分量传感器和使用该分量传感器的多分量传感器和该多分量传感器的应用制造技术

本发明专利技术涉及一种用于感测力矩分量(Mx，My，Mz)的分量传感器(20)；其中，由压电晶体材料制成的元件(21)具有元件表面；其中，力分量(Fx，Fy，Fz)在元件表面上产生极化电荷；并且其中，待感测的力矩分量(Mx，My，Mz)包括至少一个对的力分量(+Fx，‑Fx；+Fy，‑Fy；+Fz，‑Fz)，所述对的力分量(+Fx，‑Fx；+Fy，‑Fy；+Fz，‑Fz)具有相同的作用轴线和相反的作用方向。分量传感器(20)分开地感测一对中的力分量(+Fx，‑Fx；+Fy，‑Fy；+Fz，‑Fz)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】分量传感器和使用该分量传感器的多分量传感器和该多分量传感器的应用
本专利技术涉及一种基于压电晶体材料、用于感测力矩分量的分量传感器。本专利技术还涉及一种在使用这种分量传感器的情况下用于感测多个力分量和力矩分量的多分量传感器。本专利技术还涉及这种多分量传感器的应用。
技术介绍
压力传感器或力传感器被用于许多应用中。这种传感器常常要面对不同的力和力矩。例如，在生产流程中、尤其是在铣、刨等过程中对切削力的测量，其中，平移运动是在施加力的条件下进行。根据应用的不同，同时有多个力和力矩的分量被记录在具有三个坐标轴X、Y和Z的笛卡尔坐标系中。已知的压力或力传感器是基于压电晶体材料或应变仪(DMS)工作的。在压电晶体材料的情况下，感知元件和传感元件相结合，而DMS仅是感知元件并且该感知元件必须与单独的传感元件连接成DMS系统。这在功能上有很大的差异。压电晶体材料的刚性以及测量准确性、固有频率、过载能力通常要比DMS系统高一个数量级。使用压电晶体材料的传感器的结构尺寸也要比同比的采用DMS系统的传感器小30倍。最后，压电晶体材料的动态测量范围要大得多，因此这样一个具有压电晶体材料的传感器能够覆盖多个采用DMS系统的传感器的动态测量范围。出于这些原因，本专利技术提出一种基于压电晶体材料的多分量传感器。专利文献CH472668A公开了一种基于压电晶体材料的、可同时感测三个力分量的三分量传感器。该三分量传感器的结构设计在根据本专利技术的图1中被详细示出。以箭头示出的力F通过由压电晶体材料制成的圆盘形元件21来感测。由力F在元件21的元件表面上所产生的负极化电荷以“-”表示，由力F在元件21的元件表面上所产生的正极化电荷以“+”表示。分量传感器20具有用于接收正极化电荷的感测电极22和用于接收负极化电荷的电极23。感测电极22提供输出信号，该输出信号与所感测的力分量大小成比例。电极23接地。各自具有两个元件21的三个分量传感器20沿着Z坐标轴上下堆叠并构成组200，并同时、直接地感测三个力分量Fx、Fy和Fz。目前，在自动化技术中并且特别是在机器人技术中，在类人机器人中或作为手腕感应器，长期以来都需要在所有三个笛卡尔坐标系中检测力和力矩。专利文献CH502590A对此公开了一种六分量传感器，用于检测力和力矩的多个分量。四个相同的基于压电晶体材料的三分量传感器在X-Y平面中彼此间隔地设置在一矩形中。这四个三分量传感器具有从专利文献CH472668A所知的一样的结构。该矩形的边长比三分量传感器的直径大许多倍。由此，三个力分量被三分量传感器同时且直接地感测，接着通过矢量计算从所感测到的力分量和三分量传感器的互相间隔来计算确定三个另外的力矩分量。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于提出一种基于压电晶体材料的并用于感测力矩分量的分量传感器。本专利技术的另一目的在于一种在使用这种分量传感器的情况下用于感测多个力分量和力矩分量的多分量传感器，该多分量传感器的结构尺寸应该尽可能得小。该分量传感器和多分量传感器应该被结构稳定地构造并且生产成本低廉。至少一个上述目的通过独立权利要求的特征来实现。本专利技术涉及一种用于感测力矩分量的分量传感器，其中，由压电晶体材料制成的元件具有元件表面，力分量在元件表面上产生极化电荷，并且待感测的力矩分量由至少一个对的力分量组成，一对的力分量具有相同的作用轴线和相反的作用方向。分量传感器分开地感测一对的力分量。令人惊讶地发现：如果一对的力分量被分开地感测，则利用由压电晶体材料制成的元件可以直接感测力矩分量。为此，元件可由多个元件段组成，从而由每个元件段感测力分量对中的一个力分量。元件段由缝隙彼此间隔开。或者用于接收极化电荷的感测电极可以由多个感测电极段组成，从而使得每个感测电极段均接收力分量对中的一个力分量的极化电荷。感测电极段也彼此间隔开。在第一种优选的实施方式中，具有相反的极化方向的元件段被并排地设置为，相对于力矩分量的一力分量对的相反的作用方向定向，使得每个元件段都感测该力分量对中的一个力分量。在另一种优选的实施方式中，感测电极段被设置在元件的不同元件侧上，在此元件被设置为，其极化方向相对于力矩分量的一个力分量对的相反的作用方向定向，使得该对力分量在元件表面上产生极化电荷并且每个感测电极段从该对的一个力分量接收极化电荷。