CN107548451B - 接触力测试装置，这种接触力测试装置的应用以及用于制造这种接触力测试装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种接触力测试装置(10)，其具有测量探测器，该测量探测器可以与电接触元件(1，2)接触并测量与电接触元件(1，2)接触的接触力(F)，并且其中，测量探测器(100)具有压电材料(102，103)，该压电材料接收接触区域(3)中的接触力(F)并产生极化电荷。测量探测器(100)具有接纳电极(104)，该接纳电极在接触区域(3)中在测量探测器(100)的厚度伸展方向上完全被压电材料(102，103)包围并接纳极化电荷。本发明还涉及这种接触力测试装置(10)的应用和用于制造这种接触力测试装置(10)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有测量探测器的接触力测试装置，一种这种接触力测试装置的应用以及一种用于制造这种接触力测试装置的方法。
背景技术
压电材料被广泛用于接收压力、力和加速度。正如在由Springer出版社出版的G.Gautschi的书“压电式传感器”中所述，将诸如石英(SiO2单晶)、钙-亚镓-锗酸盐(Ca3Ga2Ge4O14或CGG)、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14或LGS)、电气石、正磷酸镓等压电晶体切割成板状或杆状的元件，使这些元件承受机械应力。压电接收器因此形成一电容器，在该电容器中，压电材料被设置在两个接纳电极之间。在此，在直接的压电效应下产生与机械应力的大小成比例的电极化电荷。如果是在其表面法线平行于起作用的机械法向应力的压电材料表面上产生电极化电荷，则存在纵向压电效应。如果是在其表面法线垂直于起作用的机械法向应力的压电材料表面上产生电极化电荷，则存在横向压电效应。通过接纳电极，电极化电荷作为输出信号被接纳。接纳电极之间的电绝缘电阻为10ΤΩ。
除了压电晶体之外，也可以如专利文献DE2831938A1中所公开的那样，作为压电材料使用压电陶瓷，例如钛酸钡(BaTiO3)、由钛酸铅(PbTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)组成的混合物(PZT)等，以及使用压电聚合物，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)等。
电插拔连接装置具有例如接触插头、接触销等凸形接触元件并具有例如接触联接器、接触插座等凹形接触元件。凸形接触元件和凹形接触元件可以例如通过力配合可逆地相互接触。因此已知具有接触插座的片式接触，该接触插座沿纵向方向具有多个通过裂口被间隔开的片，这些片在外侧通过弹簧力将插入的接触销保持在接触重叠的区域中。这样的接触往往必须满足标准接触力。因此，在生产电插拔连接装置的过程中，在质量控制的范畴内需要检查：接触力是否满足预先限定的额定值。在此还要检查：电插拔连接装置在提高的使用温度140℃或还有160℃下是否彼此可靠地接触。
压电聚合物可以被制作为厚度小于100μm的薄层，这点利用压电晶体不能做到。压电晶体的最小厚度是100μm。因此，对于非常扁平制造的接收器而言注定要使用压电聚合物。PVDF也具有比SiO2单晶体高约10倍的压电灵敏度。另一方面，PVDF的弹性模量比SiO2单晶体的弹性模量小约40倍，这点造成相对小的刚度，由此，PVDF仅能受限地被机械负载，这点又将使得输出信号质量相对差，该输出信号具有高滞后性并偏离线性度。PVDF还具有压电特性的高温相关性，由此其使用范围被限制在温度低于80℃，而压电晶体、例如LGS即使在600℃的温度下仍然可以使用。
由专利文献DE4003552A1已知一种接触力测试装置，其具有用于测量电插拔连接时的接触力的测量探测器。该测量探测器具有一压电接收器，该压电接收器由一压电聚合物层制成，该压电聚合物层沿其长形伸展方向被中间地设置在两个带有接纳电极的层之间。压电接收器是电绝缘的。为此，在各层的接纳电极的上方和下方分别设置有一层电绝缘材料，并在其上面和下面又分别设置一盖板。待测试的接触插座可以经由盖板与测量探测器进行接触，测量探测器为此沉入到接触插座中。测量探测器沉入到接触插座中的长度被称为接触重叠。测量探测器的宽度和厚度为0.7mm，接触重叠的长度为1.0mm。
