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WO2009095326A1 - Kraftsensor - Google Patents

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Publication number
WO2009095326A1
WO2009095326A1 PCT/EP2009/050530 EP2009050530W WO2009095326A1 WO 2009095326 A1 WO2009095326 A1 WO 2009095326A1 EP 2009050530 W EP2009050530 W EP 2009050530W WO 2009095326 A1 WO2009095326 A1 WO 2009095326A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bending plate
force sensor
force
sensor according
particular according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2009/050530
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Koczwara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Werner Turck GmbH and Co KG
Original Assignee
Werner Turck GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Werner Turck GmbH and Co KG filed Critical Werner Turck GmbH and Co KG
Publication of WO2009095326A1 publication Critical patent/WO2009095326A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01L1/2231—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being disc- or ring-shaped, adapted for measuring a force along a single direction

Definitions

  • the invention relates to a force sensor with a housing which has on two facing away from each other housing sides force introduction sections.
  • Force sensors are needed in particular in medical technology.
  • the piston In the case of dosing syringes, the piston is continuously displaced by a slowly running engine into the cylinder in order to release the liquid in the cylinder in metered quantities.
  • a force sensor should be arranged between the piston and the piston drive. Force sensors are also used for pressure monitors.
  • pressure sensors In the prior art pressure sensors are known. These pressure sensors have a monolithic ceramic body with cup-shaped design. The pot bottom forms a bending plate, which bends depending on the applied pressure. A piezoelectric bottom is shown in US 4,594,898.
  • the invention is based on the object of specifying a simply constructed force sensor.
  • each claim represents an independent solution to the problem.
  • a force sensor with a flexurally elastic bending plate is provided.
  • This bending plate is connected to at least one edge portion fixed to a housing part of the force sensor.
  • the bending plate can be bar-shaped or circular disc-shaped. It can be fully connected with its edge with the housing part. However, it can also be connected to the housing part only with one or two opposite edges. be his.
  • the following features are optional developments of the invention. If necessary, with the interposition of a plastic disc, a force introduction member acts on the center or another section of the bending plate. The force introduction member acts with a curved surface on the bending plate. Depending on the applied pressure, the bending plate bends through. Means are provided to measure the deflection of the bending plate.
  • These means may be piezoresistive resistors which are arranged at different locations on the force introduction side facing away from the bending plate. Equally large or different sized fields can be applied by screen printing. These can be interconnected electrically in the form of a bridge circuit. The resistances of these fields applied to the surface of the bending plate change depending on the bend. It is further provided to measure the deflection by means of strain gauges.
  • the bending plate may also have a metal coating. This metal coating may form a capacitor with a second metal layer. With a deflection of the bending plate, the distance between the two metal layers changes, so that the capacitance of this capacitor changes. It is also possible to optically measure the deflection by reflection.
  • the force introduction element is in the simplest case a ball.
  • the opposite portion of the ball protrudes through an opening of a housing cover and forms a force introduction zone.
  • the bending plate may be part of a ceramic body.
  • the ceramic body has a pot shape.
  • the bending plate forms the bottom of the pot and is firmly connected to the cylinder section of the ceramic body.
  • This may be a monolithic ceramic body, in particular an AbO3 body.
  • a plastic disc lies between the force introduction surface of the ball and bending plate, a plastic disc.
  • the plastic disc is more flexible than the bending plate.
  • a circuit can be arranged, which converts the values supplied by the piezoresistive sensors.
  • the plastic disc is not necessary if the force introduction member with a curved surface directly applied to the center of the bending plate.
  • the corresponding section of the force introduction member may be made soft. But it can also have a slightly curved surface whose curvature contour corresponds to the bending contour of the maximum bent bending plate. As a result, the force application zone conforms to the contour line of the bent-through bending plate and thus increases the contact surface with increasingly introduced force and thus keeps the surface pressure at a low level.
  • the force introduction member may be a stamp or a steel ball.
  • the bending plate can be a round disc. It is then preferably connected with its entire edge with the surrounding housing part. This compound can be of the same material.
