(57)【要約】【課題】力２０を測定するためのセンサ１０を改良して、簡単な手段で実現可能な安価なセンサを提供する。【解決手段】第１の閉鎖された容積１００と第２の閉鎖された容積２００とが設けられており、圧力ダイアフラム５０が設けられており、該圧力ダイアフラム５０の第１の面に第１の容積１００の圧力が作用するようになっており、かつ圧力ダイアフラム５０の第２の面に第２の容積２００の圧力が作用するようになっており、力２０が力ダイアフラム２２に作用し、第１の往昔１００内の圧力が、力ダイアフラム２２に作用する力２０とは無関係であるようにする。【選択図】図１
2004109134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　力（２０）を測定するためのセンサ（１０）において、第１の閉鎖された容積（１００）と第２の閉鎖された容積（２００）とが設けられており、圧力ダイアフラム（５０）が設けられており、該圧力ダイアフラム（５０）の第１の面に第１の容積（１００）の圧力が作用するようになっており、かつ圧力ダイアフラム（５０）の第２の面に第２の容積（２００）の圧力が作用するようになっており、力（２０）が力ダイアフラム（２２）に作用し、かつ第１の容積（１００）内の圧力が、力ダイアフラム（２２）に作用する（２０）に関連していることを特徴とする、センサ（１０）。
【請求項２】
　第１の容積（１００）と第２の容積（２００）とがほぼ等しい温度を有している、請求項１記載のセンサ（１０）。
【請求項３】
　容積（１００，２００）が、前もってクランピングされて又は前もってクランピングされずに溶接によって密に閉鎖されている、請求項１又は２記載のセンサ（１０）
【請求項４】
　機械的なストッパ（１２０）が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ（１０）。
【請求項５】
　圧力ダイアフラム（５０）に抵抗線ひずみゲージ（５３）が結合されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ（１０）。
【請求項６】
　圧力を測定するためのセンサであって、圧力を測定するために、圧力によって測定面に生ぜしめられる押圧力が、請求項１から５までのいずれか１項記載の力を測定するためのセンサ（１０）によって測定される、センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、力を測定するためのセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
　一般に、力を測定するためには距離測定若しくは応力測定の変換原理を利用することが知られている。評価は、応力測定では例えば圧電抵抗式に得られ、距離原理では光学式、容量式又は誘導式に得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
　そこで本発明の課題は、力を測定するためセンサを改良して、簡単な手段で実現可能な安価なセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
　この課題を解決した本発明の手段によれば、第１の閉鎖された容積と第２の閉鎖された容積とが設けられており、圧力ダイアフラムが設けられており、該圧力ダイアフラムの第１の面に第１の容積の圧力が作用するようになっており、かつ圧力ダイアフラムの第２の面に第２の容積の圧力が作用するようになっており、力が力ダイアフラムに作用し、かつ第１の容積内の圧力が、力ダイアフラムに作用する力に関連しているようになっている。
【発明の効果】
【０００５】
　上記の特徴及び請求項２以下に記載の特徴を有する本発明のセンサは、力又は流体圧力（ガス又は液体）を測定するために、圧力の測定を閉鎖された容積内で行うことができるという利点を有している。閉鎖された容積内における圧力の測定は、簡単な手段で容易に実施可能であり、それ故このようなセンサは特に安価に製造可能である。さらに、本発明によるセンサを製造するために、評価電子機器を備えた標準圧力センサを使用することが可能であり、このことがさらに本発明によるセンサの製造コストを低減する。特に有利には、本発明によるセンサは、正の力も負の力も測定することができる。負の力はこの場合、正の力とは逆の方向に設定された方向にある力である。さらに本発明によるセンサでは、本発明によるセンサの感度が、閉鎖された容積内のガス圧を介して、並びに容積又はダイアフラムパラメータ（特に直径及び厚さ）の大きさを介して調節可能である。さらに、測定の妥当性を点検するためには、例えば測定容積にリークがある場合にセルフテストを実施することが可能である。さらに、測定したい力のための測定範囲は、機械的に変形可能な部分の設計を介して、すなわち特に、力ダイアフラムのダイアフラム直径及び力ダイアフラムの厚さによって調節可能である。さらに、本発明によるセンサを、圧力、特に高い圧力の測定のために使用することも可能である。さらに別の利点は、力ダイアフラムは媒体に強く形成することができる。
