專利名稱：機(jī)電轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有通過經(jīng)印制導(dǎo)線應(yīng)變敏感厚膜電阻電氣連接形成的橋接電路的一種機(jī)電轉(zhuǎn)換器，在此厚膜電阻是直接布置在機(jī)械地應(yīng)受扭轉(zhuǎn)負(fù)荷的金屬構(gòu)件上的，并且位于應(yīng)受負(fù)荷構(gòu)件的對(duì)于彎矩為中性的線之外，在此在構(gòu)件扭轉(zhuǎn)時(shí)是可以量取與厚膜電阻應(yīng)變相應(yīng)的電信號(hào)的。
從還未公布的德國專利申請(qǐng)19814261.7中公開了一種此類的機(jī)電轉(zhuǎn)換器。在此轉(zhuǎn)換器上應(yīng)變敏感的厚膜電阻是直接布置在構(gòu)成為載體元件的軸上的。在此軸是受到扭轉(zhuǎn)形式的機(jī)械負(fù)荷的，在此通過無中間載體地布置在此軸上的電阻量取由此產(chǎn)生的面應(yīng)變。厚膜電阻在此是以電阻漿料形式的印刷技術(shù)涂敷在軸上的，并且在熱處理之后與此軸內(nèi)在地連接的。
這樣的轉(zhuǎn)矩傳感器以理想的方式只應(yīng)測(cè)量扭矩和補(bǔ)償彎矩以及拉力與壓力，即在彎矩，拉力與壓力的情況下應(yīng)在橋接電路上不輸出電信號(hào)。如果將橋接電路的厚膜電阻布置在軸的對(duì)于彎矩為無力區(qū)(對(duì)于彎矩為中性線)之外的話，則存在在彎矩情況下生成使傳感器信號(hào)失真的不受歡迎電橋信號(hào)的危險(xiǎn)。
因此本發(fā)明的任務(wù)在于，提供其中借助一個(gè)橋接電路量取電信號(hào)的一種機(jī)電轉(zhuǎn)換器，在此可靠地防止由于彎矩或拉力與壓力的電橋信號(hào)的生成。
按本發(fā)明如此解決此任務(wù)，橋接電路一個(gè)第一臂的至少各一個(gè)厚膜電阻，像橋接電路第二臂相對(duì)的厚膜電阻那樣，對(duì)于應(yīng)受負(fù)荷構(gòu)件的中性線具有相同距離和按絕對(duì)值相同角度。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)在于，在出現(xiàn)彎矩時(shí)厚膜電阻均勻地改變它們的電阻值，在連接成測(cè)量電橋時(shí)由此補(bǔ)償不受歡迎的信號(hào)。借助于厚膜電阻的彎曲補(bǔ)償布置實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
另可選擇地如此解決此任務(wù)，布置在一個(gè)橋臂中的厚膜電阻對(duì)于應(yīng)受負(fù)荷構(gòu)件的中性線具有相同距離和按絕對(duì)值相同角度。
在一種設(shè)計(jì)方案中，應(yīng)受負(fù)荷的構(gòu)件在它的表面上具有缺口，此缺口在構(gòu)件機(jī)械受力時(shí)在厚膜電阻位于其中的構(gòu)件表面的至少一個(gè)范圍中生成縱向和橫向應(yīng)變的按絕對(duì)值不相等的比例。
通過缺口沒有軸幾何形狀復(fù)雜改變地容易提高傳感器的信號(hào)性能。這樣的傳感器是適合于大量生產(chǎn)的，因?yàn)樗强梢再M(fèi)用和時(shí)間有利地制造的。由于缺口，作用在構(gòu)件上的機(jī)械應(yīng)力互相疊加，在此在主要方向(縱向，橫向)上的應(yīng)變具有不相等的絕對(duì)值，這使得傳感器信號(hào)性能的加強(qiáng)成為可能。
缺口是有利地構(gòu)成為構(gòu)件的通孔的。
在一種進(jìn)一步改進(jìn)中孔是構(gòu)成為長孔的，在此橋臂第一厚膜電阻是布置在長孔一個(gè)第一徑向范圍附近的，而第二橋臂的第一厚膜電阻是布置在長孔一個(gè)第二徑向范圍附近的，在此在布置在不同徑向范圍中的厚膜電阻之間進(jìn)行橋臂的信號(hào)量取。
由于這種連接一方面保證了，兩個(gè)在橋臂中互相對(duì)稱的厚膜電阻對(duì)于中性線具有相同距離，并且在彎矩影響下兩個(gè)橋臂的半橋電壓相同地改變。
兩個(gè)橋臂的厚膜電阻在徑向范圍中是布置在構(gòu)件縱向長度之上或之下時(shí)，實(shí)現(xiàn)厚膜電阻彎矩的可靠等同變化。
