DE102015117044B3

DE102015117044B3 - Elektrische Messanordnung zur Kraft- und/oder Druckmessung sowie Abstützeinrichtung mit einer derartigen elektrischen Messanordnung

Info

Publication number: DE102015117044B3
Application number: DE102015117044.2A
Authority: DE
Inventors: Pablo Aguirre; Herbert Holzheu; Florian Steinhauser; Anton Stier
Original assignee: Sensor Technik Wiedemann GmbH
Current assignee: Sensor Technik Wiedemann GmbH
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-10-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Messanordnung zur Kraft- und/oder Druckmessung an einer Abstützeinrichtung, wie sie insbesondere durch einen Abstützzylinder an Arbeitsmaschinen gebildet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Abstützeinrichtung mit einer derartigen Messanordnung. Der wesentliche Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, eine elektrisch Messanordnung zur Kraft- und/oder Druckmessung an einer Abstützeinrichtung vorzuschlagen, umfassend wenigstens ein Sensorelement mit einer ersten und zweiten, jeweils aus einem massiven Material gebildeten und parallel zueinander angeordneten Substratschicht, wobei an einer jeweils aufeinander zugewandten Oberflächenseite der entsprechenden Substratschicht jeweils zumindest teilflächig eine dielektrische Isolationsschicht vorgesehen ist, zwischen der eine Messstruktur aufgenommen ist, die zumindest teilweise aus einem piezo-resisitiven Material gebildet ist, wobei ein erstes und zweites Trägerelement vorgesehen sind, zwischen welchen das wenigstens eine Sensorelement unter einer Vorspannkraft angeordnet ist, und wobei mittels des ersten und/oder zweiten Trägerelementes die Vorspannkraft sowie eine zu messende Kraft auf das wenigstens eine Sensorelement derart eingeleitet wird, dass die Vorspannkraft lotrecht auf wenigstens eine der beiden zueinander abgewandten Oberflächenseiten der entsprechenden Substratschicht wirkt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Messanordnung zur Kraft- und/oder Druckmessung an einer Abstützeinrichtung, wie sie insbesondere durch einen Abstützzylinder an Arbeitsmaschinen gebildet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Abstützeinrichtung mit einer derartigen Messanordnung.
Bei derartigen, aus dem Stand der Technik bekannten, Arbeitsmaschinen kann es sich insbesondere um Fahrzeuge handeln, die einen Grundträger aufweisen. Der Grundträger kann wenigstens eine Abstützeinrichtung, bzw. Stützeinrichtung mit wenigstens einem Stützarm aufweisen, der z.B. horizontal beweglich oder schwenkbar sein kann. Üblicherweise hat ein derartiges Fahrzeug, z.B. ein mobiler Kranwagen, einen Lkw-Antriebsteil und einen Arbeitsteil, zum Beispiel einen drehbaren Kran oder eine Betonfördervorrichtung mit Auslegern im hinteren Bereich der Grundträgers. In der Regel hat ein derartiges Fahrzeug vier Stützarme, die sich vorne, oder mittig und hinten auf beiden Seiten des Grundträgers quer zur Längsachse des Grundträgers nach außen verfahren lassen. Auf diese Weise wird insbesondere eine seitliche Kippstabilisierung des Grundträgers erreicht, der in der Regel länglich ausgebildet ist. Jeder Stützarm kann, normalerweise an seinem freien Ende, wenigstens ein sich vertikal erstreckendes Stützelement haben, das eine vertikal verstellbare Abstützfläche zur Abstützung gegen einen Untergrund aufweist. Ein derartiges Stützelement ist in der Regel ein Hydraulikzylinder, kann jedoch auch durch andere verstellbare Stützen gebildet sein. Der Stützarm kann jedoch selbst schwenkbar sein, in welchem Fall kein Stützelement an dem Stützarm vorgesehen sein muss. Die Stützeinrichtung hat eine Ruhe- oder Fahrstellung, in welcher der Stützarm bzw. jeder Stützarm eingefahren ist und sich die Abstützflächen in einer oberen Position befinden, in welcher sie die Manövrierbarkeit des Fahrzeugs im Straßenverkehr nicht gefährden. Weiterhin weist die Stützeinrichtung eine Arbeitsstellung auf, in welcher wenigstens ein Stützarm zumindest teilweise ausgefahren ist und die Abstützfläche des Stützelements an einem Untergrund abgestützt ist. In der Regel werden bei einem Kran alle (vier) Stützarme soweit es geht ausgefahren und an ihnen angeordnete Abstützflächen so weit nach unten hin ausgefahren, dass die Räder des Fahrzeugs vom Untergrund freikommen. Auf diese Weise wird eine definierte Abstützung des Fahrzeugs am Untergrund realisiert. Um bespielweise die maximale Winkelposition des Auslegers, also den Auslegerwinkel, besser bestimmen zu können, ist es unter anderem notwendig, die an den Stützeinrichtung anliegende Abstützkraft mit einzubeziehen, um ein Kippen der Arbeitsmaschine zu verhindern.
Elektrische Messeinrichtungen unter Verwendung von Sensorelementen in Form von Dehnungsmessstreifen (DMS) mit jeweils wenigstens einer Messstruktur sind bekannt. Das kraft- und/oder druckabhängige Messsignal beruht auf einer Änderungen des elektrischen Widerstandes der jeweiligen Messstruktur, die (Widerstandsänderung) beim Dehnen des Dehnungsmessstreifens und damit der Messstruktur auftritt, d.h. bei einer Belastung der jeweiligen auf einer Oberseite oder Trägerfläche eines Substrates angeordneten Messstruktur in wenigstens einer in der Oberflächenseite verlaufenden Achsrichtung. Das Substrat besteht hierfür aus einem elastisch verformbaren Material, bevorzugt aus einem polymeren Material, dessen Härte kleiner ist als die Härte des für die Messstruktur verwendeten Materials.
Nachteilig ist bei bekannten Messeinrichtungen mit Dehnungsmessstreifen, dass stets ein gewisser Weg oder Bewegungshub mit nicht unerheblicher Größe zwischen zwei Funktionselementen der Messeinrichtung sowohl bei der Kraftmessung als auch bei der Druckmessung erforderlich ist, was die Verwendung von derartigen Messeinrichtungen für den Einsatz der zu messenden Kraft an Abstützeinrichtungen schwierig, komplex und damit aufwendig macht.
