具体实施方式

本发明的各种实施例的目的在于提供一种二维力传感器，其能够独立地测量两个不同方向上的力，而没有任何显著的串扰，例如，这两个不同方向彼此垂直(90°)。在各种实施例中，这一特征通过以下方式来获得：安装彼此垂直的两个弹性结构H1、H2，以及使感应力Fx、Fy(测量探头P)的位置与弹性结构H1、H2两者精确地成直线。弹性结构H1、H2的形变可以利用各种各样的换能器(例如利用应变计)来测量。在各种实施例中，两个弹性结构H1、H2彼此垂直安装。这可以利用在弹性结构H1、H2之间的单独的连接元件C来完成。可替代地，弹性结构H1、H2可以由以90°角度弯曲的一块板制成。有利地，两个弹性结构H1、H2以如下方式被安装，使得两个弹性结构H1、H2将互相交叉的位置可用于放置测量探头P，在测量探头P处可以感应要测量的力Fx、Fy。有利地，由臂A形成的延伸设备将测量探头P定位在与两个弹性结构H1、H2成直线的位置处。在一个实施例中，臂A的长度约为2cm。

当在测量探头P上、在X方向上感应力Fx时，弹性结构H2在推/拉方向上负荷并且没有动量，因此弹性结构H2在Y方向上没有形变。当在X方向上感应力Fx时，弹性结构H1在单纯的弯曲方向上负荷并且将在X方向上形变。当由于弹性结构H1的弯曲而引起的X方向上的形变相对小时，Y方向上的形变被限制为所谓的余弦误差，并且是可以忽略的。

当在测量探头P上、在Y方向上感应力Fy时，弹性结构H1在推/拉方向上负荷并且没有动量，因此弹性结构H1在X方向上没有形变。当在Y方向上感应力Fy时，弹性结构H2负荷有动量和力。依赖于弹性结构H2的执行，将会有弹性结构H2中的单弯曲或双弯曲，从而创建Y方向上的形变。当由于弹性结构H2的弯曲而引起的X方向上的形变相对小时，弹性结构H2在X方向上的形变被限制为所谓的余弦误差，并且是可以忽略的。

弹性结构H1、H2在几何结构上简单，这实现了弹性结构H1、H2可以由各种材料制成，该各种材料例如为高强度钢，但是当其满足某些特性时，每种材料都是可能的。

·当传感器被用于各种定向或被用在动态环境中时，材料的弹性系数与传感器的质量之间的比率(材料比质量)应具有最小值，使得重量或惯性质量使弹性结构H1、H2在传感器的期望准确性的限制内形变。

·材料形变中的滞后现象应在传感器的期望准确性的限制内。

·材料的屈服强度应在传感器的最大负荷的限制内，从而不会导致弹性结构H1、H2的塑性形变。

上述限制通常导致优选工程材料，像钢、铝以及复合材料。合适的材料似乎是0.6毫米或更优选地0.8毫米的不锈钢。然而，合适的塑性材料可以可替代地被用于弹性结构H1、H2。

可以使用不同的换能器，从而将铰链形变转换成电信号。最直接的方式是通过弹性结构H1、H2上的应变计来测量在弹性结构H1、H2中的应变。形变还可以通过测量弹性结构H1、H2的位置的改变来测量，或通过利用(非接触式)测量方法测量测量探头P的位置中的改变来测量，(非接触式)测量方法像是线性可变差动变压器(LVDT)、光学距离传感器、霍尔传感器、涡流或电容传感器。当测量测量探头P的位置改变时，需要确保臂A足够坚硬，使得由于不对称负荷而产生的串扰在期望传感器准确性的限制内。

各种实施例提供如下优点：

·由于传感器可以由薄的材料制成，重量是低的。如果传感器被用于多个定向，传感器的重量起很小作用。

·传感器可以由薄的材料制成。如果传感器被用于动态情况，传感器的惯性起很小作用，并且可以更容易被补偿。

·传感器的材料不再限于易于钻孔或研磨的材料，如剪切型负荷传感器单元所需要的材料，在剪切型负荷传感器单元中钻孔，并且材料从剪切型负荷传感器单元中被去除，以创建允许剪切型负荷传感器单元形变的铰链。可以选择像钢的高强度材料，从而导致鲁棒的设计，当施加高负荷时，在负荷下不会导致塑性形变。

