專利名稱：橫向力測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量彎矩或轉(zhuǎn)矩的壓電傳感器，根據(jù)獨立權(quán)利要求 的前序部分所述，該壓電傳感器具有至少一個軸線，并包括至少兩個壓電板 元件，所述壓電板元件在一個平面內(nèi)并列設(shè)置。
背景技術(shù)：
測量彎矩或轉(zhuǎn)矩的傳感器廣泛地應(yīng)用于工業(yè)中，例如，用于確定導(dǎo)線焊
接裝置(wire welding contact plant)的傳力臂的力，導(dǎo)線焊接裝置也稱為導(dǎo) 線結(jié)合裝置。
在US6，425，514中揭示了一種方法，在該方法中，傳統(tǒng)的力或壓力傳感 器被設(shè)置在焊臂和導(dǎo)線焊接裝置之間。最后，可以通過所測得的力來計算出 焊臂末端的焊接載荷。
事實上這種裝置的缺點在于為了提高測量精度，最優(yōu)選的是將兩個這 種傳感器結(jié)合在一起。然而，由于經(jīng)濟原因，少數(shù)情況下才這樣做。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種測量彎矩或轉(zhuǎn)矩的傳感器，與傳統(tǒng)的這種傳感 器相比，該傳感器在同等生產(chǎn)成本情況下提高了靈敏度。 本發(fā)明的目的通過獨立權(quán)利要求的特征來實現(xiàn)。
本發(fā)明涉及的計量學(xué)構(gòu)思是，將用于測量彎矩或轉(zhuǎn)矩的壓電傳感器中的 測量元件沿其軸向分開，并電連接具有相反極化方向的兩個半部。因此，借 助其軸線連接到機械結(jié)構(gòu)的中性彎曲軸線的這種傳感器能同時測量在該機 械結(jié)構(gòu)的軸線兩側(cè)上的拉力和壓力。于是，特別有利的是，測量元件是一體 成型的，且僅僅該測量元件上的電極彼此分開。


以下參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。
圖la為兩個板元件的剖視圖，所述板元件沿相反的朝向設(shè)置，并具有 電極和電連接線；
圖lb為兩個板元件的剖視圖，所述板元件沿相同的朝向設(shè)置，并具有 電極和電連接線；
圖lc為同一板上的兩個板元件的剖視圖，所述板元件具有電極和電連 接線；
圖Id為兩對板元件的剖視圖，所述兩對板元件沿相反的朝向設(shè)置，并 具有電極和電連接線；
圖le為兩對板元件的剖視圖，所述兩對板元件沿相同的朝向設(shè)置，并 具有電極和電連接線；
圖If為同一板上兩對板元件的剖視圖，所述兩對板元件具有電極和電連 接線；
圖2為根據(jù)本發(fā)明的具有兩個板元件的傳感器的俯視圖； 圖3為一機械結(jié)構(gòu)的剖視圖，該機械機構(gòu)呈連接臂的形式，該連接臂的
結(jié)構(gòu)具有可以用于組裝根據(jù)本發(fā)明的傳感器的位置；
圖4為一機械結(jié)構(gòu)的正視圖，該機械結(jié)構(gòu)呈傳力臂的形式，該傳力臂的
結(jié)構(gòu)具有可以用于組裝根據(jù)本發(fā)明的傳感器的位置；
圖5a為根據(jù)本發(fā)明的具有四個板元件的傳感器的俯視圖5b為根據(jù)本發(fā)明的具有四個板元件的另一傳感器的俯視圖6a為根據(jù)本發(fā)明的具有兩個對剪切靈敏的板元件的另一傳感器的俯
視圖；以及
圖6b為根據(jù)本發(fā)明的具有四個對剪切靈敏的板元件的又一傳感器的俯 視圖。
其中，附圖標(biāo)記說明如下 1傳感器 2、 2'軸線
3板 3a、 3b、 3c、 3d、 3a'、 3b'板元件
4、 4'電極 5電極的電連接線
6固定裝置 7凹槽
8機械結(jié)構(gòu) 9中性彎曲軸線IO傳力臂 11結(jié)構(gòu)
12組裝位置 13致動器 14固定件
具體實施例方式
在所有的附圖中，相同的部件使用相同的名稱和附圖標(biāo)記。 圖la-圖lf均示出了用于測量彎矩或轉(zhuǎn)矩的壓電傳感器1的至少兩個板 元件3a、 3b的剖視圖。圖1中的雙箭頭表示可能作用于待測量的板元件上 的力或拉力。板元件3a、 3b可以理解為是板的一部分。這些板元件以層疊 方式并列設(shè)置在一個平面內(nèi)。方向P指的是在力作用下的板元件的極化方向。 該方向用單箭頭和P表示。
