WO2009062573A1 - Apparatus and method for the capacitive force measurement - Google Patents

Apparatus and method for the capacitive force measurement Download PDF

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WO2009062573A1
WO2009062573A1 PCT/EP2008/008582 EP2008008582W WO2009062573A1 WO 2009062573 A1 WO2009062573 A1 WO 2009062573A1 EP 2008008582 W EP2008008582 W EP 2008008582W WO 2009062573 A1 WO2009062573 A1 WO 2009062573A1
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WO
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capacitor
capacitance
force
sensor according
component
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/008582
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Heinz KÜCK
Daniel Benz
Volker Mayer
Karl-Peter Fritz
Original Assignee
Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
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 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. filed Critical Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
Publication of WO2009062573A1 publication Critical patent/WO2009062573A1/en

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors

Definitions

  • the present invention is concerned with the measurement of forces exerted on a component and in particular with how these forces can be determined cost-effectively and with high precision by means of a capacitive measuring method.
  • Force measuring sensors which measure forces acting on mechanical components are used, for example, in monitoring the structure of construction machines or, in general, in monitoring mechanical structures.
  • such forces may be deforming forces, such as deflections, and such forces may be measured in an equivalent manner, as deflection also results in a force acting tangentially on the flexed component.
  • strain gauges are used, for example, which are mechanically connected as rigidly as possible to the component to be monitored and in which the electrical resistance of the material forming the strain gauges changes depending on the strain state.
  • an electrical resistance is determined which is compatible with the tensile stress acting on the strain gauge. load varies.
  • strain gauges are problematic because they usually do not have high mechanical stability due to the required special material properties. Therefore, they require special care in handling and processing and during operation, as the strain gauges can be mechanically easily destroyed.
  • strain gauges are usually glued to the component to be monitored, the bond is subject to an aging process. The connection between the component and the DMS can therefore lead to a negative change in the sensor signal, for example due to drift and offset.
  • a force acting on a component is determined by measuring a variable capacitance, wherein a capacitor assembly is mechanically coupled to the component such that a change in length of the component causes a change in capacitance of the capacitor assembly.
  • the arrangement of the electrodes is designed, for example, such that virtually no drift of the electrode geometry arises due to any connections between the component and the electrodes.
  • the capacity is determined by means of an evaluation device, that is to say permanently measured, which can determine (calculate) the force acting on the component in the direction of force from a proven change in capacitance.
  • two capacitor arrays are mechanically rigidly coupled to the component such that they experience capacitive changes with different signs as the component changes in length. If a capacitor arrangement obtains a higher capacitance, then the second capacitor arrangement will show a lower capacitance. If a difference between the two capacitances is formed by the evaluation device during the determination of the force, any undesired environmental influences which change both capacitances equivalently can not falsify the measurement result, since these eliminate each other. This can, for example, prevent moisture fluctuations from affecting the measurement result.
  • FIG. Ia shows an embodiment of the present invention with 2 orthogonal capacitor arrangements
  • FIG. 1b shows an embodiment of the present invention with 2 orthogonal capacitor arrays
  • Fig. Ic shows another embodiment of the present invention with 2 orthogonal capacitor arrangements.
  • Fig. 2 is an equivalent circuit diagram of the arrangements of Figs. Ia and Ib;
  • Fig. 3 shows an embodiment of the present invention with 2 orthogonal capacitor arrangements
  • Fig. 5 shows an embodiment of the present invention with 2 orthogonal capacitor arrangements
  • Fig. 6 shows a further embodiment of the present invention with 2 capacitor arrangements
  • FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of that shown in FIG. 6
  • Fig. 8 shows a further embodiment of the present invention
  • Fig. 9 is an equivalent circuit diagram of the arrangement of Fig. 8.
  • FIG. 10 shows a further embodiment of the present invention with 2 capacitor arrangements.
  • FIGS. 1 a and 1 b show exemplary embodiments of the present invention, which differ in that, in FIG. 1 a, a surface of the component to be measured is shown mounted structure or the condenser assembly mounted there and the associated evaluation device in Fig. Ib in a cavity 16, that is arranged in a recess or bore in the component. Therefore, as far as the mode of operation of the individual components is concerned, first of all FIG. 1a is discussed, whereupon for FIG. 1b the differences to FIG. 1a are briefly illustrated.
  • FIG. 1a shows a capacitor arrangement which is arranged on a component 1 or mechanically rigidly coupled thereto. Shown are four capacitor surfaces 3a, 3b, 5a and 5b, as well as two fastening elements 2a and 2b, on each of which one of the capacitor defining capacitor surfaces 3a and 3b are attached.
  • the capacitor surfaces 3a and 3b are arranged in the simplest case in principle on opposite sides of a gap parallel to each other, so that a plate capacitor with the plate spacing d (4a) is formed by the two capacitor surfaces.
  • FIG. 1 a shows two optional further capacitor surfaces 5 a and 5 b which are arranged on a carrier 5 which positions these parallel to one another at a predetermined distance between the capacitor surfaces 3 a and 3 b.
  • the carrier 5 is in turn mounted on a support substrate 8 which is mounted on the surface of the component 1 such that changes in length of the component in a direction of force 12 do not transfer to the support substrate 8.
  • This can be achieved, for example, in that the support substrate 8 only in a single location is rigidly connected to the device 1, so that the carrier substrate can slide on the surface thereof.
  • a carrier 7, which holds the capacitor surfaces 7a and 7b mechanically, is also arranged on the support substrate 8, so that it also remains stationary (as well as carrier 5) when the component expands or contracts in the direction of force.
  • the fastening elements 2a and 2b are mechanically rigidly connected to the component 1, wherein the attachment points of the fastening elements 2a and 2b in the direction of force 12 have a predetermined distance 13 (1).
  • the predetermined distance 1 defines the effective length, that is to say the length to whose change the capacitor arrangement is sensitive.
  • a change in length of the distance 1 can be determined with the capacitor arrangement shown in FIG. 1a, as briefly described below. If a tensile force is exerted on the component 1 in the direction of force 12, this will stretch. Since the fastening elements 2a and 2b are mechanically rigidly connected to the component 1, the width of the gaps between the capacitor surfaces 3a and 5a or 3b and 5b is changed in a change in length of the distance 1 (13).
  • the capacity is measured by the evaluation device 9 and can thus be used to determine the change in length on the route 1 or the change in length ⁇ l of the route 13 (1) according to the above formula.
  • the evaluation device can determine the force acting on the body 1 force. This can be done, for example, on the basis of the following relationship:
  • the carrier 5 and the capacitor surfaces 5a and 5b attached to the carrier 5 can also be omitted.
  • the effective length 13 (1) in some embodiments is significantly greater than the distance between the measuring electrodes. This is due to the fact that an absolute change in length is determined by means of the capacitor arrangement. However, a fixed force causes, as the above formula can be seen, a relative change in length of the component 1. Therefore, in some embodiments, to achieve a precisely detectable absolute change in length, the attachment points of the fasteners have a certain, predetermined minimum distance 13 (1).
  • the capacitor surfaces 3c, 3d, 7a and 7b which are arranged perpendicularly to the direction of force 12, can contribute to further increasing the measurement accuracy of the arrangement discussed above, as will be briefly explained below. Due to the geometric arrangement, the partial capacitor arrangement between the capacitor surfaces 3c and 7a or 3d du 7b undergoes no change in the capacitance when the component 1 is stretched. By subtracting the measurement signals of both capacitor arrangements, however, a falsification of the measurement signal due to external influences, e.g. Humidity fluctuations, minimized, since the capacitance changes caused thereby act in the same direction on both sub-capacitor arrangements and are automatically compensated for in the subtraction. Thus, it can be ensured by the capacitor arrangement shown in FIG. 1a that the measurement signal remains largely free of external interference.
  • the capacitor surfaces 3a, 3b, 3c and 3d are formed by the carriers 2a and 2b themselves.
  • the surfaces of the fastening elements 2a and 2b facing the carriers 5 and 7 can be suitably processed (for example planarized), so that the carriers 2a and 2b themselves form the capacitor surfaces, provided that the carriers consist of electrically conductive material.
  • the capacitor surfaces 5a and 5b and the capacitor surfaces 7a and 7b are formed by the carrier 5 and 7, if they are made of conductive material.
  • FIG. 1a also shows an optional housing cover 10 which can serve to prevent the mechanical or electrical components of the force measuring sensor shown in FIG. nischer damage and negative environmental influences, such as humidity or harmful gases protect.
  • the housing may advantageously form an electrically shielding Faraday cage.
  • the direction of force 12 is not to be construed restrictively in such a way that only expansion forces, that is to say tensile and compressive forces, act in Direction 12 act, can be determined by means of the force sensor. Rather, if the component 1 is bent, for example in a direction perpendicular to the direction of force 12, the force sensor also detect this bend, since then also a change in length in the direction of force 12 on the component is caused. This is of course to be set approximately equal to a force acting tangentially on the bending radius when the component is mechanically bent or deformed. Such a constellation can also be monitored or measured with the embodiments of the invention discussed here.
  • FIG. 1b shows a further embodiment in which the capacitor arrangement which has just been discussed does not rest on a surface of the component, but rather in a cavity 16, ie. H. is arranged in a recess or bore within the component 1.
  • FIG. 1b shows an alternative construction of a force measuring sensor.
  • the sensor is constructed in a recessed cavity 16 of a structural mechanical element 1 (eg, a tensile bar).
  • a structural mechanical element 1 eg, a tensile bar
  • Fig. Ic shows a further embodiment of the invention Phys, which is based on the embodiments of Figures Ia and Ib, and is omitted in the carrier with the center electrodes.
  • the force on the component as well as in the preceding Be determined embodiments which can be dispensed with additional mechanical components. This has the advantage of even lower implementation complexity.
  • the determination of the elongation takes place via a differential capacitance arrangement with the capacitances C meSs un ⁇ d C ref , which are defined in the equivalent circuit diagram of FIG. 2.
  • two electrodes 3a and 3b are mounted on two carriers 2a and 2b on the side surfaces of the cavity, which ideally consist of the material of the structural mechanical element (of the component 1) and define a gap 4.
  • the size of the gap 4 is changed due to the force acting by the amount .DELTA.l.
  • the two carriers 2a and 2b may already consist of an electrically conductive material, and thus already contain the two electrodes 3a and 3b.
  • an electrode carrier or carrier 5 is positioned in the gap 4.
  • the electrode carrier 5 can be designed, for example, as a multilayer printed circuit board with two electrode surfaces 5a and 5b. Likewise, a thin slice of a conductive material can be used directly as the electrode carrier.
  • the carrier 2a there is a recess 6 with two further electrodes or capacitor surfaces 3c and 3d, between which a further electrode carrier 7 is attached to the electrode surfaces 7a and 7b parallel to the direction of action of the force, so that the capacitor surfaces 3c, 3d, 7a and 7b form the reference capacitance C ref .
  • the electrode carriers 5 and 7 are mounted on a support substrate 8 and fixed in the cavity 16.
  • the electrodes 3a and 3b form, with the electrodes 5a and 5b, the capacitance C meSs / which, for example, example, in the wiring according to Fig. 2, the following capacities result:
  • the evaluation of the differential capacitance between the measuring capacitance Cmess and the reference capacitance C re f is done by means of an electrical circuit 9, which converts the differential capacitance into an analog or digital signal and is also applied to the substrate 8.
  • the cavity 2 is closed by the cover 10.
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram or a circuit diagram of how the individual capacitor surfaces 3a to 7b can be connected in order to determine the capacitances within the evaluation device according to one of the above formulas and thus also a change in length or a force acting on the component shut down.
  • the measured capacitance C mess is the capacitance formed by the capacitor surfaces 3a, 3b, 5a and 5b
  • C ref is the capacitance formed by capacitor surfaces whose surface normal points perpendicular to the direction of the force
  • the terminology is not to be construed as limiting, as the notation is merely arbitrary.
  • the measuring capacitance as the first capacitance and the reference capacitance as the second capacitance, since in some embodiments of the invention the capacitance C ref is influenced by the action of force. kung also changes, as already described above.
  • the geometry is advantageously selected such that upon force, the first capacitance undergoes a change in one direction and the second capacitance undergoes a change in the opposite direction.
  • the terminology C re f is justified when, as in some embodiments of the invention, the second capacitor arrangement, ie the capacitor arrangement, which is formed from the capacitor surfaces 3 c, 7 a, 7 b and 3d, mechanically supported such or connected to the component 1 is that a change in length of the component causes no change in capacity.
  • the second capacitance arrangement does not make a direct contribution to the measurement signal, but only serves to reduce impressions impressed on the system since they generally affect both capacitor arrangements equally, so that the error can be corrected by subtracting the two measured capacitance values ,
  • the insulating pins 11 may be made of any suitable insulating material and moreover have any geometric shape, as far as they protrude so far beyond the capacitor surfaces in the direction of the surface normal of the capacitor surfaces that even taking into account a possible elasticity of the insulating pins an electrical short circuit opposite capacitor surfaces is reliably prevented.
  • the electrical pins 11 are not drawn to scale, which is required here for the sake of illustration, since in general the electrical pins 11 have a geometric extension which is so small that they are in the otherwise not visible in Fig. 3 case.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the present invention in plan view, in which at least the support 5, which carries the insulated electrodes or capacitor surfaces 5a and 5b, is almost completely surrounded by the electrodes 3a and 3b, so that also in one Direction perpendicular to the direction of force 12 capacitor surfaces on the support 5 and the fastening elements 2a and 2b are arranged, which contribute to an effective capacitance change.
  • the capacitance change is not caused by a change in the spacing, but rather by the effective areas A between the individual capacitor areas changing as the fasteners 2a and 2b are displaced relative to the carrier 5 in the direction of force 12, In the arrangement shown in Fig. 4, the capacitance changes are approximately linearly dependent on the strain in the direction of force 12.
  • Insulating pins 11, or spacer elements 11, which are arranged at the corners of the carrier 5, on the one hand can be used to prevent a short circuit. On the other hand, they can serve to fix their relative orientation during a relative movement between carrier 5 and fastening elements 2a and 2b, so that these spacer elements 11 can also be used as a guide for the mechanical components.
  • an electrically conductive material is therefore generally used which is electrically insulated from the respective carrier structures (the carriers 5 and 7 or the fastening elements 2a and 2b).
  • the carriers or fastening elements can either be formed completely from electrically insulating material, or an electrically insulating layer can be applied between the fastening elements or carriers and the capacitor surfaces held by them.
