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1、(10)申请公布号 CN 103534562 A (43)申请公布日 2014.01.22 CN 103534562 A (21)申请号 201280023197.X (22)申请日 2012.05.11 102011076006.7 2011.05.17 DE G01G 7/06(2006.01) G01G 3/14(2006.01) (71)申请人 西门子公司 地址 德国慕尼黑 (72)发明人 迪尔克沙伊布纳 阿尔诺斯特肯博恩 (74)专利代理机构 北京康信知识产权代理有限 责任公司 11240 代理人 余刚 李慧 (54) 发明名称 力传感装置、 特别是称重单元 (57) 摘要 本发明涉。
2、及一种力传感装置、 特别是称重单 元， 其由弹性体 （1） 和传感器 （15） 构成， 该弹性体 在待测的力或负荷 （18） 的作用下发生变形， 该传 感器具有两个分离的并安装在弹性体 （1） 的不同 位置处的传感器部件 （13， 14） 并且产生取决于传 感器部件 （13， 14） 彼此间的相对位置的传感器信 号。为了改进传感器 （15） 对弹性体 （1） 的匹配度， 传感器部件 （13， 14） 中的一个传感器部件在中间 存在机电的执行器 （16） 的情况下安装在弹性体 （1） 处并且存在控制装置， 该控制装置根据传感器 信号在缩小传感器部件 （13， 14） 的位置差异的方 向上控制执行。
3、器 （16） 。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2013.11.14 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/EP2012/058729 2012.05.11 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2012/156290 DE 2012.11.22 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103534562 A CN 103534562 A 1/1 页 2 1. 一种力传感装置、 特别是称重单元， 所述力传感。
4、装置具有 ： 弹性体 （1） ， 所述弹性体 在待测的力或负荷 （18） 的作用下发生变形 ； 和传感器 （15） ， 所述传感器由两个分离的并安 装在所述弹性体 （1） 的不同位置处的传感器部件 （13， 14） 构成并且产生取决于所述传感器 部件 （13， 14） 彼此间的相对位置的传感器信号 （19） ， 其特征在于， 所述传感器部件 （13， 14） 中的一个在中间存在机电的执行器 （16） 的情况下安装在所述弹性体 （1） 处， 以及存在控制 装置 （20） ， 所述控制装置根据所述传感器信号 （19） 在缩小所述传感器部件 （13， 14） 的位置 差异的方向上控制所述执行器 （1。
5、6） 。 2. 根据权利要求 1 所述的力传感装置， 其特征在于， 所述传感器 （15） 设计用于按照下 面的无接触式的测量方法工作 ： 即电容的、 电感的、 光学的、 声学的或电磁的测量方法。 3. 根据权利要求 2 所述的力传感装置， 其特征在于， 所述传感器 （15） 设计为电容式传 感器并且所述电容器部件 （13， 14） 由两个彼此啮合的梳齿状电极构成。 4. 根据权利要求 1， 2 或 3 所述的力传感装置， 其特征在于， 机电的所述执行器 （16） 设 计用于按照下面的方法中的任一种工作 ： 压电式、 电磁式、 静电式、 电致伸缩式、 磁致伸缩 式。 5. 根据前述权利要求中任一。
