DE19617286C1

DE19617286C1 - Kapazitiver Kraftsensor

Info

Publication number: DE19617286C1
Application number: DE1996117286
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Dieckmann; Karlheinz Dr Ziegler; Thomas Bilger
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 1997-10-16
Anticipated expiration: 2016-05-01

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Kraftsensor zur Messung einer Kraft in einem vorgegebenen Kraftintervall mit einem mindestens eine Kondensatorplatte aufweisenden Grund körper und einem mindestens eine weitere Kondensatorplatte aufweisenden Deckkörper sowie diese in einem Abstand von einander haltende elastisch verformbare Abstandshalter, deren Verformung unter Belastung durch eine Linearfunktion, deren Steigung das Verhältnis Kraft/zurückgelegter Weg angibt, dar stellbar ist.

Kapazitive mikromechanische Kraftsensoren werden heute in vielen technischen Gebieten eingesetzt. Derartige Kraftsensoren weisen einen Grundkörper und einen Deckkörper auf, die durch Abstandshalter voneinander getrennt sind und die jeweils eine Kondensatorplatte aufweisen. Das Meßprinzip derartiger Kraftsensoren beruht darauf, daß auf die Kondensatorplatten entgegengesetzte Ladungen aufgebracht werden, so daß der Kondensator eine Kapazität aufweist und zwischen den Kondensatorplatten eine Spannung anliegt. Unter Belastung werden die Abstandshalter verkürzt, so daß sich der Abstand der Kondensatorplatten verringert, was zu einem Anstieg der Kapazität bzw. zu einer Abnahme der Spannung führt. Die Abnahme der Spannung zwischen den Kondensatorplatten wird gemessen und dadurch können Rückschlüsse auf den Abstand der Kondensatorplatten voneinander und damit auf die auf den Kraftsensor einwirkende Belastung geschlossen werden.

An kapazitive mikromechanische Kraftsensoren werden unterschiedliche Anforderungen gestellt. So sollten sie einen kompakten Aufbau aufweisen, um vielseitig einsetzbar zu sein. Darüber hinaus sollte möglichst über den gesamten Kraftintervall, in dem der Kraftsensor eingesetzt wird, ein linearer Zusammenhang zwischen der auf den Kraftsensor einwirkenden Belastung und der Verkürzung der elastisch verformbaren Abstandshalter bestehen, da nur in diesem Fall eine Kraftmessung mit ausreichender Genauigkeit möglich ist. Schließlich sollten die Kraftsensoren über den gesamten Kraftintervall eine ausreichende Signalauflösung ermöglichen, d. h. eine Änderung der auf den Kraftsensor einwirkenden Belastung sollte mit ausreichender Genauigkeit an einer Änderung des Meßsignals nachvollziehbar sein.

Ein Anwendungsbeispiel für Kraftsensoren sind beispielsweise Bremsanlagen für Kraftfahrzeuge vom Brake-by-Wire-Typ. Bei derartigen Bremsanlagen wird mit Hilfe sogenannter Bremsaktuatoren, die jedem Rad des Kraftfahrzeuges zugeordnet sind, eine Zuspannkraft auf die Bremsscheibe eines jeden Rades ausgeübt und somit der Bremsvorgang eingeleitet. Die an den einzelnen Rädern eingeregelte Zuspannkraft wird mit Hilfe von Kraftsensoren gemessen und in einem Regelkreis findet ein Vergleich statt, ob die gemessene Zuspannkraft einer aus dem Bremssignal berechneten Zielzuspannkraft entspricht. Bei einer Abweichung über ein vorgegebenes Maß hinaus findet mit Hilfe des Regelkreises eine Korrektur der Zuspannkräfte an den einzelnen Rädern statt.

Die in Bremsanlagen vom Brake-by-Wire-Typ eingesetzten Kraft sensoren müssen neben den obengenannten Anforderungen zusätz lich leicht, hochtemperaturfest, drucksteif, störunempfindlich, großserientauglich und damit preiswert in der Herstellung sein. Noch wesentlicher ist aber, daß bei Bremsanlagen vom Brake-by-Wire-Typ einerseits z. T. große Zuspannkräfte von maximal ca. 40 kN bis 60 kN eingeregelt werden und die Kraftsensoren somit ein großes Kraftintervall abdecken müssen. Andererseits ist bei derartigen Bremsanlagen gerade bei kleinen Zuspannkräften eine sehr gute Signalauflösung erforderlich, um eine feine Dosierbarkeit der Bremse (z. B. im Rangierbetrieb oder ähnlichem) zu gewährleisten.