【０００６】
　請求項２以下に記載の手段により、請求項１に述べたセンサの有利な発展形及び改良形が可能である。特に有利には、第１の容積と第２の容積とはほぼ等しい温度を有している。これにより、閉鎖された容積内の圧力の変化につながる温度変化が測定値の不正確さを引き起こすことはない。さらに有利には、容積は前もってクランピングされて、又は前もってクランピングされずに密に閉鎖されている。これにより、容積内に閉じ込められた流体、特にガスは、特に確実にリークの発生に対して保護されている。さらに、機械的なストッパが設けられていると有利である。これにより、力過負荷防止若しくは圧力過負荷防止が実現可能である。さらに、圧力ダイアフラムに抵抗線ひずみゲージが結合されている。これにより、特に簡単な形式でかつ特に安価に本発明のセンサを製造することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
　次に本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【０００８】
　図１には、本発明による測定原理を説明するための原理概略図が示されている。本発明によるセンサは、図面に符号１０により示されており、第１の容積１００と第２の容積２００とを有している。これら第１の容積１００及び第２の容積２００は密に閉鎖されており、流体、特にガスを有している。それ故、これ以降ではガス容積１００，２００として示すこともある。
【０００９】
　第１の容積１００は、外力によって弾性的に変形可能な固体内に設けられている。第１の容積１００を取り囲むボディを変形する外力は、図１に符号２０を付した矢印で示されている。図１に符号で示していない、第１の容積１００を取り囲むボディの変形は、矢印２０の範囲に破線によって示されている。ボディの変形は、第１の容積１００内の圧力変化につながる。第１の容積１００内のガス圧力は気体法則により温度に依存しているので、補償のために基準容積が使用される。基準容積は第２の容積２００である。外側から作用する力２０の検出のためには、両容積１００，２００の間の差圧がガス圧力センサによって測定される。このガス圧力センサは、本発明によれば相対圧力センサとして形成されており、圧力ダイアフラム５０を有している。相対圧力を測定するためには圧力ダイアフラム５０が設けられており、この圧力ダイアフラム５０の第１の面には第１の容積１００内の圧力が作用し、第２の面には第２の容積２００の圧力が作用する。
【００１０】
　外力２０によって第１の容積１００が変形される。このことは閉鎖された容積１００、若しくは第１の容積１００を取り囲む閉鎖された空洞若しくは閉鎖された固体内の容積変化につながり、ひいては圧力変化にもつながる。小さな変形のためには、すなわちこれ以降に力ダイアフラム２２としても表す固体のダイアフラム２２若しくは固体ダイアフラム２２の小さな変位のためには、力２０の作用と容積変化若しくは圧力変化との間の比例関係が与えられている。圧力センサは特に圧力ダイアフラム５０を有している。この圧力ダイアフラム５０は、第１の容積１００と第２の容積２００との間の相対的圧力の変化によって変位せしめられる。圧力ダイアフラム５０の変位は、図１に示していないセンサエレメントを介して検知可能であり、このセンサエレメントから生ぜしめられる電気的な信号は、接続導線６２を介してプリント回路基板６０に送信され、このプリント回路基板６０において、圧力ダイアフラム５０に設けられたセンサエレメントの信号が評価若しくは送信される。力ダイアフラム２２の機械的な変形の設計は、測定したい外力２０と相対圧力センサの測定範囲とに対応して行われる。相対圧力センサのダイアフラムは圧力ダイアフラム５０である。
【００１１】
　取付け技術的な理由から、本発明によれば、特に第１の容積１００も第２の容積２００若しくは基準容積２００も、１つの溶接プロセスの後若しくは複数の溶接プロセスの後に初めて密に閉鎖される。このような密な閉鎖のためには、例えば外側方向に案内された開かれた小管片が用いられる。図１では、第１の容積１００のための小管片には符号１１０が付されており、第２の容積２００のための管片には符号２１０が付されている。小管片１１０，２１０は、前もってクランピングされ引き続く溶接によって互いに溶接される。密閉時に特に溶接によって、容積１００，２００内のガス圧力は調節される。両容積内のガス圧力が等しい場合、温度変化は両容積間の圧力差にはつながらない。すなわち、オフセットの温度推移は存在しない。両容積内の絶対圧力は、しかしながら同程度に上昇若しくは下降する。これにより、両容積１００，２００内の温度変化ひいては両容積１００，２００内の圧力変化時には、力２０の作用毎の圧力変化の変更が生じる。このことは、本発明によるセンサ１０の感度の温度推移が存在することを意味する。本発明によるセンサ１０の感度のこのような温度推移を熱力学的に計算し、この温度推移を、本発明によるセンサ１０内に取り付けられた相対圧力センサの調整時に考慮に入れることができる。センサ１０の感度は、容積１００，２００内で調節されたガス圧力によって影響され得る。
【００１２】
　外側周辺と容積１００，２００との間で適宜に調節された圧力は、容積１００，２００内のいずれか一方におけるリーク時には、正常ではない測定値、例えば測定範囲外の値につながる。このような正常ではない測定値は、本発明によるセンサ１０の機能の点検のために、例えばセルフテスト時にこのような妥当性点検を行う形で用いることができる。
【００１３】
　次の式、すなわち、
（ｐ＋ｄｐ）＊（Ｖ＋ｄＶ）＝ｃｏｎｓｔ
によって表される気体法則によって、実際のセンサ容積Ｖすなわち第１の容積１００は、大きい圧力変化ｄｐを得るためには最小化されることが望ましいということが明らかになる。上記の式では、特にｐは第１の容積１００内の圧力を表しており、ｄＶは第１の容積の容積変化を表している。
【００１４】
　図２には、本発明によるセンサ装置の第１実施例が示されている。符号９１と符号９２とによってそれぞれ留めねじが示されている。この留めねじは、本発明によるセンサ装置１０の上方と下方に結合されている。実際のセンサ装置１０は力ダイアフラム２２を有しており、この力ダイアフラム２２は第１の容積１００に隣接している。この第１の容積１００は、小管片１１０として構成されていてもよい通路１１０を介して外界と接続されており、かつ閉鎖手段１１１によって閉鎖されている。本発明によれば、しかしながらこのような通路若しくはこのような小管片が設けられてているのではなく、第１の容積１００がセンサ装置１０の単なるケーシング（固有の符号を付していない）によって取り囲まれるということも当然考慮される。さらに、本発明によるセンサ装置１０のケーシングは、第２の容積２００のための切欠きを有している。この第２の容積２００は、図示の実施例では同じく閉鎖手段２１１を備えた接続通路２１０若しくは小管片２１０を有している。しかしこのことは、一般的には本発明によるセンサ装置１０では必ずしも必要ではない。センサ装置１０のケーシングは、第１の容積１００と第２の容積２００とが、圧力ダイアフラム５０の異なる２つの面へのアクセスを有しており、かつこれによってこれらの面に作用するような形で形成されている。圧力ダイアフラム５０は、本発明によるセンサ装置に取り付けられた相対圧力センサの部分であり、この圧力ダイアフラム５０を備えた相対圧力センサは、センサ基板５２に構成されている。さらに、センサ基板５２は、図２の実施例ではプリント回路基板６０に結合されており、このプリント回路基板６０から延びる電気的な接続導線６２がセンサ装置１０を電気的に外界と接続する。第１の留めねじ９１は、力ダイアフラム２２に作用する力２０の導入のために働く。
【００１５】
　図３には、本発明によるセンサ１０の第２実施例が示されている。本発明によるセンサ１０の第２実施例では、シート抵抗線ひずみゲージの使用が図示されている。抵抗線ひずみゲージ（図３に符号５３で示す）は圧力ダイアフラム５０に設けられている。この場合、前記抵抗線ひずみゲージ５３は、圧力ダイアフラム５０の変形の測定エレメントとして働く。それ以外には図３の第２実施例においても、変形可能な力ダイアフラム２２に作用する、測定したい力又は媒体圧力２０が示されている。変形可能な力ダイアフラム２２は、第１の容積１００に接続されており、この第１の容積１００は圧力ダイアフラム５０の一方の面に作用する。この圧力ダイアフラム５０のもう一方の面には、第２の容積２００の圧力が作用する。本発明によれば、第２実施例では圧力ダイアフラム５０はセンサ平面５１に設けられている。このセンサ平面５１はシート５１としても示される。シート抵抗線ひずみゲージは、抵抗線ひずみゲージを被着された支持シート５１から成っている。この支持シートはこの場合、金属シート又はプラスチックシート、又はシリコンダイアフラムでもよい。金属シートを抵抗線ひずみゲージ構造の支持体として使用することは次のような利点を有する。すなわち、センサ装置１０のケーシング（図３には同じく符号で示していない）も同様に同じ金属から製造することができ、ひいては熱膨張が材料内に機械的な応力を引き起こすこと若しくは機械的な応力を材料内にもたらすことはない。さらに、本発明によるセンサ１０の構成原理では、一般に、センサに不都合な影響を及ぼす横方向力に対する比較的良好な遮断が得られる。圧力ダイアフラム５０に設けられた抵抗線ひずみゲージは、この場合例えば薄膜技術によって被着することができる。圧力ダイアフラム５０の作製に用いられるシートは、この場合特に一方の面に抵抗線ひずみゲージを有するような形で構造化されている。感度を向上させるためには、図３に符号５６で示したようにシートを裏面から構造化することができる。構造部５６若しくは抵抗線ひずみゲージは、選択的に第１の容積１００の面又は第２の容積２００の面に取り付けることができる。センサ信号に及ぼされる熱膨張による許容差を取り除くためには、図３に符号５５で示したように付加的な裏面の構造部を設けることができる。図３の下側の部分には、本発明によるセンサ装置１０の第２実施例の平面図が示されており、この平面図ではシート５１の裏面の構造部５５，５６が認識できる。抵抗線ひずみゲージ５３は、図３の下側の部分では見えない。
【００１６】
　図４には、本発明によるセンサ装置１０の第２実施例の別の横断面図が示されている。測定したい力２０、第１の容積１００、第２の容積２００，シート層５１，圧力ダイアフラム５０及び抵抗線ひずみゲージ５３として設けられた測定エレメントの他に、図４には、さらに力ダイアフラム２２に作用する力作用２０の有効幅２１並びに力ダイアフラム２２の有効厚さ２３及び第１の容積１００の有効高さ５４が示されている。例えば５ｍｍの力ダイアフラム２２に作用する力２０の導入のための有効幅２１、若しくは有効直径２１の幅のためには、本発明では例えば、力２０は有効幅２１の８０％の範囲においてのみ、すなわち、上述の実施例では約４ｍｍの直径の範囲においてのみ作用するようになっている。力ダイアフラム２２の厚さ２３は、例えば０．５ｍｍの大きさであり、第１の容積１００の有効高さ（符号５４で示した）は、本発明によれば、例えば０．０５ｍｍの大きさである。本実施例では、第１の容積１００と第２の容積２００との間には、作用力２０の１０Ｎ（ニュートン）毎に概算で３．６ｍｂａｒの圧力変化が生じる。これにより、ダイアフラム−シート圧力センサのためには、第１の容積１００は特に良好に最適化することができることが明らかである。すなわち、第１の容積１００は特に小さく構成することができる。
【００１７】
　図５には、本発明によるセンサ装置１０の第３実施例が示されている。ここでも第１の容積１００、第２の容積２００、作用力２０、力ダイアフラム２２及び圧力ダイアフラム５０が示されている。さらに図５には、圧力ダイアフラム５０に設けられたセンサエレメント（図５に図示していない）と、プリント回路基板６０に設けられた対応する接続部（図示していない）との間の電気的な接続導線６２が示されている。本発明によるセンサ装置１０の、図５に示した第３実施例では、相対圧力センサとして標準低圧センサが使用される。この場合、第１の容積１００は、図４に示した第２実施例の場合のように小さく形成されないように再設計しなければならない。さらに、力ダイアフラム２２に作用する力作用２０の有効幅２１若しくは直径２１並びに力ダイアフラム２２の有効高さ若しくは厚さが示されている。同様に、第１の容積１００に関連した高さ５４が示されている。有効幅２１が例えば４０ｍｍを有しており、力ダイアフラム２２の厚さ２３が例えば約１ｍｍであり、この場合に第１の容量１００の有効高さ５４が約３．５ｍｍである特別な１実施例のためには、作用する力２０の１０Ｎ毎に０．５６ｍｂａｒの圧力変化しか生じない。この実施例では、さらに図５に符号１０５で示した、第１の容積１００の約１０ｍｍの主要幅が示されており、並びにプリント回線基板６０に設けられた相対センサの約３ｍｍの構成高さと約５ｍｍの直径とが示されているが、図５にはこれらのことは明示していない。
【００１８】
　図４は小さいガス容積を備えた実施例を示しており、図５は大きいガス容積を備えた実施例を示している。一般に、出力信号（圧力変化）の調整のためには、全てのパラメータ、例えばガス容積の形状及び大きさ並びに力ダイアフラムの形状、直径、厚さ及び緊締度は変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明によるセンサのセンサ原理を明確化するための原理概略図である。
【図２】本発明によるセンサの第１実施例を示す図である。
【図３】本発明による第２実施例の横断面図及び平面図である。
【図４】本発明によるセンサの第２実施例の横断面図である。
【図５】本発明による第３実施例の横断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
　１０　センサ、　　２０　外力、　　２１　有効幅、　　２２　力ダイアフラム、　　２３　有効厚さ、　　５０　力ダイアフラム、　　５１　センサ平面、　　５３　抵抗線ひずみゲージ、　　５４　有効高さ、　　５５，５６　構造部、　　６０　プリント回路基板、　　６２　接続導線、　　９１，９２　留めねじ、　　１００　第１の容積、　　１０５　主要幅、　　１１０，２１０　小管片、　　１１１，２１１　閉鎖手段、　　２００　第２の容積、
【図１】
2004109134.tif 000003
【図２】
2004109134.tif 000004
【図３】
2004109134.tif 000005
【図４】
2004109134.tif 000006
【図５】
2004109134.tif 000007