DE10049461A1

DE10049461A1 - Kraftsensor

Info

Publication number: DE10049461A1
Application number: DE10049461A
Authority: DE
Inventors: Edwin Liebermann; Dietmar Arndt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2002-04-11
Also published as: JP2002156295A; FR2815117B1; JP4106207B2; US20020104382A1; US6619135B2; FR2815117A1

Abstract

Es wird ein Kraftsensor mit einem Träger (100) vorgeschlagen, auf dem eine erste Laufstrecke (11, 1, 3) und eine zweite Laufstrecke (12, 2, 4) für akustische Oberflächenwellen angeordnet sind. Die beiden Laufstrecken sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und ihre Längen unterscheiden sich.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Kraftsensor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Es sind bereits Kraftsensoren bekannt, bei denen die Verformung eines Trägers mittels einer Laufstrecke für eine akustische Oberflächenwelle gemessen wird. Bei einer Kraftwirkung auf den Träger verändert sich die Zeit, die die akustische Oberflächenwelle zum Durchlaufen der Laufstrecke benötigt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftsensor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Kraftwirkung auf den Träger in zwei zueinander senkrechten Richtungen nachweisbar ist. Es können so an einem Sensorelement verschiedene Kraftkomponenten gemessen werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Eine besonders einfache Realisierung der Laufstrecke besteht aus kammförmigen Kondensatorstrukturen und Barrieren. Besonders einfach wird dabei ein Träger aus einem piezoelektrischen Material verwendet. Das Ein- und Auskoppeln von elektrischen Signalen erfolgt vorteilhafterweise durch eine Antenne. Besonders einfach wird der Träger durch eine Platte realisiert, auf deren Oberseite die erste und zweite Laufstrecke realisiert sind. Weitere Laufstrecken können auf der Unterseite des plattenförmigen Trägers angeordnet sein, um so die Messung einer Kraftkomponente in eine dritte Richtung zu ermöglichen. Der Träger kann auch zur Einbettung in einem elastischen Material vorgesehen sein.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Kraftsensor nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 die Signale des Sensors nach der Fig. 1,

Fig. 3 bis 5 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Beaufschlagung mit Kräften aus unterschiedlichen Richtungen,

Fig. 6 bis 8 die Signale der Sensoren nach den Fig. 3, 4 und 5 und

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Beschreibung

In den Fig. 1 bis 3 wird das grundlegende Prinzip von Kraftsensoren erläutert, bei denen eine Laufstrecke für akustische Obrflächenwellen vorgesehen sind. In der Fig. 1 wird eine Aufsicht auf einen Träger 100 gezeigt, der aus einem piezoelektrischen Material besteht. Auf dem Träger ist eine fingerförmige Kondensatorstruktur 101 aufgebracht, die beispielsweise mittels einer Dünnschichtmetallisierung realisiert ist. Dabei greifen eine Vielzahl von einzelnen Kondensatorfinger ineinander. Durch die geometrischen Abstände der einzelnen Finger wird beim Anlegen von elektrischen Spannungen in dem piezoelektrischen Material des Trägers 100 eine Verformung erzeugt, durch die eine akustische Oberflächenwelle in dem Träger 100 erzeugt wird. Es handelt sich dabei um eine akustische Oberflächenwelle, weil sie sich mit Schallgeschwindigkeit in dem Material des Trägers 100 ausbreitet und sich durch Verformungen der Oberfläche des Trägers 100 bemerkbar macht. Die Verformungen im Bereich der Kondensatorstruktur 101 entstehen durch das Anlegen von elektrischen Spannungen, da beim Anliegen von elektrischen Spannungen eine Verformung von piezoelektrischen Materialien bewirkt wird. Um elektrische Spannungen an der Kondensatorstruktur 101 anzulegen, ist eine Antennenanordnung 102 vorgesehen, die ebenfalls durch eine Dünnschichtmetallisierung ausgeführt ist. Durch Einstrahlung eines elektrischen Hochfrequenzsignals wird so an der Kondensatorstruktur 101 entsprechend die elektrische Spannung angelegt und es wird so eine akustische Oberflächenwelle im Träger 100 erzeugt.

