DE19653859A1 - Einrichtung zur Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Drehmomentbestim­ mung an Schrittmotoren.

Meßaufnehmer zur Bestimmung des Drehmoments oder der Auslenkung von drehbar gelagerten Teilen sind durch mehrere Veröffentli­ chungen bekannt.

Derartige Lösungen sind unter anderem in den Schriften DE 30 09 091 Meßfederplatte, DE 38 17 905 Formänderungs-Meßfehler, DE 40 04 590 Meßeinrichtung zur Bestimmung des Drehmoments eines rotierenden oder feststehenden Maschinenteils, DE 40 12 829 Vorrichtung zur mehrdimensionalen Kraftmessung und daraus abge­ leiteten Größen durch Meßwertaufnahme mittels elektrischer Sen­ soren, z. B. Dehnungsmeßstreifen und DE 44 30 503 Drehmoment­ sensor mit Dehnmeßstreifenanordnung aufgeführt.

Diese Schriften beinhalten die Gestaltung der Meßaufnehmer an sich. Die Widerstände zur Erfassung der Formänderung sind auf­ gebracht z. B. Dehnmeßstreifen. Damit ist eine Miniaturisierung durch die die begrenzte Handhabbarkeit und die Größe an sich eingeschränkt. Das Aufbringen und Kontaktieren erfordert zu­ sätzliche überwiegend mechanische Herstellungsschritte, so daß sich ein höherer Fertigungsaufwand und daraus resultierend höhere Kosten ergeben.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Drehmoment an Schrittmotoren zu erfassen.

Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Einrichtung zur Drehmomentbestimmung zeichnet sich durch einen kompakten Aufbau aus. Das Antriebselement in Form des Schrittmotors und die Meß- und Auswerteelemente in Form des Meßaufnehmers sind in einem Gehäuse untergebracht. Damit ist die Einrichtung universell einsetzbar und in neue oder bereits bestehende Anlagen leicht einzubauen. Dazu bedarf es nur der Befestigung an einer Trägerbaugruppe, die eine Öffnung für die Schrittmotorwelle aufweisen muß.

Der Meßaufnehmer ist plattenförmig ausgebildet und besteht aus einen Halbleitermaterial. Damit sind zur Herstellung des Meß­ aufnehmers die bekannten Verfahren der Mikroelektronik hin­ sichtlich der Erzeugung von Mikrostrukturen im Halbleiter­ material und des Freiätzens von geometrischen Anordnungen an­ wendbar. Das ermöglicht eine Miniaturisierung des Meßaufneh­ mers, so daß auch das Drehmoment von Miniaturschrittmotoren be­ stimmbar ist. Gleichzeitig ergibt sich die Möglichkeit, Gebiete des Meßaufnehmers so auszubilden, daß die Meßwiderstände, die elektrischen Leitbahnen und die mikroelektronischen Schaltungs­ strukturen zur Meßwertaufbereitung und Meßwertverarbeitung auf und/oder in den plattenförmig ausgebildeten Meßaufnehmer inte­ grierbar sind. Damit ergibt sich ein kompakter Aufbau, der sich weiterhin dadurch auszeichnet, daß eine Schnittstelle mit ge­ ringster Anzahl an Leitungen zum Betreiben und zur Meßwertaus­ gabe notwendig ist.

Die Montage des Meßaufnehmers erfolgt fest zwischen Schritt­ motor und Meßgehäuse, so daß bei einer derartigen Realisierung die Übertragung von elektrischen Signalen von rotierenden Meß­ aufnehmern vermieden wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent­ ansprüchen 2 bis 8 angegeben.

Die rechteckförmige Grundfläche des Meßaufnehmers nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 erleichtert dessen Reali­ sierung, da dieser vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial besteht. Damit sind die bekannten Herstellungsverfahren der Mikroelektronik einsetzbar und eine kostengünstige Herstellung der Meßaufnehmer gegeben.

Die Weiterbildungen der Patentansprüche 3 und 4 beinhalten besondere Ausgestaltungen des Meßaufnehmers.

Die mit den Meßwiderständen versehenen Stege, die durch die parallel verlaufenden Schenkel der winkelförmig angeordneten Schlitze entsprechend der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 gebildet werden, erhöhen die axiale Elastizität und werden bei der Ansteuerung des Schrittmotors je nach Laufrichtung auf Zug oder Druck beansprucht. Weiterhin eignet sich ein derartig gestalteter und aufgebauter Meßaufnehmer besonders für eine Miniaturisierung und der Erfassung von Drehmomenten derartiger Schrittmotore.

