(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
力を受ける一対の対向する表面（２，３）および中央の主軸（４）を具備し、前記表面（２，３）は前記主軸（４）に垂直であり、更に、前記主軸と実質的に同心な環状キャビティ（５）および、それぞれ内径がｒ１で外径がｒ２の半径方向内側と外側の表面を有する環状体（１）と、前記環状キャビティ（５）内に配設され前記力の影響を表す電気信号の出力のためのセンサ手段（６）とを有する圧縮力測定装置において、前記センサ手段は、前記キャビティ（５）の半径方向内側表面（７）の上に載置されたセンサ要素（９）を有し、前記表面は、前記環状体の負荷を受ける断面のモーメント平衡の半径ｒRに実質的に対応する前記主軸からの距離のところに位置されており、前記半径ｒRは次の式で与えられることを特徴とする圧縮力測定装置。
0004121169.tif 000005
【請求項２】
前記センサ手段が、前記キャビティ（５）の半径方向内側表面（７）に接着された非結晶の磁気弾性リボン（９）を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記リボン（９）は、ラジオ周波数範囲の周波数において作動するように意図された励磁／ピックアップコイル（１０）の形の追加のセンサ要素によって取り囲まれていることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記キャビティ（５）は、前記表面（２，３）に直角で平行な半径方向内側表面および外側表面（７，８）を具備する狭い間隙として形成されており、前記表面（２，３）に平行な平面の中の前記キャビティ（５）の横断面領域は、前記平面の中のリング体（１）の残りの横断面領域よりもずっと小さいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
前記センサ手段（６）は、それの最も敏感な方向が前記リング体（１）の主軸（４）に実質的に平行な向きに向けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
如何なる電気的なライン接続も無しに、外部の受信手段に対する電気信号の伝達のための電磁伝達手段（１２）を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
前記電磁伝達手段（１２）は、センサ信号をピックアップして内部処理するためのＡＳＩＣ回路を有していることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
外部の受信手段および信号処理手段に対して前記電気信号を伝達するための電気コンタクトを有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項９】
前記伝達手段（１２）は、前記キャビティ（５）から前記リング体（１）の外側表面（１４）まで延びている半径方向の穴（１３）の中に配置されていることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１０】
前記リング体（１）は、鋼鉄から作られていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
前記リング体（１）は、ディスク形状であって、組み立てられた状態において前記キャビティ（５）を画定する２つのワッシャ部品（１５，１６；２１，２２）から作り上げられていることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１２】
前記ワッシャ部品（１５，１６）は、前記リング体（１）の前記内周表面と外周表面（１９，１４）とに沿って伸びている連結部（１７，１８）の中で溶接によって連結されていることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、力を受ける一対の対向する表面(front surface) を具備する環状体であって、前記表面は前記環状体の中央の主軸に垂直である環状体と、前記主軸と実質的に同心であり、前記力の影響を表す電気信号の出力のためのセンサ手段を受け入れている環状キャビティとを有する圧縮力測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述の型の装置は、ＤＥ−Ｂ２−２３５７１０５から公知である。この公知の装置は、磁歪材料から構成され、測定用巻線の受け入れのための環状のキャビティを具備するリング体を有する。その装置は、機械的な負荷の下でそれの透磁性を変化させる磁歪材料の特徴を基礎としている。これは、結果的に測定用巻線を通る磁束の変化をもたらし、すなわち、測定用巻線のＡＣ抵抗の変化に帰着する。
【０００３】
前記公知の発明の目的は、圧縮力の磁気弾性測定のための装置を提供することである。ここで、測定ができる限り正確になるように、圧力の影響を受けている場合のリング体は、圧縮負荷だけを受けるか、材料の中に発生する引っ張り応力による測定結果の精度に対する悪い影響が取り除かれる程度まで圧縮負荷のみを受けるようにする。
【０００４】
この目的は、リング体の各表面がキャビティに対して整列させられ、キャビティの幅に実質的に等しい幅をもつリング溝を具備しているという場合に達成され、したがって、各表面の上には２つの円形突起であって、それぞれがリング体の側壁のひとつを延ばし、一緒に力を受け取る表面を形成する２つの円形突起が形成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
