DE19537569C2 - Stahlbasiertes Kraft-Sensorsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Messung von insbesondere Kräften oder Drücken (Anspruch 1). Solche Sensorsysteme bestehen im Stand der Technik aus einem Aufbau mit mehreren Elementen, wobei als Wandlerelemente (Wandlung mechanischer Größen oder deren Änderungen in elektrische Signale) sowohl Dehnmeßstreifen (DMS) als auch piezoresistive Wandler Verwendung finden. Zumeist werden die die Wandlerelemente tragenden Trag- und Stützelemente als Kolben/Zylinderanordnung ausgeführt, die rotationssymmetrisch ausgebildet sind (vgl. US 4,739,666, dort Fig. 4 oder US 4,864,874, dort Fig. 4 und Spalte 4 Zeile 39 bis Spalte 5 Zeile 7). Der Werkstoff der Meßbasis, auf dem die Wandlerelemente angebracht sind, ist im Stand der Technik eine Keramik, insbesondere Al₂O₃; zu seiner Herstellung wird ein Sinterverfahren verwendet (vgl. H. W. Häfner, A. Pauer in "Handbuch für Ingenieure", 5. Ausgabe, "Sensoren und Sensorsysteme", S. 143 ff.); in den anderen genannten Fundstellen des Standes der Technik findet sich kein Hinweis auf die Werkstoffe der Meßbasis, nur die Kolben/Zylinderanordnung wird als "metallisch" bezeichnet (vgl. US 4,864,874, dort Spalte 4 Zeile 50 und sinngemäß in Spalte 4, Zeilen 57 bis 61).

Das Anwendungsgebiet dieser Sensorsysteme ist groß, es können PKW-, LKW- oder Wägesysteme sowie Füllstands-Applikationen und andere Messungen vorgenommen werden. Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, die mittelbar oder unmittelbar Druck oder Kraft messenden Sensoren des Standes der Technik preiswerter herzustellen, ohne ihre positiven Eigenschaften zu beeinträchtigen. Das wird dann erreicht, wenn die Meßeinrichtung (Kraft-Kopplungsorgan, Meßbasis, Führungselement) auf Stahl basiert und die Sensoren auf der Rückseite einer aus Stahl gebildeten Meßbasis angeordnet sind (Anspruch 1). Dem erfindungsgemäßen Vorschlag folgend werden keine Keramiken verwendet, es werden auch keine Zusammenstellungen aus Stahl und Keramik verwendet, sondern hinsichtlich der funktionstragenden Elemente der Kraft- bzw. Druck-Messeinrichtung nur Stahl.

Überraschend erfüllt die eingesetzte Stahl-Meßbasis (die "Meßmembran" für den im volumenstabilen Elastomer durch Krafteinleitung gebildeten Druck) auch praktisch ausreichend die Aufgaben (gute Festigkeit, geringere Hysterese als die Applikation fordert, Ermüdungsfreiheit) der im Stand der Technik an dieser Stelle des Meßaufbaus bislang eingesetzten Keramiken. Die Bearbeitungsmöglichkeiten bei Stahl sind zudem vielfältiger, bei besserer (leichterer) Bearbeitbarkeit.

Eine metallische Meßbasis ist als Kreisplattenfeder zwar schon der DE 38 23 673 A1 entnehmbar, dort aber in einen von der Kolben/Zylinderanordnung gänzlich abweichenden Meßaufbau mit umlaufender Schweißlinie (Lötlinie/Klebelinie) ohne elastomere Kopplung.

Durch den erfindungsgemäßen Wegfall der Materialzusammenstellung werden Teilkomponenten eingespart, die Zusammenfügung der Systemteile wird vereinfacht.

Zur leichteren Erfassung der Meßsignale und deren genaueren Verarbeitung kann die Verarbeitung der Signale der Sensoren (die gemäß Anspruch 2 piezoresistive Dickschichtelemente sind), direkt am Meßort erfolgen, also in der oder unmittelbar an der Kolben-Zylinderanordnung aus Stahl (Anspruch 3, 4).

Werden die Wandler auf der Rückseite der Stahl-Meßbasis angeordnet, so ergeben sich leichte und kostengünstige Herstellverfahren, die auch hinsichtlich der beim Herstellen entstehenden Kennlinien-Verschiebungen der Wandler wenig bis gar nicht beeinträchtigend sind. Zusätzlich ist die Elektronik zur Verarbeitung der Wandlersignale direkt bei den Wandlern anbringbar und die Störempfindlichkeit und Meßsignal- Verfälschung kann stark reduziert werden.

Die elastomere Kopplung wirkt wie ein statisch eingeschlossenes Volumen (Anspruch 5, Anspruch 6, Anspruch 10), und kann sich unter Druck so gut wie nicht verformen. Sie überträgt den Druck auf die Stahl-Meßbasis, die als profilierte Platte ausgebildet sein kann (Anspruch 7, Anspruch 8, Anspruch 11).

Mit der Anordnung der Wandlerelemente wird die Art und Amplitude der Wandlerspannungen bestimmt (Anspruch 9).

Neben einer zylindrischen Einfassung des Kolbens (Kraft-Kopplungselementes) im Führungselement kann auch eine Mehrzahl an Stahlringen (Anspruch 10) Einsatz finden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert und ergänzt.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem Kolben 1b, der in einer umfassenden Zylinder-Führung 1a geführt ist und mit einem zwischenliegenden Elastomer 3a, 3b (kurz: 3) mit der Führung 1a gekoppelt ist.

Die Anordnung in Fig. 1 ist rotationssymmetrisch, bestehend aus einem Kolben 1b, über den Kraft K eingeleitet wird, die als Druck gemessen werden soll. Der Kolben 1b ist in einer Führungshülse oder in einem Führungsstück 1a geführt, alle Zwischenräume zwischen diesen beiden Elementen sind mit einem Elastomer 3c, vorzugsweise einem Naturkautschuk, ausgefüllt. In axialer Richtung vom Kolben 1b beabstandet ist eine profilierte Trägerplatte 2 angeordnet, die - wie der Kolben und die Kolbenführung 1a, 1b - aus Stahl besteht. Auf der Rückseite der Platte 2 - auf der von der Einleitung der Kraft K abgewandten Seite - sind Wandlerelemente 10 (10a, 10b, 10c, 10d), insbesondere vier Wandlerelemente in einer Brückenschaltung, fest auf der Oberfläche angebracht. Die Wandler 10 sind Kraft-Meßwandler, sie können in einer Dickschichttechnik hergestellt worden sein. Zur elektrischen Isolation zwischen den Dickschichtelementen untereinander, deren leitender Verbindungen zueinander und der Stahl-Trägerplatte 2 ist eine ebenfalls in Dickschicht- Technologie hergestellte Isolationsschicht vorgesehen, um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden.

Die Stahlcharakteristik der Trägerplatte 2 entspricht der von veredelten Stählen, wie Chrom-Nickel-Stahl und ist zu den Herstellungsverfahren der Dickschicht-Technologie geeignet zu wählen.

Die Stahl-Trägerplatte 2 hat selektiv zu den piezoelektrischen Wandlerelementen Einformungen oder eine vorzugsweise ringförmige Einformung 2a, 2b (Profilierung), die es erlaubt, daß diese Platte 2 sich bei Einleitung von Kraft K leichter in einem deutlicheren Maße in den profilierten Bereichen verformt, welche Verformung von den Sensoren 10 mit verbesserter Amplitude erfaßt und über ein elektrisches Meßsignal in ihrer Amplitude gekennzeichnet und weitergeleitet wird.

Das oder die Meßsignal (e), die von den Sensoren 10 (Wandlerelementen) abgegeben werden, werden an eine örtlich nahe der Sensoren angeordnete Elektronik 11 auf einer eingespannten Platine 11a weitergeleitet, die diese Signale verarbeitet, z. B. verstärkt. Das von der Elektronik abgegebene Meßsignal ist proportional der eingeleiteten Kraft K. Es wird über eine Leitung 12 abgegeben und ist vorteilhafterweise gegenüber Störungen unempfindlicher als die ursprünglichen Signale aus den Wandlerelementen 10.

Claims (11)

1. Meßeinrichtung zur Messung von insbesondere Kraft (K) oder Druck,

• (a) mit einer elastomeren Kopplung (3; 3a, 3b) zwischen einem aus Stahl bestehenden Kraft-Kopplungsorgan (1b) sowie einer aus Stahl bestehenden Meßbasis (2), wobei die elastomere Kopplung (3; 3a, 3b) im übrigen (3c) durch ein aus Stahl bestehendes Führungselement (1a) eingegrenzt ist;
• (b) mit einer Anordnung von Sensorelementen (10a, 10b, 10c, 10d; 10) auf der von der Krafteinleitung (K) abgewandten Seite der Stahl-Meßbasis (2).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Sensoren (10a, 10b, 10c, 10d) aus piezoresistivem Dickschichtmaterial bestehen, insbesondere in Dickschicht-Technologie hergestellt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der nahe den Sensoren (10) eine Signalverarbeitungs-Einrichtung (11) angeordnet ist, die die Signale der Sensoren (10) direkt verarbeitet.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, bei der

• (a) die Signalverarbeitung (11) auf einer Platine (11a) angeordnet ist, die den Sensoren (10) unmittelbar benachbart ist; oder
• (b) die Signalverarbeitung (11) - durch eine Isolierschicht getrennt - direkt auf der Stahl-Meßbasis (2) aufgebracht ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die elastomere Kopplung (3; 3a, 3b, 3c) an allen Kontaktflächen zum Kraft-Kopplungsorgan (1b), zur Stahl-Meßbasis (2) und zum Führungselement (1a) festvulkanisiert ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Führungselement (1a) und das Kraft-Kopplungsorgan (1b) eine Kolben/Zylinder-Anordnung bilden, die statisch über den - im Volumen inkompressiblen - Elastomer (3) gekoppelt ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Meßbasis aus Stahl (2) als Platte ausgebildet ist, um ausgeübten Druck der Elastomer-Kopplung (3) meßbar aufzunehmen.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der die Stahl-Meßbasis (2) eine - vom Anwendungsfall bestimmte - Profilierung (2a, 2b) aufweist, um eine oder mehrere Membranstellen zu bilden, auf die der Elastomer (3a, 3b) Druck ausübt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Sensorelement-Anordnung (10; 10a, 10b, 10c, 10d) mindestens ein einziges Wandlerelement, insbesondere aber eine geradzahlige Mehrzahl von mechanisch-elektrischen Wandlerelementen enthält.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das Führungselement (1a) zylindrisch oder in Gestalt mehrerer flacher Stahlringe ausgebildet ist, wobei die Stahlringe zylindrisch ähnlich dem Linienzug einer Spiralfeder oder zylindrisch übereinander und zueinander beabstandet angeordnet sind, und diese Stahlring-Anordnung in das Elastomer (3) einvulkanisiert ist, womit für die elastomere Kopplung (3) ein statisch eingeschlossenes Volumen gebildet wird.

11. Einrichtung nach Anspruch 8, bei der die Profilierung (2a, 2b) ringförmig oder rechteckförmig oder streifenförmig oder ebenso mit Durchbrechungen ausgebildet ist, um die Dicke der Membranstelle deutlich geringer als die Stärke der Stahl-Meßbasis (2) zu gestalten.