DE10006534A1 - Verfahren und Sensorelement zur Verformungsmessung - Google Patents

Abstract

Zur Messung einer Verformung, beispielsweise durch ein Drehmoment wird ein Sensorelement bzw. ein Verfahren beschrieben, bei dem zwei Kondensatoren (C1, C2) vorgesehen sind. Die Verformung führt bei einem Kondensator (C1) zu einem Kapazitätsanstieg, beim anderen zu einer Kapazitätsminderung. Durch Subtraktion der Minderung von der Erhöhung werden Störungen, die bei beiden Kondensatoren (C1, C2) eine gleichwirkende Kapazitätsänderung verursachen, vollständig kompensiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement bzw. ein Verfahren zur Verformungsmessung.

Die Verformungsmessung ist ein naheliegender Weg Kräfte, Ver­ rücken, Momente o. ä zu erfassen. Die Messung von Kräften, We­ gen und Drehmomenten gewinnt insbesondere bei der Steuerung von Kraftfahrzeugen immer stärkere Bedeutung, da man aus Kos­ tengründen bestrebt ist, mechanische und hydraulische Systeme durch elektrische Stellglieder zu ersetzen. Im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik finden sich Beispiele für den Einsatz solcher elektrischer Stellglieder auf dem Gebiet der elektro­ nischen Motorsteuerung, der Getriebesteuerung, der elektri­ schen Lenkkraftunterstützung und der elektrischen Bremsenbe­ tätigung.

Dabei werden direkte Stell- oder Regelgrößen für entsprechen­ de Steuerungsaufgaben bei der Steuerung von Brennkraftmaschi­ nen oder Antriebssträngen durch die Wandelung mechanischer Größen in elektrische Meßwerte gewonnen. Hier sind besonders Kraftsensoren für die Messung der Bremskraft oder Drehmoment­ sensoren zur Bestimmung des Lenkmomentes oder des Drehmomen­ tes im Antriebsstrang von Interesse. Solche Kraftsensoren setzen in der Regel die Kraft in eine zu messende Verformung um.

Es sind vielfältige Kraftsensoren bekannt, jedoch ist keiner bislang in der Lage, die vielfältigen Anforderungen, die sich insbesondere im Automobilbereich finden, zu erfüllen. Die be­ kannten Kraftsensoren verwirklichen entweder ein piezore­ sistives oder ein kapazitives Meßprinzip. Bei piezoresistiven Kraftsensoren wird die eine Verformung verursachende Kraft durch die Sensormechanik in eine Dehnung überführt, bei der ein piezoresistiver Widerstand gedehnt wird. Die Längenänderung des piezoresistiven Widerstandes führt zu einer Änderung seines Widerstandswertes, die geeignet ausgewertet wird und ein Maß für die Verformung und letzlich die Kraft darstellt. Bei kapazitiven Sensoren führt die Verformung zu einer Elekt­ rodenverrückung, die dann über eine Änderung der wirksamen Elektrodenfläche oder eine Änderung der Elektrodenabstände zu einer Kapazitätsänderung führt, die wiederum ausgelesen und als Maß für die Verformung verwendet wird.

EP 0 849 576 B1 beschreibt einen kapazitiven Sensor zur Mes­ sung der Bremskraft bei einem Kraftfahrzeug. Die Kraft führt zu einer Verformung des Sensorkörpers, woraus eine Änderung des Elektrodenabstandes folgt. Dies führt zu einer meßbaren Kapazitätsänderung. Dieser Sensor hat jedoch einen große Querempfindlichkeit gegen Temperaturänderungen, die die E­ lektrodenfläche verändern und damit das Meßsignal verfäl­ schen. Darüber hinaus ist die Kennlinie dieses Sensors stark nichtlinear, und der Sensor empfindlich auf schiefe Kraftein­ leitung.

