EP0868658A1 - Force measurement device - Google Patents

Force measurement device

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Publication number
EP0868658A1
EP0868658A1 EP96944006A EP96944006A EP0868658A1 EP 0868658 A1 EP0868658 A1 EP 0868658A1 EP 96944006 A EP96944006 A EP 96944006A EP 96944006 A EP96944006 A EP 96944006A EP 0868658 A1 EP0868658 A1 EP 0868658A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring device
force measuring
pressure sensor
force
elastomeric material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP96944006A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Pauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PFISTER WAAGEN GmbH
Original Assignee
PFISTER WAAGEN GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PFISTER WAAGEN GmbH filed Critical PFISTER WAAGEN GmbH
Publication of EP0868658A1 publication Critical patent/EP0868658A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/02Measuring force or stress, in general by hydraulic or pneumatic means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress

Definitions

  • the invention relates to a force measuring device with a pressure sensor arranged between force introduction parts, which is embedded essentially transversely to the direction of introduction of the force to be measured in pressure transmission contact in elastomeric material.
  • Such a force measuring device is known from EP-A-0 205 509 and in the form based thereon from EP-A-0 496 956.
  • a uniform hydrostatic pressure is generated via a load introduction plate or a load introduction piston in an almost completely enclosed elastomeric material, which pressure is measured by the pressure sensor.
  • the connection of the pressure sensor in the first-mentioned publication requires a certain amount of processing on the housing part and a precise manufacture of the connection surface of the elastomeric material (in particular rubber) in order to obtain exact, reproducible measurement signals.
  • the second-mentioned publication while saving the processing of the housing part, it was proposed to store the pressure sensor in a floating manner in the elastomer material. This also has the advantage that the pressure sensor itself is well protected against environmental influences.
  • a support ring provided with a free space is required for mounting the sensor body itself, the support surface of which must be manufactured with high accuracy for a membrane.
  • the pressure sensors proposed here each have a deformation body in the manner of a measuring membrane.
  • the membrane deformation into the free space necessary to allow the deflection is picked up by strain gauges on the back of the membrane.
  • the thin and therefore fragile sensor membrane thus forms the weakest component of the complete force measuring device, so that for the
  • a force measuring device in the form of a force measuring disc which uses the pressure sensitivity of thick film resistors in order to obtain force-proportional electrical signals.
  • a similar force measuring device is known from DE-C-42 21 426, but there is also the problem that a considerable amount of production work has to be carried out in order to apply a force load uniformly as a pressure distribution to the thick-film resistor.
  • the last-mentioned patent specification for producing a force sensor suggests that two layers be printed in succession in order to achieve a particularly flat surface of such a thick-film resistor with a high surface quality.
  • the invention has for its object to provide a force measuring device that can be manufactured inexpensively and is also suitable for high pressures.
  • the invention is based on the consideration that the elastomer pressure of the elastomeric material, when force is applied, provides an optimal, uniform pressurization on the sheet resistors, so that they do not need to be produced with the otherwise required particularly flat surface. This results in a particularly simple, cost-effective production, especially since the sheet resistors used as pressure sensors can consist of common, relatively inexpensive materials. So are suitable as measuring resistors for the pressure sensor
  • Carbon film resistors or cermet resistors or similar thick film resistors are Carbon film resistors or cermet resistors or similar thick film resistors.
  • This design of the pressure sensor makes a separate measuring membrane as a deformation body unnecessary, since only one or more, preferably two, thick-film measuring resistors are embedded directly on a substrate plate in the elastomeric material. Two resistors outside the immediate pressure range, e.g. B. placed on the also with embedded signal evaluation board. The measuring resistors are thus connected to an active half-bridge in a manner known per se. Since pressure sensors of this type, in contrast to measuring membranes, are not subject to any significant mechanical deformations, but instead use pressure-dependent changes in the electrical properties for signal tapping, these measuring resistors in connection with the embedding and vulcanization of the substrate plate directly into the pressure-distributing egg elastomer material are extremely overload-resistant.
  • elastomer pressures of approximately 1000 bar or higher can be achieved, which corresponds to an increase in the pressures possible in the prior art by a factor of 10. This also allows a substantial reduction in the installation space of such a force measuring device.
  • the required diameter with the root of the pressure increase factor decreases by a factor of 2 to 4 with the same nominal measuring ranges.
  • the overall height can also be very low, since there is no support or support ring for a membrane, so that the force measuring device can be made particularly flat. It is particularly advantageous here that such pressure sensors are suitable for surviving the high process pressures and temperatures without damage when vulcanized into rubber.
  • Fig. 1 shows a cross section through a force measuring device
  • Fig. 2 is a perspective view of one in FIG.
  • Force measuring device used pressure sensor
  • Fig. 3 shows an associated circuit diagram of the pressure sensor
  • Fig. 4 is an enlarged partial perspective view of the
  • Fig. 5 is an enlarged cross-sectional view through the
  • FIG. 6 shows a view according to FIG. 5 in the loaded state
  • FIG. 7 shows a modified embodiment according to FIG. 1 with increased measuring accuracy
  • Fig. 8 shows a cross section through an embodiment
  • FIG. 9 shows a modified embodiment of the radial rubber bearing according to FIG. 8.
  • a pressure sensor 5 is embedded centrally in the elastomeric material 4 and is oriented essentially transversely to the direction of introduction of the force to be measured, namely here essentially parallel to the plate-shaped force introduction parts 2 and 3.
  • the pressure sensor 5 is in pressure transmission contact with the elastomeric material 4, so that a "measuring rubber bearing" is formed. Due to the complete vulcanization of the pressure sensor 5 in the elastomeric material, it is well protected against environmental influences, so that this force measuring device 1 can also be used in “rough” conditions, for example in a chassis of a vehicle or in a processing machine, in order to detect the force transmission parts 2 and 3 acting forces.
  • the measurement signal detected by the pressure sensor 5 is amplified and / or processed by a measurement signal converter 11, which is in particular designed as a microprocessor or semiconductor chip embedded laterally on the circumference in the elastomeric material 4, so that the processed measurement signals are led out of the force measuring device 1
  • Measuring cable 13 can be delivered directly to a display or a further processing device.
  • the measurement signal converter 11 is protected by a jacket 10 which is formed in one piece with the elastomeric material 4 during manufacture and vulcanization.
  • an anti-kink sleeve 12 can also be formed in one piece from the elastomeric material 4 around the measuring cable 13, so that this connection to the force measuring device 1 is produced in a particularly simple manner.
  • the measuring cable 13 there is a high degree of pull-out resistance for the measuring cable 13 due to the direct embedding in the elastomeric material 4, in particular if the measuring cable 13 is led through a metal ring 15 to the centrally arranged pressure sensor 5.
  • This metal ring 15 also serves to mount and hold the pressure sensor 5 during vulcanization by means of a mounting grid 14. This ensures that the pressure sensor 5 is placed exactly on the central axis of the force measuring device 1 and in a right-angled orientation.
  • the metal ring 15 restricts the tendency for the elastomeric material 4 to bulge radially when a high force is applied.
  • the pressure sensor 5 comprises at least one substrate plate 6, preferably made of aluminum oxide or zirconium oxide ceramic. At least one sheet resistor 7 is preferably formed on this substrate plate 6, which is arranged above a similarly designed second substrate plate 6, using thick-film technology. In the preferred construction of the pressure sensor 5 from two stacked substrate plates 6, one becomes Intermediate separating layer 8 is formed by means of sealing glass, so that an integral structure of the pressure sensor 5 is formed which is connected to one another.
