(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
力及びトルクの複数の成分を同時に検出するための多コンポーネント・トランスデューサ（２）であって、
前記多コンポーネント・トランスデューサ（２）は、各々が圧電結晶材料で作られた素子（２１，２１ａ，２１ｂ）を有する、複数のコンポーネント・トランスデューサ（２０）であって、トルク成分（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を検出するための複数のコンポーネント・トランスデューサ（２０）が互いの上に積み重ねられて形成されたグループ（２００）を備え、
各コンポーネント・トランスデューサ（２０）において、圧電結晶材料からなる素子（２１）は素子表面を含み、力成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）は、前記素子表面上に電気分極電荷を生成し、検出される前記トルク成分（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）は、力成分（＋Ｆｘ，−Ｆｘ；＋Ｆｙ，−Ｆｙ；＋Ｆｚ，−Ｆｚ）を有する少なくとも一対からなり、一対の前記力成分（＋Ｆｘ，−Ｆｘ；＋Ｆｙ，−Ｆｙ；＋Ｆｚ，−Ｆｚ）は、同一の作用軸線及び対向する作用方向を有し、前記素子（２１）は、第１及び第２の素子区分（２１ａ，２１ｂ）からなり、前記第１及び第２の素子区分（２１ａ，２１ｂ）は、一対の前記力成分（＋Ｆｘ，−Ｆｘ；＋Ｆｙ，−Ｆｙ；＋Ｆｚ，−Ｆｚ）の対向する作用方向のために対向する分極方向（Ｐ）で配置され、
各コンポーネント・トランスデューサ（２０）は、前記第１の素子区分（２１ａ）が前記一対の第１の力成分（＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚ）を検出し、且つ、前記第２の素子区分（２１ｂ）が前記一対の第２の力成分（−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚ）を検出するように、別々に一対の前記力成分（＋Ｆｘ，−Ｆｘ；＋Ｆｙ，−Ｆｙ；＋Ｆｚ，−Ｆｚ）を検出し、前記力成分（＋Ｆｘ，−Ｆｘ；＋Ｆｙ，−Ｆｙ；＋Ｆｚ，−Ｆｚ）は、一対の法線力成分（＋Ｆｚ，−Ｆｚ）及び二対の剪断力成分（＋Ｆｘ，−Ｆｘ；＋Ｆｙ，−Ｆｙ）であって、前記トルク成分（Ｍｘ，Ｍｙ）のために前記法線力成分（＋Ｆｚ，−Ｆｚ）の縦効果を検出する場合には、前記第１及び第２の素子区分（２１ａ，２１ｂ）は、前記法線力成分（＋Ｆｚ，−Ｆｚ）の作用軸線に垂直な平面に配置され、前記トルク成分（Ｍｚ）のために前記剪断力成分（＋Ｆｘ，−Ｆｘ；＋Ｆｙ，−Ｆｙ）の剪断効果を検出する場合には、前記第１及び第２の素子区分（２１ａ，２１ｂ）は、前記剪断力成分（＋Ｆｘ，−Ｆｘ；＋Ｆｙ，−Ｆｙ）の作用軸線の平面に配置され、
一対の素子区分ごとに及び層ごとに、円板形又はリング形を構成する前記第１及び第２の素子区分（２１ａ，２１ｂ）が、間隙によって互いから離間され、前記トルク成分（Ｍｘ）を検出するための前記一対の素子区分について、前記第１及び第２の素子区分（２１ａ，２１ｂ）の対向面の間の間隙は、前記トルク成分（Ｍｘ）のＸ作用軸線に平行の配向で両方の層に配置され、前記トルク成分（Ｍｙ）を検出するための前記一対の素子区分について、前記第１及び第２の素子区分（２１ａ，２１ｂ）の対向面の間の間隙は、前記トルク成分（Ｍｙ）のＹ作用軸線に平行の配向で両方の層に配置され、前記トルク成分（Ｍｚ）を検出するための前記一対の素子区分について、前記第１及び第２の素子区分（２１ａ，２１ｂ）の対向面の間の間隙は、前記トルク成分（Ｍｚ）の第１の一対の力成分（＋Ｆｘ，−Ｆｘ）のＸ作用軸線に平行の配向で一方の層に、及び前記トルク成分（Ｍｚ）の第２の一対の力成分（＋Ｆｙ，−Ｆｙ）のＹ作用軸線に平行の配向で他方の層に配置されていることを特徴とする、多コンポーネント・トランスデューサ（２）。
【請求項２】
各コンポーネント・トランスデューサ（２０）において、前記第１及び第２の素子区分（２１ａ，２１ｂ）は、間隙によって前記剪断力成分（＋Ｆｘ，−Ｆｘ；＋Ｆｙ，−Ｆｙ）の作用軸線の平面において互いから離間されていることを特徴とする、請求項１に記載の多コンポーネント・トランスデューサ（２）。
【請求項３】
各コンポーネント・トランスデューサ（２０）において、前記素子（２１）は２つの素子表面を有し、前記第１及び第２の素子区分（２１ａ，２１ｂ）は円板形又はリング形を構成し、感知電極（２２）が、前記第１及び第２の素子区分（２１ａ，２１ｂ）の１つの素子表面上に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の多コンポーネント・トランスデューサ（２）。
【請求項４】
各々が前記第１及び第２の素子区分（２１ａ，２１ｂ）を備える２つの層は、一対に電気的に並列に接続され、感知電極（２２）が、この２つの層の素子表面の間に配置され、前記感知電極（２２）は出力信号を供給することを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の多コンポーネント・トランスデューサ（２）。
【請求項５】
力成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）を検出するためのコンポーネント・トランスデューサ（２０）は、圧電結晶材料からなる素子（２１）を備え、前記素子（２１）は、素子表面を含み、前記力成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）は、前記素子表面上に電気分極電荷を生成し、前記力成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）は、法線力成分（Ｆｚ）又は剪断力成分（Ｆｘ，Ｆｙ）の何れかであって、前記素子（２１）は、前記法線力成分（Ｆｚ）の作用軸線に垂直な平面に、又は前記剪断力成分（Ｆｘ，Ｆｙ）の作用軸線の平面に配置され、前記素子（２１）は、前記法線力成分（Ｆｚ）の縦効果を検出する、又は前記素子（２１）は、前記剪断力成分（Ｆｘ，Ｆｙ）の剪断効果を検出することを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の多コンポーネント・トランスデューサ（２）。