6、项所述的力传感装置， 其特征在于， 所述传感器部件 （13， 14） 保持在柔性的载体 （23） 上并且利用所述载体安装在所述弹性体 （1） 上。 6. 根据权利要求 5 所述的力传感装置， 其特征在于， 柔性的所述载体 （23） 是容纳所述 传感器 （15） 的、 柔性的壳体 （24） 的部件。 7. 根据权利要求 5 或 6 所述的力传感装置， 其特征在于， 一个所述传感器部件 （13） 在 中间位置存在机电的所述执行器 （16） 的情况下保持在柔性的所述载体 （23） 上。 权 利 要 求 书 CN 103534562 A 2 1/4 页 3 力传感装置、 特别是称重单元 技术领域 00。
7、01 本发明涉及一种力传感装置、 特别是称重单元， 其具有 ： 弹性体， 该弹性体在待测 的力或负荷的作用下发生变形 ； 和传感器， 该传感器由两个分离的并安装在弹性体的不同 位置处的传感器部件构成并且产生取决于传感器部件彼此间的相对位置的传感器信号。 背景技术 0002 常见的力传感装置和专门的称重单元是测量变换器， 该测量变换器将对其起作用 的力或负荷转化为电的模拟或数字的测量信号。 在此大部分金属的弹性体与所施加的负荷 或力成正比地弹性地变形并且利用合适的传感器检测弹性体的或其中特定部件的由此造 成的变形。弯曲部件处的长度变化通常借助于应变计来检测。也能够可替换地电容式地检 测由该变形产。
8、生的距离变化。传感器装置、 例如应变计或电容面直接地布置在弹性体处。 0003 从EP0534270A1或DE102008019115A1中已知开头所述类型的、 具有电容式传感器 的力传感装置或称重单元。该电容式传感器具有两个梳形地彼此啮合的电极 （电容板） ， 其 安装在弹性体的不同部件处。称重单元根据偏移方法工作 ； 也就是说待测量的力或负荷的 变化引起传感器信号的变化， 进一步处理传感器信号的偏移。 0004 从 DE3716615C2 中已知一种按照补偿方法工作的称重系统、 即所谓的补偿秤， 其 中借助于电动驱动装置向运动地导入的负荷接收装置施加反作用力。在此， 借助于电容式 传感器检。
9、测负荷接收装置的位置并且根据传感器信号这样控制流经电动驱动装置的线圈 的电流， 即负荷接收装置保持在不取决于负荷的平衡位置中。线圈电流则是负荷的程度。 0005 利用微机械技术制造的传感器、 即所谓的 MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems） 传感器的应用领域越来越广。WO02/103369A1 例如示出了一种电容式地工作的 MEMS 加速度传感器， 其具有两个彼此啮合的梳齿状电极 （电容板） ， 其中一个梳齿状电极布 置在刚性的基体上并且另一个梳齿状电极布置在能震荡地悬挂在基体上的载体处。 0006 根据应用情况和待测的力或负荷的大小， 在力传感装置以及称。
10、重单元中应用的弹 性体具有不同的构造方式和尺寸。由于利用以微机械技术制造的传感器基于其较小的尺 寸能线性地检测到仅仅非常小的变形或运动和更微小的变形以及运动， 因此存在这样的问 题， 即需为不同大小和构造方式的弹性体选择合适的 MEMS 传感器或者从 MEMS 传感器的角 度出发找到合适的位置， 在该位置处其安装在弹性体处。在此， 与传统的传感器相比， 弹性 体的制造公差也起着更为重要的作用。 此外还必须在测量范围和测量灵敏度之间找到平衡 点。 发明内容 0007 因此， 本发明的目的在于， 在力传感装置或称重元件中改进传感器对弹性体的匹 配度。 0008 根据本发明， 该目的这样实现， 即在。
11、开头所属类型的力传感装置或称重单元中， 在 中间存在机电的执行器的情况下传感器部件中的一个安装在弹性体处并且存在控制装置， 说 明 书 CN 103534562 A 3 2/4 页 4 该控制装置根据传感器信号在缩小传感器部件的位置差异的方向上控制执行器。 0009 从称重技术中已知的补偿方法即转而应用到了布置在力传感装置或称重单元的 弹性体处的传感器上。 而弹性体本身则同按照偏移方法工作的称重单元一样取决于负荷地 发生变形。 由该变形造成的传感器部件之间相对位置的变化借助于机电的执行器至少部分 地得到补偿， 使得必须由传感器检测仅仅还非常小的运动。因此传感器不取决于负荷和 / 或弹性体的变形。
12、地工作在线性区域中， 因而也不会造成对传感器的过度负荷。在完全补偿 传感器部件的相对位置的变化时， 由用于控制执行器的控制装置产生的控制信号是用于待 测负荷的直接的度量。此外还能将控制信号和传感器信号组合成所期望的测量信号。 0010 原则上， 所有无接触式的、 按照下面的测量方法中的其中一种来工作的路径接收 装置或距离接收装置均可以考虑用作传感器 ： 即电容的、 电感的 （例如电感的、 磁致伸缩的 或涡电流路径接收装置） 、 光学的 （例如传播时间法、 三角测量、 干涉、 图像传感） 、 声学的 （例 如传播时间法） 或电磁的测量方法。被证明为特别合适的是具有两个彼此啮合的梳齿状电 极的电容。
13、式传感器， 该电容式传感器能够以微机械的方式相对简单地并且低成本地制造出 来。 0011 为补偿传感器部件的相对位置的变化， 原则上可以考虑所有按照以下工作原理工 作的机电的执行器 ： 即压电式、 电磁式、 静电式、 电致伸缩式、 磁致伸缩式。 0012 为了不必分别将各传感器部件布置在弹性体上并分别进行校正， 传感器部件优选 地保持在能活动的支承件、 例如箔片上并且利用该能活动的支承件布置在弹性体上。传感 器则由通过箔片彼此连接的传感器部件构成。其中特别有利的方式是， 能活动的支承件是 容纳传感器的、 能活动的壳体的构成部件， 该壳体保护传感器不受来自力传感装置以及称 重单元的应用位置上的周。
14、围环境的影响。 0013 其中一个传感器部件能够在中间存在机电的执行器的情况下保持在能柔性的载 体上， 使得传感器与通过箔片彼此连接的传感器部件和执行器构成构造单元。只要设有罩 体， 那么便能够将执行器与传感器部件一起布置罩体内部。 这特别是指这种情况， 即将这一 传感器部件和附属的执行器一体地制造， 这例如在具有静电地工作的执行器的电容式传感 器中是可能的。 相反， 如果将执行器布置在罩体的外部， 那么由变形造成的传感器部件间相 对位置的变化的补偿则通过执行器也作用在罩体上， 该罩体随后则仅受到最小程度上的机 械负荷。 附图说明 0014 下面参考附图中的图以进一步说明本发明 ； 附图详细地。
15、示出 ： 0015 图 1 是根据本发明的称重单元的第一实施例， 该称重单元具有弹性体、 传感器和 机电的执行器， 0016 图 2 是未受负荷的称重单元在传感器和执行器的区域内的部分视图， 0017 图 3 是承受负荷的称重单元在传感器和执行器的区域内的部分视图， 0018 图 4 是具有围绕着传感器的罩体的称重单元的部分视图， 0019 图 5 是具有围绕着传感器和执行器的壳体的称重单元的部分视图， 0020 图 6 是根据本发明的称重单元的另一实施例的在传感器和执行器的区域内的俯 视图以及 说 明 书 CN 103534562 A 4 3/4 页 5 0021 图 7 在侧视图中示出根据。
16、图 6 的实施例。 具体实施方式 0022 图 1 示出具有由金属制成的双弯曲梁形式的弹性体 1 的称重单元， 该弹性体稳固 地安装在端部 2 处并且在梁中部包含凹进处 3。在凹进处 3 的上侧和下侧上设有具有缩小 的材料横截面的区域， 这些区域构成双弯曲梁的四个弯曲位置4， 5， 6和7。 在弯曲位置4和 5 或 6 和 7 间保留的材料连接片构成上部的臂架 8 和下部的臂架 9， 这两个臂架彼此平行延 伸。在凹进处 3 的内部， 两个刚性的梁 11 和 12 从弹性体 1 的两个端部 2 和 10 处出发向彼 此延伸并且当二者间到达某一距离时终止。在两个刚性的梁 11 和 12 中的每一个。
17、梁的自由 端部处分别布置传感器 15 的两个分离的传感器部件 13 和 14 中的一个。在此， 两个传感器 部件中的一个、 在这里即为传感器部件 13 在中间存在机电的执行器 16 的情况下布置在相 关的刚性的梁 11 的端部上， 而另一传感器部件 14 则直接地或在中间存在固定的距离保持 件 17 的情况下保持在梁 12 的自由端部上。 0023 如图 1 和在图 2 的放大的部分视图中所示， 当弹性体 1 未受负荷时， 两个梁 11 和 12 彼此对准， 而如图 3 所示， 当向双弯曲梁的自由端部 10 上施加重力 18 时， 弹性体 1 向下 弯曲， 其中， 自由端部 10 与从该处出发。
18、的、 刚性的梁 11 和保持在其上的传感器部件 13 一起 向下偏转。传感器 15 产生取决于传感器部件 13 和 14 彼此间的相对位置的传感器信号 19。 该传感器信号 19 被传输至控制装置 20， 该控制装置接着则根据该传感器信号 19 在缩小两 个传感器部件 13 和 14 的位置差异的方向上控制 （控制信号 21） 机电的执行器 16。这两个 传感器部件 13 和 14 因此仅在非常小的区域内彼此相对运动， 使得不取决于负荷 18 的大小 地， 传感器 15 始终工作在线性的测量区域内并且排除传感器 15 的过度负荷。控制信号 21 单独地或与传感器信号 19 共同构成用于待测负荷。
19、 18 的度量 （Mass） 22 并且相应地在控制 装置 20 中进行评估。 0024 传感器部件13和14能够安装在弹性体1的任一位置上， 该位置上发生了弹性体1 的取决于负荷的变形。因此， 从根据图 1 的实施例出发， 能够将传感器部件布置在刚性的梁 11 和 12 的下侧处。每次能将梁 11 和 12 中的一个缩短并且相应地延长另一个梁。弹性体 可具有任一合适的构造方式， 例如单梁、 双梁或多梁、 剪切梁、 S 梁、 环形扭簧、 测力盒、 膜片 弹性体等等。对于传感器 15 和执行器 16 而言， 可以考虑使用所有适合于检测和产生较小 的移动运动或旋转运动的类型。在图 1 至 3 中示。
20、出的实施例中例如设有电容式传感器 15， 下面还将通过图 6 和 7 详细说明该电容式传感器 ； 所示出的执行器 16 例如压电式地工作。 0025 图 4 示出了这样一个实施例， 在该实施例中， 两个传感器部件 13 和 14 安装在柔性 的载体 23 上。该柔性的载体 23 例如可以是膜式电路板， 则该膜式电路板也被用于实现两 个传感器部件 13 和 14 与控制装置 20 的电接触和连接。在所示出的实施例中， 柔性的载体 23是容纳传感器15并且保护其不受周围环境影响的柔性的罩体24的构成部件。 基于执行 器 16 的运动补偿功能， 柔性的罩体 24 仅小幅度地弯曲、 即受到机械负荷。 。
21、0026 在图 5 中示出的实施例与根据图 4 的实施例的区别在于， 即机电的执行器 16 也布 置在柔性的支承件 23 上和罩体 24 中。 0027 图 6 和 7 以传感器 15 和执行器 16 的区域内的俯视图和侧视图示出根据本发明的 称重单元的另一实施例。电容式传感器 15 具有作为传感器部件 13 和 14 的两个彼此啮合 说 明 书 CN 103534562 A 5 4/4 页 6 的梳齿状电极。 梳齿状电极实际上分别具有多个电极指条， 其中， 在这里由于示意图比较简 单， 因此仅示出少数几个、 即两个或三个梳齿状指条。将执行器 16 设计为静电地工作的升 降机构 （Hubmechanismus） 。传感器部件 13 通过弹簧悬挂件 25 保持在梁 11 上并且设有梳 齿状电极 26， 该梳齿状电极与固定在梁 11 上的梳齿状电极 27 相啮合。当有电势施加在梳 齿状电极 26 和 27 上时， 传感器部件 13 抵抗弹簧悬挂件 25 的力被向上抬起。 说 明 书 CN 103534562 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103534562 A 7 2/3 页 8 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103534562 A 8 3/3 页 9 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103534562 A 9 。