EP2376885A1 - Deformation element for a force-moment sensor - Google Patents

Deformation element for a force-moment sensor

Info

Publication number
EP2376885A1
EP2376885A1 EP08875441A EP08875441A EP2376885A1 EP 2376885 A1 EP2376885 A1 EP 2376885A1 EP 08875441 A EP08875441 A EP 08875441A EP 08875441 A EP08875441 A EP 08875441A EP 2376885 A1 EP2376885 A1 EP 2376885A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
deformation body
body according
deformation
strain gauge
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08875441A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hans Weiss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Weiss Karsten
Original Assignee
Weiss Karsten
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Weiss Karsten filed Critical Weiss Karsten
Publication of EP2376885A1 publication Critical patent/EP2376885A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/1627—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of strain gauges

Definitions

  • FIG. 5 shows a first bridge circuit for detecting longitudinal mechanical stresses on the first deformation body
  • a bridge circuit 6000 shown in FIG. 6 is provided in the electrical assembly on the deformation body.
  • strain gauge structures of the two different interconnect layers 2008 and 2016 are interconnected.
  • the strain measurement structures of the two respectively adjacent deformation regions 1018 and 1020, 1022 and 1024, and 1026 and 1028 of the deformation body 1000 from FIG. 1 are connected in series, resulting in an increased sensitivity of the circuit arrangement.
  • the bridge circuits 5000 and 6000 corresponding bridge circuits are in the deformation body 1000 of Figure 1 for all deformation sections 1018, 1020; 1022, 1024 and 1026, 1028 provided.
  • FIG. 7 shows a further, alternative bridge circuit 7000, which is designed as a half-bridge circuit and makes it possible to detect a bending stress of a deformation section on the deformation body 1000 from FIG. 1.
  • the bridge circuit 7000 compares the electrical resistances R 30 So and R3100 of the strain gauge structures 3080 and 3100 from a deformation range of the deformation body with the electrical resistances R 3084 and R 3 -I 04 of the strain gauge structures 3084 and 3104 located in a compensation area of the deformation body , In the bridge circuit 7000 are thus connected Dehnmess füren from two different interconnect layers of the deformation body.
  • FIG. 11 shows a force-moment sensor deformation body 11000 designed to detect bending forces F, shear forces Q acting according to arrow 11016, and torsional moments M to axis 11012.
  • This deformation body is a printed circuit board 11002, which contains an electrical assembly 11004 for the evaluation of strain gauge structures, which are formed in the form of printed conductors in layers of the printed circuit board.
  • the circuit board 11002 has a bending area 11006, which can also be performed with reduced material thickness. In the bending region 11006, lateral recesses 11008 and 11010 are formed. This measure causes a very uniform stress distribution in the deformation body.

Abstract

The invention relates to a deformation element for a force-moment sensor having a circuit board comprising at least one first strain gauge structure in the form of a first conductor (3002) and at least one second strain gauge structure in the form of a second conductor (3032). According to the invention, the circuit board has at least one first and at least one second conductor layer (2008, 2010), wherein the first conductor (3002) is in the first conductor layer (2008) and the second conductor (3032) is in the second conductor layer (2010).

