DE1929479A1 - Kraftaufnehmer mit mindestens einem zwischen zwei Kraftuebertragungslagern angeordneten Piezoelement - Google Patents

Description

KISTLER INSTRUMENTE AG WINTEfI¹THUR

Kraftauf nehmer mit mindestens einem zwischen zwei Kraftüoertragungslagern angeordneten Piezoelement

Die Messung dynamischer Kräfte spielt in der Messtechnik eins bedeutende RoIIs₀ Besonders schwierig gestalten sieh Meseprobleme, beispielsweise bei grossen Kräften, wo nur ein Teil der einwirkenden Kräfte a\sf das Messelement geleitet werden kann oder wo es notwendig ist» einzelne Komponenten zu messen. Solche komplizierten Messprobleme lassen sich mit bekannten Messverfahren der Dshnmessstreifeiitechnik nicht lösen. Auch alle übrigen Messtechniken, bei denen eine Deformation oder eine Wegänderung zur Kraftmessung notwendig wird, scheiden für solche komplexen Systeme aus. Es eignen sich für solche Probleme nur Messelemeßfce, die direkt kraftmessend sind, also nicht über den Umweg einer Dehnung ein Signal erzeugen können. Solche Messelemente sind bekanntlich die Piftaornesselemente, die sowohl auf Basis ^on piezoelektrischen Kristallen als auch in neuester Zeit auf

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Basis von piezoresistiv«! Kristallen möglich sind. Im Fall von piezoelektri-, sehen Kristallen werden vornehmlich Quarzkristalle oder auch Turmalinkristalle wegen ihrer hohen mechanischen Festigkeit verwendet. Ee ist aber . auch möglich, piezokeramieche Materialien für dynamische Kraftmessungen zu verwenden.

Bei Messproblemen der geschilderten Art stellt sich oft die Aufgabe, die Gesamtkraft in genau definierbare Einzelkräfte aufzuteilen und dabei gegebenenfalls aus einer Summe verschieden gerichteter Einzelkräfte lediglich einzelne Komponenten in verschiedenen Krafterichtungen zu messen. Die Erfindung ermöglicht eine zweckmässige Lösung dieser Aufgabe. Sie betrifft einen Kraftaufnehmer mit mindestens einem zwischen zwei Kraftüber -tragungslager eingespannten Piezoelement und ist dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Piezoelement wenigstens ein Blindelement zwischen die Kraftübertragungslager eingespannt ist, dessen mit den Platten zur Auflage kommende Oberflächenteile gleichen Abstand voneinander haben wie die entsprechenden Teile des Piezoelementes.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Kraftaufnehmer, bei dem der Kraftflue« in 3 Teile aufgeteilt ist.

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Kraftaufnehmer, bei welchem die Kräfte in Komponenten verschiedener Kraftrichtung aufgeteilt werden,

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Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Kraftaufnehmer, bei dem der Kraftfluss auf eine Mehrzahl von Piezoelementen oder Blindelementen geleitet wird, und wo die Signale der einzelnen Elemente gruppenweise durch Metallschichtbeläge, die auf einer Isolatorplatte aufgebracht sind, abgeleitet werden,

Fig. 4 eine Aufsicht auf eine in Figur 3 gezeigte Isolatorplatte mit aufge -brachten Metalleitschichten,

Flg. 5 eine Variante «u Figur 4,

Fig. 6 einen Kraftaufnehmer im Querschnitt, bei dem dae Blindelement aus einer gelochten Metallplatte besieht,

Fig. 7 das Blindelement nach Fig. 6 mit den eingesetzten Piezcuneeeelelr.enten,

Fig. 8 den oberen Teil eines Kraftaufnehmers im Querschnitt icurz vor Montage auf den Unterteil der Figur 9,

Fig. 9 den Unterteil eines Kraftaufnehmers mit parallel geschalteten Piezoelementen im Schnitt.

Nach Figur 1 besteht der Kraftaufnehmer aus dem oberen Kraftübertragungs ■ lager 1 und dem unteren Kraftübertragungslager 2, welche an den Flächen 3 und 4 optisch plan bearbeitet sind. Zwischen diesen Flächen ist das Piezo-

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element S sowie die beiden Blindelemente β und 7 kraltschlfissig eingespannt. Diese parallel geschalteten Blindelemente β und 7 sind gleichzeitig mit dem Piesoelement 5 optisch plan bearbeitet worden, damit sie genau gleiche Höhe aufweisen. Zusätzlich besitzen diese Blindelemente ähnliche Eigenschaften in Bezug auf Elastizität und Ausdehnungskoeffizient, auf diese Weise erhfilt man eine definierbare Kraftteilung, wodurch die Anwendung des Kraftaufnehmers verschiedenen Anforderungen leicht angepasst werden kann. So kann mit dem gleichen Piezoelement ein sehr grosser Bereich von Kräften gemessen werden« je nach dem Ausmass der Kraftteilung. Es ist dies ein ähnlicher Vorgang, wie er in der Elektrotechnik allgemein bekannt ist; so wird bei der Strommessung durch bestimmte Anordnungen bloee ein Teilstrom gemessen. Die definierbare Teilung mechanischer Kräfte setzt sehr hohe Präzision in der Bearbeitung der Aufnehmerteile voraus.

