CN114981627A - 力传感器设备及其组装方法 - Google Patents

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劳伦斯·C·福根斯
扬-威廉·斯洛特耶斯
埃德温·冯克
鲁本·奥尔
托马斯·格延·亨德里克·库文
克里斯托瓦尔·鲁伊斯·兹沃洛
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Abstract

在具体实施例中，公开了一种力传感器设备，其包括力柔顺元件，该力柔顺元件响应于向力传感器设备施加力而变形。该设备还包括传感元件，该传感元件联接到力柔顺元件，并配置为生成信号，该信号指示力柔顺元件响应于向力传感器设备施加力而变形的程度。在该实施例中，该设备还包括印刷电路板，该印刷电路板配置为接收来自传感元件的信号；以及支撑结构，该支撑结构具有表面，该印刷电路板联接在该表面上。该支撑结构具有附接至力柔顺元件上的外缘。该设备还包括覆盖印刷电路板的传感器壳体。该传感器壳体具有附接至力柔顺元件的外缘。

Description

力传感器设备及其组装方法
背景技术
力传感器经常用于控制或调节施加于部件上的力。在一种类型的力传感器中，力传感器定位成使待测量的力作用在传感器上。力传感器可被配置为将力的测量值转化成电信号，用于进一步控制或调节力。这种类型的力传感器可用于多种应用，诸如用于测量汽车中的机电制动器的制动力。例如，力传感器的力柔顺元件可联接到制动系统的某个部件，并且当施加力时，力柔顺元件暂时变形。在该示例中，力柔顺元件上的应变可被测量，并且用于生成电信号，该电信号指示作用在制动系统的部件上的力。
发明内容
本发明的前述和其他目的、特征以及优点将从如在附图中所展示的本发明的示范性实施例的以下更具体的说明中变得清楚，其中相同的参考标号一般代表本发明的示范性实施例的相同部分。
在特定实施例中，公开了一种力传感器设备，其包括力柔顺元件，该力柔顺元件响应于向力传感器设备施加的力而变形。该设备还包括传感元件，该传感元件联接到力柔顺元件，并且配置为生成信号，该信号指示力柔顺元件响应于向力传感器设备的施加力而变形的程度。在该实施例中，该设备还包括印刷电路板，该印刷电路板配置为接收来自传感元件的信号；以及支撑结构，该支撑结构具有表面，该印刷电路板联接在该表面上。该支撑结构具有附接至力柔顺元件的外缘。该设备还包括覆盖印刷电路板的传感器壳体。该传感器壳体具有附接至力柔顺元件的外缘。
在另一实施例中，公开了一种力传感器设备，其包括力环，该力环配置为响应于向力传感器设备施加的力而变形。该力环具有多个传感元件，所述传感元件被配置为产生电信号，该电信号指示力环中的变形量。该设备还包括印刷电路板，该印刷电路板配置为处理来自力环的电信号。在该实施例中，该设备还包括传感器盖，该传感器盖覆盖力环的一部分和印刷电路板。该传感器盖具有附接至力环的内缘和外缘。该设备还包括环状环境密封件，该环状环境密封件在传感器盖的内缘和力环的内缘之间。
在特定实施例中，公开了一种组装力传感器设备的方法。该方法包括：将具有电气部件的印刷电路板(PCB)附接至支撑环；将PCB的电气部件电联接到力环上的至少两个传感元件，该至少两个传感元件配置为测量施加到力传感器设备的力；将支撑环附接至力环；将传感器盖定位在PCB和支撑环上方；以及将传感器盖附接至力环。
附图说明
图1是示出了根据本公开内容的实施例的力传感器设备的分解图的示图；
图2是示出了图1的力传感器设备在组装之后的等距视图的示图；
图3是示出了图1的力传感器设备在组装之后的局部截面图的示图；
图4示出了图1的力传感器设备在组装之后的俯视图的示图；
图5A是示出了图1的力传感器设备在组装之后的侧视图的示图；
图5B是示出了图1的力传感器设备在组装之后的侧视图的示图；
图6是示出了根据本发明实施例的力传感器设备的分解图的示图；
图7是示出了图6的力传感器设备在组装之后的局部截面图的示图；
图8是示出了图6的力传感器设备在组装之后的侧视图的示图；
图9是示出了力传感器设备的局部截面图的示图；
图10是示出了根据本发明实施例的力传感器设备的侧视图的示图；
图11是示出了图10的力传感器设备的局部截面图的示图；
图12是示出了根据本发明实施例的用于构建力传感器设备的方法的实现方式的流程图；
图13是示出了根据本发明实施例的用于组装力传感器设备的方法的另一实现方式的流程图；以及
图14是示出了根据本发明实施例的用于组装力传感器设备的方法的另一实现方式的流程图。
具体实施方式
通过结合阐述本发明的代表性实施例的附图进行的某些实施例的以下详细描述，本文公开的系统和方法的优点和其他特征对于本领域普通技术人员而言将变得更加容易清楚。
在说明书中，贯穿附图，共同的特征由共同的参考标号指定。如本文中所使用的，不同术语仅用于描述具体实施方式的目的而并非旨在是限制性的。例如，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”、和“该”意图也包括复数形式。可进一步理解的是，术语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”和“包括(comprising)”可与“包括(include)”、“包括(includes)”或“包括(including)”可互换地使用。此外，应当理解，术语“其中(wherein)”可与“其中(where)”互换使用。如本文所使用的，“示例性的”可指示示例、实现方式和/或方面，并且不应被解释为限制或指示优选例或优选实现方式。如本文所使用的，用于修改元件(诸如结构、部件、操作等)的序数术语(例如，“第一”、“第二”、“第三”等)本身不指示该元件相对于另一元件的任何优先级或次序，而是仅仅将该元件与具有相同名称(但针对序数术语的使用)的另一元件区分开来。如本文所使用的，术语“组(set)”是指一个或更多个元件的分组，并且术语“多个(plurality)”是指多个(multiple)元件。