Aus der Druckschrift DE 2 544 505 B2 ist ein Druckaufnehmer mit einem in ein rohrförmiges Gehäuse vorgespannt eingesetzten Kraftmesselement und einer den Ringraum zwischen dem Kraftmesselement und dem Gehäuse an der dem zu messenden Medium zugewandten Stirnseite abdeckenden Ringmembran bekannt geworden, an deren Außenrand einstückig ein mit dem Gehäuse verbundener Außenring und an deren Innenrand ein gegen das Kraftmesselement abgestützter Innenring vorgesehen sind. Der Druckaufnehmer zeichnet sich dadurch aus, dass in der Ringmembran sowohl zum Außenring als auch zum Innenring hin Ringzonen verminderten Querschnitts ausgebildet sind, und dass zumindest der Innenring in seiner Vorspannung gegenüber dem Gehäuse einstellbar ist.
Aus der Druckschrift DE 197 16 588 A1 ist ein Kraftsensor bekannt geworden, enthaltend einen Träger, eine drucksensitive Schicht, die über dem Träger angeordnet ist und die mit Leiterbahnen verbunden ist, umfassend weiterhin einen Krafteinleitungsstempel mit einer durch Kanten begrenzten Kontaktfläche, die im Auflagebereich mit der Schicht in Verbindung steht. Der Kraftsensor zeichnet sich dadurch aus, dass die dem Krafteinleitungsstempel zugewandte Oberfläche der Schicht nutenförmige Vertiefungen aufweist, über welchen die Kanten der Kontaktfläche berührungsfrei liegen.
Aus der Druckschrift DE 69509815 T2 ist eine Halbleiterdrucksensoreinrichtung mit einer aus Polysilizium bestehenden Membran bekannt geworden, die sich gegenüberliegende erste und zweite Oberflächen aufweist, sowie ein geätztes Substrat aus Silizium, das die Membran an der ersten Oberfläche so abstützt, dass die Membran in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche auslenkbar ist. Weiterhin weist die Halbleiterdrucksensoreinrichtung eine erste Einrichtung, die eine piezoresistive Erfassungseinrichtung aus einkristallinem Silizium bildet und an der ersten Oberfläche der aus Polysilizium bestehenden Membran zum Erfassen einer Auslenkung der Membran angeordnet ist, sowie eine dielektrische Isolationseinrichtung zum dielektrischen Isolieren der Erfassungseinrichtung, wobei die Isolationseinrichtung eine Siliziumoxidimplantierung enthält, und eine erste Verbindungseinrichtung, die mit der Erfassungseinrichtung verschaltet ist und für die externe elektrische Verbindung mit dem Drucksensor dient.
Aus der Druckschrift EP 2 174 106 B1 ist ein Kraftsensor mit einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil bekannt geworden, die jeweils Gewindebohrungen für die Montage aufweisen und unter Zwischenlage eines ringförmigen Sensorelementes mittels einer in einer zentralen Bohrung der beiden Gehäuseteile angeordneten Spannhülse gegeneinander vorgespannt sind. Dabei weist das Sensorelement zumindest ein ringförmiges piezoelektrisches Messelement und eine ringförmige Ableitelektrode auf. Der Kraftsensor zeichnet sich dadurch aus, dass in den zentralen Bohrungen beider Gehäuseteile jeweils eine innere Schulter ausgebildet ist, an welchen Schultern sich die Spannhülse abstützt, sowie dass die Spannhülse aus einer hohlen Spannschraube besteht, deren Kopf oder Spannmutter an einem Ende der Spannhülse sich an der inneren Schulter eines Gehäuseteils und deren Spannmutter am anderen Ende der Spannhülse sich an der inneren Schulter des anderen Gehäuseteils abstützt.
Weiterhin ist aus der auf die Anmelderin zurückgehenden DE 10 2011 105 756 A1 eine elektrische Messeinrichtung zur Kraft- und/oder Druckmessung mit wenigstens einem Sensorelement mit wenigstens einer auf eine Trägerfläche aufgebrachten Messstruktur, die zumindest teilweise aus einem piezo resistiven Material besteht bekannt. Die Messeinrichtung ist dabei derart ausgebildet, dass eine zu messende Kraft und/oder ein zu messender Druck und/oder hiervon abgeleitete Kräfte ausschließlich senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Trägerfläche orientiert auf die wenigstens eine Messstruktur einwirken.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine elektrische Messeinrichtung zur Kraft- und/oder Druckmessung mit wenigstens einem Sensorelement gemäß der DE 10 2011 105 756 A1 derart weiterzuentwickeln, dass eine elektrische Messanordnung zur Kraft- und/oder Druckmessung an einer Abstützeinrichtung, wie sie insbesondere durch einen Abstützzylinder an Arbeitsmaschinen gebildet wird, bereitgestellt werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Messanordnung entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Die Unteransprüche betreffen dabei besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung.
Der wesentliche Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, eine elektrisch Messanordnung zur Kraft- und/oder Druckmessung an einer Abstützeinrichtung vorzuschlagen, umfassend wenigstens ein Sensorelement mit einer ersten und zweiten, jeweils aus einem massiven Material gebildeten und parallel zueinander angeordneten Substratschicht, wobei an einer jeweils aufeinander zugewandten Oberflächenseite der entsprechenden Substratschicht jeweils zumindest teilflächig eine dielektrische Isolationsschicht vorgesehen ist, zwischen der eine Messstruktur aufgenommen ist, die zumindest teilweise aus einem piezo-resisitiven Material gebildet ist, wobei ein erstes und zweites Trägerelement vorgesehen sind, zwischen welchen das wenigstens eine Sensorelement unter einer Vorspannkraft angeordnet ist, und wobei mittels des ersten und/oder zweiten Trägerelementes die Vorspannkraft sowie eine zu messende Kraft auf das wenigstens eine Sensorelement derart einleitet wird, dass die Vorspannkraft lotrecht auf wenigstens eine der beiden zueinander abgewandten Oberflächenseiten der entsprechenden Substratschicht wirkt. Aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus der Messanordnung ist diese unempfindlich gegen einwirkende Querkräfte und ermöglicht eine besonders genaue Bestimmung der an der Abstützeinrichtung anliegenden Kräfte. Auch ist beim erfindungsgemäßen Messprinzip keine Verformung des Trägermaterials erforderlich, d.h. dieses kann im Vergleich zur Verwendung von Dehnungsmessstreifen oder vergleichbaren Messelementen einen einfacheren geometrischen Aufbau aufweisen, was insbesondere beim Messen von hohen Kräften von Vorteil ist. Die Messanordnung ist vorzugsweise zum Messen von Kräften bis 4000kN und/oder zur Erzeugung eines zu der zu messenden Kraft proportionalen elektrischen Signals ausgebildet.
