WO2007098788A1 - Force sensor - Google Patents

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Publication number
WO2007098788A1
WO2007098788A1 PCT/EP2006/004265 EP2006004265W WO2007098788A1 WO 2007098788 A1 WO2007098788 A1 WO 2007098788A1 EP 2006004265 W EP2006004265 W EP 2006004265W WO 2007098788 A1 WO2007098788 A1 WO 2007098788A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
force
sensor
sensor element
light
detector
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/004265
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Holger Winkler
Georg Bastian
Original Assignee
Merck Patent 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 Merck Patent Gmbh filed Critical Merck Patent Gmbh
Publication of WO2007098788A1 publication Critical patent/WO2007098788A1/en

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/093—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by photoelectric pick-up

Definitions

  • the invention relates to a force sensor for detecting a force with a force-loaded sensor element of a sensor material whose transmission property vary in response to the force acting on the sensor element, with a light source and with a light-sensitive detector, wherein the intensity of the light emitted from the light source and light reflected or transmitted by the force-loaded sensor element is measured by the detector.
  • Known conventional sensors for measuring a force for example, have oscillatory micromechanical membranes, which show a measurable shift in the resonant frequency at a force, for example caused by an acceleration.
  • the shift of the resonance frequency must be measured with considerable electronic effort and can then be converted into an acceleration force that causes this shift.
  • the usually very low measured values and signals of such sensors are very susceptible to interference, so that even minor electrical disturbances can lead to incorrectly evaluated measured variables.
  • Acceleration sensors are used in particular in the automotive industry to control various control systems such as an anti-lock brake system (acceleration sensor), traction control (ASR) or automatic navigation systems. Due to the large number of different electronic components in motor vehicles as well as the sensor and the demanding environmental and operating conditions of a motor vehicle electrical disturbances of an acceleration sensor can not be excluded or only with considerable design effort. However, a fault and thus a faulty or misinterpreted Measured variable causes a conventional acceleration sensor, this could cause a malfunction of the control system using this acceleration sensor and in the worst case, favoring an accident, rather than increase driving safety as desired.
  • ASR anti-lock brake system
  • ASR traction control
  • automatic navigation systems Due to the large number of different electronic components in motor vehicles as well as the sensor and the demanding environmental and operating conditions of a motor vehicle electrical disturbances of an acceleration sensor can not be excluded or only with considerable design effort. However, a fault and thus a faulty or misinterpreted Measured variable causes a conventional acceleration sensor, this could cause a malfunction of the control system using this acceleration sensor and
  • force sensors are known in which optical measured variables are used and evaluated for determining the force. Since optical signals can not be influenced by electromagnetic interference in motor vehicles, with such sensors can be a force effect with comparable precision, but with significantly increased reliability, or a much lower susceptibility to detect. Even outside the automotive industry, such optical sensors are advantageously used and are particularly suitable for a qualitative determination of a force with the naked eye without additional detection detectors or evaluation electronics.
  • Suitable sensor materials and their use for detecting a mechanical force are described, for example, in the publication WO 03/064988 A2.
  • the subject of this document is the use of core-shell particles whose shell forms a matrix and whose core is substantially solid and has a substantially monodisperse size distribution, with a difference between the refractive indices of the core material and the cladding material, for the production of sensors for the detection of mechanical force.
  • core-shell particles whose shell forms a matrix and whose core is substantially solid and has a substantially monodisperse size distribution, with a difference between the refractive indices of the core material and the cladding material, for the production of sensors for the detection of mechanical force.
  • suitable core or cladding materials as well as various manufacturing methods for the sensors of core-shell particles are described, which are provided for the detection of a mechanical force and suitable.
  • the described core-shell particles show both in the visible wavelength range of the light and in the UV or Infrared range changeable transmission properties as a function of a force acting on the core-shell particles force.
  • the sensors constructed from such core-shell particles are also referred to as photonic crystals.
  • the cladding matrix is chemically crosslinked, wherein the crosslinking may be thermally induced, for example, if the cladding of the core-clad particles has free cyanate, isothiocyanate, amino, epoxide, isocyanate or hydroxyl groups, and as a crosslinking aid, a (poly) isocyanate, (poly) amine or (poly) epoxide is used.
  • the shell may have free hydroxy groups, the shell preferably being formed from a copolymer containing hydroxyalkyl (methyl) acrylate units, and preferably the crosslinking aid is an isocyanate, more preferably a protected isocyanate. In this case, the crosslinking aid is an isocyanate, more preferably a protected isocyanate.
  • Crosslinking by means of light quanta preferably with energies in the range of UV and / or VIS radiation, are used as crosslinking aid preferably at least one type II photoinitiator and more preferably at least one benzophenone derivative or benzophenone.
  • force sensors of the type mentioned (EP 1 329 758 A1).
  • a sensor material referred to as a photonic crystal is exposed to an external force, whereby the wavelength of light transmitted through the photonic crystal has been shown to change. The change in the intensity of the transmitted light of a given
  • Wavelength or the change in the wavelength of the transmitted light allows conclusions about the strength of the force on the photonic crystal.
  • Various materials from which a suitable photonic crystal can be made are also described.
  • the known force sensors either require the use of wavelength-selective detectors or the use of a monochromatic light source in order to be able to detect the changes in the transmission properties of the sensor material caused by the force to be measured. Without significant design effort occurring in practice signal-to-noise ratio of the signal measurable by a suitable detector is unsatisfactory and often allows only an approximate, or qualitative determination of the forces acting on the sensor element forces.
  • Object of the present invention is therefore to design a force sensor for detecting a force so that with a low design effort as reliable and less prone to failure detection of a force on the sensor element is made possible.
  • a sensor element which is mounted free of force or loaded with an oppositely acting force is provided with a sensor material with comparable transmission properties and in which the two sensor elements are arranged so that the light emitted by the light source is on the way is reflected to the detector of one of the two sensor elements and transmitted from the other sensor element.
  • a designed force sensor utilizes the mutually complementary reflection and transmission properties of such suitable sensor materials. For example, in a theoretically ideal sensor material, only light of a certain wavelength is reflected, while all other wavelengths are transmitted. If the light is reflected once on the way into the detector, for example, on two sensor elements mounted without forces and transmitted once, the incident light is completely filtered out and no light is detected in the detector.
  • the wavelength of the light reflected or transmitted at this sensor element changes, so that the second sensor element no longer has completely complementary optical properties and at least a portion of the incident light can be detected by the detector. Accordingly, comparable transmission properties in this sense are transmission properties which lead to a rectified or in the same way occurring change in the transmission spectrum at a force acting the same force. In this case, different sensor materials can be used.
  • the light is reflected by the force-stressed sensor element and transmitted by the sensor element mounted in a force-free manner or stressed by an oppositely acting force. It is also conceivable that the light is transmitted from the force-loaded sensor element and is reflected by the force-bearing or stressed with an oppositely acting force sensor element.
  • the sensor elements are arranged so that the light is first reflected on the way into the detector and then transmitted. It is also conceivable that the sensor elements are arranged so that the light is first transmitted on the way into the detector and then reflected.
  • the sensor elements are arranged separately from one another.
  • the second sensor element can be mounted without force.
  • the different arrangement of the force-loaded sensor element, or the force-free sensor element mounted to each other, or respectively to the light source and to the detector is essentially arbitrary and can be adapted to the respective requirements in the intended use.
  • the arrangement of the two sensor elements for example, depending on the available space for the force sensor or the direction of the force to be measured or the mandatory predetermined or desired advantageous arrangement of the light source and / or the detector varies or be adapted.
  • the two sensor elements as a one-piece
  • Sensor component are designed with a force application region, wherein a force acting on the sensor component in the force application region divides the sensor component into a region of the force-stressed sensor element and a region of the sensor element subjected to an oppositely acting force.
  • an additional mass may be fastened so that when an acceleration of the sensor component, the additional mass attached thereto leads to a force on the force-loaded sensor element and to an oppositely acting force stress of the sensor element. If the force-loaded sensor element is compressed by the force, for example, the other sensor element is stretched with the same force and vice versa.
  • the light reflected or transmitted by one of the two sensor elements or by one of the two regions of the one-piece sensor component is directed to the other sensor element or to the other region of the one-piece sensor component by means of optical components such as a suitable mirror and there is transmitted on the way to the detector, or reflected.
  • the light source has a broadband emission wave spectrum. Since the use of the appropriate sensor material for both the reflection and the transmission of detectable by the detector light already a sufficient monochromatization can be used instead of a monochromatic or narrow band light source near any arbitrary light source, as long as at least a portion of the emitted light from that light source is affected by the sensor elements and can be measured by the detector. Thus, for example, instead of a complex laser, a commercially available incandescent lamp can be used.
  • the broadband emission spectrum of the incandescent lamp would have to be limited to a possible monochromatic wavelength range by means of a suitable filter, resulting in considerable and undesirable loss of intensity already on the Side of the light source.
  • the choice of the suitable light source can therefore be adapted and optimized without taking into account the emission wavelength spectrum of the light source on the basis of the specified requirements with regard to the intensity or the stability or the service life of the light source.
  • suitable light sources may be white light lamps such as incandescent or gas discharge lamps.
  • white light lamps such as incandescent or gas discharge lamps.
  • LEDs light-emitting diodes
  • organic lasers or LEDs organic lasers or LEDs and LEDs with a light emission spectrum suitably changed by fluorescence and are advantageously suitable for corresponding requirements and embodiments.
  • the detector can detect light within a broad wavelength range and evaluate it integrating. While in a theoretically ideal sensor material essentially only a single wavelength is reflected and all other wavelengths are transmitted, the distribution of the reflected light in the form of a broad peak is often around in the case of real, practically producible sensor materials Wavelength maximum reflection, or a complementary reduction of the transmission properties in the range of the wavelength of the maximum reflection observed. This broadening, or softening of the reflection and transmission properties of the sensor material is usually due to errors in the regular structure of the
  • Suitable detectors are, for example, pin diodes, Schottky diodes, thermal detectors or detectors applied directly to the sensor material, for example consisting of organic semiconductors.
