(57)【要約】  本発明は、ベース端部、負荷または外力受容部、該ベース端部と該負荷または外力受容部とを連結する２個またはそれ以上のビーム部を装備した、弾性ボディから成る精密なロードセルに関連する。ビーム部の少なくとも一方が、負荷または外力受容部と、ベース端部内に設けたセンサ空洞の可撓壁とを連結するレバーを構成している。可撓壁は、レバーの動作によって負荷または外力受容部が変位した結果、変形するように設けられ、また、センサ手段は、可撓壁の変形、または可撓壁内のひずみを計測するために設けられている。
2005512038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性ボディを備えたロードセルであって、前記ロードセルが、ベース端部、負荷または外力受容部、前記ベース端部と前記負荷または外力受容部を連結するための２個またはそれ以上のビーム部、計測する負荷または外力による弾性ボディのひずみを感知するべく設けられたセンサ手段を備えており、
前記ビーム部のうち少なくとも１個が、負荷または外力受容部と、前記ベース端部内に配置したセンサ空洞の可撓壁とを連結するレバーを構成しており、該センサ空洞が該センサ手段を含み、前記可撓壁が、該レバーの動作によって負荷または外力受容部が変位した結果、変形するように設けられており、前記センサ手段が、該可撓壁の変形、または該可撓壁のひずみを計測するために設けられていることを特徴とするロードセル。
【請求項２】
前記センサ手段が複数のセンサを含んでいることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。
【請求項３】
前記センサ手段が、センサキャリアの表面上に装着された少なくとも１個のセンサを含んでおり、前記表面が該可撓壁と対向していることを特徴とする請求項２に記載のロードセル。
【請求項４】
前記センサ手段が少なくとも１個のセンサを含んでおり、次にこれが、突出部上に該可撓壁に対して実質的に垂直に取り付けたセンサキャリアの上に装着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項以上に記載のロードセル。
【請求項５】
前記センサ手段がセンサシステムを備えており、前記センサシステムが、該可撓壁上に、これに対して実質的に垂直に取り付けた多数のフィンを含んでおり、該フィンのうち１本またはそれ以上に、該可撓壁の変形を計測する目的でセンサが配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項以上に記載のロードセル。
【請求項６】
前記センサ手段がセンサシステムを含んでおり、前記センサシステムが、該可撓壁上に、これに対して実質的に垂直に取り付けた多数のフィンを備え、１本またはそれ以上のフィンの間にセンサが配置され、このセンサが該可撓壁の変形を計測するために設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項以上に記載のロードセル。
【請求項７】
前記レバーおよびフィンの幅が、該センサ空洞の幅よりも短いことを特徴とする請求項５または６に記載のロードセル。
【請求項８】
前記フィンが、該可撓壁上に装着された別個のユニットであることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項以上に記載のロードセル。
【請求項９】
前記センサ手段が少なくとも１個のセンサキャリアを備え、次にこれが、短い突出部上に、該可撓壁に対して実質的に垂直に取り付けられており、該センサキャリア上に、該可撓壁と対抗して電極が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項以上に記載のロードセル。
【請求項１０】
前記センサ手段が、重なり合った２個の別個のセンサキャリアを備えており、該センサキャリアが短い突出部上に、該可撓壁に対して実質的に垂直に装着され、前記センサキャリアの各々の上に、該可撓壁と対向して電極が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項以上に記載のロードセル。
【請求項１１】
前記センサ手段が、前記２個のセンサキャリアを装備した２つの短い突出部の位置において該可撓壁と係合した２本の別個のレバーを備えていることを特徴とする請求項１０記載のロードセル。
【請求項１２】
前記センサ手段が静電容量性であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項以上に記載のロードセル。
【請求項１３】
前記センサ手段が誘電性であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項以上に記載のロードセル。
【請求項１４】
前記可撓壁内のひずみを計測するために、前記センサ手段が、該可撓壁上に装着した１個またはそれ以上のひずみセンサを含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項以上に記載のロードセル。
