DE19811935A1 - Kraftmeßelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftmeßelement, das aus einem flachen Grundkörper (8) besteht, der plattenförmig ausgebildet ist. Dieser Grundkörper (8) besteht aus vier gleichartigen symmetrisch zueinander angeordneten Flächenteilen (28, 29, 30, 31), in denen jeweils ein Meßelement (10, 21, 23, 26) angeordnet ist. Dabei ist das Meßelement (10, 21, 23, 26) aus dem Grundkörper (8) durch Schlitze (11, 17) herausgearbeitet. Jedes Meßelement (10, 21, 23, 26) ist dabei so ausgebildet, daß es über eine E-förmige Kraftrückführung verfügt, in deren mittleren Verformungsbereich (4) Dehnungsmeßstreifen (3) appliziert sind, die bei Beaufschlagung mit einer Kraft eine proportionale Widerstandsänderung erzeugen, die mit Hilfe einer nachgeschalteten Elektronik auswertbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftmeßelement gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Es ist bei vielen technischen Einrichtungen und Geräten wün­ schenswert, dort Zusatzfunktionen mit auszuwertenden Kraftmeß­ elementen zu integrieren, ohne daß dafür nennenswert zusätzli­ cher Platz und Gewicht beansprucht werden soll. So ist es z. B. denkbar, in Mikrowellenherde flache Kraftmeßelemente zu integrieren, die gleichzeitig das Gewicht des Koch- bzw. Auf­ taugutes ermitteln und daraus die Betriebszeit errechnen. Ebenso könnten in Flüssigkeitsspendern kleine platzsparende Kraftmeßelemente integriert werden, um den restlichen Inhalt oder die Abgabemenge zu ermitteln und anzuzeigen. Auch als reine Wägeeinrichtungen sind platzsparende Kraftmeßelemente für spezielle Anwendungen und Designformen wünschenswert oder diese können auch zur Unterschriftsidentifikation bei vorgese­ henen Zugangsberechtigungen eingesetzt werden. Dort sind ins­ besondere beim Einsatz zur Anwenderidentifikation bei trans­ portablen Rechnern (Laptops) platzsparende Ausführungen von Kraftmeßelementen erforderlich.

So ist aus der EP 0 560 356 B1 eine Vorrichtung zum Prüfen von Handschriften vorbekannt. Dort wird der Schreibdruck der x-y Koordinaten eines Schriftzuges mittels Kraftmeßelementen aus­ gewertet und mit einer vorgegebenen Schriftprobe verglichen. Dazu ist eine Biegeplatte vorgesehen, die auf ihrer Unterseite Dehnungsmeßstreifen enthält, die die während des Schreibens auftretenden Kraft- und Druckverläufe erfaßt und diese in ei­ ner Auswerteelektronik verarbeitet. Ein derartiges Kraftmeß­ element ist zwar sehr Kompakt und in vielen technischen Ein­ richtungen integrierbar, aber durch seine starre plattenförmi­ ge Ausbildung für viele Anwendungsmöglichkeiten zu unempfind­ lich und zu ungenau.

Aus der DE 38 02 153 C2 ist hingegen ein Kraftmeßelement für eine Waage vorbekannt, das Kräfte relativ genau und mit grö­ ßerer Empfindlichkeit erfassen kann. Dazu sind drei mittels eines Querbalkens E-förmig miteinander verbundene Biegebalken vorgesehen, die horizontale Ausnehmungen enthalten und über eine Kraftrückführung verfügen, die zur s-förmigen Ausbiegung des mit Dehnungsmeßstreifen versehenen mittleren Verformungs­ körpers dienen. Ein derartiges Kraftmeßelement ist sehr auf­ wendig herstellbar und für viele Einsatzfälle zu hochbauend.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein mög­ lichst empfindliches Kraftmeßelement zu schaffen, das trotzdem sehr kompakt ist und einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Aus­ führungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie in Krafteinleitungs­ richtung äußerst flachbauend ausgebildet ist und nur ein ge­ ringes Gewicht besitzt. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Kraftmeßelement auch in kompakte technische Geräte zur Aus­ wertung von Kräften integriert werden, ohne nennenswert Bauhö­ he und Gewicht zu beanspruchen. Dies ist insbesondere bei transportablen Geräten wie Rechnern (Laptops) vorteilhaft.

