CN117664404A - 力敏感元件及轴力传感器 - Google Patents

Abstract

一种力敏感元件，包括：金属制的力柔顺元件，上侧设有第一力接收部，下侧设有第二力接收部；覆盖于力柔顺元件上端面的圆形或环形的绝缘层，其上表面具有一第一环形区域和一第二环形区域，第一环形区域同心地位于第二环形区域的外侧且两者之间留有径向间隙；覆盖于绝缘层上表面的八个焊盘；电阻层，包括两个第一压敏电阻和两个第二压敏电阻，压敏感电阻为弧形且对应覆盖两个焊盘的一部分；两个第一压敏电阻的周向两端分别抵近以在周向上占据第一环形区域的大部分且之间留有第一周向间隙；两个第二压敏电阻的周向两端分别抵近以在周向上占据第二环形区域的大部分且之间留有第二周向间隙；及圆形或环形的保护层，其覆盖于电阻层上表面。

Description

力敏感元件及轴力传感器

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，具体涉及一种力敏感元件及轴力传感器。

背景技术

公开号为CN116576998A的中国专利申请公开了一种轴力传感器，其变形体上布置有四个压敏电阻，压敏电阻需要被设置绝缘层表面且还需要覆盖一层保护层(釉)。由于绝缘层和釉层均具有一定厚度且呈岛状分布地烧结于变形体上，因此对变形体表面具有较强的结合应力，并且其温度变化系数与金属基体不同，因此会对变形体的测量造成一定程度的干扰。

发明内容

针对现有技术的不足，本申请提供了一种轴力传感器，以降低绝缘层、保护层对测量结果的干扰，提高测量精度。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：一种力敏感元件，其包括：

金属制的力柔顺元件，其上侧设有第一力接收部，其下侧设有第二力接收部；

覆盖于力柔顺元件上端面的圆形或环形的绝缘层，其上表面具有一第一环形区域和一第二环形区域，第一环形区域同心地位于第二环形区域的外侧且两者之间留有径向间隙；

覆盖于绝缘层上表面的八个焊盘；

覆盖于绝缘层上表面的电阻层，包括位于第一环形区域的两个第一压敏电阻和位于第二环形区域的两个第二压敏电阻，压敏感电阻为弧形且对应覆盖两个焊盘的一部分；两个第一压敏电阻的周向两端分别抵近以在周向上占据第一环形区域的大部分且之间留有第一周向间隙；两个第二压敏电阻的周向两端分别抵近以在周向上占据第二环形区域的大部分且之间留有第二周向间隙；

及圆形或环形的保护层，其覆盖于电阻层上表面。

优选地，焊盘未被压敏电阻所覆盖的部分位于对应的周向间隙内、或径向间隙内或相应环形区域的未被压敏电阻覆盖的区域。

优选地，所述压敏电阻为厚膜电阻或溅射薄膜电阻。

优选地，绝缘层上表面还设有将四个压敏电阻的八个焊盘电连接为惠斯通电桥的导电迹线和相邻设置的四个连接焊盘，焊盘未被压敏电阻所覆盖的部分与四个连接焊盘之间通过导电迹线电连接。

本申请还要求保护一种轴力传感器，其包括：上述的力敏感元件；位于力敏感元件上侧的电子模块组件，包括与八个焊盘电连接的电路板；罩壳，朝下密封地连接至力柔顺元件并与力柔顺元件围成安装腔，电子模块组件、绝缘层、焊盘、压敏电阻均位于安装腔内；及电引出元件，其一端朝内穿设罩壳并与电路板电连接。

优选地，电路板的上表面通过引线电连接至八个焊盘且粘贴于保护层表面，其上设有容许压敏捷阻的露出部分朝上露出并容许引线通过的暴露部。

本申请还要求保护一种轴力传感器，其包括：上述的力敏感元件；位于力敏感元件上侧的电子模块组件，包括与四个连接焊盘电连接的电路板；罩壳，朝下密封地连接至力柔顺元件并与力柔顺元件围成安装腔，电子模块组件、绝缘层、焊盘、压敏电阻均位于安装腔内；及电引出元件，内一端朝内穿设罩壳并与电路板电连接。

优选地，电路板通过支撑件支撑于力柔顺元件的上端面，电路板的下侧与连接焊盘之间通过柔性板电连接，电路板的上侧与电引出元件连接。

优选地，所述电引出元件为导电弹簧，导电弹簧被保持于安装腔内设置的一弹簧保持座内且下端电接触于电路板上侧设置的导电部上；罩壳密封连接于且朝下压紧于弹簧保持座上，弹簧保持座将电路板朝下压紧至支撑件。

