DE102011076008B4 - Kraftaufnehmer, insbesondere Wägezelle - Google Patents

Kraftaufnehmer, insbesondere Wägezelle Download PDF

Info

Publication number
DE102011076008B4
DE102011076008B4 DE102011076008A DE102011076008A DE102011076008B4 DE 102011076008 B4 DE102011076008 B4 DE 102011076008B4 DE 102011076008 A DE102011076008 A DE 102011076008A DE 102011076008 A DE102011076008 A DE 102011076008A DE 102011076008 B4 DE102011076008 B4 DE 102011076008B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
electrode
transducer
combs
spring body
force transducer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE102011076008A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102011076008A1 (de
Inventor
Jörg Hassel
Klaus Röther
Karlheinz Amtmann
Dominik Braun
Hans-Peter Lindner
Delphine Meunier
Daniel Reznik
Dirk Scheibner
Arno Steckenborn
Oliver Theile
Harry Hedler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to DE102011076008A priority Critical patent/DE102011076008B4/de
Priority to PCT/EP2012/058735 priority patent/WO2012156293A1/de
Priority to US14/118,114 priority patent/US9335226B2/en
Priority to CN201280023243.6A priority patent/CN103534561B/zh
Publication of DE102011076008A1 publication Critical patent/DE102011076008A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102011076008B4 publication Critical patent/DE102011076008B4/de
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/04Measuring force or stress, in general by measuring elastic deformation of gauges, e.g. of springs
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01GWEIGHING
    • G01G3/00Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
    • G01G3/12Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01GWEIGHING
    • G01G7/00Weighing apparatus wherein the balancing is effected by magnetic, electromagnetic, or electrostatic action, or by means not provided for in the preceding groups
    • G01G7/06Weighing apparatus wherein the balancing is effected by magnetic, electromagnetic, or electrostatic action, or by means not provided for in the preceding groups by electrostatic action
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors

Abstract

Kraftaufnehmer, insbesondere Wägezelle, mit einem Federkörper (1), der sich bei Belastung mit einer zu messenden Kraft oder Last (18) verformt und zwei durch einen Spalt getrennte Trägerteile (11, 12) aufweist, die bei der Belastung des Federkörpers (1) aus einer Ruhelage heraus bewegt werden, und mit einem kapazitiven Wegaufnehmer (17) zur Erfassung der relativen Bewegung der Trägerteile (11, 12), der aus zwei an jeweils einem der Trägerteile (11, 12) gehaltenen und jeweils eine Vielzahl von Elektrodenfingern (19, 20) aufweisenden Elektrodenkämmen (15, 16) besteht, wobei die Elektrodenkämme (15, 16) an zueinander parallelen ebenen Montageflächen (13, 14) der beiden Trägerteile (11, 12) in zueinander und zu den Montageflächen (13, 14) paralleler Ausrichtung gehalten sind und sich die Elektrodenfinger (19, 20) eines der Elektrodenkämme (15, 16) bei der Belastung des Federkörpers (1) in den Fingerzwischenräumen des anderen Elektrodenkamms bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass die die Elektrodenkämme (15, 16) haltenden Montageflächen (13, 14) derart an den Trägerteilen (11, 12) ausgebildet sind, dass sie bei der Belastung des Federkörpers (1) vertikal zu ihrer Ebene bewegt werden, und dass die Elektrodenfinger (19, 20) der Elektrodenkämme (15, 16) in Bezug auf die Montageflächen (13, 14) jeweils einen unterschiedlichen Parallelversatz aufweisen, so dass bei der Belastung des Federkörpers (1) die Elektrodenfinger (19) des einen Elektrodenkamms (15) in die Fingerzwischenräume des anderen Elektrodenkamms (16) eintauchen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer, insbesondere eine Wägezelle, mit einem Federkörper, der sich bei Belastung mit einer zu messenden Kraft oder Last verformt und zwei durch einen Spalt getrennte Trägerteile aufweist, die bei der Belastung des Federkörpers aus einer Ruhelage heraus bewegt werden, und mit einem kapazitiven Wegaufnehmer zur Erfassung der relativen Bewegung der Trägerteile, der aus zwei an jeweils einem der Trägerteile gehaltenen und jeweils eine Vielzahl von Elektrodenfingern aufweisenden Elektrodenkämmen besteht, wobei die Elektrodenkämme an zueinander parallelen ebenen Montageflächen der beiden Trägerteile in zueinander und zu den Montageflächen paralleler Ausrichtung gehalten sind und sich die Elektrodenfinger eines der Elektrodenkämme bei der Belastung des Federkörpers in den Fingerzwischenräumen des anderen Elektrodenkamms bewegen.
  • Ein derartiger Kraftaufnehmer bzw. eine derartige Wägezelle ist aus den 8 bis 10 der EP 0 534 270 A1 bekannt. Dort sind die Elektrodenkämme derartig an den Trägerteilen gehalten, dass bei unbelastetem Federkörper die Elektrodenfinger jeweils eines Elektrodenkamms asymmetrisch-außermittig in den Fingerzwischenräumen des jeweils anderen Elektrodenkamms positioniert sind. Die Elektrodenfinger ergeben eine Parallelschaltung von mehreren gleichen Kondensatoren und sind so justiert, dass jeweils ein kleiner und ein wesentlich größerer Elektrodenabstand aufeinanderfolgen. Die kleinen Abstände bestimmen somit die Kapazität des Wegaufnehmers. Bei Belastung des Federkörpers verändern sich die die Abstände zwischen den Elektrodenfingern und damit die Kapazität des Wegaufnehmers. Die Elektrodenstrukturen können durch anisotropes Ätzen von Silizium gebildet werden, wobei die kleinen Elektrodenabstände z. B 20 μm betragen können.
  • Der Bewegungsspielraum der Elektrodenkämme ist durch die Breite der Fingerzwischenräume und die Fingerbreite begrenzt, so dass bei einer Überlastung des Kraftaufnehmers bzw. der Wägezelle der Wegaufnehmer zerstört wird.
  • Aus der GB 2 076 970 A ist ein aus zwei Elektrodenkämmen bestehender kapazitiver Wegaufnehmer bekannt, bei dem die Elektrodenkämme mit den Spitzen der Elektrodenfinger – die Finger sind hier tatsächlich koaxiale Zylinder mit unterschiedlichen Durchmessern – aufeinander zu bewegt werden, wobei die Elektrodenfinger jeweils eines Elektrodenkamms je nach Bewegungsrichtung in zunehmendem oder abnehmendem Maße in die Fingerzwischenräume des jeweils anderen Elektrodenkamms eingreifen. Auch hier besteht die Gefahr einer Zerstörung des Wegaufnehmers im Überlastungsfall. Eine Realisierung sehr kleiner Elektrodenstrukturen, z. B. in MEMS-(Micro-Electro-Mechanical Systems)Technik, würde bei dem bekannten Wegaufnehmer zu erheblichen Problemen bei der Justage der Elektrodenkämme führen und ist daher kaum möglich.
  • Die WO 2007/086489 A1 zeigt einen Drucksensor in MEMS-Technik mit einem kapazitiven Wegaufnehmer, der hinsichtlich seines prinzipiellen Aufbaus und seiner Wirkungsweise dem aus der GB 2 076 970 A bekannten Wegaufnehmer entspricht. Hier besteht wieder eine hohe Gefahr einer Zerstörung des Wegaufnehmers bei einer Überlastung des Drucksensors.
