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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung zur Ermittlung der Position eines Objektes, nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruch 1 und insbesondere mit einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Position, wobei ein elektrisches oder elektrisch auswertbares Signal, wie ein elektrischer Widerstand, in Abhängigkeit von der ermittelten Position erzeugt wird.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Vorrichtungen zur Ermittlung einer Position, die ein elektrisches Signal erzeugen, das abhängig von der zu ermittelnden Position ist, sind allgemein bekannt. Solche Vorrichtungen werden verwendet, um Objekte abzutasten und so die Entfernung eines Punktes an der Oberfläche des Objektes zu einem Referenzpunkt zu ermitteln und diese Strecke als ein oder mehrere elektrische Signale darzustellen. So werden vielgelenkige Anne mit Sensoren verwendet, welche die Winkelstellung der Drehgelenke erfassen und aus der Stellung der Drehgelenke die Entfernung der Spitze eines am Ende des Armes befestigten Tasters mit einem Referenzpunkt ermitteln.
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Solche vorhandenen Vorrichtungen zur Positionsermittlung sind jedoch kompliziert und spezifisch für einen oder wenige Anwendungszwecke entwickelt und können nur schlecht an die Erfordernisse verschiedener anderer Applikationen angepasst werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, zumindest einen der zuvor erwähnten Nachteile der Vorrichtungen zur Positionserfassung nach dem Stand der Technik zumindest teilweise zu lindern. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Positionserfassung bereitzustellen, welche vielseitiger verwendbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Position gelöst, wobei die Vorrichtung einen Kraftsensor, einen Kraftsensorkopf, ein Federelement umfasst, der Kraftsensorkopf gegen ein Federelement bewegt werden kann und die von dem Federelement ausgeübte Kraft auf den Kraftsensor übertragen wird. Die zu erfassende Postion kann so durch ein Ende des Kraftsensorkopfes markiert werden, wozu die Vorrichtung gestaucht wird, indem der Kraftsensorkopf gegen ein Federelement bewegt wird, bis die Kraftsensorspitze die zu erfassende Postion erreicht hat. Die Kraft, die notwendig ist, um den Kraftsensorkopf in dieser Position zu halten, wird über das Federelement auf einen Kraftsensor, wie ein Piezoelement, einen kraftsensitiven Widerstand und/oder einen Dehnmessstreifen, übertragen. Da die zur Längenveränderung des Federelements notwendige Kraft sich mit dem Federweg verändert, insbesondere ansteigt, kann aus der durch den Kraftsensor ermittelten Kraft die Verschiebung des Kraftsensorkopfs insbesondere relativ zum Kraftsensor ermittelt werden. Aus der Verschiebung des Kraftsensorkopfs ergibt sich die Strecke zwischen der Spitze des Kraftsensorkopfs, also der zu ermittelnden Position und einem Referenzpunkt, der bevorzugt fest relativ zum Kraftsensor angeordnet ist. Durch die Verwendung eines oder auch mehrerer seriell oder parallel angeordneter Kraftsensoren zur Umsetzung der Positionsinformation bzw. der Kraftinformation in elektrische Signale, wie digitale oder analoge Widerstands-, Spannungs- oder Stromstärkesignale, erlaubt es, unkompliziert eine Positionsbestimmung durchzuführen. Da für solche Vorrichtungen zur Positionsermittlung bewährte Komponenten verwendet werden können und der Aufbau auf wenige Komponenten beschränkt werden kann, ist die Vorrichtung wartungsarm und auch resistent gegen äußere Einflüsse, so dass diese Vorrichtung über lange Zeiten und auch unter ungünstigen Umständen verwendet werden kann.
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Weiter können zur Umsetzung der Positionsinformationen in elektrische Signale in der Mehrheit mechanische Komponenten verwendet werden, wodurch die Positionsermittlungsvorrichtung auch in Umgebungen verwendet werden kann, in denen die Verwendung von elektrischen Spannungen und Strömen zum Beispiel wegen der Gefahr der Induktion vermieden werden soll. Der Kraftsensor kann an einer von dem Ende des Kraftsensorkopfs entfernten, also einer von der zu ermittelnden Position entfernten, Stelle angeordnet werden, so dass die von dem Kraftsensor erzeugten oder modulierten Signale möglichst das Objekt an der zu ermittelnden Position bzw. die dort verlaufenden Ströme nicht beeinflussen. Dies ist zum Beispiel notwendig, wenn parallel zu der Erfassung der Position auch eine Prüfung von elektrischen Signalen an dem Objekt stattfinden soll. Dies ist zum Beispiel bei einer Funktionsprüfung von Schaltungsplatinen der Fall.