  • the conductor tracks 9 leading away from the sheet resistors 7 are also applied, in particular printed, using thick-film technology and branded. This results in a circuit diagram according to FIG. 3 as (Wheatstone bridge circuit).
  • This embodiment as a full-bridge circuit is preferred, since temperature deviations due to the very close arrangement of the two substrate plates 6 and thus the four sheet resistors 7 on the flat pressure sensor 5 are minimal.
  • FIG. 4 shows a preferred construction of the pressure sensor 5, the separating layer 8 shown in dotted lines in FIG. 2 having a frame-like design.
  • the frame-shaped separating layer 8 has a channel-like interruption 18 on the circumference in order to allow the air enclosed in the cavity to escape when the two substrate plates 6 melt together.
  • This interruption 18, which serves as a ventilation opening can optionally be closed by temperature-resistant adhesive in order to seal the central cavity.
  • the interruption 18 can also be closed by a suitable design of the routing of the conductor tracks 9. With this design, it is also advantageous that the connection pads of the conductor tracks 9 are easily accessible, so that expensive
  • the separating layer 8 thus creates a defined, very small distance between the two substrate plates 6, as shown in FIG.
  • This small distance of, for example, 1/10 mm between the two substrate plates 6 is to be dimensioned such that the substrate plates 6 support one another at higher pressures, which are approximately 100% above the nominal measuring range, as is shown in FIG. 6.
  • the compressive stress component increases to the layer resistances 7 applied thereon and can be measured without the substrate plates 6 being destroyed.
  • the substrate plates 6 are in their starting position according to FIG. 5 plane-parallel and at a defined distance from one another. With increasing pressure, a force-proportional deflection of the substrate plates 6 occurs until the deflection is so great that they touch in the middle (cf. FIG. 6) and thus support each other. A further increase in pressure due to increasing forces on the force measuring device 1 only results in a comparatively small deflection. Because of the contact, there is a kinking characteristic, but it is particularly advantageous that the force measuring device 1 can still measure in overload operation even at very high pressure ranges.
  • the measurement signals are obtained by the pressure sensitivity of the external thick-film resistors 7, the signal deviation and thus the measurement sensitivity being very high due to the relatively high change in resistance due to the compression of the resistors. It should be noted that due to the firmly bonded connection of the pressure sensor 5 due to the vulcanization with the elastomeric material 4, negative normal stresses (tensile forces on the force introduction parts 2, 3) can also be detected.
  • the external sheet resistors react to the direct pressure effect of the elastomeric material 4.
  • a Wheatstone bridge can thus be built up, in which, as shown in FIG. 3, the resistors R1 and R3 contribute to the bridge trimming and thus to the measurement signal formation.
  • the two substrate plates 6 can also be made relatively thin, for example with a layer thickness of approximately 0.6 mm.
  • the substrate plates 6 can move towards one another under pressure, as is shown in FIG. 6.
  • the lower sheet resistor 7 Since the lower sheet resistor 7 is arranged on the lower substrate plate 6 in the interior of the sensor 5, it is subjected to a tensile load, which results in an increase in resistance within the measuring bridge circuit.
  • a reduction in resistance within the measuring bridge circuit is achieved on the upper substrate plate 6 by the direct action of pressure starting from the elastomeric material 4 and by the pressure deformation of the sheet resistance 7 lying here above.
  • the resistances R2 and R4 thus have an increase in resistance, while the resistors R1 and R3 are subjected to an additional reduction in resistance due to the compression deformation. As a result, the signal swing of the sensors is particularly high.
  • the substrate plates 6 are mutually supported with the sheet resistors 7 above a certain pressure and thereby limit the bending stress in the substrate plates 6, as shown in FIG. 6.
  • the frame height of the separating layer 8 is greater by approximately twice the maximum deflection of the substrate plates 6 than the layer structure of the internal layer resistance 7 and the respective conductor tracks 9 in the region of the maximum substrate plate deflection. This can be achieved, for example, by printing and drying the frame-shaped glass paste for the separating layer 8 several times.
  • FIG. 7 shows a modified embodiment of the force measuring device 1, which has essentially the same structure as the embodiment according to FIG. 1. Accordingly, the corresponding components are provided with the same reference numerals.
  • the main change is a metal disk 20 is embedded in the elastomeric material 4 adjacent to the pressure sensor 5 above a central measuring space 19 within the metal ring 15 on the top and bottom.
  • This structure better measurement accuracy in the sense of a linear and reproducible sensor signal can be achieved in a simple manner. Due to the two metal disks 20 in the vicinity of the pressure sensor 5, a largely closed space filled with elastomeric material is created to delimit the central measuring space 19, in which the elastomeric material 4 can hardly deform when pressure is applied, since a flow movement is almost completely excluded.
  • the rubber volumes between the load introduction parts 2 and 3 and the immediate measuring range or measuring space 19 within the ring 15 are used to sense the force and thus to achieve the resilient and damping properties.
  • the ring 15 can also be placed directly on one of the load introduction plates 2 or 3, so that in order to cover the central measuring space 19 adjacent to the pressure sensor 5 embedded in elastomeric material 4, the latter only needs to be covered with a single metal disk 20.
  • FIG. 8 shows an embodiment of the force measuring device 1 in the form of a radial rubber-metal bearing, the force introduction parts 2 and 3 being formed by two sleeves which are connected by vulcanized elastomeric material 4.
  • this elastomeric material 4 four pressure sensors 5 are embedded here in a cross-shaped arrangement, so that the individual force components can be detected directly.
  • FIG. 9 shows a modified embodiment of the radial rubber-metal bearing element described above, in which the respective measuring space 19 is sealed off by molded pockets 21 in the immediate vicinity of the pressure sensor 5.
  • These incorporated pockets 21 either on the inner or on the outer part are in turn covered with a metal disc 20 so that the central measuring space 19 around the pressure sensor 5 is completely filled with elastomeric material 4, but when the elastomeric material 4 flows out under load incorporated pocket 21 is almost completely prevented.
  • the measuring accuracy can be increased considerably.
  • four pressure sensors 5 are arranged offset by 90 °, so that the force components or force vectors in their force direction can be determined exactly.
  • the force measuring device described can also be used in the form of spherical rubber bearings or bonded disc rubber springs, as are known in railway construction.

Abstract

The aim is to produce a highly overload-resistant force measuring device at low cost, with a pressure sensor located between force introduction elements, embedded essentially transversely to the direction of the force to be measured, in an elastomeric material and in force-transmitting contact therewith. To that end it is proposed that the pressure sensor (5) should comprise at least one pressure-dependent film resistor (7) mounted on a substrate plate (6) and vulcanised so as to be in direct contact with the elastomeric material (4).

Description

Beschreibungdescription
KraftmeßvorrichtungForce measuring device
Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßvorrichtung mit einem zwischen Krafteinleitungsteilen angeordneten Drucksensor, der im wesentlichen quer zur Einleitungsrichtung der zu messenden Kraft in Druckübertragungskontakt in elastomeres Material eingebettet ist.The invention relates to a force measuring device with a pressure sensor arranged between force introduction parts, which is embedded essentially transversely to the direction of introduction of the force to be measured in pressure transmission contact in elastomeric material.
