力傳感裝置、特別是稱重單元的製作方法
2023-12-01 20:44:41
力傳感裝置、特別是稱重單元的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種力傳感裝置、特別是稱重單元，其由彈性體（1）和傳感器（15）構成，該彈性體在待測的力或負荷（18）的作用下發生變形，該傳感器具有兩個分離的並安裝在彈性體（1）的不同位置處的傳感器部件（13，14）並且產生取決於傳感器部件（13，14）彼此間的相對位置的傳感器信號。為了改進傳感器（15）對彈性體（1）的匹配度，傳感器部件（13，14）中的一個傳感器部件在中間存在機電的執行器（16）的情況下安裝在彈性體（1）處並且存在控制裝置，該控制裝置根據傳感器信號在縮小傳感器部件（13，14）的位置差異的方向上控制執行器（16）。
【專利說明】力傳感裝置、特別是稱重單元
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種力傳感裝置、特別是稱重單元，其具有:彈性體，該彈性體在待測的力或負荷的作用下發生變形；和傳感器，該傳感器由兩個分離的並安裝在彈性體的不同位置處的傳感器部件構成並且產生取決於傳感器部件彼此間的相對位置的傳感器信號。
【背景技術】
[0002]常見的力傳感裝置和專門的稱重單元是測量變換器，該測量變換器將對其起作用的力或負荷轉化為電的模擬或數字的測量信號。在此大部分金屬的彈性體與所施加的負荷或力成正比地彈性地變形並且利用合適的傳感器檢測彈性體的或其中特定部件的由此造成的變形。彎曲部件處的長度變化通常藉助於應變計來檢測。也能夠可替換地電容式地檢測由該變形產生的距離變化。傳感器裝置、例如應變計或電容面直接地布置在彈性體處。
[0003]從EP0534270A1或DE102008019115A1中已知開頭所述類型的、具有電容式傳感器的力傳感裝置或稱重單元。該電容式傳感器具有兩個梳形地彼此嚙合的電極(電容板)，其安裝在彈性體的不同部件處。稱重單元根據偏移方法工作；也就是說待測量的力或負荷的變化引起傳感器信號的變化，進一步處理傳感器信號的偏移。
[0004]從DE3716615C2中已知一種按照補償方法工作的稱重系統、即所謂的補償秤，其中藉助於電動驅動裝置向運動地導入的負荷接收裝置施加反作用力。在此，藉助於電容式傳感器檢測負荷接收裝置的位置並且根據傳感器信號這樣控制流經電動驅動裝置的線圈的電流，即負荷接收裝置保持在不取決於負荷的平衡位置中。線圈電流則是負荷的程度。
[0005]利用微機械技術製造的傳感器、即所謂的MEMS (Micro-Electro-MechanicalSystems)傳感器的應用領域越來越廣。W002/103369A1例如示出了一種電容式地工作的MEMS加速度傳感器，其具有兩個彼此嚙合的梳齒狀電極(電容板)，其中一個梳齒狀電極布置在剛性的基體上並且另一個梳齒狀電極布置在能震蕩地懸掛在基體上的載體處。
[0006]根據應用情況和待測的力或負荷的大小，在力傳感裝置以及稱重單元中應用的彈性體具有不同的構造方式和尺寸。由於利用以微機械技術製造的傳感器基於其較小的尺寸能線性地檢測到僅僅非常小的變形或運動和更微小的變形以及運動，因此存在這樣的問題，即需為不同大小和構造方式的彈性體選擇合適的MEMS傳感器或者從MEMS傳感器的角度出發找到合適的位置，在該位置處其安裝在彈性體處。在此，與傳統的傳感器相比，彈性體的製造公差也起著更為重要的作用。此外還必須在測量範圍和測量靈敏度之間找到平衡點。
【發明內容】
[0007]因此，本發明的目的在於，在力傳感裝置或稱重元件中改進傳感器對彈性體的匹配度。
[0008]根據本發明，該目的這樣實現，即在開頭所屬類型的力傳感裝置或稱重單元中，在中間存在機電的執行器的情況下傳感器部件中的一個安裝在彈性體處並且存在控制裝置，該控制裝置根據傳感器信號在縮小傳感器部件的位置差異的方向上控制執行器。
[0009]從稱重技術中已知的補償方法即轉而應用到了布置在力傳感裝置或稱重單元的彈性體處的傳感器上。而彈性體本身則同按照偏移方法工作的稱重單元一樣取決於負荷地發生變形。由該變形造成的傳感器部件之間相對位置的變化藉助於機電的執行器至少部分地得到補償，使得必須由傳感器檢測僅僅還非常小的運動。因此傳感器不取決於負荷和/或彈性體的變形地工作在線性區域中，因而也不會造成對傳感器的過度負荷。在完全補償傳感器部件的相對位置的變化時，由用於控制執行器的控制裝置產生的控制信號是用於待測負荷的直接的度量。此外還能將控制信號和傳感器信號組合成所期望的測量信號。
[0010]原則上，所有無接觸式的、按照下面的測量方法中的其中一種來工作的路徑接收裝置或距離接收裝置均可以考慮用作傳感器:即電容的、電感的(例如電感的、磁致伸縮的或渦電流路徑接收裝置)、光學的(例如傳播時間法、三角測量、幹涉、圖像傳感)、聲學的(例如傳播時間法)或電磁的測量方法。被證明為特別合適的是具有兩個彼此嚙合的梳齒狀電極的電容式傳感器，該電容式傳感器能夠以微機械的方式相對簡單地並且低成本地製造出來。
[0011]為補償傳感器部件的相對位置的變化，原則上可以考慮所有按照以下工作原理工作的機電的執行器:即壓電式、電磁式、靜電式、電致伸縮式、磁致伸縮式。
[0012]為了不必分別將各傳感器部件布置在彈性體上並分別進行校正，傳感器部件優選地保持在能活動的支承件、例如箔片上並且利用該能活動的支承件布置在彈性體上。傳感器則由通過箔片彼此連接的傳感器部件構成。其中特別有利的方式是，能活動的支承件是容納傳感器的、能活動的殼體的構成部件，該殼體保護傳感器不受來自力傳感裝置以及稱重單元的應用位置上的周圍環境的影響。
[0013]其中一個傳感器部件能夠在中間存在機電的執行器的情況下保持在能柔性的載體上，使得傳感器與通過箔片彼此連接的傳感器部件和執行器構成構造單元。只要設有罩體，那麼便能夠將執行器與傳感器部件一起布置罩體內部。這特別是指這種情況，即將這一傳感器部件和附屬的執行器一體地製造，這例如在具有靜電地工作的執行器的電容式傳感器中是可能的。相反，如果將執行器布置在罩體的外部，那麼由變形造成的傳感器部件間相對位置的變化的補償則通過執行器也作用在罩體上，該罩體隨後則僅受到最小程度上的機械負荷。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]下面參考附圖中的圖以進一步說明本發明；附圖詳細地示出:
[0015]圖1是根據本發明的稱重單元的第一實施例，該稱重單元具有彈性體、傳感器和機電的執行器，
[0016]圖2是未受負荷的稱重單元在傳感器和執行器的區域內的部分視圖，
[0017]圖3是承受負荷的稱重單元在傳感器和執行器的區域內的部分視圖，
[0018]圖4是具有圍繞著傳感器的罩體的稱重單元的部分視圖，
[0019]圖5是具有圍繞著傳感器和執行器的殼體的稱重單元的部分視圖，
[0020]圖6是根據本發明的稱重單元的另一實施例的在傳感器和執行器的區域內的俯視圖以及[0021]圖7在側視圖中示出根據圖6的實施例。
【具體實施方式】
[0022]圖1示出具有由金屬製成的雙彎曲梁形式的彈性體I的稱重單元，該彈性體穩固地安裝在端部2處並且在梁中部包含凹進處3。在凹進處3的上側和下側上設有具有縮小的材料橫截面的區域，這些區域構成雙彎曲梁的四個彎曲位置4，5，6和7。在彎曲位置4和5或6和7間保留的材料連接片構成上部的臂架8和下部的臂架9，這兩個臂架彼此平行延伸。在凹進處3的內部，兩個剛性的梁11和12從彈性體I的兩個端部2和10處出發向彼此延伸並且當二者間到達某一距離時終止。在兩個剛性的梁11和12中的每一個梁的自由端部處分別布置傳感器15的兩個分離的傳感器部件13和14中的一個。在此，兩個傳感器部件中的一個、在這裡即為傳感器部件13在中間存在機電的執行器16的情況下布置在相關的剛性的梁11的端部上，而另一傳感器部件14則直接地或在中間存在固定的距離保持件17的情況下保持在梁12的自由端部上。
[0023]如圖1和在圖2的放大的部分視圖中所示，當彈性體I未受負荷時，兩個梁11和12彼此對準，而如圖3所示，當向雙彎曲梁的自由端部10上施加重力18時，彈性體I向下彎曲，其中，自由端部10與從該處出發的、剛性的梁11和保持在其上的傳感器部件13—起向下偏轉。傳感器15產生取決於傳感器部件13和14彼此間的相對位置的傳感器信號19。該傳感器信號19被傳輸至控制裝置20，該控制裝置接著則根據該傳感器信號19在縮小兩個傳感器部件13和14的位置差異的方向上控制(控制信號21)機電的執行器16。這兩個傳感器部件13和14因此僅在非常小的區域內彼此相對運動，使得不取決於負荷18的大小地，傳感器15始終工作在線性的測量區域內並且排除傳感器15的過度負荷。控制信號21單獨地或與傳感器信號19共同構成用於待測負荷18的度量(Mass) 22並且相應地在控制裝置20中進行評估。
[0024]傳感器部件13和14能夠安裝在彈性體I的任一位置上，該位置上發生了彈性體I的取決於負荷的變形。因此，從根據圖1的實施例出發，能夠將傳感器部件布置在剛性的梁11和12的下側處。每次能將梁11和12中的一個縮短並且相應地延長另一個梁。彈性體可具有任一合適的構造方式，例如單梁、雙梁或多梁、剪切梁、S梁、環形扭簧、測力盒、膜片彈性體等等。對於傳感器15和執行器16而言，可以考慮使用所有適合於檢測和產生較小的移動運動或旋轉運動的類型。在圖1至3中示出的實施例中例如設有電容式傳感器15，下面還將通過圖6和7詳細說明該電容式傳感器；所示出的執行器16例如壓電式地工作。
[0025]圖4示出了這樣一個實施例，在該實施例中，兩個傳感器部件13和14安裝在柔性的載體23上。該柔性的載體23例如可以是膜式電路板，則該膜式電路板也被用於實現兩個傳感器部件13和14與控制裝置20的電接觸和連接。在所示出的實施例中，柔性的載體23是容納傳感器15並且保護其不受周圍環境影響的柔性的罩體24的構成部件。基於執行器16的運動補償功能，柔性的罩體24僅小幅度地彎曲、即受到機械負荷。
[0026]在圖5中示出的實施例與根據圖4的實施例的區別在於，即機電的執行器16也布置在柔性的支承件23上和罩體24中。
[0027]圖6和7以傳感器15和執行器16的區域內的俯視圖和側視圖示出根據本發明的稱重單元的另一實施例。電容式傳感器15具有作為傳感器部件13和14的兩個彼此嚙合的梳齒狀電極。梳齒狀電極實際上分別具有多個電極指條，其中，在這裡由於示意圖比較簡單，因此僅示出少數幾個、即兩個或三個梳齒狀指條。將執行器16設計為靜電地工作的升降機構(Hubmechanismus)。傳感器部件13通過彈簧懸掛件25保持在梁11上並且設有梳齒狀電極26，該梳齒狀電極與固定在梁11上的梳齒狀電極27相嚙合。當有電勢施加在梳齒狀電極26和27上時，傳感器部件13抵抗彈簧懸掛件25的力被向上抬起。
【權利要求】
1.一種力傳感裝置、特別是稱重單元，所述力傳感裝置具有:彈性體(1)，所述彈性體在待測的力或負荷(18)的作用下發生變形；和傳感器(15)，所述傳感器由兩個分離的並安裝在所述彈性體(I)的不同位置處的傳感器部件(13，14)構成並且產生取決於所述傳感器部件(13，14)彼此間的相對位置的傳感器信號(19)，其特徵在於，所述傳感器部件(13，14)中的一個在中間存在機電的執行器(16)的情況下安裝在所述彈性體(I)處，以及存在控制裝置(20)，所述控制裝置根據所述傳感器信號(19)在縮小所述傳感器部件(13，14)的位置差異的方向上控制所述執行器(16 )。
2.根據權利要求1所述的力傳感裝置，其特徵在於，所述傳感器(15)設計用於按照下面的無接觸式的測量方法工作:即電容的、電感的、光學的、聲學的或電磁的測量方法。
3.根據權利要求2所述的力傳感裝置，其特徵在於，所述傳感器(15)設計為電容式傳感器並且所述電容器部件(13，14)由兩個彼此嚙合的梳齒狀電極構成。
4.根據權利要求1，2或3所述的力傳感裝置，其特徵在於，機電的所述執行器(16)設計用於按照下面的方法中的任一種工作:壓電式、電磁式、靜電式、電致伸縮式、磁致伸縮式。
5.根據前述權利要求中任一項所述的力傳感裝置，其特徵在於，所述傳感器部件(13，14)保持在柔性的載體(23)上並且利用所述載體安裝在所述彈性體(I)上。
6.根據權利要求5所述的力傳感裝置，其特徵在於，柔性的所述載體(23)是容納所述傳感器(15)的、柔性的殼體(24)的部件。
7.根據權利要求5或6所述的力傳感裝置，其特徵在於，一個所述傳感器部件(13)在中間位置存在機電的所述執行器(16)的情況下保持在柔性的所述載體(23)上。
【文檔編號】G01G3/14GK103534562SQ201280023197
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年5月11日 優先權日:2011年5月17日
【發明者】迪爾克·沙伊布納, 阿爾諾·斯特肯博恩 申請人:西門子公司