DE69215814T2

DE69215814T2 - Dehnungssensor mit einer Dehnungsmessstreifenschaltung und Kraftmesszellenwaage mit diesem Dehnungssensor

Info

Publication number: DE69215814T2
Application number: DE69215814T
Authority: DE
Inventors: Takashi Numazu-Shi Shizuoka-Ken Kikuchi; Hisashi Sunto-Gun Shizuoka-Ken Nishikawa; Kouichirou Mishima-Shi Shizuoka-Ken Sakamoto
Original assignee: TEC KK; Tokyo Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba TEC Corp
Priority date: 1991-09-24
Filing date: 1992-09-08
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2012-09-09
Also published as: JPH05141907A; DE69215814D1; EP0534226B1; KR960013675B1; KR930006449A; EP0534226A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dehnungssensor mit einer Dehnungsmeßstreifenschaltung und ein Verfahren zum Herstellen des Dehnungssensors sowie eine Kraftmeßzellenwaage mit einem Dehnungssensor.
Eine Dehnungsmeßstreifenschaltung mit einem Dehnungssensor ist (beispielsweise aus EP-A-0227850) bekannt, wobei der Dehnungsmeßstreifen mit zwei Anschltissen an einem Träger befestigt bzw. angeklebt ist.
Bei diesem Dehnungssensor muß jedoch an jedem Träger ein Dehnungsmeßstreifen befestigt und die Dehnungsmeßstreifen durch Verbindungsdrähte miteinander verbunden werden, so daß die Herstellung zeitintensiv und mit einer geringen Qualität verbunden ist. Zudem ist es schwierig, diese Dehnungssensoren in Massenproduktion herzustellen.
Der in der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung 57-93220 beschriebene Dehnungssensor ist derart ausgestaltet, daß eine Dehnungsmeßstreifenschaltung als Muster direkt auf der Oberfläche des Trägers durch einen Dünnfilmvorgang ausgebildet ist. Ein ähnlicher Sensor ist aus EP-A-0164862 bekannt. Diese Dehnungssensoren weisen in der oben beschriebenen Weise gemusterte Dehnungsmeßstreifenschaltungen auf, so daß sie in größeren Mengen, verglichen mit dem vorgenannten Verfahren, hergestellt werden können.
Diese Dehnungssensoren mit auf der Oberfläche des Trägers durch Dünnfilmverfahren ausgebildeter Dehnungsmeßstreifen schaltung in Form eines Musters sind dennoch problematisch, da auf jedem Träger ein Muster ausgebildet werden, was mit einer höheren Arbeitsbelastung verbunden ist, d.h. eine geeignete Massenproduktion ist schwerlich zu erzielen. Da eine geringe Trägeranzahl gleichzeitig auf einer Film-Herstellungseinrichtung angeordnet wird kann, ist eine höhere Herstellungsmenge nicht erzielbar.
Demzufolge ist es bei den bekannten Verfahren schwierig, eine größere Anzahl von Dehnungssensoren durch ein einfacheres Verfahren mit niedrigen Herstellungskosten und hoher Qualität herzustellen.
FR-A-2 587 484 beschreibt einen Dehnungsmeßstreifensensor mit einem aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise Keramikmaterial, bestehenden Trägersubstrat, welches auf einer Fläche mindestens einen Dickfilmwiderstand aufweist. Das Trägersubstrat kann mit der anderen Fläche an einem Element oder einer Anordnung dauerhaft befestigt werden, von welchem Spannungen und Deformationen lokal erfaßt werden, so daß durch das Substrat bestimmte Spannungen oder Deformationen den Deformationen des zumindest einen Dickfilmwiderstands entsprechen. Das zum Verbinden des Substrats mit dem Dickfilmwiderstand bei einem derartigen Dehnungsmeßstreifensensor verwendete Befestigungsverfahren muß mit einem Genauigkeitsfaktor größer 100 befestigt werden, um eine geeignete sensitive Einheit zu erzielen. Da das Substrat und der Widerstand aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen thermischen Expansionskoeffizienten bestehen, ist es schwierig, eine große Anzahl an Dehnungssensoren mit geringen Herstellungskosten und hoher Qualität sowie mit dem erforderlichen Genauigkeitsgrad herzustellen.
EP-A-0 227 850 beschreibt einen Dehnungssensor mit zwei Dehnungsmeßstreifenmustern und einem Träger. Die zwei Schaltungsmuster sind an gegenüberliegenden Außenflächen des Trägers mit dem Träger verbunden, um die Differenz der Dehnungs- bzw. Komprimierungssignale der beiden Schaltungsmuster zu verstärken. Da jedoch jeder Träger mit zwei Schaltungsmustern verbunden ist, wird zur Herstellung eines derartigen Dehnungssensors viel Zeit benötigt. Zudem ist die Herstellung derartiger Dehnungssensoren in Massenproduktion schwierig, da pro Träger zwei Muster ausgebildet werden müssen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dehnungssensor zu schaffen, welcher in Massenproduktion mit sehr geringen Kosten und mit hoher Qualität einfach herstellbar und bei einer Kraftmeßzellenwaage verwendbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 3 gelöst.
