DE102009020533C5

DE102009020533C5 - Vorrichtung zur Kraftkomponentenmessung

Info

Publication number: DE102009020533C5
Application number: DE102009020533.0A
Authority: DE
Inventors: Prof. Jäger Gerd
Original assignee: SIOS Meßtechnik GmbH
Current assignee: SIOS Meßtechnik GmbH
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2029-05-09
Also published as: DE102009020533B3; NL1037855A; NL1037855C2

Abstract

Vorrichtung zur Messung von Kraftkomponenten (Fx, Fy, Fz) mit einem Tastelement (6), einem Taststift (5) und Federelementen (2.1, 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2) mit Dehnungssensoren (2.5, 3.5, 4.5), wobei das Federelement (2.1) Dehnungssensoren (2.5) besitzt und mit dem Federelement (2.2) über die Abstandsstücke (2.3) und (2.4) verbunden ist, das Abstandsstück (2.3) an einem Gestell (1) angeordnet ist, das Abstandsstück (3.3) am Abstandsstück (2.4) befestigt ist, das Federelement (3.1) Dehnungssensoren (3.5) enthält und mit dem Federelement (3.2) über die Abstandsstücke (3.3) und (3.4) verbunden ist, wobei das Federelement (4.1) Dehnungssensoren (4.5) besitzt und mit dem Federelement (4.2) über die Abstandsstücke (3.4) und (4.4) verbunden ist und am Abstandsstück (4.4) ein Taststift (5) mit Tastelement (6) angeordnet ist, und alle Federelemente (2.1, 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2) die gleiche Steifigkeit aufweisen und die auf jeweils einem Federelement angeordneten vier Dehnungssensoren (2.5, 3.5, 4.5) zu einer Wheatstonschen Brücke zusammengeschaltet sind, wobei die Abstandsstücke (2.3, 2.4, 3.3, 3.4, 4.4) und die Federelemente (2.1. 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2) aus Silizium bestehen, wobei die Federelemente (2.1, 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2) durch die Abstandsstücke (2.3, 2.4, 3.3, 3.4, 4.4) miteinander verbunden sind, so dass Parallelfederanordnungen gebildet werden, wobei sich bei diesen Parallelfederanordnungen jeweils auf einem Federelement (2.1, 3.1, 4.1,) die Dehnungssensoren (2.5, 3.5, 4.5) befinden, die zu der Wheatstonschen Brücke zusammengeschaltet sind, wobei die Vorrichtung drei Parallelfederanordnungen enthält, die über die Abstandsstücke (2.3, 2.4, 3.3, 3.4, 4.4) so miteinander verbunden sind, dass der Taststift (6) in drei Koordinaten beweglich ist und die Messung der drei Kraftkomponenten (Fx, Fy, Fz) möglich ist, und wobei jede Parallelanordnung die Messung einer Kraftkomponente (Fx, Fy, Fz) ermöglicht, wobei die Abstandsstücke (2.3, 2.4) zwischen den Federelementen (2.1, 2.2) angeordnet sind, die Abstandsstücke (3.3, 3.4) zwischen den Federelementen (3.1, 3.2) angeordnet sind und die Abstandsstücke (3.4, 4.4) zwischen den Federelementen (4.1, 4.2) angeordnet sind, wobei die Dehnungssensoren (2.5, 3.5, 4.5) piezoresistive Widerstände sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Kraftkomponenten mit einem Tastelement, einem Taststift und Federelementen mit Dehnungssensoren.
Im Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen zur Kraftkomponentenmessung bekannt.
Ein Mikrotaster zur Messung von Kräften in x-, y- und z-Richtung ist aus der Druckschrift „G. N. Peggs, A. J. Lewis, S. Oldfield: Design for a compact high-accoracy CMM; in Annals of the CIRP, Vol. 48/1/1999, Seite 417–420” bekannt. Bei diesen Sensoren werden mittels eines Tastelementes und eines Taststiftes Kräfte auf flexible Federelemente übertragen. Die Auslenkungen der Federelemente werden mit kapazitiven Sensoren gemessen.
