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Stand der Technik
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Ultraschall-Transducer, die auch als Ultraschallsensoren bezeichnet werden, kommen heute zum Beispiel bei aufgeklebten Sensoren mit PVDF-Folien oder aufgeklebten Sensoren aus Keramikmaterial zum Einsatz. Die mit PVDF-Folien ausgeführten Ultraschallsensoren sind sehr empfindlich und werden zum Beispiel auf Schraubenköpfen von als Schrauben ausgebildeten Verbindungsbauteilen aufgebracht. Das Aufbringen und Fixieren an einem Schraubenkopf erfolgt in der Regel über eine Klebeschicht.
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PVDF-Folien haben den Nachteil, dass diese nicht temperaturbeständig sind. Ab einer Temperatur von ca. 70°C setzt in der PVDF-Folie ein Alterungsprozess ein, der im Extremfall zur Auflösung der PVDF-Folie führen kann. Das grundsätzliche Problem bei PVDF-Folien ist die Ablösung der Folie über die Betriebszeit gesehen, beziehungsweise eine Teilablösung des Folienmaterials durch nachlassende Haltekraft des Klebers.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungsbauteil mit integriertem Ultraschallsensor bereitzustellen, in dem der Signalweg, d. h. der Schallweg eines eingespeisten Ultraschallsignales durch Hohlräume und Kavitäten, die in dem Verbindungsbauteil ausgebildet sind, nicht beeinträchtigt wird.
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Erfindungsgemäß wird ein Verbindungsbauteil mit integriertem Ultraschallsensor zur Bestimmung der Vorspannkraft oder der Spannkraft des Verbindungsbauteiles vorgeschlagen, wobei der Ultraschallsensor an einem frei zugänglichen Ende des Verbindungsbauteiles einen Schichtaufbau mit einer Elektrodenschicht, mindestens einer mechanischen Schutzschicht und mindestens einer Schicht aus einem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften aufweist. Der Ultraschallsensor ist insbesondere als Ringsensor ausgeführt, wobei innerhalb des Ringsensors auf dem Verbindungsbauteil ein Informationsspeichermittel angeordnet ist.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird durch den Einsatz eines Ringsensors ein optimaler Schallweg für den Ultraschallimpuls, beziehungsweise dessen rücklaufendes Ende geschaffen. Dabei ist unerheblich, ob im Verbindungsbauteil, beispielsweise in einem Kreuzungswinkel von 90°C oder einem anderen Winkel oder anderen Winkelgraden Bohrungen, Hohlräume oder andere Kavitäten verlaufen, da der Ringsensor in Bezug aus seinen Ring durchgängig ausgebildet ist und sich zwischen den Hohlräumen im Material des Ringsensors Abschnitte befinden, welche die Hohlräume überdecken und somit einen geschlossenen Schalllaufweg ermöglichen.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist das Informationsspeichermittel als Strichcode, 2D-Barcode oder anderer optisch lesbarer Code ausgeführt. Daneben besteht auch die Möglichkeit, als ein Informationsspeichermittel einen RFID-Clip (Radio Frequence Identification Device) einzusetzen, auf dem erforderlichenfalls eine größere Informationsmenge gespeichert werden kam.
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Der optisch lesbare Code wird mittels Laserstrukturierung oder Maskierung auf der Oberfläche des Verbindungsbauteiles, sei es ein Bolzen, sei es eine Schraube, sei es ein Niet oder sei es ein Sonderbauteil aus Luftfahrtanwendungen, angebracht. Bei dem Verbindungsbauteil kann es sich bei schrauben- oder bolzenförmiger Ausbildung um ein solches handeln, dessen Schaft mit zwei sich kreuzenden Querbohrungen versehen sein kann. Da das Material des Ringsensors Materialbrücken bildet, welche die Hohlräume, die durch beispielsweise Querbohrungen entstehen können, überdecken, kann ein ununterbrochener Schalllaufweg hergestellt werden, so dass die durch die Kavitäten einhergehenden Beeinträchtigungen in Bezug auf den sich ausbildenden Schalllaufweg geringfügig bis nicht vorhanden sind. Das Verbindungsbauteil kann aus herkömmlichem Stahl oder auch aus höherwertigen Stählen, ausgewählt aus der nachfolgenden Gruppe gefertigt werden:
Hochlegierte Stähle TiA16V4, Sonderstähle, Titan und dessen Legierungen TiA16V4, Aluminium und dessen Legierungen, Nickellegierungen, wie zum Beispiel Inconel, amagnetische Stähle, wie A286 oder auch Messing.
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Gemäß der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann das Verbindungsbauteil als Schraube, als Hohlschraube, als Bolzen, als Niet oder als Stift oder als Sonderbauteil für Luftfahrtanwendungen beschaffen sein.
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Im Falle von hauptsächlich auf Scherung beanspruchten Bauteilen mit einer Längsbohrung, wird aus einer ursprünglich ein kreisförmiges Aussehen aufweisende Elektrode, die z. B. für Verbindungsbauteile ohne Durchgangsbohrungen eingesetzt werden, eine Ringelektrode, die um die Bohrung herum angeordnet ist. Des Weiteren kann eine adaptierte Sensorstruktur dargestellt werden, so z. B. für Verbindungselemente, die zwei sich in Richtung der Achse kreuzende Querbohrungen aufweisen. Durch einen derartigen Freiheitsgrad bei der Positionierung der Ultraschallsensoren kann der Ultraschallpuls in optimaler Weise gestaltet werden, so dass ein auswertbares Ultraschallechosignal erhalten wird. Werden die Ultraschallsensoren, beispielsweise vier Ultraschallsensoren, derart auf einer Stirnseite eines zu messenden Verbindungsbauteils angebracht, dass die Querbohrung den Schalllaufweg des Ultraschallsignals geringfügig stören, so lässt sich ein auswertbares Echosignal erhalten.
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Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ringsensor handelt es sich um ein integrierendes Bauteil, welches die Signalgenauigkeit erheblich verbessert. Würden abweichend von der Ringgeometrie auf der oberen Stirnseite des Verbindungsbauteiles eine Anzahl diskreter einzelner Ultraschallsensoren verbaut, so wären diese in Bezug aufeinander zu kalibrieren, was eine sehr aufwendige Verfahrensweise darstellen würde und hinsichtlich erzielbaren Genauigkeiten weiter hinter der Genauigkeit zurückbliebe, welche mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ringsensor für die Messung von Ultraschallsignalen und Ultraschallechosignalen erzielbar ist.
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Wird der erfindungsgemäß vorgeschlagene Ringsensor mindestens dreischichtig ausgebildet und in Dünnfilmtechnik dargestellt, so weist dieser auf einer der jeweils frei zugänglichen Stirnseite Einzelschichten auf. Dabei wird die jeweils frei zugängliche Stirnseite des Verbindungsbauteiles mit dem piezoelektrische Eigenschaften aufweisenden Material besputtert. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbindungsbauteile mit integriertem Ultraschallringsensor zeichnen sich durch eine Hochtemperaturbeständigkeit über eine lange Betriebszeit aus. Sie sind zum Einsatz z. B. an Extrem hohen Temperaturen aufweisenden Flugtriebwerken, und werden insbesondere in der Nähe der Brennkammer angeordnet, wobei dort eine Erwärmung des Verbindungsbauteiles auf ein Temperaturniveau von 350°C und 400°C möglich ist. Bei einer angenommenen Temperatur innerhalb der Brennkammer von 2000°C sind außerhalb der Brennkammer bei Flugtriebwerken montierten Verbindungsteilen wie z. B. Schrauben oder Bolzen Temperaturen von mehr als 500°C ausgesetzt.
