DE10135638A1

DE10135638A1 - Biege- und torsionsmomentunempfindlicher Querkraftsensor

Info

Publication number: DE10135638A1
Application number: DE10135638A
Authority: DE
Inventors: Zlatko Penzar; Juergen Irion; Wolfgang Porth; Andrea Rasler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2002-04-04
Also published as: DE20016328U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Querkraftsensor, mit einer dehnungsempfindlichen Widerstände aufweisenden Brückenschaltung, wobei die dehnungsempfindlichen Widerstände unmittelbar auf einem Bauteil angeordnet sind, an welchem zwischenträgerfrei direkt Querkräfte angreifen, wodurch ein der Dehnung der Dickschichtwiderstände entsprechendes elektrisches Signal an der Brückenschaltung abnehmbar ist. DOLLAR A Bei einem Querkraftsensor, bei welchem bei variierender Last die Erzeugung eines fehlerfreien Brückensignals gewährleistet ist, sind die dehnungsempfindlichen Widerstände (R1, R2, R3, R4) einer ersten Brückenschaltung auf dem Bauteil (1) kreisähnlich angeordnet, wobei je ein Widerstand (R1, R3) des ersten Brückenzweiges diagonal zu einem Widerstand (R4, R2) des zweiten Brückenzweiges jeweils in einer Position (r) angeordnet ist, so daß das Brückensignal nur von der Querkraft abhängt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Querkraftsensor, mit einer dehnungsempfindli chen Widerstände aufweisenden Brückenschaltung, wobei die dehnungs empfindlichen Widerstände unmittelbar auf einem Bauteil angeordnet sind, an welchem zwischenträgerfrei direkt Querkräfte angreifen, wodurch ein der Dehnung der Dickschichtwiderstände entsprechendes elektrisches Signal an der Brückenschaltung abnehmbar ist.

An sich bekannte Querkraftsensoren weisen Brückenschaltungen auf, welche mit Hilfe von dehnungsempfindlichen Dickschichtwiderstände ge bildet sind, die unmittelbar auf einem mit Querkräften zu belastenden Bauteil angeordnet sind. Die Widerstände der Brückenschaltungen sind außerhalb der Erstreckungsrichtung einer für Biegebelastung neutralen Phase des Bauteiles angeordnet und weisen zu dieser einen vorgegebe nen Abstand und einen vorgegebenen Winkel auf.

Beim Anliegen örtlich variierender Biegemomente treten aber bei den Wi derständen unterschiedliche Widerstandsänderungen und zusätzlich Tor sionseinflüsse auf, die das Meßergebnis verfälschen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Querkraftsensor anzugeben, bei welchem bei variierender Last die Erzeugung eines feh lerfreien Brückensignales gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die dehnungs empfindlichen Widerstände einer ersten Brückenschaltung auf dem Bau teil annähernd kreisähnlich angeordnet sind, wobei je ein Widerstand der ersten Brückenzweiges diagonal zu einem Widerstand des zweiten Brük kenzweiges jeweils in einer Position angeordnet ist, in welcher die Wider standsänderungen der dehnungsempfindlichen Widerstände unter Einfluß einer Querkraft unterschiedliche Werte annimmt, so dass das Brückensi gnal nur von der Querkraft abhängt.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die durch Störungen, insbesondere Biegungseinflüsse hervorgerufenen Signaländerungen nicht in einer Ver schaltung kompensiert werden müssen, sondern allein durch die Plazie rung der Widerstände erreicht wird.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung sind die Widerstände jedes Zweiges der Brückenschaltung beidseitig zu einer auf Biegebelastung neutralen Phase derart angeordnet, daß die auf einer Seite der neutralen Phase liegenden dehnungsempfindlichen Widerstände jedes Brücken zweiges bei sich ändernder Biegebelastung gleiche Widerstandsänderun gen erfahren, wobei das an der Brückenschaltung abnehmbare Aus gangssignal keine Anteile infolge der Biegebelastung aufweist.

Vorteilhafterweise sind die dehnungsempfindlichen Widerstände bei einer Biegefast um die biegesteife Achse so angeordnet, daß die Widerstand sänderungen der Widerstände eines Brückenzweiges bei gleichem Betrag entgegengesetzt verläuft. Alternativ sind die dehnungsempfindlichen Wi derstände eines Brückenzweiges bei einer Biegelast um die biegeweiche Achse derart angeordnet, daß eine identische Widerstandsänderung auf tritt.