Die Weiterbildung des Patentanspruchs 4 beinhaltet eine zweite Variante zur Anordnung von Öffnungen und sich daraus ergebenden Stegen. Die Stege sind dabei kreuzförmig angeordnet. Die elek­ trischen Widerstände sind in Richtung von der Schrittmotorwelle weg angeordnet, so daß bei Betrieb des Schrittmotors eine dreh­ momentabhängige Änderung des elektrischen Widerstandes infolge der mechanischen Dehnung erfolgt. Dieser Aufbau eignet sich zur Bestimmung des Drehmomentes von Schrittmotoren kleinerer Leis­ tung.

Die Realisierung des Meßaufnehmers aus Silizium nach der Wei­ terbildung des Patentanspruchs 5 ermöglicht eine Miniaturi­ sierung des Meßaufnehmers und eine Integration der elektrischen Widerstände, der Kontaktstellen und/oder der Auswerteschaltung und Kontaktstellen. Mit der Auswerteschaltung steht an den Kontaktstellen eine digitalisierte Signal folge zur Verfügung, die unter anderem in einer integrierten Verarbeitungseinheit ausgewertet werden kann. Mit dem Einsatz von Silizium als Meß­ aufnehmer ist ein nahezu ermüdungsfreier Einsatz des Meßauf­ nehmers gegeben.

Mit der Ausnutzung des piezoresistiven Effektes nach der Wei­ terbildung des Patentanspruchs 6 als elektrischen Widerstand ergibt sich ein großes Verhältnis von elektrischer Widerstands­ änderung zur Deformierung des Gebietes des elektrischen Wider­ standes.

Die Weiterbildung des Patentanspruchs 7 erhöht die Empfindlich­ keit der Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren durch das Zu­ sammenschalten der elektrischen Widerstände auf vier Stegen zu einer Meßbrücke. Jeder Zweig der Meßbrücke wird durch einen piezoresistiven und damit auf das Drehmoment reagierender ver­ änderlicher Widerstand gebildet. Die Steigerung der Empfind­ lichkeit führt zu einer genaueren Bestimmung des Drehmomentes an Schrittmotoren oder kleinere Drehmomente sind erfaßbar.

Die Weiterbildung des Patentanspruchs 8 verbessert die Meß­ genauigkeit durch Erfassung der Widerstandsänderung als Folge nichtmechanischer Einwirkungen wie beispielsweise Temperatur oder Feuchte. Die Widerstandsänderung durch solche Störgrößen wird durch die Auswerteschaltung erfaßt und dient der Fehler­ kompensation.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar­ gestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Einrichtung zur Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren,

Fig. 2 eine zweite Einrichtung zur Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren,

Fig. 3 einen ersten Meßaufnehmer,

Fig. 4 einen zweiten Meßaufnehmer mit einem weiteren elek­ trischen Widerstand und

Fig. 5 einen dritten Meßaufnehmer.

Ein erstes Ausführungsbeispiel zur Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren ist in den Fig. 1 und 3 dargestellt. Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Einrichtung zur Drehmomentbestimmung und die Fig. 3 einen Meßaufnehmer 5. Der Schrittmotor einschließlich des Schrittmotorgehäuses 1 befindet sich in einem Meßgehäuse 2. Das Meßgehäuse 2 nimmt den Meßaufnehmer 5 auf. Dadurch ist eine kompakte Einheit gegeben, die an einer Trägerbaugruppe 3 leicht einzubauen ist. Die Schrittmotorwelle 4 ist in zwei sich gegenüberliegenden Wänden des Meßgehäuses 2 gelagert. Mit einer entsprechenden Länge der Schrittmotorwelle 4 ragt diese aus dem Meßgehäuse 2 aus einer der beiden Wänden oder nur an einer heraus. Die Länge der Schrittmotorwelle wird durch die Art der Übertragungsmechanis­ men und deren konstruktive Ausgestaltungen bestimmt.