公知の装置において、材料の選択は、リング体の材料が磁気弾性的でなければならないという事実故に強く制限されている。測定用巻線は、低渦電流損失の観点から比較的に低い周波数でなければならない交流電流で大きな“鉄”容積を磁化させなければならない故に、比較的に大きくなければならない。
【０００６】
加えて、この装置は、それがこれらの重要な適用例における材料に発生する高応力に耐えるように構築されていないので、ボルト接続における大事な予荷重を測定するのに適していないであろう。
【０００７】
本発明の目的は、組み立て制御および／またはボルト接続における大事な予荷重の監視に適している改良された力センサを提供し、それによって、最大の安全性を獲得し、最小の維持費用にすることである。
【０００８】
したがって、その装置は、話題のボルト接続、例えば、スルーリング(slew ring) ベアリング、パイプのフランジ、モータシリンダヘッド、接地固定装置において、現存の中間ディスクあるいはワッシャと置き換えられるであろうし、あるいは、そのようなものが存在しない場合にワッシャとして導入されるであろう。
【０００９】
本発明による装置が標準ワッシャと同じようにナットの下に組み付けられる場合には、２つの実質的に有利な点、すなわち、予荷重がボルト接続において直接測定されるということ、および、精密な部材であるボルトとナットと完全に影響を受けないままであるということとが達成される。
【００１０】
適用に関するもう一つの意図された分野は、その装置を負荷セル、例えば、重量測定工程、および、現存の技術が比較的に短い稼働寿命をもっている特に高度の運動を伴う重量測定工程における負荷セルとして使用することである。
【００１１】
したがって、例えば、故障や漏洩等を防止するために、組み立てにおけるボルト接続における予荷重に関してよりよい制御、および／または、ボルト接続における予荷重力の連続的あるいは周期的制御を与える装置を提供することが本発明の目的である。
【００１２】
本発明のもう一つの目的は、例えば搬送装置等における重量測定工程を単純にし改良するために、負荷セルとして使用することが可能な装置を提供することであり、さらに、高度の運動を伴う重量測定工程におけるそのような装置に対して実質的に延ばされた稼働寿命を達成することである。
【００１３】
本発明の追加目的は、センサ手段が配置されたリング体の領域における大きな機械的安定性の故に、測定結果に関する境界条件の変動の影響をほとんど取り除く装置を提供することである。
【００１４】
本発明の追加目的は、低い生産費用で連続生産に非常によく適している装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、導入部分で述べられた型の装置が提供されるが、その装置は、本発明にしたがって、前記センサ手段が前記キャビティの半径方向内側表面の上に載置されたセンサ要素を有し、前記内側表面は、負荷を受けるリング要素の部分に対するモーメント平衡のための半径に実質的に対応する所定距離だけ主軸から離れて位置決めされているということを特徴としている。
【００１６】
その装置の有利な実施例において、前記キャビティは、圧力を受ける表面に垂直である平行な半径方向の内側表面および外側表面を具備する狭い間隙として形成されており、前記圧力を受ける表面に平行な平面の中の前記キャビティの横断面領域は、前記平面の中のリング体の残りの横断面領域よりもずっと小さい。
【００１７】
前記センサ要素は、好ましくは前記キャビティの半径方向内側表面に取り付けあるいは接着されている非結晶(amorphous) の磁気弾性リボンから構成され、および、前記リボンが比較的に高い周波数（ラジオ周波数）において作動するように意図された励磁／ピックアップコイルの形の追加のセンサ要素によって取り囲まれている。
【００１８】
前記センサ要素による測定は、リング体の周りの連続した周辺において、特にキャビティが内側に配置されているリング体の外周に沿って実行される。このことは、センサ要素が前記外周の全てに沿う負荷を積分する積分器であるということを意味する。
【００１９】
リング体のモーメント平衡の位置にセンサ要素を配置することによって、実質的に改良された機械的な特性が得られる。第１に、その配置は、センサ要素の圧縮が、リング体の平均圧縮に等しくなり、それによって１：１で作用する負荷を反映するであろうということを意味する。
【００２０】
さらに、その配置は、基材や支持体の性質、ナットの表面や傾斜性、ボルト等の性質のような境界条件における変化によって少ししか影響されない、より丈夫なセンサを意味する。加えて、リング体を傾斜して組み付けても、センサ要素の配置とそれの積分効果の故に、大きな誤差源とならないであろう。
【００２１】
リング体のモーメント平衡のための場所の位置決めの計算に関しては、以下でさらに説明する。
本発明による構造の最も重要な有利な点のひとつは、境界条件における変化の影響を最大可能範囲まで除去できるということである。
【００２２】
低く／短い負荷支持要素（例えば、高さ１４ｍｍで直径６０−７０ｍｍ）についていえば、センサ要素は、表面、組み立て位置、組み立て経路などにおける変化のような境界条件の変化からひどく影響を受けるであろう。
【００２３】
