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Die
Erfindung betrifft einen Kraftsensor zur Kraftmessung im Kraftfluss.
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Kraftsensoren
werden heute vielfältig
eingesetzt. Beispielsweise werden bei einer Betätigung von Bremsen eines Kraftfahrzeugs üblicherweise Bremsbeläge auf eine
Bremsscheibe gedrückt.
Die Bremswirkung entsteht durch die Reibung zwischen den Bremsbelägen und
der Bremsscheibe, wobei die Reibung von der Kraft abhängt, mit
der die Bremsbeläge
auf die Scheibe drücken.
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Es
werden künftig
zunehmend elektronische Bremssysteme zum Einsatz kommen, bei denen
Regelelemente notwendig sind, um die Bremskraft exakt zu regeln.
Dazu ist es notwendig, die Kraft zu erfassen, die die Bremsbeläge auf die
Bremsscheibe ausübt.
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Das
Messen der Bremskraft erfolgt üblicherweise
durch einen Kraftsensor. Aufgrund der rauhen Umgebungsbedingungen
einer Bremsanlage ist es jedoch erforderlich, dass der Kraftsensor
robust aufgebaut ist. So muss der Kraftsensor hohen Temperaturunterschieden
von ca. –40°C bis ca.
350°C standhalten.
Der Kraftmessbereich kann einer Gewichtskraft von bis zu einigen
Tonnen entsprechen. Trotz des Auftretens von schnellen Temperaturwechseln während des
Betriebs der Bremse, Stoßbelastungen und
schnellen und häufigen
Kraftänderungen
ist eine Genauigkeit des Kraftsensors im Bereich von ca. 1 % gefordert.
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Bekannte
Kraftsensoren wie beispielsweise Piezoaufnehmer oder Dehnstreifen-Messaufnehmer erfüllen die
oben genannten Anforderungen nicht.
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Aus
der Druckschrift
EP
0 849 576 B1 ist ein kapazitiver Kraftsensor bekannt, der
einen Hohlzylinder umfasst. Eine Stirnseite des Hohlzylinders ist
deformierbar. Ein innenliegender Plattenkondensator mit einem Luftspalt
verringert bei äußerer Druckeinwirkung
auf die Stirnseite seinen Plattenabstand, wodurch sich die Kapazität des Plattenkondensators ändert. Aus
der Kapazität
des Plattenkondensators lässt
sich die auf die Stirnseite beaufschlagte Kraft ermitteln.
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In
der
DE 25 14 511 C2 wird
ein kapazitiver Messfühler
mit einer Kondenstorplattenordnung beschrieben, die eine Platte
umfasst, die an einem becherförmigen
Metallträger
befestigt ist, um die Platte in der Nähe einer Messmembran zu unterstützen. Die Kondensatorplatte
bildet einen freitragenden Ringflansch, der sich unbehindert parallel
zur Innenoberfläche
der Membran erstreckt. Bei dieser Anordnung wird Kraft durch einen
Druck aufgebracht, mit dem die Membran beaufschlagt ist. Es erfolgt
keine Kraftaufbringung auf ein kraftübertragendes Element, das durch
eine Öffnung
in einer der Elektroden nach außen
absteht.
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In
der
EP 0 513 093 B1 wird
ein kapazitiver Kraftsensor mit einer ersten und einer zweiten Elektrode
beschrieben. Dabei ist zumindest die erste Elektrode in eine Richtung
beweglich gehaltert, um den Abstand zwischen der ersten Elektrode
und der zweiten Elektrode abhängig
von der Einwirkung einer Kraft zu verändern. Zwischen der ersten
und der zweiten Elektrode ist ein isolierendes Abstandselement angeordnet,
und die erste Elektrode ist so ausgelegt, dass sich bei Krafteinwirkung
ein Spalt zwischen der ersten Elektrode und dem isolierenden Abstandselement
vergrößert. Ein
Durchlass der zweiten Elektrode zur Aufnahme eines kraftübertragenden Elements
auf die erste Elektrode ist nicht vorgesehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders effektiven
Kraftsensor zur Verfügung zu
stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch den Kraftsensor nach Anspruch 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist ein
Kraftsensor zur Messung einer Kraft mit einer ersten Elektrode und einer
zweiten Elektrode vorgesehen. Zumindest eine der Elektroden ist
in eine Richtung beweglich gehaltert, um den Abstand zwischen der
ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abhängig von der Einwirkung einer
Kraft zu verändern.
Im unbelasteten Zustand werden die beiden Elektroden im wesentlichen durch
ein isolierendes Abstandselement getrennt. Die erste Elektrode ist
weiterhin so ausgelegt, um bei Einwirkung der Kraft einen Spalt
zwischen der ersten Elektrode und dem isolierenden Abstandselement
zu vergrößern.
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Die
zweite Elektrode weist einen Durchlass zur Aufname eines kraftübertragenden
Elements auf die erste Elektrode auf.
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Der
erfindungsgemäße Kraftsensor
stellt einen Kondensator dar, dessen Plattenabstand sich bei Einwirkung
einer Kraft vergrößert. Zwischen
den beiden Elektroden liegt ein isolierendes Abstandselement, das
vorzugsweise ein Dielektrikum mit einer temperaturstabilen Dielektrizitätskonstanten
ist, um einen möglichst
geringen Temperatureinfluss zu erreichen. Weiterhin sorgt das isolierende
Abstandselement dafür,
dass der Abstand zwischen den Elektroden einen Mindestabstand nicht
unterschreitet und dass zwischen den beiden Elektroden kein Kurzschluss
entstehen kann, wenn beispielsweise Vibrationen oder Schläge auftreten.
Darüber
hinaus verhindert das Dielektrikum, dass sich die Elektroden gegeneinander
verschieben, und ermöglicht,
dass – bei
Plattenelektroden – eine
zueinander parallele Anordnung der Elektroden beibehalten wird.
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Ein
Kraftsensor, der auf erfindungsgemäße Weise aufgebaut ist, besitzt
eine relativ hohe Grundkapazität,
die sich bei Einwirkung einer Kraft verringert. Da die Kapazität des Kondensators
reziprok mit zunehmender Entfernung der beiden Elektroden abnimmt,
ist die Empfindlichkeit am größten, wenn
die beiden Elektroden den geringsten Abstand haben, d.h. im unbelasteten
oder wenig belasteten Zustand. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass bei
Einwirkung von geringen Kräften,
die Empfindlichkeit des Kraftsensors größer ist als bei Einwirkung
von großen
Kräften.
Dies kommt einer beispielhaften Verwendung in eine Bremsanlage zur
Messung einer Kraft, die auf die Bremsbacken aufgeübt wird,
zugute.
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Vorzugsweise
kann das isolierende Abstandselement als dielektrische Schicht auf
eine der Elektroden aufgebracht sein. Dies hat den Vorteil, dass sich
somit das isolierende Abstandselement mit definierter Dicke auf
der Elektrode befindet. Auf diese Weise ist eine genaue Justierung,
d.h. Bestimmung der Grundkapazität
des Kraftsensors möglich.
Darüber
hinaus wird der Zusammenbau des Kraftsensors in vorteilhafter Weise
erleichtert, da eine Montage des isolierenden Abstandselementes
und einer der Elektroden entfällt.
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Vorzugsweise
ist die erste Elektrode und die zweite Elektrode flächig ausgeführt. Dabei
kann die erste Elektrode derart gegen die zweite Elektrode beweglich
sein, dass die Dicke des Spalts, d.h. der Abstand zwischen der ersten
Elektrode und dem isolierenden Abstandselement im wesentlichen über die Fläche der
ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode konstant ist. Auf
diese Weise werden die Elektroden nur pa rallel gegeneinander verschoben, so
dass sich die Geometrie des Kondensators nicht wesentlich verändert. Auf
diese Weise erhält
man eine reziproke Abhängigkeit
zwischen der Kraft und der Kapazität des Kondensators, aus der
man vergleichsweise einfach die ausgeübte Kraft ermitteln kann. Die
Genauigkeit der Ermittlung der Kraft kann noch verbessert werden,
wenn man vorsieht, dass die Größe des Spalts
im wesentlichen proportional zur Einwirkung der Kraft ist.
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Bevorzugterweise
kann vorgesehen sein, dass die Elektroden in einem Hohlzylinder
angeordnet sind. Dadurch kann der Kraftsensor von äußeren Einflüssen geschützt aufgebaut
werden. Der Hohlzylinder weist darüber hinaus auch eine hohe Stabilität auf, die
den Einsatz des Kraftsensors im Kraftfluss ermöglichen.
