DE10330090A1

DE10330090A1 - Force sensor has stiff steel membrane across a shell round a bolt with strain gauges in Wheatstone bridge to measure forces perpendicular to axis

Info

Publication number: DE10330090A1
Application number: DE10330090A
Authority: DE
Inventors: Michael Munz; Anton Dukart; Helmut Grutzeck; Conrad Haeussermann; Klaus Kasten; Uwe Schiller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2005-01-20

Abstract

A force sensor has a stiff steel membrane (3) across a shell (1) around a bolt (2) with a separation between bolt and shell so that the membrane is stretched (12) by forces perpendicular to the bolt axis and compression (13) and tension (12) strain sensors (14-16) in a Wheatstone bridge detect the force.

Description

Stand der TechnikState of technology

Die Erfindung geht aus von einem Kraftmesselement nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.The The invention is based on a force-measuring element of the type of independent Claim.

Aus DE 100 12 983 A1 ist ein Kraft-Momenten-Sensor bekannt, bei dem drei Kraftmessrohre im Winkel von 120° zueinander angeordnet sind. Die Kraftmessrohre sind über je ein dem Gehäusemittelpunkt zugewandten Ende mit dem Gehäuseboden fest verbunden. Sie nehmen über die anderen freien Enden je einen Schraubbolzen auf, der in der Seitenwand des Gehäusedeckels eingesetzt ist. Nur Kräfte quer zu den Kraftmessrohren übertragen kann. Die Kraftmessrohre sind nahe den fest eingespannten Enden mit zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Querbohrungen versehen, die den Rohrquerschnitt auf 4 Stege reduzieren. Dort werden Dehnmessstreifen fixiert, zur Messung der auf das Kraftmessrohr übertragenen Querkraft nach Betrag und Richtung, wobei je zwei gegenüberliegende Dehnmessstreifen eine Komponente dieser Querkraft messen. Über die insgesamt 6 so bestimmten Lagerkraftkomponenten kann die resultierende von außen einwirkende Last bestehend aus je drei Kraft- und Momentenkomponenten berechnet werden.Out DE 100 12 983 A1 is a force-torque sensor is known in which three force measuring tubes are arranged at an angle of 120 ° to each other. The force measuring tubes are permanently connected to the housing bottom via a respective end facing the housing center. They take on the other free ends depending on a bolt, which is inserted in the side wall of the housing cover. Only forces can transmit across the force measuring tubes. The force measuring tubes are provided near the clamped ends with two transverse holes arranged at right angles to each other, which reduce the tube cross section to 4 webs. There strain gauges are fixed, for measuring the transmitted to the force measuring tube transverse force by magnitude and direction, with two opposite strain gauges measure a component of this transverse force. Over the total of six bearing force components determined in this way, the resulting external load can be calculated consisting of three force and torque components each.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Das erfindungsgemäße Kraftmesselement mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, dass eine erheblich einfachere Konstruktion zur Messung der Kraft verwendet wird. Das Kraftmesselement kann leicht in einer Massenproduktion hergestellt werden und kann leicht beispielsweise in Sitzen zur Gewichtskraftmessung eingesetzt werden. Es ist möglich, das Kraftmesselement jedoch auch an anderen Geräten zur Kraftmessung einzusetzen. Das erfindungsgemäße Kraftmesselement ermöglicht auch die Momentenmessung, wobei das Kraftmesselement entweder eine Schraube oder ein Bolzen sein kann und damit mit einem minimalen Bauraum auskommt.The Force measuring element according to the invention with the characteristics of the independent Claim has opposite the advantage of having a much simpler design for measurement the force is used. The force measuring element can easily in one Mass production can be made and can be easily for example be used in seats for weight measurement. It is possible that However, to use force measuring element also on other devices for force measurement. The force measuring element according to the invention allows also the moment measurement, wherein the force measuring element either a Screw or a bolt can be and therefore with a minimum Installation space manages.