【請求項１５】
前記可撓壁内のひずみを計測するために、前記センサ手段が、可撓壁上に装着した１個またはそれ以上のひずみゲージセンサを含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項以上に記載のロードセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測する荷重または外力に応じて、弾性ボディ内に存在するひずみ、または弾性ボディの変形を計測するためのセンサを装着した弾性ボディを備えた、機械荷重および外力を計測するためのロードセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
低コストで精度の低い、負荷または外力センサの大きなグループが存在しており、円盤型またはスポーク付きの車輪型のような様々な形状をした弾性ボディに、ひずみゲージセンサ、誘電センサ、容量センサ、または光学センサといった様々なセンサが装着されている。これらの負荷または外力センサは、負荷または外力を印加する点に依存し、また、ＯＥＭ用途において、単純な力センサ、加速度計、ジョイスティックとして使用されている。
【０００３】
本発明は、より詳細には、弾性ボディを備えた精密なロードセルに関連しており、このロードセルは、ベース端部、負荷または外力受容部、該ベース端部と該負荷または外力受容部とを連結する２個またはそれ以上のビーム部、計測する負荷または外力による弾性ボディ内のひずみ、または弾性ボディの変形を感知するために設けられたセンサ手段を装備している。
【０００４】
精密なひずみゲージビームロードセルの製造において多くの製造業者に使用される標準タイプのロードセルは、周知のとおり、高強度アルミニウム弾性ボディを備えた標準的なロバーバル機構として設計されており、さらに、支持構造上にロードセルを装着するためのベース端部、負荷または外力を付加することができる負荷または外力受容部、ベース端部と負荷受容部を連結する２個のビーム部を含んでいる。多くの場合、前述した２個のビームの間に第３ビーム部が導入されている。ひずみゲージは、ビーム上の、計測する負荷または外力によって生じたひずみ値が最大および最小となる場所に装着される。
【０００５】
長年にわたり、このコンセプトは、より高い精度を提供するように改良されてきたが、環境湿度に起因する接着ミス及び絶縁抵抗の低下や、ひずみゲージ技術の過負荷に対する固有の感度による問題を回避しようとひずみゲージをシリコンゴムでポッティング加工する通常の方法は、このタイプのロードセルが過酷な工業環境に適していないことを意味する。さらに、１個またはそれ以上のビーム部に沿って分布しているひずみゲージを相互接続し、ポッティング処理後にこれらを信号ケーブルと接続するにはさらなる処理段階が必要で、それには相当な時間とコストがかかる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、密閉した空洞内にセンサ手段を装着した、前述の精密タイプのロードセルが、ロードセルに印加された負荷または外力を、工業環境において、高精度で計測することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、この目的は、最初に記述した精密タイプのロードセルによって達成され、このロードセルは、前記ビーム部のうち少なくとも１個が、負荷または外力受容部と、前記ベース端部内に配置したセンサ空洞の可撓壁とを連結するレバーを構成しており、該センサ空洞が該センサ手段を含み、前記可撓壁が、該レバーの動作によって負荷または外力受容部が変位した結果、変形するように設けられており、前記センサ手段が、該可撓壁の変形、または該可撓壁のひずみを計測するために設けられている。
【０００８】
この方法、および本発明によれば、計測する負荷または外力を、センサ空洞の壁によって周囲環境から分離することで、過酷な環境においてロードセルを機能させることを可能にした多数のタイプのセンサで計測することができる。
【０００９】
本発明によるロードセルの或る好ましい実施形態によれば、該センサ空洞は、可撓壁の変形、または可撓壁内のひずみを計測するための複数のセンサを備えている。この実施形態による重要な利点は、温度効果の平均化の可能性、さらに、センサの相対感度を調整することにより屈曲力の効果を補正する手段の提供の可能性である。
【００１０】
本発明によるロードセルの或る実施形態では、センサ手段がセンサキャリアの表面に装着されており、可撓壁の変形を計測するために、該表面が可撓壁と対向している。この実施形態は、異なるセンサ部分の各々の間に上手く設定された距離のために、該表面が平坦である場合には特に、ロードセル内への設置が単純であるセンサシステムを提供する。さらに、電子計測モジュールをセンサキャリアの裏側に統合することができる。
【００１１】
