CN1319180A - 机电转换器 - Google Patents

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A·谢菲尔特
B·蒂策尔
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Abstract

本发明涉及具有通过经印制导线将应变敏感厚膜电阻电连接形成的桥接电路的一种机电转换器,在此厚膜电阻是直接布置在机械地应受扭转负荷金属构件上的,并且位于应受负荷构件的对于弯矩为中性的线之外,在此在构件扭转时是可以量取与厚膜电阻应变相应的电信号的。在机电转换器上,在其上借助于桥接电路量取电信号,和在其上可靠地防止由于弯矩或拉与压力的电桥信号的产生,桥接电路一个臂的至少各一个厚膜电阻(2;4)像桥接电路第二桥臂中的对称的厚膜电阻(3;5)那样,对于应受负荷构件(1)的中性线(Z轴线)具有相同的距离和按绝对值相同的角度。

Description

机电转换器
本发明涉及具有通过经印制导线应变敏感厚膜电阻电气连接形成的桥接电路的一种机电转换器，在此厚膜电阻是直接布置在机械地应受扭转负荷的金属构件上的，并且位于应受负荷构件的对于弯矩为中性的线之外，在此在构件扭转时是可以量取与厚膜电阻应变相应的电信号的。
从还未公布的德国专利申请19814261.7中公开了一种此类的机电转换器。在此转换器上应变敏感的厚膜电阻是直接布置在构成为载体元件的轴上的。在此轴是受到扭转形式的机械负荷的，在此通过无中间载体地布置在此轴上的电阻量取由此产生的面应变。厚膜电阻在此是以电阻浆料形式的印刷技术涂敷在轴上的，并且在热处理之后与此轴内在地连接的。
这样的转矩传感器以理想的方式只应测量扭矩和补偿弯矩以及拉力与压力，即在弯矩，拉力与压力的情况下应在桥接电路上不输出电信号。如果将桥接电路的厚膜电阻布置在轴的对于弯矩为无力区(对于弯矩为中性线)之外的话，则存在在弯矩情况下生成使传感器信号失真的不受欢迎电桥信号的危险。
因此本发明的任务在于，提供其中借助一个桥接电路量取电信号的一种机电转换器，在此可靠地防止由于弯矩或拉力与压力的电桥信号的生成。
按本发明如此解决此任务，桥接电路一个第一臂的至少各一个厚膜电阻，像桥接电路第二臂相对的厚膜电阻那样，对于应受负荷构件的中性线具有相同距离和按绝对值相同角度。
本发明具有的优点在于，在出现弯矩时厚膜电阻均匀地改变它们的电阻值，在连接成测量电桥时由此补偿不受欢迎的信号。借助于厚膜电阻的弯曲补偿布置实现这一点。
另可选择地如此解决此任务，布置在一个桥臂中的厚膜电阻对于应受负荷构件的中性线具有相同距离和按绝对值相同角度。
在一种设计方案中，应受负荷的构件在它的表面上具有缺口，此缺口在构件机械受力时在厚膜电阻位于其中的构件表面的至少一个范围中生成纵向和横向应变的按绝对值不相等的比例。
通过缺口没有轴几何形状复杂改变地容易提高传感器的信号性能。这样的传感器是适合于大量生产的，因为它是可以费用和时间有利地制造的。由于缺口，作用在构件上的机械应力互相叠加，在此在主要方向(纵向，横向)上的应变具有不相等的绝对值，这使得传感器信号性能的加强成为可能。
缺口是有利地构成为构件的通孔的。
在一种进一步改进中孔是构成为长孔的，在此桥臂第一厚膜电阻是布置在长孔一个第一径向范围附近的，而第二桥臂的第一厚膜电阻是布置在长孔一个第二径向范围附近的，在此在布置在不同径向范围中的厚膜电阻之间进行桥臂的信号量取。
由于这种连接一方面保证了，两个在桥臂中互相对称的厚膜电阻对于中性线具有相同距离，并且在弯矩影响下两个桥臂的半桥电压相同地改变。
