DE19956914A1 - Piezoresistiver Kraftsensor - Google Patents
Piezoresistiver KraftsensorInfo
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Abstract
Ein Kraftsensor nach dem piezoresistiven Effekt zur Erzeugung einer kraftproportionalen, elektrischen Messgröße aus der Widerstandsänderung wird durch Verwendung von Widerstands-Bauelementen (1), sogenannten Chip- oder SMD-Widerständen, hergestellt. Dazu sind diese kofpseitig mittels Lötverbindung (6) einzupassen in einen Krafteinleitungsstempel (3) und eine Halterung (4), die beide aus leitfähigem, lötbarem Material bestehen und die zugleich als elektrische Zuleitung (7) sowie als Kraft- bzw. Momenten-Einleitung dienen. DOLLAR A Das Widerstands-Bauelement verhält sich wie ein Biegebalken, wobei seine Widerstandsschicht (2) auf der Oberfläche des meist keramischen Substrats bei Dehnung bzw. Stauchung piezoresistiv seinen Widerstandswert verändert. Zur Begrenzung der Durchbiegung a kann ein verstellbarer Anschlag (5) vorgesehen werden. Die Sensoren sind überall da einsetzbar, wo ihre Halterung beziehungsweise ihr Anschlag direkt an den mechanischen Konstruktionsteilen angebracht werden kann und der Krafteinleitungsstempel zur freien Krafteinleitung genutzt wird. Eine Abdichtung durch wasserdichte elastische Vergussmassen ist ebenso möglich. Grundsätzlich sind diese Sensoren sowohl für Druck- als auch Zugkräfte einsetzbar.
Description
Die Erfindung betrifft einen piezoresistiven Kraftsensor, enthaltend einen
Biegebalken mit einer mindestens einseitig aufgebrachten Widerstandsschicht,
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kraftsensors.
Die bekannten piezoresistiven Kraftsensoren, bei denen elektrische
Widerstandsschichten unter Krafteinwirkung elastisch verformt werden und die
daraus resultierenden Widerstandsänderungen zur Messung der einwirkenden
Kräfte genutzt werden, bestehen aus einem Biegebalken (Federkörper), auf dem
elektrische Folien-, Dickschicht- oder Dünnschicht-Widerstände aufgebracht sind.
Der Biegebalken ist in der Regel einstückig an dem Grundkörper des Kraftsensors
ausgebildet und besitzt an seinem frei schwingenden Ende einen ebenfalls
einstückig mit dem Biegebalken ausgebildeten Krafteinleitungsstempel. Aufgrund
dieser besonderen Formgebung ist die Herstellung piezoresistiver Kraftsensoren
mit einem verhältnismäßig hohen Aufwand verbunden.
Aufgabe der vorliegend Erfindung war es, einfacher und kostengünstiger
herzustellende Kraftsensoren zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Biegebalken an einem ersten
Kopfende in einer Halterung und an seinem zweiten Kopfende in einem Kraft
einleitungsstempel gefasst ist, wobei die Halterung und der Krafteinleitungs
stempel jeweils elektrischen Kontakt zur Widerstandsschicht herstellen. Die
Widerstandsschicht wird dadurch elektrisch leitend zwischen Krafteinleitungs
stempel und Halterung eingepasst, so dass sie bei Krafteinwirkung eine
piezoresistive Widerstandsänderung zeigt, die zur Messung der einwirkenden
Kraft genutzt wird.
Anders als beim Stand der Technik sind die Halterung und der Krafteinleitungs
stempel vom Biegebalken separate Bauteile. Hierdurch gelingt es, die Herstellung
des Kraftsensors erheblich zu vereinfachen, da der Biegebalken als solcher ohne
besondere Formgebungen hergestellt werden kann. Er kann insbesondere als
einfacher Quader hergestellt werden, an dem mindestens eine Oberfläche mit
einer Widerstandsschicht versehen wird.