Aus der DE 40 27 753 C2 sind kapazitive mikromechanische Kraftsensoren der eingangs genannten Art bekannt, die die genannten Anforderungen bezüglich der Abmessung, des Gewichts, der Temperaturfestigkeit und der Störunempfindlichkeit etc. erfüllen. Darüber hinaus läßt sich mit den aus der DE 40 27 753 C2 bekannten Kraftsensoren in einem Kraftintervall mit einer Maximalkraft von ca. 40 kN bis 60 kN arbeiten und eine ausreichende Signalauflösung im Normalbetrieb des Kraftfahrzeuges erzielen. Es ist jedoch nicht möglich, mit den aus der DE 40 27 753 C2 bekannten Kraftsensoren, die in einem derartig großen Kraftintervall arbeiten, im Bereich niedriger Kräfte die geforderte hohe Signaläuflösung zu erreichen, um in diesem Kraftbereich die geforderte feine Dosierbarkeit der Bremse zu gewährleisten.

Somit sind die aus der genannten Druckschrift bekannten kapazitiven mikromechanischen Kraftsensoren für einen Einsatz in Bremsanlagen vom Brake-by-Wire-Typ ungeeignet, da sie den Zielkonflikt hohe Signalauflösung/Arbeitsbereich in einem großen Kraftintervall nicht lösen können.

Aus der DE-AS 12 20 169 ist ein mechanisches Kraftmeßgerät bekannt, mit dem kleine Kräfte durch Verformung einer ersten Feder meßbar sind. Sollen mit dem Kraftmeßgerät große Kräfte gemessen werden, so kann im unbelasteten Zustand des Kraftmeßgerätes eine zweite Feder, die zur ersten Feder axial gleichgerichtet ist, manuell zugeschaltet werden, so daß sich das meßbare Kraftintervall vergrößert.

Die aus der DE-AS 12 20 169 bekannten Kraftmeßgeräte können nicht anstelle von kapazitiven mikromechanischen Kraftsensoren eingesetzt werden, da sie die oben erläuterten Anforderungen nicht erfüllen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftsensor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß er einerseits zur Messung von Kräften in einem großen Kraftintervall benutzt werden kann und andererseits hohen Anforderungen an die Signalauflösung, insbesondere im niedrigen Kraftbereich, Genüge tut.

Gemäß dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Abstandshalter derartig ausgebildet sind, daß in einem ersten niedrigen Kraftbereich des Kraftintervalls die Steigung der Linearfunktion kleiner ist als in einem zweiten hohen Kraftbereich des Kraftintervalls. Eine derartige Ausbildung der Abstandshalter hat zur Folge, daß in dem niedrigen Kraftbereich eine vorgege bene Belastungsänderung auf den Kraftsensor zu einer starken Verkürzung der Abstandshalter und somit zu einer starken Änderung des Meßsignals führt (entspricht einer hohen Signalauflösung), wohingegen in dem hohen Kraftbereich dieselbe Belastungsänderung zu einer geringeren Verkürzung der Abstandshalter und somit zu einer schwachen Änderung des Meßsignals (entspricht einer geringen Signalauflösung) führt.

Der Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Abstandshalter des kapazitiven Kraftsensors derart ausgebildet sind, daß der Kraftsensor zwei Kraftbereiche mit unterschied lichem Signalauflösungsvermögen aufweist und somit einerseits den Anforderungen an die hohe Auflösung im niedrigen Kraftbereich Genüge tut und andererseits in einem großen Kraftintervall verwendbar ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß die hohe Signalauflösung des Kraftsensors in dem niedrigen Kraftbereich unabhängig von der Größe des Kraftintervalls, in dem der Kraftsensor arbeitete ist. Ins besondere kann der erfindungsgemäße Kraftsensor trotz des hohen Signalauflösungsvermögens in niedrigem Kraftbereich zur Messung eines großen Kraftintervalls verwendet werden. Aus diesem Grunde ist der Kraftsensor besonders vielseitig einsetzbar. Insbesondere kann der Kraftsensor in Bremsanlagen vom Brake-by-Wire-Typ eingesetzt werden und eine feine Dosierbarkeit der Bremse in niedrigem Kraftbereich ist dann gewährleistet.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 2 verfügt der Kraftsensor über einen ersten Abstands halter, der im unverformten Zustand den Grundkörper und den Deckkörper in einem ersten Abstand voneinander hält und über einen zweiten Abstandshalter, der kürzer ist als der erste Abstandshalter, auf dem der Deckkörper erst nach einer gewis sen Verkürzung des ersten Abstandshalters unter Einwirkung einer Kraft aufliegt, und der unter Einwirkung einer weiter erhöhten Kraft zusätzlich zu dem ersten Abstandshalter verkürzbar ist. Ein derartiger Kraftsensor ist einfach im Aufbau und damit einfach zu fertigen, insbesondere im Hinblick auf die Fertigungstechniken, die in der DE 40 27 753 C2 beschrieben sind.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß der erfindungsgemäße Kraftsensor auf einfache Art und Weise den Zielkonflikt hohe signalauflösung/Arbeitsbereich in einem großen Kraftintervall löst.

Weitere Vorteile und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung werden im Zusammenhang mit den nachstehenden Figuren erläutert, darin zeigt:

Fig. 1 einen Kraftsensor,

Fig. 2 einen Kraftsensor unter Einwirkung unterschiedlicher Belastungen,

Fig. 3 ein Diagramm,

Fig. 4 ein Diagramm.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Kraftsensor 2 im Querschnitt, bestehend aus einem Grundkörper 4 und einem Deckkörper 6, die jeweils eine Kondensatorplatte 8a bzw. 8b aufweisen. Der Grundkörper 4 und der Deckkörper 6 sind durch erste, elastisch verformbare Abstandshalter 10 voneinander getrennt und weisen im unbelasteten Zustand des Kraftsensors 2 einen Abstand x_D voneinander auf. Darüber hinaus weist der Kraftsensor 2 einen zweiten elastisch verformbaren Abstandshalter 12 auf, der kürzer ist als der erste Abstandshalter 10, so daß im unbelasteten Zustand des Kraftsensors 2 zwischen dem Deckkörper 6 und dem zweiten Abstandshalter 12 ein Spalt mit der Breite x₁ verbleibt. Bevorzugte Materialien für den Grundkörper 4 und den Deckkörper 6 und für die Abstandshalter 10 und 12 und für die Kondensatorplatten 8a und 8b sowie die elektrischen Anschlüsse an diese Kondensatorplatten sind in der DE 40 27 753 C2 ausführlich erläutert, und gelten entsprechend für den Kraftsensor 2, so daß an dieser Stelle darauf nicht näher eingegangen werden soll.

Im Zusammenhang mit der Fig. 2 wird nun erläutert, wie sich der Kraftsensor 2 unter Einfluß einer auf ihn einwirkenden Belastung verformt. Hierbei wird das Maß der Verformung des Kraftsensors 2 durch die Entfernung der Deckplatte 6 aus ihrer Ruhelage, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, angegeben. Eine entsprechende x-Achse ist in den Fig. 1 und 2 eingezeichnet und es ist zu sehen, daß sich die untere Kante des Deckkörpers 6 in der Fig. 1 bei x = 0 befindet, der Kraftsensor 2 also nicht verformt ist.

In Fig. 2a ist der Kraftsensor 2 unter Einwirkung einer Kraft (angedeutet durch die auf den Grundkörper 4 und auf den Deckkörper 6 weisenden Pfeile, wobei der Betrag der Kraft durch die Länge der Pfeile angedeutet ist) gezeigt, die zu einer Verformung des ersten elastisch verformbaren Abstandshalters 10 führt. Unter Einwirkung der gezeigten Kraft wird also der Deckkörper 6 aus seiner Ruhelage derart herausbewegt, daß die untere Kante des Deckkörpers 6 zwischen 0 und x₁ liegt. In diesem Bereich führt eine geringe Steigerung der auf den Kraftsensor ausgeübten Kraft zu einer großen Annäherung des Deckkörpers 6 an den Grundkörper 4, da nur der erste Abstandshalter 10 verformt werden muß, wozu nur eine geringe Kraft erforderlich ist. In diesem Bereich weist der Kraftsensor 2 also eine hohe Signalauflösung auf.

Fig. 2b zeigt den Kraftsensor 2 unter Einwirkung einer Kraft, die zu einer so starken Verformung des elastisch verformbaren ersten Abstandshalters 10 führt, daß der Deckkörper 6 auf dem zweiten elastisch verformbaren Abstandshalter 12 aufliegt. Die untere Kante des Deckkörpers 6 ist also um den Betrag x₁ aus ihrer Ruhelage herausbewegt worden und der Spalt zwischen dem Deckkörper 6 und dem zweiten Abstandshalter 12 existiert nicht mehr. Bei einer weiteren Steigung der auf den Kraftsensor 2 ausgeübten Kraft muß zusätzlich zu dem elastisch verformbaren ersten Abstandshalter 10 der elastisch verformbare zweite Abstandshalter 12 verformt werden.

Fig. 2c zeigt den Kraftsensor 2 unter Einwirkung einer gegen über der Fig. 2b nochmals gesteigerten Kraft. Unter Einwirkung dieser Kraft wird nunmehr auch der zweite Abstands halter 12 elastisch verformt und der Deckkörper 6 liegt noch näher an dem Grundkörper 4, als es in der Fig. 2b gezeigt ist. Der Wert x für die untere Kante des Deckkörpers 6 liegt also zwischen x₁ und x_D. In diesem Bereich führt eine geringe Steigerung der auf den Kraftsensor 2 ausgeübten Kraft nur zu einer geringeren Annäherung des Deckkörpers 6 an den Grundkörper 4, da zusätzlich zu dem ersten Abstandshalter 10 auch der zweite Abstandshalter 12 verformt werden muß, wozu eine größere Kraft als im ersten Bereich erforderlich ist, in dem lediglich der Abstandshalter 10 verformt zu werden braucht. In diesem Bereich weist der Kraftsensor 2 also eine geringe Signalauflösung auf und kann über einen großen Kraftbereich betrieben werden.

Mit Hilfe des Diagramms in Fig. 3, in dem die Kraft F (x) über x aufgetragen ist, werden die unter Bezugnahme auf die Fig. 2 erläuterten Zusammenhänge qualitativ erläutert. In dem ersten Kraftbereich, von x = 0 bis x = x₁ wird nur der erste Abstandshalter 10 verformt, wobei zwischen der Kraft F (x) und der Verformung des Abstandshalters 10 ein linearer Zusammenhang besteht. Die Kraft F (x) läßt sich also als F (x) = m₁x darstellen, die entsprechende Gerade ist in dem Diagramm eingezeichnet.

In dem zweiten Kraftbereich, von x = x₁ bis x = x_D wird zusätzlich zu dem ersten Abstandshalter 10 der zweite Abstandshalter 12 verformt, wobei zwischen der Kraft F (x) und der Verformung der Abstandhalter 10 und 12 wiederum ein linearer Zusammenhang besteht. Die Kraft F (x) läßt sich also als F (x) = m_Gx + b (mit b:= F (x) - Achsenabschnitt) darstellen, die entsprechende Gerade ist ebenfalls in dem Diagramm eingezeichnet. Hierbei ist die Steigung mG die Summe aus der Steigung m₁ für den ersten Abstandshalter 10 und Steigung m₂ für den zweiten Abstandshalter 12, die Steigung m_G ist also größer als die Steigung m₁.

Die Signalauflösung des Kraftsensors 2 ist abhängig davon, wie stark sich der Wert x unter Einwirkung einer zusätzlichen Kraft dF (x) verändert. In dem ersten Kraftbereich gilt: dx₁ = dF (x)₁/m₁, wohingegen in dem zweiten Kraftbereich gilt:
dx₂ = dF (x)₂/m_G. Da m₁ kleiner als m_G ist, ist bei dF (x)₁ = dF (x)₂ dx₁ größer als dx₂, so daß der Kraftsensor 2 in dem ersten Kraftbereich eine größere Signalauflösung aufweist als in dem zweiten Kraftbereich. In dem ersten Kraftbereich können also auch geringe Kraftänderungen registriert werden.

Aufgrund der großen Steigung mG im zweiten Kraftbereich umfaßt der Kraftsensor dort ein großes Kraftintervall, das von F (x₁) bis F (x_D) reicht. Zum Vergleich ist in das Diagramm strichliniert die Gerade mit der Steigung m₁ fortgeführt, die die Verhältnisse für einen Kraftsensor 2 ohne den zusätzlichen Abstandshalter 12 wiedergibt. Es ist unmittelbar einsichtig, daß das Kraftintervall von F (x₁) bis F (x₂) deutlich kleiner ist als das Kraftintervall von F (x₁) bis F (x_D).

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, in dem das Meßsignal, nämlich bei spielsweise die zwischen den beiden Kondensatorplatten 8a und 8b anliegende Spannung U (x), über der auf den Kraftsensor 2 ausgeübten Kraft F (x) aufgetragen ist. Die Spannung zwischen den Kondensatorplatten 8a und 8b ist proportional zu dem Abstand des Deckkörpers 6 von dem Grundkörper 4, also proportional zu (x_D-x) (siehe Fig. 2). Bezeichnet man die Proportionalitätskonstante mit k, so läßt sich die Spannung U (x) darstellen als:

U (x) = k (x_D-x)

Im Hinblick auf das Diagramm nach Fig. 3 läßt sich die Spannung U (x) auch in Abhängigkeit von der Kraft F (x) wie folgt schreiben:

U (x) = k (x_D-F (x)/_m)

In dem ersten Kraftbereich gilt also:

U₁(x) = k (x_D-F(x)/m₁); für F (x₁) F (x) < 0

In dem zweiten Kraftbereich läßt sich die Spannung U (x) hingegen wie folgt ausdrücken:

U₂(x) = k(x_D + b/m_G-F(x)/m_G); für F(x_D) F(x) < F(x₁)

Trägt man U (x) über F (x) auf, so erhält man das in Fig. 4 gezeigte Diagramm. Dem Diagramm ist zu entnehmen, daß in dem ersten Kraftbereich, der von F (x) = 0 bis F (x) = F (x₁) reicht, eine geringe Änderung der Kraft eine starke Änderung des Meßsignals U (x) und somit eine hohe Signalauflösung zur Folge hat. Im Kraftbereich 2 hingegen, der von F (x) < F (x₁) bis F (x) = F (x_D) reicht, führt eine kleine Änderung der Kraft lediglich zu einer kleinen Änderung des Meßsignals, und der Kraftsensor weist in diesem Bereich ein geringes Auflösungsvermögen auf. Dafür ist jedoch der zweite Kraftbereich sehr groß und es können auch große Maximalkräfte gemessen werden. Zum Vergleich ist auch in der Fig. 4 strichliniert die Gerade aus dem ersten Kraftbereich fortgeführt, die die Verhältnisse für einen Kraftsensor ohne den zweiten Abstandshalter 12 wiedergibt. Man sieht, daß der Kraftbereich, in dem gearbeitet werden kann, durch den zweiten Abstandshalter 12 deutlich vergrößert ist.

Der in den Figuren erläuterte Kraftsensor 2 ist z. B. für den Einsatz in Brake-by-Wire-Bremsanlagen geeignet, bei denen der erste Kraftbereich mit dem hohen Signalauflösungsvermögen z. B. für den Rangierbetrieb des Fahrzeugs benötigt wird, wohingegen der zweite Kraftbereich mit den hohen Kräften, der ein großes Kraftintervall umfaßt, für die hohen Maximalkräfte erforderlich ist.

Bezugszeichenliste

2 Kraftsensor
4 Grundkörper
6 Deckkörper
8a, 8b Kondensatorplatte
10 erster Abstandshalter
12 zweiter Abstandshalter

Claims

1. Kapazitiver Kraftsensor (2) zur Messung einer Kraft in einem vorgegebenen Kraftintervall mit einem mindestens eine Kondensatorplatte (8a) aufweisenden Grundkörper (4) und einem mindestens eine weitere Kondensatorplatte (8b) aufweisendenden Deckkörper (6) sowie diese in einem Abstand voneinander haltende elastisch verformbare Abstandshalter (10, 12), deren Verformung unter Belastung durch eine Linearfunktion, deren Steigung das Verhältnis Kraft/zurückgelegter Weg angibt, darstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (10, 12) derartig ausgebildet sind, daß in einem ersten niedrigen Kraftbereich des Kraftintervalls die Steigung der Linearfunktion kleiner ist als in einem zweiten hohen Kraftbereich des Kraftintervalls.

2. Kapazitiver Kraftsensor (2) zur Messung einer Kraft in einem vorgegebenen Kraftintervall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (2) mindestens über folgende Abstandshalter (10, 12) verfügt:

- mindestens einen ersten Abstandshalter (10), der in unverformtem Zustand den Grundkörper (4) und dem Deck körper (6) in einem ersten Abstand x_D voneinander hält
- mindestens einen zweiten Abstandshalter (12), der kürzer ist als der erste Abstandshalter (10), auf dem der Deckkörper (6) erst nach einer gewissen Verkürzung des ersten Abstandshalters (10) unter Einwirkung einer Kraft aufliegt, und der unter Einwirkung einer weiter erhöhten Kraft zusätzlich zu dem ersten Abstandshalter (10) verkürzbar ist.