(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部品（１０）と第２の部品（２０）とを含む力覚センサ（１）であって、
前記第１の部品（１０）と前記第２の部品（２０）との間に、少なくとも１つの第１のピエゾ抵抗性抵抗体（４０１）および少なくとも１つの第２のピエゾ抵抗性抵抗体（４０２）が設けられており、
物体（２）によって前記力覚センサ（１）に軸方向の圧力負荷がかかる場合、少なくとも前記第１のピエゾ抵抗性抵抗体（４０１）に軸方向の圧力負荷から生じる力（Ｆｒｅｓ）によって負荷がかかるように、かつ
前記力覚センサ（１）に前記軸方向の圧力負荷がかかる場合、前記第２のピエゾ抵抗性抵抗体（４０２）には負荷がかからないままであるように、前記力覚センサ（１）は形成されており、
前記第２の部品（２０）は、少なくとも１つの突出領域（２０１）と第２の領域（２０２）とを備え、前記突出領域（２０１）は、前記第１の部品（１０）を臨むおよび／または前記第１の部品（１０）とは反対側を臨む面が第２の領域（２０２）に対して軸方向（Ａｘ）に突出しており、前記力覚センサに前記軸方向の圧力負荷がかかる場合、前記軸方向の圧力負荷から生じる力（Ｆｒｅｓ）を１つまたは複数の前記負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体（４０１、４０３、４０５、４０７）にのみ導入し、
前記負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体（４０１、４０３、４０５、４０７）および前記負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体（４０２）は、前記第１の部品（１０）と前記第２の部品（２０）との間の内室（３０）において、軸方向（Ａｘ）に延伸する前記物体（２）を収容する開口部（５０）の周囲にそれぞれ設けられている、力覚センサ（１）。
【請求項２】
前記第１の部品（１０）および前記第２の部品（２０）は、協働して前記内室（３０）を密に閉鎖して画成するように形成されかつ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ（１）。
【請求項３】
少なくとも１つの第３のピエゾ抵抗性抵抗体と第４のピエゾ抵抗性抵抗体とを有し、前記力覚センサ（１）に前記軸方向の圧力負荷がかかる場合、前記第３のピエゾ抵抗性抵抗体（４０３）には前記軸方向の圧力負荷から生じる力（Ｆｒｅｓ）によって負荷がかかり、前記第４のピエゾ抵抗性抵抗体（４０４）には負荷がかからないままであるように、前
記力覚センサ（１）は形成されている、請求項１に記載の力覚センサ（１）。
【請求項４】
少なくとも１つの第５から第８のピエゾ抵抗性抵抗体を有し、前記力覚センサ（１）に前記軸方向の圧力負荷がかかる場合、第５および第７のピエゾ抵抗性抵抗体（４０５、４０７）には前記軸方向の圧力負荷から生じる力（Ｆｒｅｓ）によってそれぞれ負荷がかかり、第６および第８のピエゾ抵抗性抵抗体（４０６、４０８）には負荷がかからないままであるように、前記力覚センサ（１）は形成されている、請求項３に記載の力覚センサ（１）。
【請求項５】
前記負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体（４０１、４０３、４０５、４０７）および前記負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体は、前記開口部（５０）の中心点（５１）の周囲にそれぞれ同心状に設けられている、請求項１から４のいずれか１項に記載の力覚センサ（１）。
【請求項６】
前記負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体および前記負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体はそれぞれ、互いに離間されているおよび／または前記中心点（５１）から離間されていることを特徴とする請求項５に記載の力覚センサ（１）。
【請求項７】
前記負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体および前記負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体はそれぞれ、均等に離間されていることを特徴とする請求項６に記載の力覚センサ（１）。
【請求項８】
前記ピエゾ抵抗性抵抗体（４０１〜４０８）は、抵抗体のペア（４４１〜４４４）を形成し、前記抵抗体のペア（４４１〜４４４）はそれぞれ、前記負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体（４０１、４０３、４０５、４０７）を１つと、前記負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体（４０２、４０４、４０６、４０８）を１つ含んでいる、請求項１から７のいずれか１項に記載の力覚センサ（１）。
【請求項９】
前記負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体（４０１、４０３、４０５、４０７）は、前記負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体（４０２、４０４、４０６、４０６）がある半径とは異なる半径上にある、請求項１から８のいずれか１項に記載の力覚センサ（１）。
【請求項１０】
前記抵抗体のペア（４４１〜４４４）は、同心状に互いに離間されているおよび／または軸方向（Ａｘ）に延伸する前記物体（２）を収容する開口部（５０）の中心点（５１）から離間されて前記中心点（５１）の周囲に設けられている、請求項８に記載の力覚センサ（１）。
【請求項１１】
前記抵抗体のペア（４４１〜４４４）は、同心状に均等に互いに離間されているおよび／または前記中心点（５１）から離間されて前記中心点（５１）の周囲に設けられている、請求項１０に記載の力覚センサ（１）。
【請求項１２】
