TW202332890A - 用於具有無線監測系統之緊固件的方法、設備及系統 - Google Patents

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西蒙娜 艾薩
弗洛拉 巴拉西納
塞吉奧 卡塔內奧
阿爾貝托 豐塔納
朱塞佩 豐塔納
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Abstract

描述了一種緊固件及一種用於監測一緊固件之系統、設備及方法。該緊固件包括一頭部分、一柄部分、一詢答機及一壓縮彈簧，其中該頭部分包括一安裝部分，且其中該詢答機設置於該頭部分之該安裝部分中。該詢答機經佈置以監測該柄部分，且包括一超音波感測器及一信號處理電路。該超音波感測器附著至一轉換器承載表面，且藉由將印刷電路板放置於該頭部分中且該壓縮彈簧介於該印刷電路板與該頭部分之間，將該超音波感測器推靠在該轉換器承載表面上。該超音波感測器經由該壓縮彈簧與該信號處理電路通信。該信號處理電路自該超音波感測器捕獲一信號且將該信號轉變為一參數，該參數對應於該緊固件施加的一張力。

Description

用於具有無線監測系統之緊固件的方法、設備及系統
本揭示案關於一種緊固件及一種用於監測緊固件之系統、設備及方法。
引言
諸如螺紋螺釘及鉚釘之類的緊固件可用於在接合點處將組件機械地耦接。緊固件在螺釘的情況下使用互補匹配之螺紋或者在鉚釘的情況下使用變形端部對已接合組件施加壓縮或夾緊載荷，其中對緊固件施加對應之拉伸載荷。
緊固件及已接合組件可能會受到動態機械應力、熱應力等，其可能會影響緊固件對使用中之已接合組件施加的壓縮載荷的大小。緊固件對已接合組件施加的壓縮載荷之大小的變化可能會影響已接合組件的使用期限。
緊固件可位於遠處，或者以使得難以管理或達成周期性測試的方式定位。
需要一種緊固件，該緊固件包括用於確定且無線地傳送緊固件對已接合組件施加之壓縮或夾緊載荷的大小的監測系統。亦需要一種易於製造的具有嵌入式無線監測系統的緊固件。
描述了一種緊固件及一種用於監測緊固件之系統、設備及方法。該緊固件包括一頭部分、一柄部分、一詢答機及一壓縮彈簧，其中該頭部分包括一安裝部分，且其中該詢答機設置於該頭部分之該安裝部分中。該詢答機經佈置以監測該柄部分，且包括一超音波感測器及一信號處理電路。該信號處理電路佈置於一印刷電路板上。該超音波感測器附著至佈置於該柄部分之一第一端上的一轉換器承載表面，且藉由將該印刷電路板放置於該頭部分中且該壓縮彈簧介於該印刷電路板與該頭部分之間，將該超音波感測器推靠在該轉換器承載表面上。該超音波感測器經由該壓縮彈簧與該信號處理電路通信。該信號處理電路啟動該超音波感測器。該信號處理電路自該超音波感測器捕獲一信號且將該信號轉變為一參數，該參數對應於該緊固件施加的張力。
本揭示案之一態樣可包括該印刷電路板，該印刷電路板包括佈置於該印刷電路板之一外周邊上的一接地環，其中該接地環與該緊固件之該頭部分電接觸。
本揭示案之另一個態樣可包括一無線通信電路及一電力電路，其中該信號處理電路、該無線通信電路及該電力電路佈置於一印刷電路板上，且其中該電力電路向該信號處理電路及該無線通信電路供應電力。
本揭示案之另一個態樣可包括該電力電路向該信號處理電路及該無線通信電路供應電力。
本揭示案之另一個態樣可包括該電力電路經佈置以回應於一輸入信號而向該信號處理電路及該無線通信電路供應電力。
本揭示案之另一個態樣可包括該接地環經佈置以將該印刷電路板電接地至該緊固件之該頭部分。
本揭示案之另一個態樣可包括該無線通信電路基於對應於該張力之該參數來產生一訊息。
本揭示案之另一個態樣可包括對應於該緊固件施加之該張力的該參數為該柄部分之一縱向長度。
本揭示案之另一個態樣可包括該壓縮彈簧為插入於該信號處理電路與該超音波感測器之間的一彈性片彈簧。
本揭示案之另一個態樣可包括該壓縮彈簧為插入於該信號處理電路與該超音波感測器之間的一S形彈簧。
本揭示案之另一個態樣可包括該壓縮彈簧為插入於該信號處理電路與該超音波感測器之間的一傾斜彈簧。
本揭示案之另一個態樣可包括該壓縮彈簧為經由一彈性部分接合至一第二端部的一第一端部，其中該第一端部與該超音波感測器接觸，且其中該第二端部與該信號處理電路接觸。
本揭示案之另一個態樣可包括一種用於監測一接合點處之第一組件及第二組件的系統，該系統包括具有一柄部分之一緊固件；一詢答機；一壓縮彈簧；一接地環；及一設置於遠處之詢問器。該詢答機經佈置以監測該柄部分，且該詢答機包括一超音波感測器、一信號處理電路、一無線通信電路及一電力電路。該信號處理電路、該無線通信電路及該電力電路佈置於一印刷電路板上。該超音波感測器佈置於該柄部分之一第一端上，且經由該壓縮彈簧與該信號處理電路接觸。該信號處理電路自該超音波感測器捕獲一信號且將該信號轉變為一參數，該參數對應於該緊固件在該第一組件與該第二組件之該接合點處施加的張力。該無線通信電路基於與該緊固件在該第一組件與該第二組件之該接合點處施加的該張力相關聯的該參數來產生一訊息，且該設置於遠處之詢問器經佈置以與該緊固件之該無線通信電路無線地通信，以基於與該緊固件在該第一組件與該第二組件之該接合點處施加的該張力相關聯的該參數來接收該訊息。
本揭示案之另一個態樣可包括進一步包括一頭部分的該緊固件；其中該頭部分包括一安裝部分；且其中該詢答機設置於該頭部分之該安裝部分中。
本揭示案之另一個態樣可包括藉由將該印刷電路板放置於該頭部分中且該壓縮彈簧介於該印刷電路板與該頭部分之間，將該超音波感測器推靠在該柄部分之該第一端上。