Da die Erfindung hauptsächlich aus einem plattenförmigen aus­ stanzbaren Körper besteht, ist dieses Kraftmeßelement kosten­ günstig herstellbar und auch in äußerst flache Geräteformen integrierbar.

Insbesondere durch die Anordnung von vier symmetrisch verteil­ ten Meßelementen auf dem Grundkörper ist eine vielfältige Aus­ wertung der eingeleiteten Kräfte nach ihrem Ort, nach dem zeitlichen und örtlichen Verlauf sowohl nach deren Einzelkräf­ ten als auch nach der Gesamt kraft möglich und dies unabhängig von der örtlichen Krafteinleitung oder Kraftverteilung.

Durch die bei einer besonderen Ausführungsform vorgesehenen spezielle Krafteinleitungs- und Kraftausleitungselemente wird auf einfache Art und Weise die Meßgenauigkeit verbessert. So wird insbesondere durch die vorgesehene Abdeckung über Elasto­ merlager in vorteilhafter Weise eine definierte Krafteinlei­ tung unter Ausschaltung parasitärer Kräfte erreicht. Gleich­ zeitig werden vorteilhaft die Dehnungsmeßstreifen vor mecha­ nischen Beschädigungen, Verunreinigungs- und Feuchtigkeitsein­ wirkungen geschützt.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schnittbild der Seitenansicht eines Kraft­ meßelementes in einem Grundrahmen und mit einer Abdeckplatte versehen;

Fig. 2 die Draufsicht auf ein in einem Grundrahmen befindliches Kraftmeßelement;

Fig. 3 die Draufsicht auf einen Grundrahmen mit auf­ liegender Abdeckplatte und

Fig. 4 die Draufsicht auf einen Grundrahmen mit Kraft­ ausleitungselementen.

Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein Schnittbild der Seitenan­ sicht eines Kraftmeßelementes mit seinem Grundkörper 8 aus einem plattenförmigen Material, das in einem Grundrahmen 22 mit festen Kraftausleitungselementen 12, 16, 19, 20 eingesetzt ist und mit einer Abdeckplatte 9 und dazwischenliegenden Ela­ stomerlagern 1, 6 versehen ist.

Der Grundkörper 8 besteht aus einem flachen plattenförmigen Körper, der aus einem Aluminiumblech gefertigt ist. Der Grund­ körper 8 kann aber auch aus Stahlblech oder anderen platten­ förmigen Materialien hergestellt werden. Die Herstellung des Grundkörpers 8 erfolgt in vorteilhafter Weise durch einen Stanzvorgang, durch den Biegefedern 2, 4, 5 aus dem Blech durch entsprechende Zwischenräume bzw. Schlitze 11, 13, 15, 17 herausgearbeitet werden. Der Grundkörper 8 ist zu einer Mittelachse 18 symmetrisch aufgebaut und besitzt an seinen beiden Endbereichen gleichartige Meßelemente 10, 21, die je­ weils auf zwei Kraftausleitungselementen 12, 16, 19, 20 an jeder Seite aufliegen. Ansonsten besteht zwischen dem Grund­ körper 8 und dem Grundrahmen 22 ein geringer vertikaler Ab­ stand 14, um die Auslenkung bei Krafteinwirkung zu ermögli­ chen.

Die Meßelemente 10, 21 bestehen aus einer E-förmigen Kraft­ rückführung, die durch die in den Grundkörper 8 eingearbeite­ ten Schlitze 11, 13, 15, 17 gebildet werden. Dabei ist ein gemeinsames Mittelteil vorgesehen, an dem oben die Dehnungs­ meßstreifen 3 appliziert sind. Das Mittelteil stellt einen Verformungskörper 4 dar, dessen Dicke geringer ausgebildet ist als die des übrigen Grundkörpers 8. Dies dient dazu, die Meß­ empfindlichkeit zu erhöhen und wird hauptsächlich bei der Aus­ wertung kleiner Kräfte vorgesehen.