板元件3a、 3b由具有縱向效應(yīng)的壓電材料構(gòu)成。傳感器的一個軸線2 在所述板元件3a、 3b之間延伸。這種傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域指定為借助位于傳 感器l的軸線2上的中性彎曲軸線9來測量彎矩或轉(zhuǎn)矩。因此，要測量的力 矩會由對應(yīng)于雙箭頭所示的作用力產(chǎn)生。這樣的力矩將在板元件3a中產(chǎn)生 壓縮，而在板元件3b中產(chǎn)生拉伸。板元件3a、 3b均在兩側(cè)具有電極4、 4'，
所述電極在測量時收集在其上產(chǎn)生的電荷。
第一板元件3a的電極4或4'與第二板元件3b的具有相反極性(+，-) 的電極4或4'電連接。這種連接可以出現(xiàn)(emerge)在傳感器中或計算裝置 (evaluation device ) 中。
電連接線5各連接兩個板元件3a、 3b的具有相反極性(+，-)的電極4， 4'，所述極性在測量中形成。因此，在相同的實施例中并且在兩個半部相對 于軸線2對稱設(shè)置時，信號增強了一倍。電極4、 4'可以設(shè)計為在壓電板元 件上的金屬化部件(metallization)或呈導(dǎo)電板形式的獨立部件。
板元件3a、 3b以偏壓方式連接在傳感器中，以可以測量到壓力或拉力。
在圖la中，板元件3a、 3b沿相反的朝向P設(shè)置，因此，各電連接線5 連接位于板元件3a、 3b同側(cè)的電極4。在本實例中，電極4、 4'以及電連接 線5通常均可以設(shè)計為單獨的導(dǎo)電層或板。
圖lb中示出了一種裝置，該裝置與圖la相反，具有沿相同朝向P設(shè)置 的兩個板元件3a、 3b。據(jù)此，電極4、 4'未在一個平面內(nèi)彼此連接而是以相
8反的極性(+ ，-)通過對角的方式彼此連接。這種連接未示出，但僅從電連 接線5端部的加號(+ )和減號(-)就可以明顯地看出。具有相同符號的端 部在傳感器中或計算裝置中彼此電連接。
圖lc中的實施例很大程度上對應(yīng)于圖lb中的實施例，其中板元件3a、 3b整體地設(shè)計為板3。由于板元件3a、 3b的朝向P相同，所以這種設(shè)置可 以沒有任何困難。因此，在該實施例中，壓電板可以用作印刷電路板，電極 作為金屬化表面而應(yīng)用在該電路板上，其類似于開關(guān)板的金屬化表面。實際 上這種設(shè)置的優(yōu)點在于僅需要加工和結(jié)合一個板，這簡化了加工處理。
圖ld、 le和lf均示出對應(yīng)于圖la、 lb和lc的實施例的板元件3a、 3a' 以及3b、 3b'的堆疊結(jié)構(gòu)。類似地，也可以將三個或更多個板元件3a"、 3b"以 堆疊的方式設(shè)置。優(yōu)選地，在堆疊結(jié)構(gòu)中相鄰的板元件3a、 3a'以及板元件 3b、 3b'之間的電極4'通過金屬化部件實現(xiàn)。優(yōu)選地，金屬化部件與相鄰的板 元件互相連接。這種連接有利于各個板元件的處理。
各電極4通過電連接線5在傳感器中或計算裝置中與再下一層的電極4" 電連接。類似地，這可以在堆疊結(jié)構(gòu)中使用兩個以上的層。
在圖2中示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器1的俯視圖，該圖對應(yīng)于具有連續(xù) 的板3和帶有在測量中表現(xiàn)出相反極性(+，-)的兩個電極4的圖lc。電極 4設(shè)置在軸線2的兩側(cè)，所述軸線必須位于處于整合狀態(tài)的機械部件的中性 彎曲軸線上。對應(yīng)的、具有相反極性的相反電極4'設(shè)置在傳感器的背面。
優(yōu)選地，例如在傳感器的中心設(shè)置固定裝置6，固定裝置例如呈凹槽7 的形式，用于穿過固定螺釘?shù)取?br> 圖3示出了呈具有結(jié)構(gòu)11的傳力臂10的形式的機械結(jié)構(gòu)8的剖視圖， 該機械結(jié)構(gòu)8具有用于組裝根據(jù)本發(fā)明的傳感器1的多個可能位置。中性彎 曲軸線9對應(yīng)該機械結(jié)構(gòu)中的這樣一個區(qū)域在該區(qū)域中，對該機械結(jié)構(gòu)施 加適當(dāng)力的情況下，既不引起拉伸也不引起壓縮。根據(jù)本發(fā)明的傳感器l可 以連接在沿該中性彎曲軸線9的任意位置上，其中傳感器1的軸線2必須一 直位于該中性彎曲軸線9上。因此，軸線2—側(cè)上的壓縮與軸線2另一側(cè)上 的拉伸具有大小相等方向相反的作用。通過電極4、 4'的適當(dāng)組合，尤其是 通過連接在軸線2兩側(cè)上的具有相反極性的電極4、 4'，信號就會相加 (summarize)。在對稱設(shè)置中，這意味著加倍。根據(jù)本發(fā)明，也如圖3所示，傳感器l還可以連接在機械結(jié)構(gòu)的臂中專 為此目的而制作的部分中。通過將組裝螺釘組裝到傳感器的中心，所述組裝 軸線就成為了臂端載荷下的中性彎曲軸線9。
圖4示出了與圖3的機械結(jié)構(gòu)具有相同設(shè)置的正視圖。鄰近致動器13 的結(jié)構(gòu)11通過固定件14容置傳力臂10。中性彎曲軸線9穿過所示的整個機 械結(jié)構(gòu)8。根據(jù)本發(fā)明的傳感器1還可以設(shè)置在中心的側(cè)面，例如，設(shè)置在 組裝位置12，該組裝位置12位于中性彎曲軸線9上。另一個組裝位置12應(yīng) 具有與傳感器l相同的剛度，以不產(chǎn)生測量誤差。否則，可以將第二傳感器 連接在第二組裝位置中以提高測量精度。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器的優(yōu)點在于，其簡單的可安裝性，不會干擾處理過 程。另外，通過分開的電極提高了靈敏度。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于計算能力。如果各板元件3a、 3b的電極4均 沒有通過電連接線5結(jié)合在傳感器1中，而是分別引向計算裝置或放大器， 則可以確定其他的物理變量。 一方面，由電連接線5引起的彎矩可以通過測 量值的和來進行計算。另一方面，影響傳感器的力可以通過計算測量值的差 來確定。這種方法可以應(yīng)用于根據(jù)圖la的板元件的設(shè)置，在圖lb或圖lc 的實例中，差值計算會得出彎矩，而求和計算會得出力。
圖5a和圖5b示出了本發(fā)明的擴展例。與所述的實施例類似，通過加入 第二軸線2'，傳感器還可以設(shè)計為具有四個而不是兩個板元件3a、 3b、 3c、 3d。所述的第二軸線2'設(shè)置為垂直于第一軸線2，并將傳感器分為四部分。 以此方式設(shè)計的傳感器可以沿兩個軸線彎曲并可以沿兩個軸線的組合彎曲。 為此，必須分別計算電極4?？梢赃x擇電極劃分(graduation)，以使同樣朝 向P的電極位于對角的相反位置(如圖5a所示)或彼此相鄰(如圖5b所示)。 因此，圖5的傳感器可以測量沿兩個方向的彎矩以及沿一個方向的力。
圖6a示出本發(fā)明的另一種擴展例。該擴展例中不用具有縱向效應(yīng)的壓 電材料來制作板元件，而是用具有縱向剪切效應(yīng)的材料來制作。由此，如果 板元件的信號如圖5所示被分別計算，就可以同時測量剪切和扭轉(zhuǎn)。這里， 與圖la-圖lf所示的類型相似，板3也可以分成板元件3a、 3b，或電極4也 可以被分開，且可以以堆疊方式使用多個板。
圖6b示出沿多個方向?qū)羟忻舾械陌宓慕M合，可以以類似于圖5所示
10的方式來進行計算。
具有不同壓電效應(yīng)的板元件的多種平面可以組合在傳感器中，以可以同 時確定多個物理變量。
權(quán)利要求
1. 一種用于測量彎矩或轉(zhuǎn)矩的壓電傳感器(1)，該壓電傳感器具有至少一個軸線(2)，并且該壓電傳感器包括并列設(shè)置在一平面內(nèi)的至少兩個壓電板元件(3a，3b)，在所述壓電板元件的兩側(cè)至少部分地設(shè)置有電極(4，4′)，且在該傳感器中，所述壓電板元件在偏壓狀態(tài)下設(shè)置在該軸線(2)的兩側(cè)；其特征在于，所述第一板元件(3a)的電極(4，4′)與所述第二板元件(3b)的具有相反極性(+，-)的電極(4，4′)電連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述板元件(3a， 3b) 一體地設(shè)計在同一個板(3)上。
3. 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述板元件(3a， 3b) 設(shè)計為兩部分。
4. 如權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于，具有相反朝向(P)的所 述板元件(3a， 3b)設(shè)置在該傳感器中。
5. 如權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于，具有相同朝向(P)的所 述板元件(3a， 3b)設(shè)置在該傳感器中。
6. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述板元件 (3a， 3b)是相同的。
7. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述板元件 (3a， 3b)關(guān)于該軸線(2)對稱設(shè)置。
8. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，該傳感器在 該軸線(2)的中心處包括固定裝置(6)。
9. 如權(quán)利要求8所述的傳感器，其特征在于，該傳感器具有中心凹槽 (7)，以供螺釘穿過。
10. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，多個板元件 (3a， 3b， 3a'， 3b')以堆疊的方式設(shè)置為多層，并設(shè)計有多個中間電極(4')，其中所述電極(4)均與所述中間電極的再下一層電極(4")電連接(5)。
11. 如權(quán)利要求10所述的傳感器，其特征在于，所述中間電極(4')是 金屬化部件，所述金屬化部件始終與堆疊結(jié)構(gòu)中相鄰的板元件(3a， 3a'; 3b，3b')互相連接。
12. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述板元件 (3a， 3a'， 3b， 3b')具有壓電縱向效應(yīng)，以確定圍繞該軸線(2)的彎矩。
13. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述板元件 (3a， 3a'; 3b， 3b')具有壓電縱向剪切效應(yīng)，以確定圍繞垂直于板平面的中心旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)矩。
14. 一種用于測量彎矩或轉(zhuǎn)矩以及用于測量力或壓力的壓電傳感器(l)， 該壓電傳感器具有至少一個軸線(2)，并且該壓電傳感器包括并列設(shè)置在 一平面內(nèi)的至少兩個壓電板元件(3a， 3b)，在所述壓電板元件的兩側(cè)至少 部分地設(shè)置有電極(4， 4')，且在該傳感器中，所述壓電板元件在偏壓狀態(tài) 下設(shè)置在該軸線(2)的兩側(cè)；其特征在于，所述電極(4， 4')彼此分開地電連接到計算裝置，以分別 確定各板元件(3a， 3b)的測量值。
15. 如權(quán)利要求14所述的傳感器，其特征在于，所述板元件(3a， 3b) 一體地設(shè)計在同一個板(3)上。
16. 如權(quán)利要求14所述的傳感器，其特征在于，所述板元件(3a， 3b) 設(shè)計為兩部分。
17. 如權(quán)利要求16所述的傳感器，其特征在于，具有相反朝向(P)的 所述板元件(3a， 3b)設(shè)置在該傳感器中。
18. 如權(quán)利要求16所述的傳感器，其特征在于，具有相同朝向(P)的 所述板元件(3a， 3b)設(shè)置在該傳感器中。
19. 如權(quán)利要求14至18中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述板 元件(3a， 3b)是相同的。
20. 如權(quán)利要求14至19中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述板 元件(3a， 3b)關(guān)于該軸線(2)對稱設(shè)置。
21. 如權(quán)利要求14至20中任一項所述的傳感器，其特征在于，該傳感 器在該軸線(2)的中心處包括固定裝置(6)。
22. 如權(quán)利要求21所述的傳感器，其特征在于，該傳感器具有中心凹 槽(7)，以供螺釘穿過。
23. 如權(quán)利要求14至22中任一項所述的傳感器，其特征在于，多個板元件(3a， 3b， 3a'， 3b')以堆疊的方式設(shè)置為多層，并設(shè)置有多個中間電極 (4')，其中所述電極(4)均與所述中間電極的再下一層電極(4")電連接 (5)。
24. 如權(quán)利要求23所述的傳感器，其特征在于，所述中間電極(4')是 金屬化部件，所述金屬化部件始終與堆疊結(jié)構(gòu)中相鄰的板元件(3a， 3a'; 3b， 3b')互相連接。
25. 如權(quán)利要求14至23中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述板 元件(3a， 3a'， 3b， 3b')具有壓電縱向效應(yīng)，以確定圍繞該軸線(2)的彎 矩，并確定垂直于板平面的力或壓力。
26. 如權(quán)利要求14至25中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述板 元件(3a， 3a'; 3b， 3b')具有壓電縱向剪切效應(yīng)，以確定圍繞垂直于板平面 的中心轉(zhuǎn)旋軸線的轉(zhuǎn)矩、以及在該板平面內(nèi)朝向該軸線(2)的剪切力。
27. 如權(quán)利要求14至26中任一項所述的傳感器，該傳感器具有垂直于 第一軸線(2)的第二軸線(2')，其特征在于，至少四個相同的所述類型的 壓電板元件(3a， 3b， 3c， 3d)對稱地設(shè)置在該傳感器的由該第一軸線(2) 和該第二軸線(2')限定的四個部分的每一個中，其中，所述電極(4， 4') 彼此分開地電連接到計算裝置，以分別確定各板元件(3a， 3b， 3c， 3d)的 測量值，以及確定相對于該第一軸線(2)和該第二軸線(2')的彎矩測量值 或轉(zhuǎn)矩測量值。
28. 如權(quán)利要求27所述的傳感器，其特征在于，所述板元件(3a， 3b， 3c， 3d)被分別設(shè)計。
29. 如權(quán)利要求28所述的傳感器，其特征在于，各所述板元件(3a， 3b， 3c， 3d)選擇為可以沿兩個方向測量彎矩或轉(zhuǎn)矩以及剪切力。
30. —種如前述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器的應(yīng)用，其中該傳感器 用于間接測量一機械結(jié)構(gòu)(8)的彎矩或轉(zhuǎn)矩，其特征在于，該傳感器連接 到所述機械結(jié)構(gòu)(8)，以使該傳感器的該軸線(2)位于該機械結(jié)構(gòu)(8) 的彎曲軸線(9)上。
31. 如權(quán)利要求30所述的應(yīng)用，其特征在于，該機械結(jié)構(gòu)(8)是包括 位于一結(jié)構(gòu)(11)處的傳力臂(10)的電線焊接裝置。
32. 如權(quán)利要求31所述的應(yīng)用，其特征在于，該傳感器設(shè)置在該傳力臂(10)中。
33. 如權(quán)利要求32所述的應(yīng)用，其特征在于，該傳感器沿剖切線橫向 地連接到該傳力臂中。
34. 如權(quán)利要求31所述的應(yīng)用，其特征在于，至少一個傳感器設(shè)置在 多個組裝位置(12)的其中之一中，該組裝位置(12)連接該傳力臂(10) 與該電線焊接裝置的結(jié)構(gòu)(11)。
35. 如權(quán)利要求34所述的應(yīng)用，其特征在于，在所述組裝位置中設(shè)置 兩個傳感器(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及的思想在于，在用于測量彎矩的壓電傳感器中的測量元件通過其軸線分開，并且將具有相反朝向的兩個半部電連接。該傳感器的軸線布置在機械結(jié)構(gòu)的中性彎曲軸線上，因此在其軸線的兩側(cè)同時測量機械結(jié)構(gòu)的張力和壓力。
文檔編號G01L1/16GK101473204SQ200780022403
公開日2009年7月1日 申請日期2007年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月14日
發(fā)明者喬治·沙夫納, 安德烈亞斯·基希海姆, 安德里·萊曼 申請人:基斯特勒控股公司