Bauelemente der zuletzt genannten Art sind auch für andere Zwecke geeignet und
daher kostengünstig erhältlich. Bei diesen Bauelementen handelt es sich um
Widerstände, die in der Elektronik-Fertigung als sogenannte Chip-Widerstände
oder SMD-Widerstände (Surface Mounted Device) mannigfach in elektrischen
Schaltungen eingesetzt und von zahlreichen Herstellern angeboten werden. Auf
einem Substrat, das meist aus Industriekeramik besteht, ist die Widerstands
schicht aufgebracht, wobei teilweise die gleichen Beschichtungstechniken und
Materialien benutzt werden wie bei der Herstellung herkömmlicher piezoresistiver
Sensoren. Es hat sich gezeigt, dass derartige Chip-Widerstände piezoresistives
Verhalten zeigen. Daher werden diese bekannten Widerstands-Bauelemente
(Chip Widerstände) im Elastizitätsbereich ihrer Substrate für den
erfindungsgemäßen Aufbau von Kraftsensoren verwendet. Dies wird möglich
durch den Aufbau des Kraftsensors, bei dem ein separater Biegebalken von einer
Halterung und einem Krafteinleitungsstempel gefasst wird. Als Biegebalken
können somit die am Markt in verschiedenen Toleranzklassen erhältlichen
Bauelemente verwendet werden, die in einem einfachen Fertigungsvorgang durch
Löt-, Klebe- oder Schweißverbindungen an den Kopfenden mit Krafteinleitungs
stempeln und Halterungen versehen werden können. Dieser Fertigungsvorgang
wird noch dadurch erleichtert, dass die Kopfenden der fertigen Chip-Widerstände
ohnehin rundum mit einer lötfähigen, verzinnten Kontaktbeschichtung ausgeführt
sind.
Die Befestigung der Halterung und/oder des Krafteinleitungsstempels am
Kopfende des Biegebalkens kann auf verschiedene Arten geschehen. Bevorzugt
ist es, wenn die Halterung und/oder der Krafteinleitungsstempel das jeweilige
Kopfende rahmenförmig oder U-förmig umgeben. Hierdurch wird einerseits ein
fester Sitz garantiert, andererseits lässt sich die Verbindung leicht herstellen,
indem Biegebalken und Halterung bzw. Krafteinleitungsstempel zusammen
gesteckt, dann geklemmt und anschließend dauerhaft kraftschlüssig und elektrisch
leitend verbunden werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung befindet sich in Richtung der Kraftwirkung
gesehen unter dem Krafteinleitungsstempel ein Anschlag, welcher vorzugsweise
höhenverstellbar ist. D. h., dass die Auslenkung des Biegebalkens aufgrund der
auf den Krafteinleitungsstempel wirkenden Kraft durch den Anschlag begrenzt ist.
Hierdurch kann eine ungewollte Zerstörung des Kraftsensors durch zu hohe Kräfte
verhindert werden. Vorteilhafterweise ist der Anschlag dabei höhenverstellbar, so
dass die Bewegungsgrenzen des Biegebalkens individuell angepasst werden
können.
Die Verbindung der Halterung und/oder des Krafteinleitungsstempels mit dem
Kopfende des Biegebalkens kann vorzugsweise durch Löten, Kleben oder
Verschweißen erfolgen. Diese Verfahren sind verhältnismäßig schnell und einfach
in der Anwendung und garantieren eine hohe Festigkeit der Verbindung.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist der Kraftsensor
mindestens zwei in eine gemeinsame Halterung eingesetzte und vorzugsweise
gleichartig ausgebildete Biegebalken auf. Durch die mehrfache Anordnung von
Biegebalken können sowohl die mechanischen als auch die sensorischen
Eigenschaften des Kraftsensors positiv beeinflusst werden. Wenn jeder
Biegebalken zur Kraftmessung verwendet wird, lassen sich hierdurch
Bauteiltoleranzen und Bauteilausfälle ausgleichen.
Eine spezielle Anwendung von mindestens zwei Biegebalken entsteht dadurch,
dass eine Krafteinleitungsplatte mit den Krafteinleitungsstempeln der Biegebalken
in einem kraftübertragenden Kontakt angeordnet wird. Die Krafteinleitungsplatte
dient dann als Angriffskörper für eine zu messende Kraft, wobei durch die
unterschiedliche Weiterleitung dieser Kraft auf die einzelnen Biegebalken und die
Messung der individuellen Reaktionen der Biegebalken der Angriffspunkt der Kraft
bestimmt werden kann. Eine Anwendungsmöglichkeit eines derartigen Sensors
liegt bei sogenannten Touch-Screens vor, also Bildschirmen, die bei Berührung
mit einem spitzen Gegenstand oder einem Finger den Berührungspunkt erkennen
können.