Als Messprinzip zur Kraftmessung wird dabei eine Membran verwendet, die in der Mitte von einem Bolzen gehalten wird und die außen mit einer Hülse umfasst ist. Die Hülse wird dabei so gestaltet, dass sie den Kraftsensor bei Überlast schützt. Ein weiterer Vorteil dabei ist, dass nur eine geringe erforderliche Dichtungsfläche, das ist der Spalt zwischen der Hülse und dem Bolzen bzw. der Schraube erforderlich ist. Entscheidend ist, dass es auf der Membran dehnungsintensive Bereiche gibt, an denen eine Sensorik zur Messung der Dehnung angebracht ist, wobei die Dehnung ein Maß für die Kraft ist. Diese dehnungsintensiven Bereiche sollten vorzugsweise aus einem hochfesten Material wie z. B. einem hochfesten Stahl sein, während die restlichen Elemente mit einem weniger festen Material ausgebildet sein können. Idealerweise sollte die Kraft derart auf die Hülse aufgebracht werden, dass die Kraftrichtung senkrecht zum Bolzen ist. Es ist jedoch möglich, dass die Kraft in einem anderen Winkel auf die Hülse aufgebracht wird, wobei dann das erfindungsgemäße Kraftmesselement im wesentlichen die Kraftkomponente senkrecht zum Bolzen misst, die die Dehnung an der Membran im wesentlichen verursacht.When Measuring principle for force measurement while a membrane is used, which is held in the middle by a bolt and the outside with a sleeve comprises is. The sleeve It is designed so that it the force sensor in case of overload protects. Another advantage is that only a small required sealing surface, the is the gap between the sleeve and the bolt or the screw is required. critical is that there are strain-intensive areas on the membrane in which a sensor for measuring the strain is attached, wherein the Stretching is a measure of the strength is. These strain-intensive areas should preferably consist of a high-strength material such. As a high-strength steel, while the remaining elements formed with a less solid material could be. Ideally, the force should be applied to the sleeve in such a way that the direction of force is perpendicular to the bolt. It is possible, however, that the force is applied to the sleeve at a different angle, taking then the force measuring element according to the invention essentially measures the force component perpendicular to the bolt, which essentially causes the strain on the membrane.

Die Applizierung bzw. Aufbringung der dehnungsmessenden Sensorik ist besonders einfach, da sich diese in einer Ebene befinden. So können auch Dünnschichtverfahren zum Aufbringen der dehnungsmessenden Sensorik verwendet werden. Die dehnungsmessende Sensorik kann aus mehreren dehnungsmessenden Elementen bestehen.The Applizierung or application of the strain-measuring sensor is especially simple, because they are in one plane. So can also thin-film process be used for applying the strain-measuring sensor. The strain-measuring sensor can consist of several strain gauges Elements exist.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Kraftmesselements möglich.By those in the dependent Claims listed measures and further developments are advantageous improvements of the independent claim specified force element possible.

Besonders vorteilhaft ist, dass das erfindungsgemäße Kraftmesselement einstückig ausgeführt werden kann. Dies ermöglicht eine besonders einfache Herstellung des erfindungsgemäßen Kraftmesselements. Insbesondere kann dabei das Kraftmesselement rotationssymmetrisch ausgeführt sein, wobei leichte Abweichungen von der Rotationssymmetrie die Funktion des Kraftmesselements nicht beeinflussen. Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Kraftmesselement als Schraube ausgeführt. Dies ermöglicht den besonders einfachen Einbau des Kraftmesselements in verschiedenen Anwendungen, beispielweise um die auf ein Fahrzeugsitz aufgebrachte Gewichtskraft zu messen.Especially It is advantageous that the force measuring element according to the invention are made in one piece can. this makes possible a particularly simple production of Kraftmesselements invention. In particular, the force measuring element can be rotationally symmetrical accomplished be, with slight deviations from the rotational symmetry the Do not influence the function of the force measuring element. Preferably is the force measuring element according to the invention designed as a screw. this makes possible the particularly simple installation of the force measuring element in different Applications, such as the applied to a vehicle seat weight to eat.

Es ist von Vorteil, dass die dehnungsmessende Sensorik Dehnmessstreifen aufweist, die vorzugsweise in einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet sind, um eine genaue Messung zu ermöglichen. Alternativ ist es möglich, dass die Sensorik piezoresistive Elemente aufweist, um über den piezoresistiven Defekt die Dehnung zu messen. Diese Elemente können in einem Dünnschichtverfahren auf die Membran des Kraftmesselements aufgebracht werden.It is an advantage that the strain-measuring sensors strain gauges which is preferably connected in a Wheatstone bridge are to allow an accurate measurement. Alternatively it is possible, in that the sensor system has piezoresistive elements in order to pass over the piezoresistive defect to measure the strain. These elements can be found in a thin-film process be applied to the diaphragm of the force measuring element.

In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Schwinge zur Krafteinleitung dient. Dies ermöglicht eine definierte Krafteinleitung. Die Schwinge ist dabei mit der Hülse in Wirkverbindung.In a development is envisaged that a rocker for force application serves. this makes possible a defined force introduction. The swingarm is doing with the Sleeve in Operatively connected.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass zwischen einer Schwinge und dem Kraftmesselement eine Gelenkpfanne vorgesehen ist, um eine Entkopplung von Momenten in X-, Y- und Z-Richtung zu erreichen. Wird die Schwinge verwendet und auch eine feste Einspannung des Kraftmesselements zur Kraftableitung, dann können einige oder alle Momente vom Kraftmesselement entkoppelt werden. Zwischen der Hülse und dein Bolzen kann in dem Zwischenraum ein Ring zur Kraftbegrenzung vorgesehen sein.Furthermore, it can be provided that between a rocker and the force measuring element a socket is provided to achieve a decoupling of moments in the X, Y and Z directions. If the rocker is used and also a firm clamping of the force-measuring element for power dissipation, then some or all moments can be decoupled from the force measuring element. Between the sleeve and your bolt may be provided in the space a ring for limiting the force.

Anstatt das erfindungsgemäße Kraftmesselement einstückig auszuführen, ist es möglich, Hülse, Bolzen und Membran durch Fügestellen zu verbinden. Als Fügetechnik kann beispielsweise Schweißen verwendet werden. Dabei ist es insbesondere möglich, unterschiedliche Materialien für Hülse, Membran und Bolzen zu verwenden. Auch die Herstellungstechnik kann damit noch weiter vereinfacht werden. Die Fügestellen sind dabei leicht zugänglich und ermöglichen somit ein einfaches Verbinden der Komponenten. Die Fügestellen zwischen der Hülse und der Membran sowie der Membran und dem Bolzen können zu einander versetzt sein. Dies ermöglicht eine noch einfachere Fertigung des erfindungsgemäßen Kraftmesselements.Instead of the force measuring element according to the invention one piece perform, Is it possible, Sleeve, bolt and membrane by joints connect to. As joining technology can, for example, welding be used. It is possible in particular, different materials for sleeve, membrane and to use bolts. Even the manufacturing technology can do so be further simplified. The joints are easy accessible and enable thus a simple connection of the components. The joints between the sleeve and the membrane and the membrane and the bolt can be offset to each other. this makes possible an even simpler production of Kraftmesselements invention.

Weiterhin ist es von Vorteil, dass das Kraftmesselement durch eine entsprechende Gestaltung des Bolzens, der Membran und der Hülse nach innenzeigende Freiräume aufweist, um die dehnungsintensiven Bereiche auf der Membran noch besser und empfindlicher zu gestalten. Dies ermöglicht einen größeren Hub in der Dehnung in Abhängigkeit von der Kraft und damit eine bessere Messung der Kraft.Farther It is advantageous that the force measuring element by a corresponding Design of the bolt, the membrane and the sleeve has internally pointing clearances, even better and around the stretch-intensive areas on the membrane more sensitive. This allows a larger stroke in the elongation depending on the force and thus a better measurement of the force.

Vorteilhafterweise kann das Membranelement lediglich ringförmig ausgeführt sein, um damit nur in den dehnungsintensiven Bereichen angeordnet zu sein, was einen Materialersparnis des hochfesten Materials bedeutet.advantageously, the membrane element can be made only annular, so that only in the stretch-intensive areas to be arranged, resulting in a material savings of the high strength material.

Schließlich können die Fügestellen auch ringförmig ausgeführt sein, was eine besonders einfache Fertigung des erfindungsgemäßen Kraftmesselements bedeutet. Dabei kommt dann die ringförmige Membran zum Einsatz.Finally, the joints also ring-shaped accomplished be, which is a particularly simple production of Kraftmesselements invention means. In this case, then the annular membrane is used.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung ausführlich beschrieben.embodiments The invention are illustrated in the drawings and in the detailed description below described.

Es zeigenIt demonstrate

1a eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Kraftmesselements, 1a a front view of the force measuring element according to the invention,

1b eine Seitenansicht im Schnitt, 1b a side view in section,

1c einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Kraftmesselement, 1c a section through the force measuring element according to the invention,

2a einen seitlichen Schnitt des Kraftmesselements im montierten Zustand, 2a a lateral section of the force measuring element in the mounted state,

2b einen Schnitt durch das Kraftmesselement, 2 B a section through the force measuring element,

3a ein Kraftmesselement mit Gelenkpfanne, 3a a force measuring element with joint socket,

3b den entsprechenden Schnitt durch das Kraftmesselement, 3b the corresponding section through the force measuring element,

4 eine Seitenansicht im Schnitt, 4 a side view in section,

5 eine zweite Seitenansicht im Schnitt, 5 a second side view in section,

6 eine dritte Seitenansicht im Schnitt, 6 a third side view in section,

7a eine Draufsicht, 7a a top view,

7b eine vierte Seitenansicht im Schnitt, 7b a fourth side view in section,

8 eine weitere Vorderansicht mit einer Variation der dehnungsmessenden Elemente, 8th another front view with a variation of the strain gauges,

9 eine weitere Vorderansicht mit einer weiteren Variation der dehnungsmessenden Elemente, 9 another front view with a further variation of the strain-measuring elements,

10 eine weitere Vorderansicht mit einer weiteren Variation der dehnungsmessenden Elemente und 10 another front view with a further variation of the strain gauges and

11 eine fünfte Seitenansicht im Schnitt. 11 a fifth side view in section.

Beschreibungdescription

Bei bekannten Kraftsensoren werden S- oder stabförmige Elemente eingesetzt, die sich bei Kraft- oder Momenteneinwirkung verformen. Nachteilig an diesen Formen ist der große Bauraum und die schwierige Integrierbarkeit in bisherigen Befestigungselemente wie Schrauben oder Bolzen.at known force sensors S- or rod-shaped elements are used, which deform during the application of force or torque. adversely in these forms is the great one Space and difficult integration in previous fasteners like screws or bolts.

Erfindungsgemäß wird ein Kraftmesselement vorgeschlagen, das eine Kraft- und/oder Momentenmessung mit einer speziell gestalteten Schraube oder Bolzen ermöglicht. Das Kraftmesselement besteht aus einfachen geometrischen Elementen, die sich einfach fertigen lassen und einen minimalen Bauraum ermöglichen.According to the invention is a Force measuring element proposed that a force and / or moment measurement with a specially designed screw or bolt allows. The force measuring element consists of simple geometric elements, which are easy to manufacture and allow minimal space.

Die Platzierung der dehnungsmessenden Sensorik, denn über die Dehnung wird die Kraft mit dem Kraftmesselement gemessen, gewährleistet, das nur Kräfte hauptsächlich in einer Richtung sensiert werden können.The Placement of the strain-measuring sensors, because of the Elongation, the force is measured with the force measuring element ensures that only powers mainly can be sensed in one direction.

Den grundsätzlichen Aufbau des Kraftmesselements zeigen 1a und b. Das Kraftmesselement besteht im wesentlichen aus rotationssymmetrischen Teilen, wobei leichte Abweichung von der Rotationssymmetrie die Funktion nicht beeinflussen. 1a zeigt eine Vorderansicht des Kraftmesselements. In der Vorderansicht ist lediglich die Membran 3 mit den aufgebrachten dehnungsabhängigen Widerständen 14 und die sie verbindenden Leitungen 15 sowie der elektrischen Anschlüsse 16 zu sehen. Die dehnungsabhängigen Widerstände 14 sind zum einen in einem Bereich 12a angeordnet, der bei Lastaufbringung unter Zugspannung steht. Zum anderen sind sie in einem Bereich 13a angeordnet, der bei Lastaufbringung unter Druckspannung steht. Der Bereich 12a ist der Zugspannungsbereich, während der Bereich 13a der Druckspannungsbereich bei der gezeigten Kraftwirkungsrichtung F ist. Wirkt die Kraft F in entgegengesetzter Richtung als gezeigt, so wechseln Zug in Druck und Druck in Zug. Zur Messung der aus der Spannung resultierenden Dehnungen wird jeweils ein Widerstand verwendet. Zwischen diesen beiden Bereichen sind jeweils zwei weitere Widerstände angeordnet, die in einem wenig dehnungsintensiven Bereich auf der Membran 3 platziert sind. Damit ist es möglich, durch die Schaltung dieser Widerstände 14 in einer Wheatstoneschen Brücke eine sehr exakte Messung durch Auswertung der Differenzspannung zu erzielen. Es sind auch andere Brücken- bzw. Auswerteschaltungen möglich. Die elektrischen Anschlüsse 16 werden mit Auswerteschaltkreisen, wie beispielsweise einen Mikrocomputer verbunden. Dieser Mikrocomputer kann in einem Kraftfahrzeug vorzugsweise in einem Steuergerät angeordnet sein. Bei den 1a, b und c geben jeweils die unten angeordneten Koordinatensysteme die Richtung an. Dies gilt auch für die 2a, 2b, 3a, 3b und 8.Show the basic structure of the power element 1a and b. The force measuring element consists essentially of rotationally symmetric parts, with slight deviation from the rotational symmetry does not affect the function. 1a shows a front view of the force measuring element. In the front view is only the membrane 3 with the applied strain-dependent resistors 14 and the lines connecting them 15 as well as the electrical connections 16 to see. The strain-dependent resistors 14 are on the one hand in an area 12a arranged, which is under load application under load. For another, they are in one area 13a arranged, which is under compressive stress during load application. The area 12a is the tensile stress range, while the range 13a the compressive stress range in the force action direction F shown is. If the force F acts in the opposite direction as shown, then the train changes to pressure and pressure. For measuring the strain resulting from the stress, a resistor is used in each case. In each case two further resistors are arranged between these two regions, which in a region of low elongation on the membrane 3 are placed. This makes it possible by switching these resistors 14 in a Wheatstone bridge to achieve a very accurate measurement by evaluation of the differential voltage. There are also other bridge or evaluation circuits possible. The electrical connections 16 are connected to Auswerteschaltkreis, such as a microcomputer. This microcomputer may preferably be arranged in a motor vehicle in a control unit. Both 1a , b and c respectively indicate the direction of the coordinate systems arranged below. This also applies to the 2a . 2 B . 3a . 3b and 8th ,

1b zeigt eine Seitenansicht im Schnitt des erfindungsgemäßen Kraftmesselements. Das Kraftmesselement weist einen Bolzen auf, der ein Gewindeteil 17 mit der Membran 3 verbindet. Die Membran 3 hat einen größeren Durchmesser als der Bolzen 2 und ist in ihren Außenbereichen mit einer Hülse 1 verbinden, die ebenfalls rotationssymmetrisch wie die Membran 3 und der Bolzen 2 und der Gewindeteil 17 sind. Die Membran 3 weist im äußeren Drittel jeweils Aushebungen 200 auf, die dann die dehnungsintensiven Bereiche 4 definieren. Die Hülse 1 weist hier einen Absatz 19 auf auf den die Kraft F senkrecht zur Längsrichtung des Bolzens 2 bzw. des Gewindeteils 17 aufgebracht wird. Zwischen der Hülse 1 und dem Bolzen 2 ist ein Zwischenraum 21 definiert, der durch die Aufbringung der Kraft F verkleinert wird, so dass sich die dehnungsintensiven Bereiche 4 unter Druck- bzw. Zugspannung befinden. Die Hülse 1 und die Membran 3 sind über eine Fügestelle 11 miteinander verbunden. Die Membran 3 und der Bolzen 2 sind über eine Fügestelle 10 miteinander verbinden. Als Fügetechnik kann hier die Schweißtechnik verwendet werden. 1b shows a side view in section of the force measuring element according to the invention. The force measuring element has a bolt, which is a threaded part 17 with the membrane 3 combines. The membrane 3 has a larger diameter than the bolt 2 and is in its exterior with a sleeve 1 connect, which is also rotationally symmetric as the membrane 3 and the bolt 2 and the threaded part 17 are. The membrane 3 has elevations in the outer third 200 on, then the stretch-intensive areas 4 define. The sleeve 1 has a paragraph here 19 on to the force F perpendicular to the longitudinal direction of the bolt 2 or the threaded part 17 is applied. Between the sleeve 1 and the bolt 2 is a gap 21 defined, which is reduced by the application of force F, so that the strain-intensive areas 4 under pressure or tension. The sleeve 1 and the membrane 3 are about a joint 11 connected with each other. The membrane 3 and the bolt 2 are about a joint 10 connect with each other. As joining technique here the welding technique can be used.

1c zeigt einen Schnitt durch das Kraftmesselement an der markierten Stelle A, so dass der Schnitt durch den Bolzen 2 geht, aber nicht die Hülse 1 schneidet. Daher kann im Schnitt A-A in 1c der Bolzen 2, der Zwischenraum 21 und die Hülse 1 gesehen werden. Die Hülse 1 zeigt auch den Absatz 19, der durch die weitere innere Kreislinie definiert ist. 1c shows a section through the force measuring element at the marked point A, so that the section through the bolt 2 goes, but not the sleeve 1 cuts. Therefore, in section AA in 1c the bolt 2 , The gap 21 and the sleeve 1 be seen. The sleeve 1 also shows the paragraph 19 which is defined by the further inner circle.

Die Krafteinleitung erfolgt über den Absatz 19 auf die Hülse 1 mit der Kraft F. Hierdurch wird ein Moment im Kraftmesselement erzeugt. Dieses Moment wirkt zwischen Hülse 1 und dem Bolzen 2 mit der dazwischen befindlichen Membran 3, die durch die Momenteneinleitung verwunden wird. Auf dem sich stark dehnenden ringförmig umlaufenden Teil der Membran 4, werden dehnungs- bzw. spannungsmessende Elemente, z. B. Dehnmessstreifen, piezoresistive Strukturen oder Dünnfilmstrukturen aufgebracht.The force is introduced via the heel 19 on the sleeve 1 with the force F. This creates a moment in the force measuring element. This moment acts between sleeve 1 and the bolt 2 with the membrane in between 3 , which is wound by the torque introduction. On the strongly expanding ring-shaped part of the membrane 4 , strain or stress measuring elements, z. As strain gauges, piezoresistive structures or thin film structures applied.

8, 9 und 10 zeigen Variationen der Anordnung der dehnungsmessenden Elemente. Der Vorteil dieser Anordnungen ist die Veränderung des Widerstandes aller vier Widerstände. Zwei liegen in einem unter Zugspannung stehenden Bereich, die restlichen zwei in einem unter Druckspannung stehenden Bereich. 8th . 9 and 10 show variations of the arrangement of the strain gauges. The advantage of these arrangements is the change in the resistance of all four resistors. Two are in a tensioned area, the remaining two are in a stressed area.

8 zeigt dehnungsmessende Elemente, die jeweils am Rand des dünnwandigen Membranbereiches angeordnet sind. Dabei sind die Widerstände 14 im Bereich 12a, 13b unter Zugspannung, wenn die Lastaufbringung in die negative Z-Richtung erfolgt. Die Widerstände 14 im Bereich 12b, 13a sind dabei unter Druckspannung. Die Anschlüsse 84 führen zu der Messauswertung. Auch hier sind die dehnungsabhängigen Widerstände 12a, 12b, 13a, 13b in einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet. 8th shows strain-measuring elements, which are each arranged at the edge of the thin-walled membrane region. Here are the resistances 14 in the area 12a . 13b under tensile stress when the load is applied in the negative Z direction. The resistors 14 in the area 12b . 13a are under compressive stress. The connections 84 lead to the measurement evaluation. Again, the strain-dependent resistors 12a . 12b . 13a . 13b connected in a Wheatstone bridge.

9 zeigt eine weitere Variation, die nur den Bereich 12a und 13a ausnutzt. Hier liegen die Widerstände 14 so, dass eine Kraft in negativer z-Richtung eine Zugspannung im Bereich 12a bewirkt und eine Druckspannung in 13a. 9 shows another variation, only the area 12a and 13a exploits. Here are the resistances 14 such that a force in the negative z-direction has a tensile stress in the range 12a causes and a compressive stress in 13a.

Eine ähnliche Anordnung ist auch mit dem Bereich 12b bzw. 13b möglich. Dies wird in 10 gezeigt. Hier liegen die Widerstände 14 so, dass eine Kraft in negativer z-Richtung eine Druckspannung im Bereich 12b bewirkt und eine Zugspannung in 13b.A similar arrangement is also with the area 12b respectively. 13b possible. This will be in 10 shown. Here are the resistances 14 such that a force in the negative z-direction has a compressive stress in the range 12b causes and a tensile stress in 13b ,

Die Aushebung 200 kann kreisförmig gestaltet sein. Dabei kann der Radius dieser Kreisform überall gleich sein. Eine Variation zeigt 11. Hier ist wieder der Bolzen 2 über die Membran 3 mit der Hülse 1 verbunden. Zur Optimierung des Messsignals kann der zum Bolzen 2 zeigende Anteil einer Teilkreisform 202 einen anderen vorzugsweise größeren Radius aufweisen als der zur Hülse 1 zeigende Anteil der Teilkreisform 201. Durch diese Gestaltung ist es möglich für die oben gezeigten Anordnungen der dehnungsmessenden Elemente die Dehnungsverteilung so anzupassen, dass das Messsignal der dehnungsmessenden Elemente maximal empfindlich auf die Einwirkung der Kraft F reagieren. Die Teilkreisformen können dabei auch durch parabelförmige, splineförmige oder andere Funktionen angenähert bzw. optimiert werden.The levy 200 can be circular. The radius of this circular shape can be the same everywhere. A variation shows 11 , Here is the bolt again 2 over the membrane 3 with the sleeve 1 connected. To optimize the measurement signal can be to the bolt 2 showing a share Part circularity 202 another preferably larger radius than that of the sleeve 1 showing part of the circle shape 201 , By means of this design, it is possible for the arrangements of the strain-measuring elements shown above to adapt the expansion distribution so that the measurement signal of the strain-measuring elements is as sensitive as possible to the action of the force F. The pitch circle shapes can also be approximated or optimized by parabolic, spline-shaped or other functions.

Die Kraft kann über eine feste Einsspannung abgeleitet werden.The Power can over a fixed Einsspannung be derived.

Dies wird in 2 gezeigt. Gleiche Elemente werden hier mit gleichem Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet. Nunmehr ist eine feste Einspannung 23 gezeigt, die beispielsweise durch ein Einschrauben des Gewindeteils 17 in ein Gewinde erfolgen kann. Zusätzlich ist in 2a, die auch eine weitere Seitenansicht im Schnitt des Kraftmesselements zeigt (2b), eine Schwinge 22 gezeigt, die zur Einleitung der Kraft dient. Hier wird also über die Schwinge 22 die Kraft eingeleitet und über die feste Einspannung 23 die Kraft abgeleitet. Prinzipiell ist es möglich, die Einspannung 23 und die Schwinge 22 zu vertauschen. Die Schwinge entkoppelt die Momente um die Y-Achse vom Kraftmesselement.This will be in 2 shown. Same elements are here with the same reference numerals as in 1 designated. Now is a fixed clamping 23 shown, for example, by screwing the threaded part 17 can be done in a thread. Additionally is in 2a , which also shows another side view in section of the force measuring element ( 2 B ), a swingarm 22 shown, which serves to initiate the force. So here is the swingarm 22 the force is introduced and the fixed clamping 23 the power derived. In principle, it is possible the clamping 23 and the swingarm 22 to swap. The rocker decouples the moments about the Y-axis of the force measuring element.

2b zeigt wiederum einen Schnitt durch das Kraftmesselement an der bezeichneten Stelle a, wobei hier neben dem Bolzen 2 und dem Zwischenraum 21 die Hülse 1 mit dem Absatz 19 zu sehen ist, sowie die Schwinge 22. 2 B again shows a section through the force measuring element at the designated point a, in which case next to the bolt 2 and the gap 21 the sleeve 1 with the paragraph 19 can be seen, as well as the swingarm 22 ,

3 zeigt im Bild a wiederum eine Seitenansicht des Kraftmesselements im Schnitt, wobei hier wiederum gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden. Hier wird jedoch eine umgestaltete Schwinge 24 und Hülse 1 verwendet. Die Hülse kann einen Freiraum 31 aufweisen, um der Schwinge 24 in Drehrichtung 32 das nötige Spiel zu geben. 3 shows in the picture a in turn a side view of the force measuring element in section, in which case the same parts are designated by the same reference numerals. Here, however, is a redesigned swingarm 24 and sleeve 1 used. The sleeve can be a free space 31 exhibit to the swingarm 24 in the direction of rotation 32 to give the necessary game.

Die Drehrichtung 32 in 3a und 3b zur Momentenentkopplung in alle Raumachsen sind beispielsweise durch Gelenkpfannen 25 an der Schwinge 24 ermöglicht. Die Gelenkpfanne kann aus zwei ineinander greifenden Elementen bestehen, die jeweils eine kugelförmige Oberfläche 25 mit, in 3a gezeigten, gleichem Mittelpunkt M und gleichem Radius 30 aufweisen. Die kugelförmige Fläche der Schwinge 24 zeigt nach innen (zur Mitte M), die kugelförmige Fläche des Lagers 26 nach aussen vom Mittelpunkt M weg. Beide Flächen zueinander können ein leichtes Spiel aufweisen, um die Drehbewegung zu ermöglichen.The direction of rotation 32 in 3a and 3b for torque decoupling in all spatial axes, for example, by sockets 25 on the swingarm 24 allows. The socket can consist of two interlocking elements, each having a spherical surface 25 with in 3a shown, the same center M and the same radius 30 exhibit. The spherical surface of the swingarm 24 points inwards (to center M), the spherical surface of the bearing 26 outward from the center M away. Both surfaces to each other can have a slight play to allow the rotational movement.

3b zeigt wiederum den Schnitt an der markierten Stelle A, wobei lediglich der Bolzen 2 geschnitten ist und eine Vorderansicht der Hülse 1 der Schwinge 24, die beweglich um die X-, Y-, Z-Achse mit der Gelenkpfanne 25. 3b again shows the section at the marked point A, where only the bolt 2 is cut and a front view of the sleeve 1 the swingarm 24 Moving around the X, Y, Z axis with the socket 25 ,

Im allgemeinen kann, wenn die Kraft über Zwischenelemente auf das Kraftmesselement eingeleitet wird, eine Entkopplung von Momenten erfolgen, wenn diese Zwischenelemente als Gelenk ausgeführt werden.in the general, when the force on intermediate elements on the Force measuring element is initiated, a decoupling of moments take place when these intermediate elements are designed as a joint.

4 zeigt eine weitere Seitenansicht im Schnitt. Wiederum ist der Gewindeteil 17 in der festen Einspannung 23 verschraubt, der Bolzen 2 ist mit der Membran 3 über die Fügestelle 10 verbunden und die Membran 3 über die Fügestellen 11 mit der Hülse 1. Zusätzlich ist hier am Bolzen 2 ein Abstandsring 20 angebracht, der als Kraftbegrenzung dient. Ist der Abstand 21 durch die aufgebrachte Kraft auf die Hülse 1 auf 0 verringert, liegt also die Hülse 1 auf dem Abstandsring 20 auf, dann kommt es zur Kraftbegrenzung, da keine weitere Kraft mehr aufgebracht werden kann und zu keiner weiteren Dehnung führt. Diese Funktion wird in den restlichen Figuren durch entsprechend gewählte Maße realisiert. Das Besondere an dieser Ausführung ist, dass die Fügestellen 10 und 11 entfallen können und das Kraftmesselement einfach aus einem Stück gefertigt werden kann. Dies ist möglich, da vor dem Aufbringen des Abstandsringes der Innenraum 63 für die Bearbeitung vereinfacht zugänglich ist. 4 shows another side view in section. Again, the threaded part 17 in the fixed clamping 23 screwed down, the bolt 2 is with the membrane 3 over the joint 10 connected and the membrane 3 over the joints 11 with the sleeve 1 , In addition, here is the bolt 2 a spacer ring 20 attached, which serves as a force limit. Is the distance 21 by the applied force on the sleeve 1 reduced to 0, so is the sleeve 1 on the spacer ring 20 on, then it comes to limiting the force, since no more force can be applied and leads to no further stretching. This function is realized in the remaining figures by appropriately selected dimensions. The special feature of this design is that the joints 10 and 11 can be omitted and the force measuring element can be easily made from one piece. This is possible because prior to the application of the spacer ring of the interior 63 is easily accessible for editing.

5 zeigt eine weitere Seitenansicht im Schnitt. Nunmehr sind die Fügestellen 11 und die Fügestellen 10 nicht mehr wie in 4 in einer Ebene, sondern versetzt zueinander. Der Versatz 50 ermöglicht eine bessere Fertigung des erfindungsgemäßen Kraftmesselements. 5 shows another side view in section. Now the joints are 11 and the joints 10 not like in 4 in a plane, but offset each other. The offset 50 allows a better production of the force measuring element according to the invention.

6 zeigt das Kraftmesselement mit einer einstückigen Membran und Hülse 60, die wie auch der Bolzen 62 mit der Phase 61 derart geformt sind, dass Freiräume 63 zur Herstellung der dehnungsintensiven Bereiche nach innen geformt sind. Die Fügestellen 10 und 11 dienen wieder zu Verbindung von Bolzen 1 Membran 60 und Bolzen 62. 6 shows the force measuring element with a one-piece membrane and sleeve 60 as well as the bolt 62 with the phase 61 are shaped so that open spaces 63 are formed to produce the strain-intensive areas inside. The joints 10 and 11 serve again for connection of bolts 1 membrane 60 and bolts 62 ,

7a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftmesselements. Hier sind zwei ringförmige Fügestellen 10 und 11 vorgesehen, die es ermöglichen, dass die Membran 70 ringförmig ist. Der Bolzen 72 ist daher an der Oberfläche zu sehen, wie auch die ringförmige Hülse 71. Dies ermöglicht einen sparsamen Einsatz des für die Membran 70 zu verwendenden Materials, also ein hochfester Stahl. 7b zeigt ein Seitenansicht im Schnitt dieses Ausführungsbeispiels. 7a shows a further embodiment of the force measuring element according to the invention. Here are two annular joints 10 and 11 provided that allow the membrane 70 is annular. The bolt 72 is therefore visible on the surface, as well as the annular sleeve 71 , This allows for economical use of the membrane 70 to be used material, so a high-strength steel. 7b shows a side view in section of this embodiment.

Hierbei ist zu sehen, dass das Kraftmesselement mit der ringförmigen Membran 70 und wiederum den Gewindeteil 17 in einer festen Einspannung 23 zugeordnet ist.It can be seen that the force measuring element with the annular membrane 70 and again around the threaded part 17 in a fixed clamping 23 assigned.

Claims

Force measuring element with a bolt ( 2 ), on your one membrane ( 3 ), wherein the membrane ( 3 ) of a sleeve ( 1 ) is surrounded, transverse to the longitudinal direction of the bolt ( 2 ) is applied a force component to be measured, wherein the sleeve ( 1 ) so to the bolt ( 2 ) is spaced apart that the membrane ( 3 ) is stretched as a function of the force component, wherein on the membrane ( 3 ) a sensor system ( 14 to 16 ) is provided for measuring the strain.

Force measuring element according to claim 1, characterized in that the force measuring element with bolts ( 2 ) with the membrane ( 3 ) and with the sleeve ( 1 ) is made in one piece.

Force measuring element according to claim 1 or 2, characterized in that the force measuring element as a screw ( 17 ) is executed.

Force measuring element according to one of the preceding claims, characterized in that this sensor ( 14 to 16 ) Has strain gauges for measuring elongation.

Force measuring element according to claim 1, characterized that the sensors use piezoresistive elements to measure the strain having.

Force measuring element according to claim 4 or 5, characterized in that the sensor system is applied by thin-film technology.

Force measuring element according to claim 4, 5 or 6, characterized characterized in that this sensor is a Wheatstone bridge as having a circuit.

Force measuring element according to claim 7, characterized in that the Wheatstone bridge comprises two resistors in a region under compressive stress ( 12b . 13a ) and two further resistors in a tensioned area ( 12a . 13b ) having.

Force measuring element according to claim 7, characterized that the Wheatstone bridge a first resistor in a region under compressive stress, a second resistor in a tensioned area, and two more resistors in a low-expansion region.

Force measuring element according to one of the preceding claims, characterized in that a rocker ( 22 . 24 ) is provided for the introduction of force.

Force measuring element according to claim 10, characterized in that with the rocker a joint socket ( 25 ) is provided for decoupling the moments.

Force measuring element according to one of the preceding claims, characterized in that on the bolt a spacer ring ( 20 ) is provided, which serves to limit the force.

Force measuring element according to claim 1, characterized that at least one joint is provided in the force measuring element for connection.

Force measuring element according to claim 13, characterized that at two joints the joints offset from each other.

Force measuring element according to one of the preceding claims, characterized in that the force-measuring element is designed such that internally pointing free spaces ( 200 ) are adapted to strain-sensitive areas in the membrane ( 3 ) define.

Force measuring element according to claim 15, characterized in that the free spaces ( 200 ) Are elevations that are circular.

Force measuring element according to claim 15, characterized in that the excavation ( 200 ) a first pitch circle shape ( 201 ) and a second pitch circle shape ( 202 ), wherein the first pitch circle ( 201 ) to the sleeve ( 1 ) and the second pitch circle shape ( 202 ) to the bolt ( 2 ) and the first and second pitch circle shape ( 201 . 202 ) are each designed differently.

Force measuring element according to claim 17, characterized in that the first pitch circle ( 201 ) a smaller radius than the second pitch circle shape ( 202 ) having.

Force measuring element according to claim 17, characterized that the pitch circle shapes each designed parabolic or spline-shaped are.

Force measuring element according to one of claims 13 or 14, characterized in that the joints are annular are to make it an annular Define membrane.

Force measuring element according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane ( 3 ) is made of a high strength steel.

Force measuring element according to one of the preceding claims, characterized in that the force measuring element substantially rotations is symmetrical.