分量传感器需要相对较小的结构尺寸，被结构稳定地构成并且生产成本低廉。本专利技术还涉及一种使用这种分量传感器的多分量传感器以及这种多分量传感器的应用。附图说明下面参照附图对本专利技术做示例性的详细说明。其中：图1为根据现有技术的三分量传感器的结构示意图；图2为根据图1的已知的用于剪切效应的分量传感器在感测力矩分量时的局部示意图；图3为根据图1的已知的用于纵向效应的分量传感器在感测力矩分量时的局部示意图；图4为根据本专利技术的用于剪切效应的分量传感器的第一种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；图5为根据本专利技术的用于剪切效应的分量传感器的第二种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；图6为根据本专利技术的用于剪切效应的分量传感器的第三种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；图7为根据本专利技术的用于剪切效应的分量传感器的第四种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；图8为根据本专利技术的用于纵向效应的分量传感器的第一种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；图9为根据本专利技术的用于纵向效应的分量传感器的第二种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；图10为根据本专利技术的用于纵向效应的分量传感器的第三种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；图11为根据本专利技术的用于纵向效应的分量传感器的第四种实施方式在感测力矩分量时的局部示意图；图12为根据本专利技术一种实施方式的使用如图4、图5、图8和图9所示分量传感器的多分量传感器的结构剖视图；图13为根据图12的多分量传感器的视图；图14为根据图12的多分量传感器的结构分解图；图15为根据图12的多分量传感器的组成部分的透视图；和图16为根据图12至图14的多分量传感器的一种应用的视图。具体实施方式通过直接压电效应产生的极化电荷与作用在压电晶体上的力F的大小成比例。在G.Gautschi的书“PiezoelectricSensors”(Springer出版社出版)中描述了例如石英(SiO2单晶体)、钙酸镓锶(Ca3Ga2Ge4O14或CGG)、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14或LGS)、电气石、正磷酸镓等压电晶体。压电晶体材料被切割成具有结晶学取向的元件表面的元件，使其对于待感测的力F有高度灵敏性，即，在元件表面上会产生大量负极化电荷和正极化电荷。基于待感测的力F的笛卡尔坐标系，高灵敏性的坐标轴被表示为极化方向P。在图1至图11中，极化方向P从具有负极化电荷的元件表面指向具有正极化电荷的元件表面。力F具有力分量Fx、Fy、Fz，在此，下标x、y、z代表元件表面，力分量Fx、Fy、Fz作用在该元件表面上。力F在此作为法向力或者剪切力作用于元件表面。法向力沿着平行于元件表面的表面法线的作用轴线起作用。剪切力沿着垂直于元件表面的表面法线的作用轴线起作用。对于直接压电效应而言，这意味着在纵向效应与剪切效应之间是不同的。在纵向效应中，极化电荷产生于表面法线平行于法向力的作用轴线的元件表面。在剪切效应中，极化电荷产生于表面法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于感测力矩分量(Mx，My，Mz)的分量传感器(20)；其中，由压电晶体材料制成的元件(21)具有元件表面；其中，力分量(Fx，Fy，Fz)在所述元件表面上产生极化电荷；并且其中，待感测的力矩分量(Mx，My，Mz)包括至少一个对的力分量(+Fx，‑Fx；+Fy，‑Fy；+Fz，‑Fz)，所述对的力分量(+Fx，‑Fx；+Fy，‑Fy；+Fz，‑Fz)具有相同的作用轴线和相反的作用方向；其特征在于，所述分量传感器(20)分开地感测所述对的力分量(+Fx，‑Fx；+Fy，‑Fy；+Fz，‑Fz)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.05 CH 00805/151.一种用于感测力矩分量(Mx，My，Mz)的分量传感器(20)；其中，由压电晶体材料制成的元件(21)具有元件表面；其中，力分量(Fx，Fy，Fz)在所述元件表面上产生极化电荷；并且其中，待感测的力矩分量(Mx，My，Mz)包括至少一个对的力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy；+Fz，-Fz)，所述对的力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy；+Fz，-Fz)具有相同的作用轴线和相反的作用方向；其特征在于，所述分量传感器(20)分开地感测所述对的力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy；+Fz，-Fz)。2.根据权利要求1所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述元件(21)由元件段(21a，21b)组成；所述元件段(21a，21b)被设置为，以相反的极化方向(P)相对于一对的力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy；+Fz，-Fz)的相反的作用方向定向，使得第一元件段(21a)感测该对的第一力分量(+Fx，+Fy，+Fz)；并且第二元件段(21b)感测该对的第二力分量(-Fx，-Fy，-Fz)。3.根据权利要求2所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述对的力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy；+Fz，-Fz)或者是法向力分量(+Fz，-Fz)，或者是剪切力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy)；所述元件段(21a，21b)设置在垂直于所述法向力分量(+Fz，-Fz)的作用轴线的平面中，或者设置在所述剪切力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy)的作用轴线的平面中；并且所述元件段(21a，21b)感测对的法向力分量(+Fz，-Fz)的纵向效应，或所述元件段(21a，21b)感测对的剪切力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy)的剪切效应。4.根据权利要求3所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述元件(21)由两个元件段(21a，21b)组成，所述元件段(21a，21b)在所述剪切力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy)的作用轴线的平面中通过间隙彼此间隔开。5.根据权利要求4所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述元件(21)具有两个元件侧；所述元件段(21a，21b)是圆盘形的或环形的；并且感测电极(22)被单侧地设置在所述元件段(21a，21b)上。6.根据权利要求1所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述元件(21)具有两个元件侧；感测电极(22)由多个感测电极段(22a，22b)组成；所述感测电极段(22a，22b)两侧地设置在所述元件(21)的元件表面上；并且所述元件(21)被设置为，其极化方向(P)朝向力分量(+Fx，-Fx，+Fy，-Fy，+Fz，-Fz)的相反的作用方向定向，使得第一感测电极段(22a)接收由该对的第一力分量(+Fx，+Fy，+Fz)产生的极化电荷；并且第二感测电极段(22b)接收由该对的第二力分量(-Fx，-Fy，-Fz)产生的极化电荷。7.根据权利要求6所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述对的力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy；+Fz，-Fz)或者是法向力分量(+Fz，-Fz)，或者是剪切力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy)；所述感测电极段(22a，22b)设置在垂直于所述法向力分量(+Fz，-Fz)的作用轴线的平面中，或设置在所述剪切力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy)的作用轴线的平面中；并且所述感测电极段(22a，22b)接收源自对的法向力分量(+Fz，-Fz)的纵向效应的极化电荷，或者所述感测电极段(22a，22b)接收源自对的剪切力分量(+Fx，-Fx；+Fy，-Fy)的剪切效应的极化电荷。8.根据权利要求7所述的分量传感器(20)，其特征在于，所述电极(23)由两个圆盘形的或环形的电极段(23a，23b)组成；并且所述电极(23a，23b)两侧地设置在所述元件(21)的元件表面上。9.根据权利要求8所述的分量传感器(20)，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·富雷尔，丹尼斯·科勒，克劳迪奥·卡瓦洛尼，
申请(专利权)人：基斯特勒控股公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH