WO2004106876A1 - Kraftmesszelle - Google Patents

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WO2004106876A1
WO2004106876A1 PCT/EP2004/004662 EP2004004662W WO2004106876A1 WO 2004106876 A1 WO2004106876 A1 WO 2004106876A1 EP 2004004662 W EP2004004662 W EP 2004004662W WO 2004106876 A1 WO2004106876 A1 WO 2004106876A1
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WO
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load cell
membrane
cell according
force
housing
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/004662
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Peter Selig
Klaus Wurster
Original Assignee
Bizerba Gmbh & Co. Kg
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 Bizerba Gmbh & Co. Kg filed Critical Bizerba Gmbh & Co. Kg
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Publication of WO2004106876A1 publication Critical patent/WO2004106876A1/de
Priority to US11/281,617 priority patent/US7475606B2/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G19/00—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups
    • G01G19/40—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups with provisions for indicating, recording, or computing price or other quantities dependent on the weight
    • G01G19/413—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups with provisions for indicating, recording, or computing price or other quantities dependent on the weight using electromechanical or electronic computing means
    • G01G19/414—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups with provisions for indicating, recording, or computing price or other quantities dependent on the weight using electromechanical or electronic computing means using electronic computing means only
    • G01G19/4142—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups with provisions for indicating, recording, or computing price or other quantities dependent on the weight using electromechanical or electronic computing means using electronic computing means only for controlling activation of safety devices, e.g. airbag systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G21/00—Details of weighing apparatus
    • G01G21/30—Means for preventing contamination by dust
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring 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

Definitions

  • the invention relates to a force measuring cell with an elastically deformable membrane force transducer for absorbing forces to be determined, with a sensor arrangement for detecting the deformation of the force transducer and converting it into an electrical weighing signal.
  • a load cell with a membrane force transducer is known for example from DE 36 27 127 AI.
  • This load cell is designed in the form of a load cell, in which a rigid support element holds the membrane elastically deformable, the deformation of the membrane according to this document preferably being detected with a sensor arrangement which contains a Hall generator.
  • the membrane and the rigid support element together form a load cell, inside which the sensor arrangement can be accommodated.
  • the aforementioned load cells have in common that they can only absorb pressure forces and, moreover, can only be used with little benefit in harsh environments.
  • the object of the present invention is to propose a load cell of the type described at the outset, which is robust and can also be installed in tight spaces and, in particular, can absorb and determine tensile forces in addition to compressive forces.
  • the load cell has a rigid, multi-part housing with an interior for receiving and holding the membrane force transducer and the sensor arrangement, the housing essentially surrounding the force transducer on all sides and having a through-opening through which the Membrane force transducer can be acted upon with the force to be determined, the membrane force transducer comprising a centrally arranged force introduction part and at the edge region an edge part projecting over at least one of the membrane surfaces, and wherein a recessed area is formed in the interior of the housing, into which the projecting edge of the Membrane force transducer can be positively engaged.
  • the load cell according to the invention can be made very robust and can be used in a variety of harsh environmental conditions. This results in particular from the fact that not only the sensor arrangement, but also the membrane of the force transducer is housed in the housing in a quasi-encapsulated manner. Only a through opening in the housing is necessary so that the compressive or tensile force to be determined can act on the diaphragm force transducer.
  • the manufacture of the load cell according to the invention, in particular the assembly, is very simplified by the multi-part, rigid housing, since this accommodates the membrane force transducer with its projecting edge in a recessed area, for example a groove, in a form-fitting manner.
  • a recessed area for example a groove
  • the edge and the recessed area can be coordinated with one another without too much effort, so that the edge of the membrane force transducer is accommodated in the recessed area in a first housing part without play.
  • the edge of the membrane force transducer can then be fixed in a form-fitting or non-positive manner in the recessed area of the first housing part. In the event of a failure of the force transducer during the final inspection, this allows the diaphragm force transducer to be replaced easily.
  • the load cell according to the invention can be hermetically sealed. This means a particularly good resistance to dirt and impairment of function even in very difficult environments, for example in a variety of arrangement options in an automobile, in particular also in its interior, in which temperature fluctuations, dust and abrupt loads often occur.
  • the load cell according to the invention can be used in particular to determine weight forces acting on the seat of a motor vehicle, such as those e.g. are increasingly used in connection with the selective control of airbag systems.
  • the preferred installation positions are between the seat rails and floor panel of the vehicle or between the seat shell and seat substructure.
  • the force introduction part is preferably arranged coaxially to the through opening of the housing and further preferably designed such that it is essentially complementary to the cross section of the through opening, so that the through opening of the housing is quasi essentially filled by the force introduction part that at least partially protrudes here.
  • a minimal gap must be provided between the force introduction part and the passage opening in order to ensure that the force introduction part to be able to transmit the force acting on the load cell to the membrane without any friction. Gaps of approx. 0.1 to approx. 0.5 mm have proven themselves in practice.
  • the through opening of the housing is acted upon by a plastic covering, for example in the form of a sleeve, the plastic material being selected from the point of view of the lowest possible coefficient of friction.
  • the force introduction part is designed such that it protrudes' over the surface of the housing that a shielding sleeve made of a flexible material is provided to seal the gap between the passage opening and the force introduction part, which cuffing the force acting on the force introduction part Leaves essentially unaffected.
  • the load cell according to the invention will further preferably have an integrated mechanical overload protection.
  • Such mechanical overload protection can be provided for tensile and / or compressive forces and means that when an excessively large, i.e. force no longer permitted for the safe functioning of the load cell, which cannot act unhindered on the membrane.
  • one or more stop surfaces are formed in the interior of the housing, which limit an elastic deformation of the membrane force transducer when tensile and / or compressive forces act.
  • the force introduction part can then be supported on a stop, for example, so that the maximum deformation of the membrane force transducer remains limited and mechanical damage due to overload is therefore excluded.
  • stop surfaces At least one of the stop surfaces of the overload protection against pressure forces and another one will take over overload protection against tensile forces.
  • the counter surface interacting with the stop surfaces can either be formed on the membrane force transducer itself or on the force introduction part.
  • the force introduction part can have a projection which interacts with the one or other or more contact surfaces in the sense of limiting tensile and / or compressive forces which can act on the membrane force transducer.
  • the force introduction part itself is often essentially cylindrical, so that the through opening of the housing is also correspondingly cylindrical.
  • the force introduction part carries an annular flange, which acts as a projection in the sense of the aforementioned overload protection.
  • the force introduction part has a recess into which a projection fixedly arranged in the housing engages and thus ensures that the possible movement of the force introduction part is limited.
  • the ring flange of the force introduction part can, however, advantageously take on a further function, namely to connect the force introduction part to the membrane.
  • the connection between the membrane and the ring flange is preferably designed such that the ring flange projects beyond the membrane surface on both sides of the membrane, so that above and below the membrane the ring flange can cooperate with stop surfaces of the housing in the sense of overload protection.
  • the membrane and the force introduction part can be formed in one piece, i.e. The membrane and the force application part are machined from the full material.
  • the membrane is welded to the force introduction part, in particular to its ring flange.
  • the membrane is preferably designed as a circular disk.
  • the projecting edge is designed as an annular collar or as annular collar segments arranged on the circumference at regular angular intervals, and the housing in turn has an annular groove in its interior into which the annular collar or the segments of the membrane the assembly of the load cell can be used. This allows a very simple, yet very exact assembly of the membrane in the rigid housing.
  • the rigid housing is preferably closed by a base part which acts on the free surface of the annular collar of the membrane and presses it into the annular groove.
  • the force introduction part is, on the one hand, fixed to the membrane itself and also has a free end, which preferably comprises a screw thread, which is accessible through the through opening of the housing or even protrudes therefrom.
  • the force measuring cell with the force introduction part is thus very easy to assemble and can also be used, for example, as a screw bolt directly at its place of use as an assembly means.
  • the housing is preferred, based on the plane defined by the membrane, to have a screw bolt or a screw thread oriented coaxially to the through opening opposite the through opening. This makes it very easy to mount the load cell on both sides using screw connections at the point of use.
  • the force introduction part can also extend through the membrane plane, the first free end of the force transducer extending in the direction of the through opening of the housing and a second free end in the interior of the housing extending away from the membrane on the other side thereof and ends inside the case.
  • This free end will preferably carry an element of the sensor arrangement, while a further element of the sensor arrangement is mounted fixed to the housing.