Description

Verformungskörper für Kraft-Momenten-Sensor Deformation body for force-moment sensor
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft einen Verformungskörper für einen Kraft-Momenten- Sensor mit einer Leiterplatte, die wenigstens eine erste Dehnmessstruktur in Form einer ersten Leiterbahn aufweist und eine zweite Dehnmessstruktur in Form einer zweiten Leiterbahn umfasst.The invention relates to a deformation element for a force-moment sensor having a printed circuit board which has at least one first strain gauge structure in the form of a first printed conductor and a second strain gauge structure in the form of a second printed conductor.
Ein Verformungskörper der eingangs genannten Art ist aus der EP 1 278 052 A2 bekannt. Dort ist eine elektrische Fensterhebevorrichtung für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Um das Blockieren der Fensterhebevorrichtung erfassen zu können, gibt es eine Sensoreinheit, die eine an einem bewegbaren Fenster angreifende Kraft ermittelt. Diese Sensoreinheit hat einen Verformungskörper. Der Verformungskörper ist eine Leiterplatte mit Dehnmessstrukturen. Wenn die elektrische Fensterhebevorrichtung blockiert, wird in die Leiterplatte ein Drehmoment eingeleitet und es treten Scherkräfte auf. Die Leiterplatte wird dann mit den Dehnmessstrukturen verformt. Aus dem elektrischen Widerstand dieser Dehnmessstrukturen lässt sich auf eine Kraftbeanspruchung der Leiterplatte schliessen.A deformation body of the aforementioned type is known from EP 1 278 052 A2. There is described an electric window lifting device for a motor vehicle. In order to detect the blocking of the window lifting device, there is a sensor unit which detects a force acting on a movable window. This sensor unit has a deformation body. The deformation body is a printed circuit board with Dehnmessstrukturen. When the electric window lift device blocks, torque is introduced into the circuit board and shear forces occur. The printed circuit board is then deformed with the strain gauges. From the electrical resistance of these strain gauge structures can be concluded on a force stress of the circuit board.
Eine Leiterplatte, auch Platine genannt, ist ein Träger mit einer Trägerstruktur, an der in elektrisch isolierendem Material festhaftende, leitende Verbindungen ausgebildet sind. Eine Leiterplatte dient dazu, elektrische Bauteile aufzunehmen und zu tragen. Über die leitenden Verbindungen an der Leiterplatte können diese kontaktiert werden. Als Material für die Trägerstruktur einer Leiterplatte werden üblicherweise die Substanzen FR2, FR3, CEM1 , CEM3 oder FR4 eingesetzt. Die Trägerstruktur einer Leiterplatte ist mit einer Metallkaschierung, d.h. mit einer dünnen leitfähigen Schicht, in der Regel Kupfer, überzogen. Um Leiterbahnen in der leitfähigen Schicht einer Leiterplatte zu erzeugen, wird diese mit einem Fotolack überzogen, der durch eine Maske belichtet wird. Die belichtete Leiterplatte wird dann in einer Ätzlösung chemisch prozessiert. Dabei werden entweder die belichteten oder unbelich- teten Regionen der leitfähigen Schicht unter dem Fotolack abgetragen.A printed circuit board, also called a printed circuit board, is a carrier with a carrier structure to which conductive connections are adhesively bonded in electrically insulating material. A circuit board is used to receive and carry electrical components. These can be contacted via the conductive connections on the printed circuit board. The materials used for the support structure of a printed circuit board are usually the substances FR2, FR3, CEM1, CEM3 or FR4. The support structure of a printed circuit board is coated with a metal lamination, ie with a thin conductive layer, usually copper. To produce printed conductors in the conductive layer of a printed circuit board, this is coated with a photoresist by a Mask is exposed. The exposed printed circuit board is then chemically processed in an etching solution. In this case, either the exposed or unexposed regions of the conductive layer are removed below the photoresist.
Eine Leiterplatte kann mit mehreren übereinanderliegenden Leiterbahnschichten ausgeführt werden. Hierzu werden Isolationsschichten, z.B. in Form von Epoxidharz, auf die fotolithographisch prozessierte Leiterbahnschicht aufgetragen. Die Isolationsschicht wird dann wieder mit einer leitfähigen Schicht überzogen, die fotolithographisch prozessiert werden kann, und so weiter.A printed circuit board can be designed with several superimposed interconnect layers. Insulation layers, e.g. in the form of epoxy resin, applied to the photolithographically processed conductor track layer. The insulating layer is then again coated with a conductive layer which can be photolithographically processed, and so on.
In der DE 102 17 019 C1 ist ein Kraft-Momenten-Sensor für die Robotertechnik beschrieben, der z.B. in der Steuerung einer Roboterhand eingesetzt werden kann. Dieser Kraft-Momenten-Sensor hat einen Verformungskörper mit einem ersten, inneren Abschnitt und einem zweiten, äußeren Umfangs- abschnitt. Der erste Abschnitt ist über drei speichenförmige Stege mit dem Umfangsabschnitt verbunden. Der zweite Abschnitt hat einen Umfangsbe- reich mit drei Sektionen, der den ersten Abschnitt umgibt. An den drei speichenförmigen Stegen und in den drei Sektionen des Umfangsbereiches vom Verformungskörper sind jeweils Verformungsabschnitte ausgebildet, an denen sich Messstellen mit Dehnungsmessstreifen befinden. Dehnungsmessstreifen sind flächige Messwertaufnehmer, die einen auf einem Folienträger aufgebrachten mäanderförmigen Draht enthalten. Dieser Draht ändert seinen elektrischen Widerstand, wenn er gedehnt oder gestaucht wird. Der Wi- derstand der Dehnungsmessstreifen wird über eine Brückenschaltung ausgewertet. Mittels der Dehnungsmessstreifen kann eine Deformation des Verformungskörpers erfasst werden, wenn in diesen Kräfte bzw. Momente eingeleitet werden. Damit ist es möglich, auf den Betrag und die Richtung der Kräfte zu schließen. Verformungskörper, die bei Kraft-Momenten-Sensoren in der Robotertechnik Verwendung finden, werden in der Regel von Hand mit Dehnungsmessstrei- fen ausgerüstet. Hier ergeben sich zwangsläufig Positionierungsungenauig- keiten. Verformungskörper mit manuell montierten Dehnungsmessstreifen müssen deshalb aufwändig kalibriert werden, um die herstellungsbedingten Ungenauigkeiten auszugleichen.In DE 102 17 019 C1 a force-torque sensor for robot technology is described, which can be used for example in the control of a robot hand. This force-moment sensor has a deformation body with a first, inner portion and a second, outer peripheral portion. The first section is connected to the peripheral section via three spoke-shaped webs. The second section has a three section perimeter area surrounding the first section. At the three spoke-like webs and in the three sections of the peripheral region of the deformation body deformation portions are formed, where measuring points with strain gauges are located. Strain gauges are flat transducers that contain a meandering wire applied to a film carrier. This wire changes its electrical resistance when stretched or compressed. The resistance of the strain gauges is evaluated via a bridge circuit. By means of the strain gauges, a deformation of the deformation body can be detected, if in these forces or moments are introduced. This makes it possible to deduce the amount and direction of the forces. Deformation bodies, which are used in force-moment sensors in robot technology, are usually equipped with strain gauges by hand. This inevitably results in positioning inaccuracies. Deformation bodies with manually mounted strain gages must therefore be calibrated extensively to compensate for the manufacturing inaccuracies.
Da Verformungskörper in Kraft-Momenten-Sensoren für die Robotertechnik komplizierte Geometrien haben, lassen sich diese mit vertretbarem Aufwand auch nicht automatisiert mit Dehnungsmessstreifen bestücken. Kraft- Momenten-Sensoren für die Robotertechnik sind daher sehr teuer.Since deformation elements in force-moment sensors for robot technology have complicated geometries, they can not be equipped with strain gauges at reasonable expense either automatically. Force-torque sensors for robotics are therefore very expensive.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verformungskörper bereit zu stellen, der sich zum Einsatz in einem Kraft-Momenten-Sensor für die Robotertechnik eignet, und an dem auf kleinem Raum Verformungen präzise erfasst werden können.The object of the invention is to provide a deformation body, which is suitable for use in a force-moment sensor for robot technology, and on which deformations can be detected precisely in a small space.
Diese Aufgabe wird durch einen Verformungskörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a deformation body having the features of claim 1.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich mit den aus der Elektrotechnik bekannten Herstellungsverfahren für Leiterplatten Dehnmessstrukturen auf einem Verformungskörper für Kraft-Momenten-Sensoren so ausführen lassen, dass sich einerseits der elektrische Widerstand der Messstrukturen definiert einstellen lässt und andererseits eine Anpassung der Messstruktur auch an komplizierte Geometrien des Verform ungskörpers möglich ist.The invention is based on the finding that with the production methods for printed circuit boards known from electrical engineering, strain measurement structures can be implemented on a deformation body for force-moment sensors in such a way that the electrical resistance of the measurement structures can be set in a defined manner and also an adaptation of the measurement structure on complicated geometries of the deformation is kung body possible.
Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass sich mit den aus der Elektrotechnik bekannten Herstellungsverfahren für Leiterplatten Dehnmessstrukturen an einem Verformungskörper definiert über und untereinander auf sehr kleinem Raum anordnen lassen.The invention is based, in particular, on the knowledge that the production methods known for printed circuit boards are known from electrical engineering Strain measurement structures defined on a deformation body can be arranged above and below one another in a very small space.
Eine Erkenntnis der Erfindung besteht auch darin, dass die auf dem Gebiet der Leiterplatten als Trägerstruktur eingesetzten Materialien sich hervorragend für Verformungskörper von Kraft-Momenten-Sensoren in der Robotertechnik eignen.A finding of the invention is also that the materials used in the field of printed circuit boards as a support structure are ideal for deformation body of force-moment sensors in robotics.
Eine weitere Erkenntnis der Erfindung besteht darin, dass sich in Leiterplat- tentechnik Verformungskörper für Kraft-Momenten-Sensoren in nahezu beliebig komplizierter Geometrie mit einer Vielzahl von Dehnmessstrukturen herstellen lassen.A further finding of the invention is that it is possible in printed circuit board technology to produce deformation bodies for force-moment sensors in virtually any complicated geometry with a multiplicity of strain gauging structures.
Indem bei dem Verformungskörper die erste und die zweite Leiterbahn als ein erstes und ein zweites Messgitter mit mäanderförmig verlaufenden Leiterbahnschleifen ausgeführt werden, lässt sich eine Dehnmessstruktur mit großer Empfindlichkeit erzeugen. Wenn dabei das zweite Messgitter in schräger Richtung zu den Leiterbahnschleifen des ersten Messgitters angeordnet ist, vorzugsweise unter einem Winkel von 45°, ist es möglich, gleich- zeitig Biege- und Scherkräfte auf kleinstem Raum zu erfassen. Es ist günstig, dem zweiten Messgitter ein drittes Messgitter mit einer dritten Leiterbahn als dritte Drehmessstruktur zuzuordnen, die sich in der zweiten Leiterbahnschicht befindet und mit dem zweiten Messgitter eine Fischgrätenstruktur bildet. Dies ermöglicht das Messen von Scherspannungen im Verformungs- körper. Hierzu kann eine Brückenschaltung vorgesehen sein, die den elektrischen Widerstand der dritten Dehnmessstruktur mit dem elektrischen Widerstand der zweiten Dehnmessstruktur vergleicht.By making the first and the second conductor track as a first and a second measuring grid with meandering conductor loops in the deformation body, a strain gauge structure with high sensitivity can be produced. If in this case the second measuring grid is arranged obliquely to the conductor track loops of the first measuring grid, preferably at an angle of 45 °, it is possible to simultaneously detect bending and shearing forces in the smallest space. It is favorable to associate with the second measuring grid a third measuring grid with a third conductor track as a third rotary measuring structure, which is located in the second conductor layer and forms a herringbone structure with the second measuring grid. This makes it possible to measure shear stresses in the deformation body. For this purpose, a bridge circuit can be provided, which compares the electrical resistance of the third strain-measuring structure with the electrical resistance of the second strain-measuring structure.
Indem bei dem Verformungskörper ein Kompensationsbereich vorgesehen wird, auf dem sich als Dehnmessstruktur eine dritte Leiterbahn befindet und der sich bei Einleiten einer Kraft eines Moments in den Verformungskörper nicht oder nur schwach verformt, wird ein Verformungskörper mit einem integrierten Vergleichsnormal für Dehnungsmessung geschaffen. Von Vorteil ist dabei, die dritte Leiterbahn in derselben Leiterbahnschicht anzuordnen wie die erste bzw. die zweite Leiterbahn. Dann wirkt sich nämlich die ToIe- ranz der Schichtdicken von Leiterbahnschichten bei Leiterplatten, nicht auf Unterschiede im elektrischen Widerstand der entsprechenden durch fotolithographische Strukturierung erzeugten Dehnmessstrukturen aus.By providing a compensation area in the deformation body, on which a third conductor track is located as a strain gauge structure and which, upon introduction of a force of a moment, enters the deformation body not deformed or only slightly deformed, a deformation body is created with an integrated strain gauge standard for comparison. It is advantageous in this case to arrange the third printed conductor in the same printed conductor layer as the first or the second printed conductor. This is because the tolerance of the layer thicknesses of printed conductor layers in circuit boards does not affect differences in the electrical resistance of the corresponding strain measuring structures produced by photolithographic structuring.
Der elektrische Widerstand der weiteren Dehnmessstruktur lässt sich so sehr exakt an den Widerstand der ersten bzw. zweiten Dehnmessstruktur anpassen.The electrical resistance of the further strain-measuring structure can thus be adapted very exactly to the resistance of the first or second strain-measuring structure.
Mit einer Brückenschaltung, die den elektrischen Widerstand der ersten bzw. zweiten Dehnmessstruktur mit dem elektrischen Widerstand der weite- ren Dehnmessstruktur vergleicht, können sehr empfindlich Verformungen des Verformungskörpers erfasst werden.With a bridge circuit which compares the electrical resistance of the first and second strain-measuring structure with the electrical resistance of the further strain-measuring structure, deformations of the deformation body can be detected very sensitively.
Es ist günstig, bei dem Verformungskörper zu beiden Seiten der Trägerstruktur symmetrisch ausgebildete Dehnmessstrukturen vorzusehen. Auf diese Weise können schon geringe Verformungen am Verformungskörper mit sehr großer Empfindlichkeit erfasst werden.It is favorable to provide symmetrically designed strain-measuring structures on the deformation body on both sides of the support structure. In this way, even small deformations on the deformation body can be detected with very high sensitivity.
Der Verformungskörper kann insbesondere aus einer Leiterplatte gefertigt werden. Alternativ hierzu ist es möglich, eine Trägerstruktur mittels Leiter- plattentechnik zu bearbeiten.The deformation body can be manufactured in particular from a printed circuit board. Alternatively, it is possible to process a support structure by means of printed circuit board technology.
Indem bei dem Verformungskörper eine Vielzahl von übereinanderliegenden Dehnmessstrukturen vorgesehen ist, lassen sich bei geeigneter Anordnung schon kleinste Verformungen des Verformungskörpers erfassen. Die Dehnmessstruktur kann z.B. aus einer Leiterbahnstruktur bestehen, die durch fotolithografische Strukturierung einer Metallschicht aus Kupfer, aus Konstantan, aus Isotan oder aus einer Nickel-Legierung hergestellt wird. Insbesondere kann die Dehnmessstruktur in einer Leiterbahnschicht ausgebil- det werden, bei der es sich um einen Verbund aus einer hochleitfähigen Schicht und einer weniger leitfähigen Schicht handelt. Diese Leitebahnschicht wird dabei fotolithographisch so strukturiert, dass die Dehnmessstruktur nur aus Material der weniger leitfähigen Schicht besteht und die Zuleitungen für diese Dehnmessstrukturen aus Material der hochleitfähigen Schicht aufgebaut ist und gegebenenfalls sowohl aus Material der hochleitfähigen Schicht und der weniger leitfähigen Schicht besteht. Hierzu muss die Verbundschicht fotolithografisch so strukturiert werden, dass in Regionen, wo die Dehnmessstruktur ausgebildet ist, die hochleitfähige Schicht von der weniger leitfähigen Schicht entfernt ist, damit sich ein möglichst großer in- nenwiderstand für die Dehnmessstrukturen einstellt. Als Isolationsschicht bei dem Verform u ngskörper eignet sich besonders das in der Leiterplattenfertigung eingesetzte Material FR4. Für eine Isolationsschicht kann aber auch das Material FR5 oder das Material Kapton verwendet werden. Als Materialien für die Trägerstruktur des Verformungskörpers sind z. B. Aluminium, FR4, Stahl oder auch Titan geeignet.By providing a plurality of superimposed strain measurement structures in the deformation body, even the smallest deformations of the deformation body can be detected with a suitable arrangement. The strain gage structure may consist, for example, of a conductor track structure which is produced by photolithographic structuring of a metal layer made of copper, of constantan, of isotan or of a nickel alloy. In particular, the strain gauge structure can be formed in a wiring layer which is a composite of a highly conductive layer and a less conductive layer. This conductive layer is photolithographically patterned so that the strain gauge only consists of material of the less conductive layer and the leads for these Dehnmessstrukturen is constructed of material of highly conductive layer and optionally consists of both the highly conductive layer and the less conductive layer. For this purpose, the composite layer must be photolithographically structured so that in regions where the strain gauge is formed, the highly conductive layer is removed from the less conductive layer, so that the largest possible inner resistance for the Dehnmessstrukturen sets. The insulation material used in the deformation body is particularly suitable for the material FR4 used in printed circuit board production. For an insulation layer but also the material FR5 or the material Kapton can be used. As materials for the support structure of the deformation body z. As aluminum, FR4, steel or titanium suitable.
Um Änderungen bei den elektrischen Widerständen der Dehnmessstrukturen in Form von Leiterbahnen bei dem Verformungskörper zu erfassen, eignen sich insbesonders Auswerteschaltungen mit einer Halbbrücken - oder Vollbrückenschaltung. Die entsprechenden Auswerteschaltungen können direkt auf dem Verformungskörper mittels Leiterplattentechnik angebracht werden, vorzugsweise in einem Bereich des Verformungskörpers, der bei Kraft- und Momenteinwirkung nicht verformt wird.In order to detect changes in the electrical resistances of the strain-measuring structures in the form of strip conductors in the deformation element, evaluation circuits with a half-bridge or full-bridge circuit are particularly suitable. The corresponding evaluation circuits can be mounted directly on the deformation body by means of printed circuit board technology, preferably in a region of the deformation body which is not deformed under the effect of force and moment.
Ein Messaufnehmer, bei dem ein solcher Verformungskörper vorgesehen ist, kann mit großer Empfindlichkeit bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellung ausgeführt werden. Er kann an einen Roboterarm montiert werden, um ein Roboterwerkzeug zu halten. Auch kann er direkt in Antriebsachsen für die Robotik integriert werden, um abtriebsseitige Kräfte und Momente zu erfassen.A sensor in which such a deformation body is provided, with great sensitivity while cost-effective production be executed. It can be mounted on a robot arm to hold a robot tool. It can also be integrated directly into drive axes for robotics in order to detect output-side forces and torques.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.Advantageous embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described below.
Es zeigenShow it
Fig. 1 einen ersten Verformungskörper zum Einsatz in einem Kraft- Momenten-Sensor;1 shows a first deformation body for use in a force-moment sensor.
Fig. 2 einen Schichtaufbau des ersten Verformungskörpers;FIG. 2 shows a layer structure of the first deformation body; FIG.
Fig. 3 Dehnmessstrukturen in unterschiedlichen Schichten des ersten Verformungskörpers;FIG. 3 shows strain measurement structures in different layers of the first deformation body; FIG.
Fig. 4 den ersten Verformungskörper in einem verformten Zustand;4 shows the first deformation body in a deformed state;
Fig. 5 eine erste Brückenschaltung für das Erfassen von mechanischen Längsspannungen an dem ersten Verformungskörper;5 shows a first bridge circuit for detecting longitudinal mechanical stresses on the first deformation body;
Fig. 6 eine zweite Brückenschaltung für das Erfassen von mechani- sehen Querspannungen an dem Verformungskörper;FIG. 6 shows a second bridge circuit for detecting mechanical transverse stresses on the deformation body; FIG.
Fig. 7 eine dritte Brückenschaltung für das Erfassen von mechanischen Längsspannungen an dem Verformungskörper;7 shows a third bridge circuit for detecting longitudinal mechanical stresses on the deformation body;
Fig. 8 einen Schnitt eines Kraft-Momenten-Sensors mit dem ersten Verformungskörper; Fig. 9 eine weitere Ansicht des Kraft-Momenten-Sensors aus Fig. 8;8 shows a section of a force-moment sensor with the first deformation body; FIG. 9 shows a further view of the force / torque sensor of FIG. 8; FIG.
Fig. 10 einen Roboter mit dem Kraft-Momenten-Sensor;10 shows a robot with the force / torque sensor;
Fig. 11 und 12 einen zweiten Verformungskörper für einen Kraft- Momenten-Sensor;11 and 12 a second deformation body for a force-moment sensor;
Fig. 13 eine Teilansicht des zweiten Verformungskörpers;13 is a partial view of the second deformation body.
Fig. 14 sowie 15 und 16 Teilansichten eines dritten, vierten und fünften Verformungskörpers.14 and 15 and 16 are partial views of a third, fourth and fifth deformation body.
Der in Fig. 1 gezeigte Verformungskörper 1000 ist zur Verwendung in einem Kraft-Momenten-Sensor für die Robotertechnik ausgelegt.The deformation body 1000 shown in FIG. 1 is designed for use in a force-moment sensor for robotics.
Der Verformungskörper 1000 hat einen ersten Anschlussbereich 1002 mit Bohrungen 1004,1006,1008 und einen zweiten Anschlussbereich 1010 mit Bohrungen 1012,1014 und 1016, die dazu dienen, den Verformungskörper im Gehäuse eines Kraft-Momenten-Sensors festzulegen.The deformation body 1000 has a first connection region 1002 with bores 1004, 1006, 1008 and a second connection region 1010 with bores 1012, 1014 and 1016, which serve to fix the deformation element in the housing of a force-moment sensor.