Eine derartige Kraftmeßvorrichtung ist aus der EP-A-0 205 509 und in darauf aufbauender Form aus der EP-A-0 496 956 bekannt. Hierbei wird über eine Lasteinleitungsplatte bzw. einen Lasteinleitungskolben in einem nahezu vollständig eingeschlossenen elastomeren Material ein gleichmäßiger hydrostatischer Druck erzeugt, der von dem Drucksensor gemessen wird. Der Anschluß des Drucksensors erfordert bei der erstgenannten Druckschrift einen gewissen Bearbeitungsaufwand am Gehäuseteil sowie eine genaue Herstellung der Anschlußfläche des elastomeren Materials (insbesondere Gummi) , um exakte, reproduzierbare Meßsignale zu erhalten. In der zweitgenannten Druckschrift wurde unter Einsparung der Bearbeitung des Gehäuseteils vorgeschlagen, den Drucksensor im elastomeren Material schwimmend zu lagern. Dies hat zudem den Vorteil, daß der Drucksensor selbst gegen Umwelteinflüsse gut geschützt ist. Jedoch wird auch hier zur Lagerung des Sensorkörpers selbst noch ein mit einem Freiraum versehener Auflagering benötigt, dessen Auflagerfläche für eine Membrane mit hoher Genauigkeit gefertigt werden muß.Such a force measuring device is known from EP-A-0 205 509 and in the form based thereon from EP-A-0 496 956. Here, a uniform hydrostatic pressure is generated via a load introduction plate or a load introduction piston in an almost completely enclosed elastomeric material, which pressure is measured by the pressure sensor. The connection of the pressure sensor in the first-mentioned publication requires a certain amount of processing on the housing part and a precise manufacture of the connection surface of the elastomeric material (in particular rubber) in order to obtain exact, reproducible measurement signals. In the second-mentioned publication, while saving the processing of the housing part, it was proposed to store the pressure sensor in a floating manner in the elastomer material. This also has the advantage that the pressure sensor itself is well protected against environmental influences. However, here too, a support ring provided with a free space is required for mounting the sensor body itself, the support surface of which must be manufactured with high accuracy for a membrane.
Die hierin vorgeschlagenen Drucksensoren weisen jeweils einen Verformungskörper in Art einer Meßmembrane auf. Die Membranverformung in den zur Ermöglichung der Durchbiegung nötigen Freiraum hinein wird dabei über Dehnmeßstreifen an der Rückseite der Membrane abgegriffen. Die dünne und daher bruchgefährdete Sensormembrane bildet somit das schwächste Bauteil der kompletten Kraftmeßvorrichtung, so daß für denThe pressure sensors proposed here each have a deformation body in the manner of a measuring membrane. The membrane deformation into the free space necessary to allow the deflection is picked up by strain gauges on the back of the membrane. The thin and therefore fragile sensor membrane thus forms the weakest component of the complete force measuring device, so that for the
ORIGINALUNTERLAGEN Drucksensor insgesamt aufgrund der geforderten Empfindlichkeit seiner Membrane eine hochgenaue Fertigung zur Schaffung definierter Zug-/Druckzonen erforderlich ist. Hierdurch werden derartige Drucksensoren, insbesondere für höhere Druckbereiche (über hundert bar) relativ teuer. Zudem bestehen bei der Einbettung des schwimmenden Drucksensors direkt in das eiastomere Material gewisse Probleme, da für die Vulkanisierung des elastomeren Materials (insbesondere Gummi) relativ hohe Prozeßdrücke von 600 bar und mehr sowie hohe Temperaturen verwendet werden. Somit muß der Druckbereich der Drucksensoren auf die erforderlichen Prozeßdrücke abgestellt werden, was jedoch andererseits für geringe Druckbereiche von z. B. 20 bar die Empfindlichkeit im Meßbereich entscheidend verringert. Zudem bedarf die Positionierung und Halterung der Drucksensoren bei der Einbettung in elastomeres Material besonderer Maßnahmen, um bei den hohen Vulkanisierungsdrücken eine Verlagerung, beispielsweise direkt an ein benachbartes Krafteinleitungsteil, oder eine Beschädigung der Verkabelung zu verhindern.ORIGINAL DOCUMENTS Pressure sensor overall due to the required sensitivity of its membrane, a high-precision production is required to create defined tension / pressure zones. This makes such pressure sensors relatively expensive, especially for higher pressure ranges (over a hundred bar). In addition, there are certain problems in embedding the floating pressure sensor directly in the egg-elastomeric material, since relatively high process pressures of 600 bar and more and high temperatures are used for the vulcanization of the elastomeric material (in particular rubber). Thus, the pressure range of the pressure sensors must be switched to the required process pressures, which, however, on the other hand, for small pressure ranges of e.g. B. 20 bar significantly reduces the sensitivity in the measuring range. In addition, the positioning and mounting of the pressure sensors when embedded in elastomeric material requires special measures to prevent displacement, for example directly to an adjacent force application part, or damage to the wiring at the high vulcanization pressures.
Aus der DE-A-41 42 142 ist weiterhin eine Kraftmeßvorrichtung in Form eine Kraftmeßscheibe bekannt, welche die Druckempfindlichkeit von Dickschichtwiderständen benützt, um kraftproportionale elektrische Signale zu erhalten. Eine ähnliche Kraftmeßvorrichtung ist aus der DE-C-42 21 426 bekannt, wobei jedoch ebenfalls das Problem besteht, daß ein erheblicher Fertigungsaufwand betrieben werden muß, um eine Kraftbelastung gleichmäßig als Druckverteilung auf den Dickschichtwiderstand aufzubringen. So wird in der letztgenannten Patentschrift zur Herstellung eines Kraftsensors vorgeschlagen, daß zur Erreichung einer besonders planen Oberfläche eines derartigen Dickschichtwiderstandes mit hoher Oberflächenqualität zwei Schichten nacheinander aufgedruckt werden. Dies ist jedoch relativ aufwendig, ebenso wie der Vorschlag gemäß der DE-A-41 42 142, nämlich die Druckbeaufschlagung der Widerstände durch einen zusätzlichen Federkörper auf einen Maximaldruck zu begrenzen und zu vergleichmäßigen. Auch dieser Vorschlag mit zusätzlichen Bauteilen ist relativ aufwendig in der Herstellung und somit für eine Serienproduktion kaum geeignet.From DE-A-41 42 142 a force measuring device in the form of a force measuring disc is also known which uses the pressure sensitivity of thick film resistors in order to obtain force-proportional electrical signals. A similar force measuring device is known from DE-C-42 21 426, but there is also the problem that a considerable amount of production work has to be carried out in order to apply a force load uniformly as a pressure distribution to the thick-film resistor. For example, the last-mentioned patent specification for producing a force sensor suggests that two layers be printed in succession in order to achieve a particularly flat surface of such a thick-film resistor with a high surface quality. However, this is relatively complex, just like the proposal according to DE-A-41 42 142, namely to limit and even out the pressurization of the resistors by an additional spring body to a maximum pressure. Also this suggestion with Additional components are relatively complex to manufacture and therefore hardly suitable for series production.
Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßvorrichtung zu schaffen, die kostengünstig hergestellt werden kann und sich zugleich für hohe Drücke eignet.Accordingly, the invention has for its object to provide a force measuring device that can be manufactured inexpensively and is also suitable for high pressures.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Kraftmeßvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.This object is achieved by the force measuring device with the features of claim 1.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß der Elastomerdruck des elastomeren Materials bei Krafteinleitung eine optimale, gleichmäßige Druckbeaufschlagung auf die Schichtwiderstände liefert, so daß diese selbst nicht mit der ansonsten geforderten besonders planen Oberfläche erzeugt werden brauchen. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache kostengünstige Herstellung, zumal die dabei verwendeten Schichtwiderstände als Drucksensoren aus gängigen, relativ kostengünstigen Materialien bestehen können. So eignen sich als Meßwiderstände für den DrucksensorThe invention is based on the consideration that the elastomer pressure of the elastomeric material, when force is applied, provides an optimal, uniform pressurization on the sheet resistors, so that they do not need to be produced with the otherwise required particularly flat surface. This results in a particularly simple, cost-effective production, especially since the sheet resistors used as pressure sensors can consist of common, relatively inexpensive materials. So are suitable as measuring resistors for the pressure sensor
Kohleschicht-Widerstände oder Cermet-Widerstände oder ähnliche Dickschicht-Widerstände.Carbon film resistors or cermet resistors or similar thick film resistors.
Durch diese Ausbildung des Drucksensors wird somit eine gesonderte Meßmembran als Verformungskörper entbehrlich, da nur noch ein oder mehrere, bevorzugt zwei Dickschicht-Meßwiderstände auf einer Substratplatte im elastomeren Material direkt eingebettet werden. Dabei werden bevorzugt zwei Widerstände außerhalb des unmittelbaren Druckbereiches, z. B. an der ebenfalls mit eingebetteten Signalauswerteplatine plaziert. Die Meßwiderstände werden somit in an sich bekannter Weise zu einer aktiven Halbbrücke verschaltet. Da derartige Drucksensoren im Gegensatz zu Meßmembranen keinen wesentlichen mechanischen Verformungen unterliegen, sondern druckabhängige Änderungen der elektrischen Eigenschaften zum Signalabgriff benutzen, sind diese Meßwiderstände in Verbindung mit der Einbettung und Einvulkanisierung der Substratplatte direkt in das druckverteilende eiastomere Material äußerst überlastfest. Aufgrund dieser hohen Überlastfestigkeit sind dabei Elastomerdrücke von ca. 1000 bar oder höher zu realisieren, was einer Zunahme der im Stand der Technik möglichen Drücke um etwa den Faktor 10 entspricht. Damit ist auch eine wesentliche Verkleinerung des Bauraumes einer derartigen Kraftmeßvorrichtung möglich. So sinkt der erforderliche Durchmesser mit der Wurzel aus dem Faktor der Druckzunahme um den Faktor 2 bis 4 bei gleichen Nennmeßbereichen. Die Bauhöhe kann dabei ebenfalls sehr gering sein, da ein Abstütz- oder Auflagering für eine Membrane entfällt, so daß die Kraftmeßvorrichtung besonders flach ausgeführt werden kann. Von besonderem Vorteil ist hierbei, daß sich derartige Drucksensoren dazu eignen, beim Einvulkanisieren in Gummi die hohen Prozeßdrücke und Temperaturen schadlos zu überstehen. Durch diese Möglichkeit druckabhängige Widerstände direkt einzuvulkanisieren und somit in übliche Fertigungsabläufe von Gummi-Metall-Lagerelementen zu integrieren, beispielsweise für Motorstützlager, lassen sich somit derartige Kraftmeßvorrichtungen äußerst kostengünstig herstellen. Zudem ergibt sich eine sehr einfache und billige Gehäusegestaltung durch den Wegfall kostenintensiver Zerspanung, zumal das eiastomere Material einen Teil des Außengehäuses bildet und zudem Signalaufbereitungsplatinen und elektrische Bauteile ebenfalls mitummanteln kann.This design of the pressure sensor makes a separate measuring membrane as a deformation body unnecessary, since only one or more, preferably two, thick-film measuring resistors are embedded directly on a substrate plate in the elastomeric material. Two resistors outside the immediate pressure range, e.g. B. placed on the also with embedded signal evaluation board. The measuring resistors are thus connected to an active half-bridge in a manner known per se. Since pressure sensors of this type, in contrast to measuring membranes, are not subject to any significant mechanical deformations, but instead use pressure-dependent changes in the electrical properties for signal tapping, these measuring resistors in connection with the embedding and vulcanization of the substrate plate directly into the pressure-distributing egg elastomer material are extremely overload-resistant. Because of this high overload resistance, elastomer pressures of approximately 1000 bar or higher can be achieved, which corresponds to an increase in the pressures possible in the prior art by a factor of 10. This also allows a substantial reduction in the installation space of such a force measuring device. The required diameter with the root of the pressure increase factor decreases by a factor of 2 to 4 with the same nominal measuring ranges. The overall height can also be very low, since there is no support or support ring for a membrane, so that the force measuring device can be made particularly flat. It is particularly advantageous here that such pressure sensors are suitable for surviving the high process pressures and temperatures without damage when vulcanized into rubber. This possibility of vulcanizing in pressure-dependent resistors directly and thus integrating them into the usual production processes of rubber-metal bearing elements, for example for engine support bearings, makes it possible to manufacture such force measuring devices extremely cost-effectively. In addition, a very simple and cheap housing design results from the elimination of cost-intensive machining, especially since the egg-elastomer material forms part of the outer housing and can also encase signal processing boards and electrical components.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Hierbei zeigen:A preferred exemplary embodiment is explained and described in more detail below with reference to the drawings. Here show:
Fig . 1 einen Querschnitt durch eine Kraftmeßvorrichtung;Fig. 1 shows a cross section through a force measuring device;
Fig . 2 eine perspektivische Darstellung eines in derFig. 2 is a perspective view of one in FIG
Kraftmeßvorrichtung verwendeten Drucksensors;Force measuring device used pressure sensor;
Fig . 3 einen zugehörigen Schaltplan des Drucksensors nachFig. 3 shows an associated circuit diagram of the pressure sensor
Fig. 2;Fig. 2;
Fig . 4 eine vergrößerte Teil-Perspektivansicht desFig. 4 is an enlarged partial perspective view of the
Drucksensors; Fig. 5 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung durch denPressure sensor; Fig. 5 is an enlarged cross-sectional view through the
Drucksensor gemäß Fig. 2; Fig. 6 eine Ansicht gemäß Fig. 5 in belastetem Zustand; Fig. 7 eine abgewandelte Ausführungsform gemäß Fig. 1 mit erhöhter Meßgenauigkeit; Fig. 8 einen Querschnitt durch eine Ausführung eine2 according to FIG. FIG. 6 shows a view according to FIG. 5 in the loaded state; FIG. 7 shows a modified embodiment according to FIG. 1 with increased measuring accuracy; Fig. 8 shows a cross section through an embodiment
Kraftmeßvorrichtung als Radial-Gummi-Lager mit zugehöriger Seitenansicht; und Fig. 9 eine modifizierte Ausführung der Radial-Gummi-Lagers gemäß Fig. 8.Force measuring device as radial rubber bearing with associated side view; and FIG. 9 shows a modified embodiment of the radial rubber bearing according to FIG. 8.
