DE102017214815A1

DE102017214815A1 - Führungswagen mit einer piezoresistiven Schicht zur Lastmessung

Info

Publication number: DE102017214815A1
Application number: DE102017214815.2A
Authority: DE
Inventors: Johannes Muehlfeld; Michael Korbacher; Guenter Reusing; Marco Stock; Stefan Dorn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2019-02-28
Also published as: WO2019037923A1; JP6873319B2; JP2020531844A; CN110945333B; CN110945333A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Führungswagen (20) zur Verwendung in einem Linearwälzlager (10), wobei der Führungswagen (20) gesonderte Laufbahneinlagen (30) mit Wagenlaufbahnen (32) für die Wälzkörper (22) umfasst.
Erfindungsgemäß sind die Laufbahneinlagen (30) mit einer piezoresistiven Schicht (50) und mit Elektroden (51) versehen, um eine äußere Last auf den Führungswagen (20) zu messen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Führungswagen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus der DE 10 2008 051682 A1 ist ein Linearwälzlager mit einem Führungswagen bekannt. Der Führungswagen umfasst mehrere Reihen von endlos umlaufenden Wälzkörpern, wobei jede Reihe über eine zugeordnete Laufbahneinlage an einem Hauptkörper des Führungswagens lastübertragend abgestützt ist. Zwischen einer Abstützfläche der Laufbahneinlage und dem Hauptkörper ist ein Metallblech mit Durchbrüchen angeordnet, wobei die Durchbrüche mit Klebstoff gefüllt sind. In einem der Durchbrüche ist ein piezokeramischer Sensor angeordnet.
Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass die auf den Führungswagen einwirkende Last nur ungenau messbar ist, weil über den piezokeramischen Sensor nur ein geringer Teil der Last übertragen wird. Das unmittelbar benachbarte Metallblech trägt den größten Teil der Last. Weiter ist ein piezokeramischer Sensor, also ein Sensor, der unter Einwirkung einer äußeren Last eine elektrische Spannung erzeugt, zur Messung statischer Beanspruchungen ungeeignet. Seine Impedanz ist so hoch, dass die piezoelektrische Spannung sofort zusammenbricht, wenn der piezokeramische Sensor mit einer ohmschen Last belastet wird. Allein dynamische Lasten können zuverlässig gemessen werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass statische Belastungen messbar sind. Der Führungswagen ist kostengünstig herstellbar. Der Führungswagen kann problemlos mit einer Vielzahl von Messstellen ausgestattet werden, so dass Kräfte und Momente bezüglich aller drei Raumrichtungen messbar sind.
Gemäß dem selbständigen Anspruch wird vorgeschlagen, dass wenigstens einer Abstützfläche eine piezoresistive Schicht zugeordnet ist, welche sich flächenmäßig über wenigstens 50%, vorzugsweise über wenigstens 80%, der betreffenden Abstützfläche erstreckt, wobei sie zwischen dem betreffenden Grundkörper und dem Hauptkörper angeordnet ist, wobei sie stoffschlüssig mit der verbleibenden Laufbahneinlage verbunden ist, wobei der piezoresistiven Schicht wenigstens eine elektrisch leitende Elektrode zugordnet ist, welche unmittelbar stoffschlüssig mit der piezoresistiven Schicht verbunden ist, wobei eine Messanordnung vorgesehen ist, mittels der eine vom ohmschen Widerstand der piezoelektrischen Schicht im Bereich zumindest einer Elektrode abhängige Messgröße messbar ist. Durch Einwirkung einer äußeren Last ändert sich der ohmsche Widerstand der piezoelektrischen Schicht, welcher unter Verwendung der Elektrode lokal messbar ist.
Die piezoresistive Schicht kann sich über die Abstützfläche hinaus erstrecken. Der Grundkörper besteht vorzugsweise aus gehärtetem Stahl. Die piezoresistive Schicht kann aus einem Halbleitermaterial bestehen. Die piezoresistive Schicht kann eine amorphe Kohlenwasserstoffschicht sein. Im Bereich der Abstützfläche ist die piezoresistive Schicht vorzugsweise homogen bzw. unstukturiert ausgebildet. Abseits der Abstützfläche kann die piezoresistive Schicht mit wenigstens einer Durchkontaktierung versehen sein, wobei eine Durchkontaktierung elektrisch an den Grundkörper angeschlossen sein kann. Die wenigstens eine Abstützfläche ist vorzugsweise jeweils eben ausgebildet. Bei der Messgröße handelt es sich vorzugsweise um eine elektrische Spannung. Vorzugsweise sind alle Laufbahneinlagen des Führungswagens mit jeweils wenigstens einer piezoresistiven Schicht und zugeordneten Elektroden ausgestattet.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
Es kann vorgesehen sein, dass eine größte Breite zumindest einer Elektrode kleiner als ein Durchmesser der zugeordneten Wälzkörper ist. Hierdurch kann mittels der Elektrode eine Last gemessen werden, die allein durch einen einzigen Wälzkörper verursacht wird. Hierdurch vereinfacht sich die Hochrechnung auf die Gesamtlast, welche auf den Führungswagen einwirkt. Weiter wird durch die vorgeschlagenen kleinen Elektroden die Gefahr minimiert, dass aufgrund von Fehlstellen in der piezoresistiven Schicht die Elektrode niederohmigen Kontakt mit dem Grundkörper bzw. einer Masseschicht hat, so dass eine Lastmessung nicht mehr möglich ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die piezoresistive Schicht unmittelbar stoffschlüssig mit der zugeordneten Abstützfläche verbunden ist, wobei die betreffende wenigstens eine Elektrode zwischen der piezoresistiven Schicht und dem Hauptkörper angeordnet ist. Der Grundkörper besteht vorzugsweise aus Stahl, so dass er elektrisch leitfähig ist, wodurch er im Rahmen der Widerstandsmessung als Bestandteil des entsprechenden elektrischen Stromkreises genutzt werden kann. Diese Anordnung ist besonders einfach aufgebaut und mithin kostengünstig herstellbar.
