EP1902290A1 - Verbindungselement mit einem kapazitiven kraftmesselement - Google Patents

Verbindungselement mit einem kapazitiven kraftmesselement

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EP1902290A1
EP1902290A1 EP06760768A EP06760768A EP1902290A1 EP 1902290 A1 EP1902290 A1 EP 1902290A1 EP 06760768 A EP06760768 A EP 06760768A EP 06760768 A EP06760768 A EP 06760768A EP 1902290 A1 EP1902290 A1 EP 1902290A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
force
measuring element
force measuring
capacitors
capacitor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06760768A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Stratmann
Sven Lamers
Klaus Kasten
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch 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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1902290A1 publication Critical patent/EP1902290A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G19/00—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups
    • G01G19/40—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups with provisions for indicating, recording, or computing price or other quantities dependent on the weight
    • G01G19/413—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups with provisions for indicating, recording, or computing price or other quantities dependent on the weight using electromechanical or electronic computing means
    • G01G19/414—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups with provisions for indicating, recording, or computing price or other quantities dependent on the weight using electromechanical or electronic computing means using electronic computing means only
    • G01G19/4142—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups with provisions for indicating, recording, or computing price or other quantities dependent on the weight using electromechanical or electronic computing means using electronic computing means only for controlling activation of safety devices, e.g. airbag systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G7/00—Weighing apparatus wherein the balancing is effected by magnetic, electromagnetic, or electrostatic action, or by means not provided for in the preceding groups
    • G01G7/06—Weighing apparatus wherein the balancing is effected by magnetic, electromagnetic, or electrostatic action, or by means not provided for in the preceding groups by electrostatic action
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G01L1/144—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors with associated circuitry

Definitions

  • the invention relates to a force measuring element according to the preamble of the independent claim.
  • a differential capacitor in a force measuring element is known.
  • a middle plate which is designed as a double plate and belongs to two serial interconnected capacitors, depending on the applied force move.
  • a spring is provided in the rod over which the force is applied to this middle plate.
  • Patent claim has the advantage that conventional capacitors can be used and not a special capacitor construction as in the prior art is necessary.
  • the invention is based on the recognition that capacitors deform elastically to a certain force action, ie after the end of the force these capacitors return back to their original shape.
  • a beam is provided in the force measuring element, which separates the two capacitors and is substantially fixed, so that when a force is applied to a sleeve of the force element, an upper space in which the first capacitor is reduced by the force and the second space below The bar increases accordingly.
  • This principle will too called differential capacitor or capacitor with difference principle. This leads to a capacity change which is proportional to the force effect.
  • the force measuring element according to the invention thus allows a very compact design and in particular the force measuring element can be used as a connecting element, ie as a screw or bolt in a seat rod of a motor vehicle seat as a force measuring element.
  • the force exerted on the seat by a vehicle occupant or an object can be determined.
  • Force measuring element is also easier to produce due to its compact design and causes lower production costs.
  • the force measuring element has a component for limiting the force, so that this component prevents a force is exerted on the capacitors to a plastic deformation or to a
  • the capacitors can preferably be installed in the force-measuring element by means of a press fit. This is a particularly easy way of installation.
  • a passage through which an electrical connection to the capacitors is provided.
  • several bushings may be provided to perform a plurality of electrical lines to an evaluation circuit.
  • the evaluation circuit is attached in particular to the head of the force measuring element.
  • the force measuring element is then connected via electrical, optical or radio link to a control unit which transmits the determined force measured values, for example to an airbag control unit.
  • the evaluation circuit of the force measuring element is connected in such a way that a differential evaluation of the capacitances of the capacitors is possible, so that the relative dielectric constant no longer plays a role in the evaluation, so that only enters the change in distance by the force in the capacity change.
  • the beam which can separate the two capacitors, is advantageously integrally connected to the sleeve or integrally connected to the component. This can vary depending on
  • the component itself is designed as a cover of the force measuring element, so that the force measuring element only works if both the component and the remainder of the force measuring element are connected to each other, preferably by a radially circumferential weld.
  • the capacitors can also be designed as multilayer capacitors, which can improve the evaluation or the sensitivity of the measurement signal.
  • the area of the capacitors can improve the evaluation or the sensitivity of the measurement signal.
