DE102016226282B4

DE102016226282B4 - Messelement, Messsystem und Verfahren zur Bereitstellung eines Messelements zur Messung von Kräften

Info

Publication number: DE102016226282B4
Application number: DE102016226282.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Bleicher; Felix Greiner; Christoph Goeppel; Daniel Leiminger; Stefan Raab
Original assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2036-12-30
Also published as: WO2018122365A1; DE102016226282A1; CN110121636B; US11346733B2; EP3563131A1; JP2020514715A; CN110121636A; US20190316977A1

Abstract

Messelement (100, 200, 400, 800) zur Erfassung von Kräften, mit
einem sich in einer Längsrichtung (L) des Messelements (100, 200, 400, 800) erstreckenden ersten Messarm (110, 210, 410, 810),
einem sich in Längsrichtung (L) erstreckenden zweiten Messarm (120, 220, 420, 820), wobei der erste und der zweite Messarm in einer zur Längsrichtung senkrechten Richtung relativ zueinander auslenkbar sind,
einem Verformungsabschnitt (130, 230, 430, 830), der den ersten Messarm (110, 210, 410, 810) und den zweiten Messarm (120, 220, 420, 820) elastisch verformbar miteinander verbindet und eine dem ersten und zweiten Messarm zugewandte erste Seite (130A) und eine vom ersten und zweiten Messarm abgewandte zweite Seite (130B) aufweist, und
mindestens einer auf der ersten (130A) oder zweiten (130B) Seite des Verformungsabschnitts (130, 230, 430, 830) angeordneten, auf Verformung ansprechenden Wandlereinheit (140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148), die vollständig innerhalb des Verformungsabschnitts (130, 230, 430, 830) liegt, wobei sich mindestens eine Wandlereinheit (144) an einem Ort einer globalen maximalen Verformung befindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Messtechnik, in der insbesondere Kräfte mit relativ kleiner Größe von beispielsweise einigen Centi-Newton bis zu einigen 100 Newton zu messen sind, wie dies beispielsweise für die Messung von Federkräften von Kontakten in Steckverbindungen erforderlich ist.
Die Messung von relativ kleinen Kräften, die typischerweise senkrecht auf ein Material einwirken, ist auf vielen technischen Gebieten ein wichtiger Aspekt, um entsprechende Aussagen über die betroffene Materialstelle und / oder die die Kraft ausübende Komponente treffen zu können. Ein wichtiges Anwendungsgebiet in dieser Hinsicht ist die Ermittlung von Kontaktkräften in vielen Arten von Verbindungen, etwa Steckverbindungen, in denen typischerweise ein elektrischer und mechanischer Kontakt dadurch hergestellt wird, dass ein Kontaktstift oder ähnliches mit einer dazu im Wesentlichen senkrecht wirkenden Kraft beaufschlagt wird, die durch ein komplementäres Kontaktelement hervorgerufen wird. Die dabei auftretende elastische Kraft hat dabei die Funktion, einen zuverlässigen elektrischen Kontakt zwischen den beiden in Kontakt stehenden Oberflächen herzustellen und beizubehalten. Die dabei aufgebrachte Kontaktkraft soll einerseits ausreichend hoch sein, um an der vorgesehenen Position einen relativ flächigen Kontakt zwischen den beiden Kontaktflächen herzustellen und dabei mögliche Verunreinigungen, Ablagerungen und dergleichen zu verdrängen, sodass ein möglichst niederohmiger Kontakt entsteht. Andererseits soll die dabei aufgebrachte Kontaktkraft jedoch nicht zu hoch sein, da dann relativ hohe Kräfte bei der Auslenkung der die Kontaktkraft ausübenden Komponente erforderlich sind und insbesondere auch bei wiederholtem Zusammenstecken und Entkoppeln der entsprechenden Komponenten ein übermäßiger Verschleiß an den Kontaktflächen auftreten kann. Andererseits ist jedoch auch eine minimale Kontaktkraft einzuhalten, um die gewünschte elektrische und auch mechanische Verbindung während der gesamten Dauer des Kontakts wiederholt bereitzustellen.
Um daher die entsprechenden auftretenden Kontaktkräfte zu ermitteln und auch zu überwachen, werden sogenannte Messelemente oder Messwandler eingesetzt, die beispielsweise die Rolle eines Kontaktelements, etwa eines Steckers, übernehmen und mit der zu untersuchenden komplementären Steckereinrichtung verbunden werden. In einigen bekannten Systemen, wie sie beispielhaft in der Druckschrift DE 10 2011 054 319 A1 beschrieben sind, wird ein Messarm verwendet, der an vorgegebenen Positionen, die mit der komplementären Komponente in Kontakt treten, mit einer Messzelle versehen ist, die bei Beaufschlagung mit einer Kraft ein entsprechendes Signal ausgeben kann. D. h., in diesen bekannten Systemen befindet sich die Messzelle, die beispielsweise in Form eines piezo-resisitiven Materials oder dergleichen vorgesehen ist, genau an der Stelle, an der ein Kontakt mit der Fläche der komplementären Komponente hergestellt wird, sodass eine mehr oder minder direkte Erfassung der resultierenden Normalkraft möglich ist. Eine relativ genaue Entsprechung zwischen der erfassten Kraft und der tatsächlich zwischen Steckverbindung auftretenden Kräften ergibt sich allerdings nur dann, wenn der gesamte Aufbau des Messarms einschließlich der Messzelle der Geometrie der entsprechenden Stelle in der zu untersuchenden Komponente möglichst identisch nachgebildet ist, da ansonsten bei abweichender Geometrie eine nicht den tatsächlichen Gegebenheiten entsprechende Kraft auftritt. Ferner kann es durch den unmittelbaren Kontakt zwischen der Messzelle und dem komplementären Bereich der Steckverbindung zu einem erhöhten Verschleiß der Messzelle kommen, insbesondere wenn zur effizienten ökonomischen Ausnutzung des Messsystems häufig Messungen ausgeführt werden. Um einen entsprechenden Verschleiß gering zu halten, wird dazu typischerweise eine geeignete Beschichtung aufgebracht, um die mechanische Belastbarkeit der Messzelle zu erhöhen. Durch das Aufbringen einer entsprechenden mechanischen oder robusteren Beschichtung wird jedoch ggf. die Ansprechempfindlichkeit der Messzelle und somit die Genauigkeit und die Auflösung der gewonnenen Messergebnisse verringert.
In anderen bekannten Messsystemen erfolgt eine „indirekte“ Erfassung der Kräfte, indem ein geeignet ausgebildetes Paar aus Messarmen vorgesehen wird, die in ihrer Geometrie und Materialeigenschaften in hohem Maße den tatsächlichen Bedingungen nachgebildet sein können, die jedoch eine relative Auslenkung zueinander ermöglichen, die dann an geeigneter Stelle des Messystems detektiert wird. Diesbezüglich beschreibt beispielsweise die Druckschrift DE 25 56 836 ein Messelement und einen Messkopf zum Messen von kleinen Kräften, insbesondere von Kontaktfederkräften, wobei das Messelement aus einem einstückigen Plättchen besteht, welches zwei durch Schlitze gebildete Schenkel aufweist, die über einen kurzen Steg miteinander verbunden sind. Auf dem kurzen Steg und an den angrenzenden steifen Bereichen ist ein Dehnungsmessstreifen ausgebildet, wovon ein Teil somit durch die auf die Schenkel ausgeübte Federkraft aufgrund der Verformung des kurzen Stegs verformt wird und somit ein Signal ausgeben kann, das zu dieser Verformung proportional ist. Auf Grund der durch einen Schlitz getrennten beiden Schenkel hat der verbindende Steg in etwa die Größe des Schlitzes und der Dehnungsstreifen hat eine wesentlich größere Erstreckung als der die beiden Schenkel verbindende Steg.
Die zuvor mit Verweis auf die beiden Druckschriften beispielhaft beschriebenen konventionellen Systeme erlauben zwar eine effiziente Ermittlung von Federkräften in einem entsprechend eingeschränkten Messbereich, wobei jedoch in dem „direkt“ messenden System ggf. die Ansprechempfindlichkeit und die Auflösung und Messgenauigkeit auf Grund des Aufbaus der Messzelle relativ gering sind und bei häufig wiederholter Messung auf Grund des nicht zu vermeidenden Verschleißes eine ggf. lange Zeit nicht bemerkte Veränderung der Gesamtgeometrie der Messzelle hervorgerufen wird, die wiederum Einfluss auf die ermittelten Kräfte hat.
Das zuvor beschriebene „indirekt“ messende Konzept erlaubt zwar eine relativ genaue Nachbildung der tatsächlichen Verhältnisse im Bereich der Messarme, d. h., die Kopplung zwischen entsprechenden Steckverbindung kann relativ realitätsnah nachgebildet werden, jedoch ist auf Grund der geometrischen Konfiguration und des relativ langen Dehnungsstreifens eine reduzierte Messgenauigkeit zu erwarten.
Die Druckschrift US 000006758098 B1 beschreibt eine Präzisionsklemme, die zur Kraftausübung auf ein oder mehrere Objekte verwendet wird, beispielsweise beim Zusammenfügen zweier Komponenten und dergleichen, wobei insbesondere die von der Klemme ausgeübte Kraft präzise gemessen werden soll. Dazu sind Verformungsmeßwandler im zentralen Bereich der C-artigen Form angeordnet, sodass dort eine geringere Verformung vorhanden ist als im Bereich der Ausläufer der C-artigen Form.
Die Druckschrift DD 000000253669 A1 beschreibt einen Dehnungstransformator, der generell die Form eines gleichschenkligen Dreiecks hat, wobei auf den beiden Schenkeln des Dreiecks entsprechende Dehnungsstreifen angeordnet sind.
Die Druckschrift DB 102006020438 A1 beschreibt einen axialen Kraftaufnehmer, wobei entsprechende Meßaufnehmer an Positionen einer Verformungsscheibe angeordnet sind und damit vom Ort einer globalen maximalen Verformung entfernt sind.
Die Druckschrift DE 00029806179 U1 beschreibt eine Einrichtung, die an einer Crimp-Zange angebracht werden kann, um beispielsweise die zum Verpressen aufgewendete Kraft zu ermitteln und/oder den Öffnungsweg der Klauen zu bestimmen.
Die Druckschrift DE 000019932961 A1 beschreibt ebenfalls eine Einrichtung, die an einer Crimp-Zange anzubringen ist, um gewisse Betriebsparameter während der Verwendung der Crimp-Zange zu ermitteln.
Im Hinblick auf die zuvor genannte Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, mit denen Kräfte, beispielsweise von Federkräften von Steckverbindungen, mit erhöhter Ansprechempfindlichkeit und / oder verbesserter Wiederholbarkeit und / oder erhöhter Genauigkeit ermittelt werden können, wobei gleichzeitig eine möglichst realitätsnahe Nachbildung des Steckverbindungssystems möglich sein soll.
Die zuvor genannte Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Messelement zur Erfassung von Kräften mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Messelement zeichnet sich u.a. dadurch aus, dass zwei zueinander auslenkbare Messarme vorgesehen sind, die somit in beliebiger geeigneter Form hergestellt und angeordnet werden können, um damit einen entsprechenden Anwendungszweck realitätsnah nachzubilden. Die beiden Messarme sind dabei durch einen Verformungsabschnitt elastisch verformbar miteinander verbunden, sodass die relative Auslenkung über den Verformungsabschnitt detektierbar ist. Dazu ist in dem erfindungsgemäßen Messelement mindestens eine Wandlereinheit vollständig auf der dem Messarmen zugewandten Seite oder der abgewandten Seite des Verformungsabschnitts angeordnet, wobei sich mindestens eine Wandlereinheit an einem Ort einer globalen maximalen Verformun befindet.
D. h., das erfindungsgemäße Messelement entspricht dem „indirekten“ Messkonzept und ermöglicht damit ein hohes Maß an Robustheit und Anpassungsfähigkeit der entsprechenden Messarme an den vorgesehenen Anwendungszweck, während andererseits die durch die relative Auslenkung des ersten und des zweiten Messarms hervorgerufene Verformung effizient durch geeignete positionierte Wandlereinheiten abgegriffen werden kann. Der Verformungsabschnitt ist dabei so ausgelegt, dass die mindestens eine Wandlereinheit auf dem Verformungsabschnitt vollständig Platz findet, wodurch einerseits umschrieben ist, dass der Verformungsabschnitt selbst eine ausreichende Größe hat, um das erste Wandlerelement aufzunehmen und ferner geeignet ausgebildet ist, die Positionierung der Wandlereinheit sowohl auf der den Messarmen zugewandten und/oder auf der abgewandten Seite zu ermöglichen. Durch die geeignet gewählte Größe des Verformungsabschnitts wird einerseits die zu erwartende Verformung auf einen größeren Bereich „verteilt“, wodurch sich eine verbesserte Auflösung ergibt. Andererseits können die eine oder die mehreren Wandlereinheiten eine größere Fläche des Verformungsabschnitts abdecken und daher ein oder mehrere Signale ausgeben, die eine Auswertung mit höherer Genauigkeit und/oderhöherer Auflösung, d.h., mit höherer Linearität, geringerer Temperaturabhängigkeit und geringere Abhängigkeit von nicht-optimaler Steckung, etwa schief eingesteckte Komponenten bei manueller Handhabung, des erfassten Kräftebereichs ermöglichen.
In einer vorteilhaften Variante sind zwei oder mehr auf der ersten Seite und / oder der zweiten Seite des Verformungsabschnitts angeordnete, auf Verformung ansprechende Wandlereinheiten vorgesehen.
