力传感装置、特别是称重单元的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种力传感装置、特别是称重单元，其由弹性体（1）和传感器（15）构成，该弹性体在待测的力或负荷（18）的作用下发生变形，该传感器具有两个分离的并安装在弹性体（1）的不同位置处的传感器部件（13，14）并且产生取决于传感器部件（13，14）彼此间的相对位置的传感器信号。为了改进传感器（15）对弹性体（1）的匹配度，传感器部件（13，14）中的一个传感器部件在中间存在机电的执行器（16）的情况下安装在弹性体（1）处并且存在控制装置，该控制装置根据传感器信号在缩小传感器部件（13，14）的位置差异的方向上控制执行器（16）。
【专利说明】力传感装置、特别是称重单元
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种力传感装置、特别是称重单元，其具有:弹性体，该弹性体在待测的力或负荷的作用下发生变形；和传感器，该传感器由两个分离的并安装在弹性体的不同位置处的传感器部件构成并且产生取决于传感器部件彼此间的相对位置的传感器信号。
【背景技术】
[0002]常见的力传感装置和专门的称重单元是测量变换器，该测量变换器将对其起作用的力或负荷转化为电的模拟或数字的测量信号。在此大部分金属的弹性体与所施加的负荷或力成正比地弹性地变形并且利用合适的传感器检测弹性体的或其中特定部件的由此造成的变形。弯曲部件处的长度变化通常借助于应变计来检测。也能够可替换地电容式地检测由该变形产生的距离变化。传感器装置、例如应变计或电容面直接地布置在弹性体处。
[0003]从EP0534270A1或DE102008019115A1中已知开头所述类型的、具有电容式传感器的力传感装置或称重单元。该电容式传感器具有两个梳形地彼此啮合的电极(电容板)，其安装在弹性体的不同部件处。称重单元根据偏移方法工作；也就是说待测量的力或负荷的变化引起传感器信号的变化，进一步处理传感器信号的偏移。
[0004]从DE3716615C2中已知一种按照补偿方法工作的称重系统、即所谓的补偿秤，其中借助于电动驱动装置向运动地导入的负荷接收装置施加反作用力。在此，借助于电容式传感器检测负荷接收装置的位置并且根据传感器信号这样控制流经电动驱动装置的线圈的电流，即负荷接收装置保持在不取决于负荷的平衡位置中。线圈电流则是负荷的程度。
[0005]利用微机械技术制造的传感器、即所谓的MEMS (Micro-Electro-MechanicalSystems)传感器的应用领域越来越广。W002/103369A1例如示出了一种电容式地工作的MEMS加速度传感器，其具有两个彼此啮合的梳齿状电极(电容板)，其中一个梳齿状电极布置在刚性的基体上并且另一个梳齿状电极布置在能震荡地悬挂在基体上的载体处。
[0006]根据应用情况和待测的力或负荷的大小，在力传感装置以及称重单元中应用的弹性体具有不同的构造方式和尺寸。由于利用以微机械技术制造的传感器基于其较小的尺寸能线性地检测到仅仅非常小的变形或运动和更微小的变形以及运动，因此存在这样的问题，即需为不同大小和构造方式的弹性体选择合适的MEMS传感器或者从MEMS传感器的角度出发找到合适的位置，在该位置处其安装在弹性体处。在此，与传统的传感器相比，弹性体的制造公差也起着更为重要的作用。此外还必须在测量范围和测量灵敏度之间找到平衡点。
【发明内容】
[0007]因此，本发明的目的在于，在力传感装置或称重元件中改进传感器对弹性体的匹配度。
[0008]根据本发明，该目的这样实现，即在开头所属类型的力传感装置或称重单元中，在中间存在机电的执行器的情况下传感器部件中的一个安装在弹性体处并且存在控制装置，该控制装置根据传感器信号在缩小传感器部件的位置差异的方向上控制执行器。
[0009]从称重技术中已知的补偿方法即转而应用到了布置在力传感装置或称重单元的弹性体处的传感器上。而弹性体本身则同按照偏移方法工作的称重单元一样取决于负荷地发生变形。由该变形造成的传感器部件之间相对位置的变化借助于机电的执行器至少部分地得到补偿，使得必须由传感器检测仅仅还非常小的运动。因此传感器不取决于负荷和/或弹性体的变形地工作在线性区域中，因而也不会造成对传感器的过度负荷。在完全补偿传感器部件的相对位置的变化时，由用于控制执行器的控制装置产生的控制信号是用于待测负荷的直接的度量。此外还能将控制信号和传感器信号组合成所期望的测量信号。
[0010]原则上，所有无接触式的、按照下面的测量方法中的其中一种来工作的路径接收装置或距离接收装置均可以考虑用作传感器:即电容的、电感的(例如电感的、磁致伸缩的或涡电流路径接收装置)、光学的(例如传播时间法、三角测量、干涉、图像传感)、声学的(例如传播时间法)或电磁的测量方法。被证明为特别合适的是具有两个彼此啮合的梳齿状电极的电容式传感器，该电容式传感器能够以微机械的方式相对简单地并且低成本地制造出来。
[0011]为补偿传感器部件的相对位置的变化，原则上可以考虑所有按照以下工作原理工作的机电的执行器:即压电式、电磁式、静电式、电致伸缩式、磁致伸缩式。
[0012]为了不必分别将各传感器部件布置在弹性体上并分别进行校正，传感器部件优选地保持在能活动的支承件、例如箔片上并且利用该能活动的支承件布置在弹性体上。传感器则由通过箔片彼此连接的传感器部件构成。其中特别有利的方式是，能活动的支承件是容纳传感器的、能活动的壳体的构成部件，该壳体保护传感器不受来自力传感装置以及称重单元的应用位置上的周围环境的影响。
[0013]其中一个传感器部件能够在中间存在机电的执行器的情况下保持在能柔性的载体上，使得传感器与通过箔片彼此连接的传感器部件和执行器构成构造单元。只要设有罩体，那么便能够将执行器与传感器部件一起布置罩体内部。这特别是指这种情况，即将这一传感器部件和附属的执行器一体地制造，这例如在具有静电地工作的执行器的电容式传感器中是可能的。相反，如果将执行器布置在罩体的外部，那么由变形造成的传感器部件间相对位置的变化的补偿则通过执行器也作用在罩体上，该罩体随后则仅受到最小程度上的机械负荷。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]下面参考附图中的图以进一步说明本发明；附图详细地示出:
[0015]图1是根据本发明的称重单元的第一实施例，该称重单元具有弹性体、传感器和机电的执行器，
[0016]图2是未受负荷的称重单元在传感器和执行器的区域内的部分视图，
[0017]图3是承受负荷的称重单元在传感器和执行器的区域内的部分视图，
[0018]图4是具有围绕着传感器的罩体的称重单元的部分视图，
[0019]图5是具有围绕着传感器和执行器的壳体的称重单元的部分视图，
[0020]图6是根据本发明的称重单元的另一实施例的在传感器和执行器的区域内的俯视图以及[0021]图7在侧视图中示出根据图6的实施例。
【具体实施方式】
[0022]图1示出具有由金属制成的双弯曲梁形式的弹性体I的称重单元，该弹性体稳固地安装在端部2处并且在梁中部包含凹进处3。在凹进处3的上侧和下侧上设有具有缩小的材料横截面的区域，这些区域构成双弯曲梁的四个弯曲位置4，5，6和7。在弯曲位置4和5或6和7间保留的材料连接片构成上部的臂架8和下部的臂架9，这两个臂架彼此平行延伸。在凹进处3的内部，两个刚性的梁11和12从弹性体I的两个端部2和10处出发向彼此延伸并且当二者间到达某一距离时终止。在两个刚性的梁11和12中的每一个梁的自由端部处分别布置传感器15的两个分离的传感器部件13和14中的一个。在此，两个传感器部件中的一个、在这里即为传感器部件13在中间存在机电的执行器16的情况下布置在相关的刚性的梁11的端部上，而另一传感器部件14则直接地或在中间存在固定的距离保持件17的情况下保持在梁12的自由端部上。
[0023]如图1和在图2的放大的部分视图中所示，当弹性体I未受负荷时，两个梁11和12彼此对准，而如图3所示，当向双弯曲梁的自由端部10上施加重力18时，弹性体I向下弯曲，其中，自由端部10与从该处出发的、刚性的梁11和保持在其上的传感器部件13—起向下偏转。传感器15产生取决于传感器部件13和14彼此间的相对位置的传感器信号19。该传感器信号19被传输至控制装置20，该控制装置接着则根据该传感器信号19在缩小两个传感器部件13和14的位置差异的方向上控制(控制信号21)机电的执行器16。这两个传感器部件13和14因此仅在非常小的区域内彼此相对运动，使得不取决于负荷18的大小地，传感器15始终工作在线性的测量区域内并且排除传感器15的过度负荷。控制信号21单独地或与传感器信号19共同构成用于待测负荷18的度量(Mass) 22并且相应地在控制装置20中进行评估。
[0024]传感器部件13和14能够安装在弹性体I的任一位置上，该位置上发生了弹性体I的取决于负荷的变形。因此，从根据图1的实施例出发，能够将传感器部件布置在刚性的梁11和12的下侧处。每次能将梁11和12中的一个缩短并且相应地延长另一个梁。弹性体可具有任一合适的构造方式，例如单梁、双梁或多梁、剪切梁、S梁、环形扭簧、测力盒、膜片弹性体等等。对于传感器15和执行器16而言，可以考虑使用所有适合于检测和产生较小的移动运动或旋转运动的类型。在图1至3中示出的实施例中例如设有电容式传感器15，下面还将通过图6和7详细说明该电容式传感器；所示出的执行器16例如压电式地工作。
[0025]图4示出了这样一个实施例，在该实施例中，两个传感器部件13和14安装在柔性的载体23上。该柔性的载体23例如可以是膜式电路板，则该膜式电路板也被用于实现两个传感器部件13和14与控制装置20的电接触和连接。在所示出的实施例中，柔性的载体23是容纳传感器15并且保护其不受周围环境影响的柔性的罩体24的构成部件。基于执行器16的运动补偿功能，柔性的罩体24仅小幅度地弯曲、即受到机械负荷。
[0026]在图5中示出的实施例与根据图4的实施例的区别在于，即机电的执行器16也布置在柔性的支承件23上和罩体24中。
[0027]图6和7以传感器15和执行器16的区域内的俯视图和侧视图示出根据本发明的称重单元的另一实施例。电容式传感器15具有作为传感器部件13和14的两个彼此啮合的梳齿状电极。梳齿状电极实际上分别具有多个电极指条，其中，在这里由于示意图比较简单，因此仅示出少数几个、即两个或三个梳齿状指条。将执行器16设计为静电地工作的升降机构(Hubmechanismus)。传感器部件13通过弹簧悬挂件25保持在梁11上并且设有梳齿状电极26，该梳齿状电极与固定在梁11上的梳齿状电极27相啮合。当有电势施加在梳齿状电极26和27上时，传感器部件13抵抗弹簧悬挂件25的力被向上抬起。
【权利要求】
1.一种力传感装置、特别是称重单元，所述力传感装置具有:弹性体(1)，所述弹性体在待测的力或负荷(18)的作用下发生变形；和传感器(15)，所述传感器由两个分离的并安装在所述弹性体(I)的不同位置处的传感器部件(13，14)构成并且产生取决于所述传感器部件(13，14)彼此间的相对位置的传感器信号(19)，其特征在于，所述传感器部件(13，14)中的一个在中间存在机电的执行器(16)的情况下安装在所述弹性体(I)处，以及存在控制装置(20)，所述控制装置根据所述传感器信号(19)在缩小所述传感器部件(13，14)的位置差异的方向上控制所述执行器(16 )。
2.根据权利要求1所述的力传感装置，其特征在于，所述传感器(15)设计用于按照下面的无接触式的测量方法工作:即电容的、电感的、光学的、声学的或电磁的测量方法。
3.根据权利要求2所述的力传感装置，其特征在于，所述传感器(15)设计为电容式传感器并且所述电容器部件(13，14)由两个彼此啮合的梳齿状电极构成。
4.根据权利要求1，2或3所述的力传感装置，其特征在于，机电的所述执行器(16)设计用于按照下面的方法中的任一种工作:压电式、电磁式、静电式、电致伸缩式、磁致伸缩式。
5.根据前述权利要求中任一项所述的力传感装置，其特征在于，所述传感器部件(13，14)保持在柔性的载体(23)上并且利用所述载体安装在所述弹性体(I)上。
6.根据权利要求5所述的力传感装置，其特征在于，柔性的所述载体(23)是容纳所述传感器(15)的、柔性的壳体(24)的部件。
7.根据权利要求5或6所述的力传感装置，其特征在于，一个所述传感器部件(13)在中间位置存在机电的所述执行器(16)的情况下保持在柔性的所述载体(23)上。
【文档编号】G01G3/14GK103534562SQ201280023197
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年5月11日 优先权日:2011年5月17日
【发明者】迪尔克·沙伊布纳, 阿尔诺·斯特肯博恩 申请人:西门子公司