変位、歪および力センサ
変位、歪、および／または、力センサアセンブリ（１０、１１０）は、Ｘ軸に沿った変位、歪、および／または、力の測定を促進する異方性剛性を有する一方で、望まれないＹおよびＺ軸に沿った変位、歪、および／または、力およびＸ、ＹおよびＺ軸の回りの回転に起因するエラーが抑制する搭載構造（１２）を有する。Ｘ軸に沿った軸方向の変位に応答するように構成されている台座（３０、１３０）は、搭載構造（１２）のＸ軸上の中央に配置されており、変位または歪センサ（３８）は変位、歪および／または力の測定を提供するために台座（３０）へ連結されている。コンタクトパッド（１４、１１４）は、上記変位および／または歪センサアセンブリが適用構造へ固定されることが可能なように、上記搭載構造のＸ軸の両端に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互参照
この出願は２００６年５月３０日に出願された米国仮特許出願番号６０／８０３、４３９、および、２００６年９月８日に出願された米国仮特許出願番号６０／８２４、９８８の優先権を主張する。両出願の題名は変位センサであり、両出願は参照することにより本願に援用される。
【０００２】
連邦支援の研究(federally sponsored research)に関する記述
アメリカ合衆国政府は、ＡＲＯおよびＡＲＬによって支持された認可番号Ｗ９１１ＮＦ−０５−２−００１４に準じて、本発明において特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
本発明は一般的な変位および／または歪センサ、特には、軸方向の変位および単軸に沿った力への強い応答性を提供するための異方性搭載基板に固着された変位または歪センサから成る変位および／または歪センサアセンブリ／パッケージに関する。
【０００４】
変位および／または歪センサは、防衛、工業および商業的応用を含む幅広い用途に用いられている。これらの用途は多くの場合、機能の向上、過負荷防止、および／または、健康および安全性の監視を提供するために、極めて敏感で、厳格な、信頼できる変位および／または歪センサを必要とする。例えば、変位および／または歪センサは、航空機、橋、ダム、トンネル、遺跡、建造物、エレベータ、プレス機、工作機器、クレーン、空中作業台、農機具、および機械装置において、連続部分における歪および接合部および空隙を横切る変位の監視に用いられる。さらに変位および／または歪センサは、車両または船舶、および、サイロや貯蔵タンクの秤量などの様々な負荷検知にも、機能向上および工程管理、過負荷防止および健康管理にも用いることができる。
【０００５】
ある用途における使用のために変位および／または歪センサが稼動可能に搭載される場合、歪センサが所望の変位および／または歪が測定される軸に沿って、適切に一直線であり、変位および／または歪センサが、所望の軸に沿った変位および／または歪の測定を変えてエラーを発生させる可能性がある軸外の変位および／または歪から隔離されていることが確実となるように注意されなければならない。
【０００６】
従来、変位および／または歪センサアセンブリは、測定感度と、パッケージ耐久性との間の妥協であった。高い程度の感度を有するセンサは、厳しい用途における使用のために十分な耐久性がないことが多い。パッケージの耐久性が上がるにしたがって、多くの防衛、工業および商業的応用は、機能の向上、過負荷防止、および／または、健康および安全性の監視を提供するために極めて敏感で、厳格な、信頼できる変位／歪センサを頼りにすることができる。そのような変位および／または歪センサの典型的な用途には以下のようなものがある：
航空機、橋、ダム、トンネル、遺跡、建造物、エレベータ、プレス機、工作機器、クレーン、空中作業台、農機具、および機械装置等において、構造の連続部分における歪および接合部および空隙を横切る変位の監視；
船舶、サイロ、貯蔵タンクの秤量、および、その他の負荷検知用途；
歪および／または変位の測定が必要である研究開発プロジェクト；および
機能向上および工程管理、過負荷防止および健康管理のための負荷測定。
【０００７】
そのため、所望の１方向における変位の測定を促進する異方性剛性を有する一方で、望まれない変位および回転に起因するエラーが抑制された変位および／または歪センサアセンブリを提供することは有益である。変位および／または歪センサの熱的な影響を補正する温度センサを含むように構成され、エンドユーザーに温度情報を提供し、用途構造への脱着が容易となるように構成されたパッケージデザインを有する変位および／または歪センサアセンブリを提供することがさらに有益である。加えて、高い程度の感度を有し、種々の稼動環境および条件に耐えるための耐久性パッケージ内に配置された、改良された変位および／または歪センサアセンブリを提供することは有益である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
概して、本発明は、１またはそれ以上のセンサモジュールが搭載される台座を有する変位および／または歪センサアセンブリを提供する。上記台座は、向かい合ったビームによって、向かい合ったコンタクトパッドへ接続されている。上記ビームの内側端は、ギャップによって分離されており、上記台座はこのギャップを横切って伸張する。上記センサが搭載される表面は、ビームから、垂直にオフセットされている。少なくとも１つの態様においてビームは、上記センサアセンブリが搭載される適用物から垂直にオフセットされている。
【０００９】
上記センサアセンブリは、Ｘ軸に沿った変位の測定を促進する異方性剛性を有する一方で、望まれないＹおよびＺ軸に沿った変位およびＸ、ＹおよびＺ軸の回りの回転に起因するエラーが抑制するように形成されている。上記台座は、Ｘ軸に沿った軸方向の変位に応答するように構成されており、中央ウェブ内に、搭載構造のＸ軸上の中央に配置されており、変位または歪センサは変位、歪および／または力の測定を提供するために台座へ連結されている。
【００１０】
上記搭載ビームは、ウェブを貫いて伸張していてもよい。上記ウェブは、縦および横軸の回りに対称に形成された、一連のスロットおよび／または切り欠きを有する。
【００１１】
上記変位および／または歪センサアセンブリは、変位および／または歪センサの熱的な影響を補正し、エンドユーザーに温度情報を提供するための、基板（例えば固定ブロック、ビーム、または台座）に固定された温度センサを有していてもよい。
【００１２】
上述した本発明の特徴および利点、並びに、その現在の好ましい態様は、添付の図面と関連した以下の記載を読むことによってより明確になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、組立てられた、本発明の変位／歪センサアセンブリを示す。
【図２】図２は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための異方性搭載基板の、有限要素Ｘ軸歪解析である。
【図３】図３は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための異方性搭載基板を示す。
【図４】図４は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための、代わりの異方性搭載基板を示す。
【図５】図５は、変位／歪センサおよび搭載台座がない状態の、図４に示される搭載基板を示す。
【図６】図６は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための、第二の代わりの異方性搭載基板を示す。
【図７】図７は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための、第三の代わりの異方性搭載基板を示す。
【図８】図８は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための、第四の異方性搭載基板を示す。
【図９】図９は、ディメンションが異なること以外は図７と同様の、本発明の変位／歪センサアセンブリのための、第五の代わりの異方性搭載基板を示す。
【図１０】図１０は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための、第六の異方性搭載基板を示す。
【図１１】図１１は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための、単一形打ちさて形成された、金属の異方性搭載基板を図解する。
【図１２】図１２は、図１１の搭載基板の上面斜視図である。
【図１３】図１３は、図１１の搭載基板の底面斜視図である。
【図１４】図１４Ａ、１４Ｂ、および１４Ｃは、本発明の変位／歪センサの端面、上面側面図である（封入物は図示せず）。
【図１５】図１５は、図１４Ａ、１４Ｂ、および１４Ｃの変位／歪センサ（封入されていない）の上面斜視図である。
【図１６】図１６は、本発明の、封入された変位／歪センサモジュールの底面斜視図である。
【図１７】図１７は、伸張変位がＸ方向（縦軸）に沿って付与された、本発明の変位／歪センサの有限要素解析の表示である。
【図１８】図１８Ａお呼び１８Ｂは、適用構造に固定された、本発明の変位／歪センサの代わりの態様の、上面および側面図である（封入物は図示せず）。
【図１９】図１９Ａ、１９Ｂ、および１９Ｃは、本発明の変位／歪センサの代わりの態様の、端面、上面および側面図である（封入物は図示せず）。
【図２０】図２０Ａ、２０Ｂ、および２０Ｃは、本発明の変位／歪センサのバリエーションの、端面、上面および側面図である（封入物は図示せず）。