Wie bereits ausgeführt, breitet sich diese akustische Oberflächenwelle mit Schallgeschwindigkeit auf dem Träger 100 aus. Ausgehend von der Kondensatorstruktur verläuft die akustische Oberflächenwelle entlang der Längsrichtung des Trägers 100 und trifft dort eine oberflächliche Reflexionsbarriere 103. An dieser Reflexionsbarriere 103 wird ein Teil der akustischen Oberflächenwelle reflektiert und läuft dann von der Barriere 103 wieder zurück zur Kondensatorstruktur 101. Ein anderer Teil der akustischen Oberflächenwelle breitet sich jedoch weiter aus und wird dann an einer zweiten Barriere 104 erneut reflektiert. Mit einem entsprechenden Zeitversatz läuft somit ausgehend von der Barriere 104 eine Oberflächenwelle zurück zur Kondensatorstruktur 101. Die von den Barrieren 103, 104 zurücklaufenden akustischen Oberflächenwellen erzeugen entsprechende Verformungen im piezoelektrischen Material unterhalb der Kondensatorstrukturen 101, die aufgrund des piezoelektrischen Effekts elektrische Spannungen in der Kondensatorstruktur 101 erzeugen. Diese elektrischen Spannungen werden dann über die Antennen 102 in der Form eines Hochfrequenzsignals wieder nach außen abgestrahlt. Durch die Kondensatorstruktur 101 und die Barrieren 103, 104 wird so eine Laufstrecke für akustische Oberflächenwellen realisiert.

In der Fig. 2 wird die Intensität der Hochfrequenzsignale I(t) gegen die Zeit t aufgetragen. Zu einem Zeitpunkt t0 erfolgt ein erstes starkes Hochfrequenzsignal, welches das Anregungssignal darstellt. Dieses Signal wird von außen eingestrahlt und erzeugt in der Kondensatorstruktur 101 die akustische Oberflächenwelle in dem Träger 100. Zum Zeitpunkt t1 wird von den Antennen 102 ein Hochfrequenzsignal ausgesandt, welches durch die an der Barriere 103 reflektierten Oberflächenwelle ausgelöst wird. Zum Zeitpunkt t2 wird von den Antennen 102 ein zweites Hochfrequenzsignal ausgesandt, welches durch die an der Barriere 104 reflektierten Oberflächenwelle ausgelöst wird.

Durch die Abstände der Signale zu den Zeitpunkten t1 und t2 relativ zum Zeitpunkt t0 und untereinander können Aussagen bezüglich des Trägers 100 getroffen werden, da diese Zeitunterschiede von der Laufzeit der akustischen Oberfläche im Träger 100 abhängen. Die Laufzeit der akustischen Oberfläche im Träger 100 wird beispielsweise durch die Temperatur des Trägers 100 beeinflusst. Weiterhin wird die Laufzeit durch mechanische Verformungen des Trägers 100 beeinflusst. Um diese Effekte voneinander trennen zu können, weist der Träger 100 in der Fig. 1 einen starren Bereich 110 und einen nachgiebigen Bereich 120 auf. Der starre Bereich 110 kann insbesondere in seiner Dicke dicker ausgeführt sein als der nachgiebige Bereich 120. Beim Auftreten einer mechanischen Kraft auf den Träger 100 an dem von der Kondensatorstruktur 101 abgewandten Ende des Trägers 100 erfolgt somit eine Verbiegung des Trägers 100 überwiegend im nachgiebigen Bereich 120. Dies macht sich in der Laufzeit der akustischen Oberflächenwelle im nachgiebigen Bereich 120 bemerkbar, so dass der Zeitpunkt t2 relativ zum Zeitpunkt t0 verschoben wird. Da die Barriere 103 in dem mechanisch stabilen Bereich 110 angeordnet ist, wird auch beim Einbringen einer mechanischen Kraft der Zeitpunkt t1 relativ zum Zeitpunkt t0 in erster Näherung nicht verschoben. Die Laufzeit der Oberflächenwelle hängt daher in diesem Bereich nur von der Temperatur ab. Durch die Messung der Zeit zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 kann so eine Aussage über die Temperatur des Trägers 100 getroffen werden. Durch die Messung der Zeitunterschiede zwischen den Zeitpunkten t0 und t2 kann eine Aussage bezüglich der auf den Träger 100 einwirkenden Kraft getroffen werden.