  • the membrane is to be designed as a regular polygon with a center of symmetry, on which the force introduction part is then arranged.
  • a simple example of this would be a strip-like design of the membrane, in which case the force introduction part would then have to be arranged centrally to the longitudinal direction of the membrane strip.
  • a triangular membrane, for example, would be just as conceivable, as would other polygonal shapes.
  • the membrane has the shape of a circular disk, as has already been described above.
  • the sensor arrangement used in the force measuring cell according to the invention can be selected from various known sensor arrangements, although contactlessly operating sensor arrangements are clearly preferred. Nevertheless, this does not rule out the use of one or more strain gauges.
  • the non-contact weighing sensor arrangements such as e.g. the inductively working and the capacitively working.
  • an optical sensor arrangement is also particularly suitable.
  • An inductively operating sensor arrangement in particular one which comprises a Hall sensor as one element and a magnet as another element, is particularly suitable in the sense of the present invention.
  • a permanent magnet is used in particular for the magnet.
  • the magnet can be arranged on the force introduction part and the Hall sensor on the housing.
  • a reverse arrangement ie the arrangement of the magnet on the housing and the arrangement of the Hall sensor on the force introduction part, is also possible, but the former variant is preferred since it has the advantage that the signal lines of the sensor can be routed in the housing material and thus very space-saving and at the same time are to be arranged protected. At the same time, it is avoided that the presence of signal lines can lead to a falsification of the weighing signal.
  • the housing of the load cell is preferably formed from a ferromagnetic steel with the advantage that the sensor arrangement is not only mechanically but also electromagnetically encapsulated.
  • the force introduction part itself, which receives the magnet, in particular the permanent magnet, must then be made of a non-magnetic steel, otherwise a magnetic short circuit would result.
  • the Hall sensor and the magnet of the sensor arrangement are preferably designed and arranged such that the Hall sensor generates an electrical signal with a value less than or equal to 1/3 of the maximum useful signal in the unloaded state of the load cell.
  • the magnet can be designed to act as a monopole with respect to the Hall sensor, the Hall sensor comprising an even number of sensor elements, which in the form of a two-dimensional matrix correspond to the model. nopol are arranged opposite each other. Two sensor elements each form part of an electronic differential circuit.
  • the magnet can be designed to act as a dipole in relation to the Hall sensor, the Hall sensor comprising one or more sensor elements whose signals can be detected separately.
  • the sensor arrangement will preferably include a light source and a slit diaphragm on the one hand and a differential photodiode on the other hand.
  • the light source and the slit diaphragm are held together on the force transducer, for example on the force introduction part, while the differential photodiode is arranged in a stationary manner on the housing.
  • the sensor arrangement can have the light source and the slit diaphragm arranged on the one hand, while the differential photodiode on the force transducer, i.e. is arranged in particular on the force introduction part.
  • Figure 1 is a sectional view through a first embodiment of a load cell according to the invention
  • Figure 2 is a sectional view through a second embodiment of a load cell according to the invention
  • Figure 3 is a sectional view through a third embodiment of a load cell according to the invention.
  • Figure 4 is a sectional view through a fourth embodiment of a load cell according to the invention.
  • FIG. 1 shows a force measuring cell, generally provided with reference number 10, in a first embodiment.
  • the load cell 10 comprises a rigid housing 12 with a hollow cylindrical cover part 14 closed on one side and a bottom part 16 closing the cover part 14.
  • the cover part 14 forms with the base part 16 an interior space 18 which communicates with the surroundings of the load cell 10 only via a through opening 20 in Cover part 14 communicates.
  • the interior 18 is essentially in the form of a circular disk and is delimited on the side of the cover part 14 by an end wall 22, which is essentially in the form of an annular disk and adjoins the through opening 20 in its center.
  • the end wall 22 Adjacent to the through opening 20, the end wall 22 springs back in a ring (reference numeral 24).
  • the end wall 22 merges into an annular groove 26 on its outer circumference.
  • the inner surface of the base part 16 has an end face 28 which is essentially complementary to the end wall 22 and which centrally adjoins a blind hole 30 arranged coaxially to the through opening 20.
  • the end face 28 has a recess 32 around the blind hole 30, which is essentially a mirror image of the recess 24 of the end wall 22. forms is.
  • a recess 34 running all around is provided, which is essentially mirror-inverted to the groove 26 of the end wall 22.
  • the base part 16 On its outer surface, the base part 16 carries a screw bolt 35 coaxially with the blind hole 30.
  • a membrane force transducer 38 is received with a circular disk-shaped membrane 40, which on its peripheral edge carries an annular collar 42 projecting over both surfaces of the membrane 40.
  • the annular collar 42 is essentially rectangular in cross section and engages in the groove 26 in the end face 22 of the cover part 14 without play.
  • the membrane 40 is preferably formed in one piece with the annular collar 42 or the annular collar 42 is welded to the membrane 40 on its outer circumference. In the engaged state of the annular collar 42 in the groove 26, a gap remains between the membrane surface and the end wall 22, which allows an elastic deformation of the membrane when subjected to a tensile or compressive force.
  • a force introduction part 44 is arranged, which essentially has a bolt shape.
  • One end of the force introduction part penetrates the through opening 20 and is provided with a screw thread 46, while the other free end of the force introduction part 44 is received by the blind hole 30.
  • the through opening 20 and the blind hole 30 form a guide for the force introduction part 44, which supports the force introduction part against tilting moments.
  • the force introduction part carries a circumferential ring flange 48, via which the force introduction part 44 is connected to the membrane 40.
  • the force introduction part 44 can in principle be formed in one piece with the membrane 40 and the annular collar 42 or else be produced as a separate part and inserted in an opening in the membrane 40 and then welded to it.
  • the ring flange 48 acts together with the recesses 24 and 32 as mechanical overload protection, i.e. the elastic deformation of the membrane 40 is limited by the displaceability of the force introduction part 44 in the direction of the axis of symmetry of the through opening 20 and the blind hole 30 and is limited by the contact of the annular flange 48 with the recess 24 or the recess 32 and the action of tensile or compressive forces and thus the deformation of the membrane.
  • a transverse bore 50 is provided, which provides a receptacle for a further element of the sensor arrangement of the load cell 10.
  • the through opening 20 and possibly also the wall of the blind hole 30 is lined with a material, for example in the form of a sleeve 52 (see dash-dotted representation for the through opening 20) ), which has the lowest possible sliding friction.
  • the sensor arrangement of the force measuring cell 10 essentially consists of a Hall sensor element 54 and a permanent magnet 56.
  • the permanent magnet 56 is fixed in the transverse bore 50 of the force introduction part 44 and moves along with the force introduction part 44 from its longitudinal direction upon the action of tensile or compressive forces away from or towards the base part 16.
  • the receptacle 36 provided in the base part 16 accommodates the Hall sensor element 54, which is connected via a bore 51 in the base part 16 and an opening aligned therewith in a side wall of the cover part 14 via signal and energy supply lines 58.
  • the cover part 14 and the base part 16 are preferably formed from ferromagnetic steel, so that an electromagnetic shielding results for the Hall sensor arrangement.
  • the force introduction part 44 is made of a non-magnetic material, in particular non-magnetic steel, in order to avoid a magnetic short circuit.
  • the material from which the membrane 40 and the ring part 42 is formed can be selected from different materials, for example aluminum. Aluminum is also suitable for producing the force introduction part 44.
  • the membrane 40 and the ring member 42 can also be made of steel.
  • a comparable installation position as shown in FIG. 1, can be selected.
  • This then results in greater freedom in the selection of the materials from which the individual components of the force measuring cell are formed, since optical sensor arrangements as such cannot be influenced by electromagnetic radiation occurring in the environment.
  • it is often advantageous to design evaluation electronics together with a sensor element be it a Hall sensor element or an optical detection element, and to arrange them in the interior of the load cell that signals that have already been processed can be output to the outside via the connecting lines 58.
  • it is also preferred, in the case of an optical sensor arrangement to use an electromagnetic shielding material for producing the cover part 14 and the base part 16, in order to ensure that the sensor arrangement electronics function reliably even in harsh electromagnetic environments.
  • the characteristic curve of a sensor arrangement with a Hall sensor and permanent magnets is not exactly linear, but linearization of the sensor signal can be omitted if an accuracy of 1% is sufficient.
  • a particularly high temperature stability can be achieved with this sensor arrangement by arranging two Hall sensor elements opposite a monopoly on the part of the permanent magnet and recording the signal as a differential signal.