Bei der beschriebenen Anordnung steht die Krafteinleitungsplatte mit den Kraft
einleitungsstempeln vorzugsweise in Gleitkontakt. Das heißt, dass von der auf die
Krafteinleitungsplatte wirkenden Kraft nur die Komponenten, die senkrecht zur
Gleitfläche zwischen Krafteinleitungsplatte und Krafteinleitungsstempeln stehen,
übertragen werden. Querkräfte können daher die Messung nicht verfälschen.
Der oben beschriebene Sensor wird vorzugsweise in einem Gehäuse gekapselt,
so dass er gegen Staub und Feuchtigkeit geschützt ist. Dabei kann die
Krafteinleitungsplatte eine Gehäusewand bilden und vorzugsweise von einer
flexiblen Folie abgedeckt sein, durch welche hindurch die unverfälschte
Kraftübertragung möglich ist.
Die mindestens zwei Biegebalken können parallel nebeneinander angeordnet
werden, um die Biegesteifigkeit der ganzen Anordnung zu erhöhen bzw. die
Gesamtkraft auf die einzelnen Widerstands-Bauelemente zu verteilen.
Ferner können mindestens zwei Biegebalken auf einer Linie angeordnet werden,
wodurch die zwischen den Biegebalken angeordnete Halterung praktisch nicht auf
Biegung beansprucht wird, wenn die Gesamtkraft je zur Hälfte auf die beiden
Krafteinleitungsstempel bzw. Biegebalken einwirkt.
Darüber hinaus können die Biegebalken sternförmig angeordnet sein, wobei die
Gesamtkraft beispielsweise über einen Ring oder eine glockenförmige
Krafteinleitung auf die mehreren (vorzugsweise vier) Krafteinleitungsstempel
verteilt wird.
Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Kraftsensor mindestens zwei
Widerstandsschichten an (in Bezug auf die Reaktion auf eine Krafteinwirkung)
komplementären Stauch- und Dehnungszonen des Biegebalkens angeordnet. Das
hat den Vorteil, dass bei einem solchen Paar von Widerstandsschichten die eine
sensitive Schicht bei einer Krafteinwirkung gestaucht wird, während sich die
andere sensitive Schicht dehnt. Somit lassen sich zwei piezoresistive Widerstände
zusammen mit zwei Festwiderständen zu einer sog. wheatstoneschen Halb-
Brücke verschalten, die gegenüber der einfachen Brückenschaltung die doppelte
Empfindlichkeit besitzt. Vier piezoresistive Widerstände sind sogar zur
sogenannten Voll-Brücke mit vierfacher Empfindlichkeit zu verschalten.
Zur Erfindung gehört ferner ein Verfahren zur Herstellung eines piezoresistiven
Kraftsensors der oben beschriebenen Art, bei welchem ein mindestens einseitig
mit einer Widerstandsschicht versehener Biegebalken an seinem ersten Kopfende
in eine Halterung und an seinem zweiten Kopfende in einen Krafteinleitungs
stempel geklemmt wird, und bei welchem der Biegebalken anschließend mit der
Halterung bzw. dem Krafteinleitungsstempel verlötet, verklebt und/oder
verschweißt wird. Der Vorteil eines solchen Verfahrens besteht darin, dass es auf
einfache Weise möglich wird, Biegebalken einfacher geometrischer Form zum
Aufbau des Kraftsensors zu verwenden. Insbesondere können daher am Markt
erhältliche Chip-Widerstände als Biegebalken eingesetzt werden.
Dabei wird vorzugsweise gleichzeitig mit dem Biegebalken ein elektrisches
Verbindungskabel an der Verbindungsstelle zwischen Halterung bzw. Kraft
einleitungsstempel und Biegebalken befestigt. Die mechanische und elektrische
Verbindung kann somit in einem Arbeitsgang ausgeführt werden, wobei das
Verbindungskabel zunächst mit eingeklemmt werden kann und dadurch fixiert wird
und anschließend durch Löten, Kleben oder Schweißen eine elektrisch gut
leitende dauerhafte Verbindung entsteht.