【図２１】図２１Ａ、２１Ｂ、および２１Ｃは、本発明の変位／歪センサの代わりの態様の、端面、上面および側面図である（封入物は図示せず）。
【図２２】図２２Ａ、２２Ｂ、および２２Ｃは、本発明の変位／歪センサの変わりのバリエーションの、端面、上面および側面図である（封入物は図示せず）。
【図２３】図２３Ａおよび２３Ｂは、適用構造へのボルト締め固定および、溶接／接着剤結合に適応している本発明の変位／歪センサの上面斜視図である。 対応する参照番号は、図面の数々の図を通じて、対応する部品を表す。当然のことながら、図面は本発明の概念を図解するためのものであり、正確な縮尺ではない。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の詳細な記載は、本発明を限定するものではなく、例示することにより本発明を説明する。この記載は、当業者が本発明を作りかつ利用することを可能とし、数々の態様、適応、バリエーション、代替を記述し、現在本発明を実施するための最良の形態であると考えられているものを含む、本発明の利用について記述する。
【００１５】
変位／歪センサアセンブリ１０の実例を概して図１および３に示す。上記センサアセンブリ１０は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を規定するウェブまたはボディー１２を有する。コンタクトパッド１４は、上記ウェブ１２の両端に配置されている。上記パッド１４は、上記Ｘ軸に沿って位置する。各パッド１４は、適用物の表面へ搭載基板を固定するためにボルトまたはその他の適した取付け手段がその中を通ることができる、ボルト受入れ穴１６を有する。例えば溶接、ろう付、接着剤または力による固定（クランプ）など、穴を必要としないその他の適した取付け手段も用いることができる。
【００１６】
第一および第二のサポートビーム１８は、ｘ軸に沿ってコンタクトパッド１４から互いに向って伸張する。上記ビームの内側端は、ギャップ２０によって分離されている。上記ビームは、図１および３に示されるように、Ｘ軸に沿った変位、歪および／または力への異方性応答性を提供するために選択的に構成されている。コンタクトパッド１４は、搭載面を規定する下方表面２２を有する。好ましくは、搭載面は、コンタクトパッド１４が適用物の表面へ固定された場合に、サポートビーム１８がＺ軸上に、上記適用される構造の表面の上側に隔離されているように、Ｚ軸に沿ってサポートビームの下側に間隔があけられている。
【００１７】
台座３０は、上記サポートビーム上のボディー１２内の中央に配置され、上記ボディー１２のＸ軸上のギャップ２０を横切って伸張する。上記台座３０は、概して、Ｘ軸によって２等分された２つの側面３２で構成されており、ビーム１８によって規定された面の上に垂直方向に変位しているセンサ台、面、または横材３４によって、それらの上端に沿って連結されている。上記台座３０は、一片の材料から機械加工する、または、プレス加工などによって、上記ボディー１２と一体形成されてもよい。また、台座３０は、別に形成され、ボンディングなどの任意の適した取り付け手段によって、Ｘ軸上の中央サポートビーム１８のギャップ２０を横切る場所に固定されてもよい。上記台座３０の配置場所および構成は、センサ台において、Ｘ軸上の上記搭載基板ギャップ２０を横切る変位へ強い応答性を提供するように選択される。
【００１８】
変位または歪センサ３８は上記センサ台３４の上面または底面のいずれかに配置され、ｘ方向における歪、または、ｘ方向における歪マイナスｙ方向における歪を表す信号を発する。また、センサは、上記センサ台３４の上面および底面の両方に配置されてもよい。上記歪信号は、ｘ方向における変位、ｘ方向における平均歪、および／またはｘ方向における平均力の大きさを提供する。上記センサ台３４の上面および底面にセンサが適用された場合、それらの信号間の差は、歪または変位の大きさを提供し、同相除去によるそれらの温度感度を低減させる。これらには限定されないが、例えば以下のような、任意のタイプの歪センサを用いることができる：金属箔、マイクロ電気機械式センサ（ＭＥＭＳ）、容量性、誘導性、ピエゾ抵抗性、光学的、および弾性表面波（ＳＡＷ）センサ。上記歪ゲージまたは変位センサは、定電圧励起、定電流励起、または定電力励起と共に、信号処理電子を用いることができる。上記センサ３８は、磁気ノイズから遮蔽するために、例えば高透磁率を有する材料のシートによって覆われてもよい。
【００１９】
必要に応じて、２つのコンタクトパッド間に導電性ワイヤが伸張され、電気的に接続されてもよい。これは、上記センサを電気的に隔離し、適用構造からの電流が上記センサアセンブリへ連結することから上記センサを保護する。
【００２０】
上記アセンブリ１０は、コンタクトパッド１４に付与される変位、歪、および／または力への異方性応答性を有するために選択的に構成されている。それは、コンタクトパッド１４に、上記センサのＸ軸に沿って付与される変位、歪および／または力へ強く応答する一方、他の方向に付与される変位、回転、歪および／または力への応答は抑制される。上記ボディー１２、コンタクトパッド１４、ビーム１８、および、台座３０は、スチール、アルミニウム、ベリリウム銅合金、酸化アルミニウム、溶融石英、単結晶シリコンなどの低ヒステリシス材料から作られていることが好ましい。グラファイトエポキシ、および、ガラスエポキシも、上記ボディー１２、コンタクトパッド１４、ビーム１８、および、台座３０を作るために用いることができる。上記ボディー１２、コンタクトパッド１４、ビーム１８、および、台座３０が作られる材料は、よりよい機能を提供するために、必要に応じて熱処理がされてもよい。
【００２１】
上記センサ台３０上に配置された変位センサによって測定された応答は、上記コンタクトパッド１４の２つの内側端間の変位の代表である。上記コンタクトパッドの２つの内側端間の距離は、センサアセンブリのゲージ長として定義される。上記ゲージ長によって分けられるＸ軸に沿って測定された変位は、上記ゲージ長に沿って、Ｘ軸の方向に上記センサアセンブリが経験する平均歪の測定を提供する。上記変位センサの出力信号はｘ方向の力の機能として補正することができるため、このように構成された上記センサアセンブリはロードセルとして利用することができる。
【００２２】
Ｘ軸に沿った力、歪、および変位への異方性応答性を提供するために、上記ボディー１２は、上記ボディー１２のＸ軸および横正中線（またはＹ軸）の回りに対称に配置された複数の切り欠き４２およびスロット４４を有する。このように、上記スロット４４は、基板１２の側短から内側へ伸張する。上記切り欠き４４は、様々な異なる形状を有するように示されている。一部は略長方形であり、一部は略Ｕ字形である。上記中央ウェブの上記切り欠きおよびスロットは、中央に配置された台座３０および付随するセンサ３８への、ｘ方向に付与される変位、歪および力の強い連結（すなわち、からの信号）を提供する一方、軸外の変位（すなわち、Ｙ方向およびＺ方向）および、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の回りの回転および歪および荷重の同様のものの連結を抑制するように構成されている。
【００２３】
図４〜１１は、上記コンタクトパッド間のＸ軸に沿った所望の異方性応答性を達成することができる、本発明の態様のための切り欠きおよびスロットの配置の種々の代替案を図解する。上記スロットは、上記ボディーの側面または端面から伸張しても、図６に見られるように、上記スロットは概して取り除かれてもよい。さらなる代替案においては、上記ボディーは、スロットを有し、切り欠きを有していなくてもよい。上記切り欠きは、種々の形状や構造をしていてもよく、種々の図に見られるように、種々の複雑度において組み合わされてもよい。当業者は、スロットおよび切り欠きのさらなる配置が、上記センサアセンブリのＸ軸に沿った所望の異方性応答性を達成しうることを認識し、本発明の範囲を逸脱することなく使用することができる。
【００２４】
図１１〜１３に示される態様に見られるように、上記中央サポートビーム１８´は、上記台座３０´の側面３２´と一体形成されていてもよい。上記コンタクトパッドは、上記ボディー１２と一体でもよい（図１〜３および７〜１０に見られるように）；上記コンタクトパッドは、上記ボディー１２から離れていてもよく（図４〜６および１１に見られるように）、上記コンタクトパッド１４およびボディー１２間のスペースは様々であってもよい（図６の態様と、図４および５の態様とを比較することによって分かるように）。さらに、コンタクトパッドは、上記ボディーの全長まで伸張してもよいし（図８に見られるように）、また、コンタクトパッドは上記ボディーの長さよりも実質的に短くてもよく（すなわち、Ｙ方向におけるその寸法）、上記ボディーの端面に沿って概して中央にある。
【００２５】
ボディー１２および／またはビーム１８は、搭載構造の異方性特性と干渉することなく、温度センサまたはその他の電子部品をその上に配置することができる適切な表面積を提供するように構成されている。上記温度センサからの出力信号は、上記センサ台上の変位または歪センサの熱的影響を補正するため、および、エンドユーザーへ温度情報を提供するために用いることができる。
【００２６】