  • the arrangement of a dipole in relation to a Hall sensor element should be evaluated.
  • the difference measurement achieves that a maximum useful signal is obtained via the amplifier arrangement and that this can be obtained essentially unencumbered by a zero point level.
  • the Hall sensor can often be integrated on a chip with an analog-digital converter, so that digitized signals are obtained from the load cell that are not susceptible to interference even in a harsh electromagnetic environment.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a load cell 60 according to the invention with a housing 62, which is formed by a cover part 64 and a bottom part 66.
  • a disc-shaped interior 68 is created between the cover part 64 and the bottom part 66, in which a membrane force transducer 70 is received.
  • the force transducer 70 is constructed essentially the same as the force transducer 44 in FIG. 1 and, in addition to a membrane 72, has a force introduction part 74 in its center and an annular collar 76 projecting over a surface of the membrane 72 on the peripheral edge.
  • the collar 76 moves without play into an annular groove 78 complementarily formed in the cover part 64 and is held in this position by the base part 66.
  • the bottom part 66 unlike the bottom part 16 of FIG. 1, has a circumferential projection 80 on its outer circumference which bears against the annular collar 76.
  • the inner surface of the bottom part 66 keeps a distance from the membrane 72.
  • recesses are again provided in the respective inner surfaces of the cover part 64 and the bottom part 66, which, with a corresponding ring flange on the part of the force introduction part 74, offers mechanical overload protection against excessive tensile and compressive forces.
  • the force introduction part 74 does not protrude beyond the outer surface of the cover part 64, but ends approximately flat with the outer surface.
  • the force introduction part 74 has a blind hole 82 with an internal thread on its free end facing the outer surface of the ceiling part.
  • the bottom part 66 has a screw bolt 84 which extends away from the outer surface of the bottom part 66 in the axial direction of the force introduction part.
  • a blind hole could also be machined into the bottom part 66, which would then preferably have an internal thread.
  • FIG. 2 The arrangement and structure of the sensor arrangement in FIG. 2 is similar to that in FIG. 1 and is therefore not to be discussed in more detail here. Compared to FIG. 1, however, the connection of the sensor arrangement to the environment is different. solves.
  • a socket 86 is provided in the bottom part 66, at which the signal and supply lines 88 of the sensor arrangement end, so that the load cell 60 can easily be connected, for example, to an associated evaluation electronics or can be detached therefrom.
  • FIG. 3 shows a further alternative embodiment of a force measuring cell 90 with a housing 92 with a cover part 94 and a bottom part 96, which are again designed similarly to the corresponding parts in FIG. 1.
  • Cover part 94 and bottom part 96 define an interior 98 between them, which serves to accommodate a membrane force transducer 100.
  • the force transducer 100 is composed of a membrane 102, which has a circumferential annular collar 104 on its outer circumference and is penetrated centrally by a force introduction part 106 in the form of a bolt.
  • the design of the force introduction part 106 is comparable to that shown and described in FIG. 1, so that it will not be discussed in more detail here.
  • the force introduction part is surrounded by a rubber sleeve 108 with its screw bolt section projecting outwards. In this way, the interior 98 can be shielded from the surroundings in a practically dust-tight manner.
  • the collar 104 engages in an annular groove 110 in the inner surface of the cover part 94 and is held there by the base part 96.
  • the bottom part 96 differs in its embodiment from the bottom part 16 of FIG. 1 in that there is no annular groove or no annular recess on the outer circumference, but the surface of the bottom part 96 is flat in this area.
  • a spacer ring 112 is then inserted in the area of the annular collar 104 between the membrane force transducer 100 and the bottom part 96.
  • the side walls of the cover part 94 are dimensioned such that they protrude somewhat from the outer surface of the base part 96 in the assembled state of the load cell 90, so that the base part 96 can be fixed in the cover part 94 by caulking.
  • This is the simplest and at the same time secure fixing of the base part 96 in the cover part 94, and at the same time this type of connection can be carried out just as tightly as, for example, the use of a screw thread or the like.
  • welding the base part and cover part also offers a sensible alternative.
  • the sensor arrangement shown in FIG. 3 is initially comparable to that shown in FIG. 1 and has a Hall sensor element 114 and a permanent magnet 116. In contrast to FIG. 1, however, a further Hall sensor 118 is used opposite the Hall sensor 114. Such an arrangement of a first and a further Hall sensor 114, 118 allows the zero point error of the sensor arrangement to be eliminated in a first approximation.
  • FIG. 4 shows a variant of the embodiment in FIG. 1 with regard to the design of the bottom part and the design of the screw connections on the part of the force introduction part and the bottom part.
  • the fourth embodiment of a load cell 120 according to the invention shown there has a housing 122 with a cover part 124 and a base part 126. Cover part 124 and base part 126 define an interior 128 between them, in which a membrane force transducer 130 is received.
  • the force transducer 130 is composed of a membrane 132, an annular collar 134 projecting over both membrane surfaces and a force introduction part 136.
  • the cover part 124 and the bottom part 126 each have circumferential recesses on their inner surfaces, which protrude beyond both surfaces of the membrane 132 Pick up the collar between them and clamp them without play.
  • the side walls of the cover part 124 do not extend over the entire height of the load cell 120, while the bottom part 126 has at its lower end a circumferentially projecting ring flange 138 which is radially flush with the side walls of the cover part 124.
  • the sensor arrangement of the embodiment of FIG. 4 is not to be described here in any more detail and is only emphasized on the fact that in this embodiment a continuous channel leads in the radial direction from a recess for receiving the Hall sensor to the outer circumference of the load cell 120 and there in a socket for receiving it Signal lines end.
  • a screw connection can be used to connect the cover part and the base part without any problems, since the orientation in the tightened state between the base part and the cover part is irrelevant with regard to the cable routing here.
  • a welded connection is also useful here.
  • the base part 126 has a blind hole 140 with an internal thread centrally, and coaxially with this, a blind hole 142 with an internal thread is likewise provided in the force introduction part 136.

Abstract

Um eine Kraftmesszelle mit einem elastisch verformbaren Membran-Kraftaufnehmer zur Aufnahme von zu bestimmenden Kräften, mit einer Sensoranordnung zur Erfassung der Kraftaufnehmerverformung und deren Umwandlung in ein elektrisches Wägesignal zur Verfügung zu stellen, weiche robust ist und auch in beengten Verhältnissen eingebaut werden kann und insbesondere neben Druckauch Zugkräfte aufnehmen und bestimmen kann, wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse den Kraftaufnehmer im Wesentlichen allseitig umgibt und eine Durchgangsöffnung aufweist, durch die hindurch der Membran-Kraftaufnehmer mit der zu bestimmenden Kraft beaufschlagbar ist, wobei der Membran-Kraftaufnehmer ein mittig angeordnetes Krafteinleitungsteil und am Randbereich ein über mindestens eine der Membranoberflächen vorspringendes Randteil umfasst und wobei im Innenraum des Gehäuses ein rückspringender Bereich ausgebildet ist, in den der vorspringende Rand des Kraftaufnehmers formschlüssig einrückbar ist.

Description

K R A F T M E S S Z E L L E
Die Erfindung betrifft eine Kraftmesszelle mit einem elastisch verformbaren Membran-Kraftaufnehmer zur Aufnahme von zu bestimmenden Kräften, mit einer Sensoranordnung zur Erfassung der Kraftaufnehmerverformung und deren Umwandlung in ein elektrisches Wägesignal.
Eine Kraftmesszelle mit einem Membran-Kraftaufnehmer ist beispielsweise aus der DE 36 27 127 AI bekannt. Diese Kraftmesszelle ist in der Form einer Kraftmessdose ausgebildet, bei der ein biegesteifes Trägerelement die Membran elastisch verformbar hält, wobei die Verformung der Membran gemäß dieser Druckschrift bevorzugt mit einer Sensoranordnung, die einen Hall-Generator beinhaltet, erfasst wird. Die Membran und das biegesteife Trägerelement bilden zusammen eine Kraftmessdose, in deren Innerem die Sensoranordnung untergebracht werden kann.
Aus der DE 41 32 108 ist ebenfalls eine Kraftmesszelle der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei der die elastische Verformung der Membran mit einer kapazitiven Sensoranordnung erfasst wird.