Der Verformungskörper 1000 hat sechs Verformungsbereiche 1018,1020, 1022,1024,1026,1028 und drei Kompensationsbereiche 1030,1032 und 1034.The deformation body 1000 has six deformation regions 1018, 1020, 1022, 1024, 1026, 1028 and three compensation regions 1030, 1032 and 1034.
Der Verformungskörper 1000 ist in Leiterplattentechnik gefertigt. Er ist als Schichtkörper aufgebaut und trägt an seiner Oberfläche elektrische Baugruppen 1040,1042,1044, welche Operationsverstärker enthalten. Die elektrischen Baugruppen dienen dazu, den elektrischen Widerstand von Dehn- messstrukturen, die im Verformungskörper 1000 ausgebildet sind, zu bestimmen. Die Fig. 2 erläutert den Schichtaufbau 2000 des Verformungskörpers 1000. Der Verformungskörper hat eine Trägerstruktur 2002, die aus einer 3mm dicken Platte aus Aluminium besteht. Diese Platte ist beidseitig mit jeweils 200 μm dicken Schichten 2004,2006, aus der Epoxy-Glasfaser-Substanz FR4 überzogen.The deformation body 1000 is manufactured using printed circuit board technology. It is constructed as a laminated body and carries on its surface electrical components 1040, 1042, 1044, which contain operational amplifiers. The electrical components serve to determine the electrical resistance of strain gauge structures formed in the deformation body 1000. FIG. 2 illustrates the layer structure 2000 of the deformation body 1000. The deformation element has a support structure 2002, which consists of a 3 mm thick plate of aluminum. This plate is coated on both sides with 200 μm thick layers 2004,2006, made of the epoxy glass fiber substance FR4.
Auf beiden Seiten der Trägerstruktur 2002 gibt es jeweils vier 12 μm dicke Leiterbahnschichten 2008,2010,2012,2014,2016,2018,2020 aus Kupfer. In diesen Leiterbahnschichten befinden sich Leiterbahnstrukturen. Diese Leiterbahnstrukturen sind durch fotolithografisches Prozessieren der entsprechenden Leiterbahnschicht aus Kupfer hergestellt. Die Leiterbahnschichten sind über 100 μm dicke IsolationsschichtenOn both sides of the support structure 2002, there are four 12 μm thick interconnect layers 2008,2010,2012,2014,2016,2018,2020 made of copper. There are printed conductor structures in these printed conductor layers. These wiring patterns are made by photolithographically processing the corresponding wiring layer of copper. The interconnect layers are over 100 μm thick insulation layers
2024,2026,2028,2030,2032,2034 aus FR4 elektrisch getrennt.2024,2026,2028,2030,2032,2034 electrically isolated from FR4.
Auf den Leiterbahnschichten 2014 bzw. 2022 ist eine 100 μm dicke Isolationsschicht 2040 bzw. 2042 aus FR4 vorgesehen. Darauf befindet sich eine elektrisch leitende 32 μm dicke Kupferschicht 2036,3038, die mit einem Isolationslack überzogen ist.On the interconnect layers 2014 and 2022, respectively, a 100 μm thick insulation layer 2040 or 2042 of FR4 is provided. On it is an electrically conductive 32 microns thick copper layer 2036.3038, which is coated with an insulating varnish.
Die Fig. 3 zeigt die Leiterplattenschichten 2008,2010,2012,2016,2018,2020 des Verformungskörpers 1000 aus Fig. 1.3 shows the printed circuit board layers 2008,2010,2012,2016,2018,2020 of the deformation body 1000 from FIG. 1.
In der Leiterplattenschicht 2008 sind in den Verformungsbereichen des Ver- formungskörpers Dehnmessstrukturen 3002-3013 in Form von fein strukturierten, mäanderförmig verlaufenden Leiterbahnen 3014 angeordnet, die ein Messgitter bilden. In den Dehnmessstrukturen haben die Leiterbahnen eine Breite von ca. 50 μm. Ein Abschnitt der Leiterbahnen 3802 und 3804 in den Dehnmessstrukturen ist bei Bezugszeichen 3014 gezeigt. Die Leiterplattenschicht 2016 entspricht in ihrem Aufbau der Leiterplattenschicht 2008. In ihr gibt es Dehnmessstrukturen 3022-3033.In the printed circuit board layer 2008, strain measuring structures 3002-3013 are arranged in the deformation regions of the deformation body in the form of finely structured, meandering conductor tracks 3014 which form a measuring grid. In the strain gauge structures, the tracks have a width of about 50 microns. A portion of the tracks 3802 and 3804 in the strain gauges are shown at reference numeral 3014. The printed circuit board layer 2016 corresponds in its construction to the circuit board layer 2008. In it there are strain gauge structures 3022-3033.
In der Leiterplattenschicht 2010 sind Dehnmessstrukturen 3032,3036, 3040 vorgesehen, die sich in den Verformungsbereichen des Verformungskörpers befinden. Zusätzlich sind in den Kompensationsbereichen des Verformungskörpers in der Leiterplattenschicht 2010 Dehnmessstrukturen 3044, 3046,3048 ausgebildet.Strain measurement structures 3032, 3036, 3040, which are located in the deformation regions of the deformation body, are provided in the circuit board layer 2010. In addition, strain measurement structures 3044, 3046, 3048 are formed in the compensation regions of the deformation body in the printed circuit board layer 2010.
Der Aufbau der Leiterplattenschichten 2012,2018 und 2020 entspricht demjenigen der Leiterplattenschicht 2010: In den Verformungsbereichen des Verformungskörpers sind jeweils Dehnmessstrukturen 3052,3056, 3060;3072,3076,3080;3092,3096,3100 vorgesehen. In den Kompensationsbereichen gibt es jeweils Dehnmessstrukturen 3064,3066,3068;3084,3086,3088,3104,3106 sowie 3108. Ein Abschnitt der Leiterbahn 3806 in der Dehnmessstruktur 3074 ist bei Bezugszeichen 3902 gezeigt. Bei Bezugszeichen 3904 ist ein Abschnitt der Leiterbahn 3808 in der Dehnmessstruktur vergrößert abgebildet.The structure of the printed circuit board layers 2012, 20120 and 2020 corresponds to that of the printed circuit board layer 2010: Strain gauge structures 3052, 3056, 3060, 3072, 3076, 3080, 3092, 3096, 3100 are respectively provided in the deformation areas of the deformation body. Strain gauge structures 3064, 3066, 3068, 3084, 3086, 3088, 3104, 3106 and 3108 are provided in the compensation areas, respectively. A portion of the trace 3806 in the strain gauge 3074 is shown at 3902. At reference numeral 3904, a portion of the trace 3808 in the strain gauge structure is enlarged.
In den Verformungsbereichen des Verformungskörpers liegen die Dehnmessstrukturen exakt übereinander. Die Leiterbahnen der Dehnmessstrukturen in den Leiterbahnschichten 2008 und 2016 verlaufen mäanderförmig und bilden ein Messgitter in Fischgräten-Geometrie. Wie bei Bezugszeichen 3014 gezeigt, bilden die Leiterbahnen 3802, 3804 von unmittelbar benach- barten Dehnmessstrukturen 3002, 3003 einen rechten Winkel 3900. Entsprechendes gilt für die Dehnmessstrukturen 3004, 3005 etc..In the deformation areas of the deformation body, the strain gauge structures lie exactly above one another. The tracks of the strain gauge structures in the track layers 2008 and 2016 meander and form a measuring grid in herringbone geometry. As shown at reference numeral 3014, the tracks 3802, 3804 of immediately adjacent strain gauges 3002, 3003 form a right angle 3900. The same applies to the strain gauges 3004, 3005, etc.
Die Dehnmessstrukturen der Schichten 2010,2012,2018,2020 verlaufen mitThe strain gauges of the layers 2010,2012,2018,2020 are included
Leiterbahnen, die zu den unmittelbar darüber bzw. darunter angeordneten Leiterbahnen der Dehnmessstrukturen 3002-3013 bzw. 3022-3033 derConductor tracks to the arranged directly above or below the interconnects of the strain gages 3002-3013 or 3022-3033 of
Schichten 2008 bzw. 2016 in einem Winkel von 45° stehen: Wie aus der vergrößerten Darstellung von Leiterbahnen bei Bezugszeichen 3014 und 3902 hervorgeht, verläuft die Flanke 3904 der Leiterbahn 3804 unter einem Winkel von 45° zur Flanke 3906 der Leiterbahn 3806.Layers 2008 and 2016 are at an angle of 45 ° enlarged representation of printed conductors at reference numerals 3014 and 3902, the flank 3904 of the conductor 3804 extends at an angle of 45 ° to the flank 3906 of the conductor 3806.
Mittels der Dehnmessstrukturen 3002-3013 und 3022-3033 können Querbzw. Scherspannungen am Verformungskörper 1000 erfasst werden. Die Dehnmessstrukturen 3032-3040;3052-3060;3072-3080;3092-3100 sind für die Messung von Längs- bzw. Biegespannungen in den Verformungsbereichen des Verformungskörpers vorgesehen. Die Dehnmessstrukturen sind bei dem Verformungskörper symmetrisch zu beiden Seiten der Trägerstruktur aus Aluminium angeordnet.By means of the strain gauges 3002-3013 and 3022-3033 Querbzw. Shearing stresses on the deformation body 1000 are detected. The strain gauges 3032-3040, 3052-3060, 3072-3080, 3092-3100 are intended for the measurement of longitudinal or bending stresses in the deformation areas of the deformation body. The strain measuring structures are arranged symmetrically in the deformation body to both sides of the support structure made of aluminum.
Die Fig. 4 zeigt den Verformungskörper 1000 in verformtem Zustand, wenn der Verformungskörper 1000 über den Anschlussbereich 1010 eine Kraft F und ein Moment M eingeleitet wird, wobei Verformungskörper am Anschlussbereich 1002 festgehalten ist: Die sechs Verformungsbereiche des Verformungskörpers 1018-1028 werden hier stark und die drei Kompensationsbereiche 1030,2032,1034 wenig verformt. Durch Erfassen der Scherbzw. Querspannungen und der Biegespannungen in den sechs Verfor- mungsbereichen des Verform ungskörpers lassen sich Kräfte und Momente in drei Dimensionen bestimmen, die den Verformungskörper verformen.FIG. 4 shows the deformation body 1000 in a deformed state when the deformation body 1000 is introduced via the connection area 1010 with a force F and a moment M, with the deformation body being retained at the connection area 1002. The six deformation areas of the deformation body 1018-1028 become strong here the three compensation areas 1030,2032,1034 little deformed. By detecting the shear Transverse stresses and the bending stresses in the six deformation areas of the deformation body can be used to determine forces and moments in three dimensions that deform the deformation body.
Die Fig. 5 zeigt eine Brückenschaltung 5000, die mittels der elektrischen Baugruppen auf dem Verformungskörper realisiert ist. Die Brückenschaltung 5000 vergleicht die elektrischen Widerstände R3072 und R3106 der Dehnmessstrukturen 3072, 3106 und die elektrischen Widerstände R3044 und R30S4 der Dehnmessstrukturen 3044 und 3052 mit den elektrischen Widerständen R3086 und R3092 der Dehnmessstrukturen 3086 sowie 3092 und den elektrischen Widerständen R3032 und R3066 der Dehnmessstrukturen 3032 und 3066. Die Brückenschaltung 5000 enthält einen Operationsverstärker 5100, der als Differenzverstärker wirkt und eine Ausgangsspannung UA bereitstellt, die ein Mass für die Biegebeanspruchung des Verformungsabschnitts 1020 vom Verformungskörper 1000 aus Fig. 1 ist, an dem sich die Dehnmessstrukturen befinden.5 shows a bridge circuit 5000, which is realized by means of electrical assemblies on the deformation body. The bridge circuit 5000 compares the electrical resistors R3072 and R3106 of the strain gauge structures 3072, 3106 and the electrical resistors R 3044 and R 30 S 4 of the strain gauge structures 3044 and 3052 with the electrical resistances R 30 86 and R 3092 of the strain gauge structures 3086 and 3092 and the electrical resistances R 3032 and R 306 6 of the strain gauges 3032 and 3066. The bridge circuit 5000 includes an operational amplifier 5100 which acts as a differential amplifier and provides an output voltage U A , which is a measure of the bending stress of the deformation portion 1020 of the deformation body 1000 of Fig. 1, where the strain gauge structures are located.
In der Brückenschaltung 5000 sind damit Dehnmessstrukturen aus den vier unterschiedlichen Leiterbahnschichten 2010, 2012, 2018 und 2020 verschaltet.Strain measurement structures from the four different interconnect layers 2010, 2012, 2018 and 2020 are interconnected in the bridge circuit 5000.
