(57)【要約】  本発明は、構造物２の歪を検出するための歪送信器に関し、歪送信器は、歪体３であって、歪軸４を有し、且つ、歪体３を構造物２の上に固着するための固着デバイス５を有する歪体３と、構造物２の上の前記固着デバイス５の間の中央に、歪軸４上に配置される測定素子６とを備えている。測定素子６は金属シート１１を備えており、その上に、フル・ブリッジ７に接続される静的測定圧電抵抗シリコン・チップ８がその表面全体に加えられる。チップは、歪んだ状態では、歪のレベルに比例する電圧を放出する。また、測定素子６は印刷回路基板１３を備えており、電気コンタクト１２は、印刷回路基板１３に沿ってシリコン・チップ８から導かれている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪体（３）であって、歪軸（４）を有し、且つ、前記歪体（３）を構造物（２）に取り付けるための取付けデバイス（５）を有する歪体（３）と、前記構造物（２）上の中央に、前記取付けデバイス（５）の間の前記歪軸（４）上に配置される測定素子（６）とを備える、構造物（２）上の歪を検出するための歪送信器であって、
前記測定素子（６）が、プレート（１１）であって、その上に、静的測定を実施することができ、フル・ブリッジ（７）に接続され、且つ、歪んだ状態では、その歪に比例する電圧を出力する圧電抵抗シリコン・チップ（８）がその表面積全体にわたって取り付けられるプレート（１１）と、回路基板（１３）とを備え、
電気コンタクト（１２）が前記回路基板（１３）を介して前記シリコン・チップ（８）から導かれる
ことを特徴とする歪送信器。
【請求項２】
前記測定素子がコネクタ（１４）を備え、
電気コンタクト（１２）が前記回路基板（１３）を介して前記シリコン・チップ（８）から前記コネクタ（１４）へ導かれる
ことを特徴とする請求項１に記載の歪送信器。
【請求項３】
前記フル・ブリッジ（７）が、前記歪軸（４）に対して４５°の角度で配置される抵抗を備える
ことを特徴とする請求項１か２のいずれか一項に記載の歪送信器。
【請求項４】
前記歪体（２）が、Ｓの形に類似した形状を有し、前記取付けデバイス（５）を有する２つの外側端部領域（９）及び前記測定素子（６）を有する中央領域（１０）を備え、
前記中央領域と前記外側領域の接続部が、前記歪軸（４）の外側に、中心点に対して対称に配置される
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の歪送信器。
【請求項５】
前記歪体（３）に歪が生じると、前記測定素子（６）がせん断応力を記録することができる
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の歪送信器。
【請求項６】
取り付けられた状態では前記構造物（２）に対して平らに位置する取付け平面（１５）を備え、
前記測定素子（６）が、前記取付け平面（１５）に隣接して、毛管分離距離（２１）だけ間隔を隔てて前記歪送信器内に取り付けられる
ことを特徴とする請求項１から５の一項に記載の歪送信器。
【請求項７】
前記シリコン・チップ（８）が、温度変動によって生じる測定誤差を補償するための第１の温度センサを備える
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の歪送信器。
【請求項８】
評価ユニットへの端子接続（２０）を有する増幅器（１７）を備える
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の歪送信器。
【請求項９】
前記増幅器（１７）が、電気コンタクト（１２）を使用して前記測定素子（６）の上に取り付けられ、好ましくは前記プレート（８）の上に取り付けられるコネクタ（１４）の上に取り付けられる
ことを特徴とする請求項８に記載の歪送信器。
【請求項１０】
前記増幅器（１７）が、２つの異なる出力範囲を有するツイン・チャネル増幅器である
ことを特徴とする請求項８又は９の一項に記載の歪送信器。
【請求項１１】
前記増幅器（１７）が、動的温度変動によって生じる測定誤差を補償するための第２の温度センサ（１６）を備える
ことを特徴とする請求項７及び請求項８から１０のいずれか一項に記載の歪送信器。
【請求項１２】
第１の温度センサを備える請求項７に記載の歪送信器（１）を使用して、構造物（２）上の歪を記録するための方法であって、
前記歪によって生じる電圧Ｖ及び現在の局部温度Ｔ１が前記シリコン・チップ（８）から読み取られることを特徴とし、また、静温度状態を補償するために前記値Ｖ、Ｔ１及び較正表に基づいて前記構造物（２）上の前記歪が決定されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
第２の温度センサ（１６）を備える請求項１２に記載の歪送信器（１）を使用し、