  • Aus der US 2007/0284964 A1 ist ein elektrostatisch arbeitender MEMS-Aktor bekannt, bei dem eine Bewegung durch elektrostatische Kräfte zwischen einem beweglich gelagerten Elektrodenkamm und einem feststehenden Elektrodenkamm erzeugt wird. Die Elektrodenkämme sind in der Weise ausgebildet und angeordnet, dass sie einen Parallelversatz zueinander aufweisen und dass die Elektrodenfinger des beweglich gelagerten Elektrodenkamms in einer zur Fingerlänge senkrechten Richtung in die Fingerzwischenräume des feststehenden Elektrodenkamms eintauchen. Die US 2007/0284964 A1 zeigt auch beispielhaft, wie solche zwei Elektrodenkämme aus einem Substrat gefertigt werden können.
  • Aus der DE 32 18 577 A1 ist ein Kraftwandler mit einem Federkörper bekannt, der zwei durch einen Spalt getrennte Trägerteile aufweist, die bei Belastung des Federkörpers aus einer Ruhelage heraus bewegt werden. Ein zur Erfassung der relativen Bewegung der Trägerteile dienender kapazitiver Wegaufnehmer weist zwei Elektrodenflächen auf, die auf einander gegenüberliegenden parallelen Montageflächen der beiden Trägerteile zueinander und zu den Montageflächen parallel angeordnet sind und sich Belastung des Federkörpers vertikal zu ihrer Ebene aufeinander zu bewegen. Die Kapazität ist relativ gering und es besteht auch hier Gefahr einer Zerstörung des Kraftwandlers bei Überlastung.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen überlastsicheren Kraftaufnehmer bzw. eine solche Wägezelle mit kapazitivem Wegaufnehmer anzugeben.
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem Kraftaufnehmer bzw. der Wägezelle der eingangs genannten Art die die Elektrodenkämme haltenden Montageflächen derart an den Trägerteilen ausgebildet sind, dass sie bei der Belastung des Federkörpers vertikal zu ihrer Ebene werden, und dass die Elektrodenfinger der Elektrodenkämme in Bezug auf die Montageflächen jeweils einen unterschiedlichen Parallelversatz aufweisen, so dass bei der Belastung des Federkörpers die Elektrodenfinger des einen Elektrodenkamms in die Fingerzwischenräume des anderen Elektrodenkamms eintauchen.
  • Aufgrund des Parallelversatzes der Elektrodenkämme zueinander ist die Kapazität des Wegaufnehmers bei unbelastetem Federkörper nur gering und steigt mit zunehmender Belastung des Federkörpers an, weil dann die Elektrodenfinger des jeweils einen Elektrodenkamms in zunehmendem Maße in die Fingerzwischenräume des anderen Elektrodenkamms eingreifen. Eine Überlastung oder Zerstörung des Wegaufnehmers ist ausgeschlossen, weil sich die Elektrodenfinger nur in der Richtung bewegen, in der die Fingerzwischenräume nach beiden Seiten offen sind.
  • Vorzugsweise ist der Unterschied des Parallelversatzes der Elektrodenfinger der Elektrodenkämme zu ihren Montageflächen kleiner oder gleich der Höhe/Dicke der Elektrodenfinger, so dass bei unbelastetem Federkörper bereits eine Überlappung der Elektrodenfinger vorliegt und bei zunehmender Belastung die Kapazität des Wegaufnehmers weitgehend linear zunimmt.
  • Um eine Realisierung sehr kleiner Elektrodenstrukturen in MEMS-Technik ohne die damit verbundenen Probleme bei der Justage der Elektrodenkämme zu ermöglichen, ist der Wegaufnehmer vorzugsweise als ein Stück gefertigt und als solches auf den beiden Trägerteilen montiert. So kann für den Fall, dass eine Überlastung des Kraftaufnehmers vornherein ausgeschlossen ist oder durch Zusatzmaßnahmen zur Begrenzung der Verformung des Federkörpers oder in Form eines Lastanschlags verhindert wird, der Wegaufnehmer aus den Elektrodenkämmen und mindestens einem sie verbindenden flexiblen, z. B. dünnen, Steg bestehen und dabei einstückig ausgebildet sein. Der Steg kann alternativ als Bruchsteg ausgebildet sein, der nach der Montage des einstückigen Wegaufnehmers auf den Trägerteilen unter vollständiger Trennung der beiden Elektrodenkämme entfernt wird. Die Elektrodenkämme bestehen also vorzugsweise aus jeweils einem Bruchstück einer endproduktnahen einstückigen Bauform des Wegaufnehmers.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer bzw. der erfindungsgemäßen Wägezelle sind die Elektrodenkämme auf einer flexiblen Trägerfolie gehalten und mit dieser auf den Trägerteilen des Federkörpers angebracht. Die oben erwähnte Trennung der Elektrodenkämme kann dann ggf. bereits vor der Montage des Wegaufnehmers an dem Federkörper erfolgen. Die Trägerfolie ist vorzugsweise als Folienleiterplatte ausgebildet, welche mit den Elektrodenkämmen elektrisch kontaktiert ist und zum Anschluss des Wegaufnehmers an eine Auswerteeinrichtung dient. Weiterhin kann die Trägerfolie in besonders vorteilhafter Weise Teil einer die Elektrodenkämme aufnehmenden und sie gegen Umwelteinflüsse aus der Umgebung des Einsatzortes des Kraftaufnehmers bzw. der Wägezelle schützenden flexiblen Hülle sein. Dazu kann beispielsweise auf der Trägerfolie eine Deckfolie aufgebracht werden, die die Elektrodenkämme abdeckt und an den Rändern mit der Trägerfolie dicht verbunden ist.
  • Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer bzw. der erfindungsgemäßen Wägezelle ist an den Trägerteilen ein zu dem Wegaufnehmer paralleler weiterer baugleicher Wegaufnehmer gehalten und eine die Signale beider Wegaufnehmer zu einem Summen- und/oder Differenzsignal verknüpfende Auswerteeinrichtung vorgesehen. Der weitere Wegaufnehmer kann auf derselben Seite der Trägerteile wie der eine Wegaufnehmer neben diesem oder auf der davon abgewandeten Seite der Trägerteile gehalten sein. Die Bildung des Summensignals aus den Signalen der beiden Wegaufnehmer entspricht der Verdoppelung der Kapazität eines einzelnen Wegaufnehmers und trägt daher zur Erhöhung der Messempfindlichkeit bei. Gleichzeitig muss das Differenzsignal aus den Signalen der beiden baugleichen Wegaufnehmer Null oder im Falle eines Offsets zumindest lastunabhängig sein, so dass anhand des Differenzsignals eine kontinuierliche Überwachung des Kraftaufnehmers bzw. der Wägezelle auf eine mögliche Fehlfunktion erfolgen kann. Die Bildung des Differenzsignals ist äquivalent zu einer Überwachung der Signale der beiden Wegaufnehmer auf Übereinstimmung oder übereinstimmendes Verhalten und daher damit gleichzusetzen.
  • Neben der zu messenden Kraft oder Last können auch quer dazu auf den Federkörper wirkende Störkräfte oder Wärmeausdehnungen des Federkörpers die Kapazität des Wegaufnehmers und ggf. weiteren Wegaufnehmers beeinflussen. Um diese Störeinflüsse auf das Ergebnis der Kraft- oder Lastmessung zu beseitigen, ist vorzugsweise an den Trägerteilen mindestens ein zusätzlicher kapazitiver Wegaufnehmer zur Erfassung mindestens einer orthogonal zu der von dem einen oder dem einen und weiteren Wegaufnehmer zu erfassenden relativen Bewegung der Trägerteile verlaufenden Bewegungskomponente der Trägerteile gehalten und eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, das Signal des einen Wegaufnehmers oder das Summen- und/oder Differenzsignal des einen und weiteren Wegaufnehmers mit dem Signal des zusätzlichen Wegaufnehmers zu korrigieren. Der zusätzliche kapazitive Wegaufnehmer kann parallel zu dem einen Wegaufnehmer angeordnet sein und ebenfalls aus zwei an jeweils einem der Trägerteile gehaltenen Elektrodenkämmen bestehen, deren Elektrodenfinger jedoch bei unbelastetem Federkörper ohne Parallelversatz zueinander aber asymmetrisch-außermittig in den Fingerzwischenräumen des jeweils anderen Elektrodenkamms positioniert sind. Das dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers bzw. der erfindungsgemäßen Wägezelle zugrunde Kompensationsprinzip ist an sich aus der EP 0 776 467 B1 bekannt.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wägezelle mit unbelastetem Federkörper und kapazitiven Wegaufnehmer,
  • 2 das Ausführungsbeispiel nach 1 bei belastetem Federkörper,
  • 3 ein erstes Ausführungsbeispiel des kapazitiven Wegaufnehmers in Seitenansicht,
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des kapazitiven Wegaufnehmers in Seitenansicht,
  • 5 den Wegaufnehmer nach 1 oder 4 in Draufsicht,
  • 6 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wägezelle mit einem weiteren oder zusätzlichen kapazitiven Wegaufnehmer,
  • 7 ein Ausführungsbeispiel des zusätzlichen Wegaufnehmers zur Erfassung von Querkräften,
  • 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel des zusätzlichen Wegaufnehmers zur Erfassung von Querkräften oder Wärmeausdehnungen des Federkörpers,
  • 9 eine Seitenansicht des auf einer flexiblen Trägerfolie angebrachten und mit einer Deckfolie abgedeckten Wegaufnehmers und
  • 10 eine Draufsicht auf den auf der Trägerfolie angebrachten Wegaufnehmer.