Die Brückenschaltung 5000 nutzt aus, dass bei einer Biegebeanspruchung des Verformungsabschnitts 1020 des Verformungskörpers 1000 aus Fig. 1 eine Zunahme bzw. Abnahme des elektrischen Widerstands der Dehnungsstruktur 3032 mit einer Zunahme bzw. Abnahme des elektrischen Widerstands der Dehnmessstruktur 3072 verbunden ist, während sich dabei bei den elektrischen Widerständen der Dehnmessstrukturen 3052 und 3092 ei- ne Abnahme bzw. Zunahme des Widerstands einstellt. Für die Dehnmessstrukturen 3086 und 3044 bzw. 3066 und 3106 im Kompensationsbereich des Verformungskörpers gilt, wenn am Verformungskörper keinerlei Kräfte und Momente angreifen, dass der elektrische Widerstand R30Se der Dehnmessstruktur 3086 dem elektrischen Widerstand R3072 der Dehnmessstruktur 3072 entspricht. Der elektrische Widerstand R3042 der Dehnmessstruktur 3042 entspricht dem elektrischen Widerstand R3032 der Dehnmessstruktur 3032. Die Dehnmessstukturen 3044, 3086, 3066 und 3106 wirken als Kompensationswiderstände. Sie sind so ausgeführt, dass sie im Rahmen der Toleranz der Dicke der Leiterbahnschichten bei dem Verformungskörper den gleichen elektrischen Widerstand haben. Für den elektrischen Widerstand der Dehnmessstrukturen 3044, 3086 sowie 3066 und 3106 im Kompensationsbereich gilt somit: R3044 = R3086 = R3066 = R3ioe-The bridge circuit 5000 makes use of the fact that, when the deformation section 1020 of the deformation body 1000 of FIG. 1 is bent, an increase or decrease in the electrical resistance of the expansion structure 3032 is associated with an increase or decrease in the electrical resistance of the strain measurement structure 3072 the electrical resistances of the strain gauges 3052 and 3092 sets a decrease or increase in the resistance. For the strain gages 3086 and 3044 or 3066 and 3106 in the compensation region of the deformation body, if no forces and moments act on the deformation body, the electrical resistance R 30 Se of the strain gauge structure 3086 corresponds to the electrical resistance R 3072 of the strain gauge structure 3072. The electrical resistance R 3042 of the strain gauge structure 3042 corresponds to the electrical resistance R 3032 of the strain gauge structure 3032. The strain gauge structures 3044, 3086, 3066 and 3106 act as compensation resistors. They are designed so that they have the same electrical resistance within the tolerance of the thickness of the conductor track layers in the deformation body. The following applies for the electrical resistance of strain gauges 3044, 3086 and 3066 and 3106 in the compensation range: R 3044 = R 3086 = R 30 66 = R3ioe
Mittels des fotolithographischen Herstellungsverfahrens kann nämlich die Leiterbahnbreite und die Leiterbahnlänge für eine Dehnmessstruktur präzise eingestellt werden. Die Dicke einer Leiterbahnschicht hängt dagegen auch von der Dicke der mittels Leiterplattentechnik fotolithografisch strukturierten Leiterbahnschicht ab.Namely, by means of the photolithographic manufacturing method, the track width and the track length can be precisely adjusted for a strain gauge structure. The thickness of a conductor layer, however, also depends from the thickness of printed circuit board technology by means of photolithographically structured interconnect layer.
Die Dehnmessstruktur 3044 bzw. 3086 bzw. 3066 bzw. 3106 hat die gleiche Leiterbahnlänge, die gleiche Leiterbahnbreite und die gleiche Leiterbahndicke wie die Dehnmessstruktur 3032 bzw. 3072 bzw. 3052 bzw. 3092. Innerhalb einer Leiterbahnschicht kann nämlich mit den fotolithografischen Herstellungsverfahren die Dicke von Leiterbahnen mit sehr großer Genauigkeit konstant gehalten werden.The strain gauge structure 3044 or 3086 or 3066 or 3106 has the same trace length, the same trace width and the same trace thickness as the strain gauge structure 3032 or 3072 or 3052 or 3092. Within a conductor layer can namely with the photolithographic manufacturing process, the thickness of Tracks are kept constant with great accuracy.
Indem die elektrischen Widerstände R3044, R3086, R3066 und R3106 der Dehnmessstrukturen im Kompensationsbereich des Verform ungskörpers bei der Brückenschaltung 5000 zu den Widerständen der Dehnmessstrukturen 3032, 3052, 3072 und 3092 jeweils gegenüberliegend angeordnet werden, lassen sich Schwankungen der elektrischen Widerstände ausgleichen, die durch die Toleranz der Leiterbahndicke, d.h. die Dicke der Leiterbahnschichten bedingt sind. Es gilt nämlich: R3072 + R3106 = R3o44 + R3052 = R3086 + R3092 = By the electrical resistors R 3044 , R3086, R3066 and R3106 of the strain gauges in the compensation region of the deformation body at the bridge circuit 5000 to the resistors of Dehnmessstrukturen 3032, 3052, 3072 and 3092 respectively arranged opposite each other, can be compensated for fluctuations in the electrical resistances by the tolerance of the conductor track thickness, ie the thickness of the conductor track layers are conditional. The following applies: R3072 + R3106 = R3o 44 + R3052 = R3086 + R3092 =
Die Anordnung der Widerstände der Dehnmessstrukturen entsprechend der Brückenschaltung 5000 ermöglicht also den Ausgleich von toleranzbedingten Schwankungen der Widerstände der Dehnmessstrukturen. Dies bewirkt, dass die Brückenschaltung 5000 nicht durch Widerstandsschwankungen verstimmt ist, welche ihre Ursache in der Toleranz der Dicke von Leiterbah- nen in unterschiedlichen Schichten haben.The arrangement of the resistors of Dehnmessstrukturen corresponding to the bridge circuit 5000 thus allows the compensation of tolerance-related fluctuations in the resistances of Dehnmessstrukturen. This causes the bridge circuit 5000 is not detuned by resistance variations, which have their cause in the tolerance of the thickness of conductor tracks in different layers.
Um Scherverformungen des Verformungskörpers zu erfassen, ist in der elektrischen Baugruppe auf dem Verformungskörper eine in Fig. 6 gezeigte Brückenschaltung 6000 vorgesehen. In der Brückenschaltung 6000 sind Dehnmessstrukturen aus den zwei unterschiedlichen Leiterbahnschichten 2008 und 2016 verschaltet. Dabei werden jeweils die Dehnmessstrukturen aus den beiden jeweils benachbarten Verformungsbereichen 1018 und 1020, 1022 und 1024, sowie 1026 und 1028 des Verform u ngskörpers 1000 aus Fig. 1 in Reihe geschaltet, wodurch sich eine gesteigerte Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung ergibt.In order to detect shear deformations of the deformation body, a bridge circuit 6000 shown in FIG. 6 is provided in the electrical assembly on the deformation body. In the bridge circuit 6000 strain gauge structures of the two different interconnect layers 2008 and 2016 are interconnected. In each case, the strain measurement structures of the two respectively adjacent deformation regions 1018 and 1020, 1022 and 1024, and 1026 and 1028 of the deformation body 1000 from FIG. 1 are connected in series, resulting in an increased sensitivity of the circuit arrangement.
Die Brückenschaltung 6000 vergleicht die elektrischen Widerstände R3002 + R30O4 und R3003 + R3005 der Dehnmessstrukturen 3002, 3003, 3004 und 3005 mit den elektrischen Widerständen R3022 + R3024 und R3023 + R3025 der Dehnungsmessstrukturen 3022, 3023, 3024 und 3025.The bridge circuit 6000 compares the electrical resistors R3002 + R 30 O 4 and R3003 + R3005 of Dehnmessstrukturen 3002, 3003, 3004 and 3005 with the electrical resistors R3022 + R302 4 and R3023 + R3025 of strain measurement structures 3022, 3023, 3024 and 3025th
Die Brückenschaltung 6000 enthält einen als Differenzverstärker ausgeführten Operationsverstärker 6100, der als Mass für eine Scherbeanspruchung des Verformungskörpers eine Spannung UA abgibt.The bridge circuit 6000 includes an operational amplifier 6100 designed as a differential amplifier, which outputs a voltage U A as a measure of a shear stress of the deformation body.
Den Brückenschaltungen 5000 und 6000 entsprechende Brückenschaltungen sind bei dem Verformungskörper 1000 aus Fig. 1 für sämtliche Verformungsabschnitte 1018, 1020; 1022, 1024 sowie 1026, 1028 vorgesehen.The bridge circuits 5000 and 6000 corresponding bridge circuits are in the deformation body 1000 of Figure 1 for all deformation sections 1018, 1020; 1022, 1024 and 1026, 1028 provided.
Die Fig. 7 zeigt eine weitere, alternative Brückenschaltung 7000, die als Halbbrückenschaltung ausgeführt ist und die es ermöglicht, eine Biegebeanspruchung eines Verformungsabschnitts an dem Verformungskörper 1000 aus Fig. 1 zu erfassen. Die Brückenschaltung 7000 vergleicht die elektri- sehen Widerstände R30So und R3100 der Dehnmessstrukturen 3080 und 3100 aus einem Verformungsbereich des Verformungskörpers mit den elektrischen Widerständen R3084 und R3-I04 der Dehnmessstrukturen 3084 und 3104, die sich in einem Kompensationsbereich des Verformungskörpers befinden. In der Brückenschaltung 7000 sind damit Dehnmessstrukturen aus zwei unterschiedlichen Leiterbahnschichten des Verformungskörpers geschaltet. In der Brückenschaltung 7000 ist ein Operationsverstärker 7100 vorgesehen, der wiederum eine Ausgangsspannung UA als Mass für eine Biegebeanspruchung eines Verformungsabschnitts vom Verform ungskörper generiert. Die Brückenschaltung 7000 entspricht funktional der Brückenschaltung 5000 aus Fig. 5, mit dem Unterschied, dass hier in einer Halbbrü- ckenschaltung nicht Dehnmessstrukturen mit Leiterbahnen in vier unterschiedlichen Leiterbahnschichten, sondern lediglich Dehnmessstrukturen aus zwei unterschiedlichen Leiterbahnschichten verschaltet sind.FIG. 7 shows a further, alternative bridge circuit 7000, which is designed as a half-bridge circuit and makes it possible to detect a bending stress of a deformation section on the deformation body 1000 from FIG. 1. The bridge circuit 7000 compares the electrical resistances R 30 So and R3100 of the strain gauge structures 3080 and 3100 from a deformation range of the deformation body with the electrical resistances R 3084 and R 3 -I 04 of the strain gauge structures 3084 and 3104 located in a compensation area of the deformation body , In the bridge circuit 7000 are thus connected Dehnmessstrukturen from two different interconnect layers of the deformation body. In the bridge circuit 7000 is an operational amplifier 7100 provided, which in turn generates an output voltage U A as a measure of a bending stress of a deformation section of the deformation body. The bridge circuit 7000 corresponds functionally to the bridge circuit 5000 from FIG. 5, with the difference that here in a half-bridge circuit, strain measurement structures are interconnected with interconnects in four different interconnect layers, but only strain measurement structures of two different interconnect layers.
In Fig. 8 ist ein Kraft-Momenten-Sensor 8000 gezeigt, der einen Gehäuse- körper 8002 hat, an dem der Verformungskörper 8004 in einem ersten Anschlussbereich 8006 festgelegt ist. In einem zweiten Anschlussbereich 8008 ist der Verformungskörper 8004 mit einem Montageflansch 8010 verbunden.FIG. 8 shows a force / torque sensor 8000 which has a housing body 8002 on which the deformation body 8004 is fixed in a first connection region 8006. In a second connection region 8008, the deformation element 8004 is connected to a mounting flange 8010.
Fig. 9 zeigt einen Schnitt des Kraft-Momenten-Sensors 8000 aus Fig. 8 ent- lang der Linie IX-IX. Der Gehäusekörper 8002 und der Montageflansch 8010 sind für den Anschluss an einen Roboterarm bzw. für die Aufnahme eines Roboterwerkzeugs ausgelegt. Gehäusekörper 8002 und Montageflansch 8010 entsprechen diesbezüglich dem Normflansch für Industrieroboter nach DIN ISO 9409.9 shows a section of the force / torque sensor 8000 from FIG. 8 along the line IX-IX. The housing body 8002 and the mounting flange 8010 are designed for connection to a robot arm or for receiving a robot tool. Housing body 8002 and mounting flange 8010 correspond in this respect to the standard flange for industrial robots according to DIN ISO 9409.
In Fig. 10 ist ein Roboter 10000 mit einem Roboterwerkzeug 10002 gezeigt, das mit dem Kraft-Momenten-Sensor 8000 an einem Roboterarm 10004 aufgenommen ist.FIG. 10 shows a robot 10000 with a robot tool 10002, which is received by the force / torque sensor 8000 on a robot arm 10004.
Fig. 11 zeigt einen Verformungskörper 11000 für eine Kraft-Momente- Sensor, der für das Erfassen von Biegekräften F, von Scherkräften Q, die entsprechend dem Pfeil 11016 wirken, und von Torsionsmomenten M zu der Achse 11012 ausgelegt ist. Dieser Verformungskörper ist eine Leiterplatte 11002, welche eine elektrische Baugruppe 11004 zur Auswertung von Dehnmessstrukturen enthält, die in Form von Leiterbahnen in Schichten der Leiterplatte ausgebildet sind. Die Leiterplatte 11002 hat einen Biegebereich 11006, der auch mit verminderter Materialdicke ausgeführt werden kann. In dem Biegebereich 11006 sind seitliche Ausnehmungen 11008 und 11010 ausgebildet. Diese Massnahme bewirkt eine sehr gleichmäßige Spannungsverteilung im Verformungskörper.11 shows a force-moment sensor deformation body 11000 designed to detect bending forces F, shear forces Q acting according to arrow 11016, and torsional moments M to axis 11012. This deformation body is a printed circuit board 11002, which contains an electrical assembly 11004 for the evaluation of strain gauge structures, which are formed in the form of printed conductors in layers of the printed circuit board. The circuit board 11002 has a bending area 11006, which can also be performed with reduced material thickness. In the bending region 11006, lateral recesses 11008 and 11010 are formed. This measure causes a very uniform stress distribution in the deformation body.
Wie in Fig. 12 gezeigt, ist der Verformungskörper 11000 an einer Halteeinheit 12002 aufgenommen und für das Erfassen von Kräften F ausgelegt, die entsprechend dem Pfeil 12004 wirken, sowie für das Erfassen von Drehmomenten M entsprechend dem Pfeil 12006 und von Scherkräften Q entspre- chend der Richtung 12008.As shown in FIG. 12, the deformation body 11000 is received on a holding unit 12002 and adapted to detect forces F acting according to the arrow 12004, and to detect torques M corresponding to the arrow 12006 and shear forces Q, respectively the direction 12008.
Der Verformungskörper 11000 hat einen Schichtaufbau, der anhand von Fig. 13 erläutert ist. In dem Verformungskörper ist eine Trägerstruktur 13002 aus Stahl vorgesehen. Über und unter dieser Trägerstruktur gibt es Leiterbahn- schichten 13004,13006,13008 und 13010 mit Dehnmessstrukturen 13012, 13014,13016,13018,13020 und 13022. Die Dehnmessstrukturen 13016 und 13022 dienen zum Erfassen von Biegespannungen in der Trägerstruktur 13002. Die Dehnmessstrukturen 13012 und 13014 stehen in einem rechten Winkel 13500 zueinander. Sie sind zu den Dehnmessstrukturen 13016, 13022 in einem Winkel von 45° orientiert. Entsprechendes gilt für die Dehnmessstrukturen 13018 und 13020.The deformation body 11000 has a layer structure, which is explained with reference to FIG. 13. In the deformation body, a support structure 13002 made of steel is provided. Over and under this support structure there are interconnect layers 13004, 13006, 13008 and 13010 with strain measurement structures 13012, 13014, 13016, 13018, 13020 and 13022. The strain measurement structures 13016 and 13022 serve to detect bending stresses in the support structure 13002. The strain measurement structures 13012 and 13014 are at a right angle 13500 to each other. They are oriented to the strain gauge structures 13016, 13022 at an angle of 45 °. The same applies to the strain gauges 13018 and 13020.
Je nach Verschaltung der Dehnmessstrukturen 13012, 13014, 13018 und 13020 können entweder Querkräfte Q oder Torsionsmomente M gemessen werden. Dabei ist es möglich, zwei weitere Lagen mit gleichen Dehnmessstrukturen 13012 und 13014 ober- bzw. unterhalb der Lagen 13004 und 13008 zu realisieren, um sowohl Querkräfte Q als auch Torsionsmomente M zu erfassen.Depending on the interconnection of the strain gauge structures 13012, 13014, 13018 and 13020, either transverse forces Q or torsional moments M can be measured. In this case, it is possible to realize two further layers with the same strain measurement structures 13012 and 13014 above or below the layers 13004 and 13008 in order to detect both transverse forces Q and torsional moments M.
Die Fig. 14 zeigt einen alternativen Schichtaufbau eines Verformungskörpers, der sich zum Erfassen von Scher- und Biegemomenten sowie Längs- kräften eignet. Der Verformungskörper hat zwei Trägerstrukturen 14002 und 14004, die aus Titan bestehen, zwischen denen Leiterbahnschichten 14006 und 14008 mit unterschiedlich orientierten Dehnmessstrukturen vorgesehen sind. Ober- und unterhalb der Trägerstrukturen 14002 und 14004 befinden sich Leiterbahnschichten 14010,14012 sowie 14014 und 14016, in denen es Dehnmessstrukturen unterschiedlicher Ausrichtung gibt.FIG. 14 shows an alternative layer structure of a deformation body which is used for detecting shear and bending moments and longitudinal forces. The deformation body has two support structures 14002 and 14004, which are made of titanium, between which conductor track layers 14006 and 14008 with differently oriented strain gauge structures are provided. Above and below the support structures 14002 and 14004 there are interconnect layers 14010, 14012 and 14014 and 14016, in which there are strain gauges of different orientation.
Die Fig. 15 zeigt einen Verformungskörper 15000, bei dem drei Leiterbahnschichten 15002,15004 und 15006 vorgesehen sind. Diese Leiterbahn- schichten sind auf zwei Trägerstrukturen 15010 und 15012 aus Aluminium aufgenommen. Auf den Leiterbahnschichten 15004 und 15006 gibt es Aluminiumplatten 15018 und 15020, die über isolierende Prepreg-Schichten 15014 und 15016 mit den Leiterbahnschichten verklebt sind. Die zusätzlichen Aluminiumplatten 15018 und 15020 dienen dazu, den Verformungskör- per mechanisch zu verstärken und bewirken ein sehr gutes Drift- bzw. Hystereseverhalten. Der Verformungskörper 15000 ist für eine Biegebeanspruchung um die Achse 15100 ausgelegt, wobei die Leiterbahnschicht 15002 eine neutrale Faser bildet, die bei einer solchen Biegebeanspruchung keine mechanische Verformung erfährt. In der Leiterbahnschicht 15002 gibt es daher Dehnmessstrukturen mit Leiterbahnen, die für das Erfassen von Scherkräften ausgelegt sind. Demgegenüber enthalten die Leiterbahnschichten 15004 und 15006 Dehnmessstrukturen zum Erfassen von Biegespannungen.FIG. 15 shows a deformation body 15000 in which three conductor layers 15002, 15004 and 15006 are provided. These conductor layers are accommodated on two support structures 15010 and 15012 made of aluminum. On the wiring layers 15004 and 15006, there are aluminum plates 15018 and 15020 bonded to the wiring layers via insulating prepreg layers 15014 and 15016. The additional aluminum plates 15018 and 15020 serve to strengthen the deformation body mechanically and cause a very good drift or hysteresis behavior. The deformation body 15000 is designed for bending about the axis 15100, with the conductor layer 15002 forming a neutral fiber that does not undergo mechanical deformation under such bending stress. In the wiring layer 15002, there are therefore strain gauges with traces designed to sense shear forces. On the other hand, the wiring layers 15004 and 15006 include strain gauges for detecting bending stresses.
In Fig. 16 ist ein Verformungskörper 16000 mit einem ersten Abschnitt 16001 und einem zweiten Abschnitt 16002 gezeigt. In dem ersten und dem zweiten Abschnitt sind Trägerstrukturen 16004,16006,16008,16010 aus A- luminium vorgesehen. Der Verformungskörper 16000 hat einen Kern 16012 aus Polyamid und umfasst Leiterbahnschichten 16014,16016,16018,16020,16022 und 16024. Der Verformungskörper 16000 ist an eine Einheit 16026 angeschlossen. Der beschriebene Verformungskörper für einen Kraft-Momenten-Sensor kann insbesondere auch in Kleinserien, durch eine Prozessierung im Batch kostengünstig hergestellt werden. Da die in der Leiterplattentechnik etablier- ten Fertigungsverfahren technisch sehr gut beherrscht werden, ist es möglich, feine Leiterbahnen als Dehnmessstrukturen in nahezu beliebiger Geometrie zu erzeugen.In Fig. 16, a deformation body 16000 is shown with a first portion 16001 and a second portion 16002. Support structures 16004, 166006, 16008, 16010 made of aluminum are provided in the first and second sections. The deformation body 16000 has a core 16012 made of polyamide and includes wiring layers 16014, 16016, 16018, 16020, 16022 and 16024. The deformation body 16000 is connected to a unit 16026. The described deformation body for a force-torque sensor can be produced inexpensively, in particular even in small batches, by processing in a batch. Since the production methods established in printed circuit board technology are technically very well mastered, it is possible to produce fine printed conductors as strain measuring structures in almost any desired geometry.
In Leiterplattentechnik können insbesondere Dehnmessstrukturen aus Kon- stantan (Cu5SNi44), Manganin (Co86Mn12Ni2) oder lsotan (Cu5SNi44Mn1) oder Wolfram hergestellt werden. Von Vorteil ist es, wenn die Leitungen von und zu den Dehnmessstrukturen in Kupfer (Cu) ausgeführt werden, da Kupfer einen vergleichsweise kleinen spezifischen Widerstand hat. Dies kann durch die Verwendung von Leiterplatten mit mehrschichtigen Leiterfolien realisiert werden, bei denen eine erste Teilschicht einen hohen spezifischen Widerstand hat und eine weitere Teilschicht aus einem Material mit niedrigem spezifischem Widerstand besteht. Die Teilschichten der mehrschichtigen Leiterfolie sind dabei über ihre gesamte Fläche miteinander leitfähig verbunden. Entsprechende mehrschichtige Leiterfolien können beispielsweise mittels Aufgalvanisieren hergestellt werden. Mittels Fofolithographie und anschließendem selektivem Ätzen ist es möglich, nur jene Schicht mit dem niedrigeren spezifischen Widerstand partiell abzutragen und Dehnmesstrukturen zu er erzeugen, die nur aus dem Material der Teilschicht mit hohem spezifischem Widerstand bestehen. Ensprechende Leiterfolien stehen z.B. mit Teilschichten aus Kupfer und Teilschichten aus Nickellegierungen zur Verfügung.In printed circuit board technology, strain measuring structures made of constantan (Cu 5 SNi 44 ), manganin (Co 8 6Mn 12 Ni 2 ) or isotane (Cu 5 SNi 44 Mn 1 ) or tungsten can be produced in particular. It is advantageous if the lines to and from the strain gauge structures are made in copper (Cu), since copper has a comparatively small specific resistance. This can be realized by using printed circuit boards with multilayer conductor foils in which a first sublayer has a high resistivity and another sublayer is made of a low resistivity material. The partial layers of the multilayer conductor foil are conductively connected to each other over their entire surface. Corresponding multilayer conductor foils can be produced, for example, by electroplating. By means of Fofolithography and subsequent selective etching, it is possible to partially remove only that layer with the lower resistivity and to produce strain gauges consisting only of the material of the high resistivity sublayer. Ensprechende conductor foils are available eg with partial layers of copper and partial layers of nickel alloys.