Weiterhin vorteilhaft ist das erste und/oder zweite Trägerelement als massives platten- oder stempelartiges Element ausgebildet ist, das eine parallel zur ersten und/oder zweiten Substratschicht ausgebildete Oberflächenseite aufweist. Die entsprechende Oberflächenseite des jeweiligen Trägerelementes liegt besonders vorteilhaft zumindest teilflächig an der korrespondierenden Oberflächenseite der entsprechenden Substratschicht an.
Weiterhin ist das erste und/oder zweite Trägerelement dazu ausgebildet, die zu messende Kraft lotrecht auf das Sensorelement einzuleiten.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist das wenigstens eine Sensorelement zentrisch zwischen dem ersten und zweiten Trägerelement angeordnet.
Zur Erzeugung der Vorspannkraft ist wenigstens ein Vorspannmittel vorgesehen, das die Vorspannkraft zwischen den beiden Trägerelementen vorteilhaft derart erzeugt, dass die beiden Trägerelemente weiterhin zumindest in Richtung der zu messenden Kraft relativ zueinander vertikalbeweglich ausgebildet sind. Vorzugsweise bewirkt die Vorspannkraft eine Flächenpressung zwischen 100bar und 300bar, vorzugsweise 200bar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung sind das erste und zweite Trägerelement Teile einer Abstützeinrichtung. Die Abstützeinrichtung weisen hierzu wenigstens ein Stützelement mit einem Kolben sowie einer Kolbenstange auf, wobei die Kolbenstange wenigstens einen ersten und einen zweiten, Kolbenstangenabschnitten umfasst, die sich entlang einer Mittellängsachse erstreckenden, wobei der erste Kolbenstangenabschnitt das erste Trägerelement und der zweite Kolbenstangenabschnitt das zweite Trägerelement der elektrischen Messanordnung ausbildet. Das zweite Trägerelement weist an seinem dem ersten Trägerelement abgewandten freien Ende ein Kugelgelenk auf.
Weiterhin vorteilhaft weist hierbei das erste Trägerelement an seinem dem zweiten Trägerelement zugewandten freien Ende ein Adapterelement auf, das fest mit dem ersten Trägerelement verbunden ist. Das Adapterelement ist zur Erzeugung der Vorspannkraft mittels des wenigstens eines Vorspannelementes mit dem zweiten Trägerelement fest verbunden und zwar derart, dass das Adapterelement weiterhin vertikalbeweglich in Richtung des zweiten Trägerelementes ausgebildet ist. Das Adapterelement ist ferner dazu ausgebildet, die über den ersten Kolbenstangenabschnitt auf das Adapterelement eingeleitete, zu messende Kraft an das Sensorelement weiterzuleiten.
Ebenfalls ist Gegenstand der Erfindung eine Abstützeinrichtung mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Messanordnung.
Der Ausdruck „im Wesentlichen“ bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen von maximal +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen. „Piezo-resistive Materialien“ sind im Sinne der Erfindung solche Werkstoffe oder Materialien, mit denen auf Trägerflächen elektrische Widerstands- oder Messstrukturen herstellbar sind, deren elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von einer Kraft- und/oder Druckeinwirkung auf die Messstruktur senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der Trägerfläche ändert.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in sehr vereinfachter schematischer Rückenansicht eine Arbeitsmaschine mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Messanordnung zur Kraft- und/oder Druckmessung an einer Abstützeinrichtung;
2 die erfindungsgemäße elektrische Messanordnung in einer sehr vereinfachten geschnittenen Seitendarstellung;
3 einen Ausschnitt eines Stützelementes einer Abstützeinrichtung mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Messanordnung in einer schematischen geschnittenen Seitenansicht
4 in geschnittener schematischer Draufsicht einen Ausschnitt einer Messanordnung gemäß 3
5 eine schematische Draufsicht auf eine beispielhafte Messstruktur für eine erfindungsgemäße Messanordnung.
1 zeigt mit dem Bezugszeichen 1 eine Arbeitsmaschine, insbesondere ein Fahrzeug beispielsweise in Form eines Kranwagens mit einem Grundträger 2, welcher mittels eines Fahrgestells 3 auf Rädern 4 mittels eines nicht dargestellten Antriebsaggregats im Straßenverkehr verfahrbar ist. Eine derartige Arbeitsmaschine 1 kann selbstverständlich auch für den Schienenbetrieb vorgesehen sein. Auch kann es sich bei der Arbeitsmaschine 1 beispielsweise um einen gezogenen Kran handeln.
Die beispielhaft als Kranwagen ausgebildete Arbeitsmaschine 1 kann einen Kranaufsatz 5 enthalten, der über ein Drehgelenk 6 auf dem Grundträger 2 drehbar gelagert ist. Der Kranaufsatz 5 enthält einen den Ausleger bildenden Hebekran 7, welcher auf dem Kranaufsatz 5 schwenkbar und ausfahrbar gehalten ist. Der Kranwagen 1 hat weiterhin eine Abstützeinrichtung 8a, b bestehend aus Stützelementen 9a, b beispielsweise in Form von Hydraulikzylindern, die an Stützarmen 10a, b seitlich ausfahrbar am Grundträger 2 gehalten, bzw. angeordnet sind. Dabei kann das jeweilige Stützelement 9a, b beispielweise als Arbeitszylinder, insbesondere Hydraulikzylinder ausgebildet sein, und jeweils insbesondere einen Kolben 9.1a, b sowie eine darin axial verschiebbare Kolbenstange 9.2a, b aufweisen.