前記第２の温度センサ（１６）上で第２の局部温度Ｔ２が決定され、
不等な温度Ｔ１、Ｔ２が検出されると、動的温度変動を補償するために前記構造物（２）上の決定された歪が修正される
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物上の歪(strain)を記録するための歪送信器に関し、歪送信器は、歪体であって、歪軸を有し、且つ、歪体(strain body)を構造物に取り付けるための取付けデバイスを有する歪体と、構造物上の前記取付けデバイスの間の中央に、歪軸上に配置される測定素子とを備えている。
【背景技術】
【０００２】
歪送信器は、例えば、プロセスを監視するために機械構造物の上に取り付けられる。例えば射出成形機の場合、歪送信器を使用して成形ツールの閉止力（closure force）が監視され、一般的にはこの目的のために歪ゲージが使用される。歪ゲージは、ツールが閉じる際に生じる力のような大きな力によって生じる大きな歪に対して極めて信頼性の高い測値を引き渡す。しかしながら歪ゲージは、その一方で、極めて小さい力を測定することも可能でなければならない。運動中、ツールを損傷から保護するためにいわゆる型保護機能(mould protection function)が設計されており、構成要素が型から適切に除去されていない場合、型部品の閉止は直ちに停止する。そのためには、ツール上の歪に関する最も小さい力を記録することができなければならない。
【０００３】
歪ゲージは、非常に小さい歪を記録することができる。一方、圧電歪送信器は、小さい歪及び大きい歪の両方を記録するのに極めて適しているが、残念ながらそれらは静的測定を実施することができない。
【０００４】
英国特許第１４５６４０３号に、測定ブリッジを備えたチップを中央に配置したことを特徴とし、決定されたせん断応力に基づいて基本構造物上の歪を推測することができるＳ字形歪送信器が詳細に記述されている。このＳ字形歪送信器は、このようなチップと接触させることは極めて厄介であることを示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】英国特許第１４５６４０３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、導入部分で説明した、極めて小さい測値及び極めて大きい測値の両方を記録することができ、且つ、静的測定を実施することができるタイプの歪送信器を特化することである。さらに、歪送信器は、構造物に容易に接触させることができ、且つ、構造物上の温度変動を容易に補償することができなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、測定素子がプレートを備え、その上に圧電抵抗シリコン・チップがその表面積全体にわたって取り付けられ、このチップは、静的測定を実施することができ、フル・ブリッジに接続され、且つ、その歪に比例する電圧を出力することによって達成され、回路基板は、シリコン・チップの電気コンタクトに電気接続される測定素子の上に取り付けられる。回路基板は、本質的に、プレートから絶縁された導電トラックを備えており、これらの導電トラック自体は、好ましい構造では、同様にプレート上に配置されるコネクタに電気接続される。
【０００８】
フル・ブリッジに接続されたこのようなシリコン・チップは、同様にフル・ブリッジに接続された従来の歪ゲージセンサの感度より約６０倍高い感度を有しており、したがって約１マイクロストレイン（１με）、つまり１マイクロメートル／メートル（μｍ／ｍ）までのさらに低いレベルの信号を記録することができる。圧電センサとは対照的に、抵抗ブリッジに接続されたシリコン・チップは電圧信号を出力し、且つ、静的測定を実施することができる。
【０００９】
チップはプレートの上に配置され、また、回路基板を介して既にコンタクトに接続されているため、したがって歪体上への取付けに先立って測定素子をチェックしてその機能を確認することができる。これは、欠陥のあるチップを早い段階で識別して取り除くことができ、したがって最終製品の故障率を著しく低減することができることを意味している。
【００１０】
プレートは、その全周辺縁に沿って歪体の上に溶接することができ、したがって確実な接続が生成される。
【００１１】
プレートは、歪体の下面に取り付けられることが好ましく、歪体は、構造物の取付け平面に取り付けられると、この下面に位置することになる。しかしながらプレートは、プレートと構造物の間の摩擦によって測値に誤りが生じないよう、わずかな分離距離、例えば毛管分離距離（capillary separation distance）だけこの取付け平面から間隔を隔てていなければならない。構造物に近接させることにより、測定素子上の温度と構造物上の温度が同じであることが保証される。そのために、チップ及び回路基板は、構造物から間隔を隔てて対向するプレートの側に存在している。その下面まで貫通している歪体中の連続開口は、コネクタ又は回路基板上の適切なコンタクトへの端子接続のためのアクセスを提供する。
