ES2204157T3 - Transductor electrico mecanico. - Google Patents

Abstract

Transductor eléctrico mecánico, que presenta un circuito de puente, que está formado por una conexión eléctrica de resistencias de capa gruesa sensibles a la dilatación por medio de trayectorias de guía, donde las resistencias de capa gruesa están dispuestas directamente sobre un componente metálico a cargar mecánicamente a torsión y se encuentran fuera de la dirección de extensión de una fibra neutral para pares de flexión del componente metálico, donde en el caso de torsión del componente, se puede emitir una señal eléctrica que corresponde a la dilatación de las resistencias de capa gruesa, caracterizado porque, respectivamente, al menos una resistencia de capa gruesa (2; 4) de una derivación del circuito de puente presenta las mismas distancias y, según el valor absoluto, el mismo ángulo con respecto a la fibra neutral (eje-z) del componente (1) a cargar, que una resistencia de capa gruesa (3; 5) opuesta en la segunda derivación del circuito de puente.

Description

Transductor eléctrico mecánico.

La invención se refiere a un transductor eléctrico mecánico, que presenta un circuito de puente, que está formado por una conexión eléctrica de resistencias de capa gruesa sensibles a la dilatación sobre trayectorias de guía, donde las resistencias de capa gruesa están dispuestas directamente sobre un componente metálico a cargar mecánicamente a torsión y se encuentran fuera de una fibra neutral para pares de flexión del componente a cargar, donde en el caso de torsión del componente, se puede emitir una señal eléctrica que corresponde a la dilatación de las resistencias de capa gruesa.

Se conoce a partir de la solicitud de patente alemana no publicada todavía 198 14 261.7 un transductor eléctrico mecánico del tipo indicado al principio. En este transductor, las resistencias de capa gruesa sensibles a la dilatación están dispuestas directamente sobre un árbol configurado como elemento de soporte. El árbol está expuesto en este caso a una carga mecánica en forma de una torsión, siendo detectada la dilatación superficial que resulta de ello a través de la resistencia dispuesta sin soporte intermedio sobre este árbol. Las resistencias de capa gruesa están colocadas en este caso sobre el árbol en la técnica de impresión en forma de una pasta de resistencia y están unidas íntimamente con aquél después de un tratamiento térmico.

Un sensor de pares de torsión de este tipo debe medir de manera ideal sólo pares de torsión y debe compensar los pares de flexión así como las fuerzas de tracción y de presión, es decir, que en el caso de pares de flexión, fuerzas de tracción y de presión no debe emitirse ninguna señal eléctrica al circuito de puente. Si las resistencias de capa gruesa del circuito de puente están dispuestas fuera de una zona del árbol libre de fuerzas para pares de flexión (fibra neutral para pares de flexión), existe el peligro de que en el caso de pares de flexión, se genere una señal no deseada del puente, que falsifica la señal del sensor.

Por lo tanto, la invención tiene el cometido de indicar un transductor eléctrico mecánico, en el que la señal eléctrica es tomada con la ayuda de un circuito de puente, donde se impide de una manera fiable la generación de una señal de puente como consecuencia de pares de flexión o bien de fuerzas de tracción y de presión.

Según la invención, el cometido se soluciona porque, respectivamente, al menos una resistencia de capa gruesa de una primera derivación del circuito de puente presenta la misma distancia y, según el valor absoluto, el mismo ángulo con respecto a la fibra neutral del componente a cargar que la resistencia de capa gruesa opuesta de la segunda derivación del circuito de puente.

La invención tiene la ventaja de que las resistencias de capa gruesa, cuando aparecen pares de flexión, modifican de una manera uniforme su valor de la resistencia, con lo que, en el caso de conexión con un puente de medición, se compensa la señal no deseada. Esto se consigue con la ayuda de un emplazamiento de flexión compensada de las resistencias de capa gruesa.

De manera alternativa, el cometido se soluciona porque las resistencias de capa gruesa dispuestas en una derivación de puente presentan la misma distancia y, según el valor absoluto, el mismo ángulo con respecto a la fibra neutral del componente a cargar.

