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 Wirkprinzipien 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 active principles, the deformation of the component itself, which is caused by the force acting on the component or component, determined so as to close the forces acting on the component forces. 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 Zugbelastung variiert. Allerdings ist der Einsatz von Dehnungsmessstreifen deshalb problematisch, da diese aufgrund der geforderten speziellen Materialeigenschaften üblicherweise keine hohe mechanische Stabilität aufweisen. Daher erfordern 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 varies with the tensile load acting on the strain gauge. 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 care in handling and processing and during operation, since the strain gauges can be easily destroyed mechanically. 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 eingesetzt werden können.In view of the above-described problems of conventional force measuring sensors, there is a need to provide alternative force measuring methods that have more robust and / or easier-to-use components, better long-term and drift behavior, and thus can be used successfully economically.
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 Elektrodengeometrie 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, for example, designed so that virtually no drift of the electrode geometry arises due to any connections between the component and 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 Verwendung 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 possible by using capacitors, by means of simple geometrically suitable arrangement of capacitor surfaces or capacitances which are mechanically rigidly connected to the component to be monitored, reliable and highly accurate acting on the component Force to determine.
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 verfälschen.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 falsifying the measurement result.
Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird aufgrund des berührungslosen kapazitiven Wirkprinzips ein sehr einfacher Aufbau bestehend aus wenigen 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 construction consisting of a few components is made possible due to the non-contact capacitive principle of action. 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:
1a ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 2 orthogonalen Kondensatoranordnungen; 1a an embodiment of the present invention with 2 orthogonal capacitor arrangements;
1b ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 2 orthogonalen Kondensatoranordnungen; 1b an embodiment of the present invention with 2 orthogonal capacitor arrangements;
1c ein Kraftsensor mit 2 orthogonalen Kondensatoranordnungen. 1c a force sensor with 2 orthogonal capacitor arrangements.
2 ein Ersatzschaltbild der Anordnungen der 1a und 1b; 2 an equivalent circuit diagram of the arrangements of 1a and 1b ;
3 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 2 orthogonalen Kondensatoranordnungen; 3 an embodiment of the present invention with 2 orthogonal capacitor arrangements;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 4 another embodiment of the present invention;
5 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 2 orthogonalen Kondensatoranordnungen; 5 an embodiment of the present invention with 2 orthogonal capacitor arrangements;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 2 Kondensatoranordnungen; 6 another embodiment of the present invention with 2 capacitor arrangements;
7 ein Ersatzschaltbild der in 6 gezeigten Anordnung; 7 an equivalent circuit diagram in 6 shown arrangement;
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 2 Kondensatoranordnungen; 8th another embodiment of the present invention with 2 capacitor arrangements;
9 ein Ersatzschaltbild der Anordnung aus 8; und 9 an equivalent circuit diagram of the arrangement 8th ; and
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 2 Kondensatoranordnungen. 10 another embodiment of the present invention with 2 capacitor arrangements.
Die 1a und 1b zeigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die sich dadurch unterscheiden, dass der in 1a auf eine Oberfläche des zu messenden Bauteils angebrachte Aufbau bzw. die dort angebrachte Kondensatoranordnung und die dazu gehörige Auswerteeinrichtung in 1b 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 1a diskutiert, woraufhin für 1b lediglich kurz die Unterschiede zu 1a dargestellt werden.The 1a and 1b show embodiments of the present invention, which differ in that the in 1a mounted on a surface of the component to be measured structure or mounted there capacitor assembly and the associated evaluation in 1b in a cavity 16 , So in a recess or hole in the component is arranged. Therefore, as far as the functioning of the individual components is concerned, first 1a discussed, prompting for 1b only briefly the differences too 1a being represented.
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.