In Fig. 1 ist eine Kraftmeßvorrichtung 1 in der Form eines sogenannten Gummilagers oder Gummi-Metall-Lagerelementes dargestellt, wie dieses beispielsweise als Abstützelement für Motoren oder Maschinenteile dient. Die Kraftmeßvorrichtung 1 umfaßt dabei Krafteinleitungsteile 2 und 3, zwischen denen ein Block aus elastomeren Material 4 vorgesehen ist. An den Krafteinleitungsteilen 2 und 3 sind hierbei nach außen hin Gewindestücke 2a und 3a vorgesehen, mit denen beispielsweise ein auf der Kraftmeßvorrichtung 1 aufgestelltes Maschinenteil befestigt ist, während das Gewinde 3a an dem unteren Krafteinleitungsteil 3 zur Befestigung an einem Rahmen oder dem Boden dient. In dem elastomeren Material 4 ist zentral ein Drucksensor 5 eingebettet, der im wesentlichen quer zur Einleitungsrichtung der zu messenden Kraft ausgerichtet ist, hier nämlich im wesentlichen parallel zu den plattenförmigen Krafteinleitungsteilen 2 und 3. Der Drucksensor 5 steht in Druckübertragungskontakt mit dem elastomeren Material 4, so daß ein "messendes Gummilager" gebildet wird. Durch die vollständige Einvulkanisierung des Drucksensor 5 in dem elastomeren Material ist dieser gegen Umwelteinflüsse gut geschützt, so daß diese Kraftmeßvorrichtung 1 auch in "rauhen" Bedingungen, beispielsweise in einem Fahrwerk eines Fahrzeuges oder in einer Bearbeitungsmaschine eingesetzt werden kann, um die zwischen den Krafteinleitungsteilen 2 und 3 wirkenden Kräfte zu erfassen. Das vom Drucksensor 5 festgestellte Meßsignal wird dabei von einem Meßsignalwandler 11 verstärkt und/oder aufbereitet, der insbesondere als ebenfalls in das eiastomere Material 4 seitlich am Umfang eingebetteter Mikroprozessor bzw. Halbleiterchip ausgebildet ist, so daß die aufbereiteten Meßsignale über das aus der Kraftmeßvorrichtung 1 herausgeführte Meßkabel 13 unmittelbar an eine Anzeige oder eine weiterverarbeitende Vorrichtung abgegeben werden können. Der Meßsignalwandler 11 ist hierbei durch eine Ummantelung 10 geschützt, die einstückig mit dem elastomeren Material 4 bei der Herstellung und Vulkanisierung ausgebildet ist. Weiterhin kann eine Knickschutztülle 12 ebenfalls einstückig aus dem elastomeren Material 4 um das Meßkabel 13 herum ausgebildet sein, so daß sich in besonders einfacher Weise eine kostengünstige Herstellung dieses Anschlusses an die Kraftmeßvorrichtung 1 ergibt. Zudem besteht hierbei für das Meßkabel 13 durch die direkte Einbettung im elastomeren Material 4 eine hohe Ausreißsicherheit, insbesondere wenn das Meßkabel 13 durch einen Metallring 15 zu dem zentral angeordneten Drucksensor 5 hindurchführt ist. Dieser Metallring 15 dient zudem der Lagerung und Halterung des Drucksensors 5 während der Vulkanisierung mittels eines Montagegitters 14. Hierdurch wird eine exakte Plazierung des Drucksensors 5 auf der Mittelachse der Kraftmeßvorrichtung 1 und in rechtwinkliger Ausrichtung dazu erreicht. Zudem schränkt der Metallring 15 die Tendenz zur radialen Ausbauchung des elastomeren Materials 4 bei hoher Kraftbeaufschlagung ein.In Fig. 1, a force measuring device 1 is shown in the form of a so-called rubber bearing or rubber-metal bearing element, as used for example as a support element for motors or machine parts. The force measuring device 1 comprises force introduction parts 2 and 3, between which a block of elastomeric material 4 is provided. On the force introduction parts 2 and 3 there are threaded pieces 2a and 3a to the outside, with which, for example, a machine part set up on the force measuring device 1 is fastened, while the thread 3a on the lower force introduction part 3 serves for fastening to a frame or the floor. A pressure sensor 5 is embedded centrally in the elastomeric material 4 and is oriented essentially transversely to the direction of introduction of the force to be measured, namely here essentially parallel to the plate-shaped force introduction parts 2 and 3. The pressure sensor 5 is in pressure transmission contact with the elastomeric material 4, so that a "measuring rubber bearing" is formed. Due to the complete vulcanization of the pressure sensor 5 in the elastomeric material, it is well protected against environmental influences, so that this force measuring device 1 can also be used in “rough” conditions, for example in a chassis of a vehicle or in a processing machine, in order to detect the force transmission parts 2 and 3 acting forces. The measurement signal detected by the pressure sensor 5 is amplified and / or processed by a measurement signal converter 11, which is in particular designed as a microprocessor or semiconductor chip embedded laterally on the circumference in the elastomeric material 4, so that the processed measurement signals are led out of the force measuring device 1 Measuring cable 13 can be delivered directly to a display or a further processing device. The measurement signal converter 11 is protected by a jacket 10 which is formed in one piece with the elastomeric material 4 during manufacture and vulcanization. Furthermore, an anti-kink sleeve 12 can also be formed in one piece from the elastomeric material 4 around the measuring cable 13, so that this connection to the force measuring device 1 is produced in a particularly simple manner. In addition, there is a high degree of pull-out resistance for the measuring cable 13 due to the direct embedding in the elastomeric material 4, in particular if the measuring cable 13 is led through a metal ring 15 to the centrally arranged pressure sensor 5. This metal ring 15 also serves to mount and hold the pressure sensor 5 during vulcanization by means of a mounting grid 14. This ensures that the pressure sensor 5 is placed exactly on the central axis of the force measuring device 1 and in a right-angled orientation. In addition, the metal ring 15 restricts the tendency for the elastomeric material 4 to bulge radially when a high force is applied.
In Fig. 2 ist der Aufbau des Drucksensors 5 vergrößert in perspektivischer Ansicht dargestellt. Der Drucksensor 5 umfaßt dabei wenigstens eine Substratplatte 6, vorzugsweise aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid-Keramik. Auf diese Substratplatte 6, die über einer ähnlich ausgebildeten, zweiten Substratplatte 6 angeordnet ist, wird bevorzugt mit Dickschicht-Technologie wenigstens ein Schichtwiderstand 7 ausgebildet. Bei dem bevorzugten Aufbau des Drucksensor 5 aus zwei übereinander angeordneten Substratplatten 6 wird dabei eine dazwischenliegenden Trennschicht 8 mittels Sealingglas gebildet, so daß hierdurch eine miteinander verbundene, integrale Struktur des Drucksensor 5 entsteht. Neben den Schichtwiderständen 7 (in der Schaltungsausführung als aktive Halbbrücken- oder als Vollbrückenschaltung mit den Meßwiderständen Rl, R2, R3 und R4 und den zugeordneten Anschlußdrähten 9') sind die von den Schichtwiderständen 7 wegführenden Leiterbahnen 9 ebenfalls in Dickschicht-Technologie aufgebracht, insbesondere aufgedruckt und eingebrannt. Somit ergibt sich ein Schaltplan gemäß Fig. 3 als (Wheatstone-Brückenschaltung) . Diese Ausführung als Vollbrückenschaltung ist dabei bevorzugt, da hierdurch Temperaturabweichungen aufgrund der sehr engen Anordnung der beiden Substratplatten 6 und damit der vier Schichtwiderstände 7 auf dem flachen Drucksensor 5 minimal sind.2, the construction of the pressure sensor 5 is shown enlarged in a perspective view. The pressure sensor 5 comprises at least one substrate plate 6, preferably made of aluminum oxide or zirconium oxide ceramic. At least one sheet resistor 7 is preferably formed on this substrate plate 6, which is arranged above a similarly designed second substrate plate 6, using thick-film technology. In the preferred construction of the pressure sensor 5 from two stacked substrate plates 6, one becomes Intermediate separating layer 8 is formed by means of sealing glass, so that an integral structure of the pressure sensor 5 is formed which is connected to one another. In addition to the sheet resistors 7 (in the circuit design as an active half-bridge or as a full-bridge circuit with the measuring resistors R1, R2, R3 and R4 and the associated connecting wires 9 '), the conductor tracks 9 leading away from the sheet resistors 7 are also applied, in particular printed, using thick-film technology and branded. This results in a circuit diagram according to FIG. 3 as (Wheatstone bridge circuit). This embodiment as a full-bridge circuit is preferred, since temperature deviations due to the very close arrangement of the two substrate plates 6 and thus the four sheet resistors 7 on the flat pressure sensor 5 are minimal.