本揭示案之另一個態樣可包括該接地環經佈置以將該印刷電路板電接地至該頭部分。
本揭示案之另一個態樣可包括該電力電路經佈置以回應於一輸入信號而產生電力。
本揭示案之另一個態樣可包括該信號處理電路經佈置以回應於一輸入信號而啟動該超音波感測器且啟動該電力電路。
本揭示案之另一個態樣可包括該設置於遠處之詢問器經佈置以產生該輸入信號。
本揭示案之另一個態樣可包括一種用於製造具有一無線詢答機之一緊固件的方法，步驟為：形成包括一頭部分及一柄部分之一緊固件主體，其中該頭部分包括沉入至該頭部分中的一空隙空間；將一超音波感測器組裝至該柄部分之一第一端上；製造一印刷電路板，該印刷電路板上面組裝有一信號處理電路、一無線通信電路、一電力電路及一接地環；將一導電壓縮彈簧組裝至該信號處理電路上；將該印刷電路板組裝至該頭部分上，包括該導電壓縮彈簧與該超音波感測器接觸，且該印刷電路板之該接地環與該頭部分電接觸；且將一可固化結合材料施加於該印刷電路板之一外周邊及該頭部分上。該信號處理電路、該無線通信電路、該電力電路及該接地環設置於該頭部分之該空隙空間中，且該超音波感測器經由該導電壓縮彈簧與該信號處理電路通信。
本揭示案之另一個態樣可包括一種用於監測一緊固件的系統，該緊固件經佈置以將第一組件及第二組件固定在一接合點處。該系統包括一緊固件及一設置於遠處之詢問器。該緊固件具有一頭部分及一柄部分；一詢答機，該詢答機包括一超音波感測器、一信號處理電路及一無線通信電路；一壓縮彈簧；及一接地環。該超音波感測器產生對應於該緊固件施加之張力的信號。在一個實施例中，該信號處理電路將該信號轉變為一參數，該參數對應於該緊固件在該第一組件與該第二組件之該接合點處施加的張力。
本揭示案之另一個態樣可包括該設置於遠處之詢問器經佈置以與該詢答機之該無線通信電路無線地通信以基於對應於該緊固件在該第一組件與該第二組件之該接合點處施加的該張力的該參數來接收一訊息。在接收到訊息之後，該設置於遠處之詢問器可用信號通知操作員或位於遠處之控制室出現鬆弛或故障。該操作員可基於風險分析來決定行動。
本揭示案之另一個態樣可包括經佈置以監測螺栓之溫度的溫度感測器。使用該溫度來補償超音波量測。
以上概述並未意欲表示本揭示案之每個可能實施例或每個態樣。而是，前文之概述意欲例示本文揭示之一些新穎態樣及特徵。當結合附圖及申請專利範圍來看時，自用於實施本揭示案之代表性實施例及模式的以下詳細描述中，以上特徵及優點以及本揭示案之其他特徵及優點將易於顯而易見。
相關申請案之交互參照
本申請案主張2021年9月28日申請之美國臨時專利申請案第63/249,537號的利益，該申請案之揭示內容以引用方式特此併入。
如本文所描述及說明的所揭示實施例之組件可以各種不同組態來佈置及設計。因此，以下詳細描述不意欲限制所主張的本揭示案之範疇，而是僅表示其可能的實施例。另外，雖然在以下描述中闡述了眾多具體細節以便提供對本文揭示之實施例的透徹理解，但一些實施例可在無此等細節中之一些細節的情況下實踐。此外，為了清楚起見，未詳細描述在相關領域中已眾所周知的某些技術材料以免不必要地掩蓋本揭示案。
圖式為簡化形式，未按精確比例繪製。僅出於方便及清楚起見，方向術語，諸如上部、下部、頂部、底部、左邊、右邊、上、上方、上面、下面、在……之下、後面及前面，可相對於圖式使用。此等及類似方向術語不應被理解為限制本揭示案之範疇。此外，如本文所說明及所描述的，本揭示案可在缺少本文中未具體揭示之元件的情況下實踐。
詳細描述本質上僅為示例性的且不意欲限制應用及用途。不意欲受本文提出的任何明示或暗示之理論所限制。諸如第一、第二及第三等序數之使用不一定暗含分級順序感，而是可能僅將動作或結構之多個實例區分開。
參看圖式，提供該等圖式係為了說明某些示例性實施例而非限制某些示例性實施例，圖1、圖2、圖3A及圖3B示出與包括緊固件10之系統、方法及設備100有關的元件，該緊固件具有嵌入式詢答機40，其中緊固件10經佈置以分別將第一組件11及第二組件12機械地耦接在接合點14處。該系統、方法及設備100亦可包括無線詢問器50，且在一個實施例中，包括遠端伺服器54。在接合點14處接合之第一組件11及第二組件12的非限制性示例包括例如接合至內燃機之引擎體的汽缸頭部分、橋、塔等中之結構接頭、火車軌道或其他，但不限於此。相似的元件符號在若干圖中表示相似或類似的組件。
緊固件10為細長金屬裝置，在一個實施例中，該緊固件包括頭部分20及柄部分30，其中詢答機40佈置於頭部分20上且組裝至頭部分20。在一個實施例中，緊固件10為由金屬材料冷鍛而成的螺紋螺栓。緊固件10可由以下材料中之一種或多種製成：鈦、鈦合金；鎳鉻合金、不銹鋼、軟鋼、鑄鐵、鋁、鋁合金等，但不限於此。
詢答機40能夠量測緊固件10之物理參數52。在一個實施例中，物理參數52為緊固件10的縱向長度35。在一個實施例中，緊固件10之縱向長度35對應於在使用緊固件10將第一組件11及第二組件12機械地夾緊在接合點14處時由緊固件10對接合點14處之第一組件11及第二組件12施加的張力。
頭部分20包括安裝部分21，該安裝部分可包括沉入頭部分20中的空隙空間22。在一個實施例中，形成於頭部分20中的空隙空間22為圓柱形形狀的空隙，該空隙與由柄部分30界定之縱向軸線34同軸。替代地，形成於頭部分20中的空隙空間22為立方體形狀的空隙，亦即，具有矩形棱柱體形狀，其中質心與由柄部分30界定之縱向軸線34同軸。