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Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbindungsbauteil mit integriertem Ultraschallsensor wird einerseits das Phänomen der Auflösung bzw. das Phänomen der Teilablösung von PFDF-Ultraschallsensoren vermieden, so dass eine zuverlässige Ultraschallsignalmessung möglich ist. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbindungsbauteil mit Ringsensor ist auch nach dem Durchlauf einer Vielzahl der oben beschriebenen Temperaturzyklen sowohl funktionsfähig wie auch in der Lage, zuverlässige Messergebnisse zu liefern, sobald die Bauteiltemperatur unterhalb der Curie-Temperatur des jeweils eingesetzten piezoelektrische Eigenschaften aufweisende Materials abgesunken ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
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1 einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbindungsbauteil
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2 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bauteils und
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3 eine Draufsicht auf die obere Stirnseite des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbindungsbauteils gemäß 1.
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Ausführungsvarianten
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Der Darstellung gemäß 1 ist ein Längsschnitt eines als Bolzen oder Schraube ausgebildeten Verbindungsbauteils 10 zu entnehmen. Das in 1 im Längsschnitt dargestellte Verbindungsbauteil 10 umfasst einen Kopf 12 und einen Schaft 14. Das Verbindungsbauteil 10 ist symmetrisch zu seiner Symmetrieachse 16 ausgebildet. Das Verbindungsbauteil 10 umfasst auf seiner Planseite eine Schicht mit piezoelektrischen Eigenschaften 18, auf welche wiederum eine mechanische Schutzschicht 20 aufgebracht ist. Eine Planseite der mechanischen Schutzschicht 20 ist durch Bezugszeichen 22 gekennzeichnet. Die mechanische Schutzschicht 20 nimmt ihrerseits eine Elektrodenschicht 28 auf. Innerhalb der Elektrodenschicht 28 liegen der eigentliche Ringsensor 26 sowie diesen umschließend, ein Materialbereich, der als Masse 24 dient. Bei Verbindung des Ringsensors 26 mit Masse 24 wird ein Signal, insbesondere ein Ultraschallsignal in das Verbindungsbauteil 10 eingekoppelt, welches diesen in axiale Richtung durchläuft. Die Schicht mit piezoelektrischen Eigenschaften 18, die mechanische Schutzschicht 20, sowie die Elektrodenschicht 28 bilden einen Schichtaufbau 32, der in 1 durch eine geschweifte Klammer kenntlich gemacht ist.
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Auf der oberen Planfläche des Kopfes 12 des Verbindungsbauteiles 10, ist ein Informationsspeichermittel 34 angeordnet. Bei dem Informationsspeichermittel 34 kann es sich um einen Barcode, um einen 2D Strichcode oder um einen anderen optisch auslesbaren Code handeln. Das Informationsspeichermittel 34 enthält Informationen, die eine Identifikation der Charge des Verbindungsbauteiles, wie dessen Seriennummer, Herstellungsdatum, Materiallegierung, Geometrie und dergleichen, enthalten. Darüber hinaus sind im Informationsspeichermittel 34 Informationen dahingehend abgelegt, für welchen Anwendungszweck das Verbindungsbauteil 10 in Frage kommt. Unter Anwendungszweck ist im vorliegenden Zusammenhang zu verstehen, ob das Verbindungsbauteil 10 beispielsweise im Fahrzeugbau eingesetzt wird, oder ob das Verbindungsbauteil 10 gemäß der Schnittdarstellung in 1 beispielweise zur Befestigung von Rotorblättern an einer Nabe eines Windkraftwerks oder dergleichen eingesetzt wird. Schließlich umfasst das Informationsspeichermittel 34 Informationen dahingehend, welche Laufzeit ein Ultraschallsignal beziehungsweise eine Ultraschallsignalecho vor Befestigung des Verbindungsbauteiles 10 an einer Nabe oder dergleichen aufgewiesen hat. Als Informationsspeichermittel 34 kann des Weiteren ein RFID-Chip (Radio Frequency Identification Device) eingesetzt werden, auf den erforderlichenfalls eine Fülle von Informationen – wie oben bereits kursorisch aufgezählt – gespeichert werden kann. Dabei ist es unerheblich, ob die Speicherkapazität eines für den RFID-Chips als Informationsspeichermittel 34 vollständig ausgenutzt wird oder ob dieser zunächst nur mit wenigen Informationen versehen wird. Für künftige Anwendungen bietet ein Informationsspeichermittel 34 in Gestalt eines RFID-Chips genügend Speicherkapazität an.
