(57)【要約】本発明は、変形体と、少なくとも１つの力成分を検出する個別の測定エレメント（５）と、この測定エレメントに接続されてその測定信号を評価する電子回路ユニット（６）とを有している力成分またはモーメント成分を測定する装置、例えば重量測定装置に関する。本発明はまたこの装置を用いた測定方法に関する。本発明の課題は、力成分またはモーメント成分を測定する方法および装置を提供し、簡単かつ低コストで、しかも信頼性の高い力成分の測定を行えるようにすることである。この課題は、変形体は基部（３）とこの基部に対して運動する少なくとも１つの舌片（２）とを有しており、前記基部（３）は測定エレメント（５）と舌片（２）とのあいだに空隙が形成されるように配置されており、この空隙の幅は力成分が当該の変形体にかかるときに変化し、その空隙幅の変化が測定エレメント（５）によって測定信号に変換される構成により解決される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形体と、少なくとも１つの力成分を検出する個別の測定エレメント（５）と、該測定エレメントに接続されてその測定信号を評価する電子回路ユニット（６）とを有している
力成分またはモーメント成分を測定する装置、例えば重量測定装置において、
変形体は基部（３）と該基部に対して運動する少なくとも１つの舌片（２）とを有しており、
前記基部（３）は測定エレメント（５）と舌片（２）とのあいだに空隙が形成されるように配置されており、
空隙の幅は力成分が当該の変形体にかかるときに変化し、その空隙幅の変化が測定エレメント（５）によって測定信号に変換される
ことを特徴とする力成分またはモーメント成分を測定する装置。
【請求項２】
変形体と測定エレメント（５）および電子回路ユニット（６）とはそれぞれ個別のモジュール群として構成されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
測定エレメント（５）は電子回路ユニット（６）とともに変形体によって少なくとも部分的に包囲されている、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
測定エレメント（５）は電子回路ユニット（６）に集積された素子である、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
変形体は基部（３）および舌片（２）から一体に構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
変形体は金属、例えば鉄または高級鋼から成形される、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
測定エレメント（５）は容量性、誘導性、圧電性、または磁気弾性に基づいて動作する、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
測定エレメント（５）はコンデンサ、コイル、圧電素子またはホール素子として構成されている、請求項７記載の装置。
【請求項９】
舌片（２）の運動を少なくとも１つの方向に制限する少なくとも１つのガイド装置（７、８）が設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
ガイド装置は、基部（３）に対して垂直に配置されこれに接続されたボルト（７）と、舌片（２）に配置されるかまたはこれに構成された貫通孔（８）とから成っており、該貫通孔は少なくとも部分的にボルト（７）から突出している、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
測定エレメント（５）の方向、または測定エレメント（５）から離れる方向へ向かう舌片（２）の運動を制限する装置が設けられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
舌片（２）の運動を制限する装置は変形体、すなわち基部（３）または舌片（２）に接するように設けられている、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
舌片（２）の空隙幅または撓み強度が測定領域に適合されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
