DE10217017C1

DE10217017C1 - Kraft-Moment-Sensor

Info

Publication number: DE10217017C1
Application number: DE10217017A
Authority: DE
Inventors: Peter Meusel
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2022-04-13

Abstract

Ein Kraft-Moment-Sensor weist ein monolithisches Aufnahmeteil mit planer Fläche auf, eine flexible Leiterbahnfolie (3) mit Leiterbahnen (30) und flexiblen, mit Dehnungsmessmittel (28) kontaktierten Leiterbahnanschlüssen (31, 31', 32) sowie auf der Leiterbahnfolie (3) vorgesehene Elektronikelemente, nämlich einen Analogteil (4) in Form eines Verstärkers und einen diesem nachgeordneten Digitalteil (5) in Form eines A/D-Wandlers auf. DOLLAR A Die Leiterbahnfolie (3) ist in einem entsprechend klein dimensionierten Sensorgehäuse (8) S-förmig dergestalt gefaltet, dass sich in deren untersten Lage die Leiterbahnen (30) mit den kontaktierten Leiterbahnanschlüssen (31, 31', 32), in der mittleren Ebene der auf der Folie angeordnete Analogteil (4) und in der obersten Lage der auf der Folie anschließend angeordnete Digitalteil (5) befinden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraft-Moment-Sensor.

Bei Kraft-Moment-Sensoren werden mittels Dehnungsmessstreifen werden im allgemeinen bei auf den Sensor ausgeübten Belastun gen die dort auftretenden Verformungen in Form von Dehnun gen/Stauchungen erfasst. Über eine nachgeordnete Elektronik werden die digitalisierten Messwerte zur Auswertung einem Rechner zugeführt.

Bei bisher verwendeten Kraft-Moment-Sensoren sind die Deh nungsmessstreifen zur Kontaktierung mittels dünner Drähte an auf einer Leiterplatte vorgesehene Leiterbahnen angelötet. Bei Kraft-Moment-Sensoren, mit welchen sechs Komponenten, nämlich drei Kräfte und drei Momente erfasst bzw. gemessen werden können, sind die Dehnungsmessstreifen an den unter schiedlichsten Stellen, vor allem jedoch in unterschiedlichen Ebenen und Lagen positioniert.

Um die erfassten Messwerte auszuwerten, werden diese im all gemeinen zuerst einem Analogteil in Form eines oder mehrerer Operationsverstärkern zugeführt. Die analogen, nunmehr ver stärkten Messsignale werden im allgemeinen über Kabel über tragen, welche eine Länge von bis zu 5 m haben; anschließend erfolgt eine A/D-Umwandlung und schließlich die Auswertung in einem Rechner.

Nachteilig bei dem Stand der Technik ist insbesondere, dass aufgrund des Anlötens von dünnen Drähten an die Leiterbahnen einer Leiterbahnfolie generell ein beachtlicher Montageauf wand anfällt, der jedoch bei sehr kleinen Kraft-Moment-Sen soren mit einem Durchmesser von weniger als 20 mm noch erheb lich größer ist, da das präzise Aufbringen der Dehnungs messstreifen einen großen zeitlichen Aufwand erfordert. Auf Grund der Anordnungen und Positionierung der Dehnungs messstreifen in den unterschiedlichen Ebenen und Lagen kann im allgemeinen eine flexible Leiterplatte nicht verwendet werden. Ferner wirkt sich die räumlich Trennung des Analog teils von dem Digitalteil, in welchem die A/D-Wandlung durch geführt wird, dahingehend nachteilig aus, dass die Wahr scheinlichkeit einer Störung der empfindlichen übertragenen Analogsignale stark zunimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei Kraft-Moment-Sen soren, insbesondere bei sehr kleinen, miniaturisierten Kraft- Moment-Sensoren, sowohl den Montageaufwand insbesondere hin sichtlich des Kontaktierens der Dehnungsmessmittel erheblich zu reduzieren und auch die Störungen sowie störende Be einträchtigungen bei der Übertragung der verstärkten Analog signale weitestgehend auszuschließen.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einem Kraft-Moment- Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine vor teilhafte Weiterbildung ist Gegenstand des Anspruchs 2. Eine vorteilhafte Ausführungsform eines Kraft-Moment-Sensors in miniaturisierter Ausführung ist Gegenstand des Anspruchs 3.