In dieser Variante des erfindungsgemäßen Messelements sind also zwei oder mehr Wandlereinheiten auf der abgewandten Seite, der zugewandten Seite oder auf beiden Seiten vorgesehen, sodass insgesamt hier ebenfalls eine geeignete Geometrie des Verformungsabschnitts vorliegt derart, dass die Anordnung dieser zwei oder mehr Wandlereinheiten vollständig innerhalb des Verformungsabschnitts ermöglicht wird. Die Auswahl der Anzahl und der Positionen der entsprechenden Wandlereinheiten kann dabei im Hinblick auf eine optimierte Gewinnung entsprechender Signale erfolgen. D.h., durch die Anordnung mindestens zweier Wandlereinheiten kann auch eine ortsaufgelöste Ermittlung der Verformungskomponenten in dem Verformungsabschnitt erfolgen, so dass durch das Vorhandensein zweier oder mehrerer unabhängiger Informationen die Auswertung an Genauigkeit gewinnen und/oder die Ansprechempfindlichkeit erhöht werden kann. Insgesamt wird also durch die geeignete Gestaltung des Verformungsabschnitts, der zumindest eine Wandlereinheit und in weiteren bevorzugten Ausführungsformen zwei oder mehr Wandlereinheiten vollständig aufnehmen kann, ein verbessertes Ansprechverhalten sowie eine höhere Genauigkeit, d.h., mit höherer Linearität, geringerer Temperaturabhängigkeit und geringere Abhängigkeit von nicht-optimaler Steckung, etwa schief eingesteckte Komponenten bei manueller Handhabung, bei der Auswertung der Verformung des Verformungsabschnitts erreicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine geometrische Gestaltung des Verformungsabschnitts bei vorgegebenen Materialeigenschaften einer durch Simulation des Verformungsverhaltens für einen vorgegebenen Bereich von durch relative Auslenkung des ersten und zweiten Messarms zu messenden Kräften ermittelten geometrischen Gestaltung nachgebildet. D. h., die geometrische Gestaltung des Verformungsabschnitts wird auf der Grundlage der Materialeigenschaften des Verformungsabschnitts und im Hinblick auf die zu erwartenden Kräfte, die zu messen sind, durch Simulation ermittelt und diese simulierte geometrische Konfiguration wird dann unter Verwendung des entsprechenden Materials nachgebildet, sodass ein hoher Grad an „Ähnlichkeit“ des „Verhaltens“ der simulierten geometrischen Gestaltung und der tatsächlich hergestellten geometrischen Gestaltung erreicht wird. D. h., auf Grund dieses erfindungsgemäßen Konzepts lässt sich die Geometrie des Verformungsabschnitts, die bedeutsam ist für die Umsetzung der zu messenden Kraft in ein entsprechendes Signal, effizient durch Nachbildung eines simulierten Aufbaus, der mit nahezu beliebig hoher Genauigkeit berechnet werden kann, für die interessierende Anwendung anpassen. Auf diese Weise kann dann aber ein gewünschter Grad an Präzision der zu erwartenden Messergebnisse im Hinblick auf den zuvor festgestellten Messbereich durch die geeignete Auswahl der geometrischen Gestaltung erreicht werden. Insbesondere wird auch ein gutes Ansprechverhalten auf der Grundlage der entsprechend angeordneten Wandlereinheiten erreicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform liegt eine Position der mindestens einen Wandlereinheit in einem durch Simulation ermittelten Bereich und/oder in einem Bereich mit lokal höchster Verformung. D. h., die geometrische Gestaltung des Verformungsabschnitts erfolgt so, dass die eine oder mehreren Wandlereinheiten vollständig auf dem Verformungsabschnitt vorgesehen werden können, wobei zusätzlich entsprechende Position für die Wandlereinheiten ausgewählt sind, die in Kombination ein optimiertes Signal ausgeben und/oder einen lokal höchsten Grad an Verformung bei relativer Auslenkung der beiden Messarme erleiden. Diese Bereiche mit lokal höchster Verformung in dem Verformungsabschnitt können beispielsweise für eine gegebene geometrische Gestaltung experimentell ermittelt oder auf Grund von Simulation berechnet werden. Dabei sind die Bereiche „mit lokal höchster Verformung“ so zu verstehen, dass wenn ein Bereich mit lokal höchster Verformung für eine Position einer einzigen Wandlereinheit vorgesehen ist, in dem Bereich der größte Wert an Verformung, sei es Kontraktion oder Dehnung, erreicht wird für alle Positionen innerhalb der durch die Wandlereinheit abgedeckten Fläche des Verformungsabschnitts. In ähnlicher Weise gilt, dass wenn zwei oder mehr Bereiche mit lokal höchster Verformung vorgesehen sind, diese Bereich jeweils einen maximalen lokalen Wert der Verformung in der von der jeweiligen Wandlereinheit abgedeckten Fläche enthalten und alle anderen Verformungswerte innerhalb der abgedeckten Fläche der entsprechenden zwei oder mehr Bereiche kleiner sind als die in den jeweiligen Bereichen ermittelten lokalen Maximalwerte.
Durch diese Auswahl der Positionen der Wandlereinheiten wird auch ein optimiertes Ansprechverhalten und eine hohe Genauigkeit sowie eine verbesserte Auflösung erreicht, da insbesondere im Bereich der lokal maximalen Verformung auch ein maximaler Gradient der Verformung bei Änderung der relativen Auslenkung im von der jeweiligen Wandlereinheit „abgefühlten“ Bereich zu erwarten ist, was sich wiederum in einem entsprechenden hohen Ansprechverhalten und hoher Auflösung niederschlägt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hat das Messelement einen ersten Messbereich, der dadurch festgelegt ist, dass bei Einwirkung einer durch relative Auslenkung des ersten und des zweiten Messarms zu messenden Kraft, die gleich einer ersten Schwelle oder kleiner ist, der erste Messarm und der zweite Messarm voneinander beabstandet bleiben. D. h., in dieser Ausführungsform bleibt selbst bei Einwirkung einer zu messenden Kraft innerhalb des vorgegebenen Bereichs stets ein Zwischenraum zwischen dem ersten Messarm und dem zweiten Messarm erhalten, sodass ein direkter Kontakt der Messarme vermieden wird. Auf diese Weise können selbst sehr kleine Kräfte zuverlässig und mit geeigneter Auflösung erfasst werden, da die relative Auslenkung zu keinem direkten Kontakt und damit zu keiner „Verfälschung“ der einwirkenden kleinen Kraft führt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hat das Messelement einen zweiten Messbereich, der dadurch festgelegt ist, dass bei Einwirkung bei einer durch relative Auslenkung des ersten und zweiten Messarms zu messenden Kraft, die größer als die erste Schwelle ist, ein vorderer Bereich des ersten Messarms mit einem vorderen Bereich des zweiten Messarms in Kontakt ist. D. h., in dieser Variante ist zumindest ein zweiter Messbereich verfügbar, der sich dadurch auszeichnet, dass der erste Messarm und der zweite Messarm im vorderen Bereich miteinander in Kontakt sind. D. h., der zweite Messbereich unterscheidet sich also von dem ersten Messbereich zumindest dadurch, dass der erste Messarm und der zweite Messarm in Kontakt sind, was einen mechanischen Zustand bedeutet, der detektierbar ist. Auf diese Weise ergibt sich eine Zusatzinformation bei der Erfassung der entsprechenden Kräfte, wonach ggf. bei ansonsten kaum veränderter relativer Auslenkung des ersten Messarms und des zweiten Messarms dennoch das Auftreten einer größeren Kraft festgestellt werden kann im Vergleich zu einer relativen Auslenkung, die gerade nicht zu einem Kontakt zwischen dem ersten Messarm und dem zweiten Messarm führt. Diese Zusatzinformation kann also effizient zur Auswertung der Kräfte herangezogen werden.
In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform hat das Messelement einen dritten Messbereich, der dadurch festgelegt ist, dass bei Einwirkung einer durch relative Auslenkung des ersten und des zweiten Messarms zu messenden Kraft, die größer als die erste Schwelle und gleich oder größer als eine über der ersten Schwelle liegenden zweiten Schwelle ist, der vordere Bereich des ersten Messarms mit dem vorderen Bereich des zweiten Messarms in Kontakt ist und eine Größe eines Zwischenraums, der durch einen hinteren Bereich des ersten Messarms und einen hinteren Bereich des zweiten Messarms gebildet ist, für die zu messende Kraft kennzeichnend ist. D. h., in dieser erfindungsgemäßen Variante wird zunächst durch die relativ hohe zu messende Kraft ein Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Messarm hergestellt, der sich bei weiter zunehmender Kraft jedoch wenig unterscheidet von dem Zustand des Kontakts, der durch eine kleinere Kraft hergerufen wird, wobei jedoch die Größte des Zwischenraums der hinteren Bereiche ein Maß für aktuelle Größe ist. D. h., selbst wenn die relative Auslenkung des ersten und des zweiten Messarms, die über den Verformungsabschnitt gemessen wird, nur noch relativ gering ist, da beispielsweise im Wesentlichen nur eine Verformung des ersten und des zweiten Messarms erfolgt, kann dennoch durch die weitere Auswertung der Größe des Zwischenraums eine zusätzliche Einstufung der einwirkenden Kraft erfolgen. D. h., für die endgültige Abschätzung der Kraft stehen prinzipiell drei Informationen zur Verfügung, d. h. die Verformung des Verformungsabschnitts, die Kenntnis, dass die vorderen Bereiche des ersten und des zweiten Messarms in Kontakt sind und die sich einstellende Größe des Zwischenraums.
Auf Grund der Einrichtung zweier oder mehrerer Messbereiche in dem gleichen Messelement kann somit ein sehr weiter Bereich an Kräften im Vergleich zu konventionellen Systemen abgedeckt werden, indem zusätzliche Informationen, die durch unterschiedliche mechanische Zustände des ersten und des zweiten Messarms ermittelt werden können, ausgewertet werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine erste Detektiereinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, den Kontakt des vorderen Bereichs des ersten Messarms mit dem vorderen Bereich des zweiten Messarms zu erfassen. D. h., mit Hilfe der ersten Detektiereinrichtung gelingt es, den Zustand des Messelements im Hinblick auf einen möglichen vorhandenen Kontakt des ersten und des zweiten Messarms zu erfassen und auszuwerten. Die Detektiereinrichtung kann dabei beispielsweise ein auf Druck empfindliches System sein, das auf dem ersten Messarm oder dem zweiten Messarm oder auf beiden vorgesehen ist und ein vom Druck abhängiges Signal ausgibt. Beispielsweise kann ein piezo-elektrisches Material vorgesehen werden, das bei Druckbeaufschlagung ein druckabhängiges elektrisches Signal ausgibt. Dabei ist zu beachten, dass im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen „direkten“ Messkonzepten hierbei die mechanische Belastung relativ gering ist, da beispielsweise nur ein genau definierter mechanischer Kontakt senkrecht zur Längsrichtung des Messelements durch den ersten Messarm und den zweiten Messarm erfolgt, während keinerlei direkter Kontakt zu einem zu messenden Objekt und insbesondere keine Verschiebung in der Längsrichtung der Detektiereinrichtung auftritt. Es können auch andere druckempfindliche Sensoren auf kapazitiver, akustischer, piezoresistiver, resistiver oder optischer Grundlage bzw. auf Basis von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern verwendet werden, um ein entsprechendes Signal auszugeben. In anderen Varianten kann der Kenntnis über den Kontakt zwischen dem ersten Messarm und dem zweiten Messarm etwa auf der Grundlage einer elektrischen Widerstandsmessung gewonnen werden, wenn beispielsweise die über den Verformungsabschnitt miteinander verbundenen Messarme einen relativ hohen Widerstand aufweisen, während bei einem durch Kontakt herbeigeführten „Kurzschluss“ ein sich deutlich geringerer Widerstand einstellt. In ähnlicher Weise können der erste Messarm und / oder der zweite Messarm und / oder der Verformungsabschnitt zumindest abschnittsweise ein isolierendes Material enthalten, sodass sich ein sehr hoher Widerstand im „geöffneten“ Zustand der Messarme ergibt, wohingegen bei „geschlossenem“, d. h. kontaktiertem Zustand, ein deutlich geringerer Widerstand messbar ist.
In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform ist eine zweite Detektiereinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, die Größe des Zwischenraums zu erfassen. D. h., mit dieser zweiten Detektiereinrichtung ist es möglich, die von der einwirkenden Kraft abhängige Größe des Zwischenraums zu erfassen und damit als Information für die Auswertung der einwirkenden Kraft bereitzustellen. Die zweite Detektiereinrichtung kann dabei beispielsweise auf der Grundlage elektrischer Messprinzipien, etwa einer Kapazitätsmessung, Widerstandsmessung, akustischen Impedanzmessung, induktive Kopplung, elektromagnetisch hochfrequenten Impedanzmessung oder optischen Messung und dergleichen aufgebaut sein, während in anderen Varianten entsprechende die Verformung detektierende Einrichtungen in Form eines resistiven, piezoresisitiven, optischen, akustischen oder elektromagnetisch hochfrequent aktiven Dehnungsmessstreifens, und dergleichen vorgesehen sein können, um die Größe des Zwischenraums, die durch eine Formänderung des ersten und / oder des zweiten Messarms sich entsprechend der einwirkenden Kraft einstellt, auszuwerten.
In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform liegt eine erste Oberfläche des ersten Messarms einer zweiten Oberfläche des zweiten Messarms gegenüber, die erste und die zweite Oberfläche sind komplementär zueinander ausgebildet und weisen Oberflächenbereich mit einer Oberflächennormalen auf, die einen Winkel zur relativen Auslenkung bildet. D. h., in dieser Variante sind die einander zugewandten Oberflächen der Messarme komplementär zueinander ausgebildet, sodass beispielsweise bei einem hypothetischen Aufeinanderliegen der beiden Oberflächen ein gewisser Formschluss hervorgerufen würde. Ferner sind dabei gewisse Oberflächenbereich so orientiert, dass sie zur Richtung der Auslenkung, d. h. zur Richtung der einwirkenden Kraft, die zur relativen Auslenkung des ersten und des zweiten Messarms führt, angewinkelt sind. Diese geometrische Eigenschaft kann beispielsweise erreicht werden durch bogenförmige Abschnitte oder kegelförmige Abschnitte in den jeweiligen Oberflächen mit ihren zugehörigen komplementären Oberflächenformen oder auch durch zwei ansonsten ebene glatte Oberflächen, die jedoch zur Richtung der Auslenkung geneigt sind. Durch diese Gestaltung der einander zugewandten Oberflächen kann die Steifigkeit der Messarme und damit ihre mechanische Robustheit vergrößert werden. In anderen Ausführungsformen sind die beiden zugewandten Oberflächen ebene Flächen mit Normalen, die zur Richtung der messenden Kräfte paralllel sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Messelement so aufgebaut, dass eine Gesamtdicke des ersten und des zweiten Messarms innerhalb eines Wechselwirkungsbereichs so gestaltet ist, dass sie in einem Zustand ohne Einwirkung einer zu messenden Kraft variiert und / oder variierbar ist. D. h., das Messelement gemäß dieser Variante hat zumindest unterschiedliche Gesamtdicken im Wechselwirkungsbereich, d. h. im Bereich, in welchem eine oder mehrere zu messende Kräfte auf den ersten und / oder den zweiten Messarm einwirken, sodass sich damit unterschiedliche Situationen im Hinblick auf ein zu messendes Objekt nachbilden lassen. D. h., bei Steckverbindungen können beispielsweise Bereiche mit unterschiedlichen lateralen Abmessungen vorhanden sein, um etwa unterschiedliche Kontaktkräfte entlang unterschiedlicher Positionen in der Längsrichtung hervorzurufen, sodass mit einem Aufbau mit unterschiedlicher Gesamtdicke im Wechselwirkungsbereich eine derartige Situation nachgebildet werden kann. Beispielsweise können zwei oder mehr diskrete Bereiche vorgesehen sein, die innerhalb jedes einzelnen Bereichs zwar eine gleichbleibende Dicke besitzen, die Dicke sich aber von Bereich zu Bereich unterscheidet. Durch das Vorsehen einer variierenden Dicke ist es auch möglich, die zu untersuchende einwirkende Kraft im Hinblick auf eine Änderung der Geometrie zu bewerten, um damit eine zuverlässigere Aussage über das tatsächliche Verhalten beispielsweise einer Steckverbindung zu erhalten, in der sich beispielsweise die laterale Abmessung nach einer gewissen Nutzungsdauer auf Grund von beispielsweise häufigem Einstecken und Ausstecken ändern kann. In einer weiteren Variante ist die Gesamtdicke variierbar, sodass beispielsweise für eine gegebene Position, an der eine zu messende Kraft einwirkt, eine oder mehrere unterschiedliche Dicken bzw. ggf. auch ein entsprechendes Profil eingestellt werden kann, um damit eine weitergehende Aussage über das Verhalten jeweiliger Verbindungskomponenten zu erhalten. Es sollte dabei beachtet werden, dass eine „Änderung“ der Gesamtdicke auch in einem Zustand möglich ist, in welchem bereits eine zu messende Kraft einwirkt, wobei die Gesamtdicke dann nicht unmittelbar durch die entsprechende tatsächliche Dicke gegeben ist, sondern ggf. durch eine geänderte Auslenkung und die geänderte Gesamtdicke erst beispielsweise nach Wegfall der zu messenden Kraft, also im Zustand ohne Einwirkung einer zu messenden Kraft, ermittelbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Variante weist der Wechselwirkungsbereich eine variierende Gesamtdicke auf, die durch eine variierende Dicke des ersten und / oder des zweiten Messarms in Bereich von +/- 200 µm hervorgerufen ist. Mit einem derartigen Bereich der variierenden Gesamtdicke lässt sich für viele Messbedingungen eine geeignete Aussage über tatsächliche Verhältnisse, beispielsweise über Federkräfte in realen Steckverbindungen, erhalten, da dies beispielsweise ein typischer Bereich für den Verschleiß in Steckverbindungen sein kann.