２つの舌片（２）が相互に鏡面対称となるように基部（３）に配置されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
舌片（２）の端部は相互に反対向きとなっている、請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
定義された複数の力の導入領域（４２）が舌片（２）内に構成されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１７】
それぞれの力の導入領域（４２）は相互に鏡面対称となるように配置されている、請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
それぞれの力の導入領域（４２）には１つずつ測定エレメント（５）が配属されている、請求項１６または１７記載の装置。
【請求項１９】
請求項１から１８までの力成分またはモーメント成分を測定する装置を用いて力成分またはモーメント成分を測定する方法、例えば重量を測定する方法において、
力成分を変形体に印加することにより舌片（２）と測定エレメント（５）とのあいだの空隙幅を変化させ、
測定エレメント（５）により空隙幅の変化の度合を検出し、
空隙幅の変化の度合に依存して測定信号を電子回路ユニット（６）へ供給し、さらに処理する
ことを特徴とする力成分またはモーメント成分を測定する方法。
【請求項２０】
少なくとも２つの舌片（２）に作用するモーメントを求める、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
求められたモーメントを計算で補償することにより求められた重量を補正する、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
車両内の着座状態および／または乗員荷重を求める、請求項１から１８までの力成分またはモーメント成分を測定する装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の力成分またはモーメント成分を測定する装置、および請求項１８の上位概念に記載の力成分またはモーメント成分を測定する方法に関する。本発明の方法および装置は対象物の重量を求めるのに適している。
【０００２】
力成分を測定するために、種々の物理的効果を利用して力測定の結果を示し、測定された力成分を簡単に評価可能な測定信号へ変換する多数の装置および方法が知られている。その１つの例として、引っ張り圧力センサがあり、これはストレインゲージ技術の原理にしたがって動作する。力を受けるエレメントにストレインゲージが被着され、これがフルブリッジ回路へ接続される。このとき作用した力は電気抵抗で拡大され、測定量に比例するブリッジ出力電圧が出力される。
【０００３】
ただし、最適な測定精度を達成するためには、センサに横断方向の力やモーメントが作用してはならない。つまり力を定義された方向のみに導入しなければならない。またこのようなフォースセンサを製造するにはコストがかかる。なぜならストレインゲージやその他のコンポーネントを複雑なモジュール群として集積しなければならないからである。
【０００４】
こうした従来技術から出発して、本発明の課題は、力成分またはモーメント成分を測定する方法および装置を提供し、簡単かつ低コストで、しかも信頼性の高い力成分の測定を行えるようにすることである。
【０００５】
この課題は、請求項１に記載の特徴を有する装置および請求項１８に記載の特徴を有する方法により解決される。変形体を基部とこの基部に対して運動する少なくとも１つの舌片とを有するように構成することにより、測定エレメントと舌片とのあいだに空隙が形成され、その空隙の幅が当該の変形体に力のかかるときに変化する。測定エレメントは有利には無接触で動作し、その空隙幅の変化が測定エレメントによって測定信号に変換される。
【０００６】
有利には、舌片の運動を少なくとも１つの方向に制限する少なくとも１つのガイド装置が設けられる。このため舌片の動きそのものを制限しなくても良い。このガイド装置により、種々の方向から複数の力成分が導入されて舌片が基部に対して不適切な相対運動を行い、測定結果に誤差が生じたり、また測定エレメントが損なわれたりするおそれが排除される。舌片と基部との相対運動は適切に案内され、これにより装置の機械的な破壊に対する安全性がさらに高まる。
