DE3330879A1 - Electromechanical sensor for force measurement - Google Patents

Abstract

An electromechanical sensor for force measurement has a leaf spring (2) as a force-sensing element as well as at least one wire strain gauge (1) consisting of a thin, non-self-supporting resistive coating integrally connected to a plastic film. The wire strain gauge (1) is arranged essentially in the bending direction of the leaf spring (2) and is connected in one piece to electric resistors (3) of an activating circuit (OP). The resistors (3) are arranged essentially at right angles to the bending direction of the leaf spring (2). <IMAGE>

Description

Elektromechanischer Sensor zur KraftmessunqElectromechanical sensor for force measurement

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Sensor zur Kraftmessung mit einer Blattfeder als kraftaufnehmendes Element, bei dem zumindest ein Dehnungsmeßstreifen aus einer dünnen, nicht selbsttragenen und mit einer Kunststoffolie stoffschlüssig verbundenenen Widerstandsschicht auf der Blattfeder angeordnet ist.The invention relates to an electromechanical sensor for measuring force with a leaf spring as the force-absorbing element in which at least one strain gauge made of a thin, non-self-supporting material that is firmly bonded with a plastic film connected resistance layer is arranged on the leaf spring.

Derartige Sensoren werden zur Messung mechanischer Grö'-ßen, wie z.B. Druck, Kraft, Gewicht, in Meßgeräten mit elektrischen Anzeigensystemen benötigt.Such sensors are used to measure mechanical quantities, e.g. Pressure, force, weight, required in measuring devices with electrical display systems.

Die Druckmessung bis 500 mbar erfolgte bisher entweder mechanisch mittels einer geprägten Membran und Analoganzeige oder durch eine elektromechanische Messung, wobei kapazitive oder induktive Druckmeßgeräte bzw. ein mit einer integrierten Schaltung gekoppelter Silicium-Membran-Sensor eingesetzt wurden.Up to now, pressure measurement up to 500 mbar has either been done mechanically by means of an embossed membrane and analog display or by means of an electromechanical Measurement, with capacitive or inductive pressure gauges or one with an integrated Circuit-coupled silicon membrane sensors were used.

Die genannten Meßverfahren sind entweder aufwendig oder nicht genügend genau.The measurement methods mentioned are either complex or insufficient precisely.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen einfach aufgebauten und kostengünstigen elektromechanischen Sensor, insbesondere für die Messung kleiner Drucke bzw. Druckunterschiede an flüssigen oder gasförmigen Medien, anzugeben, bei dem das zum angelegten Druck proportionale elektrische Signal einen geringen Linearitätsfehler und eine geringe Temperaturempfindlichkeit aufweisen soll.The object of the invention is therefore to provide a simply constructed and inexpensive electromechanical sensor, especially for measuring smaller Indicate pressures or pressure differences in liquid or gaseous media which the electrical signal proportional to the applied pressure has a low linearity error and should have a low temperature sensitivity.

Diese Aufgabe wird erfindungsgmäß dadurch gelöst, daß der Dehnungsmeßstreifen im wesentlichen in Biegerichtung der Blattfeder angeordnet ist, daß elektrische Widerstände einer Ansteuerschaltung einstückig mit dem Dehnungsmeßstreifen verbunden und aus derselben Widerstandsschicht gebildet sind, und daß die Widerstände im wesentlichen senkrecht zur Biegerichtung der Blattfeder angeordnet sind.This object is achieved according to the invention in that the strain gauge is arranged essentially in the bending direction of the leaf spring that electrical Resistors of a control circuit connected in one piece to the strain gauge and are formed from the same resistive layer, and that the resistors are substantially are arranged perpendicular to the bending direction of the leaf spring.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die elektrischen Widerstände mäanderförmig ausgebildet sind, daß die Hauptrichtung der Widerstandsbahnen senkrecht zur Biegerichtung der Blattfeder angeordnet ist, und daß die durch die Querdehnung dieser Widerstandsbahnen auftretende Verminderung ihres elektrischen Widerstandswertes durch die in Biegerichtung angeordneten Widerstandsbahnen kompensiert ist.An advantageous development of the invention is that the electrical resistors are designed meander that the main direction of the Resistance tracks is arranged perpendicular to the bending direction of the leaf spring, and that the reduction occurring due to the transverse expansion of these resistance paths their electrical resistance value through the resistance tracks arranged in the bending direction is compensated.