Ein Dreiachsen-Kraftsensor wird in mst/news, Nr. 1/09, February 2009, S. 16–17 „Multidimensional Force and Displacement Sensor for Micro Metrology”, A. Tribrewla, A. Phataralaoha und St. Büttgenbach beschrieben. In einer Siliziummembran sind piezoresistive Widerstände zu Brücken zusammengeschaltet. Die Membran ist mit einem Taststift mit Antastkugel verbunden.
Im Sensor Magazin 2/2008, S. 30–32 wird im Artikel mit dem Thema „Innovativer miniaturisierter 3D-Kraftsensor für Koordinatenmesssysteme von Mikrokomponenten” ein dreidimensional messender Kraftsensor beschrieben. Der Sensor besteht aus einer flexiblen Kreuzstruktur aus Silizium. Die Antastung der Objekte erfolgt über einen Taststift mit Tastkugel. Die Kräfte bewirken eine Deformation der Kreuzstruktur, die über piezoresistive Dehnungssensoren detektiert werden.
Weitere Veröffentlichungen zu modifizierten Tastern mit Siliziummembran und integrierten Sensoren sind in folgenden Literaturstellen enthalten:
E. J. Bos: Tactile 3D probing system for measuring MEMS with nanometre uncertainty; ISBN 978-90-386-1216-4; Thesis, Eindhoven Univ. of Technology, 2008; V. Nesterov and U. Brand: Modelling and investigation of the silicon twin design 3D micro probe; Journal of Micromechanics and Microengineering; 15 (2005), 514–520.
Ferner ist aus WO 2006 010 395 A2 ein Sensormodul für einen Tastkopf eines taktilen Koordinatenmessgerätes bekannt. Dieses umfasst einen Rahmen, der eine feststehende Modulbasis bildet und damit eine erste Messebene definiert. Weiterhin ist ein relativ zu dem Rahmen beweglicher Teil des Koordinatenmessgerätes zu einer Aufnahme eines proximalen Endes eines Taststiftes vorgesehen, wobei der bewegliche Teil über zumindest zwei, vorzugsweise über vier, voneinander getrennte Stege an dem Rahmen gehalten ist. Um eine erhöhte Steifigkeit zu erreichen, weist jeder dieser Stege im Querschnitt senkrecht zu einer ersten Messebene einen materialstarken Stegbereich auf, der zwischen zwei materialschwachen Stegbereichen ausgebildet ist, wobei der materialstarke Stegbereich eine Materialdicke besitzt, die größer ist als eine entsprechende Materialdicke der materialschwachen Stegbereiche.
Der wesentliche Nachteil bei denen aus dem Stand der Technik bekannten Tastern mit Siliziumverformungskörper und integrierten piezoresistiven Widerstanden besteht darin, dass bei der Kraftmessung die Steifigkeiten, d. h. die Federkonstanten, in z-Richtung sich wesentlich von den Steifigkeiten in x- und y-Richtung unterscheiden. Damit kommt es zu beachtlichen Messfehlern wegen der unterschiedlichen Abplattung bei der Antastung von Messobjekten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kraftkomponentenmessung bei der Antastung von Messobjekten anzugeben, bei der Messfehler wegen unterschiedlicher Abplattung in verschiedenen Koordinaten weitgehend vermieden werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kraftkomponentenmessung bei der Antastung von Messobjekten enthält ein Tastelement, einen Taststift und Federelemente, die durch Abstandsstücke miteinander verbunden sind, so dass Parallelfederanordnungen gebildet werden. Bei diesen Parallelfederanordnungen befinden sich auf jeweils einem Federelement Dehnungssensoren, die zu einer Wheatstonschen Brücke zusammengeschaltet sind. Die Vorrichtung enthält drei Parallelfederanordnungen, die über Abstandsstücke so miteinander verbunden sind, dass der Taststift in drei Koordinaten beweglich ist und die Messung von drei Kraftkomponenten möglich ist. Jede Parallelanordnung ermöglicht die Messung einer Kraftkomponente. Die drei miteinander verbundenen Parallelfederanordnungen sind so ausgeführt, dass alle drei die gleiche Steifigkeit aufweisen. Gleiche Steifigkeit bedeutet, dass die Steifigkeiten der Parallelfederanordnungen nur Abweichungen von höchstens ±5%, vorzugsweise von höchstens ±3%, aufweisen. Daraus folgt gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen eine deutliche Reduzierung der Messunsicherheit.