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Bevorzugt ist der Kraftsensor und/oder das Federelement mit dem Kraftsensorkopf lösbar verbunden. So ist es möglich, den Kraftsensorkopf und/oder das Federelement und/oder den Kraftsensor auszutauschen und dadurch die Eigenschaften der Vorrichtung zu verändern, indem z. B. ein anderer Kraftsensor verwendet wird, so dass abhängig von der zu ermittelnden Position ein unterschiedliches Messsignal hervorgebracht wird. Durch den Austausch des Federelements kann die Kraft, welche den auf Kraftsensorkopf in Abhängigkeit vom Verschiebeweg des Kraftsensorkopfs ausgeübt wird, verändert werden, z. B. in dem ein weicheres Federelement verwendet wird und so schon mit einer geringeren Kraft ein größerer Weg zurückgelegt werden kann. Dies erlaubt die Anpassung der Messgenauigkeit und des Messbereiches an die jeweilig Applikation. So kann eine höhere Messgenauigkeit erreicht werden, indem eine Feder verwendet wird, die bei der gleichen Kraft einen kleineren Weg zurücklegt. Der Messbereich wir größer, wenn je nach weniger Kraft für einen bestimmten Weg benötigt wird.
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So kann die Vorrichtung zur Positionsermittlung an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden, ohne dass eine vollkommen neue Vorrichtung verwendet werden muss.
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Bevorzugt umfasst die Vorrichtung zur Positionsermittlung ein Gehäuse, welches den Kraftsensor beinhaltet, wobei das Gehäuse ein Oberteil und ein Unterteil aufweist und das Oberteil mit dem Unterteil lösbar verbindbar ist.
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Eine solche lösbare Verbindung kann z. B. eine Schraubverbindung sein, insbesondere kann das Oberteil und das Unterteil ein Schraubgewinde aufweisen, so dass das Oberteil an das Unterteil angeschraubt werden kann. Auch kann das Oberteil mit dem Unterteil über einen Innenzylinder verbunden werden, der ein Außengewinde aufweist. Durch das Gehäuse können der Kraftsensor, der Kraftsensorkopf und das Federelement miteinander lösbar verbunden werden, indem sie durch das Gehäuse aneinander angeordnet sind.
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Bevorzugt ist der Kraftsensor im Unterteil des Gehäuses angeordnet z. B. festgeklebt, gesteckt, geschraubt oder ähnliches sein, insbesondere gegenüberliegend dem Kraftsensorkopf. Bevorzugt ist das Federelement so angeordnet, dass es die Federkraft auf den Kraftsensor überträgt. Bevorzugt wird dabei die Kraft von dem Kraftsensorkopf auf das Federelement und insbesondere von dem Federelement auf den Kraftsensor übertragen.
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Bevorzugt befindet sich zwischen dem Federelement und dem Kraftsensor ein Kraftübergabeplättchen, welches auf dem Kraftsensor schwimmend gelagert ist. Durch das Kraftübergabeplättchen kann vermieden werden, dass Scherkräfte auf den Kraftsensor übertragen werden und so eventuell unkorrekte Messergebnisse vom Kraftsensor ausgegeben werden. Auch kann durch Scherkräfte der Kraftsensor zerstört oder beschädigt werden, insbesondere wenn das Federelement auf dem Kraftsensor bewegt wird und so mechanisch auf den Kraftsensor einwirkt zum Beispiel den Kraftsensor zerkratzt.
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Besonders bevorzugt ist der Kraftsensorkopf gleitend, insbesondere in dem Gehäuse, gelagert. Die gleitende Lagerung des Kraftsensorkopfes durch das Gehäuse erlaubt es, den Bewegungsweg des Kraftsensorkopfes voraus zu bestimmen und auf eine weitere Lagerung des Kraftsensorkopfes verzichten zu können. So kann die Vorrichtung einfach ausgestaltet werden und besonders preiswert hergestellt werden. Neben der gleitenden Lagerung in dem Gehäuse kann der Kraftsensorkopf auch durch Kugellager, Rollenlager oder ähnliches an dem Gehäuse gelagert sein. Auch ist ein Schwenkgelenk denkbar, bei dem das Ende des Kraftsensorkopfs auf einer Kreisbahn geführt werden wird.
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Bevorzugt kann die Länge des Kraftsensorkopfes verändert werden und das Federelement durch die unterschiedlichen Längen des Kraftsensorkopfes unterschiedlich vorgespannt sein. Durch die Vorspannung des Federelementes wird ein Schwellenwert für die Kraft festgelegt, bei der eine erste Bewegung des Kraftsensorkopfes auftritt. Durch die unterschiedlichen Vorspannungen und die unterschiedlichen Federkonstanten des Federelementes kann die Vorrichtung weiter als elastische Lagerung verwendet werden. Auch ist es möglich die Vorrichtung evtl. ohne Kraftsensor als Abstandshalter in einer Prüfvorrichtung für Schaltungen zu verwenden.
