CH668835A5 - Kraftwandler. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kraftwandler, die in den Ansprüchen 1 und 11 definiert sind, insbesondere auf Kraftwandler, die mit hoher Auflösung und Genauigkeit arbeiten.

Es ist bekannt, beim Erfassen von Kräften oder Gewichten mit einem Rückkopplungssystem zu arbeiten, bei dem eine bewegliche Spule in einem festen Magnetfeld angeordnet ist. Die Spule ist dabei längs einer Sensor- bzw. Abtastachse beweglich und wird mit einem solchen Spülenstrom betrieben, dass sie längs dieser Achse eine feste Position beibehält. Bei diesem Systemaufbau bildet die Höhe des Spulenstroms ein Mass für die Kraft, welche ausgeübt wird, um die Spule aus ihrer Lage herauszubewegen. Die vorstehend erläuterte Lösung ist im allgemeinen recht wirksam; der Systemaufbau ist jedoch relativ kompliziert und entsprechend teuer.

Es ist auch bereits bekannt, Brücken mit Dehnungsmessstreifen zu verwenden, wobei jedoch die Genauigkeit einer solchen Anordnung dadurch begrenzt ist, dass die Dehnungsmessstreifen eine Hysterese aufweisen und kriechen und dass auch das Verbindungsmaterial, durch welches die Dehnungsmessstreifen mit einer Trägerplatte verbunden sind, eine Hysterese aufweist und kriecht.

Es sind auch bereits Last- bzw. Kraftzellen mit variabler Kapazität bekannt, bei denen zwei einander gegenüberliegende, im wesentlichen parallele, leitfähige Platten so gekoppelt sind, dass die zu messende Kraft eine Trennung der einander gegenüberliegenden leitfähigen Platten in der Weise bewirkt, dass sie proportional zur ausgeübten Kraft ist. Obwohl diese Lösung im Prinzip befriedigend ist, sind in der Praxis keine entsprechenden Kraftsensoren verfügbar, bei denen eine parallele Lage der Sensorplatten in angemessener Weise für einen gewissen Bereich von Kräften aufrechterhalten werden kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kraftsensor, insbesondere einen Kraftsensor mit variabler Kapazität, anzugebe.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch Kraftwandler gemäss den Ansprüchen gelöst.

Kurz gesagt, besitzt ein Kraftwandler gemäss der Erfindung zwei einander gegenüberliegende Summierglieder mit starrem Körper, welche längs einer Mittelachse angeordnet sind. Jedes der Summierglieder besitzt dabei ein Sensorelement, welches sich längs der Mittelachse in Richtung auf das andere Summierglied erstreckt. Die Sensorelemente besitzen einander gegenüberliegende Sensorbereiche, welche in Richtung einer zu der Mittelachse senkrechten ersten Bezugsachse gegeneinander versetzt bzw. im Abstand voneinander angeordnet sind. Zwischen den Kraft-Summiergliedern erstrecken sich zwei Balkenelemente, die die Summierglieder miteinander verbinden, wobei ein Balkenelement auf einer Seite der Sensorelemente angeordnet ist, während das andere Balkenelement auf der anderen Seite der Sensorelemente angeordnet ist. Die Balkenelemente sind flexibel bezüglich solcher Achsen, die parallel zu einer zweiten Bezugsachse verlaufen (senkrecht zu der ersten Bezugsachse und der Mittelachse) und im übrigen im wesentlichen starr. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Balkenelemente im wesentlichen dieselbe Länge. Ausserdem ist der Abstand zwischen ihren Verbindungspunkten mit den Sensorelementen im wesentlichen gleich, so dass die Balkenelemente im wesentlichen parallel verlaufen.

An einem der Kraft-Summierglieder ist ein starres Kraft-Aufnahmeelement angebracht, welches eine zentral (in der Mitte) ausgeübte Kraft auf ein Ende des Wandlers überträgt. Das Kraft-Aufnahmeelement ermöglicht es, die zu messende Kraft in der Mitte der Balkenelemente statt an deren Ende einwirken zu lassen, wodurch der direkte Zug und der direkte Druck in den Balkenelementen auf ein Minimum reduziert werden. Bei einer Ausführungsform ist das Kraft-Aufnahmeelement bzw. -Eingangselement ein im wesentlichen L-förmiges Bauteil (gesehen in Richtung der zweiten Bezugsachse), obwohl die Gestalt dieses Bauteils im einzelnen nicht kritisch ist. An dem anderen Kraft-Summierglied ist ein starres Trägerelement angebracht, welches die Reaktionskraft auf das gegenüberliegende Ende dieses anderen Kraft-Summiergliedes überträgt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind ein Kraft-Summierglied und das zugehörige Kraft-Aufnahmeelement Teile derselben monolithischen Struktur. Ebenso sind das andere Summierglied und das zugehörige Trägerelement ebenfalls Teile einer

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

668835

4

einzigen monolithischen Struktur. Bei dieser Konstruktion kann also der Kraftwandler aus zwei monolithischen Bausteinen hergestellt werden, die im Bereich der Balkenelemente miteinander verschmolzen oder auf andere Weise verbunden werden. Die Lage des Kraftaufnahmegliedes und des Trägergliedes werden vorzugsweise so gewählt, dass sie sich nicht bis über den Bereich erstrecken, in dem die Verbindung zwischen den beiden Blöcken hergestellt wird, so dass sie diese Phase des Herstellungsprozesses nicht behindern können.

Gemäss der Erfindung trägt jeder der einander gegenüberliegenden Sensorbereiche ein elektrisch leitfähiges Element in der Weise, dass sich zwei einander gegenüberliegende, im wesentlichen parallele, ebene leitfähige Oberflächen ergeben. Die leitfähigen Oberflächen sind dabei in Richtung der ersten Bezugsachse versetzt und ausserdem parallel zu der zweiten Bezugsachse. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann der Kraftwandler eine monolithische dielektrische Struktur sein, während die leitfähigen Elemente dünne, leitfähige Filme sind, die auf gegenüberliegenden Teilen der Sensorelemente abgeschieden sind.