従来、通常の圧縮負荷セルにおいては、この問題は負荷支持要素を長くほっそりさせることによって解決されており、この場合、センサ要素自身は、上方および下方の境界、すなわち、負荷支持表面から遠くに配置されている。ワッシャにおいてはこの可能性はなく、これを基に本発明による装置は、センサ要素の理想的な配置により開発されたのである。
【００２４】
本発明は、図面を参照しつつ、実施形態に関連して以下でさらに説明されるであろう。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図に示されるように、本発明による装置は、この装置によって測定されるべきである軸方向に作用する圧縮力を使用時に受け、リング体１の中央の主軸４（図３および図４）に垂直な一対の対向する平らな表面２，３を具備する環状体１を有する。リング体１には、主軸４と同心であり、センサ手段６を受け入れるところの一周する環状の内側キャビティ５が設けられている。
【００２６】
図示されているように、キャビティ５は、平行な半径方向の内側と外側の表面７，８をそれぞれ具備する狭い間隙として形成され、それらの表面７，８は、表面２，３に垂直であり、表面２，３に対して平行、すなわち中央の主軸４に対し垂直な平面におけるキャビティの横断面積は、同じ平面内のリング体１の残りの横断面領域よりもずっと小さい。
【００２７】
センサ手段６は、非結晶(amorphous) の磁気弾性材料のリボン８の形状をした第１のセンサ要素を有する。この材料は、強い透磁力と、その透磁力とその材料が受ける機械的な応力との間の強い関係とを持っている。
【００２８】
センサリボン９は、キャビティ５の半径方向内側表面７に載置、更に具体的には固定あるいは接着されており、この表面は、負荷を受けるリング体のその部分におけるモーメント平衡のための半径（図３のｒR）に実質的に対応する、リング体１の主軸４から所定の距離に位置づけられている。センサリボンのこの位置づけは、最適な構造的および作動的な性質を与えることが見い出され、また、計算やＦＥＭ解析（Finite Element Model Analysis）によって検証もされた。
【００２９】
また、センサ手段は、センサリボン９の外側に載置され、したがって、リボンセンサを取り囲む励磁／ピックアップコイル１０からなる追加のセンサ要素を有する。励磁コイル１０は、比較的に高い周波数（ラジオ周波数）において作動するように意図されている。
【００３０】
そのコイルは、センサ信号の励磁／ピックアップのためのフレキシブル回路１１を介して接点等に接続され、あるいは、励磁／ピックアップおよび内部信号処理のためのＡＳＩＣ回路（ASIC＝Application Specific Integrated Circuit）に接続されている。
【００３１】
そのセンサ手段は、最も敏感な方向がリング体１の主軸４に実質的に平行であるように方向性を与えられている。
【００３２】
リング体のモーメント平衡のための位置あるいは半径の計算のために、図３を参照する。図３において、リング体１は、内径ｒ1と外径ｒ2とを具備するように示され、モーメント平衡のための半径は、ｒRと指示されている。そこで、モーメント平衡のための式は、次の数式(1) となり、ｒRは次の数式(2) で表わされる。
【００３３】
【数１】
0004121169.tif 000002
【００３４】
【数２】
0004121169.tif 000003
【００３５】
上述の式は、合力Ｒの位置づけと、同時に、均一な軸方向の負荷を受ける固体ディスク形のリング体に対するモーメント平衡を与える。しかしながら、その式は、リング体／ワッシャのキャビティに対して係数Ｋ1 によって修正されなければならない。
【００３６】
加えて、ワッシャがねじ付きボルト上にナットの下に組み付けられるとき、その式は、また係数Ｋnによって、ねじ角およびナットの型の関数としてのワッシャの表面上の押圧力の配分に対して修正されなければならない。そこで、最終的な式は、次の数式(3）となる。
【００３７】
【数３】
0004121169.tif 000004
【００３８】
この場合、係数ＫiおよびＫnは、全てのワッシャ／ナットの組み合わせに対して計算されなければならない。
【００３９】
その装置の作動において、この装置は、主軸と実質的に平行な外部の力の影響の部分を表す電気信号を出す。外部との通信、すなわち、外部の受信装置に対しての電気信号の伝達は、電磁伝達手段によって行われ、その信号は、いかなる電線接続も無しに伝達される。
【００４０】
その伝達手段は、コネクタとＡＳＩＣとを有する。図２において、ブロック１２によって象徴化されているこの手段は、リング体の内部キャビティ５から外表面１４まで延びている半径方向に延びる穴１３の中に配置されている。伝達手段のもう一つの実施例は、普通の電気コンタクトであろう。
【００４１】
リング体１の表面２，３の上に作用する圧縮力がこの装置に負荷されると、リング体は、センサリボン９に歪み（変形）を伝達するであろう。そこで、センサリボンの磁気透過性が変化し、コイル１０のインダクタンスの対応する変化を結果としてもたらす。その結果は、ＡＳＩＣ回路の中で処理されるであろうし、手持ちの装置によって読み取り可能である。連続した監視においては、電気コンタクトを介した固定した電気接続を用いるのも適切である。
【００４２】
