DE102010024805A1

DE102010024805A1 - Actuator device for electro-hydraulic system of e.g. airplane, has piezoresistive transducers that detect force received or delivered by actuator and transmit output signal to control unit that controls actuator based on output signal

Info

Publication number: DE102010024805A1
Application number: DE102010024805A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Ruprecht Timo; Dipl.-Ing. Wagner Hannes; Dipl.-Ing. Spangenberg Holger; Dipl.-Ing. Biehl Saskia
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-12-29

Abstract

The device has a control unit (11) connected with an actuator, for supplying a control signal and controlling the output range of force and/or path of the actuator. The piezoresistive transducers (9) connected with control unit, detect the force received or delivered by the actuator and transmit output signal to the control unit. The control unit controls the actuator based on the output signal. The piezoresistive transducer layer is formed with undoped hydrocarbon or pure carbon. An independent claim is included for method for controlling actuator device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit einem Aktuator zur Abgabe einer mechanischen Abgabegröße, insbesondere einer Kraft und/oder eines Wegs, gemäß dem Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung eines Aktuators einer solchen Einrichtung gemäß dem Anspruch 10.The invention relates to a device with an actuator for delivering a mechanical delivery, in particular a force and / or a path, according to claim 1. The invention further relates to a method for controlling an actuator of such a device according to claim 10.

Aktuatoren zur Abgabe einer mechanischen Abgabegröße werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt, z. B. in Form von druckmittelbetätigten Stellzylindern oder elektromotorischen Linearantrieben. Im Bereich von Verkehrsflugzeugen werden solche Aktuatoren zur Ansteuerung von Ruderflächen verwendet. Nach derzeitigem Stand der Technik werden elektrohydraulische Aktuatoren einsetzt. Solche fluidischen Systeme erzeugen prinzipbedingt einen hohen Aufwand im Bereich der Wartung und der Instandhaltung, was zu entsprechenden Betriebskosten von Verkehrsflugzeugen führt. Trotz guter Wartung und Instandhaltung kann es dennoch zu nicht vorhersehbaren, unerwarteten Störungen bei solchen fluidischen Systemen kommen.Actuators for delivering a mechanical delivery size are used in many fields of technology, e.g. B. in the form of pressure-actuated actuating cylinders or electromotive linear drives. In the field of commercial aircraft such actuators are used to control rudder surfaces. According to the current state of the art electrohydraulic actuators are used. As a matter of principle, such fluidic systems generate a high outlay in terms of maintenance and servicing, which leads to corresponding operating costs of commercial aircraft. Despite good maintenance and servicing, unforeseeable, unexpected malfunctions can nevertheless occur in such fluidic systems.

Es besteht daher ein Bedarf an verbesserten Systemen. Der Trend im Luftfahrtbereich geht hin zu einem verstärkten Einsatz elektrischer bzw. elektromechanischer Systeme.There is therefore a need for improved systems. The trend in aviation is towards an increased use of electrical or electromechanical systems.

In technischen Bereichen, in denen hohe Sicherheitsanforderungen vorherrschen, wie z. B. im Luftverkehr, müssen solche Aktuatoren auch hinsichtlich unzulässig hoher Belastungen abgesichert werden. Es wird daher eine Überlastsicherung verlangt, die bei derzeit verwendeten hydraulischen Aktuatoren z. B. über mit den Zylinderkammern verbundene Druckbegrenzungsventile realisiert wird. Durch die Druckbegrenzungsventile kann bei Überlast ein Volumen aus den Zylinderkammern des Aktuators abfließen, wodurch der Kammerdruck und somit die Last auf den Aktuator sinkt. Allerdings haben auch solche fluidisch-mechanischen Lösungen für den Überlastschutz Nachteile hinsichtlich der damit verbundenen Herstellungs- und Wartungskosten.In technical areas where high safety requirements prevail, such as: As in air transport, such actuators must be protected against unacceptably high loads. It is therefore an overload protection required, the current hydraulic actuators z. B. is realized via connected to the cylinder chambers pressure relief valves. Due to the pressure relief valves, a volume can flow out of the cylinder chambers of the actuator in the event of overload, as a result of which the chamber pressure and thus the load on the actuator sinks. However, even such fluidic-mechanical solutions for overload protection have disadvantages in terms of the associated manufacturing and maintenance costs.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung mit einem Aktuator zur Abgabe einer mechanischen Abgabegröße anzugeben, die eine einfache und kostengünstige Integration einer Überlastsicherung ermöglicht. Ferner ist ein geeignetes Verfahren zur Steuerung eines solchen Aktuators anzugeben.The invention is therefore based on the object to provide a device with an actuator for delivering a mechanical delivery size, which allows a simple and cost-effective integration of an overload protection. Furthermore, a suitable method for controlling such an actuator is to be specified.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 10 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the invention specified in claims 1 and 10. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass über den wenigstens einen im Kraftfluss angeordneten, die abgegebene oder aufgenommene Kraft des Aktuators erfassenden piezoresistiven Messaufnehmer eine integrierte Lasterfassung in dem Aktuator realisiert werden kann, die wenig Bauraum erfordert und daher ohne weiteres in praktisch jeder Aktuator-Konstruktion vorgesehen werden kann. Vorteilhaft kann die Erfindung in jeder Art von Aktuator unabhängig vom Betätigungsprinzip verwendet werden, z. B. bei pneumatischen, hydraulischen oder elektromotorisch angetriebenen Aktuatoren. Das Ausgangssignal des wenigstens einen piezoresistiven Messaufnehmers ist einer Steuereinrichtung zugeführt, die dazu eingerichtet ist, den Aktuator in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal zu steuern. Hierdurch kann eine integrierte Überlastsicherung geschaffen werden, die kostengünstig bei allen Arten von Aktuatoren eingesetzt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine solche Einrichtung es zusätzlich erlaubt, eine definierte Steuerung des Aktuators auf einen vorgegebenen Soll-Wert der mechanischen Abgabegröße, z. B. auf eine Soll-Kraft, einzustellen.The invention has the advantage that via the at least one arranged in the power flow, the delivered or recorded force of the actuator detecting piezoresistive sensor an integrated load detection can be realized in the actuator, which requires little space and therefore readily provided in virtually any actuator design can be. Advantageously, the invention can be used in any type of actuator regardless of the operating principle, for. B. in pneumatic, hydraulic or electric motor driven actuators. The output signal of the at least one piezoresistive measuring sensor is fed to a control device which is set up to control the actuator in dependence on the output signal. As a result, an integrated overload protection can be created, which can be used inexpensively in all types of actuators. Another advantage is that such a device additionally allows a defined control of the actuator to a predetermined target value of the mechanical delivery size, for. B. to a desired force to set.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann neben dem Luftfahrtbereich in vielen weiteren Bereichen der Technik eingesetzt werden, z. B. für die Steuerung elektrischer Fensterheber in Fahrzeugen, die eine Überlastsicherung erfordern, oder z. B. für Gabelstapler, bei denen die anzuhebende Last auf ein zulässiges Gesamtgewicht begrenzt sein soll. Im Bereich von Luftfahrzeugen kann die erfindungsgemäße Einrichtung z. B. zur Steuerung von Ruderflächen von Flugzeugen oder für die Blattverstellung bei Hubschraubern eingesetzt werden.The device according to the invention can be used in many other fields of technology in addition to the aviation field, for. As for the control of electric windows in vehicles that require overload protection, or z. As for forklifts, in which the load to be lifted should be limited to a permissible total weight. In the field of aircraft, the device according to the invention z. B. used to control rudder planes of aircraft or for pitch adjustment in helicopters.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Kraftabgabe oder Kraftaufnahme des Aktuators zu reduzieren, wenn das Ausgangssignal einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet. Hierdurch kann auf kostengünstige Weise ein elektronischer Überlastschutz realisiert werden.According to an advantageous embodiment of the invention, the control device is adapted to reduce the power output or power consumption of the actuator when the output signal reaches or exceeds a predetermined limit. As a result, an electronic overload protection can be realized in a cost effective manner.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der wenigstens eine piezoresistive Messaufnehmer durch Beschichtung wenigstens eines im Kraftfluss liegenden Lagerelements und/oder eines Gegenlagers des Lagerelements in Dünnschichttechnik hergestellt. Dies erlaubt eine problemlose Integration des wenigstens einen piezoresistiven Messaufnehmers in einen Aktuator. Die Beschichtung in Dünnschichttechnik ist zudem relativ kostengünstig herstellbar.According to an advantageous development of the invention, the at least one piezoresistive sensor is produced by coating at least one bearing element lying in the force flux and / or an abutment of the bearing element in thin-film technology. This allows a problem-free integration of the at least one piezoresistive sensor in an actuator. The coating in thin-film technology is also relatively inexpensive to produce.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der wenigstens eine piezoresistive Messaufnehmer in das Gegenlager und/oder das Lagerelement integriert angeordnet. Hierbei ist der piezoresistive Messaufnehmer im Kraftfluss angeordnet. Hierbei es nicht so entscheidend ist, an welchem Bauteil der Messaufnehmer angebracht ist, wichtig ist die Lage im Kraftfluss. Vorteilhaft ist der Messaufnehmer nicht an einer mit einem rotierenden Bauteil, wie z. B. einer Kugel eines Kugellagers, beaufschlagten Fläche angeordnet, sondern an einer statischen Oberfläche. Hierdurch unterliegt der piezoresistive Messaufnehmer praktisch keinem Verschleiß und ist daher relativ langlebig.According to an advantageous development of the invention, the at least one piezoresistive sensor is integrated in the counter bearing and / or the bearing element. Here, the piezoresistive sensor is arranged in the power flow. Where it is not so important to which component of the sensor is attached, the position in the power flow is important. Advantageously, the sensor is not at one with a rotating component, such. As a ball of a ball bearing, acted upon surface, but on a static surface. As a result, the piezoresistive sensor is subject to virtually no wear and is therefore relatively durable.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist dem wenigstens einen piezoresistiven Messaufnehmer ein Temperaturkompensationselement zugeordnet. Dies hat den Vorteil, dass eine temperaturkompensierte Erfassung der abgegebenen oder aufgenommenen Kraft des Aktuators durchgeführt werden kann, was die Messgenauigkeit erhöht und den Überlastschutz temperaturunabhängig macht.According to an advantageous development of the invention, a temperature compensation element is associated with the at least one piezoresistive sensor. This has the advantage that a temperature-compensated detection of the output or absorbed force of the actuator can be performed, which increases the accuracy of measurement and makes the overload protection temperature independent.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der wenigstens eine piezoresistive Messaufnehmer an einer Stirnseite eines Lagerelements angeordnet. So kann der Messaufnehmer z. B. an einem Außenring eines Kugellagers stirnseitig angeordnet sein, wobei hierbei von einer Anordnung ausgegangen wird, bei der der Innenring des Kugellagers dreht. Bei Anordnungen mit drehendem Außenring des Kugellagers wird vorteilhaft der piezoresistive Messaufnehmer an einer Stirnseite des Innenrings des Kugellagers angeordnet.According to an advantageous development of the invention, the at least one piezoresistive sensor is arranged on an end face of a bearing element. Thus, the sensor z. B. on an outer ring of a ball bearing be arranged frontally, in which case it is assumed that an arrangement in which rotates the inner ring of the ball bearing. In arrangements with rotating outer ring of the ball bearing, the piezoresistive sensor is advantageously arranged on an end face of the inner ring of the ball bearing.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden piezoresistive Messaufnehmer an gegenüberliegenden Stirnseiten des Lagerelements und/oder an gegenüberliegenden Stirnseiten des Gegenlagers angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Kraftabgabe oder Kraftaufnahme des Aktuators in zwei entgegengesetzten Betätigungsrichtungen des Aktuators erfasst werden kann. Dies erlaubt eine Überlastsicherung in beiden Betätigungsrichtungen des Aktuators.According to an advantageous embodiment of the invention piezoresistive sensors are arranged on opposite end faces of the bearing element and / or on opposite end faces of the anvil. This has the advantage that the power output or force absorption of the actuator can be detected in two opposite directions of actuation of the actuator. This allows an overload protection in both actuation directions of the actuator.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der piezoresistive Messaufnehmer und/oder das Temperaturkompensationselement durch Beschichtung mit folgenden Schichten hergestellt ist:

a) eine mit Kohlen-Wasserstoff gebildete piezoresistive Sensorschicht auf der Oberfläche des Gegenlagers und/oder des Lagerelements,
b) wenigstens eine auf die piezoresistive Sensorschicht aufgebrachte Elektrode und
c) eine die piezoresistive Sensorschicht und die Elektrode abdeckende Isolations- und Verschleißschutzschicht.

According to an advantageous development of the invention, it is provided that the piezoresistive sensor and / or the temperature compensation element is produced by coating with the following layers:

a) a piezoresistive sensor layer formed with carbon-hydrogen on the surface of the anvil and / or of the bearing element,
b) at least one electrode applied to the piezoresistive sensor layer and
c) an insulation and wear protection layer covering the piezoresistive sensor layer and the electrode.

Dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Herstellung des piezoresistiven Messaufnehmers und des Temperaturkompensationselements.This allows a simple and cost-effective production of the piezoresistive sensor and the temperature compensation element.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hat die Elektrode eine derartige Struktur, dass ein im Kraftfluss liegender abgerundeter Bereich und ein außerhalb des Kraftflusses liegender viereckiger Bereich angrenzend an den abgerundeten Bereich vorgesehen ist, wobei die Verkabelung der Messaufnehmer durch elektrisch leitende Verbindungen von Messleitungen mit dem viereckigen Bereich erfolgt.According to an advantageous development of the invention, the electrode has such a structure that a rounded off in power flow and a rectangular region lying outside the force flow adjacent to the rounded portion is provided, the wiring of the sensor by electrically conductive connections of test leads with the quadrangular Area is done.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Mehrzahl von piezoresistiven Messaufnehmern über den Umfang verteilt an dem Lagerelement und/oder an dem Gegenlager stirnseitig angeordnet. Vorteilhaft kann auch eine Mehrzahl von Temperaturkompensationselementen über den Umfang verteilt an dem Lagerelement und/oder an dem Gegenlager stirnseitig angeordnet sein.According to an advantageous embodiment of the invention, a plurality of piezoresistive sensors distributed over the circumference on the bearing element and / or arranged on the abutment frontally. Advantageously, a plurality of temperature compensation elements distributed over the circumference on the bearing element and / or on the abutment may be arranged frontally.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein durchgehender piezoresistiver Messaufnehmer mit einer im Kraftfluss liegenden kreisförmigen Sensorschicht stirnseitig auf dem Lagerelement und/oder dem Gegenlager angeordnet. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein konzentrisch zu der kreisförmigen Sensorschicht angeordnetes Temperaturkompensationselement vorgesehen, das kreisringförmig ausgebildet und außerhalb des Kraftflusses angeordnet ist. Wie erkennbar ist, sind vorteilhaft auch Kombinationen aus verteilt am Umfang des Lagerelements und/oder des Gegenlagers angeordneten Messaufnehmern und kreisring-segmentförmigen piezoresistiven Messaufnehmern und/oder Temperaturkompensationselementen einsetzbar. So können beispielsweise zwei halbkreis-ringförmige Segmente auf einer Stirnseite des Lagers und/oder des Gegenlagers als piezoresistive Messaufnehmer und/oder als Temperaturkompensationselemente vorgesehen sein.According to an advantageous embodiment of the invention, a continuous piezoresistive sensor with a lying in the power flow circular sensor layer is arranged on the front side on the bearing element and / or the anvil. According to an advantageous development, a temperature compensation element arranged concentrically to the circular sensor layer is provided, which is formed annularly and arranged outside the force flow. As can be seen, combinations of sensors arranged distributed on the circumference of the bearing element and / or of the counterbearing and piezoresistive sensors and / or temperature compensation elements are also advantageously usable. Thus, for example, two semicircular annular segments may be provided on one end side of the bearing and / or the counter bearing as piezoresistive sensors and / or as temperature compensation elements.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Steuerung eines Aktuators einer Einrichtung der zuvor beschriebenen Art weist folgende Schritte auf:

a) Erfassen des Ausgangssignals des wenigstens einen piezoresistiven Messaufnehmers,
b) Vergleichen des Ausgangssignals mit einem vorgegebenen Sollwert und/oder einem Grenzwert,
c) Verändern des an den Aktuator abgegebenen Steuersignals derart, dass der Sollwert erreicht wird und/oder dass der Grenzwert nicht überschritten wird.