En una configuración, el componente a cargar presenta sobre su superficie una escotadura, que en el caso de solicitación mecánica del componente al menos en una región de la superficie del componente, en la que están colocadas las resistencias de capa gruesa, se genera una relación diferente, en el valor absoluto, de la dilatación longitudinal y transversal.

A través de la dilatación se eleva fácilmente el comportamiento de señalización del sensor sin modificación compleja de la geometría del árbol. Un sensor de este tipo es adecuado para la producción en masa, puesto que se puede fabricar de una manera favorable en cuando a los costes y al tiempo. En virtud de la dilatación se superponen las tensiones mecánicas que inciden en el componente, presentando la dilatación en las direcciones principales (longitudinal, transversal), un valor absoluto diferente, lo que posibilita un reforzamiento del comportamiento de señalización del sensor.

De una manera más ventajosa, la dilatación está configurada como abertura continua del componente.

En un desarrollo, la abertura está configurada como taladro alargado, estando dispuesta la primera resistencia de capa gruesa de una derivación del puente en la proximidad de una primera región radial del taladro alargado y estando dispuesta la segunda resistencia de capa gruesa de la derivación de puente en la proximidad de una segunda región radial del taladro alargado, realizándose la toma de la señal del puente entre las resistencias de capa gruesa dispuestas en las diferentes regiones radiales.

En virtud de esta conexión se garantiza una vez que las dos resistencias de capa gruesa opuestas en la derivación del puente presentan la misma distancia con respecto a la fibra neutral y que la tensión del semipuente de las dos derivaciones del puente se modifican igual bajo la influencia de los pares de flexión.

Se consigue una disposición idéntica fiable de los pares de flexión de las resistencias de capa gruesa cuando las resistencias de capa gruesa de las dos derivaciones de puente en las regiones radiales están dispuestas por encima o por debajo de la extensión longitudinal del componente.

El transductor eléctrico mecánico se puede fabricar de una manera especialmente sencilla cuando las resistencias de capa gruesa están dispuestas sobre una superficie configurada plana del componente fabricado de acero o de aleaciones de acero. Puesto que las resistencias de capa gruesa están dispuestas directamente, con supresión de un soporte intermedio, sobre el componente a cargar mecánicamente, la carga mecánica a detectar es tomada directamente desde éste, sin que se produzcan falsificaciones de las señales a través del soporte intermedio. La fabricación de las resistencias de capa gruesa directamente sobre el componente a cargar reduce en una medida considerable los costes de fabricación.

Para reducir al mínimo la desviación condicionada por la fabricación (desviación del punto cero) dentro del puente mismo, está dispuesta en cada derivación de puente una resistencia de compensación de capa gruesa, cuyo valor de resistencia es menor que el de las resistencias de capa gruesa. La señal de salida del circuito de puente obtenida de esta manera posibilita un factor de amplificación alto del amplificador conectado aguas abajo del transductor eléctrico mecánico. Al mismo tiempo se posibilita, en el caso de una digitalización de la señal de medición, una alta resolución de la señal a través de un transductor A/D.

La resistencia de compensación de capa gruesa de una derivación de puente presenta la misma distancia y el mismo ángulo, en cuanto al valor absoluto, con respecto a la fibra neutral del componente, que la resistencia de compensación de capa gruesa de la otra derivación de puente. Por lo tanto, también en las resistencias de compensación se consigue la compensación de los pares de flexión a través de una colocación correspondiente.

De manera ventajosa, una resistencia de compensación de capa gruesa para el escalonamiento de la resistencia está constituida por bandas de resistencias conectadas en paralelo, que se separan de forma secuencial durante la compensación.

Se lleva a cabo una compensación digital de este tipo hasta que la desviación recibe el valor mínimo deseado. En virtud de este método de compensación se garantiza la estabilidad de larga duración de la señal eléctrica emitida.

Para configurar de la manera más uniforme posible la superficie de apoyo del tamiz de seda y la distribución de las fuerzas durante la impresión con tamiz de seda, el circuito de puente para la fabricación en la técnica de impresión por tamiz de seda presenta un diseño simétrico. En este caso, se consigue un valor de la resistencia lo más igual posible para todas las resistencias de capa gruesa a imprimir para compensar el espesor de capa de las resistencias de capa gruesa.