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Bevorzugt weist der Kraftsensorkopf ein Schraubenaufnahmemittel und eine Schraube auf, wobei die Schraube in dem Schraubenaufnahmemittel mittels eines Schraubengewindes befestigt ist und die Schraube sich in der Hauptrichtung des Kraftsensorkopfes erstreckt und durch Drehung der Schraube die Länge des Kraftsensorkopfes verändert werden kann. So kann die gesamte Länge der Vorrichtung verändert werden und entsprechend an die Verwendungssituation angepasst werden.
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Bevorzugt wird die Kraft des Federelements überein plattenförmiges Element, welches insbesondere schwimmend zwischen dem Federelement und dem Kraftsensor befestigt ist, auf den Kraftsensor übertragen. So kann verhindert werden, dass durch eine laterale Bewegung des Federelementes der Kraftsensor beschädigt wird oder eine falsche Messung der Kraft stattfindet.
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Wird ein kürzerer Federweg benötigt, so kann ein höheres Kraftübergabeplättchen eingesetzt. Wird anstatt einer linearen Übersetzung der Kraft eine progressive Übersetzung der Kraft benötigt, so wird die lineare Feder durch eine progressive Feder ersetzt. Wird ein längerer Federweg benötigt, so wird ein längeres Oberteil des Gehäuses, auch Führungszylinder genannt, mit längerer Feder eingesetzt. Wird eine andere Befestigung benötigt, so kann das Unterteil des Gehäuses, auch Zylinderkappe genannt, entsprechend geändert werden. Bei Verschleiß der einzelnen Teile, können diese entsprechend einzeln ausgetauscht werden.
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Da bevorzugt die Vorrichtung durch das Verschrauben des unteren Gehäuseteils, auch Zylinderkappe genannt, mit dem oberen Gehäuseteil, auch Führungszylinder genannt, zusammengehalten wird, kann die Vorrichtung durch Lösen dieser Verschraubung ohne Werkzeug in seine Einzelteile zerlegt werden und so die einzelnen Teile ausgetauscht werden.
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Die Vorrichtung zur Ermittlung einer Position weist bevorzugt einen Kraftsensor mit kraftabhängigem Widerstand auf, der auf der Zylinderkappe durch Klebung fixiert ist. Insbesondere ist der Kraftsensor senkrecht oder nahezu senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kraftsensorkopfes angeordnet. Die Signale des Kraftsensors werden an den beiden Kontakten des Kraftsensors zur Auswerteelektronik weitergegeben. Alternativ kann anstatt eines Kraftsensors mit kraftabhängigen Widerstand auch ein Kraftsensor mit einer Piezowiderstandsmessbruecke und/oder ein Piezoelement und/oder ein Dehnmessstreifen eingesetzt werden.
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Bevorzugt weist die Vorrichtungen zur Ermittlung einer Position eine längliche Form, mit einem Durchmesser von 1–30 mm auf. Die Länge der Vorrichtung beträgt einen mm, bevorzugt 1–40 mm.
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So kann die Vorrichtung zur Positionsermittlung auch bei Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen die Baugröße eine Rolle spielt. Dies ist zum Beispiel bei der Prüfung von Schaltplatinen (PCB) der Fall. Hier kann die Platine durch die Vorrichtungen zur Positionsermittlung von einer oder mehreren Seiten gestützt werden und so in ihrer Position gehalten werden, um über weitere Leiternadeln die zu messenden elektrischen Signale von der Schaltplatine zu messen. Der Vorteil liegt darin, dass auch bei wenig Platz und hohen Bauelementen auf der PCB trotzdem ausreichend viele Vorrichtungen zur Positionsermittlung gesetzt werden können. Dies ist z. B. bei hohen Kondensatoren auf der PCB, die auch eng zusammen liegen, der Fall.
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Weiter kann die Vorrichtung zur Positionsbestimmung zumindest 2-teilig sein. So kann die Zylinderkappe, mit dem Kraftsensor, dem Plättchen zur Kraftübergabe sowie dem Federelement an einer Platte oder Werkstück fixiert sein, während ein zweites Teil, umfassend den Führungszylinder mit der Kraftsensorkopfhalterung und dem Kraftsensorkopf mit der Kraftsensorkopfkappe aufgeschraubt werden kann. Der Vorteil liegt darin, dass der Kraftsensorkopf ausgetauscht werden kann, ohne dass die Zylinderkappe, welche den Innenzylinder, den Kraftsensor, das Kraftübergabeplättchen sowie die Feder umfasst, entfernt werden muss.
