力傳感裝置、特別是稱重單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)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(gòu)成，該彈性體在待測的力或負荷（18）的作用下發(fā)生變形，該傳感器具有兩個分離的并安裝在彈性體（1）的不同位置處的傳感器部件（13，14）并且產(chǎn)生取決于傳感器部件（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(zhí)行器（16）的情況下安裝在彈性體（1）處并且存在控制裝置，該控制裝置根據(jù)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(zhí)行器（16）。
【專利說明】力傳感裝置、特別是稱重單元
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)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(fā)生變形；和傳感器，該傳感器由兩個分離的并安裝在彈性體的不同位置處的傳感器部件構(gòu)成并且產(chǎn)生取決于傳感器部件彼此間的相對位置的傳感器信號。
【背景技術(shù)】
[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(zhuǎn)化為電的模擬或數(shù)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并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借助于應(yīng)變計來檢測。也能夠可替換地電容式地檢測由該變形產(chǎn)生的距離變化。傳感器裝置、例如應(yīng)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(jù)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(tǒng)、即所謂的補償秤，其中借助于電動驅(qū)動裝置向運動地導(dǎo)入的負荷接收裝置施加反作用力。在此，借助于電容式傳感器檢測負荷接收裝置的位置并且根據(jù)傳感器信號這樣控制流經(jīng)電動驅(qū)動裝置的線圈的電流，即負荷接收裝置保持在不取決于負荷的平衡位置中。線圈電流則是負荷的程度。
[0005]利用微機械技術(shù)制造的傳感器、即所謂的MEMS (Micro-Electro-MechanicalSystems)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)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并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(jù)應(yīng)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(yīng)用的彈性體具有不同的構(gòu)造方式和尺寸。由于利用以微機械技術(shù)制造的傳感器基于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(gòu)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(fā)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(tǒng)的傳感器相比，彈性體的制造公差也起著更為重要的作用。此外還必須在測量范圍和測量靈敏度之間找到平衡點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此，本發(fā)明的目的在于，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(jù)本發(fā)明，該目的這樣實現(xiàn)，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(zhí)行器的情況下傳感器部件中的一個安裝在彈性體處并且存在控制裝置，該控制裝置根據(jù)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(zhí)行器。
[0009]從稱重技術(shù)中已知的補償方法即轉(zhuǎn)而應(yīng)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于負荷地發(fā)生變形。由該變形造成的傳感器部件之間相對位置的變化借助于機電的執(zhí)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。因此傳感器不取決于負荷和/或彈性體的變形地工作在線性區(qū)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，由用于控制執(zhí)行器的控制裝置產(chǎn)生的控制信號是用于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(xué)的(例如傳播時間法、三角測量、干涉、圖像傳感)、聲學(xué)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并且低成本地制造出來。
[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(zhí)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并分別進行校正，傳感器部件優(yōu)選地保持在能活動的支承件、例如箔片上并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(gòu)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(gòu)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(yīng)用位置上的周圍環(huán)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(zhí)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(zhí)行器構(gòu)成構(gòu)造單元。只要設(shè)有罩體，那么便能夠?qū)?zhí)行器與傳感器部件一起布置罩體內(nèi)部。這特別是指這種情況，即將這一傳感器部件和附屬的執(zhí)行器一體地制造，這例如在具有靜電地工作的執(zhí)行器的電容式傳感器中是可能的。相反，如果將執(zhí)行器布置在罩體的外部，那么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(zhí)行器也作用在罩體上，該罩體隨后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(fā)明；附圖詳細地示出:
[0015]圖1是根據(jù)本發(fā)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(zhí)行器，
[0016]圖2是未受負荷的稱重單元在傳感器和執(zhí)行器的區(qū)域內(nèi)的部分視圖，
[0017]圖3是承受負荷的稱重單元在傳感器和執(zhí)行器的區(qū)域內(nèi)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(zhí)行器的殼體的稱重單元的部分視圖，
[0020]圖6是根據(jù)本發(fā)明的稱重單元的另一實施例的在傳感器和執(zhí)行器的區(qū)域內(nèi)的俯視圖以及[0021]圖7在側(cè)視圖中示出根據(jù)圖6的實施例。
【具體實施方式】
[0022]圖1示出具有由金屬制成的雙彎曲梁形式的彈性體I的稱重單元，該彈性體穩(wěn)固地安裝在端部2處并且在梁中部包含凹進處3。在凹進處3的上側(cè)和下側(cè)上設(shè)有具有縮小的材料橫截面的區(qū)域，這些區(qū)域構(gòu)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(gòu)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(nèi)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(fā)向彼此延伸并且當(dāng)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、在這里即為傳感器部件13在中間存在機電的執(zhí)行器16的情況下布置在相關(guān)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(dāng)彈性體I未受負荷時，兩個梁11和12彼此對準(zhǔn)，而如圖3所示，當(dāng)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(fā)的、剛性的梁11和保持在其上的傳感器部件13—起向下偏轉(zhuǎn)。傳感器15產(chǎn)生取決于傳感器部件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(jù)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(zhí)行器16。這兩個傳感器部件13和14因此僅在非常小的區(qū)域內(nèi)彼此相對運動，使得不取決于負荷18的大小地，傳感器15始終工作在線性的測量區(qū)域內(nèi)并且排除傳感器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(gòu)成用于待測負荷18的度量(Mass) 22并且相應(yīng)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(fā)生了彈性體I的取決于負荷的變形。因此，從根據(jù)圖1的實施例出發(fā)，能夠?qū)鞲衅鞑考贾迷趧傂缘牧?1和12的下側(cè)處。每次能將梁11和12中的一個縮短并且相應(yīng)地延長另一個梁。彈性體可具有任一合適的構(gòu)造方式，例如單梁、雙梁或多梁、剪切梁、S梁、環(huán)形扭簧、測力盒、膜片彈性體等等。對于傳感器15和執(zhí)行器16而言，可以考慮使用所有適合于檢測和產(chǎn)生較小的移動運動或旋轉(zhuǎn)運動的類型。在圖1至3中示出的實施例中例如設(shè)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(zhí)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于實現(xiàn)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并且保護其不受周圍環(huán)境影響的柔性的罩體24的構(gòu)成部件?；趫?zhí)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(jù)圖4的實施例的區(qū)別在于，即機電的執(zhí)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(zhí)行器16的區(qū)域內(nèi)的俯視圖和側(cè)視圖示出根據(jù)本發(fā)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，在這里由于示意圖比較簡單，因此僅示出少數(shù)幾個、即兩個或三個梳齒狀指條。將執(zhí)行器16設(shè)計為靜電地工作的升降機構(gòu)(Hubmechanismus)。傳感器部件13通過彈簧懸掛件25保持在梁11上并且設(shè)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(dāng)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(quán)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(fā)生變形；和傳感器(15)，所述傳感器由兩個分離的并安裝在所述彈性體(I)的不同位置處的傳感器部件(13，14)構(gòu)成并且產(chǎn)生取決于所述傳感器部件(13，14)彼此間的相對位置的傳感器信號(19)，其特征在于，所述傳感器部件(13，14)中的一個在中間存在機電的執(zhí)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(jù)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(zhí)行器(16 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力傳感裝置，其特征在于，所述傳感器(15)設(shè)計用于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(xué)的、聲學(xué)的或電磁的測量方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的力傳感裝置，其特征在于，所述傳感器(15)設(shè)計為電容式傳感器并且所述電容器部件(13，14)由兩個彼此嚙合的梳齒狀電極構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3所述的力傳感裝置，其特征在于，機電的所述執(zhí)行器(16)設(shè)計用于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(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的力傳感裝置，其特征在于，所述傳感器部件(13，14)保持在柔性的載體(23)上并且利用所述載體安裝在所述彈性體(I)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的力傳感裝置，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求5或6所述的力傳感裝置，其特征在于，一個所述傳感器部件(13)在中間位置存在機電的所述執(zhí)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(yōu)先權(quán)日:2011年5月17日
【發(fā)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