(57)【要約】  力、例えばプラグ接続におけるばね力を測定するための測定システムは、有利な幾何設計を持つ測定要素を有し、かつ／またはいくつかの測定範囲に対応するいくつかの機械的状態を想定できるように形成され、かつ／または少なくとも、測定アームの堅い接続を有するように形成された、測定アームへの力作用側にあり、これにより、応答感度および／または正確度および／または分解能を全体的に向上させる。したがって、本発明による測定要素は、測定システム分析の基準を満たすことができ、これにより、測定物を評価するための正確かつ再現可能な測定結果を得る状態を作り出すことができる。【選択図】図１−１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
力を記録するための測定要素（１００、２００、４００、８００）であって、
前記測定要素（１００、２００、４００、８００）は、
-  前記測定要素（１００、２００、４００、８００）の長手方向（Ｌ）に延びる第１の測定アーム（１１０、２１０、４１０、８１０）、および前記長手方向（Ｌ）に延びる第２の測定アーム（１２０、２２０、４２０、８２０）であって、前記長手方向に垂直な方向で互いに対して偏向することができる第１の測定アームおよび第２の測定アームと、
-  前記第１の測定アーム（１１０、２１０、４１０、８１０）と前記第２の測定アーム（１２０、２２０、４２０、８２０）とを互いに弾性変形可能に接続し、前記第１の測定アームおよび前記第２の測定アームに対向する第１の面（１３０Ａ）と、前記第１の測定アームおよび前記第２の測定アームとは反対側の第２の面（１３０Ｂ）とを有する変形部（１３０、２３０、４３０、８３０）と、
-  前記変形部（１３０、２３０、４３０、８３０）の前記第１の面（１３０Ａ）または前記第２の面（１３０Ｂ）に配置され、変形に応答し、前記変形部（１３０、２３０、４３０、８３０）内に完全に位置する少なくとも１つの変換器ユニット（１４０、１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７、１４８）と、
を備えている測定要素。
【請求項２】
前記変形部の前記第１の面（１３０Ａ）および／または前記第２の面（１３０Ｂ）に配置され、変形に応答する２つ以上の変換器ユニット（１４０、１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７、１４８）が設けられている、
請求項１に記載の測定要素。
【請求項３】
所与の材料特性を有する前記変形部（１３０、２３０、４３０、８３０）の幾何設計が、前記第１の測定アームおよび前記第２の測定アームの相対偏向により測定すべき所与の範囲の力についての変形挙動をシミュレーションすることによって確認される幾何設計を模倣する、
請求項１または２に記載の測定要素。
【請求項４】
前記少なくとも１つの変換器ユニットの位置が、シミュレーションにより確認された領域および／または局所的に最大の変形を有する領域にある、
請求項１から３のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項５】
前記測定要素は第１の測定範囲を有し、前記第１の測定範囲は、前記第１の測定アーム（２１０）および前記第２の測定アーム（２２０）の相対偏向により測定すべき、第１の閾値以下である力が作用を及ぼすときに、前記第１の測定アーム（２１０）と前記第２の測定アーム（２２０）とが互いに離間したままであるという点で決定される、
請求項１から４のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項６】
前記測定要素は第２の測定範囲を有し、前記第２の測定範囲は、前記第１の測定アームおよび前記第２の測定アームの相対偏向により測定すべき、前記第１の閾値超の力が作用を及ぼすときに、前記第１の測定アーム（２１０）の前領域（２１０Ａ）が前記第２の測定アーム（２２０）の前領域（２２０Ａ）に接触しているという点で決定される、
請求項５に記載の測定要素。
【請求項７】
前記測定要素は第３の測定範囲を有し、前記第３の測定範囲は、前記第１の測定アームおよび前記第２の測定アームの相対偏向により測定すべき、前記第１の閾値超かつ前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上の力が作用を及ぼすときに、前記第１の測定アーム（２１０）の前記前領域（２１０Ａ）が前記第２の測定アーム（２２０）の前記前領域（２２０Ａ）に接触し、前記第１の測定アーム（２１０）の後領域（２１０Ｂ）と前記第２の測定アーム（２２０）の後領域（２２０Ｂ）とにより形成される中間空間（２０２、２０２Ａ）の大きさが、前記測定すべき力の特徴であるという点で決定される、
請求項６に記載の測定要素。
【請求項８】
前記第１の測定アーム（２１０）の前記前領域（２１０Ａ）と前記第２の測定アーム（２２０）の前記前領域（２２０Ａ）との接触を記録するように形成される第１の検出デバイス（２５０）が設けられている、
請求項５から７のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項９】
前記中間空間（２０２、２０２Ａ）の大きさを記録するように形成される第２の検出デバイス（２５１）が設けられている、
請求項５から８のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項１０】
前記第１の測定アーム（３１０）の第１の表面（３１２）が、前記第２の測定アーム（３２０）の第２の表面（３２２）に対向し、前記第１の表面および前記第２の表面は互いに相補的に形成され、前記相対偏向に対して角度を形成する表面法線（３２２Ｎ）を持つ表面領域を有する、
請求項１から９のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項１１】
前記第１の測定アーム（４１０）および前記第２の測定アーム（４２０）の全厚（４０４）が、測定すべき力が及ぼされない状態で、少なくとも相互作用領域において変化するおよび／または可変である、
請求項１から１０のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項１２】
前記相互作用領域の全厚の変化は、前記第１の測定アーム（４１０）および／または前記第２の測定アーム（４２０）の厚さ（４１０Ｄ、４２０Ｄ）が＋／−２００μｍの範囲で変化することによって生じる、
請求項１から１１のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項１３】
相互作用領域は、全厚（４０４）が各々異なる少なくとも３つの領域を有する、
請求項１１または１２に記載の測定要素。
【請求項１４】
前記第１の測定アーム（１１０、２１０、８１０）に結合される第１の接続領域（１１５、２１５、８１５）、および／または前記第２の測定アーム（１２０、２２０、４２０、７２０、８２０）に結合される第２の接続領域（１２５、２２５、４２５、７２５、８２５）、および／または前記変形部（１３０、２３０、４３０、８３０）に、調節可能な伸長／収縮を伴うアクチュエータ要素（４４５）が設けられている、
請求項１から１３のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項１５】
前記全厚（４０４）は、前記１つまたは複数のアクチュエータ要素により、０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲で調節可能である、
請求項１１に従属する請求項１４に記載の測定要素。
【請求項１６】
前記１つまたは複数のアクチュエータ要素のうちの１つを、評価および／または較正のために使用可能な信号を提供するためのセンサとして使用することができる、
請求項１４または１５に記載の測定要素。
【請求項１７】
位置決め要素（８１３）が、較正質量（８９１）または較正長さ要素を位置決めするために前記第１の測定アーム（８１０）および／または前記第２の測定アーム（８２０）に設けられている、
請求項１から１６のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項１８】
力を記録するための測定要素（１００、２００、４００、８００）であって、
前記測定要素（１００、２００、４００、８００）は、
-  前記測定要素の長手方向（Ｌ）に延びる第１の測定アーム（２１０）、および前記長手方向に延びる第２の測定アーム（２２０）であって、前記長手方向（Ｌ）に垂直な方向で互いに対して偏向することができる第１の測定アームおよび第２の測定アームと、
-  前記第１の測定アーム（２１０）と前記第２の測定アーム（２２０）とを互いに弾性変形可能に接続する変形部（２３０）と、を備え、
前記測定要素は第１の測定範囲を有し、
前記第１の測定範囲は、前記第１の測定アーム（２１０）および前記第２の測定アーム（２２０）の相対偏向により測定すべき、第１の閾値以下である力が作用を及ぼすときに、前記第１の測定アーム（２１０）と前記第２の測定アーム（２２０）とが互いに離間したままであるという点で決定され、
前記測定要素は第２の測定範囲を有し、
前記第２の測定範囲は、前記第１の測定アーム（２１０）および前記第２の測定アーム（２２０）の相対偏向により測定すべき、前記第１の閾値超の力が作用を及ぼすときに、前記第１の測定アーム（２１０）の前領域（２１０Ａ）が前記第２の測定アーム（２２０）の前領域（２２０Ａ）に接触しているという点で決定される、
測定要素。
【請求項１９】
前記測定要素は第３の測定範囲を有し、
前記第３の測定範囲は、前記第１の測定アーム（２１０）および前記第２の測定アーム（２２０）の相対偏向により測定すべき、前記第１の閾値超かつ前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上の力が作用を及ぼすときに、前記第１の測定アームの前記前領域（２１０Ａ）が前記第２の測定アームの前記前領域（２２０Ａ）に接触し、前記第１の測定アームの後領域（２１０Ｂ）と前記第２の測定アームの後領域（２２０Ｂ）とにより形成される中間空間（２０２、２０２Ａ）の大きさが、前記測定すべき力の特徴であるという点で決定される、
請求項１８に記載の測定要素。
【請求項２０】
前記第１の測定アームの前記前領域（２１０Ａ）と前記第２の測定アームの前記前領域（２２０Ａ）との接触を記録するように形成される第１の検出デバイス（２５０）が設けられている、請求項１８または１９に記載の測定要素。
【請求項２１】
前記中間空間（２０２、２０２Ａ）の大きさを記録するように形成される第２の検出デバイス（２５１）が設けられている、
請求項１８から２０のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項２２】
前記変形部（２３０）に配置され、変形に応答する１つまたは複数の変換器ユニット（１４０、１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７、１４８）をさらに有する、
請求項１８から２１のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項２３】
前記１つまたは複数の変換器ユニットのうちの１つが、前記第１の測定アームおよび前記第２の測定アームに対向する前記変形部の面（１３０Ａ）に配置されている、
請求項２２に記載の測定要素。
【請求項２４】
所与の材料特性を有する前記変形部の幾何設計が、前記第１の測定アームおよび前記第２の測定アームの相対偏向により測定すべき所与の範囲の力についての変形挙動をシミュレーションすることによって確認される幾何設計を模倣する、
請求項１８から２３のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項２５】
前記１つまたは複数の変換器ユニットの位置が、最大の変形を有する領域により決定される、
請求項２２に記載の測定要素。
【請求項２６】
前記第１の測定アームの第１の表面（３１２）が、前記第２の測定アームの第２の表面（３２２）に対向し、前記第１の表面（３１２）および前記第２の表面（３２２）は互いに相補的に形成され、前記相対偏向に対して角度を形成する表面法線（３２２Ｎ）を持つ表面領域を有する、
請求項１８から２５のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項２７】
前記第１の測定アームおよび前記第２の測定アームの全厚（４０４）が、測定すべき力が及ぼされない状態で変化するおよび／または可変である、