  • Capacitor increases, with a parallel connection of the layers make up this capacitor.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the force element according to the invention
  • Figure 2 shows a second embodiment of the force element according to the invention
  • Figure 3 shows a third
  • Figure 4 is the underlying principle of operation
  • Figure 5 is a multilayer capacitor
  • Figure 6 shows a first embodiment of an evaluation circuit
  • Figure 7 shows a second embodiment of the evaluation circuit.
  • the bolt shape is necessary for maintaining the so-called H-point, which indicates the height at which the hip point of the vehicle occupant is to the vehicle floor. Ie. a substitution of existing elements such. As the bolt in a standard motor vehicle seat must not change the H-point.
  • the force measuring element such that the force measuring element is used as a connecting element and the force acting vertically on the longitudinal side of the force element, so that the bolt or screw application is possible, and that the capacitors are separated by a beam substantially while the force is fixed, so that the space above the beam decreases and increases below the bar.
  • the force measuring element be designed in such a way that the force measuring element can be used as a connecting element and the introduced force acts vertically on the longitudinal side of the force measuring element. Forces in the transverse direction are largely not transmitted to the capacitors due to the unequal ratio of width to height, and thus are not measured.
  • a sole substitution of the existing bolts between the seat and seat rail is possible without thereby both the connection function and the measurement function would be limited.
  • the force measuring element according to the invention is characterized by a simple geometry.
  • a component can be provided which effects a force limitation (see component 2). Ie. If a force above this force limit is introduced into the force-measuring element, then this force is no longer exerted on the capacitors, ie the installation spaces no longer change in their sizes because the component derives this force. So there is a mechanical short circuit.
  • the core of the invention is thus the use of capacities, over which a change in distance can be determined. Corresponding capacities are integrated into the force measuring element such that the main measuring direction in Vehicle Z-direction, ie in the vertical direction shows. The measurement of forces of different orientation is made possible.
  • the measurement principle is chosen so that a minimization of the installation space, in particular the overall length, is made possible that the limitation of acting forces is possible and that the manufacturability is simplified with standard components.
  • a central feature of the sensor is the vertical plate pitch-changing measuring principle.
  • the capacitor plates should be aligned parallel to each other and depending on the load to each other or each other. Ie. the measure d changes, so according to the equation
  • FIG. 4 illustrates this measuring principle.
  • the distance d will decrease, since the sleeve 5 in the direction of
  • Capacitor is pressed. Ie. the capacitor plates 40 move toward each other. Accordingly, the space below the beam 6 increases by the action of force on the sleeve 5. So hereby the press fit of the corresponding capacitor looser, so that the distance d increases there, d. H. the capacitor plates are moving away from each other.
  • FIG. 5 shows an advantageous development. Again, a capacitor between sleeve 5 and bar 6 is inserted in a press fit. Now, however, the capacitor is designed as a so-called multi-layer capacitor or capacitor stack. Several layers are connected in parallel to increase the total capacitor area.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the force-measuring element according to the invention.
  • FIG. 1 shows a side view and correspondingly a front view and a rear view.
  • the side view which is also shown here as a section, shows that force measuring element with a sleeve 5, with a thread 51, the integrally connected to the sleeve 5 bar 6, which is located in the center of the force measuring element, a component 2 for force introduction limiting between the sleeve 5 is centrally inserted as a lid, and capacitors 3, which were inserted in an interference fit between the sleeve 5 and the central beam 6 respectively symmetrical to the center line. Electrical connection line to the capacitors have been omitted herein for the sake of simplicity, but they are by a passage through the
  • a sleeve circle 52 rotates around the force measuring element.
  • An evaluation circuit is provided at the designated point 4. This means the screw or bolt head.
  • Symmetry axis so below the bar 6, in which there is also a capacitor, increases.
  • the force is introduced for the deflection of the lower part of the sleeve 5 via the sleeve circle 52.
  • the force is introduced in point 1, passed on the sleeve circle 52 in the lower part of the sleeve 5 and thus deforms elastically the lower part of the sleeve fifth
  • the capacitors 3 can not deviate from the positions assigned by them, these are inserted in a compressed manner. Ie. the securing of the capacitors 3 takes place via a press fit, between the sleeve 5 and the capacitor 3 and between the capacitor 3 and the cantilevered beam 6.
  • a component 2 is integrated into the structure. By restricting the bar movement, an excessive relative movement between the central cantilever beam 6 and the circular sleeve circle 52 avoided.
  • the electrical connection to the evaluation circuit 4 can be passed through the device 2.
