DE3534608A1

DE3534608A1 - Anordnung zum umwandeln von kraeften in elektrische signale

Info

Publication number: DE3534608A1
Application number: DE19853534608
Authority: DE
Inventors: Hubert Noell; Ewald Boehler
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 1985-09-27
Filing date: 1985-09-27
Publication date: 1987-04-02
Anticipated expiration: 2005-09-28
Also published as: DE3534608C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Umwandeln von Kräften in elektrische Signale. Dabei wird der von einer angelegten Kraft abhängige Ausschlag eines Kraftaufneh merelements mittels eines Übertragungsgliedes an ein Biegeelement angelegt, das mit Sensoren bestückt ist, die von der Durchbiegung des Biegeelements abhängige elek trische Signale abgeben. Die Anordnung ist so ausgebil det, daß ein Schutz gegen Überlastung besteht.

Die DE-OS 34 23 696 offenbart eine derartige Anordnung, bei der das Kraftaufnehmerelement eine gewellte Membran ist, die über einen in Richtung ihrer zentralen Bewe gungsachse mittig an sie angesetzten Stift mit einem Biegeelement starr verbunden ist. Ein der Membran annähernd angepaßtes Wellenbett ist in einem derartigen Abstand von der Membran angeordnet, daß sich die Membran bei Überlastung an das Wellenbett anlegt, wodurch das Ausmaß der auf das Biegeelement übertragenen Bewegung begrenzt wird. Diese Anordnung bietet einen verhältnis mäßig guten Schutz gegen eine Überlastung mit einer allmählich ansteigenden, also quasi - statischen Kraft. Tritt jedoch ein plötzlicher Kraftanstieg auf, so besteht die Gefahr, daß das Biegeelement aufgrund seiner Massen trägheit beschädigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Umwandeln von Kräften in elektrische Signale so auszubilden, daß mit Sicherheit jede Überlastung, insbe sondere auch durch plötzliche dynamische Kraftanstiege vermieden wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst, durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Da die starre Verbindung zwischen Kraftaufnehmerelement und Biegeelement aufgehoben wird, wirken sich überhöhte Kräfte auch bei plötzlichem stoßartigen Auftreten auf das Biegeelement nicht aus. Es findet somit auch keine plötzliche, starke Durchbiegung statt, die die Sensoren beschädigen könnte.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung wird das Biegeelement im Normalbetrieb durch das Übertragungsglied in vorgespanntem Zustand gehalten. Bei Überlastkräften, insbesondere bei plötzlichem Auf treten von Kraftstößen löst sich das Übertragungsglied von dem Biegeelement.

Bei einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Vorspannung des Biegeelements in der Ruhelage dadurch vermieden, daß zwischen dem Kraftaufneh merelement und dem Biegeelement in das Übertragungsglied eine federnde Vorrichtung eingefügt ist, die bei plötz lichen Kraftstößen und bei Überlast nachgibt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausbildung der erfindungs gemäßen Anordnung besteht das Übertragungsglied aus einem längenbestimmenden dünnen Draht, der mittels einer Druckfeder straff gehalten wird. Bei plötzlichen Kraft stößen und bei Überlast wird die Druckfeder zusammenge drückt und es werden kritische Auslenkungen des Biege elements vermieden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der erfin dungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeich nung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung im Schnitt;

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Biegeelement wie es bei der Anordnung nach Fig. 1 Verwendung finden kann;

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Biegeelement, das anstelle des Biegeelements nach Fig. 2 verwendet werden kann;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung im Schnitt;

Fig. 5 eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung im Schnitt und

Fig. 6 eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 besitzt ein rohrförmiges Gehäuse 10 an seinem unteren Ende einen nach innen gezogenen Rand 18, mit einer verhältnismäßig scharfen Kante 20, die den Rand einer Membran 22 an den unteren Rand eines im Inneren des Gehäuses 10 befestigten Einsatzes 12 drückt. Ein oberhalb des Einsatzes 12 im Gehäuse 10 angeordneter Ring 14 trägt ein Biege-Wandlerelement, insbesondere eine Biegefeder 16 (vgl. auch Fig. 2 und 3), auf der im Bereich von Querschnittsverminderungen 24 auf Biegebeanspruchung reagierende Sensorelemente 26 angeordnet sind, beispiels weise Dehnungsmeßstreifen in Form von Dünnschichtwider ständen, die beispielsweise im Sputterverfahren (Kathodenstrahlzerstäubung) aufgebracht sind. Die Be reiche 24 unterliegen einer erhöhten Biegebeanspruchung, so daß die hier angeordneten Widerstände einer DMS-Voll brücke verstärkte Dehnungen bzw. Stauchungen erfahren.

Fig. 2 zeigt, daß die kreisförmige Biegefeder 16 einen durch seitliche Schlitze abgetrennten Streifen 28 auf weist, der sich mittig über einen großen Teil des Durchmessers erstreckt. Bei der Ausführungsform der Biegefeder gemäß Fig. 1 und 2 ist die Querschnittsver minderung durch Verringerung der Dicke der Biegefeder an den Stellen 24 vorgesehen, während bei der alternativen Ausführungsform der Biegefeder nach Fig. 3 die Quer schnittsverminderung dadurch erfolgt, daß ein Federstrei fen 38 der Biegefeder 36 an den Positionen der Sensoren 26 in seiner Breite verringert ist, so daß sich eine etwa meanderförmige Ausbildung des Federstreifens 38 ergibt.

Die Biegefeder 16 bzw. 36 besitzt eine zentrale Bohrung 32, durch die ein als Zugstange 34 ausgebildetes Übertragungsglied greift, das mit seinem einen Ende mit der Membran 22 verbunden ist. Die Zugstange 34 ist in der Bohrung 32 reibungsfrei beweglich und wird durch ein zwischen dem Einsatz 12 und dem Ring 14 eingespanntes federndes Führungselement 42 bei fehlender Belastung der Membran 22 in einer Ruhestellung gehalten, die in Fig. 1 links dargestellt ist. Hierbei wird der Federstreifen 28 bzw. 38 über einen am anderen Ende der Zugstange 34 angebrachten Kopf 40 nach unten gezogen und damit vorgespannt. Bei Belastung der Membran 22 bewegt sich die Zugstange 34 nach oben, so daß sich die Durchbiegung des Federstreifens 28 bzw. 38 verringert. Bei übermäßiger Belastung oder einem plötzlichen Kraftstoß löst sich der Kopf 40 der Zugstange 34 von den Federstreifen 28 bzw. 38 mit großer Beschleunigung, während der Federstreifen nun kraftfrei bis in die den Fig. 1 rechts gezeigte horizontale Lage gelangen kann.

An der unteren Fläche des Einsatzes 12 kann ein Wellenbett 46 ausgebildet sein, gegen das sich die Membran 22 bei übermäßiger Belastung anlegt, so daß diese und das Führungselement 42 gegen quasi-statische Über lastung geschützt sind.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Anordnung mit einer anderen Ausbildung des Übertragungsgliedes, wobei die Zugstange 34 gemäß Fig. 1 ersetzt wird durch eine aufgeteilte Anordnung, bestehend aus einem an der Membran 22 angesetzten Stift 54, einem U-förmigen Federbügel 56 und einem an der Biegefeder 16 bzw. 36 befestigten Bolzen 58. Der U-förmige Federbügel 56 steht dabei derart unter Spannung, daß seine Schenkel bestrebt sind, sich auseinanderzuspreizen. Diese Sprei zung wird durch Verklinken der Schenkelenden an der Position 60 verhindert. Im Überlastfalle insbesondere aufgrund eines plötzlichen Druckstoßes werden jedoch die Schenkel gegeneinander gedrückt, so daß sich ihre Schenkelenden an der Position 60 öffnen. Die Meßmembran 22 setzt dann ihren Weg bis zur Kontaktierung des Wellenbettes 46 fort, während die Biegefeder nur einem Bruchteil des Membranweges folgt. Diese Ausführungsform hat gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 den Vorteil, daß eine von der Membranvorspannung verursachte Auslenkung in Ruhelage nicht erforderlich ist.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Anordnung, bei der das Übertragungsglied aus einem dünnen, längenkonstanten Draht 74 besteht, der zwischen der Membran 22 und der Biegefeder 16 gespannt ist und dadurch einen maximalen Abstand festlegt. Dieser wird durch eine den Draht 74 umgebende Spiraldruckfeder 76 normalerweise eingehalten, so daß die Biegefeder 16 der Bewegung der Membran 22 unter Belastung folgt. Tritt jedoch eine Überlastung, insbesondere ein plötzlicher Druckstoß auf die Membran 22 auf, dann wird hierdurch die Spiralfeder 76 zusammengedrückt und der Draht 74 er schlafft. Die Bewegung der Membran 22 wird wiederum durch das Wellenbett 46 begrenzt.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 6 wird der Draht 74 durch eine starre Koppelachse 82 mit nach oben erweiter tem Kopf 84 ersetzt, der das Biegeelement 16 hinter greift. Gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ergibt sich wiederum der Vorteil, daß keine Vorspannung des Biegeelementes erforderlich ist.

Im vorangehenden wurde eine Anordnung zur Umwandlung von Kräften in elektrische Signale beschrieben, die gegen Überlast, insbesondere aufgrund von plötzlichen Druck- oder Kraftstößen geschützt ist. Die Anordnung kann aber auch zur Wegmessung verwendet werden, wenn lediglich das Ausmaß der Bewegung des Aufnehmerelements und damit des Übertragungsgliedes in elektrische Signale umgewandelt wird.

Claims

1. Anordnung zum Umwandeln von Kräften in elektrische Signale mit einem Kraftaufnehmerelement, dessen von einer angelegten Kraft abhängiger Ausschlag mittels eines Übertragungsgliedes an ein Biegeelement ange legt wird, das mit Sensoren versehen ist, die von dem Ausmaß der Durchbiegung des Biegeelementes abhängige elektrische Signale abgeben, und mit einem Über lastungsschutz, dadurch gekennzeichnet, daß die sonst starre Verbindung zwischen dem Kraft aufnehmerelement (22) und dem Biegeelement (16, 38) bei Überlastung, insbesondere plötzlicher Überlastung aufgehoben wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsglied aus einer am Kraftaufneh merelement (22) befestigten und sich in Richtung des Ausschlages des Kraftaufnehmerelements (22) er streckenden Zugstange (34) besteht, die mit dem Biegeelement (16, 36) derart verbunden ist, daß sie das Biegeelement (16, 36) bei normaler Belastung vorspannt, sich jedoch bei Überlast von diesem löst.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugstange (34) praktisch reibungsfrei durch eine zentrale Bohrung im Biegeelement (16, 36) hin durch geführt ist und das Biegeelement (16, 36) durch einen verbreiterten Kopf (40) hintergreift.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugstange (34) durch ein Führungselement (42) in Richtung seiner Längsachse geführt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsglied eine in ihrem Bewegungsaus maß begrenzte Druckfeder (56, 76) aufweist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder (56) U-förmig ausgebildet ist mit verlängerten Schenkelenden, die sich überlappen.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wegbegrenzung der Druckfeder (76) aus einem sich zwischen dem Kraftaufnehmerelement (22) und dem Biegeelement (16 bzw. 36) erstreckenden längenkon stanten flexiblen Glied (74) besteht.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Glied (74) ein Draht oder ein Faden ist.

9. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wegbegrenzung der Druckfeder (76) aus einer sich zwischen dem Kraftaufnehmerelement (12) und dem Biegeelement hintergreifenden verbreiterten Kopf besteht.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftaufnehmerelement eine Membran (22) ist, und daß zu deren Ausschlagbegrenzung ein Wellenbett (46) angeordnet ist.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement eine Biegefeder (16, 36) ist, mit einem zentralen seitlich freiliegenden Streifen (28, 38) und mit Bereichen (24) verminderten Quer schnitts, auf denen als Sensoren Dünnschichtwider stände aufgebracht sind.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverminderung des Streifens (26) in der Dicke erfolgt.

13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverminderung des Streifens (38) in der Breite erfolgt.

14. Anordnung zum Umwandeln des Bewegungsausmaßes eines bewegbaren Gliedes in elektrische Signale, mit einem das Bewegungsausmaß an ein Biegeelement anlegenden Übertragungsglied und auf dem Biegeelement angebrach ten Sensoren, die elektrische Signale abhängig von dessen Durchbiegung abgeben, sowie mit einem Über lastungsschutz, dadurch gekennzeichnet, daß die normalerweise starre Verbindung zwischen dem bewegbaren Glied und dem Biegeelement bei Überlas tung, insbesondere bei plötzlicher Überlastung aufge hoben wird.