Die Vorrichtung nach der Fig. 1 ist somit als Kraftsensor geeignet, durch den eine einwirkende Kraft auf den Träger 100 nachgewiesen werden kann. Das von der Barriere 104 reflektierte Signal wird bezüglich seiner zeitlichen Verschiebung sowohl von der eingebrachten Kraft wie auch von der Temperatur des Trägers beeinflusst. Der Einfluß der Temperatur auf dieses Signal lässt sich jedoch durch Betrachtung des von der Barriere 103 reflektierten Signals herausrechnen.

Durch die fingerartige Kondensatorstruktur 101 und den Barrieren 103, 104 wird somit eine Laufstrecke für akustische Oberflächenwellen auf dem piezoelektrischen Träger 100 realisiert. Es sind auch andere Möglichkeiten der Realisierung einer derartigen Laufstrecke auf einem piezoelektrischen Träger 100 möglich. Beispielsweise könnten zwei Kondensatorstrukturen auf dem Träger aufgebracht sein, von dem eine zur Anregung der akustischen Oberflächenwelle und die andere zum Empfang der akustischen Oberflächenwelle ausgelegt ist. Auch die Laufzeit dieses Signales würde dann von den mechanischen Spannungen in dem Träger beeinflusst. Sofern andere Möglichkeiten der Temperaturmessung der Temperatur des Trägers 100 vorhanden sind, kann beispielsweise auch auf die Barriere 103 nach der Fig. 1 verzichtet werden, da diese Barriere überwiegend eine Temperaturinformation liefert.

Ein Element, wie es in der Fig. 1 gezeigt wird, ist jedoch nur in der Lage, eine einzige Kraftkomponente, die senkrecht auf dem Träger steht, zu messen. In den folgenden Figuren wird nun ein erfindungsgemäßer Kraftsensor beschrieben, durch den mehrere Kraftkomponenten in zueinander senkrechten Richtungen nachgewiesen werden können.

In der Fig. 3 wird ein piezoelektrischer Träger 100 gezeigt, auf dem eine erste fingerartige Kondensatorstruktur 11 und eine zweite fingerartige Kondensatorstruktur 12 angeordnet ist. Die erste fingerartige Kondensatorstruktur 11 bildet zusammen mit Barrieren 1 und 3, die ebenfalls auf dem Träger 100 aufgebracht sind, eine erste Laufstrecke für akustische Oberflächenwellen. Weiterhin ist eine zweite fingerartige Kondensatorstruktur 12 auf dem Träger 100 aufgebracht, die zusammen mit den Barrieren 2 und 4 auf dem Träger 100 eine zweite Laufstrecke für akustische Oberflächenwellen bildet. Der Träger 100 weist einen ersten starren Bereich 110 auf, wobei in diesem Bereich die erste und zweite Kondensatorstruktur 11, 12 und die Barrieren 1, 2 angeordnet sind. Weiterhin weist der Träger 100 einen nachgiebigen Bereich 120 auf, auf dem die Barrieren 3 und 4 angeordnet sind. An der Unterseite des verdünnten Bereichs 120 ist noch ein Krafteinleitelement 130 angebracht. Der Träger 100 und das Krafteinleitelement 130 sind in einem elastischen Material, beispielsweise das Gummi eines Autoreifens, eingebettet. Dieses elastische Material, in dem der Träger 100 eingebettet ist, ist in der Fig. 3 nicht dargestellt. Es wird aber zur Verdeutlichung die Außengrenze 140 dieses elastischen Materials dargestellt. Insbesondere wird hier ein Autoreifen gedacht, d. h. die Außengrenze 140 besteht beispielsweise aus dem Profil eines derartigen Autoreifens. Die erste und zweite Kondensatorstruktur 11, 12 sind elektrisch über einen Verbindungssteg 150 miteinander verbunden. Weiterhin sind diese Strukturen elektrisch mit Antennenelementen 102 verbunden, durch die wiederum ein Hochfrequenzsignal von außen eingekoppelt werden kann bzw. in Abhängigkeit von elektrischen Spannungen in den Kondensatorstrukturen 11, 12 ein entsprechendes Signal ausgesandt werden kann.