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Aufgrund der Informationsfülle, die im Informationsspeichermittel 34 abgelegt ist, liegen genügend Informationen vor, um beispielsweise Referenzwertmessungen vorzunehmen, d. h. dass im Einsatz befindliche Verbindungsbauteil 10 im gespannten Zustand beziehungsweise die sich einstellenden Laufzeit in verspanntem Zustand des Verbindungsbauteiles 10 mit dem Referenzzustand, d. h. dem unbelasteten Zustand des Verbindungsbauteiles 10 zu vergleichen.
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Aus der Schnittdarstellung gemäß 1 geht des Weiteren hervor, dass im Kopf 12 des Verbindungsbauteiles 10 einander kreuzende Querbohrungen 36 bzw. 38 verlaufen. Da der Ringsensor 26 in einem Durchmesser 48 ausgebildet ist, der einem Durchmesser 50 des Schaftes 14 des Verbindungsbauteiles 10 entspricht, überdeckt der Ringsensor 26 in ausreichendem Maße die Querschnittsfläche des Schaftes 14 des Verbindungsbauteiles 10. Der Ringsensor 26 ermöglicht darüber hinaus aufgrund seiner Materialmasse in der xy-Ebene, dass die in Kopf 12 des Verbindungsbauteiles 10 durch die Querbohrungen 36, 38 aufgrund des Vorhandenseins einer Längsbohrung 40 oder eines Sackloches (vgl. Darstellung gemäß 2) 42 gebildete Hohlräume und Kavitäten durch das Material des Ringsensors einfach zu überbrücken. Dies bedeutet, dass ein eingekoppeltes Ultraschallsignal behinderungsfrei in Bezug auf seinen Schallweg durch das Verbindungsbauteil 10 läuft und auch dessen reflektiertes Echo auf dem durch den Ringsensor 26 gebildeten Schallweg 56, 58 läuft, ohne dass im Verbindungsbauteil 10 die in dessen Kopf 12 vorliegenden Kavitäten in Form von Querbohrungen 36, 38 den Schallweg in irgendeiner Weise beeinträchtigten.
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Wie aus der Darstellung gemäß 1 hervorgeht, entsprechen ein Durchmesser 48 des Ringsensors 26 und ein Durchmesser 50 des Schafts 14 des Verbindungsbauteiles 10 im Wesentlichen einander. Ausgehend vom Ringsensor 26 gemäß der Darstellung in 2, verläuft das Ultraschallsignal – idealisiert in Form eines Hohlzylinders – in Richtung auf die Stirnseite 46 ausgehend von der ersten Stirnseite 44 des Verbindungsbauteiles 12. Das sich ringförmig in Z-Richtung, d. h. parallel zur Symmetrieachse 16 ausdehnende Ultraschallsignal – eingekoppelt über den Ringsensor 26 – trifft im oberen Bereich des Kopfes 12 auf dort angeordnete einander kreuzende Querbohrungen 36 bzw. 38, entsprechend der Orientierung der Querbohrungen 36, 38 beispielsweise in 90° Kreuzungsanordnung. Im Bereich des Kopfes 12 des Verbindungsbauteiles 10, ist genügend Materialmasse vorhanden, durch welches das über den Ringsensor 26 in Ringform sich in Z-Richtung entsprechend der Symmetrieachse 16 ausbreitende Ultraschallsignal zur zweiten Stirnseite 46 transportiert wird. Dort wird das eingekoppelte Ultraschallsignal reflektiert und läuft entsprechend des Schalllaufweges 56, 58 gemäß der Darstellung in 1 als Ultraschallsignalecho zurück zum Ringsensor 26. Zwar kann das über den Ringsensor 26 eingekoppelte Ultraschallsignal durch die Querbohrungen 36, 38 im Kopf 12 des Verbindungsbauteiles 10 eine geringfügige Intensitätseinbuße erleiden; allein die Querbohrungen 36, 38 sind aufgrund ihres geringen Durchmessers nicht geeignet, das durch den Ringsensor 26 ausgesandte bzw. das reflektierte Ultraschallsignal zu beeinträchtigen. An den Umfangsflächen der Querbohrungen 36, 38 findet vielmehr eine undefinierte Reflektion des Ultraschallsignales sowie des Ultraschallsignalechos statt, was jedoch die Aussagefähigkeit des empfangenen von der zweiten Stirnseite 46 ausgesandten Ultraschallsignalechos nicht beeinträchtigt.