  • 1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine Wägezelle mit einem Federkörper 1 in Form eines Doppelbiegebalkens aus Metall, der an einem Ende 2 fest gelagert ist und in der Balkenmitte eine Aussparung 3 enthält. Auf der Ober- und Unterseite der Aussparung 3 sind Bereiche mit verringertem Materialquerschnitt vorgesehen, die vier Biegestellen 4, 5, 6 und 7 des Doppelbiegebalkens bilden. Die zwischen den Biegestellen 4 und 5 bzw. 6 und 7 verbleibende Materialstege bilden einen oberen Lenker 8 und einen unteren Lenker 9, die beide parallel zueinander verlaufen. Innerhalb der Aussparung 3 erstrecken sich von den beiden Enden 2 und 10 des Federkörpers 1 ausgehend zwei starre balkenförmige Trägerteile 11 und 12 aufeinander zu und enden in einem Abstand zueinander. An den freien Ende der beiden balkenförmigen Trägerteile 11 und 12 sind zueinander parallele und bei unbelastetem Federkörper 1 miteinander fluchtende Montageflächen 13 und 14 ausgebildet, auf denen jeweils einer von zwei Elektrodenkämmen 15 und 16 eines kapazitiven Wegaufnehmers 17 gehalten ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Montageflächen 13 und 14 unter Vorspannung des Federkörpers 1 fluchten und der Wegaufnehmer 17 im vorgespannten Zustand des Wegaufnehmers 17 auf den Montageflächen 13 und 14 montiert wird. Der Aufbau des Wegaufnehmers 17 wird weiter unten näher erläutert.
  • Wie 2 zeigt, biegt sich beim Aufbringen einer Gewichtskraft 18 auf das freie Ende 10 des Doppelbiegebalkens der Federkörper 1 nach unten durch, wobei das freie Ende 10 zusammen mit dem von ihm ausgehenden Trägerteil 11 und dem daran gehaltenen Elektrodenkammen 15 nach unten ausgelenkt wird. Der kapazitive Wegaufnehmer 17 erfasst die zur Gewichtskraft 18 proportionale relative Bewegung der Trägerteile 11 und 12 über die sich ändernde Kapazität zwischen den Elektrodenkämmen 15 und 16.
  • 3 zeigt den Wegaufnehmer 17 mit den beiden Elektrodenkämmen 15 und 16 in Seitenansicht. 5 zeigt denselben Wegaufnehmer in Draufsicht. Die Elektrodenkämme 15 und 16 weisen jeweils eine Vielzahl von Elektrodenfingern 19 und 20 auf, die sich parallel zu den Montageflächen 13 und 14 mit einem in Bezug auf die Montageflächen 13 bzw. 14 jeweils unterschiedlichen Parallelversatz erstrecken. Der resultierende Parallelversatz zwischen den Elektrodenfingern 19 und 20 der verschiedenen Elektrodenkämme 15 und 16 entspricht etwa der Dicke oder Höhe D der Elektrodenfinger 19 und 20. Ferner sind die beiden Elektrodenkämme 15 und 16 versetzt auf Lücke angeordnet, so dass sich die Elektrodenfinger 19 des Elektrodenkamms 15 genau über den Fingerzwischenräumen des Elektrodenkamms 16 und die Elektrodenfinger 20 des Elektrodenkamms 16 genau unter den Fingerzwischenräumen des Elektrodenkamms 15 befinden.
  • Wie 5 zeigt, sind die beiden Elektrodenkämme 15 und 16 über Stege 21 und 22 miteinander verbunden. Diese Stege 21 und 22 werden erst nach dem Aufbringen des Wegaufnehmers 17 mit den beiden Elektrodenkämme 15 und 16 auf den Montageflächen 13 und 14 der Trägerteile 11 und 12 entfernt oder bei ausreichender Flexibilität der Stege 21 und 22 belassen.
  • Bei Belastung der Federkörpers 1 mit der Gewichtskraft 18 (2) tauchen die Elektrodenfinger 19 des Elektrodenkamms 15 in die Fingerzwischenräume des Elektrodenkamms 16 ein, so dass die sich der Kapazitätswert des Wegaufnehmers 17 erhöht.
  • Zur Realisierung dieser Elektrodenstruktur wird der Wegaufnehmer 17 in MEMS-Technik aus einen Silizium- oder SOI-(Silicon an Insulator)Substrat durch beidseitiges Ätzen von oben und unten hergestellt.
  • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wegaufnehmers 17 in Seitenansicht, bei dem der Parallelversatz zwischen den Elektrodenfingern 19 und 20 der verschiedenen Elektrodenkämme 15 und 16 kleiner als die Dicke oder Höhe D der Elektrodenfinger 19 und 20 ist, so dass bei unbelastetem Federkörper 1 (1) die Elektrodenfinger 19 des Elektrodenkamms 15 teilweise in die Fingerzwischenräume des Elektrodenkamms 16 eintauchen. Bei Belastung der Federkörpers 1 mit der Gewichtskraft 18 (2) tauchen die Elektrodenfinger 19 des Elektrodenkamms 15 weiter in die Fingerzwischenräume des Elektrodenkamms 16 ein, so dass die sich der Kapazitätswert des Wegaufnehmers 17 erhöht. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 3 verläuft dabei die Kapazitätszunahme in Abhängigkeit von der Gewichtskraft 18 linearer. Die Elektrodenstruktur kann zum Beispiel durch Ätzen aus einen DSOI-(Double Silicon an Insulator)Substrat hergestellt werden. Die Draufsicht auf dieses Ausführungsbeispiel des Wegaufnehmers 17 ist dieselbe wie im Fall des Beispiels nach 3 und ist in 5 dargestellt.