Von der Anmelderin wurden Kraft-Moment-Sensoren entwickelt, deren prinzipieller Aufbau anhand von Fig. 1 nachstehend be schrieben ist. Ein wesentliches Merkmal dieser Kraft-Moment- Sensoren ist darin zu sehen, dass der Kraft-Moment-Sensor ein monolithisches, beispielsweise scheibenförmiges Ausnahmeteil mit einer planen, in zusammenhängende Abschnitte unterteilten Fläche aufweist. Bei diesen Kraft-Moment-Sensoren sind Deh nungsmessmittel bzw. -streifen auf Abschnitten entlang des äußeren Umfangsbereichs sowie auf von diesen Abschnitten in radialer Richtung zu einem mittleren Bereich verlaufenden Verbindungsstegen aufgebracht, deren flächige Oberseiten in derselben Ebene wie die Oberseiten der äußeren Abschnitte liegen.

Damit können alle Dehnungsmessmittel im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsformen von Kraft-Moment-Sensoren, bei welchen die Dehnungsmessstreifen in unterschiedlichen Ebenen und Lagen aufgebracht werden müssen, in einer Ebene bei spielsweise durch Verkleben aufgebracht werden. Darüber hin aus können statt des übliche Verklebens von Dehnungsmess streifen auch weitere alternative Verfahren zum Einsatz kom men, beispielsweise können statt der Dehnungsmessstreifen Messgitter aufgebracht werden. Die Dehnungsmessmittel können in einem Arbeitsgang und somit mit einem verhältnismäßig ge ringen Montageaufwand aufgebracht werden. Aufgrund des Aufbringens der Dehnungsmessmittel in einer Ebenen entfallen auch mögliche Kreuzungen oder Überlappungen, wie sie bei der bisher üblichen Verdrahtung nicht auszuschließen waren.

Ferner ermöglicht das Aufbringen von Dehnungsmessmittel in einer Ebene auch den Einsatz einer flexiblen Leiterbahnfolie. Durch das Verwenden einer solchen flexiblen Leiterbahnfolie entfallen die bisher zum Kontaktieren der Dehnungsmessmittel verwendeten Drähte. Die Dehnungsmessmittel können bei der er findungsgemäßen Ausführung direkt an der flexiblen Leiter platte kontaktiert werden, da an den einzelnen Leiterbahnen flexible Leiterbahnanschlüsse so angeformt sind, dass sie je weils zum Kontaktieren über, auf oder neben den Lötstellen der Dehnungsmessstreifen angeordnet und somit direkt an die Leiterbahnfolie ohne zusätzliche Drähte angelötet, d. h. kon taktiert werden können. Die Lage der einzelnen Leiterbahnan schlüsse der flexiblen Leiterbahnfolie muss somit jeweils le diglich den in derselben Ebene liegenden Positionen der ein zelnen Dehnungsmessmittel entsprechen.

Aufgrund des Verwendens einer flexiblen Leiterbahnfolie sind gemäß der Erfindung auch Elektronikelemente, nämlich ein Ana logteil in Form eines Verstärkers bzw. Operationsverstärkers und eines diesem nachgeordneten Digitalteils in Form eines A/D-Wandler auf der Leiterbahnfolie vorgesehen. Dies wiederum stellt eine weitere Montageerleichterung dar.

Bei sehr kleinen, miniaturisierten Kraft-Moment-Sensoren mit einem Durchmesser von weniger als 20 mm kann gemäß einer wei teren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die flexible Leiterbahnfolie mehrfach, beispielsweise s-förmig gefaltet werden, so dass sie in einem entsprechend klein dimen sionierten Sensorgehäuse untergebracht werden kann.

Bei einer s-förmig gefalteten Leiterbahnfolie befinden sich nach der Montage beispielsweise in deren untersten Ebene die Leiterbahnen mit den an den Dehnungsmessstreifen kontaktier ten Leiterbahnanschlüssen, in der mittleren Ebene der auf der Folie angeordnete Analogteil, beispielsweise in Form eines Operationsverstärkers, und in der obersten Lage der auf der Folie angeordnete Digitalteil, im allgemeinen in Form eines A/D-Wandlers. Somit ist nicht nur eine sehr kompakte Bauform geschaffen, sondern auf Grund der räumlichen Nähe von Analog teil und Digitalteil sind zusätzliche Beeinträchtigungen durch Störungen wesentlich reduziert, da nach außen nur mehr digitalisierte Signale übertragen werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im ein zelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen Kraft-Moment- Sensor mit in einer Ebene aufgebrachten Dehnungs messstreifen;