  • the carriers 5 or 7 or the holding structures 2 a and 2 b entirely of conductive material, so that the capacitance is formed directly by the carriers and holding structures, without it being necessary to apply the insulation for the capacitor surfaces to the Apply support structures or holders.
  • at least the support substrate 8 is made as an insulating material or as a printed circuit board, so that the evaluation device 9, when mounted on the support substrate 8, is galvanically isolated from the rest of the arrangement to minimize any interference on the evaluation circuit.
  • the capacitor assembly is completely surrounded by a housing shielding it from external controls to protect the assembly from mechanical and electrical interference.
  • the carrier 5 and the support substrate 8 holding the carrier 5 are not disposed on the surface of the component 1, but rather are fixed directly to the attachment members 2a and 2b.
  • the support substrate 8 is fixed by way of example by means of a screw 17 only on one of the fasteners (in the case shown here fastener 2b), while it is slidably mounted on the other fastener (2a) or not connected to it, so that a longitudinal extent in Force direction 12 can not be hindered by a rigid connection of the two fasteners 2a and 2b.
  • the evaluation device 9 is arranged on the support substrate 8, so that it can be carried out galvanically separated from the rest of the arrangement, especially if only the capacitor surfaces 5a, 5b, 7a and 7b directly to the electronic readout with the Evaluation device 9 are connected.
  • the arrangement of the supporting substrate 8 shown in FIG. 5 can minimize the susceptibility of the electric circuit to failure since stretching of the component 1 in this embodiment can not affect the supporting substrate 8, so that one mounted on the supporting substrate 8 Evaluation device 9 under no circumstances can experience the mechanical stress and the associated expansion or compression movements of the component 1.
  • this also applies to thermally induced tensions or expansions in the materials used.
  • a more accurate geometric positioning of the capacitor surfaces relative to each other can be achieved by this arrangement, so that expensive adjustment steps can be omitted during commissioning of the force sensor.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of the present invention, in which the capacitor arrangements, which consist of the electrodes 3a, 3b, 5a and 5b on the one hand and of the electrodes 3c, 3d, 7a and 7b on the other hand, are arranged parallel to one another, see FIG the surface normals of the capacitor surfaces forming the capacitor arrangement are parallel to the direction of the force.
  • the fastening elements 2a and 2b which are mechanically rigidly connected to the component 1 at the fastening points 14a and 14b move away from one another, since the effective length 1 between the fastening points 14a and 14b is also subjected to the expansion. Since the first capacitor surface 3a is attached to the fastening element 2b and the second capacitor surface 3b is fastened to the fastening element 2a, the capacitor surfaces also move away from each other, ie the gap dimensions di and d 2 increase, so that overall the capacitance of the first capacitor arrangement is reduced.
  • the capacitor face 3c is attached to the first attachment member 2a, and the capacitor face 3d is fixed to the second attachment member 2b, so that removal of the attachment members (a magnification of the length 1) causes the gap dimensions d 3 and d 4 to become smaller, so that So the capacity of the second capacitor arrangement increases.
  • the specially selected geometry of the fasteners 2a and 2b thus makes it possible to use parallel capacitance arrangements which undergo a differently directed capacitance change during the same movement.
  • first fastening element 2a and the second fastening element 2b in Fig. 6 are connected to each other by means of a bending hinge 18, which the positioning accuracy of the carrier (the fastening elements 2a and 2b) with the capacitor surfaces 3a, 3b, 3c and 3d increased relative to the electrode carriers (the carriers 5 and 7).
  • the fastening elements 2a and 2b can in particular be formed from a one-piece material, so that the decisive relative to the measurement accuracy relative positioning, or the distances 4a and 4b can be guaranteed with the highest precision.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the present invention in which the capacitors between the electrodes 3a-5a, 3b-5b on the one hand and the electrodes 3c-7a, 3d-7b on the other hand undergo an opposite change (differential capacitance).
  • Arrangement In the case of the first-mentioned pair of capacitors, as the structure-mechanical element (component 1) expands, the gap increases and thus the capacitance is reduced, while the second-mentioned pair reduces the gap and thus increases the capacitance.
  • the two carriers are made in one piece and the two halves via solid springs (bending hinges 18) positioned against each other. This increases the Positioning accuracy of the carrier with the electrodes 3a, 3b, 3c and 3d relative to the electrode carriers or the carriers 5 and 7.
  • Fig. 7 shows a possible wiring of the arrangement of Fig. 6, wherein between the electrodes 3a, 5a, 3b and 5b, a first capacitance Ci and between the electrodes 3c, 7a, 7b and 3d, a second capacitance C 2 is determined.
  • a galvanic separation of the evaluation device from the rest of the arrangement can be achieved.
  • the capacitor surfaces 3c, 3d, 3a or 3b directly to the evaluation device.
  • the evaluation device does not have to be arranged on the same substrate as the capacitor arrangement. Rather, this can also be mechanically and electrically separable connected to the capacitor arrangement.
  • the capacitor arrangement or one of the fastening elements 2a and 2b would provide suitable contacts, so that an external evaluation device can be electrically conductively connected to the capacitor arrangement in order to measure the capacitances to be determined.
  • FIG. 8 is a plan view and a sectional view of another embodiment of the present invention based on the embodiment shown in FIG. 6.
  • FIG. The sectional view shown in the right half is formed along a section line 15 to show the specific electrode arrangement of the embodiment shown in FIG.
  • the electrodes which are arranged on the carriers 5 and 7, divided into two electrically separate partial electrodes.
  • the capacitor surfaces 3a, 3b, 3c, and 3d may be used as floating center electrodes that need not be electrically contacted, as will become more apparent from the following consideration of FIG. 9. That is, in the case shown in FIG. 8, in an electrically advantageous manner of wiring the read-out or evaluation means 9, only part electrodes 5ai, 5a 2 , 5b ⁇ , 5b 2 , 7ai, 7a 2 , 7bi and 7b 2 must be connected to the evaluation device get connected.
  • Galvanic separation means, for example, that the evaluation device 9 is not electrically connected to the electrodes 3a, 3b, 3c and 3d, so it is not connected via an ohmic connection.
  • the electrode shape is selected such that the sub-electrodes on the individual carriers are each formed by rectangular, electrically mutually insulated regions of the same electrode surface.
  • FIG. 9 shows a circuit diagram of how the electrode arrangement of FIG. 8 can be electrically contacted, so that the galvanic isolation already mentioned above is achieved.
  • the evaluation device 9 which is located at the position of the capacitances Ci and C 2 ), which are arranged on the electrically insulated carriers 5 and 7.
  • a ground connection is required only for those capacitor surfaces mounted on the fasteners 2a and 2b. In particular, therefore, for These capacitor surfaces and the fastener itself can be used as a capacitor surface, if this is made of a conductive material.
  • the galvanic isolation of the read-out circuit or of the evaluation device 9 proposed by FIG. 8 in connection with the circuit of FIG. 9 causes an increased reliability of the system and a higher accuracy of measurement by suppression of possible electrical interferences, otherwise via the fastening elements 2a and 2b of FIG the component to be measured 1 could be impressed into the system.
  • the readout unit may be constructed and operated galvanically isolated with respect to the voltage supply (U v ) and signal monitoring (U 3 ) and / or connected to a suitable potential.
  • FIG. 10 shows a further embodiment of the invention in which the geometrical pitch of the part electrodes arranged on the carriers 5 and 7 differs from the arrangement shown in FIG. 8.
  • an inner Operakondensator vombe- rich (5ai and 7a 2) of an outer Operakondensatorflä- chen Scheme (7AI and 5a 2) is shown in Fig. 10 partially enclosed, whereas in the embodiment shown in Fig. 8 arrangement, the capacitor surfaces from two electrically isolated from each other, juxtaposed, rectangular partial capacitor surfaces are formed.
  • a change in length or expansion or compression of a component on the change in capacitance of a mechanically rigidly connected to the component capacitance arrangement is determined, so that with knowledge of the modulus of elasticity of the component to a force applied to the component can be closed or recalculated.
  • the exact nature of the attachment or the geometry of the fastening elements, which are the individual surfaces forming the capacitors of the capacitor arrangement or serve for their attachment, is irrelevant.
  • the component or the component to be controlled may itself define some of the capacitor surfaces. This may be advantageous in particular if the embodiment described with reference to FIGS. 8 to 10 is used with floating side electrodes, since these are then readily formed by a slot milled in the component to be monitored or introduced in some other way Cavity, a hole or the like) can be formed.
  • the evaluation device 9 does not have to be placed in the immediate vicinity of the capacitance arrangement, as is often the case in the preceding embodiments. Rather, this can also be performed as an external, electrically and mechanically separable from the capacitor assembly device. This has the advantage of considerably higher flexibility, but then the capacitor arrangement must have a contacting possibility by means of which the individual capacitor surfaces to be contacted for readout or evaluation of the capacitor arrangement can be electrically conductively connected to the evaluation device.
  • the force-measuring device can be attached to any component or within any component in an extremely flexible manner.
  • the component 1 metallic, d. H. So consists of conductive materials. Rather, any type of materials, such as ceramics, wood, glass or similar substrates can be monitored or observed with the force measuring devices according to the invention.
  • the inventive method for determining a force acting on a component in a direction of force can be implemented in hardware or in software.
  • the implementation can take place on a digital storage medium, in particular a diskette or CD with electronically readable control signals, which can cooperate with a programmable computer system such that the method according to the invention for determining a force acting on a component in a force action is carried out.
  • a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention, when the computer program product runs on a computer.
  • the invention can thus be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

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Abstract

In a force sensor for determining a force which acts on a component (1), a capacitor arrangement (3a, 3b) is mechanically coupled to the component (1) such that a change in the length of the component (1) effects a change in the capacitance of the capacitor arrangement (3a, 3b). An evaluation device (9) serves for determining the capacitance of the capacitor arrangement (3a, 3b) and for determining, on the basis of the determined capacitance, the force which acts on the component (1) in the force direction (12).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur kapazitiven Kraftmessung Device and method for capacitive force measurement
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Messung von Kräften, die auf ein Bauteil ausgeübt werden, und insbesondere damit, wie diese Kräfte mittels eines kapazitiven Messverfahrens kostengünstig und mit hoher Präzision bestimmt werden können.The present invention is concerned with the measurement of forces exerted on a component and in particular with how these forces can be determined cost-effectively and with high precision by means of a capacitive measuring method.
Kraftmesssensoren, die auf mechanische Bauteile einwirkende Kräfte messen, werden beispielsweise bei der Überwachung der Struktur von Baumaschinen bzw. allgemein bei der Überwachung mechanischer Strukturen eingesetzt. Bei einigen Wirkprinzipi.en wird dabei die Deformation des Bauelements selbst, die von der auf das Bauelement bzw. Bauteil einwirkenden Kraft hervorgerufen wird, bestimmt, um so auf die auf das Bauteil einwirkenden Kräfte zu schließen. Dabei können die Kräfte z. B. Dehnungs- oder Stauchungskräfte sein, also Kräfte, die eine Längenänderung am Bauteil hervorrufen. Darüber hinaus können solchermaßen bestimmte Kräfte Verformungskräfte, wie beispielsweise Durchbiegungen sein, wobei solche Kräfte auf äquivalente Art und Weise gemessen werden können, da eine Durchbiegung ebenfalls zu einer tangential an das durchgebogene Bauteil wirkenden Kraft führt.Force measuring sensors which measure forces acting on mechanical components are used, for example, in monitoring the structure of construction machines or, in general, in monitoring mechanical structures. In some Wirkprinzipi.en while the deformation of the device itself, which is caused by the force acting on the component or component force, determined so as to close the forces acting on the component. The forces z. B. strain or compression forces, ie forces that cause a change in length on the component. In addition, such forces may be deforming forces, such as deflections, and such forces may be measured in an equivalent manner, as deflection also results in a force acting tangentially on the flexed component.
Es werden also oft in-situ die auf die mechanische Struktur bzw. das Bauteil wirkenden Kräfte anhand von Deformationen des Bauteils selbst bestimmt.Thus, the forces acting on the mechanical structure or the component are often determined in-situ by means of deformations of the component itself.
Zur Messung derartiger Verformungen werden beispielsweise Dehnungsmessstreifen eingesetzt, die mechanisch möglichst starr mit dem zu überwachenden Bauteil verbunden werden und bei welchen sich je nach Dehnungszustand der elektrische Widerstand des den Dehnungsmessstreifen bildenden Materials verändert. Bestimmt wird also ein elektrischer Widerstand, der mit der auf dem Dehnungsmessstreifen wirkenden Zugbe- lastung variiert. Allerdings ist der Einsatz von Dehnungsmessstreifen deshalb problematisch, da diese aufgrund der geforderten speziellen Materialeigenschaften üblicherweise keine hohe mechanische Stabilität aufweisen. Daher erfor- dern sie in der Handhabung und der Verarbeitung und während des Betriebs besondere Sorgfalt, da die Dehnungsmessstreifen mechanisch leicht zerstört werden können. Ferner werden Dehnungsmessstreifen üblicherweise mit dem zu überwachenden Bauteil verklebt, wobei die Klebung einem Alterungsprozess unterliegt. Die Verbindung zwischen Bauteil und DMS kann daher zu einer negativen Veränderung des Sensorsignals, beispielsweise durch Drift und Offset, führen.To measure such deformations, strain gauges are used, for example, which are mechanically connected as rigidly as possible to the component to be monitored and in which the electrical resistance of the material forming the strain gauges changes depending on the strain state. Thus, an electrical resistance is determined which is compatible with the tensile stress acting on the strain gauge. load varies. However, the use of strain gauges is problematic because they usually do not have high mechanical stability due to the required special material properties. Therefore, they require special care in handling and processing and during operation, as the strain gauges can be mechanically easily destroyed. Furthermore, strain gauges are usually glued to the component to be monitored, the bond is subject to an aging process. The connection between the component and the DMS can therefore lead to a negative change in the sensor signal, for example due to drift and offset.
In Anbetracht der oben beschriebenen Probleme herkömmlicher Kraftmesssensoren besteht die Notwendigkeit, alternative Kraftmesssensoren bzw. Kraftmessverfahren zur Verfügung zu stellen, die robustere und/oder einfacher zu handhabende Komponenten aufweisen, ein besseres Langzeit- und Driftverhalten haben und dadurch wirtschaftlich erfolgreich einge- setzt werden können.In view of the above-described problems of conventional force measuring sensors, there is a need to provide alternative force measuring methods or force measuring methods that have more robust and / or easier-to-use components, better long-term and drift behavior and thus can be used economically successful.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird eine auf ein Bauteil einwirkende Kraft durch Messung einer veränderlichen Kapazität bestimmt, wobei eine Kondensatoranordnung mit dem Bauteil mechanisch derart gekoppelt ist, dass eine Längenänderung des Bauteils eine Änderung einer Kapazität der Kondensatoranordnung bewirkt. Dabei wird die Anordnung der Elektroden beispielsweise so gestaltet, dass praktisch keinerlei Drift der Elektrodenge- ometrie aufgrund etwaiger Verbindungen zwischen Bauteil und Elektroden entsteht. Die Kapazität wird mittels einer Auswertereinrichtung bestimmt, also permanent gemessen, welche aus einer nachgewiesenen Kapazitätsänderung die in Kraftrichtung auf das Bauteil wirkende Kraft bestimmen (berechnen) kann.In some embodiments of the present invention, a force acting on a component is determined by measuring a variable capacitance, wherein a capacitor assembly is mechanically coupled to the component such that a change in length of the component causes a change in capacitance of the capacitor assembly. In this case, the arrangement of the electrodes is designed, for example, such that virtually no drift of the electrode geometry arises due to any connections between the component and the electrodes. The capacity is determined by means of an evaluation device, that is to say permanently measured, which can determine (calculate) the force acting on the component in the direction of force from a proven change in capacitance.
Wie die nachfolgenden detailliert ausgeführten Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen werden, ist es durch Verwen- dung von Kondensatoren möglich, mittels einfacher geometrisch geeigneter Anordnung von Kondensatorflächen bzw. Kapazitäten, die mechanisch starr mit dem zu überwachenden Bauteil verbunden sind, zuverlässig und höchst präzise die auf das Bauteil einwirkende Kraft zu bestimmen.As the following detailed embodiments of the invention will show, it is by use of tion of capacitors possible, by means of simple geometrically suitable arrangement of capacitor surfaces or capacitances which are mechanically rigidly connected to the component to be monitored, to reliably and very precisely determine the force acting on the component force.
Bei einigen Ausführungsbeispielen werden zwei Kondensatoranordnungen mechanisch derart starr mit dem Bauteil gekoppelt, dass diese bei einer Längenänderung des Bauteils Kapazitätsänderungen mit unterschiedlichen Vorzeichen erfahren. Wenn eine Kondensatoranordnung eine höhere Kapazität erhält, wird also die zweite Kondensatoranordnung eine geringere Kapazität zeigen. Wird von der Auswertereinrichtung bei der Bestimmung der Kraft eine Differenz der beiden Kapazitäten gebildet, können etwaige unerwünschte Umgebungseinflüsse, die beide Kapazitäten äquivalent verändern, das Messergebnis nicht verfälschen, da sich diese gegenseitig eliminieren. Dies kann beispielsweise verhindern, dass Feuchteschwankungen das Messergebnis verfäl- sehen.In some embodiments, two capacitor arrays are mechanically rigidly coupled to the component such that they experience capacitive changes with different signs as the component changes in length. If a capacitor arrangement obtains a higher capacitance, then the second capacitor arrangement will show a lower capacitance. If a difference between the two capacitances is formed by the evaluation device during the determination of the force, any undesired environmental influences which change both capacitances equivalently can not falsify the measurement result, since these eliminate each other. This can, for example, prevent moisture fluctuations from affecting the measurement result.
Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird aufgrund des berührungslosen kapazitiven Wirkprinzips ein sehr einfacher Aufbau bestehend aus weni- gen Bauelementen ermöglicht. Ebenso ist der Aufbau als Differenzial-Kapazitätsanordnung gegenüber Alterungs- bzw. Materialermüdungsprozessen sehr unempfindlich. Weiterhin kann durch Verwendung geeigneter Materialien und Elektrodenanordnungen der thermische Einfluss auf das Messsignal sehr gering gehalten werden.In the embodiments of the invention described below, a very simple structure consisting of few components is made possible due to the non-contact capacitive active principle. Likewise, the structure of the differential capacitance arrangement is very insensitive to aging or material fatigue processes. Furthermore, by using suitable materials and electrode arrangements, the thermal influence on the measurement signal can be kept very low.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen, näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. Ia ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 2 orthogonalen Kondensatoranordnungen; Fig. Ib ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 2 orthogonalen Kondensatoranordnungen;Fig. Ia shows an embodiment of the present invention with 2 orthogonal capacitor arrangements; FIG. 1b shows an embodiment of the present invention with 2 orthogonal capacitor arrays; FIG.
Fig. Ic ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 2 orthogonalen Kondensatoranordnungen.Fig. Ic shows another embodiment of the present invention with 2 orthogonal capacitor arrangements.
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der Anordnungen der Figuren Ia und Ib;Fig. 2 is an equivalent circuit diagram of the arrangements of Figs. Ia and Ib;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 2 orthogonalen Kondensatoranordnungen;Fig. 3 shows an embodiment of the present invention with 2 orthogonal capacitor arrangements;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;4 shows a further embodiment of the present invention;
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 2 orthogonalen Kondensatoranordnungen;Fig. 5 shows an embodiment of the present invention with 2 orthogonal capacitor arrangements;
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 2 Kondensatoranordnungen;Fig. 6 shows a further embodiment of the present invention with 2 capacitor arrangements;
Fig. 7 ein Ersatzschaltbild der in Fig. 6 gezeigtenFIG. 7 is an equivalent circuit diagram of that shown in FIG. 6
Anordnung;Arrangement;
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegendenFig. 8 shows a further embodiment of the present invention
Erfindung mit 2 Kondensatoranordnungen;Invention with 2 capacitor arrangements;
Fig. 9 ein Ersatzschaltbild der Anordnung aus Fig. 8; undFig. 9 is an equivalent circuit diagram of the arrangement of Fig. 8; and
Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 2 Kondensatoranordnungen.10 shows a further embodiment of the present invention with 2 capacitor arrangements.
Die Fig. Ia und Ib zeigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die sich dadurch unterscheiden, dass der in Fig. Ia auf eine Oberfläche des zu messenden Bauteils angebrachte Aufbau bzw. die dort angebrachte Kondensatoranordnung und die dazu gehörige Auswerteeinrichtung in Fig. Ib in einer Kavität 16, also in einer Vertiefung oder Bohrung in dem Bauteil, angeordnet ist. Daher wird, was die Funktionsweise der einzelnen Komponenten anbelangt, zunächst Fig. Ia diskutiert, woraufhin für Fig. Ib lediglich kurz die Unterschiede zu Fig. Ia dargestellt werden.FIGS. 1 a and 1 b show exemplary embodiments of the present invention, which differ in that, in FIG. 1 a, a surface of the component to be measured is shown mounted structure or the condenser assembly mounted there and the associated evaluation device in Fig. Ib in a cavity 16, that is arranged in a recess or bore in the component. Therefore, as far as the mode of operation of the individual components is concerned, first of all FIG. 1a is discussed, whereupon for FIG. 1b the differences to FIG. 1a are briefly illustrated.
Generell gilt hier wie im übrigen Anmeldungstext, dass funktionsähnliche oder funktionsidentische Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und dass deren Beschreibung innerhalb der einzelnen Ausführungsbeispiele wechselseitig aufeinander anwendbar ist.In general, here as in the rest of the application text applies that functionally similar or functionally identical components are provided with the same reference numerals and that their description is mutually applicable to each other within the individual embodiments.
Fig. Ia zeigt eine Kondensatoranordnung, die auf einem Bauteil 1 angeordnet bzw. mechanisch starr mit diesem gekoppelt ist. Gezeigt sind vier Kondensatorflächen 3a, 3b, 5a und 5b, sowie zwei Befestigungselemente 2a und 2b, an denen jeweils eine der eine Kapazität definierenden Konden- satorflächen 3a und 3b angebracht sind.FIG. 1a shows a capacitor arrangement which is arranged on a component 1 or mechanically rigidly coupled thereto. Shown are four capacitor surfaces 3a, 3b, 5a and 5b, as well as two fastening elements 2a and 2b, on each of which one of the capacitor defining capacitor surfaces 3a and 3b are attached.
Die Kondensatorflächen 3a und 3b sind im einfachsten Fall prinzipiell an aufeinander gegenüberliegenden Seiten eines Spaltes parallel zueinander angeordnet, so dass durch die beiden Kondensatorflächen ein Plattenkondensator mit dem Plattenabstand d (4a) gebildet wird.The capacitor surfaces 3a and 3b are arranged in the simplest case in principle on opposite sides of a gap parallel to each other, so that a plate capacitor with the plate spacing d (4a) is formed by the two capacitor surfaces.
Ferner zeigt Fig. Ia zwei optionale weitere Kondensatorflächen 5a und 5b, die auf einem Träger 5 angeordnet sind, der diese parallel zueinander in vorbestimmtem Abstand zwischen den Kondensatorflächen 3a und 3b positioniert. Der Träger 5 ist wiederum auf einem Unterstützungssubstrat 8 angebracht, welches auf der Oberfläche des Bauteils 1 so befestigt ist, dass Längenänderungen des Bauteils in einer Kraftrichtung 12 sich nicht auf das Unterstützungssubstrat 8 übertragen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Unterstützungssubstrat 8 lediglich an einer einzigen Stelle starr mit dem Bauelement 1 verbunden ist, so dass das Trägersubstrat auf dessen Oberfläche gleiten kann.Furthermore, FIG. 1 a shows two optional further capacitor surfaces 5 a and 5 b which are arranged on a carrier 5 which positions these parallel to one another at a predetermined distance between the capacitor surfaces 3 a and 3 b. The carrier 5 is in turn mounted on a support substrate 8 which is mounted on the surface of the component 1 such that changes in length of the component in a direction of force 12 do not transfer to the support substrate 8. This can be achieved, for example, in that the support substrate 8 only in a single location is rigidly connected to the device 1, so that the carrier substrate can slide on the surface thereof.
Wie aus der Aufsicht und der Schnittansicht in Fig. Ia ferner ersichtlich ist, weist die Kondensatoranordnung inAs can also be seen from the plan view and the sectional view in FIG. 1 a, the capacitor arrangement in FIG
Fig. Ia ferner weitere optionale Kondensatorflächen 3c, 3d,1 a further further optional capacitor surfaces 3 c, 3 d,
7a und 7b auf, die in gleichem Maßstab die Anordnung der7a and 7b, on the same scale the arrangement of
Kondensatorflächen 3a, 3b, 5a und 5b wiederholt, wobei dieCondenser surfaces 3a, 3b, 5a and 5b repeated, the
Flächennormalen der betreffenden Kondensatorflächen senk- recht zur Kraftrichtung 12 ausgerichtet sind.Surface normals of the respective capacitor surfaces are aligned perpendicular to the direction of force 12.
Dabei ist ein Träger 7, der die Kondensatorflächen 7a und 7b mechanisch hält, ebenfalls auf dem Unterstützungssubstrat 8 angeordnet, so dass dieser ebenfalls ortsfest bleibt (wie auch Träger 5) , wenn sich das Bauteil in der Kraftrichtung ausdehnt oder zusammen zieht.In this case, a carrier 7, which holds the capacitor surfaces 7a and 7b mechanically, is also arranged on the support substrate 8, so that it also remains stationary (as well as carrier 5) when the component expands or contracts in the direction of force.
Die Befestigungselemente 2a und 2b sind mechanisch starr mit dem Bauteil 1 verbunden, wobei die Befestigungspunkte der Befestigungselemente 2a und 2b in Kraftrichtung 12 einen vorbestimmten Abstand 13 (1) aufweisen. Der vorbestimmte Abstand 1 definiert dabei die effektive Länge, also diejenige Länge, auf deren Änderung die Kondensatoranordnung sensitiv ist.The fastening elements 2a and 2b are mechanically rigidly connected to the component 1, wherein the attachment points of the fastening elements 2a and 2b in the direction of force 12 have a predetermined distance 13 (1). In this case, the predetermined distance 1 defines the effective length, that is to say the length to whose change the capacitor arrangement is sensitive.
Das heißt, eine Längenänderung der Strecke 1 kann mit der Kondensatoranordnung, die in Fig. Ia gezeigt ist, wie im Folgenden kurz beschrieben, bestimmt werden. Wird in Kraftrichtung 12 eine Zugkraft auf das Bauteil 1 ausgeübt, so wird sich dieses dehnen. Da die Befestigungselemente 2a und 2b mechanisch starr mit dem Bauteil 1 verbunden sind, wird bei einer Längenänderung der Strecke 1 (13) die Breite der Spalte zwischen den Kondensatorflächen 3a und 5a bzw. 3b und 5b verändert. Bei einer Dehnung, also bei Ausüben einer Zugkraft, werden die Spalten breiter, die Kapazität zwischen den Kondensatorflächen 3a, 5a und 3b und 5b wird also geringer, da diese durch folgende Formel gegeben ist: εoεrA εoεrA cmess = C1 + c2 =That is, a change in length of the distance 1 can be determined with the capacitor arrangement shown in FIG. 1a, as briefly described below. If a tensile force is exerted on the component 1 in the direction of force 12, this will stretch. Since the fastening elements 2a and 2b are mechanically rigidly connected to the component 1, the width of the gaps between the capacitor surfaces 3a and 5a or 3b and 5b is changed in a change in length of the distance 1 (13). During an expansion, ie when a tensile force is exerted, the gaps become wider, ie the capacitance between the capacitor surfaces 3a, 5a and 3b and 5b becomes smaller, since this is given by the following formula: ε o ε r A ε o ε r A c mess = C 1 + c 2 =
Cl1 d.Cl 1 d.
Cmess = C1 + C2 = ε°ε<Aά> + ε°ε'Ad* Cmess = C 1 + C 2 = ε ° ε <A +> + ε ° ε ' Ad *
1 2 Cl1Ci2 Cl1Ci2 1 2 Cl 1 Ci 2 Cl 1 Ci 2
Cmess (dχ + Cl2) .
Figure imgf000009_0001
C mess (dχ + Cl 2).
Figure imgf000009_0001
Die Kapazität wird von der Auswerteeinrάchtung 9 gemessen und kann somit dazu verwendet werden, die Längenänderung auf der Strecke 1 bzw. die Längenänderung Δl der Strecke 13 (1) gemäß obiger Formel zu bestimmen. Bei Kenntnis von Δl und der Länge 1, sowie des Elastizitätsmoduls des Bauteils 1 und dessen Querschnittsfläche A kann die Auswerteeinrichtung die auf den Körper 1 wirkende Kraft bestimmen. Dies kann beispielsweise anhand von folgender Beziehung erfol- gen:
Figure imgf000009_0002
The capacity is measured by the evaluation device 9 and can thus be used to determine the change in length on the route 1 or the change in length Δl of the route 13 (1) according to the above formula. With knowledge of Δl and the length 1, as well as the modulus of elasticity of the component 1 and its cross-sectional area A, the evaluation device can determine the force acting on the body 1 force. This can be done, for example, on the basis of the following relationship:
Figure imgf000009_0002
Prinzipiell können der Träger 5 und die an dem Träger 5 befestigten Kondensatorflächen 5a und 5b auch weggelassen werden. Die effektive Länge 13 (1) ist bei einigen Ausführungsbeispielen deutlich größer als der Abstand zwischen den Messelektroden. Dies rührt daher, dass mittels der Kondensatoranordnung eine absolute Längenänderung bestimmt wird. Eine feste Kraft bewirkt jedoch, wie obiger Formel zu entnehmen ist, eine relative Längenänderung des Bauteils 1. Daher können bei einigen Ausführungsbeispielen, um eine präzise nachweisbare absolute Längenänderung zu erzielen, die Befestigungspunkte der Befestigungselemente einen gewissen, vorbestimmten Mindestabstand 13 (1) aufweisen. -In principle, the carrier 5 and the capacitor surfaces 5a and 5b attached to the carrier 5 can also be omitted. The effective length 13 (1) in some embodiments is significantly greater than the distance between the measuring electrodes. This is due to the fact that an absolute change in length is determined by means of the capacitor arrangement. However, a fixed force causes, as the above formula can be seen, a relative change in length of the component 1. Therefore, in some embodiments, to achieve a precisely detectable absolute change in length, the attachment points of the fasteners have a certain, predetermined minimum distance 13 (1). -
Die senkrecht zur Kraftrichtung 12 angeordneten Kondensatorflächen 3c, 3d, 7a und 7b können, wie im Folgenden kurz dargelegt wird, dazu beitragen, die Messgenauigkeit der oben diskutierten Anordnung noch weiter zu erhöhen. Auf- grund der geometrischen Anordnung erfährt die Teilkondensatoranordnung zwischen den Kondensatorflächen 3c und 7a bzw. 3d du 7b keine Änderung der Kapazität, wenn das Bauteil 1 gedehnt wird. Durch eine Subtraktion der Messsignale beider Kondensatoranordnungen wird jedoch eine Verfälschung des Messsignals durch äußere Einflüsse, z.B. Feuchteschwankungen, minimiert, da die dadurch hervorgerufenen Kapazitätsänderungen auf beide Teilkondensatoranordnungen gleichsinnig wirken und bei der Subtraktion automatisch kompensiert werden. Somit kann durch die in Fig. Ia gezeigte Kondensa- toranordnung sichergestellt werden, dass das Messsignal größtenteils frei von externen Störeinflüssen bleibt.The capacitor surfaces 3c, 3d, 7a and 7b, which are arranged perpendicularly to the direction of force 12, can contribute to further increasing the measurement accuracy of the arrangement discussed above, as will be briefly explained below. Due to the geometric arrangement, the partial capacitor arrangement between the capacitor surfaces 3c and 7a or 3d du 7b undergoes no change in the capacitance when the component 1 is stretched. By subtracting the measurement signals of both capacitor arrangements, however, a falsification of the measurement signal due to external influences, e.g. Humidity fluctuations, minimized, since the capacitance changes caused thereby act in the same direction on both sub-capacitor arrangements and are automatically compensated for in the subtraction. Thus, it can be ensured by the capacitor arrangement shown in FIG. 1a that the measurement signal remains largely free of external interference.
Zu diesem Zweck ist es selbstverständlich erforderlich, auch die Teilkondensatoranordnung bestehend aus den Konden- satorflächen 3c, 7a, 7b und 3d mit der Auswerteeinrichtung zu verbinden, so dass diese die gegebenenfalls erforderliche Subtraktion vornehmen kann.For this purpose, it is of course also necessary to connect the partial capacitor arrangement consisting of the capacitor surfaces 3c, 7a, 7b and 3d to the evaluation device so that it can carry out the optionally required subtraction.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen werden die Kondensa- torflächen 3a, 3b, 3c und 3d durch die Träger 2a und 2b selbst gebildet. Dazu können die den Trägern 5 und 7 zugewandten Flächen der Befestigungselemente 2a und 2b geeignet bearbeitet (beispielsweise planarisiert) sein, sodass die Träger 2a und 2b selbst die Kondensatorflächen formen, sofern die Träger aus elektrisch leitfähigem Material bestehen. Ebenso werden in alternativen Ausführungsbeispielen die Kondensatorflächen 5a und 5b bzw. die Kondensatorflächen 7a und 7b durch die Träger 5 und 7 gebildet, wenn diese aus leitfähigem Material bestehen.In alternative embodiments, the capacitor surfaces 3a, 3b, 3c and 3d are formed by the carriers 2a and 2b themselves. For this, the surfaces of the fastening elements 2a and 2b facing the carriers 5 and 7 can be suitably processed (for example planarized), so that the carriers 2a and 2b themselves form the capacitor surfaces, provided that the carriers consist of electrically conductive material. Likewise, in alternative embodiments, the capacitor surfaces 5a and 5b and the capacitor surfaces 7a and 7b are formed by the carrier 5 and 7, if they are made of conductive material.
Fig. Ia zeigt ferner einen optionalen Gehäusedeckel 10, der dazu dienen kann, die mechanischen bzw. elektrischen Komponenten des in Fig. Ia gezeigten Kraftmesssensors vor mecha- nischer Beschädigung und negativen Umwelteinflüssen, wie z.B. Luftfeuchte oder Schadgase schützen. Weiterhin kann das Gehäuse vorteilhaft einen elektrisch abschirmenden Faraday' sehen Käfig bilden.1a also shows an optional housing cover 10 which can serve to prevent the mechanical or electrical components of the force measuring sensor shown in FIG. nischer damage and negative environmental influences, such as humidity or harmful gases protect. Furthermore, the housing may advantageously form an electrically shielding Faraday cage.
Bevor im Folgenden kurz Fig. Ib diskutiert wird, sei noch einmal darauf hingewiesen, dass die Kraftrichtung 12, wie sie in Fig. Ia angegeben ist, nicht einschränkend so auszulegen ist, dass nur Dehnungskräfte, also Zug- und Druck- kräfte, die in Richtung 12 wirken, mittels des Kraftsensors bestimmt werden können. Vielmehr kann, wenn das Bauteil 1 beispielsweise in einer Richtung senkrecht zur Kraftrichtung 12 verbogen wird, der Kraftsensor diese Biegung ebenfalls erfassen, da dann ebenfalls eine Längenänderung in Kraftrichtung 12 am Bauteil hervorgerufen wird. Dies ist selbstverständlich in etwa gleich zu setzen mit einer tangential am Biegeradius angreifenden Kraft, wenn das Bauteil mechanisch verbogen bzw. deformiert wird. Eine solche Konstellation kann mit den hier diskutierten Ausfüh- rungsbeispielen der Erfindung ebenfalls überwacht bzw. gemessen werden.Before discussing Fig. 1b briefly below, it should again be pointed out that the direction of force 12, as indicated in FIG. 1 a, is not to be construed restrictively in such a way that only expansion forces, that is to say tensile and compressive forces, act in Direction 12 act, can be determined by means of the force sensor. Rather, if the component 1 is bent, for example in a direction perpendicular to the direction of force 12, the force sensor also detect this bend, since then also a change in length in the direction of force 12 on the component is caused. This is of course to be set approximately equal to a force acting tangentially on the bending radius when the component is mechanically bent or deformed. Such a constellation can also be monitored or measured with the embodiments of the invention discussed here.
Fig. Ib zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem die Kondensatoranordnung, die eben diskutiert wurde, nicht auf einer Oberfläche des Bauteils, sondern vielmehr in einer Kavität 16, d. h. in einer Aussparung bzw. Bohrung innerhalb des Bauteils 1 angeordnet ist.FIG. 1b shows a further embodiment in which the capacitor arrangement which has just been discussed does not rest on a surface of the component, but rather in a cavity 16, ie. H. is arranged in a recess or bore within the component 1.
Mit anderen Worten zeigt Fig. Ib einen alternativen Aufbau eines Kraftmesssensors. Der Sensor wird in einer ausgesparten Kavität 16 eines strukturmechanischen Elements 1 (z. B. einem Zugstab) aufgebaut.In other words, FIG. 1b shows an alternative construction of a force measuring sensor. The sensor is constructed in a recessed cavity 16 of a structural mechanical element 1 (eg, a tensile bar).
Fig. Ic zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin- düng, das auf den Ausführungsbeispielen der Figuren Ia und Ib basiert, und bei dem auf die Träger mit den Mittelelektroden verzichtet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Kraft auf das Bauteil ebenso wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bestimmt werden, wobei auf zusätzliche mechanische Komponenten verzichtet werden kann. Dies hat den Vorteil der noch geringeren Implementierungskomple- xität.Fig. Ic shows a further embodiment of the invention düng, which is based on the embodiments of Figures Ia and Ib, and is omitted in the carrier with the center electrodes. In this embodiment, the force on the component as well as in the preceding Be determined embodiments, which can be dispensed with additional mechanical components. This has the advantage of even lower implementation complexity.
Aufgrund einer angreifenden Kraft F dehnt sich das Element mit der Länge 1, dem Querschnittsfläche A und dem E-Modul E um den BetragDue to an attacking force F, the element with the length 1, the cross-sectional area A and the modulus E expands by the amount
Al = —— , also ist FAl = -, so F
E-A 1E-A 1
Die Ermittlung der Dehnung erfolgt über eine Differential- Kapazitäts-Anordnung mit den Kapazitäten CmeSs un<d Cref, die in dem Ersatzschaltbild von Fig. 2 definiert sind. Hierfür sind an den Seitenflächen der Kavität zwei Elektroden 3a und 3b auf zwei Trägern 2a und 2b angebracht, welche Idealerweise aus dem Werkstoff des strukturmechanischen Elements (des Bauteils 1) bestehen und einen Spalt 4 definieren. Die Größe des Spalts 4 wird aufgrund der wirkenden Kraft um den Betrag Δl verändert. Weiterhin können die beiden Träger 2a und 2b bereits aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff bestehen, und somit die beiden Elektroden 3a und 3b bereits enthalten. In dem Spalt 4 ist ein Elektrodenträger bzw. Träger 5 positioniert. Der Elektrodenträger 5 kann bei- spielsweise als mehrlagige Leiterplatte mit zwei Elektrodenflächen 5a und 5b ausgeführt werden. Ebenso kann als Elektrodenträger direkt eine dünne Scheibe eines leitfähigen Werkstoffs verwendet werden. In dem Träger 2a befindet sich eine Aussparung 6 mit zwei weiteren Elektroden bzw. Kondensatorflächen 3c und 3d, zwischen welchen ein weiterer Elektrodenträger 7 mit den Elektrodenflächen 7a und 7b parallel zur Wirkrichtung der Kraft angebracht ist, sodass die Kondensatorflächen 3c, 3d, 7a und 7b die Referenzkapazität Cref bilden. Die Elektrodenträger 5 und 7 sind auf einem Unterstützungssubstrat 8 angebracht und in der Kavität 16 befestigt. Die Elektroden 3a und 3b bilden mit den Elektroden 5a und 5b die Kapazität CmeSs/ welche beispiels- weise bei der Beschaltung entsprechend Fig. 2 folgende Kapazitäten ergeben:The determination of the elongation takes place via a differential capacitance arrangement with the capacitances C meSs un < d C ref , which are defined in the equivalent circuit diagram of FIG. 2. For this purpose, two electrodes 3a and 3b are mounted on two carriers 2a and 2b on the side surfaces of the cavity, which ideally consist of the material of the structural mechanical element (of the component 1) and define a gap 4. The size of the gap 4 is changed due to the force acting by the amount .DELTA.l. Furthermore, the two carriers 2a and 2b may already consist of an electrically conductive material, and thus already contain the two electrodes 3a and 3b. In the gap 4, an electrode carrier or carrier 5 is positioned. The electrode carrier 5 can be designed, for example, as a multilayer printed circuit board with two electrode surfaces 5a and 5b. Likewise, a thin slice of a conductive material can be used directly as the electrode carrier. In the carrier 2a there is a recess 6 with two further electrodes or capacitor surfaces 3c and 3d, between which a further electrode carrier 7 is attached to the electrode surfaces 7a and 7b parallel to the direction of action of the force, so that the capacitor surfaces 3c, 3d, 7a and 7b form the reference capacitance C ref . The electrode carriers 5 and 7 are mounted on a support substrate 8 and fixed in the cavity 16. The electrodes 3a and 3b form, with the electrodes 5a and 5b, the capacitance C meSs / which, for example, example, in the wiring according to Fig. 2, the following capacities result:
r - r J- r — εoεr^ . εoεr^ dl d2r - r J - r - ε o ε r ^. ε o ε r ^ dl d 2
C = C + C _- ε0 °εr rAd2 2 + εoεrAdi dxd2 Q1CiC = C + C _- ε 0 ε r r ° Ad 2 2 + ε o ε r Ad i d x d 2 Q 1 Ci
Cmess = ~7~7~ (dl + d2 ) ' dld2 C mess = ~ 7 ~ 7 ~ ( d l + d 2) 'dl d 2
Die Auswertung der Differenzkapazität zwischen der Messkapazität Cmess und der Referenzkapazität Cref geschieht mittels einer elektrischen Schaltung 9, welche die Differenzkapazität in ein analoges oder digitales Signal wandelt und ebenfalls auf dem Substrat 8 aufgebracht ist. Die Kavität 2 wird durch den Deckel 10 geschlossen.The evaluation of the differential capacitance between the measuring capacitance Cmess and the reference capacitance C re f is done by means of an electrical circuit 9, which converts the differential capacitance into an analog or digital signal and is also applied to the substrate 8. The cavity 2 is closed by the cover 10.
Die Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild bzw. ein Schaltbild, wie die einzelnen Kondensatorflächen 3a bis 7b verschaltet werden können, um gemäß einer der obigen Formeln innerhalb der Auswerteeinrichtung die Kapazitäten zu bestimmen und somit auch eine Längenänderung bzw. eine auf das Bauteil einwirkende Kraft zu schließen.2 shows an equivalent circuit diagram or a circuit diagram of how the individual capacitor surfaces 3a to 7b can be connected in order to determine the capacitances within the evaluation device according to one of the above formulas and thus also a change in length or a force acting on the component shut down.