EP 0 354 386 B1 beschreibt ebenfalls einen kapazitiven Sen­ sor, der zur Messung von Drehmomenten im Antriebsstrang einer Brennkraftmaschine einsetzbar ist. Hier wird durch eine Tor­ sionsdehnung der Elektrodenabstand geändert, was wiederum zu einer meßbaren Kapazitätsänderung führt. Auch dieser Sensor hat eine stark nichtlineare Kennlinie und ist stark tempera­ turempfindlich. Auch können Beschleunigungen eine Änderung des Elektrodenabstandes herbeiführen und somit das Meßsignal verfälschen. Ein Gehäuse für diesen Sensor ist in der WO 98/274 10 der Anmelderin offenbart.

Bislang sind also keine tauglichen Sensoren kostengünstig verfügbar, weshalb man sich meist damit behilft, aus der Steuerung der Anlage entsprechende Ersatzwerte abzuleiten. So ist es beispielsweise bekannt, bei Lambda-1-geregelten Brenn­ kraftmaschinen das Drehmoment im Antriebsstrang aus der ange­ saugten Luftmenge der Brennkraftmaschine abzuleiten.

Es besteht somit Bedarf für einen einen Sensor und ein Ver­ fahren die zur Messung von Verformungen durch mechanische Kräfte, insbesondere zur Messung von Drehmomenten geeignet sind, und geringere Querempfindlichkeiten zeigen.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 und 4 definierten Sensorelemente und die in den Ansprüchen 7 und 8 definierten Verfahren gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Sensorelement derart ausgeführt, daß zwei Kondensatoren entstehen. Die Verformung führt über eine Elektrodenabstandsänderung bei einem Kondensator zu einer Ka­ pazitätserhöhung, beim anderen Kondensator zu einer Kapazi­ tätsminderung. Subtrahiert man die Kapazitätsminderung von der Kapazitätserhöhung, verdoppelt sich der Signalhub und zugleich werden Störungen, die an beiden Elektroden gleich­ wirkende Abstands- bzw. Kapazitätsänderungen verursachen, vollständig kompensiert. Führt beispielsweise ein Temperatu­ reinfluß zu einer Abstandsänderung, so hat dies bei den E­ lektroden beider Kondensatoren eine gleichsinnige Kapazitäts­ änderung zur Folge, je nach Temperatureinfluß eine Erhöhung oder Minderung. Durch die Differenzbildung wird diese Ände­ rung eliminiert. Das gleiche gilt beispielsweise für den Zentrifugaleinfluß bei einem schnell rotierenden Sensorele­ ment oder für die Kraftwirkung bei Beschleunigungen.

Die Kondensatoren können in einem Grundkörper gebildet wer­ den, der durch die Kraftwirkung so gedehnt wird, daß sich entsprechende Elektrodenabstandsänderungen ergeben. Besonders vorteilhaft ist es dabei, den Grundkörper als Metallklammer auszubilden, die als Masseelektrode verwendet werden kann. In diese Metallklammer wird ein Isolator an einem Ende einge­ spannt, der an gegenüberliegenden Seiten mit Elektroden be­ schichtet ist. Jede Elektrode bildet dann mit der Metallklam­ mer einen Kondensator. Eine Dehnung der Metallklammer verän­ dert den Elektrodenabstand, bei einem Kondensator wird er vergrößert, bei dem anderen verkleinert. Dies führt zu den entsprechenden Kapazitätsänderungen. Ändert sich, beispiels­ weise durch Temperatureinflüsse, die Fläche der Elektroden, so verursacht dies eine gleichgerichtete Kapazitätsänderung bei beiden Kondensatoren, die durch die entsprechende Diffe­ renzbildung kompensiert ist. Um die mechanische Belastung des eingespannten Isolators zu verringern, kann man diesen auch zweistückig ausführen.

Das Sensorelement kann auch planar ausgebildet werden. Dazu sind gegenüberliegend jeweils Leiter angeordnet, wobei sich die Elektrodenflächen teilweise gegenseitig überlappen. Die Elektroden sind dabei so angeordnet, daß eine Verformung eine Verschiebung bewirkt, die in einer Richtung bei einem Konden­ sator die wirksame Elektrodenfläche vergrößert, beim anderen verkleinert.