前記抵抗体のペア（４４１〜４４４）は、第１から第３の接触部（４１１〜４１４、４２１〜４２４、４３１〜４３４）をそれぞれ１つずつ備え、第１の接触部（４１１〜４１４）は、前記負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体（４０１、４０３、４０５、４０７）と導電的に接続されており、前記負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体は、付加的に第２の接触部（４２１〜４２４）と導電的に接続されており、前記第２の接触部（４２１〜４２４）は、付加的に、前記負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体（４０２、４０４、４０６、４０８）と導電的に接合されており、前記負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体（４０２、４０４、４０６、４０８）は、付加的に、第３の接触部（４３１〜４３４）と導電的に接合されているので、前記抵抗体のペア（４４１〜４４４）はそれぞれ、１つの直列接続を備える、請求項８に記載の力覚センサ（１）。
【請求項１３】
前記力覚センサ（１）は、前記抵抗体のペア（４４１〜４４４）を少なくとも２つ含み、前記抵抗体のペアは、同様にまたは同一に形成されている、請求項８または請求項１０から１２までのいずれか１項に記載の力覚センサ（１）。
【請求項１４】
前記ピエゾ抵抗性抵抗体（４０１〜４０８）は、マンガニンまたはゼラニンのようなピエゾ抵抗性合金から成る、請求項１から１３のいずれか１項に記載の力覚センサ（１）。
【請求項１５】
前記ピエゾ抵抗性抵抗体は、薄膜技術および／またはフィルム技術により製造されている、請求項１から１４のいずれか１項に記載の力覚センサ（１）。
【請求項１６】
前記第２の部品（２０）は、その外周部（２１１）で前記第１の部品（１０）と連結されている、請求項１から１５のいずれか１項に記載の力覚センサ（１）。
【請求項１７】
前記第２の部品（２０）は、肉薄化された第１および第２のバネ領域（２２１、２２２）を備え、前記突出領域（２０１）は、半径方向において前記第１のバネ領域（２２１）と前記第２のバネ領域（２２２）との間に設けられている、請求項１から１６のいずれか１項に記載の力覚センサ（１）。
【請求項１８】
前記負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体（４０２、４０４、４０６、４０８）と前記第２の部品（２０）の前記第２の領域（２０２）との間の内室（３０）は、内法の高さ（ＬＨ）が０．２ｍｍから３ｍｍで、内法の幅（ＬＢ）が少なくとも０．２ｍｍから３ｍｍである、請求項１から１７のいずれか１項に記載の力覚センサ（１）。
【請求項１９】
前記第１の部品（１０）は、周回する縁面にライン開口部（３２）を備え、接続ライン（５２〜５４）は、前記ライン開口部（３２）を通って前記内室（３０）に通される、請求項１から１８のいずれか１項に記載の力覚センサ（１）。
【請求項２０】
前記内室（３０）は、前記第１の部品（１０）に通路（３１）を有し、前記通路（３１）は、前記第１の部品（１０）の外側の領域において、少なくとも部分的に周回し、前記接続ライン（５２〜５４）は、少なくとも部分的に前記通路（３１）内に敷設されている、請求項１９に記載の力覚センサ（１）。
【請求項２１】
前記通路（３１）は、完全に周回し、０．２ｍｍから３ｍｍの間の通路幅（ＫＢ）および通路高さ（ＫＨ）を有している、請求項２０に記載の力覚センサ（１）。
【請求項２２】
前記内室（３０）は、少なくとも部分的にポリマーにより充填されている、請求項１から２１のいずれか１項に記載の力覚センサ（１）。
【請求項２３】
第１の部品（１０）と第２の部品（２０）とを含む力覚センサ（１）であって、
前記第１の部品（１０）と前記第２の部品（２０）との間に、少なくとも１つの第１のピエゾ抵抗性抵抗体（４０１）および少なくとも１つの第２のピエゾ抵抗性抵抗体（４０２）が設けられており、
物体（２）によって前記力覚センサ（１）に軸方向の圧力負荷がかかる場合、少なくとも前記第１のピエゾ抵抗性抵抗体（４０１）に軸方向の圧力負荷から生じる力（Ｆｒｅｓ）によって負荷がかかるように、かつ
前記力覚センサ（１）に前記軸方向の圧力負荷がかかる場合、前記第２のピエゾ抵抗性抵抗体（４０２）には負荷がかからないままであるように、前記力覚センサ（１）は形成されており、
前記第２の部品（２０）は、少なくとも１つの突出領域（２０１）と第２の領域（２０２）とを備え、前記突出領域（２０１）は、前記第１の部品（１０）を臨むおよび／または前記第１の部品（１０）とは反対側を臨む面が第２の領域（２０２）に対して軸方向（Ａｘ）に突出しており、前記力覚センサに前記軸方向の圧力負荷がかかる場合、前記軸方向（Ａｘ）の圧力負荷から生じる力（Ｆｒｅｓ）を１つまたは複数の前記負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体（４０１、４０３、４０５、４０７）にのみ導入し、
前記軸方向（Ａｘ）に延伸する前記物体（２）を収容するように、開口部（５０）をもって形成されており、
前記負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体（４０１、４０３、４０５、４０７）は、前記負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体（４０２、４０４、４０６、４０６）がある半径とは異なる半径上にある、力覚センサ（１）。
【請求項２４】
第１の部品（１０）と第２の部品（２０）とを含む力覚センサ（１）であって、
前記第１の部品（１０）と前記第２の部品（２０）との間に、少なくとも１つの第１のピエゾ抵抗性抵抗体（４０１）および少なくとも１つの第２のピエゾ抵抗性抵抗体（４０２）が設けられており、
物体（２）によって前記力覚センサ（１）に軸方向の圧力負荷がかかる場合、少なくとも前記第１のピエゾ抵抗性抵抗体（４０１）に軸方向の圧力負荷から生じる力（Ｆｒｅｓ）によって負荷がかかるように、かつ
前記力覚センサ（１）に前記軸方向の圧力負荷がかかる場合、前記第２のピエゾ抵抗性抵抗体（４０２）には負荷がかからないままであるように、前記力覚センサ（１）は形成されており、
前記第２の部品（２０）は、少なくとも１つの突出領域（２０１）と第２の領域（２０２）とを備え、前記突出領域（２０１）は、前記第１の部品（１０）を臨むおよび／または前記第１の部品（１０）とは反対側を臨む面が第２の領域（２０２）に対して軸方向（Ａｘ）に突出しており、前記力覚センサに前記軸方向の圧力負荷がかかる場合、前記軸方向の圧力負荷から生じる力（Ｆｒｅｓ）を１つまたは複数の前記負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体（４０１、４０３、４０５、４０７）にのみ導入し、
前記第２の部品（２０）は、肉薄化された第１および第２のバネ領域（２２１、２２２）を備え、前記突出領域（２０１）は、半径方向において前記第１のバネ領域（２２１）と前記第２のバネ領域（２２２）との間に設けられている、力覚センサ（１）。
【請求項２５】
第１の部品（１０）と第２の部品（２０）とを含む力覚センサ（１）であって、
前記第１の部品（１０）と前記第２の部品（２０）との間に、少なくとも１つの第１のピエゾ抵抗性抵抗体（４０１）および少なくとも１つの第２のピエゾ抵抗性抵抗体（４０２）が設けられており、
物体（２）によって前記力覚センサ（１）に軸方向の圧力負荷がかかる場合、少なくとも前記第１のピエゾ抵抗性抵抗体（４０１）に軸方向の圧力負荷から生じる力（Ｆｒｅｓ）によって負荷がかかるように、かつ
前記力覚センサ（１）に前記軸方向の圧力負荷がかかる場合、前記第２のピエゾ抵抗性抵抗体（４０２）には負荷がかからないままであるように、前記力覚センサ（１）は形成されており、
前記第２の部品（２０）は、少なくとも１つの突出領域（２０１）と第２の領域（２０２）とを備え、前記突出領域（２０１）は、前記第１の部品（１０）を臨むおよび／または前記第１の部品（１０）とは反対側を臨む面が第２の領域（２０２）に対して軸方向（Ａｘ）に突出しており、前記力覚センサに前記軸方向の圧力負荷がかかる場合、前記軸方向の圧力負荷から生じる力（Ｆｒｅｓ）を１つまたは複数の前記負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体（４０１、４０３、４０５、４０７）にのみ導入し、
前記第１の部品（１０）は、周回する縁面にライン開口部（３２）を備え、接続ライン（５２〜５４）は、前記ライン開口部（３２）を通って、前記第１の部品（１０）と前記第２の部品（２０）との間の内室（３０）に通される、力覚センサ（１）。
【請求項２６】
請求項１から２５のいずれか１項に記載の力覚センサ（１）と評価エレクトロニクス（５）とを含む測定システム（４）であって、
前記評価エレクトロニクス（５）は、前記力覚センサ（１）の測定信号を評価し、かつ評価を作成することに適しており、
前記評価エレクトロニクス（５）は、さらに、前記評価を含むメッセージを、たとえばネットワークインフラストラクチャおよび／またはメッセージバスを用いてメッセージ受信器に送信することに適している、測定システム（４）。
【請求項２７】
さらにエネルギー貯蔵器（６）を有し、前記評価エレクトロニクス（５）は、前記エネルギー貯蔵器（６）内に貯蔵されたエネルギーによって自立して運転することができる、請求項２６に記載の測定システム（４）。
【請求項２８】
さらにエネルギー貯蔵器（６）を有し、前記評価エレクトロニクス（５）は、たとえばソーラーセルや風力発電機からの、またはエナジーハーベスティングによる利用可能なエネルギーにより、前記エネルギー貯蔵器（６）を充電することに適している、請求項２６に記載の測定システム（４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、ボルト接合またはネジ接合における締付け力を測定するために形成することができる、改良された力覚センサまたはボルトセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、力覚センサの様々な実施形態が知られている。例となる力覚センサは、特許文献１に記載されている。例となる力覚センサは、厚膜技術においてキャリア材料に塗布される１つまたは複数の感圧抵抗体を利用している。特許文献１の一実施例においては、負荷がかかる６つの抵抗体と、負荷がかからない２つの基準抵抗体とをブリッジ接続して示す力覚センサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】英国特許出願公開第２３２６７１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、改良された力覚センサを提供することである。本発明のさらなる課題は、改良された力覚センサと評価エレクトロニクスとを有するシステムを提供することである。さらなる課題は、以下の記載から明らかになる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様に従えば、力覚センサは、フラットに形成されている第１の部品と第２の部品とを含む。力覚センサ、ひいては第１の部品および第２の部品は、軸方向に延伸する特に縦長の物体、たとえばボルト、シャフト、またはネジ棒を収容し、かつ縦長の物体と協働するために共通の開口部を備える。縦長の物体とは、ボルトおよび特にネジであってよい。第１の部品と第２の部品との間に、少なくとも１つの第１のピエゾ抵抗性抵抗体が設けられている。縦長の物体によって力覚センサに軸方向の圧力負荷がかかると、少なくとも第１のピエゾ抵抗性抵抗体に、軸方向の圧力負荷から生じる力によって負荷がかかるように、力覚センサは形成されている。
【０００６】
文脈において、「ボルト」という用語は、固定するために適した縦長の各物体、特にネジも含む。「負荷がかかる」および「負荷がかからない」という用語は、ピエゾ抵抗性抵抗体との関連において、軸方向に圧力負荷がかけられるか、または軸方向に力（つまり縦長の物体またはボルトの延伸方向に）が加わる場合に、抵抗体に負荷がかかるか、または負荷がかからないことと理解され得る。
【０００７】
有利には、第１の部品および第２の部品は、協働して好適には密に閉鎖された内室を画成するように形成されかつ設けられている。内室は、場合によっては保護ガス、たとえば窒素で満たされてよい。カプセル化することによって、センサを特に厳しい、たとえば腐食性の環境において使用することもできる。一般的に、センサの耐用年数が長くなる。
【０００８】
付加的に、本発明に係る力覚センサは、既存の力覚センサと比べてその構造が非常に平坦なので、容易に既存のボルト接合および／またはネジ接合に組み込むことができる。
【０００９】
本発明の有利な一態様によれば、力覚センサは、少なくとも１つの第２のピエゾ抵抗性抵抗体を備えてよく、力覚センサに軸方向の圧力負荷がかかる場合、第２のピエゾ抵抗性抵抗体には負荷がかからないままである。負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体は、たとえば、抵抗体の温度依存性のような、測定値の正確性に対する望ましくない影響を最小限にするために、測定時および／または測定データの評価時に基準として使われる。
【００１０】
さらなる有利な一態様によれば、さらに力覚センサは、少なくとも１つの第３のピエゾ抵抗性抵抗体と第４のピエゾ抵抗性抵抗体とを備える。力覚センサに軸方向の圧力負荷がかかると、第３のピエゾ抵抗性抵抗体に生じる力によって負荷がかかることになる。力覚センサに軸方向の圧力負荷がかかると、第４のピエゾ抵抗性抵抗体には負荷がかからないままであってよい。このやり方で、測定の正確性をさらに改善することができる。少なくとも４つのピエゾ抵抗性抵抗体を利用する場合、これらのピエゾ抵抗性抵抗体は、たとえばホイートストン・ブリッジ接続において力覚センサ内で接続されていてよい。ホイートストン・ブリッジによって、負荷がかかる抵抗体の非常にわずかな抵抗変化を測定することもでき、かつ温度効果を相殺することができる。
【００１１】
さらなる有利な一態様によれば、付加的に力覚センサは、少なくとも１つの第５から第８のピエゾ抵抗性抵抗体を備えてよい。これによって力覚センサは、全部で８つのピエゾ抵抗性抵抗体を備えてよい。その際、第１の部品および第２の部品は、第１のピエゾ抵抗性抵抗体、第３のピエゾ抵抗性抵抗体、第５のピエゾ抵抗性抵抗体および第７のピエゾ抵抗性抵抗体にはそれぞれ、力覚センサの軸方向の圧力負荷から生じる力によって負荷がかかり、第２のピエゾ抵抗性抵抗体、第４のピエゾ抵抗性抵抗体、第６のピエゾ抵抗性抵抗体、第８のピエゾ抵抗性抵抗体には、負荷がかからないままであるように形成されている。有利には、これらの抵抗体も、ホイートストンのブリッジ接続において接続されていてよい。有利には、負荷がかかるそれぞれ２つのピエゾ抵抗性抵抗体あるいは負荷がかからない２つのピエゾ抵抗性抵抗体を統合して、ホイートストン・ブリッジ接続の１つの抵抗体を形成してよい。本発明の有利なこの態様に係る力覚センサは、有利な力の流れを有することができる。かくして力覚センサは、さらに良好なまたはより正確な結果を出す。
【００１２】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体、つまり、たとえば、第１のピエゾ抵抗性抵抗体、第３のピエゾ抵抗性抵抗体、第５のピエゾ抵抗性抵抗体および第７のピエゾ抵抗性抵抗体は、内室において周方向に、好適には均等に、互いに離間されているおよび／または開口部から離間されて開口部の周囲に設けられていてよい。例として、２つのピエゾ抵抗性抵抗体の間が１８０度、または４つのピエゾ抵抗性抵抗体の間がそれぞれ９０度であってよい。ピエゾ抵抗性抵抗体、特に負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体をそのように設けることによって、力覚センサの軸方向の圧力負荷の力は、負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体に、力の流れにおいて均等に分配されて導入されることになる。
【００１３】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、ピエゾ抵抗性抵抗体は、抵抗体のペアを形成してよく、抵抗体のペアはそれぞれ、負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体を１つと負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体を１つ含んでよい。言い換えれば、８つのピエゾ抵抗性抵抗体を有する１つの力覚センサは、４つの抵抗体のペアを備えていてよい。８つのピエゾ抵抗性抵抗体のうち、４つは負荷がかかる抵抗体であり、４つは負荷がかからない抵抗体はであってよい。４つの抵抗体のペアの各々には、負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体と負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体がそれぞれ１つずつ含まれていてよい。それぞれ２つの抵抗体を１つの抵抗体のペアにグループ化すれば、特に１つの力覚センサにおいてそれぞれ同一の抵抗体のペアが用いられる場合、生産プロセスに有利な影響を及ぼすことができる。
【００１４】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体は、負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体よりも開口部の近くにあってよい。本発明のさらなる有利な態様とともに、抵抗体をそのように設けることによって、力覚センサをより頑丈にし、かつ生産プロセスをより効率的にすることができる。代替的に、負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体を開口部のより近くに、負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体を開口部からさらに遠くに配置することも可能である。
【００１５】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体は、開口部の中心点の周りにほぼ同心状に設けられていてよい。このように設ければ、力の流れに有利な影響を及ぼすことができる。
【００１６】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、第２の部品は、少なくとも１つの突出領域を備えてよい。突出領域は、第１の部品を臨む、または、第１の部品とは反対側を向く第２の部品の面において、第２の部品の第２の領域に対して軸方向に突出してよい。突出領域は、第１の部品を臨む面でも、第１の部品とは反対側を向く面でも突出してよい。突出領域は、力覚センサに軸方向の圧力負荷がかかると生じる力を、負荷がかかる１つまたは複数のピエゾ抵抗性抵抗体に導入することができる。
【００１７】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、抵抗体のペアは、周方向にかつ好適には均等に互いに離間されているおよび／または開口部から離間されて、開口部の周囲に設けられていてよい。本発明のさらなる有利な態様とともに、そのように設けることによって、力覚センサをさらに最適化できる。
【００１８】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、抵抗体のペアは、第１から第３の接触部をそれぞれ１つずつ備える。第１の接触部は、負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体と導電的に接続されていてよい。付加的に、負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体は、第２の接触部と導電的に接続されている。付加的に第２の接触部も負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体と導電的に接続されている。さらに、負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体も第３の接触部と導電的に接続されている。したがって、抵抗体のペアは、１つの直列接続を備える。言い換えれば、直列接続においては、第１の接触部に負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体が続き、この負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体に第２の接触部が続き、第２の接触部に負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体が続き、この負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体に第３の接触部が続く。接触部を有する抵抗体のペアを直列接続において形成すれば、力覚センサ内部での電気的連結もしくは配線を簡略化できる。
【００１９】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、少なくとも２つの抵抗体のペアは、特にレイアウトおよび接触部の位置に関して、ほぼ同様かつ好適には同一に形成されていてよい。かくして、測定ブリッジの調整をさらに簡略化することができ、起こり得る測定不良が減る。このようにして、抵抗体を電気的に連結もしくは配線するための作業ステップも効率的にすることができる。
【００２０】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、ピエゾ抵抗性抵抗体は、マンガニンまたはゼラニンのようなピエゾ抵抗性合金から成ってよい。両材料は、その他に通常は動的圧力覚センサの生産時に適用される。マンガニンという名称には、銅・マンガン合金、特に銅の割合が８３〜８７％、マンガンの割合が約１２〜１３％、ニッケルの割合が０〜４％の合金が含まれる。例として、マンガニンは、銅を８４％、マンガンを１２％、ニッケルを４％含んでよい。マンガニンは、大きい有利なピエゾ抵抗効果を備え、同時に抵抗は温度にあまり依存しない。マンガニンは、その材料特性ゆえに、薄膜技術またはフィルム技術での生産に、特に適している。代替的な材質として、ゼラニンを利用してよい。ゼラニンも、銅・マンガン化合物のことである。ゼラニンは、銅の割合が約９０％、マンガンの割合が７％、スズの割合が約２．３％で、アルミニウムと鉄とニッケルとがわずかに混合されている。上記の合金および他の類似の材料は、その材料特性ゆえに、前述の目的に良好に適している。
【００２１】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、ピエゾ抵抗性抵抗体は、薄膜技術またはフィルム技術で作成されていてよい。有利には、抵抗体のペアは、１つの部品から、あるいは１つの部品で作られてよい。キャリアシートおよび／またはカバーシートとして、有利にはポリイミドまたは他の高性能ポリマー（ＰＥＥＫ、ポリスルホンまたは同種のもの）が考慮される。
【００２２】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、力覚センサの第２の部品は、第１の支持領域および第２の支持領域において、第１の部品に接続されていてよい。言い換えれば、第２の部品は、第１の支持領域および第２の支持領域において、第１の部品の上に載置されてよい。有利には、第１の部品および第２の部品は、形状接続的にまたは材料接続的に連結されていてよい。例として、第２の部品および第１の部品は、第１の支持領域および第２の支持領域において、互いに係合する輪郭を備えてよく、支持領域の全長にわたって溶接されていてよい。
【００２３】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、第２の部品は、第１のバネ領域と第２のバネ領域とを備えてよく、バネ領域は、第２の部品を軸方向に弾性変形できるようにするために形成されている。すでに言及された突出領域は、第１のバネ領域と第２のバネ領域との間に設けられていてよい。例として、第２の部品は、突出領域の両側で薄くなっていてよい。バネ領域は、第２の部品の有利な弾性変形を可能にするので、第２の部品の突出領域は、負荷がかかる抵抗体の方向に押し型のように動き、これらの抵抗体に接触して、力覚センサの軸方向の圧力負荷から生じる力を、負荷がかかるそれぞれのピエゾ抵抗性抵抗体に導入する。
【００２４】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、力覚センサの内室は、内法の高さが０．２ｍｍから３ｍｍで、内法の幅が少なくとも０．２ｍｍから３ｍｍであってよい。内室の寸法は、抵抗体の容易な接触を可能にし、さらに、負荷がかからない抵抗体に、力覚センサの軸方向の圧力負荷によって負荷がかからないようにする。
【００２５】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、第１の部品は、外部を周回する周面にライン開口部を備えてよい。接続ラインは、ライン開口部を通って内室に通されていてよく、当該内室において電気的に、たとえば接触部を用いて、抵抗体と接続されていてよい。これによって、力覚センサによりディスクリングの単純な取り付けまたは使用を容易にすることができる。
【００２６】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、内室は、第２の部品を臨む第１の部品の表面に通路を有する。好適には、通路は、第１の部品の外側の領域において、部分的にまたは完全に周回してよい。好適には、通路は、０．２ｍｍから３ｍｍの通路高さおよび通路幅を有していてよい。接続ラインは、少なくとも部分的に、通路内に敷設されていてよい。
【００２７】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、内室は、少なくとも部分的にポリマーで充填されていてよい。有利には、少なくとも通路は、内室の密なシールを保証するために、ライン開口部の周りにおいて充填されていてよい。
【００２８】
本発明のさらなる一態様によれば、本発明に係る力覚センサおよび評価エレクトロニクスを有するシステムが準備される。評価エレクトロニクスは、力覚センサの測定信号を評価することに適している。さらに評価エレクトロニクスは、メッセージを、たとえばネットワークインフラストラクチャおよび／またはメッセージバスを用いて、メッセージ受信器に送信することに適している。メッセージは、評価もしくは評価の一部または他のデータを含んでいてよい。システムにより、ボルト接合またはネジ接合の予圧のコントロールを簡略化することができる。
【００２９】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、システムは、エネルギー貯蔵器を有していてよく、評価エレクトロニクスは、エネルギー貯蔵器内に貯蔵されたエネルギーによって自立して運転することができる。自立した運転により、たとえばネジ接合またはボルト接合の測定または継続的な監視を、アクセスできない箇所でも実行することができる。
【００３０】
本発明のさらなる有利な一態様によれば、さらに評価エレクトロニクスは、エネルギー貯蔵器を利用可能なエネルギーで充電することに適していてよい。利用可能なエネルギーは、たとえばソーラーセルや風力発電機から、またはエナジーハーベスティングによって準備することができる。エナジーハーベスティングは、環境からの電磁波をいわば寄生利用するための方法のことである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る力覚センサの平面図である。
【図２】Ａ−Ａ線に沿った力覚センサの断面図である。
【図３】図２の領域Ｘの部分拡大図である。
【図４】図２の領域Ｙの部分拡大図である。
【図５】線Ｂ−Ｂに沿った力覚センサの断面図である。
【図６】図５の領域Ｙ′の部分拡大図である。
【図７】図５の領域Ｘ′の部分拡大図である。
【図８】接続ラインを有する図１の力覚センサを示す図である。
【図９】図８に記載の力覚センサの回路図である。
【図１０】力覚センサの抵抗体のペアを示す図である。
【図１１】ワッシャおよびボルトを有する力覚センサの分解図である。
【図１２】力覚センサを有する本発明に係るシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の特徴および態様を、実施の形態および図に基づいてより詳細に説明する。
【００３３】
図１から図１１は、例示的な本発明に係る力覚センサを示している。
【００３４】
図１は平面図であり、力覚センサ１は、フラット（平坦）かつリング状に形成されており、貫通する開口部５０を有する。図１１に示すように、開口部を通ってボルトまたはネジを案内することができる。第１の部品１０と図示されていない第２の部品２０との間に、第１のピエゾ抵抗性抵抗体４０１が設けられている。
【００３５】
図２のＡ−Ａ線の断面において示すように、縦長の物体２によって力覚センサ１に軸方向の圧力負荷がかかると、第１のピエゾ抵抗性抵抗体４０１に軸方向の圧力負荷から結果的に生じる力Ｆｒｅｓによる負荷がかかる。具体的には、力覚センサ１の軸方向の圧力負荷は、軸方向において下方からは第１の部品１０によって、上方からは第２の部品２０によって作用する力のペアＦｒｅｓをもたらす。図４において拡大して示すように、突出領域２０１を通じて、力Ｆｒｅｓは、第１のピエゾ抵抗性抵抗体４０１に導入される。
【００３６】
第１の部品１０および第２の部品２０は、協働して、有利には密にシールされた（密閉された）内室３０を画成する。
【００３７】
有利には力覚センサは、ここで示すように、第２のピエゾ抵抗性抵抗体４０２を有する。力覚センサ１は、当該力覚センサ１に軸方向の圧力負荷がかかる場合、第２のピエゾ抵抗性抵抗体４０２には負荷がかからないままであるように形成されている。図３の詳細図から見られるように、第２のピエゾ抵抗性抵抗体は、第２の部品を通じて第２のピエゾ抵抗性抵抗体４０２に力が導入されることがないように配置されている。特に、軸方向の圧力負荷がかかっても、第２のピエゾ抵抗性抵抗体４０２は、第２の部品２０に接触しないように配置されている。
【００３８】
図１は同様に、第３のピエゾ抵抗性抵抗体４０３および第４のピエゾ抵抗性抵抗体４０４を示している。第３のピエゾ抵抗性抵抗体４０３においても、軸方向の圧力負荷によって作用する力のうち所定の割合の力Ｆｒｅｓが、このピエゾ抵抗性抵抗体４０３に導入される。第４のピエゾ抵抗性抵抗体４０４は同様に、負荷がかからない基準となっている。
【００３９】
図１の力覚センサ１は、全部で８つのピエゾ抵抗性抵抗体４０１〜４０８を有する、特に有利な実施の形態を示しており、抵抗体のうち４つには、力覚センサ１に軸方向の圧力負荷がかかると圧力Ｆｒｅｓが加えられ、その他の４つのピエゾ抵抗性抵抗体４０２、４０４、４０６、４０８は、負荷がかからない基準として機能することができる。
【００４０】
図示の力覚センサは、均等に互いに距離を置いて周方向において一様に分配されているピエゾ抵抗性抵抗体の有利な配置を示している。
【００４１】
図８において同様に、図１の力覚センサ１が描かれている。それぞれ１つの負荷がかかる抵抗体と負荷がかからない抵抗体とを１つの抵抗体のペア４４１〜４４４にグループ化していることを認めることができる。図１および図８または図２および図５に示されるように、負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体４０１、４０３、４０５、４０７が、負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体４０２、４０４、４０６、４０８よりも開口部５０の近くにあれば、ラインの案内は非常に簡略化される。
【００４２】
代替的に、負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体を開口部５０のより近くに配置し、負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体を開口部５０からさらに遠くに配置することも可能である。
【００４３】
負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体４０１、４０３、４０５、４０７の配置が示されているが、ここでは、前述の抵抗体が開口部５０の中心点５１の周りに同心状に設けられている。
【００４４】
図１０に示されているように、抵抗体のペアは、類似して形成されており、第１の部品１０と第２の部品２０との間の内室３０において９０度のステップ幅で回転対称的に設けられていることを明確に認識することができる。
【００４５】
図２および図５に示されているように、突出領域２０１は、有利な実施の形態において厚みを帯びて構成されているので、突出領域２０１は、第１の部品１０とは反対側の方向に別の領域へ突出している。同時に、第２の部品２０の厚みを帯びた領域２０１は、第１の部品１０に向かっても軸方向に突出している。したがって、突出領域は、本実施の形態においては、押し型のように構成されており、負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体への力の導入を可能にする。
【００４６】
さらなる有利な特徴は、図２おいて図５においてよく認識することができる。したがって、第１の部品１０は、開口部５０を取り囲む内側の領域および外側の領域においてそれぞれ、軸方向に延伸するそれぞれ１つの縁辺部を備える。外側の縁辺部のすぐ隣には、内側の通路３１を認めることができる。内室３０と同様に、通路３１は、容易にかつ信頼性をもって接続ラインを敷設することを可能にする寸法を有する。有利には、通路高さＫＨと通路幅ＫＢは、少なくとも０．２ｍｍから３ｍｍであってよい。ライン開口部３２を、図７に拡大して描く。図示されていない接続ラインは、ライン開口部３２を通って案内され、通路３１内で周方向に沿って敷設される。
【００４７】
第２の部品２０は、突出領域２０１の両側に、より薄く構成されたバネ領域２２１、２２２を備える。周回するバネ領域２２１は、開口部５０に並接しており、第２のバネ領域２２２よりも半径方向Ｒａにおいて明らかに小さい幅を有していることを認識することができる。本構成においては、ピーク負荷を回避するために、短い第１のバネ領域２２１とは反対側で内側に向いた縁部２３１は、Ｒ部を有している。バネ領域２２１、２２２の幅が異なっていることによって、本実施の形態においてはリングとして構成されている突出領域２０１は、わずかにねじれることになる。内側の支持領域２１１および外側の支持領域２１２において、第２の部品２０は、第１の部品１０の縁辺部の対応する凹部に載っている。圧力負荷時の形状接続に加えて、第１の部品および第２の部品は、支持領域２１２、２１１において全長にわたって溶接によって接合されてよい。
【００４８】
有利には、通路３１および内室３０は、少なくとも、内室３０の密閉が確保されていて、かつ敷設されたラインが固定されている程度にポリマーで満たされる。ラインは、抵抗体のペア４４１〜４４４の接触部４１１〜４１４、４２１〜４２４、４３１〜４３４を介して、ピエゾ抵抗性抵抗体４０１〜４０８と電気的に接続されてよい。
【００４９】
図１から図１２の力覚センサにおいて用いられるような、抵抗体のペアの有利な構成が図１０に描かれている。
【００５０】
抵抗体のペア４４１は、負荷がかかるメアンダ形状のピエゾ抵抗性抵抗体４０１と、負荷がかからないメアンダ形状のピエゾ抵抗性抵抗体４０２と、３つの接触部４１１、４２１、４３１とを備える。第１の接触部４１１が一端部で、負荷がかかるメアンダ形状の抵抗体４０１に接続されている直列接続が明らかになっている。第１の負荷がかかる抵抗体４０１には、第２の接触部４２１が接続しており、それから当該第２の接触部４２１には、第２のピエゾ抵抗性抵抗体４０２が接続している。第２のピエゾ抵抗性抵抗体４０２には、力覚センサ１に軸方向の圧力負荷がかかっても負荷がかからない。第３の接触部４３１は、負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体４０２に接続されており、第１の接触部４１１および第２の接触部４２１とともに、抵抗体のペア４４１を１つの電気回路に統合するために寄与する。
【００５１】
第１のピエゾ抵抗性抵抗体４０１および第２のピエゾ抵抗性抵抗体４０２は、図示のメアンダ形状の構成において、たとえば、マンガニンまたはゼラニンのような電流が流れるピエゾ抵抗性材料の全長が同一である。
【００５２】
メアンダ形状の構造において、左を向いた導体ループ５００にそれぞれ、規定の長さ５０１で断面が小さい導体が続く。導体には、右を向いた導体ループ５０２、および他のピエゾ抵抗性導体５０３が接続される。このピエゾ抵抗性導体５０３にもやはり左を向いた他の導体ループ５０４が続く。
【００５３】
抵抗体のペア４４１の図示のレイアウトは、そのコンパクト性という点において際立っている。
【００５４】
接触部４１１、４２１、４３１は、たとえば、ろう接されたタグとして形成されていてよい。
【００５５】
内側にある負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体４０１および外側にある負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体４０２の配置、並びに３つの接触部によって、上述の簡単な接触接続を達成することができる。特に導体を圧力負荷がかかる領域に通す必要はない。
【００５６】
図示のホイートストン・ブリッジ接続を達成するために、第１のピエゾ抵抗性抵抗体のペア４４１の第１のピエゾ抵抗性抵抗体４０１は、第３の抵抗体のペア４４３内の第５のピエゾ抵抗性抵抗体４０５と接合される。同様に第３の抵抗体のペア４４３内にある第６のピエゾ抵抗性抵抗体４０６は、第２の抵抗体のペア４４２の第４のピエゾ抵抗性抵抗体４０４と接合される。同様に第２の抵抗体のペア４４２内にある第３のピエゾ抵抗性抵抗体４０３も同様である。このピエゾ抵抗性抵抗体４０３は、第４の抵抗体のペア４４４の第７のピエゾ抵抗性抵抗体４０７と接合される。第８のピエゾ抵抗性抵抗体４０８は、第１の抵抗体のペア４４１の第２のピエゾ抵抗性抵抗体４０２に接続される。
【００５７】
それぞれ第３および第４の抵抗体のペア４４３、４４４の第２の接触部４２３、４２４に電圧を印加すると、第１および第２の抵抗体のペア４４１、４４２のそれぞれの第２の接触部４２１、４２２に目当ての測定値が発生する。
【００５８】
導体５２〜５５を用いて、力覚センサ１は、図１２に示されるように、評価エレクトロニクス（評価電子装置）５に接続することができる。力覚センサ１と評価エレクトロニクス５とを有するシステム４はさらに、測定信号の評価を有するメッセージを、たとえばネットワークインフラストラクチャを介して送信することに適した通信手段を含む。好適には、ネットワークインフラストラクチャは、ワイヤレスにより形成することができるが、有線により形成されていてもよい。
【００５９】
メッセージは、適したメッセージ受信器によって受信されて処理することができる。メッセージ受信器は、力覚センサを有する複数の評価エレクトロニクスのメッセージを処理し、かつ適した箇所においてオペレータに出力することができる。
【００６０】
有利な一実施の形態において、評価エレクトロニクスおよび力覚センサを有するシステムは、付加的にエネルギー貯蔵器を含む。かくして評価エレクトロニクスは、外部からのエネルギー供給がなくても自立して運転することができる。
【００６１】
特に有利な構成において、付加的に評価エレクトロニクスは、たとえばソーラーセルや風力発電機からまたはエナジーハーベスティングによる利用可能なエネルギーによってエネルギー貯蔵器を充電することに適している。
【符号の説明】
【００６２】
１  力覚センサ
２  縦長の物体
３  ワッシャ
４  測定システム
５  評価エレクトロニクス
６  エネルギー貯蔵器
１０  第１の部品
２０  第２の部品
３０  内室
３１  通路
３２  ライン開口部
５０  開口部
５１  中心点
５２  導体
５３  導体
５４  導体
５５  導体
１０７  負荷がかかるピエゾ抵抗性抵抗体
１０８  負荷がかからないピエゾ抵抗性抵抗体
２０１  突出領域
２０２  第２の領域
２１１  第１の支持領域
２１２  第２の支持領域
２２１  薄くなったバネ領域
２２２  薄くなったバネ領域
２３１  背向する縁部
４０１  ピエゾ抵抗性抵抗体
４０２  ピエゾ抵抗性抵抗体
４０３  ピエゾ抵抗性抵抗体
４０４  ピエゾ抵抗性抵抗体
４０５  ピエゾ抵抗性抵抗体
４０６  ピエゾ抵抗性抵抗体
４０７  ピエゾ抵抗性抵抗体
４０８  ピエゾ抵抗性抵抗体
４１１  接触部
４１２  接触部
４１３  接触部
４１４  接触部
４２１  接触部
４２２  接触部
４２３  接触部
４２４  接触部
４３１  接触部
４３２  接触部
４３３  接触部
４３４  接触部
４４１  抵抗体のペア
４４２  抵抗体のペア
４４３  抵抗体のペア
４４４  抵抗体のペア
５００  導体ループ
５０１  規定された長さ
５０２  導体ループ
５０３  ピエゾ抵抗性導体
５０４  導体ループ
Ａｘ  軸方向
Ｆｒｅｓ  結果的に生じる力
ＫＢ  通路幅
ＫＨ  通路高さ
ＬＢ  内法の幅
ＬＨ  内法の長さ
Ｒａ  半径方向
【図１】
0006726639.tif 000002
【図２】
0006726639.tif 000003
【図３】
0006726639.tif 000004
【図４】
0006726639.tif 000005
【図５】
0006726639.tif 000006
【図６】
0006726639.tif 000007
【図７】
0006726639.tif 000008
【図８】
0006726639.tif 000009
【図９】
0006726639.tif 000010
【図１０】
0006726639.tif 000011
【図１１】
0006726639.tif 000012
【図１２】
0006726639.tif 000013