【００１２】
以下、本発明について、図を参照してより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来技術による歪送信器を概略的に示す図である。
【図２】本発明による歪送信器に使用するためのフル・ブリッジの説明を示す図である。
【図３】好ましい実施例における本発明による歪送信器を示す図である。
【図４】本発明による歪送信器のための測定素子の平面図を概略的に示す図である。
【図５】構造物の上に取り付けられた、増幅器を有する本発明による歪送信器の断面を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、歪送信器１であって、歪送信器１が構造物２の上に取り付けられると、構造物２上の歪を検出するための歪送信器１に関する。図３は、本発明による歪送信器１の単純な好ましい形態を示したものである。図５は、このような歪送信器１の実例を示したもので、歪送信器１は、構造物２に取り付けられており、また、増幅器を備えている。
【００１５】
図１は、従来技術による歪送信器を示したものである。この歪送信器は、中心歪軸４を有する歪体３を有しており、歪体３は、測定中、この中心歪軸４に沿って歪む。歪体３は、２つの取付けデバイス５を個々に有する２つの端部領域９を備えており、また、測定素子６を有する中央領域１０を同じく備えており、測定素子６は、詳細には、取付けデバイス５の間の中央に、歪軸４上に同じく配置されている。前記測定素子６は、フル・ブリッジ７が形成されるように接続された４つの歪感応抵抗Ｒを含み、ここではこれらの抵抗の各々は、歪軸に対して平行又は直角に配置される。図２では、本発明による配置で展開されることが好ましいため、フル・ブリッジについてより詳細に説明されている。抵抗間の対向するブリッジの個々の対は、個々のケースにおいて、ここではＶとして示されている測定信号の電圧降下Ｓ＋、Ｓ−のためのそれぞれ電源Ｅ＋、Ｅ−のための端子を形成している。図１の配置とは対照的に、図２におけるフル・ブリッジ７の抵抗は、歪軸４に対して４５°の角度で配置されており、これは、図１の配置と比較すると、約５０％だけ測定素子の感度を増す効果を有している。
【００１６】
本発明による歪送信器１は、図２によるフル・ブリッジが中に統合されたシリコン・チップ８を備えた歪体３を備えており、歪体は、その歪に比例する電圧を出力する。
【００１７】
図３は、本発明による歪送信器１に取り付けられることが好ましいため、本発明による歪体３を示したものである。前記歪体３はＳの形に類似した形状を有しており、また、歪体３は、場合によってはＳと対称の形に似ていてもよい。前記歪体３自体は、２つの取付けデバイス５を個々に有する２つの外側端部領域９を有しており、また、測定素子６を有する中央領域１０を同じく有している。本発明による実施例の形態では、中央領域と外側領域の接続部１８は、歪軸４の外側に、中心点に対して対称に配置されている。したがって歪軸４は、取付けデバイス５の間を２回に渡り,歪体３の外側を通っている。歪体３の中央領域１０は、接続部１８で端部領域に接続されているだけであるため、取付けデバイス５の間が引っ張られると、歪体３の中央領域１０は回転して歪む。これらの接続部１８は、歪軸４の外側に、中心点に対して対称に配置されているため、中央領域１０にモーメントが作用する。本発明による歪送信器のための測定素子６は、好ましいことにはせん断応力を記録する。せん断応力は引張り応力よりもはるかに均質な形態で生じるため、これは有利である。
【００１８】
図４は、プレート１１を有するこのような測定素子６を示したもので、シリコン・チップ８は、好ましいことにはその表面積全体にわたってこのプレート１１上の中央に取り付けられている。測定素子６は回路基板１３を同じく備えており、電気コンタクト１２は、回路基板１３を介してシリコン・チップ８から導かれている。回路基板１３は、少なくとも導電トラック２３を備えており、これらの導電トラックは、絶縁方式でプレート１１の上に取り付けられている。プレート１１は、好ましいことには、導電トラック２３と接触しているコネクタ１１を備えている。他の状況では、回路基板１３は、図には示されていないが、増幅器又は評価ユニットへの端子接続に直接接触させることができる接点を有することも可能である。
【００１９】
せん断応力の記録において、シリコン・チップ８は、シリコン・チップ８が所望の方向のせん断により影響を受けるよう、プレート１１上に対角線状に取り付けられる。
【００２０】
そのプレート１１を有する測定素子６は、その周囲全体にわたって歪体３に直接取り付けられることが好ましく、溶接されることが好ましい。これは、確実な接続を生成することができることを意味している。さらに、歪体３は、とりわけこの溶接領域に開口２２を有しており、この開口２２を介して回路基板１３に接続することができる。
【００２１】
図５は、本発明による歪送信器１を歪軸４に沿って取った断面図で示したものである。取付けねじ１９は、歪送信器１、詳細には端部領域９の歪体３を構造物２に固着している。歪体３は、歪体３が構造物２に対して平らに位置する取付け平面１５を有している。前記歪体３は、図３に従ってＳ字形を有しているため、歪体３は連続的には示されていない。シリコン・チップ８を有する測定素子６は、中央領域１０に配置されている。
【００２２】
本発明によれば、取り付けられた状態の測定素子６は、構造物２に対してほぼ平らに位置しており、最小の可能分離距離、例えば毛管分離距離２１だけ距離を隔てている。これは、構造物の温度が常に測定素子６上の温度と可能な限り緊密に同じであるという利点を有している。
【００２３】
シリコン・チップ８上で測定するために、個々のケースにおいて一定の電源がＥ＋、Ｅ−で印加される。Ｓ＋とＳ−の間で記録される電圧Ｖは、チップ上の歪によって生じる測定信号を再現する。本発明によれば、歪によって生じる電圧Ｖに加えて、シリコン・チップ８から現在の局部温度Ｔ１を同じく読み取ることができる。そのために、Ｅ＋とＥ−の間のブリッジ電圧が一定の電源で測定される。チップ８上の静温度が変化すると、チップ上に歪が全く存在しなくても同じく抵抗が変化する。ブリッジ抵抗のこの変化は、Ｅ＋、Ｅ−におけるブリッジ電圧の変化として記録することができ、その結果、構造物の第１の温度Ｔ１を決定することができる。
【００２４】
これらの値Ｖ、Ｔ１に基づいて、較正表を使用して構造物２上の歪を決定することができる。したがって静温度状態を補償することができる。静温度状態は、高くなっても、或いは低くなってもよいが、より長い時間期間にわたって一定である温度である。
【００２５】
静温度状態によって生じる測定誤差は、上で説明した方法で補償することができる。したがってチップ８は、第１の温度センサとして設計することも可能である。
【００２６】
また、歪送信器１は、図には示されていないが評価ユニットへの端子接続２０を有する増幅器１７を同じく備えていることが好ましい。詳細には、増幅器１７は、電気コンタクトを使用して、或いはコネクタ１４上の他のコネクタを使用して測定素子６に取り付けることができる。増幅器１７が故障した場合、その目的のために歪送信器１を構造物２から取り外すことなく増幅器１７を容易に取り外し、且つ、交換することができる。
【００２７】
増幅器１７は、２つの異なる出力範囲を有するツイン・チャネル増幅器であることが好ましい。この方法によれば、同じ歪送信器を使用して非常に小さい信号及び非常に大きい信号の両方を送信することができることが保証される。
【００２８】
詳細には、増幅器１７は、温度変動によって生じる測定誤差を補償するための第２の温度センサ１６を備えることができる。
【００２９】
追加温度センサ１６を使用して第２の局部温度Ｔ２を決定することができる。温度Ｔ１、Ｔ２の間に差が生じると直ちに、温度変動ではなく、静温度状態の方がより長く支配する。動的に不等な温度Ｔ１、Ｔ２が検出されると、他の較正曲線を使用して構造物２上の決定済み歪を修正し、動的温度変動を補償することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  歪送信器
２  構造物
３  歪体
４  歪軸
５  取付けデバイス
６  測定素子
７  フル・ブリッジ
８  シリコン・チップ
９  端部領域
１０  中央領域
１１  プレート
１２  電気コンタクト
１３  回路基板
１４  コネクタ
１５  取付け平面
１６  第２の温度センサ
１７  増幅器
１８  接続部
１９  取付けねじ
２０  端子接続
２１  毛管分離距離
２２  開口
２３  絶縁導電トラック
Ｒ  抵抗
Ｅ＋、Ｅ−  電源
Ｓ＋、Ｓ−  測定信号の電圧降下
Ｖ  歪を決定するための電圧
Ｔ１  プレート上及び構造物上の温度
Ｔ２  構造物から離れた温度、つまり周囲温度
【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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【国際調査報告】
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2015530579.tif 000009
2015530579.tif 000010
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