Verformungskörper in Form von Leiterplattenermöglichen es darüber hinaus, intelligente Messmodule bereitzustellen, bei denen eine Signalverarbeitung von Digitalisierung von Messwerten unmittelbar am Verformungskörper möglich ist, da dieser mit entsprechenden intelligenten Baugruppen bestückt werden kann. Es ist allerdings auch möglich, den Verformungskörper mit einer zusätzlichen Leiterplatte zu kombinieren, auf der sich ein Mikrorechner befindet, um Messwerte zu erfassen und Kraft-Komponenten und Moment- Komponenten zu berechnen, die auf den Verformungskörper wirken. Dabei werden nach Möglichkeit Kommunikationsschnittstellen für den Betrieb im Industrieeinsatz vorgesehen, die z.B. den Anschluss an ein CAN-Bussystem oder Industhal Ethernet ermöglichen.In addition, deformation bodies in the form of printed circuit boards make it possible to provide intelligent measuring modules in which signal processing of digitization of measured values directly on the deformation element is possible, since it is equipped with corresponding intelligent modules can be. However, it is also possible to combine the deformation body with an additional circuit board on which a microcomputer is located to detect measurements and to calculate force components and moment components acting on the deformation body. If possible, communication interfaces are provided for operation in industrial applications, which, for example, enable connection to a CAN bus system or Industhal Ethernet.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Es wird ein Verformungskör- per für einen Kraft-Momenten-Sensor mit einer Leiterplatte vorgeschlagen, die wenigstens eine erste Messstruktur 3002 in Form einer ersten Leiterbahn aufweist und wenigstens eine zweite Dehnmessstruktur 3032 in Form einer zweiten Leiterbahn umfasst. Die Leiterplatte hat wenigstens eine erste Leiterbahnschicht 2008 und eine zweite Leiterbahnschicht 2010. Die erste Leiterbahn 3002 der ersten Leiterbahnschicht 2008 ausgebildet. Die zweite Leiterbahn 3032 liegt in der zweiten Leiterbahnschicht 2010. In summary, the following is to be stated: A deformation body for a force / torque sensor with a printed circuit board is proposed which has at least one first measuring structure 3002 in the form of a first conductor track and at least one second strain gauge structure 3032 in the form of a second conductor track. The printed circuit board has at least a first interconnect layer 2008 and a second interconnect layer 2010. The first interconnect 3002 of the first interconnect layer 2008 is formed. The second interconnect 3032 is located in the second interconnect layer 2010.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verformungskörper (1000, 11000, 15000, 16000) für Kraft-Momenten-1. Deformation element (1000, 11000, 15000, 16000) for force-torque
Sensorsensor
mit einer Leiterplatte;with a circuit board;
wobei die Leiterplatte wenigstens eine erste Dehnmessstruktur (3072) in Form einer ersten Leiterbahn (3806) aufweist und wenigstens eine zweite Dehnmessstruktur (3004) in Form einer zweiten Leiterbahnwherein the circuit board has at least one first strain gauge structure (3072) in the form of a first trace (3806) and at least one second strain gauge structure (3004) in the form of a second trace
(3804) umfasst,(3804),
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Leiterplatte wenigstens eine erste (2008) und wenigstens eine zweite (2012) Leiterbahnschicht hat, wobei die erste Leiterbahn (3906) in der ersten Leiterbahnschicht (2012) ausgebildet ist und die zweite Leiterbahn (3804) in der zweiten Leiterbahnschicht (2008) liegt.the printed circuit board has at least one first (2008) and at least one second (2012) interconnect layer, wherein the first interconnect (3906) is formed in the first interconnect layer (2012) and the second interconnect (3804) lies in the second interconnect layer (2008).
2. Verformungskörper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Leiterbahn (3804, 3904) jeweils ein erstes und ein zweites Messgitter mit mäanderförmig verlaufenden Leiterbahnschleifen bilden.2. deformation body according to claim 1, characterized in that the first and the second conductor track (3804, 3904) each form a first and a second measuring grid with meandering running conductor loops.
3. Verformungskörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnschleifen des zweiten Messgitters in schräger Richtung zu den Leiterbahnschleifen des ersten Messgitters verlaufen.3. deformation body according to claim 2, characterized in that the conductor track loops of the second measuring grid extend in an oblique direction to the conductor track loops of the first measuring grid.
4. Verformungskörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnschleifen des zweiten Messgitters unter einem Winkel von 45 Grad zu den Leiterbahnschleifen des ersten Messgitters verlau- fen.4. deformation body according to claim 3, characterized in that the conductor track loops of the second measuring grid at an angle of 45 degrees to the conductor loops of the first measuring grid dur- fen.
5. Verformungskörper nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Messgitter ein drittes Messgitter mit einer dritten Leiterbahn als dritte Dehnmessstruktur (3005) zugeordnet ist, die sich in der zweiten Leiterbahnschicht (2008) befindet, wobei das dritte Messgitter mit dem zweiten Messgitter eine Fischgrätenstruktur bildet.5. deformation body according to claim 3 or claim 4, characterized in that the second measuring grid is assigned a third measuring grid with a third conductor as a third strain gauge (3005) located in the second conductor layer (2008), wherein the third measuring grid with the second measuring grid forms a herringbone structure.
6. Verformungskörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brückenschaltung (6000) vorgesehen ist, die den elektrischen Widerstand der dritten Dehnmessstruktur (3005) mit dem elektrischen Widerstand der zweiten Dehnmessstruktur (3004) vergleicht.6. deformation body according to claim 5, characterized in that a bridge circuit (6000) is provided, which compares the electrical resistance of the third strain gauge (3005) with the electrical resistance of the second strain gauge (3004).
7. Verformungskörper, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompensationsbereich (1030, 1032, 1034) mit einer Dehnmessstruktur (3086) vorgesehen ist, die eine Leiterbahn (3808) umfasst, wobei sich der Kompensationsbereich (1030, 1032, 1034) bei Einleiten einer Kraft oder eines Moments in den Verformungskörper (1000) nicht oder nur schwach verformt.7. deformation body, in particular according to one of claims 1 to 6, characterized in that a compensation area (1030, 1032, 1034) is provided with a Dehnmessstruktur (3086) comprising a conductor track (3808), wherein the compensation area (1030, 1032, 1034) is not or only slightly deformed when a force or a moment is introduced into the deformation body (1000).
8. Verformungskörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brückenschaltung (5000) vorgesehen ist, die den elektrischen Widerstand der vierten Dehnmessstruktur (3086) mit dem elektrischen Widerstand einer ersten oder einer zweiten Dehnmessstruktur (3034) vergleicht.8. deformation body according to claim 7, characterized in that a bridge circuit (5000) is provided, which compares the electrical resistance of the fourth strain gauge structure (3086) with the electrical resistance of a first or a second strain gauge structure (3034).
9. Verformungskörper nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Dehnmessstruktur (3086) in der ersten oder der zweiten Leiterbahnschicht (2012) ausgebildet ist. 9. deformation body according to claim 7 or 8, characterized in that the fourth strain gauge structure (3086) in the first or the second wiring layer (2012) is formed.
10. Verformungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass symmetrisch ausgebildete Dehnmessstrukturen zu beiden Seiten der Trägerstruktur vorgesehen sind.10. deformation body according to one of claims 1 to 9, characterized in that symmetrically formed Dehnmessstrukturen are provided on both sides of the support structure.
11. Verformungskörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brückenschaltung (5000) vorgesehen ist, die den elektrischen Widerstand einer Dehnmessstruktur (3094) auf einer Seite der Trägerstruktur mit dem elektrischen Widerstand einer Dehnmessstruktur (3066) auf der anderen Seite der Dehnmessstruktur vergleicht.11. deformation body according to claim 10, characterized in that a bridge circuit (5000) is provided which compares the electrical resistance of a strain gauge (3094) on one side of the support structure with the electrical resistance of a Dehnmessstruktur (3066) on the other side of the Dehnmessstruktur.
12. Verformungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verform ungskörper aus einer Leiterplatte gefertigt ist.12. deformation body according to one of claims 1 to 11, characterized in that the deformation of the body is made of a printed circuit board.
13. Verformungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von übereinander liegenden Dehnmessstrukturen (3094, 3054, 3024, 3025, 3004, 3005, 3034, 3074) vorgesehen ist.13. deformation body according to one of claims 1 to 12, characterized in that a plurality of superimposed Dehnmessstrukturen (3094, 3054, 3024, 3025, 3004, 3005, 3034, 3074) is provided.
14. Verformungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dehnmessstruktur und die zweite Dehnmessstruktur aus einer photolithografisch strukturieren Metallschicht aus Kupfer oder Wolfram oder Konstantan oder Isotan oder einer Nickel-Legierung bestehen.14. deformation body according to one of claims 1 to 13, characterized in that the first Dehnmessstruktur and the second Dehnmessstruktur consist of a photolithographically structured metal layer of copper or tungsten or constantan or isotan or a nickel alloy.
15. Verformungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (2010) und der zweiten (2012) Leiterbahnschicht eine Isolationsschicht (2026) aus FR4 oder aus Epoxidharz vorgesehen ist. 15. deformation body according to one of claims 1 to 14, characterized in that between the first (2010) and the second (2012) conductor track layer, an insulation layer (2026) made of FR4 or epoxy resin is provided.
16. Verformungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte eine Trägerstruktur hat, die aus Aluminium oder aus FR4 oder aus Stahl oder aus Titan besteht.16. deformation body according to one of claims 1 to 15, characterized in that the circuit board has a support structure which consists of aluminum or FR4 or steel or titanium.
17. Verformungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteschaltung mit einer ersten und einer zweiten Brückenschaltung (5000, 6000) vorgesehen ist.17. deformation body according to one of claims 1 to 16, characterized in that an evaluation circuit with a first and a second bridge circuit (5000, 6000) is provided.
18. Verformungskörper nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung auf dem Verformungskörper angeordnet ist.18. deformation body according to claim 17, characterized in that the evaluation circuit is arranged on the deformation body.
19. Verformungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnmesstruktur (3072) mittels Fotolithografie und selektivem Ätzen aus einer mehrschichtigen leitfähigen Schicht hergestellt ist, wobei die mehrschichtige leitfähige Schicht eine erste Teilschicht mit hohem spezifischem Widerstand, insbesondere eine Teilschicht aus Nickel, und eine zweite Teilschicht mit niedrigem spezifischem Widerstand, insbesondere eine Teilschicht aus Kupfer, auf- weist.19. deformation body according to one of claims 1 to 18, characterized in that the Dehnmesstruktur (3072) is made by means of photolithography and selective etching of a multilayer conductive layer, wherein the multilayer conductive layer comprises a first sublayer with high resistivity, in particular a sublayer Nickel, and a second partial layer with low resistivity, in particular a partial layer of copper, up.
20. Messaufnehmer für mechanische Kräfte und/oder Momente mit einem Verformungskörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19.20. Sensor for mechanical forces and / or moments with a deformation body according to one of claims 1 to 19.
21. Roboter mit einem Roboterwerkzeug (10002), das mit einem Messaufnehmer für mechanische Kräfte und/oder Momente gemäß Anspruch 20 an einem Roboterarm (10004) aufgenommen ist. 21. A robot with a robot tool (10002), which is accommodated with a sensor for mechanical forces and / or moments according to claim 20 on a robot arm (10004).
EP08875441A 2008-12-10 2008-12-10 Deformation element for a force-moment sensor Withdrawn EP2376885A1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2008/067265 WO2010066296A1 (en) 2008-12-10 2008-12-10 Deformation element for a force-moment sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2376885A1 true EP2376885A1 (en) 2011-10-19