Das Piezoelement S der Figur 1 kann aus zwei Kristallplatten oder aus einer Kristallplatte und einer Isolierplatte bestehen. Zwischen beiden Platten 1st die Elektrode 11 eingeklemmt, z. B. ans einer dünnen Metallfolie bestehend. Diese ist ober den Leiter 8 mit dem Anschlussstecker 9 in Verbindung. Der Leiter 81st in einer hochieolierenden Masse 10 eingebettet Das Piesoelement δ misst in der vorgesehenen Anordnung Iß der Summe der Einzelkräfte P. Vorteilhafterweise werden die beiden Kraftflbertragungelager 1 und 2 mittels Dehnschrauben unter elastische mechanische Vorspannung gesetzt. Der Zwischenraum zwischen Blind- und Piezoinesselement wird üblicherweise mit einer hochisolierenden Auegttssmaese vollständig dichtend gegen aussen ausgegossen. '

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In Figur 2 ist ein ähnlicher Kraftauteelimer dargestellt mit dem Unterschied allerdings« dass die.Kräfte F veraefeleden gross und in verschiedenen Richtungen angreifen. Der Aufnehmer tot@kt wiederum aus dem obers Kraft« übertragungilager 18 un&dem unter® Eraftfibertragungelager 13. Sire gegen» Oberliegenden Flächen 13 und 14 sindl wiederum optieeit plan bearbeitet. Anstelle der Blindelemente von Fig. t miM nun Piezoelement® eingebaut, deren Empfindlichkeitsrichtungen verschiedene Achsen aufweisen. Das Element ist kraftempfindlich in der Z-Achse, das Element 16 ist ein Sehubelement und lediglich in der Y-Achse empfSailtefe* das Element 17 ist ebenfalls ein Sehubelement und in der X-Acns® ©miayisidlicSs. Beide Elemente IS und 17 können auch nach beliebigen &n&m>CM &c§M@n orientiert eingebaut «ein. Von Bedeutung ist/ dass sie in der &-&dm<s ^ebl g®nau gleiche Elastisitftt und Ausdehnungskoeffizienten aufweisest afeas" in Z »Richtung kein Messignal ergeben, d. h. in der Z-Richtung als Bl£üd@l©ment@ wirken. Zweckmässig

optisch

sind die verschiedenen Elemesite li_s W, sind 17 miteinander plan bearbeitet und weisen somit genmi al® gi®i@hon Einbauhdhen auf. Die Signale der Einzelelemente werdest m®k h®h&mu®m Methoden ssu den Steckern X, Y und Z geleitet. Aueh bsi Üossm-K^aftaufaehmer können die Piezoelemente aus zwei Einzelkristanplattesi od©s? au@ ©fee;.' Kristallplatte und einer gleich grossen Isolatorplatte, a« B. aus ÄMminiumoxyd, bestehen. Wiederum ist es vorteilhaft, die foeidoa ECFaftübsrtfagungslager 11 und 12 durch Dehnschrauben quqv ander® Mittel gegeneinander unter mechanische Vorspannung zu setzen.

Es ist nun aber auch im Rslamen der Erfindung möglich, parallel geschaltete Piezo- und Biindeleiäienta »& anzuordnen, dass Piesoelemente mit

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verschieden gerichteten Empfindlicitkeitsaebsen örtlicfe ganz v@rseht«d@sr" im Aufnehmer verteilt sind und gruppenweise oder einzeln SigaalausfSiyrä&g : besitzen« so dass eine Ortliche Feststellung von Krafteinwirkungen im nehmer messbar ist, wobei unter dem Einfluss von Blindelementeii aur dieser Komponenten gemessen werden. Die Gestaltung der ist dem Erfindungsgeaaiken gemäss völlig frei gestellt. Je kann der Aufnehmer mit Flächen oder Rundungen begrenzt sein. Er aber auch als Scheibe ausgebildet sein, bei der die Piesoelemeate auf @i mittleren Durchmesser angeordnet sind, dabei kennen die ISmpfindlieh achsen der einzelnen Piezoelemente so angeordnet sein* dass man mit

scheibenförmigen Aufnehmer sowohl axiale Kräfte® insbesondere auch .