本発明によるさらに別のロードセルでは、センサ手段がセンサキャリア上に装着され、次にこれが、可撓壁に対して実質的に垂直な突出部上に装着されている。このロードセルは、センサ間の間隙の調整が単純であり、センサ空洞の対応する壁に容易にアクセスできる。さらに、この実施形態では、電子計測モジュールを、センサキャリアの裏側に統合することができる。
【００１２】
本発明によるロードセルの或る好ましい実施形態では、センサ手段はセンサシステムを備えており、このセンサシステムでは、可撓壁上に、これと実質的に垂直に装着した多数のフィンを具備し、１本またはそれ以上のフィン上にセンサが配置され、このセンサが可撓壁の変形を計測するべく設けられている。この実施形態により得られる利点は、計測する負荷および外力に対する非常に高度な感度、および、ロードセルを支持部上に装着する際に生じる応力に対する高度な無感度性である。
【００１３】
本発明によるロードセルの別の好ましい実施形態では、センサ手段はセンサシステムを備えており、このセンサシステムは、可撓壁上に、これと実質的に垂直に装着した多数のフィンを具備し、１本またはそれ以上のフィンの間にセンサが配置され、このセンサが可撓壁の変形を計測するべく設けられている。この実施形態により得られる利点は、計測される負荷および外力に対する非常に高度な感度、および、センサとそれに対応するフィンとの間の間隙に容易にアクセスできることによる、センサ調整の容易性である。
【００１４】
本発明による、多数のフィンを利用したロードセルの実施形態では、レバーおよびフィンの幅がセンサ空洞の幅よりも狭いため、センサ空洞の内壁とレバーおよびフィンのエッジとの間の範囲において、可撓壁が変形することができる。
【００１５】
本発明による、多数のフィンを利用したロードセルの実施形態では、フィンは、可撓壁上に取り付けられたユニットとして有利に分離することが可能である。これにより、相当に繊細なフィンの機械工作が回避され、また、別個のフィンユニットを、可撓壁上に機械工作した短い突出部に組み立てるか、または最低コスト時には可撓壁に直接組み立てるといった、組み立てプロセスによって代用できるという利点が得られる。
【００１６】
本発明によるロードセルの別の好ましい実施形態では、センサ手段は、可撓壁内のひずみを計測するために、可撓壁上に装着した１個またはそれ以上のひずみセンサを備えている。この実施形態から得られる利点は、過酷な環境から遮断するための、閉鎖したセンサ空洞によるものである。
【００１７】
本発明によるロードセルの別の好ましい実施形態では、ひずみセンサ手段は、可撓壁内のひずみを計測するために、可撓壁に取り付けた１個またはそれ以上のひずみゲージを備えている。この実施形態により得られる利点は、過酷な環境から遮断するための閉鎖したセンサ空洞、および単純且つコンパクトなひずみゲージの配線の可能性である。
【００１８】
本発明による、２個のみのビーム部が、ベース端部とロードセルの負荷受容部とを連結している実施形態では、これら２個のビーム部の一方または両方が、可撓壁上で動作するレバーを有利に構成することができる。この利点は、単純な構造と、さらに、追加レバーのばね定数の影響がないことである。
【００１９】
本発明によるロードセルの実施形態によれば、センサ手段はセンサキャリア上に装着され、さらにセンサキャリアは短い突出部上に可撓壁に対して実質的に垂直に装着され、電極がセンサキャリア上に、可撓壁と対向した状態で配置されている。この実施形態により得られる利点は、電極をセンサキャリア上に、短い突出部から或る距離を置いて配置した場合に、電極と可撓壁の間の距離の変化が相当大きいことである。
【００２０】
本発明によるロードセルの別の実施形態では、センサ手段が、相互に重なり合った２個の別個のセンサキャリアを構成し、その各々が、短い突出部上に可撓壁に対して実質的に垂直に取り付けられ、各センサキャリア上に電極が可撓壁と対向して配置されている。この実施形態では、可撓壁の形状の変更を利用して、該可撓壁の変形時に、一方のセンサキャリア電極の可撓壁までの距離を拡大させ、他方のセンサキャリア電極の可撓壁までの距離を短縮させる。この実施形態により得られる利点は、短い突出部上で電極キャリアを傾斜させることが計測エラーを最小限にすることで、例えば、電極キャリアの一端における増加距離を、これに対応する電極キャリアの他端における距離の減少により、拡大して補正できるという事実にある。
【００２１】
前述した発明の、２個の別個のセンサキャリアを装備した好ましい実施形態では、好ましくは２個の短い突出部が２個のセンサキャリアを搭載している部分において、２本の別個のレバーが可撓壁と係合する。この実施形態により得られる利点は、センサ手段の位置における、直接的な可撓壁の高度の変形である。
【００２２】
本発明の或る実施形態では、可撓壁に装着されたひずみ計測センサが、好ましくはレバーの動作によりひずみセンサの最大ひずみが生じる位置において、可撓壁と係合する２本のレバーによって作動される。この実施形態により得られる利点は、センサ手段の位置における、直接的な可撓壁の高度の変形である。