頭部分20包括自柄部分30沿徑向向外且向上突出的凸緣部分26。凸緣部分26可具有與縱向軸線34正交的六邊形形狀，或替代地，具有正方形形狀、圓形形狀或另一種形狀，此取決於特定應用的需要。在使用時，凸緣部分26可擱置於第一組件11之上部部分上以將第一組件11推向第二組件12。
柄部分30為緊固件10之細長部分，其直徑小於頂部部分20之凸緣部分26，且界定縱向軸線34。柄部分30具有用於機械地耦接至第二組件12的固定部分33。柄部分30之固定部分33經組態以經由以下各者中之一者連接至第二組件12：形成於第二組件12中的螺紋部分、放置於第二組件12的與接合點14相對之側上的螺紋螺母(未圖示)或在第二組件12的與接合點14相對之側上藉由使柄部分30之端部變形而形成於柄部分30上的第二頭部分(未圖示)。
在一個實施例中且如圖所示，柄部分30之固定部分33為有螺紋的，其中第二組件12具有螺紋孔隙13，該螺紋孔隙與緊固件10之柄部分30的螺紋接合以將第一組件11與第二組件12機械地耦接。參看圖2對此進行說明。替代地，固定部分33為有螺紋的，其中第二組件12之孔隙13無螺紋。螺母(未圖示)與緊固件10之柄部分30的螺紋接合以將第一組件11與第二組件12機械地耦接。替代地，緊固件10包括無螺紋柄部分30，其中第二組件12之孔隙13無螺紋。柄部分30之第二遠端32變形以將第一組件11與第二組件12機械地耦接。
系統100包括緊固件10及詢問器50，該緊固件及該詢問器經佈置以監測及確定緊固件10之物理參數52，該物理參數對應於緊固件10對接合點施加之張力。在一個實施例中，緊固件10之物理參數52為緊固件10之柄部分30的縱向長度，根據該縱向長度，可確定螺栓張力及/或螺栓扭矩。
如參看圖2所示，系統100經佈置以基於緊固件10之物理參數52來在遠端且無線地監測緊固件10在接合點14處分別對第一組件11及第二組件12施加的壓縮夾緊力，該物理參數對應於緊固件10之縱向長度。
形成於緊固件10之頭部分20中的空隙空間22提供用於容納詢答機40之印刷電路板(PCB) 47上之電子元件的自由、開放空間。PCB 47包括印刷電路設計，該印刷電路設計包括導電引線、蝕刻、通孔、絕緣層等，該等導電引線、蝕刻、通孔、絕緣層等用於將信號處理電路42、無線通信電路43及電力電路45之端子互連以實現詢答機40之操作。PCB 47亦包括框住PCB 47之外周邊的電接地環49。
緊固件10之頭部分20包括具有環形肩部23的安裝部分21，該環形肩部對應於PCB 47之外周邊，因此提供PCB 47到緊固件10之接地路徑。頭部分20之安裝部分21用於為PCB 47提供放置位置。當PCB 47安裝於頭部分20上時，電接地環49在實體上接觸且電接觸環形肩部23。將可固化結合材料25施加於PCB 47之外周邊及頭部分20之安裝部分21上，因此將PCB 47之電子部分固定至頭部分20且將PCB 47之電子部分氣密地密封至頭部分20中。
PCB 47具有對應於形成於頭部分20中之空隙空間22的橫截面形狀的幾何形狀。在一個實施例中且如圖所示，PCB 47具有圓形橫截面形狀。替代地，PCB 47可具有正方形橫截面形狀。
柄部分30之第一近端31由空隙空間22界定。在空隙空間22中的柄部分30之近端31具有超音波感測器承載表面27，該超音波感測器承載表面經佈置以容納詢答機40，包括為詢答機40之元件提供電接地。超音波感測器承載表面27與縱向軸線34同軸。超音波感測器承載表面27設置於柄部分30之第一近端31上，且包括柄部分30之第一端31的區域，該區域之表面促進柄部分30與超音波感測器41之壓電晶體裝置之間的最大量之直接實體接觸。此可藉由對該表面進行冷鍛使之具有特定表面設計來達成，或者可對該表面進行機械加工、磨削、拋光或以其他方式處理以消除表面不平整，因此促進柄部分30與超音波感測器41之壓電晶體裝置之間的最大量之直接實體接觸。
詢答機40包括超音波感測器41、信號處理電路42、無線通信電路43、壓縮彈簧48及電力電路45。詢答機40經佈置以監測緊固件10之柄部分30，且更具體而言，可經佈置以監測緊固件10之柄部分30以確定對應於柄部分30之縱向長度35的信號。柄部分30之縱向長度35可能與緊固件10施加之張力相關。在一個實施例中，詢答機40將對應於柄部分30之縱向長度35的信號轉變為一參數，該參數對應於緊固件10在第一組件11與第二組件12之接合點14處施加的張力。
在一個實施例中，超音波感測器41包括壓電晶體裝置37。壓電晶體裝置37在第一下表面上具有第一電極38，且在第二下表面上具有第二電極39。第一電極38及第二電極39可由銀、銀合金、銅、銅合金或另一種導電材料構成。在一個實施例中，第一電極38由銀或銀合金材料構成，如此可便於黏附至超音波感測器承載表面27上。在一個實施例中，第二電極39由銅或銅合金材料構成，如此可便於焊接於壓縮彈簧48上。第一電極38經由黏合劑材料或黏合劑或焊接製程固定至佈置於柄部分30之第一近端31上的超音波感測器承載表面27。第二電極39經由黏合劑材料或黏合劑或焊接製程固定至壓縮彈簧48。
替代地，可使用薄膜技術將超音波感測器41之壓電晶體裝置37沉積至超音波感測器承載表面27上。
壓電晶體裝置將由信號處理電路42產生之第一電輸入信號轉換為經由柄部分30傳播的超音波信號。返回信號被壓電晶體裝置捕獲且轉換為第二電信號，該第二電信號被傳送至信號處理電路42。信號處理電路42將第二電信號轉換為可能與柄部分30沿著其縱向軸線34之縱向長度35相關的信號。替代實施例可使用其他感測技術來代替超音波感測器41或與超音波感測器41結合，舉出非限制性示例，包括應變計感測器、能夠量測熱梯度之熱流感測器、加速度計、振動感測器等。