Bei dieser Ausgestaltung kann der Kraftwandler an dem einen Summierglied durch eine zu der ersten Bezugsachse parallele Kraft gehalten werden, welche auf das starre Trägerelement ausgeübt wird. Eine zu messende Kraft wird dabei parallel zu dieser ersten Bezugsachse über das starre Kraft-Aufnahmeelement auf das andere Summierglied ausgeübt. Wenn diese Kräfte auf die Summierglieder ausgeübt werden, verformen sich die Balkenelemente aufgrund ihrer Flexibilität bezüglich solcher Achsen, die parallel zu der zweiten Bezugsachse verlaufen. Wenn sich die Balkenelemente verformen, werden die Sensorelemente und die von ihnen getragenen leitfähigen Elemente relativ zueinander in Richtung der ersten Bezugsachse bewegt, wobei sie ihre parallele Lage beibehalten. Die Kapazität des Plattenkondensators, der durch die leitfähigen Elemente gebildet wird, kann in konventioneller Weise gemessen werden. Der gemessene Kapazitätswert ist dabei umgekehrt proportional zum Abstand der Platten bzw. der leitfähigen Flächen und damit zu der zu messenden Kraft.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der gesamte Wandler einschliesslich der beiden Kraft-Summierglieder aus einem einzigen Materialstück hergestellt. Diese Ausführungsform kann aus Keramikmaterial in einer entsprechenden Form hergestellt werden, wobei die Form der einzelnen Bauteile und deren Anordnung dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht. Bei diesem «einstük-kigen» Ausführungsbeispiel sind die leitfähigen Oberflächen vorzugsweise Beschichtungen aus einem leitfähigen Material auf zwei kleinen Keramikeinsätzen, die mit dem «einstük-kigen» Wandler verbunden bzw. verklebt werden, so dass der relativ enge Luftspalt (etwa 0,076 bis etwa 0,152 mm), der für eine exakte Kapazitätsmessung benötigt wird, erhalten werden kann.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Kraftwandlers gemäss der Erfindung ist eine parallelogrammförmige Rahmenstruktur vorgesehen, wobei

1. die Länge der Kraft-Summierglieder längs der ersten Bezugsachse die Länge der flexiblen Balkenelemente längs der Mittelachse über oder unterschreitet und

2. die Sensorelemente an den flexiblen Balkenelementen befestigt sind und im wesentlichen in Richtung der ersten Bezugsachse gegeneinander vorspringen, wobei sich ihre zugehörigen Sensorbereiche überlappen, um zwischen den leitfähigen Elementen, die aus den Sensorbereich vorgesehen sind, einen Spalt variabler Kapazität zu erhalten. Wenn die Länge der Kraftsummierglieder bei dieser Konstruktion die

Länge der flexiblen Balkenelemente übersteigt, dann führt eine Auslenkung d eines der Kraft-Summierglieder bezüglich des anderen Kraft-Summierglieds zu einer grossen Änderung der Spaltbreite g zwischen den leitfähigen Elementen, wobei die Änderung grösser ist als die Auslenkung d. Diese mechanische Verstärkung der Bewegung ist besonders bei «steifen» Wandlern vorteilhaft, welche für die Messung grosser Kräfte bestimmt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Wandler vorzugsweise aus zwei identischen Sensorelementen und zwei weiteren identischen Elementen hergestellt, welche die Kraft-Summierglieder umfassen, sowie zwei Balkenglieder, die einstückig an jedem, der Kraft-Summierglieder angeformt sind. Ausserdem sind die Sensorelemente bei der bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsform zwischen den Stirnflächen der einander gegenüberliegenden Balkenglieder in der Nähe des Wendepunktes der Biegespannung des zusammengesetzten, flexiblen Balkenelements mit den Balkengliedern angeordnet, um auf diese Weise die Fehler auf ein Minimum zu reduzieren, welche durch die Verbindungen zwischen den Balkengliedern und den Sensorelementen herbeigeführt werden.

Bei einem weiteren, preiswerten Ausführungsbeispiel, welches für viele Anwendungen bevorzugt wird, besitzt der Wandler eine «Sandwich»-Konstruktion. Die Kraft-Summierglieder tragen, wie bei den anderen Ausführungsbeispielen, Sensorelemente, die einander gegenüberliegen. Der Unterschied liegt in der Struktur der flexiblen Balkenelemente, welche die Kraft-Summierglieder miteinander verbinden sowie in der Art, in der die Balkenelemente an den Kraft-Summiergliedern befestigt sind. Die Balkenelemente sind jeweils einstückige, monolithische Elemente mit einem dünnen Mittelteil, welcher bezüglich solcher Achsen flexibel ist, die parallllel zur zweiten Bezugsachse verlaufen. Jedes Balkenelement besitzt ausserdem zwei Endstücke, welche eine wesentlich grössere Querschnittsfläche (vorzugsweise mindestens die vierfache Querschnittfläche) als die dünnen Mittelteile besitzen, und zwar entweder längs der Hauptachse des Balkenelements gesehen oder längs der ersten Bezugsachse. Diese Änderung der Querschnittsfläche längs der Balkenachse hat die Tendenz, die Belastungen, die sich aufgrund einer Biegung des Balkens ergeben, in dem dünnen Mittelteil an einem Punkt in der Nähe der Endstücke zu konzentrieren. (Die Mittelteile erfahren insgesamt beim Biegen in Abhängigkeit von der zu messenden Kraft eine S-förmige Verformung, so dass sich eine Parallelogramm-Bewegung ergibt, die ihrerseits eine Parallelbewegung der Sensorelemente relativ zueinander längs der ersten Bezugsachse bewirkt.) Die grosse Querschnittsfläche der Endstücke längs der zweiten Achse ist wichtig, damit sich grosse Flächen ergeben, die mit dem zugehörigen Summierglied verklebt bzw. ganz allgemein verbunden werden können.

Eine dünne Schicht eines Verbindungsmaterials zwischen dieser Fläche und einer gegenüberliegenden Fläche des benachbarten Summiergliedes hat also im Vergleich zur Querschnittsfläche des dünnen Mittelteils des Balkens ebenfalls eine grosse Fläche. Sowohl die Lage des Punktes der maximalen Belastung als auch die Fläche der dünnen Verbindungsschicht gestatten eine zuverlässige Verbindung zwischen den genannten Bauteilen, wobei die Hystereseverluste auf ein Minimum reduziert werden. Während als Verbindungsmaterial ein Epoxidharz oder dergleichen verwendet werden kann, nimmt man vorzugsweise ein Glas, dessen Wärmedehnungskoeffizient in der Nähe des Wärmedehnungskoeffizienten der Materialien für die Balken und die Kraft-Summierglieder liegt und welches einen niedrigen Schmelzpunkt hat.

Die Kraftwandler gemäss vorliegender Erfindung können durch eine relativ niedrige Hysterese und durch ein sehr

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

668835

geringes Kriechen unter Belastung gekennzeichnet sein, wenn der Kraftwandler eine monolithische Anordnung aus Quarz ist. Bei dieser Ausführungsform ergeben sich nur relativ niedrige temperaturabhängige Kapazitätsänderungen bei gegebener, auf die Summierglieder einwirkender Kraft. Der Kraftwandler spricht ausserdem hauptsächlich auf die resultierende Kraft längs einer einzigen Sensor-Achse (erste Bezugsachse) an und hat ein relativ hohes «Abweisungsverhältnis» für Kräfte und Momente in anderen Ebenen.

Der Kraftwandler gemäss der Erfindung kann als Kraftwandler in Form einer Lastzelle zur direkten Messung von Kräften verwendet werden. Der Kraftwandler kann aber auch zum Messen anderer Kräfte verwendet werden, beispielsweise zur Messung von Trägheitskräften (wenn er in Verbindung mit einer Masse verwendet wird) oder zur Messung von Druckkräften, wenn er in Verbindung mit einer Membran verwendet wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Kraftwandlers gemäss der Erfindung;

Fig. 2 eines der Summierglieder des Kraftwandlers gemäss Fig. 1 mit seinen Balkengliedern;

Fig. 3 abgewandelte Ausführungsbeispiele bis des Kraftwandlers gemäss

Fig. 6, Fig. 1 ;

Fig. 7 ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Kraftwandlers gemäss der Erfindung, bei dem Sensorelemente an flexiblen Balkengliedern statt an den starren Summiergliedern befestigt sind, wobei mit Hilfe dieses Wandlers eine «mechanische Verstärkung» der durch die einwirkende Kraft hervorgerufenen Verformung erreichbar ist;

Fig. 7A eine Darstellung des Kraftwandlers gemäss Fig. 7 im verformten Zustand und

Fig. 8 eine weitere abgewandelte Ausführungsform eines Kraftwandlers gemäss der Erfindung, welcher einen «Sandwich»-Aufbau besitzt.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Kraftwandler 10 gemäss der Erfindung. Der Wandler besitzt zwei längliche Summierglieder 12, 14, die einen rechteckigen Querschnitt haben und sich längs einer gemeinsamen Mittelachse 16 erstrecken. Das Summierglied 12 ist in Fig. 2 getrennt dargestellt. Die Summierglieder 12 und 14 besitzen an ihren einander zugewandten Enden komplementäre Flächen. Wie die Zeichnung zeigt, bilden die gesamten Endbereiche der Summierglieder 12 und 14 die komplementären Flächen, obwohl die komplementären Flächen bei anderen Ausführungsformen gegebenenfalls nur einen Teil der einander benachbarten Endbereiche umfassen.

Beim Ausführungsbeispiel gehören zu den komplementären Flächen der Summierglieder 12 und 14 ebene Bereiche 20 bzw. 22, welche in Richtung einer ersten Bezugsachse 30, welche senkrecht zur Mittelachse 16 verläuft, versetzt sind. Die ebenen Bereiche 20 und 22 verlaufen parallel zu einer zweiten Bezugsachse 24, welche senkrecht zu den Achsen 16 und 30 verläuft. Bei dem betrachteten bevorzugten Ausführungsbeispiel verlaufen die ebenen Flächen 20 und 22 ausserdem parallel zur Mittelachse 16, obwohl sie bei anderen Ausführungsbeispielen gegebenenfalls winkelmässig gegenüber der Mittelachse 16 versetzt sein können. Beim Ausführungsbeispiel verlaufen die Flächen auf beiden Seiten der ebenen Flächen 20,22 parallel zur Achse 30 und senkrecht zur Mittelachse 16, obwohl auch andere Orientierungen dieser Flächen möglich wären. Beim Ausführungsbeispiel sind die Summierglieder 12 und 14 im wesentlichen identisch ausgebildet. Die Summierglieder 12, 14 sind miteinander verbunden, um den Wandler 10 zu bilden.

Jedes der länglichen Summierglieder 12,14 enthält zwei ebene Schlitze, die, ausgehend von den komplementären Flächen, in Ebenen verlaufen, die parallel zu den Achsen 16 und 24 ausgerichtet sind.

Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel haben die beiden Schlitze in jedem der beiden Summierglieder 12, 14 dieselbe Tiefe. Bei anderen Ausführungsformen kann jedoch in jedem der Summierglieder 12, 14 der eine Schlitz eine Tiefe A und der andere Schlitz eine Tiefe B haben, wobei mindestens eine der Grössen A und B von Null verschieden ist und wobei die Summe A + B einen vorgegebenen Wert hat. Ausserdem sind die beiden Schlitze in dem Summierglied 12 in Richtung der Achse 30 im Abstand voneinander vorgesehen, derart, dass ein oberes Balkenglied 12a und ein unteres Balkenglied 12b des Summierglieds 12, d. h. die Balkenglieder, die durch die Schlitze einerseits und die Aussenflächen des Elements 12 andererseits begrenzt sind, relativ flexibel für Drehmomente um parallel zu der Achse 24 verlaufende Achsen sind.

Beim Ausführungsbeispiel sind die Summierglieder 12,14 im wesentlichen identisch. Folglich geht man davon aus, dass die beiden Schlitze des Summierglieds 14 das «obere» Balkenglied 14b und das «untere» Balkenglied 14a definieren.

Die ebenen Flächen 20 und 22 der Summierglieder 12, 14 tragen jeweils ein im wesentlichen ebenes elektrisch leitfähiges Element 34 bzw. 36.

Der obere Balkenteil 12a und der untere Balkenteil 14b der Summierglieder 12 und 14 sind durch ein Verbindungselement 42 verbunden, und der untere Balkenteil 12b und der obere Balkenteil 14b sind durch ein Verbindungsglied 44 verbunden. In der so gebildeten Anordnung sind die komplementären Flächen der Summierglieder 12 und 14 gegeneinander in Richtung der Achse 16 versetzt, während die einander gegenüberliegenden leitfähigen Flächen der Elemente 34 und 36 in Richtung der Achse 30 gegeneinander versetzt sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Summierglieder 12 und 14 aus Quarz, während die Verbindungselemente 42 und 44 ebenfalls aus Quarz bestehen, so dass alle Teile miteinander verschmolzen werden können, um eine monolithische Struktur zu erhalten. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Materialien, wie z.B. Titansilikat, Keramik oder andere dielektrische Materialien verwendet werden.

Wie Fig. 1 zeigt, umfasst der Wandler 10 ferner ein starres Trägerelement 50, welches starr mit dem Summierglied 14 verbunden ist, sowie ein starres Kraftaufnahmeelement 52, welches starr an dem Summierglied befestigt ist. Die Elemente 50 und 52 können ebenfalls aus Quarz bestehen und mit den Blöcken 12 bzw. 14 verschmolzen sein. Das Trägerglied 50 ist mit der oberen ebenen Oberfläche eines Wandler-Trägerelements 56 verbunden.

Fig. 3 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel,

welches dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 ähnlich ist, bei dem jedoch die Elemente 50 und 52 an den Summiergliedern 14 bzw. 12 einstückig angeformt sind und zusammen mit diesen ein einziges homogenes Stück aus einem dielektrischen Material bilden. Als dielektrische Materialien eignen sich dabei Quarz und Keramikmaterialien. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 3 vermeidet man das Problem, das sich bei Verbindung unähnlicher Materialien ergibt, sowie die Möglichkeit von Betriebsproblemen, nachdem eine entsprechende Verbindung hergestellt ist. Zu diesen Betriebsproblemen kann beispielsweise ein Brechen oder eine Zustandsänderung der Verbindung aufgrund unterschied5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

668 835

6

licher Reaktionen der miteinander verbundenen Materialien auf variable Parameter, wie z.B. die Temperatur, gehören oder einfach eine Änderung aufgrund des Betriebes und der Alterung während eines längeren Zeitraums.

Fig. 4 zeigt ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel. welches dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 ähnlich ist, wobei jedoch das Trägerglied 50 starr an dem Summierglied 14 befestigt ist, während das Kraft-Aufnahmeglied 52 starr an dem Summierglied 14 befestigt ist. Mit anderen Worten sind also die Elemente 50 und 52 im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 jeweils auf der anderen Seite der Summierglieder 12 und 14 befestigt. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 werden die Elemente 50,52, 12 und 14 nicht aus (nur) zwei homogenen Materialstücken gebildet. Ausserdem reicht das Kraft-Aufnahmeglied 52 dann, wenn es am oberen rechten Ende des Elementes 14 befestigt ist, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, nicht weit genug, um das Verschmelzen bzw. Verbinden der Balkenteile 12a und 14b über das Verbindungsglied 42 zu behindern.

Der Kraftwandler gemäss Fig. 5 ist ähnlich ausgebildet wie derjenige gemäss Fig. 4, wobei jedoch die Elemente 50 und 12 sowie die Elemente 52 und 14 jeweils einstückig aus einem einzigen homogenen Stück eines dielektrischen Materials hergestellt sind. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 gestattet diese Konstruktion die Herstellung des Wandlers aus nur zwei Bauelementen mit jeweils drei an ihrem einen Ende offenen Schlitzen, wobei diese beiden Bauelemente an den Verbindungsstellen 42 und 44 verschmolzen oder auf andere Weise miteinander verbunden werden. Hierdurch werden die im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 diskutierten Probleme vermieden. Das dielektrische Material kann Quarz sein oder ein Keramikmaterial.

Fig. 6 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Summierglieder 12 und 14, das Kraftaufnahmeglied 52 und das Trägerglied 50 sämtlich einstückig aus einem einzigen Stück eines homogenen dielektrischen Material hergestellt sind. Obwohl die entsprechenden Öffnungen auch in einem einzigen Quarzblock hergestellt werden könnten, eignet sich das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 6 besonders dann, wenn der Wandler 10 aus Keramikmaterial gegossen bzw. geformt wird. Da die elektrisch leitfähigen Elemente 34 und 36 in einem sehr geringen Abstand voneinander angeordnet werden müssen (typischerweise 0,076 bis 0,15 mm), kann es schwierig sein, den Spalt beim Giessen ausreichend eng herzustellen und die leitfähigen Oberflächen innerhalb des Spalts exakt herzustellen oder zu positionieren. Um dieses Problem zu überwinden, wird der kapazitive Spalt vorzugsweise zunächst breiter hergestellt als dies dem Abstand der leitfähigen Oberflächen beim fertigen Wandler entspricht. Innerhalb des Spalts werden dann zwei Einsätze 34a (Fig. 6) angebracht bzw. angeklebt. Die Einsätze bestehen vorzugsweise aus demselben dielektrischen Material wie die anderen Elemente des Wandlers. Jeder der Einsätz 34a, 36a trägt auf seiner einen Seite eine Schicht aus einem leitfähigen Material 34a', die einander beim fertigen Wandler gegenüberliegen. Die Dicke der Einsätze 34a, 36a wird so gewählt, dass sich exakt der gewünschte geringe Abstand zwischen den leitfähigen Schichten ergibt, wodurch die Herstellung des «einstückigen» Wandlers erleichtert wird.

Die Arbeitsweise des Wandlers 10 gemäss der Erfindung lässt sich am besten anhand der Fig. 1 erläutern. Eine zumessende Kraft, die durch den Pfeil 60 angedeutet ist, wird in Richtung der Achse 30 auf das Eingangselement bzw. das Kraft-Aufnahmeglied 52 ausgeübt. Diese Kraft wird auf den - in Fig. 1 - linken Teil des Summiergliedes 12 übertragen. In

Abhängigkeit von der auf das Glied 52 ausgeübten Kraft wird auf das Trägerglied 50 durch die Oberseite des Trägerelementes 56 eine gleich grosse und entgegengesetzte Reaktionskraft ausgeübt, die durch einen Pfeil 62 angedeutet ist. Diese Kraft wird auf den - in Fig. 1 - rechten Teil des Summiergliedes 14 übertragen. Die Elemente 50 und 52 übertragen die zu messende Kraft auf die Mitte des Wandlers und nicht auf dessen Enden. Aufgrund der Symmetrie der erfin-dungsgemässen Wandlerkonstruktion werden der direkte Zug (nicht die Biegekraft) und der direkte Druck, die in die beiden Balkenglieder eingeleitet werden, auf ein Minimum reduziert.

In Abhängigkeit von dem auf den Wandler 10 einwirkenden Kräftepaar verformen sich das obere und das untere Balkenglied des Wandlers 10 in der Weise, dass sich die leitfähigen Elemente 34,36 um eine Strecke voneinander entfernen, die der Grösse des auf den Wandler 10 einwirkenden Kräftepaares entspricht, wobei sie ihre parallele Lage beibehalten. Im einzelnen verformen sich die Balkenglieder gemäss einer S-Kurve, wobei die Spannungen an den Ende der Balkenglieder in der Nähe des zugehörigen Summiergliedes konzentriert sind. In der Nähe des Mittelpunktes jedes Balkengliedes ergibt sich ein Punkt der Durchbiegung, an welchem im wesentlichen keine Biegespannungen auftreten. Die Grösse der Kapazität des durch die leitfähigen Elemente 34 und 36 gebildeten Kondensators kann in konventioneller Weise gemessen werden und stellt ein Mass für die auf das Kraft-Aufnahmeglied 52 einwirkende Kraft dar.

Bei den in Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen wird die zu messende Kraft über das Kraftaufnahmeglied 52 zu dem - in der Zeichnung - rechten Teil des Summierglieds 14 übertragen. In Abhängigkeit von der auf das Kraft-Äuf-nahmeglied 52 ausgeübten Kraft- Pfeil 60 - wird eine gleich grosse und entgegengesetzt gerichtete Kraft - Pfeil 62 - auf das Trägerglied 50 ausgeübt. Diese Kraft wird auf den - in der Zeichnung - linken Teil des Summiergliedes 12 übertragen. In Abhängigkeit von dem auf den Wandler 10 einwirkenden Kräftepaar verformen sich die oberen und unteren Balkenglieder in der Weise, dass der Spalt zwischen den leitfähigen Elementen 34 und 36 um eine Strecke verringert wird, die mit der Grösse des auf den Wandler einwirkenden Kräftepaares verknüpft ist, woei die Elemente 34,36 ihre parallele Lage relativ zueinander beibehalten. Die gemessene Kapazität ist umgekehrt proportional zum Spalt (zur Spaltbreite) zwischen den Elementen 34 und 36.

Da der Wandler 10 gegenüber Drehmomenten und Kräften in anderen Richtungen als in Richtung der Achse 30 ausserordentlich empfindlich ist, muss das durch die Pfeile 60 und 62 angedeutete Kräftepaar nicht auf der Achse 30 liegen. Beispielsweise ist der Abstand zwischen den leitfähigen Elementen 34 und 36 bei einem Kräftepaar, wie es in Fig. 1 durch die gestrichelten Pfeile 60' und 62' angedeutet ist, umgekehrt porportional zu den in Richtung der Achse 30 wirksamen Kraftkomponenten.

Da sich die oberen und unteren Balkenglieder verformen, wie dies oben ausgeführt wurde, ergeben sich in diesen Gliedern Spannungen. Beim Ausführungsbeispiel liegen die Verbindungselemente bzw. -stellen 42 und 44 aufgrund der Symmetrie des Systems, bei dem die Tiefe der Schlitze A und B gleich ist, und bei dem auch die Blöcke bzw. Summierglieder 12, 14 zumindest im wesentlichen gleich sind, auf Wendepunkten der Biegekraftlinien, d. h. an Stellen, an denen die Biegemomente Null sind. (Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung, beispielsweise bei solchen, bei denen die Schlitztiefen A und B verschieden sind, insbesondere bei solchen, bei denen die Tiefe eines der Schlitze Null ist, liegen die Verbindungsstellen der Balkenglieder nicht an diesen Biegespannungs-Umkehrpunkten.) Unter diesen Umständen

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

668835

werden die durch die Verbindungselemente 42 und 44 gebildeten Übergänge (beim Ausführungsbeispiel) nur schwachen Belastungen ausgesetzt, so dass die Übergänge eine vergleichsweise geringe Qualität haben können und somit billig hergestellt werden können.

Wenn ein Wandler gemäss der Erfindung aus Quarz hergestellt wird, dann hat er eine sehr geringe Hysterese und kriecht bei Belastung nur sehr wenig, so dass eine Präzision inderGrössenordnungvon 10-5 bis 10~6 erhalten wird. Ausserdem ist ein solcher Wandler durch relativ niedrige temperaturabhängige Kapazitätsänderungen gekennzeichnet.

Der Kraftwandler 10 spricht im wesentlichen nur auf die resultierende Kraft längs einer einzigen Achse - der Achse 30 - an und hält für Kräfte in anderen Richtungen ein relativ hohes «Rückweisungsverhältnis» aufrecht. Die Summierglieder 12 und 14können beim Ausführungsbeispiel ohne weiteres aus länglichen, rechteckigen (quaderförmigen) Quarzblöcken hergestellt werden, die so zugeschnitten werden, dass die gewünschten komplementären Oberflächen entstehen. Die beiden Blöcke mit ihren komplementären Oberflächen haben dabei jeweils nur ein Schlitzpaar, welches eingeschnitten ist, um das obere Balkenglied bzw. das untere Balkenglied zu bilden. Die Schlitze zur Bildung der Balkenglieder können auf gegenüberliegenden Seiten des Sensorteils oder auf derselben Seite liegen. Bei den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 3 und 5 hat jeder der beiden Blöcke jeweils drei nach aussen offene Schlitze.

Die Blöcke werden zur Bildung eines Wandlers dadurch vereinigt, dass man die Balkenglieder verbindet, beispielsweise durch Verschmelzen, um so eine robuste monolithische Struktur zu erhalten. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung können für die Summierglieder 12 und Hauch andere Materialien einschliesslich von Metallen verwendet werden, vorausgesetzt, dass mindestens eines der Elemente 34, 36 gegenüber dem anderen isoliert ist. Die Elemente 50 und 52 können aus Metall oder einem anderen Metall bestehen.

In Fig. 7 und 7A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt - entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet - welches durch Sensorelemente 90 und 92 gekennzeichnet ist, die anstatt an den im wesentlichen starren Summiergliedern an den flexiblen Balkengliedern befestigt sind. Bei den in Fig. 7 und 7A gezeigten Relationen zwischen den einzelnen Abmessungen ergibt sich bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel eine mechanische Verstärkung der Auslenkung, die in dem Wandler durch die zu messende Kraft erzeugt wird. Die Sensorelemente umfassen dabei jeweils einen Sensorteil, der durch die Flächen 20 bzw. 22 definiert ist. Wie bei den vorstehend besprochenen Ausführungsbeispielen sind die Flächen 20,22 vorzugsweise eben und parallel zueinander in einem geringen Abstand voneinander vorgesehen; es sind jedoch auch nicht-ebene Formen möglich. Ausserdem trägt jede der Flächen vorzugsweise ein elektrisch leitfähiges Element 34 bzw. 36. Die leitfähigen Bereiche bzw. Elemente können durch Metallbeschichtungen, Folien oder dergleichen gebildet sein, die unmittelbar auf den Flächen 20,22 angebracht sind oder auf Einsätzen, wie dies vorstehend in Verbindung mit Fig. 6 erläutert wurde. Ausserdem können die Sensorelemente, während sie beim Ausführungsbeispiel gerade ausgebildet sind und im wesentlichen mit der Bezugsachse 30 fluchten, eine kompliziertere Form haben oder bezüglich der Bezugsachse geneigt sein. Allgemeiner gesagt, können die Sensorelemente 90,92 sich im wesentlichen in einer Richtung erstrecken, die bezüglich der ersten Bezugsachse einen Winkel zwischen 0 und 90 ° einschliesst. Vorzugsweise überdecken sich die Sensorteile (bzw. -flächen) 20, 22 und die leitfähigen Elemente 34, 36 auf diesen Flächen auf einem beträchtlichen Teil der Länge der Sensorelemente 90, 92, damit sich ein erhöhter Absolutwert der zu messenden Kapazitätsänderungen ergibt. Dies ist insofern wesentlich, damit die durch die Krafteinwirkung hervorgerufenen und zu messenden Kapazitätsänderungen grösser sind als die Kapazitäten in den Zuleitungen oder in der Messschaltung, da diese Kapazitäten andernfalls ein störendes Rauschen bzw. Fehler im gemessenen Endwert bewirken könnten.

Während die Sensorelemente aus einem anderen Material als die flexiblen Elemente hergestellt werden können,

werden sie vorzugsweise aus demselben Material wie z. B ! mit Quarz verbundenem Quarz, aus mit Keramikmaterial verbundenem Keramikmaterial oder als einzelne, einstük-kige Konstruktion eines homogenen Materialstücks hergestellt werden, welches (einschliesslich des Giessens) so hergestellt wird, dass die flexiblen Elemente und die zugehörigen Sensorelemente ausgebildet werden. Bei einer «einstük-kigen» Ausführungsform, wie sie beispielsweise in Fig. 6 gezeigt ist, können alle Elemente des Wandlers 10 aus gegossenem bzw. geformtem Keramikmaterial hergestellt werden. Die Elemente 50 und 52 (das Trägerglied bzw. das Kraft-Aufnahmeglied 52) wirken beim betrachteten Ausführungsbeispiel in derselben Weise wie dies vorstehend beschrieben wurde. Sie können auch angeformt oder auf andere Weise einstückig mit den übrigen Teilen des Wandlers hergestellt sein, um die oben erläuterten Verbindungsprobleme zu umgehen. Bei dem bevorzugten, in Fig. 7 und 7A gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Elemente 52 und 50 einstückig mit den zugehörigen Summiergliedern aus Quarz hergestellt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 7 ist das Längenverhältnis bei dem Wandler 10 ziemlich verschieden von demjenigen bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 bis 6. Insbesondere erstrecken sich die Summierglieder in Richtung der Bezugsachse 30 (die mit der auf den Wandler einwirkenden Kraft fluchtet, Pfeil 60) über eine relativ grosse Strecke, deren Länge die Länge der flexiblen Balkenglieder in Richtung der Mittelachse übersteigt. Diese Geometrie führt in Verbindung mit der Anbringung der Sensoren, welche selbst länglich ausgebildet sind, so dass sie sich auf einer beträchtlichen Länge überlappen, zu dem gewünschten Bewegungs-Verstärkungseffekt. (Zum Erreichen einer Verringerung der Bewegung sollte die Länge der Summierglieder längs der ersten Bezugsachse kleiner sein als die Länge der flexiblen Balkenglieder längs der Mittelachse.) Fig. 7 zeigt den Wandler 10 im unbelasteten, bzw. nicht ausgelenkten Zustand, bei Fehlen einer Kraft 60. In diesem Fall sind die elitfähigen Elemente 34,36 voneinander durch einen Spalt g getrennt.

Fig. 7A zeigt denselben Wandler, wenn er durch die Einwirkung der Kraft 60 verbogen bzw. verformt ist. Wie aus Fig. 7A deutlich wird, führt eine Abwärtsbewegung eines der starren Summierglieder um eine Strecke d bezüglich des anderen Summierglieds zu einer Vergrösserung der Breite des Spalts auf einen Wert g', wobei g' -g grösser als d ist. Die betrachtete Anordnung sorgt somit für eine mechanische Verstärkung der durch die einwirkende Kraft 60 hervorgerufenen Wirkungen. Dies ist besonders dann günstig, wenn die ausgeübte Kraft gross ist und wenn der Wandler insgesamt relativ «steif» sein muss, um die grosse, auf ihn ausgeübte Kraft auszuhalten.

Es sollte ebenfalls beachtet werden, dass die Sensorelemente bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 7 an dem einen Ende zwischen den Balkengliedern 12a, 12b, 14a, 14b montiert sind, die einstückig mit den starren Summiergliedern 12 und 14 ausgebildet sind. Die Sensoren sind an den Verbindungsstellen 42,44 zwischen die Stirnflächen der beiden Glieder geklebt bzw. mit den oben angegebenen Materialien mit diesen verbunden. Auch andere Anord5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

668 835

8

nungen sind möglich. Beispielsweise können die Balkenglieder einstückig mit einer Verbindung an ihrer Innenfläche an dem einen Ende eines Summierglieds ausgebildet sein; die beiden Glieder können aber auch einstückig mit den Sensorelementen ausgebildet werden.

Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 7 und 7A ist es ferner wichtig, dass der ganze Wandler aus vier Bauteilen besteht, wobei zwei identische Summierglieder mit einstückig angeformten Balkengliedern und zwei identische Sensorelemente durch das Verbindungsmaterial miteinander verbunden sind. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 eignet sich eine derartige symmetrische Ausgestaltung für eine Herstellung zu vergleichsweise geringen Kosten. Ausserdem sind die Sensorelemente bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 7 vorzugsweise an oder nahe an Momenten-Nullpunkt der zugehörigen flexiblen Balkenglieder befestigt. Die Verbindungsstellen zwischen den flexiblen Elementen und den Sensorelementen befinden sich also in einer Lage, an denen nur eine minimale bzw. relativ geringe Belastung auftritt. Die Zuverlässigkeits- und Genauigkeitsprobleme, die sich andernfalls an den Verbindungsstellen ergeben könnten, werden somit auf ein Minimum reduziert. Zu diesem Zweck sind die Balkenelemente 12a, 12b, 14a und 14b vorzugsweise im wesentlichen gleich lang.

Fig. 8 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftwandlers 10 gemäss der Erfindung, wobei entsprechende Teile wieder mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Bei dem Wandler gemäss diesem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Sandwich-Konstruktion verwirklicht, welche einerseits hinsichtlich der Leistung zu günstigen Eigenschaften führt und andererseits mit relativ geringen Fertigungskosten verwirklicht werden kann. Diese Ausführungsform wird daher für viele Anwendungen, beispielsweise für Kraftsensoren, die nur sehr geringe Kräfte erfassen müssen, bevorzugt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 8 sind die Summierglieder 12 und 14 wieder im wesentlichen längliche Elemente, die aus einem geeigneten dielektrischen Material, wie z. B. Quarz, hergestellt sind. Jedes der Elemente erstreckt sich dabei längs der gemeinsamen Mittelachse 16. Die Summierglieder 12 und 14 haben vorzugsweise einen rechtek-kigen Querschnitt. Wie bei den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 2 bis 6 sind die Sensorteile an einander gegenüberliegenden komplementären Flächen 20,22 vorgesehen, die an den aneinander angrenzenden Enden (Sensorteilen) der Summierglieder 12 und 14.ausgebildet sind. Die Flächen 20 und 22 haben in Richtung der Bezugsachse 30 einen Abstand voneinander. Die Flächen 20,22 sind ferner vorzugsweise eben und tragen jeweils ein leitfähiges Element 34, 36, so dass sie einen Kondensator mit variabler Kapazität bilden. Die äussersten Enden 12" und 14" der Summierglieder bilden die Teile zur Montage des Kraft-Aufnahme-gliedes 52 und des Trägergliedes 50 (letzteres ist einfach als Teil einer starren Trägerkonstruktion dargestellt, welches für die erforderliche Abstützung und die erforderlichen Freiräume sorgt). Die Elemente 50 und 52 sind an gegenüberliegenden Seiten der Summierglieder befestigt und liegen im wesentlichen in einer Ebene, die durch die Mittelachse und die erste Bezugsachse definiert wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 8 sind die Summierglieder über flexible Balkenelemente 13 verbunden. Jedes Balkenelement ist dabei ein monolithisches bzw. einstückiges Element, welches sich im wesentlichen längs der Mittelachse 16 erstreckt. Ein dünner, flexibler zentralerTeil 13a jedes der Balkenelemente überbrückt dabei die Summierglieder 12 und 14. Jedes Balkenelement 13 endet an seinen beiden Enden in einem im wesentlichen starren, einstückigen Endstück 13 b. Dabei ist es wichtig, dass die Endstücke quer zur gemeinsamen Mittelachse 16 und quer zur Bezugsachse 30 einen deutlich grösseren Querschnitt haben als die dünnen, flexiblen Teile 13a in einer quer zur Mittelachse verlaufenden Ebene. Die Querschnittsflächen haben vorzugsweise ein Verhältnis von mindestens 4:1. Dieser Aufbau mit den grossen Flächen bzw. Querschnitten an den Endstücken bewirkt die Verteilung der durch die auf den Wandler ausgeübten Kräfte hervorgerufenen Momente auf grosse Verbindungsflächen. Hierdurch wird an der Verbindungsstelle die Leistung pro Flächeneinheit verringert.

Die grosse Querschnittsfläche der Endstücke in Richtung der Achse 30 ist wichtig für das Befestigen der Bauteile des Wandlers aneinander, in der Weise, dass der Wandler einerseits wirtschaftlich herstellbar ist und andererseits gute Messergebnisse liefert. Insbesondere ist bei dieser «Sandwich»-Ausführung eine Verbindung mittels einer dünnen Schicht eines Zements bzw. eines Verbindungsmaterials 15 hergestellt. Wie oben im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsbeispielen angesprochen, hängt die Art des Verbindungsmaterials von der Art des Materials ab, aus dem die flexiblen Balkenelemente und die Summierglieder hergestellt sind, sowie von dem erforderlichen Grad der Genauigkeit des Wandlers.

Unabhängig von der Wahl des Verbindungsmaterials 15 stellen die Hystereseverluste im Material ein bedeutendes Problem bei der Wandlergestaltung dar. Ein wesentlicher Aspekt für die Ausgestaltung des Wandlers ergibt sich dabei aufgrund der Erkenntnis, dass erstens dann, wenn die Schicht des Verbindungsmaterials 15 dünn ist und zweitens dann, wenn die Fläche der Verbindungsschicht 15 (gemessen in einer Ebene senkrecht zur Achse 30) deutlich grösser ist als die Querschnittsfläche des flexiblen Mittelteils 13a, die Hysteresefehler, die durch die Verbindungsstelle erzeugt werden, in einem Verhältnis von 10 000 :1 gedämpft werden können (vorausgesetzt, dass ein Balkenelement 13 des oben beschriebenen Typs verwendet wird, um das durch die angreifende Kraft erzeugte Moment über eine grosse Fläche zu verteilen). Beispielsweise können die beiden Elemente 13 eine Gesamtlänge von etwa 5 cm, eine Breite in Richtung der zweiten Bezugsachse von etwa 2,5 cm, eine Querschnittsfläche des dünnen Teils 13a von etwa 0,32 cm2 und an der dem Verbindungsmaterial zugewandten Fläche des Endstücks eine Querschnittsfläche von etwa 1,6 cm2 aufweisen, wobei die angegebenen Werte lediglich als Beispiel und nicht als Einschränkung anzusehen sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des betrachteten Ausführungsbeispiels bestehen die Balkenelemente und die Summierglieder aus Quarz, während das Verbindungsmaterial 15 ein Glas mit einem niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten ist (gleich oder ungefähr gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Quarz), welches ausserdem einen niedrigen Schmelzpunkt hat. Konventionelle Epoxydmate-rialien bzw. Kleber, wie sie beispielsweise unter der Handelsbezeichnung «Eastman 910» im Handel sind, sind ebenfalls brauchbar, wobei jedoch die Hystereseverluste etwas grösser sind. Dasselbe Verbindungsmaterial kann auch verwendet werden, um das Kraft-Aufnahmeglied 52 und das Trägerglied 50 an den abstehenden Endstücken 12" und 14" der Summierglieder zu befestigen.

Die wirtschaftliche Produktion der betrachteten Ausführungsform wird aufgrund der einfachen Fertigungsschritte möglich, die für die Herstellung der Einzelteile erforderlich sind sowie durch die Verwendung identischer Teile für die beiden Summierglieder und die beiden flexiblen Balkenelemente sowie durch die Möglichkeit, diese Teile unter Verwendung einer geeigneten Spannvorrichtung mit engen Toleranzen einfach zu verkleben oder sie dadurch zu ver5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

binden - dies wird bevorzugt - dass die zusammengesetzte Einheit einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterzogen wird, bei der das Glas-Verbindungsmaterial schmilzt und die Quarzteile miteinander verbindet.

Die Erfindung kann auch in anderen speziellen Ausführungsformen verwirklicht werden, ohne dass man dabei vom

9 668 835

Grundgedanken der Erfindung abweichen müsste. Dem Fachmann stehen also, ausgehend von den erläuterten Ausführungsbeispielen, zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Ergänzungen zu Gebote, ohne dass er dabei s den Grundgedanken der Erfindung verlassen müsste

B

2 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

668835

1. Kraftwandler, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

(A) es sind zwei längs einer Mittelachse ( 16) angeordnete, einander gegenüberliegende, starre Kraft-Summierglieder (12, 14) vorgesehen;

(B) es sind zwei Sensorelemente (20,22; 90,92) vorgesehen, welche einander zugewandt sind und einander gegenüberliegende, im Abstand voneinander befindliche Sensorbereiche aufweisen,

(C) es sind ein erstes und ein zweites Balkenelement (12a, 14b; 12b, 14a; 13) vorgesehen, welche sich im wesentlichen längs der Mittelachse ( 16) erstrecken, die Summierglieder (12, 14) miteinander verbinden und bezüglich solcher Achsen, die parallel zu einer senkrecht zu der Mittelachse (16) verlaufenden, zweiten Bezugsachse (24) verlaufen, relativ flexibel und im übrigen im wesentlichen starr sind, wobei jedes der Sensorelemente (20,22 ; 90,92) an seinem einen Ende jeweils mit einem der Balkenelemente (12a, 14b; 12b, 14a; 13) verbunden ist und im wesentlichen unter einem Winkel zwischen 0 ° und 90 ° bezüglich einer ersten Bezugsachse (30) verläuft, welche ihrerseits senkrecht zu der Mittelachse (16) und der zweiten Bezugsachse (24) verläuft, derart, dass die Relativbewegung der Sensorbereiche mit den auf die Summierglieder (12,14) ausgeübten Kräfte verknüpft ist,

und

(D) es ist auf jedem der Sensorbereiche ein elektrisch leitfähiges Element (34,36) vorgesehen, wobei die leitfähigen Elemente (34,36) einander gegenüberliegende, im wesentlichen parallele Oberflächen bilden, derart, dass die den leitfähigen Flächen zugeordnete Kapazität mit den auf die Summierglieder (12, 14) ausgeübten Kräften verknüpft ist.

2. Kraftwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Balkenelemente (12a, 14b; 12b, 14a, 13) in Abhängigkeit von einer Kraft, welche eines der Summierglieder (12, 14) gegenüber dem jeweils anderen Summierglied (12, 14) auslenkt, eine im wesentlichen S-förmige Verformung erfahren, welche eine entsprechende Änderung des Abstands der von den Sensorelementen getragenen leitfähigen Elemente (34,36) bewirkt.

2

PATENTANSPRÜCHE

3

668835

(D) das erste Balkenelement (12a, 14b), das zweite Balkene-lement(12b, 14b) und die Summierglieder (12, 14)sindals integrierte, homogene, einstückige Parallelogramm-Struktur ausgebildet, welche sich in Abhängigkeit von einer im wesentlichen in Richtung der ersten Bezugsachse (30) ausgeübten Kraft (60) elastisch biegt, wobei mindestens eine der Verbindungsstellen zwischen dem ersten Balkenelement (12ar 14b), dem zweiten Balkenelement (12b, 14a)undden Summiergliedern derart ausgebildet ist, dass sie Momenten widersteht, so dass mindestens eines der Verbindungselemente von aussen ausgeübten Kräften widerstehen kann und so dass die Relativbewegung zwischen den Sensorbereichen mit den auf die Summierglieder (12,14) einwirkenden Kräften verknüpft ist und

( E) auf jedem der Sensorbereiche ist ein elektrisch leitfähiges Element (34,36) vorgesehen, wobei die leitfähigen Elemente (34,36) einander gegenüberliegende, im wesentlichen parallele Oberflächen bilden, die in Richtung der ersten Bezugsachse (30) einen Abstand voneinander haben, so dass die den leitfähigen Elementen (34, 36) zugeordnete Kapazität mit den auf die Summierglieder (12, 14) ausgeübten Kräften verknüpft ist.

3. Kraftwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summierglieder (12, 14) sich in Richtung der ersten Bezugsachse (30) über eine erste Strecke erstrecken, welche von einer zweiten Strecke verschieden ist, Überdiesich die Balkenelemente (12a, 14b; 12b, 14a, 13)im wesentlichen längs der Mittelachse (16) erstrecken, so dass eine Auslenkung (d) eines der Summierglieder (12, 14) gegenüber dem jeweils anderen Summierglied (12, 14) in Abhängigkeit von den auf die Summierglieder (12,14) ausgeübten Kräften zu einer Änderung (g' -g) des gegenseitigen Abstands zwischen den von den Sensorbereichen der Sensorelemente getragenen leitfähigen Elementen (34,36) führt, welche grösser ist als die Auslenkung (d), wenn die erste Strecke grösser als die zweite Strecke ist und welche kleiner ist als die Auslenkung (d), wenn die erste Strecke kleiner als die zweite Strecke ist.

4. Kraftwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Balkenelement (12a, 14b; 12b, 14a) jeweils im wesentlichen dieselbe Länge haben und jeweils aus zwei Balkengliedern (12a, 12b, 14a, 14b) zusammengesetzt sind, welche einstückig mit jeweils einem der Summierglieder (12, 14) ausgebildet sind, und dass die Balkenglieder (12a, 12b, 14a, 14b) an ihren freien Enden an Verbindungsstellen bzw. durch Verbindungsmittel (42,44) miteinander verbunden sind, um das erste und das zweite Balkenelement (12a, 14b; 12b, 14a) zu bilden.

5

5. Kraftwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Balkenglieder (12a, 12b, 14a, 14b),

gemessen in Richtung der Mittelachse ( 16), im wesentlichen dieselbe Länge haben und dass die Verbindungsstelle bzw. -mittel (42,44) im Bereich des Wendepunktes der Biegekurve des ersten und des zweiten Balkenelements (12a, 14b; 12b, 14a) angeordnet sind.

6. Kraftwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Sensorelemente (90,92) zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnflächen eines Paares von Balkengliedern (12a, 14b; 12b, 14a) auf einem beträchtlichen Teil seiner Länge angeordnet ist.

7. Kraftwandler nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (20,22; 90,92) jeweils im wesentlichen gerade ausgebildet sind und dass die einander gegenüberliegenden Sensorbereiche sich längs der Sensorelemente (20,22; 90,92) über einen beträchtlichen Teil der Länge derselben erstrecken, so dass sich ein vergleichsweise grosser Absolutwert der Kapazität ergibt.

8. Kraftwandler nach Anspruch 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein starres Kraftaufnahmeelement (52) vorgesehen ist, welches mit dem einen Summierglied (12) verbunden ist, dass ein starres Trägerelement (50) vorgesehen ist, welches mit dem anderen Summierglied (14) verbunden ist, dass diese starren Elemente (50, 52) jeweils Teile aufweisen, welche bis zu einem Punkt reichen, welcher im wesentlichen mit der Mitte des ersten bzw. des zweiten Balkenelementes fluchtet und sich im Abstand von diesem befindet, derart, dass eine auf den Kraftwandler ausgeübte Kraft (60) und die zugehörige Reaktionskraft (62) keine ins Gewicht fallende Dehnung oder Stauchung des ersten und des zweiten Balkenelementes (12a, 14b; 12b, 14a; 13) bewirken.

9. Kraftwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftaufnahmeelement (52) und das Trägerelement (50) jeweils einstückig mit einem zugehörigen Summierglied (12, 14) ausgebildet sind.

10

10. Kraftwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Summierglied (12) mit dem einstückig angeformten Kraftaufnahmeelement (52) und seinen zugehörigen Balkengliedern (12a, 12b) identisch ausgebildet ist wie das andere Summierglied (14) mit dem daran einstückig angeformten Trägerelement (50) und seinen zugehörigen Balkengliedern (14a, 14b).

11. Kraftwandler, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

(A) es sind zwei einander gegenüberliegende starre Kraft-Summierglieder (12, 14) aus einem dielektrischen Material vorgesehen, von denen jedes ein Sensorelement aufweist, welches sich in Richtung einer Mittelachse ( 16) und auf das andere Summierglied zu erstreckt, wobei die Sensorelemente einander gegenüberliegende Sensorbereiche aufweisen, die gegeneinander in Richtung einer ersten Bezugsachse (30) versetzt sind, welche senkrecht zu der Mittelachse (16) verläuft;

(B) es ist ein erstes Balkenelement (12a, 14b) aus dielektrischem Material vorgesehen, welches sich zwischen den Summiergliedern (12, 14) erstreckt und diese einstückig miteinander verbindet, wobei das erste Balkenelement (12a, 14b) längs seiner Längsachse bezüglich solcher Achsen, die parallel zu einer senkrecht zu der Mittelachse (16) verlaufenden zweiten Bezugsachse (24) verlaufen, relativ flexibel und im übrigen im wesentlichen starr ist;

(C) es ist ein zweites Balkenelement (12b, 14a) aus dielektrischem Material vorgesehen, welches sich zwischen den Summiergliedern (12, 14) erstreckt und diese einstückig miteinander verbindet, wobei das zweite Balkenelement (12b, 14a) in seiner Längsrichtung bezüglich solcher Achsen, die parallel zu einer senkrecht zu der Mittelachse (16) verlaufenden zweiten Bezugsachse (24) verlaufen, relativ flexibel und im übrigen im wesentlichen starr ist;

12. Kraftwandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material Quarz ist.

13. Kraftwandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material ein Keramikmaterial ist.

14. Kraftwandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein starres Trägerelement (50) vorgesehen ist, welches einstückig mit einem Ende eines der Summierglieder (14) ausgebildet ist und dass ein starres Kraft-Aufnahmeele-ment (52) vorgesehen ist, welches einstückig mit dem gegenüberliegenden Ende des anderen Summierglieds (12) ausgebildet ist, wobei das Trägerelement (50) und das Kraft-Aufnahmeelement (52) auf gegenüberliegenden Seiten der Sensorbereiche angeordnet sind und wobei die beiden Summierglieder (12, 14), das Trägerelement (50) und das Kraftaufnähmeelement (52) einstückig aus einem einzigen homogenen Stück eines dielektrischen Materials hergestellt sind.

15. Kraftwandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Einsätze (34a) vorgesehen sind, von denen jeder jeweils eines der elektrisch leitfähigen Elemente (34a' ) trägt und dass die Einsätze (34a) an dem zugehörigen Sensorbereich jeweils mit einem Verbindungsmaterial befestigt sind.

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

16. Kraftwandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsätze (34a) aus demselben dielektrischen Material wie die Sensorbereiche hergestellt sind.