WO2010066296A1

WO2010066296A1 - Verformungskörper für kraft-momenten-sensor

Info

Publication number: WO2010066296A1
Application number: PCT/EP2008/067265
Authority: WO
Inventors: Karsten Weiss; Hans Weiss
Original assignee: Karsten Weiss; Hans Weiss
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2010-06-17
Also published as: EP2376885A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verformungskörper für einen Kraft-Momenten- Sensor mit einer Leiterplatte, die wenigstens eine erste Dehnmessstruktur in Form einer ersten Leiterbahn (3002) und wenigstens eine zweite Dehnmessstruktur in Form einer zweiten Leiterbahn (3032) umfasst. Erfindungsgemäß hat die Leiterplatte wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite Leiterbahnschicht (2008,2010), wobei die erste Leiterbahn (3002) in der ersten Leiterbahnschicht (2008) und die zweite Leiterbahn (3032) in der zweiten Leiterbahnschicht (2010) liegt.

Description

Verformungskörper für Kraft-Momenten-Sensor

Beschreibung

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Diese Aufgabe wird durch einen Verformungskörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Der elektrische Widerstand der weiteren Dehnmessstruktur lässt sich so sehr exakt an den Widerstand der ersten bzw. zweiten Dehnmessstruktur anpassen.

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.

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.

Der Verformungskörper kann insbesondere aus einer Leiterplatte gefertigt werden. Alternativ hierzu ist es möglich, eine Trägerstruktur mittels Leiter- plattentechnik zu bearbeiten.

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.

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.

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.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 einen ersten Verformungskörper zum Einsatz in einem Kraft- Momenten-Sensor;

Fig. 2 einen Schichtaufbau des ersten Verformungskörpers;

Fig. 3 Dehnmessstrukturen in unterschiedlichen Schichten des ersten Verformungskörpers;

Fig. 4 den ersten Verformungskörper in einem verformten Zustand;

Fig. 5 eine erste Brückenschaltung für das Erfassen von mechanischen Längsspannungen an dem ersten Verformungskörper;

Fig. 6 eine zweite Brückenschaltung für das Erfassen von mechani- sehen Querspannungen an dem Verformungskörper;

Fig. 7 eine dritte Brückenschaltung für das Erfassen von mechanischen Längsspannungen an dem Verformungskörper;

Fig. 8 einen Schnitt eines Kraft-Momenten-Sensors mit dem ersten Verformungskörper; Fig. 9 eine weitere Ansicht des Kraft-Momenten-Sensors aus Fig. 8;

Fig. 10 einen Roboter mit dem Kraft-Momenten-Sensor;

Fig. 11 und 12 einen zweiten Verformungskörper für einen Kraft- Momenten-Sensor;

Fig. 13 eine Teilansicht des zweiten Verformungskörpers;

Fig. 14 sowie 15 und 16 Teilansichten eines dritten, vierten und fünften Verformungskörpers.

Der in Fig. 1 gezeigte Verformungskörper 1000 ist zur Verwendung in einem Kraft-Momenten-Sensor für die Robotertechnik ausgelegt.

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.

Der Verformungskörper 1000 hat sechs Verformungsbereiche 1018,1020, 1022,1024,1026,1028 und drei Kompensationsbereiche 1030,1032 und 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.

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 Isolationsschichten

2024,2026,2028,2030,2032,2034 aus FR4 elektrisch getrennt.

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.

Die Fig. 3 zeigt die Leiterplattenschichten 2008,2010,2012,2016,2018,2020 des Verformungskörpers 1000 aus 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 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.

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.

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..

Die Dehnmessstrukturen der Schichten 2010,2012,2018,2020 verlaufen mit

Leiterbahnen, die zu den unmittelbar darüber bzw. darunter angeordneten Leiterbahnen der Dehnmessstrukturen 3002-3013 bzw. 3022-3033 der

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.

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.

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.

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 U_A bereitstellt, die ein Mass für die Biegebeanspruchung des Verformungsabschnitts 1020 vom Verformungskörper 1000 aus Fig. 1 ist, an dem sich die Dehnmessstrukturen befinden.

In der Brückenschaltung 5000 sind damit Dehnmessstrukturen aus den vier unterschiedlichen Leiterbahnschichten 2010, 2012, 2018 und 2020 verschaltet.

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-

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.

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.

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 =

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.

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.

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.

Die Brückenschaltung 6000 enthält einen als Differenzverstärker ausgeführten Operationsverstärker 6100, der als Mass für eine Scherbeanspruchung des Verformungskörpers eine Spannung U_A abgibt.

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.

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 U_A 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.

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. 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.

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. 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

Claims

Patentansprüche

1. Verformungskörper (1000, 11000, 15000, 16000) für Kraft-Momenten-

Sensor

mit einer Leiterplatte;

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 Leiterbahn

(3804) umfasst,

dadurch gekennzeichnet, dass

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.

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.

3. Verformungskörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnschleifen des zweiten Messgitters in schräger Richtung zu den Leiterbahnschleifen des ersten Messgitters verlaufen.

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.

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.

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.

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.

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.

9. Verformungskörper nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Dehnmessstruktur (3086) in der ersten oder der zweiten Leiterbahnschicht (2012) ausgebildet ist.

10. Verformungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass symmetrisch ausgebildete Dehnmessstrukturen zu beiden Seiten der Trägerstruktur vorgesehen sind.

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.

12. Verformungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verform ungskörper aus einer Leiterplatte gefertigt ist.

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.

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.

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.

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.

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.

18. Verformungskörper nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung auf dem Verformungskörper angeordnet ist.

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.

20. Messaufnehmer für mechanische Kräfte und/oder Momente mit einem Verformungskörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 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.