DE10040069A1 - Dehnungssensor und damit erstellter Drehwinkelgeber - Google Patents

Abstract

Um das teure Aufbringen einer Dünnfilm-Struktur im Hochvakuum auf einer Trägerfolie als Dehnungsmeßstreifen und dessen unzuverlässiges Verkleben mit einem Meßelement, insbesondere in Form eines Biegebalkens oder einer Druckmembran, vermeiden zu können, wird die mäandrische Leiterbahnenstruktur direkt aus einer entsprechend vorgestanzten elektrisch leitenden Folie im Stempel-Heißprägeverfahren in die thermoplastische Oberfläche des Stellelementes eingeschmolzen. Die vom Drehwinkel eines Stellmotors abhängige Auslenkung des frei ausbiegbaren Stirnendes eines einseitig eingespannten Biegebalkens erbringt einen preiswerten, aber zuverlässigen Drehwinkelgeber.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dehnungssensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und einen damit erstellten Drehwinkelgeber.

Beim gattungsgemäßen Dehnungssensor handelsüblicher Bauart ist zur indirekten Druck­ messung üblicherweise wenigstens ein Dünnfilm-Dehnungsmeßstreifen auf ein metalli­ sches Meßelement etwa in Form eines Biegebalkens oder einer Druckmembran appliziert. Der Dehnungsmeßstreifen besteht gewöhnlich aus einer Trägerfolie, auf die im Hochvaku­ um eine extrem dünne mäandrische Leiterbahnenstruktur aufgedampft ist. Die Applikation dieser so beschichteten Trägerfolie auf das Meßelement erfolgt mittels einer auch als zu­ sätzliche elektrische Isolierung ausgelegten Kleberschicht. Für die dehnungsabhängige Widerstandsmessung wird der Dehnungsmeßstreifen in eine Widerstands-Brückenschal­ tung aufgenommen. Vorzugsweise werden vier gleichzeitig aber paarweise gegensinnig beanspruchte Meßstreifen in Brücke geschaltet.

Zwar ist durch das Aufdampfen auf die Trägerfolie, die dann ihrerseits erst auf das Meße­ lement aufgebracht wird, der in der Hochvakuumkammer verfügbare Raum besser nutzbar, als wenn das Aufdampfen direkt auf das entsprechend zu präparierende großvolumigere Meßelement erfolgen würde. Aber dieser Hochvakuumprozeß ist verfahrenstechnisch sehr aufwendig; und die dann herzustellende Klebeverbindung stellt technologisch einen erheb­ lichen Unsicherheitsfaktor dar, weil bei einer solchen Verbindung die Dauerstandfestigkeit - schon aufgrund unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens der starr mitein­ ander zu verklebenden Materialien - und die Temperaturbeständigkeit nicht zuverlässig vorhersagbar sind und dadurch bedingtes Kriechverhalten zu erheblichen aber nicht ohne weiteres erkennbaren Meßfehlern führen kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Sensor gattungsgemäßer Art un­ ter Anwendung preiswerterer Technologien funktionszuverlässiger auszulegen und damit z. B. einen über lange Standzeiten präzise arbeitenden Drehwinkelgeber zu gestalten.

Diese technisch-wirtschaftlichen Anforderungen sind erfindungsgemäß durch die Lösun­ gen gemäß den in den Hauptansprüchen genannten Merkmalen erfüllt. Danach wird auf die technologisch sehr aufwendige Hochvakuumtechnik zum Aufdampfen der mäandrischen Struktur des Widerstandsleiters auf einen später eigens noch mit dem Meßelement zu ver­ klebenden Träger ganz verzichtet und statt dessen auf die als solche gut beherrschbare Technologie der in unserer DE-OS 198 40 665 als MID näher beschriebenen moulded injection devices zurückgegriffen, nämlich auf das Aufbringen einer vorgefertigten mä­ andrischen Leiterbahnenstruktur im Heißprägeverfahren direkt auf die wenigstens in die­ sem Bereich thermoplastische Oberfläche des Meßelementes.

Wenn das so mit dem Dehnungsmeßstreifen ausgerüstete Meßelement ein - vorzugsweise über einen mittigen Teil seiner Länge geschlitzter - einseitig eingespannter und auf Bie­ gung beanspruchter Balken ist, dann ist damit ein preiswerter Drehwinkelgeber für einfa­ che Steuerungs- und Regelungsaufgaben wie etwa in Zusammenhang mit der Verstellung von Strömungsklappen in der Kraftfahrzeugklimatisierung erstellbar, indem das rotierende Antriebselement - beispielsweise gemäß unserer älteren Patentanmeldung 1 00 04 795.5 "Motorisch betätigbare Klappe, insbesondere zur Beeinflussung des Querschnittes eines Fluid-Kanales" - über einen Exzenter oder über ein Schneckengetriebe auf den Biegebal­ ken einwirkt.

Um das teure Aufbringen einer Dünnfilm-Struktur im Hochvakuum auf eine Trägerfolie als Dehnungsmeßstreifen und dessen zwangsläufig unzuverlässiges Verkleben mit einem Meßelement, insbesondere in Form eines Biegebalkens oder einer Druckmembran, ver­ meiden zu können, wird also erfindungsgemäß die mäandrische Leiterbahnenstruktur di­ rekt aus einer entsprechend vorgestanzten elektrisch leitenden Folie im Heißprägeverfah­ ren mittels Stempelübertragung in die thermoplastische Oberfläche des Stellelementes ein­ geschmolzen. Die von der Rotation eines Stellmotors abhängige Auslenkung des freien Stirnendes eines diesem gegenüber einseitig eingespannten Biegebalkens erbringt dann eine preiswerte und sehr zuverlässige Drehwinkelmessung.

Zur näheren Erläuterung dieser Anwendung und hinsichtlich weiterer Merkmale und Vor­ teile der erfindungsgemässen Lösungen wird außer auf die weiteren Ansprüche auch auf die nachstehende Beschreibung von in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Funkti­ onswesentliche nicht maßstabsgerecht skizzierten Realisierungsbeispielen für Drehwinkel­ geber Bezug genommen. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen über einen Exzenter ausgelenkten, im Heißprägeverfahren unmittelbar mit der Leiterbahn des Meßstreifens bestückten Doppel-Biegebalken und

Fig. 2 einen Doppel-Biegebalken gemäß Fig. 1, aber mit einem Schneckentrieb zu seiner Auslenkung.

Ein als Meßelement dienender Biegebalken 11 ist mit einem seiner beiden Stirnenden in einer Tragkonstruktion 12 starr eingespannt. Der Bereich des gegenüberliegenden, freien Stirnendes ist konstruktiv belastbar, um den Biegebalken 11 aus seiner durchgehend linea­ ren, hier horizontalen lastfreien Ruhestellung variabel auszulenken.

Ein massiver Balken 12 würde sich unter Last mit stetig variierender Krümmung biegen. Hier ist aber bevorzugt ein als solcher bekannter Doppel-Biegebalken 12 vorgesehen, der über einen begrenzten mittleren Bereich gespalten ist und sich dadurch unter Last gestreckt S-förmig verformt, wie in der Zeichnung exemplarisch übertrieben skizziert. An den En­ den dieses in Längsrichtung des Balkens 11 sich erstreckenden, horizontal durch die Breite des Balkens 11 hindurchgreifenden und ihn dadurch im Mittenbereich der Höhe nach un­ terteilenden Schlitzes 13 sind Ausbuchtungen 14 freigespart, um dort den Querschnitt des Balkens 11 regional gezielt zu schwächen und so hier die Verformung unter Biegebean­ spruchung zu verstärken. In diesen Bereichen sind die mäandrischen Leiterbahnenstruktu­ ren der Dehnungsmeßstreifen 16 direkt auf die in und gegen Lastangriff orientierten, in der Zeichnung also oben und unten gelegenen Oberflächen 15 des Balkens 11 aufgebracht, nämlich im Stempel-Heißprägeverfahren aus einer entsprechend vorkonfigurierten Folie heraus eingeprägt.

Zum Einsatz eines solchen Meßelementes, hier also des Biegebalkens 11, als Drehwinkel­ geber ist für Fig. 1 davon ausgegangen, daß der Balken 11 aufgrund seines Kunststoffmate­ rials genügend Elastizität aufweist, um sich wieder linear auszurichten, wenn eine extern einwirkende Biegebeanspruchung wieder aufgehoben ist. Das ist der Fall, wenn der Ex­ zenter 17, der als Kurvenscheibe vom Stellmotor 18 drehstarr etwa mit einem Stellelement 19 (Fig. 2) wie einer Drosselklappe verschwenkt wird, bis in die radial kurze (in der Zeich­ nung abgeflachte) Stellung gedreht hat, in welcher der Exzenter 17 das freie Ende des Bal­ kens 11 freigibt oder allenfalls noch geringfügig belastet. Über den konstruktiv vorgebbaren, drehwinkelabhängigen Verlauf der schneckenförmigen Berandung des Exzenters 17 lassen sich lastabhängige Nichtlinearitäten im Verhalten des Biegebalkens 11 bzw. seiner Dehnungsmeßstreifen 16 leicht kompensieren.

Der Aufbau des Meßelementes in Form des Biegebalkens 11 nach Fig. 2 entspricht völlig demjenigen nach Fig. 1. Allerdings ist die Auslenkung des Balkens 11 entgegen Fig. 1 nun in beiden Richtungen möglich, und zwar zwangsgeführt, indem dessen der Einspannung gegenüberliegendes Stirnende nun über eine Verzahnung 20 mit einem Schneckentrieb 21 in Eingriff steht. Der verdreht sich nach Maßgabe der Bewegung des Stellmotors 18, so daß sich entgegen dem Verhalten des Exzenters 17 nach Fig. 1 nun die definierte Auslen­ kung des Balkens 11 auch über mehrere aufeinanderfolgende Umdrehungen des Motors 18 erstrecken kann.

Claims (9)

1. Dehnungssensor mit wenigstens einer mäandrisch verlaufenden Widerstands-Lei­ terbahn, die auf ein mechanisch verformbares Meßelement aufgebracht ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Widerstands-Leiterbahn als elektrisch leitende Folie im Heißprä­ geverfahren direkt auf die Kunststoff-Oberfläche (15) des Meßelementes aufgebracht ist.

2. Dehnungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement eine Membran ist.

3. Dehnungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement ein Biegebalken (11) ist.

4. Dehnungssensor nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Balken (11) durch einen längs des Mittenbereiches verlaufenden Schlitz (13) geteilt ist, der an seinen Enden Ausbuchtungen (14) aufweist.

5. Dehnungssensor nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß Widerstands-Leiterbahnen als Dehnungsmeßstreifen (16) in der Nähe der Ausbuchtun­ gen (14) auf die äußere Oberfläche des Balkens (11) aufgebracht sind,

6. Dehnungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das auslenkbare Stirnende seines Biegebalkens (11) von einem Exzenter (17) be­ aufschlagt ist.

7. Dehnungssensor nach einem der Ansprüche vor dem vorangehenden Anspruch, da­ durch gekennzeichnet, daß das auslenkbare Stirnende seines Biegebalkens (11) mit ei­ nem Getriebe (21) in Eingriff steht.

8. Dehnungssensor nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (21) ein Schneckengetriebe ist.

9. Drehwinkelgeber unter Verwendung eines Dehnungssensors gemäß einem der Ansprü­ che 3 bis 8.