Wenn ein Krafisensor der oben beschriebenen Art mit mindestens zwei
Biegebalken und einer Krafteinleitungsplatte hergestellt werden soll, kann dies mit
Hilfe eines Ausgleichsklebers oder einer Vergussmasse geschehen. Mit diesem
Kleber bzw. der Vergussmasse wird die Krafteinleitungsplatte auf Zwischenplatten
so fixiert, dass sie Kraftschluss zu allen Krafteinleitungsstempeln der
Kraftsensoren hat und Querkräfte nicht übertragbar sind, weil die Zwischenplatten
auf den Krafteinleitungsstempeln frei gleiten.
Dabei wird vorzugsweise der piezoresistive Krafisensor auf einer Grundplatte
angeordnet und die Oberfläche der Krafteinleitungsplatte planparallel zur
Unterseite der Grundplatte justiert. Dies ist verhältnismäßig einfach
durchzuführen, da der Kleber bzw. die Vergussmasse beim Herstellungsvorgang
die Justierung ohne weiteres zulassen und anschließend unter Fixierung der
eingestellten Abstände erhärten.
Zum Schutz gegen Staub und Feuchtigkeit kann der piezoresistive Kraftsensor in
einem Gehäuse angeordnet werden, wobei als weichelastische Verbindung
zwischen der Krafteinleitungsplatte und dem Gehäuse Dichtungen und/oder Folien
angeordnet werden. Diese behindern aufgrund ihrer Flexibilität die Einleitung einer
externen Kraft nicht. Durch den Einschluss in einem Gehäuse entsteht eine
rundum geschlossene Kraftmessplatte.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es
zeigen:
Fig. 1 den Grundaufbau des Kraftsensors mit dem Chip-Widerstand (1) als
Biegebalken, kopfseitig eingefasst in kasten- oder rahmenförmigen
Krafteinleitungselementen;
Fig. 2 den Grundaufbau eines Kraftsensors, kopfseitig eingefasst in
U-förmigen Krafteinleitungselementen;
Fig. 3 den Aufbau des Kraftsensors aus einer Aufreihung von 2 Chip-
Widerständen, einseitig eingefasst in einem U-schienenförmigen
Halterungsteil;
Fig. 4 eine Ausführungsvariante des Kraftsensors mit zwei Widerstands-
Bauelementen, U-förmigen Krafteinleitungsstempeln und H-förmigem
Halterungsteil;
Fig. 5 eine Ausführung in Sternform mit 4 Chip-Widerständen;
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel als Kraftmess- oder Wägeplatte unter
Verwendung von drei oder mehr Kraftsensoren der vorbeschriebenen
Art;
Fig. 7 die Ausführung einer Kraftmess- oder Wägeplatte im staub- und
feuchtegeschützten Gehäuse.
Fig. 1 zeigt den Grundaufbau des Kraftsensors, bestehend aus einem
Biegebalken 1, bei dem es sich um ein sensitives Widerstandselement mit
piezoresistiver Widerstandsschicht 2 handelt, sowie aus einem rahmenförmigem
Krafteinleitungsstempel 3 und einer rahmenförmigen Halterung 4. Die Halterung 4
ist mit einem Anschlag 5 durch eine verstellbare Schraubverbindung 8
kraftschlüssig zusammengefügt. Der Anschlag könnte auch Teil der
Unterkonstruktion sein, auf die die Kraft F einwirkt. In diesem Falle würde die
Schraubbefestigung die kraftschlüssige Verbindung des Sensors mit der
Unterkonstruktion darstellen. Wenn die Schraubverbindung verstellbar ausgeführt
ist, kann der Abstand a zwischen unbelastetem Krafteinleitungsstempel und
Anschlag mittels Fühlerlehren oder anderer Abstandsmessmittel sehr genau fixiert
werden, um die gewünschte oder die maximale Durchbiegung einzustellen und
damit das Einstellen des Messbereichsendwertes zu erlauben und/oder den
Sensor vor Überlast zu schützen. Die kopfseitige Rundum-Lötverbindung 6 ergibt
sowohl einen guten Kraftschluss als auch eine günstige elektrische
Durchverbindung zur Lötöse 9 mit Kabellitze 7.