Die Unteransprüche weisen bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung auf.
Die Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung ersichtlich, in welcher:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Dehnungssensors entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2 eine Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Dehnungssensors zeigt;
Fig. 3 eine Ansicht eines Substratmaterials zur Ausbildung von Dehnungsmeßstreifenmustern bzw. -schemas für das Ausführungsbeispiel darstellt;
Fig. 4A eine erläuternde Ansicht des Ausbildungsvorgangs eines Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmusters für ein Ausführungsbeispiel darstellt;
Fig. 4B eine erläuternde Ansicht des Ausbildungsvorgangs des Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmusters für das Ausführungsbeispiel darstellt;
Fig. 4C eine erläuternde Ansicht des Ausbildungsvorgangs des Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmusters für das Ausführungsbeispiel darstellt;
Fig. 4D eine erläuternde Ansicht des Ausbildungsvorgangs des Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmusters für das Ausführungsbeispiel darstellt;
Fig. 5 eine Ansicht eines elastischen Metallsubstrats des ersten Ausführungsbeispiels darstellt;
Fig. 6 eine Ansicht einer äquivalenten Schaltung des Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmusters des Ausführungsbeispiels darstellt;
Fig. 7 eine teilvergrößerte Ansicht eines elastischen Metallsubstrats darstellt, welches auf einem Träger des ersten Ausführungsbeispiels befestigt ist;
Fig. 8A eine Seitenansicht einer Variante eines Dehnungssensors des ersten Ausführungsbeispiels darstellt;
Fig. 8B eine Seitenansicht einer Variante eines Dehnungssensors des ersten Ausführungsbeispiels darstellt;
Fig. 8C eine Ansicht einer Variante eines Dehnungssensors des ersten Ausführungsbeispiels darstellt;
Fig. 9 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Dehnungssensors entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 10 eine Ansicht einer äquivalenten Schaltung eines Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmusters des Ausführungsbeispiels darstellt;
Fig. 11 eine Blockschaltung einer Kraftmeßzellenwaage für das zweite Ausführungsbeispiel darstellt;
Fig. 12 eine Seitenansicht eines Beispiels einer auf dem Ausführungsbeispiel aufgebrachten Kraft darstellt;
Fig. 13A ein Diagramm einer gegen die in Fig. 12 dargestellte Kraft aufgetragenen Instrumentenfehlerkurve darstellt;
Fig. 13B ein Diagramm einer gegen die in Fig. 12 dargestellte Kraft aufgetragenen Instrumentenfehlerkurve darstellt;
Fig. 13C ein Diagramm einer gegen die in Fig. 12 dargestellte Kraft aufgetragenen Instrumentenfehlerkurve darstellt;
Fig. 14 eine Seitenansicht eines weiteren Beispiels einer an das Ausführungsbeispiel angelegten Kraft darstellt;
Fig. 15A ein Diagramm einer gegen die in Fig. 14 dargestellte Kraft bzw. Last aufgetragenen Instrumentenfehlerkurve darstellt;
Fig. 15B ein Diagramm einer gegen die in Fig. 14 dargestellte Last bzw. Kraft aufgetragenen Instrumentenfehlerkurve darstellt;
Fig. 15C ein Diagramm einer gegen die in Fig. 14 dargestellte Kraft aufgetragenen Instrumentenfehlerkurve darstellt;
Fig. 16 eine äquivalente Schaltung eines Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmusters einer Variante des zweiten Ausführungsbeispiels darstellt;
Fig. 17 ein Blockdiagramm einer veränderten Waage entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 18 eine perspektivische Ansicht eines Dehnungssensors entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 19 eine Seitenansicht des Dehnungssensors des dritten Ausführungsbeispiels darstellt;
Fig. 20 eine perspektivische Ansicht einer Variante des dritten Ausführungsbeispiels darstellt; und
Fig. 21 eine Seitenansicht der Variante des dritten Ausführungsbeispiels darstellt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
In den Fig. 1 und 2 kennzeichnet das Bezugszeichen 2 ein elastisches Metallsubstrat mit einem Dehnungsmeßstreifen- Schaltungsmuster bzw. -schema 1 auf dessen Oberfläche.