如本文所使用的，“联接”可包括“通信联接”、“电联接”或“物理联接”，并且还可(或可替代地)包括其中任何组合。两个装置(或部件)可经由一个或更多个其他装置、部件、电线等直接或间接地联接(例如，通信联接、电联接或物理联接)。电联接的两个装置(或部件)可被包括在同一装置或不同装置中，并且可经由电子器件、一个或更多个连接器、或电感联接来连接，作为说明性、非限制性示例。在一些实现方式中，通信联接(诸如在电通信中)的两个装置(或部件)可诸如经由一个或一个以上电线、总线、网络等直接或间接发送和接收电信号(数字信号或模拟信号)。如本文所使用的，“直接联接”可包括联接(例如，通信联接、电联接或物理联接)而没有中间部件的两个装置。
此外，定义诸如“上”、“下”、“内”和“外”等方位的措词，只是用于帮助描述部件相对于彼此的位置。例如，部件的“内”表面只是意味着描述与该相同部件的“外”表面分开的表面。指代方位的措词不用于描述绝对方位(即，其中“内”部件必须始终在部件内侧)。
注意，本文的技术非常适合用于任何类型的传感器应用，例如本文所讨论的力传感器组件。然而，应当注意，本文的实施例不限制在这样的应用中使用，并且本文所讨论的技术也非常适合于其他应用。
图1示出了根据本发明的实施例的力传感器设备(100)的分解图的示图。图1的设备(100)包括力柔顺元件(102)，该力柔顺元件(102)被配置为响应于向力传感器设备施加的力而变形。在具体实施例中，该力柔顺元件(102)具有第一表面，该第一表面被设置为用于承受第一力。如下文将解释的，力柔顺元件与接口结构(118)连接，该接口结构被设置为接收与第一力的方向相反的第二力，使得力柔顺元件响应于在力传感器设备(100)上施加的第一力和第二力而变形。在具体实施例中，该力柔顺元件(102)是一块材料(诸如金属或塑料)，该材料响应于力的施加而变形。例如，力柔顺元件(102)可为环形金属盘。本领域普通技术的读者将认识到，可使用包括但不限制于车削和铣削以及金属粉末注射成型的多种方法和技术来生产该力柔顺元件(102)。
图1的设备(100)还包括四个传感元件(104)，该传感元件(104)联接到力柔顺元件(102)。在具体实施例中，力柔顺元件(102)的顶表面被制备为传感元件(104)提供良好的附接表面。例如，力柔顺元件(102)的顶表面可被喷砂。每个传感元件(104)中被配置为生成信号，该信号指示力柔顺元件(102)响应于向设备(100)施加力而变形的程度。在具体实施例中，传感元件是微熔融硅应变仪(MSG，micro-fused silicon strain gauge)。为了测量施加到力柔顺元件的力的量值，传感元件可均匀地分配在力柔顺元件(102)的顶表面上的圆上。本领域技术的读者将认识到，根据本发明可使用任何数量的传感元件(包括其中单个计量器被用作传感元件的具体实施例)。该力柔顺元件可包括一个或更多个沟槽以帮助控制传感元件测量的应变场。在图1的示例中，力柔顺元件(102)包括多个沟槽(130)。可替代地，该力柔顺元件可不包括沟槽。
此外，图1的设备(100)还包括印刷电路板(PCB)(110)，电气部件(例如，集成电路和诸如电阻器、电容器等的无源元件)定位在印刷电路板(PCB)上，并且被配置为接收来自传感元件(104)的信号。在图1的示例中，PCB是C形的并且仅覆盖下面的支撑结构(108)的一部分。具有C形PCB可允许PCB嵌套在力传感器设备的部件堆叠内，并且因此使力传感器设备的组装能够更紧凑。
在图1的力传感器设备(100)中，支撑结构(108)具有PCB(110)联接在其上的表面。支撑结构可由适合于支撑PCB(110)的许多类型的材料制成，诸如金属和塑料。在图1的示例中，支撑结构(108)定位在力传感器设备(100)的部件堆叠中以搁置在力柔顺元件(102)上。支撑结构(108)还可包括开口(未示出)，PCB的部件可穿过该开口联接到传感元件。在该示例中，支撑结构(108)中的开口可与PCB(110)上的接合焊盘的位置对准，使得传感元件(104)上的触点可接合到PCB(110)上的焊盘。在形成传感元件(104)到PCB(110)上的电气部件的这种电连接之后，传感元件(104)可在由支撑结构(108)中的开口提供的空隙中用保护材料(例如，凝胶状材料)覆盖。
此外，图1的设备(100)还包括覆盖PCB(110)的传感器壳体(112)。在图1的示例中，传感器壳体(112)具有内缘(180)和外缘(182)。如下文将进一步详细解释的，传感器壳体(112)被设计为保护力传感器设备(100)的电气部件。图1的设备(100)还包括环境密封环(106)，该环境密封环在置于传感器壳体(112)和力柔顺元件(102)之间时，确保力传感器设备(100)的内部部件被保护。在图1的示例中，环境密封环是O形环，但本领域的读者将认识到，许多其他形状和配置(诸如D形环和灌封化合物)可用于提供隔离环境的密封。使用环境密封件可允许传感器壳体被组装并密封到力柔顺元件，而不必将传感器壳体的内缘焊接或以其他方式联接到力柔顺元件。用环境密封件(106)密封传感器壳体(112)和力柔顺元件(102)，取代将传感器壳体(112)和力柔顺元件(102)的内缘焊接在一起，可降低组装设备(100)的复杂性和成本。
图1的设备(100)还包括电子连接器组件(116)，该电子连接器组件被对准以用于定位在传感器壳体(112)的开口(114)内。在图1的示例中，电子连接器组件(116)包括用于向外部部件(未示出)传输信号的多个电连接销(117)。电子连接器组件(116)还包括用于将该设备与外部部件(未示出)对准的多个机械定向特征(119)。在具体实施例中，机械定向特征是传感器壳体(112)的部分。在另一个实施例中，机械定向特征是力柔顺元件(102)的一部分。
在具体实施例中，该电子连接器组件(116)被机械地连接并且环境密封到该传感器壳体(112)。例如，可使用焊接来将该电子连接器组件(116)环境密封到该传感器壳体(112)。在图1的示例中，设备(100)包括用于将电子连接器组件(116)密封到配对部件的垫圈(120)。使用玻璃密封件和垫圈可允许该电子连接器组件(116)与该配对部件环境密封，而不使用额外的密封件。