超音波感測器41經由壓縮彈簧48電耦接至信號處理電路42且與信號處理電路42通信，該壓縮彈簧由導電材料製成。換言之，壓縮彈簧48為使信號處理電路42能夠對超音波感測器41供電且與超音波感測器41通信的電連接。
壓縮彈簧48可為指簧，或者彈簧銷，或者由導電材料製成之另一種彈簧加載裝置。在本文中對壓縮彈簧48進行詳細描述。
藉由將PCB 47放置於頭部分20之空隙空間22中，且壓縮彈簧48放置於其間，壓縮彈簧48將超音波感測器41推靠在柄部分30的第一端31上。由壓縮彈簧48提供之可撓性便於在製作期間之第一步驟期間將超音波感測器41之壓電晶體裝置組裝至柄部分30之第一近端31上的超音波感測器承載表面27上，且隨後在製作製程的後面後續步驟中將包括信號處理電路42、無線通信電路43及電力電路45的PCB 47組裝至緊固件10之頭部分中。
在一個實施例中，信號處理電路42包括可控電子電路，以電驅動超音波感測器41發送量測信號，且對可自超音波感測器41捕獲的返回信號進行監測、濾波及處理。在一個實施例中，信號處理電路42包括經佈置以監測螺栓之溫度的溫度感測器，該溫度感測器用於對傳播通過柄部分30之超音波信號及由壓縮晶體裝置捕獲之返回信號提供溫度補償。在一個實施例中，信號處理電路42包括用於將自超音波感測器41捕獲之返回信號轉換為物理參數52 (諸如柄部分30之長度的量測)的軟體及控制電路。在一個實施例中，信號處理電路42執行飛行時間(ToF)分析以將自超音波感測器41捕獲之返回信號轉換為物理參數52，其中物理參數52可為長度量測，或者，物理參數52可為傳輸量測。ToF分析包括產生超音波脈衝，且監測超音波脈衝自物件反射且回波到超音波感測器41的所經過時間。替代地，可使用其他感測方法來確定與緊固件10之張力有關的物理參數。
無線通信電路43為用於短程無線通信之裝置，且在一個實施例中包括實現無線連接的WiFi網路技術。術語「WiFi」在本文中用於指示用於裝置之區域聯網的無線網路協定，且基於用於連接的IEEE 802.11協定標準。無線通信電路43可根據以下各者中之一者或組合來實施：標準IEEE 802.11 (WiFi)、IEEE 802.14.5 (例如，ZigBee)、Bluetooth ®、NFC (近場通信)或另一種短程RF通信協定、RFID (射頻識別)等。無線通信電路43經由天線44與詢問器50通信。
在一個實施例中，詢問器50可為手持式裝置，該手持式裝置包括無線天線44及RF天線46中之任一者或兩者。替代地，詢問器50可為永久地附著至結構的本地裝置。在一個實施例中，詢問器50包括長程蜂巢式通信介面，該長程蜂巢式通信介面經佈置以使用一種通信標準或通信標準組合與遠端伺服器54通信，諸如通用行動電信系統(UMTS)、3GPP長期演變(LTE)、高速封包存取、HSPA或全球行動通信系統(GSM)等。遠端伺服器54可為基於雲端之系統，或能夠收集、編譯及分析來自詢問器50之資訊的另一種後台管理系統。
電力電路45經佈置以向信號處理電路42及無線通信電路43供應電力以實現其操作。
電力電路45可包括射頻(RF)天線46，該RF天線經佈置以自詢問器50或另一個位於遠處的詢問裝置無線地捕獲RF激發信號，且將該RF激發信號轉換為DC電力。在一個實施例中，DC電力被供應至信號處理電路42及無線通信電路43以實現其操作。
在一個實施例中，電力電路45可包括能量收集系統，該能量收集系統包括捕獲機械運動且將機械運動轉換為電力的壓電裝置，該電力被供應至信號處理電路42及無線通信電路43以實現其操作。眾所周知，壓電材料在受力及/或變形時會在其表面上產生電荷不平衡，且該電荷不平衡可被捕獲且轉變為電能。
在一個實施例中，電力電路45可包括電化學電池，該電化學電池向信號處理電路42及無線通信電路43供應電力以實現其操作。電力電路45可包括太陽能電池板，該太陽能電池板經佈置以捕獲光且將其轉變為電力，該電力儲存於電化學電池或超級電容器中。在一個實施例中，該電池或超級電容器向信號處理電路42及無線通信電路43供應電力以實現其操作。
該佈置提供具有嵌入式監測系統之緊固件10及與之相關聯的組裝過程，該嵌入式監測系統能夠無線地監測緊固件10施加的夾緊力。
圖4示意性地示出用於操作參看圖1描述之系統100的實施例以經由詢問器50詢問詢答機40之實施例以確定緊固件10之物理參數52的過程400，其中物理參數52對應於緊固件10對接合點14施加的張力，諸如緊固件10之縱向長度。
為了執行詢問，啟動詢答機40 (步驟402)。在一個實施例中，詢答機40可回應於自詢問器50傳送之輸入信號而啟動，其中該輸入信號可為無線RF激發信號，該無線RF激發信號激勵電力電路45，因此啟動詢答機40。替代地，信號處理電路42可包括內部時脈，且輸入信號可由內部時脈定期產生以啟動詢答機40。在啟動詢答機40時，信號處理電路42藉由向超音波感測器41發送第一信號來啟動超音波感測器41 (步驟404)，且超音波感測器41回應於第一信號而產生第一超音波脈衝(步驟406)。超音波感測器41隨後捕獲第二返回超音波脈衝及所經過的時間(步驟408)。將第二返回超音波脈衝及所經過的時間傳送至信號處理單元(步驟401)，該信號處理單元將其轉換為對應於緊固件10之縱向長度35的物理參數52 (步驟412)。詢答機40經由無線通信電路43將物理參數52傳送至詢問器50 (步驟414)，且撤銷啟動詢答機40 (步驟416)。以此方式，系統100能夠經由詢問器50詢問詢答機40之實施例以確定緊固件10的物理參數52，且經由無線通信電路43將物理參數52傳送至詢問器50，且亦經由長程蜂巢式通信系統將物理參數52自詢問器50傳送至遠端伺服器54。