  • the bending plate is a bending beam. This is preferably firmly connected to the housing only with two opposite ends.
  • the bending beam preferably has a substantially rectangular outline contour, so that two opposite sides of the rectangle, which in particular are the narrow sides, are connected to the housing part. The two of these connecting points interconnecting rectangular sides are not connected to the housing part, so that the bending beam can bend freely.
  • the bending beam may be formed from the bottom of a cup-shaped opening. The two free marginal edges of the bending beam can be formed by a free cut.
  • the free cut is preferably formed by two mutually parallel slots.
  • the bending beam is connected in a planar manner to a circuit board which also carries other electronic circuit elements.
  • the sensors to the deflection of the bending beam too can be arranged on the board, which bends with the bending beam.
  • strain gauges are provided as measuring organs.
  • Fig. 1 in cross section a first embodiment
  • Figure 2 is a section along the line II - II in Figure 1.
  • FIG. 3 is an illustration according to FIG. 1 of a second embodiment
  • FIG. 4 shows an illustration according to FIG. 1 of a third exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a fourth embodiment of the invention in a representation according to FIG. 3;
  • FIG. 6 is a bottom view according to arrow VI in Fig. 5 and
  • FIG. 7 is a plan view according to arrow VII in Fig. 5th
  • a ceramic body 3 In the embodiment shown in Figure 1 sitting within a plastic or other suitable material existing housing 1, a ceramic body 3.
  • the ceramic body 3 is made of alumina and has a cup shape.
  • the outer bottom of the ceramic body 3 sits on a circumferential step of the housing 1 such that the thin-walled bottom of the pot can bend.
  • Within the cavity of the monolithic crystalline ceramic body 3 is a plastic disc 8, which extends over the entire cylindrical bending surface of a 5 forming bottom surface of the ceramic mik stresses 3 extends.
  • the center of the plastic disc 8, which is flexurally softer than the bending plate 5, is acted upon by a curved surface 7.
  • the force introduction member 6 is a ball.
  • the plastic disk 8 may also be smaller than the bending plate 5.
  • the plastic disk 8 then has a smaller diameter than the diameter of the diaphragm 5. In the edge region, the plastic disk 8 may also have a phase.
  • the housing 1 is provided with a lid 2, which has an opening 9 in the center. A coupling surface of the steel ball 6 protrudes through this opening. The section projecting through the opening 9 forms a force introduction section 10.
  • an electronic circuit 12 is arranged on a circuit board. This is electrically connected to a resistor arrangement on the outer side of the bending plate 5.
  • a total of four resistance surfaces 13 are printed on the outer side of the bending plate 5.
  • the resistive surfaces 13 are made of a material which is applied in a pasty state. The material solidifies and has a piezoresistive property when solidified. The thus manufactured resistors 13 change their resistance when the bending plate 5 bends. By a suitable wiring, such as bridge circuit, the resistance change, according to the Bend occurs, be measured. Temperature influences can be compensated.
  • the force introduction member is designed differently.
  • a punch 14 which extends substantially over the entire cross section of the cavity of the ceramic body 3. It has a flat curved contact surface 7, with which the punch 14 rests directly on the inside of the bending plate 5.
  • the curvature of the surface 7 is adapted to the curvature cross-sectional contour of the bending plate 5, if this is maximum curved. This creates a minimized surface pressure during the application of force.
  • the bending plate 5 is additionally coated with a conductive layer 15. This is a metal layer.
  • One of the bending plate 5 spaced surface, in the embodiment, the bottom surface of the housing 1 is also coated with metal.
  • This metal layer 16 running parallel to the coating 15 together with the layer 15 forms a plate capacitor. If the bending plate 5 bends, the capacitance of the plate capacitor changes. The capacity change can be measured in a known manner, for example by means of a resonant circuit.
  • an overload protection is additionally provided.