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Aus darstellerischen Gründen ist der Schalllaufweg 56, 58 in 1 in der Zeichenebene dargestellt, der Schalllaufweg 56, 58 lässt sich auch durch einen in die Zeichenebene gemäß 3 verlaufenden Hohlzylinder idealisieren.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbindungsbauteiles mit einem Ringsensor.
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Der Darstellung gemäß 2 ist zu entnehmen, dass ein Verbindungsbauteil 10 in dieser Ausführungsvariante ebenfalls den Kopf 12 und den Schaft 14 – jeweils symmetrisch ausgebildet zur Symmetrieachse 16 – aufweist. Auf der Oberseite des Kopfes 12 des Verbindungsbauteiles 10 befindet sich die Schicht 18 mit piezoelektrischen Eigenschaften, ferner die mechanische Schutzschicht 20 sowie die Elektrodenschicht 28. Der Ringsensor 26 ist durch eine ringförmige Materialaussparung auf der Planseite 22 der Schutzschicht 20 von der Masse 24 getrennt. In der Schicht 18 mit piezoelektrischen Eigenschaften befindet sich eine Vertiefung, auf deren Grund das Informationsspeichermittel 34 angebracht ist. Bei diesem kann es sich analog zur Darstellung gemäß 1 um einen Strichcode, einen 2D Barcode, um einen anderen optisch lesbaren Code, sowie ferner um einen RFID-Chip (Radio Frequency Identification Device) handeln.
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Im Unterschied zur Darstellung gemäß 1 befinden sich im Verbindungsbauteil 10 gemäß der Darstellung in 2, sowohl im Kopf 12 gekreuzt zueinander verlaufende Querbohrungen 36, 38, als auch im Schaft 14 sich kreuzende Querbohrungen 52, 54. Mit den Bezugszeichen 56 bzw. 58 ist der Schalllaufweg bezeichnet, der sich – eingekoppelt durch den Ringsensor 26 – in Form eines Hohlzylinders vom Ringsensor 26 in Richtung auf die zweite Stirnseite 46 bewegt. An der zweiten Stirnseite 46 wird das Ultraschallsignal reflektiert und läuft als Echosignal zurück zum Ringsensor 26, des Verbindungsbauteils 10 befindet.
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Das vom Ringsensor 26 ausgehende Ultraschallsignal trifft nach seiner Aussendung entsprechend der Schalllaufweges 56, 58 zunächst im Kopf 12 auf die sich kreuzenden Querbohrungen 36, 38 und im weiteren Fortgang, der parallel zur Symmetrieachse 16 verläuft, auf die sich kreuzenden Querbohrungen 52, 54. An diesen wird das ausgesandte Ultraschallsignal geringfügig geschwächt. Die Schwächung des vom Ringsensor 26 ausgehenden Ultraschallsignals ist abhängig vom Abstand der sich kreuzenden Querbohrungen 36, 38 bzw. 52 und 54 oder anderer Kavitäten, die im Material des Kopfes 12 sowie des Schaftes 14 des Verbindungsbauteiles 10 vorhanden sein können. Je nach Abstand der Hindernisse – hier in Gestalt von sich kreuzenden Querbohrungen 36, 38, 52 und 54 vom Ringsensor 26 – stellt sich eine geringfügige Schwächung des ausgesandten Ultraschallsignales ein. Gleiches gilt für die reflektierten Ultraschallsignale, die beispielsweise an der zweiten Stirnseite 46 des bolzen- oder schraubenförmig ausgebildeten Verbindungsbauteiles 10 reflektiert werden. Aufgrund des geringen Durchmessers der Querbohrungen 36, 38, 52, 54, werden die ausgesandten Ultraschallsignale bzw. das reflektierte Echo der Ultraschallsignale an den Querbohrungen 36, 38, 52, 54 nach allen Seiten hin dissipiert und können die reflektierte Ultraschallsignalechos nicht beeinträchtigen.
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Da sich das eingekoppelte Ultraschallsignal ausgehend vom Ringsensor 26 in Form eines idealisierten Hohlzylinders in Richtung der Z-Achse, d. h. parallel zur Symmetrieachse 16 durch das Verbindungsbauteil 10 aufbereitet, bietet dieses genügend zusammenhängendes, nicht von Kavitäten unterbrochenes Material, durch welches eine Ultraschallübertragung erfolgen kann. Die Kavitäten, die durch das Vorhandensein der Querbohrungen 36, 38, 52, 54 im Material des Verbindungsbauteiles 10 entstehen, sind aufgrund der gewählten Geometrie und des gewählten verbleibenden Materials zur Ausbildung des Signallaufweges 56, 58 vernachlässigbar.
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Der Darstellung gemäß 3 ist eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße vorgeschlagene Verbindungsbauteil 10 zu entnehmen. 3 zeigt das Verbindungsbauteil 10, mit dem Ringsensor 26. Der Ringsensor 26 ist durch zwei kreisförmig ausgebildete Bereiche der mechanischen Schutzschicht 20 umgeben, die ihrerseits von einem ringförmigen Masseanschluss 24 umgeben sind. Innerhalb einer Vertiefung in dem vom Ringsensor 26 umschlossenen Material des Verbindungsbauteiles 10 ist das als Barcode oder 2D-Strichcode ausgebildete Informationsspeichermittel 34 angeordnet.
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Bei dem Informationsspeichermittel 34, welches in der Draufsicht gemäß 3 in eine mittig angeordnete Vertiefung in der piezoelektrische Eigenschaften aufweisenden Schicht 18 eingelassen ist, kann es sich – wie erwähnt – auch um einen RFID-Chip (Radio Frequency Identification Device) handeln. Je nach Speicherkapazität, kann dessen Speicherkapazität vollständig ausgenutzt werden oder nur teilweise, abhängig vom jeweiligen Einsatzzweck.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbindungsbauteil
- 12
- Kopf
- 14
- Schaft
- 16
- Symmetrieachse
- 18
- Schicht mit piezoelektrischen Eigenschaften
- 20
- Mechanische Schutzschicht
- 22
- Planseite Schutzschicht
- 24
- Masse
- 26
- Ringsensor
- 28
- Elektrodenschicht
- 32
- Schichtaufbau
- 34
- Informationsspeichermittel (Bar-Code, RFID-Chip)
- 36
- 1. Querbohrung
- 38
- 2. Querbohrung
- 40
- Längsbohrung
- 42
- Sackloch
- 44
- 1. Stirnseite
- 46
- 2. Stirnseite
- 48
- Durchmesser des Ringsensors 26
- 50
- Durchmesser des Schafts 14
- 52
- 3. Querbohrung
- 54
- 4. Querbohrung
- 56
- Schalllaufweg
- 58
- Schalllaufweg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4225305 A1 [0001]
- DE 4232254 A1 [0001]
- DE 102004038638 A1 [0001]