目前，电插拔连接装置的几何尺寸变得越来越小，与之相应地，接触力测试装置也必须构建得越来越小。本发明的第一个目的是使已知的接触力测试装置进一步小型化并提出一种用于制造这种接触力测试装置的方法。此外，本发明还提出将接触力测试装置应用于对处于提高的使用温度下的电插拔连接装置进行测试。最后，该接触力测试装置应该被尽可能简单地构建、能便宜地制造、坚固且耐用、实现长使用寿命、高可用性和高测量精度。本发明也设立用于这些其他的目的。
发明内容
这些目的中的至少一个目的通过根据本发明的特征来实现。
本发明涉及一种接触力测试装置，其具有测量探测器，该测量探测器能够接触电接触元件并测量与电接触元件接触的接触力，并且其中，测量探测器具有压电材料，该压电材料接收接触区域中的接触力并产生极化电荷。测量探测器具有接纳电极，其在接触区域中沿测量探测器的厚度伸展方向完全被压电材料包围并接纳极化电荷。
因此，相对于根据专利文献DE4003552A1的现有技术，本发明的优点是：使用压电材料的固有绝缘特性，以使测量探测器电绝缘。因此，在沿测量探测器的厚度伸展方向的接触区域中，不需要其他的电绝缘材料，这样减小了测量探测器的厚度并简化了其结构。诸如陶瓷、Al2O3陶瓷等这样的电绝缘材料在加工中是耗费且由此昂贵的，这点使得接触力测试装置的制造被简化且做的很便宜。这些其他的电绝缘材料的绝缘值也在使用周期期间和在高使用温度下会降低，这点限制了在温度提高情况下的使用以及限制了接触力测试装置的使用寿命和可用性。
本发明还涉及一种这种接触力测试装置的应用以及一种用于制造这种接触力测试装置的方法。
附图说明
下面参照附图对本发明做示例性的详细说明。其中：
图1示意性在视图中示出了一种电插拔连接装置，其在接触区域中以一接触力被可逆地接触；
图2示出了穿过带有测量探测器的接触力测试装置的一种实施方式的截面图；
图3示出了凹形接触元件的一种实施方式的视图，其接触力可通过根据图2的接触力测试装置来测量；
图4示出了穿过根据图2的接触力测试装置的一截段的截面图，其中详细示出了测量探测器；
图5示出了穿过根据图4的接触力测试装置的一截段的截面图，其中详细示出了测量探测器的接触区域；
图6示出了穿过根据图5的接触力测试装置的一截段的截面图，其中详细示出了测量探测器的结构；
图7示出了根据图2的接触力测试装置的立体图；
图8示出了穿过根据图5的接触力测试装置的一截段的横截面图，其中详细示出了测量探测器在接触区域中的结构；
图9示出了穿过根据图4的接触力测试装置的一截段的截面图，其中详细示出了测量探测器的保护帽和保护套；
图10示出了穿过根据图9的测量探测器的一截段的截面图，其中详细示出了测量探测器的处于接触区域中的保护套；和
图11示出了穿过根据图9的测量探测器的一截段的截面图，其中详细示出了测量探测器的处于紧固区域中的保护套。
具体实施方式
图1示意性地在视图中示出了一种电插拔连接装置。该电插拔连接装置具有接触销1形式的凸形接触元件，并且其具有接触插座2形式的凹形接触元件。接触销1能够与接触插座2可逆地接触。为此，接触销1沉入到接触插座2中，使得两个接触元件局部地重叠。接触销1在接触重叠的相应区域中以点划线示出。在以进行限界的虚线示出的接触区域3中发生力配合。接触插座2在接触重叠的该区域中被开槽，例如局部地通过至少一个接触插座裂口22使多个接触插座片21、21′彼此间隔开并由此构成一弹性元件。通过该弹性元件的向外弯曲来产生接触力F。接触插座2可以具有多个、例如六个接触插座片。接触元件由铜、铜合金等金属性材料制成。接触销1的直径在0.35mm至25.4mm的范围内。根据接触元件的大小而定，接触力F处在1N至10N的范围内。基于本发明的认知，例如在4mm弹簧插头(香蕉插头)的情况下，也可以将弹性元件安置在凸形接触元件上。
图2示出了穿过具有测量探测器100的接触力测试装置10的一种实施方式的截面图。测量探测器100能够与图3中所示的接触插座2形式的凹形接触元件相接触。测量探测器100和接触插座2很大程度上关于中心轴线XX′圆形对称地构建。测量探测器100和接触插座2的长形伸展平行于它们的中心轴线XX′延伸。在图2，图4，图7和图9中，测量探测器100的中心轴线XX′被绘制在测量探测器100的中心点。图2、图4、图5、图6和图9沿测量探测器100的厚度伸展方向被切开。测量探测器100的厚度伸展垂直于测量探测器100的长形伸展地延伸。在图4中详细示出了测量探测器100。在图5至图8中详细示出了测量探测器100的接触区域3。在图9至图11中详细示出了测量探测器100的保护套107。基于本发明的认知，本领域技术人员可以对测量探测器进行修改，以使测量探测器与凸形接触元件进行接触。
为了测量凹形接触元件的接触力F，测量探测器100关于中心轴线XX′被倾斜地定位在凹形接触元件的弹性元件的下方。不同于0°或180°的角度被称为倾斜，而0°或180°的角度被称为平行。接触力F作为法向接触力被测量，其垂直于中心轴线XX′并因此平行于测量探测器100的厚度伸展起作用。在图6中，接触力F以力箭头表示。测量探测器100在前部区域中具有保护帽111并在接触区域3中具有压电材料102、103。测量探测器100经由保护帽111沉入到凹形接触元件中。在此，保护帽111滑动经过凹形接触元件的内表面，直至测量探测器100的接触区域3被定位在凹形接触元件的弹性元件下方。为了在该定位过程中使磨损保持得尽可能得小，保护帽111由例如不锈钢、钢合金等耐磨材料制成并具有渐细的尖端部作为沉入辅助。当然，保护帽111本身不允许过于耐磨，从而在测量接触力的过程中不会因为磨擦而损坏凹形接触元件。
测量探测器100在接触区域3中通过压电材料102、103接收接触力F。测量探测器100还具有接纳电极104，其在接触区域3中沿测量探测器100的厚度伸展方向完全被压电材料102、103包围并接纳极化电荷。接触区域3的始端和末端在图4至图6中以虚线示例性示出。保护帽111和接触区域3沿着测量探测器100的长形伸展设置。最后将测量探测器100安置在承载件110上的紧固区域中。通过承载件110，可以使接触力测试装置10被位置固定地、稳定地紧固。承载件110由力学稳定材料制成，例如不锈钢、钢合金等。
压电材料102、103可以由压电晶体制成，例如石英(SiO2单晶)、钙-亚镓-锗酸盐(Ca3Ga2Ge4O14或CGG)、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14或LGS)、电气石、正磷酸镓等。但是，压电材料102、103也可以由压电陶瓷制成，例如钛酸钡(BaTiO3)、由钛酸铅(PbTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)组成的混合物(PZT)等，以及由压电聚合物制成，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)等。测量探测器100具有至少两层压电材料102、103，其厚度小于/等于200μm。当使用由压电晶体制成的压电材料102、103时，这些层被切割为板状或棒状的元件，这些元件具有受限定的晶体取向。如果压电材料102、103由压电晶体制成，那么接触力测试装置10也可以在大于/等于100℃的使用温度下使用，优选可以在140℃至160℃范围内的使用温度下使用，优选可以在小于/等于600℃的使用温度下使用。如果压电材料102、103由压电聚合物制成，那么这些层可以作为薄膜来使用。压电材料可以按照常规的薄层法以受限定的晶体取向来沉积。
压电材料102、103的层在一侧或两侧被金属化。该金属化可以通过用金属膜进行热层压或通过金属沉积来实现。金属可以使用铜、铜合金、金、金合金、铝、铝合金、银、银合金等。
压电材料102、103的层在结晶学上这样地取向：在接触力F的作用下，在一个层侧面上产生电极化电荷作为负表面电荷，而在另一层侧面上产生电极化电荷作为正表面电荷。为了接收负表面电荷，压电材料102、103的层在产生负表面电荷的侧面上设有第一金属化部。为了接收正表面电荷，压电材料102、103的层在产生正表面电荷的侧面上设有第二和第三金属化部。
但是，第一金属化部也用作接合材料。因为为了提高测量探测器100的灵敏度以及为了能够以常规的制造法来进一步处理压电材料102、103，如图6所示，两层压电材料102、103通过它们的第一金属化部材料配合地彼此连接。这种材料配合连接通过扩散焊接(热压键合)、钎焊以及利用能导电粘接材料的粘接等来进行。因此，这种材料配合地彼此连接的第一金属化部构成了金属性材料层形式的接纳电极104。接纳电极104被设置在压电材料102、103的两个相邻的层之间并接收其负表面电荷。接纳电极104要比根据现有技术的接纳电极薄2倍、优选10倍。有利的，第一金属化部的厚度大于/等于压电材料102、103的最大粗糙深度。由此能够确保：第一金属化部的金属在扩散焊接过程中，在100℃到450℃之间的相对低的金属化温度下能够良好地扩散；并且该金属因此在扩散焊接之后很大程度上覆盖压电材料102、103的彼此连接的层的所有表面区域。因为在这样的相对低的温度下，压电材料102、103不扩散或仅略微扩散。因此，接纳电极104在很大程度上能够接收所有的负表面电荷，这又获得了品质上高价值的输出信号，其具有小于/等于3％FSO的低滞后性和小于/等于3％FSO的高线性度，其中，FSO是满量程输出的缩写或者在德语中表示全频信号。由此产生的金属性材料层的厚度小于或等于5μm。
由接纳电极104所接纳的极化电荷通过电导体109、109′导出并可对其进行评价。为了使电导体109、109′与接纳电极104实现简单且可靠的电连接，第一层压电材料102在测量探测器100的长形伸展方向上被构造得要长于第二层压电材料103。根据图4和图5，第一层压电材料102在测量探测器100的厚度伸展方向上要更靠近中心轴线XX′地设置，并被局部地构造得较长。第一层压电材料102在背向中心轴线XX′的一侧上具有第一金属化部。在第一层压电材料102被构造得较长的区域中，第一层压电材料102的第一金属化部暴露在外，并且为了与电导体109、109′电连接是可接近的。这种电连接可以是材料配合的，并且可以通过扩散焊接、用能导电粘接材料的粘接等来进行。但是，这种电连接也可以是力配合的并可以通过弹簧接触等来进行。压电材料102的各一层因此分别与一电导体109、109′电连接。电导体109、109′又与未示出的电荷放大器电连接，该电荷放大器将所接纳的极化电荷转换为与其成正比的电压。
测量探测器100具有沿测量探测器100的长形伸展方向设置的基板101。基板101由力学稳定材料制成，例如不锈钢、钢合金、陶瓷、Al2O3陶瓷等。如图4至图8所示，第一层压电材料102在一侧与基板101材料配合地连接，而第二层压电材料103在一侧与盖板105材料配合地连接。盖板105由例如不锈钢、钢合金、陶瓷、Al2O3陶瓷等尽可能刚性的材料制成。为了材料配合地与压电材料102、103的层连接，可以对基板101和盖板105进行金属化。由盖板105的材料弹性模量和盖板105的几何形状获得刚度。高刚度在机械应力下产生小的体积变化和高的固有频率，这点造成品质上高价值的输出信号，这种输出信号具有小于/等于3％FSO的低滞后性和小于/等于3％FSO的高线性度。
为了接收正表面电荷，第一层压电材料102在产生正表面电荷的一侧上设有第二金属化部。第一层压电材料102与基板101的材料配合连接106通过使第二金属化部与基板101扩散焊接来进行。并且为了接收正表面电荷，第二层压电材料103在产生正表面电荷的一侧上设有第三金属化部。第二层压电材料103与盖板105的材料配合连接108通过使第三金属化部与盖板105扩散焊接来进行。根据本发明的认知，本领域技术人员也可以通过钎焊或通过利用能导电粘接材料的粘接等来实现所述材料配合连接106、108。第二和第三金属化部被用作配对电极，以接纳两层压电材料102、103的正表面电荷。该配对电极通过未示出的电导体与电荷放大器电连接。盖板105的背向中心轴线XX′的外侧面是凸状成型的。该外侧面的曲率半径在很大程度上相应于基板101的从测量探测器100的中心点到盖板105的距离。
如图3所示，在接触插座的这种实施方式中，凹形接触元件2作为弹性元件具有六个接触插座片21、21′，这些接触插座片局部地通过接触插座裂口22彼此间隔开。该凹形接触元件2的接触力F可以通过根据图2的接触力测试装置10来测量。为此，如图7和图8所示，测量探测器100具有六个压电接收器11、11′。每个压电接收器11、11′与基板101机械连接。优选的是，压电接收器11、11′通过第一层压电材料102的第二金属化部与基板101材料配合地连接。每个压电接收器11、11′包括：带有第二金属化部的第一层压电材料102；接纳电极104；以及带有第三金属化部的盖板105。第一层压电材料102在接触区域3中通过面向中心轴线XX′的一侧与基板101连接。接纳电极104在接触区域3中通过面向中心轴线XX′的一侧与第一层压电材料102连接。第二层压电材料103在接触区域3中通过面向中心轴线XX′的一侧与接纳电极104连接。盖板105在接触区域3中通过面向中心轴线XX′的一侧与第二层压电材料103连接。压电接收器11、11′在接触区域3中的宽度和长度相应于接触插座片21、21′的宽度和长度。接触插座片21、21′和压电接收器11、11′关于凹形接触元件2的和测量探测器100的中心轴线XX′彼此转动错开地设置。例如，压电接收器11、11′以转动错开的一角度彼此对称转动错开地设置，该角度由整圈360°的角度值除以压电接收器11、11′的数量来获得，在当前情况下，因此是以60°的转动错开角度。相邻的压电接收器11、11′通过接收器间隙12、12′彼此间隔开。关于中心轴线XX′，在测量探测器100沉入凹形接触元件2中的过程中，刚好一个压电接收器11、11′在接触区域3中力配合地出现在刚好一个接触插座片21、21′下方。根据本发明的认知，本领域技术人员可以使更多或更少的压电接收器11、11′以相互转动错开方式设置。当设有四个压电接收器11、11′时，转动错开的角度为90°，当设有八个压电接收器11、11′时，转动错开的角度为45°。因此，可以单个地或集成地测量接触插座片21、21′的弹力。当单个地测量弹力时，每个压电接收器11、11′测量一接触插座片21、21′的接触力F，当集成地测量弹力时，所有的压电接收器11、11′测量所有的接触插座片21、21′的接触力F。通过这种方式，能够确定各个接触插座片21、21′的接触力F是否满足预先限定的额定值，或者凹形接触元件2的弹性元件的接触力F是否满足预先限定的额定值。
测量探测器100具有膜状的保护套107。当测量探测器100接触电接触元件1、2时，保护套107直接紧贴在电接触元件1、2上。保护套107至少满足下述功能之一：该保护套保护压电接收器11、11′；该保护套保护接收器间隙12、12′；以及该保护套保护测量探测器100的电导体109、109′。保护套107防止有害的环境影响，例如杂质(灰尘，湿气等)。这样的杂质会对测量探测器100的使用寿命和可用性产生不利影响。为此，保护套107通过它的力学伸展来防止这样的杂质侵入到测量探测器100中。但是，保护套107也保护免受电磁辐射形式的电干扰影响和电磁干扰影响，并因此使得测量探测器100以及进而使得接触力测试装置10能够获得电磁相容性。为此，保护套107由导电材料制成并吸收干扰性的电磁辐射并导出所产生的电流。保护套107由于其力学伸展而形成对测量探测器100的电屏蔽。保护套107、保护帽111和承载件110构成对测量探测器100的电屏蔽。
在图5至图11中详细示出了保护套107。保护套107在测量探测器100的前部区域中例如齐平地紧贴在保护帽111上，并且该保护套在测量探测器100的后部区域中与承载件110材料配合地连接。该材料配合连接是通过熔焊、激光焊接、钎焊、利用能导电粘接材料的粘接等来进行的。电导体109、109′与第一层压电材料102的第一金属化部形成电连接。该电连接关于中心轴线XX′由保护套107从外部完全覆盖。保护套107由例如不锈钢、钢合金等材料制成。保护套107在接触区域3中是圆形对称的，并在接触区域3中关于中心轴线XX′从外部完全覆盖压电接收器11、11′和接收器间隙12、12′。盖板105的外侧面曲率半径小于/等于保护套107的内半径。如图10所示，保护套107在接触区域3中是非常薄的，其厚度小于/等于200μm、优选为50μm。为了进行装配，压电接收器11、11′与基板101机械地连接，并且保护套107沿测量探测器100的长形伸展方向被拉动经过与基板101机械连接的压电接收器11、11′。因此，保护套107力配合地位于盖板105的外侧面上，并以限定的预紧力使压电材料102、103的层相对于基板101预紧。根据本发明的认知，保护套107和保护帽111也可以一体化地制造。
附图标记列表
XX′中心轴线
F 接触力
1 接触销
2 接触插座
3 接触区域
10 接触力测试装置
11，11′ 压电接收器
12，12′ 接收器间隙
21，21′ 接触插座片
22 接触插座裂口
100 测量探测器
101 基板
102 第一层压电材料
103 第二层压电材料
104 第一金属化部或接纳电极
105 盖板
106 第二金属化部
107 保护套
108 第三金属化部
109，109′ 电导体
110 承载件
111 保护帽
Claims (16)
1.一种接触力测试装置(10)，其具有测量探测器(100)，所述测量探测器(100)能够与电接触元件(1，2)接触并测量与所述电接触元件(1，2)接触的接触力(F)，其中，所述测量探测器(100)具有压电材料(102，103)，所述压电材料接收接触区域(3)中的所述接触力(F)并产生极化电荷，并且其中，所述测量探测器(100)具有接纳电极(104)，所述接纳电极在所述接触区域(3)中沿所述测量探测器(100)的厚度伸展方向完全被压电材料(102，103)包围并接纳所述极化电荷，
其特征在于，所述测量探测器(100)具有沿该测量探测器(100)的长形伸展的方向设置的基板(101)，所述长形伸展平行于该测量探测器(100)的中心轴线(XX′)延伸；第一层压电材料在接触区域(3)中通过面向中心轴线(XX′)的一侧与所述基板(101)连接；接纳电极(104)在接触区域(3)中通过面向中心轴线(XX′)的一侧与所述第一层压电材料连接；并且第二层压电材料在接触区域(3)中通过面向中心轴线(XX′)的一侧与所述接纳电极(104)连接。
2.根据权利要求1所述的接触力测试装置(10)，其特征在于，所述压电材料(102，103)的层在产生负表面电荷的侧面上设有第一金属化部，由相邻的两层压电材料(102，103)的第一金属化部构成金属性材料层，所述第一金属化部材料配合地彼此连接。
3.根据权利要求2所述的接触力测试装置(10)，其特征在于，第一层压电材料在所述测量探测器(100)的长形伸展方向上被构造得长于第二层压电材料；在所述第一层压电材料被较长构造的区域中，所述第一层压电材料的第一金属化部材料配合地和/或力配合地连接电导体(109，109′)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的接触力测试装置(10)，其特征在于，所述测量探测器(100)的基板(101)与所述第一层压电材料材料配合地连接；和/或所述测量探测器(100)的基板(101)在一侧设有第二金属化部，所述基板(101)通过所述第二金属化部与第一层压电材料材料配合地连接。
5.根据权利要求4所述的接触力测试装置(10)，其特征在于，所述测量探测器(100)的盖板(105)与第二层压电材料材料配合地连接；和/或所述测量探测器(100)的盖板(105)在一侧设有第三金属化部，所述盖板(105)通过所述第三金属化部与第二层压电材料材料配合地连接。
6.根据权利要求5所述的接触力测试装置(10)，其特征在于，所述测量探测器(100)具有多个压电接收器(11，11′)，每个压电接收器(11，11′)包括：带有所述第二金属化部的第一层压电材料；所述接纳电极(104)；以及带有所述第三金属化部的盖板(105)，并且所述压电接收器(11，11′)围绕所述测量探测器(100)的中心轴线(XX′)彼此转动错开地设置。
7.根据权利要求6所述的接触力测试装置(10)，其特征在于，在所述接触区域(3)中与所述接触力测试装置(10)接触的电接触元件的接触力(F)倾斜地相对于所述测量探测器(100)的长形伸展起作用；所述测量探测器(100)能够与所述电接触元件接触，所述电接触元件是具有接触插座片(21，21′)的接触插座；并且所述压电接收器(11，11′)关于所述测量探测器(100)的中心轴线(XX′)位于所述接触插座片(21，21′)下方。
8.根据权利要求7所述的接触力测试装置(10)，其特征在于，在所述测量探测器(100)与所述电接触元件接触之后，所述测量探测器(100)的刚好一个压电接收器(11，11′)位于刚好一个接触插座片(21，21′)下方；并且每个压电接收器(11，11′)测量一接触插座片(21，21′)的接触力(F)。
9.根据权利要求7所述的接触力测试装置(10)，其特征在于，在所述测量探测器(100)与所述电接触元件接触之后，所有的压电接收器(11，11′)测量所有的接触插座片(21，21′)的接触力(F)。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的接触力测试装置(10)，其特征在于，所述测量探测器(100)具有多个压电接收器(11，11′)；所述压电接收器(11，11′)通过接收器间隙(12，12′)彼此间隔开；所述测量探测器(100)具有保护套(107)；并且所述保护套(107)在所述接触区域(3)中覆盖所述压电接收器(11，11′)和所述接收器间隙(12，12′)。
11.根据权利要求10所述的接触力测试装置(10)，其特征在于，所述保护套(107)在所述接触区域(3)中力配合地紧贴在所述压电接收器(11，11′)上。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的接触力测试装置(10)，其特征在于，所述测量探测器(100)在所述接触区域(3)中仅通过所述压电材料(102，103)被电绝缘。
13.一种根据权利要求1至12中任一项所述的接触力测试装置(10)的应用，其特征在于，所述压电材料(102，103)由压电晶体制成；并且所述接触力测试装置(10)能够使用在大于/等于100℃的使用温度下。
14.根据权利要求13所述的应用，其特征在于，所述接触力测试装置(10)能够使用在小于/等于600℃的使用温度下。
15.根据权利要求13或14所述的应用，其特征在于，所述接触力测试装置(10)能够使用在140℃至160℃范围内的使用温度下。
16.一种用于制造根据权利要求1至12中任一项所述的接触力测试装置(10)的方法，其特征在于，提供两层压电材料(102，103)，所述压电材料(102，103)的层在一侧利用第一金属化部被金属化；并且所述两层压电材料(102，103)通过它们的第一金属化部材料配合地彼此连接；或者所述压电材料(102，103)的层的第一金属化部在100℃与450℃之间的金属化温度下通过扩散焊接被材料配合地彼此连接。
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| AT237930B (de) * | 1962-09-12 | 1965-01-11 | Hans Dipl Ing Dr Techn List | Piezoelektrische Einrichtung, insbesondere zur Kraftmessung, und Verfahren zu ihrer Herstellung |
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| US4443729A (en) * | 1981-06-22 | 1984-04-17 | Rockwell International Corporation | Piezoceramic bender element having an electrode arrangement suppressing signal development in mount region |
| JPS63110520A (ja) * | 1986-10-28 | 1988-05-16 | オムロン株式会社 | 近接スイツチ |
| JPH0244223A (ja) * | 1988-08-04 | 1990-02-14 | Nec Corp | Ｉｃソケット用接触力判定装置 |
| DE4003552C2 (de) | 1990-02-06 | 1996-02-29 | Grote & Hartmann | Verfahren und Vorrichtung zur Kontaktkraftmessung |
| US5024106A (en) * | 1990-03-13 | 1991-06-18 | Amp Incorporated | Contact system normal force gage |
| JP3651300B2 (ja) * | 1999-02-24 | 2005-05-25 | 松下電器産業株式会社 | ケーブル状圧力センサ |
| DE10056993A1 (de) * | 2000-11-17 | 2002-05-29 | Peter Jaenker | Piezokeramischer Kraftsensor |
| JP4909066B2 (ja) * | 2003-02-05 | 2012-04-04 | キストラー ホールディング アクチエンゲゼルシャフト | 初期応力デバイスを備える測定センサ |
| DE202004007830U1 (de) * | 2004-05-14 | 2004-08-19 | Harting Kgaa | Multifunktionale Messvorrichtung |
| JP2006017579A (ja) * | 2004-07-01 | 2006-01-19 | Yazaki Corp | 圧力センサ及び、この圧力センサを用いた圧着装置、並びに圧力センサの製造方法 |
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| JP2007149517A (ja) * | 2005-11-29 | 2007-06-14 | Sadao Mizukami | 端子接触圧測定方法およびその測定具 |
| US8211102B2 (en) * | 2007-12-21 | 2012-07-03 | St. Jude Medical, Atrial Fibrillation Division, Inc. | Contact sensing flexible conductive polymer electrode |
| GB0820415D0 (en) * | 2008-11-07 | 2008-12-17 | Ea Tech Ltd | Improvements in or relating to industrial circuit breakers (MCB) |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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