DE102011007350A1

DE102011007350A1 - Sensor zur taktilen Messung von Kräften und Momenten

Info

Publication number: DE102011007350A1
Application number: DE102011007350A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Jäger Gerd
Original assignee: SIOS Meßtechnik GmbH; SIOS MESTECHNIK GmbH
Current assignee: SIOS Meßtechnik GmbH; SIOS MESTECHNIK GmbH
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2031-04-15
Also published as: NL1039519A; DE102011007350B4; NL1039519C2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraft-Momenten-Sensor (1) zur taktilen Messung von drei Kräften und drei Momenten sowie zur Messung der auftretenden Deformationen umfassend Tastelement, Silizium-Parallelfederanordnungen mit piezoresistiven Widerständen, welche in einer Wheatstonschen Vollbrücke verschaltet sind, wobei über dem Tastelement (12) zwei um 90° zueinander versetzte Silizium-Parallelfederanordnungen (6, 7) in Reihe angeordnet sind, dass die Silizium-Parallelfederanordnungen (6, 7) mittels Silizium-Abstandsstücken (10, 11) und eines Silizium-Halterungselementes (9) gebildet werden, dass weitere vier Silizium-Parallelfederanordnungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) ein Kreuz bilden und senkrecht zu den ersteren Silizium-Parallelfederanordnungen (6,7) angeordnet sind, dass die Silizium-Parallelfederanordnungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) durch das gleiche Silizium-Halterungselement (9), wie eines der ersteren Silizium-Parallelfederanordnungen (7), sowie durch ein weiteres Silizium-Halterungselement (3) gebildet werden, dass zusätzliche vier Silizium-Parallelfederanordnungen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4), die auch ein Kreuz bilden und senkrecht zu den vorherigen vier Silizium-Parallelfederanordnungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) angeordnet sind, dass die zusätzlichen vier Silizium-Parallelfederanordnungen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) durch vier Silizium-Teilhalterungselemente (3.1, 3.2, 3.3, 3.4) des letzteren Silizium-Halterungselementes (3) und durch ein zentrales Silizium-Halterungselementes (2) gebildet werden, dass je eine Siliziumfeder der Silizium-Parallelfederanordnungen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 6, 7) vier piezoresistive Widerstände enthält und dass der Kraft-Momenten-Sensor (1) mittels des zentralen Silizium-Halterungselementes (2) am Gestell (13) gehaltert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur taktilen Messung von Kräften und/oder Momenten und/oder Deformationen, umfassend ein Tastelement, Parallelfederanordnungen, welche aus Silizium-Einzelfedern gebildet werden, die über Abstandsstücke verbunden sind, und mit piezoresistiven Widerständen, welche in einer Wheatstonschen Vollbrücke verschaltet sind.
Im Stand der Technik sind Kraft-Momenten-Sensoren bekannt, welche aus metallischen Verformungskörpern mit aufgeklebten Metall-Dehnungsmessstreifen bestehen. Ein solcher Sensor wird beispielsweise in Kempe: Sensortechnik für Industrieroboter der 2. und 3. Generation, msr 26 (1983), S. 12–18, beschrieben.
Weiterhin sind Vorrichtungen zur Messung von drei Kräften bekannt. Auch bei diesen Vorrichtungen werden metallische Verformungskörper mit aufgeklebten Metalldehnungsmessstreifen genutzt.
So wird in JP 6014011 A ein Dreikomponenten-Kraftmesser beschrieben. Hier werden hintereinander angeordnete Blattfedern mit aufgeklebten Dehnungsmessstreifen benutzt. An beiden Blattfedern sind Dehnungsmessstreifen aufgeklebt, welche in eine Brückenschaltung verschaltet sind. Nachteilig ist dabei, dass mit dieser Anordnung nur Halbbrückenschaltungen realisiert werden, welche gegenüber einer Vollbrückenschaltung nur die halbe Empfindlichkeit besitzen.
Auch bei einer in DE 43 09 082 A1 beschriebenen Vorrichtung zur dreidimensionalen Kraftmessung werden metallische Verformungskörper mit aufgeklebten Dehnungsmessstreifen verwendet.
Auf metallische Körper aufgeklebte Dehnungsmessstreifen besitzen die Nachteile, dass die K-Faktoren der Dehnungsmessstreifen sehr klein sind und somit die Messempfindlichkeit gering ist und dass die Klebestellen instabil sind.
Die Druckschrift: S. Gütefisch et al: Mikrotaster für die Anwendung in der taktilen Wegmesstechnik, in: tm – Technisches Messen 05/2003, Seite 238–243, beschreibt einen piezoresistiven Mikrotaster, bei welchem piezoresistive Widerstände auf einer Siliziummembran zu Brücken zusammengeschaltet sind. Die Membran ist mit einem Taststift zur Antastung der Messobjekte verbunden.
Obwohl mit den in Silizium integrierten piezoresistiven Widerständen ein enormer Fortschritt im Vergleich zu aufgeklebten Dehnungsmessstreifen erreicht wurde, der sich durch sehr hohe K-Faktoren und somit hohe Messempfindlichkeiten auszeichnet, bestehen noch folgende Nachteile:

