AT505303A4

AT505303A4 - Kraftsensor

Info

Publication number: AT505303A4
Application number: AT0121507A
Authority: AT
Inventors: Alexander Dr Friedl
Original assignee: Piezocryst Advanced Sensorics
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2008-12-15
Also published as: AT505303B8; AT505303B1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor mit einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil, die unter Zwischenlage eines ringförmigen Sensorelementes mittels einer in einer zentralen Bohrung der beiden Gehäuseteile angeordneten Spannhülse gegeneinander vorgespannt sind.
Kraftsensoren dienen zum Messen von Kräften, Drücken, Beschleunigungen, Dehnungen und Momenten und werden dazu zwischen Kraftübertragungsmitteln oder Maschinenteilen eingespannt. In vielen Fällen werden drei, vier oder mehrere Kraftsensoren benötigt, die zwischen einer Kraftaufnahmekonstruktion und einer Basiskonstruktion montiert werden.
So ist beispielsweise aus der WO 2004/070334 AI ein Messsensor mit einer Vorspannvorrichtung bekannt, welcher aus zwei Gehäuseteilen besteht, die als Adapterteil und Adapterhülse bezeichnet werden.

Der Adapterteil weist einstückig eine zentrale Spannhülse auf, die in eine zentrale Bohrung der Adapterhülse ragt und dort mit einer Mutter vorgespannt werden kann. In einer ringförmigen Aufnahme der Adapterhülse ist ein ringförmiger Sensor integriert, wobei die Messkristalle des Sensors in der Adapterhülse zentriert eingelagert und von einer Membran abgedeckt sind. Die Membran ist unter Vorspannung mittels Verschweissung an der Adapterhülse befestigt.
In diesem Zusammenhang ist aus der DE 26 37 952 ein Kraftsensor bekannt geworden, der in einer Ausführungsvariante gemäss Fig. 3 aus einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil besteht, zwischen welchen ein ringförmiges Mehrkomponenten-Messelement als separater Bauteil eingespannt ist.

Die Vorspannung erfolgt mit Hilfe eines rohrförmigen Vorspannelementes mit Aussengewinden an beiden Enden, welche jeweils in Innengewinde in einer zentralen Bohrung der beiden Gehäuseteile eingreifen. Der Gehäuseunterteil ist mit einer zentralen Schraube an einer Grundplatte befestigt, der Gehäuseoberteil ist mit Hilfe von Schrauben, die um die zentrale Bohrung des Gehäuseoberteils angeordnet sind, mit einer Kraftaufnahmeplatte verschraubt.

Nachteilig bei dieser Konstruktion ist insbesondere die Tatsache, dass beim Zusammenbau des Kraftsensors, d.h. beim Verschrauben der beiden Gehäuseteile unter Zwischenlage des ringförmigen Messelementes Scherkräfte auf das Gehäuse des Messelementes ausgeübt werden, welche nachteilig für die Messempfindlichkeit sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von den eingangs beschriebenen Kraftsensoren, Verbesserungen für die abgedichtete Aufnahme und Zentrierung der Messelemente und Ableitelektroden vorzuschlagen, wobei auf eine einfache Herstellung durch eine einfache Geometrie der Bauteile geachtet werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, die beiden Gehäuseteile durch ein rohrförmiges, inneres Dichtelement, welches zwischen der Spannhülse und dem ringförmigen Sensorelement angeordnet ist, sowie durch ein rohrförmiges,

äusseres Dichtelement in axialer Richtung elastisch miteinander verbunden sind, so dass eine abgedichtete, axial flexible Aufnahme für das Sensorelement vorliegt. Der erfindungsgemässe Kraftsensor ist membranlos und zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise aus.
Gemäss einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung sind die beiden Dichtelemente mit den beiden Gehäuseteilen verschweisst und bevorzugt als dünne Rohrfedern oder als Faltenbalge ausgebildet.

Derartige Kraftsensoren können auch für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden.
Gemäss einer zweiten erfindungsgemässen Ausführungsvariante sind die beiden Dichtelemente an zumindest einem Gehäuseteil mittels einer O-Ring-Dichtung abgedichtet oder mittels einer dauerelastischen Klebung befestigt.
Erfindungsgemäss kann die Spannhülse aus einer hohlen Spannschraube bestehen, deren Kopf sich an der inneren Schulter eines Gehäuseteils und deren Spannmutter sich an der inneren Schulter des anderen Gehäuseteils abstützt.

Es wäre auch möglich, eine symmetrische Spannhülse zu verwenden, die auf beiden Seiten ein Aussengewinde aufweist, wobei jeweils eine Spannmutter verwendet wird, die sich gegen die jeweilige Schulter im ersten und zweiten Gehäuseteil abstützt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen erfindungsgemässen Kraftsensor in einem Längsschnitt, die Fig. 2 und 3 Varianten eines Details des Kraftsensors gemäss Fig. 1, sowie Fig. 4 eine weiter Ausführungsvariante des Kraftsensors gemäss Fig. 1.
Der Kraftsensor gemäss Fig. 1 weist einen ersten Gehäuseteil 1 und einen zweiten Gehäuseteil 2 auf, die unter Zwischenlage eines ringförmigen Sensorelementes 3 gegeneinander vorgespannt sind.

Für die Vorspannung wird eine Spannhülse 4 verwendet, die in einer zentralen Bohrung 5 der beiden Gehäuseteile 1, 2 angeordnet ist, wobei in der zentralen Bohrung 5 beider Gehäuseteile 1, 2 jeweils eine innere Schulter 6, 7 ausgebildet ist, an welcher sich die Spannhülse 4 abstützt.
Die beiden Gehäuseteile 1 und 2 sind durch ein rohrförmiges, inneres Dichtelement 25, welches zwischen der Spannhülse 4 und dem ringförmigen Sensorele ment 3 angeordnet ist, sowie durch ein rohrförmiges, äusseres Dichtelement 26 in axialer Richtung (in Richtung der Sensorachse 1') elastisch miteinander verbunden.

Durch diese Konstruktion liegt eine abgedichtete, axial flexible Aufnahme 14 für das Sensorelement 3 vor.
In der Ausführungsvariante gemäss Fig. 1 ist das innere und das äussere Dichtelement 25, 26 jeweils als dünne Rohrfeder oder als Faltenbalg ausgebildet und mit den beiden Gehäuseteilen 1, 2 an den mit 18 gekennzeichneten Stellen verschweisst. Die Dichtelemente 25, 26 sind jeweils in eine ringförmige Ausnehmung 29, 30 der Gehäuseteile 1, 2 eingepasst, sodass eine möglichst glatte Gehäuseoberfläche entsteht.

Für die Montage des Kraftsensors sind Gewindebohrungen (nicht dargestellt) in den Gehäuseteilen 1, 2 vorgesehen.
Beispiele für mögliche Querschnitte der in Richtung der Sensorachse 1' flexiblen Dichtelemente 25, 26 sind in vergrössertem Massstab in den Fig. 2 und 3 dargestellt.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsvariante sind die beiden Dichtelemente 25, 26 an zumindest einem (bevorzugt an beiden) Gehäuseteilen 1, 2 mittels einer O-Ring-Dichtung 27 abgedichtet.

Die Ausnehmungen 29, 30 nehmen bei dieser Ausführungsvariante, die für Niedertemperaturanwendungen gedacht ist, auch die O-Ringe 27 auf.
Es ist auch möglich, an der Innenseite ein Dichtelement 25 in Form einer mit den Gehäuseteilen 1, 2 verschweissten Rohrfeder vorzusehen und an der Aussenseite ein Dichtelement 26 einzusetzen, das mit O-Ring-Dichtungen 27 abgedichtet ist.
Weiters kann das innere und das äussere Dichtelement 25, 26 an zumindest einem Gehäuseteil 1, 2 mittels einer dauerelastischen Klebung befestigt sein.

Beispielsweise kann die Verbindung eines Dichtelementes 25, 26 zum Gehäuseteil 1 durch Schweissen und zum Gehäuseteil 2 durch eine dauerelastische Klebung hergestellt sein.
Die Spannhülse 4 beider Ausführungsvarianten kann aus einer hohlen Spannschraube 8 bestehen, deren Kopf 9 sich an der innen Schulter 7 des zweiten Gehäuseteiles 2 abstützt, wobei am gegenüberliegenden Ende der Spannschraube ein Aussengewinde 10 für eine Spannmutter 11 vorgesehen ist, die sich an der inneren Schulter 6 des ersten Gehäuseteiles 1 abstützt.

Dadurch können folgende Vorteile erzielt werden:
- freie Materialwahl für die Spannhülse 4 und die beiden Gehäuseteile 1, 2,
- kein Verdrehen der Gehäuseteile 1, 2 zueinander beim Zusammenbau des Kraftsensors, - Reduktion der Materialfestigkeiten auf das jeweils erforderliche Mass,
- verbesserte Anpassung der Sensorteile im Hinblick auf die auftretenden Wärmedehnungen,
- einfache Bearbeitung durch einfache Geometrie der Bauteile des Kraftsensors, insbesondere dann wenn gemäss einer bevorzugten Ausführungsvariante die beiden Gehäuseteile 1, 2 in Bezug auf das ringförmige Sensorelement 3 spiegelsymmetrisch ausgeführt sind (siehe Fig. 4).
Das Sensorelement 3 weist zumindest ein ringförmiges piezoelektrisches Messelement 12 und eine ringförmige Ableitelektrode 13 auf, die in der axial flexiblen Aufnahme 14 zwischen den beiden Gehäuseteilen 1, 2 angeordnet sind.

In den dargestellten Beispielen besteht das Sensorelement 3 aus zwei piezoelektrischen Messelementen 12 mit einer dazwischen angeordneten Ableitelektrode 13.
Das äussere Dichtelement 26 weist einen Anschluss 21 für ein Signalkabel 22 auf, welches mit der ringförmigen Ableitelektrode 13 in elektrischem Kontakt steht.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Kraftsensor mit einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil (1, 2), die unter Zwischenlage eines ringförmigen Sensorelementes (3) mittels einer in einer zentralen Bohrung (5) der beiden Gehäuseteile (1, 2) angeordneten Spannhülse (4) gegeneinander vorgespannt sind, dadurch gekennzeichnet, die beiden Gehäuseteile (1, 2) durch ein rohrförmiges, inneres Dichtelement (25), welches zwischen der Spannhülse (4) und dem ringförmigen Sensorelement (3) angeordnet ist, sowie durch ein rohrförmiges, äusseres Dichtelement (26) in axialer Richtung elastisch miteinander verbunden sind, so dass eine abgedichtete, axial flexible Aufnahme (14) für das Sensorelement (3) vorliegt.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtelemente (25, 26) mit den beiden Gehäuseteilen (1, 2) verschweisst sind.

3. Kraftsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtelemente (25, 26) als dünne Rohrfedern oder als Faltenbalge ausgebildet sind.

4. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtelemente (25, 26) an zumindest einem Gehäuseteil (1, 2) mittels einer O-Ring-Dichtung (27) abgedichtet sind.

5. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtelemente (25, 26) an zumindest einem Gehäuseteil (1, 2) mittels einer dauerelastischen Klebung befestigt sind.

6. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannhülse (4) aus einer hohlen Spannschraube (8) besteht, deren Kopf (9) sich an der inneren Schulter (7) eines Gehäuseteils (2) und deren Spannmutter (11) sich an der inneren Schulter (6) des anderen Gehäuseteils (1) abstützt.

7. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) zumindest ein ringförmiges piezoelektrisches Messelement (12) und eine ringförmige Ableitelektrode (13) aufweist, die in der axial flexiblen Aufnahme (14) zwischen den beiden Gehäuseteilen (1, 2) angeordnet sind.

8. Kraftsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das äussere Dichtelement (26) einen Anschluss (21) für ein Signalkabel (22) aufweist, welches mit der ringförmigen Ableitelektrode (13) in elektrischem Kontakt steht.

Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gehäuseteile (1, 2) in Bezug auf das ringförmige Sensorelement (3) spiegelsymmetrisch ausgeführt sind.