1 zeigt den Kranwagen 1 bzw. dessen Abstützeinrichtung 8a, b in Arbeitsstellung, wobei die Stützarme 10a, b und die hydraulischen Stützelemente 9a, b ausgefahren sind, so dass ein Stützteller 11a, b, der über ein Kugelgelenk 12a, b schwenkbar am unteren Ende des jeweiligen Stützelementes 9a, b angeordnet ist, auf dem Untergrund 13 abgestützt ist. In Arbeitsstellung erfolgt die Abstützung in der Regel derart, dass die Räder 4 des Kranwagens 1 vom Untergrund 13 freikommen. Auf diese Weise ist die Abstützung und die Abstützkräfte klar definiert und nicht durch eine eventuell vorgesehene Federeinrichtung im Fahrwerk 3 des Kranwagens 1 durch variable Werte beeinträchtigt. An jeder Abstützeinrichtung 8a, b, insbesondere an dem entsprechenden Stützelement 10a, b ist jeweils eine erfindungsgemäße elektrische Messanordnung 20 vorgesehen bzw. angeordnet, die jeweils zur Kraft- und/oder Druckmessung an der entsprechenden Abstützeinrichtung 8a, b ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Messanordnung 20 misst dabei insbesondere die auf das entsprechende Stützelement 9a, b wirkende Kraft, die im Wesentlichen durch die Eigengewichtskraft der Arbeitsmaschine 1 sowie die mittels des Auslegers 7 aufgenommene Last, dessen Auslegerwinkel sowie ein- bzw. ausgefahrene Länge des Auslegers 7 bestimmt ist.
In 2 ist die erfindungsgemäße Messanordnung 20 in einer sehr vereinfachten geschnitten Seitendarstellung gezeigt. Dabei sind zur Vereinfachung der Beschreibung in der 2 die senkrecht zueinander orientierten Achsen eines kartesischen Koordinatensystems, nämlich die x-Achse, die Y-Achse und Z-Achse angegeben. Die elektrische Messanordnung 20 zur Kraft- und/oder Druckmessung an einer Abstützeinrichtung 8a, b umfasst dabei wenigstens ein Sensorelement 21 mit einer ersten und zweiten, jeweils aus einem massiven Material gebildeten und parallel zueinander angeordneten Substratschicht 22, 23, wobei an einer jeweils aufeinander zugewandten Oberflächenseite 22.1, 23.1 der entsprechenden Substratschicht 22, 23 jeweils zumindest teilflächig eine dielektrische Isolationsschicht 24, 25 vorgesehen ist, zwischen der eine Messstruktur 26 aufgenommen ist, die zumindest teilweise aus einem piezo-resistiven Material gebildet ist. Dabei kann ein erstes und zweites Trägerelement 27, 28 vorgesehen sein, zwischen welchen das wenigstens eine Sensorelement 21 unter einer Vorspannkraft FS angeordnet ist. Weiterhin kann mittels des ersten und/oder zweiten Trägerelementes 27, 28 die Vorspannkraft FS sowie eine zu messende Kraft F auf das wenigstens eine Sensorelement 21 derart einleitet werden, dass die Vorspannkraft FS lotrecht auf wenigstens eine der beiden zueinander abgewandten Oberflächenseiten 22.2, 23.3 der entsprechenden Substratschicht 22, 23 wirkt.
Die Messanordnung 20 dient zur Messung der zwischen dem ersten Trägerelement 27 und/oder dem zweiten Trägerelement 28 der Messanordnung 20 in der Y-Achse wirkenden, zu messenden Kraft F und zur Erzeugung wenigstens eines von der Größe dieser Kraft F abhängigen, z.B. zu der Größe der Kraft F proportionalen elektrischen Signals.
Das erste und/oder zweite Trägerelement 27, 28 ist bei der dargestellten Ausführungsform beispielsweise ein massives platten- oder stempelartiges Element mit einer ebenen in der XZ-Ebene liegenden Oberflächenseite 27.1, 28.1, die zumindest teilflächig, vorzugsweise vollflächig, an der entsprechenden, ebenfalls in der XZ-Ebene liegenden Oberflächenseite 22.2, 23.2 der jeweiligen Substratschicht 22, 23 anliegt. Das erste und/oder zweite Trägerelement 27, 28 kann bei der dargestellten Ausführungsform beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus Stahl (z.B. aus korrosionsbeständigem Stahl oder Edelstahl) gebildet, beispielweise einstückig gegossen, sein. Weiterhin ist bei der dargestellten Ausführungsform die jeweilige Oberflächenseite 27.1, 28.1 größer als die entsprechende Oberflächenseite 22.1, 23.1 ausgebildet, sodass das entsprechende Trägerelement 27, 28 mit seiner jeweiligen Oberflächenseite 27.1, 28.1 seitlich über die entsprechende Substratschicht 22, 23 bzw. dessen Oberflächenseite 22.2., 23.2 weg steht, bzw. diese überragt. Vorzugsweise können dabei die jeweiligen Oberflächenseiten 27.1, 28.1 der entsprechenden Trägerelemente 27, 28 kongruent zueinander ausgebildet sein.
Weiterhin wird über das erste und/oder Trägerelement 27, 28 die Vorspannkraft FS sowie die zu messende Kraft F auf das wenigstens eine Sensorelement 21 eingeleitet. Zumindest die Vorspannkraft FS, vorzugsweise auch die zu messende Kraft F, werden dabei lotrecht, also in Y-Achsen-Richtung, auf das Sensorelement 21 eingeleitet, so dass die Vorspannkraft FS ausschließlich in Y-Achsen-Richtung oder im Wesentlichen in Y-Achsen-Richtung auf die Messstruktur 21 wirkt, d. h. in einer Achsrichtung senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur der die Messstruktur 21 aufweisenden Isolationsschicht 24, 25 und damit senkrecht zur XZ-Ebene, in der sich die Messstruktur erstreckt.
Zur Einleitung der Vorspannkraft FS kann das erste und/oder zweite Trägerelement 27, 28 mit wenigstens einem, in der 3 dargestellten, Vorspannmittel 30 zusammenwirken, das dazu ausgebildet ist, die Vorspannkraft FS lotrecht auf wenigstens eine der beiden zueinander abgewandten Oberflächenseiten 22.2, 23.3 der entsprechenden Substratschicht 22, 23 einzuleiten, indem das wenigstens eine Vorspannmittel 30 das erste und zweite Trägerelement 27, 28 miteinander verspannt. Dabei bewirkt die Vorspannkraft FS eine Flächenpressung zwischen 100bar und 300bar, vorzugweise 200bar. Die Verspannung des ersten und zweiten Trägerelements 27, 28 mittels des wenigstens eines Vorspannmittels 30 erfolgt dabei derart, dass die beiden Trägerelemente 27, 28 weiterhin relativ beweglich, insbesondere vertikalbeweglich, zueinander ausgebildet sind, so dass trotz der eingeleiteten Vorspannung FS auch eine zu messende Kraft F auf das wenigstens eine Sensorelement 21 über das erste und/oder zweite Trägerelement 27, 28 einleitbar ist. Eine nähergehende Erläuterung erfährt der kinematische Kraftschluss in der Beschreibung zu 4.