An Stelle rahmenförmiger Krafteinleitungsteile bzw. Halterungen sind gemäß Fig.
2 grundsätzlich auch U-förmige möglich, die erforderliche Festigkeit
vorausgesetzt. Die U-förmigen Krafteinleitungsteile 3a bzw. Halterungen 10 haben
erfahrungsgemäß den Vorteil, dass sich die Widerstands-Bauelemente darin
einklemmen lassen, wobei ihre Position geringfügig nachjustierbar ist. Das
U-förmige Halterungsteil 10 wird durch kraftschlüssiges Verschrauben,
Verschweißen, Verlöten oder Verkleben an der Kontaktfläche 13 mit der
Grundplatte 11 verbunden. Die Einpassung der Widerstands-Bauelemente in die
U-förmigen Krafteinleitungsteile erfolgt durch Lötverbindung. Durch eine
entsprechende Fertigungsvorrichtung sind dabei die Teüe so zusammenzufügen,
dass der zulässige und notwendige Abstand a zwischen Krafteinleitungsstempel
und Grundplatte während des Lötvorgangs eingehalten wird. Dies wird möglich,
wenn man zwischen Krafteinleitungsstempel 3a und Grundplatte 11 eine
Fühlerlehre einklemmt, indem man mit einer Klammer den Krafteinleitungsstempel
und die Grundplatte zusammenpresst. Der Anschluss der Zuleitungslitze 7 ist hier
durch eine Anschlussverschraubung 12 am Krafteinleitungsstempel 3a und eine
Lötöse 9 am Halterungsteil 10 vorgesehen.
Fig. 3 stellt den Aufbau des Kraftsensors aus einer Aufreihung von zwei Chip-
Widerständen mit Krafteinleitungsstempeln 3a und 3b dar. Die U-förmige Schiene
14 ist elektrisch gesehen der Mittelanschluss zwischen den beiden Widerstands-
Bauelementen. Mechanisch gesehen kann die Gesamtkraft hier auf zwei
Biegebalken verteilt werden, wenn über den beiden Krafteinleitungsstempeln ein
Joch angeordnet wird. Der Grundaufbau entspricht im übrigen der Anordnung
nach Fig. 2. Ordnet man hier die sensitive Schicht 2 bei dem einen Chip-
Widerstand oben und bei dem andern unten an, so wird sie unter Einwirkung einer
Druckkraft im einen Fall gedehnt, im andern Fall gestaucht. Zusammen mit zwei
Festwiderständen lässt sich daraus eine wheatstonesche Halbbrücke schalten. In
ähnlicher Weise kann bei allen Anordnungen mit einer geradzahligen Anzahl von
Bauelementen paarweise ein Bauelement mit der sensitiven Schicht nach oben,
das andere mit der sensitiven Schicht nach unten angeordnet werden. Natürlich
können prinzipiell auch an einem einzigen Biegebalken beidseitig
Widerstandsschichten aufgebracht werden, welche dann getrennt abgegriffen
werden müssen.
Durch das Aufreihen von zwei oder mehr Widerstandselementen kann die
Biegesteifigkeit der ganzen Anordnung durch mechanischen Parallelschaltung
beliebig erhöht bzw. die Gesamtkraft auf die einzelnen Widerstands-Bauelemente
verteilt werden. Dabei sind die Krafteinleitungsstempel 3a oder 3b mit
Widerstands-Bauelement und Litze 7 als vorgefertigte Teile immer wieder zu
verwenden und je nach gewünschter Steifigkeit der Anordnung mehrfach
einzufügen.
Fig. 4 gibt eine Ausführungsvariante des Kraftsensors mit zwei Widerstands-
Bauelementen 1 und einem H-förmigem Halterungsteil 15, das fest mit einer
Grundplatte 18 verbunden ist, wieder. Im übrigen funktioniert der Aufbau wie unter
Fig. 2 beschrieben. Insbesondere kann beim nachfolgenden Einlöten des
Widerstands-Bauelements in das Halterungsteil eine Justierung auf den Abstand a
vorgenommen werden. Die Krafteinleitung kann hier wieder über ein Joch
erfolgen, das auf den beiden Krafteinleitungsstempeln 3c und 3d aufliegt. Dabei
wird das Halterungsteil praktisch nicht auf Biegung beansprucht, wenn die
Gesamtkraft je zur Hälfte auf die beiden Krafteinleitungsstempel einwirkt.
Fig. 5 zeigt eine Ausführung mit Anordnung der Chip-Widerstände in Sternform.
Dazu ist in der Mitte ein stern- oder kreuzförmiges Halterungsteil 16 erforderlich, in
welches die Kopfenden der Widerstands-Bauelemente 1 eingepasst werden. Beim
nachfolgenden Einlöten des Widerstands-Bauelements in das Halterungsteil kann
eine Justierung auf den Abstand a vorgenommen werden. Die Gesamtkraft kann
über eine ring- oder glockenförmige Krafteinleitung auf die Krafteinleitungsstempel
verteilt werden. Da jeweils zwei Widerstands-Bauelemente gegenüberliegend
angeordnet sind, wird bei gleichmäßiger Kraftverteilung durch eine
Krafteinleitungsglocke das Halterungsteil nicht durch zusätzliche Drehmomente
belastet.
Die beiden Krafteinleitungsteile (Halterung und Krafteinleitungsstempel) werden
erfindungsgemäß sowohl als mechanische Krafteinleitungselemente als auch als
elektrische Anschlusselemente genutzt. Wie die Fig. 1 bis 5 zeigen, sind für
den Anschluss der flexiblen elektrischen Zuleitung 7 unter anderem Lötösen 9 und
Schraubkontakte 12 vorgesehen, die in ähnlicher Weise auch für handelsübliche
Schraubklemmen und sogenannte Crimpkontakte ausgeführt werden können. Am
einfachsten kann bei den U-förmigen Krafteinleitungsteilen das abisolierte
Litzenende 21 gemäß Fig. 5 direkt unter dem eingeklemmten Widerstands-
Bauelement gehalten und mitverlötet werden.
Fig. 6 stellt dar, wie eine Gesamtkraft G durch eine Krafteinleitungsplatte 22 auf
die mindestens drei darunter positionierten Kraftsensoren in einfacher Weise sehr
gleichmäßig verteilt werden kann. Dazu ist ein zäher, aushärtender Kleber in
gleichen, geringen Dosierungen 23 auf Zwischenplättchen 24 aufzubringen, die
ihrerseits auf den Krafteinleitungsstempeln der einzelnen Sensoren liegen. Durch
leichtes Anpressen der Krafteinleitungsplatte 22 wird ein gleichmäßiger
Kraftschluss zu allen Sensoren erreicht, da die Klebertropfen weitgehend die
gleiche Gegenkraft erzeugen. Zugleich ist damit Planparallelität zwischen der
Oberseite der Krafteinleitungsplatten 22 und der Unterseite der Grundplatte 20 zu
erzielen. Verarbeitet man die Einzelsignale der unterlegten Kraftsensoren, so ist
bei Einleitung einer einzigen, annähernd punktförmigen Gesamtkraft G mit dieser
Anordnung auch der Kraftangriffspunkt von G feststellbar. Die Zwischenplatten 24
haben den Vorteil, dass der Krafteinleitungsstempel auf ihnen frei gleiten kann, so
dass Querkräfte nicht eingeleitet werden. Grundsätzlich sind an Stelle der
kreuzförmigen auch andere Sensoranordnungen unter der Krafteinleitungsplatte
möglich.
Fig. 7 zeigt, wie mindestens drei der beschriebenen Kraftsensoren zu einer staub-
und feuchtedicht abgeschlossenen Einheit zusammengefügt werden, indem die
Krafteinleitungsplatte 22 rundum durch eine weichelastische Dichtung 25a, 25b
mit einem den Sensor umgebenden Gehäuse 27 verbunden wird. Durch
entsprechende Bemessung der Gehäusehöhe kann die Anordnung so
zusammengefügt werden, dass beispielsweise die Oberfläche der
Krafteinleitungsplatte 22 und die Oberkante des Gehäuses 27 bündig sind.