  • 6 zeigt eine Variante der in 1 dargestellten Wägezelle, wobei an den Trägerteilen 11 und 12 außer dem Wegaufnehmer 17 ein zu diesem paralleler baugleicher weiterer Wegaufnehmer 23 gehalten ist. Dieser weitere Wegaufnehmer 23 kann mit seinen Elektrodenkämmen 24 und 25 unmittelbar neben dem Wegaufnehmer 17 auf den Montageflächen 13 und 14 angebracht sein oder, wie bei der dargestellten Variante, auf der von dem Wegaufnehmer 17 abgewandeten Unterseite der Trägerteilen 11 und 12 montiert sein. Beide Wegaufnehmer 17 und 23 erzeugen daher gleiche (oder bei umgekehrter Montage eines der beiden Wegaufnehmer inverse, d. h. gegenläufige) Signale, die in einer Auswerteeinrichtung 26 addiert sowie voneinander subtrahiert werden. Das Summensignal (oder Differenzsignal der inversen Signale) ist ein Maß für die zu messende Gewichtskraft 18, während das Differenzsignal (oder Summensignal der inversen Signale) bei fehlerfreiem Betrieb der Wägezelle gleich oder annähernd Null ist und bei Abweichung von Null einen Fehler bei den Wegaufnehmern 17 und 23 anzeigt.
  • In 6 fällt die Wirkrichtung der zu messenden Gewichtskraft 18 mit der y-Richtung eines Koordinatensystems zusammen. Neben der zu messenden Gewichtskraft 18 können auch quer dazu, also in x- und z-Richtung auf den Federkörper 1 wirkende Störkräfte oder Wärmeausdehnungen des Federkörpers 1 die Kapazität des Wegaufnehmers 17 und ggf. weiteren Wegaufnehmers 23 beeinflussen. Um diese Störeinflüsse auf das Ergebnis der Gewichtskraftmessung zu beseitigen, können an den Trägerteilen 11 und 12 zusätzliche kapazitiver Wegaufnehmer zur Erfassung von Relativbewegungen der Trägerteile 11 und 12 in x- und z-Richtung angeordnet sein.
  • 7 zeigt einen solchen zusätzlichen kapazitiven Wegaufnehmer 27 zur Erfassung von Relativbewegungen der Trägerteile 11 und 12 in z-Richtung. Dieser zusätzliche kapazitive Wegaufnehmer 27 besteht ebenfalls aus zwei Elektrodenkämmen 28 und 29 mit auf Lücke angeordneten Elektrodenfingern 30 und 31. Im Unterschied zu dem Wegaufnehmer 17 besteht jedoch kein Parallelversatz in Richtung der Fingerdicke oder -höhe, so dass die Elektrodenfinger 30 und 31 jedes der Elektrodenkämme 28 und 29 permanent in die Fingerzwischenräume des jeweils anderen Elektrodenkamms eingreifen. Dieser Eingriff erfolgt jedoch asymmetrisch-außermittig, so dass jeweils ein kleiner und ein wesentlich größerer Elektrodenabstand aufeinanderfolgen. Die kleinen Abstände bestimmen somit die Kapazität des zusätzlichen Wegaufnehmers 27, der in gleicher Weise, wie oben für den weiteren Wegaufnehmer 23 beschrieben, parallel zu dem Wegaufnehmer 17 an den Trägerteilen 11 und 12 montiert ist. Bei Querbelastung des Federkörpers 1 in z-Richtung verändern sich die die Abstände zwischen den Elektrodenfingern 30 und 31 und damit die Kapazität des zusätzlichen Wegaufnehmers 27.
  • 8 zeigt ein Beispiel eines zusätzlichen kapazitiven Wegaufnehmers 32 zur Erfassung von Relativbewegungen der Trägerteile 11 und 12 in x-Richtung. Da Relativbewegungen der Trägerteile 11 und 12 in x-Richtung bei dem Wegaufnehmer 17 nur kleine Kapazitätsänderungen hervorrufen, ist der zusätzliche Wegaufnehmer 32 als einfacher Plattenkondensator mit in MEMS-Technik ausgebildeten Kondensatorplatten 33 und 34 realisiert. Insbesondere können die Kondensatorplatten 33 und 34 unmittelbar an dem Wegsensor 17 selbst ausgebildet werden, d. h. der Wegaufnehmer 17 und weitere bzw. zusätzliche Wegaufnehmer, z. B. 23, 27 und/oder 32, werden aus einem Substrat gefertigt und auf dem Federkörper 1 angebracht. In der in 6 gezeigten Auswerteeinheit 26 werden das Signal des Wegaufnehmers 17 und ggf. das Summen- und/oder Differenzsignal der beiden Wegaufnehmer 17 und 23 mit den Signalen der zusätzlichen Wegaufnehmer 27 und 32 korrigiert. Da alle Wegaufnehmer 17, 23, 27 und 32 mehr oder weniger auf alle Bewegungskomponenten in x-, y- und z-Richtung reagieren, können sie für jede dieser Bewegungskomponenten kalibriert werden. Mit drei kalibrierten Wegaufnehmern 17, 27 und 32 erhält man drei Signale Si = ai·x + bi·y + ci·z, i = 1, 2, 3, die drei Gleichungen gehorchen, so dass die Bewegungskomponenten in x-, y- und z-Richtung aus den Signalen Si ermittelt werden können.
  • Die 9 und 10 zeigen jeweils in Seitenansicht und Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Elektrodenkämme 15 und 16 des Wegaufnehmers 17 auf einer flexiblen Trägerfolie 35, hier z. B: in Form einer Folienleiterplatte, gehalten und mit dieser, ggf. unter Zwischenlage von Trägerplatten 36 und 37 aus Keramik, auf den Trägerteilen 11 und 12 des Federkörpers 1 montiert sind. Die Keramikträger 36 und 37 dienen als feste Unterlage bei der Herstellung und Montage des Wegaufnehmers 17 und sind über Bruchstege 38 und 39 miteinander verbunden, die nach der Montage des Wegaufnehmers 17 an dem Federkörper 1 entfernt werden. Die Elektrodenkämme 15 und 16 sind unmittelbar oder mittels Abstandshaltern 40 und 41 auf der Folienleiterplatte 35 montiert und mit dieser kontaktiert. Zusammen mit einer Deckfolie 42 bildet die Folienleiterplatte 35 eine die Elektrodenkämme 15 und 16 aufnehmende sie vor Umwelteinflüssen schützende flexible Hülle 43.