圖5A至圖5D示意性地示出包括壓縮彈簧48、信號處理電路42及超音波感測器41的詢答機40的實施例。在每個實施例中，壓縮彈簧48為由肥粒鋼、銅、青銅、鈦、鋁及/或其合金(包括例如磷青銅或鍍鎳鈦)製成的單個整塊。在一個實施例中，壓縮彈簧48最初為具有均一寬度、均一長度及均一厚度的平坦平面工件，且使用冷成型技術形成為壓縮彈簧的最終組態。所示壓縮彈簧為非限制性示例；其他實施例被認為在本文所描述及主張之主題的範疇內。
圖5A示意性地示出包括壓縮彈簧48A之詢答機40A的一個實施例的端視圖及對應剖視截面圖，該壓縮彈簧插入於信號處理電路42與超音波感測器41之間。在該實施例中，壓縮彈簧48A經組態為插入於信號處理電路42與超音波感測器41之間的S形彈簧。
圖5B示意性地示出包括壓縮彈簧48B之詢答機40B的另一個實施例的端視圖及對應剖視截面圖，該壓縮彈簧插入於信號處理電路42與超音波感測器41之間。在該實施例中，壓縮彈簧48B經組態為插入於信號處理電路42與超音波感測器41之間的傾斜彈簧。
圖5C示意性地示出包括壓縮彈簧48C之詢答機40C的另一個實施例的端視圖及對應剖視截面圖，該壓縮彈簧插入於信號處理電路42與超音波感測器41之間。在該實施例中，壓縮彈簧48C經組態為插入於信號處理電路42與超音波感測器41之間的橢圓形片彈簧。
圖5D示意性地示出包括壓縮彈簧48D之詢答機40D的另一個實施例的端視圖及對應剖視截面圖，該壓縮彈簧插入於信號處理電路42與超音波感測器41之間。在該實施例中，壓縮彈簧48D經組態為插入於信號處理電路42與超音波感測器41之間的片彈簧。
詢答機40之此等佈置，包括壓縮彈簧48A、48B、48C、48D中之一者、信號處理單元42及超音波感測器41，用於限制信號處理電路42及超音波感測器41之徑向移動，且亦規定壓縮彈簧沿著其接合部分對信號處理單元42及超音波感測器41施加均一的力。
圖6示意性地示出壓縮彈簧148之一實施例的剖視截面圖，該壓縮彈簧插入於信號處理電路(未圖示)與超音波感測器41之間。在該實施例中，壓縮彈簧148經組態為S形彈簧。彈簧148-1描繪了處於鬆弛、未組裝、未壓縮狀態的彈簧148，具有第一端部144及第二端部146，其中第一端部144與第二端部146平行。在一個實施例中，第一端部144經由彈性部分接合至第二端部146。第一端部144及第二端部146形成壓縮彈簧148之接合部分。在一個實施例中，壓縮彈簧148之第一端部144固定地固定至超音波感測器41。壓縮彈簧148之第二端部146在組裝時被推靠在信號處理電路(未圖示)上。
彈簧148-2描繪了處於組裝、壓縮狀態的彈簧148，例如當超音波感測器41被組裝至緊固件之頭部分時可能發生的，如參看圖1示出及描述的。如圖所示，壓縮彈簧148之第二端部146在壓縮狀態下保持與第一端部144平行，此使得壓縮彈簧148能夠對超音波感測器41提供均一的靜力。
圖7示意性地示出壓縮彈簧248及超音波感測器41的另一個實施例。在該實施例中，壓縮彈簧248被組態為S形彈簧，該S形彈簧具有用於安裝及固定佈置於第一端部244上之超音波感測器41的特徵以及用於耦接至佈置於第二端部246上之信號處理電路42 (未圖示)的特徵。
在一個實施例中，用於將壓縮彈簧248之第二端部246耦接至信號處理電路42 (未圖示)的特徵包括焊接墊241，該焊接墊包括夾子243。用於將壓縮彈簧248之第一端部244耦接至超音波感測器41的特徵包括由複數個上翘舌片247及感測器支承表面249構成的感測器安裝支架245。如圖所示之壓縮彈簧248被描繪為處於鬆弛、未組裝、未壓縮狀態，其中第一端部244與第二端部246平行。第一端部244及第二端部246形成壓縮彈簧248之接合部分。壓縮彈簧248之第一端部244經由感測器安裝支架245固定地固定至超音波感測器41。
此處描述之概念亦提供一種用於製造具有無線詢答機40之緊固件10的方法。此包括形成包括頭部分20及柄部分30之緊固件主體，其中頭部分20包括沉入至頭部分20中的空隙空間22。在一個實施例中，超音波感測器41組裝至柄部分30之第一端31上。無線詢答機40之PCB 47被製作為上面組裝有信號處理電路42、無線通信電路43、電力電路45及接地環49。壓縮彈簧48組裝至PCB 47上且與信號處理電路42通信。PCB 47組裝至緊固件主體之頭部分20上，其中壓縮彈簧48與超音波感測器41接觸，且PCB 47之接地環49與頭部分20電接觸。替代地，超音波感測器41可在PCB 47製作期間組裝至壓縮彈簧48上，且包括PCB 47及超音波感測器41的總成同時組裝至緊固件主體的頭部分20上。
信號處理電路42、無線通信電路43、電力電路45及接地環49設置於頭部分20之空隙空間22中，其中可固化結合材料25施加於PCB 47之外周邊及頭部分20之安裝部分21上，因此將PCB 47之電子部分固定至頭部分20且將PCB 47之電子部分氣密地密封至頭部分20中。超音波感測器41經由壓縮彈簧48與信號處理電路42通信。
術語「系統」可指以下各者中之一者或組合：機械及電氣致動器、感測器、控制器、特殊應用積體電路(ASIC)、組合邏輯電路、軟體、韌體及/或經佈置以提供所描述之功能的其他組件。此外， 在本文中可按功能及/或邏輯區塊組件及各種處理步驟來描述實施例。此類區塊組件可藉由經組態以執行指定功能的任何數量、組合或集合之機械及電氣硬體、軟體及/或韌體組件來實現。例如，一個實施例可採用機械組件及電氣組件、積體電路組件、記憶體元件、數位信號處理元件、邏輯元件、查找表或類似者的各種組合，以上各者可在一或多個微處理器或其他控制裝置的控制下實施各種功能。另外，熟習此項技術者將了解，示例性實施例可結合任何數量之機械及/或電子系統來實踐，且本文描述之系統僅為可能實施方式的示例性實施例。
術語「控制器」及相關術語諸如微控制器、控件、控制單元、處理器等係指以下各者中之一者或各者组合：特殊應用積體電路(ASIC)、現場可程式化閘陣列(FPGA)、電子電路、中央處理單元(例如微處理器)以及呈記憶體及儲存裝置形式的相關聯非暫時性記憶體組件(唯讀、可程式化唯讀、隨機存取、硬碟等)。該非暫時性記憶體組件能夠儲存呈一種或多種軟體或韌體程式或例程、組合邏輯電路、輸入/輸出電路及裝置、信號調節、緩衝電路及其他組件之形式的機器可讀指令，該等機器可讀指令可由一或多個處理器存取及執行以提供所描述的功能。輸入/輸出電路及裝置包括監測來自感測器之輸入信號的類比/數位轉換器及相關裝置，其中此類輸入信號係以預設採樣頻率來監測或回應於觸發事件而監測。軟體、韌體、程式、指令、控制例程、程式碼、演算法及類似術語表示包括校準及查找表的控制器可執行指令集。每一控制器執行控制例程以提供所要功能。例程可按規律時間間隔來執行，例如在正在進行的操作期間每隔100微秒進行一次。替代地，可回應於觸發事件的發生而執行例程。控制器、致動器及/或感測器之間的通信可使用直接連線點對點鏈路、網路通信匯流排鏈路、無線鏈路或另一種通信鏈路來完成。通信包括交換資料信號，包括例如經由導電介質交換電信號；經由空氣交換電磁信號；經由光波導交換光信號；等等。資料信號可包括表示來自感測器、致動器命令及控制器之間的通信的離散、類比及/或數位化類比信號。
術語「信號」係指傳遞資訊的實體上可分辨之指示器，且可為能夠經由介質傳播的合適波形(例如電的、光學的、磁的、機械的或電磁的)，諸如DC、AC、正弦波、三角波、方波、振動及類似者。
術語「動態的」及「動態地」描述了即時執行的步驟或過程，其特徵在於在例程執行期間或在例程執行的迭代之間監測或以其他方式確定參數狀態且有規律地或定期地更新參數狀態。
術語「校準」、「已校準」及相關術語係指將所要參數與裝置或系統之一個或多個感知或觀察到之參數相關的結果或過程。如本文所描述之校準可簡化為可儲存之參數表、複數個可執行等式，或可用作量測或控制例程之部分的另一種合適形式。
參數被定義為表示裝置或其他元件之物理性質的可量測的量，該可量測的量可使用一或多個感測器及/或物理模型來辨別。參數可具有離散值，例如「1」或「0」，或者可為無限可變的值。
以下條款提供如本文所揭示之緊固件及相關聯監測系統的示例組態。
條款1：一種緊固件，該緊固件包括一頭部分、一柄部分、一詢答機及一壓縮彈簧；其中該頭部分包括一安裝部分；其中該詢答機設置於該頭部分之該安裝部分中；其中該詢答機經佈置以監測該柄部分；其中該詢答機包括一超音波感測器及一信號處理電路；其中該信號處理電路佈置於一印刷電路板上；其中該超音波感測器附著至佈置於該柄部分之一第一端上的一轉換器承載表面；其中藉由將該印刷電路板放置於該頭部分中且該壓縮彈簧介於該印刷電路板與該頭部分之間，將該超音波感測器推靠在該轉換器承載表面上；其中該超音波感測器經由該壓縮彈簧與該信號處理電路通信；其中該信號處理電路啟動該超音波感測器；且其中該信號處理電路自該超音波感測器捕獲一信號且將該信號轉變為一參數，該參數對應於該緊固件施加之張力。
條款2. 如條款1之緊固件，該緊固件進一步包括：該印刷電路板，該印刷電路板包括佈置於其外周邊上的一接地環；其中該接地環與該緊固件之該頭部分電接觸。
條款3. 如條款1至2中任一項之緊固件，該緊固件進一步包括一無線通信電路及一電力電路；其中該信號處理電路、該無線通信電路及該電力電路佈置於一印刷電路板上；且其中該電力電路向該信號處理電路及該無線通信電路供應電力。
條款4. 如條款1至3中任一項之緊固件，其中該電力電路向該信號處理電路及該無線通信電路供應電力。
條款5. 如條款1至4中任一項之緊固件，其中該電力電路經佈置以回應於一輸入信號而向該信號處理電路及該無線通信電路供應該電力。
條款6. 如條款1至5中任一項之緊固件，其中該接地環經佈置以將該印刷電路板電接地至該緊固件之該頭部分。
條款7. 如條款1至6中任一項之緊固件，其中該無線通信電路基於對應於該張力之該參數而產生一訊息。
條款8. 如條款1至7中任一項之緊固件，其中對應於該緊固件施加之該張力的該參數包括該柄部分之一縱向長度。
條款9. 如條款1至8中任一項之緊固件，其中該壓縮彈簧包括插入於該信號處理電路與該超音波感測器之間的一橢圓形片彈簧。
條款10. 如條款1至9中任一項之緊固件，其中該壓縮彈簧包括插入於該信號處理電路與該超音波感測器之間的一S形彈簧。
條款11. 如條款1至10中任一項之緊固件，其中該壓縮彈簧包括插入於該信號處理電路與該超音波感測器之間的一傾斜彈簧。
條款12. 如條款1至11中任一項之緊固件，其中該壓縮彈簧包括經由一彈性部分接合至一第二端部的一第一端部，其中該第一端部與該超音波感測器接觸，且其中該第二端部與該信號處理電路接觸。
條款13. 如條款1至12中任一項之緊固件，其中該超音波感測器包括一壓電晶體裝置，該壓電晶體裝置具有一第一電極及一第二電極；其中該壓電晶體裝置之該第一電極附著至佈置於該柄部分之該第一端上的該轉換器承載表面；且其中該壓電晶體裝置之該第二電極附著至該壓縮彈簧。
條款14. 如條款1至13中任一項之緊固件，其中該第一電極由銀或銀合金構成，且其中該第二電極由銅或銅合金構成。
條款15. 一種用於監測一接合點處之第一組件及第二組件之系統，該系統包括：包括一柄部分之一緊固件；一詢答機；一壓縮彈簧；一接地環；及一設置於遠處之詢問器；其中該詢答機經佈置以監測該柄部分；其中該詢答機包括一超音波感測器、一信號處理電路、一無線通信電路及一電力電路；其中該信號處理電路、該無線通信電路及該電力電路佈置於一印刷電路板上；其中該超音波感測器佈置於該柄部分之一第一端上；其中該超音波感測器經由該壓縮彈簧與該信號處理電路通信；其中該信號處理電路自該超音波感測器捕獲一信號且將該信號轉變為一參數，該參數對應於該緊固件在該第一組件與該第二組件之該接合點處施加的張力；其中該無線通信電路基於與該緊固件在該第一組件與該第二組件之該接合點處施加的該張力相關聯的該參數來產生一訊息；且其中該設置於遠處之詢問器經佈置以與該緊固件之該無線通信電路無線地通信，以基於與該緊固件在該第一組件與該第二組件之該接合點處施加的該張力相關聯的該參數來接收該信息。
條款16. 如條款15之系統，該系統進一步包括：包括一頭部分之該緊固件；其中該頭部分包括一安裝部分；且其中該詢答機設置於該頭部分之該安裝部分中。
條款17. 如條款15至16中任一項之系統，其中藉由將該印刷電路板放置於該頭部分中且該壓縮彈簧介於該印刷電路板與該頭部分之間，將該超音波感測器推靠在該柄部分之該第一端上。
條款18. 如條款15至17中任一項之系統，該系統進一步包括該接地環，該接地環經佈置以將該印刷電路板電接地至該頭部分。
條款19. 如條款15至18中任一項之系統，該系統進一步包括該電力電路，該電力電路經佈置以回應於一輸入信號而產生電力。
條款20. 如條款15至19中任一項之系統，該系統進一步包括該信號處理電路，該信號處理電路經佈置以回應於一輸入信號而啟動該超音波感測器且啟動該電力電路。
條款21. 如條款15至20中任一項之系統，其中該設置於遠處之詢問器經佈置以產生該輸入信號。
條款22. 一種用於製造具有一無線詢答機之一緊固件之方法，該方法包括：形成一緊固件主體，該緊固件主體包括一頭部分及一柄部分，其中該頭部分包括沉入至該頭部分中的一空隙空間；將一超音波感測器組裝至該柄部分之一第一端上；製造一印刷電路板，該印刷電路板上面組裝有一信號處理電路、一無線通信電路、一電力電路及一接地環；將一導電壓縮彈簧組裝至該信號處理電路上；將該印刷電路板組裝至該頭部分上，包括該導電壓縮彈簧與該超音波感測器接觸，且該印刷電路板之該接地環與該頭部分電接觸；且將一可固化結合材料施加於該印刷電路板之一外周邊及該頭部分上；其中該信號處理電路、該無線通信電路、該電力電路及該接地環設置於該頭部分之該空隙空間中；且其中該超音波感測器經由該導彈壓縮彈簧與該信號處理電路通信。
詳細描述及附圖或圖式為對本教示之支持及描述，但本教示之範疇僅由申請專利範圍界定。儘管已詳細地描述了用於實施本教示之一些最好模式及其他實施例，但存在各種替代設計及實施例用於實踐申請專利範圍中界定的本教示。
10:緊固件 11:第一組件 12:第二組件 13:螺紋孔隙 14:接合點 20:頭部分 21:安裝部分 22:空隙空間 23:電接觸環形肩部 25:可固化結合材料 26:凸緣部分 27:超音波感測器承載表面 30:柄部分 31:第一近端 32:第二遠端 33:固定部分 34:縱向軸線 35:縱向長度 37:壓電晶體裝置 38:第一電極 40:詢答機 40A:詢答機 40B:詢答機 40C:詢答機 40D:詢答機 41:超音波感測器 42:信號處理電路 43:無線通信電路 44:天線 45:電力電路 46:RF天線 47:印刷電路板 48:壓縮彈簧 48A:壓縮彈簧 48B:壓縮彈簧 48C:壓縮彈簧 48D:壓縮彈簧 49:電接地環 50:無線詢問器 52:物理參數 54:遠端伺服器 100:系統 144:第一端部 146:第二端部 148-2:彈簧 148-1:彈簧 241:焊接墊 243:夾子 244:第一端部 245:感測器安裝支架 246:第二端部 247:上翘舌片 248:壓縮彈簧 249:感測器支承表面
現在將參看附圖舉例描述一或多個實施例，在附圖中： [圖1]示意性地示出根據本揭示案的包括緊固件、詢答機及詢問器的系統、方法及設備。 [圖2]示意性地示出根據本揭示案之緊固件及詢答機的剖面側視圖。 [圖3A]示意性地示出根據本揭示案之詢答機的等角視圖。 [圖3B]示意性地示出根據本揭示案的包括詢答機之緊固件的頭部分的剖面側視圖。 [圖4]示意性地示出根據本揭示案的用於詢問詢答機的流程圖。 [圖5A至圖5D]示意性地示出根據本揭示案之緊固件及詢答機的剖面側視圖的實施例。 [圖6]示意性地示出根據本揭示案之緊固件及詢答機的剖面側視圖。 [圖7]示意性地示出根據本揭示案之緊固件及詢答機的元件的等角視圖。 附圖可呈現本文所揭示的本揭示案之各種特徵的稍微簡化之表示，包括例如特定尺寸、取向、位置及形狀。與此類特徵相關聯之細節將部分由具體的既定應用及使用環境决定。
10:緊固件
11:第一組件
12:第二組件
13:螺紋孔隙
14:接合點
20:頭部分
21:安裝部分
22:空隙空間
23:電接觸環形肩部
30:柄部分
31:第一近端
32:第二遠端
33:固定部分
34:縱向軸線
35:縱向長度
40:詢答機
41:超音波感測器
42:信號處理電路
43:無線通信電路
45:電力電路