  • the ceramic body 3 is not supported on a circumferential edge of the housing 1, but on spring elements 17 at the bottom of the housing. If a force is now applied to the ball apex 11 of the force introduction member 6, not only does the bending plate 5 deflect. Rather, the spring elements 17 are also compressed, which is accompanied by removal of the ceramic body 3 from the opening 9. The ball 10 thus immersed not only due to the deflection of the bending plate 5 deeper into the opening 9, but also due to the evasive movement of the entire ceramic body 3 against the spring elements 17. This takes place until the apex of the ball 6 rests flush in the opening 9 , If then higher forces are exerted on the sensor, they are introduced directly into the housing 1, so that the maximum stress of the bending plate 5 is limited.
  • the bending plate 5 unlike the exemplary embodiments described above, is not circular in shape and is connected to the cylindrical body 4 with its entire circular edge.
  • the bending plate 5 is rather formed by a bending beam.
  • the housing part 4, which forms the cavity in which the punch 14 is arranged is rectangular in shape.
  • the bottom of this cavity is also formed here by the bending plate 5.
  • the bending plate 5 has a substantially rectangular cross-section.
  • the two opposite narrow sides 5 1 of the bending plate 5 are fixedly connected to the housing part 4.
  • the rectangular sides 5 "of the bending plate 5 extending transversely thereto are not connected to the housing part 4.
  • These free edges 5" of the bending plate 5 are formed by free cuts 18.
  • the material of the housing 4 and the material of the unit connected to the housing 4 bending plate 5 consists of a ceramic hybrid.
  • the free cuts 18, which extend over substantially the entire longitudinal extension of the bottom of the cavity of the housing 4, are preferably made after the finished case 4 has been formed by the sealing layer hybrids. This can be done by cutting eg. With a laser beam.
  • the ceramic housing 4 is embedded in a plastic housing 1, which also forms the cover 2.
  • the cover 2 also has an opening 9 through which the force introduction member 10 protrudes, which is firmly connected to the punch 14.
  • the bending body 5 and the cavity forming housing 4 forming ceramic body is glued onto a board 19 such that the deflection of the bending beam 5 leads to a partial deflection of the board 19.
  • the outwardly facing surface of the bending beam 5 is connected flat to the top of the board 19.
  • the board 19 also has free cuts, which are located at the location of the free cuts 18 and are slightly larger.
  • the board 19 On the side facing away from the bending beam 5, the board 19 carries a DMS bridge. This is arranged between the two slots and able to convert the deflection of the board 19 into electrical values. To evaluate these electrical values is a circuit 20, which is also arranged on the board.
  • the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 5 to 7 is also a force sensor used in monitoring an automatic infusion device. For example, syringes are powered by a motor to inject a drug at constant flow over a long period of time. There may be, inter alia, two different disorders: The pressure in the tube on the way to the infusion needle decreases because, for example, the supply is used up, or the pressure increases because, for example, there is a blockage or the tube is kinked. Both incidents can be monitored by means of one of the previously described arrangements. Monitoring takes place by guiding the hose to the injection needle through a monitoring unit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor mit einem Gehäuse, welches an zwei voneinander weg weisenden Gehäuseseiten Krafteinleitungsabschnitte aufweist. Es wird ein Kraftsensor vorgeschlagen, mit einer biegeelastischen kreisscheibenförmigen Biegeplatte (5), die mit einem Rand fest mit einem Gehäuseteil (4) des Kraftsensors verbunden ist, mit einem senkrecht zur Flächenerstreckung der Biegeplatte (5) angreifenden Krafteinleitungsorgan (6) und mit Mitteln (13, 15, 16) zum Messen der Durchbiegung der Biegeplatte (5).

Description

Kraftsensor
Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor mit einem Gehäuse, welches an zwei voneinander weg weisenden Gehäuseseiten Krafteinleitungsabschnitte auf- weist.
Kraftsensoren werden insbesondere in der Medizintechnik benötigt. Bei Dosierspritzen wird der Kolben von einem langsam laufenden Motor kontinuierlich in den Zylinder verlagert, um die sich im Zylinder befindliche Flüssigkeit dosiert abzugeben. Um Störungen rechtzeitig zu erkennen, soll zwischen Kolben und Kolbenantrieb ein Kraftsensor angeordnet sein. Kraftsensoren werden darüber hinaus auch für Druckwächter verwendet.