In der Fig. 3 wird der Träger 100 gezeigt, wenn keinerlei Kräfte auf das einbettende elastische Material einwirken. Die in diesem Zustand erzeugten elektrischen Signale beim Einstrahlen eines hochfrequenten Signals werden in der Fig. 6 dargestellt.

In der Fig. 6 wird wiederum die Intensität eines hochfrequenten Signals I(t) gegen die Zeit t aufgetragen. Zum Zeitpunkt t0 erfolgt wieder eine Anregung durch Einstrahlen eines externen Hochfrequenzimpulses. Dadurch werden sowohl die erste Kondensatorstruktur 11 wie auch die zweite Kondensatorstruktur 12 so angeregt, dass akustische Oberflächenwellen ausgesendet werden. Zum Zeitpunkt t1 erreicht die an der Barriere 1 reflektierte Oberflächen die erste Kondensatorstruktur 11 und es wird ein entsprechendes Hochfrequenzsignal über die Antennen 1 und 2 abgesandt. Zum Zeitpunkt t2 erreicht die an der Barriere 2 reflektierte Oberflächenwelle die zweite Kondensatorstruktur 12 und es wird wiederum ein entsprechendes Signal abgesendet. Damit sich diese beiden Impulse einfach voneinander trennen lassen, sind die Barrieren 1 und 2 bezüglich der Laufentfernung zu den jeweiligen Kondensatorstrukturen versetzt angesetzt. Ebenso sind auch die Barrierenstrukturen 3 und 4 versetzt zueinander angeorndet, so dass zum Zeitpunkt t3 die von der Barriere 3 reflektierte Oberflächenwelle die erste Kondensatorstruktur 11 erreicht und zum Zeitpunkt t4 die von der Barriere 4 reflektierte Oberflächenwelle die zweite Kondensatorstruktur 12 erreicht.

In der Fig. 4 wird der Kraftsensor beim Einwirken einer Kraft in Y-Richtung (das Koordinatensystem wird in der Fig. 3 dargestellt) gezeigt. Durch die Bezugszahlen werden die gleichen Gegenstände wie in der Fig. 3 bezeichnet. Durch die Kraft in Y-Richtung erfolgt eine Verformung des elastischen Mediums, in dem der Träger 100 eingebettet ist, wie dies durch die entsprechende Verschiebung der Oberfläche 100 der elastischen Masse dargestellt wird. Durch das Krafteinkoppelelement 130 wird eine entsprechende Verdrehung des Trägers 100 erzeugt. Diese Verdrehung wirkt überwiegend auf den nachgiebig ausgebildeten Teil 120 des Trägers 100, da dieser Teil in seiner Dicke verringert ist und somit nachgiebiger ist. Der verdickte starre Bereich 110 des Trägers 100 wird jedoch nur geringfügig verformt.

