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Hintergrund
der Erfindung
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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiver Lastsensor zum
Erfassen einer Last auf der Grundlage einer Änderung der Kapazität, die durch die
daran angelegte Last verursacht wird.
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Stand der Technik
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Herkömmliche
Lastsensoren der kapazitativen Art umfassen ein Elektrodenpaar,
das voneinander beabstandet und elektrisch isoliert ist, um einen Kondensator
zu bilden, und erfassen eine Last auf der Grundlage jener Änderung
der Kapazität
des Kondensators, die bewirkt wird, wenn eine mit der Last angelegte
Elektrode gebogen wird, um den Abstand zwischen den Elektroden zu ändern.
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11 zeigt
beispielhaft einen herkömmlichen
kapazitiver Lastsensor, der beispielsweise eine mit einem Elektrodenmuster 2 ausgebildete
Isolierplatte 1 und eine aus rostfreiem Stahl gemachte
Elektrodenplatte 3 umfasst. Die Isolierplatte 1 und
die Elektrodenplatte 3 sind mit dazwischenliegenden Abstandhaltern 4, 5 voneinander
beabstandet und mithilfe von Nieten 6 und 7 miteinander
verbunden, um dadurch einen Kondensator zu bilden. Führungsdrähte 8, 9 sind
jeweils mit dem Elektrodenmuster 2 und der Elektrodenplatte 3 verbunden.
Wenn in der vom Pfeil P gezeigten Richtung eine Last an die Elektrodenplatte 3 angelegt
wird, um die Biegung der Elektrodenplatte zu bewirken, so dass sich
die Größe der Lücke G zwischen
dem Elektrodenmuster 2 und der Elektrodenplatte 3 und
daher die Kapazität
des Kondensators ändert,
erfassen die Lastsensoren diese Kapazität-Änderungen als an die Elektrodenplatte 3 angelegte
Last mittels der Führungsdrähte 8, 9.
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Im
Lastsensor, der den zuvor erwähnten
Aufbau hat, verbes sert sich die Messgenauigkeit mit Zunahme einer
Menge der Änderung
der Kapazität,
d. h. einer Menge der Biegung der Elektrodenplatte 3, die
bewirkt wird, wenn die Last angelegt wird. Andererseits wird die
in der Elektrodenplatte 3 erzeugte Beanspruchung mit der
Zunahme in der Menge der Biegung der Elektrodenplatte 3 größer. Wenn
die erzeugte Beanspruchung die Elastizitätsgrenze, die Ermüdungs- oder
Stoßausfallgrenze übersteigt,
wird die Haltbarkeit der Elektrodenplatte 3 gesenkt, so dass
die Haltbarkeit und die Zuverlässigkeit
des Lastsensors, insbesondere seine langfristige Zuverlässigkeit,
verschlechtert werden kann. Wie aus der vorherigen Erläuterung
ersichtlich, wird die Elektrodenplatte 3, wenn eine Last
angelegt wird, vom Standpunkt der Verbesserung der Messgenauigkeit
aus wünschenswerterweise
stark gebogen, jedoch vom Standpunkt der Verbesserung der Zuverlässigkeit aus
eher schwach gebogen.
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D.
h.: In einem Lastsensor zum Erfassen der Last auf der Grundlage
einer Änderung
der Kapazität eines
Kondensators, der sich aus einem Elektrodenmuster 2 zusammensetzt,
das aus einer Isolierplatte 1 und einer Elektrodenplatte 3 gebildet
wird, die ausgebildet ist, um gebogen zu werden, wenn die Last angelegt
wird, entsteht ein Konflikt zwischen einer Lösung zum Verbessern der Messgenauigkeit
und zum Verbessern der Zuverlässigkeit,
weshalb es schwierig ist, gleichzeitig sowohl die Messgenauigkeit
als auch die Zuverlässigkeit
zu verbessern.
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GB-A-2076970
offenbart einen kapazitiver Lastsensor, der zwei zusammenwirkende
Kondensatorplatten-Elemente umfasst, wobei jede Kondensatorplatte
eine oder mehrere zylindrische Platten umfasst, die in den fertigen
Transducer montiert werden, wobei die jeweiligen zylindrischen Platten
für die
Relativbewegung koaxial miteinander angeordnet sind. Eine Druckfeder
wird koaxial um eine Spindel herum angeordnet und verfügt über ein
Ende, das an die Außenfläche einer
beweglichen Platte stößt, und über das
andere Ende, das an die Innenfläche
einer Endgehäusewand
stößt. Die
Spindel ist an einer Seite in einem in der unbeweglichen Elektrode
eingefügten Lager
mittels eines Zapfens gelagert, während sie starr mit einer Öffnung in
der zweiten beweglichen Platte verbunden ist und dadurchdringt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen kapazitiver
Lastsensor bereitzustellen, dessen Messgenauigkeit und langfristige
Zuverlässigkeit
hoch sind. Dieser wird im Anspruch 1 wiedergegeben.
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Ein
kapazitiver Lastsensor dieser Erfindung umfasst eine erste Elektrode,
eine zweite Elektrode, die angeordnet ist, um der ersten Elektrode
gegenüberzuliegen
und davon beabstandet zu sein und mit der ersten Elektrode zusammenzuwirken,
um einen Kondensator zu bilden, ein erstes und ein zweites aus einem
Isoliermaterial hergestelltes Halteglied und ein elastisches Glied,
dessen entgegengesetzte Endabschnitte jeweils mit dem ersten und
dem zweiten Halteglied verknüpft
sind. Das erste und das zweite Halteglied unterstützen die
erste und zweite Elektrode für
eine Relativbewegung in der Richtung, an der sich Zwischen-Fläche zwischen
den Elektroden ändert,
wobei der Abstand zwischen den Elektroden konstant gehalten wird.