  • an additional mass is fixed so that when an acceleration of the force-loaded sensor element, the additional mass attached thereto leads to a force on the force-loaded sensor element.
  • Force sensor can be used advantageously as an acceleration sensor. It means in this context kraftbe digestt that the additionally attached to the sensor element mass greater, preferably considerably larger than the own mass of the sensor element. If the force sensor is exposed to an acceleration, the additional mass, due to its inertia, exerts a force on the force-loaded sensor element, which can be used to determine the acceleration.
  • Force-free in this context means that the other, sensor element mounted without force is not connected to the above-mentioned or another additional mass and the own mass of the sensor element due to the acceleration only to an insignificant, undetectable deformation and thus change the transmission properties of the force-free Sensor material can lead. The differences in the transmission properties between the force-loaded and the force-free sensor material are therefore approximately exclusively due to the additional mass and allow their knowledge a determination or calculation of the acceleration to be measured.
  • the force-loaded sensor element with an attack surface or a lever for an attacking force, so that external forces acting can be determined. It is also conceivable to design at least the force-loaded sensor element as a film and to fix it on a surface of a body deformed by force, so that, for example, a bending or compression of the body lead to a detectable force on the sensor element.
  • the two sensor elements are arranged to be adjustable relative to one another and / or relative to the light source and to the detector.
  • the two sensor elements do not have to be aligned and fixed in a complex manner, in order to enable an accurate and reliable determination of a force.
  • the two Align sensor element substantially parallel to each other.
  • a substantially complete extinction of the sensor could be achieved
  • Detectable light detector can be specified without force, which regularly leads to a significantly improved signal-to-noise ratio during operation of the force sensor.
  • FIG. 1 shows in three diagrams a reflection spectrum and a transmission spectrum of a force-free mounted sensor element and the resulting intensity distribution in a combination of reflection and transmission
  • FIG. 3 schematically shows a force sensor with two sensor elements aligned essentially parallel to one another
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a similar force sensor as shown in FIG. 3, wherein a force to be measured acts on the transmitting sensor element instead of on the reflective sensor element,
  • 5 is a schematic representation of another force sensor in which the light to be measured is first transmitted and then reflected
  • 6 is a schematic representation of yet another force sensor, deviating from the construction of the force sensor shown in FIG. 5, the force to be detected acts on the reflective sensor element
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of another embodiment of a force sensor, in which an integral sensor component is subdivided into a region of the force-stressed sensor element and into a region of the sensor element subjected to an oppositely acting force, and
  • FIG. 8 shows a schematic representation of the force sensor shown in FIG. 7, wherein the sequence of reflection and transmission of the light to be measured at the sensor component has been interchanged.
  • FIGS. 1 and 2 schematically show reflection or transmission spectra of a sensor material used for the detection of a force effect.
  • the illustrated spectra show the characteristic properties of the sensor material in an abstracted representation.
  • the spectra measured under realistic conditions of a sensor material actually used, for example a photonic crystal according to EP 1 329 758 A1 or a core-shell material according to WO 03/064988 A2 essentially exhibit a similar wavelength-dependent intensity distribution and differ only in less significant details thereof , The illustrated spectra can therefore be considered as representative of all suitable sensor materials, which are referred to below as photonic crystals.
  • Wavelength is reflected light with the intensity distribution shown by a predetermined by the sensor material reflection wavelength ⁇ r .
  • the corresponding transmission spectrum b) is additionally shown in the middle diagram. Accordingly, at the reflection wavelength ⁇ r with the maximum reflection of incident light, there is a minimum of the transmitted light. If the incident substantially white light is first reflected on a force-free sensor material and then transmitted through a likewise force-free sensor material, the result is the resulting total intensity distribution a + b shown in the right-hand diagram, ie essentially an almost complete extinction of the incident light ,
  • FIG. 2 shows diagrammatically in the left-hand diagram how, by means of a force acting through the sensor material, the reflection spectrum a) changes to the reflection spectrum a 1 ) of the force-stressed sensor material.
  • the change in the reflection spectrum a ') caused, for example, by compressive or tensile stress can be approximately described by a shift of the reflection wavelength ⁇ r -.
  • the shifted reflection spectrum a ') of the force-stressed sensor material no longer coincides with the minimum of the transmission spectrum b). It results in a resulting Total intensity distribution a '+ b), which has a clear intensity maximum.
  • the amount of light reflected by a force-loaded sensor material and subsequently transmitted by a sensor-free sensor material can be detected easily and reliably. To determine an acting force, only the amount of light detected by the action of force must be compared with the light quantity which is low or undetectable when the sensor elements are mounted completely free of forces. In this way, the signal-to-noise ratio
  • FIG. 3 diagrammatically shows an exemplary embodiment of a force sensor 1 with a light source 2 and a detector 3 and two sensor elements 4, 5 oriented substantially parallel to one another.
  • a mass 6 is attached to the sensor element 4 in such a way that when the force sensor 1 is accelerated, the additional mass 6 attached thereto leads to a detectable force on the force-loaded sensor element 4.
  • the effect of the acceleration on the sensor element 4, 5 is comparatively low due to the low mass of these sensor elements 4, 5 and can be completely neglected for almost all practical applications.
  • a detector 3 with a sufficient sensitivity, or optionally with a spectral sensitivity is used, as well as the detection of a force and quantitative measurements of the force causing this acceleration can be performed.
  • the structure of the force sensor 1 shown in FIG. 4 differs from the construction shown in FIG. 3 only in that the force-loaded sensor element 4 with the mass 6 attached thereto is interchanged with the force-free sensor element 5.
  • the light emitted by the light source is therefore first reflected by the force-free sensor element 5 and then transmitted through the force-loaded sensor element 4 through before it falls on the detector 3.
  • the embodiments of the force sensor 1 shown in FIGS. 5 and 6 differ from the examples shown in FIGS. 3 and 4 in that the light emitted by the light source 2 is first transmitted to one of the two sensor elements 4, 5 and then to the another of the two sensor elements 4, 5 is reflected before it can be detected by the detector 3.
  • Which specific arrangement is selected for the light source 2, the detector 3 and the two sensor elements 4, 5, for the measurement process and the determination of a force largely unimportant and can be made dependent on the requirements of the intended use dependent.
  • FIGS. 7 and 8 two embodiments of a force sensor 1 with a sensor component 7 embodied in one piece are shown schematically.
  • the sensor component 7 consists of an elastic layer of suitable sensor material.
  • a mass 6 is fixed in a central region of the sensor component 7, a mass 6 is fixed.
  • an acceleration of the force sensor 1 which is not directed exclusively perpendicular to the layer plane of the sensor component 7, due to the inertia of the mass 6 a compression, or an expansion of one of the two opposite regions 8, 9 of the sensor component 7 is effected.
  • These areas 8, 9 correspond to the force-loaded sensor element 4 and the claimed with an oppositely acting force sensor element 5.
  • the dimensions of the two areas 8, 9 and the two sensor elements 4, 5 are determined by the definition of a force application region 10, or the location of Attachment of the mass 6 to the sensor component 7 predetermined.
  • the light emitted by a light source 2 is reflected on the force-loaded sensor element 4, or transmitted via a mirror 11 to that with an oppositely acting force claimed sensor element 5 is reflected. There it is transmitted (FIG. 7) or reflected (FIG. 8) before it can subsequently be detected in the detector 3.

Abstract

A force sensor (1) for determining a force action with a sensor element (4) which is acted upon by the force and is composed of a sensor material whose transmission characteristic varies as a function of the force acting on the sensor element (4), with a light source (2) and with a photosensitive detector (3), wherein the intensity of the light emitted by the light source (2) and reflected or transmitted by the sensor element (4), which is acted upon by the force, is measured on the detector (3), has an additional sensor element (5), which is mounted free of forces or acted upon by a force of opposite action and is composed of a sensor material with comparable transmission characteristics, wherein the two sensor elements (4, 5) are arranged such that the light emitted by the light source (2), on its way to the detector (3), is reflected by one of the two sensor elements (4, 5) and transmitted by the other sensor element (4, 5). The light is reflected by one of the two sensor elements (4, 5) and transmitted by the other sensor element (5, 4) or vice versa. The two sensor elements (4, 5) can be designed as a single-piece sensor component. The light source (2) has a broadband emission wavelength spectrum. An additional mass (6) is attached to the sensor element (4), which is acted upon by the force, such that when the sensor element (4), which is acted upon by the force, accelerates, the additional mass (6), which is connected thereto, leads to an action of force on the sensor element (4), which is acted upon by the force.

Description

Kraftsensor force sensor
Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor zum Feststellen einer Krafteinwirkung mit einem kraftbeanspruchten Sensorelement aus einem Sensor- material, dessen Transmissionseigenschaft sich in Abhängigkeit von der auf das Sensorelement einwirkenden Kraft verändern, mit einer Lichtquelle und mit einem lichtempfindlichen Detektor, wobei die Intensität des von der Lichtquelle emittierten und von dem kraftbeanspruchten Sensorelement reflektierten oder transmittierten Lichts von dem Detektor gemessen wird.The invention relates to a force sensor for detecting a force with a force-loaded sensor element of a sensor material whose transmission property vary in response to the force acting on the sensor element, with a light source and with a light-sensitive detector, wherein the intensity of the light emitted from the light source and light reflected or transmitted by the force-loaded sensor element is measured by the detector.