Claims (11)

  1. Kraftaufnehmer, insbesondere Wägezelle, mit einem Federkörper (1), der sich bei Belastung mit einer zu messenden Kraft oder Last (18) verformt und zwei durch einen Spalt getrennte Trägerteile (11, 12) aufweist, die bei der Belastung des Federkörpers (1) aus einer Ruhelage heraus bewegt werden, und mit einem kapazitiven Wegaufnehmer (17) zur Erfassung der relativen Bewegung der Trägerteile (11, 12), der aus zwei an jeweils einem der Trägerteile (11, 12) gehaltenen und jeweils eine Vielzahl von Elektrodenfingern (19, 20) aufweisenden Elektrodenkämmen (15, 16) besteht, wobei die Elektrodenkämme (15, 16) an zueinander parallelen ebenen Montageflächen (13, 14) der beiden Trägerteile (11, 12) in zueinander und zu den Montageflächen (13, 14) paralleler Ausrichtung gehalten sind und sich die Elektrodenfinger (19, 20) eines der Elektrodenkämme (15, 16) bei der Belastung des Federkörpers (1) in den Fingerzwischenräumen des anderen Elektrodenkamms bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass die die Elektrodenkämme (15, 16) haltenden Montageflächen (13, 14) derart an den Trägerteilen (11, 12) ausgebildet sind, dass sie bei der Belastung des Federkörpers (1) vertikal zu ihrer Ebene bewegt werden, und dass die Elektrodenfinger (19, 20) der Elektrodenkämme (15, 16) in Bezug auf die Montageflächen (13, 14) jeweils einen unterschiedlichen Parallelversatz aufweisen, so dass bei der Belastung des Federkörpers (1) die Elektrodenfinger (19) des einen Elektrodenkamms (15) in die Fingerzwischenräume des anderen Elektrodenkamms (16) eintauchen.
  2. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied des Parallelversatzes der Elektrodenfinger (19, 20) der Elektrodenkämme (15, 16) zu ihren Montageflächen (13, 14) kleiner oder gleich der Höhe/Dicke (D) der Elektrodenfinger (19, 20) ist.
  3. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegaufnehmer (17) bestehend aus den Elektrodenkämmen (15, 16) und mindestens einem sie verbindenden flexiblen Steg (21, 22) einstückig ausgebildet ist.
  4. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenkämme (15, 16) jeweils aus einem Bruchstück einer endproduktnahen einstückigen Bauform des Wegaufnehmers (17) bestehen.
  5. Kraftaufnehmer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenkämme (15, 16) auf einer flexiblen Trägerfolie (35) gehalten und mit dieser auf den Trägerteilen (11, 12) des Federkörpers (1) angebracht sind.
  6. Kraftaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (35) als Folienleiterplatte ausgebildet ist, die mit den Elektrodenkämmen (15, 16) elektrisch kontaktiert ist.
  7. Kraftaufnehmer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (35) auf zwei die Elektrodenkämme (15, 16) unterstützenden und über Bruchstege (38, 39) miteinander verbundenen Trägerplatten (36, 36) ausgebildet ist.
  8. Kraftaufnehmer nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (35) Teil einer die Elektrodenkämme (15, 16) aufnehmenden flexiblen Hülle (43) ist.
  9. Kraftaufnehmer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Trägerteilen (11, 12) ein zu dem Wegaufnehmer (17) paralleler weiterer baugleicher Wegaufnehmer (23) gehalten ist und dass eine die Signale beider Wegaufnehmer (17, 23) zu einem Summen- und/oder Differenzsignal verknüpfende Auswerteeinrichtung (26) vorgesehen ist.
  10. Kraftaufnehmer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Trägerteilen (11, 12) mindestens ein zusätzlicher kapazitiver Wegaufnehmer (27, 32) zur Erfassung mindestens einer senkrecht zu der von dem einen oder dem einen und weiteren Wegaufnehmer (17, 23) zu erfassenden relativen Bewegung der Trägerteile (11, 12) verlaufenden Bewegungskomponente der Trägerteile (11, 12) gehalten ist, und dass eine Auswerteeinrichtung (26) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, das Signal des einen Wegaufnehmers (17) oder das Summen- und/oder Differenzsignal des einen und weiteren Wegaufnehmers (17, 23) mit dem Signal des zusätzlichen Wegaufnehmers (27, 32) zu korrigieren.
  11. Kraftaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche kapazitive Wegaufnehmer (27) parallel zu dem einen Wegaufnehmer (17) angeordnet ist und ebenfalls aus zwei an jeweils einem der Trägerteile (11, 12) gehaltenen Elektrodenkämmen (28, 29) besteht, deren Elektrodenfinger (30, 31) jedoch bei unbelastetem Federkörper (1) ohne Parallelversatz zueinander aber asymmetrisch-außermittig in den Fingerzwischenräumen des jeweils anderen Elektrodenkamms positioniert sind.
DE102011076008A 2011-05-17 2011-05-17 Kraftaufnehmer, insbesondere Wägezelle Expired - Fee Related DE102011076008B4 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011076008A DE102011076008B4 (de) 2011-05-17 2011-05-17 Kraftaufnehmer, insbesondere Wägezelle
PCT/EP2012/058735 WO2012156293A1 (de) 2011-05-17 2012-05-11 Kraftaufnehmer, insbesondere kapazitive wägezelle
US14/118,114 US9335226B2 (en) 2011-05-17 2012-05-11 Force transducer forming a capacitive load cell
CN201280023243.6A CN103534561B (zh) 2011-05-17 2012-05-11 力传感装置、尤其是电容性的称重单元