优选地，罩壳上设有孔，电引出元件与电路板的连接处位于孔在水平面的投影内，孔被一盖板所封闭。

附图说明

图1为第一优选实施例的轴力传感器的立体图；

图2为第一优选实施例的轴力传感器的爆炸图；

图3为第一优选实施例的力敏感元件的立体图；

图4为第一优选实施例的轴力传感器的剖视图；

图5为第一优选实施例的压敏电阻在绝缘层上的第一种布局示意图；

图6为第一优选实施例的压敏电阻在绝缘层上的第二种布局示意图；

图7为第一优选实施例的压敏电阻在绝缘层上的第三种布局示意图；

图8为第二优选实施例的轴力传感器的剖视图；

图9为第二优选实施例的轴力传感器在绝缘层上的第三种布局示意图；

附图标记说明：10a、支撑面；10b、凸台；10c、定位部；10d、密封槽；10、力柔顺元件；11a、外边缘轮廓；11b、内边缘轮廓；11、绝缘层；12a、第一焊盘；12b、第二焊盘；12c、连接焊盘；12d、导电迹线；13a、第一压敏电阻；13b、第二压敏电阻；13c、第一周向间隙；13d、第二周向间隙；13e、径向间隙；13、电阻层；14a、第一暴露部；14b、第二暴露部；14、保护层；1a、第一力接收部；1b、第二力接收部；1c、下沉部；1d、中心孔；1e、槽；1f、台阶面；1g、定位槽；1、力敏感元件；20a、第一过口；20b、第二过口；20、电路板；21、第三焊盘；22、调理元件；23、其他电子元件；24、第四焊盘；2、电子模块组件；31、第一筒部；32、盖部；33、第二筒部；34、第一压紧面；35、第二压紧面；36、穿线孔；37、孔；3、罩壳；4、第一密封圈；51、导电弹簧；52、弹簧保持孔；5、线缆；61、台阶面；6、弹簧保持座；7、第二密封圈；81、竖直部；82、水平部；83、凸出部；8a、让位孔；8、支撑件；9、柔性板。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。下列的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。在以下描述中，相同的标记用于表示相同或等效的元件，并且省略重复的描述。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该本申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

另外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

还应当进一步理解，在本申请说明书和对应的权利要求书中使用的术语“和/或”是指所列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合。

参见图1至图4，在第一优选实施例中，轴力传感器包括力敏感元件1。力敏感元件1包括由金属制成的盘形的力柔顺元件10，以及自下而上依次覆盖地设置于力柔顺元件10的上端面的绝缘层11、八个焊盘、电阻层13及保护层14。力柔顺元件10上端设有第一力接收部1a，且下端设有第二力接收部1b。其中，第二力接收部1b在水平面上的投影包围于第一力接收部1a的外侧。在第一力接收部1a与第二力接收部1b的反向作用下，力柔顺元件10产生形变，例如，当第一力接收部1a接收朝下的第一力F1，第二力接收部1b接收朝上的第二力F2时，则力柔顺元件10的上端面上形成张应力。第一力F1和第二力F2方向在上下方向具有的力分量方向相反。

电阻层13包括被配置为惠斯通电桥的两个第一压敏电阻13a和两个第二压敏电阻13b。力柔顺元件10变形时，力柔顺元件10的上端面产生应力，并使第一压敏电阻13a和第二压敏电阻13b产生电阻变化，进而惠斯通电桥在被供电时对外输出测量电信号。上述的八个焊盘包括被第一压敏电阻13a的两端部分地覆盖并对应地与之电连接的两个第一焊盘12a，以及被第二压敏电阻13b的两端部分地覆盖并对应地与之电连接的两个第二焊盘12b。

轴力传感器还包括电子模块组件2，以处理由惠斯通电桥测得的电信号。电子模块组件2包括电路板20，其位于保护层14上侧。示例性地，电路板20的下表面粘贴于保护层14的上表面，电路板20的上表面设有多个第三焊盘21。第三焊盘21分别通过引线电连接至第一焊盘12a相对于第一压敏电阻13a的露出部分和第二焊盘12b相对于第二压敏电阻13b的露出部分。电路板20上设有第一过口20a和第二过口20b，以容许对应的引线通过并使第一压敏电阻13a的露出部分和第二压敏电阻13b的露出部分露出。第三焊盘21最好临近地布置于相应的过口之边缘。电路板20的上表面还设有调理元件22、其他电子元件23以及多个第四焊盘24。第四焊盘24与电引出元件连接，以向外部设置输出处理过的电信号。