Fig. 2a und 2b im Schnitt bzw. in Draufsicht einen Teilab schnitt des Kraft-Moment-Sensors mit aufgebrachten Dehnungsmessstreifen;

Fig. 3a in einer schematischen Darstellung im Schnitt eine Leiterbahnfolie mit auf dieser vorgesehenen Elektro nikelementen;

Fig. 3b in einer Art Blockschaltbild die in Fig. 3a im Schnitt wiedergegebene Anordnung;

Fig. 4a bis 4c Möglichkeiten der Kontaktierung von an einer Leiterbahnfolie angeformten Leiterbahnanschlüssen, und

Fig. 5 eine unmaßstäbliche schematische Darstellung einer in einem angedeuteten Sensorgehäuse untergebrachten ge falteten Leiterbahnfolie.

In Fig. 1 ist in Draufsicht die Oberseite eines monolithi schen, scheibenförmigen Aufnahmeteils 20 eines Kraft-Moment- Sensors widergegeben. Das Aufnahmeteil 20 hat eine plane, in zusammenhängende Abschnitte 21, 22a/b, 23 und 24 unterteilte Fläche. Der mittlere Abschnitt 21 hoher Steifigkeit weist le diglich Krafteinleitungsstellen 25 bzw. 25' auf, während auf in der dargestellten Ausführungsform drei entlang des Um fangsbereichs ausgebildeten Teilabschnitten 22a₁, 22b₁ bis 22a₂, 22b₂ mittlerer Steifigkeit jeweils Dehnungsmessstreifen 28 aufgebracht sind. Ebenso sind auf den wiederum drei von dem mittleren Abschnitt 21 ausgehenden, radial verlaufenden Verbindungsstegen 24 speziell ausgerichtete Dehnungsmess streifen 28 aufgebracht. Die Verbindungsstege 24 sind jeweils über eine Anbindung mit Entlastungsabschnitten 23 verbunden, die eine mittlere Steifigkeit aufweisen, indem in deren mitt leren Bereich jeweils eine in Draufsicht nicht erkennbare u- förmige Ausnehmung ausgebildet ist.

Die auf der planen Fläche der Teilabschnitte 22a, 22b und der Verbindungsstege 24 aufgebrachten, entsprechend ausgebildeten Dehnungsmessstreifen 28 sind nach dem Prinzip einer Wheatsto ne-Brücke zu Halb- oder Vollbrücken geschaltet, so dass aus den durch Belastungen von außen an den Messstreifen hervorge rufenen Dehnungen/Stauchungen entsprechende Messwerte erfasst werden können, aus welchen bei dem in Fig. 1 schematisch ange deuteten Kraft-Moment-Sensor drei Kräfte F_x, F_y und F_z sowie drei Momente M_x, M_y und M_z abgeleitet werden können.

In Fig. 2a ist im Schnitt beispielsweise am Teilabschnitt 22a widergegeben, auf welchem zwei Dehnungsmessmittel in Form von Dehnungsmessstreifen 28 aufgebracht sind, die jeweils zwei nicht näher bezeichnete Lötstellen, beispielsweise in Form von Lötpads ausweisen. Fig. 2b zeigt lediglich eine Draufsicht auf den Teilabschnitt 22a mit den dort vorgesehenen zwei Deh nungsmessstreifen 28.

In Fig. 3a ist in einer schematischen Schnittansicht eine Lei terbahnfolie 3 dargestellt, deren in Fig. 3a rechtes Ende über einen ebenfalls im Schnitt widergegebenen Dehnungsmessstrei fen 28 mit auf diesem vorgesehenen, nicht näher bezeichneten Lötpads angeordnet ist. Links von dem angedeuteten Dehnungs messstreifen 28 ist ein Analogteil 4 in Form von einem oder zwei Verstärkern, insbesondere Operationsverstärker vorgese hen. Ferner ist auf einer Seite der Leiterbahnfolie 3 ein Di gitalteil 5 vorgesehen, welchem auf der anderen Seite der Leiterbahnfolie beispielsweise ein Steckverbinder 6 als digi tale Schnittstelle zugeordnet ist. In Fig. 3b sind dieselben Elemente als Blockschaltbilder dargestellt, wobei durch den rechts angeordneten Block die erfolgte Kontaktierung eines Dehnungsmessstreifens angedeutet ist.

In Fig. 4a sind unmaßstäblich an der Leiterbahnfolie 4 ange formte Leiterbahnanschlüsse 32 dargestellt. Gleichzeitig ist die Kontaktierung der verschiedenen Leiterbahnanschlüsse 32 an den entsprechenden nicht näher bezeichneten Lötpads von Dehnungsmessstreifen 28 angedeutet. In Fig. 4b ist im Unter schied zu Fig. 4a ein einzelner angeformter Leiterbahnan schluss 31 dargestellt; die dort angedeutete Leiterbahn 30 ist an einem Lötpad des Dehnungsmessstreifens 28 kontaktiert ist.

Sowohl in Fig. 4a als auch in Fig. 4b sind die Leiterbahnan schlüsse 31 bzw. 32 so angeformt und ausgerichtet, dass sie unmittelbar über den Lötpads von Dehnungsmessstreifen 28 an geordnet sind, an welchen sie kontaktiert werden sollen. In Fig. 4c ist eine Variante eines Leiterbahnanschluss 31' darge stellt, welcher so ausgebildet ist, dass er seitlich von ei nem Lötpad eines Dehnungsmessstreifens 28 angeordnet ist und dieses Lötpad teilweise umgreift.

In Fig. 5 ist einer stark vergrößerten und unmaßstäblichen Darstellung schematisch ein Sensorgehäuse 8 angedeutet, in welchem eine s-förmig gefaltete flexible Leiterbahnfolie 3 untergebracht ist. Die flexible Leiterbahnfolie 3 ist so ge faltet, dass sie in der untersten Lage der Fig. 5 über auf ei nem Teilabschnitt 22a aufgebrachten Dehnungsmessstreifen 28 angeordnet ist. In der mittleren Lage der s-förmig gefalte ten Folie 3 ist der Analogteil 4 vorgesehen, während in der obersten Lage der Digitalteil 5 und diesem gegenüberliegend ein Steckverbinder 6 angeordnet sind. Zusätzlich ist ein Ka belausgang 7 angedeutet.

In einer praktischen Ausführung hat das Sensorgehäuse 8 eines miniaturisierten Kraft-Moment-Sensors beispielsweise einen Innendurchmesser von etwa 19 mm und eine Höhe in der Größen ordnung von 10 mm.

Bezugszeichenliste

20

Aufnahmeteil

21

mittlerer Abschnitt

22

a,

22

b Teilabschnitt

23

Entlastungsabschnitt

24

Verbindungssteg

25

,

25

' Krafteinleitungsstellen

28

Dehnungsmessstreifen

3

Leiterbahnfolie

30

Leiterbahn

31

,

31

',

32

Leiterbahnanschluss

4

Analogteil

5

Digitalteil

6

Steckverbinder

7

Kabelausgang

8

Sensorgehäuse

Claims

1. Kraft-Moment-Sensor mit einem monolithischen Aufnahmeteil (20) mit einer planen, in zusammenhängende Abschnitte (21, 22a, 22b, 23, 24) unterteilten Fläche, wobei auf außen lie genden Abschnitten (22a, 22b) und auf zur Mitte des Aufnahme teils hin ausgerichteten Abschnitten (24) Dehnungsmessmittel (28) aufgebracht sind,
mit einer flexiblen, über dem Aufnahmeteil (20) angeordneten Leiterbahnfolie (3) mit Leiterbahnen (30) und flexiblen, mit den Dehnungsmessmittel (28) kontaktierten Leiterbahnanschlüs sen (31, 31', 32), und
mit auf der Leiterbahnfolie (3) vorgesehenen Elektronikele menten, nämlich einem Analogteil (4) in Form eines Verstär kers und einem diesem nachgeordneten Digitalteil (5) in Form eines A/D-Wandlers.

2. Kraft-Moment-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die flexiblen Leiterbahnanschlüsse (31, 31', 32) dergestalt ausgebildet und geformt sind, dass diese sich bei Anordnen der Leiterbahnfolie (3) über einem Aufnahmebereich (22a) unmittelbar über, auf oder neben Lötpunkten der entsprechenden Dehnungsmessmittel (28) befinden.

3. Kraft-Moment-Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnfolie (3) in einem entsprechend klein dimensio nierten Sensorgehäuse (8) s-förmig gefaltet ist, dergestalt, dass sich in deren untersten Lage die Leiterbahnen (30) mit den kontaktierten Leiterbahnanschlüssen (31, 31', 32), in der mittleren Ebene der auf der Folie angeordnete Analogteil (4) und in der obersten Lage der auf der Folie anschließend ange ordnete Digitalteil (5) befinden.