그(1211)보다 더 짧으며 나선형 압축 스프링(14)의 코일들 사이에 삽입된다. 제2 레그(1212)는 나선형 압축 스프링(14)의 코일들 사이의 스프링 와이어에 접촉하며 그에 의해 전극(12)과 접촉 핀(131) 사이의 전기적으로 도전성 탈착 가능한 접속이 나선형 압축 스프링(14)을 통해 달성된다. 또한 이 경우에는, 나선형 압축 스프링(14)이 형태 부합 방식으로 스프링 부착(140)에 있는 접촉 핀(131)에 접속되므로 전기적으로 도전성 접속이 확립된다. 코일들 사이에 제2 레그(1212)의 삽입을 가능하게 하기 위해, 나선형 압축 스프링(14)의 스프링 축 A가 여기에서는 전극(12)의 두께 방향으로 대략 중앙으로 연장하는 높이에 배치된다. 여기에서는, 스프링 축 A는 y 축과 동일한 레벨로 y 축을 따라서 연장한다. z 방향에서, 제1 레그(1211)는 전극(12)의 측면 표면으로 z 방향으로 전극(12)의 중앙에서 오프셋되어 위치한다. 이러한 전극 탭(121)의 L 형상으로 인해, 제2 레그(1212)가 이 경우에는 코일들 사이에서 연장하도록 아래로부터 삽입될 수 있다.
도 2d에서는, 전기 접속의 변형이 묘사되며, 여기에서 전극 탭(121)은 도 2c에 따르는 어셈블리에 대응하는 어셈블리의 나머지 및 계단형 설계를 갖는다. 또한 이 경우에는, 제1 레그(1211)는 y 방향으로 만곡 시에 제3 레그(1213)으로의 전이가 후속하는 z 방향으로 각도를 이루는 제2 레그(1212)로 유도한다. 여기에서는, 제1 레그(1211) 및 제3 레그(1213)는 서로 대략 평행하게 진행하도록 배치된다. y 방향으로 부분적으로는 스프링 축 A의 방향으로 선형적으로 연장하는 제3 레그(1213)가 나선형 압축 스프링(14) 내로 삽입된다. 선택적으로, 제3 레그(1213)는 웨지 형상일 수 있거나 가시가 있는 후크가 제공될 수 있다. 그러나, 이 표면은 도면의 평면에 수직으로 연장하므로 이것은 도 2d에서 볼 수 없다. 90°만큼 회전된 도면에서, 도 2d의 레그(1213)는 예를 들면, 도 b의 전극 플래그(121)의 단부와 유사하게 보일 수도 있다.
이러한 전극 탭(121)의 계단형 설계는, 전극 탭(121)이 전극(12)의 측면 표면에 근접하게 배치되면서 나선형 압축 스프링(14)의 스프링 축 a가 전극 본체(120)의 두께에 대해 대략 중앙으로 연장하기 위한 것인 경우 필요하게 된다.
도 3a 내지 도 3c에는 전극(12)과 접촉 핀(131) 사이의 전기 접속을 확립하는 다른 변형이 도시되어 있다. 이 경우에는, 전기적으로 도전성 및 탈착 불가능한 방식으로 접촉 핀(131)에 접속되어 사용되는 각각의 나선형 압축 스프링(14)과 전극(12) 사이의 접촉이 아직 확립되지 않았고, 따라서 전극(12)과 접촉 핀(131)이 전기적으로 도전성 및 탈착 가능한 방식으로 아직 접속되어 있지 않다.
도 3a는 어떻게 나선형 압축 스프링(14)이 전극 원주 표면 상에 직접 압축될 수 있는지 및 스프링 축 방향으로의 압력 하에 탈착 가능하게 부착될 수 있는지를 도시한다. 접촉 핀(131)이 부착되어 있는 나선형 압축 스프링(14)이 스프링 축의 방향으로, 이 경우에는 y 방향으로 전극(12)으로 가압되어 이후에 그 위치에 고정된다. 더 이후의 사용하는 동안 접촉 핀(131)과 전극(12) 사이에 상대적인 운동이 발생한 경우, 대부분에 대해 나선형 압축 스프링(14)에 의해 흡수되므로 전극(12) 또는 압전체 상에 간섭력이 거의 작용하지 않게 된다. 따라서, 달성될 수 있는 측정 결과가 향상될 것이다. 나선형 압축 스프링(14)의 전극 대면 단부(142)는 하우징(10)으로 연장하여 전극 원주 표면에 직접 접촉한다.
변형에서, 보어(bore)(123)가 전극 본체(120) 내에 배치되며, 여기에서는 그 내부로 나선형 압축 스프링(14)이 부분적으로 삽입될 수 있는 블라인드 홀(123)의 형태를 갖는다. 이것은 도 3b에 도시되어 있다. 나선형 압축 스프링(14)의 전극 대면 단부(142)는 보어(123) 내로 박히며 여기에서 나선형 압축 스프링(14) 및 특히 나선형 압축 스프링(14)의 탄성부의 길이(l)가 접촉 핀(131)이 전극 원주 표면과 직접 접촉하지 않도록 선택된다.