Im hier gezeigten Fall wird als Messkapazität Cmess diejeni- ge Kapazität bezeichnet, die von den Kondensatorflächen 3a, 3b, 5a und 5b gebildet wird, während als Cref diejenige Kapazität bezeichnet wird, die von Kondensatorflächen gebildet wird, deren Flächennormale senkrecht zur Kraftrichtung weist. Die Terminologie ist jedoch nicht als einschränkend auszulegen, da die Notation lediglich willkürlich ist. Allgemein könnte man auch die Messkapazität als erste Kapazität und die Referenzkapazität als zweite Kapazität definieren, da sich bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung die Kapazität Cref unter Krafteinwir- kung ebenfalls ändert, wie bereits oben beschrieben wurde. Insbesondere ist bei einigen Ausführungsbeispielen die Geometrie vorteilhaft so gewählt, dass bei einer Krafteinwirkung die erste Kapazität eine Änderung in der einen Richtung und die zweite Kapazität eine Änderung in der dazu entgegengesetzten Richtung erfährt. So kann durch Differenzbildung zum einen ein erhöhtes Messsignal erhalten werden, zum anderen können auch Störeinflüsse, die dem System von außen, beispielsweise durch Feuchte- und Tempe- raturänderungen, eingeprägt werden, durch die Differenzbildung herausreduziert werden.In the case shown here, the measured capacitance C mess is the capacitance formed by the capacitor surfaces 3a, 3b, 5a and 5b, while C ref is the capacitance formed by capacitor surfaces whose surface normal points perpendicular to the direction of the force , However, the terminology is not to be construed as limiting, as the notation is merely arbitrary. In general, one could also define the measuring capacitance as the first capacitance and the reference capacitance as the second capacitance, since in some embodiments of the invention the capacitance C ref is influenced by the action of force. kung also changes, as already described above. In particular, in some embodiments, the geometry is advantageously selected such that upon force, the first capacitance undergoes a change in one direction and the second capacitance undergoes a change in the opposite direction. Thus, by difference formation, on the one hand, an increased measurement signal can be obtained, on the other hand, interference influences which are impressed on the system from the outside, for example due to changes in humidity and temperature, can be reduced by subtraction.
Die Terminologie Cref rechtfertigt sich dann, wenn, wie bei einigen Äusführungsbeispielen der Erfindung, die zweite Kondensatoranordnung, d. h. die Kondensatoranordnung, die aus den Kondensatorflächen 3c, 7a, 7b und 3d gebildet wird, mechanisch derart gehaltert bzw. mit dem Bauteil 1 verbunden ist, dass eine Längenänderung des Bauteils keine Änderung der Kapazität bewirkt. In diesem Fall leistet die zweite Kapazitätsanordnung keinen direkten Beitrag zum Messsignal, sondern dient lediglich dazu, dem System eingeprägte Fehler zu reduzieren, da diese im Allgemeinen beide Kondensatoranordnungen gleichermaßen betreffen, so dass durch eine Subtraktion der beiden gemessenen Kapazitätswer- te der Fehler korrigiert werden kann.The terminology C re f is justified when, as in some embodiments of the invention, the second capacitor arrangement, ie the capacitor arrangement, which is formed from the capacitor surfaces 3 c, 7 a, 7 b and 3d, mechanically supported such or connected to the component 1 is that a change in length of the component causes no change in capacity. In this case, the second capacitance arrangement does not make a direct contribution to the measurement signal, but only serves to reduce impressions impressed on the system since they generally affect both capacitor arrangements equally, so that the error can be corrected by subtracting the two measured capacitance values ,
Wie dem Ersatzschaltbild von Fig. 2 zu entnehmen ist, kann es in der elektrischen Beschaltung zu Kurzschlüssen kommen, wenn im Fall von Überlast die jeweiligen Kondensatorflä- chen, die eine Kapazität bilden, mechanisch so weit ausgelenkt werden, dass diese in direkten elektrischen Kontakt miteinander geraten. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem dies verhindert wird, ist in Fig. 3 gezeigt. Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel basiert im Wesentlichen auf dem bereits in Fig. 1 erläuterten Ausführungsbeispiel, so dass auf eine erneute Beschreibung der bereits dort gezeigten Komponenten an dieser Stelle verzichtet wird. Zusätzlich ist in Fig. 3 die Elektrodenanordnung, also einige der Kondensatorflächen mit isolierenden Pins 11 ausgestattet, welche einen direkten elektrischen Kontakt der Elektroden 5a und 5b des Elektrodenträgers 5 mit den Elektroden 3a und/oder 3b verhindern. Selbiges gilt für die Elektroden bzw. Kondensatorflächen 7a und 7b äquivalent.As can be seen from the equivalent circuit diagram of FIG. 2, short circuits may occur in the electrical circuit if, in the case of overload, the respective capacitor surfaces which form a capacitance are mechanically deflected so far that they are in direct electrical contact with one another devices. An embodiment of the invention in which this is prevented is shown in FIG. The exemplary embodiment shown in FIG. 3 is based essentially on the exemplary embodiment already explained in FIG. 1, so that a renewed description of the components already shown there is dispensed with at this point. In addition, in Fig. 3, the electrode assembly, ie some of the capacitor surfaces are provided with insulating pins 11, which prevent direct electrical contact of the electrodes 5a and 5b of the electrode carrier 5 with the electrodes 3a and / or 3b. The same applies to the electrodes or capacitor surfaces 7a and 7b equivalent.
Die isolierenden Pins 11 können dabei aus jedem geeigneten isolierenden Material hergestellt sein und darüber hinaus jede beliebige geometrische Form aufweisen, soweit sie in Richtung der Flächennormale der Kondensatorflächen so weit über die Kondensatorflächen herausstehen, dass selbst unter Berücksichtigung einer eventuellen Elastizität der isolierenden Pins ein elektrischer Kurzschluss gegenüberliegender Kondensatorflächen zuverlässig verhindert wird. Insbesonde- re ist hier anzumerken, dass in den vorliegenden Figuren die elektrischen Pins 11 nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind, was aus Gründen der Darstellung hier erforderlich ist, da im Allgemeinen die elektrischen Pins 11 eine geometrische Ausdehnung haben, die so gering ist, dass sie im in Fig. 3 dargestellten Fall andernfalls nicht sichtbar wären.The insulating pins 11 may be made of any suitable insulating material and moreover have any geometric shape, as far as they protrude so far beyond the capacitor surfaces in the direction of the surface normal of the capacitor surfaces that even taking into account a possible elasticity of the insulating pins an electrical short circuit opposite capacitor surfaces is reliably prevented. In particular, it should be noted here that in the present figures, the electrical pins 11 are not drawn to scale, which is required here for the sake of illustration, since in general the electrical pins 11 have a geometric extension which is so small that they are in the otherwise not visible in Fig. 3 case.
Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Aufsicht, bei dem zumindest der Träger 5, der die isolierten Elektroden bzw. Kondensatorflächen 5a und 5b trägt, fast vollständig von den Elektroden 3a und 3b umgeben ist, so dass auch in einer Richtung senkrecht zur Kraftrichtung 12 Kondensatorflächen auf dem Träger 5 und den Befestigungselementen 2a und 2b angeordnet sind, die zu einer effektiven Kapazitätsänderung beitragen. Da für diese Teilflächen die Kapazitätsänderung jedoch nicht durch eine Änderung des Abstands bewirkt wird, sondern vielmehr dadurch, dass sich die effektiven Flächen A zwischen den einzelnen Kondensatorflächen ändern, wenn die Befestigungselemente 2a und 2b relativ zu dem Träger 5 in der Kraftrichtung 12 verschoben werden, hängt bei der in Fig. 4 gezeigten Anordnung die Kapazitätsänderungen näherungsweise linear von der Dehnung in Kraftrichtung 12 ab. Dies ist im Hinblick auf die Auswertung der gemessenen Kapazitätssignale und auf die Berechnung der auf das Bauteil 1 einwirkenden Kraft von Vorteil. Isolierende Pins 11, bzw. Distanzelemente 11, die an den Ecken des Trägers 5 angeordnet sind, können zum einen dazu verwendet werden, einen Kurzschluss zu verhindern. Zum anderen können sie dazu dienen, bei einer Relativbewegung zwischen Träger 5 und Befestigungselementen 2a und 2b deren relative Ausrichtung zu fixieren, so dass diese Distanzelemente 11 auch als Führung für die mechanischen Komponenten verwendet werden können.4 shows a further embodiment of the present invention in plan view, in which at least the support 5, which carries the insulated electrodes or capacitor surfaces 5a and 5b, is almost completely surrounded by the electrodes 3a and 3b, so that also in one Direction perpendicular to the direction of force 12 capacitor surfaces on the support 5 and the fastening elements 2a and 2b are arranged, which contribute to an effective capacitance change. However, since for these sub-areas the capacitance change is not caused by a change in the spacing, but rather by the effective areas A between the individual capacitor areas changing as the fasteners 2a and 2b are displaced relative to the carrier 5 in the direction of force 12, In the arrangement shown in Fig. 4, the capacitance changes are approximately linearly dependent on the strain in the direction of force 12. This is advantageous with regard to the evaluation of the measured capacitance signals and the calculation of the force acting on the component 1. Insulating pins 11, or spacer elements 11, which are arranged at the corners of the carrier 5, on the one hand can be used to prevent a short circuit. On the other hand, they can serve to fix their relative orientation during a relative movement between carrier 5 and fastening elements 2a and 2b, so that these spacer elements 11 can also be used as a guide for the mechanical components.
Allgemein gesprochen versteht es sich von selbst, dass für die Herstellung der in den Fig. 1 bis 4 bzw. in den nach- folgenden Figuren beschriebenen Kondensatoranordnungen geeignete Materialien zu verwenden sind. Zur Bildung der Kondensatorflächen wird daher im Allgemeinen ein elektrisch leitfähiges Material verwendet, das von den betreffenden Trägerstrukturen (den Trägern 5 und 7 bzw. den Befesti- gungselementen 2a und 2b) elektrisch isoliert ist. Zu diesem Zweck können die Träger bzw. Befestigungselemente entweder vollständig aus elektrisch isolierendem Material ausgebildet werden, oder es kann eine elektrisch isolierende Schicht zwischen die Befestigungselemente bzw. Träger und den von ihnen jeweils gehaltenen Kondensatorflächen angebracht werden.Generally speaking, it goes without saying that suitable materials are to be used for the production of the capacitor arrangements described in FIGS. 1 to 4 or in the following figures. For the formation of the capacitor surfaces, an electrically conductive material is therefore generally used which is electrically insulated from the respective carrier structures (the carriers 5 and 7 or the fastening elements 2a and 2b). For this purpose, the carriers or fastening elements can either be formed completely from electrically insulating material, or an electrically insulating layer can be applied between the fastening elements or carriers and the capacitor surfaces held by them.
Alternativ ist es auch möglich, die Träger 5 oder 7 bzw. die Haltestrukturen 2a und 2b vollständig aus leitendem Material herzustellen, so dass die Kapazität von den Trägern und Haltestrukturen direkt gebildet wird, ohne dass es erforderlich wäre, die Isolation für die Kondensatorflächen auf den Trägerstrukturen bzw. Haltern aufzubringen. Bei einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist zumindest das Unterstützungssubstrat 8 als isolierendes Material oder als Leiterplatte gefertigt, so dass die Auswerteeinrichtung 9, wenn diese auf dem Unterstützungssubstrat 8 angebracht ist, galvanisch vom Rest der Anordnung getrennt ist, um eventuelle Störeinflüsse auf die Auswerteschaltung zu minimieren.Alternatively, it is also possible to make the carriers 5 or 7 or the holding structures 2 a and 2 b entirely of conductive material, so that the capacitance is formed directly by the carriers and holding structures, without it being necessary to apply the insulation for the capacitor surfaces to the Apply support structures or holders. In some preferred embodiments, at least the support substrate 8 is made as an insulating material or as a printed circuit board, so that the evaluation device 9, when mounted on the support substrate 8, is galvanically isolated from the rest of the arrangement to minimize any interference on the evaluation circuit.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Kondensatoranord- nung vollständig von einem diese gegen externe Steuereinflüsse abschirmenden Gehäuse umgeben, um die Anordnung vor mechanischen und elektrischen Einflüssen zu schützen.In some embodiments, the capacitor assembly is completely surrounded by a housing shielding it from external controls to protect the assembly from mechanical and electrical interference.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorlie- genden Erfindung, bei dem der Träger 5 und das den Träger 5 haltende Unterstützungssubstrat 8 nicht auf der Oberfläche des Bauteils 1 angeordnet ist, sondern vielmehr direkt an den Befestigungselementen 2a und 2b befestigt ist. Dabei ist das Unterstützungssubstrat 8 beispielhaft mittels einer Schraube 17 lediglich auf einem der Befestigungselemente (im hier gezeigten Fall an Befestigungselement 2b) fixiert, während es auf dem anderen Befestigungselement (2a) gleitend gelagert oder gar nicht mit ihm verbunden ist, so dass eine Längenausdehnung in Kraftrichtung 12 nicht durch eine starre Verbindung der beiden Befestigungselemente 2a und 2b behindert werden kann. Auch im in Fig. 5 gezeigten Fall ist die Auswerteeinrichtung 9 auf dem Unterstützungssubstrat 8 angeordnet, so dass diese galvanisch vom Rest der Anordnung getrennt ausgeführt werden kann, insbesondere wenn zur elektronischen Auslese lediglich die Kondensatorflächen 5a, 5b, 7a und 7b direkt elektrisch mit der Auswerteeinrichtung 9 verbunden werden.5 shows another embodiment of the present invention in which the carrier 5 and the support substrate 8 holding the carrier 5 are not disposed on the surface of the component 1, but rather are fixed directly to the attachment members 2a and 2b. In this case, the support substrate 8 is fixed by way of example by means of a screw 17 only on one of the fasteners (in the case shown here fastener 2b), while it is slidably mounted on the other fastener (2a) or not connected to it, so that a longitudinal extent in Force direction 12 can not be hindered by a rigid connection of the two fasteners 2a and 2b. Also in the case shown in Fig. 5, the evaluation device 9 is arranged on the support substrate 8, so that it can be carried out galvanically separated from the rest of the arrangement, especially if only the capacitor surfaces 5a, 5b, 7a and 7b directly to the electronic readout with the Evaluation device 9 are connected.