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Anhand
der folgenden Figuren wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben,
wobei die einzelnen Elemente in den verschiedenen Figuren einheitlich bezeichnet
sind. Es zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung eines Kraftsensors im unbelasteten Zustand; und
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2 eine
Schnittdarstellung eines Kraftsensors im belasteten Zustand.
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Die
im folgenden dargestellte Ausführungsform
eines Kraftsensors für
ein Bremssystem ist nur beispielhaft angegeben, um die Art und Funktionsweise
des Kraftsensors zu verdeutlichen.
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Die
dargestellten Merkmale und Vorteile sind jedoch allgemein auf alle
Kraftsensoren mit den Merkmalen der Erfindung anwendbar und sollen nicht
einschränkend
auf Bremssysteme verstanden werden.
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1 zeigt
einen kapazitiven Kraftsensor 1 für ein Bremssystem im unbelasteten
Zustand. Der Kraftsensor 1 wird zwischen einem Stellglied
(nicht gezeigt) und einem Bremsbelag 2 in den Kraftfluss eingesetzt.
Der Kraftsensor befindet sich in einem Hohlzylinder 3,
in dem sich eine fest mit dem Hohlzylinder 3 verbundene
erste Elektrode 4 befindet. Die erste Elektrode 4 erstreckt
sich vorzugsweise in radialer Richtung zum Hohlzylinder 3,
so dass der Hohlzylinder 3 vollständig geschlossen ist. Die erste
Elektrode 4 ist elastisch mit dem Hohlzylinder 3 verbunden,
indem am Rande der ersten Elektrode 4 umlaufend in Umfangsrichtung
beidseitig Nuten 5 vorgesehen sind, die die erste Elektrode 4 an
dieser Stelle verjüngen.
Der Bereich zwischen den Nuten 5 und dem Hohlzylinder 3 bildet
einen Vorsprung 14. Die erste Elektrode 4 sowie
der Hohlzylinder 3 sind aus einem leitfähigen Material, vorzugsweise
einem Metall, gebildet, welches eine bestimmte Elastizität aufweist.
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Mittig
auf der ersten Elektrode 4 befindet sich ein Zylinderelement 6,
durch dass eine Kraft auf die erste Elektrode 4 eingekoppelt
werden kann. Auf der ersten Elektrode 4 liegt auf der Seite
des Zylinderelements 6 eine Scheibe 7 mit einem
Durchlass für
das Zylinderelement 6 auf. Die Scheibe 7 wird
durch Federn 8 auf die erste Elektrode 4 gedrückt. Die
Scheibe 7 umfasst im wesentlichen ein Dielektrikum 10, das
einseitig als Schicht auf ein leitfähiges Trägermaterial, das die zweite
Elektrode 9 bildet, aufgebracht ist. Die Scheibe 7 wird
so angeordnet, dass sich das Dielektrikum 10 zwischen der
ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 9 befindet.
Als Materialien für das
Dielektrikum 10 sind z.B. Al2O3, Teflon und alle Materialien geeignet,
die eine temperaturstabile Dielektrizitätskonstante aufweisen.
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Zwischen
dem Hohlzylinder 3 und dem Außenrand der Scheibe 7 besteht
ein Zwischenraum 11, so dass die zweite Elektrode 9 nicht
mit dem Hohlzylinder 3, der aus Gründen der Stabilität und der
einfachen Kontaktierung vorzugsweise auch metallisch ausgeführt ist,
in Verbindung kommt. Über
die erste Zuführleitung 12 wird
einerseits der leitende Hohlzylinder 3 und damit die erste
Elektrode 4 kontaktiert. Andererseits wird über die
zweite Zuführleitung 13 die
zweite Elektrode 9 angeschlossen. Die Zuführleitungen 12, 13 stellen
die beiden Anschlüsse
eine durch die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 9 gebildeten
Plattenkondensators dar.
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Die
Scheibe 7 weist vorzugsweise eine Dicke auf, die ihr eine
ausreichende Stabilität
ermöglicht,
so dass sie möglichst
in einem geringen, zu vernachlässigenden
Maße von
einer Bewegung der ersten Elektrode 4 oder von Erschütterungen
sowie Temperaturschwankungen beeinflusst wird. Die dielektrische Schicht 10 ist
vorzugsweise mit einer hohen Dielektrizitätskonstante ausgelegt. Die
Dicke der dielektrischen Schicht 10 kann wenige μm bis einige
10 μm betragen.
Diese dünnen
Schichten können
verhältnismäßig einfach
durch Beschichtungstechniken, wie z.B. Aufdampfen, Spin-Coating
o.ä. erzeugt
werden.
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Die
Feder 8 dient lediglich dazu, die Scheibe 7 zu
fixieren, wobei die Scheibe 7 bei einer Bewegung der ersten
Elektrode 4 in Richtung des Bremssattels auf Vorsprüngen 14 des
Hohlzylinders 3 aufliegt. Die Feder 8 ist vorzugsweise
so ausgeführt, dass
sie keine leitende Verbindung zwischen Hohlzylinder 3 und
Scheibe 7 bildet.
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2 zeigt
den erfindungsgemäßen Kraftsensor
bei Belastung mit einer Kraft F. Die Kraft wirkt auf das Zylinderelement 6.
Man erkennt einen Luftspalt 15, der sich zwischen der ersten
Elektrode 4 und dem Dielektrikum 10 gebildet hat.
Die Scheibe 7 liegt dann auf den Vorsprüngen 14 des Hohlzylinders 3 auf
und die erste Elektrode 4 bewegt sich aufgrund ihrer elastischen
Verbindung mit dem Hohlzylinder 3 in Richtung des Bremssattels.
Dadurch vergrößert sich
der Abstand zwischen der zweiten Elektrode 9 und der ersten
Elektrode 4, wodurch sich die Kapazität des durch die beiden Elektroden 4, 9 gebildeten
Plattenkondensators ändert.
Die elastische Aufhängung
der ersten Elektrode 4 an dem Hohlzylinder 3 ist
vorzugsweise so ausgebildet, dass sich der Elektrodenabstand etwa
linear zur einwirkenden Kraft F ändert,
so dass die Beziehung gilt: d = kF,wobei
- d:
- Abstandsänderung;
- k:
- Federkonstante
- F:
- Kraft ist.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, dass der Elektrodenabstand über die gesamte Fläche der
Elektroden weitgehend konstant ist, d.h. die Elektroden bleiben im
wesentlichen parallel zueinander.
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Auf
diese Weise können
Luftspalt
15 und Dielektrikum
1Q als Serienschaltung
zweier Kapazitäten
C
D und C
L (C
D: Kapazität des Dielektrikums und C
L: Kapazität des Luftspalts) betrachtet
werden. Die gesamte Kapazität
C
G des Kraftsensors entspricht damit näherungsweise
folgender Beziehung:
- A:
- effektive Plattenfläche
- εr:
- relative Dielektrizitätskonstante
- ε0:
- Dielektrizitätskonstante
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Daraus
ergibt sich für
die Kraft F:
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Der
Effekt des Dielektrikums ist lediglich der, dass der effektive Elektrodenabstand
ohne eine Krafteinwirkung beeinflusst wird. Ansonsten hat es keine
Auswirkung auf die Charakteristik des Kraftsensors. Es vermeidet
auf vorteilhafte Weise, dass z. B. bei Stößen, Erschütterungen oder ähnlichen
die beiden Elektroden 4, 9 miteinander in Kontakt
kommen können,
und dadurch einen Kurzschluss bilden. Ein solcher Kurzschluss hätte Messfehler
zur Folge, die die Funktionsweise des Gesamtsystems beeinträchtigen
können.
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Weiterhin
ist vorteilhaft, dass die Empfindlichkeit des Kraftsensors im unbelasteten
Zustand bzw. bei Einwirkung von geringen Kräften höher ist, als im Zustand bei
einer Belastung mit hohen Kräften. Die
Empfindlichkeit des Kraftsensors
1 bei einer Kraft F entspricht
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Man
erkennt, dass die Empfindlichkeit dieses Kraftsensors umgekehrt
Proportional zum Quadrat der Kraft ist. D. h. man erhält eine
hohe Empfindlichkeit bei geringen Kräften und eine verminderte Empfindlichkeit
bei hohen Kräften.
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Die
in der vorangehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale
der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der
Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
