CN102879131A - 力传感器组件和用于装配力传感器组件的方法 - Google Patents

力传感器组件和用于装配力传感器组件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及力传感器组件和用于装配力传感器组件的方法。该力传感器组件具有沿力传感器组件(1)的轴向(14)的测量轴并且包括设有至少两个传感元件(3)的测力环(2)、在其上具有电子元件(5)的印刷电路板(4)、用于将印刷电路板(4)压紧到测力环(2)上的盖板(6)以及覆盖印刷电路板(4)和盖板(6)并且附接于测力环(2)的传感器罩(7)。制造通过利用堆叠、固定和焊接很容易地完成。

Description

力传感器组件和用于装配力传感器组件的方法
技术领域
本发明涉及一种力传感器组件，其具有沿该力传感器组件轴向方向的测量轴。
现有技术
德国专利申请DE-A-103 50 085公开了一种用于电磁制动器的测量装置。该测量装置包括具有C形轮廓的闭环部件，其在施加到制动***轴向上的力的作用之下发生变形。该C形轮廓配有，例如，应变仪，其可以测量该C形轮廓的变形量(例如，在径向方向上取向)。
英国专利申请GB-A-2 147 426公开了一种环形负载测量装置，允许测量施加在该测量装置上的轴向力。环具有特定形状，使得在力的作用下该环的一部分区域受到环向张力，并且该环的另一部分区域受到环向压力。在两个区域的每一个上设置传感元件，例如应变仪，并且通过该传感器元件的信号可以计算出力。
发明内容
该本发明试图提供一种力传感器组件，特别地适于轴向力测量，其可以用一种简单、可靠以及节约成本的方式来制造。
根据本发明，提供根据上文前序部分所限定的一种力传感器组件，包括设有至少两个传感元件的测力环(force ring)，在其上具有电子元件的印刷电路板，用于将印刷电路板保持在测力环上的盖板，以及覆盖印刷电路板和盖板并且附着于测力环的传感器罩(sensor cap)。
这种力传感器组件比现有技术中的力传感器更加容易装配，以及在制造上也更加节约成本。其可以典型地应用于汽车工业，更特别地作为电磁制动器***中的力传感器组件。
根据本发明的另一方面，提供一种装配力传感器组件的方法，包括堆叠具有电子元件的印刷电路板和盖板，将该印刷电路板和该盖板固定在设有至少两个传感元件的测力环上，通过将该盖板附接到该测力环，将该至少两个传感元件电连接到该印刷电路板，将覆盖该印刷电路板和盖板的传感器罩的外部边缘和内部边缘焊接到该测力环。
附图说明
以下参照附图，利用多个示例性实施例，本发明将进行更加详细的讨论，其中
图1示出了根据本发明第一个实施例的力传感器组件的分解图，其中主要元件被单独示出；
图2示出了图1的力传感器组件在装配状态下的透视图；
图3示出了图2的力传感器组件的侧视图；
图4示出了图2的力传感器组件的横截面图；
图5示出了根据本发明第二实施例的力传感器组件的透视图；
图6示出了图5的力传感器组件的侧视图；
图7a示出了可以在根据本发明另一实施例的力传感器组件中使用的测力环的顶视图；
图7b示出了图7a中所示的测力环的侧视图；
图8示出了可以在根据本发明的力传感器组件的实施例中使用的传感器罩的透视图；
图9示出了在根据本发明的力传感器组件的另一实施例中使用的电子元件的电路图。
具体实施方式
本发明涉及一种力传感器组件，更具体地涉及一种可用于汽车应用的力传感器组件。该力传感器组件1适应于测量轴向力，其例如应用于测量电磁制动器***中的力(例如，使用卡钳(caliper))。
图1示出了根据本发明第一个实施例的力传感器组件的分解图，其中主要元件被单独示出。力传感器组件1的一个主要元件是测力环2，其上附接应变计3(例如硅应变计，诸如微熔融硅应变计(micro-fused silicon strain gages，MSG))以测量该测力环2的变形。该测力环2可以是大体上呈圆柱形状的金属体，顶面15垂直于其纵轴14，其中力在外部区域被施加到一个方向并且在内部区域被施加到相反方向，引起该顶面15变形。该测力环2可以使用金属喷射模塑技术来制造。