Verteilung bezüglich der symmetrischen Achse, wie aucfe Dreism©messt®_fl

Schübe in beliebigen Achsen und auch Momente messen kann. Die scheiben« fdrmige Gestaltung eines erfindungsgemässen Aufnehmers ergibt zudem

praktische Möglichkeiten des Einbaues als Maschinenelement.

fc In Figur S ist ein Kraftaufnehmer in rechteckiger Gestalt im Schnitt gezeigt. 41 stellt das obere Kraftuoertragungslager und 42 das untere Kraftüb©rtra~ gußgelager dar. Die Gegenfiächen 43 und 44 sind wie bekamst optisch plan bearbeitet. Zwischen denselben befindet sieh die isolatorplatte 45, welche zwecke Signalabnahme %. B. einseitig aus dem Aufnehmer herausragt. j Auf dem Lappen 46 sind die Leiterbahnen 4? durch aufgebrachte Metallschichten dargestellt. Die Piezoelemente 48 und die Blindelemente.49 aiud in der gewünschten Verteilung entsprechend den KrslteingriffverhaEtnigsen angeortfeot.

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Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in Figur 4 gezeigt, wo 51 die Isolatorplatte darstellt mit dem Anschlusslappen 56. Die Isolatorplatte besteht vorteilhafterweise aus Keramik. z.B. Aluminiumoxyd. Sie ist ebenfalls beidseitig optisch plan gelappt. Auf der Oberseite sind entsprechend der QrOsse der Piezoelemente Metallechichtrondellen 58 und 59 nach bekannten Verfahren fest haftend auf der Isolatorplatte aufgebracht. Entsprechend der gewünschten Aufteilung werden die Rondellen 58 mit der Leiterbahn 60 und dem Anschluss 61 verbunden. Die Blindelementrondellen 59 dagegen bleiben isoliert. Die Metallschichten an diesen Stellen sind lediglich hier, damit die Einbauhohen zwischen Piezoelementen und Blindelementen keinen geringsten Unterschied aufweisen. Die Signalabnahme erfolgt deshalb ähnlich wie in ,gedruckten Schaltungen. Anstelle einer keramischen Isolatorplatte 51 kann in gewiesen Fallen auch eine Isolierfolie verwendet werden, auf welcher die dargestellten Leiterschichten ebenfalls aufgebracht werden können.

Ih Figur 5 ist eine Variante von Figur 3 und Figur 4 gezeigt, wobei als Beispiel Piezoelemente mit verschiedenen Empfindlichkeitsrichtungen verwendet werden. 61 Ist wiederum die Isolatorpl&tte, auf welcher entsprechend der gewünschten Verteilung die MetallsehicbtrondeUen 68, 89 und 70 aufgebracht sind. Auf Rondelle 68 kommt ein schubempfindliches Piezoelement» das in X-Riehtung orientiert ist. zu liegen, auf Rondelle 69 ebenfalls ein schubempfindliches Piezoelement. das in Y-Richtung orientiert ist Auf Rondelle TO ist ein Druckpiezoelement, das parallel zur Scheibenachse empfindlich iHt« for die Z-Rlchtung vorgesehen. Die Verteilung der einzelnen Elemente erfolgt gemSse dem xu lesenden Messproblem und den anfallenden Kräften. Jfe nach ihrer Orientierung wirken die einzelnen Piezoelemente für eine be-

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stimmte Kraftrichtung als Meseelement oder als Blindeiement. bahnen 62, 6S und 64 werden die Aiiseiatossstelles ISr X_a ¥ him! ten verbunden. Selbstverständlich kdntm auch atif einer @©>Mia weitere Blindelemente zur Kraftteilung vorgesehen ψβΆ*ά@®₀ Μ® kein Signal erzeugen. An Stelle von kreäspiißdesi Elementen andere geometrische Formen, z. B.

Figur 6 zeigt eine weitere Ausffihrungeiorm, !bei welel«* iss als Lochplatte ausgebildet ist. 71 ist das <sfes>e ICraffi 72 das untere» Die Gsgenflftchen 78 und f4 etei *M©derffijEsi ©pllsela päasa beitet. In der Blindplatte 75 sind die ftteseinegi Pägs© Οεε Messignal wird durch die Elektrodenpiatt© ?f kapazitiv iorela iü© S®© lierfoiie 78 abgenommen. Gegenüber d©na mtera ICr©fÄwtefpfflgsE©g@i?

iet die Elektrode 79 durch die Isolierplaife 80 !e@IJ,es^= ■ -

In Figur 7 iat die Elektrode und die Blisiplafte dsF Fuges¹ § !»©©«assQls Schnitt geneigt. Die Bündplmtte S5 ist rail AussparaagöE