Durch die in Fig. 5 gezeigte Anordnung des Unterstützungs- Substrats 8 kann darüber hinaus die Fehleranfälligkeit der elektrischen Schaltung minimiert werden, da eine Dehnung des Bauteils 1 in dieser Ausführungsform sich nicht auf das Unterstützungssubstrat 8 auswirken kann, so dass eine auf dem Unterstützungssubstrat 8 angebrachte Auswerteeinrich- tung 9 unter keinen Umständen die mechanische Belastung und die damit verbundenen Dehnungs- bzw. Stauchungsbewegungen des Bauteils 1 erfahren kann. Bei Verwendung einer thermischen Ausdehnung kaum unterworfenen Materials für das Unterstützungssubstrat 8 gilt dies auch für thermisch induzierte Verspannungen bzw. Ausdehnungen in den verwendeten Materialien. Ferner ist durch diese Anordnung eine genauere geometrische Positionierung der Kondensatorflächen relativ zueinander erreichbar, sodass aufwendige Justage- schritte bei der Inbetriebnahme des Kraftsensors unterbleiben können.Moreover, the arrangement of the supporting substrate 8 shown in FIG. 5 can minimize the susceptibility of the electric circuit to failure since stretching of the component 1 in this embodiment can not affect the supporting substrate 8, so that one mounted on the supporting substrate 8 Evaluation device 9 under no circumstances can experience the mechanical stress and the associated expansion or compression movements of the component 1. When using a thermal expansion of hardly subjected material for the Support substrate 8, this also applies to thermally induced tensions or expansions in the materials used. Furthermore, a more accurate geometric positioning of the capacitor surfaces relative to each other can be achieved by this arrangement, so that expensive adjustment steps can be omitted during commissioning of the force sensor.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorlie- genden Erfindung, bei der die Kondensatoranordnungen, die aus den Elektroden 3a, 3b, 5a und 5b einerseits und aus den Elektroden 3c, 3d, 7a und 7b andererseits bestehen, parallel zueinander angeordnet sind, so dass die Flächennormalen der die Kondensatoranordnung bildenden Kondensatorflächen parallel zur Kraftrichtung sind.6 shows a further exemplary embodiment of the present invention, in which the capacitor arrangements, which consist of the electrodes 3a, 3b, 5a and 5b on the one hand and of the electrodes 3c, 3d, 7a and 7b on the other hand, are arranged parallel to one another, see FIG the surface normals of the capacitor surfaces forming the capacitor arrangement are parallel to the direction of the force.
Aufgrund der geometrischen Ausführung der Befestigungselemente 2a und 2b wird jedoch erreicht, dass eine Längenänderung des Bauteils 1 in der ersten Kondensatoranordnung (bestehend aus den Kondensatorflächen 3a, 3b, 5a und 5b) eine Kapazitätsänderung hervorruft, die derjenigen in der zweiten Kondensatoranordnung (bestehend aus den Kondensatorflächen 3c, 3d, 7a und 7b) entgegengesetzt ist. Aufgrund der Geometrie der Befestigungselemente 2a und 2b ergibt sich beispielsweise, wenn in Kraftrichtung 12 eine Kraft auf das Bauteil 1 ausgeübt wird, so dass sich dieses in Kraftrichtung dehnt, folgende Kapazitätsänderung. Die an dem Befestigungspunkten 14a und 14b mit dem Bauteil 1 mechanisch starr verbundenen Befestigungselemente 2a und 2b entfernen sich voneinander, da auch die effektive Länge 1 zwischen den Befestigungspunkten 14a und 14b der Dehnung unterworfen ist. Da die erste Kondensatorfläche 3a am Befestigungselement 2b und die zweite Kondensatorfläche 3b am Befestigungselement 2a befestigt ist, entfernen sich auch die Kondensatorflächen voneinander, d. h. die Spaltmaße di und d2 werden größer, so dass sich insgesamt die Kapazität der ersten Kondensatoranordnung verringert. Die Kondensatorfläche 3c ist jedoch am ersten Befestigungselement 2a und die Kondensatorfläche 3d ist am zweiten Befestigungselement 2b befestigt, so dass eine Entfernung der Befestigungselemente (eine Vergrößerung der Länge 1) dazu führt, dass die Spaltmaße d3 und d4 geringer werden, so dass sich also die Kapazität der zweiten Kondensatoranordnung erhöht. Die speziell gewählte Geometrie der Befestigungselemente 2a und 2b ermöglicht es somit, parallele Kapazitätsanordnungen zu verwenden, die bei derselben Bewegung eine unterschiedlich gerichtete Kapazitätsänderung erfahren.Due to the geometric design of the fasteners 2a and 2b is achieved, however, that a change in length of the component 1 in the first capacitor arrangement (consisting of the capacitor surfaces 3a, 3b, 5a and 5b) causes a change in capacitance, that of the second capacitor arrangement (consisting of the Capacitor surfaces 3c, 3d, 7a and 7b) is opposite. Due to the geometry of the fastening elements 2a and 2b, for example, when a force is exerted on the component 1 in the direction of force 12, so that it expands in the direction of force, the following change in capacitance results. The fastening elements 2a and 2b which are mechanically rigidly connected to the component 1 at the fastening points 14a and 14b move away from one another, since the effective length 1 between the fastening points 14a and 14b is also subjected to the expansion. Since the first capacitor surface 3a is attached to the fastening element 2b and the second capacitor surface 3b is fastened to the fastening element 2a, the capacitor surfaces also move away from each other, ie the gap dimensions di and d 2 increase, so that overall the capacitance of the first capacitor arrangement is reduced. However, the capacitor face 3c is attached to the first attachment member 2a, and the capacitor face 3d is fixed to the second attachment member 2b, so that removal of the attachment members (a magnification of the length 1) causes the gap dimensions d 3 and d 4 to become smaller, so that So the capacity of the second capacitor arrangement increases. The specially selected geometry of the fasteners 2a and 2b thus makes it possible to use parallel capacitance arrangements which undergo a differently directed capacitance change during the same movement.
Abschließend bleibt noch zu bemerken, dass das erste Befestigungselement 2a und das zweite Befestigungselement 2b in Fig. 6 mittels eines Biegescharniers 18 miteinander verbunden sind, was die Positionierungsgenauigkeit der Träger (der Befestigungselemente 2a und 2b) mit den Kondensatorflächen 3a, 3b, 3c und 3d relativ zu den Elektrodenträgern (den Trägern 5 und 7) erhöht. Dabei können die Befesti- gungselemente 2a und 2b insbesondere aus einem einstückigen Material geformt werden, so dass die für die Messgenauigkeit entscheidende relative Positionierung, bzw. die Abstände 4a und 4b mit höchster Präzision garantiert werden können.Finally, it should be noted that the first fastening element 2a and the second fastening element 2b in Fig. 6 are connected to each other by means of a bending hinge 18, which the positioning accuracy of the carrier (the fastening elements 2a and 2b) with the capacitor surfaces 3a, 3b, 3c and 3d increased relative to the electrode carriers (the carriers 5 and 7). In this case, the fastening elements 2a and 2b can in particular be formed from a one-piece material, so that the decisive relative to the measurement accuracy relative positioning, or the distances 4a and 4b can be guaranteed with the highest precision.
Mit anderen Worten zeigt Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Kondensatoren zwischen den Elektroden 3a - 5a, 3b - 5b einerseits und den Elektroden 3c - 7a, 3d - 7b andererseits eine gegensinnige Ände- rung erfahren (Differenzial-Kapazitäts-Anordnung) . Beim erstgenannten Kondensatorpaar erfolgt bei Dehnung des strukturmechanischen Elements (des Bauteils 1) eine Vergrößerung des Spalts und damit eine Verkleinerung der Kapazität, beim zweitgenannten Paar erfolgt eine Verkleinerung des Spalts und damit eine Vergrößerung der Kapazität. Zusätzlich werden die beiden Träger aus einem Stück gefertigt und die beiden Hälften über Festkörperfedern (Biegescharniere 18) gegeneinander positioniert. Dies erhöht die Positionierungsgenauigkeit der Träger mit den Elektroden 3a, 3b, 3c und 3d relativ zu den Elektrodenträgern bzw. den Trägern 5 und 7.In other words, FIG. 6 shows an embodiment of the present invention in which the capacitors between the electrodes 3a-5a, 3b-5b on the one hand and the electrodes 3c-7a, 3d-7b on the other hand undergo an opposite change (differential capacitance). Arrangement). In the case of the first-mentioned pair of capacitors, as the structure-mechanical element (component 1) expands, the gap increases and thus the capacitance is reduced, while the second-mentioned pair reduces the gap and thus increases the capacitance. In addition, the two carriers are made in one piece and the two halves via solid springs (bending hinges 18) positioned against each other. This increases the Positioning accuracy of the carrier with the electrodes 3a, 3b, 3c and 3d relative to the electrode carriers or the carriers 5 and 7.
Fig. 7 zeigt eine mögliche Beschaltung der Anordnung von Fig. 6, bei der zwischen den Elektroden 3a, 5a, 3b und 5b eine erste Kapazität Ci und zwischen den Elektroden 3c, 7a, 7b und 3d eine zweite Kapazität C2 bestimmt wird. Hier kann durch die direkte Kontaktierung lediglich derjenigen Kon- densatorflächen, die auf den Trägern 5 und 7 angeordnet sind, bei geeigneter Positionierung der Auswerteeinrichtung 9 eine galvanische Trennung der Auswerteeinrichtung vom Rest der Anordnung erreicht werden.Fig. 7 shows a possible wiring of the arrangement of Fig. 6, wherein between the electrodes 3a, 5a, 3b and 5b, a first capacitance Ci and between the electrodes 3c, 7a, 7b and 3d, a second capacitance C 2 is determined. Here, by direct contacting only those capacitor surfaces which are arranged on the carriers 5 and 7, with suitable positioning of the evaluation device 9, a galvanic separation of the evaluation device from the rest of the arrangement can be achieved.
Alternativ ist es ebenso möglich, auch die Kondensatorflächen 3c, 3d, 3a oder 3b direkt mit der Auswerteeinrichtung zu verbinden. Ferner ist es selbstverständlich, dass die Auswerteeinrichtung nicht auf demselben Substrat angeordnet sein muss, wie die Kondensatoranordnung. Vielmehr kann diese auch mechanisch und elektrisch trennbar mit der Kondensatoranordnung verbunden sein. In diesem Fall würde die Kondensatoranordnung bzw. eines der Befestigungselemente 2a und 2b geeignete Kontakte bereitstellen, so dass eine externe Auswerteeinrichtung mit der Kondensatoranordnung elektrisch leitfähig verbunden werden kann, um die zu bestimmenden Kapazitäten zu messen.Alternatively, it is also possible to connect the capacitor surfaces 3c, 3d, 3a or 3b directly to the evaluation device. Furthermore, it goes without saying that the evaluation device does not have to be arranged on the same substrate as the capacitor arrangement. Rather, this can also be mechanically and electrically separable connected to the capacitor arrangement. In this case, the capacitor arrangement or one of the fastening elements 2a and 2b would provide suitable contacts, so that an external evaluation device can be electrically conductively connected to the capacitor arrangement in order to measure the capacitances to be determined.
Fig. 8 zeigt eine Aufsicht und eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, das auf dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel basiert. Die in der rechten Bildhälfte dargestellte Schnittansicht ist entlang einer Schnittlinie 15 gebildet, um die spezielle Elektrodenanordnung des in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiels zu zeigen.FIG. 8 is a plan view and a sectional view of another embodiment of the present invention based on the embodiment shown in FIG. 6. FIG. The sectional view shown in the right half is formed along a section line 15 to show the specific electrode arrangement of the embodiment shown in FIG.
In Fig. 8 sind die Elektroden, die auf den Trägern 5 und 7 angeordnet sind, in jeweils zwei elektrisch voneinander getrennte Teilelektroden aufgeteilt. Durch diese Aufteilung können die Kondensatorflächen 3a, 3b, 3c und 3d als floatende Mittelelektroden verwendet werden, die nicht elektrisch kontaktiert werden müssen, wie es aus der nachfolgenden Betrachtung von Fig. 9 noch deutlicher werden wird. Das heißt, im in Fig. 8 gezeigten Fall müssen bei einer elektrisch vorteilhaften Art der Beschaltung der Auslese- bzw. der Auswerteeinrichtung 9 lediglich Teilelektroden 5ai, 5a2, 5bχ, 5b2, 7ai, 7a2, 7bi und 7b2 mit der Auswerteeinrichtung verbunden werden. Dies hat den großen Vorteil, dass eine galvanische Trennung der Schaltung bzw. der Auswerteeinrichtung 9 erreicht werden kann, wenn diese auf einem isolierenden Unterstützungssubstrat 8 angebracht ist, auf dem sich, wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen eingehend diskutiert wurde, auch die Träger 5 und 7 der Elektroden 5ai, 5a2, 5bi, 5b2, 7ai, 7a2, 7bχ und 7b2 befinden. Galvanische Trennung bedeutet dabei beispielsweise, dass die Auswerteeinrichtung 9 nicht elektrisch leitend mit den Elektroden 3a, 3b, 3c und 3d verbunden ist, mit diesen also nicht über eine ohmsche Verbindung verbunden ist. Wie auch der Schnittansicht zu entnehmen ist, ist bei dem in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Elektrodenform so gewählt, dass die Teilelektroden auf den einzelnen Trägern jeweils durch rechteckige, elektrisch voneinander isolierte Bereiche gleicher Elektrodenfläche gebildet werden.In Fig. 8, the electrodes, which are arranged on the carriers 5 and 7, divided into two electrically separate partial electrodes. By this division For example, the capacitor surfaces 3a, 3b, 3c, and 3d may be used as floating center electrodes that need not be electrically contacted, as will become more apparent from the following consideration of FIG. 9. That is, in the case shown in FIG. 8, in an electrically advantageous manner of wiring the read-out or evaluation means 9, only part electrodes 5ai, 5a 2 , 5bχ, 5b 2 , 7ai, 7a 2 , 7bi and 7b 2 must be connected to the evaluation device get connected. This has the great advantage that a galvanic separation of the circuit or the evaluation device 9 can be achieved if it is mounted on an insulating support substrate 8, on which, as discussed in detail in the preceding embodiments, the carrier 5 and 7th the electrodes 5ai, 5a 2 , 5bi, 5b 2 , 7ai, 7a 2 , 7bχ and 7b 2 are located. Galvanic separation means, for example, that the evaluation device 9 is not electrically connected to the electrodes 3a, 3b, 3c and 3d, so it is not connected via an ohmic connection. As can also be seen from the sectional view, in the exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 8, the electrode shape is selected such that the sub-electrodes on the individual carriers are each formed by rectangular, electrically mutually insulated regions of the same electrode surface.