1a 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 Kondensatorflächen 3a und 3b angebracht sind. 1a shows a capacitor assembly mounted on a component 1 arranged or mechanically rigidly coupled thereto. Shown are four capacitor areas 3a . 3b . 5a and 5b , as well as two fasteners 2a and 2 B , at each of which one of the capacitors defining a capacitance 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 in the simplest case in principle arranged on opposite sides of a gap parallel to each other, so that through the two capacitor surfaces, a plate capacitor with the plate spacing d ( 4a ) is formed.
Ferner zeigt 1a 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.Further shows 1a two optional additional capacitor surfaces 5a and 5b standing on a support 5 are arranged, these parallel to each other at a predetermined distance between the capacitor surfaces 3a and 3b positioned. The carrier 5 is again on a support substrate 8th attached, which on the surface of the component 1 is fixed so that changes in length of the component in a direction of force 12 not on the support substrate 8th transfer. This can be achieved, for example, by the supporting substrate 8th only at a single point rigid with the device 1 is connected so that the carrier substrate can slide on the surface thereof.
Wie aus der Aufsicht und der Schnittansicht in 1a ferner ersichtlich ist, weist die Kondensatoranordnung in 1a ferner weitere optionale Kondensatorflächen 3c, 3d, 7a und 7b auf, die in gleichem Maßstab die Anordnung der Kondensatorflächen 3a, 3b, 5a und 5b wiederholt, wobei die Flächennormalen der betreffenden Kondensatorflächen senkrecht zur Kraftrichtung 12 ausgerichtet sind.As seen from the top and the sectional view in 1a is also apparent, the capacitor arrangement in 1a further optional capacitor surfaces 3c . 3d . 7a and 7b on, on the same scale, the arrangement of the capacitor surfaces 3a . 3b . 5a and 5b repeated, wherein the surface normals of the respective capacitor surfaces perpendicular to the direction of force 12 are aligned.
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.Here is a carrier 7 that the capacitor surfaces 7a and 7b mechanically holds, also on the support substrate 8th arranged so that it also remains stationary (as well as carrier 5 ) when the component expands or contracts in the direction of the 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 (l) aufweisen. Der vorbestimmte Abstand l definiert dabei die effektive Länge, also diejenige Länge, auf deren Änderung die Kondensatoranordnung sensitiv ist.The fasteners 2a and 2 B are mechanically rigid with the component 1 connected, wherein the attachment points of the fasteners 2a and 2 B in the direction of force 12 a predetermined distance 13 (I). In this case, the predetermined distance l defines the effective length, that is to say the length over whose change the capacitor arrangement is sensitive.
Das heißt, eine Längenänderung der Strecke l kann mit der Kondensatoranordnung, die in 1a 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 l (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: That is, a change in length of the distance l can with the capacitor arrangement, which in 1a is shown as described briefly below. Is in the direction of force 12 a tensile force on the component 1 exercised, this will stretch. Because the fasteners 2a and 2 B mechanically rigid with the component 1 are connected to a change in length of the route l ( 13 ) the width of the gaps between the capacitor surfaces 3a and 5a respectively. 3b and 5b changed. In an expansion, so when applying a tensile force, the columns are wider, the capacitance between the capacitor surfaces 3a . 5a and 3b and 5b is therefore lower, since this is given by the following formula:
Die Kapazität wird von der Auswerteeinrichtung 9 gemessen und kann somit dazu verwendet werden, die Längenänderung auf der Strecke l bzw. die Längenänderung Δl der Strecke 13 (l) gemäß obiger Formel zu bestimmen. Bei Kenntnis von Δl und der Länge l, 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 erfolgen: Δl = F·l / E·A. The capacity is provided by the evaluation device 9 measured and can therefore be used to the change in length on the route l or the change in length .DELTA.l the route 13 (l) to be determined according to the above formula. With knowledge of Δl and the length l, as well as the modulus of elasticity of the component 1 and its cross-sectional area A can be the evaluation device on the body 1 determine acting force. This can be done, for example, by the following relationship: Δl = F · l / E · A.