  • the two capacitors 3 are to be evaluated differentially. This means that both signals are included in the output signal at a time.
  • the differential analysis avoids the influence of a changing dielectric constant.
  • Figure 2 shows a second embodiment of the device according to the invention, again rear view, side view and front view is shown.
  • the beam 26 is now part of the device 20, which has the function of limiting the force.
  • the device 20 is flush with the sleeve circle 52 from. Therefore, a joint 7 must be provided between the sleeve circle 52 and the component 20, for example by welding.
  • the variant according to FIG. 2 has the advantage that a greater compensation of the moment about the X-axis is given.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the force-measuring element according to the invention.
  • FIG. 6 shows a first embodiment of an evaluation circuit of the force-measuring element according to the invention.
  • the capacitors Cl and C2 are enabled and are powered by an AC voltage source W. At the center tap between C1 and C2, a line leads to the positive input terminal of an operational amplifier 60 whose negative input is fed back to its output. Between Cl and the AC voltage source, another operational amplifier 61 is connected with its positive input terminal.
  • the output of the operational amplifier 60 is further connected to a resistor R3 which is connected on the other side to a negative input terminal of an operational amplifier 62 and a grounded resistor R4 , Connected to the output of the operational amplifier 61 in addition to the feedback, a resistor R2, which is connected on its other side with a resistor Rl and the positive input terminal of the operational amplifier 62.
  • the resistor Rl is connected on its other side to the output of the operational amplifier 62. At this output, the signal U can be tapped.
  • the circuit allows the differential evaluation of the capacitances, so that the signal U is proportional to the force.
  • FIG. 7 A variant is shown in FIG 7. Again, an AC voltage source W is connected to the series-connected C1 and C2, in turn, at the center tap an operational amplifier 71 is connected, and indeed with its positive input terminal. At the negative input terminal of the operational amplifier 71 is a
  • Rundkopplungs Being provided to its output. Further, connected to an output of the operational amplifier 70 is a resistor R3 which is connected from the other side to a negative input terminal of the operational amplifier 71 and a grounded resistor R4. Between the AC voltage source W and the capacitor Cl, the positive input terminal of an operational amplifier 72 is connected, wherein the negative input terminal is connected to a resistor Rl and a resistor R2, wherein the resistor Rl is connected to ground. The resistor R2 is fed back to the output of the operational amplifier 72. Furthermore, at the output of the operational amplifier 72, a resistor R2 is connected, which on its other side with the positive input terminal for Operational amplifier 71 and the resistor Rl, which in turn is connected to the output of the operational amplifier 71. At the output of the operational amplifier 71, the signal U can be tapped, which in turn is indicative of the force exerted on the capacitors C 1 and C2. Further evaluation circuits are conceivable here, which can also be built up integrally or discretely.

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Abstract

Es wird ein Kraftmesselement mit einer Serienschaltung von wenigstens zwei Kondensatoren vorgeschlagen, vorbei das Kraftmesselement derart gestaltet ist, dass unter der Krafteinwirkung sich eine erste Kapazität eines ersten Kondensators der wenigstens zwei Kondensatoren vergrößert und eine zweite Kapazität eines zweiten Kondensators der wenigstens zwei Kondensatoren sich verkleinert, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftmesselement als Verbindungselement ausgebildet ist, bei dem eine Krafteinleitung auf eine Längsseite (1) einer Hülse (5) des Kraftmesselements vorgesehen ist, und dass die wenigstens zwei Kondensatoren durch einen Balken (6) getrennt sind, der während der Krafteinwirkung im wesentlichen feststeht, so dass sich ein erster Bauraum mit dem ersten Kondensator oberhalb des Balkens (6) in folge der Krafteinleitung verkleinert und sich unterhalb des Balkens (6) ein zweiter Bauraum vergrößert.

Description

VERBINDUNGSELEMENT MIT EINEM KAPAZITIVEN KRAFTMESSELEMENT
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Kraftmesselement nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
Aus US 6,218,632 Bl ist bereits ein differenzieller Kondensator in einem Kraftmesselement bekannt. Dabei kann sich eine mittlere Platte, die als Doppeltplatte ausgeführt ist und zu zwei seriellen miteinander verbunden Kondensatoren gehört, in Abhänigkeit von der ausgeübten Kraft bewegen. Ausserdem ist eine Feder in dem Stab vorgesehen, über den die Kraft auf diese mittlere Platte ausgeübt wird.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftmesselement mit den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, dass übliche Kondensatoren verwendet werden können und nicht eine besondere Kondensatorkonstruktion wie im Stand der Technik notwendig ist. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass sich Kondensatoren bis zu einer gewissen Kraft Einwirkung elastisch verformen, d.h. nach Ende der Krafteinwirkung kehren diese Kondensatoren wieder zurück in ihre ursprüngliche Form. Dabei ist im Kraftmesselement ein Balken vorgesehen, der die beiden Kondensatoren trennt und im wesentlichen feststeht, so dass bei einer Krafteinwirkung auf eine Hülse des Kraftelements sich ein oberer Bauraum, in dem sich der erste Kondensator befindet, unter der Krafteinwirkung verkleinert und der zweite Bauraum unter dem Balken sich dabei entsprechend vergrößert. Dieses Prinzip wird auch als Differenzkondensator oder Kondensator mit Differenzprinzip genannt. Dies führt zu einer Kapazitätsänderung, die proportional zur Krafteinwirkung ist. Das erfindungsgemäße Kraftmesselement erlaubt damit eine sehr kompakte Bauform und insbesondere kann das Kraftmesselement als Verbindungselement, d. h. als Schraube oder Bolzen in einem Sitzgestänge eines Kraftfahrzeugsitzes als Kraftmesselement verwendet werden. Damit kann dann die auf den Sitz ausgeübte Kraft durch einen Fahrzeuginsassen oder ein Objekt ermittelt werden. Insbesondere kann durch die Verwendung von mehreren Kraftmesselementen im Sitzgestänge auf die Kraftverteilung auf dem Kraftfahrzeugsitz geschlossen werden und so Personenschutzmittel wie Airbags und Gurtstraffer optimiert und präzise ansteuern zu können. Das erfindungsgemäße
Kraftmesselement ist auf Grund seiner kompakten Bauform auch einfacher herstellbar und verursacht geringere Herstellungskosten.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen
Kraftmesselements möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass das Kraftmesselement ein Bauelement zur Kraftbegrenzung aufweist, so dass dieses Bauelement verhindert das eine Kraft auf die Kondensatoren ausgeübt wird die zu einer plastischen Verformung oder zu einer
Positionsänderung der Kondensatoren im Kraftmesselement führen könnte. Die Kondensatoren sind nämlich vorzugsweise mittels einer Presspassung in das Kraftmesselement einbaubar. Dies ist eine besonders einfache Möglichkeit des Einbaus.
Vorteilhafterweise kann durch das Bauelement eine Durchführung vorgesehen sein, durch die eine elektrische Verbindung zu den Kondensatoren vorgesehen ist. Es können natürlich auch mehrere Durchführungen vorgesehen sein, um mehrere elektrische Leitungen zu einer Auswerteschaltung durchzuführen. Die Auswerteschaltung ist insbesondere am Kopf des Kraftmesselements angebracht. Das Kraftmesselement ist dann über elektrische, optische oder Funkverbindung mit einem Steuergerät verbunden, das die ermittelten Kraftmesswerte, beispielsweise an ein Airbagsteuergerät überträgt. Die Auswerteschaltung des Kraftmesselements ist dabei derart geschaltet, dass eine differenzielle Auswertung der Kapazitäten der Kondensatoren möglich ist, so dass die relative Dielektrizitätskonstante bei der Auswertung keine Rolle mehr spielt, so dass lediglich die Abstandsänderung durch die Krafteinwirkung in die Kapazitätsänderung eingeht.
Der Balken, der die beiden Kondensatoren trennen kann, ist vorteilhafterweise einstückig mit der Hülse oder einstückig mit dem Bauelement verbunden. Dies kann je nach
Herstellungsprozess optimiert werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Bauelement selbst als Deckel des Kraftmesselements ausgeführt ist, so dass das Kraftmesselement nur funktioniert, wenn sowohl das Bauelement als auch der Rest des Kraftmesselements miteinander verbunden sind, vorzugsweise durch eine radial umlaufende Schweißnaht.
Vorteilhafterweise können die Kondensatoren auch als Mehrschichtkondensatoren ausgebildet sein, was die Auswertung oder die Empfindlichkeit des Messsignals verbessern kann. Bei solchen Mehrschichtkondensatoren wird die Fläche des
Kondensators vergrößert, wobei eine Parallelschaltung der Schichten diesen Kondensator ausmachen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftelements, Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftelements, Figur 3 eine dritte Ausführungsfom des erfindungsgemäßen Kraftelements, Figur 4 das zu Grunde liegende Funktionsprinzip, Figur 5 einen Mehrschichtkondensator und Figur 6 eine erste Ausführungsform einer Auswerteschaltung und Figur 7 eine zweite Ausführungsform der Auswerteschaltung.
Beschreibung
Bei Sitzkraftsensoren können s- oder stabförmige Elemente beispielsweise einfache Biegebalken oder doppelte Biegebalken eingesetzt werden, die sich bei Kraft- oder Momenteinwirkung verformen. Der Nachteil dieser Vorschläge ist der große Bauraum - A -
und die schwierige Integrierbarkeit in bisherige Befestigungselemente wie Schrauben und Bolzen. Die Bolzenform ist jedoch zur Beibehaltung des so genannten H-Punkts, der angibt, in welcher Höhe sich der Hüftpunkt des Fahrzeuginsassen zum Fahrzeugboden befindet, nötig. D. h. eine Substitution bestehender Elemente wie z. B. die Bolzen in einem üblichen Kraftfahrzeugsitz darf den H-Punkt nicht verändern. Durch Einbau eines
Kraftmesselements z. B. unter einem Sitz, noch unter der Sitzschiene, würde jedoch dieser Punkt verändert, nämlich erhöht werden.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das Kraftmesselement derart auszubilden, dass das Kraftmesselement als Verbindungselement verwendbar ist und die Krafteinwirkung auf die Längsseite des Kraftelements vertikal wirkt, so dass die Bolzen- oder Schraubenanwendung möglich ist, und dass die Kondensatoren durch einen Balken getrennt werden, die im wesentlichen während der Krafteinleitung feststeht, so dass sich der Bauraum oberhalb des Balkens verkleinert und unterhalb des Balkens vergrößert. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass Kraftmesselement derart auszubilden, dass das Kraftmesselement als Verbindungselement verwendbar ist und die eingeleitete Kraft auf die Längsseite des Kraftmesselements vertikal wirkt. Kräfte in Querrrichtung werden durch das ungleiche Verhältnis Breite zu Höhe weitestgehend nicht an die Kondensatoren übertragen und damit auch nicht gemessen. Damit ist eine alleinige Substitution der vorhandenen Bolzen zwischen Sitz und Sitzschiene möglich, ohne dass dadurch sowohl die Verbindungsfunktion als auch die Messfunktion eingeschränkt werden würde.
Diese Änderungen des Bauraums bewirken durch die dort platzierten Kondensatoren eine Veränderung der Kapazität dieser Kondensatoren. Die Krafteinwirkung wird so bemessen, dass sich lediglich eine elastische Änderung der Kondensatoren ergibt, so dass nach dem Ende der Krafteinwirkung diese Kondensatoren ihre ursprüngliche Form und damit der ursprünglichen Kapazität wieder annehmen. Das erfindungsgemäße Kraftmesselement zeichnet sich durch eine einfache Geometrie aus. Zusätzlich kann ein Bauelement vorgesehen sein, das eine Kraftbegrenzung bewirkt (siehe Bauelement 2). D. h. wird eine Kraft oberhalb dieser Kraftbegrenzung in das Kraftmesselement eingeleitet, dann wird diese Kraft nicht mehr auf die Kondensatoren ausgeübt, d. h. die Bauräume ändern sich in Ihren Größen nicht mehr weiter, da dass Bauelement diese Kraft ableitet. Es liegt also ein mechanischer Kurzschluss vor. Kern der Erfindung ist also die Nutzung von Kapazitäten, über die eine Abstandsänderung bestimmt werden kann. Entsprechende Kapazitäten werden so in das Kraftmesselement integriert, dass die Hauptmessrichtung in Fahrzeug-Z-Richtung, also in der Vertikalrichtung zeigt. Dabei wird die Messung von Kräften unterschiedlicher Orientierung ermöglicht.
Das Messprinzip wird so gewählt, dass eine Minimierung des Bauraums, im speziellen der Baulänge, ermöglicht wird, dass die Einschränkung von einwirkenden Kräften möglich ist und dass die Herstellbarkeit mit Standardbauelementen vereinfacht wird.
Ein zentrales Merkmal des Sensors ist das vertikale plattenabstandsverändernde Messprinzip. Die Kondensatorplatten sollen parallel zueinander ausgerichtet werden und sich je nach Belastung zueinander oder voneinander entfernen. D. h. das Maß d ändert sich, so dass sich nach der Gleichung
die Kapazität des Sensors ändert.
Figur 4 verdeutlich dieses Messprinzip. Eine Hülse 5, in die die Kraft auf das Kraftmesselement eingeleitet wird, nimmt einen Kondensator mit Kondensatorplatten 40 mittels Presspassung auf, wobei ein Teil der Hülse 5 hier als der Balken 6 ausgebildet ist, der auskragend ist und sich bei der Krafteinwirkung im wesentlichen nicht verändert. Bei einer Krafteinwirkung wird sich der Abstand d verringern, da die Hülse 5 in Richtung des
Kondensators gedrückt wird. D. h. die Kondensatorplatten 40 bewegen sich aufeinander zu. Entsprechend vergrößert sich der Bauraum unterhalb des Balkens 6 durch die Krafteinwirkung auf die Hülse 5. Hiermit also die Presspassung des entsprechenden Kondensators lockerer, so dass sich der Abstand d dort vergrößert, d. h. die Kondensatorplatten entfernen sich voneinander.
Figur 5 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung. Auch hier ist ein Kondensator zwischen Hülse 5 und Balken 6 in Presspassung eingefügt. Nunmehr ist der Kondensator jedoch als so genannter Mehrschichtkondensator bzw. Kondensatorstack ausgebildet. Dabei werden mehrere Schichten parallel geschaltet, um die gesamte Kondensatorfläche zu vergrößern.
Aber auch hier wirkt sich eine Krafteinleitung auf die Hülse 5 auf den Abstand d zwischen den Schichten aus, so dass auch dies zu einer Kapazitätsänderung führt, deren Hub hier höher ist als bei einem Kondensator gemäß Figur 4. Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfϊndungsgemäßen Kraftmesselements. Die Figur 1 zeigt eine Seitenansicht und entsprechend eine Vorderansicht sowie eine Rückansicht. Die Seitenansicht, die hier auch als Schnitt dargestellt ist, zeigt dass Kraftmesselement mit einer Hülse 5, mit einem Gewinde 51, den mit der Hülse 5 einstückig verbundenen Balken 6, der sich in der Mitte des Kraftmesselements befindet, einem Bauelement 2 zur Krafteinleitungsbegrenzung, das zwischen der Hülse 5 mittig als Deckel eingeführt ist, sowie Kondensatoren 3, die in Presspassung zwischen der Hülse 5 und dem Mittelbalken 6 jeweils symmetrisch zur Mittellinie eingefügt wurden. Elektrische Verbindungsleitung zu dem Kondensatoren sind vorliegend Einfachheit halber weggelassen worden, sie werden jedoch durch eine Durchführung durch das
Bauelement 2 hindurchgeführt. Ein Hülsenkreis 52 umläuft rund das Kraftmesselement. Eine Auswerteschaltung ist an der bezeichneten Stelle 4 vorgesehen. Dies bedeutet also der Schrauben- oder Bolzenkopf.
Durch eine Krafteinleitung in negativer Z-Richtung am Punkt 1, wird die Hülse 5 im
Bereich der eingesetzten Kondensatoren 3 in negativer Richtung elastisch verformt. Durch den feststehenden auskragenten Balken 6 ergibt sich eine differenzielle Anordnung des Systems. Im Fall einer Kraft, angreifend am Punkt 1, in negativer Z-Richtung, verkleinert sich der freie Bauraum oberhalb der Symmetrieachse, also oberhalb des Balkens 6, in dem sich ein Kondensator 3 befindet und der freie Bauraum unterhalb der
Symmetrieachse, also unterhalb des Balken 6, in dem sich ebenso ein Kondensator befindet, vergrößert sich. Die Krafteinleitung für die Auslenkung des unteren Teils der Hülse 5 geschieht über den Hülsenkreis 52. Dabei wird die Kraft in Punkt 1 eingeleitet, über den Hülsenkreis 52 in den unteren Teil der Hülse 5 weitergeleitet und verformt damit elastisch den unteren Teil der Hülse 5.
Damit die Kondensatoren 3 nicht den von ihnen zugewiesenen Positionen abweichen können, sind diese verpresst eingesetzt. D. h. die Sicherung der Kondensatoren 3 geschieht über eine Presspassung, zwischen der Hülse 5 und dem Kondensator 3 und zwischen dem Kondensator 3 und dem auskragendem Balken 6.
Um eine Überbeanspruchung der Kondensatoren 3 durch ein übermäßiges Stauchen und eine Positionsänderung durch Vergrößerung des freien Bauraums zu verhindern, ist ein Bauelement 2 in den Aufbau integriert. Durch die Einschränkung der Balkenbewegung wird eine übermäßige relative Bewegung zwischen dem mittleren auskragenden Balken 6 und des rundlaufenden Hülsenkreises 52 vermieden. Die elektrischen Verbindung zur Auswerteschaltung 4 kann durch das Bauelement 2 hindurch geführt werden.
Die beiden Kondensatoren 3 sind differenziell auszuwerten. Dies bedeutet, dass zu einem Zeitpunkt beide Signale in das Ausgangssignal aufgenommen werden. Durch die differenzielle Betrachtung wird der Einfluss einer sich ändernden Dielektrizitätskonstanten vermieden. Der Zusammenhang besteht durch:
C _ C1 - C2 C1 + C2
damit kürzen sich die Dielektrizitätskonstanten.
Gemäß Figur 1 ist eine Variante wieder zu finden, bei der der Balken 6 ein Teil der Hülse 5 ist. Dieses hat den Vorteil, dass die prinzipielle Funktion des Sensors durch ein Bauteil ausgeführt wird. Eine Fügung zweier Bauteile, die die Funktion des Sensors gewährleistet, ist nicht notwendig. Daraus folgt, dass das Bauelement 2 optional einzusetzen ist.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wiederum wird Rückansicht, Seitenansicht und Vorderansicht dargestellt. Im Unterschied zur Figur 1 ist der Balken 26 nun Teil des Bauelements 20, das die Funktion der Kraftbegrenzung hat. Außerdem schließt das Bauelement 20 bündig mit dem Hülsenkreis 52 ab. Daher muss zwischen dem Hülsenkreis 52 und dem Bauelement 20 eine Fügung 7 vorgesehen sein, beispielsweise durch Verschweißen. Die Variante gemäß Figur 2 hat den Vorteil, dass eine größere Kompensation des Moments um die X-Achse gegeben ist.
Das ist also die Symmetrieachse. Da in diesem Fall die Sensorfunktion nicht allein durch die Hülse 5 gegeben sein kann, ist eine Fügung an der rotationssymmetrischen Naht 7 anzubringen.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsfom des erfindungsgemäßen Kraftmesselements.
Die Hülse 32 ist wiederum einstückig mit dem Mittelbalken 33 verbunden. Damit werden die Kondensatoren 34 und 35 im Presspassung gehalten. Das Bauelement 31 ist nun mehr auf die Hülse 32 über Schweißnähte 30 verbunden, so dass das Bauelement 31 nun einen Deckel für das Kraftmesselement bildet, der vom Durchmesser größer ist als die übrigen Komponenten des Kraftmesselements. Figur 6 zeigt eine erste Ausführung einer Auswerteschaltung des erfϊndungsgemäßen Kraftmesselements. Die Kondensatoren Cl und C2 sind freigeschaltet und werden von einer Wechselspannungsquelle W gespeist. Am Mittelabgriff zwischen Cl und C2 führt eine Leitung zum positiven Eingangsschluss eines Operationsverstärkers 60, dessen negativer Eingang mit seinem Ausgang rückgekoppelt ist. Zwischen Cl und der Wechselspannungsquelle ist ein weiterer Operationsverstärker 61 mit seinem positiven Eingangschluss angeschlossen. Auch hier ist der negative Eingangsschluss rückgekoppelt mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 61. Der Ausgangs des Operationsverstärkers 60 ist weiterhin verbunden mit einem Widerstand R3, der auf seiner anderen Seiten zum einen mit einem negativen Eingangsschluss eines Operationsverstärkers 62 und einem an Masse angeschlossenen Widerstand R4 verbunden ist. An den Ausgang des Operationsverstärkers 61 ist neben der Rückkopplung auch ein Widerstand R2 angeschlossen, der auf seiner anderen Seite mit einem Widerstand Rl und dem positiven Eingangsschluss des Operationsverstärkers 62 verbunden ist. Der Widerstand Rl ist auf seiner anderen Seite mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 62 verbunden. An diesem Ausgang ist das Signal U abgreifbar.
Die Schaltung ermöglicht die differenzielle Auswertung der Kapazitäten, so dass das Signal U proportional zur Krafteinwirkung ist.
Eine Variante zeigt Figur 7. Auch hier ist eine Wechselspannungsquelle W mit den in Reihe geschalteten Cl und C2 verbunden, wobei wiederum am Mittelabgriff ein Operationsverstärker 71 angeschlossen ist und zwar mit seinen positiven Eingangsschluss. Am negativen Eingangsschluss des Operationsverstärkers 71 ist eine
Rundkopplungsleitung zu seinem Ausgang vorgesehen. Weiter ist an einem Ausgang des Operationsverstärkers 70 ein Widerstand R3 angeschlossen, der aus der anderen Seite mit einem negativen Eingangsschluss des Operationsverstärkers 71 und einem an Masse angeschlossen Widerstand R4 verbunden ist. Zwischen der Wechselspannungsquelle W und dem Kondensator Cl ist der positive Eingangsschluss eines Operationsverstärkers 72 angeschlossen, wobei der negative Eingangsschluss mit einem Widerstand Rl und einem Widerstand R2 verbunden ist, wobei der Widerstand Rl gegen Masse angeschlossen ist. Der Widerstand R2 ist zum Ausgang des Operationsverstärkers 72 rückgekoppelt. Weiterhin ist am Ausgang des Operationsverstärkers 72 ein Widerstand R2 angeschlossen, der auf seiner anderen Seite mit dem positiven Eingangsschluss zur Operationsverstärkers 71 und dem Widerstand Rl verbunden ist, der wiederum mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 71 verbunden ist. Am Ausgang des Operationsverstärkers 71 ist das Signal U abgreifbar, das wiederum kennzeichnend für die ausgeübte Kraft auf die Kondensatoren C 1 und C2 ist. Weitere Auswerteschaltungen sind hier denkbar, die auch integrierbar oder diskret aufbaubar sind.

Claims

Ansprüche
1. Kraftmesselement mit einer Serienschaltung von wenigstens 2 Kondensatoren (C 1 ,
C2), wobei das Kraftmesselement derart gestaltet ist, dass unter einer Krafteinwirkung sich eine erste Kapazität eines ersten Kondensators (Cl) der wenigstens zwei Kondensatoren vergrößert und eine zweite Kapazität eines zweiten Kondensators (C2) der wenigstens zwei Kondensatoren verkleinert, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftmesselement als Verbindungselement ausgebildet ist, bei dem eine Krafteinwirkung auf eine Längsseite (1) einer Hülse (5) des Kraftmesselements vorgesehen ist und dass die wenigstens zwei Kondensatoren (Cl, C2) durch einen Balken (6) getrennt sind, der während der Krafteinleitung im wesentlichen feststeht, so dass sich ein erster Bauraum mit dem ersten Kondensator (Cl) oberhalb des Balkens (6) in folge der Krafteinleitung verkleinert und unterhalb des Balkens (6) ein weiterer Bauraum mit dem zweiten Kondensator (C2) sich vergrößert.
2. Kraftmesselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftmesselement ein Bauelement (2) zur Kraftbegrenzung aufweist, das diejenige
Krafteinleitung verhindert, die eine Überbeanspruchung und/oder eine Positionsänderung der wenigstens 2 Kondensatoren (Cl, C2) bewirkt.
3. Kraftmesselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Kondensatoren (Cl, C2) mittels einer Presspassung in das Kraftmesselement einbaubar sind.
4. Kraftmesselement nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (2) wenigstens eine Durchführung für eine elektrische Verbindung der wenigstens zwei Kondensatoren (Cl, C2) aufweist.
5. Kraftmesselement nach einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftmesselement derart konfiguriert ist, dass das Kraftmesselement die erste und die zweite Kapazität differenziell auswertet.
6. Kraftmesselement nach einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Balken (6) und die Hülse (5) einstückig sind.
7. Kraftmesselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Balken (6) und das Bauelement (2) einstückig sind.
8. Kraftmesselement nach einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (2) als ein Deckel des Kraftmesselements ausgeführt ist.
9. Kraftmesselement nach einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Kondensatoren (Cl, C2) als Mehrschichtkondensatoren ausgebildet sind.
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