In einer weiter vorteilhaften Variante ist in einem ersten Verbindungsbereich, der mit dem ersten Messarm gekoppelt ist, und / oder einem zweiten Verbindungsbereich, der mit dem zweiten Messarm gekoppelt ist, und / oder dem Verformungsabschnitt ein Aktuatorelement mit einstellbarer Streckung/Kontraktion vorgesehen. Mit diesem Aktuatorelement kann somit eine steuerbare Änderung der Abmessung in einem jeweiligen Abschnitt der entsprechenden Komponente steuerbar herbeigeführt werden, wodurch beispielsweise das mechanische Verhalten des Messelements insgesamt einstellbar ist. Beispielsweise kann das Aktuatorelement so angeordnet sein, dass eine Änderung seiner Ausdehnung/Kontraktion zu einer Änderung des Abstands der beiden Messarme führt und somit eine andere Gesamtdicke erhalten wird. In vorteilhaften Varianten kann dabei die Gesamtdicke der Messarme von 0,001 bis 2,0 mm verstellt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise das Ansprechverhalten des Messelements steuerbar eingestellt werden, um etwa einen gewissen Bereich an unterschiedlichen lateralen Abmessungen eines echten Bauelements nachzubilden. Wie bereits zuvor dargelegt ist, kann auf Grund der steuerbaren Eigenschaft des Aktuatorelements die Änderung der Konfiguration des Messelements, beispielsweise der Gesamtdicke des ersten und zweiten Messarms, vor einer geplanten Messung und zwar vor einem Kontakt mit dem Messobjekt aber auch während des Kontakts mit dem Messobjekt durchgeführt werden. Geeignete Aktuatorelemente sind beispielsweise piezo-elektrische Komponenten, mit denen sich eine Streckung/Kontraktion durch Anlegen einer geeigneten Steuerspannung einstellen lässt, ein elektromagnetischer oder elektrodynamischer Rotationsaktor mit Spindelgetriebe oder ein manuelles Spindelgetriebe. Es können aber auch andere Mechanismen verwendet werden, die beispielsweise eine Änderung der Abmessungen im geeigneten Bereich bereitstellen.
In Bezug zu den oben genannten Mechanismen zur Änderung der Dicke sei angemerkt, dass es bei kleinen Dickenvariationen, etwa +-15µm, vorzugsweise darum geht, die obere und die untere Toleranzgrenze eines Kontaktstifts abzubilden. Bei großen Dickenvariationen, etwa +-100µm, geht es bevorzugt darum, unterschiedliche Typen von Kontaktstiften mit einem Messelement abzubilden.
Bei beiden zuvor genannten Bereichen der Dickenvariation können etwa die beiden folgenden Vorgehensweisen effizient eingesetzt werden:
Dickenänderung eingesteckt bei anliegender Kraft, d.h., dynamische Änderung der Dicke. Dadurch kann einfach eine Federkennlinie ermittelt werden. Dies ist interessant für die Qualifikation eines Steckverbinders: ein neues Produkt kann effizient untersucht und dem Kunden vorstellt werden. Etwa wird die Federkennlinie je nach Toleranzbereich des Kunden eingestellt, oder die Dickenänderung erfolgt je nach Produkt. Daher deckt ein Messelement ein großes Produktspektrum ab. Somit sind auch neue Produkte untersuchbar, für die es noch kein spezifisches Messelement gibt.
Dickenänderung nicht eingesteckt ohne anliegende Kraft, d.h., statische Dickenänderung. Dadurch kann eine andere Messsituation fest und unverwechselbar eingestellt werden. Dazu eigenen sich insbesondere Folien zum Auflegen, um dadurch die Dicke eines oder beider Messarme zu verändern, aber auch „statisch“ verwendete Aktuatorelemente, insbesondere ein manuelles Spindelgetriebe. Es ergeben sich interessante Aspekte für die fertigungsbegleitende Untersuchung der Produkte:
Dickenänderung je nach Messvorschrift des Kunden für das gleiche Steckverbinder-Produkt
Dickenänderung je nach Produkt, d.h., ein Messelement deckt ein großes Produktspektrum ab.
Insgesamt führt die Möglichkeit einer statischen oder dynamischen Änderung der Gesamtdicke zur Senkung der Kosten.
In anschaulichen Ausführungsformen dient das eine oder die mehreren Aktuatorelemente als Sensor. D.h., neben dem bislang beschriebenen Konzept der Signalerzeugung und Signalauswertung, wonach die Wandlereinheit die mechanische Spannung oder die Verformung in ein elektrisches Signal umwandelt und dieses Signal zur Bestimmung der Kraft ausgewertet wird, lässt sich in einigen Ausführungsformen mit Hilfe des Aktuatorelements das Konzept der Kompensation anwenden. In diesem Falle wird der vom Aktuatorelement ausgeführte Hub und/oder die vom Aktuatorelement aufgebrachte Arbeit bis zum Erreichen eines bestimmten Signals der Wandlereinheit ausgewertet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Positionierelement an dem ersten und / oder dem zweiten Messarm zur Positionierung einer Kalibriermasse oder eines Kalibrierlängenelements vorgesehen. Häufig werden entsprechende Messelemente durch Einwirkung mit einem geeichten Gewicht oder gemäß eine kalibrierten Länge kalibriert, in dem beispielsweise das Gewicht an einem entsprechenden Messarm angehängt wird und/oder eine definierte Längenauslenkung hervorgerufen wird und die resultierende Auslenkung ermittelt wird. Durch das Vorsehen des Positionierelements wird dabei die Position des anzubringen Kalibiergewichts in präziser Weise festgelegt, wodurch die Kalibrierung in reproduzierbarer Weise ausführbar ist und sich aus der Kalibrierung ergebende Werte in mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Messelements zuzuordnen sind, ohne durch eine Fehljustierung des Angriffspunkts der Kalibriermasse oder des Kalibrierlängenelements beeinflusst zu sein. In einer Variante ist das Positionierelement eine in dem jeweiligen Messarm ausgebildete Einkerbung bzw. eine entsprechende Aussparung, die in geeigneter Weise eine zum Aufhängen der Kalibriermasse verwendete Schnur oder andere Leitung umschließen und damit positionieren kann. In anderen Varianten kann eine entsprechende Erhebung oder eine andere Ausprägung eines Positionierelements vorgesehen werden, das mit einer komplementären Komponente der Kalibriermasse in Eingriff tritt, um eine zuverlässige Positionierung zu erreichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch ein Messelement zur Erfassung von Kräften mit den Merkmalen des Anspruchs 18.
In dem Messelement gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung findet ebenfalls eine Bewertung der zu messenden Kraft auf der Grundlage der Verformung des Verformungsabschnitts statt, wobei insgesamt ein erweiterter Messbereich und / oder eine höhere Genauigkeit erreicht werden können, indem zumindest die zwei Messbereich vorgesehen sind, die sich voneinander durch Kontakt und Nicht-Kontakt der vorderen Bereiche der Messarme unterscheiden. D. h., das Messelement ist so ausgebildet, dass für eine Kraft bis zu einer gewissen Schwellenwertkraft bei Einwirkung auf das Messelement ein mechanischer Kontakt zwischen dem ersten und zweiten Messarm vermieden wird, sodass dabei ein günstiges Ansprechverhalten für relativ kleine Kräfte, beispielsweise im Bereich von wenigen 10 Newton bis zu wenigen 100 Newton erreicht werden kann, da im Wesentlichen nur die elastische Federkraft des Verformungsabschnitts als Gegenkraft für die zu messende Kraft auftritt. Bei Überschreiten der ersten Schwelle erfolgt ein mechanischer Kontakt der beiden Messarme, sodass auch die mechanischen Eigenschaften der Messarme selbst eine zunehmend größere Rolle als Gegenkraft für die zu messende Kraft spielen. D. h., selbst wenn die Verformung im Verformungsabschnitt keine so ausgeprägte Änderung erleidet, wie dies vor dem Eintreten des Kontaktes zwischen den beiden Messarmen der Fall ist, kann durch die zusätzliche Information, d. h., die Information, dass die beiden Messarme in Kontakt sind, eine weitergehende Auswertung der zu messenden Kraft erfolgen. D. h., es kann für ein Messelement mit relativ allgemeiner Ausprägung des Verformungsabschnitts und mit daran vorgesehenen Wandlereinheiten oder damit in Verbindung stehenden Wandlereinheiten ein relativ großer Bereich an zu messenden Kräften im Vergleich zu konventionellen „indirekt“ messenden Messsystemen erreicht werden. Weitere Vorteile und Eigenschaften des Bereitstellens von mindestens zwei Messbereichen auf Grund zweier unterschiedlicher mechanischer Zustände der Messarme sind auch in den vorhergehenden Ausführungsformen erläutert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein dritter Messbereich vorgesehen, der dadurch festgelegt ist, dass bei Einwirkung einer durch relative Auslenkung des ersten und zweiten Messarms zu messenden Kraft, die größer als die erste Schwelle und gleich oder größer als eine über der ersten Schwelle liegende zweite Schwelle ist, der vordere Bereich des ersten Messarms mit dem vorderen Bereich des zweiten Messarms in Kontakt ist und eine Größe eines Zwischenraums, der durch einen hinteren Bereich des ersten Messarms und einen hinteren Bereich des zweiten Messarms gebildet ist, für die zu messende Kraft kennzeichnend ist. Wie bereits auch zuvor erläutert ist, ergibt sich durch das Bereitstellen eines weiteren Messbereichs ein noch weiterer Anwendungsbereich für das erfindungsgemäße Messelement.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist eine erste Detektiereinrichtung zur Erfassung des Kontakts der Messarme ggf. in Verbindung mit einer zweiten Detektiereinrichtung vorgesehen, die die Größe des Zwischenraums erfasst. Wie bereits im Zusammenhang mit vorhergehenden Ausführungsformen in dem ersten Aspekt erläutert ist, können durch die jeweiligen Detektiereinrichtungen geeignete Signale, etwa elektrische Signale gewonnen werden, um die durch den jeweiligen mechanischen Zustand der Messarme gewonnene Information auszuwerten.
In vorteilhaften Ausführungsformen des Messelements des zweiten Aspekts sind eine oder mehrere auf Verformung ansprechende Wandlereinheiten auf dem Verformungsabschnitt vorgesehen. D. h., in diesen Varianten ist der Verformungsabschnitt geometrisch so gestaltet, dass zumindest eine, vorzugsweise mehrere, Wandlereinheiten darauf Platz finden, sodass eine effiziente und präzise Ermittlung der Verformung des Verformungsabschnitts erfolgen kann. Beispielsweise kann, wenn ein Dehnungsmessstreifen verwendet wird, dieser so angeordnet sein, dass er in voller Länge auf dem Verformungsabschnitt aufgebracht ist, sodass ein hohes Ansprechvermögen in Verbindung mit guter Auflösung der zu erfassenden Verformung erreicht wird. In einer Variante ist eine der einen oder mehreren Wandlereinheiten auf einer den Messarmen zugewandten Seite des Verformungsabschnitts angeordnet. Demgemäß ist der Verformungsabschnitt zumindest so ausgebildet, dass auf der zugewandten Seite die Anordnung der Wandlereinheit möglich ist, wodurch eine Position verfügbar ist, die beispielsweise in der zuvor genannten beispielhaften konventionellen indirekten Messanordnung nicht möglich ist. In weiteren Varianten können zusätzlich oder alternativ zur Anbringung einer Wandlereinheit auf der den Messarmen zugewandten Seite des Verformungsabschnitts auch eine oder mehrere Wandlereinheiten auf der den Messarmen abgewandten Seite angeordnet werden, um damit wiederum Ansprechvermögen und / oder Genauigkeit und / oder Auflösung zu erhöhen.
Vorzugsweise ist eine geometrische Gestaltung des Verformungsabschnitts einer durch Simulation ermittelten geometrischen Gestaltung nachgebildet, wie dies bereits auch im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt erläutert ist. Auf diese Weise kann ein wesentlicher Aspekt des Messelements bei vorgegebener Materialeigenschaft des Verformungsabschnitts so festgelegt werden, dass eine Anpassung an die beabsichtigte Anwendung mit hoher Genauigkeit möglich ist, wobei auf Grund der Implementierung mindestens zweier unterschiedlicher Messbereich eine große Spanne von zu messenden Kräften abgedeckt werden kann.
Wie bereits auch zuvor erläutert ist, wird eine Position der Wandlereinheit auf einen Bereich mit lokal höchster Verformung festgelegt, der beispielsweise durch Experiment und / oder Simulation ermittelt wird.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen werden entsprechende Maßnahmen vorgenommen, die auch im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt bereits erläutert sind. Beispielsweise werden die einander zugewandten Oberflächen der Messarme in geeigneter Weise ausgebildet, wie dies auch zuvor erläutert ist, und / oder die Gesamtdicke des ersten und zweiten Messarms variiert oder ist einstellbar, wie auch zuvor bereits beschrieben ist. In weiteren Varianten kann die Dicke im Bereich von +/- 200 µm variieren und / oder es können separate Bereiche mit jeweils gleichbleibender Dicke aber von Bereich zu Bereich unterschiedlicher Dicke vorgesehen werden und / oder es kann ein Aktuatorelement an einer geeigneten Stelle in dem Messelement vorgesehen werden, um die mechanischen Eigenschaften, beispielsweise die Gesamtdicke, etwa im Bereich von 0,2 mm bis 2,0 mm nach Wunsch einzustellen. Ferner können geeignete Mittel vorgesehen sein, um eine genaue Position des Angriffspunktes einer Kalibriermasse oder eines Kalibrierlängenelements zu gewährleisten.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe durch ein Messelement mit den Merkmalen des Anspruchs 34 gelöst.
Durch diese, auf Seite der Krafteinwirkung „geschlossene“ Konfiguration der Messarme ergibt sich ein robuster Aufbau, in welchen im hinteren, offenen Bereich eine Ansprechempfindlichkeit erreicht wird, während ein Einfluss von Kräften, die am vordersten Bereich auf die Messarme einwirken, sehr gering ist. Dies ist vorteilhaft für sehr hohe Kräfte, da die Anordnung steifer ist. Auch lässt sich eine kleine Gesamtdicke aufgrund des robusteren Aufbaus verwirklichen.
In einer Variante umfasst die Detektiereinrichtung eine oder mehrere auf Verformung des hinteren Bereichs des ersten und/oder des zweiten Messarms ansprechende Wandlereinheiten. D.h., die Detektiereinreichtung weist zusätzlich oder als alleinige Detektiermittel die auf Verformung ansprechenden Komponenten, etwa Metalldünnfilm-Dehnmessstreifen und/oder einen Silizium-Dehnmessstreifen und/oder einen polymerer Dehnmessstreifen und/oder eine piezo-elektrische Einrichtung usw. und/oder eine optische Wandlereinheit und/oder hochfrequent elektromagnetische Wandlereinheit und/oder eine akustische Wandlereinheit auf, die eine hohe Präzision ermöglichen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Detektiereinrichtung eine den Abstand zwischen dem hinteren Bereich des ersten Messarms und dem hinteren Bereich des zweiten Messarms erfassende Einrichtung, wodurch alternativ oder zusätzlich zu den bereits genannten Wandlereinheiten weitere Messkonzepte, etwa kapazitive und/oder induktive Abstansmessung, Ultraschallabstandsmessung, optische Abstandsmessung, elektromagnetische Abstandsmessung und dergleichen zum Einsatz kommen. Auf diese Weise können Ansprechempfindlichkeit und Genauigkeit weiter erhöht werden.
In einer weiteren Variante sind der erste und der zweite Messarm auf einer den vorderen Bereichen abgewandten Seite elastisch miteinander gekoppelt. Durch diese zusätzliche mechanische Kopplung ergibt sich einerseits eine insgesamt höhere Stabilität des Messelements, insbesondere der beiden Messarme, wobei aber dennoch die Fähigkeit der Erfassung einer Änderung des Zwischenraums erhalten bleibt. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die elastische Kopplung durch einen Verformungsabschnitt, der mit einer oder mehreren, eine Verformung des Verformungsabschnitts erfassenden Wandlereinheiten versehen ist. Dabei können die Wandlereinheiten Teil der Detektiereinrichtung sein oder können zusätzlich dazu vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe durch ein Messsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 39 gelöst. D. h., in diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung können die vorteilhaften Effekte des zuvor erläuterten Messelements noch verstärkt werden, indem eine äußerst zuverlässige Kalibrierung durch die Kalibriereinheit ermöglicht wird. In einer Variante ist die Kalibriereinheit in Form einer Aufnahme vorgesehen, die einen Teil der beiden Messarme in präziser Weise aufnimmt und dabei einen genau festgelegten Bereich des ersten Messarms und / oder des zweiten Messarms freilegt, auf den dann die gewünschte Kalibrierkraft einwirken kann. Beispielsweise kann die Aufnahme die Form einer Kappe oder eines Bechers aufweisen, der durch seine Geometrie beim Einführen des ersten und des zweiten Messarms eine genaue Lage der beiden Messarme innerhalb der Kappe bzw. des Bechers erzwingt. Mit einer oder mehreren entsprechend positionierten Öffnungen in der Kalibriereinheit ist es dann möglich, eine gewünschte Kalibrierkraft auf den ersten und / oder den zweiten Messarm auszuüben. Dabei kann die Kalibrierkraft beispielsweise durch ein zur Kalibriereinheit gehörendes Gewicht oder ein separates Gewicht ausgeübt werden. Beispielsweise kann die eine oder die mehreren Öffnungen in der Kalibriereinheit als eine Führung dienen für eine Druckstange, die selbst als Kalibriermasse dient oder in Verbindung mit einer zusätzlichen Masse als Kalibriermasse fungiert, um damit die gewünschte Kalibrierkraft an der genau festgelegten Position auszuüben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 40.
In diesen erfindungsgemäßen Aspekt werden zunächst ein Material für den Verformungsabschnitt und eine oder mehrere Wandlereinheiten ausgewählt und es werden im Hinblick auf einen gewünschten Messbereich, d. h. im Hinblick auf den Bereich der Größe der zu messenden Kräfte, eine oder mehrere mögliche Geometrien ermittelt, wobei dies vorteilhafterweise so erfolgt, dass sich eine hohe Genauigkeit und / oder ein gutes Ansprechvermögen und / oder eine hohe Auflösung für den ausgewählten Messbereich ergeben. Auf der Grundlage der durch Simulation ermittelten geometrischen Gestaltung wird dann die tatsächliche geometrische Gestaltung des Verformungsabschnitts hergestellt, wodurch ein hoher Grad an Übereinstimmung der simulierten Eigenschaften mit den tatsächlich zu erwartenden Eigenschaften erreicht wird. In einer vorteilhaften Variante erfolgt die Simulation auch gleich unter dem Aspekt der Ermittlung einer oder mehrerer günstiger Positionen für eine oder mehrere Wandlereinheiten, die auf dem Verformungsabschnitt anzuordnen sind. Dabei ist der Begriff der Position einer Wandlereinheit so zu verstehen, dass damit auch die Größe und die Form des Bereichs und damit der Wandlereinheit mit umschrieben sind. D. h., für eine gegebene geometrische Gestaltung des Verformungsabschnitts kann es vorteilhaft sein, mehrere kleinere Bereiche für entsprechend mehrere kleinere Wandlereinheiten vorzusehen, um damit in der Gesamtheit Information mit höherer Ortsauflösung und gegebenenfalls höherer statistischer Signifikanz oder generell höherer Genauigkeit für die Auswertung der Verformung des Verformungsabschnitts zu erhalten. Beispielsweise kann durch Simulation in effizienter Weise ermittelt werden, ob es vorteilhaft ist, auf der den Messarmen zugewandten Seite oder auf der den Messarmen abgewandten Seite des Verformungsabschnitts eine oder mehrere Wandlereinheiten anzubringen, oder beide Seiten für das Anbringen einer oder mehrerer Wandlereinheiten vorzusehen. Die Simulationsrechnung kann in einer vorteilhaften Ausführungsform auf der Grundlage der Methode der finiten Elemente ausgeführt werden. Es ist gut bekannt, dass die Methode der finiten Elemente besonders vorteilhaft ist für die Ausführung einer Simulation mit einem Rechner, da die Entwicklung dieses Verfahren stets im Zusammenwirken mit computergestützten Werkzeugen erfolgt ist und damit eine effiziente Implementierung auf einer beliebigen geeigneten Rechnerplattform ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind auch in den abhängigen Ansprüchen definiert und gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:

1a eine schematische Seitenansicht eines Messsystems gemäß einer Ausführungsform ist,
Fig. 1b bis 1d schematische Seitenansichten eines Verformungsabschnitts mit unterschiedlichen Geometrien und unterschiedlichen Positionen und Anzahl von Wandlereinheiten zur verformungsabhängigen Signalausgabe,
2a eine schematische Seitenansicht eines Messsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform ist, in der unterschiedliche mechanische Zustände zur Implementierung unterschiedlicher Messbereiche eingesetzt sind,
Fig. 2b bis 2d drei unterschiedliche mechanische Zustände des Messelements zeigt,
Fig. 3a bis 3e schematische perspektivische Ansichten von Querschnitten und damit einander zugewandten Oberflächen der Messarme gemäß diversen Ausführungsformen zeigen,
4a eine schematische Seitenansicht eines Messsystems mit variierender bzw. variierbarer Gesamtdicke der Messarme zeigt,
4b eine Ausführungsform darstellt, in der die Dicke eines oder beider Messarme in unterschiedlichen Bereichen unterschiedlich eingestellt ist,
4c schematisch eine Ausführungsform zeigt, in der eine Streckung/Kontraktion eines Teils des Messelements steuerbar verstellbar ist,
5 eine schematische Seitenansicht eines Teils der zwei Messarme zeigt, wobei ein kraftunempfindlicher Abschnitt vorgesehen ist,
6 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Variante zeigt, in der mehrere Paare aus Messarmen vorgesehen sind, um Simultan mehrere Kräfte unabhängig voneinander zu messen,
7 schematisch eine Seitenansicht eines Teils des Messelements mit angepassten Querschnitten zeigt,
8 a eine schematische Seitenansicht eines Messsystems einer weiteren Ausführungsform zeigt, wobei eine separate Kalibriereinheit vorgesehen ist,
8b eine Variante zeigt, in der alternativ oder zusätzlich zu der Kalibriereinheit ein Positionierelement zur genauen Festlegung einer Kalibrierkraft vorgesehen ist und
8c schematisch eine Seitenansicht eines Teils des Messsystems der 8a zeigt, wobei ein Teil der Messarme in der Kalibriereinheit positioniert und mit einer Messkraft mit hoher lokaler Auflösung beaufschlagt ist.

Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
1a zeigt eine schematische Seitenansicht eines Messsystems 180, das für die Messung von Kräften, insbesondere von Kräften im Bereich von einigen wenigen Centi-Newton bis zu einigen 100 Newton ausgebildet ist, wobei dabei die Komponente einer jeweiligen Kraft, die senkrecht zu einer Längsrichtung L des Systems 180 orientiert ist und in der Zeichenebene der 1a liegt, erfasst werden. D. h., in der Praxis können derartige Kräfte gegebenenfalls mit einem gewissen Winkel auf das System 180 einwirken, wobei dann die entsprechende in der Zeichenebene der 1a liegende und senkrecht zur Längsrichtung L orientierte Komponente dieser Kraft gemessen wird. Es kann aber eine geringe Winkelabweichung bezüglich der zuvor festgelegten Kraftrichtung auftreten auf Grund einer geringfügigen Auslenkung bzw. Verformung in dem Messsystem 180.
Das System 180 umfasst eine Kalibriereinheit 190, die dazu dient, eine vorgegebene bekannte Kraft an dem System 180 an einer genau spezifizierten Position auszuüben, wie dies auch später ausführlicher erläutert ist. Das System 180 umfasst ferner ein Messelement 100, das die Komponente des Systems 180 ist, die mit einer zu messenden Kraft beaufschlagt wird und ein dieser Kraft entsprechendes Signal bereitstellt. Das Messelement 100 umfasst einen ersten Messarm 110, einen zweiten Messarm 120, die dazwischen im unbelasteten Zustand einen Abstand 101 bilden, der anwendungsabhängig eine Größe von einigen Zehntel Millimeter bis zu einem Millimeter oder mehr aufweisen kann. Der erste Messarm 110, der einen vorderen Bereich 110A und einen hinteren Bereich 110B aufweist, und der zweite Messarm 120, der in ähnlicher Weise einen vorderen Bereich 120A und einen hinteren Bereich 120B aufweist, sind mechanisch miteinander über einen Verformungsabschnitt 130 gekoppelt, sodass eine relative Auslenkung der Messarme 110, 120 relativ zueinander, die zu einer Änderung des Abstands 101 führt, eine elastische Verformung des Abschnitts 130 hervorruft, die über geeignete Mittel in ein Signal umgewandelt wird. Der Einfachheit halber sind derartige Mittel zur Umwandlung der Verformung in ein Signal in 1a nicht gezeigt.
Ferner sind in der dargestellten Ausführungsform die Messarme 110, 120 mittels entsprechender Schenkel oder Übergangsbereiche 115, 125 mit dem Verformungsabschnitt 130 verbunden. Typischerweise sind die Übergangsbereiche 115, 125 so gestaltet, dass sie eine nur vernachlässigbare Verformung zeigen, wenn sie mit einer Kraft, die die zuvor beschriebene Orientierung hat, beaufschlagt werden. D. h., die geometrische Anordnung aus den Messarmen 110, 120, den Übergangsbereichen 115, 125 und dem Verformungsabschnitt 130 ist derart aufgebaut, dass bei einer auftretenden relativen Auslenkung der Messarme 110, 120 eine merkliche Verformung lediglich in dem Verformungsabschnitt 130 und, wie nachfolgend beschrieben ist, zu einem gewissen Grade auch an den Messarmen 110, 120 auftritt. Zu beachten ist, dass im „unbelasteten“ Zustand der Messarme 110, 120 dennoch kleine Kräfte auf die Messarme 110, 120 einwirken können, die jedoch im Wesentlichen keine merkliche Verformung insbesondere im Abschnitt 130 hervorrufen. Beispielsweise könnte in der dargestellten Orientierung die Schwerkraft senkrecht zur Längsrichtung L nach unten wirken und diese Kraft führt zu keiner messbaren Verformung, selbst wenn nur ein Teil des Messelements 100 starr mit einem weiteren Körper, etwa einem Gehäuse (nicht gezeigt) verbunden ist.
Wie aus der 1a hervorgeht, hat der Verformungsabschnitt 130 insbesondere eine ausgeprägte Länge in der Richtung senkrecht zur Längsrichtung L, sodass damit materialabhängig und geometrieabhängig der Verformungsabschnitt 130 eine gewünschte Ansprechempfindlichkeit selbst bei geringer Auslenkung der Messarme 110, 120 erfassen kann. Dazu werden eine oder mehrere Wandlereinheiten, die ausgebildet sind, eine Verformung des Abschnitts 130 in ein Signal umzuwandeln, an gegebenen Positionen, etwa auf einer den Messarmen 110, 120 zugewandten Seite 130A und / oder auf einer den Messarmen 110, 120 abgewandten Seite 130B angebracht. Es sollte ferner beachtet werden, dass neben den Materialeigenschaften insbesondere auch eine „Höhe“ bzw. Materialwandstärke, d. h. die Abmessung des Materials in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1a, insbesondere des Verformungsabschnitts 130 einen wesentlichen Einfluss auf die Verformungseigenschaften des Abschnitts 130 hat und daher bei der Auswahl der geometrischen Gestaltung des Verformungsabschnitts 130 mit berücksichtigt wird.
1b zeigt eine schematische Seitenansicht des Verformungsabschnitts 130, dessen geometrische Gestaltung an die jeweilige Anwendung so angepasst ist, dass ein gewünschter Grad an Ansprechempfindlichkeit, Genauigkeit und Auflösung für die durch eine Auslenkung der Messarme hervorgerufenen Verformung erreicht wird. In der gezeigten Ausführungsform entspricht der Verformungsabschnitt 130 im Wesentlichen einem mehr oder minder rechteckigen Abschnitt mit relativ scharfen Kanten 131, d. h. mit einem entsprechenden Übergang zu den Verbindungsbereichen 115, 125 (1a), sodass eine entsprechend genau definierte Länge 130L angegeben werden kann, die dem Abstand der scharfen Kanten 131 entspricht. Je nach Anwendung und sonstigen Materialeigenschaften und der Wanddicke des Abschnitts 130 kann die Länge 130L im Bereich von 5 mm bis 20 mm oder größer liegen. Die Länge 130L ist dabei so gewählt, dass mindestens eine Wandlereinheit darauf vollständig angeordnet werden kann.
Die geometrische Gestaltung des Verformungsabschnitts 130 wird ausgehend von den Materialeigenschaften, d. h. Elastizitätsmodul, Wanddicke, und dergleichen, auf der Grundlage einer Simulationsrechnung ermittelt, in der ein fiktiver Verformungsabschnitt auf der Grundlage einer geeignet ausgewählten Anzahl von finiten Elementen aufgebaut und das mechanische Verhalten bei Auftreten von Biegekräften ermittelt wird. Die in die Rechnung einfließenden Biegekräfte können dabei auf der Grundlage der geometrischen Gestaltung des Messelements 100 ermittelt werden, wenn beispielsweise angenommen wird, dass bei vorgegebener Länge entlang der Längsrichtung L (1a) ein gewisser Bereich an Kräften auf die Messarme einwirkt und über die Übergangsbereiche schließlich auf den Verformungsabschnitt 130 übertragen werden. Auf diese Weise können wesentliche Abmessungen, etwa die Länge 130L oder eine Breite 130D des Abschnitts 130 bei gegebener Materialwandstärke und den bekannten Materialeigenschaften ermittelt werden. D. h., im Gegensatz zu konventionellen Messsystemen wird hier die geometrische Gestaltung des Verformungsabschnitts 130 in Abhängigkeit der sonstigen Gegebenheiten und insbesondere der Materialeigenschaften bei vorgegebener Wanddicke zunächst rechnerisch so ermittelt, dass eine gewünschte Funktionsweise des Messsystems über einen vorgegebenen Bereich von einwirkenden Kräften hinweg gewährleistet ist. Ferner können bei der Ausführung derartiger Simulationsrechnungen auch entsprechende Bereiche mit lokal höchster Verformung bei vorgegebener einwirkender Kraft auf die Messarme ermittelt und als geeignete Positionen, d. h. Lage und Ausdehnung für entsprechende Messwandler, ermittelt werden. Auf diese Weise kann bereits bei der Herstellung des Messelements 100 eine optimierte Anpassung an die gewünschte Anwendung und insbesondere an den auftretenden Kräftebereich erfolgen, sodass im Vergleich zu konventionellen Systemen die Ansprechempfindlichkeit und / oder die Auflösung und / oder die Genauigkeit und damit auch die Reproduzierbarkeit verbessert sind, wie bereits zuvor erläutert ist. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich mit dem Messsystem 180 auf der Grundlage eines entsprechend gestalteten Verformungsabschnitts 130 eine Messsystemanalyse durchzuführen, in der Genauigkeit, Richtigkeit, systematische Messabweichung, Wiederholpräzision, Vergleichspräzision und dergleichen in systematischer Weise untersucht und bewertet werden können. Auf diese Weise gelingt es auch entsprechend systematisch Aussagen über Messobjekte zu erhalten, die mittels des Messsystems 180 (1a) gemessen werden.
Auf der Grundlage der entsprechenden Simulationsrechnungen wird beispielsweise die Position, d. h. die Lage, etwa die Lage eines Mittelpunkts, sowie die Abmessungen einer Wandlereinheit 140 bestimmt, um damit ein gewünschtes Maß an Auflösung, Genauigkeit, Ansprechempfindlichkeit, und dergleichen zu erhalten. Beispielsweise ist in der gezeigten Ausführungsform die Wandlereinheit 140 vollständig innerhalb der Erstreckung 130L des Verformungsabschnitts 130 an zentraler Stelle vorgesehen, da dort die größten Werte der Verformung errechnet wurden. D. h., die Wandlereinheit 140 ist vollständig innerhalb des Verformungsabschnitts 130 auf seiner abgewandten Seite 130B angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann eine weitere Wandlereinheit 141 mit geeigneten Abmessungen auf der zugewandten Seite 130A angeordnet werden, wobei auch hier genaue Lage und Abmessungen der Wandlereinheit 141 durch die Simulationsrechnung vorgegeben sind.
1c zeigt eine weitere Variante, in der sich die geometrische Gestaltung zu der Gestaltung der 1b unterscheidet, etwa in der Länge 130L und / oder der repräsentativen Breite 130D, die etwa in der Mitte der Länge 130L genommen ist. Wie bereits zuvor erläutert ist, wird dabei die Materialwanddicke des Abschnitts 130 berücksichtigt, wobei hier der Einfachheit halber angenommen wird, dass die Materialdicke für die jeweiligen unterschiedlichen geometrischen Gestaltungen gleich ist. Die geometrische Gestaltung des Abschnitts 130, in der auch die Form der Kanten 131 unterschiedlich sein kann im Vergleich zu den relativ scharfen Kanten 131 der Fig. 1b, ist auch hier wieder durch Simulation zunächst bestimmt, wobei auch geeignete Positionen für mehrere Wandlereinheiten ermittelt wurden. In der dargestellten Ausführungsform sind beispielsweise Wandlereinheiten 142 und 143 auf der abgewandten Seite vollständig innerhalb des Bereichs der Länge 130L des Abschnitts 130 angeordnet und liegen dabei auf äußeren Bereichen, wohingegen eine weitere Wandlereinheit 144 in einem zentralen Bereich auf der zugewandten Seite des Abschnitts 130 vorgesehen ist. Zu beachten ist, dass bei der Berechnung des Verformungsverhaltens des Abschnitts 130 insbesondere auch das mechanische Verhalten der einen oder mehreren Wandlereinheiten berücksichtigt werden kann, die somit auch in den „Materialeingenschaften“ und der „Materialdicke bzw. Wandstärke“ des Verformungsabschnitts mit eingeschlossen sind.
In anschaulichen Ausführungsformen ist dabei zumindest eine Wandlereinheit in ihrer Position einschließlich ihrer Abmessungen so festgelegt, dass sie einen Bereich maximaler Verformung abdeckt, während andere Wandlereinheiten so angeordnet sind, dass sie zumindest im Bereich eines lokalen Maximums der Verformung vorgesehen sind. Eine derartige Vorgehensweise kann beispielsweise vorteilhaft sein, um die Ansprechempfindlichkeit oder auch die Genauigkeit zu erhöhen. Erfindungsgemäß befindet sich die Wandlereinheit 144 an einem Ort einer global maximalen Verformung, während die Wandlereinheiten 142 und 143 an Positionen mit lokal maximaler Verformung angeordnet sein können.
1d zeigt eine weitere Variante mit angepasster geometrischer Gestaltung des Abschnitts 130, wobei Wandlereinheiten 145, 147 an gegenüberliegenden Positionen in der Nähe eines Randbereichs des Abschnitts 130 und in ähnlicher Weise Wandlereinheiten 146, 148 an gegenüberliegenden Positionen an dem gegenüberliegenden Randbereich des Bereichs 130 vorgesehen sind. Auch hier gilt, dass die genau geometrische Gestaltung des Abschnitts 130, d. h. seine Länge, seine Breite, die Form der Kanten, und dergleichen bei vorgegebenen Materialeigenschaften und Materialdicke, etwa einschließlich der Eigenschaften der Wandlereinheiten, durch Simulation ermittelt werden und auch die entsprechenden Positionen der Wandlereinheiten 145, ..., 148 durch Simulation in geeigneter Weise erhalten werden können.
Es ist anzumerken, dass auf der Grundlage errechneten geometrischen Gestaltung und den errechneten Positionen der einen oder mehreren Wandlereinheiten, die vorzugsweise vollständig innerhalb des Verformungsabschnitts liegen, bei der Herstellung des eigentlichen Messelements dann nachgebildet werden, wobei durch die verfügbaren Fertigungstechniken nur geringe Abweichungen zwischen theoretisch ermittelter geometrischer Gestaltung und tatsächlich umgesetzter geometrischer Gestaltung auftreten. D. h., typische Abweichungen vom theoretischen Sollwert zum praktischen nachgebildeten Ist-Wert der Abmessungen liegen beispielsweise im Bereich von 1 µm bis zu wenigen Mikrometer.
2a zeigt eine schematische Seitenansicht eines Messsystems 280 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Wie gezeigt, weist das System 280 ein Messelement 200 und eine Kalibriereinheit 290 auf. Das Messelement 200 umfasst einen ersten Messarm 210 und einen zweiten Messarm 220, die im unbelasteten Zustand durch einen Abstand 201 voneinander getrennt sind. Ferner sind der erste Messarm 210 und der zweiten Messarm 220 über entsprechende Verbindungsbereiche 215, 225 mit einem Verformungsabschnitt 230 gekoppelt, wobei ein oder mehrere Messwandler, die der Einfachheit halber in 2a nicht gezeigt sind, an dem Verformungsabschnitt 230 angebracht sind. In anschaulichen Ausführungsformen können die entsprechenden Messwandlereinheiten so angeordnet sein, wie dies beispielsweise in Verbindung mit dem System 180 in den 1b bis 1d gezeigt und beschrieben ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass eine entsprechende Positionierung einer oder mehrerer Messwandlereinheiten auf der Grundlage von Simulationsrechnungen erfolgen kann, wie dies beispielsweise zuvor beschrieben ist, in anderen Ausführungsformen lediglich eine geeignete Geometrie, die durch Experimente oder dergleichen oder auch durch Simulation, ermittelt werden kann, ausreichend ist und kann als Grundlage für das Messelement 200 angewendet wird. D. h., in vorteilhaften Ausführungsformen wird insbesondere die geometrische Gestaltung des Verformungsabschnitts 230 auf der Grundlage von Simulationsrechnungen ermittelt, in anderen Ausführungsformen ist dies jedoch nicht erforderlich und es können entsprechende experimentelle Ergebnisse und andere Fachkenntnisse ausreichend sein, um das Messelement 200 für einen gewünschten Anwendungsbereich geeignet zu konfigurieren. Das Messelement 200 ist insbesondere für einen erweiterten Messbereich ausgelegt, indem es unterschiedliche mechanische Zustände annehmen kann, die unterschiedlichen Messbereichen für die zu messenden Kräfte entsprechen.
2b zeigt eine schematische Seitenansicht eines Teils des Messelements 200, wobei ein vorderer Bereich 210A des ersten Messarms und ein vorderer Bereich 220A des zweiten Messarms in unbelasteten Zustand gezeigt sind, sodass dort der Abstand 201 beibehalten wird. Bei Beaufschlagung mit einer Kraft, die größer 0 aber kleiner als eine erste Schwelle ist, beispielsweise eine Kraft von mehreren 10 Newton, ergibt sich eine relative Auslenkung der beiden Messarme, d. h. insbesondere der beiden vorderen Bereiche 210A, 220A, sodass sich ein neuer Abstand 201A einstellt, der repräsentativ für die ausgeübte Kraft F₁ ist. Es sollte beachtet werden, dass die relative Auslenkung ggf. ohne nennenswerte elastische Verformung der beiden Messarme erfolgen kann, wenn diese für die einwirkende Kraft F₁ eine ausreichende Steifigkeit besitzen. Bei zunehmender Kraft F₁ findet eine weitere Verringerung des Abstands 201A statt und der Bereich, in welchem der Abstand 201A nicht 0 ist, d. h. solang kein direkter mechanischer Kontakt zwischen den beiden vorderen Bereichen 210A, 220A erfolgt, wird als ein erster Messbereich bezeichnet.
2c zeigt einen weiteren mechanischen Zustand des Messelements 200, in welchem eine Kraft bzw. Kräftepaar F₂ auf die beiden Messarme einwirkt, sodass diese in direkten Kontakt miteinander treten. Dabei wird diejenige Kraft F₂ als Schwelle bezeichnet, bei der gerade ein mechanischer Kontakt zwischen den beiden vorderen Bereichen eintritt. D. h., ab dem Zeitpunkt eines direkten Kontakts zwischen den beiden vorderen Bereichen der Messarme wird ggf. keine weitere oder eine deutlich reduzierte Auslenkung an dem Verformungsabschnitt 230 auftreten, und es findet ggf. nur eine gewisse elastische Verformung der Messarme statt, sodass sich die Kontaktfläche zwischen dem ersten vorderen Bereich 210A und dem zweiten vorderen Bereich 220A vergrößert. Der mechanische Kontakt zwischen den Bereichen 210A, 220A kann in geeigneter Weise detektiert werden, wozu eine geeignete Detektiereinheit 250 vorgesehen ist.
Die schematisch dargestellte Detektiereinheit 250 kann dabei in geeigneter Weise ausgebildet sein, einen elektrische Widerstand zwischen den vorderen Bereichen 210A, 220A zu erfassen, der sich beispielsweise ändert, wenn insgesamt die Messarme aus einem Material mir relativ großen elektrischen Widerstand aufgebaut sind. D. h., in diesem Falle würde bei nicht bestehenden Kontakt ein Widerstand von unendlich bei einem Isolator oder ein relativ großer Widerstand gemessen werden, wenn der Stromfluss über die Messarme, die Übergangsbereiche und den Verformungsabschnitt (siehe 2a) erfolgt. Wenn andererseits ein direkter Kontakt besteht verringert sich der Widerstand entsprechen durch die Parallelschaltung des „Kontaktwiderstands“, sodass dies eine entsprechende Erfassung des direkten Kontakts ermöglicht. Ferner kann auch die Zunahme der Kontaktfläche zu einer weiteren messbaren Verringerung des Widerstands beitragen, sodass ein entsprechendes repräsentatives Signal für die Größe der Kraft F₂ erhalten wird.
In anderen Ausführungsvarianten kann die Detektiereinrichtung 250 zusätzlich oder alternativ andere Messkonzepte implementieren, etwa eine kapazitive Messung, eine induktive Messung, und dergleichen, um ein entsprechendes Ausgangssignal zu erhalten. Ferner kann alternativ oder zusätzlich zur elektrischen Auswertung des direkten Kontakts ein oder mehrere druckempfindliche Sensoren vorgesehen werden, die dann ein von der Kraft F₂ abhängiges Signal ausgeben. Es dabei zu beachten, dass eine entsprechende mechanische Beanspruchung derartiger Sensoren relativ gering ist, da nur eine Belastung in der Richtung senkrecht zur Längsrichtung und auch nur bei Überschreiten der entsprechenden Schwellenkraft, die den ersten Messbereich begrenzt, auftritt.
2d zeigt eine weitere Ausführungsform, in der ein weiterer mechanischer Zustand dargestellt ist, in welchem eine weitere Erhöhung der auf die Messarme einwirkenden Kraft zu keiner weiteren Zunahme der Kontaktfläche 211 zwischen den vorderen Bereichen 210A und 220A führt, sodass ab einer bestimmten zweiten Schwellenkraft die Größe eines Zwischenraums 202, der im Wesentlichen von einem hinteren Bereich 210B des ersten Messarms und einem hinteren Bereich 220B des zweiten Messarms gebildet ist, verändert wird. Bei Einwirken einer Kraft, die über der zweiten Schwelle liegt, die hier als F₃ bezeichnet ist, findet sodann eine Verformung bzw. Verkleinerung des Zwischenraums statt, sodass sich beispielsweise eine reduzierte Größe 202A ergibt. Um die Größte bzw. Form und deren Änderung von dem Zwischenraum 202 in den Zwischenraum 202A zu erfassen, ist eine geeignete weitere Detektiereinrichtung 251 vorgesehen, die ein Signal ausgibt, das beispielsweise ein Maß für die Größe des Zwischenraums 202, 202A ist. Die Detektiereinrichtung 251 kann dabei beliebige geeignete Sensoren, etwa Dehnungsmessstreifen, piezo-elektrische Elemente, elektrische Komponenten zur induktiven und / oder kapazitiven Messung und dergleichen aufweisen, sodass damit ein weiterer Messbereich für größere Kräfte bereitstellt werden kann. Auch hier gilt, dass der Verformungsabschnitt 230 (2a) gegebenenfalls keine weitere nennenswerte Verformung erleidet und damit nicht wesentlich zur Kennzeichnung der auftretenden Kräfte beitragen kann, die Informationen, die durch die Detektiereinheiten 250 und / oder 251 erhalten werden, jedoch eine weitergehende Auswertung der auftretenden Kräfte ermöglichen. Auf diese Weise wird mit einem einzigen Aufbau eine Abdeckung eines sehr großen Bereichs an Kräften ermöglicht, wobei insbesondere im ersten Messbereich, der durch den mechanischen Zustand der 2b gekennzeichnet ist, auf Grund der Eigenschaften des Verformungsabschnitts 230 ein hohes Maß an Ansprechempfindlichkeit und Auflösung erreichbar ist.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist das in 2d dargestellte Messelement 200 ein Messelement, in welchem die Messarme 210, 220 an ihren vorderen Bereichen 210A, 210B mechanisch fest miteinander verbunden sind, so dass eine unmittelbar auf den fest miteinander verbunden Bereich einwirkende Kraft keine nennenswerte Verformung bzw. Änderung des Zwischenraums 202 hervorruft. Anderseits reagieren die hinteren Bereiche 210B, 220B auf die zu8 messende Kraft, wie dies auch bereits in den vorherigen, in Verbindung mit 2d dargestellten Ausführungsformen der Fall ist. Die Detektiereinrichtung 251 erfasst somit die Größe des Zwischenraums 202, etwa durch Erfassung der Verformung der hinteren Bereiche 210B, 220B und/oder durch Erfassung des Abstands eines spezifizierten Gebiets der hinteren Bereiche 210B, 220B, wozu eine Vielzahl geeigneter Messkonzepte verfügbar sind, die zuvor bereits aufgelistet sind.
D.h., in dieser Ausführungsformen ergibt sich durch die nicht trennbaren vorderen Bereiche 210A, 220A eine hohe Steifigkeit, die die Aufnahme sehr hoher Kräfte ermöglicht. Der robuste mechanische Aufbau erlaubt für eine vorgegebene zu messende Kraft zudem eine sehr kleine Gesamtdicke.
In einigen Ausführungsformen sind zur mechanischen Stabilisierung die Messarme auf der von den vorderen Bereichen 210A, 220A abgewandten Seite (nicht gezeigt) in geeigneter Weise mechanisch gekoppelt, etwa fest miteinander verpresst, wie schematisch auf der linken Seite gezeigt, oder stoffschlüssig miteinander verbunden, wie schematisch auf der rechten Seite der 2g gezeigt, so dass dort einwirkende Kräfte keine wesentlichen Auswirkungen auf die Größe des Zwischenraums 202 haben. In anderen Ausführungsformen sind die Messarme 210, 220 durch einen elastischen Verformungsabschnitt, etwa in Form des Verformungsabschnitts 230, mit einander gekoppelt, der dabei so geformt ist, dass bei Änderung des Zwischenraums eine gewisse Verformung des Abschnitts 230 hervorgerufen wird. Eine dafür geeignete geometrische Gestalt kann dabei durch Experiment und insbesondere durch Simulation ermittelt werden. Für einen derartig geeignet gestalteten Verformungsabschnitt lassen sich ebenfalls Wandlereinheiten vorsehen, die zusätzlich oder alternativ zur Detektiereinrichtung 251, zur Ermittlung der zu messenden Kraft verwendet werden können.
Es sollte beachtet werden, dass, wie zuvor bereits erwähnt ist, das in dem Messsystem 280 implementierte Konzept der zwei oder mehr unterschiedlichen mechanischen Zustände zur Implementierung zweier oder mehrerer Messbereiche in gleicher Weise auch in dem Messsystem 180, d. h. in dem Messelement 100, zusätzlich zu den dort beschriebenen Konzepten implementiert werden kann. Ferner kann die zuvor beschriebene Ausführungsform mit fest oder starr verbundenen vorderen Bereichen 210A, 220A ebenfalls mit Merkmalen kombiniert werden, wie sie zuvor oder nachfolgend beschrieben sind.
3a bis 3e zeigen schematische perspektivische Ansicht von vorderen Bereichen von Messarmen, die beispielsweise in den zuvor beschriebenen Messelementen 100, 200 und auch in nachfolgend beschriebenen Messelementen anwendbar sind.
3a zeigt eine Ansicht eines Querschnitts in perspektivischer Darstellung eines ersten Messarms 310 und eines zweiten Messarms 320, wobei entsprechend einander zugewandte Oberflächen 312 und 322 so gestaltet sind, dass sie komplementär zueinander sind, d. h. dass sie bei Aufeinanderliegen einen gewissen Formschluss aufweisen, und so, dass zumindest Bereiche der Oberfläche eine Oberflächennormale 322N haben, die einen Winkel zu einer zu messenden Kraftkomponente F_N haben. In der in 3a gezeigten Variante sind die Oberflächen 312 und 322 im Wesentlichen ebene Flächen, die entsprechend zu der Richtung der zu messenden Kraftkomponente F_N einen Winkel von mehr als 10 Grad und noch vorteilhafterweise von 30 Grad oder mehr bilden.
3b zeigt eine weitere Variante, in der die Oberflächen 312 und 322 als komplementäre gebogene Flächen ausgebildet sind, sodass auch dort in den wesentlichen Bereichen der Bogenform die Flächennormale 322N einen mehr oder minder großen Winkel zu der zu messenden Kraftkomponente bildet.
3c zeigt eine weitere Variante, in der die zugewandten und komplementären Oberflächen 312, 322 mehrere bogenförmige Abschnitte aufweisen, sodass auch in diesem Falle viele Flächenbereiche mit einer Flächennormale 322N vorhanden sind, die einen Winkel zur zu messenden Kraftkomponente bilden.
3d zeigt eine weitere Variante, in der die Oberflächen 321, 322 keilförmig ausgebildet sind, sodass auch hier die Oberflächennormalen 322N einen Winkel zur Richtung der zu messenden Kraftkomponente bilden.
Die zugewandten Oberflächen 312, 322, die zueinander komplementär ausgebildet sind und die Eigenschaft haben, zumindest bereichsweise einen Winkel zwischen der jeweiligen Oberflächennormale und der Richtung der Kraftkomponente zu bilden, führen zu einem insgesamt steiferen Verhalten des ersten und des zweiten Messarms, wodurch ein robusteres mechanisches Verhalten erreicht werden kann.
3e zeigt eine weitere Variante, in der die Oberflächen in Richtung der Auslenkung orientiert sind, so dass die Normale 322N in Richtung der zu messenden Kraft zeigt.
4a zeigt schematisch eine Seitenansicht eines weiteren Messsystems 480 mit einer Kalibriereinheit 490 und einem Messelement 400, in welchem eine Gesamtdicke eines ersten Messarms 410 und eines zweiten Messarms 420 zumindest bereichsweise variiert ist oder variiert werden kann. Es ist zu beachten, dass die Eigenschaften einer variierten oder variierbaren Gesamtdicke eines Teils oder der gesamten Messarme 410, 420 des Messelements 400 auch in jedem der zuvor beschriebenen Messelemente 100, 200 oder auch in nachfolgend beschriebenen Messelementen zusätzlich zu den sonst beschriebenen Eigenschaften eingerichtet werden können. In anderen Ausführungsformen, sind keine oder nur vereinzelte Eigenschaften der Messelemente 100, 200 in dem Messelement 400 implementiert. Der erste Messarm 410 und der zweite Messarm 420 haben im unbelasteten Zustand einen Abstand 401, der in einem geeigneten Bereich liegen kann. Der Abstand 401 in Verbindung mit der jeweiligen „Dicke“ 410D des ersten Messarms und der „Dicke“ 420D des zweiten Messarms ergeben eine Gesamtdicke 404 im unbelasteten Zustand. Die Dicken 410D, 420D entsprechen also Abmessungen der Messarme in einer Richtung, die auch der Richtung der zu messenden Kraftkomponente entspricht und senkrecht zur Längsrichtung L (1a) orientiert ist.
Der erste Messarm 410 und der zweite Messarm 420 sind, wie auch bereits in den vorhergehenden Messelementen beschrieben ist, mit entsprechenden Übergangsbereichen 415, 425 mit einem Verformungsabschnitt 430 verbunden, der bei relativer Auslenkung der Messarme eine Verformung zeigt, die durch einen oder mehrere entsprechend angeordnete Wandlereinheiten in ein Signal überführt wird. Insbesondere ist zu beachten, dass die entsprechende Wandlereinheit als beispielsweise Messdehnungsstreifen, piezo-elektrische Komponente, und dergleichen, an einer beliebigen Position an dem Verformungsabschnitt 430 angebracht sein kann. In anderen vorteilhaften Ausführungsformen kann, wie zuvor erläutert ist, die Positionierung der einen oder mehreren Wandlereinheiten so erfolgen, wie dies beispielsweise in Verbindung mit dem Messelement 100 erläutert ist.
Es sollte auch beachtet werden, dass die Querschnitte der Messarme so gestaltet sein können, wie dies in Verbindung mit den 3a bis 3d beschrieben ist. In diesem Falle sind die entsprechenden Dicken 410D, 420D ggf. variabel und es wird ein entsprechender repräsentativer Wert an einer vorgegebenen Position als ein Messpunkt für die entsprechende Dicke 410D, 420D angenommen. Zu beachten ist jedoch, dass für die Gesamtdicke 404 die Gestalt der einander zugewandten Oberflächen der Messarme keine Rolle spielt. In der dargestellten Ausführungsform sind zumindest Bereiche mit variabler Gesamtdicke 404 in unbelastetem Zustand vorgesehen, sodass in Abhängigkeit des Angriffspunkts der zu messenden Kraft entlang der Längsrichtung der Messarme ggf. unterschiedliche Messeregebnisse ermittelt werden können, da durch die Gesamtdicke auch die mechanische Wechselwirkung zwischen der angreifenden Kraft und den Messarmen beeinflusst wird.
4b zeigt beispielsweise einen Abschnitt, in welchem die Gesamtdicke 404 (4a) vergrößert wird, indem eine zusätzliche Dicke 410F vorgesehen wird. Beispielsweise werden eine oder mehrere Materialschichten, beispielsweise Materialfolien, auf dem spezifizierten Abschnitt des ersten Messarms aufgebracht. D. h., in dem dargestellten Abschnitt wird die ursprüngliche oder minimale Dicke 410D entsprechend um die Dicke 410F vergrößert. Demgemäß kann in einem anderen Abschnitt (nicht gezeigt) durch Aufbringen einer dünneren Materialschicht oder einer kleineren Anzahl gleicher Materialschichten eine weitere Dicke eingerichtet werden, die größer als die ursprüngliche Dicke 410D aber kleiner als die Dicke 410F ist. Auf diese Weise könnte beispielsweise ein Abschnitt mit minimaler Dicke entsprechend der Dicke 410D, ein Abschnitt mit „nominaler“ Dicke und ein Abschnitt mit maximaler Dicke, also 410D plus 410F, eingerichtet werden, um drei verschiedene Gesamtdicken 404 zu implementieren. Es sollte beachtet werden, dass eine entsprechende Variierung der Dicke zusätzlich oder alternativ an dem zweiten Messarm vorgenommen werden kann und dass zwei Bereiche oder vier oder mehr Bereiche mit unterschiedlicher Dicke entlang der Längserstreckung der Messarme eingerichtet werden können. Wenn dies als geeignet erachtet wird, kann auch eine mehr oder minder graduell variierende Dicke in einem oder beiden Messarmen durch entsprechendes Zugeben von weiterem Material eingerichtet werden.
4c zeigt schematisch eine Schnittansicht, in der ein oder mehrere Stellglieder 445, d. h. Aktuatorelemente, vorgesehen sind, um steuerbar eine Streckung/Kontraktion in einem gewissen Bereich des Messelements 400 zu erreichen. Beispielsweise können das eine oder die mehreren Aktuatorelemente 445 in dem Übergangsbereich 415 und / oder dem Übergangsbereich 425 und / oder in dem Verformungsabschnitt 430 vorgesehen sein, um damit in steuerbarer Weise den mechanischen Zustand des Messelements 400 einzustellen. Wie beispielsweise in 4a gezeigt ist, ist ein Bereich des Übergangsbereichs 425 mit einem oder mehreren Aktuatorelementen 445 versehen, sodass bei Änderung der Streckung/Kontraktion des Aktuatorelements 445 eine Veränderung der Gesamtdicke 404 erreicht wird. In gleicher Weise können das eine oder die mehreren Aktuatorelemente 445 in dem Übergangsbereich 415 und / oder dem Verformungsabschnitt 430 vorgesehen sein, um dadurch beispielsweise die Gesamtdicke 404 in steuerbarer Weise einzustellen. Das eine oder die mehreren Aktuatorelemente 445 sind dabei beliebig geeignete Stellelemente, die beispielsweise auf der Grundlage eines elektrischen Signals eine entsprechende Streckung/Kontraktion ausführen und in einem entsprechenden Zustand zu halten. Zu entsprechenden Stellgliedern gehören piezo-elektrische Elemente, steuerbare Elemente auf der Grundlage von mikroelektronisch mechanischen Einheiten (MEMS), Mikromotoren, geeignete Metalle oder andere Stoffe, die beispielsweise eine gut reproduzierbare Wärmeausdehnung besitzen, und dergleichen. Ein Stellglied kann auch in Form einer Spindel vorgesehen sein, die von einem Rotationsmotor oder auch manuell angetrieben wird. D. h., durch Anwendung eines geeigneten Steuersignals in Form eines elektrischen Signals, einer manuellen Einwirkung, eines Signals, das eine reproduzierbare Temperatur in dem Aktuatorelement 445 einstellt, eines optischen Signals, und dergleichen kann somit ein gewünschter mechanischer Zustand des einen oder der mehreren Aktuatorelemente 445 und damit des Messelements 400 eingestellt werden. Dies kann vorteilhaft sein, um beispielsweise die Gesamtdicke 404 innerhalb eines gewünschten Bereichs zu verändern, ohne dabei den Angriffspunkt der zu messenden Kraftkomponente verändern zu müssen. Eine entsprechende „Einstellung“ der Gesamtdicke 404 kann dabei auch dynamisch während des Messvorgangs erfolgen, indem bereits bei einwirkender Messkraft das eine oder die mehreren Aktuatorelemente 445 entsprechend angesteuert werden. Dies kann dann zu einer geänderten Verformung im Abschnitt 430 führen, da somit die zu messende Kraftkomponente auf ein System von Messarmen einwirkt, das im unbelasteten Zustand eine geänderte Gesamtdicke 404 hätte. Selbstverständlich kann die Änderung des mechanischen Zustands des einen oder der mehreren Aktuatorelemente 445 auch vor einem direkten Kontakt eines zu messenden Objekts erfolgen.
Neben der dynamischen und statischen Anpassung der Konfiguration des Messelements 400 durch ein oder mehrere Aktuatorelemente, wie dies auch bereits zuvor beschrieben ist, kann in anschaulichen Ausführungsformen das eine oder die mehreren Aktuatorelemente als Sensor verwendet werden, indem der Hub bzw. die Auslenkung und/oder aufgewandte Arbeit des Aktuatorelements als Information gewonnen und zur weiteren Auswertung herangezogen werden. Diese Information kann etwa durch Bestimmung der Anzahl an Umdrehungen eines Rotationsmotors, durch Auswertung der Steuerspannung eines auf Spannung reagierenden Elements, und dergleichen gewonnen werden. Das Ansteuerung des Aktuatorelements und damit das auszuwertende Signal können etwa sol lange verstellt werden, bis ein vorgegebenes Signal der Wandlereinheit(en) erreicht ist. Durch diese „Kompensation“ des Singals der Wandlereinheit ist sodann das Signal des Aktuatorlements ein genaues Maß der messenden Kraft. Dieses Kompensationsverfahren kann auch zur Kalibrierung des Messelements 400 verwendet werden, ohne dass dazu weitere Kalibrierkomponenten erforderlich sind. D.h., das Aktuatorelement wird solange betätigt, bis sich in der Wandlereinheit der gewünschte Kalibrierwert, etwa ein gewünschter Nullpunkt, einstellt. Das für diesen Kalibrierwert erforderliche Ansteuersignal des Aktuatorelements 445 kann dann bei der eigentlichen Messung angewendet werden oder bei der Auswertung entsprechend mit berücksichtigt werden.
5 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Teils von Messarmen 510 und 520, die in dieser Form in allen zuvor beschriebenen Messelementen 100, 200, 400 und auch in allen weiteren beschriebenen Messelementen einsetzbar sind. Wie gezeigt, besitzen der erste Messarm 510 und der zweite Messarm 520 in der Längsrichtung L unterschiedliche Abmessungen, sodass in dieser Variante beispielsweise der zweite Messarm 520 einen vorderen Bereich 520A hat, der einen vorderen Bereich 510A des ersten Messarms 510 in der Längsrichtung vollständig einschließt. D. h., der entsprechende Abstand 501 zwischen dem ersten Messarm 510 und dem zweiten Messarm 520 im unbelasteten Zustand ist nicht bis ganz nach vorne ausgebildet, wobei jedoch die Gesamtdicke im unbelasteten Zustand über die gesamte Erstreckung der Messarme entlang der Längsrichtung L im Wesentlichen gleich ist. D. h., durch das System der Messarme 510, 520 ergibt sich ein Bereich, der für eine einwirkende Kraft F₁ unempfindlich ist, d. h. für ein Kräftepaar, das in dem Gebiet des vorderen Bereichs 520A einwirkt, wohingegen eine gewünschte Empfindlichkeit für ein Kräftepaar F₂ im Gebiet des ersten Messarms 510 gegeben ist. Damit kann in einem Messobjekt, beispielsweise einer Steckverbindung, eine Position angefahren werden, in der etwa eine zu messende Kraftkomponente in einem weiter zurückgesetzten Bereich zu messen ist, während der unempfindliche vordere Bereich 520A in geeigneter Weise eine realitätsnahe Nachbildung der tatsächlichen Kraftverhältnisse im Steckerkontakt ermöglicht. Beispielsweise kann in Situationen, in denen Federkräfte von Steckverbindungen an unterschiedlichen Positionen entlang der Längsrichtung L auftreten ggf. der wichtige zu messende Bereich an einer zurückgesetzten Stelle liegen, während aber andererseits die Verhältnisse möglichst identisch zu dem tatsächlichen Gegebenheiten nachzubilden sind. Auf diese Weise wird die an der zurückgesetzten Position auftretende Kraftkomponente gemessen, ohne dass eine Verfälschung durch die im vorderen Bereich auftretenden Federkräfte, die aber in der Realität vorhanden sind und das Gesamtverhalten beeinflussen, hervorgerufen wird.
Bei Messelementen ohne diese passive Spitze, wie sie etwa zuvor beschrieben sind, kann in der in 5 gezeigten Konstellation der Kräfte F₁, F₂ nur die Gesamtkraft F₁ + F₂ gemessen werden. Wenn beide Kräfte ermittelt werden sollen, kann beispielsweise ein derartiges Messelement zusätzlich verwendet werden, um in einem weiteren Messprozess diese Gesamtkraft zu messen. Aus den beiden Messergebnissen, also aus F₂, die mit dem Messelement 500 bestimmt wird, und F₁ + F₂; die mit dem weiteren Messelement ohne passive Spitze bestimmt wird, kann dann F₁ rechnerisch ermittelt werden.
6 zeigt eine Ausführungsform in schematischer perspektivischer Darstellung, wobei lediglich Messarmsysteme 605A, 605B, 605C, 605D dargestellt sind, die jeweils einen ersten Messarm 610 und einen zweiten Messarm 620 aufweisen. Auch hier ist wieder zu beachten, dass die in 6 gezeigten Messarmsysteme 605A, ..., 605D in Verbindung mit einem beliebigen der zuvor beschriebenen Messelemente 100, 200, 400 sowie noch zu beschreibenden Messelementen eingesetzt werden können. In der dargestellten Ausführungsform sind also mehrere Messarmsysteme, beispielsweise mit zwei, drei, vier oder mehr Messarmsystemen, in einer zur Längsrichtung L senkrechten lateralen Richtung W angeordnet, sodass gleichzeitig ein Kontakt von mehreren der Messarmsysteme 605A, ..., 605D mit einer jeweiligen zu messenden Kraftkomponente erfolgen kann. In einem Anwendungsbeispiel wird etwa eine Steckverbindung mit mehreren mechanischen unabhängigen Steckelementen im Hinblick auf die jeweiligen Kontaktkräfte vermessen. Dazu werden die Abstände in der lateralen Richtung W so gewählt, dass eine Entsprechung zu den jeweiligen lateralen Abständen in dem Messobjekt erreicht wird. In vorteilhaften Ausführungsformen ist jedes der Messarmsysteme 605A, ..., 605D mit einem zugeordneten separaten Verformungsabschnitt mechanisch gekoppelt, wobei der entsprechende Verformungsabschnitt so gestaltetet sein kann, wie dies in Verbindung mit den Messelementen 100, 200, 400 beschrieben ist. Auf diese Weise können die einzelnen in den jeweiligen Messarmsystemen 605A, ..., 605D erfassten Kraftkomponenten als Signal an eine entsprechende Auswerteeinheit ausgegeben und separat ausgewertet werden. Bei Bedarf können die einzelnen zu messenden Kräfte ggf. auch bei der Auswertung aufsummiert werden, um damit eine Gesamtkraft zu erhalten. Wenn eine „mechanische“ Addition zweier oder mehrerer Kraftkomponenten gewünscht ist, können entsprechende zwei oder mehrere Messarmsysteme 605A, ..., 605D auf einen einzigen Verformungsabschnitt einwirken, um damit die entsprechende Summenkraft zu ermitteln.
Konventioneller Weise wird bei Steckkontakten mit vielen parallelen Kontaktpunkten wie folgt vorgegangen: ein schmales Messelement und ein großes passives Metallteil, das die anderen Federn aufdrückt, wird eingesteckt, da das gesamte Federngebilde zusammenhängt und nur abhängig agiert. Mit vielen verschiedenen passiven Metallteilen muss dann mehrfach gesteckt werden, um die Kräfte zu separieren. Wenn man die Kraft bei initialier Steckung messen will, ist dies nur mit mehreren Teilen möglich. Diese Vorgehensweise ist aber häufig nach Prüfvorschrift nicht zulässig. Ferner nutzt sich beim mehrfachen Stecken eines Steckkontakts dieser ab. Somit bilden die separierten Kräfte aus mehreren Messungen nie die gleiche Situation der Alterung ab. Durch die parallele Anordnung der Messarmsysteme 605A, ..., 605D mit der Möglichkeit der gleichzeitigen Messung können diese Nachteile vermieden werden.
7 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Teils eines Messelements, wobei ein Teil eines Verbindungsbereichs 725 gezeigt ist, der mit einem nicht gezeigten Messarm gekoppelt ist. Ferner ist ein Teil eines Verformungsabschnitts 730 dargestellt, der über den Verbindungsbereich 725 schließlich mit dem nicht gezeigten Messarm gekoppelt ist. Auch für in 7 dargestellte Ausführungsform gilt, dass diese mit allen bislang beschriebenen und auch nachfolgend beschriebenen Messelementen kombiniert werden kann. Insbesondere ist der Verbindungsbereich 725 in geeigneter Weise so gestaltet, dass ein hohes Maß an Ansprechempfindlichkeit, Auflösung und Genauigkeit erreicht wird, indem beispielsweise entsprechende Hohlräume oder Materialeinsätze 726A, 726B vorgesehen sind. Auf diese Weise können beispielsweise die Kriterien der Messsystemanalyse entsprechend dem Verfahren 1 und dem Verfahren 3, d. h. beispielsweise für automatisierte Messsysteme, in besonderem Maße eingehalten werden können. Wie bereits zuvor erläutert ist, können entsprechende Simulationsrechnungen auch unter Berücksichtigung des einen oder der mehreren Verbindungsbereiche 725 ausgeführt werden, um das mechanische Verhalten des Messelements in besonderem Maße an die entsprechende Anwendung anzupassen, sodass insbesondere die Kriterien der Messsystemanalyse erfüllt werden können. Auf diese Weise ergibt sich auch die Möglichkeit, dass die durch das erfindungsgemäße Messelement gewonnenen Messergebnisse zur Standardisierung oder zumindest zu einer genauen Einstufung der Qualität und des Verhaltens der Messobjekte verwendet werden können.
8a zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Messsystems 880 gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform. Das Messsystem umfasst ein Messelement 800 mit einem ersten Messarm 810, einem zweiten Messarm 820, die in unbelastetem Zustand einen Abstand 801 dazwischen bilden, und mit einem Verformungsabschnitt 830, der mechanisch mit den Messarmen 810, 820 über entsprechende Verbindungsbereiche 815, 825 gekoppelt ist. Im Hinblick auf das Messelement 800 gelten die gleichen Kriterien, die auch für die jeweiligen Ausführungsformen zuvor beschrieben sind. D. h., das Messelement 800 kann in der gleichen Weise eingerichtet sein wie das Messelement 100 oder das Messelement 200 oder das Messelement 400 oder kann auch so eingerichtet sein, dass eines oder mehrere Merkmale einer der Messelemente in den vorhergehenden Ausführungsformen in dem Messelement 800 kombiniert sind. Insbesondere gilt auch für die Messarme 810, 820, dass sie in geeigneter Weise so ausgebildet sind, wie dies auch in den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben ist. Gleiches gilt für die Verbindungsbereiche 815, 825 sowie für den Verformungsabschnitt 830. D. h., in vorteilhaften Ausführungsformen ist das Messelement 800 in geeigneter Weise mit optimierter geometrischer Gestaltung, beispielsweise auf der Grundlage von Simulationsrechnungen, an die jeweilige Anwendung angepasst und / oder es sind mehrere Messbereiche in dem Element 800 verwirklicht und / oder es sind unterschiedliche Werte für die Gesamtdicke des Systems aus Messarmen 810, 820 in dem Element 800 verwirklicht und /oder und / oder die Messarme sind auf einer Seite fest miteinander verbunden und / oder die Querschnittsformen der Messarme 810, 820 sind so gestaltet, wie dies zuvor in Verbindung mit den 3a bis 3d beschrieben ist und / oder die Messarme sind so gestaltet, wie dies im Zusammenhang mit der 5 erläutert ist und / oder es sind mehrere Messarmsysteme vorgesehen, wie dies beispielsweise in Verbindung mit 6 erläutert ist. In gleicher Weise können die Verbindungsbereiche 815, 825 so aufgebaut sein, wie dies in Verbindung mit 7 beschrieben ist.
Das System 800 umfasst ferner eine Kalibriereinheit 890, die in einer Ausführungsform als separate Komponente vorgesehen ist und in einer weiteren Ausführungsform zusätzlich oder alternativ dazu als eine in dem Messelement 800 integrierte Komponente eingerichtet ist.
8b zeigt die Kalibriereinheit 890 in einer Variante, in der diese in dem Element 800 integriert ist, beispielsweise in Form eines Positionierelements 813, das an einer genau spezifizierten Position entlang der Längsrichtung L an dem ersten Messarm 810 (wie gezeigt) und / oder dem zweiten Messarm 820 vorgesehen ist. Das Positionierelement 813 ist in beliebiger geeigneter Form vorgesehen, beispielsweise in Form einer Aussparung oder Vertiefung, um damit eine Halterung eines Positioniergewichts 891 aufzunehmen, das somit in genauer Weise in der Längsrichtung L positioniert ist. Dazu wird beispielsweise das Messelement 800 so ausgerichtet, dass seine Messarme 810, 820 horizontal angeordnet sind, wodurch dann bei Anbringen der Kalibriermasse 891 eine senkrecht zur Längsrichtung L wirkende Kraftkomponente an einer genau spezifizierten Position, d. h. der Position des Positionierelements 813, auftritt, sodass durch die bekannte Größe der Kalibrierkraft 891 das Ansprechverhalten des Verformungsabschnitts 830 (8a) kalibriert werden kann. In anderen Varianten wird ein nicht gezeigtes Kalabrierlängenelement angelegt, um eine genau definierte Auslenkung hervorzurufen, die dann zur Kalibrierung des Verformungsabschnitts 830 verwendet wird. Es können auch beide Variante zusammen angewendet werden.
8c zeigt schematisch eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Kalibriereinheit 890, die als separate Komponente vorgesehen ist. In der dargestellten Ausführungsform hat die Kalibriereinheit 890 eine Kappenform oder Becherform, in der eine Ausnehmung 892 so ausgebildet ist, dass der erste und zweite Messarm 810, 820 in genau definierter Weise eingeführt werden können. Dazu besitzt die Ausnehmung 892 eine geeignete Breite, d. h. eine Abmessung in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 8c sowie eine geeignete Dicke, d. h. eine geeignete Abmessung in der Richtung senkrecht zur Längsrichtung L und weist insbesondere eine gegebene Längsabmessung 892L auf, sodass bei Anschlag des Messarmsystems an der Hinterkante der Ausnehmer 892 eine genau definierte Länge des Messarmsystems in der Ausnehmung 892 eingeführt ist. Diese Kappe kann als Kalibrierlängenelement verstanden werden, da eine genau definierte Auslenkung hervorgerufen wird. Zusätzlich oder alternativ weist die Kalibriereinheit 890 eine Öffnung 893 auf, die in genauer Weise entlang der Längsrichtung L positioniert ist, sodass durch die Öffnung 893 hindurch eine Kalibrierkraft 891, etwa in Form eines Gewichts, über eine entsprechende Druckstange 891A auf das Messarmsystem einwirken kann. Dadurch sind die Position des Angriffspunkts sowie die Größe der Messkraft 891 in präziser Weise bekannt und können damit ebenfalls zur Kalibrierung des Messelements 800 verwendet werden.
Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass für alle beschriebenen Ausführungsformen eine geeignete Halterung oder ein Gehäuse für das Messelement vorgesehen ist, sodass eine mechanisch robuste Anordnung erhalten wird. Der Einfachheit halber ist ein derartiges Gehäuse nicht gezeigt. Ferner können entsprechende elektronische, opto-elektronische, mikromechanisch elektronische Komponenten, und dergleichen, die beispielsweise zur Signalgewinnung und Signalauswertung oder Signalaufbereitung dienen, teilweise oder vollständig an einer geeigneten Stelle im Messelement selbst und / oder in einem entsprechenden Gehäuse an geeigneter Stelle untergebracht sein. Beispielsweise können geeignete Halbleiterchips oder andere geeignete Substrate mit darauf montierten optischen, elektronischen, mechanischen Komponenten an geeigneter Stelle untergebracht sein und auch die jeweiligen Zuleitungen sind in geeigneter Weise in Form von Leitungen, Leiterbahnen, und dergleichen an geeigneten Stellen im Messelement und / oder dem Gehäuse vorgesehen. D. h., es können bereits wesentliche Schritte einer entsprechenden Auswertung von Signalen in dem Messelement oder einem zugehörigen Gehäuse selbst ausgeführt werden, und ein entsprechend aufbereitetes Signal kann an eine weitere Auswerteelektronik, etwa einen Rechner, und dergleichen übertragen werden. In anderen Varianten werden lediglich im Wesentlichen unverarbeitete Signale an die Auswerteelektronik übertragen. Eine Übertragung von Signalen kann beispielsweise durch verdrahtete Verbindungen oder auch drahtlose Kommunikationskanäle erfolgen, sodass insbesondere bei der Anwendung eines Messsystems mit dem erfindungsgemäßen Messelement ein hohes Maß an Flexibilität erreicht wird.
Bezugszeichenliste

180, 280, 480, 880: Messsystem
100, 200, 400, 800: Messelement
110, 210, 410, 810: Messarm (erster Messarm)
120, 220, 420, 820: Messarm (zweiter Messarm)
110A, 210A: vorderer Bereich des ersten Messarms
120A, 220A: vorderer Bereich des zweiten Messarms
110B, 210B: hinterer Bereich des ersten Messarms
120B, 220B: hinterer Bereich des zweiten Messarms
130, 230, 430, 830: Verformungsabschnitt
130A: zugewandte Seite des Verformungsabschnitts
130B: abgewandte Seite des Verformungsabschnitts
130L: Längsabmessung des Verformungsabschnitts
130D: Breite des Verformungsabschnitts
131: Kanten bzw. Ränder des Verformungsabschnitts
140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148: Wandlereinheiten
101, 201, 401, 501, 801: Abstand
115, 215, 815: Verbindungsbereich für ersten Messarm
125, 225, 425, 725, 825: Verbindungsbereich für zweiten Messarm
190, 290, 490, 890: Kalibriereinheit
211: Kontaktfläche
250, 251: Detektiereinheit
202, 202A: Zwischenraum
312: Oberfläche des ersten Messarms
322: Oberfläche des zweiten Messarms
322N: Richtung eines Teils der Oberfläche
404: Gesamtdicke
410D: Dicke des ersten Messarms
420D: Dicke des zweiten Messarms
410F: Zusatzdicke in einem Bereich des Messarms
445: Aktuatorelement
605A, ..., 605D: Messarmsystem
726A, 726B: Materialausnehmung
813: Positionierelement
891: Kalibrierkraft bzw. Kalibriergewicht
891 A: Druckstange
893: Öffnung in der Kalibriereinheit
892: Ausnehmung in der Kalibriereinheit
892L: Länge der Ausnehmung

Claims

Messelement (100, 200, 400, 800) zur Erfassung von Kräften, mit einem sich in einer Längsrichtung (L) des Messelements (100, 200, 400, 800) erstreckenden ersten Messarm (110, 210, 410, 810), einem sich in Längsrichtung (L) erstreckenden zweiten Messarm (120, 220, 420, 820), wobei der erste und der zweite Messarm in einer zur Längsrichtung senkrechten Richtung relativ zueinander auslenkbar sind, einem Verformungsabschnitt (130, 230, 430, 830), der den ersten Messarm (110, 210, 410, 810) und den zweiten Messarm (120, 220, 420, 820) elastisch verformbar miteinander verbindet und eine dem ersten und zweiten Messarm zugewandte erste Seite (130A) und eine vom ersten und zweiten Messarm abgewandte zweite Seite (130B) aufweist, und mindestens einer auf der ersten (130A) oder zweiten (130B) Seite des Verformungsabschnitts (130, 230, 430, 830) angeordneten, auf Verformung ansprechenden Wandlereinheit (140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148), die vollständig innerhalb des Verformungsabschnitts (130, 230, 430, 830) liegt, wobei sich mindestens eine Wandlereinheit (144) an einem Ort einer globalen maximalen Verformung befindet.
Messelement nach Anspruch 1, wobei zwei oder mehr auf der ersten Seite (130A) und/oder der zweiten Seite (130B) des Verformungsabschnitts angeordnete, auf Verformung ansprechende Wandlereinheiten (140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148) vorgesehen sind.
Messelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine geometrische Gestaltung des Verformungsabschnitts (130, 230, 430, 830) bei vorgegebenen Materialeigenschaften einer durch Simulation des Verformungsverhaltens für einen vorgegebenen Bereich von durch relative Auslenkung des ersten und zweiten Messarms zu messenden Kräften ermittelten geometrischen Gestaltung nachgebildet ist.
Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Position der mindestens einen Wandlereinheit in einem durch Simulation ermittelten Bereich und/oder in einem Bereich mit lokal höchster Verformung liegt.
Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messelement einen ersten Messbereich hat, der dadurch festgelegt ist, dass bei Einwirkung einer durch relative Auslenkung des ersten (210) und zweiten (220) Messarms zu messenden Kraft, die gleich oder kleiner einer ersten Schwelle ist, der erste Messarm (210) und der zweite Messarm (220) voneinander beabstandet bleiben.
Messelement nach Anspruch 5, wobei das Messelement einen zweiten Messbereich hat, der dadurch festgelegt ist, dass bei Einwirkung einer durch relative Auslenkung des ersten und zweiten Messarms zu messenden Kraft, die größer als die erste Schwelle ist, ein vorderer Bereich (210A) des ersten Messarms (210) mit einem vorderen Bereich (220A) des zweiten Messarms (220) in Kontakt ist.
Messelement nach Anspruch 6, wobei das Messelement einen dritten Messbereich hat, der dadurch festgelegt ist, dass bei Einwirkung einer durch relative Auslenkung des ersten und zweiten Messarms zu messenden Kraft, die größer als die erste Schwelle und gleich oder größer als eine über der ersten Schwelle liegende zweite Schwelle ist, der vordere Bereich (210A) des ersten Messarms (210) mit dem vorderen Bereich (220A) des zweiten Messarms (220) in Kontakt ist und eine Größe eines Zwischenraums (202, 202A), der durch einen hinteren Bereich (210B) des ersten Messarms (210) und einen hinteren Bereich (220B) des zweiten Messarms (220) gebildet ist, kennzeichnend für die zu messende Kraft ist.
Messelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei eine erste Detektiereinrichtung (250) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, den Kontakt des vorderen Bereichs (210A) des ersten Messarms (210) mit dem vorderen Bereich (220A) des zweiten Messarms (220) zu erfassen.
Messelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei eine zweite Detektiereinrichtung (251) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, die Größe des Zwischenraums (202, 202A) zu erfassen.
Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Oberfläche (312) des ersten Messarms (310) einer zweiten Oberfläche (322) des zweiten Messarms (320) gegenüberliegt, die erste und die zweite Oberfläche komplementär zueinander ausgebildet sind und Oberflächenbereiche mit einer Oberflächennormalen (322N) aufweisen, die einen Winkel zur relativen Auslenkung bilden.
Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Gesamtdicke (404) des ersten und zweiten Messarms (410, 420) in einem Zustand ohne Einwirkung einer zu messenden Kraft zumindest in einem Wechselwirkungsbereich variiert und/oder variierbar ist.
Messelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Wechselwirkungsbereich eine variierende Gesamtdicke aufweist, die durch eine variierende Dicke (410D, 420D) des ersten und/oder des zweiten Messarms (410, 420) im Bereich von +- 200 µm hervorgerufen ist.
Messelement nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Wechselwirkungsbereich zumindest drei Bereiche mit jeweils unterschiedlicher Gesamtdicke (404) aufweist.
Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem ersten Verbindungsbereich (115, 215, 815), der mit dem ersten Messarm (110, 210, 810) gekoppelt ist, und/oder einem zweiten Verbindungsbereich (125, 225, 425, 725, 825), der mit dem zweiten Messarm (120, 220, 420, 720, 820) gekoppelt ist, und/oder dem Verformungsabschnitt (130, 230, 430, 830) ein Aktuatorelement (445) mit einstellbarer Streckung/Kontraktion vorgesehen ist.
Messelement nach Anspruch 14 in Verbindung mit Anspruch 11, wobei die Gesamtdicke (404) durch das eine oder die mehreren Aktuatorelemente in einem Bereich von 0,2 mm bis 2,0 mm einstellbar ist.
Messelement nach Anspruch 14 oder 15, wobei eines des einen oder der mehreren Aktuatorelemente als Sensor zur Bereitstellung eines Signal verwendbar ist, das zur Auswertung und/oder Kalibrierung verwendbar ist.
Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Positionierelement (813) an dem ersten und/oder dem zweiten Messarm (810, 820) zur Positionierung einer Kalibriermasse (891) oder eines Kalibrierlängenelements vorgesehen ist.
Messelement (100, 200, 400, 800) zur Erfassung von Kräften, mit einem sich in einer Längsrichtung (L) des Messelements erstreckenden ersten Messarm (210), einem sich in Längsrichtung erstreckenden zweiten Messarm (220), wobei der erste und der zweite Messarm in einer zur Längsrichtung (L) senkrechten Richtung relativ zueinander auslenkbar sind, einem Verformungsabschnitt (230), der den ersten Messarm (210) und den zweiten Messarm (220) elastisch verformbar miteinander verbindet, wobei das Messelement einen ersten Messbereich hat, der dadurch festgelegt ist, dass bei Einwirkung einer durch relative Auslenkung des ersten und zweiten Messarms (210, 220) zu messenden Kraft, die gleich oder kleiner einer ersten Schwelle ist, der erste Messarm (210) und der zweite Messarm (220) voneinander beabstandet bleiben und das Messelement einen zweiten Messbereich hat, der dadurch festgelegt ist, dass bei Einwirkung einer durch relative Auslenkung des ersten und zweiten Messarms (210, 220) zu messenden Kraft, die größer als die erste Schwelle ist, ein vorderer Bereich (210A) des ersten Messarms (210) mit einem vorderen Bereich (220A) des zweiten Messarms (220) in Kontakt ist.
Messelement nach Anspruch 18, wobei das Messelement einen dritten Messbereich hat, der dadurch festgelegt ist, dass bei Einwirkung einer durch relative Auslenkung des ersten und zweiten Messarms (210, 220) zu messenden Kraft, die größer als die erste Schwelle und gleich oder größer als eine über der ersten Schwelle liegende zweite Schwelle ist, der vordere Bereich (210A) des ersten Messarms mit dem vorderen Bereich (220A) des zweiten Messarms in Kontakt ist und eine Größe eines Zwischenraums (202, 202A), der durch einen hinteren Bereich (210B) des ersten Messarms und einen hinteren Bereich (220B) des zweiten Messarms gebildet ist, kennzeichnend für die zu messende Kraft ist.
Messelement nach einem Anspruch 18 oder 19, wobei eine erste Detektiereinrichtung (250) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, den Kontakt des vorderen Bereichs (210A) des ersten Messarms mit dem vorderen Bereich (220A) des zweiten Messarms zu erfassen.
Messelement nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei eine zweite Detektiereinrichtung (251) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, die Größe des Zwischenraums (202, 202A) zu erfassen.
Messelement nach einem der Ansprüche 18 bis 21, das ferner eine oder mehrere auf dem Verformungsabschnitt (230) angeordnete, auf Verformung ansprechende Wandlereinheiten (140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148) aufweist.
Messelement nach Anspruch 22, wobei eine der einen oder mehreren Wandlereinheiten auf einer dem ersten und zweiten Messarm zugewandten Seite (130A) des Verformungsabschnitts angeordnet ist.
Messelement nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei eine geometrische Gestaltung des Verformungsabschnitts bei vorgegebenen Materialeigenschaften einer durch Simulation des Verformungsverhaltens für einen vorgegebenen Bereich von durch relative Auslenkung des ersten und zweiten Messarms zu messenden Kräften ermittelten geometrischen Gestaltung nachgebildet ist.
Messelement nach Anspruch 22, wobei eine Position der einen oder mehreren Wandlereinheiten durch Bereiche mit höchster Verformung festgelegt ist.
Messelement nach einem der Ansprüche 18 bis 25, wobei eine erste Oberfläche (312) des ersten Messarms einer zweiten Oberfläche (322) des zweiten Messarms gegenüberliegt, die erste und die zweite Oberfläche (312, 322) komplementär zueinander ausgebildet sind und Oberflächenbereiche mit einer Oberflächennormalen (322N) aufweisen, die einen Winkel zur relativen Auslenkung bilden.
Messelement nach einem der Ansprüche 18 bis 26, wobei eine Gesamtdicke (404) des ersten und zweiten Messarms in einem Zustand ohne Einwirkung einer zu messenden Kraft variiert und/oder variierbar ist.
Messelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Wechselwirkungsbereich eine variierende Gesamtdicke aufweist, die durch eine variierende Dicke des ersten und/oder des zweiten Messarms (410D, 420D) im Bereich von +- 200 µm hervorgerufen ist.
Messelement nach Anspruch 27 oder 28, wobei der Wechselwirkungsbereich zumindest drei Bereiche mit jeweils unterschiedlicher Gesamtdicke aufweist.
Messelement nach einem der Ansprüche 18 bis 29, wobei in einem ersten Verbindungsbereich (415), der mit dem ersten Messarm (410) gekoppelt ist, und/oder einem zweiten Verbindungsbereich (425), der mit dem zweiten Messarm (420)gekoppelt ist, und/oder dem Verformungsabschnitt (430) ein Aktuatorelement (445) mit einstellbarer Streckung/Kontraktion vorgesehen ist.
Messelement nach Anspruch 30 in Verbindung mit Anspruch 27, wobei die Gesamtdicke (404) durch das eine oder die mehreren Aktuatorelemente in einem Bereich von 0,2 mm bis 2,0 mm einstellbar ist.
Messelement nach Anspruch 30 oder 31, wobei eines des einen oder der mehreren Aktuatorelemente als Sensor zur Bereitstellung eines Signal verwendbar ist, das zur Auswertung und/oder Kalibrierung verwendbar ist.
Messelement nach einem der Ansprüche 18 bis 32, wobei ein Positionierelement an dem ersten und/oder dem zweiten Messarm zur Positionierung einer Kalibriermasse oder eines Kalibrierlängenelements vorgesehen ist.
Messelement (200) zur Erfassung von Kräften, mit einem sich in einer Längsrichtung (L) des Messelements erstreckenden ersten Messarm (210) mit einem vorderen Bereich (210A) und einem hinteren Bereich (210B), einem sich in Längsrichtung erstreckenden zweiten Messarm (220) mit einem vorderen Bereich (220A) und einem hinteren Bereich (220B), wobei die hinteren Bereiche (210B, 220B) des ersten und des zweiten Messarms in einer zur Längsrichtung (L) senkrechten Richtung relativ zueinander auslenkbar und die vorderen Bereiche (210A, 220A) fest miteinander verbunden sind, so dass auf Seite der Krafteinwirkung eine geschlossene Konfiguration der Messarme (210, 220) gebildet ist, und einer Detektiereinrichtung (251) zur Erfassung einer Größe eines Zwischenraums (202, 202A), der durch die hinteren Bereiche (210B, 220B) des ersten und zweiten Messarms (210, 220) gebildet ist.
Messelement nach Anspruch 34, wobei die Detektiereinrichtung eine oder mehrere auf Verformung des hinteren Bereichs des ersten und/oder des zweiten Messarms ansprechende Wandlereinheiten umfasst.
Messelement nach Anspruch 34 oder 35, wobei die Detektiereinrichtung eine den Abstand zwischen dem hinteren Bereich (210B) des ersten Messarms und dem hinteren Bereich (220B) des zweiten Messarms erfassende Einrichtung umfasst.
Messelement nach einem der Ansprüche 34 bis 36, wobei der erste und der zweite Messarm auf einer den vorderen Bereichen (210A, 220A) abgewandten Seite elastisch miteinander gekoppelt sind.
Messelement nach Anspruch 37, wobei die elastische Kopplung durch einen Verformungsabschnitt (230) erfolgt, der mit einer oder mehreren, eine Verformung des Verformungsabschnitts erfassenden Wandlereinheiten versehen ist.
Messsystem zur Erfassung von Kräften mit einem Messelement nach einem der Ansprüche 1 bis 38 und einer mit dem Messelement koppelbaren Kalibriereinheit, die im gekoppelten Zustand eine Position an dem ersten und/oder zweiten Messarm zur Beaufschlagung mit einer Kalibriermasse oder zum Anlegen eines Kalibrierlängenelements festlegt.
Verfahren zur Bereitstellung eines Messelements (100, 200, 400, 800) zur Erfassung von Kräften, mit einem sich in einer Längsrichtung (L) des Messelements (100, 200, 400, 800) erstreckenden ersten Messarm (110, 210, 410, 810), einem sich in Längsrichtung (L) erstreckenden zweiten Messarm (120, 220, 420, 820), wobei der erste und der zweite Messarm in einer zur Längsrichtung senkrechten Richtung relativ zueinander auslenkbar sind, einem Verformungsabschnitt (130, 230, 430, 830), der den ersten Messarm (110, 210, 410, 810) und den zweiten Messarm (120, 220, 420, 820) elastisch verformbar miteinander verbindet und eine dem ersten und zweiten Messarm zugewandte erste Seite (130A) und eine vom ersten und zweiten Messarm abgewandte zweite Seite (130B) aufweist, und mindestens einer auf der ersten (130A) oder zweiten (130B) Seite des Verformungsabschnitts (130, 230, 430, 830) angeordneten, auf Verformung ansprechenden Wandlereinheit (140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148), die vollständig innerhalb des Verformungsabschnitts (130, 230, 430, 830) liegt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Auswählen eines Materials für die Herstellung zumindest des Verformungsabschnitts, Festlegen mindestens eines Messbereichs für durch relative Auslenkung des ersten und zweiten Messarms zu messende Kräfte, Auswählen eines Materials und einer Funktionsweise für eine oder mehrere auf Verformung ansprechende Wandlereinheiten, Ermitteln einer simulierten geometrischen Gestaltung des Verformungsabschnitts unter Zugrundelegung von Materialeigenschaften des ausgewählten Materials und des festgelegten Messbereichs durch Ausführung einer Simulationsrechnung, und Herstellen des Verformungsabschnitts aus dem ausgewählten Material durch Nachbildung der simulierten geometrischen Gestaltung.
Verfahren nach Anspruch 40, das ferner umfasst: Ermitteln einer Position zumindest einer Wandlereinheit der einen oder mehreren Wandlereinheiten auf dem Verformungsabschnitt durch die Simulationsrechnung.
Verfahren nach einem Anspruch 40 oder 41, wobei die Simulationsrechnung nach der Methode der finiten Elemente ausgeführt wird.