CN113677973A - 用于制造传感器装置的方法及具有这种传感器装置的构件和/或底盘构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造测量构件(1，15)的瞬时载荷的传感器装置(2)的方法，其中由塑料制造构件(1，15)，其中将传感器层(3)布置在构件(1，15)上，其中传感器层(3)具有载体材料和嵌入到载体材料中的导电颗粒。为了能够更好并且/或者更可靠地测量或获取构件(1，15)中的载荷和/或力，该方法的特征在于，在构件(1，15)中设计至少一个盲孔状凹部(4)，以容纳传感器层(3)。

Description

用于制造传感器装置的方法及具有这种传感器装置的构件 和/或底盘构件
本发明涉及一种用于制造测量构件的瞬时载荷的传感器装置的方法，其中由塑料制造所述构件，其中将传感器层布置在所述构件上，其中所述传感器层具有载体材料和嵌入到所述载体材料中的导电颗粒。本发明还涉及一种根据这种方法制造的构件和/或底盘构件。
从DE 10 2016 204 557 A1已知这种方法或构件。据此，传感器层被设计为构件上的涂层。传感器层例如可以被实现为漆层。替代性地，可以通过将具有嵌入的导电颗粒的载体材料喷涂到构件上来形成传感器层。
然而，在此不利的是，借助这种传感器装置难以测量构件(例如球窝接头)内部的载荷、尤其力。即使传感器层可能不是被施加在构件的外侧、而是被施加在两个构件部件之间的内侧，载荷在此通常也大到可能会对(尤其薄的)传感器层造成损坏。尤其，球壳与接头球之间或接头壳体与球壳之间的载荷大到可能会迅速地对施加于此的传感器层造成损坏。
本发明所基于的目的在于，改进开篇所述类型的一种方法、一种构件和/或底盘构件，使得能够更好并且/或者更可靠地测量或获取构件中的载荷和/或力。尤其应提供一种替代性的实施方式。
本发明所基于的目的利用根据权利要求1所述的方法并且借助于根据权利要求10所述的构件和/或底盘构件来实现。本发明的优选的改进方案在从属权利要求中并且在随后的描述中得到。
因此，本发明涉及一种用于制造测量构件的瞬时载荷的传感器装置的方法。尤其，测量构件的瞬时载荷应被理解为测量、获取并且/或者确定作用到该构件上并且/或者该构件中的力或力分量。因此，传感器装置可以被设计成用来测量瞬时作用到构件上的力或力分量。构件的载荷可能涉及构件的变形。尤其，构件的瞬时载荷可能涉及构件的弹性变形或塑性变形。
由塑料制造构件。优选地，借助于注塑成型法在注塑成型工具中制造构件。尤其，构件本身是不导电的。此外，根据该方法，将传感器层布置在该构件上。传感器层在此具有载体材料和嵌入到该载体材料中的导电颗粒。优选地，由载体材料和嵌入到该载体材料中的导电颗粒形成传感器层。尤其，传感器层能够借助于导电颗粒来执行电阻测量。基于对传感器装置或传感器层进行的电阻测量，可以获取构件的瞬时载荷(尤其作用的力或力分量)。在该构件中设计至少一个盲孔状凹部，以容纳该传感器层。
在此有利的是，由于盲孔状凹部用于容纳传感器层，因此不必将传感器层布置在构件的侧面。替代于此，可以将传感器层布置并且/或者嵌入在盲孔状凹部和/或构件本身中。由此，可以更好地保护传感器层免受不期望的损坏并且/或者过早的磨损。由此可以确保优选在构件的使用寿命内持久且可靠地测量构件的瞬时载荷。在制造构件时就已经可以形成盲孔状凹部。替代性地，也可以在制造构件之后(尤其借助于钻孔)来制造盲孔状凹部。盲孔状凹部可以井状和/或口袋状地设计。
根据一个改进方案，至少部分地以形成为液体的、具有嵌入的导电颗粒的载体材料填充盲孔状凹部。具有导电颗粒的液态载体材料可以特别简单地布置在盲孔状凹部内。在此，在重力和/或毛细作用的作用下，可以至少部分地以液态载体材料和嵌入的导电颗粒来填充并且/或者填注盲孔状凹部。盲孔状凹部可以具有几毫米的直径。盲孔状凹部的直径优选小于3mm、小于2mm或小于1mm。尤其，使用漆料来作为液态载体材料。具有嵌入的导电颗粒的这种载体材料是已知并且已得到证实的。导电颗粒优选被设计为碳纳米管或所谓的Carbon-Nano-Tubes(CNT)。尤其，导电颗粒在载体材料的内部是各向同性地定向并且/或者分布的。导电颗粒优选被设计为力敏元件。尤其，碳纳米管是由碳构成的微观小管状结构。碳纳米管是导电的并且还具有以下特性，即，这些特性在机械应力下(例如在由于力作用而导致的伸长或压缩下)使其电阻发生变化。这种效果可以被用来将碳纳米管用作力敏元件。替代性地，力敏元件可以被设计为石墨烯、石墨烯氧化物、炭黑或纳米线。
