CN107683405A - 分量传感器和使用该分量传感器的多分量传感器和该多分量传感器的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于感测力矩分量(Mx，My，Mz)的分量传感器(20)；其中，由压电晶体材料制成的元件(21)具有元件表面；其中，力分量(Fx，Fy，Fz)在元件表面上产生极化电荷；并且其中，待感测的力矩分量(Mx，My，Mz)包括至少一个对的力分量(+Fx，‑Fx；+Fy，‑Fy；+Fz，‑Fz)，所述对的力分量(+Fx，‑Fx；+Fy，‑Fy；+Fz，‑Fz)具有相同的作用轴线和相反的作用方向。分量传感器(20)分开地感测一对中的力分量(+Fx，‑Fx；+Fy，‑Fy；+Fz，‑Fz)。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于压电晶体材料、用于感测力矩分量的分量传感器。本发明还涉及一种在使用这种分量传感器的情况下用于感测多个力分量和力矩分量的多分量传感器。本发明还涉及这种多分量传感器的应用。
背景技术
压力传感器或力传感器被用于许多应用中。这种传感器常常要面对不同的力和力矩。例如，在生产流程中、尤其是在铣、刨等过程中对切削力的测量，其中，平移运动是在施加力的条件下进行。根据应用的不同，同时有多个力和力矩的分量被记录在具有三个坐标轴X、Y和Z的笛卡尔坐标系中。
已知的压力或力传感器是基于压电晶体材料或应变仪(DMS)工作的。在压电晶体材料的情况下，感知元件和传感元件相结合，而DMS仅是感知元件并且该感知元件必须与单独的传感元件连接成DMS系统。这在功能上有很大的差异。压电晶体材料的刚性以及测量准确性、固有频率、过载能力通常要比DMS系统高一个数量级。使用压电晶体材料的传感器的结构尺寸也要比同比的采用DMS系统的传感器小30倍。最后，压电晶体材料的动态测量范围要大得多，因此这样一个具有压电晶体材料的传感器能够覆盖多个采用DMS系统的传感器的动态测量范围。出于这些原因，本发明提出一种基于压电晶体材料的多分量传感器。
专利文献CH472668A公开了一种基于压电晶体材料的、可同时感测三个力分量的三分量传感器。该三分量传感器的结构设计在根据本发明的图1中被详细示出。以箭头示出的力F通过由压电晶体材料制成的圆盘形元件21来感测。由力F在元件21的元件表面上所产生的负极化电荷以“-”表示，由力F在元件21的元件表面上所产生的正极化电荷以“+”表示。分量传感器20具有用于接收正极化电荷的感测电极22和用于接收负极化电荷的电极23。感测电极22提供输出信号，该输出信号与所感测的力分量大小成比例。电极23接地。各自具有两个元件21的三个分量传感器20沿着Z坐标轴上下堆叠并构成组200，并同时、直接地感测三个力分量Fx、Fy和Fz。
目前，在自动化技术中并且特别是在机器人技术中，在类人机器人中或作为手腕感应器，长期以来都需要在所有三个笛卡尔坐标系中检测力和力矩。
专利文献CH502590A对此公开了一种六分量传感器，用于检测力和力矩的多个分量。四个相同的基于压电晶体材料的三分量传感器在X-Y平面中彼此间隔地设置在一矩形中。这四个三分量传感器具有从专利文献CH472668A所知的一样的结构。该矩形的边长比三分量传感器的直径大许多倍。由此，三个力分量被三分量传感器同时且直接地感测，接着通过矢量计算从所感测到的力分量和三分量传感器的互相间隔来计算确定三个另外的力矩分量。
发明内容
本发明的第一个目的在于提出一种基于压电晶体材料的并用于感测力矩分量的分量传感器。本发明的另一目的在于一种在使用这种分量传感器的情况下用于感测多个力分量和力矩分量的多分量传感器，该多分量传感器的结构尺寸应该尽可能得小。该分量传感器和多分量传感器应该被结构稳定地构造并且生产成本低廉。
至少一个上述目的通过独立权利要求的特征来实现。
本发明涉及一种用于感测力矩分量的分量传感器，其中，由压电晶体材料制成的元件具有元件表面，力分量在元件表面上产生极化电荷，并且待感测的力矩分量由至少一个对的力分量组成，一对的力分量具有相同的作用轴线和相反的作用方向。分量传感器分开地感测一对的力分量。
令人惊讶地发现：如果一对的力分量被分开地感测，则利用由压电晶体材料制成的元件可以直接感测力矩分量。为此，元件可由多个元件段组成，从而由每个元件段感测力分量对中的一个力分量。元件段由缝隙彼此间隔开。或者用于接收极化电荷的感测电极可以由多个感测电极段组成，从而使得每个感测电极段均接收力分量对中的一个力分量的极化电荷。感测电极段也彼此间隔开。
在第一种优选的实施方式中，具有相反的极化方向的元件段被并排地设置为，相对于力矩分量的一力分量对的相反的作用方向定向，使得每个元件段都感测该力分量对中的一个力分量。在另一种优选的实施方式中，感测电极段被设置在元件的不同元件侧上，在此元件被设置为，其极化方向相对于力矩分量的一个力分量对的相反的作用方向定向，使得该对力分量在元件表面上产生极化电荷并且每个感测电极段从该对的一个力分量接收极化电荷。
分量传感器需要相对较小的结构尺寸，被结构稳定地构成并且生产成本低廉。
本发明还涉及一种使用这种分量传感器的多分量传感器以及这种多分量传感器的应用。
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为根据现有技术的三分量传感器的结构示意图；
图2为根据图1的已知的用于剪切效应的分量传感器在感测力矩分量时的局部示意图；
图3为根据图1的已知的用于纵向效应的分量传感器在感测力矩分量时的局部示意图；
图4为根据本发明的用于剪切效应的分量传感器的第一种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；
图5为根据本发明的用于剪切效应的分量传感器的第二种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；
图6为根据本发明的用于剪切效应的分量传感器的第三种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；
图7为根据本发明的用于剪切效应的分量传感器的第四种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；
图8为根据本发明的用于纵向效应的分量传感器的第一种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；
图9为根据本发明的用于纵向效应的分量传感器的第二种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；
图10为根据本发明的用于纵向效应的分量传感器的第三种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；
图11为根据本发明的用于纵向效应的分量传感器的第四种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；
图12为根据本发明一种实施方式的使用如图4、图5、图8和图9所示分量传感器的多分量传感器的结构剖视图；
图13为根据图12的多分量传感器的视图；
图14为根据图12的多分量传感器的结构分解图；
图15为根据图12的多分量传感器的组成部分的透视图；和
图16为根据图12至图14的多分量传感器的一种应用的视图。
具体实施方式
通过直接压电效应产生的极化电荷与作用在压电晶体上的力F的大小成比例。在G.Gautschi的书“Piezoelectric Sensors”(Springer出版社出版)中描述了例如石英(SiO2单晶体)、钙酸镓锶(Ca3Ga2Ge4O14或CGG)、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14或LGS)、电气石、正磷酸镓等压电晶体。压电晶体材料被切割成具有结晶学取向的元件表面的元件，使其对于待感测的力F有高度灵敏性，即，在元件表面上会产生大量负极化电荷和正极化电荷。基于待感测的力F的笛卡尔坐标系，高灵敏性的坐标轴被表示为极化方向P。在图1至图11中，极化方向P从具有负极化电荷的元件表面指向具有正极化电荷的元件表面。
力F具有力分量Fx、Fy、Fz，在此，下标x、y、z代表元件表面，力分量Fx、Fy、Fz作用在该元件表面上。力F在此作为法向力或者剪切力作用于元件表面。法向力沿着平行于元件表面的表面法线的作用轴线起作用。剪切力沿着垂直于元件表面的表面法线的作用轴线起作用。对于直接压电效应而言，这意味着在纵向效应与剪切效应之间是不同的。在纵向效应中，极化电荷产生于表面法线平行于法向力的作用轴线的元件表面。在剪切效应中，极化电荷产生于表面法线垂直于剪切力的作用轴线的元件表面。即，压电晶体材料被切割成具有结晶学取向的元件表面的元件，使得元件表面的极化方向P或者平行于法向力的作用轴线，或者垂直于剪切力的作用轴线。
在图1中，以由专利文献CH472668A可知的三分量传感器的示例说明了对力分量Fx、Fy和Fz的感测。该三分量传感器具有多个带有元件表面的元件21。每个元件21具有平行于Z坐标轴的极化方向P。感测电极22和电极23处于剪切力的XY平面中并垂直于法向力。第一分量传感器20检测剪切力的X作用轴线的剪切效应。第二分量传感器20检测法向力的Z作用轴线的纵向效应。第三分量传感器20检测剪切力的Y作用轴线的剪切效应。
力矩分量Mx、My、Mz包括至少一个力分量对。一对中的力分量彼此平行(具有相同的作用轴线)并具有相反的作用方向。下标x、y、z代表力矩分量Mx、My、Mz的作用轴线。力矩分量Mz具有两个力分量对+Fx、-Fx和+Fy、-Fy。力矩分量Mx具有一个力分量对+Fz、-Fz。力矩分量My同样具有一个力分量对+Fz、-Fz。
这种对力矩分量的感测利用已知的根据图1的三分量传感器是不可能的。下面将参照图2和图3来说明。图2示出了用于根据图1的剪切力的X作用轴线的剪切效应的第一分量传感器20的局部。在图2中，待感测的力矩分量Mz具有一对剪切力分量+Fx、-Fx，并且力矩分量Mz具有一对剪切力分量+Fy、-Fy。但是，第一分量传感器20仅感测力矩分量Mz的沿着X坐标轴起作用的剪切力分量对+Fx和-Fx。图3示出了用于根据图1的法向力的Z作用轴线的纵向效应的第二分量传感器20的局部。在图3中，待感测的力矩分量Mx仅具有一对法向力分量+Fz、-Fz。但是，第二分量传感器20仅感测力矩分量Mx的沿着Z坐标轴起作用的法向力分量对+Fz和-Fz。由于根据图2的两个力分量+Fx和-Fx的相反的作用方向和根据图3的两个力分量+Fz和-Fz的相反的作用方向，在感测电极22的元件表面上既产生负极化电荷又产生正极化电荷。感测电极22所接收到的极化电荷的总和为零，即，分量传感器20没有检测到力矩分量Mz和Mx。
图4至图7示出了根据本发明的用于剪切效应的分量传感器20在感测力矩分量Mz时的四种实施方式的局部，力矩分量Mz具有一对剪切力分量+Fx、-Fx和一对剪切力分量+Fy、-Fy。图8和图10示出了根据本发明的用于纵向效应的分量传感器20在感测力矩分量Mx时的两种实施方式的局部，力矩分量Mx具有一对法向力分量+Fz、-Fz。图9和图11示出根据本发明的用于纵向效应的分量传感器20在感测力矩分量My时的两种实施方式的局部，力矩分量My具有一对法向力分量+Fz、-Fz。为了与基于现有技术的根据图2(剪切效应)和根据图3(纵向效应)的分量传感器20有可比性，附图被相似地绘出并具有相同的附图标记。因此请参考图1至图3的说明，下面将主要阐述与图1至图3的不同。
在根据图4、图5、图8和图9的实施方式中，元件21由压电晶体材料组成，其由多个元件段21a、21b组成。元件段21a、21b是在XZ平面中被切割成两半的圆盘形或环形的元件21的相同的半部，该元件由根据图1至图3的压电晶体材料制成。即，元件段21a、21b是半圆，其由邻接表面限定。该邻接表面平行于XZ平面或平行于YZ平面，在图4、图5、图8和图9中示出了邻接表面之间的缝隙。这两个元件段21a、21b并排设置在XZ平面中，在感测电极22与电极23之间。感测电极22单侧地设置在关于元件中心0下方的元件一侧。根据图4、图5、图8和图9，感测电极22感测元件段21a、21b的关于元件中心0下方的两个元件表面的极化电荷，并且提供输出信号。两个元件段21a、21b的极化方向P平行于Z坐标轴，然而其极化方向P相反。元件段21a、21b被设置为，以相反的极化方向P相对于一力分量对+Fx、-Fx，+Fy、-Fy，+Fz、-Fz的相反的作用方向定向，使得第一元件段21a感测该对中的第一力分量+Fx(根据图4)、+Fy(根据图5)和+Fz(根据图8和图9)，并且第二元件段21b感测该对中的第二力分量-Fx(根据图4)、-Fy(根据图5)和-Fz(根据图8和图9)。所感测到的力分量在感测电极22的元件表面上产生负极化电荷。单侧地设置在两个元件段21a、21b的元件表面上的感测电极22接收这些负极化电荷。由此，由感测电极22所接收到的极化电荷的总和与根据图4和图5的力矩分量Mz的值成比例，或者与根据图8的力矩分量Mx的值成比例，或者与根据图9的力矩分量My的值成比例，也就是说，分量传感器20检测力矩分量Mz或Mx或My。