力传感器组件1的另一个主要元件是印刷电路板4(或等效支持装置)，其上设置有电子元件5(集成电路，和无源元件，诸如电阻、电容器，等)。还提供有盖板6，其用于将PCB 4固定到测力环2，并且提供很多功能，其将在下文中进行讨论。提供传感器罩7，用以提供力传感器组件1的盖并且用以提供充足的功能接口，诸如连接器8。选择性地提供密封件12，其与该传感器罩7配合工作以确保力传感器组件1的内部部件不暴露于环境中。为此，该密封件12可以由可压缩材料制成。
在图2中示出了图1的力传感器组件在装配状态下的透视图，并且图3示出了同一实施例的侧视图。而且，在图4中示出了力传感器组件1的这一实施例的横截面图。在装配状态下，力传感器组件1的测力环2是可见的，并且传感器罩7、连接器8(具有片簧连接器元件9，也参见图4的横截面图)和一些定向元件21、23(在下文中讨论)也是可见的。而且，在这一实施例中，该测力环2设有附加定向元件22，其是在该测力环2的底部和外部区域内的凹口的形式。而且，该测力环2的力附着区域(force attachment regions)24、25表示在这些描述中，例如在电磁制动器***中使用力传感器组件1，其中内部力附着区域25例如与制动器汽缸活塞相接触，以及该外部力附着区域24与制动器卡钳相接触。该力附着区域24、25可以用在整个圆周表面上，或者可以使用多个点力接触表面。
图5示出了根据本发明第二实施例的力传感器组件的透视图以及图6示出了图5的力传感器组件的侧视图。这一实施例设有连接器8和盘簧形式的连接器弹簧9，其允许轴向连接到连接器，而图1-4的实施例也可以允许在切线方向上的连接。此外，在这一实施例中测力环2的形状是不同的，提供不同的力到力传感器组件1的信号行为。最后，该第二实施例设有在测力环2底部的定向元件22，其是与测量轴14平行的局部平滑测力环的形式。
一般而言，本发明的实施例涉及一种力传感器组件1，其具有沿力传感器组件1轴向14的测量轴。力传感器组件1包括设有至少两个传感元件3的测力环2，在其上具有电子元件5的印刷电路板4，用于将印刷电路板4保持在测力环2上的盖板6，以及覆盖印刷电路板4和盖板6并且附接于测力环2的传感器罩7。
该盖板6进一步容纳电连接器8，其在装配状态下延伸穿过传感器罩7上的相应开口8a(以及当密封件12存在时穿过密封件12中的开口8b)。该电连接器8，例如包括提供空间以保持多个连接器弹簧9的壳元件，其在力的作用下被压紧(hold to)到印刷电路板4上。在图1-4的实施例中，连接器弹簧9为允许配对的连接器在切线方向上连接到测量轴14的片簧(在图4的横截面图中是可见的)，其在一些应用中提供安装力传感器组件的附加便利。在图5-6的实施例中，该连接器弹簧9是盘簧，其被电连接器8保持，在轴向上与PCB 4力接触。
在力传感器组件1中，盖板6提供许多功能。在一个实施例中，盖板6包括内部金属夹子11，其中两个延伸的夹子在图1的分解图中是可见的。这些延伸的夹子可以附接于测力环2上(例如通过接触焊(contact welding))，以将PCB 4和盖板6压紧到测力环上，并且还可以为力传感器组件1提供外壳接地。还如图4的横截面图所示，测力环2设有允许盖板6的延伸夹子11的附接的组件特征，例如，依靠测力环2的边缘(或者可替换地在测力环2的圆周上的洞或凹槽中)。
盖板6可以进一步包括塑性材料，覆盖内部金属夹子11(完全或者部分)，并且其提供PCB 4的绝缘盖，但是还可以提供用于装配力传感器组件1的多个定向元件20、23。在另外的实施例中，盖板6可以与密封件12集成，例如使用多复合成型(multi-compound molding)技术。
如在图1的分解图中可以看到的，定向元件20设置在盖板6的顶面15上，其与密封件12中的相应开口20a相配合。在大致相同位置上，还可以在盖板6的底面上设置定向元件20，其与PCB 4中的相应开口20b和测力环2中的凹口20c相配合。当然，在盖板的顶面和底面上的定向元件20可以设置在相互不同的位置。
此外，盖板6可以设有外部定向元件23，其突起而穿过传感器罩7中的开口23a(以及密封件12中的相应开口23b)。在所示的实施例中，外部定向元件23与电连接器8大致直径地相对，允许可靠的和稳健的外部附接。在替代实施例中，该外部定向元件23位于与连接器8不同的位置。
图7a示出了根据本发明另一实施例在力传感器组件1中可使用的测力环2的顶视图，并且图7b示出了图7a中所示的测力环2的侧视图。力传感器组件1的测量轴由14表示并且垂直于图7a的图面延伸。
通常，为了能够在轴向载荷下测量测力环2的变形，至少两个传感元件3均匀分布在测力环2的顶面15的圆周上。在一实施例中，顶面15被喷砂以为传感元件3提供良好的附着表面，传感元件3例如为微熔融硅应变计(MSG)。
在另外的实施例中，该至少两个传感元件3(例如，如图7a和7b的实施例中所示的四个元件3)分别具有灵敏度取向(由虚线16表示)，其位于与测力环2的顶面15相应的平面上，该灵敏度取向16以某一角度指向力传感器组件1的中心轴(由图7a中的14表示)。这允许在力传感器组件1的装配期间为了引线连接(wire bonding)目的而更好地接近传感元件3。
在更进一步的实施例中，测力环2配有(对称设置)轮廓特征17(profilingfeatures)，例如以如图7a的实施例中所示的凹陷或者凹槽形式。这些轮廓特征17会降低传感元件3上的切向应变并且使得力传感器组件1更加稳健和可靠。
如图1的分解图中非常清楚地所示，印刷电路板4和盖板6设有开口18，19。这些开口18，19与测力环2上的该至少两个敏感元件3的位置对准，允许测力环2、印刷电路板4和盖板6部分装配之后传感元件3的触点接合到印刷电路板4上的相应焊盘上。在另外的实施例中，在传感元件3这样电连接到PCB 4上的电子元件5之后，该至少两个传感元件3在开口18，19所提供的空隙中由防护材料(例如胶状的材料)所覆盖。
图8示出了在根据本发明的力传感器组件1的实施例中可以使用的传感器罩7的透视图。提供有外部边缘30和内部边缘31，其可以(激光)焊接到如图2，3，5和6所示的测力环2上。此外，传感器罩7设有至少一个定向元件21，例如从传感器罩7的侧面延伸的一个或三个凹座。这些定向元件可以在安装力传感器组件1时有利地用于辅助中心定位。
在图9中，示出了在根据本发明的力传感器组件1另外的实施例中使用的(部分)电子元件5和至少两个传感元件3的电路图。在这一实施例中的至少两个传感元件3包括四个应变计(各自两个阻抗)，其设置在如图所示的双平行惠斯通电桥(double parallel Wheatstone bridge)配置中。因此，该力传感器组件1的电路可以连接到外部。信号V+和V-连接到处理电路，例如ASIC，其布置为将温度补偿增益和偏移应用于差分电压并且提供模拟力信号。然后，使用仅具有三根线(模拟力信号，电源电压Vs，和信号接地)的连接器8，可以产生与外界的连接。在替代方案中，每个半惠斯通电桥连接到处理电子器件(提供为PCB 4上的电子元件5)，并且这些信号中的每个可以连接到外部单元(例如，用于前面提到的电磁制动器的控制器单元)。这可以通过使用合适的电子元件5以提供数字信号处理，以及可能地，可甚至作为单线输出提供的数字接口，来实现。这种数字接口在单个引脚上提供更多的数据信号，并且比模拟信号输出具有更加可靠的连接(例如允许力传感器组件1外部的误差检测与校正电路)。例如利用SPI(串行***接口)或LIN(局域互联网络)标准提供合适的接口。