請求項１８から２６のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項２８】
相互作用領域の全厚の変化は、前記第１の測定アームおよび／または前記第２の測定アームの厚さ（４１０Ｄ、４２０Ｄ）が＋／−２００μｍの範囲で変化することによって生じる、
請求項２７に記載の測定要素。
【請求項２９】
前記相互作用領域は、全厚が各々異なる少なくとも３つの領域を有する、
請求項２７または２８に記載の測定要素。
【請求項３０】
前記第１の測定アーム（４１０）に結合される第１の接続領域（４１５）、および／または前記第２の測定アーム（４２０）に結合される第２の接続領域（４２５）、および／または前記変形部（４３０）に、調節可能な伸長／収縮を伴うアクチュエータ要素（４４５）が設けられている、
請求項１８から２９のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項３１】
前記全厚（４０４）は、前記１つまたは複数のアクチュエータ要素により、０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲で調節可能である、
請求項２７に従属する請求項３０に記載の測定要素。
【請求項３２】
前記１つまたは複数のアクチュエータ要素のうちの１つを、評価および／または較正のために使用可能な信号を提供するためのセンサとして使用することができる、
請求項３０または３１に記載の測定要素。
【請求項３３】
位置決め要素が、較正質量または較正長さ要素を位置決めするために前記第１の測定アームおよび／または前記第２の測定アームに設けられている、
請求項１８から３２のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項３４】
力を記録するための測定要素（２００）であって、
前記測定要素（２００）は、
−  前記測定要素の長手方向（Ｌ）に延び、前領域（２１０Ａ）および後領域（２１０Ｂ）を有する第１の測定アーム（２１０）、ならびに前記長手方向に延び、前領域（２２０Ａ）および後領域（２２０Ｂ）を有する第２の測定アーム（２２０）であって、前記第１の測定アームおよび前記第２の測定アームの前記後領域（２１０Ｂ、２２０Ｂ）は前記長手方向（Ｌ）に垂直な方向で互いに対して偏向することができ、前記前領域（２１０Ａ、２２０Ａ）は互いにしっかりと接続されている第１の測定アームおよび第２の測定アームと、
−  前記第１の測定アーム（２１０）および前記第２の測定アーム（２２０）の前記後領域（２１０Ｂ、２２０Ｂ）により形成される中間空間（２０２、２０２Ａ）の大きさを記録するための検出デバイス（２５１）と、
を備えている測定要素。
【請求項３５】
前記検出デバイスは、前記第１の測定アームおよび／または前記第２の測定アームの前記後領域の変形に応答する１つまたは複数の変換器ユニットを備えている、
請求項３４に記載の測定要素。
【請求項３６】
前記検出デバイスは、前記第１の測定アームの前記後領域（２１０Ｂ）と前記第２の測定アームの前記後領域（２２０Ｂ）との間の間隔を記録するデバイスを有する、
請求項３４または３５に記載の測定要素。
【請求項３７】
前記第１の測定アームと前記第２の測定アームとは、前記前領域（２１０Ａ、２２０Ａ）とは反対側で互いに弾性結合されている、
請求項３４から３６のいずれか一項に記載の測定要素。
【請求項３８】
前記弾性結合は、変形部（２３０）により実行され、
前記変形部（２３０）は、前記変形部の変形を記録する１つまたは複数の変換器ユニットを備える、
請求項３７に記載の測定要素。
【請求項３９】
力を記録するための測定システムであって、
前記測定システムは、
請求項１から３８のいずれか一項に記載の測定要素と、
前記測定要素に結合可能であり、結合状態で、較正質量を受ける、または較正長さ要素を当てる第１の測定アームおよび／または第２の測定アームにおいて位置を決定する較正ユニットと、
を備える測定システム。
【請求項４０】
請求項１から３８のいずれか一項に記載の測定要素を設ける方法であって、
少なくとも前記変形部を製造するための材料を選択するステップと、
第１の測定アームおよび第２の測定アームの相対偏向により測定すべき力の少なくとも１つの測定範囲を決定するステップと、
変形に応答する１つまたは複数の変換器ユニットについて、材料および動作モードを選択するステップと、
シミュレーション計算を実行することにより、選択された材料および決定された測定範囲の材料特性を基準とすることによって、前記変形部のシミュレーション幾何設計を確認するステップと、
前記シミュレーション幾何設計を模倣することにより、前記選択された材料から前記変形部を製造するステップと、
を含む方法。
【請求項４１】
前記シミュレーション計算により、前記変形部における前記１つまたは複数の変換器ユニットのうちの少なくとも１つの変換器ユニットの位置を確認するステップをさらに含む、
請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記シミュレーション計算が有限要素法により実行される、
請求項４０または４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、例えば、プラグ接続におけるコンタクトのばね力の測定に必要とされるように、特に、例えば数センチニュートンから数百ニュートンの比較的小さい値の力を測定する測定技術の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
比較的小さい力、典型的には材料に垂直に作用する力の測定は、関連する材料点および／または力を及ぼす部品に関して適切に明示できるようにするために、多くの技術分野において重要な問題である。これに関する重要な適用分野は、多くの種類の接続、例えばプラグ接続における接触力の確認である。プラグ接続では、通常、相補コンタクト要素により発生する略垂直に作用する力をコンタクトピンなどが受けることによって、電気的および機械的接触が生じる。これにより生じる弾性力は、接触している２つの面の間に確実な電気的接触を生じさせて維持する機能を有する。これにより加わる接触力をいずれも十分に大きくして、想定位置において２つの接触面間に比較的平面の接触を生じさせることにより、発生し得る不純物、堆積物などを除去し、できるだけ抵抗の小さい接触をもたらす必要がある。しかしながら、他方で、これにより加わる接触力が大きすぎてはいけない。接触力が大きすぎると、接触力を及ぼす部品が偏向する際に比較的大きい力が必要になり、特に、対応する部品の差込みおよび切離しを繰り返す場合には、接触面に過度の摩耗も生じ得るからである。しかしながら、他方で、接触の持続時間中、所望の電気的および機械的接続を繰り返し行うために、最小の接触力を維持しなければならない。
【０００３】
したがって、対応して発生する接触力を確認し監視するために、例えばコンタクト要素、例えばプラグの役割を引き継ぎ、かつ検査すべき相補プラグデバイスに接続される、いわゆる測定要素または測定変換器が使用される。文献ＤＥ１０２０１１０５４３１９Ａ１に例として記載された一部の公知のシステムにおいて、測定アームが使用される。この測定アームは、力を受けると対応する信号を出力することのできる測定セルを、相補部品に接触する所与の位置に備える。言い換えると、このような公知のシステムにおいて、例えばピエゾ抵抗材料などの形で設けられる測定セルが、相補部品の表面との接触が生じる点に正確に配置されており、これは、結果として生じる法線力を概ね直接記録できることを意味する。記録された力とプラグ接続間で実際に発生する力とが比較的正確に対応するのは、測定セルを備える測定アームの全体構造が、検査すべき部品の対応する点の幾何形状をできるだけ同一に模倣する場合のみである。幾何形状が相違する場合には、実際の状態に対応しない力が発生するからである。さらに、測定システムを経済上効率的に利用するために特に測定が頻繁に行われる場合、測定セルとプラグ接続の相補領域とが直接接触することにより、測定セルの摩耗が増加し得る。摩耗の程度を抑えるために、通常、適切な被覆を施して測定セルの機械的強度を高める。しかしながら、適切な機械的被覆またはより堅牢な被覆を施すと、測定セルの応答感度、したがって、得られる測定結果の正確度および分解能が低下するおそれがある。
【０００４】
他の公知の測定システムにおいて、適切に形成された対の測定アームを設けることにより、力の「間接」記録が実行される。これらの測定アームは、幾何形状および材料特性に関して、実際の状態をかなりの程度まで模倣することができるが、互いに対して相対偏向が可能であり、この偏向が測定システムの適切な点で検出される。これに関し、例えば文献ＤＥ２５５６８３６は、小さい力、特にコンタクトばね力を測定するための測定要素および測定ヘッドについて記載している。この測定要素は、２つの脚部を有する一体型の板から構成され、これらの脚部は短いウエブを介して互いに接続されたスロットにより形成される。短いウエブおよび隣接する剛性領域にひずみゲージが形成され、このひずみゲージの一部が、短いウエブの変形により脚部に及ぼされるばね力によって変形することにより、この変形に比例する信号を出力することができる。スロットにより分離される２つの脚部により、接続ウエブは、例えばスロットの大きさであり、ひずみゲージは２つの脚部を接続するウエブよりも実質的に大きい。
【０００５】
２つの文献を参照して例として記載した従来のシステムは、対応して限定された測定範囲においてばね力を効率的に確認することができるが、測定セルの構造により、「直接」測定システムにおいて応答感度および分解能および測定正確度が比較的低くなるおそれがある。また、頻繁に測定を繰り返す場合には、避けられない摩耗により、測定セルの全体的な幾何形状が変化するが、この変化が長い間気付かれることなく、確認される力に影響を与えるおそれがある。
【０００６】
前述した「間接」測定の概念により、測定アームの領域における実際の状態を比較的正確に模倣することはできず、すなわち、対応するプラグ接続間の結合を比較的実際的に模倣することはできるが、幾何構成および比較的長いひずみゲージにより測定正確度が低下することを予想しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述した状況に関し、本発明の目的は、力、例えばプラグ接続のばね力を、高い応答感度および／または高い反復性および／または高い正確度で確認することができ、プラグ接続システムをできるだけ実際的に模倣することができるようにする手段を特定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の目的は、本発明の一態様により、力を検出するための測定要素によって達成される。本発明による測定要素は、測定要素の長手方向に延びる第１の測定アームと、長手方向に延びる第２の測定アームとを備え、第１の測定アームおよび第２の測定アームは、長手方向に垂直な方向で互いに対して偏向することができる。測定要素はさらに変形部を備え、変形部は、第１の測定アームと第２の測定アームとを互いに弾性変形可能に接続し、第１の測定アームおよび第２の測定アームに対向する第１の面と、第１の測定アームおよび第２の測定アームとは反対側の第２の面とを有する。本発明による測定要素は、少なくとも１つの変換器ユニットをさらに備え、変換器ユニットは、変形部の第１の面および／または第２の面に配置され、変形に応答し、変形部内に完全に位置する。
【０００９】
したがって、本発明による測定要素は、互いに対して偏向可能であり、かつ任意の適切な形で製造および配置可能な２つの測定アームを設けて、対応する適用目的を実際的に模倣することによって特徴付けられる。この場合、２つの測定アームは変形部により互いに弾性変形可能に接続されているため、変形部を介して相対偏向を検出することができる。このために、少なくとも１つの変換器ユニットは、本発明による測定要素に、測定アームに対向する変形部の面または変形部の反対側の面において完全に配置される。
【００１０】
言い換えると、本発明による測定要素は、「間接」測定の概念に相当するため、高い堅牢性、および想定した適用目的への対応する測定アームの適合性が可能となり、他方で、第１の測定アームおよび第２の測定アームの相対偏向により生じる変形を、適切に位置決めされた変換器ユニットにより効率的に捕えることができる。変形部は、ここでは、少なくとも１つの変換器ユニットが変形部に完全に収容されるように設計される。その結果、一方で、変形部自体は、第１の変換器要素を受けるのに十分な大きさであり、さらに、変換器ユニットを測定アームに対向する面および／または反対側の面の両方に位置決めできるように適切に形成される。変形部の大きさが適切に選択されることにより、一方で、予想される変形がより広い領域に「分散」されるため、分解能が向上する。他方、１つまたは複数の変換器ユニットは、変形部のより広い表面を覆うため、より高い正確度および／または高い分解能、すなわちより高い直線性、より低い温度依存性、および最適でない差込み、例えば手動で取扱う場合に斜めに差し込まれる部品に対するより低い依存性で、記録された力の領域を評価できるようにする１つまたは複数の信号を出力する。