An advantageous method for controlling an actuator of a device of the type described above comprises the following steps:

a) detecting the output signal of the at least one piezoresistive sensor,
b) comparing the output signal with a predetermined desired value and / or a limit value,
c) changing the output to the actuator control signal such that the target value is reached and / or that the limit is not exceeded.

Vorteilhaft kann das Verfahren in der erfindungsgemäßen Einrichtung dadurch realisiert sein, dass ein Steuerprogramm der Steuereinrichtung zur Ausführung der genannten Verfahrensschritte eingerichtet ist.Advantageously, the method in the device according to the invention can be realized in that a control program of the control device is set up to execute the said method steps.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert. The invention will be explained in more detail by means of embodiments using drawings.

Es zeigenShow it

1 eine schematische Darstellung einer Lageranordnung und 1 a schematic representation of a bearing assembly and

2 eine schematische Darstellung einer möglichen Verteilung von piezoresistiven Messaufnehmern auf dem Umfang eines Lagerrings und 2 a schematic representation of a possible distribution of piezoresistive sensors on the circumference of a bearing ring and

3a ein Diagramm zur temperaturkompensierten Auswertung des Ausgangssignals eines piezoresistiven Messaufnehmers und 3a a diagram for the temperature-compensated evaluation of the output signal of a piezoresistive sensor and

3b ein Schaltbild einer Messschaltung und 3b a circuit diagram of a measuring circuit and

4 eine schematische Schnittansicht einer Messaufnehmer-Struktur und 4 a schematic sectional view of a sensor structure and

5 eine Einrichtung mit einem Aktuator und 5 a device with an actuator and

6 eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Anordnung von piezoresistiven Messaufnehmern an einem Lagerring und 6 a schematic representation of another possible arrangement of piezoresistive sensors on a bearing ring and

7 ein Funktionsdiagramm einer Aktuator-Steuerung und 7 a functional diagram of an actuator control and

8 ein weites Funktionsdiagramm einer Aktuator-Steuerung. 8th a wide functional diagram of an actuator control.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.In the figures, like reference numerals are used for corresponding elements.

Die 5 zeigt eine Einrichtung mit einem Aktuator 50 und einer Steuereinrichtung 11. Der Aktuator 50 ist als elektromotorisch betriebener Drehspindel-Aktuator ausgebildet. Hierfür weist der Aktuator 50 einen Stator 51 mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse angeordneten elektrischen Spulenanordnung 60 auf. Innerhalb des Stators 51 ist ein Rotor 53 angeordnet, der im Bereich der Spulenanorndnung 60 mit Permanentmagneten bestückt ist. Der Rotor 53 weist in einem Bereich außerhalb der Spulenanordnungen 60 einen Spindeltrieb 52 auf. Durch den Spindeltrieb 52 hindurch in einen Innenraum des Rotors 53 hinein erstreckt sich eine Spindel 54. Die Spindel 54 ist außerhalb des Gehäuses des Aktuators 50 mit einer Befestigungsöse 56 verbunden. Auf der der Befestigungsöse 56 gegenüberliegenden Seite des Aktuators 50 ist eine weitere Befestigungsöse 57 vorgesehen, die mit dem Gehäuse des Aktuators 50 verbunden ist. Die Befestigungsösen 56, 57 dienen zur Befestigung des Aktuators 50 an durch den Aktuator 50 betätigbaren Bauteilen.The 5 shows a device with an actuator 50 and a control device 11 , The actuator 50 is designed as an electric motor driven rotary spindle actuator. For this purpose, the actuator 50 a stator 51 with a housing and an electrical coil arrangement arranged in the housing 60 on. Inside the stator 51 is a rotor 53 arranged in the region of the Spulenanorndnung 60 equipped with permanent magnets. The rotor 53 indicates in an area outside the coil arrangements 60 a spindle drive 52 on. Through the spindle drive 52 through into an interior of the rotor 53 into it extends a spindle 54 , The spindle 54 is outside the housing of the actuator 50 with a fastening eye 56 connected. On the mounting lug 56 opposite side of the actuator 50 is another attachment eye 57 provided with the housing of the actuator 50 connected is. The eyelets 56 . 57 serve to fasten the actuator 50 on through the actuator 50 actuated components.

Der Rotor 53 ist beidseits jeweils in einem Kugellager 54, 55 gegenüber dem Stator 51 des Aktuators 50 gelagert.The rotor 53 is on both sides in a ball bearing 54 . 55 opposite the stator 51 of the actuator 50 stored.

Der Stator 51 bildet zusammen mit der elektrischen Spulenanordnung 60 und dem Rotor 53 einen bürstenlosen Elektromotor, der durch entsprechende Beaufschlagung verschiedener Wicklungen der Spulenanordnung 60, über die ein Drehfeld erzeugt wird, in der gewünschten Drehrichtung betätigt werden kann. Hierdurch wird der Rotor 53 zusammen mit dem Spindeltrieb 52 in eine Drehbewegung versetzt. Dies führt je nach Drehrichtung zu einem Einfahren oder Ausfahren der Spindel 54. Zur Steuerung des Aktuators 50 ist die elektrische Spulenanordnung 60 über elektrische Leitungen 21 mit einer elektronischen Steuereinrichtung 11 verbunden.The stator 51 forms together with the electric coil assembly 60 and the rotor 53 a brushless electric motor which by appropriate loading of different windings of the coil assembly 60 , over which a rotating field is generated, can be operated in the desired direction of rotation. This will cause the rotor 53 together with the spindle drive 52 put in a rotary motion. Depending on the direction of rotation, this leads to retraction or extension of the spindle 54 , For controlling the actuator 50 is the electric coil assembly 60 via electrical lines 21 with an electronic control device 11 connected.

Die 5 zeigt ferner den jeweiligen Kraftfluss in dem Aktuator bei Zugbelastung (Einfahren der Spindel) und Druckbelastung (Ausfahren der Spindel). Zwischen den Befestigungsösen 56, 57 ist der Kraftfluss entlang der Längsrichtung L des Aktuators 50 gerichtet. Die gestrichelte Linie 58 zeigt den Kraftfluss bei Zugbelastung. In diesem Fall ist das Kugellager 54 in Längsrichtung L kraftbelastet.The 5 also shows the respective power flow in the actuator under tensile load (retraction of the spindle) and pressure load (extension of the spindle). Between the eyelets 56 . 57 is the force flow along the longitudinal direction L of the actuator 50 directed. The dashed line 58 shows the power flow under tensile load. In this case, the ball bearing 54 in the longitudinal direction L loaded with force.