Bekannte herkömmliche Sensoren zur Messung einer Krafteinwirkung weisen beispielsweise schwingungsfähige mikromechanische Membranen auf, die bei einer Kraftein Wirkung, beispielsweise durch eine Beschleunigung verursacht, eine messbare Verschiebung der Resonanzfrequenz zeigen. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz muss allerdings mit erheblichem elektronischem Aufwand gemessen und kann dann in eine diese Verschiebung verursachende Beschleunigungskraft umgerechnet werden. Die üblicherweise sehr geringen Messwerte und Signale derartiger Sensoren sind sehr störungsempfindlich, so dass bereits geringfügige elektrische Störungen zu fehlerhaft ausgewerteten Messgrößen führen können.Known conventional sensors for measuring a force, for example, have oscillatory micromechanical membranes, which show a measurable shift in the resonant frequency at a force, for example caused by an acceleration. However, the shift of the resonance frequency must be measured with considerable electronic effort and can then be converted into an acceleration force that causes this shift. The usually very low measured values and signals of such sensors are very susceptible to interference, so that even minor electrical disturbances can lead to incorrectly evaluated measured variables.
Beschleunigungssensoren werden insbesondere in der Automobiltechnik zur Steuerung verschiedener Regelungssysteme wie beispielsweise einem Antiblockiersystem (Beschleunigungssensor), einer Antischlupfregelung (ASR) oder bei automatischen Navigationssystemen eingesetzt. Aufgrund der großen Anzahl verschiedener elektronischer Komponenten in Kraftfahrzeugen sowie den einen Sensor stark beanspruchenden Umgebungs- und Betriebsbedingungen eines Kraftfahrzeugs können elektrische Störungen eines Beschleunigungssensors nicht oder nur mit einem erheblichen konstruktiven Aufwand ausgeschlossen werden. Wird allerdings eine Störung und damit eine fehlerhafte oder falsch interpretierte Messgröße eines herkömmlichen Beschleunigungssensors bewirkt, so könnte dies zu einer Fehlfunktion des diesen Beschleunigungssensors verwendenden Regelungssystems verursachen und im schlimmsten Fall einen Unfall begünstigen, anstatt wie gewünscht die Fahrsicherheit zu erhöhen.Acceleration sensors are used in particular in the automotive industry to control various control systems such as an anti-lock brake system (acceleration sensor), traction control (ASR) or automatic navigation systems. Due to the large number of different electronic components in motor vehicles as well as the sensor and the demanding environmental and operating conditions of a motor vehicle electrical disturbances of an acceleration sensor can not be excluded or only with considerable design effort. However, a fault and thus a faulty or misinterpreted Measured variable causes a conventional acceleration sensor, this could cause a malfunction of the control system using this acceleration sensor and in the worst case, favoring an accident, rather than increase driving safety as desired.
Es sind deshalb Kraftsensoren bekannt, bei denen optische Messgrößen zur Bestimmung der Krafteinwirkung herangezogen und ausgewertet werden. Da optische Signale nicht von elektromagnetischen Störeinflüssen bei Kraftfahrzeugen beeinflusst werden können, lässt sich mit derartigen Sensoren eine Kraftein Wirkung mit vergleichbarer Präzision, jedoch mit wesentlich erhöhter Zuverlässigkeit, bzw. einer weitaus geringeren Störanfälligkeit feststellen. Auch außerhalb der Automobiltechnik sind derartige optische Sensoren vorteilhaft einsetzbar und eignen sich insbesondere zu einer qualitativen Feststellung einer Krafteinwirkung mit bloßem Auge ohne zusätzliche Nachweisdetektoren oder Auswerteelektroniken.Therefore, force sensors are known in which optical measured variables are used and evaluated for determining the force. Since optical signals can not be influenced by electromagnetic interference in motor vehicles, with such sensors can be a force effect with comparable precision, but with significantly increased reliability, or a much lower susceptibility to detect. Even outside the automotive industry, such optical sensors are advantageously used and are particularly suitable for a qualitative determination of a force with the naked eye without additional detection detectors or evaluation electronics.
Geeignete Sensormaterialien und deren Verwendung zum Feststellen einer mechanischen Krafteinwirkung werden beispielsweise in der Veröffentlichung WO 03/064988 A2 beschrieben. Gegenstand dieser Druckschrift ist die Verwendung von Kern-Mantel-Partikeln, deren Mantel eine Matrix bildet und deren Kern im wesentlichen fest ist und eine im wesentlichen monodisperse Größenverteilung aufweist, wobei ein Unterschied zwischen den Brechungsindizes des Kernmaterials und des Mantelmaterials steht, zur Herstellung von Sensoren zur Detektion von mechanischer Krafteinwirkung. Auch werden besonders geeignete Kern- oder Mantelmaterialien sowie verschiedene Herstellungsverfahren für die Sensoren aus Kern- Mantel-Partikeln beschrieben, die zur Detektion von einer mechanischen Krafteinwirkung vorgesehen und geeignet sind. In Abhängigkeit von den verwendeten Materialien zeigen die beschriebenen Kern-Mantel-Partikel sowohl im sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts als auch im UV- oder Infrarotbereich veränderbare Transmissionseigenschaften in Abhängigkeit von einer auf die Kern-Mantel-Partikel einwirkenden Kraft. Die aus derartigen Kern-Mantel-Partikeln aufgebauten Sensoren werden auch als photonische Kristalle bezeichnet.Suitable sensor materials and their use for detecting a mechanical force are described, for example, in the publication WO 03/064988 A2. The subject of this document is the use of core-shell particles whose shell forms a matrix and whose core is substantially solid and has a substantially monodisperse size distribution, with a difference between the refractive indices of the core material and the cladding material, for the production of sensors for the detection of mechanical force. Also particularly suitable core or cladding materials as well as various manufacturing methods for the sensors of core-shell particles are described, which are provided for the detection of a mechanical force and suitable. Depending on the materials used, the described core-shell particles show both in the visible wavelength range of the light and in the UV or Infrared range changeable transmission properties as a function of a force acting on the core-shell particles force. The sensors constructed from such core-shell particles are also referred to as photonic crystals.
In der älteren deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2005 011 961.1 werden die Verwendung von Formkörpern im Wesentlichen bestehend aus Kern-Mantel-Partikeln, deren Mantel eine Matrix bildet und deren Mantel mit dem Kern über eine Zwischenschicht verbunden ist und deren Kern im Wesentlichen fest ist und eine im Wesentlichen monodisperse Größenverteilung aufweist und ein Unterschied zwischen den Brechungsindices des Kernmaterials und des Mantelmaterials besteht, wobei die Mantelmatrix ein Elastomer ist, zur Detektion von mechanischer Krafteinwirkung, sowie entsprechende Sensoren und Herstellverfahren beschrieben. In bevorzugt einzusetzenden Formkörpern ist dabei die Mantelmatrix chemisch vernetzt, wobei die Vernetzung beispielsweise thermisch induziert sein kann, wenn der Mantel der Kern-Mantel-Partikel freie Cyanat-, Isothiocyanat-, Amino-, Epoxid-, Isocyanat- oder Hydroxy- Gruppen aufweist und als Vernetzungshilfsmittel ein (Poly)lsocyanat, (Poly)Amin oder (Poly)Epoxid eingesetzt wird. In alternativen Ausführungsformen kann der Mantel freie Hydroxy-Gruppen aufweisen, wobei der Mantel vorzugsweise von einem Copolymeren gebildet wird, das Hydroxyalkyl(methyl)acrylat-Einheiten enthält, und es sich bei dem Vernetzungshilfsmittel vorzugsweise um ein Isocyanat, insbesondere bevorzugt ein geschütztes Isocyanat handelt. In diesem Fall kann dieIn the earlier German patent application with the file reference DE 10 2005 011 961.1 the use of moldings essentially consisting of core-shell particles whose shell forms a matrix and whose jacket is connected to the core via an intermediate layer and whose core is substantially fixed is and has a substantially monodisperse size distribution and a difference between the refractive indices of the core material and the cladding material, wherein the cladding matrix is an elastomer, for the detection of mechanical force, as well as corresponding sensors and manufacturing processes described. In preferred moldings to be used, the cladding matrix is chemically crosslinked, wherein the crosslinking may be thermally induced, for example, if the cladding of the core-clad particles has free cyanate, isothiocyanate, amino, epoxide, isocyanate or hydroxyl groups, and as a crosslinking aid, a (poly) isocyanate, (poly) amine or (poly) epoxide is used. In alternative embodiments, the shell may have free hydroxy groups, the shell preferably being formed from a copolymer containing hydroxyalkyl (methyl) acrylate units, and preferably the crosslinking aid is an isocyanate, more preferably a protected isocyanate. In this case, the
Vernetzung mittels Lichtquanten, vorzugsweise mit Energien im Bereich der UV- und/oder VIS-Strahlung, induziert werden, wobei als Vernetzungshilfsmittel vorzugsweise mindestens ein Photoinitiator des Typs Il und dabei insbesondere bevorzugt mindestens ein Benzophenon-Derivat bzw. Benzophenon eingesetzt wird. Es sind auch Kraftsensoren der eingangs genannten Gattung bekannt (EP 1 329 758 A1 ). Ein als photonischer Kristall bezeichnetes Sensormaterial wird dabei einer äußeren Kraft ausgesetzt, wobei sich nachweislich die durch den photonischen Kristall transmittierte Lichtwellenlänge ändert. Die Änderung der Intensität des transmittierten Lichts einer vorgegebenenCrosslinking by means of light quanta, preferably with energies in the range of UV and / or VIS radiation, are used as crosslinking aid preferably at least one type II photoinitiator and more preferably at least one benzophenone derivative or benzophenone. There are also known force sensors of the type mentioned (EP 1 329 758 A1). A sensor material referred to as a photonic crystal is exposed to an external force, whereby the wavelength of light transmitted through the photonic crystal has been shown to change. The change in the intensity of the transmitted light of a given
Wellenlänge oder die Änderung der Wellenlänge des transmittierten Lichts erlaubt Rückschlüsse auf die Stärke der Krafteinwirkung auf den photonischen Kristall. Verschiedene Materialien, aus welchen ein geeigneter photonischer Kristall hergestellt werden kann, werden ebenfalls beschrieben.Wavelength or the change in the wavelength of the transmitted light allows conclusions about the strength of the force on the photonic crystal. Various materials from which a suitable photonic crystal can be made are also described.
Die bekannten Kraftsensoren erfordern entweder die Verwendung wellenlängenselektiver Detektoren oder aber die Verwendung einer monochromatischen Lichtquelle, um die durch die zu messende Krafteinwirkung verursachten Änderungen der Transmissionseigenschaften des Sensormaterials nachweisen zu können. Ohne einen erheblichen konstruktiven Aufwand ist das in der Praxis auftretende Signal-Rausch- Verhältnis der von einem geeigneten Detektor messbaren Signal unbefriedigend und ermöglicht oftmals nur eine näherungsweise, bzw. qualitative Feststellung der auf das Sensorelement einwirkenden Kräfte.The known force sensors either require the use of wavelength-selective detectors or the use of a monochromatic light source in order to be able to detect the changes in the transmission properties of the sensor material caused by the force to be measured. Without significant design effort occurring in practice signal-to-noise ratio of the signal measurable by a suitable detector is unsatisfactory and often allows only an approximate, or qualitative determination of the forces acting on the sensor element forces.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demzufolge, einen Kraftsensor zum Feststellen einer Krafteinwirkung so auszugestalten, dass mit einem geringen konstruktiven Aufwand eine möglichst zuverlässige und wenig störungsanfällige Feststellung einer Krafteinwirkung auf das Sensorelement ermöglicht wird.Object of the present invention is therefore to design a force sensor for detecting a force so that with a low design effort as reliable and less prone to failure detection of a force on the sensor element is made possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein kräftefrei gelagertes oder mit einer entgegengesetzt wirkenden Kraft beanspruchten Sensorelement aus einem Sensormaterial mit vergleichbaren Transmissionseigenschaften vorgesehen ist und dass die beiden Sensorelemente so angeordnet sind, dass das von der Lichtquelle emittierte Licht auf dem Weg zum Detektor von einem der beiden Sensorelementen reflektiert und von dem anderen Sensorelement transmittiert wird. Ein derartig ausgestalteter Kraftsensor nutzt die zueinander komplementären Reflexions- und Transmissionseigenschaften derartiger geeigneter Sensormaterialien aus. So wird beispielsweise bei einem theoretisch idealen Sensormaterial lediglich Licht einer bestimmten Wellenlänge reflektiert, während alle anderen Wellenlängen transmittiert werden. Wird das Licht auf dem Weg in den Detektor beispielsweise an zwei jeweils kräftefrei gelagerten Sensorelementen einmal reflektiert und einmal transmittiert, so wird das einfallende Licht vollständig herausgefiltert und kein Licht im Detektor nachgewiesen. Werden durch eine Krafteinwirkung auf mindestens eines der beiden Sensorelemente die Transmissions- bzw. Reflexionseigenschaften dieses Sensorelements verändert, so verändert sich die Wellenlänge des an diesem Sensorelement reflektierten, bzw. transmittierten Lichts, so dass das zweite Sensorelement nicht mehr vollständig komplementäre optische Eigenschaften aufweist und zumindest ein Teil des einfallenden Lichts vom Detektor nachgewiesen werden kann. Vergleichbare Transmissionseigenschaften im diesem Sinne sind demzufolge Transmissionseigenschaften, die bei einer gleichwirkenden Kraftbeanspruchung zu einer gleichgerichteten bzw. in gleicher Weise erfolgenden Veränderung des Transmissionsspektrums führen. Dabei können auch unterschiedliche Sensormaterialien zur Anwendung kommen.This object is achieved according to the invention in that a sensor element which is mounted free of force or loaded with an oppositely acting force is provided with a sensor material with comparable transmission properties and in which the two sensor elements are arranged so that the light emitted by the light source is on the way is reflected to the detector of one of the two sensor elements and transmitted from the other sensor element. Such a designed force sensor utilizes the mutually complementary reflection and transmission properties of such suitable sensor materials. For example, in a theoretically ideal sensor material, only light of a certain wavelength is reflected, while all other wavelengths are transmitted. If the light is reflected once on the way into the detector, for example, on two sensor elements mounted without forces and transmitted once, the incident light is completely filtered out and no light is detected in the detector. If the transmission or reflection properties of this sensor element are changed by a force acting on at least one of the two sensor elements, the wavelength of the light reflected or transmitted at this sensor element changes, so that the second sensor element no longer has completely complementary optical properties and at least a portion of the incident light can be detected by the detector. Accordingly, comparable transmission properties in this sense are transmission properties which lead to a rectified or in the same way occurring change in the transmission spectrum at a force acting the same force. In this case, different sensor materials can be used.
Die vorzugsweise Verwendung von zwei Sensorelementen aus identischem Material, von welchen nur eines der beiden Sensorelement der zu messenden Krafteinwirkung ausgesetzt ist, bewirkt eine Monochromatisierung des für die Feststellung der Krafteinwirkung verwendeten Lichts, die bei bekannter Kraftsensoren entweder auf der Seite der Lichtquelle oder auf der Detektorseite herbeigeführt und sichergestellt werden muss. Zusätzliche optische Komponenten wie beispielsweise Filter oder dieThe preferred use of two sensor elements of identical material, of which only one of the two sensor element is exposed to the force to be measured, causes monochromatization of the light used to detect the force acting in known force sensors either on the side of the light source or on the detector side brought about and must be ensured. Additional optical components such as filters or the
Verwendung monochromatischer Lichtquellen, bzw. wellenlängenselektiver Detektoren wird dadurch überflüssig. Kern-Mantel-Partikel bzw. Formkörper aus Kern-Mantel-Partikeln gemäß der WO 03/64988 und der DE 10 2005 011 961.1 , wie sie weiter oben bereits beschrieben wurden, gehören zu den erfindungsgemäß bevorzugt verwendbaren Materialien für Sensorelemente.The use of monochromatic light sources, or wavelength-selective detectors is thereby superfluous. Core-shell particles or shaped bodies from core-shell particles according to WO 03/64988 and DE 10 2005 011 961.1, as they have already been described above, belong to the materials preferably used according to the invention for sensor elements.
Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass das Licht von dem kraftbeanspruchten Sensorelement reflektiert und von dem kräftefrei gelagerten oder mit einer entgegengesetzt wirkenden Kraft beanspruchten Sensorelement transmittiert wird. Es ist ebenso denkbar, dass das Licht von dem kraftbeanspruchten Sensorelement transmittiert und von dem kräftefrei gelagerten oder mit einer entgegengesetzt wirkenden Kraft beanspruchten Sensorelement reflektiert wird.According to an embodiment of the invention, it is provided that the light is reflected by the force-stressed sensor element and transmitted by the sensor element mounted in a force-free manner or stressed by an oppositely acting force. It is also conceivable that the light is transmitted from the force-loaded sensor element and is reflected by the force-bearing or stressed with an oppositely acting force sensor element.
Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die Sensorelemente so angeordnet sind, dass das Licht auf dem Weg in den Detektor zuerst reflektiert und anschließend transmittiert wird. Es ist ebenso denkbar, dass die Sensorelemente so angeordnet sind, dass das Licht auf dem Weg in den Detektor zuerst transmittiert und anschließend reflektiert wird.According to one embodiment of the inventive concept, it is provided that the sensor elements are arranged so that the light is first reflected on the way into the detector and then transmitted. It is also conceivable that the sensor elements are arranged so that the light is first transmitted on the way into the detector and then reflected.
Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die Sensorelemente voneinander getrennt angeordnet sind. Insbesondere kann dabei das zweite Sensorelement kräftefrei gelagert sein. Die unterschiedliche Anordnung des kraftbeanspruchten Sensor- elements, bzw. des kräftefrei gelagerten Sensorelements zueinander, bzw. jeweils zur Lichtquelle und zu dem Detektor ist im Wesentlichen beliebig und kann an die jeweiligen Anforderungen bei der vorgesehenen Verwendung angepasst werden. Die Anordnung der beiden Sensorelemente kann beispielsweise in Abhängigkeit von dem zur Verfügung stehenden Raum für den Kraftsensor oder der Richtung der zu messenden Kraft oder aber der zwingend vorgegebenen bzw. gewünschten vorteilhaften Anordnung der Lichtquelle und/oder des Detektors variiert bzw. angepasst werden.According to an embodiment of the inventive concept, it is provided that the sensor elements are arranged separately from one another. In particular, the second sensor element can be mounted without force. The different arrangement of the force-loaded sensor element, or the force-free sensor element mounted to each other, or respectively to the light source and to the detector is essentially arbitrary and can be adapted to the respective requirements in the intended use. The arrangement of the two sensor elements, for example, depending on the available space for the force sensor or the direction of the force to be measured or the mandatory predetermined or desired advantageous arrangement of the light source and / or the detector varies or be adapted.