48:壓縮彈簧

Claims (20)

  1. 一種緊固件，該緊固件包括： 一頭部分、一柄部分、一詢答機及一壓縮彈簧； 其中該頭部分包括一安裝部分； 其中該詢答機設置於該頭部分之該安裝部分中； 其中該詢答機經佈置以監測該柄部分； 其中該詢答機包括一超音波感測器及一信號處理電路； 其中該信號處理電路佈置於一印刷電路板上； 其中該超音波感測器附著至佈置於該柄部分之一第一端上的一轉換器承載表面； 其中藉由將該印刷電路板放置於該頭部分中且該壓縮彈簧介於該印刷電路板與該頭部分之間，將該超音波感測器推靠在該轉換器承載表面上； 其中該超音波感測器經由該壓縮彈簧與該信號處理電路通信； 其中該信號處理電路啟動該超音波感測器； 其中該信號處理電路自該超音波感測器捕獲一信號且將該信號轉變為一參數，該參數對應於該緊固件施加之一張力。
  2. 如請求項1之緊固件，該緊固件進一步包括： 該印刷電路板，該印刷電路板包括佈置於該印刷電路板之一外周邊上的一接地環； 其中該接地環與該緊固件之該頭部分電接觸。
  3. 如請求項2之緊固件，其中該接地環經佈置以將該印刷電路板電接地至該緊固件之該頭部分。
  4. 如請求項1之緊固件，該緊固件進一步包括一無線通信電路及一電力電路； 其中該信號處理電路、該無線通信電路及該電力電路佈置於該印刷電路板上；且 其中該電力電路向該信號處理電路及該無線通信電路供應電力。
  5. 如請求項4之緊固件，其中該電力電路向該信號處理電路及該無線通信電路供應電力。
  6. 如請求項4之緊固件，其中該電力電路經佈置以回應於一輸入信號而向該信號處理電路及該無線通信電路供應該電力。
  7. 如請求項4之緊固件，其中該無線通信電路基於對應於該張力之該參數而產生一訊息。
  8. 如請求項1之緊固件，其中對應於該緊固件施加之該張力的該參數包括該柄部分之一縱向長度。
  9. 如請求項1之緊固件，其中該壓縮彈簧包括插入於該信號處理電路與該超音波感測器之間的一橢圓形片彈簧。
  10. 如請求項1之緊固件，其中該壓縮彈簧包括插入於該信號處理電路與該超音波感測器之間的一S形彈簧。
  11. 如請求項1之緊固件，其中該壓縮彈簧包括插入於該信號處理電路與該超音波感測器之間的一傾斜彈簧。
  12. 如請求項1之緊固件，其中該壓縮彈簧包括經由一彈性部分接合至一第二端部的一第一端部，其中該第一端部與該超音波感測器接觸，且其中該第二端部與該信號處理電路接觸。
  13. 如請求項1之緊固件，其中該超音波感測器包括一壓電晶體裝置，該壓電晶體裝置具有一第一電極及一第二電極； 其中該壓電晶體裝置之該第一電極附著至佈置於該柄部分之該第一端上的該轉換器承載表面；且 其中該壓電晶體裝置之該第二電極附著至該壓縮彈簧。
  14. 如請求項13之緊固件，其中該第一電極由銀或一種銀合金構成，且其中該第二電極由銅或一種銅合金構成。
  15. 一種用於監測一接合點處之第一組件及第二組件之系統，該系統包括： 包括一柄部分之一緊固件；一詢答機；一壓縮彈簧；一接地環；及一設置於遠處之詢問器； 其中該詢答機經佈置以監測該柄部分； 其中該詢答機包括一超音波感測器、一信號處理電路、一無線通信電路及一電力電路； 其中該信號處理電路、該無線通信電路及該電力電路佈置於一印刷電路板上； 其中該超音波感測器佈置於該柄部分之一第一端上； 其中該超音波感測器經由該壓縮彈簧與該信號處理電路通信； 其中該信號處理電路自該超音波感測器捕獲一信號且將該信號轉變為一參數，該參數對應於該緊固件在該第一組件與該第二組件之該接合點處施加的一張力； 其中該無線通信電路基於與該緊固件在該第一組件與該第二組件之該接合點處施加的該張力相關聯的該參數來產生一訊息；且 其中該設置於遠處之詢問器經佈置以與該緊固件之該無線通信電路無線地通信，以基於與該緊固件在該第一組件與該第二組件之該接合點處施加的該張力相關聯的該參數來接收該訊息。
  16. 如請求項15之系統，該系統進一步包括： 進一步包括一頭部分之該緊固件； 其中該頭部分包括一安裝部分；且 其中該詢答機設置於該頭部分之該安裝部分中。
  17. 如請求項16之系統，其中藉由將該印刷電路板放置於該頭部分中且該壓縮彈簧介於該印刷電路板與該頭部分之間，將該超音波感測器推靠在該柄部分之該第一端上。
  18. 如請求項15之系統，該系統進一步包括該電力電路，該電力電路經佈置以回應於一輸入信號而產生電力。
  19. 如請求項18之系統，該系統進一步包括該信號處理電路，該信號處理電路經佈置以回應於該輸入信號而啟動該超音波感測器且啟動該電力電路，且其中該設置於遠處之詢問器經佈置以產生該輸入信號。
  20. 一種用於製造具有一無線詢答機之一緊固件之方法，該方法包括： 形成包括一頭部分及一柄部分之一緊固件主體，其中該頭部分包括沉入該頭部分中的一空隙空間； 將一超音波感測器組裝至該柄部分之一第一端上； 製造一印刷電路板，該印刷電路板上面組裝有一信號處理電路、一無線通信電路、一電力電路及一接地環； 將一導電壓縮彈簧組裝至該信號處理電路上； 將該印刷電路板組裝至該頭部分上，包括該導電壓縮彈簧與該超音波感測器接觸，且該印刷電路板之該接地環與該頭部分電接觸；且 將一可固化結合材料施加至該印刷電路板之一外周邊及該頭部分上； 其中該信號處理電路、該無線通信電路、該電力電路及該接地環設置於該頭部分之該空隙空間中；且 其中該超音波感測器經由該導電壓縮彈簧與該信號處理電路通信。
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