Die gestrichelte Linie 59 zeigt den Kraftfluss bei Druckbelastung. In diesem Fall ist das Kugellager 55 in Längsrichtung L kraftbelastet. Wie erkennbar ist, verläuft der Kraftfluss in beiden Belastungsrichtungen über eine jeweilige Stirnfläche eines äußeren Rings des Kugellagers 54 bzw. des Kugellagers 55.The dashed line 59 shows the force flow under pressure load. In this case, the ball bearing 55 in the longitudinal direction L loaded with force. As can be seen, the force flow in both load directions extends over a respective end face of an outer ring of the ball bearing 54 or the ball bearing 55 ,

Die 1 zeigt als Ausschnitt 1 beispielhaft den in 5 links oben dargestellten Teil des Kugellagers 54 im Detail. Die nachfolgenden Erläuterungen gelten sinngemäß auch für das Kugellager 55.The 1 shows as a section 1 exemplifies the in 5 Part of the ball bearing shown on the top left 54 in detail. The following explanations apply mutatis mutandis to the ball bearing 55 ,

1 lässt in schematischer Darstellung einen Abschnitt 2 des Spindeltriebs 52 und einen oberen Teil des Kugellagers 54, nachfolgend zur Vereinfachung als Lager 3 bezeichnet, erkennen. Das Lager 3 hat eine rotierbare Läuferanordnung 4, die durch einen Innenring 5 und eine Vielzahl auf den Umfang verteilt angeordnete Wälzkörper 6 hat. Die Wälzkörper 6 werden durch einen äußeren Umfang durch einen Außenring 7 umschlossen, so dass eine Relativbewegung zwischen Innenring 5 und Außenring 7 unter Abrollen der Wälzkörper 6 in den für die Wälzkörper 6 vorgesehen Mulden im Innen- und Außenring 5 und 7 möglich ist. Der Außenring 7 bildet ein Gegenlager zur rotierbaren Läuferanordnung 4. Das Gegenlager bzw. der Außenring 7 ist in ein Gehäuse 8 fest eingebaut, so dass das Gegenlager in Bezug zur rotierbaren Läuferanordnung 4 statisch ist. 1 shows a schematic representation of a section 2 of the spindle drive 52 and an upper part of the ball bearing 54 , hereinafter for simplification as a bearing 3 designated, recognize. The warehouse 3 has a rotatable rotor arrangement 4 passing through an inner ring 5 and a plurality of circumferentially spaced rolling elements 6 Has. The rolling elements 6 be through an outer circumference through an outer ring 7 enclosed, allowing a relative movement between inner ring 5 and outer ring 7 under rolling of the rolling elements 6 in the for the rolling elements 6 provided hollows in the inner and outer ring 5 and 7 is possible. The outer ring 7 forms an abutment to the rotatable rotor assembly 4 , The counter bearing or the outer ring 7 is in a housing 8th firmly installed, so that the counter bearing in relation to the rotatable rotor assembly 4 is static.

Hierbei sind der Spindeltrieb 52, der Rotor 53, die Läuferanordnung 4, der Innenring 5 und die Wälzkörper 6 rotierbare Bauelemente. Der Außenring 7 und das Gehäuse 8 sind Teile der Lagerstelle der rotierbaren Bauelemente. Here are the spindle drive 52 , the rotor 53 , the runner arrangement 4 , the inner ring 5 and the rolling elements 6 rotatable components. The outer ring 7 and the case 8th are parts of the bearing of rotatable components.

An mindestens einer Seitenwand des Außenrings, d. h. an einer Stirnseite, angrenzend an das Gehäuse 8 sind mehrere über den Umfang des Außenrings 7 verteilt angeordnete piezoresistive Messaufnehmer 9 angeordnet, die drahtlos oder mittels Kabel 10 mit der elektronischen Steuereinrichtung 11 verbunden sind. Die elektronische Steuereinrichtung 11 hat Signalauswertelogik, um charakteristische, bei der Rotation der Läuferanordnung 4 bestehend aus Wälzkörper 6 und Innenring 5 wiederkehrende Signalmuster der mehreren Sensorsignale der piezoresistiven Messaufnehmer 9 zu erfassen und in Abhängigkeit dieser erfassten Signalmuster die auf den Aktuator 50 einwirkende Last zu bestimmen.On at least one side wall of the outer ring, ie on an end face, adjacent to the housing 8th are several over the circumference of the outer ring 7 distributed piezoresistive sensors 9 arranged by wireless or by cable 10 with the electronic control device 11 are connected. The electronic control device 11 has Signalauswertelogik to characteristic, during rotation of the rotor assembly 4 consisting of rolling elements 6 and inner ring 5 Recurring signal pattern of the multiple sensor signals of the piezoresistive sensor 9 to capture and depending on these detected signal patterns on the actuator 50 determine acting load.

2 lässt eine mögliche Ausführungsform in einer schematischen Darstellung des Außenrings 7 als Aufsicht von der Seite erkennen. Deutlich wird, dass mehrere piezoresistive Messaufnehmer 9 über den Umfang verteilt ähnlich wie bei einer Inkrementscheibe angeordnet sind. Dabei sind die piezoresistiven Messaufnehmer 9 vorzugsweise äquidistant voneinander beabstandet. 2 leaves a possible embodiment in a schematic representation of the outer ring 7 recognize as a supervision from the side. It becomes clear that several piezoresistive sensors 9 distributed over the circumference are arranged similar to an incremental disk. Here are the piezoresistive sensors 9 preferably equidistant from each other.

Erkennbar ist, dass jeder piezoresistive Messaufnehmer 9 einen Bereich 12 hat, der im Lasteinflussbereich der rotierbaren Lageranordnung 4 liegt. Angrenzend an diesen im Kraftfluss liegenden Bereich 12 ist ein weiterer Bereich 13 vorgesehen, der außerhalb des Lasteinflussbereichs liegt und zur elektrischen Kontaktierung dient. Neben dem Bereich 13 ist ein weiterer Bereich 10 vorgesehen, der zur Temperaturkompensation dient. Die Bereiche 10, 13 werden jeweils mittels Kabeln 20 mit der elektronischen Steuereinrichtung 11 verbunden. Die piezoresistiven Messaufnehmer 9 werden mittels einer geeigneten Konstantspannungsquelle mit Energie versorgt. Die eigentliche Temperaturkompensation der piezoresistiven Messaufnehmer 9 erfolgt über eine geeignete Verschaltung der Bereiche 10 und 13 z. B. mit einer Viertelbrücke.It can be seen that every piezoresistive sensor 9 an area 12 has, in the load influencing area of the rotatable bearing assembly 4 lies. Adjacent to this area lying in the power flow 12 is another area 13 provided, which is outside the load influencing area and used for electrical contact. Next to the area 13 is another area 10 provided, which serves for temperature compensation. The areas 10 . 13 are each using cables 20 with the electronic control device 11 connected. The piezoresistive sensors 9 are powered by a suitable constant voltage source with energy. The actual temperature compensation of piezoresistive sensors 9 takes place via a suitable interconnection of the areas 10 and 13 z. B. with a quarter bridge.

Die piezoresistive Sensorschicht kann homogen auf einen Grundkörper, hier z. B. den Außenring 7, aufgetragen werden. Zur Ausbildung einzelner piezoresistiver Messaufnehmer ist es notwendig, Bereiche zu definieren, in denen die eigentliche Messung der Kontaktkräfte stattfinden soll. Hierfür kann vorteilhaft eine leitfähige Beschichtung in dedizierten Bereichen des Grundkörpers vorgesehen werden, und zwar in Form der anhand der 2 dargestellten Bereiche 10, 12, 13. Die 3a, die hinsichtlich der dort dargestellten elektronischen Schaltung später noch eingehender erläutert wird, zeigt ausschnittsweise einen Sektor des als Grundkörper verwendeten Außenrings 7 sowie darauf aufgebrachter Bereiche 10, 12, 13 mit elektrisch leitfähiger Beschichtung. Vorteilhaft besteht jeder Sensorbereich aus zwei Elektroden F, T. Die für die Kraftmessung ausgebildete Elektrode F ist als Kombination zwischen einem rechteckigem Bereich 13 und einem gerundeten Bereich 12 ausgestaltet, wobei der gerundete Bereich vorteilhaft in Form eines langgestreckten Ovals ausgebildet sein kann. Wie in 3a zu erkennen ist, befindet sich nur der ovale Bereich 12 innerhalb eines kraftbeaufschlagten Bereichs 30, nämlich innerhalb eines Flächenbereichs, in dem die Flanke des Außenrings 7 am Gehäuse 8 anliegt. Die Bereiche 13, 10 der Elektroden befinden sich in einem nicht kraftbeaufschlagten Bereich 31 des Außenrings 7. Somit befindet sich von der gesamten Sensoranordnung nur der ovale Bereich 12 im Kraftfluss der mechanischen Konstruktion. Die zusätzlich neben der Elektrode F angeordnete rechteckförmige Elektrode T befindet sich vorteilhaft in unmittelbarer Nähe zur Elektrode F, ist mit dieser jedoch nicht leitfähig verbunden. Die rechteckförmigen Bereiche 10, 13 der Elektroden dienen dabei der Kontaktierung der Anschlussdrähte zur Verbindung mit einer Messschaltung. Hierbei ist es vorteilhaft, dass der Bereich 10 der Elektrode T den gleichen Flächenbereich einnimmt wie die Bereiche 12, 13 der Elektrode F zusammen. Hierdurch ist mittels der Elektrode T eine optimale Temperaturkompensation möglich.The piezoresistive sensor layer can be homogeneously applied to a base body, here z. B. the outer ring 7 , are applied. To form individual piezoresistive sensors, it is necessary to define areas in which the actual measurement of the contact forces should take place. For this purpose, a conductive coating can advantageously be provided in dedicated areas of the base body, in the form of the basis of the 2 represented areas 10 . 12 . 13 , The 3a , which will be explained later in more detail with regard to the electronic circuit shown there, shows a section of a sector of the outer ring used as the main body 7 as well as applied areas 10 . 12 . 13 with electrically conductive coating. Advantageously, each sensor region consists of two electrodes F, T. The electrode F designed for the force measurement is a combination between a rectangular region 13 and a rounded area 12 configured, wherein the rounded portion can be advantageously formed in the form of an elongated oval. As in 3a can be seen, there is only the oval area 12 within a force-loaded area 30 , namely within a surface area in which the flank of the outer ring 7 on the housing 8th is applied. The areas 13 . 10 the electrodes are in a non-force loaded area 31 of the outer ring 7 , Thus, of the entire sensor array is only the oval area 12 in the power flow of mechanical construction. The additionally arranged next to the electrode F rectangular electrode T is advantageously located in close proximity to the electrode F, but is not connected to conductive. The rectangular areas 10 . 13 The electrodes serve to make contact with the connecting wires for connection to a measuring circuit. It is advantageous that the area 10 the electrode T occupies the same area as the areas 12 . 13 the electrode F together. As a result, optimal temperature compensation is possible by means of the electrode T.