Einer anderen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die beiden Sensorelemente als ein einstückigesAccording to another embodiment of the inventive concept, it is provided that the two sensor elements as a one-piece
Sensorbauteil mit einem Kraftangriffsbereich ausgeführt sind, wobei eine im Kraftangriffsbereich an dem Sensorbauteil angreifende Kraft das Sensorbauteil in einen Bereich des kraftbeanspruchten Sensorelements und einen Bereich des mit einer entgegengesetzt wirkenden Kraft beanspruchten Sensorelements unterteilt. Im Kraftangriffsbereich kann eine zusätzliche Masse so befestigt sein, dass bei einer Beschleunigung des Sensorbauteils die daran befestigte zusätzliche Masse zu einer Krafteinwirkung auf das kraftbeanspruchte Sensorelement und zu einer entgegengesetzt wirkenden Kraftbeanspruchung des Sensorelements führt. Wird das kraftbeanspruchte Sensorelement durch die Krafteinwirkung beispielsweise gestaucht, so wird das andere Sensorelement mit gleicher Kraft gedehnt und umgekehrt. Durch die gleichzeitige Stauchung bzw. Dehnung der Sensorelemente wird die nachweisbare Lichtmenge deutlich erhöht im Vergleich zu einem Kraftsensor mit einem kräftefrei gelagerten Sensorelement.Sensor component are designed with a force application region, wherein a force acting on the sensor component in the force application region divides the sensor component into a region of the force-stressed sensor element and a region of the sensor element subjected to an oppositely acting force. In the force application region, an additional mass may be fastened so that when an acceleration of the sensor component, the additional mass attached thereto leads to a force on the force-loaded sensor element and to an oppositely acting force stress of the sensor element. If the force-loaded sensor element is compressed by the force, for example, the other sensor element is stretched with the same force and vice versa. By the simultaneous compression or expansion of the sensor elements, the detectable amount of light is significantly increased in comparison to a force sensor with a force-free mounted sensor element.
Es ist dabei vorgesehen, dass das von einem der beiden Sensorelemente, bzw. von einem der beiden Bereiche des einstückigen Sensorbauteils reflektierte oder transmittierte Licht mittels optischer Komponenten wie beispielsweise einem geeigneten Spiegel auf das andere Sensorelement, bzw. auf den anderen Bereich des einstückigen Sensorbauteils gelenkt und dort auf dem Weg zum Detektor transmittiert, bzw. reflektiert wird.It is thereby provided that the light reflected or transmitted by one of the two sensor elements or by one of the two regions of the one-piece sensor component is directed to the other sensor element or to the other region of the one-piece sensor component by means of optical components such as a suitable mirror and there is transmitted on the way to the detector, or reflected.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Lichtquelle ein breitbandiges Emissionswellenspektrum aufweist. Da durch die Verwendung des geeigneten Sensormaterials sowohl zur Reflexion als auch zur Transmission des von dem Detektor nachweisbaren Lichts bereits eine ausreichende Monochromatisierung herbeigeführt wird, kann an Stelle einer monochromatischen oder möglichst schmalbandigen Lichtquelle nahe zu jede beliebige Lichtquelle verwendet werden, sofern zumindest ein Teil des emittierten Lichts dieser Lichtquelle von den Sensorelementen beeinflusst und von dem Detektor gemessen werden kann. So kann beispielsweise an Stelle eines aufwändigen Lasers eine handelübliche Glühlampe verwendet werden. Wäre bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kraftsensoren eine breitbandige Lichtquelle wie beispielsweise eine handelsübliche Glühlampe verwendet worden, so müsste durch einen geeigneten Filter das breitbandige Emissionsspektrum der Glühlampe auf einen möglichst monochromatischen Wellenlängenbereich begrenzt werden, was zu einem erheblichen und unerwünschten Intensitätsverlust bereits auf der Seite der Lichtquelle führen würde. Die Wahl der geeigneten Lichtquelle kann deshalb ohne Berücksichtigung des Emissionswellenlän- genspektrums der Lichtquelle anhand der vorgegebenen Anforderungen hinsichtlich der Intensität oder der Stabilität, bzw. der Lebensdauer der Lichtquelle angepasst und optimiert werden.It is preferably provided that the light source has a broadband emission wave spectrum. Since the use of the appropriate sensor material for both the reflection and the transmission of detectable by the detector light already a sufficient monochromatization can be used instead of a monochromatic or narrow band light source near any arbitrary light source, as long as at least a portion of the emitted light from that light source is affected by the sensor elements and can be measured by the detector. Thus, for example, instead of a complex laser, a commercially available incandescent lamp can be used. If a broadband light source such as a commercially available incandescent lamp had been used in the force sensors known from the prior art, the broadband emission spectrum of the incandescent lamp would have to be limited to a possible monochromatic wavelength range by means of a suitable filter, resulting in considerable and undesirable loss of intensity already on the Side of the light source. The choice of the suitable light source can therefore be adapted and optimized without taking into account the emission wavelength spectrum of the light source on the basis of the specified requirements with regard to the intensity or the stability or the service life of the light source.
In diesem Sinne geeignete Lichtquellen können Weißlichtlampen wie beispielsweise Glühlampen oder Gasentladungslampen sein. Es ist aber auch eine Verwendung von Laserlicht, Licht emittierenden Dioden (LEDs), organischen Lasern oder LEDs sowie LEDs mit einem durch Fluoreszenz geeignet veränderten Lichtemissionsspektrum denkbar und für entsprechende Anforderungen und Ausführungsformen vorteilhaft geeignet.In this sense, suitable light sources may be white light lamps such as incandescent or gas discharge lamps. However, it is also conceivable to use laser light, light-emitting diodes (LEDs), organic lasers or LEDs and LEDs with a light emission spectrum suitably changed by fluorescence and are advantageously suitable for corresponding requirements and embodiments.
Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass der Detektor Licht innerhalb eines breiten Wellenlängenbereichs nachweisen und integrierend auswerten kann. Während bei einem theoretisch idealen Sensormaterial im Wesentlichen nur eine einzige Wellenlänge reflektiert und alle anderen Wellenlängen transmittiert werden, wird bei den realen, in der Praxis herstellbaren Sensormaterialien oftmals eine Verteilung des reflektierten Lichts in Form eines breiten Peaks um eine Wellenlänge maximaler Reflexion, bzw. eine dazu komplementäre Verminderung der Transmissionseigenschaften im Bereich der Wellenlänge der maximalen Reflexion beobachtet. Diese Verbreiterung, bzw. Aufweichung der Reflexions- und Transmissionseigenschaften des Sensormaterials ist üblicherweise auf Fehler im regelmäßigen Aufbau desAccording to an advantageous embodiment of the inventive concept, it is provided that the detector can detect light within a broad wavelength range and evaluate it integrating. While in a theoretically ideal sensor material essentially only a single wavelength is reflected and all other wavelengths are transmitted, the distribution of the reflected light in the form of a broad peak is often around in the case of real, practically producible sensor materials Wavelength maximum reflection, or a complementary reduction of the transmission properties in the range of the wavelength of the maximum reflection observed. This broadening, or softening of the reflection and transmission properties of the sensor material is usually due to errors in the regular structure of the
Sensormaterials, auf Verunreinigungen oder auf die begrenzte Schichtdicke einhergehend mit einer endlichen Güte des Sensormaterials zurückzuführen. Auch kann eine nicht optimale Justierung und relative Ausrichtung der Sensorelemente zueinander, bzw. zur Lichtquelle und dem Detektor eine Verschiebung, bzw. Verbreiterung des reflektierten, bzw. transmittier- ten Wellenlängenbereichs bewirken. Die genannten Effekte führen üblicherweise dazu, dass in der Praxis keine vollständige Auslöschung des auf den Detektor auftreffenden Lichts beobachtet werden kann und anstelle einer einzigen auf den Detektor auftreffenden Wellenlänge Licht mit erheblicher Intensität in einem schmalen Wellenlängenbereich auf den Detektor einfällt. Um das Signal-Rausch-Verhältnis und damit die Zuverlässigkeit der Feststellung und ggf. quantitativen Auswertung einer einwirkenden Kraft zu verbessern, ist es zweckmäßig, einen Detektor zu verwenden, der das von dem Detektor erfasste Licht unabhängig von der Wellenlänge nachweisen und möglichst integrierend auswerten kann.Sensor material, due to impurities or on the limited layer thickness associated with a finite quality of the sensor material. Also, a non-optimal adjustment and relative alignment of the sensor elements to one another, or to the light source and the detector can cause a shift or broadening of the reflected or transmitted wavelength range. The above-mentioned effects usually result in the fact that in practice no complete extinction of the light incident on the detector can be observed, and instead of a single wavelength impinging on the detector, light of considerable intensity is incident on the detector in a narrow wavelength range. In order to improve the signal-to-noise ratio and thus the reliability of detection and possibly quantitative evaluation of an applied force, it is expedient to use a detector which can detect the light detected by the detector regardless of the wavelength and evaluate as integrating as possible ,
Geeignete Detektoren sind beispielsweise pin-Dioden, Schottky-Dioden, thermische Detektoren oder direkt auf das Sensormaterial aufgebrachte Detektoren beispielsweise bestehend aus organischen Halbleitern.Suitable detectors are, for example, pin diodes, Schottky diodes, thermal detectors or detectors applied directly to the sensor material, for example consisting of organic semiconductors.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass an dem kraftbeanspruchten Sensorelement eine zusätzliche Masse so befestigt ist, dass bei einer Beschleunigung des kraftbeanspruchten Sensorelements die daran befestigte zusätzliche Masse zu einer Krafteinwirkung auf das kraftbeanspruchte Sensorelement führt. Ein derartig ausgestalteterPreferably, it is provided that on the force-loaded sensor element, an additional mass is fixed so that when an acceleration of the force-loaded sensor element, the additional mass attached thereto leads to a force on the force-loaded sensor element. Such a designed
Kraftsensor lässt sich vorteilhaft als Beschleunigungssensor verwenden. Dabei bedeutet in diesem Zusammenhang kraftbeansprucht, dass die zusätzlich an dem Sensorelement befestigte Masse größer, vorzugsweise erheblich größer als die eigene Masse des Sensorelements ist. Wird der Kraftsensor einer Beschleunigung ausgesetzt, so übt die zusätzliche Masse aufgrund ihrer Trägheit eine Kraft auf das kraftbeanspruchte Sensorele- ment aus, die zur Bestimmung der Beschleunigung herangezogen werden kann. Kräftefrei bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das andere, kräftefrei gelagerte Sensorelement nicht mit der vorangehend genannten oder einer weiteren zusätzlichen Masse verbunden ist und die eigene Masse des Sensorelements aufgrund der Beschleunigung nur zu einer unwesentlichen, nicht nachweisbaren Verformung und damit Veränderung der Transmissionseigenschaften des kräftefrei gelagerten Sensormaterials führen kann. Die Unterschiede der Transmissionseigenschaften zwischen dem kraftbeanspruchten und dem kräftefrei gelagerten Sensormaterial sind demzufolge näherungsweise ausschließlich auf die zusätzliche Masse zurückzuführen und erlauben bei deren Kenntnis eine Bestimmung, bzw. Berechnung der zu messenden Beschleunigung.Force sensor can be used advantageously as an acceleration sensor. It means in this context kraftbeansprucht that the additionally attached to the sensor element mass greater, preferably considerably larger than the own mass of the sensor element. If the force sensor is exposed to an acceleration, the additional mass, due to its inertia, exerts a force on the force-loaded sensor element, which can be used to determine the acceleration. Force-free in this context means that the other, sensor element mounted without force is not connected to the above-mentioned or another additional mass and the own mass of the sensor element due to the acceleration only to an insignificant, undetectable deformation and thus change the transmission properties of the force-free Sensor material can lead. The differences in the transmission properties between the force-loaded and the force-free sensor material are therefore approximately exclusively due to the additional mass and allow their knowledge a determination or calculation of the acceleration to be measured.
Es ist natürlich ebenfalls möglich, das kraftbeanspruchte Sensorelement mit einer Angriffsfläche oder einem Hebel für eine angreifende Kraft auszugestalten, so dass externe angreifende Kräfte festgestellt werden können. Es ist ebenfalls denkbar, zumindest das kraftbeanspruchte Sensorelement als Folie auszugestalten und auf einer Oberfläche eines durch Kraft deformierten Körpers zu befestigen, so dass beispielsweise eine Biegung oder Stauchung des Körpers zu einer feststellbaren Krafteinwirkung auf das Sensorelement führen.Of course, it is also possible to design the force-loaded sensor element with an attack surface or a lever for an attacking force, so that external forces acting can be determined. It is also conceivable to design at least the force-loaded sensor element as a film and to fix it on a surface of a body deformed by force, so that, for example, a bending or compression of the body lead to a detectable force on the sensor element.
Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die beiden Sensorelement zueinander und/oder relativ zur Lichtquelle und zu dem Detektor justierbar angeordnet sind. Die beiden Sensorele- mente müssen erfahrungsgemäß nicht aufwändig ausgerichtet und fixiert werden, um eine ausrechende und zuverlässige Feststellung einer Krafteinwirkung zu ermöglichen. Oftmals genügt es, die beiden Sensorelement im Wesentlichen parallel zueinander auszurichten. Allerdings könnte durch eine im Anschluss an einen automatisierten Herstellungsprozess durchgeführte Justierung und auf den Einzelfall abgestimmte Ausrichtung der Sensorelemente für jeden einzelnen Kraftsensor eine weitgehend vollständige Auslöschung des von demAccording to an embodiment of the invention, it is provided that the two sensor elements are arranged to be adjustable relative to one another and / or relative to the light source and to the detector. Experience has shown that the two sensor elements do not have to be aligned and fixed in a complex manner, in order to enable an accurate and reliable determination of a force. Often it is enough, the two Align sensor element substantially parallel to each other. However, by an adjustment carried out following an automated production process and alignment of the sensor elements for each individual force sensor, a substantially complete extinction of the sensor could be achieved
Detektor nachweisbaren Lichts ohne Krafteinwirkung vorgegeben werden, was regelmäßig zu einem erheblich verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis während des Betriebs der Kraftsensors führt.Detectable light detector can be specified without force, which regularly leads to a significantly improved signal-to-noise ratio during operation of the force sensor.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:Embodiments of the inventive concept will be explained in more detail, which are illustrated in the drawing. It shows:
Fig. 1 in drei Diagrammen ein Reflexionsspektrum und ein Transmissionsspektrum jeweils eines kräftefrei gelagerten Sensorelements sowie die resultierende Intensitätsverteilung bei einer Kombination von Reflexion und Transmission,1 shows in three diagrams a reflection spectrum and a transmission spectrum of a force-free mounted sensor element and the resulting intensity distribution in a combination of reflection and transmission,
Fig. 2 in drei Diagrammen die durch eine Krafteinwirkung bewirkte Veränderung des Reflexionsspektrums sowie die sich daraus ergebende Intensitätsverteilung bei Kombination einer Transmission an einem kräftefrei gelagerten Sensorelement,2 shows in three diagrams the change in the reflection spectrum caused by a force as well as the resulting intensity distribution when a transmission is combined on a force-free mounted sensor element,
Fig. 3 schematisch dargestellt einen Kraftsensor mit zwei im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Sensorelementen,FIG. 3 schematically shows a force sensor with two sensor elements aligned essentially parallel to one another, FIG.
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines ähnlichen Kraftsensors wie in Fig. 3 gezeigt, wobei eine zu messende Kraft anstelle an dem reflektierenden Sensorelement an dem transmittierenden Sensorelement angreift,4 shows a schematic illustration of a similar force sensor as shown in FIG. 3, wherein a force to be measured acts on the transmitting sensor element instead of on the reflective sensor element,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines anderen Kraftsensors, bei welchem das zu messende Licht zuerst transmittiert und anschließend reflektiert wird, Fig. 6 eine schematische Darstellung eines wiederum anderen Kraftsensors, wobei abweichend zu dem in Fig. 5 gezeigten Aufbau des Kraftsensors die nachzuweisende Kraft an dem reflektierenden Sensorelement angreift,5 is a schematic representation of another force sensor in which the light to be measured is first transmitted and then reflected, 6 is a schematic representation of yet another force sensor, deviating from the construction of the force sensor shown in FIG. 5, the force to be detected acts on the reflective sensor element,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführung eines Kraftsensors, bei dem ein einstückiges Sensorbauteil in einen Bereich des kraftbeanspruchten Sensorelements und in einen Bereich des mit einer entgegengesetzt wirkenden Kraft beanspruchten Sensorelements unterteilt ist und7 shows a schematic illustration of another embodiment of a force sensor, in which an integral sensor component is subdivided into a region of the force-stressed sensor element and into a region of the sensor element subjected to an oppositely acting force, and
Fig. 8 eine schematische Darstellung des in Fig. 7 gezeigten Kraftsensors, wobei die Reihenfolge von Reflexion und Transmission des zu messenden Lichts an dem Sensorbauteil vertauscht wurde.8 shows a schematic representation of the force sensor shown in FIG. 7, wherein the sequence of reflection and transmission of the light to be measured at the sensor component has been interchanged.
In den Fig. 1 und 2 werden schematisch Reflexions-, bzw. Transmissionsspektren eines für den Nachweis einer Krafteinwirkung verwendeten Sensormaterials dargestellt. Die dargestellten Spektren zeigen dabei die charakteristischen Eigenschaften des Sensormaterials in einer abstrahierten Darstellung. Die unter realistischen Bedingungen gemessenen Spektren eines konkret verwendeten Sensormaterials, beispielsweise eines photonischen Kristalls gemäß EP 1 329 758 A1 oder eines Kern-Mantel- Materials gemäß WO 03/064988 A2 zeigen im Wesentlichen eine ähnliche wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung und weichen lediglich in weniger bedeutenden Einzelheiten davon ab. Die dargestellten Spektren können deshalb als stellvertretend für alle geeigneten Sensormaterialien angesehen werden, die im Folgenden als photonische Kristalle bezeichnet werden.FIGS. 1 and 2 schematically show reflection or transmission spectra of a sensor material used for the detection of a force effect. The illustrated spectra show the characteristic properties of the sensor material in an abstracted representation. The spectra measured under realistic conditions of a sensor material actually used, for example a photonic crystal according to EP 1 329 758 A1 or a core-shell material according to WO 03/064988 A2 essentially exhibit a similar wavelength-dependent intensity distribution and differ only in less significant details thereof , The illustrated spectra can therefore be considered as representative of all suitable sensor materials, which are referred to below as photonic crystals.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass die photonischen Kristalle durchaus plastische oder elastische Eigenschaften aufweisen können. Insbesondere hat sich in der Praxis gezeigt, dass die Herstellung photonischer Kristalle bei Verwendung von geeigneten elastomeren Kunststoffen zu Vorteilen bei der praktischen Anwendung führen kann. Geeignete Materialien und Herstellungsverfahren für photonische Kristalle werden beispielsweise in EP 1 329 758 A1 oder WO 03/064988 A2 beschrieben. Vorzugsweise weist der photonische Kristall dabei eine chemisch vernetzte Matrix auf.It should be noted that the photonic crystals may well have plastic or elastic properties. Especially In practice, it has been shown that the production of photonic crystals using suitable elastomeric plastics can lead to advantages in practical use. Suitable materials and production methods for photonic crystals are described, for example, in EP 1 329 758 A1 or WO 03/064988 A2. The photonic crystal preferably has a chemically crosslinked matrix.