Das elastische Metallsubstrat 2 ist fest mit einer Verformungsfläche eines Trägers 3 mit gleichem thermischen Expansionskoeffizienten wie das Substrat 2 verbunden. Der Träger weist einen Robervalschen Mechanismus auf und das elastische Metallsubstrat 2 ist mit einem Klebstoff an dem Träger 3 derart befestigt, daß der Dehnungsmeßstreifenbereich des Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmusters an der Verformungsfläche des Robervalschen Mechanismus angeordnet ist.
Als Klebstoff wird ein gemischter Klebstoff, etwa aus feinem gepulvertem Keramik mit einigen µ und aus Epoxidharz, verwendet. Hierdurch kann die thermische Expansion bzw. Ausdehnung des Klebstoffs dem thermischen Expansionskoeffizienten des elastischen Metallsubstrats 2 und des Trägers 3 entsprechen.
Ein Paar von Öffnungen 4, 5 ist in der Mitte des Trägers 3 derart ausgebildet, daß beide Öffnungen 4 und 5 im wesentlichen als hantelförmige Anordnung definiert bzw. festgelegt werden, wobei ein Paar von gegenüberliegenden Stegen in der Mitte der hantelförmigen Anordnung positioniert ist, um dünnwandige Verformungsflächen, wie im folgenden ausgeführt wird, vorzusehen.
Dünnwandige Verformungsflächen sind bezüglich der Trägermitte als obere und untere Flächen 7 und 9 auf einer Seite der Öffnung 4 und als obere und untere Flächen 8 und 10 auf der anderen Seite der Öffnung 5 ausgebildet.
Der Träger 3 weist einen Befestigungsbereich 11 an dessen einem Ende und einem Druckaufnahmebereich an dessen anderem Ende auf. Befestigungsöffnungen 14 sind im Befestigungsbereich 11 des Trägers 3 ausgebildet und Schrauben 12 werden durch die Befestigungsöffnungen 14 eingefügt und an einem Grundelement bzw. einer Basis 13 befestigt. Eine Befestigungsöffnung 17 ist am Druckaufnahmebereich 15 des Trägers 3 ausgebildet und der Schaft einer Pfanne 16 für eine Waage ist in der Befestigungsöffnung 17 am Druckaufnahmebereich 15 des Trägers 3 befestigt.
Das Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmuster 1 ist auf dem elastischen Metallsubstrat 2, wie nachfolgend erläutert wird, ausgebildet.
Ein in Fig. 3 dargestelltes, relativ großes Substratmaterial 21 wird zuerst vorbereitet. Das Substratmaterial 21 besteht aus einem elastischen Metallbiech, wie etwa Duralimin, Be-Cu (Berylhum-Kupfer) und rostfreiem Stahl. D.h. ein Dehnungssensor erfaßt einen Verformungsgrad, nachdem eine Last bzw. Kraft auf den Träger 3 wirkt, und gleichzeitig wird eine entsprechende Ausgangsspannung proportional zum Verformungsgrad abgegeben. Wenn das Material derart ausgewählt wird, daß es einen möglichst großen Verformungsgrad aufnehmen kann, besteht die Möglichkeit, eine größere Ausgangsspannung vorzusehen. Die oben genannten Materialien können die vorgenannten Erfordernisse erfüllen.
Wenn das Substratmaterial aus elastischem Metall, wie etwa Duralimin, Be-Cu (Berylhum-Kupfer) und rostfreiem Stahl, besteht, sollte ein entsprechendes Material für den Träger 3 verwendet werden.
Das Substratmaterial 21 ist blockförmig ausgestaltet, so daß es auf jedes elastische Metallsubstrat 2 abgestimmt ist, und ein Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmuster 1 wird durch dünnfilmbildende Verfahrensschritte auf den jeweiligen Block aufgebracht.
In einem ersten Schritt wird die Oberfläche des Substratmaterials poliert und gereinigt.
In einem zweiten Schritt wird eine isolierende Harzschicht 22 auf der Oberflche des Substratmaterials 21 ausgebildet. Die isolierende Harzschicht 22 wird durch Beschichten, etwa mit einem Polyimidlack mit nachfolgendem Wärme-Aushärtschritt ausgebildet.
In einem dritten Verfahrensschritt wird eine Dehnungsmeßstreifen-Widerstandsschicht durch ein Sputterverfahren aufgebracht, wobei die Widerstandsschicht 23 etwa aus einer Ni-Cr-Si-Schicht besteht.
In einem vierten Schritt wird eine temperaturkompensierende Widerstandsschicht 24 auf der Dehnungsmeßstreifen-Widerstandsschicht 23 ausgebildet, wobei die Widerstandsschicht 24 etwa aus einer Ti-Schicht besteht.
In einem fünften Schritt wird eine Anschluß-Verbindungsschicht 25 auf der Temperaturkompensation-Widerstandsschicht 24 ausgebildet, wobei die Verbindungsschicht 25 etwa aus einer Cu-Schicht besteht.
Hierdurch wird eine in Fig. 4A dargestellte Laminateinheit gebildet.