1. Die Steifigkeiten in den Messrichtungen sind unterschiedlich.
2. Bei Deformation des Taststiftes entstehen beachtliche Messfehler.
3. Die Befestigung des Taststiftes und der Einfluss der Länge des Taststiftes bewirken Messfehler.

DE 10 2008 037 926 B3 beschreibt eine Vorrichtung zur taktilen Messung von dreidimensionalen Kräften, welche die Nachteile der vorgenannten Vorrichtungen überwindet. In dieser Vorrichtung sind unmittelbar über dem Tastelement zwei um 90° versetzte Silizium-Parallelfederanordnungen mit integrierten piezoresistiven Widerständen, die jeweils in einer Wheatstonschen Vollbrücke verschaltet sind, vorhanden. Damit können Kräfte und Deformationen in x- und y-Richtung gemessen werden. Am Ende der zweiten Siliziumparallelfederanordnung kann ein Si-Taststift angebracht werden, dessen Durchbiegung aber keinen Einfluss auf die Messung der x- und y-Kräfte besitzt. Zur Messung der Kräfte und Deformationen in z-Richtung ist eine Siliziumparallelfederanordnung, auch wieder mit integrierten piezoresistiven Widerständen, quer zum Taststift angebracht.
Die wesentlichsten Vorteile dieser Vorrichtung sind:

– hohe K-Faktoren
– die Siliziumparallelfedern können so dimensioniert werden, dass die Steifigkeiten in x-, y- und z-Richtung gleich sind.
– die Taststiftlänge hat keinen Einfluss.

