JP2004518921A - 結合エレメント - Google Patents

Abstract

本発明は、縦長のシャフト（１９）を備えた結合エレメント（５）、特に２つの部材を結合するためのねじ又はボルトであり、シャフト（１９）は少なくとも部分的にスリット（１４）及び切欠（１３）を有している。さらに、切欠（１３）の領域には、磁界を生ぜしめる構成部材（１０）、及び磁気式の検出エレメント（１１）が該構成部材（１０）から距離をおいて配置されている。実施例の結合エレメントは、特に、自動車の座部に作用する力若しくは機械的な応力の検出に適している。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載した結合エレメント、特に２つの部材を結合するためのねじまたはボルトに関する。
【０００２】
従来の技術
自動車の電子システムのために、二つの構成部分あるいは部材間の作用力の集中する結合部に、小型でコンパクトに組み立てられ、大量かつ安価に製造できる力センサがますます必要となっている。このことは特に、自動車の座部に作用する重量の測定、及びこの重量の分布若しくは時間関数変化の測定にとって当てはまる。さらに、製作測定技術若しくはクオリティ測定技術にも、正確な静電測定式の力センサがますます必要とされている。
【０００３】
公知の小型センサは、たいてい圧電変換原理に基づいており、従って動的に作動される。これに対して静電測定式の力センサは、曲げばねとして多様に構成されており、これらの静電測定式の力センサは抵抗線ひずみゲージを備えていて、極めて精確な力センサをもたらすが、しかしながら比較的大きな構成寸法を有し比較的に高価である。
【０００４】
さらに、磁気弾性式センサが公知であり、このセンサには、クロスダクト・原理（Ｋｒｅｕｚｄｕｋｔｏｒ−Ｐｒｉｎｚｉｐ）に基づくものがあり、このクロスダクト・原理は、特に高温状態でかつ現場で電子装置なしに対応しなければならない場合、若しくはわずかな構成空間しか得られない場合の使用に適しており、さらに、ゲート形ダクト・原理（Ｔｏｒｄｕｋｔｏｒ−Ｐｒｉｎｚｉｐ）により作動するものがあり、このゲート形ダクト・原理では、コイルが巻き付けられていて、かつ互いに相対的に９０°回動させられた２つのＵ字型コアを介して、磁界の分布が力に依存して無接触式に検出される。
【０００５】
クロスダクト・原理は、小さな有効電圧しか生ぜしめず、この小さな有効電圧は多くの場合、大きなオフセットで負荷されており、このため評価が極めて困難であるという欠点をもっている。さらに、小さな有効電圧は、可動部材または回転部材では利用できないか、若しくは利用できても多大な付加的費用と手間がかかってしまう。ゲート形ダクト・原理は、回転部材での力測定を可能にするが、しかし距離の影響を強く受ける。
【０００６】
本発明の課題は、結合エレメントとして構成された小型でコンパクトに組み立てられる力センサを提供し、これを用いて、特に自動車の座部での正確な座部重量検出を実現することである。この場合、力センサによって座高が高くなることがあってはならず、過負荷の際に確実なストッパ力が得られるようにした。
【０００７】
発明の利点
本発明による結合エレメントは、従来技術に比べて次のような利点がある。つまり、本発明による結合エレメントは、使用されるシャフトの種々の横断面直径、及びシャフトに設けられたスリットの種々の幾何学形状若しくは寸法によって、様々な測定領域に簡単に適合可能である。
【０００８】
さらに、本発明による結合エレメントは、極めて小型でコンパクトに組み立て可能であり、この結合エレメントは静電式測定原理を実現している。この点で、本発明による結合エレメントは、二つの部材間の結合力を測定するために万能に使用可能である。
【０００９】
本発明による結合エレメントのさらなる利点は次の点にある。つまり、生ぜしめられた磁界が、スリットにより形成されたエアギャップ内で、若しくはスリットの領域に適切に配置された磁気式の検出エレメントにより、力に比例してかつ無接触式に測定される。この場合、特に有利には、外力、若しくは機械的な応力の作用下で、スリットの形状若しくは幅のわずかな変化により、磁気式の検出エレメントの箇所において磁界を生ぜしめる構成部材を介して、強い磁束密度変化が生ぜしめられる。それ故、スリットの形状のわずかな変化が、高い測定信号を生ぜしめる。
【００１０】