Para mejorar la exactitud de la impresión de los valores de la resistencia, se consigue un diseño estrictamente simétrico a través de la disposición de líneas ciegas y/o de resistencias ciegas sobre la superficie del componente.

Para utilizar el transductor eléctrico mecánico especialmente para aplicaciones críticas de la seguridad, como ayudas a la dirección en el automóvil, por encima de la escotadura está dispuesto un primer circuito de puente y por debajo de la escotadura está dispuesto un segundo circuito de puente.

La invención permite numerosas formas de realización. Una de ellas se explica en detalle con la ayuda de las figuras representadas en el dibujo. En este caso:

La figura 1 muestra una primera forma de realización del sensor de par de torsión de capa gruesa según la invención.

La figura 2 muestra una resistencia de capa gruesa en sección.

La figura 3 muestra la curva de la tensión en el circuito de puente.

La figura 4 muestra una segunda forma de realización del sensor de par de torsión de capa gruesa.

La figura 5 muestra el circuito de compensación.

La figura 6 muestra el sensor del par de torsión con resistencias de compensación.

Las mismas características están identificadas con el mismo signo de referencia.

En la figura 1 se representa un sensor del par de torsión para las aplicaciones en sistemas auxiliares de dirección. Sobre un árbol 1 a solicitar a torsión, que está constituido por acero o por una aleación de acero y que está configurado en forma de paralelepípedo, está dispuesto un puente de resistencia, que está constituido por resistencias de capa gruesa 2 a 5 sensibles a la dilatación, que están constituidas idénticas. Las resistencias de capa gruesa 2 a 5 están combinadas a través de bandas de conductores 6 a 10 eléctricamente para formar un puente de medición de la resistencia.

Como se deduce a partir de la vista en planta superior de la figura 1, el árbol 1 presenta una superficie rectangular 10, estando configurada a lo largo de la extensión longitudinal (dirección z) del árbol 1 en el centro un taladro alargado 11, que atraviesa totalmente el árbol 1. El taladro alargado 11 presenta en sus extremos regiones radiales 12 y 13, en las que, en el caso de una torsión que actúa sobre el árbol 1, se producen a lo largo de la línea media z representada dos dilataciones principales de diferente valor absoluto en la superficie 10 del árbol 1, que corresponden, desde el punto de vista de la resistencia de capa gruesa 2 a 6 respectiva, a una dilatación longitudinal y una dilatación transversal.

En la región radial 12 del taladro alargado 11 están dispuestas las resistencias de capa gruesa 2 y 3, mientras que en la región radial 13 del taladro alargado 11 están dispuestas las resistencias de capa gruesa 4 y 5. A través de la disposición del diseño de las bandas de conductores se consigue que las resistencias 2 y 4 formen una derivación de puente, mientras que las resistencias 3 y 5 forman la segunda derivación de puente. En este caso, la línea de masa 7 pasa a las resistencias 3 y 4 y la tensión de alimentación U_{B} (línea 6) está conectada con las resistencias 2 y 5. Si el árbol 1 es solicitado a través de torsión, se toma en las líneas 7 y 9, respectivamente, la señal de dilatación del puente de medición de la resistencia.

El puente de la resistencia está dispuesto en toda su dilatación sobre un dieléctrico 14, que se apoya directamente sobre el componente 1. En la figura 2 se representa una sección a través de una resistencia sensible a la dilatación.

Sobre el dieléctrico 14 se encuentra la capa de banda de conductores 15. Entre las conexiones de las bandas de conductores está dispuesta una capa de resistencia eléctrica, que forma la resistencia configurada como banda extensométrica. El cierre está formado por una capa de pasivación 16, que solamente deja al descubierto las superficies de contacto 17, que sirven para el contacto eléctrico de la resistencia 2.

La banda extensométrica descrita se fabrica en tecnología de capa gruesa directamente sobre el soporte 1.