Zwischen der ersten und zweiten Substratschicht 22 und 23 bzw. an deren parallel zueinander angeordneten Oberflächenseiten 22.1 und 23.1 ist jeweils die Isolationsschicht 24, 25 vorgesehen, zwischen der sich die Messstruktur 26 angeordnet befindet. Die diese Messstruktur 26 bildenden Schichten sind in einer XZ-Ebene angeordnet. Die Messstruktur 26 kann dabei als mäanderartige Leiterbahn ausgeführt sein. Auch andere Formen für die Messstruktur 26 sind möglich.
Zur elektrischen Trennung der Messstruktur 26 von der jeweiligen Substratschicht 22, 23 weist die jeweilige Substratschicht 22, 23 an ihrer jeweiligen Oberflächenseite 22.1, 22.3 zumindest in dem Bereich, in dem Messstruktur 26 dazwischen liegend vorgesehen ist, jeweils die dielektrische Isolationsschicht 24, 25 auf. Die jeweilige Isolationsschicht 24, 25 ist dabei ebenfalls in der XZ-Ebene mit einer jeweiligen Schichtdicke von 2μm bis 8μm, vorzugsweise einer jeweiligen Schichtdicke von 5μm, ausgebildet. Ansonsten besteht die jeweilige Substratschicht 22, 23 aus einem massiv ausgebildeten Werkstoff, insbesondere einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus Stahl (z.B. aus korrosionsbeständigem Stahl oder Edelstahl) mit einer jeweiligen Schichtendicke in der XY-Ebene von vorzugsweise 1 bis 2mm.
Vorteilhaft ist das Sensorelement 21 als bauliche Einheit ausgebildet und umfasst dabei die erste und zweite Substratschicht 22, 23 sowie die dazwischen liegend vorgesehenen Isolationsschichten 24, 25 und die Messstruktur 26. Es kann hierfür vorgesehen sein, dass die Substratschichten 22, 23 miteinander verschweißt sind und damit ein Gehäuse für das Sensorelement 21 ausbilden.
Die Messstruktur 26 ist an zwei einander entfernt liegenden Bereichen jeweils mit einem, in der 4 schematisch angedeuteten, elektrischen Anschluss 26.1, 26.2 versehen, über den das Sensorelement 21 an eine in 4 schematisch andeutete Mess- und Auswertelektronik 40 anschließbar oder angeschlossen ist, und zwar u.a. zur Erzeugung eines von der Größe der Kraft F abhängigen Messsignals. Die Mess- und Auswertelektronik 40 kann dabei Bestandteil der elektrischen Kraftmessanordnung 20 sein.
Die für die entsprechende Substratschicht 22, 23, die Messstruktur 26 sowie die jeweilige Isolationsschicht 24, 25 verwendeten Werkstoffe sind untereinander so ausgewählt, dass die Materialhärte und/oder der E-Modul der ersten und zweiten Substratschicht 22, 23 sowie auch der entsprechenden Isolationsschicht 24, 25 jeweils größer ist als die Materialhärte des für die Messstruktur 26 verwendeten Materials. Weiterhin sind die für die erste und zweite Trägerschicht 27, 28 sowie die erste und zweite Substratschicht 22, 23 verwendeten Werkstoffe untereinander so gewählt, dass die Materialhärte und/oder der E-Modul der ersten und zweiten Substratschicht 22, 23 zumindest der Materialhärte und/oder dem E-Modul der ersten und zweiten Trägerschicht 27, 28 entspricht. Vorzugsweise sind die Substratschichten 22, 23 aus demselben Werkstoff wie die Trägerschichten 27, 28 gebildet, weisen damit also die identische Materialhärte und/oder E-Modul auf.
Weiterhin kann zumindest der Werkstoff für die entsprechend erste und/oder zweite Substratschicht 22, 23 so gewählt sein, dass während der Messung keine oder im Wesentlichen keine Verformung des jeweiligen Substrates 22, 23 erfolgt. Als Material für die entsprechende Isolationsschicht 24, 25 eignen sich beispielsweise Keramiken unterschiedlicher Art, beispielsweise Keramiken auf Basis von Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Karbid usw. Auch andere Werkstoffe, auch Verbundwerkstoffe mit entsprechender Materialhärte und mit elektrisch isolierenden Eigenschaften sind für die entsprechende Isolationsschicht 24, 25 geeignet.
Die Messstruktur 26 besteht zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden und/oder piezo-resistiven Material, welches zumindest in dem Messbereich, für den die Kraftmessanordnung 20 ausgelegt ist, nicht bleibend verformt wird, sondern elastisch ist. Als piezo-resistives Material für die Messstruktur 26 eignen sich u.a. metallische Werkstoffe, z.B. Ni, Cr, Ti, Pt, Cu und/oder W und/oder deren Legierungen in beliebigen Mischungsverhältnis und/oder deren Oxide und/oder Nitride, auch Werkstoffe, die für die Messstruktur von Dehnungsmessstreifen üblicherweise verwendet werden, beispielsweise Kupfer-Nickel-Legierungen, beispielsweise Konstantan (z.B. 54%Cu 45%Ni 1%Mn), Nickel-Chrom-Legierungen, beispielsweise NichromeV (z.B. 80%Ni 20%Cr), Platin-Wolfram-Legierungen (z.B. 92%Pt 8%W) oder Platin (etwa 100%Pt), Titanverbindungen, z.B. aus Titanhydrid.
Als piezo-resistives Material für die Messstruktur 26 eignen sich auch Halbleitermaterialien, z.B. p-dotiertes Silizium (z.B. Silizium dotiert mit ppm-Bereiche) oder n-dotiertes Silizium (z.B. Siliziumdotiert mit Phosphor im ppm-Bereich).
Das Aufbringen der Messstruktur 26 auf der ersten und/oder zweiten Isolationsschicht 24, 25 erfolgt bevorzugt mit der Dünnschichttechnologie, z.B. durch chemische (CVD) und/oder physikalische (PVD) Abscheidungsverfahren und/oder Spattern, wobei bei Verwendung von Halbleitermaterial, beispielsweise von Silizium dieses entweder in Form einer dünnen monokristallinen Schicht oder aber als polykristalline Schicht, z.B. als aufgedampfte polykristalline Schicht aufgebracht wird. Die Schichtdicke, die die Messstruktur 26 in Richtung der Y-Achse aufweist, entspricht dabei den üblicherweise mit der Dünnschichttechnologie erzielten Schichtdicken und liegt beispielsweise im Bereich zwischen 30 nm und 200 nm. Die jeweils gewünschte Form der Messstruktur 26 wird durch Strukturieren einer zunächst flächig oder im Wesentlichen flächig aufgebrachten Schicht erzeugt, beispielsweise unter Verwendung der dem Fachmann bekannten Maskierungs- und Ätztechnik, oder das Aufbringen der Messstruktur erfolgt unter Verwendung von Masken. Dabei sind dem Fachmann einschlägige alternative Herstellungsverfahren zur Erzeugung der Messstruktur 26 bekannt und geläufig, die hier zu Anwendung kommen können.
Es kann vorgesehen sein, dass neben der Vorspannkraft FS auch die zu messende Kraft F, bzw. deren Krafteinwirkung auf die Messstruktur 26, ausschließlich senkrecht auf die Messstruktur 26 erfolgt. Insbesondere kann dabei das wenigstens eine Vorspannmittel 30 dazu eingerichtet sein, eine derartige mechanischen Führung auszubilden, dass die zu messende Kraft F auf das wenigstens eine Sensorelement 21 lotrecht eingeleitet wird. Insbesondere erfolgt die lotrechte Einleitung der zu messenden Kraft F auf das wenigstens eine Sensorelement 21 mittels der beiden zueinander abgewandten Oberflächenseiten 22.1, 23.1 der entsprechenden Substratschicht 22, 23. Aufgrund der im Vergleich zur Messstruktur 26 sehr viel größeren Materialhärte des Substratschichten 22, 23 sowie der Isolationsschicht 24, 25 kommt es dabei auch zu keiner Dehnung der Messstruktur 26. Vielmehr stellt sich zwischen den beiden in 4 angedeuteten Anschlüssen 26.1, 26.2 ein von der zu messenden Kraft F abhängiger unterschiedlicher elektrischer Widerstand ein, der als Messgröße in der Mess- und Auswertelektronik 40 ausgewertet werden kann. Die von der zu messenden Kraft F abhängige Widerstandsänderung der Messstruktur 26 wird bei der Kraftmessanordnung 20 ohne eine merkbare Bewegung der Substratschichten 22, 23 bzw. der Trägerelemente 27, 28 relativ zueinander erreicht. Dabei kann die zu messende Kraft F bis zu 4000kN betragen.
In 3 ist der Ausschnitt eines Stützelementes 9a, b der Abstützeinrichtung 8a, b mit der erfindungsgemäßen elektrischen Messanordnung 20 in einer schematischen geschnittenen Seitenansicht gezeigt. Nicht dargestellt in 3 ist der sich unterhalb des Kugelgelenks, bzw. Kugelkopfes 12a, b anschließende, in 1 dargestellte, Stützteller 11a, b. Die 3 zeigt dabei beispielhaft eine Ausführungsvariante, bei der das Stützelement 9a, b gemäß 1 als Arbeitszylinder 9, insbesondere Hydraulikzylinder, ausgebildet ist. Mehr im Detail zeigt dabei 3 den unteren Teil einer Kolbenstange 9.2 mit einem Kugelgelenk 12 eines als Hydraulikzylinder ausgebildeten Stützelementes 9 mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung 20. Die jeweilige Kolbenstange 9.2 weist dabei einen ersten Kolbenstangenabschnitt 9.21 sowie einen zweiten Kolbenstangenabschnitt 9.22 auf.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße elektrische Messanordnung 20 der Kolbenstange 9.2 zugeordnet und damit Bestandteil der Kolbenstange 9.2 sein, indem das erste und zweite Trägerelement 27, 28 von der jeweiligen Kolbenstange 9.2 gebildet wird. Mehr im Detail kann vorgesehen sein, dass der zweite Kolbenstangenabschnitt 9.22, dem an seinem unteren freien Ende das Kugelgelenk 12 zugeordnet ist, das zweite Trägerelement 28 bildet. Ferner kann vorgesehen sein, dass der sich entlang einer Mittellängsachse MA der Kolbenstange 9.2 in einer dem zweiten Kolbenstangeabschnitt 9.22 abgewandten Richtung erstreckende erste Kolbenstangenabschnitt 9.21 das erste Trägerelement 27 bildet. Das Sensorelement 21 kann sich zwischen dem ersten und dem zweiten Kolbenstangenabschnitt 9.21, 9.22 und damit zwischen dem ersten und zweiten Trägerelementabschnitt 27, 28 angeordnet befinden.
Vorzugsweise kann dabei dem ersten Kolbenstangenabschnitt 9.21 bzw. dem ersten Trägerelement 27 ein Adapterelement 31 zugeordnet sein, das Bestandteil des ersten Kolbenstangenabschnittes 9.21 bzw. des ersten Trägerelementes 27 ist und sich an dem, dem zweiten Kolbenstangenabschnitt 9.22 bzw. dem zweiten Trägerelement 28 zugewandten freien Ende des ersten Kolbenstangenabschnittes 9.21 bzw. ersten Trägerelementes 27 angeordnet befindet. Das aus einem massiven Material, bespielweise einem Metall, insbesondere Stahl, gebildete Adapterelement 31 kann mit dem ersten Kolbenstangenabschnitt 9.21 bzw. ersten Trägerelementabschnitt 27 fest verbunden, beispielweise verschraubt, verlötet, verklebt oder verschweißt, sein.
Das Adapterelement 31 ist dazu ausgebildet, die Vorspannkraft FS lotrecht sowie die zu messende Kraft F auf das wenigstens eine Sensorelement 21 einzuleiten bzw. zu übertragen. Insbesondere kann dabei der mit dem Sensorelement 21 kraftschlüssig in Berührung stehende Oberflächenabschnitt des Adapterelementes 31, der in dieser Ausführungsvariante damit die Oberflächenseite 27.1 ausbildet, als ebene Fläche, also plan, ausgebildet sein. Hierfür kann dem Adapterelement 31 beispielsweise das als Gewindebolzen ausgebildete wenigstens eine Vorspannmittel 30 zugeordnet sein, das sich in seiner Längserstreckung ebenfalls in Y-Achsen-Richtung, also lotrecht zu dem Sensorelement 21 erstreckt und mittels dem auf das zwischen dem Adapterelement 31 und dem zweiten Trägerelement 28 angeordnete Sensorelement 21 eine definierte Vorspannkraft FS eingeleitet wird. Insbesondere kann die Vorspannkraft FS erzeugt werden, indem das Adapterelement 31 mittels des wenigstens einen Vorspannmittels 30 an bzw. mit dem zweiten Trägerelement 28 fest verbunden, beispielweise verschraubt, wird. Die Verschraubung erfolgt dabei derart, dass das Adapterelement 31 weiterhin vertikalbeweglich, also beweglich entlang der Mittellängssachse MA bzw. der Y-Achse, ausgebildet ist, und zwar in Richtung des zweiten Kolbenstangenabschnittes 9.22, bzw. des zweiten Trägerelementabschnittes 28. Dies kann erreicht werden, indem ein Gewindegang zur Verschraubung des wenigstens einen Vorspannmittels 30 lediglich in dem zweiten Kolbenstangenabschnitt 9.22 bzw. zweiten Trägerelement 28 vorgesehen ist, so dass das wenigstens eine Vorspannmittel 30 mit seinem Gewinde nur im Bereich des zweiten Kolbenstangenabschnittes 9.22, bzw. zweiten Trägerelementes 28 kraftschlüssig verbunden ist.