此外，图1的设备(100)包括接口结构(118)，当接口结构(118)附接至力柔顺元件(102)时，接口结构(118)将载荷分配到力柔顺元件(102)。在图1的示例中，接口结构(118)是环或接口环，当联接到力柔顺元件(102)时，该环或接口环将载荷均匀地分配到力柔顺元件(102)，使得传感元件(104)可精确地测量力柔顺元件上的载荷。接口结构(118)还可用于产生用于将力传感器设备(100)联接到向力柔顺元件(102)提供力的部件的接口。例如，接口结构(118)可用于将设备(100)固定到机电制动系统的卡钳。在该示例中，该力柔顺元件(102)可联接到该机电制动系统的活塞。继续这个示例，来自该活塞和该卡钳两者的力被施加到包括该力柔顺元件的设备(100)的部件。如上所解释的，这些力的施加可造成力柔顺元件(102)暂时变形。在该示例中，传感元件(104)可生成电信号，该电信号具有与力柔顺元件(102)中的变形量匹配(commensurate)的属性。
图2是示出了图1的力传感器设备在组装之后的等距视图的示图。在已组装状态下，力柔顺元件(102)、以及传感器壳体(112)、接口结构(118)、电子连接器组件(116)、机械定向特征(119)和垫圈(120)是可见的。
图3是示出了图1的力传感器设备在组装之后的局部截面图的示图。组装力传感器设备(100)可包括将印刷电路板(PCB)(110)附接至支撑结构(108)。例如，PCB(110)可使用钎焊、胶水、粘合剂或胶带附接至支撑结构。组装力传感器设备还可包括将PCB的电气部件电联接到力测量元件(102)上的传感元件(104)。如上所解释的，传感元件(104)可被配置为测量施加到力柔顺元件(102)的力并且生成电信号。该电信号随后可从传感元件(104)传输到PCB(110)。
为了组装力传感器设备，支撑结构(108)的外缘(192)可附接至力柔顺元件(102)的外缘(161)。在图3的示例中，壳体(112)被定位在PCB(110)和支撑结构(108)上方，并且壳体(112)的外缘(182)被附接至力柔顺元件(102)的另一外缘(162)。
组装力传感器设备(100)还可包括将环境密封件(106)放置在壳体(112)的内缘(180)和力柔顺元件(102)的内缘(160)之间；以及将该传感器壳体(112)联接到该力柔顺元件(102)。在具体实施例中，该传感器壳体(112)通过焊接、压力装配、或用粘合剂之一，联接到该力柔顺元件(102)上。使用环境密封件(106)来密封传感器壳体(112)的内缘和力柔顺元件(102)的内缘，可允许力传感器设备(100)被组装，而无需焊接或以其他方式连接力柔顺元件(102)的内缘和传感器壳体(112)。如以上所解释的，用环境密封件(106)密封传感器壳体(112)和力柔顺元件(102)，而不是将传感器壳体(112)的内缘和力柔顺元件(102)的内缘焊接在一起，可降低组装设备(100)的复杂性和成本。
电销(117)联接到PCB(110)的电气部件。在图3的示例中，引线(350)将PCB的电气部件电联接到电子连接器组件(116)的销(117)之一。电子连接器组件(116)延伸穿过传感器壳体(112)的开口(例如，图1中示出的开口(114))，使得电子连接器组件(116)的销(117)和定向特征(119)对于外部部件(未示出)是可触及的。
此外，组装力传感器设备可包括将接口结构(118)附接至力柔顺元件(102)。在图3的示例中，接口结构(118)的内缘(199)被焊接到力柔顺元件(102)的外缘(197)。如上所说明的，接口结构使得力能够均匀分配到力柔顺元件。在图3的示例中，接口结构(118)包括用于接收来自部件的力的受力表面(198)。因为接口结构(118)联接到力柔顺元件(102)，所以在受力表面(198)处承受的力被施加到力柔顺元件(102)，并且是与力柔顺元件(102)在力柔顺元件(102)上的受力表面(105)处承受的力相反的力。
接口结构还能够使专用附件应用到部件。例如，该接口结构可用于将该设备固定到机电制动系统的卡钳。在该示例中，力柔顺元件(102)可联接到机电制动系统的活塞。继续这个示例，来自该活塞和该制动钳两者的力被施加到包括该力柔顺元件的设备的部件。确切地讲，当该活塞相对于该制动钳移动时，第一力被施加到该力柔顺元件(102)。卡钳提供与接口环上的第一力相反的第二力。如上所解释的，这些力的施加可造成力柔顺元件暂时变形。在该示例中，传感元件(104)可生成电信号，该电信号具有与力柔顺元件中的变形量匹配的属性。这个信号可被提供给PCB，该PCB处理该信号并且生成可经由电子连接器组件(116)的销(117)被传输至另一部件(未示出)的输出。
图4是示出了图1的力传感器设备在组装之后的俯视图的示图。从力传感器设备的俯视图来看，电子连接器组件(116)的机械定向特征(119)、销(117)、垫圈(120)、接口结构(118)和壳体(112)是可见的。
图5A和图5B是各自示出了图1的力传感器设备在组装之后的侧视图的示图。从力传感器设备的侧视图来看，电子连接器组件(116)的机械定向特征(119)、销(117)、垫圈(120)、接口结构(118)和壳体(112)是可见的。力柔顺元件(102)的受力应用表面(105)也是可见的。
图6示出了根据本发明的实施方式的力传感器设备(600)的分解图的示图。如下面将要解释的，图6的设备600包括许多部件，这些部件与图1的设备100的部件相似，但是被配置并成形为产生更圆柱形的传感器部件。
图6的设备(600)包括力柔顺元件(602)，该力柔顺元件(602)被设置为承受相反指向的力。在具体实施例中，该力柔顺元件(602)是响应于力的施加而变形的材料(诸如金属或塑料)的部件。例如，力柔顺元件(602)可为按钮形金属盘。本领域普通技术的读者将认识到，可使用包括但不限制于车削和铣削以及金属粉末注射成型的多种方法和技术来生产该力柔顺元件(602)。
图6的设备(600)还包括两个传感元件(604)，该传感元件(604)联接到力柔顺元件(602)。在具体实施例中，力柔顺元件(602)的顶表面被制备为传感元件(604)提供良好的附接表面。每个传感元件(604)被配置为生成信号，该信号指示力柔顺元件(602)响应于相反指向的力的施加而变形的程度。来自传感元件(604)的这些信号可通过电连接器(750)传输，并且可由PCB(610)和联接到PCB的其他部件(未示出)使用。在具体实施例中，传感元件是微熔融硅应变仪(MSG)。为了测量施加到力柔顺元件的力的量值，传感元件可均匀地分配在力柔顺元件的顶表面上的圆上(602)。本领域普通技术的读者将认识到，根据本发明可使用任何数量的传感元件。
PCB(610)包括电气部件(集成电路和诸如电阻器、电容器等的无源元件)，该电气部件被定位并配置为接收来自传感元件(604)的信号。
在图6的力传感器设备(600)中，支撑结构(608)具有PCB(610)联接于其上的表面。支撑结构可由适合于支撑PCB(610)的许多类型的材料制成，诸如金属和塑料。在图6的示例中，支撑结构(608)被定位在力传感器设备(600)的部件堆叠中以搁置在力柔顺元件(602)上。例如，在已组装状态下，支撑结构(608)的外缘(680)联接到力柔顺元件(602)的外缘(692)。支撑结构(608)还可包括开口(未示出)，PCB的部件可穿过该开口联接到传感元件。在该示例中，支撑结构(608)中的开口可与PCB(610)上的接合焊盘的位置对准，使得传感元件(604)上的触点可接合到PCB(610)上的接合焊盘。在形成传感元件(604)到PCB(610)上的电气部件的这种电连接之后，传感元件(604)可在由支撑结构(608)中的开口提供的空隙中用保护材料(例如，凝胶状材料)覆盖。
此外，图6的设备(600)还包括覆盖PCB(610)和支撑结构(608)的传感器壳体(612)。传感器壳体(612)被设计为保护力传感器设备(600)的电气部件，并且承受相反的力以用于力测量。尽管未示出，图6的设备(600)还可包括被对准以用于定位在传感器壳体(612)的开口内的电子连接器。在该已组装状态下，该传感器壳体(612)的外缘(670)被联接到该力柔顺元件(602)的外缘(690)，使得施加到该壳体(612)的任何力然后被施加或“传递(flow)”通过该壳体并接触该力柔顺元件(602)的外缘(690)。
图6的设备(600)还包括专用底部接口(601)，在专用底部接口(601)附接至力柔顺元件(602)时，专用底部接口(601)将载荷分配到力柔顺元件(602)，使得传感元件(604)可精确地测量力柔顺元件(602)上的载荷。专用底部接口(601)还可用于产生接口，该接口用于将力传感器设备(600)联接到向力柔顺元件(602)提供力的部件。例如，专用底部接口(601)可用于将力传感器设备(600)联接到机电制动系统的活塞。
本领域普通技术的读者将认识到，可对专用底部接口(601)和传感器壳体(612)两者进行适配和修改，以将该设备(600)集成到新的或现有的组件中的任何部件，以直接测量力或测量与力相关联的反作用力。例如，在一般的制动踏板组件中，推杆可从发动机舱前方的地板区域延伸。在该推杆的一端处，该推杆联接到附接至该地板的旋转接头。脚踏板可附接至推杆的另一端。在该推杆的两端之间的一位置处，该推杆被联接到活塞，该活塞被联接到该制动系统。在这个示例性制动踏板组件中，该设备(600)可被集成到多个位置中。例如，本发明中所描述的传感器设备可联接到制动踏板，以测量当用户下压踏板时施加的拉伸或者压缩力。可替代地，本发明的传感器设备还可被联接以测量该推杆与该活塞之间连接处的力、该推杆与该地板之间连接处的力、以及施加到该地板的力。
在具体实施例中，该力柔顺元件(602)和该专用底部接口(601)是单个组件。可替代地，力柔顺元件(602)和专用底部接口(601)是联接在一起的两个独立部件。根据一个实现方式，该力柔顺元件(602)和该专用底部接口(601)是压接在一起的两个独立部件。在具体实施例中，该力柔顺元件(602)和该专用底部接口(601)通过热收缩和膨胀过程装配在一起。该力柔顺元件(602)和该专用底部接口(601)可被焊接在一起。在图6的示例中，专用底部接口(601)是球形接口。本领域普通技术的读者将认识到，任何数量的形状和大小可用于专用底部接口以提供与施加的力所通过的部件的连接。力柔顺元件(602)和壳体(612)可使用金属粉末注射成型来制成。可替代地，该力柔顺元件(602)和该壳体(612)使用铣削和车削制成。
图7示出了图6的力传感器设备在组装之后的局部截面图的示图。组装力传感器设备(600)可包括将具有电气部件的印刷电路板(PCB)(610)附接至支撑结构(608)。例如，PCB(610)可使用胶水、粘合剂或胶带附接至支撑结构。组装力传感器设备还可包括将PCB(610)的电气部件电联接到力测量元件(602)上的传感元件(604)。如上所解释的，传感元件(604)可被配置为测量施加到力柔顺元件(602)的力。为了组装力传感器设备，支撑结构(608)的外缘(680)可附接至力柔顺元件(602)的外缘(692)。在图7的示例中，壳体(612)定位在PCB(610)和支撑结构(608)上方，并且壳体(612)的外缘(670)附接至力柔顺元件(602)的另一外缘(690)。在具体实施例中，将传感器壳体(612)附接至力柔顺元件(602)可通过焊接、压力装配、或使用粘合剂中的一种或更多种来实现。壳体(612)具有专用接口(701)，该专用接口包括具有用于与另一部件联接的对准结构的半球体形状。
图8是示出了图6的力传感器设备在组装之后的侧视图的示图。在已组装状态下，该力柔顺元件(602)以及该壳体(612)和该专用底部接口(601)是可见的。
图9是示出了力传感器设备(900)的局部截面图的示图。设备(900)包括图6的设备(600)的许多部件，包括壳体(612)、PCB(610)、传感元件(604)和力柔顺元件(602)。在图9的示例中，壳体(612)具有包括内螺纹(902)的专用接口。传感器壳体(612)的内螺纹(902)可用于将力传感器设备(900)联接到一部件，使得壳体(612)可从部件接收与施加到力柔顺元件(602)的底表面(950)的力相反的力。如以上所解释的，因为壳体(612)被联接到力柔顺元件(602)，所以施加到壳体的相反的力通过壳体(612)“传递”到力柔顺元件(602)。在该示例中，力柔顺元件(602)可响应于来自专用接口(902)的第一力和来自壳体(612)的第二力而暂时变形。继续该示例，力柔顺元件(602)上的传感元件(604)可生成信号，该信号指示力柔顺元件(602)中的总变形量。来自传感元件(604)的这些信号可通过电连接器(750)传输，并且可被PCB(610)和联接到PCB的其他部件(未示出)使用，以确定施加到力柔顺元件(602)的力的总量值。
图10是示出了根据本发明的具体实施例的力传感器设备(1000)在组装之后的侧视图的示图。在图10的示例中，类似于图6-9的力柔顺元件(602)的力柔顺元件(1002)联接到类似于图6-9的壳体(612)的壳体(1012)，除了图10的壳体(1012)包括用于将力传感器设备(1000)联接到部件的外螺纹(1050)之外。
图11是示出了图10的力传感器设备(1000)的局部截面图的示图。图11的设备(1000)包括力柔顺元件(1002)，该力柔顺元件(1002)具有被设置为承受反向指向的力的受力应用表面(1005)。在具体实施例中，该力柔顺元件(1002)是一块材料(诸如金属或塑料)，该材料响应于力的施加而变形。例如，力柔顺元件(1002)可为按钮形金属盘。本领域普通技术的读者将认识到，可使用包括但不限制于车削和铣削、金属粉末注射成型的多种方法和技术来生产该力柔顺元件(1002)。
图11的设备(1000)还包括两个传感元件(1004)，该传感元件(1004)联接到力柔顺元件(1002)。在具体实施例中，力柔顺元件(1002)的顶表面被制备为传感元件(1004)提供良好的附接表面。每个传感元件(1004)被配置为生成信号，该信号指示力柔顺元件(1002)响应于向设备(1000)施加力而变形的程度。来自传感元件(1004)的这些信号可通过电连接(1154)传输，并且可由印刷电路板(PCB)(1010)和联接到PCB(1010)的其他部件(未示出)使用。在具体实施例中，传感元件是微熔融硅应变仪(MSG)。为了测量施加到力柔顺元件(1002)的力的量值，传感元件可均匀地分配在力柔顺元件(1002)的顶表面的圆上。本领域普通技术的读者将认识到，根据本发明可使用任何数量的传感元件。
PCB(1010)可包括电气部件(集成电路和诸如电阻器、电容器等的无源元件)，这些电气部件被定位和配置为接收来自传感元件(1004)的信号。
在图11的力传感器设备(1000)中，支撑结构(1008)具有PCB(1010)联接于其上的表面。支撑结构可由适合于支撑PCB(1010)的许多类型的材料制成，诸如金属和塑料。在图11的示例中，支撑结构(1008)定位在力传感器设备(1000)的部件堆叠中以搁置在力柔顺元件(1002)上。支撑结构(1008)还可包括开口(未示出)，PCB的部件可穿过该开口联接到传感元件。在此示例中，支撑结构(1008)中的开口可与PCB(1010)上的接合焊盘的位置对准，使得传感元件(1004)上的触点可接合到PCB(1010)上的接合焊盘。在形成传感元件(1004)到PCB(1010)上的电气部件的这种电连接之后，传感元件(1004)可在由支撑结构(1008)中的开口提供的空隙中用保护材料(例如，凝胶状材料)覆盖。
在图11的示例中，传感器壳体(1012)覆盖PCB(1010)和支撑结构(1008)。传感器壳体(1012)被设计为保护力传感器设备(1000)的电气部件。尽管未示出，图11的设备(1000)还可包括被对准以用于定位在传感器壳体(1012)的开口内的电子连接器。如以上关于图6的传感器壳体(612)所讨论的，图11的传感器壳体(1012)还被配置为用于联接到系统的部件，并且从该部件接收对于施加到该力柔顺元件(1002)的底表面上的力的相反的力。在图11的示例中，壳体(1012)包括有助于将壳体紧固到另一部件的外螺纹(1050)。
图12是示出了根据本发明的实施例的用于构建力传感器设备的方法的实现方式的流程图。图12的方法包括将具有电气部件的印刷电路板(PCB)附接(1202)至支撑环。将具有电气部件的印刷电路板(PCB)附接(1202)至支撑环，可通过钎焊或施加粘合剂、胶带或胶水到PCB(例如，图1的PCB(110)；图6的PCB(610)；图9的PCB(610)；和图11的PCB(1010))的对着支撑环(例如，图1的支撑结构(108)；图6的支撑结构(608)；图9的支撑结构(608)；和图11的支撑结构(1008))的底部来实施。
图12的方法还包括将PCB的电气部件电联接(1204)到力环上的至少两个传感元件，该至少两个传感元件被配置为测量施加到力环的力。将PCB的电气部件电联接(1204)到力环上的至少两个传感元件，可通过将来自PCB(例如，图1的PCB(110)；图6的PCB(610)；图9的PCB(610)；和图11的PCB(1010))的引线连接到力环(例如，图1的力柔顺元件(102)；图6的力柔顺元件(602)；图9的力柔顺元件(602)；和图11的力柔顺元件(1002))上的传感元件(例如，图1的传感元件(104)；图6的传感元件(604)；图9的传感元件(604)；和图11的传感元件(1004))来实施。
图12的方法还包括将支撑环附接(1206)至力环。将支撑环附接(1206)至力环，可通过焊接、胶合或以其他方式联接力环(例如，图1的力柔顺元件(102)；图6的力柔顺元件(602)；图9的力柔顺元件(602)；图11的力柔顺元件(1002))和支撑结构(例如，图1的支撑结构(108)；图6的支撑结构(608)；图9的支撑结构(608)；和图11的支撑结构(1008))来实施。
此外，图12的方法还包括将传感器盖定位(1208)在PCB、支撑环和力环上方。将传感器盖定位(1208)在PCB、支撑环和力环上方，可通过将传感器盖(例如，图1的传感器壳体(112)；图6的传感器壳体(612)；图9的传感器壳体(612)；和图11的传感器壳体(1012))放置在PCB(例如，图1的PCB(110)；图6的PCB(610)；图9的PCB(610)；和图11的PCB(1010))、支撑环(例如，图1的支撑结构(108)；图6的支撑结构(608)；图9的支撑结构(608)；以及图11的支撑结构(1008))、以及力环(例如，图1的力柔顺元件(102)；图6的力柔顺元件(602)；图9的力柔顺元件(602)；图11的力柔顺元件(1002))的上方来实施。
此外，图12的方法还包括将传感器盖附接(1210)至力环。将传感器盖附接(1210)至力环，可通过将传感器盖(例如，图1的传感器壳体(112)；图6的传感器壳体(612)；图9的传感器壳体(612)；和图11的传感器壳体(1012))联接到传感器壳体(例如，图1的力柔顺元件(102)；图6的力柔顺元件(602)；图9的力柔顺元件(602)；和图11的力柔顺元件(1002))来实施。
图13是示出了根据本发明的实施例的用于构建力传感器设备的方法的另一实施方式的流程图。图13的方法类似于图12中的方法，因为图13的方法也包括：将具有电气部件的印刷电路板(PCB)附接(1202)至支撑环；将PCB的电气部件电联接(1204)到力环上的至少两个传感元件，该至少两个传感元件被配置为测量施加到力环的力；将支撑环附接(1206)至力环；将传感器盖定位(1208)在PCB、支撑环和力环上方；以及将传感器盖附接(1210)至力环。
图13的方法还包括在传感器盖的内缘和力环的内缘之间放置(1302)环状环境密封件。在传感器盖的内缘与力环的内缘之间放置(1302)环状环境密封件，可通过将环境密封环(例如，图1的环境密封环(106))定位在传感器盖(例如，图1-3的传感器壳体(112))的内缘(例如，图1-3的内缘(180))与力环(例如，图1-3的力柔顺元件(102))的内缘(例如，图1-3的内缘(160))之间来实施。
图14是示出了根据本发明的实施例的用于构建力传感器设备的方法的另一实现方式的流程图。图14的方法类似于图12中的方法，因为图14的方法也包括：将具有电气部件的印刷电路板(PCB)附接(1202)至支撑环；将PCB的电气部件电联接(1204)到力环上的至少两个传感元件，该至少两个传感元件被配置为测量施加到力环的力；将支撑环附接(1206)至力环；将传感器盖定位(1208)在PCB、支撑环和力环上方；以及将传感器盖附接(1210)至力环。
图14的方法还包括将接口环附接(1402)至力环。在具体实施例中，接口环在力传感器设备的校准之前附接至力环。将接口环附接(1402)至力环，可通过将接口环(例如，图1的接口结构(118))联接到力环(例如，图1的力柔顺元件(102))来实施。例如，在具体实施例中，接口环可焊接到力环。
附图中的流程图和示图显示出了根据本发明的不同实施例的设备和方法的可行实现方式的架构、功能和操作。在一些替代实现方式中，在该方法的方框或步骤中所标注的功能可不按照图中所标注的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，连续示出的两个框实际上可基本上同时执行，或者这些框有时可以相反的顺序执行。
本发明的优点和特征可通过以下声明来进一步描述：
1.一种装置，系统，或设备，包括：力柔顺元件，该力柔顺元件响应于至该力传感器设备的力的施加而变形；传感元件，该传感元件联接到该力柔顺元件，并且配置为生成信号，该信号指示该力柔顺元件响应于至该力传感器设备的力的施加而变形的程度；印刷电路板，该印刷电路板配置为从该传感元件接收该信号；支撑结构，该支撑结构具有表面，该印刷电路板联接在该表面上，该支撑结构具有外缘，该支撑结构的外缘附接至该力柔顺元件；以及传感器壳体，该传感器壳体覆盖该印刷电路板，该传感器壳体具有外缘，该传感器壳体的外缘附接至该力柔顺元件。
2.根据声明1所述的装置，系统，或设备，还包括：环境密封环，该环境密封环置于该传感器壳体的内缘与该力柔顺元件的内缘之间。
3.根据声明1或2所述的装置，系统，或设备，还包括：接口结构，该接口结构将载荷分配到该力柔顺元件，该接口结构联接到该力柔顺元件。
4.根据声明1-3中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该接口结构的内缘被焊接到该力柔顺元件的外缘。
5.根据声明1-4中任一项所述的装置，系统，或设备，还包括：电子连接器组件，该电子连接器组件联接到PCB，并且延伸通过该传感器壳体的开口；以及密封件，该密封件在该电子连接器组件与该传感器壳体之间。
6.根据声明1-5中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该PCB通过胶带、粘合剂、钎焊和胶水中的至少一种附接至该支撑结构。
7.根据声明1-6中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该PCB是C形的，使得该支撑结构的一部分不被该PCB覆盖。
8.根据声明1-7中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该力柔顺元件和该支撑结构是环形的。
9.根据声明1-8中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该力柔顺元件和该支撑结构是圆柱形的。
10.根据声明1-9中任一项所述的装置，系统，或设备，还包括专用底部接口，该底部接口用于将部件联接到力柔顺元件。
11.根据声明1-10中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该力柔顺元件和该专用底部接口是单个构件。
12.根据声明1-11中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该力柔顺元件和该专用底部接口是联接在一起的两个独立部件。
13.根据声明1-12中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该力柔顺元件和该专用底部接口是压接在一起的两个独立部件。
14.根据声明1-13中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该力柔顺元件和该专用底部接口通过热收缩和膨胀过程配合在一起。
15.根据声明1-14中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该专用底部接口是球形接口。
16.根据声明1-15中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该传感元件包括多个计量器。
17.根据声明1-16中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该多个计量器置于该力柔顺元件的顶部上，其中该计量器绕该力柔顺元件的圆周均匀地分布。
18.根据声明1-17中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该传感器壳体是通过焊接、压力装配、以及粘合剂中的至少一种附接至该力柔顺元件。
19.根据声明1-18中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该传感器壳体具有专用接口，该专用接口包括半球体形状，该半球体形状具有用于与另一部件联接的对准结构。
20.根据声明1-19中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该传感器壳体具有专用接口，该专用接口包括外螺纹和内螺纹中的至少一种。
21.根据声明1-20中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该力柔顺元件和该传感器壳体使用铣削和车削制成。
22.根据声明1-21中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该力柔顺元件包括该传感元件所附接其上的表面上的至少一个沟槽。
23.根据声明1-22中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该支撑结构支撑该PCB。
24.根据声明1-23中任一项所述的装置，系统，或设备，还包括用于将该设备与部件对准的定向特征。
25.根据声明1-24中任一项所述的装置，系统，或设备，其中该定向特征是该传感器壳体和该电子连接器组件中的至少一个的部分。
26.一种力传感器设备，包括：力环，该力环被配置为响应于至该力传感器设备的力的施加而变形，该力环具有多个传感元件，该传感元件被配置为产生电信号，该电信号指示该力环中的变形量；印刷电路板，该印刷电路板配置为处理来自该力环的电信号；传感器盖，该传感器盖覆盖该力环的一部分和该印刷电路板，该传感器盖具有内缘和外缘，该传感器盖的外缘附接至该力环；以及环状环境密封件，该环状环境密封件在该传感器盖的内缘与该力环的内缘之间。
27.根据声明1-26中任一项所述的装置，系统，或设备，还包括：支撑环，该支撑环置于该印刷电路板与该力环之间，其中该印刷电路板联接到该支撑环，该支撑环联接到该力环。
28.根据声明1-27中任一项所述的装置，系统，或设备，还包括：接口环，该接口环将载荷分配到该力环，该接口环联接到该力环。
29.根据声明1-28中任一项所述的装置，系统，或设备，还包括玻璃密封式连接器，该玻璃密封式连接器通过该传感器盖提供与该印刷电路板的电接触。
30.根据声明1-29中任一项所述的装置，系统，或设备，还包括垫圈，该垫圈与该玻璃密封式连接器联接。
31.一种组装力传感器设备的方法，该方法包括：将具有电气部件的印刷电路板(PCB)附接至支撑环；将该PCB的电气部件电联接到力环上的至少两个传感元件，该至少两个传感元件配置为测量施加到该力传感器设备的力；将该支撑环附接至该力环；将传感器盖定位在该PCB、该支撑环和该力环的上方；以及将该传感器盖附接至该力环。
32.根据声明1-31中任一项所述的方法，还包括：将环状环境密封件放置在该传感器盖的内缘与该力环的内缘之间。
33.根据声明1-32中任一项所述的方法，还包括：将接口环附接至该力环，该接口环用于将载荷分配至该力环。
34.根据声明1-33中任一项所述的方法，其中该接口环在校准该力传感器设备的该电气部件之前附接至该力环。
本文中可借助于说明具体功能及其关系的执行的方法步骤来描述一个或更多个实施例。为了便于描述，在本文中已经任意限定了这些功能构建方框和方法步骤的边界和顺序。只要适当地执行具体功能和关系，就可限定可替换的界限和顺序。因此，任何这种替代的界限或顺序在权利要求书的保护范围和精神内。此外，为了便于描述，任意地限定了这些功能构建方框的边界。只要适当地执行某些重要功能，就可限定可替代的边界。类似地，在本文中还可任意定义流程图方框，以说明某些重要功能。
在使用的程度上，流程图方框边界和顺序可另外定义，并且仍然执行某些重要的功能。因此，功能构建方框和流程图方框和顺序的这种替换定义在权利要求书的保护范围和精神内。本领域技术人员还将认识到，本文中的功能构建方框以及其他说明性方框、模块和部件可如图所示地实现或者通过分散部件、专用集成电路、执行适当软件的处理器等或其任何组合来实现。
虽然本文中明确描述一个或更多个实施方式的各种功能和特征的特定组合，但是这些特征和功能的其他组合同样是可能的。本发明不受本文公开的特定示例的限制，并且明确地结合这些其他组合。

Claims (34)

1.一种力传感器设备，包括：
力柔顺元件，所述力柔顺元件响应于向所述力传感器设备施加力而变形；
传感元件，所述传感元件联接到所述力柔顺元件，并配置为生成信号，所述信号指示所述力柔顺元件响应于向所述力传感器设备施加力而变形的程度；
印刷电路板，所述印刷电路板配置为从所述传感元件接收所述信号；
支撑结构，所述支撑结构具有表面，所述印刷电路板联接在所述表面上，所述支撑结构具有外缘，所述支撑结构的外缘附接至所述力柔顺元件；以及
传感器壳体，所述传感器壳体覆盖所述印刷电路板，所述传感器壳体具有外缘，所述传感器壳体的外缘附接至所述力柔顺元件。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括：
环境密封环，所述环境密封环置于所述传感器壳体的内缘与所述力柔顺元件的内缘之间。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括：
接口结构，所述接口结构将载荷分配到所述力柔顺元件，所述接口结构联接到所述力柔顺元件。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述接口结构的内缘被焊接到所述力柔顺元件的外缘。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括：
电子连接器组件，所述电子连接器组件联接到PCB，并且延伸穿过所述传感器壳体的开口；以及
密封件，所述密封件在所述电子连接器组件与所述传感器壳体之间。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述PCB通过胶带、粘合剂、钎焊和胶水中的至少一种附接至所述支撑结构。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述PCB是C形的，使得所述支撑结构的一部分不被所述PCB覆盖。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述力柔顺元件和所述支撑结构是环形的。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述力柔顺元件和所述支撑结构是圆柱形的。
10.根据权利要求1所述的设备，还包括专用底部接口，所述专用底部接口用于将部件联接到力柔顺元件。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述力柔顺元件和所述专用底部接口是单个组件。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述力柔顺元件和所述专用底部接口是联接在一起的两个独立部件。
13.根据权利要求10所述的设备，其中所述力柔顺元件和所述专用底部接口是压接在一起的两个独立部件。
14.根据权利要求10所述的设备，其中所述力柔顺元件和所述专用底部接口通过热收缩和膨胀过程配合在一起。
15.根据权利要求10所述的设备，其中所述专用底部接口是球形接口。
16.根据权利要求1所述的设备，其中所述传感元件包括多个计量器。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述多个计量器置于所述力柔顺元件的顶部上，所述计量器绕着所述力柔顺元件的圆周均匀地分布。
18.根据权利要求1所述的设备，其中所述传感器壳体是通过焊接、压力装配、以及粘合剂中的至少一种附接至所述力柔顺元件。
19.根据权利要求1所述的设备，其中所述传感器壳体具有专用接口，所述专用接口具有半球体形状，所述半球体形状具有用于与另一部件联接的对准特征。
20.根据权利要求1所述的设备，其中所述传感器壳体具有专用接口，所述专用接口包括外螺纹和内螺纹中的至少一种。
21.根据权利要求1所述的设备，其中所述力柔顺元件和所述传感器壳体使用铣削和车削制成。
22.根据权利要求1所述的设备，其中，所述力柔顺元件包括位于所述传感元件所附接到的表面上的至少一个沟槽。
23.根据权利要求1所述的设备，其中所述支撑结构支撑所述PCB。
24.根据权利要求5所述的设备，还包括用于将所述设备与部件对准的定向特征。
25.根据权利要求24所述的设备，其中所述定向特征是所述传感器壳体和所述电子连接器组件中的至少一个的部分。
26.一种力传感器设备，包括：
力环，所述力环配置为响应于向所述力传感器设备施加力而变形，所述力环具有多个传感元件，所述传感元件配置为产生电信号，所述电信号指示所述力环中的变形量；
印刷电路板，所述印刷电路板配置为处理来自所述力环的电信号；
传感器盖，所述传感器盖覆盖所述力环的一部分和所述印刷电路板，所述传感器盖具有内缘和外缘，所述传感器盖的外缘附接至所述力环；以及
环状环境密封件，所述环状环境密封件在所述传感器盖的内缘与所述力环的内缘之间。
27.根据权利要求26所述的设备，还包括：
支撑环，所述支撑环置于所述印刷电路板与所述力环之间，其中所述印刷电路板联接到所述支撑环，所述支撑环联接到所述力环。
28.根据权利要求26所述的设备，还包括：
接口环，所述接口环将载荷分配到所述力环，所述接口环联接到所述力环。
29.根据权利要求26所述的设备，还包括玻璃密封式连接器，所述玻璃密封式连接器通过所述传感器盖提供与所述印刷电路板的电接触。
30.根据权利要求27所述的设备，还包括垫圈，所述垫圈与所述玻璃密封式连接器联接。
31.一种组装力传感器设备的方法，所述方法包括：
将具有电气部件的印刷电路板(PCB)附接至支撑环；
将所述PCB的电气部件电联接到力环上的至少两个传感元件，所述至少两个传感元件配置为测量施加到所述力传感器设备的力；
将所述支撑环附接至所述力环；
将传感器盖定位在所述PCB、所述支撑环和所述力环上方；以及
将所述传感器盖附接至所述力环。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括：
将环状环境密封件放置在所述传感器盖的内缘与所述力环的内缘之间。
33.根据权利要求31所述的方法，还包括：
将接口环附接至所述力环，所述接口环用于将载荷分配至所述力环。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述接口环在校准所述力传感器设备的所述电气部件之前附接至所述力环。
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