DE19647876A1 - Sensor zur Messung von mechanischen Kräften - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßwertaufnehmer zur Messung von mechanischen Kräften.

Zur Messung von Druckkräften sind Meßwertaufnehmer bekannt, die aus einer piezoelektrischen Keramik bestehen, in der sich unter Krafteinwirkung Ladungen verschieben. Diese Ladungsverschiebung stellt ein Maß für die ausgeübte Kraft auf den Aufnehmer dar. Zur Messung von Dehnungen als Folge von Krafteinwirkungen werden "Dehnungsmeßstreifen" verwendet. Hierbei handelt es sich um Kunststoff-Folien, auf die sehr dünne Leiterbahnen aufgebracht sind, welche unter Dehnung ihren Widerstand ändern. Zur Messung von Gas- und Flüssigkeitsdrücken werden vorwiegend Sensoren auf Silizium- Basis verwendet. Hierbei wird eine Silizium-Membran verformt, welche dadurch ihren Widerstand ändert.

Die obengenannten Sensoren haben den Nachteil, daß sie sehr empfindlich gegenüber Meßbereichs-Überschreitungen reagieren. So können Piezokeramiken zertrümmert, Dehnungsmeßstreifen zerrissen und Siliziummembranen durchbrochen werden, was komplizierte Schutzmechanismen für das Sensormaterial nötig macht.

Vor allem ist die Herstellung von Drucksensoren auf Silizium-Basis, welche in Reinräumen hoher Güteklasse erfolgen muß, sehr aufwendig. Dies macht die Sensoren relativ teuer. Meist benötigen die obengenannten Aufnehmer eine komplizierte und teure Auswertungs- Elektronik, was die Sensoren für low-cost-Anwendungen uninteressant macht. Zum Beispiel werden für Dehnungsmeßstreifen hochempfindliche Verstärker benötigt, um diese sehr niederohmigen Sensoren auszuwerten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfach aufgebauten, robusten Meßwert-Aufnehmer vorzuschlagen, welcher eine kostengünstige Messung von Kräften für eine Vielzahl von Anwendungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Meßwert-Aufnehmer mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 4 gelöst.

Die Erfindung ermöglicht es, Kräfte ohne aufwendige Schutzmechanismen zu messen, da das Sensormaterial durch Meßbereichsüberschreitungen nicht zerstört werden kann.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoren ist sehr einfach und kostengünstig. Als Ausgangsmaterial wurden leitfähige, aufgeschäumte Polymere verwendet, wie sie beispielsweise bei der Verpackung von elektronischen Bauteilen Anwendung finden. Dank ihrer Robustheit können die Kraftsensoren auch als Endschalter in Maschinen eingesetzt werden, da sie wesentlich stabiler als normale Mikroschalter sind und zusätzlich aufgrund ihres analogen Ausgangssignals eine variable Schaltschwelle ermöglichen.

Die Kraftsensoren können als ein- sowie als zweidimensionale Sensorarrays angeordnet werden. Dadurch ist es unter anderem möglich, die Lage von Körpern zu erfassen. Mit einem solchen Sensorarray kann eine flächenbezogene Kraft auf einen Körper gemessen werden, was vor allem für Fühler in Robotergreifern, die die wirkende Kraft auf das zu greifende Objekt messen, von Bedeutung ist.

Auch als Stoßstangen für mobile Servicefahrzeuge wie z. B. Reinigungsroboter sind diese Sensorarrays geeignet, da sie im Gegensatz zu gewöhnlichen Bumpern ortsauflösend sind und somit die Anstoßpunkte genau lokalisiert werden können. Nebenbei wirkt das Sensormaterial bei einer entsprechenden Schichtdicke auch noch als Knautschzone.

Nachfolgend werden einige mögliche Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Sensoren näher beschrieben.

Fig. 2 zeigt ein analoges Eingabegerät für Sollgrößen. Es besteht erfindungsgemäß aus zwei oder mehreren Kraftsensoren nach Anspruch 4. Diese Kraftsensoren, im folgenden "Taste" genannt, sind mit einer Gummiabdeckung (4) geschützt und unter einem LC-Display (5) angeordnet. Dieses LC-Display zeigt die momentane Funktion (6) der Taste an (Softkey- Prinzip), sowie den momentanen Wert der Sollgröße (7), welcher mittels eines Balkens dargestellt wird. Drückt der Benutzer nun die Taste, so wird die Sollgröße je nach gemessener Kraft schneller oder langsamer vergrößert bzw. verkleinert. Anstatt einzelner Kraftsensoren kann auch ein eindimensionales Sensorarray nach Anspruch 5 eingesetzt werden.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung als ortsauflösender Stoßstangen-Sensor für mobile Serviceroboter. Er besteht erfindungsgemäß aus einem eindimensionalen Sensorarray nach Anspruch 4. Dieses Sensorarray (8) wird rings um das Fahrzeug (9) herum angebracht. Stößt nun der Roboter an ein Hindernis (10), so kann vom angeschlossenen Computer (11) die Position des Hindernisses berechnet werden. Je nach Schubkraft des Roboters sollte die Dicke des Sensormaterials so gewählt werden, daß es eine ausreichende Knautschzone darstellt. Die Elektroden, welche auf den Kunststoff aufgebracht werden, können auch aus leitfähigen Elastomeren oder aus einer metallisierten Folie bestehen, wodurch eine elastische sowie drucksensitive "Haut" entsteht, mit der auch unebene Flächen an Fahrzeugen geschützt werden können (vgl. Anspruch 6f).

Fig. 4 zeigt einen Kraftsensor für Robotergreifer. Es handelt sich hierbei erfindungsgemäß um ein miniaturisiertes Sensorarray nach Anspruch 4, welches dazu dient, die Kraft, welche auf das Objekt im Robotergreifer wirkt, zu messen, sowie die Kontur und die Position des Gegenstandes zu erfassen. In Fig. 3 ist der grundsätzliche Aufbau eines solchen Sensors dargestellt. Das Polymer (12) wird auf eine Epoxidplatine (13) mit geätzten und vergoldeten Elektroden (14) an den Rändern aufgeklebt (15). Die Elektroden sind mit einem Analogmultiplexer (16) auf der Rückseite der Epoxidplatine verbunden. Dieser Analogmultiplexer ist über ein Kabel mit einer Auswertungselektronik, bestehend aus AD- Wandler und Microcontroller, verbunden, welche das Sensorsignal linearisiert und in ein geeignetes Ausgabeformat bringt. Um ein nachträgliches Einkleben des Sensors in einen vorhandenen Greifer zu ermöglichen, wurde ein U-förmiges Epoxid-Stück (17) vorgesehen, welches höher als der verwendete Analogmultiplexer-IC ist und diesen vor mechanischer Beschädigung schützt sowie als Montagefläche des Sensors fungiert.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung als Endschalter mit variabler Auslöseschwelle. Dieser besteht erfindungsgemäß aus einem Kraftsensor (18) nach Anspruch 3, der auf einer Halterung (19) montiert und durch eine Gummihaube (20) geschützt ist. Der Ausgang des Kraftsensors führt auf einen Schmitt-Trigger mit einstellbarer Triggerschwelle (21), der ein digitales Ausgangssignal zur Verfügung stellt.

Fig. 6 zeigt eine Ausführung als zweidimensionales Array zur Lage- und Konturenerfassung von Werkstücken. Dieser Sensor entspricht erfindungsgemäß einem Kraftsensorarray nach Anspruch 4, welcher zur Lageerkennung aber auch zur Prüfung von Werkstücken in der Produktion mit einer Apparatur wie z. B. einem Roboterarm auf das Probestück gedrückt werden kann, um dessen Kontur aufzunehmen. Die erhaltenen Daten können ähnlich wie Kamerabilder mit einem Bildanalyse-System weiterverarbeitet werden. Das Sensorarray besteht im wesentlichen aus der Polymer-Schicht (24) sowie einer Grundplatte (22) aus Epoxid, auf welcher die vergoldeten Sensorelektroden (23) aufgebracht sind, welche über Durchkontaktierungen mit der sich auf der Rückseite befindenden, als Signalmultiplexer geschalteten Transistormatrix verbunden sind.

Claims (7)

1. Sensor zur Messung von mechanischen Kräften, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangssignal die Änderung der elektrischen Eigenschaften von leitfähigen bzw. leitfähig gemachten Polymeren unter Krafteinwirkung verwendet wird.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensormaterial ein mit Ruß oder Graphitpulver angereichertes aufgeschäumtes Elastomer benutzt wird, das seinen elektrischen Widerstand unter Krafteinwirkung ändert.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Widerstandsänderung dünne, nicht oxidierende Metallstreifen auf der Rückseite des Sensormaterials angeordnet sind.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrodenfläche (1) eine Epoxidplatine (2) mit geätzten Elektroden verwendet wird, auf welche wegen der besseren Kontakteigenschaften eine nichtoxidierende Metallschicht (z. B. Gold) aufgebracht (z. B. aufgalvanisiert) wird (Fig. 1).

5. Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensorzellen zu ein- oder zweidimensionalen Arrays verbunden sind.

6. Sensor nach Anspruch 1, 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (z. B. aus Aluminium) auf eine Folie aufgebracht (z. B. aufgedampft) werden.

7. Sensorarray nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus leitfähigen Elastomeren bestehen.