DE202018103377U1

DE202018103377U1 - Kraftsensor

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Publication number: DE202018103377U1
Application number: DE202018103377.8U
Authority: DE
Original assignee: Conscience Analytics GmbH
Current assignee: Conscience Analytics GmbH
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2019-09-17
Anticipated expiration: 2028-06-16

Abstract

Kraftsensor (1) mit
• einem mit einer zu messenden Kraft (F) beaufschlagbaren, eine Targetfläche (8) aufweisenden Kraftaufnahmeteil (4) und
• einem in einer ortsfesten Position zu einer Referenzfläche (7) angeordneten Abstandssensor (6), der zum Messen eines Abstandes (A, A') der Targetfläche (8) zu der Referenzfläche (7) in einer Messrichtung eingerichtet ist,
• wobei der Kraftsensor (1) wenigstens ein derart angeordnetes elastisch verformbares Element (3) aufweist, dass das elastisch verformbare Element (3) bei einem Einwirken einer Kraft (F) auf das Kraftaufnahmeteil (4) sich in einer solchen Weise verformt, dass eine Veränderung des Abstandes (A, A') zwischen Referenzfläche (7) und Targetfläche (8) auftritt,
• wobei eine eine Veränderung des Abstandes (A, A') zwischen Referenzfläche (7) und Targetfläche (8) anzeigende Messausgabe des Abstandssensors (6) die eine auf dem Kraftaufnahmeteil (4) in Richtung der Messrichtung lastende Kraft repräsentierende Messausgabe des Kraftsensors (1) ist oder in eine solche Ausgabe umgerechnet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftsensor. Kraftsensoren sind in verschiedentlichen Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden in den unterschiedlichsten Anwendungen genutzt. Zum Beispiel messen Kraftsensoren Gewichtskräfte und werden entsprechend zur Gewichtsbestimmung in Waagen eingesetzt. Sie werden auch zur Druckmessung verwendet.
Übliche Kraftsensoren bekannter Art sind heutzutage mit auf elastisch sich verformenden Elementen, typischerweise aus Metall, aufgebrachten Dehnungsmessstreifen realisiert, wobei eine zu bestimmende Kraft eine Verformung des Metallelements bewirkt und dadurch ein Signal des Dehnungsmessstreifens hervorruft. Bei diesem Signal handelt es sich um ein analoges elektrisches Signal, welches für eine spätere Verarbeitung und Auswertung in der Regel verstärkt werden muss. Zudem muss häufig eine Umwandlung des analogen Signals in ein digitales Signal durchgeführt werden, um das Kraftsignal in einer nachfolgenden Datenverarbeitung verwerten zu können.
Entsprechend sind solche Kraftsensoren, insbesondere wenn die nachfolgende Datenverarbeitung und Signalumwandlung mit einbezogen sind, raumgreifend und platzraubend gebildet. Sie sind häufig, gerade wenn sie kostengünstig hergestellt werden, nicht von großer Messgenauigkeit und zudem im Messbereich oftmals eingeschränkt. Durch diese Beschränkungen können bekannte Kraftsensoren in verschiedenen Anwendungen, in denen kostengünstige und robuste Kraftsensoren vorteilhafterweise verwendet werden könnten, nicht eingesetzt werden.
Diesen Nachteilen widmet sich die vorliegende Erfindung. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten, zuverlässig messenden, robusten Kraftsensor anzugeben, der in der Herstellung kostengünstig ist und der idealerweise eine gute Messgenauigkeit und/oder einen weiten Messbereich aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Kraftsensor mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Kraftsensors sind in den Schutzansprüchen 2 bis 16 näher bestimmt.
Erfindungsgemäß hat ein neuartiger Kraftsensor ein mit einer zu messenden Kraft beaufschlagbares, eine Targetfläche aufweisendes Kraftaufnahmeteil. Weiterer wesentlicher Bestandteil eines solchen Kraftsensors ist ein Abstandssensor, der in einer ortsfesten Position zu einer Referenzfläche angeordnet ist und der zum Messen eines Abstandes der Targetfläche zu der Referenzfläche in einer Messrichtung eingerichtet ist. Der Abstandssensor ist also entsprechend relativ zu der Targetfläche so angeordnet, dass er den zu erfassenden Abstand zwischen Referenzfläche und Targetfläche entlang der Messrichtung bestimmen kann.
Der Kraftsensor hat ferner wenigstens ein elastisch verformbares Element, welches in einer solchen Weise angeordnet ist, dass es bei einem Einwirken einer Kraft auf das Kraftaufnahmeteil sich in einer derartigen Weise verformt, dass eine Abstandsveränderung zwischen Referenzfläche und Targetfläche auftritt. Als Messausgabe, die eine auf dem Kraftaufnahmeteile in Richtung der Messrichtung lastende Kraft repräsentiert, dient bei dem erfindungsgemäßen Kraftsensor eine eine Abstandsveränderung zwischen Referenzfläche und Targetfläche anzeigende Messausgabe des Abstandssensors. Diese kann direkt oder nach einer weiteren rechnerischen Verarbeitung die auflastende Kraft repräsentieren.
Der erfindungsgemäße Kraftsensor funktioniert also, indem eine elastische Verformung des elastischen Elements bzw. der elastischen Elemente, die durch eine auf dem Kraftaufnahmeteil des Kraftsensors lastende Kraft hervorgerufen wird und die sich in einer Abstandsänderung zwischen Referenzfläche und Targetfläche äußert, als Maß für die auflastende Kraft dient. Die entsprechende Abstandsveränderung bestimmt sich durch Art und Eigenschaften des elastisch verformbaren Elements, z.B. durch ein Elastizitätsmodul des Materials, aus dem das elastisch verformbare Element gebildet ist und aus einer Materialstärke bzw. einer Querschnittsfläche des wenigstens einen elastisch verformbaren Elements. Für die quantitative Bestimmung der Kraft wird eine Eichkurve einer durch eine vorgegebene Kraft bedingten Abstandsveränderung aufgrund einer Verformung des elastisch verformbaren Elements entweder praktisch als Versuchsergebnis aufgenommen oder durch theoretische Überlegungen aufgrund bekannter Eigenschaften des Materials des wenigstens einen elastisch verformbaren Elements sowie dessen Geometrie rechnerisch ermittelt. Diese Eichkurve muss dabei nicht zwingend eine lineare sein, sie ist dies in der praktischen Umsetzung meist auch nicht.
Dabei kann ein erfindungsgemäßer Kraftsensor für ganz unterschiedliche Messbereiche von zu erfassenden Kräften konzipiert werden. Die entsprechende Skalierung wird wie schon erwähnt erreicht durch die Wahl der Art und des Materials des elastisch verformbaren Elements einerseits und auch durch die Geometrie und Dimensionen des Kraftsensors, insbesondere des oder der elastisch verformbaren Elements/Elemente. So können erfindungsgemäße Kraftsensoren gebildet werden, die zum Beispiel für die Messung der Gewichtskraft in Personenwaagen geeignet sind, die an zentralen Stellen in Tierhaltungsanlagen, zum Beispiel im Bereich von Futterraufen in Viehhaltungsställen unterhalb von Auftrittsplatten angeordnet sind, um das Gewicht von Nutztieren zu bestimmen, die in Wägeeinrichtungen für Kraftfahrzeuge, z.B. Lastkraftwagen, verbaut sind (entsprechend für das Erfassen großer Gewichtskräfte ausgelegt sind), aber auch solche für die Erfassung vergleichsweise geringerer Kräfte, wie zum Beispiel in Küchenwaagen oder dergleichen Anwendungen.
Das elastisch verformbare Element, welches bei Einwirkung einer Kraft auf das Kraftaufnahmeteil eine Abstandsveränderung zwischen der Targetfläche am Kraftaufnahmeteil und der Referenzfläche bewirkt, kann als ein gesondertes Element ausgebildet sein und das dann insbesondere starr, beziehungsweise steif gebildete Kraftaufnahmeteil tragen. Gleichsam kann das elastisch verformbare Element aber auch als integraler Bestandteil des Kraftaufnahmeteils gebildet sein, sodass sich das Kraftaufnahmeteil, wenn es mit einer Kraft beaufschlagt ist, insgesamt oder jedenfalls in einem Abschnitt in einer solchen Weise elastisch verformt, dass die Targetfläche ihren Abstand zur Referenzfläche verändert, sodass mit dem Abstandssensor eine entsprechende Abstandsveränderung erfasst und in der oben bezeichneten Weise als Wert für eine auflastende Kraft erkannt werden kann.
Das wenigstens eine elastisch verformbare Element kann insbesondere aus einem natürlichen oder auch einem künstlichen Elastomer gebildet sein, welches gegebenenfalls verstärkt sein kann, zum Beispiel mit darin eingebrachten Verstärkungsfasern. Hier können zum Beispiel aus Kautschuk gewonnene Materialien, wie zum Beispiel Gummi, aber auch andere speziell für den Zweck der Bildung eines erfindungsgemäßen Kraftsensors konzipierte Materialien Verwendung finden. Die konkrete Auswahl des Materials wird, wie bereits vorstehend erläutert, anhand eines mit dem erfindungsgemäßen Kraftsensor zu detektierenden Messbereichs für die anliegenden Kräfte bestimmt werden. Je größer die Kräfte, desto weniger elastisch wird das Material gewählt werden bzw. desto größer wird dessen Querschnitt zu wählen sein. In einem Funktionsmuster, das der Erfinder hergestellt hat, ist das elastisch verformbare Element beispielsweise aus Silikongummi gefertigt. Unterschiedliche Shorehärten können dabei die Eigenschaften der Verformung unter Krafteinwirkung beeinflussen, damit den Messbereich des Kraftsensors. Es können hier z.B. solche Silikongummis mit Shorehärten von 30° bis 90° Shore A nach Herstellerangabe zum Einsatz kommen. Es sind aber auch andere Elastomere verwendbar, wie sie z.B. in der Dichtungstechnik angewendet werden. Auch ist es denkbar, das wenigstens eine elastisch verformbare Element als Feder, insbesondere aus Metall, zu bilden (z.B. als Schraubenfeder oder Blattfeder). Dies ist insbesondere bei größeren Hüben, also weiten Abstandsspannen, die es zu überwinden gilt (z.B. bei großen Messbereichen mit hoher Auflösung) von Vorteil.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann der erfindungsgemäße Kraftsensor mit einem plattenförmig gebildeten Kraftaufnahmeteil versehen sein, welches eine erste Fläche und eine dieser gegenüberliegende zweite Fläche aufweist, wobei die Targetfläche auf der zweiten Fläche ausgebildet ist. Das plattenförmige Kraftaufnahmeteil ist dabei vorzugsweise eben mit parallelen ersten und zweiten Flächen gebildet. Eine solche Ausgestaltung ist einfach zu realisieren und ergibt eine besonders gute Umsetzung einer senkrecht zu der Plattenebene auf dem Kraftaufnahmeteil auflastenden Kraft in eine Veränderung des Abstandes der Targetfläche zur Referenzfläche, die mit dem Abstandssensor als Maß für die Größe der auflastenden Kraft erfasst wird.
Wenngleich grundsätzlich für eine Umsetzung in dem erfindungsgemäßen Kraftsensor alle möglichen Arten von Abstandssensoren zum Einsatz gelangen können, ist der Abstandssensor mit besonderem Vorteil ein berührungsloser Abstandssensor, d. h. ein solcher Abstandssensor, der mit einer berührungslos arbeitenden Messtechnik funktioniert. Eine solche berührungslos arbeitende Messtechnik kann zum Beispiel in einem optisch messenden Abstandssensor umgesetzt sein. Es kommen aber auch andere Arten der berührungslosen Abstandsbestimmung infrage, zum Beispiel mittels Schallwellen (nach dem Prinzip eines Echolots) oder auch mit anderer Art von gerichteter und an der Targetfläche reflektierter Strahlung, zum Beispiel nach Art eines Radar. Für eine einfache Umsetzung des Abstandssensors in dem erfindungsgemäßen Kraftsensor wird jedoch ein optisch messender Abstandssensor bevorzugt, hierbei insbesondere ein Abstandssensor mit LED, da diese Technologie einerseits sehr genaue und hochaufgelöste Abstandswerte ermitteln kann, andererseits kostengünstig zu haben ist. Selbstverständlich können auch andere optisch messende Abstandssensoren verwendet werden, zum Beispiel solche mit Laser, zum Beispiel einem Infrarot Laser oder einem Time-of-Flight-Sensor („TOF“) für größere Hübe, insbesondere dann, wenn das elastisch verformbare Element durch eine Feder gebildet ist. Wird ein optische messender Abstandssensor eingesetzt, so kann die Targetfläche für eine hohe Reflektivität von von dem Abstandssensor ausgesandten Licht eingerichtet sein, z.B. entsprechend beschichtet oder mit einem hoch reflektiven Material belegt.
Ein weiterer Vorteil von berührungslosen Abstandssensoren liegt darin, dass diese mit einer hohen Taktrate messen können (z.B. mit ca. 100 Messwertausgaben pro Sekunde). Dies führt dazu, dass der mit einem solchen Abstandssensor gebildete Kraftsensor kaum ein Einschwingverhalten zeigt, sondern in Echtzeit einen wahren Messwert der auflastenden Kraft ausgibt. Bei den bisher häufig verwendeten Kraftsensoren, z.B. bei sog. Wägezellen, wie sie meist bei Waagen verwendet werden, ist dies anders. Diese zeigen ein deutliches Einschwingverhalten aufgrund der Trägheit des Sensors. Nicht nur, aber gerade bei optisch messenden Abstandssensoren lassen sich die vorstehend genannten Messraten verwirklichen.
Wie bereits erwähnt, kann das Kraftaufnahmeteil ein starres Element sein. Eine solche Ausgestaltung ist jedenfalls dann zu bevorzugen, wenn eine zu bestimmende Kraft großflächig auf dem Kraftaufnahmeteil auflastet, und es dabei zu verhindern gilt, dass nur ein Teil der auflastenden Kraft zu einer Verformung des elastischen Elements führt, in eine Abstandsveränderung zwischen Referenzfläche und Targetfläche überführt wird.
In einer besonderen Ausgestaltung kann der Kraftsensor gemäß der Erfindung eine starre Basis aufweisen und kann dann das wenigstens eine elastisch verformbare Element zwischen der Basis und dem Kraftaufnahmeteil angeordnet sein. Dabei können auch mehrere elastisch verformbare Elemente verwendet werden, die zum Beispiel block- oder säulenartig zwischen der Basis und dem Kraftaufnahmeteil angeordnet sind und sich jeweils verformen und zu einer Abstandsveränderung zwischen Referenzfläche und Targetfläche führen, wenn auf dem Kraftaufnahmeteil eine zu bestimmende Kraft lastet. Das wenigstens eine elastisch verformbare Element kann allerdings auch ringförmig, insbesondere kreisringförmig, gebildet sein. Hierbei kann insbesondere ein einziges derartiges elastisch verformbares Element verwendet werden. Das wenigstens eine elastisch verformbare Element kann bei einer ringförmigen Gestaltung um den Abstandssensor herum angeordnet sein und diesen umschließen. In einer solchen Ausgestaltung, bei der dann das Kraftaufnahmeteil auf dem ringförmigen, elastisch verformbaren Element aufliegt, bewirkt, dass der Abstandssensor weitgehend vollständig eingehaust ist und dadurch gegen mechanische Einflüsse, aber auch gegen sonstige Störeinflüsse von außen abgeschirmt ist. Insbesondere dann, wenn der Abstandssensor ein optisch messender Abstandssensor ist, wird so erreicht, dass kein Licht in den Messbereich des Abstandssensors vordringen kann, jedenfalls dann, wenn die beteiligten Elemente nicht transparent sind, sodass keine Verfälschung der Messergebnisse durch Streulicht erfolgt. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn hohe Genauigkeiten der Messung erreicht werden sollen.
Das ringförmige, elastisch verformbare Element kann insbesondere einen rechteckigen oder quadratischen Ringquerschnitt aufweisen. So bietet es vergleichsweise große Auflageflächen für eine Auflage auf der Basis einerseits und für eine Auflage des Kraftaufnahmeteils andererseits und damit einerseits eine stabile Anordnung und andererseits eine noch bessere Übertragung der auflastenden Kraft und eine zuverlässig diese Kraft anzeigende, von der Größe der Kraft abhängige Verformung und Abstandsverringerung zwischen Referenzfläche und Targetfläche.
In einer spezifischen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftsensors kann der Abstandssensor auf der Basis angeordnet sein und kann das ringförmige, elastisch verformbare Element ebenfalls auf der Basis angeordnet sein und den Abstandssensor umgeben. Das Kraftaufnahmeteil ist dabei auf dem ringförmigen, elastisch verformbaren Element angeordnet und überdeckt dieses vollständig. In dieser Konstellation sind dann gemäß dieser besonderen Ausgestaltung die Basis, das elastisch verformbare Element und das Kraftaufnahmeteil fest miteinander verbunden, zum Beispiel verklebt oder verschweißt, sodass der Abstandssensor zwischen Basis, ringförmigem, elastisch verformbaren Element und Kraftaufnahmeteil gehäuseartig eingeschlossen ist. Auf diese Weise wird ein kompakt gebildeter, nach außen hin einteiliger Kraftsensor erhalten, bei dem die eigentliche empfindliche Messsensorik, nämlich der Abstandssensor, sicher zwischen den vergleichsweise robusten und stabil herstellbaren weiteren Elementen eingehaust und eingeschlossen ist.
Gemäß einer weiteren und vorteilhaften Ausgestaltung des Kraftsensors hat der Abstandssensor eine elektrische Messwertausgabe, die insbesondere bereits eine digitale Messwertausgabe sein kann. Dabei ist dann ein Anschluss vorgesehen zum Verbinden der elektrischen Messwertausgabe des Abstandssensors mit einem Signalverarbeitungsgerät. Ein Signalverarbeitungsgerät kann dabei ein externes Gerät, insbesondere ein Datenverarbeitungsgerät, wie zum Beispiel ein Computer oder ein Steuer- oder Auswertechip sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Kraftsensor selbst schon eine Rechnereinheit aufweist, die von dem Abstandssensor ausgegebene, elektrische Messwerte verarbeitet und über einen Signalausgang digitale Sensorsignale ausgibt. Eine solche Rechnereinheit kann zum Beispiel durch einen integrierten Schaltkreis bzw. einen Chip gebildet sein, wobei diese Rechnereinheit dazu ausgelegt sein kann, von dem Abstandssensor empfangene Analogsignale in digitale Signale zu wandeln (wenn der Abstandssensor selbst noch keine digitale Messwertausgabe aufweist) und die Abstandssignale unmittelbar anhand einer wie vorstehend beschrieben erhaltenen Eichkurve in eine die Größe der auflastenden Kraft repräsentierende Signale umzuwandeln bzw. umzurechnen. Insbesondere kann der Signalausgang ein Busanschluss sein, sodass der erfindungsgemäße Kraftsensor unmittelbar an ein Bussystem angeschlossen werden kann. So können zum Beispiel mehrere erfindungsgemäße Kraftsensoren in einem Bussystem zusammengeschaltet und können deren Signale später in einer Auswerteinheit kombiniert werden. Dies kann zum Beispiel bei einer Personenwaage geschehen, die in ihren Standfüßen, z.B. vier solchen Standfüße, jeweils erfindungsgemäß gebildete Kraftsensoren integriert hat, wobei die jeweiligen Sensordaten der einzelnen Kraftsensoren in einer Auswertung korreliert und so kombiniert werden, dass eine auf der Personenwaage insgesamt auflastenden Gewichtskraft bestimmt und letztlich zur Anzeige gebracht werden kann.
Insbesondere der erfindungsgemäß verwendete Abstandssensor kann ein solcher sein, der elektrische Energie für seinen Betrieb benötigt, wie zum Beispiel ein optisch messender Abstandssensor. Dabei werden solche Komponenten und Sensoren bevorzugt, die einen möglichst geringen Energiebedarf haben. Gleichwohl muss die Energie für die Versorgung zur Verfügung gestellt werden, was bevorzugt drahtlos erfolgt, zum Beispiel durch eine in dem erfindungsgemäßen Kraftsensor angeordnete Batterie oder einen dort vorgesehenen Akkumulator. Die Batterie oder der Akkumulator kann z.B. in einem dafür vorgesehenen, von außen zugänglichen Batteriefach untergebracht sein. Es kann, wenn ein Akkumulator für die Versorgung mit elektrischer Energie vorgesehen ist, auch ein Ladeanschluss für die Verbindung mit einem Ladekabel vorhanden sein. Alternativ kann die Energieversorgung aber auch kabelgebunden, z.B. über ein wie vorstehend bereits erwähntes Bussystem, an den Kraftsensor herangeführt und in diesen gespeist werden.
Weiterhin kann der erfindungsgemäße Kraftsensor mit Vorteil eine Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation aufweisen. Mit dieser kann er Messwerte repräsentierende Signale drahtlos an entsprechende Gegenstellen übermitteln. Dazu muss die Einrichtung für die drahtlose Kommunikation prinzipiell nur unidirektional eingerichtet sein. Bevorzugt wird aber eine Möglichkeit der bidirektionalen drahtlosen Kommunikation, so dass der Kraftsensor auch Abfragen oder dergleichen empfangen kann. Z.B. können so Messwerte abgefragt und von dem Kraftsensor nur auf Abfrage hin übermittelt werden, um so den Energieverbrauch des Kraftsensors zu reduzieren, was insbesondere dann von Bedeutung ist, wenn dieser mit Batterie oder Akkumulator betrieben wird. Die Einrichtung für eine drahtlose Kommunikation kann z.B. nach dem Bluetooth-Standard oder für WLAN eingerichtet sein oder für ein Senden im 433 MHz-Band.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:

1 eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftsensors;
2 eine Schnittdarstellung des Kraftsensors gemäß 1 in einem unbelasteten Zustand; und
3 eine 2 vergleichbare Schnittdarstellung des Kraftsensors mit einer auf dem Kraftaufnahmeteil auflastenden Kraft.

In den Figuren ist in sehr schematischen Darstellungen (so fehlen zum Beispiel die elektrischen Kontakte und Leitungen in den Darstellungen) ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftsensors gezeigt. Dieses, lediglich eine mögliche Ausgestaltungsform der Erfindung aufzeigende Ausführungsbeispiel wird nachstehend unter Verweis auf die Figuren näher beschrieben, wobei in der nachstehenden Beschreibung auch solche Merkmale erläutert werden, die nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt sind, sondern sich grundsätzlich auch in anderen Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Kraftsensors umsetzen und integrieren lassen.
Ein erfindungsgemäßer Kraftsensor in der in den Figuren gezeigten Ausgestaltungsform ist allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Er ist von flacher und scheibenförmiger Bauart mit einer im Wesentlichen kreiszylinderförmigen Außenkontur. Diese Bauform ist aber nicht wesentlich für die Realisierung eines erfindungsgemäßen Kraftsensors, der auch ganz andere Formen haben kann.
Der Kraftsensor 1 ist von einfachem Aufbau und mit wenigen Teilen gebildet. Er umfasst zunächst eine Basis 2, die aus einem steifen, bzw. starren Material gebildet ist, zum Beispiel einem Metall oder einem festen und starren Kunststoff. Die Basis weist eine Oberfläche auf, auf der ein ringförmig gebildetes elastisch verformbares Element 3 aufgelegt ist. Dieses hat einen quadratischen Ringquerschnitt und ist im zusammengesetzten Zustand (in 1 ist eine Explosionsdarstellung gezeigt) fest an der Basis 2 fixiert, zum Beispiel mit dieser verklebt. Der Basis 2 gegenüberliegend ist auf das elastisch verformbare Element 3 ein Kraftaufnahmeteil 4 aufgelegt, das hier die Form eines flachen, plattenförmigen Deckels aufweist. Auch das Kraftaufnahmeteil 4 ist mit dem elastisch verformbaren Element 3 im zusammengesetzten Zustand des Kraftsensors 1 fest verbunden, zum Beispiel verklebt.
In einem von dem ringförmig gebildeten, elastisch verformbaren Element 3 gebildeten Innenraum ist auf der Basis 2 eine Platine 5 angeordnet, die neben weiteren elektrischen Bauteilen und Anschlüssen insbesondere einen berührungslos messenden Abstandssensor 6 aufweist. Dieser Abstandssensor 6 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein optisch messender Abstandssensor, insbesondere ein LED-Abstandssensor. Auf einer der Platine 5 zugewandten Innenseite, beziehungsweise Innenfläche des Kraftaufnahmeteils 4 ist eine Vertiefung gebildet, deren Grund eine Targetfläche 8 bildet. Die Vertiefung ist allerdings nicht zwingend erforderlich und dient in dieser Ausgestaltung lediglich eine Verringerung der Bauhöhe des Kraftsensors 1. Eine Referenzfläche 7 ist durch eine dem Kraftaufnahmeteil 4 zugewandte Oberfläche der Platine 5 gebildet. Der Abstandssensor 6 ist für eine Messung des Abstandes zwischen der Referenzfläche 7 und der Targetfläche 8 eingerichtet, wobei die Messung entlang einer Messrichtung erfolgt, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Flächenerstreckung der Targetfläche 8 und auch einer der Targetfläche 8 gegenüberliegenden Oberfläche des Kraftaufnahmeteils 4 verläuft. Unterhalb der Platine 5 ist in der Basis ein Hohlraum 9 gebildet, der der Führung von elektrischen Anschlüssen und Verbindungen dient und in dem z.B. auch ein Akkumulator für eine autarke Versorgung mit elektrischer Energie und/oder ein Sender zur drahtlosen Übermittlung von Messwerten oder andern Signalen von und/oder zu dem Kraftsensor 1 angeordnet sein kann.
Das ringförmige, elastisch verformbare Element 3 ist aus einem Elastomer gebildet und kann sich unter Belastung, wie sie sich durch eine in dem Zusammenbau des Kraftsensors 1 auf dem Kraftaufnahmeteil 4 lastende Kraft ergibt, elastisch verformen. Durch eine solche Verformung verringert sich bei dem in dem Ausführungsbeispiel gezeigten Kraftsensor 1 der Abstand zwischen der Referenzfläche 7 und der Targetfläche 8, wobei diese Abstandsveränderung, hier Abstandsverringerung, korreliert mit den in einer Eichkurve erfassten kraftabhängigen Werten einer Verformung des elastisch verformbaren Elements 3, ein Maß für die auf dem Kraftaufnahmeteil 4 lastende Kraft, zum Beispiel eine Gewichtskraft, eine Druckkraft oder dergleichen, ist. Dieses Wirkprinzip ist in den 2 und 3 noch einmal veranschaulicht zu erkennen. Zu erkennen ist in 2 ein Abstand A zwischen der Referenzfläche 7 und der Targetfläche 8, wie er bei einem unbelasteten Kraftsensor 1 gegeben ist. In diesem Zustand ist das elastisch verformbare Element 3 entspannt, hat es seinen quadratischen Ringquerschnitt. Lastet nun auf dem Kraftaufnahmeteil 4 eine Kraft F, wie dies in 3 veranschaulicht ist, wird dadurch das elastisch verformbare Element 3 in Richtung dieser Kraft F gestaucht, erweitert sich in einer Querrichtung und wird somit der Abstand A' (vergleiche 3) zwischen der Referenzfläche 7 und der Targetfläche 8 verringert gegenüber dem ursprünglichen Abstand A zwischen diesen Flächen (vergleiche 2). Diese Abstandsveränderung wird mittels des optischen Abstandssensors 6 erfasst und gemessen, wobei auf der Platine 5 bereits eine Auswertung dieses Abstandes bzw. der Abstandsveränderung (genauer des Messsignals des Abstandssensors 6) dahingehend erfolgt, dass dieser Abstand, bzw. die Abstandsveränderung mit einer Größe der auflastenden Kraft F korreliert wird. Die Platine 5 hat dabei einen Datenausgang (hier nicht gezeigt), z.B. einen Busausgang, an dem entsprechende Werte der auflastenden Kraft F digitalisiert und mit hoher Genauigkeit ausgegeben werden.
Als optisch arbeitende Abstandssensoren 6 können in dem vorliegenden, aber auch in anders gebildeten Kraftsensoren insbesondere vorgefertigte integrierte Bausteine verwendet werden, zum Beispiel ein Baustein VCNL4020 der Firma Vishay). Ein solcher integrierter Baustein kann eine hohe Auflösung erreichen, in einem wie vorliegend dargestellten Aufbau zum Beispiel eine Auflösung von mehr als 10.000 Inkremente pro Millimeter, was neben einer hohen Empfindlichkeit auch einen weiten Messbereich des Abstandssensors und damit auch des Kraftsensors zur Folge hat. Je nach Elastizitätsmodul und Querschnitt des elastisch verformbaren Elements können darüber Messbereich rund um eine Referenzkraft bestimmt werden, für die bzw. für deren Messung ein entsprechend konzipierter Kraftsensor 1 geeignet ist.
Wie bereits erwähnt, ist der erfindungsgemäße Kraftsensor 1 sehr robust und ohne bewegliche Teile aufgebaut. Allein das elastisch verformbare Element 3 verformt sich bei einer auflastenden Kraft F und führt damit zu der Veränderung des Abstandes A hin zu einem Abstand A'. Liegt die Kraft F nicht mehr an, so verformt sich das elastisch verformbare Element 3 zurück in seine Ausgangsform, wie sie in 2 gezeigt ist. In dieser Gestaltung kann also der Kraftsensor 1 sehr robust und gegen Umwelteinflüsse unempfindlich und zugleich kostengünstig hergestellt werden. Es lassen sich zum Beispiel derartige Kraftsensoren 1 in einer Schutzklasse IP 67 oder EP 68 realisieren, so dass sie auch und gerade für einen Einsatz in rauen Umgebungen, einschließlich Immersion in Flüssigkeiten, z.B. für die Aufnahme eines dort zu erfassenden Drucks, geeignet sind.
Es ist auch aus der vorstehenden Beschreibung noch einmal ersichtlich geworden, dass ein erfindungsgemäßer Kraftsensor, wie er in dem Ausführungsbeispiel mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, sehr vielfältig einsetzbar ist. Er kann zum Beispiel für eine Anwesenheitskontrolle von Personen, zum Beispiel in Fahrstühlen mit durch Auflast verlagerbaren Bodenplatten, verwendet werden, als Kraftsensor in verschiedenen Wägeeinrichtungen und dergleichen. Durch eine kostengünstige Herstellbarkeit einerseits, durch fehlendes Einschwingverhalten (bei Verwendung von Abstandssensoren mit entsprechend hohen Messraten, wie z.B. mit optisch messenden Abstandssensoren zu verwirklichen) und durch die gute Präzision andererseits sowie durch die Möglichkeit einer Anbindung des Kraftsensors 1 mit seinem digitalen Datenausgang an zum Beispiel ein Bussystem, lässt er sich auch flexibel und ohne wesentlichen Aufwand in eine digitale Datenverarbeitung zur weiteren Verarbeitung der gemessenen Kraftwerte einbinden.
Bezugszeichenliste

1: Kraftsensor
2: Basis
3: elastisch verformbares Element
4: Kraftaufnahmeteil
5: Platine
6: Abstandssensor
7: Referenzfläche
8: Targetfläche
9: Hohlraum

Claims

Kraftsensor (1) mit • einem mit einer zu messenden Kraft (F) beaufschlagbaren, eine Targetfläche (8) aufweisenden Kraftaufnahmeteil (4) und • einem in einer ortsfesten Position zu einer Referenzfläche (7) angeordneten Abstandssensor (6), der zum Messen eines Abstandes (A, A') der Targetfläche (8) zu der Referenzfläche (7) in einer Messrichtung eingerichtet ist, • wobei der Kraftsensor (1) wenigstens ein derart angeordnetes elastisch verformbares Element (3) aufweist, dass das elastisch verformbare Element (3) bei einem Einwirken einer Kraft (F) auf das Kraftaufnahmeteil (4) sich in einer solchen Weise verformt, dass eine Veränderung des Abstandes (A, A') zwischen Referenzfläche (7) und Targetfläche (8) auftritt, • wobei eine eine Veränderung des Abstandes (A, A') zwischen Referenzfläche (7) und Targetfläche (8) anzeigende Messausgabe des Abstandssensors (6) die eine auf dem Kraftaufnahmeteil (4) in Richtung der Messrichtung lastende Kraft repräsentierende Messausgabe des Kraftsensors (1) ist oder in eine solche Ausgabe umgerechnet wird.
Kraftsensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftaufnahmeteil (4) plattenförmig gebildet ist mit einer ersten Fläche und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Fläche, wobei die Targetfläche (8) auf der zweiten Fläche ausgebildet ist.
Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandssensor (6) ein berührungsloser Abstandssensor ist.
Kraftsensor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandssensor (6) ein optisch messender Abstandssensor ist.
Kraftsensor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Targetfläche (8) für eine hohe Reflektivität von von dem optisch messenden Abstandssensor ausgesandten Licht eingerichtet ist.
Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftaufnahmeteil (4) ein starres Element ist.
Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass er eine starre Basis (2) aufweist und dass das wenigstens eine elastisch verformbare Element (3) zwischen der Basis (2) und dem Kraftaufnahmeteil (4) angeordnet ist.
Kraftsensor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine elastisch verformbare Element (3) ringförmig gebildet ist.
Kraftsensor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige, elastisch verformbare Element (1) um den Abstandssensor (6) herum angeordnet ist und diesen umschließt.
Kraftsensor (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige, elastisch verformbare Element (3) einen rechteckigen oder quadratischen Ringquerschnitt aufweist.
Kraftsensor (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandssensor (6) auf der Basis (2) angeordnet ist, dass das ringförmige, elastisch verformbare Element (3) ebenfalls auf der Basis (2) angeordnet ist und den Abstandssensor (6) umgibt und dass das Kraftaufnahmeteil (4) auf dem ringförmigen, elastisch verformbaren Element (3) angeordnet ist und das ringförmige, elastisch verformbare Element (3) vollständig überdeckt, wobei die Basis (2), das elastisch verformbare Element (3) und das Kraftaufnahmeteil (4) fest miteinander verbunden sind, so dass der Abstandssensor (6) zwischen Basis (2), ringförmigem, elastisch verformbaren Element (3) und Kraftaufnahmeteil (4) gehäuseartig eingeschlossen ist.
Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandssensor (6) eine elektrische Messwertausgabe aufweist und dass ein Anschluss vorgesehen ist zum Verbinden der elektrischen Messwertausgabe des Abstandssensors (6) mit einem Signalverarbeitungsgerät.
Kraftsensor (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Rechnereinheit (5) aufweist, die von dem Abstandssensor (6) ausgegebene, elektrische Messwerte verarbeitet, und über einen Signalausgang digitale Sensorsignale ausgibt.
Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine elastisch verformbare Element (3) aus einem, gegebenenfalls verstärkten, natürlichen oder künstlichen Elastomer gebildet ist.
Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Batterie oder einen Akkumulator für eine Energieversorgung von insbesondere dem Abstandssensor (6) aufweist.
Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation aufweist.