Die jeweiligen Schichten 22 bis 25 werden aus dünnen Schichten ausgebildet, welche aufeinanderfolgend innnerhalb der gleichen Vakuumkammer erzeugt werden. Die Dicke dieser Schichten 22 bis 25 wird beispielsweise auf 4 µm für eine isolierende, aus einer Polyimidschicht gebildeten Harzschicht 22; auf 1,000 Å für eine aus einer Ni-Cr-Si-Schicht gebildeten Dehnungsmeßstreifen-Widerstandsschicht 23; auf 5,000 Å für eine aus einer Ti-Schicht gebildeten Temperaturkompensation-Widerstandsschicht 24 und auf ungefähr 2 µm für eine aus einer Cu-Schicht gebildeten Anschluß-Verbindungsschicht eingestellt, obgleich die Dicke entsprechend der Ausgestaltung der Muster und der Anordnung einer Erfassungsschaltung zum Erfassen eines Signals eines Dehnungssensors differiert.
In einem sechsten Schritt wird durch einen Foto- bzw. Lichtätzprozeß mit einem selektiven Ätzverfahren ein Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmuster 1 ausgebildet. Nachdem eine Photowiderstandsschicht vor dem Ätzschritt ausgebildet wurde, wird ein Muster bzw Schema mittels einer Belichtungsmaske mit einem vorgegebenen Muster gedruckt und entwickelt, so daß ein Widerstandsmuster erzeugt wird.
Wie in Fig. 4B dargestellt, werden die von dem Schaltungsmuster abweichenden Schichten aufeinanderfolgend durch ein entsprechendes Ätzmittel von der obersten Schicht nach unten weggeätzt, so daß lediglich das Schaltmuster übrig bleibt.
In einem siebten Schritt wird eine überlagernde bzw. überlappende Cu-Schicht durch ein ähnliches Verfahren geätzt, um vier Dehnungsmeßstreifen-Musterabschnitte la und einen Meßbereich-Temperaturkompensation-Musterabschnitt 1b - span temperature compensation resistive section -, wie in Fig. 4C dargestellt, freizulegen. Hierdurch wird der Meßbereich-Temperaturkompensation-Widerstandsabschnitt 1b vervollständigt.
In einem achten Schritt wird eine den Dehnungsmeßstreifen- Musterabschnitt 1b überlagernde Ti-Schicht durch einen ähnlichen Vorgang geätzt, um die Ni-Cr-Si-Schicht freizulegen. Hierdurch werden die in Fig. 4D dargestellten Dehnungsmeßstreifen-Musterabschnitte 1a fertiggestellt.
Auf diese Weise werden Bleielektroden Ve1, Ve2, Vo1 und Vo2, die Dehnungsmeßstreifen-Musterabschnitte 1a, der Meßbereich-Temperaturkompensation-Widerstandsabschnitt 1b und der Kraft-Verbindungsmusterabschnitt 1c als Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmuster auf den jeweiligen Blöcken des Substratmatenais 21 ausgebildet.
Eine Schutzschicht wird auf dem Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmuster 1 ausgestaltet und eine Überprüfung, etc. durchgeführt.
Das sich ergebende Substratmaterial wird derart zerteilt, daß jeweils Blöcke entstehen, von denen jeder das komplette Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmuster aufweist. Hierdurch wird das Substrat 2 in Form eines elastischen Metallsubstrats, wie in Fig. 5 dargestellt, erzielt.
Fig. 6 zeigt eine äquivalente Schaltung für das Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmuster 1 auf dem elastischen Metallsubstrat 2.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich, wird eine Brückenschaltung mit Widerständen R1, R2, R3 und R4, entsprechend den vier Dehnungsmeßstreifen-Musterabschnitten 1a, und ein Widerstand RS, entsprechend dem Meßbereich-Temperaturkompensations-Müsterabschnitt 1b, geschaffen.
Das derart hergestellte elastische Metallsubstrat 2 wird fest an dem Träger 3 befestigt, so daß der Dehnungsmeßstreifen-Musterabschnitt bzw. -bereich 1a an der Verformungsfläche 8 (7) angeordnet ist. In diesem Fall wird die Befestigung durch einen Klebstoff, etwa ein Epoxidharz, bewirkt.
Wenn das elastische Metallsubstrat 2 und der Träger 3 aus einem wärmebeständigen Material, wie etwa rostfreiem Stahl, hergestellt werden, dann ist das elastische Metallsubstrat 2 thermokompressionsverbunden mit dem Träger 3, nachdem deren Verbindungsflächen mit Gold platiert bzw. überzogen wurden.
Um eine stabile Verbindung zu erzielen, nachdem ein derartiger Verbindungsvorgang durchgeführt wurde, kann ein Klebstoff eingesetzt werden, welcher mit einem Füllmittel, das fein gepulvertes Keramik aufweist, gemischt ist.