In dem linken Diagramm in Fig. 1 ist das Reflexionsspektrum a) von im Wesentlichen weißem Licht an dem Sensormaterial dargestellt. Anstelle der theoretisch idealen Reflexion ausschließlich einer vorgegebenenIn the left-hand diagram in FIG. 1, the reflection spectrum a) of substantially white light is shown on the sensor material. Instead of the theoretically ideal reflection of only one given
Wellenlänge wird Licht mit der dargestellten Intensitätsverteilung um eine von dem Sensormaterial vorgegebene Reflexionswellenlänge λr reflektiert. Dabei wirkt auf das Sensormaterial keine Kraft ein. Das entsprechende Transmissionsspektrum b) ist zusätzlich in dem mittleren Diagramm dargestellt. Bei der Reflexionswellenlänge λr mit maximaler Reflexion einfallenden Lichts befindet sich dementsprechend ein Minimum des transmittierten Lichts. Wird das einfallende im Wesentlichen weiße Licht zuerst an einem kräftefreien Sensormaterial reflektiert und anschließend durch ein ebenfalls kräftefreies Sensormaterial transmittiert, so ergibt sich die in dem rechten Diagramm dargestellte resultierende Gesamtintensitäts- verteilung a+b), also im Wesentlichen eine nahezu vollständige Auslöschung des einfallenden Lichts.Wavelength is reflected light with the intensity distribution shown by a predetermined by the sensor material reflection wavelength λ r . There is no force on the sensor material. The corresponding transmission spectrum b) is additionally shown in the middle diagram. Accordingly, at the reflection wavelength λ r with the maximum reflection of incident light, there is a minimum of the transmitted light. If the incident substantially white light is first reflected on a force-free sensor material and then transmitted through a likewise force-free sensor material, the result is the resulting total intensity distribution a + b shown in the right-hand diagram, ie essentially an almost complete extinction of the incident light ,
In Fig. 2 wird in dem linken Diagramm schematisch dargestellt, wie durch eine durch das Sensormaterial einwirkende Kraft das Reflexionsspektrum a) sich zu dem Reflexionsspektrum a1) des kraftbeanspruchten Sensormaterials verändert. Die beispielsweise durch Druck- oder Zugbeanspruchung bewirkte Veränderung des Reflexionsspektrums a') kann näherungsweise durch eine Verschiebung der Reflexionswellenlänge λr- beschrieben werden. Das verschobene Reflexionsspektrum a') des kraftbeanspruchten Sensormaterials fällt nicht mehr mit dem Minimum des Transmissionsspektrums b) zusammen. Es ergibt sich eine resultierende Gesamtintensitätsverteilung a'+b), die ein deutliches Intensitätsmaximum aufweist. Die von einem kraftbeanspruchten Sensormaterial reflektierte und anschließend durch ein kräftefrei angeordnetes Sensormaterial trans- mittierte Lichtmenge lässt sich einfach und zuverlässig nachweisen. Zum Feststellen einer einwirkenden Kraft muss lediglich die bei Krafteinwirkung nachgewiesene Lichtmenge mit der bei vollständig kräftefrei gelagerten Sensorelementen geringen oder nicht nachweisbaren Lichtmenge verglichen werden. Auf diese Weise ist das Signal-Rausch-Verhältnis günstig.FIG. 2 shows diagrammatically in the left-hand diagram how, by means of a force acting through the sensor material, the reflection spectrum a) changes to the reflection spectrum a 1 ) of the force-stressed sensor material. The change in the reflection spectrum a ') caused, for example, by compressive or tensile stress can be approximately described by a shift of the reflection wavelength λ r -. The shifted reflection spectrum a ') of the force-stressed sensor material no longer coincides with the minimum of the transmission spectrum b). It results in a resulting Total intensity distribution a '+ b), which has a clear intensity maximum. The amount of light reflected by a force-loaded sensor material and subsequently transmitted by a sensor-free sensor material can be detected easily and reliably. To determine an acting force, only the amount of light detected by the action of force must be compared with the light quantity which is low or undetectable when the sensor elements are mounted completely free of forces. In this way, the signal-to-noise ratio is favorable.
In Fig. 3 wird schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Kraftsensor 1 mit einer Lichtquelle 2 und einem Detektor 3 sowie zwei im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Sensorelementen 4, 5 dargestellt. An dem Sensorelement 4 ist eine Masse 6 so befestigt, dass bei einer Beschleunigung des Kraftsensors 1 die daran befestigte zusätzliche Masse 6 zu einer nachweisbaren Krafteinwirkung auf das kraftbeanspruchte Sensorelement 4 führt. Die Wirkung der Beschleunigung auf die Sensorelement 4, 5 ist aufgrund der geringen Masse dieser Sensorelement 4, 5 vergleichsweise gering und kann für nahezu alle praktischen Anwendungen vollständig vernachlässigt werden.FIG. 3 diagrammatically shows an exemplary embodiment of a force sensor 1 with a light source 2 and a detector 3 and two sensor elements 4, 5 oriented substantially parallel to one another. A mass 6 is attached to the sensor element 4 in such a way that when the force sensor 1 is accelerated, the additional mass 6 attached thereto leads to a detectable force on the force-loaded sensor element 4. The effect of the acceleration on the sensor element 4, 5 is comparatively low due to the low mass of these sensor elements 4, 5 and can be completely neglected for almost all practical applications.
Diese Sensorelement 4, 5 sind relativ zur Lichtquelle 2 und dem Detektor 3 so angeordnet, dass ein von der Lichtquelle 2 emittierter Lichtstrahl zuerst an dem kraftbeanspruchten Sensorelement 4 reflektiert und anschließend durch das im Wesentlichen kräftefrei gelagerte Sensorelement 5 hindurch transmittiert wird, bevor er im Detektor 3 nachgewiesen werden kann.These sensor elements 4, 5 are arranged relative to the light source 2 and the detector 3 such that a light beam emitted by the light source 2 is first reflected on the force-stressed sensor element 4 and then transmitted through the substantially force-free mounted sensor element 5, before it in the detector 3 can be detected.
Durch in dieser schematischen Darstellung nicht gezeigte Blenden oder andere optische Komponenten kann der unerwünschte Einfluss von Streulicht oder anderen optischen Störungen weitestgehend vermieden werden. Ist die Masse 6 keiner Beschleunigung ausgesetzt, so wird von dem Sensorelement 4 lediglich Licht einer bestimmten Wellenlänge reflektiert, welches durch das Sensorelement 5 nicht transmittiert, sondern erneut reflektiert wird. Es kann deshalb ohne Beschleunigung kein Licht in den Detektor 3 gelangen.By not shown in this schematic representation screens or other optical components of unwanted influence of stray light or other optical interference can be largely avoided. If the mass 6 is not exposed to acceleration, then only light of a specific wavelength is reflected by the sensor element 4, which is not transmitted by the sensor element 5, but is reflected again. Therefore, no light can enter the detector 3 without acceleration.
Wirkt dagegen eine Beschleunigung auf die Masse 6 und bewirkt dadurch eine Kraftbeanspruchung des Sensorelements 4, so wird das Licht einer anderen Wellenlänge reflektiert und anschließend auf Grund der unter- schiedlichen Wellenlänge durch das Sensorelement 5 hindurch transmittiert und kann deshalb von dem Detektor 3 nachgewiesen werden.On the other hand, if an acceleration acts on the mass 6 and thereby causes a force stress on the sensor element 4, the light of a different wavelength is reflected and subsequently transmitted through the sensor element 5 due to the different wavelength and can therefore be detected by the detector 3.
Wird ein Detektor 3 mit einer ausreichenden Empfindlichkeit, bzw. gegebenenfalls mit einer spektralen Empfindlichkeit verwendet, so können neben dem Feststellen einer Krafteinwirkung auch quantitative Messungen der diese Krafteinwirkung verursachenden Beschleunigung durchgeführt werden.If a detector 3 with a sufficient sensitivity, or optionally with a spectral sensitivity is used, as well as the detection of a force and quantitative measurements of the force causing this acceleration can be performed.
Der in Fig. 4 dargestellte Aufbau des Kraftsensors 1 unterscheidet sich von dem in Fig. 3 dargestellten Aufbau lediglich dadurch, dass das kraftbeanspruchte Sensorelement 4 mit der daran befestigten Masse 6 mit dem kräftefrei gelagerten Sensorelement 5 vertauscht ist. Das von der Lichtquelle emittierte Licht wird deshalb zuerst von dem kräftefrei gelagerten Sensorelement 5 reflektiert und anschließend durch das kraftbeanspruchte Sensorelement 4 hindurch transmittiert, bevor es auf den Detektor 3 fällt.The structure of the force sensor 1 shown in FIG. 4 differs from the construction shown in FIG. 3 only in that the force-loaded sensor element 4 with the mass 6 attached thereto is interchanged with the force-free sensor element 5. The light emitted by the light source is therefore first reflected by the force-free sensor element 5 and then transmitted through the force-loaded sensor element 4 through before it falls on the detector 3.
Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiele des Kraftsensors 1 unterscheiden sich von den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Beispielen dadurch, dass das von der Lichtquelle 2 emittierte Licht zuerst an einem der beiden Sensorelemente 4, 5 transmittiert und anschließend an dem anderen der beiden Sensorelemente 4, 5 reflektiert wird, bevor es von dem Detektor 3 nachgewiesen werden kann. Welche konkrete Anordnung für die Lichtquelle 2, den Detektor 3 sowie die beiden Sensorelement 4, 5 gewählt wird, ist für den Messvorgang und die Feststellung einer Krafteinwirkung weitgehend ohne Bedeutung und kann in Abhängigkeit von den Anforderungen durch die vorgesehene Verwendung abhängig gemacht werden.The embodiments of the force sensor 1 shown in FIGS. 5 and 6 differ from the examples shown in FIGS. 3 and 4 in that the light emitted by the light source 2 is first transmitted to one of the two sensor elements 4, 5 and then to the another of the two sensor elements 4, 5 is reflected before it can be detected by the detector 3. Which specific arrangement is selected for the light source 2, the detector 3 and the two sensor elements 4, 5, for the measurement process and the determination of a force largely unimportant and can be made dependent on the requirements of the intended use dependent.
In den Fig. 7 und 8 werden zwei Ausführungen eines Kraftsensors 1 mit einem einstückig ausgeführten Sensorbauteil 7 schematisch gezeigt. Das Sensorbauteil 7 besteht aus einer elastischen Schicht aus geeignetem Sensormaterial. In einem mittleren Bereich des Sensorbauteils 7 ist eine Masse 6 befestigt. Bei einer Beschleunigung des Kraftsensors 1 , die nicht ausschließlich senkrecht zur Schichtebene des Sensorbauteils 7 gerichtet ist, wird auf Grund der Trägheit der Masse 6 eine Stauchung, bzw. eine Dehnung jeweils eines der beiden gegenüberliegenden Bereiche 8, 9 des Sensorbauteils 7 bewirkt. Diese Bereiche 8, 9 entsprechen dem kraftbeanspruchten Sensorelement 4 sowie dem mit einer entgegengesetzt wirkenden Kraft beanspruchten Sensorelement 5. Die Abmessungen der beiden Bereiche 8, 9 bzw. der beiden Sensorelemente 4, 5 werden durch die Festlegung eines Kraftangriffsbereichs 10, bzw. den Ort der Befestigung der Masse 6 an dem Sensorbauteil 7 vorgegeben.In FIGS. 7 and 8, two embodiments of a force sensor 1 with a sensor component 7 embodied in one piece are shown schematically. The sensor component 7 consists of an elastic layer of suitable sensor material. In a central region of the sensor component 7, a mass 6 is fixed. With an acceleration of the force sensor 1, which is not directed exclusively perpendicular to the layer plane of the sensor component 7, due to the inertia of the mass 6 a compression, or an expansion of one of the two opposite regions 8, 9 of the sensor component 7 is effected. These areas 8, 9 correspond to the force-loaded sensor element 4 and the claimed with an oppositely acting force sensor element 5. The dimensions of the two areas 8, 9 and the two sensor elements 4, 5 are determined by the definition of a force application region 10, or the location of Attachment of the mass 6 to the sensor component 7 predetermined.
In beiden Ausführungen des Kraftsensors 1 gemäß den Fig. 7 und 8 wird das von einer Lichtquelle 2, beispielsweise von einer Weißlicht-Glühlampe emittierte Licht an dem kraftbeanspruchten Sensorelement 4 reflektiert, bzw. transmittiert und über einen Spiegel 11 auf das mit einer entgegengesetzt wirkenden Kraft beanspruchte Sensorelement 5 reflektiert. Dort wird es transmittiert (Fig. 7), bzw. reflektiert (Fig. 8), bevor es anschließend im Detektor 3 nachgewiesen werden kann.In both embodiments of the force sensor 1 according to FIGS. 7 and 8, the light emitted by a light source 2, for example by a white light bulb, is reflected on the force-loaded sensor element 4, or transmitted via a mirror 11 to that with an oppositely acting force claimed sensor element 5 is reflected. There it is transmitted (FIG. 7) or reflected (FIG. 8) before it can subsequently be detected in the detector 3.
Bei einer Ausführung gemäß den Fig. 7 oder 8 wird durch das gleichzeitige Stauchen und Dehnen der jeweiligen Sensorelemente 4, 5 eine erheblich stärker nachweisbare Veränderung der Transmissions-, bzw. Reflektions- eigenschaften der Sensorelemente 4, 5 und damit bei gleicher Beschleunigung ein größeres Nachweissignal als mit den in den Fig. 1 bis Fig. 6 gezeigten Kraftsensoren 1 bewirkt. In an embodiment according to FIGS. 7 or 8, by the simultaneous compression and expansion of the respective sensor elements 4, 5 a considerable more detectable change in the transmission or reflection properties of the sensor elements 4, 5 and thus with the same acceleration causes a larger detection signal than with the force sensors 1 shown in FIGS. 1 to 6.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Kraftsensor zum Feststellen einer Krafteinwirkung mit einem kraftbeanspruchten Sensorelement aus einem Sensormaterial, dessen Transmissionseigenschaft sich in Abhängigkeit von der auf das Sensorelement einwirkenden Kraft verändert, mit einer Lichtquelle und mit einem lichtempfindlichen Detektor, wobei die Intensität des von der Lichtquelle emittierten und von dem kraftbeanspruchtenA force sensor for detecting a force with a force-loaded sensor element of a sensor material whose transmission property varies depending on the force acting on the sensor element, with a light source and with a light-sensitive detector, wherein the intensity of the emitted from the light source and of the force-stressed
Sensorelement reflektierten oder transmittierten Lichts an dem Detektor gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites kräftefrei gelagertes oder mit einer entgegengesetzt wirkenden Kraft beanspruchtes Sensorelement (5) aus einem Sensormaterial mit vergleichbaren Transmissionseigenschaften vorgesehen ist und dass die beiden Sensorelemente (4, 5) so angeordnet sind, dass das von der Lichtquelle (2) emittierte Licht auf dem Weg zum Detektor (3) von einem der beiden Sensorelemente (4, 5) reflektiert und von dem anderen Sensorelement (4, 5) transmitted wird.Sensor element reflected or transmitted light is measured at the detector, characterized in that a second force-free or claimed with an oppositely acting force sensor element (5) is provided from a sensor material with comparable transmission properties and that the two sensor elements (4, 5) arranged so in that the light emitted by the light source (2) is reflected on the way to the detector (3) by one of the two sensor elements (4, 5) and transmitted by the other sensor element (4, 5).
2. Kraftsensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass beide Sensorelemente (4, 5) aus einem identischen Sensormaterial bestehen.2. Force sensor according to claim 1, characterized in that both sensor elements (4, 5) consist of an identical sensor material.
3. Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht von dem kraftbeanspruchten Sensorelement (4) reflektiert und von dem zweiten kräftefrei gelagerten oder mit einer entgegengesetzt wirkenden Kraft beanspruchten Sensorelement (5) transmittiert wird.3. Force sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the light from the force-loaded sensor element (4) is reflected and transmitted from the second force-free or claimed with an oppositely acting force sensor element (5).
4. Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht von dem kraftbeanspruchten Sensorelement (4) transmittiert und von dem zweiten kräftefrei gelagerten oder mit einer entgegengesetzt wirkenden Kraft beanspruchten Sensorelement (5) reflektiert wird.4. Force sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the light from the force-loaded sensor element (4) transmits and is reflected by the second force-free or stressed with an oppositely acting force sensor element (5).
5. Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (4, 5) so angeordnet sind, dass das Licht auf dem Weg in den Detektor (3) zuerst reflektiert und anschließend transmittiert wird.5. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor elements (4, 5) are arranged so that the light on the way into the detector (3) is first reflected and then transmitted.
6. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (4, 5) so angeordnet sind, dass das Licht auf dem Weg in den Detektor (3) zuerst transmittiert und anschließend reflektiert wird.6. Force sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sensor elements (4, 5) are arranged so that the light on the way into the detector (3) first transmitted and then reflected.
7. Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (4, 5) voneinander getrennt angeordnet sind.7. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor elements (4, 5) are arranged separately from each other.
8. Kraftsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sensorelement (5) kräftefrei gelagert ist.8. Force sensor according to claim 7, characterized in that the second sensor element (5) is mounted without force.
9. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensorelemente (4, 5) als ein einstückiges Sensorbauteil (7) mit einem Kraftangriffsbereich (10) ausgeführt sind, wobei eine an dem Sensorbauteil (7) angreifende Kraft das Sensorbauteil (7) in einen Bereich (8) des kraftbeanspruchten Sensorelements (4) und einen Bereich (9) des mit einer entgegengesetzt wirkenden Kraft beanspruchten Sensorelements (5) unterteilt.9. Force sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the two sensor elements (4, 5) are designed as a one-piece sensor component (7) with a force application region (10), wherein a force acting on the sensor component (7) the force Sensor component (7) in a region (8) of the force-loaded sensor element (4) and a portion (9) of the loaded with an oppositely acting force sensor element (5) divided.
10. Kraftsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im10. Force sensor according to claim 9, characterized in that in
Kraftangriffsbereich (10) eine zusätzliche Masse (6) so befestigt ist, dass bei einer Beschleunigung des Sensorbauteils (7) die daran befestigte zusätzliche Masse (6) zu einer Krafteinwirkung auf das kraftbeanspruchte Sensorelement (4) und zu einer entgegengesetzt wirkenden Kraftbeanspruchung des Sensorelements (5) führt.Force application area (10) an additional mass (6) is fixed so that at an acceleration of the sensor component (7) the thereto attached additional mass (6) leads to a force on the force-loaded sensor element (4) and to an oppositely acting force stress of the sensor element (5).
11. Kraftsensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das von einem der beiden Sensorelemente (4, 5) reflektierte oder transmittierte Licht mittels optischer Komponenten (11) auf das andere Sensorelement (5, 4) gelenkt und dort auf dem Weg zum Detektor (3) transmitted, bzw. reflektiert wird.11. A force sensor according to claim 9 or 10, characterized in that the one of the two sensor elements (4, 5) reflected or transmitted light by means of optical components (11) directed to the other sensor element (5, 4) and there on the way to Detector (3) is transmitted or reflected.
12. Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) ein breitbandiges Emissionswellenlängenspektrum aufweist.12. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the light source (2) has a broadband emission wavelength spectrum.
13. Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (3) Licht innerhalb eines breiten Wellenlängenbereichs nachweisen und integrierend auswerten kann.13. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the detector (3) can detect light within a wide wavelength range and evaluate integrating.
14. Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem kraftbeanspruchten Sensorelement (4) eine zusätzliche Masse (6) so befestigt ist, dass bei einer Beschleunigung des kraftbeanspruchten Sensorelements (4) die daran befestigte zusätzliche Masse (6) zu einer Krafteinwirkung auf das kraftbeanspruchte Sensorelement (4) führt.14. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that on the force-loaded sensor element (4) an additional mass (6) is fixed so that at an acceleration of the force-loaded sensor element (4) attached thereto the additional mass (6) to a Force on the force-loaded sensor element (4) leads.
15. Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensorelemente (4, 5) zueinander und/oder relativ zur Lichtquelle (2) und zum Detektor (3) justierbar angeordnet sind. 15. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the two sensor elements (4, 5) to each other and / or relative to the light source (2) and the detector (3) are arranged adjustable.
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