Fig. 9 zeigt ein Schaltbild, wie die Elektrodenanordnung der Fig. 8 elektrisch kontaktiert werden kann, so dass die galvanische Trennung, die oben bereits angesprochen wurde, erreicht wird. Wie der Ersatzschaltung in Fig. 9 zu entnehmen ist, sind lediglich diejenigen Elektroden mit der Auswerteeinrichtung 9 (die sich an der Position der Kapazitäten Ci und C2 befindet) verbunden, die auf den elektrisch isolierten Trägern 5 und 7 angeordnet sind. Dies sind die Kondensatorflächen 5aχ, 5a2, 5bi, 5b2, 7ai, 7a2, 7bχ und 7b2. Eine Masseverbindung ist lediglich für diejenigen Kondensatorflächen erforderlich, die auf den Befestigungselementen 2a und 2b angebracht sind. Insbesondere kann daher für diese Kondensatorflächen auch das Befestigungselement selbst als Kondensatorfläche verwendet werden, sofern dieses aus einem leitfähigen Material hergestellt ist. Die von Fig. 8 in Verbindung mit der Beschaltung von Fig. 9 vorgeschlagene galvanische Trennung der Ausleseschaltung bzw. der Auswerteeinrichtung 9 bewirkt eine erhöhte Zuverlässigkeit des Systems und eine höhere Messgenauigkeit durch Unterdrückung von möglichen elektrischen Störeinflüssen, die andernfalls über die Befestigungselement 2a und 2b von dem zu messenden Bauteil 1 in das System eingeprägt werden könnten.9 shows a circuit diagram of how the electrode arrangement of FIG. 8 can be electrically contacted, so that the galvanic isolation already mentioned above is achieved. As can be seen from the equivalent circuit in FIG. 9, only those electrodes are connected to the evaluation device 9 (which is located at the position of the capacitances Ci and C 2 ), which are arranged on the electrically insulated carriers 5 and 7. These are the capacitor surfaces 5aχ, 5a 2 , 5bi, 5b 2 , 7ai, 7a 2 , 7bχ and 7b second A ground connection is required only for those capacitor surfaces mounted on the fasteners 2a and 2b. In particular, therefore, for These capacitor surfaces and the fastener itself can be used as a capacitor surface, if this is made of a conductive material. The galvanic isolation of the read-out circuit or of the evaluation device 9 proposed by FIG. 8 in connection with the circuit of FIG. 9 causes an increased reliability of the system and a higher accuracy of measurement by suppression of possible electrical interferences, otherwise via the fastening elements 2a and 2b of FIG the component to be measured 1 could be impressed into the system.
Die einzelnen zu messenden Kapazitäten mit den floatenden Mittelelektroden ergeben sich bei einer Beschaltung, wie sie in Fig. 9 gezeigt ist, folgendermaßen aus den geometrischen Dimensionen der Kondensatoranordnungen:The individual capacitances to be measured with the floating center electrodes result in the case of a circuit, as shown in FIG. 9, from the geometric dimensions of the capacitor arrangements as follows:
C - ε A ■ (dι + dz) C - ε A ■ (dι + dz)
2 - dx und2 - d x and
C2 = ε0 • A (d3 + d4)C 2 = ε 0 • A (d 3 + d 4 )
2 • d3 • d4 2 • d 3 • d 4
Dafür kann es vorteilhaft sein, dass die Ausleseeinheit im Hinblick auf Spannungsversorgung (Uv) und Signalüberwachung (U3) galvanisch getrennt aufgebaut und betrieben wird und/oder mit einem geeigneten Potenzial verbunden ist.For this purpose, it may be advantageous for the readout unit to be constructed and operated galvanically isolated with respect to the voltage supply (U v ) and signal monitoring (U 3 ) and / or connected to a suitable potential.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem sich die geometrische Teilung der Teilelekt- roden, die auf den Trägern 5 und 7 angeordnet sind, von der in Fig. 8 gezeigten Anordnung unterscheidet. Insbesondere ist in der Fig. 10 ein innerer Teilkondensatorflächenbe- reich (5ai und 7a2) von einem äußeren Teilkondensatorflä- chenbereich (7ai und 5a2) teilweise umschlossen, wohingegen in der in Fig. 8 gezeigten Anordnung die Kondensatorflächen aus zwei elektrisch voneinander isolierten, nebeneinander angeordneten, rechteckigen Teilkondensatorflächen gebildet werden.FIG. 10 shows a further embodiment of the invention in which the geometrical pitch of the part electrodes arranged on the carriers 5 and 7 differs from the arrangement shown in FIG. 8. In particular, an inner Teilkondensatorflächenbe- rich (5ai and 7a 2) of an outer Teilkondensatorflä- chenbereich (7AI and 5a 2) is shown in Fig. 10 partially enclosed, whereas in the embodiment shown in Fig. 8 arrangement, the capacitor surfaces from two electrically isolated from each other, juxtaposed, rectangular partial capacitor surfaces are formed.
Wie es anhand der vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung eine Längenänderung bzw. Dehnung oder Stauchung eines Bauteils über die Änderung der Kapazität einer mechanisch starr mit dem Bauteil verbundenen Kapazitätsanordnung bestimmt, so dass bei Kenntnis des Elastizitätsmoduls des Bauteils auf eine auf das Bauteil einwirkende Kraft geschlossen bzw. rückgerechnet werden kann. Dabei ist die genaue Art der Befestigung bzw. die Geometrie der Befestigungselemente, die die einzelnen die Kapazitäten der Kondensatoranordnung bildenden Flächen sind oder zu deren Befestigung dienen, unerheblich.As has been described with reference to the above-described embodiments, in some embodiments of the invention, a change in length or expansion or compression of a component on the change in capacitance of a mechanically rigidly connected to the component capacitance arrangement is determined, so that with knowledge of the modulus of elasticity of the component to a force applied to the component can be closed or recalculated. In this case, the exact nature of the attachment or the geometry of the fastening elements, which are the individual surfaces forming the capacitors of the capacitor arrangement or serve for their attachment, is irrelevant.
Von Vorteil ist es, wenn eine differentielle Kapazitätsanordnung geschaffen wird, bei der sich Längenänderungen in zwei Kondensatoranordnungen in einer unterschiedlich gerichteten Kapazitätsänderung auswirken, so dass durch Vergrößerung des Messsignals die Messgenauigkeit erhöht werden kann (besseres SNR) . Darüber hinaus lassen sich bei zwei Kondensatoranordnungen durch Differenzbildung externe Störgrößen, die dem System eingeprägt wurden, größtenteils kompensieren.It is advantageous if a differential capacitance arrangement is created in which length changes in two capacitor arrangements affect a differently directed capacitance change, so that the measurement accuracy can be increased by increasing the measurement signal (better SNR). In addition, in two capacitor arrangements by subtraction external disturbances that have been impressed on the system, largely compensate.
Die genaue geometrische Form der Befestigungselemente ist für eine erfolgreiche Anwendung des erfindungsgemäßen Konzepts nicht ausschlaggebend. Vielmehr kann das Bauteil bzw. das zu kontrollierende Bauteil selbst einige der Kondensatorflächen definieren. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die anhand der Fig. 8 bis 10 beschriebene Ausgestaltung mit floatend betriebenen Seiten- elektroden verwendet wird, da diese dann ohne weiteres durch eine präzise in das zu überwachende Bauteil gefrästen oder in anderweitiger Art eingebrachten Schlitz (eine Kavität, eine Bohrung oder ähnliches) gebildet werden können.The exact geometric shape of the fasteners is not crucial for a successful application of the inventive concept. Rather, the component or the component to be controlled may itself define some of the capacitor surfaces. This may be advantageous in particular if the embodiment described with reference to FIGS. 8 to 10 is used with floating side electrodes, since these are then readily formed by a slot milled in the component to be monitored or introduced in some other way Cavity, a hole or the like) can be formed.
Auch muss die Auswerteeinrichtung 9 nicht in unmittelbarer Nähe der Kapazitätsanordnung platziert werden, wie diese bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen oftmals der Fall ist. Vielmehr kann diese auch als externes, elektrisch und mechanisch von der Kondensatoranordnung trennbares Gerät ausgeführt werden. Dies hat den Vorteil der erheblich höheren Flexibilität, jedoch muss dann die Kondensatoranordnung eine Kontaktierungsmöglichkeit aufweisen, mittels derer die einzelnen zur Auslese- bzw. zur Auswertung der Kondensatoranordnung zu kontaktierenden Kondensatorflächen elektrisch leitend mit der Auswerteeinrichtung verbunden werden können.Also, the evaluation device 9 does not have to be placed in the immediate vicinity of the capacitance arrangement, as is often the case in the preceding embodiments. Rather, this can also be performed as an external, electrically and mechanically separable from the capacitor assembly device. This has the advantage of considerably higher flexibility, but then the capacitor arrangement must have a contacting possibility by means of which the individual capacitor surfaces to be contacted for readout or evaluation of the capacitor arrangement can be electrically conductively connected to the evaluation device.
Letztlich bleibt noch zu bemerken, dass an das Bauteil 1, das mittels der Kraftmesseinrichtung überwacht werden soll, keine Anforderungen gestellt werden müssen, da die Kraft- messeinrichtung auf äußerst flexible Art und Weise an jedwedem Bauteil bzw. innerhalb eines jedweden Bauteils befestigt werden kann. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass das Bauteil 1 metallisch, d. h. also aus leitenden Materialien besteht. Vielmehr kann jede Art von Materi- alien, wie beispielsweise Keramiken, Holz, Glas oder ähnliche Substrate mit den erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtungen überwacht bzw. beobachtet werden.Finally, it remains to be noted that no requirements must be placed on the component 1 which is to be monitored by means of the force-measuring device, since the force-measuring device can be attached to any component or within any component in an extremely flexible manner. In particular, it is not necessary that the component 1 metallic, d. H. So consists of conductive materials. Rather, any type of materials, such as ceramics, wood, glass or similar substrates can be monitored or observed with the force measuring devices according to the invention.
Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer auf ein Bauteil in einer Kraftrichtung einwirkenden Kraft in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfol- gen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer auf ein Bauteil in einer Kraftwirkung einwirkenden Kraft ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft. Depending on the circumstances, the inventive method for determining a force acting on a component in a direction of force can be implemented in hardware or in software. The implementation can take place on a digital storage medium, in particular a diskette or CD with electronically readable control signals, which can cooperate with a programmable computer system such that the method according to the invention for determining a force acting on a component in a force action is carried out. Generally there is the Invention thus also in a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention, when the computer program product runs on a computer. In other words, the invention can thus be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kraftsensor zum Bestimmen einer auf ein Bauteil (1) in einer Kraftrichtung (12) wirkenden Kraft, mit folgen- den Merkmalen:1. Force sensor for determining a force acting on a component (1) in a force direction (12), with the following features:
einer Kondensatoranordnung (3a, 3b) mit zumindest einer ersten und einer zweiten Kondensatorfläche, die mechanisch starr über getrennte Befestigungselemente (2a, 2b) mit dem Bauteil (1) verbunden sind, wobei ein Abstand von Befestigungspunkten, an welchen die Befestigungselemente (2a, 2b) mit dem Bauteil (1) verbunden sind, in der Kraftrichtung (12) einen Abstand (13) aufweisen, der abhängig von der Kraft variiert und so- mit eine Änderung einer Kapazität der Kondensatoranordnung (3a, 3b) bewirkt; unda capacitor arrangement (3a, 3b) having at least a first and a second capacitor surface, which are mechanically rigidly connected to the component (1) via separate fastening elements (2a, 2b), wherein a distance from attachment points at which the fastening elements (2a, 2b ) are connected to the component (1), in the direction of force (12) have a distance (13) which varies depending on the force and thus causes a change in a capacitance of the capacitor arrangement (3a, 3b); and
einer Auswerteeinrichtung (9) zum Bestimmen der Kapazität der Kondensatoranordnung (3a, 3b) und um aus der bestimmten Kapazität die in Kraftrichtung (12) auf das Bauteil (1) wirkende Kraft zu bestimmen.an evaluation device (9) for determining the capacitance of the capacitor arrangement (3a, 3b) and for determining the force acting in the direction of force (12) on the component (1) from the determined capacitance.
2. Kraftsensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Kondensatoranordnung (3a, 3b) mit dem Bauteil (1) mechanisch der- art verbunden ist, dass eine Dehnung des Bauteils zu einer Verringerung der Kapazität führt.2. A force sensor according to claim 1, wherein the capacitor arrangement (3a, 3b) is mechanically connected to the component (1) in such a way that an elongation of the component leads to a reduction of the capacitance.
3. Kraftsensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der eine erste die Kapazität definierende Kondensatorfläche (3a) mit einer in Kraftrichtung (12) weisenden Flächennormale durch einen Spalt getrennt gegenüber einer zweiten, parallelen, die Kapazität definierenden Kondensatorfläche (3b) angeordnet ist.3. Force sensor according to claim 1 or 2, wherein a first capacitance defining the capacitor surface (3a) with a force direction (12) facing surface normal by a gap separated from a second, parallel capacitance defining capacitor surface (3b) is arranged.
4. Kraftsensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen der ersten (3a) und der zweiten (3b) Kondensatorfläche eine dritte (5a), mit der ersten Kondensatorfläche (3a) eine erste Teilkapazität bil- dende Kondensatorfläche, und eine vierte (5b) mit der zweiten Kondensatorfläche (3b) eine zweite Teilkapazität bildende Kondensatorfläche auf gegenüberliegenden Seiten eines Trägers (5) angeordnet sind.4. Force sensor according to one of the preceding claims, wherein between the first (3a) and the second (3b) capacitor surface a third (5a), with the first capacitor surface (3a) a first partial capacitance bil- dend capacitor surface, and a fourth (5b) with the second capacitor surface (3b) a second partial capacitance capacitor surface are arranged on opposite sides of a support (5).
5. Kraftsensor gemäß Anspruch 4, bei dem die dritte (5a) und die vierte (5b) Kondensatorfläche und ihr Träger auf einem Unterstützungssubstrat (8) derart angeordnet sind, dass durch eine Längenänderung des Bauteils (1) keine mechanische Kraft auf den den mechanischen Abstand zwischen dritter (5a) und vierter (5b) Kondensatorfläche bestimmenden Träger (5) ausgeübt wird.5. A force sensor according to claim 4, wherein the third (5a) and the fourth (5b) capacitor surface and its support on a support substrate (8) are arranged such that by a change in length of the component (1) no mechanical force on the mechanical distance between third (5a) and fourth (5b) capacitor surface determining carrier (5) is applied.
6. Kraftsensor gemäß Anspruch 5, bei dem das Unterstüt- zungssubstrat (8) lediglich mit dem Befestigungselement der ersten (3a) oder der zweiten Kondensatorfläche (3b), mechanisch starr verbunden ist.6. Force sensor according to claim 5, in which the support substrate (8) is mechanically rigidly connected only to the fastening element of the first (3a) or the second capacitor surface (3b).
7. Kraftsensor gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die dritte (5a) und die vierte (5b) Kondensatorfläche aus dem Material des Trägers gebildet sind.7. A force sensor according to any one of claims 4 to 6, wherein the third (5a) and the fourth (5b) capacitor surface are formed of the material of the carrier.
8. Kraftsensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auswerteeinrichtung (9) mit der ersten (3a) und der zweiten (3b) Kondensatorfläche elektrisch leitend verbunden ist, um die Kapazität der Kondensatoranordnung zu bestimmen.8. Force sensor according to one of the preceding claims, wherein the evaluation device (9) with the first (3a) and the second (3b) capacitor surface is electrically connected to determine the capacitance of the capacitor assembly.
9. Kraftsensor gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die Auswerteeinrichtung (9) mit der dritten (5a) und der vierten (5b) Kondensatorfläche elektrisch leitend verbunden ist, um die Kapazität der Kondensatoranordnung zu bestimmen.9. Force sensor according to one of claims 4 to 8, wherein the evaluation device (9) with the third (5a) and the fourth (5b) capacitor surface is electrically connected to determine the capacitance of the capacitor assembly.
10. Kraftsensor gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die dritte Kondensatorfläche (5a) aus zwei elektrisch voneinander isolierten Teilflächen (5ai, 5a2) und die vierte Kondensatorfläche (5b) aus zwei elektrisch voneinander isolierten Teilflächen (5bx, 5b2) besteht.10. A force sensor according to any one of claims 4 to 7, wherein the third capacitor surface (5a) of two electrically isolated from each other partial surfaces (5ai, 5a 2 ) and the fourth capacitor surface (5b) consists of two electrically isolated from each other partial surfaces (5b x , 5b 2 ).
11. Kraftsensor gemäß Anspruch 10, bei dem die voneinander isolierten Teilflächen (5ai, Oa2; 5bi, 5b2) elektrisch mit der Auswerteeinrichtung (9) verbunden sind, um die Kapazität der Kondensatoranordnung zu bestimmen, wobei die Auswerteeinrichtung von der ersten (3a) und der zweiten (3b) Kondensatorfläche galvanisch getrennt ist.11. A force sensor according to claim 10, wherein the mutually isolated partial areas (5ai, Oa 2 ; 5bi, 5b 2 ) are electrically connected to the evaluation device (9) to determine the capacitance of the capacitor arrangement, wherein the evaluation of the first (3a ) and the second (3b) capacitor surface is galvanically isolated.
12. Kraftsensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auswerteeinrichtung (9) ausgebildet ist, um auf eine Kraft auf das Bauteil (1) mit dem Elasti- zitätsmodul E, der Querschnittsfläche A bei einem vorbestimmten Abstand 1 (13) zwischen den Befestigungspunkten der Befestigungselemente 2a und 2b, welcher sich um Δl ändert, unter Ausnutzung der folgenden mathematischen Beziehung zu schließen:
Figure imgf000028_0001
12. A force sensor according to one of the preceding claims, wherein the evaluation device (9) is adapted to a force on the component (1) with the modulus of elasticity E, the cross-sectional area A at a predetermined distance 1 (13) between the attachment points of fasteners 2a and 2b, which changes by Δl, using the following mathematical relationship:
Figure imgf000028_0001
13. Kraftsensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auswerteeinrichtung (9) ausgebildet ist, eine Längenänderung für eine Kondensatoranordnung der Kapazität C mit Kondensatorflächen A unter Ausnutzung folgender Beziehung zu erhalten:13. Force sensor according to one of the preceding claims, wherein the evaluation device (9) is adapted to obtain a change in length for a capacitor arrangement of the capacitance C with capacitor surfaces A using the following relationship:
_ εoεRA_ ε o ε R A
CC
14. Kraftsensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der zusätzlich eine zweite Kondensatoranordnung (3c, 3d) aufweist, wobei die Auswerteeinrichtung (9) ausgebildet ist, die Kapazität der zweiten Kondensatoranordnung (3c, 3d) zu bestimmen.14. Force sensor according to one of the preceding claims, which additionally has a second capacitor arrangement (3c, 3d), wherein the evaluation device (9) is designed to determine the capacitance of the second capacitor arrangement (3c, 3d).
15. Kraftsensor gemäß Anspruch 14, bei dem die zweite Kondensatoranordnung (3c, 3d) eine fünfte die Kapazität definierende Kondensatorfläche (3c) und eine sechste die Kapazität definierende Kondensatorfläche (3d) aufweist, welche durch einen Spalt getrennt ge- genüber der fünften (3c) Kondensatorfläche parallel zu dieser angeordnet ist.15. The force sensor according to claim 14, wherein the second capacitor arrangement (3c, 3d) has a fifth capacitance defining capacitor area (3c) and a sixth capacitance defining capacitor area (3d) which is separated by a gap from the fifth (3c ) Capacitor surface is arranged parallel to this.
16. Kraftsensor gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem die zweite Kondensatoranordnung (3c, 3d) mit dem Bauteil (1) mechanisch derart gekoppelt ist, dass eine Längenänderung des Bauteils (1) keine Änderung der Kapazität der zweiten Kondensatoranordnung (3c, 3d) bewirkt.16. A force sensor according to claim 14 or 15, wherein the second capacitor arrangement (3c, 3d) is mechanically coupled to the component (1) such that a change in length of the component (1) does not change the capacitance of the second capacitor arrangement (3c, 3d) causes.
17. Kraftsensor gemäß Anspruch 16, bei dem eine Flächen- normale der fünften (3c) und der sechsten (3d) Kondensatorfläche senkrecht zur Kraftrichtung ist.17. A force sensor according to claim 16, wherein an area normal of the fifth (3c) and the sixth (3d) capacitor surface is perpendicular to the direction of force.
18. Kraftsensor gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem die zweite Kondensatoranordnung (3c, 3d) mit dem Bauteil (1) mechanisch derart gekoppelt ist, dass eine Längenänderung des Bauteils (1) eine Änderung der Kapazität der zweiten Kondensatoranordnung (3c, 3d) bewirkt, die der Änderung der Kapazität der ersten Kondensatoranordnung (3a, 3b) entgegengesetzt ist.18. Force sensor according to claim 14 or 15, in which the second capacitor arrangement (3c, 3d) is mechanically coupled to the component (1) such that a change in length of the component (1) changes the capacitance of the second capacitor arrangement (3c, 3d) causes the change of the capacitance of the first capacitor arrangement (3a, 3b) is opposite.
19. Kraftsensor gemäß Anspruch 18, bei dem eine Flächennormale der fünften (3c) und der sechsten (3d) Kondensatorfläche parallel zur Kraftrichtung ist.19. A force sensor according to claim 18, wherein a surface normal of the fifth (3c) and the sixth (3d) capacitor surface is parallel to the direction of the force.
20. Kraftsensor gemäß Anspruch 19, bei dem die erste (3a, 3b) und die zweite (3c, 3d) Kondensatoranordnung gemeinsam über gemeinsame Befestigungselemente (2a, 2b) mit dem Bauteil (1) verbunden sind. 20. A force sensor according to claim 19, wherein the first (3a, 3b) and the second (3c, 3d) capacitor assembly are connected together via common fastening elements (2a, 2b) with the component (1).
21. Kraftsensor gemäß einem der Ansprüche 15 bis 20, bei dem zwischen der fünften (3c) und der sechsten (3d) Kondensatorfläche eine siebte (7a) , mit der ersten Kondensatorfläche (3c) eine erste Teilkapazität bildende Kondensatorfläche, und eine achte (7b) , mit der zweiten Kondensatorfläche (3d) eine zweite Teilkapazität bildende Kondensatorfläche auf gegenüberliegenden Seiten eines weiteren Trägers (7) angeordnet sind.21. A force sensor according to any one of claims 15 to 20, wherein between the fifth (3c) and the sixth (3d) capacitor surface, a seventh (7a), with the first capacitor surface (3c) forming a first partial capacitance capacitor surface, and an eighth (7b ), with the second capacitor surface (3d) a second partial capacitance capacitor surface are arranged on opposite sides of another carrier (7).
22. Kraftsensor gemäß Anspruch 21, bei dem die siebte (7a) und die achte (7b) Kondensatorfläche aus dem Material des weiteren Trägers (7) gebildet sind.22. The force sensor according to claim 21, wherein the seventh (7a) and the eighth (7b) capacitor surface are formed from the material of the further carrier (7).
23. Kraftsensor gemäß einem der Ansprüche 15 bis 22, bei dem die Auswerteeinrichtung (9) mit der fünften (3c) und der sechsten (3d) Kondensatorfläche elektrisch leitend verbunden ist, um die Kapazität der zweiten Kondensatoranordnung zu bestimmen.23. Force sensor according to one of claims 15 to 22, wherein the evaluation device (9) with the fifth (3c) and the sixth (3d) capacitor surface is electrically connected to determine the capacitance of the second capacitor arrangement.
24. Kraftsensor gemäß einem der Ansprüche 15 bis 23, bei dem die Auswerteeinrichtung (9) mit der siebten (7a) und der achten (7b) Kondensatorfläche elektrisch leitend verbunden ist, um die Kapazität der zweiten Kon- densatoranordnung zu bestimmen.24. Force sensor according to one of claims 15 to 23, wherein the evaluation device (9) with the seventh (7a) and the eighth (7b) capacitor surface is electrically connected to determine the capacitance of the second capacitor assembly.
25. Kraftsensor gemäß einem der Ansprüche 20 oder 21, bei dem siebte Kondensatorfläche (7a) aus zwei elektrisch voneinander isolierten Teilflächen (7ai, 7a2) und die achte Kondensatorfläche (7b) aus zwei elektrisch voneinander isolierten Teilflächen (7bi, 7b2) besteht.25. Force sensor according to one of claims 20 or 21, wherein the seventh capacitor area (7a) consists of two electrically isolated from each other partial surfaces (7ai, 7a 2 ) and the eighth capacitor surface (7b) consists of two electrically isolated from each other partial surfaces (7bi, 7b 2 ) ,
26. Kraftsensor gemäß Anspruch 25, bei dem die voneinander isolierten Teilflächen (7aif 7a2; 7bi, 7b2) elektrisch mit der Auswerteeinrichtung (9) verbunden sind, um die Kapazität der zweiten Kondensatoranordnung zu bestimmen, wobei die Auswerteeinrichtung von der fünften (3c) und der sechsten (3d) Kondensatorfläche galvanisch getrennt ist.26. A force sensor according to claim 25, wherein the mutually isolated partial areas (7a if 7a 2 , 7bi, 7b 2 ) are electrically connected to the evaluation device (9) to determine the capacitance of the second capacitor arrangement, wherein the evaluation of the fifth (3c) and the sixth (3d) capacitor surface is galvanically isolated.
27. Kraftsensor gemäß einem der Ansprüche 14 bis 25, bei dem die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, die Differenz der Kapazitäten der ersten und der zweiten Kondensatoranordnung zu verwenden, um die in Kraftrichtung (12) auf das Bauteil (1) wirkende Kraft zu bestimmen.27. A force sensor according to one of claims 14 to 25, wherein the evaluation device is designed to use the difference of the capacitances of the first and the second capacitor arrangement in order to determine the force acting on the component (1) in the direction of force (12).
28. Kraftsensor gemäß einem der Ansprüche 14 bis 27, bei dem die fünfte (3c) und die sechste (3d) Kondensatorfläche aus dem Material der Befestigungselemente (2a, 2b) gebildet sind.28. A force sensor according to any one of claims 14 to 27, wherein the fifth (3c) and the sixth (3d) capacitor surface of the material of the fastening elements (2a, 2b) are formed.
29. Kraftsensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche bei dem die erste (3a) und die zweite (3b) Kondensatorfläche aus dem Material der Befestigungselemente (2a, 2b) gebildet sind.29. A force sensor according to one of the preceding claims, wherein the first (3a) and the second (3b) capacitor surface of the material of the fastening elements (2a, 2b) are formed.
30. Verfahren zum Bestimmen einer auf ein Bauteil in einer Kraftwirkung einwirkenden Kraft, mit folgenden Schritten:30. A method for determining a force acting on a component in a force action, comprising the following steps:
Bestimmen einer Kapazität einer Kondensatoranordnung, mit zumindest einer ersten und einer zweiten Kondensatorfläche, die getrennt voneinander mechanisch starr über Befestigungselemente (2a, 2b) mit dem Bauteil (1) verbunden sind, wobei ein Abstand von Befestigungspunkten, an welchen die Befestigungselemente (2a, 2b) mit dem Bauteil (1) verbunden sind, in der Kraftrichtung (12) einen Abstand (13) aufweisen, der abhängig von der Kraft variiert und somit eine Änderung einer Kapazität der Kondensatoranordnung (3a, 3b) bewirkt; und Bestimmen der auf das Bauteil wirkenden Kraft unter Verwendung der bestimmten Kapazität der Kondensatoranordnung.Determining a capacitance of a capacitor arrangement, with at least a first and a second capacitor surface, which are separately mechanically rigidly connected via fasteners (2a, 2b) to the component (1), wherein a distance from attachment points at which the fastening elements (2a, 2b ) are connected to the component (1), in the direction of force (12) have a distance (13) which varies depending on the force and thus causes a change in a capacitance of the capacitor arrangement (3a, 3b); and Determining the force acting on the component using the determined capacitance of the capacitor assembly.
31. Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 30, wenn das Programm auf einem Computer abläuft. 31. A computer program with a program code for carrying out the method according to claim 30, when the program runs on a computer.
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