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011076008A DE102011076008B4 (de) 2011-05-17 2011-05-17 Kraftaufnehmer, insbesondere Wägezelle

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102011076008A1 DE102011076008A1 (de) 2012-11-22
DE102011076008B4 true DE102011076008B4 (de) 2013-10-31

Family

ID=46124319

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102011076008A Expired - Fee Related DE102011076008B4 (de) 2011-05-17 2011-05-17 Kraftaufnehmer, insbesondere Wägezelle

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9335226B2 (de)
CN (1) CN103534561B (de)
DE (1) DE102011076008B4 (de)
WO (1) WO2012156293A1 (de)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011076006B3 (de) * 2011-05-17 2012-09-13 Siemens Aktiengesellschaft Kraftaufnehmer, insbesondere Wägezelle
DE102012217390A1 (de) 2012-09-26 2014-03-27 Siemens Aktiengesellschaft Wegaufnehmermodul und Kraftmessdose
DE102012217388A1 (de) 2012-09-26 2014-03-27 Siemens Aktiengesellschaft Kraftaufnehmer
DE102013211972B3 (de) * 2013-06-25 2015-02-12 Siemens Aktiengesellschaft Kraftaufnehmer, insbesondere Wägezelle
JP6472708B2 (ja) * 2015-05-13 2019-02-20 大和製衡株式会社 計量装置
CN105136346B (zh) * 2015-07-31 2018-11-06 北京博源天衡科技有限公司 一种新型负荷传感器
CN110044531A (zh) * 2019-04-12 2019-07-23 金华职业技术学院 一种高精度应力测量装置
CN114414010B (zh) * 2022-01-20 2023-03-24 福州大学 双弯曲梁称重传感器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2076970A (en) * 1980-05-19 1981-12-09 Jackson Brothers London Ltd Displacement transducers
DE3218577A1 (de) * 1981-05-19 1983-03-03 Setra Systems Inc., 01760 Natick, Mass. Kraftwandler
EP0534270A1 (de) * 1991-09-26 1993-03-31 Siemens Aktiengesellschaft Kraftsensor
WO2007086489A1 (ja) * 2006-01-30 2007-08-02 Alps Electric Co., Ltd. 静電容量型圧力センサ
US20070284964A1 (en) * 2006-06-13 2007-12-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Micro-electro mechanical system device and method of forming comb electrodes of the same

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4561038A (en) * 1984-04-04 1985-12-24 W & T Avery Limited Transducers
ATE192846T1 (de) 1994-08-16 2000-05-15 Siemens Ag Kraft- oder dehnungssensor
DE19830990A1 (de) 1998-07-10 2000-01-20 Siemens Ag Polarisationstransformator
DE102009000071A1 (de) * 2009-01-08 2010-07-15 Robert Bosch Gmbh Kapazitiver Drucksensor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2076970A (en) * 1980-05-19 1981-12-09 Jackson Brothers London Ltd Displacement transducers
DE3218577A1 (de) * 1981-05-19 1983-03-03 Setra Systems Inc., 01760 Natick, Mass. Kraftwandler
EP0534270A1 (de) * 1991-09-26 1993-03-31 Siemens Aktiengesellschaft Kraftsensor
WO2007086489A1 (ja) * 2006-01-30 2007-08-02 Alps Electric Co., Ltd. 静電容量型圧力センサ
US20070284964A1 (en) * 2006-06-13 2007-12-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Micro-electro mechanical system device and method of forming comb electrodes of the same

Also Published As

Publication number Publication date
DE102011076008A1 (de) 2012-11-22
US20140123772A1 (en) 2014-05-08
CN103534561A (zh) 2014-01-22
US9335226B2 (en) 2016-05-10
CN103534561B (zh) 2015-12-23
WO2012156293A1 (de) 2012-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102011076008B4 (de) Kraftaufnehmer, insbesondere Wägezelle
DE19930779B4 (de) Mikromechanisches Bauelement
DE3417212C2 (de) Kraftwandler
DE102018009244B4 (de) Krafterfassungsstruktur mit Wegerfassung und Kraftsensor mit Wegerfassung
DE102015001128B4 (de) Beschleunigungssensor mit Federkraftkompensation
DE102008041327A1 (de) Dreiachsiger Beschleunigungssensor
EP2279422A1 (de) Mikromechanischer beschleunigungssensor
DE10336232B4 (de) Kapazitiver Sensor für dynamische Größen
CH667734A5 (de) Kraftwandler.
EP3063518B1 (de) Kapazitives sensorelement mit integrierter mess- und referenzkapazität
DE102010012701B4 (de) Mikrokraftsensor
WO1998011443A1 (de) Sensor zur kapazitiven aufnahme einer beschleunigung
WO2000028293A1 (de) Kapazitiver messaufnehmer und betriebsverfahren
EP1127243B1 (de) Verformungsmesser
DE4226430C2 (de) Kapazitiver Beschleunigungssensor
DE102011080982A1 (de) Sensoranordnung
DE10023838C2 (de) Vorrichtung zum Messen einer Wegänderung zwischen Abschnitten eines Bauteils und Verwendung dieser Vorrichtung
WO2014048824A1 (de) Wegaufnehmermodul und kraftmessdose
DE3226386A1 (de) Vorrichtung zur dreidimensionalen kraftmessung
DE3916959A1 (de) Messaufnehmer zur beruehrungslosen messung von drehmomenten an rotierenden wellen
DE19832905C2 (de) Kapazitiver Beschleunigungssensor
DE102007054027B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur kapazitiven Kraftmessung
DE102012217853B4 (de) Anordnung zum Erzeugen eines definierten Abstands zwischen Elektrodenflächen auf integrierten Bauelementen für chemische und biochemische Sensoren
EP2545386B1 (de) Beschleunigungssensor mit piezoresistivem wandler
WO2014048825A1 (de) Kraftaufnehmer

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final

Effective date: 20140201

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee