CN104395720A - 测量力的测量元件、测量体和测量装置以及这种测量体的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由对称型32的压电晶体制成的测量元件，用于测量垂直作用于x-y平面上的力Fz，其中，力Fz导致在测量元件的接受力的表面(5，5′)上发生电荷集聚。在实际应用中需要进行测量，在测量时，正交于力Fz的横向力Fxy在测量体(2)上是可预期的，横向力在测量元件上产生误差信号。根据本发明，测量元件由至少四个、优选八个相同类型的测量元件区段(7)构成，所述测量元件区段具有直的侧面(8，8′)，其中，所述区段(7)在所述x-y平面中相互接近地并排设置，并在所述侧面(8，8′)上通过狭窄的间隙(9)彼此间隔开，其中，所述区段一起构成圆盘或有孔圆盘(10)的形状，以减少由横向力Fxy在测量元件上引起的干扰信号。此外，晶体方向(11)在所有区段(7)的x-y平面中沿相同的方向或彼此正交地取向。

Description

测量力的测量元件、测量体和测量装置以及这种测量体的应用

技术领域

本发明涉及一种由对称型为32的晶体、特别是石英制成并在x-y平面内设计为平的压电测量元件，该压电测量元件用于安装在测量体中以测量垂直于x-y平面作用的力Fz。这样的力Fz导致在测量元件的接受力的表面上发生电荷集聚(Ladungsansammlung)，该表面配有电极。在此，本发明仅涉及这样一种测量元件，在测量时可以预期有正交于力Fz的横向力Fxy作用在测量体上，该横向力Fxy在测量元件上产生误差信号。

背景技术

压力传感器或力传感器被应用于各种用途。这种传感器经常会同时面临各种不同的力，尤其是来自所有三个笛卡尔方向x、y、z的力、剪力和力矩。例如，在制造过程中，特别是在铣削、刨削等过程中需要测量切削力，在这些过程中，在耗费力的情况下会沿x-y方向执行平移运动。根据应用情况应测量多个这样的力。在此，特别感兴趣的通常是沿z、x和y方向的力以及沿z方向的力矩Mz，在此，待加工的工件表面沿x-y方向延伸，并且其表面法线沿z方向延伸。

在这种测量中，在任何情况下都必须独立于其他的力或力矩来检测各个分力。为此目的，传感器包括具有多个单独的测量元件的测量体，这些测量元件分别检测分量。测量元件通常构造为圆盘或有孔圆盘，并由压电材料构成。一定数量的正电荷和负电荷相对于沿某一方向的作用力成比例地发送到测量元件的两个相对置的表面上。测量元件的各表面上的电极收集这些电荷，并最后通过专门的绝缘导线将这些电荷输送到电荷变换器或放大器。测量元件必须在预张紧的情况下安装在传感器或测量体中，由此也可以测量负力(negative)并由此确保始终与电极相接触。

为了能够同时测量多个分力或力矩，可以使用不同类型的压电板或压阻板。因此已知的是：在多分量传感器中不同的板彼此堆叠，在此，每个板只能检测一个分力或一个分力矩，并且对与其他所有的力或力矩的影响是相对不敏感的。这些板通常是圆盘形的或有孔圆盘形的。有孔圆盘形的板的优点是可以在中心安装装配螺栓。

但是已经证实：特别是在由对称型32的晶体制成并能够测量垂直于板表面的力Fz的压电测量元件中，当出现相对于Fz正交地产生影响并由分量Fx和Fy组成的横向力Fxy时，将会发生串扰。由于有一定数量的电荷被发送到与电极处于电接触下的表面上，因此这些Fz测量元件在出现这种横向力Fxy时会产生干扰信号。

由于干扰信号叠加在基于力Fz而单独形成的信号上，因此这样形成的干扰信号会使所得到的测量信号出现误差。这种干扰信号绝对能够达到不应被测量元件检测到的分量Fxy的额定值的5％至10％。由此将形成系统性的测量误差。特别是当横向力Fxy比法向力(Normalkraft)Fz大许多倍时，例如在铣削、刨削的情况下，在测量Fz时，由串扰所形成的干扰信号相比于由Fz引起并应该由测量元件测量其值的信号而言可能会非常大。

由横向力Fxy在Fz方向上产生的干扰信号只在上述由对称型32的压电晶体切割制成的测量元件中出现。晶体板最后通过对晶体的切割形成，该切割垂直于结晶学的X轴线进行。由此将形成具有纵向效应的晶体板，其能够特别良好地用于力的测量，因此它们被优选使用在上述应用中。遗憾的是，在这种测量元件中会出现上述的串扰，并在上述应用中产生与该串扰相关的干扰信号。

对于其他具有另外的结晶学方向的测量元件，当在测量元件上出现正交于力Fz的横向力Fxy时会显示出另外的特性，因此不属于本发明的范围。

其他的测量元件例如包括其他的压电材料，并由其他的点群构成，测量元件由非晶体材料制成，例如由压阻材料或压电陶瓷制成。其他的测量元件还包括所有下述类型的测量元件：这些测量元件为了另外的应用而被切割为用于确定垂直于板的方向发生的力，例如用以确定加速度或力矩或剪力。这些其他的测量元件都不属于本发明的范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种前述类型的测量元件，其降低了位于测量元件上的横向力Fxy的串扰，而没有因此明显损失负荷能力。相应地提出一种测量体、一种测量装置和对这种测量体的应用，其中各自明显降低了串扰。此外还阐明了如何以较小的费用低成本地制造这种测量元件。

本发明的目的通过独立权利要求的特征来实现。

本发明的基本思想在于，根据本发明的测量元件由至少四个、优选八个相同类型的测量元件区段构成，这些测量元件区段具有直的侧面，在此，这些区段彼此靠近地并排设置在x-y平面上，并通过在侧面上的狭窄间隙彼此间隔开，在此，它们一起构成圆盘或有孔圆盘的形状。此外根据本发明，例如分别平行于晶体的结晶学的Y轴线延伸的晶体方向应该在所有区段的x-y平面中沿相同的方向或彼此正交地取向。

在此，概念“相同类型的”应理解为提供相同的测量元件区段，且相应地由相同的材料制成，并且特别是具有相同的形状、尺寸和对垂直于x-y平面的力作用具有相同的敏感性。通过根据本发明的装置，可以减少在测量元件上由横向力Fxy所引起的干扰信号。

附图说明

下面参照附图详细说明本发明。其中：

图1示意性示出了根据现有技术的测量元件的俯视图；

图2示意性示出了根据本发明的具有四个区段的测量元件的俯视图；

图3示意性示出了根据本发明的具有八个区段的测量元件的俯视图；

图4示出了根据本发明的测量体的示意图；

图5示出了根据本发明的被并排设置的测量元件对的示意图；

图6示出了根据本发明的测量装置的示意图；

图7示出了作为Fz检测到的由横向力Fxy引起的干扰信号的振幅，其与Fxy的作用方向α与晶体方向(Kristallausrichtung)的一致性有关，其中，

a)对应于如图1的完整的石英圆盘；

b)对应于如图2所示的具有4个区段的测量元件；

c)对应于如图3所示的具有8个区段并具有交错的晶体方向的测量元件。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行详细说明。相同的附图标记分别表示相同的构件/实际情况。

图1示出了根据现有技术的一件式测量元件4，例如圆盘10形式的压电测量元件4，在此为具有中央留空3的有孔圆盘10的形式。测量元件4通过其不可视的下表面5完全平面地位于电极6上。未示出的第二电极6′位于测量元件圆盘4的上表面5′上。圆盘10沿方向x、y延伸，为此将法线标示为z。测量元件4的晶体方向11可以在x-y平面的内部沿任意方向取向。晶体方向11关系到对晶体的切割，并表示例如晶体结构的方向Y或Z。在图1中，晶体方向沿着y方向取向并以线条示出。将测量元件4设计为，沿z方向作用于圆盘10上的力Fz产生相应的测量信号，该测量信号可由位于相应的未示出的导线上的两个电极6、6′接收。

已经证实：相对于力Fz垂直延伸的横向力Fxy会不必要地产生一定数量的电荷量子(Ladungsquanten)，这些电荷量子集聚在电极6、6′上并导致误差信号(Fehlsingal)。该误差信号在正弦形式中关于晶体结构11的取向和x-y平面中的方向α的一致性而改变其振幅，其中，横向力Fxy从方向α引入。图7a示出了与入射角(Einfallswinkel)和晶体方向11的一致性相关的干扰信号Fxy的振幅。如果晶体结构11例如沿y方向延伸，横向力Fxy沿x方向延伸，则误差信号最大。当晶体方向11和横向力作用Fxy彼此平行取向时，误差信号相应地为零。

图2示出根据本发明的测量元件4的设计方案，该测量元件同样位于电极6上和未示出的电极6′之下，未示出的电极位于测量元件4的可见表面5′上。如同图1所示的测量元件一样，该测量元件4也是由对称型32的晶体、特别是石英制成的压电测量元件。其在x-y平面中被设计为平的，以便安装到测量体中，用以测量垂直作用于x-y平面上的力Fz。

与图1中的测量元件不同，该测量元件4被分割成四个相同类型的测量元件区段7。这些测量元件区段例如可以这样构成：通过经过中心彼此正交切割的方式，将根据图1的有孔圆盘锯开两次。以小线条示出的圆盘10或其区段7的晶体结构11的取向在此也全部指向相同的方向。它们同样全部沿y方向彼此平行地延伸。

测量元件区段7位于x-y平面中并具有直的侧面8、8′，测量元件区段被设置为在侧面上通过狭窄的间隙9间隔开地靠近相邻的区段7。间隙9的宽度例如可以与锯开圆盘10时所使用的锯片的宽度相符。区段7在其设置于电极6、6′之间时与间隙9一起构成带有或没有中间留空3的圆盘或有孔圆盘10的形状。

在应用中，力Fz垂直作用于测量元件4或区段7的电极6、6′上。压电测量元件4在表面5、5′上产生正或负的电荷量子，并将电荷量子继续输送到与表面5、5′电接触的电极6、6′上，该电极用于集聚电荷。最后为了进行分析，电极将电荷转移到与电极电接触的未示出的导线上。

已经证实：替代如图1所示的一件式，当测量元件4如图2所示地分成四个区段7时，最大干扰信号的振幅大约减半。图7b示出了由根据图2的具有四个区段7的测量元件中的干扰力Fxy所引起的相应干扰信号的振幅。

当然，为了使测量元件的负荷能力不明显地降低，在分段时应该注意不要使测量元件圆盘10的总面积减少得太多。通常，区段7之间的间隙9不应超过圆盘或有孔圆盘10的总面积的20％，优选不超过10％。区段7在其作为理论上的圆盘10的设置中不允许发生接触，否则将再次出现误差。相应地，区段7覆盖有孔圆盘面积10的至少80％，优选至少90％。

图3示出了如图2所示的根据本发明的测量元件，但该测量元件被分割成八个区段7。图2中的所有区段7的晶体方向11在x-y平面中都沿相同的方向取向，即沿y方向彼此平行，而在图3中根据本发明，相邻的区段7的晶体方向11沿x-y平面的交错的方向彼此正交地取向。

横向力Fxy导致区段7上的误差信号，该误差信号又部分地被另一区段7抵消。在如图3所示的设置中，区段7同样可以通过锯开完整的、一件式的圆盘10形成，然后例如取出每第二个区段7，转动90度并沿转动方向再次放置到再下一个位置。

如图所示，电极6、6′可以构造为连续的圆盘或有孔圆盘。在此，它们在区段7的两侧连续地覆盖至少圆盘或有孔圆盘10的表面。

图7c)示出了通过干扰力Fxy在如图3所示的具有八个区段7的测量元件中引起的干扰信号的振幅，其与干扰力Fxy的入射方向有关，在此，区段7具有不同的晶体方向。干扰信号的振幅在此大约是如图1所示的原始干扰信号的八分之一。

但在此始终需要注意的是：测量元件4的所有区段7是相同类型的。相同类型意味着它们由一样的材料制成，并对关于Z方向的力作用具有相同的敏感性。它们的形状和尺寸也是一样的。根据各区段在锯开圆盘之前的原始位置，它们的不同之处仅在于其与在测量元件4中的设置相关的晶体方向11。晶体方向11例如可以平行于侧面8或8′取向，或者相对于侧面8或8′横向取向。

如图4所示，根据本发明的测量元件4在预紧力的作用下被安装到测量体2中。

为此，优选分别使用两个根据本发明的测量元件4、4.1，这两个测量元件通过它们的接受力的表面5、5.1′彼此重叠地设置。为此，它们的偏振方向(Polarisationsrichtungen)通常相反地取向。因此，测量元件4、4.1具有设置在它们之间的、共有的电极6，该电极与测量信号导线13电连接。该测量信号导线将分力Fz的信号传导至放大器、变换器和/或分析装置。

测量体2特别是可以包括其他的测量元件12，该测量元件可以确定其他的分力和/或分力矩。在图4中，特别是设有用于确定沿x方向的力Fx和沿y方向的力Fy的测量元件对，以及用于确定沿z方向的力矩的测量元件对Mz。在预紧力的作用下配置测量体2，为清楚起见，这在图中未示出。所有的测量元件4、4.1、12均被设计为圆盘或有孔圆盘10，它们具有相同的外径并在需要时具有相同的内径。通过沿z方向的预紧力，它们利用其表面5.1、5.1′、5、5′固定地贴靠在与其毗邻的电极6、6′上。这种状况为清楚起见也在图4中未示出。测量体2中的电极6′全部彼此电连接以及与地电连接。

在此需要注意的是：只有设置用于测量沿z方向的分力的测量元件4、4.1被分割成多个区段7，而对用于测量力Fx、Fy或力矩Mz的其他测量元件12并不分割。在所述其他的部件中，测量信号的串扰出现得并不强烈，以至于不必对由此产生的误差进行校正。

在将两个测量元件4、4.1设置为塔形(Turm)时，根据本发明应当注意的是：每两个在电极6上相对置的区段7、7.1关于其晶体结构11彼此正交地取向，如图5所示。两个测量元件4、4.1是相同的，它们只是彼此转动90°地设置。已经证实：由串扰导致的测量误差在这种方式下是最小的，因为可以由此使各个误差最有效地抵消。

根据本发明，测量电极6也可由多个彼此电分离的子电极(Teilelektroden)6a、6b、6c和6d构成，如图6所示。这些子电极分别只精确地覆盖一个测量元件区段7.1(不可见)的一个接受力的表面5.1(不可见)，在此，所有的子电极6a、6b、6c、6d被彼此电分离地进一步引导，以实现进一步的处理。特别是这些信号分别在测量信号放大器15中放大成各个力Fzi，在此，i代表1、2、3和4，并随后才组合在一起，以最终获得信号Fz。

附图标记列表

1测量装置

2测量体

3中央的圆形留空

4，4.1测量元件，圆盘

5，5′；5.1；5.1′测量元件的接受力的表面

6，6′；6.1；6.2；6.3；6.4电极

7，7.1测量元件区段

8，8′区段的侧面

9间隙，中间空间

10圆盘或有孔圆盘

11晶体方向

12用于检测力Fx、Fy或力矩Mz的其他的测量元件

13导线，测量导线

14，14′测量体的导入力的表面

15测量信号放大器

X横向于力导入方向Fz的坐标

y横向于力导入方向Fz的坐标

z平行于力导入方向Fz的坐标

X压电晶体的结晶学的X轴线

Fxy位于x-y平面中并导致干扰力的力F

Fz应该测量的沿方向z的力F。

Claims (16)

1.一种测量元件，由对称型32的压电晶体制成，特别是由石英制成，所述测量元件在x-y平面中被设计为平的，以安装在测量体(2)中用于测量垂直于所述x-y平面作用的力Fz，其中，力Fz导致在所述测量元件的接受力的表面(5，5′)上发生电荷集聚，所述表面配置有电极(6，6′)，其中，在测量时，在所述测量体(2)上正交于所述力Fz的横向力Fxy是可预期的，所述横向力在所述测量元件上产生误差信号，其特征在于，所述测量元件由至少四个、优选为八个相同类型的测量元件区段(7)构成，所述测量元件区段具有直的侧面(8，8′)，其中，所述区段(7)在所述x-y平面中相互接近地并排设置，并在所述侧面(8，8′)处通过狭窄的间隙(9)彼此间隔开，其中，所述区段一起构成圆盘或有孔圆盘(10)的形状，以减少由横向力Fxy在所述测量元件上引起的干扰信号，其中，晶体方向(11)在所有区段(7)的x-y平面中沿相同的方向或彼此正交地取向。

2.根据权利要求1所述的测量元件，其特征在于，所述区段(7)覆盖所述圆盘或有孔圆盘(10)的面积的至少80％，优选为至少90％。

3.根据权利要求1或2所述的测量元件，其特征在于，所述相同类型的测量元件区段(7)关于其材料质地、形状、尺寸和敏感性是彼此相同的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的测量元件，其特征在于，所有并排设置的测量元件区段(7)的偏振方向沿相同的方向取向。

5.根据前述权利要求中任一项所述的测量元件，其特征在于，相邻的区段(7)的晶体方向(11)在x-y平面中以交错的方向彼此正交地取向。

6.根据前述权利要求中任一项所述的测量元件，其特征在于，所有测量元件区段(7)被彼此并联地电连接，以累计所有测量元件区段(7)的子信号。

7.根据前述权利要求中任一项所述的测量元件，其特征在于，在所述区段(7)两侧的两个电极(6，6′)至少连续地覆盖所述圆盘或有孔圆盘(10)的表面。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的测量元件，其特征在于，所述测量元件(7)的一个或两个电极(6，6′)由多个彼此电分离的子电极(6a，6b，…)构成，所述子电极分别只精确地覆盖一个测量元件区段(7)的一个接受力的表面(5，5′)，其中，所有的子电极(6a，6b，…)被彼此电分离地进一步引导，以实现进一步的处理，并随后将局部力信号累计成Fz。

9.一种测量体，包括根据前述权利要求中任一项所述的两个测量元件(4，4.1)，其特征在于，所述测量元件通过其接受力的表面(5′，5.1′)彼此重叠地设置，并具有设置在所述测量元件之间的共有的电极(6)。

10.根据权利要求9所述的测量体，其特征在于，不同的测量元件(4，4.1)的相邻的区段(7，7.1)的晶体方向(11，11.1)彼此正交地取向。

11.根据权利要求9或10中任一项所述的测量体，包括其他的测量元件(12)，用于检测力Fx和/或Fy和/或力矩Mz。

12.根据权利要求11所述的测量体，其特征在于，用于Fx、Fy或Mz的所有其他的测量元件(12)是构成为一件式的圆盘或有孔圆盘(10)。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的测量体，其特征在于，所述测量体(2)的导入力的表面(14，14′)平行于所述测量元件(4)的接受压力或力的表面(5，5′)。

14.一种测量装置，包括根据权利要求11至13中任一项所述的测量体(2)，所述测量体具有如权利要求6所述的分离的子电极，以及所述测量装置包括多个测量信号放大器(15)，其特征在于，被电分离地引导的各个子电极(6a，6a′，6b，6b′，…)连接到自己的测量信号放大器(15)上，以转换测量信号。

15.根据权利要求14所述的测量装置，其特征在于，所有测量信号放大器(15)的输出端彼此电连接，以使它们的输出信号相加。

16.根据前述权利要求9至15中任一项所述的测量体(2)在工具中、特别是在铣削工具或刨削工具中的应用，用于确定正交于加工方向出现的力。