Para establecer una conexión íntima del dieléctrico 14 con el componente 1, se aplica el dieléctrico 14 en la técnica de impresión por medio de una pasta no conductora sobre el árbol 1. La pasta contiene en este caso una frita de vidrio, que se puede fundir a temperatura más reducida que el material del árbol 1. Después de la aplicación de la pasta se aplica igualmente en la técnica de impresión con tamiz de seda una capa conductora, que forma la capa de banda de conductores 15 y las superficies de contacto 17, sobre la que está dispuesta de nuevo la capa de resistencia que forma las resistencias. El árbol 1 preparado de esta manera es tratado térmicamente en un proceso a alta temperatura a una temperatura de aproximadamente 750ºC a 900ºC. En este caso, la capa de vidrio se sinteriza con la superficie del acero del árbol 1. Durante este sinterizado, se forman entre el dieléctrico 2 y el árbol 1 puentes de óxido, que garantizan una conexión no desprendible entre el árbol 1 y el dieléctrico 14, con lo que se consigue una unión muy íntima entre ambos.

Para mejorar la exactitud de la impresión durante la impresión con tamiz de seda, se incorporan resistencias ciegas 27 y líneas ciegas 28 en el diseño, para que, de esta manera, se mantengan reducidas las tolerancias de la resistencia durante la fabricación de las bandas extensométricas.

Como se deduce a partir de la figura 1, el puente de resistencia está conectado a lo largo del eje z del árbol alrededor del taladro alargado 11. Las resistencias individuales 2 a 5 están colocadas por parejas con respecto al eje X y al eje Y con relación a la fibra neutral. La fibra neutral con relación a los pares de flexión se extiende en esta geometría sencilla del árbol en forma de paralelepípedo en el centro del árbol 1 a lo largo de la dilatación longitudinal z. Las resistencias de capa gruesa 3 y 4 poseen sobre su extensión superficial longitudinal en cada punto aproximadamente la misma distancia y el mismo ángulo con respecto a la fibra neutral. Lo mismo se aplica para las resistencias de capa gruesa 2 y 5, que están colocadas, en efecto, en otro lugar, pero cumplen las mismas condiciones mencionadas anteriormente. En virtud de esta disposición, las resistencias de capa gruesa 2 y 5 o bien 3 y 4 se modifican de una manera idéntica en el caso de pares de flexión, con lo que no se acepta a través del circuito de puente ninguna señal debida a la flexión.

La curva de la señal se ilustra con la ayuda de la figura 3. Cada derivación del puente 2, 4 y 3, 5, respectivamente, está conectada tanto con una tensión de alimentación U_{B} como también con masa. Entre las resistencias de capa gruesa de una derivación de puente se puede tomar, frente a masa, una tensión de los semipuentes U_{H24} y U_{H53}, respectivamente. La tensión de medición U_{mess}, que representa la tensión de salida del sensor de pares de torsión, se toma entre las dos tensiones de los semipuentes. En la configuración del sensor de los pares de torsión, explicada con relación a la figura 1, las resistencias 3 y 4 y 2 y 5, respectivamente, que están opuestas en el circuito de puente, están dispuestas de forma simétrica de espejo con respecto a un árbol que se extiende perpendicularmente a la fibra neutral. Tienen en cada caso la misma distancia y, en cuanto al valor absoluto, están en el mismo ángulo con respecto a la fibra neutral. Esto hace que, en el caso de solicitación del árbol 1 a flexión, se modifiquen las tensiones de los semipuentes U_{H24} y U_{H53} con el mismo valor absoluto y con el mismo signo. Puesto que la señal de medición U_{mess} representa la diferencia de la tensión entre las dos tensiones de los semipuentes U_{H24} y U_{H53}, una modificación de las tensiones de los semipuentes U_{H24} y U_{H53} no tiene ninguna influencia sobre la señal de medición U_{mess}.

A partir de la figura 4 se puede deducir otro ejemplo para el diseño del circuito de puente. En este caso, las resistencias de capa gruesa 2 y 4 de la primera derivación de puente están colocadas más cerca del taladro alargado 11, mientras que las resistencias de capa gruesa 3 y 5 de la segunda derivación de puente están dispuestas a una distancia mayor del taladro alargado. En este caso se consigue una disposición simétrica por medio de un gasto más amplio en bandas de conducción 6, 7, 8, 9.