이것은 또한 원주 표면 티스(124)가 나선형 압축 스프링(14)이 동작 가능하게 접속될 수 있는 전극 원주 표면 상에 배치되어 있는 도 3c에 따르는 변형에도 적용한다. 여기에서, 나선형 압축 스프링(14)의 일부 코일들을 부착함으로써, 몰딩된 또는 고정된 원주 표면 티스(124)와 나선형 압축 스프링(14)의 탈착 가능한 전기 접속이 y 방향으로의 스프링 축의 이동 시에 달성된다. 원주 표면 티스(124)는 상이한 형상을 가질 수 있고 상이한 깊이로 나선형 압축 스프링(14)의 코일들 사이에 삽입될 수 있다.
접속 디바이스(13) 및 그에 따라 접촉 핀(131)이 외부로부터 3개의 공간적인 방향 중 하나로의 힘에 의해 작용되는 경우, 나선형 압축 스프링(14)이 이들 힘을 대부분 흡수하므로 전극(12) 상에 및 가능하게는 압전체(11) 상에 힘이 거의 작용하지 않거나 최소한의 힘만이 작용하게 된다.
압전력 센서(1)의 제조 시에, 나선형 압축 스프링(14)이 하우징(10)의 외부로부터 접속 개구(101)를 통해 안내되어 다양한 방식으로 전극(12)에 동작 가능하게 접속되므로 탈착 가능한 전기적으로 도전성 접속이 확립된다. 그렇게 하면, 나선형 압축 스프링(14)이 미리 설치되는 방식으로 접속된다. 전극(12)과 나선형 압축 스프링(14) 사이의 전기 접속이 확립될 때, 접촉 핀(131)은 전극(12)으로부터 이격된 상태로 남아 있다. 이러한 방식으로, 나선형 압축 스프링(14)의 스프링 효과가 이용될 수 있다.
접촉 핀(131)과 절연재(132)는 피드스루(130) 내에 고정적으로 배치될 수 있고, 나선형 압축 스프링(14)과 전극(12) 사이의 접속이 확립된 후에 접속 디바이스(13)의 피드스루(130)가 하우징(10)에 고정, 특히 용접될 수 있다.
그러나, 접속 디바이스(13)의 피드스루(130)가, 나선형 압축 스프링(14), 접촉 핀(131) 및 절연재(132)가 피드스루(130)에 걸쳐 부분적으로 고정되기 전에 하우징(10)에 이미 고정적으로 부착되는 것도 또한 가능하다.
모든 변형에서, 나선형 압축 스프링(14)의 전체 코일 중에서, 나선형 압축 스프링(14)의 접촉 핀 대면 단부(141)에서의 적어도 하나의 코일이 접촉 핀(131) 위에 위치하는 한편 전극 대면 단부(142)의 영역에 있는 여러 개의 코일들은 접촉 핀(131)로부터 부착되지 않고 이격되어 있다. 접촉 핀(131)에 부착되지 않은 코일들은 힘들을 흡수할 수 있다.
나선형 압축 스프링(14)의 재료로서, 전기적으로 도전성 재료만이 사용될 수 있다. 스테인리스이었던 바람직한 알려진 스프링 강에 덧붙여서, 니켈 또는 합금이 채용될 수도 있다.
나선형 압축 스프링(14)은 일정한 코일 직경이 제공될 수 있고 원통형 기본 형상을 갖는다. 그러나, 나선형 압축 스프링(14)은 또한 점점 가늘어지는 코일 직경을 갖거나 상이한 코일 직경의 다양한 영역을 갖는 원추형 스프링 또는 원뿔대 형상 나선형 압축 스프링으로서 설계될 수도 있다. 스프링 와이어의 코일들의 피치(pitch)는 다양하게 선택될 수 있고 나선형 압축 스프링(14)의 길이(l)를 따라서 변화할 수도 있다.
일례로서 하나의 공간적인 배향으로 힘을 측정하기 위한 간단한 압전력 센서를 사용하여 여기에 기재되어 있는 전기 접속은 또한 하나보다 많은 압전체를 갖는 압전력 센서에 사용될 수도 있다. 그러한 압전력 센서(1)는 또한 하나보다 많은 전극이 사용될 수 있는 압전력 센서로 2개 이상의 공간적인 방향으로의 힘으로부터의 측정을 가능하게 한다. 후자의 경우에는, 각각의 전극(12)이 접촉 핀(131)을 갖는 여기에서 나타나 있는 전기 접속에 의해 탈착 가능하게 접속될 수 있다.
본 발명에 따르는 다른 실시예는 2개 이상의 전극을 포함하며, 그 각각은 나선형 압축 스프링(14)을 통해 동일한 방식으로 접촉 핀(131)과 개별적으로 접촉되므로 2개 이상의 측정 신호가 압전력 센서(1)의 접속 디바이스(13)로부터 선택될 수 있다.
1 : 압전력 센서/피에조 로드 와셔
10 : 하우징
100 : 중앙 개구
101 : 접속 개구
11 : 압전체 (적어도 하나)
12 : 전극 (적어도 하나)
120 : 전극 본체
121 : 전극 탭
1210 : 가시가 있는 후크
1211 : 제1 레그
1212 : 제2 레그
1213 : 제3 레그
122 : 접합 플레이트
123 : 보어/블라인드 홀
124 : 원주 표면 티스
13 : 접속 디바이스/z. B. 플러그 커넥터 또는 나사 부싱
130 : 피드스루
131 : 접촉 핀
132 : 절연재
14 : 나선형 압축 스프링
140 : 스프링 부착
141 : 접촉 핀 대면 단부
142 : 전극 대면 단부
l : 나선형 압축 스프링의 길이
A : 스프링 축
S : 용접 전극

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 압전체(11) 및 상기 압전체(11)에 전기적으로 접속되는 전극(12)을 갖는 하우징(10)을 포함하는 압전력 센서(1)로서, 상기 하우징(10) 상에 측정 신호를 전송하기 위한 접촉 핀(131)을 갖는 접속 디바이스(131)가 고정되거나 몰딩되고, 상기 접촉 핀(131)은 상기 전극(12)에 전기적으로 도전성 방식으로 접속되는 압전력 센서(1)에 있어서,
    상기 압전력 센서(1) 내의 전기 접속으로서, 나선형 압축 스프링(14)이 상기 접촉 핀(131)에 전기적으로 도전성으로 접속되고, 상기 나선형 압축 스프링(14)은 상기 접촉 핀(131)이 상기 전극(12)으로부터 공간적인 간격을 갖도록 동작 가능한 방식으로 상기 전극(12)에 탈착 가능하게 및 전기적으로 도전성으로 접속되며, 상기 전극(12)으로부터의 측정 신호가 상기 나선형 압축 스프링(14) 및 접속된 접촉 핀(131)을 통해 상기 압전력 센서(1)의 상기 하우징(10)으로부터 추출될 수 있고 상기 접속 디바이스(13)에서 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는 압전력 센서(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 나선형 압축 스프링(14)은 상기 접촉 핀(131)으로부터의 힘이 전혀 상기 전극(12) 상에 전달될 수 없도록 기계적으로 분리되는 방식으로 상기 전극(12)에 대해 인접한 압전력 센서(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극(12)은 이동 가능한 접촉 방식으로 삽입되는 상기 나선형 압축 스프링(14)의 코일들 사이에 부착되어 있는 전기적으로 도전성 전극 탭(121)을 갖는 압전력 센서(1).
  4. 제3항에 있어서, 상기 전극 탭(121)은 적어도 부분적으로 웨지(wedge) 형상인 압전력 센서(1).
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 전극 탭(121)은 적어도 하나의 가시가 있는 후크(barbed hook)(1210)를 갖는 압전력 센서(1).
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 탭(121)은 제1 레그(1211) 및 제2 레그(1212)를 갖는 L 형상이고, 상기 제1 레그(1211) 및 상기 제2 레그(1212)는 서로에 대해 z 방향으로 각도를 이루고 배치되며, 상기 제2 레그(1212)는 상기 나선형 압축 스프링(14)의 코일들 사이에 연장하여 삽입되는 압전력 센서(1).
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 레그(1211)와 상기 제2 레그(1212) 사이의 각도는 90°인 압전력 센서(1).
  8. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 탭(121)은 제1 레그(1211), 제2 레그(1212) 및 제3 레그(1213)를 갖는 계단 형상이고, 상기 제1 레그(1211) 및 상기 제3 레그(1213)는 서로 평행하게 연장하여 위치하는 압전력 센서(1).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 나선형 압축 스프링(14)은 미리 설치되는 방식으로 전극 원주 표면 상에 직접 가압하여 부착되는 압전력 센서(1).
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극(12)은 상기 나선형 압축 스프링(14)이 삽입되는 전극 원주 표면을 가로지르는 보어(123)를 갖는 압전력 센서(1).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극(12)은 상기 나선형 압축 스프링(14)이 동작 가능하게 접속되는 전극 원주 표면 상에 원주 표면 티스(teeth)(124)를 갖는 압전력 센서(1).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나선형 압축 스프링(14)은 스프링 부착(140)에 의해 탈착 불가능하고 형태 부합(form-fit) 방식으로 상기 접촉 핀(131)에 부착되는 압전력 센서(1).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 측정 신호가 상기 접속 디바이스(13)로부터 추출될 수 있도록 나선형 압축 스프링(14)을 통해 접촉 핀(131)과 동일한 방식으로 개별적으로 각각 접촉되는 2개 이상의 전극(12)을 포함하는 압전력 센서(1).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접속 디바이스(13)는 상기 측정 신호를 전송하기 위한, 예를 들면 스레드(thread)에 의해 접속 케이블의 자체로의 탈착 가능한 부착을 위해 설계되는 압전력 센서(1).
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접속 디바이스(13)에 상기 측정 신호를 전송하기 위한 접속 케이블이 탈착 불가능하게 부착되는 압전력 센서(1).
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