【０００７】
有利には、変形体と測定エレメントおよび電子回路ユニットとはそれぞれ個別のモジュールとして構成される。つまり各モジュールは個別に製造可能となる。これにより各モジュールの製造工程はそれぞれに最適化され、最終的な実装、つまり測定エレメントおよび電子回路ユニットをモジュール群として１つの変形体に実装する際に、１つの共通の作業ステップで集積するだけでよい。
【０００８】
特にコンパクトな構造を達成し、電子回路ユニットおよび測定エレメントを機械的な損傷から保護するために、測定エレメントおよび電子回路ユニットを変形体の内部に配置する。これにより変形体は基部に対して舌片を支承する測定基準面となるほか、ケーシングとしての機能も果たす。
【０００９】
さらに別の実施形態では、測定エレメントは電子回路ユニットの集積素子の一部であり、例えばプリントされたコアを有するコイルまたはコア無しのコイルとしてプラスティックやセラミックなどから成る配線板上に構成される。
【００１０】
一体構造は、例えば測定エレメントおよび電子回路ユニットのモジュール群を予成形したり、またはこのモジュール群の収容部を切削したりすることによって形成される。こうした一体構造により変形体の安定性が高められ、特に予成形プロセスを用いれば作業ステップ数、製造時間および費用を節約することができる。さらに基部および舌片から成る変形体を一体成形すれば、この変形体の材料の弾性特性を舌片の戻り力として利用して、力がかかっていないときに舌片を元の位置へ戻すことができる。
【００１１】
ケーシングの壁厚さを負荷が大きい場合にも小さく保持するために、変形体は金属、例えば鉄または高級鋼から製造される。ここで特に金属材料の弾性は舌片を初期位置へ戻すためのばね運動にとって有利である。
【００１２】
有利には、測定エレメントはコンデンサ、コイル、圧電素子またはホール素子として構成され、容量性、誘導性、圧電性、または磁気弾性に基づいて動作する。舌片または変形体に力がかかるとき、空隙は押され、運動はかかった力に比例する電気信号へ変換される。無接触の測定であるから、測定エレメントおよび装置の他の部分の摩耗はほとんど生じず、新規の較正も簡単となる。
【００１３】
本発明の別の実施形態によれば、ガイド装置は、基部に接続されたボルトまたはスペーサスリーブと舌片または基部に設けられた貫通孔とから成り、この貫通孔から少なくとも部分的にボルトが突出している。ここで有利にはＴ字状の断面を有する丸いボルトまたは丸いスペーサスリーブが使用される。ガイド装置をボルトとして構成することにより、運動は唯一の運動方向、すなわちボルトの長手軸線に対して平行な方向のみに制限され、これによりそれぞれの力成分をガイド装置の配向状態に依存して正確に測定することができる。ガイド装置またはボルトの方向に応じて力成分の方向が選択され、正確に求められる。なぜなら基部に対して垂直な方向の運動から偏差する運動は全く生じないか、生じてもきわめて僅かとなるからである。特に、装置の損傷や測定結果の誤差をもたらしやすい撓みモーメントは発生しない。
【００１４】
舌片の運動を制限する装置が測定エレメントの方向へ向かって、または測定エレメントから離れる方向へ向かって設けられるので、測定エレメントまたは装置全体の過負荷保護が達成される。これにより定められた測定領域を上回る力は装置またはセンサを破壊するおそれなしに補償される。
【００１５】
舌片または基部の構造に応じて空隙幅が測定領域に適合されるように構成されており、これにより本発明を種々の測定目的に適用することができる。基部または舌片を複数の部材から構成する際には、舌片と基部とのあいだの距離をスペーサ部材を用いて拡大する。またこれらを一体に構成するのであれば、舌片をプラスティックで成形拡大するか、切削加工によって空隙幅を永続的に拡大する。空隙幅を小さくするには舌片に固定可能な個別のコンポーネントを用いる。例えばプレートを貼り合わせたり調整ねじで調整したりすることができる。
【００１６】
これに変えて、材料を薄くしたり、または種々の位置および直径で孔を開けたりすることにより、舌片の撓み性を変更することができる。
【００１７】
２つの舌片が相互に鏡面対称となるように基部に配置され、有利にはその端部が相互に反対向きとなっていることにより、負荷が均等でない場合に、例えばシートレールで発生したモーメントが求められ、計算上の補償により重量が補正される。さらに定義された方向に力を導入するために複数の力の導入領域が舌片内に構成され、これにより１つまたは複数の測定エレメントを舌片の支承位置に正確に配属させることができ、測定精度が高められる。
【００１８】
特に力の導入領域を鏡面対称に構成する場合、点状の隆起部または小さな表面を有する台部が構成され、導入されたモーメントが機械的に補償されるほか、それぞれの力の導入領域に１つずつ測定エレメントが配属されることにより、種々の支点での検出が測定技術にしたがって行われる。この場合、１つまたは複数の舌片にかかる力の分布を求めることができる。これは例えば舌片を星形に配置したり、２つの測定エレメントを舌片端部の相互に対向する角に配置したりすることによって行われる。各舌片を相互に反対向きに配置する場合、測定エレメントおよび力の導入領域は矩形または正方形の形状となる。これにより簡単かつ効率的に重量を求めることができ、その際に障害となるモーメントは発生しないか、考慮しないで済む。
【００１９】
力成分またはモーメント成分、例えば重量を測定する本発明の方法では、力成分を変形体へ導入することにより空隙幅が変化し、測定エレメントにより空隙幅の変化の度合が検出され、空隙幅の変化の度合に依存して測定信号が電子回路ユニットへ供給され、さらに処理される。運動を直接に空隙幅ひいては導入された力に比例する電気信号へ変換することにより、簡単に力成分を求め、測定信号をさらに処理することができる。
【００２０】
本発明の装置は、有利には、車両内の着座状態および／または乗員荷重を求めるのに使用される。これにより特にエアバッグのトリガおよび／またはエアバッグの膨脹度を適合化することができる。
【００２１】
以下に本発明の実施例を図に則して詳細に説明する。図１には本発明の装置の第１の実施例の断面図が示されている。図２には図１の装置の背面図が示されている。図３には図１の装置の平面図が示されている。図４には本発明の装置の第２の実施例の側面図が示されている。図５には図４の装置の線で切断した断面図が示されている。図６には図４の装置の平面図が示されている。図７、図８には図４の装置の線に対して垂直な線で切断した断面図が示されている。図９には図４の装置の側面図が示されている。
【００２２】
図１には、本発明の力成分またはモーメント成分を測定する装置の第１の実施例の概略図が示されている。ここに基部３とこれに対して運動可能な舌片２とから成る変形体が構成されている。この実施例では変形体は一体構造を有している。つまり基部３とこれに対して運動可能な舌片２とは、予成形プロセスまたは鋳込成形プロセスまたはハーフツールを用いた切削加工によって製造されているか、またはその材料が相互に接合されている。変形体の内部には測定エレメント５と電子回路ユニット６とを収容する凹部が形成されており、これによって変形体は測定エレメント５およびこれとともにモジュール群を構成する電子回路ユニット６に対するケーシングとなる。舌片２と基部３とのあいだには空隙４が形成されており、その幅は矢印の方向または矢印と反対の方向でかかる力に依存して変化する。
【００２３】
測定エレメント５、例えばコアを有するコイルまたはコアを有さないコイル、またはホール素子、またはコンデンサ、またはその他の無接触型の測定素子は空隙幅の縮小度または増大度を測定し、測定信号を電子回路ユニット６へ供給する。電子回路ユニット６から測定信号が詳細には図示されていないインタフェースへ送出され、さらに処理される。
【００２４】
図２には装置１の背面図が示されている。ここでは基部３と舌片２とのあいだの空隙４の形状を見て取ることができる。力成分がｙ方向またはｙとは反対の方向にかかることにより、空隙幅は変化し、相応の測定信号が求められる。
【００２５】
舌片２がｙ方向へ運動するのを制限するためにボルト７が設けられている。このボルトは例えば溶接ボルトまたはねじとして構成することができ、相応に基部３と材料が接合されるかまたは形状結合される。ボルト７の上方には舌片２がｙ方向へ運動するのを制限するきのこ状の平坦部が構成されており、これにより空隙幅４は許容可能な（設定された）規模を超えて拡大することはない。ボルト７はこの場合には舌片２に一体成形された環状の貫通孔８から突出している。
【００２６】