上記ボディー１２の表面積は、図１に示されるように、ワイヤまたはケーブルに適切な歪緩和を提供し、長い稼動寿命を促進するために、上記変位および／または歪センサや、温度センサなどの任意の電子部品を外部の装置および動力源につなぐワイヤまたはケーブルの連結をさらに促進する。上記ケーブル歪緩和は、上記ビーム１８の１つ、上記コンタクトパッド１４の１つ、または、上記センサアセンブリ１０のボディー１２上などの少なくとも１ヵ所において基板へケーブルを固定することによって提供することができる。上記ケーブルは、例えば、ストラップでケーブルを基板に固定する、または、従来のその他の方法によって基板に固定することができる。使用中は、本発明のセンサアセンブリは、ボルト、接着剤、ろう付けまたは溶接等によって、上記コンタクトパッドにおいて適用構造へ固定されてもよい。上記適用物へのセンサアセンブリの固定のための上記センサアセンブリおよび適用物の準備においては、摩擦が過度に低減されないように、上記コンタクトパッドの底面と、上記適用物との間の界面の仕上げは、滑らか過ぎるべきではない。上記センサアセンブリが上記適用物へボルト締めされる場合は、必須ではないが、上記適用物と、コンタクトパッドとの間の界面について、油、グリース、ほこり等の掃除がされてもよい。すなわち、上記センサアセンブリが適用物へボルト締めされる際に、いくらかの油、グリース、ほこり等が上記界面に存在するかもしれない。センサアセンブリのボルト締めを促進するために、ボルト穴位置のテンプレートが提供されてもよい。このテンプレートは、上記適用物におけるボルト穴の位置決めを促進するために、その後上記適用物上に配置されてもよい。
【００２７】
上記センサアセンブリは、連続的な適用構造に沿った歪、変位および／または力の大きさを提供するために使用されてもよく、また、上記センサアセンブリは、上記適用構造のギャップの各側面に１つのコンタクトパッドを固定することにより、上記適用構造におけるギャップを横切る変位および力の大きさを提供するために使用されてもよい。
【００２８】
センサアセンブリの上記ボディー、中央ビーム、コンタクトパッド、および台座は、所望の異方性特性が維持されるならば、別々の構成部材として形成されても、単一のボディーとして形成されてもよい。例えば、図１１〜１３は、上記コンタクトパッド、台座、および中央ウェブが、プレス(stamping)または鋳造プロセスなどによって、１つの材料片から形成された搭載基板の単一構成を図解する。
【００２９】
図１４（ａ）から２３（ｂ）に、センサアセンブリのバリエーションおよびこのバリエーションの代替態様を示す。図１から１３のセンサアセンブリは、上記ビーム１８がその内部を通過し、スロットおよび／または切り欠きを有するウェブまたはボディーを有する。しかしながら図１４から２３のセンサアセンブリは、ウェブが除外されている。実例として、図１４から１６に概して示されるセンサアセンブリ１１０は、変位（すなわち、伸縮計）、歪および／または力を測定することができる。上記センサアセンブリ１１０は、概して、その上に歪センサおよび／または変位センサ１３８を搭載することができる平面的なサポート表面１３４を有する、中央に配置された台座１３０を有する。上記台座１４８は、使用中に適用構造への取り付けへ適応した一対のコンタクトパッド１１４反対側面へ、一対のビーム１１８によって連結されている。コンタクトパッド１１４は、図１９（ａ）から（ｃ）に示されているように、ボルトなどの締め具がその中を伸張する穴１１６を有していても、中空ではなくてもよく、その場合は、上記コンタクトパッドはろう付け、溶接、または接着によって適用構造へ固定することができる。
【００３０】
変位センサとして、上記センサアセンブリ１１０は、コンタクトパッドの２つの内側端１４０のｘ方向（長い／縦軸）における相対変位を測定する。上記コンタクトパッドの２つの内側端の間の距離（すなわち、図１４（ｃ）に示されるように、距離２＊（Ｌ２＋Ｌ３）＋Ｌ４）は、センサアセンブリのゲージ長である。上記ゲージ長によって分けられるｘ方向における測定された変位は、ゲージ長に沿ったｘ方向における平均歪の大きさを提供する。センサアセンブリは、上記出力信号はｘ方向における力の機能として補正することができるため、ロードセルとして採用することができる。
【００３１】
好ましくは、上記センサアセンブリは、上記台座１３０の上面および／または底面の表面１３４、またはプレートに取り付けられた少なくとも１つの歪センサを含む少なくとも１つの歪センサモジュール１３８を有する。上記台座１３０は、各縦端に直立した壁１３２を有する表面１３４またはプレートから成る。上記ビーム１１８は、上記台座壁１３２を、図１４（ｃ）に最もよく表されているように、上記プレートの面からオフセットされて、すなわち、台座プレート１３４の下面がコンタクトパッド１１４の底面１２２の上となるようにコンタクトパッド１１４へ接続する。上記台座、ビーム、およびコンタクトパッドがそこから形成される基板は、一体形成（単一）構造であることが好ましい。各コンタクトパッドは、コンタクトパッド内のボルト穴１１６を貫通するボルトによって、接着剤によって、共晶合金によって、ろう付けによって、溶接によって、またはその他の方法によって適用物の表面へ固定することができる。
【００３２】
図１７は、図１４〜１５のセンサアセンブリパッケージ１１０の有限要素解析の結果の例を示す。図１７は、左のコンタクトパッドが所定の位置に固定された状態で、右のコンタクトパッド（図１７を参照）にｘ方向（ｕｘ）に変位が付与された結果のｘ方向（Ｓｘ）における歪を図解する。付与された伸張変位は、上記プレート１３４の上面における大きな圧縮Ｓｘ、および、上記プレートの底面（図示せず）における大きな引張Ｓｘを引き起こす。上記歪センサモジュールは、それが取り付けられているプレートの表面のＳｘまたはＳｘ−Ｓｙ（ｘ方向の歪（Ｓｘ）引くｙ方向の歪（Ｓｙ））を表す信号を作り出す。上記歪信号は、変位センサのｘ方向における変位、ｘ方向における平均歪、および／またはｘ方向において付与された力の大きさを提供する。その結果の信号は、さらなる処理および／またはユーザーへの表示のために遠隔の処理装置へ伝えられてもよい。これらには限定されないが、例えば、金属箔センサ、ＭＥＭＳ、ピエゾ抵抗性センサ、光学的センサ、ＳＡＷ（弾性表面波）センサ、容量性センサ、および、誘導性センサなどの任意のタイプの歪センサを、上記台座上で用いることができる。
【００３３】
コンタクトパッド１１４、ビーム１１８、および、台座１３０のデザインは、上記歪センサモジュールへのｘ方向における付与される変位、歪および力の強い連結（すなわち、からの信号）を提供する一方、軸外の変位（すなわち、ｙ方向およびｚ方向）、および、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の回りの回転、および、同様の歪および荷重（すなわち、力およびモーメント）の連結を抑制する。特に、適用物の表面および上記台座の厚い壁とは別個の、またはこれらから離れた、比較的長く、細いビーム１１８は、好ましい連結を提供する。
【００３４】
上記アセンブリ１１０は、長寿命のために上記ケーブルの歪緩和をするために、上記センサアセンブリパッケージへルーティングされた信号ケーブルＣ（図１５）を安定して固定するための適切な面積を提供する。図１６に示されるように、大幅にその機能を低減させることなく環境（例えば、水、ほこり、摩擦等）から保護するために上記センサは、封入されてもよい。
【００３５】
上記センサアセンブリパッケージは、ボルト、接着剤、ろう付け、溶接等で適用構造へ固定することができる。接着剤、ろう付け、溶接等での固定には、上記ボルト穴（図１９に示されるような）を有さないデザインが好ましい。上記センサアセンブリパッケージは、連続的な適用構造に沿った歪、変位および／または力の測定に用いられても、上記適用構造におけるギャップを横切る変位および／または力の測定に用いられてもよい。
【００３６】
図１８〜２３は、センサアセンブリパッケージ１１０の代替態様を図解する。図１８（ａ）および１８（ｂ）は、適用構造Ａのギャップ１５０を横切って配置された変位センサアセンブリパッケージ１１０Ａの使用を表現する。図に見られるように、ビーム１１８Ａは、コンタクトパッド１１４Ａの底面と同一平面上にある底面を有する。
【００３７】
図１９（ａ）、１９（ｂ）、１９（ｃ）は上記コンタクトパッドにボルト穴を有さない、上記変位センサアセンブリパッケージ１１０Ｂの態様を図解する。この態様は、接着剤、ろう付け、溶接等での適用構造への固定に特に適してきる。さらに図１９（ａ）、１９（ｂ）、１９（ｃ）は、接着剤、ろう付け、溶接等での固定を促進するために、コンタクトパッド１４Ｃの下方部分の回りに配置された任意のフランジ１５２を図解する。
【００３８】
図２０（ａ）から（ｂ）は、Ｘ軸に沿った応答の測定における上記センサアセンブリの機能を大幅に低減させることのない追加的な保護のため、センサアセンブリパッケージ全体を取り囲むことを含む、封入を促進する特徴を有する上記センサアセンブリパッケージ１１０Ｃの態様を示す。例えば、上記封入材料は、稼動環境（例えば水、ほこり、摩擦等）からの保護を提供する。そのような封入は、上記センサアセンブリが搭載される上記適用物に必要であれば、熱的および電気的な絶縁も提供することができる。グラファイトエポキシおよびガラスエポキシなどの材料は、上記センサアセンブリを封入するのに用いることができる。上記封入材料の剛性を低減し、機能を向上させるために、上記封入材料内に気泡または空間を形成してもよい。上記センサアセンブリは、堅い外側ブーツおよび柔らかい内側充填材料で封入されてもよい。
【００３９】
センサアセンブリパッケージ１１０Ｃは、台座１３０Ｃの幅Ｗの半分よりも大きな長さを有する、幅広のビーム１１８Ｃも含む。
【００４０】