Im Stand der Technik sind Drucksensoren bekannt. Diese Drucksensoren besit- zen einen monolithischen Keramikkörper mit topfförmiger Ausgestaltung. Der Topfboden bildet eine Biegeplatte aus, die sich je nach aufgebrachtem Druck durchbiegt. Einen piezoelektrischen Boden zeigt die US 4,594,898.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten Kraft- sensor anzugeben.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei jeder Anspruch eine eigenständige Lösung der Aufgabe darstellt.
Zunächst und im wesentlichen ist ein Kraftsensor mit einer biegeelastischen Biegeplatte vorgesehen. Diese Biegeplatte ist mit zumindest einem Randabschnitt fest mit einem Gehäuseteil des Kraftsensors verbunden. Die Biegeplatte kann balkenförmig oder kreis scheibenförmig. Sie kann vollumfänglich mit ihrem Rand mit dem Gehäuseteil verbunden sein. Sie kann aber auch nur mit ei- nem oder zwei sich gegenüberliegenden Rändern mit dem Gehäuseteil verbun- den sein. Die folgenden Merkmale sind optionale Weiterbildungen der Erfindung. Auf das Zentrum oder einen anderen Abschnitt der Biegeplatte wirkt gegebenenfalls unter Zwischenlage einer Kunststoffscheibe ein Krafteinleitungsorgan. Das Krafteinleitungsorgan wirkt mit einer gekrümmten Fläche auf die Biegeplatte. Je nach aufgebrachtem Druck biegt sich die Biegeplatte durch. Es sind Mittel vorgesehen, um die Durchbiegung der Biegeplatte zu messen. Bei diesen Mitteln kann es sich um piezoresistive Widerstände handeln, die an verschiedenen Orten auf der krafteinleitungsabgewandten Seite der Biegeplatte angeordnet sind. Es können gleich große oder verschieden große Felder im Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Diese können elektrisch in Form einer Brückenschaltung miteinander verschaltet sein. Die Widerstände dieser derartig auf die Oberfläche der Biegeplatte aufgebrachten Felder verändern sich biegungsabhängig. Ferner ist vorgesehen, die Durchbiegung mittels Dehnungsmessstreifen zu messen. Alternativ dazu kann die Biegeplatte auch eine Metall- beschichtung besitzen. Diese Metallbeschichtung kann mit einer zweiten Metallschicht einen Kondensator bilden. Bei einer Durchbiegung der Biegeplatte ändert sich der Abstand der beiden Metallschichten, so dass sich die Kapazität dieses Kondensators ändert. Es ist auch möglich, durch Reflektion die Durchbiegung optisch zu messen. Bei dem Krafteinleitungsorgan handelt es sich im einfachsten Falle um eine Kugel. Ein Oberflächenabschnitt der Kugel drückt gegen die Biegeplatte. Der gegenüberliegende Abschnitt der Kugel ragt durch eine Öffnung eines Gehäusedeckels und bildet eine Krafteinleitungszone. Die Biegeplatte kann Teil eines Keramikkörpers sein. Der Keramikkörper besitzt eine Topfform. Die Biegeplatte bildet den Topfboden und ist fest mit dem Zy- linderabschnitt des Keramikkörpers verbunden. Es kann sich hier um einen monolithischen Keramikkörper insbesondere einen AbO3-Körper handeln. Um Flächenpressungsmaxima zu vermeiden, liegt zwischen Krafteinleitungsfläche der Kugel und Biegeplatte eine Kunststoffscheibe. Die Kunststoffscheibe ist biegeweicher als die Biegeplatte. In dem Gehäuse kann eine Schaltung angeordnet sein, die die von den piezore- sistiven Messaufnehmern gelieferten Werte umwandelt. Die Kunststoffscheibe ist nicht notwendig, wenn das Krafteinleitungsorgan mit einer gekrümmten Fläche unmittelbar das Zentrum der Biegeplatte beaufschlagt. Der entspre- chende Abschnitt des Krafteinleitungsorgans kann weich ausgebildet sein. Er kann aber auch eine schwach gekrümmte Oberfläche besitzen, deren Krümmungskontur der Biegekontur der maximal durchgebogenen Biegeplatte entspricht. Dadurch schmiegt sich die Krafteinleitungszone der Konturlinie der durchbogenen Biegeplatte an und vergrößert so mit zunehmend eingeleiteter Kraft die Auflagefläche und hält damit die Flächenpressung auf einem niedrigen Niveau. Bei dem Krafteinleitungsorgan kann es sich um einen Stempel oder um eine Stahlkugel handeln.
Die Biegeplatte kann eine runde Scheibe sein. Sie ist dann vorzugsweise mit ihrem gesamten Rand mit dem sie umgebenden Gehäuseteil verbunden. Diese Verbindung kann materialeinheitlich sein. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Biegeplatte ein Biegebalken ist. Dieser ist bevorzugt lediglich mit zwei einander gegenüberliegenden Enden mit dem Gehäuse fest verbunden. Der Biegebalken hat bevorzugt eine im wesentlichen rechtecki- ge Umrisskontur, so dass zwei sich gegenüberliegende Rechteckseiten, die insbesondere die Schmalseiten sind, mit dem Gehäuseteil verbunden sind. Die beiden diese Verbindungsstellen miteinander verbindenden Rechteckseiten sind nicht mit dem Gehäuseteil verbunden, so dass sich der Biegebalken frei durchbiegen kann. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Biegebalken von dem Boden einer topfförmigen Öffnung gebildet sein. Die beiden freien Randkanten des Biegebalkens können durch einen Freischnitt gebildet werden. Der Freischnitt wird vorzugsweise von zwei parallel zueinander verlaufenden Schlitzen gebildet. In einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass der Biegebalken flächig mit einer Platine verbunden ist, die auch andere elektronische Schal- tungselemente trägt. Die Sensoren, um die Durchbiegung des Biegebalkens zu messen, können dabei auf der Platine angeordnet sein, die sich mit dem Biegebalken mitbiegt. Auch hier sind Dehnungsmessstreifen als Messorgane vorgesehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 im Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II - II in Figur 1;
Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels;
Fig. 4 eine Darstellung gemäß Fig. 1 eines dritten Ausführungsbeispiels ;
Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung gemäß Fig. 3;
Fig. 6 eine Unteransicht gemäß Pfeil VI in Fig. 5 und
Fig. 7 eine Draufsicht gemäß Pfeil VII in Fig. 5.
Bei dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sitzt innerhalb eines aus Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material bestehenden Gehäuses 1 ein Keramikkörper 3. Der Keramikkörper 3 besteht aus Aluminiumoxid und besitzt eine Topfform. Der äußere Boden des Keramikkörpers 3 sitzt auf einer umlaufenden Stufe des Gehäuses 1 derart auf, dass der dünnwandige Topfboden sich durchbiegen kann. Innerhalb des Hohlraumes des monolithisch kristallinen Keramikkörpers 3 befindet sich eine Kunststoff Scheibe 8, die sich über die gesamte zylindrische eine Biegeplatte 5 ausbildende Bodenfläche des Kera- mikkörpers 3 erstreckt. Das Zentrum der Kunststoffscheibe 8, die biegeweicher ist als die Biegeplatte 5, wird von einer gekrümmten Fläche 7 beaufschlagt. Bei dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Krafteinleitungsorgan 6 eine Kugel. Diese liegt in der Höhlung des Topfes des Keramikkörpers 3, also innerhalb des Zylinderabschnittes 4 ein. Die Kunststoffscheibe 8 kann auch kleiner sein als die Biegeplatte 5. Die Kunststoffscheibe 8 besitzt dann einen kleineren Durchmesser als der Durchmesser der Membrane 5. Im Randbereich kann die Kunststoffscheibe 8 auch eine Phase besitzen.
Das Gehäuse 1 ist mit einem Deckel 2 versehen, welches im Zentrum eine Öffnung 9 besitzt. Durch diese Öffnung ragt eine Kuppelfläche der Stahlkugel 6. Der durch die Öffnung 9 hindurchragende Abschnitt bildet einen Krafteinleitungsabschnitt 10 aus.
Der Boden des Gehäuses 1, der der Öffnung 9 gegenüberliegt, bildet ebenfalls einen Krafteinleitungsabschnitt 11 aus.
In einem Zwischenraum zwischen dem Boden des Gehäuses 1 und der Biegeplatte 5 ist eine elektronische Schaltung 12 auf einer Platine angeordnet. Diese ist elektrisch leitend mit einer Widerstandsanordnung auf der äußeren Seite der Biegeplatte 5 verbunden.
Wie aus der Figur 2 ersichtlich ist, sind auf die äußere Seite der Biegeplatte 5 insgesamt vier Widerstandsflächen 13 aufgedruckt. Die Widerstandsflächen 13 sind aus einem Material gefertigt, welches in einem pastösen Zustand aufgebracht wird. Das Material erstarrt und hat in erstarrtem Zustand eine piezore- sistive Eigenschaft. Die so gefertigten Widerstände 13 ändern ihren Widerstand, wenn sich die Biegeplatte 5 durchbiegt. Durch eine geeignete Beschaltung, beispielsweise Brückenschaltung kann die Widerstandsänderung, die zufolge des Durchbiegens eintritt, gemessen werden. Temperatureinflüsse können dadurch kompensiert werden.
Die Funktion des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels ist die folgende:
Wird auf die Krafteinleitungszone 10 der Kugel 6 eine mit F bezeichnete Kraft aufgebracht, so entsteht auf der gegenüberliegenden Krafteinleitungszone 11 eine gleich große Gegenkraft F. Diese Kraft bewirkt, dass sich die gekrümmte Fläche 7 der Kugel 6 in die Kunststoff Scheibe 8 eindrückt. Die Kraft wird weiter über das Zentrum in die Biegeplatte 5 eingeleitet. Letztere verbiegt sich.
Bei dem in der Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Krafteinleitungsorgan anders gestaltet. Am Ende eines Schaftes sitzt ein Stempel 14, der sich im wesentlichen über den gesamten Querschnitt der Höhlung des Keramikkörpers 3 erstreckt. Er besitzt eine flach gekrümmte Anlagefläche 7, mit der der Stempel 14 unmittelbar an der Innenseite der Biegeplatte 5 anliegt. Der Krümmungsverlauf der Fläche 7 ist an die Krümmungsquerschnittskontur der Biegeplatte 5 angepasst, wenn diese maximal gekrümmt ist. Hierdurch entsteht eine minimierte Flächenpressung bei der Kraftbeaufschlagung.
Bei dem in der Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Biegeplatte 5 zudem mit einer leitenden Schicht 15 beschichtet. Es handelt sich hier um eine Metallschicht.
Eine der Biegeplatte 5 beabstandete Oberfläche, im Ausführungsbeispiel die Bodenfläche des Gehäuses 1, ist ebenfalls mit Metall beschichtet. Diese parallel zur Beschichtung 15 verlaufende Metallschicht 16 bildet zusammen mit der Schicht 15 einen Plattenkondensator. Biegt sich die Biegeplatte 5 durch, so ver- ändert sich die Kapazität des Plattenkondensators. Die Kapazitätsänderung kann in bekannter Weise, beispielsweise mittels eines Schwingkreises gemessen werden.
Bei dem in der Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Überlastsicherung vorgesehen. Hier stützt sich der Keramikkörper 3 nicht auf einen umlaufenden Rand des Gehäuses 1, sondern auf Federelementen 17 am Boden des Gehäuses ab. Wird jetzt auf den Kugelscheitel 11 des Krafteinleitungsorgans 6 eine Kraft aufgebracht, so durchbiegt sich nicht nur die Biegeplatte 5. Es werden vielmehr auch die Federelemente 17 komprimiert, was mit einer Entfernung des Keramikkörpers 3 von der Öffnung 9 einhergeht. Die Kugel 10 taucht also nicht nur zufolge der Durchbiegung der Biegeplatte 5 tiefer in die Öffnung 9 ein, sondern auch zufolge der Ausweichbewegung des gesamten Keramikkörpers 3 gegen die Federelemente 17. Dies erfolgt solange, bis der Scheitel der Kugel 6 bündig in der Öffnung 9 einliegt. Werden dann höhere Kräfte auf den Sensor ausgeübt, so werden diese direkt in das Gehäuse 1 eingeleitet, so dass die Maximalbeanspruchung der Biegeplatte 5 begrenzt ist.
Bei dem in den Figuren 5 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Biegeplatte 5 anders als bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen nicht kreisförmig gestaltet und mit ihrem gesamten kreisförmigen Rand mit dem zylindrischen Körper 4 verbunden. Bei dem in den Figuren 5 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Biegeplatte 5 vielmehr von einem Biegebalken ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Gehäuseteil 4, welches die Höhlung ausbildet, in welcher der Stempel 14 angeordnet ist, rechteckig gestal- tet. Der Boden dieser Höhlung wird auch hier von der Biegeplatte 5 ausgebildet. Die Biegeplatte 5 hat einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Die beiden sich gegenüberliegenden Schmalseiten 51 der Biegeplatte 5 sind mit dem Gehäuseteil 4 fest verbunden. Die dazu quer verlaufenden Rechteckseiten 5" der Biegeplatte 5 sind hingegen nicht mit dem Gehäuseteil 4 verbunden. Diese freien Ränder 5" der Biegeplatte 5 werden durch Freischnitte 18 ausgebildet. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das Material des Gehäuses 4 und der materialeinheitlich mit dem Gehäuse 4 verbundenen Biegeplatte 5 aus einem keramischen Hybrid. Die Freischnitte 18, die sich im wesentlichen über die gesamte Längserstreckung des Bodens der Höhlung des Gehäuses 4 erstrecken, werden bevorzugt nach dem Fertigen des von den Dichtschichthybriden gebildeten Gehäuses 4 gefertigt. Dies kann durch Einschneiden bspw. mit einem Laserstrahl erfolgen.
Wie aus der Figur 5 ferner ersichtlich ist, ist das keramische Gehäuse 4 in ein Kunststoffgehäuse 1 eingebettet, welches auch den Deckel 2 ausbildet. Der Deckel 2 hat auch hier eine Öffnung 9, durch welche das Krafteinleitungsorgan 10 herausragt, welches fest mit dem Stempel 14 verbunden ist.
Der Figur 7 ist zu entnehmen, dass das Krafteinleitungsorgan 10 breiter ist als die Biegeplatte 5.
Der die Biegeplatte 5 und das die Höhlung ausbildende Gehäuse 4 ausbildende Keramikkörper ist derart auf eine Platine 19 aufgeklebt, dass die Durchbiegung des Biegebalkens 5 zu einer partiellen Durchbiegung der Platine 19 führt. Hierzu ist die nach außen weisende Fläche des Biegebalkens 5 flächig mit der Oberseite der Platine 19 verbunden. Die Platine 19 besitzt ebenfalls Freischnitte, die sich an der Stelle der Freischnitte 18 befinden und etwas größer sind.