Die Einleitung der zu messenden Kraft F auf das Sensorelement 21 erfolgt insbesondere über den mit dem Adapterelement 31 kraftschlüssig verbundenen ersten Kolbenstangenabschnitt 9.21 auf das Adapterelement 31 und von dort auf das wenigstens eine Sensorelement 21. Hierfür sind die jeweiligen geometrischen Außenkonturen des Adapterelementes 31 und zweiten Kolbenstangenabschnittes 9.22 bzw. dem zweiten Trägerelement 28 im sich gegenseitig überlappenden Übergangsbereich derart aufeinander abgestimmt, bzw. gegenseitig angepasst geformt, dass eine gegenseitige mechanische Zwangsführung der beiden Bauteile in vertikaler Richtung, also entlang der Mittellängsachse MA, relativ zueinander erfolgt. Letztlich sind damit das erste und zweite Trägerelement 27, 28 damit entlang der Mittellängsachse MA und in Y-Achsenrichtung mechanisch zwangsgeführt. Vorzugsweise erfolgt damit auch die Einleitung der zu messenden Kraft F lotrecht auf das wenigstens eine Sensorelement 21.
Die 4 zeigt in geschnittener schematischer Draufsicht einen Ausschnitt einer Messanordnung 20 gemäß 3. Mehr im Detail zeigt 3 das zweite Trägerelement 28 mit einem nur teilweise abgebildeten Sensorelement 21, nämlich dessen Isolationsschicht 25 mit darauf angeordneter Messstruktur 26. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Sensorelement 21 eine kongruent, also flächengleich, ausgebildete erste und zweite Substratschicht 22, 23 und im Vergleich dazu ebenfalls kongruent ausgebildete Isolationsschichten 24, 25 aufweist. Dabei ist in 3 die Isolationsschicht 24 und damit das Sensorelement 21 im Wesentlichen kreuzförmig, mit jeweils gleichlangen und rechtwinklig zueinander angeordneten Schenkeln des Kreuzes, ausgebildet. In den jeweils durch die kreuzförmige Ausbildung des Sensorelementes 21 definierten 4 Quadranten ist jeweils ein Vorspannmittel 30, also in Summe vier Vorspannmittel 30, vorgesehen, die sich jeweils senkrecht zur Zeichenebene, also in Y-Achsen-Richtung und damit lotrecht zum Sensorelement 21, erstrecken. Weiterhin wird über die lotrechte Anordnung des wenigstens einen Vorspannmittels 30 relativ zu dem Sensorelement 21 sichergestellt, dass sowohl die Vorspannkraft FS als auch die zu messende Kraft F lotrecht auf das Sensorelement 21 eingeleitet, bzw. übertragen wird, ohne dass ungewollte Querkräfte, die das Messergebnis verfälschen würden, an dem Sensorelement 21 auftreten. Dies wird insbesondere durch die in 3 beschriebene axiale mechanische Zwangsführung des ersten Trägerelements 27, bzw. dessen Adapterelementes 31, entlang der Mittellängsachse MA bzw. der Y-Achse sichergestellt. Die geometrische Formgestaltung des wenigstens einen Sensorelementes 21 ist dabei in weiten Grenzen variierbar. Beispielsweise kann das wenigstens ein Sensorelement 21 auch kreisförmig, dreieckig, viereckig, polygon, sternförmig oder länglich, beispielweise rechteckig, ausgebildet sein.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Sensorelement 21 ringförmig ausgebildet ist und zentrisch eine Aussparung aufweist, durch die insbesondere das wenigstens eine Vorspannmittel 30 hindurchführbar ist.
In einer alternativen Ausführungsvariante kann das wenigstens eine Sensorelement 21 zentrisch, also mit seinem Oberflächenmittelpunkt beispielweise der Oberflächenseite 22.1, 23.1 auf der Mittellängsachse MA, zwischen dem ersten und/oder zweiten Trägerelement 27, 28 angeordnet sein.
Die Messstruktur 26 kann dabei wenigstens eine Messbrücke 26.3 sowie Zuleitung 26.4 aufweisen, die eine elektrische Verbindung zwischen der wenigstens einen Messbrücke 26.3 sowie den Anschlüssen 26.1 bzw. 26.2 herstellen. Dabei ist die wenigstens eine Messbrücke 27.3 aus einem piezo-resistiven Material hergestellt bzw. weist zumindest teilweise ein piezo-resistive Material auf und bildet damit eine Widerstandsstruktur aus. Mit den Anschlüssen 26.1, 26.2 kann das Sensorelement 21 an einer nur schematisch angedeuteten Mess- und Auswerteelektronik 40 angeschlossen werden.
Besonders bevorzugt ist dabei die wenigstens eine Messbrücke 26.3 zentrisch an dem Sensorelement 21 bzw. dessen Isolationsschicht 24, 25 vorgesehen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Messbrücken 26.3 vorgesehen sind, die sich beispielweise entlang einer Gerade erstrecken. Damit kann neben der zu bestimmenden bzw. zu messenden Kraft F auch eine Kraftverteilung bestimmt werden.