Seitlich neben dem Mittelteil 4 sind zwei Biegezungen 2, 5 angeordnet, die ein Teil der Kraftrückführung darstellen und auf den Kraftausleitungselementen 12, 16, 19, 20 am Grundrah­ men 22 aufliegen. Die Kraftausleitungselemente 12, 16, 19, 20 sind als kleine Erhebungen auf dem Grundrahmen 22 angeordnet und können mit dem Grundkörper 8 fest verbunden werden. Ober­ halb des Grundkörpers 8 sind als Krafteinleitungselemente Ela­ stomerlager 1, 6 vorgesehen, die seitlich neben den Kraftaus­ leitungselementen 12, 16, 19, 20 angeordnet sind. Oberhalb der Elastomerlager 1, 6 ist eine Abdeckplatte 9 befestigt, die mit dem oberen Teil des Grundrahmens 22 abschließt und mit diesem eine ebene Fläche bildet. In die Abdeckplatte 9 ist die zu messende oder auszuwertende Kraft einleitbar, die über die Elastomerlager in die Meßelemente übertragen wird. Dabei die­ nen die Elastomerlager 1, 6 zur Verhinderung parasitärer Kräf­ te, die das Meßergebnis verfälschen könnten. Statt der Elasto­ merlager 1, 6 können aber auch Kugellager oder kugelförmige Erhebungen vorgesehen werden.

In Fig. 2 der Zeichnung ist eine Draufsicht auf den Grundkör­ per 8 dargestellt, der eine rechteckige Grundfläche besitzt und paßgenau im Grundrahmen 22 angeordnet ist. Im eingebauten Zustand kann der Grundkörper 8 im Bereich der Kraftaus­ leitungselemente 12, 16, 19, 20 durch eine Klebe- oder Schweißverbindung mit diesem fest verbunden sein. Der Grund­ körper 8 ist symmetrisch ausgebildet, wobei er durch seine beiden senkrecht aufeinander stehenden Mittellinien 18, 25 in vier gleichartige Teilbereiche 28, 29, 30, 31 unterteilt ist. In jedem dieser Bereiche 28, 29, 30, 31 ist jeweils ein Meß­ element 10, 21, 23, 26 angeordnet. Jedes Meßelement 10, 21, 23, 26 besteht aus der E-förmigen Kraftrückführung, in dessen gemeinsamen Mittelteil die Dehnungsmeßstreifen 3 auf diesem Verformungskörper 4 angeordnet sind. Parallel dazu ist jeweils eine weitere Biegefeder 2, 5 vorgesehen, die als Zunge ausge­ bildet ist. Parallel neben den Zungen 2, 5 sind Biegezonen zur Krafteinleitung vorgesehen, auf denen die Elastomerlager 1, 6 angeordnet sind. Dabei liegen die Elastomerlager 1, 6 als Krafteinleitungselemente und die Kraftausleitungselemente 12, 16 auf einer gemeinsamen gedachten Längsachse 27, die senk­ recht zu den Biegezungen 2, 5 ausgerichtet ist.

Die E-förmigen Kraftrückführungen wurden so gewählt, daß bei Belastung Biegezonen mit etwa gleich großer Dehnung und Stau­ chung entstehen. Die Biegezonen im gemeinsamen Mittelbereich stellen einen Verformungskörper 4 dar, der mit den Dehnungs­ meßstreifen 3 versehen ist und bei Beaufschlagung mit einer Kraft eine proportionale Widerstandsänderung erzeugt. Dabei sind die Dehnungsmeßstreifen 3 als Halbbrücke geschaltet und mit Anschlußdrähten 24 versehen, die nach bekannter Art und Weise mit den anderen Dehnungsmeßstreifen der übrigen Meßele­ mente verknüpft und mittels entsprechender elektronischer Aus­ werteschaltungen ausgewertet werden. Die einzelnen Meßelemente 10, 23, 21, 26 sind am Randbereich der Teilbereiche 28, 29, 30, 31 vorgesehen, so daß eine relativ große Mittelfläche 32 verbleibt. Diese ist zur Krafteinleitung bzw. Kraftverteilung vorgesehen, so daß eine möglichst gleichmäßige Kraftaufteilung auf die vier Meßelemente 10, 21, 23, 26 erfolgt.