In Fig. 4 ist ein bevorzugter Aufbau des Drucksensors 5 dargestellt, wobei die in Fig. 2 punktiert dargestellte Trennschicht 8 rahmenförmig gestaltet ist. Die rahmenformige Trennschicht 8 weist dabei am Umfang eine kanalartige Unterbrechung 18 auf, um die beim Zusammenschmelzen der beiden Substratplatten 6 im Hohlraum eingeschlossene Luft entweichen zu lassen. Diese als Entlüftungsöffnung dienende Unterbrechung 18 kann gegebenenfalls durch temperaturfeste Kleber verschlossen werden, um den zentralen Hohlraum zu versiegeln. Die Unterbrechung 18 kann dabei auch durch eine geeignete Gestaltung der Führung der Leiterbahnen 9 verschlossen werden. Bei dieser Bauweise ist zudem vorteilhaft, daß die Anschlußpads der Leiterbahnen 9 gut zugänglich sind, so daß teureFIG. 4 shows a preferred construction of the pressure sensor 5, the separating layer 8 shown in dotted lines in FIG. 2 having a frame-like design. The frame-shaped separating layer 8 has a channel-like interruption 18 on the circumference in order to allow the air enclosed in the cavity to escape when the two substrate plates 6 melt together. This interruption 18, which serves as a ventilation opening, can optionally be closed by temperature-resistant adhesive in order to seal the central cavity. The interruption 18 can also be closed by a suitable design of the routing of the conductor tracks 9. With this design, it is also advantageous that the connection pads of the conductor tracks 9 are easily accessible, so that expensive
Durchkontaktierungen vermieden werden. Die Trennschicht 8 stellt somit einen definierten, sehr geringen Abstand zwischen den beiden Substratplatten 6 her, wie dies in derVias are avoided. The separating layer 8 thus creates a defined, very small distance between the two substrate plates 6, as shown in FIG
Querschnittdarstellung gemäß Fig. 5 gezeigt ist. Dieser geringe Abstand von beispielsweise 1/10 mm zwischen den beiden Substratplatten 6 ist dabei zu bemessen, daß sich bei höheren Drücken, die etwa 100 % über dem Nennmeßbereich liegen, die Substratplatten 6 gegenseitig abstützen, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. In dieser durchgebogenen Stellung der beiden Substratplatten 6 liegen diese mittig aneinander an, so daß die Biegespannung der Substratplatten 6 begrenzt wird, jedoch bei zunehmender Belastung der Druckspannungsanteil auf die darauf aufgebrachten Schichtwiderstände 7 steigt und gemessen werden kann, ohne daß die Substratplatten 6 zerstört werden.5 is shown. This small distance of, for example, 1/10 mm between the two substrate plates 6 is to be dimensioned such that the substrate plates 6 support one another at higher pressures, which are approximately 100% above the nominal measuring range, as is shown in FIG. 6. In this bent position of the two These lie against each other in the middle of substrate plates 6, so that the bending stress of the substrate plates 6 is limited, but as the load increases, the compressive stress component increases to the layer resistances 7 applied thereon and can be measured without the substrate plates 6 being destroyed.
Wenn auf dem Drucksensor 5 kein Druck ausgeübt wird, befinden sich die Substratplatten 6 in ihrer Ausgangslage gemäß Fig. 5 planparallel und mit einem definierten Abstand zueinander. Bei zunehmenden Druck stellt sich eine kraftproportionale Durchbiegung der Substratplatten 6 ein, bis die Durchbiegung so groß ist, daß sich diese in der Mitte berühren (vgl. Fig. 6) und sich somit gegenseitig stützen. Eine weitere Druckzunahme aufgrund steigender Kräfte auf die Kraftmeßvorrichtung 1 hat nur noch eine vergleichsweise geringe Durchbiegung zur Folge. Aufgrund der Berührung ergibt sich eine abknickende Kennlinie, jedoch ist von besonderem Vorteil, daß somit auch bei sehr hohen Druckbereichen die Kraftmeßvorrichtung 1 noch im Überlastbetrieb messen kann. Die Meßsignale werden hierbei durch die Druckempfindlichkeit der außenliegenden Dickschichtwiderstände 7 gewonnen, wobei durch die verhältnismäßig hohe Widerstandsänderung infolge der Stauchung der Widerstände der Signalhub und damit die Meßempfindlichkeit sehr hoch ist. Es sei darauf hingewiesen, daß durch die festhaftende Verbindung des Drucksensors 5 aufgrund der Einvulkanisierung mit dem elastomeren Material 4 auch negative Normalspannungen (Zugkräfte an den Krafteinleitungsteilen 2, 3) erfaßt werden können.If no pressure is exerted on the pressure sensor 5, the substrate plates 6 are in their starting position according to FIG. 5 plane-parallel and at a defined distance from one another. With increasing pressure, a force-proportional deflection of the substrate plates 6 occurs until the deflection is so great that they touch in the middle (cf. FIG. 6) and thus support each other. A further increase in pressure due to increasing forces on the force measuring device 1 only results in a comparatively small deflection. Because of the contact, there is a kinking characteristic, but it is particularly advantageous that the force measuring device 1 can still measure in overload operation even at very high pressure ranges. The measurement signals are obtained by the pressure sensitivity of the external thick-film resistors 7, the signal deviation and thus the measurement sensitivity being very high due to the relatively high change in resistance due to the compression of the resistors. It should be noted that due to the firmly bonded connection of the pressure sensor 5 due to the vulcanization with the elastomeric material 4, negative normal stresses (tensile forces on the force introduction parts 2, 3) can also be detected.