Die 3a und 3b zeigen eine Skizze mit einem Schaltdiagramm zur temperaturkompensierten Lastmessung mit einem Schaltbild einer Viertelbrücke zur Temperaturkompensation.The 3a and 3b show a sketch with a circuit diagram for temperature-compensated load measurement with a circuit diagram of a quarter bridge for temperature compensation.

In der Skizze gemäß 3a ist ein Sektor 30, 31 des Außenrings 7 mit dem ersten im Kraftfluss liegenden Bereich 12 und dem zweiten außerhalb des Kraftflusses der rotierbaren Lageranordnung 6, 7 liegenden Bereich 13 mit den dort gebildeten piezoresistiven Strukturen zu erkennen. Der Außenring 7 ist auf Basispotential, zum Beispiel Masse gelegt. Die Schaltung und wird mit einer Konstantspannungsquelle U mit einer konstanten Spannung versorgt. Die eigentliche Temperaturkompensation der piezoresistiven Messaufnehmer erfolgt über eine geeignete Verschaltung der Elektroden F, T z. B. mit einer Brückenschaltung.In the sketch according to 3a is a sector 30 . 31 of the outer ring 7 with the first area lying in the power flow 12 and the second outside the power flow of the rotatable bearing assembly 6 . 7 lying area 13 to recognize with the piezoresistive structures formed there. The outer ring 7 is based on base potential, for example, ground. The circuit and is supplied with a constant voltage source U with a constant voltage. The actual temperature compensation of the piezoresistive sensors takes place via a suitable interconnection of the electrodes F, T z. B. with a bridge circuit.

Wie in der 3a ebenfalls erkennbar ist, ist der Außenring 7 als metallischer Grundkörper eine elektrische Referenz für die Erfassung der Sensorsignale. Der Außenring 7 liegt dabei beispielsweise auf Massepotenzial. Die Elektroden F, T werden über eine Messschaltung mit einer Spannungsquelle verbunden, deren Potenzial höher liegt als das der elektrischen Masse des Außenrings 7. Hierdurch bildet sich ein Stromfluss aus, bei dem die Ladungsträger zunächst über eine Verbindungsstelle in die Elektroden T, F fließen und von dort durch die Sensorschicht zur elektrischen Masse, d. h. über den metallischen Grundkörper des Außenrings 7 zur Masse der Spannungsversorgung. Für die Funktion als Messaufnehmer kommen die Bereiche der Anordnung in Frage, in denen ein Stromfluss durch die piezoresistive Beschichtung fließt und eine Widerstandsänderung der Beschichtung messtechnisch erfasst werden kann. Die piezoresistive Sensorschicht ist prinzipbedingt sehr hochohmig. Aus diesem Grund kommt es nicht zu einem relevanten Stromfluss von einer Elektrode zur anderen, d. h. die Messungen an den einzelnen Elektroden beeinflussen sich gegenseitig nicht. Aufgrund des hohen spezifischen Widerstands der piezoresistiven Sensorschicht fließen die Ladungsträger, sozusagen nach dem Prinzip des Wegs des geringsten Widerstands, von einer Elektrode durch die relativ dünne Sensorschicht zur elektrischen Masse des Grundkörpers. Ein Stromfluss über den wesentlich hochohmigeren Weg über benachbarte Elektroden ist vernachlässigbar. Daher kann jede Elektrode als ein separater, veränderlicher ohmscher Widerstand betrachtet werden.Like in the 3a Also recognizable is the outer ring 7 as metallic base an electrical reference for the detection of the sensor signals. The outer ring 7 is for example at ground potential. The electrodes F, T are connected via a measuring circuit to a voltage source whose potential is higher than that of the electrical ground of the outer ring 7 , As a result, a current flow is formed, in which the charge carriers initially into the Electrodes T, F flow and from there through the sensor layer to the electrical ground, ie via the metallic base body of the outer ring 7 to the ground of the power supply. For the function as a sensor, the areas of the arrangement in question in which a current flow through the piezoresistive coating flows and a change in resistance of the coating can be detected by measurement. The piezoresistive sensor layer is inherently very high impedance. For this reason, there is no relevant current flow from one electrode to the other, ie the measurements on the individual electrodes do not influence each other. Due to the high resistivity of the piezoresistive sensor layer, the charge carriers flow, so to speak, on the principle of the path of least resistance, from one electrode through the relatively thin sensor layer to the electrical ground of the main body. A current flow over the much higher impedance path via adjacent electrodes is negligible. Therefore, each electrode can be considered as a separate, variable resistive resistor.

Kommt es durch den Einfluss von Druck bzw. Kraft oder Temperatur zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands der Sensorschicht, kann dieser lokal im Bereich der Elektroden erfasst werden, da er den Stromfluss dort direkt beeinflusst. Für die Anwendung zur Lastmessung besteht ein Bedarf daran, dass die Messung nicht durch Temperatureinflüsse ungenau wird. Es ist daher eine temperaturstabilisierte Messung anzustreben. Zu diesem Zweck wird eine Messschaltung gemäß 3a bzw. 3b verwendet. Bei dieser Messschaltung wird in Reihe zu jeder Elektrode ein externer Widerstand geschaltet. Ergänzt mit einer Spannungsquelle kann dann eine Brückenschaltung aufgebaut werden. Die Querspannung U_b der Brückenschaltung steht dabei in folgendem Zusammenhang mit den übrigen Größen der Messschaltung:

If there is a change in the electrical resistance of the sensor layer due to the influence of pressure or force or temperature, it can be detected locally in the area of the electrodes, since it directly influences the current flow there. For the load measurement application, there is a need for the measurement not to become inaccurate due to temperature effects. It is therefore desirable to have a temperature-stabilized measurement. For this purpose, a measuring circuit according to 3a respectively. 3b used. In this measurement circuit, an external resistor is connected in series with each electrode. Supplemented with a voltage source, a bridge circuit can then be set up. The transverse voltage U _{b of} the bridge circuit is in the following context with the other variables of the measuring circuit:

Eine Änderung der Schichtwiderstände in der Sensorschicht macht sich daher in einer Änderung der Querspannung bemerkbar. Man kann erkennen, dass durch Anpassen des externen Widerstands R_trimm die Größenverhältnisse so eingestellt werden können, dass die Querspannung zwischen den Brückenzweigen zu Null wird. Ein solcher Abgleich kann einmalig erfolgen, z. B. im unbelasteten Zustand des Lagers. Kommt es nun zu einer Krafteinwirkung auf die Elektrode F, reduziert sich an dieser Stelle der elektrische Widerstand der Sensorschicht. An der Elektrode T kann dies nicht erfolgen, da sie sich nicht innerhalb des Kontaktbereichs des Außenrings befindet. Die Elektrode T verändert daher ihren Widerstand kraftbedingt nicht. Beide Elektroden F, T unterliegen aber zusätzlich einer temperaturbedingten Widerstandsänderung. Durch in etwa flächenmäßig gleich große Ausbildung der Bereiche 10 und 12 + 13 und die Anordnung der Bereiche 10, 13 nah beieinander kann eine effiziente Temperaturkompensation erfolgen.A change in the sheet resistances in the sensor layer therefore manifests itself in a change in the transverse voltage. It can be seen that by adjusting the external resistance R _trim, the proportions can be adjusted so that the cross _voltage between the bridge branches becomes zero. Such an adjustment can be done once, for. B. in the unloaded condition of the camp. If there is now a force acting on the electrode F, the electrical resistance of the sensor layer is reduced at this point. This can not be done on the electrode T since it is not within the contact area of the outer ring. The electrode T therefore does not change its resistance due to the force. However, both electrodes F, T are additionally subject to a temperature-induced change in resistance. By about the same size in terms of area training of the areas 10 and 12 + 13 and the arrangement of the areas 10 . 13 close to each other, an efficient temperature compensation can take place.

Als Folge der Kraftbeaufschlagung des Bereichs 12 ändert sich der Widerstand der darunter befindlichen Sensorschicht. Hierdurch sind die Widerstandsverhältnisse der Brückenschaltung nicht mehr so abgestimmt, dass die Querspannung U_b den Wert Null hat. Es ergibt sich somit eine von Null verschiedene Querspannung. Dieser Spannungswert ist dann ein Maß für die einwirkende Kraft auf die Elektrode F, was von einer angeschlossenen Messeinheit bzw. der elektronischen Steuereinrichtung 11 erfasst und verarbeitet werden kann.As a result of the application of force to the area 12 the resistance of the underlying sensor layer changes. As a result, the resistance ratios of the bridge circuit are no longer adjusted so that the transverse voltage U _{b has} the value zero. This results in a non-zero transverse stress. This voltage value is then a measure of the acting force on the electrode F, which is a connected measuring unit or the electronic control device 11 can be captured and processed.

Kommt es zu einer Temperaturveränderung im Bereich der Sensoren, wirkt sich diese Temperaturveränderung auf die gesamte Sensorschicht in diesem Bereich aus. Entsprechend ändert sich der Widerstand der Sensorschicht in diesem Bereich. Durch die identische Größe der Bereiche 10 und 12 + 13 der Elektroden kommt es dabei nicht zu einem Ungleichgewicht in der Messung, sondern zu einer Kompensation innerhalb der Brückenschaltung. Es bleibt das Widerstandsverhältnis in den Brückenzweigen gleich, so dass es auch nicht zu einer temperaturbedingten Änderung der Querspannung kommt. Die Schaltung ist somit automatisch temperaturkompensiert.If there is a temperature change in the area of the sensors, this temperature change affects the entire sensor layer in this area. Accordingly, the resistance of the sensor layer changes in this area. Due to the identical size of the areas 10 and 12 + 13 The electrodes do not lead to an imbalance in the measurement, but to a compensation within the bridge circuit. It remains the same resistance ratio in the bridge arms, so that it does not lead to a temperature-induced change in the transverse stress. The circuit is thus automatically temperature compensated.

Deutlich wird, dass die Signale der beiden piezoresistiven Strukturen jeweils an die elektronischen Steuereinrichtung 11 geführt werden. Die piezoresistiven Strukturen sind zudem über elektrische Widerstände R_trimm und R_e an die Konstantspannungsquelle U angeschlossen. Statt einer Konstantspannungsquelle kann auch eine Konstantstromquelle verwendet werden. Eine Konstantstromquelle bietet verschiedene Vorteile bei der Übertragung der Messsignale in die Messschaltung, wie z. B. die Möglichkeit zur Erkennung von Leitungsbrüchen oder ausgefallenen Sensoren.It is clear that the signals of the two piezoresistive structures in each case to the electronic control device 11 be guided. The piezoresistive structures are also connected via electrical resistors R _trim and R _e to the constant _{voltage source} U. Instead of a constant voltage source, a constant current source can also be used. A constant current source offers various advantages in the transmission of the measurement signals in the measuring circuit, such. B. the possibility of detecting line breaks or failed sensors.

3b lässt mit dem Schaltdiagramm erkennen, dass die durch die piezoresistiven Strukturen gebildeten Elektroden T, F mit den Widerständen R_trimm und R_e in einer Brückenschaltung (Wheatstone-Brücke) verschaltet sind. Hierbei entspricht der dargestellte Widerstand R_F dem Widerstand der Elektrode F, der Widerstand R_T entspricht dem Widerstand der Elektrode T. 3b can be seen with the _{circuit diagram} that the electrodes formed by the piezoresistive structures T, F with the resistors R _trim and R _e in a bridge circuit (Wheatstone bridge) are connected. Here, the illustrated resistance R _F corresponds to the resistance of the electrode F, the resistance R _T corresponds to the resistance of the electrode T.

Hiermit wird eine Temperaturkompensation der Messung erreicht, die notwendig ist, da die Temperatur im Einsatzbereich des Messsystems in der Regel beträchtlichen Schwankungen unterworfen sein kann. This temperature compensation of the measurement is achieved, which is necessary because the temperature in the application of the measuring system usually can be subject to considerable fluctuations.

Die im Kraftfluss der rotierbaren Lageranordnung 6, 7 liegende piezoresistive Struktur mit R_F ist dem Einfluss von Kraft und Temperatur unterworfen. Die zweite, außerhalb des Kraftflusses liegende piezoresistive Struktur mit der Elektrode R_F ist hingegen nur gegenüber Temperaturänderungen empfindlich. Die Temperaturkompensation der Messung wird durch die Anwendung einer Viertelbrückenschaltung realisiert. Hierbei werden die elektrischen Widerstände R_T und R_F des jeweiligen Sensorpunktes durch zwei externe Widerstände R_trimm und R_E ergänzt, die in einem separaten Modul zusammen mit der zur Signalerfassung und -auswertung notwendigen Elektronik untergebracht sind und unter anderem auch die Abstimmung der Brückenspannung ermöglichen. Bei dieser Art der Temperaturkompensation wird davon ausgegangen, dass sowohl die externen Widerstände R_trimm und R_e wie auch die Strukturen des Sensorpunktes jeweils ein weitgehend identisches Temperaturverhalten zeigen und auch gleichen Temperaturen ausgesetzt sind. Auf diese Weise bleibt die Brückenspannung auch bei Änderung der Temperatur entweder im Elektronikmodul oder am Wälzlager konstant. Neben der Temperaturkompensation ist die Störunempfindlichkeit dieser Schaltung ein weiterer Vorteil. Insbesondere Störungen im Massepotential koppeln durch den Aufbau als Brückenschaltung als Gleichtaktstörungen in beide Brückenzweige synchron ein und verfälschen so nicht die gemessene Brückenspannung. Ein geringfügiger Nachteil hingegen ist die nicht lineare Kraft-Spannungs-Kennlinie. Der Linearitätsverlust beträgt je nach Schaltung circa 10%. Dieser kann jedoch elektronisch oder, nach erfolgter Analog-Digital-Wandlung des Messsignals, softwareseitig korrigiert werden, um eine lineare Kennlinie zu erhalten.The in the power flow of the rotatable bearing assembly 6 . 7 lying piezoresistive structure with R _F is subject to the influence of force and temperature. The second, outside the power flow piezoresistive structure with the electrode R _F , however, is sensitive only to changes in temperature. The temperature compensation of the measurement is realized by the application of a quarter-bridge circuit. Here, the electrical resistors R _T and R _{F of} the respective sensor point are complemented by two external resistors R _trimmed and R _E , which are housed in a separate module together with the necessary for signal detection and evaluation electronics and allow inter alia, the vote of the bridge voltage , In this type of temperature _compensation , it is assumed that both the external resistors R _trim and R _e as well as the structures of the sensor point each exhibit a largely identical temperature behavior and are also exposed to the same temperatures. In this way, the bridge voltage remains constant even when changing the temperature either in the electronic module or the rolling bearing. In addition to the temperature compensation, the noise immunity of this circuit is another advantage. In particular, disturbances in the ground potential coupled by the structure as a bridge circuit as common mode noise in both bridge arms synchronously and so do not distort the measured bridge voltage. A minor disadvantage, however, is the non-linear force-voltage characteristic. The linearity loss is about 10%, depending on the circuit. However, this can be corrected electronically or, after the analog-to-digital conversion of the measurement signal, by the software to obtain a linear characteristic.

Der Stromfluss in dieser Viertelbrücken-Schaltung ist derart, dass an den piezoresistiven Sensorstrukturen der Strom durch die Kontaktstellen in die piezoresistive Schicht eintritt, diese durchdringt und über den metallischen Außenring 7, der als elektrische Masse dient, wieder abfließt. Da sich der Strom hierbei bedingt durch das Prinzip des geringsten Widerstands den kürzesten Weg, das heißt senkrecht durch die Schicht, sucht, kommt es trotz der homogen auf den Außenring 7 aufgetragenen piezoresistiven Sensorschicht nicht zu einer gegenseitigen Beeinflussung der einzelnen Sensorstrukturen.The current flow in this quarter-bridge circuit is such that at the piezoresistive sensor structures, the current enters through the contact points in the piezoresistive layer, penetrates them and through the metallic outer ring 7 , which serves as electrical mass, flows off again. Since the current due to the principle of least resistance seeks the shortest path, that is perpendicular through the layer, it comes despite the homogeneous on the outer ring 7 applied piezoresistive sensor layer does not interfere with each other of the individual sensor structures.

Jeder piezoresistive Messaufnehmer, bestehend aus dem durch die Elektroden F, T gebildeten Sensorpaar, liefert eine temperaturkompensierte Messung der an der Messstelle herrschenden Kontaktkraft zwischen dem Kugellager 7 und dem Gegenlager 6. Die auf dem piezoresistiven Messprinzip beruhende Widerstandsänderung wird über die elektrische Spannung an jedem Sensorpaar gemessen, die als Maß für die einwirkende Kraft dient. Die Kontaktkraft wird durch die an den piezoresistiven Messaufnehmern vorbeirollenden Wälzkörper beeinflusst. Die aus der Pressung der Wälzkörper gegen den Lager-Außenring resultierende, lokale Verformung des Außenrings führt zu einem charakteristischen, drehrichtungsabhängigen Kontaktkraftverlauf.Each piezoresistive sensor, consisting of the sensor pair formed by the electrodes F, T, supplies a temperature-compensated measurement of the contact force between the ball bearing prevailing at the measuring point 7 and the counter bearing 6 , The resistance change based on the piezoresistive measuring principle is measured via the electrical voltage at each sensor pair, which serves as a measure of the acting force. The contact force is influenced by the rolling elements rolling past the piezoresistive sensors. The resulting from the pressing of the rolling elements against the bearing outer ring, local deformation of the outer ring leads to a characteristic, direction of rotation dependent contact force curve.

Der Aufbau der piezoresistiven Messaufnehmer 12, 13 ist in der 4 skizziert. Die Temperaturkompensationsbereiche 10 sind gleichermaßen aufgebaut. Die äußere stirnseitige Oberfläche 30 des Außenrings 7 dient als Substrat für eine flächig aufgebrachte piezoresistive Sensorschicht 14 bestehend aus einer dotierten oder undotierten Kohlenwasserstoffschicht. Als Dotierungsmaterialien kommen beispielsweise Metalle, wie Wolfram, Chrom, Silber, Titan, Gold, Platin etc. in Frage. Als Material für die Sensorschicht 14 sind auch reine oder amorphe Kohlenstoffschichten möglich.The structure of piezoresistive sensors 12 . 13 is in the 4 outlined. The temperature compensation ranges 10 are equally structured. The outer frontal surface 30 of the outer ring 7 serves as a substrate for a piezoresistive sensor layer applied in a planar manner 14 consisting of a doped or undoped hydrocarbon layer. Examples of suitable doping materials are metals such as tungsten, chromium, silver, titanium, gold, platinum, etc. As material for the sensor layer 14 also pure or amorphous carbon layers are possible.

Auf die piezoresistive Sensorschicht 14 sind strukturierte Elektroden 15 zur Kraftmessung und zur Temperaturkompensation aufgebracht. Diese strukturierten Elektroden 15 bestehen aus einer dünnen Metallschicht, wie z. B. Chrom, Titan, Chrom-Nickel-Verbindungen etc. Die strukturierten Elektroden haben die in 3 gezeigte und diskutierte Form und bilden den ovalen Bereich 12 und den viereckigen Bereich 13 aus.On the piezoresistive sensor layer 14 are structured electrodes 15 applied for force measurement and temperature compensation. These structured electrodes 15 consist of a thin metal layer, such. As chrome, titanium, chrome-nickel compounds, etc. The structured electrodes have the in 3 shown and discussed form and form the oval area 12 and the quadrangular area 13 out.

Die piezoresistive Sensorschicht 14 sowie die strukturierten Elektroden 15 sind mit einer Isolations- und Verschleißschutzschicht 16 abgedeckt, die z. B. aus einer siliziumdotieren Kohlenwasserstoffschicht gebildet ist. Denkbar ist auch die Verwendung von Silizium-Sauerstoff-, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitriddotierten Kohlenwasserstoffschichten.The piezoresistive sensor layer 14 as well as the structured electrodes 15 are with an insulation and wear protection layer 16 covered, the z. B. is formed from a silicon-doped hydrocarbon layer. It is also conceivable to use silicon-oxygen, aluminum oxide or aluminum nitride-doped hydrocarbon layers.

Bei dem dargestellten Schichtsystem haben alle Sensorstrukturen der piezoelektrischen Messaufnehmer dieselbe Masse, für die das metallische Ringsubstrat verwendet wird.In the layer system shown, all the sensor structures of the piezoelectric sensors have the same mass, for which the metallic ring substrate is used.

Ein piezoresistiver Dünnschichtsensor bestehend aus einer auf einem Träger angeordneten Kohlenwasserstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften und Elektrodenstrukturen auf der piezoresistiven Sensorschicht ist zudem aus der DE 10 2006 019 942 A1 bekannt.A piezoresistive thin-film sensor comprising a hydrocarbon layer with piezoresistive properties and electrode structures on the piezoresistive sensor layer arranged on a support is also known from US Pat DE 10 2006 019 942 A1 known.

Die 6 zeigt den Außenring 7 des Kugellagers 54. Auf dem Außenring 7 ist stirnseitig ein piezoresistiver Messaufnehmer mit einem kreisringförmig ausgebildeten Sensierbereich 61 angeordnet, der im Kraftfluss angeordnet ist. Des Weiteren ist eine piezoresistive Beschichtung als innerer konzentrischer Kreisring vorgesehen, die als Temperaturkompensationselement 62 dient.The 6 shows the outer ring 7 of the ball bearing 54 , On the outer ring 7 is frontally a piezoresistive sensor with a circular-shaped Sensierbereich 61 arranged, which is arranged in the power flow. Furthermore, one is Piezoresistive coating provided as an inner concentric annulus, which serves as a temperature compensation element 62 serves.

Die 7 zeigt die prinzipielle Signalverarbeitung bei Verwendung nur eines piezoresistiven Messaufnehmers, z. B. wie anhand der 6 dargestellt. Von einem piezoresistiven Messaufnehmer 70 wird ein Ausgangssignal an eine Messschaltung 71 abgegeben, wie z. B. anhand der 3 beschrieben. Die Messschaltung 71 weist zudem einen Analog/Digital-Wandler auf, dessen Ausgangssignal in einen Mikroprozessor eingelesen wird. In einem Block 72 wird eine Signalkonditionierung durchgeführt, z. B. durch digitale Signalverarbeitung in dem Mikroprozessor. Von dem Mikroprozessor wird ein Steuersignal an eine Motoransteuerungseinheit 74 abgegeben. Zudem wird von einer Soll-Wert-Vorgabeeinheit 73 ein Steuersignal an die Motoransteuerungseinheit 74 abgegeben. Durch das Steuersignal erfolgt die Betätigung des Elektromotors des Aktuators 50 im jeweiligen Einsatzfall. Der Elektromotor wird in den 7 und durch einen Block 75 symbolisiert. In der Motoransteuerungseinheit 74 werden das Steuersignal und das von der Signalkonditionierung im Block 72 kommende Signal ausgewertet. Sofern die Auswertung ergibt, dass ein Kraftabgabe- oder Kraftaufnahme-Grenzwert des Aktuators noch nicht überschritten ist, bewirkt die Motoransteuerung eine Betätigung des Elektromotors 75 derart, dass die durch das Steuersignal gewünschte Position des Aktuators eingestellt wird. Sofern der Grenzwert erreicht oder überschritten ist, begrenzt die Motoransteuerungseinheit 74 die Betätigung des Elektromotors 75 derart, dass der Grenzwert nicht überschritten wird und der Aktuator damit vor Überlast geschützt betrieben wird.The 7 shows the basic signal processing when using only one piezoresistive sensor, z. B. as based on the 6 shown. From a piezoresistive sensor 70 becomes an output signal to a measuring circuit 71 delivered, such. B. based on the 3 described. The measuring circuit 71 also has an analog / digital converter whose output signal is read into a microprocessor. In a block 72 a signal conditioning is performed, for. B. by digital signal processing in the microprocessor. The microprocessor sends a control signal to a motor drive unit 74 issued. In addition, from a target value default unit 73 a control signal to the motor drive unit 74 issued. By the control signal, the actuation of the electric motor of the actuator takes place 50 in the respective application. The electric motor is in the 7 and by a block 75 symbolizes. In the motor drive unit 74 be the control signal and the signal conditioning in the block 72 incoming signal evaluated. If the evaluation shows that a Kraftabgabe- or power consumption limit value of the actuator is not exceeded, causes the motor control actuation of the electric motor 75 such that the position of the actuator desired by the control signal is adjusted. If the limit is reached or exceeded, the motor drive unit limits 74 the operation of the electric motor 75 such that the limit is not exceeded and the actuator is thus operated protected against overload.

Die 8 zeigt eine vergleichbare Signalverarbeitung wie 7, jedoch für den Fall der Verwendung einer Mehrzahl piezoresistiver Messaufnehmer, wie z. B. anhand der 2 dargestellt. Die Mehrzahl der piezoresistiven Messaufnehmer wird durch einen ersten Messaufnehmer 80 sowie einen n-ten Messaufnehmer 83 symbolisiert, wobei durch die dazwischen dargestellten Punkte eine Mehrzahl von Messaufnehmern symbolisiert wird. Der erste Messaufnehmer 80 gibt sein Ausgangssignal an eine Messschaltung 81 ab, die wiederum ein Ausgangssignal an eine Signalkonditionierung 82 abgibt. Analog dazu gibt der n-te Messaufnehmer 83 sein Ausgangssignal an eine Messschaltung 84 ab, die wiederum ein Ausgangssignal an eine Signalkonditionierung 85 abgibt. Die Signalkonditionierungen 82, 85 sowie die durch die Punkte symbolisierten weiteren Signalkonditionierungen der übrigen Messaufnehmer geben ihre Ausgangssignale an einen Block 86 ab, der zur Zusammenführung der Ausgangssignale dient. In dem Block 86 wird z. B. der Mittelwert der zugeführten Ausgangssignale bestimmt. Vom Block 86 wird ein gemeinsames Ausgangssignal bei Bedarf einer weiteren Signalkonditionierung 72 und dann der Motoransteuerungseinheit 74 zugeführt. Die weitere Signalverarbeitung des Steuersignals 73 in der Motoransteuerungseinheit 74 zu dem Ansteuersignal für den Motor 75 entspricht dem anhand von 7 beschriebenen Ablauf.The 8th shows a comparable signal processing as 7 However, in the case of using a plurality of piezoresistive sensors, such. B. based on the 2 shown. The majority of piezoresistive sensors are powered by a first sensor 80 and an nth sensor 83 symbolized, wherein symbolized by the points shown in between a plurality of sensors. The first sensor 80 gives its output signal to a measuring circuit 81 which in turn provides an output signal to a signal conditioning 82 emits. The nth sensor is analogous to this 83 its output signal to a measuring circuit 84 which in turn provides an output signal to a signal conditioning 85 emits. The signal conditioning 82 . 85 as well as the further signal conditioning of the other sensors symbolized by the dots give their output signals to a block 86 from, which serves to merge the output signals. In the block 86 is z. B. the average value of the supplied output signals determined. From the block 86 becomes a common output when needed for further signal conditioning 72 and then the motor drive unit 74 fed. The further signal processing of the control signal 73 in the motor drive unit 74 to the drive signal for the motor 75 corresponds to the basis of 7 described procedure.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006019942 A1 [0063]

Claims

Device with an actuator ( 50 ) for delivering a mechanical delivery quantity, in particular a force and / or a travel, and a control device ( 11 ) for controlling the output size of the actuator ( 50 ), wherein the control device ( 11 ) is connected to the actuator for supplying a control signal, and wherein the actuator ( 50 ) at least one arranged in the power flow, the output or recorded force of the actuator piezoresistive sensor ( 9 ), wherein the control device ( 11 ) an output signal (U _b ) of the at least one piezoresistive sensor ( 9 ) and the control device ( 11 ) is adapted to the actuator ( 50 ) in response to the output signal (U _b ).

Device according to claim 1, characterized in that the control device ( 11 ) is adapted to the power output or power input of the actuator ( 50 ) to reduce when the output signal (U _b ) reaches or exceeds a predetermined limit.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the at least one piezoresistive sensor ( 9 ) by coating at least one bearing element lying in the force flow ( 7 . 54 . 55 ) and / or an abutment ( 8th ) of the bearing element is produced in thin-film technology.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the at least one piezoresistive sensor ( 9 ) in the counter bearing ( 8th ) and / or the bearing element ( 7 . 54 . 55 ) is arranged integrated.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least one piezoresistive sensor ( 9 ) an associated temperature compensation element ( 10 . 62 ) having.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that piezoresistive sensors ( 9 ) on opposite end faces of the bearing element ( 7 . 54 . 55 ) and / or on opposite end sides of the anvil ( 8th ) are arranged.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the piezoresistive sensor ( 9 ) and / or the temperature compensation element ( 10 . 62 ) is produced by coating with the following layers: a) a piezoresistive sensor layer formed with doped or undoped hydrocarbon or pure carbon ( 14 ) on the surface of the abutment and / or of the bearing element, b) at least one of the piezoresistive sensor layer ( 14 ) applied electrode ( 15 ) and c) a piezoresistive sensor layer ( 14 ) and the electrode ( 15 ) covering insulation and wear protection layer ( 16 ).

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the electrode ( 15 ) has a structure such that a rounded region ( 12 ) and a quadrilateral area outside the power flow ( 13 ) adjacent to the rounded area ( 12 ), the wiring of the sensors ( 9 ) by electrically conductive connections of test leads ( 20 ) with the quadrilateral area ( 13 ) he follows.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that over the circumference of the bearing element ( 7 . 54 . 55 ) distributes a plurality of piezoresistive sensors ( 9 ) is arranged.

Method for controlling an actuator of a device according to at least one of the preceding claims, characterized by the following steps: a) detecting the output signal (U _b ) of the at least one piezoresistive measuring transducer ( 9 b) comparing the output signal (U _b ) with a predetermined desired value and / or a limit value, c) changing the voltage applied to the actuator ( 50 ) output control signal such that the target value is reached and / or that the limit is not exceeded.

A method according to claim 10, characterized in that the output signal (U _b ) is temperature compensated or temperature compensated.