Es kann vorgesehen sein, dass die Abstützfläche eine gemittelte Rautiefe von weniger als 0,25 µm und vorzugsweise von weniger als 0,1 um aufweist. Hierdurch können Fehlstellen in der piezoresistiven Schicht zumindest so weit vermieden werden, dass eine Lastmessung möglich ist. Hierbei ist anzumerken, dass Fehlstellen abseits der Elektroden im Wesentlichen nicht stören. Diese können sogar nutzbringend verwendet werden, worauf weiter unten noch eingegangen wird. Die gemittelte Rautiefe R_z soll vorzugsweise entsprechend der ISO 25178 verstanden werden. Die Abstützfläche wird vor der Beschichtung vorzugsweise poliert. Es kann daran gedacht sein, dass die gesamte Laufbahneinlage elektrochemisch poliert ist.
Es kann vorgesehen sein, dass der piezoresistiven Schicht eine elektrisch leitende Masseschicht zugeordnet ist, welche sich über die gesamte piezoresistive Schicht erstreckt, wobei sie unmittelbar stoffschlüssig mit dieser verbunden ist, wobei die wenigstens eine Elektrode und die Masseschicht auf gegenüberliegenden Seiten der piezoresistiven Schicht angeordnet sind. Diese Ausführungsform kommt vorzugsweise dann zur Anwendung, wenn der Grundkörper aus einem elektrisch nichtleitenden Material wie Keramik besteht. Dann wird die Masseschicht im Rahmen der Widerstandsmessung als Bestandteil des entsprechenden elektrischen Stromkreises verwendet.
Es kann vorgesehen sein, dass die Messanordnung an den Grundkörper oder die Masseschicht elektrisch angeschlossen ist. Die Laufbahneinlage kann in der Folge mit vielen Elektroden versehen werden, wobei der Grundkörper bzw. die Masseschicht einen gemeinsamen Anschluss für die Widerstandsmessung an allen Elektroden bildet. Hierdurch sinkt der Aufwand zur Herstellung der elektrischen Anschlüsse, so dass der Führungswagen besonders kostengünstig ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Elektrode wenigstens eine erste Elektrode umfasst, welche im Bereich der Abstützfläche angeordnet ist. Die piezoresistive Schicht im Bereich der ersten Elektroden wird durch die Wälzkörper auf Druck belastet, so dass mittels der dortigen ersten Elektroden die eigentliche Lastmessung möglich ist.
Es können mehrere erste Elektroden vorgesehen sein, welche entlang der Längsachse verteilt angeordnet sind. Hierdurch wird die Messung von Drehmomenten bezüglich solcher Achsen ermöglicht, die senkrecht zur Längsachse ausgerichtet sind. Vorzugsweise ist den beiden in Richtung der Längsachse weisenden Enden der Laufbahneinlage jeweils eine erste Elektrode zugeordnet, deren in Richtung der Längsachse gemessener Abstand zu einem Rand der Abstützfläche kleiner als der Durchmesser eines Wälzkörpers ist. Die genannten Drehmomente verursachen in diesem Bereich besonders hohe Kräfte, so dass sie besonders genau gemessen werden können. Die ersten Elektroden sind vorzugsweise symmetrisch zu einer Symmetrieachse angeordnet, die senkrecht zur Längsachse ausgerichtet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass jede Abstützfläche eine Mittelachse definiert, welche parallel zur Längsachse verläuft, wobei zumindest eine erste Elektrode außermittig bezüglich der betreffenden Mittelachse angeordnet ist. Messungen der Anmelderin haben ergeben, dass derart angeordnete erste Elektroden größere Änderungen der genannten Messgröße ergeben, so dass sich in der Folge eine höhere Messgenauigkeit ergibt. Die Flächenanteile der Abstützfläche zu beiden Seiten der jeweiligen Mittelachse sind vorzugsweise gleich groß.
Es kann vorgesehen sein, dass sich die piezoresistive Schicht über die zugeordnete Abstützfläche hinaus erstreckt, wobei die wenigstens eine Elektrode eine zweite Elektrode umfasst, welche abseits der Abstützfläche angeordnet ist. Die zweite Elektrode wird vorzugsweise zur Temperaturkompensation verwendet. Vorzugsweise ist eine einzige zweite Elektrode vorgesehen, wobei es auch denkbar ist, mehrere zweite Elektroden zu verwenden.
Es kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Laufbahneinlage wenigstens einen nicht am Hauptkörper abgestützten Einlaufbereich aufweist, welcher an einem in Richtung der Längsachse weisenden Ende der Laufbahneinlage angeordnet ist, so dass sich die Laufbahneinlage unter der Last der Wälzkörper im Einlaufbereich verbiegen kann, wobei sich die piezoresistive Schicht in den Einlaufbereich erstreckt, wobei die zweite Elektrode im Einlaufbereich eingeordnet ist. Damit hat der Einlaufbereich zwei Funktionen, nämlich die Verbesserung des Ablaufs der Wälzkörper und die Bereitstellung einer Temperaturkompensation mittels der zweiten Elektrode.
