CH660917A5 - Biegefeder. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Biegefeder für Weg- oder Kraftmessung, insbesondere zur Anwendung in Kraft-oder Druckaufnehmern, mit einem Krafteinleitabschnitt und einem Einspannabschnitt, wobei diese beiden Abschnitte über biegeweiche Stege miteinander verbunden sind, welche einseitig mit Durchbiegungen in elektrische Signale umsetzenden Sensorelementen bestückt sind.

Bei einer bekannten Biegefeder dieser Art (DE-AS 2 608.381, Fig. 7) bilden die biegeweichen Stege selbst die Verbindungselemente zwischen dem Krafteinleitabschnitt und dem Einspannabschnitt. Diese Stege werden im Betrieb über ihre ganze Länge durchgebogen, so dass die auf den Stegen befindlichen Sensorelemente nur vergleichsweise gering gedehnt bzw. getauscht werden. Dies hat ein vergleichsweise schwaches Ausgangssignal der Sensorelemente, d.h. einen geringen Messeffekt zur Folge. Der Einspannbereich geht bei der bekannten Biegefeder direkt in die biegeweichen Stegbereiche über. Da sich die Biegeverformung im Einspannbereich anders verhält als ausserhalb dieses Bereiches, kann dies zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen. Schliesslich ist die bekannte Biegefeder aufwendig in der Herstellung.

Bei einer anderen bekannten Biegefeder (De-AS 2 242 222) ist ein einteiliger Zwischenabschnitt über insgesamt zwei in einer Symmetrieachse angeodnete Stege mit dem Krafteinleitungsabschnitt bzw. dem Einspannabschnitt verbunden. Bei Auslenkung des Krafteinleitungsabschnittes in Richtung quer zur Ebene der Biegefeder werden die Stege in gleicher Richtung, d.h. mit gleichen Vorzeichen der Biegepfeile durchgebogen. Auf die Stege von einer Seite her applizierte Sensorelemente erzeugen deshalb bei Beanspruchung der Biegefeder Messsignale mit gleichen Vorzeichen. Es ist aber erwünscht, Messsignale mit entgegengesetzten Vorzeichen zu erhalten, um eine Kompensationsschaltung realisieren zu können, beispielsweise eine Brückenschaltung, in welcher die Sensorelemente mit entgegengesetzten Vorzeichen so eingeschaltet sind, dass die Messfehler kompensieren. Will man bei der bekannten Biegefeder eine derartige Schaltung realisieren, so müssen die Sensorelemente auf entgegengesetzten Seiten der Biegefeder appliziert werden. Eine solche Anbringung der Sensorelemente hat Nachteile hinsichtlich der Empfindlichkeit und des Temperaturkoeffizienten. Vor allem eignet sich aber diese Art der Anbringung der Sensorelemente nicht für die Applikation der Sensorelemente in Dünnfilm-Technik, welche bei kostengünstiger Massenfertigung die Möglichkeit der Miniaturisierung eröffnet, allerdings das Applizieren der Sensorelemente auf nur einer Seite der Biegefeder voraussetzt. Überdies ist die bekannte Biegefeder aufgrund der Anordnung von nur zwei Stegen in einer Symmetrieachse seitenkipp-empfindlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Biegefeder der eingangs beschriebenen Art so ausgebildet bereitzustellen, dass sie die beschriebenen Nachteile vermeidet und einen hohen Messeffekt ohne die Gefahr einer Verfälschung des Messergebnisses bei einfacher Herstellbarkeit gewährleistet.

Auch sollen bei einer Biegefeder nach der Erfindung die Sensorelemente nach einer Seite der Biegefeder in einer Form appliziert sein, damit die Sensorelemente entgegengesetzt beansprucht werden, so dass sie zu einer Kompensationsschaltung zusammengeschaltet werden können, welche eine Kompensation von Messfehlern ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäss der Erfindung bei einer Biegefeder der eingangs genannten Art vorgesehen,

dass mindestens zwei gesonderte Teilabschnitte auf den beiden Seiten einer Symmetrieachse der Biegefeder angeordnet sind, dass jeder Teilabschnitt über einen ersten Steg mit dem Krafteinleitabschnitt und über einen zweiten Steg mit dem Einspannabschnitt verbunden ist, dass die Stege gleichgerichtet sind und dass die Teilabschnitte jeweils zwischen einem ersten und einem zweiten Steg angeordnet sind.

Bei der Biegefeder nach der Erfindung sind die Stege bevorzugt sehr kurz. Eine Durchbiegung im Betrieb führt deshalb zu einer sehr intensiven Stauchung bzw. Streckung der jeweiligen Querschnittfaser und damit zu einem starken Ausgangssignal der Sensorelemente. Auch lassen sich die Stege von der unmittelbaren Nachbarschaft des Einspannabschnittes entfernt anordnen, so dass es nicht zu Verfälschungen des Messergebnisses aufgrund anderen Biegeverhaltens im Einspannbereich kommen kann.

Bei einer Auslenkung der Biegefeder im Betrieb über den Krafteinleitungsabschnitt werden diejenigen Stege, welche den Krafteinleitungsabschnitt mit den beiden Teilabschnitten verbinden, in entgegengesetzter Richtung zu den Stegen durchgebogen, welche die Teilabschnitte mit dem Einspannabschnitt verbinden. Sensorelemente, die auf den erstgenannten Stegen aufgebracht sind, ergeben deshalb Messsignale mit entgegengesetztem Vorzeichen zu Sensorelementen,

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welche auf den Stegen zur Verbindung mit dem Einspannabschnitt aufgebracht sind.

Die Biegefeder hat also bevorzugt eine solche Form, dass die Sensorelemente auf ein- und derselben Seite der Stege appliziert sind und zu einer Vollbrückenschaltung elektrisch zusammenschaltbar sind. Dies ermöglicht ein Aufbringen der Sensorelemente von der genannten Seite in Klebe- oder Dünnfilm-Technik, was eine Miniaturisierung in Massenfertigung sicherstellt. Die Herstellung der Biegefeder selbst ist ebenfalls in Massenfertigung möglich, wobei komplizierte Ausschnitte aus der vorzugsweise runden Feder, zum Bilden der Teilabschnitte und der Stege durch Ätzen, Funkenerosion oder ähnliche Verfahren erzeugbar sind, weil die Biegefeder dank der beanspruchten Gestalt aus einem flächigen Rohling, wie einer Federblechscheibe, herstellbar ist.

Vorzugsweise sind die zu jedem Teilabschnitt gehörenden Stege miteinander fluchtend angeordnet. Die Stege können derart dimensioniert und angeordnet sein, dass der Krafteinleitabschnitt bei Einleiten einer Kraft im wesentlichen parallel zum Einspannabschnitt verlagert wird.

Eine bevorzugte Form der Biegefeder nach der Erfindung kennzeichnet sich dadurch aus, dass der Krafteinleitabschnitt eine zentrale Zunge und ein mittig daran anschliessendes Querstück aufweist, von dem die ersten Stege zur Verbindung mit den Teilabschnitten symmetrisch zur Zunge abzweigen, wobei die ersten Stege und die Teilabschnitte vorteilhaft seitlich von und parallel zur Zunge angeordnet sein können. Andere vorteilhafte Abwandlungen sind in den abhängigen Ansprüchen unter Schutz gestellt. Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Biegefeder nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 11-11 in Fig. 1, wobei die Biegefeder in einer ausgelenkten Betriebsstellung gezeichnet ist;

Fig. 3 eine perspektivische Schnittansicht einer Biegefeder gemäss den Fig. 1 und 2 in Einbaulage in einem Druckaufnehmer;

Fig. 4 eine Vollbrückenschaltung für die auf eine Seite der Biegefeder nach den Fig. 1 und 3 applizierten Sensorelemente;

Fig. 5 und 6 Draufsichten auf zwei abgewandelte Ausführungsformen der Biegefeder nach der Erfindung.

Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Biegefeder ist aus einer ebenen Federblechscheibe gebildet. Sie umfasst einen Krafteinleitungsabschnitt 1 mit einer zentralen Zunge 2 und einem daran anschliessenden Querstück 3. Ferner umfasst die Biegefeder einen Zwischenabschnitt in Gestalt von zwei Teilabschnitten 4,5 sowie einen Einspannabschnitt 6. Die Teilabschnitte 4,5 des Zwischenabschnittes sind symmetrisch und zur Symmetrieachse S der Biegefeder ausgebildet und angeordnet und über in jeweils gleichem Abstand von der Symmetrieachse S parallel dazu verlaufende Stege 10, 11 mit dem Krafteinleitungsabschnitt 1 und über in gleicher Weise angeordnete, damit fluchtende Stege 12, 13 mit einem kreissegmentförmigen Abschnitt 7 des Einspannabschnittes 6 der Biegefeder verbunden.

In dem kreissegmentförmigen Abschnitt 7 und einem daran anschliessenden kreisringförmigen Abschnitt 8 des Einspannabschnittes ist ein Kreuz von Bohrungen 9 für Schrauben vorgesehen, mittels denen der Einspannabschnitt im Inneren eines Gehäuses 15 eines Druckaufnehmers oder dgl. befestigt ist (Fig. 3).

Der Krafteinleitungsabschnitt ist über eine Schubstange 14

beaufschlagbar, die in der Mitte der Biegefeder an der Zunge 2 angreift und in der Bohrung 20 des Krafteinleitungsabschnittes 1 befestigt ist.

Wird die Biegefeder über die Schubstange 14 in der in Fig. 2 gezeigten Weise ausgelenkt, so werden die Stege 10, 11 in einer Richtung und die Stege 12, 13 in entgegengesetzter Richtung durchgebogen, was in Fig. 2 jeweils durch Herauszeichnen der Biegeform der Stege und Versehen mit einem Minuszeichen bzw. einem Pluszeichen verdeutlicht ist. Auf die Stege von der gleichen Seite her aufgeklebte Dehnungsmessstreifen sind in Fig. 4 als Widerstände dargestellt und bezeichnet, wobei der Dehnungsmessstreifen R1 am Steg 13, R2 am Steg 11, R3 am Steg 10 und R4 am Steg 12 angebracht sind. In einer Brückenschaltung gemäss Fig. 4 sind die vier Dehnungsstreifen mit entgegengesetztem Vorzeichen so gegeneinander geschaltet, dass Messfehler kompensiert werden.

Anstatt der Dehnungsmessstreifen können auch Widerstände in Dünnfilm-Technik auf den Stegen 10 bis 13 appliziert sein, die im übrigen in gleicher Weise wie in Fig. 4 dargestellt geschaltet sind.

Fig. 3 zeigt die Biegefeder gemäss den Figuren 1 und 2 in eingebautem Zustand in einen Druckaufnehmer mit einem Gehäuse 15, einer durch Fluiddruck beaufschlagbaren Membran 16 und einer Anschlagwand 17 für die Membran 16, welche zentral mit Spiel von der Schubstange 14 zur Verbindung mit der Zunge 2 durchsetzt ist. Wird die Membran von einem Druck beaufschlagt, so wird dadurch über die Schubstange 14 der Krafteinleitungsabschnitt 1 ausgelenkt, wie Fig. 2 zeigt. Mit der Vollbrückenschaltung gemäss Fig. 4 wird ein Ausgangssignal erhalten, das charakteristisch für den auf die Membran 16 wirkenden Druck ist.

Die Abwandlung der Biegefeder nach Fig. 5 unterscheidet sich dadurch von derjenigen nach Fig. 1, dass die Stege 12,13 um gleiche Abstände x zu den Stegen 10, 11 versetzt sind, mit diesen also nicht in zur Symmetrieachse S parallele Flucb-tungslinien fallen.

Ein weiterer konstruktiver Unterschied gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 ist, dass das Querstück von einem geraden Balken gebildet ist anstatt von einem kreissegmentförmigen Balken.