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine beispielhafte Messstruktur 26 für eine erfindungsgemäße Messanordnung 20. Dabei zeigt die Ausführungsvariante der 5 eine Messstruktur 26 mit vier Messbrücken 26.3 sowie einem zusätzlichen Temperatursensor 32, die jeweils über Zuleitungen 26. 4 miteinander elektrisch verbunden sind. Die jeweiligen Messbrücken 26.3 können dabei als Widerstandsmäander ausgebildet sein. Es kann vorgesehen sein, dass jeweils zwei Messbrücken 26.3 einen gemeinsamen Brückenzweig ausbilden. Dabei kann eine Temperaturkompensation über einen jeweils unbelasteten Brückenzweig erfolgen.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste

1: Arbeitsmaschine
2: Grundträger
3: Fahrgestell
4: Rad
5: Kranaufsatz
6: Drehgelenk
7: Hebekran
8a, 8b: Abstützeinrichtung
9, 9a, 9b: Stützelement
9.1, 9.1a, 9.1b: Kolben
9.2, 9.2a, 9.2b: Kolbenstange
9.21: erster Kolbenstangenabschnitt
9.22: zweiter Kolbenstangenabschnitt
10a, 10b: Stützarm
11a, 11b: Stützteller
12a, 12b: Kugelgelenk
13: Untergrund
20: Messanordnung
21: Sensorelement
22: erste Substratschicht
22.1: Oberflächenseite
22.2: Oberflächenseite
23: zweite Substratschicht
23.1: Oberflächenseite
23.2: Oberflächenseite
24: Isolationsschicht
25: Isolationsschicht
26: Messstruktur
26.1: Anschluss
26.2: Anschluss
26.3: Messbrücke
26.4: Zuleitung
27: erstes Trägerelement
27.1: Oberflächenseite
28: zweites Trägerelement
28.1: Oberflächenseite
30: Vorspannmittel
31: Adapterelement
32: Temperatursensor
40: Mess- und Auswerteelektronik
F: Kraft
FS: Vorspannkraft
MA: Mittellängsachse
X, Y, Z: Raumachsen

Claims

Elektrische Messanordnung (20) zur Kraft- und/oder Druckmessung an einer Abstützeinrichtung (8a, b) umfassend wenigstens ein Sensorelement (21) mit einer ersten und zweiten, jeweils aus einem massiven Material gebildeten und parallel zueinander angeordneten Substratschicht (22, 23), wobei an einer jeweils aufeinander zugewandten Oberflächenseite (22.1, 23.1) der entsprechenden Substratschicht (22, 23) jeweils zumindest teilflächig eine dielektrische Isolationsschicht (24, 25) vorgesehen ist, zwischen der eine Messstruktur (26) aufgenommen ist, die zumindest teilweise aus einem piezo-resistiven Material gebildet ist, wobei ein erstes und zweites Trägerelement (27, 28) vorgesehen sind, zwischen welchen das wenigstens eine Sensorelement (21) unter einer Vorspannkraft (FS) angeordnet ist, und wobei mittels des ersten und/oder zweiten Trägerelementes (27, 28) die Vorspannkraft (FS) sowie eine zu messende Kraft (F) auf das wenigstens eine Sensorelement (21) derart eingeleitet wird, dass die Vorspannkraft (FS) lotrecht auf wenigstens eine der beiden zueinander abgewandten Oberflächenseiten (22.2, 23.2) der entsprechenden Substratschicht (22, 23) wirkt.
Elektrische Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (20) zur Erzeugung eines zu der zu messenden Kraft (F) proportionalen elektrischen Signals ausgebildet ist.
Elektrische Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (20) für eine zu messende Kraft (F) von bis zu 4000kN ausgebildet ist.
Elektrische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Trägerelement (27, 28) als massives platten- oder stempelartiges Element ausgebildet ist, das eine parallel zur ersten und/oder zweiten Substratschicht (22, 23) ausgebildete Oberflächenseite (27.1, 28.1) aufweist.
Elektrische Messanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechende Oberflächenseite (27.1, 28.1) des jeweiligen Trägerelementes (27, 28) zumindest teilflächig an der korrespondierenden Oberflächenseite (22.2, 23.2) der entsprechenden Substratschicht (22, 23) anliegt.
Elektrische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Trägerelement (27, 28) dazu ausgebildet ist, die zu messende Kraft (F) lotrecht auf das Sensorelement (21) einzuleiten.
Elektrische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorelement (21) zentrisch zwischen dem ersten und zweiten Trägerelement (27, 28) angeordnet ist.
Elektrische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Vorspannkraft (FS) wenigstens ein Vorspannmittel (30) vorgesehen ist, das die Vorspannkraft (FS) zwischen den beiden Trägerelementen (27, 28) derart erzeugt, dass die beiden Trägerelemente (27, 28) weiterhin zumindest in Richtung der zu messenden Kraft (F) relativ zueinander vertikalbeweglich ausgebildet sind.
Elektrische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft (FS) eine Flächenpressung zwischen 100bar und 300bar, vorzugsweise 200bar, erzeugt.
Elektrische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Trägerelement (27, 28) Teile einer Abstützeinrichtung (8a, 8b) sind.
Elektrische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (8a, 8b) wenigstens ein Stützelement (9) mit einem Kolben (9.1, 9.1a, 9.1b) sowie einer Kolbenstange (9.2) aufweist, wobei die Kolbenstange (9.2, 9.2a, 9.2b) wenigstens einen ersten und einen zweiten Kolbenstangenabschnitt(9.21, 9.22) aufweist, die sich entlang einer Mittellängsachse (MA) erstrecken, wobei der erste Kolbenstangenabschnitt (9.21) das erste Trägerelement (27) und der zweite Kolbenstangenabschnitt (9.22) das zweite Trägerelement (28) der elektrischen Messanordnung (20) ausbildet.
Elektrische Messanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Trägerelement (28) an seinem dem ersten Trägerelement (27) abgewandten freien Ende ein Kugelgelenk (12a, 12b) aufweist.
Elektrische Messanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Trägerelement (27) an seinem dem zweiten Trägerelement (28) zugewandten freien Ende ein Adapterelement (31) aufweist, das fest mit dem ersten Trägerelement (27) verbunden ist.
Elektrische Messanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Adapterelement (31) zur Erzeugung der Vorspannkraft (FS) mittels des wenigstens eines Vorspannelementes (30) mit dem zweiten Trägerelement (28) fest verbunden ist und zwar derart, dass das Adapterelement (30) weiterhin vertikalbeweglich in Richtung des zweiten Trägerelementes (28) ausgebildet ist.
Elektrische Messanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Adapterelement (31) dazu ausgebildet ist, die über den ersten Kolbenstangenabschnitt (9.21) auf das Adapterelement (31) eingeleitete, zu messende Kraft (F) an das Sensorelement (21) weiterzuleiten.
Abstützeinrichtung (8a, b) nach einem der Ansprüche 11 bis 15 mit einer elektrischen Messanordnung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche.