DE10101973A1

DE10101973A1 - Kraftsensor zur Messung einer Kraft im Kraftfluss

Info

Publication number: DE10101973A1
Application number: DE10101973A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Schifferl; Robert Zeller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Chassis Brakes International Technologies Pty Ltd
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2021-01-18
Also published as: ITMI20020061A0; DE10101973B4; FR2819586B1; ITMI20020061A1; FR2819586A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor (1) zur Kraftmessung einer Kraft mit einer ersten Elektrode (4) und einer davon elektrisch isolierten zweiten Elektrode (9). Die erste Elektrode (4) ist in eine Richtung beweglich, um den Abstand zwischen der ersten Elektrode (4) und der zweiten Elektrode (9) abhängig von der Einwirkung einer Kraft F zu verändern. Die erste Elektrode (4) ist von der zweiten Elektrode (9) im unbelasteten Zustand im wesentlichen durch ein isolierendes Abstandselement (10) getrennt. Die erste Elektrode (4) ist so ausgelegt, um bei Einwirkung der Kraft (F) einen Spalt (15) zwischen der ersten Elektrode (4) und dem isolierenden Abstandselement (10) zu vergrößern.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor zur Kraftmessung im Kraftfluss.

Kraftsensoren werden heute vielfältig eingesetzt. Beispiels weise werden bei einer Betätigung von Bremsen eines Kraft fahrzeugs üblicherweise Bremsbeläge auf eine Bremsscheibe ge drückt. Die Bremswirkung entsteht durch die Reibung zwischen den Bremsbelägen und der Bremsscheibe, wobei die Reibung von der Kraft abhängt, mit der die Bremsbeläge auf die Scheibe drücken.

Es werden künftig zunehmend elektronische Bremssysteme zum Einsatz kommen, bei denen Regelelemente notwendig sind, um die Bremskraft exakt zu regeln. Dazu ist es notwendig, die Kraft zu erfassen, die die Bremsbeläge auf die Bremsscheibe ausübt.

Das Messen der Bremskraft erfolgt üblicherweise durch einen Kraftsensor. Aufgrund der rauhen Umgebungsbedingungen einer Bremsanlage ist es jedoch erforderlich, dass der Kraftsensor robust aufgebaut ist. So muss der Kraftsensor hohen Tempera turunterschieden von ca. -40°C bis ca. 350°C standhalten. Der Kraftmessbereich kann einer Gewichtskraft von bis zu einigen Tonnen entsprechen. Trotz des Auftretens von schnellen Tempe raturwechseln während des Betriebs der Bremse, Stoßbelastun gen und schnellen und häufigen Kraftänderungen ist eine Ge nauigkeit des Kraftsensors im Bereich von ca. 1% gefordert.

Bekannte Kraftsensoren wie beispielsweise Piezoaufnehmer oder Dehnstreifen-Messaufnehmer erfüllen die oben genannten Anfor derungen nicht.

Aus der Druckschrift EP 0 849 576 B1 ist ein kapazitiver Kraftsensor bekannt, der einen Hohlzylinder umfasst. Eine Stirnseite des Hohlzylinders ist deformierbar. Ein innenlie gender Plattenkondensator mit einem Luftspalt verringert bei äußerer Druckeinwirkung auf die Stirnseite seinen Plattenab stand, wodurch sich die Kapazität des Plattenkondensators än dert. Aus der Kapazität des Plattenkondensators lässt sich die auf die Stirnseite beaufschlagte Kraft ermitteln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders ef fektiven Kraftsensor zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch den Kraftsensor nach Anspruch 1 ge löst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhän gigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist ein Kraftsensor zur Messung einer Kraft mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode vorge sehen. Zumindest eine der Elektroden ist in eine Richtung be weglich gehaltert, um den Abstand zwischen der ersten Elekt rode und der zweiten Elektrode abhängig von der Einwirkung einer Kraft zu verändern. Im unbelasteten Zustand werden die beiden Elektroden im wesentlichen durch ein isolierendes Ab standselement getrennt. Die erste Elektrode ist weiterhin so ausgelegt, um bei Einwirkung der Kraft einen Spalt zwischen der ersten Elektrode und dem isolierenden Abstandselement zu vergrößern.

Der erfindungsgemäße Kraftsensor stellt einen Kondensator dar, dessen Plattenabstand sich bei Einwirkung einer Kraft vergrößert. Zwischen den beiden Elektroden liegt ein isolie rendes Abstandselement, das vorzugsweise ein Dielektrikum mit einer temperaturstabilen Dielektrizitätskonstanten ist, um einen möglichst geringen Temperatureinfluss zu erreichen. Weiterhin sorgt das isolierende Abstandselement dafür, dass der Abstand zwischen den Elektroden einen Mindestabstand nicht unterschreitet und dass zwischen den beiden Elektroden kein Kurzschluss entstehen kann, wenn beispielsweise Vibrati onen oder Schläge auftreten. Darüber hinaus verhindert das Dielektrikum, dass sich die Elektroden gegeneinander ver schieben, und ermöglicht, dass - bei Plattenelektroden - eine zueinander parallele Anordnung der Elektroden beibehalten wird.

Ein Kraftsensor, der auf erfindungsgemäße Weise aufgebaut ist, besitzt eine relativ hohe Grundkapazität, die sich bei Einwirkung einer Kraft verringert. Da die Kapazität des Kon densators reziprok mit zunehmender Entfernung der beiden E lektroden abnimmt, ist die Empfindlichkeit am größten, wenn die beiden Elektroden den geringsten Abstand haben, d. h. im unbelasteten oder wenig belasteten Zustand. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass bei Einwirkung von geringen Kräf ten, die Empfindlichkeit des Kraftsensors größer ist als bei Einwirkung von großen Kräften. Dies kommt einer beispielhaf ten Verwendung in eine Bremsanlage zur Messung einer Kraft, die auf die Bremsbacken aufgeübt wird, zugute.

Vorzugsweise kann das isolierende Abstandselement als die lektrische Schicht auf eine der Elektroden aufgebracht sein. Dies hat den Vorteil, dass sich somit das isolierende Ab standselement mit definierter Dicke auf der Elektrode befin det. Auf diese Weise ist eine genaue Justierung, d. h. Bestim mung der Grundkapazität des Kraftsensors möglich. Darüber hinaus wird der Zusammenbau des Kraftsensors in vorteilhafter Weise erleichtert, da eine Montage des isolierenden Abstands elementes und einer der Elektroden entfällt.

Vorzugsweise ist die erste Elektrode und die zweite Elektrode flächig ausgeführt. Dabei kann die erste Elektrode derart ge gen die zweite Elektrode beweglich sein, dass die Dicke des Spalts, d. h. der Abstand zwischen der ersten Elektrode und dem isolierenden Abstandselement im wesentlichen über die Fläche der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode konstant ist. Auf diese Weise werden die Elektroden nur parallel gegeneinander verschoben, so dass sich die Geometrie des Kondensators nicht wesentlich verändert. Auf diese Weise erhält man eine reziproke Abhängigkeit zwischen der Kraft und der Kapazität des Kondensators, aus der man vergleichsweise einfach die ausgeübte Kraft ermitteln kann. Die Genauigkeit der Ermittlung der Kraft kann noch verbessert werden, wenn man vorsieht, dass die Größe des Spalts im wesentlichen pro portional zur Einwirkung der Kraft ist.

Bevorzugterweise kann vorgesehen sein, dass die Elektroden in einem Hohlzylinder angeordnet sind. Dadurch kann der Kraft sensor von äußeren Einflüssen geschützt aufgebaut werden. Der Hohlzylinder weist darüber hinaus auch eine hohe Stabilität auf, die den Einsatz des Kraftsensors im Kraftfluss ermögli chen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zweite Elektrode einen Durchlass zur Aufnahme eines kraft übertragenden Elements auf die erste Elektrode aufweist. Da durch ist es in einfacher Weise möglich, die Kraft auf die erste Elektrode, d. h. im allgemeinen eine in Richtung der ersten Elektrode wirkende Schubkraft, einzukoppeln, so dass sich der Abstand zwischen den Elektroden bei der Krafteinwir kung erhöht.

Anhand der folgenden Figuren wird ein Ausführungsbeispiel be schrieben, wobei die einzelnen Elemente in den verschiedenen Figuren einheitlich bezeichnet sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Kraftsensors im unbe lasteten Zustand; und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Kraftsensors im be lasteten Zustand.

Die im folgenden dargestellte Ausführungsform eines Kraftsen sors für ein Bremssystem ist nur beispielhaft angegeben, um die Art und Funktionsweise des Kraftsensors zu verdeutlichen.

Die dargestellten Merkmale und Vorteile sind jedoch allgemein auf alle Kraftsensoren mit den Merkmalen der Erfindung an wendbar und sollen nicht einschränkend auf Bremssysteme ver standen werden.

