CN105745519A - 具有在电极与触点销之间的电连接的压电力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电力传感器(1)，该压电力传感器包括壳体(10)，该壳体具有至少一个压电本体(11)和与该本体(11)电连接的电极(12)，其中，具有触点销(131)的联接装置(13)被固定或成形在所述壳体(10)上，以传递测量信号。触点销(131)与电极(12)导电连接。根据本发明，将螺旋压力弹簧(14)与触点销(131)导电连接作为压电力传感器(1)内部的电连接。在此，螺旋压力弹簧(14)能松脱地与电极(12)以如下方式导电地有效连接，即，触点销(131)具有与电极(12)的间距并且测量信号能够从电极(12)通过螺旋压力弹簧(14)和被联接的触点销(131)被导出压电力传感器(1)的壳体(10)并能够在联接装置(13)上被量取。

Description

具有在电极与触点销之间的电连接的压电力传感器

技术领域

本发明描述了一种压电力传感器，其包括壳体，该壳体具有至少一个压电本体和与该本体电连接的电极，其中，具有触点销的联接装置被固定或成形在该壳体上，以传递测量信号，并且其中，所述触点销与电极导电连接。

背景技术

在一些技术领域中使用了力传感器、尤其是压电力传感器，其包括至少一个压电本体。这类压电力传感器以不同的实施方式在市场上可获得，这些实施方式用于测量沿一个空间方向(Fz)的力的一个分量直至用于测量力和力矩(Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz)的六个分量。这些应用领域是装配技术(例如在点焊中和压力机中)中的力测量、切削力和变形力的测量中的力测量以及确定轨道车辆制动力的领域中的力测量。

已知的压电力传感器是所谓的压电测量垫片，这些已知的压电力传感器除了力测量之外也可以用于确定转矩或加速力。用于测量沿一个空间方向(z方向)的动态的和准静态的力Fz的这种由现有技术已知的压电测量垫片1在图1a和1b中示出并在下面被详细阐明。压电测量垫片1包括多件式壳体10，联接装置13固定或成形在该多件式壳体上。该壳体10一般由钢制成并具有盖和底。在壳体10中设置有中央留空部100，未示出的预紧螺栓能够贯穿该留空部。在这里，在壳体10中以环形设计方式叠置堆叠地布置两个压电本体11，11'。在这些分别设计为环形本体的压电本体11，11'之间有电极12。电极12具有电极本体120，该电极本体被构型为环形本体并且电极突出部(Elektrodenfahne)121径向导走地成形或焊接在该电极本体上。在该电极突出部121上焊接沿z轴方向弯曲的连接片122。

在壳体周向壁中挖出联接开口101，该联接开口引导到联接装置13的贯穿部130中。电极突出部121和连接片122穿过联接开口101伸入贯穿部130的内腔中，直至联接装置13的触点销131。触点销131借助于绝缘件132相对于贯穿部130的壁和壳体10电绝缘地固定地安装。触点销131通过连接片122与电极突出部121导电地材料配合地连接。

针对具有测量电子设备的压电测量垫片1的外部接缆，使用具有低电容的呈高绝缘同轴缆线形式的联接缆线。这些联接缆线在最小运动的情况下仅产生最小摩擦电。这类针对工业使用的联接缆线能够在市场上获得并能够简单地联接到压电测量垫片1的联接装置13上，由此能够从触点销131接收电荷信号。为了所述压电测量垫片1可以测量力，这些组件必须在壳体10中沿z方向彼此重叠按压地布置并且因此这些组件不可运动地焊接在壳体中。

为了测量操作，压电测量垫片1借助于预紧螺栓在预紧条件下被装到机器结构的两个平面平行的面之间。在沿z方向负载时，压电测量垫片1与起作用的力Fz成比例地给出电荷。通过作用于压电本体的力和充分利用压电效应，在负载时出现电荷信号，这些电荷信号通过电极12横越贯穿部130地被引导到触点销131上，在那里，电荷信号能够在压电力传感器1之外被接收并能被继续处理。