【００１１】
有利な変形形態において、変形部の第１の面および／または第２の面に配置され、変形に応答する２つ以上の変換器ユニットが設けられる。
【００１２】
したがって、本発明による測定要素のこの変形形態において、２つ以上の変換器ユニットが反対側の面または対向面または両面に設けられるため、ここでも同様に、変形部の適切な幾何形状が、全体としてこれら２つ以上の変換器ユニットを変形部内に完全に配置できるような形状になっている。したがって、対応する変換器ユニットの数および位置の選択は、対応する信号を最適な方法で取得することに関して行うことができる。言い換えると、少なくとも２つの変換器ユニットの配置により、変形成分の空間分解確認が変形部で行われて、評価の正確度を向上させることができ、および／または２つ以上の独立した情報の存在により応答感度を向上させることができるようになっている。したがって、全体として、少なくとも１つの変換器ユニット、およびさらに好ましい実施形態において２つ以上の変換器ユニットを完全に受けることのできる変形部の適切な設計により、変形部の変形を評価するときに、高い応答挙動およびより高い正確度、すなわちより高い直線性、より低い温度依存性、および最適でない差込み、例えば手動で取扱う場合に斜めに差し込まれる部品に対するより低い依存性を達成することができる。
【００１３】
有利な実施形態において、所与の材料特性を有する変形部の幾何設計が、第１の測定アームおよび第２の測定アームの相対偏向により測定すべき所与の範囲の力についての変形挙動をシミュレーションすることによって確認される幾何設計を模倣する。言い換えると、変形部の幾何設計を、変形部の材料特性に基づいて、かつ予想および測定すべき力に関して、シミュレーションにより確認し、その後、このシミュレーション幾何構成を、適切な材料を使用して模倣するため、シミュレーション幾何設計および実際に製造される幾何設計の「挙動」の高度な「類似性」が達成される。言い換えると、本発明の概念により、測定すべき力を対応する信号に置き換えるのに重要な変形部の幾何形状を、シミュレーション構造を模倣することによって効率的に適合させることができ、このシミュレーション構造は、対象とする適用について実質的に任意の所望の正確度で計算することができる。このように、予め確認された測定範囲に関して予想される所望の精度の測定結果を、どのような方法でも、幾何設計を適切に選択することにより達成することができる。特に、適切に配置された変換器ユニットに基づいて、良好な応答挙動が達成される。
【００１４】
さらに有利な実施形態において、少なくとも１つの変換器ユニットの位置が、シミュレーションにより確認された領域および／または局所的に最大の変形を有する領域にある。言い換えると、変形部の幾何設計は、１つまたは複数の変換器ユニットを変形部に完全に設けることができるように行われ、さらに対応する位置が変換器ユニットについて選択される。変換器ユニットは、組み合わさって、２つの測定アームが相対偏向する場合に最適な信号を出力し、かつ／または局所的に最大の変形を維持する。変形部において局所的に最大の変形を有するこのような領域は、例えば、所与の幾何設計について実験的に、またはシミュレーションに基づいて確認することができる。ここで、「局所的に最大の変形を有する」領域とは、局所的に最大の変形を有する領域を単一の変換器ユニットの位置に対して設ける場合に、最大の変形値の領域において、収縮であっても膨張であっても、変換器ユニットにより覆われる変形部の表面内のすべての位置に関して達成されるようになっているものと理解すべきである。２つ以上の領域が局所的に最大の変形を有する場合も同様であり、これらの領域は各々、それぞれの変換器ユニットにより覆われる表面に最大の局所変形値を含み、対応する２つ以上の領域の覆われた表面内におけるすべての他の変形値は、それぞれの領域で確認される局所最大値よりも小さい。
【００１５】
このような変換器ユニットの位置の選択により、最適な応答挙動および高い正確度および高い分解能が達成される。これは、特に局所的に最大の変形の領域において、それぞれの変換器ユニットにより「感知」される領域で相対偏向が変化するときに、最大の変形勾配を予想しなければならず、これが対応する高い応答挙動および高い分解能に反映されるからである。
【００１６】
さらに有利な実施形態において、測定要素は第１の測定範囲を有し、この第１の測定範囲は、第１の測定アームおよび第２の測定アームの相対偏向により測定すべき、第１の閾値以下である力が作用を及ぼすときに、第１の測定アームと第２の測定アームとが互いに離間したままであるという点で決定される。言い換えると、本実施形態において、測定すべき力が所与の領域内に作用を及ぼすときでも、第１の測定アームと第２の測定アームとの間に中間空間が常に維持されるため、測定アーム同士の直接の接触が避けられる。このように、相対偏向により直接の接触が生じることがなく、したがって作用を及ぼす小さい力の「歪曲」が生じることがないため、非常に小さい力でも適切な分解能で確実に記録することができる。
【００１７】
さらに有利な実施形態において、測定要素は第２の測定範囲を有し、この第２の測定範囲は、第１の測定アームおよび第２の測定アームの相対偏向により測定すべき、第１の閾値超の力が作用を及ぼすときに、第１の測定アームの前領域が第２の測定アームの前領域に接触しているという点で決定される。言い換えると、本変形形態において、少なくとも第２の測定範囲を使用することができ、この第２の測定範囲は、第１の測定アームと第２の測定アームとが前領域において互いに接触しているという点でそれ自体特徴付けられる。したがって、言い換えると、第２の測定範囲は、少なくとも、第１の測定アームと第２の測定アームとが接触しており、これが検出可能な機械的状態を示すという点で、第１の測定範囲とは異なる。このように、対応する力の記録中に補足情報が生じるため、普通ならほとんど変化しない第１の測定アームおよび第２の測定アームの相対偏向の場合に、それにもかかわらず、第１の測定アームと第２の測定アームとの接触を直接生じさせない相対偏向と比べて大きい力の発生を特定することができる。したがって、この補足情報を効率的に調べて力を評価することができる。
【００１８】
さらに明確な実施形態において、測定要素は第３の測定範囲を有し、この第３の測定範囲は、第１の測定アームおよび第２の測定アームの相対偏向により測定すべき、第１の閾値超かつ第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上の力が作用を及ぼすときに、第１の測定アームの前領域が第２の測定アームの前領域に接触し、第１の測定アームの後領域と第２の測定アームの後領域とにより形成される中間空間の大きさが、測定すべき力の特徴であるという点で決定される。言い換えると、本発明による本変形形態において、測定すべき比較的大きい力により第１の測定アームと第２の測定アームとが接触するが、力がさらに増加したときに、前記接触は、より小さい力により生じる接触の状態とほとんど変わらず、後領域の中間空間の大きさが実際の大きさの尺度となる。言い換えると、変形部を介して測定される第１の測定アームおよび第２の測定アームの相対偏向が比較的小さいものでしかなくても、例えば、第１の測定アームおよび第２の測定アームの変形しか実質的に生じないため、作用する力のさらなる分類は、やはり中間空間の大きさをさらに評価することによって行うことができる。言い換えると、３つの情報、すなわち変形部の変形、第１の測定アームおよび第２の測定アームの前領域同士が接触していること、および中間空間の調節の大きさを、基本的に最終的な力の評価のために使用することができる。
【００１９】
同一の測定要素に２つ以上の測定範囲が設定されることにより、第１の測定アームおよび第２の測定アームの異なる機械的状態により確認可能な追加の情報を評価することによって、従来のシステムと比べて非常に広範囲の力を扱うことができる。
【００２０】
有利な実施形態において、第１の測定アームの前領域と第２の測定アームの前領域との接触を記録するように形成される第１の検出デバイスが設けられる。言い換えると、第１の検出デバイスを用いて、第１の測定アームと第２の測定アームとの起こり得る接触に関して測定要素の状態を記録および評価することができる。この場合、検出デバイスは、第１の測定アームまたは第２の測定アームまたは両方に設けられて圧力依存信号を出力する感圧システムであり得る。例えば、圧力を受けると圧力依存電気信号を出力する圧電材料を設けることができる。この場合、前述した「直接」測定の概念とは対照的に、機械的応力がここでは比較的小さいことに留意されたい。これは、例えば、第１の測定アームおよび第２の測定アームにより、測定要素の長手方向に垂直な、正確に定義された機械的接触のみが行われ、測定すべき物体に直接接触せず、特に検出デバイスが長手方向に変位しないからである。容量、音響、ピエゾ抵抗、抵抗、もしくは光学に基づく他の感圧センサ、または高周波電磁界に基づく他の感圧センサを使用して、適切な信号を出力してもよい。他の変形形態において、例えば、変形部を介して互いに接続された測定アームが比較的高い抵抗を有するが、接触により生じる「短絡」の際にかなり低い抵抗が生じる場合、第１の測定アームと第２の測定アームとの接触を、例えば電気抵抗測定に基づいて知ることができる。同様に、第１の測定アームおよび／または第２の測定アームおよび／または変形部は、少なくとも部分的に絶縁材料を含むことができるため、測定アームが「開」状態にあるときに非常に高い抵抗が生じ、「閉」、すなわち接触状態においては非常に低い抵抗を測定することができる。
【００２１】
さらに明確な実施形態において、中間空間の大きさを記録するように形成される第２の検出デバイスが設けられる。言い換えると、この第２の検出デバイスを用いて、作用を及ぼしている力に依存する中間空間の大きさを記録することができ、したがって、作用を及ぼしている力の評価のための情報として中間空間の大きさを提供することができる。これにより、第２の検出デバイスを、例えば電気測定の原理、例えば容量測定、抵抗測定、音響インピーダンス測定、誘導結合、電磁高周波インピーダンス測定、または光学測定などに基づいて設計することができ、他の変形形態においては、変形を検出する対応するデバイスを、抵抗、ピエゾ抵抗、光学、音響、または電磁高周波有効ひずみゲージなどの形で設けて、第１の測定アームおよび／または第２の測定アームの形の変化を通して、作用を及ぼしている力によって生じる中間空間の大きさを評価することができる。
【００２２】
さらに明確な実施形態において、第１の測定アームの第１の表面が、第２の測定アームの第２の表面に対向し、第１の表面および第２の表面は互いに相補的に形成され、相対偏向に対して角度を形成する表面法線（surface normal）を持つ表面領域を有する。言い換えると、本変形形態において、互いに対向する測定アームのこれらの表面は互いに相補的に形成されるため、例えば、仮に２つの表面を重ねて置いた場合、一定の形状適合が作られる。さらに、この場合、一定の表面領域を、偏向の方向に対して、すなわち、作用を及ぼし、第１の測定アームおよび第２の測定アームの相対偏向を生じさせる力の方向に対して傾斜するように向ける。この幾何学的特性は、例えば、関連付けられた相補面形状を有するそれぞれの表面の弓形部分もしくは円錐部分により、または普通なら水平であるが偏向の方向に対して傾斜する２つの平滑面により達成することができる。このような互いに対向する表面の設計により、測定アームの剛性、したがってその機械的堅牢性を高めることができる。他の実施形態において、２つの対向する表面は、測定力の方向に平行な法線を有する水平面である。
【００２３】