當(dāng)厚膜電阻是布置在由鋼或鋼合金制成構(gòu)件的平面構(gòu)成的表面上時(shí)，機(jī)電轉(zhuǎn)換器是可以特別簡單地制造的。由于在取消中間載體的條件下厚膜電阻是直接布置在機(jī)械的應(yīng)受負(fù)荷構(gòu)件上的，直接從此構(gòu)件量取應(yīng)檢測(cè)的機(jī)構(gòu)負(fù)荷不出現(xiàn)通過中間載體的信號(hào)失真。直接將厚膜電阻制作到應(yīng)受負(fù)荷的構(gòu)件上顯著地減少制造費(fèi)用。
為了減小電橋本身之內(nèi)的由制造決定的失調(diào)(零點(diǎn)偏移)，在每個(gè)橋臂中布置了其電阻值小于厚膜電阻電阻值的厚膜平衡電阻。橋接電路的這樣獲得的輸出信號(hào)使得連接在機(jī)電轉(zhuǎn)換器之后的放大器的高放大系數(shù)成為可能。同時(shí)在測(cè)量信號(hào)數(shù)字化情況下使得通過A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)高分辨率成為可能。
一個(gè)橋臂的厚膜平衡電阻像另一橋臂的厚膜平衡電阻那樣，對(duì)于構(gòu)件的中性線具有相同距離和按絕對(duì)值相同角度。因此甚至在平衡電阻上通過相應(yīng)的定位實(shí)現(xiàn)彎矩的補(bǔ)償。
用于電阻分級(jí)的厚膜平衡電阻有利地由在平衡時(shí)順序分離的并聯(lián)電阻帶制成。
進(jìn)行這樣的數(shù)字平衡，直到失調(diào)獲得最小所希望值時(shí)為止?；谶@種平衡方法保證輸出電信號(hào)的長期穩(wěn)定性。
為了盡可能均勻地形成絲網(wǎng)涂敷面和絲網(wǎng)印刷時(shí)的力的分布，橋接電路為了以絲網(wǎng)印刷技術(shù)的制造具有對(duì)稱的布線。在此對(duì)于所有應(yīng)印刷的厚膜電阻實(shí)現(xiàn)盡可能相同的電阻值，以便均衡厚膜電阻的膜厚。
為了改善電阻值的印刷精度，通過在構(gòu)件表面上布置盲導(dǎo)線和/或盲電阻實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格對(duì)稱的布局。
為了尤其采用機(jī)電轉(zhuǎn)換器于像汽車中轉(zhuǎn)向助力那樣的安全關(guān)鍵性的用途，在缺口之上布置了一個(gè)第一橋接電路，而在缺口之下布置了一個(gè)第二橋接電路。
本發(fā)明允許許多實(shí)施形式。借助于圖紙中表示的圖應(yīng)詳述其中之一。
所示的

圖1為按本發(fā)明厚膜轉(zhuǎn)矩傳感器的第一實(shí)施例，圖2為剖面圖中的厚膜電阻，圖3為橋接電路中的電壓分布，圖4為厚膜轉(zhuǎn)矩傳感器的第二實(shí)施例，圖5為平衡電路，圖6為具有平衡電阻的轉(zhuǎn)矩傳感器。
用相同的相關(guān)符號(hào)表征相同的特征。
圖1中表示了轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)中用的轉(zhuǎn)矩傳感器。在由鋼或鋼合金制成的和構(gòu)成為長方體形的扭轉(zhuǎn)受力的軸1上，布置了由等同構(gòu)造的應(yīng)變敏感厚膜電阻2至5組成的電阻電橋。厚膜電阻2至5是通過印制導(dǎo)線6至10電連接成電阻測(cè)量電橋的。
如從圖1中的俯視圖中可看出的那樣，軸1具有矩形表面10，在此沿軸1的縱向長度(Z方向)對(duì)中地構(gòu)成了完全貫通軸1的長孔11。長孔11在它的端部上具有徑向范圍12和13，在此長孔中在作用到軸1上的扭轉(zhuǎn)情況下，沿所示的中心線Z在軸1的表面10上出現(xiàn)不同絕對(duì)值的兩個(gè)主應(yīng)變，這些主應(yīng)變從各自厚膜電阻2至5的角度相當(dāng)于縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。
厚膜電阻2和3是在長孔11的徑向范圍12中，而厚膜電阻4和5是布置在長孔11的徑向范圍13中的。經(jīng)印制導(dǎo)線的布線走向來實(shí)現(xiàn)，電阻2和4形成一個(gè)橋臂，而電阻3和5形成第二橋臂。在此地線7引到電阻3和4上，并且供電電壓UB(導(dǎo)線6)是與電阻2和5連接的。如果軸1通過扭轉(zhuǎn)受力的話，在導(dǎo)線7或9上量取電阻測(cè)量電橋的應(yīng)變信號(hào)。
電阻電橋是以其整個(gè)范圍布置在直接支承在構(gòu)件1上的絕緣材料14上的。圖2中表示了通過應(yīng)變敏感電阻的剖面圖。
印制導(dǎo)線膜15位于絕緣材料14上。在印制導(dǎo)線的接頭之間布置了形成構(gòu)成為應(yīng)變片電阻2的電阻膜。僅不覆蓋接點(diǎn)面17的純化膜16形成密封，該接點(diǎn)面17用于電阻2電氣接點(diǎn)接通。
在厚膜工藝技術(shù)中將所述應(yīng)變片直接制作在載體1上。
為了建立絕緣材料14與構(gòu)件1的內(nèi)在連接將絕緣材料14以印刷技術(shù)借助于非導(dǎo)電漿料涂敷在軸1上。漿料在此含有比軸1的材料在更低溫度下可熔化的玻璃熔料。在涂敷漿料之后同樣以絲網(wǎng)印刷技術(shù)來涂敷形成印制導(dǎo)線膜15和接點(diǎn)面17的導(dǎo)電膜，在此導(dǎo)電膜上又布置了形成電阻的電阻膜。在約為750℃至900℃溫度下的高溫過程中熱處理如此準(zhǔn)備的軸1。玻璃膜在此與軸1的鋼表面燒結(jié)。在此燒結(jié)時(shí)在絕緣材料2和軸1之間形成保證軸1和絕緣材料14之間不可卸連接的氧化物搭接，由此實(shí)現(xiàn)兩者之間的強(qiáng)力內(nèi)在連接。
為了改善絲網(wǎng)印刷時(shí)的印刷精度，將盲電阻27和盲導(dǎo)線28裝入布線中，以便因此使應(yīng)變片在制作時(shí)的電阻偏差維持小。
如從圖1中可看出的那樣，電阻電橋是沿軸的軸線Z圍繞長孔11連接的。各個(gè)電阻2至5是針對(duì)X和Y軸線對(duì)于中性線成對(duì)地定位的。從彎矩方面為中性的線，在長方體形軸的這種簡單幾何形狀時(shí)在軸1的中心沿縱向尺寸Z分布。厚膜電阻3至4經(jīng)越它們到每個(gè)點(diǎn)上的平面的縱向長度，擁有對(duì)于中性線的近似相同距離和相同角度。同一的情況適用于雖然定位在另外地點(diǎn)上的，但是滿足上述同樣條件的厚膜電阻2和5。由于這種布置，厚膜電阻2和5或3和4在彎矩情況下等同地變化，由此經(jīng)橋接電路不接受由于彎曲的信號(hào)。
借助于圖3應(yīng)表明信號(hào)分布。每個(gè)橋臂2、4或3、5是既與供電電壓UB，也與地線連接的。在一個(gè)橋臂的厚膜電阻之間相對(duì)于地線是可量取半橋電壓UH24或UH53的。在兩個(gè)半橋電壓之間量取是轉(zhuǎn)矩傳感器輸出電壓的測(cè)量電壓Umess。在轉(zhuǎn)矩傳感器的與圖1相關(guān)聯(lián)中闡述的設(shè)計(jì)上，在橋接電路中互相對(duì)置的電阻3和4或2和5是各自對(duì)于垂直于中性線分布的軸線鏡面對(duì)稱布置的。它們對(duì)于中性線各自有同一距離和按絕對(duì)值同一角度。這促使，在軸1彎曲受力時(shí)半橋電壓UH24和UH53以相同絕對(duì)值和相同正負(fù)號(hào)變化。由于測(cè)量信號(hào)Umess是兩個(gè)半橋電壓UH24和UH53之間的電壓差，半橋電壓UH24和UH53的變化對(duì)測(cè)量信號(hào)Umess沒有影響。
從圖4中可獲悉橋接電路布線的一個(gè)另外的實(shí)例。第一橋臂的厚膜電阻2和4在此是靠近長孔11定位的，而第二橋臂的厚膜電阻3和5是以離長孔較大的距離布置的。通過印制導(dǎo)線6,7,8,9上的大量花費(fèi)在此實(shí)現(xiàn)對(duì)稱的布置。
如果人們從圖3角度觀察這種設(shè)計(jì)方案的應(yīng)力情況的話，第一橋臂的厚膜電阻2和4對(duì)于中性線則有按絕對(duì)值相同距離和相同角度。同一的情況適用于第二橋臂的厚膜電阻3和5。如果具有如此布置厚膜電阻2、3、4、5的軸1彎曲受力的話，不出現(xiàn)半橋電壓UH24和UH53的變化，以致于甚至在此布置上通過彎曲不影響測(cè)量信號(hào)Umess。
由于借助于絲網(wǎng)印刷方法的橋接電路的制造出現(xiàn)電橋信號(hào)的、尤其在小信號(hào)時(shí)有問題的失調(diào)，因?yàn)槭д{(diào)可能是有用信號(hào)的約1000％，并且因而通過后接的分析處理電子技術(shù)29僅有微小的分辨率是可能的。信號(hào)分析處理電路29在此同樣是布置在軸1的絕緣材料14上的。
為了實(shí)現(xiàn)高放大率，在電橋之內(nèi)經(jīng)激光微調(diào)的平衡電阻18、19減小厚膜應(yīng)變片電橋(Dickschicht-DMS-Brücke)的、限制制造的失調(diào)(零點(diǎn)偏移)。如從圖5中可獲悉的那樣，在每個(gè)橋臂中串聯(lián)于厚膜電阻地連接了一個(gè)平衡電阻18、19。因此平衡電阻18串聯(lián)于電阻2和4地位于第一橋臂中，而平衡電阻19是串聯(lián)于電阻3和5地連接在第二橋臂中的。這一點(diǎn)擁有的優(yōu)點(diǎn)在于，不微調(diào)厚膜電阻本身，因?yàn)橛捎谒鼈兊母唠娮柚颠@些厚膜電阻對(duì)測(cè)量信號(hào)施加較大影響，這惡化電橋的長期穩(wěn)定性。平衡電阻18、19具有比厚膜電阻顯著較小的電阻值，這些平衡電阻因而在激光微調(diào)之后可以不顯著地影響整個(gè)電橋的長期穩(wěn)定性。
在一種有利的改進(jìn)中平衡電阻18、19通過并聯(lián)的電阻帶既不是平面實(shí)施的，也不是條形實(shí)施的。
為了甚至在這些平衡電阻18、19上保證彎矩的補(bǔ)償，必須像厚膜電阻2至5那樣，以對(duì)于軸1的中性區(qū)(Z軸線)同一的距離和按絕對(duì)值相同的角度布置和連接平衡電阻。這一點(diǎn)可從圖6中清楚地獲悉，在那里在厚膜電阻2、3或4、5之間的平衡電阻18、19是圍繞構(gòu)成為鉆孔20的缺口布置的。
為了冗余地設(shè)計(jì)安全關(guān)鍵性用途用的轉(zhuǎn)矩傳感器，除了由電阻2至5組成的，布置在孔20之上的測(cè)量電橋之外，等同構(gòu)造的第二測(cè)量電橋可以是布置在鉆孔20之下的，此測(cè)量電橋具有電阻21至24，并且在中性線方面對(duì)于彎曲滿足像所述電阻測(cè)量電橋那樣的同等條件。
權(quán)利要求
1．具有通過借助于印制導(dǎo)線將應(yīng)變敏感厚膜電阻電連接形成的橋接電路的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其中厚膜電阻是直接布置在機(jī)械地受扭轉(zhuǎn)負(fù)荷金屬構(gòu)件上的，并且分布在金屬構(gòu)件的對(duì)于彎矩為中性線的長度方向之外，其中在構(gòu)件扭轉(zhuǎn)時(shí)是可以量取與厚膜電阻應(yīng)變相應(yīng)的電信號(hào)，其特征在于，橋接電路一個(gè)臂的至少各一個(gè)厚膜電阻(2；4)像橋接電路第二臂中對(duì)稱的厚膜電阻(3；5)那樣，對(duì)于應(yīng)受負(fù)荷構(gòu)件(1)的中性線(Z軸線)具有相同距離和按絕對(duì)值相同角度。
2．具有通過借助于印制導(dǎo)線將應(yīng)變敏感厚膜電阻電連接形成的橋接電路的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其中厚膜電阻是直接布置在機(jī)械地受扭轉(zhuǎn)負(fù)荷金屬構(gòu)件上的，并且分布在金屬構(gòu)件的對(duì)于彎矩為中性線的長度方向之外，其中在構(gòu)件扭轉(zhuǎn)時(shí)是可以量取與厚膜電阻應(yīng)變相應(yīng)的電信號(hào)，其特征在于，布置在橋臂中的厚膜電阻(2,4；5,3)對(duì)于中性線(Z軸線)具有相同距離和按絕對(duì)值相同角度。
3．按權(quán)利要求1或2的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，應(yīng)受負(fù)荷構(gòu)件(1)在它的表面上具有缺口(11)，在構(gòu)件(1)的機(jī)構(gòu)受力時(shí)在構(gòu)件表面的，厚膜電阻(2,3,4,5)定位于其中的至少一個(gè)范圍(12,13)中，缺口生成縱向和橫向應(yīng)變的按絕對(duì)值不相同的比例。
4．按權(quán)利要求3的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，缺口(11)是設(shè)計(jì)為構(gòu)件(1)的通孔。