迄今为止，为了实现电极12通过电极突出部121和连接片122电连接于触点销131而借助于电阻焊接或激光焊接进行点焊。如图1c中示出的那样，第一压电本体11'和电极12定位在打开的壳体10的底中，其中，所述贯穿部130已经固定在壳体周向面上。电极突出部121和固定在其上的连接片122被这样地放置，使得它们穿过贯穿部130伸出所述壳体10并且连接片122贴靠在触点销131的端面之前。于是，可以将焊接电极S引导穿过联接开口101，使得连接片122可以被点焊在触点销131的端面上，电极12由此不能松脱地材料配合地与触点销131连接。

因为所述压电测量垫片1被制造为具有几毫米至几厘米的直径，所以相应地困难的是，在壳体10打开的情况下进行所述点焊。由于可获得的压电测量垫片1的小型结构方式和各种尺寸变型方案，如今还不能自动地执行电极12与联接装置13的触点销131的电连接。

在电阻焊接的情况下经常出现污染，这些污染干扰地作用于电极12与触点销131之间的连接的导电性。除了电极12和触点销131之间的不足的电接触之外，点焊时也可能会出现短路。如果这类不好的电连接没有在壳体10闭合且压力密封地焊接之前被发现，那么整个压电测量垫片1就不能使用。一般必须在执行所述电连接之后并在闭合所述壳体10之前手动进行对焊接的准确检查，这就导致了附加耗费。

发明内容

本发明的目的是以如下方式改善压电力传感器，即，可重复地在没有导电性问题的情况下实现电极与触点销之间的、布置在压电力传感器壳体中的电连接，此外还能比现有技术已知的电连接更简单地制造该电连接。

该目的通过权利要求1的特征来解决。在根据本发明的力传感器中，将螺旋压力弹簧与触点销导电连接作为压电力传感器内部的电连接。螺旋压力弹簧能松脱地与电极以如下方式导电地有效连接，即，触点销具有与电极的间距。在此，根据本发明的测量信号可以从电极通过螺旋压力弹簧和被联接的触点销导出压电力传感器的壳体并能在联接装置上被量取。

该装置的优点是，利用该连接，力不能从触点销传输到电极上，即使是在触点销上强烈地摇动。此外可以省略焊接，这是因为电极与螺旋压力弹簧之间的连接现在是能松脱的，即不是固定的。已证实的是，该连接始终非常可靠地保证了接触，尽管电极和螺旋压力弹簧仅仅是触碰。

结合本发明，措辞“能松脱地”仅仅表示这样的情况，即，电极和螺旋压力弹簧不是不能松脱地彼此贴靠安置、尤其是没有彼此贴靠地焊接，就像由现有技术所已知的那样焊接。因为在这里涉及的是力传感器内部的连接，所以该能松脱的连接如果它已经完成，就再也不松脱。相应地，该能松脱的连接不应被混淆为实际上松脱的能松脱的连接，就像该实际上松脱的能松脱的连接在插拔连接中常见的那样，这些插拔连接被任意地连接和松脱。根据本发明的力传感器内部的本身能松脱的连接不好接近并因此在不破坏力传感器的情况下在技术上不能松脱。然而，当单独观察该连接时，该连接本身是能松脱的。

附图说明

随后结合附图来描述发明主题的一种优选实施例。相同的附图标记分别指相同的组件。图2和图3示出了根据本发明的实施方式。

图1a示出了根据现有技术的、呈压电测量垫片形式的压电力传感器的部分剖开地示出的侧视图，而

图1b示出了穿过图1a的压电测量垫片的电极的一部分、穿过具有焊接在其上的电极突出部的触点销的细节剖视图，没有示出压电本体，并且

图1c在局部剖视图中示出了在闭合壳体之前连接片或电极突出部在触点销上的材料配合的固定。

图2a示出了电连接的立体图，该电连接包括具有螺旋弹簧的触点销，在此插套了楔形的电极突出部，而

图2b示出了具有带倒钩的电极突出部的电连接的立体图，

图2c在立体图中示出了电极突出部与螺旋弹簧之间的能松脱的电连接的另一变型方案，其中，电极突出部设计成L形并且较短的腿部插到回旋圈之间，而

图2d示出了具有阶梯形构型的电极突出部的立体图，其中，面朝螺旋压力弹簧的腿部部分地插入到回旋圈中。

图3a-3c在立体图中无电极突出部地示出了多个实施方式，其中，a)螺旋弹簧接触在电极周向面上，b)螺旋弹簧插入到电极周向面中的盲孔中或c)螺旋弹簧与电极上的周向面齿有效连接。

具体实施方式

下面借助于图2和图3来阐明用于引导压电力传感器1、尤其是压电测量垫片1的电信号的电连接。最简单的压电测量垫片1可以测量0与高于1000kN之间的沿一个空间方向(在这里是Fz)的力。在此，压电力传感器1具有至少一个压电本体11，该压电本体设置为与电极12在壳体中压力密封地焊接。电连接确保了，能够从壳体10之外取出电信号。从壳体10外面，联接缆线被联接到联接装置13上，测量信号由此可以被取出到具有电荷放大器的测量电子设备上。

因为在这里特别涉及压电力传感器1内部的电连接，所以为了清楚起见在这里所述至少一个压电本体11和壳体10未示出或仅以虚线示出，它们可以就像由现有技术已知的那样实施。压电力传感器1的联接装置13与壳体10一起构成围绕所述联接开口101的共同内腔，该内腔密封闭合。联接装置13不能分开地安置(优选焊接)在所述壳体10上。从外部没有给出到该内腔的入口，既不穿过壳体也不穿过联接装置13，联接装置的贯穿部130是密封的。

力传感器1的内部结构尤其可以这样地构建，就像图1中示出并描述的那样(除电极12与触点销之间的连接外)。在图2和图3中分别示出了具有电极本体120、具有或没有电极突出部120的电极12，其中，电极12处于壳体10中，就像图1中描述的那样。所述电连接呈能松脱的连接的形式设计在电极12或电极突出部120与触点销131之间。

触点销131是联接装置13的部件，该联接装置设置为联接于壳体10。触点销131实施为导电并且触点销131在背离壳体10的区段中被绝缘件132包套。因此能够实现电荷从电极12通过触点销131到联接装置13中的绝缘引导。在联接装置13上以及由此在壳体10外部可以简单地利用相应的插头或插座能松脱地联接适当的联接缆线，例如借助于螺旋螺纹。另一方面，联接缆线也可以分别固定或不能松脱地安置在所述联接装置13上，以传递所述测量信号。

为了提供电极12与触点销131之间的电连接以及由此提供使电信号、尤其是测量信号从电极12导出壳体10的线路，使用由导电材料制成的螺旋压力弹簧14，该螺旋压力弹簧以触点销侧的端部141固定在触点销131上，优选不能松脱地材料配合地固定、优选借助于焊接固定。该材料配合的连接作为弹簧固定部140布置在螺旋压力弹簧14的触点销侧的端部141上。螺旋压力弹簧14具有弹簧长度1并以不同方式与电极12接触。在此，螺旋压力弹簧14的电极侧的端部142分别能松脱地与电极12或与电极突出部121连接。电极12和触点销131彼此具有间距，该间距由螺旋压力弹簧14桥接。避免了触点销131触碰电极12。

通过经由螺旋压力弹簧14的该间隔开的且间接的连接，使触点销131与电极机械脱耦，这是因为螺旋压力弹簧14仅贴靠在电极12上，使得力不能从触点销131传输到电极12上。

通过选择螺旋压力弹簧14，可以沿所有三个空间方向x，y，z通过该螺旋压力弹簧14弹动地接收力。具有这种电连接的压电力传感器1的测量准确性被提高，因为几乎没有由于联接装置13的缆线连接而产生的干扰影响作用于所述电连接。

将这种电连接制造为压电力传感器1的结构的部件是不复杂的并且与现有技术相比显著更快并且尤其是能够没有污染。通过螺旋压力弹簧14与电极12或电极突出部121之间的插接连接，弹簧丝的和电极12的或电极突出部121的表面不被影响或弄脏。

在根据图2a的一种变型方案中，楔形地设计所述电极突出部121。所述电极突出部121必须至少部分地实施为楔形。所述螺旋压力弹簧14沿它的弹簧轴线A的方向插到电极突出部121上并且楔形部分插入到螺旋压力弹簧14的回旋圈直径中。在这里，示出两个回旋圈夹在电极突出部121上，但是也可以多于两个回旋圈产生该传导连接。重要的是，触点销131的端侧具有与电极突出部121的间距，使得可以充分利用弹簧作用。由于螺旋压力弹簧14在插入楔形部分时的扭转，弹簧丝紧贴围绕电极突出部121，其中，产生导电连接，该导电连接由于扭转应力而对压电力传感器1的测量操作而言是足够稳定的。电信号可以从电极12通过电极突出部121和螺旋压力弹簧14被传输直至触点销131。

为了使螺旋压力弹簧14从电极突出部121中不希望地滑出进一步变得困难，在根据图2b的变型方案中附加地在电极突出部121上设置倒钩1210。具有至少一个倒钩1210的设计方案造成电极突出部121和螺旋压力弹簧14的连接的不希望的分离几乎被禁止。在这里，两个回旋圈也围住电极突出部121的插入部分，由此产生用于压电力传感器1中的足够的能松脱的电连接。在这里，电极突出部121的插入部分也可以由多于两个的回旋圈包围，然而必须分别保证触点销131的端面与电极突出部121的足够的间距，以便实现弹簧作用。

在根据图2c的一种变型方案中，电极突出部121具有L形构型。电极突出部121的第一腿部1211从电极本体120伸出，优选径向从电极周向面伸出。第二腿部1212以大致90°角地沿z方向连接于第一腿部1211。第二腿部1212在这里实施得比第一腿部1211更短并插入到螺旋压力弹簧14的回旋圈之间。第二腿部1212在螺旋压力弹簧14的回旋圈之间触碰弹簧丝，由此借助于螺旋压力弹簧14实现了电极12与触点销131之间的导电的能松脱的连接。在这里，螺旋压力弹簧14也材料配合地与触点销131在弹簧固定部140上连接，由此建立了导电连接。为了第二腿部1212能够插入到回旋圈之间，螺旋压力弹簧14的弹簧轴线A在这里布置在如下这样的高度上，该高度大致延伸到电极12的厚度的中央。弹簧轴线A在这里也在y轴的高度上并沿着y轴延伸。沿z方向z，第一腿部1211设置为，从电极12的中央沿z方向偏移到电极12的侧面。通过电极突出部121的该L形设计方案，可以将第二腿部1212在这里从下方突出地插入到回旋圈之间。

在图2d中示出了电连接的一种变型方案，其中，电极突出部121阶梯形地设计并且其余结构相应于根据图2c的结构。在这里，第一腿部1211沿z方向成角度地也汇入到第二腿部1212中，然后接下来在朝y方向成角度的情况下实现到第三腿部1213中的过渡。第一腿部1211和第三腿部1213在这里取向为大致平行地延伸。第三腿部1213线性地沿y方向延伸地沿弹簧轴线A的方向部分地插入到所述螺旋压力弹簧14中。可选地，第三腿部1213可以构造成楔形或设有倒钩。然而，该面垂直于图平面延伸，由此在图2d中不能看出该面。转动90°地观察，图2d的腿部1213例如可以与图2b的电极突出部121的端部相同。

当螺旋压力弹簧14的弹簧轴线A应当相对于电极本体120的厚度大致中央地延伸，而电极突出部121布置在电极12的侧面附近时，于是需要电极突出部121的该阶梯形构型。

在图3a至3c中示出了用于建立电极12与触点销131之间的电连接的多个变型方案。在此，分别使用的、导电且不能松脱地与触点销131连接的螺旋压力弹簧14还没有与电极12接触并且电极12和触点销131相应地还没有导电地能松脱地连接。

在图3a中示出，如何能够将螺旋压力弹簧14直接挤压到电极周向面上并在压力下沿弹簧轴线方向能松脱地被固定。所述螺旋压力弹簧14与固定在其上的触点销131一起沿弹簧轴线方向、在这里沿y方向被挤压到电极12上并随后固定在该位置上。如果在运行中随后会出现触点销131与电极12之间的相对运动，那么所述螺旋压力弹簧14绝大部分地吸收(abfedern)该相对运动，由此几乎没有干扰力作用于电极12或压电本体。能得到的测量结果相应地被改善。螺旋压力弹簧14的电极侧的端部142伸入到壳体10中并直接接触电极周向面。

在一种变型方案中，钻孔123可以在这里呈盲孔123的形式布置在电极本体120中，螺旋压力弹簧14可以部分地插入到该钻孔中。这在图3b中示出。所述螺旋压力弹簧14的电极侧的端部142埋入所述钻孔123中，其中，所述螺旋压力弹簧14的长度l并且尤其是螺旋压力弹簧14的弹动部分这样大地选择，使得触点销131没有直接与电极周向面接触。

这也适用于根据图3c的变型方案，其中，周向面齿124布置在电极周向面上，螺旋压力弹簧14能够与这些周向面齿有效连接。在这里，在弹簧轴线沿y方向运动时通过螺旋压力弹簧14的一些回旋圈的插套，实现了螺旋压力弹簧14与被成形的或被固定的周向面齿124的能松脱的电连接。周向面齿124可以具有不同的形状并不同深度地插入到螺旋压力弹簧14的回旋圈之间。

如果联接装置13以及由此触点销131从外部沿三个空间方向中的一个空间方向被加载力，那么所述螺旋压力弹簧14很大程度地吸收这些力，使得没有或仅最小的力作用于电极12并可能地作用于压电本体11。

在制造压电力传感器1时，将螺旋压力弹簧14从壳体10外部引导穿过所述联接开口101并与电极12以各种方式有效连接，其中，建立了能松脱的导电连接。所述螺旋压力弹簧14在此被预紧地与电极12连接。在建立电极12与螺旋压力弹簧14之间的电连接时，触点销131保持与电极12间隔开。因此可以充分使用所述螺旋压力弹簧14的弹动作用。

触点销131和绝缘件132可以固定地布置在贯穿部130中，并在建立螺旋压力弹簧14与电极12之间的连接之后，联接装置13的贯穿部130可以固定、尤其是焊接在壳体10上。

但是也可行的是，在螺旋压力弹簧14、触点销131和绝缘件132部分地横越所述贯穿部130地被固定之前，将联接装置13的贯穿部130已经固定地与壳体10连接。

在所有变型方案中，在螺旋压力弹簧14的回旋圈的总数中，至少一个回旋圈在螺旋压力弹簧14的触点销侧的端部141上被推移超过触点销131，而一些回旋圈在电极侧的端部142的区域中是自由的且与触点销131间隔开。不位于触点销131的回旋圈可以吸收力。

只有能导电的材料被考虑作为用于螺旋压力弹簧14的材料。除了应不生锈的、优选已知的弹簧钢之外，可以使用镍合金或铜合金。

所述螺旋压力弹簧14可以实施为具有不变的回旋圈直径并构成圆柱形基本形状。但是，所述螺旋压力弹簧14也可以构型为圆锥形弹簧或截锥形螺旋压力弹簧，其具有减小的回旋圈直径或具有不同的区域，这些区域具有不同的回旋圈直径。弹簧丝的回旋圈的螺距可以不同地被选择并同样可以在螺旋压力弹簧14的长度l的走向中变化。

在这里，示例性描述的例如用于测量沿一个空间方向的力的简单的压电力传感器的电连接也可以被用于具有多于一个压电本体的压电力传感器。这类压电力传感器1允许利用一个压电力传感器来测量沿两个空间方向或更多空间方向的力，其中，也可以使用多于一个的电极。于是，每个电极12可以借助于在这里所阐释的电连接与触点销131能松脱地连接。

另一根据本发明的实施方式包括两个或更多个电极12，它们分别独立地以相同方式通过螺旋压力弹簧14与触点销131接触，使得能够将两个或更多个测量信号从力传感器1的联接装置13中导出。

附图标记列表

1压电力传感器/压电测量垫片

10壳体

100中央留空部

101联接开口

11压电本体(至少一个)

12电极(至少一个)

120电极本体

121电极突出部

1210倒钩

1211第一腿部

1212第二腿部

1213第三腿部

122连接片

123钻孔/盲孔

124周向面齿

13联接装置/例如插接插座或螺旋插座

130贯穿部

131触点销

132绝缘件

14螺旋压力弹簧

140弹簧固定部

141触点销侧的端部

142电极侧的端部

l螺旋压力弹簧的长度

A弹簧轴线

S焊接电极

Claims (15)

1.一种压电力传感器(1)，包括壳体(10)，所述壳体具有至少一个压电的本体(11)和与所述本体(11)电连接的电极(12)，其中，具有触点销(131)的联接装置(13)被固定或成形在所述壳体(10)上，以传递测量信号，其中，所述触点销(131)与所述电极(12)导电连接，其特征在于，作为所述压电力传感器(1)内部的电连接，螺旋压力弹簧(14)导电地与所述触点销(131)连接并且所述螺旋压力弹簧(14)能松脱地与所述电极(12)以如下方式导电地有效连接，即，所述触点销(131)具有与所述电极(12)的间距并且测量信号能够从所述电极(12)通过所述螺旋压力弹簧(14)和被联接的所述触点销(131)被导出所述压电力传感器(1)的所述壳体(10)并能够在所述联接装置(13)上被量取。

2.根据权利要求1所述的压电力传感器(1)，其中，所述螺旋压力弹簧(14)机械脱耦地贴靠在所述电极(12)上，使得力不能从所述触点销(131)传输到所述电极(12)上。

3.根据权利要求1或2所述的压电力传感器(1)，其中，所述电极(12)具有能导电的电极突出部(121)，所述电极突出部被插入地运动地触碰地固定到所述螺旋压力弹簧(14)的回旋圈之间。

4.根据权利要求3所述的压电力传感器(1)，其中，所述电极突出部(121)被至少部分地设计为楔形。

5.根据权利要求3或4所述的压电力传感器(1)，其中，所述电极突出部(121)具有至少一个倒钩(1210)。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的压电力传感器(1)，其中，所述电极突出部(121)具有L形构型，所述L形构型具有第一腿部(1211)和第二腿部(1212)，其中，所述第一腿部(1211)和所述第二腿部(1212)布置为沿z方向彼此成角度并且所述第二腿部(1212)突出地插入到所述螺旋压力弹簧(14)的回旋圈之间。

7.根据权利要求6所述的压电力传感器(1)，其中，所述第一腿部(1211)与第二腿部(1212)之间的角度为90°。

8.根据权利要求3至5中任一项所述的压电力传感器(1)，其中，所述电极突出部(121)具有阶梯形构型，所述阶梯形构型具有第一腿部(1211)、第二腿部(1212)和第三腿部(1213)，其中，第一腿部(1211)和第三腿部(1213)取向为平行延伸。

9.根据权利要求1或2所述的压电力传感器(1)，其中，所述螺旋压力弹簧(14)直接被预紧地按压地固定到电极周向面上。

10.根据权利要求1或2所述的压电力传感器(1)，其中，所述电极(12)具有横越电极周向面的钻孔(123)，所述螺旋压力弹簧(14)插入到所述钻孔中。

11.根据权利要求1或2所述的压电力传感器(1)，其中，所述电极(12)具有在电极周向面上的周向面齿(124)，所述螺旋压力弹簧(14)与所述周向面齿有效连接。

12.根据前述权利要求中任一项所述的压电力传感器(1)，其中，所述螺旋压力弹簧(14)材料配合地借助于弹簧固定部(140)不能松脱地固定在所述触点销(131)上。

13.根据前述权利要求中任一项所述的压电力传感器(1)，所述压电力传感器包括两个或更多个电极(12)，所述电极分别独立地以相同方式通过螺旋压力弹簧(14)与触点销(131)接触，使得能够将两个或更多个测量信号从所述联接装置(13)中导出。

14.根据前述权利要求中任一项所述的压电力传感器(1)，其中，所述联接装置(13)被设置用于在其上能松脱地安置联接缆线，例如借助于螺纹，以传递所述测量信号。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的压电力传感器(1)，其中，在所述联接装置(13)上不能松脱地安置联接缆线，以传递所述测量信号。