Da bei dieser planaren Anordnung sich die Kapazitäten der beiden Kondensatoren mit einer Änderung des Elektrodenspaltes gleichsinnig ändern, ist ein solcher Einfluß durch die Diffe­ renzbildung ebenfalls kompensiert.

Zur verbesserten Messung kann man Referenzkondensatoren vorsehen, wobei jedem Kondensator vorzugsweise ein eigener Referenzkondensator zugeordnet ist. Jeder Referenzkondensator ist so ausgebildet, daß einer der Leiter vollständig vom ge­ genüberliegenden Leiter überdeckt wird, so daß eine Verschie­ bung der Kondensatorfläche in einer Richtung die Kapazität des Referenzkondensators nicht ändert. Eine Änderung der Ka­ pazität des Referenzkondensators ist somit ausschließlich auf eine Änderung des Elektrodenspaltes zurückzuführen. Da vor­ zugsweise jedem Kondensator ein Referenzkondensator zugeord­ net ist, kann man somit unterschiedliche Abstandsänderungen des Elektrodenspaltes zusätzlich kompensieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, zwei Kondensatoren derart anzuordnen, daß die zu messende Verformung bei einem Kondensator eine Kapazitätserhöhung und beim anderen eine weitgehend betragsgleiche Kapazitätsminderung verursacht. Mißt man nun die Kapazitäten der beiden Kondensatoren, kann man daraus ein Meßsignal ableiten, das die gemessene Verfor­ mung wiedergibt. Sind die beiden verwendeten Kondensatoren kapazitätsgleich, muß man dazu lediglich die gemessene Kapa­ zität des Kondensators, dessen Kapazität gemindert wurde, von der Kapazität des Kondensators abziehen, dessen Kapazität er­ höht wurde. Sind die beiden Kondensatoren nicht kapazitäts­ gleich, muß man zuerst die jeweilige Kapazitätserhöhung bzw. Kapazitätsminderung durch Subtraktion der jeweiligen Grundka­ pazität von der gemessenen Kapazität berechnen. Dann kann man durch Subtraktion der Kapazitätsminderung von der Kapazitäts­ erhöhung das Meßsignal bestimmen.

Die Differenzbildung bewirkt, daß Querempfindlichkeiten, bei­ spielsweise temperaturbedingte Änderungen des Elektrodenspal­ tes oder der wirksamen Elektrodenfläche kompensiert werden. Da allerdings nicht immer davon ausgegangen werden kann, daß diese Querempfindlichkeiten auf beide Kondensatoren gleich wirken, werden ungleichmäßig wirkende Querempfindlichkeiten mit Hilfe der Referenzkondensatoren kompensiert. Dazu ist je­ dem Kondensator ein Referenzkondensator zugeordnet, der so ausgebildet ist, daß er verformungsunempfindlich ist. Die Än­ derung der Kapazität des Referenzkondensators erlaubt es dann, die querempfindlichkeitsbedingte Änderung des jeweili­ gen zugeordneten Kondensators genauer zu kompensieren. Bei­ spielsweise kann man die Differenz der Kapazitätsänderung der Referenzkondensatoren, die den beiden Kondensatoren zugeord­ net sind, bestimmen und das Meßsignal um diese Differenz kom­ pensieren.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein Sensorelement einer ersten Bauart,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung für das Sensorelement der Fig. 1,

Fig. 3 ein Sensorelement ähnlich der Fig. 1 in einer abgewandelten Bauart,

Fig. 4 ein weiteres planares Sensorelement,

Fig. 5 und 6 Beispiele der Anordnung eines Sensorelementes zur Messung des Drehmomentes und

Fig. 7a mit 7c verschiedene Ansichten einer anderen Anordnung eines Sensorelementes zur Messung eines Dreh­ momentes.

Das in Schnittdarstellung in Fig. 1 dargestellte Sensorele­ ment dient zur Messung einer Verformung die durch eine Kraft verursacht ist. Es kommt dabei auf die Verformung des Sensors an, die in diesem Falle eine Dehnung in Richtung des Pfeiles S der Fig. 1 ist. Das Kernstück dieses Sensorelementes ist ein Isolator 5, z. B. aus Glas oder Keramik, der beidseitig mit einem Metall beschichtet ist. Die metallische Beschichtung ist durch Isolierspalte 10 und 11 geeignet strukturiert, so daß auf den beiden Seiten des Isolators 5 Elektroden 3 und 4 gebildet sind. Dieser Isolator 5 wird an einem Ende mit einer Metallklammer fest verbunden, beispielsweise durch Schweißen, Kleben oder Löten. In der Ausführungsform der Fig. 1 sind Schweißpunkte 2 zur Verbindung vorgesehen. Das andere Ende ist durch einen Luftspalt 6 vom geschlossenen Ende 7 des als Metallklammer ausgeführten Grundkörpers 1 getrennt. Durch die Isolierspalte 10 und 11 ist sichergestellt, daß keine Ohmsche Verbindung zwischen den Einspannstellen, d. h. dem Bereich mit Schweißpunkten 2 und den Elektroden 3 und 4 besteht. Die Me­ tallklammer wird als Masseelektrode verwendet, so daß zwi­ schen der Elektrode 3 und der Masseelektrode ein Kondensator C1 gebildet ist. Dessen Kapazität hängt von der Fläche der Elektrode 3 und dem Spalt 6 ab. Das gleiche gilt für den durch die Elektrode 4 und die Masseelektrode gebildeten Kon­ densator C2.

Das Ende der Metallklammer, an dem der Isolator 5 eingespannt ist, wird nun an einem Meßobjekt 13 befestigt. Wird durch ei­ ne Kraftwirkung der Grundkörper gedehnt und dabei das andere Ende der Metallklammer um einen Weg S verschoben, dessen Richtung in Fig. 1 unter dem geschlossenen Ende 7 durch einen Doppelpfeil veranschaulicht ist, so verändert sich der Spalt zwischen der Elektrode 4 und dem Grundkörper 1. Gleichzeitig verändert sich der Elektrodenabstand zwischen der Elektrode 3 und dem Grundkörper 1. gegensinnig. Dadurch wird die Kapazi­ tät des Kondensators C2 gemindert, die Kapazität des Konden­ sators C1 vergrößert.

Die Elektroden 3 und 4 sind so ausgelegt, daß die Kapazitäts­ änderungen betragsmäßig weitgehend gleich groß sind. Subtra­ hiert man nun die Kapazitätsminderung des Kondensators C2 von der Kapazitätserhöhung des Kondensators C1, so verdoppelt sich der Signalhub. Gleichzeitig werden Störungen, die an beiden Elektroden gleichsinnige Kapazitätsänderungen hervor­ rufen, vollständig kompensiert. Das Sensorelement ist nur empfindlich auf Verformungen oder Effekte, die an einem Kon­ densator (C1 oder C2) eine Verkleinerung des Elektrodenspal­ tes und am anderen Kondensator (C2 oder C1) eine Vergrößerung des Elektrodenspaltes bewirken. Temperaturausdehnungen oder Schwingungen, die gleichgerichtete Veränderungen des Elektro­ denspaltes oder der wirksamen Elektrodenfläche zur Folge ha­ ben, sind durch die differentielle Verschaltung kompensiert.

Diese differentielle Verschaltung wird durch die in Fig. 2 als Blockschaltbild dargestellte Schaltung bewirkt. Die Aus­ werteschaltung 8, der die Versorungsspannung V_cc und das Be­ zugspotential GND zugeführt werden, mißt die Kapazität der Kondensatoren C1 und C2. Dazu ist die Auswerteschaltung 8 mit der Elektrode 3 und der Elektrode 4 sowie mit dem als Masse­ elektrode verwendeten Grundkörper 1 verbunden. Die Auswerte­ schaltung 8 erfaßt die Kapazitätsänderung der Kondensatoren C1 und C2. Dann wird die negative Kapazitätsänderung von der positiven Kapazitätsänderung abgezogen und dies in das Meß­ signal V_sig umgesetzt. Für den Fall, daß die beiden Kondensa­ toren C1 und C2 beide die gleiche Grundkapazität haben, kann die separate Erfassung der Kapazitätsänderung entfallen, und die Kapazitäten können gleich direkt voneinander subtrahiert werden. Dabei wird von der Kapazität des Kondensators, dessen Kapazität erhöht wurde, die Kapazität des Kondensators abge­ zogen, dessen Kapazität gemindert wurde.

Eine Abwandlung des Sensorelementes der Fig. 1 ist in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 sind Elemente, die der Fig. 1 entspre­ chen, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, weshalb ihre Beschreibung nicht mehr wiederholt werden muß. Hier ist der Isolator 5 zweiteilig ausgeführt; die beiden Teile sind durch einen Isolierspalt 9 getrennt. Jede Isolatorhälfte ist über Schweißpunkte 2 mit dem wiederum als Metallklammer aus­ geführten Grundkörper 1 verbunden. Durch die zweiteilige Aus­ führung des Isolators 5 kann die mechanische Belastung der Verbindungsflächen zwischen dem Isolator und dem Grundkörper 1 verringert werden. Neben den hier dargestellten Schweiß­ punkten 2 kommen natürlich die gleichen Verbindungsmöglich­ keiten wie beim Sensorelement der Fig. 1 in Frage, insbeson­ dere Kleben oder Löten.

Fig. 4 zeigt die Schnittdarstellung eines Sensorelements in planarer Ausführung. Das planare Sensorelement der Fig. 4 ist mit einem Substrat 23 an einem Meßobjekt 13 befestigt, auf der gegenüberliegenden Sei-te ist das Substrat 24 durch eine Deckschicht 22 geschützt. Natürlich sind die Substrate 24 und 23 miteinander verbunden, dies ist zur Übersichtlichkeit in Fig. 4 jedoch nicht dargestellt. Eine Verformung in Richtung des Doppelpfeiles S führt zu einer Verschiebung des Substra­ tes 24 gegenüber dem Substrat 23.

Hier weisen die Kondensatoren C1 bzw. C2 jeweils gegenüber­ liegende Elektroden 16, 17 bzw. 14, 15 auf, die auf den iso­ lierenden Substraten 23, 24 liegen. Die Elektrode 16 ist kleiner als die Elektrode 17 und überlappt diese nur zum Teil. Das gleiche gilt für die Elektroden 14 und 15 des Kon­ densators C2. Die Überlappung der Elektrode 16 mit der Elekt­ rode 17 ist jedoch anders als die Überlappung mit der Elekt­ rode 14, 15, so daß eine Verschiebung in Richtung des Dop­ pelpfeiles S die überlappende und damit wirksame Elektroden­ fläche bei einem Kondensator (C1 oder C2) vergrößert und gleichzeitig beim anderen (C2 oder C1) vermindert. Da die E­ lektroden der Kondensatoren C1 und C2 jeweils auf dem glei­ chen Substrat 23 bzw. 24 liegen, werden sie im allgemeinen bei den Elektrodenspalt beeinflussenden Störungen eine gleichsinnige Kapazitätsänderung zeigen. Die anhand der Fig. 1 und 3 beschriebene differentielle Verschaltung der Konden­ satoren C1 und C2 kompensiert solche Störungen.

Um etwaige unterschiedliche Abstandsänderungen, möglicherwei­ se bedingt durch einen räumlichen Abstand der Kondensatoren C1 und C2 noch genauer kompensieren zu können, ist jedem Kon­ densator C1 bzw. C2 ein Referenzkondensator CR zugeordnet. Jeder Referenzkondensator CR weist eine große Elektrode 21 bzw. 19 sowie eine kleine Elektrode 20 bzw. 18 auf, die von der großen Elektrode 21 bzw. 19 vollständig überdeckt wird. Somit ist die Kapazität jedes Referenzkondensators CR unemp­ findlich auf Kraftwirkungen oder sonstigen Effekten, die zu Verschiebungen entlang des Doppelpfeiles S führen. Die Kapa­ zität beider Referenzkondensatoren CR hängt jedoch vom jewei­ ligen Elektrodenspalt d ab. Ergibt nun eine Messung, daß der dem Kondensator C1 zugeordnete Referenzkondensator eine andere Kapazität zeigt als der dem Kondensator C2 zugeordnete Re­ ferenzkondensator, so kann daraus auf eine unterschiedliche Abstandsänderung des Elektrodenspaltes d bei den Kondensato­ ren C1 und C2 geschlossen werden. Der Kapazitätsunterschied zwischen den Referenzkondensatoren CR kann man dann dazu be­ nutzen, diese unterschiedliche Abstandsänderung des Elektro­ denspaltes d zu kompensieren. Weisen beide Referenzkondensa­ toren CR nicht durch entsprechende Gestaltung der Elektroden 20, 21 bzw. 18, 19 die gleiche Kapazität auf, so muß man zu­ erst die Kapazitätsänderung jedes Referenzkondensators bestimmen, und vergleicht dann diese.

Die beschriebenen Sensorelemente müssen natürlich in einem geeigneten Gehäuse untergebracht werden, damit Längen- oder Winkeländerungen eines Meßobjektes in die entsprechenden Ka­ pazitätsänderungen umgesetzt werden. Ein solches Sensorgehäu­ se ist beispielsweise in der WO 98/27410 beschrieben. Es stellt sicher, daß die Meßgröße (Abstand oder Winkel vom ei­ gentlichen Meßobjekt) weitestgehend ohne Beeinflussung durch thermische, axiale oder radiale Dehnungen als Verformung in das Sensorelement übertragen wird. Zweckmäßigerweise wird man das Material des Sensors (Sensorelement und Gehäuse) dem des Meßobjektes anpassen, und die beiden unlösbar, z. B. durch La­ serschweißen miteinander verbinden.

Ein Beispiel der Verformungsmessung zur Erfassung des Drehmo­ mentes an scheibenförmigen Meßobjekten ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Dabei ist auf dem scheibenförmigen Meßobjekt 13, bei dem es sich beispielsweise um eine Mitnehmerscheibe oder ein Zweimassenschwungrad einer Brennkraftmaschine han­ deln kann, ein Sensor 12 angeordnet. Der Sensor 12 entspricht dem zuvor beschriebenen Sensorelement im erwähnten Gehäuse.

Geeigneterweise hat der Scheibenkörper im Radialabschnitt zwischen r_a und r_i eine definierte Geometrie, z. B. eine Quer­ schnittsveränderung, wie sie in Fig. 5 in der unter der Scheibe dargestellten Schnittdarstellung gezeigt ist. Der Sensor 12 kann dann entweder in der Montagestellung A oder aber in der Montagestellung B in der die Querschnittsverände­ rung bildenden Ausnehmung 14 sitzen. Wird das scheibenförmige Meßobjekt 13 beispielsweise das Drehmoment bzw. dessen Kraft­ wirkung F in Umfangsrichtung verformt, dann führt das in ers­ ter Näherung beim Sensor 12 zu einer Parallelverformung Δs, die als Differenz der äußeren Verschiebungsstrecke s(r_a) und der inneren Verschiebungsstrecke s(r_i) gegeben ist. Ist durch geeignete Maßnahmen, z. B. durch eine Ausfräsung sicherge­ stellt, daß außer den Verbindungen zwischen dem Sensor 12 und dem Meßobjekt 13 möglichst keine Reibung zwischen Sensor 12 und Meßobjekt 13 auftritt, folgt der Sensor 12 der Parallel­ verschiebung Δs. Dies gilt zumindest, solange es sich um sehr kleine Verdrehwinkel bzw. Verformungen handelt. Die Parallel­ verformung Δs des Sensors 12 führt zur Kapazitätsänderung. Hierbei entspricht beispielsweise die radial innengelegene Kante des Sensors 12 dem eingespannten Ende der Fig. 1 oder 3, die radial außengelegene Kante des Sensors 12 dem ge­ schlossenen Ende 7 des als Metallklammer ausgeführten Grund­ körpers 1.

Vorzugsweise kann man einen zweiten Sensor 12 um 180° ver­ setzt befestigen. Damit lassen sich Biege- und Querkraftkom­ ponenten kompensieren. Zugleich wird eine Unwucht durch nur einen Sensor 12 vermieden.

Der Sensor 12 ist weiter besonders geeignet zur Befestigung einer Meßwelle mit zwei Flachstellen, wie sie beispielsweise in Fig. 7a gezeigt ist. Bei dieser Meßwelle kann es sich um ein Teil eines Antriebsstranges, eines Bremssystems oder ei­ ner Lenkung eines Kraftfahrzeuges handeln. Die Welle weist über eine Länge l eine Ausnehmung 14 mit geringerem Radius bzw. Durchmesser auf. Eine Kraftwirkung F in Richtung der dargestellten Pfeile führt zu einer Verformung mit einem Verdrehwinkel ϕ über die Meßwelle hinweg. Der Sensor 12, der auf den beiden Flachstellen über der Ausnehmung 14 (Montage­ position B der Fig. 7c) oder an den senkrechten Schultern der Ausnehmung 14 (Montagestellung A der Fig. 7c) befestigt ist, setzt diesen Verdrehwinkel ϕ in eine Parallelverformung Δs um. Diese führt wie in Fig. 7b schematisch dargestellt ist, zu einer Kapazitätsänderung und mithin zum Meßsignal. Die Pa­ rallelverformung Δs des Sensors 12 wird hauptsächlich von der Länge l der Ausnehmung 14 und dem Verdrehwinkel ϕ bestimmt. Da der Wirkradius r, über den der Verdrehwinkel ϕ zu einer Parallelverformung Δs führt, größer ist, als der Durchmesser 2 . r der Welle im Bereich der Ausnehmung 14, wird zusätzlich eine geometrische Verstärkung erreicht. Natürlich kann man den Sensor 12 auch auf einer abgeflachten Welle mit durchgän­ gig gleichem Durchmesser befestigen. Allerdings ist dann die Parallelverformung Δs geringer. Für gewisse Anwendungen mag dies aber genügen.

Claims (9)

1. Sensorelement zur Verformungsmessung mechanischer Kräfte mit

• - einem Grundkörper (1), dessen Verformung gemessen wird und in dem zwei Kondensatoren (C1, C2) mit je zwei Elektroden (3, 4) gebildet sind, wobei die Verformung des Grundkörpers (1) eine Änderung der Elektrodenspalte beider Kondensatoren be­ wirkt, die bei einem der Kondensatoren (C1) zu einer Kapazi­ tätserhöhung und beim anderen der Kondensatoren (C2) zu einer weitgehend beitragsgleichen Kapazitätsminderung führt, und
• - einer differentiellen Verschaltung der Kondensatoren (C1, C2) derart, daß die Kapazitätsminderung von der Kapazitätser­ höhung subtrahiert als Meßsignal am Ausgang des Sensorelemen­ tes anliegt.

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Grundkörper (1) aus einem leitenden oder leitend be­ schichteten Material besteht,
• - ein Isolator (5) auf zwei gegenüberliegenden Flächen je ei­ ne Elektrode (3, 4) trägt,
• - der Isolator (5) im Grundkörper (1) sitzt, wobei er einsei­ tig eingespannt ist und die Elektroden (3, 4) nahe des ande­ ren Endes liegen, und
• - der Elektrodenspalt (6) zwischen jeder Elektrode (3, 4) und dem Grundkörper (1) besteht, so daß je ein Kondensator (C1, C2) durch eine Elektrode (3, 4) und den Grundkörper (1) ge­ bildet ist.

3. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) als Klammer ausgebildet ist, in der der Isolator (5) sitzt, wel­ cher auf gegenüberliegenden Flächen zur Bildung der Elektro­ den (3, 4) leitfähig beschichtet ist, wobei vorzugsweise die Klammer (1) am Ende, das den Elektroden (3, 4) zugewandt liegt, ein geschlossenes Ende (7) hat.

4. Sensorelement zur Verformungsmessung mit einem Grundkör­ per, der an zwei gegenüberliegenden Flächen jeweils mehrere Elektroden bildende Leiterstrukturen (14, 15; 16, 17) auf­ weist, die Kondensatoren (C1, C2) bilden, wobei die zu mes­ sende Verformung eine Querverschiebung der Flächen und damit eine Änderung der wirksamen Elektrodenfläche der jeweils ge­ genüberliegenden Elektroden (14, 15; 16, 17), welche Flächen­ änderung die Kapazitätsänderung verursacht, bewirkt.

5. Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Lei­ ter (16, 17) des einen Kondensators (C1) gegeneinander in ei­ ne Richtung und die Leiter (14, 15) des anderen Kondensators (C2) gegeneinander in die gegengleiche Richtung versetzt sind.

6. Sensorelement nach einem der Ansprüche 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Referenzkonden­ sator (CR) für jeden Kondensator (C1, C2), dessen Leiter (20, 21; 18, 19) jeweils so gegenüberliegend angeordnet sind, daß die zu messende Verformung keine Änderung der wirksamen E­ lektrodenfläche verursacht, und eine Auswerteschaltung (8), die die Kapazität des Referenzkondensators mißt und hinsicht­ lich Unterschieden in den Änderungen der Kapazität der Refe­ renzkondensatoren (CR) bereinigt.

7. Verfahren zur Verformungsmessung mit folgenden Schrit­ ten:

• - Anordnen zweier Kondensatoren (C1, C2) derart, daß die zu messende Verformung bei einem Kondensator (C1) eine Kapazi­ tätserhöhung und beim anderen Kondensator (C2) eine weitge­ hend betragsgleiche Kapazitätsminderung verursacht,
• - Messen der Kapazitäten der beiden Kondensatoren (C1, C2),
• - Bestimmen der Kapazitätserhöhung und Kapazitätsminderung,
• - Subtraktion der Kapazitätsminderung von Kapazitätserhöhung zum Bestimmen eines Meßsignals,
• - Anordnen je eines Referenzkondensators (CR) nahe jedes Kon­ densators (C1, C2), dessen Kapazität unabhängig von einer verformungsverursachten Änderung der wirksamen Elektrodenflä­ che oder von einer verformungsverursachten Änderung des E­ lektrodenspalts ist,
• - Messen der Kapazität der Referenzkondensatoren (CR),
• - Ermitteln der Unterschiede der Kapazitätsänderung der Refe­ renzkondensatoren (CR) und
• - Korrektur des Meßsignals unter Verwendung des ermittelten Unterschiedes.

8. Verfahren zur Verformungsmessung mit folgenden Schrit­ ten:

• - Anordnen zweier Kondensatoren (C1, C2) mit gleicher Kapazi­ tät, derart, daß die zu messende Verformung bei einem Konden­ sator (C1) eine Kapazitätserhöhung und beim anderen Kondensa­ tor (C2) eine weitgehend betragsgleiche Kapazitätsminderung verursacht,
• - Messen der Kapazitäten der beiden Kondensatoren (C1, C2) und
• - Subtraktion der Kapazität des Kondensators (C2), dessen Ka­ pazität gemindert wurde, von der Kapazität des Kondensators (C1), dessen Kapazität erhöht wurde, zum Bestimmen eines Meß­ signals,
• - Anordnen je eines Referenzkondensators (CR) nahe jedes Kon­ densators (C1, C2), dessen Kapazität unabhängig von einer verformungsverursachten Änderung der wirksamen Elektrodenflä­ che oder von einer verformungsverursachten Änderung des E­ lektrodenspalts ist,
• - Messen der Kapazität der Referenzkondensatoren (CR),
• - Ermitteln der Unterschiede der Kapazitätsänderung der Refe­ renzkondensatoren (CR) und
• - Korrektur des Meßsignals unter Verwendung des ermittelten Unterschiedes.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensa­ toren so angeordnet werden, daß die Verformung jeweils zu ei­ ner Änderung des Elektrodenspaltes oder jeweils zu einer Än­ derung der wirksamen Elektrodenfläche führt.