【００２３】
本発明によるロードセルの、可撓壁上にフィンを装着した別の実施形態では、２本のレバーが、レバーの動作によってフィンが最大に偏向する位置において、可撓壁と係合している。この実施形態によって得られる利点は、可撓壁の高度の変形によるフィンの高度の偏向である。
【００２４】
本発明によるロードセルの或る好ましい実施形態では、ベース端部と負荷受容部が延長されることで、ロードセルがＳ字タイプを形成している。この実施形態により得られる利点は、張力と垂下負荷を計測できる可能性である。
【００２５】
本発明によるロードセルの別の好ましい実施形態では、ベース端部が延長していることで、さほど厳密ではない装着手段によるロードセルが提供される。この実施形態により得られる利点は、非常に高精密で、同時に、取付けネジのトルクを気にすることなく粗い面上に装着できるロードセルを製造できる可能性である。
【００２６】
本発明によるロードセルのさらに別の好ましい実施形態では、ロードセルを垂直面上に装着する機能をベース端部が備えている。この実施形態による利点は、多くの用途において垂直面のみを提供するという事実にある。
【００２７】
本発明によるロードセルの好ましい実施形態では、可撓壁上で動作するレバーの可撓部分が、負荷受容部から可撓壁の方向において、或る距離を置いて配置されている。この実施形態による利点は、別のロードセル容量について、可撓壁の厚みに対するレバーの有効長さを最適化できる可能性である。
【００２８】
本発明によるロードセルの好ましい実施形態では、ベース端部と負荷受容部が堅固な延長部材で延長されている。この実施形態により得られる利点は、ロードセルに、センサシステムの繊細な部分とは別の、堅固な取付け部を設けることができる可能性である。
【００２９】
本発明によるロードセルの別の実施形態では、ベース端部と負荷受容部が上方および下方へ向かって延びている。この実施形態により得られる利点は、ビーム部間に長い距離が設けられ、これにより、非常に偏心的に印加された負荷に耐え得るロードセルが得られることである。
【００３０】
本発明によるロードセルの好ましい実施形態では、可撓壁の、センサ空洞の堅固な壁と隣り合った範囲が薄く形成されている。この実施形態により得られる利点は、可撓壁の変形が、主に可撓壁の寸法によって決定されることである。
【００３１】
本発明のさらに別の実施形態では、可撓壁が、レバーの一部分内へと延長し、該一部分を形成し、可撓壁上に作用している。この実施形態によるセンサ手段は、ひずみ測定センサであることが好ましく、また、この実施形態は、可撓壁内のほぼ純粋な引張および圧縮を計測できる可能性を提供する。
【００３２】
本発明によるロードセルの好ましい実施形態では、上述したセンサ手段は静電容量性のセンサ手段である。この静電容量性センサシステムにより得られる利点は、ロードセルに印加された外力および負荷に対する非常に高い感度と、さらに、センサシステムにではなく、弾性ボディのみに過負荷がかかるために、衝撃および過負荷に対する高い裕度を提供する非接触型計測方式である。
【００３３】
本発明によるロードセルの好ましい実施形態では、前述のセンサ手段は誘電性のセンサ手段である。誘電性のセンサシステムにより得られる利点は、極端な環境において機能できる可能性と、さらに、センサシステムにではなく、弾性ボディのみに過負荷がかかるために、衝撃および過負荷に対する高い裕度を提供する非接触型計測方式である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図１に示すロードセルは、右端に印加された、計測されるべき外力または負荷Ｐを受けた状態で左端を支持されている。これは、従来技術を例証するものであり、また、ひずみゲージビームロードセル製造において多くの製造業者で使用されている標準タイプのロードセルである。弾性ボディは、通常高強度アルミニウムで製造されており、さらに、堅固なベース端部１、２つのビーム部２、堅固な負荷受容部３を含んでいる。
【００３５】
弾性ボディは、負荷Ｐが印加された際に、堅固な負荷受容部３の角度移動の遮断によって、既知のロバーバル機構として機能し、これにより、負荷または外力Ｐが非常に偏心的に印加された場合にも堅固な負荷受容部３の変位を平行変位に沿って規制することができる。
【００３６】
ロードセルを、負荷の印加場所を問わないものにするこの特徴は、ロードセルでの精密な計測にとって必要な条件である。多くの場合、第３ビーム部４は２つのビーム部２の間に挿入される。これらのロードセルは、２つのビーム部２と第３ビーム部４、および主に位置Ｓ１〜Ｓ８においてのみ変形を経験するが、一方、ベース端部１、負荷受容部３は堅固であるために変形しない。そのため、ひずみゲージは、通常、これらの位置Ｓ１〜Ｓ８のうち１つまたはそれ以上に装着されているが、第３ビーム部４が、ビーム部２の動作によって、上手く画定されたＳ字型に変形するため、これらの中でも位置Ｓ３〜Ｓ６が好ましい。
【００３７】