Das Schrittmotorgehäuse 1 ist über einen Meßaufnehmer 5 mit dem Meßgehäuse 2 fest verbunden. Dazu ist das Schrittmotorgehäuse 1 mit dem Meßaufnehmer 5 und dieser mit dem Meßgehäuse 2 fest verbunden. Der Meßaufnehmer 5 ist plattenförmig ausgebildet, besteht aus Silizium und besitzt eine rechteckförmige Grund­ fläche. Im Meßgehäuse 2 ist der Meßaufnehmer 5 parallel zu einer der Wände, in denen die Schrittmotorwelle 1 gelagert ist, angeordnet. Der Meßaufnehmer 5 besitzt vier Öffnungen, die als winkelförmige Schlitze ausgebildet sind. Die Schenkel der win­ kelförmigen Schlitze sind parallel und rechtwinklig zueinander angeordnet, die Winkelspitzen weisen zu den Ecken des Meßauf­ nehmers 5 und enden jeweils vor dem rechtwinklig dazu verlau­ fenden Schlitzen. Damit befinden sich vier den Abstandsradius tangierende und vier parallel zum Radius verlaufende Stege zwischen den Öffnungen entsprechend der Darstellung der Fig. 3.

Das Schrittmotorgehäuse 1 ist mit dem Innenteil des Meßaufneh­ mers 5 und die Außenkanten des Meßaufnehmers 5 sind mit dem Meßgehäuse 2 fest verbunden. Damit ergibt sich eine mechanische Verbindung vom Schrittmotorgehäuse 1, starren oder gegen Ver­ drehung gesicherten Verbindung 8, Innenteil des Meßaufnehmers 5, Stege des Meßaufnehmers 5, Außenteil des Meßaufnehmers 5, starren oder gegen Verdrehung gesicherten Verbindung 9 zum Meßgehäuse 2.

Der Meßaufnehmer 5 besitzt in der Mitte eine Öffnung 6, die größer ist, als der Durchmesser der Schrittmotorwelle 4. In den parallel zum Radius verlaufenden Stegen sind parallel zu den Öffnungen je zwei piezoresistive Widerstände 10 integriert. Gleichzeitig besitzt der Meßaufnehmer 5 elektrische Leiteran­ ordnungen, die so in diesem angeordnet sind, daß mindestens zwei piezoresistive Widerstände 10 in einer Meßbrücke verschal­ ten sind.

Weiterhin kann eine Auswerteschaltung in den Meßaufnehmer 5 integriert sein, die mit der Meßbrücke verbunden ist.

Ein zweites Ausführungsbeispiel zur Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren ist in den Fig. 1 und 4 dargestellt. Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Einrichtung zur Drehmomentbestimmung und die Fig. 4 den Meßaufnehmer 5. Der Schrittmotor einschließlich des Schrittmotorgehäuses 1 be­ findet sich in einem Meßgehäuse 2, das den Meßaufnehmer 5 aufnimmt. Dadurch ist eine kompakte Einheit gegeben, die an einer Trägerbaugruppe 3 leicht einzubauen ist. Die Schritt­ motorwelle 4 ist in zwei sich gegenüberliegenden Wänden des Meßgehäuses 2 gelagert. Mit einer entsprechenden Länge der Schrittmotorwelle 4 ragt diese aus dem Meßgehäuse 2 aus einer der beiden Wänden oder nur an einer heraus. Die Länge der Schrittmotorwelle wird durch die Art der Übertragungsmechanis­ men und deren konstruktive Ausgestaltungen bestimmt.

Das Schrittmotorgehäuse 1 ist über einen Meßaufnehmer 5 mit dem Meßgehäuse 2 fest verbunden. Dazu ist das Schrittmotorgehäuse 1 mit dem Meßaufnehmer 5 und dieser mit dem Meßgehäuse 2 fest verbunden. Der Meßaufnehmer 5 ist plattenförmig ausgebildet, besteht aus Silizium und besitzt eine rechteckförmige Grund­ fläche. Im Meßgehäuse 2 ist der Meßaufnehmer 5 parallel zu einer der Wände, in denen die Schrittmotorwelle 1 gelagert ist, angeordnet. Der Meßaufnehmer 5 besitzt vier Öffnungen, die als winkelförmige Schlitze ausgebildet sind. Die Schenkel der win­ kelförmigen Schlitze sind parallel und rechtwinklig zueinander angeordnet, die Winkelspitzen weisen zu den Ecken des Meßauf­ nehmers 5 und enden jeweils vor dem rechtwinklig dazu verlau­ fenden Schlitzen. Damit befinden sich vier den Abstandsradius tangierende und vier parallel zum Radius verlaufende Stege zwischen den Öffnungen entsprechend der Darstellung der Fig. 4.