In der Fig. 7 wird die durch die Krafteinwirkung in Y- Richtung entstehende Veränderung der Intensitätssignale I(t) gegenüber der Zeit t aufgezeigt. Die Signale zu den Zeitpunkten t0, t1 und t2 entsprechen den Signalen, wie sie bereits in der Fig. 6 dargestellt wurden. Dies liegt darin begründet, dass im Bereich 110 des Trägers 100 keine Verformung stattfindet und somit auch keine Veränderung der dort erzeugten Signale. Wie in der Fig. 7 deutlich zu erkennen ist, bewirkt jedoch die Verdrehung des Bereichs 120 des Trägers 100 eine deutliche Verschiebung der Zeitpunkte t3 und t4, d. h. die Zeitpunkte, zu denen die reflektierten Signale von den Barrieren 3 und 4 eintreffen, werden verschoben. In der Fig. 7 werden die Signale zu den Zeitpunkten t3 und t4 der Fig. 6 in dünnen Linien noch einmal dargestellt, während die verschobenen Signale mit fett gezeichneten Linien dargestellt sind. Wie in der Fig. 7 zu erkennen ist, ist der Zeitpunkt t3 im Vergleich zur Fig. 6 zu einer früheren Zeit hin verschoben, während der Zeitpunkt t4 zu einem späteren Zeitpunkt hin verschoben ist. Dies wird auch durch die Pfeile in der Fig. 7 noch einmal dargestellt. Die Kraft in Y-Richtung bewirkt somit, dass sich die Laufzeit in der ersten Laufstrecke, die von der Kondensatorstruktur 11 und der Barriere 3 gebildet wird verkürzt und in der zweiten Laufstrecke, die von der Kondensatorstruktur 11 und der Barriere 4 gebildet wird, verlängert.

In der Fig. 5 wird die Einwirkung einer Kraft in X-Richtung gezeigt. Durch die gleichen Bezugszahlen werden wieder die gleichen Gegenstände wie in den Fig. 3 und 4 bezeichnet. Wie in der Fig. 5 zu sehen ist, wird durch eine Kraft in X- Richtung im wesentlichen der verformbare Bereich 120 des Trägers 100 verformt. Da durch die Kraft in X-Richtung der nachgiebige Bereich 120 im wesentlichen nach unten in negativer Z-Richtung abgebogen wird, ist der Einfluß auf die Signallaufzeiten in beiden Laufstrecken im wesentlichen gleich. Dies erkennt man auch an der Fig. 8, in der entsprechend zu den Fig. 6 und 7 die Signale bei der Einleitung einer Kraft in X-Richtung dargestellt werden. Die Signale zu den Zeiten t0, t1 und t2 entsprechen wieder den Fig. 6 und 7. Die Signale zu den Zeitpunkten t3 und t4 sind mit fetten Linien dargestellt und die ursprünglichen Signale zu den Zeitpunkten t3 und t4 nach der Fig. 6 sind mit dünnen Linien dargestellt. Wie auch die Pfeile zeigen, sind beide Zeitpunkte t3 und t4 relativ zu den unbelasteten Zeitpunkten t3 und t4 der Fig. 6 zu einem späteren Zeitpunkt hin verschoben.

Durch die beiden auf dem Träger 100 angeordneten Laufstrecken lassen sich somit Krafteinwirkungen in X- und Y-Richtung klar voneinander trennen. Durch die beiden parallel zueinander auf dem Träger 100 angeordneten Laufstrecken können somit zwei Kraftkomponenten gleichzeitig nachgewiesen werden.