Den vorgenannten Kraftmesszellen ist gemeinsam, dass sie nur Druckkräfte aufnehmen können und zudem in rauher Umgebung nur mit geringem Nutzen eingesetzt werden können. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftmesszelle der eingangs beschriebenen Art vorzuschlagen, welche robust ist und auch in beengten Verhältnissen eingebaut werden kann und insbesondere neben Druck- auch Zugkräfte aufnehmen und bestimmen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kraftmesszelle ein biegesteifes mehrteiliges Gehäuse mit einem Innenraum zur Aufnahme und Hal- terung des Membran-Kraftaufnehmers und der Sensoranordnung aufweist, wobei das Gehäuse den Kraftaufnehmer im Wesentlichen allseitig umgibt und eine Durchgangsöffnung aufweist, durch die hindurch der Membran-Kraftaufnehmer mit der zu bestimmenden Kraft beaufschlagbar ist, wobei der Membran-Kraftaufnehmer ein mittig angeordnetes Krafteinleitungsteil und am Randbereich ein über mindestens eine der Membranoberflächen vorspringendes Randteil umfasst und wobei im Innenraum des Gehäuses ein rückspringender Bereich ausgebildet ist, in den der vorspringende Rand des Membran-Kraftaufnehmers formschlüssig einrückbar ist.
Durch die Verwendung eines biegesteifen Gehäuses, welches den Membran- Kraftaufnehmer und die Sensoranordnung aufnimmt und diese im Wesentlichen allseitig umgibt, lässt sich die erfindungsgemäße Kraftmesszelle sehr robust gestalten und in einer Vielzahl von rauhen Umgebungsbedingungen einsetzen. Dies resultiert insbesondere daraus, dass nicht nur die Sensoranordnung, sondern auch die Membran des Kraftaufnehmers quasi gekapselt in dem Gehäuse untergebracht ist. Lediglich eine Durchgangsöffnung in dem Gehäuse ist notwendig, damit die zu bestimmende Druck- oder Zugkraft auf den Membran-Kraftaufnehmer wirken kann.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Kraftmesszelle, insbesondere der Zusammenbau, ist durch das mehrteilige, biegesteife Gehäuse sehr vereinfacht, da dieses den Membran-Kraftaufnehmer mit seinem vorspringenden Rand in einem rückspringenden Bereich, beispielsweise einer Nut, formschlüssig aufnimmt. Der Rand und der rückspringende Bereich können fertigungstechnisch ohne allzu großen Aufwand aufeinander abgestimmt ausgebildet werden, so dass der Rand des Membran-Kraftaufnehmers spielfrei in dem rückspringenden Bereich in einem ersten Gehäuseteil aufgenommen wird.
Mit einem weiteren Gehäuseteil kann dann der Rand des Membran-Kraftaufnehmers in dem rückspringenden Bereich des ersten Gehäuseteiles form- oder kraftschlüssig fixiert werden. Dies erlaubt im Fall des Versagens des Kraftaufnehmers bei der Endkontrolle einen einfachen Austausch des Membran-Kraftaufnehmers.
Ansonsten ist die erfindungsgemäße Kraftmesszelle hermetisch verschließbar. Dies bedeutet eine besonders gute Resistenz gegen Verschmutzungen und Beeinträchtigungen der Funktion auch in sehr schwierigen Umgebungen, beispielsweise in einer Vielzahl von Anordnungsmöglichkeiten in einem Automobil, insbesondere auch in dessen Innenraum, in dem Temperaturschwankungen, Staub und abrupte Belastungen häufig vorkommen.
Die erfindungsgemäße Kraftmesszelle lässt sich insbesondere dafür verwenden, auf den Sitz eines Kraftfahrzeuges einwirkende Gewichtskräfte zu bestimmen, wie sie z.B. im Zusammenhang mit der selektiven Ansteuerung von Airbag-Sys- temen zunehmend Verwendung finden. Die bevorzugten Einbaulagen sind zwischen Sitzschienen und Bodenblech des Fahrzeuges oder zwischen Sitzschale und Sitzunterbau.
Bevorzugt wird das Krafteinleitungsteil koaxial zur Durchgangsöffnung des Gehäuses angeordnet und weiter bevorzugt so ausgebildet, dass dieses im Wesentlichen komplementär zum Querschnitt der Durchgangsöffnung ausgebildet ist, so dass die Durchgangsöffnung des Gehäuses quasi durch das hier vorzugsweise mindestens teilweise hineinragende Krafteinleitungsteil im Wesentlichen ausgefüllt wird. Selbstverständlich muss zwischen Krafteinleitungsteil und Durchgangsöffnung ein minimaler Spalt vorgesehen sein, um das Krafteinleitungsteil im We- sentlichen reibungsfrei die auf die Kraftmesszelle einwirkende Kraft auf die Membran übertragen lassen zu können. Spalte von ca. 0,1 bis ca. 0,5 mm haben sich in der Praxis gut bewährt. Diesbezüglich kann vorgesehen sein, dass die Durchgangsöffnung des Gehäuses mit einem Kunststoffbelag, beispielsweise in Form einer Hülse, beaufschlagt ist, wobei das Kunststoffmaterial unter dem Gesichtspunkt eines möglichst niedrigen Reibungsbeiwertes ausgewählt wird.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, wenn das Krafteinleitungsteil so ausgebildet wird, dass es' über die Oberfläche des Gehäuses heraussteht, dass zur Abdichtung des Spaltes zwischen Durchgangsöffnung und Krafteinleitungsteil eine abschirmende Manschette aus einem flexiblen Material vorgesehen ist, welches die auf das Krafteinleitungsteil einwirkende Kraft im Wesentlichen unbeeinflusst lässt.
Weiter bevorzugt wird die erfindungsgemäße Kraftmesszelle einen integrierten mechanischen Überlastschutz aufweisen. Ein solcher mechanischer Überlastschutz kann für Zug- und/oder Druckkräfte vorgesehen sein und bedeutet, dass bei einer Einwirkung einer übermäßig großen, d.h. nicht mehr für die sichere Funktion der Kraftmesszelle zugelassenen Kraft, diese nicht ungehindert auf die Membran wirken kann. Hierzu wird vorgesehen, dass im Inneren des Gehäuses eine oder mehrere Anschlagflächen ausgebildet sind, welche eine elastische Verformung des Membran-Kraftaufnehmers beim Einwirken von Zug- und/oder Druckkräften begrenzen. Dabei kann sich dann beispielsweise das Krafteinleitungsteil an einem Anschlag abstützen, so dass die maximale Verformung des Membran-Kraftaufnehmers begrenzt bleibt und damit eine mechanische Beschädigung durch Überlast ausgeschlossen wird.
Bei mehreren Anschlagflächen wird mindestens eine der Anschlagflächen der Überlastsicherung gegenüber Druckkräften und eine andere eine Überlastsicherung gegenüber Zugkräften übernehmen. Die mit den Anschlagflächen zusammenwirkende Gegenfläche kann entweder an dem Membran-Kraftaufnehmer selbst oder aber am Krafteinleitungsteil ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Krafteinleitungsteil einen Vorsprung aufweisen, welcher mit der einen oder anderen bzw. mehreren Anlageflächen im Sinne der Begrenzung von Zug- und/oder Druckkräften zusammenwirkt, die auf den Membran-Kraftaufnehmer wirken können.
Das Krafteinleitungsteil selbst ist häufig im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, so dass auch die Durchgangsöffnung des Gehäuses entsprechend zylindrisch ausgebildet wird. Das Krafteinleitungsteil trägt bei einer bevorzugten Ausführungsform einen Ringflansch, der als Vorsprung im Sinne der vorgenannten Überlastsicherung wirkt. Alternativ kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass das Krafteinleitungsteil einen Rücksprung aufweist, in den ein gehäusefest angeordneter Vorsprung eingreift und so für eine Begrenzung der möglichen Bewegung des Krafteinleitungsteiles sorgt.
Der Ringflansch des Krafteinleitungsteiles kann aber vorteilhafterweise noch eine weitere Funktion übernehmen, nämlich das Krafteinleitungsteil mit der Membran zu verbinden. Hierbei wird die Verbindung zwischen Membran und Ringflansch vorzugsweise so gestaltet, dass der Ringflansch die Membranoberfläche auf beiden Seiten der Membran überragt, so dass oberhalb und unterhalb der Membran der Ringflansch im Sinne einer Überlastsicherung mit Anschlagflächen des Gehäuses kooperieren kann.