Es kann vorgesehen sein, dass mittels der Messanordnung jeweils eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode in Reihe schaltbar sind. Mit dieser elektrischen Verschaltung kann eine Temperaturkompensation auf besonders einfache Weise realisiert werden. Wenn mehrere erste Elektroden vorgesehen sind, sind diese vorzugsweise über einen Multiplexer wahlweise mit der zweiten Elektrode in Reihe schaltbar.
Es kann vorgesehen sein, dass jede Elektrode mit einer Anschlussleitung elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Anschlussleitung von einer elektrisch leitenden Schicht gebildet wird, welche strukturiert ist, wobei die Anschlussleitung Bestandteil der Messanordnung ist. Die Strukturierung der elektrisch leitenden Schicht geschieht vorzugsweise mittels eines photochemischen Ätzverfahrens, wobei die Anschlussleitungen von einer entsprechenden Belichtungsmaske definiert werden. Zwischen den Anschlussleitungen ist vorzugsweise eine elektrisch leitende Massefläche vorgesehen, welche gegenüber den Anschlussleitungen elektrisch isoliert ist, wobei sie ebenfalls von der elektrisch leitenden Schicht gebildet wird. Hierdurch können Störungen durch elektromagnetische Felder aus der Umgebung des Führungswagens minimiert werden. Weiter kann die Massefläche genutzt werden, um eine niederohmige elektrische Verbindung zum Grundkörper oder zur Masseschicht herzustellen, wobei vorzugsweise Fehlstellen in der piezoresistiven Schicht ausgenutzt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass zwischen der elektrisch leitenden Schicht und der piezoresistiven Schicht eine elektrisch isolierende Trennschicht angeordnet ist, welche durch die wenigstens eine Elektrode unterbrochen ist. Damit wird der Messstrom zur Bestimmung des elektrischen Widerstands ausschließlich über die Elektroden in die piezoresistive Schicht eingeleitet und nicht über Anschlussleitungen. Im Bereich der Abstützfläche ist die Trennschicht vorzugsweise ausschließlich durch die Elektroden unterbrochen, wobei unbeabsichtigte Unterbrechungen aufgrund von Fehlstellen vorhanden sein können. Abseits der Abstützfläche können Durchkontaktierungen, beispielsweise zur Herstellung einer Masseverbindung zum Grundkörper, vorhanden sein.
Es kann vorgesehen sein, dass zumindest einer piezoresistiven Schicht eine elektrisch isolierende Deckschicht zugeordnet ist, welche eine äußere Oberfläche der Laufbahneinlage bildet, wobei die Deckschicht entweder reibschlüssig am Hauptkörper anliegt oder über eine Klebstoffschicht mit diesem verklebt ist. Die Deckschicht wird vorzugsweise ausschließlich von elektrisch leitenden Anschlusspads unterbrochen, welche abseits der betreffenden Abstützfläche, vorzugsweise im Einlaufbereich, angeordnet sind. Die Anschlusspads bestehen vorzugsweise aus Kupfer, so dass sie gut lötbar sind. An den Anschlusspads sind vorzugsweise Kabel oder sonstige elektrische Leitungen angelötet, welche zur verbleibenden Messanordnung führen. Vorzugsweise ist allen piezoresistiven Schichten eine Deckschicht zugeordnet. Die Deckschicht erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte zugeordnete piezoresistive Schicht.
Schutz wird außerdem für zwei Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Führungswagens beansprucht. Bei dem Verfahren nach Anspruch 16 ist die Laufbahneinlage mit dem Hauptkörper verklebt. Bei dem Verfahren nach Anspruch 17 ist die Laufbahneinlage nicht mit dem Hauptkörper verklebt, wobei sie reibschlüssig an diesem anliegt. Im ersten Fall kann die Wagenlaufbahn ohne Weiteres nach dem Kleben geschliffen werden. Im zweiten Fall geschieht dies vor dem Beschichten. Während des Beschichtens wird die Wälzfläche in der Folge abgedeckt, um Beschädigungen zu vermeiden. Zwischen den Schritten c) und d) wird im Rahmen beider Verfahren vorzugsweise wenigstens ein Verbindungskabel mit einem Anschlusspad an der Laufbahneinlage verlötet.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1 einen Querschnitt eines Linearwälzlagers mit einem erfindungsgemäßen Führungswagen;
2 einen grobschematischen Teilquerschnitt des Linearwälzlagers nach 1 im Bereich eines Wälzkörpers;
3 einen Schaltplan der Messanordnung;
4 einen grobschematischen Teillängsschnitt der Laufbahneinlage im Einlaufbereich; und
5 eine grobschematische Draufsicht der Laufbahneinlage.

1 zeigt einen Querschnitt eines Linearwälzlagers 10 mit einem erfindungsgemäßen Führungswagen 20. Der Führungswagen 20 hat vorliegend vier Reihen von endlos umlaufenden Wälzkörpern 22, welche rollenförmig ausgebildet sind. Jeder Laufbahneinlage 30 ist eine Reihe von Wälzkörpern 22 zugeordnet. Das Linearwälzlager 10 ist weitgehend gemäß der EP 2 110 571 B1 ausgebildet, wobei insbesondere die Laufbahneinlagen 30 mit dem Hautkörper 21 verklebt sind. Die vorliegende Erfindung ist auch für Führungswägen mit kugelförmigen Wälzkörpern und für Führungswägen ohne Wälzkörperumlauf verwendbar. Die Anzahl der Reihen von Wälzkörpern kann weitgehend beliebig gewählt werden. Beispielsweise ist die Erfindung auch für ein Linearwälzlager anwendbar, welches gemäß der EP 2 949 954 B1 ausgebildet ist. Hier sind kugelförmige Wälzkörper vorgesehen, wobei jeder Laubahneinlage zwei Reihen von Wälzkörpern zugeordnet sind. Die Laufbahneinlagen liegen reibschlüssig am Hauptkörper an und sind nicht mit diesem verklebt.