Ein Defizit des Standes der Technik von Silizium-Messwandlern mit integrierten piezoresistiven Widerstanden besteht darin, dass nur Kräfte gemessen werden können und nicht zusätzlich noch Momente.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zu schaffen, der die Messung von drei Kräften und von drei Momenten sowie die Messung von Deformationen ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor gelöst, welcher die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Sensor zur taktilen Messung von drei Kräften und drei Momenten sowie zur Messung von Deformationen umfasst ein Tastelement und Silizium-Parallelfederanordnungen mit piezoresistiven Widerständen, welche in einer Wheatstonschen Vollbrücke verschaltet sind. Über dem Tastelement befinden sich zwei um 90° zueinander versetzte Silizium-Parallelfederanordnungen mit je vier piezoresistiven Widerständen. Die Silizium-Parallelfederanordnungen sind mittels Siliziumabstandsstücken und einem Silizium-Halterungselement verbunden. Senkrecht zu diesen Silizium-Parallelfederanordnungen sind weitere vier Silizium-Parallelfedern mit piezoresistiven Widerständen befestigt. Über diesen vier Silizium-Parallelfedern sind senkrecht dazu vier zusätzliche Silizium-Parallelfedern mit piezoresistiven Widerstanden angeordnet. Alle Silizium-Parallelfedern sind mit zusätzlichen Siliziumhalterungselementen verbunden. Die vier zusätzlichen Silizium-Parallelfedern sind an ihren Enden, die zur Mitte zeigen, an einem Silizium-Halterungselement befestigt, welches gleichzeitig mit dem Gestell verbunden ist.
Die Abstandsstücke und die Halterungselemente können anstelle von Silizium auch aus Invar oder Glas bestehen.
Der Sensor ermöglicht die Messung von drei Kräften und von drei Momenten mit hoher Präzision. Die Silizium-Parallelfedern können in einfacher Weise so dimensioniert werden, dass sowohl die Federsteifigkeiten der Bauteile für die Messung der drei zueinander senkrecht wirkenden Kräfte als auch die Widerstandsmomente der Bauteile für die Messung der drei zueinander senkrecht wirkenden Momente gleich sind.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die piezoresistiven Widerstände einen K-Faktor (Empfindlichkeitsfaktor) von ca. 80 besitzen und durch Dotierung in das Silizium integriert sind. Somit entfallen alle Nachteile, die bei aufgeklebten Dehnungsmessstreifen auftreten, die außerdem nur einen K-Faktor von ca. 2 besitzen.
Ein weiterer Vorteil des Sensors besteht darin, dass die Länge des Taststiftes keinen Einfluss auf die Auslenkung der Silizium-Parallelfederanordnungen hat.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung des Kraft-Momenten-Sensors,
2 eine Draufsicht auf den Kraft-Momenten-Sensor,
3 einen Längsquerschnitt A-A durch den Kraft-Momenten-Sensor und
4 einen Schnitt B-B zur Darstellung eines Silizium-Halteelementes und der Silizium-Parallelfederanordnungen.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Der in 1 dargestellte Kraft-Momenten-Sensor 1 zur taktilen Messung von den Kräften F_x, F_y, F_z, den Momenten M_x, M_y, M_z und zur Messung der Deformationen enthält ein Tastelement 12; die Silizium-Abstandselemente 10, 11; die Silizium-Halterungselemente 2, 3; die Silizium-Parallelfederanordnungen 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 6, 7 und die piezoresistiven Widerstände B.
Die Silizium-Parallelfederanordnungen 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 5.1, 5.2, 5.4, 6 und 7 werden aus jeweils parallel zueinander angeordneten Silizium-Blattfederelementen gebildet, wobei jede Silizium-Parallelfederanordnung mindestens ein Silizium-Blattfederelement mit vier in einer Wheatstonschen Vollbrücke verschalteten piezoresistiven Widerständen 8 enthält.
Die am Tastelement 12 angreifenden Kräfte F_x, F_y, F_z und Momente M_x, M_y, M_z können mit dem dargestellten Kraft-Momenten-Sensor gemessen werden, wobei die Silizium-Parallelfederanordnungen so dimensioniert werden können, dass jeweils die Federsteifigkeiten zur Messung der Kräfte und die Widerstandsmomente zur Messung der Momente gleich sind.
Die Silizium-Parallelfederanordnungen 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 sind mittels der am zweiten Silizium-Halterungselement 3 angebrachten Silizium-Teilhalterungselemente 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 und des dritten Silizium-Halterungselementes 2 gehaltert. Die Silizium-Parallelfederanordnungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 sind mittels des zweiten Silizium-Halterungselementes 3 und des ersten Silizium-Halterungselementes 9 befestigt. Die zweite Silizium-Parallelfederanordnung 7 ist mittels des ersten Silizium-Halterungselementes 9 und des ersten Silizium-Abstandselementes 10 gehaltert sowie in 3 dargestellt. Die Befestigung der ersten Silizium-Parallelfederanordnung 6 erfolgt mittels des ersten Silizium-Abstandselementes 10 und des zweiten Silizium-Abstandselementes 11.
Anstelle von Silizium können die Abstandselemente 10, 11 sowie die Halterungselemente 2, 3 und 9 auch aus Invar oder Glas bestehen.
Die Kraftwirkungen in x-Richtung können mit Hilfe der Silizium-Parallelfederanordnung 6 und die Kraftwirkungen in y-Richtung mit Hilfe der Silizium-Parallelfederanordnung 7 gemessen werden. Wie in den 1 und 3 dargestellt, können mittels der Silizium-Parallelfederanordnungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 die Kräfte in z-Richtung erfasst werden.
Das Moment M_x wird durch die Silizium-Parallelfederanordnungen 5.1 und 5.4 und das Moment M_y mittels der Silizium-Parallelfederanordnungen 5.2 und 5.3 erfasst. Die Silizium-Parallelfederanordnungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 sind auch aus 2 ersichtlich. Die Wirkung der Silizium-Parallelfederanordnungen 5.2 und 5.3 geht auch aus 3 hervor.
Die Messung des Momentes M_z erfolgt mit Hilfe der Silizium-Parallelfederanordnungen 4.1, 4.2, 4.3 und 4.5. Diese Anordnungen sind in den 1 und 2 dargestellt. 3 zeigt die Silizium-Parallelfederanordnungen 4.3 und 4.4.
2 zeigt die Draufsicht auf den in 1 dargestellten Kraft-Momenten-Sensor 1. Die Silizium-Parallelfederanordnungen 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 sind an den Silizium-Teilhalterungselementen 3.1, 3.2, 3.3 und 3.4 sowie am Silizium-Halterungselement 2 befestigt. Die Silizium-Parallelfederanordnungen 5.1, 5.2, 5.3 und 5.4 sind am Silizium-Halterungselement 3 und wie in 3 gezeigt am ersten Silizium-Halterungselement 9 gehaltert.
3 zeigt den Schnitt A-A durch die in 2 dargestellte Anordnung. Dargestellt sind die Silizium-Parallelfederanordnungen 4.3, 4.4, 5.2, 5.3, 6, die Silizium-Halterungselemente 2, 3, 9 sowie die Silizium-Abstandselemente 10 und 11. Der Kraft-Momenten-Sensor 1 ist mittels des dritten Silizium-Halterungselementes 2 am Gestell 13 befestigt.
In 4 ist der Schnitt B-B durch 3 dargestellt und zeigt das zweite Silizium-Halterungselement 3 mit den geschnittenen Silizium-Teilhalterungselementen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 sowie die Befestigung der Silizium-Parallelfederanordnungen 5.1, 5.2, 5.3 und 5.4 am zweiten Halterungselement 3.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: drittes Halterungselement
3: zweites Halterungselement
3.1: erstes Teilhalterungselement
3.2: zweites Teilhalterungselement
3.3: drittes Teilhalterungselement
3.4: viertes Teilhalterungselement
4.1: dritte Parallelfederanordnung
4.2: vierte Parallelfederanordnung
4.3: fünfte Parallelfederanordnung
4.4: sechste Parallelfederanordnung
5.1: siebende Parallelfederanordnung
5.2: achte Parallelfederanordnung
5.3: neunte Parallelfederanordnung
5.4: zehnte Parallelfederanordnung
6: erste Parallelfederanordnung
7: zweite Parallelfederanordnung
8: Piezoresistive Widerstände
9: erstes Halterungselement
10: erstes Abstandselement
11: zweites Abstandselement
12: Tastelement
13: Gestell
F_x: Kraft in x-Richtung
F_y: Kraft in y-Richtung
F_z: Kraft in z-Richtung
M_x: Moment um x-Achse
M_y: Moment um y-Achse
M_z: Moment um z-Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 6014011 A [0004]
DE 4309082 A1 [0005]
DE 102008037926 B3 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kempe: Sensortechnik für Industrieroboter der 2. und 3. Generation, msr 26 (1983), S. 12–18 [0002]
S. Gütefisch et al: Mikrotaster für die Anwendung in der taktilen Wegmesstechnik, in: tm – Technisches Messen 05/2003, Seite 238–243 [0007]

Claims

Sensor (1) zur taktilen Messung von Kräften, Momenten und Deformationen, umfassend ein Tastelement (12), Parallelfederanordnungen (4, 5), welche aus Silizium-Einzelfedern gebildet werden, die über Abstandsstücke verbunden sind, und mit piezoresistiven Widerständen (8), welche in einer Wheatstonschen Vollbrücke verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass am Tastelement (12) eine erste und eine zweite Parallelfederanordnung (6, 7) um 90° zueinander versetzt in Reihe angeordnet sind, dass die Silizium-Einzelfedern der ersten und der zweiten Parallelfederanordnung (6, 7) mittels Abstandselemente (10, 11) und eines ersten Halterungselementes (9) beabstandet sind, dass weitere vier Parallelfederanordnungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) ein Kreuz bilden und senkrecht zur ersten und zur zweiten Parallelfederanordnung (6,7) angeordnet sind, dass die Silizium-Einzelfedern der weiteren Parallelfederanordnungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) durch ein erstes Halterungselement (9) sowie durch ein zweites Halterungselement (3) beabstandet sind, dass vier zusätzliche Parallelfederanordnungen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4), die auch ein Kreuz bilden und rechtwinklig zu den weiteren vier Parallelfederanordnungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) angeordnet sind, dass die zusätzlichen vier Parallelfederanordnungen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) durch vier Teilhalterungselemente (3.1, 3.2, 3.3, 3.4), die am zweiten Halterungselement (3) angebracht sind und durch ein zentrales drittes Halterungselement (2) gebildet werden, dass je eine Silizium-Einzelfeder der Parallelfederanordnungen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 6, 7) vier piezoresistive Widerstände (8) enthält und dass der Sensor (1) mittels des zentralen dritten Halterungselementes (2) am Gestell (13) gehaltert ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsstücke (10, 11) und die Halterungselemente (2, 3, 9) aus Silizium bestehen.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsstücke (10, 11) und die Halterungselemente (2, 3, 9) aus Invar bestehen.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsstücke (10, 11) und die Halterungselemente (2, 3, 9) aus Glas bestehen.