次に、図２を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明するが、図２は、弾性ボディがベース端部１、２つのビーム部２、負荷受容部３、さらに、センサ手段を装着するべく設けられ、可撓壁５を装備したセンサ空洞を備える基本的な本発明を示すものである。図２中に示すように、センサ空洞を、ベース端部１内に配置することが好ましい。
【００３８】
本発明ではレバー４として動作する第３ビーム部４は、さらに、可撓壁５をロードセルの負荷受容部３と接続する。中央部分が硬質であるが、可撓端部６を設けているビーム部２によって、ベース端部１と負荷受容部３が連結しており、これにより、外力Ｐを非常に偏心的に付加した場合にも、負荷受容部３が平行変位するよう規制される。ロードセルを、負荷の印加場所を問わないものにするこの設計は、ロードセルで精密な計測を行うための必要条件である。
【００３９】
センサ空洞は、カバー７と可撓壁５によって閉鎖されており、また、センサとの間で電力および信号を伝播するケーブル８をカバー７に装着することができる。
【００４０】
図３は、負荷Ｐを印加した場合の、負荷受容部３の変位Ｄ、ビーム部２の角度移動、レバー４、可撓壁５の変形を示している。
【００４１】
全ての変位および変形は、明瞭性の理由から誇張して示している。本発明によるロードセルの精密性にとっては、ロードセルの特性および剛性が、全て、可撓壁の寸法によって包括的に決定づけられることが重要であり、さらに、ビーム部２の可撓性部分６全ての剛性がほとんど無視できるものであることが非常に重要である。
【００４２】
図４は、センサキャリア９からなるセンサ空洞中の静電容量センサによる基本的な本発明を示しているが、該静電容量センサはセラミック板でよく、可撓壁５から離間した場所、好ましくは変形が最大である場所に、該壁５と対向して配置された感知電極１０、１１が配置されている。任意の基準電極１２が、可撓壁の平均的な変位が最小な場所である、センサキャリアの中央に示されているが、あるいはこの基準電極を、本質的に変位がゼロである、センサキャリア９の外周部分に配置することも可能である。
【００４３】
コンデンサ電極を、センサキャリア９の裏側に装着した静電容量計測回路に接続してもよい。この回路は、例えば、米国特許４,７３７,７０６号によるものであってよい。
【００４４】
コンデンサ電極の変わりに、小型コイル形式の誘電センサを、好ましくはセンサキャリア９上の、コンデンサ電極について示した位置と同一の位置に配置してもよい。計測する外力がセンサキャリア９の裏側に印加された結果、可撓壁が変位した際に、回路が、コイルのインダクタンスの変化を、または渦電流効果を感知する。
【００４５】
本発明の全ての実施形態において、レバー４が、より薄い交差部１３を備えていることが好ましく、この交差部１３は、通常、レバーが弾性ボディの負荷受容部３に固定されている端部に配置されており、これにより、負荷受容部３の変位に対応して可撓壁５の変形が増加する。
【００４６】
図５は、別の静電容量センサを具備した本発明の基本を示しており、ここで、この別の静電容量センサは、コンデンサ電極１５、１６を備え、センサキャリアが、レバー４の延長部分であってよい突出部１７上に装着されている。レバー４の動作による負荷受容部３の変位が可撓壁５の変形に変換され、次にこれが、突出部１７によって、センサ空洞の内壁までのコンデンサ電極１５、１６の距離の変化に変換されることが容易にわかる。
【００４７】
さらに、本発明のこの実施形態では、コンデンサ電極を誘電センサで代用している。
【００４８】
本発明の全ての実施形態において、センサ空洞の断面形状は円形、矩形、またはこれ以外の任意の形状であってよく、また、図４中のセンサキャリア９、図５中のセンサキャリア１４を、センサ空洞の断面に関連した形状にして、可撓壁５の特定の変形について最大の静電容量変更を得られるようにしてもよい。
【００４９】
例えば、図５中のセンサ空洞の断面形状が矩形である場合には、センサキャリア１４は矩形であり、電極１５、１６がセンサキャリア１４の上下水平面を被覆していることが好ましい。
【００５０】
本発明によれば、コンデンサ電極を、空洞の内壁に配置し、これに対応する接地電極をセンサキャリア９または１４上に配置することができる。
【００５１】
本発明の或る好ましい実施形態において、図６に示すさらに別の静電容量センサシステムでは、可撓壁から、多数のフィン１８、１９、２０、２１、２２、２３が好ましくは垂直方向に突出している。
【００５２】
レバー４の動作により、可撓壁が図３に示すように変形している際に、フィンの先端が、フィン上、またはフィン間に配置したコンデンサ電極との間の相互距離を拡大または縮小し、これによって非常に高感度の静電容量センサシステムが得られることが容易にわかる。
【００５３】