5．按權(quán)利要求4的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，孔(11)是設(shè)計(jì)為長孔的，在此一個(gè)橋臂(3,5)的一個(gè)第一厚膜電阻(3)是布置在長孔(11)的一個(gè)第一徑向范圍(12)附近的，而橋臂(3,5)的第二厚膜電阻(5)是布置在長孔(11)的一個(gè)第二徑向范圍(13)附近的，在此在布置在不同徑向范圍(12,13)中的厚膜電阻(3,5)之間進(jìn)行電橋(2,4；3,5)的信號(hào)量取。
6．按權(quán)利要求5的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，兩個(gè)橋臂(2,4；3,5)的厚膜電阻(2,3,4,5)是布置在長孔(11)之上或之下的徑向范圍(12,13)中的。
7．按權(quán)利要求6的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，厚膜電阻(2,3,4,5)是布置在由鋼或鋼合金制作構(gòu)件(1)的平面構(gòu)成表面上的。
8．按以上權(quán)利要求之一的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，在每個(gè)橋臂(2,5；3,4)中布置了其電阻值小于厚膜電阻(2,3,4,5)電阻值的一個(gè)厚膜平衡電阻(18,19)。
9．按權(quán)利要求8的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，兩個(gè)橋臂(2,4；3,5)的厚膜平衡電阻(18,19)對(duì)于構(gòu)件(1)的中性線(Z軸線)擁有相同的距離。
10．按權(quán)利要求8或9的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，用于電阻分級(jí)的厚膜平衡電阻(18,19)由在平衡時(shí)順序分離的并聯(lián)電阻帶組成。
11．按權(quán)利要求8,9或10的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，為了以絲網(wǎng)印刷技術(shù)的制造，橋接電路(2,4；3,5)具有對(duì)稱的布局。
12．按權(quán)利要求11的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，對(duì)稱布局是通過布置盲導(dǎo)線(28)和/或盲電阻(27)實(shí)現(xiàn)的。
13．按以上權(quán)利要求之一的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，一個(gè)第一橋接電路(2,4；3,5)是布置在缺口(20)之上的，而一個(gè)第二橋接電路(21,26；22,24)是布置在缺口(20)之下的。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有通過經(jīng)印制導(dǎo)線將應(yīng)變敏感厚膜電阻電連接形成的橋接電路的一種機(jī)電轉(zhuǎn)換器,在此厚膜電阻是直接布置在機(jī)械地應(yīng)受扭轉(zhuǎn)負(fù)荷金屬構(gòu)件上的,并且位于應(yīng)受負(fù)荷構(gòu)件的對(duì)于彎矩為中性的線之外,在此在構(gòu)件扭轉(zhuǎn)時(shí)是可以量取與厚膜電阻應(yīng)變相應(yīng)的電信號(hào)的。在機(jī)電轉(zhuǎn)換器上,在其上借助于橋接電路量取電信號(hào),和在其上可靠地防止由于彎矩或拉與壓力的電橋信號(hào)的產(chǎn)生,橋接電路一個(gè)臂的至少各一個(gè)厚膜電阻(2;4)像橋接電路第二橋臂中的對(duì)稱的厚膜電阻(3;5)那樣,對(duì)于應(yīng)受負(fù)荷構(gòu)件(1)的中性線(Z軸線)具有相同的距離和按絕對(duì)值相同的角度。
文檔編號(hào)G01L3/10GK1319180SQ99811230
公開日2001年10月24日 申請(qǐng)日期1999年9月15日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月23日
發(fā)明者J·伊利安, A·謝菲爾特, B·蒂策爾, K·維貝爾 申請(qǐng)人:曼內(nèi)斯曼Vdo股份公司