根据本发明的认知，本领域技术人员也可以在分量传感器中使用其他形式的元件段和/或在分量传感器中使用更大量的元件段。代替圆盘形的元件段地，本领域技术人员也可以使用矩形的元件段。并且本领域技术人员可以使用四个或六个和更多个元件段。在使用两个以上的元件段时，这些元件段在每个元件侧具有不同极性地并排设置在作用面中。因此，在一个元件侧上可以设置四个元件段，使得所有四个元件段一样大，并且在每个元件侧，有相同数量的元件表面被正极化，并有相同数量的元件表面被负极化。
在根据图6、图7、图10和图11的实施方式中，感测电极22由多个感测电极段22a、22b组成。感测电极段22a、22b是在XZ平面中被对半分开的圆盘形或环形感测电极22(根据图1至图3)的相同的半部。感测电极段22a、22b设置在XY平面中。感测电极段22a、22b两侧地、即关于元件中心0设置在两个元件表面的上方和下方。感测电极段22a、22b通过元件21彼此间隔开。根据图6、图7、图10和图11，第一感测电极段22a从关于元件中心0上方的元件表面接收被加载的负极化电荷，第二感测电极段22b从关于元件中心0下方的元件表面接收被加载的负极化电荷。元件21被设置为，其极化方向P相对于一力分量对+Fx、-Fx；+Fy、-Fy；+Fz、-Fz的相反的作用方向定向，使得第一感测电极段22a从该对的第一力分量+Fx、+Fy、+Fz接收所产生的极化电荷，并且第二感测电极段22b从该对的第二力分量-Fx、-Fy、-Fz接收所产生的极化电荷。所接收的这些极化荷是输出信号。
类似于感测电极地，电极也由多个电极段23a、23b组成。电极段23a、23b是在XZ平面中对半分开的圆盘形电极23(根据图1至图3)的相同的半部。感测电极段22a、22b在XY平面中设置在对置的元件表面上。电极段23a、23b被两侧地、即关于元件中心0设置在元件表面的上方和下方。根据图6、图7、图10和图11，第一电极段23a从关于元件中心0的上方的元件表面接收被加载的正极化电荷，并且第二电极段23b从关于元件中心0的下方的元件表面接收被加载的正极化电荷。第一电极段23a和第二电极段23b接地。由感测电极22a、22b所接收到的极化电荷的总和与根据图6和图7的力矩分量Mz的值成比例，或与根据图10的力矩分量Mx的值成比例，或与根据图11的力矩分量My的值成比例，也就是说，分量传感器20检测力矩分量Mz或Mx或My。
在该实施方式中，本领域技术人员根据本发明的知识也可以在分量传感器中使用其他形式的感测电极段或电极段，和/或在分量传感器中使用更多数量的感测电极段或电极段。因此，代替圆盘形或环形的感测电极段或电极段地，本领域技术人员也可以使用矩形的感测电极段或电极段。并且本领域技术人员可以使用四个或六个和更多个感测电极段或电极段。在使用两个以上的感测电极段或电极段时，感测电极段或电极段在作用面中关于元件中心设置在元件表面的上方或下方。每个元件表面的四个感测电极段或四个电极段可以被设置为，使得所有四个感测电极段或所有四个电极段一样大，并且在每个元件表面上设置相同数量的感测电极段或电极段。最后，本领域技术人员可以采用其他方式接收极化电荷。在本发明中，感测电极接收正极化电荷并因此提供输出信号，本领域技术人员当然也可以配置接收负极化电荷的感测电极。
图12示出了根据本发明的多分量传感器2的一种优选实施方式的结构的横截面图。该多分量传感器2具有壳体10，该壳体由圆形或有棱角的板组成，该板具有沿Z坐标轴方向的中央贯通孔。壳体10的上边界和下边界彼此平行地设置在XY平面中。壳体10保护多分量传感器2在运行期间免遭碰撞和冲击。壳体10也能够保护多分量传感器2免受有害的环境影响，例如污染(灰尘、湿气等)。最后，壳体10能够保护多分量传感器2不受电磁辐射形式的电和电磁干扰的影响。
在贯通孔中，分量传感器的组200沿Z坐标轴方向看被设置在两个力传递板11、11'之间。力传递板11、11'和组200是具有外半径和内半径的空心圆柱体。外半径和内半径两者都大于空心圆柱体的罩高。例如，力传递板11、11'和组200的外半径为25mm，内半径为15mm。例如，力传递板11、11'的罩高为5mm，组200的罩高为10mm。
力传递板11、11'感测待感测的力和力矩，并将其传导到组200。为此，力传递板11、11'在其外半径上通过第一凸缘12、12'在沿Z坐标轴方向预紧的条件下与壳体10弹性地连接。力传递板11、11'和凸缘12、12'一体化地制成。凸缘12、12'与壳体10的边界的连接通过材料配合来实现。两个力传递板11、11'在其内半径上通过另外的凸缘12”、12”'在预紧的条件下与内套筒13材料配合地连接。内套筒13是套筒形的并沿Z坐标轴方向延伸。因此，两个力传递板11、11'通过凸缘12、12'、12”、12”'以定义的第一机械预紧相对于组200被预紧。组200由此被第一次预紧。该第一机械预紧确保了与感测电极、感测电极段、电极和电极段有非常好的电接触。内套筒13的壁厚小于/等于0.1mm。第一机械预紧的大小在几kN的范围内。作为材料配合的连接，可以使用焊接、钎焊和粘接。
壳体10、力传递板11、11'和内套筒13由机械稳定的材料制成，例如不锈钢、钢合金等。壳体10、力传递板11、11'和内套筒13气密地密封多分量传感器2。由具有高摩擦系数的材料(例如陶瓷、钢等)制成的盖板14从外侧安装在力传递板11、11'的上表面上。盖板14例如通过胶粘、钎焊等被材料配合地安装。由于这种高摩擦系数，盖板14可以尽可能无损地将待接收的力和力矩引入力传递板11、11'。
组200具有多个分量传感器20。每个分量传感器20具有元件21或元件段21a、21b、感测电极22和电极23。关于元件21和元件段21a、21b以及感测电极22和电极23，请参照图1至图11的说明。元件21、元件段21a、21b、感测电极22和电极23具有基本相同的内半径、基本相同的外半径，并且彼此平行地设置在XY平面中。
在如图14所示的分解图中，组200的六个分量传感器20沿Z坐标轴方向上下堆叠。多分量传感器2通过三个分量传感器20分别直接感测力分量Fx、Fy、Fz，并且分量传感器20通过三个分量传感器20分别直接感测力矩分量Mx、My、Mz。分量传感器20的输出信号通过接口15传输到未示出的处理单元上。
用于力分量Fx、Fy、Fz的分量传感器20使用圆盘形的元件21，该元件具有平行于Z坐标轴的极化方向P。每两个设置在一层中的元件21电并联成一个元件对。由此，用于力分量Fx、Fy、Fz的各个分量传感器20均具有一个包括两个带有元件21的层的元件对、一个感测电极22和两个电极23。感测电极22处于两个带有元件21的层之间。感测电极22处于元件对的被相同极化的元件表面之间，并且提供输出信号。每个电极23从外面位于两个带有元件21的层上并被接地。第一分量传感器20检测剪切力的X作用轴线的剪切效应。第二分量传感器20检测剪切力的Y作用轴线的剪切效应。第三分量传感器20检测法向力的Z作用轴线的纵向效应。
用于力矩分量Mx、My、Mz的分量传感器20使用圆盘形的元件段21a、21b，该元件段具有平行于Z坐标轴的极化方向P。元件段21a、21b是半圆，其受到邻接表面的限制。该邻接表面平行于XZ平面并通过缝隙彼此分开。每两个元件段21a、21b以相反的极化方向P在一层中并排地设置在XZ平面中，在感测电极22与电极23之间。每两个带有元件段21a、21b的层电并联成一个元件段对。用于力矩分量Mx、My、Mz的每个分量传感器20均具有一个带有两层元件段21a、21b的元件段对、一个感测电极22和两个电极23。感测电极22位于两个带有元件段21a、21b的层之间。感测电极22位于元件段对的元件表面之间并提供输出信号。每个电极23从外面位于两个带有元件段21a、21b的层上并被接地。
第四分量传感器20检测力矩分量Mx的力分量对+Fz和-Fz的纵向效应。第四分量传感器20的两个元件段21a、21b的邻接表面之间的缝隙被设置为，在两层中平行于力矩分量Mx的X作用轴线定向。第五分量传感器20检测力矩分量My的力分量对+Fz和-Fz的纵向效应。第五分量传感器20的两个元件段21a、21b的邻接表面之间的缝隙被设置为，在两层中平行于力矩分量My的Y作用轴线定向。第六分量传感器20检测力矩分量Mz的第一对力分量+Fx和-Fx和第二对力分量+Fy和-Fy的剪切效应。第六分量传感器20的两个元件段21a、21b的邻接表面之间的缝隙被设置为，在一层中平行于第一对力分量+Fx和-Fx的X作用轴线定向。第六分量传感器20的两个元件段21a、21b的邻接表面之间的缝隙被设置为，在另一层中平行于第二对力分量+Fy和-Fy的Y作用方向定向。
元件21和元件段21a、21b的灵敏度通常为100pC/Nm至1000pC/Nm。
感测电极22和电极23可以通过对由压电晶体材料制成的元件21和元件段21a、21b的金属化构成，或者可以由独立的金属箔构成。这种金属化或金属箔由导电金属形成，例如钢、铜、铜合金等。元件21和圆盘段21a、21b的罩高为大约0.8mm，感测电极22和电极23的罩高为0.1mm。
图15示出了多分量传感器2的组成部分关于元件21、元件段21a、21b、感测电极22和电极23的其他细节。
每个元件段21a、21b具有环形元件24。这种带状的环形元件24从外侧安装在元件段21a、21b的侧表面。环形元件24例如通过形状配合附接在侧表面上。环形元件24由绝缘材料制成，例如等。环形元件24的罩高为0.6mm。环形元件24的壁厚为大约1.0mm。在环形元件24上安装有多个保持件27。这些保持件27被安装在环形元件24的背向元件段21a、21b的侧面上。环形元件24和保持件27被一体化地制成。保持件27是环形元件24的径向突出部，并机械居中地和电绝缘地将元件段21a、21b保持在壳体10上。
在元件21上和两个元件段21a、21b上成120°角地设有三个孔眼25。这些孔眼25被设置在环形元件24的背向元件21和元件段21a、21b的侧面上。孔眼25是圆的并具有设置在X-Y平面中的中心开口。孔眼25将元件21和元件段21a、21b机械地或机械居中地固定在壳体10上。例如，孔眼25被力配合地和形状配合地锁合在壳体10的相应留空中。孔眼25被弹性地锁合在壳体10的留空中。在锁合时，圆的孔眼25在X-Y平面中变形并附加地将元件21和元件段21a、21b在X-Y平面中朝壳体10夹紧。环形元件24和孔眼25被一体化地制成。
感测电极22和电极23分别具有触点26。触点26在外侧安装在感测电极22和电极23的侧面上。触点26用作感测电极22与接口15的电接触。触点26用作电极23接地的电接触。触点26与感测电极22和电极23的材料是一体化的。这种电接触例如通过与电导体材料配合的连接(例如焊接、钎焊等)来实现。
图16示出了多分量传感器2在两个安装板31、31'之间的应用。第一安装板31在根据图12的视图中设置在多分量传感器2的上方，第二安装板31'设置在多分量传感器2的下方。安装板31、31'由机械稳定的材料制成，例如不锈钢、钢合金等。安装板31、31'可以通过安装板开口311、311'、311”与机器结构机械地连接。通过四个非中心的安装板开口311、311'或一个中心安装板开口311”，多分量传感器2能够以很高的刚性与机器结构连接。典型的机器结构是切削机的工具台、秤、振动台、类人机器人、腕感应器等。
通过张紧开口312，可以使安装板31、31'以定义的第二机械预紧朝向多分量传感器2的壳体10张紧。该第二机械预紧例如为140kN。该第二机械预紧沿Z坐标轴方向起作用，并通过壳体10使力传递板11、11'朝向组200张紧。由此使得组200被第二次预紧。组200的这种第二机械预紧使得能够感测大的负力和力矩。与机器结构的机械连接以及第二机械预紧通过未示出的螺钉、铆钉等形状配合和力配合地实现。在本发明的知识中，本领域技术人员可以使用具有更小或更大尺寸的安装板的多分量传感器。本领域技术人员也可以使用没有这种安装板的多分量传感器。
附图标记列表
F 力
Fx，Fy，Fz 力分量
Mx，My，Mz 力矩分量
X，Y，Z 坐标轴
x，y，z 下标
0 元件中心
1 多分量传感器
10 壳体
11，11' 力传递板
12，12'，12”，12”' 凸缘
13 内套筒
14 盖板
15 接口
20 分量传感器
21 元件
21a，21b 第一段和第二段
22 感测电极
22a，22b 第一感测电极段和第二感测电极段
23 电极
23a，23b 第一电极段和第二电极段
24 环形元件
25 孔眼
26 触点
27 保持件
31，31' 第一安装板和第二安装板
200 组
311，311'，311” 安装板开口
312 张紧开口。
Claims (18)
1.一种用于感测力矩分量(Mx，My，Mz)的分量传感器(20)；其中，由压电晶体材料制成的元件(21)具有元件表面；其中，力分量(Fx，Fy，Fz)在所述元件表面上产生极化电荷；并且其中，待感测的力矩分量(Mx，My，Mz)包括至少一个对的力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy；+Fz，-Fz)，所述对的力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy；+Fz，-Fz)具有相同的作用轴线和相反的作用方向；其特征在于，所述分量传感器(20)分开地感测所述对的力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy；+Fz，-Fz)。
2.根据权利要求1所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述元件(21)由元件段(21a，21b)组成；所述元件段(21a，21b)被设置为，以相反的极化方向(P)相对于一对的力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy；+Fz，-Fz)的相反的作用方向定向，使得第一元件段(21a)感测该对的第一力分量(+Fx，+Fy，+Fz)；并且第二元件段(21b)感测该对的第二力分量(-Fx，-Fy，-Fz)。
3.根据权利要求2所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述对的力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy；+Fz，-Fz)或者是法向力分量(+Fz，-Fz)，或者是剪切力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy)；所述元件段(21a，21b)设置在垂直于所述法向力分量(+Fz，-Fz)的作用轴线的平面中，或者设置在所述剪切力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy)的作用轴线的平面中；并且所述元件段(21a，21b)感测对的法向力分量(+Fz，-Fz)的纵向效应，或所述元件段(21a，21b)感测对的剪切力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy)的剪切效应。
4.根据权利要求3所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述元件(21)由两个元件段(21a，21b)组成，所述元件段(21a，21b)在所述剪切力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy)的作用轴线的平面中通过间隙彼此间隔开。
5.根据权利要求4所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述元件(21)具有两个元件侧；所述元件段(21a，21b)是圆盘形的或环形的；并且感测电极(22)被单侧地设置在所述元件段(21a，21b)上。
6.根据权利要求1所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述元件(21)具有两个元件侧；感测电极(22)由多个感测电极段(22a，22b)组成；所述感测电极段(22a，22b)两侧地设置在所述元件(21)的元件表面上；并且所述元件(21)被设置为，其极化方向(P)朝向力分量(+Fx，-Fx，+Fy，-Fy，+Fz，-Fz)的相反的作用方向定向，使得第一感测电极段(22a)接收由该对的第一力分量(+Fx，+Fy，+Fz)产生的极化电荷；并且第二感测电极段(22b)接收由该对的第二力分量(-Fx，-Fy，-Fz)产生的极化电荷。
7.根据权利要求6所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述对的力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy；+Fz，-Fz)或者是法向力分量(+Fz，-Fz)，或者是剪切力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy)；所述感测电极段(22a，22b)设置在垂直于所述法向力分量(+Fz，-Fz)的作用轴线的平面中，或设置在所述剪切力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy)的作用轴线的平面中；并且所述感测电极段(22a，22b)接收源自对的法向力分量(+Fz，-Fz)的纵向效应的极化电荷，或者所述感测电极段(22a，22b)接收源自对的剪切力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy)的剪切效应的极化电荷。
8.根据权利要求7所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述电极(23)由两个圆盘形的或环形的电极段(23a，23b)组成；并且所述电极(23a，23b)两侧地设置在所述元件(21)的元件表面上。
9.根据权利要求8所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述感测电极(23)由两个圆盘形的或环形的感测电极段(22a，22b)组成；并且在所述元件(21)的每个元件表面上设置一感测电极段(22a，22b)和一电极段(22a，22b)。
10.一种用于同时感测多个力分量和力矩分量的多分量传感器(2)，其中，具有由压电晶体材料制成的元件(21，21a，21b)的分量传感器(20)上下相叠地堆叠成组(200)，其特征在于，具有根据权利要求1至5中任一项所述的用于感测力矩分量(Mx，My，Mz)的分量传感器(20)。
11.根据权利要求10所述的多分量传感器(2)，其特征在于，具有元件段(21a，21b)的每两个层电并联成一个元件对；感测电极(22)设置在所述元件对的元件表面之间；并且所述感测电极(22)提供输出信号。
12.根据权利要求10所述的多分量传感器(2)，其特征在于，在每个元件段对和每个层中，圆盘形或环形的元件段(21a，21b)通过缝隙彼此间隔开；在用于感测所述力矩分量(Mx)的对中，位于两个元件段(21a，21b)的邻接表面之间的缝隙在两个层中平行于所述力矩分量(Mx)的X作用轴线地定向；在用于感测所述力矩分量(My)的对中，位于两个元件段(21a，21b)的邻接表面之间的缝隙在两个层中平行于所述力矩分量(My)的Y作用轴线地定向；并且在用于感测所述力矩分量(Mz)的对中，位于两个元件段(21a，21b)的邻接表面之间的缝隙在一个层中平行于所述力矩分量(Mz)的第一对力分量(+Fx和-Fx)的X作用轴线地定向，并在另一个层中平行于所述力矩分量(Mz)的第二对力分量(+Fy和-Fy)的Y作用轴线地定向。
13.根据权利要求10所述的多分量传感器(2)，其特征在于，用于感测力分量(Fx，Fy，Fz)的分量传感器(20)具有由压电晶体材料制成的元件(21)；所述元件(21)具有元件表面，所述力分量(Fx，Fy，Fz)在所述元件表面上产生极化电荷；所述力分量(Fx，Fy，Fz)或者是法向力分量(Fz)，或者是剪切力分量(Fx，Fy)；所述元件(21)设置在垂直于所述法向力分量(Fz)的作用轴线的平面中，或在所述剪切力分量(Fx，Fy)的作用轴线的平面中；并且所述元件(21)感测所述法向力分量(Fz)的纵向效应，或者所述元件(21)感测所述剪切力分量(Fx，Fy)的剪切效应。
14.根据权利要求13所述的多分量传感器(2)，其特征在于，具有元件(21)的每两个层电并联成一个对；感测电极(22)被设置在该对的被相同极化的元件表面之间；并且所述感测电极(22)提供输出信号。
15.根据权利要求13所述的多分量传感器(2)，其特征在于，三个分量传感器(20)各自直接感测一力分量(Fx，Fy，Fz)；并且三个分量传感器(20)各自直接感测一力矩分量(Mx，My，Mz)。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的多分量传感器(2)，其特征在于，所述元件段(21a，21b)具有环形元件(24)；所述环形元件(24)在外部安装在一元件段(21a，21b)的侧表面；所述环形元件(24)具有保持件(27)；并且所述保持件(27)将所述元件段(21a，21b)机械地保持在所述多分量传感器(2)的壳体(10)上。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的多分量传感器(2)，其特征在于，所述元件(21)具有环形元件(24)；并且所述元件段(21a，21b)具有环形元件(24)；所述环形元件(24)在外侧安装在所述元件(21)和所述元件段(21a，21b)的侧表面；所述环形元件(24)具有孔眼(25)；并且所述元件(21)和所述元件段(21a，21b)通过所述孔眼(25)被机械固定或居中地机械固定在所述多分量传感器(2)的壳体(10)上。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的多分量传感器(2)的一种应用，其特征在于，所述多分量传感器(2)设置在安装板(31，31')之间；并且所述安装板(31，31')将所述多分量传感器(2)的壳体(10)与机器结构机械地连接。
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