本発明による結合エレメントのさらに有利な点は、評価電子装置を備えた磁気式の検出エレメントが、結合エレメント内に完全に組み込み可能であり、これにより簡単な配線と、コンパクトで極めて安価な構成が可能となることである。
【００１１】
本発明の結合エレメントのさらなる利点は、この結合エレメントを、特に自動車の座部の力測定ねじ若しくは力測定ボルトとして構成した場合に、この結合エレメントを介して、例えば自動車の座部の結合部でのベルト力検出を行うことも可能なことである。
【００１２】
本発明のさらなる有利な構成は、従属請求項に記載してある。
【００１３】
このように、磁気式の検出エレメントとして、それ自体公知なホール・センサエレメント、特に良好な零度安定性を有するホール・センサエレメントを利用すると有利である。
【００１４】
使用される前述の磁気測定技術の場合にさらに有利には、磁気式の検出エレメントが磁気零度の点に位置しており、従って、磁気回路若しくは磁界を生ぜしめる部材の劣化が、ホール・センサエレメントのオフセットに影響を与えることはない。
【００１５】
通常の抵抗線ひずみゲージを付加的に設けることによって、結合エレメントに作用する引張り負荷を押圧負荷から区別することが簡単に可能である。
【００１６】
図面
本発明を図示の実施例に基づきさらに詳しく説明する。
【００１７】
図１は、ねじとして構成された結合エレメントの１実施例の断面図、
図２は、図１の結合エレメントのシャフトの側から見た平面図である。
【００１８】
実施例の説明
図１は、ねじ又はボルトとして構成された結合エレメント５を示しており、結合エレメント５には、ヘッド１８、及びこのヘッド１８と結合され特に、少なくとも部分的にねじ山を備えたシャフト若しくはねじ山ボルト１９が設けられており、さらにヘッド１８からシャフト１９への移行部の領域には、付加的に環状ののカラー２０及び面取りされた環状のカラー２１が設けられている。ヘッド１８若しくはシャフト１９を図２に示されるような平面図で見ると、ヘッド１８及びシャフト１９は回転対称に構成されており、すなわち、基本形状面が円形状である。
【００１９】
図１にさらに示してあるように、シャフト１９がスリット１４を有しており、スリット１４がシャフト１９の縦軸に沿って延びていて、後に詳しく説明する切欠１３を度外視すれば、このシャフト１９を、対称的に構成された２つの部分、すなわち第１の部分１６と第２の部分１７とに分けている。
【００２０】
さらに図１に示してあるように、ヘッド１８からシャフト１９への移行部の領域に、スリット１４と接続される貫通孔１５が、結合エレメント５に設けられており、この貫通孔１５は、シャフト１９の縦軸線に対して垂直に延びている。この孔１５は、多くの場合、測定精度の向上に関連して有利であり、しかしながら必要に応じて省略されてもよい。
【００２１】
総体的にみて、結合エレメント５は、切欠１３を度外視すれば、スリット１４若しくは孔１５によって、等価の２つの部分１６，１７に分けられ、これらの部分１６，１７はヘッド１８を介して互いに結合されている。この限りにおいて、結合エレメント５は測定ばねともいえる。
【００２２】
図１にさらに示されているように、第２の部分１７は、ヘッド１８と逆の方の端部に切欠１３を有している。この切欠１３は、スリット１４の形成後、第２の部分１７を、スリット１４の方向に対して垂直に切断することによって生ぜしめられており、従って、第２の部分１７は第１の部分１６と比べて切欠１３の高さ分だけ引っ込められている。平面図では、切欠１３を設けることにより除去された部分は半月形をしている。
【００２３】
さらに、第２の部分１７の、ヘッド１８と逆の方の端部の表面に、磁界を生ぜしめる構成部材１０が装着されており、この構成部材１０は、具体的には、シャフト１９若しくはシャフト１９の第２の部分１７と結合されたプレート片状の永久磁石である。この構成部材１０に隣接して、切欠１３領域でシャフト１９の第１の部分１６に支持体１２が配置され、かつ支持体１２に磁気式の検出エレメント１１が配置されており、磁気式の検出エレメント１１と磁界を生ぜしめる構成部材１０とは、例えば０，３ｍｍの狭いエアギャップ２２を介して互いに離隔されている。磁気式の検出エレメント１１は、例えば有利には、次のように構成及び配置された通常のホール・センサエレメントである。つまり、ホール・センサエレメントは、結合エレメント５が負荷されてない状態で、構成部材１０の磁気零度の点にあり、これにより安定したオフセットを有する。
【００２４】
結合エレメント５の構成のさらなる細部が、図１及び図２に示されている。ここで付言すると、結合エレメント５は、図１若しくは図２では、ねじ山ボルトを有するねじとして構成されていて、このねじには必要に応じて適当なナットを設けることができ、ボルトとして、特にヘッドのない差込みボルト又は二つの部材の結合のためのリベットとして構成することもできる。
【００２５】
結合エレメント５の全長は、例えば１０ｍｍから３０ｍｍまで、シャフト１９の直径は４ｍｍから１２ｍｍまで、環状のカラー２０の直径は６ｍｍから１６ｍｍまで、高さは２ｍｍから６ｍｍまで、面取りされた環状のカラー８の直径は８ｍｍから２０ｍｍまで、高さは２ｍｍから６ｍｍまで、ヘッド１８の直径は１２ｍｍから３０ｍｍまで、高さは２ｍｍから６ｍｍまで、孔１５の直径は２ｍｍから６ｍｍまで、スリット１４の幅は０，２ｍｍから１ｍｍまで、特に０，５ｍｍ、エアギャップ２２の幅は０，１ｍｍから０，８ｍｍ、特に０，３ｍｍ、プレート片状の永久磁石１０の厚さは０，５ｍｍから１，５ｍｍ、さらに支持体１２の高さは０，５ｍｍから２ｍｍである。有利には、支持体１２の高さは次のように選ばれており、つまり、ホール・センサエレメント１１が、図２の平面図で対称的、若しくは永久磁石１０に対して対称的に、若しくはセンタリングして配置されている。
【００２６】
図１若しくは図２による結合エレメント５は、特に自動車の座部を、自動車の車体に結合されたスライドレールに固定するために適しており、この場合、総合エレメント５は同時に、座部に作用する重量を測定するための力センサとして働く。一般的に、座部には４個の固定ねじ若しくは結合エレメント５が設けられており、この各結合エレメント５で、座部に作用する力が計測される。
【００２７】
結合エレメント５の測定原理は以下に基づく。すなわち結合エレメント５、若しくはシャフト１９のスリット１４によって分離された両方の部分１６，１７に作用する力若しくは機械的な応力は、スリット１４の幾何学形状を変化させ、同時に、ヘッド内に誘発される機械的な応力を引き起こす。この場合に、スリット１４の幾何学形状の変化は、磁石１０及びホール・センサエレメント１１を用いて、両者の間のエアギャップ２２の変化によって、検出される。
【００２８】
力測定ボルトとして使用される前述の結合エレメント５は、作用する重量の関数としてＶ字型の特性曲線を示すので、これによって、正の重量を負の重量から区別することは、この区別が作動に際して望まれる場合に通常困難である。
【００２９】
そこで結合エレメント５を用いて、付加的に正の重量を負の重量から確実に区別できるようにするため、若しくは正の重量のみを検出する結合エレメント５を実現するためには、負の重量の領域、つまり特性曲線の第２象限で、この負の重量によりもたらされる結合エレメント５の伸長が、わずかな非対称性を有することを利用する。この非対称性は、結合エレメント５に軸方向に配分された力導入によって生じ、付加的に設けられた抵抗線ひずみゲージを用いて、若しくは、例えば薄膜成形技術で形成された差分式抵抗線ひずみゲージを用いて検出できる。
【００３０】
それ故、結合エレメント５の有利な構成では、部分的には、例えばヘッド１８の、シャフト１９と逆の方の表面で、付加的に、少なくとも１つの抵抗線ひずみゲージ（図示せず）が結合エレメント５内に組み込まれ、若しくは結合エレメント５上に装着され、この抵抗線ひずみゲージにより、同様に結合エレメント５に作用する力あるいは機械的な応力が把握できるようになっている。この種の、例えば薄膜成形技術で形成される抵抗線ひずみゲージ、若しくは差分式抵抗線ひずみゲージを付属の評価電子装置とともに配置する方法は従来技術により公知である。
【００３１】
付加的な抵抗線ひずみゲージを設けることとは別の手段として、本発明による結合エレメント５は、作用する重量の方向を検出可能に形成されてもよく、このために両方の部分１６，１７は、結合エレメント５によって結合される部材の、該部分１６，１７に力を導入する部分に適切に固定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ねじとして構成された結合エレメントの１実施例の断面図である。
【図２】
図１の結合エレメントのシャフトの側から見た平面図である。

Claims (14)

1. 縦長のシャフト（１９）を有する結合エレメント、特に、ねじ又はボルトにおいて、
   シャフト（１９）が、少なくとも部分的にスリット（１４）及び切欠（１３）を有しており、さらに切欠（１３）の領域に、磁界を生ぜしめる構成部材（１０）、及び該構成部材（１０）から間隔をおいて磁気式の検出エレメント（１１）が配置されていることを特徴とする、結合エレメント。
2. 磁界を生ぜしめる構成部材（１０）と磁気式の検出エレメント（１１）とが次のように配置されており、つまり、結合エレメント（５）に作用する力若しくは機械的な応力が、磁気式の検出エレメント（１１）の、構成部材（１０）により生ぜしめられる信号を変化させるようになっている、請求項１に記載の結合エレメント。
3. シャフト（１９）が平面図で見て、少なくとも切欠（１３）の領域で、正方形、長方形、楕円形、あるいは円形に構成されており、さらにスリット（１４）が、シャフト（１９）の縦軸に沿って延びていて、切欠（１３）を度外視すれば、該シャフト（１９）を、対称的に構成された２つの部分（１６，１７）に分けている、請求項１又は２記載の結合エレメント。
4. シャフト（１９）がヘッド（１８）と結合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の結合エレメント。
5. 切欠（１３）が、シャフト（１９）の、ヘッド（１８）と逆の方の端部で、シャフト（１９）内に設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の結合エレメント。
6. 切欠（１３）とスリット（１４）とがシャフト（１９）に次のように設けられており、つまり、シャフト（１９）が第１の部分（１６）と第２の部分（１７）とにより構成されており、該部分（１６，１７）がスリット（１４）によって互いに分離されていて、さらに該両部分（１６，１７）のいずれか一方が、ヘッド（１８）と逆の方の端部に切欠（１３）を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の結合エレメント。
7. シャフト（１９）の両方の部分（１６，１７）のいずれか一方が磁界を生ぜしめる構成部材（１０）と結合されており、かつ他方の部分（１６，１７）が磁気式の検出エレメント（１１）と結合されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の結合エレメント。
8. 磁界を生ぜしめる構成部材（１０）が、特に、シャフト（１９）と結合されているプレート片状の永久磁石である、請求項１から７までのいずれか１項記載の結合エレメント。
9. 磁気式の検出エレメント（１１）が、特に支持体（１２）に配置されていて、かつシャフト（１９）と結合されたホール・センサエレメントである、請求項１から８までのいずれか１項記載の結合エレメント。
10. シャフト（１９）とヘッド（１８）との結合部の領域で、孔（１５）がヘッド（１８）及び／又はシャフト（１９）内に設けられており、該孔（１５）がスリット（１４）と接続している、請求項１から９までのいずれか１項記載の結合エレメント。
11. 結合エレメントが仮想の対称平面としてのスリット（１４）によって、切欠（１３）を度外視して、同じ２つの部分（１６，１７）に分けられており、該部分（１６，１７）がヘッド（１８）によって互いに結合されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の結合エレメント。
12. 付加的に抵抗線ひずみゲージが部分的に設けられており、該抵抗線ひずみゲージによって、結合エレメント（５）に作用する力又は機械的な応力が検出可能である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の結合エレメント。
13. 総合エレメントが、２つの部材を結合するためのねじ、ボルト、差し込みボルト、あるいはリベットとして構成されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の結合エレメント。
14. 請求項１から１３までのいずれか１項記載の結合エレメントの使用方法において、結合エレメントが自動車の座部に作用する力又は機械的な応力を検出するために使用されることを特徴とする結合エレメントの使用方法。