Ein besonderer Vorteil wird dadurch erzielt, daß die Blattfeder im mittleren Bereich eine biegesteife Einprägung besitzt und daß im Bereich dieser Einprägung die Ansteuerschaltung in Form eines integrierten Schaltkreises angeordnet ist.A particular advantage is achieved in that the leaf spring in the middle area has a rigid impression and that in the area of this Embossing the control circuit arranged in the form of an integrated circuit is.

Vorzugesweise ist die Blattfeder in einem Metallgehäuse mittels eingebogener oder eingestanzter flacher Laschen lose gehaltert und auf der Unterseite der Blattfeder ein Kunststoffbalg als mechanischer Druckübertrager angeordnet.The leaf spring is preferably in a metal housing by means of bent-in or punched flat tabs loosely held and on the underside of the leaf spring a plastic bellows arranged as a mechanical pressure transmitter.

Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.The advantages of the subject invention will be apparent from the following Embodiments explained in more detail.

In der dazugehörenden Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf einen elektromechanischen Sensor und Fig. 2 eine Seitenansicht eines in einem Blechgehäuse angeordneten elektromechanischen Sensors.The accompanying drawings show: FIG. 1 a plan view an electromechanical sensor and FIG. 2 shows a side view of one in a sheet metal housing arranged electromechanical sensor.

In der Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen elektromechanischen Sensor dargestellt, der zwei Dehnungsmeßstreifen 1 aufweist, die im wesentlichen in Biegerichtung der Blattfeder 2 angeordnet sind. Neben den Dehnungsmeßstreifen 1 sind eine Reihe von mäandrierten Widerstandsbahnen 3 dargestellt, bei denen die Hauptrichtung senkrecht zur Biegerichtung der Blattfeder 2 angeordnet sind. Hierdurch wird erreicht, daß die Widerstände 3 nicht durch Dehnung, wie im Falle der Dehnungsmeßstreifen 1, eine Widerstandserhöhung erfahren.In Fig. 1 is a plan view of an electromechanical sensor shown, which has two strain gauges 1, which are essentially in the bending direction the leaf spring 2 are arranged. In addition to the strain gauges 1 are a number represented by meandering resistance tracks 3, in which the main direction is perpendicular to the bending direction of the leaf spring 2 are arranged. This achieves that the resistors 3 not by stretching, as in the case of the strain gauges 1, a Experience increase in resistance.

Durch die Querdehnung der Widerstandsbahnen 3 tritt jedoch eine Verminderung ihres Widerstandwertes durch Querschnittsveränderung ein. Um diesen Effekt zu kompensieren, werden die zwischen den Mäanderbiegungen in Biegerichtung der Blattfeder 2 liegenden kleinen Stücke so lang und breit gemacht, daß deren Dehnung bzw.However, the transverse expansion of the resistance tracks 3 results in a reduction their resistance value by changing the cross-section. To compensate for this effect, are those lying between the meander bends in the bending direction of the leaf spring 2 made small pieces so long and wide that their stretching resp.

Widerstandserhöhung den Querdehnungseffekt grade kompensiert. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß der Widerstand dieser Querstücke ca. 9% des Gesamtwiderstandswertes beträgt.The increase in resistance just compensates for the transverse stretching effect. this is achieved, for example, by the fact that the resistance of these crosspieces is approx. 9% of the total resistance value.

In der Mitte der Blattfeder 2 ist ein Vierfach-Operationsverstärker OP angeordnet, der als Ansteuer- und Verarbeitungsschaltung für den elektromechanischen Sensor dient. An den Anschlußpunkten 4 wird die Versorgungsspannung für die Schaltung zugeführt und das Ausgangssignal abgenommen. Dehnungsmeßstreifen 1 und Widerstandsbahnen 3 sind einstückig aus einer Widerstands- schicht, beispielsweise durch selektives Ätzen hergestellt. Zwischen der Blattfeder 2, die beispielsweise aus 0,3 mm starkem Aluminiumblech besteht, und den dünnen, nicht selbsttragenden Widerstandsschichten ist zur Isolierung eine Kunststoffolie angeordnet, mit der die Metallschichten stoffschlüssig verbunden sind.In the middle of the leaf spring 2 is a quadruple operational amplifier OP arranged as a control and processing circuit for the electromechanical Sensor is used. At the connection points 4, the supply voltage for the circuit supplied and the output signal removed. Strain gauges 1 and resistance tracks 3 are made in one piece from a resistance layer, for example produced by selective etching. Between the leaf spring 2, for example consists of 0.3 mm thick aluminum sheet, and the thin, non-self-supporting Resistance layers are arranged for insulation with a plastic film with which the metal layers are firmly bonded.

In der Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines elektromechanischen Sensors dargestellt, bei dem die Blattfeder 2 in einem Blechgehäuse 5, beispielsweise einer gedrückten Dose, mittels eingebogener oder eingestanzter flacher Laschen 6 lose eingesetzt ist. Durch diese Lagerung der Blattfeder 2 wird eine große Druckempfindlichkeit erreicht. Im mittleren Bereich 7 weist die Blattfeder 2 durch Prägen der Kanten und der Mittelmulde eine Verstärkung auf, so daß sich dort die Blattfeder 2 und die darauf angeordnete Schaltung 8 nicht biegen können. Im Bereich dieser Versteifung ist die Ansteuerschaltung OP angeordnet. Als Druckübertragung dient ein Faltenbalg 9 aus Kunststoff, beispielsweise aus einem heißgepreßten PVC-Schlauch, der mit einem Schlauchanschluß 10 versehen ist. Das Anschlußkabel 11 weist beispielsweise je zwei Adern für die Versorgungsspannung bzw. das Ausgangssignal auf.In Fig. 2 is a side view of an electromechanical sensor shown, in which the leaf spring 2 in a sheet metal housing 5, for example one pressed can, by means of bent or punched flat tabs 6 loosely is used. This storage of the leaf spring 2 is a great pressure sensitivity achieved. In the middle area 7, the leaf spring 2 has by embossing the edges and the central trough on a reinforcement, so that there the leaf spring 2 and the circuit 8 arranged thereon cannot bend. In the area of this stiffening the control circuit OP is arranged. A bellows is used to transmit the pressure 9 made of plastic, for example from a hot-pressed PVC hose with a Hose connection 10 is provided. The connection cable 11 has, for example, two each Cores for the supply voltage or the output signal.

Über der gesamten Anordnung ist als Schutz eine Plastikhaube 12 angebracht. Zur Herstellung des Sensors dient beispielsweise das Federmaterial zunächst als Kaschierblech, aus dem die einzelnen Blattfedern ausgestanzt werden. Diese Federn tragen Dehnungsmeßstreifen als aktive Elemente und die Widerstände für die Verschaltung mit einem Verstärker-IC. Mit einem Flat-oder Mikro-Pack in dem geprägten, dehnungsunempfindlichen Mittelteil der Blattfeder hybridiert, können da- mit Drucksensoren mit einer Auflösung im Bereich von weniger als 1 mbar und einem Signal bei Nenndruck von ca. 10 V hergestellt werden.A plastic hood 12 is fitted over the entire arrangement as protection. To produce the sensor, for example, the spring material is initially used as Laminating sheet from which the individual leaf springs are punched. These feathers wear strain gauges as active elements and the resistors for the interconnection with an amplifier IC. With a flat or micro pack in the embossed, stretch-insensitive Hybridized in the middle part of the leaf spring, with pressure sensors with a resolution in the range of less than 1 mbar and a signal at nominal pressure of approx. 10 V can be produced.

Die Hybridierung der kostengünstigen Dehnungsmeßstreifen mit einem Verstärker-IC und die einfache mechanische Druckübertragung mittels eines Kunststoffbalges garantieren geringe Herstellungskosten für diese elektromechanischen Sensoren.The hybridization of the inexpensive strain gauges with a Amplifier IC and the simple mechanical pressure transmission by means of a plastic bellows guarantee low manufacturing costs for these electromechanical sensors.

4 Patentansprüche 2 Figuren - Leerseite -4 claims 2 figures - blank page -

Claims (4)

Patentansprüche Elektromechanischer Sensor zur Kraftmessung mit einer Blattfeder als kraftaufnehmendes Element, bei dem zumindest ein Dehnungsmeßstreifen aus einer dünnen, nicht selbsttragenden und mit einer Kunststoffolie stoffschlüssig verbundenenen Widerstandsschicht auf der Blattfeder angeordnet ist, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Dehnungsmeßstreifen (1) im wesentlichen in Biegerichtung der Blattfeder (2) angeordnet ist, daß elektrische Widerstände (3) einer Ansteuerschaltung (OP) einstückig mit dem Dehnungsmeßstreifen (1) verbunden und aus derselben Widerstandsschicht gebildet sind, und daß die Widerstände (3) im wesentlichen senkrecht zur Biegerichtung der Blattfeder (2) angeordnet sind. Claims Electromechanical sensor for measuring force with a Leaf spring as a force-absorbing element in which at least one strain gauge made of a thin, non-self-supporting material that is firmly bonded with a plastic film connected resistance layer is arranged on the leaf spring, d a d u r c h g e -k e n n n z e i c h n e t that the strain gauge (1) is essentially is arranged in the bending direction of the leaf spring (2) that electrical resistors (3) a control circuit (OP) integrally connected to the strain gauge (1) and are formed from the same resistance layer, and that the resistors (3) are arranged essentially perpendicular to the bending direction of the leaf spring (2). 2. Elektromechanischer Sensor nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die elektrischen Widerstände (3) mäanderförmig ausgebildet sind, daß die Hauptrichtung der Widerstandsbahnen senkrecht zur Biegerichtung der Blattfedern (2) angeordnet ist, und daß die durch die Querdehnung dieser Widerstands bahnen auftretende Verminderung ihres elektrischen Widerstandswertes durch die in Biegerichtung angeordneten Widerstandsbahnen kompensiert ist. 2. Electromechanical sensor according to claim 1, d a -d u r c h g e It is not possible to say that the electrical resistors (3) are designed in a meandering manner are that the main direction of the resistance tracks perpendicular to the bending direction of the Leaf springs (2) is arranged, and that by the transverse expansion of this resistance The decrease in their electrical resistance value that occurs due to the in Bending direction arranged resistance tracks is compensated. 3. Elektromechanischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Blattfeder (2) im mittleren Bereich (7) eine biegesteife Einprägung besitzt und daß im Bereich dieser Einprägung die Ansteuerschaltung (OP) in Form eines integrierten Schaltkreises angeordnet ist. 3. Electromechanical sensor according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that the leaf spring (2) in the central area (7) a Has flexurally rigid impression and that the control circuit is in the area of this impression (OP) is arranged in the form of an integrated circuit. 4. Elektromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Blattfedern (2) in einem Metallgehäuse (5) mitteils eingebogener oder eingestanzter flacher Laschen (6) lose gehaltert ist und daß auf der Unterseite der Blattfeder (2) ein Kunststoffbalg (9) als mechanischer Druckübertrager angeordnet ist.4. Electromechanical sensor according to one of claims 1 to 3, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that the leaf springs (2) in a metal housing (5) partially curved or punched flat tabs (6) held loosely is and that on the underside of the leaf spring (2) a plastic bellows (9) as a mechanical Pressure transmitter is arranged.