* die Pieaoelemente 81 eingelegt sind, VsFteilfeaft igt @s_ß PlatSe ®et

mente zu verkitten und beide gleichKeitig ©piisels jßsm sm ES Weiee k&iin eis dem FlächeoveriiältBis €-sfspr@@& erreicht werd«». Auch hier wird dsfir gesorgt, äass iis? iie Blteigla^Q cisa Material. gewäMt wird, welches b&züglUh E2estisit zient äknlieh dem Material

In Figur 8 ist «Ja Shsliclier KraftaisföäEfeaer wie ia'Flgisg¹ @ dae obere KrsSxi&ertrafUBgelegajp und SS ist 4es©ea ©pMis@ii ©lern Koutskt?J.äcfe®. 93 ist die Isolierplatte*, auf welster M

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94 und Leiterbahnen 95, z.B. durch Aufdampfen von Edelmetallen, aufgebracht sind. Dieselben passen zu den in der Blindplatte 105 eingelassenen Piezoelementen 106. Diese sind wiederum vorteilhafterweise in der Blind» platte 105 eingekittet, und die beiden Planflächen dieser Platte mit dem Piezoelement werden gleichzeitig optisch plan bearbeitet. Damit die Leiterbahnen

95 keine KontaktmÖglichkeit mit der metallischen Blindplatte 105 bekommen, sind die entsprechenden Verbindungen 107 und 108 in der Blindplatte breit genug ausgearbeitet. Auf diese Weise wird Kurzschluss auf einfache Weise verhindert.

Die Erfindung ermöglicht mithin, in einem Messwertaufnehmer von aussen einwirkende Kräfte in genau definierte Teilkräfte auf zuteilen und gegebenenfalls im gleichen Aufnehmer Kräfte beliebiger Richtungen in Komponenten zu zerlegen, sowie die Lage, Kraftrichtung und Grosse von Kräftesummen, die auf den Messkörper eingreifen, zu bestimmen. Die erfindungsgemässen Aufnehmer lassen sich vollständig starr bauen! die Messobjekte können deshalb ebenfalls starr mit den Aufnehmern verbunden werden, wodurch sich hohe Eigenfrequenzen des ganzen Messystems ergeben. In den dargestellten Beispielen sind Piezomesselemente auf Basis von Piezokristallen wie Quarz oder TurxuaUn gezeigt. Für rein dynamische Kraftmessprobleme können aber auch Plezoelemente mit piezokeramischen Materialien Anwendung finden. Die Erfindung lässt sich aber auch auf die neuen in Entwicklung begriffenen piezoresistiv©» Elemente anwenden, welche ebenfalls Kristalle verwenden, deren Wideratandswerte sich bei Krafteinfluss verändern. Für solche Anwendungsfälle gestalten sich die Ladungszu- und Abführungsprobleme

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etwas schwieriger. Die Elemente können aber als gleichwertig behandelt ; werden, da deren Kristalle wie Germanium und Silizium ähnliche Elastizitäts- und Wärmeausdehnungsverhalten wie Piezokristalle zeigen. Die Erfindung ermöglicht somit« neue Messprobleme zu lösen, die bis anhin vollständig unzuverlässig und ungenau mit einzelnen Messwertaufnehmern der Reihe nach untersucht werden mussten. Die Möglichkeit, komplexe Phenomena in einem Versuch und einem Aufnehmer zu lösen, ergibt völlig neue Aspekte in der Messtechnik.

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   elemente (49) Metallschichten (58) aufweisen, welche mittels Leiterbahnen (6) zu den Anschlussklemmen (61) führen, wobei die Flächen, wo Blindelemente (59) eingesetzt werden, isoliert bleiben.

   6. Kraftaufnehmer nach Patentanspruch 3, dadurch geknnzeichnet, dass Piezoelemente (68, 69, 70) mit unterschiedlich gerichteten Empfindlichkeitsachsen auf einer Isolierplatte (61) so montiert sind, dass die Signale einzeln oder in Gruppen mittels leitender Metallschichten den Abnahmepunkten zugeleitet werden.

   7. Kraftaufnehmer nach Pa entanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blindelement als Blindplatte (85) ausgebildet ist, in welcher die Piezoele-. mente (81) eingelegt und gemeinsam mit der Platte auf gleiche Dicke überarbeitet sind.

   8. Kraftaufnehmer nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrodenplatte (87) zwischen zwei Ieolierfolien (88,88) angeordnet

   ist. welche das Piezoeignal von den Oberflächen der Piezoelemente kapazitiv abnimmt.

   9. Kraftaufnehmer nach den Patentansprachen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindplatte zur Vermeidung eines Kurzschlusses mit leitenden Metallechichten Aussparungen (107) besitzt.

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   10* Kraftaufnehmer naeh Patentanspruch I* dadurch gekennzeichnet, dass die Pieaoelemente aus piezoelektrischen Kristallen bestehen.

   IL Kraftaufnehmer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente aus piezoresisüven Kristallen bestehen.

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