KR20240087657A - 관통 보어를 갖는 세장형 힘 센서 어셈블리 - Google Patents

관통 보어를 갖는 세장형 힘 센서 어셈블리 Download PDF

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KR20240087657A
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탈 라하브
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비쉐이 어드밴스드 테크놀로지 리미티드
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Abstract

힘 인가 방향으로 인가되는 힘을 측정하기 위한 세장형 힘 센서 어셈블리 및 이러한 어셈블리를 제조하는 방법으로서, 힘 센서 어셈블리는, 힘 인가 방향에 전반적으로 수직인 길이방향 축을 따라 연장되는 세장형 힘 반응 빔 요소로서, 세장형 힘 반응 요소는 길이방향 축을 따라 관통 길이방향 보어를 갖도록 형성되는, 세장형 힘 반응 빔 요소, 세장형 힘 반응 빔 요소에 부착되는 적어도 하나의 스트레인 게이지(strain gauge)로서, 적어도 하나의 힘 게이지의 각각은 힘에 응답하여 스트레인 게이지 출력을 생성하는, 적어도 하나의 스트레인 게이지, 및 스트레인 게이지 출력을 힘의 크기를 나타내는 힘 표시로 변환하도록 동작하는 복수의 회로 요소들을 포함한다.

Description

관통 보어를 갖는 세장형 힘 센서 어셈블리
본 발명은 힘을 측정하기 위한 빔 트랜스듀서들에 관한 것이다.
다양한 유형들의 힘 센서들이 알려져 있다.
본 발명은 힘 인가 방향으로 인가되는 힘을 측정하기 위한 세장형 힘 센서 어셈블리를 제공하기 위한 것으로서, 힘 센서 어셈블리는, 힘 인가 방향에 전반적으로 수직인 길이방향 축을 따라 연장되는 세장형 힘 반응 빔 요소로서, 세장형 힘 반응 요소는 길이방향 축을 따라 관통(throughgoing) 길이방향 보어를 갖도록 형성되는, 세장형 힘 반응 빔 요소, 세장형 힘 반응 빔 요소에 부착되는 적어도 하나의 스트레인 게이지(strain gauge)로서, 적어도 하나의 힘 게이지의 각각은 힘에 응답하여 스트레인 게이지 출력을 생성하는, 적어도 하나의 스트레인 게이지, 및 스트레인 게이지 출력을 힘의 크기를 나타내는 힘 표시로 변환하도록 동작하는 복수의 회로 요소들을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 세장형 힘 반응 빔 요소는 또한, 힘 인가 방향 및 길이방향 축 둘 모두에 대해 전반적으로 수직인 횡방향 축을 따라 연장되는 관통 횡방향 보어를 갖도록 형성되며, 적어도 하나의 스트레인 게이지 및 관통 횡방향 보어는 적어도 서로 부분적으로 겹친다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 세장형 힘 반응 빔 요소는 압출 프로세스에 의해 형성된다. 대안적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 세장형 힘 반응 빔 요소는 압연 프로세스에 의해 형성된다. 대안적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 세장형 힘 반응 빔 요소는 튜브 형성 프로세스에 의해 형성된다.
바람직하게는, 관통 길이방향 보어는 스트레인 게이지들 중 적어도 하나를 하우징한다. 바람직하게는, 관통 길이방향 보어는 전기 케이블을 하우징하며, 전기 케이블은 복수의 회로 요소들에 전기적으로 연결된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 세장형 힘 반응 빔 요소는 전반적으로 평평한 벽 부분을 포함하는 적어도 하나의 리세스를 갖도록 형성되며, 적어도 하나의 스트레인 게이지는 전반적으로 평평한 벽 부분에 부착된다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 힘 인가 방향으로 인가되는 힘을 측정하기 위한 힘 센서의 제조 방법이 제공되며, 방법은, 힘 인가 방향에 전반적으로 수직인 길이방향 축을 따라 연장되는 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계로서, 세장형 힘 반응 요소는 길이방향 축을 따라 관통 길이방향 보어를 갖도록 형성되는, 단계, 적어도 하나의 스트레인 게이지를 세장형 힘 반응 빔 요소에 부착하는 단계로서, 적어도 하나의 힘 게이지의 각각은 힘에 응답하여 스트레인 게이지 출력을 생성하는, 단계, 및 적어도 하나의 스트레인 게이지를, 스트레인 게이지 출력을 힘의 크기를 나타내는 힘 표시로 변환하도록 동작하는 복수의 회로 요소들에 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계를 압출 프로세스를 포함한다. 대안적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계는 압연 프로세스를 포함한다. 대안적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계는 3차원 프린팅 프로세스를 포함한다. 대안적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계는 금속 사출 몰딩(metal injection molding; MIM) 프로세스를 포함한다. 대안적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계는 튜브 형성 프로세스를 포함한다. 대안적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계는 기계가공 프로세스를 포함한다.
본 발명은은 도면들과 함께 취해질 때 다음의 상세한 설명으로부터 더 완전하게 이해되고 인식될 것이다.
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 본 발명의 제1 실시예에 따라 구성되고 동작하는 굽힘 세장형 힘 센서 어셈블리의, 간략화된 개별적인 조립도, 상단을 향한 부분 분해도, 하단을 향한 부분 분해도, 및 상단을 향한 완전 분해도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는, 도 1a 내지 도 1d의 힘 센서 어셈블리의 세장형 힘 반응 빔 요소의 간략화된 개별적인 상단을 향한 사시도, 하단을 향한 사시도 및 단면도이며, 도 2c는 도 2a의 단면 라인 C-C를 따라 취한 것이다.
도 3은 도 1a 내지 도 2c의 힘 센서 어셈블리를 제조하기 위한 방법의 간략화된 도면이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성되고 동작하는 세장형 힘 센서 어셈블리의, 간략화된 개별적인 조립도, 상단을 향한 부분 분해도, 하단을 향한 부분 분해도, 및 상단을 향한 완전 분해도이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는, 도 4a 내지 도 4d의 힘 센서 어셈블리의 세장형 힘 반응 빔 요소의 간략화된 개별적인 상단을 향한 사시도, 하단을 향한 사시도 및 단면도이며, 도 5c는 도 5a의 단면 라인 C-C를 따라 취한 것이다.
도 6은 도 4a 내지 도 5c의 힘 센서 어셈블리를 제조하기 위한 방법의 간략화된 도면이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c 및 도 7d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 구성되고 동작하는 세장형 힘 센서 어셈블리의, 간략화된 개별적인 조립도, 상단을 향한 부분 분해도, 하단을 향한 부분 분해도, 및 상단을 향한 완전 분해도이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는, 도 7a 내지 도 7d의 힘 센서 어셈블리의 세장형 힘 반응 빔 요소의 간략화된 개별적인 상단을 향한 사시도, 하단을 향한 사시도 및 단면도이며, 도 8c는 도 8a의 단면 라인 C-C를 따라 취한 것이다.
도 9는 도 7a 내지 도 8c의 힘 센서 어셈블리를 제조하기 위한 방법의 간략화된 도면이다.
도 10a, 도 10b, 도 10c 및 도 10d는 본 발명의 여전히 또 다른 실시예에 따라 구성되고 동작하는 세장형 힘 센서 어셈블리의, 간략화된 개별적인 조립도, 상단을 향한 부분 분해도, 하단을 향한 부분 분해도, 및 상단을 향한 완전 분해도이다.
도 11a, 도 11b, 도 11c 및 도 11d는, 도 10a 내지 도 10d의 힘 센서 어셈블리의 세장형 힘 반응 빔 요소의 간략화된 개별적인 상단을 향한 사시도, 하단을 향한 사시도, 제1 단면도 및 제2 단면도이며, 도 11c 및 도 11d는 도 11a의 단면 라인들 C-C 및 D-D를 따라 취한 것이다.
도 12는 도 10a 내지 도 11c의 힘 센서 어셈블리를 제조하기 위한 방법의 간략화된 도면이다.
도 13은 도 1a 내지 도 12의 힘 센서 어셈블리들과 유사한 힘 센서 어셈블리를 제조하기 위한 방법의 간략화된 순서도이다.
흔히 로드 셀(load cell)들로 지칭되는 힘 트랜스듀서들은 일반적으로 인가되는 힘들을 측정하기 위해 사용되며, 계량 및 안정성 시스템들과 같은 다수의 유형들의 시스템의 필수적인 구성요소들이다. 하나의 일반적은 유형의 힘 트랜스듀서는 스트레인 게이지 힘 트랜스듀서이다. 스트레인 게이지 힘 트랜스듀서들은 탄성 요소를 포함하며, 스트레인 게이지 힘 센서는 그 탄성 요소의 형상 및 배향에 기초하여 분류된다. 탄성 요소들은 당업계에서, 그 중에서도 특히, 스프링 요소들 및 스프링 몸체들로 지칭된다는 것을 유의해야 한다.
예를 들어, 굽힘 빔 힘 센서들, 특히 단일-지점 힘 센서들과 같은 빔 힘 센서들은 전형적으로 재료의 단일 블록으로 형성된 중실(solid) 빔 탄성 요소를 포함한다. 빔은, 지지부에 고정적으로 장착된 장착 단부, 및 힘이 측정될 방향으로 자유롭게 편향되는 로딩(loading) 단부를 포함한다. 따라서, 로딩 단부에 인가되는 힘은 빔이 변형되게 한다. 전형적으로, 빔 변형은 미미하지만 측정가능하고, 흔히 사람의 눈에 보이지 않는다.
당업계에서 잘 알려진 바와 같이, 인가되는 힘으로 인한 빔과 같은 세장형 물체의 변형, 소위 스트레인은 인가되는 힘의 크기에 비례한다. 스트레인 게이지 빔 힘 센서들은 빔 상에 고정적으로 장착된 하나 이상의 스트레인 게이지들을 사용하여 스트레인을 측정한다. 당업계에서 알려진 바와 같이, 스트레인 게이지들은, 스트레인 게이지가 변형될 때 그 저항이 변화하는 전기적 저항기들이다. 모든 스트레인 게이지 변형된 구성은 결과적으로 스트레인 게이지가 장착된 탄성 요소, 예를 들어, 빔의 변형에 의존하기 때문에, 스트레인 게이지의 저항은 빔의 변형에 대한 정보를 제공한다.
전형적으로, 출력 신호의 신뢰성 및 강도를 개선하기 위해 다수의 스트레인 게이지들이 사용되지만, 일부 스트레인 게이지 힘 센서들은 단일 스트레인 게이지만을 포함한다. 스트레인 게이지들은 전기적 구성으로 배열되며, 가장 일반적인 구성들 중 일부는 풀-브리지 구성들, 전형적으로 휘스톤 브리지 구성들, 하프-브리지 구성들 및 쿼터-브리지 구성들을 포함한다.
빔 힘 센서의 동작 동안, 전원은, 결과적으로 출력 전압을 야기하는 출력 저항을 제공하는 스트레인 게이지들에 여기 전압을 제공한다. 이하의 식 1에 도시된 옴 법칙을 스트레인 게이지들을 포함하는 회로에 적용하면, 출력 전압은 스트레인 게이지들의 저항과 관련될 수 있다:
V=IR (식 1)
여기서 V는 전압이고, I는 전류이며 R은 저항이다.
이상에서 설명된 바와 같이, 변형 게이지들의 저항은 빔 힘 센서의 빔의 변형에 의존한다. 빔의 변형이 인가되는 힘에 의존하기 때문에, 추가적인 회로 요소들이 전형적으로 스트레인 게이지들의 출력 저항에 기초하는 출력 전압을 인가된 힘의 크기의 표시로 변환하기 위해 스트레인 게이지들과 함께 사용된다. 일부 경우들에서, 추가적인 회로 요소들은 또한 신호 조정을 수행하며, 이는 인가된 힘의 크기의 표시의 정확성, 정밀성 및 신호 강도 중 적어도 하나를 개선한다.
전단 빔 힘 센서들과 같은 다른 빔 힘 센서들도 또한 전형적으로 재료의 단일 블록으로 형성된 중실 빔 탄성 요소를 포함한다. 빔은, 지지부에 고정적으로 장착된 장착 단부, 및 힘이 측정될 방향으로 자유롭게 편향되는 로딩 단부를 포함한다. 그러나, 인가된 힘에 의해 초래된 축방향 굽힘 스트레인 편향을 측정하는 굽힘 빔 힘 센서들과는 달리, 전단 빔 힘 센서들은 인가된 힘으로 인한 평면 전단 스트레인을 측정한다. 따라서, 전형적으로 빔의 변형이 가장 큰 빔 탄성 요소의 상단 및/또는 하단에 위치되는 스트레인 게이지들을 포함하는 굽힘 빔 힘 센서들과는 달리, 전단 빔 힘 센서들은 전형적으로, 빔의 전단 응력이 가장 큰 빔 탄성 요소의 중간 근처에 위치된 스트레인 게이지들을 포함한다.
빔 힘 센서들이 보통 인가된 힘들을 측정하는 데 유용하지만, 통상적인 빔 힘 센서들은 일부 애플리케이션들에 대해 너무 비싸거나 또는 너무 무거울 수 있다. 따라서, 본 발명은, 중실 빔이 생략되고 중공 빔으로 대체되는 저비용, 저질량 빔 힘 센서들을 제공하는 것으로 목적으로 한다.
이제, 본 발명의 제1 실시예에 따라 구성되고 동작하는 세장형 힘 센서 어셈블리(100)의 단순화된 도면들인 도 1a 내지 도 1d, 및 도 1a 내지 도 1d의 힘 센서 어셈블리(100)의 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 도면들인 도 2a 내지 도 2c를 참조한다. 힘 센서 어셈블리(100)가 힘 인가 축(132)에 평행한 힘 인가 방향(130)으로 인가되는 힘을 측정하도록 동작한다는 것이 이해될 것이다. 힘 인가 축(132)이 바람직하게는 세장형 힘 빔 반응 요소(120)의 길이방향 축(142)에 수직이라는 것이 이해될 것이다. 힘 센서 어셈블리(100)가 중량을 측정하는 경우, 힘 인가 축(132)은 전반적으로 중력이 작용하는 방향에 평행하거나 및/또는 역평행하다.
도 1a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 힘 센서 어셈블리(100)는, 바람직하게는 길이방향 축(142)을 따라 연장되는 세장형 힘 반응 빔 요소(120)를 포함한다. 세장형 힘 반응 빔 요소(120)가 탄성 요소라는 것이 이해될 것이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "탄성 요소"는 인가된 힘에 반응하는 그 편향이 센싱되고 출력으로 변환되는 트랜스듀서의 요소를 나타낸다는 것이 이해될 것이다. 이상에서 언급된 바와 같이, 이러한 요소는 당업계에서, 그 중에서도 특히, 탄성 몸체, 스프링 요소 및 스프링 몸체로도 지칭된다. 세장형 힘 반응 빔 요소(120)가 전형적으로 탄성중합체로 형성되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 이하에서 설명되는 바와 같이, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)는 바람직하게는, 응력, 즉 인가된 힘과 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 스트레인, 즉 변형 사이에 선형 관계를 나타내는 적절한 금속 또는 다른 적절한 고체 재료와 같은 재료로 만들어진다.
특히 도 1b 내지 도 1d에 도시된 바와 같이, 힘 센서 어셈블리(100)는 바람직하게는 적어도 하나의 스트레인 게이지(160)를 포함하고, 더 바람직하게는 복수의 스트레인 게이지들(160)을 포함하며, 이들은 세장형 힘 반응 빔 요소(120) 상에 고정적으로 장착되고 인가 방향(130)으로 힘 센서 어셈블리(100)에 인가되는 힘에 응답하여 스트레인 게이지 출력을 생성한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(100)는 짝수의 스트레인 게이지들(160), 예컨대, 그 중에서도 특히, 2개의 스트레인 게이지들(160), 4개의 스트레인 게이지들(160), 6개의 스트레인 게이지들(160) 또는 8개의 스트레인 게이지들(160)을 포함한다. 힘 센서 어셈블리(100)에 포함된 스트레인 게이지들(160)의 수에 의존하여, 스트레인 게이지들(160)은, 그 중에서도 특히, 쿼터-브리지 구성, 하프-브리지 구성, 풀 브리지 구성, 예컨대 휘스톤 브리지 구성, 또는 이중-브리지 구성으로 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(100)는 홀수의 스트레인 게이지들(160)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 스트레인 게이지들(160)은 임의의 적절한 장착 재료, 가장 전형적으로 접착제, 예컨대, 그 중에서도 특히, 스트레인 게이지 본딩 재료, 예컨대 에폭시를 사용하여 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 스트레인 게이지들(160)은, 예를 들어, 기상 증착에 의해 세장형 힘 반응 빔 요소(120) 상에 직접적으로 증착될 수 있다.
각각의 스트레인 게이지(160)는, 그 중에서도 특히, 포일 스트레인 게이지, 반도체 스트레인 게이지, 박막 스트레인 게이지, 후막 스트레인 게이지 및 와이어 스트레인 게이지를 포함하는 임의의 적절한 스트레인 게이지로서 구현될 수 있다. 바람직하게는, 힘 센서 어셈블리(100) 내의 모든 스트레인 게이지들(160)은 동일한 클래스, 그리고 바람직하게는 동일한 모델이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 스트레인 게이지들(160)의 각각은, 미국, 노스캐롤라이나주, 웬델 소재의 Vishay Precision Group으로부터 상업적으로 입수할 수 있는 N2A-XX-S5105R-350/E5 스트레인 게이지와 같은 포일 또는 와이어 스트레인 게이지로서 구현된다.
바람직하게는, 절연형 구리 전도체들과 같은 복수의 전기 전도성 요소(electrically conductive element; ECE)들(170)은 스트레인 게이지들(160)을 복수의 회로 요소들(180)에 전기적으로 연결하며, 이들 중 일부는 바람직하게는 가요성 PCB와 같은 인쇄 회로 보드(printed circuit board; PCB)(182)에 포함된다. 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지 또는 게이지들(160)은 바람직하게는 이의 변형에 응답하여 스트레인 게이지 출력, 더 구체적으로는, 저항을 생성하며, 이러한 변형은 인가된 힘에 의존한다. 바람직하게는, 회로 요소들(180) 중 적어도 일부는 스트레인 게이지 또는 게이지들(160)의 스트레인 게이지 출력을 인가된 힘의 크기를 나타내는 힘 표시로 변환한다. 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 회로 요소들(180)에 의해 생성된 힘 표시는 사용자에게 디스플레이될 수 있거나 및/또는 자동화 또는 반자동화 시스템에 의한 계산들에서 사용될 수 있다. 예로서, 회로 요소들(180)은 미국, 캘리포니아주, 온타리오 소재의 VPG Transducers로부터 상업적으로 입수할 수 있는 VT300과 같은 판독 기구로서 구현될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(100)는, 회로 요소들(180)을 전원(미도시)을 포함하는 외부 회로부에 전기적으로 연결하는 전기 케이블(186)을 더 포함한다. 바람직하게는, 그 중에서도 특히, 케이블 타이들, 클램프들 또는 케이블 글랜드(gland)들과 같은 복수의 케이블 체결구들(188)은 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에, 바람직하게는 이의 벽의 내부 표면에 전기 케이블(186)을 부착한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 전기 케이블(186)은, 다수의 전기 전도성 요소들, 예를 들어, 다수의 절연형 구리 전도체(insulated copper conductor)들을 포함한다. 도 1a 내지 도 1d에 예시된 본 발명의 실시예에서, 전기 케이블(186)은 세장형 힘 반응 빔 요소(120) 내에 배치된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 전기 케이블(186)은 세장형 힘 반응 빔 요소(120) 외부에 배치된다.
본 발명의 일 실시예에서, PCB(182)는, 적절한 장착 재료, 전형적으로 접착제, 예컨대, 그 중에서도 특히, 시아노아크릴레이트 또는 아크릴을 사용하여 또는 보호 커버 요소(192)를 사용하여 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, PCB(182)는 세장형 힘 반응 빔 요소(120) 이외의 지지부 상에, 예를 들어, 힘 센서 어셈블리(100)의 세장형 힘 반응 빔 요소(120)가 장착되는 지지부(미도시) 상에 장착된다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 본 발명의 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(100)는, 스트레인 게이지들(160) 및 회로 요소들(180) 중 적어도 일부 그리고 더 바람직하게는 전부를 보호하고 절연하기 위한 보호 커버 요소(192)를 포함한다. 보호 커버 요소(192)에 의해 보호되는 스트레인 게이지들(160) 및 회로 요소들(180)은 세장형 힘 반응 빔 요소(120)와 보호 커버 요소(192) 사이에 배치된다는 것이 이해될 것이다.
보호 커버 요소(192)는, 그 중에서도 특히, 실온-가황(room-temperature-vulcanizing; RTV) 실리콘, 가황 고무 또는 폴리우레탄과 같은 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있으며, 바람직하게는, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착된다. 본 발명의 일 실시예에서, 보호 커버 요소(192)는 또한 회로 요소들(180) 및 스트레인 게이지들(160) 중 적어도 하나를 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착하도록 역할한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(100)는 보호 커버 요소(192)를 통해 완전히 밀봉될 수 있다. 대안적으로, 보호 커버 요소(192)는, 힘 센서 어셈블리(100)가 완전히 밀봉될 때 생략될 수 있다.
이제 특히 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)가 길이방향 축(142)을 따라 관통 길이방향 보어(bore)(200)를 갖도록 형성된다는 것이 확인된다. 따라서, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)는 길이방향 축(142)을 따라 중공이다.
길이방향 보어(200)는 바람직하게는 전반적으로, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 전반적으로 평평한 직사각형 하단 벽 부분(202), 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 제1 전반적으로 평평한 직사각형 측벽 부분(204), 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 제2 전반적으로 평평한 직사각형 측벽 부분(206) 및 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 전반적으로 평평한 상단 벽 부분(208)에 의해 둘러싸인다. 세장형 힘 반응 빔 요소(120)가 내부 표면(212) 및 외부 표면(214)을 갖도록 형성되고 이들 둘 모두는 바람직하게는 벽 부분들(202, 204, 206 및 208) 모두를 따라 연장된다는 것이 이해될 것이다.
세장형 힘 반응 빔 요소(120)는 바람직하게는 길이방향 축(142)을 따른 세장형 치수(L1)에 의해 특징지어 진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 도 1a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 관통 길이방향 보어(200)는 세장형 치수(L1) 전체를 따라 연장된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 특히 도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이, 관통 길이방향 보어(200)는 전기 케이블(186)과 같은 힘 센서 어셈블리(100)의 하나 이상의 요소들을 전체적으로 또는 부분적으로 하우징할 수 있다.
바람직하게는, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)는 힘 센서 어셈블리(100)를 지지부(미도시)에 고정적으로 장착하기 위한 장착 단부(220)를 포함한다. 도 1a 내지 도 2c에 도시된 본 발명의 실시예에서, 장착 단부(220)는, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)를 지지부에 부착하기 위한 장착 체결구들(미도시)을 수용하기 위한, 바람직하게는 하단 및 상단 벽 부분들(202 및 208)에 형성된 복수의 장착 개구들(222)을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 장착 개구들(222)이 제거될 수 있으며, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)는 개구들을 사용하지 않고, 예를 들어, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 장착 단부(220)를 지지부에 클램핑함으로써 지지부에 고정될 수 있다.
세장형 힘 반응 빔 요소(120)는, 전반적으로 길이방향 축(142)을 따라 장착 단부(220) 반대편에 있는 로딩 단부(230)를 더 포함한다. 도 1a 내지 도 2c에 도시된 본 발명의 실시예에서, 로딩 단부(230)는, 계량 플랫폼과 같은 로딩 플랫폼(미도시)을 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착하기 위한 플랫폼 체결구들(미도시)을 수용하기 위한, 바람직하게는 하단 및 상단 벽 부분들(202 및 208)에 형성된 복수의 체결구 개구들(232)을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 개구들(232)은 제거될 수 있으며, 로딩 플랫폼이 힘 센서 어셈블리(100)와 함께 사용되지 않거나 또는 로딩 플랫폼은 개구들을 사용하지 않고, 예를 들어, 로딩 플랫폼을 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 로딩 단부(230)에 클램핑함으로써 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 체결된다.
로딩 플랫폼이 힘 센서 어셈블리(100)와 함께 사용되는지 여부와 무관하게, 힘 센서 어셈블리(100)는 전형적으로 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 로딩 단부(230)에 인가된 힘을 인가함으로써 사용된다. 로딩 단부(230)가 방향(130)으로 자유롭게 편향되고 장착 단부(220)가 고정되기 때문에, 로딩 단부(230)에 가해지는 방향(130)으로 인가된 힘은 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 변형을 야기한다. 특히, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 변형은 전형적으로 세장형 치수(L1)의 크기의 증가에 의해 특징지어 진다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 변형되지 않은 상태는, 힘 센서 어셈블리(100)가 지구의 중력과 같은 힘 센서 어셈블리(100)에 항상 작용하는 이러한 힘들 이외의 인가되는 힘을 겪지 않을 때의 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 구성을 나타낸다.
도 2a의 개별적인 라인들 A-A 및 B-B를 따라 취한 특히 도 2a의 단면 확대도들(A 및 B)에 도시된 바와 같이, 길이방향 축(142)에 전반적으로 수직인 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 단면(250)은 중공이다. 단면(250)은 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 장착 단부(220) 및 로딩 단부(230) 둘 모두에서 중공이라는 것이 이해될 것이다.
도 1a 내지 도 2c에 도시된 실시예에서, 단면(250)은 전반적으로 대칭적이며, 더 구체적으로는 전반적으로 직사각형이다. 본 발명의 다른 실시예에서, 단면(250)은, 그 중에서도 특히, 정사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 육각형, 및 별형을 포함하는 임의의 적절한 형상일 수 있으며, 단면(250)의 형상은 대칭적이거나 또는 비-대칭적일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 단면(250)은 전반적으로 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 장착 단부(220) 및 로딩 단부(230) 둘 모두에서 균일하다. 본 발명의 다른 실시예에서, 단면(250)은 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 장착 단부(220) 및 로딩 단부(230) 둘 모두에서 균일하지 않으며; 예를 들어, 단면(250)은 개구들(222 및 232) 중 하나 이상을 둘러싸는 추가적인, 바람직하게는 나사산이 형성된, 재료를 포함할 수 있다.
단면(250)의 형상 및 크기는 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 내부 표면(212) 및 외부 표면(214) 둘 모두에 의해 결정된다는 것이 이해될 것이다. 도 1a 내지 도 2c에 예시된 실시예에서, 단면(250)에서의 내부 표면(212)의 형상은 전반적으로 단면(250)에서의 외부 표면(214)의 형상과 동일하다. 본 발명의 다른 실시예에서, 단면(250)에서의 내부 표면(212)의 형상은 단면(250)에서의 외부 표면(214)의 형상과는 상이하다.
도 1a 내지 도 2c에 도시된 실시예에서, 관통 길이방향 보어(200)에 추가하여, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)는 또한 횡방향 축(262)을 따라 횡방향 보어(260)를 갖도록 형성된다. 특히 도 2a에 도시된 바와 같이, 횡방향 축(262)은 전반적으로 힘 인가 축(132) 및 길이방향 축(142) 둘 모두에 수직이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 스트레인 게이지들(160) 중 적어도 하나와 횡방향 보어(260)는 적어도 부분적으로 서로 겹치며(overlie), 더 바람직하게는 스트레인 게이지들(160) 전부와 횡방향 보어(260)는 적어도 부분적으로 서로 겹친다. 본 발명의 예시된 실시예에서, 횡방향 보어(260)는, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 제1 및 제2 측벽 부분들(204 및 206) 둘 모두를 완전히 관통하는 관통 보어이다.
도 1a 내지 도 2c에 도시된 실시예에서, 그리고 특히 도 2c에 도시된 바와 같이, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 제1 및 제2 측벽 부분들(204 및 206)을 관통하는 것에 더하여, 횡방향 보어(260)는 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 하단 벽 부분(202)의 내부 표면(212)에 복수의 하단 리세스들(266)을 정의한다. 유사하게, 도 1a 내지 도 2c에 도시된 실시예에서, 그리고 특히 도 2c에 도시된 바와 같이, 횡방향 보어(260)는 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 상단 벽 부분(208)의 내부 표면(212)에 복수의 상단 리세스들(268)을 정의한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 리세스들(266 및 268) 중 일부 또는 전부는 제거될 수 있다.
횡방향 보어(260)는 바람직하게는 쌍안 스트레인 엔진으로서 작용하며, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)와 함께 상부 빔(272) 및 하부 빔(274)을 정의한다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 힘 센서 어셈블리(100)는 바람직하게는 다중-빔 힘 센서이며, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 단일-지점 로드 셀과 같은 단일-지점 힘 센서이다.
도 1a 내지 도 2c에 예시된 실시예에서, 상부 빔(272)은 마킹들(282)을 갖도록 형성되며, 이들은 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 상단 벽 부분(208)의 외부 표면(214) 상에 형성된다. 유사하게, 도 1a 내지 도 2c에 예시된 실시예에서, 하부 빔(274)은 마킹들(284)을 갖도록 형성되며, 이들은 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 하단 벽 부분(202)의 외부 표면(214) 상에 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 마킹들(282 및 284) 중 일부 또는 전부는 제거될 수 있다.
마킹들(282 및 284)은 바람직하게는, 스트레인 게이지들(160)이 부착된 복수의 스트레인 위치들(290)을 나타낸다. 도 1a 내지 도 2c에 도시된 실시예에서, 스트레인 위치들(290)의 각각은 리세스들(266 및 268) 중 하나와 정렬되며, 횡방향 보어(260)의 기하구조는 인가된 힘의 결과로서 스트레인 위치들(290) 각각에 존재하는 전반적으로 동일한 크기의 스트레인들을 야기한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 횡방향 보어(260)는 편심을 보상하도록 형상화되고, 그 결과 힘 센서 어셈블리(100)는 중심을 벗어난 로딩에 대해 미리 정의된 허용오차 내에서 균일한 힘 표시 출력을 제공하며, 여기서 인가된 힘은 로딩 단부(230)의 미리 결정된 궤적 내의 어느 곳에서나 입사한다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)는, 전기 케이블(186)과 PCB(182) 사이의 전기적 연통을 가능하게 하기 위해 바람직하게는 측벽 부분(204) 내에 전기적 연통 개구(292)를 갖도록 더 형성된다. 세장형 힘 반응 빔 요소(120)는 바람직하게는, 전기 케이블(186)을 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착하기 위한 케이블 체결구들(188)을 수용하도록 동작하는 복수의 체결구 개구들(298)을 바람직하게는 측벽 부분(204)에 갖도록 더 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)는 알루미늄 합금 또는 강철 합금과 같은 금속으로 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)는, 그 중에서도 특히, 탄소 복합재 또는 유리섬유과 같은 금속 매트릭스 복합 재료 또는 비-금속 매트릭스 복합 재료일 수 있는 복합 재료로 형성된다.
도 3을 참조하여 이하에서 설명되는 바와 같이, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)는, 그 중에서도 특히, 압출 프로세스, 드로잉 프로세스, 압연 프로세스, 이음매가 있는 튜브 형성 프로세스 또는 이음매가 없는 튜브 형성 프로세스, 단조 프로세스, 3차원(3D) 프린팅 프로세스, 금속 사출 몰딩(MIM) 프로세스 및 기계가공 프로세스를 포함하는, 임의의 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
유사하게, 횡방향 보어(260) 및 개구들(222, 232, 292 및 298)의 각각은, 그 중에서도 특히, 기계가공, 전기 방전 기계가공(electrical discharge machining; EDM), 브로칭(broaching), 침식 및 어블레이션(ablation)을 포함하는 임의의 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
이제, 도 1a 내지 도 2c의 힘 센서 어셈블리(100)를 제조하기 위한 방법의 간략화된 도면인 도 3을 참조한다. 제조 단계(302)에서 보이는 바와 같이, 방법은, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)를 제조함으로써 시작된다. 특히 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)는 바람직하게는 힘 인가 축(132)에 전반적으로 수직인 길이방향 축(142)을 따라 연장되며, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)는 바람직하게는 길이방향 축(142)을 따라 관통 길이방향 보어(200)를 갖도록 형성된다.
이상에서 언급된 바와 같이, 제조 단계(302)는, 그 중에서도 특히, 압출 프로세스, 드로잉 프로세스, 압연 프로세스, 이음매가 있는 튜브 형성 프로세스 또는 이음매가 없는 튜브 형성 프로세스, 단조 프로세스, 3차원(3D) 프린팅 프로세스, 금속 사출 몰딩(MIM) 프로세스 및 기계가공 프로세스를 포함하는, 임의의 적절한 프로세스일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 보어(200)는 세장형 힘 반응 빔 요소(120)와 함께 형성된다. 예를 들어, 제조 단계(302)에 대해 압출 프로세스를 사용할 때, 제조 단계(302)에서 생성된 중공 압출 프로파일은 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 보어(200)뿐만 아니라 벽 부분들(202, 204, 206 및 208) 전부를 정의한다. 따라서, 이러한 실시예에서, 바람직하게는 보어(200)를 형성하기 위해 서브트랙티브(subtractive) 프로세스들이 필요하지 않다.
대조적으로, 제조 단계(302)가 서브트랙티브 프로세스인 실시예들에서, 보어(200)는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 초기 형성 단계 이후에 형성된다. 예를 들어, 제조 단계(302)에서, 중실 바가 먼저 생성될 수 있으며, 이는 그런 다음 내부에 보어(200)를 형성하기 위해 기계가공되어 세장형 힘 반응 빔 요소(120)를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제조 단계(302)는 각각 세장형 치수(L1)보다 더 긴 세장형 치수를 갖는 빔들을 생성한다. 이러한 실시예에서, 제조 단계(302)는, 각각의 빔을 각각 L1과 동일하거나 또는 거의 동일한 세장형 치수를 갖는 길이로 커팅하는 단계를 포함한다.
상세화 단계(304)에서 보이는 바와 같이, 개구들(222 및 232), 횡방향 보어(260), 전기적 연통 개구(292) 및 체결구 개구들(298)을 포함하는 세장형 힘 반응 빔 요소(120) 내의 개구들이 형성된다. 마킹들(282 및 284)와 같은 마킹들이 세장형 힘 반응 빔 요소(120) 상에 형성된 실시예에서, 마킹들도 또한 바람직하게는 상세화 단계(304)에서 형성된다. 세장형 힘 반응 빔 요소(120)의 개구들 및 마킹들은, 그 중에서도 특히, 기계가공, 전기 방전 기계가공(EDM), 브로칭, 침식 및 어블레이션을 포함하는 임의의 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 횡방향 보어(260)는 바람직하게는, 바람직하게는 전반적으로 힘 인가 축(132) 및 길이방향 축(142) 둘 모두에 대해 수직인 횡방향 축(262)을 따라 연장되는 관통 횡방향 보어이다. 추가적으로, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지들(160) 중 적어도 하나 그리고 더 바람직하게는 모두와 횡방향 보어(260)는 바람직하게는 적어도 부분적으로 서로 겹친다.
조립 단계(306)에서 보이는 바와 같이, 적어도 하나의 스트레인 게이지(160)는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착된다. 특히 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지 또는 게이지들(160)은 바람직하게는 힘 인가 방향(130)으로 인가된 힘에 응답하여 스트레인 게이지 출력을 생성한다. 또한 조립 단계(306)에서, 스트레인 게이지 또는 게이지들(160)은 바람직하게는, 도 1a 내지 도 3에 도시된 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착되지만 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착될 필요는 없는 회로 요소들(180)에 ECE들(170)을 사용하여 연결된다.
특히 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 회로 요소들(180) 중 적어도 일부는 바람직하게는 스트레인 게이지 또는 게이지들(160)의 스트레인 게이지 출력을 인가된 힘의 크기를 나타내는 힘 표시로 변환한다. 특히 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지 또는 게이지들(160) 및 회로 요소들(180)은 바람직하게는, 임의의 적절한 장착 재료, 전형적으로 접착제, 예컨대, 그 중에서도 특히, 시아노아크릴레이트, 아크릴 또는 에폭시를 사용하여 또는 보호 커버 요소(192)를 사용하여 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 고정된다. 회로 요소들(180)을 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착하기 위해 사용되는 장착 재료는 스트레인 게이지 또는 게이지들(160)을 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착하기 위해 사용되는 동일한 장착 재료일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 대안적으로, 회로 요소들(180)을 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착하기 위해 사용되는 장착 재료는 스트레인 게이지 또는 게이지들(160)을 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착하기 위해 사용되는 것과는 상이한 장착 재료일 수 있다. 또한 조립 단계(306)에서, 전기 케이블(186)은 바람직하게는 회로 요소들(180)에 전기적으로 연결되며, 전기 케이블(186)은, 바람직하게는 케이블 체결구들(188)을 사용하여 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 고정적으로 장착된다.
밀봉 단계(308)에서 보이는 바와 같이, 보호 커버 요소(192)는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착된다. 보호 커버 요소(192)가 회로 요소들(180) 및 스트레인 게이지들(160) 중 적어도 하나를 세장형 힘 반응 빔 요소(120)에 부착하는 실시예에서, 조립 단계(306) 및 밀봉 단계(308)는 전형적으로 단일 단계로 결합된다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(100)는 밀봉 단계(308)에서 완전히 밀봉되며, 보호 커버 요소(192)가 제거될 수 있다. 대안적으로, 밀봉 단계(308)는 보호 커버 요소(192)의 부착 다음에 힘 센서 어셈블리(100)를 완전히 밀봉한다.
이제, 본 발명의 추가적인 실시예에 따라 구성되고 동작하는 세장형 힘 센서 어셈블리(400)의 단순화된 도면들인 도 4a 내지 도 4d, 및 도 4a 내지 도 4d의 힘 센서 어셈블리(400)의 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 도면들인 도 5a 내지 도 5c를 참조한다. 힘 센서 어셈블리(400)가 힘 인가 축(432)에 평행한 힘 인가 방향(430)으로 인가되는 힘을 측정하도록 동작한다는 것이 이해될 것이다. 힘 인가 축(432)이 바람직하게는 세장형 힘 빔 반응 요소(420)의 길이방향 축(442)에 수직이라는 것이 이해될 것이다. 힘 센서 어셈블리(400)가 중량을 측정하는 경우, 힘 인가 축(432)은 전반적으로 중력이 작용하는 방향에 평행하거나 및/또는 역평행하다.
도 4a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 힘 센서 어셈블리(400)는, 바람직하게는 길이방향 축(442)을 따라 연장되는 세장형 힘 반응 빔 요소(420)를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 길이방향 축(442)은 전반적으로 힘 인가 축(432)에 수직이다. 세장형 힘 반응 빔 요소(420)가 탄성 요소라는 것이 이해될 것이다.
이상에서 설명된 바와 같이, 용어 "탄성 요소"는 인가된 힘에 반응하는 그 편향이 센싱되고 출력으로 변환되는 트랜스듀서의 요소를 나타낸다는 것이 이해될 것이다. 이러한 요소는 당업계에서, 그 중에서도 특히, 탄성 몸체, 스프링 요소 및 스프링 몸체로도 지칭된다. 세장형 힘 반응 빔 요소(420)가 전형적으로 탄성중합체로 형성되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 이하에서 설명되는 바와 같이, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)는 바람직하게는, 응력, 즉 인가된 힘과 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 스트레인, 즉 변형 사이에 선형 관계를 나타내는 적절한 금속 또는 다른 적절한 고체 재료와 같은 재료로 만들어진다.
특히 도 4b 내지 도 4d에 도시된 바와 같이, 힘 센서 어셈블리(400)는 바람직하게는 적어도 하나의 스트레인 게이지(460)를 포함하고, 더 바람직하게는 복수의 스트레인 게이지들(460)을 포함하며, 이들은 세장형 힘 반응 빔 요소(420) 상에 고정적으로 장착되고 인가 방향(430)으로 힘 센서 어셈블리(400)에 인가되는 힘에 응답하여 스트레인 게이지 출력을 생성한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(400)는 짝수의 스트레인 게이지들(460), 예컨대, 그 중에서도 특히, 2개의 스트레인 게이지들(460), 4개의 스트레인 게이지들(460), 6개의 스트레인 게이지들(460) 또는 8개의 스트레인 게이지들(460)을 포함한다. 힘 센서 어셈블리(400)에 포함된 스트레인 게이지들(460)의 수에 의존하여, 스트레인 게이지들(460)은, 그 중에서도 특히, 쿼터-브리지 구성, 하프-브리지 구성, 풀 브리지 구성, 예컨대 휘스톤 브리지 구성, 또는 이중-브리지 구성으로 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(400)는 홀수의 스트레인 게이지들(460)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 스트레인 게이지들(460)은 임의의 적절한 장착 재료, 가장 전형적으로 접착제, 예컨대, 그 중에서도 특히, 스트레인 게이지 본딩 재료, 예컨대 에폭시를 사용하여 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 스트레인 게이지들(460)은, 예를 들어, 기상 증착에 의해 세장형 힘 반응 빔 요소(420) 상에 직접적으로 증착될 수 있다.
각각의 스트레인 게이지(460)는, 그 중에서도 특히, 포일 스트레인 게이지, 반도체 스트레인 게이지, 박막 스트레인 게이지, 후막 스트레인 게이지 및 와이어 스트레인 게이지를 포함하는 임의의 적절한 스트레인 게이지로서 구현될 수 있다. 바람직하게는, 힘 센서 어셈블리(400) 내의 모든 스트레인 게이지들(460)은 동일한 클래스, 그리고 바람직하게는 동일한 모델이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 스트레인 게이지들(460)의 각각은, 미국, 노스캐롤라이나주, 웬델 소재의 Vishay Precision Group으로부터 상업적으로 입수할 수 있는 N2A-XX-S5105R-350/E5 스트레인 게이지와 같은 포일 또는 와이어 스트레인 게이지로서 구현된다.
바람직하게는, 절연형 구리 전도체들과 같은 복수의 전기 전도성 요소(ECE)들(470)은 스트레인 게이지들(460)을 복수의 회로 요소들(480)에 전기적으로 연결하며, 이들 중 일부는 바람직하게는 가요성 PCB와 같은 인쇄 회로 보드(PCB)(482)에 포함된다. 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지 또는 게이지들(460)은 바람직하게는 이의 변형에 응답하여 스트레인 게이지 출력, 더 구체적으로는, 저항을 생성하며, 이러한 변형은 인가된 힘에 의존한다. 바람직하게는, 회로 요소들(480) 중 적어도 일부는 스트레인 게이지 또는 게이지들(460)의 스트레인 게이지 출력을 인가된 힘의 크기를 나타내는 힘 표시로 변환한다. 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 회로 요소들(480)에 의해 생성된 힘 표시는 사용자에게 디스플레이될 수 있거나 및/또는 자동화 또는 반자동화 시스템에 의한 계산들에서 사용될 수 있다. 예로서, 회로 요소들(480)은 미국, 캘리포니아주, 온타리오 소재의 VPG Transducers로부터 상업적으로 입수할 수 있는 VT300과 같은 판독 기구로서 구현될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(400)는, 회로 요소들(480)을 전원(미도시)을 포함하는 외부 회로부에 전기적으로 연결하는 전기 케이블(486)을 더 포함한다. 바람직하게는, 그 중에서도 특히, 케이블 타이들, 클램프들 또는 케이블 글랜드들과 같은 복수의 케이블 체결구들(488)은 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에, 바람직하게는 이의 벽 부분의 내부 표면에 전기 케이블(486)을 부착한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 전기 케이블(486)은, 다수의 전기 전도성 요소들, 예를 들어, 다수의 절연형 구리 전도체들을 포함한다. 도 4a 내지 도 4d에 예시된 본 발명의 실시예에서, 전기 케이블(486)은 세장형 힘 반응 빔 요소(420) 내에 배치된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 전기 케이블(486)은 세장형 힘 반응 빔 요소(420) 외부에 배치된다.
본 발명의 일 실시예에서, PCB(482)는, 적절한 장착 재료, 전형적으로 접착제, 예컨대, 그 중에서도 특히, 시아노아크릴레이트 또는 아크릴을 사용하여 또는 적어도 하나의 보호 커버 요소(492)를 사용하여 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, PCB(482)는 세장형 힘 반응 빔 요소(420) 이외의 지지부 상에, 예를 들어, 힘 센서 어셈블리(400)의 세장형 힘 반응 빔 요소(420)가 장착되는 지지부(미도시) 상에 장착된다.
도 4a 내지 도 4d에 도시된 본 발명의 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(400)는, 스트레인 게이지들(460) 및 회로 요소들(480) 중 적어도 일부를 보호하고 절연하기 위한 보호 커버 요소들(492)을 포함한다. 보호 커버 요소들(492)에 의해 보호되는 스트레인 게이지들(460) 및 회로 요소들(480)은 세장형 힘 반응 빔 요소(420)와 보호 커버 요소들(492) 중 하나 사이에 배치된다는 것이 이해될 것이다.
보호 커버 요소들(492)은, 그 중에서도 특히, 실온-가황(RTV) 실리콘, 가황 고무 또는 폴리우레탄과 같은 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있으며, 바람직하게는, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착된다. 본 발명의 일 실시예에서, 보호 커버 요소들(492)은 또한 회로 요소들(480) 및 스트레인 게이지들(460) 중 적어도 하나를 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착하도록 역할한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(400)는 보호 커버 요소들(492)을 통해 완전히 밀봉될 수 있다. 대안적으로, 보호 커버 요소(492)는, 힘 센서 어셈블리(400)가 완전히 밀봉될 때 생략될 수 있다.
이제 특히 도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)가 길이방향 축(442)을 따라 관통 길이방향 보어(500)를 갖도록 형성된다는 것이 확인된다. 따라서, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)는 길이방향 축(442)을 따라 중공이다.
길이방향 보어(500)는 바람직하게는 전반적으로, 세장형 빔 반응 빔 요소(420)의 원통형 벽(502)에 의해 둘러싸이며, 원통형 벽(502)은 하단 부분(504), 제1 측면 부분(506), 제2 측면 부분(508) 및 상단 부분(510)을 갖는다. 세장형 힘 반응 빔 요소(420)가 내부 표면(512) 및 외부 표면(514)을 갖도록 형성되고 이들 둘 모두는 바람직하게는 원통형 벽(502) 모두를 따라 연장된다는 것이 이해될 것이다.
세장형 힘 반응 빔 요소(420)는 바람직하게는 길이방향 축(442)을 따른 세장형 치수(L2)에 의해 특징지어 진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 관통 길이방향 보어(500)는 세장형 치수(L2) 전체를 따라 연장된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 특히 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이, 관통 길이방향 보어(500)는 전기 케이블(486)과 같은 힘 센서 어셈블리(400)의 하나 이상의 요소들을 전체적으로 또는 부분적으로 하우징할 수 있다.
바람직하게는, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)는 힘 센서 어셈블리(400)를 지지부(미도시)에 고정적으로 장착하기 위한 장착 단부(520)를 포함한다. 도 4a 내지 도 5c에 도시된 본 발명의 실시예에서, 장착 단부(520)에서, 원통형 벽(502)의 하단 부분(504)은 외부 표면(514) 상의 평평한 영역(524)을 포함하며, 원통형 벽(502)의 상단 부분(510)은 외부 표면(514) 상에 평평한 영역(526)을 포함한다.
바람직하게는, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)를 지지부에 부착하기 위한 장착 체결구들(미도시)을 수용하기 위한 복수의 장착 개구들(528)이 평평한 영역들(524 및 526)에 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 장착 개구들(528)이 제거될 수 있으며, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)는 개구들을 사용하지 않고, 예를 들어, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 장착 단부(520)를 지지부에 클램핑함으로써 지지부에 고정될 수 있다.
세장형 힘 반응 빔 요소(420)는, 전반적으로 길이방향 축(442)을 따라 장착 단부(520) 반대편에 있는 로딩 단부(530)를 더 포함한다. 도 4a 내지 도 5c에 도시된 본 발명의 실시예에서, 로딩 단부(530)에서, 원통형 벽(502)의 하단 부분(504)은 외부 표면(514) 상에 평평한 영역(534)을 포함하며, 원통형 벽(502)의 상단 부분(510)은 외부 표면(514) 상에 평평한 영역(536)을 포함한다.
바람직하게는, 계량 플랫폼과 같은 로딩 플랫폼(미도시)을 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착하기 위한 체결구들(미도시)을 수용하기 위한 복수의 체결구 개구들(538)이 평평한 영역들(534 및 536)에 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 개구들(538)은 제거될 수 있으며, 로딩 플랫폼이 힘 센서 어셈블리(400)와 함께 사용되지 않거나 또는 로딩 플랫폼은 개구들을 사용하지 않고, 예를 들어, 로딩 플랫폼을 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 로딩 단부(530)에 클램핑함으로써 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 체결된다.
로딩 플랫폼이 힘 센서 어셈블리(400)와 함께 사용되는지 여부와 무관하게, 힘 센서 어셈블리(400)는 전형적으로 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 로딩 단부(530)에 인가된 힘을 인가함으로써 사용된다. 로딩 단부(530)가 방향(430)으로 자유롭게 편향되고 장착 단부(520)가 고정되기 때문에, 로딩 단부(530)에 가해지는 방향(430)으로 인가된 힘은 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 변형을 야기한다. 특히, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 변형은 전형적으로 세장형 치수(L2)의 크기의 증가에 의해 특징지어 진다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 변형되지 않은 상태는, 힘 센서 어셈블리(400)가 지구의 중력과 같은 힘 센서 어셈블리(400)에 항상 작용하는 이러한 힘들 이외의 인가되는 힘을 겪지 않을 때의 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 구성을 나타낸다.
도 5a의 개별적인 라인들 A-A 및 B-B를 따라 취한 특히 도 5a의 단면 확대도들(A 및 B)에 도시된 바와 같이, 전반적으로 길이방향 축(442)에 수직인 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 단면(550)은 중공이다. 단면(550)은 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 장착 단부(520) 및 로딩 단부(530) 둘 모두에서 중공이라는 것이 이해될 것이다.
도 4a 내지 도 5c에 도시된 실시예에서, 단면(550)은 전반적으로 대칭적이며, 더 구체적으로는 전반적으로 직사각형이다. 본 발명의 다른 실시예에서, 단면(550)은, 그 중에서도 특히, 정사각형, 직사각형, 타원형, 삼각형, 육각형, 및 별형을 포함하는 임의의 적절한 형상일 수 있으며, 단면(550)의 형상은 대칭적이거나 또는 비-대칭적일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 단면(550)은 전반적으로 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 장착 단부(520) 및 로딩 단부(530) 둘 모두에서 균일하다. 본 발명의 다른 실시예에서, 단면(550)은 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 장착 단부(520) 및 로딩 단부(530) 둘 모두에서 균일하지 않으며; 예를 들어, 단면(550)은 개구들(528 및 538) 중 하나 이상을 둘러싸는 추가적인, 바람직하게는 나사산이 형성된, 재료를 포함할 수 있다.
단면(550)의 형상 및 크기는 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 내부 표면(512) 및 외부 표면(514) 둘 모두에 의해 결정된다는 것이 이해될 것이다. 도 4a 내지 도 5c에 예시된 실시예에서, 단면(550)에서의 내부 표면(512)의 형상은 전반적으로 단면(550)에서의 외부 표면(514)의 형상과 동일하다. 본 발명의 다른 실시예에서, 단면(550)에서의 내부 표면(512)의 형상은 단면(550)에서의 외부 표면(514)의 형상과는 상이하다.
도 4a 내지 도 5c에 도시된 실시예에서, 관통 길이방향 보어(500)에 추가하여, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)는 또한 횡방향 축(562)을 따라 횡방향 보어(560)를 갖도록 형성된다. 특히 도 5a에 도시된 바와 같이, 횡방향 축(562)은 전반적으로 힘 인가 축(432) 및 길이방향 축(442) 둘 모두에 수직이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 스트레인 게이지들(460) 중 적어도 하나와 횡방향 보어(560)는 적어도 부분적으로 서로 겹치며, 더 바람직하게는 스트레인 게이지들(460) 전부와 횡방향 보어(560)는 적어도 부분적으로 서로 겹친다. 본 발명의 예시된 실시예에서, 횡방향 보어(560)는, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 제1 및 제2 측면 부분들(506 및 508) 둘 모두를 완전히 관통하는 관통 보어이다.
도 4a 내지 도 5c에 도시된 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 제1 및 제2 측면 부분들(506 및 508)을 관통하는 것에 더하여, 횡방향 보어(560)는 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 원통형 벽(502)의 하단 부분(504)의 내부 표면(512)에 평평한 영역(566)을 정의한다. 유사하게, 도 4a 내지 도 5c에 도시된 실시예에서, 횡방향 보어(560)는 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 원통형 벽(502)의 상단 부분(510)의 내부 표면(512)에 평평한 영역(568)을 정의한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 평평한 영역들(566 및 568) 중 하나 또는 둘 모두가 제거될 수 있다.
횡방향 보어(560)는 바람직하게는 듀얼 가이드형 빔 스트레인 엔진으로서 작용하며, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)와 함께 상부 빔(572) 및 하부 빔(574)을 정의한다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 힘 센서 어셈블리(400)는 바람직하게는 다중-빔 힘 센서이며, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 단일-지점 로드 셀과 같은 단일-지점 힘 센서이다.
도 4a 내지 도 5c에 예시된 실시예에서, 상부 빔(572)은 평평한 영역(582)을 갖도록 형성되며, 이는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 원통형 벽(502)의 상단 부분(510)의 외부 표면(514) 상에 형성된다. 유사하게 도 4a 내지 도 5c에 예시된 실시예에서, 하부 빔(574)은 평평한 영역(584)을 갖도록 형성되며, 이는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 원통형 벽(502)의 하단 부분(504)의 외부 표면(514) 상에 형성된다.
평평한 영역들(582 및 584)은 바람직하게는 스트레인 게이지들(460)이 부착되는 복수의 스트레인 위치들(590)을 제공한다. 도 4a 내지 도 5c에 도시된 실시예에서, 횡방향 보어(560)의 기하구조는 인가된 힘의 결과로서 스트레인 위치들(590) 각각에 존재하는 전반적으로 동일한 크기의 스트레인들을 야기한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 횡방향 보어(560)는 편심을 보상하도록 형상화되고, 그 결과 힘 센서 어셈블리(400)는 중심을 벗어난 로딩에 대해 미리 정의된 허용오차 내에서 균일한 힘 표시 출력을 제공하며, 여기서 인가된 힘은 로딩 단부(530)의 미리 결정된 궤적 내의 어느 곳에서나 입사한다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)는, 전기 케이블(486)과 PCB(482) 사이의 전기적 연통을 가능하게 하기 위해 바람직하게는 원통형 벽(502)의 측면 부분(506) 내에 전기적 연통 개구(592)를 갖도록 더 형성된다. 세장형 힘 반응 빔 요소(420)는 바람직하게는, 전기 케이블(486)을 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착하기 위한 케이블 체결구들(488)을 수용하도록 동작하는 복수의 체결구 개구들(598)을 바람직하게는 원통형 벽(502)의 측면 부분(506)에 갖도록 더 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)는 알루미늄 합금 또는 강철 합금과 같은 금속으로 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)는, 그 중에서도 특히, 탄소 복합재 또는 유리섬유과 같은 금속 매트릭스 복합 재료 또는 비-금속 매트릭스 복합 재료일 수 있는 복합 재료로 형성된다.
도 6을 참조하여 이하에서 설명되는 바와 같이, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)는, 그 중에서도 특히, 압출 프로세스, 드로잉 프로세스, 압연 프로세스, 이음매가 있는 튜브 형성 프로세스 또는 이음매가 없는 튜브 형성 프로세스, 단조 프로세스, 3차원(3D) 프린팅 프로세스, 금속 사출 몰딩(MIM) 프로세스 및 기계가공 프로세스를 포함하는, 임의의 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
유사하게, 평평한 영역들(524, 526, 534, 536, 566, 568, 582 및 584)뿐만 아니라, 횡방향 보어(560), 개구들(528 및 538), 전기적 연통 개구(592) 및 체결구 개구들(598)의 각각은, 그 중에서도 특히, 기계가공, 전기 방전 기계가공(EDM), 브로칭, 침식 및 어블레이션을 포함하는 임의의 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
이제, 도 4a 내지 도 5c의 힘 센서 어셈블리(400)를 제조하기 위한 방법의 간략화된 도면인 도 6을 참조한다. 제조 단계(602)에서 보이는 바와 같이, 방법은, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)를 제조함으로써 시작된다. 특히 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)는 바람직하게는 전반적으로 힘 인가 축(432)에 수직인 길이방향 축(442)을 따라 연장되며, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)는 바람직하게는 길이방향 축(442)을 따라 관통 길이방향 보어(500)를 갖도록 형성된다.
이상에서 언급된 바와 같이, 제조 단계(602)는, 그 중에서도 특히, 압출 프로세스, 드로잉 프로세스, 압연 프로세스, 이음매가 있는 튜브 형성 프로세스 또는 이음매가 없는 튜브 형성 프로세스, 단조 프로세스, 3차원(3D) 프린팅 프로세스, 금속 사출 몰딩(MIM) 프로세스 및 기계가공 프로세스를 포함하는, 임의의 적절한 프로세스일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 보어(500)는 세장형 힘 반응 빔 요소(420)와 함께 형성된다. 예를 들어, 제조 단계(602)에 대해 압출 프로세스를 사용할 때, 제조 단계(602)에서 생성된 중공 압출 프로파일은 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 보어(500)뿐만 아니라 원통형 벽(502)을 정의한다. 따라서, 이러한 실시예에서, 바람직하게는 보어(500)를 형성하기 위해 서브트랙티브 프로세스들이 필요하지 않다.
대조적으로, 제조 단계(602)가 서브트랙티브 프로세스인 실시예들에서, 보어(500)는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(420)의 초기 형성 단계 이후에 형성된다. 예를 들어, 제조 단계(602)에서, 중실 바 또는 원통이 먼저 생성될 수 있으며, 이는 그런 다음 내부에 보어(500)를 형성하기 위해 기계가공되어 세장형 힘 반응 빔 요소(420)를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제조 단계(602)는 각각 세장형 치수(L2)보다 더 긴 세장형 치수를 갖는 빔들을 생성한다. 이러한 실시예에서, 제조 단계(602)는, 각각의 빔을 각각 L2와 동일하거나 또는 거의 동일한 세장형 치수를 갖는 길이로 커팅하는 단계를 포함한다.
상세화 단계(604)에서 보이는 바와 같이, 평평한 영역들(524, 526, 534, 536, 566, 568, 582 및 584), 개구들(528 및 538), 횡방향 보어(560), 전기적 연통 개구(592) 및 체결구 개구들(598)을 포함하는, 세장형 힘 반응 빔 요소(420) 내의 평평한 영역들 및 개구들이 형성된다. 마킹들이 세장형 힘 반응 빔 요소(420) 상에 형성된 실시예에서, 마킹들도 또한 바람직하게는 상세화 단계(604)에서 형성된다. 세장형 힘 반응 빔 요소(420) 상의 임의의 마킹들뿐만 아니라, 세장형 힘 반응 빔 요소(420) 내의 개구들 및 평평한 영역들은, 그 중에서도 특히, 기계가공, 전기 방전 기계가공(EDM), 브로칭, 침식 및 어블레이션을 포함하는 임의의 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 횡방향 보어(560)는 바람직하게는, 바람직하게는 전반적으로 힘 인가 축(432) 및 길이방향 축(442) 둘 모두에 대해 수직인 횡방향 축(562)을 따라 연장되는 관통 횡방향 보어이다. 추가적으로, 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지들(460) 중 적어도 하나 그리고 더 바람직하게는 모두와 횡방향 보어(560)는 바람직하게는 적어도 부분적으로 서로 겹친다.
조립 단계(606)에서 보이는 바와 같이, 적어도 하나의 스트레인 게이지(460)는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착된다. 특히 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지 또는 게이지들(460)은 바람직하게는 힘 인가 방향(430)으로 인가된 힘에 응답하여 스트레인 게이지 출력을 생성한다. 또한 조립 단계(606)에서, 스트레인 게이지 또는 게이지들(460)은 바람직하게는, 도 4a 내지 도 6에 도시된 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착되지만 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착될 필요는 없는 회로 요소들(480)에 ECE들(470)을 사용하여 연결된다.
특히 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 회로 요소들(480) 중 적어도 일부는 바람직하게는 스트레인 게이지 또는 게이지들(460)의 스트레인 게이지 출력을 인가된 힘의 크기를 나타내는 힘 표시로 변환한다. 특히 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지 또는 게이지들(460) 및 회로 요소들(480)은 바람직하게는, 임의의 적절한 장착 재료, 전형적으로 접착제, 예컨대, 그 중에서도 특히, 시아노아크릴레이트, 아크릴 또는 에폭시를 사용하여 또는 보호 커버 요소들(492)을 사용하여 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 고정된다. 회로 요소들(480)을 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착하기 위해 사용되는 장착 재료는 스트레인 게이지 또는 게이지들(460)을 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착하기 위해 사용되는 동일한 장착 재료일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 대안적으로, 회로 요소들(480)을 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착하기 위해 사용되는 장착 재료는 스트레인 게이지 또는 게이지들(460)을 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착하기 위해 사용되는 것과는 상이한 장착 재료일 수 있다. 또한 조립 단계(606)에서, 전기 케이블(486)은 바람직하게는 회로 요소들(480)에 전기적으로 연결되며, 전기 케이블(486)은, 바람직하게는 케이블 체결구들(488)을 사용하여 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 고정적으로 장착된다.
밀봉 단계(608)에서 보이는 바와 같이, 보호 커버 요소(492)는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착된다. 보호 커버 요소들(492)이 회로 요소들(480) 및 스트레인 게이지들(460) 중 적어도 하나를 세장형 힘 반응 빔 요소(420)에 부착하는 실시예에서, 조립 단계(606) 및 밀봉 단계(608)는 전형적으로 단일 단계로 결합된다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(400)는 밀봉 단계(608)에서 완전히 밀봉되며, 보호 커버 요소들(492)이 제거될 수 있다. 대안적으로, 밀봉 단계(608)는 보호 커버 요소들(492)의 부착 다음에 힘 센서 어셈블리(400)를 완전히 밀봉한다.
이제, 본 발명의 여전히 추가적인 실시예에 따라 구성되고 동작하는 세장형 힘 센서 어셈블리(700)의 단순화된 도면들인 도 7a 내지 도 7d, 및 도 7a 내지 도 7d의 힘 센서 어셈블리(700)의 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 도면들인 도 8a 내지 도 8c를 참조한다. 힘 센서 어셈블리(700)가 힘 인가 축(732)에 평행한 힘 인가 방향(730)으로 인가되는 힘을 측정하도록 동작한다는 것이 이해될 것이다. 힘 인가 축(732)이 바람직하게는 세장형 힘 빔 반응 요소(720)의 길이방향 축(742)에 수직이라는 것이 이해될 것이다. 힘 센서 어셈블리(700)가 중량을 측정하는 경우, 힘 인가 축(732)은 전반적으로 중력이 작용하는 방향에 평행하거나 및/또는 역평행하다.
도 7a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 힘 센서 어셈블리(700)는, 바람직하게는 길이방향 축(742)을 따라 연장되는 세장형 힘 반응 빔 요소(720)를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 길이방향 축(742)은 전반적으로 힘 인가 축(732)에 수직이다. 세장형 힘 반응 빔 요소(720)가 탄성 요소라는 것이 이해될 것이다.
이상에서 설명된 바와 같이, 용어 "탄성 요소"는 인가된 힘에 반응하는 그 편향이 센싱되고 출력으로 변환되는 트랜스듀서의 요소를 나타낸다는 것이 이해될 것이다. 이러한 요소는 당업계에서, 그 중에서도 특히, 탄성 몸체, 스프링 요소 및 스프링 몸체로도 지칭된다. 세장형 힘 반응 빔 요소(720)가 전형적으로 탄성중합체로 형성되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 이하에서 설명되는 바와 같이, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)는 바람직하게는, 응력, 즉 인가된 힘과 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 스트레인, 즉 변형 사이에 선형 관계를 나타내는 적절한 금속 또는 다른 적절한 고체 재료와 같은 재료로 만들어진다.
특히 도 7b 내지 도 7d에 도시된 바와 같이, 힘 센서 어셈블리(700)는 바람직하게는 적어도 하나의 스트레인 게이지(760)를 포함하고, 더 바람직하게는 복수의 스트레인 게이지들(760)을 포함하며, 이들은 세장형 힘 반응 빔 요소(720) 상에 고정적으로 장착되고 인가 방향(730)으로 힘 센서 어셈블리(700)에 인가되는 힘에 응답하여 스트레인 게이지 출력을 생성한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(700)는 짝수의 스트레인 게이지들(760), 예컨대, 그 중에서도 특히, 2개의 스트레인 게이지들(760), 4개의 스트레인 게이지들(760), 6개의 스트레인 게이지들(760) 또는 8개의 스트레인 게이지들(760)을 포함한다. 힘 센서 어셈블리(700)에 포함된 스트레인 게이지들(760)의 수에 의존하여, 스트레인 게이지들(760)은, 그 중에서도 특히, 쿼터-브리지 구성, 하프-브리지 구성, 풀 브리지 구성, 예컨대 휘스톤 브리지 구성, 또는 이중-브리지 구성으로 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(700)는 홀수의 스트레인 게이지들(760)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 스트레인 게이지들(760)은 임의의 적절한 장착 재료, 가장 전형적으로 접착제, 예컨대, 그 중에서도 특히, 스트레인 게이지 본딩 재료, 예컨대 에폭시를 사용하여 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 스트레인 게이지들(760)은, 예를 들어, 기상 증착에 의해 세장형 힘 반응 빔 요소(720) 상에 직접적으로 증착될 수 있다.
각각의 스트레인 게이지(760)는, 그 중에서도 특히, 포일 스트레인 게이지, 반도체 스트레인 게이지, 박막 스트레인 게이지, 후막 스트레인 게이지 및 와이어 스트레인 게이지를 포함하는 임의의 적절한 스트레인 게이지로서 구현될 수 있다. 바람직하게는, 힘 센서 어셈블리(700) 내의 모든 스트레인 게이지들(760)은 동일한 클래스, 그리고 바람직하게는 동일한 모델이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 스트레인 게이지들(760)의 각각은, 미국, 노스캐롤라이나주, 웬델 소재의 Vishay Precision Group으로부터 상업적으로 입수할 수 있는 N2A-XX-S5105R-350/E5 스트레인 게이지와 같은 포일 또는 와이어 스트레인 게이지로서 구현된다.
바람직하게는, 절연형 구리 전도체들과 같은 복수의 전기 전도성 요소(ECE)들(770)은 스트레인 게이지들(760)을 복수의 회로 요소들(780)에 전기적으로 연결하며, 이들 중 일부는 바람직하게는 가요성 PCB와 같은 인쇄 회로 보드(PCB)(782)에 포함된다. 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지 또는 게이지들(760)은 바람직하게는 이의 변형에 응답하여 스트레인 게이지 출력, 더 구체적으로는, 저항을 생성하며, 이러한 변형은 인가된 힘에 의존한다. 바람직하게는, 회로 요소들(780) 중 적어도 일부는 스트레인 게이지 또는 게이지들(760)의 스트레인 게이지 출력을 인가된 힘의 크기를 나타내는 힘 표시로 변환한다. 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 회로 요소들(780)에 의해 생성된 힘 표시는 사용자에게 디스플레이될 수 있거나 및/또는 자동화 또는 반자동화 시스템에 의한 계산들에서 사용될 수 있다. 예로서, 회로 요소들(780)은 미국, 캘리포니아주, 온타리오 소재의 VPG Transducers로부터 상업적으로 입수할 수 있는 VT300과 같은 판독 기구로서 구현될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(700)는, 회로 요소들(780)을 전원(미도시)을 포함하는 외부 회로부에 전기적으로 연결하는 전기 케이블(786)을 더 포함한다. 바람직하게는, 그 중에서도 특히, 케이블 타이들, 클램프들 또는 케이블 글랜드들과 같은 복수의 케이블 체결구들(788)은 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에, 바람직하게는 이의 벽 부분의 내부 표면에 전기 케이블(786)을 부착한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 전기 케이블(786)은, 다수의 전기 전도성 요소들, 예를 들어, 다수의 절연형 구리 전도체들을 포함한다. 도 7a 내지 도 7d에 예시된 본 발명의 실시예에서, 전기 케이블(786)은 세장형 힘 반응 빔 요소(720) 내에 배치된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 전기 케이블(786)은 세장형 힘 반응 빔 요소(720) 외부에 배치된다.
본 발명의 일 실시예에서, PCB(782)는, 적절한 장착 재료, 전형적으로 접착제, 예컨대, 그 중에서도 특히, 시아노아크릴레이트 또는 아크릴을 사용하여 또는 적어도 하나의 보호 커버 요소(792)를 사용하여 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, PCB(782)는 세장형 힘 반응 빔 요소(720) 이외의 지지부 상에, 예를 들어, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)가 장착되는 지지부(미도시) 상에 장착된다.
도 7a 내지 도 7d에 도시된 본 발명의 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(700)는, 스트레인 게이지들(760) 및 회로 요소들(780) 중 적어도 일부 그리고 더 바람직하게는 전부를 보호하고 절연하기 위한 보호 커버 요소들(792)을 포함한다. 보호 커버 요소들(792)에 의해 보호되는 스트레인 게이지들(760) 및 회로 요소들(780)은 세장형 힘 반응 빔 요소(720)와 보호 커버 요소들(792) 중 하나 사이에 배치된다는 것이 이해될 것이다.
보호 커버 요소들(792)은, 그 중에서도 특히, 실온-가황(RTV) 실리콘, 가황 고무 또는 폴리우레탄과 같은 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있으며, 바람직하게는, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착된다. 본 발명의 일 실시예에서, 보호 커버 요소들(792)은 또한 회로 요소들(780) 및 스트레인 게이지들(760) 중 적어도 하나를 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착하도록 역할한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(700)는 보호 커버 요소들(792)을 통해 완전히 밀봉될 수 있다. 대안적으로, 보호 커버 요소(792)는, 힘 센서 어셈블리(700)가 완전히 밀봉될 때 생략될 수 있다.
이제 특히 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)가 길이방향 축(742)을 따라 관통 길이방향 보어(800)를 갖도록 형성된다는 것이 확인된다. 따라서, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)는 길이방향 축(742)을 따라 중공이다.
길이방향 보어(800)는 바람직하게는 전반적으로, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 전반적으로 평평한 직사각형 하단 벽 부분(802), 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 제1 전반적으로 평평한 직사각형 측벽 부분(804), 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 제2 전반적으로 평평한 직사각형 측벽 부분(806) 및 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 전반적으로 평평한 상단 벽 부분(808)에 의해 둘러싸인다. 세장형 힘 반응 빔 요소(720)가 내부 표면(812) 및 외부 표면(814)을 갖도록 형성되고 이들 둘 모두는 바람직하게는 벽 부분들(802, 804, 806 및 808) 모두를 따라 연장된다는 것이 이해될 것이다.
세장형 힘 반응 빔 요소(720)는 바람직하게는 길이방향 축(742)을 따른 세장형 치수(L3)에 의해 특징지어 진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 도 7a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 관통 길이방향 보어(800)는 세장형 치수(L3) 전체를 따라 연장된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 특히 도 7a 내지 도 7d에 도시된 바와 같이, 관통 길이방향 보어(800)는 전기 케이블(786)과 같은 힘 센서 어셈블리(700)의 하나 이상의 요소들을 전체적으로 또는 부분적으로 하우징할 수 있다.
바람직하게는, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)는 힘 센서 어셈블리(700)를 지지부(미도시)에 고정적으로 장착하기 위한 장착 단부(820)를 포함한다. 도 7a 내지 도 8c에 도시된 본 발명의 실시예에서, 장착 단부(820)는, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)를 지지부에 부착하기 위한 장착 체결구들(미도시)을 수용하기 위한, 바람직하게는 하단 및 상단 벽 부분들(802 및 808)에 형성된 복수의 장착 개구들(822)을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 장착 개구들(822)이 제거될 수 있으며, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)는 개구들을 사용하지 않고, 예를 들어, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 장착 단부(820)를 지지부에 클램핑함으로써 지지부에 고정될 수 있다.
세장형 힘 반응 빔 요소(720)는, 전반적으로 길이방향 축(742)을 따라 장착 단부(820) 반대편에 있는 로딩 단부(830)를 더 포함한다. 도 7a 내지 도 8c에 도시된 본 발명의 실시예에서, 로딩 단부(830)는, 계량 플랫폼과 같은 로딩 플랫폼(미도시)을 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착하기 위한 플랫폼 체결구들(미도시)을 수용하기 위한, 바람직하게는 하단 및 상단 벽 부분들(802 및 808)에 형성된 복수의 체결구 개구들(832)을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 개구들(832)은 제거될 수 있으며, 로딩 플랫폼이 힘 센서 어셈블리(700)와 함께 사용되지 않거나 또는 로딩 플랫폼은 개구들을 사용하지 않고, 예를 들어, 로딩 플랫폼을 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 로딩 단부(830)에 클램핑함으로써 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 체결된다.
로딩 플랫폼이 힘 센서 어셈블리(700)와 함께 사용되는지 여부와 무관하게, 힘 센서 어셈블리(700)는 전형적으로 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 로딩 단부(830)에 인가된 힘을 인가함으로써 사용된다. 로딩 단부(830)가 방향(730)으로 자유롭게 편향되고 장착 단부(820)가 고정되기 때문에, 로딩 단부(830)에 가해지는 방향(730)으로 인가된 힘은 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 변형을 야기한다. 특히, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 변형은 전형적으로 세장형 치수(L3)의 크기의 증가에 의해 특징지어 진다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 변형되지 않은 상태는, 힘 센서 어셈블리(700)가 지구의 중력과 같은 힘 센서 어셈블리(700)에 항상 작용하는 이러한 힘들 이외의 인가되는 힘을 겪지 않을 때의 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 구성을 나타낸다.
도 8a의 개별적인 라인들 A-A 및 B-B를 따라 취한 특히 도 8a의 단면 확대도들(A 및 B)에 도시된 바와 같이, 전반적으로 길이방향 축(742)에 수직인 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 단면(850)은 중공이다. 단면(850)은 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 장착 단부(820) 및 로딩 단부(830) 둘 모두에서 중공이라는 것이 이해될 것이다.
도 7a 내지 도 8c에 도시된 실시예에서, 단면(850)은 전반적으로 대칭적이며, 더 구체적으로는 전반적으로 직사각형이다. 본 발명의 다른 실시예에서, 단면(850)은, 그 중에서도 특히, 정사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 육각형, 및 별형을 포함하는 임의의 적절한 형상일 수 있으며, 단면(850)의 형상은 대칭적이거나 또는 비-대칭적일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 단면(850)은 전반적으로 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 장착 단부(820) 및 로딩 단부(830) 둘 모두에서 균일하다. 본 발명의 다른 실시예에서, 단면(850)은 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 장착 단부(820) 및 로딩 단부(830) 둘 모두에서 균일하지 않으며; 예를 들어, 단면(850)은 개구들(822 및 832) 중 하나 이상을 둘러싸는 추가적인, 바람직하게는 나사산이 형성된, 재료를 포함할 수 있다.
단면(850)의 형상 및 크기는 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 내부 표면(812) 및 외부 표면(814) 둘 모두에 의해 결정된다는 것이 이해될 것이다. 도 7a 내지 도 8c에 예시된 실시예에서, 단면(850)에서의 내부 표면(812)의 형상은 전반적으로 단면(850)에서의 외부 표면(814)의 형상과 동일하다. 본 발명의 다른 실시예에서, 단면(850)에서의 내부 표면(812)의 형상은 단면(850)에서의 외부 표면(814)의 형상과는 상이하다.
도 7a 내지 도 8c에 도시된 실시예에서, 관통 길이방향 보어(800)에 추가하여, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)는 또한 횡방향 축(862)을 따라 횡방향 보어(860)를 갖도록 형성된다. 특히 도 8a에 도시된 바와 같이, 횡방향 축(862)은 전반적으로 힘 인가 축(732) 및 길이방향 축(742) 둘 모두에 수직이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 스트레인 게이지들(760) 중 적어도 하나와 횡방향 보어(860)는 적어도 부분적으로 서로 겹치며, 더 바람직하게는 스트레인 게이지들(760) 전부와 횡방향 보어(860)는 적어도 부분적으로 서로 겹친다. 본 발명의 예시된 실시예에서, 횡방향 보어(860)는, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 제1 및 제2 측벽 부분들(804 및 806) 둘 모두를 완전히 관통하는 관통 보어이다.
도 7a 내지 도 8c에 도시된 실시예에서, 횡방향 보어(860)에 추가하여, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)는 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 하단 벽 부분(802)의 외부 표면(814) 내에 복수의 하단 리세스들(866)을 갖도록 형성된다. 유사하게, 도 7a 내지 도 8c에 도시된 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 상단 벽 부분(808)의 외부 표면(814) 내에 복수의 상단 리세스들(868)을 갖도록 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 리세스들(866 및 868) 중 일부 또는 전부는 제거될 수 있다.
횡방향 보어(860) 및 리세스들(866 및 868)은 바람직하게는 함께 쌍안 스트레인 엔진으로서 작용하며, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)와 함께 상부 빔(872) 및 하부 빔(874)을 정의한다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 힘 센서 어셈블리(700)는 바람직하게는 다중-빔 힘 센서이며, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 단일-지점 로드 셀과 같은 단일-지점 힘 센서이다.
도 7a 내지 도 8c에 예시된 실시예에서, 상부 빔(872)은 마킹들(882)을 갖도록 형성되며, 이들은 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 상단 벽 부분(808)의 내부 표면(812) 상에 형성된다. 유사하게, 도 7a 내지 도 8c에 예시된 실시예에서, 하부 빔(874)은 마킹들(884)을 갖도록 형성되며, 이들은 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 하단 벽 부분(802)의 내부 표면(812) 상에 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 마킹들(882 및 884) 중 일부 또는 전부는 제거될 수 있다.
마킹들(882 및 884)은 바람직하게는, 스트레인 게이지들(760)이 부착된 복수의 스트레인 위치들(890)을 나타낸다. 도 7a 내지 도 8c에 도시된 실시예에서, 스트레인 위치들(890)의 각각은 리세스들(866 및 868) 중 하나와 정렬되며, 횡방향 보어(860)의 기하구조는 인가된 힘의 결과로서 스트레인 위치들(890) 각각에 존재하는 전반적으로 동일한 크기의 스트레인들을 야기한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 횡방향 보어(860) 및 리세스들(866 및 868)은 편심을 보상하도록 형상화되고, 그 결과 힘 센서 어셈블리(700)는 중심을 벗어난 로딩에 대해 미리 정의된 허용오차 내에서 균일한 힘 표시 출력을 제공하며, 여기서 인가된 힘은 로딩 단부(830)의 미리 결정된 궤적 내의 어느 곳에서나 입사한다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)는, 전기 케이블(786)과 PCB(782) 사이의 전기적 연통을 가능하게 하기 위해 바람직하게는 측벽 부분(804) 내에 전기적 연통 개구(892)를 갖도록 더 형성된다. 세장형 힘 반응 빔 요소(720)는 바람직하게는, 전기 케이블(786)을 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착하기 위한 케이블 체결구들(788)을 수용하도록 동작하는 복수의 체결구 개구들(898)을 바람직하게는 측벽 부분(804)에 갖도록 더 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)는 알루미늄 합금 또는 강철 합금과 같은 금속으로 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)는, 그 중에서도 특히, 탄소 복합재 또는 유리섬유과 같은 금속 매트릭스 복합 재료 또는 비-금속 매트릭스 복합 재료일 수 있는 복합 재료로 형성된다.
도 9를 참조하여 이하에서 설명되는 바와 같이, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)는, 그 중에서도 특히, 압출 프로세스, 드로잉 프로세스, 압연 프로세스, 이음매가 있는 튜브 형성 프로세스 또는 이음매가 없는 튜브 형성 프로세스, 단조 프로세스, 3차원(3D) 프린팅 프로세스, 금속 사출 몰딩(MIM) 프로세스 및 기계가공 프로세스를 포함하는, 임의의 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
유사하게, 횡방향 보어(860), 개구들(822, 832, 892 및 898), 및 리세스들(866 및 868)의 각각은, 그 중에서도 특히, 기계가공, 전기 방전 기계가공(EDM), 브로칭, 침식 및 어블레이션을 포함하는 임의의 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
이제, 도 7a 내지 도 8c의 힘 센서 어셈블리(700)를 제조하기 위한 방법의 간략화된 도면인 도 9를 참조한다. 제조 단계(902)에서 보이는 바와 같이, 방법은, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)를 제조함으로써 시작된다. 특히 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)는 바람직하게는 전반적으로 힘 인가 축(732)에 수직인 길이방향 축(742)을 따라 연장되며, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)는 바람직하게는 길이방향 축(742)을 따라 관통 길이방향 보어(800)를 갖도록 형성된다.
이상에서 언급된 바와 같이, 제조 단계(902)는, 그 중에서도 특히, 압출 프로세스, 드로잉 프로세스, 압연 프로세스, 이음매가 있는 튜브 형성 프로세스 또는 이음매가 없는 튜브 형성 프로세스, 단조 프로세스, 3차원(3D) 프린팅 프로세스, 금속 사출 몰딩(MIM) 프로세스 및 기계가공 프로세스를 포함하는, 임의의 적절한 프로세스일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 보어(800)는 세장형 힘 반응 빔 요소(720)와 함께 형성된다. 예를 들어, 제조 단계(902)에 대해 압출 프로세스를 사용할 때, 제조 단계(902)에서 생성된 중공 압출 프로파일은 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 보어(800)뿐만 아니라 벽 부분들(802, 804, 806 및 808) 전부를 정의한다. 따라서, 이러한 실시예에서, 바람직하게는 보어(800)를 형성하기 위해 서브트랙티브 프로세스들이 필요하지 않다.
대조적으로, 제조 단계(902)가 서브트랙티브 프로세스인 실시예들에서, 보어(800)는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(720)의 초기 형성 단계 이후에 형성된다. 예를 들어, 제조 단계(902)에서, 중실 바가 먼저 생성될 수 있으며, 이는 그런 다음 내부에 보어(800)를 형성하기 위해 기계가공되어 세장형 힘 반응 빔 요소(720)를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제조 단계(902)는 각각 세장형 치수(L3)보다 더 긴 세장형 치수를 갖는 빔들을 생성한다. 이러한 실시예에서, 제조 단계(902)는, 각각의 빔을 각각 L3과 동일하거나 또는 거의 동일한 세장형 치수를 갖는 길이로 커팅하는 단계를 포함한다.
상세화 단계(904)에서 보이는 바와 같이, 개구들(822, 832, 892 및 898), 횡방향 보어(860), 및 리세스들(866 및 868)을 포함하는 세장형 힘 반응 빔 요소(720) 내의 개구들 및 리세스들이 형성된다. 마킹들(882 및 884)와 같은 마킹들이 세장형 힘 반응 빔 요소(720) 상에 형성된 실시예에서, 마킹들도 또한 바람직하게는 상세화 단계(904)에서 형성된다. 세장형 힘 반응 빔 요소(720) 상의 임의의 마킹들뿐만 아니라, 세장형 힘 반응 빔 요소(720) 내의 개구들 및 리세스들은, 그 중에서도 특히, 기계가공, 전기 방전 기계가공(EDM), 브로칭, 침식 및 어블레이션을 포함하는 임의의 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 횡방향 보어(860)는 바람직하게는, 바람직하게는 전반적으로 힘 인가 축(732) 및 길이방향 축(742) 둘 모두에 대해 수직인 횡방향 축(862)을 따라 연장되는 관통 횡방향 보어이다. 추가적으로, 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지들(760) 중 적어도 하나 그리고 더 바람직하게는 모두와 횡방향 보어(860)는 바람직하게는 적어도 부분적으로 서로 겹친다.
조립 단계(906)에서 보이는 바와 같이, 적어도 하나의 스트레인 게이지(760)는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착된다. 특히 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지 또는 게이지들(760)은 바람직하게는 힘 인가 방향(730)으로 인가된 힘에 응답하여 스트레인 게이지 출력을 생성한다. 또한 조립 단계(906)에서, 스트레인 게이지 또는 게이지들(760)은 바람직하게는, 도 7a 내지 도 9에 도시된 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착되지만 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착될 필요는 없는 회로 요소들(780)에 ECE들(770)을 사용하여 연결된다.
특히 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 회로 요소들(780) 중 적어도 일부는 바람직하게는 스트레인 게이지 또는 게이지들(760)의 스트레인 게이지 출력을 인가된 힘의 크기를 나타내는 힘 표시로 변환한다. 특히 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지 또는 게이지들(760) 및 회로 요소들(780)은 바람직하게는, 임의의 적절한 장착 재료, 전형적으로 접착제, 예컨대, 그 중에서도 특히, 시아노아크릴레이트, 아크릴 또는 에폭시를 사용하여 또는 보호 커버 요소들(792)을 사용하여 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 고정된다. 회로 요소들(780)을 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착하기 위해 사용되는 장착 재료는 스트레인 게이지 또는 게이지들(760)을 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착하기 위해 사용되는 동일한 장착 재료일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 대안적으로, 회로 요소들(780)을 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착하기 위해 사용되는 장착 재료는 스트레인 게이지 또는 게이지들(760)을 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착하기 위해 사용되는 것과는 상이한 장착 재료일 수 있다. 또한 조립 단계(906)에서, 전기 케이블(786)은 바람직하게는 회로 요소들(780)에 전기적으로 연결되며, 전기 케이블(786)은, 바람직하게는 케이블 체결구들(788)을 사용하여 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 고정적으로 장착된다.
밀봉 단계(908)에서 보이는 바와 같이, 보호 커버 요소(792)는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착된다. 보호 커버 요소들(792)이 회로 요소들(780) 및 스트레인 게이지들(760) 중 적어도 하나를 세장형 힘 반응 빔 요소(720)에 부착하는 실시예에서, 조립 단계(906) 및 밀봉 단계(908)는 전형적으로 단일 단계로 결합된다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(700)는 밀봉 단계(908)에서 완전히 밀봉되며, 보호 커버 요소들(792)이 제거될 수 있다. 대안적으로, 밀봉 단계(908)는 보호 커버 요소들(792)의 부착 다음에 힘 센서 어셈블리(700)를 완전히 밀봉한다.
이제, 본 발명의 여전히 추가적인 실시예에 따라 구성되고 동작하는 세장형 힘 센서 어셈블리(1000)의 단순화된 도면들인 도 10a 내지 도 10d, 및 도 10a 내지 도 10d의 힘 센서 어셈블리(1000)의 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 도면들인 도 11a 내지 도 11d를 참조한다. 힘 센서 어셈블리(1000)가 힘 인가 축(1032)에 평행한 힘 인가 방향(1030)으로 인가되는 힘을 측정하도록 동작한다는 것이 이해될 것이다. 힘 인가 축(1032)이 바람직하게는 세장형 힘 빔 반응 요소(1020)의 길이방향 축(1042)에 수직이라는 것이 이해될 것이다. 힘 센서 어셈블리(1000)가 중량을 측정하는 경우, 힘 인가 축(1032)은 전반적으로 중력이 작용하는 방향에 평행하거나 및/또는 역평행하다. 세장형 힘 센서 어셈블리(1000)가 바람직하게는 전단 힘 센서라는 것이 추가로 이해될 것이다.
도 10a 내지 도 11d에 도시된 바와 같이, 힘 센서 어셈블리(1000)는, 바람직하게는 길이방향 축(1042)을 따라 연장되는 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 길이방향 축(1042)은 전반적으로 힘 인가 축(1032)에 수직이다. 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)가 탄성 요소라는 것이 이해될 것이다.
이상에서 설명된 바와 같이, 용어 "탄성 요소"는 인가된 힘에 반응하는 그 편향이 센싱되고 출력으로 변환되는 트랜스듀서의 요소를 나타낸다는 것이 이해될 것이다. 이러한 요소는 당업계에서, 그 중에서도 특히, 탄성 몸체, 스프링 요소 및 스프링 몸체로도 지칭된다. 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)가 전형적으로 탄성중합체로 형성되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 이하에서 설명되는 바와 같이, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)는 바람직하게는, 응력, 즉 인가된 힘과 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 스트레인, 즉 변형 사이에 선형 관계를 나타내는 적절한 금속 또는 다른 적절한 고체 재료와 같은 재료로 만들어진다.
특히 도 10b 내지 도 10d에 도시된 바와 같이, 힘 센서 어셈블리(1000)는 바람직하게는 적어도 하나의 스트레인 게이지(1060)를 포함하고, 더 바람직하게는 복수의 스트레인 게이지들(1060)을 포함하며, 이들은 세장형 힘 반응 빔 요소(1020) 상에 고정적으로 장착되고 인가 방향(1030)으로 힘 센서 어셈블리(1000)에 인가되는 힘에 응답하여 스트레인 게이지 출력을 생성한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(1000)는 짝수의 스트레인 게이지들(1060), 예컨대, 그 중에서도 특히, 2개의 스트레인 게이지들(1060), 4개의 스트레인 게이지들(1060), 6개의 스트레인 게이지들(1060) 또는 8개의 스트레인 게이지들(1060)을 포함한다. 힘 센서 어셈블리(1000)에 포함된 스트레인 게이지들(1060)의 수에 의존하여, 스트레인 게이지들(1060)은, 그 중에서도 특히, 쿼터-브리지 구성, 하프-브리지 구성, 풀 브리지 구성, 예컨대 휘스톤 브리지 구성, 또는 이중-브리지 구성으로 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 예를 들어, 힘 센서 어셈블리(1000)가 쿼터-브리지 구성을 포함하는 경우, 힘 센서 어셈블리(1000)는 홀수의 스트레인 게이지들(1060)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 스트레인 게이지들(1060)은 임의의 적절한 장착 재료, 가장 전형적으로 접착제, 예컨대, 그 중에서도 특히, 스트레인 게이지 본딩 재료, 예컨대 에폭시를 사용하여 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 스트레인 게이지들(1060)은, 예를 들어, 기상 증착에 의해 세장형 힘 반응 빔 요소(1020) 상에 직접적으로 증착될 수 있다.
각각의 스트레인 게이지(1060)는, 그 중에서도 특히, 포일 스트레인 게이지, 반도체 스트레인 게이지, 박막 스트레인 게이지, 후막 스트레인 게이지 및 와이어 스트레인 게이지를 포함하는 임의의 적절한 스트레인 게이지로서 구현될 수 있다. 바람직하게는, 힘 센서 어셈블리(1000) 내의 모든 스트레인 게이지들(1060)은 동일한 클래스, 그리고 바람직하게는 동일한 모델이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 스트레인 게이지들(1060)의 각각은 포일 또는 와이어 스트레인 게이지 로제트(rosette)로서 구현되며, 여기서 각각의 로제트는 미국, 노스캐롤라이나주, 웬델 소재의 Vishay Precision Group으로부터 상업적으로 입수할 수 있는 N2A-XX-S5095R-350/E5 스트레인 게이지들과 같은 다수의 스트레인 게이지들을 포함한다.
바람직하게는, 절연형 구리 전도체들과 같은 복수의 전기 전도성 요소(ECE)들(1070)은 스트레인 게이지들(1060)을 복수의 회로 요소들(1080)에 전기적으로 연결하며, 이들 중 일부는 바람직하게는 가요성 PCB와 같은 인쇄 회로 보드(PCB)(1082)에 포함된다. 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지 또는 게이지들(1060)은 바람직하게는 이의 변형에 응답하여 스트레인 게이지 출력, 더 구체적으로는, 저항을 생성하며, 이러한 변형은 인가된 힘에 의존한다. 바람직하게는, 회로 요소들(1080) 중 적어도 일부는 스트레인 게이지 또는 게이지들(1060)의 스트레인 게이지 출력을 인가된 힘의 크기를 나타내는 힘 표시로 변환한다. 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 회로 요소들(1080)에 의해 생성된 힘 표시는 사용자에게 디스플레이될 수 있거나 및/또는 자동화 또는 반자동화 시스템에 의한 계산들에서 사용될 수 있다. 예로서, 회로 요소들(1080)은 미국, 캘리포니아주, 온타리오 소재의 VPG Transducers로부터 상업적으로 입수할 수 있는 VT300과 같은 판독 기구로서 구현될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(1000)는, 회로 요소들(1080)을 전원(미도시)을 포함하는 외부 회로부에 전기적으로 연결하는 전기 케이블(1086)을 더 포함한다. 바람직하게는, 그 중에서도 특히, 케이블 타이들, 클램프들 또는 케이블 글랜드들과 같은 복수의 케이블 체결구들(1088)은 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에, 바람직하게는 이의 벽 부분의 내부 표면에 전기 케이블(1086)을 부착한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 전기 케이블(1086)은, 다수의 전기 전도성 요소들, 예를 들어, 복수의 절연형 구리 전도체들을 포함한다. 도 10a 내지 도 10d에 예시된 본 발명의 실시예에서, 전기 케이블(1086)은 세장형 힘 반응 빔 요소(1020) 내에 배치된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 전기 케이블(1086)은 세장형 힘 반응 빔 요소(1020) 외부에 배치된다.
본 발명의 일 실시예에서, PCB(1082)는, 적절한 장착 재료, 전형적으로 접착제, 예컨대, 그 중에서도 특히, 시아노아크릴레이트 또는 아크릴을 사용하여 또는 적어도 하나의 보호 커버 요소(1092)를 사용하여 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, PCB(1082)는 세장형 힘 반응 빔 요소(1020) 이외의 지지부 상에, 예를 들어, 힘 센서 어셈블리(1000)의 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)가 장착되는 지지부(미도시) 상에 장착된다.
도 10a 내지 도 11d에 도시된 본 발명의 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(1000)는, 스트레인 게이지들(1060) 및 회로 요소들(1080) 중 적어도 일부 그리고 더 바람직하게는 전부를 보호하고 절연하기 위한 보호 커버 요소들(1092)을 포함한다. 보호 커버 요소들(1092)에 의해 보호되는 스트레인 게이지들(1060) 및 회로 요소들(1080)은 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)와 보호 커버 요소들(1092) 중 하나 사이에 배치된다는 것이 이해될 것이다.
보호 커버 요소들(1092)은, 그 중에서도 특히, 실온-가황(RTV) 실리콘, 가황 고무 또는 폴리우레탄과 같은 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있으며, 바람직하게는, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착된다. 본 발명의 일 실시예에서, 보호 커버 요소들(1092)은 또한 회로 요소들(1080) 및 스트레인 게이지들(1060) 중 적어도 하나를 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착하도록 역할한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(1000)는 보호 커버 요소들(1092)을 통해 완전히 밀봉될 수 있다. 대안적으로, 보호 커버 요소들(1092)은, 힘 센서 어셈블리(1000)가 완전히 밀봉될 때 생략될 수 있다.
이제 특히 도 11a 내지 도 11d를 참조하면, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)가 길이방향 축(1042)을 따라 관통 길이방향 보어(1100)를 갖도록 형성된다는 것이 확인된다. 따라서, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)는 길이방향 축(1042)을 따라 중공이다.
길이방향 보어(1100)는 바람직하게는 전반적으로, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 전반적으로 평평한 직사각형 하단 벽 부분(1102), 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 제1 전반적으로 평평한 직사각형 측벽 부분(1104), 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 제2 전반적으로 평평한 직사각형 측벽 부분(1106) 및 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 전반적으로 평평한 상단 벽 부분(1108)에 의해 둘러싸인다. 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)가 내부 표면(1112) 및 외부 표면(1114)을 갖도록 형성되고 이들 둘 모두는 바람직하게는 벽 부분들(1102, 1104, 1106 및 1108) 모두를 따라 연장된다는 것이 이해될 것이다.
세장형 힘 반응 빔 요소(1020)는 바람직하게는 길이방향 축(1042)을 따른 세장형 치수(L4)에 의해 특징지어 진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 도 10a 내지 도 11d에 도시된 바와 같이, 관통 길이방향 보어(1100)는 세장형 치수(L4) 전체를 따라 연장된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 특히 도 10a 내지 도 10d에 도시된 바와 같이, 관통 길이방향 보어(1100)는 전기 케이블(1086)과 같은 힘 센서 어셈블리(1000)의 하나 이상의 요소들을 전체적으로 또는 부분적으로 하우징할 수 있다.
바람직하게는, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)는 힘 센서 어셈블리(1000)를 지지부(미도시)에 고정적으로 장착하기 위한 장착 단부(1120)를 포함한다. 도 10a 내지 도 11d에 도시된 본 발명의 실시예에서, 장착 단부(1120)는, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)를 지지부에 부착하기 위한 장착 체결구들(미도시)을 수용하기 위한, 바람직하게는 하단 및 상단 벽 부분들(1102 및 1108)에 형성된 복수의 장착 개구들(1122)을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 장착 개구들(1122)이 제거될 수 있으며, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)는 개구들을 사용하지 않고, 예를 들어, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 장착 단부(1120)를 지지부에 클램핑함으로써 지지부에 고정될 수 있다.
세장형 힘 반응 빔 요소(1020)는, 전반적으로 길이방향 축(1042)을 따라 장착 단부(1120) 반대편에 있는 로딩 단부(1130)를 더 포함한다. 도 10a 내지 도 11d에 도시된 본 발명의 실시예에서, 로딩 단부(1130)는, 계량 플랫폼과 같은 로딩 플랫폼(미도시)을 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착하기 위한 플랫폼 체결구들(미도시)을 수용하기 위한, 바람직하게는 하단 및 상단 벽 부분들(1102 및 1108)에 형성된 복수의 체결구 개구들(1132)을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 개구들(1132)은 제거될 수 있으며, 로딩 플랫폼이 힘 센서 어셈블리(1000)와 함께 사용되지 않거나 또는 로딩 플랫폼은 개구들을 사용하지 않고, 예를 들어, 로딩 플랫폼을 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 로딩 단부(1130)에 클램핑함으로써 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 체결된다.
로딩 플랫폼이 힘 센서 어셈블리(1000)와 함께 사용되는지 여부와 무관하게, 힘 센서 어셈블리(1000)는 전형적으로 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 로딩 단부(1130)에 인가된 힘을 인가함으로써 사용된다. 로딩 단부(1130)가 방향(1030)으로 자유롭게 편향되고 장착 단부(1120)가 고정되기 때문에, 로딩 단부(1130)에 가해지는 방향(1030)으로 인가된 힘은 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 변형을 야기한다. 특히, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 변형은 전형적으로 세장형 치수(L4)의 크기의 증가에 의해 특징지어 진다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 변형되지 않은 상태는, 힘 센서 어셈블리(1000)가 지구의 중력과 같은 힘 센서 어셈블리(1000)에 항상 작용하는 이러한 힘들 이외의 인가되는 힘을 겪지 않을 때의 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 구성을 나타낸다.
도 11a의 개별적인 라인들 A-A 및 B-B를 따라 취한 특히 도 11a의 단면 확대도들(A 및 B)에 도시된 바와 같이, 전반적으로 길이방향 축(1042)에 수직인 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 단면(1150)은 중공이다. 단면(1150)은 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 장착 단부(1120) 및 로딩 단부(1130) 둘 모두에서 중공이라는 것이 이해될 것이다.
도 10a 내지 도 11d에 도시된 실시예에서, 단면(1150)은 전반적으로 대칭적이며, 더 구체적으로는 전반적으로 정사각형이다. 본 발명의 다른 실시예에서, 단면(1150)은, 그 중에서도 특히, 직사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 육각형, 및 별형을 포함하는 임의의 적절한 형상일 수 있으며, 단면(1150)의 형상은 대칭적이거나 또는 비-대칭적일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 단면(1150)은 전반적으로 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 장착 단부(1120) 및 로딩 단부(1130) 둘 모두에서 균일하다. 본 발명의 다른 실시예에서, 단면(1150)은 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 장착 단부(1120) 및 로딩 단부(1130) 둘 모두에서 균일하지 않으며; 예를 들어, 단면(1150)은 개구들(1122 및 1132) 중 하나 이상을 둘러싸는 추가적인, 바람직하게는 나사산이 형성된, 재료를 포함할 수 있다.
단면(1150)의 형상 및 크기는 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 내부 표면(1112) 및 외부 표면(1114) 둘 모두에 의해 결정된다는 것이 이해될 것이다. 도 10a 내지 도 11d에 예시된 실시예에서, 단면(1150)에서의 내부 표면(1112)의 형상은 전반적으로 단면(1150)에서의 외부 표면(1114)의 형상과 동일하다. 본 발명의 다른 실시예에서, 단면(1150)에서의 내부 표면(1112)의 형상은 단면(1150)에서의 외부 표면(1114)의 형상과는 상이하다.
도 10a 내지 도 11d에 도시된 실시예에서 보이는 바와 같이, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)는 바람직하게는, 제1 측벽 부분(1104) 내의 전반적으로 평평한 벽 부분(1155)을 포함하는 제1 리세스(1154) 및 제2 측벽 부분(1106) 내의 전반적으로 평평한 벽 부분(1157)을 포함하는 제2 리세스(1156)를 갖도록 추가적으로 형성된다. 예시된 실시예에서, 제1 및 제2 리세스들(1154 및 1156)은 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 외부 표면(1114)에 형성된다는 것이 이해될 것이다. 대안적으로, 개별적인 평평한 벽 부분들(1155 및 1157)을 포함하는 제1 및 제2 리세스들(1154 및 1156)은 세장형 빔 반응 빔 요소(1020)의 내부 표면(1112)에 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 스트레인 게이지들(1060) 중 적어도 하나는 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 외부 표면(1114) 내의 제1 리세스(1154)의 벽 부분(1155) 또는 제2 리세스(1156)의 벽 부분(1157)에 부착된다. 더 바람직하게는, 스트레인 게이지들(1060) 모두가 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 외부 표면(1114) 내의 제1 리세스(1154)의 벽 부분(1155) 또는 제2 리세스(1156)의 벽 부분(1157)에 부착된다.
제1 및 제2 리세스들(1154 및 1156)이 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 내부 표면(1112)에 형성되는 대안적인 실시예에서, 스트레인 게이지들(1060) 중 적어도 하나는 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 내부 표면(1112) 내의 제1 리세스(1154)의 벽 부분(1155) 또는 제2 리세스(1156)의 벽 부분(1157)에 부착된다. 더 바람직하게는, 스트레인 게이지들(1060) 모두가 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 내부 표면(1112) 내의 제1 리세스(1154)의 벽 부분(1155) 또는 제2 리세스(1156)의 벽 부분(1157)에 부착된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)는, 전기 케이블(1086)과 PCB(1082) 사이의 전기적 연통을 가능하게 하기 위해 바람직하게는 측벽 부분(1104) 내에 전기적 연통 개구(1192)를 갖도록 더 형성된다. 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)는 바람직하게는, 전기 케이블(1086)을 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착하기 위한 케이블 체결구들(1088)을 수용하도록 동작하는 복수의 체결구 개구들(1198)을 바람직하게는 측벽 부분(1104)에 갖도록 더 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)는 알루미늄 합금 또는 강철 합금과 같은 금속으로 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)는, 그 중에서도 특히, 탄소 복합재 또는 유리섬유과 같은 금속 매트릭스 복합 재료 또는 비-금속 매트릭스 복합 재료일 수 있는 복합 재료로 형성된다.
도 12를 참조하여 이하에서 설명되는 바와 같이, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)는, 그 중에서도 특히, 압출 프로세스, 드로잉 프로세스, 압연 프로세스, 이음매가 있는 튜브 형성 프로세스 또는 이음매가 없는 튜브 형성 프로세스, 단조 프로세스, 3차원(3D) 프린팅 프로세스, 금속 사출 몰딩(MIM) 프로세스 및 기계가공 프로세스를 포함하는, 임의의 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
유사하게, 리세스들(1154 및 1156) 및 개구들(1122, 1132, 1192 및 1198)의 각각은, 그 중에서도 특히, 기계가공, 전기 방전 기계가공(EDM), 침식 및 어블레이션을 포함하는 임의의 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
이제, 도 10a 내지 도 11d의 힘 센서 어셈블리(1000)를 제조하기 위한 방법의 간략화된 도면인 도 12를 참조한다. 제조 단계(1202)에서 보이는 바와 같이, 방법은, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)를 제조함으로써 시작된다. 특히 도 10a 내지 도 11d를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)는 바람직하게는 전반적으로 힘 인가 축(1032)에 수직인 길이방향 축(1042)을 따라 연장되며, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)는 바람직하게는 길이방향 축(1042)을 따라 관통 길이방향 보어(1100)를 갖도록 형성된다.
이상에서 언급된 바와 같이, 제조 단계(1202)는, 그 중에서도 특히, 압출 프로세스, 드로잉 프로세스, 압연 프로세스, 이음매가 있는 튜브 형성 프로세스 또는 이음매가 없는 튜브 형성 프로세스, 단조 프로세스, 3차원(3D) 프린팅 프로세스, 금속 사출 몰딩(MIM) 프로세스 및 기계가공 프로세스를 포함하는, 임의의 적절한 프로세스일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 보어(1100)는 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)와 함께 형성된다. 예를 들어, 제조 단계(1202)에 대해 압출 프로세스를 사용할 때, 제조 단계(1202)에서 생성된 중공 압출 프로파일은 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 보어(1100)뿐만 아니라 벽 부분들(1102, 1104, 1106 및 1108) 전부를 정의한다. 따라서, 이러한 실시예에서, 바람직하게는 보어(1100)를 형성하기 위해 서브트랙티브 프로세스들이 필요하지 않다.
대조적으로, 제조 단계(1202)가 서브트랙티브 프로세스인 실시예들에서, 보어(1100)는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 초기 형성 단계 이후에 형성된다. 예를 들어, 제조 단계(1202)에서, 중실 바가 먼저 생성될 수 있으며, 이는 그런 다음 내부에 보어(1100)를 형성하기 위해 기계가공되어 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제조 단계(1202)는 각각 세장형 치수(L4)보다 더 긴 세장형 치수를 갖는 빔들을 생성한다. 이러한 실시예에서, 제조 단계(1202)는, 각각의 빔을 각각 L4와 동일하거나 또는 거의 동일한 세장형 치수를 갖는 길이로 커팅하는 단계를 포함한다.
상세화 단계(1204)에서 보이는 바와 같이, 개별적인 전반적으로 평평한 벽 부분들(1155 및 1157), 전기적 연통 개구(1192) 및 체결구 개구들(1198)을 포함하는, 개구들(1122 및 1132), 리세스들(1154 및 1156)을 포함하는, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020) 내의 개구들 및 리세스들이 형성된다. 마킹들이 세장형 힘 반응 빔 요소(1020) 상에 형성된 실시예에서, 마킹들도 또한 바람직하게는 상세화 단계(1204)에서 형성된다. 세장형 힘 반응 빔 요소(1020) 상의 임의의 마킹들뿐만 아니라, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020) 내의 개구들 및 리세스들은, 그 중에서도 특히, 기계가공, 전기 방전 기계가공(EDM), 침식 및 어블레이션을 포함하는 임의의 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
조립 단계(1206)에서 보이는 바와 같이, 적어도 하나의 스트레인 게이지(1060)는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 스트레인 게이지들(1060) 중 적어도 하나는 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 외부 표면(1114) 내의 제1 리세스(1154)의 벽 부분(1155) 또는 제2 리세스(1156)의 벽 부분(1157)에 부착된다. 더 바람직하게는, 스트레인 게이지들(1060) 모두가 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)의 외부 표면(1114) 내의 제1 리세스(1154)의 벽 부분(1155) 또는 제2 리세스(1156)의 벽 부분(1157)에 부착된다.
특히 도 10a 내지 도 11d를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지 또는 게이지들(1060)은 바람직하게는 힘 인가 방향(1030)으로 인가된 힘에 응답하여 스트레인 게이지 출력을 생성한다. 또한 조립 단계(1206)에서, 스트레인 게이지 또는 게이지들(1060)은 바람직하게는, 도 10a 내지 도 12에 도시된 실시예에서, 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착되지만 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착될 필요는 없는 회로 요소들(1080)에 ECE들(1070)을 사용하여 연결된다.
특히 도 10a 내지 도 11d를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 회로 요소들(1080) 중 적어도 일부는 바람직하게는 스트레인 게이지 또는 게이지들(1060)의 스트레인 게이지 출력을 인가된 힘의 크기를 나타내는 힘 표시로 변환한다. 특히 도 10a 내지 도 11d를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, 스트레인 게이지 또는 게이지들(1060) 및 회로 요소들(1080)은 바람직하게는, 임의의 적절한 장착 재료, 전형적으로 접착제, 예컨대, 그 중에서도 특히, 시아노아크릴레이트, 아크릴 또는 에폭시를 사용하여 또는 보호 커버 요소들(1092)을 사용하여 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 고정된다. 회로 요소들(1080)을 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착하기 위해 사용되는 장착 재료는 스트레인 게이지 또는 게이지들(1060)을 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착하기 위해 사용되는 동일한 장착 재료일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 대안적으로, 회로 요소들(1080)을 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착하기 위해 사용되는 장착 재료는 스트레인 게이지 또는 게이지들(1060)을 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착하기 위해 사용되는 것과는 상이한 장착 재료일 수 있다. 또한 조립 단계(1206)에서, 전기 케이블(1086)은 바람직하게는 회로 요소들(1080)에 전기적으로 연결되며, 전기 케이블(1086)은, 바람직하게는 케이블 체결구들(1088)을 사용하여 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 고정적으로 장착된다.
밀봉 단계(1208)에서 보이는 바와 같이, 보호 커버 요소(1092)는 바람직하게는 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착된다. 보호 커버 요소들(1092)이 회로 요소들(1080) 및 스트레인 게이지들(1060) 중 적어도 하나를 세장형 힘 반응 빔 요소(1020)에 부착하는 실시예에서, 조립 단계(1206) 및 밀봉 단계(1208)는 전형적으로 단일 단계로 결합된다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 힘 센서 어셈블리(1000)는 밀봉 단계(1208)에서 완전히 밀봉되며, 보호 커버 요소들(1092)이 제거될 수 있다. 대안적으로, 밀봉 단계(1208)는 보호 커버 요소들(1092)의 부착 다음에 힘 센서 어셈블리(1000)를 완전히 밀봉한다.
이제, 그 중에서도 특히, 도 1a 내지 도 12의 힘 센서 어셈블리들(100, 400, 700 및 1000)과 같은 힘 센서 어셈블리를 제조하기 위한 방법의 간략화된 순서도인 도 13을 참조한다.
도 13에서 보이는 바와 같이, 방법은, 세장형 힘 반응 빔 요소(120, 420, 720 또는 1020)와 같은 세장형 힘 반응 빔 요소(elongate force responsive beam element; EFRBE)를 제조함으로써 제조 단계(1302)에서 시작한다. 도 1a 내지 도 12를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같이, EFRBE는 바람직하게는 힘 인가 방향에 전반적으로 수직인 길이방향 축을 따라 연장되며, EFRBE는 바람직하게는 길이 방향 축을 따라 보어(200, 500, 800 또는 1100)와 같은 관통 길이방향 보어를 갖도록 형성된다.
이상에서 언급된 바와 같이, 제조 단계(1302)는, 그 중에서도 특히, 압출 프로세스, 드로잉 프로세스, 압연 프로세스, 이음매가 있는 튜브 형성 프로세스 또는 이음매가 없는 튜브 형성 프로세스, 단조 프로세스, 3차원(3D) 프린팅 프로세스, 금속 사출 몰딩(MIM) 프로세스 및 기계가공 프로세스를 포함하는, 임의의 적절한 프로세스일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 관통 길이방향 보어는 제조 단계(1302)에서 EFRBE와 함께 형성된다. 예를 들어, 제조 단계(1302)에 대해 압출 프로세스를 사용할 때, 제조 단계(1302)에서 생성된 중공 압출 프로파일은 바람직하게는 EFRBE의 보어, 및 보어를 둘러싸는 EFRBE의 모든 벽 부분들 모두를 정의한다. 따라서, 이러한 실시예에서, 바람직하게는 EFRBE의 보어를 형성하기 위해 서브트랙티브 프로세스들이 필요하지 않다.
대조적으로, 제조 단계(1302)가 서브트랙티브 프로세스인 실시예들에서, EFRBE을 관통해 진행하는 보어는 바람직하게는 EFRBE의 초기 형성 단계 이후에 형성된다. 예를 들어, 제조 단계(1302)에서, 중실 바가 먼저 생성될 수 있으며, 바는 그런 다음 내부에 관통 길이방향 보어를 형성하기 위해 기계가공되어 EFRBE를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제조 단계(1302)는 각각 EFRBE의 희망되는 세장형 치수보다 더 긴 세장형 치수를 갖는 빔들을 생성한다. 이러한 실시예에서, 제조 단계(1302)는, 각각의 빔을 각각 EFRBE의 희망되는 길이방향 치수인 세장형 치수를 갖는 길이로 커팅하는 단계를 포함한다.
상세화 단계(1304)에서 보이는 바와 같이, 복수의 개구들 및 리세스들은 바람직하게는 제조 단계(1302)에서 형성된 EFRBE에 형성된다. 이러한 개구들 및 리세스들은, 구성요소들이 제조되는 힘 센서 어셈블리에 체결되는 것을 가능하게 하거나 및/또는 제조되는 힘 센서 어셈블리의 다양한 요소들 사이의 전기적 연통을 가능하게 하도록 동작가능할 수 있다.
추가적으로, 스트레인 엔진, 전형적으로 횡방향 보어, 예컨대 횡방향 보어(260), 횡방향 보어(560) 또는 횡방향 보어(860), 또는 하나 이상의 리세스들, 예컨대 리세스들(1154 및 1156)은 상세화 단계(1304)에서 형성될 수 있다. 스트레인 엔진은 바람직하게는 EFRBE의 횡방향 축을 따라 연장되는 횡방향 보어로서 또는 EFRBE의 적어도 하나의 벽 부분에 형성된 적어도 하나의 리세스로서 구현되며, 리세스는 EFRBE의 횡방향 축을 따라 적어도 하나의 벽 부분 내로 연장한다. 스트레인 엔진은 바람직하게는, EFRBE 상에 복수의 스트레인 위치들을 제공하는 기하구조를 갖는다. 힘이 EFRBE의 로딩 단부에 로딩 방향으로 인가될 때, 스트레인 부분들의 각각은 바람직하게는 다른 스트레인 위치들의 각각에 의해 경험되는 스트레인들의 크기와 크기가 전반적으로 동일한 스트레인을 경험한다. 로딩 방향은 바람직하게는 EFRBE의 길이방향 축 및 EFRBE의 횡방향 축 둘 모두에 수직이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상세화 단계(1304)에서 형성된 스트레인 엔진은 쌍안 스트레인 엔진이며, EFRBE와 함께 상부 빔 및 하부 빔을 정의한다. 따라서, 도 13의 순서도의 방법에 의해 제조된 힘 센서 어셈블리는 바람직하게는 다중-빔 힘 센서이며, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 단일-지점 로드 셀과 같은 단일-지점 힘 센서이다.
마킹들이 EFRBE 상에 형성된 실시예에서, 마킹들도 또한 바람직하게는 상세화 단계(1304)에서 형성된다. 상세화 단계(1304)에서 형성된 개구들, 리세스들 및 마킹들 중 임의의 것은, 그 중에서도 특히, 기계가공, 전기 방전 기계가공(EDM), 침식 및 어블레이션을 포함하는 임의의 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
도 13에서 점선들에 의해 표시된 바와 같이, 상세화 단계(1304)가 선택적이라는 것이 이해될 것이다. 제조 단계(1302)에서 제조된 EFRBE에 추가될 개구들, 리세스들 또는 마킹들과 같은 세부사항들이 없는 경우, 방법은 제조 단계(1302)로부터 조립 단계(1306)로 바로 진행한다. 일 실시예에서, 상세화 단계(1304)는 제조 단계(1302)와 결합될 수 있다. 예를 들어, EFRBE가 3D 프린팅 프로세스에 의해 형성되는 실시예에서, EFRBE는 개구들, 리세스들 및/또는 마킹들과 같은 이의 세부사항들 중 일부 그리고 더 바람직하게는 전부와 함께 형성된다.
도 13에서 보이는 바와 같이, 조립 단계(1306)에서, 전자장치들이 바람직하게는 EFRBE에 부착된다. 전자장치들은 바람직하게는, 적어도 하나의 스트레인 게이지, 그리고 더 바람직하게는 복수의 스트레인 게이지들, 예컨대, 그 중에서도 특히, 2개의 스트레인 게이지들, 3개의 스트레인 게이지들, 4개의 스트레인 게이지들, 5개의 스트레인 게이지들, 6개의 스트레인 게이지들, 7개의 스트레인 게이지들 또는 8개의 스트레인 게이지들을 포함한다. 힘 센서 어셈블리에 포함된 스트레인 게이지들의 수에 의존하여, 스트레인 게이지들은, 그 중에서도 특히, 쿼터-브리지 구성, 하프-브리지 구성, 풀 브리지 구성, 예컨대 휘스톤 브리지 구성, 또는 이중-브리지 구성으로 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이상에서 설명된 바와 같이, 조립 단계(1306)에서 EFRBE에 부착된 스트레인 게이지 또는 게이지들은 바람직하게는 힘 인가 방향으로 인가된 힘에 응답하여 스트레인 게이지 출력, 전형적으로 전기 저항을 생성한다.
또한, 조립 단계(1306)에서, 스트레인 게이지 또는 게이지들은 바람직하게는 복수의 회로 요소들에 연결된다. 회로 요소들은 가요성 인쇄 회로 보드로서 구현될 수 있지만, 필수적인 것은 아니다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 회로 요소들은 EFRBE에 부착된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 회로 요소들은 EFRBE에 부착되지 않는다. 이상에서 설명된 바와 같이, 회로 요소들 중 적어도 일부는 바람직하게는 스트레인 게이지 또는 게이지들의 스트레인 게이지 출력을 인가된 힘의 크기를 나타내는 힘 표시로 변환하도록 동작한다.
스트레인 게이지 또는 게이지들 및 회로 요소들은 바람직하게는 임의의 적절한 장착 재료, 전형적으로 접착제, 예컨대, 그 중에서도 특히, 시아노아크릴레이트 또는 에폭시를 사용하여 또는 보호 커버 요소들을 사용하여 EFRBE에 고정적으로 장착된다. 회로 요소들을 EFRBE에 부착하기 위해 사용되는 장착 재료는 스트레인 게이지 또는 게이지들을 EFRBE에 부착하기 위해 사용되는 동일한 장착 재료일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 대안적으로, 회로 요소들을 EFRBE에 부착하기 위해 사용되는 장착 재료는 스트레인 게이지 또는 게이지들을 EFRBE에 부착하기 위해 사용되는 것과는 상이한 장착 재료일 수 있다.
또한 조립 단계(1306)에서, 전기 케이블은 바람직하게는 회로 요소들에 전기적으로 연결되며, 전기 케이블은, 바람직하게는 복수의 케이블 체결구들을 사용하여 바람직하게는 EFRBE에 고정적으로 장착된다. 전기 케이블은 바람직하게는 도 13의 방법을 사용하여 제조된 힘 센서 어셈블리의 회로 요소 형성 부분을 전원을 포함하는 외부 회로부에 전기적으로 연결한다.
도 13에서 보이는 바와 같이, 방법은 밀봉 단계(1308)로 계속되며, 여기서 하나 이상의 보호 커버 요소들이 바람직하게는 EFRBE에 부착된다. 보호 커버 요소들이 회로 요소들 및 스트레인 게이지들 중 적어도 하나를 EFRBE에 부착하기 위해 사용되는 실시예에서, 조립 단계(1306) 및 밀봉 단계(1308)는 전형적으로 단일 단계로 결합된다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 힘 센서 어셈블리는 밀봉 단계(1308)에서 완전히 밀봉되며, 보호 커버 요소들이 제거될 수 있다. 대안적으로, 밀봉 단계(1308)는 보호 커버 요소들의 부착 다음에 힘 센서 어셈블리를 완전히 밀봉한다.
도 13에서 점선들에 의해 표시된 바와 같이, 밀봉 단계(1308)가 선택적이라는 것이 추가로 이해될 것이다. 힘 센서 어셈블리가 밀봉되지 않을 경우, 방법은 조립 단계(1306) 이후에 종료된다.
본 발명이 이상에서 구체적으로 도시되고 설명된 것에 한정되지 않는다는 것이 당업자들에게 이해될 것이다. 본 발명의 범위는 이상에서 설명된 다양한 특징의 조합 및 하위 조합 모두를 포함할 뿐만 아니라, 이의 수정들을 포함하며, 이들 모두는 종래 기술에 속하지 않는다.

Claims (20)

  1. 힘 인가 방향으로 인가되는 힘을 측정하기 위한 세장형 힘 센서 어셈블리로서,
    상기 힘 인가 방향에 전반적으로 수직인 길이방향 축을 따라 연장되는 세장형 힘 반응 빔 요소로서, 상기 세장형 힘 반응 빔 요소는 상기 길이방향 축을 따라 관통 길이방향 보어(bore)를 갖도록 형성되는, 상기 세장형 힘 반응 빔 요소;
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소에 부착된 적어도 하나의 스트레인 게이지(strain gauge)로서, 상기 적어도 하나의 스트레인 게이지 각각은 상기 힘에 응답하여 스트레인 게이지 출력을 생성하는, 상기 적어도 하나의 스트레인 게이지; 및
    상기 스트레인 게이지 출력을 상기 힘의 크기를 나타내는 힘 표시로 변환하도록 동작하는 복수의 회로 요소들을 포함하는, 힘 센서 어셈블리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소는 또한, 상기 힘 인가 방향 및 상기 길이방향 축 둘 모두에 대해 전반적으로 수직인 횡방향 축을 따라 연장되는 관통 횡방향 보어를 갖도록 형성되며, 상기 적어도 하나의 스트레인 게이지 및 상기 관통 횡방향 보어는 적어도 서로 부분적으로 겹치는, 힘 센서.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소는 압출 프로세스에 의해 형성되는, 힘 센서.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소는 압연 프로세스에 의해 형성되는, 힘 센서.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소는 튜브 형성 프로세스에 의해 형성되는, 힘 센서.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 관통 길이방향 보어는 상기 스트레인 게이지들 중 적어도 하나를 하우징하는, 힘 센서.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 관통 길이방향 보어는 전기 케이블을 하우징하며, 상기 전기 케이블은 상기 복수의 회로 요소들에 전기적으로 연결되는, 힘 센서.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소는 전반적으로 평평한 벽 부분을 포함하는 적어도 하나의 리세스를 갖도록 형성되며, 상기 적어도 하나의 스트레인 게이지는 상기 전반적으로 평평한 벽 부분에 부착되는, 힘 센서.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소는 압출 프로세스에 의해 형성되는, 힘 센서.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소는 압연 프로세스에 의해 형성되는, 힘 센서.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소는 튜브 형성 프로세스에 의해 형성되는, 힘 센서.
  12. 힘 인가 방향으로 인가되는 힘을 측정하기 위한 힘 센서의 제조 방법으로서,
    상기 힘 인가 방향에 전반적으로 수직인 길이방향 축을 따라 연장되는 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계로서, 상기 세장형 힘 반응 빔 요소는 상기 길이방향 축을 따라 관통 길이방향 보어를 갖도록 형성되는, 단계;
    적어도 하나의 스트레인 게이지를 상기 세장형 힘 반응 빔 요소에 부착하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 스트레인 게이지 각각은 상기 힘에 응답하여 스트레인 게이지 출력을 생성하도록 동작하는, 단계; 및
    상기 적어도 하나의 스트레인 게이지를 상기 스트레인 게이지 출력을 상기 힘의 크기를 나타내는 힘 표시로 변환하도록 동작하는 복수의 회로 요소들에 전기적으로 연결하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계는 압출 프로세스를 포함하는, 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계를 압연 프로세스를 포함하는, 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계를 3차원 프린팅 프로세스를 포함하는, 방법.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계를 금속 사출 몰딩(metal injection molding; MIM) 프로세스를 포함하는, 방법.
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계를 튜브 형성 프로세스를 포함하는, 방법.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계를 기계가공 프로세스를 포함하는, 방법.
  19. 청구항 12에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계는 또한, 상기 힘 인가 방향 및 상기 길이방향 축 둘 모두에 대해 전반적으로 수직인 횡방향 축을 따라 연장되는 관통 횡방향 보어를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 스트레인 게이지를 부착하는 단계는, 상기 적어도 하나의 스트레인 게이지 및 상기 관통 횡방향 보어가 적어도 부분적으로 서로 겹치도록 상기 스트레인 게이지를 부착하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 청구항 12에 있어서,
    상기 세장형 힘 반응 빔 요소를 제조하는 단계는 또한, 상기 세장형 힘 반응 빔 요소 내에 전반적으로 평평한 벽 부분을 포함하는 적어도 하나의 리세스를 형성하는 단계를 포함하며,
    적어도 하나의 스트레인 게이지를 상기 세장형 힘 반응 빔 요소에 부착하는 단계는, 상기 적어도 하나의 스트레인 게이지를 상기 전반적으로 평평한 벽 부분에 부착하는 단계를 포함하는, 방법.
KR1020247007040A 2021-08-04 2022-07-28 관통 보어를 갖는 세장형 힘 센서 어셈블리 KR20240087657A (ko)

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