In der Fig. 9 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In der Fig. 9 wird eine Unteransicht eines Trägers 100 gezeigt. In der Oberansicht entspricht dieser Träger 100 den Fig. 3 bis 5, d. h. auf der Oberseite dieses Trägers sind bereits die erste und zweite Laufstrecke, wie sie in den Fig. 3 bis 5 dargestellt werden, angeordnet. Auf der Unterseite des Trägers sind zwei weitere Laufstrecken angeordnet, die in der Fig. 9 durch eine Unteransicht auf Teilbereiche der Bereiche 110 und 120 dargestellt wird. Auf der Unterseite des Bereichs 120 sind eine dritte und vierte kammförmige Kondensatorstruktur 13 und 14 vorgesehen, die jeweils mit zugeordneten Barrieren 5 und 6 zwei weitere Laufstrecken bilden. Die beiden kammförmigen Kondensatorstrukturen 13 und 14 sind wieder mit Antennen 102 zum Empfang bzw. zum Aussenden von Hochfrequenzsignalen verbunden.

Durch die Signale der auf der Unterseite aufgebrachten Laufstrecken 3 und 4 lässt sich zusätzlich noch eine Kraft in Z-Richtung detektieren. Ähnlich wie bei einer Kraftwirkung in X-Richtung bewirkt eine Kraft in Z-Richtung eine Verbiegung des verbiegbaren Bereichs 120 des Trägers 100. Wenn eine Kraft in X-Richtung wirkt, so kommt es nicht nur zu einer Verbiegung des Bereichs 120 sondern es wirkt auch noch direkt eine Kraftkomponente in X-Richtung auf den Träger 100, der ebenfalls die Laufzeit der Oberflächenwellen im Träger 100 beeinflusst. Bei einer Kraft in der Z-Achse kommt es jedoch nur zu einer Verbiegung des Bereichs 120. Die Wirkung einer Kraft in Z-Richtung ist daher auf der Ober- und Unterseite des Trägers 100 in erster Näherung gleich aber von unterschiedlichem Vorzeichen. Beim Einwirken einer Kraft in X-Richtung sind aufgrund der unmittelbar in den Träger 100 eingekoppelten Kraft in X-Richtung die Wirkung auf die Laufzeit der Oberflächenwellen auf der Ober- und Unterseite auch von entgegengesetztem Vorzeichen aber nicht betragsmäßig gleich. Es kann daher zwischen einer Kraftwirkung in X-Richtung und einer Kraftwirkung in Z- Richtung unterschieden werden.

Claims

1. Kraftsensor mit einem Träger (100), auf dem mindestens eine Laufstrecke für eine akustische Oberflächenwelle angeordnet ist, wobei eine Kraftwirkung auf den Träger (100) durch eine Messung der Zeit nachweisbar ist, die eine akustische Oberflächenwelle zum Durchlaufen der Laufstrecke benötigt, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und eine zweite Laufstrecke (11, 12, 1, 2, 3, 4) für akustische Oberflächenwellen vorgesehen ist und dass die erste und zweite Laufstrecke (11, 12, 1, 2, 3, 4) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und dass sich die Längen der Laufstrecken (11, 12, 1, 2, 3, 4) voneinander unterscheiden.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Laufstrecke (11, 12, 1, 2, 3, 4) durch Anordnung von kammförmigen Kondensatorstrukturen (11, 12) auf einem piezoelektrischen Material und Anordnung von Reflexionsbarrieren (1, 2, 3, 4) auf dem Träger (100) verwirklicht sind.

3. Kraftsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (100) aus einem piezoelektrischen Material besteht und dass die Kondensatorstrukturen (11, 12) unmittelbar auf der Oberfläche des Trägers aufgebracht sind.

4. Kraftsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorstrukturen (11, 12) mit Antennenelementen (102) verbunden sind.

5. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (100) als plattenförmiger Träger (100) ausgebildet ist, und dass die erste und die zweite Laufstrecke auf einer Oberseite des plattenförmigen Trägers (100) angeordnet sind.

6. Kraftsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Laufstrecke (13, 14, 5, 6) auf der Unterseite des plattenförmigen Trägers (100) angeordnet ist.

7. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger in einem verformbaren Medium, insbesondere dem Material eines Autoreifens, eingebettet ist.