このフィンは、空洞を機械工作している最中に、弾性ボディの材料で製造され、または、比較的長いフィンを機械工作することを避けるために、各々のフィンを別個のユニットとして製造し、可撓的に機械工作した短い突出部上、あるいは直接可撓部上に固定することが好ましい。フィンを偏向できるようにするためには、図７に示すように、可撓壁がセンサ空洞内側とフィンのエッジとの間の範囲内において変形できる長さだけ、フィンの幅を可撓壁の幅よりも狭くすることが必要である。
【００５４】
同様に、レバー４の幅をフィンの幅と実質的に同じ長さにすることが有利であるが、しかし、これは必須ではない。
【００５５】
図８は、コンデンサ電極２４、２５を絶縁層２６、２７上に装着したフィンを示している。例えば、フィン１９、２２には、図８に示すコンデンサ電極が装着されており、また、フィン１８、２０、２１、２３は接地されている場合には、図３で例証したように、可撓壁５の変形によって、フィン１９上の両電極間の静電容量が拡大し、一方で、フィン２２上の電極間の静電容量が縮小することがわかっている。本発明によれば、フィンの本数を増減することが可能であり、また、例えば、フィン２０、２１を組み合わせて１本のフィンを形成することもできる。同様に、コンデンサ電極を、任意数のフィンの片側または両側に配置することができる。
【００５６】
例えば、図８に従ってフィン１８、２３に電極を装着した場合には、内壁とフィン１９、２２が対電極として機能するため、静電容量が各フィン上の一方の電極で増加し、他方の電極で減少する。
【００５７】
同様に、図８に従い、フィン２０、２１に電極を装着し、フィン２０と２１の間に接地したフィンを配置することも可能である。
【００５８】
さらに、本発明のこの実施形態では、コンデンサ電極の代わりに誘電センサを使用することもできる。
【００５９】
図９に示すように、本発明の好ましい実施形態では、フィン間に別個の計測電極２８、２９が配置されており、また、これらの計測電極を、可撓壁５に関連した固定位置に、あるいは、センサ空洞の内壁に関連した固定位置に装着することが好ましいが、しかしこれは必須ではない。フィン３０、３１を、可撓壁の、適切な変形を為す適所に配置することにより、負荷または外力Ｐを印加した際に、レバー４の延長部分であってよいフィン３２が電極２８までの距離を縮小する一方で、可撓壁の変形時に、有利に配置したフィン３０も電極２８までの距離を縮小するという効果が得られる。
【００６０】
同様に、電極２９の、フィン３２、フィン３１までの距離が増加する。
【００６１】
さらに、本発明のこの実施形態では、コンデンサ電極の代わりに誘電センサを使用することも可能である。
【００６２】
空洞の内壁を対向電極として使用せず、これ以外の、例えばフィン上の電極、または別個に装着した電極を使用する本発明の全ての実施形態の利点は、可撓壁５を包囲しているセンサ空洞の壁部のひずみが、例えばロードセル上に装着応力が存在しているために、計測エラーが生じることがないというものである。
【００６３】
図１０は基本的な本発明を示しているが、ここでは、本発明に、好ましくはひずみゲージ３５、３６の形態であり、好ましくは可撓壁５が最大に変形する位置に配置されているひずみセンサが取り付けられ、また、任意で、変形が最小な位置に基準ひずみゲージ３７がとりつけられている。
【００６４】
従来技術のひずみゲージロードセルと比較すると、本発明によるひずみゲージロードセルは、製造段階をこれ以上増やすことなく、ひずみゲージを周囲環境から遮断することができるという非常に重要な利点を備えており、さらに、全てのゲージが接近して装着されているため、配線が非常に単純であるという利点も備えている。
【００６５】
低コストで大量生産するために、全てのゲージを１個のユニットに統合した特別のひずみゲージシステムを使用することができる。
【００６６】
本発明によれば、可撓壁内のひずみも、別の、光学または誘電性のひずみ計測手段によって計測することができる。
【００６７】
本発明によれば、図１１に示すように、前述した実施形態でのレバー４の機能を、ベース端部１を、負荷または外力受容部３と連結しているビーム部２の一部分であってよいレバー３３の一方または両方で実行している。可撓壁の変形を可能にするために、図１１中に示す穴３４のように有利に配置することが可能な穴またはスロットが、ベース端部１に機械工作されている。
【００６８】
あるいは、図１２に示すように、可撓壁５と対向した状態でセンサ３８、３９が装着されている電極キャリア３７を、短い突出部またはフィン４０上に取り付けることも可能である。レバー４の動作による可撓壁５の変形は、センサまたは電極３８、３９と可撓壁５の間の距離の変化によって計測される。
【００６９】
図１３に本発明による別の配置を示しており、ここでは、突出部またはリブ上に、可撓壁５と対向して別個に装着した２個のセンサまたは電極キャリア４１、４３を備えている。一方のセンサキャリア上の電極が、可撓壁までの距離を拡大させ、他方のセンサキャリア上の電極が同距離を短縮させる。各センサキャリアに、電極を１個のみ、センサキャリアの表面を被覆して装着した場合には、電極キャリアの一端における距離の短縮が、電極キャリアの反対側の端部における関連する距離により補正されるため、短い突出部上の電極キャリアの傾斜によって生じるエラーは非常に少ない。
【００７０】
図１３によるロードセルは、図１４に示すようにレバー４を有利に備えており、このレバー４は、２つの別個のレバーに分割され、その各々が可撓壁上で、好ましくは２つの位置、つまり、２個のセンサキャリアをその突出部上に取り付けている位置において動作する。
【００７１】
同様に、図１０に示したロードセルも、図１５に示すようにレバー４を有利に備えることができ、このレバー４は、２本のレバーに分割され、その各々が可撓壁上の、好ましくは、ひずみセンサ内で最も高いひずみが生成される２つの位置において直接動作する。
【００７２】
図９に示したロードセルは、図１６に示すようにレバー４を有利に備えており、このレバー４は、２本の別個のレバーに分割され、可撓壁上の、好ましくはフィンの最大偏向が生成される２つの位置で直接動作する。
【００７３】
本発明によるロードセルは、図１７に示すように、張力と垂下負荷の計測に理想的である既知のＳ字タイプのロードセルを提供するために、部分４８、４９が各々延びたベース端部１と負荷受容部３を備えている。図１７のロードセルは図９のセンサシステムを伴って示されているが、本発明による任意のセンサシステムを使用することが可能である。
【００７４】
本発明によるロードセルはさらに、非常に高精度の計測を行う目的で、図１８に示すように、ロードセルの装着により生じた応力がセンサシステムに到達することを防止するために、部分４８が延びたベース端部１を備えている。ビーム部２の可撓部分６の精密な機械工作を容易にするために、ビーム部の内部および外部において溝５０が同時に工作される。図１８のロードセルは、図９のセンサシステムを装備して示されているが、本発明による任意のセンサシステムを使用することができる。
【００７５】
図１９では、本発明によるロードセルは、垂直面に装着するための機能を装備している。ボルト５１からの装着応力を維持し、センサシステムまで達するように、センサ空洞の内面と外面に溝５２を機械工作することができる。図１９のロードセルは、図９のセンサシステムを装備して示されているが、本発明による任意のセンサシステムを使用することができる。
【００７６】
図２０は、本発明によるロードセルを示しており、ここでは、レバー４の可撓部分１３が、延長部５３の手段により、負荷受容部における位置から、よりベース端部１に近い位置へと移動される。最高の精密度で計測を行うために、ビーム部２は可能な限り低い剛性を有する。この最小の剛性は、可撓部分６を非常に薄くするか、または、ビーム部２を長くすることで得られるが、可撓部分６を非常に薄くすることは、その部分の伸縮性が減少するために理想的でない。ビーム部２を長く設けると、レバー４も長くなり、これにより、負荷受容部３の特定の変位について可撓壁の偏向が低減される。高速計測のために、負荷受容部３の偏向を小さく維持する必要があるので、レバー４の長さを、可撓壁５の寸法に関連してロードセルの容量を決定する延長部５３の長さに関連して寸法することで最良が得られる。図２０のロードセルは、図９のセンサシステムを装備して示されているが、本発明による任意のセンサシステムを使用することができる。
【００７７】
本発明による、また図２１に示すロードセルは、ベース端部１および負荷受容部３のそれぞれの堅固な延長部５７、５８を備えており、この延長部により、過酷な用途におけるロードセルの装着が容易になる。
【００７８】
通常、図２１のロードセル本体は、センサ空洞内に、ビーム２、レバー４、可撓部６、１３、５４、５５、センサシステムを機械工作することで形成される。堅固な延長部５７、５８は、符号５６において材料をプラズマ切断することにより、低コストでの製造が可能である。
【００７９】
延長部５７の立体的な寸法により、外部負荷受容部５９を、ボルト６０によって、ボルト引張力からの干渉を全く受けることなく、ロードセルに留めることができ、また同様に、堅固な延長部５８により、計測を妨害することなく、ロードセルをベース構造部上に装着することができる。図２１のロードセルは、図９のセンサシステムを装備して示されているが、本発明による任意のセンサシステムを使用することが可能である。
【００８０】
図２２は、本発明によるロードセルを示しており、ここでは負荷Ｐが非常に偏心的に印加された場合の、ビーム部２のひずみを低減するために、二つのビーム２間の距離を拡大したロードセルを示している。図２２のロードセルは、図９のセンサシステムを装備して示されているが、本発明による任意のセンサシステムを使用することができる。
【００８１】
図２３には、可撓壁の変形をセンサ空洞の壁から絶縁するために、本発明によるロードセルの可撓壁の厚みが外周において減少している様子を示す。これはつまり、可撓壁の変形が、可撓壁自体の寸法によってほぼ完全に決定されるということであり、またこれは、精密な計測に必須である。図２３のロードセルは図９のセンサシステムを装備して示されているが、本発明による任意のセンサシステムを使用することが可能である。