図３を見れば明らかなように、舌片２の側方に２つの成形部が設けられている。この成形部は貫通孔８を有しており、この貫通孔を介してねじまたは溶接ボルト７が案内される。この部材は舌片２のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向への運動を制限し、ここではｙ方向の負の運動が基部３により制限される。装置の過負荷に対する耐性を有しており、つまり測定領域を超える力、または望ましくない方向へかかる力が回避され、その際にも装置全体または測定エレメントは破壊されない。同様に付加的に、舌片２がｙ方向で負の運動を行うことを制限する部材も設けられ、これで基部３のストッパが所望されない場合には、最大の測定領域が定められる。この種の制限部材は調整ねじにより構成され、舌片２の運動する全ての方向のストロークが機械的に制限される。
【００２７】
これにより装置は電子回路ユニットから独立に任意の測定領域に合わせてジオメトリを変更することができる。これは例えばボルト７を締め込んだり緩めたりすることによって達成される。同様のことが舌片２の基部方向への運動を制限する装置を調整する際にも相当する。
【００２８】
図に示されている変形体の構成、つまり測定エレメント５が電子回路ユニット６とともにモジュール群として構成されていることにより、個別の製造が可能となる。ここでは共通の唯一の作業工程によって２つのモジュールを相互に接合することができる。有利には測定エレメント５または測定ピックアップは電子回路ユニット６の集積回路の一部であり、これにより変形体内部の配置構成がさらに簡単化される。本発明の装置は、この実施例によれば、空隙幅を変化させるｙ方向への力のみを受けることになり、ｘ方向またはｚ方向の障害力は検出も測定もされない。このため予め定められた方向での正確な測定が可能となる。
【００２９】
図示の一体構造に代えて、舌片２を例えば基部３のヒンジの上方に可動に固定し、場合によってばね力をバイアスし、舌片２の負荷が除去された後に再び初期位置へ戻るようにすることもできる。
【００３０】
本発明の装置を有利に使用して車両内の着座状態を求め、不必要なエアバッグのトリガを阻止することが挙げられる。同様に、本発明の装置を座席下に組み込んで乗員荷重を求め、これによりエアバッグの膨脹度を調整することもできる。乗員荷重が大きくなるにつれ、乗員の確実な拘束を保証するのに必要なエアバッグ空気量も大きくなる。エアバッグの空気充填量は例えばエアバッグを段階的に点火することにより適応化される。乗員荷重が小さければ、相応に空気充填量も小さくなる。
【００３１】
図４には本発明の装置の第２の実施例が示されている。ここでは可動の２つの舌片２が基部３の中心軸線に対して対称に構成されている。このため可動の舌片２と基部３とのあいだには力がかかることによって変化する２つの空隙が存在している。図示の実施例では、この空隙は詳細には示されていない車両座席のシートレール５０に力が導入されることによって変形される。乗員が車両座席に着座している場合、固定点Ａを介して力がシートレール５０へかかり、このシートレール５０からマスプレート４０へ伝わり、可動の舌片２へ達する。プレート４０は基部３および可動の舌片２から独立に構成されており、フライス切削されている。したがってシートレール５０で受けとめられた力はプレート４０の外側領域のみにかかり、舌片２へ伝達される。このことについては後に詳述する。
【００３２】
上述の手段において空隙幅の変更の度合が測定され、これが電気信号へ変換されて評価される。
【００３３】
図５には図４の装置の断面図が示されている。ここではスペーサスリーブ３０が舌片２の上方、基部３の中央に位置していることがはっきりと見て取れる。スペーサスリーブ３０は、図４に示されているように、中央孔を貫通するように配置されたねじによってケーシング底部または他の固定の支持体上に固定されており、基部３に対して配置される。スペーサスリーブ３０の上方端部はＴ字状の突出部となっており、その下方エッジはプレート４０の上方エッジに対して定められた距離だけ離されている。Ｔ字状の突出部はプレート４０に対するストッパとなっており、この方向への運動が望ましくない場合にこれを阻止する。図１〜図３で使用されている座標系に関連して言えば、これはｙ方向での正の運動である。ｙ方向の負の運動は空隙幅によって与えられる可動の舌片２の最大の変位幅である。固定の測定領域が上方超過されても、舌片２は基部３に達するのみであり、図示されていない測定エレメントの破壊は回避される。
【００３４】
図６には図４の装置の平面図が示されている。ここではシートレール５０が除去されているので、プレート４０が見えている。プレート４０の中心軸線の右方および左方には切欠４１が設けられ、この切欠を介して下方に存在する舌片２が可視となっており、また力の導入領域４２が生じる。プレート４０の側辺に平行に図４、図５に示されているスタブが設けられている。このスタブは切欠４１の個所が欠けており、プレート４０の４つの角で舌片の端部に作用する矩形の力作用領域４２が構成される。力がプレート４０にかかるとき、この力はプレートの４つの角に分散され、力の導入領域４２を介して相互に対向する２つの舌片２のエッジに作用する。このようにして後からの電子的な補償が行われる。プレート４０の中間接続により、例えばシートレール５０をさらに簡単に固定することができる。なぜならプレート４０は中実に構成されており、良好に固定できるからである。
【００３５】
さらに図６では複数の孔２０が見て取れる。この孔は可動の舌片２内に構成されており、この実施例では一体成形されている弾性の舌片２の材料の薄弱化ひいては撓み特性の低下をもたらすことがある。孔２０の数および位置を変更したり、孔の断面積を拡大したりすることにより、特性を測定領域に適合させることができる。
【００３６】
図７には、力の導入領域４２を検出するプレート４０の下方のレベルの断面図が示されている。力の導入領域は図７では相応にハッチングで示されている。残りの部分は弾性の舌片２およびここに配置された複数の孔である。図から明らかなように、ここでは複数の力の導入領域４２は鏡面対称に配置されており、障害となる回転モーメントを回避しつつ、かかった力が電子的に補償される。
【００３７】
図８には空隙４のレベルで垂直に切断した断面図が示されている。図８によれば、それぞれの力の導入領域４２の下方に、作用面を有する測定エレメント５が取り付けられており、この測定エレメントによって空隙幅の変化の度合が求められ、電子回路ユニット６へ送出され、相応に電気信号へ変換されて評価される。個別の４つの測定ユニットを備えた図示の構成に変えて、測定エレメントを配線板上に一体に配置することもできる。その場合に測定エレメントは例えばプリントされたコイルとして有利には配線板（プラスティック、セラミックなど）上に製造される。測定エレメントおよび電子回路ユニットは１つのモジュール群として集積され、これにより製造および実装が簡単化される。
【００３８】
図９には図４の装置の側面図が示されている。ここには測定エレメント５および電子回路ユニット６が舌片２およびそれを介して形成される空隙４の下方に形成されることが示されている。
【００３９】
図４〜図９から明らかなように、変形体は複数の個別ユニット、すなわちプレート４０、基部３、およびこれに一体成形された舌片２から成る。２つの部材から成る実施例に変えて、舌片２を基部３から個別に製造し、実装の際に中央の固定ねじによって組み立てることができる。図示の実施例とは異なり、舌片２に対して平行な基部３のストッパ面を構成せずに、空隙を直接に個別の測定エレメント５と舌片２とのあいだに設けてもよい。ｙ方向の負の運動は個別の装置に例えばストッパを設けることによって制限される。
【００４０】
変形体は有利には中央ねじを介して、有利には車両の底部に固定される。固定ねじはスペーサスリーブ３０を介して基部３とこれに一体成形されている舌片２とを車両底部に固定しており、プレート４０を舌片２に配属させている。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の装置の第１の実施例の断面図である。
【図２】
図１の装置の背面図である。
【図３】
図１の装置の平面図である。
【図４】
本発明の装置の第２の実施例の側面図である。
【図５】
図４の装置の断面図である。
【図６】
図４の装置の第１の平面図である。
【図７】
図４の装置の第２の平面図である。
【図８】
図５に対して垂直な線で切断した図４の装置の断面図である。
【図９】
図４の装置の側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
2005512037.tif 000012
2005512037.tif 000013
2005512037.tif 000014
2005512037.tif 000015
2005512037.tif 000016
2005512037.tif 000017