Das Schrittmotorgehäuse 1 ist mit dem Innenteil des Meßaufneh­ mers 5 und die Außenkanten des Meßaufnehmers 5 sind mit dem Meßgehäuse 2 fest verbunden. Damit ergibt sich eine mechanische Verbindung vom Schrittmotorgehäuse 1, starren oder gegen Ver­ drehung gesicherten Verbindung 8, Innenteil des Meßaufnehmers 5, Stege des Meßaufnehmers 5, Außenteil des Meßaufnehmers 5, starren oder gegen Verdrehung gesicherten Verbindung 9 zum Meßgehäuse 2.

Der Meßaufnehmer 5 besitzt in der Mitte eine Öffnung 6, die größer ist, als der Durchmesser der Schrittmotorwelle 4. In den den Abstandsradius tangierenden Stegen ist sowohl pa­ rallel als auch rechtwinklig zu den Öffnungen ein piezoresistiver Widerstand 10 integriert. Gleichzeitig besitzt der Meßaufnehmer 5 elektrische Leiteranordnungen, die so in diesem angeordnet sind, daß mindestens zwei piezoresistive Widerstände 10 in einer Meßbrücke verschalten sind.

Ein zusätzlicher elektrischer Widerstand 11, der sich auf dem Meßaufnehmer befindet und mechanisch unbelastet bleibt, ist mit der Auswerteschaltung als Referenzwiderstand elektrisch leitend verbunden.

Weiterhin kann eine Auswerteschaltung in den Meßaufnehmer 5 integriert sein, die mit der Meßbrücke verbunden ist.

Ein drittes Ausführungsbeispiel zur Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren ist in den Fig. 2 und 5 dargestellt. Die Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Einrichtung zur Drehmomentbestimmung und die Fig. 5 den Meßaufnehmer 5. Der Schrittmotor einschließlich des Schrittmotorgehäuses 1 be­ findet sich in einem Meßgehäuse 2, das weiterhin den Meßaufnehmer 5 aufnimmt. Damit ist ein kompakter Aufbau vor­ handen, der leicht handzuhaben und in einem Gerätegehäuse leicht einzubauen ist. Das Meßgehäuse 2 besitzt an zwei sich gegenüberliegenden Seitenwänden jeweils eine Öffnung, in denen sich die Lager 7a und 7b für die Schrittmotorwelle 4 befinden. Die Schrittmotorwelle 4 kann dabei an beiden Seitenwänden heraus ragen, so daß mechanische Übertragungsmechanismen in Form z. B. eines Zahn- oder Reibrades auf dieser befestigt werden können.

Das Schrittmotorgehäuse 1 ist über einen Meßaufnehmer 5 mit dem Meßgehäuse 2 fest verbunden. Dazu ist das Schrittmotorgehäuse 1 mit dem Meßaufnehmer 5 und dieser mit dem Meßgehäuse 2 fest verbunden. Der Meßaufnehmer 5 ist plattenförmig ausgebildet, besteht aus Silizium und besitzt eine rechteckförmige Grund­ fläche. Im Meßgehäuse 2 ist der Meßaufnehmer 5 parallel zu einer der Seitenwände, in denen die Schrittmotorwelle 4 ge­ lagert ist, angeordnet.

Der Meßaufnehmer 5 besitzt je Seitenkante zwei rechteckförmige Öffnungen. In den Ecken bilden die rechteckförmigen Öffnungen eine rechtwinklig ausgebildete Öffnung. Dadurch verbleiben vier Stege, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind und ein Kreuz bilden (Darstellung in der Fig. 5). Das Schrittmotorge­ häuse 1 ist mit dem Außenteil des Meßaufnehmers 5 und der In­ nenteil des Meßaufnehmers 5 mit dem Meßgehäuse 2 fest verbun­ den. Damit ergibt sich eine mechanische Verbindung vom Schritt­ motorgehäuse 1, starren oder gegen Verdrehung gesicherten Ver­ bindung 8, Außenteil des Meßaufnehmers 5, Stege des Meßaufneh­ mers 5, Innenteil des Meßaufnehmers 5, starren oder gegen Ver­ drehung gesicherten Verbindung 9 zum Meßgehäuse 2. Weiterhin besitzt der Meßaufnehmer 5 in der Mitte eine Öffnung 6, die größer ist, als der Durchmesser der Schrittmotorwelle 4, so daß sich diese in dieser frei bewegt.

In zwei Stegen sind jeweils zwei piezoresistive Widerstände 10 integriert. Das erste Ende jedes piezoresistiven Widerstandes 10 befindet sich parallel zu den Kanten in Richtung der Schrittmotorwelle 4 und das andere Ende in Richtung zu den Außenkanten des Meßaufnehmers 5. Die Enden der piezoresistiven Widerstände 10 sind über elektrische Leiterbahnen zu einer Meßbrücke zusammengeschalten. Weiterhin ist die Meßbrücke mit einer integrierten oder externen Auswerteschaltung elektrisch leitend verbunden.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Schrittmotor einschließ­ lich des Schrittmotorgehäuses (1) in einem Meßgehäuse (2), das an eine Trägerbaugruppe (3) befestigt ist, befindet, daß die Schrittmotorwelle (4) auf der einen Seite in einer Wand des Meßgehäuses (2) und auf der anderen Seite in der dieser gegen­ überliegenden Wand entweder der Trägerbaugruppe (3) oder des Meßgehäuses (2) so gelagert ist, daß die Schrittmotorwelle (4) mit mindestens einem außerhalb des Meßgehäuses (2) angeordneten Übertragungsmechanismus oder einem anzutreibenden Teil verbun­ den ist, daß das Schrittmotorgehäuse (1) über einen Meßauf­ nehmer (5) mit dem Meßgehäuse (2) verdrehfest verbunden, daß der Meßaufnehmer (5) plattenförmig ausgebildet und parallel zu einer der Wände, in denen die Schrittmotorwelle (4) gelagert ist, angeordnet ist, daß der Meßaufnehmer (5) in der Symmetrie­ linie der Schrittmotorwelle (4) eine Öffnung (6) besitzt, die größer als der Durchmesser der Schrittmotorwelle (4) ist, daß der Meßaufnehmer (5) gleichzeitig einen Verformungskörper dar­ stellt, daß der Meßaufnehmer (5) mindestens zwei konzentrisch um die Schrittmotorwelle (4) angeordnete Öffnungen besitzt, daß sich mindestens ein elektrischer Widerstand in den verbleiben­ den Stegen befindet und daß die Enden des elektrischen Wider­ standes über elektrische Leiteranordnungen, die sich in oder auf dem Meßaufnehmer (5) befinden, elektrisch leitend mit Kontaktstellen und/oder einer Auswerteschaltung und Kontakt stellen im Meßaufnehmer (5) verbunden sind.

2. Einrichtung zur Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer (5) über die Fläche eine gleichbleibende Dicke und vorzugsweise eine rechteckförmige Grundfläche besitzt.

3. Einrichtung zur Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer (5) vier winkelförmige Öffnungen aufweist, daß diese jeweils um 90° gegeneinander gedreht und daß die Schenkel der winkelförmigen Öffnungen parallel zueinander angeordnet sind, daß die Winkelspitzen zu den Ecken des Meßaufnehmers (5) weisen, daß die Öffnungen jeweils vor dem rechtwinklig dazu verlaufenden Öffnungen enden und daß mindestens ein Steg min­ destens einen elektrischen Widerstand besitzt.

4. Einrichtung zur Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer (5) vier rechtwinklig ausgebildete Öffnungen besitzt, wobei die Winkelspitzen in Richtung der Ecken des Meßaufnehmers (5) weisen und daß mindestens einer der ver­ bleibenden Stege zwischen den rechteckförmigen Öffnungen mindestens einen elektrischen Widerstand enthält.

5. Einrichtung zur Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer (5) aus einem Halbleitermaterial insbesondere Silizium besteht.

6. Einrichtung zur Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand ein piezoresistiver Widerstand (10) ist.

7. Einrichtung zur Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren nach den Patentansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich in mindestens zwei Stegen jeweils mindestens zwei elektrische Widerstände befinden und daß diese über die elektrischen Leiteranordnungen zu einer Meßbrücke verschalten sind.

8. Einrichtung zur Drehmomentbestimmung an Schrittmotoren nach den Patentansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf oder in einem nichtbelasteten Flächenabschnitt des Meßauf­ nehmers (5) ein weiterer elektrischer Widerstand (11) ange­ ordnet und mit Kontaktstellen und/oder der Auswerteschaltung elektrisch leitend verbunden ist.