Prinzipiell können der Träger 5 und die an dem Träger 5 befestigten Kondensatorflächen 5a und 5b auch weggelassen werden. Die effektive Länge 13 (l) 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 (l) aufweisen.In principle, the carrier can 5 and those on the wearer 5 attached capacitor surfaces 5a and 5b also be omitted. The effective length 13 (1) is significantly larger than the distance between the measuring electrodes in some embodiments. 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 , Thus, in some embodiments, to achieve a precisely detectable absolute change in length, the attachment points of the fasteners may be a certain, predetermined minimum distance 13 (I).
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. Aufgrund 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 1a gezeigte Kondensatoranordnung sichergestellt werden, dass das Messsignal größtenteils frei von externen Störeinflüssen bleibt.The perpendicular to the direction of force 12 arranged capacitor surfaces 3c . 3d . 7a and 7b can contribute to further increase the measurement accuracy of the arrangement discussed above, as will be briefly explained below. Due to the geometric arrangement, the partial capacitor arrangement experiences between the capacitor surfaces 3c and 7a respectively. 3d you 7b no change in capacity when the component 1 stretched becomes. By subtracting the measurement signals of both capacitor arrangements, however, a falsification of the measurement signal due to external influences, for. As moisture fluctuations, minimized, since the capacitance changes caused thereby act in the same direction on both subcircuit arrays and are automatically compensated for in the subtraction. Thus, by the in 1a be ensured capacitor arrangement that the measurement signal remains largely free of external interference.
Zu diesem Zweck ist es selbstverständlich erforderlich, auch die Teilkondensatoranordnung bestehend aus den Kondensatorflächen 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 necessary, including the partial capacitor arrangement consisting of the capacitor surfaces 3c . 7a . 7b and 3d to connect with the evaluation, so that they can make any required subtraction.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen werden die Kondensatorflächen 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 areas become 3a . 3b . 3c and 3d through the carriers 2a and 2 B self-educated. These can be the carriers 5 and 7 facing surfaces of the fasteners 2a and 2 B suitably machined (for example, planarized) so that the carriers 2a and 2 B even form the capacitor surfaces, if the carriers are made of electrically conductive material. Likewise, in alternative embodiments, the capacitor surfaces 5a and 5b or the capacitor surfaces 7a and 7b through the carriers 5 and 7 formed if they are made of conductive material.
1a zeigt ferner einen optionalen Gehäusedeckel 10, der dazu dienen kann, die mechanischen bzw. elektrischen Komponenten des in 1a gezeigten Kraftmesssensors vor mechanischer Beschädigung und negativen Umwelteinflüssen, wie z. B. Luftfeuchte oder Schadgase schützen. Weiterhin kann das Gehäuse vorteilhaft einen elektrisch abschirmenden Faraday'schen Käfig bilden. 1a further shows an optional housing cover 10 , which can serve the mechanical or electrical components of the in 1a shown force measuring sensor from mechanical damage and negative environmental influences such. B. Humidity or harmful gases protect. Furthermore, the housing can advantageously form an electrically shielding Faraday cage.
Bevor im Folgenden kurz 1b diskutiert wird, sei noch einmal darauf hingewiesen, dass die Kraftrichtung 12, wie sie in 1a angegeben ist, nicht einschränkend so auszulegen ist, dass nur Dehnungskräfte, also Zug- und Druckkräfte, 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 Ausführungsbeispielen der Erfindung ebenfalls überwacht bzw. gemessen werden.Before briefly below 1b is discussed again, it should be noted that the direction of force 12 as they are in 1a is not to be construed as limiting that only tensile forces, ie tensile and compressive forces, in the direction 12 act, can be determined by means of the force sensor. Rather, if the component 1 for example, in a direction perpendicular to the direction of force 12 is bent, the force sensor also detect this bend, since then also a change in length in the direction of force 12 is caused on the component. 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 herein.
1b 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. 1b Figure 12 shows another embodiment in which the capacitor assembly just discussed is not on a surface of the component, but rather in a cavity 16 , ie in a recess or bore within the component 1 is arranged.
Mit anderen Worten zeigt 1b 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 shows 1b an alternative construction of a force measuring sensor. The sensor is in a recessed cavity 16 a structural mechanical element 1 (eg a pull rod).
1c zeigt einen Kraftsensor, bei dem auf die Träger mit den Mittelelektroden verzichtet wird. Bei diesem Sensor 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 Implementierungskomplexität. 1c shows a force sensor, is omitted in the carrier with the center electrodes. In this sensor, the force can be determined on the component as well as in the previous 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 l, dem Querschnittsfläche A und dem E-Modul E um den Betrag Δl = F·l / E·A, also ist F ~ Δl / l Due to an attacking force F, the element with the length l, the cross-sectional area A and the modulus E expands by the amount Δl = F · l / E · A, so F ~ Δl / l
Die Ermittlung der Dehnung erfolgt über eine Differential-Kapazitäts-Anordnung mit den Kapazitäten Cmess und Cref, die in dem Ersatzschaltbild von 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 Gröle 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 beispielsweise 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 beispielsweise bei der Beschaltung entsprechend 2 folgende Kapazitäten ergeben: The determination of the elongation via a differential capacitance arrangement with the capacitances C mess and C ref , which in the equivalent circuit of 2 are defined. For this purpose, two electrodes are on the side surfaces of the cavity 3a and 3b on two carriers 2a and 2 B which is ideally made of the material of the structural mechanical element (of the component 1 ) exist and a gap 4 define. The sizes of the gap 4 is changed due to the force acting by the amount .DELTA.l. Furthermore, the two carriers 2a and 2 B already consist of an electrically conductive material, and thus the two electrodes 3a and 3b already included. In the gap 4 is an electrode carrier or carrier 5 positioned. The electrode carrier 5 can be used, for example, as a multilayer printed circuit board with two electrode surfaces 5a and 5b be executed. 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 another electrode carrier 7 with the electrode surfaces 7a and 7b parallel to Direction of action of the force is appropriate, so that the capacitor surfaces 3c . 3d . 7a and 7b form the reference capacitance C ref . The electrode carrier 5 and 7 are on a support substrate 8th attached and in the cavity 16 attached. The electrodes 3a and 3b form with the electrodes 5a and 5b the capacitance C mess , which, for example, according to the wiring 2 the following capacities result:
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 C mess and the reference capacitance C ref is done by means of an electrical circuit 9 which converts the differential capacitance into an analog or digital signal and also on the substrate 8th is applied. The cavity 2 is through the lid 10 closed.
Die 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.The 2 shows an equivalent circuit diagram or a circuit diagram, as the individual capacitor surfaces 3a to 7b can be connected in accordance with one of the above formulas within the evaluation to determine the capacity and thus to close a change in length or a force acting on the component.
Im hier gezeigten Fall wird als Messkapazität Cmess diejenige 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 Krafteinwirkung 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 Temperaturänderungen, eingeprägt werden, durch die Differenzbildung herausreduziert werden.In the case shown here, is referred to as measuring capacitance C measured that capacity, the capacitor surfaces of the 3a . 3b . 5a and 5b is formed, while C ref that capacity is referred to, which is formed by capacitor surfaces whose surface normal points perpendicular to the direction of force. However, the terminology is not to be construed as limiting, as the notation is merely arbitrary. In general, one could also define the measurement capacitance as the first capacitance and the reference capacitance as the second capacitance, since in some embodiments of the invention the capacitance C ref also changes under force, 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 subtraction on the one hand, an increased measurement signal can be obtained, on the other hand, also disturbing influences, which are impressed on the system from the outside, for example by changes in humidity and temperature, can be reduced by subtraction.