Verringert man die Gehäusehöhe geringfügig, so ist auch ein Einfügen der
Sensoranordnung unter Vorspannung möglich. Wahlweise kann das
Zusammenfügen der Anordnung auch durch eine elastische Folie 26 erfolgen, die
auf der Oberfläche der Krafteinleitungsplatte 22 und dem Rand des Gehäuses 27
aufgeklebt wird und in den Bereichen 26a und 26b, d. h. über dem Spalt zwischen
Krafteinleitungsplatte 22 und Gehäuse 27, möglichst weichelastisch sein muss.
Da jedoch die Auslenkung a der Kraftsensoren erfahrungsgemäß weniger als
0,05 mm beträgt, machen sich bei ausreichender Bemessung des Spalts zwischen
Krafteinleitungsplatte und Gehäusewand die Biegekräfte der Folien nicht
bemerkbar. Diese Anordnung kann eingesetzt werden bei sog. Touch-Screen-
Bildschirmen, wobei die Krafteinleitungsplatte 22 durch einen Flachbildschirm
realisiert ist und aus den Messsignalen der hinterlegten Kraftsensoren auf den
Angriffspunkt der Druckkraft geschlossen wird.
Der vorgeschlagene Aufbau macht eine Modulbauweise möglich, die für die
verschiedensten Anwendungen einsetzbar ist. Bei entsprechender Bemessung
sind teilweise handelsübliche Verbindungselemente, Manschetten und
vorgefertigte Teile einsetzbar. Schließlich lassen sich z. B. durch Befestigung von
Kugelgelenken an den Krafteinleitungsstempeln alle aufgeführten Anordnungen
auch bidirektional für Druck- und Zugkräfte verwenden.
Ferner können die Sensorteile nach der mechanischen Einstellung und dem
elektrischen Anschluss durch elastischen Lack oder Kleber oder andere
wasserdichte elastische Vergussmassen versiegelt werden.
Die Sensoren sind überall da einsetzbar, wo ihre Halterung beziehungsweise ihr
Anschlag direkt an den mechanischen Konstruktionsteilen angebracht werden
kann und der Krafteinleitungsstempel zur freien Krafteinleitung genutzt wird.
1
Widerstands-Bauelement (Chip-Widerstand)
2
sensitive Widerstandsschicht
3
Krafteinleitungsstempel, rahmenförmig
3
a-
3
d Krafteinleitungsstempel, U-förmig
4
Halterung
5
Anschlag
6
Lötverbindung
7
Zuleitungslitze
8
Schraubverbindung zwischen Anschlag und Halterung
9
Lötösen
10
Halterungsteil, U-förmig
11
Grundplatte für U-förmiges Halterungsteil
12
Anschlussverschraubung für Zuleitung
13
Kontaktfläche zwischen U-förmigem Halterungsteil und
Grundplatte
14
Halterungsteil, U-schienenförmig
15
Halterungsteil, H-förmig
16
Halterungsteil, sternförmig
17
Kontaktfläche zwischen H-förmigem Halterungsteil und
Grundplatte
18
Grundplatte für H-förmiges Halterungsteil
19
Kontaktfläche zwischen stemförmigem Halterungsteil und
Grundplatte
20
Grundplatte für sternförmiges Halterungsteil
21
abisoliertes Litzenende, im U-förmigen Krafteinleitungsteil
eingelötet
22
Krafteinleitungsplatte
23
zäher Montagekleber
24
gleitfähige Zwischenplatte
25
a,
25
b weichelastische Dichtungen
26
weichelastische Folie
26
a,
26
b Biegebereiche der weichelastischen Folie
27
Gehäuse für Kraftmessplatte
a Abstand
G Gesamtkraft
F Kraft auf Krafteinleitungsstempel
a Abstand
G Gesamtkraft
F Kraft auf Krafteinleitungsstempel
Claims (19)
1. Piezoresistiver Kraftsensor, enthaltend einen Biegebalken (1) mit einer
mindestens einseitig aufgebrachten Widerstandsschicht (2),
dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken an einem ersten
Kopfende in einer Halterung (10, 14, 15, 16) und an seinem zweiten
Kopfende in einem Krafteinleitungsstempel (3, 3a-d) gefasst ist, wobei die
Halterung und der Krafteinleitungsstempel jeweils elektrischen Kontakt zur
Widerstandsschicht herstellen.
2. Kraftsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (1) aus einem
keramischen Material besteht.
3. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung und/oder der Kraft
einleitungsstempel (3) das Kopfende des Biegebalkens (1) rahmenförmig
umgeben.
4. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (10, 14, 15, 16)
und/oder der Krafteinleitungsstempel (3a-d) das Kopfende des
Biegebalkens (1) U-förmig umgeben.
5. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass sich in Kraftwirkungsrichtung
gesehen unter dem Krafteinleitungsstempel (3) ein Anschlag (5) befindet,
welcher vorzugsweise höhenverstellbar ist.
6. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (10, 14, 15, 16)
und/oder der Krafteinleitungsstempel (3, 3a-d) mit dem Kopfende des
Biegebalkens (1) durch Löten, Kleben oder Verschweißen verbunden ist.
7. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens zwei in eine
gemeinsame Halterung (14, 15, 16) eingesetzte und vorzugsweise
gleichartig ausgebildete Biegebalken (1) aufweist.
8. Kraftsensor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass er eine Krafteinleitungsplatte (22)
aufweist, die mit den Krafteinleitungsstempeln der mindestens zwei
Biegebalken (1) in einem kraftübertragenden Kontakt steht.
9. Kraftsensor nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinleitungsplatte (22) mit
den Krafteinleitungsstempeln in Gleitkontakt steht.
10. Kraftsensor nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass er in einem Gehäuse (27)
gekapselt ist, wobei die Krafteinleitungsplatte (22) eine Gehäusewand
bildet und vorzugsweise von einer flexiblen Folie (26) abgedeckt ist.
11. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Biegebalken (1)
parallel nebeneinander angeordnet sind.
12. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Biegebalken (1)
auf einer Linie angeordnet sind.
13. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Biegebalken (1)sternförmig
angeordnet sind.
14. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei
Widerstandsschichten an komplementären Stauch- und Dehnungszonen
des Biegebalkens (1) angeordnet sind.
15. Verfahren zur Herstellung eines piezoresistiven Kraftsensors nach einem
der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass ein mindestens einseitig mit einer
Widerstandsschicht (2) versehener Biegebalken (1) an seinem ersten
Kopfende in eine Halterung (10, 14, 15, 16) und an seinem zweiten
Kopfende in einen Krafteinleitungsstempel (3, 3a-d) geklemmt wird und
dass er anschließend mit der Halterung bzw. dem Krafteinleitungsstempel
verlötet, verklebt und/oder verschweißt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit dem
Biegebalken (1) ein elektrisches Verbindungskabel (7) an der
Verbindungsstelle zwischen Halterung (10, 14, 15, 16) bzw. Kraft
einleitungsstempel (3, 3a-d) und Biegebalken befestigt wird.
17. Verfähren nach einem der Ansprüche 15 oder 16 zur Herstellung eines
piezoresistiven Kraftsensors nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Ausgleichsklebers
oder einer Vergussmasse (23) eine Krafteinleitungsplatte (22) auf
Zwischenplatten (24) so fixiert wird, dass sie Kraftschluss zu allen Kraft
einleitungsstempeln der Kraftsensoren hat und Querkräfte nicht
übertragbar sind, weil die Zwischenplatten auf den
Krafteinleitungsstempeln frei gleiten.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass der piezoresistive Kraftsensor auf
einer Grundplatte (20) angeordnet wird und dass die Oberfläche der
Krafteinleitungsplatte (22) planparallel zur Unterseite der Grundplatte (20)
justiert wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, dass der piezoresistive Kraftsensor in
einem Gehäuse (27) angeordnet wird und dass als weichelastische
Verbindung zwischen der Krafteinleitungsplatte (22) und dem Gehäuse
(27) Dichtungen (25a, 25b) und/oder Folien (26) angeordnet werden, so
dass eine rundum geschlossene Kraftmessplatte entsteht.
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