Family

ID=41055275

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP08875441A Withdrawn EP2376885A1 (en) 2008-12-10 2008-12-10 Deformation element for a force-moment sensor

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP2376885A1 (en)
WO (1) WO2010066296A1 (en)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012202917B4 (en) 2011-03-15 2018-03-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Force-moment sensor for measuring forces and moments
EP2631624A3 (en) * 2012-02-27 2014-06-18 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Force-torque sensor for measuring force and momentum
DE102014210379B4 (en) * 2014-06-02 2016-03-24 Kuka Roboter Gmbh A torque sensor and method for detecting torques occurring at or in a joint of an articulated arm robot
US9724473B2 (en) * 2016-01-12 2017-08-08 Nickolas Peter Demas Multi-directional low-displacement force sensor
JP6999587B2 (en) * 2019-01-28 2022-01-18 日本電産コパル電子株式会社 Elastic body and force sensor using it
EP4227656A1 (en) * 2022-02-14 2023-08-16 TE Connectivity Sensors France System for sensing torque

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10217019C1 (en) * 2002-04-12 2003-07-03 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Force-torque sensor has disc-shaped reception part with peripheral sections attached to central part via respective spokes and coupled via coupling sections
DE10217017C1 (en) * 2002-04-12 2003-07-17 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Force-moment sensor has expansion measuring strips applied to each section of reception part contacted by flexible conductor path foil
EP1843138B1 (en) * 2006-04-06 2012-05-16 Sauer-Danfoss ApS A bolt having a layer of conducting material forming a sensor
DE102007026827A1 (en) * 2007-06-06 2009-01-22 Weiss, Hans Single-axis force-torque-sensor for robot-supported manipulation and assembling processes, has extension measuring structure for detecting deformation, realized as part of metal lamination of printed circuit board in deformable area

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2010066296A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2010066296A1 (en) 2010-06-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3149439B1 (en) Torque sensor and method for detecting torques occurring on or in a joint of an articulated arm robot
DE3611336C2 (en)
EP0315628B1 (en) Process for contactless measurement of mechanical stresses
EP2470920B1 (en) Magnetic field sensor
EP2376885A1 (en) Deformation element for a force-moment sensor
EP0921384B1 (en) Electrical resistor ( strain gauge ) mounted on a carrier element by pulling off a backing element and sintering ( power assisted steering system )
WO2011039566A1 (en) Measuring device allowing detection of deformations
DE19843579C2 (en) Mechanical-electrical converter
EP1068501B1 (en) Strain-sensitive resistor
DE102007026827A1 (en) Single-axis force-torque-sensor for robot-supported manipulation and assembling processes, has extension measuring structure for detecting deformation, realized as part of metal lamination of printed circuit board in deformable area
DE3050497C2 (en)
DE19747001C2 (en) Strain gauges and a mechanical-electrical transducer made with these strain gauges
WO2005031296A1 (en) Data capture system and processing system for a roller bearing and roller bearing provided with said type of system
EP3631354B1 (en) Multi-grid strain gauge and metal strip having such a strain gauge
DE10144054A1 (en) Torsion module for a torque-sensing device for measurement of the torque applied by a motor vehicle steering column, has an arrangement for limiting displacement of elements of the torsion module that is cost-effective and precise
DE102008014206B3 (en) Torque sensing using integrated strain gauges
EP2585802A1 (en) Piezoresistive force sensor
DE202016008592U1 (en) sensor
DE102004033925B4 (en) Torque transducer
EP0307998B1 (en) Force sensor
WO2012010301A1 (en) Strain gauge
WO2019224401A1 (en) Component for conducting a fluid having a sensor
EP2368837B1 (en) Circuit board sensor and method for manufacturing the same
EP1189047A2 (en) Bending moment sensor
DE102011105539B4 (en) Device for converting a force into an electrical signal, in particular piezoresistive force sensor

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20110705

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20150616

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20151027