Zur Kompensation der Torsionseinflüsse ist eine zweite Brückenschaltung vorgesehen, deren dehnungsempfindlichen Widerstände ebenfalls krei sähnlich angeordnet sind, wobei je ein Widerstand des ersten Brücken zweiges diagonal zu einem Widerstand des zweiten Brückenzweiges je weils in einer Position angeordnet ist, in welcher die Widerstandsände rung der dehnungsempfindlichen Widerstände der zweiten Brücken schaltung unter Einwirkung von Torsion gleiche Betragswerte einnehmen und die Ausgangssignale der ersten und der zweiten Brückenschaltung einer Auswerteeinrichtung zuführbar sind, welche ein torsions- und bie gemomentunabhängiges Querkraftsignal bestimmt.

In einer Weiterbildung sind die dehnungsempfindlichen Widerstände der ersten und/oder der zweiten Brückenschaltung außerhalb einer, auf der Oberfläche des Bauteiles verlaufenden Ausnehmung im Randbereich die ser Ausnehmung, diese umfassend, angeordnet.

Dies hat den Vorteil, daß das Signalverhalten des Querkraftsensors auf einfache Weise erhöht werden kann. Aufgrund der Ausnehmung überla gern sich die am Trägerelement angreifenden mechanischen Spannun gen, wobei die Dehnung in den Hauptrichtungen (longitudinal, transversal) einen ungleichen Betrag aufweisen, wodurch das abgegriffene Meßsignal an der Brückenschaltung in einfacher Weise erhöht werden kann.

Lastinduzierte Änderungen der Widerstandswerte lassen sich in beson ders einfacher Weise korrigieren, wenn das Bauteil in seinem Randbe reich radiale Einbuchtungen sowie die Ausnehmung radiale Bereiche auf weist, wobei je eine radiale Einbuchtung sowie ein radialer Bereich der Ausnehmung einem Widerstand zugeordnet sind, welcher auf einer Ver bindungslinie des ersten Radius der Einbuchtung und eines zweiten Radi us der Ausnehmung angeordnet sind.

Ist die Ausnehmung kreisförmig ausgebildet, ist jeder Widerstand radial mit annähernd gleichen Winkelabständen um die Ausnehmung angeord net. Das heißt, die Widerstände befinden sich im gleichen Abstand zur Mitte der Bohrung.

Durch die Ausnehmung wird das Signalverhalten des Sensors ohne kom plexe Änderung der Wellengeometrie einfach erhöht. Ein solcher Sensor ist für die Massenproduktion geeignet, da er kosten- und zeitgünstig her stellbar ist.

Vorteilhafterweise sind die auf dem Metallbauteil angeordneten Wider stände als Dickschichtwiderstände ausgebildet, wobei die Empfindlichkeit der zur Herstellung der Widerstände verwendeten Widerstandspasten be züglich einer Längs- und Querdehnung unterschiedlich sind. Auch da durch wird eine Erhöhung des Signalverhaltens des Sensors erreicht. In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Dickschichtwiderstände zur Torsions- und zur Querkraftmessung in einer Ebene angeordnet. Es ist aber auch möglich, die Dickschichtwiderstände in einer oder mehreren Ebenen anzuordnen.

Vorteilhafterweise können zur Torsionsmessung auch zwei Brücken schaltungen verwendet werden, wobei die Widerstände der ersten Brüc kenschaltung in einer Position r₁ < r₀ und die Widerstände der zweiten Brückenschaltung in einer Position r₂ < r₀ angeordnet sind, wobei die Po sitionen r₁ und r₂ betragsmäßig dieselbe Differenz zur Position r₀ aufwei sen.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll an hand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1: Draufsicht auf ein auf Torsion zu beanspruchendes erfin dungsgemäßes Bauteil

Fig. 2: Anordnung des dehnungsempfindlichen Widerstandes auf dem Bauteil nach Fig. 1

Fig. 3: mechanische Belastung des Bauteiles

Fig. 4: Spannungsverlauf in der Brückenschaltung

Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

In Fig. 1 ist ein Drehmomentsensor dargestellt. Auf einer durch Quer kräfte beanspruchten Welle 1, welche aus Stahl oder einer Stahllegie rung besteht und quaderförmig ausgebildet ist, sind identisch aufgebaute Dickschichtwiderstände R1, R2, R3, R4 angeordnet. Die Widerstände R1, R2, R3, R4 sind Fig. 4 entsprechend zu einer Brückenschaltung ver knüpft.

Die Widerstandsbrücke ist in ihrer gesamten Ausdehnung auf einem Die lektrikum 2 angeordnet, welches direkt ohne einen Zwischenträger auf dem Bauteil 1 aufliegt. Ein Schnitt durch einen dehnungsempfindlichen Widerstand R1 ist in Fig. 2 dargestellt.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, befinden sich auf dem Dielektrikum 2 elektri sche Leiterbahnen 5, die durch eine Leiterbahnschicht gebildet sind. Zwischen diesen Leiterbahnen 5 erstreckt sich eine elektrische Wider standsschicht 9, die dem als Dehnungsmeßstreifen ausgebildeten Wider stand R1, R2, R3 oder R4 bildet. Den Abschluß bildet eine Passivierungs schicht 6, die nur den als Kontaktfläche 7 dienenden Teil mindestens ei ner Leiterbahn 5 unbedeckt läßt und zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandes R1 dient.

Der beschriebene Dehnungsmeßstreifen wird in Dickschichttechnologie unmittelbar auf dem Träger 1 hergestellt.

Um eine innige Verbindung des Dielektrikums 2 mit dem Bauteil 1 herzu stellen, wird das Dielektrikum 2 in Drucktechnik mittels einer nicht leiten den Paste auf der Welle 1 aufgetragen. Die Paste enthält dabei eine Glasfritte, die bei geringerer Temperatur schmelzbar ist als das Material der Welle 1. Nach Aufbringen der Paste wird ebenfalls in Siebdrucktechnik eine leitende Schicht aufgebracht, die die Leiterbahn 5 und die Kontaktflä che 7 bildet, auf welcher wiederum die die Widerstände R1, R2, R3, R4 bildende, strukturierte Widerstandsschicht 9 angeordnet ist. Die so vorbe reitete Welle 1 wird in einem Hochtemperaturprozess bei einer Tempera tur von etwa 750 bis 900°C wärmebehandelt. Dabei versintert die Glas schicht mit der Oberfläche des Stahls der Welle 1. Bei diesem Aufsintern werden zwischen dem Dielektrikum 2 und der Welle 1 Oxidbrücken gebil det, die eine unlösbare Verbindung zwischen Welle 1 und Dielektrikum 2 gewährleisten, wodurch eine stark innige Verbindung zwischen beiden erreicht wird.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich weist die Welle 1 eine rechteckige Oberfläche 8 auf, wobei mittig eine kreisförmige Öffnung 3 ausgebildet ist, welche die Welle 1 vollständig durchsetzt.

Der Rand des Bauteiles 1 weist in seiner Längserstreckung beidseitig je weils zwei halbkreisförmige Randausnehmungen 9, 10 bzw. 11, 12 auf, wobei die Ausnehmungen 10 und 11 sowie 9 und 12 gegenüberliegend angeordnet sind. Die Radien der Randausnehmungen 9, 10, 11, 12 ent sprechen annähernd dem Radius der Öffnung 3.

Die Dehnungsmeßstreifen R1, R2, R3, R4 sind auf jeweils einer vom Mit telpunkt der Öffnung 3 ausgehenden Linie 13 angeordnet, wobei die Linie 13 die gedachte Verbindung zwischen dem Radius einer Randausneh mung 9, 10, 11, 12 und den Radius der Öffnung 3 darstellt.

Aufgrund der Öffnung 3 und der Randausnehmungen 9, 10, 11, 12 treten auf der Oberfläche der Welle 1 bei Beanspruchung auf Torsion entlang einer gedachten Mittellinie Z zwei Hauptdehnungen mit unterschiedlichem Betrag auf, welche aus Sicht des jeweiligen Dickschichtwiderstandes R1 bis R4 einer longitudinalen Dehnung und einer transversalen Dehnung entsprechen.

Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, treten bei der Querkraftbeanspruchung auch Torsions- und Biegekräfte auf. Man betrachtet dabei die Welle 1 als Biegebalken, welche auf einer Seite fest eingespannt ist. Ausgehend da von, daß die Torsion eine Verdrehung der Welle in Z-Richtung hervorruft, bildet dabei die in Fig. 3 dargestellte X-Achse eine biegeweiche Achse, während die in Y-Richtung weisende Achse eine biegesteife Achse ist. Die Wellenachse Z entspricht dabei gleichzeitig der hinsichtlich der Biege belastung neutralen Phase der Welle 1.

Gemäß Fig. 1 sind die Widerstände R1 und R3 auf der einen Seite der neutralen Phase und die Widerstände R4 und R2 auf der anderen Seite der neutralen Phase angeordnet. Da alle Widerstände R1 bis R4 mit dem selben radialen Abstand um die Ausnehmung 3 positioniert sind, weisen sie betragsmäßig alle denselben Abstand zur neutralen Phase auf, unter scheiden sich aber in ihrer Winkelstellung zur neutralen Phase.

Die Widerstände R1, R2, R3, R4 sind dabei gemäß Fig. 4 elektrisch zu einer Brückenschaltung verschaltet. Dabei ist ersichtlich, daß immer ein Widerstand eines Brückenzweiges auf je einer Seite der neutralen Phase liegt. So liegt der Widerstand R1 des Brückenzweiges R1, R4 auf der ei nen Seite und der Widerstand R4 der anderen Seite der neutralen Phase. Dasselbe gilt für die Widerstände R3 und R2 des zweiten Brückenzwei ges. Die Widerstände verhalten sich bei örtlich variierender Biegebela stung unterschiedlich, wobei es einen Punkt zum Mittelpunkt der Öffnung 3 gibt, bei welchem die Widerstandsänderung in allen Widerständen R1, R2, R3, R4 gleich ist. Dies gilt für jede beliebige Biegelast um die biege steife Achse.

Bei einer Verschaltung gemäß Fig. 4 ergibt sich ein Brückensignal

Das an der Widerstandsbrücke abzugreifende Signal UQ bestimmt sich aus

U_Q = U.C_S.F_X(z_C).(r - r₀)

Wobei C_S ein von den Sensorabmaßen, dem Sensormaterial und den Wi derstandseigenschaften abhängiger Faktor ist, während F_X(z_C) die Quer kraft in Richtung der biegeweichen Achse (x-Achse, Bild 1).

Zur Kompensation der Torsion ist eine gemäß Fig. 1 aufgebaute zweite Brückenschaltung vorgesehen, die deren Widerstände in den Postionen r₀ angeordnet sind. Für diese Position erhält man

DR₁ = ΔR₃

Unter Berücksichtigung der Fig. 1 ergibt sich damit

ΔR₂ = ΔR₄

wobei aus der Formel 1 sich ein Brückensignal von

U_Q = 0

ergibt.

Ein ähnliches Bild ergibt sich bei einer beliebigen örtlich variierenden Bie gebelastung um die biegeweiche Achse (X-Achse). Dabei gilt:

ΔR₁ = ΔR₄ und ΔR₂ = ΔR₃

für jede radiale Position R. Somit erhält man auch hier für das Brückensi gnal ein U_Q = 0.

Jede beliebige Biegung des Dehnungsmeßstreifen läßt sich in Biegean teile um die biegesteife und die biegeweiche Achse zerlegen. Das Brüc kensignal ist dabei eine Summe der Signalanteile der Biegekomponenten um die biegesteife bzw. biegeweiche Achse. Sobald sich die Widerstände in der Position r₀ befinden, liegt somit ein exakt biegekompensierter Sen sor für Drehmomente um die Z-Achse vor.

Aufgrund dieser strahlenförmigen Anordnung der Brückenwiderstände um die Ausnehmung wird eine hohe Biegekompensation erreicht. Dies ist ins besondere beim Einsatz eines solchen Dehnungsmeßstreifen für den An wendungsfall der elektrischen Lenkhilfe von Vorteil, wo insbesondere auf grund des konkreten Einbauzustandes im Fahrzeuges örtlich variierende Biegemomente auftreten.

Auf einen solchen Sensor können mehrere derartige Brückenschaltungen beliebig aneinander gereiht sein. Torsions- und Querkraftmessungen kön nen dabei auch erfolgen, wenn die Brückenwiderstände in einer oder in mehreren Ebenen angeordnet sind und führen zum gleichen biegekom pensierten Ergebnis.

Eine Biegekompensation kann auch erreicht werden, wenn zwei Brücken schaltungen vorhanden sind, wobei die Widerstände der einen Brücke in Positionen r<r₀ und die Widerstände der anderen Brücke in Positionen r<r₀ angeordnet sind, wodurch die biegebedingten Fehler jeweils unter schiedliche Vorzeichen aufweisen und die Beträge der Fehler gleich groß sind.

Claims

1. Querkraftsensor, bestehend aus einer dehnungsempfindliche Wider stände aufweisenden Brückenschaltung, wobei die dehnungsempfind lichen Widerstände unmittelbar auf einem Bauteil angeordnet sind, an welchem zwischenträgerfrei direkt Querkräfte angreifen, wodurch ein der Dehnung der Dickschichtwiderstände entsprechendes elektrisches Signal an der Brückenschaltung abnehmbar ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die dehnungsempfindlichen Widerstände (R1, R2, R3, R4) einer ersten Brückenschaltung auf dem Bauteil (1) kreisähnlich angeordnet sind, wobei je ein Widerstand (R1, R3) des ersten Brüc kenzweiges diagonal zu einem Widerstand (R4, R2) des zweiten Brüc kenzweiges jeweils in einer Position (r) angeordnet ist, so dass das Brückensignal nur von der Querkraft abhängt.

2. Querkraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Brückenschaltung vorgesehen ist, deren dehnungsemp findlichen Widerstände (R5, R6, R7, R8) ebenfalls kreisähnlich ange ordnet sind, wobei je ein Widerstand (R5, R7) des ersten Brücken zweiges diagonal zu einem Widerstand (R8, R6) der zweiten Brücken zweiges jeweils in einer Position (r₀) angeordnet ist, in welcher die Wi derstandsänderungen dehnungsempfindlichen Widerstände (R5, R6, R7, R8) der zweiten Brückenschaltung unter Einwirkung von Torsion gleiche Betragswerte einnimmt und die Ausgangssignale der ersten und der zweiten Brückenschaltung einer Auswerteeinrichtung zuführ bar sind, welche ein torsions- und biegemomentunabhängiges Quer kraftsignal bestimmt.

3. Querkraifsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dehnungsempfindlichen Widerstände (R1, R2, R3, R4; R5, R6, R7, R8) der ersten und/oder der zweiten Brückenschaltung außerhalb einer, auf der Oberfläche (8) des Bauteiles (1) verlaufenden Ausneh mung (3), diese umfassend, angeordnet sind.

4. Querkraftsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1) in seinem Randbereich radiale Einbuchtungen (9, 10, 11, 12) sowie die Ausnehmung (3) radiale Bereiche aufweist, wobei je eine radiale Einbuchung (9, 10, 11, 12) sowie ein radialer Bereich der Aus nehmung (3) einem Widerstand (R1, R2, R3, R4; R5, R6, R7, R8) zu geordnet ist, welcher auf einer Verbindungslinie (13) des ersten Radius der Einbuchtung (9, 10, 11, 12) und eines zweiten Radius der Aus nehmung (3) angeordnet ist.

5. Querkraftsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (3) kreisförmig ausgebildet ist, wobei jeder Widerstand (R1, R2, R3, R4; R5, R6, R7, R8) radial mit annähernd gleichen Win kelabständen um die Ausnehmung (3) und in seiner Längserstreckung senkrecht zu der Verbindungslinie (13) angeordnet ist.

6. Querkraifsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (R1, R2, R3, R4; R5, R6, R7, R8) auf der planen Oberfläche (8) des aus Metall bestehenden Bauteil (1) angeordnet sind.

7. Querkraftsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (R1, R2, R3, R4; R5, R6, R7, R8) als Dickschichtwider stände ausgebildet sind, wobei die Empfindlichkeit der zur Herstellung der Widerstände verwendeten Widerstandspaste bezüglich einer Längs- und Querdehnung unterschiedlich ist.

8. Querkraftsensor nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass zur Torsions- und/oder Querkraftmessung die Dickschichtwider stände (R1, R2, R3, R4; R5, R6, R7, R8) in einer Ebene angeordnet sind.

9. Querkraftsensor nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass zu Torsionsmessung die Dickschichtwiderstände (R1, R2, R3, R4; R5, R6, R7, R8) in zwei oder mehreren Ebenen angeordnet sind.