In Fig. 3 der Zeichnung ist die Draufsicht einer Kraftmeßein­ richtung dargestellt, die aus dem Grundrahmen 22 mit eingebau­ tem Kraftmeßelement 10, 21, 23, 26 und eingebauter Abdeckplat­ te 9 besteht. Dabei kann die Abdeckplatte 9 fest mit dem Grundkörper 8 verbunden sein. Gegenüber dem Grundrahmen 22 ist eine elastische Dichtung 33 vorgesehen, die die Meßelemente vor Verunreinigung und Feuchtigkeit schützt und eine Kraft­ nebenkopplung weitgehend verhindert. Die Deckplatte 9 kann aber auch beabstandet vom Grundrahmen 22 eingebaut sein, indem sie über die Elastomerlager 1, 6 mit dem Grundkörper 8 ver­ klebt wird.

In Fig. 4 der Zeichnung ist die Draufsicht auf den Grundrahmen dargestellt, der in der Mitte eine quadratische Aussparung 34 enthält, die zur Durchführung der Anschlußdrähte vorgesehen ist. Gleichzeitig sind am Grundrahmen 22 acht Kraftaus­ leitungselemente 12 angebracht, die symmetrisch angeordnet sind und über die sich der Grundkörper 8 gegenüber dem Grund­ rahmen 22 abstützt. Dabei sind die Kraftausleitungselemente 12 als rechteckige Erhöhungen ausgebildet, auf denen die Zungen 2, 5 der Meßelemente 10, 21, 23, 26 aufliegen. Die Kraftaus­ leitungselemente 12 können aber auch kugel-, kegel- oder tra­ pezförmig ausgebildet sein, um die Kraft auf den Grundrahmen 22 zu übertragen. Der Grundkörper 8 könnte aber auch ohne Grundrahmen 22 unmittelbar in ein Gerät- oder Gehäuseteil ein­ gebaut werden, wenn die entsprechenden Kraftausleitungselemen­ te vorgesehen sind.

Das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel besitzt etwa Scheck­ kartenformat von ca. 40 × 80 mm und ist nur für einen Bela­ stungsbereich bis etwa 20 N vorgesehen. Dieses Ausführungsbei­ spiel dient zur Identifikation von Unterschriftsproben und ist zum Einbau in transportable elektronische Rechenanlagen (Note­ book) vorgesehen. Ein derartiges Kraftmeßelement kann aber auch in viele andere Anlagen und Gehäuse integriert und für andere Kraftauswerteverfahren eingesetzt werden.

Bei der Identifikation von Unterschriftsproben wird über die Abdeckplatte 9 durch den Druck eines darauf aufgesetzten Schreibgeräts eine individuelle unterschiedliche Kraft in Richtung der beiden Flächenkoordinaten auf die Meßelemente 10, 21, 23, 26 übertragen. Entsprechend dieser Kraftverteilung erfolgt eine Ausbiegung des Verformungskörpers 4, wodurch die Dehnungsmeßelemente 3 ein der Kraft proportionales elektri­ sches Signal erzeugen. Durch die schaltungstechnische Verknüp­ fung der vier gleichartigen Meßelemente 10, 21, 23, 26 kann der örtliche und zeitliche Kraftverlauf bestimmt und mit einem vorgegebenen Kraftverlauf verglichen werden, um so den Grad der Übereinstimmung festzustellen, um daraus eine Nutzungs­ berechtigung zu bestimmen.

Für andere Anwendungsfälle kann aus der Krafteinleitung über die Abdeckplatte 9 auch das Gesamtgewicht bestimmt werden, auch wenn die Krafteinleitung unsymmetrisch zu den einzelnen Meßelementen 10, 21, 23, 26 erfolgt. Dabei können für das Kraftmeßelement und den entsprechenden Grundrahmen 22 und die Abdeckplatte 9 auch andere Außenformen und Abmessungen vor­ gesehen werden. So kann auch eine quadratische, runde ellipti­ sche oder davon abgeleitete symmetrische Form gewählt werden.

So kann bei einem anderen Ausführungsbeispiel die Kraft auch direkt im Mittelbereich des Grundkörpers 8 eingeleitet werden, wenn wegen einer geringeren Meßgenauigkeit eine definierte Krafteinleitung nicht erforderlich ist. Das erfindungsgemäße Kraftmeßelement kann aber auch in anderen Abmessungen und Aus­ führungen vorgesehen werden, die hier nicht im Einzelnen be­ schrieben sind.

Claims (10)

1. Kraftmeßelement, das aus einem Grundkörper besteht, der Meßelemente enthält, die aus Zonen von Biegefedern beste­ hen, die als E-förmige Kraftrückführung ausgebildet sind und an dessen mittlerer Verformungsfeder Dehnungsmeß­ streifen appliziert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (8) als plattenförmiger Körper ausgebildet ist, der in mindestens vier gleichartige symmetrisch an­ geordnete Flächenteile (28, 29, 30, 31) aufteilbar ist, wobei in jedem Flächenteil (28, 29, 30, 31) ein Meßele­ ment (10, 21, 23, 26) vorgesehen ist.

2. Kraftmeßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Meßelement (10, 21, 23, 26) aus einem recht­ eckigen mittleren Verformungskörper (4) besteht, an des­ sen Längsseite jeweils parallel dazu eine rechteckige Biegezunge (2, 5) angeordnet ist, die sich auf jeweils ein Kraftausleitungselement (12, 16) abstützt und seit­ lich daneben jeweils parallele Zonen vorgesehen sind, auf denen sich die Krafteinleitungselemente (1, 6) abstützen.

3. Kraftmeßelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Krafteinleitungs- (1, 6) und Kraftaus­ leitungselemente (12, 16) auf einer gedachten Längsachse (27) angeordnet sind, die senkrecht zu den Biegezonen verläuft und diese in etwa deren Mitte schneidet.

4. Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftrückführung jedes Meßelementes (10, 21, 23, 26) durch zwei gleichmäßige Schlitze (11, 17) im Grundkörper (8) gebildet ist, die jeweils eine E-Form umschreiben.

5. Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß auf dem gemeinsamen mittleren Verformungskörper (4) Dehnungsmeßstreifen (3) appliziert sind, und dieser Bereich dünner ausgebildet ist als der übrige Grundkörper (8).

6. Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen (3) eines jeden Meßelements (10, 21, 23, 26) als Halbbrücke verschaltet sind.

7. Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Meßelementen (10, 21, 23, 26) ein freier Flächenbereich (32) vorgese­ hen ist, der zur gleichmäßigen Krafteinleitung oder Kraftaufteilung dient.

8. Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Krafteinleitungselemente (1, 6) je Meßelement (10, 21, 23, 26) zwei Elastomer- oder Kugellager vorgesehen sind, die zwischen dem Grund­ körper (8) und einer Deckplatte (9) angeordnet werden.

9. Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftausleitungselemente (12, 16, 19, 20) je Meßelement (10, 21, 23, 26) zwei Er­ höhungen am Grundrahmen (22) oder einer Aufstellfläche vorgesehen sind.

10. Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein flacher Grundrahmen (22) vorgesehen ist, der acht Erhöhungen (12, 16, 19, 20) auf­ weist, und dessen Innenfläche an die Außenmaße des Grund­ körpers (8) und der Deckplatte (9) angepaßt ist, wobei im Grundrahmen (22), der Grundkörper (8) und die darüberlie­ gende Deckplatte parallel übereinander angeordnet sind, so daß die Deckplatte (9) plan mit dem Außenrand des Grundrahmens (22) abschließt und eine gemeinsame Kraft­ meßeinrichtung bildet.