Die Terminologie Cref rechtfertigt sich dann, wenn, wie bei einigen Ausführungsbeispielen 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 Kapazitätswerte der Fehler korrigiert werden kann.The terminology C ref then justifies itself if, as in some embodiments of the invention, the second capacitor arrangement, ie the capacitor arrangement, consists of the capacitor surfaces 3c . 7a . 7b and 3d is formed, mechanically supported such or with the component 1 connected, 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 merely serves to reduce errors 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 2 zu entnehmen ist, kann es in der elektrischen Beschaltung zu Kurzschlüssen kommen, wenn im Fall von Überlast die jeweiligen Kondensatorflächen, 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 3 gezeigt. Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel basiert im Wesentlichen auf dem bereits in 1 erläuterten Ausführungsbeispiel, so dass auf eine erneute Beschreibung der bereits dort gezeigten Komponenten an dieser Stelle verzichtet wird. Zusätzlich ist in 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.Like the equivalent circuit of 2 can be seen, it can lead to short circuits in the electrical wiring, if in the case of overload, the respective capacitor surfaces that form a capacitance, are mechanically deflected so far that they fall into direct electrical contact with each other. An embodiment of the invention in which this is prevented is in 3 shown. This in 3 embodiment shown is based essentially on the already in 1 explained embodiment, so that dispensing with a renewed description of the components already shown there at this point. Additionally is in 3 the electrode assembly, so some of the capacitor surfaces with insulating pins 11 equipped, which direct electrical contact of the electrodes 5a and 5b of the electrode carrier 5 with the electrodes 3a and or 3b prevent. The same applies to the electrodes or capacitor surfaces 7a and 7b equivalent to.
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. Insbesondere 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 3 dargestellten Fall andernfalls nicht sichtbar wären. The insulating pins 11 can 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 reliably prevents electrical short circuit of opposite capacitor surfaces becomes. In particular, it should be noted that in the present figures, the electrical pins 11 not drawn to scale, which is required here for the sake of illustration, since in general the electrical pins 11 have a geometric extension that is so small that they are in the in 3 otherwise would not be visible.
Die 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 4 gezeigten Anordnung die Kapazitätsänderungen näherungsweise linear von der Dehnung in Kraftrichtung 12 ab.The 4 shows a further embodiment of the present invention in the plan view, in which at least the carrier 5 containing the isolated electrodes or capacitor surfaces 5a and 5b carries, almost completely from the electrodes 3a and 3b is surrounded, so that also in a direction perpendicular to the direction of force 12 Capacitor surfaces on the carrier 5 and the fasteners 2a and 2 B are arranged, which contribute to an effective capacity change. However, for these sub-areas, the capacitance change is not caused by a change in pitch, but rather by the effective areas A between the individual capacitor faces changing as the fasteners 2a and 2 B relative to the carrier 5 in the direction of the force 12 to be moved depends on the in 4 shown arrangement, the capacitance changes approximately linearly from the strain in the direction of force 12 from.
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.This is with regard to the evaluation of the measured capacitance signals and to the calculation of the on the component 1 acting force of advantage. Insulating pins 11 , or spacer elements 11 at the corners of the carrier 5 can be used, on the one hand be used to prevent a short circuit. On the other hand, they can serve as a relative movement between the carrier 5 and fasteners 2a and 2 B to fix their relative orientation, so that these spacers 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 1 bis 4 bzw. in den nachfolgenden 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 Befestigungselementen 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 for the production of in the 1 to 4 or in the following figures described capacitor assemblies suitable materials are to be used. For the formation of the capacitor surfaces, therefore, an electrically conductive material is generally used, which differs from the respective carrier structures (the carriers 5 and 7 or the fasteners 2a and 2 B ) is electrically isolated. 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 the carriers 5 or 7 or the holding structures 2a and 2 B completely made of conductive material, so that the capacitance of the supports and support structures is formed directly, without it being necessary to apply the insulation for the capacitor surfaces on the support structures and holders. In some preferred embodiments, at least the support substrate is 8th manufactured as insulating material or as a printed circuit board, so that the evaluation device 9 if this is on the backup substrate 8th is attached, is electrically isolated from the rest of the arrangement to minimize any interference on the evaluation circuit.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Kondensatoranordnung 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.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden 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 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 a further embodiment of the present invention, in which the carrier 5 and that the carrier 5 holding support substrate 8th not on the surface of the component 1 is arranged, but rather directly to the fasteners 2a and 2 B is attached. Here is the support substrate 8th by way of example by means of a screw 17 only on one of the fasteners (in the case shown here fastener 2 B ), while on the other fastener ( 2a ) is slidably mounted or not connected to it, so that a longitudinal expansion in the direction of force 12 not by a rigid connection of the two fasteners 2a and 2 B can be hampered. Also in the 5 the case shown is the evaluation device 9 on the support substrate 8th arranged so that it can be carried out galvanically separated from the rest of the arrangement, in particular when only the capacitor surfaces for electronic readout 5a . 5b . 7a and 7b directly electrically with the evaluation device 9 get connected.
Durch die in 5 gezeigte Anordnung des Unterstützungssubstrats 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 Auswerteeinrichtung 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 Justageschritte bei der Inbetriebnahme des Kraftsensors unterbleiben können. By the in 5 shown arrangement of the support substrate 8th In addition, the susceptibility to failure of the electrical circuit can be minimized, since an elongation of the component 1 in this embodiment, not on the support substrate 8th so that one on the support substrate 8th attached evaluation device 9 Under no circumstances the mechanical stress and the associated expansion or compression movements of the component 1 can experience. Using thermal expansion of barely-exposed material for the support substrate 8th 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.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden 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 embodiment of the present invention, in which the capacitor assemblies consisting of the electrodes 3a . 3b . 5a and 5b on the one hand and from the electrodes 3c . 3d . 7a and 7b on the other hand, are arranged parallel to each other, so that the surface normals of the capacitor array forming capacitor surfaces are parallel to the direction of 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 l 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 d1 und d2 werden größer, so dass sich insgesamt die Kapazität der ersten Kondensatoranordnung verringert.Due to the geometric design of the fasteners 2a and 2 B However, it is achieved 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 fasteners 2a and 2 B arises, for example, when in the direction of force 12 a force on the component 1 is exercised so that it stretches in the direction of force, the following capacity change. The at the attachment points 14a and 14b with the component 1 mechanically rigidly connected fasteners 2a and 2 B remove from each other, as well as the effective length l between the attachment points 14a and 14b is subject to stretching. Because the first capacitor area 3a on the fastener 2 B and the second capacitor area 3b on the fastener 2a is attached, the capacitor surfaces also move away from each other, ie, the gap dimensions d 1 and d 2 are larger, so that the total capacity of the first capacitor arrangement decreases.
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 l) 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.The capacitor area 3c is however on the first fastener 2a and the capacitor area 3d is on the second fastener 2 B attached, so that a removal of the fasteners (an increase in the length l) causes the gap dimensions d 3 and d 4 are lower, so that therefore increases the capacity of the second capacitor arrangement. The specially selected geometry of the fasteners 2a and 2 B thus makes it possible to use parallel capacitance arrangements which experience 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 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 Befestigungselemente 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 fastener 2a and the second fastening element 2 B in 6 by means of a bending hinge 18 connected to each other, which the positioning accuracy of the carrier (the fasteners 2a and 2 B ) with the capacitor surfaces 3a . 3b . 3c and 3d relative to the electrode carriers (the carriers 5 and 7 ) elevated. In this case, the fasteners 2a and 2 B In particular, be formed from a one-piece material, so that the decisive for the accuracy of measurement relative positioning, or the distances 4a and 4b can be guaranteed with the highest precision.
Mit anderen Worten zeigt 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 Änderung 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 shows 6 an embodiment of the present invention, wherein 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 capacity arrangement). In the case of the first-mentioned capacitor pair, the structural-mechanical element (of the component 1 ) An enlargement of the gap and thus a reduction in the capacity, in the second-mentioned pair is a reduction of the gap and thus an increase in capacity. In addition, the two carriers are made of one piece and the two halves on solid springs (bending hinges 18 ) positioned against each other. This increases the positioning accuracy of the carriers with the electrodes 3a . 3b . 3c and 3d relative to the electrode carriers or the carriers 5 and 7 ,
7 zeigt eine mögliche Beschaltung der Anordnung von 6, bei der zwischen den Elektroden 3a, 5a, 3b und 5b eine erste Kapazität C1 und zwischen den Elektroden 3c, 7a, 7b und 3d eine zweite Kapazität C2 bestimmt wird. Hier kann durch die direkte Kontaktierung lediglich derjenigen Kondensatorflächen, 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. 7 shows a possible wiring of the arrangement of 6 in which between the electrodes 3a . 5a . 3b and 5b a first capacitance C 1 and between the electrodes 3c . 7a . 7b and 3d a second capacitance C 2 is determined. Here, by the direct contacting only those capacitor surfaces, which on the carriers 5 and 7 are arranged, with suitable positioning of the evaluation 9 a galvanic separation of the evaluation can be achieved from the rest of the arrangement.
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, 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 2 B provide suitable contacts, so that an external evaluation can be electrically connected to the capacitor assembly to measure the capacitances to be determined.
8 zeigt eine Aufsicht und eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, das auf dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel basiert. Die in der rechten Bildhälfte dargestellte Schnittansicht ist entlang einer Schnittlinie 15 gebildet, um die spezielle Elektrodenanordnung des in 8 gezeigten Ausführungsbeispiels zu zeigen. 8th shows a plan view and a sectional view of another embodiment of the present invention, which on the in 6 shown embodiment. The sectional view shown in the right half is along a section line 15 formed to the special electrode assembly of in 8th shown embodiment.
In 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 9 noch deutlicher werden wird. Das heißt, im in 8 gezeigten Fall müssen bei einer elektrisch vorteilhaften Art der Beschaltung der Auslese- bzw. der Auswerteeinrichtung 9 lediglich Teilelektroden 5a 1, 5a 2, 5b 1, 5b 2, 7a 1, 7a 2, 7b 1 und 7b 2 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 5a 1, 5a 2, 5b 1, 5b 2, 7a 1, 7a 2, 7b 1 und 7b 2 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 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 8th are the electrodes that are on the carriers 5 and 7 are arranged, divided into two electrically separate partial electrodes. This division allows the capacitor surfaces 3a . 3b . 3c and 3d are used as floating center electrodes that do not need to be electrically contacted, as is apparent from the following discussion of 9 will become even clearer. That is, in the 8th In the case shown, in an electrically advantageous type of wiring, the read-out or the evaluation device must be used 9 only partial electrodes 5a 1 , 5a 2 , 5b 1 , 5b 2 , 7a 1 , 7a 2 , 7b 1 and 7b 2 are connected to the evaluation. This has the great advantage that a galvanic isolation of the circuit or the evaluation device 9 can be achieved if this on an insulating support substrate 8th is attached, on which, as discussed in detail in the previous embodiments, and the carrier 5 and 7 the electrodes 5a 1 , 5a 2 , 5b 1 , 5b 2 , 7a 1 , 7a 2 , 7b 1 and 7b 2 are located. Galvanic separation means, for example, that the evaluation 9 not electrically conductive with the electrodes 3a . 3b . 3c and 3d is connected, so it is not connected via an ohmic connection. As can also be seen from the sectional view, in the case of FIG 8th shown embodiment, the electrode shape chosen so that the sub-electrodes are formed on the individual carriers in each case by rectangular, electrically isolated from each other areas of the same electrode surface.
9 zeigt ein Schaltbild, wie die Elektrodenanordnung der 8 elektrisch kontaktiert werden kann, so dass die galvanische Trennung, die oben bereits angesprochen wurde, erreicht wird. Wie der Ersatzschaltung in 9 zu entnehmen ist, sind lediglich diejenigen Elektroden mit der Auswerteeinrichtung 9 (die sich an der Position der Kapazitäten C1 und C2 befindet) verbunden, die auf den elektrisch isolierten Trägern 5 und 7 angeordnet sind. Dies sind die Kondensatorflächen 5a 1, 5a 2, 5b 1, 5b 2, 7a 1, 7a 2, 7b 1 und 7b 2. 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 8 in Verbindung mit der Beschaltung von 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, as the electrode assembly of 8th can be contacted electrically, so that the galvanic separation, which has already been mentioned above, is achieved. Like the equivalent circuit in 9 it can be seen, are only those electrodes with the evaluation 9 (which is located at the position of the capacitances C 1 and C 2 ) connected to the electrically insulated carriers 5 and 7 are arranged. These are the capacitor surfaces 5a 1 , 5a 2 , 5b 1 , 5b 2 , 7a 1 , 7a 2 , 7b 1 and 7b 2 . A ground connection is required only for those capacitor areas on the fasteners 2a and 2 B are attached. In particular, therefore, the fastening element itself can also be used as capacitor surface for these capacitor surfaces, provided that this is made of a conductive material. The of 8th in connection with the wiring of 9 proposed galvanic isolation of the readout circuit or the evaluation device 9 causes increased reliability of the system and a higher accuracy of measurement by suppression of possible electrical interference, otherwise via the fastener 2a and 2 B from the component to be measured 1 could be imprinted into the system.
Die einzelnen zu messenden Kapazitäten mit den floatenden Mittelelektroden ergeben sich bei einer Beschaltung, wie sie in 9 gezeigt ist, folgendermaßen aus den geometrischen Dimensionen der Kondensatoranordnungen: The individual capacitances to be measured with the floating center electrodes are obtained with a circuit as shown in FIG 9 is shown as follows from the geometric dimensions of the capacitor arrangements:
Dafür kann es vorteilhaft sein, dass die Ausleseeinheit im Hinblick auf Spannungsversorgung (UV) und Signalüberwachung (US) 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 S ) and / or connected to a suitable potential.
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem sich die geometrische Teilung der Teilelektroden, die auf den Trägern 5 und 7 angeordnet sind, von der in 8 gezeigten Anordnung unterscheidet. Insbesondere ist in der 10 ein innerer Teilkondensatorflächenbereich (5a 1 und 7a 2) von einem äußeren Teilkondensatorflächenbereich (7a 1 und 5a 2) teilweise umschlossen, wohingegen in der in 8 gezeigten Anordnung die Kondensatorflächen aus zwei elektrisch voneinander isolierten, nebeneinander angeordneten, rechteckigen Teilkondensatorflächen gebildet werden. 10 shows a further embodiment of the invention, in which the geometric division of the partial electrodes, which on the carriers 5 and 7 are arranged by the in 8th differs shown arrangement. In particular, in the 10 an inner sub-capacitor area ( 5a 1 and 7a 2 ) from an outer partial capacitor area ( 7a 1 and 5a 2 ) partially enclosed, whereas in the in 8th As shown arrangement, the capacitor surfaces of 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 embodiments described above, 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 on 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 8 bis 10 beschriebene Ausgestaltung mit floatend betriebenen Seitenelektroden 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 can be particularly advantageous if the basis of the 8th to 10 described embodiment is used with floating side electrodes operated, since these can then easily by a precisely milled into the component to be monitored or introduced in any other way slot (a cavity, a bore 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 must 9 can not be placed in the immediate vicinity of the capacitance arrangement, as is often the case in the previous 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 Kraftmesseinrichtung 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 Materialien, wie beispielsweise Keramiken, Holz, Glas oder ähnliche Substrate mit den erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtungen überwacht bzw. beobachtet werden.Finally, it remains to be noted that to the component 1 No need to make any demands 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 a very flexible manner. In particular, it is not necessary that the component 1 Metallic, that is, made 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.