さらに有利な実施形態において、測定要素は、第１の測定アームおよび第２の測定アームの全厚が相互作用領域内で設計されて、測定すべき力が作用しない状態で、その全厚が変化するおよび／または可変であるように構成される。言い換えると、本変形形態による測定要素は、相互作用領域、すなわち測定すべき１つまたは複数の力が第１の測定アームおよび／または第２の測定アームに作用を及ぼす領域において少なくとも異なる全厚を有するため、測定すべき物体に関して異なる状況を模倣することができる。言い換えると、プラグ接続の場合、例えば長手方向の異なる位置に沿って異なる接触力を誘発するために、例えば異なる横寸法を有する領域があり得るため、そのような状況は、相互作用領域において異なる全厚を有する構造により模倣することができる。例えば、個々の領域内に均一の厚さを有する２つ以上の別々の領域を設けることができるが、厚さは領域ごとに異なる。厚さを変化させることにより、作用を及ぼしている検査すべき力を幾何形状の変化に関して評価し、これにより、例えば、横寸法が、例えば頻繁な差込みおよび引抜きにより一定の耐用年数の後に変化し得る、プラグ接続の実際の挙動をより確実に明示することもできる。さらなる変形形態において、全厚が可変であるため、例えば測定すべき力が作用を及ぼす所与の位置に関して、１つまたは複数の異なる厚さ、および場合により対応する外形を調節して、それぞれの接続部品の挙動についてのより詳細な明示を得ることができる。ここでは、全厚の「変化」が、測定すべき力が既に作用を及ぼしている状態においても可能であり、全厚は対応する実際の厚さによって直接与えられるのではなく、場合により、偏向の変化によって与えられ、測定すべき力の停止後、すなわち測定すべき力が作用を及ぼしていない状態でのみ、全厚の変化を確認することができることに留意されたい。
【００２４】
さらに有利な変形形態において、相互作用領域の全厚の変化は、第１の測定アームおよび／または第２の測定アームの厚さが＋／−２００μｍの範囲で変化することによって生じる。そのような全厚の変化の範囲により、実際の状態、例えば実際のプラグ接続のばね力についての適切な明示を、多くの測定状態に関して得ることができる。これは、例えば、プラグ接続の摩耗に典型的な範囲であり得るからである。
【００２５】
さらに有利な変形形態において、第１の測定アームに結合される第１の接続領域、および／または第２の測定アームに結合される第２の接続領域、および／または変形部に、調節可能な伸長／収縮を伴うアクチュエータ要素が設けられる。このアクチュエータ要素により、対応する部品のそれぞれの部分で、制御可能な寸法の変化を制御可能に生じさせることができ、その結果、例えば測定要素の機械的挙動を全体的に調節することができる。例えば、アクチュエータ要素を、膨張／収縮の変化により２つの測定アームの間隔が変化し、これにより異なる全厚が得られるように配置することができる。有利な変形形態において、測定アームの全厚を０．００１〜２．０ｍｍで変化させることができる。このように、例えば測定要素の応答挙動を制御可能に調節して、例えば実際の構造要素の一定範囲の異なる横寸法を模倣することができる。前述したように、アクチュエータ要素の制御可能な特性により、測定要素の構成、例えば第１の測定アームおよび第２の測定アームの全厚の変化は、予定した測定前、実際には測定物との接触前だけでなく測定物との接触中にも行うことができる。適切なアクチュエータ要素は、例えば、適切な制御電圧を印加することにより伸長／収縮を調節可能な圧電部品、スピンドルギアまたは手動スピンドルギアを有する電磁または電気力学回転アクチュエータである。しかしながら、適切な領域で寸法の変化をもたらす他の機構を使用してもよい。
【００２６】
厚さを変化させる前述の機構に関し、小さい厚さ変化、例えば＋／−１５μｍが、コンタクトピンの許容限界の上限および下限を表すのに好ましいことに留意されたい。大きい厚さ変化、例えば＋／−１００μｍは、測定要素を有する異なる種類のコンタクトピンを表すのに好ましい。
【００２７】
前述した厚さ変化の範囲の両方において、例えば以下の２つの手法を効率的に使用することができる。
力が加えられる、差込みによる厚さ変化、すなわち厚さの動的変化。結果として、ばね特性を簡単に確認することができる。これは、プラグコネクタを適切とするのに役立つ。すなわち、新製品を効率的に検査し、顧客に提供することができる。例えば、ばね特性が顧客の許容範囲に応じて調節され、または厚さ変化が製品に応じて行われる。したがって、測定要素は広範囲の製品を扱う。したがって、まだ特定の測定要素がない新製品を検査することもできる。
力が加えられず、差込みによらない厚さ変化、すなわち、静的厚さ変化。したがって、異なる測定状況をしっかりと不変に調節することができる。したがって、測定アームの一方または両方だけでなく、「静的に」使用されるアクチュエータ要素、特に手動スピンドルギアの厚さを変化させるために、箔がこのための適用に適している。製造に伴う製品の検査に関して、興味深い考察が生じる。
同一のプラグコネクタ製品についての顧客の測定指示に応じた厚さ変化。
製品に応じた厚さ変化、すなわち１つの測定要素が広範囲の製品を扱う。
【００２８】
全体として、全厚の静的または動的変化の可能性により、コストが低下する。
【００２９】
明確な実施形態において、１つまたは複数のアクチュエータ要素はセンサとして機能する。言い換えると、変換器ユニットが機械電圧または変形を電気信号に変換し、この信号を評価して力を判定する、信号発生および信号評価についてこれまで説明した概念と並んで、一部の実施形態において、アクチュエータ要素を用いて補償の概念を使用することができる。この場合、変換器ユニットの特定の信号が達成されるまでアクチュエータ要素により行われる行程および／またはアクチュエータ要素により加えられる仕事を評価する。
【００３０】
さらに有利な実施形態において、位置決め要素が、較正質量または較正長さ要素を位置決めするために第１の測定アームおよび／または第２の測定アームに設けられる。対応する測定要素は、測定されたおもりを用いて、もしくは較正長さに従って作用を及ぼすことによって、例えば対応する測定アームにおもりを加えることによって、および／または定義された長さの偏向を生じさせることによって、かつ結果として生じる偏向を確認することによって、しばしば較正される。位置決め要素を設けることにより、付加される較正おもりの位置を正確に決定し、その結果、較正を再現可能な方法で実行することができ、較正質量または較正長さ要素の作用点の調整不良により影響されることなく、較正により得られる値を測定要素の機械的特性および電気的特性に割り当てる必要がある。一変形形態において、位置決め要素はそれぞれの測定アームに形成される溝または対応する切欠きであり、これにより、較正質量の吊下げに使用するひもその他の糸を適切に囲んで位置決めすることできる。他の変形形態において、較正質量の相補部品に係合して確実な位置決めを達成する位置決め要素の適切な張出しまたは別の隆起を設けることができる。
【００３１】
本発明のさらなる態様によれば、前述の課題は、力を測定するための測定要素によって解決される。測定要素は、測定要素の長手方向に延びる第１の測定アームと長手方向に延びる第２の測定アームとを有し、第１の測定アームおよび第２の測定アームは、長手方向に垂直な方向で互いに対して偏向することができる。本態様による測定要素は、第１の測定アームと第２の測定アームとを互いに弾性変形可能に接続する変形部をさらに備える。さらに、第１の測定要素は第１の測定範囲を有し、この第１の測定範囲は、第１の測定アームおよび第２の測定アームの相対偏向により測定すべき、閾値以下である力が作用を及ぼすときに、第１の測定アームと第２の測定アームとが互いに離間したままであるという点で決定される。さらに、測定要素は第２の測定範囲を有し、この第２の測定範囲は、第１の測定アームおよび第２の測定アームの相対偏向により測定すべき、第１の閾値超の力が作用を及ぼすときに、第１の測定アームの前領域が第２の測定アームの前領域に接触しているという点で決定される。
【００３２】
本発明の本態様による測定要素において、測定すべき力の評価が変形部の変形に基づいて行われ、測定アームの前領域の接触および非接触によって互いに異なる少なくとも２つの測定範囲を設けることにより、全体として広い測定範囲および／またはより高い正確度を達成することができる。言い換えると、一定の閾値の力までの力について、測定要素に作用を及ぼすときに、第１の測定アームと第２の測定アームとの機械的接触が避けられるように、測定要素が形成されるため、この場合、例えば数十ニュートン〜数百ニュートンの比較的小さい力で好ましい応答挙動を達成することができる。これは、変形部の弾性ばね力のみが、測定すべき力に対する対抗力として実質的に発生するからである。第１の閾値を超えると、２つの測定アームの機械的接触が生じるため、測定アーム自体の機械的特性も、測定すべき力に対する対抗力としてますます重要な役割を果たす。言い換えると、２つの測定アーム間の接触開始前と同様に、変形部の変形がそのような顕著な変化を受けない場合でも、追加の情報、すなわち、２つの測定アームが接触しているという情報を介して、測定すべき力のより広範囲にわたる評価を行うことができる。言い換えると、比較的一般的な形状の変形部と、それに設けられた変換器ユニットまたはそれに接続された変換器ユニットとを有する測定要素の場合、従来の「間接」測定システムと比べて、比較的広範囲の測定すべき力を達成することができる。測定アームの２つの異なる機械的状態に基づく少なくとも２つの測定範囲を設けることのさらなる利点および特徴については、前述の実施形態でも説明している。
【００３３】
さらに有利な実施形態において、第３の測定範囲が設けられ、この第３の測定範囲は、第１の測定アームおよび第２の測定アームの相対偏向により測定すべき、第１の閾値超かつ第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上の力が作用を及ぼすときに、第１の測定アームの前領域が第２の測定アームの前領域に接触し、第１の測定アームの後領域と第２の測定アームの後領域とにより形成される中間空間の大きさが、測定すべき力の特徴であるという点で決定される。前述したように、本発明による測定要素を適用するさらなる分野が、さらなる測定範囲を設けることによって生じる。
【００３４】
さらに有利な実施形態において、必要に応じて、中間空間の大きさを記録する第２の検出デバイスに関連して、測定アーム同士の接触を記録するための第１の検出デバイスが設けられる。第１の態様において前述の実施形態と共に説明したように、適切な信号、例えば電気信号をそれぞれの検出デバイスにより取得して、測定アームのそれぞれの機械的状態を通して取得された情報を評価することができる。
【００３５】
第２の態様の測定要素の有利な実施形態において、変形に応答する１つまたは複数の変換器ユニットが変形部に設けられる。言い換えると、これらの変形形態において、変形部は、少なくとも１つの、好ましくはいくつかの変換器ユニットを収容できるように幾何学的に設計されるため、変形部の変形を効率的かつ正確に確認することができる。例えば、ひずみゲージを使用する場合、変形部に完全な長さで当たるようにひずみゲージを配置することができるため、記録すべき変形の良好な分解能に関連して高い応答特性が達成される。一変形形態において、１つまたは複数の変換器ユニットのうちの１つが、測定アームに対向する変形部の側面に配置される。したがって、変形部は、少なくとも変換器ユニットを対向面に配置できるように形成されるため、例えば、前述した従来の間接測定配置では不可能な位置を使用することができる。さらなる変形形態において、測定アームに対向する変形部の面に変換器ユニットを取り付けることに加えて、またはその代わりに、１つまたは複数の変換器ユニットを、測定アームとは反対側の面に配置することにより、応答特性および／または正確度および／または分解能を高めてもよい。
【００３６】
第１の態様に関連して前述したように、変形部の幾何設計は、好ましくは、シミュレーションにより確認された幾何設計を模倣する。このように、変形部の所与の材料特性を用いて、意図した適用に高い正確度で適合させることができ、少なくとも２つの異なる測定範囲の実施により広範囲の測定すべき力を扱うことができるように、測定要素の実質的な態様を決定することができる。
【００３７】
前述したように、変換器ユニットの位置は局所的に最大の変形を有する領域に固定され、この領域は実験および／またはシミュレーションにより確認される。
【００３８】
さらに有利な実施形態において、第１の態様に関連して説明した適切な措置を取ることができる。例えば、前述したように、互いに対向する測定アームのそのような表面は適切に形成され、ならびに／または、前述したように、第１の測定アームおよび第２の測定アームの全厚は変化するか、もしくは調節可能である。さらなる変形形態において、厚さは＋／−２００μｍの範囲で変化することができ、および／または均一であるが領域ごとに異なり得る厚さを各々有する別個の領域を設けることができ、および／またはアクチュエータ要素を測定要素の適切な点に設けて、機械的特性、例えば全厚を、希望に応じて、例えば０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲で調節することができる。さらに、適切な手段を設けて、較正質量または較正長さ要素の作用点の正確な位置を保証することができる。