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So kann die Kopfform des Kraftsensorkopfes entsprechend der Applikation leicht variiert werden wie z. B. spitz, rund. Auch kann die Art der Umsetzung der Federkraft, ob linear, degressiv, progressiv durch Austauschen der Feder unkompliziert variiert werden. Bei Einsatz einer linearen Feder ist das Verhalten der Vorrichtung zum Ermitteln einer Kraft ähnlich einer invertierten Exponentialfunktion. Bei einer Druckkraft von 0,20 N beträgt der Widerstand des Kraftsensors 1000 K, bei einer Druckkraft von 0,40 N beträgt der Widerstand des Kraftsensors 100 K, bei einer Druckkraft von 1 N beträgt der Widerstand des Kraftsensors 12 K und bei einer Druckkraft von 10 N beträgt der Widerstand des Kraftsensors 4 K. Bei einem Wert von ungefähr 2 K geht der Kraftsensor in die Sättigung, d. h. bei weiterer Erhöhung der Kraft bleibt der Widerstandswert des Kraftsensors gleich.
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Weiter kann die Vorrichtungen zur Ermittlung einer Position einteilig sein und als elektronisches Bauelement auf PCBs eingesetzt werden. Hierbei ist die Kopfform des Kraftsensorkopfes und die Umsetzung der Federkraft festgelegt.
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Bevorzugt umfasst die Vorrichtung zur Positionsbestimmung eine Zylinderkappe, einem Kraftsensor, ein Plättchen zur Kraftübergabe, einen Innenzylinder, ein Federelement, einen Führungszylinder und eine Schraube, welche den Kraftsensorkopf auf der Kraftsensorkopfhalterung fixiert.
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Der Kraftsensorkopf kann in Richtung des Kraftsensors bewegt werden. Somit wird die Vorrichtung zur Positionsbestimmung bei Krafteinwirkung kürzer und ist in einer unbelasteten Situation am längsten.
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Bevorzugt besteht die Zylinderkappe, der Führungszylinder, die Kraftsensorkopfhalterung, der Innenzylinder aus Nirosta bzw. Edelstahl, der Kraftsensorkopf aus Aluminium und die Kraftsensorkopfkappe und das Kraftübergabeplättchen aus Kunststoff. Das Federelement aus Federstahl. Die Schraube aus einer Stahllegierung.
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Bevorzugt wird die Vorrichtung zur Positionsbestimmung als Abstandshalter bei der Prüfung von PCBs eingesetzt. So lassen sich während der Prüfung von PCBs Messdaten bezüglich der Wölbung/Verwindung der PCB erfassen und auswerten. Dadurch wird der Prüfprozess von PCBs transparent und analysierbar. Die PCB wird während der Prüfung nicht gerade gedrückt wird, sondern erfährt nur eine leichte Druckkraft durch die gefederten Abstandshalter bzw. die auch als gefederten Abstandshalter funktionierenden Vorrichtungen zur Positionsbestimmung.
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Bevorzugt wird die Vorrichtung zur Positionsbestimmun nur als gefederter Abstandshalter bei der Prüfung von PCBs eingesetzt. In diesem Falle kann der Kraftsensor in der Vorrichtung entfallen.
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Der Vorteil liegt darin, dass die PCB (Schaltplatine) durch die nachgiebige Vorrichtung zur Kraftermittlung während der Prüfung nicht gerade gedrückt wird.
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Bevorzugt ist der Innenzylinder, die Zylinderkappe und der Führungszylinder schraubbar, um die Flexibilität für kundenspezifische Anpassungen zu bewahren. So kann z. B. die Zylinderkappe ausgetauscht werden, falls eine andere Befestigungsmöglichkeit benötigt wird, z. B. seitlich zwei Bohrungen mit Befestigungslöchern. Auch kann z. B. einfach ein längerer Federweg eingefügt werden, indem ein längerer Führungszylinder eingesetzt wird.