Die Ausführung nach Fig. 6 der Biegefeder unterscheidet sich von den Ausführungen nach Fig. 1 und 5 dadurch, dass die beiden Teilabschnitte 4, 5 nur durch einen einzigen Steg 12' anstatt durch zwei Stege 12, 13 mit dem Einspannabschnitt 6 verbunden sind. Auch in diesem Fall können zwei Sensorelemente nebeneinander auf dem einen Steg 12' appliziert sein, und zwar wie bei den bisherigen Ausführungen auf dergleichen Seite der Biegefeder, auf der auch die zu den Stegen 10, 11 gehörenden Sensorelemente aufgebracht sind. Die Schaltung der Sensorelemente ist wie in Fig. 4 gezeigt. Statt zweier Sensorelemente kann auch ein einziges Sensorelement auf dem Steg 12' genügen, dessen Ausgangssignal dann dupliziert wird, so dass wiederum eine Schaltung nach Fig. 4 realisierbar ist.

Bei allen beschriebenen Ausführungsformen ist die Biegefeder aus einer ebenen Federscheibe durch Herausätzen oder Herausarbeiten durch Funkerosion der verschiedenen beschriebenen Abschnitte gebildet, wobei jeweils zwei zusammenhängende Ausnehmungen 18, 19 geschaffen werden, deren relativ komplizierte Form mit den genannten Herstellungsweisen einfach realisierbar ist.

Allen gezeigten Ausführungsformen ist das Auslenkverhalten gemeinsam, das in Fig. 2 dargestellt und anhand dieser Figur erläutert ist, nämlich eine entgegengesetzte Biegeverformung der Stege 10, 11 bzw. 12, 13(12'). Hierdurch wird eine Kompensationsschaltung der auf einer Seite applizierten Sensorelemente gemäss Fig. 4 ermöglicht.

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660 917 PATENTANSPRÜCHE

1. Biegefeder für Weg- oder Kraftmessung mit einem Kraftleitabschnitt und einem Einspannabschnitt, wobei diese beiden Abschnitte über biegeweiche Stege miteinander verbunden sind, welche einseitig mit Durchbiegungen in elektrische Signale umsetzenden Sensorelementen bestückt sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gesonderte Teilabschnitte (4,5) auf den beiden Seiten einer Symmetrieachse (S) der Biegefeder angeordnet sind, dass jeder Teilabschnitt über einen ersten Steg (10,11) mit dem Krafteinleitabschnitt ( 1 ) und über einen zweiten Steg (12, 13) mit dem Einspannabschnitt (6) verbunden ist, dass die Stege (10, 12 bzw. 11,13) gleichgerichtet sind und dass die Teilabschnitte (4; 5) jeweils zwischen einem ersten und einem zweiten Steg (10,12; 11,13) angeordnet sind.

2. Biegefeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu jedem Teilabschnitt (4, 5) gehörenden Stege (10, 12; 11, 13) miteinander fluchtend angeordnet sind.

3. Biegefeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (10 bis 13) derart dimensioniert sind, dass der Krafteinleitabschnitt (1) bei Einleiten einer Kraft im wesentlichen parallel zum Einspannabschnitt (6) verlagert wird.

4. Biegefeder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Krafteinleitabschnitt (1) eine zentrale Zunge (2) und ein mittig daran anschliessendes Querstück (3) aufweist, von dem die ersten Stege (10, 11) zur Verbindung mit den Teilabschnitten (4,5) symmetrisch zur Zunge (2) abzweigen.

5. Biegefeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Stege (10,11) und die Teilabschnitte (4, 5) seitlich von und parallel zur Zunge angeordnet sind.

6. Biegefeder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (RI bis R4) auf ein-und derselben Seite der Stege (10 bis 13) appliziert und zu einer Vollbrückenschaltung elektrisch zusammengeschaltet sind.

7. Biegefeder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefeder aus einem flächenhaften Federblech besteht.

8. Biegefeder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger zweiter Steg ( 12' ) beide Teilabschnitte (4,5) gemeinsam mit dem Einspannabschnitt (6) verbindet.

9. Verwendung der Biegefeder nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Kraft- oder Druckaufnehmer.