Die Erfindung sieht vor, dass als Dehnungssensoren piezoresistive Widerstände verwendet werden.
Die Abstandsstücke zur Verbindung der Federelemente bzw. zur Anordnung der Parallelfederanordnungen untereinander werden aus Silizium hergestellt.
Für die Anordnung der auf einem Federelement angebrachten vier Dehnungssensoren erfolgt vorteilhaft symmetrisch zur Nullspannungslinie.
Mittels etablierter Halbleitertechnologien können Siliziumfedern mit integrierten piezoresistiven Widerstanden, die zu einer Wheatstonschen Brücke verschaltet sind, preiswert hergestellt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 eine Vorderansicht der Vorrichtung,
2 eine Seitenansicht der Vorrichtung,
3 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung und
4 einen Ausschnitt auf die Seitenansicht der Vorrichtung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 zur Kraftkomponentenmessung für die Antastung von Messobjekten enthält ein Tastelement 6, einen Taststift 5 und die Federelemente 2.1, 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2. In die Federelemente 2.1, 3.1 und 4.1 sind piezoresistive Dehnungssensoren 2.5, 3.5 und 4.5 integriert, welche zu Wheatstonschen Brücken verschaltet werden. Die Siliziumfedern 2.1 und 2.3 sind durch die Abstandsstücke 2.3 und 2.4 verbunden. Die Siliziumfedern 3.1 und 3.2 sind durch die Abstandsstücke 3.3 und 3.4 verbunden. Die Siliziumfedern 4.1 und 4.2 sind durch die Abstandsstücke 3.4 und 4.4 verbunden, wobei 3.4 sowohl Abstandsstück für die Siliziumfedern 3.1 und 3.2 als auch für die Siliziumfedern 4.1 und 4.2 ist. Am Abstandsstück 4.4 ist der Taststift 5 befestigt, welcher das Tastelement 6 trägt. Das Abstandsstück 2.3 ist mit dem Gestell 1 fest verbunden.
Die Abstandsstücke 2.3, 2.4, 3.3, 3.4 und 4.4 werden aus Silizium hergestellt. Ferner ist es möglich, dass die Federelemente 2.1, 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 und die Abstandsstücke 2.3, 2.4, 3.3, 3.4, 4.4 aus synthetischen Quarzglas bestehen.
Die 2 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung. In Ergänzung zur 1 ist die Befestigung des Taststiftes 5 mit Tastelement 6 am Verbindungsstück 4.4 dargestellt. Weiterhin sind die Federelemente 4.1 und 4.2, welche durch die Abstandsstücke 3.4 und 4.4 verbunden sind, gezeigt. Auch die Gestaltung des Abstandsstückes 3.4, das sowohl die Federelemente 3.1 und 3.2 als auch die Federelemente 4.1 und 4.2 verbindet, ist ersichtlich.
In 3 ist die Vorrichtung perspektivisch dargestellt. Die Darstellung zeigt, wie die aus den Siliziumfedern 2.1 und 2.2, 3.1 und 3.2, 4.1 und 4.2 gebildeten Parallelfedern ineinander verschachtelt sind, so dass eine Vorrichtung zur Messung der Kräfte F_x, F_y und F_z entsteht.
4 zeigt die Ansicht auf einen Ausschnitt einer Parallelfederanordnung mit vier Dehnungssensoren 3.5.1, 3.5.2, 3.5.3 und 3.5.4, die in einer Wheatstonschen Brückenschaltung angeordnet sind. Die Dehnungssensoren 3.5.1, 3.5.2, 3.5.3 und 3.5.4 sind symmetrisch zur Nullspannungslinie angeordnet. Bei einer Auslenkung der Parallelfedern 4.1 und 4.2 werden die Dehnungssensoren 3.5.1 und 3.5.4 gedehnt, während die Dehnungssensoren 3.5.2 und 3.5.3 gestaucht werden. Dabei entstehen Zonen mit Dehnungen und Stauchungen, deren absolute Beträge gleich sind. Diese Bereiche sind durch die Nullspannungslinie getrennt. Dies ermöglicht die Realisierung von Wheatstone-Vollbrücken mit den Speisespannungen U_B und den Diagonalspannungen U_D.
Bezugszeichenliste

1: Gestell
2.1, 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2: Federelemente
2.5, 3.5, 4.5: Dehnungssensoren
2.3, 2.4, 3.3, 3.4, 4.4: Abstandsstücke
5: Taststift
6: Tastelement
U_B: Speisespannung
U_D: Diagonalspannung

Claims

Vorrichtung zur Messung von Kraftkomponenten (F_x, F_y, F_z) mit einem Tastelement (6), einem Taststift (5) und Federelementen (2.1, 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2) mit Dehnungssensoren (2.5, 3.5, 4.5), wobei das Federelement (2.1) Dehnungssensoren (2.5) besitzt und mit dem Federelement (2.2) über die Abstandsstücke (2.3) und (2.4) verbunden ist, das Abstandsstück (2.3) an einem Gestell (1) angeordnet ist, das Abstandsstück (3.3) am Abstandsstück (2.4) befestigt ist, das Federelement (3.1) Dehnungssensoren (3.5) enthält und mit dem Federelement (3.2) über die Abstandsstücke (3.3) und (3.4) verbunden ist, wobei das Federelement (4.1) Dehnungssensoren (4.5) besitzt und mit dem Federelement (4.2) über die Abstandsstücke (3.4) und (4.4) verbunden ist und am Abstandsstück (4.4) ein Taststift (5) mit Tastelement (6) angeordnet ist, und alle Federelemente (2.1, 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2) die gleiche Steifigkeit aufweisen und die auf jeweils einem Federelement angeordneten vier Dehnungssensoren (2.5, 3.5, 4.5) zu einer Wheatstonschen Brücke zusammengeschaltet sind, wobei die Abstandsstücke (2.3, 2.4, 3.3, 3.4, 4.4) und die Federelemente (2.1. 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2) aus Silizium bestehen, wobei die Federelemente (2.1, 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2) durch die Abstandsstücke (2.3, 2.4, 3.3, 3.4, 4.4) miteinander verbunden sind, so dass Parallelfederanordnungen gebildet werden, wobei sich bei diesen Parallelfederanordnungen jeweils auf einem Federelement (2.1, 3.1, 4.1,) die Dehnungssensoren (2.5, 3.5, 4.5) befinden, die zu der Wheatstonschen Brücke zusammengeschaltet sind, wobei die Vorrichtung drei Parallelfederanordnungen enthält, die über die Abstandsstücke (2.3, 2.4, 3.3, 3.4, 4.4) so miteinander verbunden sind, dass der Taststift (6) in drei Koordinaten beweglich ist und die Messung der drei Kraftkomponenten (F_x, F_y, F_z) möglich ist, und wobei jede Parallelanordnung die Messung einer Kraftkomponente (F_x, F_y, F_z) ermöglicht, wobei die Abstandsstücke (2.3, 2.4) zwischen den Federelementen (2.1, 2.2) angeordnet sind, die Abstandsstücke (3.3, 3.4) zwischen den Federelementen (3.1, 3.2) angeordnet sind und die Abstandsstücke (3.4, 4.4) zwischen den Federelementen (4.1, 4.2) angeordnet sind, wobei die Dehnungssensoren (2.5, 3.5, 4.5) piezoresistive Widerstände sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einem Federelement (2.1, 3.1, 4.1) angebrachten vier Dehnungssensoren (2.5, 3.5, 4.5) symmetrisch zur Nullspannungslinie angeordnet sind.