Si se consideran las relaciones de la tensión de esta configuración con relación a la figura 3, entonces las resistencias de capa gruesa 2 y 4 de la primera derivación de puente tienen, en cuanto al valor absoluto, la misma distancia y el mismo ángulo con respecto a la fibra neutral. Lo mismo se aplica para las resistencias de capa gruesa 3 y 5 de la segunda derivación de puente. Si se solicita a flexión el árbol 1 con las resistencias de capa gruesa 2, 3, 4 5 dispuestas de esta manera, entonces no se produce ninguna modificación de las tensiones de los semipuentes U_{H24} y U_{H53}, de manera que tampoco en esta disposición la señal de medición U_{mess} está influenciada por la flexión.

Debido a la fabricación del circuito de puente por medio de un procedimiento de impresión con tamiz de seda, se produce una desviación de la señal del puente, que representa un problema especialmente en el caso de señales pequeñas, puesto que puede representar alrededor del 1000% de la señal útil y, por lo tanto, solamente es posible una resolución reducida través de la electrónica de evaluación 29 conectada aguas abajo. El circuito de evaluación de la señal 29 está dispuesto en este caso igualmente sobre el dieléctrico 14 del árbol 1.

Para conseguir una amplificación alta, se reduce al mínimo la desviación condicionada por la fabricación (desviación del punto cero) del puente DMS de capa gruesa dentro del puente sobre las resistencias de compensación 18, 19 equilibradas por láser. Como se puede deducir a partir de la figura 5, en cada derivación de puente está conectada una resistencia de compensación 18, 19 en serie con las resistencias de capa gruesa. De esta manera, la resistencia de compensación 18 se encuentra en serie con las resistencias 2 y 4 en la primera derivación del puente, y la resistencia de compensación 19 está conectada en serie con las resistencias 3 y 5 en la segunda derivación del puente. Esto tiene la ventaja de que las resistencias de capa gruesa propiamente dichas no son equilibras, puesto que éstas ejercen una influencia mayor sobre la señal de medición en virtud de sus valores altos de resistencia, lo que perjudica la estabilidad de larga duración del puente. Las resistencias de compensación 18, 19 tienen un valor de resistencias esencialmente menor que las resistencias de capa gruesa, que no pueden influir en una medida esencial sobre la estabilidad de larga duración de todo el puente después del equilibrio por láser.

En una configuración ventajosa, las resistencias de compensación 18, 19 o bien están realizadas planas o en forma de franja a través de bandas de resistencias conectadas en paralelo.

Para garantizar la compensación de los momentos de flexión también en estas resistencias de compensación 18, 19, las resistencias de compensación, lo mismo que las resistencias de capa gruesa 2 a 5, deben colocarse y conectarse a una distancia idéntica y, en cuanto al valor absoluto, en el mismo ángulo con respecto a la zona neutral (eje z) del árbol 1. Esto se puede deducir claramente a partir de la figura 6, donde las resistencias de compensación 18, 19 están dispuestas entre las resistencias de capa gruesa 2, 3 y 4, 5, respectivamente, alrededor de la escotadura configurada como taladro 20.

Para configurar el sensor de pares de torsión de una manera redundante para aplicaciones críticas de la seguridad, junto al puente de medición, que está constituido por las resistencias 2 a 5 y que está dispuesto por encima de la abertura 20, puede estar dispuesto un segundo puente de medición constituido de forma idéntica debajo del taladro 20, que presenta las resistencias 21 a 24 y que cumple las mismas condiciones con respecto a la fabrica neutral para flexión, que el puente de resistencia descrito.

Claims (13)

1. Transductor eléctrico mecánico, que presenta un circuito de puente, que está formado por una conexión eléctrica de resistencias de capa gruesa sensibles a la dilatación por medio de trayectorias de guía, donde las resistencias de capa gruesa están dispuestas directamente sobre un componente metálico a cargar mecánicamente a torsión y se encuentran fuera de la dirección de extensión de una fibra neutral para pares de flexión del componente metálico, donde en el caso de torsión del componente, se puede emitir una señal eléctrica que corresponde a la dilatación de las resistencias de capa gruesa, caracterizado porque, respectivamente, al menos una resistencia de capa gruesa (2; 4) de una derivación del circuito de puente presenta las mismas distancias y, según el valor absoluto, el mismo ángulo con respecto a la fibra neutral (eje-z) del componente (1) a cargar, que una resistencia de capa gruesa (3; 5) opuesta en la segunda derivación del circuito de puente.

2. Transductor eléctrico mecánico, que presenta un circuito de puente, que está formado por una conexión eléctrica de resistencias de capa gruesa sensibles a la dilatación por medio de trayectorias de guía, donde las resistencias de capa gruesa están dispuestas directamente sobre un componente metálico a cargar mecánicamente a torsión y se encuentran fuera de la dirección de extensión de una fibra neutral para pares de flexión del componente metálico, donde en el caso de torsión del componente, se puede emitir una señal eléctrica que corresponde a la dilatación de las resistencias de capa gruesa, caracterizado porque las resistencias de capa gruesa (2, 4; 5, 3) dispuestas en una derivación de puente presentan la misma distancia y, según el valor absoluto, el mismo ángulo con respecto a la fibra neutral (eje-z).

3. Transductor eléctrico mecánico según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el componente (1) a cargar presenta sobre su superficie una escotadura (11), que en el caso de solicitación mecánica del componente (1) al menos en una región (12, 13) de la superficie del componente, en la que están colocadas las resistencias de capa gruesa (2, 3, 4, 5), se genera una relación diferente, en el valor absoluto, de la dilatación longitudinal y transversal.

4. Transductor eléctrico mecánico según la reivindicación 3, caracterizado porque la dilatación (11) está configurada como abertura continua del componente (1).

5. Transductor eléctrico mecánico según la reivindicación 4, caracterizado porque la abertura (11) está configurada como taladro alargado, estando dispuesta una primera resistencia de capa gruesa (3) de una derivación del puente (3, 5) en la proximidad de una primera región radial (12) del taladro alargado (11) y estando dispuesta la segunda resistencia de capa gruesa (5) de la derivación de puente (3, 5) en la proximidad de una segunda región radial (13) del taladro alargado (11), realizándose la toma de la señal del puente (2, 4; 3, 5) entre las resistencias de capa gruesa (3, 5) dispuestas en las diferentes regiones radiales (12, 13).

6. Transductor eléctrico mecánico según la reivindicación 5, caracterizado porque las resistencias de capa gruesa (2, 3, 4, 5) de las dos derivaciones de puente (2, 4; 3, 5) presentan el mismo ángulo con respecto a la fibra neutral (eje-z).

7. Transductor eléctrico mecánico según la reivindicación 6, caracterizado porque las resistencias de capa gruesa (2, 3, 4, 5) están dispuestas sobre una superficie configurada plana del componente (1) fabricado de acero o de una aleación de acero.

8. Transductor eléctrico mecánico según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en cada derivación de puente (3, 5; 3, 4) está dispuesta una resistencia de compensación de la capa gruesa (18, 19), cuyo valor de la resistencia es menor que el de las resistencias de capa gruesa (2, 3, 4, 5).

9. Transductor eléctrico mecánico según la reivindicación 8, caracterizado porque las resistencias de compensación de capa gruesa (18, 19) de las dos derivaciones de puente (2, 4; 3, 5) poseen la misma distancia con respecto a la fibra neutral (eje-z) del componente (1).

10. Transductor eléctrico mecánico según la reivindicación 8 ó 9, caracterizado porque la resistencia de compensación de capa gruesa (18, 19) para el escalonamiento de la resistencia está constituida por bandas de resistencia conectadas en paralelo, que se separan de forma secuencial durante la compensación.

11. Transductor eléctrico mecánico según la reivindicación 8, 9 ó 10, caracterizado porque el circuito de puente (2, 4; 3, 5) presenta un diseño simétrico para la fabricación de técnica de impresión con tamiz de seda,

12. Transductor eléctrico mecánico según la reivindicación 11, caracterizado porque el diseño simétrico está realizado a través de la disposición de líneas ciegas (28) y/o de resistencias ciegas (27).

13. Transductor eléctrico mecánico según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un primer circuito de puente (2, 4; 3, 5) está dispuesto por encima de la escotadura (20) y un segundo circuito de puente (21, 26; 22, 24) está dispuesto por debajo de la escotadura (20).