Fig. 1 zeigt einen kapazitiven Kraftsensor 1 für ein Brems system im unbelasteten Zustand. Der Kraftsensor 1 wird zwi schen einem Stellglied (nicht gezeigt) und einem Bremsbelag 2 in den Kraftfluss eingesetzt. Der Kraftsensor befindet sich in einem Hohlzylinder 3, in dem sich eine fest mit dem Hohl zylinder 3 verbundene erste Elektrode 4 befindet. Die erste Elektrode 4 erstreckt sich vorzugsweise in radialer Richtung zum Hohlzylinder 3, so dass der Hohlzylinder 3 vollständig geschlossen ist. Die erste Elektrode 4 ist elastisch mit dem Hohlzylinder 3 verbunden, indem am Rande der ersten Elektrode 4 umlaufend in Umfangsrichtung beidseitig Nuten 5 vorgesehen sind, die die erste Elektrode 4 an dieser Stelle verjüngen. Der Bereich zwischen den Nuten 5 und dem Hohlzylinder 3 bil det einen Vorsprung 14. Die erste Elektrode 4 sowie der Hohl zylinder 3 sind aus einem leitfähigen Material, vorzugsweise einem Metall, gebildet, welches eine bestimmte Elastizität aufweist.

Mittig auf der ersten Elektrode 4 befindet sich ein Zylinder element 6, durch dass eine Kraft auf die erste Elektrode 4 eingekoppelt werden kann. Auf der ersten Elektrode 4 liegt auf der Seite des Zylinderelements 6 eine Scheibe 7 mit einem Durchlass für das Zylinderelement 6 auf. Die Scheibe 7 wird durch Federn 8 auf die erste Elektrode 4 gedrückt. Die Schei be 7 umfasst im wesentlichen ein Dielektrikum 10, das einsei tig als Schicht auf ein leitfähiges Trägermaterial, das die zweite Elektrode 9 bildet, aufgebracht ist. Die Scheibe 7 wird so angeordnet, dass sich das Dielektrikum 10 zwischen der ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 9 befindet. Als Materialien für das Dielektrikum 10 sind z. B. Al₂O₃, Tef lon und alle Materialien geeignet, die eine temperaturstabile Dielektrizitätskonstante aufweisen.

Zwischen dem Hohlzylinder 3 und dem Außenrand der Scheibe 7 besteht ein Zwischenraum 11, so dass die zweite Elektrode 9 nicht mit dem Hohlzylinder 3, der aus Gründen der Stabilität und der einfachen Kontaktierung vorzugsweise auch metallisch ausgeführt ist, in Verbindung kommt. Über die erste Zuführ leitung 12 wird einerseits der leitende Hohlzylinder 3 und damit die erste Elektrode 4 kontaktiert. Andererseits wird über die zweite Zuführleitung 13 die zweite Elektrode 9 ange schlossen. Die Zuführleitungen 12, 13 stellen die beiden An schlüsse eine durch die erste Elektrode 4 und die zweite E lektrode 9 gebildeten Plattenkondensators dar.

Die Scheibe 7 weist vorzugsweise eine Dicke auf, die ihr eine ausreichende Stabilität ermöglicht, so dass sie möglichst in einem geringen, zu vernachlässigenden Maße von einer Bewegung der ersten Elektrode 4 oder von Erschütterungen sowie Tempe raturschwankungen beeinflusst wird. Die dielektrische Schicht 10 ist vorzugsweise mit einer hohen Dielektrizitätskonstante ausgelegt. Die Dicke der dielektrischen Schicht 10 kann weni ge µm bis einige 10 µm betragen. Diese dünnen Schichten kön nen verhältnismäßig einfach durch Beschichtungstechniken, wie z. B. Aufdampfen, Spin-Coating o. ä. erzeugt werden.

Die Feder 8 dient lediglich dazu, die Scheibe 7 zu fixieren, wobei die Scheibe 7 bei einer Bewegung der ersten Elektrode 4 in Richtung des Bremssattels auf Vorsprüngen 14 des Hohlzy linders 3 aufliegt. Die Feder 8 ist vorzugsweise so ausge führt, dass sie keine leitende Verbindung zwischen Hohlzylin der 3 und Scheibe 7 bildet.

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Kraftsensor bei Belastung mit einer Kraft F. Die Kraft wirkt auf das Zylinderelement 6. Man erkennt einen Luftspalt 15, der sich zwischen der ersten Elektrode 4 und dem Dielektrikum 10 gebildet hat. Die Scheibe 7 liegt dann auf den Vorsprüngen 14 des Hohlzylinders 3 auf und die erste Elektrode 4 bewegt sich aufgrund ihrer elasti schen Verbindung mit dem Hohlzylinder 3 in Richtung des Bremssattels. Dadurch vergrößert sich der Abstand zwischen der zweiten Elektrode 9 und der ersten Elektrode 4, wodurch sich die Kapazität des durch die beiden Elektroden 4,9 gebil deten Plattenkondensators ändert. Die elastische Aufhängung der ersten Elektrode 4 an dem Hohlzylinder 3 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sich der Elektrodenabstand etwa linear zur einwirkenden Kraft F ändert, so dass die Beziehung gilt:

d = kF

wobei
d: Abstandsänderung;
k: Federkonstante
F: Kraft ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Elektrodenabstand über die gesamte Fläche der Elektroden weitgehend konstant ist, d. h. die Elektroden bleiben im wesentlichen parallel zueinan der.

Auf diese Weise können Luftspalt 15 und Dielektrikum 10 als Serienschaltung zweier Kapazitäten C_D und C_L (C_D: Kapazität des Dielektrikums und C_L: Kapazität des Luftspalts) betrach tet werden. Die gesamte Kapazität C_G des Kraftsensors ent spricht damit näherungsweise folgender Beziehung:

A: effektive Plattenfläche
ε_r: relative Dielektrizitätskonstante
ε₀: Dielektrizitätskonstante

Daraus ergibt sich für die Kraft F:

Der Effekt des Dielektrikums ist lediglich der, dass der ef fektive Elektrodenabstand ohne eine Krafteinwirkung beein flusst wird. Ansonsten hat es keine Auswirkung auf die Cha rakteristik des Kraftsensors. Es vermeidet auf vorteilhafte Weise, dass z. B. bei Stößen, Erschütterungen oder ähnlichen die beiden Elektroden 4, 9 miteinander in Kontakt kommen kön nen, und dadurch einen Kurzschluss bilden. Ein solcher Kurz schluss hätte Messfehler zur Folge, die die Funktionsweise des Gesamtsystems beeinträchtigen können.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Empfindlichkeit des Kraftsensors im unbelasteten Zustand bzw. bei Einwirkung von geringen Kräften höher ist, als im Zustand bei einer Belas tung mit hohen Kräften. Die Empfindlichkeit des Kraftsensors 1 bei einer Kraft F entspricht

Man erkennt, dass die Empfindlichkeit dieses Kraftsensors um gekehrt Proportional zum Quadrat der Kraft ist. D. h. man er hält eine hohe Empfindlichkeit bei geringen Kräften und eine verminderte Empfindlichkeit bei hohen Kräften.

Die in der vorangehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirkli chung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

1. Kraftsensor (1) zur Messung einer Kraft mit einer ers ten Elektrode (4) und einer davon elektrisch isolierten zwei ten Elektrode (9), wobei zumindest die erste Elektrode (4) in eine Richtung beweglich gehaltert ist, um den Abstand zwi schen der ersten Elektrode (4) und der zweiten Elektrode (9) abhängig von der Einwirkung einer Kraft (F) zu verändern, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Elektrode (4) und der zweiten Elekt rode (9) ein isolierendes Abstandselement (10) angeordnet ist, und die erste Elektrode (4) so ausgelegt ist, dass sich bei Einwirkung der Kraft (F) ein Spalt (15) zwischen der ers ten Elektrode (4) und dem isolierenden Abstandselement (10) vergrößert.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Abstandselement (10) ein temperatursta biles Dielektrikum ist.

3. Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die erste Elektrode (4) und die zweite Elektrode (9) an dem isolierenden Abstandselement (10) anliegen.

4. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Abstandselement (10) als Schicht auf die zweite Elektrode (9) aufgebracht ist.

5. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (4) und/oder die zweite Elektrode (9) eben ausgeführt sind.

6. Kraftsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (4) so gegenüber der zweiten Elekt rode (9) beweglich ist, dass die Dicke des Spalts (15) zwi schen der ersten Elektrode (4) und dem isolierenden Aus gleichselement (10) im wesentlichen über die Fläche der ersten Elektrode (4) und/oder der zweiten Elektrode (9) konstant ist.

7. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Spalts (15) im wesentli chen proportional zur Kraft ist.

8. Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (1) und/oder die zweite Elektrode (9) in einem Hohlzylinder (3) angeordnet sind.

9. Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (4) als eine Membran ausgeführt ist, auf die die Kraft einwirkt.

10. Kraftsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (9) einen Durchlass zur Aufnahme eines kraftübertragenden Elements (6) auf die erste Elektrode (4) aufweist.