【００３９】
本発明のさらなる態様において、前述の目的は、力を記録するための測定要素によって達成される。測定要素は、測定要素の長手方向（Ｌ）に延び、前領域と後領域とを備える第１の測定アームを有する。さらに、長手方向に延びる第２の測定アームが、前領域と後領域とを備え、第１の測定アームおよび第２の測定アームの後領域を、長手方向に垂直な方向で互いに対して偏向させることができ、前領域は互いに堅く接続される。測定要素は、第１の測定アームおよび第２の測定アームの後領域により形成される中間空間の大きさを記録するための検出デバイスをさらに備える。
【００４０】
力作用側で「閉」であるこの測定アームの構成により、応答感度が後部の開領域で達成され、測定アームの最前領域に作用を及ぼす力の影響が非常に小さい堅牢な構造が生じる。これは、より剛性の高い配置であるため、非常に大きい力の場合に有利である。また、より堅牢な構造によって、小さい全厚を実現することができる。
【００４１】
一変形形態において、検出デバイスは、第１の測定アームおよび／または第２の測定アームの後領域の変形に応答する１つまたは複数の変換器ユニットを備える。言い換えると、検出デバイスは、加えて、または唯一の検出手段として、変形に応答する部品、例えば金属薄膜ひずみゲージおよび／またはシリコンひずみゲージおよび／またはポリマーひずみゲージおよび／または圧電デバイスなど、および／または光学変換器ユニットおよび／または高周波電磁変換器ユニットおよび／または音響変換器ユニットを有し、これらは高い精度を可能にする。
【００４２】
さらなる実施形態において、検出デバイスは、第１の測定アームの後領域と第２の測定アームの後領域との間の間隔を記録するデバイスを備え、これにより、前記変換器ユニットの代わりに、またはこれに加えて、さらなる測定の概念、例えば容量および／または誘導空間測定、超音波測定、光学空間測定、電磁空間測定などを使用することができる。このようにして、応答感度および正確度をさらに高めることができる。
【００４３】
さらなる変形形態において、第１の測定アームおよび第２の測定アームは、前領域とは反対側の面で互いに弾性結合される。この追加の機械的結合により、一方で、測定要素、特に２つの測定アームの全体的により高い安定性が生じるが、それにもかかわらず、中間空間の変化を記録する能力は維持される。さらなる実施形態において、弾性結合は、変形部の変形を記録する１つまたは複数の変換器ユニットを備えた変形部によって実行される。この場合、変換器ユニットは、検出デバイスの一部であっても、検出デバイスに加えて設けてもよい。
【００４４】
本発明のさらなる態様によれば、前述の課題は、力を検出するための測定システムにより解決される。測定システムは、前述の実施形態の１つに記載され、または以下の詳細な説明で説明する測定要素を備える。さらに、測定システムは較正ユニットを有し、この較正ユニットは、測定要素に結合可能であり、結合状態で、較正力を受ける、または較正長さ要素を当てる第１の測定アームおよび／または第２の測定アームにおいて位置を決定する。言い換えると、本発明の本態様において、極めて確実な較正を較正ユニットにより可能にすることによって、前述した測定要素の有利な効果をさらに強化することができる。一変形形態において、レセプタクルの形の較正ユニットが設けられ、このレセプタクルは、２つの測定アームの一部を正確に受けることにより、所望の較正力がその後に作用し得る、第１の測定アームおよび／または第２の測定アームの正確に決定された領域を露出することができる。例えば、レセプタクルはキャップまたはカップの形を有していてもよく、その幾何形状により、第１の測定アームおよび第２の測定アームの導入時に、２つの測定アームをキャップまたはカップ内で正確な位置に置く。較正ユニットに１つまたは複数の対応して位置決めされた開口があることにより、その後、所望の較正力を第１の測定アームおよび／または第２の測定アームに及ぼすことができる。この場合、例えば較正ユニットのおもりまたは別個のおもりによって較正力を及ぼすことができる。例えば、較正ユニットの１つまたは複数の開口は、圧力ロッドのガイドとして機能することができ、この圧力ロッドは、それ自体、較正質量として機能するか、または追加の質量に関連して較正質量として機能し、正確に決定された位置で所望の較正力を及ぼすことができる。
【００４５】
本発明のさらなる態様によれば、前述の課題は、前述の実施形態の１つまたは複数の特徴を有する測定要素を設ける方法により解決される。方法は、少なくとも測定要素の変形部を製造するための材料を選択するステップと、第１の測定アームおよび第２の測定アームの相対偏向により測定すべき力の少なくとも１つの測定範囲を決定するステップとを含む。さらに、変形に応答する１つまたは複数の変換器ユニットについて、１つまたは複数の材料および１つまたは複数の動作モードを選択する。方法は、シミュレーション計算を実行することにより、選択された材料および決定された測定範囲の材料特性を基準とすることによって、変形部のシミュレーション幾何設計を確認するステップをさらに含む。最後に、方法は、シミュレーション幾何設計を模倣することにより、選択された材料から変形部を製造するステップを含む。
【００４６】
本発明による本態様において、変形部および１つまたは複数の変換器ユニットの材料が最初に選択され、１つまたは複数の可能な幾何形状が、所望の測定範囲に関して、すなわち測定すべき力の大きさの範囲に関して確認される。これは、選択された測定範囲について高い正確度および／または良好な応答特性および／または高い分解能が生じるように行われることが有利である。シミュレーションにより確認された幾何設計に基づいて、変形部の実際の幾何設計が製造されるため、シミュレーション特性は、実際に予想される特性に高い割合で一致する。有利な変形形態において、シミュレーションは、変形部に配置される１つまたは複数の変換器ユニットの１つまたは複数の好ましい位置を確認する観点からも行われる。ここでは、変換器ユニットの位置という用語は、領域、したがって変換器ユニットの大きさおよび形をこのようにも定義するものと理解すべきである。言い換えると、変形部の所与の幾何設計に関し、対応するいくつかのより小さい変換器ユニットにいくつかのより小さい領域を設けることによって、より高い空間分解能、および場合により、より高い統計的有意性、または通常、変形部の変形の評価に対するより高い正確度で、全体的な情報を得ることが有利となり得る。例えば、シミュレーションにより、１つもしくは複数の変換器ユニットを変形部の測定アームに対向する面もしくは測定アームとは反対側の面に取り付けることが有利であるか、または、１つもしくは複数の変換器ユニットを取り付けるために両面を提供することが有利であるかを効率的に確認することができる。有利な一実施形態において、シミュレーション計算を有限要素法に基づいて実行してもよい。有限要素法がコンピュータを用いてシミュレーションを行うのに特に有利であることが周知である。これは、この方法の発展が常にコンピュータ支援ツールとの相互作用で行われているため、任意の所望の適切なコンピュータプラットフォームで効率的に実施することが可能だからである。
【００４７】
さらに有利な実施形態が、従属請求項において定義され、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を検討することにより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１−１】図１ａは、一実施形態による測定システムの概略側面図である。
【図１−２】図１ｂ〜１ｄは、異なる幾何形状および異なる位置を有する変形部、ならびに変形依存信号出力のためのいくつかの変換器ユニットの概略側面図である。
【図２−１】図２ａは、異なる機械的状態を使用して異なる測定範囲を実施する、さらなる一実施形態による測定システムの概略側面図である。
【図２−２】図２ｂ〜図２ｄは、測定要素の３つの異なる機械的状態を示す図である。
【図３】図３ａ〜図３ｅは、様々な実施形態による測定アームの断面、したがって互いに対向する表面の概略斜視図である。
【図４ａ】全厚が変化するまたは可変である測定アームを有する測定システムの概略側面図である。
【図４ｂ】測定アームの一方または両方の厚さが異なる領域において異なって調節される実施形態を示す図である。
【図４ｃ】測定要素の一部の広がり／収縮を制御可能に変化させることのできる実施形態の概略図である。
【図５】力の影響を受けない部分が設けられている、２つの測定アームの一部の概略側面図である。
【図６】いくつかの力を互いに独立して同時に測定するために数対の測定アームが設けられている、変形形態の概略斜視図である。
【図７】適合した断面を有する測定要素の一部の概略側面図である。
【図８ａ】別個の較正ユニットが設けられている、さらなる実施形態の測定システムの概略側面図である。
【図８ｂ】較正ユニットの代わりに、またはこれに加えて、較正力を正確に決定するための位置決め要素が設けられている変形形態を示す図である。
【図８ｃ】測定アームの一部が較正ユニットに位置決めされ、高い局所分解能で測定力を受けている、図８ａの測定システムの一部の概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下で、添付図面を参照しながら、本発明のさらなる実施形態についてより詳細に説明する。
【００５０】
図１ａ（図１−１）は、力、特に数センチニュートン〜数百ニュートンの力を測定するように形成された測定システム１８０の概略側面図であり、この場合、システム１８０の長手方向Ｌに垂直に向けられた、図１ａの突出部の平面に位置するそれぞれの力の成分が記録される。言い換えると、実際には、そのような力は、場合により、システム１８０に一定の角度で作用することができ、図１ａの突出部の平面に位置し、長手方向Ｌに垂直に向けられたこの力の対応する成分が測定される。しかしながら、測定システム１８０のわずかな偏向または変形により、先に確認された力の方向に関して小さい角度偏差が生じることがある。
【００５１】
システム１８０は、以下でより詳細に説明するように、所与の公知の力をシステム１８０に正確に特定された位置で及ぼすように機能する較正ユニット１９０を備える。システム１８０は測定要素１００をさらに備え、この測定要素１００は、測定すべき力を受けるシステム１８０の部品であり、この力に対応する信号を提供する。測定要素１００は、応力を受けない状態で間に間隔１０１を形成する第１の測定アーム１１０と第２の測定アーム１２０とを備えており、この間隔１０１は、適用に応じて、数１０分の１ミリメートル〜１ミリメートル以上の大きさを有することができる。前領域１１０Ａおよび後領域１１０Ｂを有する第１の測定アーム１１０と、同様に前領域１２０Ａおよび後領域１２０Ｂを有する第２の測定アーム１２０とは、変形部１３０を介して互いに機械的に結合されるため、間隔１０１の変化を生じさせる測定アーム１１０、１２０の互いに対する相対偏向によって変形部１３０が弾性変形し、この変形が適切な手段により信号に変換される。簡単にするために、そのような変形を信号に変換する手段は図１ａには示さない。加えて、図示した実施形態において、測定アーム１１０、１２０は、対応する脚部または移行領域１１５、１２５により変形部１３０に接続される。移行領域１１５、１２５は、通常、前述の向きを有する力を受けたときにわずかな変形のみを示すように構成される。言い換えると、測定アーム１１０、１２０、移行領域１１５、１２５、および変形部１３０からなる幾何配置は、測定アーム１１０、１２０の相対偏向が行われるときに、変形部１３０のみにおいて、かつ以下で説明するように、測定アーム１１０、１２０でもある程度、顕著な変形が生じるように構成される。測定アーム１１０、１２０が「応力を受けない」状態にあるときには、それにもかかわらず、小さい力が測定アーム１１０、１２０に作用を及ぼすが、これにより、特に変形部１３０において顕著な変形は実質的に生じないことに留意されたい。例えば、図示した向きで、重力が長手方向Ｌに対して垂直に下方に作用することができ、測定要素１００の一部のみが追加の本体、例えばハウジング（図示せず）に堅く接続されていても、この重力によって測定可能な変形が生じることはない。
【００５２】
図１ａから明らかなように、変形部１３０は、特に長手方向Ｌに垂直な方向にかなりの長さを有するため、材料および幾何形状に応じて、変形部１３０は、測定アーム１１０、１２０の偏向が小さい場合でも所望の応答感度を記録することができる。この目的で、変形部１３０の変形を信号に変換するように形成された１つまたは複数の変換器ユニットが、所与の位置に、例えば測定アーム１１０、１２０を向く側１３０Ａ（対向面１３０Ａ）および／または測定アーム１１０、１２０とは反対側を向く側１３０Ｂ（反対側面１３０Ｂ）に取り付けられる。材料特性と並んで、「高さ」または材料壁強度、すなわち、図１ａの突出部の平面に垂直な方向の材料、特に変形部１３０の寸法も、変形部１３０の変形特性に大きな影響を与えるため、変形部１３０の幾何設計を選択するときに考慮されることにさらに留意されたい。
【００５３】
図１ｂ（図１−２）は、変形部１３０の概略側面図であり、この幾何設計はそれぞれの適用に合わせて、測定アームの偏向により生じる変形について所望の程度の応答感度、正確度、および分解能が達成されるようになっている。図示した実施形態において、変形部１３０は、比較的尖った縁部１３１、すなわち接続領域１１５、１２５（図１ａ）への対応する移行部を有する概ね矩形の断面に略対応するため、尖った縁部１３１の間隔に対応する、対応して正確に定義された長さ１３０Ｌを特定することができる。適用および他の材料特性および変形部１３０の壁厚さに応じて、長さ１３０Ｌは５ｍｍ〜２０ｍｍ以上であってよい。長さ１３０Ｌは、この場合、少なくとも１つの変換器ユニットを完全に配置することができるように選択される。
【００５４】
変形部１３０の幾何設計は、シミュレーション計算に基づいて、材料特性、すなわち弾性率、壁厚さなどから確認され、このシミュレーション計算では、曲げ力の発生が確認される場合に、仮想の変形部が、適切に選択された数の有限要素および機械的挙動に基づいて構成される。この場合、計算に入れられる曲げ力は、例えば、長手方向Ｌ（図１ａ）に沿った所与の長さで、一定範囲の力が測定アームに作用し、最終的に移行領域を介して変形部１３０に伝達されることを想定した場合に、測定要素１００の幾何設計に基づいて確認することができる。このように、所与の材料壁強度および公知の材料特性の場合に、かなりの寸法、例えば変形部１３０の長さ１３０Ｌまたは幅１３０Ｄを確認することができる。言い換えると、従来の測定システムとは対照的に、ここでは、変形部１３０の幾何設計が、他の要因および特に所与の壁厚さの材料特性に応じて計算により最初に確認されて、測定システムの所望の動作モードが、作用を及ぼしている所与の範囲の力にわたって保証される。さらに、そのようなシミュレーション計算を実行するときに、局所的に最大の変形を有する対応する領域を、所与の力が測定アームに作用している場合に確認することもでき、適切な位置、すなわち対応する測定変換器の位置および広がりとして確認することもできる。このように、測定要素１００を製造するときに、所望の適用、特に発生する力の範囲に最適に適合させることができ、これは、前述したように、従来のシステムと比べて、応答感度および／または分解能および／または正確度、したがって再現性も向上することを意味する。このように、例えば、適切に構成された変形部１３０に基づく測定システム１８０を用いて、正確度、正確性、系統的測定偏差、復元性、再現性などを検査し系統的に評価することのできる測定システム分析を実行することができる。このように、対応する系統的な方法で、測定システム１８０（図１ａ）を用いて測定される測定物についての明示を得ることもできる。
【００５５】
対応するシミュレーション計算に基づいて、例えば位置、すなわち状況、例えば中間点の状況、および変換器ユニット１４０の寸法を判定することにより、所望の程度の分解能、正確度、応答感度などを得ることができる。例えば、図示した実施形態において、変換器ユニット１４０は、変形部１３０の広がり１３０Ｌ内の中央位置に完全に設けられる。これは、最大の変形値がこの中央位置で計算されているからである。言い換えると、変換器ユニット１４０は、変形部１３０内で、その反対側の面１３０Ｂに完全に配置される。あるいはまたは加えて、適切な寸法を有するさらなる変換器ユニット１４１を対向面１３０Ａに配置してもよく、ここでも、変換器ユニット１４１の正確な状況および寸法がシミュレーション計算により与えられる。
【００５６】
図１ｃは、例えば、長さ１３０Ｌおよび／または、例えば長さ１３０Ｌの中央で測定された代表幅１３０Ｄに関して、幾何設計が図１ｂの設計とは異なるさらなる変形形態を示す。前述したように、この場合、簡単にするために、ここでは材料厚さがそれぞれの異なる幾何設計について同一であると仮定して、変形部１３０の材料壁厚さを考慮する。縁部１３１の形が図１ｂの比較的尖った縁部１３１とは相違し得る変形部１３０の幾何設計は、ここでも、シミュレーションにより最初に判定され、いくつかの変換器ユニットについての適切な位置も確認されている。図示した実施形態において、例えば変換器ユニット１４２および１４３が、変形部１３０の長さ１３０Ｌの範囲内で反対側の面に完全に配置されることにより、外側領域に位置し、さらなる変換器ユニット１４４が、変形部１３０の対向面の中央領域に設けられる。変形部１３０の変形挙動を計算するときに、特に、変形部の「材料特性」および「材料厚さまたは壁厚さ」にも含まれる、１つまたは複数の変換器ユニットの機械的挙動も考慮できることに留意されたい。
【００５７】
明確な実施形態において、少なくとも１つの変換器ユニットは、その寸法を含むその位置が、最大変形の領域を覆うように決定され、他の変換器ユニットは、少なくとも局所的な最大変形の領域に設けられるように配置される。そのような手法は、例えば、応答感度および正確度を高めるのに有利となり得る。例えば、変換器ユニット１４４を全体的な最大変形の位置に配置してもよく、変換器ユニット１４２および１４３を局所的な最大変形の位置に配置してもよい。他の明確な実施形態において、全体的または局所的な最大変形を考慮することなく、変換器ユニットを適切に配置して、相互作用で、変形部１３０の誘発された変形に対して最適な信号が取得されるようにしてもよい。
【００５８】
図１ｄは、変形部１３０の適合した幾何設計を有するさらなる変形形態を示し、変換器ユニット１４５、１４７が変形部１３０の縁部領域付近で反対の位置に設けられ、同様に、変換器ユニット１４６、１４８が領域１３０の反対側の縁部領域で反対の位置に設けられる。ここでも、変形部１３０の正確な幾何設計、すなわちその長さ、幅、縁部の形などと、例えば変換器ユニットの特性を含む所与の材料特性および材料厚さがシミュレーションにより確認され、変換器ユニット１４５〜１４８の対応する位置もシミュレーションにより適切に得ることができる。
【００５９】
好ましくは変形部内に完全に位置する１つまたは複数の変換器ユニットの計算された幾何設計および計算された位置を、その後、実際の測定要素を製造するときに模倣する。使用可能な製造技法により、理論上確認される幾何設計と実際に実施される幾何設計との間に小さい偏差しか生じないことに留意されたい。言い換えると、寸法の理論上の目標値と実際的に模倣した実際値との典型的な偏差は、例えば、１〜数マイクロメートルである。
【００６０】
図２ａは、さらなる実施形態による測定システム２８０の概略側面図である。図示したように、システム２８０は、測定要素２００と較正ユニット２９０とを有する。測定要素２００は、応力を受けない状態で間隔２０１により互いに分離された第１の測定アーム２１０と第２の測定アーム２２０とを備える。さらに、第１の測定アーム２１０および第２の測定アーム２２０は、対応する接続領域２１５、２２５を介して変形部２３０に結合され、１つまたは複数の測定変換器（簡単にするため図２ａには示さず）が変形部２３０に取り付けられている。明確な実施形態において、対応する測定変換器ユニットを、図１ｂ〜図１ｄのシステム１８０に関連して図示し説明したように配置することができる。しかしながら、１つまたは複数の測定変換器ユニットの対応する位置決めを、例えば前述したように、シミュレーション計算に基づいて行うことができ、他の実施形態においては、実験などにより、または同様にシミュレーションにより確認できる適切な幾何形状のみで十分であり、これを測定要素２００の基礎として適用できることに留意されたい。言い換えると、有利な実施形態において、変形部２３０の幾何設計は、特にシミュレーション計算に基づいて確認されるが、他の実施形態においては、これは必要ではなく、所望の分野の適用に合わせて測定要素２００を構成するには、対応する実験結果および他の専門知識で十分であり得る。測定要素２００は、測定すべき力についての異なる測定範囲に対応する異なる機械的状態を想定できることにより、特に広い測定範囲に向けて設計される。
【００６１】
図２ｂは、測定要素２００の一部の概略側面図であり、第１の測定アームの前領域２１０Ａおよび第２の測定アームの前領域２２０Ａが応力を受けない状態で示されており、これは、間隔２０１がそこに維持されていることを意味する。しかしながら、力を受けると、値０は第１の閾値、例えば数十ニュートンの力よりも小さくなり、２つの測定アーム、すなわち特に２つの前領域２１０Ａ、２２０Ａの相対偏向が行われるため、及ぼされる力Ｆ１を表す新しい間隔２０１Ａが調節される。場合により、２つの測定アームが、作用を及ぼしている力Ｆ１に対して十分な剛性を有する場合には、２つの測定アームの感知できる弾性変形なしで相対偏向を行ってもよいことに留意されたい。力Ｆ１が増加すると、間隔２０１Ａがさらに減少する。間隔２０１Ａが０でない領域は、すなわち２つの前領域２１０Ａ、２２０Ａが直接機械的に接触しない限り、第１の測定範囲と称する。
【００６２】
図２ｃは、力または対の力Ｆ２が２つの測定アームに作用を及ぼすことにより、２つの測定アームが互いに直接接触する、測定要素２００のさらなる機械的状態を示す。この場合、２つの前領域間で機械的接触が生じる力Ｆ２を閾値と称する。言い換えると、測定アームの２つの前領域が直接接触したときから、変形部２３０でさらなる偏向が生じなくなるか、または大幅に減少する可能性があり、場合により、測定アームの一定の弾性変形のみが生じるため、第１の前領域２１０Ａと第２の前領域２２０Ａとの接触面が大きくなる。領域２１０Ａ、２２０Ａ間の機械的接触を適切に検出することができ、そのために、適切な検出ユニット２５０が設けられる。
【００６３】
概略的に示した検出ユニット２５０を、ここでは、前領域２１０Ａ、２２０Ａ間の電気抵抗を記録するように適切に形成することができる。この抵抗は、例えば、測定アーム全体が比較的高い電気抵抗を有する材料から構成されるときに変化する。言い換えると、この際に、接触がない場合、電流の流れが測定アーム、移行領域、および変形部（図２ａ参照）を介して生じていれば、絶縁体で無限の抵抗が測定されるか、または比較的大きい抵抗が測定されることになる。他方、直接の接触があれば、抵抗は「接触抵抗」の並列接続により対応して減少し、これにより、直接の接触を対応して記録することができる。さらに、接触面の増加は、さらなる測定可能な抵抗の減少に寄与することができ、これは、対応する代表信号が力Ｆ２に関して取得されることを意味する。
【００６４】
他の設計の変形形態において、検出デバイス２５０は、加えてまたはあるいは、他の測定の概念、例えば容量測定、誘導測定などを実施して、対応する出力信号を取得することができる。さらに、直接接触の電気的評価の代わりに、またはこれに加えて、１つまたは複数の感圧センサを設けることができ、この感圧センサは力Ｆ２に依存する信号を出力する。ここで、そのようなセンサの適切な機械的応力は比較的低いことに留意されたい。応力は、長手方向に垂直な方向にのみ、かつ第１の測定範囲を限定する対応する閾値力を超えるときのみ発生するからである。
【００６５】
図２ｄは、測定アームに作用する力のさらなる増加によって前領域２１０Ａ、２２０Ａ間の接触面２１１がさらに増加することのない、さらなる機械的状態を表す追加の実施形態を示す。これは、特定の第２の閾値力から、第１の測定アームの後領域２１０Ｂおよび第２の測定アームの後領域２２０Ｂにより実質的に形成された中間空間２０２の大きさが変化することを意味する。第２の閾値を超える力（ここではＦ３と称する）が作用を及ぼすときには、変形または中間空間の減少が生じるため、例えば、減少した大きさ２０２Ａとなる。大きさまたは形および中間空間２０２から中間空間２０２Ａへの変化を記録するために、例えば、中間空間２０２、２０２Ａの大きさの尺度である信号を出力する適切なさらなる検出デバイス２５１が設けられる。この場合、検出デバイス２５１は適切なセンサ、例えばひずみゲージ、圧電要素、誘導測定および／または容量測定などのための電気部品を有することができ、これは、より大きい力に関するさらなる測定範囲を設けることができることを意味する。ここでも、変形部２３０（図２ａ）は、場合により、感知できる変形をさらに受けることはないため、発生する力の特徴に大きく寄与することはないが、検出ユニット２５０および／または２５１により取得された情報によって、発生する力のさらに広範囲に及ぶ評価が可能になる。このように、単一構造により非常に広範囲の力を扱うことができ、変形部２３０の特性により、特に図２ｂの機械的状態により特徴付けられる第１の測定範囲において、高い応答感度および分解能が達成可能である。
【００６６】
さらなる設計の変形形態において、図２ｄに示す測定要素２００は、測定アーム２１０、２２０が前領域２１０Ａ、２１０Ｂで機械的に互いにしっかりと接続された測定要素であり、これは、互いにしっかりと接続された領域に直接作用を及ぼす力により、中間空間２０２の感知できる変形または変化が生じないことを意味する。他方、図２ｄに関連して示した前述の実施形態の場合と同様に、後領域２１０Ｂ、２２０Ｂは測定すべき力に反応する。したがって、検出デバイス２５１は、例えば後領域２１０Ｂ、２２０Ｂの変形を記録することにより、および／または後領域２１０Ｂ、２２０Ｂの特定の領域の間隔を記録することにより、中間空間２０２の大きさを記録する。このために、前述したいくつかの適切な測定の概念を使用することができる。
【００６７】
言い換えると、これらの実施形態において、分離できない前領域２１０Ａ、２２０Ａにより、非常に大きい力に対応できる高い剛性が生じる。加えて、堅牢な機械的構造により、測定すべき所与の力に対して非常に小さい全厚が可能になる。
【００６８】
一部の実施形態において、機械的安定化のために、測定アームは、図２ｇの左側に概略的に示すように、前領域２１０Ａ、２２０Ａとは反対側の面（図示せず）で適切に機械的に結合され、例えば押し合わされ、または、図２ｇの右側に概略的に示すように、接着結合により互いに接続されて、そこに作用を及ぼす力が中間空間２０２の大きさに著しい影響を与えないようになっている。他の実施形態において、測定アーム２１０、２２０は、例えば、変形部２３０の形の弾性変形部により互いに結合され、この変形部２３０は、中間空間が変化すると変形部２３０の一定の変形が生じるように形成される。このための適切な幾何設計は、実験により、特にシミュレーションにより確認することができる。そのような適切に設計された変形部に変換器ユニットを設けてもよく、このような変換器ユニットを検出デバイス２５１に加えて、またはその代わりに使用して、測定すべき力を確認することができる。
【００６９】
前述したように、２つ以上の測定範囲を実行するための２つ以上の異なる機械的状態の、測定システム２８０で実施される概念は、前述した概念に加えて、測定システム１８０、すなわち測定要素１００において同様に実施できることに留意されたい。さらに、しっかりとまたは堅く接続された前領域２１０Ａ、２２０Ａを有する前述の実施形態を、同様に前述または後述の特徴と組み合わせてもよい。
【００７０】
図３ａ〜３ｅは、例えば前述の測定要素１００、２００および後述の測定要素で使用可能な測定アームの前領域の概略斜視図である。
【００７１】
図３ａは、第１の測定アーム３１０および第２の測定アーム３２０の斜視断面図であり、互いに対応して対向する表面３１２および３２２が、互いに相補的であるように、すなわち、互いに重なったときに一定の形状適合を有するように、かつ少なくとも表面の領域が、測定すべき力成分ＦＮに対して角度を形成する表面法線３２２Ｎを有するように設計される。図３ａに示す変形形態において、表面３１２および３２２は、測定すべき力成分ＦＮの方向に対して１０度超、さらに有利には３０度以上の角度を対応して形成する略平滑な表面を有する。
【００７２】
図３ｂは、表面３１２および３２２が相補的な曲面に形成されたさらなる変形形態を示す。ここでも、表面法線３２２Ｎが、曲面形状のかなりの領域で、測定すべき力成分に対して概ね大きい角度を形成する。
【００７３】
図３ｃは、対向する相補的な表面３１２、３２２がいくつかの曲面部を有するさらなる変形形態を示す。この場合も、測定すべき力に対して角度を形成する表面法線３２２Ｎを有する多くの表面領域があることを意味する。
【００７４】
図３ｄは、表面３２１、３２２が楔形に形成されたさらなる変形形態を示す。ここでも、表面法線３２２Ｎが測定すべき力成分の方向に対して角度を形成する。
【００７５】
互いに相補的に形成され、少なくとも部分的に、それぞれの表面法線と力成分の方向との間に角度を形成する特性を有する対向表面３１２、３２２によって、第１の測定アームおよび第２の測定アームの挙動が全体的により堅くなるため、より堅牢な機械的挙動を達成することができる。
【００７６】
図３ｅは、表面が偏向の方向を向き、法線３２２Ｎが測定すべき力の方向を向いたさらなる変形形態を示す。
【００７７】
図４ａは、較正ユニット４９０と、第１の測定アーム４１０および第２の測定アーム４２０の全厚が少なくとも部分的に変化するまたは可変である測定要素４００とを備えるさらなる測定システム４８０の概略側面図である。測定要素４００の測定アーム４１０、４２０の一部または全体の全厚が変化するまたは可変であるという特性を、その他の記載される特性に加えて、前述の測定要素１００、２００の各々または後述の測定要素に導入してもよいことに留意されたい。他の実施形態において、測定要素１００、２００の特性のいずれも、または孤立した特性しか、測定要素４００で実施されない。応力を受けない状態で、第１の測定アーム４１０と第２の測定アーム４２０とは、適切な範囲にあり得る間隔４０１を有する。間隔４０１は、第１の測定アームの関連する「厚さ」４１０Ｄおよび第２の測定アームの「厚さ」４２０Ｄと共に、応力を受けない状態の全厚４０４を生じさせる。したがって、厚さ４１０Ｄ、４２０Ｄは、測定すべき力成分の方向にも対応し、かつ長手方向Ｌ（図１ａ）に垂直に向く方向において、測定アームの寸法に対応する。
【００７８】
先の測定要素で前述したように、第１の測定アーム４１０と第２の測定アーム４２０とは、対応する移行領域４１５、４２５により変形部４３０に接続され、この変形部４３０は、測定アームが相対偏向する場合に変形し、この変形が１つまたは複数の適切に配置された変換器ユニットにより信号に変換される。特に、適切な変換器ユニットを、例えば、ひずみゲージ、圧電部品などとして、変形部４３０に任意の位置で取り付けることができることに留意されたい。他の有利な実施形態において、前述したように、１つまたは複数の変換器ユニットの位置決めを、例えば測定要素１００に関連して説明したように行ってもよい。
【００７９】
また、図３ａ〜図３ｄに関連して説明したように測定アームの断面を設計してもよいことに留意されたい。この場合、対応する厚さ４１０Ｄ、４２０Ｄは、場合により可変であり、所与の位置における対応する代表値が、対応する厚さ４１０Ｄ、４２０Ｄの測定点として想定される。しかしながら、互いに対向する測定アーム表面の設計は、全厚４０４に関して重要ではないことに留意されたい。図示した実施形態において、応力を受けない状態で、可変の全厚４０４を有する領域が設けられる。これは、場合により、測定すべき力が測定アームの長手方向に沿って加わる角度に応じて、異なる測定結果を確認できることを意味する。これは、全厚も、加わる力と測定アームとの機械的相互作用に影響するからである。
【００８０】
図４ｂは、例えば、追加の厚さ４１０Ｆを設けることにより全厚４０４（図４ａ）を増加させた部分を示す。例えば、１つまたは複数の材料層、例えば材料箔が、第１の測定アームの特定の部分に施される。言い換えると、図示した部分において、元のまたは最小の厚さ４１０Ｄが厚さ４１０Ｆだけ対応して増加する。したがって、より薄い材料層またはより少ない数の同一の材料層を施すことにより、元の厚さ４１０Ｄよりも大きいが厚さ４１０Ｆよりも小さいさらなる厚さを別の部分（図示せず）に導入することができる。このように、厚さ４１０Ｄに対応する最小厚さを有する部分、「公称」厚さを有する部分、ならびに最大厚さ、すなわち４１０Ｄおよび４１０Ｆを有する部分を導入して、３つの異なる全厚４０４を実施することができる。加えてまたはあるいは、厚さの対応する変化が第２の測定アームで行われ、異なる厚さの２つの領域または４つ以上の領域を、測定アームの長手方向範囲に沿って導入してもよいことに留意されたい。これが適切であるとみなされる場合、追加の材料を適切に加えることにより、概ね徐々に変化する厚さを一方または両方の測定アームに導入することもできる。
【００８１】
図４ｃは、１つまたは複数の制御部材４４５、すなわちアクチュエータ要素を設けて、測定要素４００の一定の領域の伸長／収縮を制御可能に達成する概略側面図である。例えば、１つまたは複数のアクチュエータ要素４４５を、移行領域４１５および／または移行領域４２５および／または変形部４３０に設けることにより、測定要素４００の機械的状態を制御可能に調節することができる。図４ａに示すように、例えば、移行領域４２５の一部分が１つまたは複数のアクチュエータ要素４４５を備えることにより、アクチュエータ要素４４５の伸長／収縮が変化するときに全厚４０４の変化が達成される。同様の方法で、１つまたは複数のアクチュエータ要素４４５を移行領域４１５および／または変形部４３０に設けることにより、例えば全厚４０４を制御可能に調節することができる。１つまたは複数のアクチュエータ要素４４５は、この場合、例えば電気信号に基づいて対応する伸長／収縮を実行し、かつ対応する状態に保持されなければならない任意の適切な制御要素である。対応する制御部材は、圧電要素、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に基づく制御可能な要素、マイクロモータ、例えば十分に再現可能な熱膨張を有する適切な金属または他の材料などである。制御部材を、回転シリンダエンジンにより、または手動で駆動されるスピンドルの形で設けてもよい。言い換えると、１つまたは複数のアクチュエータ要素４４５、したがって測定要素４００の所望の機械的状態を、電気信号、手動動作、アクチュエータ要素４４５の再現可能な温度を調節する信号、光学信号などの形の適切な制御信号を印加することにより調節することができる。これは、測定すべき力成分の作用点を変化させる必要なく、所望の範囲内で全厚４０４を変化させるのに有利となり得る。全厚４０４の対応する「調節」は、測定力がその作用を及ぼすときに１つまたは複数のアクチュエータ要素４４５を対応して起動することにより、測定プロセス中に動的に行うこともできる。これにより、測定すべき力成分が、応力を受けない状態で全厚４０４が変化する測定アームのシステムに作用を及ぼすため、変形部４３０の変形を変化させることができる。当然、１つまたは複数のアクチュエータ要素４４５の機械的状態の変化は、測定すべき物体が直接接触する前に行ってもよい。
【００８２】
１つまたは複数のアクチュエータ要素による測定要素４００の構成の動的および静的適合に加えて、前述したように、明確な実施形態において、偏向の行程および／またはアクチュエータ要素により加えられる仕事を情報として取得し、この情報をさらなる評価に関連させることによって、１つまたは複数のアクチュエータ要素をセンサとして使用することができる。この情報を、例えば、回転シリンダエンジンの回転数を判定すること、電圧に反応する要素の制御電圧を評価することなどにより取得することができる。アクチュエータ要素、したがって評価すべき信号の起動を、例えば、変換器ユニットの所与の信号が達成されるまで変化させることができる。変換器ユニットのこのような信号の「補償」により、その後、アクチュエータ要素の信号は、測定すべき力の正確な尺度となる。この補償方法を使用して、さらなる較正部品を必要とすることなく測定要素４００を較正してもよい。言い換えると、アクチュエータ要素は、所望の較正値、例えば所望のゼロ点が変換器ユニットで調節されるまで作動される。この較正値に必要なアクチュエータ要素４４５の起動信号を、実際の測定中に印加し、または評価中に適切に考慮することができる。
【００８３】
図５は、前述のすべての測定要素１００、２００、４００およびさらに説明するすべての測定要素において、この形で使用可能な測定アーム５１０および５２０の一部の概略断面図である。図示したように、第１の測定アーム５１０および第２の測定アーム５２０は長手方向Ｌに異なる寸法を有しているため、本変形形態において、第２の測定アーム５２０は、例えば、第１の測定アーム５１０の前領域５１０Ａを長手方向に完全に含む前領域５２０Ａを有する。言い換えると、応力を受けない状態における第１の測定アーム５１０と第２の測定アーム５２０との間の対応する間隔５０１は、前部まで完全には形成されず、応力を受けない状態における全厚は、長手方向Ｌに沿った測定アームの範囲全体にわたって略同一である。言い換えると、測定アーム５１０、５２０のシステムにより、作用を及ぼしている力Ｆ１、すなわち前領域５２０Ａの部分に作用を及ぼす対の力に影響されない領域が生じるのに対して、第１の測定アーム５１０の部分には対の力Ｆ２に対する所望の感度がある。したがって、測定物、例えばプラグ接続において、例えば、測定すべき力成分をさらに後退した領域において測定する必要のある位置を設定することができ、影響を受けない前領域５２０Ａにより、プラグコンタクトにおいて実際の力の状態を実際的に模倣することが適切に可能になる。例えば、プラグ接続により長手方向Ｌに沿った異なる位置でばね力が発生する状況で、測定すべき重要な領域を、場合により、後退位置に配置し、他方で、状態を実際の要因とできるだけ同一に模倣する必要がある。このように、後退位置で生じる力成分は、前領域で生じるが実際に存在して全体的な挙動に影響するばね力により、歪曲を生じることなく測定される。
【００８４】
例えば前述したように、この受動先端（passive tip）のない測定要素の場合、合力Ｆ１＋Ｆ２のみを図５に示す力Ｆ１、Ｆ２の配置で測定することができる。両方の力を確認しようとする場合、例えば、そのような測定要素をさらに使用して、この合力をさらなる測定プロセスで測定することができる。２つの測定結果、すなわち、測定要素５００により判定されるＦ２と受動先端のないさらなる測定要素により判定可能なＦ１＋Ｆ２とから、計算によりＦ１を確認することができる。
【００８５】
図６は、第１の測定アーム６１０および第２の測定アーム６２０を各々有する測定アームシステム６０５Ａ、６０５Ｂ、６０５Ｃ、６０５Ｄのみを示す、実施形態の概略斜視図である。ここでも、図６に示す測定アームシステム６０５Ａ〜６０５Ｄを、前述の測定要素１００、２００、４００および後述の測定要素のいずれかと共に使用してもよいことに留意されたい。したがって、図示した実施形態において、例えば２つ、３つ、４つ以上の測定アームシステムを含むいくつかの測定アームシステムが、長手方向Ｌに垂直な横方向Ｗに配置されるため、いくつかの測定アームシステム６０５Ａ〜６０５Ｄとそれぞれの測定すべき力成分との接触が同時に生じ得る。適用例において、例えば、いくつかの機械的に独立したプラグイン要素によるプラグ接続が、それぞれの接触力に関して記録される。このために、横方向Ｗの間隔は、測定においてそれぞれの横間隔が対応するように選択される。有利な実施形態において、測定アームシステム６０５Ａ〜６０５Ｄの各々は、割り当てられた別個の変形部に機械的に結合され、対応する変形部を、測定要素１００、２００、４００に関連して説明したように設計することができる。このように、それぞれの測定アームシステム６０５Ａ〜６０５Ｄに記録された個々の力成分を、信号として適切な評価ユニットに出力し、別個に評価することができる。必要に応じて、場合により、測定すべき個々の力を評価中に加算して合力を求めてもよい。２つ以上の力成分の「機械的」加算が望ましい場合、対応する２つ以上の測定アームシステム６０５Ａ〜６０５Ｄが単一の変形部に作用を及ぼして、対応する合力を確認することができる。
【００８６】
従来、多くの並列接点とのプラグインコンタクトについて以下の手法が採用されている。すなわち、ばね構造全体が相関して依存的にのみ作用するため、細い測定要素および他のばねを押圧する大きい受動金属部分が挿入される。その後、多くの異なる受動金属部分を挿入して、力を分離する必要がある。初期挿入時に力を測定することが望ましい場合、これはいくつかの部分に関してのみ可能である。しかしながら、この手法は、検査規制により許可されないことが多い。さらに、プラグインコンタクトは、何回も差し込むと摩耗する。したがって、数回の測定により分離された力は、老化に関して同じ状況を示すことはない。同時測定の可能性を有して測定アームシステム６０５Ａ〜６０５Ｄを並列に配置することにより、このような欠点を避けることができる。
【００８７】
図７は、測定アーム（図示せず）に結合される接続領域７２５の一部を示す、測定要素の一部の概略側面図である。さらに、最終的に接続領域７２５を介して測定アーム（図示せず）に結合される変形部７３０の一部が示される。図７に示す実施形態の場合も、これを前述および後述のすべての測定要素と組み合わせることができる。接続領域７２５は、例えば適切な空洞または材料インサート７２６Ａ、７２６Ｂを設けることにより、高い応答感度、分解能、および正確度が達成されるように特に適切に設計される。このように、例えば、方法１および方法３に対応する、すなわち例えば自動測定システムのための測定システム分析の基準を特に遵守することができる。前述したように、適切なシミュレーション計算を、１つまたは複数の接続領域７２５を考慮して実行し、測定要素の機械的挙動を対応する適用に明確に適合させることにより、特に測定システム分析の基準を満たすことができる。このように、本発明による測定要素により得られる測定結果を使用して、測定物の品質および挙動を標準化するか、または少なくとも正確に分類することができる可能性も生じる。
【００８８】
図８ａは、さらに明確な実施形態による測定システム８８０の概略側面図である。測定システムは、応力を受けない状態で間に間隔８０１を形成する第１の測定アーム８１０および第２の測定アーム８２０と、対応する接続領域８１５、８２５を介して測定アーム８１０、８２０に機械的に結合された変形部８３０とを有する測定要素８００を備える。それぞれの実施形態について前述したものと同じ基準が測定要素８００に関して当てはまる。言い換えると、測定要素８００を、測定要素１００もしくは測定要素２００もしくは測定要素４００と同様の方法で導入することができ、または前述の実施形態における測定要素のうちの１つの１つもしくは複数の特徴を測定要素８００において組み合わせるように導入することもできる。特に、測定アーム８１０、８２０も、前述の実施形態で説明したように適切に形成される。同じことが接続領域８１５、８２５および変形部８３０にも当てはまる。言い換えると、有利な実施形態において、測定要素８００は、最適な幾何設計により、例えばシミュレーション計算に基づいて、それぞれの適用に適切に適合し、および／または要素８００で実現されるいくつかの測定範囲があり、および／または異なる値が要素８００の測定アーム８１０、８２０からなるシステムの全厚について実現され、および／または測定アームが一面で互いにしっかりと接続され、および／または図３ａ〜図３ｄに関連して前述したように測定アーム８１０、８２０の断面形状が設計され、および／または図５に関連して説明したように測定アームが設計され、および／または例えば図６に関連して説明したようにいくつかの測定アームシステムが設けられる。同様にして、図７に関連して説明したように接続領域８１５、８２５を構成することができる。
【００８９】
システム８００は較正ユニット８９０をさらに備え、この較正ユニット８９０は、一実施形態において別個の部品として設けられ、加えてまたはあるいは、さらなる実施形態において測定要素８００に組み込まれた部品として導入される。
【００９０】
図８ｂは、変形形態において、要素８００に組み込まれた較正ユニット８９０を示す。この較正ユニット８９０は、例えば、第１の測定アーム８１０（図示）および／または第２の測定アーム８２０の長手方向Ｌに沿って正確に特定された位置に設けられた位置決め要素８１３の形である。位置決め要素８１３は任意の適切な形、例えば浮上りまたは窪みの形で設けられて、長手方向Ｌに正確に位置決めされた位置決めおもり８９１の支持部を受ける。このために、測定要素８００は、例えば、測定アーム８１０、８２０が水平に配置されるように向けられ、その結果、較正質量８９１が加えられると、長手方向Ｌに垂直に作用する力成分が、正確に特定された位置、すなわち位置決め要素８１３の位置に生じるため、公知の大きさの較正力８９１により変形部８３０（図８ａ）の応答挙動を較正することができる。他の変形形態において、較正長さ要素（図示せず）を当てて、正確に定義された偏向を生じさせ、これを用いて変形部８３０を較正する。両方の変形形態を共に使用してもよい。
【００９１】
図８ｃは、別個の部品として設けられた較正ユニット８９０のさらなる実施形態の概略側面図である。図示した実施形態において、較正ユニット８９０は、凹部８９２が形成されたキャップ状またはカップ状であり、この凹部８９２に、第１の測定アーム８１０および第２の測定アーム８２０を正確に定義された方法で挿入できるようになっている。このために、凹部８９２は、適切な幅、すなわち図８ｃの突出部の平面に垂直な方向の寸法、および適切な厚さ、すなわち長手方向Ｌに垂直な方向の適切な寸法を有し、特に所与の長さ寸法８９２Ｌを有し、測定アームシステムが凹部８９２の後縁部に突き当たると、正確に定義された長さの測定アームシステムが凹部８９２に挿入される。このキャップは、正確に定義された偏向が生じるため、較正長さ要素として理解することができる。加えてまたはあるいは、較正ユニット８９０は、長手方向Ｌに沿って正確に位置決めされた開口８９３を有し、例えばおもりの形の較正力８９１が、適切な圧力ロッド８９１Ａにより、開口８９３を通して測定アームに作用を及ぼすことができるようになっている。その結果、作用点の位置および測定力８９１の大きさが正確にわかるため、これを使用して測定要素８００を較正することもできる。
【００９２】
説明したすべての実施形態について、測定要素の適切な支持部またはハウジングが設けられて、機械的に堅牢な配置が得られることにさらに留意されたい。簡単にするために、そのようなハウジングは図示しない。さらに、信号を取得し、信号を評価し、または信号を作成するように機能し得る適切な電子部品、光電子部品、微小機械電子部品などを、測定要素自体の適切な位置に、および／または適切なハウジングの適切な位置に、部分的または完全に収容することができる。例えば、光学部品、電子部品、機械部品が組み付けられた適切な半導体チップまたは他の適切な基板を適切な位置に収容し、またそれぞれの供給ラインを、ワイヤ、導電性経路などの形で測定要素および／またはハウジングの適切な位置に適切に設ける。言い換えると、信号の対応する評価の重要なステップを、測定要素または関連するハウジング自体で実行することができ、適切に作成された信号を、さらなる電子評価システム、例えばコンピュータなどに伝達することができる。他の変形形態において、実質的に未処理の信号のみが電子評価システムに伝達される。信号の伝達を、例えば、有線接続により、または無線通信チャネルにより行って、特に測定システムが本発明による測定要素を用いて適用されるときに、高い順応性が達成されるようにすることができる。
【符号の説明】
【００９３】
１８０、２８０、４８０、８８０  測定システム
１００、２００、４００、８００  測定要素
１１０、２１０、４１０、８１０  測定アーム（第１の測定アーム）
１２０、２２０、４２０、８２０  測定アーム（第２の測定アーム）
１１０Ａ、２１０Ａ  第１の測定アームの前領域
１２０Ａ、２２０Ａ  第２の測定アームの前領域
１１０Ｂ、２１０Ｂ  第１の測定アームの後領域
１２０Ｂ、２２０Ｂ  第２の測定アームの後領域
１３０、２３０、４３０、８３０  変形部
１３０Ａ  変形部の対向面
１３０Ｂ  変形部の反対側の面
１３０Ｌ  変形部の長手方向寸法
１３０Ｄ  変形部の幅
１３１  変形部の縁部またはリム
１４０、１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７、１４８  変換器ユニット
１０１、２０１、４０１、５０１、８０１  間隔
１１５、２１５、８１５  第１の測定アームの接続領域
１２５、２２５、４２５、７２５、８２５  第２の測定アームの接続領域
１９０、２９０、４９０、８９０  較正ユニット
２１１  接触面
２５０、２５１  検出ユニット
２０２、２０２Ａ  中間空間
３１２  第１の測定アームの表面
３２２  第２の測定アームの表面
３２２Ｎ  表面の一部の方向
４０４  全厚
４１０Ｄ  第１の測定アームの厚さ
４２０Ｄ  第２の測定アームの厚さ
４１０Ｆ  測定アームの領域における追加の厚さ
４４５  アクチュエータ要素
６０５Ａ〜６０５Ｄ  測定アームシステム
７２６Ａ、７２６Ｂ  材料凹部
８１３  位置決め要素
８９１  較正力または較正おもり
８９１Ａ  圧力ロッド
８９３  較正ユニットの開口
８９２  較正ユニットの凹部
８９２Ｌ  凹部の長さ
【図１−１】
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【図１−２】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【国際調査報告】
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