Es ist dabei möglich, daß bei einer relativ dicken Ausführung des Substratmaterials 6 und einer engen Auslegung der Rahmens 8 um die Schichtwiderstände 7 herum, die außenliegenden Schichtwiderstände auf die unmittelbare Druckeinwirkung des elastomeren Material 4 reagieren. Es kann somit eine Wheatstone-Brücke aufgebaut werden, bei der, wie in Fig. 3 gezeigt, die Widerstände Rl und R3 zur Brückenvertrimmung und damit zur Meßsignalbildung beitragen. Wie in den Fig. 5 und 6 schematisch dargestellt, können die beiden Substratplatten 6 auch relativ dünn ausgeführt werden, beispielsweise mit einer Schichtstärke von ca. 0,6 mm. Bei der rahmenförmigen Gestaltung der Trennschicht 8, wie diese in Fig. 4 dargestellt ist, können sich die Substratplatten 6 unter Druckbelastung aufeinander zubewegen, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Da hierbei der untere Schichtwiderstand 7 auf der unteren Substratplatte 6 im Innenraum des Sensors 5 angeordnet ist, wird dieser einer Zugbelastung ausgesetzt, was eine Widerstandserhöhung innerhalb der Meßbrücken-Schaltung zu Folge hat. Auf der oberen Substratplatte 6 wird dahingegen durch die direkte Druckeinwirkung ausgehend vom dem elastomeren Material 4 und durch die Druckverformung des hier obenliegenden Schichtwiderstandes 7 eine Widerstandverringerung innerhalb der Meßbrücken-Schaltung erreicht. In Abwandlung zum Schaltbild in Fig. 3 ergibt sich somit an den Widerständen R2 und R4 eine Widerstandserhöhung, während die Widerstände Rl und R3 einer zusätzlichen Widerstandsverringerung durch die Druckverformung ausgesetzt sind. Hierdurch wird der Signalhub der Sensors besonders hoch. Bei dieser Ausführung stützen sich die Substratplatten 6 mit den Schichtwiderständen 7 ab einem bestimmten Druck gegenseitig ab und begrenzen dadurch die Biegespannung in den Substratplatten 6, wie in Fig. 6 gezeigt. Es versteht sich dabei von selbst, daß die Rahmenhöhe der Trennschicht 8 etwa um das Maß der doppelten maximalen Durchbiegung der Substratplatten 6 größer ist als der Schichtaufbau des innenliegenden Schichtwiderstandes 7 und der jeweiligen Leiterbahnen 9 im Bereich der maximalen Substratplattendurchbiegung. Dies ist beispielsweise durch mehrmaliges Drucken und Trocknen der rahmenförmigen Glaspaste für die Trennschicht 8 zu erreichen.It is possible that with a relatively thick design of the substrate material 6 and a narrow design of the frame 8 around the sheet resistors 7, the external sheet resistors react to the direct pressure effect of the elastomeric material 4. A Wheatstone bridge can thus be built up, in which, as shown in FIG. 3, the resistors R1 and R3 contribute to the bridge trimming and thus to the measurement signal formation. As shown schematically in FIGS. 5 and 6, the two substrate plates 6 can also be made relatively thin, for example with a layer thickness of approximately 0.6 mm. In the frame-shaped design of the separating layer 8, as is shown in FIG. 4, the substrate plates 6 can move towards one another under pressure, as is shown in FIG. 6. Since the lower sheet resistor 7 is arranged on the lower substrate plate 6 in the interior of the sensor 5, it is subjected to a tensile load, which results in an increase in resistance within the measuring bridge circuit. On the other hand, a reduction in resistance within the measuring bridge circuit is achieved on the upper substrate plate 6 by the direct action of pressure starting from the elastomeric material 4 and by the pressure deformation of the sheet resistance 7 lying here above. In a modification of the circuit diagram in FIG. 3, the resistances R2 and R4 thus have an increase in resistance, while the resistors R1 and R3 are subjected to an additional reduction in resistance due to the compression deformation. As a result, the signal swing of the sensors is particularly high. In this embodiment, the substrate plates 6 are mutually supported with the sheet resistors 7 above a certain pressure and thereby limit the bending stress in the substrate plates 6, as shown in FIG. 6. It goes without saying that the frame height of the separating layer 8 is greater by approximately twice the maximum deflection of the substrate plates 6 than the layer structure of the internal layer resistance 7 and the respective conductor tracks 9 in the region of the maximum substrate plate deflection. This can be achieved, for example, by printing and drying the frame-shaped glass paste for the separating layer 8 several times.
In Fig. 7 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Kraftmeßvorrichtung 1 dargestellt, die im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Ausführungsform gemäß Fig. 1 aufweist. Demgemäß sind die übereinstimmenden Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Als wesentliche Änderung ist jedoch benachbart zu dem Drucksensor 5 über einem zentralen Meßraum 19 innerhalb des Metallringes 15 jeweils an der Ober- und Unterseite eine Metallscheibe 20 in dem elastomeren Material 4 eingebettet. Durch diesen Aufbau läßt sich eine bessere Meßgenauigkeit im Sinne eines linearen und reproduzierbaren Sensorsignals auf einfache Weise erreichen. Durch die beiden Metallscheiben 20 in Nähe des Drucksensors 5 wird zur Abgrenzung des zentralen Meßraums 19 ein weitgehend abgeschlossener, mit elastomeren Material gefüllter Raum geschaffen, in dem sich das eiastomere Material 4 bei Druckbeaufschlagung kaum verformen kann, da eine Fließbewegung nahezu vollständig ausgeschlossen ist. Somit werden die Gummivolumina jeweils zwischen den Lasteinleitungsteilen 2 und 3 und dem unmittelbaren Meßbereich bzw. Meßraum 19 innerhalb des Ringes 15 zur Kraftsensierung und somit zur Erzielung der federnden und dämpfenden Eigenschaften herangezogen. Zu diesem Zweck kann der Ring 15 auch direkt auf eine der Lasteinleitungsplatten 2 oder 3 aufgesetzt werden, so daß zur Abdeckung des zentralen Meßraumes 19 benachbart zu dem in elastomeres Material 4 eingebetteten Drucksensor 5 dieser nur mit einer einzigen Metallscheibe 20 abgedeckt werden braucht.FIG. 7 shows a modified embodiment of the force measuring device 1, which has essentially the same structure as the embodiment according to FIG. 1. Accordingly, the corresponding components are provided with the same reference numerals. The main change, however, is a metal disk 20 is embedded in the elastomeric material 4 adjacent to the pressure sensor 5 above a central measuring space 19 within the metal ring 15 on the top and bottom. With this structure, better measurement accuracy in the sense of a linear and reproducible sensor signal can be achieved in a simple manner. Due to the two metal disks 20 in the vicinity of the pressure sensor 5, a largely closed space filled with elastomeric material is created to delimit the central measuring space 19, in which the elastomeric material 4 can hardly deform when pressure is applied, since a flow movement is almost completely excluded. Thus, the rubber volumes between the load introduction parts 2 and 3 and the immediate measuring range or measuring space 19 within the ring 15 are used to sense the force and thus to achieve the resilient and damping properties. For this purpose, the ring 15 can also be placed directly on one of the load introduction plates 2 or 3, so that in order to cover the central measuring space 19 adjacent to the pressure sensor 5 embedded in elastomeric material 4, the latter only needs to be covered with a single metal disk 20.
In Fig. 8 ist eine Ausführung der Kraftmeßvorrichtung 1 in Form eines radialen Gummi-Metall-Lagers gezeigt, wobei die Krafteinleitungsteile 2 und 3 durch zwei Hülsen gebildet sind, die über einvulkanisiertes elastomeres Material 4 verbunden sind. In diesem elastomeren Material 4 sind hier vier Drucksensoren 5 eingebettet und zwar in kreuzförmiger Anordnung, so daß die einzelnen Kraftkomponenten direkt erfaßbar sind.8 shows an embodiment of the force measuring device 1 in the form of a radial rubber-metal bearing, the force introduction parts 2 and 3 being formed by two sleeves which are connected by vulcanized elastomeric material 4. In this elastomeric material 4, four pressure sensors 5 are embedded here in a cross-shaped arrangement, so that the individual force components can be detected directly.