図２０（ａ）〜（ｂ）、図２１（ａ）〜（ｃ）、図２２（ａ）〜（ｃ）および図２３（ａ）〜（ｂ）は、幅広のビームと、ｘ、ｙおよびｚ方向において付与された変位の少なくとも１つの測定を提供する１以上の歪および／または変位センサが配置された、歪および／または変位センサモジュールとを含む、本発明のセンサパッケージアセンブリのシンプルで、低コストな態様（デザイン４Ｃと称する）を図解する。これらの態様において上記ビームは、上記台座の幅Ｗと実質的に等しい長さを有する。図２２（ａ）〜（ｃ）のセンサアセンブリは、３つのセンサＳ１〜Ｓ３を有する。これら３つのセンサからの出力は、下記のように、ｘ方向（ｕｘ）における変位、ｙ方向（ｕｙ）における変位、および、ｚ方向（ｕｚ）における変位の測定に用いることができる。
【００４１】
【数１】
【００４２】
上述した構成において、本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良をすることができるため、上記に含まれる、または添付の図面に示された全てのものは、説明することを意図したものであり、これらに限定されるものではない。
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互参照
この出願は２００６年５月３０日に出願された米国仮特許出願番号６０／８０３、４３９、および、２００６年９月８日に出願された米国仮特許出願番号６０／８２４、９８８の優先権を主張する。両出願の題名は変位センサであり、両出願は参照することにより本願に援用される。
【０００２】
連邦支援の研究(federally sponsored research)に関する記述
アメリカ合衆国政府は、ＡＲＯおよびＡＲＬによって支持された認可番号Ｗ９１１ＮＦ−０５−２−００１４に準じて、本発明において特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
本発明は一般的な変位および／または歪センサ、特には、軸方向の変位および単軸に沿った力への強い応答性を提供するための異方性搭載基板に固着された変位または歪センサから成る変位および／または歪センサアセンブリ／パッケージに関する。
【０００４】
変位および／または歪センサは、防衛、工業および商業的応用を含む幅広い用途に用いられている。これらの用途は多くの場合、機能の向上、過負荷防止、および／または、健康および安全性の監視を提供するために、極めて敏感で、厳格な、信頼できる変位および／または歪センサを必要とする。例えば、変位および／または歪センサは、航空機、橋、ダム、トンネル、遺跡、建造物、エレベータ、プレス機、工作機器、クレーン、空中作業台、農機具、および機械装置において、連続部分における歪および接合部および空隙を横切る変位の監視に用いられる。さらに変位および／または歪センサは、車両または船舶、および、サイロや貯蔵タンクの秤量などの様々な負荷検知にも、機能向上および工程管理、過負荷防止および健康管理にも用いることができる。
【０００５】
ある用途における使用のために変位および／または歪センサが稼動可能に搭載される場合、歪センサが所望の変位および／または歪が測定される軸に沿って、適切に一直線であり、変位および／または歪センサが、所望の軸に沿った変位および／または歪の測定を変えてエラーを発生させる可能性がある軸外の変位および／または歪から隔離されていることが確実となるように注意されなければならない。
【０００６】
従来、変位および／または歪センサアセンブリは、測定感度と、パッケージ耐久性との間の妥協であった。高い程度の感度を有するセンサは、厳しい用途における使用のために十分な耐久性がないことが多い。パッケージの耐久性が上がるにしたがって、多くの防衛、工業および商業的応用は、機能の向上、過負荷防止、および／または、健康および安全性の監視を提供するために極めて敏感で、厳格な、信頼できる変位／歪センサを頼りにすることができる。そのような変位および／または歪センサの典型的な用途には以下のようなものがある：
航空機、橋、ダム、トンネル、遺跡、建造物、エレベータ、プレス機、工作機器、クレーン、空中作業台、農機具、および機械装置等において、構造の連続部分における歪および接合部および空隙を横切る変位の監視；
船舶、サイロ、貯蔵タンクの秤量、および、その他の負荷検知用途；
歪および／または変位の測定が必要である研究開発プロジェクト；および
機能向上および工程管理、過負荷防止および健康管理のための負荷測定。
【０００７】
そのため、所望の１方向における変位の測定を促進する異方性剛性を有する一方で、望まれない変位および回転に起因するエラーが抑制された変位および／または歪センサアセンブリを提供することは有益である。変位および／または歪センサの熱的な影響を補正する温度センサを含むように構成され、エンドユーザーに温度情報を提供し、用途構造への脱着が容易となるように構成されたパッケージデザインを有する変位および／または歪センサアセンブリを提供することがさらに有益である。加えて、高い程度の感度を有し、種々の稼動環境および条件に耐えるための耐久性パッケージ内に配置された、改良された変位および／または歪センサアセンブリを提供することは有益である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
概して、本発明は、１またはそれ以上のセンサモジュールが搭載される台座を有する変位および／または歪センサアセンブリを提供する。上記台座は、向かい合ったビームによって、向かい合ったコンタクトパッドへ接続されている。上記ビームの内側端は、ギャップによって分離されており、上記台座はこのギャップを横切って伸張する。上記センサが搭載される表面は、ビームから、垂直にオフセットされている。少なくとも１つの態様においてビームは、上記センサアセンブリが搭載される適用物から垂直にオフセットされている。
【０００９】
上記センサアセンブリは、Ｘ軸に沿った変位の測定を促進する異方性剛性を有する一方で、望まれないＹおよびＺ軸に沿った変位およびＸ、ＹおよびＺ軸の回りの回転に起因するエラーが抑制するように形成されている。上記台座は、Ｘ軸に沿った軸方向の変位に応答するように構成されており、中央ウェブ内に、搭載構造のＸ軸上の中央に配置されており、変位または歪センサは変位、歪および／または力の測定を提供するために台座へ連結されている。
【００１０】
上記搭載ビームは、ウェブを貫いて伸張していてもよい。上記ウェブは、縦および横軸の回りに対称に形成された、一連のスロットおよび／または切り欠きを有する。
【００１１】
上記変位および／または歪センサアセンブリは、変位および／または歪センサの熱的な影響を補正し、エンドユーザーに温度情報を提供するための、基板（例えば固定ブロック、ビーム、または台座）に固定された温度センサを有していてもよい。
【００１２】
上述した本発明の特徴および利点、並びに、その現在の好ましい態様は、添付の図面と関連した以下の記載を読むことによってより明確になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、組立てられた、本発明の変位／歪センサアセンブリを示す。
【図２】図２は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための異方性搭載基板の、有限要素Ｘ軸歪解析である。
【図３】図３は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための異方性搭載基板を示す。
【図４】図４は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための、代わりの異方性搭載基板を示す。
【図５】図５は、変位／歪センサおよび搭載台座がない状態の、図４に示される搭載基板を示す。
【図６】図６は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための、第二の代わりの異方性搭載基板を示す。
【図７】図７は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための、第三の代わりの異方性搭載基板を示す。
【図８】図８は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための、第四の異方性搭載基板を示す。
【図９】図９は、ディメンションが異なること以外は図７と同様の、本発明の変位／歪センサアセンブリのための、第五の代わりの異方性搭載基板を示す。
【図１０】図１０は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための、第六の異方性搭載基板を示す。
【図１１】図１１は、本発明の変位／歪センサアセンブリのための、単一形打ちさて形成された、金属の異方性搭載基板を図解する。
【図１２】図１２は、図１１の搭載基板の上面斜視図である。
【図１３】図１３は、図１１の搭載基板の底面斜視図である。
【図１４】図１４Ａ、１４Ｂ、および１４Ｃは、本発明の変位／歪センサの端面、上面側面図である（封入物は図示せず）。
【図１５】図１５は、図１４Ａ、１４Ｂ、および１４Ｃの変位／歪センサ（封入されていない）の上面斜視図である。
【図１６】図１６は、本発明の、封入された変位／歪センサモジュールの底面斜視図である。
【図１７】図１７は、伸張変位がＸ方向（縦軸）に沿って付与された、本発明の変位／歪センサの有限要素解析の表示である。
【図１８】図１８Ａお呼び１８Ｂは、適用構造に固定された、本発明の変位／歪センサの代わりの態様の、上面および側面図である（封入物は図示せず）。
【図１９】図１９Ａ、１９Ｂ、および１９Ｃは、本発明の変位／歪センサの代わりの態様の、端面、上面および側面図である（封入物は図示せず）。
【図２０】図２０Ａ、２０Ｂ、および２０Ｃは、本発明の変位／歪センサのバリエーションの、端面、上面および側面図である（封入物は図示せず）。
【図２１】図２１Ａ、２１Ｂ、および２１Ｃは、本発明の変位／歪センサの代わりの態様の、端面、上面および側面図である（封入物は図示せず）。
【図２２】図２２Ａ、２２Ｂ、および２２Ｃは、本発明の変位／歪センサの変わりのバリエーションの、端面、上面および側面図である（封入物は図示せず）。
【図２３】図２３Ａおよび２３Ｂは、適用構造へのボルト締め固定および、溶接／接着剤結合に適応している本発明の変位／歪センサの上面斜視図である。 対応する参照番号は、図面の数々の図を通じて、対応する部品を表す。当然のことながら、図面は本発明の概念を図解するためのものであり、正確な縮尺ではない。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の詳細な記載は、本発明を限定するものではなく、例示することにより本発明を説明する。この記載は、当業者が本発明を作りかつ利用することを可能とし、数々の態様、適応、バリエーション、代替を記述し、現在本発明を実施するための最良の形態であると考えられているものを含む、本発明の利用について記述する。
【００１５】
変位／歪センサアセンブリ１０の実例を概して図１および３に示す。上記センサアセンブリ１０は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を規定するウェブまたはボディー１２を有する。コンタクトパッド１４は、上記ウェブ１２の両端に配置されている。上記パッド１４は、上記Ｘ軸に沿って位置する。各パッド１４は、適用物の表面へ搭載基板を固定するためにボルトまたはその他の適した取付け手段がその中を通ることができる、ボルト受入れ穴１６を有する。例えば溶接、ろう付、接着剤または力による固定（クランプ）など、穴を必要としないその他の適した取付け手段も用いることができる。
【００１６】
第一および第二のサポートビーム１８は、ｘ軸に沿ってコンタクトパッド１４から互いに向って伸張する。上記ビームの内側端は、ギャップ２０によって分離されている。上記ビームは、図１および３に示されるように、Ｘ軸に沿った変位、歪および／または力への異方性応答性を提供するために選択的に構成されている。コンタクトパッド１４は、搭載面を規定する下方表面２２を有する。好ましくは、搭載面は、コンタクトパッド１４が適用物の表面へ固定された場合に、サポートビーム１８がＺ軸上に、上記適用される構造の表面の上側に隔離されているように、Ｚ軸に沿ってサポートビームの下側に間隔があけられている。
【００１７】
台座３０は、上記サポートビーム上のボディー１２内の中央に配置され、上記ボディー１２のＸ軸上のギャップ２０を横切って伸張する。上記台座３０は、概して、Ｘ軸によって２等分された２つの側面３２で構成されており、ビーム１８によって規定された面の上に垂直方向に変位しているセンサ台、面、または横材３４によって、それらの上端に沿って連結されている。上記台座３０は、一片の材料から機械加工する、または、プレス加工などによって、上記ボディー１２と一体形成されてもよい。また、台座３０は、別に形成され、ボンディングなどの任意の適した取り付け手段によって、Ｘ軸上の中央サポートビーム１８のギャップ２０を横切る場所に固定されてもよい。上記台座３０の配置場所および構成は、センサ台において、Ｘ軸上の上記搭載基板ギャップ２０を横切る変位へ強い応答性を提供するように選択される。
【００１８】
変位または歪センサ３８は上記センサ台３４の上面または底面のいずれかに配置され、ｘ方向における歪、または、ｘ方向における歪マイナスｙ方向における歪を表す信号を発する。また、センサは、上記センサ台３４の上面および底面の両方に配置されてもよい。上記歪信号は、ｘ方向における変位、ｘ方向における平均歪、および／またはｘ方向における平均力の大きさを提供する。上記センサ台３４の上面および底面にセンサが適用された場合、それらの信号間の差は、歪または変位の大きさを提供し、同相除去によるそれらの温度感度を低減させる。これらには限定されないが、例えば以下のような、任意のタイプの歪センサを用いることができる：金属箔、マイクロ電気機械式センサ（ＭＥＭＳ）、容量性、誘導性、ピエゾ抵抗性、光学的、および弾性表面波（ＳＡＷ）センサ。上記歪ゲージまたは変位センサは、定電圧励起、定電流励起、または定電力励起と共に、信号処理電子を用いることができる。上記センサ３８は、磁気ノイズから遮蔽するために、例えば高透磁率を有する材料のシートによって覆われてもよい。
【００１９】
必要に応じて、２つのコンタクトパッド間に導電性ワイヤが伸張され、電気的に接続されてもよい。これは、上記センサを電気的に隔離し、適用構造からの電流が上記センサアセンブリへ連結することから上記センサを保護する。
【００２０】
上記アセンブリ１０は、コンタクトパッド１４に付与される変位、歪、および／または力への異方性応答性を有するために選択的に構成されている。それは、コンタクトパッド１４に、上記センサのＸ軸に沿って付与される変位、歪および／または力へ強く応答する一方、他の方向に付与される変位、回転、歪および／または力への応答は抑制される。上記ボディー１２、コンタクトパッド１４、ビーム１８、および、台座３０は、スチール、アルミニウム、ベリリウム銅合金、酸化アルミニウム、溶融石英、単結晶シリコンなどの低ヒステリシス材料から作られていることが好ましい。グラファイトエポキシ、および、ガラスエポキシも、上記ボディー１２、コンタクトパッド１４、ビーム１８、および、台座３０を作るために用いることができる。上記ボディー１２、コンタクトパッド１４、ビーム１８、および、台座３０が作られる材料は、よりよい機能を提供するために、必要に応じて熱処理がされてもよい。
【００２１】
上記センサ台３０上に配置された変位センサによって測定された応答は、上記コンタクトパッド１４の２つの内側端間の変位の代表である。上記コンタクトパッドの２つの内側端間の距離は、センサアセンブリのゲージ長として定義される。上記ゲージ長によって分けられるＸ軸に沿って測定された変位は、上記ゲージ長に沿って、Ｘ軸の方向に上記センサアセンブリが経験する平均歪の測定を提供する。上記変位センサの出力信号はｘ方向の力の機能として補正することができるため、このように構成された上記センサアセンブリはロードセルとして利用することができる。
【００２２】
Ｘ軸に沿った力、歪、および変位への異方性応答性を提供するために、上記ボディー１２は、上記ボディー１２のＸ軸および横正中線（またはＹ軸）の回りに対称に配置された複数の切り欠き４２およびスロット４４を有する。このように、上記スロット４４は、基板１２の側短から内側へ伸張する。上記切り欠き４４は、様々な異なる形状を有するように示されている。一部は略長方形であり、一部は略Ｕ字形である。上記中央ウェブの上記切り欠きおよびスロットは、中央に配置された台座３０および付随するセンサ３８への、ｘ方向に付与される変位、歪および力の強い連結（すなわち、からの信号）を提供する一方、軸外の変位（すなわち、Ｙ方向およびＺ方向）および、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の回りの回転および歪および荷重の同様のものの連結を抑制するように構成されている。
【００２３】
図４〜１１は、上記コンタクトパッド間のＸ軸に沿った所望の異方性応答性を達成することができる、本発明の態様のための切り欠きおよびスロットの配置の種々の代替案を図解する。上記スロットは、上記ボディーの側面または端面から伸張しても、図６に見られるように、上記スロットは概して取り除かれてもよい。さらなる代替案においては、上記ボディーは、スロットを有し、切り欠きを有していなくてもよい。上記切り欠きは、種々の形状や構造をしていてもよく、種々の図に見られるように、種々の複雑度において組み合わされてもよい。当業者は、スロットおよび切り欠きのさらなる配置が、上記センサアセンブリのＸ軸に沿った所望の異方性応答性を達成しうることを認識し、本発明の範囲を逸脱することなく使用することができる。
【００２４】
図１１〜１３に示される態様に見られるように、上記中央サポートビーム１８´は、上記台座３０´の側面３２´と一体形成されていてもよい。上記コンタクトパッドは、上記ボディー１２と一体でもよい（図１〜３および７〜１０に見られるように）；上記コンタクトパッドは、上記ボディー１２から離れていてもよく（図４〜６および１１に見られるように）、上記コンタクトパッド１４およびボディー１２間のスペースは様々であってもよい（図６の態様と、図４および５の態様とを比較することによって分かるように）。さらに、コンタクトパッドは、上記ボディーの全長まで伸張してもよいし（図８に見られるように）、また、コンタクトパッドは上記ボディーの長さよりも実質的に短くてもよく（すなわち、Ｙ方向におけるその寸法）、上記ボディーの端面に沿って概して中央にある。
【００２５】
ボディー１２および／またはビーム１８は、搭載構造の異方性特性と干渉することなく、温度センサまたはその他の電子部品をその上に配置することができる適切な表面積を提供するように構成されている。上記温度センサからの出力信号は、上記センサ台上の変位または歪センサの熱的影響を補正するため、および、エンドユーザーへ温度情報を提供するために用いることができる。
【００２６】
上記ボディー１２の表面積は、図１に示されるように、ワイヤまたはケーブルに適切な歪緩和を提供し、長い稼動寿命を促進するために、上記変位および／または歪センサや、温度センサなどの任意の電子部品を外部の装置および動力源につなぐワイヤまたはケーブルの連結をさらに促進する。上記ケーブル歪緩和は、上記ビーム１８の１つ、上記コンタクトパッド１４の１つ、または、上記センサアセンブリ１０のボディー１２上などの少なくとも１ヵ所において基板へケーブルを固定することによって提供することができる。上記ケーブルは、例えば、ストラップでケーブルを基板に固定する、または、従来のその他の方法によって基板に固定することができる。使用中は、本発明のセンサアセンブリは、ボルト、接着剤、ろう付けまたは溶接等によって、上記コンタクトパッドにおいて適用構造へ固定されてもよい。上記適用物へのセンサアセンブリの固定のための上記センサアセンブリおよび適用物の準備においては、摩擦が過度に低減されないように、上記コンタクトパッドの底面と、上記適用物との間の界面の仕上げは、滑らか過ぎるべきではない。上記センサアセンブリが上記適用物へボルト締めされる場合は、必須ではないが、上記適用物と、コンタクトパッドとの間の界面について、油、グリース、ほこり等の掃除がされてもよい。すなわち、上記センサアセンブリが適用物へボルト締めされる際に、いくらかの油、グリース、ほこり等が上記界面に存在するかもしれない。センサアセンブリのボルト締めを促進するために、ボルト穴位置のテンプレートが提供されてもよい。このテンプレートは、上記適用物におけるボルト穴の位置決めを促進するために、その後上記適用物上に配置されてもよい。
【００２７】
上記センサアセンブリは、連続的な適用構造に沿った歪、変位および／または力の大きさを提供するために使用されてもよく、また、上記センサアセンブリは、上記適用構造のギャップの各側面に１つのコンタクトパッドを固定することにより、上記適用構造におけるギャップを横切る変位および力の大きさを提供するために使用されてもよい。
【００２８】
センサアセンブリの上記ボディー、中央ビーム、コンタクトパッド、および台座は、所望の異方性特性が維持されるならば、別々の構成部材として形成されても、単一のボディーとして形成されてもよい。例えば、図１１〜１３は、上記コンタクトパッド、台座、および中央ウェブが、プレス(stamping)または鋳造プロセスなどによって、１つの材料片から形成された搭載基板の単一構成を図解する。
【００２９】
図１４（ａ）から２３（ｂ）に、センサアセンブリのバリエーションおよびこのバリエーションの代替態様を示す。図１から１３のセンサアセンブリは、上記ビーム１８がその内部を通過し、スロットおよび／または切り欠きを有するウェブまたはボディーを有する。しかしながら図１４から２３のセンサアセンブリは、ウェブが除外されている。実例として、図１４から１６に概して示されるセンサアセンブリ１１０は、変位（すなわち、伸縮計）、歪および／または力を測定することができる。上記センサアセンブリ１１０は、概して、その上に歪センサおよび／または変位センサ１３８を搭載することができる平面的なサポート表面１３４を有する、中央に配置された台座１３０を有する。上記台座１４８は、使用中に適用構造への取り付けへ適応した一対のコンタクトパッド１１４反対側面へ、一対のビーム１１８によって連結されている。コンタクトパッド１１４は、図１９（ａ）から（ｃ）に示されているように、ボルトなどの締め具がその中を伸張する穴１１６を有していても、中空ではなくてもよく、その場合は、上記コンタクトパッドはろう付け、溶接、または接着によって適用構造へ固定することができる。
【００３０】
変位センサとして、上記センサアセンブリ１１０は、コンタクトパッドの２つの内側端１４０のｘ方向（長い／縦軸）における相対変位を測定する。上記コンタクトパッドの２つの内側端の間の距離（すなわち、図１４（ｃ）に示されるように、距離２＊（Ｌ２＋Ｌ３）＋Ｌ４）は、センサアセンブリのゲージ長である。上記ゲージ長によって分けられるｘ方向における測定された変位は、ゲージ長に沿ったｘ方向における平均歪の大きさを提供する。センサアセンブリは、上記出力信号はｘ方向における力の機能として補正することができるため、ロードセルとして採用することができる。
【００３１】
好ましくは、上記センサアセンブリは、上記台座１３０の上面および／または底面の表面１３４、またはプレートに取り付けられた少なくとも１つの歪センサを含む少なくとも１つの歪センサモジュール１３８を有する。上記台座１３０は、各縦端に直立した壁１３２を有する表面１３４またはプレートから成る。上記ビーム１１８は、上記台座壁１３２を、図１４（ｃ）に最もよく表されているように、上記プレートの面からオフセットされて、すなわち、台座プレート１３４の下面がコンタクトパッド１１４の底面１２２の上となるようにコンタクトパッド１１４へ接続する。上記台座、ビーム、およびコンタクトパッドがそこから形成される基板は、一体形成（単一）構造であることが好ましい。各コンタクトパッドは、コンタクトパッド内のボルト穴１１６を貫通するボルトによって、接着剤によって、共晶合金によって、ろう付けによって、溶接によって、またはその他の方法によって適用物の表面へ固定することができる。
【００３２】
図１７は、図１４〜１５のセンサアセンブリパッケージ１１０の有限要素解析の結果の例を示す。図１７は、左のコンタクトパッドが所定の位置に固定された状態で、右のコンタクトパッド（図１７を参照）にｘ方向（ｕｘ）に変位が付与された結果のｘ方向（Ｓｘ）における歪を図解する。付与された伸張変位は、上記プレート１３４の上面における大きな圧縮Ｓｘ、および、上記プレートの底面（図示せず）における大きな引張Ｓｘを引き起こす。上記歪センサモジュールは、それが取り付けられているプレートの表面のＳｘまたはＳｘ−Ｓｙ（ｘ方向の歪（Ｓｘ）引くｙ方向の歪（Ｓｙ））を表す信号を作り出す。上記歪信号は、変位センサのｘ方向における変位、ｘ方向における平均歪、および／またはｘ方向において付与された力の大きさを提供する。その結果の信号は、さらなる処理および／またはユーザーへの表示のために遠隔の処理装置へ伝えられてもよい。これらには限定されないが、例えば、金属箔センサ、ＭＥＭＳ、ピエゾ抵抗性センサ、光学的センサ、ＳＡＷ（弾性表面波）センサ、容量性センサ、および、誘導性センサなどの任意のタイプの歪センサを、上記台座上で用いることができる。
【００３３】
コンタクトパッド１１４、ビーム１１８、および、台座１３０のデザインは、上記歪センサモジュールへのｘ方向における付与される変位、歪および力の強い連結（すなわち、からの信号）を提供する一方、軸外の変位（すなわち、ｙ方向およびｚ方向）、および、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の回りの回転、および、同様の歪および荷重（すなわち、力およびモーメント）の連結を抑制する。特に、適用物の表面および上記台座の厚い壁とは別個の、またはこれらから離れた、比較的長く、細いビーム１１８は、好ましい連結を提供する。
【００３４】
上記アセンブリ１１０は、長寿命のために上記ケーブルの歪緩和をするために、上記センサアセンブリパッケージへルーティングされた信号ケーブルＣ（図１５）を安定して固定するための適切な面積を提供する。図１６に示されるように、大幅にその機能を低減させることなく環境（例えば、水、ほこり、摩擦等）から保護するために上記センサは、封入されてもよい。
【００３５】
上記センサアセンブリパッケージは、ボルト、接着剤、ろう付け、溶接等で適用構造へ固定することができる。接着剤、ろう付け、溶接等での固定には、上記ボルト穴（図１９に示されるような）を有さないデザインが好ましい。上記センサアセンブリパッケージは、連続的な適用構造に沿った歪、変位および／または力の測定に用いられても、上記適用構造におけるギャップを横切る変位および／または力の測定に用いられてもよい。
【００３６】
図１８〜２３は、センサアセンブリパッケージ１１０の代替態様を図解する。図１８（ａ）および１８（ｂ）は、適用構造Ａのギャップ１５０を横切って配置された変位センサアセンブリパッケージ１１０Ａの使用を表現する。図に見られるように、ビーム１１８Ａは、コンタクトパッド１１４Ａの底面と同一平面上にある底面を有する。
【００３７】
図１９（ａ）、１９（ｂ）、１９（ｃ）は上記コンタクトパッドにボルト穴を有さない、上記変位センサアセンブリパッケージ１１０Ｂの態様を図解する。この態様は、接着剤、ろう付け、溶接等での適用構造への固定に特に適してきる。さらに図１９（ａ）、１９（ｂ）、１９（ｃ）は、接着剤、ろう付け、溶接等での固定を促進するために、コンタクトパッド１４Ｃの下方部分の回りに配置された任意のフランジ１５２を図解する。
【００３８】
図２０（ａ）から（ｂ）は、Ｘ軸に沿った応答の測定における上記センサアセンブリの機能を大幅に低減させることのない追加的な保護のため、センサアセンブリパッケージ全体を取り囲むことを含む、封入を促進する特徴を有する上記センサアセンブリパッケージ１１０Ｃの態様を示す。例えば、上記封入材料は、稼動環境（例えば水、ほこり、摩擦等）からの保護を提供する。そのような封入は、上記センサアセンブリが搭載される上記適用物に必要であれば、熱的および電気的な絶縁も提供することができる。グラファイトエポキシおよびガラスエポキシなどの材料は、上記センサアセンブリを封入するのに用いることができる。上記封入材料の剛性を低減し、機能を向上させるために、上記封入材料内に気泡または空間を形成してもよい。上記センサアセンブリは、堅い外側ブーツおよび柔らかい内側充填材料で封入されてもよい。
【００３９】
センサアセンブリパッケージ１１０Ｃは、台座１３０Ｃの幅Ｗの半分よりも大きな長さを有する、幅広のビーム１１８Ｃも含む。
【００４０】
図２０（ａ）〜（ｂ）、図２１（ａ）〜（ｃ）、図２２（ａ）〜（ｃ）および図２３（ａ）〜（ｂ）は、幅広のビームと、ｘ、ｙおよびｚ方向において付与された変位の少なくとも１つの測定を提供する１以上の歪および／または変位センサが配置された、歪および／または変位センサモジュールとを含む、本発明のセンサパッケージアセンブリのシンプルで、低コストな態様（デザイン４Ｃと称する）を図解する。これらの態様において上記ビームは、上記台座の幅Ｗと実質的に等しい長さを有する。図２２（ａ）〜（ｃ）のセンサアセンブリは、３つのセンサＳ１〜Ｓ３を有する。これら３つのセンサからの出力は、下記のように、ｘ方向（ｕｘ）における変位、ｙ方向（ｕｙ）における変位、および、ｚ方向（ｕｚ）における変位の測定に用いることができる。
【００４１】
【数１】
【００４２】
上述した構成において、本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良をすることができるため、上記に含まれる、または添付の図面に示された全てのものは、説明することを意図したものであり、これらに限定されるものではない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
台座（３０、３０´、１３０）と、
前記台座の両側から伸張する第一ビーム（１８、１８´、１１８）および第二ビーム（１８、１８´、１１８）であって、前記第一および第二ビームは前記ビーム間のギャップ（２０）を規定し、前記台座（３０、３０´、１３０）は前記ギャップを横切って伸張しており；前記ビームはセンサアセンブリの軸に沿って伸張し；一対のコンタクトパッド間の前記軸に沿って付与される変位、歪、および力への異方性応答性を有するために選択的に構成されているビームと；
前記台座（３０、３０´、１３０）から離れた前記ビームの端部において前記各ビーム（１８、１８´、１１８）に稼動可能に接続されており；適用物（Ａ）の表面への前記センサアセンブリ（１０、１１０）の取り付けに適応しているコンタクトパッド（１４、１１４）と；
前記台座（３０、３０´、１３０）へ連結されており；少なくとも１つのセンサ（３８）を有しており、前記軸に沿って付与される変位、歪または力を代表する出力信号を発するセンサモジュール（１３８）とを有するセンサアセンブリ（１０、１１０）。
【請求項２】
前記センサモジュール（１３８）が、前記台座の中央に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項３】
前記ビーム（１８、１８´、１１８）が、前記コンタクトパッド（１４、１１４）の底面から垂直方向に変位していることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項４】
前記台座（３０、３０´、１３０）が、前記センサモジュールがそれに搭載される搭載面（３１）を有し；前記搭載面が、前記第一および第二ビーム（１８、１８´、１１８）の上面から垂直方向に変位していることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項５】
前記一対のコンタクトパッド（１４、１１４）、前記ビーム（１８、１８´、１１８）、および、前記台座（３０、３０´、１３０）が単一構造であることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項６】
前記センサモジュール（１３８）の前記少なくとも１つのセンサ（３８）が、歪センサ、変位センサ、または温度センサであることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項７】
前記歪センサが、金属箔、半導体、マイクロ電気機械式（ＭＥＭＳ）、容量性、誘導性、ピエゾ抵抗性、光学的、および弾性表面波（ＳＡＷ）センサを含む一連のセンサタイプから選択されることを特徴とする請求項５に記載のセンサアセンブリ。
【請求項８】
前記センサアセンブリ（１０、１１０）が、それを通って前記ビームが伸張する中央ウェブ（１２）であって、複数の切り欠き（４２）および／または複数のスロット（４４）を有する前記中央ウェブを有し；前記切り欠きおよびスロットが、縦軸の回りに対称に配置され、前記ウェブの横軸の回りに対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項９】
前記複数の切り欠きおよび前記複数のスロットが、前記中央ウェブの縦軸に沿って付与される変位、歪、および力の局部的な強い連結を生じる一方で、軸外の変位の連結を抑制し、軸方向の回転の連結を抑制するように、選択的に構成されていることを特徴とする請求項８に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１０】
前記センサが、前記局部的な強い連結へ稼動可能に近傍に、前記ビームに連結されていることを特徴とする請求項９に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１１】
少なくとも前記中央ビーム（１８、１８´、１１８）および前記センサモジュール（１３８）が、少なくとも１つの封入材料から形成されるハウジング内に封入されており、前記少なくとも１つの封入材料が断熱材および／または電気絶縁材であることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１２】
前記封入材料が、空間を含むことを特徴とする請求項１１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１３】
前記基板および／または封入材料が、グラファイトエポキシまたはガラスエポキシであることを特徴とする請求項１１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１４】
前記第一および第二コンタクトパッド（１１４）のそれぞれが、外周フランジ（１５２）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項１５】
前記ビーム（１８、１８´、１１８）が、前記台座の横寸法よりも小さな横寸法を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項１６】
前記ビーム（１８、１８´、１１８）が、前記台座の縦寸法よりも小さな縦寸法を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項１７】
前記ビーム（１８、１８´、１１８）が、前記センサアセンブリパッケージの横変位および縦軸の回りの回転の連結を抑制するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項１８】
前記ビームが、前記サポート台座の横寸法と比べ、小さい横寸法を有することを特徴とする請求項１７に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項１９】
前記ビーム（１８、１８´、１１８）が、前記センサアセンブリパッケージの縦変位および横軸の回りの回転の連結を抑制するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項２０】
前記ビームが、前記サポート台座の縦寸法と比べ、小さい縦寸法を有することを特徴とすることを特徴とする請求項１９に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項２１】
前記ビーム（１８、１８´、１１８）が、横変位および縦変位の両方の連結を抑制するように構成されており；
前記第一および第二ビームが、さらに、前記センサアセンブリパッケージの横軸および縦軸の両方の回りの回転の連結を抑制するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項２２】
前記ビームが、前記サポート台座の横寸法と比べ、小さい横寸法を有し；
前記ビームが、前記サポート台座の縦寸法と比べ、小さい縦寸法であることを特徴とする請求項２１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項２３】
前記第一および第二コンタクトパッド（１４、１１４）が、適用構造へのボルト締め取り付け用に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項２４】
前記コンタクトパッド（１４、１１４）、前記ビーム（１８、１８´、１１８）、および、前記台座（３０、３０´、１３０）が、低ヒステリシス材料から作られていることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２５】
前記低ヒステリシス材料が、スチール、アルミニウム、ベリリウム銅合金、酸化アルミニウム、溶融石英、単結晶シリコン、グラファイトエポキシ、ガラスエポキシまたはそれらの組合せであることを特徴とする請求項２４に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２６】
前記コンタクトパッド間に伸張し、前記コンタクトパッド間を電気的に接続する、導電性ワイヤをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１】
台座（３０、３０´、１３０）と、
前記台座の両側から伸張する第一ビーム（１８、１８´、１１８）および第二ビーム（１８、１８´、１１８）であって、前記第一および第二ビームは前記ビーム間のギャップ（２０）を規定し、前記台座（３０、３０´、１３０）は前記ギャップを横切って伸張しており；前記ビームはセンサアセンブリの軸に沿って伸張し；一対のコンタクトパッド間の前記軸に沿って付与される変位、歪、および力への異方性応答性を有するために選択的に構成されているビームと；
前記台座（３０、３０´、１３０）から離れた前記ビームの端部において前記各ビーム（１８、１８´、１１８）に稼動可能に接続されており；適用物（Ａ）の表面への前記センサアセンブリ（１０、１１０）の取り付けに適応しているコンタクトパッド（１４、１１４）と；
前記台座（３０、３０´、１３０）へ連結されており；少なくとも１つのセンサ（３８）を有しており、前記軸に沿って付与される変位、歪または力を代表する出力信号を発するセンサモジュール（１３８）とを有するセンサアセンブリ（１０、１１０）。
【請求項２】
前記センサモジュール（１３８）が、前記台座の中央に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項３】
前記ビーム（１８、１８´、１１８）が、前記コンタクトパッド（１４、１１４）の底面から垂直方向に変位していることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項４】
前記台座（３０、３０´、１３０）が、前記センサモジュールがそれに搭載される搭載面（３１）を有し；前記搭載面が、前記第一および第二ビーム（１８、１８´、１１８）の上面から垂直方向に変位していることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項５】
前記一対のコンタクトパッド（１４、１１４）、前記ビーム（１８、１８´、１１８）、および、前記台座（３０、３０´、１３０）が単一構造であることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項６】
前記センサモジュール（１３８）の前記少なくとも１つのセンサ（３８）が、歪センサ、変位センサ、または温度センサであることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項７】
前記歪センサが、金属箔、半導体、マイクロ電気機械式（ＭＥＭＳ）、容量性、誘導性、ピエゾ抵抗性、光学的、および弾性表面波（ＳＡＷ）センサを含む一連のセンサタイプから選択されることを特徴とする請求項５に記載のセンサアセンブリ。
【請求項８】
前記センサアセンブリ（１０、１１０）が、それを通って前記ビームが伸張する中央ウェブ（１２）であって、複数の切り欠き（４２）および／または複数のスロット（４４）を有する前記中央ウェブを有し；前記切り欠きおよびスロットが、縦軸の回りに対称に配置され、前記ウェブの横軸の回りに対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項９】
前記複数の切り欠きおよび前記複数のスロットが、前記中央ウェブの縦軸に沿って付与される変位、歪、および力の局部的な強い連結を生じる一方で、軸外の変位の連結を抑制し、軸方向の回転の連結を抑制するように、選択的に構成されていることを特徴とする請求項８に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１０】
前記センサが、前記局部的な強い連結へ稼動可能に近傍に、前記ビームに連結されていることを特徴とする請求項９に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１１】
少なくとも前記中央ビーム（１８、１８´、１１８）および前記センサモジュール（１３８）が、少なくとも１つの封入材料から形成されるハウジング内に封入されており、前記少なくとも１つの封入材料が断熱材および／または電気絶縁材であることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１２】
前記封入材料が、空間を含むことを特徴とする請求項１１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１３】
前記基板および／または封入材料が、グラファイトエポキシまたはガラスエポキシであることを特徴とする請求項１１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１４】
前記第一および第二コンタクトパッド（１１４）のそれぞれが、外周フランジ（１５２）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項１５】
前記ビーム（１８、１８´、１１８）が、前記台座の横寸法よりも小さな横寸法を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項１６】
前記ビーム（１８、１８´、１１８）が、前記台座の縦寸法よりも小さな縦寸法を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項１７】
前記ビーム（１８、１８´、１１８）が、前記センサアセンブリパッケージの横変位および縦軸の回りの回転の連結を抑制するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項１８】
前記ビームが、前記サポート台座の横寸法と比べ、小さい横寸法を有することを特徴とする請求項１７に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項１９】
前記ビーム（１８、１８´、１１８）が、前記センサアセンブリパッケージの縦変位および横軸の回りの回転の連結を抑制するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項２０】
前記ビームが、前記サポート台座の縦寸法と比べ、小さい縦寸法を有することを特徴とすることを特徴とする請求項１９に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項２１】
前記ビーム（１８、１８´、１１８）が、横変位および縦変位の両方の連結を抑制するように構成されており；
前記第一および第二ビームが、さらに、前記センサアセンブリパッケージの横軸および縦軸の両方の回りの回転の連結を抑制するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項２２】
前記ビームが、前記サポート台座の横寸法と比べ、小さい横寸法を有し；
前記ビームが、前記サポート台座の縦寸法と比べ、小さい縦寸法であることを特徴とする請求項２１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項２３】
前記第一および第二コンタクトパッド（１４、１１４）が、適用構造へのボルト締め取り付け用に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリパッケージ。
【請求項２４】
前記コンタクトパッド（１４、１１４）、前記ビーム（１８、１８´、１１８）、および、前記台座（３０、３０´、１３０）が、低ヒステリシス材料から作られていることを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２５】
前記低ヒステリシス材料が、スチール、アルミニウム、ベリリウム銅合金、酸化アルミニウム、溶融石英、単結晶シリコン、グラファイトエポキシ、ガラスエポキシまたはそれらの組合せであることを特徴とする請求項２４に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２６】
前記コンタクトパッド間に伸張し、前記コンタクトパッド間を電気的に接続する、導電性ワイヤをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公表番号】特表２００９−５３９１１６（Ｐ２００９−５３９１１６Ａ）
【公表日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５１３４２４（Ｐ２００９−５１３４２４）
【出願日】平成１９年５月２９日（２００７．５．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６９９０１
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１４０３７８
【国際公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【出願人】（５９５０１６７８３）ザ・ティムケン・カンパニー (3)
【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＴＩＭＫＥＮ ＣＯＭＰＡＮＹ
【住所又は居所原語表記】１８３５ ＤＥＵＢＥＲ ＡＶＥＮＵＥ， Ｓ．Ｗ．， ＣＡＮＴＯＮ， ＯＨＩＯ ４４７０６‐２７９８， ＵＮＩＴＥＤ ＳＴＡＴＥＳ ＯＦ ＡＭＥＲＩＣＡ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２９日（２００７．５．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６９９０１
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１４０３７８
【国際公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【出願人】（５９５０１６７８３）ザ・ティムケン・カンパニー (3)
【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＴＩＭＫＥＮ ＣＯＭＰＡＮＹ
【住所又は居所原語表記】１８３５ ＤＥＵＢＥＲ ＡＶＥＮＵＥ， Ｓ．Ｗ．， ＣＡＮＴＯＮ， ＯＨＩＯ ４４７０６‐２７９８， ＵＮＩＴＥＤ ＳＴＡＴＥＳ ＯＦ ＡＭＥＲＩＣＡ
【Ｆターム（参考）】
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