Das elastische Glied ist elastisch in der Richtung der Relativbewegung
zwischen der ersten und zweiten Elektrode verformbar. Die vom Lastsensor
gemessene Beanspruchung wird an das erste und zweite Halteglied
oder an das elastische Glied angelegt.
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Im
Lastsensor dieser Erfindung wird die Last an das erste und zweite
Halteglied oder an das elastische Glied angelegt, weshalb keine
Last an die erste und zweite Elektrode angelegt wird. Solchermaßen gibt
es eine geringe Möglichkeit,
bei Anlegung der Last eine Verformung oder einen Schaden der Elektroden
zu bewirken, und entsprechend ist der Lastsensor bezüglich der
langfristigen Zuverlässigkeit
ausgezeichnet. Wenn das elastische Glied bei Anlegung der Last elastisch
verformt wird, erfolgt eine Relativbewegung zwischen der ersten
und der zweiten Elektrode, die jeweils vom ersten und zweiten Halteglied
gehalten werden, mit denen die entgegengesetzten Endabschnitte des
elastischen Glieds verknüpft
sind, wobei die Elektroden-Abstand konstant gehalten wird. Solchermaßen erfolgt
eine Änderung
in der Zwischen-Fläche
zwischen den Elektroden, weshalb sich die Kapazität dazwischen ändert. Die
Menge der Änderung
in der Kapazität zeigt
genau die an den Lastsensor angelegte Größe der Beanspruchung an, so
dass die Messgenauigkeit des Lastsensors ausgezeichnet ist. Auf
diese Weise stellt die vorliegende Erfindung einen kapazitiver Lastsensor
bereit, dessen Messgenauigkeit und langfristige Zuverlässigkeit
groß sind.
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In
der vorliegenden Erfindung sind die erste und die zweite Elektrode
jeweils in einer hohlen Zylinderform ausgebildet, die zumindest
an ihrer einen Endfläche
offen ist. Die zweite Elektrode ist koaxial mit der ersten Elektrode
angeordnet. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Elektrode
jeweils in einer hohlen, kreisförmigen
Zylinderform ausgebildet.
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In
Zusammenhang mit dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Zwischen-Fläche zwischen der
ersten und der zweiten Elektrode und entsprechend eine Menge der Änderung
in der Zwischen-Fläche je Lasteinheit
groß genug,
ohne dass der Bedarf entsteht, die Querschnittausmaße der Elektroden
groß zu
machen, wodurch ein Lastsensor bereitgestellt wird, dessen Größe kompakt
und dessen Messgenauigkeit hoch sind.
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In
der vorliegenden Erfindung sind die erste und die zweite Elektrode
jeweils in einer hohlen Zylinderform ausgebildet, die an ihren entgegengesetzten Endflächen offen
ist. Das erste Halteglied setzt sich aus einer hohlen äußeren Röhre zusammen,
die über eine
Außenrandwand
und eine an einem Ende der Außenrandwand
integral damit ausgebildete Endwand verfügt. Das zweite Halteglied setzt
sich aus einer hohlen inneren Röhre
zusammen, die in der hohlen äußeren Röhre angeordnet
ist und über
eine Außenrandwand
und eine integral damit ausgebildete Endwand verfügt. Die äußere und
innere Röhre
sind für
die Relativbewegung an der Längsachse
des Lastsensors angeordnet. Die erste Elektrode wird an der inneren
Umfangsfläche
der Außenrandwand
der äußeren Röhre angebracht,
und die zweite Elektrode wird an der Außenrandfläche der Außenrandwand der inneren Röhre angebracht.
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Mit
diesen bevorzugten Ausführungsform halten
das erste und zweite Halteglied jeweils die erste und zweite Elektrode
zwangsweise für
eine Relativbewegung, wobei der Elektroden-Abstand konstant gehalten
wird. Solchermaßen
entspricht eine Menge der Relativbewegung zwischen der ersten und
der zweiten Elektrode, die durch die Anlegung der Last bewirkt wird,
und entsprechend die Menge der Änderung
in der Zwischen-Fläche
zwischen den Elektroden genau der Größe der angelegten Last, wodurch
die Messgenauigkeit vor allem des Lastsensors verbessert wird.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
setzt sich das elastische Glied vorzugsweise aus einer Schraubenfeder
zusammen, die einen Wendel-Abschnitt und zwei Verlängerungsabschnitte
hat, die sich vom Wendel-Abschnitt an der Längsachse des Lastsensors nach
außen
erstrecken. Der Wendel-Abschnitt der Schraubenfeder ist im Innenraum
der zweiten Elektrode angeordnet, und die zwei Verlängerungsabschnitte
der Schraubenfeder sind jeweils mit den Endwänden der äußeren und inneren Röhre verbunden.
Die vom Lastsensor zu messende Last wird an mindestens einen der
zwei Verlängerungsabschnitte
der Schraubenfeder angelegt.
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Mit
dieser bevorzugten Ausführungsform wird
der Wendel-Abschnitt
der Schraubenfeder elastisch um eine Größe verformt, die der Menge
der Last entspricht, wenn die Last an einen oder an beide Verlängerungsabschnitte
der Schraubenfeder angelegt wird. Die Größe der elastischen Verformung
des Wendel-Abschnitts zeigt genau die Größe der angelegten Last an,
wodurch zur verbesserten Messgenauigkeit des Lastsensors beigetragen
wird. Weiterhin hat die Schraubenfeder eime hohe Festigkeit, und
die Last wird an einen oder an beide Verlängerungsabschnitte der Schraubenfeder
angelegt, die jeweils an die Endwände der äußeren und inneren Röhre gekoppelt
wird. Dies trägt
zur Verbesserung der langfristigen Zuverlässigkeit des Lastsensors bei.
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In
der bevorzugten Ausführungsform,
die vorzugsweise die äußere und
innere Röhre
aufweist, verfügt
die äußere Röhre über einen
Endwand-Verlängerungsabschnitt,
der sich von der Endwand der äußeren Röhre über die
Außenrandwand
der äußeren Röhre hinaus
radial nach außen
erstreckt, wobei sich ein äußerer Schaftabschnitt
von der Endwand der äußeren Röhre an der
Längsachse
des Lastsensors nach außen
erstreckt, und sich ein in den Innenraum der inneren Röhre eingepasster
innerer Schaftabschnitt von der Endwand der äußeren Röhre an der Längsachse
des Lastsensors nach innen erstreckt. Die innere Röhre hat
einen Endwand-Verlängerungsabschnitt,
der sich von der Endwand der inne ren Röhre über die Außenrandwand der inneren Röhre hinaus
radial nach außen
erstreckt, und einen äußeren Schaftabschnitt,
der sich von der Endwand der inneren Röhre an der Längsachse
des Lastsensors nach außen
erstreckt. Das elastische Glied setzt sich aus einer Schraubenfeder
zuammen, die von der Außenrandwand
der äußeren Röhre radial
nach außen
angeordnet ist und deren entgegengesetzte Enden jeweils mit den
Endwand-Verlängerungsabschnitten
der äußeren und
der inneren Röhre
verknüpft
sind. Die vom Lastsensor zu messende Last wird an mindestens einen
der äußeren Schaftabschnitte
der äußeren und
der inneren Röhre
angelegt.
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Alternativ
dazu hat die äußere Röhre einen äußeren Schaftabschnitt,
der sich von der Endwand der äußeren Röhre an der
Längsachse
des Lastsensors entlang nach außen
erstreckt, einen inneren Schaftabschnitt, der im Innenraum der inneren
Röhre eingepasst
ist und sich von der Endwand der äußeren Röhre an der Längsachse
des Lastsensors entlang nach innen erstreckt, und eine zweite Endwand, die
sich vom anderen Ende der Außenrandwand
der äußeren Röhre radial
nach innen erstreckt und mit einer Öffnung ausgebildet ist, die
der inneren Röhre
erlaubt, dadurch zu dringen. Die innere Röhre hat einen äußeren Schaftabschnitt,
der sich von der Endwand der inneren Röhre an der Längsachse
des Lastsensors entlang nach außen
erstreckt, und eine zweite Endwand, die sich von einem anderen Ende
der Außenrandwand
der inneren Röhre
radial nach außen erstreckt
und mit einer Öffnung
ausgebildet ist, die dem inneren Schaftabschnitt der äußeren Röhre erlaubt,
dadurch zu dringen. Das elastische Glied setzt sich aus einer Schraubenfeder
zusammen, die zwischen der inneren Umfangsfläche der äußeren Röhre und der äußeren Umfangsfläche der
inneren Röhre
angeordnet ist und deren entgegengesetzte Enden jeweils mit den
zweiten Endwänden
der äußeren und
inneren Röhre
verknüpft
sind. Die vom Lastsensor zu messende Last wird an mindestens einen
der äußeren Schaftabschnitte
der äußeren und
der inneren Röhre
angelegt.
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In
beiden gerade erwähnten
bevorzugten Ausführungsformen
nehmen einer oder beide äußere Schaftabschnitte
der äußeren und
der inneren Röhre des
Lastsensors die Last auf, weshalb keine Last an die erste und die
zweite Elektrode angelegt wird, die jeweils an der äußeren und
inneren Röhre
angebracht werden. Entsprechend wird die langfristige Zuverlässigkeit
des Lastsensors verbessert. Weiterhin wird eine Größe der Relativbewegung
zwischen der äußeren und
der inneren Röhre
bei der Lastanlegung von der Schraubenfeder reguliert, die mit der äußeren und
der inneren Röhre
verknüpft
wird und elastisch von einer Größe verformt
wird, die genau der Größe der angelegten
Beanspruchung entspricht. Solchermaßen zeigt eine Änderung
in der Zwischen-Fläche zwischen
der ersten und zweiten Elektrode und daher eine Änderung in der Kapazität zwischen
den Elektroden genau die Größe der angelegten
Last an, wodurch zur Verbesserung der Messgenauigkeit des Lastsensors
beigetragen wird. Da der innere Schaftabschnitt der äußeren Röhre in den Innenraum
der inneren Röhre
eingepasst wird, führen
darüber
hinaus die äußere und
innere Röhre
eine reibungslose Relativbewegung aus, wobei der Elektroden-Abstand
konstant gehalten wird, wodurch zur Verbesserung der Messgenauigkeit
beigetragen wird.
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In
der vorliegenden Erfindung werden die erste und zweite Elektrode
vorzugsweise jeweils in einer hohlen, zylindrischen Form ausgebildet,
die an ihren entgegengesetzten Endflächen offen ist. Mindestens
eine der ersten und zweiten Elektrode ist aufgebaut, um eine Form-selbstunterhaltende
Fähigkeit
zu haben. Das erste und zweite Halteglied setzen sich aus Isolierbuchsen
zusammen, die in jeweilige Endabschnitte der ersten und zweiten
Elektrode eingepasst werden.
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In
Zusammenhang mit dieser bevorzugten Ausführungsform werden die erste
und die zweite Elektrode einer hohlen zylindrischen Form über jeweils
daran eingefügte
Isolierbuchsen gehalten, wodurch ermöglicht wird, die Herstellungskosten
des Lastsensors zu senken.
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In
der gerade erwähnten
bevorzugten Ausführungsform
setzt sich das elastische Glied vorzugsweise aus einer Schraubenfeder,
die einen Wendel-Abschnitt hat, und zwei Verlängerungsabschnitten zusammen,
die sich von entgegengesetzten Enden der Schraubenfeder an der Längsachse
des Lastsensors entlang nach außen
erstrecken. Die Schraubenfeder wird im Innenraum der zweiten Elektrode
angeordnet, und die beiden Verlängerungsabschnitte
der Schraubenfeder werden jeweils an die Isolierbuchsen gekoppelt.
Die vom Lastsensor zu messende Last wird an mindestens einen der
beiden Verlängerungsabschnitte
der Schraubenfeder angelegt.
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Mit
dieser bevorzugten Ausführungsform wird
die Last an einen oder an beide Verlängerungsabschnitte der Schraubenfeder
angelegt, die jeweils mit den beiden Isolierbuchsen verbunden sind.
Dies trägt
zur Verbesserung der langfristigen Zuverlässigkeit des Lastsensors bei.
Weiterhin stellt eine Größe der elastischen
Verformung des Wendel-Abschnitts der Schraubenfeder bei der Lastanlegung
genau die Größe der angelegten
Last dar, womit zur Verbesserung der Messgenauigkeit des Lastsensors
beigetragen wird.
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Bevorzugter
schließt
der Lastsensor weiterhin ein isolierendes Distanzstück ein,
das zwischen der inneren Umfangsfläche der ersten Elektrode und der äußeren Umfangsfläche der
zweiten Elektrode angeordnet ist. Das isolierende Distanzstück wird
an der inneren Umfangsfläche
der ersten Elektrode oder an der äußeren Umfangsfläche der
zweiten Elektrode angebracht.
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Mit
dieser bevorzugten Ausführungsform werden
die erste und zweite Elektrode zwangsweise elektrisch voneinander
isoliert und der Elektroden-Abstand mithilfe der dazwischen angeordneten isolierenden
Distanzstücks
konstant gehalten, wodurch zur Verbesserung der Messgenauigkeit
und der langfristigen Zuverlässigkeit
des Lastsensors beigetragen wird.
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In
der vorliegenden Erfindung wird der Elastizitätsmodul des elastischen Glieds
so bestimmt, dass eine Größe der elastischen
Verformung je Lasteinheit in einem Lastbereich, innerhalb dessen
die zu messende Last variiert, groß genug wird.
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Mit
dieser bevorzugten Ausführungsform wird
eine Größe der Relativbewegung
je Lasteinheit zwischen der ersten und zweiten Elektrode und daher
eine Größe der Änderung
in der Zwischen-Fläche zwischen
den Elektroden – d.
h. eine Menge der Änderung
in der Kapazität
zwischen den Elektroden – groß genug,
dass die Messgenauigkeit des Lastsensors verbessert wird.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine Längsschnittansicht
eines Lastsensors der kapazitativen Art nach einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht, die den Lastsensor aus 1 in
einer Bedingung zeigt, in der keine Last daran angelegt wird;
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3 ist
eine Frontansicht, die den Lastsensor in einer Bedingung zeigt,
in der keine Last daran angelegt wird;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht, die den Lastsensor in einer Bedingung
zeigt, in der eine Last daran angelegt wird;
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5 ist
eine Frontansicht, die den Lastsensor in einer Bedingung zeigt,
in der eine Last daran angelegt wird;
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6 ist
eine in Einzelteile aufgelöste
perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten
Lastsensors;
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7 ist
eine in Einzelteile aufgelöste
perspektivische Ansicht, die den Lastsensor in einem Fall zeigt,
in dem eine äußere Röhre und
eine äußere Elektrode
zusammmengesetzt sind und eine innere Röhre und eine innere Elektrode
zusammengesetzt sind;
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8 ist
eine Längsschnittansicht
eines Lastsensors nach einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung;
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9 ist
eine Längsschnittansicht
eines Lastsensors nach einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung;
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10 ist
eine Längsschnittansicht
eines Lastsensors nach einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung;
und
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11 ist
eine Längsschnittansicht,
die beispielhaft einen gewöhnlichen
kapazitiver Lastsensor zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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Mit
Bezug auf die 1–7 wird hier
unten ein kapazitiver Lastsensor nach einer ersten Ausführungsform
dieser Erfindung erläutert.
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Der
kapazitiver Lastsensor der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine äußere Röhre 11,
die in einer hohlen kreisförmigen
Zylinderform ausgebildet ist und über eine Außenrandwand 11a und
eine integral damit ausgebildete Endwand 11b an einem Ende
der Außenrandwand 11a verfügt, und
eine innere Röhre 12 einer
hoh len, kreisförmigen
Zylinderform, die über
eine Außenrandwand 12a und
eine integral damit ausgebildete Endwand 12b an einem Ende
der Außenrandwand 12a verfügt. Die äußere und
die innere Wand 11, 12 werden aus einem starren
Kunststoff (elektrisch isolierendes Material) hergestellt. Die Außenrandwand 12a der
inneren Röhre wird
an ihrer Außenumfangsfläche mit
zwei diametral gegenüberliegenden
Vorsprüngen 12e ausgebildet, und
die Außenrandwand 11a der äußeren Röhe wird an
ihrer Innenumfangsfläche
mit zwei Vertiefungen 11e ausgebildet, in die die Vorsprünge 12e der
inneren Röhre 12 jeweils
verschiebbar eingefügt
werden, wodurch die äußere und
die innere Röhre 11 und 12 in
der axialen Richtung des Lastsensors in Bezug aufeinander bewegt
werden können.
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Der
Lastsensor umfasst weiterhin eine äußere Elektrode (erste Elektrode) 21,
die an der Innenumfangsfläche
der Außenrandwand 11a der äußeren Röhre 11 angebracht
wird, und eine innere Elektrode (zweite Elektrode) 22,
die an der Außenumfangsfläche der
Außenrandwand 12a der
inneren Röhre 12 angebracht
wird. Diese Elektroden 21, 22 werden angeordnet,
um einander gegenüberzuliegen
und von einander beabstandet zu sein, wodurch ein Kondensator gebildet
wird. Die äußere und
die innere Elektrode 21, 22 sind angeordnet, um
bei der Relativbewegung zwischen der äußeren und der inneren Röhre 11, 12 in
Bezug aufeinander bewegt werden zu können, so dass sich die Zwischen-Fläche zwischen den
Elektroden 21, 22 ändern kann, wobei die Lücke G dazwischen
konstant gehalten wird. Mit anderen Worten bilden die äußere und
die innere Röhre 11, 12 ein
erstes und ein zweites Halteglied, damit die äußere und die innere Elektrode 21, 22 für eine Relativbewegung
gehalten werden.
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Die äußere und
die innere Elektrode 21, 22 werden jeweils mit
Polen 21a, 22a ausgebildet, die damit integral
sind. Diese Pole 21a, 22a ragen über durchgehende
Löcher,
die in den Endwänden 11b, 12b der
Röhren
ausgebildet sind, aus der äußeren und
inneren Röhre 11, 12 an
der Außenseite
vor. Führungsdrähte (nicht
gezeigt), die den in 11 gezeigten Führungsdrähten 8, 9 entsprechen,
werden mit den Polen 21a, 22a eines Anschnitts
einer elektrischen Schaltung (nicht gezeigt) des Lastsensors verbunden.
Der Abschnitt der elektrischen Schaltung wird ange ordnet, um die
an den Lastsensor angelegte Last auf der Grundlage der Zwischen-Fläche zwischen
der äußeren und
inneren Elektrode 21, 22, die über Führungsdrähte damit verbunden sind, und
daher auf der Grundlage der Kapazität (elektrostatischen Leistung)
zwischen diesen Elektroden zu messen. Da der Abschnitt der elektrischen
Schaltung wie herkömmlich
bekannt aufgebaut sein kann, werden Erläuterungen der Schaltungsanordnung
hierin weggelassen.
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Der
Lastsensor umfasst weiterhin ein elastisches Glied, das in Richtung
der Relativbewegung zwischen der äußeren und inneren Elektrode 21, 22 elastisch
verformbar ist. In dieser Ausführungsform setzt
sich das elastische Glied aus einer Schraubenfeder 30 zusammen,
die einen Wendel-Abschnitt 31 und zwei Verlängerungsabschnitte 32, 33 hat,
die sich von entgegengesetzten Enden des Wendel-Abschnitts in Richtung
der Längsachse
des Lastsensors nach außen
erstrecken. Die Schraubenfeder 30 wird im Innenraum der
inneren Röhre 12 angeordnet,
und die zwei Verlängerungsabschnitte 32, 33 der
Schraubenfeder 30 werden jeweils mit den Endwänden 11b, 12b der äußeren und
inneren Röhre 11, 12 verbunden.
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Der
Lastsensor dieser Ausführungsform
ist zum Messen einer Zugbelastung angeordnet, und die Verlängerungsabschnitte 32, 33 sind
in Form von Haken aufgebaut, die mit der Zugbelastung belastet werden.
Diese Haken 32, 33, die jeweils durch in den Endwänden 11b, 12b der äußeren und
inneren Röhre 11, 12 ausgebildete
Schlitzen (von denen eine in den 2 und 4 mit
der Bezugsziffer 11c gezeigt ist) dringen, werden außerhalb
von der äußeren und
der inneren Röhre
angeordnet. Die Haken 32, 33 werden jeweils beispielsweise
mittels eines Klebers an diesen Röhren 11 und 12 in
einem Zustand befestigt, so dass ihre proximalen Endabschnitte in
Vertiefungen passen, die in Haken-Befestigungsabschnitten 11d, 12d der
Endwände 11b, 12b der äußeren und
inneren Röhre
ausgebildet sind Anschließend wird
der Betrieb des Lastsensors erläutert.
Wenn keine Last an die Schraubenfeder 30 des Lastsensors angelegt
wird, liegen sich die äußere und
innere Elektrode 21, 22 annähernd vollständig gegenüber, so
dass die Zwischen-Fläche zwischen
den Elektroden 21, 22 und daher die Kapazität dazwischen,
wie aus den 2 und 3 verständlich,
einen Höchstwert
annimmt.
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Wenn
eine Zugbelastung an die Haken 32, 33 der Schraubenfeder 30 angelegt
wird, wird der Wendel-Abschnitt 31 der Schraubenfeder 30 proportional
zur Größe der Zugbelastung
verlängert.
Solchermaßen
werden die äußere und
die innere Röhre 11, 12 in
Richtung der Längsachse
des Lastsensors in Bezug aufeinander bewegt, wodurch die Zwischen-Fläche zwischen
der äußeren und
der inneren Elektrode 21, 22 und daher die Kapazität zwischen den
Elektroden verringert wird.
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Der
Abschnitt der elektrischen Schaltung des Lastsensors überwacht
die Kapazität
zwischen der äußeren und
inneren Elektrode 21, 22 und misst den Kapazität-Wert,
wenn die Zugbelastung und die Verlängerung der Schraubenfeder 30 im
Gleichgewicht sind und die Kapazität stabilisiert wird. Auf der Grundlage
des gemessenen Kapazitätwerts
misst der Abschnitt der elektrischen Schaltung die an den Lastsensor
angelegte Last.
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Mit
dem Lastsensor dieser Ausführungsform steht
eine Menge der Änderung
der Kapazität
vor und nach der Anlegung der Last proportional zu einer Größe der Verlängerung
des Wendel-Abschnitts 31 der Schraubenfeder 30.
Solchermaßen
kann das Auflösungsvermögen, d.
h. die Genauigkeit der Lastmessung, verbessert werden, indem die
Federnkonstant oder das Elastizitätsmodul der Schraubenfeder 30 auf
eine Weise ausgewählt
wird, dass eine Größe der elastischen
Verformung des Wendel-Abschnitts 31 je Lasteinheit in einem
Lastbereich, in dem erwartet wird, dass die zu messende Last variiert,
groß genug
ist. Da keine Last an die äußere und
innere Elektrode 21, 22 angelegt wird, gibt es
außerdem
eine geringe Möglichkeit,
eine Verformung und einen Schaden der Elektroden zu bewirken, so
dass die langfristige Zuverlässigkeit
des Lastsensors verbessert werden kann.
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Mit
Bezug auf 8 wird ein Lastsensor gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
Verglichen mit dem Lastsensor der ersten Ausführungsform, der aufgebaut ist, um
eine Last an die Schraubenfeder anzulegen, deren Wendel-Abschnitt
im Innenraum der inneren Röhre 12 ange ordnet
ist, unterscheidet sich der Lastsensor dieser Ausführungsform
darin, dass die Schraubenfeder radial außerhalb von der äußeren Röhre angeordnet
wird und die Last an die äußere und
die innere Röhre
angelegt wird.
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Wie
in 8 gezeigt, werden die äußere und die innere Röhre 111, 112,
die als erstes und zweites Halteglied dienen, jeweils als ganzes
in einer hohlen, kreisförmigen
Zylinderform ausgebildet, die an ihrer einen Endfläche offen
ist.
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Die äußere Röhre 111 besteht
aus einer Außenrandwand 111a,
die eine Innenumfangsfläche hat,
an der die äußere Elektrode 121 angebracht wird,
eine Endwand 111b, die an einem Ende der Außenrandwand 111a integral
mit der Außenrandwand 111a ausgebildet
wird, einem Endwand-Verlängerungsabschnitt
(Flanschabschnitt) 111c, der sich von der Endwand 111b über die
Außenrandwand 111a hinaus
radial nach außen
erstreckt, einen äußeren Schaftabschnitt
(belasteter Abschnitt) 111d, der sich von der Endwand 111b an
der Längsachse
des Lastsensors nach außen
erstreckt, und einen inneren Schaftabschnitt (mittlerer Schaft) 111e,
der sich von der Endwand 111b an der Längsachse des Lastsensors nach
innen erstreckt und verschiebbar in den Innenraum der inneren Röhre 112 eingepasst
wird.
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Die
innere Röhre 112 besteht
aus einer Außenrandwand 112a,
die eine Außenrandfläche hat, an
der die innere Elektrode 122 angebracht ist, einer Endwand 112b,
die an einem Ende der Außenrandwand 112a integral
mit der Außenrandwand 112a ausgebildet
ist, einem Endwand-Verlängerungsabschnitt
(Flanschabschnitt) 112c, der sich von der Endwand 112b über die
Außenrandwand 112a hinaus
radial nach außen
erstreckt, und einen äußeren Schaftabschnitt
(belasteter Abschnitt) 112d, der sich von der Endwand 112b an
der Längsachse
des Lastsensors entlang nach außen
erstreckt.
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Die
Schraubenfeder 130 wird von der Außenrandwand 111a der äußeren Röhre radial
nach außen
angeordnet, und die entgegengesetzten Enden der Schraubenfeder 130 werden
jeweils an Endwand-Verlängerungsabschnitten 111c, 112c der äußeren und
inneren Röhre 111, 112 befestigt.
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Grundsätzlich arbeitet
der in 8 gezeigte Lastsensor auf dieselbe Art und Weise
wie der in 1 gezeigte Lastsensor. In Bezug
auf den Betrieb wird hier unten eine kurze Erläuterung abgegeben.
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Wenn
an die belasteten Abschnitte 111d, 112d der äußeren und
inneren Röhre 111, 112 des Lastsensors
eine Zugbelastung angelegt wird, erfolgt in der axialen Richtung
des Lastsensors zwischen der äußeren Röhre 111,
die mit der äußeren Elektrode 121 bereitgestellt
wird und deren mittlerer Schaft 111e verschiebbar im Innenraum
der inneren Röhre 112 eingefügt ist,
und der inneren Röhre 112,
an der die innere Elektrode 122 angebracht wird, eine Relativbewegung,
wobei der Abstand zwischen diesen Elektroden konstant gehalten wird.
Solchermaßen wird
die Schraubenfeder 130, deren entgegengesetzte Enden an
der äußeren und
inneren Röhre 111, 112 befestigt
sind, verlängert.
Mit Fortschreiten der Relativbewegung zwischen der äußeren und
inneren Röhre 111, 112,
verringert sich dann die Zwischen-Fläche zwischen der äußeren und
inneren Elektrode 121, 122 und daher die Kapazität dazwischen.
Wenn die angelegte Last und die Federnkraft, die der Verlängerung
der Schraubenfeder 130 entsprechen, im Gleichgewicht sind,
so dass die Kapazität
zwischen den Elektroden stabil ist, nimmt der Abschnitt der elektrischen
Schaltung des Lastsensors die Lastmessung auf der Grundlage einer
Menge der Änderung
der Kapazität
zwischen vor und nach der Lastanlegung vor. Die Messgenauigkeit
und langfristige Zuverlässigkeit
des Lastsensors sind hoch.
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Mit
Bezug auf 9 wird ein Lastsensor nach einer
dritten Ausführungsform
dieser Erfindung erläutert.
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Der
Lastsensor der vorliegenden Ausführungsform
ist dem in der 8 gezeigten Lastsensor ähnlich,
weil die Last an der inneren und äußeren Röhre angelegt wird, unterscheidet
sich von diesem aber darin, dass die Schraubenfeder zwischen der äußeren und
der inneren Röhre
angeordnet wird.
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Wie
in 9 gezeigt, werden die äußere und innere Röhre 211, 212,
die als erstes und zweites Halteglied dienen, jeweils als ganzes
in einer hohlen, kreisförmigen
Zylinderform ausgebildet, die an ihrer einen Endfläche offen
ist.
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Die äußere Röhre 211 besteht
aus einer Außenrandwand 211a, die
eine Innenumfangsfläche hat,
an der die äußere Elektrode 221 angebracht
ist, einer Endwand 211b, die an einem Ende der Außenrandwand 211a integral
mit der Außenrandwand 211a ausgebildet
ist, einem äußeren Schaftabschnitt (belasteter
Abschnitt) 211c, der sich von der Endwand 211b an
der Längsachse
des Lastsensors nach außen
erstreckt, einem inneren Schaftabschnitt (mittlerer Schaft) 211d,
der sich an der Längsachse
des Lastsensors entlang innen von der Endwand 211b erstreckt
und im Innenraum der inneren Röhre 212 eingefügt wird,
und einer zweiten Endwand (Flanschabschnitt) 211e, die
sich vom anderen Ende der Außenrandwand 211a radial
nach innen erstreckt und mit einer Öffnung ausgebildet ist, die
erlaubt, dass die innere Röhre 212 da
hindurchdringt.
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Die
innere Röhre 212 besteht
aus einer Außenrandwand 212a,
die eine Außenumfangsfläche hat,
an der die innere Elektrode 222 angebracht wird, einer
Endwand 212b, die an einem Ende der Außenrandwand 212a integral
mit der Außenrandwand 212a ausgebildet
ist, einem äußeren Schaftabschnitt (belasteter
Abschnitt) 212c, der sich von der Endwand 212b an
der Längsachse
des Lastsensors nach außen
erstreckt, und einer zweiten Endwand (Flanschabschnitt) 212d,
die sich vom anderen Ende der Außenrandwand 211a radial
nach außen
erstreckt und mit einer Öffnung
ausgebildet ist, die erlaubt, dass der innere Schaftabschnitt 211d der äußeren Röhre 211 dort
hindurchdringt.
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Die
Schraubenfeder 230 wird zwischen der äußeren und inneren Röhre 211, 212 angeordnet, und
die entgegengesetzten Enden der Schraubenfeder 230 stoßen jeweils
an die zweiten Endwände 211e, 212d der äußeren und
inneren Röhre 211, 212.
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Grundsätzlich arbeitet
der in 9 gezeigte Lastsensor auf dieselbe Art und Weise
wie der in 8 gezeigte. Eine kurze Erläuterung
des Betriebs des Lastsensors aus 9 wird unten
abgegeben.
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Wenn
an die belasteten Abschnitte 211c, 212c der äußeren und
inneren Röhre 211, 212 eine Zugbelastung
angelegt wird, erfolgt eine Relativbewegung in Richtung der Längsachse
des Lastsensors zwischen der äußeren Röhre 211,
die mit der äußeren Elektrode 221 bereitgestellt
wird und deren mittlerer Schaft 211d verschiebbar im Innenraum
der inneren Röhre 212 eingepasst
wird, und der inneren Röhre 212,
an der die innere Elektrode 222 angebracht ist, wobei der
Abstand zwischen der äußeren und
inneren Elektrode konstant gehalten wird. Solchermaßen wird
die Schraubenfeder 230, deren entgegengesetzte Enden an
die äußere und
die innere Röhre 211, 212 stoßen, zusammengedrückt. Mit Fortschreiten
der Relativbewegung zwischen der inneren und äußeren Röhre 211, 212,
verringert sich die Zwischen-Fläche
zwischen der äußeren und
inneren Elektrode 221, 222 und daher die Kapazität dazwischen.
Wenn danach die angelegte Last und die Federnkraft, die der Komprimierungsgröße der Schraubenfeder 230 entspricht,
im Gleichgewicht sind werden, macht der elektrische Schaltungsabschnitt
des Lastsensors die Lastmessung auf der Grundlage der Menge der Änderung
der Kapazität zwischen
vor und nach der Lastanlegung. Der Lastsensor hat eine hohe Messgenauigkeit
und hohe langfristige Zuverlässigkeit.
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Mit
Bezug auf 10 wird ein Lastsensor gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
Verglichen mit den Lastsensoren gemäß der ersten, zweiten und dritten
Ausführungsform,
in denen die äußere und
innere Elektrode jeweils auf der äußeren und inneren Röhre getragen werden,
unterscheidet sich der Lastsensor dieser Ausführungsform davon dadurch, dass
die äußere und
innere Elektrode jeweils aus einem gezogenen Produkt bestehen, das
dick genug ist, um das Produkt mit einer selbstunterhaltenden Form
bereitzustellen, wodurch die Bereitstellung der äußeren und inneren Röhre zur
Kostensenkung weggelassen werden kann.
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Wie
in 10 gezeigt, sind die äußere und innere Elektrode 321, 322 jeweils
in einem hohlen kreisförmigen
Zylinder ausgebildet, der an seinen entgegengesetzten Endflächen offen
ist. Wie bereits erwähnt,
setzen sich die Elektroden 321, 322 jeweils aus
einem gezogenen Produkt zusammen, das die Formselbstunterhaltende
Fähigkeit
hat. Elektrisch isolierende Buchsen 311, 312,
die als erstes und zweites Halteglied dienen, werden in jeweilige
Endabschnitte der äußeren und
inneren Elektrode 321, 322 eingefügt. Zwischen
der Innenumfangsfläche
der äußeren Elektrode 321 und
der Außenumfangsfläche der
inneren Elektrode 322 wird ein elektrisch isolierendes
Distanzstück 313 angeordnet,
um den Abstand zwischen den Elektroden konstant zu halten, während die
Relativbewegung zwischen diesen Elektroden in der axialen Richtung
des Lastsensors erlaubt wird. In der vorliegenden Ausführungsform
werden mehrere isolierende Distanzstücke 313, die im Umfang
der inneren Elektrode 322 voneinander beabstandet sind,
an der Außenumfangsfläche der
inneren Elektrode befestigt. Stattdessen können mehrere isolierende Distanzstücke in Umfangsabständen an
der Innenumfangsfläche
der äußeren Elektrode 321 angebracht
werden, oder ein einzelnes isolierendes Distanzstück kann
an der ganzen Außenumfangsfläche der
inneren Elektrode 322 oder an der ganzen Innenumfangsfläche der äußeren Elektrode 321 bereitgestellt
werden.
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Eine
im Innenraum der inneren Elektrode 322 angeordnete Schraubenfeder 330 hat
einen Wendel-Abschnitt 331 und zwei Verlängerungsabschnitte
(Haken für
die Lastanlegung) 332, 333, die sich jeweils aus
den entgegengesetzten Enden des Wendel-Abschnitts an der Längsachse
des Lastsensors nach außen
erstrecken. Diese beiden Haken 332, 333 haben
jeweils nahe Endabschnitte, die durch die Isolierbuchsen 311, 312 dringen,
und Zwischenabschnitte, die mit den Isolierbuchsen 311, 312 verbunden
sind.
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Grundsätzlich arbeitet
der Lastsensor dieser Ausführungsform
auf dieselbe Weise wie der der ersten Ausführungsform. Anschließend wird
eine kurze Erläuterung
des Lastsensorbetriebs abgegeben.
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Wenn
die Zugbelastung an die Haken 332, 333 der Schraubenfeder 330 angelegt
wird, wird der Wendel-Abschnitt 331 der Schraubenfeder 330 proportional
zur Größe der Zugbelastung
verlängert, weshalb
zwischen den Isolierbuchsen 311, 312 in der axialen
Richtung des Lastsensors eine Relativbewegung erfolgt, so dass die
Zwischen-Fläche
zwischen der äußeren und
inneren Elektrode 321, 322 kleiner wird und sich
solchermaßen
die Kapazität
zwischen diesen Elektroden verringert. Der Abschnitt der elektrischen
Schaltung des Lastsensors misst die Last auf der Grundlage einer
Menge der Änderung
der Kapazität
zwischen der äußeren und
inneren Elektrode 321, 322 vor und nach der Anlegung
der Last. Der Lastsensor verfügt über eine
hohe Messgenauigkeit und eine hohe langfristige Zuverlässigkeit.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die erste bis vierte Ausführungsform
eingeschränkt
und kann verschiedenartig modifiziert werden.
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In
der ersten bis vierten Ausführungsform werden
beispielsweise sowohl die äußere als
auch die innere Elektrode in einer Zylinderform ausgebildet, die
im Querschnitt kreisförmig
ist. Jedoch können
die äußere und
innere Elektrode zu einem Zylinder ausgebildet werden, der im Querschnitt
eine andere Form als die eines Kreises hat. Weiterhin ist es nicht
unvermeidbar, eine Schraubenfeder als elastisches Glied zu verwenden,
die elastisch verformbar ist, wenn zwischen der äußeren und inneren Elektrode
eine Relativbewegung erfolgt. Statt der Verwendung einer solchen
Schraubenfeder kann ein Gummiglied als das elastische Glied benutzt
werden.
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In
der vierten Ausführungsform
setzt sich sowohl die äußere als
auch innere Elektrode aus einem gezogenen Produkt zusammen. Jedoch
kann sich auch nur eine der Elektroden aus einem gezogenen Produkt
zusammensetzen, während
die andere Elektrode wie im Falle der ersten bis dritten Ausführungsform
auf einer Kunststoffröhre
getragen werden kann.
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Obwohl
Lastsensoren, die ausgebildet sind, um die daran angelegte Zugbelastung
zu messen, in der ersten bis vierten Ausführungsform erläutert wurden,
kann man die vorliegende Erfindung auch auf einen Lastsensor zum
Messen einer Druckbeanspruchung anwenden. Zu diesem Zweck kann im
in 1 gezeigten Lastsensor z. B. eine Schraubenfeder,
die bei der Anlegung der Last zusammengedrückt wird, benutzt werden, anstatt
eine Schraubenfeder zu benutzen, die verlängert wird, wenn eine Last
daran angelegt wird.