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Der Kraftsensorkopf kann bei Abnutzung oder bei Anforderung einer anderen Kraftsensorkopfform zu jeder Zeit ausgetauscht werden. Die Umsetzung einer Kraft in ein relativ zur Krafteinwirkung erzeugtes elektrisches Signal, kann durch die Wahl der Feder auf lineare, degressive, progressive Umsetzung einfach angepasst werden. Alternativ kann die Vorrichtung zur Ermittlung einer Position auch als gefederter Abstandshalter bei der Prüfung von elektronischen Schaltgruppen eingesetzt werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung näher in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt
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1A eine Vorrichtung zur Kraftermittlung in einer unbelasteten Stellung,
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1B die Vorrichtung von 1A in der Draufsicht,
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2A die Vorrichtung zur Kraftermittlung aus 1, wobei eine Kraft auf den Kraftsensorkopf ausgeübt wird.,
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2B die Vorrichtung zur Kraftermittlung aus 2A in der Draufsicht,
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3A einen Führungszylinder,
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3B den Führungszylinder in der Draufsicht,
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4A eine Kraftsensorkopfhalterung,
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4B eine Kraftsensorkopfhalterung in der Draufsicht,
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5A einen Kraftsensorkopf,
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5B den Kraftsensorkopf aus 5A in der Draufsicht,
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6A eine Kraftsensorkopfkappe,
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6B die Kraftsensorkopfkappe aus 6A in der Draufsicht,
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7A ein Innenzylinder,
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7B den Innenzylinder aus 7A in der Draufsicht,
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8A eine Zylinderkappe,
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8B die Zylinderkappe aus 8A in der Draufsicht,
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9A eine Feder,
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9B die Feder aus 9A in der Draufsicht,
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10A eine Schraube,
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10B die Schraube auf 10A in der Draufsicht,
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11A ein Kraftübergabeplättchen,
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11B ein Kraftübergabeplättchen aus 11A in der Draufsicht,
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12A ein Kraftsensor mit integriertem kraftabhängigem Widerstand
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12B ein Kraftsensor aus 12A in der Draufsicht
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13 mehrere Vorrichtungen zur Ermittlung von Kraft
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14A Vorrichtung zur Kraftermittlung als gefederter Abstandshalter in der Grundposition,
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14B Vorrichtung zur Kraftermittlung aus 14A in der Draufsicht,
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15A Vorrichtung zur Ermittlung von Kraft in der Grundposition,
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15B Vorrichtung zur Ermittlung von Kraft aus 15A in der Draufsicht,
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16A eine Kappe für einen Kraftsensorkopf,
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16B eine Kappe für einen Kraftsensorkopf nach 16A in der Draufsicht.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
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1A zeigt eine Vorrichtung 11 zum Ermitteln einer Position in der Grundposition. Die Vorrichtung umfasst zumindest ein Gehäuse 1, 6 und einen Kraftsensorkopf 3. Die Grundposition ist dadurch ausgezeichnet, dass keine Kraft auf die Vorrichtung 11 bzw. den Kraftsensorkopf 3 wirkt. Der Kraftsensorkopf 3 kann gegenüber dem Gehäuse 1, 6 der Vorrichtung 11 verschoben werden, indem der Kraftsensorkopf 3 durch eine Öffnung des Gehäuses, insbesondere der Kraftsensorkopfhalterung 2, geführt ist und so durch den Kraftsensorkopfhalterung 2 gehalten wird. Dabei ist der Durchmesser der Öffnung ein wenig größer als der Durchmesser des Kraftsensorkopfs am geführten Bereich. Die Vorrichtung 11 umfasst einen Kraftsensor 10, welcher die Federkraft in ein elektrisches Signal, wie einen Widerstand, einen elektrisches Spannungswert oder ähnliches umwandelt. Ein solcher Kraftsensor 10 kann dabei ein Piezoelement und/oder ein kraftabhängiger Widerstand und/oder ein Folien-Dehnmessstreifen sein. Auf den Kraftsensor 10 wird über ein Kraftübergabeplättchen 9, welches auf dem Kraftsensor 10 aufliegt, und ein Federelement 7, welche auf das Kraftübergabe Plättchen 9 einwirkt, die Kraft auf den Kraftsensor 10 übertragen. Das Kraftübergabeplättchen 9 ist dabei aus einem festen Material, wie Kunststoff und/oder Metall und bedeckt die Seite des Kraftsensors 10, welche dem Federelement 7 zugewandt ist. Das Kraftübergabeplättchen 9 liegt dabei schwimmend auf dem Kraftsensor 10 auf, so dass Kräften, welche nicht senkrecht auf das Kraftübergabeplättchen 9 einwirken durch eine seitliche Bewegung des Kraftübergabeplättchen 9 ausgewichen wird.
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Der Kraftsensor 10 ist in einer Zylinderkappe 6 durch Verpressen, Kleben und/oder durch Formschluss befestigt. Die Zylinderkappe 6 umgibt dabei den Kraftsensor 10 sowohl seitlich als auch an der Unterseite und ist über einen Innenzylinder 5 mit einen Führungszylinder 1 verbunden. Der Innenzylinder 5 entspricht mit seinem Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Zylinderkappe 6 und des Führungszylinders 1. der Innenzylinder 5 weist an seiner Außenseite ein bzw. zwei Gewinde auf, zum Eingriff mit dem Gewinde auf der Innenseite der Zylinderkappe 6 und des Führungszylinders 1. So kann die Zylinderkappe 6 mit dem Führungszylinder 1 unter Beibehaltung des Außendurchmessers lösbar verbunden werden. Die Zylinderkappe 6 und der Führungszylinder 1 bilden dabei ein Gehäuse, dass den Kraftsensor 10 schützt und die Vorrichtung 11 zur Kraftermittlung zusammen hält. In dem Führungszylinder 1 ist ein Kraftsensorkopf 3 gleitend gelagert und der Kraftsensorkopf wird durch den Führungszylinder geführt
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Bevorzugt weist die Vorrichtung 11 eine längliche Form auf. Insbesondere mit einem Durchmesser von 1 bis 30 mm. Die Länge der Vorrichtung ist bevorzugt 1 bis 40 mm.