本发明另一方面涉及制造力传感器组件的方法。该方法包括在具有电子元件5的印刷电路板4上堆叠盖板6，将印刷电路板4和盖板6固定到设有至少两个传感元件3的测力环2上。这可以通过将盖板6附接(例如焊接)到测力环2(例如利用内部金属夹子11的多个延伸引脚)来实现。随后，该至少两个传感元件3电连接到印刷电路板4(例如，利用丝焊，穿过提供在盖板6和PCB 4中的开口18、19)。最后，覆盖印刷电路板4和盖板6的传感器罩7的外缘或外部边缘30以及内缘或内部边缘31焊接到测力环2。该焊接步骤例如，由激光焊接实现，其对力传感器组件装配中可用的取向和空间适用。由于这种装配仅涉及简单操作(仅堆叠，焊接，传感器罩的接合和焊接)，这种装配可以节约成本和可靠地实施。同样地，该装配步骤将仅涉及在测力环2中引入非常缓和的应变，其可以在完成装配后使用校准步骤很容易地被调节。
本发明的实施例已经根据如附图所示的多个示例性的实施例在上文中进行了描述。一些部分或元件的修改和替代实施是可能的，并且都包括在所附权利要求限定的保护范围内。

Claims (15)

1.力传感器组件，具有沿力传感器组件(1)的轴向(14)的测量轴，包括
测力环(2)，设有至少两个传感元件(3)，
印刷电路板(4)，其上具有电子元件(5)，
盖板(6)，用于将所述印刷电路板(4)压紧到所述测力环(2)上，
传感器罩(7)，覆盖所述印刷电路板(4)和盖板(6)并且附接于所述测力环(2)。
2.如权利要求1所述的力传感器组件，所述盖板(6)进一步容纳延伸穿过所述传感器罩(7)的电连接器(8)。
3.根据权利要求1或2所述的力传感器组件，所述盖板(6)包括内部金属夹子(11)。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的力传感器组件，所述盖板(6)包括塑性材料。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的力传感器组件，进一步包括在所述盖板(6)和所述传感器罩(7)之间的可压缩材料密封件(12)。
6.根据权利要求1-5中任何一项所述的力传感器组件，其中所述至少两个传感元件(3)均匀分布在所述测力环(2)的顶面(15)的圆周上。
7.根据权利要求1-6中任何一项所述的力传感器组件，其中所述至少两个传感元件(3)包括四个应变计，其布置为双平行惠斯通电桥配置。
8.根据权利要求1-7中任何一项所述的力传感器组件，其中所述至少两个传感元件(3)各自具有在与所述测力环(2)的顶面(15)相应的平面内的灵敏度取向(16)，所述灵敏度取向(16)以一定角度指向所述力传感器组件(1)的中心轴(14)。
9.根据权利要求1-8中任何一项所述的力传感器组件，其中所述测力环(2)设有轮廓特征(17)。
10.根据权利要求1-9中任何一项所述的力传感器组件，所述印刷电路板(4)和所述盖板(7)设有开口(18，19)。
11.根据权利要求1-10中任何一项所述的力传感器组件，其中所述至少两个传感元件(3)由在所述开口(18，19)中的防护材料所覆盖。
12.根据权利要求1-11中任何一项所述的力传感器组件，其中所述盖板(6)设有定向元件(20)。
13.根据权利要求1-12中任何一项所述的力传感器组件，其中所述测力环(2)设有允许所述盖板(6)的附接的组件特征。
14.根据权利要求1-13中任何一项所述的力传感器组件，其中所述传感器罩(7)设有至少一个定向元件(21)。
15.装配力传感器组件的方法，包括
堆叠具有电子元件(5)的印刷电路板(4)与盖板(6)，
通过将所述盖板(6)附接到所述测力环(2)，将所述印刷电路板(4)和所述盖板(6)固定在设有至少两个传感元件(3)的测力环(2)上，
将所述至少两个传感元件(3)电连接到所述印刷电路板(4)，
将覆盖所述印刷电路板(4)和盖板(6)的传感器罩(7)的外部边缘和内部边缘焊接到所述测力环(2)。
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