【請求項６】
各々が前記素子（２１）を備える２つの層は、一対に電気的に並列に接続され、感知電極（２２）が、同じ分極を有するこの２つの層の素子表面の間に配置され、前記感知電極（２２）は出力信号を供給することを特徴とする、請求項５に記載の多コンポーネント・トランスデューサ（２）。
【請求項７】
３つのコンポーネント・トランスデューサ（２０）がそれぞれ、力成分（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）を直接検出し、３つのコンポーネント・トランスデューサ（２０）がそれぞれ、トルク成分（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を直接検出することを特徴とする、請求項５に記載の多コンポーネント・トランスデューサ（２）。
【請求項８】
前記素子区分（２１ａ，２１ｂ）は、環状素子（２４）を備え、前記環状素子（２４）は、素子区分（２１ａ，２１ｂ）のマントル表面の外側上に取り付けられ、前記環状素子（２４）は、取付ブラケット（２７）を備え、前記取付ブラケット（２７）は、前記多コンポーネント・トランスデューサ（２）のハウジング（１０）上に前記素子区分（２１ａ，２１ｂ）を機械的に支持することを特徴とする、請求項５〜７の何れか一項に記載の多コンポーネント・トランスデューサ（２）。
【請求項９】
前記素子（２１）は、環状素子（２４）を備え、前記素子区分（２１ａ，２１ｂ）は、環状素子（２４）を備え、前記環状素子（２４）は、前記素子（２１）及び前記素子区分（２１ａ，２１ｂ）のマントル表面の外側上に取り付けられ、前記環状素子（２４）は、アイレット（２５）を備え、前記素子（２１）及び前記素子区分（２１ａ，２１ｂ）は、前記アイレット（２５）を介して前記多コンポーネント・トランスデューサ（２）のハウジング（１０）に機械的に固定され、又は機械的に中心に置かれる方法で固定されていることを特徴とする、請求項５〜８の何れか一項に記載の多コンポーネント・トランスデューサ（２）。
【請求項１０】
前記多コンポーネント・トランスデューサ（２）は、取付プレート（３１，３１’）の間に配置され、前記取付プレート（３１，３１’）は、前記多コンポーネント・トランスデューサ（２）のハウジング（１０）を機械構造に機械的に接続することを特徴とする、請求項１〜９の何れか一項に記載の多コンポーネント・トランスデューサ（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルク成分を感知するための圧電結晶材料に基づくコンポーネント・トランスデューサに関する。本発明はまた、このようなコンポーネント・トランスデューサを使用して、力及びトルクの複数の成分を感知するための多コンポーネント・トランスデューサに関する。更に、本発明は、このような多コンポーネント・トランスデューサの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力トランスデューサ又は力トランスデューサは、様々な用途に使用されている。このようなトランスデューサは、度々様々な力及びトルクに晒される。例えば、並進運動が力の下で行われる、製造工程における、特に製粉加工、平面加工、等における切断力の測定である。用途に応じて、３つの座標軸線Ｘ，Ｙ，Ｚを有するデカルト座標系における力及びトルクの複数の成分が同時に感知される。
【０００３】
公知の圧力トランスデューサ又は力トランスデューサは、圧電結晶材料又は歪ゲージ（ＤＭＳ）に基づいて動作する。圧電結晶材料の場合、ＤＭＳシステムを形成するために、ＤＭＳは、センサ素子のみであって、別々のトランスデューサ素子に接続されていなければならない一方で、センサ素子及びトランスデューサ素子は１つの部品において結合される。機能に関して、２つの間には大きな相違がある。この結果、圧電結晶材料の剛性、従って精度、固有振動数、過負荷能力は、典型的には、ＤＭＳシステムの場合よりも一桁大きい。更に、圧電結晶材料を含むトランスデューサの寸法は、ＤＭＳシステムを含む同等のトランスデューサよりも３０倍小さい。最後に、圧電結晶材料の動的測定範囲は、圧電結晶材料を含む単一のトランスデューサがＤＭＳシステムを含む複数のトランスデューサの動的測定範囲に及ぶようにかなり広い。これらの理由から、本発明は、圧電結晶材料に基づく多コンポーネント・トランスデューサに関する。
【０００４】
特許文献１は、３つの力成分の同時測定のための圧電結晶材料に基づく３−コンポーネント・トランスデューサを開示する。この３−コンポーネント・トランスデューサの構造設計は、図１に詳細に示される。矢印によって示される力Ｆは、圧電結晶材料からなる円板形の素子２１によって吸収される。素子２１の素子表面上の力Ｆによって発生された正の電気分極電荷は＋で示される一方で、素子２１の素子表面上の力Ｆによって発生された負の電気分極電荷は−で示される。コンポーネント・トランスデューサ２０は、正の電気分極電荷を受け取るための感知電極２２を備え、負の電気分極電荷を受け取るための電極２３を備える。感知電極２２は、吸収された力成分の量に比例する出力信号を提供する。電極２３は接地されている。２つの素子２１をそれぞれ有する３−コンポーネント・トランスデューサ２０は、Ｚ座標軸線に沿って互いの上に積み重ねられ、３つの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを直接及び同時に受け取るためのグループ２００を形成する。
【０００５】
しかし、自動化技術において、特に人型ロボットの場合のロボット工学において、又はリストセンサとして、３つのデカルト座標全てにおける力及びトルクの取得のための長い間の必要性がある。