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Der Kraftsensor 10 kann dabei einen kraftabhängigen Widerstand und/oder ein Piezoelement und/oder einen Dehnmessstreifen umfassen. Der Kraftsensor 10 ist dabei in der Zylinderkappe 6 befestigt, insbesondere mit der Zylinderkappe 6 verklebt, verschraubt und/oder darin verklemmt. Der Kraftsensor 10 steht mit seiner bevorzugten Kraftaufnahmerichtung in etwa senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kraftsensorkopfes 3.
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Die Zylinderkappe 6 dient zum Befestigen des Kraftsensorkopfes 3 auf einer Platine, auf einem Test Fixture oder einem ähnlichen Gegenstand. In einer Nut der Zylinderkappe 6 ist der Kraftsensor 10 aufgeklebt und fixiert. Die Anschlüsse des Kraftsensors 18 sind auf einer flexiblen Leiterplatte mit zwei Anschlüssen nach außen geführt und können auf einer elektronischen Auswerteschaltung festgelötet werden. Auf den Kraftsensor 10 ist ein Plättchen zur Kraftübergabe 9 schwimmend aufgelegt. Das Plättchen Kraftübergabe 9 wird vom Innenzylinder 5 und der Zylinderkappe 6 gehalten. In der Zylinderkappe 6 ist ein Innenzylinder 5 festgeschraubt, sodass das Plättchen zur Kraftübergabe 9 und der Kraftsensor 10 in der Nut der Zylinderkappe 6 eingebettet ist. In diesem Zustand wird noch keine Kraft über das Plättchen Kraftübergabe 9 auf den Kraftsensor 10 ausgeübt. Die Feder 7 mit den entsprechenden Eigenschaften wie linear, degressiv, progressiv ist eingelegt. Der Kraftsensorkopf 3 ist mit einer Schraube 8 an der Kraftsensorkopfhalterung 2 befestigt und ist in den Führungszylinder 1 so eingelegt, dass der Kraftsensorkopf 3 durch die Öffnung des Führungszylinders 1 gleiten kann. Der Führungszylinder 1 ist auf den Innenzylinder 5 festgeschraubt. Die Feder 7 drückt auf die Schraube 8 und drückt die Kraftsensorkopfhalterung 2 mit dem aufgeschraubten Kraftsensorkopf 3 nach oben. Die Kappe Kraftsensorkopf 4 besteht aus Kunststoff und kann bei Abnutzung zu jeder Zeit ausgetauscht werden. Der Kraftsensorkopf 3 ist senkrecht zur Kraftsensorkopfhalterung 2 mit einer Schraube befestigt.
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Wie in 2 dargestellt fährt bei Krafteinwirkung die Kraftsensorkopfhalterung 2 mit dem Kraftsensorkopf 3 im Führungszylinder 1 entsprechend der Krafteinwirkung nach unten Richtung Innenzylinder 5. Die maximale Kraftumsetzung ist erreicht, wenn die Kraftsensorkopfhalterung 2, wie ein Kolben im Führungszylinder 1 nach unten fährt, bis der Innenzylinder 5 erreicht ist. Dieser Innenzylinder 5 ist der Anschlag für die Auswertung der Kraftumsetzung in ein elektrisches Signal. Wird eine größere Kraft benötigt, so können mehrere Vorrichtungen zur Ermittlung von Kraft 11 parallel eingesetzt werden.
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3A/3B zeigt einen Führungszylinder 1, also den oberen Teil des Gehäuses der Vorrichtung zur Ermittlung einer Position. Der Führungszylinder 1 ist bevorzugt aus Nirosta kann aber auch aus Edelstahl oder Kunststoff bestehen.
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Der Führungszylinder 1 ist dabei zylinderförmig und weist an seiner Oberseite und der Unterseite jeweils eine Öffnung auf. Die Öffnung an der Oberseite des Führungszylinders ist im Durchmesser an den Durchmesser des Kraftsensorkopfs angepasst. Insbesondere ist der Durchmesser der Öffnung 1 mm bis 0,05 mm größer als der Durchmesser des Kraftsensorkopfs 3. In der unteren Öffnung befindet sich ein Innengewinde, bevorzugt wird ein M10 Innenfeingewinde 12 verwendet. Der Führungszylinder 1 definiert einen Raum, welcher zusammen mit der Zylinderkappe den Innenraum der Vorrichtung bildet.
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4A/4B zeigt eine Kraftsensorkopfhalterung 2, die bevorzugt aus Nirosta oder Edelstahl oder Kunststoff besteht. Die Kraftsensorkopfhalterung 2 weist eine erste Aussparung auf, welche den Kopf der Schraube 8 aufnehmen kann, bzw. dem Kopf der Schraube 8 entspricht. Weiter verjüngt sich diese Ausnehmung auf den Durchmesser der Schraube 8, so dass die Schraube 8 durch die Kraftsensorkopfhalterung hindurchgeführt werden kann. Die Kraftsensorkopfhalterung 2 weist dabei einen Durchmesser auf der kleiner ist als der Innendurchmesser des Führungszylinders, so dass die Kraftsensorkopfhalterung im Innenraum des Führungszylinders angeordnet werden kann. Andererseits ist der Durchmesser der Kraftsensorkopfhalterung 2 größer als der Durchmesser der Öffnung an der Oberseite des Führungszylinders, so dass die Kraftsensorkopfhalterung nicht durch die Öffnung hindurch treten kann. So wird der Kraftsensorkopf in der Ruheposition durch das Federelement in einer Richtung entgegengesetzt zum Kraftsensor gedrückt. Dabei stützt jedoch die Kraftsensorkopfhalterung gegen den Führungszylinder und verhindert so, dass sich der Kraftsensorkopf vom Federelement löst.
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5A/5B zeigt einen Kraftsensorkopf 3, der bevorzugt aus Aluminium oder Kunststoff besteht. Bevorzugt wird ein M3 Innengewinde 13 verwendet. In das Innengewinde 13 kann die Schraube 8 eingeschraubt werden. Der Kraftsensorkopf 3 umfasst dabei ein Teil mit einem größeren Durchmesser, in dem sich auch das Innengewinde 13 befindet und einen daran in der Hauptausbreitungsrichtung des Kraftsensorkopfs 3 anschließenden Teil mit einem geringeren Durchmesser an dessen Spitze eine Kraftsensorkopfkappe angebracht werden kann.
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Bevorzugt wird ein Sackloch 14 eingesetzt, in das eine Kraftsensorkopfkappe 4 aus Kunststoff eingepresst wird. Durch die Möglichkeit des Austauschs des Kraftsensorkopfkappe 4 kann die Vorrichtung zur Ermittlung der Position 11 an verschiedene Objekte und Oberflächen angepasst werden.
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6A/6B zeigt eine Kraftsensorkopfkappe 4, die bevorzugt aus Kunststoff besteht und bei Verschleiß einfach ausgetauscht werden kann. Weiter kann bei besonders empfindlichen Oberflächen auch besonders weiche Kraftsensorkopfkappen 4 oder besonders große Kraftsensorkopfkappen zur Verteilung der Kraft verwendet werden. Bei aggressiven Umgebungen und/oder wenn eine besonders lange Haltbarkeit gewünscht ist, kann die Kraftsensorkopfkappe auch aus Metall oder ähnlichen aufgebaut werden. Die Kraftsensorkopfkappe 4 weist dabei einen oberen Teil mit einem größeren Durchmesser auf, dessen Unterkante bei der Anordnung der Kraftsensorkopfkappe in den Kraftsensorkopf an der Oberkante des Kraftsensorkopfs anliegt und bevorzugt die Oberkante bedeckt, so dass Beschädigungen durch den Kraftsensorkopf vermieden werden können. Der Unterteil der Kraftsensorkopfkappe weist einen Durchmesser auf, der in etwa dem Durchmesser des Sacklochs entspricht, welches am Ende des Kraftsensorkopfs angeordnet ist.
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7A/7B zeigt einen Innenzylinder 5, der bevorzugt aus Nirosta oder Edelstahl besteht. Der Außendurchmesser des Innenzylinders ist an den Innendurchmesser der Zylinderkappe und des Führungszylinders angepasst. Der Außendurchmesser des Innenzylinders ist 1–0,05 mm kleiner als der Innendurchmesser der Zylinderkappe und des Führungszylinders. Bevorzugt weist die Außenseite des Innenzylinders ein M10 Außenfeingewinde 15 auf. Dies erlaubt in Verbindung mit den entsprechenden Innengewinden des Führungszylinders und der Zylinderkappe den Führungszylinder mit der Zylinderkappe zu verbinden und so ein Gehäuse zu bilden, das zumindest den Kraftsensor und das Federelement umschließt.
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8A/8B zeigt eine Zylinderkappe 6, die bevorzugt aus Nirosta oder Edelstahl besteht. Die Zylinderkappe Bevorzugt wird ein M10 Innenfeingewinde 16 und ein M3 Innengewinde 17. Die Zylinderkappe weist in ihrem Inneren ein Aufnahme für den Kraftsensor 10 auf und darüber eine etwas breitere Aussparung, in welcher sich das Kraftübergabeplättchen 9 befindet. Natürlich sind auch Zylinderkappen 6 denkbar, welche einen zylindrischen Innenraum aufweisen. Weiter weist die Zylinderkappe an ihrer Unterseite eine Haltemöglichkeit mit einem Innengewinde auf, so dass die Zylinderkappe auf eine Halterung aufgeschraubt werden kann und so gehalten werden kann.