Die Membran und das Krafteinleitungsteil können bei manchen Ausführungsformen einstückig ausgebildet sein, d.h. Membran und Krafteinleitungsteil werden aus dem vollen Material herausgearbeitet.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Membran an dem Krafteinleitungsteil, insbesondere an dessen Ringflansch, angeschweißt wird. Bevorzugt wird die Membran als Kreisscheibe ausgebildet. Zur sicheren und definierten Befestigung der Membran in dem Gehäuse ist der vorspringende Rand als Ringbund oder als am Umfang in regelmäßigen Winkelabständen angeordnete Ringbundsegmente ausgebildet, und das Gehäuse wiederum weist in seinem Inneren eine Ringnut auf, in die der Ringbund bzw. die Segmente der Membran bei der Montage der Kraftmesszelle einsetzbar ist. Dies erlaubt eine sehr einfache und trotzdem sehr exakte Montage der Membran in dem biegefesten Gehäuse. Verschlossen wird das biegefeste Gehäuse vorzugsweise durch ein Bodenteil, welches die freie Oberfläche des Ringbundes der Membran beaufschlagt und in die Ringnut hineinpresst.
Das Krafteinleitungsteil ist einerseits, wie bereits erwähnt, an der Membran selbst festgelegt und weist darüber hinaus ein freies Ende auf, welches vorzugsweise ein Schraubgewinde umfasst, welches durch die Durchgangsöffnung des Gehäuses zugänglich ist oder gar aus diesem heraussteht.
Damit ist die Kraftmesszelle mit dem Krafteinleitungsteil sehr einfach zu montieren und beispielsweise auch als Schraubbolzen direkt an seinem Einsatzort als Montagemittel verwendbar.
Im letzteren Fall wird das Gehäuse bevorzugt, bezogen auf die von der Membran definierte Ebene, gegenüberliegend zur Durchgangsöffnung einen Schraubbolzen oder ein Schraubgewinde koaxial zur Durchgangsöffnung orientiert aufweisen. Damit lässt sich die Kraftmesszelle beidseitig mittels Schraubverbindungen an der Einsatzstelle sehr einfach montieren.
Das Krafteinleitungsteil kann sich in einer bevorzugten Ausführungsform auch durch die Membranebene hindurch erstrecken, wobei das erste freie Ende des Kraftaufnehmers sich in Richtung zu der Durchgangsöffnung des Gehäuses erstreckt und ein zweites freies Ende im Inneren des Gehäuses sich von der Membran auf deren anderer Seite weg erstreckt und im Inneren des Gehäuses endet. Bevorzugt wird dieses freie Ende ein Element der Sensoranordnung tragen, während ein weiteres Element der Sensoranordnung gehäusefest montiert wird.
Allgemein kann festgestellt werden, dass die Membran als regelmäßiges Vieleck mit einem Symmetriezentrum auszubilden ist, an dem dann das Krafteinleitungsteil angeordnet wird.
Ein einfaches Beispiel hierfür wäre eine streifenförmige Ausbildung der Membran, wobei dann das Krafteinleitungsteil mittig zur Längsrichtung des Membranstreifens anzuordnen wäre. Genauso vorstellbar wäre beispielsweise eine dreieckige Membran, ebenso wie andere Vieleckformen.
In einem Sonderfall hiervon, der allerdings der am meisten bevorzugte Fall ist, weist die Membran Kreisscheibenform auf, wie dies weiter oben bereits beschrieben wurde.
Die bei der erfindungsgemäßen Kraftmesszelle zum Einsatz kommende Sensoranordnung kann aus verschiedenen bekannten Sensoranordnungen ausgewählt werden, wobei allerdings berührungsfrei arbeitende Sensoranordnungen deutlich bevorzugt sind. Dies schließt den Einsatz von einem oder mehreren Dehnungsmessstreifen trotz allem nicht aus.
Bevorzugt allerdings sind, wie gesagt, die berührungsfreien Wägmess-Sensoran- ordnungen wie z.B. die induktiv arbeitende sowie die kapazitiv arbeitende. Daneben eignet sich insbesondere auch eine optische Sensoranordnung.
Besonders geeignet im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine induktiv arbeitende Sensoranordnung, insbesondere eine solche, die einen Hallsensor als ein Element und einen Magneten als ein weiteres Element umfasst. Bei dem Magneten wird insbesondere ein Permanentmagnet verwendet. Bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Magnet am Krafteinleitungsteil und der Hallsensor am Gehäuse angeordnet sein. Eine umgekehrte Anordnung, d.h. die Anordnung des Magneten am Gehäuse und die Anordnung des Hallsensors am Krafteinleitungsteil, ist ebenfalls möglich, jedoch ist die erstere Variante bevorzugt, da diese den Vorteil aufweist, dass die Signalleitungen des Sensors im Gehäusematerial geführt werden können und somit sehr platzsparend und gleichzeitig geschützt anzuordnen sind. Gleichzeitig wird vermieden, dass durch das Vorhandensein von Signalleitungen eine Verfälschung des Wägesignals eintreten kann.
Bei einer solchen Ausführungsform wird das Gehäuse der Kraftmesszelle vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Stahl gebildet mit dem Vorteil, dass die Sensoranordnung nicht nur mechanisch, sondern auch elektromagnetisch gekapselt ist. Das Krafteinleitungsteil selbst, das den Magneten, insbesondere den Permanentmagneten aufnimmt, ist dann allerdings aus einem nicht-magnetischen Stahl herzustellen, da sich sonst ein magnetischer Kurzschluss ergeben würde.
Bevorzugt wird der Hallsensor und der Magnet der Sensoranordnung so ausgebildet und angeordnet, dass der Hallsensor im unbelasteten Zustand der Kraftmesszelle ein elektrisches Signal mit einem Wert kleiner oder gleich 1/3 des maximalen Nutzsignales erzeugt.
Dies gewährleistet, dass für die Auswerteschaltung, die vorzugsweise ebenfalls im Inneren der Kraftmesszelle anzuordnen ist, eine ausreichende Reserve zur Verstärkung des Nutzsignales gegeben ist und ein ausreichendes Signal/Rauschverhältnis vorliegt.
Bei einer ersten Variante kann der Magnet dem Hallsensor gegenüber als Mono- pol-wirkend ausgebildet sein, wobei der Hallsensor eine geradzahlige Anzahl an Sensorelementen umfasst, die in Form einer zweidimensionalen Matrix dem Mo- nopol gegenüberliegend angeordnet sind. Hierbei bilden jeweils zwei Sensorelemente einen Teil einer elektronischen Differenzschaltung.
Alternativ kann der Magnet dem Hallsensor gegenüber als Dipol-wirkend ausgebildet sein, wobei der Hallsensor ein oder mehrere Sensorelemente umfasst, deren Signale getrennt erfassbar sind.
Insbesondere ist vorstellbar, dass, wenn der Magnet in dem Krafteinleitungsteil angeordnet ist, zwei Hallsensoren diametral gegenüberliegend zu dem Krafteinleitungsteil bzw. dessen Längsrichtung angeordnet sind und ausgewertet werden.
Eine weitere Alternative besteht, wie bereits zuvor erwähnt, darin, eine optische Sensoranordnung auszuwählen.
Hierbei wird bevorzugt die Sensoranordnung eine Lichtquelle und eine Schlitzblende einerseits und eine Differenzfotodiode andererseits umfassen. Bei einer Anordnung werden die Lichtquelle und die Schlitzblende gemeinsam am Kraftaufnehmer, beispielsweise am Krafteinleitungsteil, gehalten, während die Differenzfotodiode ortsfest am Gehäuse angeordnet ist.
Alternativ kann die Sensoranordnung die Lichtquelle und die Schlitzblende einerseits gehäusefest angeordnet aufweisen, während die Differenzfotodiode am Kraftaufnehmer, d.h. insbesondere am Krafteinleitungsteil, angeordnet wird.
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:
Figur 1: eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftmesszelle; Figur 2: eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftmesszelle;
Figur 3: eine Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftmesszelle;
Figur 4: eine Schnittansicht durch eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftmesszelle.
Figur 1 zeigt eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehene Kraftmesszelle in einer ersten Ausführungsform. Die Kraftmesszelle 10 umfasst ein biegesteifes Gehäuse 12 mit einem einseitig geschlossenen, hohlzylindrischen Deckelteil 14 und einem das Deckelteil 14 verschließenden Bodenteil 16. Das Deckelteil 14 bildet mit dem Bodenteil 16 einen Innenraum 18, welcher mit der Umgebung der Kraftmesszelle 10 lediglich über eine Durchgangsöffnung 20 im Deckelteil 14 kommuniziert.
Der Innenraum 18 ist im Wesentlichen kreisscheibenförmig und wird auf Seiten des Deckelteils 14 begrenzt von einer Stirnwand 22, welche im Wesentlichen ringscheibenförmig ausgebildet ist und in ihrer Mitte an die Durchgangsöffnung 20 angrenzt.
Benachbart zu der Durchgangsöffnung 20 springt die Stirnwand 22 ringförmig zurück (Bezugszeichen 24). An ihrem Außenumfang geht die Stirnwand 22 in eine Ringnut 26 über.
Die innen liegende Oberfläche des Bodenteiles 16 weist eine im Wesentlichen komplementär zu der Stirnwand 22 ausgebildete Stirnseite 28 auf, welche mittig an ein koaxial zu der Durchgangsöffnung 20 angeordnetes Sackloch 30 angrenzt. Die Stirnseite 28 weist rings um das Sackloch 30 einen Rücksprung 32 auf, der im Wesentlichen spiegelbildlich zu dem Rücksprung 24 der Stirnwand 22 ausge- bildet ist. Am äußeren Umfang der Stirnseite 28 ist ein ringsum laufender Rücksprung 34 vorgesehen, der im Wesentlichen spiegelbildlich zu der Nut 26 der Stirnwand 22 ausgebildet ist. An seiner außen liegenden Oberfläche trägt das Bodenteil 16 koaxial zum Sackloch 30 einen Schraubbolzen 35.
Benachbart zum Boden des Sackloches 30 erweitert sich dieses zu einer Aufnahme 36, in welcher ein Bestandteil einer noch zu erläuternden Sensoranordnung der Kraftmesszelle 10 unterzubringen ist.
In dem Innenraum 18 wird ein Membran-Kraftaufnehmer 38 aufgenommen mit einer kreisscheibenförmigen Membran 40, welche an ihrem Umfangsrand einen über beide Oberflächen der Membran 40 vorspringenden Ringbund 42 trägt. Der Ringbund 42 ist im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig ausgebildet und greift spielfrei in die Nut 26 in der Stirnseite 22 des Deckelteiles 14 ein.
Die Membran 40 ist mit dem Ringbund 42 bevorzugt einstückig ausgebildet oder aber der Ringbund 42 wird mit der Membran 40 an deren Außenumfang verschweißt. Im eingerückten Zustand des Ringbundes 42 in die Nut 26 verbleibt zwischen der Membranoberfläche und der Stirnwand 22 ein Spalt, der bei Einwirkung einer Zug- bzw. Druckkraft eine elastische Verformung der Membran zu- lässt.
In der Mitte der Membran 40 ist ein Krafteinleitungsteil 44 angeordnet, welches im Wesentlichen eine Bolzenform aufweist. Ein Ende des Krafteinleitungsteiles durchdringt die Durchgangsöffnung 20 und ist mit einem Schraubgewinde 46 versehen, während das andere freie Ende des Krafteinleitungsteiles 44 von dem Sackloch 30 aufgenommen wird. Die Durchgangsöffnung 20 sowie das Sackloch 30 bilden eine Führung für das Krafteinleitungsteil 44, welche das Krafteinleitungsteil gegen Kippmomente stützt. Im Bereich der Durchdringung der Membran 40 trägt das Krafteinleitungsteil einen umlaufenden Ringflansch 48, über den das Krafteinleitungsteil 44 mit der Membran 40 verbunden ist. Das Krafteinleitungsteil 44 kann im Prinzip einstückig mit der Membran 40 und dem Ringbund 42 ausgebildet sein oder aber als separates Teil hergestellt und in einem Durchbruch der Membran 40 eingesetzt und mit dieser dann verschweißt werden.
Der Ringflansch 48 wirkt mit den Rücksprüngen 24 und 32 zusammen als mechanischer Überlastschutz, d.h. die elastische Verformung der Membran 40 wird begrenzt durch die Verschieblichkeit des Krafteinleitungsteiles 44 in Richtung der Symmetrieachse der Durchgangsöffnung 20 sowie des Sackloches 30 und limitiert durch Anlage des Ringflansches 48 an dem Rücksprung 24 oder dem Rücksprung 32 das Einwirken von Zug- bzw. Druckkräften und damit die Verformung der Membran.
In dem in das Sackloch 30 eingreifenden Ende des Krafteinleitungsteiles 44 ist eine Querbohrung 50 vorgesehen, welche eine Aufnahme für ein weiteres Element der Sensoranordnung der Kraftmesszelle 10 bereitstellt.
Um die Bestimmung der auf die Kraftmesszelle einwirkenden Gewichtskraft möglichst unbeeinflusst zu lassen, kann vorgesehen sein, dass die Durchgangsöffnung 20 und gegebenenfalls auch die Wandung des Sackloches 30 mit einem Material, beispielsweise in Form einer Hülse 52, ausgekleidet ist (siehe strichpunktierte Darstellung bei Durchgangsöffnung 20), welches eine möglichst geringe Gleitreibung aufweist.
Die Sensoranordnung der erfindungsgemäßen Kraftmesszelle 10 besteht im Wesentlichen aus einem Hallsensorelement 54 und einem Permanentmagneten 56. Der Permanentmagnet 56 ist dabei in der Querbohrung 50 des Krafteinleitungsteils 44 fixiert und bewegt sich zusammen mit dem Krafteinleitungsteil 44 entlang von dessen Längsrichtung bei Einwirken von Zug- bzw. Druckkräften von dem Bodenteil 16 weg bzw. zu diesem hin.
Die in dem Bodenteil 16 vorgesehene Aufnahme 36 nimmt das Hallsensorelement 54 auf, welches über eine Bohrung 51 in dem Bodenteil 16 sowie einem hierzu fluchtenden Durchbruch in einer Seitenwandung des Deckelteils 14 über Signal- und Energieversorgungsleitungen 58 angeschlossen ist.
Bei der Auswahl der Sensoranordnung wie vorerwähnt wird das Deckelteil 14 sowie das Bodenteil 16 bevorzugt aus ferromagnetischem Stahl ausgebildet, so dass sich eine elektromagnetische Abschirmung für die Hallsensoranordnung ergibt.
Das Krafteinleitungsteil 44 ist aus einem nicht-magnetischen Material, insbesondere nicht-magnetischem Stahl gefertigt, um einen magnetischen Kurzschluss zu vermeiden.
Das Material, aus dem die Membran 40 sowie das Ringteil 42 gebildet ist, lässt sich aus unterschiedlichen Materialien auswählen, beispielsweise Aluminium. Aluminium ist auch geeignet, um das Krafteinleitungsteil 44 herzustellen. Die Membran 40 sowie das Ringteil 42 können aber auch aus Stahl hergestellt sein.
Verwendet man andere Sensoranordnungen, beispielsweise eine optische Sensoranordnung wie eingangs beschrieben, kann eine vergleichbare Einbaulage, wie in Figur 1 gezeigt, gewählt werden. Hier ergeben sich dann größere Freiheiten in der Auswahl der Materialien, aus denen die einzelnen Komponenten der Kraftmesszelle gebildet werden, da optische Sensoranordnungen als solche durch in der Umgebung vorkommende elektromagnetische Strahlungen nicht beeinflussbar sind. Allerdings ist es oft vorteilhaft, eine Auswerteelektronik zusammen mit einem Sensorelement, sei es ein Hallsensorelement oder ein optisches Detek- tionselement, auszubilden und in dem Innern der Kraftmesszelle anzuordnen, so dass bereits aufbereitete Signale über die Anschlussleitungen 58 nach außen abgegeben werden können. In einem solchen Fall ist auch bei einer optischen Sensoranordnung bevorzugt, einen elektromagnetischen abschirmenden Werkstoff zur Herstellung des Deckelteils 14 und des Bodenteils 16 zu verwenden, um auch bei rauhen elektromagnetischen Umgebungen eine sichere Funktion der Sensoranordnungselektronik zu gewährleisten.
Die Kennlinie einer Sensoranordnung mit Hallsensor und Permanentmagneten ist zwar nicht genau linear, doch kann eine Linearisierung des Sensorsignals unterbleiben, wenn eine Genauigkeit von 1% ausreichend ist.
Eine besonders hohe Temperaturstabilität lässt sich bei dieser Sensoranordnung dadurch erreichen, dass man zwei Hallsensorelemente einem Monopol seitens des Permanentmagneten gegenüber anordnet und das Signal als Differenzsignal aufnimmt. Alternativ hierzu wäre die Anordnung eines Dipols gegenüber einem Hallsensorelement zu werten.
Gleichzeitig erreicht man mit der Differenzmessung, dass man ein maximales Nutzsignal über die Verstärkeranordnung erhält und dies im Wesentlichen unbelastet von einem Nullpunktpegel erhalten werden kann.
Häufig lässt sich der Hallsensor mit einem Analogdigitalwandler auf einem Chip integrieren, so dass aus der Kraftmesszelle digitalisierte Signale erhalten werden, die auch in rauher elektromagnetischer Umgebung störunanfällig sind.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftmesszelle 60 mit einem Gehäuse 62, welches von einem Deckelteil 64 und einem Bodenteil 66 gebildet wird. Im Innern des Gehäuses 62 wird zwischen dem Deckelteil 64 und dem Bodenteil 66 ein scheibenförmiger Innenraum 68 geschaffen, in welchem ein Membrankraftaufnehmer 70 aufgenommen wird. Der Kraftaufnehmer 70 ist im Wesentlichen gleich wie der Kraftaufnehmer 44 der Figur 1 aufgebaut und weist neben einer Membran 72 in deren Mitte ein Krafteinleitungsteil 74 sowie am Umfangsrand einen über eine Oberfläche der Membran 72 überstehenden Ringbund 76 auf. Im montierten Zustand rückt der Ringbund 76 spielfrei in eine komplementär im Deckelteil 64 ausgeformte Ringnut 78 ein und wird in dieser Position von dem Bodenteil 66 gehalten. Hierzu weist das Bodenteil 66, anders als das Bodenteil 16 der Figur 1, an seinem Außenumfang einen ringsumlaufenden Vorsprung 80 auf, der gegen den Ringbund 76 anliegt. Gegenüber der Membran 72 hält die innen liegende Oberfläche des Bodenteils 66 Abstand.
Im mittleren Bereich des Innenraums 68 sind wieder Rücksprünge in den jeweiligen Innenoberflächen des Deckelteils 64 und des Bodenteils 66 vorgesehen, die mit einem entsprechenden Ringflansch seitens des Krafteinleitungsteils 74 eine mechanische Überlastsicherung gegen zu große Zug- und Druckkräfte bietet.
Anders als das Krafteinleitungsteil 44 steht das Krafteinleitungsteil 74 nicht über die Außenoberfläche des Deckelteils 64 hinaus, sondern endet ungefähr eben mit der Außenoberfläche. Um das Krafteinleitungsteil 74 mit der Umgebung verbinden zu können, um so sicher Zug- und/oder Druckkräfte mit der Kraftmesszelle 60 bestimmen zu können, weist das Krafteinleitungsteil 74 an seinem zur Außenoberfläche des Deckenteils weisenden freien Ende ein Sackloch 82 mit einem Innengewinde auf. Auf der gegenüberliegenden Seite weist das Bodenteil 66 einen Schraubbolzen 84 auf, der sich in Axialrichtung des Krafteinleitungsteils von der Außenoberfläche des Bodenteils 66 wegerstreckt. Selbstverständlich könnte an Stelle des Schraubbolzens 84 auch in das Bodenteil 66 ein Sackloch eingearbeitet sein, welches dann vorzugsweise ein Innengewinde tragen würde.
Die Anordnung und der Aufbau der Sensoranordnung in Figur 2 ist ähnlich dem im Figur 1 und soll hier deshalb nicht näher besprochen werden. Gegenüber Figur 1 ist jedoch die Verbindung der Sensoranordnung mit der Umgebung anders ge- löst. Hier ist in dem Bodenteil 66 eine Buchse 86 vorgesehen, an der Signal- und Versorgungsleitungen 88 der Sensoranordnung enden, so dass die Kraftmesszelle 60 einfach beispielsweise mit einer zugehörigen Auswerteelektronik verbunden bzw. von dieser gelöst werden kann.
Figur 3 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform einer Kraftmesszelle 90 mit einem Gehäuse 92 mit einem Deckelteil 94 und einem Bodenteil 96, welche wieder ähnlich wie die entsprechenden Teile in Figur 1 gestaltet sind.
Deckelteil 94 und Bodenteil 96 definieren zwischen sich einen Innenraum 98, welcher der Aufnahme eines Membrankraftaufnehmers 100 dient. Der Kraftaufnehmer 100 setzt sich zusammen aus einer Membran 102, welche an ihrem Außenumfang einen umlaufenden Ringbund 104 trägt und zentral von einem Krafteinleitungsteil 106 in Bolzenform durchsetzt wird. Die Ausbildung des Krafteinleitungsteils 106 ist vergleichbar der in Figur 1 gezeigten und beschriebenen, so dass hier nicht näher darauf eingegangen werden soll. Um eine zusätzliche Dichtigkeit des Gehäuses 92 zu erreichen, wird das Krafteinleitungsteil mit seinem nach außen abstehenden Schraubbolzenabschnitt von einer Gummimanschette 108 umgeben. So lässt sich der Innenraum 98 praktisch staubdicht von der Umgebung abschirmen.
Im eingesetzten Zustand greift der Ringsbund 104 in eine Ringnut 110 der Innenoberfläche des Deckelteils 94 ein und wird dort von dem Bodenteil 96 gehalten. Das Bodenteil 96 unterscheidet sich in seiner Ausführungsform von dem Bodenteil 16 der Figur 1, indem dort keine Ringnut oder kein ringförmiger Rücksprung am Außenumfang vorgesehen ist, sondern die Oberfläche des Bodenteils 96 in diesem Bereich eben ausgebildet ist. Um die nach innen weisende Oberfläche des Bodenteils 96 von der Oberfläche der Membran 102 zu beabstanden ist dann im Bereich des Ringbundes 104 zwischen dem Membrankraftaufnehmer 100 und dem Bodenteil 96 ein Distanzring 112 eingelegt. Die Seitenwände des Deckelteils 94 sind so bemessen, dass sie über die außen liegende Oberfläche des Bodenteils 96 im zusammengebauten Zustand der Kraftmesszelle 90 etwas überstehen, so dass das Bodenteil 96 durch ein Verstemmen in dem Deckelteil 94 fixiert werden kann. Dies ist die einfachste und gleichzeitig sichere Fixierung des Bodenteils 96 in dem Deckelteil 94, und gleichzeitig lässt sich diese Art der Verbindung genauso dicht durchführen wie beispielsweise die Verwendung eines Schraubgewindes oder dergleichen. Letztlich bietet auch das Verschweißen von Bodenteil und Deckelteil eine sinnvolle Alternative.
Die in Figur 3 gezeigte Sensoranordnung ist zunächst vergleichbar mit der in Figur 1 gezeigten und weist ein Hallsensorelement 114 sowie einen Permanentmagneten 116 auf. Hier wird jedoch im Gegensatz zu der Figur 1 gegenüberliegend zu dem Hallsensor 114 ein weiterer Hallsensor 118 verwendet. Durch eine solche Anordnung eines ersten und eines weiteren Hallsensors 114, 118 lässt sich der Nullpunktsfehler der Sensoranordnung in erster Näherung eliminieren.
Figur 4 zeigt schließlich eine Variante der Ausführungsform der Figur 1 bezüglich der Ausbildung des Bodenteils sowie der Ausbildung der Schraubverbindungen seitens des Krafteinleitungsteils und des Bodenteils. Die dort dargestellte vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftmesszelle 120 weist ein Gehäuse 122 auf, mit einem Deckelteil 124 und einem Bodenteil 126. Deckelteil 124 und Bodenteil 126 definieren zwischen sich einen Innenraum 128, in dem ein Membrankraftaufnehmer 130 aufgenommen wird. Der Kraftaufnehmer 130 setzt sich zusammen aus einer Membran 132, einem über beide Membranoberflächen überstehenden Ringbund 134 sowie einem Krafteinleitungsteil 136. Das Deckelteil 124 sowie das Bodenteil 126 weisen an ihren innen liegenden Oberflächen jeweils ringsumlaufende Rücksprünge auf, die den über beide Oberflächen der Membran 132 überstehenden Ringbund zwischen sich aufnehmen und spielfrei klemmen.