Erfindungsgemäß wird ein Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmuster 1 anfänglich durch einen Dünnfilmvorgang auf jedem Block auf einem Substratmaterial 21 ausgebildet, eine große Anzahl an elastischen Metallsubstraten 2 gleichzeitig ausgebildet, so daß sie für jeden Block separiert werden, und das jeweilige elastische Metallsubstrat 2 mit dem jeweiligen Träger 3 verbunden, um eine große Anzahl an Dehnungssensoren herzustellen.
Da das Substratmaterial 21 dünn und schmal ist, kann eine große Anzahl von elastischen Metallsubstraten 2 durch eine Film-Bildungseinrichtung während des Ausbildungsschrittes einer hohen Anzahl an Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmustern 1 auf dem Substratmaterial 21 hergestellt werden, so daß eine Massenproduktion ermöglicht wird.
Da der Dehnungssensor in Massenproduktion durch einen Dünnfilmvorgang herstellbar ist, besteht die Möglichkeit, die Herstellungskosten zu verringern und gleichzeitig eine hohe Qualität sicherzustellen.
Wenn ein Temperaturkoeffizienten-Unterschied zwischen dem Material des Trägers 3 und dem des elastischen Metallsubstrats 2 hinsichtlich der Expansion bzw. Ausdehnung besteht, wird eine Zugspannung induziert, welche eine Veränderung des entsprechenden Ausgangssignal verursacht. Wenn beispielsweise an eine Dehnungsmeßstreifen-Schaltung eine Eingangsspannung von 10 V angelegt wird, so daß sich eine Dehnung von 1 µ an der Verbindungsfläche ergibt, dann variiert die Ausgangsspannung um ungefähr 20 µV. Da die Verbindungsfläche für eine derartige Zugbeanspruchung empfänglich bzw. suszeptibel ist, sollte der Träger als auch das elastische Metallsubstrat aus dem gleichen Material hergestellt werden.
Obgleich im vorgenannten Ausführungsbeispiel der Träger mit einem Robervalschen Mechanismus erläutert wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können auch die in den Fig. 8a und 8b dargestellten Träger 3a, 3b eingesetzt werden, wobei diese Träger keinen Robervalschen Mechanismus aufweisen&sub6; D.h. der in Fig. 8a dargestellte Träger 3a weist eine gekrümmte Aussparung am Boden auf, um eine obere dünnwandige Fläche festzulegen, über welcher ein elastisches Metallsubstrat positioniert ist, und der in Fig. 8b dargestellte Träger weist eine L-förmige Aussparung auf, welche am Boden geöffnet ist, wobei dessen längerer Aussparungsbereich entlang der Oberfläche des Trägers verläuft, so daß ein elastisches Metallsubstrat auf der Oberfläche des Trägers 3b positioniert ist, wobei eine obere dünnwandige Fläche zwischen dem längeren Aussparungsbereich der L-förmigen Aussparung und der Oberfläche des Trägers festgelegt ist. Desweiteren kann ein in Fig. 8C dargestellter Träger 3c mit einem abweichenden Robervalschen Mechanismus eingesetzt werden, d.h. der Träger 3C weist eine Mittelöffnung mit im wesentlichen rechteckiger Form auf, wobei deren vier Ecken nach außen vorstehen, um dünnwandige Flächen an den oberen und unteren Bereichen der im wesentlichen rechteckförmigen Öffnung auszubilden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 9 beschrieben. Das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird als Dehnungssensor bei einer Waage verwendet.
In Fig. 9 weist der mit einem Robervallschen Mechanismus ausgestattete Träger 3 ein Paar von elastischen Metallblechen 2a, 2b auf, welche an einer oberen Fläche bzw. an einer unteren Fläche des Trägers 3, wie in Fig. 9 dargestellt, verklebt sind, wobei dieses elastische Metallsubstratmaterial durch einen Dünnfilmvorgang ausgebildet und entsprechend nebeneinanderliegenden Blöcken getrennt wird.
Der Dehnungssensor bildet eine in Fig. 10 dargestellte Schaltungsanordnung und ein Paar von Brückenschaltungen 31, 32 ist mit ihren Eingangsanschlüssen mit einer Gleichstromspannungsquelle 33 durch einen Widerstand verbunden und weisen jeweils ein auf dem jeweiligen elastischen Metallsubstrat (1a, 1b) ausgebildetes Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmuster auf.
Die jeweiligen Brückenschaltungen 31 und 32 liefern an ihren Ausgangsanschlüssen Ausgänge Vout1 und Vout2. Die Ausgänge Vout1 und Vout2 der Brückenschaltungen 31 und 32 werden Verstärkerschaltungen 40 bzw. 41 zugeführt.
Die Eingänge zu den Verstärkerschaltungen 40 und 41 werden verstärkt und die Ausgänge Vout10 und Vout20 der Verstärkerschaltungen 40 und 41 einer Addiereinrichtung 42 zugeführt.
Die Addiereinrichtung 42 addiert die verstärkten Ausgänge Vout10 und Vout20 und führt eine Ausgangsspannung Vout, entsprechend einer involvierten Last bzw. Kraft, ab.
Die Ausgangsspannung Vout der Addiereinrichtung 42 wird an einem Tiefpaßfilter 35 vorbei einem A/D-Wandler 36, wie in Fig. 11 dargestellt, zugeführt.
Der A/D-Wandler 36 gibt Zähldaten, entsprechend der Eingangsspannung, zu einem Mikrocomputer 37 aus.
Der Mikrocomputer 37 wandelt die Eingangszähldaten in gewogene Wertedaten, etwa in die Einheit Gramm, um und führt diese Daten einer Anzeigeeinheit 38 zu, welche die Daten anzeigt.
Selbst bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Substratmaterial mit Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmustern, welche jeweils durch einen Dünnfilmvorgang auf einem jeweiligen Block ausgebildet wurden, in Form von nebeneinanderliegenden Blöcken separiert, um jeweilige elastische Metallsubstrate auszubilden. Da hierbei zwei (2a, 2b) der elastischen Metallsubstrate an den oberen und unteren Flächen des Trägers 3 befestigt werden, um einen Dehnungssensor auszubilden, besteht die Möglichkeit, Dehnungssensoren in Massenproduktion herzustellen.
Da der Dehnungssensor zwei elastische Metallsubstrate 2a und 2b einsetzt und die Ausgänge der Dehnungsmeßstreifen-Schaltungen auf den elastischen Metallsubstraten 2a und 2b verwendet werden, nachdem sie durch die Verstärkungsschaltungen 40 und 41 und durch die Addiereinrichtung 42 addiert wurden, besteht die Möglichkeit die Empfindlichkeit um den Faktor 2 zu verbessern. Des weiteren kann eine sich anschließende Zwischenschaltung als einzelnes System ausgebildet werden, da die Schaltung lediglich den Ausgang der Addiereinrichtung 42 verarbeiten müß, und somit können die involvierten Herstellungskosten verringert werden.
Bei dem mit Robervalschen Mechanismus ausgestalteten Träger 3 ist das elastische Metallsubstrat 2a an dessen oberer Fläche und das elastische Metallsubstrat 2b an dessen unterer Fläche befestigt, wodurch eine Ausgangslinearität mit Bezug auf die Last bzw. Kraft erzielbar ist.
Der Dehnungssensor 41 ist an einer Basis 42 an der unteren Fläche von dessem einen Endbereich befestigt, wobei eine Pfanne 43 auf dem anderen Ende des Dehnungssensors 41, wie in Fig. 12 dargestellt, befestigt ist. Wenn eine Last bzw. Kraft W an einem entfernten Endbereich der Pfanne, wie in Fig. 12 dargestellt, aufgebracht wird, dann wird der Träger 3 gebogen und die gegenüber der Last W auf dem elastischen Metallsubstrat 2a und 2b aufgetragenen Instrumentenfehlerkurven sind in entgegengesetzte Richtungen gekrümmt, d.h. die eine ist in eine nach oben gerichtete Richtung und die andere ist in eine nach unten gerichtete Richtung, wie in den Fig 13A und 13B dargestellt, gekrümmt.
Da die Ausgänge der Dehnungsmeßstreifenschaltungen der jeweiligen elastischen Metallsubstrate 2a und 2b in der Addiereinrichtung 42 addiert werden, werden deren Instrumentenfehlerkurven entsprechend dem Ausgang einer Reihenschaltung der beiden Dehnungsmeßstreifenschaltungen zueinander ausgeglichen, so daß eine in Fig. 13C dargestellte gerade Linie erzielt wird. Hierbei kennzeichnen die gegenüber der Last bzw. Kraft aufgetragenen Instrumentenfehlerkurven eine Diskrepanz, wenn ein null Gramm und ein gewogener Wert linear angenähert werden.
Wenn die Last bzw. die Kraft W auf einen nahen Endbereich der Pfanne 43, wie in Fig. 14 dargestellt, aufgebracht wird, krümmt sich der Träger 3 und die gegenüber der Last W auf den elastischen Metallsubstraten 2a und 2b aufgetragenen Instrumentenfehlerkurven verlaufen entgegengesetzt zu dem Fall, in welchem die Last W auf den entfernten Endbereich der Pfanne aufgebracht wird, d.h. sie sind, wie in den Fig. 15A und 15B dargestellt, gekrümmt. Aber selbst hierbei werden die Ausgänge der jeweiligen elastischen Metallsubstrate 2a und 2b miteinander addiert und folglich deren Instrumentenfehlerkurven entsprechend dem Ausgang der Reihenschaltung der beiden Dehnungsmeßstreifenschaltungen bezüglich einander kompensiert, so daß eine in Fig. 15C dargestellte gerade Linie erzielt wird.
Bei einem derartigen Dehnungssensor, bei welchem die elastischen Metallsubstrate 2a und 2b am Träger 3 befestigt sind und deren Ausgänge addiert werden, kann die vorgenannte Linearität gegenüber der Last erreicht werden. Selbst wenn die Last an irgendeiner Stelle auf der Oberfläche der Pfanne 43 aufgebracht wird, kann der vorliegende Dehnungssensor ein genaues Wägen durch dessen eigene Linearität gegenüber jeder aufgebrachten Last durchführen.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel werden die Ausgänge Vout1 und Vout2 der Brückenschaltungen 31 und 32 auf den Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmustern der elastischen Metallsubstrate 2a und 2b in der Addiereinrichtung 42 addiert, nachdem sie durch die Verstärkungsschaltungen 40 und 41 verstärkt wurden. Andererseits können die in Fig&sub4; 16 dargestellten, Ausgangsspannungen Vout1 und Vout2 der Brückenschaltungen 31 und 32, nachdem sie einem Analogschalter 39, wie in Fig. 17 dargestellt, zugeführt wurden, selektiv einer Verstärkerschaltung 34 zugeführt werden. Hierbei kann ein Mikrocomputer 37, nachdem Zähldaten entsprechend den Ausgangsspannungen Vout1 und Vout2 an einem Tiefpaßfilter 35 und dem A/D-Wandler 36 vorbei, zugeführt wurden, die beiden entsprechenden Zähidaten in addierender Form verarbeiten, so daß ein gewogener Wert erzielt wird, wobei die Möglichkeit besteht, die Linearität gegenüber der aufgebrachten Last zu erzielen.
Wenn bei obiger Ausführung eine Sekunde von der Lastaufbringung auf die Pfanne 43 herausgegriffen wird, um deren Belastung zu bestimmen, so sind ungefähr 50 msec als Schaltgeschwindigkeit des analogen Schalters in analoger Weise erforderlich.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend erläutert.
Bei den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen war es nötig, den Dehnungsmeßstreifen auf dem Träger 3 an einer Fläche zu positionieren, welche den Deformationsflächen des Trägers 3 entsprach, wenn die elastischen Metallsubstrate 2, 2a, 2b an den Oberflächen des Trägers 3 befestigt werden. Somit ist es schwierig, den Dehnungsmeßstreifen der Dehnungsmeßstreifen-Schaltung nach der Befestigung an der entsprechenden Oberfläche des Trägers 3 zu positionieren.
Wie in den Fig. 18 und 19 dargestellt, ist auf der Fläche des Trägers 3, mit welcher ein elastisches Metallsubstrat 2 verbunden ist, ein Absatz 18 ausgebildet. Wenn das elastische Metallsubstrat 2 an dem Träger 3 befestigt werden soll, stößt ein Ende des Metallsubstrats 2 gegen den Absatz 18 auf der Oberfläche des Trägers 3, so daß ein Dehnungsmeßstreifen einer Dehnungsmeßstreifenschaltung an einer Verformungsfläche des Trägers 3 positioniert wird. Somit wird die Befestigung des elastischen Metalistreifens 2 am Träger 3 vereinfacht. Desweiteren kann die Verformungsfläche des Trägers 3 sehr genau und in ausgerichteter Form positioniert werden.
Wenn das elastische Metallsubstrat auf jeder Oberfläche des Trägers 3, wie im zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt, befestigt wird, muß auf jeder Oberfläche des Trägers 3 ein Absatz ausgebildet werden.
Entsprechend dem Absatz 18 auf der Oberfläche des Trägers 3, gegen welchen ein elastisches Metallsubstrat 2 anstößt, wird ein weiterer Absatz 19 auf der gleichen Oberfläche des Trägers 3 an einem Bereich vorgesehen, welcher in geeigneter Form entsprechend der Länge des elastischen Metallsubstrats 2 beabstandet ist, so daß der Absatz 19 gegenüberliegend dem Absatz 18, wie in den Fig. 20 und 21 dargestellt, angeordnet ist. Desweiteren kann das elastische Metallsubstrat 2 äußerlich geschützt werden, indem das elastische Metallsubstrat 2 an der Fläche des Trägers 3 befestigt wird, welche zwischen den Absätzen 18 und 19 festgelegt ist, so daß ein mögliches Abschälen des elastischen Metallsubstrats 2 vom Träger 3 aufgrund eines externen Stoßes während der Herstellung verhindert wird.
Als einstückig mit dem Träger 3 ausgebildeten Träger 19 kann ein getrenntes Element verwendet werden, welches an jedem Endbereich des Trägers 3 befestigt wird.
Obgleich in dem jeweiligen Ausführungsgbeispiel das elastische Metallsubstrat zur Verwendung als elastisches Substrat erläutert wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann ein Keramiksubstrat verwendet werden, wobei in diesem Fall, in Abhängigkeit vom Herstellungsmaterial des Trägers 3, eine glasartige Befestigung bzw. Verbindung ggf. verwendet werden kann.
Es besteht die Möglichkeit, ein elastisches Metallsubstrat am Träger 3 zu befestigen, indem entsprechende Stifte mit dem gleichen thermischen Expansionskoeffizienten wie dem des elastischen Metallsubstrats und des Trägers in ihre Eingriffsöffnungen eingefügt werden.

Claims

1. Dehnungssensor mit einer Dehnungsmeßstreifenschaltung, um einen Verformungsgrad an einer unter einer Kraft verformbaren Verformungsfläche zu erfassen, mit:

- einer Basiseinrichtung, welche auf dem elastischen Metallsubstrat (2) ausgebildet ist und ein Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmuster (1) aufweist, welches auf dessen Oberfläche ausgebildet ist; und

- einer Trägereinrichtung (3), welche unter einer Kraft verformbar ist und den gleichen thermischen Expansionskoeffizienten wie die Basiseinrichtung aufweist;

gekennzeichnet durch

- eine Einrichtung, welche die Basiseinrichtung mit der Oberfläche der Trägereinrichtung (3) verklebt, wobei der Dehnungsmeßstreifenabschnitt des Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmusters (1) bezüglich der Verformungsfläche (7 bis 10) der Trägereinrichtung (3) ausgerichtet ist und die Einrichtung für die Klebeverbindung den gleichen thermischen Expansionskoeffizienten wie die Trägereinrichtung aufweist.

2. Dehnungsssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absatz auf der Klebefläche des Substrats (2) derart vorgesehen ist, daß zumindest ein Ende des Substrats (2) relativ zum Absatz positioniert ist.

3. Kraftmeßzellenwaage, welche einen Dehnungssensor mit einer Dehnungsmeßstreifenschaltung verwendet, um einen Verformungsgrad einer unter einer Kraft verformbaren Verformungsfläche zu erfassen, mit:

- einem Paar von aus gleichem Material hergestellten Basiseinrichtungen, wobei die Basiseinrichtung aus einem elastischen Metallsubstrat (2) mit einem auf dessen Oberfläche ausgebildeten Dehnungsmeßstreifen- Schaltungsmuster (1) ausgebildet ist;

- einer Trägereinrichtung (3), welche einen Robervalschen Mechanismus mit einer oberen Verformungsfläche (7, 8) und einer unteren Verformungsfläche (9, 10) aufweist, welche unter einer Kraft verformbar sind, wobei die Trägereinrichtung (3) den gleichen thermischen Expansionskoeffizienten wie die Basiseinrichtung aufweist;

- einem Paar von Verstärkungseinrichtungen (40, 41) zum Verstärken der Ausgangssignale der Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmuster;

- einer Addiereinrichtung (42) zum Addieren beider verstärkter Ausgangssignale der Verstärkungseinrichtungen (40, 41);

- einer Analog/Digital-Wandlereinrichtung (36) zum Umwandeln eines analogen Ausgangs der Addiereinrichtung (42) in digitale Daten; und

- einer Einrichtung (37) zur Aufnahme der digitalen Daten von der Analog/Digital-Wandlereinrichtung (36) und zum Auffinden eines entsprechenden gewogenen Wertes;

gekennzeichnet durch

- eine Einrichtung zum Verbinden des Paars von Basiseinrichtungen, wobei die eine an einer oberen Fläche und die andere an einer unteren Fläche der Trägereinrichtung (3) an den oberen und unteren Verformungspositionen der Trägereinrichtung (3) befestigt wird, wobei ein Dehnungsmeßstreifen-Schaltungsmuster (1) mit den oberen und unteren Verformungsflächen (7 bis 10) ausgerichtet ist und die Verbindungseinrichtung den gleichen thermischen Expansionskoeffizienten wie die Basiseinrichtung aufweist.