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9A/9B zeigt ein Federelement 7, wie eine Schraubenfeder, die bevorzugt aus Federstahl besteht und eine lineare Kraft/Weg-Kennlinie aufweist. Das Federelement 7 kann jedoch auch eine Vielzahl von anderen Ausformungen, wie eine Spiralfeder oder ein federnder Hebel sein. Auch ist ein elastisches Element zum Beispiel aus Kunststoff denkbar.
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10A/10B zeigt eine Schraube 8, die bevorzugt aus Edelstahl mit Außengewinde M3 besteht. Der Schraubenkopf kann dabei in der Aufnahme der Kraftsensorkopfhalterung aufgenommen werden. Die Schraube weist einen gewöhnlichen Schraubenkopf mit einer Schlitz- oder Kreuzschlitzwerkzeugaufnahme auf, damit die schraube ohne ein besonderes Werkzeug ausgetauscht werden kann.
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11A/11B zeigt ein Kraftübergabeplättchen 9, welches bevorzugt aus Kunststoff besteht. Das Kraftübergabeplättchen ist dabei flächig ausgebildet und hat eine horizontale Ausdehnung die kleiner ist als die Innenmaße des Gehäuses, um seitlich auf dem Kraftsensor bewegt zu werden.
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12A/12B zeigt einen Kraftsensor mit kraftabhängigen Widerstand (Force Sensing Resistor), welcher an den Anschlüssen 18 an eine Auswerteelektronik, wie ein Computer angeschlossen wird. Alternativ zum kraftabhängigen Widerstand kann auch ein Piezoelement oder ein Dehnungsmessstreifen eingesetzt werden.
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13 zeigt einen Prüfadapter, wobei die zu prüfende Platine mittels Vorrichtungen zur Ermittlung einer Position
11 in der gewünschten Position gehalten werden. Auch wird die Position der Platine durch die Vorrichtung ermittelt und so erfasst, ob die Platine eine genügend gerade Ausrichtung hat oder sich unzulässig krümmt. Durch die Krümmung können bei der Prüfung oder beim Einbau Bauteile oder leitungen von den vorgesehenen Kontakten- getrennt werden, wodurch der Betrieb der Schaltung oder der Platine gestört werden kann. Bevorzugt werden dabei ein Teil oder alle herkömmlichen Distanzstücke, wie sie bei der Platinenprüfung eingesetzt werden (Offenlegungsschrift
DE 10 2008 057 028 A1 Bezugszeichenliste
5) durch die hier vorgestellte Vorrichtungen zur Ermittlung der Position ersetzt.
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14A/14B zeigt eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Position in der Grundposition, wobei diese Vorrichtung keinen Kraftsensor aufweist und als gefederter Abstandshalter zum Positionieren der Schaltungsplatine verwendet wird.
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15A/15B zeigt eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Position in der Grundposition, ohne Kraftsensor und ohne Aussparung. Diese Anwendung erfolgt als ebenfalls als gefederter Abstandshalter.
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16A/16B zeigt eine Zylinderkappe 6 ohne Aussparung für den Kraftsensor. Die Zylinderkappe ist für die Verwendung der Vorrichtung als Abstandshalter in einem Prüfadapter ausgebildet, so dass es ohne Kraftsensor verwendet wird.
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Die Vorrichtung zur Ermittlung einer Position kann ebenfalls zur Ermittlung einer Kraft verwendet werden, da die von dem Kraftsensorkopf auf das Federelement wirkende Kraft auf den Kraftsensor übergeleitet wird und dort erfasst wird. Das federelement verhindert dabei gerade bei der Erfassung einer Kraft eines sich bewegenden Objektes, dass das Objekt plötzlich abgebremst wird und sich extreme Beschleunigungswerte ergeben, die zu einer Zerstörung des Kraftsensors oder der Vorrichtung führen könnten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Führungszylinder
- 2
- Kraftsensorkopfhalterung
- 3
- Kraftsensorkopf
- 4
- Kraftsensorkopfkappe
- 5
- Innenzylinder
- 6
- Zylinderkappe
- 7
- Feder
- 8
- Schraube
- 9
- Kraftübergabeplättchen
- 10
- Kraftsensor
- 11
- Vorrichtung zur Kraftermittlung
- 12
- Innenfeingewinde
- 13
- M3 Innengewinde
- 14
- Sackloch
- 15
- Aussenfeingewinde
- 16
- Innenfeingewinde
- 17
- Innengewinde
- 18
- Kraftsensoranschlüsse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008057028 A1 [0085]