Im Gegensatz zu der Ausführung des Deckelteils 14 der Figur 1 verlaufen die Seitenwände des Deckelteils 124 nicht über die gesamte Höhe der Kraftmesszelle 120, während das Bodenteil 126 an seinem unteren Ende einen ringsum abstehenden Ringflansch 138 aufweist, welcher radialbündig mit den Seitenwänden des Deckelteils 124 fluchtet. Die Sensoranordnung der Ausführungsform der Figur 4 soll hier nicht näher beschrieben werden und nur darauf abgehoben, dass in dieser Ausführungsform ein durchgängiger Kanal in Radialrichtung von einer Ausnehmung zur Aufnahme des Hallsensors bis zum äußeren Umfang der Kraftmesszelle 120 führt und dort in einer Buchse zur Aufnahme dieser Signalleitungen endet.
Hier bietet sich dann zur Verbindung von Deckelteil und Bodenteil problemlos eine Schraubverbindung an, da die Orientierung im festgezogenen Zustand zwischen Bodenteil und Deckelteil im Hinblick auf die hier getroffene Kabelführung unerheblich ist. Alternativ ist hier auch eine Schweißverbindung sinnvoll.
Zur Verbindung der Kraftmesszelle 120 mit der Umgebung weist das Bodenteil 126 zentral ein Sackloch 140 mit einem Innengewinde auf, und koaxial hierzu ist in dem Krafteinleitungsteil 136 ebenfalls ein Sackloch 142 mit einem Innengewinde vorgesehen.
Es versteht sich aus der vorstehenden Beschreibung, dass die in den Figuren 1 bis 4 angegebenen Varianten der Ausbildung des Membrankraftaufnehmers, insbesondere bezüglich des Ringbundes sowie korrespondierend hierzu die Ausbildung der Innenoberflächen des Deckelteils bzw. des Bodenteils in den einzelnen Ausführungsformen austauschbar ist. Gleichfalls austauschbar sind die Lösungen, die gezeigt worden sind, um Schraubverbindungen mit den Kraftmesszellen herzustellen. Schließlich sind dem Fachmann andere Verbindungsarten, wie z.B. Schweißen oder Kleben, Keilverbindungen etc. geläufig, mit denen das Bodenteil und/oder das Krafteinleitungsteil mit der Messumgebung verbindbar ist. Ebenso ist deutlich, dass die spezielle Ausführungsform der Sensoranordnung der Figur 3 auch auf die Ausführungsformen der anderen Figuren übertragbar ist.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Kraftmesszelle mit einem elastisch verformbaren Membran-Kraftaufnehmer zur Aufnahme von zu bestimmenden Druck- und Zugkräften, mit einer Sensoranordnung zur Erfassung der Kraftaufnehmerverformung und deren Umwandlung in ein elektrisches Wägesignal und mit einem biegesteifen mehrteiligen Gehäuse mit einem Innenraum zur Aufnahme und Halterung des Membran-Kraftaufnehmers und der Sensoranordnung, wobei das Gehäuse den Kraftaufnehmer im Wesentlichen allseitig umgibt und eine Durchgangsöffnung aufweist, durch die hindurch der Membran- Kraftaufnehmer mit der zu bestimmenden Kraft beaufschlagbar ist, wobei der Membran-Kraftaufnehmer ein mittig angeordnetes Krafteinleitungsteil und am Randbereich ein über mindestens eine der Membranoberflächen vorspringendes Randteil umfasst und wobei im Innenraum des Gehäuses ein rückspringender Bereich ausgebildet ist, in den der vorspringende Rand des Kraftaufnehmers formschlüssig einrückbar ist.
2. Kraftmesszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungsteil koaxial zur Durchgangsöffnung des Gehäuses angeordnet ist.
3. Kraftmesszelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Krafteinleitungsteil mindestens teilweise in die Durchgangsöffnung hinein erstreckt.
4. Kraftmesszelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung das Krafteinleitungsteil führt und gegen Kippmomente sichert.
5. Kraftmesszelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Krafteinleitungsteil und der Durchgangsöffnung ein Spalt vorhanden ist, der eine Breite von ca. 0,1 bis ca. 0,5 mm aufweist.
6. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Gehäuses eine oder mehrere Anschlagflächen ausgebildet sind, welche die elastische Verformung des Membran-Kraftaufnehmers beim Einwirken von Zug- und/oder Druckkräften begrenzen.
7. Kraftmesszelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungsteil einen Norsprung aufweist, welcher mit der einen oder den mehreren Anlageflächen im Sinne der Begrenzung von Zug- und/oder Druckkräften zusammenwirkt.
8. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungsteil im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.
9. Kraftmesszelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung als Ringflansch ausgebildet ist.
10. Kraftmesszelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungsteil mit der Membran über den Ringflansch verbunden ist und dass der Ringbund die Membranoberfläche auf beiden Seiten der Membran überragt.
11. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran und das Krafteinleitungsteil einstückig ausgebildet sind.
12. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran als Kreisscheibe ausgebildet ist, dass der vorsprin- gende Rand als umlaufender Ringbund oder als am Umfang in regelmäßigen Winkelabständen angeordnete Ringbundsegmente ausgebildet ist, und dass das Gehäuse in seinem Inneren eine Ringnut aufweist, in die der Ringbund bzw. die Ringbundsegmente formschlüssig einsetzbar ist/sind.
13. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungsteil an seinem der Membran abgewandten freien Ende ein Schraubgewinde umfasst.
14. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungsteil sich durch die Membranebene hindurch erstreckt, wobei ein erstes freies Ende des Kraftaufnehmers sich in Richtung zu dem Durchbruch des Gehäuses erstreckt und ein zweites freies Ende im Inneren des Gehäuses endet und ein Element der Sensoranordnung trägt.
15. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse bezogen auf die von der Membran definierte Ebene gegenüberliegend zum Durchbruch einen Schraubbolzen oder ein Schraubgewinde koaxial zum Durchbruch orientiert aufweist.
16. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung eine Sensoranordnung für eine berührungsfreie Wegmessung umfasst.
17. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung eine induktiv arbeitende Sensoranordnung ist.
18. Kraftmesszelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen Hallsensor und einen Magneten umfasst.
19. Kraftmesszelle nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet ein Permanentmagnet ist.
20. Kraftmesszelle nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet am Krafteinleitungsteil und der Hallsensor am Gehäuse angeordnet ist.
21. Kraftmesszelle nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet am Gehäuse und der Hallsensor am Krafteinleitungsteil angeordnet ist.
22. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor und der Magnet der Sensoranordnung so ausgebildet und angeordnet sind, dass der Hallsensor im unbelasteten Zustand der Kraftmesszelle ein elektrisches Signal mit einem Wert kleiner oder gleich einem Drittel des Wertes des maximalen Nutzsignales erzeugt.
23. Kraftmesszelle nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet dem Hallsensor gegenüber als Monopol wirkend ausgebildet ist und dass der Hallsensor eine geradzahlige Anzahl an Sensorelementen umfasst, die in Form einer zweidimensionalen Matrix dem Monopol gegenüberliegend angeordnet sind, wobei jeweils zwei der Sensorelemente einen Teil einer elektronischen Differenzschaltung bilden.
24. Kraftmesszelle nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet dem Hallsensor gegenüber als Dipol wirkend ausgebildet ist und dass der Hallsensor ein oder mehrere Sensorelemente, deren Signale getrennt erfassbar sind, umfasst.
25. Kraftmesszelle nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet am Krafteinleitungsteil angeordnet ist und dass der Hallsensor zwei Hall- sensorelemente umfasst, welche in bezüglich dem Krafteinleitungsteil diametral gegenüberliegenden Positionen am Gehäuse gehalten sind.
26. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung ein optisches Sensorelement umfasst.
27. Kraftmesszelle nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung eine Lichtquelle und eine Schlitzblende einerseits und eine Differenzphotodiode andererseits umfasst, wobei die Lichtquelle und die Schlitzblende gemeinsam am Kraftaufnehmer gehalten sind und die Differenzphotodiode am Gehäuse der Kraftmesszelle angeordnet ist.
28. Kraftmesszelle nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung eine Lichtquelle und eine Schlitzblende einerseits und eine Differenzphotodiode andererseits umfasst, wobei die Lichtquelle und die Schlitzblende gemeinsam am Gehäuse der Kraftmesszelle angeordnet sind und die Differenzphotodiode am Kraftaufnehmer gehalten ist.
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