轴力传感器还包括罩壳3。罩壳3位于力敏感元件1的内侧，其朝下与力柔顺元件10密封连接而形成安装腔，以罩住电子模块组件2和保护层14、电阻层13及第一焊盘12a、第二焊盘12b。罩壳3上开设有穿线孔36以容许电引出元件内外通过罩壳3。穿线孔36与电引出元件之间可通过密封胶进行密封。罩壳3可由金属材料制成，其包括上下延伸的第一筒部31及连接于第一筒部31上端的盖部32。第一筒部31的下端可定位地套设于力柔顺元件10上端形成的一凸台10b上，凸台10b的外围相应形成一支撑面10a，支撑面10a的内侧部分朝上支撑并焊接至第一筒部31的下端。第一力接收部1a位于支撑面10a的外侧部分，以接收第一力F1。

其中，力柔顺元件10优选地为环形，其中部设有中心孔1d。此时，绝缘层11和保护层14也为环形。罩壳3还包括套设于中心孔1d内的第二筒部33，第二筒部33的上端与盖部32一体连接，下部与中心孔1d之间密封连接。例如，中心孔1d内可形成一密封槽10d，第二筒部33与中心孔1d之间通过设置于密封槽10d内的一第一密封圈4密封。此时，罩壳3与力柔顺元件10围成的安装腔为一环形腔。更佳地，中心孔1d为阶梯孔，其具有一朝上挡止第二筒部33下端的台阶面1f。第二筒部33的下端还可以与台阶面1f焊接。较佳地，力柔顺元件10的底部边缘可设有数个定位部10c以利于组装定位。力柔顺元件10的下端中部还可凹陷形成下沉部1c，以便于第二力F2的施力部件与力柔顺元件10下端的定位。在其他的一些方案中，力柔顺元件10的下端位于第二力接收部1b和第一力接收部1a之间的部分可朝内凹陷形成环形的槽1e，从而一定程度地降低力柔顺元件10的刚性，提升其在同样轴力大小时的变形程度和测量精度。在其他的一些方案中，优选地，第一力接收部1a还可设置于第二力接收部1b的内侧。

绝缘层11为环形，图5示出了其内边缘轮廓11b和外边缘轮廓11a之间的区域布局结构。第一压敏电阻13a和第二压敏电阻13b均为弧形。两个第一压敏电阻13a被布置于绝缘层11上表面的第一环形区域(未标记)，两个第二压敏电阻13b被布置于绝缘层11上表面的第二环形区域(未标记)。第二环形区域同心地设置于第一环形区域外侧，并与第一环形区域之间留有环形的径向间隙13e。两个第一压敏电阻13a的周向两端分别抵近以在周向上占据第一环形区域大部分且之间留有两个第一周向间隙13c，两个第二压敏电阻13b的周向两端在周向上分别抵近以在周向上占据第二环形区域大部分且之间留有两个第二周向间隙13d，从而四个压敏电阻在绝缘层11上近似地形成内外两个圆圈。较佳地，两个第一周向间隙13c和两个第一周向间隙13c在周向上交错分布，且更佳地，两个第一周向间隙13c分别位于第一径向的两端，两个第二周向间隙13d分别位于第二径向的两端，第一径向与第二径向垂直。

第一焊盘12a的露出部分(即未被压敏电阻覆盖的部分)位于第一周向间隙13c，第二焊盘12b的露出部分位于第二周向间隙13d；如图6所示，在其他的一些方案中，第一焊盘12a露出部分和第二焊盘12b的露出部分还可以设置于径向间隙13e。保护层14为环形，并完全覆盖第一压敏电阻13a和第二压敏电阻13b，并通过其上开设的第一暴露部14a和第二暴露部14b使第一焊盘12a和第二焊盘12b向上露出。电路板20为环形，第一过口20a设置于其外侧边缘，第二过口20b设置于其内侧边缘。

本实施例的轴力传感器，其通过第一压敏电阻13a和第二压敏电阻13b的上述布置，能够很大程度上使绝缘层11、压敏电阻、保护层14与上端面的结合应力在周向上基本均匀，减小由结合应力带来的误差。

请参阅图7。在第二实施例中，第一压敏电阻13a和第二压敏电阻13b还可以在绝缘层11上这样布置：第一压敏电阻13a和第二压敏电阻13b均为弧形，两个第一压敏电阻13a被布置于绝缘层11上表面的第一环形区域，两个第二压敏电阻13b被布置于绝缘层11上表面的第二环形区域。一第一压敏电阻13a的周向两端在周向上分别靠近两个第一压敏电阻13a的一端，另一第一压敏电阻13a的周向两端在周向上分别靠近两个第一压敏电阻13a的另一端，从而四个压敏电阻在绝缘层11上形成由内外相交错的两部分共同组成的一个大体的圆圈(其各部分在周向上占据的角度之和接近360度)，该圆圈的部分位于第一环形区域，而另一部分位于第二环形区域。图7中，第一压敏电阻13a的周向两端与第二压敏电阻13b的周向对应一端在周向上相靠近，例如可以有部分的重叠，然而在其他的一些实施方案中，上述两者还可在周向上相平齐或留有周向间隙。第一焊盘12a的露出部分要位于相邻的第二压敏电阻13b之外侧，第二焊盘12b的露出部分可位于相邻的第一压敏电阻13a的内侧。保护层14为环形，并完全覆盖第一压敏电阻13a和第二压敏电阻13b。

请参阅图8。在第一实施例的基础之上，本申请的第二实施例可作如下改变：力柔顺元件10为圆形，并略去了中心孔1d及第二筒部33、第一密封圈4、台阶面1f等相应结构。此时，保护层14、绝缘层11和电路板20除了为环形之外还可以为圆形。电路板20并不粘贴于保护层14的上表面，而是与之相隔一定的高度。例如，电路板20支承于一支撑件8上。此时，电路板20上的电子元件设置于下侧表面，电路板20通过柔性板9电连接至电阻层13。具体地，请参阅图9，绝缘层11上还设有用于将第一焊盘12a和第二焊盘12b连接为惠斯通电桥的导电迹线12d，导电电路12d连接至四个相邻的(例如并排的)连接焊盘12c。柔性板9的一端电连接至连接焊盘12c，另一端电连接至电路板20。其中，支撑件8上可设有容许柔性板9通过的让位孔8a。示例性地，支撑件8包括竖直部81及水平部82，竖直部81的下端支撑于支撑面10a上且被套设于罩壳3的下部之内侧，竖直部81的上部与水平部82的外缘连接。让位孔8a设置于水平部82上，电路板20的边缘朝下支承于水平部82上。更佳地，竖直部81的上部朝上延伸至水平部82上侧而形成凸出部83，凸出部83的内缘抵近电路板20的边缘，以对其进行水平定位。电路板20的上表面设置有导电部(未标记)，本实施例的电引出元件为导电弹簧51，其下端朝下电接触于电路板20的导电部，且被保持于一弹簧保持座6内设置的弹簧保持孔52内。罩壳3上形成一孔37，孔37的边缘形成一第一压紧面34，第一压紧面34朝下依次将一弹簧保持座6、电路板20、支撑件8朝下压紧至力柔顺元件10上。优选地，第一压紧面34与弹簧保持座6上形成的一朝上的台阶面61之间压紧有一个第二密封圈7。上述导电弹簧可以为阶梯式弹簧，其上端紧密地盘绕并具有一锥形头部而可直接与外部设备进行插接，相应地，上述的弹簧保持孔52为阶梯孔。

其中，应当理解上述的导电弹簧51、及弹簧保持座6还可以由第一实施例的类似的线缆5所替代。此时，为了方便线缆5与电路板20的导电部之间的焊接，导电部位于孔37的水平投影区域内，因此可以在在其焊接后，再将孔37通过另一盖板(未示出)焊接或粘接于孔37处以对其进行密封。在其他的一些方案中，线缆5还可以水平地穿过罩壳3。类似地，在第一实施例的基础上，为了方便线缆5与电路板20的第四焊盘24之间的焊接，导电部位于孔37的水平投影区域内，因此可以在在其焊接后，再将孔37通过另一盖板(未示出)焊接或粘接于孔37处以对其进行密封。

在其他的一些方案中，第一力接收部1a的上可凹陷形成定位槽1g，以对第一力F1的施力元件进行定位。罩壳3上还可形成一第二压紧面35，第二压紧面35与电路板20的边缘之间设有一压紧垫圈(未示出)。优选地，第一力接收部1a还可设置于第二力接收部1b的内侧，罩壳3为环形，第一力接收部1a位于罩壳3内侧，此时力柔顺元件10的上表面形成压应力。

在以上的各实施列中，第一压敏电阻13a和第二压敏电阻13b可以是厚膜电阻或溅射薄膜电阻等各向同性电阻，也可以是各向异性的压敏电阻(例如硅压敏电阻)，在第一焊盘12a和第二焊盘12b连接于压敏电阻的周向两端时，其在周向上的电阻率也随力柔顺元件10上表面的应力大小而产生相应的变化。较佳地，上述第二焊盘12b在周向各处的径向宽度不变，第一焊盘12a在周向各处的径向宽度不变。在自由状态(第一力F1和第二力F2为零)时的阻值最好相等，其阻值可由周向长度和截面面积进行调整，例如在第一压敏电阻13a和第二压敏电阻13b的周向张角相等、厚度相同的前提下，为使第一压敏电阻13a和第二压敏电阻13b的阻值相等，可相应地减小第二压敏电阻13b的径向宽度。

本公开内容的范围不是由详细描述限定，而是由权利要求及其等同方案限定，并且在权利要求及其等同方案范围内的所有变型都解释为包含在本公开内容中。

Claims (10)

1.一种力敏感元件(1)，其特征在于，包括：

金属制的力柔顺元件(10)，其上侧设有第一力接收部(1a)，其下侧设有第二力接收部(1b)；

覆盖于力柔顺元件(10)上端面的圆形或环形的绝缘层(11)，其上表面具有一第一环形区域和一第二环形区域，第一环形区域同心地位于第二环形区域的外侧且两者之间留有径向间隙(13e)；

覆盖于绝缘层(11)上表面的八个焊盘；

覆盖于绝缘层(11)上表面的电阻层(13)，包括位于第一环形区域的两个第一压敏电阻(13a)和位于第二环形区域的两个第二压敏电阻(13b)，压敏感电阻为弧形且对应覆盖两个焊盘的一部分；两个第一压敏电阻(13a)的周向两端分别抵近以在周向上占据第一环形区域的大部分且之间留有第一周向间隙(13c)；两个第二压敏电阻(13b)的周向两端分别抵近以在周向上占据第二环形区域的大部分且之间留有第二周向间隙(13d)；

及圆形或环形的保护层(14)，其覆盖于电阻层(13)上表面。

2.根据权利要求1所述的力敏感元件(1)，其特征在于，焊盘未被压敏电阻所覆盖的部分位于对应的周向间隙内、或径向间隙内或相应环形区域的未被压敏电阻覆盖的区域。

3.根据权利要求1所述的力敏感元件(1)，其特征在于，所述压敏电阻为厚膜电阻或溅射薄膜电阻。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的力敏感元件(1)，其特征在于，绝缘层(11)上表面还设有将四个压敏电阻的八个焊盘电连接为惠斯通电桥的导电迹线和相邻设置的四个连接焊盘(12c)，焊盘未被压敏电阻所覆盖的部分与四个连接焊盘(12c)之间通过导电迹线(12d)电连接。

5.一种轴力传感器，其特征在于，包括：

如权利要求1至3中的任一项所述的力敏感元件(1)；

位于力敏感元件(1)上侧的电子模块组件(2)，包括与八个焊盘电连接的电路板(20)；

罩壳(3)，朝下密封地连接至力柔顺元件(10)并与力柔顺元件(10)围成安装腔，电子模块组件(2)、绝缘层(11)、焊盘、压敏电阻均位于安装腔内；

及电引出元件，其一端朝内穿设罩壳(3)并与电路板(20)电连接。

6.根据权利要求5所述的轴力传感器，其特征在于，电路板(20)的上表面通过引线电连接至八个焊盘且粘贴于保护层(14)表面，其上设有容许压敏捷阻的露出部分朝上露出并容许引线通过的暴露部。

7.一种轴力传感器，其特征在于，包括：

如权利要求4所述的力敏感元件(1)；

位于力敏感元件(1)上侧的电子模块组件(2)，包括与四个连接焊盘(12c)电连接的电路板(20)；

罩壳(3)，朝下密封地连接至力柔顺元件(10)并与力柔顺元件(10)围成安装腔，电子模块组件(2)、绝缘层(11)、焊盘、压敏电阻均位于安装腔内；

及电引出元件，内一端朝内穿设罩壳(3)并与电路板(20)电连接。

8.根据权利要求7所述的轴力传感器，其特征在于，电路板(20)通过支撑件(8)支撑于力柔顺元件(10)的上端面，电路板(20)的下侧与连接焊盘(12c)之间通过柔性板(9)电连接，电路板(20)的上侧与电引出元件连接。

9.根据权利要求8所述的轴力传感器，其特征在于，所述电引出元件为导电弹簧(51)，导电弹簧(51)被保持于安装腔内设置的一弹簧保持座(6)内且下端电接触于电路板(20)上侧设置的导电部上；罩壳(3)密封连接于且朝下压紧于弹簧保持座(6)上，弹簧保持座(6)将电路板(20)朝下压紧至支撑件(8)。

10.根据权利要求7至9中的任一项所述的轴力传感器，其特征在于，罩壳(3)上设有孔(37)，电引出元件与电路板(20)的连接处位于孔(37)在水平面的投影内，孔(37)被一盖板所封闭。