根据一个改进方案，具有嵌入的导电颗粒的载体材料在至少部分地填充并且/或者填注盲孔状凹部之后固化。替代性地或额外地使该载体材料固化。因此，可以通过适当的措施主动致使或促进载体材料的固化。例如，进行局部加热可以有利于或加速载体材料的固化。在使载体材料固化之后，该载体材料与导电颗粒一起可靠并且/或者持久地被固持在盲孔状凹部内。尤其，由于载体材料固化而在盲孔状凹部中形成传感器层。在此，传感器层和/或载体材料可以材料配合地与构件或盲孔状凹部的内侧面或内周面相连接。尤其，由于盲孔状凹部的预先给定的直径或内部尺寸而预先给定传感器层的层厚度。由此，同时简化了可再现性，这对于大规模生产而言是值得期望的。
根据另一个实施方式，将至少两个电线路部段嵌入到构件中，以用于为传感器层提供触点。尤其，在制造构件时构件的塑料部分地对这些线路部段进行包覆浇铸并且/或者包覆注塑。在此线路部段由于结合和/或整合到构件中而被保护不受外部影响并且抗疲劳地布置。触点本身不是用构件的塑料来覆盖的。线路部段和触点被布置成使得触点通过盲孔状凹部而对于传感器层而言是可触及的。触点优选被布置在盲孔状凹部的内周面中。替代性地，触点伸入到盲孔状凹部中。
优选地，将借助于这两个电线路部段所提供的触点与传感器层导电地相互连接。因此，通过或借助于布置在盲孔状凹部中的传感器层来实现触点之间的导电连接。线路部段可以被设计为冲裁格栅或金属线。这能够实现成本有效的制造和/或在构件中(尤其在用于制造构件的注塑成型工具中)的简单的布置。
根据一个改进方案，将触点沿盲孔状凹部的纵向方向彼此间隔开地布置。尤其，以具有嵌入的导电颗粒的液态载体材料填充并且/或者填注盲孔状凹部至少直至触点接触到载体材料和/或嵌入的导电颗粒的程度。优选地，第一触点被布置成邻近盲孔状凹部的底部。第二触点可以被布置成邻近盲孔状凹部的开口。在此，第一触点可以被指配给第一线路部段，并且第二触点可以被指配给第二线路部段。为了改善导电性，载体材料本身可以被设计成导电的。尤其，作用的载荷的测量、确定和/或获取与用于形成传感器层的填入的载体材料的量无关，只要这两个触点是借助于传感器层导电地相互连接的即可。而传感器层朝向开口的方向超出指配给该开口的接触点的程度与传感器装置的工作原理并无关系。
根据一个改进方案，将传感器装置与评估装置连接。评估装置可以基于对传感器层进行的电阻测量来确定并且/或者获取构件的瞬时载荷。尤其，可以确定并且/或者获取至少一个作用到构件上的力和/或力分量。例如可以获取构件的剪切载荷、压缩载荷或拉伸载荷。尤其，可以基于所测得的、确定的并且/或者获取的传感器层的伸长来获取作用到构件上的拉伸力。可以基于所测得的、确定的并且/或者获取的传感器层的压缩来获取作用到构件上的压缩力。
优选地，在构件中布置并且/或者设计分别用于容纳传感器层的多个盲孔状凹部。因此可以实现具有多个传感器层的传感器装置。多个盲孔状凹部和/或多个传感器层可以以适合的方式相对于彼此地布置在构件中，从而使得借助于评估装置在考虑对多个传感器层的测量的情况下可以更精确地确定构件的载荷(尤其作用到构件上的力或多个力分量)。例如可以确定作用到构件上的弯曲力和/或扭力。优选地，传感器装置尤其借助于多个传感器层被设计成用来以取决于位置并且/或者取决于方向的方式获取瞬时作用于构件的力。
根据另一个实施方式，将构件设计为用于车辆(尤其机动车辆)的底盘构件。构件例如可以被实现为用于球窝接头的球壳和/或接头壳体。这种球窝接头例如可以是球套接头或球销接头。因此，具有传感器层的盲孔状凹部可以被布置在球壳和/或接头壳体中。借助于这种传感器装置可以确定作用在球窝接头中的力。尤其，分别具有传感器层的多个盲孔状凹部以围绕接头球分布的方式被布置在球壳和/或接头壳体中。由此可以以取决于位置并且/或者取决于方向的方式实现作用的力和/或力分量的确定。多个盲孔状凹部和/或传感器层可以以均匀地围绕接头球分布的方式被布置在球壳和/或接头壳体中。尤其，至少两个或更多个盲孔状凹部和/或传感器层彼此横向或成直角地布置。这可以改进以取决于位置并且/或者取决于方向的方式对作用的力和/或力分量的分辨或确定。
特别有利的是一种根据本发明的方法制造的构件和/或底盘构件，其中在该至少一个盲孔状凹部中容纳有传感器层。尤其，在将构件设计为球壳和/或接头壳体的情况下，传感器层在盲孔状凹部中被保护免受外部影响和/或增大的磨损。
尤其，根据本发明的方法制造的构件和/或底盘构件是之前描述的构件和/或底盘构件。优选地，该方法是根据结合在此描述的根据本发明的构件和/或底盘构件阐述的所有设计方案来改进的。此外，在此描述的构件和/或底盘构件是可以根据结合该方法阐述的所有设计方案来改进的。
下面将借助附图来详细阐述本发明。在此，相同的附图标记涉及相同、相似或功能相同的构件或元件。在附图中：
图1示出了根据本发明的构件的剖开的示意性侧视图，以及
图2示出了根据本发明的底盘构件的剖开的示意性侧视图。
图1示出了根据本发明的构件1的剖开的示意性侧视图。构件1由塑料制成。构件1具有传感器装置2。传感器装置2具有传感器层3。传感器层3借助于载体材料和嵌入到该载体材料中的导电颗粒形成，这些导电颗粒在此未详细展示。在这个实施例中，导电颗粒被设计为碳纳米管。
构件1具有盲孔状凹部4。盲孔状凹部4井状地延伸到构件1中。传感器层3被布置在盲孔状凹部4内。在这个实施例中，盲孔状凹部4仅部分地借助于传感器层3来填充或填注。替代性地，盲孔状凹部4也可以完全借助于传感器层3来填充或填注。
传感器装置2具有两个电线路部段5、6。这两个电线路部段5、6大体上被嵌入到构件1中。在此，电线路部段5、6为传感器层3提供触点7、8。为此，这两个触点7、8导电地与传感器层3相连接。电线路部段5、6可以被设计为冲裁格栅(Stanzgitter)。电线路部段5(尤其第一电线路部段)的第一触点7与盲孔状凹部4的底部9邻近地布置在盲孔状凹部4的内周面10上。电线路部段6(尤其第二电线路部段)的第二触点8与盲孔状凹部4的开口11邻近地布置在内周面10上。电线路部段5、6的背离触点7、8的端部与评估装置12相连接。
为了制造具有传感器装置2的构件1，首先将电线路部段5、6(例如以设计为冲裁格栅的形式)布置在(在此未详细展示的)注塑成型工具中。然后由塑料制造构件1。在此，构件1的塑料部分地对线路部段5、6同时进行包覆浇铸或包覆注塑。可以在制造构件1的同时实现盲孔状凹部4。替代性地，盲孔状凹部4也可以在制造构件1之后借助于钻孔制成。
随后，盲孔状凹部4部分地或完全地以具有嵌入的导电颗粒的液态载体材料来填充或填注。在此重要的是，将足以使得载体材料接触到这两个电线路部段5、6的触点7和触点8的载体材料填入到盲孔状凹部4中。而超出于此的盲孔状凹部4填充程度与传感器装置2的功能并无关系。
在这个实施例中，液态载体材料被设计为具有嵌入的导电颗粒的漆料。可以在重力和/或毛细作用的作用下通过开口11将载体材料填入到盲孔状凹部4中。随后，用于形成传感器层3的载体材料固化并且/或者主动使其固化。
最后，将线路部段5、6的背离触点7、8的端部与评估装置12连接。借助于评估装置12可以基于对传感器层3进行的电阻测量来获取构件1上的瞬时的载荷和/或力作用。在根据箭头13示出地相对于传感器层3或盲孔状凹部4的纵向延伸部横向或成直角地定向的载荷或力作用下，根据箭头14发生传感器层3的伸长或伸展。由此，导电颗粒也发生伸长或伸展，由此传感器层3的电阻发生变化。在例如反向于箭头13远离构件1或相对于传感器层3的纵向延伸部横向或成直角地远离该传感器层定向的减小的载荷下，传感器层3再次收缩。由此，传感器层3中的导电颗粒缩短，这进而促使传感器层3的电阻发生变化。
图2示出了根据本发明的底盘构件15的剖开的示意性侧视图。构件15在这个实施例中被实现为用于球窝接头16的球壳，该球窝接头在此仅示意性地示出。球窝接头16具有接头球17，该接头球以可铰接运动的方式被容纳或支承在球壳15中。
球壳15具有传感器装置2，该传感器装置大体上根据图1的图示来设计。就此而言也参考上述说明。
在使用球窝接头16时，不同的载荷和/或力藉由接头球17作用到球壳15上。在此，相对于传感器层3的纵向延伸部横向或成直角地定向的、变化的载荷和/或力(例如根据箭头13示出地)促使传感器层3伸展或收缩(如箭头14示出地)。对由此得到的传感器层3的电阻变化进行测量，其中借助于评估装置12获取作用的载荷和/或力。
球壳15可以具有多个盲孔状凹部4，该多个盲孔状凹部分别具有传感器层3。多个盲孔状凹部4或传感器层3可以被布置成均匀地围绕接头球17分布。在此，盲孔状凹部4或传感器层3中的两个或更多个在其相应的纵向取向方面可以相对于彼此横向或成直角地定向。由此可以实现经改进的以取决于位置并且/或者取决于方向的方式获取作用的载荷和/或力。
附图标记清单
1 构件
2 传感器装置
3 传感器层
4 盲孔状凹部
5 电线路部段
6 电线路部段
7 触点
8 触点
9 底部
10 内周面
11 开口
12 评估装置
13 箭头
14 箭头
15 底盘构件/球壳
16 球窝接头
17 接头球。

Claims (10)

1.一种用于制造测量构件(1，15)的瞬时载荷的传感器装置(2)的方法，其中由塑料制造所述构件(1，15)，其中将传感器层(3)布置在所述构件(1，15)上，其中所述传感器层(3)具有载体材料和嵌入到所述载体材料中的导电颗粒，其特征在于，在所述构件(1，15)中设计至少一个盲孔状凹部(4)，以容纳所述传感器层(3)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，尤其在重力和/或毛细作用的作用下，至少部分地以形成为液体的、具有嵌入的导电颗粒的所述载体材料填充所述盲孔状凹部(4)，尤其使用漆料来作为液态载体材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在至少部分地填充所述盲孔状凹部(4)之后，具有所述嵌入的导电颗粒的所述载体材料固化并且/或者使其固化。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将至少两个电线路部段(5，6)嵌入到所述构件(1，15)中，以为所述传感器层(3)提供触点(7，8)，尤其在制造所述构件(1，15)时所述构件(1，15)的塑料部分地对所述线路部段(5，6)进行包覆浇铸并且/或者包覆注塑。
5.根据权利要求3和4所述的方法，其特征在于，将借助于两个所述电线路部段(5，6)所提供的所述触点(7，8)与所述传感器层(3)导电地相互连接，尤其使用冲裁格栅或金属线作为线路部段(5，6)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述触点(7，8)沿所述盲孔状凹部(4)的纵向方向彼此间隔开，尤其以具有所述嵌入的导电颗粒的所述液态载体材料填充所述盲孔状凹部(4)至少直至所述触点(7，8)接触到所述载体材料和/或所述嵌入的导电颗粒的程度。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将所述传感器装置(2)与评估装置(12)连接，所述评估装置基于对所述传感器层(3)进行的电阻测量来确定所述构件(1，15)的瞬时载荷。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在所述构件(1，15)中布置分别用于容纳传感器层(3)的多个盲孔状凹部(4)。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将所述构件(1，15)设计为用于车辆的底盘构件，尤其将所述构件(1，15)实现为用于球窝接头(16)的球壳和/或接头壳体。
10.一种根据前述权利要求之一所述的方法制造的构件和/或底盘构件，其中在所述至少一个盲孔状凹部(4)中容纳有所述传感器层(3)。
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