In 1 erstreckt sich die Führungsschiene 12 mit einer konstanten Außenquerschnittsform entlang einer Längsachse 11, welche senkrecht zur Zeichenebene der 1 ausgerichtet ist. An der Führungsschiene 12 ist für jede Reihe von Wälzkörpern 22 eine Schienenlaufbahn 13 vorgesehen. Die Führungsschiene 12 besteht vorzugsweise aus Stahl und ist wenigstens im Bereich der Schienenlaufbahnen 13 gehärtet. Anzumerken ist, dass auch Führungsschienen verwendbar sind, welche eine U-förmige Querschnittsform aufweisen, wie sie beispielsweise aus der US 7 070 041 B1 bekannt sind.
Der Führungswagen 20 hat einen Hauptkörper 21, der vorliegend mit einer U-förmigen Querschnittsform ausgebildet ist, so dass er die Führungsschiene 12 umgreift. Der Hauptkörper 21 besteht vorzugsweise aus ungehärtetem Stahl. Jeder Schienenlaufbahn 13 ist eine Laufbahneinlage 30 mit einer Wagenlaufbahn 32 zugeordnet. Die Laufbahneinlage hat einen Grundkörper 31, welcher vorzugsweise aus gehärtem Stahl besteht. Die Wälzkörper 22 wälzen jeweils zwischen einer zugeordneten Wagenlaufbahn 32 und einer zugeordneten Schienenlaufbahn 13 am Grundkörper 31 lastübertragend ab. Die Laufbahneinlagen 30 sind jeweils am Hautkörper 21 abgestützt, wobei wegen weiterer Details auf die Ausführungen zu 2 verwiesen wird.
Jeder Reihe von Wälzkörpern 22 ist ein Wälzkörperrücklauf 23 zugeordnet, so dass die Wälzkörper 22 endlos umlaufen können. Der Wälzkörperrücklauf 23 ist vorliegend in Form eines gesonderten Rücklaufrohres ausgebildet, welches in eine angepasste Bohrung im Hauptkörper 21 eingebaut ist. Insbesondere bei kugelförmigen Wälzkörpern ist möglich, dass die Wälzkörper unmittelbar in einer Rücklaufbohrung im Hauptkörper 21 zurücklaufen.
2 zeigt einen grobschematischen Teilquerschnitt des Linearwälzlagers 10 nach 1 im Bereich eines Wälzkörpers 22. Gegenüberliegend zur Wagenlaufbahn 32 ist der Grundkörper 31 der Laufbahneinlage 30 mit einer Abstützfläche 33 versehen, die vorzugsweise eben ausgebildet ist. Die Abstützfläche 33 wird vor dem Beschichten mit der piezoresistiven Schicht 50 vorzugsweise poliert, so dass sie eine gemittelte Rautiefe von weniger als 0,25 µm und vorzugsweise von weniger als 0,1 um aufweist. Die piezoresistive Schicht 50 besteht aus einem Material, dessen ohmscher Widerstand sich vergleichsweise stark ändert, wenn eine Druckspannung einwirkt. Dieses Verhalten ist insbesondere bei Halbleitermaterialien zu beobachten. Vorzugsweise wird eine amorphe Kohlenwasserstoffschicht oder eine DLC-Schicht (diamond like carbon) verwendet, die entsprechende Eigenschaften aufweist. Die Dicke der piezoresistiven Schicht 50 beträgt beispielsweise 6 µm, wobei sie in 2 der Übersichtlichkeit halber stark übertrieben dargestellt ist. Die piezoresistive Schicht 50 kann beispielsweise im PVD- oder im CVD-Verfahren hergestellt werden, so dass sie unmittelbar stoffschlüssig mit der Abstützfläche 33 verbunden ist. Dabei wird vorzugsweise die gesamte Abstützfläche 33 mit einer unstrukturierten piezoresistiven Schicht 50 versehen, welche eine im Rahmen der Herstellgenauigkeit konstante Dicke aufweist. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in diesem Zusammenhang darin, dass Fehlstellen der piezoresistiven Schicht 50 nicht stören, soweit sie nicht im Bereich der vergleichsweise kleinen Elektroden 51 angeordnet sind.
Die Elektroden 51 werden von einer elektrisch leitenden, insbesondere metallischen, Schicht gebildet. Vor dem Beschichten werden die Bereiche, welche nicht mit der metallischen Schicht versehen werden sollen, mit einer Maske abgedeckt. Anschließend wird die elektrisch leitende Schicht aufgetragen, wobei ebenfalls das PVD- oder das CVD-Verfahren zur Anwendung kommen kann. Wegen der Anordnung und der Abmessung der Elektroden 51 wird auf die Ausführungen zu 5 verwiesen.
Der gesamte Schichtaufbau wird von einer elektrisch isolierenden Deckschicht 57 überdeckt. Hierbei ist anzumerken, dass noch weitere in 2 nicht sichtbare Schichten vorhanden sind, die mit Bezug auf 4 näher erläutert werden. Die Laufbahneinlage 30 wird als gesondertes Bauteil beschichtet, so dass in den entsprechenden Beschichtungsanlagen nur mit sehr kleinen Bauteilen gearbeitet werden muss. Die Beschichtung ist dementsprechend kostengünstig.
Nach dem Beschichten wird die Laufbahneinlage 30 vom vorliegenden Linearwälzlager entsprechend der EP 2 110 571 B1 mit dem Hauptkörper 21 verklebt, wodurch sich die Klebstoffschicht 35 ergibt. Bei einem Führungswagen, der beispielsweise entsprechend der EP 2 949 954 B1 ausgebildet ist, ist es aber auch möglich, dass die Deckschicht 57 unmittelbar reibschlüssig an einer angepassten Fläche am Hauptkörper 21 anliegt.
3 zeigt einen Schaltplan der Messanordnung 70. Die Laufbahneinlage 30 ist vorzugsweise mit einer ersten und einer zweiten Elektrode 53; 54 versehen. Die erste Elektrode 53 ist im Bereich der Abstützfläche (Nr. 33 in 4) angeordnet, über welche die Laufbahneinlage 30 lastübertragend am Hauptkörper abgestützt ist. Die zweite Elektrode 54 ist abseits der Abstützfläche angeordnet, beispielsweise im Einlaufbereich (Nr. 36 in 4). Die zweite Elektrode 54 dient in erster Linie der Temperaturkompensation. Sie ist dementsprechend so angeordnet, dass sie durch die Wälzkörper 22 nicht belastet wird. Die erste Elektrode 53 wird demgegenüber von Wälzkörpern 22 lastübertragend überrollt, wodurch sich der ohmsche Widerstand der piezoresistiven Schicht 50 unterhalb der ersten Elektrode 53 ändert, wobei er insbesondere abnimmt.
Der elektrisch leitende Grundkörper 31 der Laufbahneinlage 30, welcher aus Stahl besteht, ist elektrisch an der Masse 72 angeschlossen. Hierbei ist anzumerken, dass die Messanordnung auch erdfrei betrieben werden kann, so dass unter dem Begriff Masse auch ein frei wählbares elektrisches Bezugspotential zu verstehen ist. Sofern ein elektrisch nicht leitender Grundkörper, beispielsweise ein Grundkörper aus Keramik, zum Einsatz kommt, wird dieser vorzugsweise mit einer elektrisch leitenden Masseschicht versehen, auf welcher die piezoresistive Schicht 50 aufgebracht wird.
Die Spannung einer Spannungsquelle 71 ist zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 53; 54 angelegt, so dass diese in Reihe geschaltet sind. Der entsprechende Stromkreis wird über den elektrisch leitenden Grundkörper 31 oder die elektrisch leitende Masseschicht geschlossen. Aufgrund des vergleichsweise hohen elektrischen Widerstands der piezoresistiven Schicht 50 fließt der elektrische Strom vorwiegend im Bereich der Elektroden 51 durch die piezoresistive Schicht 50, weil er dort über den kürzesten und damit widerstandsärmsten Weg von der Elektrode 51 zum Grundkörper 31 bzw. zur Masseschicht fließen kann. Dementsprechend ist für die Lastmessung im Wesentlichen nur die lastbedingte Widerstandsänderung im Bereich der Elektroden 51, insbesondere der ersten Elektrode 53 maßgeblich.
Mittels einer Spannungsmessvorrichtung 73 wird die Spannung zwischen der Masse 72 und der ersten Elektrode 53 gemessen. Im unbelasteten Zustand ist diese Spannung im Wesentlichen gleich der halben Spannung der Spannungsquelle 71. Sie hängt im Wesentlichen nicht von der Temperatur der Messanordnung ab, obgleich sich der ohmsche Widerstand der piezoresistiven Schicht 50 mit der Temperatur nennenswert ändert. Wenn im Bereich der ersten Elektrode 53 über die Wälzkörper 22 eine Druckbelastung in die piezoresistive Schicht 50 eingebracht wird, so sinkt deren elektrischer Widerstand. In der Folge sinkt die von der Spannungsmessvorrichtung 73 gemessene Spannung gegenüber dem unbelasteten Zustand.
Entgegen der Darstellung in 3 wird die Masse 72 vorzugsweise über die piezoresistive Schicht 50 hinweg an den Grundkörper 31 bzw. die Masseschicht angeschlossen. Dabei kann entweder eine definierte Durchkontaktierung in der piezoresistiven Schicht 50 verwendet werden. Es ist aber auch denkbar, undefinierte Fehlstellen in der piezoresistiven Schicht 50 auszunutzen, die bei deren Herstellung weitgehend unvermeidbar sind. An den Fehlstellen beträgt der ohmsche Widerstand zwischen dem Grundkörper 31 und einer (nicht dargestellten) Masseelektrode im Wesentlichen Null. Eine derartige Masseelektrode deckt vorzugsweise möglichst große Bereiche der piezoresistiven Schicht 50 ab, damit sie auch eine undefiniert angeordnete Fehlstelle überdeckt. Die Masseelektrode hat vorzugsweise keinen unmittelbaren elektrischen Kontakt zur ersten oder zur zweiten Elektrode 53; 54.
4 zeigt einen grobschematischen Teillängsschnitt der Laufbahneinlage 30 im Einlaufbereich 36. An beiden in Richtung der Längsachse 11 gegenüberliegenden Enden der Laufbahneinlage 30 ist vorzugsweise ein Einlaufbereich 36 vorgesehen, an dem die Laufbahneinlage 30 im Wesentlichen nicht am Hauptkörper 21 abgestützt ist, so dass sie sich unter der Last der ein- bzw. auslaufenden Wälzkörper biegeelastisch verformen kann. Hierdurch wird eine besonders hohe Ablaufgenauigkeit und Ablaufruhe des Linearwälzlagers erreicht. Die Abstützfläche 33 erstreckt sich ausschließlich über den Bereich des Grundkörpers 31 der lastübertragend am Hauptkörper 21 abgestützt ist.
Der Freiraum im Einlaufbereich kann mit einer elastischen Masse verfüllt sein, um insbesondere das Eindringen von Flüssigkeit zu verhindert. Die Steifigkeit der sehr dünnen Schichten 50, 55, 57, 35 ist gegenüber der Steifigkeit der elastischen Masse ganz erheblich höher. Die Dicken der Schichten 50, 55, 57, 35 sind der Übersichtlichkeit halber im Vergleich zum Abstand 78 im Einlaufbereich 36 stark übertrieben dargestellt.
Im Einlaufbereich 36 ist vorzugsweise zumindest ein Verbindungskabel 75 mit der Laufbahneinlage 30 verlötet und zwar auf der von der Wagenlaufbahn 32 abgewandten Seite. Dieses ist elektrisch mit einer jeweils zugeordneten ersten oder zweiten Elektrode 53, 54 oder der oben angesprochenen Masseelektrode verbunden. Im Schichtensystem ist hierfür eine elektrisch leitende Schicht 55 vorgesehen, die beispielsweise mittels eines photochemischen Ätzverfahrens so strukturiert ist, dass sie für jede Elektrode 51 eine Anschlussleitung 74 in Form einer Leiterbahn bildet, die in den Einlaufbereich 36 führt. Die elektrisch leitende Schicht 55 ist durch eine elektrisch isolierende Trennschicht 56 von der piezoresistiven Schicht getrennt, so dass sie nicht zur Last messenden Fläche der betreffenden ersten Elektrode 53 beiträgt. Die elektrisch leitende Schicht 55 kann neben den Anschlussleitungen 74 auch die bereits angesprochene Masseelektrode bilden, welche über definierte Durchkontaktierungen oder über Fehlstellen mit dem Grundkörper 31 oder mit der Masseschicht elektrisch verbunden ist.
Im Bereich der Lötverbindung 77 ist die elektrisch leitende Schicht 55 vorzugsweise mit einem Anschlusspad 76 versehen, welcher aus einem gut lötbaren Material, beispielsweise Kupfer besteht. Die elektrisch leitende Schicht 55 kann demgegenüber aus einem anderen Material bestehen, das im Rahmen der Beschichtung kostengünstig und prozesssicher verarbeitbar ist.
Die Deckschicht 57 und die Trennschicht 56 sind vorzugsweise aus dem gleichen, elektrisch isolierenden Material hergestellt.
5 zeigt eine grobschematische Draufsicht der Laufbahneinlage 30. Die vorliegende Laufbahneinlage 30 ist als rechteckige, ebene Platte mit konstanter Dicke ausgebildet, deren lange Rechteckseite parallel zur Längsachse 11 verläuft. Ihre Mittelachse 34 verläuft parallel zur Längsachse 11. In 5 sind die beiden Einlaufbereiche 36 der Laufbahneinlage 30 durch eine Strichlinie gekennzeichnet. Dort ist am Hauptkörper und/oder an der Laufbahneinlage 30 eine Ausnehmung vorgesehen, so dass sich der in 4 mit Nr. 78 gekennzeichnete Abstand ergibt.
Die zweite Elektrode 54 ist vorzugsweise im Einlaufbereich 36 angeordnet, wobei sie höchst vorzugsweise mittig bezüglich der Mittelachse 34 angeordnet ist. Vorzugsweise sind mehrere erste Elektroden 53 vorgesehen, die entlang der Längsachse 11 verteilt im Bereich der Abstützfläche 33 angeordnet sind. Die Messanordnung (Nr. 70 in 3) umfasst vorzugsweise einen Multiplexer, mit dem wahlweise eine der ersten Elektroden 53 mit der verbleibenden Messanordnung 70 verbindbar ist, so dass die Lastmessung jeweils an einer einzigen der ersten Elektroden 53 erfolgt. Durch Verwendung mehrerer erster Elektroden 53 können insbesondere auch Drehmomente gemessen werden, welche auf den Führungswagen einwirken. Die an den ersten Elektroden 53 gemessenen Kräfte werden dabei vorzugsweise über den Abstand der ersten Elektroden 53 in Richtung der Längsachse 11 miteinander verrechnet.
Der Umriss der Laufbahneinlage 30 ist spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse 37 ausgebildet, welche senkrecht zur Mittelachse 34 bzw. zur Längsachse 11 angeordnet ist. Die ersten Elektroden 53 sind ebenfalls spiegelsymmetrisch bezüglich dieser Symmetrieachse 37 angeordnet. Vorliegend sind insgesamt sechs erste Elektroden 53 vorgesehen, deren Abstand zur Symmetrieachse 37 mit y₁ , y₂ ; y₃ gekennzeichnet ist.
Da die Ausfallwahrscheinlichkeit der ersten Elektroden 53 mit Anzahl und Größe steigt, sind vorzugsweise mindestens zwei und maximal sechs erste Elektroden 53 pro Laufbahneinlage zweckmäßig. Insbesondere bei einer kleinen Baugröße des Führungswagens können nur so viele erste Elektroden 53 angebracht werden, dass diese noch über Leiterbahnen mit den Anschlusspads (Nr. 76 in 4) verbunden werden können. Die Anzahl der Anschlusspads entspricht dabei mindestens der Anzahl der ersten Elektroden 53. Hinzu kommen noch ein Massekontakt und ein Anschlusspad für die zweite Elektrode 54.
Damit die Signale der ersten Elektroden 53 einfacher miteinander zu einer Belastung verrechnet werden können, ist es von Vorteil, wenn die Anzahl der ersten Elektroden 53 gerade ist, wobei diese symmetrisch bezüglich der Symmetrieachse 37 an der Laufbahneinlage 30 befestigt sind. D. h. auf jeder Hälfte der Laufbahneinlage in Richtung der Längsachse 11 sind gleich viele erste Elektroden 53 anzubringen.
Sofern nur zwei erste Elektroden 53 pro Laufbahneinlage vorgesehen sind, wird deren Abstand vorzugsweise so groß wie möglich gewählt, d. h. mit einem Abstand y₁ gerade noch im Bereich der Abstützfläche, jedoch so nah wie möglich am unbelasteten Einlaufbereich 36.
Ein weiteres Paar an ersten Elektroden 53 kann mittig angeordnet werden (Abstand y₃ ). Sofern weitere Paare an ersten Elektroden 53 vorgesehen sind, sind diese vorzugsweise so zwischen y₁ und y₃ angeordnet, dass die Abstände zwischen den ersten Elektroden 53 auf einer Seite der Symmetrieachse 37 gleich sind.
Quer zur Mittelachse 37 sind die ersten Elektroden 53 vorzugsweise außermittig angeordnet. Vorzugsweise sind alle ersten Elektroden 53 um das gleiche Versatzmaß 58 außermittig angeordnet. Dieses kann beispielsweise zwischen 0,38 und 0,48 mal der Breite (Nr. 25 in 2) der Wälzkörper betragen. Dementsprechend sind sie so weit wie praktisch möglich außen angeordnet. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass an dieser Stelle die größten Kräfte gemessen werden können. Durch die außermittige Anordnung wird dementsprechend eine hohe Messgenauigkeit erzielt. Aus 2 ergibt sich, zu welcher Seite hin die ersten Elektroden vorzugsweise anzuordnen sind, nämlich vom Mittelpunkt der Führungsschiene weg außermittig.
Bauartbedingt wird der U-förmig ausgestaltete Führungswagen unter jedweder Belastung aufgeweitet, d. h. die Schenkel biegen sich unter Last auf. Dagegen ergibt sich an der Führungsschiene aufgrund ihrer mehr oder weniger rechteckigen Form nur eine Stauchung, weil die Führungsschiene im Verhältnis zum Führungswagen sehr steif ist. Daraus resultiert bei Belastung ein nahezu unveränderter Druckwinkel an den Schienenlaufbahnen, während sich die Wagenlaufbahnen durch die Schenkelaufbiegung verkippen. Dadurch ändert sich der Druckwinkel und auf Führungswagenseite sind die Wagenlaufbahnen nicht mehr exakt parallel zur Rotationsachse der rollenförmigen Wälzkörper. Dieses Verkanten sorgt dafür, dass die Last im Bereich der außermittigen ersten Elektroden 53 am höchsten ist.
Die ersten und/oder die zweiten Elektroden 53; 54 sind vorzugsweise quadratisch ausgebildet, wobei sie untereinander identisch ausgebildet sind. Ihre größte Breite 52 ist vorzugsweise kleiner als der Durchmesser eines Wälzkörpers gewählt. Damit wird eine erste Elektrode 53 immer nur durch einen einzigen Wälzkörper belastet. Es ist daher besonders einfach möglich, auf die Gesamtbelastung des Führungswagens hochzurechnen.
Bezugszeichenliste

10: Linearwälzlager
11: Längsachse
12: Führungsschiene
13: Schienenlaufbahn
20: Führungswagen
21: Hauptkörper
22: Wälzkörper
23: Wälzkörperrücklauf
24: Durchmesser eines Wälzkörpers
25: Breite des Wälzkörpers
30: Laufbahneinlage
31: Grundkörper
32: Wagenlaufbahn
33: Abstützfläche
34: Mittelachse der Abstützfläche
35: Klebstoffschicht
36: Einlaufbereich
37: Symmetrieachse
50: piezoresistive Schicht
51: Elektrode
52: größte Breite einer Elektrode
53: erste Elektrode
54: zweite Elektrode
55: elektrisch leitende Schicht
56: Trennschicht
57: Deckschicht
58: Versatzmaß
70: Messanordnung
71: Spannungsquelle
72: Masse
73: Spannungsmessvorrichtung
74: Anschlussleitung
75: Verbindungskabel
76: Anschlusspad
77: Lötverbindung
78: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008051682 A1 [0002]
EP 2110571 B1 [0025, 0032]
EP 2949954 B1 [0025, 0032]
US 7070041 B1 [0026]

Claims

Führungswagen (20) zur Verwendung mit einer Führungsschiene (12), wobei der Führungswagen (20) einen Hauptkörper (21) und wenigstens eine gesonderte Laufbahneinlage (30) umfasst, wobei an einem Grundkörper (31) der Laufbahneinlage (30) wenigstens eine sich parallel zu einer Längsachse (11) erstreckende Wagenlaufbahn (32) angeordnet ist, wobei der wenigstens einen Wagenlaufbahn (32) jeweils eine Reihe von Wälzkörpern (22) zugeordnet ist, welche in Wälzeingriff mit der betreffenden Wagenlaufbahn (32) und einer zugeordneten Schienenlaufbahn (13) an der Führungsschiene (12) bringbar sind, wobei der Grundkörper (32) wenigstens eine Abstützfläche (33) aufweist, über welche er zumindest mittelbar kraftübertragend am Hauptkörper (21) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer Abstützfläche (33) eine piezoresistive Schicht (50) zugeordnet ist, welche sich flächenmäßig über wenigstens 50%, vorzugsweise über wenigstens 80%, der betreffenden Abstützfläche (33) erstreckt, wobei sie zwischen dem betreffenden Grundkörper (31) und dem Hauptkörper (21) angeordnet ist, wobei sie stoffschlüssig mit der verbleibenden Laufbahneinlage (30) verbunden ist, wobei der piezoresistiven Schicht (50) wenigstens eine elektrisch leitende Elektrode (51) zugeordnet ist, welche unmittelbar stoffschlüssig mit der piezoresistiven Schicht (50) verbunden ist, wobei eine Messanordnung (70) vorgesehen ist, mittels der eine vom ohmschen Widerstand der piezoelektrischen Schicht im Bereich zumindest einer Elektrode abhängige Messgröße messbar ist.
Führungswagen nach Anspruch 1, wobei eine größte Breite (52) zumindest einer Elektrode (51) kleiner als ein Durchmesser (24) der zugeordneten Wälzkörper (22) ist.
Führungswagen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die piezoresistive Schicht (50) unmittelbar stoffschlüssig mit der zugeordneten Abstützfläche (33) verbunden ist, wobei die betreffende wenigstens eine Elektrode (51) zwischen der piezoresistiven Schicht (50) und dem Hauptkörper (21) angeordnet ist.
Führungswagen nach Anspruch 3, wobei die Abstützfläche (33) eine gemittelte Rautiefe von weniger als 0,25 µm und vorzugsweise von weniger als 0,1µm aufweist.
Führungswagen nach Anspruch 1 oder 2, wobei der piezoresistiven Schicht (50) eine elektrisch leitende Masseschicht zugeordnet ist, welche sich über die gesamte piezoresistive Schicht (50) erstreckt, wobei sie unmittelbar stoffschlüssig mit dieser verbunden ist, wobei die wenigstens eine Elektrode (51) und die Masseschicht auf gegenüberliegenden Seiten der piezoresistiven Schicht (50) angeordnet sind.
Führungswagen nach einem der vorstehenden Ansprüchen, wobei die Messanordnung (70) an den Grundkörper (31) oder die Masseschicht elektrisch angeschlossen ist.
Führungswagen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Elektrode (51) wenigstens eine erste Elektrode (53) umfasst, welche im Bereich der Abstützfläche (33) angeordnet ist.
Führungswagen nach Anspruch 7, wobei mehrere erste Elektroden (53) vorgesehen sind, welche entlang der Längsachse (11) verteilt angeordnet sind.
Führungswagen nach Anspruch 7 oder 8, wobei jede Abstützfläche (33) eine Mittelachse (34) definiert, welche parallel zur Längsachse (11) verläuft, wobei zumindest eine erste Elektrode (53) außermittig bezüglich der betreffenden Mittelachse (34) angeordnet ist.
Führungswagen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich die piezoresistive Schicht (50) über die zugeordnete Abstützfläche (33) hinaus erstreckt, wobei die wenigstens eine Elektrode (51) eine zweite Elektrode (54) umfasst, welche abseits der Abstützfläche (33) angeordnet ist.
Führungswagen nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine Laufbahneinlage (30) wenigstens einen nicht am Hauptkörper abgestützten Einlaufbereich (36) aufweist, welcher an einem in Richtung der Längsachse (11) weisenden Ende der Laufbahneinlage (30) angeordnet ist, so dass sich die Laufbahneinlage (30) unter der Last der Wälzkörper (22) im Einlaufbereich (36) verbiegen kann, wobei sich die piezoresistive Schicht (50) in den Einlaufbereich (36) erstreckt, wobei die zweite Elektrode (54) im Einlaufbereich (36) angeordnet ist.
Führungswagen nach Anspruch 10 oder 11, rückbezogen auf Anspruch 7, wobei mittels der Messanordnung (70) jeweils eine erste Elektrode (53) und eine zweite Elektrode (54) in Reihe schaltbar sind.
Führungswagen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede Elektrode (51) mit einer Anschlussleitung (74) elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Anschlussleitung (74) von einer elektrisch leitenden Schicht (55) gebildet wird, welche strukturiert ist, wobei die Anschlussleitung (74) Bestandteil der Messanordnung (70) ist.
Führungswagen nach Anspruch 13, wobei zwischen der elektrisch leitenden Schicht (55) und der piezoresistiven Schicht (50) eine elektrisch isolierende Trennschicht (56) angeordnet ist, welche durch die wenigstens eine Elektrode (51) unterbrochen ist.
Führungswagen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest einer piezoresistiven Schicht (50) eine elektrisch isolierende Deckschicht (57) zugeordnet ist, welche eine äußere Oberfläche der Laufbahneinlage (30) bildet, wobei die Deckschicht (57) entweder reibschlüssig am Hauptkörper (21) anliegt oder über eine Klebstoffschicht (35) mit diesem verklebt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Führungswagens nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte, welche in der angegebenen Reihenfolge nacheinander ausgeführt werden: a) Härten des wenigstens einen Grundkörpers (31), b) Polieren der Abstützfläche (33), c) Beschichten der Abstützfläche (33) mit der piezoresistiven Schicht (50) und der wenigstens einen Elektrode (51), d) Verkleben der Laufbahneinlage (30) mit dem Hauptkörper (21), e) Schleifen der Wagenlaufbahn (32).
Verfahren zum Herstellen eines Führungswagens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend die folgenden Schritte, welche in der angegebenen Reihenfolge nacheinander ausgeführt werden: a) Härten des wenigstens einen Grundkörpers (31), b) Schleifen der Wagenlaufbahn (32) und Polieren der Abstützfläche (33) c) Beschichten der Abstützfläche (33) mit der piezoresistiven Schicht (50) und der wenigstens einen Elektrode (51), wobei die Wagenlaufbahn (32) während des Beschichtens abgedeckt ist, d) reibschlüssiges Einbauen der Laufbahneinlage (30) in den Hauptkörper (21).