In Fig. 9 ist eine abgewandelte Ausführungsform des vorstehend beschriebenen radialen Gummi-Metall-Lagerelementes gezeigt, bei dem der jeweilige Meßraum 19 unmittelbar in Nähe des Drucksensors 5 durch ausgeformte Taschen 21 abgeschottet ist. Diese eingearbeiteten Taschen 21 entweder am Innen- oder am Außenteil sind hierbei wiederum mit einer Metallscheibe 20 so abgedeckt, daß der zentrale Meßraum 19 um den Drucksensor 5 herum vollständig mit elastomeren Material 4 gefüllt ist, jedoch bei Belastung ein Ausfließen des elastomeren Material 4 aus der eingearbeiteten Tasche 21 nahezu vollständig verhindert wird. Hierdurch läßt sich die Meßgenauigkeit beträchtlich erhöhen. Wie aus der zugeordneten Seitenansicht in Fig. 9 ersichtlich ist, sind auch hier vier Drucksensoren 5 um jeweils 90° versetzt angeordnet, so daß sich die Kraftkomponenten bzw. Kraftvektoren in ihrer Kraftrichtung exakt bestimmen lassen. Die in Fig. 8 und 9 gezeigten Kraftmeßvorrichtungen können somit als messende Lagerbuchse eingesetzt werden, beispielsweise für Lagerzapfen in Maschinenteilen. Neben den beschriebenen Platten-Gummilagern und Radial-Gummilagern kann die beschriebene Kraftmeßvorrichtung auch in Form von sphärischen Gummilager oder gebundenen Scheiben-Gummifedern, wie diese im Eisenbahnbau bekannt sind, angewendet werden. FIG. 9 shows a modified embodiment of the radial rubber-metal bearing element described above, in which the respective measuring space 19 is sealed off by molded pockets 21 in the immediate vicinity of the pressure sensor 5. These incorporated pockets 21 either on the inner or on the outer part are in turn covered with a metal disc 20 so that the central measuring space 19 around the pressure sensor 5 is completely filled with elastomeric material 4, but when the elastomeric material 4 flows out under load incorporated pocket 21 is almost completely prevented. As a result, the measuring accuracy can be increased considerably. As can be seen from the associated side view in FIG. 9, here too four pressure sensors 5 are arranged offset by 90 °, so that the force components or force vectors in their force direction can be determined exactly. The force measuring devices shown in FIGS. 8 and 9 can thus be used as a measuring bearing bush, for example for bearing journals in machine parts. In addition to the described plate rubber bearings and radial rubber bearings, the force measuring device described can also be used in the form of spherical rubber bearings or bonded disc rubber springs, as are known in railway construction.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kraftmeßvorrichtung mit einem zwischen Krafteinleitungsteilen angeordneten Drucksensor, der im wesentlichen quer zur Einleitungsrichtung der zu messenden Kraft in Druckübertragungskontakt in elastomeres Material eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (5) aus wenigstens einem auf eine1. Force measuring device with a pressure sensor arranged between force introduction parts, which is embedded transversely to the direction of introduction of the force to be measured in pressure transmission contact in elastomeric material, characterized in that the pressure sensor (5) from at least one
Substratplatte (6) aufgebrachten, druckabhängigenSubstrate plate (6) applied, pressure-dependent
Schichtwiderstand (7) gebildet ist, der in unmittelbaremSheet resistance (7) is formed in the immediate
Kontakt zu dem elastomeren Material (4) einvulkanisiert ist.Contact to the elastomeric material (4) is vulcanized.
2. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (5) aus zwei mit einem geringen Abstand übereinander angeordneten Substratplatten (6) mit einer dazwischenliegenden Trennschicht (8) gebildet ist.2. Force measuring device according to claim 1, characterized in that the pressure sensor (5) is formed from two substrate plates (6) arranged at a short distance above one another with an intermediate separating layer (8).
3. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht (8) rahmenförmig ausgebildet ist.3. Force measuring device according to claim 2, characterized in that the separating layer (8) is frame-shaped.
4. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratplatten (6) gleiche Dicke und gleiche Außenabmessungen aufweisen.4. Force measuring device according to claim 2 or 3, characterized in that the substrate plates (6) have the same thickness and the same external dimensions.
5. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Substratplatten (6) zur Begrenzung der Biegespannung so bemessen ist, daß bei Überschreiten des Nennmeßbereiches die Substratplatten (6) mittig aneinander anliegen. 5. Force measuring device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the distance between the substrate plates (6) for limiting the bending stress is dimensioned so that when the nominal measuring range is exceeded, the substrate plates (6) abut one another in the center.
6. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratplatten (6) aus Keramik, insbesondere Aluminiumoxid- oder Zirkonoxid-Keramik bestehen.6. Force measuring device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the substrate plates (6) consist of ceramic, in particular aluminum oxide or zirconium oxide ceramic.
7. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schichtwiderstände (7) vorgesehen sind, die als aktive Halbbrücke geschaltet sind.7. Force measuring device according to one of claims 1 to 6, characterized in that two sheet resistors (7) are provided which are connected as an active half-bridge.
8. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vier Schichtwiderstände (7) vorgesehen sind, die in Vollbrückenschaltung angeordnet sind.8. Force measuring device according to one of claims 1 to 6, characterized in that four sheet resistors (7) are provided, which are arranged in full bridge circuit.
9. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwiderstand (7) in Dickschichttechnik auf der jeweiligen Substratplatte (6) zusammen mit den zugehörigen Leiterbahnen (9) aufgebracht ist.9. Force measuring device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the sheet resistor (7) is applied in thick-film technology on the respective substrate plate (6) together with the associated conductor tracks (9).
10. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das eiastomere Material (4) eine Ummantelung (10) für einen Meßsignalwandler (11) ausbildet.10. Force measuring device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the egg-elastomeric material (4) forms a casing (10) for a measuring signal converter (11).
11. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das eiastomere Material (4) eine Knickschütztülle (12) für ein vom Drucksensor (5) aus dem elastomeren Material (4) herausführendes Meßkabel (13) bildet.11. Force measuring device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the egg-elastomeric material (4) forms an anti-kink sleeve (12) for a measuring cable (13) leading out from the elastomeric material (4) from the pressure sensor (5).
12. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (5) auf einem Montagegitter (14) abgestützt ist. 12. Force measuring device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the pressure sensor (5) is supported on a mounting grid (14).
13. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (5) mit radialem Abstand von einem Ring (15) umgeben ist.13. Force measuring device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the pressure sensor (5) is surrounded at a radial distance by a ring (15).
14. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (15) im äußeren Bereich des elastomeren Materials (4) angeordnet ist.14. Force measuring device according to claim 13, characterized in that the ring (15) is arranged in the outer region of the elastomeric material (4).
15. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Drucksensor (5) wegführende Meßkabel (13) durch den Ring (15) hindurchgeführt ist.15. Force measuring device according to claim 13, characterized in that the measuring cable (13) leading away from the pressure sensor (5) is guided through the ring (15).
16. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (5) von einer im elastomeren Material schwimmend eingebetteten Scheibe (20) abgedeckt ist.16. Force measuring device according to one of claims 1 to 15, characterized in that the pressure sensor (5) by a floating in the elastomeric material embedded disc (20) is covered.
17. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (5) in einer taschenartigen Vertiefung (21) in einem der Krafteinleitungsteile (2, 3) angeordnet ist. 17. Force measuring device according to one of claims 1 to 16, characterized in that the pressure sensor (5) is arranged in a pocket-like recess (21) in one of the force introduction parts (2, 3).
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