Auf der dem Biegebalken 5 abgewandten Seite trägt die Platine 19 eine DMS- Brücke. Diese ist zwischen den beiden Schlitzen angeordnet und in der Lage, die Durchbiegung der Platine 19 in elektrische Werte umzuwandeln. Zur Auswertung dieser elektrischen Werte dient eine Schaltung 20, die ebenfalls auf der Platine angeordnet ist. Auch bei dem in den Figuren 5 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Kraftsensor, der bei der Überwachung einer automatischen Infusionsvorrichtung verwendet wird. Dort werden zum Beispiel Spritzen motorisch angetrieben, damit sie über einen langen Zeitraum bei konstantem Durchfluss ein Medikament injizieren. Es können unter anderem zwei verschiedene Störungen auftreten: Der Druck im Schlauch auf dem Weg zur Infusionsnadel nimmt ab, weil beispielsweise der Vorrat aufgebraucht ist, oder der Druck nimmt zu, weil beispielsweise eine Verstopfung vorliegt oder der Schlauch geknickt wird. Beide Störfälle können mittels einer der zuvor be- schriebenen Anordnungen überwacht werden. Die Überwachung erfolgt, indem der Schlauch zur Injektionsnadel durch eine Überwachungseinheit geführt wird.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offen- barung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Kraftsensor mit einer biegeelastischen kreisscheibenförmigen Biegeplatte
(5), die mit zumindest einem Randabschnitt fest mit einem Gehäuseteil (4) des Kraftsensors verbunden ist, mit einem senkrecht zur Flächenerstreckung der Biegeplatte (5) angreifenden Krafteinleitungsorgan (6) und mit Mitteln (13, 15, 16) zum Messen der Durchbiegung der Biegeplatte (5).
2. Kraftsensor nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeplatte (5) materialeinheitlich mit einem Gehäuseteil (4) verbunden ist.
3. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (4) zusammen mit der Biegeplatte (5) einen Keramikkörper (3) insbesondere aus AI2O3 ausbildet.
4. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungsorgan (6) mit einem gerundeten Abschnitt (7) an der Biegeplatte (5) angreift.
5. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungsorgan (6) in eine vom Gehäuseteil (4) ausgebildete Höhlung eingreift.
6. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der gerundete Abschnitt (7) von einer Kugeloberfläche ausgebildet ist.
7. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der gekrümmten Fläche (7) der Konturlinie einer maximal durchgebogenen
Biegeplatte (5) angenähert ist.
8. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand der Biegplatte (5) vollumfänglich mit dem Gehäuseteil (4) verbunden ist und insbesondere auf einer Kreislinie verläuft.
9. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeplatte (5) lediglich an zwei sich gegenüberliegenden Rändern am Gehäuseteil
(4) befestigt ist.
10. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeplatte (5) ein sich zwischen zwei Freischnitten (18) erstreckender Biegebalken ist.
11. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine zwischen Kraft- einleitungsorgan (6) und Biegeplatte (5) angeordnete Scheibe (8), welche biegeweicher ist als die Biegeplatte (5).
12. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (8) eine in die Höhlung des Gehäuses (4) eingesetzte, deren Boden zumin- dest bereichsweise überdeckende Kunststoffscheibe (8) ist.
13. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Messen der Durchbiegung der Biegeplatte (5) Piezoresistoren sind.
14. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Messen der Durchbiegung der Biegeplatte (5) Dehnungsmessstreifen (13) sind.
15. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeplatte (5) eine Metallbeschichtung (15) aufweist, die Teil eines Plattenkondensa- tors (15, 16) ist.
16. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine von einem Federelement (17) ausgebildete Überlastsicherung, wobei das Federelement (17) in der Kraftstrecke des Kraftsensors angeordnet ist und den maximalen Verlagerungsweg des Krafteinleitungsorgans (6) begrenzt.
17. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ein Krafteinlei- tungsabschnitt (10) des Krafteinleitungsorgans (6) durch eine Öffnung (9) des Gehäuses (2) hindurchragt und beim Erreichen der Grenzkraft bündig in der Ebene der Gehäuseöffnung (9) liegt.
18. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftein- leitungsorgan (6) eine in einer Topföffnung des Gehäuses (4) einliegende Stahlkugel (6) ist, die mit einem Krafteinleitungsabschnitt (10) durch eine Gehäuseöffnung (9) hindurchragt.
19. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine auf der dem Krafteinleitungsorgan (6) gegenüberliegenden Seite der Biegeplatte (5) angeordnete, mit der Biegeplatte (5) flächig verbundene Platine (19), welche die Mittel (13) zum Messen der Durchbiegung aufweist und wel- che zusätzlich eine elektronische Schaltungselemente (20) trägt.
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