リング体１それ自身は、便宜的に鋼鉄から作られている。しかしながら、材料選択は、その材料がその装置に加えられる最大の力あるいは負荷に耐えるための充分な降伏点および極限強さを具備している限り、重要ではない。図示されるように、リング体は、ディスク形状をしており、図示された実施形態においては、互いに取り付けられ、組み立て状態でキャビティ５を与える２つの同軸的なディスク部品から作り上げられている。
【００４３】
このように、図３の実施例においては、リング体あるいはワッシャは、一対の負荷支持部分、すなわち、下方部分１５と上方部分１６とから構成されている。図に示されているように、下方部分１５は、キャビティ５の半径方向外側表面８を構成している内周表面をもち、上方に延びている外側部分を具備しており、他方、上方部分１６は、キャビティの半径方向内側表面７を構成している外周表面をもち、下方に延びている内側部分を具備している。
【００４４】
２つの部分１５，１６は、下方および上方の水平表面部分に沿って互いに支え合い、それら部分は、リング体／ワッシャの内周表面および外周表面１９，１４に沿って延びている連結部分１７，１８の中でそれぞれ連結されている。それらの部分は、例えば溶接によって適切に連結されている。
【００４５】
図３において示されているように、上方ワッシャ部分１６は、下方に延びる部分と上方水平表面部分との間の遷移部分に角突起２０を具備している。この突起２０は、キャビティ５と同じ半径方向の幅を具備しており、したがって、突起２０の外側と下方部分１５の上方に延びる部分の隣接する周面との間に圧力ばめが提供される。このようにして、搬送の間および溶接操作の間において、部分１５，１６は組み立てられた後に一緒に保たれるということが達成される。
【００４６】
図面において示されるような内部キャビティを具備するワッシャは、多くの異なる方法によって形成される個別の部品から構成することができるということは明らかであろう。しかしながら、図３において示された実施形態では、次のように集約できる多くの有利な特徴を具備している。それは、組み立てが容易であると同様に機械加工も容易である最小数の部品から構成されている。
【００４７】
その実施形態は、センサリボン９と励磁コイル１０の容易な組み立てを与える。溶接は、内周表面および外周表面において行われ、接触面、すなわち、底面と上面２，３に関して良好な制御を与え、センサリボンにおいて熱の問題を与えない。加えて、搬送時および溶接時に、部品を一緒に保つ（正しい相対的な位置に）のに問題がない。
【００４８】
導入部分で述べたように、中でも本発明による装置は、通常のボルト接続における中間のディスクすなわちワッシャとして用いられるであろう。この理由で、その装置は、標準のナットと一緒に使用されるようにつくられなければならない。
【００４９】
市場には、非常に多くの異なる型のナットがある。最も良く用いられる２つは、例えばスルーリング(slew ring) ベアリングに屡々用いられるシリンダ状のナットと、広く使われている６角ナットとである。図３に示されている実施形態は、シリンダ状のナットに対して設計されている一方、図４においては、６角ナットと一緒の使用のために設計された実施形態が示されている。
【００５０】
図４の実施形態は、大部分において図３の実施形態と類似しているが、ワッシャのそれぞれ下方および上方部分２１，２２の構造が、図３からは部分的に異なっている。このように、下方および上方部分２１，２２は、話題の６角ナットの負荷表面に適合するために、表面２，３の幅よりも小さな半径方向の幅をもつそれぞれの負荷支持表面２３，２４を具備している。
【００５１】
さらに、下方部分２１は、負荷支持表面２３，２４の半径方向外側に配置され、負荷支持表面２３，２４に関して皿形にされ、したがって負荷が与えられない底面２５および上面２６をもつ外側周辺部分を具備している。
【００５２】
このように、前記外周部分の上部は、上方部分２２の上部の半径方向外側に配置されており、これらの部分は、ワッシャ部品２１，２２が組み立てられた状態にあるとき、それらの隣接する周辺表面が圧力ばめを形成するように寸法的に相互に適応されている。圧力ばめ表面は、前記部品が圧力ばめのみによって恒久的に一緒に保たれるように充分に大きな領域を具備しており、したがって、この実施形態における部品の溶接は必要ではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態による装置の断面外観図。
【図２】拡大寸法で図１の一部分を示す断面図。
【図３】ディスク形をしており、２つのディスク部品から作り上げられているリング体の実施形態の部分的な断面図。
【図４】図３と同様な断面図で前記ディスク部品のもう一つの設計例を示す断面図。
【符号の説明】
１        環状体（リング体）
２，３    表面
４        主軸
５        キャビティ
６        センサ手段
７        内側表面
８        外側表面
９        センサリボン
１０      励磁コイル
１１      フレキシブル回路
１２      ブロック
１３      穴
１４      外周表面
１５      ワッシャ部品（下方部分）
１６      ワッシャ部品（上方部分）
１９      内周表面
２５      底面
２６      上面
【図１】
0004121169.tif 000006
【図２】
0004121169.tif 000007
【図３】
0004121169.tif 000008
【図４】
0004121169.tif 000009