【０００６】
これに対処するために、特許文献２は、力及びトルクの複数の成分を検出するための６つのコンポーネント・トランスデューサを開示する。圧電結晶材料に基づく４つの同一の３−コンポーネント・トランスデューサは、互いから離間されてＸ−Ｙ平面に長方形の形状で配置されている。４つの３−コンポーネント・トランスデューサの構造設計は、特許文献１から公知である。長方形の辺の長さは、３−コンポーネント・トランスデューサの直径よりも何倍も長い。この結果、３−コンポーネント・トランスデューサは、同時及び直接に３つの力成分を感知し、続いて、３つの更なるトルク成分は、感知された力成分と互いからの３−コンポーネント・トランスデューサの距離とからベクトル計算によって計算される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】スイス国特許第４７２，６６８号明細書
【特許文献２】スイス国特許第５０２，５９０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の第１の目的は、トルク成分を感知するための圧電結晶材料に基づくコンポーネント・トランスデューサを提供することである。本発明の別の目的は、このようなコンポーネント・トランスデューサを使用して力及びトルクの複数の成分を感知するための多コンポーネント・トランスデューサを提供することであって、多コンポーネント・トランスデューサは、できるだけ小さい最大寸法を有する。更に、コンポーネント・トランスデューサ並びに多コンポーネント・トランスデューサは、構造において強固であって、製造においてコスト効率があるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これらの目的の少なくとも１つは、独立請求項の特徴によって達成される。
【００１０】
本発明は、トルク成分を感知するためのコンポーネント・トランスデューサに関し、圧電結晶材料からなる素子は素子表面を含み、力成分は、素子表面上に電気分極電荷を生成し、感知されるトルク成分は、力成分を有する少なくとも一対からなり、一対の力成分は、同一の作用軸線及び対向する作用方向を有する。コンポーネント・トランスデューサは、別々に一対の力成分を感知する。
【００１１】
驚くべきことに、一対の力成分が別々に感知される場合には、トルク成分は圧電結晶材料からなる素子によって直接感知されることできることが分かった。この目的のために、素子は複数の素子区分から構成されてもよく、それによって、各素子区分は一対の力成分のうちの１つを感知する。素子区分は、間隙によって互いから離間されている。一方、電気分極電荷を受け取るための感知電極は、複数の感知電極区分からなり、それによって、各感知電極区分は、一対の力成分のうちの１つから電気分極電荷を受け取る。感知電極区分はまた、互いに離間されている。
【００１２】
第１の好ましい実施形態においては、対向する分極方向を有する素子区分は、トルク成分の一対の力成分の対向する作用方向のために互いに並んで配置され、それによって、各素子区分は、一対の力成分のうちの１つを受け取る。更なる好ましい実施形態においては、感知電極区分は、素子の異なる素子面上に配置され、一方、素子は、トルク成分の一対の力成分の対向する作用方向のためにその分極方向で配置され、それによって、一対の力成分は、素子表面上に電気分極電荷を生成し、且つ、各感知電極区分は、一対の力成分のうちの１つから電気分極電荷を受け取る。
【００１３】
コンポーネント・トランスデューサは、比較的小さい構造寸法を要求し、強固に構築され、低コストで製造されることができる。
【００１４】
本発明はまた、このようなコンポーネント・トランスデューサを使用する多コンポーネント・トランスデューサ、並びにこのような多コンポーネント・トランスデューサの使用に関する。
【００１５】
以下において、本発明が、図面に関して詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】先行技術の３−コンポーネント・トランスデューサの構造設計の概略図である。
【図２】トルク成分を感知する図１による剪断効果のための公知のコンポーネント・トランスデューサの一部分の概略図を示す。
【図３】トルク成分を感知する図１による縦効果のための公知のコンポーネント・トランスデューサの一部分の概略図を示す。
【図４】トルク成分を感知する剪断効果のための本発明によるコンポーネント・トランスデューサの第１の実施形態の一部分の概略図を示す。
【図５】トルク成分を感知する剪断効果のための本発明によるコンポーネント・トランスデューサの第２の実施形態の一部分の概略図を示す。
【図６】トルク成分を感知する剪断効果のための本発明によるコンポーネント・トランスデューサの第３の実施形態の一部分の概略図を示す。
【図７】トルク成分を感知する剪断効果のための本発明によるコンポーネント・トランスデューサの第４の実施形態の一部分の概略図を示す。
【図８】トルク成分を感知する縦効果のための本発明によるコンポーネント・トランスデューサの第１の実施形態の一部分の概略図を示す。
【図９】トルク成分を感知する縦効果のための本発明によるコンポーネント・トランスデューサの第２の実施形態の一部分の概略図を示す。
【図１０】トルク成分を感知する縦効果のための本発明によるコンポーネント・トランスデューサの第３の実施形態の一部分の概略図を示す。
【図１１】トルク成分を感知する縦効果のための本発明によるコンポーネント・トランスデューサの第４の実施形態の一部分の概略図を示す。
【図１２】図４、図５、図８、及び図９によるコンポーネント・トランスデューサを使用する本発明の多コンポーネント・トランスデューサの実施形態の構造設計の断面を表す。
【図１３】図１２による多コンポーネント・トランスデューサの図を示す。
【図１４】図１２による多コンポーネント・トランスデューサの構造設計の分解図を示す。
【図１５】図１２による多コンポーネント・トランスデューサの構成部品の斜視図を示す。
【図１６】図１２〜図１４による多コンポーネント・トランスデューサの使用の図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
直接圧電効果は、圧電結晶材料に作用する力Ｆの量に比例する電気分極電荷の生成である。例えば、石英（ＳｉＯ２単結晶）、ガロゲルマニウム酸カルシウム（Ｃａ３Ｇａ２Ｇｅ４０１４又はＣＧＧ）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５Ｓｉ０１４又はＬＧＳ）、トルマリン、オルトリン酸ガリウム、等の圧電結晶材料は、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌｏｇによって出版されたＧ．Ｇａｕｔｓｃｈｉ著の「Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒｓ」で説明されている。圧電結晶材料は、力Ｆが感知される高感度を有する、すなわち素子表面上に多数の負及び正の電気分極電荷が生成されるように、結晶方位の素子表面を有する素子に切断される。感知される力Ｆのデカルト座標系に関して、高感度の座標軸は、分極方向Ｐと呼ばれる。図１〜図１１において、分極方向Ｐは、負の電気分極電荷を有する素子表面から、正の電気分極電荷を有する素子表面に向かって延伸する。
【００１８】
力Ｆは、力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを含み、これらの指数は、力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚが作用する素子表面ｘ，ｙ，ｚを示す。力Ｆは、法線力又は剪断力の何れかとして素子表面に作用する。法線力は、素子表面の表面法線に平行な作用軸線に沿って作用する。剪断力は、素子表面の表面法線に垂直な作用軸線に沿って作用する。直接圧電効果に関して、これは縦効果が剪断効果と区別されることを意味する。縦効果は、表面法線が法線力の作用軸線に平行である素子表面上に電気分極電荷を生成する。剪断効果は、表面法線が剪断力の作用軸線に垂直である素子表面上に電気分極電荷を生成する。この結果、圧電結晶材料は結晶方位の素子表面を有する素子に切断されて、後者の分極方向Ｐは法線力の作用軸線に平行である、又は分極方向Ｐは剪断力の作用軸線に垂直であるようにすることができる。
【００１９】
図１は、特許文献１から公知の３−コンポーネント・トランスデューサによる力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの感知を例示的に示す。３−コンポーネント・トランスデューサは、素子表面を含む複数の素子２１を備える。各素子２１は、Ｚ座標軸に平行である分極方向Ｐを有する。感知電極２２及び電極２３は、剪断力のＸ−Ｙ平面に配置され、法線力に垂直である。第１のコンポーネント・トランスデューサ２０は、剪断力のＸ作用軸線の剪断効果を感知する。第２のコンポーネント・トランスデューサ２０は、法線力のＺ作用軸線の縦効果を感知する。第３のコンポーネント・トランスデューサ２０は、剪断力のＹ作用軸線の剪断効果を感知する。
【００２０】
トルク成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚは、力成分を有する少なくとも一対からなる。一対の力成分は、（同じ作用軸線で）互いに平行であって、対向する作用方向を有する。指数ｘ，ｙ，ｚは、それぞれトルク成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの作用軸線を示す。トルク成分Ｍｚは、力成分＋Ｆｘ，−Ｆｘ及び＋Ｆｙ，−Ｆｙを有する二対を含む。トルク成分Ｍｘは、力成分＋Ｆｚ，−Ｆｚを有する一対を含む。トルク成分Ｍｙはまた、力成分＋Ｆｚ，−Ｆｚを有する一対を含む。
【００２１】
図１による公知の３−コンポーネント・トランスデューサは、トルク成分を感知することができない。これは、図２及び図３に示されている。この目的のために、図２は、図１による剪断力のＸ作用軸線の剪断効果のための第１のコンポーネント・トランスデューサ２０の一部分を示す。図２において感知されるトルク成分Ｍｚは、一対の剪断力成分＋Ｆｘ，−Ｆｘを含み、それは、一対の剪断力成分＋Ｆｙ，−Ｆｙを含む。しかし、第１のコンポ−ネント・トランスデューサ２０は、Ｘ座標軸に沿って作用するトルク成分Ｍｚの一対の剪断力成分＋Ｆｘ，−Ｆｘを感知するのみである。図３は、図１による法線力のＺ作用軸線の縦効果のための第２のコンポーネント・トランスデューサ２０の一部分を示す。図３において感知されるトルク成分Ｍｘは、一対の法線力成分＋Ｆｚ，−Ｆｚのみを含む。しかし、第２のコンポーネント・トランスデューサ２０は、Ｚ座標軸に沿って作用するトルク成分Ｍｘの一対の法線力成分＋Ｆｚ，−Ｆｚを感知するのみである。図２による２つの力成分＋Ｆｘ，−Ｆｘ、及び図３による２つの力成分＋Ｆｚ，−Ｆｚの対向する作用方向のために、負の電気分極電荷と正の電気分極電荷との両方が、感知電極２２の素子表面上に生成される。感知電極２２によって受け取られた電気分極電荷の合計はゼロである、すなわち、コンポーネント・トランスデューサ２０は、トルク成分Ｍｚ，Ｍｘを検出することができない。
【００２２】
図４〜図７は、トルク成分Ｍｚを感知することが一対の剪断力成分＋Ｆｘ，−Ｆｘ及び一対の剪断力成分＋Ｆｙ，−Ｆｙを含む際の剪断効果のための本発明によるコンポーネント・トランスデューサ２０の４つの実施形態の一部分を示す。図８及び図１０は、一対の法線力成分＋Ｆｚ，−Ｆｚを含むトルク成分Ｍｘを感知する際の縦効果のための本発明のコンポーネント・トランスデューサ２０の２つの実施形態の一部分を示す。図９及び図１１は、一対の法線力成分＋Ｆｚ，−Ｆｚを含むトルク成分Ｍｙを感知する際の縦効果のための本発明によるコンポーネント・トランスデューサ２０の２つの実施形態の一部分を示す。図２（剪断効果）及び図３（縦効果）による先行技術のコンポーネント・トランスデューサ２０との比較可能性を高めるために、図は同様に描かれており、同じ参照番号が使用されている。従って、図１〜図３の説明を参照して、以下においては、主に相違点が説明される。
【００２３】
図４、図５、図８、及び図９による実施形態においては、圧電結晶材料からなる素子２１は、複数の素子区分２１ａ，２１ｂからなる。素子区分２１ａ，２１ｂは、Ｘ−Ｚ平面で半分に切断された図１〜図３による圧電結晶材料の円板形又はリング形の素子２１の同一の半分である。この結果、素子区分２１ａ，２１ｂは、当接面によって範囲を定められた半円である。当接面は、Ｘ−Ｚ平面又はＹ−Ｚ平面にそれぞれ平行であって、図４、図５、図８、及び図９においては、当接面の間に間隙が示される。素子区分２１ａ，２１ｂは、間隙によって互いから離間されている。２つの素子区分２１ａ，２１ｂは、感知電極２２と電極２３との間のＸ−Ｙ平面に並んで配置されている。感知電極２２は、素子中心０に対してより低い素子の一面上に配置されている。図４、図５、図８、及び図９によって、感知電極２２は、素子中心０に対してより低い素子区分２１ａ，２１ｂの２つの素子表面から電気分極電荷を受け取り、出力信号を提供する。２つの素子区分２１ａ，２１ｂの分極方向Ｐは、Ｚ座標軸に平行であるが、それらの分極方向Ｐは対向する。素子区分２１ａ，２１ｂは、一対の力成分＋Ｆｘ，−Ｆｘ，＋Ｆｙ，−Ｆｙ，＋Ｆｚ，−Ｆｚの対向する作用方向のために対向する分極方向Ｐを有する配向で配置されて、第１の素子区分２１ａは第１の力成分である図４による＋Ｆｘ、図５による＋Ｆｙ、及び一対の図８と図９による＋Ｆｚを感知し、第２の素子区分２１ｂは第２の力成分である図４による−Ｆｘ、図５による−Ｆｙ、及び一対の図８と図９による−Ｆｚを感知する。受け取られた力成分は、感知電極２２の素子表面上に負の電気分極電荷を生成する。２つの素子区分２１ａ，２１ｂの素子表面における一面上に配置された感知電極２２は、これらの負の電気分極電荷を受け取る。この結果、感知電極２２によって受け取られる電気分極電荷の合計はそれぞれ、図４及び図５によるトルク成分Ｍｚの量に比例する、又は、図８によるトルク成分Ｍｘの量に比例する、又は、図９によるトルク成分Ｍｙの量に比例する、すなわち、コンポーネント・トランスデューサ２０はそれぞれ、トルク成分Ｍｚ、又はＭｘ、又はＭｙを検出する。
【００２４】
本発明を理解している当業者はまた、コンポーネント・トランスデューサにおいて異なる形状の素子区分を使用することができ、及び／又はコンポーネント・トランスデューサにおいてより多数の素子区分を使用することができる。この結果、当業者は、円板形の素子区分の代わりに、長方形の素子区分を使用することができる。更に、当業者は、４つ、又は６つ、又はそれより多い素子区分を使用することができる。２つより多い素子区分を使用する場合であっても、素子区分は、各素子面上の作用平面において異なる極性で並べて配置されている。この結果、１つの素子面上に４つの素子区分が配置されることができて、４つの素子区分の全てはサイズが同一であって、各素子面上で、等しい数の素子表面が正に分極され、等しい数の素子表面が負に分極される。
【００２５】
図６、図７、図１０、及び図１１による実施形態においては、感知電極２２は、複数の感知電極区分２２ａ，２２ｂからなる。感知電極区分２２ａ，２２ｂは、Ｘ−Ｚ平面で半分に切断された図１〜図３による円板形又はリング形の感知電極２２の同一の半分である。感知電極区分２２ａ，２２ｂは、Ｘ−Ｙ平面に配置されている。感知電極区分２２ａ，２２ｂは、両面上に、すなわち素子中心０に対して２つの素子表面の上下に配置されている。感知電極区分２２ａ，２２ｂは、素子２１によって互いから離間されている。図６、図７、図１０、及び図１１によって、第１の感知電極区分２２ａは、素子中心０に対して上側の素子表面から負に帯電した電気分極電荷を受け取り、第２の感知電極区分２２ｂは、素子中心０に対して下側の素子表面から負に帯電した電気分極電荷を受け取る。素子２１は、一対の力成分＋Ｆｘ，−Ｆｘ；＋Ｆｙ，−Ｆｙ；＋Ｆｚ，−Ｆｚの対向する作用方向のためにその分極方向Ｐで配置されて、第１の感知電極区分２２ａは一対の第１の力成分＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚによって生成された電気分極電荷を受け取り、２０の第２の感知電極区分２２ｂは一対の第２の力成分−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚによって生成された電気分極電荷を受け取る。これらの受け取った電気分極電荷は、出力信号である。
【００２６】
感知電極と同様に、電極は複数の電極区分２３ａ，２３ｂからなる。電極区分２３ａ，２３ｂは、Ｘ−Ｚ平面で半分に切断された図１〜図３による円板形の電極２３の同一の半分である。感知電極区分２２ａ，２２ｂは、対向する素子表面上のＸ−Ｙ平面に配置されている。電極区分２３ａ，２３ｂは、両面上に、すなわち素子中心０に対して素子表面の上下に配置されている。図６、図７、図１０、及び図１１によって、第１の電極区分２３ａは、素子中心０に対して上側の素子表面から正に帯電した電気分極電荷を受け取り、第２の電極区分２３ｂは、素子中心０に対して下側の素子表面から正に帯電した電気分極電荷を受け取る。第１及び第２の電極区分２３ａ，２３ｂは接地されている。感知電極区分２２ａ，２２ｂによって受け取られた電気分極電荷の合計はそれぞれ、図６及び図７によるトルク成分Ｍｚの量に比例する、又は、図１０によるトルク成分Ｍｘの量に比例する、又は、図１１によるトルク成分Ｍｙの量に比例する、すなわち、コンポーネント・トランスデューサ２０はそれぞれ、トルク成分Ｍｚ、又はＭｘ、又はＭｙを検出する。
【００２７】
またこの実施形態において、本発明を理解している当業者は、コンポーネント・トランスデューサにおいて異なる形状の感知電極区分又は電極区分をそれぞれ使用することができ、及び／又はコンポーネント・トランスデューサにおいてより多数の感知電極区分又は電極区分をそれぞれ使用することができる。この結果、円板形又はリング形の感知電極区分又は電極区分をそれぞれ使用する代わりに、当業者は、長方形の感知電極区分又は電極区分をそれぞれ使用することができる。更に、当業者は、４つ、又は６つ、又はそれより多い感知電極区分又は電極区分をそれぞれ使用することができる。そして、２つより多い感知電極区分又は電極区分はそれぞれ使用される場合には、感知電極区分又は電極区分はそれぞれ、素子中心に対して素子表面の上下の作用平面において配置されている。素子表面ごとに４つの感知電極区分又は電極区分がそれぞれ配置されることができて、４つの感知電極区分の全て又は４つの電極区分の全てはそれぞれ、サイズが同一であって、各素子表面において、等しい数の感知電極区分又は電極区分がそれぞれ配置されている。最後に、当業者は、異なる方法でどのように電気分極電荷の受け取りを実行するかを理解している。本発明によって、感知電極が正の電気分極電荷を受け取り、この結果、出力信号を供給する一方で、当業者はまた、負の電気分極電荷を取り込む感知電極を提供することができる。
【００２８】
図１２は、本発明の多コンポーネント・トランスデューサ１の好ましい実施形態の構造設計の断面図を示す。多コンポーネント・トランスデューサ２は、Ｚ座標軸の方向に中央貫通孔を有する円形又は角形のプレートからなるハウジング１０を有する。ハウジング１０の上部及び下部の境界は、Ｘ−Ｙ平面において互いに平行に延伸する。ハウジング１０は、使用中に起こり得る衝撃及び衝突から多コンポーネント・トランスデューサ２を保護する。ハウジング１０はまた、汚染（埃、湿気、等）等の有害な環境の影響から多コンポーネント・トランスデューサ２を保護する。最後に、ハウジング１０は、電磁放射の形式の電気及び電磁干渉から多コンポーネント・トランスデューサ２を保護する。
【００２９】
コンポーネント・トランスデューサのグループ２００は、Ｚ座標軸の方向から見られるように２つの力伝達プレート１１，１１’の間の貫通孔に配置されている。力伝達プレート１１，１１’及びグループ２００は、外側半径及び内側半径を有する中空シリンダである。外側半径及び内側半径は共に、中空シリンダのマントル高さより大きい。例えば、力伝達プレート１１，１１’及びグループ２００の外側半径は２５ｍｍであって、内側半径は１５ｍｍである。例えば、力伝達プレート１１，１１’のマントル高さは５ｍｍであって、グループ２００のマントル高さは１０ｍｍである。
【００３０】
力伝達プレート１１，１１’は、感知される力及びトルクを受け取り、それらをグループ２００に伝達する。この目的のために、力伝達プレート１１，１１’は、第１のフランジ１２，１２’を介した予張力の下で、Ｚ座標軸の方向においてハウジング１０にそれらの外側半径で弾性的に接続される。力伝達プレート１１，１１’及びフランジ１２，１２’は、単一部品から形成される。ハウジング１０の境界へのフランジ１２，１２’の接続は、材料結合によって達成される。それらの内側半径において、２つの力伝達プレート１１，１１’は、材料結合によって更なるフランジ１２’’，１２’’’を介して内側スリーブ１３に予張力の下で接続される。内側スリーブ１３は、スリーブ形であって、Ｚ座標軸の方向に延伸する。この結果、２つの力伝達プレート１１，１１’は、フランジ１２，１２’，１２’’，１２’’’を介して画定された第１の機械的予張力でグループ２００に対して予張力を掛けられる。このようにして、グループ２００は第１の予張力を受ける。第１の機械的予張力は、感知電極、感知電極区分、電極、及び電極区分に対する非常に良好な電気的接触を保証する。内側スリーブ１３の肉厚は０．１ｍｍ以下である。第１の機械的予張力の大きさは数ｋＮの範囲である。溶接、半田付け、及び接着が、材料接合のために使用されることができる。
【００３１】
ハウジング１０、力伝達プレート１１，１１’、及び内側スリーブ１３は、例えば、ステンレス鋼、鋼合金、等の機械的に強固な材料で作られている。ハウジング１０、力伝達プレート１１，１１’、及び内側スリーブ１３は、多コンポーネント・トランスデューサ２の気密密閉を達成する。例えば、セラミックス、鋼、等の高い摩擦係数を有する材料からなるカバープレート１４は、力伝達プレート１１，１１’の表面の外側上に取り付けられている。カバープレート１４は、例えば、接着、半田付け、等の材料接合によって取り付けられている。その高い摩擦係数のために、カバープレート１４は、力伝達プレート１１，１１’上に感知される力及びトルクの実質的に無損失の伝達を達成する。
【００３２】
グループ２００は、複数のコンポーネント・トランスデューサ２０を備える。各コンポーネント・トランスデューサ２０は、素子２１又は素子区分２１ａ，２１ｂ、感知電極２２、及び電極２３を備える。素子２１及び素子区分２１ａ，２１ｂ並びに感知電極２２及び電極２３の説明については、図１〜図１１の説明を参照する。素子２１、素子区分２１ａ，２１ｂ、感知電極２２、及び電極２３は、実質的に同一の内側半径、実質的に同一の外側半径を有し、Ｘ−Ｙ平面において互いに平行に配置されている。
【００３３】
図１４による分解図は、Ｚ座標軸の方向に互いの上に積み重ねられて配置されたグループ２００の６つのコンポーネント・トランスデューサ２０を示す。多コンポーネント・トランスデューサ２は、３つのコンポーネント・トランスデューサ２０を介してそれぞれ力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを直接受け取り、コンポーネント・トランスデューサ２０は、３つのコンポーネント・トランスデューサ２０を介してそれぞれトルク成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを直接受け取る。コンポーネント・トランスデューサ２０の出力信号は、端子１５を介して（図示されない）評価ユニットに送信されることができる。
【００３４】
力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚのためのコンポーネント・トランスデューサ２０は、Ｚ座標軸に平行である分極方向Ｐを有する円板形の素子２１を使用する。１つの層に配置された２つの素子２１は、各一対の素子に電気的に並列に接続されている。この結果、力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚのための各コンポーネント・トランスデューサ２０は、素子２１の２つの層を有する一対の素子、感知電極２２、及び２つの電極２３を備える。感知電極２２は、素子２１の２つの層の間に配置されている。感知電極２２は、一対の素子の等しく分極された素子表面の間に配置され、出力信号を提供する。素子２１の２つの層の各々の外側上に、接地された電極２３が配置されている。第１のコンポーネント・トランスデューサ２０は、剪断力のＸ作用軸線の剪断効果を取り込む。第２のコンポーネント・トランスデューサ２０は、剪断力のＹ作用軸線の剪断効果を取り込む。第３のコンポーネント・トランスデューサ２０は、法線力のＺ作用軸線の縦効果を取り込む。
【００３５】
トルク成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚのためのコンポーネント・トランスデューサ２０は、Ｚ座標軸に平行である分極方向Ｐを有する円板形の素子区分２１ａ，２１ｂを使用する。素子区分２１ａ，２１ｂは、当接面によって範囲を定められた半円である。当接面は、Ｘ−Ｚ平面に平行に延伸し、間隙によって互いから分離されている。２つの素子区分２１ａ，２１ｂはそれぞれ、感知電極２２と電極２３との間のＸ−Ｙ平面の１つの層において並んで対向する分極方向Ｐで配置されている。素子区分２１ａ，２１ｂの２つの層は、各一対の素子区分に電気的に並列に接続されている。トルク成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚのための各コンポーネント・トランスデューサ２０は、素子区分２１ａ，２１ｂの２つの層を備える一対の素子区分、感知電極２２、及び２つの電極２３を備える。感知電極２２は、素子区分２１ａ，２１ｂの２つの層の間に配置されている。感知電極２２は、一対の素子区分の素子表面の間に配置され、出力信号を提供する。１つの電極２３が、素子区分２１ａ，２１ｂの２つの層の外側上にそれぞれ配置され、接地されている。
【００３６】
第４のコンポーネント・トランスデューサ２０は、トルク成分Ｍｘの一対の力成分＋Ｆｚ及び−Ｆｚの縦効果を取り込む。第４のコンポーネント・トランスデューサ２０の２つの素子区分２１ａ，２１ｂの当接面の間の間隙は、トルク成分ＭｘのＸ作用軸線に平行の配向で両方の層に配置されている。第５のコンポーネント・トランスデューサ２０は、トルク成分Ｍｙの一対の力成分＋Ｆｚ及び−Ｆｚの縦効果を感知する。第５のコンポーネント・トランスデューサ２０の２つの素子区分２１ａ，２１ｂの当接面の間の間隙は、トルク成分ＭｙのＹ作用軸線に平行の配向で両方の層に配置されている。第６のコンポーネント・トランスデューサ２０は、トルク成分Ｍｚの第１の一対の力成分＋Ｆｘ及び−Ｆｘ及び第２の一対の力成分＋Ｆｙ及び−Ｆｙの剪断効果を感知する。一方の層において、第６のコンポーネント・トランスデューサ２０の２つの素子区分２１ａ，２１ｂの当接面の間の間隙は、第１の一対の力成分＋Ｆｘ及び−ＦｘのＸ作用軸線に平行の配向で配置されている。他方の層において、第６のコンポーネント・トランスデューサ２０の２つの素子区分２１ａ，２１ｂの当接面の間の間隙は、第２の一対の力成分＋Ｆｙ及び−ＦｙのＹ作用軸線に平行の配向で配置されている。
【００３７】
典型的には、素子２１及び素子区分２１ａ，２１ｂの感度は、１００ｐＣ／Ｎｍ〜１０００ｐＣ／Ｎｍの範囲である。
【００３８】
感知電極２２及び電極２３は、圧電結晶材料からなる素子２１及び素子区分２１ａ，２１ｂの金属被覆から構成されてもよいし、別の金属膜から構成されてもよい。金属被膜又は金属膜はそれぞれ、例えば、鋼、銅、銅合金、等の導電性金属からなる。素子２１及び円板形の区分２１ａ，２１ｂのマントル高さは、約０．８ｍｍであって、感知電極２２及び電極２３のマントル高さは０．１ｍｍである。
【００３９】
図１５は、素子２１、素子区分２１ａ，２１ｂ、感知電極２２、及び電極２３に対する多コンポーネント・トランスデューサ２の構成部品のより詳細な図を示す。
【００４０】
各素子区分２１ａ，２１ｂは、環状素子２４を備える。一定の幅を有する環状素子２４が、素子区分２１ａ，２１ｂのマントル表面の外側上に取り付けられている。環状素子２４は、例えば、形状係止接続を介してマントル表面に取り付けられている。環状素子２４は、例えば、テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）（登録商標）、カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）（登録商標）、等の絶縁材料から作られる。環状素子２４のマントル高さは０．６ｍｍである。環状素子２４の肉厚は約１．０ｍｍである。複数の取付ブラケット２７が環状素子２４に取り付けられている。ブラケット２７は、素子区分２１ａ，２１ｂに対向する環状素子２４の面上に取り付けられている。環状素子２４とブラケット２７とは、単一の部品として作られている。取付ブラケット２７は、環状素子２４の半径方向突起であって、機械的に中心に置かれて電気的に絶縁される方法でハウジング１０に素子区分２１ａ，２１ｂを支持する。
【００４１】
３つのアイレット２５が、素子２１上及び２つの素子区分２１ａ，２１ｂ上に１２０°の角度で形成される。アイレット２５は、素子２１及び２つの素子区分２１ａ，２１ｂに対向する環状素子２４の面上に形成される。アイレット２５は、Ｘ−Ｙ平面に中央開口部を有する円形である。アイレット２５は、機械的に又は機械的に中心に置かれる方法でハウジングに素子２１及び２つの素子区分２１ａ，２１ｂを固定する。例えば、アイレット２５は、力及び形状係止方法でハウジング１０の対応する凹部にスナップ係合する。アイレット２５は、弾性的な方法でハウジング１０の凹部にスナップ係合する。それがスナップ係合する際に、円形アイレット２５は、Ｘ−Ｙ平面で変形され、ハウジング１０に対してＸ−Ｙ平面で素子２１及び素子区分２１ａ，２１ｂを更に引っ張る。環状素子２４及びアイレット２５は、単一の部品として形成される。
【００４２】
感知電極２２及び電極２３はそれぞれ接点２６を備える。接点２６は、感知電極２２及び電極２３のマントル表面で外側上に取り付けられている。接点２６は、感知電極２２を端子１５に電気的に接触させるために提供される。接点２６は、電極２３をアースに電気的に接触させるために提供される。接点２６は、感知電極２２及び電極２３の材料と単一の部品として形成される。電気接触は、例えば、電気伝導体への例えば、溶接、半田付け、等の材料接合によって達成される。
【００４３】
図１６は、２つの取付プレート３１，３１’の間の多コンポーネント・トランスデューサ２の使用を示す。図１６に示される図において、第１の取付プレート３１が多コンポーネント・トランスデューサ２の上方に配置され、一方、第２の取付プレート３１が多コンポーネント・トランスデューサ２の下方に配置されている。取付プレート３１，３１’は、例えば、ステンレス鋼、鋼合金、等の機械的に強固な材料で作られている。取付プレート３１，３１’は、取付プレート孔３１１，３１１’，３１１’’を介して機械構造に機械的に接続されることができる。４つの周辺取付プレート孔３１１，３１１’又は１つの中央取付プレート孔３１１’’を介して、多コンポーネント・トランスデューサ２は、高い曲げ剛性を有する機械構造に接続されることができる。典型的な機械構造は、切断機械、スケール、振動テーブル、人型ロボット、リストトランスデューサ、等の工具テーブルである。
【００４４】
テンショナ開口部３１２のために、取付プレート３１，３１’は、多コンポーネント・トランスデューサ２のハウジング１０に対する画定された第２の機械的予張力で引っ張られることができる。第２の機械的予張力は、例えば１４０ｋＮである。第２の機械的予張力は、Ｚ座標軸の方向に作用し、ハウジング１０を介してグループ２００に対して力伝達プレート１１，１１’を引っ張る。このようにして、グループ２００は、第２の予張力を受ける。グループ２００の第２の機械的予張力は、大きな負の力及びトルクを感知することを可能にする。機械構造への機械的接続並びに第２の機械的予張力は、（図示されない）ねじ、リベット、等によって力及び形状係止方法で達成される。本発明を理解しているならば、当業者は、より小型又は大型の取付プレートを有する多コンポーネント・トランスデューサを使用することができる。更に、当業者は、このような取付プレートを有さない多コンポーネント・トランスデューサを使用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
Ｆ                                  力
Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ                    力成分
Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ                    トルク成分
Ｘ，Ｙ，Ｚ                          座標軸
ｘ，ｙ，ｚ                          指数
０                                  素子中心
１                                  多コンポーネント・トランスデューサ
１０                                ハウジング
１１，１１’                        力伝達プレート
１２，１２’，１２’’，１２’’’  フランジ
１３                                内側フランジ
１４                                カバープレート
１５                                端子
２０                                コンポーネント・トランスデューサ
２１                                素子
２１ａ，２１ｂ                      第１及び第２の区分
２２                                感知電極
２２ａ，２２ｂ                      第１及び第２の感知電極区分
２３                                電極
２３ａ，２３ｂ                      第１及び第２の電極区分
２４                                環状素子
２５                                アイレット
２６                                接点
２７                                取付ブラケット
３１，３１’                        第１及び第２の取付プレート
２００                              グループ
３１１，３１１’，３１１’’        取付プレート開口部
３１２                              テンショナ開口部
【図１】
0006618126.tif 000002
【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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