·由惯性质量引起的力较低，这是由于传感器的质量较低，尤其是与高强度材料组合。由较低的惯性质量引起的较低的力对于高强度材料有较小的(损坏)影响。由于高强度材料允许弹性结构H1、H2中更大的偏转，更容易限制冲程，从而防止塑性形变。

·传感器由薄板构建，从而不会消耗很多空间。其适合较小的体积。

·作为简单构造的结果，传感器实质上是廉价解决方案，其可以有利地被用于毛发造型或分析设备中。

在附图中，图1A、图1B示出了二维力传感器的基本执行，其中在静止位置中，臂A确保测量探头P被直线定位在弹性板H1、H2的虚拟交叉点处。连接部分C存在于弹性板H1、H2之间。

图2的视图示出了探头P的测量位置(即，在该测量位置处，力Fx、Fy作用于测量探头上)可以在弹性板H1、H2上方，借助于此，这些力Fx、Fy被测量。

图3图示了一个实施例，其中借助于测量探头P上的磁体M以及邻近于磁体M的霍尔效应传感器HS，测量探头的运动以及因此力Fx、Fy被测量。

图4图示了一种配置，其中应变计S1、S2安装(例如胶合)在弹性板H1、H2上。

图5图示了一个实施例，其中材料从弹性板H1、H2被去除，以创建良好限定的弯曲区域。

图6A、图6B图示了：弹性板H1、H2可以很好地作为单个板的一部分，该单个板(在连接区域C中)被适当弯曲，以留出用于测量探头P的空间。

图7示出了：臂A也可以是适当弯曲的该单个板的一部分。如果使用应变计来测量力，具有不比弹性板H1、H2更加刚性的臂A即可。

图8示出了一个实施例，其中在臂A中，单个板被弯曲以形成加强肋SR，以确保臂A足够坚硬，使得当施加力时臂A难以弯曲，使得力的测量不被干扰。在换能器被放置于测量探头P上的情况下，例如当霍尔传感器HS被用于测量力时(如图3中所示)，这是期望的。图6B示出了用以获得相对坚硬的臂A的替代方式，该臂A与包括第一弹性板H1和第二弹性板H2的板分离。加强肋SR可以以与通过使板弯曲不同的方式来获得，例如，通过浇铸或挤出成型来获得。

图1B、图6A、图6B、图7和图8的实施例提供了如下优点：法向力和摩擦力现在可以利用单个负荷传感器单元、而不是两个不同负荷传感器单元的组件来测量。

如果需要，可以应用冲程限制保护措施，从而防止在过负荷情况下弹性板H1、H2的塑性形变。

因此本发明的各种实施例提供了具有最小数量的部件的负荷传感器单元，该负荷传感器单元测量法向力和摩擦力两者，而不会交叉影响测量，并且允许在一次测量之后计算样本的摩擦系数。通过使用平弯曲板，实现了良好的强度与硬度比率。与剪切型负荷传感器单元的组件相比较，传感器组件的质量的减少已经改进了传感器挺过由于落到硬表面上而引起的冲击力的能力。测量探头在两个负荷传感器单元叶片H1、H2的虚拟横截面点中的定位避免了法向力和摩擦力的交叉干扰。可以使用大规模生产技术(像激光切割或冲压)来生产负荷传感器单元，其中剪切负荷传感器单元经常要求手动调谐。

本发明的一个关键特征是能够利用一个传感器测量法向力Fn以及摩擦力Ff，并且因此能够利用单个探头和传感器计算摩擦系数μ＝Ff/Fn。在利用仅一个探头测量摩擦系数的任何地方，可以使用本发明。例如，在毛发或皮肤的摩擦系数必须被测量的建议中。在其他行业中，对于检测表面光洁度或磨损的改变可能是有用的。

图9用图解法示出了二维力传感器，其中第一和第二弹性结构是包括弯曲区域BZ1、BZ2的梁H1、H2。应变测量单元90可以被提供在弯曲区域中。梁H1和H2的中性轴借助于虚线来图示，它们在假想的横截面点处交叉。这是测量探头P位于的位置。

应注意的是，上述实施例说明而不是限制本发明，并且本领域的技术人员将能够设计许多可替代的实施例，而不脱离所附权利要求的范围。第一和第二方向不需要互相垂直；例如，它们可以互相成45°或135°。在权利要求中，被放置在括号之间的任何参考符号不应被解释为对权利要求的限制。词语“包括”不排除权利要求中所列出的那些元件之外的元件的存在。元件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件来实施。在列举若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干装置可以通过同一个硬件项来体现。可以有利地组合使用在相互不同的从属权利要求中记载的措施。