两个桥臂的厚膜电阻在径向范围中是布置在构件纵向长度之上或之下时，实现厚膜电阻弯矩的可靠等同变化。
当厚膜电阻是布置在由钢或钢合金制成构件的平面构成的表面上时，机电转换器是可以特别简单地制造的。由于在取消中间载体的条件下厚膜电阻是直接布置在机械的应受负荷构件上的，直接从此构件量取应检测的机构负荷不出现通过中间载体的信号失真。直接将厚膜电阻制作到应受负荷的构件上显著地减少制造费用。
为了减小电桥本身之内的由制造决定的失调(零点偏移)，在每个桥臂中布置了其电阻值小于厚膜电阻电阻值的厚膜平衡电阻。桥接电路的这样获得的输出信号使得连接在机电转换器之后的放大器的高放大系数成为可能。同时在测量信号数字化情况下使得通过A/D转换器的信号高分辨率成为可能。
一个桥臂的厚膜平衡电阻像另一桥臂的厚膜平衡电阻那样，对于构件的中性线具有相同距离和按绝对值相同角度。因此甚至在平衡电阻上通过相应的定位实现弯矩的补偿。
用于电阻分级的厚膜平衡电阻有利地由在平衡时顺序分离的并联电阻带制成。
进行这样的数字平衡，直到失调获得最小所希望值时为止。基于这种平衡方法保证输出电信号的长期稳定性。
为了尽可能均匀地形成丝网涂敷面和丝网印刷时的力的分布，桥接电路为了以丝网印刷技术的制造具有对称的布线。在此对于所有应印刷的厚膜电阻实现尽可能相同的电阻值，以便均衡厚膜电阻的膜厚。
为了改善电阻值的印刷精度，通过在构件表面上布置盲导线和/或盲电阻实现严格对称的布局。
为了尤其采用机电转换器于像汽车中转向助力那样的安全关键性的用途，在缺口之上布置了一个第一桥接电路，而在缺口之下布置了一个第二桥接电路。
本发明允许许多实施形式。借助于图纸中表示的图应详述其中之一。
所示的：
图1：为按本发明厚膜转矩传感器的第一实施例，
图2：为剖面图中的厚膜电阻，
图3：为桥接电路中的电压分布，
图4：为厚膜转矩传感器的第二实施例，
图5：为平衡电路，
图6：为具有平衡电阻的转矩传感器。
用相同的相关符号表征相同的特征。
图1中表示了转向助力系统中用的转矩传感器。在由钢或钢合金制成的和构成为长方体形的扭转受力的轴1上，布置了由等同构造的应变敏感厚膜电阻2至5组成的电阻电桥。厚膜电阻2至5是通过印制导线6至10电连接成电阻测量电桥的。
如从图1中的俯视图中可看出的那样，轴1具有矩形表面10，在此沿轴1的纵向长度(Z方向)对中地构成了完全贯通轴1的长孔11。长孔11在它的端部上具有径向范围12和13，在此长孔中在作用到轴1上的扭转情况下，沿所示的中心线Z在轴1的表面10上出现不同绝对值的两个主应变，这些主应变从各自厚膜电阻2至5的角度相当于纵向应变和横向应变。
厚膜电阻2和3是在长孔11的径向范围12中，而厚膜电阻4和5是布置在长孔11的径向范围13中的。经印制导线的布线走向来实现，电阻2和4形成一个桥臂，而电阻3和5形成第二桥臂。在此地线7引到电阻3和4上，并且供电电压UB(导线6)是与电阻2和5连接的。如果轴1通过扭转受力的话，在导线7或9上量取电阻测量电桥的应变信号。
电阻电桥是以其整个范围布置在直接支承在构件1上的绝缘材料14上的。图2中表示了通过应变敏感电阻的剖面图。
印制导线膜15位于绝缘材料14上。在印制导线的接头之间布置了形成构成为应变片电阻2的电阻膜。仅不覆盖接点面17的纯化膜16形成密封，该接点面17用于电阻2电气接点接通。
在厚膜工艺技术中将所述应变片直接制作在载体1上。
为了建立绝缘材料14与构件1的内在连接将绝缘材料14以印刷技术借助于非导电浆料涂敷在轴1上。浆料在此含有比轴1的材料在更低温度下可熔化的玻璃熔料。在涂敷浆料之后同样以丝网印刷技术来涂敷形成印制导线膜15和接点面17的导电膜，在此导电膜上又布置了形成电阻的电阻膜。在约为750℃至900℃温度下的高温过程中热处理如此准备的轴1。玻璃膜在此与轴1的钢表面烧结。在此烧结时在绝缘材料2和轴1之间形成保证轴1和绝缘材料14之间不可卸连接的氧化物搭接，由此实现两者之间的强力内在连接。
为了改善丝网印刷时的印刷精度，将盲电阻27和盲导线28装入布线中，以便因此使应变片在制作时的电阻偏差维持小。
如从图1中可看出的那样，电阻电桥是沿轴的轴线Z围绕长孔11连接的。各个电阻2至5是针对X和Y轴线对于中性线成对地定位的。从弯矩方面为中性的线，在长方体形轴的这种简单几何形状时在轴1的中心沿纵向尺寸Z分布。厚膜电阻3至4经越它们到每个点上的平面的纵向长度，拥有对于中性线的近似相同距离和相同角度。同一的情况适用于虽然定位在另外地点上的，但是满足上述同样条件的厚膜电阻2和5。由于这种布置，厚膜电阻2和5或3和4在弯矩情况下等同地变化，由此经桥接电路不接受由于弯曲的信号。
借助于图3应表明信号分布。每个桥臂2、4或3、5是既与供电电压UB，也与地线连接的。在一个桥臂的厚膜电阻之间相对于地线是可量取半桥电压UH24或UH53的。在两个半桥电压之间量取是转矩传感器输出电压的测量电压Umess。在转矩传感器的与图1相关联中阐述的设计上，在桥接电路中互相对置的电阻3和4或2和5是各自对于垂直于中性线分布的轴线镜面对称布置的。它们对于中性线各自有同一距离和按绝对值同一角度。这促使，在轴1弯曲受力时半桥电压UH24和UH53以相同绝对值和相同正负号变化。由于测量信号Umess是两个半桥电压UH24和UH53之间的电压差，半桥电压UH24和UH53的变化对测量信号Umess没有影响。
从图4中可获悉桥接电路布线的一个另外的实例。第一桥臂的厚膜电阻2和4在此是靠近长孔11定位的，而第二桥臂的厚膜电阻3和5是以离长孔较大的距离布置的。通过印制导线6,7,8,9上的大量花费在此实现对称的布置。
如果人们从图3角度观察这种设计方案的应力情况的话，第一桥臂的厚膜电阻2和4对于中性线则有按绝对值相同距离和相同角度。同一的情况适用于第二桥臂的厚膜电阻3和5。如果具有如此布置厚膜电阻2、3、4、5的轴1弯曲受力的话，不出现半桥电压UH24和UH53的变化，以致于甚至在此布置上通过弯曲不影响测量信号Umess。
由于借助于丝网印刷方法的桥接电路的制造出现电桥信号的、尤其在小信号时有问题的失调，因为失调可能是有用信号的约1000％，并且因而通过后接的分析处理电子技术29仅有微小的分辨率是可能的。信号分析处理电路29在此同样是布置在轴1的绝缘材料14上的。
为了实现高放大率，在电桥之内经激光微调的平衡电阻18、19减小厚膜应变片电桥(Dickschicht-DMS-Brücke)的、限制制造的失调(零点偏移)。如从图5中可获悉的那样，在每个桥臂中串联于厚膜电阻地连接了一个平衡电阻18、19。因此平衡电阻18串联于电阻2和4地位于第一桥臂中，而平衡电阻19是串联于电阻3和5地连接在第二桥臂中的。这一点拥有的优点在于，不微调厚膜电阻本身，因为由于它们的高电阻值这些厚膜电阻对测量信号施加较大影响，这恶化电桥的长期稳定性。平衡电阻18、19具有比厚膜电阻显著较小的电阻值，这些平衡电阻因而在激光微调之后可以不显著地影响整个电桥的长期稳定性。
在一种有利的改进中平衡电阻18、19通过并联的电阻带既不是平面实施的，也不是条形实施的。
为了甚至在这些平衡电阻18、19上保证弯矩的补偿，必须像厚膜电阻2至5那样，以对于轴1的中性区(Z轴线)同一的距离和按绝对值相同的角度布置和连接平衡电阻。这一点可从图6中清楚地获悉，在那里在厚膜电阻2、3或4、5之间的平衡电阻18、19是围绕构成为钻孔20的缺口布置的。
为了冗余地设计安全关键性用途用的转矩传感器，除了由电阻2至5组成的，布置在孔20之上的测量电桥之外，等同构造的第二测量电桥可以是布置在钻孔20之下的，此测量电桥具有电阻21至24，并且在中性线方面对于弯曲满足像所述电阻测量电桥那样的同等条件。

Claims (13)

1．具有通过借助于印制导线将应变敏感厚膜电阻电连接形成的桥接电路的机电转换器，其中厚膜电阻是直接布置在机械地受扭转负荷金属构件上的，并且分布在金属构件的对于弯矩为中性线的长度方向之外，其中在构件扭转时是可以量取与厚膜电阻应变相应的电信号，其特征在于，桥接电路一个臂的至少各一个厚膜电阻(2；4)像桥接电路第二臂中对称的厚膜电阻(3；5)那样，对于应受负荷构件(1)的中性线(Z轴线)具有相同距离和按绝对值相同角度。
2．具有通过借助于印制导线将应变敏感厚膜电阻电连接形成的桥接电路的机电转换器，其中厚膜电阻是直接布置在机械地受扭转负荷金属构件上的，并且分布在金属构件的对于弯矩为中性线的长度方向之外，其中在构件扭转时是可以量取与厚膜电阻应变相应的电信号，其特征在于，布置在桥臂中的厚膜电阻(2,4；5,3)对于中性线(Z轴线)具有相同距离和按绝对值相同角度。
3．按权利要求1或2的机电转换器，其特征在于，应受负荷构件(1)在它的表面上具有缺口(11)，在构件(1)的机构受力时在构件表面的，厚膜电阻(2,3,4,5)定位于其中的至少一个范围(12,13)中，缺口生成纵向和横向应变的按绝对值不相同的比例。
4．按权利要求3的机电转换器，其特征在于，缺口(11)是设计为构件(1)的通孔。
5．按权利要求4的机电转换器，其特征在于，孔(11)是设计为长孔的，在此一个桥臂(3,5)的一个第一厚膜电阻(3)是布置在长孔(11)的一个第一径向范围(12)附近的，而桥臂(3,5)的第二厚膜电阻(5)是布置在长孔(11)的一个第二径向范围(13)附近的，在此在布置在不同径向范围(12,13)中的厚膜电阻(3,5)之间进行电桥(2,4；3,5)的信号量取。
6．按权利要求5的机电转换器，其特征在于，两个桥臂(2,4；3,5)的厚膜电阻(2,3,4,5)是布置在长孔(11)之上或之下的径向范围(12,13)中的。
7．按权利要求6的机电转换器，其特征在于，厚膜电阻(2,3,4,5)是布置在由钢或钢合金制作构件(1)的平面构成表面上的。
8．按以上权利要求之一的机电转换器，其特征在于，在每个桥臂(2,5；3,4)中布置了其电阻值小于厚膜电阻(2,3,4,5)电阻值的一个厚膜平衡电阻(18,19)。
9．按权利要求8的机电转换器，其特征在于，两个桥臂(2,4；3,5)的厚膜平衡电阻(18,19)对于构件(1)的中性线(Z轴线)拥有相同的距离。
10．按权利要求8或9的机电转换器，其特征在于，用于电阻分级的厚膜平衡电阻(18,19)由在平衡时顺序分离的并联电阻带组成。
11．按权利要求8,9或10的机电转换器，其特征在于，为了以丝网印刷技术的制造，桥接电路(2,4；3,5)具有对称的布局。
12．按权利要求11的机电转换器，其特征在于，对称布局是通过布置盲导线(28)和/或盲电阻(27)实现的。
13．按以上权利要求之一的机电转换器，其特征在于，一个第一桥接电路(2,4；3,5)是布置在缺口(20)之上的，而一个第二桥接电路(21,26；22,24)是布置在缺口(20)之下的。
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