【００８２】
図２４では、可撓壁がレバー内に延長し、空洞４５を形成し、例えばひずみセンサ４６、４７を空洞内に装着することが可能になるようなロードセルが示されている。これ以外の、上述したタイプのセンサ手段を、空洞４５を包囲する可撓壁の内部または表面に取り付けることができる。
【００８３】
本発明の全ての実施形態で共通する非常に重要な利点は、センサ空洞の閉鎖が、可撓壁から或る距離において実施されるため、計測を妨害しないことである。従来技術によるロードセルのセンサシステムを密封する方法は、金属蛇腹または金属カバーを備えているが、そのばね定数によって計測が妨害されてしまう。これ以外にも、この方法は装着にコストがかかり、工業環境に適していない。
【００８４】
静電容量センサシステムが高感度であるために、弾性ボディの材料の降伏強さの要求は相応に低く、また、好ましくは静電容量センサを使用した場合に、プラズマ切断、焼結、鋳造のような工業生産プロセスを使用した低コスト・大量生産が可能となる。
【００８５】
ここで本発明の好ましい実施形態を例証および説明した事実により、ここで詳細に開示した形態に対して変更および改造を行えることが当業者には理解されるだろう。
【００８６】
したがって、本発明は、詳細に開示した形態に限定されるものではない。
【００８７】
例えば、センサ手段を備えた可撓壁を負荷受容部３内に配置したり、センサを備えた可撓壁をベース端部および負荷受容端部の両方の内部に配置することができる。
【００８８】
さらに、本発明によるとレバー４は可撓壁５と負荷受容部３の間のどこかに配置することができる。
【００８９】
またさらに、可撓壁の変形を特定のセンサに合わせるべく適応させるために、可撓壁と係合する、２本よりも多くの本数のレバーを本発明によるロードセルに設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】従来技術の、幅広く使用されているひずみゲージロードセルを示す。
【図２】本発明の基本的な実施形態であり、負荷受容部と可撓壁の間にレバーが接続している状態を示す。
【図３】図２の基本的な実施形態の異なる部分の変形を、明瞭性のために誇張して示す。
【図４】本発明の一つの実施形態であり、可撓壁の変形を計測するための、静電容量性または誘電性センサ手段を示している。
【図５】本発明の一つの実施形態であり、可撓壁の変形によって生じた変位を計測するための、第２のタイプの静電容量性または誘電性センサ手段を示す。
【図６】本発明の或る実施形態であり、可撓壁の変形を計測するための、第３のタイプの静電容量性または誘電性センサを示す。
【図７】図６のセンサシステムを、可撓壁に対して垂直に見た状態を示す。
【図８】可撓壁に固定されたフィン上に配置したコンデンサ電極の例である。
【図９】可撓壁に固定されたフィン間に装着したコンデンサ電極の例である。
【図１０】可撓壁の変形を計測するためのひずみセンサを備えた本発明の一つの実施形態である。
【図１１】可撓壁上で動作するレバーとして機能する、ベース端部と負荷または外力受容部とを連結するためのビーム部を備えた、本発明の一つの実施形態である。
【図１２】本発明の一つの実施形態であり、可撓壁の変形を計測するための、別タイプの静電容量性または誘電性センサ手段を示す。
【図１３】本発明の一つの実施形態であり、可撓壁の変形を計測するための、さらに別タイプの静電容量性または誘電性センサ手段を示す。
【図１４】図１３の本発明の一つの実施形態であり、可撓壁上で動作する２本のレバーを示している。
【図１５】図１０の本発明の一つの実施形態であり、可撓壁上で動作する２本のレバーを示している。
【図１６】図９の本発明の一つの実施形態であり、可撓壁上で動作する２本のレバーを示している。
【図１７】張力および垂下負荷を計測するためにロードセルを適応させた、本発明の一つの実施形態である。
【図１８】粗い面上に装着された場合においても、高精度での計測を行うために、ロードセルを適応させた本発明の一つの実施形態である。
【図１９】垂直面上に装着するべくロードセルを設けた、本発明の一つの実施形態である。
【図２０】レバーの有効長さを変更することでロードセルを最適化できる、本発明の一つの実施形態である。
【図２１】ロードセルを、頑丈な用途に装着するべく適応させた、本発明の一つの実施形態である。
【図２２】ロードセルを、非常に偏心的な負荷に対して計測を行うために適応させた、本発明の一つの実施形態である。
【図２３】可撓壁の変形をセンサ空洞の壁から絶縁するために、ロードセルの可撓壁を外周において減少させた、本発明の一つの実施形態である。
【図２４】可撓壁が、可撓壁上で動作するレバーの一部分内に延長し、この一部分を構成している、本発明の一つの実施形態である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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